(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路と、上記冷媒循環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手段を備えるコージェネレーションシステムにおいて、上記燃料電池の出口近傍の冷媒の温度を測定する温度センサを具備し、さらに、この温度センサで測定した温度データに応じて燃料電池に導入する冷媒の流量を変動する手段と、この冷媒の流量に応じて排熱熱交換器を通過する熱媒の流量を変動する手段を有し、上記燃料電池の出口近傍の冷媒の温度が所定温度範囲より上昇した際に、上記燃料電池に導入する冷媒の流量、及び、排熱熱交換器を通過する熱媒の流量を増加し、上記燃料電池の出口近傍の冷媒の温度が所定温度範囲より下降した際に、上記燃料電池に導入する冷媒の流量、及び、排熱熱交換器を通過する熱媒の流量を減少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】
上記熱媒の流量を変動する手段が、冷媒の流量に応じて変動する排熱熱交換器の出口近傍の熱媒の温度を測定し、この温度に応じて排熱熱交換器に供給する熱媒の流量を変動することであ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】
上記燃料電池が固体高分子型であ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。
【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、発電に伴って発生する排熱を回収して、この回収した排熱を給湯や暖房用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（例えば、特開平４−２０６２５９号公報等）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記燃料電池を利用したコージェネレーションシステムを安定して稼動するためには、燃料電池から所定量の熱エネルギー量を回収する必要がある。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２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を迂回するバイパス経路５５、及び、バイパス経路５５中にこのバイパス経路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、バイパス経路５４を流れる冷媒の流量を調整することで、排熱熱交換器５６を流れる冷媒の流量を変動するものである。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、バイパス経路５５と排熱熱交換器側の経路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、バイパス経路５５の圧力損失に対し、排熱熱交換器側の経路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制定した場合、冷媒の流量を増加すると、冷媒を循環させるポンプ６０等に過大の負担がかかることになる。また、逆に、バイパス経路５５の圧力損失に対し、排熱熱交換器側の経路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、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らざるを得ない。
【０００５】
一方、近年、固体高分子型の燃料電池を用いた燃料電池発電装置が採用されている。上記固体高分子型の燃料電池は、７０〜８０℃の低温で作動するため一般家庭用に使用するものとして注目されている。この固体高分子型の燃料電池を利用したコージェネレーションシステムは、熱エネルギーとして家庭用の給湯や暖房に利用するものが求められている。一般家庭用に用いる燃料電池発電装置を利用したコージェネレーションシステムにあっては、構造が複雑であったり、大型の設備を伴うものを使用することは、困難である。そのため、コージェネレーションシステムは、バイパス経路を形成したり、大型のポンプを使用しなくとも、燃料電池を安定して発電させながら、熱媒の温度が安定したものが要望されている。
【０００６】
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、設備の小型化が可能で、燃料電池を安定して発電させながら、熱媒の温度が安定した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記載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路と、上記冷媒循環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手段を備えるコージェネレーションシステムにおいて、上記燃料電池の出口近傍の冷媒の温度を測定する温度センサを具備し、さらに、この温度センサで測定した温度データに応じて燃料電池に導入する冷媒の流量を変動する手段と、この冷媒の流量に応じて排熱熱交換器を通過する熱媒の流量を変動する手段を有し、上記燃料電池の出口近傍の冷媒の温度が所定温度範囲より上昇した際に、上記燃料電池に導入する冷媒の流量、及び、排熱熱交換器を通過する熱媒の流量を増加し、上記燃料電池の出口近傍の冷媒の温度が所定温度範囲より下降した際に、上記燃料電池に導入する冷媒の流量、及び、排熱熱交換器を通過する熱媒の流量を減少することを特徴とする。上記によって、冷媒の流量と熱媒の流量を変動して、冷媒の温度及び熱媒の温度がばらつくことを抑えることができるものである。
【０００９】
請求項２記載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、上記熱媒の流量を変動する手段が、冷媒の流量に応じて変動する排熱熱交換器の出口近傍の熱媒の温度を測定し、この温度に応じて排熱熱交換器に供給する熱媒の流量を変動することである。上記によって、燃料電池を冷却する冷媒の流量に応じて、熱媒の流量を変動するので、熱媒の温度のばらつきを抑えることができるものである。
【００１０】
請求項３記載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、上記燃料電池が固体高分子型であることを特徴とする。上記によって、燃料電池が７０〜８０℃の低温で作動するため、一般家庭用として上記コージェネレーションシステムを利用することが容易にできるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
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の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を利用して電気と熱を供給するものである。
【００１２】
上記コージェネレーションシステムを構成する燃料電池発電装置は、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、灯油、軽油、ガソリン等の炭化水素系の液体、メタノール、エタノール等のアルコール系燃料が挙げられる。なかでも、家庭用で使用する原燃料としては、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や灯油が好ましい。上記原燃料に硫黄成分が含まれているものを用いる場合、原燃料は、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。
【００１３】
上記改質装置２０は、上記原燃料が供給され、また、同時に水が供給される。上記改質装置２０は、原燃料と水蒸気から水蒸気改質反応がなされ、水素に富んだ改質ガスに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器２１、改質ガス中のＣＯ濃度を低下させるシフト器２２、さらにＣＯを選択的に酸化する選択酸化器２３、及び、各反応工程に熱源を供給する加熱器２４を備える。上記加熱器２４は、燃料と空気が供給される。この燃料は、原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からポンプ３７で供給される。
【００１４】
上記燃料電池発電装置は、改質装置２０で生成された改質ガスが改質ガス導入路２６を通って燃料電池１０に導入される。上記燃料電池発電装置は、この改質ガス導入路２６中に改質ガス用気水分離器３４を備える。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を発揮しないので、上記燃料電池発電装置は、上記改質ガスを燃料電池１０が作動する温度程度の飽和水蒸気を含むように加湿するために、改質装置２０に改質に必要な水分よりも過剰な水分を供給する。そして、上記燃料電池発電装置は、改質ガスを改質ガス用気水分離器３４で燃料電池１０が作動する温度程度に冷却すると共に、過剰な水分を分離して、改質ガスが飽和水蒸気を含む水分量に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に貯えられる。
【００１５】
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２１に湿度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ィショナー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。
【００１６】
上記コージェネレーションシステムは、上記燃料電池１０が発熱するので、冷却板１３が設けられており、上記冷却板１３を通って冷媒が循環する冷媒循環路２が形成されている。上記冷媒循環路２には、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、冷媒を循環させるポンプ５、及び、上記燃料電池１０の出口を出た近傍に、冷媒の温度を測定する温度センサ３を備える。さらに、上記コージェネレーションシステムは、所定の温度範囲に対する冷媒温度の高低を判別し、ポンプ５に指示信号を送信する第１の判別器４を備え、上記第１の判別器４は、温度センサ３及びポンプ５と電気回線６、７で連結されている。上記冷媒は、伝導度の小さいものが好ましく、例えばイオン交換水、フロリナート等が挙げられる。
【００１７】
上記コージェネレーションシステムは、燃料電池１０を通過した冷媒の温度データに応じて燃料電池１０に導入する冷媒の流量を変動するものである。上記コージェネレーションシステムは、上記温度センサ３で測定した温度データを、電気回線６を通って第１の判別器４に送信し、この第１の判別器４で所定の温度範囲に対して測定した温度データの高低を判別し、上記第１の判別器４から指示信号が電気回線７を通ってポンプ５に送信され、この指示信号に応じて、ポンプ５で循環する冷媒の流量を調整する。上記ポンプ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。上記ポンプ５は、排熱熱交換器１より下流側に具備することが好ましい。ポンプ５が排熱熱交換器１より下流側であると、冷媒の温度が低いため、ポンプ５にかかる負担を軽減できるものである。
【００１８】
上記コージェネレーションシステムは、排熱熱交換器１で熱交換した熱媒を過熱媒体として利用した給湯装置を備える。上記給湯装置は、熱媒として水を貯水した貯水槽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の上流側にポンプ１７、排熱熱交換器１の出口を出た近傍に、熱媒の温度を測定する温度センサ１５を備え、及び、所定の温度範囲に対する熱媒温度の高低を判別し、ポンプ１７に指示信号を送信する第２の判別器１６を備え、上記第２の判別器１６は、温度センサ１５及びポンプ１６と電気回線１８、１９で連結されている。
【００１９】
上記コージェネレーションシステムは、冷媒循環路２内を流れる冷媒の流量に応じて排熱熱交換器１を通過する熱媒の流量を変動するものである。上記コージェネレーションシステムにあっては、第１の判別器４から指示信号に応じて冷媒循環路２内を流れる冷媒の流量が変動すると、排熱熱交換器１の出口を出た熱媒の温度が変動する。そこで、上記コージェネレーションシステムは、上記温度センサ１５で測定した熱媒の温度データを、電気回線１８を通って第２の判別器１６に送信し、この第２の判別器１６で所定の温度範囲に対して測定した温度データの高低を判別し、上記第２の判別器１６から指示信号が電気回線１９を通ってポンプ１７に送信され、この指示信号に応じて、ポンプ１７で排熱熱交換器１に供給する熱媒の流量を調整する。上記ポンプ１７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。
【００２０】
上記コージェネレーションシステムは、燃料電池１０の発電の際に発生する排熱を上記排熱熱交換器１で回収して、貯水槽２５に蓄熱を行うものである。このようなコージェネレーションシステムにあっては、貯水槽２５への蓄熱が進行すると次第に湯の温度が上昇し、これに伴って排熱熱交換器１に供給される熱媒の温度が上昇するため、冷媒循環路２を流れる冷媒の温度の上昇を招き、燃料電池１０の冷却が不充分になる恐れがある。また、上記コージェネレーションシステムにあっては、一度に多量の給湯を行うと貯水槽２５に外部から水が供給されて排熱熱交換器１に供給される熱媒が温度低下を招くため、冷媒循環路２を流れる冷媒の温度が低下して、燃料電池１０の冷却が行き過ぎる恐れがある。また、燃料電池１０の発電量を低下させた場合、発生する排熱が減少して冷媒循環路２を流れる冷媒の温度が低下して、冷却が不安定になる恐れがある。そこで、本発明のコージェネレーションシステムは、冷媒循環路２中であって燃料電池１０の出口近傍の冷媒の温度を測定し、この温度が所定の温度より低下していた場合、排熱熱交換器１で熱交換する熱エネルギーの量を低下させることで、冷媒循環路２を流れる冷媒の温度を所定の範囲で維持するように制御し、また、出口近傍の冷媒の温度が高い場合、排熱熱交換器１で熱交換する熱エネルギーの量を増加させることで、冷媒循環路２を流れる冷媒の温度を所定の範囲で維持するように制御するものである。
【００２１】
上記給湯装置の貯水槽２５は、貯水能力を高めるため成層型であることが好ましい。貯水槽２５が成層型であれば、混合型のものと比較して高温の湯を多量に供給することができる。成層型の貯水槽２５は、一定温度の高温の湯を供給することが大切である。上述の如く、排熱熱交換器１で回収される熱エネルギー量は、燃料電池１０の稼動状態で変動し、また、貯水槽２５の温度は、貯水槽２５の湯の使用状況で変化する。そこで、本発明のコージェネレーションシステムは、一定温度の高温の湯を貯水槽２５に供給するために、排熱熱交換器１を出た熱媒の温度を温度センサ１５で測定し、この温度が所定の温度より低下していた場合、排熱熱交換器１を流れる熱媒の量を低下させることで、貯水槽２５に供給される熱媒の温度を一定温度の高温で維持するように制御し、また、熱熱交換器１を出た熱媒の温度が所定の温度より高い場合、排熱熱交換器１を流れる熱媒の量を増加させることで、貯水槽２５に供給される熱媒の温度を一定温度の高温で維持するように制御するものである。
【００２２】
例えば、上記コージェネレーションシステムは、燃料電池１０が７０〜８０℃の作動温度を維持するように、上記温度センサ３で測定した冷媒の温度が、６０〜７０℃に設定した温度範囲より上昇した場合、上記第１の判別器４から指示信号がポンプ５に送信され、燃料電池１０に導入する冷媒の流量を増加するようにポンプ５が稼動し、及び、これに伴って温度センサ１５で熱媒の温度の上昇を検知し、第２の判別器１６から指示信号がポンプ１７に送信されて、排熱熱交換器１を通過する熱媒の流量を増加するようにポンプ１７が稼動する。また、例えば、上記コージェネレーションシステムは、上記温度センサ３で測定した冷媒の温度が所定温度範囲より下降していた場合、上記第１の判別器４から指示信号がポンプ５に送信され、上記燃料電池１０に導入する冷媒の流量を減少するようにポンプ５が稼動し、及び、これに伴って温度センサ１５で熱媒の温度の下降を検知し、第２の判別器１６から指示信号がポンプ１７に送信されて、排熱熱交換器１を通過する熱媒の流量を減少するようにポンプ１７が稼動する。
【００２３】
なお、図中の符号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水分離である。排アノードガス用気水分離器３５は、燃料電池１０のアノード１１から排出される排アノードガスが、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ので、この排アノードガス中の可燃性ガスを改質装置２０を加熱する燃料の一部として使用するために、排アノードガスの水とガスを分離しているものである。排カソードガス用気水分離３６は、カソード１２から排出されるガスが水分を含んでいるので、水分を分離し、この水を水タンク３３に回収するものである。
【００２４】
また、上記コージェネレーションシステムの他の実施の形態としては、上記ポンプ５で冷媒の流量を調整する代わりに、流量調整弁を設け、第１の判別器４から指示信号で流量調整弁の開閉量を調整してもよいし、また、上記ポンプ１７で熱媒の流量を調整する代わりに、流量調整弁を設け、第２の判別器１６から指示信号で流量調整弁の開閉量を調整してもよい。
【００２５】
【発明の効果】
請求項１記載のコージェネレーションシステムは、温度センサで測定した温度データに応じて燃料電池に導入する冷媒の流量を変動する手段と、この冷媒の流量に応じて排熱熱交換器を通過する熱媒の流量を変動する手段を有し、上記燃料電池の出口近傍の冷媒の温度が所定温度範囲より上昇した際に、上記燃料電池に導入する冷媒の流量、及び、排熱熱交換器を通過する熱媒の流量を増加し、上記燃料電池の出口近傍の冷媒の温度が所定温度範囲より下降した際に、上記燃料電池に導入する冷媒の流量、及び、排熱熱交換器を通過する熱媒の流量を減少するので、冷媒の温度及び熱媒の温度がばらつくことを抑えることができる。その結果、上記コージェネレーションシステムは、燃料電池を安定して発電させながら、熱媒の温度が安定したものである。
【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の形態の一例を説明したブロック図である。
【図２】従来のコージェネレーションシステムの要部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      冷媒循環路
３      温度センサ
４      第１の判別器
５      ポンプ
１０    燃料電池
１１    アノード
１２    カソード
１３    冷却板
１４    熱媒流路
１５    温度センサ
１６    第２の判別器
１７    ポンプ
２０    改質装置
２５    貯水槽
【図１】
0003846180.tif 000002
【図２】
0003846180.tif 000003