(57)【要約】【課題】発電部の加熱効率を向上させた燃料電池を用いたコージェネレーションシステムを提供する。【解決手段】本発明に係るコージェネレーションシステムは、燃料ガス及び酸化剤ガスが別々に供給されるガス供給路７，８と、ガス供給路７，８を経た燃料ガス及び酸化剤ガスを混合するガス混合部１と、ガス混合部１で混合された混合ガスを燃焼させるガス燃焼装置３が収容される燃焼室４と、ガス供給路上に配置され、燃料ガス及び酸化剤ガスが別々に供給されて発電する燃料電池を有する発電部２とを備え、発電部２が燃焼室４内に設置され、この燃焼室内で発生する燃焼熱によって発電部２を加熱するように構成されている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスが別々に供給されるガス供給路と、
前記ガス供給路を経た前記燃料ガス及び酸化剤ガスを混合するガス混合部と、
前記ガス混合部で混合された混合ガスを燃焼させるガス燃焼装置が収容される燃焼室と、
前記ガス供給路上に配置され、燃料ガス及び酸化剤ガスが別々に供給されて発電する燃料電池を有する発電部とを備え、
前記発電部が前記燃焼室内に設置され、当該燃焼室内で発生する燃焼熱によって前記発電部を加熱するように構成されている、燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
【請求項２】
前記燃焼室で発生する燃焼熱によって前記発電部を加熱して当該発電部の動作温度を確保するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
【請求項３】
前記燃料電池は、電解質、燃料極、及び空気極を有しており、前記電解質の一方面に燃料極が、他方面に空気極が形成されており、前記燃料極に燃料ガスを、空気極に酸化剤ガスをそれぞれ供給することにより発電するように構成されている、請求項１または２に記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
【請求項４】
前記燃料電池は、固体高分子形燃料電池又は固体酸化物形燃料電池である、請求項３に記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
【請求項５】
前記混合ガスの混合比を検出する検出部と、
当該検出部からの検出信号に基づいて設定混合比となるように混合比を調整するガス混合比調整部と
をさらに備えている、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
【請求項６】
前記ガス供給路は、燃料ガスを供給する燃料ガス供給管及び酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給管によって構成され、両供給管の少なくとも一方を前記燃焼室内に設置してガスを予熱する、請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
【請求項７】
前記燃焼室内に設置される熱交換器をさらに備えており、
当該熱交換器を介して、前記燃焼室で発生する燃焼熱によって前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを予熱して前記発電部に供給する、請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
【請求項８】
前記燃料電池によって発電された電力を蓄える蓄電池をさらに備えている、請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
【請求項９】
前記各部を制御するシステム制御部をさらに備えている、請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
【請求項１０】
前記システム制御部は、前記燃料電池で消費されるガス量に基づいて、所望の燃焼状態となるように前記ガス混合部に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量を制御する、請求項９に記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
【請求項１１】
前記発電部は、複数個の燃料電池を有しており、前記ガス供給路を通過する燃料ガス及び酸化剤ガスは前記各燃料電池に供給される、請求項１から１０のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いたコージェネレーションシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コージェネレーションシステムとは、一次エネルギーから連続的に、しかも同時に２種類以上の二次エネルギーを発生させるシステムであり、その中でも、発電効率が高く、環境負荷ガスが発生しない燃料電池を用いたコージェネレーションシステムが近年注目を浴び、開発が活発に行われている。
【０００３】
この種の燃料電池を用いたコージェネレーションシステムとして、燃料電池からの排ガスをバーナ部にて燃焼させ、バーナ部で発生する熱で発電部を加熱するシステム（特許文献１等）が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−１６８４３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のシステムでは、燃焼室からの伝熱で発電部を加熱していたので、発電部の加熱効率が十分でないという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、発電部の加熱効率を向上させた燃料電池を用いたコージェネレーションシステムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねて完成されたものである。
１．燃料ガス及び酸化剤ガスが別々に供給されるガス供給路と、前記ガス供給路を経た前記燃料ガス及び酸化剤ガスを混合するガス混合部と、前記ガス混合部で混合された混合ガスを燃焼させるガス燃焼装置が収容された燃焼室と、前記ガス供給路上に配置され、燃料ガスと酸化剤ガスとが別々に供給されて発電する燃料電池を有する発電部とを備え、前記発電部が前記燃焼室内に設置され、当該燃焼室内で発生する燃焼熱によって前記発電部を加熱するように構成されている、燃料電池を用いたコージェネレーションシステムを提供する。
２．前記燃焼室で発生する燃焼熱によって前記発電部を加熱して当該発電部の動作温度を確保するように構成されている、上記１に記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステムを提供する。
３．前記燃料電池は、電解質、燃料極、及び空気極を有しており、前記電解質の一方面に燃料極が、他方面に空気極が形成されており、前記燃料極に燃料ガスを、空気極に酸化剤ガスをそれぞれ供給することにより発電するように構成されている、上記１または２に記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステムを提供する。
４．前記燃料電池は、固体高分子形燃料電池又は固体酸化物形燃料電池である、上記３に記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステムを提供する。
５．前記混合ガスの混合比を検出する検出部と、当該検出部からの検出信号に基づいて設定混合比となるように混合比を調整するガス混合比調整部とをさらに備えている、上記１から４のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステムを提供する。
６．前記ガス供給路は、燃料ガスを供給する燃料ガス供給管及び酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給管によって構成され、両供給管の少なくとも一方を前記燃焼室内に設置してガスを予熱する、上記１から５のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステムを提供する。
７．前記燃焼室内に設置される熱交換器をさらに備えており、当該熱交換器を介して、前記燃焼室で発生する燃焼熱によって前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを予熱して前記発電部に供給する、上記１から６のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステムを提供する。
８．前記燃料電池によって発電された電力を蓄える蓄電池をさらに備えている、上記１から７のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステムを提供する。
９．前記各部を制御するシステム制御部をさらに備えている、上記８に記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステムを提供する。
１０．前記システム制御部は、前記燃料電池で消費されるガス量に基づいて、所望の燃焼状態となるように前記ガス混合部に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量を制御する、上記１から９のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステムを提供する。
１１．前記発電部は、複数個の燃料電池を有しており、前記ガス供給路を通過する燃料ガス及び酸化剤ガスは前記各燃料電池に供給される、上記１から１０のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステムを提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとが別々に供給されるガス供給路を介してこれらのガスがガス混合部へ供給される。そして、このガス混合部において混合された混合ガスが燃焼装置へ供給されることで、ガスの燃焼が行われる。ここで、本発明では、燃料電池を備えた発電部をガス供給路上に配置し、ガス混合部へと供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを利用して発電を行っている。したがって、ガス燃焼装置によって熱を発生させつつ、発電も行うことができるため、効率的なエネルギーの利用が可能となる。なお、発電された電気は、このシステムを稼働するための電源として使用したり、ガス燃焼装置から排出された熱の温度制御などに用いることができる。さらに、本発明では、発電部を燃焼室内に設置し、この燃焼室内で発生する燃焼熱、つまりガス燃焼装置からの熱によって発電部を加熱するので、発電部を燃焼室内の燃焼熱によって直接加熱することができて発電部の加熱効率を向上させることができる。
【０００８】
また、ガス混合部を設けることにより、ガス燃焼装置に混合ガスをより安定して供給することができる。
【０００９】
また、混合ガスの混合比を検出する検出部と、この検出部からの検出信号に基づいて設定混合比となるように混合比を調整するガス混合比調整部とを備えると、ガス燃焼装置の安定した燃焼を確保することができる。
【００１０】
また、発電部に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方を燃焼室で発生する燃焼熱を利用して予熱すると、ガス供給による発電部の温度低下を極力防ぐことができ、発電部を暖める電力を削減することができる。
【００１１】
また、燃料電池によって発電された電力を蓄える蓄電池を備えると、発電部で発生した電力の余剰分を蓄電池にて充電することができる。さらに、システム制御部を設け、このシステム制御部によって例えばガス燃焼装置及び燃焼室へのガス供給量を調整すれば、適切な発電及び燃焼を行うことができ、燃料ガスや酸化剤ガスの使用量を削減することもできる。特に、燃料電池では燃料ガス及び酸化剤ガスを消費するため、この消費量に基づいてガス混合部へのガスの供給量を制御すれば、燃焼装置へのガス供給量を制御できる。これにより、ガスの燃焼を所望の状態にすることができる。また、発電部は種々の構成をとることができ、例えば燃料電池を複数配置し、ガス供給路の混合ガスが各燃料電池それぞれに供給されるように構成することができる。したがって、複数の燃料電池を並列に接続して利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る燃料電池を用いたコージェネレーションシステムの実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
実施形態１
図１は、燃料電池を用いたコージェネレーションシステムの実施形態１を示すシステムブロック図である。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態のコージェネレーションシステムは、燃料ガス及び空気等の酸化剤ガスがそれぞれ供給される燃料ガス供給管７及び酸化剤ガス供給管８を備えており、これがガス混合部１に接続されている。ガス混合部１では２つのガスが混合され、この混合ガスがガス燃焼装置（バーナ部）３に供給されて燃焼される。ここでは、両ガス供給管７，８が本発明におけるガス供給路を構成しており、その途中には固体酸化物形燃料電池を備えた発電部２が配置されている。この燃料電池は、電解質、燃料極、及び空気極を有し、電解質の一方面に燃料極、他方面に空気極が形成されている。また、電解質を隔壁として燃料極側と空気極側との二室に分かれており、いわゆる二室型の固体酸化物形燃料電池を構成している。そして、燃料極側には燃料ガス供給管７から燃料ガスが供給される一方、空気極側には酸化剤ガス供給管８から酸化剤ガスが供給され、これによって発電が行われる。
【００１５】
上述したガス混合部１、ガス燃焼装置３、及び発電部２は、燃焼室４内に設置されており、この燃焼室内４で発生する燃焼熱、つまりガス燃焼装置３からの燃焼熱によって発電部２を直接加熱して発電部２の動作温度を確保するように構成されている。動作温度は燃料電池の材質にもよるが、一般的に約４００〜１０００℃程度の温度域で保たれている。また、燃焼室４の外部には、燃料電池によって発電される電力を蓄える蓄電池５と、システム制御部６とが設けられている。
【００１６】
システム制御部６は、発電部２で生じた電力により作動し、発電部２や、ガス混合部１、ガス燃焼装置３を制御する。より詳細には、システム制御部６は、発電部１に対する所望の出力値に応じて、燃料ガス及び酸化剤ガスの各々のガス流量やガス圧力を調整し、また、ガス混合部１におけるガスの混合比率を常時測定し、設定された比率となるように調整する。さらには、燃焼室４内及び発電部２においては、温度測定をし、その管理を行う。また、システム制御部６は、蓄電池５が接続されており、この蓄電池５へ余剰電力を供給して充電を行う。さらに、システム起動時には蓄電池５に充電された電力を使い、システム制御部６を作動させ、また、この電力を使って図外の起動用ヒーターを発熱させて発電部を加熱する。
【００１７】
また、本システムは、混合ガスの混合比を検出する図外の検出部と、この検出部からの検出信号に基づいて設定混合比となるように混合比を調整する図外のガス混合比調整部と、を更に備えている。このガス混合比調整部は、発電部２からガス混合部１へ至るガス供給管７，８に設けられてガス混合部１へのガス供給量を調整する調整弁であって、システム制御部６によって制御される。また、このように調整弁で調整する代わりに、又はそれに加えて、発電部２を経ていない新たな燃料ガスを供給する供給管（図示省略）及び／又は新たな酸化剤の供給管（図示省略）により、新たな燃料ガス及び／又は新たな酸化剤をガス混合部１に供給してガス供給量を調整するようにしても良い。
【００１８】
なお、システム起動時には、蓄電池５に充電された電力を使って図外の起動用ヒーターを発熱させて発電部を加熱するようにすることもできる。また、このシステムでは、ガス混合部１に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの一部が発電部２によって消費されている。つまり、発電部２で消費され、そこから排出された燃料ガス及び酸化剤ガスがガス混合部１に供給される。そのため、発電部２での消費量に基づいてガス混合部１に供給されるガス、つまり両供給管７，８に供給されるガスの供給量を制御すれば、ガス燃焼装置３でのガスの燃焼を所望の状態に維持することができる。この場合の制御は、システム制御部６によって行うことができる。
【００１９】
実施形態２
図２は、燃料電池を用いたコージェネレーションシステムの実施形態２を示すシステムブロック図である。
【００２０】
図２に示すように、本実施形態が実施形態１と異なるのは、燃料ガス供給管７及び空気供給管８を燃焼室４内に設置していることである。さらに、ガスが供給管７，８内を流れる間に高温状態に予熱されて発電部２に供給されるように燃焼室４内の供給管７，８の長さが設定されている。これによりガス供給による発電部２の温度低下を極力防ぐことができ、燃料利用効率の向上を図ることができる。
【００２１】
なお、その他の構成は、実施形態１と同じであるので、実施形態１で用いた符号と同符号を図面に付すことにより、それらの説明を省略する。
【００２２】
実施形態３
図３は、燃料電池を用いたコージェネレーションシステムの実施形態３を示すシステムブロック図である。本実施形態では、実施形態１の構成に加えて、燃焼室４内を燃料ガス供給管７及び酸化剤ガス供給管８が通過するようになっている。すなわち、燃焼室４を通過した両ガス供給管７，８が一旦燃焼室４の外部に出た後、再び燃焼室４内へ導入されている。そして、燃焼室内４で発生する燃焼熱によって供給管７，８を加熱することにより、予熱された燃料ガス及び空気を発電部２に供給する。これによってもガス供給による発電部２の温度低下を極力防ぐことができ、発電部２を暖める電力を削減することができる。
【００２３】
実施形態４
図４は、燃料電池を用いたコージェネレーションシステムの実施形態４を示すシステムブロック図である。本実施形態では、ガス燃焼装置３に熱交換器９が接続されており、ガス燃焼装置３で発生する燃焼熱が熱交換器９を介して供給管７，８を加熱するようになっている。また、実施形態２のように燃焼室４内を供給管７及び供給管８を通過させ、ガスが供給管７，８内を流れる間に高温状態に予熱されて発電部２に供給されるように燃焼室４内の供給管７，８の長さが設定されている。これによってガス供給による発電部２の温度低下を極力防ぐことができ、燃料利用効率の向上を図ることができる。
【００２４】
以上に述べた各実施形態のシステムは、ガスファンヒーター等のガス器具に組み込まれるものであり、本システムのガス燃焼装置３及び燃焼室４として、ガス器具のガス燃焼装置及び燃焼室が利用される。また、実施形態４のシステムでは、熱交換器を備えたガス器具（給湯器等）に組み込まれ、本システムの熱交換器として、ガス器具の熱交換器が利用される。
【００２５】
以上の実施形態によれば、燃料ガス及び酸化剤ガスがそれぞれ供給される燃料ガス供給管７及び酸化剤ガス供給管８を介してこれらのガスがガス混合部１へ供給される。そして、このガス混合部１において混合された混合ガスが燃焼装置３へ供給されることで、ガスの燃焼が行われる。ここで、上記実施形態では、燃料電池を備えた発電部２を供給管７，８の途中に配置し、ガス混合部１へと供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを利用して発電を行っている。したがって、ガス燃焼装置によって熱を発生させつつ、発電も行うことができるため、効率的なエネルギーの利用が可能となる。なお、発電された電気は、このシステムを稼働するための電源として使用したり、ガス燃焼装置３から排出された熱の温度制御などに用いることができる。
【００２６】
さらに、上記各実施形態では、発電部２を燃焼室４内に設置し、このガス燃焼装置３で発生する燃焼熱によって発電部２を加熱するので、発電部２を燃焼室内の燃焼熱によって直接加熱することができて発電部２の加熱効率を向上させることができる。また、このシステムでは、通常のガス器具に発電部２を組み込んで構成することができる。すなわち、ガス供給管７，８の途中に発電部２を配置しているため、燃焼機構を変更することなく、従来のガス器具を用いることができる。したがって、低コストでコージェネレーションシステムを構築することが可能となる。
【００２７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、発電部２では、一つの燃料電池を配置することもできるし、複数の燃料電池を配置することもできる。その場合、図５に示すように、燃料ガス供給管７を流れる燃料ガスが３つの燃料電池（二室型ＳＯＦＣ）の各燃料極に供給されように構成するとともに、酸化剤ガス供給管８を流れる酸化剤ガスが各空気極に供給されるように構成することができる。各電極を通過したガスは、各供給管７，８を通ってガス混合部１に供給される。このとき、複数の燃料電池を並列に接続すると、出力電流値を調整することが可能となる。また、複数の燃料電池を直列に接続することもできる。
【００２８】
なお、本発明に係る燃焼室とは、バーナ等の燃焼装置を収容するものであり、燃焼装置から発生する燃焼熱によって、同じく収容されている発電部を加熱できるような空間を有していればよい。例えば、本システムをガス器具に用いる場合、必要なガスを供給する供給パイプが導入され、バーナー等の燃焼装置が収容され、さらに、その燃焼装置により暖められた温風を吹出す吹出し口を備えているような筐体が燃焼室に相当する。この場合、筐体は、主に、ステンレス材から構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係るコージェネレーションシステムの実施形態１を示すシステムブロック図である。
【図２】本発明に係るコージェネレーションシステムの実施形態２を示すシステムブロック図である。
【図３】本発明に係るコージェネレーションシステムの実施形態３を示すシステムブロック図である。
【図４】本発明に係るコージェネレーションシステムの実施形態４を示すシステムブロック図である。
【図５】本発明に係るコージェネレーションシステムに用いられる発電部の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  ガス混合部
２  発電部
３  ガス燃焼装置
４  燃焼室
５  蓄電池
６  システム制御部
７  燃料ガス供給管
８  酸化剤ガス供給管
【図１】
2006164964.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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