JP2004053137A

JP2004053137A - コージェネレーション・システム

Info

Publication number: JP2004053137A
Application number: JP2002211318A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Ogasawara; 小笠原　正博
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】コージェネレーション装置の排熱の効率的活用を図る。
【解決手段】コージェネレーション装置１０の排熱を利用して媒体を加熱／冷却し、加熱／冷却された媒体を、屋内空間を画成するパネル７０に埋設された配管７２内を通過させ、前記配管７２に介装され室内に露呈する流体コンセント７６に連結された室内設置の暖房／冷房装置を介して、暖房／冷房を行うようにした。
【選択図】　　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムその他のコージェネレーション・システムに関し、特に燃料電池システムその他のコージェネレーション・システムの排熱利用システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、周知のように、次のような特徴を備えているので、家庭用の小型コージェネレーション・システムとして有望とされている。
【０００３】
（１）発電効率が高く、高電流密度が得られる。したがって、省エネルギー性に優れ、小型・軽量化が可能。
【０００４】
（２）電解質が固体（高分子膜）なので、メンテナンスが容易。
【０００５】
（３）作動温度が低いので、起動時間が早い。
【０００６】
（４）構造が簡単で耐食性構造が不要なので、製造コストを低くできる。
【０００７】
しかして燃料電池が家庭用の小型コージェネレーション・システムとして普及するためには、コストの点を捨象すれば、その設置場所の確保が問題となる。マンションその他の集合住宅の場合は、鉄筋・鉄骨構造であるので、屋上設置が可能で、問題は殆どないが、建蔽率が高い土地上の一戸建て住宅に燃料電池システムを設置する場合、日常生活に邪魔にならないような設置形態が要請される。
【０００８】
かような問題に対処するために、特開２００１−６８１２４号公報は、庭の利用面積が縮減されないような、家屋の床下に設置した燃料電池システムを提供する。そして、この燃料電池システムの排熱は、水と直接熱交換するようになっており、かようにして得られた温水は、給湯に供されるようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した燃料電池システムにおいては、この燃料電池システムが作動していない限り、湯が使えないという不具合がある。また、燃料電池システムが作動している間、給湯を必要としない場合、排熱の有効活用がなされず、コージェネレーション・システムとしての価値が活かされないという不具合もある。
【００１０】
それ故に、本発明は、上記した不具合がない、コージェネレーション・システムを提供することを、その技術的課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するために請求項１において講じた第１の技術的手段は、コージェネレーション装置の排熱を利用して媒体を加熱／冷却し、加熱／冷却された媒体を、屋内空間を画成するパネルに埋設された配管内を通過させ、前記配管に介装され室内に露呈する流体コンセントに連結された室内設置の暖房／冷房装置を介して、暖房／冷房を行うようにした、コージェネレーション・システムを構成したことである。
【００１２】
かような構成を採用することにより、コージェネレーション装置の排熱を、常時、冷暖房に供することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に依拠して、本発明にかかるコージェネレーション・システムの実施形態について説明する。
【００１４】
図１において、コージェネレーション装置１０は、家屋９０の厨房９６の床９２の下方空間９４に収容される。
【００１５】
図２に詳細に示すように、コージェネレーション装置１０は、改質部２０及び燃料電池１１を備えている。燃料電池１１は、触媒電極である空気極（カソード）１２と、同じく触媒電極である燃料極（アノード）１３とを備えて、固体高分子電解質型に構成されている。空気極１２には、空気供給通路１４を介して空気ブロア１５が接続されている。この空気ブロア１５は、回転数の変更により空気供給量を可変に構成されている。一方、燃料極１３には、改質ガス供給通路１６を介して改質部２０が接続されている。
【００１６】
改質部２０は、燃料改質器２１、ＣＯ変成器２２及びＣＯ選択酸化器２３を順に接続して構成されている。この改質部２０は、ＣＯ選択酸化器２３側で燃料電池１１の燃料極１３に接続される。また、改質部２０の燃料改質器２１側には、原料ガス供給通路１８を介して原燃料源（都市ガス）１７が接続されている。燃料改質器２１には、上記空気供給通路１４から分岐した分岐通路１９が接続されている。この分岐通路１９は、燃料改質器２１に対して、部分酸化反応用の空気を供給するためのものである。一方、ＣＯ変成器２２には、水蒸気供給源（図示省略）が接続されている。この水蒸気供給源は、ＣＯ変成器２２に対して、水性ガスシフト反応用の水蒸気を供給するためのものである。
【００１７】
燃料改質器２１には、周知のように、部分酸化反応に活性を呈する触媒（Ｒｈ又はＲｕをＡｌ_２Ｏ_３に担持させてなる触媒）が充填されている。また、ＣＯ変成器２２には、水性ガスシフト反応に活性を呈する触媒（ＰｔをＡｌ_２Ｏ_３に担持させてなる触媒）が充填されている。更に、ＣＯ選択酸化器２３にはＣＯの選択酸化反応に活性を呈する触媒（Ｒｕ又はＰｔをＡｌ_２Ｏ_３又はゼオライトに担持させてなる触媒）が充填されている。
【００１８】
燃料改質器２１では、触媒上において原燃料の部分酸化反応が起こり、水素とＣＯとが生成する。燃料改質器２１を出た改質ガスは、ＣＯ変成器２２へ送られる。ＣＯ変成器２２では、触媒上において水性ガスシフト反応が起こり、改質ガスのＣＯ濃度が低下する。ＣＯ変成器２２を出た改質ガスは、ＣＯ選択酸化器２３へ送られる。ＣＯ選択酸化器２３では、触媒上においてＣＯの選択酸化反応が起こり、改質ガスのＣＯ濃度がさらに低下する。ＣＯ選択酸化反応器を出た改質ガスは、燃料電池１１の燃料極１３に導入される。
【００１９】
燃料改質器２１には、また、周知のように、起動用の電気ヒータ（図示省略）が設けられている。即ち、起動時には燃料改質器２１の温度が低いため、電気ヒータへの通電によって、触媒が活性を呈する温度（例えば摂氏４６０度程度）まで加熱される。起動後は、電気ヒータへの通電を停止する。燃料改質器２１における部分酸化反応は発熱反応であるため、起動後において外部からの熱供給は不要である。
【００２０】
燃料電池１１には、空気供給通路１４を通じて空気極１２へ空気が導入され、改質ガス供給通路１６を通じて燃料極１３へ改質ガスが導入される。燃料電池１１では、燃料極１３の電極表面で下記（１）の反応が、空気極１２の電極表面で下記（２）の反応が、夫々、惹起される。
【００２１】
（１）２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻、
（２）Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ
この電池反応によって、燃料電池１１から直流電力が出力される。また、燃料電池１１には、可変抵抗による電圧調節器２７介してインバータ２８が接続され、このインバータ２８に電力負荷２９が接続されている。そして、燃料電池１１からの直流電力は、所定電圧で所定周波数の交流電力に変換されて電力付加へ供給される。尚、燃料電池１１における空気極１２及び燃料極１３の各排気口は、大気開放されている。
【００２２】
コージェネレーション装置１０には、閉回路に構成されて水が循環する熱回収回路３０が設けられている。この熱回収回路３０は、燃料電池１１及び改質部２０の廃熱を回収して温水を生成するためのものである。熱回収回路３０は、貯湯タンク３１と、ポンプ３２と、第１熱回収部３３と、第２熱回収部３４とを順に配管接続して構成されている。第１熱回収部３３は、燃料電池１１に設けられており、熱回収回路３０で循環する水を燃料電池１１の廃熱によって加熱する。第２熱回収部３４は、改質部２０に設けられており、熱回収回路３０で循環する水を改質部２０の燃料改質器２１、ＣＯ変成器２２及びＣＯ選択酸化器２３の廃熱によって加熱する。つまり、熱回収回路３０を循環する水は、第１熱回収部３３及び第２熱回収部３４を順に流れて次第に加熱され、例えば摂氏８０度程度の温水となって貯湯タンク３１に蓄えられる。
【００２３】
熱回収回路３０の一部をなす配管３０Ａは、厨房９６の床９２の床暖房装置として使用される。すなわち、図２に模式的に示すように、配管３０Ａは、所定の幅の内部で九十九折形状をなしており、床９２を構成するパネル９２Ａの内部に埋設されている。配管３０Ａは、熱回収回路３０に対して、電磁弁９８・９８を介して並列的に設けられており、この電磁弁９８・９８の作動位置に応じて、湯が配管３０Ａを通過して床９２の暖房を行うか否かが選択される。
【００２４】
貯湯タンク３１は、下記の機器に接続されている。
【００２５】
（１）厨房内の食器洗い乾燥機、混合水栓
（２）浴室内の給湯装置、乾燥装置及び床暖房装置
（３）トイレの床暖房装置
（４）室内配置の暖房装置
貯湯タンク３１は、常時、水道管（図示略）と直結されており、いずれか一つの機器がオンされると、湯が水道圧により勢い良く押し出されるようになっている。また、貯湯タンク３１と各種機器との接続は、周知の配管によってなされる。
【００２６】
上記したように排熱で生成された湯は、給湯・暖房の他、冷房にも使用される。すなわち、図３に示すように、湯が循環する閉回路３０には、電磁弁１００が介装された閉回路１０２と並列に連結されており、この閉回路１０２は、ケース１１０内に収容された一方の水素吸蔵金属１１２の一方側と熱連結されている。しかして、水素吸蔵金属１１２の他方側は、電磁弁１１６が介装され且つ冷却水が循環する閉回路１１８と熱連結されている。ケース１１０内には、また、水素吸蔵金属１１２と対向する態様で、水素吸蔵金属１２０が収容されており、水素吸蔵金属１２０は、電磁弁１２２が介装され且つ冷媒が循環する閉回路１２４と熱連結されている。
【００２７】
電磁弁１００が開かれて電磁弁１１６が閉じられていると、閉回路１０２を循環する湯が、水素を吸着している水素吸蔵金属１１２を加熱する。この加熱により、水素吸蔵金属１１２から水素が放出される。しかして、水素吸蔵金属１１２を加熱することにより、水素吸蔵金属１１２側の圧力が水素吸蔵金属１２０側の圧力よりも高くなっているので、水素吸蔵金属１１２から放出された水素は、水素吸蔵金属１２０側へ移動する。水素の水素吸蔵金属１２０側へ移動の完了時点で、電磁弁１００が閉じられると同時に電磁弁１１６が開かれると、水素吸蔵金属１１２が冷却され、水素吸蔵金属１１２側の圧力が水素吸蔵金属１２０側の圧力よりも低くなり、水素が水素吸蔵金属１１２側に移動する。しかして、水素が水素吸蔵金属１２０から水素吸蔵金属１１２側に移動する際に、水素吸蔵金属１２０は周囲から熱を吸収するため、水素吸蔵金属１２０と熱接触している閉回路１２４を循環する冷媒は冷却され、ここから、冷熱が取り出される。
【００２８】
図３に模式的に示すように、閉回路１２４の一部をなす配管１２４Ａをパネル１３０内に埋設しておけば、このパネル１３０は冷房パネルないしは吸熱パネルとして用いることができ、冷風を噴出す室内機を設置することに伴う室内装飾美を損ねたりせず、また、送風を伴わない冷房を行うことができる。このパネル１３０を、天井パネルとして採用した場合、輻射で冷却された空気が、自重で室内に落下し、効率的冷房を行うことができる。冷房の一時的中止は電磁弁１２２を閉じて冷媒の循環を停止すれば良い。
【００２９】
図４にプレ配管パネル７０を示す。このプレ配管パネル７０内には、温水が供給されたとき当該温水を取り出せるように温水コンセント７６付きの配管７２が埋設されている。配管７２の両端部７２Ａ・７２Ｂが、パネル７０の上端面から、夫々、所定の長さだけ突出している。これにより、パネル７０が壁面として施工されて家屋に一体化された後でも、天井側から、所望に応じて配管に接続を行い、温水取り出しを、可能とすることができる。
【００３０】
図５に、輻射パネル８０を示す。この輻射パネル８０内には、配管８２が埋設されている。配管８２の両端部８２Ａ・８２Ｂが、パネル８０の上端面から、夫々、所定の長さだけ突出している。配管８２の端部８２Ａには閉回路３０から湯が供給され、この湯は、パネル８０内をジグザグに移動して、端部８２Ｂから閉回路３０に流入する。つまり配管８２は閉回路３０に並列接続されており、湯がパネル８０内において配管８２を通過する間、パネル８０が加熱され、パネル８０からの輻射熱が室内の暖房を行う（パネルヒータ）。配管８２の両端部８２Ａ・８２Ｂが、パネル８０の上端面から、夫々、所定の長さだけ突出しているので、パネル８０が壁面として施工されて家屋に一体化された後でも、天井側から、所望に応じて配管に接続を行い、輻射暖房を可能とすることができる。パネル８０の素材は、放熱性の良いものを使うことはもちろんである。
【００３１】
尚、図５に示すパネル８０に埋設された配管２には、湯に代えて冷媒を通過させて、パネル８０をして輻射冷房せしめても良いし、図４に示す配管及び図５に示す配管を、共通のパネルに埋設しても良いことは、勿論である。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたことから明らかなように、本発明によれば、排熱をいつでも冷暖房に供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の主要部をなすコージェネレーション装置の設置態様を示す概略図である。
【図２】本発明のコージェネレーション・システムのブロック図である。
【図３】本発明のコージェネレーション・システムの冷房サブシステムの斜視図である。
【図４】本発明のコージェネレーション・システムに使用されるパネルの斜視図である。
【図５】本発明のコージェネレーション・システムに使用される他のパネルの斜視図である。
【符号の説明】
１０・・・コージェネレーション装置
７０・・・パネル
７２・・・配管
７６・・・温水コンセント（流体コンセント）

Claims

コージェネレーション装置の排熱を利用して媒体を加熱／冷却し、加熱／冷却された媒体を、屋内空間を画成するパネルに埋設された配管内を通過させ、前記配管に介装され室内に露呈する流体コンセントに連結された室内設置の暖房／冷房装置を介して、暖房／冷房を行うようにした、コージェネレーション・システム。