(57)【要約】    【課題】  燃料利用効率を向上させ、発電効率を高め得る、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ことを課題とする。    【解決手段】  燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を有する発電部１と、該発電部１より排出された排出ガスを燃焼させるガス燃焼装置５１を有する燃焼室５とを備え、該ガス燃焼装置５１で発生する燃焼熱の一部で前記燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方を予熱するように構成する。【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供給されて発電する燃料電池を有する発電部と、該発電部より排出された排出ガスを燃焼させるガス燃焼装置を有する燃焼室とを備え、該ガス燃焼装置で発生する燃焼熱の一部で前記燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方を予熱するように構成したことを特徴とする、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、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、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固体酸化物形燃料電池又は固体高分子形燃料電池である、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、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスを供給することにより発電する単室型の固体酸化物形燃料電池である、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４】
前記発電部より排出されガス燃焼装置に供給される排出ガスを混合するガス混合部をさらに備える、請求項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５】
前記発電部に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスを混合するガス混合部をさらに備える、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６】
前記発電部へ供給する燃料ガス及び酸化剤ガスのガス流量及びガス圧力と、前記発電部及び燃焼室内の温度との少なくとも何れかを制御するシステム制御部をさらに備える、請求項１〜５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】
前記ガス混合部のガス混合比率を制御するシステム制御部をさらに備える、請求項４〜６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】
前記発電部へ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する燃料ガス供給管及び酸化剤ガス供給管の少なくともいずれかが、前記燃焼室内を経由することにより、前記ガス燃焼装置で発生する燃焼熱の一部によって燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくともいずれかが予熱される構成とした、請求項１〜７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】
熱交換器をさらに備え、該熱交換器を介して、前記ガス燃焼装置で発生する燃焼熱の一部によって燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくともいずれかを予熱する構成とした、請求項１〜７のいずれか１項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る、請求項１〜９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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電する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。該燃料電池である固体酸化物形燃料電池のセルデザインとしては、平板型、円筒型などが提案されており、平板型セルは、板状の電解質の表面及び裏面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、こうして形成されたセルはセパレータを介して複数個積層された状態で使用される。セパレータは各セルに供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを完全に分離する役割を果たしており、各セルとセパレータとの間にはガスシールが施されている（特許文献１等）。一方、円筒型セルは、円筒形の電解質の外周面及び内周面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、円筒縦縞型、円筒横縞型などが提案されている（特許文献２等）。
【０００３】
また、上記平板型、円筒型に代わる燃料電池として、燃料極及び空気極を固体電解質からなる基板の同一面上に配置し、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスを供給することにより発電が可能な単室型の固体酸化物形燃料電池も提案されている（特許文献３等）。
【０００４】
これら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燃焼部にて燃焼させ、さらに、燃焼部で発生する熱で発電部を加熱するシステム（特許文献４等）が提案されている。
【特許文献１】特開平５−３０４５号公報
【特許文献２】特開平５−９４８３０号公報
【特許文献３】特開平８−２６４１９５号公報
【特許文献４】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】
【０００５】
しかしながら、上記のシステムでは、燃料ガス及び酸化剤ガスを予熱しておらず、燃料電池の作動温度を高温に維持するための熱利用が十分でなく、供給された燃料に対するシステム全体としての発電効率が良くなかった。
【０００６】
そこで、本発明は、燃料利用効率を向上させ、発電効率を高め得る、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ことを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を有する発電部と、該発電部より排出された排出ガスを燃焼させるガス燃焼装置を有する燃焼室とを備え、該ガス燃焼装置で発生する燃焼熱の一部で前記燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方を予熱するように構成したことを特徴とする。
【０００８】
また、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、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、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固体酸化物形燃料電池又は固体高分子形燃料電池とすることができ、このとき、発電部より排出されガス燃焼装置に供給される排出ガスを混合するガス混合部をさらに備えることが好ましい。
【０００９】
さらに、前記燃料電池は、電解質、燃料極、及び空気極を有しており、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスを供給することにより発電する単室型の固体酸化物形燃料電池とすることもでき、このとき、発電部に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスを混合するガス混合部をさらに備えることが好ましい。
【００１０】
また、前記発電部へ供給する燃料ガス及び酸化剤ガスのガス流量及びガス圧力と、前記発電部及び燃焼室内の温度と、ガス混合部のガス混合比率との少なくともいずれかを制御するシステム制御部をさらに備えてもよい。
【００１１】
さらに、前記発電部へ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する燃料ガス供給管及び酸化剤ガス供給管の少なくともいずれかが、前記燃焼室内を経由することにより、前記ガス燃焼装置で発生する燃焼熱の一部によって燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくともいずれかが予熱される構成としてもよい。
【００１２】
また、熱交換器をさらに備え、該熱交換器を介して、前記ガス燃焼装置で発生する燃焼熱の一部によって燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくともいずれかを熱する構成とすることができる。
【００１３】
また、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ることもできる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、発電部からの排出ガスをガス燃焼装置に再利用するために燃料利用効率の向上を図ることができ、さらに、ガス燃焼装置にて発生する燃焼熱を燃料ガス等の予熱に利用して燃料電池の作動温度を高温に維持するための熱とすることができる。
【００１５】
さらに、発電部の燃料電池として単室型の固体酸化物形燃料電池を使用することにより、ガス供給流路及びガス排出流路を簡素化することができる。
【００１６】
また、ガス混合部を設けることによりガス燃焼装置又は発電部に、混合ガスをより安定して供給することができ、熱交換器を設けることにより、より安定して燃料ガス及び／又は酸化剤ガスを予熱することができる。
【００１７】
さらに、システム制御部を設けて、発電部へ供給する燃料ガス及び酸化剤ガスのガス流量及びガス圧力や、発電部及び燃焼室内の温度、ガス混合部のガス混合比率を制御することにより、燃料ガスや酸化剤ガスの使用量を削減したり、ガス混合部の混合ガスを設定された最適なガス混合比率にすることもでき、蓄電池をさらに設けることにより、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もできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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第１実施形態について図１を参照しつつ説明する。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第１実施形態を示すシステムブロック図である。
【００１９】
図１に示すように、本コージェネレーションシステムは、発電部１、ガス混合部３、燃焼室５、システム制御部７、及び蓄電池９を備えている。
【００２０】
発電部１には、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、発電が行われる。より詳細には、発電部１は固体酸化物形燃料電池を備えており、該燃料電池は、電解質、燃料極、及び空気極を有しており、電解質の一方面に燃料極、他方面に空気極が形成されており、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いる。そして、燃料極側に燃料ガス、空気極側に酸化剤ガスを供給することにより、発電が行われる。作動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。
【００２１】
このようにして使用された燃料ガス及び酸化剤ガスは、発電部１よりそれぞれ排出ガスとして排出され、ガス混合部３に供給される。そして、ガス混合部３内で排出ガスは混合し、混合ガスとしてガス混合部３より排出される。
【００２２】
燃焼室５は、ガス混合部３から排出された混合ガスが供給され、該混合ガスを燃料として燃焼させる。さらに詳細には、燃焼室５は内部にガス燃焼装置（バーナー部）５１を有しており、該ガス燃焼装置５１にガス混合部３からの混合ガスが供給され燃焼が行われる。ここで、燃料ガス及び酸化剤ガスを本システムに供給するための燃料ガス供給管１３及び酸化剤ガス供給管１５が燃焼室５内を経由することにより、燃焼室５内のガス燃焼装置５１での燃焼により発生する燃焼熱の一部が燃料ガス及び酸化剤ガスを予熱する構成となっている。そして、この予熱された燃料ガス及び酸化剤ガスが発電部１に供給される。なお、ここで、燃焼室５及びガス燃焼装置５１は、ガスファンヒーター等のガス器具の燃焼室及びガス燃焼装置として利用される。
【００２３】
なお、システム制御部７は、上記発電部１で生じた電力により作動し、発電部１や、ガス混合部３、燃焼室５を制御する。より詳細には、システム制御部７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３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５内及び発電部１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７は、蓄電池９が接続されており、該蓄電池９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９に充電された電力を使い、システム制御部７を作動させることができ、さらには、発電部１を加熱させるのに、蓄電池９に充電された電力を利用することもできる。
【００２４】
また、本実施形態において、電解質の一方面に燃料極、他方面に空気極が形成され、前記燃料極に燃料ガス、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固体酸化物形燃料電池を用いて説明しているが、この固体酸化物形燃料電池の代わりに、公知の固体高分子形燃料電池を使用することもできる。
【００２５】
以上のように本実施形態によれば、発電部１からの排出ガスをガス燃焼装置５１の燃焼に利用し、さらには、ガス燃焼装置５１により発生した燃焼熱を燃料ガス及び酸化剤ガスを予熱するのに利用するために、燃料利用効率を向上させることができる。
【００２６】
次に、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第２実施形態について、図２を参照しつつ説明する。
【００２７】
図２に示すように本システムは、第１実施形態と同様に、発電部１、ガス混合部３、燃焼室５、システム制御部７、及び蓄電池９を備えている。
【００２８】
本システムでは、まず、燃料ガス及び酸化剤ガスがガス混合部３に供給され混合ガスとなる。該混合ガスは、発電部１に供給され発電が行われる。より詳細には、発電部１は単室型の固体酸化物形燃料電池を備えており、該燃料電池は、電解質、燃料極、及び空気極を有しており、第１実施形態とは異なり、燃料極側と空気極側に分かれておらず、単室となっている。そして、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスを供給すると、燃料極と空気極との二つの電極がガス選択性を有しているため、前記電極間に電圧が発生して発電する。このように、二室型の固体酸化物形燃料電池と異なり、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離して供給する必要がないために、ガスセパレータが不要となり単純な構造を持つ固体酸化物形燃料電池を構成することができる。また、この単室型の固体酸化物形燃料電池の構造としては、電解質を介すように電解質の一方面に燃料極、他方面に空気極を配置した構造と、電解質の一方面に一対の燃料極及び空気極を所定間隔をおいて配置した構造との二つの構造がある。
【００２９】
そして、発電部１から排出された混合ガスは、第１実施形態と同様に、燃焼室５内のガス燃焼装置５１にて燃焼される。そして、燃焼室５内を経由する燃料ガス供給管１３及び酸化剤ガス供給管１５が加熱され、予熱された燃料ガス及び酸化剤ガスが発電部１に供給される。
【００３０】
また、システム制御部７及び蓄電池９は第１実施形態と同様の機能を有している。
【００３１】
以上のように本実施形態によれば、第１実施形態で得ることができる効果に加え、次の効果をさらに得ることができる。すなわち、発電部１に燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスにより発電する単室型の固体酸化物形燃料電池を使用しているので、ガスの供給ラインを簡素化することができ、システム構造を簡略化することができる。
【００３２】
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、第１及び第２実施形態では、ガス燃焼装置５１にて発生する燃焼熱で、燃料ガスと酸化剤ガスとの両方のガスを予熱しているが、どちらか一方のガスだけを予熱してもよい。また、前記ガス燃焼装置５１で発生する熱を発電部１に伝熱させてもよい。
【００３３】
また、第１及び第２実施形態ともに、図３に示すように、熱交換器１１をさらに備え、ガス燃焼装置５１で発生する燃焼熱が、該熱交換器１を介して、給湯器等で外部利用されると共に、燃料ガス及び酸化剤ガスを予熱することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係るコージェネレーションシステムの第１実施形態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第２実施形態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の他の例を示すシステムブロック図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  発電部
３  ガス混合部
５  燃焼室
７  システム制御部
９  蓄電池
１１  熱交換器
５１  ガス燃焼装置
【図１】
2006134788.tif 000003
【図２】
2006134788.tif 000004
【図３】
2006134788.tif 000005