(57)【要約】【課題】簡単な構成により、コージェネレーションシステムにおける貯湯タンクの湯温を所定温度に保持できるようにした貯湯方法及びその装置を提供する。【解決手段】燃料電池システム１に貯湯タンク５を接続したコージェネレーションシステム６において、燃料電池システム１のプロセスガスバーナ４にバックアップバーナ１６を並設してバックアップ給湯器１７を構成する。多量に給湯されて貯湯タンク５内の湯温が所定温度以下になった時に、前記バックアップバーナ１６を燃焼させて加温を効率良く行い、湯温が所定温度に達した時にはバックアップバーナ１６の燃焼を停止させるように制御する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムに貯湯タンクを接続したコージェネレーションシステムにおいて、前記燃料電池システムのプロセスガスバーナにバックアップバーナを付加し、前記貯湯タンク内の湯温が所定温度以下になった時に前記バックアップバーナを燃焼させ、湯温が所定温度に達した時には前記バックアップバーナの燃焼を停止することを特徴とするコージェネレーションシステムにおける貯湯方法。
【請求項２】
原燃料を水素主体の改質ガスに改質する改質装置と、前記改質ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電する燃料電池と、前記改質装置による改質ガスの組成が安定するまでの間に当該改質ガスを燃焼するプロセスガスバーナとを備えた燃料電池システムに貯湯タンクを接続したコージェネレーションシステムにおいて、前記プロセスガスバーナにバックアップバーナを付加してバックアップ給湯器を構成したことを特徴とするコージェネレーションシステムにおける貯湯装置。
【請求項３】
前記プロセスガスバーナとバックアップバーナとを並設して燃焼部を一体化したことを特徴とする請求項２記載のコージェネレーションシステムにおける貯湯装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに貯湯タンクを接続したコージェネレーションシステムにおける貯湯方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気と熱とを併給するコージェネレーションシステムが従来知られており、これは燃料電池システムの燃料電池で発電した電力を供給すると共に、燃料電池システムで発生する排熱を利用して給湯できるようにしたものである。このようなコージェネレーションシステムの一例としては、都市ガス等の原燃料を水素主体の改質ガスに改質するための改質装置（改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器からなる）と、この改質装置のＣＯ除去器から供給される改質ガス及び空気ファンから供給される空気（酸化剤ガス）により直流電力を発電する燃料電池等により燃料電池システムを形成し、この燃料電池システムに貯湯タンクを接続した構成のものが開示されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２９１５２５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のコージェネレーションシステムによると、燃料電池システムの起動時に改質装置の触媒が所定温度（約７００℃）にまで上昇しない間は改質ガスの組成が安定せず、このため不安定な改質ガスは燃料電池の燃料極に供給しないでプロセスガスバーナに送り込んで燃焼させている。このプロセスガスバーナでの燃焼排ガスは、貯湯タンクの水と熱交換して加温する熱源として利用されている。又、燃料電池の運転開始後は、燃料極で未反応に終わったオフガスの一部をプロセスガスバーナに導入して燃焼させ、その燃焼排ガスも貯湯タンクの水を加温する熱源として利用している。更に、改質器の触媒を昇温させるために改質器バーナで燃焼させる原燃料の燃焼排ガスも貯湯タンクの水を加温する熱源としている。
【０００５】
上記改質装置による改質ガスの組成が安定した後は、改質ガスは燃料電池の燃料極に供給するようにバルブが切り替えられ、プロセスガスバーナへの導入は停止される。従って、プロセスガスバーナでの改質ガスの燃焼は、改質ガスの組成が安定するまでの比較的短い時間内に限定される。又、燃料電池の運転開始後は、燃料極で未反応に終わったオフガスの大部分は前記改質器バーナに導入して燃焼させるため、プロセスガスバーナへのオフガス供給量も著しく減少する。
【０００６】
上記貯湯タンクには市水が供給され、この市水と前記プロセスガスバーナでの燃焼排ガス及び改質器バーナでの燃焼排ガスとの間で熱交換することにより約６０℃に加温して溜めておくが、貯湯タンクからの給湯量が多くなると、補給される市水量が増えて貯湯タンク内の湯温が６０℃以下に下がってしまう。このような時に、貯湯タンク内の湯温を速やかに昇温させたくても、上記のようにプロセスガスバーナでの排熱量には限界があるため、十分に目的を達せられない問題があった。
【０００７】
本発明者らは、このような従来の問題を解決すべく鋭意研究した結果、前記プロセスガスバーナに追い炊き機能を付加することで、多量給湯時での貯湯タンク内の湯温低下を速やかに回復できることを見い出して本発明を完成するに至った。即ち、本発明は、簡単な構成により、コージェネレーションシステムにおける貯湯タンクの湯温を所定温度に保持できるようにした貯湯方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための手段として、本発明に係る請求項１は、燃料電池システムに貯湯タンクを接続したコージェネレーションシステムにおいて、前記燃料電池システムのプロセスガスバーナにバックアップバーナを付加し、前記貯湯タンク内の湯温が所定温度以下になった時に前記バックアップバーナを燃焼させ、湯温が所定温度に達した時には前記バックアップバーナの燃焼を停止することを特徴とするコージェネレーションシステムにおける貯湯方法である。
【０００９】
又、本発明に係る請求項２は、原燃料を水素主体の改質ガスに改質する改質装置と、前記改質ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電する燃料電池と、前記改質装置による改質ガスの組成が安定するまでの間に当該改質ガスを燃焼するプロセスガスバーナとを備えた燃料電池システムに貯湯タンクを接続したコージェネレーションシステムにおいて、前記プロセスガスバーナにバックアップバーナを付加してバックアップ給湯器を構成したことを特徴とするコージェネレーションシステムにおける貯湯装置である。
【００１０】
更に、本発明に係る請求項３は、請求項２において、前記プロセスガスバーナとバックアップバーナとを並設して燃焼部を一体化したことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係るコージェネレーションシステムにおける貯湯方法及びその装置の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係るコージェネレーションシステムにおける貯湯装置の実施形態を示す概略ブロック図である。
【００１２】
図１において、１は燃料電池システムであり、改質装置２と、燃料電池３（例えば、固体高分子形燃料電池）と、プロセスガスバーナ４等から構成されている。この燃料電池システム１には、貯湯タンク５が接続されてコージェネレーションシステム６が構成されている。
【００１３】
上記改質装置２は、改質器２ａと、ＣＯ変成器２ｂと、ＣＯ除去器２ｃ等から構成され、都市ガス等の原燃料を脱硫器２ｄで硫黄分を吸着した後に、改質器２ａで水蒸気改質することにより水素主体のガスに改質し、続いてＣＯ変成器２ｂで改質ガス中のＣＯをＣＯ２に変成し、更にＣＯ除去器２ｃで選択酸化することにより改質ガス中のＣＯを所定濃度以下に低減する。
【００１４】
燃料電池システム１の起動時には、改質装置２により改質された改質ガスは組成分が安定しておらず、このため切替バルブ７を閉じると共に切替バルブ８を開いて改質ガスをプロセスガスバーナ４に導入して燃焼させる。又、改質器２ａではその触媒を昇温させるために、原燃料の一部を改質器バーナ９に供給して燃焼させる。
【００１５】
改質ガスの組成分が安定すると、上記切替バルブ８を閉じると共に切替バルブ７を開いて改質ガスをＣＯ除去器２ｃから燃料電池３の燃料極３ａに供給し、空気ファン１０により外気から取り込んだ空気を燃料電池３の空気極３ｂに供給して燃料電池３の発電が開始される。
【００１６】
燃料電池３で発電された直流電力は、電源部１１に導入され、図示を省略したＤＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＡＣインバータを経て交流電力に変換されて供給されるのが一般的である。
【００１７】
燃料電池３の発電中、燃料極３ａで未反応に終わったオフガスは、燃料電池３から排出されると共に、その大部分は管路１２を経て前記改質器バーナ９に導入して燃焼され、一部は管路１２から分岐された管路１３を経て前記プロセスガスバーナ４に導入して燃焼される。管路１２、１３の途中には切替バルブ１４、１５がそれぞれ設けられている。改質器２ａの触媒は発熱反応であり、その触媒の反応温度を保つためにオフガスを改質器バーナ９に導入して燃焼し続ける必要がある。前記原燃料の一部を改質器バーナ９に供給して燃焼させるのは、起動時における改質器２ａの触媒を昇温させる間だけであり運転開始後は供給されない。
【００１８】
本実施形態では、プロセスガスバーナ４にバックアップバーナ１６を付加してバックアップ給湯器１７を構成する。その構成例を図２により説明すると、バックアップ給湯器１７は、燃焼部１７ａと熱交換部１７ｂとを備え、燃焼部１７ａには前記プロセスガスバーナ４とバックアップバーナ１６とが並設され、熱交換部１７ｂには複数の熱回収水配管１８が配設されている。この熱回収水配管１８は複数本の直管からなるが、熱交換部１７ａ内で複数回屈曲する１本の曲管であってもよい。又、燃焼部１７ａには燃焼空気ファン１９が付設されている。このバックアップ給湯器１７は、図１のように前記貯湯タンク５と管路２０を介して接続され、管路２０の途中にはポンプ２１が設けられている。
【００１９】
貯湯タンク５には適時に市水が供給され、上記ポンプ２１により貯湯タンク５の底部から管路２０に水が流入すると共に、この管路２０に接続された前記熱回収水配管１８内を通過し、バックアップ給湯器１７の熱交換部１７ｂで加温された後に貯湯タンク５内の上部に戻るのである。貯湯タンク５内には通常一定量の温水が溜められ、上記の要領にて繰り返し水を循環させることで徐々に湯温を上昇させることができる。
【００２０】
又、貯湯タンク５には温度センサ２２が付設され、この温度センサ２２により貯湯タンク５内の湯温を検出できるようにしてあり、湯温が所定温度（例えば、６０℃）になると制御装置（図略）からの信号によりポンプ２１が停止し、水の循環が遮断して６０℃の温水を貯湯タンク５内に貯溜するようにしてある。
【００２１】
例えば、一般家庭においてキッチンや風呂場での温水使用時には、上記貯湯タンク５から供給される。そして、貯湯タンク５の温水減量に応答して貯湯タンク５の底部に市水が補給される。多量の温水使用時には、貯湯タンク５内に補給される市水も多量となり、このため貯湯タンク５内の湯温が６０℃以下に下がる事態が発生する。
【００２２】
前記温度センサ２２が６０℃以下の湯温を検出すると、制御装置からの信号により前記ポンプ２１が作動して、前記バックアップ給湯器１７との間で水の循環が開始する。この循環水は前記のようにバックアップ給湯器１７の熱交換部１７ｂで加温されて貯湯タンク５に戻るが、その際前記バックアップバーナ１６を燃焼させて加温速度を速める。
【００２３】
バックアップバーナ１６には、図２のようにバックアップバーナ燃料供給配管２３が接続され、燃料として都市ガス又はプロパンガス等が供給される。前記のようにプロセスガスバーナ４には、燃料として燃料電池３から排出されるオフガス（起動時には改質ガス）が供給される。バックアップバーナ１６の燃料としてオフガスを供給することも可能であるが、前記のようにオフガスの大部分は改質器バーナ９の燃料として用いられ、プロセスガスバーナ４へのオフガス供給量が少なく、更に途中で分岐させてバックアップバーナ１６にもオフガスを供給することは極めて微量になってしまう。
【００２４】
改質器バーナ９へのオフガス供給量を制限してバックアップバーナ１６に必要量のオフガスを供給することも可能であるが、オフガスは水素主体の改質ガスであり、しかも空気と混合しないで拡散燃焼させるため燃焼速度が速く、多量に燃焼させるとバックファイヤを起こし易い。バックファイヤが起こると、危険であるばかりでなく燃料電池３を破壊する恐れすらある。これらのことから、バックアップバーナ１６の燃料は都市ガス又はプロパンガスとし、前記燃焼空気ファン１９からの空気を混合して燃焼させることが好ましい。
【００２５】
本実施形態では、プロセスガスバーナ４でのオフガス燃焼のみならず、バックアップバーナ１６での都市ガス又はプロパンガス燃焼をも付加したので、バックアップ給湯器１７はいわば追い焚き機能を発揮し、多量に温水が使用されて貯湯タンク５内の湯温が６０℃以下になった時に、バックアップ給湯器１７の熱交換部１７ｂを通過する循環水を効率良く加温して貯湯タンク５内の湯温を短時間にて６０℃に戻すことができる。貯湯タンク５内の湯温が６０℃に戻ると、制御装置の指令信号によりバックアップバーナ１６への燃料供給が停止され、保温のためにプロセスガスバーナ４でのオフガス燃焼のみが続行される。
【００２６】
又、バックアップ給湯器１７は、プロセスガスバーナ４とバックアップバーナ１６とを並設して燃焼部１７ａを一体化した構造であるから、燃焼部１７ａの総熱量を高めて熱交換部１７ｂでの熱交換を効率良く行うことができる。
【００２７】
更に、バックアップ給湯器１７を貯湯タンク５側ではなく、燃料電池システム１側に設けたので、貯湯タンク５側での燃焼排ガスがなく、貯湯タンク５の設置場所の自由度を高めることができる。
【００２８】
尚、燃料電池３の発電が終了して燃料電池システム１が停止すると、プロセスガスバーナ４へのオフガスの供給が遮断する。この時、バックアップバーナ１６に燃料を供給して燃焼させると、貯湯タンク５内の温水を所定温度（６０℃）に保温することができる。前記温度センサ２２により湯温を検出し、所定温度以下になったらバックアップバーナ１６に燃料を供給して燃焼させ、所定温度に達したらバックアップバーナ１６への燃料供給を停止するように前記制御装置により制御することが可能である。これにより、燃料電池システム１の停止時において、貯湯タンク５内の湯温を所定温度に保つことができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る請求項１の発明によれば、燃料電池システムに貯湯タンクを接続したコージェネレーションシステムにおいて、前記燃料電池システムのプロセスガスバーナにバックアップバーナを付加し、前記貯湯タンク内の湯温が所定温度以下になった時に前記バックアップバーナを燃焼させ、湯温が所定温度に達した時には前記バックアップバーナの燃焼を停止することを特徴とする貯湯方法であり、貯湯タンクから多量に給湯されて湯温が所定温度より低下したような場合に、バックアップバーナの燃焼によって短時間にて所定温度に昇温することができ、且つ所定温度以上にならないように制御することができる。これにより、貯湯タンクの湯温を所定温度に保持できる効果を奏する。
【００３０】
又、本発明に係る請求項２の発明によれば、原燃料を水素主体の改質ガスに改質する改質装置と、前記改質ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電する燃料電池と、前記改質装置による改質ガスの組成が安定するまでの間に当該改質ガスを燃焼するプロセスガスバーナとを備えた燃料電池システムに貯湯タンクを接続したコージェネレーションシステムにおいて、前記プロセスガスバーナにバックアップバーナを付加してバックアップ給湯器を構成したことを特徴とする貯湯装置であり、構成が簡単で大幅にコストアップすることがなく、又バックアップ給湯器は貯湯タンク側ではなく、燃料電池システム側に設置されて貯湯タンク側での燃焼排ガスがないため、貯湯タンクの設置場所の自由度が向上する効果を奏する。
【００３１】
更に、本発明に係る請求項３の発明によれば、請求項２において、前記プロセスガスバーナとバックアップバーナとを並設して燃焼部を一体化したので、バックアップ給湯器の燃焼部の総熱量を高めて循環水との間で熱交換を効率良く行うことができ、且つ装置を小型コンパクトにまとめることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る本発明に係るコージェネレーションシステムにおける貯湯装置の実施形態を示す概略ブロック図である。
【図２】本発明に係るバックアップ給湯器の構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
１…燃料電池システム
２…改質装置
３…燃料電池
４…プロセスガスバーナ
５…貯湯タンク
６…コージェネレーションシステム
９…改質器バーナ
１６…バックアップバーナ
１７…バックアップ給湯器
１７ａ…燃焼部
１７ｂ…熱交換部
１８…熱回収水配管
１９…燃焼空気ファン
２２…温度センサ
２３…バックアップバーナ燃料供給配管
【図１】
2004164868.tif 000003
【図２】
2004164868.tif 000004