(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を有する燃料電池発電装置と、この燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環流路と、上記冷媒循環流路に燃料電池を通過した冷媒から熱を受容する排熱熱交換器と、この排熱熱交換器を通って冷媒からの熱を受容した熱媒が流れる熱媒流路と上記熱媒を加熱媒体として用いる給湯装置を備えるコージェネレーションシステムにおいて、上記燃料電池の電流負荷値又は電圧負荷値の少なくとも一方に基づいて、燃料電池の負荷を測定する負荷測定手段と、上記冷媒及び上記熱媒の流量を調整する制御器を具備し、この制御器が、負荷測定手段で測定した燃料電池の負荷から燃料電池の発熱量を算定し、その発熱量に応じた冷媒流量及び熱媒流量を算定して、冷媒流量及び熱媒流量を調整することを特徴とするコージェネレーションシステム。
【請求項２】
上記負荷測定手段が、電流負荷値及び電圧負荷値の両方に基づいて、燃料電池の負荷を測定する負荷測定手段であり、上記制御器が、上記負荷測定手段で測定した燃料電池の電流負荷値と電圧負荷値の積から燃料電池の発熱量を算定することを特徴とする請求項１記載のコージェネレーションシステム。
【請求項３】
上記冷媒循環路に冷媒ポンプを備え、上記制御器が、上記負荷測定手段で測定した燃料電池の負荷に応じて、この冷媒ポンプの出力を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のコージェネレーションシステム。
【請求項４】
上記熱媒流路に熱媒ポンプを備え、上記制御器が、上記負荷測定手段で測定した燃料電池の負荷に応じて、この熱媒ポンプの出力を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項３記載のコージェネレーションシステム。
【請求項５】
上記給湯装置が貯水槽を備えていて、その貯水層が、成層型の貯水槽であることを特徴とする請求項１乃至請求項４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６】
上記燃料電池に供給する改質ガスから、熱を受容する改質ガス熱交換器を冷媒循環流路に備えることを特徴とする請求項１乃至請求項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】
上記燃料電池に供給する改質ガスを生成する改質装置が、加熱器を備え、この加熱器より排出する燃焼排ガスから、熱を受容する燃焼排ガス熱交換器を冷媒循環流路に備えることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか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、燃料電池を利用して電気と熱を供給できるコージェネレーションシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池を有する燃料電池発電装置は、水素に富んだ改質ガスを燃料電池のアノードに、空気中の酸素を燃料電池のカソードに導入し、この一対のアノードとカソード間で電気化学反応に基づく発電を行うものである。上記燃料電池発電装置にあっては、発電した電気エネルギーを利用すると共に、発電に伴って発生する排熱を給湯装置に回収し、給湯等の熱エネルギーとして利用するコージェネレーションシステムが検討されている。（特開平４―２０６１５９号公報等）上記燃料電池利用のコージェネレーションシステムが、パワーコンディショナーを通して、電力を外部出力する発電時に、外部出力が変動しても安定して作動するためには、発電に伴って発生する排熱を燃料電池から回収し、燃料電池を安定な温度で作動させることが、特に重要である。
【０００３】
従来のコージェネレーションシステムの要部の一例を図４に示す。このシステムにあっては、改質ガスが導入されるアノード５１と、空気中の酸素が導入されるカソード５２からなる燃料電池５０、燃料電池５０を冷却する冷却板５３を通って冷媒が循環する冷媒循環路５４、冷媒循環路５４に冷媒から熱を受容する排熱熱交換器５６、この排熱熱交換器５６を迂回する冷媒バイパス流路５５、及び冷媒バイパス流路５５中にこの冷媒バイパス流路５５を流れる冷媒の流量を調整する第１の流量調整弁５７を備えている。上記システムは、冷媒バイパス流路５５を流れる冷媒の流量を調整することで、排熱熱交換器５６を流通する冷媒の流量を調整するものである。また、上記システムは、排熱熱交換器５６を通って冷媒からの熱を受容した熱媒が流れる熱媒流路６１に第２の流量調整弁６３を備え、熱媒の流量を調整するものが汎用されている。なお、図中の符号３１はパワーコンディショナー、符号５９及び６２は温度センサを示す。
【０００４】
上記システムでは、排熱熱交換器５６を流れる冷媒の流量は、冷媒バイパス流路５５と排熱熱交換器側の流路５８との圧力損失の比率によって決定されるものである。例えば、排熱熱交換器５６を流れる冷媒の流量が最も少なくなる場合は、第１の流量調整弁５７を全開にする場合である。この場合、冷媒バイパス流路の圧力損失に対し、排熱熱交換器側の流路５８の圧力損失は、十分に高くなければならない。上記システムは、このような圧力損失の比率に設定した場合、冷媒の流量を増加すると、冷媒を循環させる冷媒ポンプ６０等に過大の負担がかかることになる。また、逆に、バイパス流路５５の圧力損失に対し、排熱熱交換器側の流路５８の圧力損失を小さく設定すれば、排熱熱交換器５６を流れる冷媒の流量を十分に少なくすることができない。上述の如く、上記システムでは、冷媒ポンプ６０等は大型のものが必要となり、構成も複雑な大型の設備となる傾向にあるという欠点があった。
【０００５】
また、上記システムにあっては、燃料電池５０を安定な温度で作動させるために、燃料電池５０の出口近傍の温度センサ５９で測定される冷媒温度が一定になるように排熱交換器５６を流れる冷媒流量を調整し、また、排熱交換器５６の熱媒側出口近傍の温度センサー６２で測定される熱媒温度が一定になるように排熱熱交換器５６を流れる熱媒流量を調整している。しかし、燃料電池５０の外部出力に変動があった場合、排熱交換器５６の出口近傍における冷媒温度の変動に対して、燃料電池５０の出口近傍における温度センサー５９で測定される冷媒温度の変動は、時間的な遅れが生じ、燃料電池５０の過度の冷却や冷却不足が発生し、上記燃料電池５０の温度が不安定になり、そのため、燃料電池５０の動作が不安定に傾向にあった。また、それに伴って、給湯装置の熱媒の温度も不安定となり、給湯装置の効率を低下させる傾向にあるという欠点があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、燃料電池における外部出力が変動しても、燃料電池を安定な温度で作動させることが可能なコージェネレーションシステムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明のコージェネレーションシステムは、燃料電池を有する燃料電池発電装置と、この燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環流路と、上記冷媒循環流路に燃料電池を通過した冷媒から熱を受容する排熱熱交換器と、この排熱熱交換器を通って冷媒からの熱を受容した熱媒が流れる熱媒流路と上記熱媒を加熱媒体として用いる給湯装置を備えるコージェネレーションシステムにおいて、上記燃料電池の電流負荷値又は電圧負荷値の少なくとも一方に基づいて、燃料電池の負荷を測定する負荷測定手段と、上記冷媒及び上記熱媒の流量をそれぞれ調整する制御部を具備し、制御部は負荷測定手段より伝達される電流負荷値又は電圧負荷値の少なくとも一方から燃料電池の発熱量を算定し、その発熱量に応じた冷媒流量及び熱媒流量を算定して、冷媒流量及び熱媒流量を調整することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明のコージェネレーションシステムは、請求項１記載のコージェネレーションシステムにおいて、上記負荷測定手段が、電流負荷値及び電圧負荷値の両方に基づいて、燃料電池の負荷を測定する負荷測定手段であり、上記制御器が、上記負荷測定手段で測定した燃料電池の電流負荷値と電圧負荷値の積から燃料電池の発熱量を算定することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る発明のコージェネレーションシステムは、請求項１又は請求項２記載のコージェネレーションシステムにおいて、上記冷媒循環路に冷媒ポンプを備え、上記制御器が、上記負荷測定手段で測定した燃料電池の負荷に応じて、この冷媒ポンプの出力を制御することを特徴とする。
【００１０】
請求項４に係る発明のコージェネレーションシステムは、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のコージェネレーションシステムにおいて、上記熱媒流路に熱媒ポンプを備え、上記制御器が、上記負荷測定手段で測定した燃料電池の負荷に応じて、この熱媒ポンプの出力を制御することを特徴とする。
【００１１】
請求項５に係る発明のコージェネレーションシステムは、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のコージェネレーションシステムにおいて、上記給湯装置が貯水槽を備えていて、その貯水槽が、成層型の貯水槽であることを特徴とする。
【００１２】
請求項６に係る発明のコージェネレーションシステムは、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のコージェネレーションシステムにおいて、上記燃料電池に供給する改質ガスから、熱を受容する改質ガス熱交換器を冷媒循環流路に備えることを特徴としている。
【００１３】
請求項７に係る発明のコージェネレーションシステムは、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のコージェネレーションシステムにおいて、上記燃料電池に供給する改質ガスを生成する改質装置が、加熱器を備え、この加熱器より排出する燃焼排ガスから、熱を受容する燃焼排ガス熱交換器を冷媒循環流路に備えることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係るコージェネレーションシステムの実施形態の一例を説明したブロック図である。上記コージェネレーションシステムは、燃料電池１０を搭載することによって電気と熱を供給するものである。
【００１６】
上記コージェネレーションシステムは、原燃料を水蒸気改質して水素に富んだ改質ガスを生成する改質装置２０と、上記改質ガスを導入して発電する固体高分子型の燃料電池１０を備える。上記原燃料は、例えば、ブタンガス、プロパンガス、メタンガス、液化石油ガス等の炭化水素系の気体燃料、灯油、軽油、ガソリン等の炭化水素系の液体燃料、およびメタノール、エタノール等のアルコール系の液体燃料が挙げられる。なかでも、家庭用途のコージェネレーションシステムを想定した場合の原燃料としては、入手が容易で取り扱いの便宜性から、プロパンガス、ブタンガス、メタンガスを主成分としたガス、あるいは灯油が好ましい。上記原燃料が硫黄成分を含む場合は、脱硫器３２で硫黄成分を除去した後に改質装置２０に導入される。
【００１７】
上記改質装置２０は、上記原燃料と共に水および熱エネルギーが供給され、原燃料と水蒸気から水蒸気改質反応によって水素に富んだ改質ガスを生成するものである。上記改質装置２０は、上記水蒸気改質反応を行う改質部２１、改質ガス中の一酸化炭素濃度を抵下させるシフト部２２、さらに一酸化炭素を選択的に酸化し改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する選択酸化部２３、及び、各反応工程に熱エネルギーを供給する加熱器２４を備える。上記加熱器２４には、燃料と空気を供給するが、この燃料は、原燃料と同種の燃料を用いてもよいし、他の燃料を用いてもよい。また、改質装置２０に供給される水は、水を貯えた水タンク３３から改質水ポンプ３７で送られる。
【００１８】
改質装置２０で生成された改質ガスは、改質ガス用の気液分離器３４を備える改質ガス導入路を通って燃料電池１０に導入される。固体高分子型の燃料電池１０は、高分子膜が乾燥すると機能が低下するため、上記改質ガスは燃料電池２０が作動する温度程度の飽和水蒸気を含むように露点調整する必要がある。上記改質ガスの露点調整は、改質装置２０で改質に必要な量よりも過剰に水を供給する。上記改質装置２０で生成された改質ガスは、気液分離器３４で燃料電池２０が作動する温度程度に冷却すると共に、過剰な水分を気液分離器３４にて分離して、改質ガスが適正露点となるように調整している。この分離した水は、上記水タンク３３に送られ蓄えられる。
【００１９】
上記燃料電池１０は、複数のセルからなり、上記一組のセルは、固体型高分子膜を有し、固体型高分子膜の片側一方にアノード１１を、他方にカソード１２を備える。上記燃料電池１０は、アノード１１に温度及び露点調整された改質ガスが供給され、上記カソード１２に空気（酸素）が供給される。上記固体高分子型の燃料電池１０は、７０〜８０℃の低温で作動するため、一般家庭用として容易に利用できるものである。また、上記燃料電池１０で発電した電力は、交流電力が必要な用途に用いる際にパワーコンデイショナー３１に送電され、直流から交流に変換されて外部に出力される。
【００２０】
上記コージェネレーションシステムには、発電の際に上記燃料電池１０が発熱するので、冷却体１３を設けており、冷媒が冷却体１３内部を流通し循環する冷媒循環流路２が形成されている。上記冷媒循環流路２には、上記燃料電池１０を通過した冷媒から熱を受容する排熱熱交換器１と冷媒を循環させる冷媒ポンプ５を備える。
【００２１】
また、上記コージェネレーションシステムは、上記排熱熱交換器１で熱交換した熱媒を加熱媒体として利用する給湯装置を備える。上記給湯装置は、熱媒として水を蓄えた貯水槽２５を備え、この貯水槽２５から上記排熱熱交換器１を経由する熱媒流路１４が形成されている。また、上記給湯装置は、熱媒流路１４内で排熱熱交換器１に熱媒ポンプ１７を備える。
【００２２】
さらに、上記燃料電池１０とパワーコンデイショナー３１を接続する電力線６には、燃料電池１０の電圧負荷値を測定する電圧計７ａと電流負荷値を測定する電流計７ｂが装備される。上記電圧計７ａと上記電流計７ｂの測定信号は、負荷測定手段７に伝達され、そこで、燃料電池１０の外部出力に対応する、燃料電池１０の負荷を測定する。また、この負荷測定手段７で測定された燃料電池１０の負荷に関する信号は、制御器４に送られる。そして、制御器４では、この負荷に関する信号を受け、冷媒ポンプ５と熱媒ポンプ１７に、負荷に関する信号に応じた制御信号を送信する。この制御器４は、負荷測定手段７、冷媒ポンプ５、熱媒ポンプ１７と電気回線で接続されている。燃料電池１０の発電時の発熱量は、燃料電池１０の負荷、すなわち燃料電池１０の電圧負荷値と電流負荷値との積に略比例する量になるので、上記制御器４では、負荷測定手段７より伝達された燃料電池１０の負荷に関する信号から、燃料電池１０の発熱量を算定し、その発熱量に応じた冷媒流量及び熱媒流量を算定し、電気回線を通じて制御信号を冷媒ポンプ５及び熱媒ポンプ１７に送信することにより、冷媒ポンプ５で循環させる冷媒の流量及び熱媒ポンプ１７で循環させる熱媒の流量を調整する。
【００２３】
上記操作により、燃料電池１０の発熱量に応じた冷媒流量に調整することができるので、外部出力の変動による燃料電池１０の発電量が変動した場合でも、燃料電池１０を安定な温度で作動させることが可能になる。また、排熱熱交換器１で熱交換により、熱媒が冷媒より受容する熱量は、燃料電池１０の発熱量に応じた量となるので、燃料電池１０の発熱量に応じた熱媒流量に調整することで、熱媒の温度も安定化させることが可能となる。
【００２４】
また、上述した従来のバイパスを用いた冷媒流量調整でなく、直接、冷媒ポンプ５の出力を調整して、冷媒流量をコントロールするので、冷媒ポンプ５として、より小型のポンプを使用することができる。また、上記冷媒ポンプ５としては、例えば、流量の制御が容易であることから、直流ダイレクトポンプを用いることができる。また、上記冷媒ポンプ５は、冷媒温度による劣化を軽減させるため、排熱熱交換器１の下流でなおかつ燃料電池１０の上流に具備することが好ましい。
【００２５】
上記冷媒循環流路を流れる冷媒としては、電気伝導度の小さいものが好ましく、例えばイオン交換水、フッ素系不活性液体等を用いることができる。
上記給湯装置の貯水槽２５は、蓄熱能力を高めるため成層型の貯水槽を用いることが好ましい。貯水槽２５が成層型の貯水槽であれば、蓄熱途中における高温水と低温水との混合が抑制されるため、温合型の貯水槽のものと比較して、外部へより高温の湯を多量に供給することができる。この成層型の貯水槽を使用する効果を高めるために、成層型の貯水槽には、略一定温度の湯（熱媒）を供給することが重要である。本実施形態のコージェネレーションシステムは、燃料電池１０の発熱量に応じた冷媒流量及び熱媒流量に調整することができるので、外部出力の変動による燃料電池１０の発電量が変動した場合でも、燃料電池１０の発熱量に応じた熱媒流量に調整することで、熱媒である湯の温度も略一定温度で安定化させることができる。
【００２６】
また、図１中の符号３５は排アノードガス用気水分離器、符号３６は排カソードガス用気液分離器である。排アノードガス用気液分離器３５は、燃料電池１０のアノード１１から排出され、燃料電池１０で消費しきれなかった水素及びメタン等の可燃性ガスを含んでいる排アノードガスを、改質装置２０を加熱する燃料の一部として使用する際に、上記排アノードガス中の水とガスを分離するものである。排カソードガス用気液分離器３６は、カソード１２からの排空気に含まれる、燃料電池１０にて生成した水分を排空気から分離し、この水を水タンク３３に回収するものである。
【００２７】
なお、本実施形態においては、負荷測定手段７は、燃料電池１０の電流負荷値及び電圧負荷値の両方に基づいて、燃料電池１０の負荷を測定する手段を用いているが、本実施形態の第１変形例として、燃料電池１０の電流負荷値のみに基づいて、燃料電池１０の負荷を測定する手段を用いていることもでき、また、本実施形態の第２変形例として、燃料電池１０の電圧負荷値のみに基づいて、燃料電池１０の負荷を算定する測定する手段を用いていることもできる。なぜならば、電流負荷値又は電圧負荷値のいずれか一方のデーターを用いても、両方のデーターを用いる場合に比べて若干の誤差を生ずるが、実用上、略正確な燃料電池の負荷を測定することは可能だからである。
【００２８】
次に、本発明のコージェネレーションシステムの他の実施形態（第２の実施形態）について、図１で説明した実施形態とは、異なる点のみ説明する。
【００２９】
第２の実施形態では、図２に示すように冷媒循環流路２に、燃料電池１０に供給される改質ガスから熱を受容する改質ガス熱交換器４１を備える。本実施形態のように、改質ガスからも熱を受容するという構成をとるので、コ−ジェネレーションシステムとしてのトータルの効率を向上させることができる。
【００３０】
なお、制御器４は、負荷測定手段７で測定された負荷の信号を受けて、燃料電池１０の発熱量を算出するとともに、制御器４で負荷の増減に応じて増減される改質ガス流量から、改質ガス熱交換器４１により冷媒が受容する熱量を算定できるようにすると好ましい。そうすると、燃料電池１０が発熱した発熱量と改質ガスから受容した熱とによる冷媒温度の上昇予測値から、制御器４で適切な冷媒流量を算定し、電気回線を通じて、制御信号を冷媒ポンプ５に送信することにより、冷媒ポンプ５で循環させる冷媒流量をより適切に調整することができるようになる。
【００３１】
次に、本発明のコージェネレーションシステムの、さらに他の実施形態（第３の実施形態）について、図１で説明した実施形態とは、異なる点のみ説明する。
【００３２】
第３の実施形態では、図３に示すように冷媒循環流路２に、改質装置２０の加熱器２４に供給された燃料と空気の燃焼排ガスから熱を受容する燃焼排ガス熱交換器４２を備える。本実施形態のように、燃焼排ガスからも熱を受容するという構成をとるので、コ−ジェネレーションシステムとしてのトータルの効率を向上させることができる。
【００３３】
なお、制御器４は、負荷測定手段７で測定された負荷の信号を受けて、燃料電池１０の発熱量を算出するとともに、制御器４で負荷の増減に応じて増減される燃焼排ガス流量から、燃焼排ガス熱交換器４１により冷媒が受容する熱量を算定できるようにすると好ましい。そうすると、燃料電池１０が発熱した発熱量と燃焼排ガスから受容した熱とによる冷媒温度の上昇予測値から、制御器４で適切な冷媒流量を算定し、電気回線を通じて、制御信号を冷媒ポンプ５に送信することにより、冷媒ポンプ５で循環させる冷媒流量をより適切に調整することができるようになる。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１〜７に係る発明のコージェネレーションシステムは、燃料電池を有する燃料電池発電装置と、この燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環流路と、上記冷媒循環流路に燃料電池を通過した冷媒から熱を受容する排熱熱交換器と、この排熱熱交換器を通って冷媒からの熱を受容した熱媒が流れる熱媒流路と上記熱媒を加熱媒体として用いる給湯装置を備えるコージェネレーションシステムにおいて、上記燃料電池の電流負荷値又は電圧負荷値の少なくとも一方に基づいて、燃料電池の負荷を測定する負荷測定手段と、上記冷媒及び上記熱媒の流量を調整する制御器を具備し、この制御器が、負荷測定手段で測定した燃料電池の負荷から燃料電池の発熱量を算定し、その発熱量に応じた冷媒流量及び熱媒流量を算定して、冷媒流量及び熱媒流量を調整しているので、燃料電池における外部出力が変動しても、燃料電池を安定な温度で作動させることが可能なコージェネレーションシステムとなる。
【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実施形態の一例（第１の実施形態）を説明したブロック図である。
【図２】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形態の一例（第２の実施形態）を説明したブロック図である。
【図３】本発明に係るコージェネレーションシステムのさらに他の実施形態の一例（第３の実施形態）を説明したブロック図である。
【図４】従来のコージェネレーションシステムを説明したブロック図である。
【符号の説明】
１        排熱熱交換器
２        冷媒循環流路
５        冷媒ポンプ
７        負荷測定手段
１０      燃料電池
１４      熱媒流路
１７      熱媒ポンプ
２０      改質器
２５      貯水槽
４１      改質ガス熱交換器
４２      燃焼排ガス熱交換器
【図１】
0004296741.tif 000002
【図２】
0004296741.tif 000003
【図３】
0004296741.tif 000004
【図４】
0004296741.tif 000005