JP2002164061A

JP2002164061A - コージェネレーションシステム

Info

Publication number: JP2002164061A
Application number: JP2000355182A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Yasuda; 雄一郎安田; Mikio Sei; 三喜男清; Hitoshi Kudo; 均工藤; Nobuaki Yabunouchi; 伸晃薮ノ内
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2000-11-22
Publication date: 2002-06-07
Anticipated expiration: 2020-11-22
Also published as: JP3846180B2

Abstract

(57)【要約】【課題】設備の小型化が可能で、燃料電池を安定して
発電させながら、熱媒の温度が安定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１０を有する燃料電池発電装置
と、この燃料電池１０を冷却する冷媒が循環する冷媒循
環路２と、上記冷媒循環路２に燃料電池１０を通過した
冷媒から熱を受容する排熱熱交換器１と、この排熱熱交
換器１を通って冷媒からの熱を受容した熱媒が流れる熱
媒流路１４と、上記熱媒を加熱媒体として用いる手段を
備えるものである。且つ、燃料電池１０の出口近傍の冷
媒の温度を測定する温度センサ３を具備し、さらに、こ
の温度センサ３で測定した温度データに応じて燃料電池
１０に導入する冷媒の流量を変動する手段と、この冷媒
の流量に応じて排熱熱交換器１を通過する熱媒の流量を
変動する手段を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池を利用し
て電気と熱を供給できる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】燃料電池を有する燃料電池発電装置は、
水素に富んだ改質ガスを燃料電池のアノードに、空気中
の酸素を燃料電池のカソードに導入し、この一対のアノ
ードとカソード間で電気化学反応に基づく発電を行うも
のである。上記燃料電池発電装置にあっては、発電に伴
って発生する排熱を回収して、この回収した排熱を給湯
や暖房用の熱エネルギーとして利用するコージェネレー
ションシステムが検討されている（例えば、特開平４−
２０６２５９号公報等）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記燃料電池を利用し
たコージェネレーションシステムを安定して稼動するた
めには、燃料電池から所定量の熱エネルギー量を回収す
る必要がある。従来のコージェネレーションシステムの
要部の一例を図２に示す。このシステムにあっては、改
質ガスが導入されるアノード５１と、空気中の酸素が導
入されるカソード５２からなる燃料電池５０、燃料電池
５０を冷却する冷却板５３を通って冷媒が循環する冷媒
循環路５４、冷媒循環路５４に冷媒から熱を受容する排
熱熱交換器５６、この排熱熱交換器５６を迂回するバイ
パス経路５５、及び、バイパス経路５５中にこのバイパ
ス経路５５を流れる冷媒の流量を調整する第１の流量調
整弁５７を備えている。上記システムは、バイパス経路
５４を流れる冷媒の流量を調整することで、排熱熱交換
器５６を流れる冷媒の流量を変動するものである。ま
た、上記システムは、排熱熱交換器５６を通って冷媒か
らの熱を受容した熱媒が流れる熱媒流路６１に第２の流
量調整弁６３を備え、熱媒の流量を調整するものが汎用
されている。なお、図中の符号３１はパワーコンディシ
ョナー、符号５９及び６２は温度センサを示す。

【０００４】上記システムでは、排熱熱交換器５６を流
れる冷媒の流量は、バイパス経路５５と排熱熱交換器側
の経路５８との圧力損失の比率によって決定されるもの
である。例えば、排熱熱交換器５６を流れる冷媒の流量
が最も少なくなる場合は、第１の流量調整弁５７を全開
にする場合である。この場合、バイパス経路５５の圧力
損失に対し、排熱熱交換器側の経路５８の圧力損失は、
十分に高くなければならない。上記システムは、このよ
うな圧力損失の比率に制定した場合、冷媒の流量を増加
すると、冷媒を循環させるポンプ６０等に過大の負担が
かかることになる。また、逆に、バイパス経路５５の圧
力損失に対し、排熱熱交換器側の経路５８の圧力損失を
小さく設定すれば、排熱熱交換器５６を流れる冷媒の流
量を十分に少なくすることができない。上述の如く、上
記システムでは、ポンプ６０等は大型のものが必要とな
り、構成も複雑な大型の設備とならざるを得ない。

【０００５】一方、近年、固体高分子型の燃料電池を用
いた燃料電池発電装置が採用されている。上記固体高分
子型の燃料電池は、７０〜８０℃の低温で作動するため
一般家庭用に使用するものとして注目されている。この
固体高分子型の燃料電池を利用したコージェネレーショ
ンシステムは、熱エネルギーとして家庭用の給湯や暖房
に利用するものが求められている。一般家庭用に用いる
燃料電池発電装置を利用したコージェネレーションシス
テムにあっては、構造が複雑であったり、大型の設備を
伴うものを使用することは、困難である。そのため、コ
ージェネレーションシステムは、バイパス経路を形成し
たり、大型のポンプを使用しなくとも、燃料電池を安定
して発電させながら、熱媒の温度が安定したものが要望
されている。

【０００６】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、設備の小型化が可能で、
燃料電池を安定して発電させながら、熱媒の温度が安定
したコージェネレーションシステムを提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のコージェ
ネレーションシステムは、燃料電池を有する燃料電池発
電装置と、この燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒
循環路と、上記冷媒循環路に燃料電池を通過した冷媒か
ら熱を受容する排熱熱交換器と、この排熱熱交換器を通
って冷媒からの熱を受容した熱媒が流れる熱媒流路と、
上記熱媒を加熱媒体として用いる手段を備えるコージェ
ネレーションシステムにおいて、上記燃料電池の出口近
傍の冷媒の温度を測定する温度センサを具備し、さら
に、この温度センサで測定した温度データに応じて燃料
電池に導入する冷媒の流量を変動する手段と、この冷媒
の流量に応じて排熱熱交換器を通過する熱媒の流量を変
動する手段を有することを特徴とする。上記によって、
冷媒の流量と熱媒の流量を変動して、冷媒の温度及び熱
媒の温度がばらつくことを抑えることができるものであ
る。

【０００８】請求項２記載のコージェネレーションシス
テムは、請求項１記載のコージェネレーションシステム
において、上記燃料電池の出口近傍の冷媒の温度が所定
温度範囲より上昇した際に、上記燃料電池に導入する冷
媒の流量、及び、排熱熱交換器を通過する熱媒の流量を
増加し、上記燃料電池の出口近傍の冷媒の温度が所定温
度範囲より下降した際に、上記燃料電池に導入する冷媒
の流量、及び、排熱熱交換器を通過する熱媒の流量を減
少することを特徴とする。上記によって、冷媒の温度及
び熱媒の温度がばらつくことを抑えることができるもの
である。

【０００９】請求項３記載のコージェネレーションシス
テムは、請求項１又は請求項２記載のコージェネレーシ
ョンシステムにおいて、上記熱媒の流量を変動する手段
が、冷媒の流量に応じて変動する排熱熱交換器の出口近
傍の熱媒の温度を測定し、この温度に応じて排熱熱交換
器に供給する熱媒の流量を変動することである。上記に
よって、燃料電池を冷却する冷媒の流量に応じて、熱媒
の流量を変動するので、熱媒の温度のばらつきを抑える
ことができるものである。

【００１０】請求項４記載のコージェネレーションシス
テムは、請求項１乃至請求項３いずれか記載のコージェ
ネレーションシステムにおいて、上記燃料電池が固体高
分子型であることを特徴とする。上記によって、燃料電
池が７０〜８０℃の低温で作動するため、一般家庭用と
して上記コージェネレーションシステムを利用すること
が容易にできるものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係るコージェネレ
ーションシステムの実施の形態の一例を説明したブロッ
ク図である。上記コージェネレーションシステムは、燃
料電池１０を利用して電気と熱を供給するものである。

【００１２】上記コージェネレーションシステムを構成
する燃料電池発電装置は、原燃料を水蒸気改質して水素
に富んだ改質ガスを生成する改質装置２０と、上記改質
ガスを導入して発電する固体高分子型の燃料電池１０を
備える。上記原燃料は、例えば、ブタンガス、プロパン
ガス、メタンガス、液化石油ガス等の炭化水素系の気
体、灯油、軽油、ガソリン等の炭化水素系の液体、メタ
ノール、エタノール等のアルコール系燃料が挙げられ
る。なかでも、家庭用で使用する原燃料としては、入手
が容易で取り扱いの便宜性から、プロパンガス、ブタン
ガス、メタンガスを主成分としたガスや灯油が好まし
い。上記原燃料に硫黄成分が含まれているものを用いる
場合、原燃料は、脱硫器３２で硫黄成分を除去した後に
改質装置２０に導入される。

【００１３】上記改質装置２０は、上記原燃料が供給さ
れ、また、同時に水が供給される。上記改質装置２０
は、原燃料と水蒸気から水蒸気改質反応がなされ、水素
に富んだ改質ガスに生成するものである。上記改質装置
２０は、上記水蒸気改質反応を行う改質器２１、改質ガ
ス中のＣＯ濃度を低下させるシフト器２２、さらにＣＯ
を選択的に酸化する選択酸化器２３、及び、各反応工程
に熱源を供給する加熱器２４を備える。上記加熱器２４
は、燃料と空気が供給される。この燃料は、原燃料を用
いてもよいし、他の燃料を用いてもよい。また、改質装
置２０に供給される水は、水を貯えた水タンク３３から
ポンプ３７で供給される。

【００１４】上記燃料電池発電装置は、改質装置２０で
生成された改質ガスが改質ガス導入路２６を通って燃料
電池１０に導入される。上記燃料電池発電装置は、この
改質ガス導入路２６中に改質ガス用気水分離器３４を備
える。固体高分子型の燃料電池１０は、高分子膜が乾燥
すると機能を発揮しないので、上記燃料電池発電装置
は、上記改質ガスを燃料電池１０が作動する温度程度の
飽和水蒸気を含むように加湿するために、改質装置２０
に改質に必要な水分よりも過剰な水分を供給する。そし
て、上記燃料電池発電装置は、改質ガスを改質ガス用気
水分離器３４で燃料電池１０が作動する温度程度に冷却
すると共に、過剰な水分を分離して、改質ガスが飽和水
蒸気を含む水分量になるように調整している。この分離
した水は、上記水タンク３３に貯えられる。

【００１５】上記燃料電池１０は、複数のセルからな
り、上記一組のセルは、固体型高分子膜を有し、固体型
高分子膜の片側にアノード１１を、他方にカソード１２
を備える。上記燃料電池１０は、アノード２１に湿度調
整された改質ガスが供給され、上記カソード１２に空気
（酸素）が供給される。上記固体高分子型の燃料電池１
０は、７０〜８０℃の低温で作動するため、一般家庭用
として容易に利用できるものである。また、上記燃料電
池１０で発電した電力は、交流電力が必要な用途に用い
る際にパワーコンディショナー３１に送電され、直流か
ら交流に変換されて外部に出力される。

【００１６】上記コージェネレーションシステムは、上
記燃料電池１０が発熱するので、冷却板１３が設けられ
ており、上記冷却板１３を通って冷媒が循環する冷媒循
環路２が形成されている。上記冷媒循環路２には、燃料
電池１０を通過した冷媒から熱を受容する排熱熱交換器
１、冷媒を循環させるポンプ５、及び、上記燃料電池１
０の出口を出た近傍に、冷媒の温度を測定する温度セン
サ３を備える。さらに、上記コージェネレーションシス
テムは、所定の温度範囲に対する冷媒温度の高低を判別
し、ポンプ５に指示信号を送信する第１の判別器４を備
え、上記第１の判別器４は、温度センサ３及びポンプ５
と電気回線６、７で連結されている。上記冷媒は、伝導
度の小さいものが好ましく、例えばイオン交換水、フロ
リナート等が挙げられる。

【００１７】上記コージェネレーションシステムは、燃
料電池１０を通過した冷媒の温度データに応じて燃料電
池１０に導入する冷媒の流量を変動するものである。上
記コージェネレーションシステムは、上記温度センサ３
で測定した温度データを、電気回線６を通って第１の判
別器４に送信し、この第１の判別器４で所定の温度範囲
に対して測定した温度データの高低を判別し、上記第１
の判別器４から指示信号が電気回線７を通ってポンプ５
に送信され、この指示信号に応じて、ポンプ５で循環す
る冷媒の流量を調整する。上記ポンプ５としては、例え
ば、流量の制御が容易であることから、直流ダイレクト
ポンプを用いることができる。上記ポンプ５は、排熱熱
交換器１より下流側に具備することが好ましい。ポンプ
５が排熱熱交換器１より下流側であると、冷媒の温度が
低いため、ポンプ５にかかる負担を軽減できるものであ
る。

【００１８】上記コージェネレーションシステムは、排
熱熱交換器１で熱交換した熱媒を過熱媒体として利用し
た給湯装置を備える。上記給湯装置は、熱媒として水を
貯水した貯水槽２５を備え、この貯水槽２５から上記排
熱熱交換器１を経由する熱媒流路１４が形成されてい
る。また、上記給湯装置は、熱媒流路１４内で排熱熱交
換器１の上流側にポンプ１７、排熱熱交換器１の出口を
出た近傍に、熱媒の温度を測定する温度センサ１５を備
え、及び、所定の温度範囲に対する熱媒温度の高低を判
別し、ポンプ１７に指示信号を送信する第２の判別器１
６を備え、上記第２の判別器１６は、温度センサ１５及
びポンプ１６と電気回線１８、１９で連結されている。

【００１９】上記コージェネレーションシステムは、冷
媒循環路２内を流れる冷媒の流量に応じて排熱熱交換器
１を通過する熱媒の流量を変動するものである。上記コ
ージェネレーションシステムにあっては、第１の判別器
４から指示信号に応じて冷媒循環路２内を流れる冷媒の
流量が変動すると、排熱熱交換器１の出口を出た熱媒の
温度が変動する。そこで、上記コージェネレーションシ
ステムは、上記温度センサ１５で測定した熱媒の温度デ
ータを、電気回線１８を通って第２の判別器１６に送信
し、この第２の判別器１６で所定の温度範囲に対して測
定した温度データの高低を判別し、上記第２の判別器１
６から指示信号が電気回線１９を通ってポンプ１７に送
信され、この指示信号に応じて、ポンプ１７で排熱熱交
換器１に供給する熱媒の流量を調整する。上記ポンプ１
７としては、例えば、流量の制御が容易であることか
ら、直流ダイレクトポンプを用いることができる。

【００２０】上記コージェネレーションシステムは、燃
料電池１０の発電の際に発生する排熱を上記排熱熱交換
器１で回収して、貯水槽２５に蓄熱を行うものである。
このようなコージェネレーションシステムにあっては、
貯水槽２５への蓄熱が進行すると次第に湯の温度が上昇
し、これに伴って排熱熱交換器１に供給される熱媒の温
度が上昇するため、冷媒循環路２を流れる冷媒の温度の
上昇を招き、燃料電池１０の冷却が不充分になる恐れが
ある。また、上記コージェネレーションシステムにあっ
ては、一度に多量の給湯を行うと貯水槽２５に外部から
水が供給されて排熱熱交換器１に供給される熱媒が温度
低下を招くため、冷媒循環路２を流れる冷媒の温度が低
下して、燃料電池１０の冷却が行き過ぎる恐れがある。
また、燃料電池１０の発電量を低下させた場合、発生す
る排熱が減少して冷媒循環路２を流れる冷媒の温度が低
下して、冷却が不安定になる恐れがある。そこで、本発
明のコージェネレーションシステムは、冷媒循環路２中
であって燃料電池１０の出口近傍の冷媒の温度を測定
し、この温度が所定の温度より低下していた場合、排熱
熱交換器１で熱交換する熱エネルギーの量を低下させる
ことで、冷媒循環路２を流れる冷媒の温度を所定の範囲
で維持するように制御し、また、出口近傍の冷媒の温度
が高い場合、排熱熱交換器１で熱交換する熱エネルギー
の量を増加させることで、冷媒循環路２を流れる冷媒の
温度を所定の範囲で維持するように制御するものであ
る。

【００２１】上記給湯装置の貯水槽２５は、貯水能力を
高めるため成層型であることが好ましい。貯水槽２５が
成層型であれば、混合型のものと比較して高温の湯を多
量に供給することができる。成層型の貯水槽２５は、一
定温度の高温の湯を供給することが大切である。上述の
如く、排熱熱交換器１で回収される熱エネルギー量は、
燃料電池１０の稼動状態で変動し、また、貯水槽２５の
温度は、貯水槽２５の湯の使用状況で変化する。そこ
で、本発明のコージェネレーションシステムは、一定温
度の高温の湯を貯水槽２５に供給するために、排熱熱交
換器１を出た熱媒の温度を温度センサ１５で測定し、こ
の温度が所定の温度より低下していた場合、排熱熱交換
器１を流れる熱媒の量を低下させることで、貯水槽２５
に供給される熱媒の温度を一定温度の高温で維持するよ
うに制御し、また、熱熱交換器１を出た熱媒の温度が所
定の温度より高い場合、排熱熱交換器１を流れる熱媒の
量を増加させることで、貯水槽２５に供給される熱媒の
温度を一定温度の高温で維持するように制御するもので
ある。

【００２２】例えば、上記コージェネレーションシステ
ムは、燃料電池１０が７０〜８０℃の作動温度を維持す
るように、上記温度センサ３で測定した冷媒の温度が、
６０〜７０℃に設定した温度範囲より上昇した場合、上
記第１の判別器４から指示信号がポンプ５に送信され、
燃料電池１０に導入する冷媒の流量を増加するようにポ
ンプ５が稼動し、及び、これに伴って温度センサ１５で
熱媒の温度の上昇を検知し、第２の判別器１６から指示
信号がポンプ１７に送信されて、排熱熱交換器１を通過
する熱媒の流量を増加するようにポンプ１７が稼動す
る。また、例えば、上記コージェネレーションシステム
は、上記温度センサ３で測定した冷媒の温度が所定温度
範囲より下降していた場合、上記第１の判別器４から指
示信号がポンプ５に送信され、上記燃料電池１０に導入
する冷媒の流量を減少するようにポンプ５が稼動し、及
び、これに伴って温度センサ１５で熱媒の温度の下降を
検知し、第２の判別器１６から指示信号がポンプ１７に
送信されて、排熱熱交換器１を通過する熱媒の流量を減
少するようにポンプ１７が稼動する。

【００２３】なお、図中の符号３５は排アノードガス用
気水分離器、符号３６は排カソードガス用気水分離であ
る。排アノードガス用気水分離器３５は、燃料電池１０
のアノード１１から排出される排アノードガスが、消費
しきれなかった水素及びメタン等の可燃性ガスを含んで
いるので、この排アノードガス中の可燃性ガスを改質装
置２０を加熱する燃料の一部として使用するために、排
アノードガスの水とガスを分離しているものである。排
カソードガス用気水分離３６は、カソード１２から排出
されるガスが水分を含んでいるので、水分を分離し、こ
の水を水タンク３３に回収するものである。

【００２４】また、上記コージェネレーションシステム
の他の実施の形態としては、上記ポンプ５で冷媒の流量
を調整する代わりに、流量調整弁を設け、第１の判別器
４から指示信号で流量調整弁の開閉量を調整してもよい
し、また、上記ポンプ１７で熱媒の流量を調整する代わ
りに、流量調整弁を設け、第２の判別器１６から指示信
号で流量調整弁の開閉量を調整してもよい。

【００２５】

【発明の効果】請求項１記載のコージェネレーションシ
ステムは、温度センサで測定した温度データに応じて燃
料電池に導入する冷媒の流量を変動する手段と、この冷
媒の流量に応じて排熱熱交換器を通過する熱媒の流量を
変動する手段を有するので、冷媒の温度及び熱媒の温度
がばらつくことを抑えることができる。その結果、上記
コージェネレーションシステムは、燃料電池を安定して
発電させながら、熱媒の温度が安定したものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るコージェネレーションシステムの
実施の形態の一例を説明したブロック図である。

【図２】従来のコージェネレーションシステムの要部を
説明したブロック図である。

【符号の説明】

１排熱熱交換器２冷媒循環路３温度センサ４第１の判別器５ポンプ１０燃料電池１１アノード１２カソード１３冷却板１４熱媒流路１５温度センサ１６第２の判別器１７ポンプ２０改質装置２５貯水槽

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者工藤均大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者薮ノ内伸晃大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 DD06 KK28 KK48 MM16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池を有する燃料電池発電装置と、
この燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環路と、
上記冷媒循環路に燃料電池を通過した冷媒から熱を受容
する排熱熱交換器と、この排熱熱交換器を通って冷媒か
らの熱を受容した熱媒が流れる熱媒流路と、上記熱媒を
加熱媒体として用いる手段を備えるコージェネレーショ
ンシステムにおいて、上記燃料電池の出口近傍の冷媒の
温度を測定する温度センサを具備し、さらに、この温度
センサで測定した温度データに応じて燃料電池に導入す
る冷媒の流量を変動する手段と、この冷媒の流量に応じ
て排熱熱交換器を通過する熱媒の流量を変動する手段を
有することを特徴とするコージェネレーションシステ
ム。
【請求項２】上記燃料電池の出口近傍の冷媒の温度が
所定温度範囲より上昇した際に、上記燃料電池に導入す
る冷媒の流量、及び、排熱熱交換器を通過する熱媒の流
量を増加し、上記燃料電池の出口近傍の冷媒の温度が所
定温度範囲より下降した際に、上記燃料電池に導入する
冷媒の流量、及び、排熱熱交換器を通過する熱媒の流量
を減少することを特徴とする請求項１記載のコージェネ
レーションシステム。
【請求項３】上記熱媒の流量を変動する手段が、冷媒
の流量に応じて変動する排熱熱交換器の出口近傍の熱媒
の温度を測定し、この温度に応じて排熱熱交換器に供給
する熱媒の流量を変動することであることを特徴とする
請求項１又は請求項２記載のコージェネレーションシス
テム。
【請求項４】上記燃料電池が固体高分子型であること
を特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか記載のコー
ジェネレーションシステム。