JP2006164962A - 燃料電池を用いたコージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料利用効率の向上を十分に図ることのできる燃料電池を用いたコージェネレーションシステムを提供することを課題とする。
【解決手段】本発明に係るシステムは、可燃性燃料及び酸化剤ガスが供給されて燃焼が行われるガス燃焼装置３１を有する燃焼室３と、ガス燃焼装置３１での燃焼によって排出された炭化水素系ガスを含む燃焼生成物が供給されることにより発電する燃料電池を有する発電部１とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電する燃料電池を用いたコージェネレーションシステムに関するものである。

コージェネレーションシステムとは、一次エネルギーから連続的に、しかも同時に２種類以上の二次エネルギーを発生させるシステムであり、その中でも、発電効率が高く、環境負荷ガスが発生しない燃料電池を用いたコージェネレーションシステムが近年注目を浴び、開発が活発に行われている。該燃料電池である固体酸化物形燃料電池のセルデザインとしては、平板型、円筒型などが提案されており、平板型セルは、板状の電解質の表面及び裏面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、こうして形成されたセルはセパレータを介して複数個積層された状態で使用される。セパレータは各セルに供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを完全に分離する役割を果たしており、各セルとセパレータとの間にはガスシールが施されている（特許文献１等）。一方、円筒型セルは、円筒形の電解質の外周面及び内周面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、円筒縦縞型、円筒横縞型などが提案されている（特許文献２等）。

また、上記平板型、円筒型に代わる燃料電池として、燃料極及び空気極を固体電解質からなる基板の同一面上に配置し、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスを供給することにより発電が可能な単室型の固体酸化物形燃料電池も提案されている（特許文献３等）。

これらの燃料電池を用いたコージェネレーションシステムとして、燃料電池からの排ガスを燃焼部にて燃焼させ、さらに、燃焼部で発生する熱で発電部を加熱するシステム（特許文献４等）が提案されている。
特開平５−３０４５号公報 特開平５−９４８３０号公報 特開平８−２６４１９５号公報 特開２００２−１６８４３９号公報

しかしながら、上記システムでは、発電部の後に燃焼部が形成されおり、燃焼部から排出される燃焼生成物を利用していないために、燃料利用効率の向上を十分に図れていなかった。

そこで、本発明は、燃料利用効率の向上を十分に図ることのできる燃料電池を用いたコージェネレーションシステムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明に係る燃料電池を用いたコージェネレーションシステムは、可燃性燃料及び酸化剤ガスが供給されて燃焼が行われるガス燃焼装置を有する燃焼室と、前記ガス燃焼装置での燃焼によって排出された炭化水素系ガスを含む燃焼生成物が供給されることにより発電する燃料電池を有する発電部とを備えている。

上記システムは、燃焼生成物の排出量及び成分の少なくとも一方を検出し、これに基づいて前記ガス燃焼装置に供給される可燃性燃料及び酸化剤ガスのガス流量を制御するシステム制御部を備えることができる。

また、上記システムは、発電部に供給される前の前記燃焼生成物に、酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段を備えることができる。

上記システム制御部は、燃焼生成物の排出量及び成分の少なくとも一方を検出し、これに基づいて前記酸化剤供給手段から供給される酸化剤ガスの供給量を制御するように構成することができる。

前記燃料電池は、電解質、燃料極、及び空気極を有しており、前記酸化剤ガス及び前記ガス燃焼装置から排出された燃焼生成物の混合ガスが供給されることにより発電する単室型の固体酸化物形燃料電池とすることができる。

また、前記燃料電池は、電解質、燃料極、及び空気極を有しており、前記電解質の一方面に燃料極、他方面に空気極が形成されており、前記燃料極に前記ガス燃焼装置から排出された燃焼生成物が供給され、前記空気極に前記酸化剤ガスが供給されることにより発電する固体酸化物形燃料電池とすることもできる。

また、前記燃料電池を上記二種類の固体酸化物形燃料電池とする場合は、前記ガス燃焼装置から排出された燃焼生成物を加湿する加湿器をさらに備えることもできる。

さらには、前記燃料電池は、電解質、燃料極、及び空気極を有しており、前記電解質の一方面に燃料極、他方面に空気極が形成されており、前記燃料極に前記ガス燃焼装置から排出された燃焼生成物が供給され、前記空気極に前記酸化剤ガスが供給されることにより発電する固体高分子型燃料電池であって、前記ガス燃焼装置から排出された燃焼生成物を加湿する加湿器をさらに備えるように構成されていてもよい。

また、前記燃焼室内に前記発電部を設置し、前記燃焼室で発生する燃焼熱により前記発電部が加熱されるように構成してもよい。

さらには、前記ガス燃焼装置から排出された前記燃焼生成物を改質する改質器をさらに備えることもできる。

また、前記ガス燃焼装置に供給される可燃性燃料及び酸化剤ガスの混合ガスの一部を抜き取り、前記発電部に直接供給するバイパスラインを備えることもできる。

さらには、発電部から排出された混合ガスが前記ガス燃焼装置に循環供給されるように構成することもできる。

また、前記発電部へ供給する前記燃焼生成物及び酸化剤ガスのガス流量及びガス圧力と、前記発電部及び燃焼室内の温度との少なくともいずれかを制御するシステム制御部をさらに備えてもよく、前記燃料電池によって発電された電力を蓄える蓄電池をさらに備えてもよい。

本発明によれば、ガス燃焼装置から排出された燃焼生成物を発電に用いるために、燃料利用効率を十分に向上させることができる。また、発電部の燃料電池として、単室型固体酸化物形燃料電池を使用することにより、ガスの供給流路及びガス排出流路を簡素化することができる。

また、燃焼室内に発電部を設置することで、燃焼室で発生する燃焼熱により発電部を直接加熱することができるので、発電部の加熱効率を向上させることができる。

また、改質器を備えることにより、発電部の燃料電池へ供給する燃焼生成物の水素濃度を上げ、発電効率を上げることができる。

また、可燃性燃料の一部を、ガス燃焼装置を経由させずに、発電部に直接供給することにより、ガス燃焼装置から排出された燃焼生成物の供給のみで発電を行っている場合と比較して、より大きい発電量を得ることができる。

また、発電部から排出された混合ガスがガス燃焼装置に循環供給され、該ガス燃焼装置で燃焼させることにより、燃料利用効率をより向上させることができる。

以下、本発明に係る燃料電池を用いたコージェネレーションシステムの実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、燃料電池を用いたコージェネレーションシステムの実施形態を示すシステムブロック図である。

図１に示すように本コージェネレーションシステムは、発電部１、燃焼室３、システム制御部５、及び蓄電池７を備えている。

燃焼室３は、可燃性燃料に酸化剤ガスが適宜加えられたものが供給され燃焼が行われる。さらに詳細には、燃焼室３は内部にガス燃焼装置（バーナー部）３１を有しており、このガス燃焼装置３１に可燃性燃料及び酸化剤ガスが供給され燃焼が行われる。そして、ガス燃焼装置３１より燃焼生成物が排出される。なお、可燃性燃料には、炭化水素系のガス及び液状燃料を使用することができ、炭化水素系のガスとして、例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン、都市ガス、ＤＭＥ、及びその他炭素数が４個以下の低級アルコールガス等を挙げることができ、また、液状燃料として、灯油、ガソリンなどを挙げることができる。また、燃焼生成物とは、可燃性燃料を燃焼させることにより生成されるもので、ここでは、二酸化炭素、水蒸気、窒素酸化物、一酸化炭素、非燃焼の炭化水素、硫黄酸化物及び粒子を含んだものであり、後述の発電部１での発電では主に非燃焼の炭化水素が使用される。また、この燃焼生成物には、酸素も含まれる。

この燃焼室３のガス燃焼装置３１から排出された燃焼生成物は、発電部１に供給され、発電が行われる。より詳細には、発電部１は、単室型の固体酸化物形燃料電池を具備しており、この燃料電池は、電解質、燃料極、及び空気極を有しており、燃料極側と空気極側に分かれておらず、単室となっている。そして、燃焼生成物及び酸化剤ガスの混合ガスを供給すると、燃料極と空気極との二つの電極がガス選択性を有しているため、電極間に電圧が発生して発電する。このように一般的な二室型の固体酸化物形燃料電池と異なり、燃焼生成物と酸化剤ガスとを分離して供給する必要がないためにガスセパレータが不要となり、単純な構造を持つ固体酸化物形燃料電池を構成することができる。また、この単室型の固体酸化物形燃料電池の構造としては、電解質を介すように電解質の一方面に燃料極、他方面に空気極を配置した構造と、電解質の一方面に一対の燃料極及び空気極を所定間隔をおいて配置した構造との二つの構造がある。

また、システム制御部５を上記発電部１で生じた電力により作動し、発電部１や、燃焼室３を制御する。より詳細には、システム制御部５は、発電部１に対する所望の出力値に応じて、燃焼生成物のガス流量やガス圧力を調整し、また、燃焼室３内及び発電部１においては、温度測定をし、その管理を行う。また、システム制御部５は、蓄電池７が接続されており、この蓄電池７へ余剰電力を供給して充電を行う。さらには、システム起動時には蓄電池７に充電された電力を使い、システム制御部５を作動させることができ、さらには、発電部１を加熱させるのに、蓄電池７に充電された電力を利用することもできる。

また、システム制御部５は、燃焼室３１から排出される燃焼生成物の排出量を検知し、これに基づいて、燃焼室３に供給される燃料及び酸化剤ガスの供給量を制御する。このとき、排出された燃焼生成物の成分を検出し、これに基づいて燃料及び酸化剤ガスの最適な供給量を決定するように制御することもできる。さらに、これらに基づいて、ガス燃焼装置３１の燃焼状態を制御することもできる。

以上のように、本実施形態によれば、ガス燃焼装置３１から排出された燃焼生成物を発電部１に供給して、発電を行うので、燃料利用効率の向上を図ることができる。また、システム制御部６が、燃焼室３から排出される燃焼生成物の排出量、成分等を検知し、これに基づいて燃焼室３に供給される酸化剤ガス及び燃料の供給量を制御するため、発電部１に必要な燃焼生成物の量を常に最適な状態に維持することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、図２に示すように、燃焼室３から排出された燃焼生成物に酸化剤ガスを供給するように構成することもできる。これは、ガス燃焼装置３１の燃焼状態によっては、排出された燃焼生成物に含まれる酸化剤ガスの成分が少ない場合もあるからである。したがって、上記構成にすることで、発電部１には発電のための最適な成分のガスを供給することが可能となる。この場合、ガス燃焼装置３１から排出される燃焼生成物の成分を検出し、これに基づいて酸化剤ガスの供給量を決定することができる。勿論、ガス燃焼装置３１に供給される燃料及び酸化剤ガスの供給量を調整しながら、燃焼生成物に供給される酸化剤ガスの供給量を制御することもできる。ここで、燃焼生成物に酸化剤ガスを供給するのは、図示を省略する酸化剤ガス供給手段である。

また、発電部１は、上記実施形態では単室型の固体酸化物形を用いて説明しているが、単室型の固体酸化物形燃料電池の代わりに二室型の固体酸化物形燃料電池や、固体高分子形燃料電池を用いてもよい。この場合は、図３に示すように、発電部１に別途、酸化剤ガスを供給して、この酸化剤ガスとガス燃焼装置３１から排出された燃焼生成物とをそれぞれ供給して、発電が行われる。より詳細には、発電部１が有する燃料電池は、電解質、燃料極、及び空気極を有しており、電解質の一方面に燃料極、他方面に空気極が形成されており、電解質を隔壁として燃料極側と空気極側との二室に分かれている。そして、燃料極側にガス燃焼装置３１から排出された燃焼生成物、空気極側に酸化剤ガスをそれぞれ供給することにより、発電が行われる。また、ここで、公知の固体高分子形燃料電池を発電部１に用いる場合は、ガス燃焼装置３１から排出される燃焼生成物を加湿する加湿器（図示省略）をさらに備える必要がある。

また、図４に示すように、ガス燃焼装置３１へ供給する可燃性燃料及び酸化剤ガスの一部を抜き出して発電部１へ直接供給するバイパスライン１１を備えることもできる。このように発電部１に、ガス燃焼装置３１から排出された燃焼生成物のみを供給するのではなく、新たな可燃性燃料及び酸化剤ガスを追加供給することができるので、発電部１の発電量を大きくすることができる。

また、図５に示すように、ガス燃焼装置３１から排出された燃焼生成物を改質する改質器９をさらに備え、改質された燃焼生成物を発電部１に供給することもでき、さらには、加湿器１３を備えることもできる。このように改質器９を備えることで、発電部１の燃料電池へ供給する燃焼生成物の水素濃度を上げ発電効率を上げることができ、さらには、改質器９はトラップ装置やフィルターを備えることができ、このトラップ装置やフィルターにより、燃焼生成物中の窒素酸化物や、一酸化炭素、硫黄酸化物を除去することができる。また、加湿器１３を設けることで、燃料電池が固体酸化物形燃料電池の場合、電池反応に伴う炭素析出を抑制することができる。

また、図６に示すように、発電部１を燃焼室３内に設置することにより、発電部１を燃焼室３内のガス燃焼装置３１で発生する燃焼熱によって直接加熱することもできる。より詳細には、燃焼室３内に、ガス燃焼装置３１と発電部１とが備わっており、ガス燃焼装置３１は可燃性燃料及び酸化剤ガスが供給され、この可燃性ガス及び酸化剤ガスを燃料として燃焼させる。そして、酸化剤ガス及びガス燃焼装置３１から排出された燃焼生成物が発電部１に供給され、発電部１は該燃焼生成物及び酸化剤ガスにより発電を行う。このような構成とすることにより、発電部１の燃料電池が作動するのに必要な熱の少なくとも一部に、ガス燃焼装置３１で発生する燃焼熱を利用することができるので、加熱効率を向上させることができる。なお、ここでいう燃焼室とは、バーナ等の燃焼装置を収容するものであり、燃焼装置から発生する燃焼熱によって、同じく収容されている発電部を加熱できるような空間を有していればよい。例えば、本システムをガス器具に用いる場合、必要なガスを供給する供給パイプが導入され、バーナー等の燃焼装置が収容され、さらに、その燃焼装置により暖められた温風を吹出す吹出し口を備えているような筐体が燃焼室に相当する。この場合、筐体は、主に、ステンレス材から構成することができる。

さらには、発電部１から排出された混合ガスをガス燃焼装置３１に供給し循環させることにより、燃料利用効率をより向上させることもできる。

なお、図５及び図６のシステムでは、燃焼室から排出される燃焼生成物に酸化剤ガスを混合しているが、燃焼生成物の成分によっては、酸化剤ガスを供給しなくてもよい。

また、以上の図１〜図６に係るシステムでは、燃焼室を有する既存の装置、例えばガス器具、車、バイクなどに燃料電池を有する発電部を取り付けることで構成することができる。すなわち、燃焼室から排出される燃焼生成物が燃料電池に供給されるように構成すればよいため、特に大がかりな構成を追加する必要はなく、低コストでコージェネレーションシステムを構築することができる。

本発明に係る燃料電池を用いたコージェネレーションシステムの実施形態を示すシステムブロック図である。 本実施形態の他の例を示すシステムブロック図である。 本実施形態の他の例を示すシステムブロック図である。 本実施形態の他の例を示すシステムブロック図である。 本実施形態の他の例を示すシステムブロック図である。 本実施形態の他の例を示すシステムブロック図である。

符号の説明

１ 発電部
３ 燃焼室
５ システム制御部
７ 蓄電池
９ 改質器
１１ バイパスライン
１３ 加湿器
３１ ガス燃焼装置

Claims (14)

1. 可燃性燃料及び酸化剤ガスが供給されて燃焼が行われるガス燃焼装置を有する燃焼室と、
   前記ガス燃焼装置での燃焼によって排出された炭化水素系ガスを含む燃焼生成物が供給されることにより発電する燃料電池を有する発電部と
   を備えている、燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
2. 前記燃焼生成物の排出量及び成分の少なくとも一方を検出し、これに基づいて前記ガス燃焼装置に供給される可燃性燃料及び酸化剤ガスのガス流量を制御するシステム制御部をさらに備えている、請求項１に記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
3. 前記発電部に供給される前の前記燃焼生成物に、酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段をさらに有している、請求項１または２に記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
4. 前記システム制御部は、前記燃焼生成物の排出量及び成分の少なくとも一方を検出し、これに基づいて前記酸化剤供給手段から供給される酸化剤ガスの供給量を制御する、請求項３に記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
5. 前記燃料電池は、電解質、燃料極、及び空気極を有しており、前記酸化剤ガス及び前記ガス燃焼装置から排出された燃焼生成物の混合ガスが供給されることにより発電する単室型の固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
6. 前記燃料電池は、電解質、燃料極、及び空気極を有しており、前記電解質の一方面に燃料極、他方面に空気極が形成されており、前記燃料極に前記ガス燃焼装置から排出された燃焼生成物が供給され、前記空気極に前記酸化剤ガスが供給されることにより発電する固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
7. 前記燃料電池は、電解質、燃料極、及び空気極を有しており、前記電解質の一方面に燃料極、他方面に空気極が形成されており、前記燃料極に前記ガス燃焼装置から排出された燃焼生成物が供給され、前記空気極に前記酸化剤ガスが供給されることにより発電する固体高分子型燃料電池であり、前記ガス燃焼装置から排出された燃焼生成物を加湿する加湿器をさらに備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
8. 前記ガス燃焼装置から排出された燃焼生成物を加湿する加湿器をさらに備えたことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
9. 前記燃焼室内に前記発電部を設置し、前記燃焼室で発生する燃焼熱により前記発電部が加熱されるように構成したことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
10. 前記ガス燃焼装置から排出された前記燃焼生成物を改質する改質器をさらに備えたことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
11. 前記ガス燃焼装置に供給される前記可燃性燃料及び酸化剤ガスの混合ガスの一部を抜き取り、前記発電部に直接供給するバイパスラインを備えたことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
12. 前記発電部から排出された混合ガスが前記ガス燃焼装置に循環供給されるように構成したことを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
13. 前記システム制御部は、前記発電部及び燃焼室内の温度を制御する、請求項２から１２のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。
14. 前記燃料電池によって発電された電力を蓄える蓄電池をさらに備えたことを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の燃料電池を用いたコージェネレーションシステム。

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