JP2003229155A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 負荷変動に対する応答性を向上した燃料電池
システムを提供する。 【解決手段】 燃料電池システムＳでは、脱硫済み都市
ガス（原料ガス）を改質器４０によって水素（燃料ガ
ス）に改質して水素吸蔵タンク５０（吸蔵放出手段）に
送るとともに、上記原料ガスの一部をバイパス路１２に
よって改質器４０を迂回させてタンク５０に導く。バイ
パス路１２には電磁流量制御弁３２（流量制御手段）を
設ける。この弁３２を電気系統９０の負荷変動に応じて
流量調節することによって、タンク５０の水素分圧を変
え、水素吸蔵合金５１に水素を吸蔵させたり放出させた
りする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池で発電す
るシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】一般
に、燃料電池システムでは、都市ガス等の含水素原料を
改質器で改質して水素ガスを生成し、これを燃料電池ス
タックに導いて酸素と電気化学反応を起させて電気エネ
ルギーを得ている。この電気エネルギーは、家屋の電気
機器等の電力として用いられるが、その必要量すなわち
負荷は、時間的に変動するのが通例である。そこで、更
に水素吸蔵合金を組み合せたシステムが開発されてい
る。例えば、特開昭５７−７８７７３号公報に記載のも
のでは、燃料電池スタックからの排熱で水素吸蔵合金を
温度調節することによって、負荷が小さい時は余分な水
素を吸蔵させ、負荷が大きい時は上記吸蔵水素を放出さ
せ補充するようにしている。しかしながら、排熱温度に
よって水素の吸蔵、放出を制御しているので応答性が悪
いという問題があった。

【０００３】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、本発明に係る燃料電池システムは、原料供給路から
の原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器と、生
成された燃料ガスをその分圧に応じて吸蔵、放出する吸
蔵放出手段と、この吸蔵放出手段より下流の燃料ガスを
消費してエネルギーを取り出す燃料電池スタックと、上
記原料供給路からの原料ガスの一部を上記改質器を迂回
させて上記吸蔵放出手段に導くバイパス路と、このバイ
パス路に設けられた流量制御手段とを備えている。この
流量制御手段によって、上記一部の原料ガスの流量ひい
ては上記分圧が、上記エネルギーの必要量（需要）すな
わち負荷に応じて調節される。これによって、負荷変動
に対する応答性を向上させることができる。上記エネル
ギーには、燃料電池スタックの発電によって取り出され
る電気エネルギーのほか、発電の際の発熱によって取り
出される熱エネルギーも含まれる。

【０００４】上記原料供給路には、二次圧を所定に維持
する減圧弁が設けられていることが望ましい。これによ
って、耐圧設計が容易になり、配管等の構成のコンパク
ト化を図ることができる。

【０００５】上記燃料ガスは、水素であることが望まし
い。上記吸蔵放出手段は、水素吸蔵合金を含むことが望
ましい。

【０００６】更に、燃料電池システムが、上記燃料電池
スタックからの排出ガス中の原料ガスを捕捉して貯蔵す
る原料貯蔵手段と、この貯蔵量に応じて、上記原料貯蔵
手段を上記原料供給路への原料供給源として代用するか
否かを選択する選択手段とを備えているのが望ましい。
これによって、原料ガスを無駄なく利用することができ
る。

【０００７】上記原料貯蔵手段が、上記排出ガスを、捕
捉すべき原料ガスと通過させるべきその他のガスとに分
離し、この通過ガスが、上記改質器の加温用の燃料とし
て用いられることが望ましい。これによって、ガスの一
層効率的な利用を図ることができ、適量のガスで改質器
を適温にすることができる。上記原料貯蔵手段は、原料
ガスを水和包接化合物（ハイドレート）にして貯蔵する
ことが望ましい。これによって、原料ガスの貯蔵容量を
増やすことができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
にしたがって説明する。図１は、家屋に構築された燃料
電池システムＳを示したものである。燃料電池システム
Ｓは、家屋の都市ガス管１０に連なる脱硫器２０と、こ
の脱硫器２０に生ガス路１１（原料供給路）を介して接
続された改質器４０と、この改質器４０に燃料ガス路１
３を介して接続された燃料電池スタック６０と、燃料ガ
ス路１３の中途部に介在された水素吸蔵タンク５０（吸
蔵放出手段）とを基本構成として備えている。

【０００９】脱硫器２０は、ガス管１０から取り込んだ
都市ガスに含まれる付臭剤を除去（脱硫）するようにな
っている。以下、脱硫済み都市ガスを生ガス（原料ガ
ス）と称する。

【００１０】改質器４０は、生ガス路１１からの生ガス
を水と反応（改質）させて、水素（燃料ガス）と二酸化
炭素を生成する。更に水素透過膜（図示せず）によって
水素を二酸化炭素から分離して濃縮し、高純度水素ガス
を作るようになっている。改質器４０には、改質時の温
度を保持するためのバーナ４１が付設されている。水素
吸蔵タンク５０には、例えばＭｍＮｉ５系等の水素吸蔵
合金５１が収容されている。

【００１１】燃料電池スタック６０は、水素と酸素と反
応させて電気エネルギーを得る（発電する）ようになっ
ている。得られた電気エネルギーは、家屋の家電機器等
の電気系統９０に供給される。

【００１２】燃料電池スタック６０の排気口からオフガ
ス路１４が延びている。このオフガス路１４に、メタン
ハイドレート製造貯蔵装置７０（原料貯蔵手段）が連な
っている。公知の通り、メタンハイドレート製造貯蔵装
置７０は、都市ガス等のメタンを主成分とするガスを高
圧下で水と接触させてメタンハイドレート（水和包接化
合物）を製造するものであり、詳細な図示は省略する
が、高圧を作り出すための圧縮機や、出来上がったハイ
ドレートを貯える容器や、ハイドレートにされずに通過
するガスの排出口等を有している。上記ハイドレートの
貯蔵容器から生ガス戻し路１５が延び、通過ガスの排出
口から燃焼用ガス路１６が延びている。燃焼用ガス路１
６の下流端は、改質器４０のバーナ４１に達している。
これによって、上記通過ガスが、バーナ４１の燃焼に供
されるようになっている。

【００１３】一方、生ガス戻し路１５は、上記脱硫器２
０と改質器４０との間の生ガス路１１へ延びている。生
ガス路１１には、生ガス戻し路１５との接続部に電磁方
向制御弁３０（流路切換え手段）が連なっている。電磁
方向制御弁３０は、都市ガス導入位置３０ａと生ガス戻
し位置３０ｂとを有する２位置３ポートの三方弁であ
る。そして、都市ガス導入位置３０ａでは、当該弁３０
の両側の生ガス路１１を流通させるとともに、生ガス戻
し路１５を遮断するようになっている。以下、この時の
システムＳの状態を「都市ガス導入モード」という。一
方、生ガス戻し位置３０ｂでは、生ガス戻し路１５を当
該弁３０より下流側の生ガス路１１に連ねるとともに、
当該弁３０より上流側の生ガス路１１を遮断するように
なっている。以下、この時のシステムＳの状態を「生ガ
ス戻しモード」という。

【００１４】電磁方向制御弁３０より下流の生ガス路１
１には、減圧弁３１（圧力制御手段）が設けられてい
る。減圧弁３１は、その二次圧を所定の常圧に維持する
ようになっている。

【００１５】減圧弁３１と改質器４０との間の生ガス路
１１からバイパス路１２が分岐している。バイパス路１
２は、改質器４０を迂回して、改質器４０と水素吸蔵タ
ンク５０との間の燃料ガス路１３に合流している。この
バイパス路１２に電磁流量制御弁３２が設けられてい
る。

【００１６】更に、燃料電池システムＳには、コントロ
ーラ８０（制御手段）が備えられている。このコントロ
ーラ８０によってシステムＳ全体の動作が制御される。
このコントローラ８０と上記電磁方向制御弁３０とによ
って、特許請求の範囲の「選択手段」が構成されてい
る。

【００１７】上記のように構成された燃料電池システム
Ｓの動作を説明する。メタンハイドレート製造貯蔵装置
７０には、メタンハイドレートが未だ殆ど貯えられてい
ないものとする。この貯蔵量は、装置７０に付設したメ
タンハイドレート貯蔵量検出手段（図示せず）によって
検出され、コントローラ８０に送られる。コントローラ
８０は、この入力信号に基づいて電磁方向制御弁３０を
都市ガス導入位置３０ａに位置させ、都市ガス導入モー
ドにする。

【００１８】これによって、都市ガスが、ガス管１０か
ら脱硫器２０に導入されて脱硫され、生ガスとなる。こ
の生ガスが、電磁方向制御弁３０を経た後、減圧弁３１
によって所定の常圧にされる。そして、改質器４０へ流
れ込むものとバイパス路１２に流れ込むものとに分流さ
れ、改質器４０へ流れ込んだものは高純度水素ガスに改
質される。その後、両者は合流して水素吸蔵タンク５０
へ導かれる。

【００１９】上記コントローラ８０は、更に、電気系統
９０の電力需要（負荷）の変動に応じて電磁流量制御弁
３２を制御する。すなわち、負荷が減少した時は、電磁
流量制御弁３２の開度を小さくする。これによって、バ
イパス路１２の生ガス流量が小さくなる。一方、改質器
４０への生ガス流量は変わらず、一定量の高純度水素ガ
スが作られている。したがって、水素吸蔵タンク５０で
は全体圧は変わらずに水素分圧が大きくなる。そのた
め、水素吸蔵合金５１によって水素が吸蔵される。これ
によって、燃料電池スタック６０への水素ガス供給量ひ
いては発電量を負荷の減少に合わせて小さくすることが
できる。

【００２０】逆に負荷が増大した時は、電磁流量制御弁
３２の開度を大きくする。これによって、バイパス路１
２の生ガス流量が大きくなり、その分だけ水素吸蔵タン
ク５０での水素分圧が小さくなって、水素吸蔵合金５１
が水素を放出する。これによって、燃料電池スタック６
０への水素ガス供給量ひいては発電量を負荷の増大に合
わせて大きくすることができる。

【００２１】この結果、電気系統９０への電力供給を効
率良く行うことができる。しかも、流量制御弁３２の開
度調節によって燃料電池スタック６０への水素供給量を
直ちに増減させることができるので、負荷変動に対する
応答性を大きく向上させることができる。

【００２２】また、生ガスを用いて水素の吸蔵、放出の
制御を行っているが、生ガスには二酸化炭素が含まれて
いないため、水素吸蔵合金５１を常温（約３０℃）付近
で作動させても被毒（物理吸着）が起きることがなく、
充分な吸蔵能力を維持させることができる。更に、減圧
弁３１によってその二次圧を所定の常圧に維持できるの
で、水素吸蔵タンク５０や燃料ガス路１３の耐圧設計が
容易になり、構成をコンパクトにすることができる。

【００２３】燃料電池スタック６０からの排出ガス（以
下、「オフガス」と称する。）は、オフガス路１４によ
ってメタンハイドレート製造貯蔵装置７０に送られる。
この装置７０によって、オフガス中の生ガス（すなわち
上記水素の吸蔵放出制御に用いたガス）を捕捉し、ハイ
ドレートにして貯蔵することができる。そして、その他
のガスが、燃焼用ガス路１６によって改質器４０のバー
ナ４１へ送られ、燃焼に供される。これによって、バー
ナ４１への燃焼ガス量が過剰になるのを防止することが
でき、改質器４０が過熱されるのを防止することができ
る。

【００２４】運転に伴って、装置７０におけるメタンハ
イドレートの貯蔵量が次第に増えていく。この貯蔵量の
変化が上記貯蔵量検出手段によって検出され、コントロ
ーラ８０に送られる。コントローラ８０は、この検出貯
蔵量が所定の上限値に達した時、電磁方向制御弁３０を
生ガス戻し位置３０ｂに位置させ、生ガス戻しモードに
する。これによって、脱硫器２０ひいては都市ガス管１
０が遮断され、都市ガスの導入が停止される。また、コ
ントローラ８０は、メタンハイドレート製造貯蔵装置７
０の圧縮機等を操作することにより、ハイドレートを溶
かして貯蔵生ガスを解放する。この生ガスが、生ガス戻
し路１５を通り、電磁方向制御弁３０を経て、弁３０よ
り下流の生ガス路１１に送り込まれる（メタンハイドレ
ート製造貯蔵装置７０が原料供給源として代用され
る）。これによって、上記都市ガス管１０から都市ガス
を導入した場合と同様にして発電を行うことができると
ともに、生ガスを無駄なく利用することができ、都市ガ
ス使用量を節約できる。

【００２５】メタンハイドレート製造貯蔵装置７０のハ
イドレート貯蔵量が殆ど無くなった時（所定の下限値に
達した時）は、コントローラ８０は、電磁方向制御弁３
０を再び都市ガス導入位置３０ａに切り替え、都市ガス
導入モードに戻す。これによって、新たな都市ガスを導
入して発電が行われ、水素吸蔵放出制御に用いた生ガス
がメタンハイドレート製造貯蔵装置７０に貯えられてい
く。このようにして、メタンハイドレートの貯蔵量に応
じて、都市ガス導入モードと生ガス戻しモードが交互に
反復実行される。

【００２６】本発明は、上記実施形態に限定されるもの
ではなく、種々の改変をなすことができる。例えば、原
料貯蔵手段は、原料ガスをハイドレートではなく液化し
て貯蔵するものであってもよい。上記実施形態では、電
力需要の変動に応じて電磁流量制御弁３２を制御してい
るが、燃料電池スタック６０に排熱回収装置と熱利用機
器を接続し、熱需要の変動に応じて電磁流量制御弁３２
を制御することにしてもよい。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
改質器にバイパス路を設け、そこを通る原料ガスの流量
を調節することによって、負荷変動に即応することがで
き、応答性を向上させることができる。更に、原料供給
路に減圧弁を設けることによって、構成のコンパクト化
を図ることができる。

【００２８】原料貯蔵手段と選択手段とを備えることに
よって、原料ガスを無駄なく利用することができる。原
料貯蔵手段からの通過ガスを改質器の加温用燃料として
用いることによって、ガスの一層効率的な利用を図るこ
とができ、適量のガスで改質器を適温にすることができ
る。原料貯蔵手段が原料ガスを水和包接化合物にして貯
蔵することによって、貯蔵容量を増やすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの
ブロック図である。

【符号の説明】

Ｓ 燃料電池システム １１ 生ガス路（原料供給路） １２ バイパス路 １３ 燃料ガス路 １４ オフガス路 １５ 生ガス戻し路 １６ 燃焼用ガス路 ３０ 電磁方向制御弁 ３０ａ 都市ガス導入位置 ３０ｂ 生ガス戻し位置 ３１ 減圧弁 ３２ 電磁流量制御弁（流量制御手段） ４０ 改質器 ５０ 水素吸蔵タンク（吸蔵放出手段） ５１ 水素吸蔵合金 ６０ 燃料電池スタック ７０ メタンハイドレート製造貯蔵装置（原料貯蔵装
置） ８０ コントローラ ９０ 電気系統（電力負荷）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料供給路からの原料ガスを改質して燃
   料ガスを生成する改質器と、生成された燃料ガスをその
   分圧に応じて吸蔵、放出する吸蔵放出手段と、この吸蔵
   放出手段より下流の燃料ガスを消費してエネルギーを取
   り出す燃料電池スタックと、上記原料供給路からの原料
   ガスの一部を上記改質器を迂回させて上記吸蔵放出手段
   に導くバイパス路と、このバイパス路に設けられた流量
   制御手段とを備え、この流量制御手段によって、上記一
   部の原料ガスの流量ひいては上記分圧が、上記エネルギ
   ーの必要量すなわち負荷に応じて調節されることを特徴
   とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】 上記原料供給路に、二次圧を所定に維持
   する減圧弁が設けられていることを特徴とする請求項１
   に記載の燃料電池システム。
3. 【請求項３】 上記燃料ガスが、水素であることを特徴
   とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 【請求項４】 上記吸蔵放出手段が、水素吸蔵合金を含
   むことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システ
   ム。
5. 【請求項５】 上記燃料電池スタックからの排出ガス中
   の原料ガスを捕捉して貯蔵する原料貯蔵手段と、この貯
   蔵量に応じて、上記原料貯蔵手段を上記原料供給路への
   原料供給源として代用するか否かを選択する選択手段と
   を更に備えたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに
   記載の燃料電池システム。
6. 【請求項６】 上記原料貯蔵手段が、上記排出ガスを、
   捕捉すべき原料ガスと通過させるべきその他のガスとに
   分離し、この通過ガスが、上記改質器の加温用の燃料と
   して用いられることを特徴とする請求項５に記載の燃料
   電池システム。
7. 【請求項７】 上記原料貯蔵手段が、原料ガスを水和包
   接化合物にして貯蔵することを特徴とする請求項５又は
   ６に記載の燃料電池システム。