(57)【要約】 【課題】従来の発電・給湯コジェネレーションシステムを複数のユニットに分割し、家庭用として小型で壁掛け可能とし、設置性とメンテナンス性に優れた発電・給湯コジェネレーションシステムを供給することを課題とする。【解決手段】燃料電池からなるモジュール４１と、該燃料電池に燃料ガス、空気及び水を供給する供給部４２と、前記燃料電池が排出した排熱を回収する排熱回収部４３と、前記燃料電池で発生した電力を交流電力に変換して電力系統に接続する電力変換部４４とを同一の容器に収容した発電ユニット４０と、前記発電ユニット４０の排熱回収で生じた温水を蓄える貯湯槽６０と、該貯湯槽６０の温水が不足したときに、該貯湯槽６０に温水を補給する給湯器５０とを具備し、前記貯湯槽６０と前記給湯器５０とが個別に分離して設置されることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、固体酸化物形燃料電池を容器に収容した発電ユニットと、
該発電ユニットの排熱回収で加熱した温水を蓄える貯湯槽と、
該貯湯槽の温水が不足したときに温水を補給する給湯器とを具備し、
前記貯湯槽と前記給湯器とが個別に分離して設置される
ことを特徴とする発電・給湯コジェネレーションシステム。
【請求項２】
前記発電ユニットは、前記燃料電池に燃料ガス、酸素含有ガス及び水を供給する供給手段と、前記燃料電池が排出した排熱を回収する排熱回収手段と、前記燃料電池で発生した電力を交流電力に変換して電力系統に接続する電力変換手段とを前記容器に具備する
ことを特徴とする請求項１に記載の発電・給湯コジェネレーションシステム。
【請求項３】
前記貯湯槽は、軸方向を上下方向とする複数のパイプからなる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の発電・給湯コジェネレーションシステム。
【請求項４】
前記貯湯槽は、前記パイプの上部同士及び下部同士が配管により連結されている
ことを特徴とする請求項３に記載の発電・給湯コジェネレーションシステム。
【請求項５】
前記貯湯槽は、前記一方のパイプの上部と、前記他方のパイプの下部とが配管により連結されている
ことを特徴とする請求項３に記載の発電・給湯コジェネレーションシステム。
【請求項６】
前記貯湯槽は、真空断熱パイプからなる
ことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の発電・給湯コジェネレーションシステム。
【請求項７】
前記容器は、取り外し可能な蓋を有する前方部と、固定可能な側方部とを有する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の発電・給湯コジェネレーションシステム。
【請求項８】
前記貯湯槽が収納される貯湯槽収納容器を具備するとともに、該貯湯槽収納容器上に前記発電ユニットが設置されている
ことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれかに記載の発電・給湯コジェネレーションシステム。
【請求項９】
前記燃料電池の周囲の空気を、前記貯湯槽収納容器内に導入する空気導入手段を具備する
ことを特徴とする請求項８記載の発電・給湯コジェネレーションシステム。
【請求項１０】
前記貯湯槽が、前記貯湯槽収納容器内の上面を支持していることを特徴とする請求項８又は９記載の発電・給湯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】
本発明は燃料電池装置と給湯装置からなる発電・給湯コジェネレーションシステムに関し、更に詳しくは、固体電解質形燃料電池を備える燃料電池装置と貯湯槽を備える給湯装置との発電・給湯コジェネレーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池を用いた電力供給システムは、自動車等の移動体用の電源又は家庭等の居住用の電源として注目され、開発が活発に行われている。家庭用燃料電池においては、家庭の電力をまかなうと同時に、給湯も可能な発電・給湯コジェネレーションシステムとして開発が行われている。これまで家庭では、発電所で発電した電力を使用し、家庭で使用する熱は家庭で発生させて使用していた。このため、発電所で発電の際に発生する熱は有効利用されていないという問題があった。発電・給湯コジェネレーションシステムは家庭で発電することが可能であり、その際に発生する熱を蓄えておくことで有効利用が可能になる。家庭用燃料電池に用いられている燃料電池の種類は、固体高分子形と呼ばれるもので、電解質が高分子で構成されており、プロトン伝導を有している。また、燃料電池自身の動作温度は約８０℃であり、発電に寄与する燃料は水素のみが用いられるという特徴を有している。
【０００３】
この家庭用燃料電池には、一般に、燃料として水素ではなく、家庭にある都市ガスやプロパンといった炭化水素系の燃料が用いられている。このため、複雑な燃料処理の工程が必要とされている。まず、これら家庭に用いられる炭化水素系の燃料は、付臭剤として硫黄成分が用いられている。この硫黄成分は燃料電池セルの電極に悪影響を及ぼす。このため脱硫器とよばれる脱硫触媒が充填された装置で硫黄分が除去される。この後、脱硫された燃料と水道水から作られた純水あるいは発電で生じた水蒸気、水を気体の状態で混合し、改質器と呼ばれる改質触媒が充填された７００℃程度の雰囲気下へ送り込まれる。この改質器により炭化水素系の燃料と水蒸気から主成分の水素、副成分の二酸化炭素、一酸化炭素が生成される。また、この改質後のガスには未反応の炭化水素、水蒸気も含まれる。
【０００４】
上述したような炭化水素系の燃料より水素を作り出すことを改質というが、改質方法には水蒸気改質、部分酸化改質、オートサーマル改質と呼ばれる方法がある。上述した改質は、水蒸気改質に該当し、エネルギー的に最も効率がよい改質方法である。改質器によって燃料の大半を水素に変換できるが、このままでは固体高分子形燃料電池に投入することはできない。副成分である一酸化炭素は固体高分子形燃料電池の電極に悪影響を及ぼし、燃料電池の性能を劣化させてしまうからである。
【０００５】
そこで、シフト反応と呼ばれる反応を利用し、一酸化炭素と水蒸気から二酸化炭素と水素へ転化させる。残った一酸化炭素はＣＯ選択酸化反応により二酸化炭素へと転化させる。これらのプロセスで一酸化炭素はｐｐｍオーダーまで低下し、この後、はじめて固体高分子形燃料電池の燃料として使用することが可能となる。この多量に水素を含んだ燃料とブロワー等によって送られてきた空気とが複数枚直並列に接続された固体高分子形燃料電池セルで反応することにより、直流の電力を発生させる。この直流の電力はＤＣ／ＡＣインバータで交流電力へ変化され、家庭にある電力系統へ接続される。この後、家庭にあるテレビ、冷蔵庫、洗濯機等の電気機器で消費される。また、急激な負荷変動、あるいは停電時の補機の動作に備えてバックアップ電源を備える場合もある。系統との連結には負荷変動、停電等の事故に備えて様々な機能が追加されている（例えば、特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−５２１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一方、固体高分子形燃料電池は、高分子膜を用いているため動作温度を８０℃程度に抑える必要があり、燃料電池セル内部を循環する冷却水を流す必要がある。この冷却水は温度が上昇するため、これを貯湯槽に蓄えるか、又はこれと水道水を熱交換する。これ以外にも燃料電池のオフガスとの熱交換あるいは燃焼、または改質器の燃焼の排ガスとの熱交換により貯湯槽にお湯を蓄える。貯湯槽には７０℃のお湯が蓄えられ、家庭の風呂等に必要な給湯として使われる。また、給湯を使いすぎて貯湯槽のお湯がなくなった場合に備えて追い炊き用の給湯器も備える必要がある。
【０００８】
しかしながら、従来の発電・給湯コジェネレーションシステムは、発電部、改質部、燃料処理部及びガス供給部を備えた発電ユニットと、貯湯槽と、バックアップボイラーおよび燃料電池のための加湿ユニットを備えた貯湯ユニットとから構成されるため、大型で、設置性に問題があった。
【０００９】
上記問題点に鑑み、本発明は、従来の発電・給湯コジェネレーションシステムを複数のユニットに分割し、家庭用として小型で壁掛け可能とし、設置性とメンテナンス性に優れた発電・給湯コジェネレーションシステムを供給することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は、以下の特徴を有する。
請求項１に記載の本発明は、少なくとも、固体酸化物形燃料電池を容器に収容した発電ユニットと、該発電ユニットの排熱回収で加熱した温水を蓄える貯湯槽と、該貯湯槽の温水が不足したときに温水を補給する給湯器とを具備し、前記貯湯槽と前記給湯器とが個別に分離して設置されることを特徴とする発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、発電ユニット、貯湯槽及び給湯器が個別に分離して設置されているため、設置スペースが小さくなり、家庭用として設置する場所への適合性が広がる。さらに、貯湯槽が独立して設置されることにより、水漏れが発生した場合にも、ガス供給部や電力変換装置の電装部へ与える影響がない。
【００１１】
請求項２に記載の本発明は、前記発電ユニットが、前記燃料電池に燃料ガス、酸素含有ガス及び水を供給する供給手段と、前記燃料電池が排出した排熱を回収する排熱回収手段と、前記燃料電池で発生した電力を交流電力に変換して電力系統に接続する電力変換手段とを前記容器に具備することを特徴とする請求項１に記載の発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、前記燃料電池に加え、ガス等の供給手段、排熱回収手段及び電力変換手段等を同一の発電ユニットの容器内に収めるため、さらに設置スペースが小さくなり、家庭用として設置する場所への適合性が広がる。
【００１２】
請求項３に記載の本発明は、前記貯湯槽が、軸方向を上下方向とする複数のパイプからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯槽が例えば略円筒形の複数のパイプであるため、隙間を利用して設置することが可能である。
【００１３】
請求項４に記載の本発明は、前記貯湯槽は、前記パイプの上部同士及び下部同士が配管により連結されていることを特徴とする請求項３に記載の発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯槽の貯湯量を、パイプの数を増減することにより、柔軟に対応することが可能となる。
請求項５に記載の本発明は、前記貯湯槽は、前記一方のパイプの上部と、前記他方のパイプの下部とが配管により連結されていることを特徴とする請求項３に記載の発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯のためのパイプを直列に使用することになるので、お湯と水とが上下二層の状態（成層状態）で蓄えやすくなる。給湯が必要なときに上部のお湯だけを貯湯槽から取り出せるので、比較的小容量の貯湯槽を効率的に用いることができる。貯湯槽を格納する容器の高さを抑制する必要がある場合には、貯湯のためのパイプを直列に使うことが効果的である。
【００１４】
請求項６に記載の本発明は、前記貯湯槽が、真空断熱パイプからなることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯槽としてパイプを複数設置して表面積が増大しても、真空断熱パイプを用いることで熱放散を防ぐことができる。
【００１５】
請求項７に記載の本発明は、前記容器が、取り外し可能な蓋を有する前方部と、固定可能な側方部とを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、発電ユニットを収容する容器を壁掛けタイプ等にすることができるため、設置性にすぐれ、また、前面の蓋が取り外し可能であるため、メンテナンス性を向上することができる。
請求項８に記載の本発明は、前記貯湯槽が収納される貯湯槽収納容器を具備するとともに、該貯湯槽収納容器上に前記発電ユニットが設置されていることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれかに記載の発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯槽を格納する貯湯槽収納容器が架台を兼ねており、その上に発電ユニットを設置する。そのため、発電ユニットと貯湯槽間に存在する温水回収のための配管を最短にできる。発電ユニット、貯湯槽のそれぞれの容器に発電ユニット、貯湯槽間を接続する温水回収の配管を収めてしまうことも可能である。
請求項９に記載の本発明は、前記燃料電池の周囲の空気を、前記貯湯槽収納容器内に導入する空気導入手段を具備することを特徴とする請求項８記載の発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、発電ユニット内には固体酸化物形燃料電池が格納されているため、この燃料電池の周囲の加熱された空気を貯湯槽収納容器内に導入し、貯湯タンク内の放熱損失を低減できる。この際、貯湯タンクと発電ユニットのそれぞれの容器が接続されていれば、発電ユニットの熱を貯湯槽が格納されている容器に容易に引き込むことができる。
請求項１０に記載の本発明は、前記貯湯槽が、前記貯湯槽収納容器内の上面を支持していることを特徴とする請求項８又は９記載の発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯槽自体に発電ユニットの加重を受け止める強度を持たせる。その結果、別途貯湯槽の貯湯槽収納容器に強度のあるフレームを設ける必要がなくなる。もともと、貯湯槽は水圧を受ける強度が必要とされるため、円筒状形状にするのが一般的であるが、上からの加重を支えるためには、例えば、リブつきの円筒構造や角型構造にすることになる。また、フレームを省略できることで、同一の貯湯槽の容器外寸法で、貯湯槽の内容積を増やすこともできる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の発電・給湯コジェネレーションシステムにより、貯湯槽と給湯器を分離して設置するため、家庭用としての設置性に優れ、貯湯槽に貯える湯量に対して柔軟に対応でき、メンテナンス性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一例である発電・給湯コジェネレーションシステムを示す概略構成図である。本発明の発電・給湯コジェネレーションシステムは、燃料電池１に固体電解質形燃料電池を用いている。燃料電池１に必要な酸素源及び燃料となるガスは、送風機１１により家庭にある都市ガス、プロパンガス等が供給される。
空気供給源としてはコンプレッサーなどがあるが、本発明のような家庭用など小型の燃料電池システムでは、消費電力が小さい回転系のブロワーを用いた方が補機の電力損失を小さくできる。
【００１９】
送風機１１は、例えば、固体電解質形燃料電池では出力１ｋＷにつき空気流量を０〜１２０Ｌ／分の範囲で供給できる能力があることが望ましい。実際に燃料電池の反応に必要な空気量は１ｋＷのシステムにつき０〜６０Ｌ／分程度であるが、固体電解質形燃料電池を用いるシステムでは、その高温動作のため、燃料電池の冷却機能も併せ持つ必要がある。このため、発電に必要な空気流量をより多く供給できる能力が必要である。送風機１１の空気供給圧力は高ければ高いほど望ましいが、一般的に消費電力が増大するため、全機器の消費電力の１／３程度以下にするために、供給圧力は２ｋＰａ以下のものになる。
【００２０】
ここでは、圧力が規定されるのではなく、消費電力との関係より市販品のもので選択するとこのような圧力範囲にならざるを得ない。このため、燃料電池装置自身の空気流路の圧力損失も２ｋＰａ以下になるような構成になっている。また、送風機１１には、ごみを除去するようなフィルター、又は木の葉等の大型のごみで吸気口がつまらないようなメッシュ状の吸気口が用いられてもよい。さらに、一般の家庭とは異なる環境、例えば、海岸の近くや雨または雪の多い地区等の環境下では、それに応じたフィルターや吸気口が取り付けられてもよい。送風機１１の流量制御は、回転数を決定する電力の周波数を、例えば、インバーター等のような機器で周波数変換したもの又は電源の電流値若しくは電圧値を変化させて制御を行ってもよい。
【００２１】
この送風機１１で発生した空気は、流量計１２を介して燃料電池１へ供給される。流量計１２は空気流量の検出に使用する。流量指示値とこの値にもとづいて送風機１１の回転数を規定する。また、この流量計１２は、予め、送風機１１の回転数と空気流量との関係を求めておくことで使用しないことも可能である。この場合は、記憶装置等に流量と回転数との関係を記憶させておき、温度等を感知してソフトウェアで回転数を制御することにより、流量計１２を使用しない制御が可能になる。
さらに、流量計１２を介した空気は、燃料電池１の構成に応じて燃料電池１に入る前で分岐されていてもよいし、その内部で分岐されていてもよい。燃料電池にはセルと呼ばれる発電の最小単位があり、これを複数本束ねたものがスタックと呼ばれ、ひとつのユニットになる。このユニットごとに空気を供給してもよい。
【００２２】
各家庭にある都市ガスやプロパン等の燃料ガスは、配管を通して、まず切断弁１３に供給される。この切断弁１３は基本的に燃料電池１が動作しない間は閉ざされており、動作する間は開かれている。閉ざされている間は、燃料電池１に燃料ガスが供給されることはない。また、切断弁１３は、燃料電池１に異常事態が生じた際の緊急停止時にも使用できる。切断弁１３は、都市ガスの供給圧力が２ｋＰａ程度であるため、それ以上の供給圧力に対してガスをシャットアウトできる方がよい。また、切断弁１３は流量制御１４にその機能を組み込むことも可能であり、流量０の設定でガスが遮断できればよい。切断弁１３を介して流入した燃料ガスは、流量制御１４において燃料電池１に適切なガス流量に制御され、燃料電池１に供給される。
【００２３】
流量制御１４は、マスフロコントローラーのように流量を感知しながら、指示値に合致するように制御するもの、又は流量の検知は別で行い、ソレノイドバルブのように電磁弁を比例開閉し流量を制御するものであってもよい。または、昇圧機能を有する流量制御装置であってもよい。この場合はポンプ機能によって圧力を高めるのでその回転数に応じて流量を制御させてもよい。流量を自分自身又は外部から検知することができない機器も、予め、流量制御のバルブの開閉度と燃料の流量との関係を求めておくことで使用することが可能である。この場合は、記憶装置に流量と開度信号を記憶させておき、温度、劣化率、開度のヒステリシス等の構成からソフトウェアにて、燃料の流量を求めることなく制御が可能である。
【００２４】
流量制御１４で流量制御された燃料は、燃料電池１の構成に応じて燃料電池１に入る前で分岐されていてもよいし、その内部で分岐されてもよい。この燃料ガスの分岐には、所定量の流量が流れるように固定された流量制御バルブがついていてもよいし、流量配分が所定量になるような流路設計がなされていてもよい。または流量制御１４が複数装着され各流路ごとに流量を制御してもかまわない。
【００２５】
次に、改質に用いられる水蒸気は、各家庭にある水道水が用いられ、配管を通してまず切断弁１３に供給される。この際、家庭の水道圧は数気圧から５気圧程度まで変動するため、減圧弁によって一定の圧力になるように減圧されてもよい。
切断弁１５は、基本的に燃料電池１が動作しない間は閉じた状態にあり、燃料電池１に水が供給されることはない。切断弁１５は、減圧弁以上の差圧に対して水道水が遮断できるようにする。切断弁１５は流量制御１７にその機能を組み込むことも可能である。切断弁１５を介してきた水道水は、浄水器１６によって純水にろ過される。
浄水器１６は、フィルター、活性炭又はイオン交換樹脂等で構成されており、水道水に含まれるゴミや塩素その他のミネラル成分等が除去される。この浄水器１６は、各地区の水道水の状態が異なるように、その地区に対応した構成にすることも可能である。
【００２６】
切断弁１５を介してきた水道水は、流量制御１７で燃料電池１に適切な水流量に制御され、燃料電池１に供給される。
マスフロコントローラーのように流量を感知しながら、指示値に合致するように制御するもの、又は、流量の検知は別で行い、ソレノイドバルブのように電磁弁を比例開閉し流量を制御するものであってもよい。または、昇圧機能を有する流量制御装置であってもよい。この場合は、ポンプ機能によって圧力を高めるのでその回転数に応じて流量を制御させてもよい。
流量を自分自身又は外部から検知することができない機器も、予め、流量制御のバルブの開閉度と燃料の流量との関係を求めておくことで使用することが可能である。この場合は記憶装置に流量と開度信号との関係を記憶させておき、温度、劣化率、開度のヒステリシス等の構成からソフトウェアにて、燃料の流量を求めることなく、制御が可能である。
【００２７】
流量制御１７は、マスフロコントローラーのように流れる流量を感知しながら指示値に合致するように制御するもの、又は、流量の検知は別で行い、ソレノイドバルブのように電磁弁を比例開閉し流量を制御するものであってもよい。ポンプのように回転式で水を送るようになっていてもよい。流量を自分自身あるいは外部から検知することができない機器も、予め、流量制御のバルブの開閉度と流れる水流量の関係を求めておくことで使用することが可能である。この場合は、記憶装置に流量と開度信号との関係を記憶させておき、温度、劣化率、開度のヒステリシス等の構成からソフトウェアにて、燃料の流量を求めることなく、制御が可能である。
【００２８】
流量制御１７で流量制御された水は、燃料電池１の構成に応じて燃料電池１に入る前で分岐されていてもよいし、その内部で分岐されていてもかまわない。燃料ガスの分岐には、所定量の流量が流れるように固定された流量制御バルブを備えてもよいし、又は、流量配分が所定量になるように流路設計されてもよい。流量制御１７が複数装着され、各流路ごとに流量を制御してもよい。
流量制御１７を介して燃料電池１に導入された水は、燃料電池内部あるいは近接する領域で気化され、水蒸気となって改質部へと供給される。この水蒸気は改質部へ供給される前で燃料ガスと混合されるような構成になっている。基本的には気化部で混合されるのがよい。これは、気化した水蒸気を燃料ガスがキャリアとして搬送するため、効率よく気化した水蒸気を運ぶことが可能となる。
【００２９】
この気化器の構造は、２重管構造でそれぞれの管に水と燃料を流してもよいし、気化する空間を設けて、熱容量の大きい、例えば、セラミックのボールを置くことで気化熱があっても温度変化が小さく、十分に気化させることができ、その空間を燃料ガスが流れキャリアとして改質装置に搬入することができるようにしてもよい。
【００３０】
さらに、燃料電池１からの排ガス中の水蒸気、又は水蒸気と未反応の燃料ガスを、エジェクター構造とすることで切断弁１５、浄水器１６及び流量制御１７が不要なシステムを構成することも可能である。このエジェクター構造とは、燃料ガスをノズルから吹き込む構造のことで、吹き込まれた燃料ガスがオフガス中を通過することにより、所定量のオフガスが燃料ガスに巻き込まれ、水蒸気と未反応の反応ガスと混合される。このときの巻き込まれる水蒸気量を、エジェクター構造にすることにより、新たな水蒸気、これを気化する装置、さらには水蒸気の元になる水道水も不要になる。または、燃料電池１の排ガス中の水蒸気を熱交換等によって凝固させ、再利用することで、切断弁１５、浄水器１６を小型化または不要なシステムとして構成することも可能である。
【００３１】
排ガス中から得られる水は基本的に蒸留水であるため、浄水器を通さなくても燃料電池の水蒸気源として用いることができる。このため、水蒸気として用いる水道水の一部、又は全部をこの排ガスから得られた水に置き換えることで浄水器１６の小型化、又は撤去することが可能となる。この場合は、水圧が働かないためにポンプ等の圧力をあげる装置が必要になる場合もある。
【００３２】
さらに、燃料ガス供給系には、起動又は停止用として酸素を送り込む装置が構成されていてもよい。例えば、ポンプ１８で大気中の空気を加圧圧縮し、切断弁１９を開くことにより、燃料ガス中へ導入される構成である。ポンプ１８にはゴミが入らないようなフィルターを備えてもよい。また、ポンプ１８は空気流量が制御できる構成でもよい。さらに、このポンプ１８はブロワーと呼ばれる送風機であってもよい。このポンプ１８で送られた空気中の酸素は、部分酸化改質とよばれる改質反応に用いられる。これは、起動時は装置内の温度が低いため、水蒸気改質方法を用いた場合は、気化させた水蒸気が装置内で凝縮してしまうため、水蒸気改質に必要な水蒸気が改質部まで届かず、改質反応が起こらなくなるからである。ポンプ１８は起動中、動作し続けてもよいが、運転中は水蒸気改質を行うので、起動から運転への移行を早くするため、装置内に水蒸気が凝固しない状態の温度に達したときは、ポンプ１８の動作を停止し、電磁弁である切断弁１９を閉じて空気の供給を停止し、水蒸気を供給してもよい。移行の期間はこれらを併用してもよい。
【００３３】
さらに、例えば（図示しない）起動用のバーナーを取り付けることで、燃料電池１を暖めることができ、これによって水蒸気を供給しても凝縮しないシステムを構成することも可能である。この場合はポンプ１８、切断弁１９は不要にすることも可能である。
さらに起動時の着火源として、着火装置２４も必要になる。着火装置２４は高電圧の電圧を発生させ、これとアースの部分で放電を行わせることにより、燃料ガスに着火が可能となる。着火装置２４は、燃料電池１の外部に配置され、そこから配線され、放電部分は耐酸化性、耐熱性に強い金属が用いられる。アース部は、燃料電池１の金属の筐体部や配管部又はセル自身とすることでその部分に放電を行わせ、燃焼を行わせる。また、放電を用いずにヒーターを取り付けその熱で着火を行う方式でもよい。このように起動を介して、供給された燃料、水蒸気及び空気により、燃料電池１の内部では電気化学反応により、直流の電力が発生する。燃料電池の場合は電気化学反応であるため、直流の電流値と、燃料ガス流量又は空気流量とは比例関係にある。これは固体電解質中を酸素イオンの形で電気が流れるため、それに含まれる電荷量と酸素イオンの数は比例するからである。このため、電流計２０によって電流値を計測することにより、必要な燃料ガス流量を求めることができる。
【００３４】
この電流計２０は、セルの並列接続の数にあわせて複数設置されていてもよい。この電流計２０は、分流器やシャント抵抗と呼ばれるものを用いてもよいし、インバーター２１に回路的に組み込んで用いてもよい。さらに、インバーター２１への直流入力電圧及び直流入力電流又はインバーターからの交流出力電圧及び交流出力電流と燃料ガス流量、空気ガス流量及び水流量との関係を求めて制御回路内の記憶装置に記憶させておくことで、ソフトウェアで制御可能となり、電流計２１をなくすことも可能である。この場合、燃料電池の動作温度で異なるガス流量、水蒸気流量、空気流量になるので温度補正を加える必要もある。
【００３５】
燃料電池１で生じた直流の電力は、電流計を介してインバーター２１へ供給される。インバーター２１では直流電力が交流電力へ変換される。一般的に、燃料電池の供給電圧は低いためにこの電圧を昇圧するための機能がインバーター２１に含まれていてもよい。この昇圧機能は、昇圧チョッパーと呼ばれる直流電圧を昇圧するもの、又は、インバーターで交流に変換後、交流電圧として昇圧するものであってもよい。
【００３６】
さらに、インバーター２１には電力系統と連結する上で各種保護継電器の機能をも含めてもよい。例えば、燃料電池システムの電圧が異常に上昇した場合には過電圧継電器、燃料電池システムの電圧が異常に低下した場合には不足電圧継電器がある。系統が短絡事故、地絡事故した場合の継電器も含まれてよい。逆潮流がある場合は単独運転防止のために、周波数上昇継電器、周波数低下継電器が必要になり、逆潮流がない場合は、単独運転防止のため、逆電力継電器および周波数低下継電器が必要になる。システム内に各種検知機能がある場合はこれら継電器をなくすことも可能である。
【００３７】
インバーター２１から出力された交流電力は、電力系統及び補機用の電力源として接続される。
バッテリー２２は起動時、電力がない場所でも起動できるようにするため、または負荷電力の変動に対して燃料電池システムが追従できない場合若しくは電力系統が停電した場合に燃料電池システムが停止しないようにするためのものでもある。これについては、コストを重視し、不要なシステムとしてもかまわない。
【００３８】
一方、コジェネレーションシステムのもうひとつの給湯は家庭にある水道水より作られる。本発明の発電・給湯コジェネレーションシステム内では、水道水は、減圧弁２８と混合器３１とに供給される。減圧弁２８は貯湯槽３０内の水圧を一定にするためのものであり、１気圧ないし２気圧の水圧に設定される。この減圧弁２８は混合器３１との分岐前に設置されていてもかまわない。減圧弁２８を通して供給された水道水は貯湯槽３０に蓄えられる。この水をポンプ２９によって燃料電池１の熱交換器に送ることでお湯となって回収できる。ポンプ２９は、熱交換器の温度や燃料電池１の発電量に応じて、回転数の制御またはＯＮ、ＯＦＦ制御により、その間隔を制御することで熱交換させる。回収されたお湯は貯湯槽の上部から蓄えられるため、お湯と水の比重が異なることから交じり合うことなく、お湯と水とが上下２層の状態で蓄えることが可能になる。このとき、お湯の温度は高い貯湯領域で７０〜９０℃程度になる。
【００３９】
このようにお湯を貯湯槽３０の上部に蓄えるため、お湯を使用する場合は、下方から水圧で押され、上方に排水口を設けておけば、お湯のみが得られる仕組みとなっている。また、貯湯槽３０は断熱材で覆われているため、蓄えたお湯からの熱の放出が少なく、高い温度で長時間お湯を蓄えることができる。さらに、貯湯槽３０には排圧弁が設けられており、貯湯槽内で、例えば熱交換により水蒸気が発生し、貯湯槽内の圧力が上昇した場合は、自動的に排水し、圧力を低下させることができる。さらに、排水弁を手動で操作できるようにしておけば、メンテナンス等で貯湯槽３０内の水を抜く際に便利である。貯湯槽３０に蓄えられた高温のお湯は、混合器３１で水道水と混合され、所定の温度に低下される。これにより、やけど等の心配をすることなく、家庭でも十分に使える４０〜６０℃程度のお湯の温度にすることが可能である。さらに、バックアップ用の給湯器３２に供給しても機器をいためることなく使用することが可能になる。
【００４０】
混合器３１で混合されたお湯は給湯器３２へ供給される。給湯器３２はバックアップ用の給湯装置であり、貯湯槽３０のお湯がなくなったときに動作する。混合器３１からでてきたお湯が所定温度の場合には給湯器３２は動作しない。貯湯槽３０内にお湯がなくなり、その結果、混合器３１からの温水温度が低下した場合は給湯器３２が作動し、所定の温度にする。給湯器３２は単能器と呼ばれるお湯を作り出すのみでなく、風呂の追炊き機能、浴室乾燥機能、床暖房機能を有していてもよい。さらに、これらの機能は、給湯器３２に組み込まれていない場合は別途取り付けることも可能である。
【００４１】
以上、本発明のコジェネレーションシステムの基本構成について説明したが、そのほかには、安全装置、制御装置も組み込まれている。安全装置用のセンサーとしてはまず、燃料電池１内にある燃料電池セルの状態を把握するために、電圧をモニターする電圧感知器２６が必要である。この電圧は各セルあるいはセルを複数本束ねたスタック、さらには各スタックを束ねたモジュールであってもよいし、任意のセルあるいは複数箇所をトータル的にモニターしてもよい。さらに、燃焼状態を把握するために燃焼感知器２５も必要である。これは燃料電池内のオフガスを燃焼させているため、炎の整流作用を用いて燃焼を感知する。
【００４２】
さらに、温度を感知する温度感知器２７は重要である。燃料電池モジュール部の温度、改質部の温度、燃焼部の温度、さらには燃料電池１の周囲の温度等も検知される。これら温度の検知には、熱電対、測温抵抗体、バイメタルスイッチ、温度フューズ等が用いられる。これら、電圧感知器２６、燃焼感知器２５、温度感知器２７は安全装置用のセンサーとしてのみでなく、制御用のセンサーとして使用してもよいし、データ採取用の機器として使用してもよい。
【００４３】
データ採取用の機器は、電流又は電力を感知する機器がある。これによって、燃料電池で発電する電力、補機に使われる電力、家庭で使われる電力を把握することができる。さらに、給湯関連に用いられる水量を感知したり、ガスの流量を感知したりする機器によりデータを採取できる。ガスの使用量に関しては、本システムに感知器を備えなくとも、家庭にあるガスメーターからデータを採取できるシステムを構築しておいてもよい。
安全装置には、本システムを室内に配置する場合や装置内にガスがたまる場合に備えてガス感知器３３が設置されていてもよい。このガス感知器３３によって燃料ガスの漏れ、不完全燃焼を感知することができる。
【００４４】
本システム全体の制御は、一箇所に集中して制御してもよいし、インバーター２１の演算機器又は給湯器３２の演算機器を用いて制御することも可能である。複数の制御を配置し、これらの制御間を通信可能にして全体を制御してもよい。
制御はリモコン操作可能とし、家庭の台所、風呂等から運転の指示が可能であり、発電量や貯湯量の表示、更に、電気やお湯の使い方等の指示をしてもよい。さらに、外部との通信機能を備えた場合は、電話回線、ＬＡＮ、光ファイバー、電波等の通信手段により、制御や発電量、貯湯量及びその使用量等の各種データを遠隔地で知ることができる。
【００４５】
本発明の家庭用コジェネレーションシステムは、家庭で使用するエネルギーの基本である電気及びお湯に特化して説明してきたが、種々のエネルギー機器と複合して用いることも可能である。例えば、クーラーやファンヒーター等の空調機器の熱源、電力源又はヒートポンプの熱源、電力源等である。さらに、ガスタービンやガスエンジン等の発電機を組み合わせることにより、更なる発電効率の向上が期待できる。さらに、太陽電池と組み合わせることにより、循環形の燃料が不要、または少量ですむ家庭用コジェネレーションシステムとすることも可能である。これは、昼間は、太陽電池による電力で家庭の電力を供給すると共に、水を電気分解して貯蔵しておくことにより、これをもとに夜間必要な電力を燃料電池で発電し家庭の電力をすべてまかなうことができるため、究極の地球環境にやさしい家庭用発電システムができる。
【００４６】
（実施の形態）
以下に、本発明の発電・給湯コジェネレーションシステムの実施の形態について説明する。
図２は、一般の集合住宅に備えるパイプシャフトに本発明を設置した例を示す図である。集合住宅のパイプシャフト８０は、略直方体の形状を有しており、扉と、ガスメーター、上下水道及びガスの配管が通る空間とからなる。図２に示すように、本実施例では、本発明のコジェネレーションシステムは、発電ユニット４０、給湯器（バックアップボイラー）５０及び貯湯槽６０の３つに分割されてパイプシャフト内に配置されている。発電ユニット４０及び給湯器５０はパイプシャフト８０の扉９０に取り付けられ、貯湯槽６０はパイプシャフト内の配管７０と平行にその空間に配置されている。
【００４７】
このように配置したことで、既存の余剰スペースを有効に活用することができるため、家庭用として設置する場所への適合性が広がる。さらに、貯湯槽６０が独立して設置されることにより、水漏れが発生した場合にも、ガス等の供給部や電力変換器の電装部へ与える影響がなくなる。
【００４８】
貯湯槽６０は、軸方向を上下方向とする略円筒形状の２本のパイプからなり、パイプの上部同士と下部同士がそれぞれに配管６１により連結されるため、個々のパイプが上部及び下部で連通され、一つのタンクのように取り扱うことができる。このようにしたことで、狭い隙間を利用して貯湯槽を設置することが可能となる。また、貯湯槽の貯湯量を、連結するパイプの数を増減することにより、柔軟に対応することが可能となる。また、貯湯槽は、上方から加熱されたお湯を投入し、下方から取り出すため上下方向に温度勾配を有することが望ましい。このためには、パイプの高さと直径との比、即ち、アスペクト比が大きいほど好ましい温度勾配が確保される。
さらに、貯湯槽６０は、保温のために断熱材で覆われた真空断熱パイプからなる。このようにしたことで、貯湯槽としてパイプを複数設置して表面積が増大しても、真空断熱パイプを用いることで熱放散を防ぐことができる。
【００４９】
図３は、本発明の発電ユニット内部の構成を示す図である。図３に示すように、発電ユニット４０は、容器内に、固体酸化物形燃料電池セルを収容するモジュール（燃料電池）４１と、このモジュール４１に都市ガスや水、空気を供給する供給部４２と、排気ガスより排熱を回収する排熱回収部４３と、燃料電池で発生した電力を交流電力に変換し、電力系統と接続するパワーコンディアショナ（電力変換器）４４と、供給する水を純水に替えるための純水装置４５とを具備して構成されている。供給部４２は、空気を供給する送風機、その流量を計測する流量計、水道水の切断弁、流量制御装置、都市ガスの切断弁、流量制御装置等を具備している。排熱回収部４３は、熱交換器、ポンプ等を具備している。パワーコンディショナ４４は、電流計、バッテリー、インバーター等を具備している。純水装置４５は、水を純粋に替える浄水器等を具備している。
【００５０】
この発電ユニット４０は、容器の側方部でパイプシャフトの扉に固定し、前方部には、発電ユニットの内部が視認できるように取り外しが可能な蓋を有している。蓋を有することで、パイプシャフトの扉を開けることなく、蓋を取り外して発電ユニットの内部が視認でき、メンテナンス時に容易に部品の交換ができるようになる。尚、パイプシャフトの外部から発電ユニット内部を視認できなくても、扉の内側面に発電ユニットと給湯器を設けることができる。
尚、上記形態では、貯湯槽６０を、略円筒形状の２本のパイプから構成し、パイプの上部同士と下部同士をそれぞれに配管６１により連結したが、本発明では、図４に示すように、貯湯槽７５を、一方のパイプ７５ａの上部と、他方のパイプ７５ｂの下部とを配管７５ｃにより連結して構成しても良い。また、パイプの数は２本に限定されるものではなく、３本以上であっても良い。このような貯湯槽７５では、貯湯のためのパイプ７５ａ、７５ｂを直列に接続して使用することになるので、お湯と水とが上下二層の状態（成層状態）で蓄えやすくなり、給湯が必要なときに上部のお湯だけを貯湯槽から取り出しやすいので、比較的小容量の貯湯槽を効率的に用いることができる。
図５は、本発明の他の形態を示すもので、この発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯槽７６が収納される貯湯槽収納容器７７を具備するとともに、該貯湯槽収納容器７７上に発電ユニット４０が設置されている。発電ユニット４０の容器４０ａ内には、上記したように、燃料電池４１，供給部４２と、排熱回収部４３と、パワーコンディアショナ（電力変換器）４４と、純水装置４５が収容されている。
そして、容器４０ａには、外部からの空気を取り入れる導入孔８１が形成されており、また、容器４０ａ及び貯湯槽収納容器７７にはそれぞれ連通孔８３が形成され、さらに、貯湯槽収納容器７７の下部には、空気を導出する導出孔８５が形成されている。連通孔８３に設置されたファンが回転することにより、導入孔８１から空気が容器４０ａ内に導入され、燃料電池４１の周囲の加熱された空気が連通孔８３を介して貯湯槽収納容器７７に供給され、導出孔８５から排出される。
また、貯湯槽収納容器７７内には、貯湯槽７６を構成するパイプ７６ａ、７６ｂが収容されており、これらのパイプ７６ａ、７６ｂの上下面が、貯湯槽収納容器７７の上下の内壁面に当接し、貯湯槽収納容器７７上に設置された発電ユニット４０を支持している。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯槽７６を格納する貯湯槽収納容器７７が架台を兼ねており、その上に発電ユニット４０を設置するため、発電ユニット４０と貯湯槽７６間に存在する温水回収のための配管を最短にできる。
また、発電ユニット４０内の加熱された空気を貯湯槽収納容器７７内に導入し、貯湯槽７６内の放熱損失を低減できる。
さらに、貯湯槽７６自体に発電ユニット４０の加重を受け止める強度を持たせることができ、貯湯槽収納容器７７に強度のあるフレームを設ける必要がなくなり、安価で小型のシステムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一例である発電・給湯コジェネレーションシステムを示す概略構成図である。
【図２】一般の集合住宅に備えるパイプシャフトに本発明を設置した例を示す図である。
【図３】本発明の発電ユニット内部の構成を示す図である。
【図４】一方のパイプの上部と他方のパイプの下部を配管により連結した状態を示す図である。
【図５】本発明の他の形態を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  燃料電池
３０、６０  貯湯槽
３２、５０  給湯器
４０  発電ユニット
４１  モジュール（燃料電池）
６１  接合部（連接部）
７０  配管パイプ
４０ａ  容器
７５、７６  貯湯槽
７５ａ、７５ｂ、７６ａ、７６ｂ  パイプ
７５ｃ  配管
７７  貯湯槽収納容器
【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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