(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スターリングエンジンの作動ガスを固体電解質型燃料電池のアノード側燃料として作動させるようにした固体電解質型燃料電池とスターリングエンジンとのコンバインドシステムにおいて、スターリングエンジンの膨張空間側と圧縮空間側とを接続する作動ガス流路を固体電解質型燃料電池のアノード側に接続すると共に該固体電解質型燃料電池のアノード側とスターリングエンジンの圧縮空間側との間にスターリングエンジン用再生器およびスターリングエンジン用凝縮器兼冷却器を設けたことを特徴とする固体電解質型燃料電池・内燃式スターリングエンジンコンバインドシステム。
【請求項２】
固体電解質型燃料電池の燃料を水素としたことを特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃料電池・内燃式スターリングエンジンコンバインドシステム。
【請求項３】
空気供給用ブロワーから供給された空気を固体電解質型燃料電池のカソード側から排出される排ガスと熱交換した後に該固体電解質型燃料電池のカソード側に供給すると共に、固体電解質型燃料電池の燃料をスターリングエンジンの膨張空間側に供給し、スターリングエンジンの内部の圧力を圧力制御用タンクにより制御し、固体電解質型燃料電池で発電された電気及びスターリングエンジン駆動の発電機で発電された電気をインバータを介して電力負荷に供給するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の固体電解質型燃料電池・内燃式スターリングエンジンコンバインドシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell）とスターリングエンジンとのコンバインドシステムにおいて、スターリングエンジンの作動ガスを固体電解質型燃料電池のアノード（燃料極）側燃料として動作させて、小型分散規模で高効率なエネルギー変換を行う固体電解質型燃料電池・内燃式スターリングエンジンコンバインドシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、分散型コージェネレーション用エネルギー変換システムとしては、ガスエンジン、ディーゼルエンジン、ガスタービンエンジンなどがその動力発生機関として利用され、開発が行われており、特に、効率の高い固体電解質型燃料電池との組み合わせにおいては、マイクロガスタービンとの組み合わせが主な対象として研究開発が進んでいる。固体電解質型燃料電池とマイクロガスタービンとのコンバインドシステムでは、固体電解質型燃料電池部の圧力を上昇させることが可能で、固体電解質型燃料電池の負荷効率を向上できる。さらに、固体電解質型燃料電池の未利用エネルギーをマイクロガスタービン燃焼器において完全燃焼可能であり、１００ｋＷ程度のシステムで、発電効率６５％程度の効率が実現できる可能性がある。
【０００３】
一方、本発明が対象としている家庭規模での普及が見込めるｋＷクラスにおいては、総合効率８５％、発電効率２０％程度の小型のガスエンジンや発電効率３０％の固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が開発されつつあるが、発電効率がより高いシステムの実現が望まれている。このクラスでは、固体電解質型燃料電池の規模は小さくできる反面、コンバインド化するマイクロガスタービンとの組み合わせが難しく、固体電解質型燃料電池単体の利用が考えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、固体電解質型燃料電池は、非常に高効率である点、膜を通過するのが酸化剤である酸素であるため、メタンなどの炭化水素系燃料が利用できる点など、多くのメリットのあるエネルギー変換装置として知られているが、作動温度が高く排ガスの持つエンルギーが大きいため、更なる高効率化のためには他のエネルギー変換機器とのコンバインンド化が有効である。現在最も研究が進められているのは、小型のガスタービンとの組み合わせで、数百ｋＷクラスのフィージビリティースタディーがすでに始められている。
一方、家庭規模で必要な発電容量は１ｋＷから数ｋＷクラスであり、このクラスでは、ボトミングとなるガスタービンの効率が悪くなってしまうため、ガスタービンとのコンバインドではメリットが少なくなるという問題があった。
【０００５】
また、１ｋＷから数ｋＷクラスである家庭規模では、熱効率の高いスターリングエンジンと固体電解質型燃料電池とのコンバインドシステムが適していることから、図２に示すように、固体電解質型燃料電池３０、スターリングエンジン３１、予熱器３２，燃焼器３３，加熱器３４，再生器３５および冷却器３６を配置したコンバインドシステムが研究されている。このシステムに水素を燃料とした場合の計算によって予測した発電効率を図３に示している。この場合においても十分高い発電効率が得られるが、燃料の改質を必要としないため、排ガス温度は４００℃以上もあり、さらに排熱を有効利用する方策が必要である。
【０００６】
本発明は、１ｋＷから数ｋＷクラスである家庭規模では、熱効率の高いスターリングエンジンと固体電解質型燃料電池とのコンバインドシステムが適し、固体電解質型燃料電池は、燃料にメタン、水素、炭化水素が使用可能であるが、本システムに特に水素を燃料に用いた場合、吸熱反応である改質（例えば、メタンを用いた場合は、ＣＨ４＋２Ｈ２→４Ｈ２＋ＣＯ２）を必要としないため、排ガス温度は高くなり、エネルギーの有効利用の余地があることに鑑み、小型分散規模で高効率なエネルギー変換を行う固体電解質型燃料電池・内燃式スターリングエンジンコンバインドシステムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明の固体電解質型燃料電池・内燃式スターリングエンジンコンバインドシステムは、スターリングエンジンの作動ガスを固体電解質型燃料電池のアノード側燃料として作動させるようにした固体電解質型燃料電池とスターリングエンジンとのコンバインドシステムにおいて、スターリングエンジンの膨張空間側と圧縮空間側とを接続する作動ガス流路を固体電解質型燃料電池のアノード側に接続すると共に該固体電解質型燃料電池のアノード側とスターリングエンジンの圧縮空間側との間にスターリングエンジン用再生器およびスターリングエンジン用凝縮器兼冷却器を設けたことを特徴とする。
また、本発明の固体電解質型燃料電池・内燃式スターリングエンジンコンバインドシステムは、固体電解質型燃料電池の燃料を水素としたことを特徴とする。
また、本発明の固体電解質型燃料電池・内燃式スターリングエンジンコンバインドシステムは、空気供給用ブロワーから供給された空気を固体電解質型燃料電池のカソード側から排出される排ガスと熱交換した後に該固体電解質型燃料電池のカソード側に供給すると共に、固体電解質型燃料電池の燃料をスターリングエンジンの膨張空間側に供給し、スターリングエンジンの内部の圧力を圧力制御用タンクにより制御し、固体電解質型燃料電池で発電された電気及びスターリングエンジン駆動の発電機で発電された電気をインバータを介して電力負荷に供給するようにしたことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、固体電解質型燃料電池・内燃式スターリングエンジンコンバインドシステムの全体構成の概略を示したものであり、本システムは、空気供給用ブロワー１、空気予熱器２、固体電解質型燃料電池３、スターリングエンジン４、スターリングエンジン用再生器５、スターリングエンジン用凝縮器兼冷却器６、スターリングエンジン用圧力制御用タンク７、発電機８、インバータ９および水素供給源２３から構成され、電気をインバータ９から電力負荷１０に供給するようになっている。
本システムにおいては、固体電解質型燃料電池３がスターリングエンジン４の加熱器の役割を果たすようになっており、流路１６によりスターリングエンジン４の膨張空間側２１と圧縮空間側２２とが固体電解質型燃料電池３のアノード１４側、スターリングエンジン用再生器５，スターリングエンジン用凝縮器兼冷却器６を介して連通している。
なお、スターリングエンジンの作動ガスとして水素以外の例えばメタン等炭化水素を用いる場合は、システム中に、適宜、二酸化炭素の吸収器を設ける。
【０００９】
本システムにおいて、空気供給用ブロワー１から送り込まれた空気１１は、空気予熱器２で、固体電解質型燃料電池３のカソード（空気極）１３側から排出される排ガス１２と熱交換し、固体電解質型燃料電池３のカソード１３側に供給され、固体酸化物電解質膜１５によって酸素のみがアノード１４側に透過し、スターリングエンジン４の作動媒体である水素と反応して水を生成し、発電すると共に、固体酸化物電解質膜１５を加熱する。この加熱された固体酸化物電解質膜１５の熱は水素の循環によってスターリングエンジン４の作動に利用される。
固体電解質型燃料電池３で選択的に酸素を消費し、高温になった空気は、カソード１３側を出た後、空気予熱器２に供給され、熱を空気の予熱に利用する。
【００１０】
本システムの起動時には、カソード１３ 入り口に設置した燃焼器１７によって水素供給源２３から供給される水素を燃焼し、固体電解質型燃料電池３を加熱し、固体電解質型燃料電池３の作動温度（800℃から900℃）にする。これにより迅速な固体電解質型燃料電池３とスターリングエンジン４の起動が可能である。
【００１１】
また、本システムにおいて、水素は、水素源２３からスターリングエンジン４に高圧（20から40気圧程度）に封入され、往復することによって出力となる。
また、消費される水素を補うため、水素供給源２３からスターリングエンジン４に適宜水素が補給されるようになっている。
スターリングエンジン４の出力は、要求出力に応じて内部の圧力をスターリングエンジン用圧力制御用タンク７によって制御する。すなわち、スターリングエンジン４の内圧が高いほど出力は多く出せることから、スターリングエンジン４の内圧を、該内圧がピストン１８の動作により変化することを利用し、これとスターリングエンジン用圧力制御用タンク７、バルブ１９を制御することによって、制御する。
【００１２】
水素は、固体電解質型燃料電池３の固体酸化物電解質膜１５を透過することによってカソード１３側の空気と分離された酸素と反応し、固体電解質型燃料電池３の発電と発熱が行われる。この反応によって発生する水は、スターリングサイクルで往復されることによってスターリングエンジン用凝縮器兼冷却器６で凝縮され、凝縮液排出路２０からスターリングエンジン４の系外に排出される。このように燃焼排出物が完全に系外に排出できるために、スターリングエンジン４のサイクルを内燃で実現できる。内燃は、燃焼排出物が水となる水素と酸素の燃焼のみによって実現可能となる。なお、燃料の酸化物が水以外の場合は、その吸収器を設けて吸収させれば良い。
内燃スターリングシステムにおいては、純酸素を利用する必要があり、通常は、この空気から純酸素を分離する過程で大きなエネルギーのロスが起きるが、固体電解質型燃料電池３を利用することによって自動的に効率のロスなく内燃を実現できる。
【００１３】
スターリングエンジン用再生器５においては、水素が固体電解質型燃料電池３のアノード１４から該スターリングエンジン用再生器５を通過してスターリングエンジン用凝縮器兼冷却器６に入る際、水素ガスからスターリングエンジン用再生器５に熱が移動され、蓄熱され、その逆にスターリングエンジン用凝縮器兼冷却器６側からアノード１４に水素が流れる際、スターリングエンジン用凝縮器兼冷却器６で冷やされた水素ガスを再びスターリングエンジン用再生器５で加熱することによって、水素の往復動時に熱のロスを防ぐようになっている。
【００１４】
固体電解質型燃料電池３で発電された電気は直流であり、スターリングエンジン４で駆動される発電機８は整流されていない交流となるため、インバータ９を介して電力負荷１０に電力を供給する。
【００１５】
上記のように、スターリングエンジン４の作動ガスを水素とし、この作動ガスを固体電解質型燃料電池３のアノード１４側燃料とすることにより、発電の際に生じる熱の大部分は、スターリングエンジン４側への熱伝達が高いためスターリングエンジン４へ有効に輸送され、熱入力となる。通常、固体電解質型燃料電池からは余剰水素が排出され、空気と燃焼させて熱利用を図る結果、メタンのように改質反応を伴う燃料の場合に比べ、水素燃料を用いた場合は、排ガス温度が高くなり、十分に熱利用ができないことになるが、本システムによれば、このような燃焼を必要としないため、熱の有効利用が可能となり、より高い発電効率が期待できる。
なお、本発明は、スターリングエンジンの作動ガスとして水素に限定することなく、水素以外のメタン等の炭化水素を用いることももちろん可能である。
【００１６】
【発明の効果】
水素を燃料とし、スターリングエンジンに通常の熱交換器を使用した図２に示すような固体電解質型燃料電池−スターリングエンジンコンバインドシステムの発電効率は、図３に示すように、予熱器３２の温度効率ηを0.8とすると、スターリングエンジン熱交換器ユニット数が1.0でも約５５％の発電効率が得られる。
本発明においては図２に示した通常の熱交換器を使用することなく図１に示すように直接熱交換することにより再生器に向かうガスの温度は、図４に示すように図２のシステムに比べ低くなり、排ガス損失を抑えることができるため、より高い効率が達成できる。
このため、本発明のシステムでは、６０％程度の発電効率が得られる。
また、固体電解質型燃料電池とスターリングエンジンの熱交換器の共有化により、熱容量の大幅な削減が可能となり、急速起動時や負荷変動時に高い応答性を確保することができる。
さらに、水の凝縮熱をスターリングエンジン側で回収できるため、熱の利用率が更に高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る固体電解質型燃料電池・内燃式スターリングエンジンコンバインドシステムの全体構成の概略を示した図である。
【図２】従来の固体電解質型燃料電池−スターリングエンジンコンバインドシステムの全体構成の概略を示した図である。
【図３】図２に示したシステムの発電効率を示した図である。
【図４】図１に示した本発明の実施の形態に係る固体電解質型燃料電池・内燃式スターリングエンジンコンバインドシステムと図２に示した従来の固体電解質型燃料電池−スターリングエンジンコンバインドシステムとの温度履歴の比較をした図である。
【符号の説明】
１  空気供給用ブロワー
２  空気予熱器
３  固体電解質型燃料電池
４  スターリングエンジン
５  スターリングエンジン用再生器
６  スターリングエンジン用冷却器
７  スターリングエンジン用圧力制御用タンク
８  発電機
９  インバータ
１０  電力負荷
１１  空気
１２  排ガス
１３  カソード
１４  アノード
１５  固体酸化物電解質膜
１６  流路
１７  燃焼器
１８  ピストン
１９  バルブ
２０  凝縮液排出路
２１  膨張空間側
２２  圧縮空間側
２３  水素供給源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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