WO2003034523A1

WO2003034523A1 - Home-use fuel cell system

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Publication number: WO2003034523A1
Application number: PCT/JP2001/008940
Authority: WO
Inventors: Tsutomu Okusawa; Osamu Yokomizo; Toshiki Kahara; Kouichi Chino; Takaaki Mizukami; Shin Takahashi
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Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2001-10-11
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Description

明細書家庭用燃料電池システム技術分野

本発明は、燃料電池を主電源とする小形電源システムに係わり、特に、平均的には小さな電力需要にも係わらず、短時間の間には比較的大きな電力が必要となる家庭用に好適な家庭用燃料電池システムに関する。背景技術

燃料電池は、水素、一酸化炭素、炭化水素等の燃焼性化学物質やそれを含有する燃料を核物質に用い、その化学物質や燃料の酸化反応を電気化学的に行わせ、酸化過程におけるエネルギ変化を直接的に電気工ネルギに変換させる電池であつて、高いエネルギ変換率を期待できるものである。

特に、固体高分子電解質型燃料電池は、例えば特開平 5— 2 1 0 7 7号公報や特開平 5— 3 6 4 1 8号公報に記載のように、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池に次ぎ、第 4世代の燃料電池として開発されているものであり、それまでに開発されてきた燃料電池に比べ出力が高いという特徴があり、かつそのコンパクトさゆえに実用化に対する期待が高く、現在鋭意改良が検討されている。発明の開示

ここで、元来、燃料電池は、大規模電力用を中心に開発されてきた。この結果、業務用或いは家庭用のような小規模な用途への適用については、従来ほとんど配慮されていない。例えば家庭用に適用する場合、一日のうち限られた一部の時間帯（例えば朝の出勤 ·登校前の時間帯や夕食後の時間帯）にのみ比較的大きな電力需要（ピーク）があるものの、平均的には比較的電力需要は小さい。

このため、家庭用の電源に適用するべく、燃料電池の給電能力を例えばピーク時の需要電力をカバ一するように選定すると、ピーク時以外の大部分の時間帯において大きな余剰電力が生じることとなり、これを有効活用できない場合は大きなエネルギロスとなってエネルギ効率や経済性が低下する。

例えば、固体高分子電解質型燃料電池（以下適宜、 P E F Cという）の場合、余剰電力が増えたとしても売電単価が低いため不経済であり、また P E F Cの効率を 3 0〜4 0 %とすると出力の 6 0〜7 0 %相当の損失分が 1 0 O t程度と熱湯を沸かす以外には使い難い低温排ガスという形でしか得られない。この場合、お湯の消費量がそれほど大きくないと、大部分が有効に活用されることなく捨てられることとなる。

本発明の目的は、家庭用に適用した場合であつてもエネルギ効率及び経済性を向上できる家庭用燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、家庭の需要電力に対し給電を行う家庭用燃料電池システムにおいて、前記需要電力のうち短時間のピーク電力部分を除いたベ一ス電力部分を給電する燃料電池と、前記ピーク電力部分に対応した放電を行う蓄電装置とを備えたことを特徴とする家庭用燃料電池システムが提供される。

これにより、例えば燃料電池の給電するベース電力部分を家庭の需要電力の平均値にほぼ等しく設定すれば、需要電力が平均値よりも小さい時間帯（深夜帯等 ) には燃料電池の給電するベース電力部分から需要電力を差し引いた余剰部分を蓄電装置に充電しておき、需要電力が平均値よりも大きい時間帯（朝夕等）にその平均値を超えるピーク電力部分を蓄電装置から放電することで、余剰電力を有効活用しつつ必要最小限の設備で一日の家庭用需要に十分に適合することが可能となる。したがって、エネルギの無駄をなくしエネルギ効率を向上するとともに、経済性を向上することができる。また上記のように、平均需要電力に対応するベース電力部分を比較的高価な燃料電池の出力で賄い、これで賄えないピーク電力部分を比較的低廉な例えば鉛蓄電池等を備えた蓄電装置で賄うようにすることで、コスト配分上からもコスト低減できるように適正化でき、これによつても経済性を向上することができる。

また上記目的を達成するために、本発明によれば、家庭の需要電力に対し給電を行う家庭用燃料電池システムにおいて、前記需要電力のうち短時間のピ一ク電力部分を除いたベース電力部分を給電する燃料電池と、コンデンサ及び二次電池を有し、前記ピーク電力部分に対応して放電を行う蓄電装置とを備えたことを特徴とする家庭用燃料電池システムが提供される。

蓄電装置として、応答速度が速いが容量が比較的小さいコンデンサ、例えば電気二重層コンデンサと、応答速度は遅いが容量が比較的大きくかつ安価な二次電池、例えば鉛蓄電池とを組み合わせて用いることにより、両者の弱点を補い合つて幅広い変動需要電力に対応可能となる。

また上記目的を達成するために、本発明によれば、家庭の需要電力に対し給電を行う家庭用燃料電池システムにおいて、前記需要電力のうち短時間のピ一ク電力部分を除いたベース電力部分を給電する燃料電池と、前記ピーク電力部分に対応して放電を行う蓄電装置とを備え、かつ、前記燃料電池の出力を P [w]、前記蓄電装置の容量を Q [Wh]、前記蓄電装置の放電深度を X [%] としたとき、 2 5 0≤P≤ 1 0 0 0かつ 1 0 0 0ZxX 1 0≤Q≤ 2 6 0 0ZxX 1 0となるように構成したことを特徴とする家庭用燃料電池システムが提供される。

これにより、蓄電装置の放電深度を 1 0 %以下として寿命低下を防止しつつ、最も安価で家庭用として経済的なシステムを構築することができる。

好ましくは、上記家庭用燃料電池システムにおいて、（0. 0 08 5 P²— 7. 2 P + 46 0 0) /x X 1 0≤Q≤ (0. 0 0 8 5 X P²— 7. 2 PI7 0 8 0) / X X 1 0となるように構成したことを特徴とする家庭用燃料電池システムが提供される。

また上記目的を達成するために、本発明によれば、家庭の需要電力に対し給電を行う家庭用燃料電池システムにおいて、前記需要電力のうち短時間のピーク電力部分を除いたベース電力部分を給電する燃料電池と、少なくとも二次電池を有し、前記ピーク電力部分に対応して放電を行う蓄電装置と、前記二次電池の放電深度が所定値を超えないように保護する保護機構とを備えたことを特徴とする家庭用燃料電池システムが提供される。

二次電池は、一般に放電深度により寿命が決まるため、需要電力の変動そのままに追従して二次電池が充電放電を行っていると、寿命が短くなり信頼性の確保が困難となる可能性がある。そこで本発明においては、保護機構を設けて二次電池の放電深度が所定値を超えないように保護することにより二次電池の寿命を確保し、信頼性向上することができる。

好ましくは、上記家庭用燃料電池システムにおいて、前記保護機構は、前記二次電池の電圧に応じて前記二次電池の充電動作又は放電動作を遮断する遮断手段を備えることを特徴とする家庭用燃料電池システムが提供される。

また好ましくは、上記家庭用燃料電池システムにおいて、補助電源として、自然カ発電機構を備えることを特徴とする家庭用燃料電池システムが提供される。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の一実施形態による家庭用燃料電池システム全体の概略構成を表す系統図である。

図 2は、一般的な家庭の典型的な 1日の電力消費挙動を示す図である。

図 3は、実際の家庭の消費電力実体の収集データに基づく分析検討を行つた結果を示す図である。

図 4は、コンデンサの代わりに系統電源を用いた変形例による燃料電池応用電源システム全体の概略構成を表す系統図である。

図 5は、コンデンサを鉛蓄電池と並列に接続した変形例による燃料電池応用電源システム全体の概略構成を表す系統図である。

図 6は、鉛蓄電池の放電電流を測定する電流計を設けた変形例による燃料電池応用電源システム全体の概略構成を表す系統図である。

図 7は、鉛蓄電池の充電促進用の充電器を設けた変形例による燃料電池応用電源システム全体の概略構成を表す系統図である。

図 8は、系統電源を充電器の電力源とする変形例による燃料電池応用電源システム全体の概略構成を表す系統図である。

図 9は、自然力電源を用いる変形例による燃料電池応用電源システム全体の概略構成を表す系統図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図 1は、本実施形態による家庭用燃料電池システム（燃料電池応用電源システム）全体の概略構成を表す系統図である。

この図 1において、燃料電池応用電源システムは、改質されて水素分の多い燃料（以下適宜、水素等という） 3と空気 2とから直流電力を発生させる燃料電池、望ましくは高分子電解質膜燃料電池（以下適宜、 PEFCという） 1と、 PE FC 1の正極 5及び負極 6に並列に接続し需要電力が PEFC 1出力よりも小さいときに PEFC 1出力の一部を充電し逆のときに放電するコンデンサ、望ましくは電気 2重層コンデンサ 7と、 PEFC 1の正極 5及び負極 6に並列に接続し需要電力が PEFC 1出力よりも小さいときに PEFC 1出力の一部を充電し逆のときに放電するリチウムイオン電池等の二次電池、好ましくは現状価格が安いことに基づく鉛蓄電池 8と、鉛蓄電池 8と直列に接続され鉛蓄電池 8の充放電時に回路の切り替えを行なう切替器 18と、鉛蓄電池 8がカットオフ電圧（後述）以下にならないように鉛蓄電池 8の電圧を測定する電圧計 11と、鉛蓄電池 8が過電圧（後述）にならないように鉛蓄電池 8の電圧を測定する電圧計 12と、力ットオフ電圧値 VIと過電圧値 V 2を元にして電圧計 11, 12からの電圧信号 1 3, 1 を受け演算し制御信号 30を切替器 18に送る演算制御器 15と、 P E F C 1で発電した電力を直流から交流 10に変換するィンバ一夕 9とを備えている。

インバー夕 9は、 PEFC 1、電気 2重層コンデンサ 7及び鉛蓄電池 8の出力或いは放電する電力を直流から交流に変えて交流電気機器よりなる負荷（図示せず）に供給する。

P E F C 1は、水素等 3と空気 2を P E F C 1内で電気化学反応させることにより直流の電力と、 100°C程度の排ガス 4が発生する。出力する電力値としては、インバー夕 9を介し負荷側より要求される電力全体（言い換えれば対象となる家庭の需要電力）のうち後述するピーク電力を除いたベース電力を給電するものである。なお、 100°C程度の排ガス 4中から水回収をする場合は、水が比較的純水に近いので改質器の蒸気用及び鉛蓄電池の補給水として一部用いればよい。 PEF C 1で発生した直流電力は、 PEFC 1の正極 5及び負極 6より並列に接続している電気 2重層コンデンサ 7、鉛蓄電池 8及びインバ一夕 9に供給されるようになっている。

なおこのとき、図示を省略しているが、もし直流で直接使用する機器があれば、この回路に並列に接続して必要な電圧に調整することで受電することが可能である（例えば、 10V前後以下で使用するトランジスタ一等の半導体素子を含む通信/制御回路をもつ機器等)。

電気 2重層コンデンサ 7及び鉛蓄電池 8は、 2つ合わせて蓄電装置を構成している。電気 2重層コンデンサ 7は PEFC 1の余剰電力を高速に充電して電力を蓄積するとともに、ィンバ一夕 9を介して負荷側より要求される短時間のピーク電力に対応して高速放電を需要電力に対応し、 PEFC 1のべ一ス電力を低く設定するための働きをする。一方鉛蓄電池 8は、電気 2重層コンデンサ 7より応答速度は遅いがその分大量に、 PEFC 1の余剰電力を充電して蓄積するとともに、ィンバータ 9を介して負荷側より要求される短時間のピーク電力に対応して放電を行ない、 PEFC 1のベース電力を低く設定するための働きをする。

なお、上記 PEFC 1、電気 2重層コンデンサ 7、及び鉛蓄電池 8は、それぞれの出力及び容量等に関して、？£ （： 1の出カを？ [W]、電気 2重層コンデンサ 7及び鉛蓄電池 8の合計容量を Q [Wh]、電気 2重層コンデンサ 7及び鉛蓄電池 8の合計放電深度を X [%] としたとき、

250≤P≤ 1000

1000/xX 10≤Q≤2600/xX 1 0

(0. 0085 P²- 7. 2 P + 4600) /χΧ 10≤Q

≤ (0. 0085 XP² - 7. 2 P + 7080) / X 10

の関係をすベて満足するように設定されている。

また、前述のように蓄電装置に鉛蓄電池 8と電気 2重層コンデンサ 7の二つを設けてあるのは、鉛蓄電池 8と電気 2重層コンデンサ 7とのそれぞれの特性の違いを利用することにより経済的にピーク負荷に対応するためである。すなわち、鉛蓄電池 8は、安価で放電容量を確保できるが放電速度がそれほど速く取れないのに対し、電気 2重層コンデンサ 7は、放電速度が速いものの放電容量がそれほど大きく取れない。このため、両方を組み合わせることで双方の弱点を補い幅広レ ^変動需要電力に対応可能としたものである。電圧計 1 1， 1 2、演算制御器 1 5、及び切替器 1 8は、これら全体で、鉛蓄電池の保護機構を構成するものである。以下その機能を詳細に説明する。一般に、コンデンサを除いた蓄電池（二次電池）は、放電深度、過充電電圧及び放電電流により寿命が決定される。このため、インバータ 9からの変動需要電力のままに追従して蓄電池が放電充電していては、信頼性がある電源システムを提供できない。そこで本実施形態では、電圧計 1 1， 1 2、演算制御器 1 5、及び切替器 1 8を設けており、鉛蓄電池 8が放電して下限電圧である力ットオフ電圧 V 1になったら電圧計 1 1からの信号 1 4を受けて演算制御器 1 5が信号 3 0を出して切替器 1 8をダイオード 1 6の回路に切り替えて（言い換えれば遮断手段としての切替器 1 8が鉛蓄電池 8の放電動作を遮断して）充電モードにし、充電電圧が所定の電圧に成った時点で放電モードであるダイオード 1 7の回路に戻す。また、電圧計 1 1と電圧 1 2の測定電圧の合計が過電圧充電の値を越えたときは、放電モードであるダイオード 1 7の回路に切り替えて（言い換えれば遮断手段としての切替器 1 8が鉛蓄電池 8の充電動作を遮断して）保護するようになっている。このようにすることで、二次電池としての鉛蓄電池 8の寿命を確保し、信頼性を向上できるようになつている。なお、切替器 1 8は、充電用ダイオード 1 6及び放電用ダイオード 1 7より構成されるが、トランジスタ一等の半導体を利用した切替器も可能である。

次に、以上のように構成した本実施形態の作用を以下に順を追って説明する。 ( 1 ) ベース電力及びピーク電力の分担によるエネルギ効率及び経済性向上まず、本発明の主対象としている家庭用電力の需要挙動について説明する。現在、ほとんどの家庭では、系統電力から電力を購入している。図 2は、一般的な家庭の典型的な 1日の電力消費挙動を示すものである。横軸に時間を午前 0時から午後 1 2時までとり、縦軸に需要電力をとつて表している。

図 2において、細い線が電力需要の経時変動を示し、太い点線が 3 0分間毎の平均電力値を示す。図示のように、冷蔵庫程度しか稼動せず電力需要のほとんどない 1 ： 0 0〜6 ： 0 0前後の深夜帯のあと、起床後の朝食等出勤'登校前の 6 時台 7時台の時間帯にごく短いまとまった電力需要（ピーク値 1 0 0 0 W強程度 ) が生じ、さらに 8時台 9時台からお昼前にかけて例えば掃除機、洗濯機、乾燥 '等家電品の使用によるものと見られる午前中のまとまった電力需要

(ピーク値最大 2000W弱、平均電力 500W程度）がある。

午後になると、再び上記同様の家電品の使用や又は夏期には気温の上昇による冷房の使用等と見られる比較的長い大電力需要（平均電力 200〜500W程度 ) があり、特に 13時台から 14時台あたりにかけて最大 2000W弱にまで達するピーク値が複数回生じている。

その後、 18時前後の夕食支度時間帯は平均値及びピーク値ともに小さくなるが、夕食時間帯である 19時 20時台で家族の帰宅と共に電力消費が急激に増大し、その後の家族団らんの時間帯を含めて就寝前の 1時前後までの間に長い最大電力需要（平均電力 500〜800W程度）が生じ、特に 22時台付近に入浴後のドライヤ一の使用と見られる最大 2800W付近にまで達するピーク値が生じている。

以上のような挙動の家庭における電力需要において、変動電力だけを見ると、最大 2800Wもあることから、仮にこれをすベて PEFCの発電で供給しょうとすると、余裕をみて 3000W程度の出力の PEFCを設置しなくてはならなくなる。しかしながら、家庭での 30分間平均電力の最大値は上記のように 10 00W以下であり、一日平均では 200〜400Wである。このため、上記のようにすベての電力需要を PEFCでまかなおうとする場合少なくとも 80%近いの余剰電力と、通常 PEFCの効率が 30〜40 %であることから発電に伴って温度が 100 C前後の比較的低い余剰廃熱を大量に発生する。したがって、これら余剰電力や余剰廃熱を有効に活用できない場合（例えば、 loot:の廃熱は温度が低いため用途が限られ熱湯を沸かす以外には使い難い）には、大きなェネルギロスとなってエネルギ効率や経済性が低下する。また、現在 PEFCは、 30 0万円/ kW前後の価格と推定されており、上記 3000W程度の出力とする場合 900万円前後となり非常に高価なものとなり、この意味でも経済性が低下する。

そこで、本実施形態においては、上記のように、家庭電力需要のうち短時間のピーク電力部分を除いたベース電力部分を供給する PEFC 1と、ピーク電力部分に対応した放電を行う蓄電装置（コンデンサ 7及び鉛蓄電池 8) とを設けている。これにより、例えば PEFC 1の給電するベース電力部分を家庭の需要電力の平均値にほぼ等しく（上記の例に従えば例えば 200〜400W程度）設定すれば、需要電力がその平均値よりも小さい時間帯（深夜帯等）には PEFC 1の給電するベース電力部分から需要電力を差し引いた余剰部分をコンデンサ 7及び鉛蓄電池 8に充電しておき、需要電力が平均値よりも大きい時間帯（朝夕等）にその平均値を超えるピーク電力部分をコンデンサ 7及び鉛蓄電池 8から放電するようにすることで、余剰電力を有効活用しつつ必要最小限の設備で一日の家庭用需要に十分に適合することが可能となる。

したがって、エネルギの無 ¾Cをなくしエネルギ効率を向上するとともに、経済性を向上することができる。また上記のように、平均需要電力に対応するベース電力部分を比較的高価な PEFC 1の出力で賄い、これで賄えないピーク電力部分を比較的低廉な鉛蓄電池 8等を備えた蓄電装置で賄うようにすることで、コスト配分上からもコストを低減できるように適正化でき、これによつても経済性を向上することができる。

(2) 燃料電池出力及び蓄電装置容量の最適化

上述のように、 PEFC 1等の燃料電池は比較的高価であることから、家庭用の需要を賄える範囲においてなるべく出力の小さいものとすることが望ましい。この場合、その出力小型化に対応して蓄電装置（電気 2重層コンデンサ 7+鉛蓄電池 8) の容量を増大させる必要がある。

このような観点から、本願発明者等は、燃料電池（PEFC) と二次電池等の蓄電装置とを備えた電源システムを仮想したときに、家庭用として最も適した燃料電池出力と蓄電装置容量との組み合わせを模索するべく、実際の家庭の消費電力実体の収集デ一夕に基づく分析検討を行つた。図 3はその検討結果を示す図でめる。

分析にあたり、まず、典型的な多数の家庭の実際の電力変動データを、 1日単位で夏、秋、冬の 3季節にわたってのべ？〜 14日間、家族別に収集した。そして、上記図 2を用いて説明した例における家庭の一日平均平均電力 250 〜400 [W]、 30分間の平均電力の最大値 1000 [W] を勘案し、 PEF C出力としては P= 250〜 1000 [W] が妥当と考えた。そして、例えば、ある家族のある日に関して、 P E F Cの出力値をこの範囲内でいくつか設定したとき、それぞれについて、蓄電装置放電深度 x=30%、系統電力利用率 10% 以下という条件で、対応する蓄電装置の容量 Q [Wh] をそれぞれ決定した。これにより、その家族のその日の実際の電力変動データに関し、 PEFC出力と蓄電装置容量の組み合わせを複数組設定したことになる。そして、各組についてそのときに発生する設備コスト及び運転コスト（PEFCや蓄電装置の電力単価に基づく電力コスト等）を計算し、当該家族の当該期日について、最も小さいコストとなる最適な組み合わせを 1つ選択した。このようにして、当該家族について、前述の 7〜14日間にわたって各日の最適組み合わせ（すなわち 7〜 14組の組み合わせ）を決定した。

その後、それら 7〜14組の組み合わせにおいて、どの組み合わせをも包含可能な PEFC出力と蓄電装置容量の組み合わせ（すなわち？〜 14個の PEFC 出力の値のうち最大値と、 7〜14個の蓄電装置容量の値のうち最大値との組み合わせ）を選択した。このようにして選択した組み合わせを、ある家族のある日における最適な PEFC出力と蓄電装置容量の値とした。この 1つの組み合わせが図 3における 1つの点で表される。すなわち、図 3は、以上のようにして算出した各家庭ごとの最適な P E F C出力と蓄電装置容量との組み合わせを、全家庭についてプロットしたものである。

図 3において、横軸には単位 PEFC出力 [W] をとり、縦軸には蓄電装置容量 [Wh] をとつて表している。この図よりわかるように、低コストの面から最適な組み合わせを実現するためには、 PEFC出力 P [W] 及び蓄電装置容量 Q [Wh] は、

250≤P≤1000かつ 1000≤Q≤2600

の範囲の組合わせとする必要があることがわかる。なお、ここでいう蓄電装置容量にはコンデンサ容量を含めることはいうまでもない。

またこれらの蓄電装置容量は、例えば放電深度 60%でも寿命が劣化しない高性能蓄電池の場合は上記電池容量 X 30/60にすれば適正化が図れる。この観点から、許容可能な蓄電装置の放電深度 X [%] として上記の式を一般化すると 250≤P≤1000かつ

1 000/XX 1 0≤Q≤ 2 6 0 0/XX 1 0 … （式 1 )

さらに本願発明者等は、上記図 2に示された多数のデータを回帰分析して近似式（図 3中で実線の二次曲線で表す）、およびこの近似式からのデータの標準偏差 σとして下記の式で表される関係を得ることができた。

Q= (0. 0085 P²— 7.2 P + 5840) /x X 10

これらから、蓄電池容量 [Wh] のより望ましい選定範囲としては下記範囲（上限及び下限を図中点線の二次曲線で表す）となる。

(0. 0085 P²- 7. 2 PI4600) /xX 10≤Q

≤ (0. 0085 XP²— 7. 2 P + 7080) /xX 10 … （式 2) 上記本実施の形態においては、前述したように、上記（式 1) と（式 2) のいずれもを満たしている。したがって、蓄電装置 7， 8の放電深度 Xを 10%以下として寿命低下を防止しつつ、最も安価で家庭用として合理的かつ経済的なシステムを構築することが可能となる。

以上（1) (2) において説明したように、本実施形態によれば、電力需要が小さい時間帯の余剰電力を有効活用しつつ必要最小限の設備で一日の家庭用需要に十分に適合できるので、エネルギの無駄をなくしエネルギ効率を向上するとともに、経済性を向上することができる。

また、比較的高価な PEFC 1と比較的低廉な蓄電装置 7, 8のコスト配分上から最適化した給電分担となるようにその出力値及び蓄電容量を設定している。このとき特に、鉛蓄電池 8の保護機構を設け寿命を確実に向上させることで比較的高価な PEFC 1の出力規模を確実に小さくしているので、電力単価を確実に低くでき、これらによって経済性をさらに確実に向上できる。

なお、本発明は、上記一実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で、種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を順次以下に説明する。

(A) コンデンサの代わりに系統電源を用いる場合

図 4は、この変形例による燃料電池応用電源システム全体の概略構成を表す系統図である。本変形例では、図 1に示した実施形態における電気 2重層コンデンサ 7を省略するとともにィンバ一夕 9より負荷側に系統電源 2 6を接続したものである。

すなわち、上記実施形態では、鉛蓄電池 8の保護機構としての電圧計 1 1 , 1 2、演算制御器 1 5、及び切替器 1 8による保護機能（電圧又は電流値に応じて放電を停止させる）によって、鉛蓄電池の放電深度が一定以上を超えないようにし、その不足分（例えば需要電力の 1 0 %程度）をコンデンサ 7からの放電で補つたが、本変形例では、それを系統電源 2 6により補うものである。

本変形例には、以下のような意義がある。すなわち、例えば P E F C 1の出力規模が小さくかつ系統電源 2 6の価格が安い場合においては、図 1の実施形態の電気 2重層コンデンサ 7の役目である高速放電応答を系統電源 2 6に依存したほうが経済的である。言い換えれば、本変形例は、小形燃料電池応用電源システムの場合の経済的な構成を提供するものである。

(B) コンデンサを鉛蓄電池と並列に接続した場合

図 5は、この変形例による燃料電池応用電源システム全体の概略構成を表す系統図である。本変形例では、図 1に示した実施形態に比べて電気 2重層コンデンサ 7の位置を変えて、鉛蓄電池 8に対し並列に接続したものである。

本変形例によれば、充放電に対し鉛蓄電池を瞬間的な過渡時に保護できるので、信頼性の高い燃料電池応用電源システムを提供できるという効果がある。

(C) 鉛蓄電池の放電電流を測定する電流計を設けた場合

図 6は、この変形例による燃料電池応用電源システム全体の概略構成を表す系統図である。本変形例では、図 1に示した実施形態の構成において、鉛蓄電池 8 に直列に電流計 2 1を入れて鉛蓄電池 8の放電電流を測定するとともに、さらに放電電流が一定の値 I 1を超えた場合に比較器 2 0より演算制御器 1 5に制御信号 3 1を出し切替器 1 8を充電モードに切り替えるようにしたものである。この制御は、電圧計よりの制御信号 1 3 , 1 4よりも優先する。なお、比較器 2 0は機器演算制御器 1 5に内蔵するようにしてもよい。この場合、前述の電圧計 1 1 , 1 2、演算制御器 1 5、及び切替器 1 8に加え、電流計 2 1及び比較器 2 0を含めた全体で、鉛蓄電池の保護機構を構成する。本変形例によれば、放電時の過電流に対し鉛蓄電池 8を保護できるので、より信頼性の高い燃料電池応用電源システムを提供できるという効果がある。

(D) 鉛蓄電池の充電促進用の充電器を設けた場合

図 7は、この変形例による燃料電池応用電源システム全体の概略構成を表す系統図である。本変形例では、本変形例では、図 6に示した上記（C) の変形例の構成において、鉛蓄電池 8に並列に接続され交流の電気を変圧して直流又は準直流に変換し鉛蓄電池 8を充電する充電器 2 4と、演算制御器 1 5の制御信号 2 5 に基いて充電器 2 4の通電及び遮断の操作制御をするスィッチ 2 3と、このスィツチ 2 3にインバー夕 9の出力（交流）の一部を導く回路 2 2を設けたものである。

演算制御器 1 5より鉛蓄電池 8を充電モ一ドにする信号 3 0が切替器 1 8に出ると、これと同時に信号 2 5がスィッチ 2 3に送られてスィッチ 2 3が入り充電器 2 4に交流電力が送られて充電が開始される。そして、充電が済み放電モードになると、スィッチ 2 3が切られるようになつている。

上記のような構成とするのは、以下の理由による。すなわち、鉛蓄電池 8を P E F C 1の直流回路に並列に繋ぐ場合、放電電圧と充電電圧の差が小さいため放電よりも充電に時間がかかる。そこで、充電時間を少なくとも放電時間と同じかあるいは短くするために、充電器 2 4を用いて鉛蓄電池 8に対し P E F C 1の電圧よりも高めで過充電電圧にならない電圧設定を行うことで、充電速度を向上させるものである。

本変形例によれば、蓄電効率のよく、より信頼性の高い燃料電池応用電源システムを提供できる。

(E) 系統電源を充電器の電力源とする場合

図 8は、この変形例による燃料電池応用電源システム全体の概略構成を表す系統図である。本変形例では、図 7に示した上記（D) の変形例とほとんど同一構成であるが、充電器 2 4の電力源が系統電源 2 6である点が異なる。すなわち、本変形例では、鉛蓄電池 8からの放電電流が一定の値 I 1を超えた場合あるいは電圧が設定値以下になったら切換器 1 8により放電を遮断すると共に、スィッチ 2 3が通電されて系統電源 2 6から充電器 2 4に充電が行われるようにしたものである。

本変形例によれば、充電器 2 4に系統電源 2 6が接続されていることにより、 P E F C 1が起動していない時点からも簡便に起動でき、より信頼性の高い燃料電池応用電源システムを提供できるという効果がある。

(F) 自然力電源を用いる場合

図 9は、この変形例による燃料電池応用電源システム全体の概略構成を表す系統図である。本変形例では、図 7に示した上記（D) の変形例の構成において、充電器 2 4、スィッチ 2 3、及び回路 2 2の代わりに、太陽光発電或いは風力発電に基づく自然力電源 2 7と、それに並列に接続された電気 2重層コンデンサ 7 ' とを設けたものである。

本変形例によれば、二酸化炭素等の排出物をださない電源をシステムの補助電源として使うため、より環境性がよく信頼性の高い燃料電池応用電源システムを提供できる。産業上の利用可能性

本発明によれば、家庭用に適用した場合であってもエネルギ効率及び経済性を向上できる家庭用燃料電池システムを提供することができる。

Claims

請求の範囲

1. 家庭の需要電力に対し給電を行う家庭用燃料電池システムにおいて、前記需要電力のうち短時間のピーク電力部分を除いたベース電力部分を給電する燃料電池（1) と、

前記ピーク電力部分に対応した放電を行う蓄電装置（7, 8) とを備えたことを特徴とする家庭用燃料電池システム。

2. 家庭の需要電力に対し給電を行う家庭用燃料電池システムにおいて、前記需要電力のうち短時間のピーク電力部分を除いたベース電力部分を給電する燃料電池（1) と、

コンデンサ（7) 及び二次電池（8) を有し、前記ピーク電力部分に対応して放電を行う蓄電装置（7， 8) とを備えたことを特徴とする家庭用燃料電池システム。

3. 家庭の需要電力に対し給電を行う家庭用燃料電池システムにおいて、前記需要電力のうち短時間のピーク電力部分を除いたベース電力部分を給電する燃料電池（1) と、

前記ピーク電力部分に対応して放電を行う蓄電装置（7， 8) とを備え、かつ前記燃料電池（1) の出力を P [W]、前記蓄電装置（7， 8) の容量を Q [Wh]、前記蓄電装置（7, 8) の放電深度を X [%] としたとき、

250≤P≤ 1000

1000/xX 10≤Q≤2600/xX 10

となるように構成したことを特徴とする家庭用燃料電池システム。

4. 請求項 3記載の家庭用燃料電池システムにおいて、

(0. 0085 P²- 7. 2 P + 4600) /xX 10≤Q

≤ (0. 0085 XP²-7. 2 P + 7080) /xX 10 となるように構成したことを特徴とする家庭用燃料電池システム。

5. 家庭の需要電力に対し給電を行う家庭用燃料電池システムにおいて、前記需要電力のうち短時間のピーク電力部分を除いたベース電力部分を給電する燃料電池（1) と、

少なくとも二次電池（8) を有し、前記ピーク電力部分に対応して放電を行う蓄電装置（7， 8) と、

前記二次電池（8) の放電深度が所定値を超えないように保護する保護機構（ 1 1， 12, 15, 18 ; 20, 21) とを備えたことを特徴とする家庭用燃料電池システム。

6. 請求項 5記載の家庭用燃料電池システムにおいて、前記保護機構（11, 12， 15， 18 ； 20, 21) は、前記二次電池の電圧に応じて前記二次電池

(8) の充電動作又は放電動作を遮断する遮断手段（18) を備えることを特徴とする家庭用燃料電池システム。

7. 請求項 1〜 6のいずれか 1項記載の家庭用燃料電池システムにおいて、補助電源として、自然力発電機構（27) を備えることを特徴とする家庭用燃料電池システム。