(57)【要約】【課題】集合住宅の各戸や、一戸建ての住宅、事務所、病院、学校などのサイトが複数集まる区域において、余剰の電力及び熱の発生を防ぐことができる安価なコージェネレーションシステムを提供する。【解決手段】複数のサイト１０の共同設備である改質器１２と、該改質器で製造される改質ガス２を消費して熱電併給を行うために、各サイト２０に設置された燃料電池２２と、該改質器１２から並列に配置された各燃料電池２２に該改質ガス２を供給するための分配ネットワーク１４とを含んでなることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のサイトの共同設備である改質器と、該改質器で製造される改質ガスを消費して熱電併給を行うために、各サイトに設置された燃料電池と、該改質器から並列に配置された各燃料電池に該改質ガスを供給するための分配ネットワークとを含んでなるコージェネレーションシステム。
【請求項２】
上記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼するための触媒燃焼装置をさらに含んでなる請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
【請求項３】
上記触媒燃焼装置で生成される熱を熱源とする貯湯槽をさらに含んでなる請求項２に記載のコージェネレーションシステム。
【請求項４】
上記燃料電池から排出されるオフガス中から水素を取り出すための水素分離装置をさらに含んでなる請求項１〜３のいずれかに記載のコージェネレーションシステム。
【請求項５】
上記水素分離装置が、水素分離膜を用いた装置又は圧力スイング吸着法による装置である請求項４に記載のコージェネレーションシステム。
【請求項６】
上記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼した燃焼ガスを用いる排熱利用装置をさらに含んでなる請求項１〜５のいずれかに記載のコージェネレーションシステム。
【請求項７】
上記排熱利用装置が、発電装置又は冷熱生成装置である請求項６に記載のコージェネレーションシステム。
【請求項８】
上記燃料電池で生成される熱又は電力を上記複数のサイト間で相互に供給するための相互供給ネットワークをさらに含んでなる請求項１〜７のいずれかに記載のコージェネレーションシステム。
【請求項９】
上記燃料電池及び上記排熱利用装置で生成される熱又は電力を上記複数のサイトと上記排熱利用装置との間で相互に供給するための相互供給ネットワークをさらに含んでなる請求項６又は７に記載のコージェネレーションシステム。
【請求項１０】
上記改質器と上記各サイトとの間に設置され、上記改質器で製造される改質ガスを一時的に貯蔵するための改質ガス貯蔵タンクをさらに含んでなる請求項１〜９のいずれかに記載のコージェネレーションシステム。
【請求項１１】
上記改質器と上記改質ガス貯蔵タンクとの間に設置され、上記改質器で製造される改質ガス中から水素を取り出すための水素分離装置をさらに含んでなる請求項１０に記載の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、集合住宅の各戸や、一戸建ての住宅、事務所、病院、学校などに電気と熱の両方を供給するためのコージェネレーションシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電による電気と、排熱を利用した熱とを供給するコージェネレーションシステムとして、エンジンやタービンを用いたシステムが開発されている。このシステムでは、従来から研究し尽くされている機械を使用するため、装置の耐久性に優れ、設備コストも安価である。また、昼夜で電力の需要が大きく変動する一般家庭に適用するため、大きい負荷変動に追従するための制御装置を備えたシステムが特開２００１−１１２１７６号公報に開示されている。
【０００３】
また、コージェネレーションシステムとして、りん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）又は固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いたシステムが開発されている。ＰＡＦＣは、連続運転の場合では発電効率が約４０％と高いものの、作動温度が２００℃と高いため、起動と停止を繰り返すＤＳＳ（Ｄａｉｌｙ  Ｓｔａｒｔ−ｕｐ  ａｎｄ  Ｓｈｕｔ−ｄｏｗｎ）運転を行おうとすると著しく性能が低下してしまう。これに対し、ＰＥＦＣは作動温度が７０℃と低いため、起動や停止にかかる時間がより短くて済み、ＤＳＳ運転でも高い発電効率を達成することが可能である。また、ＰＥＦＣの運転が停止した後でも給湯の利用を可能にするために、ＰＥＦＣの排熱を蓄積する蓄熱槽が特開２００２−２８９２１２号公報や特開２００２−３３３２０７号公報に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１１２１７６号公報
【特許文献２】
特開２００２−２８９２１２号公報
【特許文献３】
特開２００２−３３３２０７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エンジンは部分負荷運転時において効率が著しく低下するという問題がある。また、エンジンは発電量に対する発熱量の割合が燃料電池に比べて高いので、電力需要に比べて熱需要（給湯需要）が低い集合住宅をはじめとする一般の民生用途では、余剰の熱が大量に生じるため熱損失が大きくなるという問題がある。また、ＰＡＦＣを集合住宅の共同設備として、又は住宅、事務所、病院、学校などが複数集まる地域の共同設備として連続運転すると、昼夜で需要が大きく変動する一般家庭や事務所、病院、学校などでは、需要の低い夜間において供給された電気及び熱が余るため、エネルギーの損失が大きいという問題がある。さらに、ＰＥＦＣと改質器を、集合住宅の各戸や事務所、病院、学校などにそれぞれ設置した場合、これらの電力需要は急峻な変化であるため、需要の変化に追従することができず、余剰の電力が発生しやすくなるという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、集合住宅の各戸や、一戸建ての住宅、事務所、病院、学校などが複数集まる区域において、余剰の電力及び熱の発生を防ぐことができる安価なコージェネレーションシステムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係るコージェネレーションシステムは、複数のサイトの共同設備である改質器と、該改質器で製造される改質ガスを消費して熱電併給を行うために、各サイトに設置された燃料電池と、該改質器から並列に配置された各燃料電池に該改質ガスを供給するための分配ネットワークとを含んでなることを特徴とする。なお、「サイト」とは、マンションやアパートメントなどの集合住宅の１戸または複数戸、一戸建て住宅、事務所、病院、学校など、民生用途に電熱を利用する場所の総称をいう。「ネットワーク」とは、改質ガスやオフガス、熱、電気などのエネルギーを、例えば、共同設備からサイトへ、サイト同士間で、サイトから共同設備へなどと供給するために複数の配管や配線等が組織された網をいう。
【０００８】
固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）に改質ガスを供給する改質器はＰＥＦＣに比べて負荷応答速度が遅い。そのため、サイトの電力需要の急峻な変化に応じるためには、系統連系を行う必要があり、改質器の負荷追従が間に合わない間は買電を行う。一方、複数のサイト全体における電力需要の変化は、各サイトにおける電力需要の変化が平均化されたものであるため、各サイトにおける単独の電力需要変化に比べて非常に緩やかである。そこで、改質器を複数のサイトの共同設備にすることで、複数のサイト全体の電力需要に応じた改質器の運転が可能になる。そして、各サイトに設置されたＰＥＦＣで、各サイトで必要な量の電力をそれぞれ発電するので、余剰の電力の発生を防止することができる。
【０００９】
本発明に係るコージェネレーションシステムは、上記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼するための触媒燃焼装置をさらに含んでなることが好ましい。触媒燃焼装置の燃焼触媒としては、貴金属を担体に担持させたものが好ましい。さらに、本発明に係るコージェネレーションシステムは、この触媒燃焼装置で生成される熱を熱源とすることが可能な貯湯槽をさらに含んでなることが好ましい。
【００１０】
燃料電池から排出されるオフガスには、燃料電池で使用されなかった余剰水素が含まれている。そこで、このオフガスと空気を混合して燃焼させて、エネルギーの有効利用を図ることが望ましい。しかし、オフガス中には不活性ガスが多く、また含まれる水分も多いため、バーナで火炎燃焼をさせた場合、安定して保炎させることは難しいという問題がある。また、燃料電池の発電状況に応じて余剰水素の流量が変化するため、火炎温度を検知して必要な空気流量を制御する方法では対応しきれず、可燃燃焼範囲から外れて失火しやすいという問題がある。さらに、点火制御装置であるイグナイタは、機器へのノイズや部材の耐久性の観点から常時作動させておくことは不可能であり、オフガスが到達する直前から作動させ始め、着火後は速やかにイグナイタを停止させることが必要である。しかし、イグナイタの作動開始時期が、オフガスが燃焼部に到達する時期に少しでも遅れると爆発的に着火したり、オフガスがすり抜けてしまうといった問題がある。そこで、火炎燃焼によるオフガスの燃焼に代えて、燃料電池のオフガス出口に触媒燃焼装置を設けることで、オフガスが触媒燃焼装置の燃焼触媒に到達すると同時に燃焼が自動的に開始するので、異常着火や失火、オフガスのすり抜けを防止することができる。
【００１１】
また、本発明に係るコージェネレーションシステムは、上記燃料電池から排出されるオフガス中から水素を取り出すための水素分離装置を含んだシステムも考えられる。水素分離装置としては、水素分離膜を用いた装置や圧力スイング吸着（ＰＳＡ：Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）法による装置が好ましい。
【００１２】
このように、燃料電池のオフガス出口に水素分離装置を設けることで、オフガス中から、燃料電池で使用されなかった余剰水素を取り出して、水素が高濃度に含まれるガスと水素が低濃度に含まれるガスとを生成することができる。水素高濃度ガスは、燃料電池の上流へ再び戻したり、改質器の熱源として利用したり、又は別の燃料電池へ供給するなどといった用途に使用可能となるので、水素の再利用が促進され、システム全体の効率を向上させることができる。一方、水素低濃度ガスは、上記の触媒燃焼装置に供給して燃焼させることで、熱エネルギーとして回収しシステムの効率を向上させることができる。
【００１３】
さらに、本発明に係るコージェネレーションシステムは、上記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼した燃焼ガスを用いる排熱利用装置をさらに含んだシステムも考えられる。上記排熱利用装置としては、ガスタービンやガスエンジンなどの発電装置、又は吸収式冷凍機などの冷熱生成装置が好ましい。
【００１４】
燃料電池から排出されるオフガスには、燃料電池で使用されなかった余剰水素が含まれている。よって、オフガスを燃焼させることで高温の燃焼ガスを得て、この燃焼ガスを排熱利用装置に供給することで、電気や熱又は冷熱などのエネルギーに変換することができ、余剰水素の有効利用によるシステム全体の効率を向上させることができる。
【００１５】
さらに、本発明に係るコージェネレーションシステムは、上記燃料電池で生成される熱又は電力を上記複数のサイト間で相互に供給するための相互供給ネットワークをさらに含むことが好ましい。また、上記燃料電池及び上記排熱利用装置で生成される熱又は電力を上記複数のサイトと上記排熱利用装置との間で相互に供給するための相互供給ネットワークをさらに含むことが好ましい。
【００１６】
燃料電池の運転によって各サイトで電気と熱（湯）が同時に発生するが、この電気及び熱を各サイト内で全て使用しないと、余剰の電気又は熱が生じる。そこで、この余剰の電気又は熱を相互供給ネットワークを介して他のサイトに供給し、他のサイトで使用することで、エネルギーを有効に利用することができる。すなわち、サイト全体における電力需要及び熱需要の変動に対して効率的なエネルギーの供給を行うことができる。同様に、サイトと排熱利用装置との間でも相互供給ネットワークを介して余剰の電気又は熱を相互に供給することで、コージェネレーションシステム全体の更なる高効率化を実現することができる。
【００１７】
また、本発明に係るコージェネレーションシステムは、上記改質器と上記各サイトとの間に設置され、上記改質器で製造される改質ガスを一時的に貯蔵するための改質ガス貯蔵タンクをさらに含むことが好ましい。さらに、上記改質器と上記改質ガス貯蔵タンクとの間に設置され、上記改質器で製造される改質ガス中から水素を取り出すための水素分離装置をさらに含むことが好ましい。
【００１８】
このように、改質器と各サイトとの間に改質ガス貯蔵装置を設置することで、改質器で生成した改質ガスの一部を改質ガス貯蔵装置で一時的に貯蔵し、サイト全体の改質ガス使用量の変動に応じて、貯蔵された改質ガスをサイト全体に供給することができる。これにより、サイト全体における改質ガスの使用量の変動を改質ガス貯蔵装置で対処し、改質器の運転をより安定的で効率的に行うことができる。さらに、改質器と改質ガス貯蔵装置との間に水素分離装置を設けることで、改質ガスの水素濃度を高濃度としてから改質ガス貯蔵装置で貯蔵することができる。これにより、改質ガス貯蔵装置での水素貯蔵量を増加でき、改質器の運転の更なる安定化及び改質ガス貯蔵装置のコンパクト化ができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して本発明に係るコージェネレーションシステムの実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係るコージェネレーションシステムの一実施の形態を示す模式図である。また、図２は、図１における各サイト内の構成の一実施の形態を示す模式図である。
【００２０】
図１に示すように、複数のサイト２０を含む区域１０には、共同設備として、都市ガス等の炭化水素系燃料を改質して改質ガスを生成することができる改質器１２が設けられている。この改質器１２は、例えば、停止時に不活性ガスにより内部に残存するガスをパージして触媒の劣化を防ぐ機構などを有することで、ＤＳＳ運転が可能である。区域１０内の各サイト２０には、１台の固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）２２が設けられている。さらに、区域１０には、改質器１２で製造された改質ガスを各ＰＥＦＣ２２に分配供給するための配管１４が敷設されている。区域１０内のサイト数として、例えば、５０〜１００戸の規模のものを想定した場合、改質器１２を５０〜１００ｋＷの大容量として、各サイト２０のＰＥＦＣ２２の容量を１ｋＷとすることがシステム全体の効率から好ましい。電力消費の多い需要サイトに対しては、ＰＥＦＣの発電容量を増やすことによって対応できる。
【００２１】
図２に示すように、サイト２０内では、配管１４にバルブ１６が設けられている。また、ＰＥＦＣ２２の他に、ＰＥＦＣ２２で得られた直流電力を交流に変換するためのパワーコンディショナ２４と、ＰＥＦＣ２２及びパワーコンディショナ２４を作動させるために必要な複数の補機２６とが設けられている。パワーコンディショナ２４及び補機２６はコントローラ（図示省略）等によって制御されている。
【００２２】
以上のような構成によれば、先ず、改質器１２のＤＳＳ運転の起動時に、改質器１２に都市ガス等の燃料１が供給される。改質器１２において燃料が改質され、改質ガス２が生成される。改質ガス２は、燃料の原料にもよるが、主にドライ組成で、水素（Ｈ２）濃度が７０〜８０モル％、二酸化炭素（ＣＯ２）濃度が１５〜２５モル％を主成分とし、残成分としてメタン（ＣＨ４）や窒素（Ｎ２）等を含むものである。なお、改質ガス２は、その圧力及び温度における飽和状態に近い水分を含んでいる。よって、改質ガス２を配管１４内に凝縮するため、一旦常温まで冷却して凝縮器（図示省略）で水分を取り出すことが好ましい。改質ガス２は、配管１４によって各サイト２０のＰＥＦＣ２２に分配される。
【００２３】
次に、各サイト２０では、それぞれの電気需要又は熱需要（給湯需要）に応じてＰＥＦＣ２２を運転する。運転を開始するため、サイト２０内の配管１４に設けられたバルブ１６を開き、ＰＥＦＣ２２内に改質ガス２を導入する。ＰＥＦＣ２２で１ｋＷの電力を得るためには、改質ガス２中の水素の流量を約０．８〜０．９Ｎｍ３／ｈの範囲にすることが好ましい。ＰＥＦＣ２２に導入された改質ガス２は、そのうちの約８０〜９０％の水素が消費され、発電が行われる。得られた電力は直流であり、直流電力のままでの供給も可能であるが、通常はパワーコンディショナ２４を介して交流に変換され各サイトで使用される。なお、電気の一部は、補機２６で使用される。また、ＰＥＦＣ２２の排熱から給湯用の温水を得る。
【００２４】
運転方法の一例を説明する。各サイト２０で改質ガス２が使用されると、配管１４内の改質ガス２の圧力が低下する。この圧力の低下に応じて、改質器１２で改質ガス２を製造し、配管１４へ改質ガス２を供給して配管１４内の圧力を所定の値まで上昇させる。すなわち、改質器１２は、配管１４内の改質ガス２の圧力の変化に応じて運転を行う。なお、配管１４内の圧力の変化は、各サイト２０の急峻な電力需要の変化が平均化されたものであるため、各サイト２０の電力需要の変化に比べて、非常に緩やかなものとなる。
【００２５】
さらに各サイト２０における電力需要又は熱需要が低い時間帯になったら、改質器１２を停止することが望ましい。改質器１２が再起動するまでの時間帯は、電力会社から供給される電力を使用する。再び、各サイト２０における需要の高い時間帯になったら、改質器１２に燃料を導入して起動する。このようにして、複数のサイトの共同設備である改質器１２をＤＳＳ運転するとともに、各サイト２０のＰＥＦＣの運転を行う。
【００２６】
したがって、複数のサイトの共同設備として改質器１２を設け、各サイト２０には配管１４を介して改質ガス２を供給することで、各サイト２０の急峻な電力需要の変化に左右されず、安定的で効率的な改質器１２の運転を行うことができる。また、改質器１２は各サイト２０に設置する場合に比べて大容量のものを使用できるので、大出力化により放熱損失割合を低減させることができるため、改質器１２の改質効率を向上させることができる。
【００２７】
また、各サイト２０に改質器を設置する場合と比べて、設備導入コストを大幅に低減することができる。これに伴い、各サイトにおける改質器のモニタリング、劣化有無の評価、改質ガスの漏洩検知、触媒交換作業などにかかる個別のメンテナンス作業が一括化されるので、改質器のメンテナンスのコストも大幅に低減させることができる。
【００２８】
さらに、配管１４により改質ガス２を各サイト２０に供給し、必要な電力量だけを各サイト２０のＰＥＦＣ２２で発電するため、余剰電力の発生を抑えることができる。また、各サイト２０内で余剰の水素を消費するシステムにおいては、改質ガス２は改質器１２からＰＥＦＣ２２へワンパス方式で供給することが可能となる。よって、余剰の水素を含む改質ガスを改質器に戻すようなラインが不要になり、配管設備の簡素化や補機２６の点数及び制御点数の削減を図ることができる。例えば、サイト２０内の補機２６の点数が削減されることにより、所内率（補機動力／発電電力）を大幅に低減することができる。
【００２９】
なお、図１では改質器１２が１台の場合を示したが、改質器１２は区域１０内に複数台あってもよい。このような構成によれば、区域１０内の電力需要が最大の時に全ての改質器を運転し、電力需要が低下した時に必要な台数の改質器を運転する。これにより、１台の改質器を部分負荷運転する場合に比べて、改質効率を向上させることができる。
【００３０】
また、改質器１２を部分負荷運転する場合、配管１４に改質ガス貯蔵装置（図示省略）を設けたり、複数のサイトの共同設備として電力貯蔵装置（図示省略）を設けたりすることができる。これにより、改質器１２の負荷変動を緩和して、改質効率を向上させることができる。改質ガス貯蔵装置としては、例えば、水素吸蔵合金やカーボンナノチューブを用いた貯蔵装置などを使用することができる。また、電力貯蔵装置としては、例えば、アルカリ二次電池や、リチウム系二次電池などを使用することができる。
【００３１】
図３は、本発明に係るコージェネレーションシステムにおいて、各サイト内の構成の一実施の形態を示す模式図である。なお、サイト外の構成については、図１と同様である。また、図１及び図２と同様の構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明については省略する。
【００３２】
図３に示すように、各サイト２０には、ＰＥＦＣ２２のオフガス出口に触媒燃焼装置３４が設けられている。触媒燃焼装置３４の燃焼触媒としては、水素を燃焼できるものであれば特に限定されないが、特に、白金などの貴金属を担体に担持させたものを用いることが好ましい。また、触媒燃焼装置３４は貯湯槽３２内に設けられており、触媒燃焼装置３４で発生する熱ガスと貯湯槽３２内の温水との間で熱交換を行う熱交換器（図示省略）が付設されている。なお、図３では図示しないが、図２と同様に、各サイト２０にはパワーコンディショナ２４及び補機２６が設けられている。
【００３３】
このような構成によれば、図１及び図２と同様に、改質器から改質ガス２がＰＥＦＣ２２に導入される。ＰＥＦＣ２２では改質ガス２中の約８０〜９０％の水素が消費されて、電力及び熱が生成する。一方で、ＰＥＦＣの水素極出口よりオフガス３が排出される。オフガス３中の水素流量は０．０８〜０．１８Ｎｍ３／ｈであり、水素濃度としてはドライ組成で約３５〜４５モル％である。オフガス３とともに燃焼用の空気４が触媒燃焼装置３４に導入され、オフガス３が燃焼触媒に到達すると同時に燃焼が自動的に開始する。なお、燃焼温度を適正な範囲になるように空気４を供給することが好ましい。燃焼により発生した熱ガスは、熱交換器（図示省略）により、貯湯槽３２内の温水を昇温した後、サイト２０から排気される。
【００３４】
したがって、ＰＥＦＣ２２のオフガス３を燃焼するための触媒燃焼装置３４を設けることによって、オフガス３中のエネルギーを有効に利用することができ、コージェネレーションシステム全体の熱損失低減に寄与することができる。また、オフガス３の燃焼方式を触媒燃焼方式とすることで、着火の困難性や失火の問題がなく、オフガス３の燃焼を簡易にかつ安定的に行うことができる。
【００３５】
なお、触媒燃焼装置３４での燃焼温度は、空気４の流量によって異なるが、酸素を過不足の無い状態で燃焼させると約１３００〜１４００℃となる。したがって、触媒の耐熱温度（約７００〜８００℃）を越える場合は、例えば、熱交換器として、プレートフィン熱交換器を採用し、フィン表面に燃焼触媒を塗布する構成にすることが好ましい。このような構成にすることで、燃焼熱を発生と同時に冷却することができ、貯湯槽３２の温水の昇温に利用することができる。
【００３６】
図４は、本発明に係るコージェネレーションシステムの他の実施の形態を示す模式図である。なお、図１と同様の構成については、同じ符号を付し、その詳細な説明については省略する。
【００３７】
図４に示すように、区域１０内には、共同設備として水素分離装置４０が設けられている。そして、各サイト２０のＰＥＦＣ２２からオフガス３を水素分離装置４０に集約して供給するための配管１８が設けられている。水素分離装置４０としては、水素分離膜を利用した装置や、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）法を用いた装置を使用することができる。水素分離膜としては、パラジウム（Ｐｄ）金属又はＰｄ系合金などのような水素を選択的に透過する金属又は合金を用いることが好ましい。
【００３８】
また、ＰＳＡ法を用いた装置としては、ゼオライトなどのオフガス中の水素以外の不純物を吸着する吸着剤を使用することが好ましい。
【００３９】
以上のような構成によれば、各サイト２０で発生したオフガス３は、配管１８を介して水素分離装置４０に集約され導入される。オフガス３の水素濃度はドライベースで約３５〜４５重量％であるが、水素分離装置４０によってオフガス３中から水素を分離して、例えば水素濃度が９９モル％以上の水素高濃度ガス６と水素濃度が１モル％以下の水素低濃度ガス７とを生成する。水素高濃度ガス６は、ポンプ（図示省略）を用いて、ＰＥＦＣ２２の上流側の配管１４へ再び戻して循環させたり、改質器１２の熱源として利用したり、又は別のＰＥＦＣ４２へ供給して発電を行う。
【００４０】
したがって、ＰＥＦＣ２２のオフガス出口に水素分離装置４０を設けることで、オフガス３中から水素を分離し、多くの用途に使用可能な水素高濃度ガス６を生成することができる。よって、水素の再利用を促進することができ、コージェネレーションシステム全体の効率を向上させることができる。
【００４１】
なお、図４では、水素分離装置４０は複数のサイトの共同設備とすることが設備導入コストを低減することができる点で望ましい。
【００４２】
また、図４では、水素高濃度ガス６を区域１０外のＰＥＦＣ４２に導入したが、ＰＥＦＣに限られず、他の水素消費設備にも供給することができる。
【００４３】
図５は、本発明に係るコージェネレーションシステムの他の実施の形態を示す模式図である。なお、図１と同様の構成については、同じ符号を付し、その詳細な説明については省略する。
【００４４】
図５に示すように、区域１０内には、共同設備として排熱利用装置５０が設けられている。そして、各サイト２０のＰＥＦＣ２２からオフガス３を排熱利用装置５０に集約して供給するための配管１８が設けられている。排熱利用装置５０には、オフガス３を燃焼する燃焼装置（図示省略）が併設されており、この燃焼装置からの燃焼ガスが排熱利用装置５０に供給される。排熱利用装置５０としては、ガスタービンやガスエンジンなどの発電装置、吸収式冷凍機などの冷熱生成装置、又はこれらを組み合わせたものが好ましい。また、燃焼装置としては、図３で説明した触媒燃焼装置を用いることが好ましいが、これに限定されるものではない。
【００４５】
排熱利用装置５０の能力は、区域１０内のサイト数の規模に応じて設計することができる。排熱利用装置５０として発電装置を採用する場合、例えば、区域１０内のサイト数として５０〜１００戸の規模を想定すると、１０〜５０ｋＷの発電能力とすることがシステム全体の効率から好ましい。また、冷熱生成装置の場合においても同様の規模となる。
【００４６】
以上のような構成によれば、各サイト２０で発生したオフガス３は、配管１８を介して排熱利用装置５０へ集約され、燃焼装置（図示省略）で燃焼されてから排熱利用装置５０に導入される。水素をドライ組成で約３５〜４５モル％含むオフガス３は、燃焼により約１３００〜１４００℃と高温の燃焼ガスとなり、この燃焼熱を熱源として排熱利用装置５０で電気や、熱、冷熱が生成される。生成された電気、熱及び冷熱は、区域１０内の共同設備や店舗に供給したり、又は各サイト２０に供給したり、その他、区域１０外に供給してもよい。
【００４７】
したがって、ＰＥＦＣ２２のオフガス出口に排熱利用装置５０を設けることで、余剰水素を含むオフガス３から電気、熱、冷熱などのエネルギーを生成することができる。よって、水素を有効に利用することができ、コージェネレーションシステム全体の効率を向上させることができる。
【００４８】
また、オフガス３の全部を排熱利用装置５０に供給せずに、その一部を水素貯蔵装置５２に供給することもできる。水素貯蔵装置５２としては、水素吸蔵合金やカーボンナノチューブなどを用いた装置が使用できる。このような構成によれば、排熱利用装置５０の能力を超える量のオフガス３がサイト２０から供給されても、水素貯蔵設備５２でオフガス３中の水素を蓄えることができるので、システム全体の効率を向上させることができる。また、水素貯蔵装置５２で貯蔵された水素は、オフガス３とともに排熱利用装置５０の燃料として使用することもできるし、その他の水素を利用する設備等に供給することができる。なお、水素貯蔵装置５２に水素分離装置（図示省略）を併設し、水素分離装置でオフガス３中の水素を高濃度にしてから水素貯蔵装置５２に供給することもできる。
【００４９】
なお、図５では排熱利用装置５０が１台の場合を示したが、排熱利用装置５０は区域１０内に複数台あってもよい。また、排熱利用装置５０を各サイト２０に設けることもできるが、複数のサイト２０の共同設備とすることが設備導入コストを低減できる点で望ましい。また、排熱利用装置５０に燃焼装置を併設させる他、各サイト２０に燃焼装置を設置して、各サイト２０から燃焼ガスを配管１８を介して排熱利用装置５０に供給することもできる。
【００５０】
図６は、本発明に係るコージェネレーションシステムの他の実施の形態を示す模式図である。なお、図１と同様の構成については、同じ符号を付し、その詳細な説明については省略する。
【００５１】
図６に示すように、各サイト２０内のＰＥＦＣ２２で発生する電気８を、各サイト２０間で相互に供給するための電気配線６２が設けられている。また同様に、ＰＥＦＣ２２で発生する熱（湯）９を、各サイト２０間で相互に供給するための熱配管６４が設けられている。図６では、電気配線６２と熱配管６４の両方が設けられいるが、どちらか一方のみとしても構わない。
【００５２】
以上のような構成によれば、あるサイト２０ａ内でＰＥＦＣ２２ａを運転することにより電気８と熱（湯）９が同時に発生する。発生した電気８及び熱９がサイト２０ａ内で全てを必要としない場合、サイト２０ａ内で余剰の電気８又は熱９が発生する。例えば、サイト２０内で電力を主に必要とする場合は熱９が余り、湯を主に利用する場合は電気８が余る。この余剰の電気８又は熱９は、電気配線６２又は熱配管６４を介して他のサイト２０に供給される。したがって、余剰の電気８及び熱９を他のサイト２０で使用することができるので、エネルギーを有効に利用することができ、サイト全体における電力需要及び熱需要の変動に対して効率的なエネルギーの供給を行うことができる。
【００５３】
なお、図６では、各サイト２０間に電気配管６２及び熱配管６４を設ける場合を示したが、サイト２０同士の間に限られず、図７に示すように、サイト２０に加えて、上記説明した共同設備である排熱利用装置５０との間にも、電気配管６２及び熱配管６４を設け、電気８及び熱９を相互に供給することもできる。これにより、コージェネレーションシステム全体の更なる高効率化を実現することができる。また、図６では、サイト２０内の発電装置がＰＥＦＣ２２の場合を示したが、ＰＥＦＣに限られず、図７に示すように、ガスエンジン７２やガスタービン７４、その他の水素消費装置７６をサイト２０内に設ける場合も、同様に電気８及び熱９の相互供給ができる。
【００５４】
図８は、本発明に係るコージェネレーションシステムの他の実施の形態を示す模式図である。なお、図１と同様の構成については、同じ符号を付し、その詳細な説明については省略する。
【００５５】
図８に示すように、区域１０内に共同設備として、改質器１２で生成した改質ガスを一時的に貯蔵するための改質ガス貯蔵装置８２が設けられている。そして、この改質ガス貯蔵装置８２に、改質ガスを各サイト２０のＰＥＦＣ２２に分配供給するための配管１４が設けられている。改質ガス貯蔵装置８２の能力は、区域１０内のサイト数の規模に応じて設計することができる。例えば、区域１０内のサイト数として５０〜１００戸の規模を想定すると、改質ガスを圧縮する圧力を約５〜１０ａｔａとし、改質ガスを充填するタンクの容量を１０〜１５ｍ３とすることが好ましい。
【００５６】
以上のような構成によれば、改質器１２で生成した改質ガスは、改質ガス貯蔵装置８２に供給される。改質ガス貯蔵装置８２では、任意の圧力で改質ガスの一部を圧縮して一時的に貯蔵する。サイト２０全体の改質ガス使用量が増加すると、配管１４内の改質ガスの圧力が低下する。この圧力の低下に応じて、改質ガス貯蔵装置８２内の貯蔵されていた改質ガスを配管１４を介してサイト２０に供給する。一方、サイト２０全体の改質ガス使用量が低下すると、配管１４内の圧力が上昇するので、再び改質ガス貯蔵装置８２で改質ガスの貯蔵を行う。このように、サイト２０全体における改質ガスの需要量の変動を、改質ガス貯蔵装置８２における改質ガスの貯蔵及び供給で対処することで、改質器１２の運転をより安定的で効率的に行うことができる。
【００５７】
また、図８に示すように、改質器１２と改質ガス貯蔵装置８２との間に、水素分離装置８４を設けることが好ましい。水素分離装置８４としては、上記と同様に、水素分離膜を利用した装置や、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）法を用いた装置を使用することができる。このような構成によれば、改質器１２で生成された改質ガスは、水素分離装置８４により水素以外の成分が分離され、水素濃度が高濃度となってから改質ガス貯蔵装置８２で貯蔵される。よって、効率的に水素を貯蔵することができ、改質ガス貯蔵装置８２での水素貯蔵量が増加する。これにより、改質器１２の運転をより安定的で効率的にすることができる。また、効率的に水素を貯蔵することができるので、改質ガス貯蔵装置８２をコンパクト化することができる。例えば、上記と同一の条件の場合、タンクの容量を７〜１０ｍ３とすることができる。
【００５８】
なお、図１〜図８では、各サイト２０に設置する燃料電池として、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）２２を示したが、ＰＥＦＣの他、りん酸形、アルカリ形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形などの燃料電池も、サイトの電力需要形態によっては使用することができる。
【００５９】
【発明の効果】
上述してきたように、本発明によれば、集合住宅の各戸や、一戸建ての住宅、事務所、病院、学校などのサイトが複数集まる区域において、余剰の電力及び熱の発生を防ぐことができる安価なコージェネレーションシステムを提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るコージェネレーションシステムの一実施の形態を示す模式図である。
【図２】本発明に係るシステムにおいて、各サイト内の構成の一実施の形態を示す模式図である。
【図３】本発明に係るシステムにおいて、各サイト内の構成の他の実施の形態を示す模式図である。
【図４】本発明に係るシステムの他の実施の形態を示す模式図である。
【図５】本発明に係るシステムの他の実施の形態を示す模式図である。
【図６】本発明に係るシステムの他の実施の形態を示す模式図である。
【図７】本発明に係るシステムの他の実施の形態を示す模式図である。
【図８】本発明に係るシステムの他の実施の形態を示す模式図である。
【符号の説明】
１    燃料
２    改質ガス
３    オフガス
４    空気
６    水素高濃度ガス
７    水素低濃度ガス
８    電気
９    熱
１０  区域
１２  改質器
１４、１８  配管
１６  バルブ
２０  サイト
２２  固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）
２４  パワーコンディショナ
２６  補機
３２  貯湯槽
３４  触媒燃焼装置
４０  水素分離装置
４２  ＰＥＦＣ
５０  排熱利用装置
５２  水素貯蔵装置
６２  電気配線
６４  熱配管
７２  ガスエンジン
７４  ガスタービン
７６  水素消費装置
８２  改質ガス貯蔵装置
８４  水素分離装置
【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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