(57)【要約】【課題】一定範囲に集積する電力又は／及び熱の需要先に対する、商用電力系統との連携を前提としない自立型の電力・熱エネルギーの供給システムを提供することを目的とする。【解決手段】電力需要先をネットワークする専用の送電線により商用電力配電網から独立させるとともに、熱供給パイプラインにより熱需要先をネットワークし、複数台の燃料電池の出力と起動・停止を制御し電力供給及び熱供給を行う電力・熱供給供給システム。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池発電装置（１０）と、蓄熱槽（２０）と、ガス改質装置（３０）と、ガス貯蔵体（３５）と、ヒーター（４０）と、電力計（５０）と、消費電力計（５５）と、熱量計（６０）と、消費熱量計（６５）と、送電線（７０）と、熱供給パイプライン（８０）と、コンピュータ制御装置（９０）と、通信手段（１００）からなる燃料電池による電気・熱の供給システムであって、
ガス改質装置（３０）は、ガス貯蔵体（３５）より供給されるガスを水素と一酸化炭素その他の混合ガスに改質し、水素を選択的に精製して燃料電池発電装置（１０）に給送し、
燃料電池発電装置（１０）は、ガス改質装置（３０）から供給される水素を燃料として発電するとともに、発電反応により温水を生成し、該温水の熱量は蓄熱槽（２０）の熱媒（２７）に熱交換して蓄熱され、
送電線（７０）は、燃料電池発電装置（１０）により発電された電力を電力需要先に供給し、
熱供給パイプライン（８０）は、蓄熱槽（２０）と温熱需要先との間で熱媒（２７）を循環させて温熱を供給し、
コンピュータ制御装置（９０）は、燃料電池発電装置による電力及び熱量の生成量を電力計（５０）と熱量計（６０）により計測するとともに、通信手段（１００）により需要先に設置された消費電力計（５５）及び／又は消費熱量計（６５）から使用量データを受信して需要総量を集計し、
発電電力量が常に電力使用量以上となるように燃料電池発電装置（１０）の運転を制御するとともに、余剰電力のあるときは、該余剰電力を使用して蓄熱槽に附置されたヒーター（４０）を運転して蓄熱槽（２０）の熱媒（２７）を加熱するように制御し、
温熱使用量が蓄熱槽（２０）の蓄熱量以上となるときは、燃料電池発電装置（１０）の運転を制御して、蓄熱槽（２０）と熱交換する温水を増加させるとともに、電力の一部を使用してヒーター（４０）を運転し、蓄熱槽（２０）の熱媒（２７）を加熱するように制御することを特徴とする
燃料電池による電気・熱の供給システム
【請求項２】
燃料電池発電装置（１０）の運転の制御は、２台以上の燃料電池発電体（１５）を並列結合して、各燃料電池発電体（１５）ごとの起動・停止により行うことを特徴とする
請求項１に記載の燃料電池による電気・熱の供給システム
【請求項３】
ガス改質装置（３０）に供給されるガスが、メタン、ブタン、プロパン、天然ガス、都市ガス、ＬＰガス、バイオガス、合成ガス（シンガス）、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、石炭乾溜ガスのいずれか、又はそれらの２つ以上の混合ガスのうちのいずれかであることを特徴とする
請求項１又は２に記載の燃料電池による電気・熱の供給システム
【請求項４】
ヒーター（４０）は、ＣＯ２ヒートポンプであることを特徴とした
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池による電気・熱の供給システム
【請求項５】
電力又は／及び温熱の需要先は、集落、集合住宅、区画が密接した一団地、業務ビルディング等、空間的な一定範囲内に集積し、送電線（７０）又は／及び熱供給パイプライン（８０）が全ての需要先を直列又は並列に接続し、燃料電池発電装置（１０）及び蓄熱槽（２０）及びガス貯蔵体（３５）の規模は、予め予測する需要先の需要規模に合わせたものであることを特徴とした
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池による電気・熱の供給システム
【請求項６】
電力又は／及び温熱の需要先のそれぞれの電力又は／及び温熱の使用料金は、それぞれの需要先に設置された消費電力計（５５）又は／及び消費熱量計（６５）の使用量データと予め定める係数に基づいて換算されるガス消費料金としてそれぞれの需要先が負担することを特徴とした
請求項６に記載の燃料電池による電気・熱の供給システム
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一定範囲に集積する電力又は／及び熱の需要先に対する、商用電力系統との連携を前提としない自立型の電力・熱エネルギーの供給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の地球温暖化問題に対する社会的な関心の高まりや、わが国の高いエネルギー利用コストに対するコスト意識の高まりから、家庭から産業需要家まで、エネルギーの最適利用が模索され始めており、それを実現するさまざまなエネルギー供給技術が各方面で鋭意研究されている。
【０００３】
とりわけ、大規模発電所からの電力が遠距離を送配電されて利用している電力の送配電ロスや集中型であることに起因する膨大な排熱ロスの環境負荷やコストに対する社会的対策技術の１つとして、熱と電気を需要地近傍で併産し効率的にエネルギー消費を図る分散型電源システムやコージェネレーションシステムが注目され、著しい技術改良を背景として、徐々に普及しつつある。
【０００４】
また、水素等のクリーン燃料を利用する燃料電池システムの技術開発の進展に伴って、分散型電源システムやコージェネレーションシステムの電気・熱の発生装置としての導入についても、電力、ガス、燃料、電機など主要エネルギー産業分野で非常に活発な研究が取り組まれているところである。
【０００５】
上記の燃料電池を利用した分散電源システムやコージェネレーションシステムによる需要先への電力・熱エネルギーの供給システムについては、既製のコージェネレーション装置に関する技術・発明が公知であるとともに、その最適な供給方法に関する発明が特許第２８８８７１７号で知られている。
【０００６】
上記の特許第２８８８７１７号では、既製のコージェネレーションシステムの技術が需要先の電力又は熱の消費に対する燃料使用の最適化にとどまっていることに着目し、コージェネレーションシステムを、エネルギー利用コスト、一次エネルギー消費量、環境汚染物質排出量の３つの観点からの最適条件で運転することに関する技術が開示されているが、その構成要件に商用電力系統からの電力の受電を含むものとなっている。
【０００７】
すなわち、「系内発電装置」及び「系内温熱発生装置」に加え、同装置で不足する電力又は熱の補填に系外からの電力エネルギーを部分的にも利用することが前提とされており、系外からの商用電力の利用は、予め定める原単位に基づいて前述の３つの観点の指標に換算されて組み込まれ、その上で最適条件で制御するものとなっている。
【０００８】
しかし、上記発明では、系外からの電力エネルギーの利用の換算原単位の設定により最適条件が異なるとともに、商用電力での電源構成は、一義的には特定できないため発電設備やその一次エネルギーの換算原単位はあくまでも想定に基づくものとなり、最適条件での運転が客観的に評価しにくいものとなっている。
【０００９】
さらに、商用電力や燃料を直接需要先が併用できるときは「使用の優先順位を予め定め（前記特許明細書（００３３））」ることで、さらに最適条件での運転に客観性が乏しくなること、異なった電力・熱需要特性をもった複数の需要先を接続した場合に、全体での最適化が個別需要先の最適化とは異なるものとなること、などが問題点となる。
【００１０】
また、実用上は、それぞれの需要家は商用電力事業者と契約する必要があり、それぞれの需要先が電力事業者に基本契約料金を支払う必要があることや、余剰電力を商用電力系統に逆潮流するときの技術的、制度的な困難性が多いという問題点がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、かかる商用電源系統との連携を前提としたコージェネレーションシステムの最適条件での稼動システムにかかる問題点に鑑み、一定範囲に集積する電力又は／及び熱の需要先に対する、商用電力系統との連携を前提としない自立型の電力・熱エネルギーの供給システムを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは、上記課題を実現すべく鋭意研究を重ねた結果、電力需要先をネットワークする専用の送電線により商用電力配電網から独立させるとともに、熱供給パイプラインにより熱需要先をネットワークし、複数台の燃料電池の出力と起動・停止を制御し電力供給及び熱供給を行うことで、最適な電力・熱供給供給システムを構築できることを発明するに至った。
【００１３】
すなわち、燃料電池発電装置１０と、蓄熱槽２０と、ガス改質装置３０と、ガス貯蔵体３５と、ヒーター４０と、電力計５０と、消費電力計５５と、熱量計６０と、消費熱量計６５と、送電線７０と、熱供給パイプライン８０と、コンピュータ制御装置９０と、通信手段１００からなる燃料電池による電気・熱の供給システムであって、ガス改質装置３０は、ガス貯蔵体３５より供給されるガスを水素と一酸化炭素その他の混合ガスに改質し、水素を選択的に精製して燃料電池発電装置１０に給送し、燃料電池発電装置１０は、ガス改質装置３０から供給される水素を燃料として発電するとともに、発電反応により温水を生成し、該温水の熱量は蓄熱槽２０の熱媒２７に熱交換して蓄熱され、送電線７０は、燃料電池発電装置１０により発電された電力を電力需要先に供給し、熱供給パイプライン８０は、蓄熱槽２０と温熱需要先との間で熱媒２７を循環させて温熱を供給し、コンピュータ制御装置９０は、燃料電池発電装置による電力及び熱量の生成量を電力計５０と熱量計６０により計測するとともに、通信手段１００により需要先に設置された消費電力計５５及び／又は消費熱量計６５から使用量データを受信して需要総量を集計し、発電電力量が常に電力使用量以上となるように燃料電池発電装置１０の運転を制御するとともに、余剰電力のあるときは、該余剰電力を使用して蓄熱槽に附置されたヒーター４０を運転して蓄熱槽２０の熱媒２７を加熱するように制御し、温熱使用量が蓄熱槽２０の蓄熱量以上となるときは、燃料電池発電装置１０の燃料電池発電装置１０の運転を制御して、蓄熱槽２０と熱交換する温水を増加させるとともに電力の一部を使用してヒーター４０を運転し、蓄熱槽２０の熱媒２７を加熱するように制御することを特徴とする燃料電池による電気・熱の供給システムを提供する。
【００１４】
本願請求項２の発明は、燃料電池発電装置１０の運転の制御は、２台以上の燃料電池発電体１５を並列結合して、各燃料電池発電体１５ごとの起動・停止により行うことを特徴とする、請求項１に燃料電池による電気・熱の供給システムを提供する。
【００１５】
本願請求項３の発明は、ガス改質装置３０に供給されるガスが、メタン、ブタン、プロパン、天然ガス、都市ガス、ＬＰガス、バイオガス、合成ガス（シンガス）、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、石炭乾溜ガスのいずれか、又はそれらの２つ以上の混合ガスのうちのいずれかであることを特徴とする、請求項１又は請求項２のいずれかに記載の燃料電池による電気・熱の供給システムを提供する。
【００１６】
本願請求項４の発明は、ヒーター４０は、ＣＯ２ヒートポンプであることを特徴とした、請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池による電気・熱の供給システムを提供する。
【００１７】
本願請求項５の発明は、電力又は／及び温熱の需要先は、集落、集合住宅、区画が密接した一団地、業務ビルディング等、空間的な一定範囲内に集積し、送電線７０又は／及び熱供給パイプライン８０が全ての需要先を直列又は並列に接続し、燃料電池発電装置１０及び蓄熱槽２０及びガス貯蔵体３５の規模は、予め予測する需要先の需要規模に合わせたものであることを特徴とした、請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池による電気・熱の供給システムを提供する。
【００１８】
本願請求項６の発明は、電力又は／及び温熱の需要先のそれぞれの電力又は／及び温熱の使用料金は、それぞれの需要先に設置された消費電力計５５又は／及び消費熱量計６５の使用量データと予め定める係数に基づいて換算されるガス消費料金としてそれぞれの需要先が負担することを特徴とした、請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池による電気・熱の供給システムを提供する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本願請求項１の発明の基本構成を模式的に示す。本発明は、燃料電池発電装置１０と、蓄熱槽２０と、電力により熱媒２７（図示せず。）を加熱するヒーターと、燃料電池発電装置１０に水素を供給するガス改質装置３０を主な構成とする電力・熱生成装置群と、電力・熱の消費量を計測する消費電力計５５と消費熱量計６５を主な構成とする複数の電力・熱需要先側装置群と、それらをネットワークする送電線７０と熱供給パイプライン８０と、電力・熱の需給を通信手段１００によるデータに基づき管理制御するコンピュータ制御装置９００により構成される。なお、複数の燃料電池発電体１５は図１の燃料電池発電装置内に置設されている。
【００２０】
ガス改質装置３０は、ガスバーナーにより加熱され反応容器の触媒に、ガス及び水蒸気を供給し、シフト反応により水素と一酸化炭素その他に改質し、水素の選択分離手段により水素だけを燃料電池発電装置１０に給送するものであり、ガス改質法による水素の生成・分離手段であれば任意の技術を利用することができる。
【００２１】
燃料電池発電装置１０は、水素と空気（空気中の酸素）とを電気化学的に反応させて、電力と反応後の生成物質である水蒸気（水）を生成する。燃料電池は水素を燃料とすることができるものであれば任意のものを利用することができ、固体高分子形燃料電池や固体酸化物形燃料電池、燐酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池のいずれでもよい。ただし、運転制御の方法が、複数の燃料電池の起動・停止を伴うため、固体高分子形燃料電池を用いることが望ましい。
【００２２】
燃料電池発電装置１０からの水蒸気は、概６０℃から２００℃であるため、熱交換器２５により熱媒２７と熱交換し、概６５℃の温熱として蓄熱槽２０に蓄熱する。熱媒２７は定常時には蓄熱槽２０とパイプライン８０を循環しているが、熱媒２７として水を利用すれば、循環経路において温水として排出し利用することもできる。ただし、そのときは蓄熱槽２０において熱媒量の管理、補給が必要となる。
【００２３】
燃料電池発電装置１０は、２台以上の燃料電池発電体１５が並列に連結されており（請求項２）、バルブ等の手段での水素供給量の制御による定格出力までの出力制御に加え、電力消費量に応じて１台ごとの起動・停止により発電電力量の調整ができる。複数台の燃料電池の制御により、負荷変動による燃料電池発電体のダメージを低減するとともに、燃料電池発電体の故障時やメンテナンス時にも電力を停止することなく燃料電池発電体を交換することができる。
【００２４】
さらに、燃料電池発電体１台ごとに、電力供給を主とするもの、発電電力のヒーター利用により熱供給を主とするものなど、運転の主目的を弾力的に振り分けることができるとともに、１台ごとの起動・停止を制御することで燃料電池発電装置全体の機動的需要対応ができる。
【００２５】
燃料電池発電装置１０が、２台以上の燃料電池発電体１５により構成されるときは、その起動用のバッファ燃料として、ガス改質装置３０により生成・分離される水素が、水素貯蔵手段により一定量が貯蔵されていることが望ましい（図示せず。）。また、蓄熱槽の熱を燃料電池に供給できるようになされていることが望ましい（図示せず。）。このことで貯蔵水素と併せて燃料電池発電体１５の起動時間を短縮することができ、電力・熱の需給に応じた機動的制御が可能となる。
【００２６】
ヒーター４０は、燃料電池発電装置１０からの電力を利用して熱媒を過熱する。ヒーターとしては抵抗加熱ヒーター、高周波加熱ヒーター、その他任意の電力ヒーターを用いることができ。また、電力を用いたＣＯ２ヒートポンプを用いて効率的に熱量の供給を行うこともできる（請求項４）。
【００２７】
需要先への電力の供給は、専用の送電線７０により、商用電力系統を経ることなく行うことができる。このため、需要先までは直流で送電し、需要先でインバーターで交流電力に変換することや、それぞれの電力需要先に求められる電力品質を供給することができる。ただし、当然に需要側において交流変換するのみでなく、電力・熱生成装置群や送電経路において交流変換することも、必要に応じて可能である。
【００２８】
また、図示されていないが、電力・熱生成装置群には、ＮＡＳ電池やリチウムイオン電池など高効率バッテリーに発電電力の一部を蓄電し、バックアップ用電源又は無停電機能として蓄電するなど、電力・熱生成装置群における電力の安定供給に必要な設備を備えている。
【００２９】
送電線には発電端ないしは送電端に電力計５０が、それぞれの需要先において消費電力計５５が設置されており、発電・送電量と、需要先での電力消費量のデータが通信手段１００によりコンピュータ制御装置９０にリアルタイムに送り込まれ、管理されるとともに、需給のバランスに応じて、燃料電池発電装置１０やヒーター４０を制御する如くなっている。コンピュータ制御装置９０は、電力・熱生成装置群に設置されていてもよいし、別体として遠隔地において管理・制御するものでもよい。
【００３０】
需要先への熱供給は、専用の熱供給パイプライン８０で行われる。上記電力供給同様に、電力・熱生成装置群に熱量計６０が、熱需要先に消費熱量計６５が配設され、熱の生成量と、熱の需要量がコンピュータ制御装置９０により管理され、需給のバランスに応じて、燃料電池発電装置１０やヒーター４０を制御する如くなっている。
【００３１】
熱媒２７の移送による熱供給は、需要先においてぞれぞれ熱交換器を通じて温水等に熱交換され利用されるようになっている。熱交換の方式は、需要先の熱需要に応じた方式でよく、利用温度帯を高温から低温まで自由に設定することができる。また、夏季における除湿空調や冬季における暖房などに温熱が利用されることで、本電気・熱の供給システムを有効に運転することができる。
【００３２】
図２に、コンピュータ制御装置９０のネットワークならびに需要先のネットワーク化の概念を示す。コンピュータ制御装置９０は、１つの電力・熱供給ネットワークを管理・制御してもよいし、複数の電力・熱供給ネットワークを管理・制御してもよい。また、需要先への電力・熱の供給ライン（７０又は／及び８０）は、並列的に需要先をネットワークしてもよいし、直列的にネットワークしてもよい。
【００３３】
本願発明の電力・熱の供給システムは、専用の送電線７０及び熱供給パイプライン８０を有するために、燃料電池発電装置１０及び蓄熱槽２０及びガス貯蔵体３０の規模は、予め電力・熱を専用の供給ラインで供給する空間的な一定範囲における需要先の需要規模に合わせた規模とすることができる（請求項５）。とくに、２戸から５０戸程度の新規の集合住宅や住宅団地などでは、予め生活インフラとして設計し設備しておくことが可能である。
【００３４】
さらに、電力又は／及び温熱の需要先のそれぞれの電力又は／及び温熱の使用料金は、それぞれの需要先に設置された消費電力計５５又は／及び消費熱量計６５の使用量データと予め定める係数に基づいて換算されるガス消費料金としてそれぞれの需要先が負担する方式により、燃料供給事業者等が事業として実施が可能なシステムを提供することができる。
【００３５】
本願発明に供給されるガスは、請求項２の発明に示す如く、メタン、ブタン、プロパン、天然ガス、都市ガス、ＬＰガス、バイオガス、合成ガス（シンガス）、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、石炭乾溜ガスのいずれか、又はそれらの２つ以上の混合ガスのうちのいずれかである。ただし、ガス改質によらず水素ガスが系外より導入できるときは、ガス貯蔵体３５やガス改質装置３０の構成が不必要となるが、そのことは本願発明の本質を構成するものではなく、特許請求の範囲に記載された本願発明の範囲内での変更により容易に可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものである。
【００３６】
本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の電力・熱の供給システムによれば、電力需要先をネットワークする専用の送電線により商用電力配電網から独立させるとともに、熱供給パイプラインにより熱需要先をネットワークし、複数台の定格出力の燃料電池の起動・停止を制御し電力供給及び熱供給を行うことで、最適な電力・熱供給供給システムを構築できき、燃料電池システムの各方面への導入を促進したり、地球環境問題への対応やエネルギー利用の適正化に資することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池による電気・熱の供給システムの基本構成を示す図
【図２】コンピュータ制御装置のネットワークならびに需要先のネットワーク化の概念を示した図
【符号の説明】
１０：燃料電池発電装置
２０：蓄熱槽
２５：熱交換器
３０：ガス改質装置
３５：ガス貯蔵体
４０：ヒーター
５０：電力計
５５：消費電力計
６０：熱量計
６５：消費熱量計
７０：送電線
８０：熱供給パイプライン
９０：コンピュータ制御装置
１００：通信手段
【図１】
2004134286.tif 000003
【図２】
2004134286.tif 000004