JP2003223915A - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 燃料電池の冷却水系において起動時のみ必要
な加温手段を不要とし、発電運転に伴う冷却水のイオン
化傾向を低減し、熱電併給装置を小型化する。 【解決手段】 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を
行う高分子電解質型燃料電池と、前記燃料電池へ内部熱
輸送媒体を循環させる内部循環回路と、前記内部熱輸送
媒体を循環させる内部循環手段と、前記内部熱輸送媒体
の熱を外部熱輸送媒体と熱交換する熱交換手段と、前記
燃料電池の回収排熱を貯える熱利用手段と、排熱輸送制
御手段とを有する熱電併給装置であって、前記排熱輸送
制御手段が、前記熱交換手段によって熱交換された外部
熱輸送媒体によって排熱を回収し熱利用手段に貯え、か
つ前記燃料電池の起動時に前記回収された排熱を前記燃
料電池に輸送する、熱電併給装置。
な加温手段を不要とし、発電運転に伴う冷却水のイオン
化傾向を低減し、熱電併給装置を小型化する。 【解決手段】 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を
行う高分子電解質型燃料電池と、前記燃料電池へ内部熱
輸送媒体を循環させる内部循環回路と、前記内部熱輸送
媒体を循環させる内部循環手段と、前記内部熱輸送媒体
の熱を外部熱輸送媒体と熱交換する熱交換手段と、前記
燃料電池の回収排熱を貯える熱利用手段と、排熱輸送制
御手段とを有する熱電併給装置であって、前記排熱輸送
制御手段が、前記熱交換手段によって熱交換された外部
熱輸送媒体によって排熱を回収し熱利用手段に貯え、か
つ前記燃料電池の起動時に前記回収された排熱を前記燃
料電池に輸送する、熱電併給装置。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱電併給装置に関
する。 【０００２】 【従来の技術】従来の高分子電解質型燃料電池を用いた
発電装置について、図５の構成図を用いて説明する。図
５において、１は燃料電池部であり、燃料処理装置２は
天然ガスなどの原料を水蒸気改質し、水素を主成分とす
るガスを生成して燃料電池１に供給する。燃料処理装置
２は、改質ガスを生成する改質器３と、改質ガスに含ま
れる一酸化炭素を水と反応させ二酸化炭素と水素にする
ための一酸化炭素変成器４とを具備している。燃料側加
湿器５では、燃料電池１に供給する燃料ガスを加湿す
る。６は空気供給装置であり、酸化剤の空気を燃料電池
１に供給する。このとき、酸化側加湿器７で供給空気を
加湿する。さらに、燃料電池１に水を送って冷却する内
部循環回路と、内部循環回路内の水を循環させるポンプ
９と、燃料電池１で発生した熱を外部へ放出する冷却用
の放熱器１０と、内部循環回路内の水を加熱する加熱器
（ヒータ等）１１とを備えている。 【０００３】このような装置を用いて発電を行う時は、
一酸化炭素変成器４で変成された後の改質ガスに微量に
含まれる一酸化炭素による燃料電池１の一酸化炭素被毒
を防止するために、燃料電池１の温度を一定に保つ必要
があり、冷却配管８を通して、ポンプ９で水を循環さ
せ、冷却用の放熱器１０で燃料電池１で発生した熱を外
部へ放出させる。また、燃料電池１の起動時など燃料電
池１を周囲温度から昇温させる場合、加熱器１１により
燃料電池の正常動作に適した温度（約７０〜８０℃）に
なるまで加温していた。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】上記従来の構成は、起
動時に燃料電池１を加温する必要がある。また、加熱器
１１は、燃料電池の冷却配管系にあってヒータ等を内蔵
した一定容積の容器などから構成されるため、燃料電池
装置の小型化、合理化が困難である。 【０００５】また、燃料電池１の冷却配管系にヒータを
内蔵した加熱器を用いる場合、ヒータやヒータ内蔵容器
に金属を用いると、運転時間に応じて、金属接合部や表
面などから腐食・金属イオン析出等により冷却水がイオ
ン化し、電気伝導度が上昇して燃料電池の発電に支障を
きたすという問題点があった。 【０００６】また、一般に、熱電併給装置からの排熱を
回収する排熱回収装置は、配管等によって導かれ、熱電
併給装置と排熱回収装置はそれぞれ別々に設置されるた
め、排熱回収する配管のみならず、熱電併給装置、排熱
回収装置それぞれからも熱損失が発生し、排熱回収効率
が低下していた。さらに、熱電併給装置、排熱回収装置
双方の設置場所を必要とし、特に都市部などでは、設置
場所の余裕がある家屋にしか設置できない等の制約があ
るといった問題点があった。 【０００７】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の熱電併給装置は、燃料ガスと酸化剤ガスと
を用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池へ内部熱
輸送媒体を循環させる内部循環回路と、前記内部熱輸送
媒体を循環させる内部循環手段と、前記内部熱輸送媒体
の熱を外部熱輸送媒体と熱交換する熱交換手段と、前記
熱交換手段によって外部熱輸送媒体に回収された燃料電
池の排熱を貯える熱利用手段と、前記外部熱輸送媒体が
流れる排熱回収配管と、前記排熱回収配管の経路中に外
部熱輸送媒体循環手段と、前記排熱回収配管の経路中に
前記外部熱輸送媒体の流路を切り換える流路切換手段
と、排熱輸送制御手段とを有する熱電併給装置であっ
て、前記燃料電池の起動時に、前記排熱輸送制御手段
が、前記流路切換手段により前記外部熱輸送媒体の流路
を排熱回収時と逆方向に切り換え、かつ前記内部循環手
段および前記外部熱輸送媒体循環手段により前記内部熱
輸送媒体および外部熱輸送媒体をそれぞれ循環させるこ
とで、前記熱利用手段に貯えられた排熱を前記燃料電池
に輸送することを特徴とする。 【０００８】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照して説明する。 【０００９】（実施の形態１）図１は、本発明の一実施
の形態の熱電併給装置のブロック構成図である。熱電併
給装置は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う高
分子電解質型の燃料電池１と、原料燃料を水蒸気改質お
よび一酸化炭素変成して燃料ガスを発生させる燃料処理
装置２と、燃料電池１に供給する燃料ガスを加湿する燃
料側加湿器５と、酸化剤の空気を燃料電池１に供給する
空気供給装置６と、供給空気を加湿する酸化側加湿器７
とが燃料電池１の発電に必要なガス系統として構成され
ている。 【００１０】燃料処理装置２は、原料燃料を水蒸気改質
して水素を主体とする改質ガスを生成する改質器３と、
改質ガスに含まれる一酸化炭素を変成し、燃料ガスとし
て燃料電池１へ供給する一酸化炭素変成器４とから構成
されている。 【００１１】また、燃料電池１に不凍液などの内部熱輸
送媒体を送って燃料電池１の温度調整をする内部熱輸送
系統としては、冷却配管８と、冷却配管８内の内部熱輸
送媒体を循環させるポンプ９と、燃料電池１で発生した
熱を外部へ放出する放熱器１０と、冷却配管８を流れる
内部熱輸送媒体の熱を外部熱輸送媒体と熱交換する熱交
換器などの熱交換手段１２と、放熱器１０と熱交換手段
１２とに流れる内部熱輸送媒体の流量を調整する流量調
整手段としての流量調整弁１３，１４とで構成される。 【００１２】熱交換手段１２によって熱交換された外部
熱輸送媒体（市水など）によって燃料電池の排熱を回収
する、外部熱輸送系統としては、排熱回収配管１５ａ，
１５ｂを介して熱交換手段１２からの排熱を貯湯タンク
などの熱利用手段１６（給湯端末としてのタンク、以下
貯湯タンクとする）に貯え、かつ燃料電池起動時に排熱
回収時とは逆方向に外部熱輸送媒体を輸送し熱利用手段
１６に回収された排熱を熱交換手段１２を介して燃料電
池１に排熱輸送する排熱輸送制御手段１７（正逆回転す
ることによって流出方向を反転させるポンプ（以下、正
逆転ポンプとする）を有し、かつ流量を可変する流体搬
送手段）とで構成されている。 【００１３】外部熱輸送媒体の流量を制御するため熱交
換手段１２の入口と出口には、それぞれ、熱交換器入口
温度検出手段１８（以下、熱交換器入口サーミスタ１８
とする）と熱交換器出口温度検出手段１９（以下、熱交
換器出口サーミスタ１９とする）とが接続され、排熱輸
送制御手段１７に検出信号を出力するように接続されて
いる。 【００１４】上記の各構成要素は、図５で示した従来の
発電装置のものと同じ機能のものには同一符号を付与
し、それらの機能の詳細は、図５で示した従来の発電装
置のものに準ずる。また、冷却配管８、ポンプ９、放熱
器１０、熱交換手段１２、流量調整弁１３，１４は、本
実施形態の内部循環回路を構成する。 【００１５】次に、動作、作用について説明する。熱電
併給装置の運転（発電）時には、流量調整弁１３を閉、
１４を開にして、燃料電池の発電による熱を、内部熱輸
送媒体（不凍液など）によりポンプ９を介して循環さ
せ、熱交換手段１２により外部熱輸送媒体（市水など）
に熱搬送させる。熱利用手段１６（以下、貯湯タンク１
６とする）は、排熱輸送制御手段１７により外部熱輸送
媒体に熱交換された熱を排熱回収配管１５ａ，１５ｂを
介して排熱回収する。 【００１６】熱電併給装置の起動時は、流量調整弁１３
を閉、１４を開にし、燃料電池の内部熱輸送媒体を、ポ
ンプ９で循環させ、かつ排熱輸送制御手段１７により運
転（発電）時とは外部熱輸送媒体の循環方向を逆転し搬
送させる。 【００１７】このように、本発明では、貯湯タンク１６
に運転時に貯えられた熱を、排熱回収配管１５ａ，１５
ｂおよび熱交換手段１２を介して燃料電池１側に熱搬送
することにより、燃料電池１を昇温できる。 【００１８】このとき、排熱輸送制御手段１７による外
部熱輸送媒体の循環流量は、熱交換器出口サーミスタ１
９により熱交換手段１２による熱交換後の外部熱輸送媒
体の温度が十分低くなるよう、つまり貯湯タンク１６へ
の戻り温度と貯湯タンク１６下部の流体（市水など）温
度との差によって、貯湯タンク１６内での対流が発生し
ない流量に制御される。 【００１９】従って、本実施の形態では、発電時に熱交
換器入口サーミスタ１８によって、所定の貯湯温度（６
０〜８０℃）になるように、排熱輸送制御手段１７の正
転運転時によって貯湯タンク１６の上層部より積層状態
に貯えられた湯が、起動時の排熱輸送制御手段１７の逆
転運転によって、下部冷水と対流混合することなく、ま
た貯湯温度低下を起こすことなく、保たれる。 【００２０】また、熱電併給装置の排熱を熱利用手段１
６を介して熱回収する必要がなくなった場合には、燃料
電池１において発生した熱を放熱させるため、流量調整
弁１３を開、１４を閉とし、放熱器１０を作動させるこ
とにより、内部熱輸送媒体は外気と熱交換し、熱を外部
へ放出することができる。このとき、放熱器１０の能力
を制御することにより、内部熱輸送媒体の温度を所定温
度の範囲内に制御できる。 【００２１】（実施の形態２）図２は、本発明の実施の
形態２の熱電併給装置のブロック構成図である。各構成
要素は、図１の発電装置のものと同じ機能のものには同
一符号を付与し、それらの構成および機能の詳細は、実
施の形態１に準ずる。 【００２２】図２において、排熱輸送制御手段１７は、
排熱回収配管１５ａ、１５ｂの経路中に設けた外部熱輸
送媒体循環手段（以下、循環ポンプ２０とする）と、外
部熱輸送媒体の流路を切り換える流路切換手段（以下、
流路切換弁２１，２２とする）と、分岐継ぎ手２３，２
４を備えている。排熱回収時には、循環ポンプ２０の流
量を制御することで貯湯タンク１６上部より積層状に湯
を貯湯し、かつ、燃料電池１起動時、流路切換弁２１、
２２を介して外部熱輸送媒体（水など）の流路を切り換
え、貯湯タンク１６の熱水を熱交換手段１２に搬送する
ように接続されている。 【００２３】この構成により、排熱回収時、排熱輸送制
御手段は、流路切換手段を介して排熱回収配管の流路を
切り換え、外部熱輸送媒体循環手段の流量を制御するこ
とで貯湯タンク上部より積層状に湯を貯湯でき、給湯配
管口を貯湯タンクの上部から取り出す通常の配管構成に
おいて、貯湯湯温が高温（約６０〜８０℃）で確保でき
る。かつ貯湯タンク全量を使用し湯切れした場合におい
ても短時間で必要最小限の貯湯量の確保できる。従っ
て、タンク全量の水を一律に昇温させる場合に比べ、短
時間で利用可能温度の湯が得られる。 【００２４】また、燃料電池起動時には、流路切換手段
によって流路を排熱回収時と逆方向に切り換えることに
より、外部熱輸送媒体循環手段単体の輸送方向を変える
ことなく動作させ、貯湯タンクの上部から排熱回収配管
および熱交換手段を経由して、燃料電池を昇温できる。 【００２５】次に、動作、作用について説明する。熱電
併給装置の運転（発電）時には、流量調整弁１３を閉、
１４を開にして燃料電池の発電による熱を内部熱輸送媒
体（不凍液など）によりポンプ９を介して循環させ、熱
交換手段１２により外部熱輸送媒体に熱搬送させる。排
熱輸送制御手段１７は、内部の循環ポンプ２０により、
貯湯タンク１６の下部より吸い上げた外部熱輸送媒体
（市水）を熱交換手段（熱交換器）１２で熱交換させ、
貯湯タンク１６上部より積層状態で貯える。このとき、
排熱回収配管１５ａ，１５ｂの内部を流れる外部熱輸送
媒体の流路は、図２のＡの方向になるように流路切換弁
２１，２２を切り換える。 【００２６】熱電併給装置の起動時には、流量調整弁１
３を閉、１４を開にし、燃料電池の内部熱輸送媒体をポ
ンプ９を介して循環させ、かつ排熱輸送制御手段１７に
より運転（発電）時とは外部熱輸送媒体の循環方向を逆
転し（図２のＢ方向）媒体搬送させる。つまり、排熱輸
送制御手段１７は、内部の循環ポンプ２０により、貯湯
タンク１６の上部より、既に排熱回収された湯を排熱回
収時と逆方向に循環し熱交換手段１２で熱交換させる。
このとき、排熱回収配管１５ａ，１５ｂの内部を流れる
外部熱輸送媒体の流路は、図２のＢの方向になるように
流路切換弁２１，２２を切り換える。 【００２７】このとき、排熱輸送制御手段１７による外
部熱輸送媒体の循環流量は、熱交換器出口サーミスタ１
９により熱交換手段１２による熱交換後の外部熱輸送媒
体の温度が十分低くなるよう、つまり貯湯タンク１６へ
の戻り温度と貯湯タンク１６下部の流体（市水）温度と
の差によって、貯湯タンク１６内での対流が発生しない
流量に制御される。 【００２８】従って、本実施の形態では、発電時に熱交
換器入口サーミスタ１８によって、所定の貯湯温度（約
６０〜８０℃）になるように、排熱輸送制御手段１７の
運転（発電）時に貯湯タンク１６の上層部より積層状態
に貯えられた湯が、燃料電池起動時の排熱輸送制御手段
１７の逆方向運転によって下部冷水と対流混合すること
なく貯湯温度低下を起こすこともない。 【００２９】（実施の形態３）図３は、本発明の実施の
形態３の熱電併給装置のブロック構成図である。各構成
要素は、図１の発電装置のものと同じ機能のものには同
一符号を付与し、それらの構成および機能の詳細は、本
発明の実施の形態１および２に準ずる。 【００３０】図３において、燃料ガスと酸化剤ガスとを
用いて発電を行う高分子電解質型燃料電池１の下部に、
燃料電池の回収排熱を貯える熱利用手段１６（以下、貯
湯タンクとする）が配置され、燃料電池１と熱利用手段
１６と間に、双方を熱伝導結合する熱伝導手段（アルミ
シートなど）２５が挟まれている。 【００３１】さらに、燃料電池の排熱を外部熱輸送媒体
と熱交換する熱交換器などの熱交換手段１２が燃料電池
１の近傍に設置され、熱交換手段１２から排熱回収配管
１５ａ，１５ｂを介して排熱輸送制御手段（循環ポンプ
などにより構成されている）１７によって、貯湯タンク
１６に外部熱輸送媒体としての排熱水を貯えるように接
続されている。燃料電池１と熱交換手段１２と貯湯タン
ク１６と熱伝導手段２５とを断熱手段（ガラスウールな
ど）２６が内包するように取り付けている。 【００３２】また、冷却配管８、ポンプ９、放熱器１
０、熱交換手段１２、流量調整弁１３，１４などの内部
循環回路や、原料燃料を水蒸気改質して水素を主体とす
る改質ガスを生成する改質器３、改質ガスに含まれる一
酸化炭素を変成し、燃料ガスとして燃料電池１へ供給す
る一酸化炭素変成器４から構成される燃料処理装置２
は、図示していないが貯湯タンク１６の近傍に配置さ
れ、燃料電池１と接続されている。 【００３３】この構成により、燃料電池から回収した排
熱を貯える熱利用手段は、燃料電池と熱伝導手段によっ
て熱的に密に接合され、燃料電池の動作停止時に、熱利
用手段の伝熱と断熱手段により放熱ロスを大幅に低減
し、起動時の立ち上がり時間が短縮される。 【００３４】次に、動作、作用について説明する。熱電
併給装置の運転（発電）時には、燃料電池の発電による
熱を熱交換手段１２により外部熱輸送媒体（市水）に熱
搬送させる。貯湯タンクは、排熱輸送制御手段１７によ
り外部熱輸送媒体に熱交換された熱を排熱回収配管１５
ａ，１５ｂを介して排熱回収する。 【００３５】熱電併給装置の起動時には、排熱輸送制御
手段１７により運転（発電）時とは外部熱輸送媒体の循
環方向を逆転し搬送させる。従って、貯湯タンク１６に
運転時に貯えられた熱を排熱回収配管１５ａ，１５ｂお
よび熱交換手段１２を介して燃料電池１側に熱搬送する
ことにより燃料電池１の昇温を行う。 【００３６】燃料電池１から回収した排熱を貯える貯湯
タンク１６は、燃料電池１と熱伝導手段２５によって熱
的に密に接合され、燃料電池１の動作停止時であって
も、待機温度が貯湯タンク１６の上部からの貯湯熱水に
よる伝導熱によってさめにくく、起動時の立ち上がり時
間が極めて短縮される。 【００３７】また、燃料電池１と貯湯タンク１６とがそ
れぞれ別々に設置された場合に比べ、排熱回収配管を短
く装置内に収納でき、排熱回収配管１５ａ，１５ｂや燃
料電池１、貯湯タンク１６それぞれからの熱損失も低減
でき、排熱回収効率が向上する。また、燃料電池１と貯
湯タンク１６とを鉛直方向に積層する構成としているの
で、燃料電池１、貯湯タンク１６双方の設置面積を必要
としない。 【００３８】（実施の形態４）図４は、本発明の実施の
形態４の熱電併給装置のブロック構成図である。各構成
要素は、図１の発電装置のものと同じ機能のものには同
一符号を付与し、それらの構成および機能の詳細は、本
発明の実施の形態１、２、および３に準ずる。また、内
部循環回路や燃料処理装置２については、本発明の実施
の形態３と同様、図示していないが貯湯タンク１６の近
傍に配置され、燃料電池１と接続されている。 【００３９】貯湯タンク１６および燃料電池１は、外装
ケース２７によって外圧から圧搾されることなく、地表
面２８より所定深さに埋設されている。従って、熱容量
の大きい蓄熱性を有した土壌に周囲を囲まれるため、熱
電併給装置全体の放熱損失を大きく低減できる。 【００４０】なお、熱電併給装置のメンテナンス性を鑑
みて、貯湯タンク１６および燃料電池１を、メンテナン
ス時に、貯湯タンク１６下部のジャッキ機構（図示せ
ず）によって上昇させ、不具合診断を行えるように構成
し、かつ排熱輸送配管等もフレキシブル性を有するもの
にて接続すれば、営繕性の良い燃料電池装置となる。 【００４１】このように、本実施形態では、熱利用手段
としての貯湯タンクを地中埋設することにより、さらに
熱電併給装置としての占有設置面積、地上容積を低減で
き、かつ熱容量の大きい蓄熱性を有した土壌に周囲を囲
まれるため熱電併給装置全体の放熱損失を低減できる。 【００４２】動作、作用については、本発明の実施の形
態３と同様である。 【００４３】 【発明の効果】本発明は、排熱回収装置としての熱利用
手段に貯えた排熱の一部を燃料電池の起動時に利用する
ことにより、速やかな昇温起動と起動後の安定した温度
での燃料電池の運転を確保することができる、排熱回収
効率が向上した、簡単かつ合理的な構成の熱電併給装置
を提供する。本発明の熱電併給装置は、一酸化炭素被毒
による燃料電池の性能劣化を防止できる。
する。 【０００２】 【従来の技術】従来の高分子電解質型燃料電池を用いた
発電装置について、図５の構成図を用いて説明する。図
５において、１は燃料電池部であり、燃料処理装置２は
天然ガスなどの原料を水蒸気改質し、水素を主成分とす
るガスを生成して燃料電池１に供給する。燃料処理装置
２は、改質ガスを生成する改質器３と、改質ガスに含ま
れる一酸化炭素を水と反応させ二酸化炭素と水素にする
ための一酸化炭素変成器４とを具備している。燃料側加
湿器５では、燃料電池１に供給する燃料ガスを加湿す
る。６は空気供給装置であり、酸化剤の空気を燃料電池
１に供給する。このとき、酸化側加湿器７で供給空気を
加湿する。さらに、燃料電池１に水を送って冷却する内
部循環回路と、内部循環回路内の水を循環させるポンプ
９と、燃料電池１で発生した熱を外部へ放出する冷却用
の放熱器１０と、内部循環回路内の水を加熱する加熱器
（ヒータ等）１１とを備えている。 【０００３】このような装置を用いて発電を行う時は、
一酸化炭素変成器４で変成された後の改質ガスに微量に
含まれる一酸化炭素による燃料電池１の一酸化炭素被毒
を防止するために、燃料電池１の温度を一定に保つ必要
があり、冷却配管８を通して、ポンプ９で水を循環さ
せ、冷却用の放熱器１０で燃料電池１で発生した熱を外
部へ放出させる。また、燃料電池１の起動時など燃料電
池１を周囲温度から昇温させる場合、加熱器１１により
燃料電池の正常動作に適した温度（約７０〜８０℃）に
なるまで加温していた。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】上記従来の構成は、起
動時に燃料電池１を加温する必要がある。また、加熱器
１１は、燃料電池の冷却配管系にあってヒータ等を内蔵
した一定容積の容器などから構成されるため、燃料電池
装置の小型化、合理化が困難である。 【０００５】また、燃料電池１の冷却配管系にヒータを
内蔵した加熱器を用いる場合、ヒータやヒータ内蔵容器
に金属を用いると、運転時間に応じて、金属接合部や表
面などから腐食・金属イオン析出等により冷却水がイオ
ン化し、電気伝導度が上昇して燃料電池の発電に支障を
きたすという問題点があった。 【０００６】また、一般に、熱電併給装置からの排熱を
回収する排熱回収装置は、配管等によって導かれ、熱電
併給装置と排熱回収装置はそれぞれ別々に設置されるた
め、排熱回収する配管のみならず、熱電併給装置、排熱
回収装置それぞれからも熱損失が発生し、排熱回収効率
が低下していた。さらに、熱電併給装置、排熱回収装置
双方の設置場所を必要とし、特に都市部などでは、設置
場所の余裕がある家屋にしか設置できない等の制約があ
るといった問題点があった。 【０００７】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の熱電併給装置は、燃料ガスと酸化剤ガスと
を用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池へ内部熱
輸送媒体を循環させる内部循環回路と、前記内部熱輸送
媒体を循環させる内部循環手段と、前記内部熱輸送媒体
の熱を外部熱輸送媒体と熱交換する熱交換手段と、前記
熱交換手段によって外部熱輸送媒体に回収された燃料電
池の排熱を貯える熱利用手段と、前記外部熱輸送媒体が
流れる排熱回収配管と、前記排熱回収配管の経路中に外
部熱輸送媒体循環手段と、前記排熱回収配管の経路中に
前記外部熱輸送媒体の流路を切り換える流路切換手段
と、排熱輸送制御手段とを有する熱電併給装置であっ
て、前記燃料電池の起動時に、前記排熱輸送制御手段
が、前記流路切換手段により前記外部熱輸送媒体の流路
を排熱回収時と逆方向に切り換え、かつ前記内部循環手
段および前記外部熱輸送媒体循環手段により前記内部熱
輸送媒体および外部熱輸送媒体をそれぞれ循環させるこ
とで、前記熱利用手段に貯えられた排熱を前記燃料電池
に輸送することを特徴とする。 【０００８】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照して説明する。 【０００９】（実施の形態１）図１は、本発明の一実施
の形態の熱電併給装置のブロック構成図である。熱電併
給装置は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う高
分子電解質型の燃料電池１と、原料燃料を水蒸気改質お
よび一酸化炭素変成して燃料ガスを発生させる燃料処理
装置２と、燃料電池１に供給する燃料ガスを加湿する燃
料側加湿器５と、酸化剤の空気を燃料電池１に供給する
空気供給装置６と、供給空気を加湿する酸化側加湿器７
とが燃料電池１の発電に必要なガス系統として構成され
ている。 【００１０】燃料処理装置２は、原料燃料を水蒸気改質
して水素を主体とする改質ガスを生成する改質器３と、
改質ガスに含まれる一酸化炭素を変成し、燃料ガスとし
て燃料電池１へ供給する一酸化炭素変成器４とから構成
されている。 【００１１】また、燃料電池１に不凍液などの内部熱輸
送媒体を送って燃料電池１の温度調整をする内部熱輸送
系統としては、冷却配管８と、冷却配管８内の内部熱輸
送媒体を循環させるポンプ９と、燃料電池１で発生した
熱を外部へ放出する放熱器１０と、冷却配管８を流れる
内部熱輸送媒体の熱を外部熱輸送媒体と熱交換する熱交
換器などの熱交換手段１２と、放熱器１０と熱交換手段
１２とに流れる内部熱輸送媒体の流量を調整する流量調
整手段としての流量調整弁１３，１４とで構成される。 【００１２】熱交換手段１２によって熱交換された外部
熱輸送媒体（市水など）によって燃料電池の排熱を回収
する、外部熱輸送系統としては、排熱回収配管１５ａ，
１５ｂを介して熱交換手段１２からの排熱を貯湯タンク
などの熱利用手段１６（給湯端末としてのタンク、以下
貯湯タンクとする）に貯え、かつ燃料電池起動時に排熱
回収時とは逆方向に外部熱輸送媒体を輸送し熱利用手段
１６に回収された排熱を熱交換手段１２を介して燃料電
池１に排熱輸送する排熱輸送制御手段１７（正逆回転す
ることによって流出方向を反転させるポンプ（以下、正
逆転ポンプとする）を有し、かつ流量を可変する流体搬
送手段）とで構成されている。 【００１３】外部熱輸送媒体の流量を制御するため熱交
換手段１２の入口と出口には、それぞれ、熱交換器入口
温度検出手段１８（以下、熱交換器入口サーミスタ１８
とする）と熱交換器出口温度検出手段１９（以下、熱交
換器出口サーミスタ１９とする）とが接続され、排熱輸
送制御手段１７に検出信号を出力するように接続されて
いる。 【００１４】上記の各構成要素は、図５で示した従来の
発電装置のものと同じ機能のものには同一符号を付与
し、それらの機能の詳細は、図５で示した従来の発電装
置のものに準ずる。また、冷却配管８、ポンプ９、放熱
器１０、熱交換手段１２、流量調整弁１３，１４は、本
実施形態の内部循環回路を構成する。 【００１５】次に、動作、作用について説明する。熱電
併給装置の運転（発電）時には、流量調整弁１３を閉、
１４を開にして、燃料電池の発電による熱を、内部熱輸
送媒体（不凍液など）によりポンプ９を介して循環さ
せ、熱交換手段１２により外部熱輸送媒体（市水など）
に熱搬送させる。熱利用手段１６（以下、貯湯タンク１
６とする）は、排熱輸送制御手段１７により外部熱輸送
媒体に熱交換された熱を排熱回収配管１５ａ，１５ｂを
介して排熱回収する。 【００１６】熱電併給装置の起動時は、流量調整弁１３
を閉、１４を開にし、燃料電池の内部熱輸送媒体を、ポ
ンプ９で循環させ、かつ排熱輸送制御手段１７により運
転（発電）時とは外部熱輸送媒体の循環方向を逆転し搬
送させる。 【００１７】このように、本発明では、貯湯タンク１６
に運転時に貯えられた熱を、排熱回収配管１５ａ，１５
ｂおよび熱交換手段１２を介して燃料電池１側に熱搬送
することにより、燃料電池１を昇温できる。 【００１８】このとき、排熱輸送制御手段１７による外
部熱輸送媒体の循環流量は、熱交換器出口サーミスタ１
９により熱交換手段１２による熱交換後の外部熱輸送媒
体の温度が十分低くなるよう、つまり貯湯タンク１６へ
の戻り温度と貯湯タンク１６下部の流体（市水など）温
度との差によって、貯湯タンク１６内での対流が発生し
ない流量に制御される。 【００１９】従って、本実施の形態では、発電時に熱交
換器入口サーミスタ１８によって、所定の貯湯温度（６
０〜８０℃）になるように、排熱輸送制御手段１７の正
転運転時によって貯湯タンク１６の上層部より積層状態
に貯えられた湯が、起動時の排熱輸送制御手段１７の逆
転運転によって、下部冷水と対流混合することなく、ま
た貯湯温度低下を起こすことなく、保たれる。 【００２０】また、熱電併給装置の排熱を熱利用手段１
６を介して熱回収する必要がなくなった場合には、燃料
電池１において発生した熱を放熱させるため、流量調整
弁１３を開、１４を閉とし、放熱器１０を作動させるこ
とにより、内部熱輸送媒体は外気と熱交換し、熱を外部
へ放出することができる。このとき、放熱器１０の能力
を制御することにより、内部熱輸送媒体の温度を所定温
度の範囲内に制御できる。 【００２１】（実施の形態２）図２は、本発明の実施の
形態２の熱電併給装置のブロック構成図である。各構成
要素は、図１の発電装置のものと同じ機能のものには同
一符号を付与し、それらの構成および機能の詳細は、実
施の形態１に準ずる。 【００２２】図２において、排熱輸送制御手段１７は、
排熱回収配管１５ａ、１５ｂの経路中に設けた外部熱輸
送媒体循環手段（以下、循環ポンプ２０とする）と、外
部熱輸送媒体の流路を切り換える流路切換手段（以下、
流路切換弁２１，２２とする）と、分岐継ぎ手２３，２
４を備えている。排熱回収時には、循環ポンプ２０の流
量を制御することで貯湯タンク１６上部より積層状に湯
を貯湯し、かつ、燃料電池１起動時、流路切換弁２１、
２２を介して外部熱輸送媒体（水など）の流路を切り換
え、貯湯タンク１６の熱水を熱交換手段１２に搬送する
ように接続されている。 【００２３】この構成により、排熱回収時、排熱輸送制
御手段は、流路切換手段を介して排熱回収配管の流路を
切り換え、外部熱輸送媒体循環手段の流量を制御するこ
とで貯湯タンク上部より積層状に湯を貯湯でき、給湯配
管口を貯湯タンクの上部から取り出す通常の配管構成に
おいて、貯湯湯温が高温（約６０〜８０℃）で確保でき
る。かつ貯湯タンク全量を使用し湯切れした場合におい
ても短時間で必要最小限の貯湯量の確保できる。従っ
て、タンク全量の水を一律に昇温させる場合に比べ、短
時間で利用可能温度の湯が得られる。 【００２４】また、燃料電池起動時には、流路切換手段
によって流路を排熱回収時と逆方向に切り換えることに
より、外部熱輸送媒体循環手段単体の輸送方向を変える
ことなく動作させ、貯湯タンクの上部から排熱回収配管
および熱交換手段を経由して、燃料電池を昇温できる。 【００２５】次に、動作、作用について説明する。熱電
併給装置の運転（発電）時には、流量調整弁１３を閉、
１４を開にして燃料電池の発電による熱を内部熱輸送媒
体（不凍液など）によりポンプ９を介して循環させ、熱
交換手段１２により外部熱輸送媒体に熱搬送させる。排
熱輸送制御手段１７は、内部の循環ポンプ２０により、
貯湯タンク１６の下部より吸い上げた外部熱輸送媒体
（市水）を熱交換手段（熱交換器）１２で熱交換させ、
貯湯タンク１６上部より積層状態で貯える。このとき、
排熱回収配管１５ａ，１５ｂの内部を流れる外部熱輸送
媒体の流路は、図２のＡの方向になるように流路切換弁
２１，２２を切り換える。 【００２６】熱電併給装置の起動時には、流量調整弁１
３を閉、１４を開にし、燃料電池の内部熱輸送媒体をポ
ンプ９を介して循環させ、かつ排熱輸送制御手段１７に
より運転（発電）時とは外部熱輸送媒体の循環方向を逆
転し（図２のＢ方向）媒体搬送させる。つまり、排熱輸
送制御手段１７は、内部の循環ポンプ２０により、貯湯
タンク１６の上部より、既に排熱回収された湯を排熱回
収時と逆方向に循環し熱交換手段１２で熱交換させる。
このとき、排熱回収配管１５ａ，１５ｂの内部を流れる
外部熱輸送媒体の流路は、図２のＢの方向になるように
流路切換弁２１，２２を切り換える。 【００２７】このとき、排熱輸送制御手段１７による外
部熱輸送媒体の循環流量は、熱交換器出口サーミスタ１
９により熱交換手段１２による熱交換後の外部熱輸送媒
体の温度が十分低くなるよう、つまり貯湯タンク１６へ
の戻り温度と貯湯タンク１６下部の流体（市水）温度と
の差によって、貯湯タンク１６内での対流が発生しない
流量に制御される。 【００２８】従って、本実施の形態では、発電時に熱交
換器入口サーミスタ１８によって、所定の貯湯温度（約
６０〜８０℃）になるように、排熱輸送制御手段１７の
運転（発電）時に貯湯タンク１６の上層部より積層状態
に貯えられた湯が、燃料電池起動時の排熱輸送制御手段
１７の逆方向運転によって下部冷水と対流混合すること
なく貯湯温度低下を起こすこともない。 【００２９】（実施の形態３）図３は、本発明の実施の
形態３の熱電併給装置のブロック構成図である。各構成
要素は、図１の発電装置のものと同じ機能のものには同
一符号を付与し、それらの構成および機能の詳細は、本
発明の実施の形態１および２に準ずる。 【００３０】図３において、燃料ガスと酸化剤ガスとを
用いて発電を行う高分子電解質型燃料電池１の下部に、
燃料電池の回収排熱を貯える熱利用手段１６（以下、貯
湯タンクとする）が配置され、燃料電池１と熱利用手段
１６と間に、双方を熱伝導結合する熱伝導手段（アルミ
シートなど）２５が挟まれている。 【００３１】さらに、燃料電池の排熱を外部熱輸送媒体
と熱交換する熱交換器などの熱交換手段１２が燃料電池
１の近傍に設置され、熱交換手段１２から排熱回収配管
１５ａ，１５ｂを介して排熱輸送制御手段（循環ポンプ
などにより構成されている）１７によって、貯湯タンク
１６に外部熱輸送媒体としての排熱水を貯えるように接
続されている。燃料電池１と熱交換手段１２と貯湯タン
ク１６と熱伝導手段２５とを断熱手段（ガラスウールな
ど）２６が内包するように取り付けている。 【００３２】また、冷却配管８、ポンプ９、放熱器１
０、熱交換手段１２、流量調整弁１３，１４などの内部
循環回路や、原料燃料を水蒸気改質して水素を主体とす
る改質ガスを生成する改質器３、改質ガスに含まれる一
酸化炭素を変成し、燃料ガスとして燃料電池１へ供給す
る一酸化炭素変成器４から構成される燃料処理装置２
は、図示していないが貯湯タンク１６の近傍に配置さ
れ、燃料電池１と接続されている。 【００３３】この構成により、燃料電池から回収した排
熱を貯える熱利用手段は、燃料電池と熱伝導手段によっ
て熱的に密に接合され、燃料電池の動作停止時に、熱利
用手段の伝熱と断熱手段により放熱ロスを大幅に低減
し、起動時の立ち上がり時間が短縮される。 【００３４】次に、動作、作用について説明する。熱電
併給装置の運転（発電）時には、燃料電池の発電による
熱を熱交換手段１２により外部熱輸送媒体（市水）に熱
搬送させる。貯湯タンクは、排熱輸送制御手段１７によ
り外部熱輸送媒体に熱交換された熱を排熱回収配管１５
ａ，１５ｂを介して排熱回収する。 【００３５】熱電併給装置の起動時には、排熱輸送制御
手段１７により運転（発電）時とは外部熱輸送媒体の循
環方向を逆転し搬送させる。従って、貯湯タンク１６に
運転時に貯えられた熱を排熱回収配管１５ａ，１５ｂお
よび熱交換手段１２を介して燃料電池１側に熱搬送する
ことにより燃料電池１の昇温を行う。 【００３６】燃料電池１から回収した排熱を貯える貯湯
タンク１６は、燃料電池１と熱伝導手段２５によって熱
的に密に接合され、燃料電池１の動作停止時であって
も、待機温度が貯湯タンク１６の上部からの貯湯熱水に
よる伝導熱によってさめにくく、起動時の立ち上がり時
間が極めて短縮される。 【００３７】また、燃料電池１と貯湯タンク１６とがそ
れぞれ別々に設置された場合に比べ、排熱回収配管を短
く装置内に収納でき、排熱回収配管１５ａ，１５ｂや燃
料電池１、貯湯タンク１６それぞれからの熱損失も低減
でき、排熱回収効率が向上する。また、燃料電池１と貯
湯タンク１６とを鉛直方向に積層する構成としているの
で、燃料電池１、貯湯タンク１６双方の設置面積を必要
としない。 【００３８】（実施の形態４）図４は、本発明の実施の
形態４の熱電併給装置のブロック構成図である。各構成
要素は、図１の発電装置のものと同じ機能のものには同
一符号を付与し、それらの構成および機能の詳細は、本
発明の実施の形態１、２、および３に準ずる。また、内
部循環回路や燃料処理装置２については、本発明の実施
の形態３と同様、図示していないが貯湯タンク１６の近
傍に配置され、燃料電池１と接続されている。 【００３９】貯湯タンク１６および燃料電池１は、外装
ケース２７によって外圧から圧搾されることなく、地表
面２８より所定深さに埋設されている。従って、熱容量
の大きい蓄熱性を有した土壌に周囲を囲まれるため、熱
電併給装置全体の放熱損失を大きく低減できる。 【００４０】なお、熱電併給装置のメンテナンス性を鑑
みて、貯湯タンク１６および燃料電池１を、メンテナン
ス時に、貯湯タンク１６下部のジャッキ機構（図示せ
ず）によって上昇させ、不具合診断を行えるように構成
し、かつ排熱輸送配管等もフレキシブル性を有するもの
にて接続すれば、営繕性の良い燃料電池装置となる。 【００４１】このように、本実施形態では、熱利用手段
としての貯湯タンクを地中埋設することにより、さらに
熱電併給装置としての占有設置面積、地上容積を低減で
き、かつ熱容量の大きい蓄熱性を有した土壌に周囲を囲
まれるため熱電併給装置全体の放熱損失を低減できる。 【００４２】動作、作用については、本発明の実施の形
態３と同様である。 【００４３】 【発明の効果】本発明は、排熱回収装置としての熱利用
手段に貯えた排熱の一部を燃料電池の起動時に利用する
ことにより、速やかな昇温起動と起動後の安定した温度
での燃料電池の運転を確保することができる、排熱回収
効率が向上した、簡単かつ合理的な構成の熱電併給装置
を提供する。本発明の熱電併給装置は、一酸化炭素被毒
による燃料電池の性能劣化を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の熱電併給装置のブロッ
ク構成図 【図２】本発明の実施の形態２の熱電併給装置のブロッ
ク構成図 【図３】本発明の実施の形態３の熱電併給装置のブロッ
ク構成図 【図４】本発明の実施の形態４の熱電併給装置のブロッ
ク構成図 【図５】従来の高分子電解質型燃料電池を用いた発電装
置を示す構成図 【符号の説明】 １ 燃料電池 ２ 燃料処理装置 ３ 改質器 ４ 一酸化炭素変成器 ５ 燃料側加湿器 ６ 空気供給装置 ７ 酸化側加湿器 ８ 内部循環回路 ９ 内部循環手段 １０ 放熱器 １２ 熱交換手段 １３，１４ 流量調整弁 １５ａ，１５ｂ 排熱回収配管 １６ 熱利用手段 １７ 排熱輸送制御手段 ２０ 外部熱輸送媒体循環手段 ２１，２２ 流路切換手段 ２５ 熱伝導手段 ２６ 断熱手段
ク構成図 【図２】本発明の実施の形態２の熱電併給装置のブロッ
ク構成図 【図３】本発明の実施の形態３の熱電併給装置のブロッ
ク構成図 【図４】本発明の実施の形態４の熱電併給装置のブロッ
ク構成図 【図５】従来の高分子電解質型燃料電池を用いた発電装
置を示す構成図 【符号の説明】 １ 燃料電池 ２ 燃料処理装置 ３ 改質器 ４ 一酸化炭素変成器 ５ 燃料側加湿器 ６ 空気供給装置 ７ 酸化側加湿器 ８ 内部循環回路 ９ 内部循環手段 １０ 放熱器 １２ 熱交換手段 １３，１４ 流量調整弁 １５ａ，１５ｂ 排熱回収配管 １６ 熱利用手段 １７ 排熱輸送制御手段 ２０ 外部熱輸送媒体循環手段 ２１，２２ 流路切換手段 ２５ 熱伝導手段 ２６ 断熱手段
フロントページの続き
(72)発明者 上田 哲也
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
(72)発明者 中山 達雄
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
Ｆターム(参考） 5H026 AA06
5H027 AA06 BA01 BA17 CC06 DD06
MM16
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を
行う燃料電池と、前記燃料電池へ内部熱輸送媒体を循環
させる内部循環回路と、前記内部熱輸送媒体を循環させ
る内部循環手段と、前記内部熱輸送媒体の熱を外部熱輸
送媒体と熱交換する熱交換手段と、前記熱交換手段によ
って外部熱輸送媒体に回収された燃料電池の排熱を貯え
る熱利用手段と、前記外部熱輸送媒体が流れる排熱回収
配管と、前記排熱回収配管の経路中に外部熱輸送媒体循
環手段と、前記排熱回収配管の経路中に前記外部熱輸送
媒体の流路を切り換える流路切換手段と、排熱輸送制御
手段とを有する熱電併給装置であって、前記燃料電池の
起動時に、前記排熱輸送制御手段が、前記流路切換手段
により前記外部熱輸送媒体の流路を排熱回収時と逆方向
に切り換え、かつ前記内部循環手段および前記外部熱輸
送媒体循環手段により前記内部熱輸送媒体および外部熱
輸送媒体をそれぞれ循環させることで、前記熱利用手段
に貯えられた排熱を前記燃料電池に輸送する熱電併給装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002366579A JP2003223915A (ja) | 2002-12-18 | 2002-12-18 | 燃料電池コージェネレーションシステム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002366579A JP2003223915A (ja) | 2002-12-18 | 2002-12-18 | 燃料電池コージェネレーションシステム |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000222268A Division JP3395765B2 (ja) | 2000-07-24 | 2000-07-24 | 高分子電解質型燃料電池コージェネレーションシステム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
ID=27751507
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002366579A Pending JP2003223915A (ja) | 2002-12-18 | 2002-12-18 | 燃料電池コージェネレーションシステム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003223915A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005302627A (ja) * | 2004-04-15 | 2005-10-27 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池コージェネレーションシステム |
| WO2006057223A1 (ja) * | 2004-11-25 | 2006-06-01 | Aisin Seiki Kabushiki Kaisha | 燃料電池システム |
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-
2002
- 2002-12-18 JP JP2002366579A patent/JP2003223915A/ja active Pending
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