JP2009021047A - 屋内設置式燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】屋内設置時における安全性の問題を解決し、熱余り時の運転に際し放熱方法を制御することにより、省エネかつ経済性の高い屋内設置式燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】燃料電池本体２にて発電が起こると、排熱利用系３を流れる水により、排熱熱交換器１２ａにおいてカソード極１１の出口中の水蒸気及び改質器６における燃焼排気ガス中の水蒸気から排熱を回収し温水が生成される。そして、この温水が排熱利用ライン２８を介して貯湯槽１３に貯留される。そして、運転制御装置３３は、温水量検知器２９を通じて燃料電池からの排熱が貯湯槽１３に満杯に溜まりきっているか否かを検知し、溜まり切っている場合に貯湯槽収納部２１に設置された放熱ファン３１を回転動作させ、シャッター３２を開けるよう制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、屋内設置式の燃料電池発電システムに係り、当該システムからの排熱を有効に屋内に放熱可能な技術に関する。

近年、発電効率の高いエネルギー変換装置として燃料電池が注目を集めている。特に電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子膜を用いた固体高分子形燃料電池は、コンパクトな構造で高い出力密度が得られ、かつ簡略なシステムで運転が可能なことから、定置用分散電源だけでなく宇宙用や移動用などの電源として注目されている。

この固体高分子型燃料電池は、燃料極であるアノード側電極と酸化剤極であるカソード側電極とで、固体高分子電解質膜を挟み、向かい合った両電極をセパレータで挟持した構造物を複数枚積層して構成されている。ここで、車載用等では機動性を重視するため、通常、燃料には純水素を使用し、酸化剤には空気を用いたシステムとすることが多い。

これに対し、定置用や家庭用になると、インフラの問題から燃料にはメタン成分の多い都市ガスやプロパンガスを使用するシステムが求められている。この場合には、メタン成分の多い燃料を水素に改質するために、燃料に水蒸気を混合して水素を生成させるといった燃料処理を行う方法が一般的である。

なお、上記のいずれのシステムもアノード電極側に供給された水素がイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、カソード電極側の酸素と反応することで水を生成するとともに、外部に対して電気エネルギーが得られるものであるが、この際、電気エネルギーの発生とともに、約１００℃以下の排熱が生じている。

この排熱は、電池効率が１００％、すなわち燃料電池本体の温度が周囲温度の状態において発電が可能とならない限り、温度の高い燃料電池から周囲への放熱分として発生するものである。また、燃料を水素に改質するための燃料処理においても、通常、改質器等を用いて改質反応を行う際の加熱に燃焼器を使用するため、燃焼排ガスや改質器等の外部からの排熱が生じる。

ここで、上記排熱を利用すれば、燃料電池発電システムにおいて、電気エネルギーとのハイブリッド運転、すなわちコージェネレーション運転が可能となるため、経済的及び環境性能に優れ、エネルギー効率の高いシステムを実現できる。そのため、最近では、このような省エネ性及び経済性に優れた燃料電池発電システムを家庭に導入しようとする開発活動が頻繁に行われている。

なお、燃料電池発電システムの設置場所としては、省エネ性や経済性を考慮すると、コージェネレーションとして電気のみならず排熱を頻繁に利用可能な寒冷地等の地域が望ましいが、水回りを伴う燃料電池発電システムの周囲温度が氷点下となり、凍結しやすい状況に陥る可能性が高い。そのため、燃料電池からの排熱を回収した温水を加熱する温水調温システムなどが開発されている（特許文献１参照）。
特開２００３−２５４６２１号公報

ところで、上述した通り、現状の家庭用燃料電池システムを寒冷地などの屋外に設置する場合は、冬場におけるプラント運転停止時の凍結問題に対する加熱手段等を用いた対策が必要となってしまうので、寒さが厳しい地域においては燃料電池発電システムを屋内に設置する手段が望まれていた。

しかしながら、現状の屋外式燃料電池発電システムをそのまま屋内に設置する際には、改質反応に必要な燃焼による排気ガスを気密性の高い屋内に排気してしまうといった安全性の問題が危惧される。また、燃料電池発電システムからの余剰排熱が蓄積されている場合の運転、すなわち熱余り時の運転方法において、熱余りの度に当該システムの運転を停止する、いわゆるＤＳＳ（Daily Start Stop）運転と、発電運転を停止することなく連続的に運転し、生じた排熱を屋外に放熱する方法が提案されているが、それぞれの方法に次のような課題がある。

例えば、ＤＳＳ運転では、熱余りの度に運転を停止するので熱を有効に利用できるといったメリットはあるが、再起動する際の損失が大きいというデメリットが生じる。一方、発電運転を停止することなく屋外に放熱する方法では、起動停止損失が無いというメリットはあるが、余分な熱までも屋外に排出してしまうといったデメリットがある。

そこで、本発明は、以上のような課題を解決するため提案されたものであり、屋内設置時における安全性の問題を解決し、熱余り時の運転に際し放熱方法を制御することにより、省エネかつ経済性の高い屋内設置式燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明は、燃料の改質を行う燃料処理系と燃料電池本体とを屋内に設置して成る屋内設置式燃料電池発電システムにおいて、このシステムには、前記燃料処理系もしくは燃料電池本体の少なくとも一方から生じた排熱を屋内に送風する排熱用熱交換器が配設されたことを特徴とする。

また、燃料処理系もしくは燃料電池本体の少なくとも一方から生じた排熱を貯湯槽に貯湯する排熱利用系を設け、この排熱利用系には、前記排熱を屋内に送風する排熱用熱交換器が配設されたことを特徴とする点も本発明の一態様である。

なお、本発明は下記の点も一態様として包含する。燃料電池発電システムによる屋内の暖房運転と非暖房運転の切替制御を行う運転制御装置を備え、前記運転制御装置は、暖房運転時は前記排熱処理系における貯湯槽の排熱貯蔵が満杯になった後も当該システムの運転を継続してその排熱を前記排熱用熱交換器から屋内へ放熱させ、非暖房運転時は前記排熱処理系における貯湯槽の排熱貯蔵が満杯になった後に当該システムの運転を停止すると共に前記排熱用熱交換器から屋内への放熱を停止するものであることを特徴とする。

以上のような本発明によれば、屋内に燃料電池発電システムを設置した場合であっても、当該システムから生じた排熱を屋内に供給することができるので、冬場には排熱用熱交換器からの放熱を暖房に有効利用することができ、また夏場には余分な熱の排出が減少するため、一年中省エネかつ経済性の高い暖房空調の実現可能な屋内設置式燃料電池発電システムを提供することができる。また、２重吸排気管及び１台の換気ファンを用いて外気を吸気し、燃料電池発電システムからの排気を屋外へ排出し、さらにＣＯセンサを用いて燃料の漏洩を検知しているので、熱損失を低減し、かつ安全性能の高いシステムを提供することが可能である。

［１．本実施形態］
［１．１．燃料電池基本システム］
［構成例］
まず、図１に基づいて固体高分子型燃料電池システムを例にとり、本発明の実施形態に係る燃料電池基本システムの構成例について以下に説明する。

図１の通り、燃料電池発電システムは、主に燃料から水素ガスへの改質を行う燃料処理系１（FPS；Fuel Processing System）と直流電力を発電する電池本体２（CSA；Cell Stack Assembly）と、需要者に供給する温水を生成する排熱利用系３から構成される。

この燃料処理系１には、都市ガスやプロパンなどの炭化水素系燃料である燃料が流入され、当該燃料から例えば活性炭やゼオライト吸着等によって硫黄分を取り除く脱硫器４と、触媒により都市ガスなどの燃料と水蒸気との反応から水素を生成する改質器６とが備えられている。なお、この改質器６では、燃料から水素を生成すると同時にＣＯが生成される。

また、当該燃料処理系１には、改質器６へ水蒸気を供給するための水蒸気を発生させる水蒸気発生器５が設けられ、この水蒸気発生器５に流入させる水はポンプを用いて循環している。なお、改質器６における改質反応は吸熱反応であるため、改質器６には、加熱用の燃焼器７が備えられている。

そして、改質器６を通過した改質ガスには、水素とともにＣＯが包含されているので、ＣＯをＣＯ_２に酸化させるためのＣＯシフト反応器８及びＣＯ選択酸化器９が設置されている。このＣＯシフト反応器８は、Ｈ_２ＯによりＣＯをＣＯ_２にシフトさせるものであり、またＣＯ選択酸化器９は、酸化用の空気ブロアなど（図示しない）を通じて空気供給により酸化反応を促進させるものである。

ここで、燃料処理系１においてＣＯを酸化させるのは、固体高分子型燃料電池において電池本体２の電解質膜及び触媒層から構成されるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）でのＣＯ被毒が問題となるからである。また、改質器６、ＣＯシフト反応器８及びＣＯ選択酸化器９の触媒反応温度はそれぞれ異なり、改質器６の数百度からＣＯ選択酸化器９の百数十度までと、改質ガスにおける上流と下流との温度差が大きい。そのため、実際にはＣＯ選択酸化器９側、すなわち下流側の改質ガスの温度を下げるために水熱交換器が必要となる（図示しない）。

なお、改質器６、ＣＯシフト反応器８及びＣＯ選択酸化器９における各触媒での主なプロセス反応は以下のようである。例えばメタン成分が主体の都市ガスが燃料である場合の改質では、改質器６における改質反応は（１）式、ＣＯシフト反応器８におけるＣＯシフト反応は（２）式、ＣＯ選択酸化器９におけるＣＯ選択酸化反応は（３）式のようになる。
(１)ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ_２
(２)ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２
(３)２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２

一方、燃料電池本体２は、電解質を挟み、燃料側のアノード極１０と酸化剤側のカソード極１１から構成される。このアノード極１０に、主に水素、炭酸ガス及び余った水蒸気等により構成される上記ＣＯ選択酸化器９を通過した改質ガスが流入すると、ＭＥＡの触媒層を経てプロトンＨ^＋が生成される。そして、プロトンＨ^＋が電解質膜を通過し、カソード極１１において、空気ブロアなど（図示しない）を通じて供給される空気中の酸素及び電子と当該プロトンＨ^＋が反応して水が生成される。

すなわち、アノード極１０は−極、カソード極１１は＋極となり、電位を持って直流電圧を発電し、この電位間に電気負荷を持てば電源としての機能を持つことになる。なお、アノード極１０において発電に使われずに残ったガスは、水蒸気発生器５及び改質器６の加熱用燃料ガスとして使われる。

次に、排熱利用系３の構成について説明する。この排熱利用系３には、カソード極１１の出口中の水蒸気及び改質器６における燃焼排気ガス中の水蒸気からの排熱と水分を回収し（改質器６からの燃焼排熱を供給する流路は図示していない）、燃料電池発電システムにおける水自立状態を確立する排熱熱交換器１２ａが備えられている。なお、当該排熱熱交換器１２ａには、回収した水分を貯留するタンクが内蔵されている。

一方で、ポンプなどを通じて燃料電池本体２に循環させる冷却水により電池本体２の排熱を回収する排熱熱交換器１２ｂも備えられている。そして、屋内設置式の燃料電池発電システムの構成例において述べるが、排熱熱交換器１２ａ及び１２ｂを介する熱交換により暖められた温水を貯留するための貯湯槽１３が、この排熱利用系３中に配設されている。

すなわち、この貯湯槽１３に貯留された温水が蓄熱され、給湯やお風呂の温水として需要者に供給されることとなる。なお、後述するが、上記の構成の燃料処理系１、燃料電池本体２及び排熱熱交換器１２ａ、ｂは、燃料電池収納部２０に収納され、貯湯槽１３は貯湯槽収納部２１に収納される。しかしながら、当該収納態様に限定せず、排熱熱交換器１２ａ、ｂは、貯湯槽収納部２１に配設するものであってもよい。

［動作例］
次に、燃料電池基本システムの動作例を以下に説明する。なお、当該燃料電池基本システム自体に本発明の技術的特徴を有しないので、発電原理について簡単に述べる。まず、都市ガスなどの燃料を改質器６に供給する前に、改質器６における改質反応は吸熱反応であるため、燃料用空気を改質用の燃焼器７に流入させる。燃焼器７内への空気の流入が完了すると燃焼用の燃料が燃焼器７に供給され、燃焼器７内で燃焼が発生する。

そして、燃焼が継続し、燃焼ガスによる加熱によって改質器６や、電気ヒータ等（図示しない）で加熱されたＣＯシフト反応器８、ＣＯ選択酸化器９などが所定の温度になると、水蒸気発生器５により発生した水蒸気が改質器６における改質反応のために当該改質器６へ供給される。発生した水蒸気が改質器６へ供給され始めると、燃料が改質器６へ供給されることにより改質反応が行われる。

改質器６による改質反応後の改質ガスは、ＣＯシフト反応器８及びＣＯ選択酸化器９を通じて酸化され、ＣＯ選択酸化器９出口から排出された改質ガスが電池本体２のアノード極１０に供給される。なお、このアノード極１０に供給されるガスは、主として水素、炭酸ガス、水蒸気等の成分から構成されており、アノード極１０の出口から出るオフガスは、改質用燃焼器７に供給される。

そのため、改質用燃焼器７に供給されたオフガス燃料は着火して、当該燃焼器７内に供給される燃料用の空気と安定した拡散燃焼を開始する。その後、空気ブロア（図示しない）を通じて燃料電池本体２のカソード極１１に空気が供給され、インバータ（図示しない）が起動すると燃料電池発電システムの発電が開始する。なお、発電に寄与しないまま残ったアノード極１０の出口から排出されるオフガスは改質用の燃焼器７に供給され続けている。

［１．２．屋内設置式システム］
［構成例］
次に、図２を参照して、本発明の技術的特徴を有する屋内設置式の燃料電池発電システムの全体構成例について説明する。なお、図２は本発明である屋内設置式の燃料電池発電システムの設置平面図を示し、図３は屋内設置式燃料電池発電システムの設置正面図を示している。

まず、図２の通り、屋内を区切る家屋の壁２２が設置されており、そして当該壁２２に貫通された２重吸排気管２３が屋外から屋内にかけて配設されている。すなわち、従来の屋外設置式の燃料電池発電システムでは、前記改質器６、カソード極１１及びＣＯ選択酸化器９に必要な空気を当該システムの周囲の外気から取り入れるが、本発明である屋内設置式のシステムでは、屋外より導入ダクトを通じて屋内に空気を導入する。

なお、この壁２２に貫通された２重吸排気管２３には、吸気ダクト２４及び排気ダクト２５が備えられ、当該吸気ダクト２４と排気ダクト２５の間に燃料処理系１、燃料電池本体２や排熱熱交換器１２ａ、ｂ等を収納した燃料電池収納部２０が設置されている。すなわち、２重吸排気管２３の吸気口から導入された外気が当該吸気ダクト２４を通じて燃料電池収納部２０に供給され、燃料処理系１における燃焼器７の燃焼用の空気や燃料電池本体２のカソード極１１に供給される空気として利用される。なお、供給された外気は、ＣＯを酸化するためのＣＯ選択酸化器９へも供給される。

また、燃料電池収納部２０には、一台の換気ファン２６が設置されており、この換気ファン２６が外気を吸気口に導く駆動力として機能している。そして、燃料電池収納部２０における燃料電池本体２からのカソード排気や改質器６における燃焼排気などが換気ファン２６の駆動力により排気ダクト２５を通じて排出ガスとして２重吸排気管２３の排気口より屋外に排出される。

すなわち、２重吸排気管２３と一台の換気ファン２６の利用により、燃料電池収納部２０に導入された外気が屋外へ排出されるので安全性を維持することでき、また、吸気及び排気の双方を行う２重吸排気管２３を利用しているのは、工事が容易になるばかりでなく、排気ガスが吸気ガスとの熱交換を行うことにより熱損失が低減され、さらに排気ガスの凝縮を回避するメリットがあるからである。

また、換気ファン２６は、燃料電池発電システムにおいて内部の気体燃料漏れ等の現象が生じた場合に、センサなどを用いて当該現象を検知しやすくするためにガス流れを導く安全上必要な換気ファンであり、１台で吸排気を兼用するマルチ機能ファンを利用している。

さらに、燃料処理系１や燃料電池本体２などが収納された燃料電池収納部２０には、燃料電池発電システムから有毒なガスであるＣＯが高濃度で漏れた場合に、当該漏れを検知するＣＯセンサ２７が配設されている。なお、燃料電池収納部２０に当該ＣＯセンサ２７を配設する態様に限定せず、このＣＯセンサ２７を屋内に設置し、屋内におけるＣＯの漏れを検知することも可能である。図２では、このＣＯセンサ２７を、燃料電池収納部２０に接続され排気ダクト２５の上方の壁２２に設置しているが、燃料電池発電システムからのＣＯの漏れが検知可能であれば特に当該設置位置に限定するものでない。

また、屋内に燃料電池収納部２０とは別途、貯湯槽収納部２１が設置されており、当該貯湯槽収納部２１には貯湯槽１３が配設され、この貯湯槽１３が燃料電池収納部２０内に設置された排熱熱交換器１２ａ及び１２ｂを通じて排熱を回収した温水を貯留している。なお、燃料電池収納部２０中の排熱熱交換器１２ａ及びｂと貯湯槽収納部２１中の貯湯槽１３とは、当該排熱熱交換器１２ａ及びｂにより排熱回収した温水を貯湯槽１３に供給し、当該貯湯槽１３からの温水を後述する放熱器３０により放熱し、再度排熱熱交換器１２ａに供給するための排熱利用ライン２８により接続されている。

すなわち、この貯湯槽１３に貯留された温水が蓄熱され、屋内へ温風を供給する暖房の熱源となる。また、当該貯湯槽１３には、貯留する排熱、すなわち温水量を検知するための温水量検知器２９が設置されており、後述する運転制御装置３３による制御の下、この検知された温水量は貯湯槽１３内の温水が満杯か否かの判断の際に参照されている。

ここで、本発明の特徴として、この貯湯槽１３の下流の排熱利用ライン２８には、貯湯槽１３に貯まった排熱を屋内に送風するための排熱用熱交換器である放熱ファン３１を備えた放熱器３０が配設されている。この放熱器３０は、後述する運転制御装置３３の制御に基づいて、駆動・停止をするのものであり、貯湯槽１３の熱余り時においては冬季であれば当該放熱器３０から排熱を暖房として屋内に送風する。

なお、図２によれば、当該放熱器３０は、貯湯槽収納部２１内の貯湯槽１３の下流に設置されているが、排熱を回収した温水の流れる排熱利用ライン２８中であれば、この設置位置に限定するものではない。また、例えば、貯湯槽１３にバイパス管が別途接続され、当該放熱器３０に温水がバイパスされる構成や、放熱器３０が燃料電池本体２などを備えた燃料電池収納部２０に設置する実施形態も包含するものである。放熱器３０が燃料電池収納部２０に設置される場合とは、改質器６内の改質反応に使用する水蒸気を生成する水蒸気発生器５に温水が供給される流路中や、燃料処理系１で燃焼器７等からの排熱を回収した温水が流れる流路中などに設置される場合も含む趣旨である。

さらに、貯湯槽収納部２１には、放熱器３０における放熱ファン３１から放熱するに際し、屋内への放熱の供給と遮断を制御するシャッター３２が当該放熱ファン３１からの送風方向に設置されている。

また、外気温度に基づいて燃料電池発電システムの運転態様（例えば暖房運転と非暖房運転の切り替え）を制御する運転制御装置３３が、燃料電池収納部２０に設置されている。具体的には、この運転制御装置３３は、外気温度が低い寒冷地等の地域の冬場の場合に、燃料電池発電システムを連続運転するよう駆動させると同時に、温水量検知器２９を通じて貯湯槽１３内の温水が満杯になったことを検知すると放熱器３０に設置した放熱ファン３１を回転動作させ、さらにシャッター３２を開けるよう制御する。すなわち、熱余り時であっても、当該運転制御装置３３はシステムの運転を継続させ、放熱器３０を介して排熱を屋内に放熱するよう制御している。

一方で、当該運転制御装置３３は、夏場などの暖房を必要としない時期において、温水量検知器２９を通じて貯湯槽１３内の温水が満杯になったことを検知し、いわゆる燃料電池からの排熱の熱余り状態が生じた場合には、燃料電池発電システムの運転を停止するよう制御する。さらに、運転制御装置３３は、システムの運転停止と共に、放熱器３０による放熱を停止させるために放熱ファン３１の回転動作を停止する。

なお、上記の通り、夏場などの暖房を必要としない時期に放熱ファン３１を停止させるよう制御するが、放熱器３０からの自然対流による放熱が発生するため、当該放熱の発生により屋内が不快とならないように放熱器３０内に設けられたシャッター３２を閉止するよう制御する。そして、この運転制御装置３３は、温水量検知器２９を通じて貯湯槽１３内の排熱が使用されたことを検知すると、燃料電池発電システムの運転を再開するよう制御する。

なお、図２によれば、この運転制御装置３３は、燃料電池収納部２０内に設置されているが、この設置位置に限定するものでなく、貯湯槽収納部２１や別途室内に設置する態様も本発明は包含する。

また、当該運転制御装置３３は、前記ＣＯセンサ２７が燃料電池収納部２０内又は燃料電池収納部２０が設置された屋内における燃料電池発電システムからのＣＯの漏洩を検知すると、安全保護のため、燃料電池発電システムの運転を停止とする制御を行っている。なお、運転制御装置３３には、外気温度を計測する温度計３４が接続され、当該運転制御装置３３は、この温度計３４を介して検知した外気温度に基づいて、燃料電池発電システムの暖房運転と非暖房運転の切り替え制御を行っている。

［動作例］
次に、屋内設置式の燃料電池発電システムにおける、当該システムからの排熱を貯湯槽１３を介し、暖房熱源として室内へ放熱する動作例を以下に詳述する。なお、運転制御装置３３が、温度計３４により検知した外気温度が寒冷地等の地域の冬場のように低い場合に、燃料電池発電システムを連続運転するよう駆動させている状況を想定する。また、２重吸排気管２３の吸気ダクト２４を通じて外気を燃料電池収納部２０に吸気し、燃料処理系１や燃料電池本体２へ供給され、燃料電池発電システムからのカソード排気や燃焼排気が排気ダクト２５を通じて屋外へ排気ガスが排出されるものとする。

まず、上記燃料電池基本システムの動作の通り燃料電池本体２にて発電が起こると、排熱利用系３を流れる水により、排熱熱交換器１２ａにおいてカソード極１１の出口中の水蒸気及び改質器６における燃焼排気ガス中の水蒸気から排熱を回収し温水が生成される。そして、この温水、すなわちシステムからの排熱が排熱利用ライン２８を介して貯湯槽１３に貯留される。

また、貯湯槽１３には、燃料電池本体２を循環する冷却水からの排熱を回収する排熱熱交換器１２ｂにより熱交換された温水も貯留される。なお、貯湯槽１３に貯留された温水は、排熱利用ライン２８を介して、排熱熱交換器１２ａへ再度供給されるよう循環している。

ここで、運転制御装置３３は、温水量検知器２９を通じて燃料電池からの排熱が貯湯槽１３に満杯に溜まりきっているか否かを検知し、溜まり切っている場合に貯湯槽収納部２１に設置された放熱ファン３１を回転動作させ、シャッター３２を開けるよう制御する。そのため、シャッター３２が開いた状態において、貯湯槽１３の下流の排熱利用ライン２８に設置された放熱器３０中の放熱ファン３１が回転し、貯湯槽１３内に蓄熱されていた排熱が暖房熱源として屋内に放熱される。

一方、燃料電池発電システムの連続運転中に、運転制御装置３３が温度計３４を通じて検知した外気温度により夏場などの暖房を必要としない時期であると判断した場合には、下記のように当該システムは動作する。まず、運転制御装置３３は、温水量検知器２９を通じて燃料電池からの排熱が貯湯槽１３に満杯に溜まりきっているか否かを検知する。

ここで、当該運転制御装置３３が、貯湯槽１３内に排熱が溜まり切っていると判断すると熱余り状態が生じているので、燃料電池発電システムの運転を停止するよう制御する。すなわち、燃料電池発電システムにおいてＤＳＳ運転がなされることになる。

さらに、このような夏場などの時期においては、燃料電池発電システムの停止と共に運転制御装置３３を介して放熱器３０の放熱ファン３１の回転動作を停止するよう制御する。なお、運転制御装置３３は、放熱器３０から自然対流による放熱が発生する場合があるため、室内が不快とならないように貯湯槽収納部２１に設置されたシャッター３２を閉止するよう制御する。

そして、運転制御装置３３が、温水量検知器２９を通じて貯湯槽１３内の排熱が使用されたことを検知すると、貯湯槽１３内に排熱を貯湯するために燃料電池発電システムの運転を再開するよう制御する。

以上のような、本実施形態によれば、屋内に燃料電池発電システムを設置した場合であっても、当該システムから生じた排熱を屋内に供給することができるので、冬場には排熱用熱交換器からの放熱を暖房に有効利用することができ、また夏場には余分な熱の排出が減少するため、一年中省エネかつ経済性の高い暖房空調の実現可能な屋内設置式燃料電池発電システムを提供することができる。また、２重吸排気管及び１台の換気ファンを用いて外気を吸気し、燃料電池発電システムからの排気を屋外へ排出し、さらにＣＯセンサを用いて燃料の漏洩を検知しているので、熱損失を低減し、かつ安全性能の高いシステムを提供することが可能である。

［２．他の実施形態］
なお、本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、運転制御装置３３にカレンダー機能を備えた実施形態も包含する。具体的には、運転制御装置３３は、カレンダー機能を内蔵するので、燃料電池発電システムの運転態様を当該カレンダーの時期に基づいて調整する動作態様を有するものである。

例えば、運転制御装置３３がカレンダー機能により夏の時期と判断する場合には、燃料電池発電システムを連続運転するよう制御し、また冬の時期と判断する場合には、燃料電池からの排熱の熱余り状態が生じた場合に燃料電池発電システムの運転を停止するよう制御する。なお、当該運転制御装置３３は、このカレンダー機能と前記温度計３４により計測した外気温度の両方により、燃料電池発電システムの運転態様を調整する態様も制御方法として包含するものである。

また、上記実施形態において配設した排熱用熱交換器である放熱器３０は、排熱利用ラインなどを流れる温水に対して、放熱ファン３１を回転駆動させることにより暖房として屋内に送風しているが、この実施形態に限定するものではなく、本発明は、下記のような放熱器３０の動作形態も包含する。具体的には、上記のような空冷式の放熱器３０を、改質器６用の燃焼器７、水蒸気発生器５や発熱する燃料電池本体２に設置し、当該放熱ファン３１の回転動作により当該機器から直接排熱を屋内に送風する実施形態を本発明は包含するものである。

これにより、貯湯槽１３のような排熱利用系３を備えていない燃料電池発電システムにおいても、燃料処理系１や燃料電池本体３からの排熱を直接放熱器３０を介して屋内に送風することが可能となるため、省エネかつ経済性の高い暖房利用を需要者に提供することが可能となる。

また、本発明は、外気温度が低い寒冷地等の地域の冬場において、燃料電池発電システムが連続運転し、かつ熱余り状態が生じている場合に、貯湯槽１３に蓄熱された排熱を暖房に利用する上記実施形態に限定せず、下記のような実施形態も包含する。例えば、冬場において、熱余り状態が生じていなくても、貯湯槽３３に溜まっている排熱を放熱器３０を介して屋内に暖房として送風する実施形態である。具体的には、運転制御装置３３において暖房優先の学習制御を設定した場合に、当該運転制御装置３３は、貯湯槽１３内の排熱を回収した温水が満杯にならずとも、この温水を優先的に放熱器３０に供給するよう制御し、屋内に排熱を送風する。

本発明の実施形態を示す燃料電池基本システム構成図 本発明の実施形態を示す屋内設置式の燃料電池発電システムの設置平面図 本発明の実施形態を示す屋内設置式の燃料電池発電システムの設置正面図

符号の説明

１…燃料処理系
２…燃料電池本体
３…排熱利用系
４…脱硫器
５…水蒸気発生器
６…改質器
７…燃焼器
８…ＣＯシフト反応器
９…ＣＯ選択酸化器
１０…アノード極
１１…カソード極
１２ａ…排熱熱交換器
１２ｂ…排熱熱交換器
１３…貯湯槽
２０…燃料電池収納部
２１…貯湯槽収納部
２２…壁
２３…２重吸排気管
２４…吸気ダクト
２５…排気ダクト
２６…換気ファン
２７…ＣＯセンサ
２８…排熱利用ライン
２９…温水量検知器
３０…放熱器
３１…放熱ファン
３２…シャッター
３３…運転制御装置
３４…温度計

Claims (9)

1. 燃料の改質を行う燃料処理系と燃料電池本体とを屋内に設置して成る屋内設置式燃料電池発電システムにおいて、
   このシステムには、前記燃料処理系もしくは燃料電池本体の少なくとも一方から生じた排熱を屋内に送風する排熱用熱交換器が配設されたことを特徴とする屋内設置式燃料電池発電システム。
2. 燃料の改質を行う燃料処理系と燃料電池本体とを備えた燃料電池システムを屋内に設置して成る屋内設置式燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料処理系もしくは燃料電池本体の少なくとも一方から生じた排熱を貯湯槽に貯湯する排熱利用系を備え、
   前記燃料電池システムと前記排熱利用系の少なくとも一方には、前記排熱を屋内に送風する排熱用熱交換器が配設されたことを特徴とする屋内設置式燃料電池発電システム。
3. 燃料電池発電システムによる屋内の暖房運転と非暖房運転の切替制御を行う運転制御装置を備え、
   前記運転制御装置は、暖房運転時は前記排熱処理系における貯湯槽の排熱貯蔵が満杯になった後も当該システムの運転を継続してその排熱を前記排熱用熱交換器から屋内へ放熱させ、非暖房運転時は前記排熱処理系における貯湯槽の排熱貯蔵が満杯になった後に当該システムの運転を停止すると共に前記排熱用熱交換器から屋内への放熱を停止するものであることを特徴とする請求項２に記載の屋内設置式燃料電池発電システム。
4. 前記排熱用熱交換器は、温水をファンにより冷却して放熱するコンベクタータイプであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の屋内設置式燃料電池発電システム。
5. 前記運転制御装置は、暖房運転時には前記ファンを駆動し、非暖房運転時には前記ファンを停止するものであることを特徴とする請求項４に記載の屋内設置式燃料電池発電システム。
6. 前記排熱用熱交換器は、前記貯湯槽との間にシャッターを有するものであり、
   前記運転制御装置は、暖房運転時には前記シャッターを開放し、非暖房運転時には前記シャッターを閉鎖するものであることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の屋内設置式燃料電池発電システム。
7. 前記屋内設置式燃料電池発電システムは、前記燃料電池本体及び燃料処理系に対する吸排気を行うために屋内外を連通する吸排気管と、この吸排気管の近傍に設けられた一酸化炭素ガス検出用のセンサとを備え、
   前記運転制御装置は、前記一酸化炭素ガスセンサからの一酸化炭素の検出信号に伴い、当該システムの運転を停止するものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の屋内設置式燃料電池発電システム。
8. 前記運転制御装置が、外気温を測定する温度計の検出温度に従い、暖房運転と非暖房運転とを切り替えるものであることを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載の屋内設置式燃料電池発電システム。
9. 前記運転制御装置が、この運転制御装置に内蔵されたカレンダーに従い、暖房運転と非暖房運転とを切り替えるものである請求項３〜８のいずれか１項に記載の屋内設置式燃料電池発電システム。

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