(57)【要約】【課題】改質器に関し効率やコストの面で有利な燃料電池コージェネレーションシステムを提供すること。【解決手段】燃料電池１１Ａ，１１Ｂが集合住宅の２階に設置されている。さらに、燃料電池１１Ａ，１１Ｂに対しては、集合住宅の１階に設置された一つの改質器１３が接続されている。そして、ＦＣコントローラ２１は、燃料電池１１Ａ，１１Ｂを制御するために、改質器コントローラ３１と相互通信を行い、水素センサー２２Ａ，２２Ｂからの測定信号を受信し、比例制御弁２３Ａ，２３Ｂへ制御信号を送信する。また、改質器コントローラ３１は、改質器１３を制御するために、上述したＦＣコントローラ２１と相互通信を行い、比例制御弁３３，３４や、開閉弁３５、ポンプ３６に制御信号を送信する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の廃熱を給湯に利用するための貯湯槽を有した燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
複数の燃料電池をそれぞれ各住宅に設置した場合に各燃料電池の改質器を共有化したこと、を特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項２】
請求項１に記載する燃料電池コージェネレーションシステムであって、
前記改質器で改質された燃料を各燃料電池の需要に応じてそれぞれ分配するための制御バルブを備えたこと、を特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載する燃料電池コージェネレーションシステムであって、
前記改質器を各燃料電池よりも低く設置したこと、を特徴とする燃料電池コー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、複数の住宅に導入される燃料電池コージェネレーションシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発電とその発電に伴う排熱を同時に利用するコージェネレーションシステムにおいて、家庭用では、例えば、燃料電池で電気を取り出すとともに燃料電池の排熱を給湯に利用する形態があり、さらに、近年では、燃料電池を効率よく運転することが可能なものまで提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３４１６１号公報（第６頁、第１図）
【０００４】
上記特許文献１は、個別住宅を対象とした燃料電池コージェネレーションシステムであり、これを、例えば、２戸の住宅に導入する場合を想定してみると、図１３に示すように、各住宅１０１Ａ，１０１Ｂにおいて、燃料電池１０２Ａ，１０２Ｂ及び貯湯タンク１０３Ａ，１０３Ｂがそれぞれ設置され、さらに、各燃料電池１０２Ａ，１０２Ｂに対して、改質器１０４Ａ，１０４Ｂがそれぞれ設置される。そして、各改質器１０４Ａ，１０４Ｂに対して、脱硫材１０５Ａ，１０５Ｂを介し、燃料（都市ガス・プロパンガス・灯油など）が供給されると、各燃料電池１０２Ａ，１０２Ｂで発電が行われるようになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、各住宅１０１Ａ，１０１Ｂにおいては、燃料電池１０２Ａ，１０２Ｂ及び、貯湯タンク１０３Ａ，１０３Ｂ、改質器１０４Ａ，１０４Ｂがそれぞれ個別に設置されることから、効率やコストの面で不利なものとなっている。この点、燃料電池１０２Ａ，１０２Ｂと貯湯タンク１０３Ａ，１０３Ｂについては、各住宅１０１Ａ，１０１Ｂで消費される電気と湯水を生成させるものであることから、その需要に適切に応じるため、各住宅１０１Ａ，１０１Ｂにそれぞれ個別に設置させる利点も大きいが、改質器１０４Ａ，１０４Ｂについては、燃料電池１０２Ａ，１０２Ｂの燃料を改質するものであって、各住宅１０１Ａ，１０１Ｂで消費されるものを直接生成するものではないので、各住宅１０１Ａ，１０１Ｂにそれぞれ個別に設置させる利点に乏しい。
【０００６】
そこで、本発明は、上述した点を鑑みてなされたものであり、改質器に関し効率やコストの面で有利な燃料電池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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために成された請求項１に係る発明は、燃料電池の廃熱を給湯に利用するための貯湯槽を有した燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、複数の燃料電池をそれぞれ各住宅に設置した場合に各燃料電池の改質器を共有化したこと、を特徴としている。
【０００８】
すなわち、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムでは、複数の燃料電池をそれぞれ各住宅に設置した場合に各燃料電池の改質器を共有化しているので、水素利用率の向上や体格比の低減などにより、改質器に関し効率やコストの面で有利となる。
【０００９】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載する燃料電池コージェネレーションシステムであって、前記改質器で改質された燃料を各燃料電池の需要に応じてそれぞれ分配するための制御バルブを備えたこと、を特徴としている。
【００１０】
すなわち、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムでは、改質器で改質された燃料を各燃料電池の需要に応じてそれぞれ分配するための制御バルブを備えており、改質器が共有化されても各燃料電池を独立して運転することができるので、各燃料電池の運転状況を各住宅の需要に応じたものにすることができる。
【００１１】
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載する燃料電池コージェネレーションシステムであって、前記改質器を各燃料電池よりも低く設置したこと、を特徴としている。
【００１２】
すなわち、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムでは、改質器を各燃料電池よりも低く設置しており、各燃料電池で発生した水を重力により改質器又は改質器付近に導くことが容易になるので、水つまりなどの弊害を防止することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照にして説明する。図１２は、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムの概要を示す模式図である。図１２に示すように、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１は、２階にある各住戸２，３で構成される集合住宅において導入されたものである。住戸２に対しては、燃料電池１１Ａ及び貯湯槽１２Ａがそれぞれ２階に設置されている。住戸３に対しては、燃料電池１１Ｂ及び貯湯槽１２Ｂがそれぞれ２階に設置されている。さらに、各燃料電池１１Ａ，１１Ｂに対しては、１階に設置された一つの改質器１３が接続されている。従って、改質器１３に脱硫材１４を介して燃料（都市ガス・プロパンガス・灯油など）が供給されると、住戸２の燃料電池１１Ａと住戸３の燃料電池１１Ｂの運転が可能となる。
【００１４】
そこで、燃料電池１１Ａ，１１Ｂと改質器１３の概略構成について、図１に基づいて説明する。図１は、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１の燃料電池１１Ａ，１１Ｂと改質器１３の概略構成を示した図である。
【００１５】
図１に示すように、燃料電池１１Ａ，１１Ｂの周辺には、燃料電池１１Ａ，１１Ｂを制御するためのＦＣコントローラ２１や、各燃料電池１１Ａ，１１Ｂのオフガスに含まれる水素を測定するための水素センサー２２Ａ，２２Ｂ、各燃料電池１１Ａ，１１Ｂに供給される水素リッチガスの流量を制御するための比例制御弁２３Ａ，２３Ｂ、各燃料電池１１Ａ，１１Ｂのオフガスから水を分離するドレインタンク２４、各燃料電池１１Ａ，１１Ｂで生成した水を回収する水タンク２５、ドレインタンク２４と水タンク２５を連結する配管を開閉する開閉弁２６、開閉弁２６をオン・オフ制御するフロートスイッチ２７などが存在する。
【００１６】
この点、ＦＣコントローラ２１は、燃料電池１１Ａ，１１Ｂを制御するために、後述する改質器コントローラ３１と相互通信を行い、水素センサー２２Ａ，２２Ｂからの測定信号を受信し、比例制御弁２３Ａ，２３Ｂへ制御信号を送信する。
【００１７】
また、改質器１３の周辺には、改質器１３を制御するための改質器コントローラ３１や、改質器１３を加熱するためのバーナ３２、改質器１３に供給される都市ガスの流量を制御するための比例制御弁３３、バーナ３２に供給される都市ガスの流量を制御するための比例制御弁３４、水タンク２５と改質器１３を連結する配管を開閉する開閉弁３５、水タンク２５の水を改質器１３に送水するためのポンプ３６、水タンク２５の水を改質器１３に送水する際に金属イオンなどを除去するフィルタ３７などが存在する。
【００１８】
この点、改質器コントローラ３１は、改質器１３を制御するために、上述したＦＣコントローラ２１と相互通信を行い、比例制御弁３３，３４や、開閉弁３５、ポンプ３６に制御信号を送信する。
尚、図１では、比例制御弁３３と改質器１３の間に存在する脱硫材１４が省略されている。さらに、改質器１３やバーナ３２には、都市ガスに代わって、プロパンガス又は灯油などが供給されることもある。
【００１９】
ここで、燃料電池１１Ａ，１１Ｂと改質器１３のプロセスフローについて簡単に説明する。改質器１３に都市ガスが供給されると、都市ガスは改質されて水素リッチガスになり、各燃料電池１１Ａ，１１Ｂに供給される。そして、各燃料電池１１Ａ，１１Ｂによる発電が行われ、水が生成する。また、各燃料電池１１Ａ，１１Ｂで使用されなかった水素を含む水素含有ガスいわゆるオフガスが各燃料電池１１Ａ，１１Ｂから排出される。このとき、オフガスは、ドレインタンク２４により、水とオフガスに分離される。さらに、オフガスは、バーナ３２に燃料の一部として供給される。一方、各燃料電池１１Ａ，１１Ｂの発電の際に生成する水は、オフガスから分離された水とともに、水タンク２５に一旦集められ、その後に、改質器１３で使用される。
【００２０】
次に、改質器コントローラ３１の動作について、起動時と発電時に分けて説明する。起動時では、図２に示すように、先ず、Ｓ１１の停止状態において、ＦＣコントローラ２１からの発電要求信号を受信すると、Ｓ１２に進んで、決められた起動シーケンスにより、改質器１３を起動させる。具体的には、例えば、比例制御弁３４を開けてバーナ３２に都市ガスを供給し、改質器１３をプレヒートさせることが行われる。そして、改質器１３の準備が整った段階（例えば、改質器１３が動作温度に到達した段階）で、Ｓ１３に進み、ＦＣコントローラ２１に準備完了信号を送信した後、Ｓ１４の定常状態に移る。
【００２１】
また、発電時では、図３に示すように、先ず、Ｓ２１の定常状態において、ＦＣコントローラ２１からの水素量要求信号を受信すると、Ｓ２２に進んで、当該水素量要求信号に基づいて必要水素量を計算する。このとき、必要水素量を増減させる必要がなければ（Ｓ２３：ＮＯ）、Ｓ２１に戻って上述した処理を繰り返すが、必要水素量を増減させる必要があれば（Ｓ２３：ＹＥＳ）、Ｓ２４に進む。Ｓ２４では、効率的な運転を確保するため、必要水素量が所定量を下回っているか否か判断する。このとき、必要水素量が所定量を下回っていると判断すれば（Ｓ２４：ＹＥＳ）、Ｓ２５に進んで、ＦＣコントローラ２１に停止信号を事前に送信した後、Ｓ２６の停止状態に移る。一方、Ｓ２４において、必要水素量が所定量を下回っていないと判断すれば（Ｓ２４：ＹＥＳ）、Ｓ２７に進んで、決められた負荷変動シーケンスにより、改質器１３の負荷を変動させる。具体的には、例えば、比例制御弁３３の開度を制御して改質器１３に供給する都市ガスの量を調節したり、比例制御弁３４の開度を制御してバーナ３２に供給する都市ガスの量を調節したり、ポンプ３６の駆動や比例制御弁３５の開度を制御して改質器１３に供給する水の量を調節したりする。そして、Ｓ２８において、ＦＣコントローラ２１に完了信号を送信した後、Ｓ２１の定常状態に戻る。
【００２２】
次に、ＦＣコントローラ２１の動作について説明する。図７に示すように、先ず、Ｓ３１において、後述する水素濃度制御を行った後、Ｓ３２に進んで、発電量と消費電力を比較して、発電量の増減を決定する。このとき、発電量が増加する場合には（Ｓ３３：ＹＥＳ）、Ｓ３４に進んで、必要水素量を意味する水素量要求信号を改質器コントローラ３１に送信する（図３のＳ２１参照）。その後、Ｓ３５において、改質器コントローラ３１から完了信号を受信したら（図３のＳ２８参照）、Ｓ３６に進んで、後述する水素濃度制御を行って、水素濃度を高めに設定し、Ｓ３７において、発電量を増加させて、上述したＳ３１に戻る。一方、発電量が減少する場合には（Ｓ３８：ＹＥＳ）、Ｓ３９に進んで、発電量を減少させる。そして、Ｓ４０において、必要水素量を意味する水素量要求信号を改質器コントローラ３１に送信した後に（図３のＳ２１参照）、上述したＳ３１に戻る。
【００２３】
ここで、ＦＣコントローラ２１が行う水素濃度制御について、図６に基づいて説明する。先ず、この水素濃度制御では、上述した必要水素量に応じて、上限水素濃度設定値ＹＨと下限水素濃度設定値ＹＬとが設定される。そして、Ｓ５１において、水素センサー２２Ａ，２２Ｂの測定値を「Ｘ」として取得する。このとき、「Ｘ」が上限水素濃度設定値ＹＨより大きければ（Ｓ５２：ＹＥＳ）、Ｓ５３に進んで、比例制御弁２３Ａ，２３Ｂの開度を減少させ、Ｓ５４のタイマーで所定時間が経過したと判断した後に、上述したＳ５１に戻る。一方、「Ｘ」が上限水素濃度設定値ＹＬより小さければ（Ｓ５５：ＹＥＳ）、Ｓ５６に進んで、比例制御弁２３Ａ，２３Ｂの開度を増加させ、Ｓ５７のタイマーで所定時間が経過したと判断した後に、上述したＳ５１に戻る。従って、「Ｘ」が上限水素濃度設定値ＹＬと下限水素濃度設定値ＹＬとの間に移行すれば（Ｓ５２：ＮＯ、Ｓ５５：ＮＯ）、水素濃度制御は終了する。尚、必要水素量と上限水素濃度設定値ＹＨと下限水素濃度設定値ＹＬとの対応関係はＲＯＭなどに予め記憶されている。
【００２４】
そして、上述したＦＣコントローラ２１の動作のうち、図６の水素濃度制御については、住戸２の燃料電池１１Ａと住戸３の燃料電池１１Ｂのそれぞれについて個別に行われるが、図７の動作制御については、Ｓ３１及びＳ３６の水素濃度制御を除いて、住戸２の燃料電池１１Ａと住戸３の燃料電池１１Ｂのそれぞれを加味して行われる。
【００２５】
つまり、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１では、改質器１３で改質された水素リッチガスを各燃料電池１１Ａ，１１Ｂの需要に応じてそれぞれ分配するための比例制御弁２３Ａ，２３Ｂを備えており、改質器１３が共有化されても各燃料電池１１Ａ，１１Ｂを独立して運転することができるので、各燃料電池１１Ａ，１１Ｂの運転状況を各住戸２，３の需要に応じたものにすることができる。
【００２６】
従って、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１では、ＦＣコントローラ２１の制御通信を介して、改質器コントローラ３１による改質器１３の動作を、住戸２の燃料電池１１Ａと住戸３の燃料電池１１Ｂのそれぞれを加味して行うことができるので、図８に示すように、水素利用率に対する発電効率が上昇するとともに、図９に示すように、改質器１３の体格比を低減させることができる。
【００２７】
この点、図８によれば、水素利用率が上昇すれば、発電効率も上昇するので、２つの燃料電池１１Ａ，１１Ｂを同時に運転すれば、水素利用率が上昇し発電効率も上昇する機会が多くなる。
【００２８】
また、図９によれば、燃料電池１１Ａ，１１Ｂの出力規模が１ｋＷのときの改質器１３の体格を「１」とすると、燃料電池１１Ａ，１１Ｂの出力規模が３ｋＷのときの改質器１３の体格比は「２」となり、燃料電池１１Ａ，１１Ｂの出力規模が５ｋＷのときの改質器１３の体格比は「３」となり、燃料電池１１Ａ，１１Ｂの出力規模が１０ｋＷのときの改質器１３の体格比は「５」となるので、燃料電池１１Ａ，１１Ｂの出力規模が大きくなるほど、改質器１３をコンパクトにすることが可能となる。
【００２９】
つまり、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１では、図１に示すように、２つの燃料電池１１Ａ，１１Ｂをそれぞれ各住戸２，３に設置し改質器１３を共有化しており、そのため、図８や図９に示すように、水素利用率の向上や体格比の低減するので、改質器１３に関し効率やコストの面で有利となる。
【００３０】
また、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１は、図１に示すように、各燃料電池１１Ａ，１１Ｂのオフガスに含まれる水は、ドレインタンク２４においてオフガスから分離され、開閉弁２６を介して、水タンク２５に回収される。また、各燃料電池１１Ａ，１１Ｂで生成される水は、水タンク２５に直接回収される。この点、水タンク２５内の水は改質器１３で使用されるため、水タンク２５は、改質器１３と同様にして、集合住宅の１階に設置される。また、各燃料電池１１Ａ，１１Ｂは、上述したように、集合住宅の２階に設置される。さらに、ドレインタンク２４は、その機能上、各燃料電池１１Ａ，１１Ｂと改質器１３の間の高さに設置される。従って、集合住宅の２階に設置された各燃料電池１１Ａ，１１Ｂで生成される水は、重力により、集合住宅の１階に設置された水タンク２５に直接回収される。また、各燃料電池１１Ａ，１１Ｂと改質器１３の間の高さに設置されたドレインタンク２４内の水は、重力により、集合住宅の１階に設置された水タンク２５に直接回収される。
つまり、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１では、改質器１３を各燃料電池１１Ａ，１１Ｂよりも低く設置することで、各燃料電池１１Ａ，１１Ｂで発生した水を、重力により、改質器１３付近の水タンク２５に導くことを容易としており、水つまりなどの弊害を防止することができる。
【００３１】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものでなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１において、図１０に示すようにして、改質器１３で改質された水素リッチガスを各燃料電池１１Ａ，１１Ｂに供給する配管に三方弁４１を配置し、起動時においては、改質器コントローラ３１で三方弁４１を制御することにより、改質器１３で改質された水素リッチガスを各燃料電池１１Ａ，１１Ｂに供給するのではなく、バーナ３２に供給することで、効率を高めてもよい。
【００３２】
また、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１において、図１１に示すようにして、水素センサー２２Ａ，２２Ｂを使用しなくとも、上述した効果を得ることが可能である。この場合のＦＣコントローラ２１の動作について説明する。図５に示すように、先ず、Ｓ６１において、後述するバルブ比例制御を行った後、Ｓ６２に進んで、発電量と消費電力を比較して、発電量の増減を決定する。このとき、発電量が増加する場合には（Ｓ６３：ＹＥＳ）、Ｓ６４に進んで、必要水素量を意味する水素量要求信号を改質器コントローラ３１に送信する（図３のＳ２１参照）。その後、Ｓ６５において、改質器コントローラ３１から完了信号を受信したら（図３のＳ２８参照）、Ｓ６６に進んで、後述するバルブ比例制御を行って、水素濃度を高めに設定し、Ｓ６７において、発電量を増加させて、上述したＳ６１に戻る。一方、発電量が減少する場合には（Ｓ６８：ＹＥＳ）、Ｓ６９に進んで、発電量を減少させる。そして、Ｓ７０において、必要水素量を意味する水素量要求信号を改質器コントローラ３１に送信した後に（図３のＳ２１参照）、上述したＳ６１に戻る。
【００３３】
ここで、ＦＣコントローラ２１が行うバルブ比例制御について、図４に基づいて説明する。このバルブ比例制御では、上述した必要水素量に応じた設定電流値を読み込み、Ｓ８１において、比例制御弁２３Ａ，２３Ｂの開度を設定電流値に比例して変更させ、その後に終了する。尚、必要水素量と設定電流値との対応関係はＲＯＭなどに予め記憶されている。
【００３４】
そして、上述したＦＣコントローラ２１の動作のうち、図４のバルブ比例制御については、住戸２の燃料電池１１Ａと住戸３の燃料電池１１Ｂのそれぞれについて個別に行われるが、図１１の動作制御については、Ｓ６１及びＳ６６のバルブ比例制御を除いて、住戸２の燃料電池１１Ａと住戸３の燃料電池１１Ｂのそれぞれを加味して行われる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の燃料電池コージェネレーションシステムでは、複数の燃料電池をそれぞれ各住宅に設置した場合に各燃料電池の改質器を共有化しているので、改質器に関し効率やコストの面で有利となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムの燃料電池と改質器の概略構成を示した図である。
【図２】本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、起動時の改質器コントローラの動作を示したフロー図である。
【図３】本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、発電時の改質器コントローラの動作を示したフロー図である。
【図４】本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、ＦＣコントローラのバルブ比例制御を示したフロー図である。
【図５】本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、ＦＣコントローラの動作を示したフロー図である。
【図６】本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、ＦＣコントローラの水素濃度制御を示したフロー図である。
【図７】本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、ＦＣコントローラの動作を示したフロー図である。
【図８】本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、水素利用率と発電効率の関係を示した図である。
【図９】本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、燃料電池の出力規模と改質器の体格比との関係を示した図である。
【図１０】本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムの燃料電池と改質器の概略構成を示した図である。
【図１１】本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムの燃料電池と改質器の概略構成を示した図である。
【図１２】本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムの概要を示す模式図である。
【図１３】従来技術の燃料電池コージェネレーションシステムの概要を示す模式図である。
【符号の説明】
１  燃料電池コージェネレーションシステム
２，３  住戸
１１Ａ，１１Ｂ  燃料電池
１２Ａ，１２Ｂ  貯湯槽
１３  改質器
１４  脱硫材
２１  ＦＣコントローラ
２２Ａ，２２Ｂ  水素センサー
２３Ａ，２３Ｂ  比例制御弁
２４  ドレインタンク
２５  水タンク
２６  開閉弁
２７  フロートスイッチ
３１  改質器コントローラ
３２  バーナ
３３，３４  比例制御弁
３５  開閉弁
３６  ポンプ
３７  フィルタ
４１  三方弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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