JP2004103336A

JP2004103336A - 燃料電池システムおよび融雪装置

Info

Publication number: JP2004103336A
Application number: JP2002261880A
Authority: JP
Inventors: Yasukazu Saito; 齋藤　泰和; Hiroaki Nagata; 永田　寛明
Original assignee: Tokyo University of Science
Current assignee: Tokyo University of Science
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】安全性、環境性、およびエネルギー効率に優れ、高温（約９０℃）の温水を供給することができる燃料電池システム並びにこれを利用した融雪装置を提供する。
【解決手段】水素を燃料とし発電する燃料電池５２と、炭化水素系燃料の脱水素反応によって水素を生成し燃料電池５２に水素を供給する水素生成装置１０と、冷却水を還流させて燃料電池５２を冷却する第１の冷却手段である冷水冷却管７２と、燃料電池５２の冷却に用いた冷却水（温水）を還流させて水素生成装置１０中の脱水素反応器２２を冷却する第２の冷却手段である還流冷却部２４と、を備えて構成される燃料電池システムおよびこれを利用した融雪装置。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の発電により得られる電気と燃料電池の発電に伴うシステムの発熱とを利用し、外部装置に電気および温水を供給する燃料電池システムおよびそれを利用した融雪装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）等の燃料電池は、水素と空気中の酸素との化学反応によって発電する。燃料電池は、発電に伴う廃棄物が水（Ｈ_２Ｏ）のみであり、環境性に優れるため、次世代電力供給源の一つとなっている。また、発電に伴って発生する熱は給湯や冷暖房として利用しやすく、それによってエネルギー全体の利用効率を高めることができる。
【０００３】
また、降雪地帯では、家屋の倒壊等を防ぐために家屋の屋根等に積もった雪を除雪、融雪作業等を行う必要がある。近年、これら除雪、融雪作業は機械的に行われることが多くなっている。
【０００４】
融雪装置としては、燃料電池システムを用い、燃料電池システムの発電に伴う発熱を利用して温水を貯え、温水を融雪に利用し、さらに、余剰電気を照明や空調機等に供給し、余剰温水を給湯や暖房等に供給することができるものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２６２８６８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記融雪装置における燃料電池システムの冷却で得られる温水は約６０℃程度であるため、より高温の温水を得ようとした場合にはさらにヒータ等を用いて加熱する必要がある。通常のシャワー等の給湯に使用する場合は問題がないが、例えば、風呂の追い炊き等のように、更に高温の温水（約９０℃）を使用したい場合には、より高いエネルギーが必要となる。
【０００７】
また、上記融雪装置は熱の利用範囲が狭いだけでなく、融雪作業に加えて給湯や家庭内暖房の温水を用いるとあるが、温水の温度が低いため電熱速度と熱付加容量とに見合わず、温水の温度水準を高く設定するためには大きなエネルギーを消費してしまう。
【０００８】
さらに、上記融雪装置は、屋根にヒータを設置し、モータで駆動する融雪板を利用するため、融雪作業に関し、燃料電池で発電させた電気に対する依存性が高い。このため、さらに燃料電池で発電させた電気を他の外部装置に供給しようとしても、その電気量には限界があり、十分な量の電気を供給できない。
【０００９】
さらに、上記融雪装置は、水素供給源として、在来技術であるプロパンガスや都市ガスの改質、または水素ボンベや水素吸着合金を採用している。しかし、プロパンガスボンベや水素ボンベは爆発の危険性があるため法規上室内に設置することができず、また、取り扱いにも注意を要する。さらに、プロパンガスや都市ガスの改質には７００℃近い高温の保持と、有害で触媒毒にもなる一酸化炭素の低減処理が必須となる。水素吸蔵合金は質量密度が小さく高価であるとともに、水素の出し入れを繰り返すと合金が微粉末化し、長期間の使用に耐えられないといった問題もある。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、安全性、環境性、およびエネルギー効率に優れ、高温（約９０℃）の温水を供給することができる燃料電池システム、並びにこれを利用した融雪装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明である燃料電池システムは、水素を燃料とし発電する燃料電池と、炭化水素系燃料の脱水素反応によって水素を生成し前記燃料電池に生成した水素を供給する水素生成装置と、冷却水を還流させて前記燃料電池を冷却する第１の冷却手段と、前記第１の冷却手段において前記燃料電池の冷却に用いた前記冷却水を還流させて前記水素生成装置を冷却する第２の冷却手段と、を備えて構成される。
【００１２】
本発明の燃料電池システムは、上記燃料電池を冷却した冷却水を用いて上記水素生成装置を冷却する（内部還流・凝縮分離用冷却源とする）ため、前記冷却水が水素と酸素との化学反応の発熱を伴う燃料電池と熱交換した後、さらに炭化水素系燃料の脱水素反応に必要な熱を伴う水素生成装置と熱交換させることができる。これにより、他のエネルギー手段を用いることなく、内部還流のみで冷却水を高温に加熱することができ、外部装置に電力を供給するとともに、高い温度の温水を外部に供給することができる。また、本発明の水素生成装置は、燃料電池に供給するための水素を、炭化水素系燃料の脱水素反応によって得ることができる。
【００１３】
尚、本明細書中において、炭化水素系燃料とは、脱水素反応により水素を発生し得る化合物を含む燃料であり、脂環式炭化水素、脂肪族炭化水素等を含む燃料が含まれる。脂環式炭化水素には、例えば、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン、１，３，５−トリメチルシクロヘキサン等の単環式化合物、デカリン、メチルデカリン、テトラリン（テトラヒドロナフタレン）等の二環式化合物、テトラデカヒドロアントラセン等の三環式化合物、等が含まれる。脂肪族炭化水素には、２−プロパノ−ル、メタノール、エタノール等が含まれる。
【００１４】
本発明では、常温では殆ど蒸気圧がゼロ（沸点が２００℃近傍）で取り扱い易く、また、脱水素反応の際に一酸化炭素等を発生しないことから、上記炭化水素系燃料としてデカリン（デカヒドロナフタレン）およびテトラリンの少なくとも一方を主成分とする燃料を用いるのがよい。また、デカリンおよびテトラリンの脱水素反応によって生成する副生成物であるナフタレンは、水素化により容易にデカリンまたはナフタレンに再生することができる。このため、脱水素反応によって生成したナフタレンを回収し、これを、水力、風力、地熱といった自然エネルギーによる水電解水素や、石炭乾留、石油精製プロセスにおける副生成水素等の余剰水素などを用いて水素化し、デカリンまたはナフタレンに再生することで、資源のリサイクルを図ることもできる。
【００１５】
上記デカリン（またはテトラリン）を主成分とする燃料はナフタレン油を水素化することによって得ることができる。ここで「ナフタレン油」とは、メチルナフタレン類、キシレン類などを用いてナフタレンを溶解したものをいう。
【００１６】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池としては固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ／ＰＥＭＣ）を用いることができる。前記固体高分子燃料電池は発電時の温度が８０〜１００℃であるため燃料電池システムに高い耐熱性を必要とせず、小型化が可能であり安全性が高いため、家屋内または家屋に隣接して設置することができる。
【００１７】
さらに、本発明の燃料電池システムは、上記第２の冷却手段において前記水素生成装置の冷却に用いた前記冷却水を家屋用機器に供給するように構成することができ、燃料電池システムの発電に伴う廃熱を家庭用機器に用いる温水として利用することができる。上記家屋用機器としては、例えば、ガス給湯システム（浴槽用温水、シャワー、給湯器等）、暖房機器（床下暖房等）など温水を用いるものが挙げられる。
【００１８】
また、第２の本発明である融雪装置は、水素を燃料とし発電する燃料電池と、炭化水素系燃料の脱水素反応によって水素を生成し前記燃料電池に生成した水素を供給する水素生成装置と、冷却水を還流させて前記燃料電池を冷却する第１の冷却手段と、第１の冷却手段において前記燃料電池の冷却に用いた前記冷却水を還流させて前記水素生成装置を冷却する第２の冷却手段と、前記第２の手段において前記水素生成装置の冷却に用いた前記冷却水を用いて融雪する融雪手段と、を備えて構成される。
【００１９】
本発明の融雪装置によれば、上述した本発明の燃料電池システムによって得られる作用に加えて、上記燃料電池を冷却した後に上記水素生成装置を冷却し、熱交換によって昇温された温水を用いて融雪するため、融雪作業に関し燃料電池システムで発生させる電気に対する依存が少ない。このため、燃料電池システムで発生させた電気の大半を外部装置に供給することができる。
【００２０】
また、融雪手段に用いる温水（冷却水）の温度は高いため、例えば、床下暖房等に利用した後に融雪手段に送水して用いることができ、さらに装置全体のエネルギー効率を高めることができる。
【００２１】
さらに、前記融雪手段は、燃料電池システムの内部還流によって昇温された冷却水を、例えば家屋の屋根上に流すことによって融雪することができる。この際、本発明の融雪装置は、前記融雪手段による融雪によって生じた水（雪解け水）を回収し、前記第１の冷却手段に供給するように構成してもよい。融雪手段によって流出された水を回収することで、水の循環によるコストおよび資源の低減を図ることができる。尚、本発明の融雪装置は、融雪によって生じた水のみならず雨水等を回収し、利用してもよい。
【００２２】
また、上記融雪手段は、玄関前や駐車場前等の積雪を溶かすために昇温された冷却水を用いてもよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、第１の実施の形態に係る本発明の燃料電池システムについて図１を用いて説明する。図１は、本発明の燃料電池システムを示す概略図である。図１において本発明の燃料電池システムは、デカリンを主成分とする燃料（以下、単に「デカリン」という場合がある。）とする水素生成装置１０と、純水素駆動型の固体高分子型の燃料電池５２を備える燃料電池装置５０と、から構成される。本発明の燃料電池システムは、燃料電池５２の発電に必要な水素を水素生成装置１０で生成し、燃料電池装置５０で発生させた電気を、送電線５４を介して図示を省略する外部装置に供給する。さらに、本発明の燃料電池システムは、水素生成装置１０および燃料電池装置５０の冷却に用いることによって得られた約９０℃の冷却水（熱水）を、熱水供給管１２を介して図示を省略する家屋用機器等に供給する。
【００２４】
図１において水素生成装置１０は、遠赤外線型ヒータ１４と、デカリン貯留タンク１６と、デカリン分散ノズル１８および層状の脱水素触媒２０を備えた脱水素反応器２２と、還流冷却部２４と、凝縮分離部２６と、で構成される。
【００２５】
遠赤外線型ヒータ１４は、脱水素触媒２０を加熱するために脱水素反応器２２に熱を供給する。遠赤外線型ヒータ１４は、燃料注入口２７と、燃料分散ノズル２８と、集熱網３２を備えた拡散触媒燃焼バーナ３０と、電熱板３４とから構成される。遠赤外線型ヒータ１４は、脱水素反応器２２に供給する熱を生成するために、まず、燃料注入口２７から注入された燃料を燃料分散ノズル２８から拡散触媒燃焼バーナ３０の触媒層に均等に分散供給する。なお、前記燃料は、空気を予混合せずに拡散触媒燃焼バーナ３０に供給される。
【００２６】
拡散触媒燃焼バーナ３０では、供給された燃料が前記触媒層と接触反応し、３５０〜４５０℃で無炎燃焼して完全酸化する。発熱した拡散触媒燃焼バーナ３０の触媒層からは遠赤外線放射が起こり、拡散触媒燃焼バーナ３０内の集熱網３２によって熱が集められる。集熱網３２によって集められた熱は、拡散触媒燃焼バーナ３０に接続された電熱板３４を介して、脱水素反応器２２に伝えられる。また、遠赤外線型ヒータ１４には空気を供給し、発生した熱を放射するための孔（図示省略）が例えばその側面に設けられている。上記孔には熱が外部に漏れるのを防止するためふたを設けることもできる。
【００２７】
遠赤外線型ヒータ１４の燃料としては、灯油等を用いることができる。また、拡散触媒燃焼バーナ３０は、燃料の総発熱量当たりの放射転換率が従来の赤外線バーナに比べて約２倍であり、その表面は単位面積当たりの熱負荷量に応じて３５０〜４５０℃の範囲の均一な温度面を形成でき、さらに、ＮＯｘの発生をほぼ完全に抑制できるため無公害であり、燃焼安定性が高く、屋外の使用にも耐えるという特徴を有する。また、放射赤外線は低温加熱物質に吸収されやすい。このため、本発明の燃料電池システムに拡散触媒燃焼バーナを用いることで、高い省エネルギー効果、触媒加熱スピードの向上を図ることができる。
【００２８】
図１において脱水素反応器２２は、デカリン貯留タンク１６に備えられたデカリン注入制御装置３６に一端が接続されたデカリン分散ノズル１８と、層状の脱水素触媒２０とを備える。脱水素触媒２０は、遠赤外線型ヒータ１４の電熱板３４に接続された触媒加熱板３８によって加熱（例えば、約２００〜３００℃）される。デカリン分散ノズル１８は、デカリンを、加熱された脱水素触媒２０上で液膜状態となるように噴射または添加等によって供給する。脱水素触媒２０に供給されたデカリンは脱水素反応によって水素とナフタレンと未反応デカリンとを含む混合ガスを発生する。
【００２９】
ここで、「液膜状態」とは、脱水素触媒２０の表面がデカリンによって僅かに湿潤した状態であり、過熱（デカリンの沸点を越える温度での加熱）・液膜状態での脱水素反応のとき水素ガス生成量は最大になる。これは、デカリンの蒸発速度が、基質液量（デカリンの液量）が少ない程小さくなり、蒸発速度が小さくかつ高温の状態で脱水素反応させるため転化率が向上するからである。
【００３０】
すなわち、蒸発速度は液量・伝熱面積・加熱源と沸点との温度差の各々に比例するので、液体デカリンの量が少なければ蒸発速度が小さくなる。液体デカリンは、加熱された脱水素触媒上でも液膜状態で存在するので、脱水素触媒活性サイトは液相からのデカリンの速やかな吸着により充分に高い被覆度で常時補填される。すなわち、脱水素触媒２０表面上においてデカリンを液膜状態で脱水素反応させることで、脱水素触媒２０表面上においてデカリンを気体で反応させるよりも優れた反応性が得られる。液膜状態でデカリンを脱水素反応させると、デカリンに含まれる、またはデカリンの脱水素反応によって発生するナフタレン由来の反応阻害は、混濁状態で脱水素反応させた場合よりも遙かに小さい。
【００３１】
脱水素触媒２０としては、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｉｒ、Ｐｔ−Ｒｅ、Ｐｔ−Ｗ等の貴金属系の金属を用いた炭素担持Ｐｔ触媒、炭素担持Ｐｔ−Ｉｒ複合金属触媒、炭素担持Ｐｔ−Ｒｅ複合金属触媒、または炭素担持Ｐｔ−Ｗ複合金属触媒を使用することができる。さらには、６〜９族元素のいずれかがＮｉが担持された活性炭担体粒子若しくはＮｉ粒子の近傍または表面に担持された、或いは、Ｎｉと６〜９族元素のいずれかとが固溶または合金化された触媒も用いることができる。ここで、「固溶または合金化された」とは、Ｎｉ金属結晶に対して他の金属原子の全てまたは一部が、規則的若しくは不規則に短距離または長距離秩序を持って配置され、その結果、Ｎｉと他の金属元素とが同じ粒子内部に存在する状態を意味する。
【００３２】
還流冷却部２４は、温水冷却管４０内に燃料電池を冷却した後の冷却水（約６０℃の温水）を流し、ある程度還流させて脱水素反応器２２内の混合ガスを冷却する。脱水素反応器２２によって発生した混合ガスを還流冷却部２４によって冷却すると、未反応デカリン等の凝縮成分が凝縮して水素と気相ナフタレンとから分離し、再度脱水素触媒２０上に供給される。この際、混合ガスは、還流冷却部２４によって例えば、約９０〜２１０℃に冷却される。なお、本実施の形態においては、還流冷却部２４は脱水素反応器２２の内部に設けられているが、混合ガスを冷却できる範囲で脱水素反応器２２の外部に設けてもよい。
【００３３】
また、還流冷却部２４において混合ガスの冷却に用いられ、冷却に伴う熱交換によって約９０℃にまで加温された冷却水（熱水）は、熱水送液ポンプ７６により熱水供給管１２を経て、家屋用機器等に供給される。
【００３４】
凝縮分離部２６は、冷水冷却管４４を備えており、水素流通制御器４２を介して脱水素反応器２２と連結されている。脱水素反応器２２から凝縮分離部２６に供給された水素と気相ナフタレンとの混合ガスは、冷水冷却管４４によって、例えば、約９０℃以下にまで冷却される。冷水冷却管４４には、冷水送液ポンプ７８によって送液された燃料電池装置５０を冷却する前の冷却水（冷水）が流通しており、前記冷却水をある程度還流させることによって凝縮分離部２６内の混合ガスを冷却する。
【００３５】
凝縮分離部２６内で混合ガスが冷却されると、凝縮性脱水素生成物が液化し、水素ガスとナフタレン油とに分離される。分離された水素ガスは、燃料電池装置５０に供給される。また、混合ガスから分離したナフタレン油は、凝縮分離部２６の流下方向に設置されたナフタレンタンク４６に貯められ、一定量が貯まったところでナフタレン排出口４８から排出される。排出されたナフタレン油は水素化反応によって再びデカリンまたはテトラリンとして再生させることができる。
【００３６】
燃料電池装置５０は、燃料電池５２と、送電線５４と、エアーコンプレッサー５６と、固体電解質膜加湿装置５８，６０と、冷水冷却管７２とから構成される。水素生成装置１０から燃料電池装置５０に供給された水素ガスは、水素ガス圧調整弁６２および固体電解質膜加湿装置５８を経て燃料電池５２に供給される。燃料電池５２は、さらに固体電解質膜加湿装置６０を備えた空気配管６３の一端と接続されている。空気配管６３の他端はエアーコンプレッサー５６と接続されており、エアーコンプレッサー５６によって外部から取り入れられた空気を燃料電池５２に供給する。
【００３７】
燃料電池５２は、水素ガスと空気とが供給されると、水の電気分解と反対の化学反応によって発電し、送電線５４に通じて外部装置に電気を供給する。本実施の形態においては燃料電池５２として固体高分子型燃料電池を用いる。固体高分子型燃料電池は、電解質にフッ素樹脂系イオン交換膜を使用した燃料電池である。
【００３８】
また、燃料電池５２は冷水冷却管７２によって冷却される。冷水冷却管７２には冷水送液ポンプ７８から送液される冷却水（冷水）が管内に流され、冷却水（冷水）をある程度還流させて燃料電池５２を冷却する。燃料電池５２の冷却に用いられ熱交換によって約６０℃にまで加温された冷却水（温水）は、水素生成装置１０に供給され、水素生成装置１０に備えられた温水送液ポンプ７４によって還流冷却部２４に送られる。
【００３９】
燃料電池５２の発電にともなって生成された水は、余剰水素ガスとともに水貯蔵タンク６４に送られ、一定量が貯まったところで純水排出管６６から排出される。また、水貯蔵タンク６４に送られた余剰水素ガスは、水素循環ポンプ６８によって水素配管７０から固体電解質膜加湿装置５８に送られ、再び燃料電池５２に供給される。
【００４０】
次に本発明の燃料電池システムにおける冷却水の内部還流について説明する。冷却水貯留タンク７９に貯留されている冷却水（冷水）は、冷水送液ポンプ７８によって燃料電池５２の冷水冷却管７２と、凝縮分離部２６の冷水冷却管４４と、に供給される。燃料電池５２および凝縮分離部２６の冷却に用いられた冷却水（冷水）は、冷却に伴う熱交換によって約６０℃にまで加温される。
【００４１】
約６０℃にまで加温された冷却水（温水）は、温水供給管８０または８２から温水送液ポンプ７４によって還流冷却部２４に送られる。還流冷却部２４において脱水素反応器２２の冷却に用いられた冷却水（温水）は、冷却に伴う熱交換によって約９０℃にまで加温される。その後、約９０℃にまで加温された冷却水（熱水）は、熱水送液ポンプ７６から熱水供給管１２を経て家屋用機器等の外部機器に供給される。
【００４２】
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態に係る本発明の融雪装置について図２を用いて説明する。図２は、本発明の融雪装置を示す概略図である。図２において本発明の融雪装置は、赤外線ヒータ兼用燃料電池システム１００と、冷却水貯留タンク１０２と、屋根上融雪装置１０４と、から構成されている。
【００４３】
赤外線ヒータ兼用燃料電池システム１００は、上述の拡散触媒燃焼バーナを利用した赤外線ヒータと本発明の燃料電池システムとを組み合わせたものであり、遠赤外線ヒータで屋内を暖める暖房機器として機能するとともに、その余熱を、脱水素反応触媒を加熱するための熱源とする。赤外線ヒータ兼用燃料電池システム１００は、脱水素反応器および燃料電池を備え、デカリンを水素供給源とし、発生した水素を燃料電池に供給して発電する。
【００４４】
赤外線ヒータ兼用燃料電池システム１００には、燃料電池の冷却のために冷却水貯留タンク１０２に貯留されている冷却水（冷水）が供給される。赤外線ヒータ兼用燃料電池システム１００内で燃料電池の冷却に用いられた冷却水は、さらに、脱水素反応器の冷却に用いられることで２度の熱交換の機会を得る。
【００４５】
赤外線ヒータ兼用燃料電池システム１００の内部還流で約９０℃にまで加温された冷却水（熱水）は、熱水供給配管１０６から熱水供給ポンプ１０８によって貯湯タンク１１０および熱水放射型の床下暖房１１２に送られる。尚、本実施の形態においては、熱水が熱水供給ポンプ１０８から貯湯タンク１１０に直接送液される態様であるが、熱水供給ポンプ１０８と貯湯タンク１１０との間に熱水放射型の室内暖房器を介在させ、さらに室内暖房に寄与するエネルギーの効率化を図ってもよい。
【００４６】
貯湯タンク１１０は、貯留した熱水の温度が低下しにくいように熱保存性に優れた素材で作製されており、さらに、キッチンの給湯器１１４および浴槽１１６に熱水を供給するための配管が接続されている。貯湯タンク１１０に貯留された熱水は、給湯器１１４および浴槽１１６に供給され、各用途に応じて利用に供される。
【００４７】
床下暖房１１２は、熱水の放射熱により家屋を床下から暖房する機器であり、床下に貼り巡られた配管内で熱水を流し、ある程度還流させて放射熱を得る。床下暖房１１２で用いられた熱水は、配管から排出される時にはやや温度が下がり約７５℃前後の温熱水となっている。床下暖房１１２から排出された温熱水は、温熱水送液ポンプ１２０によって温熱水供給管１２１を経て屋根上融雪装置１０４に供給される。
【００４８】
図２において屋根上融雪装置１０４は、幹管１２２と、これに接続される複数の枝管１２４と、から構成されている。幹管１２２および枝管１２４には一定間隔で排水孔が設けられており、屋根上の雪を溶かすために熱温水が流出するようになっている。幹管１２２および枝管１２４は、屋根につもった雪をまんべんなく溶かせるように、排水孔から流出し屋根上方から下方に向かって流れる熱温水が屋根全体にいきわたる配置で設けられる。図２においては、幹管１２２は屋根の上方に地面と略水平方向になるように設置されており、枝管１２４はその長手方向が屋根の傾斜方向に沿うかたちで設置されている。
【００４９】
屋根上融雪装置１０４は、幹管１２２および枝管１２４の排水孔から流出させた熱温水によって屋根上の積雪の底面を溶かす。屋根上の積雪の底面を熱温水によって溶すと、重力によって屋根の斜面に沿って落ちるため、積雪の全体または大部分を効率良く屋根下までずり落とすことができる。
【００５０】
融雪に用いられた温熱水および雪解け水は、屋根の縁（流下方向側）に設けられた雨樋１２６を伝い、流水管１２８を経て冷却水貯留タンク１０２に貯えられる。そして、冷却水貯留タンク１０２に貯えられた水は、濾過装置等によってゴミ等が除去され再び、赤外線ヒータ兼用燃料電池システム１００の冷却水として供給される。
【００５１】
また、赤外線ヒータ兼用燃料電池システム１００の発電によって得られた電気は、送電線１３０を介して分電盤１３２に供給され、分電盤１３２から、冷房機、パーソナルコンピュータ、照明、テレビおよび冷蔵庫等の外部装置１３４の各々に配電される。
【００５２】
本実施の形態において屋根上融雪装置１０４は、屋根上に直接温熱水を流して積雪を溶かす構成としたが、本発明の融雪装置において赤外線ヒータ兼用燃料電池システム１００で得られる熱水は高温のものであるため、屋根の内側に張り巡らせた流湯管に熱水または熱温水を流し、その放射熱で屋根上の積雪を溶かす態様とすることも可能である。
【００５３】
また、熱水給湯器や風呂等への熱水の供給や外部装置１３４への電力の供給を一年を通じて必要なものである。このため、本実施の形態における融雪装置は、春・夏・秋など暖房や融雪作業を必要としない時期には、赤外線ヒータ兼用燃料電池システム１００の触媒燃焼ヒータに例えば、耐熱性に優れ、熱線反射能の高いセラミック板でふたなどをして熱を漏らさぬように赤外線ヒータの機能を停止させ、さらに、熱水供給ポンプ１０８を切り替えて屋根上融雪装置１０４および床下暖房１１２への熱水の供給を停止させる。貯湯タンク１１０に貯えられた熱水は、給湯や厨房用途に使用される。このように、本発明の融雪装置は、暖房・融雪需要のない時期であっても、熱水および電力供給源として機能し、一年を通じて熱エネルギーと電気エネルギーとの効率化を図ることができる。
【００５４】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の燃料電池システムおよび融雪装置に転用可能なデカリン脱水素反応器について図３および４を用いて説明する。図３は、第３の実施の形態に係る脱水素反応器の概略的断面図である。また、図４は、第３の実施の形態に係る脱水素反応器の概略的平面図である。
【００５５】
本実施の形態において脱水素反応器２００は、図３に示すように脱水素反応部２０２と凝縮分離部２０４とで構成されており、供給されたデカリンを触媒上で脱水素反応させ、混合ガスから凝縮成分をデカリン／脱水素生成物（ナフタレン油）凝縮液（以下、単に「凝縮液」という場合がある。として分離し、水素ガスを排出する。
【００５６】
脱水素反応部２０２は、デカリン分散ノズル２０６と、触媒加熱板２０７，２０９と、純デカリン用触媒２０８と、凝縮液用触媒２１０と、温水冷却管２１２とから構成され、さらに、純デカリン用触媒２０８への上記凝縮液の滴下防止のために保護部材２１４が備えられている。
【００５７】
デカリン分散ノズル２０６には、一定間隔で複数のデカリン噴射孔が設けられており、純デカリン用触媒２０８上でデカリンが液膜状態になるように噴射する。デカリン分散ノズル２０６は、上方から見ると図４に示すように、Ｕ字と逆Ｕ字とが連続的に連結した形状をしており、純デカリン用触媒２０８の面積に対応して設置されている。また、デカリン分散ノズル２０６は図３に示すように脱水素反応器２００の底面に対して水平方向に２段構造となっており、上段のデカリン分散ノズル２０６の上には、保護部材２１４が備えられている。
【００５８】
純デカリン用触媒２０８は、純デカリンに対する転化率は大きいが、上記凝縮液に対する活性が低い触媒である。本実施の形態においては、純デカリン用触媒２０８は、その表面に上記凝縮液が滴下されないように保護部材２１４よって保護されている。
【００５９】
純デカリン用触媒２０８は、デカリン分散ノズル２０６と同様に２段構造を有している。上段の純デカリン用触媒２０８は、上段のデカリン分散ノズル２０６に対応して、下段のデカリン分散ノズル２０６の上に触媒加熱板２０７を介して備えられている。また、下段の純デカリン用触媒２０８は、下段のデカリン分散ノズル２０６に対応して、脱水素反応部２０２の底面側に設けられた触媒加熱板２０９上に備えられている。純デカリン用触媒２０８は、触媒加熱板２０７または２０９によって加熱されている。
【００６０】
凝縮液用触媒２１０は、純デカリンに対する転化率は純デカリン用触媒２０８の転化率と比較すると劣るが、上記凝縮液に対する活性が高い触媒である。凝縮液用触媒２１０は、図４に示すように、純デカリン用触媒２０８の周りを囲むように脱水素反応部２０２の底面側に設けられる。これは、温水冷却管２１２によって冷却された上記凝縮液が滴下する位置に対応させたものである。また、凝縮液用触媒２１０も、純デカリン用触媒２０８と同様に触媒加熱板２０９によって加熱されている。
【００６１】
温水冷却管２１２は、脱水素反応部２０２で発生した、水素と気相ナフタレンと未反応気相デカリンとからなる混合ガスを冷却し、未反応デカリンを上記凝縮液として凝縮液用触媒２１０上に滴下させる。上記凝縮液には、未反応デカリンのみならず、少量のナフタレン油も含まれている。
【００６２】
温水冷却管２１２には、燃料電池の冷却および後述する凝縮分離部２０４の冷却に用いられ約６０℃にまで加温された冷却水（温水）が供給され、前記温水を管内に流し、還流させることで脱水素反応部２０２内の混合ガスを冷却する。本実施の形態において温水冷却管２１２は、脱水素反応部２０２の内壁面に設置されている。
【００６３】
凝縮分離部２０４は、内壁に冷水冷却管２１６が備えられており、脱水素反応部２０２から供給された混合ガスを冷却し、混合ガスから水素ガスとナフタレンとを分離する。凝縮分離部２０４で分離された水素ガスは図示を省略する燃料電池に供給される。
【００６４】
冷水冷却管２１６は、図示を省略する冷水送液ポンプよって冷却水貯留タンクから送液された冷却水（冷水）が管内を流通しており、前記冷却水をある程度還流させることによって凝縮分離部２０４内の混合ガスを冷却する。凝縮分離部２０４において用いられた冷却水は、脱水素反応部２０２の温水冷却管２１２に送液される。また、凝縮分離部２０４で、水素ガスと分離されたナフタレン油は、凝縮分離部２０４に設けられたナフタレン排出口２１８から外部に排出される。
【００６５】
本実施の形態において、デカリン分散ノズル２０６から純デカリン用触媒２０８上にデカリンが噴射されると、脱水素反応によって水素とナフタレンとを含む混合ガスが発生する。この混合ガスは、凝縮分離部２０４に供給される際に温水冷却管２１２によって冷却され、未反応デカリンが除去される。上記凝縮液として除去された未反応デカリンは凝縮液用触媒２１０上で脱水素反応し、再び水素とナフタレンとを含む混合ガスを発生させる。
【００６６】
脱水素反応部２０２から凝縮分離部２０４に供給された混合ガスは、さらに冷水冷却管２１２によって冷却され、ナフタレンが除去されて水素ガスが分離される。分離した水素ガスは、凝縮分離部２０４の水素排出口２２０から排出され燃料電池の発電に利用される。また、混合ガスから除去されたナフタレン油はナフタレン排出口２１８から外部に排出される。
【００６７】
（第４の実施の形態）
次に、第１の実施の形態に示す本発明の燃料電池システムおよび第２の実施の形態における赤外線ヒータ兼用燃料電池システム１００に脱着可能な断熱蓋について図５を用いて説明する。上記断熱蓋を用いることで、燃料電池システムから発せられる熱が外部に漏れるのを防止することができる。
【００６８】
図５は、断熱蓋を備えた燃料電池システムを示す概略的断面図である。図５における燃料電池システムは、図１に示すものと同様のものであり、同一の部材には図１と同一符号を付す。
【００６９】
図５において、遠赤外線型ヒータ１４には空気を供給し熱を放射するための図示を省略する孔が設けられている側に断熱蓋２３０が備えられている。断熱蓋２３０は、セラミック板２２２と、はめ込み用ステンレス部２２４と、送風機２２６とから構成される。セラミック板２２２は、耐熱性が高く熱線反射能が高いセラミックを用いており、遠赤外線型ヒータから発生した熱が装置の外部に漏れないように熱を遮る機能を有する。セラミック板２２２は、赤外線型ヒータ１４の開口部を遮蔽するように設置される。
【００７０】
はめ込み用ステンレス部２２４は、遠赤外線ヒータ１４に断熱蓋２３０を嵌合させるための部材であり、セラミック板を保持している。また、送風機２２６は、ファンなどの送風手段を備え、断熱蓋２３０で覆われた遠赤外線ヒータ１４に空気を供給する役割を果たす。図５において送風機２２６は、上側に配置されたはめ込み用ステンレス部２２４の上部に設置されている。
【００７１】
上述のように、本実施の形態において、本発明の燃料電池システムおよび融雪装置は、燃料電池システム（水素発生装置）の放熱面に断熱蓋を取り付けることで、上述のように春・夏・秋など暖房や融雪の需要のない時期であっても、熱水および電力供給源として機能させ、熱が外部に漏れるのを防止し、一年を通じて熱エネルギーと電気エネルギーとの効率化を図ることができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、安全性、環境性、およびエネルギー効率に優れ、高温（約９０℃）の温水を供給することができる燃料電池システム、並びにこれを利用した融雪装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムを示す概略図である。
【図２】本発明の融雪装置を示す概略図である。
【図３】第３の実施の形態に係る脱水素反応器の概略的断面図である。
【図４】第３の実施の形態に係る脱水素反応器の概略的平面図である。
【図５】断熱蓋を備えた燃料電池システムを示す概略的断面図である。
【符号の説明】
１０　水素生成装置
１６　デカリン貯留タンク
２２，２００　脱水素反応器
２４　還流冷却部
２６，２０４　凝縮分離部
４０，２１２　温水冷却管
４４，２１６　冷水冷却管
５０　燃料電池装置
５２　燃料電池
５４，１３０　送電線
７２　冷水冷却管
７９，１０２　冷却水貯留タンク
１００　赤外線ヒータ兼用燃料電池システム
１０４　屋根上融雪装置
１１０　貯湯タンク
１１２　床下暖房
１１４　給湯器
１１６　浴槽
１３２　分電盤
１３４　外部装置
２０２　脱水素反応部

Claims

水素を燃料とし発電する燃料電池と、
炭化水素系燃料の脱水素反応によって水素を生成し前記燃料電池に生成した水素を供給する水素生成装置と、
冷却水を還流させて前記燃料電池を冷却する第１の冷却手段と、
前記第１の冷却手段において前記燃料電池の冷却に用いた前記冷却水を還流させて前記水素生成装置を冷却する第２の冷却手段と、
を備えた燃料電池システム。
前記炭化水素系燃料が、デカリンおよびテトラリンの少なくとも一方である請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池が、固体高分子型燃料電池である請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記第２の冷却手段において前記水素生成装置の冷却に用いた前記冷却水を家屋用機器に供給するようにした請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
水素を燃料とし発電する燃料電池と、
炭化水素系燃料の脱水素反応によって水素を生成し前記燃料電池に生成した水素を供給する水素生成装置と、
冷却水を還流させて前記燃料電池を冷却する第１の冷却手段と、
第１の冷却手段において前記燃料電池の冷却に用いた前記冷却水を還流させて前記水素生成装置を冷却する第２の冷却手段と、
前記第２の手段において前記水素生成装置の冷却に用いた前記冷却水を用いて融雪する融雪手段と、
を備えた融雪装置。
前記融雪手段による融雪によって生じた水を回収し、前記第１の冷却手段に供給するようにした請求項５に記載の融雪装置。