(57)【要約】【課題】故障時にシステムを容易に修復することができ、制御装置を制御系統別にして構成を簡単にできる燃料電池コジェネレーションシステムを提供する。【解決手段】燃料を改質して水素を得る燃料改質装置１１と、燃料改質装置から水素を供給され発電する燃料電池スタック１２とを備える発電部Ａ１と、燃料改質装置１１及び燃料電池スタック１２から発生する排熱を回収する排熱回収装置１４の貯湯部１４ｂを備える熱利用部Ｂ１と、から構成され、このシステムは、発電部を制御する発電部制御装置１５ａと、熱利用部を制御する熱利用部制御装置１５ｂから構成される制御装置１５を備える。また、このシステムは、発電部Ａ１と熱利用部Ｂ１とを熱媒体が循環する連結配管７，７で連結している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を改質して水素を得る燃料改質装置と該燃料改質装置から水素を供給され発電する燃料電池スタックとを備える発電部と、
前記燃料改質装置及び燃料電池スタックから発生する排熱を回収する排熱回収装置の少なくとも蓄熱部を備える熱利用部と、から構成される燃料電池コジェネレーションシステムであって、
該システムは、前記発電部を制御する発電部制御装置と、前記熱利用部を制御する熱利用部制御装置から構成される制御装置を備えることを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステム。
【請求項２】
前記システムは、前記発電部と熱利用部とを熱媒体が循環する連結配管で連結したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池コジェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池コジェネレーションシステムに係り、特に、燃料改質装置と燃料電池スタックを有する発電部と、排熱回収装置の蓄熱部を有する熱利用部とから構成される燃料電池コジェネレーションシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の都市ガス又はプロパンガスを燃料とし、発電と排熱を利用する燃料電池コジェネレーションシステムは、都市ガス等の燃料は燃料改質装置で処理され、反応に使われる水素が作られる。燃料電池本体では、この水素とブロアから供給された酸素（空気）から直流の電気が得られる。この直流の電気はインバータで交流に変換されたあと商用電力に連系され、家庭内の電力として利用される。また燃料電池本体と燃料改質装置から回収された排熱は貯湯タンクに蓄えられ、給湯等に利用される。
【０００３】
このような従来の燃料電池コジェネレーションシステムにおいては、貯湯タンク等の排熱利用部から冷却水循環系へ流れる排熱戻り水の温度を計測する温度センサが設置され、この温度センサからの排熱戻り水の温度を入力し、これに応じて電池冷却水の設定温度および改質用水蒸気の設定流量を変更するシステム制御装置が設けられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１４９９３０号公報（図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記構造の燃料電池コジェネレーションシステムは、例えば排熱利用部の水温を基に改質用の水蒸気の流量を変える等、１つの制御系統で発電部のガス供給装置と、排熱利用部の気水分離器温度制御弁を一括的に制御している。このため、システム内の一部で不具合が発生した際に、システム全体を停止させなくてはならず、修理が不可能な場合は全体を交換する必要が生じる。また、制御装置は多くの項目を一元管理するため、制御回路が複雑となっている。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、システムの一部に不具合が発生した場合でも、不具合の生じている部分のみを停止させて修理することができ、システムの修復を容易に実施することができる燃料電池コジェネレーションシステムを提供することにある。また、システムを制御する制御装置を簡略化でき、不具合が発生したときに制御系統別に容易に修復できる燃料電池コジェネレーションシステムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明に係る燃料電池コジェネレーションシステムは、燃料を改質して水素を得る燃料改質装置と燃料改質装置から水素を供給され発電する燃料電池スタックとを備える発電部と、燃料電池スタック及び燃料改質装置から発生する排熱を回収する排熱回収装置の少なくとも蓄熱部を備える熱利用部と、から構成され、このシステムは、発電部を制御する発電部制御装置と、熱利用部を制御する熱利用部制御装置から構成される制御装置を備えることを特徴とする。
【０００８】
前記のごとく構成された本発明の燃料電池コジェネレーションシステムは、制御装置が発電部を制御する発電部制御装置と、熱利用部を制御する熱利用部制御装置とから構成され分かれているため、各々の制御装置の構成を簡略化でき、制御系統が簡略化されているため、不具合等が発生したときに容易に対応してシステムを修復することができる。また、例えば発電部側で不具合が発生した場合、熱利用部のみを独立で運転させることができ、ユーザーの不便を最小限とすることができる。このシステムの製造段階において、２つの部分にそれぞれ制御装置が備えてあるため、それぞれの部分を単独に動作させて試験運転することができ、動作チェックが容易となる。さらに、既設の熱利用設備に新規の発電部を接続することも可能となり、その逆の既設の発電部に新規の熱利用部を接続する施工も可能となり、施工性が向上するとともに、施工の拡張性が向上する。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池コジェネレーションシステムの好ましい具体的な態様としては、前記システムは、発電部と熱利用部とを熱媒体が循環する連結配管で連結したことを特徴とする。すなわち、制御装置を発電部制御装置と、熱利用部制御装置に分けることで発電部と熱利用部との信号のやりとりを無くし、発電部と熱利用部は連結用の配管のみの接続としている。
【００１０】
このように構成された本発明の燃料電池コジェネレーションシステムは、発電部と熱利用部とから構成され、発電部と熱利用部は分割して構成するため、発電部、熱利用部の一方の部分で故障等の不具合が発生した場合、その部分のみを停止して原因の究明が素早く行え、効率良く修理することができる。また、発電部、熱利用部の一方の部分が修理不能の場合、その部分のみを交換することができるため交換作業が容易に行え、全体を交換するのと比較して修復作業の費用を大幅に低減できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池コジェネレーションシステムの一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池コジェネレーションシステムの要部構成図である。
【００１２】
図１において、燃料電池コジェネレーションシステムは、商用電力１及び燃料ガス２として都市ガス、プロパンガス等が供給され、供給される燃料ガス２からコジェネレーション装置１０で電気と熱とを生成して出力し、電気を商用電力１と共に外部に出力し、熱を温水として出力するシステムである。コジェネレーション装置１０は、燃料改質装置１１、燃料電池スタック１２、インバータ１３、及び熱交換器１４ａ、蓄熱部である貯湯槽１４ｂ、及び補助熱源１４ｃを有する排熱回収装置１４を備え、発電部制御装置１５ａと熱利用部制御装置１５ｂから構成される制御装置１５により制御される。なお、都市ガスは、天然ガスを用いてもよい。
【００１３】
燃料改質装置１１は高温の状態で燃料ガス２の炭化水素に水蒸気を加えることによって改質し、水素を得る装置である。燃料電池スタック１２は固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）であって、電解質としてポリマーを使用しており、約１００℃以下の低い運転温度と、３０〜４０％の高いエネルギー変換効率（発電効率）を持つ燃料電池である。燃料電池スタック１２には酸化剤として空気を注入するブロワ１２ａが付設されている。燃料電池スタック１２で発生された直流電気はインバータ１３に供給され、交流に変換されて商用電力１の幹線ライン３に出力される。幹線ライン３は各種電気機器等の電気負荷４に接続される。
【００１４】
排熱回収装置１４は、燃料電池スタック１２と熱交換器１４ａとの間は排熱入力側の循環配管１６と後述する連結配管７，７で連結され、循環用のポンプ１６ａが設置され、熱交換器１４ａと蓄熱槽である貯湯槽１４ｂとの間は排熱出力側の循環配管１７で接続され、循環用のポンプ１７ａが設置されている。そして、循環配管１６及び連結配管７，７内に熱媒体として温水を循環させて燃料電池スタック１２の反応熱回収の他に、燃料改質装置１１の排熱回収を行い、熱交換器１４ａに循環配管１７で温水を循環させて排熱を市水５が導入された貯湯槽１４ｂに蓄熱し、冷暖房や給湯等の熱源として利用する。貯湯槽１４ｂから給湯器、床暖房等の給湯負荷６に熱媒体（温水）用の配管が接続され、途中には温水の温度が低いときに加熱する補助熱源１４ｃが設置されている。
【００１５】
制御装置１５はマイクロコンピュータ等で構成され、電気負荷４や給湯負荷６に対応して、コジェネレーション装置１０を起動、停止させ、要求される電力や熱を発生させるものであり、プログラムタイマー機能を備えていると好ましい。プログラムタイマーは、１日の時刻を計測すると共に、例えば所定の時刻にシステムを起動させ、他の所定時刻にシステムを停止させることができる。
【００１６】
コジェネレーション装置１０は前記のように構成され、本実施形態では少なくとも燃料改質装置１１と燃料電池スタック１２とを有する発電部Ａ１と、少なくとも排熱回収装置１４の貯湯層１４ｂを有する熱利用部Ｂ１とから構成されるように、ユニット化されている。そして、制御装置１５は、発電部Ａ１を制御する発電部制御装置１５ａと、熱利用部Ｂ１を制御する熱利用部制御装置１５ｂから構成され、発電部Ａ１と熱利用部Ｂ１とは電気的に接続されず、信号等のやりとりは無いように構成されている。言いかえると、発電部制御装置１５ａと熱利用部制御装置１５ｂとは互いを接続する配線接続はなく、発電部制御装置１５ａは、熱利用部Ｂ１を制御することができず、熱利用部制御装置１５ｂは、発電部Ａ１を制御することができない。
【００１７】
発電部制御装置１５ａは、燃料供給量、発電量、燃料電池スタック冷却水の循環量等を制御する。熱利用部制御装置１５ｂは、取得温水の温度や貯湯槽１４ｂ内の温水温度をモニタし、循環水の流量や給湯量を制御する。そして、発電部制御装置１５ａと、熱利用部制御装置１５ｂとは、それぞれ独立し、相互の信号のやりとりは行われない。
【００１８】
本実施形態のコジェネレーション装置１０は、前記のように排熱入力側の循環配管１６の部分で分けられて発電部Ａ１と熱利用部Ｂ１とから構成され、２本の連結配管７，７のみで接続される。この結果、本実施形態では熱交換器１４ａは、熱利用部Ｂ１側に設置され、排熱入力側の熱媒体（温水）が連結配管７，７を介して循環する構成となっており、燃料改質装置１１や燃料電池スタック１２から排出される排熱を熱交換器１４ａに移動させる。
【００１９】
前記の如く構成された本実施形態の燃料電池コジェネレーションシステムの動作について以下に説明する。燃料ガス２から燃料改質装置１１で得られた水素は燃料電池スタック１２に供給され、燃料電池スタック１２では供給された水素とブロア１２ａから供給された酸素とを反応させ、直流の電気が得られる。この直流の電気はインバータ１３により交流に変換されて商用電力１の幹線ライン３に出力され、電気負荷４に供給される。この制御は発電部制御装置１５ａにより行われる。
【００２０】
燃料改質装置１１で水素を生成するときに発生する排熱と、燃料電池スタック１２で発電するときに発生する排熱は、温水とともにポンプ１６ａで循環配管１６および連結配管７，７を通して熱交換器１４ａに送られ、ここで熱交換された温水はポンプ１７ａで循環配管１７を通して貯湯槽１４ｂ内を循環して市水５を加熱して蓄熱される。蓄熱された貯湯槽１４ｂ内の温水は、給湯負荷６に応じて供給されるが、温水が所望の温度まで上昇していない場合は補助熱源１４ｃで加熱して給湯する。ポンプ１７ａと補助熱源１４ｃの制御は熱利用部制御装置１５ｂにより行われる。
【００２１】
このように、発電部制御装置１５ａは主に燃料改質装置１１と燃料電池スタック１２の制御、燃料電池スタック１２と熱交換器１４ａを結ぶ循環用のポンプ１６ａを制御し、電気負荷４や給湯負荷６の状況に応じて発電し蓄熱し、熱利用部制御装置１５ｂは主に熱交換器１４ａの循環用のポンプ１７ａの制御や、給湯負荷６の状況に応じて補助熱源１４ｃの制御を行い、制御系統が完全に分割されているため、発電部Ａ１のみの運転や、熱利用部Ｂ１のみの運転が可能となる。このため、故障等の不具合が発生しても、一方のみの運転が可能となりユーザーの不便を最小限とすることができる。
【００２２】
この燃料電池コジェネレーションシステムを設置する場合、発電部Ａ１と熱利用部Ｂ１とを分けて所定の場所に設置後に２本の連結配管７，７で連結する。このため、設置作業が容易に行える。また、設置後にシステムを稼動し、故障等の不具合が発生したときは、不具合が発電部Ａ１に起因するものか、熱利用部Ｂ１に起因するものかを判断して原因のある側を停止する。例えば発電部Ａ１側に原因がある場合は、発電部制御装置１５ａで発電部Ａ１を停止し、熱利用部Ｂ１側に原因がある場合は熱利用部制御装置１５ｂで熱利用部Ｂ１を停止して修理を行うことができる。制御装置１５自体が故障した場合でも、制御装置が発電部と熱利用部を分担するものであるため、故障原因を容易に知ることができ、素早く修復することができる。
【００２３】
故障の規模が大きく修理することが不可能な場合は、故障原因を有する部分のみを交換する。すなわち、例えば熱利用部Ｂ１に故障原因があり、修理不能な場合は熱利用部Ｂ１のみを交換し、発電部Ａ１に故障原因があり、修理が不能な場合は発電部Ａ１のみを交換する。この場合、連結配管７，７を取外し、一方の部分を撤去するだけなので撤去作業を含めて修理作業が簡略化でき、修理費用も低減することができる。
【００２４】
また、稼動中の既設のシステムにおいて、発電部と熱利用部の一方が老朽化した場合、老朽化した部分のみを新規の部分と交換することができ、施工の拡張性を高めることができる。さらに、システムを設置後に、発電部と熱利用部とを別々に動作させることができるため、各々の部分の動作チェックが容易に行え、動作確認作業が容易となる。
【００２５】
本発明の他の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図２は本発明に係る燃料電池コジェネレーションシステムの他の実施形態の要部構成図である。なお、この実施形態は前記した実施形態に対し、排熱回収装置を構成する熱交換器が発電部に含まれていることを特徴とする。そして、他の実質的に同等の構成については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２６】
図２において、発電部Ａ２は燃料改質装置１１と燃料電池スタック１２とを備えるとともに排熱回収する熱交換器１４ａを備えている。この結果、熱利用部Ｂ２は熱交換器がなくなり、貯湯槽１４ｂと補助熱源１４ｃとを備える構成であり、貯湯槽への循環配管１７の循環用のポンプ１７ａが接続されている。発電部Ａ２の熱交換器の出力側の循環配管１７は分割され、２本の連結配管８，８により接続され、温水が循環する構成となっている。発電部制御装置１５ａは、この例では発電部Ａ２に含まれる熱交換器１４ａの制御も行う。
【００２７】
この実施形態においても、前記の実施形態と同様に、燃料電池コジェネレーションシステムを設置する場合、発電部Ａ２と熱利用部Ｂ２とを分けて設置し、連結用の配管８，８を連結するだけの作業で設置作業が容易となる。また、発電部制御装置１５ａと熱利用部制御装置１５ｂとは、電気的接続が無いため設置作業が容易に行え、設置後の動作チェックも部分ごとに行えるため、チェック作業が容易となる。
【００２８】
そして、故障等の不具合が発生したとき、前記実施形態と同様に故障原因が発電部Ａ２にあるか、熱利用部Ｂ２にあるかを容易に判断でき、原因のある側を停止して効率良く修理を行うことができる。また、故障の規模が大きく修理することが不可能な場合は、故障原因を有する部分のみを交換することができる。このため、システムの修復費用や交換費用を大幅に低減することができる。さらに、施工の拡張性を高めることができる。
【００２９】
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、図示の実施形態では排熱回収は燃料電池スタックのみを示しているが、燃料改質装置の排熱も熱交換器を通して利用するように構成できることは勿論である。また、図１において、排熱入力側の循環用のポンプは熱利用部側に設置するように構成してもよく、図２において、排熱出力側の循環用のポンプは発電部側に設置してもよい。熱利用部の補助熱源は必ずしも必要でない。循環配管内を循環する熱媒体は温水に限られるものでない。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池コジェネレーションシステムは、故障等が発生した場合、原因の究明が素早く行え、制御系統が簡略化されているため効率良く修理することができる。修理不能の場合、交換作業が容易に行え、システムの修復作業の費用を大幅に低減できる。また、システムの設置が容易に行え、動作チェックも容易に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池コジェネレーションシステムの一実施形態の要部構成図。
【図２】本発明に係る燃料電池コジェネレーションシステムの他の実施形態の要部構成図。
【符号の説明】
１  商用電力、            ２  燃料ガス、
３  幹線ライン、          ４  電気負荷、
５  市水、                ６  給湯負荷、
７，８  連結配管、
１０  コジェネレーション装置、
１１  燃料改質装置、
１２  燃料電池スタック、  １３  インバータ、
１４  排熱回収装置、      １４ａ  熱交換器、
１４ｂ  貯湯槽、          １５  制御装置、
１５ａ  発電部制御装置、
１５ｂ  熱利用部制御装置、
１６，１７  循環配管、
１６ａ，１７ａ  循環用ポンプ、
Ａ１，Ａ２  発電部、
Ｂ１，Ｂ２  熱利用部
【図１】
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【図２】
2004164935.tif 000004