JP4671656B2 - 金属鋳造システム - Google Patents

Description

本発明は、高温燃料電池（固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池）の排熱を用いて金属の溶解やその溶湯状態の保持を行えるように構成された金属鋳造システムに関する。

従来から金属鋳造に関する技術が知られている。この技術ではアルミニウムやマグネシウム等の金属を溶かしたり、溶けた金属（以下「溶湯」という）の溶湯状態を保持するために加熱装置が必要である。例えば、特許文献１には、ガスバーナからの燃焼ガスを利用した加熱装置（以下、従来装置という）を有するアルミニウム鋳造技術が開示されている。
特開２０００−３５２８３号公報

しかしながら、従来装置ではガスバーナで燃料を燃焼させて得た熱エネルギーを、アルミニウムの溶解や溶湯の保温のみに利用しており、大量の燃料を消費するにもかかわらず、その燃料から生じるエネルギーの利用態様が限られていた。

そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたもので、金属の溶解や溶湯の保温に必要な熱エネルギーを確保するとともに、燃料から取り出せるエネルギーの利用態様を拡大し、エネルギーの利用効率を向上させることができる金属鋳造システムを提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明は、鋳造用金属を所定の形に成形する成形手段を備える金属鋳造システムであって、鋳造用金属を溶かす溶解炉と、その溶解炉によって溶かされた金属の溶湯状態を保持する溶湯保持炉と、高温燃料電池と、高温燃料電池から排出される１次排熱を溶解炉に供給する上流側供給部と、溶解炉で用いた後の２次排熱を溶湯保持炉に供給する下流側供給部とを有する排熱供給手段と、１次排熱の供給媒体中の残燃料を用いて該供給媒体の温度調整を行う燃焼器と、を備えることを特徴とする。なお、高温燃料電池とは、アルミニウムやマグネシウムの融点と同等以上の運用温度である固体酸化物形燃料電池と溶融炭酸塩形燃料電池を意味する。

この金属鋳造システムでは、鋳造用金属の溶解や溶湯状態の保持のために高温燃料電池の１次排熱を利用する。また、この金属鋳造システムでは、高温燃料電池の１次排熱を溶解炉の熱源として利用した後の２次排熱を溶湯保持炉の熱源として利用する。また、この金属鋳造システムでは、１次排熱の供給媒体の温度調整を供給媒体中の残燃料を用いることにより行う。

また、高温燃料電池で生成された電力で作動する電力利用ユニットと、そのユニットに高温燃料電池で生成された電力を供給する電力供給手段を更に備えるようにしてもよい。この金属鋳造システムでは、高温燃料電池で生成された電力を電力利用ユニットに供給する。

また、燃焼器に接続される追加補助燃料供給路と、その追加補助燃料供給路に設けられ、供給される燃料の量を調節する調節部とを更に備えるようにしてもよい。
この金属鋳造システムでは、１次排熱の供給媒体の温度調整を行う燃焼器に対して燃料を供給でき、更に、供給燃料を調節することができるようになる。

溶解炉または溶湯保持炉で用いた後の余剰排熱を用いる排熱利用ユニットと、余剰排熱を排熱利用ユニットに供給する余剰排熱供給手段を更に備えるようにしてもよい。
この金属鋳造システムでは、溶解炉もしくは溶湯保持炉で用いられた後の余剰排熱を排熱利用ユニットに供給する。

また、成形手段によって成形された成形物を加熱して熱処理する熱処理炉を更に備え、熱処理炉において溶解炉または溶湯保持炉で用いた後の余剰排熱が用いられる構成とするようにしてもよい。
この金属鋳造システムでは、成形手段によって成形された成形物の熱処理を、余剰排熱を利用して行うことができる。

また、高温燃料電池の発生電力を蓄える蓄電手段と溶解炉または溶湯保持炉で用いた後の余剰排熱を蓄える蓄熱手段との少なくとも一つを更に備えてもよい。
この金属鋳造システムでは、高温燃料電池の発生電力と余剰排熱の少なくとも一方を蓄える。

本発明によれば、金属の溶解や溶湯の保温に必要な熱エネルギーを確保するとともに、燃料から取り出せるエネルギーの利用態様を拡大し、エネルギーの利用効率を向上させることが可能になる。

以下、図面を参照して本発明における金属鋳造システムの好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明においては、全図を通し、同一又は相当部分には同一符号を付すこととする。図１は本発明の第１の実施の形態に係る金属鋳造システムの概略的な構成を示すシステム構成図である。また、図２は固体酸化物形燃料電池の原理を示す模式図である。

本実施の形態に係る金属鋳造システム（以下「システム」という）１Ａは、鋳物の製造を行う施設内に設置されている。本実施の形態では、鋳造用金属としてアルミニウムのインゴットを用いる場合を想定し、高温燃料電池として固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という）を用いている。
システム１Ａ（図１参照）は、ＳＯＦＣ１０と、ＳＯＦＣ１０から排出される１次排熱の供給媒体（空気排ガスＧａや燃料排ガスＧｆ）の温度調整を行う燃焼器１２と、溶解炉１４にインゴットを投入するホッパ３４と、投入されたインゴットを１次排熱を利用して溶かす溶解炉１４と、溶解炉１４で用いられた後の２次排熱を利用して溶解炉１４から供給される溶湯アルミニウム（以下「アルミ溶湯」という）の溶湯状態を保持（以下「保温」という）する溶湯保持炉２０と、アルミ溶湯を所定の形に成形するダイカスト装置２４と、溶湯保持炉２０で用いられた後の余剰排熱の熱エネルギーを利用して空気を加温し、加温した空気をＳＯＦＣ１０に供給する熱回収部２２とを備えている。

またシステム１Ａは、ＳＯＦＣ１０の排熱をカスケード利用によって溶解炉１４と溶湯保持炉２０の両方の熱源として供給する排熱供給手段（上流側供給部、下流側供給部）を備える。なお「排熱をカスケード利用」するとは、高温排熱を必要とする設備から低温排熱で足りる設備に向けて段階的に排熱を供給することを意味している。
更に、本システム１ＡではＳＯＦＣ１０の１次排熱や溶解炉１４で用いられた後の２次排熱、更に溶湯保持炉２０で用いられた後の余剰排熱の供給媒体としてＳＯＦＣ１０から排出される空気排ガスＧａや燃料排ガスＧｆ、燃焼器１２から排出される１次排ガスＧ１、溶解炉１４から排出される２次排ガスＧ２、溶湯保持炉２０から排出される余剰排ガスＧｓを用いている。そのため以下の説明では、上記排熱の供給を、供給媒体である各ガスＧａ、Ｇｆ、Ｇ１、Ｇ２、Ｇｓの供給に置き代えて説明する。

ＳＯＦＣ１０は、図２に示すように電解質１１ａを挟んで正極（酸素極）１１ｂと負極（燃料極）１１ｃとを有し、さらに生成された電力の送電経路となる電線１０ｆ（図１参照）が接続されている。正極１１ｂは、空気（酸素）が供給される空気供給部１０ａと、発電に用いられた後の空気排ガスが排出される空気排出部１０ｃとに接続されている。一方、負極１１ｃは、燃料が供給される燃料供給部１０ｂと、発電に用いられた後の未燃残燃料を含む燃料排ガスが排出される燃料ガス排出部１０ｄとに接続されている。

ＳＯＦＣ１０の場合（溶融炭酸塩形燃料電池も同様）には低温タイプの燃料電池（固体高分子形燃料電池、リン酸形燃料電池）と違い、一酸化炭素（ＣＯ）の影響を受けず、水素（Ｈ_２）とともに燃料として利用できることから燃料の適用範囲が広い。そのため燃料は、灯油、軽油、ＤＭＥ、メタノールなどの液体燃料、メタンやブタンを主成分とするガス、都市ガス、液化石油ガス、水素を主成分とするガス、水素と一酸化炭素を主成分とする燃料改質ガスのいずれか一種類または複数種類の混合であってもよい。また、燃料として供給される態様も液状やガス状のみならずハイドレートであってもよい。

ＳＯＦＣ１０は、水の電気分解とは逆の反応によって電気を起こすものであり、空気供給部１０ａから正極１１ｂに供給される空気中の酸素（Ｏ_２）が、電解質１１ａ中をマイナスイオン（Ｏ^２−）となって負極１１ｃに移動し、負極１１ｃで水素（Ｈ_２）や一酸化炭素（ＣＯ）と結びついて水（Ｈ_２Ｏ）や炭酸ガス（ＣＯ_２）を生成するとともに電子を放出して発電する。ＳＯＦＣ１０で生成された電力は、電線１０ｆ（図１参照）を介して電力利用ユニットに供給される。

燃料電池では発電の際に発熱するが、ＳＯＦＣ１０の場合、他種の燃料電池と比べて発電時の温度が非常に高い（通常、９００°Ｃ〜１０００°Ｃ）ため、空気排出部１０ｃや燃料ガス排出部１０ｄから排出される空気排ガスＧａや燃料排ガスＧｆの温度は非常に高くなっている。一方、溶解炉１４や溶湯保持炉２０では多量の熱エネルギーが必要である。本発明は、これらの点に着目し、ＳＯＦＣ１０の排熱を溶解炉１４及び溶湯保持炉２０に供給し、熱源として利用したものである。

ＳＯＦＣ１０と燃焼器１２とは、図１に示すように空気排出部１０ｃと燃料ガス排出部１０ｄによって接続されている。燃焼器１２は、空気排ガスＧａや燃料排ガスＧｆが流入して燃焼するバーナ部（図示せず）と、燃焼炉（図示せず）とを備える。なお、バーナ部には、必要に応じて燃焼用空気が供給される空気供給部を設けてもよい。
燃焼器１２と溶解炉１４とは１次排ガスＧ１の経路となる配管１２ａによって接続されている。溶解炉１４は、１次排ガスＧ１を流動状態で保持し熱伝導によって炉内のインゴットを溶かすガス保持部１４ａを有し、配管１２ａがガス保持部１４ａに接続されている。一方、ホッパ３４はインゴットを蓄える貯留部（図示せず）と溶解炉１４に向けてインゴットを投入する投入口（図示せず）を有する。

溶解炉１４と溶湯保持炉２０とはアルミ溶湯Ａｍの経路となる配管１８および２次排熱の経路となる配管１４ｂによって接続されている。溶湯保持炉２０は２次排ガスＧ２を流動状態で保持し熱伝導によって炉内のアルミ溶湯を保温するガス保持部２０ａを有し、配管１４ｂがガス保持部２０ａと溶解炉１４のガス保持部１４ａに接続されている。

溶湯保持炉２０とダイカスト装置２４とはアルミ溶湯Ａｍの経路となる配管２３によって接続されている。
ダイカスト装置２４は、精密な金型を使用し溶湯保持炉２０から供給されたアルミ溶湯を自動で注湯するとともにアルミ溶湯に圧力を加えて鋳造する装置であり、鋳造品のエアクリーニング器等も含む。本実施の形態では、ダイカスト装置２４が本発明における成形手段に相当するが、成形手段は遠心鋳造方法を用いた装置、シェルモールド法を用いた装置、ＣＯ_２法を用いた装置等であってもよく、型を用いてアルミ溶湯を所定の形に成形できる装置であれば足りる。

一方、溶湯保持炉２０と熱回収部２２とは余剰排ガスＧｓの経路となる配管２０ｂによって接続されている。
熱回収部２２は外部から空気を取り込んで余剰排ガスＧｓとの間で熱交換する熱交換部（図示せず）を備え、熱交換によって加温された空気の経路となる配管２８によってＳＯＦＣ１０の空気供給部１０ａと接続されている。また、熱回収部２２は、熱交換によって温度が下がった排ガスＧｅの経路となる配管２２ａによって煙突２６と接続されている。

続いて、以上の構成からなるシステム１Ａの作用について説明する。
まず、ＳＯＦＣ１０に空気と燃料が供給され、発電作用を奏する。するとＳＯＦＣ１０では発電に伴って１次排熱が生じ、ＳＯＦＣ１０の作動温度は９００°Ｃ〜１０００°Ｃと高温であるため、１次排熱の供給媒体となる空気排ガスＧａや燃料排ガスＧｆも、その温度に対応した高い温度となる。

しかし、アルミニウムの融点は６６０°Ｃと高く、そのインゴットを溶かす場合には炉内の温度を融点以上とし、アルミ溶湯の保温のためにも融点以上に保つ必要があり、１次排熱をカスケード利用することを想定すると、１次排熱の供給媒体となる空気排ガスＧａや燃料排ガスＧｆの温度を予め高くしておく必要がある。そこでシステム１Ａでは、燃焼器１２に空気排ガスＧａと未燃残燃料を含む燃料排ガスＧｆを供給し、バーナ部で燃焼することによって融点に十分な温度まで昇温させた後に、配管１２ａによって溶解炉１４に供給する。このように燃焼器１２を設けておけば、空気排ガスＧａと燃料排ガスＧｆをバーナ部で燃焼し、所望の温度以上になるように調整することができる。なお、バーナ部での燃焼においては、必要に応じて燃焼用空気を供給してもよい。

溶解炉１４内にはホッパ３４からインゴットが投入され、１次排ガスＧ１を介して１次排熱が配管１２ａによって溶解炉１４に供給され、炉内のインゴットを溶かすための熱源として利用される。つまり、本実施の形態では空気排ガスＧａ、燃料排ガスＧｆ、１次排ガスＧ１が１次排熱の供給媒体となり、各排ガスＧａ、Ｇｆ、Ｇ１の経路となる空気排出部１０ｃ、燃料ガス排出部１０ｄ、配管１２ａが上流側供給部となる。

溶解炉１４のアルミ溶湯Ａｍは配管１８によって溶湯保持炉２０に供給される。一方、１次排ガスＧ１を介して溶解炉１４に供給された１次排熱は、溶解炉１４の熱源として用いられた後に２次排熱となる。２次排熱は２次排ガスＧ２を供給媒体として配管１４ｂによって溶湯保持炉２０に供給され、アルミ溶湯を保温するための熱源として利用される。溶湯保持炉２０はアルミ溶湯をダイカストに好適な温度に保持する。つまり、本実施の形態では２次排ガスＧ２の経路となる配管１４ｂが下流側供給部となる。

溶湯保持炉２０でアルミ溶湯の温度が安定すると、所定量のアルミ溶湯Ａｍが配管２３によってダイカスト装置２４に供給され、ダイカスト成形によって所定の形のアルミニウム製品が製造される。
一方、溶湯保持炉２０の熱源として利用された後の余剰排熱は、余剰排ガスＧｓを介して配管２０ｂによって熱回収部２２に供給される。余剰排熱は熱回収部２２で熱交換され、温度が下がった排ガスＧｅが配管２２ａによって煙突２６に供給され、煙突２６から排出される。

以上、システム１ＡではＳＯＦＣ１０で発電するとともに、発電に伴って生じる１次排熱を溶解炉１４の熱源として利用しているため、燃料から取り出せるエネルギーの利用効率を向上でき、燃料の有効利用が可能になる。特に、アルミニウムの溶解や溶湯の保温には６６０°Ｃ以上の高い温度を必要とするが、ＳＯＦＣ１０の１次排熱は、その温度に近い高温を期待できるため、燃焼器１２を用いて温度調整を行えばよく好適である。特に燃焼器１２では、燃料排ガスＧｆ中の未燃残燃料をバーナ部で燃焼する構成であるため、燃料の有効利用が可能となる。

また、システム１Ａでは高温燃料電池であるＳＯＦＣ１０の排熱を用いることから、溶解炉１４や溶湯保持炉２０内で直接燃料を燃焼して加熱温度を得る必要がなく、炉自体の耐久性を向上させることが可能となる。また、炉内で直接燃料を燃焼する場合に比べて、酸化による鋳造金属の品質低下を抑制することが可能となる。更に、空気排ガスＧａや燃料排ガスＧｆ等の高温排ガスにより溶解炉１４や溶湯保持炉２０を加温するため、直接燃料を燃焼して加温する場合に比べて炉内への均一な熱の供給を比較的容易に行うことができ、鋳造金属の品質向上を図ることが可能となる。

また、システム１Ａでは、１次排熱を溶解炉１４で利用した後の２次排熱を溶湯保持炉２０で利用するカスケード利用を行っているため、エネルギー損失が少なくて済む。
更に、システム１Ａでは、熱回収部２２によって暖められた空気が配管２８によって空気供給部１０ａに供給されるが、ＳＯＦＣ１０は電解質１１ａの性状から温度が９００°Ｃ〜１０００°Ｃで運用され、加温空気の供給によってＳＯＦＣ１０の温度低下を防止でき、発電効率を高い状態で維持できる。

なお、システム１Ａでは、１次排熱をカスケード利用するために燃焼器１２を設けたが、ＳＯＦＣ１０の性能や規模により、ＳＯＦＣ１０で生成される１次排熱の供給媒体となる排ガス（例えば、空気排ガスＧａ）がカスケード利用を行うに十分な温度であれば、燃焼器１２を設けなくてもよい。

また、システム１Ａでは、熱回収部２２によって加温された空気のみをＳＯＦＣ１０に供給するが、熱回収部２２で燃料ガスを加温し、加温された燃料ガスをＳＯＦＣ１０に供給するようにしてもよい。例えば、熱回収部２２に接続される燃料ガス供給路と、熱回収部２２で加温された燃料ガスをＳＯＦＣ１０の燃料供給部１０ｂに供給する加温燃料ガス供給路とを設ける構成とすることができる。

次に、図３を参照して第２の実施の形態に係る金属鋳造システム（以下「システム」という）１Ｂについて説明する。図３はシステム１Ｂの概略的な構成を示すシステム構成図である。システム１Ｂについては、システム１Ａとの相違点を中心に詳細を説明する。

システム１Ｂは、高温燃料電池であるＳＯＦＣ１０からの排熱を溶湯保持炉２０でのみ用いる場合に関するシステムであり、溶解炉１４内に投入されるアルミニウムのインゴットを溶かすために、溶解炉１４とは別の装置としてガスバーナ１６等の加熱装置を備えている。また、システム１Ｂは燃焼器１２を備えておらず、空気排出部１０ｃ及び燃料ガス排出部１０ｄと溶湯保持炉２０とを接続する配管１０ｅを備えている。更にシステム１Ｂは、熱回収部２２に代わって蓄熱槽４２を有し、蓄熱槽４２と煙突２６とを接続する配管４２ａを備える。蓄熱槽４２は例えば熱伝導率が低い材質の外壁に囲まれた槽内に水を蓄え、配管２０ｂに接続される熱伝導率の高い配管を水中に敷設してなる。この配管は配管４２ａに接続される。

システム１Ｂは、ＳＯＦＣ１０の１次排熱の供給媒体である空気排ガスＧａと燃料排ガスＧｆとの混合ガス（１次排ガスＧ１）が配管１０ｅよって溶湯保持炉２０に供給されている。つまり、システム１Ｂでは、１次排ガスＧ１を溶湯保持炉２０に供給する配管１０ｅが、本発明における排熱供給手段となる。

溶湯保持炉２０から排出される余剰排ガスＧｓは余剰排熱の供給媒体となり、蓄熱槽４２内の水に熱量を奪われて温度が低下し、槽内の水は温度が上昇して熱エネルギーが蓄えられる。温度が低下した排ガスＧｅは、配管４２ａを介して煙突２６から排出される。つまり本実施の形態では余剰排熱を蓄える蓄熱槽４２が本発明の蓄熱手段となるが、蓄熱手段としては他の形態であってもよく、例えば、余剰排ガスＧｓをそのまま蓄えておくものであってもよい。

なお、本実施の形態では蓄熱槽４２で余剰排熱を温水として蓄えているため、蓄熱槽４２内の温水を施設内、外の排熱利用ユニット（例えば、空調設備、給湯設備、温水プール等）に供給する余剰排熱供給手段を設けてもよい。なお、余剰排熱供給手段は、温水を供給するものに限定されず、余剰排ガスＧｓをそのまま供給するものであってもよい。

以上、システム１ＢではＳＯＦＣ１０で発電するとともに、発電に伴って生じる１次排熱を溶湯保持炉２０の熱源として利用しているため、燃料の有効利用が可能になる。また、蓄熱槽４２を備えているため、余剰排熱を蓄えるとともに必要に応じた余剰排熱の利用が可能となる。
なお、システム１Ｂでは、燃焼器１２を設けていないが、燃焼器１２を設ける構成としてもよい。例えば、空気排ガスＧａと燃料排ガスＧｆとを燃焼器１２のバーナ部に供給し、燃焼器１２の燃焼炉に配管１０ｅを接続して燃焼後の１次排ガスＧ１を溶湯保持炉２０に供給するようにすることもできる。燃焼器１２を設けることのより、燃料排ガスＧｆ中の未燃残燃料を有効活用でき、好適である。

また、システム１Ｂにおいて熱回収部２２を設け、熱回収部２２で加温された空気および燃焼ガスをＳＯＦＣ１０に供給する構成としてもよい。例えば、溶湯保持炉２０と蓄熱槽４２とを接続する配管２０ｂの経路途中に熱回収部２２を設け、熱回収部２２に外部から取り込む空気を供給する配管と燃料ガスを供給する燃料ガス供給路とを設け、熱回収部２２で加温された空気および燃料ガスをそれぞれＳＯＦＣ１０の空気供給部１０ａ、燃料供給部１０ｂに供給する各配管を設ける構成とすることができる。

続いて、図４、図５を参照して第３の実施の形態に係る金属鋳造システム（以下「システム」という）１Ｃについて説明する。図４はシステム１Ｃの概略構成を示すシステム構成図であり、図５は電力供給手段の概略構成を示すブロック図である。システム１Ｃについては、システム１Ａ、１Ｂとの相違点を中心に詳細を説明する。

システム１Ｃは、ＳＯＦＣ１０に電線１０ｆを介して接続されＳＯＦＣ１０で生成された電力を施設内、外の電力利用ユニットに供給する電力供給手段５２と、電線５４ａを介して電線１０ｆに接続され、ＳＯＦＣ１０の発生電力の一部を蓄える蓄電池５４と、電力によって溶湯保持炉２０を加熱するヒーター６０を有する。また、システム１Ｃは、溶解炉１４と蓄熱槽４２とを接続し、余剰排ガスＧｓの経路となる配管１４ｃが設けられている。なお、システム１Ｃも、システム１Ｂと同様に、蓄熱槽４２で蓄えた余剰排熱を排熱利用ユニットに供給する余剰排熱供給手段を設けてもよい。

電力供給手段５２は、図５に示すように電線１０ｆを介して送られる直流電流を交流電流に切り替えるインバータ５２ｇ、複数の各電力利用ユニット５６、５８に電気を割り振る分電調節盤５２ｉ、インバータ５２ｇと分電調節盤５２ｉとを接続すべく設けられ、インバータ５２ｇで変換された交流電流の経路となる配線５２ｈ、分電調節盤５２ｉと施設内の電力利用ユニット（溶湯保持炉２０、ダイカスト装置２４、ホッパ３４の開閉装置、その他の設備５８）とを送電のために接続する電線５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ、分電調節盤５２ｉと施設外の電力利用ユニット５６とを送電のために接続する電線５２ｆを有する。

システム１Ｃでは、ヒーター６０によってアルミ溶湯の保温を行っているため、溶解炉１４で用いられた後の余剰排ガスＧｓは、溶湯保持炉２０に供給されずに配管１４ｃを介して蓄熱槽４２に供給され、蓄熱槽４２で温度が下がった排ガスＧｅが煙突２６から排出される。つまりシステム１Ｃでは、空気排出部１０ｃ、燃料ガス排出部１０ｄ、配管１２ａが、燃焼器１２を介して１次排熱を溶解炉１２に供給しており、本発明における排熱供給手段となる。
またシステム１Ｃでは、基本的にＳＯＦＣ１０で発電した電力を施設内の電力利用ユニットに供給するが、余剰電力が生じた場合には蓄電池５４に蓄えるか、施設外の電力利用ユニット５６に売電という形で供給することもできる。なおシステム１Ｃでは、蓄電池５４が本発明における蓄電手段となる

更に電力供給手段５２の分電調節盤５２ｉは、プロセッサ等を備えた制御ユニットや分電盤を備え、施設内、外の電力利用ユニットや蓄電池５４に供給する電力（割り振る電力）を調節し、時間帯や時期等によって変化させることができる。この場合、分電調節盤５２ｉが施設内、外の複数の電力利用ユニットに電力を割り振る量を調節する電力調節手段として作用する。例えば、電力需要が高まる夏場の期間や昼間の時間帯等に施設内の電力利用ユニットで利用される電力を基準電力とし、施設内の電力利用ユニットが運転を停止する休み等には、分電調節盤５２ｉが施設内の電力利用ユニットに供給する電力を基準電力値よりも低く抑え、施設外の電力利用ユニットに供給する電力を相対的に増加させてＳＯＦＣ１０で生成された電力の有効利用を図る。また、電力消費量が下がって電気料金が比較的安くなる夜間には、ＳＯＦＣ１０の稼動を抑えつつ、ＳＯＦＣ１０で生成された電力の他に外部から購入した電力を施設内の電力利用ユニットに供給し、システム１Ｃ全体でのランニングコストを抑える運転を行うこともできる。

以上の如くシステム１ＣではＳＯＦＣ１０で発電するとともに、発電に伴って生じる１次排熱を溶解炉１４の熱源として利用しているため、燃料の有効利用が可能になる。特にシステム１Ｃでは、ＳＯＦＣ１０で発生する熱エネルギーと電気エネルギーの両方をシステム１Ｃの稼動に利用するため、システム全体でのエネルギー利用効率が一層向上する。
また、本実施の形態では、蓄電池５４を備えているため、蓄電池５４で蓄えた電気を必要に応じて利用することができる。

なお、システム１Ｃにおいて熱回収部２２を設け、熱回収部２２で加温された空気および燃焼ガスをＳＯＦＣ１０に供給する構成としてもよい。例えば、溶解炉１４と蓄熱槽４２とを接続する配管１４ｃの経路途中に熱回収部２２を設け、熱回収部２２に外部から取り込む空気を供給する配管と燃料ガスを供給する燃料ガス供給路とを設け、熱回収部２２で加温された空気および燃料ガスをそれぞれＳＯＦＣ１０の空気供給部１０ａ、燃料供給部１０ｂに供給する各配管を設ける構成とすることができる。

次に、図６を参照して第４の実施の形態に係る金属鋳造システム（以下「システム」という）１Ｄについて説明する。図６はシステム１Ｄの概略的な構成を示すシステム構成図である。システム１Ｄについては、システム１Ａ〜１Ｃとの相違点を中心に詳細を説明する。

システム１Ｄは、燃焼器１２に接続される配管からなる追加補助燃料供給路１２ｂと、追加補助燃料供給路１２ｂに設けられ、燃焼器１２内に供給される燃料（例えば、ＬＰＧ、天然ガス等）の量を調節する制御弁１２ｃとを備えている。制御弁１２ｃが本発明における調節部に相当する。

また、システム１Ｄは、ダイカスト装置２４で成形されたアルミ製品Ａｐ（成形物）を加熱して熱処理する熱処理炉７０と、ダイカスト装置２４と熱処理炉７０とを結ぶ搬送経路７０ｂとを備えている。ダイカスト装置２４で成形されたアルミ製品Ａｐが搬送経路７０ｂを通って熱処理炉７０に移送される。

熱処理炉７０は余剰排ガスＧｓを蓄えて熱伝導によって炉内のアルミ製品Ａｐを加熱するガス保持部７０ｂを有し、配管２０ｂ、２２ａから分岐した一方の配管７０ｃ、７０ｄがガス保持部７０ａに接続される。また、ガス保持部７０ａに接続される別の配管７０ｅは、熱回収部２２に接続される。各配管７０ｃ、７０ｄ、７０ｅには、余剰排ガスＧｓや排ガスＧｅ等の流動を制限する開閉弁（図示せず）が設けられている。
搬送経路７０ｂは、例えば、ベルトコンベヤ等でアルミ製品Ａｐをバケットに移送し、バケット内に一定数量以上のアルミ製品Ａｐが貯まった場合に、そのバケットを熱処理炉７０まで搬送して熱処理炉７０内にアルミ製品Ａｐを供給する構成にすることができる。

システム１Ｄによれば、何らかの要因でＳＯＦＣ１０が出力変動して燃料排ガスＧｆ中の未燃残燃料が減少しても、追加補助燃料供給路１２ｂによって燃料を供給でき、燃焼器１２から排出される１次排ガスＧ１の急激な温度低下を防止できる。そのため、ＳＯＦＣ１０の出力変動に起因する溶解炉１４や溶湯保持炉２０の急激な温度低下を防止でき、鋳造製品の品質低下を防止する。また、溶解炉１４や溶湯保持炉２０の急激な温度低下によって炉内に金属滓が残り、金属滓がシステム１Ｄの再起動時に不具合等を引き起こすのを防止できる。

また、システム１Ｄでは熱処理炉７０でアルミ製品Ａｐに熱処理が施される。この熱処理は、アルミ製品Ａｐの靭性、延性、耐久性等を向上させるために施される後処理（焼なまし、焼ならし、焼戻し等）であるが、定常的（常時）に行われるのではなく、熱処理炉７０内にアルミ製品Ａｐが一定量以上貯まると行われる。そのため、システム１Ｄではアルミ製品Ａｐが一定量貯まるまでは配管７０ｃ、７０ｄ、７０ｅの開閉弁は閉じておき、一定量貯まると配管７０ｃと配管７０ｅの開閉弁、または配管７０ｄと配管７０ｅの開閉弁を開く。すると、余剰排ガスＧｓまたは熱回収部２２の作用によって温度低下した排ガスＧｅが、配管７０ｃまたは配管７０ｇを通って熱処理炉７０のガス保持部７０ａに供給され、熱伝導によって炉内のアルミ製品Ａｐを熱処理する。そして熱処理に用いられて温度が低下した排ガスＧｒが、配管７０ｄを通って熱回収部２２に流入する。なお、熱処理炉７０へ供給される余剰排ガスＧｓや排ガスＧｅには、適宜に温度調整がなされる。

このようにシステム１Ｄでは、熱処理炉７０で余剰排熱を利用するため、余剰排熱を用いる構成となるため、余剰排熱の有効利用が可能となる。また、システム１Dは、余剰排熱を常時熱処理炉７０に供給するのではなく、アルミ製品Ａｐが一定量以上貯まると供給するような構成となっている。そのため、例えば、アルミ製品Ａｐを蓄えておき、製品需要の増大に伴ってＳＯＦＣ１０の運用温度が上がった場合に集中的に余剰排熱を熱処理炉７０に供給するようにすることもでき、エネルギーの効率的な利用が可能となる。
また、システム１Ｄでは燃焼器１２に追加補助燃料の供給が可能であるため、融点が低い金属を鋳造する場合には燃焼器１２に供給する追加補助燃料の量を少なくし、逆に融点が高い金属を鋳造する場合には燃焼器１２に供給する追加補助燃料の量を多くすることもできる。

なお、システム１Ｄでは、熱回収部２２によって加温された空気のみをＳＯＦＣ１０に供給するが、熱回収部２２で燃料ガスを加温し、加温された燃料ガスをＳＯＦＣ１０に供給するようにしてもよい。例えば、熱回収部２２に接続される燃料ガス供給路を設けるとともに、ＳＯＦＣ１０の燃料供給部１０ｂと熱回収部２２との間に接続され、加温された燃料ガスの流路となる加温燃料ガス供給路を設けるようにしてもよい。
また、システム１Ｄでは溶湯保持炉２０で用いた後の余剰排熱を用いて熱処理を行うが、溶解炉１４で用いた後の排熱を余剰排熱として熱処理に用いてもよい。

以上、第１〜第４の実施の形態に係るシステム１Ａ〜１Ｄに基づいて本発明を説明したが、本発明はシステム１Ａ〜１Ｄのみに限定されるものではない。特に、システム１Ａ〜１Ｄでは高温燃料電池としてＳＯＦＣ１０を用いた場合を例に説明したが、ＳＯＦＣ１０に代えて溶融炭酸塩形燃料電池を用いる構成とすることもできる。
また、鋳造用金属としてはアルミニウムのみに限定されず、マグネシウム、亜鉛、銅、それらの複合金属、その他鋳造が可能な金属であってもよい。
更に、燃焼器１２はＳＯＦＣ１０の性能や規模、あるいは鋳造用金属の種類によって適宜に設ければよい。また、燃焼器１２に追加補助燃料供給路１２ｂと制御弁１２ｃとが設けられている場合には、投入されるアルミインゴットの変動に応じて追加供給する燃料の量を適宜に調整する構成とすることもできる。

また、システム１Ｂやシステム１Ｃでは、溶解炉１４と溶湯保持炉２０の一方をガスバーナ１６やヒーター６０で加熱し、他方の熱源として１次排熱を利用したが、それぞれ逆であってもよく、またガスバーナ１６やヒーター６０と１次排熱とを併用して金属を溶かしたり、溶湯の保温を行うようにしてもよい。
また、１次、２次排熱の供給媒体は空気排ガスＧａと燃料排ガスＧｆとの混合ガスでなくてもよく、どちらか一方であってもよい。更に、その供給媒体も気体に限定されず、液体等であってもよい。

更にまた、ＳＯＦＣ１０の負極１１ｃ（燃料極）に接続された燃料供給部１０ｂが例えばガス燃料や液体燃料の経路となる配管からなる場合に、その配管に制御弁を設けたり、供給燃料の量を調節可能（供給圧を調節可能）なポンプを設けたりすることができる。この場合、上述の制御弁やポンプが供給燃料調節手段に相当し、負極１１ｃに供給する燃料の量を調節することによってＳＯＦＣ１０での生成電力を調節可能である。そのため、この制御弁やポンプによってＳＯＦＣ１０での生成電力を一定に保つ制御や、施設内の電力利用ユニットで利用される電力の変化に応じてＳＯＦＣ１０での生成電力を変化させる制御が可能となる。
なお、ＳＯＦＣ１０での生成電力を一定に保つ制御等を行うことによってＳＯＦＣ１０の運転温度が低下した場合であっても、燃焼器１２を設けておけば、ＳＯＦＣ１０からの排熱温度を上げることができ、最適な運用システムを構築することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る金属鋳造システムの概略的な構成を示すシステム構成図である。 固体酸化物形燃料電池の原理を示す模式図である。 第２の実施の形態に係る金属鋳造システムの概略的な構成を示すシステム構成図である。 第３の実施の形態に係る金属鋳造システムの概略的な構成を示すシステム構成図である。 電力供給手段の概略構成を示すブロック図である。 第４の実施の形態に係る金属鋳造システムの概略的な構成を示すシステム構成図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ・・・金属鋳造システム、１０・・・固体酸化物形燃料電池
１４・・・溶解炉、２０・・・溶湯保持炉、５２・・・電力供給手段
２４・・・ダイカスト装置

Claims (6)

1. 鋳造用金属を所定の形に成形する成形手段を備える金属鋳造システムであって、
   前記鋳造用金属を溶かす溶解炉と、
   該溶解炉によって溶かされた金属の溶湯状態を保持する溶湯保持炉と、
   高温燃料電池と、
   前記高温燃料電池から排出される１次排熱を前記溶解炉に供給する上流側供給部と、前記溶解炉で用いた後の２次排熱を前記溶湯保持炉に供給する下流側供給部とを有する排熱供給手段と、
   前記１次排熱の供給媒体中の残燃料を用いて該供給媒体の温度調整を行う燃焼器と、を備えることを特徴とする金属鋳造システム。
2. 前記高温燃料電池で生成された電力で作動する電力利用ユニットと、
   該ユニットに前記高温燃料電池で生成された電力を供給する電力供給手段とを更に備えることを特徴とする請求項１記載の金属鋳造システム。
3. 前記燃焼器に接続される追加補助燃料供給路と、該燃料供給路に設けられ、供給される燃料の量を調節する調節部とを更に備えたことを特徴とする請求項１または２記載の金属鋳造システム。
4. 前記溶解炉または前記溶湯保持炉で用いた後の余剰排熱を用いる排熱利用ユニットと、
   前記余剰排熱を前記排熱利用ユニットに供給する余剰排熱供給手段とを更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の金属鋳造システム。
5. 前記成形手段によって成形された成形物を加熱して熱処理する熱処理炉を更に備え、前記熱処理炉において前記溶解炉または前記溶湯保持炉で用いた後の余剰排熱が用いられる構成とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の金属鋳造システム。
6. 前記高温燃料電池の発生電力を蓄える蓄電手段と前記溶解炉または前記溶湯保持炉で用いた後の余剰排熱を蓄える蓄熱手段との少なくとも一つを更に備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の金属鋳造システム。

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