(57)【要約】【課題】  燃料電池の排熱回収時間帯と給湯使用時間帯とが重なり合って、温水を必要とするときに温水が不足して、給湯できないといった問題を解消し、給湯を常に可能にした燃料電池システムおよび給湯システムを提供する。【解決手段】  本発明の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応により発電を行う燃料電池本体６と水素を生成するとともに燃料電池本体に水素を供給する水素供給装置１２１と燃料電池本体６および／または水素供給装置１２１より発生する熱によって水を昇温する熱交換器とを有する燃料電池部と、熱交換器によって昇温された水を貯えると共に昇温された水を外部へ供給する熱回収部と、を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池本体６および／または水素供給装置１２１より発生する熱とは異なる熱源によって水を昇温する昇温手段を有することを特徴とする。【選択図】          図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素との電気化学反応により発電を行う燃料電池本体と前記水素を生成するとともに前記燃料電池本体に水素を供給する水素供給装置と前記燃料電池本体および／または前記水素供給装置より発生する熱によって水を昇温する熱交換器とを有する燃料電池部と、前記熱交換器によって昇温された水を貯えると共に前記昇温された水を外部へ供給する熱回収部と、を有する燃料電池システムにおいて、
前記熱回収部に設けられ、前記燃料電池本体および／または前記水素供給装置より発生する熱とは異なる熱源によって水を昇温する昇温手段
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムからの排熱によって水を昇温すると共に昇温された水を外部へ供給する給湯システムにおいて、
水を貯える貯湯手段と、
外部から前記貯湯手段へ水を供給する水供給手段と、
前記貯湯手段から外部へ前記昇温された水を供給する温水供給手段と、
前記水供給手段と前記温水供給手段との間に設けられ、前記貯湯手段を経由しないバイパス経路と、
前記バイパス経路に設けられ、前記燃料電池本体および／または前記水素供給装置より発生する熱とは異なる熱源によって水を昇温する昇温手段と、
を有することを特徴とする給湯システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムを用いて発電をおこなう際に発生する排熱を回収して貯湯し、給湯する給湯システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃焼装置で常時加熱した状態で、天然ガス、都市ガス、メタノール等の燃料ガスを化学反応させて水素に改質する改質器と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、上記水素によって発電する燃料電池とを備えた固体高分子型燃料電池発電システムが提案されている。この種のものでは、エネルギの有効利用を図るため、固体高分子型燃料電池を用いて発電をおこなう際に発生する排熱を回収した貯湯・給湯システムが考えられる。
【特許文献１】特開平０２−０１０６６４号公報
【特許文献２】特開平０５−０４１２３４号公報
【特許文献３】特開平０５−３１５００２号公報
【特許文献４】特開平０６−１４００６６号公報
【特許文献５】特開平０６−２６０１９８号公報
【特許文献６】特開平０６−３３３５８３号公報
【特許文献７】特開平０８−３１５８３８号公報
【特許文献８】特開平０９−００７６２０号公報
【特許文献９】特開平０９−０５５２１８号公報
【特許文献１０】特開平０９−２３１９９０号公報
【特許文献１１】特開平１０−００３９３６号公報
【特許文献１２】特開平１０−１０６５９３号公報
【特許文献１３】特開平１０−１７２５９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の貯湯・給湯システムでは、固体高分子型燃料電池の排熱回収時間帯と給湯使用時間帯とが重なり合って、温水を必要とするときに温水が不足して、給湯できないといった問題が発生するおそれがある。そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、給湯を常に可能にした給湯システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応により発電を行う燃料電池本体と前記水素を生成するとともに前記燃料電池本体に水素を供給する水素供給装置と前記燃料電池本体および／または前記水素供給装置より発生する熱によって水を昇温する熱交換器とを有する燃料電池部と、前記熱交換器によって昇温された水を貯えると共に前記昇温された水を外部へ供給する熱回収部と、を有する燃料電池システムにおいて、前記熱回収部に設けられ、前記燃料電池本体および／または前記水素供給装置より発生する熱とは異なる熱源によって水を昇温する昇温手段を有することを特徴とする。また、請求項２記載の給湯システムは、請求項１記載の燃料電池システムからの排熱によって水を昇温すると共に昇温された水を外部へ供給する給湯システムにおいて、水を貯える貯湯手段と、外部から前記貯湯手段へ水を供給する水供給手段と、前記貯湯手段から外部へ前記昇温された水を供給する温水供給手段と、前記水供給手段と前記温水供給手段との間に設けられ、前記貯湯手段を経由しないバイパス経路と、前記バイパス経路に設けられ、前記燃料電池本体および／または前記水素供給装置より発生する熱とは異なる熱源によって水を昇温する昇温手段と、を有することを特徴とする。これによれば、給湯を常に可能にした燃料電池システムおよび給湯システムを提供することができる。
【発明の効果】
【０００５】
本発明では、燃料電池発電システムの排熱回収時間帯と給湯使用時間帯とが重なり合って温水が不足した場合、追焚き器が動作して、この追焚き器の温水が利用されるので、常に給湯が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１において、符号１００は建家を示しており、この建家１００には低圧電灯線１０１、電力量計１０２、および分電盤１０３を経て、商用電源が供給されている。この商用電源は、細線で示した第１のケーブル１０４を経て、エアコン１０５、テレビジョン１０６等に供給されている。
【０００７】
一方、本実施形態では、家庭用小型電源システムを構成する固体高分子型燃料電池発電システム（ポリマ・エレクトロライト・フューエル・セル：ＰＥＦＣ装置）Ｓが、建家１００の外に設置されている。この家庭用小型電源システムＳは、図２に示すように、ＰＥＦＣ装置のほかに熱回収装置を含んでいる。この熱回収装置は、貯湯タンク１１２とイオン交換樹脂１２５とを有し、このイオン交換樹脂１２５には水道管を通じて市水が供給される。この市水はイオン交換樹脂１２５で純水にされて、後述する水タンク２１（図３）に供給される。ＰＥＦＣ装置は、燃料供給装置（脱硫器、改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器）１２１を有している。この燃料供給装置１２１には天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の燃料ガスが供給され、ここにはさらに後述する水タンク２１（図３）からの水が供給されて、水素が生成される。この水素は燃料電池６に供給されて、ここで水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電が行われる。１２３は発電制御を司る制御装置である。
【０００８】
この電力はＤＣ／ＤＣコンバータ１２４を経て、１８０Ｖにまで昇圧され、系統連系インバータ１１１に送られ、ここから、図１に太線で示した第２のケーブル１０７を通じて、パソコン１０８、照明１０９、冷蔵庫１１０等に供給されている。この燃料電池発電システムＳは、系統連系インバータ１１１を介して商用電源に接続されている。この小型電源システムＳでは、発電の過程で熱が発生するので、この熱を利用して市水から温水を生成し、この温水を、図２に示すように、貯湯槽１１２に蓄える。この温水は、図１に示すように、風呂１１３、キッチン１１４等に供給される。この貯湯槽１１２は、建家１００の外に設置される。
【０００９】
つぎに、本実施形態に係る固体高分子型燃料電池発電システム（家庭用小型電源システム）Ｓについて、図３を参照して説明する。この家庭用小型電源システムＳでは、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の燃料ガス１が脱硫器２に供給され、ここで燃料ガスから硫黄成分が除去される。この脱硫器２を経た燃料ガスは、昇圧ポンプ１０で昇圧されて改質器３に供給される。この改質器３では、水素、二酸化炭素、および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。この改質器３を経たガスは、ＣＯ変成器４に供給され、ここでは改質ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変成される。このＣＯ変成器４を経たガスは、ＣＯ除去器５に供給され、ここではＣＯ変成器４を経たガス中の未変成の一酸化炭素が酸化されて二酸化炭素になる。このＣＯ除去器５を経て、一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下に低減された水素リッチガスが、固体高分子型の燃料電池６に供給される。この燃料電池６は、燃料極（アノード）６ａと空気極（カソード）６ｂと冷却部６ｃとを備え、上記水素リッチガスは、アノード６ａに供給される。この水素リッチガス中の水素と、上記ファン１１を経て、カソード６ｂに供給された空気中に含まれる酸素とが反応し、電力が発生する。
【００１０】
上記改質器３は、バーナ１２を有し、ここにはパイプ１３を介して燃料が供給され、ファン１４を介して空気が供給され、パイプ１５を介して、アノード６ａを経た未反応水素が供給される。システム起動時には、バーナ１２に、パイプ１３を介して燃料が供給されると共に、ファン１４を介して空気が供給され、起動後、システムが安定した場合には、燃料の供給が断たれて、バーナ１２に、パイプ１５を介して、アノード６ａを経た未反応水素が供給される。上記した改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５、燃料電池６では、所定の反応温度を有する化学反応が行われる。改質器３における化学反応は吸熱反応であるので、バーナ１２によって常時加熱しながら化学反応を行う。また、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５で行われる化学反応は発熱反応であるので、例えばＣＯ除去器５では、システム起動時のみバーナ（図示せず）を燃焼させて、燃焼ガスを発生させ、このとき発生した燃焼ガスの熱でＣＯ除去器５の温度を反応温度まで昇温し、この反応温度まで昇温した後には、発熱反応の熱により反応温度以上に昇温しないように冷却が行われる。
【００１１】
燃料電池６では、電気化学反応が行われ、この電気化学反応時の活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧により熱が発生する。上記した改質器３とＣＯ変成器４間、ＣＯ変成器４とＣＯ除去器５間、ＣＯ除去器５と燃料電池６間および燃料電池６の排気系２６には、それぞれ熱交換器１８，１９，２０，２７が接続されている。そして、各熱交換器１８，１９，２０には水タンク２１の水が、ポンプ２３，２４，２５を介して循環し、これらの水で、改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５を経たガスがそれぞれ冷却される。熱交換器２７には上記貯湯タンク１１２（図２）の水が、ポンプ２８を介して循環する。燃料電池６の冷却部６ｃには、ポンプ４８を介して、水タンク２１の水が循環し、この水で、燃料電池６が冷却される。
【００１２】
上記改質器３の排気系３１には、熱交換器１７が接続され、水タンク２１の水が、ポンプ２２を介して供給されると、この熱交換器１７で水蒸気化し、この水蒸気が、脱硫器２、ポンプ１０を通った原燃料と混合して改質器３に供給される。上記の排気系３１には、熱交換器１７の他に、さらに別の熱交換器３２が接続され、この熱交換器３２には、上記貯湯タンク１１２の水が、ポンプ３３を介して循環し、排熱回収が行われる。
【００１３】
本システムでは、プロセスガス（ＰＧ）バーナ３４を備える。本システムの起動時には、改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５を経た改質ガスの組成が安定していないので、それが安定するまでは、このガスを燃料電池６に供給することができない。そこで、各反応器の温度が安定するまでは、不安定なガス組成状態にあるガスを、このＰＧバーナ３４に導いて燃焼させる。そして、各反応器が安定した後、燃料電池６に導入して発電を行う。燃料電池６での発電に使用できなかった未反応ガスは、当初ＰＧバーナ３４に導いて燃焼し、燃料電池６の温度が安定した後は、この未反応ガスをパイプ１５を通じて、改質器３のバーナ１２に導入して燃焼させる。
【００１４】
ＰＧバーナ３４の制御系を説明すると、本システムの起動後、各反応器が温度的に安定するまでは、開閉弁９１が閉じられ、開閉弁３６が開かれる。これによって、改質ガスは管路３５および開閉弁３６を通じてＰＧバーナ３４に供給される。各反応器が温度的に安定した場合、今度は、燃料電池６の温度が安定するまで、開閉弁９１、３９が開かれ、開閉弁３６、９２が閉じられて、改質ガスが管路３８および開閉弁３９を通じてＰＧバーナ３４に供給され、そこで燃焼される。燃料電池６の温度が安定し、連続して発電が行われる場合、開閉弁９１，９２が開かれ、開閉弁３６，３９が閉じられて、燃料電池６を経た未反応ガスは管路１５を経てバーナ１２に供給される。ＰＧバーナ３４の排気系４５には、熱交換器４６が接続され、この熱交換器４６には、ポンプ４７を介して、貯湯タンク１１２の水が循環する。
【００１５】
水タンク２１と貯湯タンク１１２間には、熱交換器４１が接続され、この熱交換器４１には、ポンプ４２を介して水タンク２１の水が循環し、ポンプ４３を介して貯湯タンク１１２の水が循環する。この熱交換器４１での熱交換によって、貯湯タンク１１２の水の温度が上昇し、水タンク２１の水の温度が低下する。
【００１６】
以上の構成では、家庭用小型電源システムＳが、コージェネレーションシステムの形態をとるので、エネルギの有効活用が図られる。従って、高い総合熱効率が得られるので、原燃料の消費量が減少し、二酸化炭素の排出量が低減される。
【００１７】
本実施形態では、図４に示すように、貯湯タンク１１２の下部に接続された水供給管６１を通じて、貯湯タンク１１２内に市水が供給される。この貯湯タンク１１２に供給された市水は、燃料電池発電システム（家庭用小型電源システムＳ）の排熱を回収して所定温度まで昇温され、この昇温された温水は、開閉弁Ａおよび温水供給管６２を通じて外部に給湯される。この温水供給管６２は貯湯タンク１１２の天板に接続されている。上記した排熱回収は、貯湯タンク１１２内の温水を、ポンプＰ（例えば、図３のポンプ２８，３３，４２，４３，４７）を介して循環させることにより行われる。熱交換器２７でも排熱が回収される。水供給管６１と温水供給管６２との間には、貯湯タンク１１２をバイパスして温水を流すための、開閉弁Ｂおよびガスバーナを用いた追焚き器６３が接続され、さらに貯湯タンク１１２には、高水位における水温Ｔ１を検出する高水位温度センサ６５と、この高水位温度センサ６５よりも低水位における水温Ｔ２を検出する低水位温度センサ６６とが付設されている。
【００１８】
つぎに、この貯湯・給湯システムの動作を説明する。図５に示すように、まず、高水位温度センサ６５によって、貯湯タンク１１２内の高水位における水温Ｔ１を検出し（Ｓ１）、この水温Ｔ１が例えば６０℃以上か否かを判定する（Ｓ２）。この水温Ｔ１が６０℃以下であれば、この貯湯タンク１１２内に貯湯されたお湯は外部への給湯に適さないため、開閉弁Ａを閉じ、開閉弁Ｂを開いて、追焚き器６３を動作させ、この追焚き器６３で生成された６０℃以上の温水を、温水供給管６２を通じて外部に給湯する（Ｓ３）。この水温Ｔ１が例えば６０℃以上であれば、今度は、低水位温度センサ６６によって、貯湯タンク１１２内の低水位における水温Ｔ２を検出し（Ｓ４）、この水温Ｔ２が６０℃以下か否かを判定する（Ｓ５）。この水温Ｔ２が６０℃以上であれば、貯湯タンク１１２内に貯湯されたお湯の量は豊富であるため、開閉弁Ｂを閉じ、開閉弁Ａを開いて、貯湯タンク１１２のお湯を温水供給管６２を通じて外部に給湯する（Ｓ６）。
【００１９】
Ｓ４で、水温Ｔ２が６０℃以下の場合、貯湯タンク１１２内に貯湯されたお湯の量は豊富でなく、６０℃以上の温水は高水位の部分にしか溜まっていない。この場合、本実施形態では、開閉弁Ａ，Ｂの開閉をおこなわず、現状態をそのまま維持する（Ｓ７）。すなわち、貯湯タンク１１２内のお湯を利用しているときは、そのまま継続して、貯湯タンク１１２内のお湯を利用し続け、追焚き器６３で生成された温水を利用しているときは、そのまま継続して、追焚き器６３で生成された温水を利用し続ける。
【００２０】
本実施形態では、燃料電池発電システムの排熱回収時間帯と給湯使用時間帯とが重なり合って温水が不足した場合、追焚き器６３が動作して、追焚き器６３の温水が利用されるので、常に給湯が可能になる。また、上述した制御ループの中で、開閉弁Ａ，Ｂの開閉をおこなわず、現状態をそのまま維持するステップ（Ｓ７）が設けられるので、貯湯タンク１１２内のお湯の温度変化が頻繁に起こっても、開閉弁Ａ，Ｂの開閉は頻繁におこなわれず、そのチャタリングが防止される。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものでないことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明による固体高分子型燃料電池発電システムを家庭に設置した場合の系統図である。
【図２】図１の屋外部分を示す図である。
【図３】固体高分子型燃料電池発電システムの一実施形態を示す回路図である。
【図４】貯湯・給湯システムを示す回路図である。
【図５】貯湯・給湯システムのフローチャートである。
【符号の説明】
【００２３】
１…燃料ガス、２…脱硫器、３…改質器、４…ＣＯ変成器、５…ＣＯ除去器、６…燃料電池、６ａ…燃料極（アノード）、６ｂ…空気極（カソード）、６ｃ…冷却部、１０…昇圧ポンプ、１１…ファン、１２…バーナ、１３…パイプ、１４…ファン、１５…パイプ、１７…熱交換器、１８…熱交換器、１９…熱交換器、２０…熱交換器、２１…水タンク、２２…ポンプ、２３…ポンプ、２４…ポンプ、２５…ポンプ、２６…排気系、２７…熱交換器、２８…ポンプ、３１…排気系、３２…熱交換器、３３…ポンプ、３４…プロセスガスバーナ、３５…管路、３６…開閉弁、３８…管路、３９…開閉弁、４１…熱交換器、４２…ポンプ、４３…ポンプ、４５…排気系、４６…熱交換器、４７…ポンプ、４８…ポンプ、６１…水供給管、６２…温水供給管、６３…追焚き器、６５…高水位温度センサ、６６…低水位温度センサ、９１…開閉弁、９２…開閉弁、１００…建家、１０１…低圧電灯線、１０２…電力量計、１０３…分電盤、１０４…第１のケーブル、１０５…エアコン、１０６…テレビジョン、１０７…第２のケーブル、１０８…パソコン、１０９…照明、１１０…冷蔵庫、１１１…系統連系インバータ、１１２…貯湯タンク、１１３…風呂、１１４…キッチン、１２１…燃料供給装置（脱硫器、改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器）、１２３…制御装置、１２４…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１２５…イオン交換樹脂、Ａ…開閉弁、Ｂ…開閉弁、Ｐ…ポンプ、Ｓ…家庭用小型電源システム
【図１】
2006093166.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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