JP2003524859A - 建物に熱及び電力を供給するための燃料処理器、火炉及び燃料電池の統合システム - Google Patents

建物に熱及び電力を供給するための燃料処理器、火炉及び燃料電池の統合システム

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱、熱水、及び／または電力を建物に効率よく供給する燃料処理器、火炉、及び燃料電池構体を有するコンパクトな統合システムを提供する。 【解決手段】 統合システム１０は、建物に電力を供給する燃料電池構体４０と、加熱室２２及び熱交換器２４を有し建物に熱を供給する火炉２０と、火炉２０及び燃料電池構体４０へ改質物の供給分を提供する改質器５０とを包含する。システムは、建物の熱需要及び電力需要に応答して燃料電池構体４０及び火炉２０へ改質物の供給分を配分する制御器８０を包含してもよい。他の実施形態では、統合システム１００は、建物に電力を提供する燃料電池構体１４０と、室１３２及び建物に熱を提供する熱交換器１３４を包含する改質器／火炉ユニット１３０とを包含し、燃料は、室内で富燃料環境下で燃料電池構体１４０のための改質物の供給分を生成し、また室内で貧燃料環境下で熱を釈放するように改質／酸化される。システム１００はまた、建物の熱需要及び電力需要に応答して富燃料環境と貧燃料環境との間で室１３２を作動させる制御器１８０を包含する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に熱及び電力を提供するシステム、特に、熱、熱水及び／また
は電力を建物に提供するための、燃料処理器、火炉、及び燃料電池構体を有する
新規な統合システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
居住用及び商業用の建物は、熱、熱水、及び電力を必要とする。典型的には、
例えば油、天然ガス、またはプロパンのような燃料を燃焼する火炉またはボイラ
が、一般的にこの居住用または商業用の建物における加熱需要のすべてを提供す
る。火炉は、一般に２つの基本的な構成部分、すなわち燃料を燃焼させる燃焼室
と、熱い燃焼ガスが熱を例えば水、水蒸気、または空気のような分配媒体へ移転
させる熱交換器とからなる。さらに、この火炉または別に設けた熱水加熱器が、
居住用または商業用の建物の熱水需要に応じている。
【０００３】 一般に、大規模の集中発電施設は、居住用または商業用の建物の電力需要に応
じるものである。
【０００４】 燃料電池発電システムもまた、電力を提供することが可能である。燃料電池発
電システムは一般に、燃料処理器と、燃料電池構体または積重体と、電力調整器
とを包含する。燃料処理器は、例えば天然ガスまたはプロパンのような燃料を水
素富化ガスに変換する。この燃料処理器は一般に、燃料を水素富化ガスまたは改
質物へと処理する改質器を包含する。プロトン交換膜を有する燃料電池には、好
ましくは燃料処理器は、改質物のＣＯ成分を減少させるＣＯ（一酸化炭素）浄化
装置を包含する。
【０００５】 燃料電池構体または積重体は、改質物内の水素及び例えば空気のような酸化体
内の酸素を電気化学的に直接に直流の電気に変換する。電力調整器は、この燃料
電池積重体により生じた直流を、さらに利用価値のある１２０ボルトまたは２２
０ボルト（ＶＡＣ）の交流に変換する。
【０００６】 熱及び電力を発生するためにボイラまたは火炉を燃料電池構体と統合する試み
がこれまでなされてきた。例えばパルマー（ Palmer ）他の米国特許第５，４０
１，５８９号には、発電システムに燃料電池積重体を適用し、このシステムの廃
熱を利用することが記載されている。例えば、燃料電池積重体内で発生した熱は
改質器で用いられるか、空間の加熱に用いられる。さらに、燃料処理器のバーナ
ーからの排気は、タービン及び小型発電機に導かれて、燃料電池積重体からの電
力出力に補足するか、または熱交換器に導かれて処理工程における加熱か空間の
加熱かに用いられる。
【０００７】 ダンバー（ Dunbar）の米国特許第５，３３５，６２８号には、水の循環ルー
プを有する統合ボイラ／燃料電池システムが記載されており、この循環ループは
、燃料電池の冷却材として、またボイラの熱源及び／または水源としての二重の
目的に役立っている。ボイラからの熱は、燃料電池内で用いられる天然ガスの改
質のためのエネルギ源として役立つ。
【０００８】 石丸等の米国特許第５，４３２，７１０号には、燃料電池、この燃料電池に改
質物の供給分を供給する改質器、別に設けたボイラ、及びエネルギコスト、エネ
ルギ消費及び汚染物質の放出を最適化する制御手段を有する電力供給システムが
記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来技術のシステムは、改質器を、水素富化改質物の産出が最適化され
るように操作し、また、この改質器からの改質物が燃料電池構体だけに差し向け
られるように、ボイラ／火炉を燃料電池電力システムに統合することに限られて
いる。
【００１０】 それゆえ、従来技術の制約を克服して、熱、熱水、及び／または電力を建物に
効率よく提供する燃料処理器、火炉、及び燃料電池構体を有するコンパクトな統
合システムに対する要望があるのである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
熱を供給する火炉と、電力を供給する燃料電池構体と、改質物を供給する燃料
処理器とを包含し、前記改質物が前記火炉に直接に、及び／または前記燃料電池
構体に直接に供給されるようにした本発明の一実施形態により、電力及び熱を建
物に提供する統合システムにより、従来技術の欠点が解消され、更なる利点が与
えられる。
【００１２】 好適には、このシステムはさらに、建物の熱需要及び電力需要に応答して、燃
料を燃料処理器に、改質物を火炉及び／または燃料電池構体及び燃料電池構体に
分配する手段をさらに包含する。
【００１３】 本発明の他の態様によれば、建物に熱及び電力を提供する統合システムは、電
力を提供する燃料電池構体と、室及び熱を提供する熱交換器を有する改質器／火
炉ユニットとを包含し、燃料は、前記室内において第１の燃料対空気比で前記燃
料電池構体のための改質物を生産し、及び／または第２の燃料対空気比で熱を放
出するように選択的に改質可能である。好適には、燃料は、建物の加熱需要及び
電力需要に応答して選択的に改質可能である。
【００１４】 好適には、上述の統合システムにおいて、燃料電池は、ＰＥＭ燃料電池構体で
あり、改質器または改質器／火炉ユニットは、部分酸化改質器、自熱触媒改質器
、または蒸気改質器、及び燃料電池構体に接続した電力調整器を包含する。この
システムはまた、燃料電池構体への改質物の供給分から熱を抽出する第２の熱交
換器、及び燃料電池構体への改質物の供給分内の一酸化炭素の量を減じるための
一酸化炭素浄化装置を包含してもよい。
【００１５】 上述のシステムはさらに、熱水を建物に供給するための熱水タンクを包含して
もよく、この熱水タンクは、燃料電池構体を冷却すると同時に、熱水タンク内の
水を加熱するために燃料電池構体に接続することが可能である。好適には、この
熱水タンクは、燃料電池構体のための空気に湿分を与える手段を包含してもよい
。
【００１６】 本発明の他の態様では、燃料の供給分を改質して改質物を生産する工程と、こ
の改質物の供給分を、建物のための熱を発生させるために火炉に直接に、及びこ
の建物のための電力を発生させるために燃料電池に直接に分配させる工程とを包
含する、電力及び熱を建物に提供する方法が提供される。好適には、この方法は
、改質物の供給分を火炉に、及び燃料電池構体に分配し、建物の加熱需要及び電
力需要に応答して改質すべき燃料の供給分を調節する工程を包含する。
【００１７】 本発明のさらに他の態様では、燃料供給分を受ける工程と、この燃料の供給分
を第１の燃料対空気比において改質して建物のための電力を提供し、第２の燃料
対空気比において改質して建物のための熱を提供するために、燃料電池構体に送
る改質物の供給分を生産する工程を包含する、建物に電力及び熱を提供する方法
が提供される。好適には、燃料の供給分を選択的に改質するこの工程は、改質物
及び熱を生産するために、富燃料化学等量と貧燃料化学等量との間の燃料対空気
比で燃料を改質することを包含する。好適には、この方法は、建物の加熱需要及
び電力需要に応答して前記燃料の供給分の選択的改質を制御する工程を包含する
。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる要旨は、請求範囲において限定され明細書本文中に述べられて
いるところである。本発明の上述及びその他の目的、特徴、及び利点は、添付図
面に示された好適な実施形態についての以下の詳細な記述から容易に理解されよ
う。
【００１９】 本発明による統合システムは、好適にはコンパクトな形状で容易に建物内に設
置でき、例えば天然ガス、液化石油ガス、メタノール、またはプロパンのように
容易に入手できる燃料を用いて都合よく作動され、建物に熱、熱水、及び／また
は電力を提供することができるシステムである。
【００２０】 例えば、この統合システムは、改質器内で生産された改質物が、火炉及び燃料
電池構体の両方に直接に供給されるような構成とされる。統合システムはまた、
改質物の室及び火炉の室が一緒にされ、燃料／空気比（例えば化学等量）を変え
ることにより火炉から最大の熱釈放を得たり、燃料から水素富化ガスの最大生産
を得たり、熱釈放と水素ガスの生産の両方を得るように、この室内で燃料が選択
的に燃焼／改質されるようにすることができる。望ましくは、この統合システム
の作動は、建物の熱需要及び電力需要に応答するようにする。
【００２１】 図１は、建物内に熱、熱水、及び電力を提供するための、本発明による１実施
形態を略図的に例示している。この実施形態では、システム１０は一般に、熱を
提供する火炉２０と、電力を提供する燃料電池構体４０と、火炉２０及び燃料電
池構体４０に作動的に接続され、火炉２０に直接に改質物を提供したり、燃料電
池構体４０に直接に改質物を提供したり、火炉２０と燃料電池構体４０との両方
に直接改質物を提供したりする改質器５０とを包含している。
【００２２】 改質器５０は、燃料（例えば私設または公設事業からの天然ガス）、水（例え
ば私設または公設事業からの水）、及び／または空気を、水素富化ガスまたは改
質物の供給分に変換する。改質器５０は、蒸気改質器、部分酸化改質器、触媒自
熱改質器、またはその他の形式の改質器であってよい。
【００２３】 蒸気改質器では、例えばメタン（ＣＨ４）を多く含有する天然ガスのような燃
料は、加熱されて、一般に次式で示すように改質される。 蒸気改質器は、燃料を改質する熱を必要とし、典型的には燃焼室を包含している
。このような蒸気改質器では、改質される燃料の供給分は、燃焼室内の燃焼ガス
から分離されている。
【００２４】 部分酸化改質器または触媒自熱改質器では、天然ガスは一般に次式のように部
分酸化され得る。 改質プロセスの開始のための最初の熱の供給分は、改質室内で例えば天然ガスま
たはプロパンのような燃料をまず燃焼させるか、例えば改質室内の電気加熱器ま
たはコイルを用いることにより熱交換器で改質室を間接的に加熱することを要求
され、かつ果たされる。一旦改質プロセスが始まると、このプロセスは充分な熱
を生成し、燃料改質のプロセスが続行される。部分酸化改質器または触媒自熱改
質器では、改質物は典型的には、約４５０℃よりも高い温度を有する。改質器５
０により生成された改質物は、火炉２０の室２２へ直接に供給され、及び／また
は適宜な導管及び３方向弁５２を介して燃料電池構体４０へ供給される。
【００２５】 火炉２０は、上述の改質物が空気により酸化される室２２と、発生する熱ガス
が例えば水、蒸気、または空気のような分配媒体へ熱を移転する熱交換器２４と
を包含している。例示のこの実施形態では、過剰な空気が改質物の完全燃焼を可
能とし、熱放出量を増加させている。分配媒体は、例えば建物内の放熱器または
逃し口のような熱放射手段へ、または熱水加熱器またはタンクへと運ばれる。例
えば、冷水が、私設または公設事業の供給端から熱交換器２４を介して供給され
る。加熱された水は、要求に応じて建物の熱水需要先へ提供されるか、または後
での使用のために熱水タンク（図１には示されていない）内に貯められる。これ
に代わって、例えば水のような分配媒体が閉鎖ループ系内に収容されるようにす
ることもできる。この閉鎖ループ系の戻り部分を点線により示してある。望まし
くは、この構成においてポンプまたは循環器２６が分配媒体を閉鎖ループ系を巡
って循環させる。また、加熱ユニットは、熱水または蒸気加熱器、またはフィン
付き熱交換器を備えたドラフト／強制空気加熱器でよいことは当業者にとって明
らかなところである。
【００２６】 熱ガスは、室２２を去った後、熱交換器２４に接触するに至り、ついで、建物
の排気筒または煙突を通って外部に逃れる。熱交換器２４は、一方の側の熱ガス
が熱を他方の側の分布媒体に移転させる広い表面面積を持たせることにより好適
に最適化される。本明細書の記載から、この熱交換器は、加熱室を裏打ちする形
状、取り囲む形状、及び／または加熱室を形成する形状とすることができること
は当業者にとって明らかなところである。
【００２７】 火炉２０の室２２に必要な空気は、建物内部の空気よりも建物の外部からの空
気がよい。改質物の供給分及び室２２内へ導入される空気の供給分は、パイロッ
ト火炎により点火されるか、さらに経済的には、１対の電極により生成される火
花により点火され得る。建物内での熱または熱水の需要が増大した時、例えば天
然ガスのような別の燃料供給分（図示してない）を、改質物に加えて室２２へ直
接に提供する。
【００２８】 燃料電池構体４０は、例えば改質物のような燃料及び例えば空気または酸素の
ような酸化体を直接に電気に電気化学的に変換する。本発明に好適な燃料電池構
体は、ポリマー電解質隔膜を有する形式のものである。他の燃料電池構体でも用
いることができよう。電力調整器７０は、燃料電池構体４０に作用的に接続され
、燃料電池構体４０からの直流電圧及び電流を、建物で用いる例えば１２０ボル
トまたは２２０ボルトの交流電圧及び電流に変換する。
【００２９】 望ましくは、燃料電池構体４０は、例えば水素のような燃料及び例えば空気／
酸素のような酸化体の化学的エネルギを直接に電気エネルギに変換するプロトン
交換隔膜（ＰＥＭ）型燃料電池を包含するものとする。ＰＥＭは、燃料電池のア
ノード側からこの燃料電池のカソード側へのプロトン（すなわちＨ＋イオン）の
通過を許容するが、反応ガス（例えば水素及び空気／酸素ガス）の通過は妨げる
固体状ポリマー電解質である。専門家によっては、頭字語”ＰＥＭ”を”Polyme
r Electrolyte Membrane”（ポリマー電解質隔膜）から来たものと考えている。
プロトンの流れのアノードからカソードへの方向は、燃料電池の各層及び燃料電
池構体または積重体に”アノード”側及び”カソード”側と記載する根拠となっ
ている。
【００３０】 各個のＰＥＭ型燃料電池は典型的には、長手方向に組み付けられ一般に横断方
向に延びる多数の層を有する。典型的な燃料電池構体または積重体では、燃料電
池の周辺へ延びているすべての層が孔を有し、この孔により、積重体に流体を送
る流体マニホルドを整合させ形成させている。典型的には、ガスケットによりこ
れらの孔を密封し、流体マニホルドの完成のために層の長手方向部分と協働させ
る。当業界で周知のように、この流体マニホルドの若干は燃料（例えば水素）及
び酸化体（例えば空気／酸素）を分配させ、不使用燃料及び不使用酸化体を、生
成した水とともに、各燃料電池の流れフィールド板として機能する流体流れ板か
ら除去する。また、他の流体マニホルドが冷却用の冷却材（例えば水）を循環さ
せる。
【００３１】 ＰＥＭは、イー アイ デュポン デ ヌムール カンパニー（E. I. Du Pont De
Nemours Company）製造の登録商標 NAFION で市販の材料のようなポリマーを用
いて作ることができる。さらに、例えばスルホン酸基のような活性電解質が、こ
のポリマー内に包含される。これに加えて、ＰＥＭは、ダブリュ エル ゴア ア
ンド アソシエーツ（W.L.Gore & Associates）（Elkton, MD）の製造になり登録
商標ゴア セレクト（GORE-SELECT）の製品として入手できる。さらに、化学反応
を容易にする白金のような触媒が、ＰＥＭの各側面に施される。このユニットは
、通常隔膜電極構体（以下”ＭＥＡ”という）と呼ばれている。ＭＥＡは、ダブ
リュ エル ゴア アンド アソシエーツ（W.L.Gore & Associates）の製造になり
製品名プリメア（PRIMEA）５５１０ーＨＳで市販されている。
【００３２】 典型的なＰＥＭ型燃料電池では、ＭＥＡが、”アノード”及び”カソード”ガ
ス拡散層（以下”ＧＤＬ”という）間に挟まれている。ＧＤＬは、例えばカーボ
ン織物または紙のような弾性があり導電性がある材料で形成することができる。
アノード及びカソードＧＤＬは、ＰＥＭの触媒側と、各流れフィールド板の”ア
ノード”及び”カソード”流れチャネル内を流れる燃料（例えば水素）及び酸化
体（例えば空気／酸素）間の電子導通体として作用する。
【００３３】 図１をさらに参照すると、改質物はまた、３方弁５２を介して熱交換器６０に
提供され、改質物の温度を減じる。改質物から抽出した熱は、上述のように建物
内に熱または熱水を提供するのに用いられる。本明細書から、当業者であれば熱
交換器６０内で加熱された分配媒体は、別個に、または熱交換器２４に作動的に
接続して、建物内に熱または熱水を提供するのに用いることができる。
【００３４】 熱交換器６０を通った後、例えば約６０℃から約２００℃の間の温度のような
減じた温度を有する改質物が、ＣＯ浄化装置６５を流れ、この改質物のＣＯ成分
を、約５０ｐｐｍ以下、好適には約１０ｐｐｍと約５０ｐｐｍの間に減少させる
。改質物流れ内のＣＯレベルを減少させた後、改質物は、燃料電池構体４０に供
給される。ＰＥＭ型燃料電池を用いるこの実施形態では、ＣＯ浄化装置６５が望
ましい。しかしながら、他の燃料電池では、ＣＯ浄化装置はオプションでよい。
空気及び／または酸素はまた、燃料電池構体４０に供給され、上述のように改質
物及び空気または酸素を電力に電気化学的に変換する。これに加えて、例えば膨
張器と熱交換器のようなａ／ｃユニットが、ＣＯ浄化装置６５と燃料電池４０と
の間に配設され、改質物の温度をさらに減じて改質物中の過剰の水を凝縮する。
過剰の熱は上述のように用いることができる。
【００３５】 システム１０は容易に制御することができ、熱、熱水、及び／または電力の適
度の供給分を建物へ効率よく提供する。好適には、システム１０は、建物の熱需
要、熱水需要、及び／または電力需要に応答して作動される。例えば、建物の熱
需要及び電力需要が検知され、及び／またはこれらに応答して改質器への燃料、
空気、及び水の流れが決定され、同時に、火炉２０、または燃料電池構体４０、
またはその両方への改質物の流れが選択的に調節される。
【００３６】 図２において例示した実施形態では、温度センサ８２、電力需要センサ８４、
及び安全センサ８６が、制御器８０に信号を提供する。例えば、温度センサ８２
は、建物内の１つまたはそれ以上の数の部屋の温度及び／または熱水加熱器また
はタンク内の水の温度を検知及び／または感知する１つまたはそれ以上の数のサ
ーミスタを包含してもよい。温度センサはまた、１つまたはそれ以上の数のサー
モスタットを包含するものとすることができる。電力需要センサ８４は、望まし
くは電力の需要を計測するための直流交流インバータ７０に作動的に接続される
。安全センサ８６は、建物煙探知器、ＣＯセンサ、Ｈ２センサ、及び電気的欠陥
検知器を包含するものとすることができる。
【００３７】 システム１０の１つの作動モードでは、３つの制御入力または信号が制御器８
０へ提供される。３つの制御入力とは、建物温度、熱水加熱器またはタンクの温
度、この建物により要求される電流及び／または電力である。これら３つの入力
信号は、所要改質器応答を決定するように処理される。例えば、制御器８０は、
現在及び／または将来の建物の電流要求、及び／または熱需要、熱水需要、及び
電力需要を適度にかつ効率よく応じるに必要な燃料、空気、及び水の入力を計算
することにより、システム１０の作動を制御するに好適なプログラミングをなし
たマイクロプロセッサを包含するものとすることができる。
【００３８】 例えば、入力信号に応答して制御器８０は、弁５４、５６、５８、及び５２へ
出力信号を提供して、改質器２０への水の流れ、改質器２０への空気の流れ、改
質器２０への燃料の流れ、及び火炉２０の室２２及び燃料電池構体４０への改質
物の流れを調節することができる。３方弁５２は、改質物の流れの全部を加熱室
２４へ、または改質物の流れの全部を燃料電池構体４０へ、または改質物の流れ
の一部分を火炉２０の加熱室２４及び燃料電池構体４０へと差し向けるように選
択的に作動させることができる。
【００３９】 この例示した実施形態においては、改質物の生成は最高に達し、改質器内への
水及び空気の流れは、燃料の流れに比例関係となる。弁５４、５６、及び５８の
それぞれは、各別に制御されるか、弁５４、５６、及び５８の１つが、作動的に
接続されて制御された弁に応答する他の２つの弁とともに制御されてもよい。こ
れに加えて、制御器８０はまた、循環器２６を調節するように作動可能であり、
例えば熱水のような分配媒体を熱交換器２４に循環させる。
【００４０】 この実施形態の拡張形式においては、例えば煙感知器、ＣＯ検知器、及び電気
的瑕疵の検出器のような建物からの信号や、例えば燃料電池電圧のようなシステ
ムからの安全信号が、制御器８０により監視される。緊急時には、この制御器は
、例えば是正措置または制御停止のような適当なアクションをとることができる
。
【００４１】 本明細書の記載から、機械的リレー、弁、及びスイッチのシステムを、建物の
熱、熱水、及び電気需要に応答してシステム１０の作動を調節するように作動的
に形成することができることは、当業者にとって明らかなところである。さらに
、弁の代わりに、可変速度ポンプ及び／またはブロワも、システム１０の調節に
、例えば燃料及び改質物の流れを制御するために、好適であることが理解できよ
う。
【００４２】 図３は、建物に熱（例えば空間加熱及び／または熱水）及び電力を提供するた
めの、本発明による別の実施形態を略図的に例示する。この実施形態においては
、システム１００は一般に、建物に電力を提供するための燃料電池構体１４０、
及び建物に熱を提供しかつ燃料電池構体１４０用の燃料を改質するための改質器
／火炉ユニット１３０を包含している。
【００４３】 改質器／火炉ユニット１３０は、室１３２と熱交換器１３４とを包含している
。室１３２は、好適には燃焼室と部分酸化改質器、触媒自熱改質器またはその他
の形式の改質器との結合体として構成され、かつ作動可能である。熱交換器１３
４は、熱を熱ガスから例えば水、蒸気、または空気のような分配媒体へ移すよう
に作動可能である。分配媒体は、建物内の放熱器や逃し口のような熱放射手段へ
運ばれる。熱ガスは、建物の排気筒または煙突を介して外部へ流され、及び／ま
たは、ＣＯ浄化装置１６５へ差し向けられる。好適には、熱交換器は室を裏打ち
するか、取り巻くか、及び／またはこの室を形成するかの形状とすることができ
る。
【００４４】 ＣＯ浄化装置１６５からのＣＯレベルの減少した改質物は、燃料電池構体１４
０に供給される。例えば膨張器及び熱交換器を有するａ／ｃユニット１６７は、
ＣＯ浄化装置１６５と燃料電池構体１４０との間に配置され、改質物の温度を約
８０℃から約１００℃までの間に減じさせ、改質物内の過剰の水を凝縮する。電
力調整器１７０は、燃料電池構体１４０に作動的に接続されている。好適には、
燃料電池構体１４０はＰＥＭ型燃料電池構体である。
【００４５】 システム１００は、熱、熱水、及び／または電力の適当な供給分を建物に効率
よく提供するように容易に調節され得る。好適には、システム１００は、建物の
熱、熱水、及び／または電力需要に応答して作動可能とする。例えば、建物の熱
、及び電力需要は検出され及び／または決定され、これに応答して改質器への燃
料、空気、及び水の流れが選択的に調節される。
【００４６】 システム１００は、制御器と複数のセンサ及び弁との作動により建物への熱及
び電力の適切な供給分を効率よく提供するように調節される。例えば、制御器１
８０は、建物のセンサ１８２及び１８４を介して熱及び電力の需要を感知または
監視し、これらに応答して、弁１５４、１５６、及び１５８を介してそれぞれ室
１３２への水、空気及び燃料の供給分を調節するためのマイクロプロセッサを包
含している。この例示した実施形態では、改質器／火炉１３０の室１４２への燃
料の流れ、空気の流れ、及び水の流れは、互いに比例関係または固定関係で調節
されておらず、下述するように調整器１８０により決定されるにつれて変化する
。本明細書の記載から、機械的リレー、弁、及びスイッチのシステムもまた、建
物の熱、熱水、及び電力の需要に応答してシステム１００の作動を調節するよう
に作動的に形成することができることは、当業者にとって明らかであろう。さら
に、弁の代わりに、可変速度ポンプ及び／またはブロワも、例えば空気、燃料及
び改質物の流れの制御のためにシステム１００の調節に好適であろう。
【００４７】 図４〜図６において、室１３２の作用は、建物の熱需要及び電力需要に応答し
て変えられる。図４に示すように、非常に燃料貧化の化学等量（燃料対空気比が
例えば phi＜１）において、室１３２は建物の加熱のための効率のよいバーナと
して作動する。たとえば、室１３２内で、多くはメタンを含有する天然ガスは、
完全燃焼して一般に次式のように熱の釈放を最大とする。 熱ガスは、室１３２を去った後、熱交換器１３４に接触するに至り、ついでダン
パー１３５を通って建物の通気筒または煙突から外部へ逃れる。
【００４８】 図５に示すように、室１３２はまた、非常に燃料富化の化学等量（例えば phi
＝４）で作動させることができる。これにより、室１３２は、水素富化ガスの生
成のための効率のよい改質器として作用する。水素富化ガスは、ダンパー１３７
（ダンパー１３５は閉鎖）を通り、ＣＯ浄化装置１６５（図３）へと通過し、つ
いで燃料電池構体１４０（図３）に達する。例えば、改質器／火炉ユニット１３
０は、燃料を改質し、一般に次式で示す燃料電池構体の作動のために水素ガスの
生成を最大とするように作動可能である。 この場合、熱交換器１３４はまた、建物に分布される改質物から熱を抽出するの
に用いられる。これに代わって、改質物の熱を減少させるための別個の熱交換器
を、改質器／火炉１３０とＣＯ浄化装置１６５（図３）との間に配置してもよい
。
【００４９】 図６に示すように、もし建物が熱及び電力の両方を必要とするならば、室１３
２は、非常に燃料が貧化した化学等量（ phi＜1 ）と非常に燃料が富化した化学
等量（ phi=4 ）との間で効率よく作動させる。例えば、phi=2 において、室１
３２は、より高い温度で作動し、水素ガスの供給分を最大とする場合に比べて熱
を提供する一方、燃料電池構体１４０（図３）のために充分な水素ガスを生成し
て電力を提供する。この状況において室１３２は一般に次式のように作動する。
【００５０】 図７は、建物に熱（空間加熱及び／または熱水）及び電力を提供する統合シス
テムのための本発明の更なる実施形態を略図的に示す。この実施形態では、シス
テム２００は、建物に熱水を供給するための熱水タンク３００を追加したシステ
ム１００を主要部分として包含している。熱水タンク３００は、燃料電池構体１
４０を冷却し、及び／または燃料電池構体１４０に湿った空気を提供するように
燃料電池構体１４０に作動的に接続されている。
【００５１】 例えば、冷却ループ３１０が、冷却水を燃料電池構体１４０中を循環させ、燃
料電池構体１４０により加熱された後の水は、これを熱交換器またはコイル３１
２を通すことにより、熱水タンク３００内の水の加熱または加熱の補助として利
用される。熱水の需要が増すと、別の燃料供給分を燃焼させて、熱水タンク３０
０内の水の加熱のための熱を提供する。さらに、例えば管路３１３から来る燃料
電池構体１４０から排出された過剰の改質物もまた、燃焼されて、熱水タンク３
００内の水を加熱する熱を提供する。
【００５２】 熱交換器３１４は、冷水供給管路と熱水戻り管路との間に作動的に接続されて
おり、熱水タンクが所望の加熱温度に達していて付加的な熱を必要としない場合
、熱水タンク３００をバイパスする。
【００５３】 さらに、熱水タンク３００は燃料電池構体１４０に作動的に接続されており、
例えば空気のような湿った反応性ガスを燃料電池構体１４０へ供給する。例えば
、冷たい乾燥した空気が、熱水タンク３００内に貯えた熱水中に導入されて気泡
となり、燃料電池構体１４０のカソード側へ、湿分を与えられ加熱された空気の
供給分を生成するのである。
【００５４】 図８は、システム１００の燃料電池構体１４０に熱水タンク３００を統合する
別の構造を例示する。この構造においては、都市水道からの冷水の供給分は、燃
料電池構体１４０へ直接に送られ、ここで加熱された水は、熱水タンク３００内
へ直接に送られて入れられ、建物への熱水の供給分として貯えられる。熱交換器
３１４は、冷水供給管路と熱水戻り管路との間を作動的に接続して、熱水タンク
３００が所望の加熱温度に達していて付加的な熱を必要としない場合、熱水タン
ク３００をバイパスする。都市水道からの水はまた、燃料電池構体からの冷却水
の供給分に加えて、熱水タンクへ直接に送られてもよい。さらに、燃料電池構体
からの加熱された水は、改質器／火炉ユニット１２０（図７）へ供給することが
できる。
【００５５】 上述の記載から、システム１０は、このシステム１００について前述したよう
に、熱水タンク／加熱器に作動的に接続してもよいことが当業者にとって明らか
であろう。
【００５６】 以上好適な実施形態につきて詳細に記述したが、各種の変更、追加、置き換え
及びその他の類似手段を、本発明の精神を逸脱することなく、請求の範囲に定め
られた本発明の範囲内において適用できることは、当業者にとって明らかなとこ
ろであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による統合システムの１実施形態の略図的ブロック図で、この統合シス
テムは、建物に熱及び電力を提供するために、燃料処理器、火炉、及び燃料電池
構体を包含する。
【図２】 図１の統合システムの作動を制御する制御器の統合体の略図的ブロック図であ
る。
【図３】 本発明による統合システムの別の実施形態の略図的ブロック図で、この統合シ
ステムは、建物に熱及び電力を供給するための改質器／火炉ユニット及び燃料電
池構体を包含している。
【図４】 熱を与えるための、図３に示した改質器／火炉ユニットの略図である。
【図５】 改質物を与えるための、図３に示した改質器／火炉ユニットの略図である。
【図６】 熱及び改質物の組合せを与えるための、図３に示した改質器／火炉ユニットの
略図である。
【図７】 本発明による統合システムの別の実施形態の略図的ブロック図で、この統合シ
ステムは、建物に熱、熱水、及び電力を提供するための改質器／火炉ユニット、
燃料電池構体、及び熱水タンク／加熱器を包含している。
【図８】 燃料電池構体に図７に示す水タンク／加熱器を統合する別の形態の略図的ブロ
ック図である。
【符号の説明】
１０ システム ２０ 火炉 ２２ 室 ２４ 熱交換器または加熱室 ２６ ポンプまたは循環器 ４０ 燃料電池構体 ５０ 改質器 ５２ ３方弁 ５４、５６、５８ 弁 ６０ 熱交換器 ６５ ＣＯ浄化装置 ７０ 直流交流インバータ ８０ 制御器 ８２ 温度センサ ８４ 電力需要センサ ８６ 安全センサ １００ システム １２０ 改質器／火炉ユニット １３０ 改質器／火炉ユニット １３２ 室 １３４ 熱交換器 １３５、１３７ ダンパー １４０ 燃料電池構体 １５４、１５６、１５８ 弁 １６５ ＣＯ浄化装置 １６７ ａ／ｃユニット １７０ 電力調整器 １８０ 調整器 １８２、１８４ センサ ２００ システム ３００ 熱水タンク ３１０ 冷却ループ ３１２ 熱交換器またはコイル ３１３ 管路 ３１４ 熱交換器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｐ 8/06 8/06 Ｇ Ｚ 8/10 8/10 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，Ｚ Ｗ (72)発明者 アッカー，ウイリアム ピイ． アメリカ合衆国、12148 ニューヨーク、 レックスフォード、ウイロウ スプリング ドライブ ５ Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CX05 5H027 AA06 BA01 BA17 DD00 MM12

Claims (50)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 熱を提供するための火炉（２０）と、 電力を提供する燃料電池構体（４０）と、 改質物を提供する改質器（５０）とを包含し、 前記改質物が、前記火炉（２０）へ直接に、及び前記燃料電池構体（４０）へ直
    接に提供されるようにした、建物に熱及び電力を提供するシステム（１０）。
  2. 【請求項２】 請求項１記載のシステム（１０）において、前記改質物を、
    建物内の加熱需要及び電力需要に応答して前記火炉（２０）へ及び前記燃料電池
    構体（４０）へ分配する分配手段をさらに包含するシステム（１０）。
  3. 【請求項３】 請求項２記載のシステム（１０）において、前記分配手段が
    、建物内の加熱需要及び電力需要に応答して燃料を前記改質器（５０）へ分配す
    るように作動可能であるシステム（１０）。
  4. 【請求項４】 請求項１記載のシステム（１０）において、建物の加熱需要
    及び電力需要の応答して、前記改質器（５０）へ燃料を分配し、前記火炉（２０
    ）及び前記燃料電池構体（４０）へ改質物を分配するための制御器（８０）をさ
    らに包含するシステム（１０）。
  5. 【請求項５】 請求項４記載のシステム（１０）において、前記火炉（２０
    ）への及び前記燃料電池構体（４０）への改質物の供給分を制御するように前記
    制御器（８０）へ作動的に接続した弁（５２）をさらに包含するシステム（１０
    ）。
  6. 【請求項６】 請求項５記載のシステム（１０）において、前記改質器（５
    ０）への燃料の供給分を制御するように前記制御器（８０）に作動的に接続した
    弁（５８）をさらに包含するシステム（１０）。
  7. 【請求項７】 請求項６記載のシステム（１０）において、前記制御器（８
    ０）へ接続可能な温度及び電気センサ（８２、８４）をさらに包含するシステム
    （１０）。
  8. 【請求項８】 請求項７記載のシステム（１０）において、前記制御器（８
    ０）へ接続可能な安全センサ（８６）をさらに包含するシステム（１０）。
  9. 【請求項９】 請求項１記載のシステム（１０）において、前記燃料電池構
    体（４０）がＰＥＭ型燃料電池構体を包含するシステム（１０）。
  10. 【請求項１０】 請求項９記載のシステム（１０）において、前記燃料電池
    構体（４０）へ作動的に接続可能な電力調整器（７０）をさらに包含するシステ
    ム（１０）。
  11. 【請求項１１】 請求項１記載のシステム（１０）において、前記改質器（
    ５０）が部分酸化改質器を包含するシステム（１０）。
  12. 【請求項１２】 請求項１記載のシステム（１０）において、前記改質器（
    ５０）が自熱触媒改質器を包含するシステム（１０）。
  13. 【請求項１３】 請求項１記載のシステム（１０）において、前記改質器（
    ５０）が蒸気改質器を包含するシステム（１０）。
  14. 【請求項１４】 請求項１記載のシステム（１０）において、前記燃料が、
    天然ガス、液化石油ガス、及びメタノールからなる群から選んだ燃料を包含する
    システム（１０）。
  15. 【請求項１５】 請求項１記載のシステム（１０）において、前記燃料電池
    構体（４０）へ提供した改質物から熱を引き出すための熱交換器（６０）と、前
    記改質物中の一酸化炭素の量を減少させる一酸化炭素浄化装置（６５）とをさら
    に包含するシステム（１０）。
  16. 【請求項１６】 請求項１記載のシステム（２００）において、建物に熱水
    を提供する熱水タンク（３００）をさらに包含し、該熱水タンクが、前記燃料電
    池構体を冷却しかつ前記熱水タンク内の水を加熱するために前記燃料電池構体に
    接続可能であるシステム（２００）。
  17. 【請求項１７】 請求項１６記載のシステム（２００）において、建物のた
    めの水の供給分が、前記燃料電池構体（１４０）を通るようにしたシステム（２
    ００）。
  18. 【請求項１８】 請求項１６記載のシステム（２００）において、前記熱水
    タンク（３００）が、前記燃料電池構体（１４０）のために空気を湿らす手段を
    包含するシステム（２００）。
  19. 【請求項１９】 電力を提供する燃料電池構体（１４０）と、 室（１３２）及び熱を提供する熱交換器（１３４）を包含する改質器／火炉（１
    ３０）とを包含し、 燃料を、前記燃料電池構体（１４０）のために改質物の供給分を生成する前記室
    内の第１の燃料対空気比において、及び熱を釈放するように前記室内の第２の燃
    料対空気比において、前記室（１３２）内で選択的に改質可能とした、建物へ熱
    及び電力を提供するシステム（１００）。
  20. 【請求項２０】 請求項１９記載のシステム（１００）において、前記第１
    の燃料対空気比が、貧燃料化学等量を包含し、前記第２の燃料対空気比が富燃料
    化学等量を包含するシステム（１００）。
  21. 【請求項２１】 請求項１９記載のシステム（１００）において、燃料が、
    改質物を提供しかつ熱を釈放するように、富燃料化学等量と貧燃料化学等量との
    間の燃料対空気比で改質可能であるシステム（１００）。
  22. 【請求項２２】 請求項１９記載のシステム（１００）において、燃料が、
    建物の熱需要及び電力需要に応答して選択的に改質可能であるシステム（１００
    ）。
  23. 【請求項２３】 請求項１９記載のシステム（１００）において、建物の熱
    需要及び電力需要に応答して燃料を選択的に改質する手段をさらに包含するシス
    テム（１００）。
  24. 【請求項２４】 請求項１９記載のシステム（１００）において、建物の熱
    需要及び電力需要に応答して前記室（１３２）への燃料及び空気の供給分を制御
    する制御器（１８０）をさらに包含するシステム（１００）。
  25. 【請求項２５】 請求項２４記載のシステム（１００）において、前記室へ
    の燃料及び空気の供給分を各別的に調節するように、前記室（１３２）及び前記
    制御器（１８０）へ作動的に接続した複数個の弁（１５６、１５８）をさらに包
    含するシステム（１００）。
  26. 【請求項２６】 請求項２３記載のシステム（１００）において、前記制御
    器（１８０）へ接続可能な温度及び電気センサ（１８２、１８４）をさらに包含
    するシステム（１００）。
  27. 【請求項２７】 請求項２６記載のシステム（１００）において、前記正誤
    器（１８０）へ接続可能な安全センサをさらに包含するシステム（１００）。
  28. 【請求項２８】 請求項１９記載のシステム（１００）において、前記燃料
    電池構体（１４０）がＰＥＭ型燃料電池構体を包含するシステム（１００）。
  29. 【請求項２９】 請求項１９記載のシステム（１００）において、前記燃料
    電池構体（１４０）へ接続された電力調整器（１７０）をさらに包含するシステ
    ム（１００）。
  30. 【請求項３０】 請求項１９記載のシステム（１００）において、前記燃料
    が、天然ガス、液化石油ガス、及びメタノールからなる群から選んだ燃料を包含
    するシステム（１００）。
  31. 【請求項３１】 請求項１９記載のシステム（１００）において、前記熱交
    換器（１３４）が前記火炉（１３０）の前記室（１３２）を定めるシステム（１
    ００）。
  32. 【請求項３２】 請求項１９記載のシステム（２００）において、建物に熱
    水を供給する熱水タンク（３００）をさらに包含し、該熱水タンクが、前記燃料
    電池構体（１４０）を冷却し前記熱水タンク内の水を加熱するように前記燃料電
    池構体へ接続可能であるシステム（２００）。
  33. 【請求項３３】 請求項３２記載のシステム（２００）において、前記熱水
    タンク（３００）への水の供給分が前記燃料電池構体（１４０）を通過するよう
    にしたシステム（２００）。
  34. 【請求項３４】 請求項３２記載のシステム（２００）において、前記熱水
    タンク（３００）が、前記燃料電池構体（１４０）のための空気の供給分に湿分
    を与える手段を包含するシステム（２００）。
  35. 【請求項３５】 建物に電力と家事用の熱水とを提供する燃料電池構体と熱
    水タンクとの組合せであって、 建物に電力を提供する燃料電池構体（１４０）と、 建物へ家事用の熱水を供給するように冷水の供給分を受け入れ内部で加熱するこ
    とが可能な熱水タンク（３００）と、 前記燃料電池構体から前記熱水タンク（３００）内の冷水の供給分へ熱を交換す
    る手段（３１４）とを包含する組合せ。
  36. 【請求項３６】 請求項３５記載の燃料電池構体と熱水タンクとの組合せに
    おいて、熱を交換するための前記手段（３１４）が、水の供給分を前記燃料電池
    構体を通して前記熱水タンクへ送る手段を包含する組合せ。
  37. 【請求項３７】 請求項３５記載の燃料電池構体と熱水タンクとの組合せに
    おいて、前記熱水タンク（３００）が、前記燃料電池構体のための空気の供給分
    に湿分を与える手段を包含する組合せ。
  38. 【請求項３８】 建物へ熱及び電力を提供する方法であって、 燃料の供給分を改質して改質物の供給分を生成し、 前記改質物の供給分を、前記建物に熱を提供するために火炉（２０）へ直接に、
    及び前記建物に電力を提供するために燃料電池構体（４０）へ直接に分配する工
    程を包含する方法。
  39. 【請求項３９】 請求項３８記載の方法において、前記改質物を分配する工
    程が、前記建物の熱需要及び電力需要に応答して、前記改質物の供給分を前記火
    炉（２０）へ及び前記燃料電池構体（４０）へ割り当てることを包含する方法。
  40. 【請求項４０】 請求項３８記載の方法において、前記建物の熱需要及び電
    力需要に応答して、前記燃料の供給分を調節する工程をさらに包含する方法。
  41. 【請求項４１】 請求項３８記載の方法において、前記燃料電池構体（４０
    ）がＰＥＭ型燃料電池構体を包含する方法。
  42. 【請求項４２】 請求項３８記載の方法において、前記燃料が、天然ガス、
    液化石油ガス、及びメタノールからなる群から選んだ燃料を包含する方法。
  43. 【請求項４３】 建物に電力及び熱を提供する方法であって、 燃料の供給分を受け入れ、 該燃料の供給分を、前記建物に電力を提供するように燃料電池構体（１４０）の
    ための改質物の供給分を生成する第１の燃料対空気比で、及び前記建物のための
    熱を生じるように第２の燃料対空気比で、室（１３２）内で選択的に改質する工
    程を包含する方法。
  44. 【請求項４４】 請求項４３記載の方法において、前記燃料の供給分を選択
    的に改質する工程が、改質物及び熱を生成するために、富燃料化学等量と貧燃料
    化学等量との間の燃料対空気比で前記燃料を改質することを包含する方法。
  45. 【請求項４５】 請求項４３記載の方法において、前記建物の熱需要及び電
    力需要に応答して前記燃料の供給分の選択的改質を制御する工程をさらに包含す
    る方法。
  46. 【請求項４６】 請求項４３記載の方法において、前記燃料が、天然ガス、
    液化石油ガス、及びメタノールからなる群から選んだ燃料を包含する方法。
  47. 【請求項４７】 請求項４３記載の方法において、前記燃料電池構体（１４
    ０）がＰＥＭ型燃料電池構体を包含する方法。
  48. 【請求項４８】 建物に電力を提供するシステム（１０）であって、 燃料電池構体（４０）と、 前記燃料電池構体へ改質物を提供する改質器と、 前記建物内に配設され前記改質器（５０）及び前記燃料電池構体（４０）のうち
    の少なくとも１つの作動を行うように接続された、電力需要センサ（８４）、温
    度センサ（８２）、煙センサ、及びガス検出器（８６）のうちの少なくとも１つ
    とを包含するシステム（１０）。
  49. 【請求項４９】 請求項３５記載の燃料電池構体と熱水タンクとの組合せに
    おいて、前記熱水タンク（３００）が、都市水道に接続する手段を包含する組合
    せ。
  50. 【請求項５０】 建物に電力及び家事用の熱水を提供する方法であって、 前記建物に電力を提供する燃料電池構体（１４０）を提供し、 冷水の供給分を受けることができる熱水タンク（３００）を提供し、 前記燃料電池構体から前記熱水タンク内の冷水の供給分へ熱を交換して、加熱さ
    れた水の供給分を生成し、 この加熱された水の供給分を前記建物へ家事用の熱水として供給することを包含
    する方法。
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