JP5209153B1 - コージェネレーションシステム - Google Patents

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Abstract

本発明のコージェネレーションシステム（１００）は、供給された燃料ガスと空気とを利用して発電反応により発電するＳＯＦＣセル（１３）と、発電反応熱および燃焼熱を利用して改質ガスを生成する改質器（１６）と、発電反応熱および燃焼熱を利用して改質器（１６）に供給される燃料ガスに添加する水蒸気を生成する気化器（１５）と、改質器（１６）および気化器（１５）によって利用されて残った、発電反応熱および燃焼熱を保有する排ガスの熱の一部を消費して被冷却対象物の冷却を行なうとともに、熱の一部を消費することでこの排ガスを冷却させるアンモニア吸収式冷凍機（１０）と、アンモニア吸収式冷凍機（１０）により熱の一部が消費された後の排ガスをさらに冷却し、排ガス中に含まれる水分を凝縮させて凝縮水を生成する凝縮ユニット（３０）と、を備える。

Description

本発明は、固体酸化型燃料電池をベース電源としたコージェネレーションシステムに関する。
新興諸国において移動体通信の普及を支えるためには、基地局等のインフラの整備を進める必要がある。しかしながら、新興諸国の大半の地域では系統電力インフラが未整備であり、基地局へ安定して電力を供給することが困難である。このため、新興諸国では基地局を設置するにあたり基地局での自立電源開発とその燃費の削減、保守管理の容易化等が重要な課題の一つとなっている。
そこで、基地局のバックアップ電源として燃料電池を採用する動きが近年見られる。例えば、バックアップ電源として燃料電池を採用するシステムとしては、例えば、米Ｔ−Ｍｏｂｉｌｅ等のシステムが上げられる（特許文献１参照）。このシステムでは、ＰＥＦＣ（固体高分子型燃料電池）を用いたバックアップシステムが開示されている。
また、ＳＯＦＣユニットと吸収式冷凍機とを備え、ＳＯＦＣユニットから排出される燃焼排ガスにより吸収式冷凍機の再生器を加熱して吸収式冷凍機を稼動させる燃料電池システムが開示されている（特許文献２）。
米国特許第８，００５，５１０号明細書 特開２００６−７３４１６号公報
しかしながら、上述のような従来技術では、燃料電池の発電時に生じる排ガスにより吸収式冷凍機を稼動させてエネルギー効率を高めるコージェネレーションを実施するシステムにおいて、燃料電池の発電に必要となる量の水をシステム内で回収することができないという問題がある。
より具体的には、特許文献１に開示されている燃料電池システムは、ＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）であり、動作温度が低く（６０-８０度）、排出される排ガス（燃焼排ガス）により吸収式冷凍機冷凍サイクルを駆動することはできない。すなわち、排ガスを利用して吸収式冷凍機を稼動させるようにエネルギー効率を高めたコージェネレーションを実現することができない。
特許文献２に開示されている燃料電池システムでは、熱交換器により排ガスと水とを熱交換することで排ガス中に蒸気として混入している水分を回収できるように構成されている。しかしながら、排ガスの熱により吸収式冷凍機の再生器を加熱して、この吸収式冷凍機を駆動させた後の燃焼排ガスは依然として高い温度の熱を保有している。そして、この吸収式冷凍機の駆動に熱を利用した後の排ガスと水とを熱交換器で熱交換した後であっても排ガスの温度は最大で１００℃程度となる（特許文献２の段落〔００５４〕参照）。
ここで、排ガスから燃料電池システムを稼動させるために必要な量の水を回収するためには、後で詳細に説明するが排ガスの温度を約４０℃まで下げる必要がある。つまり、特許文献２に開示された燃料電池システムの構成では、排ガスから燃料電池システムを稼動させるために必要な量の水を回収できる程度まで排ガスの温度を十分に低下させることができない。
さらにまた、特許文献２の燃料電池システムが備える熱交換器は、水道水などから供給した水と排ガスとの間で熱交換を行なう構成である。しかしながら、上記した前提のように外部から水の供給を受けることができない環境下に燃料電池システムが設置されている場合、特許文献２に開示された熱交換器を利用することができない。
したがって、特許文献２に開示された燃料電池システムでは、このシステム内で水の収支を自立させることができるような構成となっておらず、当該燃料電池システムが、水源が得られない地域に設けられている場合、利用できない。
本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、システム内において水の収支を自立させることができるコージェネレーションシステムを提供することを目的とする。
本発明に係るコージェネレーションシステムは、上記した課題を解決するために、供給された燃料と空気とを利用して発電反応により発電する高温動作型燃料電池セルと、前記高温動作型燃料電池セルで生じる発電反応熱および未利用の燃料の燃焼熱を利用して改質反応により、供給された原料ガス及び水蒸気から前記燃料となる改質ガスを生成する改質器と、前記発電反応熱および前記燃焼熱を利用して前記改質器に供給される原料ガスに添加する前記水蒸気を生成するための気化器と、前記改質器および前記気化器によって利用されて残った、前記発電反応熱および前記燃焼熱を保有する排ガスの熱の一部を消費して被冷却対象物を冷却するとともに、熱の一部を消費することで排ガスを冷却する冷却装置と、前記冷却装置により保有する熱の一部が消費された後の排ガスをさらに冷却し、当該排ガス中に含まれる水分を凝縮させて凝縮水を生成する凝縮ユニットと、を備える。
したがって、本発明に係るコージェネレーションシステムは、システム内において水の収支を自立させることができるという効果を奏する。
本発明のコージェネレーションシステムは、以上に説明したように構成され、システム内において水の収支を自立させることができるという効果を奏する。
実施形態１に係る基地局におけるコージェネレーションシステムの概略構成の一例を示す模式図である。 実施形態１に係る基地局におけるコージェネレーションシステムの概略構成の一例を示す模式図である。 実施形態１に係る基地局におけるコージェネレーションシステムの概略構成の一例を示す模式図である。 実施形態１に係る基地局におけるコージェネレーションシステムの概略構成の一例を示す模式図である。 実施形態１の変形例１に係るコージェネレーションシステムの概略構成の一例を示す模式図である。 実施形態１の変形例２に係るコージェネレーションシステムの構成の一例を示す模式図である 図６に示すコージェネレーションシステムにおける全熱交換器の概略構成の一例を示す模式図である。 実施形態１の変形例４に係るコージェネレーションシステムの概略構成の一例を示す模式図である。 実施形態１に係るコージェネレーションシステムにおける水素１ｍｏｌ、酸素０．５ｍｏｌから１ｍｏｌの水を生成する電池反応における、改質効率、燃料／酸素利用率における物質収支の一例を示す図である。 実施形態１に係るコージェネレーションシステムにおける水素１ｍｏｌ、酸素０．５ｍｏｌから１ｍｏｌの水を生成する電池反応における、改質効率、燃料／酸素利用率における物質収支の一例を示す図である。 他の実施形態（実施形態２）に係るコージェネレーションシステムの概略構成の一例を示す模式図である。 他の実施形態（実施形態２）に係るコージェネレーションシステムの概略構成の一例を示す模式図である。 現状の基地局の概略構成の一例を示す模式図である。
（発明の基礎となった知見）
図１３に示すように、現状の基地局の最も一般的な構成としては、基地局シェルター２００、系統電力（ＧＲＩＤ；グリッド）２０１、およびディーゼル発電機（ＤＧ）２０２を備え、基地局シェルター２００へは、ＧＲＩＤ２０１とＤＧ２０２との両系統から電力が供給される構成が挙げられる。図１３は現状の基地局の概略構成の一例を示す模式図である。
基地局シェルター２００内には、ＢＴＳ（Base Transceiver System：通信機）２１１、およびエアコン（ＡＣ）２１２を備えるとともに、バックアップ用の蓄電池（ＳＢ：Storage Battery）２１９を具備するパワーマネジメントシステム（ＰＭＳ）２１３を備えている。
ＰＭＳ２１３はＤＧ２０２及びＧＲＩＤ２０１からの電力（例えばＡＣ２２０Ｖ）をＢＴＳ２１１の駆動用の電力（例えばＤＣ４８Ｖ）に変換して供給する。さらに、ＰＭＳ２１３は、ＧＲＩＤ２０１からの電力が途絶えてＤＧ２０２が起動するまでＳＢ２１９によるバックアップを行うなど、ＢＴＳ２１１の連続的な電力消費に対応したパワーマネジメントも行う。
また、ＡＣ２１２は、基地局シェルター２００内の温度が、ＢＴＳ２１１の動作可能な温度を超えないように室温調整している。具体的には基地局シェルター２００内の温度が約３５℃となるように室温調整している。
ここで現状の基地局における消費電力について検討してみる。基地局は、ＰＵＥ（Power Usage Efficiency）という指標に当てはめて他の設備と比較してみてもエネルギー効率が悪い設備であることが知られている。なお、ＰＵＥは、データセンタ、通信基地局等のエネルギー効率を示す指標であり、全消費エネルギーをサーバなどのＩＴ機器の消費エネルギーで割ったものである。例えば、データセンタなどでは、ＩＴ機器１０００ＫＷを動作するために２０００ＫＷを消費し、ＰＵＥ＝２．０である。これに対して基地局は、この指標に当てはめるとＰＵＥが５以上に達し、エネルギー効率が悪い。
このような基地局のエネルギー効率を低下させている要因に、ＡＣ２１２などの冷却設備が必要となる点が挙げられる。基地局シェルター２００内におけるＢＴＳ２１１の動作可能な周囲温度は上述したように約３５℃以下となっている。これはＢＴＳ２１１が備えるパワーアンプ部に搭載された電力素子（パワーＭＯＳ−ＦＥＴ等：冷却必要部材）が当該温度を超えた場合には熱破損する恐れがあるからである。このため基地局シェルター２００内はＡＣ２１２によって常時、３５度以下となるように温度管理する必要がある。
ここで、基地局において、ＢＴＳ２１１自身の消費電力は最大でも１ＫＷ以下であるが、このＢＴＳ２１１を駆動させるために必要な冷却を行なうＡＣ２１２の消費電力は最大で約４ＫＷとなる。つまり、基地局ではＢＴＳ２１１の動作で消費される電力量よりも、ＢＴＳ２１１が動作できるように室温管理するＡＣ２１２で消費される電力量の方が大きい。
このため、基地局の消費電力量はＢＴＳ２１１の所要電力よりも基地局シェルター２００内の室温に直接的に影響する外気温に依存することとなる。
ここで、基地局のようにＢＴＳによる連続した電力消費と、電力素子のための温度管理などの冷熱消費とが必要な構成では、発電による排熱を利用して駆動する吸収式冷凍機を用いたコージェネレーションが有効である。ところが、現状の基地局のように分散電源エンジンとして常用されるディーゼルエンジン(ＤＥ)、ガソリンエンジン(ＧＥ)、あるいはマイクロガスタービン（ＭＧＴ）等はいずれも小規模電力消費設備に電力を供給する有効なコージェネレーションエンジンとはなりえない。すなわち、吸収式冷凍機の駆動には少なくとも２００℃程度の排熱温度が必要であるが、ＤＥ、ＧＥに関して言えば廃熱の大部分を占める冷却水廃熱は９０℃程度であって吸収式冷凍機を駆動させるには温度が不足している。一方、ＭＧＴは、その排熱温度が２５０℃程度となるため、吸収式冷凍機を駆動させるために充分な熱量の排熱を得ることができる。しかしながら、ＭＧＴは工場設備など概ね１００ＫＷ以上の発電を行なうものであり、基地局で必要な数ＫＷ程度以下の発電を行なうように小型化することが困難である。
さらにまた、基地局での消費電力は、上述したように基地局シェルター２００を取り巻く外気温に依存する。このため、所要冷熱量は、季節または一日のうちの時間により変動することとなる。すなわち、電気と熱の需要比率（電熱比）が時間や季節によってまちまちであり、一定の電熱比を想定した従来のコージェネレーションを適用することは困難である。
そこで、基地局のバックアップ電源として以下の利点を有する燃料電池を採用する。すなわち、燃料電池は、上述したＤＥ，ＧＥ，またはＭＧＴなどの熱機関と違って発電効率が電力消費設備の設備規模の大きさに依存せず、大きく変動する消費電力に対しても柔軟に対応して電力供給することを可能とする利点がある。さらには、燃料電池は、太陽光発電等の自然エネルギーとは異なり、自然環境等の変化等に起因して発電が停止されるようなことがなく、継続して所望の電力を得ることができる利点がある。
特に、排ガスを利用して吸収式冷凍機を稼動させるようにエネルギー効率を高めたコージェネレーションを実現するためには、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）または溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）などの高温動作型の燃料電池が好適となる。
上記した知見に基づき、本発明では以下に示す態様を提供する。
本発明の第１の態様に係るコージェネレーションシステムは、供給された燃料と空気とを利用して発電反応により発電する高温動作型燃料電池セルと、前記高温動作型燃料電池セルで生じる発電反応熱および未利用の燃料の燃焼熱を利用して改質反応により、供給された原料ガス及び水蒸気から前記燃料となる改質ガスを生成する改質器と、前記発電反応熱および前記燃焼熱を利用して前記改質器に供給される原料ガスに添加する前記水蒸気を生成するための気化器と、前記改質器および前記気化器によって利用されて残った、前記発電反応熱および前記燃焼熱を保有する排ガスの熱の一部を消費して被冷却対象物を冷却するとともに、熱の一部を消費することで該排ガスを冷却する冷却装置と、前記冷却装置により、保有する熱の一部が消費された後の排ガスをさらに冷却し、当該排ガス中に含まれる水分を凝縮させて凝縮水を生成する凝縮ユニットと、を備える。
ここで、高温動作型燃料電池セルとは、動作温度が４００℃以上となる燃料電池セルを意味する。高温動作型燃料電池セルとして、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）セルまたは溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）セルなどが挙げられる。
上記した構成によると、気化器、改質器、および高温動作型燃料電池セルを備えているため、供給された空気と、原料ガスから生成した改質ガス（燃料）とから発電し、電力を提供することができる。また、冷却装置を備えているため、冷却が必要となる部材、物質、あるいは空間などの被冷却対象物を好適に冷却することができる。すなわち、高温動作型燃料電池の発電時に生じる排ガスが保有する熱の一部を消費して冷却装置を稼動させ、エネルギー効率を高めるコージェネレーションを実施することができる。さらに、冷却装置が稼動する際に、排ガスの保有する熱の一部を消費することで、この排ガスを冷却することができる。
さらに、凝縮ユニットを備えているため、冷却装置により、保有する熱の一部が消費され、冷却された後の排ガスをさらに冷却し、該排ガス中に含まれる水分を凝縮させて凝縮水を生成することができる。このため、本発明に係る第１の態様のコージェネレーションシステムでは、システム内において発生した水分を回収して、高温動作型燃料電池セルの発電時に必要とする水を賄うことができる。
したがって、本発明に係る第１の態様のコージェネレーションシステムは、該システム内において水の収支を自立させることができるという効果を奏する。
また、本発明の第２の態様に係るコージェネレーションシステムは、上記した第１の態様において、前記凝縮ユニットは、前記冷却装置により熱の一部が消費された後の排ガスの熱を利用して、前記気化器に供給する前記原料ガスを加熱する第１熱交換器と、前記第１熱交換器により熱利用された後の排ガスの熱をさらに利用して、前記固体酸化型燃料電池セルに供給する空気を加熱するとともに、当該排ガス中に含まれる水分を凝縮させて凝縮水を生成する第２熱交換器と、を備えるように構成されていてもよい。
上記した構成によると前記凝縮ユニットは、第１熱交換器および第２熱交換器を備えるため、原料ガスに対する加熱、ならびに空気に対する加熱をすべて、前記排ガスが保有する熱を利用して行なうことができる。
このため、高温動作型燃料電池セルに対して加熱された空気を供給するとともに、気化器に対して加熱された原料ガスを供給することができる。それゆえ、空気の温度を上げるために必要な熱エネルギー、原料ガスに水を添加する際に必要な熱エネルギーを抑制することができ、結果的に排ガスが保有する熱の温度を上げることができる。これにより、排ガスから取り出せるエネルギー（エクセルギー）を高めることができる。
また、冷却装置による冷却、第１熱交換器による原料ガスに対する加熱、第２熱交換器による空気に対する加熱を前記排ガスが保有する熱を利用して行なう構成である。このため、排ガスの保有する熱を消費し、最終的には排ガスの温度を、高温動作型燃料電池セルの発電に必要となる量の水を得ることができる程度（例えば約４０℃）まで低下させることができる。このため、本発明に係る第２の態様のコージェネレーションシステムでは、システム内において発生した水分を回収して、高温動作型燃料電池セルの発電に必要となる水を賄うことができる。
また、本発明の第３の態様に係るコージェネレーションシステムは、上記した第２の態様において、前記第１熱交換器は、前記冷却装置により熱の一部が消費された後の排ガスの熱を利用して、前記気化器に供給する前記原料ガスを加熱するとともに、排ガス中に含まれる水分により加湿する全熱交換器であってもよい。
前記第１熱交換器が全熱交換器である場合、排ガスが保有する熱を利用して原料ガスを加熱および加湿することができる。
このため、気化器に対して加熱および加湿された原料ガスを供給することができる。それゆえ、原料ガスに水を添加する際に必要な熱エネルギーを抑制することができ、結果的に排ガスが保有する熱の温度を上げることができる。これにより、排ガスから取り出せるエネルギー（エクセルギー）を高めることができる。
また、本発明の第４の態様に係るコージェネレーションシステムは、上記した第１の態様において、前記凝縮ユニットは、前記冷却装置により熱の一部が消費された後の排ガスを空冷により冷却するための送風機を備え、前記送風機により前記排ガスを冷却し、当該排ガス中に含まれる水分を凝縮させて凝縮水を生成するように構成されていてもよい。
上記した構成によると、前記送風機を備えるため、排ガスの温度を、高温動作型燃料電池セルの発電時に必要な量の水が得られる程度（例えば約４０℃）まで低下させることができる。
このため、本発明に係るコージェネレーションシステムでは、システム内において発生した水分を回収して、高温動作型燃料電池セルの発電時に必要とする水として賄うことができる。
また、本発明の第５の態様に係るコージェネレーションシステムは、上記した第１から４のいずれか１つの態様において、前記気化器は、前記発電反応熱および前記燃焼熱を利用して前記凝縮水を蒸発させることによって前記水蒸気を生成するよう構成されていてもよい。
また、本発明の第６の態様に係るコージェネレーションシステムは、上記した第１から５のいずれか１つの態様において、前記冷却装置は、冷媒を吸収液に吸収させて循環させる吸収式冷却装置であって、前記冷媒の方が吸収液よりも沸点温度が低くなっており、前記冷媒を吸収した吸収液から該冷媒を分離させるために、前記排ガスと冷媒を吸収した吸収液との間で熱交換する第３熱交換器を備え、該第３熱交換器による熱交換によって得た熱により該冷媒を吸収した吸収液を気化させるよう構成されていてもよい。
また、本発明の第７の態様に係るコージェネレーションシステムは、上記した第６の態様において、前記吸収式冷却装置は、気化された、前記冷媒を吸収した吸収液からこの吸収液のみを液化させて冷媒と分離させる精留器と、前記精留器によって前記吸収液から分離された、気化された冷媒を液化するために、この気化された冷媒と、前記固体酸化型燃料電池セルに供給する空気との間で熱交換を行なう第４熱交換器とを備え、前記第４熱交換器による、気化された冷媒との熱交換により加熱された空気を高温動作型燃料電池セルに供給するように構成されていてもよい。
上記した構成によると、前記吸収式冷却装置は、前記第４熱交換器を備えているため、該吸収式冷却装置において気化された冷媒を冷却させ液化させることができるとともに、高温動作型燃料電池セルに供給する空気をさらに予備加熱することができる。
このため、吸収式冷却装置を安定して動作させるとともに、高温動作型燃料電池セルから排出される排ガス温度を向上させることができる。これにより、排ガスから取り出せるエネルギー（エクセルギー）を高めることができる。
また、本発明の第８の態様に係るコージェネレーションシステムは、上記した第３の態様において、前記第２熱交換器によって排ガス中から凝縮された凝縮水を、前記第１熱交換器に輸送する水輸送部を備え、前記水輸送部によって輸送された凝縮水と前記排ガスとを混合して該凝縮水を水蒸気として含む排ガスを生成し、前記第１熱交換器によりこの排ガス中に含まれる水蒸気を前記原料ガスに移動させて当該原料ガスを加熱および加湿するよう構成されてもよい。
上記した構成によると、前記水輸送部を備えるため、排ガス中から凝縮された凝縮水を第１熱交換器に輸送することができる。このため、第１熱交換器に輸送された凝縮水は高温の排ガスにより気化され、排ガス中に含まれた状態で第１熱交換器を流通することとなる。つまり、水蒸気を多く含んだ状態で排ガスは第１熱交換器において原料ガスを加熱するとともに加湿することとなる。このため、前記第１熱交換器において、高温動作型燃料電池セルに供給する原料ガスを効率よく加湿することができる。
また、本発明の第９の態様に係るコージェネレーションシステムは、上記した第８の態様において、前記改質器において生成された改質ガスの一部を分流させて前記原料ガスと混合させた混合ガスから原料ガスに含まれる硫黄化合物を還元して硫化水素を生成する還元反応部と、前記還元反応部により生成した硫化水素を吸着除去する吸着部と、を備え、前記還元反応部には、さらに前記冷却装置に供給する排ガスが供給されており、当該排ガスから伝達される熱により前記還元反応部における反応温度を維持するように構成されていてもよい。
また、本発明の第１０の態様に係るコージェネレーションシステムは、上記した第１から第９のいずれか１つの態様において、前記高温動作型燃料電池セルにより発電した電力を蓄電する蓄電装置を備えていてもよい。
また、本発明の第１１の態様に係るコージェネレーションシステムは、上記した第１から第１０のいずれか１つの態様において、前記冷却装置は、前記高温動作型燃料電池セルにより発電された電力によって稼動する設備機器において、冷却が必要な冷却必要部材を前記冷却被対象物として少なくとも冷却するように構成されていてもよい。
上記した構成によると高温動作型燃料電池セルにより発電された電力によって設備機器を稼動させるとともに、高温動作型燃料電池の発電時に生じる排ガスにより冷却装置を稼動させ、前記設備機器の冷却必要部材を冷却することができる。すなわち、高温動作型燃料電池の発電時に生じる排ガスにより冷却装置を稼動させエネルギー効率を高めるコージェネレーションを実施することができる。
また、本発明の第１２の態様に係るコージェネレーションシステムは、上記した第１１の態様において、前記冷却必要部材を冷却するべき温度の上限値が定められており、前記冷却装置は、冷却必要部材を前記定められた上限値よりもさらに低い温度となるように冷却するように構成されていてもよい。
さらには、本発明の第１３の態様に係るコージェネレーションシステムは、上記した第１１または１２の態様において、前記冷却必要部材の温度情報に基づき、前記高温動作型燃料電池セルの発電量が制御されるように構成されていてもよい。
上記した構成によると、冷却必要部材の温度情報に基づき、前記高温動作型燃料電池セルの発電量が制御される構成である。例えば、冷却必要部材の温度を一定以下の温度に保つという、熱の需要に合わせて高温動作型燃料電池の運転および発電量を制御することができる。このように熱主従電による簡単な制御によって、高温動作型燃料電池の運転および発電量の制御を行うことができるため、システムの信頼性の向上を図ることができる。
また、本発明の第１４の態様に係るコージェネレーションシステムは、上記した第１から１０の態様のいずれか１つの態様において、前記冷却装置は、前記冷却被対象物として、前記凝縮ユニットによって冷却された排ガスをさらに冷却し、該ガス中に含まれる水分をさらに凝縮させて凝縮水を生成してもよい。
上記した構成によると、凝縮ユニットによって冷却された排ガスを冷却装置によってさらに冷却することができる。そして、排ガス中に含まれる水分をさらに凝縮させて凝縮水を生成することができる。このため、コージェネレーションシステムは、排ガスからの凝縮水の生成量を向上させることができる。
（実施形態１）
以下、本発明の好ましい実施の形態（実施形態１）を、図面を参照して説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する。
（コージェネレーションシステム）
図１を参照して本実施の形態（実施形態１）に係る基地局において実現されているコージェネレーションシステム１００の一例について説明する。図１は実施形態１に係る基地局におけるコージェネレーションシステム１００の概略構成の一例を示す模式図である。
実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００は、主として、発電装置として機能するＳＯＦＣシステム（高温動作型燃料電離システム）１０１と、ＳＯＦＣシステム１０１で発電した電力を利用する基地局シェルター内のＢＴＳ（設備機器）１１と、ＢＴＳ１１が備えるパワーアンプ部の電力素子を冷却するためのアンモニア吸収式冷凍機（冷却装置、吸収式冷却装置）１０とを備えた構成である。
さらに、コージェネレーションシステム１００は、バックアップ用の蓄電池（ＳＢ（蓄電装置）１９）および補助電源としての不図示のディーゼルエンジン（ＤＧ）を具備するパワーマネジメントシステム（ＰＭＳ）１２を備えている。ＢＴＳ１１は、ＳＯＦＣシステム１０１から電力の供給を受けており、この電力の供給が途絶えた際、あるいは不足した際に、ＰＭＳ１２を介してＳＢ１９またはＤＧから電力の供給を受けることができるように構成されている。
つまり、本実施形態では、基地局はＧＲＩＤが未整備な地域に設けられており、ＧＲＩＤからＢＴＳ１１に電力を供給する代わりにＳＯＦＣシステム１０１からＢＴＳ１１に電力を供給するように構成されている。さらに、基地局は工業用水などの水源が得られない地域に設けられており、ＳＯＦＣシステム１０１では排ガス中に含まれる水を回収して、後述するＳＯＦＣホットモジュール１の気化器１５に供給して稼動するように構成されている。
アンモニア吸収式冷凍機１０は、詳細は後述するが、ＳＯＦＣシステム１０１のＳＯＦＣホットモジュール１から排出された排ガスの熱により再生熱交換器（第３熱交換器）５１が加熱され、この加熱された再生熱交換器５１を熱源としてアンモニア水溶液が気化されるように構成されている。
以上のように実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００は、熱負荷としてアンモニア吸収式冷凍機１０を、電力負荷としてＢＴＳ１１を、発電装置としてＳＯＦＣシステム１０１を備えている。なお、ＳＯＦＣシステム１０１におけるＳＯＦＣセル（高温動作型燃料電池セル）１３での発電制御は、基地局における通信に関連する消費電力に応じて行なわれるようになっている。
（ＳＯＦＣシステムの構成）
ここで実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００が備えるＳＯＦＣシステム１０１について説明する。ＳＯＦＣシステム１０１は、燃料電池としてＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）を利用した発電システムである。ＳＯＦＣシステム１０１は、図１に示すように、ＳＯＦＣホットモジュール１、ドレインタンク２、燃料処理器（ＦＰＳ）３、凝縮ユニット３０、ブロワー９、および第１凝縮水ポンプ２０を備える。
ＳＯＦＣホットモジュール１は、コージェネレーションシステム１００における発電装置として機能するものであり、その内部にアノード２２およびカソード２３を有するＳＯＦＣセル１３、燃焼部１４、気化器１５、および改質器１６を備える。
ＳＯＦＣセル１３は発電部であり、集電部材１７が設けられている。図１では省略しているが、ＳＯＦＣセル１３はこの集電部材１７を介して電力負荷であるＢＴＳ１１と不図示の電力変換装置を介して電気的に接続される。
改質器１６は、都市ガスなどの燃料（原料）ガスを水蒸気改質するためのものであり、この水蒸気改質に用いる水を気化器１５により気化させて燃料ガスに添加し、これを改質器１６に供給さするように構成されている。また、ＳＯＦＣセル１３と改質器１６および気化器１５との間には、燃焼部１４が設けられており、改質器１６で必要となる改質反応熱（改質反応エネルギー）と、気化器１５で必要となる気化熱（水蒸発エネルギー）とがこの燃焼部１４で発生する熱により賄われる。
また、ＳＯＦＣシステム１０１では、アンモニア吸収式冷凍機１０の再生熱交換器５１によって、ＳＯＦＣホットモジュール１から排出された排ガスと冷媒（アンモニア）との間で熱交換を行うように構成されている。すなわち、アンモニア吸収式冷凍機１０は、排ガスの有する熱の一部を消費して被冷却対象物（ＢＴＳ１１が備えるパワーアンプ部の電力素子）を冷却するとともに、熱の一部を消費することでＳＯＦＣホットモジュール１から排出された排ガスを冷却させる。
その後、ＳＯＦＣシステム１０１では、上述した熱交換により熱が消費された後の排ガスをさらに冷却させ、排ガス中から水分を凝集させるように構成されている。より具体的には、実施形態１に係るＳＯＦＣシステム１０１では、上述した熱交換により熱が消費された後の排ガスがさらに凝縮ユニット３０にて放熱され、排ガス中から水分を凝集できる程度まで、この排ガスの温度が低下させられる。このため、ＳＯＦＣシステム１０１では、排ガスから水の回収を行なうことができる。
以下では、実施形態１に係るＳＯＦＣシステム１０１が備える凝縮ユニット３０について、より具体的に説明する。
（凝縮ユニット）
ここで、ＳＯＦＣシステム１０１が備える凝縮ユニット３０の構成の一例について図２を参照して説明する。図２は、実施形態１に係る基地局におけるコージェネレーションシステム１００の概略構成の一例を示す模式図である。
図２に示すように凝縮ユニット３０は、排ガス中から水分を凝集できる程度まで、この排ガスの温度を低下させるように放熱させるために、モータで駆動する送風ファン（送風機）３１と、排ガスが流通するラジエータ３２とを備える。そして、ラジエータ３２を流通する排ガスを送風ファン３１により空冷により冷却する。
凝縮ユニット３０をこのような構成とすることにより、排ガス中から水分を凝集できる程度まで、この排ガスの温度を低下させることができる。このため、排ガスから水の回収を行なうことができる。
また、凝縮ユニット３０は、上記した送風ファン３１によって排ガスを冷却するだけではなく、供給された燃料（原料）ガスと排ガスとを熱交換器により熱交換させ、さらに効率よく排ガスの温度を低下させる構成としてもよい。具体的には、図３に示すように凝縮ユニット３０は、燃料（原料）ガスと排ガスとの熱交換を行なうための熱交換器として全熱交換器７をさらに備える構成とする。図３は、実施形態１に係る基地局におけるコージェネレーションシステム１００の概略構成の一例を示す模式図である。
つまり、アンモニア吸収式冷凍機１０の再生熱交換器５１において熱交換を行なった排ガスは、全熱交換器７に流入し、一方、ＳＯＦＣホットモジュール１に供給する燃料（原料）ガスもこの全熱交換器７に流入するように構成されている。そして、この全熱交換器７において排ガスと燃料（原料）ガスとの間で全熱交換器７により全熱交換が行なわれる。そして、ＳＯＦＣシステム１０１では、この全熱交換後の排ガスを送風ファン３１により冷却し、排ガスから水の回収を行なうことができる。
なお、ここで、熱交換とは物質移転を伴わない熱だけ交換を行なうことであり、全熱交換とは物質移動を伴って熱を交換することである。
このように、凝縮ユニット３０は、全熱交換器７における排ガスと燃料（原料）ガスとの間の全熱交換と、送風ファン３１による排ガスの冷却とによって効率よく排ガスの温度を低下させることができる。
つまり、全熱交換器７において、燃料（原料）ガスは、排ガスが保有する熱と排ガスに含まれる水分とが伝達され、加熱および加湿される。このように、燃料（原料）ガスを予備加熱することができるため、ＳＯＦＣホットモジュール１から排出される排ガスの温度を高めることができる。また、燃料（原料）ガスを加湿することができるため、改質器１６に供給する改質水の量を減じることができる。
さらに、ＳＯＦＣホットモジュール１から排出される排ガスの温度を高めるため、図４に示すように、凝縮ユニット３０は、図３に示す構成において送風ファン３１の代わりに、凝縮熱交換器８を備える構成としてもよい。図４は、実施形態１に係る基地局におけるコージェネレーションシステム１００の概略構成の一例を示す模式図である。
すなわち、凝縮ユニット３０は、全熱交換器７により燃料（原料）ガスと排ガスとの間で全熱交換を行なう。そして、全熱交換が行なわれた後の排ガスとＳＯＦＣホットモジュール１に供給する空気との間で凝縮熱交換器８によりさらに熱交換を行う構成とする。
このようにＳＯＦＣシステム１０１を構成することにより、コージェネレーションシステム１００では排ガス中から水分を凝集できる程度まで、この排ガスの温度を低下させることができる。このため、排ガスから水の回収を行なうことができる。さらに、燃料（原料）ガスおよび空気を予備加熱してＳＯＦＣホットモジュール１に供給することができるため、ＳＯＦＣホットモジュール１から排出される排ガスの温度を高めることができる。
なお、全熱交換器７は、図４に示すように燃料（原料）ガスを通過させる燃料通路部７２と、排ガスを通過させる加熱部７１とを備える。また、加熱部７１と燃料通路部７２との間は、水分を選択的に透過する選択透過膜７３により隔たれている。そして、この全熱交換器７では、加熱部７１を通過する排ガスに含まれる水蒸気が選択透過膜７３を介して燃料通路部７２を通過する燃料ガスと全熱交換（物質の移動を伴う熱交換）する。これにより燃料（原料）ガスを加熱および加湿する。
なお、上記では凝縮ユニット３０は、全熱交換器７を備え、排ガスと燃料（原料）ガスとの間で全熱交換を行なう構成であった。しかしながら、凝縮水を得るために排ガスの温度を低下させるという観点からは排ガスの熱が燃料（原料）ガスに移転されればよい。このため、全熱交換器７ではなく排ガスと燃料（原料）ガスとの間で熱交換を行う熱交換器であってもよい。ただし、燃料（原料）ガスを加熱するとともに加湿できるため、全熱交換器７の方が好適である。
（ＳＯＦＣシステムの動作説明）
次に、上述した図４に示す構成を有するＳＯＦＣシステム１０１を例に挙げ、基本的な動作を説明する。
ＳＯＦＣホットモジュール１には、燃料（原料）ガスと空気とが供給されるようになっている。燃料（原料）ガスは、ＳＯＦＣホットモジュール１に供給される前に、燃料処理器（ＦＰＳ）３で不純物が除去される。そして、燃料（原料）ガスは、全熱交換器７によりＳＯＦＣホットモジュール１から排出された排ガスとの全熱交換により加熱および加湿され、ＳＯＦＣホットモジュール１に供給される。
ＳＯＦＣホットモジュール１に供給された燃料（原料）ガスは気化器１５に送出される。気化器１５では、燃料（原料）ガスに気化された水が添加され、水蒸気との混合ガスとして改質器１６へと供給される。
なお、ＳＯＦＣシステム１０１の稼動中は、カソード２３から排出される排空気とアノード２２から排出される排水素とを燃焼部１４内で燃焼する。そして、この燃焼エネルギーが気化器１５で消費する水の気化熱（水蒸発エネルギー）および改質器１６で消費する改質反応熱（改質反応エネルギー）として利用される。またＳＯＦＣシステム１０１の起動時には未改質の原料を燃焼部１４内で燃焼し、ＳＯＦＣホットモジュール１内を予備加熱するように構成されている。
なお、改質器１６における改質反応で必要な熱の温度は６５０℃程度であり、また改質反応に必要な添加水の量はＳ／Ｃ（スチームカーボン比；水と原燃料中の炭素とのモル比率）が、最低２．０以上、概ね２．５〜３．０程度となる量である。ＳＯＦＣホットモジュール１では、これらの条件が保たれるように制御されて、原料と改質水から水素リッチな改質ガスを生成する。
ＳＯＦＣセル１３のアノード２２には改質器１６で生成した改質ガスが供給され、またカソード２３にはブロワー９から空気が供給され、電気化学的に以下の数式（１）に示す反応が行われる。
Ｈ２＋１／２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ ・・・（１）
この反応は水素の燃焼反応と同様である。この燃焼反応で得られる燃焼エネルギーに相当するエネルギーを電気化学的に取り出すのが燃料電池の基本原理である。この反応によって発電を行うと同時に発熱するが、この発熱により生じる熱（発電廃熱）も気化器１５の水蒸発エネルギーおよび改質器１６の改質反応エネルギーの一部として利用される。ここで実施形態１に係るＳＯＦＣホットモジュール１を近年主流のアノード支持方ＳＯＦＣとした場合、その電池運転温度は７００℃程度となる。
以上のように、実施形態１に係るＳＯＦＣシステム１０１が備えるＳＯＦＣホットモジュール１では、結果的に、ＳＯＦＣセル１３の発電廃熱と余剰改質ガスの燃焼熱とを気化器１５および改質器１６の駆動に利用する。また、駆動された気化器１５および改質器１６によって生成した改質ガスによってＳＯＦＣセル１３が駆動される。すなわち、ＳＯＦＣホットモジュール１では一種の動力回生機構を構成する。
なお、ＳＯＦＣホットモジュール１から排出される燃焼排ガスは、ＳＯＦＣセル１３の発電廃熱と余剰改質ガスの燃焼熱とを気化器１５および改質器１６の駆動に利用した後に得られるガスであり、燃料電池生成水および燃焼生成水を水蒸気の形で含んでいる。そして、この排ガスの温度は略２５０℃となる。このため、この排ガスをアンモニア吸収式冷凍機１０に対する加熱に利用できる。
（原料（燃料）ガス）
ここで、上述したＳＯＦＣシステム１０１に供給する原料（燃料）ガスについて説明する。一般的には原料（燃料）ガスとしてＬＮＧ（Liquefied natural gas；液化天然ガス）ないしＬＰＧ（liquefied petroleum gas；液化石油ガス）が用いられている。これらのガスは液化される段階で自動的に不純物が除去され極めて高純度なものとなり、安全性の観点から一定量の腐臭剤が添加されて供給される。腐臭剤は硫黄化合物が主流であるが、硫黄は広範な触媒に対する触媒毒となる。また、地域によってはガス田供給の天然ガスを原料（燃料）ガスとしてＳＯＦＣシステム１０１にパイプライン供給する場合がある。この場合、ガスは炭化水素のほか一定量の硫黄分を含んでいる。さらに、原料（燃料）ガスとして硝化ガス（バイオガス）を利用する場合、硝化ガスには種々の臭気物質が含まれる。
このような原料（燃料）ガスに含まれる例えば、硫黄などの臭気物資は、上述したように触媒に対する被毒を防ぐために、改質器１６に供給する前に可能な限り除去する必要がある。そこで、実施形態１に係るＳＯＦＣシステム１０１では、燃料処理器（ＦＰＳ）３を備え、不純物を除去するように構成されている。ただし、ＳＯＦＣはＰＥＦＣと異なり動作温度が高い。このためＳＯＦＣは、触媒に対する不純物の吸脱着特性の点に関してＰＥＦＣより化学的耐性が高くなるという利点を有する。さらに、ＳＯＦＣはアニオン型（カソードから陰イオンが供給されてアノードで反応する）であることから、低分子揮発性不純物の殆どはアノードで燃焼するという利点を有する。
燃料処理器（ＦＰＳ）３は主に水洗、吸着等によってこれらの不純物を除去する各種フィルターを具備し、原料（燃料）ガスの純化を行う。特に脱硫については、燃料処理器３内の脱硫フィルターで行っている。原料（燃料）ガスの硫黄化合物の含有量が少ない場合は、燃料処理器（ＦＰＳ）３を省略してもよい。
（アンモニア吸収式冷凍機）
次に、実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００が熱負荷として備えるアンモニア吸収式冷凍機１０の構成について説明する。このアンモニア吸収式冷凍機１０は、図４に示すように、再生熱交換器５１、精留器５２、ラジエータ５４、吸収器５６、および貯留器５７を備え、吸収液として水を、冷媒としてアンモニアを使用する。つまり。アンモニア吸収式冷凍機１０は、アンモニアおよび水混合媒体を作動流体とする。
貯留器５７に蓄えられたアンモニア水溶液は、再生熱交換器５１において、熱源により加熱されて気化する。この水−アンモニアの混合気は精留器５２で分留され、沸点の高い水は再生熱交換器５１を通じて貯留器５７および吸収器５６に還流し、沸点の低いアンモニアのみが精留器５２を通過してラジエータ５４に供給される。
ラジエータ５４はアンモニア蒸気を冷却して液化するように作用するものである。ラジエータ５４により冷却されることで熱を放出し得られた液体アンモニアは細管を通じて冷却器５５に供給される。冷却器５５内の濃度が濃くなった液体アンモニアは、気化して吸収器５６内の水により吸収される。この液体アンモニアが吸収器５６内の水により吸収されるときに冷却対象物（ＢＴＳ１１）から蒸発潜熱を奪うことによって冷却が行われる。このサイクルを連続的に行うことによって、アンモニア吸収式冷凍機１０は、再生熱交換器５１に供給された排ガスの熱を低下させるとともに、当該アンモニア吸収式冷凍機１０からの冷熱出力を冷却器５５から取り出すことができる。
より具体的には、アンモニア吸収式冷凍機１０のＣＯＰは０．５〜０．６であり、入力された熱１．０に対して０．５〜０．６の冷熱を出力することができる。また、入力熱エネルギーに概比例した冷熱出力を取り出すことができる。なお、アンモニア吸収式冷凍機１０が備える不図示の発生器における蒸気発生温度は１００〜１６０℃程度である。ここで、ＳＯＦＣホットモジュール１から排出される排ガスが２５０℃程度であるためアンモニア吸収式冷凍機１０を駆動することが可能である。
なお、蒸気発生温度が高いほど冷却到達温度は低くなる。したがって、ＳＯＦＣホットモジュール１から排出される排ガスの流量が同じであれば、この排ガスの温度が高くなればなるほど冷熱出力は大きくなる。また、排ガスの温度が高くなればアンモニア吸収式冷凍機１０による冷熱出力が大きくなるため、再生熱交換器５１が有する熱交換面積を小さくして装置の小型化を図ることができる。
以上の利点から、再生熱交換器５１に入力される排出ガスの温度が高ければ高いほど好適となる。
（ＢＴＳの構成）
次に、実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００が電力負荷として備えるＢＴＳ１１について説明する。
ＢＴＳ１１における消費電力は最大負荷時において、略８００Ｗであり、その内訳は、信号処理を司るコントロールアンプ部（不図示）での消費電力が３００Ｗ、この信号を増幅して電波に変換するパワーアンプ部（不図示）での消費電力が３００Ｗ、空冷ファン（不図示）等の補機動力での消費電力が２００Ｗというものである。
パワーアンプ部のアンプ効率は年々向上しており昨今では４０パーセント程度のものが主流となっている。なお、電力増幅効率が４０パーセントとは、４０Ｗの電力増幅信号を出力するために１００Ｗの電力が必要となるという意味であり、残る６０Ｗ分が発熱となる。つまり、このパワーアンプ部の電力素子での発熱は通信に関連する消費エネルギー（通信エネルギー）が増大すると大きくなる。換言すれば、この電力素子周辺温度Ｔは通信エネルギーの大きさに依存する。
ところで、一般的な電子部品の耐熱温度は７０−８０℃程度であり、微弱電力を扱うコントロールアンプ部は基本的に冷却の必要が無いか、もしくは外気温に関わらず（例えば外気温５０度であっても）通常のファン空冷による冷却で充分である。
一方、パワーアンプ部に用いられる電力素子（パワーＭＯＳ−ＦＥＴ等）は冷却しなければ上述した発熱により２００℃以上に達し、ジャンクション耐熱温度（Ｓｉ素子では１７０℃程度）を超えて破壊してしまう。また、発熱により生じる温度が高いため、上述した空冷ファンによるファン空冷では充分な冷却を実現することができない。
そこで、実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００では、ＢＴＳ１１の動作時における温度（電力素子周囲温度Ｔ）が３５度以下となるように、上述したアンモニア吸収式冷凍機１０を用いて冷却できる構成となっている。
すなわち、最大消費電力が８００ＷのＢＴＳ１１を安定的に動作させるために、強制的に取り除く必要がある熱量は３００Ｗの６０％、つまり１８０Ｗ分の熱量である。ここで、基地局シェルター内全体を上述した３５℃以下とするように冷却する構成では非効率である。そこで、実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００では、基地局シェルター内全体を冷却するのではなく強制的に冷却が必要となる部分（パワーアンプ部の電力素子）を直接的に冷却する構成とする。そして、電力素子周囲温度Ｔが所定温度以下（３５℃以下）となるようにＳＯＦＣシステム１０１での発電量を制御する。
このように強制的に冷却が必要となる部分を直接的に冷却する構成の場合、通信エネルギーに比例した冷却量を与えることにより、基地局が外気温とは無関係に安定的に動作することができる。
ところで、実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００では、発生電熱比および消費電熱比は、基地局の外気温に関わらず一定となる。ここで、電熱比の値は、消費または発生した電力を、消費または発生した熱で除した数値である。例えば、１０００Ｗの電力を消費し、５００Ｗの冷熱を消費する装置の場合、消費電熱比の値は２となる。また、１０００Ｗの電力を消費し、２００Ｗの冷熱を消費する装置の場合、消費電熱比の値は５となる。
つまり、同じ電力に対して消費する熱量が小さくなればなるほど消費電熱比の値は大きくなる。なお、本実施形態では、発生熱量とは、ＳＯＦＣホットモジュール１から排出される排ガス温度、すなわち、発電反応熱および未利用の燃料の燃焼熱とが気化器１５および改質器１６によって利用された後の熱量である。一方、消費熱量とは、ＢＴＳ１１にパワーアンプ部で電力を消費して発生する熱量である。
そこで、実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００では、外気温とは無関係に発生電熱比の値が一定となるようにＳＯＦＣセル１３の発電を制御するように構成される。
より具体的には、コージェネレーションシステム１００は、ＳＯＦＣセル１３の発電によって発生する電力とこの発電に関連して発生する熱量との比の値（発生電熱比の値）が、ＢＴＳ１１のパワーアンプ部で消費する電力とこの消費に関連して発生する熱量との比の値（消費電熱比の値）と同じかあるいは小さくなるように構成されている。そして、基地局における通信に関連する消費電力に応じてＳＯＦＣセル１３の発電量を制御することで基地局は安定的な駆動を実現できる。
よって、本実施形態に係るコージェネレーションシステム１００を、物理的に孤立しており他の付随的な電力ソースが期待できず、かつ外気温が時間的、季節的に大きく変動する気候の厳しい地域に設置された基地局用燃料供給システムとして活用することができる。
（ＢＴＳの消費電力）
続いて、上述したＢＴＳ１１で消費される消費電力について説明する。ＢＴＳ１１で消費される消費電力は上述したように通信量に依存しており、消費電力が最大で８００Ｗであっても使用時の平均出力に換算すると４００Ｗ程度となる。このため、ＳＯＦＣセル１３により発電される電力の最大出力を必ずしも８００Ｗとなるように設計する必要はない。例えばＳＯＦＣセル１３の最大出力を平均出力よりもやや高めの５００Ｗに設計し、平均出力時にはここから得られる電力の余剰分をＳＢ１９に貯蔵する構成とする。さらには、アンモニア吸収式冷凍機１０によってパワーアンプ部を冷却する温度を３５℃よりもさらに過剰に冷却しておく構成とする。
このように、平均出力時に電力の余剰分を蓄え、パワーアンプ部を３５℃よりもさらに冷却しておく構成とすることで、最大出力（８００Ｗ）が要求される時には、発電により得られる電力と、蓄えた電力とをともに供給させて対応させる。また、冷却温度も事前に３５℃以下となるように過剰に冷却しており、最大出力でＢＴＳ１１が稼働する際に生じる発熱に対して、余分な冷熱とアンモニア吸収式冷凍機１０の冷却により得られる冷熱とによって対処することができる。
したがって、起動停止が困難で、かつ熱自立の観点から発電効率を一定以下に低下させることが難しく、かつ急激に変動するＢＴＳ１１の通信負荷に即応させて負荷変動させることが困難であるＳＯＦＣセル１３を一定の負荷で動作させ、安定した動作を実現することができる。
また、実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００は、消費電熱比も発生電熱比も概一定である。このため、基地局における通信に関連する消費電力にあわせてＳＯＦＣセル１３の発電制御を行う代わりに、パワーアンプ部の電力素子における消費冷熱にあわせて発電制御を行うように構成してもよい。このように消費冷熱にあわせて発電制御を行う構成の場合、コージェネレーションシステム１００では、例えば冷媒浴温度を一定以下（例えば７０℃以下）に保つという、熱の需要に合わせて運転および発電する熱主従電による簡単な制御によって、必要な電力供給を実現できる。これにより、熱主従電による簡単な制御によって適切に稼働することができ、システムの信頼性の向上を図ることができる。
（発生電熱比のコントロール）
次に、図４に示すコージェネレーションシステム１００を例に挙げ、コージェネレーションシステム１００における発生電熱比のコントロールについて説明する。上述したように、ＢＴＳ１１の発生電熱比の値は、最大出力時では８００Ｗ（発生電力）：１８０Ｗ（発生熱量）、すなわち約４となる。発生電熱比の値４で１８０Ｗ分の熱量に対応する冷熱を得るように構成することでコージェネレーションシステム１００では、電力と冷熱との需給を釣り合わせることができる。
さらに、最大出力時において電力８００Ｗに対して３００Ｗ分の冷熱を発生させるようにコージェネレーションシステム１００を構成した場合、約１００Ｗ分の冷熱が剰余となる。このように構成される場合、コージェネレーションシステム１００では、電力素子を過剰に冷却することになる。しかしながら、この過剰に冷却する分には、電力素子の動作上なんら問題はない。逆に、発生電熱比の値が８、すなわち発生電力８００Ｗに対して１００Ｗ分の熱量しか得られない構成の場合、冷却能力不足によって電力素子が破壊され問題となる。このため、発電効率が同一であれば、このときに単位電力発生から得られる熱量は多ければ多いほど、すなわち発生電熱比の値が小さくなればなるほど好適になるといえる。
そこで、図４に示すコージェネレーションシステム１００では以下の三手法によりＳＯＦＣホットモジュール１の排ガス温度を高め、アンモニア吸収式冷凍機１０の利用可能なエクセルギーを向上させるように構成されている。
上述したように、ＳＯＦＣホットモジュール１から排出された排ガスには、ＳＯＦＣの電池反応生成水および燃焼生成水が含まれている。実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００では、熱負荷であるアンモニア吸収式冷凍機１０で所定の熱量が利用された後、排ガスは全熱交換器７に供給される。なお、アンモニア吸収式冷凍機１０における発生熱交換器温度は約１５０℃となり、１５０℃の排ガスが全熱交換器７に供給される。
全熱交換器７には、上述した排ガスとともに、ＳＯＦＣホットモジュール１に送出する燃料ガスも供給されている。そこで、全熱交換器７は、アンモニア吸収式冷凍機１０を介して供給された排ガスに含まれる水蒸気を、全熱交換器７が備える選択透過膜７３を用いてこれを燃料（原料）ガスに移転させる（全熱交換させる）。これにより、排ガスに含まれる水蒸気および水蒸気が保有する熱が燃料ガスに移転される。
ここで、全熱交換器７によって排ガスに含まれる水蒸気およびこの水蒸気が保有する熱が燃料（原料）ガスに移転されるということは、改質器１６で消費する改質反応熱（改質気化エネルギー）の一部を排ガスから回収することと等しい。このため、燃料消費率を変えずにＳＯＦＣホットモジュール１内で消費される改質反応熱（改質気化エネルギー）を削減することができる。その結果、ＳＯＦＣホットモジュール１から排出される排ガスの温度を高めることができ、これによりＳＯＦＣホットモジュール１の後段に設けられたアンモニア吸収式冷凍機１０を駆動させるエネルギー量が増大する。つまり、発電効率は一定であるが、発生電熱比の値を結果的に下げることができる。さらにまた、燃料ガスに排ガス中に含まれる水蒸気を移転させるということは、水を回収して再利用することである。このため、水源の得られない立地条件に建設された基地局における水収支自立の実現につながる。
ところで、上記した全熱交換器７だけでは、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮水として回収することができる程度まで排ガスの温度を十分に下げることができない。そこで、図４に示す実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００では、上述したように凝縮熱交換器８をさらに備えている。そして、全熱交換器７により全熱交換された排ガスをこの凝縮熱交換器８に供給するとともに、ＳＯＦＣホットモジュール１に送出するための空気を供給する。凝縮熱交換器８は、この空気と排ガスとを熱交換し、その結果、ＳＯＦＣホットモジュール１に送出する空気を予備加熱することができる。
このように図４に示す実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００は、予備加熱された空気をＳＯＦＣホットモジュール１に送出することができ、このＳＯＦＣホットモジュール１内で消費する気化熱を低減させることができる。これにより、ＳＯＦＣホットモジュール１から排出される排ガスの温度を高めることができる。
一方、排ガスも凝縮熱交換器８による空気との熱交換により凝縮水を生成することができるまで温度を下げることができる。そして、排ガスから得られた凝縮水は、改質水としてドレインタンク２に貯留される。ドレインタンク２に貯留された凝縮水は、第１凝縮水ポンプ２０によりＳＯＦＣホットモジュール１内の気化器１５に供給される。
このように排ガスに含まれる水蒸気を改質水としてドレインタンク２に貯留し、貯留した凝縮水を気化器１５に供給することができるため、水源の得られない立地条件に建設された基地局における水収支自立を行なうこができる。水収支自立についての具体的な説明は後述する。
また、図４に示す実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００では、不図示の電力変換装置に対して、ＳＯＦＣセル１３以外の補助電力ソース（例えば太陽光、風力発電）からも電力供給することができるように構成されている。
例えば、コージェネレーションシステム１００は、通信に関連する消費電力にあわせてＳＯＦＣセル１３の発電制御を行うのではなく、熱主従電により冷却制御を行うように構成されているとする。この場合、発生電熱比の値が小さいとき、所要電力をＳＯＦＣセル１３から全て賄うことができない。このようなときは補助電力ソースからも電力の供給を行なうように構成することが好ましい。
また、アンモニア吸収式冷凍機１０に供給する排ガスなどの再生可能エネルギーは、わざわざそれ自身を得るために燃料を消費したものではない。そこで、ＳＯＦＣセル１３をベースロード電源として用い、補助電力ソースを併用してパワーマネジメントを行うように構成することにより、燃費削減を可能とすることができる。このように燃費が削減されることで、例えば燃料ボンベの交換頻度を少なくする等、運用上のメリットがある。
次に、上述した図４に示す実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００の変形例（変形例１から変形例４）について説明する。
（変形例１）
図４に示すように、実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００が備えるアンモニア吸収式冷凍機１０は、発生した冷媒蒸気（気化したアンモニア）を凝縮して液化させるためにラジエータ５４を用いて冷却する構成であった。しかしながら図５に示すようにこのラジエータ５４の代わりに、ＳＯＦＣホットモジュール１に送出する空気を供給し、この空気と冷媒蒸気との間で熱交換を行なう冷媒凝縮熱交換器（第４熱交換器）５８を備える構成としてもよい。図５は実施形態１の変形例１に係るコージェネレーションシステム１００の概略構成の一例を示す図である。なお、ラジエータ５４を冷媒凝縮熱交換器５８に代えた点を除けば、図４に示すコージェネレーションシステム１００と同様な構成であるため、他の部材には同じ符号を付しその説明を省略する。
このように構成することで、アンモニア吸収式冷凍機１０において冷媒蒸気を冷却させ凝縮させることができるとともに、ＳＯＦＣホットモジュール１に送出する空気をさらに予備加熱することができる。
これにより、アンモニア吸収式冷凍機１０を安定して動作させるとともに、ＳＯＦＣホットモジュール１から排出される排ガス温度を向上させることができる。つまり、排ガスによるエクセルギーを向上させることができる。なお、この変形例１は、図４に示す構成となるコージェネレーションシステム１００の変形例として説明したが、例えば、図２または３に示す構成となるコージェネレーションシステム１００においても同様に適応できる。すなわち、図２または３に示す構成となるコージェネレーションシステム１００においても、図５に示すようにアンモニア吸収式冷凍機１０は、ラジエータ５４の代わりに、ＳＯＦＣホットモジュール１に送出する空気を供給し、この空気と冷媒蒸気との間で熱交換を行なう冷媒凝縮熱交換器（第４熱交換器）５８を備える構成としてもよい。
（変形例２）
また、図４に示すコージェネレーションシステム１００では、全熱交換器７には燃料（原料）ガスと排ガスとが供給される構成であった。しかしながら、変形例２として図６に示すように、第２凝縮水ポンプ（水輸送部）２１を備え、該第２凝縮水ポンプ２１によってドレインタンク２の凝縮水を全熱交換器７にさらに供給するように構成してもよい。図６は実施形態１の変形例２に係るコージェネレーションシステム１００の構成の一例を示す模式図である。なお、ドレインタンク２の水を全熱交換器７に供給できるように構成されている点を除けば、図４に示すコージェネレーションシステム１００と同様な構成である。このため、変形例２に示すコージェネレーションシステム１００において備える各部材には同じ符号を付しその説明を省略する。
ここで、燃料ガス、排ガス、およびドレインタンク２からの水の供給を受け付ける全熱交換器７は、例えば、図７に示すような構成を有する。図７は図６に示すコージェネレーションシステム１００における全熱交換器７の概略構成の一例を示す模式図である。
図７に示すように、全熱交換器７は、燃料（原料）ガスを通過させる燃料通路部７２と排ガスを通過させる加熱部７１とを備える。また、全熱交換器７では、燃料通路部７２と加熱部７１との間は、水分を選択的に透過する選択透過膜７３により隔たれている。そして、全熱交換器７では、選択透過膜７３の片側、すなわち加熱部７１において、凝縮水と排ガスとを直接接触させて熱交換（すなわち混合）して水蒸気を作る。そして、この水蒸気と燃料通路部７２を通過する燃料（原料）ガスとにおいて、選択透過膜７３を介して全熱交換する。これにより、燃料（原料）ガスを加熱および加湿することができる。このような直接接触式熱交換と全熱交換とによる熱交換形態は、熱交換の効率が高く、また機器の簡素化や小型化が容易であるという利点がある。
また、アンモニア吸収式冷凍機１０から排出される排ガスの温度は約１５０℃であり、この排ガスは、供給された凝縮水も気化するだけのエネルギーを持っている。そこで、変形例２では、ドレインタンク２に貯留した凝縮水を全熱交換器７に供給するように構成することでさらに燃料ガスを加湿することができる。
また、排ガスと混合された水蒸気（凝縮水）は、全熱交換器７の後段に備えられた凝縮熱交換器８によって空気との間でさらに熱交換が行われ、凝縮されてドレインタンク２に回収される。
（変形例３）
さらにまた、変形例２に係るコージェネレーションシステム１００において、変形例１と同様に、アンモニア吸収式冷凍機１０がラジエータ５４の代わりに、冷媒凝縮熱交換器５８を備えた構成としてもよい。
（変形例４）
さらにまた、変形例４として、図８に示すように、上述した変形例３の構成に、さらに燃料逆止弁４、改質ガス逆止弁５、水添脱硫熱交換器（還元反応部）６、およびトラップ（ＴＲＡＰ）（吸着部）１８をさらに備えた構成としてもよい。そして、燃料処理器３内の脱流フィルターで行なっていた脱硫を水添脱硫熱交換器６により行なう構成とする。図８は、実施形態１の変形例４に係るコージェネレーションシステム１００の概略構成の一例を示す模式図である。
変形例４の構成は、燃料逆止弁４、改質ガス逆止弁５、水添脱硫熱交換器６、およびトラップ（ＴＲＡＰ）１８を新たに備えた点を除き、変形例３の構成と同じである。このため、これら新たに備えた部材以外の部材については、その説明は省略する。
水添脱硫熱交換器６は、燃料（原料）ガスに含まれる硫黄化合物を除去することができるものであり、水添脱硫熱交換器６の排ガス側流路を流れる排ガスと、燃料ガス側流路を流れる燃料ガスとの間で熱交換を行い、以下のようにして脱硫を行なう。
すなわち、水添脱硫熱交換器６は、燃料（原料）ガスに含まれる硫黄化合物を、例えば銅亜鉛触媒を用いて還元し硫化水素を生成する。そして、酸化鉄等の吸着剤を用いて生成した硫化水素を除去する。
なお、この還元反応を行なうため燃料（原料）ガスを加熱する至適温度は概ね２５０℃〜３００℃程度となる。
ところでＳＯＦＣホットモジュール１内部の温度は６５０℃〜７００℃程度であるが、ＳＯＦＣホットモジュール１から排出された排ガスの温度は略２５０℃であり、燃料（原料）ガスを上記至適温度まで加熱することができない。
しかしながら、コージェネレーションシステム１００は、凝縮熱交換器８、冷媒凝縮熱交換器５８によってＳＯＦＣホットモジュール１に供給する空気を予備加熱するとともに、全熱交換器７により燃料（原料）ガスを加熱および加湿することで、ＳＯＦＣホットモジュール１から排出される排ガス温度を約３００℃とすることができる。このため、この排ガスにより概ね上述の反応至適温度に燃料を加熱することが可能となる。したがって、簡易な構成で水添脱硫を行うことが出来る。
また、変形例４に係るコージェネレーションシステム１００では、燃料処理器３と水添脱硫熱交換器６との間の流路中に燃料逆止弁４が設けられており、また、改質器１６と水添脱硫熱交換器６との間の流路中に改質ガス逆止弁５が設けられている。また水添脱硫熱交換器６の下流側であって全熱交換器７との間にトラップ（ＴＲＡＰ）１８が設けられている。
そして、改質器１６で生成された水素リッチな改質ガスの一部が、ＳＯＦＣホットモジュール１の外に引き出され、改質ガス逆止弁５を介して燃料（原料）ガスと混合される。すなわち、ＳＯＦＣセル１３に供給する改質ガスの一部をＳＯＦＣホットモジュール１の外に向かうように分流させて、このＳＯＦＣホットモジュール１外で燃料（原料）ガスと混合される。また、燃料逆止弁４によって燃料（原料）ガスの逆流を防ぐように構成されている。
混合ガスは水添脱硫熱交換器６に供給され、水添脱硫熱交換器６の排ガス側流路に流れる排ガスによって上記した至適温度に加熱され、上述の触媒により硫黄化合物が還元されたのちに排出される。
水添脱硫熱交換器６の下流側にはトラップ（ＴＲＡＰ）１８が設けられており、このトラップ（ＴＲＡＰ）１８により生成した硫化水素を吸着する。これらの部材はいずれもＳＯＦＣホットモジュール１の外にあり、容易に交換等のメンテが可能である。なお、水が還元反応を阻害するために、順序としては図８に示すように燃料加湿の前に行うことが好ましい。
また、水添脱硫熱交換器６の燃料側流路にはここには図示しない還元触媒が敷設されている。還元反応触媒の種類によっては、例えば３００℃超では触媒寿命が損なわれるといった場合、その至適温度範囲に応じて、例えば冷媒凝縮熱交換器５８を省略して、代わりにラジエータ５４を備え、燃焼ガス温度を若干下げるような構成をとることも当然に可能である。
このように上述した複数の熱交換器はいずれも制約条件や使用環境等に応じて適宜に組み合わせ可能である。例えば、硫黄濃度が極微量であることが既知であるときには吸着脱硫の方が有利であり水添脱硫熱交換器６は不要という場合もある。すなわち、上述した複数の熱交換器の全てを備えなければならないわけではない。
また、凝縮水の回収量を増大させ回収効率を高めるために、さらに排ガスの温度を下げる必要がある場合は、凝縮熱交換器８により空気との間で熱交換を行なった後の排ガスを冷却器５５に供給し、この冷却器５５によりさらに排ガスを冷却させるように構成してもよい。なお、このように構成される場合、冷却器５５は、少なくともＢＴＳ１１のパワーアンプ部を冷却させるために必要な冷熱量に加え、排ガスを所定の温度まで冷却さえるために必要な冷熱量を得るように構成されている必要がある。
近年の基地局向けＢＴＳには、特に気温の高い地域においてエアコン等の空調機器の電力を不要化するために、パワーアンプにヒートパイプを敷設して外部放熱するタイプのものが存在し、この場合にはパワーアンプは冷熱を必要としないため、冷却器５５は、排ガスを所定の温度まで冷却する機能があって必要冷熱量が賄えればよい。
（エクセルギーの向上と水収支の自立について）
次に、コージェネレーションシステム１００が、例えば、全熱交換器７、凝縮熱交換器８等の熱交換器を備えることで、排ガス温度を上昇させることができる点（エクセルギーを向上させることができる点）についてより具体的に説明する。具体的には、図４に示すコージェネレーションシステム１００を例に挙げて説明する。
さらには、コージェネレーションシステム１００が、外部から水の供給を受けることなく必要な水については基地局の運転の過程で得ることができる点（水収支の自立を可能とする点）についても具体的に説明する。
上述したようにＳＯＦＣホットモジュール１から排出される排ガスには、電池反応生成水と燃焼生成水とが水蒸気として含まれている。この水蒸気は、アンモニア吸収式冷凍機１０における発生熱交換器温度（約１５０度）では凝縮せずに水蒸気のままアンモニア吸収式冷凍機１０より排出される。そして、上述の通り、この水を回収して燃料ガスを加熱および加湿することによって、その分だけ気化器１５に供給する改質水を減じることが可能である。
ここで、ＳＯＦＣホットモジュール１における通常運転条件を、発電効率が１ＫＷとする。この条件下において、改質器１６で利用する全ての改質水をＳＯＦＣホットモジュール１内にある気化器１５で供給する構成の場合、排ガスの温度は約２５０℃となる。一方、ＳＯＦＣホットモジュール１に供給される前に燃料（原料）ガスが、該ＳＯＦＣホットモジュール１外に設けられた気化器により気化された水蒸気により加湿される構成では、排ガスの温度は約４５０℃となる。
したがって、図４に示す実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００のように、全熱交換器７により燃料（原料）ガスを部分的に加熱および加湿する構成の場合、排ガスの温度はこの２５０℃と４５０℃との間の値となる。つまり、排ガスの温度は上昇し、２５０℃よりも大きくなる。
ここで、実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００における物質収支およびＳＯＦＣホットモジュール１における燃焼ガスの到達温度について図９を参照して説明する。なお、ＳＯＦＣホットモジュール１に供給される燃料ガスはメタンガスであるとする。図９は、実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００における水素１ｍｏｌ、酸素０．５ｍｏｌから１ｍｏｌの水を生成する電池反応における、改質効率、燃料／酸素利用率における物質収支の一例を示す図である。
ＳＯＦＣホットモジュール１に投入された燃料（原料）ガスおよび空気は最終的に二酸化炭素、水、窒素、酸素を組成として含む排ガスとなる。このときの水蒸気分圧は図９の排ガス組成にて示すとおり露点６５℃近辺であり、これを全熱交換して露点６０℃程度の燃料加湿を行なうことができる（燃料加湿状態参照）。
ここで、ＳＯＦＣホットモジュール１における燃料利用率を８０％、改質効率を８０％であってＳ／Ｃ＝２．５のとき、図９に示すように０．９８ｍｏｌの改質水が必要である。
一方、排ガス組成にて示すようにこの系からは、１．４８ｍｏｌの水が生成され、このとき、排ガス組成に含まれる水蒸気分圧は２４，９９６Ｐａであり、露点は６５℃となる。ここで、排ガス組成に含まれる水蒸気１．４８ｍｏｌから０．９８ｍｏｌの水を回収できれば水自立ができるということとなる。
また、改質に必要な水０．９８ｍｏｌの１０％に相当する０．１ｍｏｌ程度の水を全熱交換器７による全熱交換で燃料（原料）ガスに供給している。この分の気化熱の節約によって排ガスの温度（廃熱温度）は上述の４５０℃と２５０℃との差分である２００℃の一割、すなわち約２０℃上昇する。
ところでアンモニア吸収式冷凍機１０から排出される約１５０℃の排ガスは、上述した量以上の水を気化するエネルギーを持っている。そこで、変形例２から４に示すように、ドレインタンク２に貯留した凝縮水を全熱交換器７に供給するように構成することでさらに燃料（原料）ガスを加湿することができる。このときのコージェネレーションシステム１００における物質収支およびＳＯＦＣホットモジュール１における燃焼ガスの到達温度は図１０に示すようになる。図１０は、実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００における水素１ｍｏｌ、酸素０．５ｍｏｌから１ｍｏｌの水を生成する電池反応における、改質効率、燃料／酸素利用率における物質収支の一例を示す図である。
図１０に示すように、ドレインタンク２に貯留した凝縮水を全熱交換器７に供給することで、０．２１ｍｏｌ程度の水を全熱交換器７による全熱交換で燃料（原料）ガスに供給することができる。つまり、改質器１６において改質に必要な水の分量の約２０％を燃料（原料）ガスに対するこの加湿によって賄い、その結果、３００℃近い排ガス温度を得ることが可能となる。
また、図１０の燃料加湿状態にて示すように、露点温度が全熱交換器７から排出される排ガス温度とほぼ等しくなる。この排ガスとＳＯＦＣホットモジュール１に供給する空気との間で凝縮熱交換器８により熱交換することで、予熱した空気をＳＯＦＣホットモジュール１内に供給することができる。これによりさらにＳＯＦＣホットモジュール１から排出する排ガス温度を上げることができる。
以上のようにして得られる排ガスの温度上昇は、空気到達温度が７０℃（常温＋５０℃）の場合２０℃程度である。したがって、上述した全熱交換器７による全熱交換と、凝縮熱交換器８による熱交換とを組み合わせ、さらには変形例１に示すように、冷媒凝縮熱交換器５８をさらに備えることにより、ＳＯＦＣホットモジュール１から排出する排ガスの温度は３００℃を超えることとなる。
したがって、コージェネレーションシステム１００を変形例４に係る構成とする場合であっても、水添脱硫熱交換器６によって概ね上述の反応至適温度に燃料ガスを加熱することが可能であり、簡易な構成で水添脱硫を行うことが出来る。さらに、排ガスの温度を、３００℃を超えるように高めることができるため、水添脱硫熱交換器６による熱交換後の排ガスであってもアンモニア吸収式冷凍機１０を駆動するに充分なエクセルギーを保つことが出来る。
また、変形例２から４に係る構成のように、ドレインタンク２の凝縮水を全熱交換器７に供給するように構成する場合であっても、全熱交換器７により燃料ガスの加熱および加湿後に用いた残りの凝縮水を凝縮熱交換器８により回収することができるため、気化器１５で必要となる水を賄うことができる。
ここで、図１０に示す、コージェネレーションシステム１００における水素１ｍｏｌ、酸素０．５ｍｏｌから１ｍｏｌの水を生成する電池反応における、改質効率、燃料／酸素利用率における物質収支の一例を参照して、水収支の自立が成り立つ条件を検討する。
図１０に示すように改質反応に必要な改質水は０．９８ｍｏｌである。また、排ガス組成中に含まれる水蒸気は、１．４８ｍｏｌである。したがって、排ガス中の１．４８ｍｏｌの水のうち０．９８ｍｏｌだけ回収できれば改質水を賄うことができる。つまり、このとき系外に廃棄する水は１．４８ｍｏｌ−０．９８ｍｏｌ＝０．５１ｍｏｌ以下で無ければならない。
また、このときの水蒸気分圧は以下のように１０２０９Ｐａ以下である必要がある。すなわち、排出された排ガスの総モル数６．０２ｍｏｌから回収して改質器１６に向かう水が０．９８ｍｏｌであるため、凝縮熱交換器８から出る水蒸気分圧は１０１３００（Ｐａ：全圧）*（０．５１／（６．０２−０．５１））＝１０２０９Ｐａ以下で無ければならない。これを露点に直せば４６℃となる。したがって、４６℃以下にまで排ガスを冷やさねば、基地局の運転するために必要な水を得ることができない。つまり、基地局における水の収支が自立できるものとならない。
このため、図４に示す実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００では、上述したように排ガスを第一段でアンモニア吸収式冷凍機１０の駆動に利用する。そして、アンモニア吸収式冷凍機１０において利用され温度が下がった排ガスから全熱交換器７で粗熱を燃料（原料）ガスに移転させる。最後に凝縮熱交換器８において空気との熱交換でようやく水収支が自立可能な温度まで排ガスを冷やすことができる。
以上のように図４に示す実施形態に係るコージェネレーションシステム１００は、複数の熱交換器（全熱交換器７および凝縮熱交換器８、さらには冷媒凝縮熱交換器５８）を備えることで排ガスのエクセルギーを高めることができる。
また、上記した複数の熱交換器に加えて、再生熱交換器５１を備え、排ガスによりこの再生熱交換器５１を加熱してアンモニア吸収式冷凍機１０を駆動させる。また場合によっては、水添脱硫熱交換器６を備え、排ガスによりこの水添脱硫熱交換器６を加熱して燃料（原料）ガスに含まれる硫黄化合物を取り除かせることで、排ガス温度を最終的には４６℃以下まで下げ基地局における水収支を自立させることができる。
したがって、コージェネレーションシステム１００は、ＳＯＦＣシステム１０１をベース電源に代替させ、アンモニア吸収式冷凍機１０とのコージェネレーションにより総合効率を高めるとともに、水の収支も自立させることができる。このため、水源が無く、かつＧＲＩＤ未整備地域に基地局を設置したとしても、その運営を容易ならしめ収益性を高めることができる。
（実施形態２）
なお、実施形態１では、発電装置として機能するＳＯＦＣシステム１０１と、ＳＯＦＣシステム１０１で発電した電力を利用する基地局シェルター内のＢＴＳ（設備機器）１１と、ＢＴＳ１１が備えるパワーアンプ部の電力素子を冷却するためのアンモニア吸収式冷凍機（冷却装置、吸収式冷却装置）１０とを備えたコージェネレーションシステム１００について説明した。
実施形態２では、ＢＴＳ１１の冷却が不要となるように構成されている場合におけるコージェネレーションシステム１００について図１１を参照して説明する。図１１は他の実施形態（実施形態２）に係るコージェネレーションシステム１００の概略構成の一例を示す模式図である。なお、実施形態２に係るＳＯＦＣシステム１０１では、凝縮ユニット３０の構成を図４に示す凝縮ユニット３０の構成として説明するが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、実施形態２に係るＳＯＦＣシステム１０１が備える凝縮ユニット３０は、図１〜図３に示すように構成されていてもよい。
実施形態２に係るコージェネレーションシステム１００では、アンモニア吸収式冷凍機１０がＢＴＳ１１のパワーアンプ部を冷却する代わりに排ガスを冷却して凝縮水を得るように構成されている。すなわち、アンモニア吸収式冷凍機１０により冷却される被冷却対象物を、凝縮ユニット３０でさらに冷却され、凝縮水が回収された排ガスとする。なお、実施形態２に係るコージェネレーションシステム１００において、実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００と同様の部材には同じ符号を付し、その説明を省略するものとする。
実施形態２に係るコージェネレーションシステム１００は、実施形態１に係るコ−ジェネレーションシステム１００（特に図６に示す変形例２）の構成と比較して、アンモニア吸収式冷凍機１０によりＢＴＳ１１を冷却する代わりに凝縮熱交換器８から排出された排ガスを冷却する点で異なる。
すなわち、実施形態２に係るコージェネレーションシステム１００は、実施形態１に係るコージェネレーションシステム１００と同様に、ＳＯＦＣホットモジュール１から排出された排ガスは、その排ガスが有する熱をアンモニア吸収式冷凍機１０の稼動に利用される。つまり、アンモニア吸収式冷凍機１０は、排ガスが有する熱の一部を消費することでＳＯＦＣホットモジュール１から排出された排ガスを冷却させる。これにより一定の熱量が消費された排ガスは、全熱交換器７においてＳＯＦＣホットモジュール１に供給する燃料（原料）ガスとの間で全熱交換が行なわれる。さらにまた、この全熱交換後の排ガスとＳＯＦＣホットモジュール１に供給する空気との間で凝縮熱交換器８により熱交換が行なわれる。この熱交換により排ガスから凝縮水を生成し、生成した凝縮水をドレインタンク２に貯留する。さらに、排ガスから凝縮水を得るために、凝縮熱交換器８により熱交換された排ガスをアンモニア吸収式冷凍機１０の冷却部６０に供給し、この冷却部６０でさらに冷却させる。これにより、実施形態２に係るコージェネレーションシステム１００は、排ガスからの凝縮水の生成量を向上させることができる。
なお、この実施形態２に係るコージェネレーションシステム１００では、ＳＯＦＣシステム１０１により発電された電力の消費先は基地局（基地局シェルター内のＢＴＳ１１）に限定されるものではなく、例えば、図１２に示すように一般的な電力負荷６１であってもよい。図１２は、他の実施形態（実施形態２）に係るコージェネレーションシステムの概略構成の一例を示す模式図である。
なお、本実施形態では、発電装置としてＳＯＦＣを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）であってもよい。すなわち、動作温度が例えば４００℃以上と高く、高温の排ガスが得られるような高温動作型の燃料電池であればよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明のコージェネレーションシステム１００は、効率よく冷却が必要な部材を強制的に冷却させるとともに、系において水収支を自立させることができるため、冷却必要部を備え、外部から水の供給が困難な場所に設置される機器を駆動させる電源として有用である。
なお、強制冷却が必要な部材と不要な部材との組あわせからなる機器は、上述したＢＴＳに限定されるものではなく、例えば、サーバ、データセンタ、船舶または放送局用通信設備などの電力消費設備として汎用的な構成である。したがって、これらの電力設備に対しても本発明のコージェネレーションシステムを応用することができる。
１ ＳＯＦＣホットモジュール
２ ドレインタンク
３ 燃料処理器
４ 燃料逆止弁
５ 改質ガス逆止弁
６ 水添脱硫熱交換器
７ 全熱交換器
８ 凝縮熱交換器
９ ブロワー
１０ アンモニア吸収式冷凍機
１１ ＢＴＳ
１２ パワーマネジメントシステム（ＰＭＳ）
１３ ＳＯＦＣセル
１４ 燃焼部
１５ 気化器
１６ 改質器
１７ 集電部材
１８ トラップ
２０ 第１凝縮水ポンプ
２１ 第２凝縮水ポンプ
２２ アノード
２３ カソード
５１ 再生熱交換器
５２ 精留器
５４ ラジエータ
５５ 冷却器
５６ 吸収器
５７ 貯留器
５８ 冷媒凝縮熱交換器
６０ 冷却部
６１ 電力負荷
７１ 加熱部
７２ 原料通路部
７２ 燃料通路部
７３ 選択透過膜
１００ コージェネレーションシステム
１０１ ＳＯＦＣシステム
２００ 基地局シェルター
２０１ ＧＲＩＤ
２０２ ディーゼル発電機
２１１ ＢＴＳ
２１２ エアコン
２１３ パワーマネジメントシステム（ＰＭＳ）

Claims (14)

  1. 供給された燃料と空気とを利用して発電反応により発電する高温動作型燃料電池セルと、
    前記高温動作型燃料電池セルで生じる発電反応熱および未利用の燃料の燃焼熱を利用して改質反応により、供給された原料ガス及び水蒸気から前記燃料となる改質ガスを生成する改質器と、
    前記発電反応熱および前記燃焼熱を利用して前記改質器に供給される原料ガスに添加する前記水蒸気を生成するための気化器と、
    前記改質器および前記気化器によって利用されて残った、前記発電反応熱および前記燃焼熱を保有する排ガスの熱の一部を消費して被冷却対象物を冷却するとともに、熱の一部を消費することで該排ガスを冷却する冷却装置と、
    前記冷却装置により、保有する熱の一部が消費された後の排ガスをさらに冷却し、当該排ガス中に含まれる水分を凝縮させて凝縮水を生成する凝縮ユニットと、を備えるコージェネレーションシステム。
  2. 前記凝縮ユニットは、前記冷却装置により熱の一部が消費された後の排ガスの熱を利用して、前記気化器に供給する前記原料ガスを加熱する第１熱交換器と、
    前記第１熱交換器により熱利用された後の排ガスの熱をさらに利用して、前記固体酸化型燃料電池セルに供給する空気を加熱するとともに、当該排ガス中に含まれる水分を凝縮させて凝縮水を生成する第２熱交換器と、を備える請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
  3. 前記第１熱交換器は、前記冷却装置により熱の一部が消費された後の排ガスの熱を利用して、前記気化器に供給する前記原料ガスを加熱するとともに、排ガス中に含まれる水分により加湿する全熱交換器である請求項２に記載のコージェネレーションシステム。
  4. 前記凝縮ユニットは、前記冷却装置により熱の一部が消費された後の排ガスを空冷により冷却するための送風機を備え、
    前記送風機により前記排ガスを冷却し、当該排ガス中に含まれる水分を凝縮させて凝縮水を生成する請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
  5. 前記気化器は、前記発電反応熱および前記燃焼熱を利用して前記凝縮水を蒸発させることによって前記水蒸気を生成するよう構成されている、請求項１から４のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
  6. 前記冷却装置は、冷媒を吸収液に吸収させて循環させる吸収式冷却装置であって、
    前記冷媒の方が吸収液よりも沸点温度が低くなっており、
    前記冷媒を吸収した吸収液から該冷媒を分離させるために、前記排ガスと冷媒を吸収した吸収液との間で熱交換する第３熱交換器を備え、該第３熱交換器による熱交換によって得た熱により該冷媒を吸収した吸収液を気化させるよう構成されている、請求項１から５のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
  7. 前記吸収式冷却装置は、気化された、前記冷媒を吸収した吸収液からこの吸収液のみを液化させて冷媒と分離させる精留器と、
    前記精留器によって前記吸収液から分離された、気化された冷媒を液化するために、この気化された冷媒と、前記固体酸化型燃料電池セルに供給する空気との間で熱交換を行なう第４熱交換器とを備え、
    前記第４熱交換器による、気化された冷媒との熱交換により加熱された空気を高温動作型燃料電池セルに供給する請求項６に記載のコージェネレーションシステム。
  8. 前記第２熱交換器によって排ガス中から凝縮された凝縮水を、前記第１熱交換器に輸送する水輸送部を備え、
    前記水輸送部によって輸送された凝縮水と前記排ガスとを混合して該凝縮水を水蒸気として含む排ガスを生成し、前記第１熱交換器によりこの排ガス中に含まれる水蒸気を前記原料ガスに移動させて当該原料ガスを加熱および加湿するよう構成されている、請求項３に記載のコージェネレーションシステム。
  9. 前記改質器において生成された改質ガスの一部を分流させて前記原料ガスと混合させた混合ガスから原料ガスに含まれる硫黄化合物を還元して硫化水素を生成する還元反応部と、
    前記還元反応部により生成した硫化水素を吸着除去する吸着部と、を備え、
    前記還元反応部には、さらに前記冷却装置に供給する排ガスが供給されており、当該排ガスから伝達される熱により前記還元反応部における反応温度を維持する請求項８に記載のコージェネレーションシステム。
  10. 前記高温動作型燃料電池セルにより発電した電力を蓄電する蓄電装置を備える請求項１から９のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
  11. 前記冷却装置は、前記高温動作型燃料電池セルにより発電された電力によって稼動する設備機器において、冷却が必要な冷却必要部材を前記冷却被対象物として少なくとも冷却する請求項１から１０のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
  12. 前記冷却必要部材を冷却するべき温度の上限値が定められており、
    前記冷却装置は、冷却必要部材を前記定められた上限値よりもさらに低い温度となるように冷却する請求項１１に記載のコージェネレーションシステム。
  13. 前記冷却必要部材の温度情報に基づき、前記高温動作型燃料電池セルの発電量が制御される請求項１１または１２に記載のコージェネレーションシステム。
  14. 前記冷却装置は、前記冷却被対象物として、前記凝縮ユニットによって冷却された排ガスをさらに冷却し、該ガス中に含まれる水分をさらに凝縮させて凝縮水を生成する請求項１から１０のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
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