(57)【要約】【課題】水素タンクの加熱・冷却を簡素に行える燃料電池システム及びこれを用いた給湯システムを提供する。【解決手段】燃料電池水素タンク一体型ユニット１１０は、燃料電池モジュール１５０と、水素タンク１４０とを備える。燃料電池モジュール１５０の発電の際に燃料電池モジュール１５０から発生した熱は、第一の熱媒体層１８３、第一の空気層１９２、第二の熱媒体層１８５を介して水素タンク１４０に伝達される。水素タンク１４０は水素貯蔵材を備え、燃料電池モジュール１５０から伝達された熱によって水素を放出し、放出された水素を利用して燃料電池モジュール１５０が発電を行う。第一の中空部材１７４には第一の空気層１９２に含まれる空気の量を調節する第一の真空度調節装置１９６が取り付けられ、真空度の調節によって空気層１９２の熱伝導率が調節できる。これによって燃料電池モジュール１５０から水素タンク１４０への熱の伝達を調節できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
第一の空気層を備える第一の中空部材と、
前記燃料電池と前記第一の中空部材との間にあって前記燃料電池および前記第一の中空部材と熱の交換を行う第一の熱媒体層と、
第二の空気層を備える第二の中空部材と、
水素貯蔵材を備える水素タンクと、
前記水素タンクを取り囲み前記第一の中空部材と前記第二の中空部材との間にあって前記第一の中空部材、前記第二の中空部材および前記水素タンクと熱の交換を行う第二の熱媒体層と、
前記第一の空気層の真空度を調節する第一の真空度調節装置と、
前記第二の空気層の真空度を調節する第二の真空度調節装置と、を備え、
前記第一の真空度調節装置が前記第一の空気層の真空度を調節して前記第一の熱媒体層から前記第二の熱媒体層への熱の供給量を調節するとともに、前記第二の真空度調節装置が前記第二の空気層の真空度を調節して前記第二の熱媒体層からの熱の散逸量を調節することにより、前記水素貯蔵材が放出する水素量を調節し、
放出された水素を用いて前記燃料電池が発電を行う、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池が前記第一の熱媒体層に取り囲まれ、
前記第一の熱媒体層が前記第一の中空部材に取り囲まれ、
前記第一の中空部材が前記第二の熱媒体層に取り囲まれ、
前記第二の熱媒体層が前記第二の中空部材に取り囲まれている、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第一の熱媒体層は、前記燃料電池から放出された水または水蒸気を含む、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第二の熱媒体層は、金属を含む、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水素タンクへの水素の供給と前記水素タンクからの水素の回収を行うサブ水素タンクを備える、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池は固体酸化物型燃料電池である、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水素貯蔵材は水素化マグネシウムを含む、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記水素貯蔵材は酸化ニオブを含む、
ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池システムと、
前記燃料電池システムから水または水蒸気が供給される第一の水槽と、
前記第一の水槽に水を供給する第一の水供給源と、
前記第一の水槽から水が供給される第二の水槽と、を備え、
前記燃料電池システムは、
燃料電池と、
第一の空気層を備える第一の中空部材と、
前記燃料電池と前記第一の中空部材との間にあって前記燃料電池および前記第一の中空部材と熱の交換を行う第一の熱媒体層と、
第二の空気層を備える第二の中空部材と、
水素貯蔵材を備える水素タンクと、
前記水素タンクを取り囲み前記第一の中空部材と前記第二の中空部材との間にあって前記第一の中空部材、前記第二の中空部材および前記水素タンクと熱の交換を行う第二の熱媒体層と、
前記第一の空気層の真空度を調節する第一の真空度調節装置と、
前記第二の空気層の真空度を調節する第二の真空度調節装置と、を備え、
前記第一の真空度調節装置が前記第一の空気層の真空度を調節して前記第一の熱媒体層から前記第二の熱媒体層への熱の供給量を調節するとともに、前記第二の真空度調節装置が前記第二の空気層の真空度を調節して前記第二の熱媒体層からの熱の散逸量を調節することにより、前記水素貯蔵材が放出する水素量を調節し、
放出された水素を用いて前記燃料電池が発電を行うとともに前記第一の水槽に水または水蒸気を供給する、
ことを特徴とする給湯システム。
【請求項１０】
前記第二の中空部材に接触する水層を備え、
前記第二の水槽から前記水層に水が供給され、
前記水層から前記第一の水槽に水が供給され、
前記第一の真空度調節装置は、前記第二の空気層の真空度を調節することによって前記第二の熱媒体層から前記水層への熱の供給量を調節する、
ことを特徴とする請求項９に記載の給湯システム。
【請求項１１】
前記第二の水槽に水を供給する第二の水供給源を備える、
ことを特徴とする請求項９または１０に記載の給湯システム。
【請求項１２】
前記水層に水を供給する第三の水供給源を備える、
ことを特徴とする請求項１０または１１に記載の給湯システム。
【請求項１３】
前記水層を覆う断熱層を備える、
ことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の給湯システム。
【請求項１４】
前記第一の水供給源から前記第一の水槽への供給水量を調節する第一の水量調節装置を備える、
ことを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか一項に記載の給湯システム。
【請求項１５】
前記第二の水供給源から前記第二の水槽への供給水量を調節する第二の水量調節装置と、
前記第一の水槽から前記第二の水槽への供給水量を調節する第三の水量調節装置と、
を備える、
ことを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の給湯システム。
【請求項１６】
前記第三の水供給源から前記水層への供給水量を調節する第四の水量調節装置を備える、
ことを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか一項に記載の給湯システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び給湯システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は水素と酸素との化学反応により発電を行う。発電の際に発生する水と熱とを利用した燃料電池給湯コジェネレーションシステムが一般家庭等で使用されている。
【０００３】
特許文献１には、水素貯蔵材料を備えた水素タンクから水素を放出させ、燃料電池に供給することによって発電を行う燃料電池システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−９７０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池の発電量を制御するためには、水素の供給量を制御する必要がある。水素貯蔵材料を備えた水素タンクの場合、水素タンクの加熱・冷却によって水素の放出量を制御することができる。
【０００６】
燃料電池給湯コジェネレーションシステムは、燃料電池の発電の際の熱のみならず、その他の付随装置から放出される熱も回収利用する。水素タンクの加熱・冷却のために新たに装置を設ける等、装置が複雑化すれば、熱の回収効率が低下する。
【０００７】
本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、水素タンクの加熱・冷却を簡素に行える燃料電池システム及びこれを用いた給湯システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第一の観点に係る燃料電池システムは、
燃料電池と、
第一の空気層を備える第一の中空部材と、
前記燃料電池と前記第一の中空部材との間にあって前記燃料電池および前記第一の中空部材と熱の交換を行う第一の熱媒体層と、
第二の空気層を備える第二の中空部材と、
水素貯蔵材を備える水素タンクと、
前記水素タンクを取り囲み前記第一の中空部材と前記第二の中空部材との間にあって前記第一の中空部材、前記第二の中空部材および前記水素タンクと熱の交換を行う第二の熱媒体層と、
前記第一の空気層の真空度を調節する第一の真空度調節装置と、
前記第二の空気層の真空度を調節する第二の真空度調節装置と、を備え、
前記第一の真空度調節装置が前記第一の空気層の真空度を調節して前記第一の熱媒体層から前記第二の熱媒体層への熱の供給量を調節するとともに、前記第二の真空度調節装置が前記第二の空気層の真空度を調節して前記第二の熱媒体層からの熱の散逸量を調節することにより、前記水素貯蔵材が放出する水素量を調節し、
放出された水素を用いて前記燃料電池が発電を行う、
ことを特徴とする。
【０００９】
また、前記燃料電池が前記第一の熱媒体層に取り囲まれ、
前記第一の熱媒体層が前記第一の中空部材に取り囲まれ、
前記第一の中空部材が前記第二の熱媒体層に取り囲まれ、
前記第二の熱媒体層が前記第二の中空部材に取り囲まれていてもよい。
【００１０】
また、前記第一の熱媒体層は、前記燃料電池から放出された水または水蒸気を含んでもよい。
【００１１】
また、前記第二の熱媒体層は、金属を含んでもよい。
【００１２】
また、前記水素タンクへの水素の供給と前記水素タンクからの水素の回収を行うサブ水素タンクを備えてもよい。
【００１３】
また、前記燃料電池は固体酸化物型燃料電池であってもよい。
【００１４】
また、前記水素貯蔵材は水素化マグネシウムを含んでもよい。
【００１５】
また、前記水素貯蔵材は酸化ニオブを含んでもよい。
【００１６】
本発明の第二の観点に係る給湯システムは、
燃料電池システムと、
前記燃料電池システムから水または水蒸気が供給される第一の水槽と、
前記第一の水槽に水を供給する第一の水供給源と、
前記第一の水槽から水が供給される第二の水槽と、を備え、
前記燃料電池システムは、
燃料電池と、
第一の空気層を備える第一の中空部材と、
前記燃料電池と前記第一の中空部材との間にあって前記燃料電池および前記第一の中空部材と熱の交換を行う第一の熱媒体層と、
第二の空気層を備える第二の中空部材と、
水素貯蔵材を備える水素タンクと、
前記水素タンクを取り囲み前記第一の中空部材と前記第二の中空部材との間にあって前記第一の中空部材、前記第二の中空部材および前記水素タンクと熱の交換を行う第二の熱媒体層と、
前記第一の空気層の真空度を調節する第一の真空度調節装置と、
前記第二の空気層の真空度を調節する第二の真空度調節装置と、を備え、
前記第一の真空度調節装置が前記第一の空気層の真空度を調節して前記第一の熱媒体層から前記第二の熱媒体層への熱の供給量を調節するとともに、前記第二の真空度調節装置が前記第二の空気層の真空度を調節して前記第二の熱媒体層からの熱の散逸量を調節することにより、前記水素貯蔵材が放出する水素量を調節し、
放出された水素を用いて前記燃料電池が発電を行うとともに前記第一の水槽に水または水蒸気を供給する、
ことを特徴とする。
【００１７】
また、前記第二の中空部材に接触する水層を備え、
前記第二の水槽から前記水層に水が供給され、
前記水層から前記第一の水槽に水が供給され、
前記第一の真空度調節装置は、前記第二の空気層の真空度を調節することによって前記第二の熱媒体層から前記水層への熱の供給量を調節してもよい。
【００１８】
また、前記第二の水槽に水を供給する第二の水供給源を備えてもよい。
【００１９】
また、前記水層に水を供給する第三の水供給源を備えてもよい。
【００２０】
また、前記水層を覆う断熱層を備えてもよい。
【００２１】
また、前記第一の水供給源から前記第一の水槽への供給水量を調節する第一の水量調節装置を備えてもよい。
【００２２】
また、前記第二の水供給源から前記第二の水槽への供給水量を調節する第二の水量調節装置と、
前記第一の水槽から前記第二の水槽への供給水量を調節する第三の水量調節装置と、
を備えてもよい。
【００２３】
また、前記第三の水供給源から前記水層への供給水量を調節する第四の水量調節装置を備えてもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の燃料電池システムによれば、水素タンクの加熱・冷却を簡素に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図２】本実施の形態に係る燃料電池水素タンク一体型ユニットの概略を示す縦断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ’断面図である。
【図４】水素タンクの概略を示す断面図である。
【図５】燃料電池モジュールの概略を示す断面図である。
【図６】水素補填部の概略を示す図である。
【図７】実施形態２に係る給湯システムを表す概略図である。
【図８】実施形態３に係る給湯システムを表す概略図である。
【図９】外部断熱部材を備える燃料電池水素タンク一体型ユニットの概略を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら、本実施の形態に係る燃料電池システムについて説明する。
【００２７】
（実施形態１）
燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池水素タンク一体型ユニット１１０と、酸素供給部１２０と、蓄電部１３０とを備える。燃料電池水素タンク一体型ユニット１１０は、後述するように水素貯蔵材１４１を備える水素タンク１４０と燃料電池１５５を有する燃料電池モジュール１５０とを備え、水素貯蔵材１４１が放出した水素と酸素供給部１２０から輸送された酸素とが燃料電池１５５に供給されて発電が行われる。発生した電力は蓄電部１３０に蓄えられる。
【００２８】
図２に示すように、燃料電池水素タンク一体型ユニット１１０は、ユニット容器に収納された水素タンク１４０と燃料電池モジュール１５０とを備える。
【００２９】
ユニット容器は、例えば、ステンレス等の金属で形成され、円筒形の外側円筒部材１７１（第二の中空部材）と、外側円筒部材１７１の開口部２箇所をそれぞれ閉じる底部材１７７と蓋部材１８０とを備える。ユニット容器はまた、外側円筒部材１７１よりも径の小さい円筒形の内側円筒部材１７４（第一の中空部材）を内部に備える。外側円筒部材１７１と内側円筒部材１７４とは、それぞれの長手軸が同一方向を向いて同じ長さに設定され、内側円筒部材１７４の開口部２箇所もまた底部材１７７と蓋部材１８０とによって閉じられる。
【００３０】
ユニット容器の内部は内側円筒部材１７４によって外部空間と内部空間とに隔てられている。内部空間は、内側円筒部材１７４、底部材１７７及び蓋部材１８０で取り囲まれた空間であり、内部空間には燃料電池モジュール１５０が設置される。また、外部空間は、外側円筒部材１７１、内側円筒部材１７４、底部材１７７及び蓋部材１８０で取り囲まれた空間であり、外部空間には水素タンク１４０が設置される。
【００３１】
図３の断面図に示すように、水素タンク１４０は例えば円筒形のタンクであり、外側円筒部材１７１と内側円筒部材１７４との間の外部空間に、内側円筒部材１７４を取り囲むように複数本設置されている。本実施形態では図３に示されているように、１６本の円筒形の水素タンク１４０が内側円筒部材１７４を取り囲んで設置されている。
【００３２】
また、水素タンク１４０には、図４に示すように、水素が貯蔵される水素貯蔵材１４１が充填されている。
【００３３】
水素貯蔵材１４１は、有機または無機水素貯蔵材料、あるいは水素吸蔵合金として知られているものを用いてもよい。本実施形態では、酸化ニオブ添加水素化マグネシウムを用いる場合について説明する。酸化ニオブ添加水素化マグネシウム（ＭｇＨ２−Ｎｂ２Ｏ５）は、水素化マグネシウムに酸化ニオブを例えば９９：１のモル比で添加したものを使用する。酸化ニオブ添加水素化マグネシウムを用いれば、水素吸蔵時に水素タンク１４０内の水素圧を室温で１気圧以下に抑えながら最大７．５質量％程度の水素を貯蔵することが可能である。
【００３４】
酸化ニオブ添加水素化マグネシウムを水素タンク１４０に充填する際には、水素を吸蔵した際の体積増加を考慮し、タンク容量に対して例えば５０〜６０％程度充填するのがよい。
【００３５】
外部空間の水素タンクを設置した際に生じた隙間には、充填材１８５（第二の熱媒体層）が充填されている。充填材１８５は水素タンク１４０と外側円筒部材１７１と内側円筒部材１７４と接触している。
【００３６】
充填材１８５は熱伝導度の高い素材から形成されることが望ましく、例えばステンレス等で形成されてもよい。充填材１８５は、外側円筒部材１７１の内壁１７３および／あるいは内側円筒部材１７４の外壁１７８と一体的に形成されてもよい。
【００３７】
水素タンク１４０と燃料電池モジュール１５０とは、水素供給管１８６によって接続されている。蓋部材１８０の外部空間に接する部分には孔１８７が、内部空間に接する部分には孔１８８が設けられている。水素供給管１８６は孔１８７および孔１８８を介することによってユニット容器の外部を経由して水素タンク１４０と燃料電池モジュール１５０とを接続している。水素供給管１８６には弁１８９が設けられており、弁１８９の開閉によって水素タンク１４０から燃料電池モジュール１５０への水素の供給量を調節できる。
【００３８】
外側円筒部材１７１は、外壁１７２および内壁１７３を備え、外壁１７２と内壁１７３との間に空気層１９０（第二の空気層）を有する中空二重構造である。内側円筒部材１７４も同様に外壁１７８および内壁１７９を備え、外壁１７８と内壁１７９との間に空気層１９２（第一の空気層）を有する中空二重構造である。
【００３９】
底部材１７７は外壁２０８と内壁２０７とを備え、外壁２０８と内壁２０７との間に真空断熱層１９１を有する二重構造である。同様に蓋部材１８０は、外壁２０９と内壁２１０とを備え、外壁２０９と内壁２１０との間に真空断熱層２１１を有する二重構造である。
【００４０】
内側円筒部材１７４には、空気層１９２の空気の量を調節する第一の真空度調節装置１９６が取り付けられている。第一の真空度調節装置１９６は真空ポンプ１９８と、真空ポンプ１９８と内側円筒部材１７４とを接続する真空度調節管１９７と、真空度調節管１９７の内側円筒部材１７４側に取り付けられた２方弁２０２と、真空度調節管１９７の真空ポンプ１９８側に取り付けられた３方弁２０３と、３方弁２０３に取り付けられて大気中に開放された開放管２０５とを備える。
【００４１】
また、外側円筒部材１７１にも、同様に、空気層１９０の空気の量を調節する第二の真空度調節装置１９３が取り付けられている。第二の真空度調節装置１９３は真空ポンプ１９９と、真空ポンプ１９９と外側円筒部材１７１とを接続する真空度調節管１９４と、真空度調節管１９４の外側円筒部材１７１側に取り付けられた２方弁２００と、真空度調節管１９４の真空ポンプ１９９側に取り付けられた３方弁２０１と、３方弁２０１に取り付けられて大気中に開放された開放管２０４とを備える。
【００４２】
第一の真空度調節装置１９６は以下のように作動する。内側円筒部材１７４の空気層１９２の空気を抜いて真空状態にするには、真空度調節管１９７の２方弁２０２を開き、３方弁２０３の開放管２０５側を閉じ、真空ポンプ１９８と内側円筒部材１７４とが開通するように３方弁２０３を調節する。次に真空ポンプ１９８を作動させて、真空度調節管１９７を経由して空気層１９２から空気を抜く。一方、空気層１９２に空気を入れるには、３方弁２０３の真空ポンプ１９８側を閉じて開放管２０５と内側円筒部材１７４とが開通するように３方弁２０３を調節し、空気を空気層１９２に注入する。空気層１９２の空気量をそのままの状態に保つときには、２方弁２０２を閉じる。
【００４３】
また、第二の真空度調節装置１９３も対応するそれぞれの弁２００、２０１と真空ポンプ１９９とを作動させることによって第一の真空度調節装置１９６と同様に作動する。
【００４４】
酸素供給部１２０はユニット容器の外部に設置され、酸素供給管１２１を介して燃料電池モジュール１５０と接続している。酸素供給部１２０は、空気圧縮機（不図示）あるいは酸素タンク（不図示）を備え、燃料電池モジュール１５０に空気あるいは酸素を供給する。酸素供給管１２１には弁１２２が設けられており、酸素供給部１２０から燃料電池モジュール１５０への空気あるいは酸素の供給量を調節できる。酸素供給管１２１が貫通する蓋部材１８０の部分には孔１２３が設けられている。
【００４５】
燃料電池モジュール１５０は、図５に示すように、燃料極１５２と空気極１５３と電解質層１５４とを備える燃料電池１５５、燃料電池１５５を覆うカバー１５６、排出管１５７、ヒーター１５８、温度計１５９、触媒燃焼器１６０を備える。カバー１５６には孔１６１および孔１６２が設けられている。水素タンク１４０から水素を供給する水素供給管１８６は孔１６１を介して燃料極１５２に接続し、酸素供給部１２０から酸素を供給する酸素供給管１２１は孔１６２を介して空気極１５３に接続している。電解質層１５４では水素と酸素との化学反応によって水（Ｈ２Ｏ）が合成され、水は液体あるいは気体の状態で排出管１５７から排気口１５１を介して燃料電池モジュール外へ排出される。この化学反応に伴って燃料極１５２と空気極１５３との間に電位差が生じ、燃料極１５２と空気極１５３とにそれぞれ取り付けられた導線１６３および導線１６４を介して蓄電部１３０に電力が供給される。
【００４６】
燃料電池には固体高分子型（ＰＥＦＣ）をはじめとしてさまざまな種類が知られている。本実施の形態においては、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）燃料電池を用いた例について説明するが、燃料電池は他の種類のものに置き換えてもよい。
【００４７】
また、燃料電池モジュール１５０には排気口１５１が設けられており、発電の際に生じた排気は燃料電池モジュール１５０から排気口１５１を介してユニット容器の内部空間内に放出される。蓋部材１８０の内部空間に接する部分にはダクト２０６が設けられており、排気は内部空間内からダクト２０６を介してユニット容器の外部に放出される。
【００４８】
排出管１５７には触媒燃焼器１６０が取り付けられ、触媒燃焼器１６０は未燃焼の水素が排出管１５７に混入している場合、未燃焼の水素を完全に燃焼する。また、燃料電池１５５には温度計１５９が取り付けられている。また、燃料電池１５５にはヒーター１５８が取り付けられ、発電開始前に燃料電池１５５の温度が所定の温度よりも低い場合に燃料電池１５５を加熱することができる。燃料電池モジュール１５０はまた燃料電池１５５を取り囲むカバー１５６を備え、水素供給管１８６、酸素供給管１２１、導線１６３、導線１６４、排出管１５７はそれぞれ燃料電池１５５からカバー１５６を貫通して外部に接続している。
【００４９】
カバー１５６は、セラミック等の素材から形成されてよく、たとえば円筒形の形状であってよい。カバー１５６は密閉性が高く、排気口１５１から排出される排気は燃料電池モジュール１５０内に入らない。カバー１５６はまた、燃料電池モジュール１５０からの熱の散逸を低減する。
【００５０】
燃料電池モジュール１５０から供給された電力は、燃料電池水素タンク一体型ユニット１１０の蓋部材１８０を貫通する導線１６３および導線１６４を介して蓄電部１３０に供給される。蓄電部１３０は例えば外部の蓄電池（不図示）とインバーター（不図示）とを備える。燃料電池モジュール１５０から供給された電力は蓄電池に蓄積しておいて、インバーターを介して交流電流に変換した後に外部の電化製品（不図示）に供給してもよい。
【００５１】
続いて、燃料電池システム１の発電の動作について説明する。燃料電池システム１を用いて発電を行うには、まず燃料電池モジュール１５０のヒーター１５８を作動させて燃料電池１５５を所定の稼働温度まで加熱する。燃料電池１５５に固体酸化物型燃料電池を用いる本実施形態では、発電開始前に燃料電池１５５を８００℃まで加熱する。次に、水素供給管１８６に設けられた弁１８９を開くと、水素タンク１４０側が１〜５気圧で燃料電池モジュール１５０側が１気圧であるために、水素タンク１４０から燃料電池モジュール１５０の燃料極１５２に水素が流れる。また、酸素供給管１２１に設けられた弁１２２を開くと、燃料電池モジュール１５０の空気極１５３に空気または酸素が供給され、発電が開始する。
【００５２】
発電中は燃料極１５２と空気極１５３とに電位差が生じ、燃料極１５２と空気極１５３とにそれぞれ取り付けられた導線を介して蓄電部１３０に電力が供給される。
【００５３】
発電が始まると、燃料電池１５５の燃料極１５２付近で水が発生する。また、空気極１５３に空気を供給した場合、酸素が消費され酸素濃度の低下した空気が空気極１５３から排出される。水及び酸素濃度の低下した空気は、排出管１５７を経由して排気口１５１から排出される。
【００５４】
燃料電池１５５として固体酸化物型燃料電池を用いる本実施形態では、燃料電池の稼働温度が約８００℃〜約１０００℃であるため、発生した水は気体、すなわち水蒸気である。
【００５５】
燃料電池１５５が発電を行っているときには、燃料電池１５５の燃料極１５２、空気極１５３及び電解質層１５４から熱が発生する。発生した熱は、発電に際して発生した水（Ｈ２Ｏ）に吸収され、水は排出管１５７を経由して燃料電池モジュール１５０の外に排気として排出される。燃料電池１５５の酸素源として空気を用いた場合には、酸素が消費されて低酸素濃度となった空気もまた燃料電池１５５の熱で温められ、排気として排出管１５７から排出される。排気はユニット容器の内部空間に放出され、内部空間の燃料電池モジュール１５０および配管部分以外の空間は排気（第一の熱媒体層）によって満たされる。
【００５６】
空気層１９２に空気があり、空気層１９０が真空状態になるようにすれば、水素貯蔵材１４１が水素の放出を続け、発電が続く。
【００５７】
より具体的に説明すると、第一の真空度調節装置１９６を作動させ、内側円筒部材１７４の空気層１９２に空気を注入すると、空気層１９２の熱伝導率が増すので、燃料電池１５５から内部空間に排出された熱が、空気層１９２を介して充填材１８５や水素タンク１４０に伝達される。また、第二の真空度調節装置１９３を作動させ、空気層１９０の空気を抜くと、空気層１９０の熱伝導率が減少するので、充填材１８５や水素タンク１４０に伝わった熱が、燃料電池水素タンク一体型ユニット１１０の外部に散逸することを抑制できる。
【００５８】
このように空気層１９０、１９２を調節することで、燃料電池モジュール１５０の熱が効率的に充填材１８５や水素タンク１４０に伝達される。水素タンク１４０に伝達された熱は水素貯蔵材１４１に伝達され、水素貯蔵材１４１の温度が上昇する。水素貯蔵材１４１の温度上昇に伴い、水素貯蔵材１４１から水素が放出される。そして、水素貯蔵材１４１からの水素の解離に伴うエンタルピー変化により熱が消費される。このように、熱が燃料電池モジュール１５０から供給されている間は、水素貯蔵材１４１が高温を維持し、水素の解離が進行し、水素貯蔵材１４１が水素の放出を続ける。
【００５９】
一方、発電を停止させるには、即ち、水素貯蔵材１４１からの水素の放出を止めるには、空気層１９２の空気を抜いて空気層１９２を真空状態とすればよい。
【００６０】
より具体的に説明すると、第一の真空度調節装置１９６を作動させ、空気層１９２の空気を抜くことで、空気層１９２の熱伝導率が減少するので、燃料電池１５５から内部空間に排出された熱が内部空間に留まる。また、第二の真空度調節装置１９３を作動させ、外側円筒部材１７１の空気層１９０に空気を注入すれば、空気層１９０の熱伝導率が増すので、充填材１８５や水素タンク１４０から、燃料電池水素タンク一体型ユニット１１０の外部に熱が散逸する。
【００６１】
このように、燃料電池モジュール１５０から水素タンク１４０への熱の供給が停止して、水素貯蔵材１４１の温度が低下し、水素の放出が止まる。更に、上記の如く空気層１９０に空気を入れて空気層１９０の熱伝導率を増加させて、水素タンク１４０から燃料電池水素タンク一体型ユニット１１０の外部への熱の散逸を補助すれば、水素の放出停止が速やかに起こる。
【００６２】
また、図６に示すように、燃料電池システム１はさらに、水素タンク１４０に水素を供給する水素補填部２２０を備えてもよい。水素補填部２２０はサブ水素タンク２２１および／あるいは水素供給源２２２を備えてもよい。サブ水素タンク２２１は水素貯蔵材を備えるタンクであってもよく、サブ水素タンク２２１の水素貯蔵材は水素タンク１４０の水素貯蔵材と同一のものであってもよいし、チタン−鉄合金等のその他の水素貯蔵材であってもよい。
【００６３】
水素補填部２２０から燃料電池１５５に水素を供給してもよい。この場合、図６に示すように、水素タンク１４０と燃料電池モジュール１５０との間に設けられた２方弁１８９を３方弁２３０に置き換える。３方弁２３０は、水素タンク１４０と燃料電池モジュール１５０と水素補填部２２０とを接続する。水素補填部２２０がサブ水素タンク２２１および水素供給源２２２の双方を備える場合、３方弁２３０は３方弁２３１に接続され、３方弁２３１はさらにサブ水素タンク２２１および水素供給源２２２に接続される。
【００６４】
水素供給源２２２は例えば、水素が充填された高圧水素タンクであってよい。水素供給源２２２はまた、水の電気分解を行う装置であってもよい。この場合、水の電気分解によって発生させた水素は、サブ水素タンク２２１または水素タンク１４０に貯蔵することが可能である。
【００６５】
燃料電池モジュール１５０への水素の供給は、それぞれの３方弁２３０、２３１を調節することによって、水素タンク１４０、サブ水素タンク２２１、水素供給源２２２のいずれから行うこともできる。
【００６６】
なお、発電開始時には水素補填部２２０から水素を供給するのがよい。発電開始時に水素タンク１４０からの水素供給が必要な場合は、水素タンク１４０内部または外部空間に備えたヒーター１４２（図３）を用いて水素タンク１４０を急速加熱し、水素タンク１４０から水素を供給してもよい。
【００６７】
実施形態１の燃料電池システム１の構成によれば、システム起動時に水素タンク１４０を温める特別なしくみを必要としない。水素タンク１４０の水素貯蔵材１４１からの水素の放出は燃料電池１５５からの熱を用いて行われるためである。
【００６８】
（実施形態２）
実施の形態２に係る給湯システム２は、上述した燃料電池システム１の燃料電池水素タンク一体型ユニット１１０から排出される水および熱を利用する。図７に示すように、給湯システム２は、燃料電池システム１に加えて、第一の水槽３００、第二の水槽３０１、第一の水槽３００に水を供給する第一の水供給源３０２、第二の水槽３０１に水を供給する第二の水供給源３０３を備える。
【００６９】
燃料電池システム１のダクト２０６から排出された排気は、供給管３０７を経由して第一の水槽３００に輸送される。ダクト２０６の排気には水蒸気および／あるいは空気が含まれる。また、第一の水槽３００には、供給管３０４を経由して第一の水供給源３０２から水が供給される。供給管３０４には弁３０５（第一の水量調節装置）が設けられ、第一の水供給源３０２からの水の供給量を調節できる。
【００７０】
第一の水槽３００は、供給管３０９を介して第二の水槽３０１と接続しており、第一の水槽から第二の水槽に水および／あるいは空気を供給する。供給管３０９には弁３１１（第三の水量調節装置）が設けられており、水および／あるいは空気の供給量を調節する。
【００７１】
第二の水供給源３０３からは供給管３１０を介して第二の水槽３０１に水が供給される。供給管３１０には弁３１２（第二の水量調節装置）が設けられ、水の供給量を調節する。
【００７２】
供給管３０７から供給される水が液体である場合には、水は第一の水槽３００に流入させることができる。供給管３０７から供給される水が気体（水蒸気）である場合には、第一の水槽３００に例えば第一の水供給源３０２から供給された水を溜めておき、溜まった水に水蒸気が接触するように気体を流してもよい。水と接触した水蒸気は水に熱を与えて液体の水となり、第一の水槽３００内に溜まる。供給管３０７から供給されるその他の気体も、第一の水槽３００内に溜まった水に熱を与える。
【００７３】
燃料電池モジュール１５０から排出される排気は約８００℃となる。また、第一の水供給源３０２および第二の水供給源３０３から供給される水の温度は約１０℃〜約３０℃である。よって、弁３０５を調節することによって、第一の水槽３００の温度は約４０℃〜約８０℃に、弁３１１および弁３１２を調節することによって第二の水槽３０１の温度は約３０℃〜約６５℃に設定することができる。
【００７４】
実施形態２の給湯システム２によれば、燃料電池システム１からの熱を利用して広い温度範囲の水を利用することができる。燃料電池システム１から８００℃の熱が利用できるため、低温の水と混合した際に利用できる水の温度範囲が広い。
【００７５】
第二の水槽３０１からさらに供給管（不図示）等を介して外部の各種給湯設備（不図示）に約３０℃〜約６５℃の水を供給できる。給湯システム２の利用者は、各種給湯設備で約３０℃〜約６５℃の水を利用できる。
【００７６】
第一の水槽３００および第二の水槽３０１は、それぞれ空気を抜くためのダクト（不図示）を備えてもよい。
【００７７】
（実施形態３）
給湯システム２は、燃料電池給湯コジェネレーションシステムとして銭湯などの給湯システムの一部としても利用できる。図８に示すように、給湯システム２を用いた給湯システム３は、給湯システム２を構成する燃料電池システム１、第一の水槽３００、第二の水槽３０１、供給管３０７に加えて、貯湯槽４００、洗い場４０１、廃湯槽４０２、集毛器４０３、ポンプ４０４、ろ過器４０５、消毒器４０６、浴室４０７、水供給源４０８を備える。
【００７８】
本実施形態では、燃料電池水素タンク一体型ユニット１１０から排出された熱をさらに利用するため、図９に示すように、燃料電池水素タンク一体型ユニット１１０はさらにユニット容器を取り囲む外部断熱部材２４０を備える。なお、図２と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。外部断熱部材２４０は所定の間隔を保ってユニット容器と離間し、ユニット容器全体を取り囲むように設置される。外部断熱部材２４０とユニット容器との間には水層２４１が形成される。外部断熱部材２４０は外壁２４２と内壁２４３とを備え、外壁２４２と内壁２４３との間に真空断熱層２４４（断熱層）を有する二重構造となっている。
【００７９】
外部断熱部材２４０には、流入口２４５と流出口２４６とが設けられている。流入口２４５は、燃料電池水素タンク一体型ユニット１１０外部から水層２４１に水を流入させる。また、流出口２４６は、水層２４１から燃料電池水素タンク一体型ユニット１１０外部に水を流出させる。流入口２４５は例えば底部材１７７付近の下部、流出口２４６は例えば蓋部材１８０付近の上部に設けてよい。流出口２４６から流出した水は供給管２５７を介して第一の水槽３００に供給される。
【００８０】
水層２４１には、水素タンク１４０および充填材から熱が供給される。第二の真空度調節装置１９３を調節して空気層１９０に空気を送り込めば、空気層１９０の熱伝導率が増すために多くの熱が水素タンク１４０および充填材１８５から水層２４１に供給される。また、空気層１９０を真空状態とすれば、水素タンク１４０および充填材１８５から水層２４１への熱の供給量が減る。
【００８１】
燃料電池１５５で発電を行っている際に、第二の真空度調節装置１９３と第一の真空度調節装置１９６とを調節して、空気層１９０と空気層１９２に空気を送り込み、燃料電池１５５からの熱を水層２４１に伝達させることができる。熱の伝達は、排気、空気層１９２、充填材１８５、水素タンク１４０、空気層１９０を介して行われる。
【００８２】
また、水素タンク１４０に水素を充填している際に水素タンク１４０から放出される熱を水層２４１に伝達させてもよい。空気層１９０に空気を送り込み、水素タンク１４０から水層２４１への熱の伝達を促進させることができる。水素タンク１４０から水層２４１への熱の伝達は充填材１８５を介して行われる。
【００８３】
燃料電池１５５および／あるいは水素タンク１４０から水層２４１へ伝達した熱は、水層２４１が外部断熱部材２４０に取り囲まれているために、燃料電池水素タンク一体型ユニット１１０の外部に散逸しない。
【００８４】
また、時間の経過に伴って第一の水槽３００および第二の水槽３０１の温度が低下すると考えられる。この場合も、本実施の形態では固体酸化物型（ＳＯＦＣ）燃料電池を用いていることから、第一の水槽３００に約６５℃〜約９０℃と高温の水を供給できるため、温度の回復が可能である。同様に、水供給量を調節することによって第二の水槽３０１の温度の回復も容易である。
【００８５】
第一の水槽３００と貯湯槽４００とは配管４２１を介して接続され、第一の水槽３００から貯湯槽４００へ水が供給される。貯湯槽４００と第二の水槽３０１とは配管４２２を介して接続され、貯湯槽４００から第二の水槽３０１へ水が供給される。配管４２２には弁４２３が設けられ、供給水量を調節できる。第二の水槽３０１はポンプ４０４に配管４２４を介して接続されている。配管４２４には集毛器４０３が設けられている。ポンプ４０４は配管４２５を介して消毒器４０６に接続されている。配管４２５にはろ過器４０５が設けられている。消毒器４０６は配管４２６を介して燃料電池水素タンク一体型ユニット１１０に接続されている。
【００８６】
貯湯槽４００と洗い場４０１とは、配管４２７を介して接続されている。貯湯槽４００から洗い場に配管４２７を介して水が供給される。洗い場４０１と廃湯槽４０２とは配管４２８を介して接続されている。廃湯槽４０２には排水管４２９が設けられ、排水管４２９に設けられた弁４３７を調節して廃湯槽４０２から水の排水を行う。
【００８７】
水供給源４０８は給湯システム３への水の供給を行う。水供給源４０８は配管４３０を介して第一の水槽３００、第二の水槽３０１、燃料電池水素タンク一体型ユニット１１０に水の供給を行う。水供給源４０８および配管４３０は、第一の水槽３００、第二の水槽３０１、燃料電池水素タンク一体型ユニット１１０のそれぞれについて別々に設けてもよいが、一つの水供給源からの分岐した配管を介してそれぞれに接続させてもよい。図８に示した実施例では、水供給源４０８から３本に分岐した配管４３１、配管４３２、配管４３３を用いて、第一の水槽３００、配管４２６、配管４２２にそれぞれ接続させている。配管４３１、配管４３２、配管４３３にはそれぞれ弁４３４、弁４３５（第四の水量調節装置）、弁４３６が設けられ、水の流量を調節できる。
【００８８】
燃料電池として固体酸化物型（ＳＯＦＣ）燃料電池を用いた本実施形態においては、排気は約８００℃である。また、外部断熱部材２４０の流出口２４６から流出する水の温度は約３５℃〜約６５℃の範囲である。一方、水供給源４０８から第一の水槽３００に供給される水の温度は約１０℃〜約３０℃である。よって、弁４３４を調節して水供給源４０８から供給される水の量を調節すれば、第一の水槽３００の水温は約４０℃〜約８０℃に設定することが可能である。
【００８９】
また、第一の水槽３００は水温が約４０℃〜約８０℃であり、水供給源４０８から供給される水の温度が約１０℃〜約３０℃であることから、それぞれからの水の供給量を調節すれば第二の水槽３０１の温度は約３０℃〜約６５℃に設定可能である。
【００９０】
第一の水槽３００の水量が多くなったときは、貯湯槽４００に水を供給して第一の水槽３００の水量を調節できる。貯湯槽４００の水温は第一の水槽３００の水温と同程度に保持されている。
【００９１】
第二の水槽３０１の水温は、３７〜４５℃程度（一般的な銭湯の温度）に保持することが可能である。第二の水槽３０１から供給管を介して浴槽４０７に水を供給することができる。給湯システム３の利用者は浴槽４０７で３７〜４５℃程度の水を利用可能である。
【００９２】
集毛器４０３とろ過器４０５とは、共に不純物の除去を行う。集毛器４０３は大きいサイズの不純物を、ろ過器４０５は小さいサイズの不純物を除去する。集毛器４０３は例えば目の粗いフィルターを、ろ過器４０５は例えば目の細かいフィルターを備え、それぞれ水をろ過する。また、消毒器４０６では水に塩素等を加えて消毒を行う。
【００９３】
貯湯槽４００からは配管４２７を介して洗い場４０１に水が供給される。洗い場４０１は水供給源（不図示）を備え、貯湯槽４００から供給された水の水温が６０℃程度、水供給源から供給される水温が１０℃程度であるため、これらを混合することで約１０℃〜約６０℃の水を利用者が利用できる。
【００９４】
洗い場４０１から排出される水は配管４２８を介して廃湯槽４０２に供給される。廃湯槽４０２では洗い場４０１からの排水を一定量貯蔵した後、排水管４２９を介して外部排水設備（不図示）に排水する。廃湯槽４０２からの排水は、廃湯槽４０２の水温が所定の温度に低下した場合に行ってもよい。所定の温度は例えば２５℃程度に設定してもよい。
【００９５】
水供給源４０８から給湯システム３に水の供給を行う際に、配管４３０を迂回させて、廃湯槽４０２、蓄電部１３０、水素補填部２２０のサブ水素タンク２２１等からの廃熱を回収するような配管の配置にしてもよい。水供給源４０８から配管４３１、配管４３２、配管４３３に水を供給する配管４３０は、廃湯槽４０２に貯まった水をくぐるように配管してよい。廃湯槽４０２をくぐる配管４３０の部分の配管長を長く確保すれば、廃湯槽４０２からのより多くの熱が配管４３０内部の水に伝播し、廃熱が回収できる。
【００９６】
また、水供給源４０８の配管４３０を迂回させ、水素補填部２２０のサブ水素タンク２２１や蓄電部１３０の周囲を通るように配管配置を行ってよい。配管４３０とサブ水素タンクや蓄電池との接触部分をできるだけ大きく確保すれば、サブ水素タンクや蓄電池からより多くの熱が配管４３０内部の水に伝播し、廃熱が回収できる。サブ水素タンク周囲に迂回させた水供給源４０８からの水は、供給管を介して第一の水槽３００に直接供給してもよい。
【００９７】
実施形態３の給湯システムによれば、燃料電池給湯コジェネレーションシステムとしての熱の回収効率が高い。燃料電池システムからの熱の他にサブ水素タンクや蓄電部からの廃熱も利用しているため、廃熱が外部に散逸することなく、給湯システムに利用されているためである。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本実施の形態に係る燃料電池システムおよび給湯システムは、燃料電池給湯コジェネレーションシステムとして一般家庭や銭湯施設等に設置した際に燃料費の節約が期待できる。
【符号の説明】
【００９９】
１      燃料電池システム
１１０  燃料電池水素タンク一体型ユニット
１４０  水素タンク
１５０  燃料電池モジュール
１５５  燃料電池
１４１  水素貯蔵材
１７１  外側円筒部材
１７４  内側円筒部材
１８５  充填材
１９０  空気層
１９２  空気層
１９３  第二の真空度調節装置
１９６  第一の真空度調節装置
２２１  サブ水素タンク
２４０  外部断熱部材
２４１  水層
２４４  真空断熱層
２      給湯システム
３      給湯システム
３００  第一の水槽
３０１  第二の水槽
３０２  第一の水供給源
３０３  第二の水供給源
【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】
2012227003.tif 000009
【図８】
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【図９】
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