JPH09115537A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の課題は、電気出力変動時や燃料切替時
における燃料電池出力低下のない燃料電池発電システム
を提供することにある。 【解決手段】本発明は、化石燃料を改質して水素を作り
出す改質器２と、前記改質器２からの水素と空気中の酸
素７を燃料として発電を行う燃料電池３、および前記燃
料電池３の発電電力を変換する電力変換装置９とからな
る燃料電池発電システムにおいて、前記改質器２からの
水素と合わせて燃料電池３に水素を供給する水素供給装
置１００または空気中の酸素７と合わせて燃料電池３に
酸素を供給する酸素供給装置２００を備え、前記電力変
換装置９の出力電力変動に応じて前記水素供給装置１０
０の水素または前記酸素供給装置２００の酸素を供給す
るものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化石燃料を水素に
改質する改質器と、水素と酸素を燃料として発電を行う
燃料電池と、燃料電池の発電電力を変換する電気出力系
とからなる燃料電池発電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池発電システムでは、図４
に示すように都市ガス等の燃料を常用燃料１として用い
ている。燃料電池３は燃料極４、電解質５と空気極６か
ら構成されており、燃料極４に水素を、空気極６に空気
中の酸素７を供給することで電池反応により直流電力８
を得る。得られた直流電力８を電力変換装置９に供給し
て電気出力として利用する。燃料極４に供給する水素を
作るには、常用燃料１である都市ガスを改質器２で改質
して水素を多量に含む改質ガスに変化させる。この改質
ガスを燃料電池３の燃料極４に供給し、空気中の酸素７
を空気極６に供給することで燃料電池３は発電を行う。
燃料電池３の発電電力を増加（または減少）するために
は、都市ガス等の常用燃料１、空気中の酸素７の量を増
加（または減少）させることで発電電力８を変化させ
る。

【０００３】図４の従来の燃料電池発電システムでは、
常用燃料１として都市ガスを用いているが、都市ガスの
供給が途絶えた時には発電を行えないので、通信用電源
システムのように高信頼が要求されるシステムに燃料電
池発電システムを適用するためには、図５のように、プ
ロパンのような予備燃料１’を備蓄しておいて都市ガス
が途絶えた時には、燃料切替装置１０を用いてプロパン
等の予備燃料１’に切り替えて発電を継続する燃料電池
発電システムが提案されている。図５のシステムでは、
予備燃料１’であるプロパンを改質器２に供給して水素
を作るが、この場合には都市ガスの場合と改質条件が異
なるので、予め決められた改質温度、燃料供給量および
水蒸気供給量に制御することが必要となる。このように
して常用燃料１の都市ガスの供給が途絶えた時にも予備
燃料１’に切り替えて改質器で水素を発生させることで
燃料電池の発電を継続することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の燃料電
池発電システムでは、燃料電池から急激に電気出力を取
り出す時には電気出力に見合った水素を改質器で作るに
は時間遅れが生じるため、水素の供給不足により燃料電
池出力が一時的に低下し、燃料電池の劣化が生じるとい
う問題があった。従って、電気出力変動の大きな負荷に
燃料電池から電力供給を行うことはできなかった。

【０００５】また、常用燃料である都市ガスから予備燃
料であるプロパンへ燃料切替を行った場合、同じ改質器
を用いるとしても改質条件がことなるため、改質器から
安定に水素が取り出せる定常状態に達するまでには時間
遅れが生じる。従って、燃料切替時には燃料となる水素
の供給不足が生じ、燃料電池出力が一次的に低下する現
象が生じる。燃料電池出力が低下した状態で一定の電気
出力を取り出し続けると燃料電池の急激な劣化が生じ、
燃料電池がシステムダウンするという問題があった。こ
のため通信用電源のような高信頼性が要求される電源と
して燃料電池発電システムを適用するには、燃料切替時
にシステムダウンが起こる恐れがある。

【０００６】上記従来技術の電気出力変動時における水
素供給量と燃料電池出力電圧の時間変化を図６に示す。
電気出力変動時にΔｔ１時間の間、水素供給量の不足と
それに伴う燃料電池出力電圧が低下を生じることが容易
に理解できる。また、上記従来技術の燃料切替時におけ
る水素供給量と燃料電池出力の時間変化を図７に示す。
燃料切替時にΔｔ２時間の間水素供給量の不足とそれに
伴う燃料電池の電圧低下が生じることが容易に理解でき
る。

【０００７】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、電気出力変動時や燃料切替時における燃料電池出力
低下のない燃料電池発電システムを提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記課題の解決は、本発
明が次に列挙する新規な特徴的構成をとることにより達
成される。すなわち、本発明の第１の特徴は、化石燃料
を改質して水素を作り出す改質器と、前記改質器からの
水素と空気中の酸素を燃料として発電を行う燃料電池、
および前記燃料電池の発電電力を変換する電気出力系と
からなる燃料電池発電システムにおいて、前記改質器か
らの水素と合わせて燃料電池に水素を供給する水素供給
装置または空気中の酸素と合わせて燃料電池に酸素を供
給する酸素供給装置を備え、前記電気出力系の電力変動
に応じて前記水素供給装置の水素または前記酸素供給装
置の酸素を供給することである。

【０００９】本発明の第２の特徴は、化石燃料を改質し
て水素を作り出す改質器と、前記改質器からの水素と空
気中の酸素を燃料として発電を行う燃料電池、および前
記燃料電池の発電電力を変換する電気出力系とからなる
燃料電池発電システムにおいて、常用燃料と予備燃料を
切り替えて前記改質器に供給する燃料切替装置と、前記
改質器からの水素と合わせて燃料電池に水素を供給する
水素供給装置または空気中の酸素と合わせて燃料電池に
酸素を供給する酸素供給装置を備え、前記燃料切替装置
により燃料切替を行うときに前記水素供給装置の水素ま
たは前記酸素供給装置の酸素を供給することである。

【００１０】本発明第３の特徴は、前記第１の特徴また
は前記第２の特徴における燃料電池発電システムが、水
の電気分解によって発生する水素または酸素を貯蔵する
高圧タンクを備え、前記水素及び前記酸素を改質器から
の水素または前記空気中の酸素と合わせて燃料電池に供
給することである。

【００１１】本発明の第４の特徴は、前記第３の特徴に
おける燃料電池発電システムが、燃料電池の排熱により
発電する熱電素子を備え、前記熱電素子の発電電力によ
り水の電気分解を行うことである。

【００１２】本発明は上記のような構成をとっているの
で、燃料切替時には水素供給装置または酸素供給装置に
蓄えられている水素または酸素を改質器からの水素や空
気中の酸素と合わせて供給することで、燃料電池の劣化
を防止して高信頼な燃料電池発電システムを実現でき
る。

【００１３】また、水の電気分解によって発生させた水
素や酸素を高圧タンクに貯蔵しておくことで、燃料電池
の電気出力変動が大きい時に高圧タンク内の水素や酸素
を供給することで燃料電池の劣化を防止することができ
る。さらに、水の電気分解に必要な電力を燃料電池の排
熱を利用した熱電素子から得ることにより高効率な燃料
電池発電システムを実現できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態例を詳細に説明する。なお、本発明の精神を逸脱
しない範囲で種々の変更あるいは改良を行いうることは
言うまでもない。

【００１５】図１は本発明の第１の実施形態例の燃料電
池発電システムを示す構成説明図である。図中、１は常
用燃料、２は改質器、３は燃料電池、４は燃料極、５は
電解質、６は空気極、７は酸素、８は直流電力、９は電
力変換装置、１００は水素供給装置、１１０は水素タン
ク、１２０は弁、２００は酸素供給装置、２１０は酸素
タンク、２２０は弁である。

【００１６】即ち、化石燃料の常用燃料１を改質器２で
改質して水素を作り出し、この改質器２からの水素を燃
料電池３の燃料極４に供給すると共に水素供給装置１０
０からの水素を燃料電池３の燃料極４に供給する。また
空気中の酸素７を燃料電池３の空気極６に供給すると共
に酸素供給装置２００からの酸素を燃料電池３の空気極
６に供給する。燃料電池３は改質器２及び水素供給装置
１００からの水素と空気中の酸素７及び酸素供給装置２
００からの酸素を燃料として電解質５の電池反応により
直流電力８の発電を行う。前記燃料電池３からの直流電
力８を電力変換装置９に供給して電気出力として利用す
る。この電気出力系の電力変動に応じて前記水素供給装
置１００の弁１２０を制御して水素タンク１１０から水
素を供給するか、または前記酸素供給装置２００の弁２
２０を制御して酸素タンク２１０から酸素を供給する。

【００１７】尚、前記水素供給装置１００か前記酸素供
給装置２００のいずれか一方のみを備える燃料電池発電
システムを構成してもよい。図２は、本発明の第２の実
施形態例を示す燃料電池発電システムの構成を示す。図
２は、図５の燃料切替を考慮した燃料電池発電システム
の燃料電池３の燃料極４に水素を多量に含んだ改質ガス
を供給するラインと並列に水素を供給する水素供給装置
１００を設けたことを特徴とするものである。また、空
気中の酸素７を燃料電池３の空気極６に供給するライン
と並列に酸素を供給する酸素供給装置２００を設けたこ
とを特徴とする。なお、図２に示した記号のうち図５と
同一のものは同一の部分を示し、説明を省略する。

【００１８】水素供給装置１００において、水素を蓄え
る水素タンク１１０には、圧力の高い水素を蓄えてお
き、燃料電池３の必要水素量が不足する燃料切替時等に
は、弁１２０を調節して改質ガスと合わせて水素を燃料
電池３の燃料極４に供給する。弁１２０を調節するタイ
ミングとしては、常用燃料１と予備燃料１’を切り替え
る燃料切替装置１０の切替信号を用いて予め燃料が切り
替わる前に水素タンク１１０から水素を供給することで
水素の不足がなくなる。燃料極４に多くの水素を供給し
ても電池反応に用いられなかった余剰水素は燃料極４の
出口から流出する。余剰水素を有効に活用するために
は、改質反応に必要な熱量を確保するための改質器２の
燃料ガスとして用いてもよい。

【００１９】一方、燃料電池３の電池反応には水素の他
に酸素も必要となるが、空気極６の酸素が不足すると燃
料電池３の出力特性が低下して劣化する。急激な電気出
力変化に耐えるためには燃料電池３の燃料極４及び空気
極６への素早い水素と酸素の供給が必要となる。このた
め、燃料極４への水素の供給に加えて空気極６へも空気
中の酸素７の他に酸素供給装置２００の酸素タンク２１
０から酸素を弁２２０を調節して供給することで燃料電
池３から急激に電気出力を取り出しても燃料電池３の出
力特性低下の少ない燃料電池発電システムを提供でき
る。

【００２０】常用燃料１から予備燃料１′に燃料が切り
替わって安定するまでの時間は、比較的短い時間である
ため、燃料切替時に不足する水素及び酸素の量はタンク
に蓄えておき、不足した時に切り替えることで対処でき
る。一方、燃料電池３の出力電力変動に対して燃料電池
３を応答させようとすると、水素タンク１１０と酸素タ
ンク２１０の取り替えが頻繁に繰り返されるため常に水
素と酸素を作りだす必要がある。

【００２１】図３は本発明の第３の実施形態例であり、
図２の水素タンク１１０と酸素タンク２１０に常に水素
と酸素を蓄えておくための構成である。高圧タンク３０
０内に水を蓄えておき正極３１０と負極３２０の電極に
よる水の電気分解により水素と酸素を作り出す方法を用
いるものである。高圧タンク３００の水素貯蔵部３３０
と酸素貯蔵部３４０を電気は流れるが気体の移動ができ
ないように隔壁３５０で仕切っている。水の電気分解に
より得られた水素ガスと酸素ガスは高圧タンク３００内
の水素貯蔵部３３０と酸素貯蔵部３４０に蓄えられてい
るため弁３６０、３７０を調節することにより、燃料電
池３の急激な変動に対しても十分な水素と酸素を燃料電
池３へ供給できる。電気分解によって消費される水は外
部から補給する必要があるが、このための補給水３８０
としては、一般の水道水を用いてもよいが、電池反応に
より燃料電池３から排出される水蒸気を凝縮して用いて
もよい。この際、水道水等には不純物が多く含まれてい
るので、一般には不純物を取り除くためにイオン交換樹
脂等により濾過して供給する。

【００２２】高圧タンク３００の電極３１０，３２０へ
電力を供給する方法としては、燃料電池３の電気出力を
利用する方法もあるが、図３には燃料電池３から得られ
る排熱を熱電素子４００の発電に利用して水の電気分解
を行う方法を示している。改質器２は化石燃料を水素に
改質するために高温に維持されるので、この改質器２の
高い温度と室温の温度差によって熱電素子４００を用
い、得られる電力を利用して水の電気分解に利用する。
電力変換回路５００は水の電気分解によって発生する水
素や酸素の量に応じて熱電素子４００から供給する電力
を調整する。このように電力変換回路５００により熱電
素子４００からの供給電力を調整することで高圧タンク
３００内の圧力を一定に制御できるというメリットがあ
る。このように構成することで、高圧タンク３００内に
水素と酸素を高い圧力で貯蔵できるので、弁３６０，３
７０を調整することで必要なときに必要なだけの水素と
酸素を供給することができる。ここでは電気出力変動時
や燃料切替時にのみ高い濃度の水素や酸素を利用する例
について説明したが、常時これらの水素や酸素を燃料電
池３の発電に利用することで高効率な燃料電池発電を行
えることは言うまでもない。本実施形態例では改質器２
の高温と室温の差を利用した熱電素子４００による発電
電力を水の電気分解に利用する例について説明したが、
改質器２以外の箇所であっても水の電気分解に必要な電
力が得られる箇所に熱電素子を取り付けてもよい。ま
た、熱電素子以外のものを用いて水の電気分解を行うこ
とで水素または酸素を発生させてもよいことは言うまで
もない。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、都市
ガスからプロパンへの燃料切替時や燃料電池の電気出力
変動時に高い圧力で貯蔵している水素や酸素を速やかに
供給することにより、燃料電池の燃料極および空気極へ
十分な燃料を供給できるため燃料電池の劣化を防止でき
る高信頼な燃料電池発電システムを実現でき、通信用電
源としても適用が可能となる。水素と酸素の発生には燃
料電池の排熱を用いることで高効率な燃料電池発電シス
テムを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態例を示す構成説明図で
ある。

【図２】本発明の第２の実施形態例を示す構成説明図で
ある。

【図３】本発明の第３の実施形態例を示す構成説明図で
ある。

【図４】従来の燃料電池発電システムの一例を示す構成
説明図である。

【図５】従来の燃料電池発電システムの他の例を示す構
成説明図である。

【図６】従来の燃料電池発電システムにおける燃料電池
電気出力変動時の各部波形の一例を示す波形図である。

【図７】従来の燃料電池発電システムにおける燃料切替
時の各部波形の一例を示す波形図である。

【符号の説明】

１…常用燃料、１′…予備燃料、２…改質器、３…燃料
電池、４…燃料極、５…電解質、６…空気極、７…酸
素、８…直流電力、９…電力変換装置、１０…燃料切替
装置、１００…水素供給装置、１１０…水素タンク、１
２０…弁、２００…酸素供給装置、２１０…酸素タン
ク、２２０…弁、３００…高圧タンク、３１０…正極、
３２０…負極、３３０…水素貯蔵部、３４０…酸素貯蔵
部、３５０…隔壁、３６０，３７０…弁、３８０…補給
水、４００…熱電素子、５００…電力変換回路。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化石燃料を改質して水素を作り出す改質
   器と、前記改質器からの水素と空気中の酸素を燃料とし
   て発電を行う燃料電池、および前記燃料電池の発電電力
   を変換する電気出力系とからなる燃料電池発電システム
   において、 前記改質器からの水素と合わせて燃料電池に水素を供給
   する水素供給装置または空気中の酸素と合わせて燃料電
   池に酸素を供給する酸素供給装置を備え、前記電気出力
   系の電力変動に応じて前記水素供給装置の水素または前
   記酸素供給装置の酸素を供給することを特徴とする燃料
   電池発電システム。
2. 【請求項２】 化石燃料を改質して水素を作り出す改質
   器と、前記改質器からの水素と空気中の酸素を燃料とし
   て発電を行う燃料電池、および前記燃料電池の発電電力
   を変換する電気出力系とからなる燃料電池発電システム
   において、 常用燃料と予備燃料を切り替えて前記改質器に供給する
   燃料切替装置と、前記改質器からの水素と合わせて燃料
   電池に水素を供給する水素供給装置または空気中の酸素
   と合わせて燃料電池に酸素を供給する酸素供給装置を備
   え、前記燃料切替装置により燃料切替を行うときに前記
   水素供給装置の水素または前記酸素供給装置の酸素を供
   給することを特徴とする燃料電池発電システム。
3. 【請求項３】 水素を供給する水素供給装置及び酸素を
   供給する酸素供給装置として高圧タンクを用い、前記高
   圧タンク内の水の電気分解によって前記水素または前記
   酸素を得ることを特徴とする請求項１または２記載の燃
   料電池発電システム。
4. 【請求項４】 燃料電池の排熱により発電する熱電素子
   を備え、前記熱電素子の発電電力により水の電気分解を
   行うことを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電シス
   テム。