(57)【要約】【課題】電気・温水だけでなく冷熱を供給できるとともに、システム全体の小型化が可能であり、低コストでシステムが構築できる燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】水素又は水素を含む改質ガスと酸素含有ガスとを用いて発電する固体高分子型燃料電池と、該燃料電池内を流れる循環水の排熱を利用して駆動し、ポリアクリル酸ナトリウム架橋体を原料とする吸着剤を用いる吸着式ヒートポンプと、を含む燃料電池発電システム。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素又は水素を含む改質ガスと酸素含有ガスとを用いて発電する固体高分子型燃料電池と、該燃料電池内を流れる循環水の排熱を利用して駆動し、ポリアクリル酸ナトリウム架橋体を原料とする吸着剤を用いる吸着式ヒートポンプと、を含む燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記吸着式ヒートポンプが、前記吸着剤を備えている第１槽と、該第１槽と弁を介して接続されている第２槽と、を含んでなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記第１槽および第２槽の槽内には、各々独立に、燃料電池から接続された循環水または常温の水を通す管が備えられているとともに、該第２槽の槽内には当該管とは別に、外部からの水を流す管が備えられていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記吸着式ヒートポンプに、前記第１槽および前記第２槽がそれぞれ２つずつ備えられており、燃料電池からの循環水を通す管が分岐して２つの該第１槽に接続されていることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記吸着式ヒートポンプの後段に、燃料電池内を流れてから吸着式ヒートポンプへ送られた循環水を貯めておく貯湯槽が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
１台の真空ポンプが燃料改質器もしくは貯湯槽のいずれか１つ又は両方と接続されており、かつ、該真空ポンプが前記吸着式ヒートポンプと接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記燃料改質器および前記貯湯槽が、真空断熱層によって断熱されていることを特徴とする請求項６記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸着式ヒートポンプシステムと燃料電池とを組み合わせた燃料電池発電システムに関する。また、貯湯槽、改質器などの機器と、真空ポンプを有する冷熱機器である吸着式ヒートポンプとを効果的に複合したシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電システムは、電気と給湯のコジェネレーション・システムとして期待されている。
熱電比（お湯の発生量と電気の発生量のエネルギー比）が約０．８程度となることが固体高分子型燃料電池発電システムの特徴である。家庭用途のｌｋＷ程度の発電規模においては、給湯需要と電力需要が略同等レベルであるため、需要バランスが取れている。しかし、発電規模がより大きな市場を想定する場合、給湯需要は電力需要に比例して増加しないため、スーパーマーケットやコンビニエンスストア向けなどの数１０ｋＷ規模においてでさえ、湯水が余る傾向にある。
そこで、熱エネルギーを用いて冷熱を生成することが考えられるが、固体高分子型燃料電池は作動温度が６５℃程度であり、吸収式ヒートポンプなどの必要作動温度としては低いため、効率よく冷熱を生成させることができない。
【０００３】
一方、６５℃程度の排熱を利用できるヒートポンプとしては、吸着式ヒートポンプが適している。
しかしながら、吸着式ヒートポンプに用いられる一般的な吸着剤である、シリカゲルは６５℃程度の低温度域における吸・放湿率が小さいため、ヒートボンプを形成する容器が大きくなり、コスト大になってしまう。また、これら従来の吸着剤を用いたヒートポンプは出力が小さいことが実用上の問題であり、吸着・再生に関係する吸着質の量増大が必要であった。
【０００４】
他方、電気と給湯のコジェネレーション・システムである燃料電池発電システムは、一般に貯湯槽を備えている。そして通常、改質器および貯湯槽は断熱材で断熱されている。しかし、断熱材を用いた断熱層は単位厚さ当たりの熱遮断性能に限界があり、各装置のサイズが大型化してしまい、システム全体としてはさらに大型化していまう問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、上記問題点に鑑み、電気・温水だけでなく冷熱を供給できるとともに、システム全体の小型化が可能であり、低コストでシステムが構築できる燃料電池発電システムを開発すべく、鋭意検討した。
その結果、本発明者らは、燃料電池の排温水を駆動源とした吸着式ヒートポンプを燃料電池発電システムと組み合わせ、吸湿率が高く且つ低温でも効率よく吸脱着が可能な吸着剤を用いることによって、かかる問題点が解決されることを見い出した。また、燃料電池の排温水を駆動源とした吸着式ヒートポンプを燃料電池発電システムと組み合わせる際に必要な真空ポンプを共用し、真空断熱を利用するとともに、貯湯槽も真空断熱を利用することによって、上記課題が解決されることを見い出した。本発明は、かかる見地より完成されたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、水素又は水素を含む改質ガスと酸素含有ガスとを用いて発電する固体高分子型燃料電池と、該燃料電池内を流れる循環水の排熱を利用して駆動し、ポリアクリル酸ナトリウム架橋体を原料とする吸着剤を用いる吸着式ヒートポンプと、を含む燃料電池発電システムを提供するものである。本発明で吸着剤として用いるポリアクリル酸ナトリウム架橋体は、優れた吸収率を有する吸水性高分子あるとともに、１００℃以下さらには８０℃以下の低温、例えば約６５℃程度でも水を吸着式ヒートポンプとして成立する程度の放湿が可能なポリマーである。
【０００７】
本発明で用いる吸着式ヒートポンプの好ましい態様としては、例えば、前記吸着剤を備えている第１槽と、該第１槽と開閉弁を介して接続されている第２槽とを含んでいる。そして、第１槽および第２槽の槽内には、各々独立に、燃料電池から接続された循環水または常温の水を通す管が備えられている。具体的には、第１槽の槽内には、通常、燃料電池から接続された循環水を通すための管が備えられており、当該管を用いて常温の水を通すこともできる。また、第１槽の槽内にはさらに必要に応じて、常温の水を通すための管が別途備えられていてもよい。一方、第２槽の槽内には、通常、常温の水を通す管が備えられている。そして当該管とは別に、外部からの水を流す管が備えられている。
【０００８】
また、上記のような吸着式ヒートポンプシステムでは、第１槽および第２槽がそれぞれ２つずつ備えられており、燃料電池からの循環水を通す管が分岐して２つの第１槽に接続されて、切替え弁によっていずれか１つの第１槽に流体が供給される態様も好ましい。この場合、分岐した管と第１槽との間には、それぞれ弁が設けられているので、第１槽および第２槽が１つのセットを構成して、交互に再生と吸着の異なる工程を実施することができる。これによって、吸着式ヒートポンプシステムからは、冷熱を略連続的に供給できる利点がある。
【０００９】
本発明では、前記吸着式ヒートポンプの後段に、燃料電池内を流れてから吸着式ヒートポンプへ送られた循環水を貯めておく、貯湯槽を設けることができる。貯湯槽に一定量貯められた循環水は、ポンプによって再び固体高分子型燃料電池本体の冷却水として使用される。
また、本発明は、１台の真空ポンプを共用して、該真空ポンプが燃料改質器もしくは貯湯槽のいずれか１つ又は両方と接続されており、かつ、該真空ポンプが前記吸着式ヒートポンプと接続されている燃料電池発電システムをも提供するものである。この場合、前記燃料改質器および貯湯槽は、真空断熱層によって断熱されていることがよい。
【００１０】
本発明によれば、吸着式ヒートポンプに吸・放湿率が高く、かつ低温でも効率よく吸脱着が可能な吸着剤を用いることにより、コンパクトな発電システムを製作することができる。また、本発明の燃料電池発電システムは、従来の電気・温水だけでなく新たに冷熱を供給できるシステムであり、冷熱を必要とする種々の用途にも有効に活用でき、さらに低コストでシステム構築が可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の燃料電池発電システムの一例を示す。このシステムは、例えば家庭用燃料電池システムに吸着ヒートポンプシステムを組み合わせた場合である。都市ガスなどの炭化水素を原料として水素を製造する改質器（リフォーマ）４と固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）３とを組み合わせたシステムである。
本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池本体３として固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が用いられており、水素又は水素を含む改質ガスと空気などの酸素含有ガスとを用いて発電する。図１のシステムでは、水素を含む改質ガスを炭化水素原料と水から改質反応によって製造するリフォーマ（改質器）４を備え、得られる改質ガスを燃料電池３の燃料として供給している。燃料電池の発電効率は約５０％程度であり、残りは熱エネルギーに変換する。
【００１２】
このようにＰＥＦＣ３は発電の際に熱を発生するため、作動温度を維持するために循環水を流通させる必要がある。ＰＥＦＣ３の最適作動温度が約６５℃であるため、冷却水の入口温度は通常６５℃程度とする。後述するＰＥＦＣ内での熱交換により、循環水の温度は上昇する。なるべくＰＥＦＣ３の作動温度を維持するために水温度変化を小さくすることが望ましいが、循環水を流通させるためのポンプ動力との兼ね合いから、家庭用で利用できるボンプを利用して流せる流量においては、循環水温度は約３度程度上昇し、ＰＥＦＣ３出口において例えば６８℃となる。吸着ヒートポンプシステムでは、この燃料電池循環水の顕熱（例えば６５〜７０℃）として得られる熱を駆動源として、冷熱を生成する。
なお、本システムでは、吸着式ヒートポンプ１の後段に、燃料電池３を流れてから吸着式ヒートポンプ１へ送られた循環水を貯めておく貯湯槽２が設けられている。
【００１３】
一般に固体高分子型燃料電池本体３では、セル／セパレーターが数１０〜数１００枚積層されてスタックを構成しており、各セルには冷却媒体や反応ガスが供給される構造になっている。それぞれのセパレーターは複数の層構造になっており、水素を含むガス（燃料ガス）や酸素を含むガス（酸化剤ガス）を各層内に均一に分布させることが必要であり、これらガスの量によって発電の能力（性能）が決まる。
それらの層の間に冷却媒体が流れて（例えば冷却板中）、燃料電池の反応は発熱反応であるから、反応の際の熱エネルギーを吸収する。このように燃料電池では、積層方向の冷却水マニホールドから各セルへ冷却水が流れて、冷却水入口から供給溝を通って出口まで、反応ガスとともに流れる。各セルでの熱エネルギーを吸収して温度上昇した循環水は、排出用マニホールドを通ってまとめられて燃料電池スタックから排出される。
【００１４】
本発明では、上記固体高分子型燃料電池３から取り出される循環水の排熱を利用して、ポリアクリル酸ナトリウム架橋体を原料とする吸着剤を用いる吸着式ヒートポンプ１を駆動する、燃料電池発電システムを提供する。
【００１５】
吸着式ヒートポンプ１は、冷熱生成を行うシステムである。すなわち、質的に低い温度レベルの熱を、より高い温度（昇温）あるいはより低い温度の熱（冷熱）に変換することにより、熱の利用価値を高めるシステムである。本発明で用いる吸着式ヒートポンプは、温排水のみで駆動可能な吸着式化学ヒートポンプである。なお、吸着剤を設置する熱交換器の型式等によっては、必要に応じて一部電力を使用する場合もある。
図３に、吸着式ヒートポンプの作動原理を示す。系内に固体吸着剤と冷媒（水）のみ存在させ、真空下で再生工程と吸着工程の２工程を交互に繰り返し作動させる。再生工程では、再生（脱着）手段１１に設けられる吸着剤を、温水（循環水）で加熱し、脱着した水蒸気を凝縮器１２において凝縮させる。次いで吸着工程では、水は吸着手段２１に移動し、その際の蒸発潜熱で蒸発器２２から冷熱を得ることができる。
【００１６】
本発明における吸着式ヒートポンプ１は、ポリアクリル酸ナトリウム架橋体を原料とする吸着剤を用いる。
一般に吸着剤として用いる多孔性ポリマーは、水と接触すると瞬時に吸水・膨潤して水全体をゲル状にする性質をもつ吸水性の樹脂である。樹脂の組成からデンプン系、セルロース系、合成ポリマー系の３種に大別されるが、本発明の吸着剤は合成ポリマー系のポリアクリル酸塩系である。この材料は、吸水性（液水の吸収力）が吸水量１００〜１２００［ｇ−水／ｇ−吸着剤］程度と優れる。また、シリカゲルやゼオライトと比較すると、吸湿量も優れている。
ポリアクリル酸ナトリウム架橋体の分子構造として具体的には、例えば４個の窒素原子をもつテトラジンを架橋点とした三次元網目構造が挙げられる。親水性であるカルボン酸ナトリウム基のナトリウム原子の周囲に水蒸気が結合すると、樹脂内部のイオン濃度が外部の水よりも高いことによって生じる浸透圧により樹脂自身が膨潤しながら内部に水が吸収される。架橋密度が大きいほど、膨潤の割合が小さくなるため吸水量は減少するが、構造の強度は高まる。
【００１７】
本発明においては、吸着式ヒートポンプに上記ポリアクリル酸ナトリウム架橋体を原料とする吸着剤を用いる。吸着式ヒートポンプの構成としては、例えば、上記吸着剤を備えている第１槽と、該第１槽と開閉弁を介して接続されている第２槽と、を含む態様が好適に挙げられる。そして、第１槽および第２槽の槽内には、各々独立に、燃料電池から接続された循環水または常温の水を通す管が備えられている。
具体的には、第１槽の槽内には１以上の管が備えられており、この管は上記再生工程では、燃料電池から接続された循環水を通すための管として用いられる。また上記吸着工程においては、例えば１０〜２０℃程度の常温の水を第１槽の槽内の管に流すことになるが、この際、上記循環水の代わりに当該管に常温の水を流してもよい。一方、第１槽の槽内に２つの管を備えて、第１の管を上記再生工程で燃料電池から接続された循環水を通すために用い、第２の管を上記吸着工程で常温の水を通すために用いる態様も可能である。
第２槽の槽内には、通常、常温の水を通す管が備えられている。そして当該管とは別に、外部からの水を流す管が備えられている。
【００１８】
吸着式ヒートポンプの第１槽は熱交換器として機能するものであり、吸着剤をプレートフィン熱交換器のフィン表面に担持した構造や、フィンアンドチューブ熱交換器のフィン間に成形した吸着剤を充填した構造、あるいは流動床方式を採用して構造などが挙げられる。ここでの吸着剤は、吸湿すると吸着剤自体の体積変化が大きいため、膨張代となる空間を設ける、あるいは、フィンピッチが自由に変化できるようにすることなどが有効である。また、吸着剤がゲル化するとゲル状粒子が互いに粘着し、物質移動や伝熱を阻害することが考えられるため、膨潤してもガスの通気部が閉塞されないように繊維状に加工されたものを積層してもよい。
凝縮器および蒸発器としての作用を有する第２槽も、熱交換量として上記第１槽ほとんど同等であるため、通常は略同等の大きさを有する。
【００１９】
図４に、本発明にて吸着式ヒートポンプシステムを作動させる場合の具体例を、模式的に示す。この図４では、再生工程（ａ）、冷却工程（ｂ）、吸着工程（ｃ）に分けて経時的に本システムの作用を示している。
上記吸着剤を備えている第１槽３１は、開閉弁３４を介して第２槽３２と接続されている。第１槽３１の槽内には、燃料電池から接続された循環水を通す管が備えられている。燃料電池から送られてくる循環水の温度は、例えば６８℃である。第２槽３２の槽内には、外部からの水を流す管が備えられており、内部を循環させる管とポンプ３５も備えられている。
また、第１槽３１および第２槽３２を接続する配管には、真空ポンプ３３が接続されている。真空ポンプとの接続管には、通常、電磁弁とリーク弁が設けられており、真空ポンプを停止し大気圧下に戻してもポンプ内の油が逆流しないようにしてある。
【００２０】
図４の構成例で具体的な運転例を示すと、再生工程（ａ）では、弁３４を開いた状態で第１槽（吸着槽）３１を循環水（ａ℃、例えば６８℃）を流して昇温し、吸着剤から放湿させる。脱着した水蒸気は、弁３４を通って、外部からの冷却水を槽内部の管内に流している第２槽（凝縮器）３２において凝縮される。ここで、吸着材量０．２３ｋｇの場合、弁３４開状態５分で、第１槽３１にて、吸着剤顕熱５１Ｗ、水の顕熱７７Ｗ、水の脱着熱８９６Ｗ、第２槽３２にて、水凝縮熱８１３Ｗであった。
【００２１】
冷却工程（ｂ）では、弁３４を閉じた状態で、第１槽（吸着槽）３１に冷却水を流して、吸着剤を冷却する。循環水から冷却水への切り替え方法は、特に限定されないが、例えば切替え弁を切り替えることによって行うことができる。ここで、吸着材量０．２３ｋｇの場合、弁３４閉状態１分で、第１槽３１にて、吸着剤顕熱２５６Ｗ、水の顕熱５０Ｗ、第２槽３２にて、水重量１０７．５ｇであった。
【００２２】
吸着工程（ｃ）では、弁３４を開き、第２槽（蒸発器）３２内に溜まった水が蒸発して、第１槽（吸着槽）３１に移動する。この際、蒸発熱を、第２槽３２内を通る管内の水から奪うため、外部から流れている水はさらに低温の冷水になる。ここで、吸着材量０．２３ｋｇの場合、弁３４開状態５分で、第１槽３１にて、水の吸着熱８９６Ｗ、第２槽３２にて、水の蒸発熱８１３Ｗであった。
この吸着工程（ｃ）の後には、再び、上記再生工程（ａ）を連続して行うことができる。第１槽（吸着槽）３１における冷却水から循環水への切り替え方法は、特に限定されないが、例えば切替え弁を切り替えること、あるいは別々の配管で供給される構造とすることによって行うことができる。
【００２３】
図５に、本発明において用いることができる吸着式ヒートポンプシステムの好ましい一例を示す。本形態の吸着式ヒートポンプでは、第１槽３１および第２槽３２がそれぞれ２つずつ（ａ，ｂ）備えられている。燃料電池３からの循環水を通す管は分岐して、２つの第１槽３１ａおよび３１ｂに接続されている。分岐した管には、それぞれ弁（４１，４２）が設けられている。また、第２槽３２ａ，ｂに外部からの冷水を流す各配管にも、同様に弁が設けられている。
【００２４】
図５の吸着式ヒートポンプシステムを作動させる場合の運転方法は、特に限定されるものではないが、冷熱を略連続的に得られるように運転するには、例えば図６に示すようなフローに従って運転することができる。再生、冷却、吸着の各工程の所要時間は任意に定められるが、５分−１分−５分のサイクルの場合（冷熱生成時間１０分）、例えば図６のように流体供給を行う。この運転方法によれば、第１槽３１ａが脱着を行う再生工程の際に、第１槽３１ｂは吸着を行う吸着工程を実施しており、逆に、第１槽３１ａが吸着を行う吸着工程の際に、第１槽３１ｂは脱着を行う再生工程を実施する。第２槽においても同様に、第２槽３２ａが凝縮を行う再生工程の際には、第２槽３２ｂは蒸発を行う吸着工程を実施しており、逆に、第２槽３２ａが蒸発を行う吸着工程の際には、第２槽３２ｂは凝縮を行う再生工程を実施する。
その際の弁の開閉を例示すれば、第１槽３１ａにて再生工程を実施する場合、弁４１および弁４３を開き、弁４２および弁４４を閉じる。
【００２５】
図２に、本発明の燃料電池発電システムの他の一例を示す。図１と同様、家庭用燃料電池発電システムに吸着ヒートポンプシステムを組み合わせた例を示す。
本システムでは、１台の真空ポンプが、燃料改質器４、貯湯槽２の両方と接続されており、かつ、吸着式ヒートポンプ１と接続されている。そして、燃料改質器４および貯湯槽２は、真空断熱層によって断熱されている。
【００２６】
燃料改質器４においては、改質器内部の断熱性を高め、安定した改質効率を維持するために真空断熱層を形成する。この真空断熱層において所定の真空度を維持するために、真空ポンプが必要であり、これと吸着式ヒートポンプ１の真空ポンプを共用することで、システムの小型化を図ることができる。また、貯湯槽２において断熱を施すのは、燃料電池３への送られる循環水が、最適作動温度である約６５℃程度の温度を容易に維持できるようにするためである。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、吸着式ヒートポンプに吸・放湿率が高く、かつ低温でも効率よく吸脱着が可能な吸着剤を用いることにより、コンパクトな発電システムを製作することができる。また、本発明の燃料電池発電システムは、従来の電気・温水だけでなく新たに冷熱を供給できるシステムであり、冷熱を必要とする種々の用途にも有効に活用でき、さらに低コストでシステム構築が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の他の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【図３】吸着式ヒートポンプの作動原理を模式的に示す図である。
【図４】本発明の吸着式ヒートポンプシステムを作動させる場合の具体例を、工程別に示す図である。
【図５】本発明に好適に用いられる吸着式ヒートポンプシステムの構成の一例を示す図である。
【図６】図５に示す吸着式ヒートポンプシステムを作動させる場合の運転方法の一例を示す、運転フローである。
【符号の説明】
１　　吸着式ヒートポンプシステム
２　　貯湯槽
３　　ＰＥＦＣ
４　　改質器（リフォーマ）
１１　再生（脱着）
１２　凝縮器
２１　吸着
２２　蒸発器
３１　第１槽（吸着槽）
３２　第２槽（凝縮器・蒸発器）
【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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