JP2001210340A - 固体高分子型燃料電池の排熱回収システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 貯湯タンク容量を減少し、かつ常時給湯を可
能にした固体高分子型燃料電池の排熱回収システムを提
供する。 【解決手段】 固体高分子型燃料電池６を用いて発電を
おこなう際に発生する排熱を回収する排熱回収システム
において、第一の貯湯部１１２Ａと第二の貯湯部１１２
Ｂとを有し、第一の貯湯部１１２Ａには、昼間の発電に
よる排熱を回収して温水を貯湯し、この貯湯した温水の
温度を、商用電源を用いた深夜電力によって昇温して、
その温水を翌日の昼間に給湯し、第二の貯湯部１１２Ｂ
には、第一の貯湯部１１２Ａの温水を給湯している時、
発電による排熱を回収して温水を貯湯し、この貯湯した
温水の温度を、商用電源を用いた深夜電力によって昇温
して、その温水を翌日の昼間に給湯する構成としたもの
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池を用いて発電をおこなう際に発生する排熱を回収す
る排熱回収システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、燃焼装置で常時加熱した状態で、
天然ガス、都市ガス、メタノール等の燃料ガスを化学反
応させて水素に改質する改質器と、一酸化炭素を変成す
るＣＯ変成器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、
上記水素によって発電する燃料電池とを備えた固体高分
子型燃料電池発電システムが提案されている。この種の
ものでは、エネルギの有効利用を図るため、固体高分子
型燃料電池を用いて発電をおこなう際に発生する排熱を
回収した給湯システムが考えられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
給湯システムでは、固体高分子型燃料電池の排熱回収時
間帯と給湯使用時間帯とが重なり合って、温水を必要と
するときに温水が不足して、給湯できないといった問題
が発生するおそれがある。

【０００４】また、従来の構成では、固体高分子型燃料
電池の排熱回収によって貯湯した場合、温水の温度は約
６０℃程度であり、この温度で貯湯するとなると、貯湯
タンクの容量がかなり大きくなるといった問題がある。

【０００５】そこで、本発明の目的は、上述した従来の
技術が有する課題を解消し、貯湯タンク容量を減少し、
かつ常時給湯を可能にした固体高分子型燃料電池の排熱
回収システムを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
固体高分子型燃料電池を用いて発電をおこなう際に発生
する排熱を回収する排熱回収システムにおいて、第一の
貯湯部と第二の貯湯部とを有し、第一の貯湯部には、昼
間の発電による排熱を回収して温水を貯湯し、この貯湯
した温水の温度を、商用電源を用いた深夜電力によって
昇温して、その温水を翌日の昼間に給湯し、第二の貯湯
部には、第一の貯湯部の温水を給湯している時、発電に
よる排熱を回収して温水を貯湯し、この貯湯した温水の
温度を、商用電源を用いた深夜電力によって昇温して、
その温水を翌日の昼間に給湯する構成とした、ことを特
徴とするものである。

【０００７】請求項２記載の発明は、請求項１記載のも
のにおいて、排熱回収時の温水の温度が約５５〜８０℃
であって、その温水の温度が、深夜電力によって約９０
〜９５℃に昇温される、ことを特徴とするものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。

【０００９】図１において、符号１００は建家を示して
おり、この建家１００には低圧電灯線１０１、電力量計
１０２、および分電盤１０３を経て、商用電源が供給さ
れている。この商用電源は、細線で示した第１のケーブ
ル１０４を経て、エアコン１０５、テレビジョン１０６
等に供給されている。

【００１０】一方、本実施形態では、家庭用小型電源シ
ステムを構成する固体高分子型燃料電池発電システム
（ポリマ・エレクトロライト・フューエル・セル：ＰＥ
ＦＣ装置）Ｓが、建家１００の外に設置されている。

【００１１】この家庭用小型電源システムＳは、図２に
示すように、ＰＥＦＣ装置のほかに熱回収装置を含んで
いる。この熱回収装置は、貯湯タンク１１２とイオン交
換樹脂１２５とを有し、このイオン交換樹脂１２５には
水道管を通じて市水が供給される。この市水はイオン交
換樹脂１２５で純水にされて、後述する水タンク２１
（図３）に供給される。ＰＥＦＣ装置は、燃料供給装置
（改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器）１２１を有してい
る。

【００１２】この燃料供給装置１２１には天然ガス、都
市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の燃料ガスが供
給され、ここにはさらに後述する水タンク２１（図３）
からの水が供給されて、水素が生成される。この水素は
燃料電池６に供給されて、ここで水素と空気中の酸素と
を化学反応させて発電が行われる。１２３は発電制御を
司る制御装置である。

【００１３】この電力はＤＣ／ＤＣコンバータ１２４を
経て、１８０Ｖにまで昇圧され、系統連系インバータ１
１１に送られ、ここから、図１に太線で示した第２のケ
ーブル１０７を通じて、パソコン１０８、照明１０９、
冷蔵庫１１０等に供給されている。この燃料電池発電シ
ステムＳは、系統連系インバータ１１１を介して商用電
源に接続されている。

【００１４】この小型電源システムＳでは、発電の過程
で熱が発生するので、この熱を利用して市水から温水を
生成し、この温水を、図２に示すように、貯湯槽１１２
に蓄える。この温水は、図１に示すように、風呂１１
３、キッチン１１４等に供給される。この貯湯槽１１２
は、建家１００の外に設置される。

【００１５】つぎに、本実施形態に係る固体高分子型燃
料電池発電システム（家庭用小型電源システム）Ｓにつ
いて、図３を参照して説明する。

【００１６】この家庭用小型電源システムＳでは、天然
ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の燃料
ガス１が脱硫器２に供給され、ここで燃料ガスから硫黄
成分が除去される。この脱硫器２を経た燃料ガスは、昇
圧ポンプ１０で昇圧されて改質器３に供給される。この
改質器３では、水素、二酸化炭素、および一酸化炭素を
含む改質ガスが生成される。この改質器３を経たガス
は、ＣＯ変成器４に供給され、ここでは改質ガスに含ま
れる一酸化炭素が二酸化炭素に変成される。

【００１７】このＣＯ変成器４を経たガスは、ＣＯ除去
器５に供給され、ここではＣＯ変成器４を経たガス中の
未変成の一酸化炭素が酸化されて二酸化炭素になる。

【００１８】この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リッチガスが、固体
高分子型の燃料電池６に供給される。この燃料電池６
は、燃料極（アノード）６ａと空気極（カソード）６ｂ
と冷却部６ｃとを備え、上記水素リッチガスは、アノー
ド６ａに供給される。この水素リッチガス中の水素と、
上記ファン１１を経て、カソード６ｂに供給された空気
中に含まれる酸素とが反応し、電力が発生する。

【００１９】上記改質器３は、バーナ１２を有し、ここ
にはパイプ１３を介して燃料が供給され、ファン１４を
介して空気が供給され、パイプ１５を介して、アノード
６ａを経た未反応水素が供給される。

【００２０】システム起動時には、バーナ１２に、パイ
プ１３を介して燃料が供給されると共に、ファン１４を
介して空気が供給され、起動後、システムが安定した場
合には、燃料の供給が断たれて、バーナ１２に、パイプ
１５を介して、アノード６ａを経た未反応水素が供給さ
れる。

【００２１】上記した改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ除
去器５、燃料電池６では、所定の反応温度を有する化学
反応が行われる。改質器３における化学反応は吸熱反応
であるので、バーナ１２によって常時加熱しながら化学
反応を行う。

【００２２】また、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５で行わ
れる化学反応は発熱反応であるので、例えばＣＯ除去器
５では、システム起動時のみバーナ（図示せず）を燃焼
させて、燃焼ガスを発生させ、このとき発生した燃焼ガ
スの熱でＣＯ除去器５の温度を反応温度まで昇温し、こ
の反応温度まで昇温した後には、発熱反応の熱により反
応温度以上に昇温しないように冷却が行われる。

【００２３】燃料電池６では、電気化学反応が行われ、
この電気化学反応時の活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗
過電圧により熱が発生する。

【００２４】上記した改質器３とＣＯ変成器４間、ＣＯ
変成器４とＣＯ除去器５間、ＣＯ除去器５と燃料電池６
間および燃料電池６の排気系２６には、それぞれ熱交換
器１８，１９，２０，２７が接続されている。

【００２５】そして、各熱交換器１８，１９，２０には
水タンク２１の水が、ポンプ２３，２４，２５を介して
循環し、これらの水で、改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ
除去器５を経たガスがそれぞれ冷却される。熱交換器２
７には上記貯湯タンク１１２（図２）の水が、ポンプ２
８を介して循環する。

【００２６】燃料電池６の冷却部６ｃには、ポンプ４８
を介して、水タンク２１の水が循環し、この水で、燃料
電池６が冷却される。

【００２７】上記改質器３の排気系３１には、熱交換器
１７が接続され、水タンク２１の水が、ポンプ２２を介
して供給されると、この熱交換器１７で水蒸気化し、こ
の水蒸気が、脱硫器２、ポンプ１０を通った原燃料と混
合して改質器３に供給される。

【００２８】上記の排気系３１には、熱交換器１７の他
に、さらに別の熱交換器３２が接続され、この熱交換器
３２には、上記貯湯タンク１１２の水が、ポンプ３３を
介して循環し、排熱回収が行われる。

【００２９】本システムでは、プロセスガス（ＰＧ）バ
ーナ３４を備える。

【００３０】本システムの起動時には、改質器３、ＣＯ
変成器４、ＣＯ除去器５を経た改質ガスの組成が安定し
ていないので、それが安定するまでは、このガスを燃料
電池６に供給することができない。そこで、各反応器の
温度が安定するまでは、不安定なガス組成状態にあるガ
スを、このＰＧバーナ３４に導いて燃焼させる。そし
て、各反応器が安定した後、燃料電池６に導入して発電
を行う。燃料電池６での発電に使用できなかった未反応
ガスは、当初ＰＧバーナ３４に導いて燃焼し、燃料電池
６の温度が安定した後は、この未反応ガスをパイプ１５
を通じて、改質器３のバーナ１２に導入して燃焼させ
る。

【００３１】ＰＧバーナ３４の制御系を説明すると、本
システムの起動後、各反応器が温度的に安定するまで
は、開閉弁９１が閉じられ、開閉弁３６が開かれる。こ
れによって、改質ガスは管路３５および開閉弁３６を通
じてＰＧバーナ３４に供給される。各反応器が温度的に
安定した場合、今度は、燃料電池６の温度が安定するま
で、開閉弁９１、３９が開かれ、開閉弁３６、９２が閉
じられて、改質ガスが管路３８および開閉弁３９を通じ
てＰＧバーナ３４に供給され、そこで燃焼される。燃料
電池６の温度が安定し、連続して発電が行われる場合、
開閉弁９１，９２が開かれ、開閉弁３６，３９が閉じら
れて、燃料電池６を経た未反応ガスは管路１５を経てバ
ーナ１２に供給される。

【００３２】ＰＧバーナ３４の排気系４５には、熱交換
器４６が接続され、この熱交換器４６には、ポンプ４７
を介して、貯湯タンク１１２の水が循環する。

【００３３】水タンク２１と貯湯タンク１１２間には、
熱交換器４１が接続され、この熱交換器４１には、ポン
プ４２を介して水タンク２１の水が循環し、ポンプ４３
を介して貯湯タンク１１２の水が循環する。

【００３４】この熱交換器４１での熱交換によって、貯
湯タンク１１２の水の温度が上昇し、水タンク２１の水
の温度が低下する。

【００３５】以上の構成では、家庭用小型電源システム
Ｓが、コージェネレーションシステムの形態をとるの
で、エネルギの有効活用が図られる。

【００３６】従って、高い総合熱効率が得られるので、
原燃料の消費量が減少し、二酸化炭素の排出量が低減さ
れる。

【００３７】本実施形態では、図４に示すように、貯湯
タンク１１２が第一の貯湯部１１２Ａと第二の貯湯部１
１２Ｂとに区別されている。

【００３８】第一の貯湯部１１２Ａには、図５のタイム
チャートに示すように、例えば第一日目の昼間の発電に
よる排熱を回収して、約６０℃（５５〜８０℃の範囲で
変化する。）の温水が貯湯される。この場合、図４に示
す開閉弁Ａ，Ｃが開かれ、ポンプＰ（例えば、図３のポ
ンプ２８，３３，４２，４３，４７）を介して第一の貯
湯部１１２Ａに温水が循環し、燃料電池システムＳの排
熱回収がおこなわれる。

【００３９】そして、貯湯した温水の温度が、商用電源
を用いた深夜電力によって約９０〜９５℃に昇温され
る。

【００４０】この場合、深夜電力を利用してコイルＥ１
に通電し、このコイルＥ１の熱によって第一の貯湯部１
１２Ａの温水の温度が昇温される。第一の貯湯部１１２
Ａに貯湯された温水は、開閉弁Ｇを開くことによって、
管路Ｆを介して、第二日目（翌日）の昼間に使用され
る。

【００４１】第一の貯湯部１１２Ａに貯湯された温水を
使用している時、第二の貯湯部１１２Ｂには、図５のタ
イムチャートに示すように、発電による排熱を回収し
て、約６０℃（５５〜８０℃の範囲で変化する。）の温
水が貯湯される。この場合、図４に示す開閉弁Ｂ，Ｄが
開かれ、ポンプＰ（例えば、図３のポンプ２８，３３，
４２，４３，４７）を介して第二の貯湯部１１２Ｂに温
水が循環し、燃料電池システムＳの排熱回収がおこなわ
れる。

【００４２】そして、貯湯した温水の温度が、商用電源
を用いた深夜電力によって約９０〜９５℃に昇温され
る。この場合、深夜電力を利用してコイルＥ２に通電
し、このコイルＥ２の熱によって第二の貯湯部１１２Ｂ
の温水の温度が昇温される。この第二の貯湯部１１２Ｂ
に貯湯された温水は、開閉弁Ｈを開くことによって、管
路Ｆを介して、第三日目（翌日）の昼間に使用される。
上記制御は、図示を省略したコントローラが司る。

【００４３】本実施形態では、第一の貯湯部１１２Ａに
貯湯された温水を使用するときに、第二の貯湯部１１２
Ｂで排熱回収により貯湯し、第二の貯湯部１１２Ｂに貯
湯された温水を使用するときに、第一の貯湯部１１２Ａ
で排熱回収により貯湯するので、その時間帯が重なり合
うことがなく、温水を必要とするときに温水が不足する
ことがなく、安定した給湯が可能になる。また、従来の
構成では、燃料電池６の排熱回収によって貯湯した場
合、温水の温度は約６０℃程度であったが、本実施形態
では、深夜電力を利用してこの温度を約９０〜９５℃に
昇温して貯湯するので、約６０℃のまま貯湯する場合に
比べ、第一の貯湯部１１２Ａと第二の貯湯部１１２Ｂの
容量を約５０％削減することができる。

【００４４】以上、一実施形態に基づいて本発明を説明
したが、本発明はこれに限定されるものでないことは明
らかである。

【００４５】例えば、貯湯タンク１１２を、第一の貯湯
部１１２Ａと第二の貯湯部１１２Ｂに区別したが、これ
に限定されず、三つ以上の貯湯部に区別してもよいこと
は明らかである。また、第一の貯湯部１１２Ａと第二の
貯湯部１１２Ｂとを別々のタンクとしてもよいことは明
らかである。

【００４６】

【発明の効果】本発明では、第一の貯湯部に貯湯された
温水を使用するときに、第二の貯湯部で排熱回収により
貯湯し、第二の貯湯部に貯湯された温水を使用するとき
に、第一の貯湯部で排熱回収により貯湯するので、温水
を必要とするときに温水が不足することがなく、安定し
た給湯が可能になる。

【００４７】また、本発明では、深夜電力を利用して温
水の温度を約９０〜９５℃に昇温して貯湯するので、約
５５〜８０℃のまま貯湯する場合に比べ、第一の貯湯部
と第二の貯湯部の容量を削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による固体高分子型燃料電池発電システ
ムを家庭に設置した場合の系統図である。

【図２】図１の屋外部分を示す図である。

【図３】固体高分子型燃料電池発電システムの一実施形
態を示す回路図である。

【図４】第一の貯湯部と第二の貯湯部を示す回路図であ
る。

【図５】本発明の制御例を示すタイムチャートである。

【符号の説明】 ６ 燃料電池 １１２ 貯湯タンク １１２Ａ 第一の貯湯部 １１２Ｂ 第二の貯湯部 Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ 開閉弁 Ｅ１，Ｅ２ コイル Ｆ 管路 Ｐ ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 進藤 浩二 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 山本 聡史 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 小田 勝也 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 DD06 KK41

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体高分子型燃料電池を用いて発電をお
   こなう際に発生する排熱を回収する排熱回収システムに
   おいて、 第一の貯湯部と第二の貯湯部とを有し、 第一の貯湯部には、昼間の発電による排熱を回収して温
   水を貯湯し、この貯湯した温水の温度を、商用電源を用
   いた深夜電力によって昇温して、その温水を翌日の昼間
   に給湯し、第二の貯湯部には、第一の貯湯部の温水を給
   湯している時、発電による排熱を回収して温水を貯湯
   し、この貯湯した温水の温度を、商用電源を用いた深夜
   電力によって昇温して、その温水を翌日の昼間に給湯す
   る構成とした、 ことを特徴とする固体高分子型燃料電池の排熱回収シス
   テム。
2. 【請求項２】 排熱回収時の温水の温度が約５５〜８０
   ℃であって、その温水の温度が、深夜電力によって約９
   ０〜９５℃に昇温される、ことを特徴とする請求項１記
   載の固体高分子型燃料電池の排熱回収システム。