JP5829325B1 - 発熱ユニット及び給湯システム - Google Patents

Abstract

【課題】固体酸化物形燃料電池を利用し、ＣＯ２を排出することなく熱を発生させることができる発熱ユニットを提供する。【課題を解決するための手段】発熱ユニット２００は、固体酸化物形電解セル２１０と固体酸化物形燃料電池２２０とを備えて構成される。固体酸化物形電解セルは、水及び電力が供給され、水を分解して水素及び酸素を生成するとともに熱を発生させ、水素及び酸素を固体酸化物形燃料電池に供給する。固体酸化物形燃料電池は、固体酸化物形電解セルから供給された水素と酸素とを反応させることによって水を生成するとともに電力及び熱を発生させ、水及び電力を固体酸化物形電解セルに供給する。固体酸化物形電解セル及び固体酸化物形燃料電池は、共通の容器内２６０に収容されている。【選択図】図１

Description

この発明は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を利用した発熱ユニット及び給湯システムに関する。

ＳＯＦＣを発熱器として利用する給湯システムがある。ＳＯＦＣは、水素を燃料として発電を行う。ＳＯＦＣの発電の際における動作温度は、７００℃〜１０００℃程度の高温となる。給湯システムでは、この高温の排熱を利用することによって給湯を行う。

ここで、ＳＯＦＣの燃料となる水素は、天然ガスやプロパンガスを水蒸気改質することによって生成される。改質には、上述したＳＯＦＣの高温の排熱が利用される。

水蒸気改質によって天然ガスやプロパンガスから水素を生成する場合には、水素とともに一酸化炭素が発生する。さらに、一酸化炭素が水蒸気と水性ガスシフト反応することによって、二酸化炭素（ＣＯ_２）が発生する。このため、従来のＳＯＦＣを利用した給湯システムでは、ＳＯＦＣに水素を供給するに際して、ＣＯ_２を排出していた。従って、従来のＳＯＦＣを利用した給湯システムには、環境保護の観点において改善の余地があった。

この発明の目的は、ＳＯＦＣを利用した発熱ユニットであって、ＣＯ_２を排出することなく熱を発生させることができる発熱ユニット、及びこの発熱ユニットを備える給湯システムを提供することにある。

上述の目的を達成するために、この発明による発熱ユニットは、以下の特徴を備えている。

発熱ユニットは、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ Ｃｅｌｌ）とＳＯＦＣとを備えて構成される。ＳＯＥＣは、水及び電力が供給され、水を分解して水素及び酸素を生成するとともに熱を発生させ、水素及び酸素をＳＯＦＣに供給する。ＳＯＦＣは、ＳＯＥＣから供給された水素と酸素とを反応させることによって水を生成するとともに電力及び熱を発生させ、水及び電力をＳＯＥＣに供給する。ＳＯＥＣ及びＳＯＦＣは、共通の容器内に収容されている。

また、この発明による給湯システムは、上述した発熱ユニットと、固体酸化物形電解セル及び固体酸化物形燃料電池が発生させる熱を用いて、水を加熱する給湯部とを備えて構成される。

この発明による発熱ユニット及び給湯システムでは、ＳＯＥＣが水を分解することによって、ＳＯＦＣの燃料となる水素及び酸素を生成する。ＳＯＦＣは、ＳＯＥＣが生成した水素と酸素とを反応させることによって発電を行う。ＳＯＦＣの燃料を生成するに際して、天然ガスやプロパンガスを水蒸気改質する過程が不要であるため、この発明による発熱ユニットではＣＯ_２が発生しない。従って、この発明による発熱ユニット及び給湯システムは、従来と比べ、環境保護の観点において有利である。

この発明の発熱ユニットを示す概略図である。 この発明の給湯システムを示す概略図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（発熱ユニット）
図１を参照して、この発明の実施の形態による発熱ユニットについて説明する。図１は、発熱ユニットを示す概略図である。

この実施の形態による発熱ユニット２００は、ＳＯＥＣ２１０とＳＯＦＣ２２０とを備えて構成されている。ＳＯＥＣ２１０とＳＯＦＣ２２０とは、共通の、断熱性の容器２６０内に収容されている。また、ＳＯＥＣ２１０及びＳＯＦＣ２２０は、それぞれ制御部６０と接続されている。

ＳＯＥＣ２１０及びＳＯＦＣ２２０としては、公知のＳＯＥＣ及びＳＯＦＣから選択された、任意好適なものを用いることができる。ここでは、ＳＯＥＣ２１０及びＳＯＦＣ２２０共に、例えば日本特殊陶業株式会社製の１ｋＷ級固体酸化物形燃料電池スタックを用いることができる。

ＳＯＥＣ２１０は、ＳＯＥＣ本体部２１４と、ＳＯＥＣ本体部２１４を収容するチャンバ２１７とを含んでいる。ＳＯＥＣ本体部２１４は、カソード２１１及びアノード２１３、並びにカソード２１１及びアノード２１３に挟み込まれた電解質２１２を含んでいる。

チャンバ２１７は、ＳＯＥＣ本体部２１４によって２つの空間に区分けされている。ここでは、チャンバ２１７の、カソード２１１側の空間が水素発生チャンバ２１５であり、アノード２１３側の空間が酸素発生チャンバ２１６である。

カソード２１１には、カソード２１１に電子を与える電線２３１が接続されている。また、アノード２１３には、アノード２１３から電子を受け取る電線２３２が接続されている。電線２３１及び電線２３２は、制御部６０と接続されている。

水素発生チャンバ２１５には、水素の送出経路となる水素送出路２４１、及び水の供給経路となる水供給路２４２が、それぞれ接続されている。また、酸素発生チャンバ２１６には、酸素の送出経路となる酸素送出路２４３、及び酸素の供給経路となる酸素供給路２４４が、それぞれ接続されている。

ＳＯＦＣ２２０は、ＳＯＦＣ本体部２２４と、ＳＯＥＣ本体部２２４を収容するチャンバ２２７とを含んでいる。ＳＯＦＣ本体部２２４は、カソード２２１及びアノード２２３、並びにカソード２２１及びアノード２２３に挟み込まれた電解質２２２を含んでいる。

チャンバ２２７は、ＳＯＦＣ本体部２２４によって２つの空間に区分けされている。ここでは、チャンバ２２７の、カソード２２１側の空間が酸素供給チャンバ２２５であり、アノード２２３側の空間が水素供給チャンバ２２６である。

カソード２２１には、カソード２２１に電子を与える電線２３３が接続されている。また、アノード２２３には、アノード２２３から電子を受け取る電線２３４が接続されている。電線２３３及び電線２３４は、制御部６０と接続されている。

酸素供給チャンバ２２５には、酸素の供給経路となる酸素供給路２５１、及び酸素の送出経路となる酸素送出路２５２が、それぞれ接続されている。酸素供給路２５１は、ＳＯＥＣ２１０の酸素送出路２４３と接続されている。一方、酸素送出路２５２は、ＳＯＥＣ２１０の酸素供給路２４４と接続されている。

また、水素供給チャンバ２２６には、水素の供給経路となる水素供給路２５３、及び水の送出経路となる水送出路２５４が、それぞれ接続されている。水素供給路２５３は、ＳＯＥＣ２１０の水素送出路２４１と接続されている。一方、水送出路２５４は、ＳＯＥＣ２１０の水供給路２４２と接続されている。

制御部６０は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びハードディスクなどの記憶装置を含むコンピュータシステムを含んで構成されている。制御部６０は、ＳＯＥＣ２１０へ電力を供給する。また、制御部６０は、ＳＯＦＣ２２０が発生させた電力を受け取る。これによって、制御部６０は、発熱ユニット２００の動作を制御する。

ＳＯＥＣ２１０には、水蒸気の状態の水及び電力が供給される。水は水素発生チャンバ２１５に供給される。また、電力は、制御部６０から電線２３１及び２３２を経て供給される。これによって、カソード２１１に電子が送られ、水素発生チャンバ２１５内の水が電気分解（単に分解とも称する）される。その結果、水素発生チャンバ２１５内に、水から分解された水素が発生する。また、水から分解された酸化物イオンが、ＳＯＥＣ本体部２１４を通過して、酸素発生チャンバ２１６へ移動する。酸化物イオンは、アノード２１３へ電子を与える。これによって、酸素発生チャンバ２１６内に酸素が発生する。アノード２１３は、酸化物イオンから受け取った電子を、電線２３２を経て、制御部６０へ送る。制御部６０は、電子を、電線２３３を経て、ＳＯＦＣ２２０のカソード２２１へ送る。

水素発生チャンバ２１５に発生した水素は、水素送出路２４１を経て、水素供給路２５３から、ＳＯＦＣ２２０の水素供給チャンバ２２６へ送られる。一方、酸素発生チャンバ２１６に発生した酸素は、酸素送出路２４３を経て、酸素供給路２５１から、ＳＯＦＣ２２０の酸素供給チャンバ２２５へ送られる。

ＳＯＦＣ２２０は、ＳＯＥＣ２１０から供給された酸素と水素とを反応させることによって水を生成する。酸素供給チャンバ２２５へ供給された酸素は、カソード２２１から電子を受け取り、酸化物イオンとなる。酸化物イオンは、ＳＯＦＣ本体部２２４を通過して、水素供給チャンバ２２６へ移動する。

一方、水素供給チャンバ２２６へ供給された水素は、酸素供給チャンバ２２５から移動した酸化物イオンと反応する。その結果、水素供給チャンバ２２６内で水が生成される。この際に、酸化物イオンが、電子を放出することによって電力が発生する。酸化物イオンが放出した電子は、アノード２２３に与えられる。アノード２２３は、酸化物イオンから受け取った電子を、電線２３４を経て、制御部６０へ送る。制御部６０は、電子を、電線２３１を経て、ＳＯＥＣ２１０のカソード２１１へ送る。

水素供給チャンバ２２６に発生した水は、水送出路２５４を経て、水供給路２４２から、ＳＯＥＣ２１０の水素発生チャンバ２１５へ送られる。一方、酸素供給チャンバ２２５において、電子を受け取らずに残存した酸素は、酸素送出路２５２を経て、酸素供給路２４４から、ＳＯＥＣ２１０の酸素発生チャンバ２１６へ送られる。

このように、発熱ユニット２００では、ＳＯＥＣ２１０が水を分解することによって水素及び酸素を生成する。そして、ＳＯＦＣ２２０が、ＳＯＥＣ２１０から供給された水素及び酸素から水を生成する。ＳＯＦＣ２２０で生成された水は、再びＳＯＥＣ２１０に供給される。また、ＳＯＦＣ２２０において発生した電力（すなわち酸化物イオンが放出する電子）は、ＳＯＥＣ２１０に供給される。

ＳＯＥＣ２１０が水を分解する際の動作温度は、７００℃〜１０００℃程度の高温となる。同様に、ＳＯＦＣ２２０が水を生成する際の動作温度は、７００℃〜１０００℃程度の高温となる。なお、水の分解は吸熱反応である。そのため、ＳＯＥＣ２１０全体としての動作時の温度は、上記７００℃〜１０００℃程度の温度よりも若干低くなる。一方、水の生成は発熱反応である。そのため、ＳＯＦＣ２２０全体としての動作時の温度は、上記７００℃〜１０００℃程度の温度よりも若干高くなる。これらＳＯＥＣ２１０及びＳＯＦＣ２２０が発生する高温の熱は、例えば給湯に利用することができる。

発熱ユニット２００では、ＳＯＦＣ２２０の燃料を生成するに際して、天然ガスやプロパンガスを水蒸気改質する過程が不要である。従って、発熱ユニット２００ではＣＯ_２を発生させることなく、発電及び発熱を行うことができる。

なお、ＳＯＥＣ２１０における水の分解、及びＳＯＦＣ２２０における水の生成を繰り返すに従い、水及び電力の損失が生じる。そこで、発熱ユニット２００の動作時において、ＳＯＥＣ２１０の水素発生チャンバ２１５には、外部から水が供給される。また、ＳＯＥＣ２１０のカソード２１１には、外部電源を利用して、制御部６０から電力が供給される（すなわち電子が送られる）。これによって、水及び電力の損失が補われ、発熱ユニット２００の動作を継続することができる。なお、発熱ユニット２００には、発熱ユニット２００が発生する熱を利用して発電を行う発電部を追加して設けることもできる。そして、上述した電力の損失を、外部電源からの電力のみならず、発電部からの電力によっても補うことができる。この発電部に関する説明は後述する。

また、発熱ユニット２００の動作を開始するには、ＳＯＥＣ２１０及びＳＯＦＣ２２０を、動作温度である７００℃〜１０００℃程度となるまで加熱する必要がある。そこで、発熱ユニット２００においては、容器２６０内に、ＳＯＥＣ２１０及びＳＯＦＣ２２０を加熱するためのヒータを設けることができる。

（給湯システム）
図２を参照して、この発明の実施の形態による給湯システムについて説明する。図２は、給湯システムを示す概略図である。

この実施の形態による給湯システム１０は、発熱部２０、発電部３０、給湯部４０、水補給部５０、上述した制御部６０及び操作部７０を含んで構成されている。

発熱部２０としては、上述した発熱ユニット２００を用いることができる（図１）。発熱ユニット２００の容器２６０内には、ＳＯＥＣ２１０及びＳＯＦＣ２２０を加熱するためのヒータ２７０が設けられる。

発熱ユニット２００では、上述したように、ＳＯＥＣ２１０及びＳＯＦＣ２２０が高温の熱を発生させる。ＳＯＥＣ２１０及びＳＯＦＣ２２０の発熱によって生成される、容器２６０内の熱気は、送風機８１、８３及び８７によって、発電部３０、給湯部４０及び水補給部５０にそれぞれ送られる。

ＳＯＥＣ２１０には、ＳＯＥＣ２１０の発熱温度を検知する温度センサ９０が設けられている。また、ＳＯＦＣ２２０には、ＳＯＦＣ２２０の発熱温度を検知する温度センサ９１、及びＳＯＦＣ２２０が発電する電力を検知する電力センサ９２が設けられている。また、ヒータ２７０には、ＳＯＥＣ２１０及びＳＯＦＣ２２０に対する加熱温度を検知する温度センサ９３が設けられている。

発電部３０は、所謂温度差発電装置として構成されていて、発熱ユニット２００が発生させた熱を用いて温度差発電を行う。発電部３０は、熱気槽３１及び冷気槽３３、並びに熱気槽３１及び冷気槽３３に挟まれた熱電変換素子３２を含んでいる。熱電変換素子３２としては、公知の熱電変換素子から選択された、任意好適なものを用いることができる。ここでは、熱電変換素子３２として、例えばヤマハ製のペルチェモジュールを用いることができる。熱気槽３１には、発熱ユニット２００から熱気が供給される。また、冷気槽３３には、送風機８５によって、外気が供給される。これら熱気と外気との温度差による、ゼーベック効果によって、熱電変換素子３２が電力を発生させる。発生した電力は、制御部６０へ送る。

熱気槽３１には、熱気槽３１内の温度を検知する温度センサ９４が設けられている。また、冷気槽３３には、冷気槽３３内の温度を検知する温度センサ９５が設けられている。さらに、発電部３０には、熱電変換素子３２が発電する電力を検知する電力センサ９６が設けられている。

給湯部４０は、熱気槽４１及び水槽４３を含んでいる。熱気槽４１には、発熱ユニット２００から熱気が供給される。また、水槽４３には、水道等から水が供給される。水槽４３に供給された水は、熱気槽４１の熱気によって加熱される。その結果、温水が生成される。生成された温水は、生活用等の種々の用途で利用することができる。また、温水の一部は、水補給部５０に送られる。

熱気槽４１には、熱気槽４１内の温度を検知する温度センサ９７が設けられている。また、水槽４３には、水槽４３内の温度を検知する温度センサ９８が設けられている。

水補給部５０は、熱気槽５１及び水槽５３を含んでいる。熱気槽５１には、発熱ユニット２００から熱気が供給される。また、水槽５３には、給湯部４０から水が供給される。水槽５３に供給された水は、熱気槽５１の熱気によって加熱される。その結果、水槽５３の水が蒸発し、純水の水蒸気が生成される。水蒸気の状態の水は、ＳＯＥＣ２１０に供給される。また、水槽５３には、水槽５３で生成される水蒸気の水量を検知する水量センサ９９が設けられている。

制御部６０は、温度センサ９０、９１、９３、９４、９５、９７及び９８、電力センサ９２及び９６、並びに水量センサ９９が検知した情報を受け取る。そして、制御部６０は、各センサから受け取った情報に基づいて、発熱部２０（発熱ユニット２００）、発電部３０、給湯部４０及び水補給部５０、並びに送風機８１〜８７の動作を制御する。

また、制御部６０は、外部電源６５からの電力、発熱ユニット２００のＳＯＦＣ２２０が発生させた電力、及び熱電変換素子３２が発生させた電力をＳＯＥＣ２１０に供給する。

操作部７０は、電源スイッチや、制御部６０を介して給湯システム１０の操作を行う各種操作手段等を含んでいる。これら電源スイッチや操作手段等は、作業員によって手動で操作される。

（動作）
まず、ヒータ２７０によって、発熱ユニット２００のＳＯＥＣ２１０及びＳＯＦＣ２２０を、動作温度である７００℃〜１０００℃程度となるまで加熱する。この際に、ヒータ２７０によって生成される熱気が、水補給部５０に送られる。この熱気によって、水補給部５０では、水槽５３の水から水蒸気が生成される。水蒸気の状態の水は、ＳＯＥＣ２１０に供給される。また、制御部６０によって、外部電源６５からの電力が、ＳＯＥＣ２１０に供給される。

ＳＯＥＣ２１０及びＳＯＦＣ２２０が動作温度に達した後、ヒータ２７０による加熱を停止する。発熱ユニット２００では、ＳＯＥＣ２１０が、水補給部５０から供給された水（水蒸気）を水素及び酸素に分解する。そして、ＳＯＦＣ２２０が、これら水素及び酸素から水を生成するとともに、電力を発生させる。ＳＯＦＣ２２０が生成した水及び電力は、ＳＯＥＣ２１０に供給される。発熱ユニット２００では、ＳＯＥＣ２１０による水の分解、及びＳＯＦＣ２２０による水の生成が繰り返される。なお、これら動作の繰り返しによって生じる水の損失は、水補給部５０から供給される水蒸気で補われる。また、電力の損失は、発電部３０及び外部電源６５から制御部６０を経て供給される電力で補われる。

このような発熱ユニット２００の動作によって、ＳＯＥＣ２１０及びＳＯＦＣ２２０が高温の熱を発生させる。ヒータ２７０による加熱の停止後は、ＳＯＥＣ２１０及びＳＯＦＣ２２０の発熱によって、ＳＯＥＣ２１０及びＳＯＦＣ２２０の動作温度が保たれる。

上述したように、ＳＯＥＣ２１０及びＳＯＦＣ２２０の発熱によって生成される、容器２６０内の熱気は、送風機８１、８３及び８７によって、発電部３０、給湯部４０及び水補給部５０にそれぞれ送られる。

発電部３０は、発熱ユニット２００から熱気槽３１に供給される熱気と、外部から冷気槽３３に供給される外気との温度差を利用し、電力を発生させる。この際に、制御部６０は、温度センサ９４及び９５からの温度の情報に基づき、送風機８１及び８５の動作を制御する。そして、熱気と外気との温度差が発電に好適となるように、熱気槽３１への熱気の供給量及び冷気槽３３への外気の供給量を調節する。発電部３０が発生させた電力は、制御部６０を経て、発熱ユニット２００のＳＯＥＣ２１０に供給される。

制御部６０は、ＳＯＦＣ２２０が発電する電力を、電力センサ９２からの情報によって監視する。また、制御部６０は、発電部３０が発電する電力を、電力センサ９６からの情報によって監視する。そして、制御部６０は、ＳＯＦＣ２２０及び発電部３０が発生させる電力の、発熱ユニット２００を動作させる定格の電力に対する不足分を算出する。制御部６０は、この不足分の電力を、外部電源６５からの電力をＳＯＥＣ２１０へ供給することによって補う。

また、制御部６０は、ＳＯＦＣ２２０が発電する電力に対応して、ＳＯＦＣ２２０が生成する水量の、発熱ユニット２００を動作させる定格の水量に対する不足分を算出する。制御部６０は、この不足分の水量を、水補給部５０からＳＯＥＣ２１０へ水蒸気を供給させることによって補う。なお、制御部６０は、水量センサ９９からの情報によって、水補給部５０が生成する水蒸気の量を監視する。そして、制御部６０は、送風機８７を制御することによって、水補給部５０が生成する水蒸気の量が所望量となるように、発熱ユニット２００から水補給部５０への熱気の供給量を調節する。

給湯部４０は、発熱ユニット２００から熱気槽４１に供給される熱気を利用して、水槽４３の水を加熱する。制御部６０は、温度センサ９７及び９８からの温度の情報に基づき、送風機８３の動作を制御する。そして、水槽４３の水から所望の温度の温水が生成されるように、熱気槽４１への熱気の供給量を調節する。

また、給湯システム１０の動作を停止させる際には、ＳＯＥＣ２１０に対する、制御部６０からの電力の供給を停止する。これによって、発熱ユニット２００の動作が停止し、その結果、給湯システム１０の動作が停止する。

以上に説明したように、この実施の形態による給湯システム１０では、上述した発熱ユニット２００の発熱を利用することによって、ＣＯ_２を発生させることなく、温水の生成（すなわち給湯）を行うことができる。従って、この実施の形態による給湯システム１０は、従来と比べ、環境保護の観点において有利である。

さらに、この実施の形態による給湯システム１０は、温度差発電を行う発電部３０を備えている。これによって、発熱ユニット２００が生成する熱気を利用し、ＳＯＦＣ２２０とは別に、発電を行うことができる。そして、発熱ユニット２００における電力の損失を、発電部３０が発電する電力によって補充することができる。従って、この実施の形態による給湯システム１０は、発熱ユニット２００における電力の損失を補うに当たり、外部電源６５から供給する電力を抑えることができる。従って、この実施の形態による給湯システム１０は、省電力の観点においても有利である。

１０：給湯システム
２０：発熱部
３０：発電部
４０：給湯部
５０：水補給部
６０：制御部
７０：操作部
２００：発熱ユニット
２１０：ＳＯＥＣ
２２０：ＳＯＦＣ

Claims (3)

1. 固体酸化物形電解セルと固体酸化物形燃料電池とを備え、
   前記固体酸化物形電解セルは、水及び電力が供給され、該水を分解して水素及び酸素を生成するとともに熱を発生させ、該水素及び該酸素を前記固体酸化物形燃料電池に供給し、
   前記固体酸化物形燃料電池は、前記固体酸化物形電解セルから供給された水素と酸素とを反応させることによって水を生成するとともに電力及び熱を発生させ、該水及び該電力を前記固体酸化物形電解セルに供給し、
   前記固体酸化物形電解セル及び前記固体酸化物形燃料電池は、共通の容器内に収容されている
   ことを特徴とする発熱ユニット。
2. さらに発電部を追加して備え、
   前記発電部は、前記固体酸化物形電解セル及び前記固体酸化物形燃料電池が発生させた熱を用い、温度差発電を行うことによって電力を発生させ、
   前記発電部が発生させた電力は、前記固体酸化物形電解セルに供給される
   ことを特徴とする請求項１に記載の発熱ユニット。
3. 請求項１又は２に記載の発熱ユニットと、
   前記固体酸化物形電解セル及び前記固体酸化物形燃料電池が発生させる熱を用いて、水を加熱する給湯部と
   を備えることを特徴とする給湯システム。

Images