(57)【要約】【課題】従来よりは熱利用効率が高いが単純化されたシステムで、かつ既存住宅を含めた各住戸への普及が容易な、所定地域内または共同住宅内に設置する燃料電池コジェネレーションシステムとその運転方法を提供する。【解決手段】燃料電池発電装置の排熱を、熱回収用循環水配管６２を介して温水として蓄熱する各住戸貯湯槽６１と、所定地域内または共同住宅内に設けた共同貯湯槽７７と、熱回収用循環水配管から分岐して熱回収用循環水を共同貯湯槽の上方に導入する配管７６と、共同貯湯槽の下方から各住戸貯湯槽の下方に熱回収用循環水を還流する配管８２と、共同貯湯槽の上方から各住戸貯湯槽の上方に熱回収用循環水を還流する配管７９とを備え、各住戸貯湯槽内の温水温度が所定値に達した際には、熱回収用循環水配管から共同貯湯槽に温水を通流して、共同貯湯槽を介して放熱するようにし、かつ、共同貯湯槽内の温水を有効利用可能とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池発電装置の排熱を、熱回収用循環水配管を介して貯湯槽に供給し、貯湯槽内の温水温度が所定値に到達した際には、放熱器を介して放熱する前記燃料電池発電装置を、所定地域内または共同住宅内の各住戸に設置してなる燃料電池コジェネレーションシステムの運転方法において、
前記所定地域内または共同住宅内に、前記各住戸に設置された各貯湯槽（各住戸貯湯槽）と配管接続された共同貯湯槽を設け、前記各住戸貯湯槽内の温水温度が所定値に達した際には、前記熱回収用循環水配管又は前記各住戸貯湯槽から共同貯湯槽に温水を供給して、前記温水の熱を該住戸以外で利用可能とした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の運転方法。
【請求項２】
請求項１に記載の運転方法において、前記共同貯湯槽内の温水温度と各住戸貯湯槽内の温水温度とを比較して、共同貯湯槽内の温水温度が高い場合には、共同貯湯槽内の温水を各住戸貯湯槽を介して各住戸で有効利用可能とした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の運転方法。
【請求項３】
請求項２に記載の運転方法を実施するための燃料電池コジェネレーションシステムであって、燃料電池発電装置の排熱を、熱回収用循環水配管を介して供給し温水として蓄熱する各住戸貯湯槽と、前記所定地域内または共同住宅内に設けた共同貯湯槽と、前記熱回収用循環水配管から分岐して熱回収用循環水を共同貯湯槽の上方に導入する配管と、前記共同貯湯槽の下方から各住戸貯湯槽の下方に熱回収用循環水を還流する配管と、前記共同貯湯槽の上方から各住戸貯湯槽の上方に熱回収用循環水を還流する配管とを備え、さらに、前記請求項２に記載の運転方法を制御するための温度計，切替弁および制御装置とを備えた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４】
請求項３に記載の燃料電池コジェネレーションシステムにおいて、前記制御装置は、前記共同貯湯槽の温水温度が所定値に達した際には、共同貯湯槽の温水を排出して放熱する機能を備えた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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、所定地域内または共同住宅内に設置する燃料電池コジェネレーションシステムとその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置の排熱を給湯に有効利用する燃料電池コジェネレーションシステムの普及が近年期待されている。燃料電池発電装置に組み込まれる燃料電池としては、電解質の種類、改質原料の種類等によって異なる種々のタイプがあるが、例えば、固体高分子膜を電解質として用い、その運転温度が約８０℃と比較的低いタイプの燃料電池として、固体高分子電解質型燃料電池がよく知られている。
【０００３】
この固体高分子電解質型燃料電池は、リン酸型燃料電池と同様に、例えばメタンガス（都市ガス）等の炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを、燃料電池の燃料極および空気極にそれぞれ供給し、電気化学反応に基づいて発電を行うものである。また、原燃料を燃料ガスへ改質するに際しては、原燃料に水蒸気を加え燃料改質器で触媒により改質を促進する方法が採用されている（前記基本的システム構成は、例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
前記改質を定常的に行なうには、所要の水蒸気量を定常的に補給する必要があり、水蒸気の供給装置には、これに対応した水を常時補給する必要がある。なお、使用する水は高純度の水であることが必要であり、イオン交換式の水処理装置で不純物を除去したイオン交換水が用いられるのが通例である。
【０００５】
一方、燃料電池の電気化学反応では発電生成水が生じ、また燃料改質器では吸熱反応である水蒸気改質反応を定常的に行なうための触媒加熱用の燃焼に伴い燃焼生成水が生じるが、これらの生成水は通常の水道水に比べて不純物が少なく、これらの生成水を原水として用いれば、水処理装置の負荷を軽減することができるため、回収水タンクおよび排ガス冷却器を付加して、これらの生成水を回収して改質水蒸気発生用の供給水とする方法が、通常採用されている。
【０００６】
また、燃料電池の電気化学反応では反応に伴って熱が発生し、この排熱エネルギーの一部は、貯湯槽に温水として貯え、給湯もしくは暖房に供される。
【０００７】
図３は、都市ガスを原燃料とする従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の一例を示す系統図であり、特許文献１に開示されたものに対して、電池冷却水系機器や回収水機器等々を追加して、より詳細なシステム構成を示す。
【０００８】
図３において、模式的に示した燃料電池１は、燃料極１ａと空気極１ｂとを有する単位セルを複数個重ねる毎に、図示しない冷却管または冷却溝を有する冷却板１ｃを配設，積層することにより構成されている。
【０００９】
原燃料はまず改質用水蒸気とともに改質器３に供給され、以下の反応により、水素と一酸化炭素に改質される。改質用の触媒としては、貴金属系触媒またはニッケル系触媒が用いられる。
【００１０】
CH4＋H2O→3H2＋CO  （吸熱反応）
その後、この改質ガスは、ＣＯ変成器４に供給され、以下の反応により、改質ガス中の―酸化炭素は１％程度まで低減される。ＣＯ変成用触媒としては、貴金属系触媒または銅−亜鉛系触媒が用いられる。
【００１１】
CO＋H2O→H2＋CO2  （発熱反応）
その後、さらにＣＯ除去器５に供給され、図示しない選択酸化空気ブロアによって供給された空気によりＣＯを選択酸化する以下の反応により、改質ガス中の一酸化炭素は10ppm程度まで低減された後、燃料電池の燃料極１ａに供給される。
【００１２】
CO＋1/2O2→CO2  （発熱反応）
上記の如く、改質器３において改質反応を行う場合、水蒸気を供給する必要があり、固体高分子型燃料電池発電装置では、その熱源として改質器３の燃焼排ガスの顕熱，ＣＯ変成器４及びＣＯ除去器５の反応熱を利用するのが一般的である。そのため、電池冷却水循環ポンプ５４にて供給される改質用水を、ＣＯ変成器４，ＣＯ除去器５，水蒸気発生器２４の各反応器を直列に順次流すための改質用水蒸気供給ライン２５を設け、前記各反応器から熱を受けて水蒸気とし、この水蒸気と原燃料とを混合して、改質用水蒸気供給ライン２５から改質器３へ導入する構成としている。なお、図３においては、ＣＯ変成器４，ＣＯ除去器５への前記改質用水の通流ラインを省略している。
【００１３】
又、上記の各反応器は触媒による化学反応を行うため、燃料電池発電装置の起動時には、適正な温度に予め昇温する必要がある。
各反応器の適正な温度は以下のとおりである。改質器：500〜700℃、ＣＯ変成器：200〜300℃、ＣＯ除去器：100〜250℃である。
【００１４】
このため、改質器３は、燃料電池の排水素供給ライン１９から供給される水素を改質器内に設置されているバーナで燃焼させることで、通常時は加熱されているが、起動時には原燃料をバーナで燃焼させることにより昇温している。また、改質器の燃焼排ガスにより水蒸気発生器２４も昇温している。一方、ＣＯ変成器４とＣＯ除去器５とは、それぞれが個々に備える図示しない電気ヒータにより昇温している。前記バーナには、燃焼空気ブロア６により、燃焼用空気が導入される。なお、７は、燃料電池本体の空気極に反応用の空気およびＣＯ除去器におけるＣＯ選択酸化用の空気を供給するための反応空気ブロアである。
【００１５】
また、都市ガスは、都市ガス昇圧ブロア２７により、まず脱硫器２へ導入され、都市ガス内に含まれる硫黄成分が除去された後、改質器３の触媒反応器へ導入され、前記燃焼排ガスにより熱の供給を受けながら改質され、水素リッチな燃料ガスとなる。
【００１６】
次に、図３における燃料電池の冷却水系機器５０および回収水系機器３０について以下に述べる。冷却水系機器５０は、電池冷却水冷却器５１と、カソードオフガス冷却器５２と、燃焼排ガスの排ガス冷却器５３と、純水タンク５５と、電池冷却水循環ポンプ５４、その他配管等を含む。
【００１７】
燃料電池１は、前述のように約８０℃で運転され、前記電池冷却水循環ポンプ５４によって、純水タンク５５から通流される水によって冷却され、電池冷却水冷却器５１によって除熱される。電池冷却水冷却器５１には、図３には図示しない貯湯槽に接続される循環水導出ライン５６から供給される、例えば約５０℃の水が導入され、ここで電池冷却水を冷却した水は、その後、カソードオフガス冷却器５２および燃焼排ガスの排ガス冷却器５３を経由して、例えば約６０℃〜７０℃に昇温されて、循環水導入ライン５７から前記貯湯槽に還流する。前記純水タンク５５には、液面計が設けてあり、液面が下限に到達した際には、後述する回収水が、水処理装置３５を介して、間歇的に補給される。
【００１８】
次に、回収水系機器３０について述べる。回収水系機器３０は、回収水タンク３１と、回収水ポンプ３３と、回収水冷却器３４等からなる。前記回収水タンク３１の上部には、カソードオフガス冷却器５２および燃焼排ガスの排ガス冷却器５３により冷却されたオフ空気および燃焼排ガスが導入され、空気およびガス中の含有水分を、上部に設けた散水装置から冷却水を散布することにより凝縮して、回収水タンク３１の下部に回収する。この回収水を、回収水冷却器３４により冷却して、前記散水装置に導入する。この散水装置の後段には、ラシヒリング等の充填層を備えた冷却水直接接触式凝縮器を設ける場合もある。
【００１９】
この場合、水蒸気を含むオフ空気と燃焼排ガスを、図３には図示しない充填層下部から上方に通流し、一方、上部から回収水冷却器３４で冷却された４０℃程度の回収水を散水して、充填層部分でガスと冷却水を直接接触させながら、空気およびガス中の水蒸気分を凝縮・回収するものであり、簡単な構造で、回収効率が向上する利点がある。
【００２０】
上記回収水は、前述のように、水処理装置で純化され補給水として用いられる。なお、回収水タンク３１の下部にも液面計が設けられ、回収水タンク内の水が不足した場合には、補給水として市水（水道水）が供給され、この市水は水処理装置で純化される。
【００２１】
ところで、近年、新エネルギー政策促進の観点から、小容量固体高分子型燃料電池発電装置の開発が急速に進展し、家庭や小規模事業所等に設置する検討が進められている。これらの設置先では，小容量固体高分子型燃料電池発電装置が電力を発生する際に付随して生じる約７０℃の温水を、貯湯槽に蓄熱し浴場や厨房に給湯するコージェネレーションを行つて、経済メリットを発生させるのが一般的である。
【００２２】
図２は従来の各住戸に設置される貯湯槽を備えた燃料電池コジェネレーションシステムの概略システム構成を示す図であって、前記図３と同様のシステムに関して、本発明の説明の便宜上、貯湯槽の系統に着目した概略図である。図２において、図３に示した構成部材と同一機能を示す部材には、同一番号を付してその詳細説明を省略する。
【００２３】
市水配管７３から市水の供給を受ける各住戸貯湯槽６１は、熱回収用水を、温水ポンプ６３により循環水導出ライン５６から導出し、熱回収用循環水配管６２を介して、循環水導入ライン５７から前記各住戸貯湯槽６１に還流する。この熱回収用水は、燃料電池冷却水６６，燃料電池排空気６８及び改質器燃焼排ガス７０から、それぞれ熱交換器５１，５２，５３を介して各排熱を受け取り、温水となる。この温水は、通常は、循環水導入ライン５７から導入されて住戸貯湯槽６１に貯湯され、給湯配管７４を介して、給湯される。
【００２４】
上記システムにおいて、発電継続中に、各住戸貯湯槽６１の温水温度レベルが一定値以上に達したことを貯湯槽循環水温度検出器としての温度計９１が検知した場合には、切替弁としての三方調節弁７１により、熱回収用循環水配管６２の熱回収用水の経路をバイパスライン７２に通流する経路に切り替え、さらに温水冷却器６４を作動して熱回収用水を冷却し、燃料電池発電装置が適正温度で運転できるように制御される。
【００２５】
上記のように、従来の貯湯槽を備えた燃料電池コジェネレーションシステムにおいては、給湯の需要が比較的少なく、燃料電池発電装置の排熱が余剰となった場合に、この燃料電池発電装置の排熱を温水冷却器６４で放出する必要があり、このような無駄な放熱に加え、前記温水冷却器６４を稼動させるエネルギの無駄もあり、全体として熱利用効率が悪い問題があった。
【００２６】
上記熱利用効率を改善するためのコジェネレーションシステムとして、特許文献２に記載されたものが知られている。特許文献２に開示されたシステムは、同公報の記載によれば、「電力会社から供給される商用電力と、分散型発電装置から発生する電力とを併用する一方、該分散型発電装置からの廃熱を給湯に利用するコジェネレーションシステムであって、ガス会社から供給されるガスをエネルギー源として使用する、前記分散型発電装置、前記分散型発電装置及び商用電力からの電力の供給を制御する電力コントローラ、ガス会社からのガスの供給を制御するガスコントローラ、前記分散型発電装置からの廃熱により得られた湯を貯蔵する貯湯槽、及び、前記分散型発電装置、電力コントローラ及びガスコントローラを制御する、システムコントローラを備えている、コジェネレーションシステム。」である。
【００２７】
しかしながら、特許文献２に開示されたシステムの場合、システムコントローラによって、対象とする各家庭の電力，ガス，給湯の全てを集中的に監視することにより、全体として経済性を重視したコントロールを行う集中管理方式を採用しているので、設備規模が大きく、かつ制御システムが複雑である。また、前記集中管理方式のために、集中管理設備と各住戸とのユーティリティの接続を考えると、この集中管理方式のシステムは、既存住宅には適用し難い面がある。
【００２８】
即ち、上記システムは、小容量の燃料電池コジェネレーションシステムの各住戸への普及を考えた場合、普及のハードルが高い問題がある。
【特許文献１】特開２００２−１２４２８８号公報（第２−３頁、図３）
【特許文献２】特開２００２−２８１５６８号公報（第２−５頁、図１，図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
この発明は上記の点に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、従来よりは熱利用効率が高いが単純化されたシステムで、かつ既存住宅を含めた各住戸への普及が容易な、所定地域内または共同住宅内に設置する燃料電池コジェネレーションシステムとその運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
上記課題は、以下により達成される。即ち、請求項１の発明によれば、燃料電池発電装置の排熱を、熱回収用循環水配管を介して貯湯槽に供給し、貯湯槽内の温水温度が所定値に到達した際には、放熱器を介して放熱する前記燃料電池発電装置を、所定地域内または共同住宅内の各住戸に設置してなる燃料電池コジェネレーションシステムの運転方法において、前記所定地域内または共同住宅内に、前記各住戸に設置された各貯湯槽（各住戸貯湯槽）と配管接続された共同貯湯槽を設け、前記各住戸貯湯槽内の温水温度が所定値に達した際には、前記熱回収用循環水配管又は前記各住戸貯湯槽から共同貯湯槽に温水を供給して、前記温水の熱を該住戸以外で利用可能としたことを特徴とする。
【００３１】
また、上記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２の発明が好ましい。即ち、請求項１に記載の運転方法において、前記共同貯湯槽内の温水温度と各住戸貯湯槽内の温度温度とを比較して、共同貯湯槽内の温水温度が高い場合には、共同貯湯槽内の温水を各住戸貯湯槽を介して各住戸で有効利用可能としたことを特徴とする。
【００３２】
上記のように、共同貯湯槽内の温水を各住戸貯湯槽を介して各住戸で有効利用可能とすれば、所定地域内または共同住宅内全体として熱利用効率が向上する。また、各住戸間の共同貯湯槽を介した熱の授受は無償とすれば、制御システムが極めてシンプルとなり、従来よりは熱利用効率が高いが単純化されたシステムとなり、既存住宅を含めた各住戸への普及が容易となる。詳細は後述する。
【００３３】
さらに、前記運転方法を実施するための装置としては、下記請求項３ないし４の発明が好ましい。即ち、請求項２に記載の運転方法を実施するための燃料電池コジェネレーションシステムであって、燃料電池発電装置の排熱を、熱回収用循環水配管を介して供給し温水として蓄熱する各住戸貯湯槽と、前記所定地域内または共同住宅内に設けた共同貯湯槽と、前記熱回収用循環水配管から分岐して熱回収用循環水を共同貯湯槽の上方に導入する配管と、前記共同貯湯槽の下方から各住戸貯湯槽の下方に熱回収用循環水を還流する配管と、前記共同貯湯槽の上方から各住戸貯湯槽の上方に熱回収用循環水を還流する配管とを備え、さらに、前記請求項２に記載の運転方法を制御するための温度計，切替弁および制御装置とを備えたことを特徴とする（請求項３）。
【００３４】
また、前記請求項３に記載の燃料電池コジェネレーションシステムにおいて、前記制御装置は、前記共同貯湯槽の温水温度が所定値に達した際には、共同貯湯槽の温水を排出して放熱する機能を備えたことを特徴とする（請求項４）。
【００３５】
上記請求項４の発明によれば、共同貯湯槽の温水を排出して必要な放熱が可能となるので、従来システムにおける温水冷却器（図２の６４）を省略することができる。従って、各住戸に設ける装置が簡略化されると共に、所定地域内または共同住宅内全体として熱利用効率の向上が図れる。なお、温水冷却器を設けないシステムの場合、排出した温水は、単純に外部へ排水せずに、季節にもよるが、プールや池等の加熱に用いるなどの有効利用を図ることができる。
【発明の効果】
【００３６】
この発明によれば、従来各住戸に設置されていた貯湯槽の温水需要が飽和して、所定の温水温度に到達した場合でも、排熱を無駄にすることなく発電を継続することができ、かつ、共同貯湯槽に温水を貯めることにより、各住戸の貯湯槽で温水が不足した場合に、共同貯湯槽から温水の供給を受けることにより給湯が可能になる。また、共同貯湯槽から必要な放熱を行うようにすることにより、各住戸に設置される温水冷却器を省略することも可能となる。
【００３７】
上記により、従来よりは熱利用効率が高いが単純化されたシステムとなり、既存住宅を含めた各住戸への普及が容易な、所定地域内または共同住宅内に設置する燃料電池コジェネレーションシステムとその運転方法が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
次に、この発明の実施形態に関して、図１に基いて説明する。図１は、この発明の実施形態に関わる燃料電池コジェネレーションシステムの概略システム系統図である。なお、図１において、図２に示した部材と同一機能部材には、同一番号を付してその詳細説明を省略する。
【００３９】
図１において、図２と異なる主な点は、共同貯湯槽７７と、熱回収用循環水配管６２から分岐して熱回収用循環水を共同貯湯槽７７の上方に導入する配管７６と、共同貯湯槽７７の下方から各住戸貯湯槽６１の下方に熱回収用循環水を還流する配管８２と、共同貯湯槽７７の上方から各住戸貯湯槽６１の上方に熱回収用循環水を還流する配管７９とを設けた点である。なお、配管の配置に上下の差を設ける理由は、各貯湯槽内の温水に、自然対流に基づく上下の温度分布が存在するからである。例えば、共同貯湯槽７７内の下方の温度の低い水が、各住戸貯湯槽６１内の上方の温度の高い温水と混合しないように配管構成を行う。
【００４０】
また、図１においては、前記請求項２に記載の運転方法を制御するための温度計（９２および９３），切替弁（７５および８１）および図示しない制御装置とを備える。さらに、必要に応じて、ポンプ（７８および８３）を設ける。なお、部番８０は、図１に示した住戸とは異なる住戸への共同貯湯槽７７からの温水供給配管を示す。
【００４１】
図１の構成によれば、切替弁７５によって配管７６に切り替えることにより、温水の貯湯先を各住戸貯湯槽６１から共同貯湯槽７７に切り替える。これにより、各住戸貯湯槽６１の温水温度が所定温度に到達した場合でも、温水は共同貯湯槽７７に貯湯され、排熱を温水冷却器６４で捨てる必要がなくなり、従ってシステム全体として熱利用効率が向上する。
【００４２】
また、各住戸の貯湯槽で温水が不足した場合であって、温度計９３の計測値が温度計９２の計測値より高い場合、共同貯湯槽７７に貯湯された温水がポンプ７８により配管７９から各住戸貯湯槽の上方へ供給される。これにより、共同貯湯槽７７の温水が、各住戸で有効利用できる。
【００４３】
さらに、共同貯湯槽７７から必要な放熱を行うようにすることにより、各住戸に設置される温水冷却器６４を省略することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】この発明の実施形態に関わる燃料電池コジェネレーションシステムの概略システム系統図。
【図２】従来の燃料電池コジェネレーションシステムの概略システム系統図。
【図３】従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の一例を示す系統図。
【符号の説明】
【００４５】
６１    各住戸貯湯槽
６２    熱回収用循環水配管
６４    温水冷却器
７１，７５，８１    切替弁
７６，７９，８２    配管
７７    共同貯湯槽
９１，９２，９３    温度計
【図１】
2005093127.tif 000003
【図２】
2005093127.tif 000004
【図３】
2005093127.tif 000005