JP2002075390A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池の排熱を利用して製造された湯を効
率良く使用でき、システムのランニングコストを下げる
ことができる燃料電池発電システムを提供する。 【解決手段】 燃料電池発電システムは、燃料電池１、
改質器２及びインバータ３が一つのハウジング４内に収
容された燃料電池ユニットを備えている。熱回収設備
は、高温（60〜80℃）の湯を貯留する第１貯湯槽８、低
温（40〜60℃）の湯を貯留する第２貯湯槽９及び配管10
ａ，10ｂを備えている。熱回収設備は、燃料電池１を冷
却する冷媒として水道水を使用し、燃料電池１の冷却に
使用されて自身が温められた水を両貯湯槽８，９に貯留
する。第１貯湯槽８の湯は給湯管14を介して床暖房装置
16に供給され、第２貯湯槽９の湯は給湯管15を介して風
呂17及び台所18に供給される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池発電システ
ムに係り、詳しくは給湯設備に特徴を有する燃料電池発
電システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ビルや住宅の電力エネルギー源と
して燃料電池を用いることが検討されている。燃料電池
は、周知のように、例えば、酸素と水素とを化学反応さ
せることで生じる起電力を利用するものであり、化学エ
ネルギーが直接的に電気エネルギーに変換されるので優
れた変換効率が得られる。

【０００３】燃料電池の作動は発熱を伴うため、発電時
に発生する熱を回収していかに効率良く利用するかが課
題となっている。燃料電池を安定してかつ効率的に作動
させるためには、燃料電池に冷却媒体を供給して冷却
し、冷却媒体の供給温度を３０〜４０℃程度とするのが
好ましい。また、燃料電池を間欠的に運転することは効
率的ではないので通常は連続運転され、冷却媒体として
水を使用すると燃料電池からは６０〜８０℃程度の高温
になった冷却水が常時排出され、その温排水の処理（有
効利用）も必要となる。そのため、従来、燃料電池発電
システムでは、燃料電池の排熱の熱エネルギーを熱交換
して製造した湯を貯湯槽に貯留してその湯を使用するよ
うにしている。

【０００４】例えば、特開平５−１２１０８１号公報に
は図５に示すような燃料電池の発電システムが提案され
ている。この発電システムでは、燃料電池３１によって
得られた電気エネルギーは、インバータ３２を介して各
電力負荷に供給されるようになっている。燃料電池３１
には冷却設備が付設されている。冷却設備は、貯湯槽３
３、冷却塔３４、循環ポンプ３５からなり、循環ポンプ
３５により３５℃程度の冷却水を燃料電池３１に供給す
るとともに、燃料電池３１を冷却して６５℃程度に昇温
した冷却水（温排水）を給湯用熱源として利用するよう
に構成されている。燃料電池３１から排出された温排水
は、まず貯湯槽３３内の加熱コイルに導かれて貯湯槽３
３内の水を、例えば６０℃程度に昇温するとともに、温
排水自体の温度は例えば４０℃程度にまで低下する。冷
却水の水温が低下しない場合には、温排水は冷却塔３４
において大気中への放熱がなされてさらに冷却された
後、循環ポンプ３５により燃料電池３１へ供給される。

【０００５】また、貯湯槽３３の水を直接使用せずに、
燃料電池３１によって運転される給湯用ヒートポンプ３
６によってさらに高温、例えば８０℃程度に昇温して他
の貯湯槽３７に貯留しておき、その貯湯槽３７内の高温
の湯を使用するように構成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の給湯
設備では、使用する湯を貯留するための貯湯槽は１個だ
け設けられ、貯湯槽に貯留されている湯より高温の湯を
使用する場合は補助熱源として追い焚き給湯器が必要と
なる。また、使用する温度が貯湯槽に貯留されている湯
より低温の湯を使用する場合も多く、その際は湯に水を
足して使用している。即ち、従来は燃料電池の排熱を利
用して製造される最高温度の湯を貯湯槽に貯留するた
め、必要以上に多量の湯を高い温度に保温して貯えるた
め、保温設備等の関係で装置の製造コストが高くなる。
また、高い温度の湯を多量に製造するとともに保温のた
めにも燃料電池の運転が必要になり、ランニングコスト
が高くなるという問題がある。

【０００７】特開平５−１２１０８１号公報には二つの
貯湯槽３３，３７を備えたシステムが開示されている
が、使用される湯を貯留するのは第２の貯湯槽３７であ
り、第１の貯湯槽３３の湯を直接使用することはなく、
前記と同様の問題がある。

【０００８】本発明は前記従来の問題点に鑑みてなされ
たものであって、その目的は燃料電池の排熱を利用して
製造された湯を効率良く使用することができ、システム
全体のランニングコストを下げ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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め請求項１に記載の発明では、燃料電池の排熱の熱エネ
ルギーを熱交換して製造した湯を貯湯槽に貯留して使用
する燃料電池発電システムにおいて、前記貯湯槽を複数
設け、各貯湯槽に用途に合わせた温度の湯を貯留すると
ともに、給湯管に供給する。

【００１０】この発明では、燃料電池の排熱の熱エネル
ギーを熱交換して製造した湯が複数の貯湯槽に貯留さ
れ、その湯が使用される。各貯湯槽には用途に合わせた
温度の湯が貯留され、それぞれ給湯管を介して各使用箇
所に供給される。従って、高温の湯を必要以上に多量に
貯留する必要がなくなる。また、低温の湯を使用する際
に、湯をそのまま使用することができ、水でうめる場合
もうめる水の量が少なくてすむ。

【００１１】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記各貯湯槽には前記燃料電池を冷
却して昇温された水が貯留される。この発明では、使用
される水、例えば水道水が燃料電池の冷却媒体（冷媒）
として使用され、燃料電池を冷却して昇温された水が各
貯湯槽に貯留される。従って、熱交換器を使用して冷媒
の熱で給湯用の水を温める構成に比較して、水を温める
効率が良くなる。

【００１２】請求項３に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記燃料電池は閉ループを循環する
冷却媒体で冷却され、前記各貯湯槽には前記燃料電池を
冷却して昇温された冷却媒体を熱源として使用する熱交
換器で昇温された水が貯留される。

【００１３】この発明では、冷媒は閉ループをなす状態
で循環される。燃料電池を冷却して昇温された冷媒は、
熱交換器に導かれて給湯用熱源として使用される。そし
て、熱交換器で給湯用の水を温めることにより自身が冷
却された冷媒が燃料電池へ送られて燃料電池を冷却す
る。冷媒は閉ループの配管内を循環するため、水以外の
液体も使用でき、不凍液を使用することにより冬季（厳
寒季）に燃料電池の運転を停止した状態で冷媒が配管内
で凍結する虞がない。

【００１４】請求項４に記載の発明では、請求項３に記
載の発明において、前記閉ループを循環する冷却媒体が
燃料電池から排出された後、高温側の貯湯槽から順に低
温側の貯湯槽へ移動するように構成されている。この発
明では、高温側の貯湯槽内の水が所定の温度に効率良く
加熱される。

【００１５】請求項５に記載の発明では、請求項１〜請
求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記貯湯
槽は２槽設けられ、両槽は高温の湯を貯留する貯湯槽の
外側に低温の湯を貯留する貯湯槽が配設された二重構造
に形成されている。この発明では、高温の湯を貯留する
高温用貯湯槽が低温の湯を貯留する低温用貯湯槽で覆わ
れているため、高温用貯湯槽の保温効率が良くなる。

【００１６】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下、本発
明を具体化した第１の実施の形態を図１及び図２に従っ
て説明する。

【００１７】図１に示すように、燃料電池発電システム
は、燃料電池１、改質器２及びインバータ３が一つのハ
ウジング４内に収容された燃料電池ユニットを備えてい
る。燃料電池１は例えば固体高分子形の燃料電池からな
り、改質器２で改質された原燃料と、空気とが供給さ
れ、改質ガス中の水素を空気中の酸素と反応させて直流
の電気エネルギーを発生する。原燃料としては例えば都
市ガスやＬＰガス等が使用される。

【００１８】インバータ３は入力側が燃料電池１の出力
側に接続され、出力側が配電盤５を介して負荷６に接続
されている。配電盤５は系統電源（商用電源）７とも接
続されている。配電盤５は図示しない制御装置により、
燃料電池１からの供給電力が負荷６の要求電力に足りな
いとき、系統電源７から電力を補うように構成されてい
る。

【００１９】燃料電池発電システムは、熱回収設備を備
えている。熱回収設備は、高温（例えば６０〜８０℃）
の湯を貯留する第１貯湯槽８、低温（例えば４０〜６０
℃）の湯を貯留する第２貯湯槽９及び配管１０ａ，１０
ｂを備えている。熱回収設備は、燃料電池１を冷却する
冷媒として水道水を使用し、燃料電池１の冷却に使用さ
れて自身が温められた水を両貯湯槽８，９に貯留するよ
うになっている。燃料電池１に冷媒を供給する配管１０
ａは水道（図示せず）と連結され、配管１０ａの途中に
は電磁弁１１が設けられている。燃料電池１の冷却に使
用された冷媒を両貯湯槽８，９に導く配管１０ｂは途中
で分岐され、分岐部に電磁切替弁１２が設けられてい
る。配管１０ｂには電磁切替弁１２より上流に温度セン
サ１３が設けられている。電磁切替弁１２は、温度セン
サ１３の検出温度が所定温度未満のとき配管１０ｂの湯
を第２貯湯槽９へ供給し、所定温度以上のとき配管１０
ｂの湯を第１貯湯槽８へ供給するように切り替えられる
とともに、第１貯湯槽８の湯量が所定量以上のときは温
度センサ１３の検出温度に拘らず湯を第２貯湯槽９に供
給するようになっている。

【００２０】第１貯湯槽８には貯留されている湯の温度
を６０℃以上に保つ保温手段（図示せず）が設けられて
いる。保温手段は断熱材や断熱構造あるいは保温用ヒー
タで構成されている。第２貯湯槽９には貯留されている
湯の温度を４０℃以上に保つ保温手段（図示せず）が設
けられている。第２貯湯槽９の保温手段は断熱材で周囲
を簡単に覆った簡易構造となっている。

【００２１】両貯湯槽８，９の下部にはそれぞれ給湯管
１４，１５が連結されている。給湯管１４は床暖房装置
１６に連結され、給湯管１５は風呂１７、台所１８等へ
の配管に連結されている。

【００２２】両貯湯槽８，９はその上面がほぼ同じ位置
となるように配設されるとともに、上部において連結管
１９で連結されている。連結管１９には逆止め弁（図示
せず）が設けられ、第１貯湯槽８に所定量以上の湯が貯
留された状態では、第１貯湯槽８内の湯が第２貯湯槽９
に供給可能になっている。

【００２３】次に前記のように構成された装置の作用を
説明する。燃料電池１の運転時に電磁弁１１が開かれて
水道水が燃料電池１へ導かれる。燃料電池１で発生した
直流電力はインバータ３で交流に変換され、配電盤５を
介して負荷６に供給される。燃料電池１を冷却して加熱
された温水は配管１０ｂを経て貯湯槽８，９へ導かれ
る。

【００２４】燃料電池１の発電量が大きな状態で運転さ
れれば、配管１０ｂに排出される温水は６０〜８０℃の
高温となるが、運転開始時や小さな発電量では６０℃よ
り低くなる。配管１０ｂに排出される温水の温度が６０
℃未満のときは、電磁切替弁１２の作用によって温水は
第２貯湯槽９に供給される。運転開始から所定時間経過
した後は、配管１０ｂに排出される温水の温度が６０℃
以上となり、温水は第１貯湯槽８に供給される。そし
て、第１貯湯槽８に所定量以上の湯が貯留されると、第
１貯湯槽８内の湯が連結管１９を介して第２貯湯槽９に
供給される。従って、先ず第１貯湯槽８に湯が所定量貯
留された後、第２貯湯槽９に湯が貯留される。両貯湯槽
８，９に所定量以上の湯が貯留されると、図示しないセ
ンサからの信号により燃料電池１の運転が停止され、少
なくとも一方の貯湯槽の貯湯量が所定量未満になると、
燃料電池１の運転が再開される。第１貯湯槽８に貯留さ
れた温水は給湯管１４から床暖房装置１６等に供給さ
れ、第２貯湯槽９に貯留された湯は風呂１７、台所１８
等に供給される。

【００２５】第１貯湯槽８には保温効果の高い保温手段
が設けられているため、貯湯槽内の湯の温度は６０〜８
０℃に保持される。第２貯湯槽９の保温手段は保温効果
が低く、６０〜８０℃の湯が供給されても、放熱により
４０〜６０℃に低下した状態で貯留される。即ち、風呂
１７や台所１８で使用する際にあまり水を足してうめな
くてもよくなる。

【００２６】この実施の形態では以下の効果を有する。 （１） 燃料電池１の排熱の熱エネルギーを熱交換して
製造した湯を、用途に合わせた温度の湯を貯留する２個
の貯湯槽８，９に貯留し、各貯湯槽８，９の湯を給湯管
１４，１５に供給する。従って、燃料電池１の排熱を利
用して製造された湯を効率良く使用することができ、シ
ステム全体のランニングコストを下げることができる。

【００２７】（２） 高温の湯を貯留する第１貯湯槽８
と、低温の湯を貯留する第２貯湯槽９とを設けたため、
必要以上に多量の湯を高い温度に保温して貯留する必要
がなく、保温手段のコストを低減できるとともに、燃料
電池発電システムのランニングコストを低減できる。

【００２８】（３） 各貯湯槽８，９には燃料電池１を
冷却して昇温された水が貯留される。従って、熱交換器
を使用して冷媒の熱で貯湯槽８，９内の給湯用の水を温
める構成に比較して、水を温める効率が良くなる。

【００２９】（４） 配管１０ｂの分岐部より上流に、
水温を検出する温度センサ１３を設け、温度が６０℃以
上の湯を第１貯湯槽８に供給するようにした。従って、
第１貯湯槽８に低温の湯が供給されることがなく、補助
熱源（追焚き給湯器）の使用を低減できる。

【００３０】（５） 燃料電池１の冷却媒体を閉ループ
で循環させて、熱交換器で貯湯槽の水を温める構成に比
較して、熱交換器及び冷媒を循環させるためのポンプが
不要になり、構造が簡単になるとともに、製造コストが
安くなる。

【００３１】（第２の実施の形態）次に第２の実施の形
態を図３に従って説明する。この実施の形態では燃料電
池１の冷却に使用された冷媒が再度燃料電池１の冷却に
使用される点、即ち冷媒が閉ループをなす配管内を循環
する点が前記実施の形態と大きく異なっている。前記実
施の形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省
略する。

【００３２】両貯湯槽８，９の下部には水道水を供給す
る給水配管２０ａ，２０ｂがそれぞれ連結され、上部に
は給湯管１４，１５が連結されている。燃料電池１を冷
却する媒体が循環する閉ループをなす配管２１の途中に
は、第１貯湯槽８内の水を加熱する熱交換器２２ａと、
第２貯湯槽９内の水を加熱する熱交換器２２ｂとが設け
られている。熱交換器２２ａは貯湯槽８内に設けられ、
熱交換器２２ｂは貯湯槽９内に設けられている。また、
配管２１には熱交換器２２ｂより下流側にポンプ２３が
設けられている。即ち、配管２１内を循環する媒体は、
燃料電池１から排出された高温の状態で先ず第１貯湯槽
８内の水を温めた後、第２貯湯槽９内の水を温め、その
後、燃料電池１へ導かれる。各熱交換器２２ａ，２２ｂ
は、それぞれ貯湯槽８，９内において媒体が上から下に
向かって流れるように配設されている。

【００３３】また、改質器２の排熱を回収する熱媒体を
循環させる配管２４を設け、配管２４の途中に第１貯湯
槽８内の水を加熱する熱交換器２５と、ポンプ２６とが
設けられている。即ち、第１貯湯槽８内の水は燃料電池
１の冷却媒体の熱だけでなく、改質器２の排熱も利用し
て加熱される。

【００３４】この実施の形態では前記実施の形態の
（１）及び（２）の効果を有する他に次の効果を有す
る。 （６） 燃料電池１は閉ループを循環する冷却媒体で冷
却され、各貯湯槽８，９には燃料電池１を冷却して昇温
された冷却媒体を熱源として使用する熱交換器２２ａ，
２２ｂで昇温された水が貯留される。従って、冷媒は閉
ループの配管２１内を循環するため、水以外の液体も使
用でき、不凍液を使用することにより冬季（厳寒季）に
燃料電池１の運転を停止した状態でも冷媒が配管２１内
で凍結する虞がない。

【００３５】（７） 第１貯湯槽８内の水の加熱に、燃
料電池１の排熱だけでなく、改質器２の排熱も利用する
ため、燃料電池発電システムの熱効率が向上する。 （８） 燃料電池１から排出された高温の媒体は、最初
に第１貯湯槽８内の水を加熱した後、第２貯湯槽９内の
水を加熱する。従って、第１貯湯槽８内の水が所定の温
度に効率良く加熱される。

【００３６】（９） 各貯湯槽８，９への給水が下から
行われ、給湯が上から行われる。従って、各貯湯槽８，
９内で温度の高い水が上側に温度の低い水は下側に貯留
され、各貯湯槽８，９内の全体の水が所定温度に加熱さ
れる前に、上側の水が所定温度に加熱されて使用可能と
なる。

【００３７】（１０） 各熱交換器２２ａ，２２ｂ，２
５は媒体が各貯湯槽８，９内を上から下に向かって移動
するように配設されているため、下から上に向かって流
れるように配設された場合と異なり、熱交換により冷却
された媒体が貯湯槽８，９から熱を奪うことが防止され
る。また、貯湯槽８，９の上側から熱交換を行うことに
より、加熱された水が上に留まり、（９）の効果と相ま
って所定の温度の水の使用が早期に可能となる。

【００３８】実施の形態は前記に限定されるものではな
く、例えば次のように構成してもよい。 ○ 第１の実施の形態において、配管１０ｂに温度セン
サ１３を設けずに、燃料電池１の運転開始から所定時間
経過するまで、湯を第２貯湯槽９へ供給し、その後、第
１貯湯槽８に供給するようにしてもよい。この場合も、
第１貯湯槽８には高温の湯のみ供給される。

【００３９】○ 第１の実施の形態において、燃料電池
１から排出される湯の温度が安定した後、電磁切替弁１
２を所定時間毎に切り替えて、第１貯湯槽８及び第２貯
湯槽９に交互に湯が供給されるように構成してもよい。
この場合、両貯湯槽８，９の湯を早い段階から使用でき
る。

【００４０】○ 図４に示すように、第１貯湯槽８と第
２貯湯槽９とを、高温の湯を貯留する第１貯湯槽８の外
側に低温の湯を貯留する第２貯湯槽９が配設された二重
構造に形成する。第１貯湯槽８の外側は断熱材２７で覆
われている。この場合、第２貯湯槽９に貯留された湯に
より、第１貯湯槽８の保温作用が行われ、第１貯湯槽８
の保温が効率良く行われる。

【００４１】○ 第２貯湯槽９に給水管を連結し、給水
により第２貯湯槽９内の湯をうめて所定の温度に下げる
ようにしてもよい。この場合、燃料電池１の熱利用の効
率が高まる。

【００４２】○ 第１の実施の形態のように燃料電池１
から排出された湯を貯留する構成において、第１貯湯槽
８に改質器２の排熱を利用する熱交換器２５を設けても
よい。この場合、熱交換器２５が保温作用をなし、第１
貯湯槽８の保温手段の構成を簡単にできるとともに、燃
料電池発電システムの熱利用効率が向上する。

【００４３】○ 燃料電池１及びインバータ３を一つの
ハウジング４内に収容する構成に代えて、インバータ３
を燃料電池１から離れた場所に配設してもよい。 ○ 給湯管１４，１５の途中にヒータを設け、各貯湯槽
８，９から供給される湯の温度が所定の温度あるいは所
望の温度より低い場合に、ヒータで加熱して給湯するよ
うにしてもよい。

【００４４】○ 貯湯槽の数は２槽に限らず３槽以上と
してもよい。この場合、各貯湯槽に貯留する湯の温度を
用途に合わせた温度に、より適合させることができる。
前記実施の形態から把握される請求項記載以外の発明
（技術思想）について、以下に記載する。

【００４５】（１） 請求項１〜請求項５のいずれか一
項に記載の発明において、高温の湯を貯留する貯湯槽に
は、改質器の排熱を回収する熱媒体の流れる熱交換器が
配設されている。

【００４６】（２） 請求項３又は請求項４に記載の発
明において、各貯湯槽に配設された熱交換器は媒体が貯
湯槽の上から下へ向かって流れるように配設されてい
る。

【００４７】

【発明の効果】以上詳述したように請求項１〜請求項５
に記載の発明によれば、燃料電池の排熱を利用して製造
された湯を効率良く使用することができ、システム全体
のランニングコストを下げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施の形態の燃料電池発電システムの
構成図。

【図２】 貯湯槽の関係を示す模式断面図。

【図３】 第２の実施の形態の燃料電池発電システムの
構成図。

【図４】 別の実施の形態の貯湯槽の模式断面図。

【図５】 従来技術の燃料電池発電システムの構成図。

【符号の説明】

１…燃料電池、８…第１貯湯槽、９…第２貯湯槽、１０
ａ，１０ｂ…配管、１４，１５…給湯管、２２ａ，２２
ｂ…熱交換器。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池の排熱の熱エネルギーを熱交換
   して製造した湯を貯湯槽に貯留して使用する燃料電池発
   電システムにおいて、前記貯湯槽を複数設け、各貯湯槽
   に用途に合わせた温度の湯を貯留するとともに、給湯管
   に供給する燃料電池発電システム。
2. 【請求項２】 前記各貯湯槽には前記燃料電池を冷却し
   て昇温された水が貯留される請求項１に記載の燃料電池
   発電システム。
3. 【請求項３】 前記燃料電池は閉ループを循環する冷却
   媒体で冷却され、前記各貯湯槽には前記燃料電池を冷却
   して昇温された冷却媒体を熱源として使用する熱交換器
   で昇温された水が貯留される請求項１に記載の燃料電池
   発電システム。
4. 【請求項４】 前記閉ループを循環する冷却媒体が燃料
   電池から排出された後、高温側の貯湯槽から順に低温側
   の貯湯槽へ移動するように構成されている請求項３に記
   載の燃料電池発電システム。
5. 【請求項５】 前記貯湯槽は２槽設けられ、両槽は高温
   の湯を貯留する貯湯槽の外側に低温の湯を貯留する貯湯
   槽が配設された二重構造に形成されている請求項１〜請
   求項４のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。