JP2006073264A - 燃料電池発電システム及び温水生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パッケージユニットを統合化する場合に、全体的に小型化及び軽量化を実現する燃料電池発電システムを提供することにある。
【解決手段】燃料電池本体１を含む発電系を収納するパッケージユニットと、貯湯タンク２を収納するパッケージユニットとを統合化した燃料電池発電システムにおいて、当該貯湯タンク２に貯蔵する温水を加温器１０，１１により高温化することにより、当該貯湯タンク２の相対的な小型化及び軽量化を図る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般的には、水素を含む燃料を使用して発電する燃料電池発電システムに関し、特に、発電に伴う発熱を利用して得られる温水を貯蔵する貯湯タンクを備えた燃料電池発電システムに関する。

近年、例えば都市ガスなどを原燃料として、当該原燃料に含まれる水素（実際上では、水素リッチガス）を使用して発電する燃料電池発電システムの開発が推進されている。

また、水素インフラの整備が推進される見通しから、水素ガスあるいは改質ガス（都市ガスなどから作られる水素リッチガス）を原燃料として使用するシステムも並行して開発されている。

このような燃料電池発電システムにおいて、燃料電池本体以外に、発電に伴う発熱を利用して得られる温水を貯蔵する貯湯タンク、燃料電池本体から出力される直流を交流に変換するインバータ、及び制御装置等を含む統合型のシステムの実用化が図られている。このような統合型構成は、電力だけでなく、温水も合わせて利用可能であるため、特に一般家庭用として開発が推進されている小型の燃料電池発電システムに有用である。

ところで、当該統合型システムの具体的構造としては、主として貯湯タンクを収納するパッケージユニット（筐体）と、それ以外の燃料電池本体を含む発電系を収納するパッケージユニットの２つのユニットに分かれている構造が一般的である（例えば、特許文献１，２を参照）。

これら２つのパッケージユニットは、個別に設置されて、配管と電線により接続して相互間の熱エネルギー交換（具体的には温水の生成）や、各種の信号の交換を行っている。

また、特に水素ガスあるいは改質ガスを原燃料として使用する燃料電池発電システムにおいては、発電系を収納するパッケージユニットには、燃料電池本体に含まれるアノード部（燃料極）で発電に消費されなかった水素を、十分安全な濃度まで希釈された後に大気に放散するための設備が設けられている。
特開２００４−１１１２０８号公報 特開２００４−１１１２０９号公報

従来の統合型の燃料電池発電システムは２つのパッケージユニットに分かれているため、これらの各ユニットを、例えば一般家庭の庭やマンションのベランダ等に設置する場合に、設置スペースの確保が課題となっている。

また、設置工事を行う際にも、両パッケージユニットの基礎工事、両パッケージユニット間の配管工事や電気計装工事が必要となり、そのために要する費用や期間が少なくないため、それらを軽減したいという課題がある。

ここで、統合型の燃料電池発電システムを２つのパッケージユニットに分ける理由を挙げると、以下の２つの理由が考えられる。即ち、第１の理由としては、寸法と重量の制約上の問題である。また、第２の理由としては、全てのシステム要素を、一つのパッケージユニットに収納するための技術上の課題である。

例えば一般家庭用の燃料電池発電システムを一例にあげると、燃料電池本体を含む発電系を収納するパッケージユニットの寸法は、例えば、幅８０cm、奥行き３０cm、高さ８５cm、重さが１４０kg程度になることが予想される。また、貯湯タンクを収納するパッケージユニットの寸法は、例えば、幅７５cm、奥行き４５cm、高さ１９０cm、重さが満水時で約３００kg程度になることが予想される。これら２つのパッケージユニットを統合化した場合、寸法や重量が一般家庭の庭やマンションのベランダ等に設置するうえで過大になることが予想される。

また、従来において、発電容量が１０kW以下の小型燃料電池発電システムでは、可燃性ガスを扱う機器や配管、可燃性ガスを扱わない空気系の機器や配管、電気系の機器や配線、及び貯湯タンクや電池冷却水系の水や温水（湯）を扱う機器や配管を、同一のパッケージユニットに収納した実際例は無い。また、その場合の技術的課題や安全性の検討、及びそれに基づいた設計についても実際的になされてはいない。

そこで、本発明の目的は、パッケージユニットを統合化する場合に、全体的に小型化及び軽量化を実現することにより、結果として設置の際の省スペース化、及び設置工事の費用削減と期間の短縮を図ることができる燃料電池発電システムを提供することにある。

本発明の観点は、燃料電池本体を含む発電系を収納するパッケージユニットと、貯湯タンクを収納するパッケージユニットとを統合化した燃料電池発電システムにおいて、当該貯湯タンクの相対的小型化及び軽量化を実現して、結果として全体的に小型化及び軽量化を実現した燃料電池発電システムである。

本発明の観点に従った燃料電池発電システムは、水素を含む燃料を使用して発電する燃料電池本体と、前記燃料電池本体の発電に伴う発熱により加温された温水を貯蔵する貯湯タンクと、前記燃料の一部を使用して熱を発生させて前記温水を加温する加温手段とを備えた構成である。

このような構成であれば、貯湯タンクに貯蔵する温水の温度を、相対的に高い温度にすることができる。従って、同一量の貯湯量でより多くの熱量を蓄えることが可能となる。このため、結果として、要求される温度及び湯量の給湯に使用される温水を蓄える貯湯タンクの小型化及び軽量化を実現できる。

本発明によれば、温水を貯蔵する貯湯タンクの小型化及び軽量化を実現できるため、当該貯湯タンクを収納するパッケージユニットの小型化及び軽量化を実現できる。従って、当該パッケージユニットと燃料電池本体を含む発電系を収納するパッケージユニットとを統合化して燃料電池発電システムを構築する場合に、結果として、小型及び軽量の燃料電池発電システムを提供することができる。これにより、当該システムを設置する際の省スペース化、及び設置工事の費用削減と期間の短縮を図ることができる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に関する燃料電池発電システムの要部を示すブロック図である。

図１に示すように、本システムは大別して、燃料電池本体１と、貯湯タンク２と、電池冷却水系統６と、熱利用系統９とを有し、一つのパッケージユニットとして構成されている。

燃料電池本体１は、アノード部（燃料極）３と、カソード部（空気極）４と、電解質部５とを有する。アノード部３には、発電に必要な水素（水素リッチガス）１００が供給される。また、カソード部４には、空気２００が供給される。空気２００は、図示しない空気ブロワにより供給される。

貯湯タンク２は、後述する温水を貯蔵するためのタンクであり、給水配管１３及び給湯配管１４が接続されている。貯湯タンク２は、給水配管１３により水４００が供給される。なお、水４００は、給水バイパス管１５により給湯温度調節弁１６を介して給湯配管１４にも供給されている。

貯湯タンク２に貯蔵された温水は、給湯温度調節弁１６及び給湯配管１４を介して、外部に給湯５００として送られる。要求される温度の温水で供給するために、給湯温度調節弁１６と共に、温度検出器１７が設置されている。

電池冷却水系統６は、燃料電池本体１が発電する際に発生する熱を除去回収するための系統であり、電池冷却水ポンプ７及び電池排熱回収熱交換器８を有する。また、熱利用系統９は、燃料電池本体１の発電に伴う発熱及び後述する加温器による発熱を利用して、貯湯タンク２に給水された水４００から温水を生成する系統である。

具体的には、熱利用系統９は、貯湯タンク２から水を取り出す熱利用ポンプ１２、電池排熱回収熱交換器８、及び加温器（１０，１１）を有する。電池排熱回収熱交換器８は、燃料電池本体１が発電にする際に発生する熱を回収し、熱利用ポンプ１２により取り出された水を加温する。

また、加温器は、水素酸化反応器１０及び水素反応熱回収熱交換器１１を有し、電池排熱回収熱交換器８からの温水を、さらに加温する要素である。水素酸化反応器１０は、アノード部３で消費されずに排出される水素（水素リッチガス）を導入し、当該水素と空気２００中の酸素と酸化反応させる機器であり、当該反応熱を水素反応熱回収熱交換器１１に供給する。水素反応熱回収熱交換器１１は、当該反応熱により電池排熱回収熱交換器８からの温水を加温して、貯湯タンク２に戻すための系統に送出する。

（第１の実施形態の作用効果）
まず、燃料電池本体１は、アノード部３に水素（水素リッチガス）１００が供給されて、かつカソード部４に空気２００が供給されることで発電する。この発電により発生する熱（例えば７０℃程度）を、電池排熱回収熱交換器８が回収する。

一方、貯湯タンク２は、給水配管１３により水４００が供給されている。貯湯タンク２に蓄積された水は、熱利用ポンプ１２により取り出されて、電池排熱回収熱交換器８に送られる。この電池排熱回収熱交換器８により、貯湯タンク２に蓄積された水は、例えば６０℃程度の温水になる。

ここで、アノード部３では、供給された水素（水素リッチガス）１００の全てが発電に消費されずに、その一部１１０が排出される。これは、燃料電池の特性上の制約からくるものであり、アノード部３での水素の消費率（水素利用率）をあまり高くとり過ぎると、部分的に水素欠乏が発生して、電池が損傷する可能性があるためである。

水素酸化反応器１０は、アノード部３から排出される水素（水素リッチガス）１１０を導入し、空気２００中の酸素と反応して、反応熱を発生する。水素酸化反応器１０としては、水素を燃焼させる水素バーナ、または触媒の作用で水素と空気中の酸素を反応させる触媒燃焼器を有する構成である。

水素反応熱回収熱交換器１１は、水素酸化反応器１０から発生した反応熱（例えば２００〜３００℃程度）を回収し、電池排熱回収熱交換器８から送られる温水を加温し、例えば６０℃程度の温水の温度を、例えば９０℃程度まで上昇させる。

このような作用により、燃料電池本体１の発電と共に、貯湯タンク２には、給水された水４００から、例えば９０℃程度まで加温された温水が蓄積される。従って、貯湯タンク２から、給湯温度調節弁１６及び給湯配管１４を介して、例えば９０℃以下の温水を給湯することができる。

以上のように本実施形態によれば、燃料電池本体１の反応温度が７０℃程度の場合に、
熱利用系統９の電池排熱回収熱交換器８により例えば６０℃程度の温水が生成された後に、加温器（１０，１１）により、当該温水は、さらに９０℃程度の高温まで高められる。

従って、貯湯タンク２には、９０℃程度の高温まで加温された温水を蓄積することができる。換言すれば、貯湯タンク２に貯蔵する温水の温度を、通常の６０℃程度から９０℃程度まで高めることにより、同一量の貯湯量でより多くの熱量を蓄えることができる。このため、結果として、要求される温度及び湯量の給湯を行うための貯湯タンク２を、相対的に小型化及び軽量化することが可能となる。

以下更に具体例を示すと、例えば一般的な家庭では、平均的に１日約３００リットルの温水を風呂や台所で使用する。ここで、温水供給温度を４５℃程度として、貯湯温度６０℃程度の貯湯タンクから供給するとした場合、水道水の水温を２０℃として、約１９０リットルの温水を貯蔵する必要がある。

これに対して、本実施形態では、９０℃程度の高温の温水を貯蔵できるため、前記の条件を満たす場合の貯蔵量は約１１０リットルの温水を貯湯タンク２に貯蔵すればよいことになる。従って、本実施形態での貯湯タンク２は、相対的に小型化及び軽量化が可能となる。これにより、燃料電池本体１を含む発電系を収納するパッケージユニットと、貯湯タンク２を収納するパッケージユニットとを統合化して、一つのパッケージユニットとして燃料電池発電システムを構成する場合に、小型及び軽量の燃料電池発電システムを実現することができる。

特に、一般家庭用の燃料電池発電システムに適用すれば、システム全体の小型化及び軽量化が可能となるため、一般家庭の庭やマンションのベランダ等の制限された設置スペースに、当該システムを容易に設置することが可能となる。また、設置工事の費用削減と期間の短縮を図ることができる。

（本実施形態の別の効果）
更に、本実施形態の燃料電池発電システムには、以下のような効果を得ることができる。

即ち、燃料電池システムから排出される水素１１０のエネルギーを回収し、温水の形態で利用することが可能となるため、結果として、燃料電池システムの熱回収効率を高めることができる。

具体例により説明すると、燃料電池本体１のアノード部３での水素利用率を９０％とした場合、供給される水素の１０%が発電に利用されずに、アノード部３から排出されてしまう。この１０%の水素のエネルギーを、温水の形態で回収することで熱回収効率を１０ポイント上昇させることができる。

また、通常のシステムでは、燃料電池本体１のアノード部３から排出される水素を、十分安全な濃度まで希釈して大気放散させるための空気ブロワが要求される。これに対して、本実施形態の構成であれば、当該空気ブロワの動力を不要にできるため、結果として、システムの発電効率を高めることができる。換言すれば、エネルギーロスの少ない省エネルギー性に優れたシステムを実現できる。

具体例として、７００W定格の燃料電池システムで試算すると、アノード部３での水素利用率を９０％とした場合に、1時間当たり約６０リットルの水素が排出される。水素の燃焼範囲は非常に広く、濃度約４%以上で燃焼するため、大気放散するためには、これより十分低い濃度まで希釈する必要がある。通常では、燃焼下限濃度の１／１０程度まで希釈しており、このために必要な空気を送るためのブロワ動力として７W程度を必要としている。この動力が不要となることで、システムの発電効率（送電端効率）が約０．３ポイント向上することになる。

さらに、プラント排気に水素が含まれなくなるため、システムの運転上の管理項目を削減できる。また、設置したシステムのユーザの心理的不安の軽減にも効果を発揮する。

なお、本実施形態では、水素酸化反応器１０は、アノード部３から排出される水素（水素リッチガス）１００の一部１１０を導入して反応熱を発生する構成として説明した。しかし、これに限ることなく、図１に示すように、水素酸化反応器１０は、例えばアノード部３をバイパスして得られる水素ガスまたは水素リッチガス３００の一部を導入して反応熱を発生する構成でもよい。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に関する燃料電池発電システムの要部を示すブロック図である。なお、前述の図１に示す同一要素については、同一符号を付して説明を省略している。

本実施形態のシステムは、図２に示すように、相互に隔壁で区画された第１の部屋２０、第２の部屋２１及び第３の部屋２２を有する一つのパッケージユニットとして構成されている。

第１の部屋２０は、可燃性ガスを扱う燃料電池本体１、及び水素酸化反応器１０と水素反応熱回収熱交換器１１を含む水素系統の機器や配管を収納している部屋である。第２の部屋２１は、可燃性ガスを扱わない空気系、電池冷却水系６、熱利用系統９、及びインバータ１８と制御装置１９を含む電気系の機器、配管、配線を収納した部屋である。第３の部屋２２は、貯湯タンク２を含む温水供給系の周辺機器・配管を収納した部屋である。

また、第１の部屋２０には、排気用換気ファン２３及び吸気口２４が設置されている。第２の部屋２１には、吸気用換気ファン２５及び排気口２６が設置されている。また、第３の部屋２２は、密閉式、あるいは図示していないが部屋の上部および下部に開口部を設けて、かつ強制換気を行わない構造である。

（第２の実施形態の作用効果）
なお、温水の供給系を含む燃料電池発電システムの作用効果については、前述の第１の実施形態と同様のため、説明を省略する。

第１の部屋２０では、換気空気は、吸気口２４から流入し、換気空気の流れの最下流すなわち当該部屋の排気口部に設けられた換気ファン２３によって強制排出される。換気ファン２３の下流が大気圧であるので、第１の部屋２０の内部は負圧に保持されている。従って、万一、第１の部屋２０の内部で可燃性ガスの漏洩が生じた場合でも、可燃性ガスが排気口部（２３）以外の部分から外部に流出するリスクを排除できる。

第２の部屋２１では、換気空気は、最上流すなわち部屋の吸気口部に設けられた換気ファン２５により部屋の中に押し込められ、排気口２６から排出される。従って、万一、第２の部屋２１の外部が可燃性ガス雰囲気となった場合でも、可燃性ガスが吸気口部（２５）以外の部分から第２の部屋２１の内部に流入する可能性を排除できる。これにより、第２の部屋２１に設置されているインバータ１８などの電気系の機器に起因する着火のリスクを回避できる。

また、第３の部屋２２は、密閉式とすれば、貯湯タンク２や付属配管からの放熱ロスを最小限に留めることができる。なお、温水の漏洩に起因する機器の劣化や故障、性能低下等のリスクを排除するためには、第３の部屋２２の下部に、小径の開口部（穴）を設ける設計が有効である。この場合は、万一、水素が下部の開口部から流入して、第３の部屋２２の中に滞留するリスクを回避するため、当該部屋の上部にも小径の開口部（穴）を設けることが必要である。

以上のような構成及び作用を有する本実施形態によれば、燃料電池発電システム全体を、各システムの機能や安全性を損なうことなく、1つのパッケージユニットとしてコンパクトに収納することが可能となる。従って、特に一般家庭の庭やマンションのベランダ等の設置スペースが制限されている場所でも、当該システムの設置が容易となる。また、設置工事を行う際のパッケージユニット間の配管工事や電気・計装工事が不要となり、そのための費用や期間が短縮できる。

（第３の実施形態）
図３は、第３の実施形態に関する燃料電池発電システムの要部を示すブロック図である。なお、前述の図１及び図２に示す同一要素については、同一符号を付して説明を省略している。

本実施形態のシステムは、図３に示すように、第１の部屋２０の吸気口２４、第２の部屋２１の排気口２６及び第２の部屋２１の換気ファン２５が削除されて、第１の部屋２０と第２の部屋２１との間に換気通路２７を設けた構造である。他の構造については、前述の図２と同様であるため説明を省略する。

（本実施形態の作用効果）
本実施形態のシステムでは、換気空気は、第２の部屋２１の吸気口２８から流入し、第２の部屋２１内を換気した後、換気通路２７を経由して第１の部屋２０に流入する。第１の部屋２０に流入してきた換気空気は、当該部屋内を流れた後に、換気ファン２３により大気に排出される。

このような構造のシステムにおいても、前述した第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

以上のように各実施形態によれば、統合化したパッケージユニットからなる燃料電池発電システムにおいて、システム全体の小型化及び軽量化を実現できる。従って、システムを設置する際の設置スペースの節約、設置工事の費用削減と期間の短縮を実現できる。更に、高い発電効率および熱回収効率でかつ安全性の優れた燃料電池発電システムを提供することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に関する燃料電池発電システムの要部を示すブロック図。 第２の実施形態に関する燃料電池発電システムの要部を示すブロック図。 第３の実施形態に関する燃料電池発電システムの要部を示すブロック図。

符号の説明

１…燃料電池本体、２…貯湯タンク、３…アノード部、４…カソード部、５…電解質部、
６…電池冷却水系統、７…電池冷却水ポンプ、８…電池排熱回収熱交換器、
９…熱利用系統、１０…水素酸化反応器、１１…水素反応熱回収熱交換器、
１２…熱利用ポンプ、１３…給水配管、１４…給湯配管、１５…給水バイパス管、
１６…給湯温度調節弁、１７…給湯温度検出器、１８…インバータ、１９…制御装置、
２０…第１の部屋、２１…第２の部屋、２２…第３の部屋、２３…換気ファン、
２４…吸気口、２５…換気ファン、２６…排気口、２７…換気通路、
２８…吸気口。

Claims (12)

1. 水素を含む燃料を使用して発電する燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体の発電に伴う発熱により加温された温水を貯蔵する貯湯タンクと、
   前記燃料の一部を使用して熱を発生させて、前記温水を加温する加温手段と
   を具備したことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記加温手段は、前記燃料の一部である水素の酸化反応熱を発生して、前記温水を加温する構成であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記加温手段は、前記燃料電池本体に含まれるアノード部から消費される水素以外に排出される水素を導入し、当該水素の酸化反応熱を発生して、前記温水を加温する構成であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記加温手段は触媒燃焼器を含み、前記水素を当該触媒燃焼器に導入して酸化し、当該水素の酸化反応熱を発生して前記温水を加温する構成であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
5. 前記貯湯タンクに供給される水を取り出して、前記燃料電池本体の発電に伴う発熱により加温された温水を前記貯湯タンクに戻す手段を有し、
   前記加温手段は、前記貯湯タンクに戻す前に前記温水を加温する構成であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
6. 前記燃料電池本体の発電による直流を交流に変換するインバータを含み、
   前記燃料電池本体、前記貯湯タンク、及び前記加温手段のそれぞれを収納する１つのパッケージユニットとして構成されたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
7. 前記パッケージユニットをそれぞれ独立した第１から第３の部屋に区画し、
   前記第１の部屋には可燃性ガスを扱う前記燃料電池本体及び前記加温手段を含む水素系統の配管と機器が収納されて、
   前記第２の部屋には可燃性ガスを扱わない空気系、電池冷却水系及び前記インバータを含む電気系の機器、配線、配管が収納されて、
   前記第２の部屋には前記貯湯タンクが収納された構成であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電システム。
8. 前記第１の部屋は、換気ファンを換気空気の流れの最下流、即ち当該部屋の排気口側に設けて、強制換気させる構造を有することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池発電システム。
9. 前記第２の部屋は、換気ファンを換気空気の流れの最上流、即ち当該部屋の吸気口側に設けて、強制換気させる構造を有することを特徴とする請求項７または請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
10. 前記第３の部屋は、密閉式または当該部屋の上下に開口部を設けて、かつ強制換気を行わない構造としたことを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
11. 前記第１の部屋の吸気口と前記第２の部屋の排気口とを接続した構造を有することを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
12. 水素を含む燃料を使用して発電する燃料電池本体、及び温水を貯蔵する貯湯タンクを有する燃料電池発電システムに適用する温水生成方法であって、
    前記貯湯タンクに供給された水を、前記燃料電池本体の発電に伴う発熱により加温して第１の温度を有する温水を生成するプロセスと、
    前記燃料の一部を使用した発熱手段により前記温水を加温して、前記第１の温度より上昇させた第２の温度を有する温水を生成するプロセスと、
    前記第２の温度を有する温水を前記貯湯タンクに供給するプロセスと
    を実行することを特徴とする温水生成方法。

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