燃料電池を用いたコージェネレーションシステム
【課題】 改質器を有する燃料電池を用いたコージェネレーションシステムは、該コージェネレーションシステムの運転と停止の繰り返しによって構成機器や改質器の触媒に熱歪等の影響を生じやすい。構成機器の作動や停止に伴う熱的な弊害を極力生じさせないようにしたコージェネレーションシステムを提供する。
【解決手段】 燃料電池６と、該燃料電池６に改質ガスを供給する改質器３と、改質器３で得られた改質ガスを燃料にして温水加熱をすることができる熱交換器４６等とをコージェネレーションシステムに備え、該コージェネレーションシステムの運転中は、燃料電池６の作動、停止の状態とは独立して前記改質器３の作動を継続させ、該改質器３で発生した改質ガスを温水加熱に活用する。
【解決手段】 燃料電池６と、該燃料電池６に改質ガスを供給する改質器３と、改質器３で得られた改質ガスを燃料にして温水加熱をすることができる熱交換器４６等とをコージェネレーションシステムに備え、該コージェネレーションシステムの運転中は、燃料電池６の作動、停止の状態とは独立して前記改質器３の作動を継続させ、該改質器３で発生した改質ガスを温水加熱に活用する。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器で発生した改質ガスを燃料として温水加熱をすることができる燃焼装置等とを有し、外部負荷に電力を供給するとともに温水供給をすることができる燃料電池を用いた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】水素を燃料ガスとし、空気中の酸素を酸化剤として使用する固体高分子型燃料電池（以下単に燃料電池という）は、酸やアルカリによる腐食の心配がなく寿命が長い特徴を有している。
【０００３】このような、燃料電池は、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器を有し、燃料電池で発電された電力を外部の電気負荷等に供給できるように構成されている。
【０００４】また、燃料電池や改質器から排出される未燃焼ガスを使用して温水を加熱すれば、電力供給と併せて給湯を行なうコージェネレーションシステムを構築することもできる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】一般に、家庭の電力消費は夜間と昼間とで大きな差があり、夜間の家庭の電気消費量は、３００Ｗ／時程度と些少であるために、家庭で使用される小型のコージェネレーションシステムを夜間に運転することは経済的でない。
【０００６】通常は、小型のコージェネレーションシステムは昼間にのみ運転し、夜間は停止され、コージェネレーションシステムの運転の停止時には、改質器や燃料電池及び関連機器の作動が停止される。
【０００７】改質器や燃料電池の作動を停止することは、これに応じて関連する全ての機器、例えば、水蒸気や原燃料を改質器へ供給する管路に設けられた開閉弁及び空気や改質ガスの流れを制御する制御弁は閉止され、燃焼空気や反応空気を送るガスポンプ及び水を送るポンプ等の機器も停止されるように制御される。
【０００８】逆に、コージェネレーションシステムの運転を再開するときは、改質器や燃料電池の作動を再開するのみならず、閉止されていた制御弁や停止されていたポンプ等の機器の作動をすべて再開することである。
【０００９】しかしながら、燃料電池を用いたコージェネレーションシステムの運転と停止を頻繁に行なうことは、上述した関連機器の作動の発停が繰返されるばかりでなく、燃料電池に改質ガスを供給する改質器の加熱装置（例えば、バーナ等の燃焼装置）の点火と消火を頻繁に繰返すことでもある。
【００１０】コージェネレーションシステムの運転開始時には、改質器の加熱装置の着火の失敗を生じる可能性がある。着火に失敗がないときでも、コージェネレーションシステムの頻繁な発停は、改質器その他の機器を高温にしたり常温に戻したりさせるヒートサイクルにさらすことは避け難く、改質器や関連する機器の構成部品は、このヒートサイクルに伴って生じる熱伸縮歪みや熱化学的な変化によって、改質触媒の耐久性を低下させたり、燃料電池を構成する機器の劣化を早めるという問題がある。
【００１１】この発明は、水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器で発生した改質ガスを燃料として貯湯タンクの温水加熱をすることができる燃焼装置とを有するコージェネレーションシステムにおいて、該コージェネレーションシステムのエネルギ効率の低下を防ぎつつ、コージェネレーションシステムを構成する機器や装置の耐久性を損なわないようなコージェネレーションシステムを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】この発明の請求項１のコージェネレーションシステムは、水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器への原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御手段と、前記改質器加熱用の加熱装置と該加熱装置における加熱量の制御手段とを有するとともに、前記燃料電池の作動、停止の状態とは独立して前記改質器の作動を継続させる制御手段を備えていることを特徴としている。
【００１３】また、請求項２のコージェネレーションシステムは、水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器で発生した改質ガスを燃料にして温水加熱をすることができる燃焼装置とを有するコージェネレーションシステムにおいて、該コージェネレーションシステムの運転中は前記改質器の作動を継続しつつ電気負荷の増減に応じて前記燃料電池の出力の増減制御や作動と停止の制御をする制御手段を有していることを特徴としている。
【００１４】また、請求項３のコージェネレーションシステムは、水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器で発生した改質ガスを燃料にして温水加熱をすることができる燃焼装置とを有するコージェネレーションシステムにおいて、前記改質器には原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御手段及び改質反応用の加熱装置を設けるとともに、前記コージェネレーションシステムの運転中は改質器の作動を継続しつつ電気負荷の増減に応じて前記燃料電池の出力の増減制御や作動と停止の制御をし、かつ、燃料電池の作動停止時には、改質器の温度をほぼ一定に保つ制御手段を有していることを特徴としている。
【００１５】さらに、請求項４のコージェネレーションシステムは、水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、温水加熱をする燃焼装置とを有するとともに、夜間は改質器の作動を継続しつつ、前記燃料電池の作動を停止し、前記改質器で発生した改質ガスを燃料として前記燃焼装置を作動させる制御手段が備えられていることを特徴としている。
【００１６】さらに、請求項５のコージェネレーションシステムは、水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器で発生した改質ガスを燃料として温水加熱をすることができる燃焼装置と、該燃焼装置で加熱された温水を貯える貯湯タンクを有するとともに、夜間は燃料電池の作動を停止し改質器と該燃焼装置とを作動させつつ、前記燃焼装置による貯湯タンクの温水の加熱温度を約８０℃以上に昇温させるように制御する制御手段を有していることを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】図１はこの発明に係る燃料電池を用いたコージェネレーションシステムの機器の構成を示す図である。符号６は、例えば、固体高分子型燃料電池等、１００℃以下で動作する低温動作型の燃料電池、３は原燃料ガスを改質して燃料電池６に供給する改質器、７０は燃料電池６から電力の供給を受ける電気負荷、ＷＳはコージェネレーションシステムの一部を構成する温水供給装置、９５はこれらの機器の制御装置である。
【００１９】燃料電池６は燃料極６ａ、空気極６ｋ及び冷却部６ｃを有している。燃料極６ａは管路６４を介して改質器３に接続され、改質器３から高濃度の水素ガス（改質ガス）を燃料電池６の燃料ガスとして導入し、発電に使用する。燃料極６ａで反応されなかった余剰水素はオフガスとして制御弁４０又は９２を経て管路３８又は１５に送出される。
【００２０】空気極６ｋは、管路１６を介して空気ポンプ１１に接続され、酸化剤としての反応空気を導入して燃料電池６の発電に使用し、燃料電池６で反応に使われた後の空気は、管路２７を経て大気中に排出される。
【００２１】燃料電池６の冷却部６ｃは、燃料電池６の燃料極６ａ、空気極６ｋに並置された冷却装置であり、燃料電池６自身の反応熱等で燃料電池６が過熱しないようにしている。
【００２２】冷却部６ｃにはポンプ４８（図２参照）を用いて水等の冷却流体が循環され、燃料電池６内の温度が発電に適した温度、例えば、７０℃〜８０℃の作動温度に保たれるように冷却制御される。これにより、燃料電池６の温度が反応熱で過度に上昇し過ぎて、電池の構成材料の機能が低下したり、電池の固体高分子膜が損傷されたりしないようにしている。
【００２３】改質器３へは、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の原燃料ガスが燃料管１、燃料供給制御弁４１経由、昇圧ポンプ１０で昇圧されて供給される。
【００２４】改質器３に供給された原燃料ガスは、水蒸気源２０から供給された水蒸気と混合し、加熱装置１２で加熱されて、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。
【００２５】改質器３を出た改質ガスは、ＣＯ変成器４やＣＯ除去器５を経て、一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下に低減された水素濃度の高い改質ガスとして、燃料電池の燃料極６ａに供給される。
【００２６】上記構成において、加熱装置１２としては、例えば、ガスバーナ等の燃焼装置或いはその他の触媒加熱等の適当な加熱装置が用いられる。加熱装置１２は、改質器３における改質反応に必要とされる熱を供給し、改質反応を維持している。以下の説明では、加熱装置１２にガス燃焼装置を使用した例で説明をする。
【００２７】加熱装置１２へは、燃焼制御弁４２を有する燃料管１３を介して燃料ガスが供給される一方、オフガス制御弁９２を有する管路１５を介して燃料電池６で発電に使用されなかった水素ガス（オフガス）が供給され、送風機１４経由で供給される空気を燃焼空気として燃焼される。
【００２８】図１のコージェネレーションシステムの温水供給装置ＷＳは、温水加熱用の燃焼装置３４、温水加熱用の熱交換器４６、該熱交換器４６に温水を循環させるポンプ４７、加熱された温水を貯える貯湯タンク５０等から構成されている。
【００２９】燃焼装置３４では、管路３５、３８を経由して改質器３から供給される改質ガスが、送風機３７を介して供給される空気を燃焼空気として燃焼され、該燃焼ガスによって熱交換器４６に循環される水を加熱するものである。
【００３０】貯湯タンク５０には、管路２８を経て市水が供給され、ポンプ４７によって上記熱交換器４６に循環し加熱された温水が貯えられる。貯湯タンク５０の温水は、管路６２を経て、風呂や洗面所、台所等の給湯負荷に供給される。
【００３１】燃料電池６から電力供給を受ける外部の電気負荷７０としては、このコージェネレーションシステムが設置されている家庭の照明装置やテレビ等の電気機器やコージェネレーションシステムの運転を維持するポンプや送風機等の電気機器の他に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０７や系統連系インバータ１０８を介して商用電源に接続されているその他の電気機器等があるが、図１では、これらの電気機器をまとめて、電気負荷７０という。
【００３２】なお、７３は、上述した種々の電気機器（図示せず）や電気負荷７０へ電力を供給するようにした分電盤である。
【００３３】制御装置９５は、改質器３や燃料電池６の温度を温度センサ４４、４５で監視しつつ、改質器３に供給される原燃料ガスや燃料電池６へ供給される改質ガスの流れやその量及び燃料電池６で発電されて電気負荷に供給される電力の供給先や電力量の制御をしている。さらに制御装置９５は、改質器３の加熱装置１２と該加熱装置における加熱量の制御を行なう装置でもある。なお、４９は、燃料電池６で発電された電気の電流量を検出する電流計である。
【００３４】制御装置９５による燃料ガスや改質ガスの制御は、燃料管１及び１３に設けられた燃料供給制御弁４１及び燃焼制御弁４２、改質ガスが流れる管路６４及び３５に設けられた開閉弁９１及び３６、並びに、オフガスが流れる管路３８及び１５に設けられた制御弁４０及びオフガス制御弁９２の開閉制御によっておこなわれる。
【００３５】以上のように構成されたコージェネレーションシステムは、起動時には、改質器３及び燃料電池６の温度が共に低く、オフガスの発生もないので、改質器３の加熱装置１２では、燃焼制御弁４２、燃料管１３を経て供給される燃料ガスが燃焼される。
【００３６】加熱装置１２によって改質器３の加熱が開始され、改質器３で改質ガスの発生が始まっても、初めは、改質ガスの組成は安定していない。
【００３７】制御装置９５は、改質器３を構成する機器の作動及び温度が安定するまでは、開閉弁９１を閉じて改質ガスを燃料極６ａに供給しない。制御装置９５は、開閉弁３６を開くことにより、組成が不安定な改質ガスを、管路３５経由で燃焼装置３４に導き、ここで燃焼させるように制御をする。で燃焼させるように制御をする。
【００３８】このようにしてコージェネレーションシステムの運転を開始させ、改質器３を含む各機器の温度や作動が安定した後に、制御装置９５は、開閉弁３６を閉じ、開閉弁９１を開くことにより、改質ガスを燃料極６ａに導入し、燃料電池６における発電を開始させる。
【００３９】改質ガスの導入によって発電を開始した燃料電池６も直ちに定格安定出力状態にはならない。制御装置９５は、燃料電池６の温度が低く、発電の出力も僅かな中は、燃料電池６に過度の負荷がかからないように負荷の制御をする。
【００４０】即ち、制御装置９５は、温度センサ４５によって燃料電池６の温度を監視しながら、燃料電池６の温度に応じた電力を燃料電池６から取出し、燃料電池６の温度が上がるに従って取出し電流値を増やす形で燃料電池６にかける電気負荷の量を徐々に増大させ、自己発熱によって、燃料電池６の温度を上げるように（負荷昇温）制御をする。
【００４１】このような負荷昇温の制御は、例えば、燃料電池６へ改質ガスの供給を開始した後、燃料電池６のオープン電圧が確認されたら、直ちにオープン電圧からＤＣ／ＤＣコンバータ１０７や系統連係インバータ１０８を介した電力系統（外部負荷）への連係を行い、発電能力が小さい中から、燃料電池６に電気負荷をかけ始める形で行われる。
【００４２】その後も制御装置９５は、燃料電池６を損傷しない範囲で最大負荷を燃料電池６に与え続け、燃料電池６の自己反応熱によって、電池の温度をできるだけ早く定格安定出力状態の温度に上げて、すみやかに定常の作動状態に移行させるものである。このようにして燃料電池６を起動する際のエネルギ損失を極限まで少なくすることができる。
【００４３】燃料電池６の温度が負荷昇温によって上昇し、定常の作動温度（例えば、７０℃〜８０℃）で安定し、定格出力状態に達した後は、燃料極６ａから排出されるオフガスの組成も安定してくる。制御装置９５は、制御弁４０を閉じ、オフガス制御弁９２を開き、オフガスの流れを管路３８から管路１５に切替えて、オフガスが改質器３の加熱装置１２で燃焼されるように制御する。その後は、加熱装置１２では、管路１５経由で供給されるオフガスが燃焼されて改質器３の加熱が継続される。
【００４４】燃料電池６が定常作動状態に達した後、燃料電池６は、冷却部６ｃによって燃料電池の作動温度（例えば、７０℃〜８０℃）に保たれ、連続して定格発電が行なわれる。この時、上述したガスの管路１５、３５、３８、６４の弁の開閉は、開閉弁９１と制御弁９２が開かれ、開閉弁３６と制御弁４０が閉じられている。
【００４５】燃料電池６の定常作動状態では、改質ガスの大部は発電に使われ、燃料電池６で得られた電力は上述のようにＤＣ／ＤＣコンバータ１０７、系統連系インバータ１０８経由で電気負荷７０に供給され、制御装置９５は、電気負荷７０の負荷量の増減に応じて燃料電池６の出力の増減の制御や燃料電池６の作動を開始維持させたり、作動を停止する等の制御が行われる。
【００４６】なお、燃料電池６が定格安定出力状態になった後は、コージェネレーションシステムや燃料電池６を構成する附属機器、例えば、ポンプ１０、４７や送風機１１、１４、３７、制御弁４０、４１、４２、９２や開閉弁３６、９１或いは、制御装置９５等を作動させる電力は燃料電池６で発電された電力によってまかなうようにしてもよい。
【００４７】また、制御装置９５によって、改質器３の温度を温度センサ４４で監視しつつ、改質器３の加熱装置１２には、制御弁９２を経由したオフガスと燃焼制御弁４２を経由した燃料ガスとを並行して供給して燃焼させるようにしてもよい。
【００４８】制御装置９５は、コージェネレーションシステムの運転中は、燃料電池６の出力に応じて改質器３へ導入する原燃料の量を制御する。一方、燃料電池６の作動を停止したときは、燃料電池６から独立して改質器３の作動を継続するように制御される。このとき、改質器３の温度が燃料電池６の作動中とほぼ同じ温度になるように加熱装置１２の作動が制御される。
【００４９】この発明のコージェネレーションシステムには、改質器３と、該改質器３で発生した改質ガスを燃料として発電をする燃料電池６と、同じく改質器３で発生した改質ガスを燃料にして温水加熱をすることができる燃焼装置３４が備えられ、かつ、該コージェネレーションシステムの運転中は、夜間や家人の留守等で電気負荷量が、例えば、３００Ｗ以下に減少すると予想され、燃料電池６の作動を停止するときでも、改質器３の作動を継続させるように制御する制御装置９５が備えられている。
【００５０】これにより、改質器３は、燃料電池６の作動状態とは独立してその温度をほぼ一定に保たれ、この間に改質器３で発生した改質ガスは燃焼装置３４で燃焼されて温水加熱に利用され、エネルギ効率の低下を防いだコージェネレーションシステムを得ることができる。
【００５１】また、改質器３の温度がほぼ一定に保たれることにより、改質器３の触媒や加熱装置、その他の関連する機器に対してはヒートサイクルの影響を極力避けてその耐久性の低下を防止し、コージェネレーションシステムを構成する機器の機能の安定性を向上させることができる。
【００５２】また、コージェネレーションシステムの運転中は、改質器３がほぼ一定温度に維持されるように加熱装置１２を作動させて改質ガスを生成しているので、電気負荷７０の増減等に速やかに追随させて、燃料電池６の発電量を増減制御できる。さらに、燃料電池６の作動の停止や作動再開の制御を行なっても、燃料電池６の起動開始ごとに、改質器３の加熱装置１２の着火を行なう必要はなく、着火失敗のトラブルも減り、また、燃料電池６の発電開始の立ち上がりも早いので、コージェネレーションシステムの運転に対する信頼性が向上する。
【００５３】なお、制御装置９５には、夜間や電気負荷量が数百Ｗ以下に低下すると予想される特定の時間帯に、自動的に燃料電池６の作動を停止するタイマ（図示せず）を内蔵させたり、コージェネレーションシステムの使用者が半日とか数日の間、外出をするときに、切替えスイッチ（図示せず）を操作してこの期間は燃料電池６の作動を停止させるようにしてもよい。
【００５４】このようにして燃料電池６が作動を停止しているときは、改質器３の温度をほぼ一定に保ったり、或いは、改質器３の温度が低下し過ぎない範囲（温度変化で改質器を構成する触媒や部品或いは関連する機器にヒートサイクル（熱膨張収縮の繰返し）の影響やこれによる熱化学的な変化を生じさせない温度範囲）に改質器３の温度の変動を抑えて作動を継続させる。このような改質器３の作動制御にすれば、少量の燃料ガス（エネルギ消費）で改質器３の温度を略一定の温度に保つことができる。
【００５５】また、コージェネレーションシステムの運転の制御は、例えば、２〜３日の外出（燃料電池６の作動停止）であれば、コージェネレーションシステムの運転と改質器３の作動は継続させて温水の供給だけは可能にし、それ以上の期間ににわたって留守にするなどして燃料電池の作動が停止されるようなときは、コージェネレーションシステムの運転も停止させ無駄な燃料消費を防ぎ、このようにして改質器３の温度変化や点火と消火とによるヒートサイクルの発生の機会を極力減じるのが好ましい。
【００５６】図２はこのようなコージェネレーションシステムの第２の実施形態を示す機器構成図であり、コージェネレーションシステムの中の温水供給装置の機構を主に示している。
【００５７】図２の実施形態では、水蒸気源２０の一例として、加熱装置１２の排ガスが流れる排気管３１に熱交換器１７を設け、ポンプ２２を用いて水タンク２１から供給された水を熱交換器１７で加熱、水蒸気化して改質器３に供給する構成が示されている。この水蒸気源２０によれば、改質器３における反応加熱に使用された加熱装置１２の燃焼排ガスの熱を活用して原燃料の改質に必要な水蒸気を得ることができる。
【００５８】また、排気管３１には、熱交換器１７と独立した熱交換器３２が設けられ、この熱交換器３２に、貯湯タンク５０からの水をポンプ３３で循環することにより排ガスの熱の回収が行われる。さらに、燃料電池６の空気極６ｋから排出される空気の管路２７に熱交換器６７を設け、この熱交換器６７にポンプ６６を用いて貯湯タンク５０からの水を循環させることにより燃料電池６からの排出空気の熱が貯湯タンク５０回収される。さらにまた、改質器３とＣＯ変成器４との間及びＣＯ変成器４とＣＯ除去器５との間にそれぞれ熱交換器１８、１９を設け、ポンプ２３、２４を用いて水タンク２１の水を熱交換器１８、１９に循環することにより、管路６４を流れる改質ガスの熱を水タンク２１に回収し、かつ、水タンク２１と貯湯タンク５０との間に熱交換器６１を設けて水タンク２１の熱を貯湯タンク５０に回収するようにした点等が図１に示す実施形態と異なる。
【００５９】その他、図２において、図１と同様な機器、部品については、同じ番号を付してその説明を省略する。
【００６０】図２に示す実施形態のコージェネレーションシステムでは、該システムから排出される熱をできる限り温水の加熱エネルギとして回収する機構となっている。
【００６１】また、図１と同様に、コージェネレーションシステムの起動時やコージェネレーションシステムの運転をしつつ燃料電池６の作動が休止されているときには、改質器３からの改質ガスを燃焼装置３４で燃焼させてその熱エネルギを貯湯タンク５０に回収し、原燃料ガスが有するエネルギを無駄に排出しないように活用している。
【００６２】さらに、燃料電池６の作動中は、得られた電力を電気負荷（図示省略）に供給すると同時に、熱交換器３２、６１、６７を用いて熱回収を行い、コージェネレーションシステムで使用される原燃料のエネルギの有効活用を図るようにしている。
【００６３】図２の実施形態においても、燃焼装置３４では改質ガスが燃焼され、熱交換器４６による温水加熱をしているが、この温水加熱温度は、上述した熱交換器３２、６１、６７による熱回収よりも高い温度に温水加熱をすることができるので、例えば、貯湯タンク５０に貯えられる水の温度を９０℃以上に昇温させたり、排気や廃熱回収系の熱交換器３２、６１、６７等で得られた温水の温度を高めて給湯に使うような、追いだきの温水加熱装置（図示せず）として熱交換器４６を機能させることができる。
【００６４】このように図２のコージェネレーションシステムでは、改質器３と燃料電池６とを有し、燃料電池６で得られた電力を電気負荷（図示省略）に供給するとともに、熱交換器３２、６１、６７を用いて熱回収のようにして貯湯タンク５０の温水加熱をするとともに、燃焼装置３４及び熱交換器４６によって追いだき装置のようにして温度を高めた温水を貯湯タンク５０に貯えて洗面や風呂等の給湯負荷に供給するようにしている。
【００６５】このようなコージェネレーションシステムは、夜間や留守中等、電力負荷量が少なく燃料電池６の作動を停止させて負荷への給電をしていないときでも、改質器３を作動させ、改質器３で得られた改質ガスを燃焼装置３４で燃焼させ、貯湯タンク５０に温水として熱回収することにより、エネルギの損失を防ぎつつ機器の作動の安定性と耐久性を向上させ、かつ、システムに対する信頼性を向上させたコージェネレーションシステムを提供することができる。
【００６６】特に、第２図に示す構成の実施形態においては、熱交換器３２、６１、６７によって得られた温水を追だきするような形で改質器３及び燃焼装置３４、ポンプ４７等を制御し、約８０℃以上に加熱、好ましくは、朝の給湯開始までに９０〜９５℃の温度に昇温された温水として貯湯タンク５０に温水を貯えたり、貯えられた温水の温度を高めて給湯負荷に供給できるものである。
【００６７】このために、図２においても、（図示されていない）制御装置９５が、図１の実施形態と同様に、コージェネレーションシステムの運転中は前記改質器３の作動を継続しつつ電気負荷７０の増減に応じて前記燃料電池６の作動及び停止の制御をする。また、燃料電池６の停止しているときは、改質器３から発生する改質ガスを燃焼装置（燃焼装置）３４で燃焼させて温水加熱に利用するように機器の制御をしている。さらに、夜間は、改質器３の温度をほぼ一定に保つ範囲の最低出力で改質器３の作動を継続させつつ、貯湯タンク５０の温水温度に応じて改質器３の出力を増減して追いだき量を調整し、朝には、常に９０〜９５℃の温水が貯湯タンク５０に満たされるように制御するようにしている。
【００６８】このように、図２の実施形態のコージェネレーションシステムは、夜間は燃料電池６の作動を停止し、改質器３の作動を継続しつつ前記改質器３で発生した改質ガスを燃料として燃焼装置３４を作動させ、夜間における前記貯湯タンク５０の温水の温度を約８０℃以上（好ましくは９０〜９５℃の温水）に昇温させるよう追いだき的に制御するので、エネルギの有効活用が可能となり、改質触媒の耐久性を低下させたり、燃料電池を構成する機器の劣化を減らし、機器や装置の耐久性を損なわないようにしつつ、コージェネレーションシステム全体としてのエネルギ効率や経済性の向上を図ることができる。
【００６９】図３は、この発明による燃料電池を用いたコージェネレーションシステムの全体構成の一実施形態を示す模式図である。
【００７０】図３において、図１及び図２と同様な機器、部品については、同じ番号を付してその説明を省略する。
【００７１】図３の実施形態のコージェネレーションシステムにおいては、燃料電池６と、改質器３、ＣＯ変成器４やＣＯ除去器５等を具備した改質装置３０と、制御装置９５等と共に、燃焼装置３４や熱交換器４６、３２、６１、６７等が機体５７の中に収納され、該機体５７と貯湯タンク５０とを温水管路で接続してコージェネレーションシステムを構成している。
【００７２】このコージェネレーションシステムにおいても、燃料電池６で発電が開始される前のエネルギは、温水に替えて利用されるようにしつつ、速やかに燃料電池６を安定出力状態に移行させる。
【００７３】燃料電池６で得られた電力を電気負荷に供給すると共に、改質器３や燃料電池６で生じる熱及び燃料電池６で使用されなかった改質ガスなどを熱として回収し、貯湯タンク５０に貯えるので、燃料電池６を用いたコージェネレーションシステム全体としてのエネルギの有効活用が図られる。
【００７４】また、図３のコージェネレーションシステムも、図１及び図２のコージェネレーションシステムと同様に、その運転中は改質器３の作動を継続しつつ、電気負荷量に応じて燃料電池６の発電量及び停止等を制御し、燃料電池６の停止中に発生する改質ガスを燃焼装置３４で燃焼させて温水加熱に利用するようにしたので、コージェネレーションシステム全体としてのエネルギの有効活用を図りつつ、改質器３がヒートサイクルによる弊害を受け難くし、コージェネレーションシステムの耐久性を向上させることができる。
【００７５】なお、燃料電池６の作動が停止しているときは、改質器３の温度が低下しない範囲（改質器の温度変化で改質器に熱的な影響が生じない範囲）に燃料供給を減じた最低の出力状態に作動させるのが好ましい。
【００７６】また、上記の実施形態においては、改質器やＣＯ変成器４やＣＯ除去器５等を独立した構成で説明をしたが、本発明の改質器は、ＣＯ変成器やＣＯ除去器が別体に構成された改質器に限らず、これらを一体にした改質装置３０を改質器として使用しても本発明を逸脱するものではない。
【００７７】さらにまた、上述の実施の形態では燃料電池として、固体高分子型燃料電池を中心に説明をしたが、この発明が使用できる燃料電池は、改質器を燃料電池の燃料ガス（水素）の供給源とする電池であれば、他の電池、例えば、ＰＡＦＣ（燐酸電解質型）やＡＦＣ（アルカリ水溶液電解質型）等の電池にも使用できるものである。
【００７８】
【発明の効果】この発明の燃料電池を用いたコージェネレーションシステムによれば、コージェネレーションシステムの運転中は、燃料電池の作動や停止、外部負荷への給電の有無にかかわらず、改質器については、ほぼ一定の温度に保つようにして改質器にヒートサイクルの弊害が極力生じないようにしたので、コージェネレーションシステムの構成機器およびコージェネレーションシステム全体としての耐久性が向上する。
【００７９】また、燃料電池の起動ごとに、改質器の加熱装置の着火を行なう必要はなくなるので、着火失敗のトラブルも減り、コージェネレーションシステムとしての信頼性が向上する。
【００８０】また、夜間に貯湯タンクの温水温度に応じて改質器の出力を増減し、朝には、常に９０〜９５℃の温水で満たされるように追いだき量を調整すれば、小さな貯湯タンクで必要な給湯量をまかなうことができるようになり、コージェネレーションシステムを小型化することも可能になるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による燃料電池を用いたコージェネレーションシステムの第一の実施形態を示す構成図である。
【図２】この発明による燃料電池を用いたコージェネレーションシステムの第二の実施形態における温水加熱機構を示す構成図である。
【図３】この発明による燃料電池を用いたコージェネレーションシステムの全体構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 原燃料管
３ 改質器
６ 燃料電池
１２ 改質器の加熱装置（燃焼装置）
１５、３５、３８ 管路
３４ 燃焼装置
３２、４６、６１、６７ 熱交換器
３６、９１ 開閉弁
４０、９２ 制御弁
４１ 燃料供給制御弁
４２ 燃焼制御弁
４４、４５ 温度センサ
４７ ポンプ
４９ 電流計
５０ 貯湯タンク
５７ コージェネレーションシステムの機体
７０ 電気負荷
９２ オフガス制御弁
９５ 制御装置
１０７ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０８ 系統連系インバータ
ＷＳ 温水供給装置
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器で発生した改質ガスを燃料として温水加熱をすることができる燃焼装置等とを有し、外部負荷に電力を供給するとともに温水供給をすることができる燃料電池を用いた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】水素を燃料ガスとし、空気中の酸素を酸化剤として使用する固体高分子型燃料電池（以下単に燃料電池という）は、酸やアルカリによる腐食の心配がなく寿命が長い特徴を有している。
【０００３】このような、燃料電池は、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器を有し、燃料電池で発電された電力を外部の電気負荷等に供給できるように構成されている。
【０００４】また、燃料電池や改質器から排出される未燃焼ガスを使用して温水を加熱すれば、電力供給と併せて給湯を行なうコージェネレーションシステムを構築することもできる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】一般に、家庭の電力消費は夜間と昼間とで大きな差があり、夜間の家庭の電気消費量は、３００Ｗ／時程度と些少であるために、家庭で使用される小型のコージェネレーションシステムを夜間に運転することは経済的でない。
【０００６】通常は、小型のコージェネレーションシステムは昼間にのみ運転し、夜間は停止され、コージェネレーションシステムの運転の停止時には、改質器や燃料電池及び関連機器の作動が停止される。
【０００７】改質器や燃料電池の作動を停止することは、これに応じて関連する全ての機器、例えば、水蒸気や原燃料を改質器へ供給する管路に設けられた開閉弁及び空気や改質ガスの流れを制御する制御弁は閉止され、燃焼空気や反応空気を送るガスポンプ及び水を送るポンプ等の機器も停止されるように制御される。
【０００８】逆に、コージェネレーションシステムの運転を再開するときは、改質器や燃料電池の作動を再開するのみならず、閉止されていた制御弁や停止されていたポンプ等の機器の作動をすべて再開することである。
【０００９】しかしながら、燃料電池を用いたコージェネレーションシステムの運転と停止を頻繁に行なうことは、上述した関連機器の作動の発停が繰返されるばかりでなく、燃料電池に改質ガスを供給する改質器の加熱装置（例えば、バーナ等の燃焼装置）の点火と消火を頻繁に繰返すことでもある。
【００１０】コージェネレーションシステムの運転開始時には、改質器の加熱装置の着火の失敗を生じる可能性がある。着火に失敗がないときでも、コージェネレーションシステムの頻繁な発停は、改質器その他の機器を高温にしたり常温に戻したりさせるヒートサイクルにさらすことは避け難く、改質器や関連する機器の構成部品は、このヒートサイクルに伴って生じる熱伸縮歪みや熱化学的な変化によって、改質触媒の耐久性を低下させたり、燃料電池を構成する機器の劣化を早めるという問題がある。
【００１１】この発明は、水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器で発生した改質ガスを燃料として貯湯タンクの温水加熱をすることができる燃焼装置とを有するコージェネレーションシステムにおいて、該コージェネレーションシステムのエネルギ効率の低下を防ぎつつ、コージェネレーションシステムを構成する機器や装置の耐久性を損なわないようなコージェネレーションシステムを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】この発明の請求項１のコージェネレーションシステムは、水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器への原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御手段と、前記改質器加熱用の加熱装置と該加熱装置における加熱量の制御手段とを有するとともに、前記燃料電池の作動、停止の状態とは独立して前記改質器の作動を継続させる制御手段を備えていることを特徴としている。
【００１３】また、請求項２のコージェネレーションシステムは、水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器で発生した改質ガスを燃料にして温水加熱をすることができる燃焼装置とを有するコージェネレーションシステムにおいて、該コージェネレーションシステムの運転中は前記改質器の作動を継続しつつ電気負荷の増減に応じて前記燃料電池の出力の増減制御や作動と停止の制御をする制御手段を有していることを特徴としている。
【００１４】また、請求項３のコージェネレーションシステムは、水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器で発生した改質ガスを燃料にして温水加熱をすることができる燃焼装置とを有するコージェネレーションシステムにおいて、前記改質器には原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御手段及び改質反応用の加熱装置を設けるとともに、前記コージェネレーションシステムの運転中は改質器の作動を継続しつつ電気負荷の増減に応じて前記燃料電池の出力の増減制御や作動と停止の制御をし、かつ、燃料電池の作動停止時には、改質器の温度をほぼ一定に保つ制御手段を有していることを特徴としている。
【００１５】さらに、請求項４のコージェネレーションシステムは、水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、温水加熱をする燃焼装置とを有するとともに、夜間は改質器の作動を継続しつつ、前記燃料電池の作動を停止し、前記改質器で発生した改質ガスを燃料として前記燃焼装置を作動させる制御手段が備えられていることを特徴としている。
【００１６】さらに、請求項５のコージェネレーションシステムは、水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器で発生した改質ガスを燃料として温水加熱をすることができる燃焼装置と、該燃焼装置で加熱された温水を貯える貯湯タンクを有するとともに、夜間は燃料電池の作動を停止し改質器と該燃焼装置とを作動させつつ、前記燃焼装置による貯湯タンクの温水の加熱温度を約８０℃以上に昇温させるように制御する制御手段を有していることを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】図１はこの発明に係る燃料電池を用いたコージェネレーションシステムの機器の構成を示す図である。符号６は、例えば、固体高分子型燃料電池等、１００℃以下で動作する低温動作型の燃料電池、３は原燃料ガスを改質して燃料電池６に供給する改質器、７０は燃料電池６から電力の供給を受ける電気負荷、ＷＳはコージェネレーションシステムの一部を構成する温水供給装置、９５はこれらの機器の制御装置である。
【００１９】燃料電池６は燃料極６ａ、空気極６ｋ及び冷却部６ｃを有している。燃料極６ａは管路６４を介して改質器３に接続され、改質器３から高濃度の水素ガス（改質ガス）を燃料電池６の燃料ガスとして導入し、発電に使用する。燃料極６ａで反応されなかった余剰水素はオフガスとして制御弁４０又は９２を経て管路３８又は１５に送出される。
【００２０】空気極６ｋは、管路１６を介して空気ポンプ１１に接続され、酸化剤としての反応空気を導入して燃料電池６の発電に使用し、燃料電池６で反応に使われた後の空気は、管路２７を経て大気中に排出される。
【００２１】燃料電池６の冷却部６ｃは、燃料電池６の燃料極６ａ、空気極６ｋに並置された冷却装置であり、燃料電池６自身の反応熱等で燃料電池６が過熱しないようにしている。
【００２２】冷却部６ｃにはポンプ４８（図２参照）を用いて水等の冷却流体が循環され、燃料電池６内の温度が発電に適した温度、例えば、７０℃〜８０℃の作動温度に保たれるように冷却制御される。これにより、燃料電池６の温度が反応熱で過度に上昇し過ぎて、電池の構成材料の機能が低下したり、電池の固体高分子膜が損傷されたりしないようにしている。
【００２３】改質器３へは、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の原燃料ガスが燃料管１、燃料供給制御弁４１経由、昇圧ポンプ１０で昇圧されて供給される。
【００２４】改質器３に供給された原燃料ガスは、水蒸気源２０から供給された水蒸気と混合し、加熱装置１２で加熱されて、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。
【００２５】改質器３を出た改質ガスは、ＣＯ変成器４やＣＯ除去器５を経て、一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下に低減された水素濃度の高い改質ガスとして、燃料電池の燃料極６ａに供給される。
【００２６】上記構成において、加熱装置１２としては、例えば、ガスバーナ等の燃焼装置或いはその他の触媒加熱等の適当な加熱装置が用いられる。加熱装置１２は、改質器３における改質反応に必要とされる熱を供給し、改質反応を維持している。以下の説明では、加熱装置１２にガス燃焼装置を使用した例で説明をする。
【００２７】加熱装置１２へは、燃焼制御弁４２を有する燃料管１３を介して燃料ガスが供給される一方、オフガス制御弁９２を有する管路１５を介して燃料電池６で発電に使用されなかった水素ガス（オフガス）が供給され、送風機１４経由で供給される空気を燃焼空気として燃焼される。
【００２８】図１のコージェネレーションシステムの温水供給装置ＷＳは、温水加熱用の燃焼装置３４、温水加熱用の熱交換器４６、該熱交換器４６に温水を循環させるポンプ４７、加熱された温水を貯える貯湯タンク５０等から構成されている。
【００２９】燃焼装置３４では、管路３５、３８を経由して改質器３から供給される改質ガスが、送風機３７を介して供給される空気を燃焼空気として燃焼され、該燃焼ガスによって熱交換器４６に循環される水を加熱するものである。
【００３０】貯湯タンク５０には、管路２８を経て市水が供給され、ポンプ４７によって上記熱交換器４６に循環し加熱された温水が貯えられる。貯湯タンク５０の温水は、管路６２を経て、風呂や洗面所、台所等の給湯負荷に供給される。
【００３１】燃料電池６から電力供給を受ける外部の電気負荷７０としては、このコージェネレーションシステムが設置されている家庭の照明装置やテレビ等の電気機器やコージェネレーションシステムの運転を維持するポンプや送風機等の電気機器の他に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０７や系統連系インバータ１０８を介して商用電源に接続されているその他の電気機器等があるが、図１では、これらの電気機器をまとめて、電気負荷７０という。
【００３２】なお、７３は、上述した種々の電気機器（図示せず）や電気負荷７０へ電力を供給するようにした分電盤である。
【００３３】制御装置９５は、改質器３や燃料電池６の温度を温度センサ４４、４５で監視しつつ、改質器３に供給される原燃料ガスや燃料電池６へ供給される改質ガスの流れやその量及び燃料電池６で発電されて電気負荷に供給される電力の供給先や電力量の制御をしている。さらに制御装置９５は、改質器３の加熱装置１２と該加熱装置における加熱量の制御を行なう装置でもある。なお、４９は、燃料電池６で発電された電気の電流量を検出する電流計である。
【００３４】制御装置９５による燃料ガスや改質ガスの制御は、燃料管１及び１３に設けられた燃料供給制御弁４１及び燃焼制御弁４２、改質ガスが流れる管路６４及び３５に設けられた開閉弁９１及び３６、並びに、オフガスが流れる管路３８及び１５に設けられた制御弁４０及びオフガス制御弁９２の開閉制御によっておこなわれる。
【００３５】以上のように構成されたコージェネレーションシステムは、起動時には、改質器３及び燃料電池６の温度が共に低く、オフガスの発生もないので、改質器３の加熱装置１２では、燃焼制御弁４２、燃料管１３を経て供給される燃料ガスが燃焼される。
【００３６】加熱装置１２によって改質器３の加熱が開始され、改質器３で改質ガスの発生が始まっても、初めは、改質ガスの組成は安定していない。
【００３７】制御装置９５は、改質器３を構成する機器の作動及び温度が安定するまでは、開閉弁９１を閉じて改質ガスを燃料極６ａに供給しない。制御装置９５は、開閉弁３６を開くことにより、組成が不安定な改質ガスを、管路３５経由で燃焼装置３４に導き、ここで燃焼させるように制御をする。で燃焼させるように制御をする。
【００３８】このようにしてコージェネレーションシステムの運転を開始させ、改質器３を含む各機器の温度や作動が安定した後に、制御装置９５は、開閉弁３６を閉じ、開閉弁９１を開くことにより、改質ガスを燃料極６ａに導入し、燃料電池６における発電を開始させる。
【００３９】改質ガスの導入によって発電を開始した燃料電池６も直ちに定格安定出力状態にはならない。制御装置９５は、燃料電池６の温度が低く、発電の出力も僅かな中は、燃料電池６に過度の負荷がかからないように負荷の制御をする。
【００４０】即ち、制御装置９５は、温度センサ４５によって燃料電池６の温度を監視しながら、燃料電池６の温度に応じた電力を燃料電池６から取出し、燃料電池６の温度が上がるに従って取出し電流値を増やす形で燃料電池６にかける電気負荷の量を徐々に増大させ、自己発熱によって、燃料電池６の温度を上げるように（負荷昇温）制御をする。
【００４１】このような負荷昇温の制御は、例えば、燃料電池６へ改質ガスの供給を開始した後、燃料電池６のオープン電圧が確認されたら、直ちにオープン電圧からＤＣ／ＤＣコンバータ１０７や系統連係インバータ１０８を介した電力系統（外部負荷）への連係を行い、発電能力が小さい中から、燃料電池６に電気負荷をかけ始める形で行われる。
【００４２】その後も制御装置９５は、燃料電池６を損傷しない範囲で最大負荷を燃料電池６に与え続け、燃料電池６の自己反応熱によって、電池の温度をできるだけ早く定格安定出力状態の温度に上げて、すみやかに定常の作動状態に移行させるものである。このようにして燃料電池６を起動する際のエネルギ損失を極限まで少なくすることができる。
【００４３】燃料電池６の温度が負荷昇温によって上昇し、定常の作動温度（例えば、７０℃〜８０℃）で安定し、定格出力状態に達した後は、燃料極６ａから排出されるオフガスの組成も安定してくる。制御装置９５は、制御弁４０を閉じ、オフガス制御弁９２を開き、オフガスの流れを管路３８から管路１５に切替えて、オフガスが改質器３の加熱装置１２で燃焼されるように制御する。その後は、加熱装置１２では、管路１５経由で供給されるオフガスが燃焼されて改質器３の加熱が継続される。
【００４４】燃料電池６が定常作動状態に達した後、燃料電池６は、冷却部６ｃによって燃料電池の作動温度（例えば、７０℃〜８０℃）に保たれ、連続して定格発電が行なわれる。この時、上述したガスの管路１５、３５、３８、６４の弁の開閉は、開閉弁９１と制御弁９２が開かれ、開閉弁３６と制御弁４０が閉じられている。
【００４５】燃料電池６の定常作動状態では、改質ガスの大部は発電に使われ、燃料電池６で得られた電力は上述のようにＤＣ／ＤＣコンバータ１０７、系統連系インバータ１０８経由で電気負荷７０に供給され、制御装置９５は、電気負荷７０の負荷量の増減に応じて燃料電池６の出力の増減の制御や燃料電池６の作動を開始維持させたり、作動を停止する等の制御が行われる。
【００４６】なお、燃料電池６が定格安定出力状態になった後は、コージェネレーションシステムや燃料電池６を構成する附属機器、例えば、ポンプ１０、４７や送風機１１、１４、３７、制御弁４０、４１、４２、９２や開閉弁３６、９１或いは、制御装置９５等を作動させる電力は燃料電池６で発電された電力によってまかなうようにしてもよい。
【００４７】また、制御装置９５によって、改質器３の温度を温度センサ４４で監視しつつ、改質器３の加熱装置１２には、制御弁９２を経由したオフガスと燃焼制御弁４２を経由した燃料ガスとを並行して供給して燃焼させるようにしてもよい。
【００４８】制御装置９５は、コージェネレーションシステムの運転中は、燃料電池６の出力に応じて改質器３へ導入する原燃料の量を制御する。一方、燃料電池６の作動を停止したときは、燃料電池６から独立して改質器３の作動を継続するように制御される。このとき、改質器３の温度が燃料電池６の作動中とほぼ同じ温度になるように加熱装置１２の作動が制御される。
【００４９】この発明のコージェネレーションシステムには、改質器３と、該改質器３で発生した改質ガスを燃料として発電をする燃料電池６と、同じく改質器３で発生した改質ガスを燃料にして温水加熱をすることができる燃焼装置３４が備えられ、かつ、該コージェネレーションシステムの運転中は、夜間や家人の留守等で電気負荷量が、例えば、３００Ｗ以下に減少すると予想され、燃料電池６の作動を停止するときでも、改質器３の作動を継続させるように制御する制御装置９５が備えられている。
【００５０】これにより、改質器３は、燃料電池６の作動状態とは独立してその温度をほぼ一定に保たれ、この間に改質器３で発生した改質ガスは燃焼装置３４で燃焼されて温水加熱に利用され、エネルギ効率の低下を防いだコージェネレーションシステムを得ることができる。
【００５１】また、改質器３の温度がほぼ一定に保たれることにより、改質器３の触媒や加熱装置、その他の関連する機器に対してはヒートサイクルの影響を極力避けてその耐久性の低下を防止し、コージェネレーションシステムを構成する機器の機能の安定性を向上させることができる。
【００５２】また、コージェネレーションシステムの運転中は、改質器３がほぼ一定温度に維持されるように加熱装置１２を作動させて改質ガスを生成しているので、電気負荷７０の増減等に速やかに追随させて、燃料電池６の発電量を増減制御できる。さらに、燃料電池６の作動の停止や作動再開の制御を行なっても、燃料電池６の起動開始ごとに、改質器３の加熱装置１２の着火を行なう必要はなく、着火失敗のトラブルも減り、また、燃料電池６の発電開始の立ち上がりも早いので、コージェネレーションシステムの運転に対する信頼性が向上する。
【００５３】なお、制御装置９５には、夜間や電気負荷量が数百Ｗ以下に低下すると予想される特定の時間帯に、自動的に燃料電池６の作動を停止するタイマ（図示せず）を内蔵させたり、コージェネレーションシステムの使用者が半日とか数日の間、外出をするときに、切替えスイッチ（図示せず）を操作してこの期間は燃料電池６の作動を停止させるようにしてもよい。
【００５４】このようにして燃料電池６が作動を停止しているときは、改質器３の温度をほぼ一定に保ったり、或いは、改質器３の温度が低下し過ぎない範囲（温度変化で改質器を構成する触媒や部品或いは関連する機器にヒートサイクル（熱膨張収縮の繰返し）の影響やこれによる熱化学的な変化を生じさせない温度範囲）に改質器３の温度の変動を抑えて作動を継続させる。このような改質器３の作動制御にすれば、少量の燃料ガス（エネルギ消費）で改質器３の温度を略一定の温度に保つことができる。
【００５５】また、コージェネレーションシステムの運転の制御は、例えば、２〜３日の外出（燃料電池６の作動停止）であれば、コージェネレーションシステムの運転と改質器３の作動は継続させて温水の供給だけは可能にし、それ以上の期間ににわたって留守にするなどして燃料電池の作動が停止されるようなときは、コージェネレーションシステムの運転も停止させ無駄な燃料消費を防ぎ、このようにして改質器３の温度変化や点火と消火とによるヒートサイクルの発生の機会を極力減じるのが好ましい。
【００５６】図２はこのようなコージェネレーションシステムの第２の実施形態を示す機器構成図であり、コージェネレーションシステムの中の温水供給装置の機構を主に示している。
【００５７】図２の実施形態では、水蒸気源２０の一例として、加熱装置１２の排ガスが流れる排気管３１に熱交換器１７を設け、ポンプ２２を用いて水タンク２１から供給された水を熱交換器１７で加熱、水蒸気化して改質器３に供給する構成が示されている。この水蒸気源２０によれば、改質器３における反応加熱に使用された加熱装置１２の燃焼排ガスの熱を活用して原燃料の改質に必要な水蒸気を得ることができる。
【００５８】また、排気管３１には、熱交換器１７と独立した熱交換器３２が設けられ、この熱交換器３２に、貯湯タンク５０からの水をポンプ３３で循環することにより排ガスの熱の回収が行われる。さらに、燃料電池６の空気極６ｋから排出される空気の管路２７に熱交換器６７を設け、この熱交換器６７にポンプ６６を用いて貯湯タンク５０からの水を循環させることにより燃料電池６からの排出空気の熱が貯湯タンク５０回収される。さらにまた、改質器３とＣＯ変成器４との間及びＣＯ変成器４とＣＯ除去器５との間にそれぞれ熱交換器１８、１９を設け、ポンプ２３、２４を用いて水タンク２１の水を熱交換器１８、１９に循環することにより、管路６４を流れる改質ガスの熱を水タンク２１に回収し、かつ、水タンク２１と貯湯タンク５０との間に熱交換器６１を設けて水タンク２１の熱を貯湯タンク５０に回収するようにした点等が図１に示す実施形態と異なる。
【００５９】その他、図２において、図１と同様な機器、部品については、同じ番号を付してその説明を省略する。
【００６０】図２に示す実施形態のコージェネレーションシステムでは、該システムから排出される熱をできる限り温水の加熱エネルギとして回収する機構となっている。
【００６１】また、図１と同様に、コージェネレーションシステムの起動時やコージェネレーションシステムの運転をしつつ燃料電池６の作動が休止されているときには、改質器３からの改質ガスを燃焼装置３４で燃焼させてその熱エネルギを貯湯タンク５０に回収し、原燃料ガスが有するエネルギを無駄に排出しないように活用している。
【００６２】さらに、燃料電池６の作動中は、得られた電力を電気負荷（図示省略）に供給すると同時に、熱交換器３２、６１、６７を用いて熱回収を行い、コージェネレーションシステムで使用される原燃料のエネルギの有効活用を図るようにしている。
【００６３】図２の実施形態においても、燃焼装置３４では改質ガスが燃焼され、熱交換器４６による温水加熱をしているが、この温水加熱温度は、上述した熱交換器３２、６１、６７による熱回収よりも高い温度に温水加熱をすることができるので、例えば、貯湯タンク５０に貯えられる水の温度を９０℃以上に昇温させたり、排気や廃熱回収系の熱交換器３２、６１、６７等で得られた温水の温度を高めて給湯に使うような、追いだきの温水加熱装置（図示せず）として熱交換器４６を機能させることができる。
【００６４】このように図２のコージェネレーションシステムでは、改質器３と燃料電池６とを有し、燃料電池６で得られた電力を電気負荷（図示省略）に供給するとともに、熱交換器３２、６１、６７を用いて熱回収のようにして貯湯タンク５０の温水加熱をするとともに、燃焼装置３４及び熱交換器４６によって追いだき装置のようにして温度を高めた温水を貯湯タンク５０に貯えて洗面や風呂等の給湯負荷に供給するようにしている。
【００６５】このようなコージェネレーションシステムは、夜間や留守中等、電力負荷量が少なく燃料電池６の作動を停止させて負荷への給電をしていないときでも、改質器３を作動させ、改質器３で得られた改質ガスを燃焼装置３４で燃焼させ、貯湯タンク５０に温水として熱回収することにより、エネルギの損失を防ぎつつ機器の作動の安定性と耐久性を向上させ、かつ、システムに対する信頼性を向上させたコージェネレーションシステムを提供することができる。
【００６６】特に、第２図に示す構成の実施形態においては、熱交換器３２、６１、６７によって得られた温水を追だきするような形で改質器３及び燃焼装置３４、ポンプ４７等を制御し、約８０℃以上に加熱、好ましくは、朝の給湯開始までに９０〜９５℃の温度に昇温された温水として貯湯タンク５０に温水を貯えたり、貯えられた温水の温度を高めて給湯負荷に供給できるものである。
【００６７】このために、図２においても、（図示されていない）制御装置９５が、図１の実施形態と同様に、コージェネレーションシステムの運転中は前記改質器３の作動を継続しつつ電気負荷７０の増減に応じて前記燃料電池６の作動及び停止の制御をする。また、燃料電池６の停止しているときは、改質器３から発生する改質ガスを燃焼装置（燃焼装置）３４で燃焼させて温水加熱に利用するように機器の制御をしている。さらに、夜間は、改質器３の温度をほぼ一定に保つ範囲の最低出力で改質器３の作動を継続させつつ、貯湯タンク５０の温水温度に応じて改質器３の出力を増減して追いだき量を調整し、朝には、常に９０〜９５℃の温水が貯湯タンク５０に満たされるように制御するようにしている。
【００６８】このように、図２の実施形態のコージェネレーションシステムは、夜間は燃料電池６の作動を停止し、改質器３の作動を継続しつつ前記改質器３で発生した改質ガスを燃料として燃焼装置３４を作動させ、夜間における前記貯湯タンク５０の温水の温度を約８０℃以上（好ましくは９０〜９５℃の温水）に昇温させるよう追いだき的に制御するので、エネルギの有効活用が可能となり、改質触媒の耐久性を低下させたり、燃料電池を構成する機器の劣化を減らし、機器や装置の耐久性を損なわないようにしつつ、コージェネレーションシステム全体としてのエネルギ効率や経済性の向上を図ることができる。
【００６９】図３は、この発明による燃料電池を用いたコージェネレーションシステムの全体構成の一実施形態を示す模式図である。
【００７０】図３において、図１及び図２と同様な機器、部品については、同じ番号を付してその説明を省略する。
【００７１】図３の実施形態のコージェネレーションシステムにおいては、燃料電池６と、改質器３、ＣＯ変成器４やＣＯ除去器５等を具備した改質装置３０と、制御装置９５等と共に、燃焼装置３４や熱交換器４６、３２、６１、６７等が機体５７の中に収納され、該機体５７と貯湯タンク５０とを温水管路で接続してコージェネレーションシステムを構成している。
【００７２】このコージェネレーションシステムにおいても、燃料電池６で発電が開始される前のエネルギは、温水に替えて利用されるようにしつつ、速やかに燃料電池６を安定出力状態に移行させる。
【００７３】燃料電池６で得られた電力を電気負荷に供給すると共に、改質器３や燃料電池６で生じる熱及び燃料電池６で使用されなかった改質ガスなどを熱として回収し、貯湯タンク５０に貯えるので、燃料電池６を用いたコージェネレーションシステム全体としてのエネルギの有効活用が図られる。
【００７４】また、図３のコージェネレーションシステムも、図１及び図２のコージェネレーションシステムと同様に、その運転中は改質器３の作動を継続しつつ、電気負荷量に応じて燃料電池６の発電量及び停止等を制御し、燃料電池６の停止中に発生する改質ガスを燃焼装置３４で燃焼させて温水加熱に利用するようにしたので、コージェネレーションシステム全体としてのエネルギの有効活用を図りつつ、改質器３がヒートサイクルによる弊害を受け難くし、コージェネレーションシステムの耐久性を向上させることができる。
【００７５】なお、燃料電池６の作動が停止しているときは、改質器３の温度が低下しない範囲（改質器の温度変化で改質器に熱的な影響が生じない範囲）に燃料供給を減じた最低の出力状態に作動させるのが好ましい。
【００７６】また、上記の実施形態においては、改質器やＣＯ変成器４やＣＯ除去器５等を独立した構成で説明をしたが、本発明の改質器は、ＣＯ変成器やＣＯ除去器が別体に構成された改質器に限らず、これらを一体にした改質装置３０を改質器として使用しても本発明を逸脱するものではない。
【００７７】さらにまた、上述の実施の形態では燃料電池として、固体高分子型燃料電池を中心に説明をしたが、この発明が使用できる燃料電池は、改質器を燃料電池の燃料ガス（水素）の供給源とする電池であれば、他の電池、例えば、ＰＡＦＣ（燐酸電解質型）やＡＦＣ（アルカリ水溶液電解質型）等の電池にも使用できるものである。
【００７８】
【発明の効果】この発明の燃料電池を用いたコージェネレーションシステムによれば、コージェネレーションシステムの運転中は、燃料電池の作動や停止、外部負荷への給電の有無にかかわらず、改質器については、ほぼ一定の温度に保つようにして改質器にヒートサイクルの弊害が極力生じないようにしたので、コージェネレーションシステムの構成機器およびコージェネレーションシステム全体としての耐久性が向上する。
【００７９】また、燃料電池の起動ごとに、改質器の加熱装置の着火を行なう必要はなくなるので、着火失敗のトラブルも減り、コージェネレーションシステムとしての信頼性が向上する。
【００８０】また、夜間に貯湯タンクの温水温度に応じて改質器の出力を増減し、朝には、常に９０〜９５℃の温水で満たされるように追いだき量を調整すれば、小さな貯湯タンクで必要な給湯量をまかなうことができるようになり、コージェネレーションシステムを小型化することも可能になるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による燃料電池を用いたコージェネレーションシステムの第一の実施形態を示す構成図である。
【図２】この発明による燃料電池を用いたコージェネレーションシステムの第二の実施形態における温水加熱機構を示す構成図である。
【図３】この発明による燃料電池を用いたコージェネレーションシステムの全体構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 原燃料管
３ 改質器
６ 燃料電池
１２ 改質器の加熱装置（燃焼装置）
１５、３５、３８ 管路
３４ 燃焼装置
３２、４６、６１、６７ 熱交換器
３６、９１ 開閉弁
４０、９２ 制御弁
４１ 燃料供給制御弁
４２ 燃焼制御弁
４４、４５ 温度センサ
４７ ポンプ
４９ 電流計
５０ 貯湯タンク
５７ コージェネレーションシステムの機体
７０ 電気負荷
９２ オフガス制御弁
９５ 制御装置
１０７ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０８ 系統連系インバータ
ＷＳ 温水供給装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】 水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器への原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御手段と、前記改質器加熱用の加熱装置と該加熱装置における加熱量の制御手段とを有するとともに、前記燃料電池の作動、停止の状態とは独立して前記改質器の作動を継続させる制御手段を備えていることを特徴とする燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
【請求項２】 水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器で発生した改質ガスを燃料にして温水加熱をすることができる燃焼装置とを有するコージェネレーションシステムにおいて、該コージェネレーションシステムの運転中は前記改質器の作動を継続しつつ電気負荷の増減に応じて前記燃料電池の出力の増減制御や作動と停止の制御をする制御手段を有していることを特徴とする燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
【請求項３】 水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器で発生した改質ガスを燃料にして温水加熱をすることができる燃焼装置とを有するコージェネレーションシステムにおいて、前記改質器には原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御手段及び改質反応用の加熱装置を設けるとともに、前記コージェネレーションシステムの運転中は改質器の作動を継続しつつ電気負荷の増減に応じて前記燃料電池の出力の増減制御や作動と停止の制御をし、かつ、燃料電池の作動停止時には、改質器の温度をほぼ一定に保つ制御手段を有していることを特徴とする燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
【請求項４】 水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、温水加熱をする燃焼装置とを有するとともに、夜間は改質器の作動を継続しつつ、前記燃料電池の作動を停止し、前記改質器で発生した改質ガスを燃料として前記燃焼装置を作動させる制御手段が備えられていることを特徴とする燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
【請求項５】 水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器で発生した改質ガスを燃料として温水加熱をすることができる燃焼装置と、該燃焼装置で加熱された温水を貯える貯湯タンクを有するとともに、夜間は燃料電池の作動を停止し改質器と該燃焼装置とを作動させつつ、前記燃焼装置による貯湯タンクの温水の加熱温度を約８０℃以上に昇温させるように制御する制御手段を有していることを特徴とする燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
【請求項１】 水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器への原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御手段と、前記改質器加熱用の加熱装置と該加熱装置における加熱量の制御手段とを有するとともに、前記燃料電池の作動、停止の状態とは独立して前記改質器の作動を継続させる制御手段を備えていることを特徴とする燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
【請求項２】 水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器で発生した改質ガスを燃料にして温水加熱をすることができる燃焼装置とを有するコージェネレーションシステムにおいて、該コージェネレーションシステムの運転中は前記改質器の作動を継続しつつ電気負荷の増減に応じて前記燃料電池の出力の増減制御や作動と停止の制御をする制御手段を有していることを特徴とする燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
【請求項３】 水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器で発生した改質ガスを燃料にして温水加熱をすることができる燃焼装置とを有するコージェネレーションシステムにおいて、前記改質器には原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御手段及び改質反応用の加熱装置を設けるとともに、前記コージェネレーションシステムの運転中は改質器の作動を継続しつつ電気負荷の増減に応じて前記燃料電池の出力の増減制御や作動と停止の制御をし、かつ、燃料電池の作動停止時には、改質器の温度をほぼ一定に保つ制御手段を有していることを特徴とする燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
【請求項４】 水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、温水加熱をする燃焼装置とを有するとともに、夜間は改質器の作動を継続しつつ、前記燃料電池の作動を停止し、前記改質器で発生した改質ガスを燃料として前記燃焼装置を作動させる制御手段が備えられていることを特徴とする燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
【請求項５】 水素を燃料電池の燃料ガスとし空気を酸化剤として使用する燃料電池と、原燃料ガスを水素に改質して前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器で発生した改質ガスを燃料として温水加熱をすることができる燃焼装置と、該燃焼装置で加熱された温水を貯える貯湯タンクを有するとともに、夜間は燃料電池の作動を停止し改質器と該燃焼装置とを作動させつつ、前記燃焼装置による貯湯タンクの温水の加熱温度を約８０℃以上に昇温させるように制御する制御手段を有していることを特徴とする燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００２−５６８７５（Ｐ２００２−５６８７５Ａ）
【公開日】平成１４年２月２２日（２００２．２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０００−２４４１６８（Ｐ２０００−２４４１６８）
【出願日】平成１２年８月１１日（２０００．８．１１）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１４年２月２２日（２００２．２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１２年８月１１日（２０００．８．１１）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
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