JP2002056875A - 燃料電池を用いたコージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【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。

Description

【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、１０
０℃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６
ａ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１０
８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、３
５、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２
０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、１
９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５
０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、３
２、６１、６７等が機体５７の中に収納され、該機体５
７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

───────────────────────────────────────────────────── 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 8/08 Ｈ０１Ｍ 8/08 8/10 8/10 (72)発明者 黄木 丈俊 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 槇原 勝行 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 AA03 AA04 AA06 5H027 AA03 AA04 AA06 BA01 BA17 CC06 DD06 KK21 KK42 KK46 KK52 MM02 MM13 MM27

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。
5. 【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。