(57)【要約】      （修正有）【課題】  電池スタックから排出される排熱や排エネルギーの有効活用を図って一層経済的な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  集中改質型燃料電池システムにおいて、各需要家に配置される個別燃料電池システムＳ１は、ＰＥＦＣユニット２００と、排熱熱交換器４１を備える排熱利用ユニット４００とを複合させてなる。ＰＥＦＣユニット２００の電池スタック２１０から排出される排エネルギーである燃料極排ガスと空気極排空気とを、排熱熱交換器バーナ４１ａで燃焼させ、昇温配管系統４４の熱交換部４４１を加熱することで、貯湯槽４２内に約９０℃程度の高温水を貯留可能とする。【選択図】図５
2006073417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池スタック内に燃料ガスを導入して電気を発生する燃料電池ユニットと、加熱部を備えた排熱熱交換器とを複合させた燃料電池システムであって、
前記燃料電池ユニットの電池スタックから排出される排エネルギーを、前記排熱熱交換器における加熱部の加熱源として用いるための排エネルギー利用機構を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
商用ガス供給系統に接続され燃料電池の駆動源となる燃料ガスを精製する燃料ガス供給設備と、所定のローカルエリア内に存在する複数の需要家に分散配置された個別燃料電池システムとからなる広域型の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給設備は、前記各需要家にそれぞれ燃料ガスを供給可能とされた各燃料電池ユニット共通の集中型燃料ガス供給設備であり、
前記個別燃料電池システムは、電池スタック内に前記燃料ガスを導入して電気を発生する燃料電池ユニットと、加熱部を備えた排熱熱交換器とを複合させたものであり、
前記燃料電池ユニットの電池スタックから排出される排エネルギーを、前記排熱熱交換器における加熱部の加熱源として用いるための排エネルギー利用機構を有することを特徴とする広域型の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池ユニットが高温型燃料電池ユニットからなり、
前記排エネルギー利用機構が、前記高温型燃料電池ユニットの電池スタックから排出される高温燃焼排ガスにより、前記排熱熱交換器における加熱部が直接加熱されるものであることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池ユニットが低温型燃料電池ユニットからなり、前記排熱熱交換器における加熱部の加熱源として、排熱熱交換器バーナが備えられており、
前記排エネルギー利用機構が、前記低温型燃料電池ユニットの電池スタックから排出される燃料極排ガス及び空気極排空気を、前記排熱熱交換器バーナに送って燃焼させるものであることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池ユニットに湯水を貯留する貯湯槽を併設してなり、
前記排熱熱交換器で与えられた熱を前記貯湯槽内の湯水へ授受するため熱媒が循環される昇温配管系統を具備することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池ユニットに湯水を貯留する貯湯槽と、浴槽水浄化装置を備えた浴槽とを併設してなり、
前記排熱熱交換器で与えられた熱を前記貯湯槽内の湯水及び／又は前記浴槽内の湯水へ授受するための昇温配管系統を具備することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記排熱熱交換器における加熱部の加熱源として、排熱熱交換器バーナを備えている場合において、
電池スタック内へ導入される燃料ガスの配管系統にバイパス配管系統が設けられ、
前記バイパス配管系統は、前記排熱熱交換器バーナに接続されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
貯湯槽が高温水貯湯槽と低温水貯湯槽とに分離されており、
昇温配管系統が、前記高温水貯湯槽及び低温水貯湯槽を経由するよう配管されてなり、
昇温配管系統内の熱媒が、排熱熱交換器を出た後に、先ず前記高温水貯湯槽を経由し、続いて前記低温水貯湯槽を経由するよう循環されるよう構成したことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項９】
排熱熱交換器に、電池スタックから排出される高温燃焼排ガス若しくは該排熱熱交換器バーナの燃焼排ガス中に含まれる水分を、ドレン水として回収する水回収装置を具備させたことを特徴とする請求項３〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池ユニットから排出される高温燃焼排ガス若しくは燃料極排ガス及び空気極排ガス等の排エネルギーを、排熱熱交換機により利用することで排熱利用を図る燃料電池システムに関し、特に集合住宅、住宅地域、商用地域の家庭用や業務用の自家用発電設備として分散設置されている燃料電池ユニットに、改質ガス等の燃料供給を集中型燃料ガス供給設備から供給するようにしたシステムにおいて、好適に排熱利用を図ることができるようにした広域型の燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、家庭や業務用の電力・熱供給システムとして、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）や固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）等の燃料電池システムが導入されつつある。このような燃料電池システムは、都市ガス、ＬＰＧ又は灯油等を燃料として電気と温水を発生するシステムであり、発電された電気は電力として電気機器に利用される。また、燃料電池の排熱等を利用して生成された湯は貯湯タンクに蓄えられ、需要家内の給油系統に供給される。このように、燃料電池システムは、１台で電気と熱との双方を供給する機能を備えている。現在、家庭用燃料電池としては５００Ｗ〜１ｋＷ、業務用燃料電池としては３〜５ｋＷ，３０ｋＷ級の発電容量の機種が開発されている。
【０００３】
図１２は、家庭用や業務用燃料電池として期待されているＰＥＦＣシステム８００の構成例を示すブロック図である。このシステム８００は大略的に、都市ガス等の燃料ガスＧを改質器８１０に導入して改質ガスを精製し、これをＰＥＦＣ電池スタック８３０へ送り発電動作を行わせると共に、排熱回収部８５０にて低温水を取り出すものである。詳述すると、先ず燃料ガスＧ中に含まれている腐臭剤が脱硫器８０１で除去され、該燃料ガスＧは熱交換器８０２で予熱された後、水蒸気Ｓと混合され、改質器８１０へ導入される。改質器８１０はバーナ８１０ａにより加熱されて約８００℃程度に保持されており、触媒の作用によって燃料ガスＧは水素を主成分とする改質ガスに変換される。この改質ガスは、熱交換器８２１で温度を下げて一酸化炭素変成器８２２へ導かれ、ガス中に含まれる一酸化炭素成分が水素と二酸化炭素とに変換され、続いて一酸化炭素選択酸化器８２３において、ガス中の残留一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ程度に低下される。しかる後改質ガスは、加湿器８２４を経て電池スタック８３０の燃料極８３１へ導入される。該燃料極８３１において水素成分はイオン化され、電解質８３３を通過し、空気ブロワ８３５により空気極８３２において酸素と化学反応を惹起して発電が行われると共に水が生成される。
【０００４】
電池スタック８３０にて発生された電力は、インバータ８４０にて直流ＤＣから交流ＡＣに変換されて家庭や業務用電力機器に供給される。一方、電池スタック８３０の内部では水素と酸素とが化学反応するために発熱するが、この熱（排熱）が排熱回収部８５０により取り出されて低温水が生成される。すなわち、電池スタック８３０に備えられている電池冷却板８３４には、放熱器８５１及びポンプ８５２を備える循環系統により電池冷却水ＣＷ３が流通され、電池スタック８３０を約８０℃の一定温度に保つと共に熱が取り出される。昇温された電池冷却水ＣＷ３は、熱交換器８５３において水道水と熱交換をして約３０〜４０℃に冷却され、これにより約６０℃程度の低温水が得られる。この温水は貯湯槽８５４に貯留され、必要に応じて、台所や洗面所、風呂への給湯用に使用される。
【０００５】
これに加えて、電池スタック８３０の燃料極８３１から排出される燃料極排ガスＧ１、及び空気極８３２から排出される空気極排空気Ａ１は、改質器バーナ８１０ａに導かれて燃焼され、改質用の熱源として利用される。このようにＰＥＦＣシステム８００においては、電池スタック８３０の排熱を利用しての低温水の生成と、燃料極排ガスＧ１及び空気極排空気Ａ１の改質器８１０の熱源としての活用により、システムの高効率化が図られている。
【０００６】
図１３は、高温型燃料電池の代表であるＳＯＦＣシステム９００の構成例を示すブロック図である。このシステム９００においても、都市ガス等の燃料ガスＧが脱硫器９０１，予熱器９０２を経由して改質器９１０へ導入され、該改質器９１０において燃料ガスＧが水素を主成分とする改質ガスに変換される点は、前述のＰＥＦＣシステム８００と同様である。しかし、ＳＯＦＣの電池スタック９３０は一酸化炭素成分も燃料として用いうるために、改質ガスはそのまま７００〜１０００℃程度に保持された電池スタック９３０の燃料極９３１へ導入される。導入された改質ガス中の水素成分（及び一酸化炭素成分）は、その大部分が燃料極９３１において、空気極９３２から送られてくる酸素イオンと反応して電気を発生する。空気極９３２には、空気ブロワ９３５から空気が導入されており、該空気中の酸素が取り込まれてイオン化される。かかる酸素イオンは、電解質９３３を通して燃料極９３１へ移動され、水素成分（及び一酸化炭素成分）と化学反応し電気を発生する。発生された電力は、インバータ９４０にて直流ＤＣから交流ＡＣに変換されて家庭や業務用電力機器に供給される。
【０００７】
一般に、燃料極９３１での水素利用率は７０〜８０％で、残りは余剰として排出される（燃料極排ガス）。また、空気極９３２での空気中の酸素利用率は５０〜６０％で、残りは余剰として排出される（空気極排空気）。このような余剰エネルギーを活用すべく、前記燃料極排ガスと空気極排空気とは、電池スタック９３０の出口側に配置された燃焼室９３４に導入されて燃焼される。この燃焼により生じた熱は、電池スタック３１０の保温に利用される他、熱交換器９５１、９５２により熱回収される。すなわち、燃焼室９３４での燃焼により発生した高温燃焼排ガスＥＧにより、高温水熱交換器９５１において蒸気あるいは９０℃程度の高温水ＨＷが、低温水熱交換器９５２において６０℃程度の低温水ＬＷがそれぞれ製造される。このような高温水ＨＷ及び低温水ＬＷは、業務用ないしは給湯用に広く利用される。また、高温燃焼排ガスＥＧの一部は改質器９１０にも送られ、改質用熱源としても利用される。
【０００８】
また、上述の高温水熱交換器９５１で製造されるような蒸気や高温水を、いわゆる２４時間風呂の保温熱源として使用することも知られている。例えば特許文献１には、電池スタックの冷却に供して高温化した冷却水を風呂の浴槽内に循環させることで、浴槽内に貯留されている湯水の保温を図るようにした燃料電池システムが開示されている。
【特許文献１】特開２００３−５１３１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
燃料電池システムは、上記の通り電気と熱とを同時に発生するもので、両者を有効利用することにより経済性を高くすることができる。しかし、燃料電池からの排熱の利用に関し、公知のシステムによっては十分に排熱利用が図れない場合がある。すなわち、ＳＯＦＣシステム９００では、上述の通り排熱を利用して蒸気あるいは９０℃程度の高温水を生成できるので、例えば吸収式冷凍機において冷房や暖房の用途に利用することが可能となる。これに対し、ＰＥＦＣシステム８００では、上述の通り６０℃程度の低温水しか製造できないため、給湯程度にしか利用できず利用価値が比較的低いという問題がある。また、ＳＯＦＣシステム９００のような高温型燃料電池でも、家庭用で用いられるような小型のものでは排出される排熱温度レベルが低くなり、蒸気が得られにくくなることから、その経済性が低下する場合がある。
【００１０】
ところで、燃料電池システムを集合住宅の各家庭、多目的商業ビルや工場施設内等の一定のローカルエリア内に存在する小口需要家に個別設置する場合、個別の需要家の熱や電力の負荷変動はまちまちであるので、これらを集合化することで負荷の季節変動量の減少や、最大・最小電力需要幅が縮小される等のメリットが生じる。このため、かかる用途へ燃料電池システムを導入するに際しては、改質装置を持たない比較的小型の燃料電池ユニットを分散して各需要家に設置し、改質ガスは各需要家共通の集中型燃料改質ガス供給装置で精製し、分散配置した各燃料電池ユニットにガス配管で改質ガスを供給する集中改質型の燃料電池システムとすることが望ましい。
【００１１】
このような集中改質型燃料電池システムを採用した場合、新たな課題として、電池スタックから排出される未利用の水素ガス及び酸素ガス（排エネルギー）の有効活用の問題が浮上する。すなわち、各燃料電池ユニットに供給された改質ガスは、電池スタックで全て消費されるわけではなく、電池スタックの燃料極からは２０％程度の未利用の水素ガス（燃料極排ガス）が、空気極からは５０％程度の未利用の酸素ガス（空気極排空気）が排出される。これらは、上述の一般的なＰＥＦＣシステム８００では改質器バーナ８１０ａで燃焼させて利用することが可能であるが、集中改質型の構成にすると、このような利用態様が取れなくなってしまう。さらに、ＳＯＦＣシステム９００でも、燃焼室９３４から排出される高温燃焼排ガスＥＧの一部を改質用熱源として利用するといった活用が図れないため、改質用熱源相当分の余剰排熱の有効活用が課題となる。
【００１２】
従って本発明は、電池スタックから排出される排熱や排エネルギーの有効活用を図って一層経済的な燃料電池システムを提供することを目的とし、特に集中改質型燃料電池システムのように個別に改質装置を具備しないタイプの燃料電池ユニットを備えた燃料電池システムにおいて、効率的に排エネルギーを有効活用できるシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の請求項１にかかる燃料電池システムは、電池スタック内に燃料ガスを導入して電気を発生する燃料電池ユニットと、加熱部を備えた排熱熱交換器とを複合させた燃料電池システムであって、前記燃料電池ユニットの電池スタックから排出される排エネルギーを、前記排熱熱交換器における加熱部の加熱源として用いるための排エネルギー利用機構を有することを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、排熱熱交換器における加熱部が、電池スタックから排出される排エネルギーを利用した排エネルギー利用機構により加熱される構成（例えば、燃料極排ガスと空気極排空気とを燃焼させたバーナで排熱熱交換器に熱交換用の熱を与えたり、その高温燃焼排ガスで排熱熱交換器に熱を与えたりする）であるので、排エネルギー（排熱）の利用性を向上させることができる。すなわち、電池スタックの排熱で副次的に生成される蒸気や高温水を利用するのではなく、電池スタックから排出される排エネルギーそのもので排熱熱交換器を加熱するので、排熱で蒸気や高温水を生成することが困難な燃料電池ユニットを用いた場合でも、複合化された排熱熱交換器にて、その排熱（排エネルギー）を容易に取り出し、これを有効活用することができるようになる。
【００１５】
本発明の請求項２にかかる広域型の燃料電池システムは、商用ガス供給系統に接続され燃料電池の駆動源となる燃料ガスを精製する燃料ガス供給設備と、所定のローカルエリア内に存在する複数の需要家に分散配置された個別燃料電池システムとからなる広域型の燃料電池システムであって、前記燃料ガス供給設備は、前記各需要家にそれぞれ燃料ガスを供給可能とされた各燃料電池ユニット共通の集中型燃料ガス供給設備であり、前記個別燃料電池システムは、電池スタック内に前記燃料ガスを導入して電気を発生する燃料電池ユニットと、加熱部を備えた排熱熱交換器とを複合させたものであり、前記燃料電池ユニットの電池スタックから排出される排エネルギーを、前記排熱熱交換器における加熱部の加熱源として用いるための排エネルギー利用機構を有することを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、各燃料電池ユニット共通の集中型燃料ガス供給設備を適用することで、各燃料電池ユニットには改質装置部が不要となり、装置構成の簡素化、小型化が図れると共に、改質ガスが常時供給可能な状態とされているので、個別に改質装置を具備するシステムに比べて起動時間が短縮され、燃料電池ユニットの効率的な運用が行えるようになる。これに加え、各需要家に分散配置されている燃料電池ユニットは改質装置が具備されないことになるが、前記改質装置で利用されていた分の排エネルギーが、需要家に分散配置された個別燃料電池システムに備えられている排熱熱交換器において活用できるようになることから、システムの経済性を向上させることができる。
【００１７】
ここで、一般的な燃料電池システムと所謂集中改質型燃料電池システムとの相違について、図１及び図２に基づいて大略的に説明しておく。図１は、一般的な燃料電池システムを示すブロック図である。このシステムにおいて、燃料電池システム部８００は、燃料電池部８０１と、該燃料電池部８０１に改質ガスを供給する改質装置８０２と、これらの動作を制御する制御部８０３と、燃料電池部８０１の排熱を利用して温水を生成する貯湯槽８０４とからなる。そして、燃料電池部８０１で発電される電気は、需要家内の電気機器８１１で利用され、また貯湯槽８０４内の温水は給湯設備等の熱需要機器８１２で利用されるようになっている。かかるシステムでは、都市ガス等の原燃料が改質装置８０２へ導入され、該改質装置８０２にて改質ガスが精製されて燃料電池部８０１に供給される。つまり、各需要家が個別に備える燃料電池システム部８００に、それぞれ改質装置８０２が具備されており、各々の需要家ごとに改質ガスを精製する構成である。
【００１８】
本発明は、このような一般的な燃料電池システムへも勿論適用であるが、かかるシステム構成では、需要家（特に小口需要家）の負荷変動に追従して運用するのが困難である。図１１（ａ）は、一戸建の一般住宅における電気負荷を秒単位で測定した電力負荷変動状態を示している。図示する通り、一戸建住宅では、絶えず大きな電力負荷変動が生じており、この測定例では最低負荷は３００Ｗ程度で、最高負荷は３０００Ｗ程度であって、最大１０倍の変動がある。しかし、改質装置を持つタイプの家庭用燃料電池の負荷追従性能は１０％／分程度が限界であり、上述のような瞬時の負荷変動に追従して運用させることは困難である。
【００１９】
一方、図１１（ｂ）は、集合住宅全体で測定した電力負荷変動状態である。かかる集合住宅では、一戸建住宅に比べて負荷変化曲線は平滑化されており、この測定例では最低負荷は８０００Ｗ程度で、最高負荷は３００００Ｗ程度であって、約３．８倍の変動幅に収まっている。これは、集合住宅では多様な家庭が集合しているために、電力・熱負荷が全体としてみれば平準化されるからである。従って、一般住宅へ燃料電池を導入する場合でも、家庭一戸ごとに独立して改質装置付きの燃料電池システムを導入するよりも、個々の家庭毎に燃料電池を分散配置して各需要家で電気と熱の個別消費を可能とする一方で、各々の燃料電池に対する燃料ガスの供給は集中化した燃料供給システムから供給してローカルエリア全体で運用制御ができるような集中改質型燃料電池システムを構築することが望ましいと言える。
【００２０】
図２は、このような集中改質型燃料電池システムの一例を示すブロック図である。所定のローカルエリア内（例えば集合住宅や一定範囲の地区内に存在する一戸建住宅群）に存在する（小口）需要家Ａ、Ｂには、それぞれ燃料電池ユニット７００ａ、７００ｂが個別に備えられているが、これら燃料電池ユニット７００ａ、７００ｂに対して、共通の集中型燃料ガス供給設備（集中型改質装置１０）から例えば改質ガス等が一元的に供給される構成である。すなわち、燃料電池ユニット７００ａ、７００ｂは、燃料電池部７０１ａ、７０１ｂ、制御部７０３ａ、７０３ｂ及び貯湯槽７０４ａ、７０４ｂからなり、個別の改質装置は具備されておらず、制御部１０Ｍの制御下において集中型改質装置１０にて原燃料から改質ガスを精製し、これを需要家Ａ、Ｂに向けて供給する構成である。そして、各燃料電池ユニット７００ａ、７００ｂで発生された電力や熱は、各需要家Ａ、Ｂが備えている電気機器７１１ａ、７１１ｂや熱需要機器７１２ａ、７１２ｂにて消費されるものである。
【００２１】
家庭用等の各小口需要家での熱利用に対しては、熱需要箇所である需要家内に燃料電池設備を設置して熱を取り出すようにすることが、熱供給配管が不要にでき、また熱損失も抑制できるという観点から最も経済的である。一方、燃料ガス供給装置はスケールメリットが大きく、効率が高く、小さい燃料ガス変動に対しても余力のある集中型を設置するほうが実用的である。このような点に鑑みて本発明では、各需要家サイトには改質装置のない小型燃料電池ユニット７００ａ、７００ｂを分散して設置する一方で、改質ガスの供給については集中型燃料ガス供給装置（集中型改質装置１０）にて一括供給し、需要家毎に独自で電力負荷（電気機器７１１ａ、７１１ｂ）や熱負荷（熱需要機器７１２ａ、７１２ｂ）に対して運転できるシステム構成としたものである。
【００２２】
かかる構成によれば、各小型燃料電池ユニット７００ａ、７００ｂは個別に運転しても、数台、数十台、数百台の小型燃料電池ユニット全体としての燃料ガス供給量は平滑化される（つまり、全体としてみれば急激な負荷変動は生じない）ために、集合化した燃料ガス供給装置では緩やかな運転が可能となり、経済的な運用を行うことが可能となる。従って、このような集中改質型燃料電池システムは、本発明が好適に適用されるシステムである。なお、燃料電池ユニットとしては一種類の燃料電池に限定されることなく、発電容量、発電効率、排熱効率、起動時間等の異なる複数のユニットや固体高分子形や固体電解質形等の異なる燃料電池形式の標準ユニットを組み合わせて使用することもできる。
【００２３】
上記請求項１又は２の構成において、前記燃料電池ユニットが高温型燃料電池ユニットからなり、前記排エネルギー利用機構が、前記高温型燃料電池ユニットの電池スタックから排出される高温燃焼排ガスにより、前記排熱熱交換器における加熱部が直接加熱される構成とすることができる（請求項３）。この構成によれば、高温型燃料電池ユニットの電池スタックを保温するために、電池スタックに付設されている燃焼室から排出される高温燃焼排ガスが排熱熱交換器の加熱部へ導かれ、該高温燃焼排ガスにより排熱熱交換器に直接的に熱が与えられるようになる。
【００２４】
また上記請求項１又は２の構成において、前記燃料電池ユニットが低温型燃料電池ユニットからなり、前記排熱熱交換器における加熱部の加熱源として、排熱熱交換器バーナを備えており、前記排エネルギー利用機構が、前記低温型燃料電池ユニットの電池スタックから排出される燃料極排ガス及び空気極排空気を、前記バーナに送って燃焼させる構成とすることができる（請求項４）。この構成によれば、排熱熱交換器バーナの燃料として、電池スタックから排出される燃料極排ガス及び空気極排空気が活用される。
【００２５】
上記請求項１〜４のいずれかにおいて、燃料電池ユニットに湯水を貯留する貯湯槽を併設してなり、前記排熱熱交換器で与えられた熱を前記貯湯槽内の湯水へ授受するため熱媒が循環される昇温配管系統を具備する構成とすることが望ましい（請求項５）。この構成によれば、排熱熱交換器に与えられた熱は、貯湯槽に貯留されている湯水に伝熱されて９０℃近い高温水を生成され、これを貯湯槽内で貯留できるようになる。
【００２６】
また上記請求項１〜４のいずれかにおいて、燃料電池ユニットに湯水を貯留する貯湯槽と、浴槽水浄化装置を備えた浴槽とを併設してなり、前記排熱熱交換器で与えられた熱を前記貯湯槽内の湯水及び／又は前記浴槽内の湯水へ授受するための昇温配管系統を具備する構成とすることが望ましい（請求項６）。この構成によれば、排熱熱交換器に与えられた熱は、貯湯槽に貯留されている湯水に伝熱され、さらには浴槽内に貯留されている湯水へも伝熱可能とされ、９０℃近い高温水を生成して貯湯槽内で貯留できると共に、所謂２４時間風呂などに代表される浴槽水浄化装置を備えた浴槽内湯水の保温用にも活用できるようになる。
【００２７】
上記請求項１〜６のいずれかにおいて、前記排熱熱交換器における加熱部の加熱源として、排熱熱交換器バーナを備えている場合において、電池スタック内へ導入される燃料ガスの配管系統にバイパス配管系統が設けられ、前記バイパス配管系統は、前記排熱熱交換器バーナに接続される構成とすることが望ましい（請求項７）。この構成によれば、電池スタックから排出される排エネルギーのみでは、排熱熱交換器の加熱熱量に不足が生じてしまうような場合に、バイパス配管系統を経由して供給される燃料ガス（改質ガス）で前記排熱熱交換器バーナを動作させるようにすることで、安定的に排熱熱交換器に熱を与えることができるようになる。
【００２８】
上記請求項５において、貯湯槽が高温水貯湯槽と低温水貯湯槽とに分離されており、昇温配管系統が、前記高温水貯湯槽及び低温水貯湯槽を経由するよう配管されてなり、昇温配管系統内の熱媒が、排熱熱交換器を出た後に、先ず前記高温水貯湯槽を経由し、続いて前記低温水貯湯槽を経由するよう循環されるよう構成することが望ましい（請求項８）。この構成によれば、排熱熱交換器で得られた熱が、高温水貯湯槽と低温水貯湯槽とで順次カスケード的に活用されることとなり、熱交換を効率的に行うことが可能となる。
【００２９】
上記請求項３〜８のいずれかにおいて、排熱熱交換器に、電池スタックから排出される高温燃焼排ガス若しくは排熱熱交換器バーナの燃焼排ガス中に含まれる水分を、ドレン水として回収する水回収装置を具備させた構成とすることが望ましい（請求項９）。この構成によれば、燃料電池ユニット内で生成される純水や、排熱熱交換器バーナでの燃焼反応の際に発生する水が、排熱熱交換器内でドレン化した場合に、これを回収して様々な用途に活用できるようになる。
【発明の効果】
【００３０】
請求項１の燃料電池システムによれば、電池スタックから排出される排エネルギーそのもので排熱熱交換器に熱を与えるので、排熱で蒸気や高温水を生成することが困難な燃料電池ユニットを用いた場合でも、その排熱（排エネルギー）を容易に有効活用することができるようになる。従って、給湯用の低温水しか生成できなかった低温型燃料電池ユニットを採用した場合でも、排熱を利用して９０℃程度の高温水を生成できるようになり、効果的な排熱利用が図れるようになる。
【００３１】
請求項２の燃料電池システムによれば、個別燃料電池システムを各需要家に分散して設置し、燃料ガスの供給は集中化した集中型燃料ガス供給設備より供給することにより、個々の需要家の大きい燃料ガス供給負荷変化が平準化されるため、燃料電池システムの負荷追従速度の最も大きい制約要因となっている改質装置の負荷追従速度の影響を緩和することが可能となり、燃料電池システムの運用性を大幅に改善することができる。また、個々の需要家の個別燃料電池システム近傍まで、常時燃料ガスが供給されているために、供給弁等を開放すれば各需要家内の燃料電池ユニットに対して直ちに燃料供給が開始され、燃料ガスを改質するまでの起動時間が短縮されることから、例えば燃料電池ユニットが固体高分子形燃料電池からなるものであれば迅速な負荷追従や即座の起動が可能となる。この結果、固体高分子形燃料電池ユニットは頻繁な起動停止が可能となり、深夜時間帯は停止、昼間も電気や熱が不要な時は停止できるので、燃料電池システムの制約による運用制限が少なくなり、経済的な運用が可能となる。これに加え、改質装置で利用されていた分の排エネルギーが、需要家に分散配置された個別燃料電池システムに備えられている排熱熱交換器において活用できるようになることから、電池スタックの排エネルギーの活用という点でも万全なシステムとすることができる。
【００３２】
請求項３の燃料電池システムによれば、高温型燃料電池ユニットにおいて、その燃焼室から排出される高温燃焼排ガスにより排熱熱交換器が直接加熱される構成であるので、実質的に高温燃焼排ガスを燃焼室から排熱熱交換器まで導く配管路を付設するだけで排エネルギー利用機構が構築でき、簡易な構成で排熱を一層有効に利用できるようになる。
【００３３】
請求項４の燃料電池システムによれば、低温型燃料電池ユニットにおいて、加熱源となる排熱熱交換器バーナの燃料として、電池スタックから排出される燃料極排ガス及び空気極排空気が活用される構成であるので、実質的に燃料極排ガス及び空気極排空気を電池スタックの排出側から排熱熱交換器バーナまで導く配管路を付設するだけで排エネルギー利用機構が構築でき、簡易な構成で排熱を一層有効に利用できるようになる。
【００３４】
請求項５の燃料電池システムによれば、排熱熱交換器に与えられた熱が貯湯槽に貯留されている湯水に伝熱され、９０℃近い高温水を生成し、これを貯湯槽内で貯留できるようになるので、各種の給湯用途に幅広く活用でき、排エネルギーの利用性が格段と向上するようになる。
【００３５】
請求項６の燃料電池システムによれば、例えば各需要家の燃料電池発電ユニットに併設して２４時間風呂を設置して、高温水を貯湯した貯湯槽からの高温水を、２４時間風呂の加熱源（保温源）として利用することにより、従来保温に要していた電気あるいはガスを削減できるようになる。従って、２４時間風呂を保温する熱コストが低くなるとともに、２４時間風呂には常時湯水を張っているために風呂給湯用の貯湯槽が不要となり、貯湯槽を大幅に小型化できる。また、昇温用配管系統内を循環させる熱媒を、まず高温貯湯槽を経由して伝熱させて熱媒の温度を下げ、その後２４時間風呂を経由させて保温用として使用する循環ルートとすれば、熱媒がカスケード的に使用されることとなり、熱交換を効率的に行うことができる。
【００３６】
請求項７の燃料電池システムによれば、バイパス配管系統を経由して供給される燃料ガス（改質ガス）で排熱熱交換器バーナを動作させ得るので、排熱熱交換器を個別燃料電池システムの負荷に制約されることがなくなり、熱需要に適した運転を実行できるようになる。
【００３７】
請求項８の燃料電池システムによれば、昇温用配管系統内の熱媒は、最初に高温水貯湯槽で伝熱をして貯湯槽温度を上げ、その後低温水貯湯槽に入り、低温水の昇温と貯湯槽保温用として使用するために、排熱熱交換器で熱を与えられた熱媒をカスケード的に使用できるようになり、熱交換を効率的に行うことができる。また、高温水貯湯水の温水は例えば吸収式冷凍機の加熱源等として利用することが可能となり、暖房用や冷房用の空調用の熱として利用することが可能となる。
【００３８】
請求項９の燃料電池システムによれば、燃焼排ガス中に含まれている蒸気が、ドレン水として水回収装置により回収されるので、生成水を無駄なく利用できるシステムとすることができる。特に固体高分子形燃料を使用したシステムにおいて生成される水の純度は非常に高いために、電池セルの加湿用、電池冷却水の補給水用や残りは貯湯槽に補給給水する配管系統に供給することにより、生成水を無駄無く利用できるシステムとなる。また、りん酸形や高温形燃料を使用したシステムでは、燃料電池ユニット内で生成される純水は、水処理をすれば飲料用にも使用できるために、貯湯槽等に補給給水すれば、生成水を無駄無く利用できるシステムとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の実施形態につき、図面に基づいて詳細に説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能である。なお、以下の説明では、複数の需要家に配置された個別燃料電池システムに対して集中型燃料ガス供給設備で改質ガス等を一括供給する、広域型の燃料電池システム（集中改質型燃料電池システム）を主として説明する。
【００４０】
（第１実施形態）
本実施形態の説明の前に、一般的な電力及びガス供給系統について概説する。図３は、通常の一戸建住宅や集合住宅に対する電力及びガスの供給形態を示すブロック図である。需要家Ａ，Ｂ，Ｅ，Ｇには固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）システム２００ａが、需要家Ｃ，Ｆには固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）システム３００ａが、需要家Ｄ，Ｈには一般ガス器具６００（燃料電池発電システムは未導入）がそれぞれ配置されている。各需要家Ａ〜Ｈに対し、ガスは商用ガス供給源１０１Ｇから、商用ガス供給系統（都市ガス配管）１０１を経て個別に供給され、また電力は、商用電力供給源１１０Ｇから、商用電力供給系統１１０を経て個別に供給されるようになっている。すなわち、各需要家Ａ〜Ｈは、例え燃料電池システム２００ａ、３００ａを導入していても、個別に商用ガス供給事業者や商用電力供給事業者会社と契約して、商用ガス供給系統１０１や商用電力系統１１０を経てガスや電力の供給を受けている。
【００４１】
図４は、本実施形態にかかる集中改質型燃料電池システムＳ０の基本構成を示すブロック図である。ここで需要家Ａ〜Ｈは、所定のローカルエリアに存在する複数の小口需要家、例えば集合住宅の各家庭、所定の地区内の一戸建住宅、或いは小規模な業務用の需要家である。需要家Ａ，Ｂ，Ｅ，Ｇには固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）ユニット２００が、需要家Ｃ，Ｆには固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）ユニット３００がそれぞれ分散配置されている一方で、需要家Ｄ，Ｈには一般ガス器具６００（燃料電池発電ユニットは未導入）が配置されている。なお、図示は省略しているが、燃料電池ユニット２００，３００が導入されている需要家にも、一般ガス器具が設置されている。
【００４２】
そして、電力については図３に示した通常の供給形態と同様に、商用電力供給源１１０Ｇから商用電力供給系統１１０を経て各需要家Ａ〜Ｈへ個別に供給される形態であるが、ガスについては集中型燃料ガス供給装置１００及びアキュムレータ１２０を経由して各需要家Ａ〜Ｈへ個別に供給される形態とされている。すなわち、商用ガス供給源１０１Ｇから、商用ガス供給系統１０１を経て都市ガス等の原料ガスが集中型燃料ガス供給装置１００に供給され、該集中型燃料ガス供給装置１００にて改質ガスが精製され、この改質ガスがアキュムレータ１２０を経由して各需要家Ａ〜Ｈに供給される。なお、集中型燃料ガス供給装置１００で用いられる燃料としては、都市ガスの他、灯油、軽油、ナフサ等の石油系液体燃料やバイオガスを使用しても良い。さらに、それらの改質ガスとともに太陽光や深夜電力を利用して水電解により製造した水素ガスを混合して供給することもできる。
【００４３】
アキュムレータ１２０は、一定量の改質ガスを貯蔵しておき、急激な改質ガス需要変動が生じた場合でも改質ガス圧力を一定に維持させるために設置されるものである。改質ガスは、アキュムレータ１２０に接続されているローカル配管路１０３（既存の都市ガス配管路等であっても良い）を介して、各需要家Ａ〜Ｈに備えられているＰＥＦＣユニット２００、ＳＯＦＣユニット３００及び一般ガス器具６００に供給される。なお、各需要家Ａ〜Ｈで使用される電力については、燃料電池システムによる発電にて賄われるが、不足分については商用系統１１０から需要家毎に購入する構成とされている。
【００４４】
本発明の燃料電池システムは、図３に示したような各需要家が備える燃料電池システム（ＰＥＦＣユニット２００ａ及びＳＯＦＣユニット３００ａ）に適用可能である。しかし、図４に示したような、商用ガス供給系統１０１に接続され燃料電池の駆動源となる燃料ガスを精製する集中型燃料ガス供給装置１００と、所定のローカルエリア内に存在する複数の需要家に分散配置された個別燃料電池システム（ＰＥＦＣユニット２００及びＳＯＦＣユニット３００）とからなる広域型の燃料電池システム（集中改質型燃料電池システムＳ０）における、前記個別燃料電池システムとしてより好適なものである。以下、個別燃料電池システムの実施形態につき説明する。
【００４５】
図５は、ＰＥＦＣ型の燃料電池を具備する個別燃料電池システムＳ１の構成例を示すブロック図である。この個別燃料電池システムＳ１は、低温型燃料電池ユニットとしての固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）ユニット２００と、排熱熱交換器４１を具備する排熱利用ユニット４００とを複合させたシステム構成とされている。当該個別燃料電池システムＳ１は、前記ＰＥＦＣユニット２００のＰＥＦＣ電池スタック２１０から排出される排エネルギーを、前記排熱熱交換器４１における加熱部の加熱源として用いるための排エネルギー利用機構として、ＰＥＦＣ電池スタック２１０から排出される燃料極排ガス及び空気極排空気を、前記排熱熱交換器４１の加熱部を加熱する排熱熱交換器バーナ４１ａに送って燃焼させる方式を採用している。以下、各部の構成を詳述する。
【００４６】
前記ＰＥＦＣユニット２００は、ＰＥＦＣ電池スタック２１０、ブロワ等を備える送気装置２５０、排熱回収部４５０及びインバータ（図示省略）などで構成されている。またＰＥＦＣ電池スタック２１０は、燃料極２２１、空気極２２２、電解質２２３及び冷却板２２４を備えている。なお、ＰＥＦＣ電池スタック２１０には、集中型燃料ガス供給装置１００（図４参照）にて予め改質された改質ガスＲＧが、ローカル配管路１０３及び主配管路１０４を通して供給されるようになっており、脱硫器や改質装置は個別に備えられていない。
【００４７】
また排熱利用ユニット４００は、排熱熱交換器４１、貯湯槽４２、水回収タンク（水回収装置）４３及び昇温配管系統４４などから構成されている。排熱熱交換器４１は、昇温配管系統４４を流通される熱媒（例えば低温水）に、加熱部において熱を与える（熱交換する）ものである。この排熱熱交換器４１には、加熱源としての排熱熱交換器バーナ４１ａが付設されており、該排熱熱交換器バーナ４１ａの燃焼により発生される熱が、前記熱交換用の熱源として活用される。
【００４８】
貯湯槽４２は温水を貯留するもので、この温水は弁４２２Ｂが設けられた出力配管路４２２を経て、需要家内の台所や洗面所、風呂用（熱需要機器）に使用される。なお貯湯槽４２は、後述する排熱回収部４５０の一部としても機能する。昇温配管系統４４は、前記排熱熱交換器４１で与えられた熱を貯湯槽４２内の湯水へ授受するため熱媒が循環されるものである。この実施形態では、貯湯槽４２内に貯留されている温水が、前記昇温配管系統４４により排熱熱交換器４１の加熱部を経由して再び貯湯槽４２に戻るよう循環可能とされている。つまり、貯湯槽４２内の貯留温水の一部を熱媒として昇温配管系統４４内を循環させ、排熱熱交換器４１で熱交換され（排熱熱交換器バーナ４１ａにて、加熱部に配置された昇温配管系統４４の熱交換部４１１が加熱され）、当該加熱湯水を貯湯槽４２に戻すことで、貯湯槽４２内の貯留温水の温度を昇温させる構成としている。なお、昇温配管系統４４を閉鎖配管路とし、適宜な熱媒を前記閉鎖配管路内に循環させるようにしても良い。
【００４９】
排熱熱交換器バーナ４１ａの燃焼排ガスＥＧは、排ガス配管路４１１により排出される。なお、この燃焼排ガスＥＧも相応の熱を保有しているので、前記排ガス配管路４１１が低温水熱交換器等を経由するようにし、その排熱を回収するようにしても良い。また燃焼排ガスＥＧには、ＰＥＦＣ電池スタック２１０内で生成された水分が含まれており、また排熱熱交換器バーナ４１ａでの燃焼反応の際にも水が発生し、これが熱交換によりドレン化することになる。水回収タンク４３は、このようなドレン水を、排熱熱交換器４１の下部から延出されている配管４１２を通して回収するものである。
【００５０】
このような構成において、前記燃料極２２１には、集中型燃料ガス供給装置１００からアキュムレータ１２０を介して（必要に応じて加湿器等をさらに介して）、水素リッチな改質ガスが導入される。その後、導入された改質ガス中の水素成分は、その大部分が燃料極２２１でイオン化され、該水素イオンは電解質２２３を通って空気極２２２へ移動される。該空気極２２２には、送気装置２５０から空気配管路２４０を通して空気が導入されており、該空気中の酸素が取り込まれてイオン化される。そして、この酸素イオンと、燃料極２２１から移動されてくる水素イオンとが化学反応し、水が生成されると共に発電が為される。かかる化学反応により発生される電力は直流であることから、図略のインバータにて直流−交流変換した上で、需要家内に存在する各種電力機器に対してその駆動電源として供給される。
【００５１】
ＰＥＦＣ電池スタック２１０内においては、上述の通り水素と酸素とが化学反応することから発熱が生じる。従って、ＰＥＦＣ電池スタック２１０が過加熱状態とならないよう冷却する必要があるが、この冷却の際の熱を排熱回収部４５０で回収して温水等を生成して熱の有効活用が図られる。図５に示す例では、この排熱回収部４５０は、熱交換器４５、放熱器４６、ポンプ４７、循環路４８及び貯湯槽４２から構成される例を示している。
【００５２】
ＰＥＦＣ電池スタック２１０には冷却板２２４が付設されており、該冷却板２２４を経由する冷却水ＣＷの循環路４８と放熱器４６とを設け、ポンプ４７で循環路４８内に冷却水ＣＷを循環させることで、電池スタックが一定温度に保たれる（冷却される）構成とされている。一方、上記循環路４８は、熱交換器４５も経由する配管経路とされており、該熱交換器４５は貯湯槽４２内に配置されている。そして、貯湯槽４２に水道配管路４２１を介して導入される水道水に、冷却板２２４で吸熱した熱の一部（余剰熱）を熱交換器４５が授受するようになっている。このような熱交換動作により、貯湯槽４２内では６０℃程度の温水が生成される。
【００５３】
なお、前記放熱器４６は貯湯槽４２の温度が高く、電池冷却水ＣＷの温度を十分低下できない場合に空気で冷却して、電池冷却水温度を一定に維持させるものである。循環路４８に設けられている弁４８Ｂ１，４８Ｂ２及び放熱器４６へ分岐する分岐配管路４６１に設けられている弁４６１Ｂは、電池冷却水流量を調整して電池冷却水温度を一定に制御するために設けられている。
【００５４】
ところで、燃料極２２１で使用される燃料ガス中の水素利用率は約８０％程度であり、残り２０％の水素ガスと数％のメタンを含む未反応ガスとは、二酸化炭素と共に燃料極排ガスとして燃料極２２１から排出される。また、空気極２２２での酸素利用率は５０〜６０％程度であり、残りの酸素と反応に寄与しない窒素ガス等が空気極排空気として空気極２２２から排出されることになる。一般的な低温型燃料電池システムでは、かかる燃料極排ガス及び空気極排空気は改質器バーナに送られ、改質用熱源として利用されている。しかし、この実施形態のように集中型燃料ガス供給装置１００から改質ガスが供給される集中改質型燃料電池システムとした場合、改質装置が各個別燃料電池ユニットにおいて不要となるため、燃料として使用できる燃料極排ガスを有効活用する必要がある。
【００５５】
従って、この個別燃料電池システムＳ１では、燃料極２２１の出口側と排熱熱交換器バーナ４１ａとを接続する排ガス配管路２４１、及び空気極２２２の出口側と排熱熱交換器バーナ４１ａとを接続する排空気配管路２４２をそれぞれ設け、燃料極排ガス及び空気極排空気を排熱熱交換器バーナ４１ａへ導入可能としている。これにより、燃料極２２１から排出される燃料極排ガスと空気極２２２から排出される空気極排空気とが、排熱熱交換器バーナ４１ａで燃焼され、排熱熱交換器４１の加熱部（熱交換部４４１）を経由する前記昇温配管系統４４内の温水に熱を与えることで、電池スタックの排エネルギーが活用されるものである。
【００５６】
すなわち、排熱熱交換器バーナ４１ａにて昇温配管系統４４内を循環される温水が加熱することで、排熱回収部４５０のみでは６０℃程度の低温水しか生成できないものを、例えば９０℃程度の高温水にして、貯湯槽４２で貯留できるようになる。従って、出力配管路４２２からの給湯用途が、著しく拡大する。
【００５７】
なお、前記排ガス配管路２４１には、ＰＥＦＣ電池スタック２１０を経由せずに上記主配管路１０４と直結するバイパス配管路１０５が接続されている。また、前記排空気配管路２４２には、同様にＰＥＦＣ電池スタック２１０を経由せずに上記空気配管路２４０と直結するバイパス配管路２４３が設けられている。このようなバイパス配管路１０５、２４３を設けることにより、ＰＥＦＣユニット２００の稼働状態に拘わらず、安定的に排熱熱交換器４１へ熱を与えることができるようになる。すなわち、ＰＥＦＣユニット２００が運転されていない場合等にあっては、弁１０５Ｂ、及び弁２４３Ｂをそれぞれ開き、一方弁１０４Ｂは閉じて、燃料ガス及び空気が排熱熱交換器バーナ４１ａに供給されることで、排熱熱交換器４１が稼働できるように構成されている。
【００５８】
以上説明したような燃料電池システムＳ１によれば、一般的なＰＥＦＣユニット（低温型燃料電池ユニット）では排熱を利用して６０℃程度の低温水しか生成できなかったが、電池スタックから排出される燃料極排ガスと空気極排空気とを排熱熱交換器バーナ４１ａで燃焼させる構成とすることで９０℃程度の高温水も生成できるようになり、各種の熱需要機器への給湯が行えるようになる。従って、燃料電池システムＳ１の経済性を一層向上させることができるようになる。
【００５９】
因みに、発電容量１ｋＷの家庭用ＰＥＦＣユニットの場合、水素ガス使用量は１Ｎｍ3／ｈ程度である。電池スタック内で８０％の水素ガスが使用され、残り２０％の水素ガスを排熱熱交換器バーナ４１ａで燃焼させると、
３０５０ｋｃａｌ／ｈ×０．２＝６１０ｋｃａｌ／ｈ
のエネルギーが得られる。貯湯槽４２中に貯留されている約６０℃の低温水を約９０℃の高温水に昇温するとした場合、バーナ燃焼効率を０．８と仮定し、燃料電池の一日平均の負荷率を０．５と仮定すると、昇温可能な温水量は、
６１０ｋｃａｌ／ｈ×２４ｈ×０．８×０．６／３０℃＝１９５リットル
となる。一般家庭の貯湯槽容量は通常２００リットルが標準であり、従って、概ね一日あたり必要な給湯量につき、６０℃から９０℃に昇温させるための熱量を賄うことが可能となる。もし、熱需要が一般よりも多い家庭であれば、前記バイパス配管路１０５、２４３を活用して、改質ガスを直接排熱熱交換器バーナ４１ａにて燃焼させることで対応が可能となる。
【００６０】
図６は、ＳＯＦＣ型の燃料電池を具備する個別燃料電池システムＳ２の構成例を示すブロック図である。この燃料電池システムＳ２は、高温型燃料電池ユニットとしての固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）ユニット３００と、排熱熱交換器４１を具備する排熱利用ユニット４００とを複合させたシステム構成とされている。当該燃料電池システムＳ２は、前記ＳＯＦＣユニット３００の電池スタック３１０から排出される排エネルギーを、前記排熱熱交換器４１における加熱部の加熱源として用いるための排エネルギー利用機構として、電池スタック３１０（燃焼室３１４）から排出される高温燃焼排ガスにより、前記排熱熱交換器４１の加熱部（前記昇温配管系統４４の熱交換部４４１）を直接加熱する方式を採用している。以下、各部の構成を詳述する。
【００６１】
前記ＳＯＦＣユニット３００は、ＳＯＦＣ電池スタック３１０、燃焼室３１４、ブロワ等を備える送気装置２５０及びインバータ（図示省略）などで構成されている。またＳＯＦＣ電池スタック３１０は、燃料極３１１、空気極３１２及び電解質３１３から構成されている。なお、燃料ガスとなる改質ガスＲＧは、ローカル配管路１０３及び主配管路１０４を経て燃料極３１１へ供給され、また空気Ａが送気装置２５０により空気配管路２４０を経て空気極３１２へ導入される点、排熱熱交換器バーナ４１ａに至るバイパス配管路１０５，２４３がそれぞれ設けられている点は、図５の実施形態と同様である。
【００６２】
排熱利用ユニット４００の構成も図５の実施形態とほぼ同様であり、排熱熱交換器４１、貯湯槽４２、水回収タンク（水回収装置）４３及び昇温配管系統４４などから構成されている。なお、この実施形態では、貯湯槽４２内を経由し、熱需要機器Ｈへ至る配管路４２３と、貯湯槽４２内に配置され配管路４２３に接続された熱交換部４２４とを設けた例を示している。ここで前記熱需要機器Ｈとしては、例えば吸収式冷凍機（再生器の加熱用）や、後述する２４時間風呂などが例示できる。
【００６３】
ＳＯＦＣユニット３００では、電池スタック３１０を保温するために燃焼室３１４が付設される。すなわち、電池スタック３１０から排出される燃料極排ガス及び空気極排空気を燃焼室３１４で燃焼させ、そのときに発生される熱により電池スタック３１０が保温されるものである。この燃焼室３１４には、当該燃焼室３１４で燃焼された高温燃焼排ガスＥＧを、排熱熱交換器４１の加熱部へ導くための燃焼排ガス配管路３１５が取り付けられている。具体的には、この燃焼排ガス配管路３１５から吐出される高温燃焼排ガスＥＧにより、昇温配管系統４４の熱交換部４４１（加熱部）が加熱され、昇温配管系統４４内を循環される熱媒（低温水）に熱が与えられるものである。
【００６４】
このように構成されたＳＯＦＣユニット３００において、燃料極３１１へ導入された改質ガス中の水素成分（及び一酸化炭素成分）は、その大部分が燃料極３１１において、空気極３１２から送られてくる酸素イオンと反応して電気を発生する。空気極３１２には、前述の通り送気装置２５０から空気が導入されており、該空気中の酸素が取り込まれてイオン化される。かかる酸素イオンは、電解質３１３を通して燃料極３１１へ移動し、水素成分（及び一酸化炭素成分）と化学反応し電気を発生する。ここで発生される電力は直流であることから、インバータにて直流−交流変換した上で、需要家内に存在する各種電力機器に対してその駆動電源として供給される。
【００６５】
一般に、燃料極３１１での水素利用率は７０〜８０％で、残りは余剰として排出される（燃料極排ガス）。また、空気極３１２での空気中の酸素利用率は５０〜６０％で、残りは余剰として排出される（空気極排空気）。このような余剰エネルギーを活用すべく、前記燃料極排ガスと空気極排空気とは、ＳＯＦＣ電池スタック３１０の出口側に配置された燃焼室３１４に導入されて燃焼される。この燃焼により生じた熱は、専らＳＯＦＣ電池スタック３１０の保温に利用されるが、その燃焼排ガスＥＧは高い熱エネルギーを保有していることから、前述の燃焼排ガス配管路３１５で排熱熱交換器４１の加熱部へ導かれて熱回収される。
【００６６】
すなわち、排熱熱交換器４１内において昇温配管系統４４の熱交換部４４１が燃焼排ガスＥＧにより加熱され、昇温配管系統４４内を循環される低温水に熱が与えられる。これにより、貯湯槽４２内に貯留される温水の湯温を９０℃程度の高温にすることが可能となる。従って、以上説明したような燃料電池システムＳ２によれば、燃焼室３１４から排出される燃焼排ガスＥＧ（排エネルギー）が有効活用され、経済性に優れた燃料電池システムを提供できるようになる。
【００６７】
続いて、集中型燃料ガス供給装置１００の実施形態につき説明する。図７は、集中型燃料ガス供給装置１００の内部構成の一例を示すブロック図である。この集中型燃料ガス供給装置１００は、改質ガスを生成する集中型燃料ガス改質装置１０Ａと、改質ガスの一酸化炭素濃度を下げる一酸化炭素除去器としての集中型一酸化炭素選択酸化器１６とからなる。また、前記集中型燃料ガス改質装置１０Ａは、イオウ除去機能を有する脱硫器１１と、水蒸気を生成して原燃料に水蒸気を添加する水蒸気供給器１２と、改質反応を行わせる改質器（改質装置）１３と、水素と二酸化炭素を生成するシフト反応を行わせる一酸化炭素変成器１４と、前記改質器１３を加温する改質器バーナ１５とを備えている。
【００６８】
このような集中型燃料ガス供給装置１００の動作を説明する。商用ガス供給源１０１Ｇから供給される都市ガス等の原燃料（本実施形態ではＣＨ4を用いている）は、先ず脱硫器１１へ導入され、原燃料中に含まれている腐臭材のイオウ成分が除去される。この脱硫後のガスに水蒸気供給器１２から水蒸気が加えられ、改質器１３へ導入される。改質器１３は、改質器バーナ１５により７５０〜８００℃程度の動作温度に加熱されており、導入されたＣＨ4と水とが改質器１３内でＮｉ系触媒を用いて改質され、水素と一酸化炭素とに分離される。その後、分離ガスは、３５０〜２００℃に温度維持された一酸化炭素変成器１４へ導入され、Ｆｅ系触媒又はＣｕ系触媒を用いて、前記一酸化炭素が水素と二酸化炭素とに変換される。これにより、燃料ガス（改質ガス）中の一酸化炭素濃度は数％程度に低減される。
【００６９】
ところで、ＰＥＦＣ形式の燃料電池においては、ガス中の一酸化炭素濃度を低濃度（１０〜１００ｐｐｍ程度以下）にした上で改質ガスを供給する必要がある。従って、図４に示す実施形態のように、ＰＥＦＣユニット２００が混在している場合において、集中型燃料ガス改質装置１０Ａで精製された改質ガスをそのまま供給すると、ＰＥＦＣユニット２００を設置している需要家Ａ，Ｂ，Ｅ，Ｇでは、各々一酸化炭素濃度の低減装置を個別に取り付ける必要が生じる。そこで、本実施形態では、集中型燃料ガス改質装置１０Ａの出口側に、改質ガスの一酸化炭素濃度を下げる集中型一酸化炭素選択酸化器１６を具備させている。なお、集中型一酸化炭素選択酸化器１６に代えて集中型一酸化炭素吸着器等も使用可能であり、要は一酸化炭素濃度を下げる機能を具備する機器であれば良い。
【００７０】
このような構成とすることで、集中型燃料ガス改質装置１０Ａで精製された改質ガス中に含まれる一酸化炭素濃度が低減化された上で、アキュムレータ１２０に改質ガスが供給される。すなわち、集中型燃料ガス改質装置１０Ａにおいて精製される改質ガス中には、数％レベルの一酸化炭素が含まれている。このような改質ガスが、１００℃程度に加温された集中型一酸化炭素選択酸化器１６に導入され、Ｐｔ系触媒が用いられて、前記一酸化炭素成分が二酸化炭素に変換される。このような変換動作により、集中型一酸化炭素選択酸化器１６から出力される改質ガスの一酸化炭素濃度は、１０〜１００ｐｐｍ程度以下に低減されるようになる。
【００７１】
このようにして、集中型燃料ガス供給装置１００において都市ガスを精製して得られた改質ガスは、アキュムレータ１２０を介して各需要家Ａ〜Ｈへ適宜送られる。なお本実施形態では、一酸化炭素変成器１４の出口側配管路に分流器１４１を設け、当該集中型燃料ガス改質装置１０Ａにおいて精製された改質ガスの一部が、前記改質器バーナ１５に供給されるよう構成している。これにより、改質器バーナ１５の燃焼によるＮＯＸ発生量を、都市ガス、ＬＰＧ或いは灯油等の原燃料を使用する場合と比較して低濃度（１０ｐｐｍ程度）にすることが可能となり、環境面での改善が達成できるとともに、残渣ガスの有効利用が図れるという利点がある。
【００７２】
さらに、集中型一酸化炭素選択酸化器１６を用いて改質ガスを低一酸化炭素濃度とし、集中型燃料ガス供給装置１００から各需要家Ａ〜Ｈに供給することで、ＰＥＦＣユニット２００を設置している需要家Ａ，Ｂ，Ｅ，Ｇにおいても、当該改質ガスをそのままＰＥＦＣユニット２００に導入して使用することが可能となり、ＰＥＦＣユニット２００の簡素化、小型化を図ることができる。また、１％程度までの一酸化炭素濃度を許容できるりん酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）や、一酸化炭素も燃料として使用できる溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）や固体電解質電池（ＳＯＦＣ）なども、本燃料電池システムに適用可能となる。なお、一般ガス器具６００については、バーナ構造を当該改質ガス燃焼に適したものに改造して使用される。さらに、一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下であれば、現行の労働安全衛生法、建築基準法、ビル管理法、学校衛生法にも適合し、使用可能である。もし、ガスリークが発生した場合も一酸化炭素中毒を生ずる可能性はなく、安全面でも好ましいガス供給システムとすることができる。
【００７３】
図４に戻って、以上説明した本実施形態にかかる集中改質型燃料電池システム（広域型の燃料電池システム）Ｓ０の動作を説明する。このシステムＳ０では、所定のローカルエリア内に存在する小口の需要家Ａ〜Ｈ向けに、集中型燃料ガス供給装置１００により一括して原燃料（都市ガス）から燃料ガス（改質ガス）が精製され、アキュムレータ１２０を介して各需要家Ａ〜Ｈへ分配される。そして各需要家Ａ〜Ｈにおいては、適宜供給弁（図５、図６に示す弁１０４Ｂ）を開閉することで前記改質ガスの供給を受け、各需要家Ａ〜Ｈが備える燃料電池ユニット等が動作される。
【００７４】
すなわち、需要家Ａ，Ｂ，Ｅ，ＧにおいてはＰＥＦＣユニット２００の運転時に、弁１０４Ｂが「開」状態とされて燃料極２２１に前記改質ガスが導入され、運転が実行される。また、需要家Ｃ，ＦにおいてもＳＯＦＣユニット３００の運転時に、弁１０４Ｂが「開」状態とされて燃料極３１１に前記改質ガスが導入され、運転が実行される。一方、燃料電池ユニットが導入されていない需要家Ｄ，Ｈにおいては、一般ガス器具６００に前記改質ガスが供給可能とされており、該一般ガス器具６００の使用時に改質ガスが利用されることになる。
【００７５】
ＰＥＦＣユニット２００又はＳＯＦＣユニット３００が配置されている需要家にあっては、各ＰＥＦＣユニット２００又はＳＯＦＣユニット３００の運転により発生される電力が、各需要家内の電気機器の動作電源として個別に活用される。なお、不足する電力は、商用電力供給源１１０Ｇから個別に購入される。また、ＰＥＦＣユニット２００又はＳＯＦＣユニット３００の運転により発生される排熱は、各々のＰＥＦＣユニット２００及びＳＯＦＣユニット３００に複合化されている排熱熱交換器４１における加熱部の加熱源として用いられるものである。
【００７６】
以上説明した本実施形態にかかる集中改質型燃料電池システムＳ０によれば、複数の小口需要家に分散設置された（小型）燃料電池ユニット（ＰＥＦＣユニット２００又はＳＯＦＣユニット３００）や一般ガス器具６００への燃料供給を、各需要家共通の集中型燃料ガス供給装置１００で行わせる一方で、各需要家個々の電力負荷や熱負荷に対しては各需要家に設置されたＰＥＦＣユニット２００又はＳＯＦＣユニット３００で個別に対応する構成である。従って、各燃料電池ユニットには改質装置部が不要となり、装置構成の簡素化、小型化が図れるようになる。また、改質ガスが常時供給可能な状態とされているので、起動時間が短縮され、燃料電池ユニットの効率的な運用が行える。さらに熱負荷に対しては、各々の需要家が備えるＰＥＦＣユニット２００又はＳＯＦＣユニット３００の排熱を用いて個別に対応するので、熱輸送による熱損失を最小限に抑制することができる。
【００７７】
さらに、各燃料電池ユニットには改質装置部が不要となることから、ＰＥＦＣ電池スタック２１０又はＳＯＦＣ電池スタック３１０から排出される排エネルギー（排熱）が、改質装置系で活用できないものの、本実施形態によれば各々のＰＥＦＣユニット２００又はＳＯＦＣユニット３００に対して排熱熱交換器４１を複合化させ、当該排熱熱交換器４１における加熱部の加熱源として前記排エネルギーが用いられる構成であるので、排エネルギー（排熱）も有効に活用され、経済性の高いシステムとすることができる。
【００７８】
上記集中改質型燃料電池システムＳ０において、需要家への電力供給系統を相互接続する共用電力系統を具備させるようにしても良い。この場合、各燃料電池ユニットによる発電電力を、全て一旦共用電力系統に送り、各需要家は共用電力系統から個別に使用する電力量を購入する運用、各燃料電池ユニットで発電される電力から、各需要家における消費電力を除いた余剰電力を共用電力系統に送り、各需要家は共用電力系統から使用する電力量を購入する運用、或いは各需要家の燃料電池ユニットから発生される熱は各需要家で個別利用する一方で、燃料電池ユニットで発電される電力のトータル余剰分を、共用電力系統を介して売電すると共に、不足する電力は当該ローカルエリア内の需要家で一括購入する運用などを実行できるようになる。
【００７９】
さらに、上述の集中改質型燃料電池システムＳ０を複数設け、これらシステム間で燃料ガスの連携を取るようにしても良い。すなわち、第１のローカルエリアにおける各需要家に対して燃料ガス供給系統を有する集中型燃料ガス供給装置が設置された第１の広域燃料電池システムと、これに近接する第２のローカルエリアにおいて、同様に各需要家に対して燃料ガス供給系統を有する集中型燃料ガス供給装置が設置された第２の広域燃料電池システムとが存在する場合において、各燃料電池システムの集中型燃料ガス供給装置によりそれぞれ精製される燃料ガスを、他の燃料ガス供給系統へも供給可能とするための連絡配管路等を設けるようにし、互いに燃料ガスの融通を図る構成としても良い。
【００８０】
（第２実施形態）
続いて、図８、図９に基づいて、本発明の第２実施形態につき説明する。この第２実施形態は、個別燃料電池システムにおいて所謂２４時間風呂を熱需要機器に加えた場合の実施形態である。なお、個別燃料電池システム以外の構成は、第１実施形態において説明した集中改質型燃料電池システムＳ０と同様な構成であるので、説明を省略する。
【００８１】
図８は、ＰＥＦＣ型の燃料電池を具備する個別燃料電池システムＳ１１の構成例を示すブロック図である。この個別燃料電池システムＳ１１は、ＰＥＦＣユニット２００と、排熱熱交換器４１を具備する排熱利用ユニット４００と、電池冷却水熱交換器４９を備える排熱回収部４５０と、２４時間風呂ユニット５００とを複合させたシステム構成とされている。ＰＥＦＣユニット２００及び排熱利用ユニット４００については、図５に示した実施形態と概ね同一であり、重複を避けるため相違点部分について主に説明する。
【００８２】
この実施形態では、受熱側として高温及び低温の２つの熱交換器が配置され、また放熱側として高温及び低温の熱授受が行われる２つの貯湯部が配置された構成である。すなわち、高温熱交換器としての排熱熱交換器４１と、低温熱交換器としての電池冷却水熱交換器４９と、高温熱授受用の貯湯部としての貯湯槽４２と、低温熱授受用の貯湯部としての２４時間風呂ユニット５００の浴槽５２とを備えている。
【００８３】
そして、これら２つの熱交換器及び２つの貯湯槽をそれぞれ経由して熱媒を循環させる昇温配管系統５１０が配管されている。この昇温配管系統５１０は、排熱熱交換器４１と貯湯槽４２とを連結する熱送り用の第１配管路５１１、貯湯槽４２からの出力配管となる熱戻し用の第２配管路５１２、前記第１配管路５１１及び第２配管路５１２に一端側が接続され他端側が浴槽５２に接続された第３配管路５１３，浴槽５２と電池冷却水熱交換器４９とを連結する第４配管路５１４、及び電池冷却水熱交換器４９と排熱熱交換器４１とを連結する第５配管路５１５から構成されている。この実施形態における昇温配管系統５１０は閉鎖配管路であり、前記第４配管路５１４に設けられたポンプ５１４Ｐにより、昇温配管系統５１０内の熱媒が強制循環される構成とされている。
【００８４】
高温の熱交換器としての機能を果たす排熱利用ユニット４００の排熱熱交換器４１は、図５に示した実施形態と同様に、ＰＥＦＣ電池スタック２１０の燃料極２２１から排出される燃料極排ガスと空気極２２２から排出される空気極排空気とを排熱熱交換器バーナ４１ａで燃焼させて、排熱熱交換器４１内に配置されている昇温配管系統５１０の熱交換部４４１（排熱熱交換器４１における加熱部）を加熱し、昇温配管系統５１０内の熱媒（循環水）を１００℃近くに加温する熱交換を行うものである。
【００８５】
低温の熱交換器としての機能を果たす排熱回収部４５０の電池冷却水熱交換器４９は、２４時間風呂ユニット５００の浴槽５２を経由して低温化した昇温配管系統５１０内の熱媒が導入され、ＰＥＦＣ電池スタック２１０の排熱を利用して前記熱媒を加熱するものである。すなわち、ＰＥＦＣ電池スタック２１０に付設されている冷却板２２４を経由する冷却水ＣＷの循環路４８（図５の実施形態と同様）の熱交換部４５１が電池冷却水熱交換器４９内に配置されており、冷却板２２４において冷却水ＣＷが吸熱した熱を熱交換部４５１において前記熱媒に授受することで、当該熱媒が約６０℃程度に加温される。
【００８６】
高温熱授受用の貯湯部としての貯湯槽４２には、排熱熱交換器４１において１００℃近くに加温された昇温配管系統５１０内の熱媒が導入され、貯湯槽４２内の熱交換部４４ａから、貯湯槽４２に貯留されている湯水に熱が授受される。これにより貯湯槽４２内の貯留湯水は、約９０℃程度の高温に加熱されるようになる。
【００８７】
低温熱授受用の貯湯部として機能することになる２４時間風呂ユニット５００の浴槽５２には、貯湯槽４２を経てある程度の熱量が奪われた熱媒が導入され、浴槽５２内の熱交換部５２ａから、浴槽５２に貯留されている湯水に熱が授受される。これにより浴槽５２内の貯留湯水は、約４０℃程度に保温されるようになる。なお、この２４時間風呂ユニット５００には、殺菌や微小な毛髪や汚れ成分を除去するため浴槽水浄化装置５３と、この浴槽水浄化装置５３に浴槽５２内の湯水を循環させる配管系５４とが備えられている。
【００８８】
なお、貯湯槽４２の出力配管路４２２には、弁５０３Ｂを備える給湯配管路５０３が分岐されており、該給湯配管路５０３から２４時間風呂ユニット５００の浴槽５２に対して給湯可能とされている。また、第３配管路５１３には、第１配管路５１１との接続部（分岐部）と、第２配管路５１２との接続部（合流部）との間に配置された弁５１３Ｂが備えられており、この弁５１３Ｂの開閉動作により、排熱熱交換器４１から貯湯槽４２を経由せず直接浴槽５２の熱交換部５２ａへ熱媒を導くことが可能とされている。
【００８９】
以上の通り構成された個別燃料電池システムＳ１１の動作について説明する。ＰＥＦＣユニット２００が運転されると、昇温配管系統５１０内を循環する熱媒（循環水）は、排熱熱交換器４１の熱交換部４４１において、排熱熱交換器バーナ４１ａにて熱を与えられ、１００℃近くに加熱される。この熱媒は、昇温配管系統５１０の第１配管路５１１により貯湯槽４２へ送られる（弁５１３Ｂが閉の場合）。そして、貯湯槽４２内の熱交換部４４ａにて、貯湯槽４２内に貯留されている湯水と熱交換し、この貯留湯水を約９０℃程度に加熱する。従って、貯湯槽４２内には、約９０℃程度の高温水が常時貯留可能となる。
【００９０】
熱交換部４４ａを経た熱媒は、第２配管路５１２により貯湯槽４２の外へ導出され、続いて第３配管路５１３に至り、２４時間風呂ユニット５００の浴槽５２に送られる。そして熱媒は、浴槽５２内の熱交換部５２ａに導かれ、浴槽５２に貯留されている湯水と熱交換する。これにより浴槽５２の湯温が、常時４０℃程度に保温されるようになる。
【００９１】
このような熱交換を経ることで、熱媒の温度は４０℃程度以下に低下することになる。その後、低温化した熱媒は、第４配管路５１４により電池冷却水熱交換器４９へ送られる。そして、電池スタックの冷却板２２４を経ることで高温化された電池冷却水ＣＷから熱交換部４５１において熱を授受され、約６０℃に昇温される。しかる後、熱媒は、第５配管路５１５により排熱熱交換器４１に戻され、排熱熱交換器バーナ４１ａにて１００℃近くに加熱される。このようなサイクルが、昇温配管系統５１０内を循環する熱媒に繰り返し与えられることで、約９０℃程度の高温水の生成、並びに浴槽５２内湯水の保温が図られるものである。
【００９２】
なお、入浴人数が多い場合等、２４時間風呂の湯温度が下がりやすい時間帯においては、浴槽５２の湯温度を常時検出すると共に、温度が低下した場合には、弁５１３Ｂを開けて高温循環水を直接２４時間風呂ユニット５００の熱交換部５２ａに送り、湯温を昇温させるようにしても良い。また、２４時間風呂で多くのかけ湯を使用して湯量が減少した場合等にあっては、給湯配管路５０３の弁５０３Ｂを開けて、湯温調整した上で浴槽５２へ給湯するようにしてもよい。
【００９３】
以上のような個別燃料電池システムＳ１１によれば、ＰＥＦＣユニット２００に貯湯槽４２と２４時間風呂ユニット５００とを設置して、高温水を貯湯した貯湯槽を経た熱媒を利用して、２４時間風呂を保温させる構成であるので、従来保温に要していた電気あるいはガスを削減できるようになる。従って、２４時間風呂を保温する熱コストが低くなるとともに、２４時間風呂には常時湯水を張っているために風呂給湯用の貯湯槽が不要となり、貯湯槽を大幅に小型化できる。例えば、一般家庭で２４時間風呂を設置した場合を想定すると、台所や洗面所の給湯に使用する湯量は１００リットル程度であり、燃料電池ユニットにおいて常時熱を発生していることと、貯湯槽４２において約９０℃の高温で貯湯していることを考慮すると、貯湯槽４２のサイズは５０〜１００リットル程度のサイズで足りるようになり、貯湯槽サイズを大幅に小さくすることが可能となる。さらに、昇温用配管系統内を循環させる熱媒を、まず高温の貯湯槽４２を経由して伝熱させて熱媒の温度を下げ、その後２４時間風呂を経由させて保温用として使用する循環ルートとしているので、熱媒がカスケード的に使用されることとなり、熱交換を効率的に行うことができる。
【００９４】
図９は、ＳＯＦＣ型の燃料電池を具備する個別燃料電池システムＳ２１の構成例を示すブロック図である。この個別燃料電池システムＳ２１は、ＳＯＦＣユニット３００と、排熱熱交換器４１を具備する排熱利用ユニット４００と、２４時間風呂ユニット５００とを複合させたシステム構成とされている。ＳＯＦＣユニット３００及び排熱利用ユニット４００については、図６に示した実施形態と概ね同一であり、また２４時間風呂ユニット５００の構成は、図８に示した実施形態と同様である。
【００９５】
この実施形態では、受熱側として１つの高温熱交換器が配置され、また放熱側として高温及び低温の熱授受が行われる２つの貯湯部が配置された構成である。すなわち、高温熱交換器としての排熱熱交換器４１と、高温熱授受用の貯湯部としての貯湯槽４２と、低温熱授受用の貯湯部としての２４時間風呂ユニット５００の浴槽５２とを備える構成である。そして、これら１つの熱交換器及び２つの貯湯槽をそれぞれ経由して熱媒を循環させる昇温配管系統５１０が配管されている。この昇温配管系統５１０Ａは、排熱熱交換器４１と貯湯槽４２とを連結する熱送り用の第１配管路５１１、貯湯槽４２からの出力配管となる熱戻し用の第２配管路５１２、前記第１配管路５１１及び第２配管路５１２に一端側が接続され他端側が浴槽５２に接続された第３配管路５１３，及び浴槽５２と排熱熱交換器４１とを連結する第４配管路５１６から構成されている。この実施形態における昇温配管系統５１０Ａも閉鎖配管路であり、前記第４配管路５１６に設けられたポンプ５１６Ｐにより、昇温配管系統５１０Ａ内の熱媒が強制循環される構成とされている。
【００９６】
この個別燃料電池システムＳ２１は、燃料電池ユニットがＳＯＦＣユニット３００である点、排熱熱交換器４１内における昇温配管系統５１０Ａの熱交換部４４１が、専ら燃焼室３１４から排出される燃焼排ガスＥＧで加熱される点、電池スタックに冷却板が具備されていないことに起因して電池冷却水熱交換器が存在しない点を除けば、図８に示した個別燃料電池システムＳ１１と同様の構成である。
【００９７】
このような個別燃料電池システムＳ２１の動作について説明する。ＳＯＦＣユニット３００が運転されると、昇温配管系統５１０Ａ内を循環する熱媒（循環水）は、排熱熱交換器４１の熱交換部４４１において、燃焼室３１４より燃焼排ガス配管路３１５を経て供給される燃焼排ガスＥＧにて熱を与えられ、１００℃近くに加熱される。この熱媒は、昇温配管系統５１０Ａの第１配管路５１１により貯湯槽４２へ送られる（弁５１３Ｂが閉の場合）。そして、貯湯槽４２内の熱交換部４４ａにて、貯湯槽４２内に貯留されている湯水と熱交換し、この貯留湯水を約９０℃程度に加熱する。従って、貯湯槽４２内には、約９０℃程度の高温水が常時貯留可能となる。
【００９８】
熱交換部４４ａを経た熱媒は、第２配管路５１２により貯湯槽４２の外へ導出され、続いて第３配管路５１３に至り、２４時間風呂ユニット５００の浴槽５２に送られる。そして熱媒は、浴槽５２内の熱交換部５２ａに導かれ、浴槽５２に貯留されている湯水と熱交換する。これにより浴槽５２の湯温が、常時４０℃程度に保温されるようになる。しかる後、熱媒は、第４配管路５１６により排熱熱交換器４１に戻され、排熱熱交換器バーナ４１ａにて１００℃近くに加熱される。このようなサイクルが、昇温配管系統５１０Ａ内を循環する熱媒に繰り返し与えられることで、約９０℃程度の高温水の生成、並びに浴槽５２内湯水の保温が図られるものである。
【００９９】
このような個別燃料電池システムＳ２１によっても、２４時間風呂ユニット５００の浴槽５２に貯留されている湯水の保温コストの削減、貯湯槽４２サイズの小型化を同様に図ることができる。
【０１００】
以上説明した排熱利用ユニット４００及び２４時間風呂ユニット５００を複合化させる第２実施形態において、種々の変形構成を取ることが可能である。例えば、排熱利用ユニット４００及び２４時間風呂ユニット５００にそれぞれ独立して昇温配管系統を設け、それぞれの熱交換部を排熱熱交換器４１に配置することで、貯湯槽４２の湯水と浴槽５２の湯水とが別個に加温される構成としても良い。
【０１０１】
（第３実施形態）
続いて、図１０に基づいて、本発明の第３実施形態につき説明する。この第３実施形態は、排熱利用ユニット側において、貯湯槽を高温水貯湯槽と低温水貯湯槽とに分離した場合の実施形態である。なお、個別燃料電池システム以外の構成は、第１実施形態において説明した集中改質型燃料電池システムＳ０と同様な構成であるので、説明を省略する。
【０１０２】
図１０は、ＰＥＦＣ型の燃料電池を具備する個別燃料電池システムＳ１２の構成例を示すブロック図である。この個別燃料電池システムＳ１２は、ＰＥＦＣユニット２００と、排熱熱交換器４１を具備する排熱利用ユニット５５０と、電池スタックの排熱回収部４５０とを複合させたシステム構成とされている。ＰＥＦＣユニット２００及び排熱利用ユニット４００については、図５に示した実施形態と概ね同一であり、重複を避けるため相違点部分について主に説明する。
【０１０３】
この実施形態における排熱利用ユニット５５０は、高温水貯湯槽５７と低温水貯湯槽５８とを備えている。そして、これら貯湯槽５７，５８と排熱熱交換器４１とをそれぞれ経由して熱媒（循環水）を循環させる昇温配管系統５６０が配管されている。この昇温配管系統５６０は、排熱熱交換器４１と高温水貯湯槽５７とを連結する第１配管路５６１、高温貯湯槽５７からの出力配管であって低温水貯湯槽５８へ至る第２配管路５６２、及び低温水貯湯槽と排熱熱交換器４１とを連結する第３配管路５６３から構成されている。この昇温配管系統５６０は閉鎖配管路であり、図示省略のポンプにより、昇温配管系統５６０内の熱媒が強制循環される構成とされている。
【０１０４】
このような個別燃料電池システムＳ１２の動作について説明する。ＰＥＦＣユニット２００が運転されると、昇温配管系統５６０内を循環する熱媒（循環水）は、排熱熱交換器４１の熱交換部４４１において、排熱熱交換器バーナ４１ａにて熱を与えられ、１００℃近くに加熱される。この熱媒は、昇温配管系統５６０の第１配管路５６１により高温水貯湯槽５７へ送られる。そして、高温水貯湯槽５７内の熱交換部５７ａにおいて、高温水貯湯槽５７内に貯留されている湯水と熱交換し、この貯留湯水を約９０℃程度に加熱する。従って、高温水貯湯槽５７内には、約９０℃程度の高温水が常時貯留可能となる。この高温水は、弁５７１Ｂを有する出力配管路５７１から、需要家内の熱需要機器へ給湯される。この場合、給湯温水は約９０℃程度の高温水であることから、吸収式冷凍機の再生器を加熱する加熱源として用いることもできる。
【０１０５】
前記熱交換部５７ａを経た熱媒は、第２配管路５６２により低温水貯湯槽５８へ送られる。そして、低温水貯湯槽５８内の熱交換部５８ａにおいて、低温水貯湯槽５８内に貯留されている湯水と熱交換する。また、低温水貯湯槽５８内の貯留湯水は、ＰＥＦＣ電池スタック２１０の発熱を回収する排熱回収部４５０の系統における熱交換部４５２からも熱を授受される。これにより、この貯留湯水は約６０℃程度に加熱されるようになる。この低温水は、弁５８１Ｂを有する出力配管路５８１から、需要家内の熱需要機器へ給湯される。なお、前記出力配管路５８１からは、逆止弁５８２Ｂを備える連絡配管路５８２が分岐配管されており、低温水貯湯槽５８で生成された低温水が前記連絡配管路５８２を経由して高温水貯湯槽５７へ供給されるよう構成されている。
【０１０６】
しかる後、熱媒は、第３配管路５６３により排熱熱交換器４１に戻され、排熱熱交換器バーナ４１ａにて１００℃近くに加熱される。このようなサイクルが、昇温配管系統５６０内を循環する熱媒に繰り返し与えられることで、約９０℃程度の高温水の生成、並びに約６０℃程度の低温水の生成が図られるものである。
【０１０７】
以上説明した個別燃料電池システムＳ１２によれば、昇温配管系統５６０内の熱媒が、排熱熱交換器４１で加熱された後に、先ず高温水貯湯槽５７を経由し、続いて低温水貯湯槽５８を経由するよう循環される。これにより、排熱熱交換器４１で得られた熱が、高温水貯湯槽５７と低温水貯湯槽５８とで順次カスケード的に活用されることとなり、熱交換を効率的に行うことが可能となる。
【０１０８】
なお、上記第３実施形態では、燃料電池ユニットがＰＥＦＣユニット２００である場合について説明したが、ＳＯＦＣユニットを用いてシステムを構成する場合は、排熱熱交換器４１内における昇温配管系統５６０の熱交換部４４１が、専ら燃焼室から排出される燃焼排ガスＥＧで加熱されるようにすると共に、低温水貯湯槽５８内の貯留湯水が、昇温配管系統５６０による熱交換部５８ａでのみ加温される構成とすれば良い。
【０１０９】
以上、本発明の燃料電池システムにつき、様々な実施形態を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、集中改質型燃料電池システムＳ０につき説明したが、上記個別燃料電池システムの各々に、個別に改質装置を具備させるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】一般的な燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】本発明にかかる集中改質型の燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。
【図３】通常の一戸建住宅や集合住宅に対する電力及びガスの供給形態を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかる集中改質型燃料電池システムＳ０の構成を示すブロック図である。
【図５】上記第１実施形態において、需要家に分散配置されるＰＥＦＣ型の燃料電池を用いた個別燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
【図６】上記第１実施形態において需要家に分散配置されるＳＯＦＣ型の燃料電池を用いた個別燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
【図７】集中型燃料ガス供給装置の内部構成の一例を示すブロック図である。
【図８】第２実施形態において、需要家に分散配置されるＰＥＦＣ型の燃料電池を用いた個別燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
【図９】第２実施形態において、需要家に分散配置されるＳＯＦＣ型の燃料電池を用いた個別燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
【図１０】第３実施形態において、需要家に分散配置されるＰＥＦＣ型の燃料電池を用いた個別燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
【図１１】電力負荷の変動状態を示すグラフ図であって、（ａ）は一戸建住宅の負荷変動状態を、（ｂ）は集合住宅における負荷変動状態をそれぞれ示している。
【図１２】従来のＰＥＦＣシステムの構成を示すブロック図である。
【図１３】従来のＳＯＦＣシステムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１００  集中型燃料ガス供給装置
１０１  商用ガス配管系統
１０３  ローカル配管路
１０４  主配管路（燃料ガスの配管系統）
１０５  バイパス配管路（バイパス配管系統）
１２０  アキュムレータ
２００  ＰＥＦＣユニット（燃料電池ユニット）
２１０  ＰＥＦＣ電池スタック
３００  ＳＯＦＣユニット（燃料電池ユニット）
３１０  ＳＯＦＣ電池スタック
４００、５５０  排熱利用ユニット（排エネルギー利用機構）
４１    排熱熱交換器
４１ａ  排熱熱交換器バーナ
４２    貯湯槽
４３    生成水回収タンク（水回収装置）
４４、５１０，５１０Ａ，５６０    昇温配管系統
４４１  熱交換部（加熱部）
４５０  排熱回収部
５００  ２４時間風呂ユニット
５２    浴槽
５７    高温水貯湯槽
５８    低温水貯湯槽
Ｓ０    集中改質型の燃料電池システム（広域型の燃料電池システム）
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１  個別個別燃料電池システム
Ａ〜Ｈ  需要家
ＥＧ    燃焼排ガス
【図１】
2006073417.tif 000003
【図２】
2006073417.tif 000004
【図３】
2006073417.tif 000005
【図４】
2006073417.tif 000006
【図５】
2006073417.tif 000007
【図６】
2006073417.tif 000008
【図７】
2006073417.tif 000009
【図８】
2006073417.tif 000010
【図９】
2006073417.tif 000011
【図１０】
2006073417.tif 000012
【図１１】
2006073417.tif 000013
【図１２】
2006073417.tif 000014
【図１３】
2006073417.tif 000015