JP3849375B2 - 熱電併給装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分子電解質型の燃料電池を用いて発電と熱の供給を行う熱電併給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下、図５の構成図を用いて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冷却配管８と、冷却配管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、燃料電池１の温度を一定に保つため、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する。
【０００４】
しかしながら、上記従来の構成では、燃料電池１で発生した熱を冷却用放熱ファン１０で外部に放出するため、発電時に発生する熱を利用することができないので、熱電併給装置を構成しないという問題点があった。
【０００５】
また、燃料電池１で反応させた後の廃棄空気や廃棄燃料ガスの廃熱も利用することができないという問題点があった。
【０００６】
また、天然ガスなどの原料から燃料ガスを生成する熱電併給装置を用いて発電を行う際、一酸化炭素変成器４で変成された後の改質ガスには少量の一酸化炭素が残留する。このような状況で、高分子電解質型の燃料電池１の一酸化炭素被毒を防止するためには、運転を所定温度の範囲で行う必要がある。しかし、上記発電装置では、冷却回路の水温を調節する手段を持たず、低負荷運転時の燃料電池１の温度維持等、燃料電池１の温度調整が困難であり、燃料電池の性能維持が難しいという問題点があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の有する問題点を解決することを課題とする。
【０００８】
【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と熱交換された外部熱輸送媒体を熱利用する熱利用手段と、前記熱利用手段から前記外部熱輸送媒体を取り出し、熱交換された前記外部熱輸送媒体を前記熱利用手段に戻すための廃熱回収配管と、前記廃熱回収配管内の前記外部熱輸送媒体を循環させる外部熱輸送媒体循環手段と、前記内部循環手段により前記内部循環回路内を流れる内部熱輸送媒体と前記外部熱輸送媒体循環手段により前記廃熱回収配管内を流れる前記外部熱輸送媒体との間で熱交換する第１の熱交換手段と、前記内部熱輸送媒体の温度を検出する内部熱輸送媒体温度検出手段と、制御手段とを備え、前記制御手段は、前記内部熱輸送媒体温度検出手段による検出温度に基づき、前記外部熱輸送媒体循環手段により前記外部熱輸送媒体の流量を制御することで前記内部熱輸送媒体の温度を所定温度に維持することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の熱電併給装置は、前記外部熱輸送媒体の温度を検出する外部熱輸送媒体温度検出手段を備え、前記制御手段は、前記外部熱輸送媒体温度検出手段で検出される温度も考慮して、前記外部熱輸送媒体循環手段により前記外部熱輸送媒体循環手段の流量を制御することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である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。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。
【００１８】
また、燃料電池１に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第１の熱交換手段１４と、放熱器１０と第１の熱交換手段１４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１５，１６と、第１の熱交換手段１４によって熱交換された外部熱輸送媒体を廃熱回収配管１７ａ，１７ｂを介して熱利用する熱利用手段１８とで構成されている。そして、燃料電池１と内部循環回路８と内部循環手段であるポンプ９と第１の熱交換手段１４とを燃料電池本体ユニット１９内に内蔵している。
【００１９】
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ており、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ものとする。また、冷却配管８、ポンプ９、放熱器１０、第１の熱交換手段１４、流量調整弁１５，１６は、本実施の形態の内部循環回路を構成している。
【００２０】
熱電併給装置の運転時に、流量調整弁１５を閉、１６を開にして燃料電池の発電による熱を内部熱輸送媒体によりポンプ９を介して循環させ、第１の熱交換手段１４により外部熱輸送媒体に熱搬送させた。熱利用手段１８は、内部のポンプ手段（図示せず）により外部熱輸送媒体に熱交換された熱を廃熱回収配管１７ａ，１７ｂを介して利用した。熱利用手段としては、暖房機器としての温水パネルや給湯機器としての貯湯タンクなどが用いられた。このとき、第１の熱交換手段１４を燃料電池本体ユニット１９の中に内蔵しているため、内部循環回路内を流れる内部熱輸送媒体の量を、外部熱輸送媒体の量に比較して少なく構成できた。熱利用手段１８として貯湯タンクを、内部熱輸送媒体として不凍液を、外部熱輸送媒体として水を用いた場合、不凍液の総量を少なくでき、経済的に構成できた。さらに、廃熱回収配管１７ａ，１７ｂのうち、熱利用手段（貯湯タンク）１８から第１の熱交換手段１４へ送られる廃熱回収配管１７ｂが通常低温側（水）配管であり、燃料電池１の内部循環回路を流れる内部熱輸送媒体が、高分子電解質型燃料電池の場合、７０〜８０℃であるため、内部熱輸送媒体の冷却配管８を延長する場合より熱損失も少なくでき、燃料電池としての廃熱回収効率が向上した。
【００２１】
また、熱電併給装置の廃熱を熱利用手段１８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１５を開、１６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た。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した。
【００２２】
（実施の形態２）
図２は、本発明の異なる実施の形態である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、燃料電池１に供給される酸化剤ガスとしての加湿空気が燃料電池１で化学反応した後の酸化剤廃ガスの熱を熱交換する第２の熱交換手段２１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。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。
【００２３】
また、燃料電池１に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第１の熱交換手段１４と、放熱器１０と第１の熱交換手段１４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１５，１６と、第１の熱交換手段１４によって熱交換された外部熱輸送媒体を廃熱回収配管１７ａ，１７ｂを介して熱利用する熱利用手段１８とで構成されている。そして、高分子電解質型燃料電池１と内部循環回路と内部循環手段であるポンプ９と第１の熱交換手段１４および第２の熱交換手段２１とを燃料電池本体ユニット１９内に内蔵している。第１の熱交換手段１４は、第２の熱交換手段２１の外部熱輸送媒体の回路の下流側に置かれ、熱利用の効率化を図る構成となっている。
【００２４】
上記の各構成要素は、図５で示した従来の発電装置と同じ機能のものは、同一符号を付与しており、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ものとする。また、冷却配管８、ポンプ９、放熱器１０、第１の熱交換手段１４、流量調整弁１５，１６は、本実施の形態の内部循環回路を構成している。
【００２５】
熱電併給装置の運転時に、まず、流量調整弁１５を閉、１６を開にして燃料電池１の発電による熱を内部熱輸送媒体によりポンプ９を介して循環させた。また、空気供給装置６により、供給空気を加湿する酸化側加湿器７を介して、燃料電池１に酸化剤ガスとしての加湿空気を供給するとともに、燃料電池１と化学反応した後の酸化剤側廃ガスを第２の熱交換手段２１へ送り熱交換した。熱利用手段１８内部のポンプ手段（図示せず）によって廃熱回収配管１７ｂより送られてきた外部熱輸送媒体は、まず第２の熱交換手段２１で熱交換され、さらに内部循環回路のポンプ９により、熱搬送されてきた内部熱輸送媒体と第１の熱交換手段１４で熱交換され、熱利用手段１８へ廃熱回収配管１７ａを介して送られた。熱利用手段１８としては、暖房機器としての温水パネルや給湯機器としての貯湯タンクなどが用いられた。このとき、第２の熱交換手段２１、第１の熱交換手段１４を燃料電池本体ユニット１９の中に内蔵しているため、内部循環回路内を流れる内部熱輸送媒体の量を、外部熱輸送媒体の量に比較して少なく構成できた。熱利用手段１８として貯湯タンクを、内部熱輸送媒体として不凍液を、外部熱輸送媒体として水を用いた場合、不凍液の総量を少なくでき、経済的に構成できた。さらに、廃熱回収配管１７ａ，１７ｂのうち、熱利用手段（貯湯タンク）１８から第２の熱交換手段２１へ送られる廃熱回収配管１７ｂが通常低温側（水）配管であり、燃料電池１の内部循環回路を流れる内部熱輸送媒体の温度が、高分子電解質型燃料電池の場合、７０〜８０℃であるため、内部熱輸送媒体の冷却配管８を延長する場合より熱損失も少なくでき燃料電池としての廃熱効率が向上した。
【００２６】
また、燃料電池１の廃熱を熱利用手段１８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１５を開、１６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た。
【００２７】
さらに、燃料電池１に酸化剤ガスとしての加湿空気を供給するとともに、燃料電池１と化学反応した後の廃ガスを第２の熱交換手段２１へ送る酸化側加湿器７を具備する本実施の形態の熱電併給装置において、熱電併給装置の運転時、燃料電池１と化学反応後の廃ガス温度として６０〜６５℃の加湿廃ガス空気が得られ、第２の熱交換手段２１で外部熱輸送媒体として水と熱交換した場合、外部熱輸送媒体の流量を約０．０４８〜０．０６０ｍ3／ｈ（約０．８〜１．０Ｌ／ｍｉｎ）とした時に約１５〜２０℃の温度上昇が得られた。この第２の熱交換手段２１で熱交換後、さらに第１の熱交換手段１４で熱交換することにより、外部熱輸送媒体の温度を、内部熱輸送媒体の循環温度（約７０〜８０℃）付近まで昇温することができた。従って、熱電併給装置の廃熱の利用効率が一段と向上した。
【００２８】
なお、本実施の形態において、第１の熱交換手段の熱源として、燃料電池の酸化剤側廃ガスを用いたが、燃料電池の燃料側廃ガスを用いる構成を設けても同様の効果があった。
【００２９】
（実施の形態３）
図３は、本発明の異なる実施の形態である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、燃料電池１に供給される酸化剤ガスとしての加湿空気が燃料電池１で化学反応した後の酸化剤側廃ガスの熱を熱交換する第２の熱交換手段２１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。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。
【００３０】
また、燃料電池１に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第１の熱交換手段１４と、放熱器１０と第１の熱交換手段１４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１５，１６と、第１の熱交換手段１４によって熱交換された外部熱輸送媒体を廃熱回収配管１７ａ，１７ｂを介して熱利用する熱利用手段としての貯湯タンク３９とで構成されている。
【００３１】
また、廃熱回収配管１７ｂに取り付けられた外部熱輸送媒体としての水を第２の熱交換手段２１に送る外部循環ポンプ３１と、第１の熱交換手段１４によって熱交換された湯の温度を検出する廃熱回収配管１７ａに取り付けられた温度検出手段としての湯温サーミスタ３２と、湯温サーミスタ３２で検出された湯温をもとに外部循環ポンプ３１の流量を制御する貯湯制御手段３３とで構成されている。
【００３２】
そして、高分子電解質型燃料電池１と内部循環回路とポンプ９と第１の熱交換手段１４および第２の熱交換手段２１とを燃料電池本体ユニット１９内に内蔵している。第１の熱交換手段１４は、第２の熱交換手段２１の外部熱輸送媒体の回路の下流側に置かれ、熱利用の効率化を図る構成となっている。
【００３３】
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を有するものについては、同一符号を付与しており、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ものとする。また、冷却配管８、ポンプ９、放熱器１０、第１の熱交換手段１４、流量調整弁１５，１６は、本実施の形態の内部循環回路を構成している。
【００３４】
熱電併給装置の運転時に、まず、流量調整弁１５を閉、１６を開にして燃料電池の発電による熱を内部熱輸送媒体によりポンプ９を介して循環させた。また、空気供給装置６により、供給空気を加湿する酸化側加湿器７を介して、燃料電池１に酸化剤ガスとしての加湿空気を供給するとともに、燃料電池１と化学反応した後の酸化剤側廃ガスを第２の熱交換手段２１へ送り熱交換した。熱利用手段３９から廃熱回収配管１７ｂの外部循環ポンプ３１を介して送られてきた外部熱輸送媒体としての水は、まず第２の熱交換手段２１で熱交換され、さらに内部循環回路のポンプ９により、熱搬送されてきた内部熱輸送媒体と第１の熱交換手段１４で熱交換され、熱利用手段３９へ廃熱回収配管１７ａを介して送られた。このとき、第２の熱交換手段２１、第１の熱交換手段１４を燃料電池本体ユニット１９の中に内蔵しているため、内部循環回路内を流れる内部熱輸送媒体の量を、外部熱輸送媒体の量に比較して少なく構成できた。内部熱輸送媒体として不凍液を、外部熱輸送媒体として水を用いた場合、不凍液の総量を少なくでき、経済的に構成できた。さらに、廃熱回収配管１７ａ，１７ｂのうち、貯湯タンク３９から第２の熱交換手段２１へ送られる廃熱回収配管１７ｂが通常低温側（水）配管であり、燃料電池１の内部循環回路を流れる内部熱輸送媒体の温度が、高分子電解質型燃料電池の場合、７０〜８０℃であるため、内部熱輸送媒体の冷却配管８を延長する場合より熱損失も少なくでき燃料電池としての廃熱回収効率が向上した。
【００３５】
また、貯湯タンク３９の水を廃熱回収配管１７ａ，１７ｂを介して熱交換する外部循環ポンプ３１の流量を、湯温サーミスタ３２の検出値をもとに制御し、貯湯タンク上部より積層状に湯を貯湯させる貯湯制御手段３３によって、貯湯タンク３９上部より常に積層状に湯を貯湯できた。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（６０〜８０℃）で確保でき、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た。
【００３６】
また、熱電併給装置の廃熱を貯湯タンク３９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１５を開、１６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た。
【００３７】
なお、本実施の形態において、第１の熱交換手段の熱源として、燃料電池の酸化剤側廃ガスを用いたが、燃料電池の燃料側廃ガスを用いる構成を設けても同様の効果があった。
【００３８】
さらに、熱交換手段を燃料電池１に供給される酸化剤ガスとしての加湿空気が燃料電池で化学反応した後の酸化剤側廃ガスの熱をまず第２の熱交換手段２１によって熱交換し、第２の熱交換手段２１での熱交換後、燃料電池１の冷却水系の内部循環回路からの熱を第１の熱交換手段１４によって熱交換するように接続したので、低温側の熱交換手段による熱交換の後でより高温側の熱交換を行うため、熱交換効率が向上し、熱利用手段へ搬送される廃熱の利用効率が極めて高効率になった。
【００３９】
（実施の形態４）
図４は、本発明の異なる実施の形態である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、燃料電池１に供給される酸化剤ガスとしての加湿空気が燃料電池１で化学反応した後の酸化剤側廃ガスの熱を熱交換する第２の熱交換手段２１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。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。
【００４０】
また、燃料電池１に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第１の熱交換手段１４と、放熱器１０と第１の熱交換手段１４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１５，１６と、第１の熱交換手段１４の内部循環回路の出口側に取り付けられた温度検出手段としての内部熱輸送媒体サーミスタ４１と、で構成されている。そして、第１の熱交換手段１４によって熱交換された外部熱輸送媒体を廃熱回収配管１７ａ，１７ｂを介して熱利用する熱利用手段３９と、廃熱回収配管１７ｂに取り付けられた外部熱輸送媒体としての水を第１の熱交換手段１４に送る外部循環ポンプ３１と、第１の熱交換手段１４によって熱交換された湯の温度を検出する廃熱回収配管１７ａに取り付けられた温度検出手段としての湯温サーミスタ３２と、酸化剤側排ガスの熱を回収する第１の熱交換手段１４の上流に設けられた第２の熱交換手段２１と、で廃熱回収回路が構成されている。そして、燃料電池冷却水温度制御手段４２は、内部熱輸送媒体サーミスタ４１で検出された湯温をもとに、外部循環ポンプ３１の流量を制御し、燃料電池１へ供給する内部熱輸送媒体の温度を、所定温度（約７０〜８０℃）に制御する構成となっている。さらに、高分子電解質型燃料電池１と内部循環回路と内部循環手段であるポンプ９と第１の熱交換手段１４および第２の熱交換手段２１とを燃料電池本体ユニット１９内に内蔵している。
【００４１】
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を有するものについては、同一符号を付与しており、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ものとする。また、冷却配管８、ポンプ９、放熱器１０、第１の熱交換手段１４、流量調整弁１５，１６は、本実施の形態の内部循環回路を構成している。
【００４２】
熱電併給装置の運転時に、まず、流量調整弁１５を閉、１６を開にして燃料電池１の発電による熱を内部熱輸送媒体によりポンプ９を介して循環させた。また、空気供給装置６により、供給空気を加湿する酸化側加湿器７を介して、燃料電池１に酸化剤ガスとしての加湿空気を供給するとともに、燃料電池１と化学反応した後の酸化剤側廃ガスを第２の熱交換手段２１へ送り熱交換した。廃熱回収配管１７ｂより送られてきた外部熱輸送媒体としての水は、まず第２の熱交換手段２１で酸化剤側廃ガスと熱交換され、さらに内部循環回路８のポンプ９により、熱搬送されてきた内部熱輸送媒体と第１の熱交換手段１４で熱交換され、熱利用手段３９へ廃熱回収配管１７ａを介して送られた。熱利用手段３９としては、給湯機器としての貯湯タンクが用いられ、このとき、第２の熱交換手段２１、第１の熱交換手段１４を燃料電池本体ユニット１９の中に内蔵しているため、内部循環回路内を流れる内部熱輸送媒体の量を、外部熱輸送媒体（水）の量に比較して少なく構成できた。内部熱輸送媒体として不凍液を用いた場合、不凍液の総量を少なくでき、経済的に構成できた。さらに、廃熱回収配管１７ａ，１７ｂのうち、貯湯タンク３９から第２の熱交換手段２１へ送られる廃熱回収配管１７ｂが通常低温側（水）配管であり、燃料電池１の内部循環回路を流れる内部熱輸送媒体の温度が、高分子電解質型燃料電池の場合、７０〜８０℃であるため、内部熱輸送媒体の冷却配管８を延長する場合より熱損失も少なくでき燃料電池としての廃熱回収効率が向上した。
【００４３】
また、燃料電池１の廃熱を熱利用手段３９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１５を開、１６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た。
【００４４】
さらに、燃料電池冷却水温度制御手段４２によって、内部循環回路の第１の熱交換手段１４の出口側にに取り付けられた内部熱輸送媒体サーミスタ４１で検出された湯温をもとに、外部循環ポンプ３１の流量を燃料電池１へ供給する内部熱輸送媒体の温度を所定温度（約７０〜８０℃）になるように制御した。すなわち、燃料電池１の廃熱を発電量に応じて熱利用手段３９に廃熱回収することで、燃料電池１の内部熱輸送媒体を温度を所定温度に維持調節することができ、低負荷運転時の燃料電池の温度維持等も可能となり、燃料電池の一酸化炭素被毒を防止でき、熱電併給装置としての信頼性が極めて向上した。
【００４５】
また、熱利用手段３９からの廃熱回収が少ない場合、または不要となった場合は、流量調整弁１５，１６の弁開度を適切に調整することにより、放熱器１０で余剰の熱を外部へ放熱して、内部熱輸送媒体サーミスタ４１の温度を所定温度に維持調節し、燃料電池１へ供給する内部熱輸送媒体の温度を所定温度に維持できた。
【００４６】
さらに、本実施の形態において内部熱輸送媒体として、水（純水）または不凍液を用いたが、燃料電池の内部に流入し廃熱回収するため、内部循環回路を短回路化することにより水質劣化や汚濁が発生する機会を軽減でき、燃料電池を用いた熱電併給装置の高信頼性化に効果があった。
【００４７】
なお、本実施の形態において、第１の熱交換手段の熱源として、燃料電池の酸化剤側廃ガスを用いたが、燃料電池の燃料側廃ガスを用いる構成を設けても同様の効果があった。
【００４８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の熱電併給装置によれば、次の効果が得られる。
【００４９】
燃料電池と内部循環回路と熱交換手段とを燃料電池本体ユニット内に内蔵することにより、内部循環回路の短回路化が可能となるとともに廃熱回収配管のうちの片方が通常低温側配管となるので、熱交換手段と熱利用手段とを接続する廃熱回収配管からの熱損失を低減でき、廃熱回収効率が向上する。
【００５０】
また、内部循環回路を短回路化することにより、内部循環回路内を流れる内部熱輸送媒体の総量を少なくできるため、内部熱輸送媒体を不凍液等を使用し、燃料電池と熱利用手段を結ぶ廃熱回収配管内の外部熱輸送媒体を水で構成した場合など経済的に構成できる。かつ、内部熱輸送媒体は燃料電池の内部に流入し廃熱回収するため、内部循環回路を短回路化することにより水質劣化や汚濁が発生する機会を軽減でき、燃料電池の信頼性が向上する。
【００５１】
さらに、熱交換手段を燃料電池に供給される酸化剤ガスとしての加湿空気が燃料電池で化学反応した後の酸化剤側廃ガスの熱をまず第１の熱交換手段によって熱交換し、第１の熱交換手段での熱交換後、燃料電池の冷却水系の内部循環回路からの熱を第２の熱交換手段によって熱交換するように接続した。よって、低温側の熱交換手段による熱交換の後でより高温側の熱交換を行うため、熱交換効率が向上し、熱利用手段へ搬送される廃熱の利用効率が極めて高効率になる。
【００５２】
また、外部熱輸送媒体として、水を利用し、熱利用手段として貯湯タンクを用い、廃熱回収配管の経路中に備えた外部熱輸送媒体循環手段と、外部熱輸送媒体循環手段の流量を制御し、貯湯タンク上部より積層状に湯を貯湯させる貯湯制御手段を備えることによって、貯湯タンク上部より常に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（６０〜８０℃）で確保でき、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ができる。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、利便性がさらに向上する。
【００５３】
また、廃熱回収配管内の湯水を搬送する外部熱輸送媒体循環手段の流量を調節し、熱交換手段からの熱交換量を調節し、燃料電池へ流入する内部熱輸送媒体の温度を所定温度に維持する燃料電池冷却水温度制御手段を備えることにより、燃料電池の発電時において発生した熱を放熱し燃料電池を冷却する場合に、廃熱回収配管内の湯の熱交換量を外部熱輸送媒体循環手段の流量によって調節し、燃料電池へ入る内部熱輸送媒体の温度を所定温度に維持することができ、安定した温度で燃料電池を運転することができ、一酸化炭素被毒による燃料電池の性能劣化を防止することができ、高い信頼性を有する熱電併給装置を構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である熱電併給装置のブロック構成図
【図２】本発明の異なる実施の形態である熱電併給装置のブロック構成図
【図３】本発明の異なる実施の形態である熱電併給装置のブロック構成図
【図４】本発明の異なる実施の形態である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 冷却配管
９ ポンプ
１０ 放熱器
１４ 第１の熱交換手段
１５，１６ 流量調整弁
１７ａ，１７ｂ 廃熱回収配管
１８ 熱利用手段
１９ 燃料電池本体ユニット
２１ 第２の熱交換手段
３１ 外部循環ポンプ
３２ 湯温サーミスタ
３３ 貯湯制御手段
３９ 熱利用手段（貯湯タンク）
４１ 内部熱輸送媒体サーミスタ
４２ 燃料電池冷却水温度制御手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分子電解質型の燃料電池を用いて発電と熱の供給を行う熱電併給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下、図５の構成図を用いて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冷却配管８と、冷却配管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、燃料電池１の温度を一定に保つため、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する。
【０００４】
しかしながら、上記従来の構成では、燃料電池１で発生した熱を冷却用放熱ファン１０で外部に放出するため、発電時に発生する熱を利用することができないので、熱電併給装置を構成しないという問題点があった。
【０００５】
また、燃料電池１で反応させた後の廃棄空気や廃棄燃料ガスの廃熱も利用することができないという問題点があった。
【０００６】
また、天然ガスなどの原料から燃料ガスを生成する熱電併給装置を用いて発電を行う際、一酸化炭素変成器４で変成された後の改質ガスには少量の一酸化炭素が残留する。このような状況で、高分子電解質型の燃料電池１の一酸化炭素被毒を防止するためには、運転を所定温度の範囲で行う必要がある。しかし、上記発電装置では、冷却回路の水温を調節する手段を持たず、低負荷運転時の燃料電池１の温度維持等、燃料電池１の温度調整が困難であり、燃料電池の性能維持が難しいという問題点があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の有する問題点を解決することを課題とする。
【０００８】
【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と熱交換された外部熱輸送媒体を熱利用する熱利用手段と、前記熱利用手段から前記外部熱輸送媒体を取り出し、熱交換された前記外部熱輸送媒体を前記熱利用手段に戻すための廃熱回収配管と、前記廃熱回収配管内の前記外部熱輸送媒体を循環させる外部熱輸送媒体循環手段と、前記内部循環手段により前記内部循環回路内を流れる内部熱輸送媒体と前記外部熱輸送媒体循環手段により前記廃熱回収配管内を流れる前記外部熱輸送媒体との間で熱交換する第１の熱交換手段と、前記内部熱輸送媒体の温度を検出する内部熱輸送媒体温度検出手段と、制御手段とを備え、前記制御手段は、前記内部熱輸送媒体温度検出手段による検出温度に基づき、前記外部熱輸送媒体循環手段により前記外部熱輸送媒体の流量を制御することで前記内部熱輸送媒体の温度を所定温度に維持することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の熱電併給装置は、前記外部熱輸送媒体の温度を検出する外部熱輸送媒体温度検出手段を備え、前記制御手段は、前記外部熱輸送媒体温度検出手段で検出される温度も考慮して、前記外部熱輸送媒体循環手段により前記外部熱輸送媒体循環手段の流量を制御することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である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。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。
【００１８】
また、燃料電池１に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第１の熱交換手段１４と、放熱器１０と第１の熱交換手段１４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１５，１６と、第１の熱交換手段１４によって熱交換された外部熱輸送媒体を廃熱回収配管１７ａ，１７ｂを介して熱利用する熱利用手段１８とで構成されている。そして、燃料電池１と内部循環回路８と内部循環手段であるポンプ９と第１の熱交換手段１４とを燃料電池本体ユニット１９内に内蔵している。
【００１９】
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ており、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ものとする。また、冷却配管８、ポンプ９、放熱器１０、第１の熱交換手段１４、流量調整弁１５，１６は、本実施の形態の内部循環回路を構成している。
【００２０】
熱電併給装置の運転時に、流量調整弁１５を閉、１６を開にして燃料電池の発電による熱を内部熱輸送媒体によりポンプ９を介して循環させ、第１の熱交換手段１４により外部熱輸送媒体に熱搬送させた。熱利用手段１８は、内部のポンプ手段（図示せず）により外部熱輸送媒体に熱交換された熱を廃熱回収配管１７ａ，１７ｂを介して利用した。熱利用手段としては、暖房機器としての温水パネルや給湯機器としての貯湯タンクなどが用いられた。このとき、第１の熱交換手段１４を燃料電池本体ユニット１９の中に内蔵しているため、内部循環回路内を流れる内部熱輸送媒体の量を、外部熱輸送媒体の量に比較して少なく構成できた。熱利用手段１８として貯湯タンクを、内部熱輸送媒体として不凍液を、外部熱輸送媒体として水を用いた場合、不凍液の総量を少なくでき、経済的に構成できた。さらに、廃熱回収配管１７ａ，１７ｂのうち、熱利用手段（貯湯タンク）１８から第１の熱交換手段１４へ送られる廃熱回収配管１７ｂが通常低温側（水）配管であり、燃料電池１の内部循環回路を流れる内部熱輸送媒体が、高分子電解質型燃料電池の場合、７０〜８０℃であるため、内部熱輸送媒体の冷却配管８を延長する場合より熱損失も少なくでき、燃料電池としての廃熱回収効率が向上した。
【００２１】
また、熱電併給装置の廃熱を熱利用手段１８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１５を開、１６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た。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した。
【００２２】
（実施の形態２）
図２は、本発明の異なる実施の形態である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、燃料電池１に供給される酸化剤ガスとしての加湿空気が燃料電池１で化学反応した後の酸化剤廃ガスの熱を熱交換する第２の熱交換手段２１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。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。
【００２３】
また、燃料電池１に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第１の熱交換手段１４と、放熱器１０と第１の熱交換手段１４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１５，１６と、第１の熱交換手段１４によって熱交換された外部熱輸送媒体を廃熱回収配管１７ａ，１７ｂを介して熱利用する熱利用手段１８とで構成されている。そして、高分子電解質型燃料電池１と内部循環回路と内部循環手段であるポンプ９と第１の熱交換手段１４および第２の熱交換手段２１とを燃料電池本体ユニット１９内に内蔵している。第１の熱交換手段１４は、第２の熱交換手段２１の外部熱輸送媒体の回路の下流側に置かれ、熱利用の効率化を図る構成となっている。
【００２４】
上記の各構成要素は、図５で示した従来の発電装置と同じ機能のものは、同一符号を付与しており、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ものとする。また、冷却配管８、ポンプ９、放熱器１０、第１の熱交換手段１４、流量調整弁１５，１６は、本実施の形態の内部循環回路を構成している。
【００２５】
熱電併給装置の運転時に、まず、流量調整弁１５を閉、１６を開にして燃料電池１の発電による熱を内部熱輸送媒体によりポンプ９を介して循環させた。また、空気供給装置６により、供給空気を加湿する酸化側加湿器７を介して、燃料電池１に酸化剤ガスとしての加湿空気を供給するとともに、燃料電池１と化学反応した後の酸化剤側廃ガスを第２の熱交換手段２１へ送り熱交換した。熱利用手段１８内部のポンプ手段（図示せず）によって廃熱回収配管１７ｂより送られてきた外部熱輸送媒体は、まず第２の熱交換手段２１で熱交換され、さらに内部循環回路のポンプ９により、熱搬送されてきた内部熱輸送媒体と第１の熱交換手段１４で熱交換され、熱利用手段１８へ廃熱回収配管１７ａを介して送られた。熱利用手段１８としては、暖房機器としての温水パネルや給湯機器としての貯湯タンクなどが用いられた。このとき、第２の熱交換手段２１、第１の熱交換手段１４を燃料電池本体ユニット１９の中に内蔵しているため、内部循環回路内を流れる内部熱輸送媒体の量を、外部熱輸送媒体の量に比較して少なく構成できた。熱利用手段１８として貯湯タンクを、内部熱輸送媒体として不凍液を、外部熱輸送媒体として水を用いた場合、不凍液の総量を少なくでき、経済的に構成できた。さらに、廃熱回収配管１７ａ，１７ｂのうち、熱利用手段（貯湯タンク）１８から第２の熱交換手段２１へ送られる廃熱回収配管１７ｂが通常低温側（水）配管であり、燃料電池１の内部循環回路を流れる内部熱輸送媒体の温度が、高分子電解質型燃料電池の場合、７０〜８０℃であるため、内部熱輸送媒体の冷却配管８を延長する場合より熱損失も少なくでき燃料電池としての廃熱効率が向上した。
【００２６】
また、燃料電池１の廃熱を熱利用手段１８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１５を開、１６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た。
【００２７】
さらに、燃料電池１に酸化剤ガスとしての加湿空気を供給するとともに、燃料電池１と化学反応した後の廃ガスを第２の熱交換手段２１へ送る酸化側加湿器７を具備する本実施の形態の熱電併給装置において、熱電併給装置の運転時、燃料電池１と化学反応後の廃ガス温度として６０〜６５℃の加湿廃ガス空気が得られ、第２の熱交換手段２１で外部熱輸送媒体として水と熱交換した場合、外部熱輸送媒体の流量を約０．０４８〜０．０６０ｍ3／ｈ（約０．８〜１．０Ｌ／ｍｉｎ）とした時に約１５〜２０℃の温度上昇が得られた。この第２の熱交換手段２１で熱交換後、さらに第１の熱交換手段１４で熱交換することにより、外部熱輸送媒体の温度を、内部熱輸送媒体の循環温度（約７０〜８０℃）付近まで昇温することができた。従って、熱電併給装置の廃熱の利用効率が一段と向上した。
【００２８】
なお、本実施の形態において、第１の熱交換手段の熱源として、燃料電池の酸化剤側廃ガスを用いたが、燃料電池の燃料側廃ガスを用いる構成を設けても同様の効果があった。
【００２９】
（実施の形態３）
図３は、本発明の異なる実施の形態である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、燃料電池１に供給される酸化剤ガスとしての加湿空気が燃料電池１で化学反応した後の酸化剤側廃ガスの熱を熱交換する第２の熱交換手段２１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。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。
【００３０】
また、燃料電池１に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第１の熱交換手段１４と、放熱器１０と第１の熱交換手段１４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１５，１６と、第１の熱交換手段１４によって熱交換された外部熱輸送媒体を廃熱回収配管１７ａ，１７ｂを介して熱利用する熱利用手段としての貯湯タンク３９とで構成されている。
【００３１】
また、廃熱回収配管１７ｂに取り付けられた外部熱輸送媒体としての水を第２の熱交換手段２１に送る外部循環ポンプ３１と、第１の熱交換手段１４によって熱交換された湯の温度を検出する廃熱回収配管１７ａに取り付けられた温度検出手段としての湯温サーミスタ３２と、湯温サーミスタ３２で検出された湯温をもとに外部循環ポンプ３１の流量を制御する貯湯制御手段３３とで構成されている。
【００３２】
そして、高分子電解質型燃料電池１と内部循環回路とポンプ９と第１の熱交換手段１４および第２の熱交換手段２１とを燃料電池本体ユニット１９内に内蔵している。第１の熱交換手段１４は、第２の熱交換手段２１の外部熱輸送媒体の回路の下流側に置かれ、熱利用の効率化を図る構成となっている。
【００３３】
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を有するものについては、同一符号を付与しており、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ものとする。また、冷却配管８、ポンプ９、放熱器１０、第１の熱交換手段１４、流量調整弁１５，１６は、本実施の形態の内部循環回路を構成している。
【００３４】
熱電併給装置の運転時に、まず、流量調整弁１５を閉、１６を開にして燃料電池の発電による熱を内部熱輸送媒体によりポンプ９を介して循環させた。また、空気供給装置６により、供給空気を加湿する酸化側加湿器７を介して、燃料電池１に酸化剤ガスとしての加湿空気を供給するとともに、燃料電池１と化学反応した後の酸化剤側廃ガスを第２の熱交換手段２１へ送り熱交換した。熱利用手段３９から廃熱回収配管１７ｂの外部循環ポンプ３１を介して送られてきた外部熱輸送媒体としての水は、まず第２の熱交換手段２１で熱交換され、さらに内部循環回路のポンプ９により、熱搬送されてきた内部熱輸送媒体と第１の熱交換手段１４で熱交換され、熱利用手段３９へ廃熱回収配管１７ａを介して送られた。このとき、第２の熱交換手段２１、第１の熱交換手段１４を燃料電池本体ユニット１９の中に内蔵しているため、内部循環回路内を流れる内部熱輸送媒体の量を、外部熱輸送媒体の量に比較して少なく構成できた。内部熱輸送媒体として不凍液を、外部熱輸送媒体として水を用いた場合、不凍液の総量を少なくでき、経済的に構成できた。さらに、廃熱回収配管１７ａ，１７ｂのうち、貯湯タンク３９から第２の熱交換手段２１へ送られる廃熱回収配管１７ｂが通常低温側（水）配管であり、燃料電池１の内部循環回路を流れる内部熱輸送媒体の温度が、高分子電解質型燃料電池の場合、７０〜８０℃であるため、内部熱輸送媒体の冷却配管８を延長する場合より熱損失も少なくでき燃料電池としての廃熱回収効率が向上した。
【００３５】
また、貯湯タンク３９の水を廃熱回収配管１７ａ，１７ｂを介して熱交換する外部循環ポンプ３１の流量を、湯温サーミスタ３２の検出値をもとに制御し、貯湯タンク上部より積層状に湯を貯湯させる貯湯制御手段３３によって、貯湯タンク３９上部より常に積層状に湯を貯湯できた。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（６０〜８０℃）で確保でき、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た。
【００３６】
また、熱電併給装置の廃熱を貯湯タンク３９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１５を開、１６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た。
【００３７】
なお、本実施の形態において、第１の熱交換手段の熱源として、燃料電池の酸化剤側廃ガスを用いたが、燃料電池の燃料側廃ガスを用いる構成を設けても同様の効果があった。
【００３８】
さらに、熱交換手段を燃料電池１に供給される酸化剤ガスとしての加湿空気が燃料電池で化学反応した後の酸化剤側廃ガスの熱をまず第２の熱交換手段２１によって熱交換し、第２の熱交換手段２１での熱交換後、燃料電池１の冷却水系の内部循環回路からの熱を第１の熱交換手段１４によって熱交換するように接続したので、低温側の熱交換手段による熱交換の後でより高温側の熱交換を行うため、熱交換効率が向上し、熱利用手段へ搬送される廃熱の利用効率が極めて高効率になった。
【００３９】
（実施の形態４）
図４は、本発明の異なる実施の形態である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、燃料電池１に供給される酸化剤ガスとしての加湿空気が燃料電池１で化学反応した後の酸化剤側廃ガスの熱を熱交換する第２の熱交換手段２１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。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。
【００４０】
また、燃料電池１に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第１の熱交換手段１４と、放熱器１０と第１の熱交換手段１４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１５，１６と、第１の熱交換手段１４の内部循環回路の出口側に取り付けられた温度検出手段としての内部熱輸送媒体サーミスタ４１と、で構成されている。そして、第１の熱交換手段１４によって熱交換された外部熱輸送媒体を廃熱回収配管１７ａ，１７ｂを介して熱利用する熱利用手段３９と、廃熱回収配管１７ｂに取り付けられた外部熱輸送媒体としての水を第１の熱交換手段１４に送る外部循環ポンプ３１と、第１の熱交換手段１４によって熱交換された湯の温度を検出する廃熱回収配管１７ａに取り付けられた温度検出手段としての湯温サーミスタ３２と、酸化剤側排ガスの熱を回収する第１の熱交換手段１４の上流に設けられた第２の熱交換手段２１と、で廃熱回収回路が構成されている。そして、燃料電池冷却水温度制御手段４２は、内部熱輸送媒体サーミスタ４１で検出された湯温をもとに、外部循環ポンプ３１の流量を制御し、燃料電池１へ供給する内部熱輸送媒体の温度を、所定温度（約７０〜８０℃）に制御する構成となっている。さらに、高分子電解質型燃料電池１と内部循環回路と内部循環手段であるポンプ９と第１の熱交換手段１４および第２の熱交換手段２１とを燃料電池本体ユニット１９内に内蔵している。
【００４１】
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を有するものについては、同一符号を付与しており、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ものとする。また、冷却配管８、ポンプ９、放熱器１０、第１の熱交換手段１４、流量調整弁１５，１６は、本実施の形態の内部循環回路を構成している。
【００４２】
熱電併給装置の運転時に、まず、流量調整弁１５を閉、１６を開にして燃料電池１の発電による熱を内部熱輸送媒体によりポンプ９を介して循環させた。また、空気供給装置６により、供給空気を加湿する酸化側加湿器７を介して、燃料電池１に酸化剤ガスとしての加湿空気を供給するとともに、燃料電池１と化学反応した後の酸化剤側廃ガスを第２の熱交換手段２１へ送り熱交換した。廃熱回収配管１７ｂより送られてきた外部熱輸送媒体としての水は、まず第２の熱交換手段２１で酸化剤側廃ガスと熱交換され、さらに内部循環回路８のポンプ９により、熱搬送されてきた内部熱輸送媒体と第１の熱交換手段１４で熱交換され、熱利用手段３９へ廃熱回収配管１７ａを介して送られた。熱利用手段３９としては、給湯機器としての貯湯タンクが用いられ、このとき、第２の熱交換手段２１、第１の熱交換手段１４を燃料電池本体ユニット１９の中に内蔵しているため、内部循環回路内を流れる内部熱輸送媒体の量を、外部熱輸送媒体（水）の量に比較して少なく構成できた。内部熱輸送媒体として不凍液を用いた場合、不凍液の総量を少なくでき、経済的に構成できた。さらに、廃熱回収配管１７ａ，１７ｂのうち、貯湯タンク３９から第２の熱交換手段２１へ送られる廃熱回収配管１７ｂが通常低温側（水）配管であり、燃料電池１の内部循環回路を流れる内部熱輸送媒体の温度が、高分子電解質型燃料電池の場合、７０〜８０℃であるため、内部熱輸送媒体の冷却配管８を延長する場合より熱損失も少なくでき燃料電池としての廃熱回収効率が向上した。
【００４３】
また、燃料電池１の廃熱を熱利用手段３９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１５を開、１６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た。
【００４４】
さらに、燃料電池冷却水温度制御手段４２によって、内部循環回路の第１の熱交換手段１４の出口側にに取り付けられた内部熱輸送媒体サーミスタ４１で検出された湯温をもとに、外部循環ポンプ３１の流量を燃料電池１へ供給する内部熱輸送媒体の温度を所定温度（約７０〜８０℃）になるように制御した。すなわち、燃料電池１の廃熱を発電量に応じて熱利用手段３９に廃熱回収することで、燃料電池１の内部熱輸送媒体を温度を所定温度に維持調節することができ、低負荷運転時の燃料電池の温度維持等も可能となり、燃料電池の一酸化炭素被毒を防止でき、熱電併給装置としての信頼性が極めて向上した。
【００４５】
また、熱利用手段３９からの廃熱回収が少ない場合、または不要となった場合は、流量調整弁１５，１６の弁開度を適切に調整することにより、放熱器１０で余剰の熱を外部へ放熱して、内部熱輸送媒体サーミスタ４１の温度を所定温度に維持調節し、燃料電池１へ供給する内部熱輸送媒体の温度を所定温度に維持できた。
【００４６】
さらに、本実施の形態において内部熱輸送媒体として、水（純水）または不凍液を用いたが、燃料電池の内部に流入し廃熱回収するため、内部循環回路を短回路化することにより水質劣化や汚濁が発生する機会を軽減でき、燃料電池を用いた熱電併給装置の高信頼性化に効果があった。
【００４７】
なお、本実施の形態において、第１の熱交換手段の熱源として、燃料電池の酸化剤側廃ガスを用いたが、燃料電池の燃料側廃ガスを用いる構成を設けても同様の効果があった。
【００４８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の熱電併給装置によれば、次の効果が得られる。
【００４９】
燃料電池と内部循環回路と熱交換手段とを燃料電池本体ユニット内に内蔵することにより、内部循環回路の短回路化が可能となるとともに廃熱回収配管のうちの片方が通常低温側配管となるので、熱交換手段と熱利用手段とを接続する廃熱回収配管からの熱損失を低減でき、廃熱回収効率が向上する。
【００５０】
また、内部循環回路を短回路化することにより、内部循環回路内を流れる内部熱輸送媒体の総量を少なくできるため、内部熱輸送媒体を不凍液等を使用し、燃料電池と熱利用手段を結ぶ廃熱回収配管内の外部熱輸送媒体を水で構成した場合など経済的に構成できる。かつ、内部熱輸送媒体は燃料電池の内部に流入し廃熱回収するため、内部循環回路を短回路化することにより水質劣化や汚濁が発生する機会を軽減でき、燃料電池の信頼性が向上する。
【００５１】
さらに、熱交換手段を燃料電池に供給される酸化剤ガスとしての加湿空気が燃料電池で化学反応した後の酸化剤側廃ガスの熱をまず第１の熱交換手段によって熱交換し、第１の熱交換手段での熱交換後、燃料電池の冷却水系の内部循環回路からの熱を第２の熱交換手段によって熱交換するように接続した。よって、低温側の熱交換手段による熱交換の後でより高温側の熱交換を行うため、熱交換効率が向上し、熱利用手段へ搬送される廃熱の利用効率が極めて高効率になる。
【００５２】
また、外部熱輸送媒体として、水を利用し、熱利用手段として貯湯タンクを用い、廃熱回収配管の経路中に備えた外部熱輸送媒体循環手段と、外部熱輸送媒体循環手段の流量を制御し、貯湯タンク上部より積層状に湯を貯湯させる貯湯制御手段を備えることによって、貯湯タンク上部より常に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（６０〜８０℃）で確保でき、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ができる。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、利便性がさらに向上する。
【００５３】
また、廃熱回収配管内の湯水を搬送する外部熱輸送媒体循環手段の流量を調節し、熱交換手段からの熱交換量を調節し、燃料電池へ流入する内部熱輸送媒体の温度を所定温度に維持する燃料電池冷却水温度制御手段を備えることにより、燃料電池の発電時において発生した熱を放熱し燃料電池を冷却する場合に、廃熱回収配管内の湯の熱交換量を外部熱輸送媒体循環手段の流量によって調節し、燃料電池へ入る内部熱輸送媒体の温度を所定温度に維持することができ、安定した温度で燃料電池を運転することができ、一酸化炭素被毒による燃料電池の性能劣化を防止することができ、高い信頼性を有する熱電併給装置を構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である熱電併給装置のブロック構成図
【図２】本発明の異なる実施の形態である熱電併給装置のブロック構成図
【図３】本発明の異なる実施の形態である熱電併給装置のブロック構成図
【図４】本発明の異なる実施の形態である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 冷却配管
９ ポンプ
１０ 放熱器
１４ 第１の熱交換手段
１５，１６ 流量調整弁
１７ａ，１７ｂ 廃熱回収配管
１８ 熱利用手段
１９ 燃料電池本体ユニット
２１ 第２の熱交換手段
３１ 外部循環ポンプ
３２ 湯温サーミスタ
３３ 貯湯制御手段
３９ 熱利用手段（貯湯タンク）
４１ 内部熱輸送媒体サーミスタ
４２ 燃料電池冷却水温度制御手段
Claims (2)
- 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と熱交換された外部熱輸送媒体を熱利用する熱利用手段と、前記熱利用手段から前記外部熱輸送媒体を取り出し、熱交換された前記外部熱輸送媒体を前記熱利用手段に戻すための廃熱回収配管と、前記廃熱回収配管内の前記外部熱輸送媒体を循環させる外部熱輸送媒体循環手段と、前記内部循環手段により前記内部循環回路内を流れる内部熱輸送媒体と前記外部熱輸送媒体循環手段により前記廃熱回収配管内を流れる前記外部熱輸送媒体との間で熱交換する第１の熱交換手段と、前記内部熱輸送媒体の温度を検出する内部熱輸送媒体温度検出手段と、制御手段とを備え、前記制御手段は、前記内部熱輸送媒体温度検出手段による検出温度に基づき、前記外部熱輸送媒体循環手段により前記外部熱輸送媒体の流量を制御することで前記内部熱輸送媒体の温度を所定温度に維持する熱電併給装置。
- 前記外部熱輸送媒体の温度を検出する外部熱輸送媒体温度検出手段を備え、前記制御手段は、前記外部熱輸送媒体温度検出手段で検出される温度も考慮して、前記外部熱輸送媒体循環手段により前記外部熱輸送媒体循環手段の流量を制御する請求項１記載の熱電併給装置。
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