JP6071527B2

JP6071527B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6071527B2
Application number: JP2012279687A
Authority: JP
Inventors: 木里紗青; 鯛将一干
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: JP2014123509A

Description

本発明の実施形態は、燃料電池システムに関する。

燃料電池発電装置は、燃料処理装置により生成された水素と酸素の結合エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものであり、化学反応であるために発電効率が高く、汚染物質の排出が少ない環境性に優れた発電システムとして評価されている。

この燃料電池システムは、炭化水素を含む原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成する改質器を備えている。燃料電池本体は、改質器が生成した改質ガスを燃料ガスとして用いて発電する。

戸建住宅や集合住宅に設置される燃料電池システムは、燃料電池発電ユニットと熱回収／貯留ユニットとを備えている。一般的に、両ユニットは屋外に設置され、燃料電池発電ユニットにおいて発電した際に生じる電気と熱が屋内に供給される。燃料電池発電ユニットにおいて生じる熱は、熱回収構造又は熱回収媒体により回収され、熱移送媒体により屋内に移送される。例えば、熱回収媒体／熱移送媒体が温水である場合、屋内に供給された温水は給湯や冷暖房に利用される。

従来の燃料電池システムでは、熱移送媒体を用いて、屋外から屋内の熱利用機器（給湯や冷暖房等）へ熱移送を行うため、熱移送に伴う放熱ロスが大きいという問題があった。

特開２００５−３４７２０９号公報

本発明が解決しようとする課題は、熱利用機器への熱移送に伴う放熱ロスを低減することができる燃料電池システムを提供することである。

本実施形態によれば、燃料電池システムは、屋外に設けられ、燃料ガスを改質する燃料ガス処理部と、前記改質された燃料ガスを、屋内に設けられた燃料電池へ供給する配管と、前記燃料電池における発電に伴って生じる熱を回収する熱回収部と、を備える。

第１の実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。比較例による燃料電池システムの概略構成図である。変形例による燃料電池システムの概略構成図である。第２の実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。集中改質システムの一例を示す図である。燃料電池ユニットと熱利用機器との連結例を示す図である。燃料電池システムの戸建住宅への適用例を示す図である。燃料電池システムの戸建住宅への適用例を示す図である。燃料電池システムの戸建住宅への適用例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）図１に第１の実施形態による燃料電池システムの概略構成を示す。燃料電池システムは、燃料電池ユニット１０１と、燃料ガス処理部１０４と、酸化剤ガス処理部１０５とを備え、戸建住宅１に設置されている。燃料電池ユニット１０１は戸建住宅１の屋内に設けられ、燃料ガス処理部１０４及び酸化剤ガス処理部１０５は屋外に設けられる。屋内は、地下スペースであってもよい。

燃料ガス処理部１０４は、燃料（例えばＬＰＧ）を触媒に接触させて改質処理を行い、水素リッチな燃料ガスを生成する改質器（図示せず）を有する。生成された燃料ガスは、燃料ガス供給部１０７により、燃料ガス配管１０９を介して、燃料電池ユニット１０１に供給される。改質器にける燃料の改質反応は吸熱反応であるため、燃料ガス処理部１０４にはバーナ（図示せず）が設置され、高温のバーナ空気が改質器に供給される。

酸化剤ガスは例えば空気であり、酸化剤ガス処理部１０５は、空気中のコンタミ（システムにとって有害な粉塵、化学物質等）を除去するフィルタを有している。フィルタを通過した酸化剤ガス（空気）は、酸化剤ガス供給部１０８により、酸化剤ガス配管を介して、燃料電池ユニット１０１に供給される。酸化剤ガス処理部１０５は、空気の調湿機能を有していてもよい。酸化剤ガス供給部１０８は例えばブロワである。

燃料電池ユニット１０１には、図示しない電解質膜と、電解質膜を挟んで対向して設けられた燃料極（アノード極）及び酸化剤極（カソード極）とを有する燃料電池スタック１０２が設けられている。酸化剤極に酸化剤ガス供給部１０８からの酸化剤ガス（空気）が導入され、燃料極に燃料ガス配管１０９を介して燃料ガスが導入されると、両極における電気化学反応によって電気（直流電力）と熱エネルギーが発生する。

燃料電池スタック１０２で発生した直流電力は、図示しないインバータにより交流電力に変換され、電気機器等の電力負荷に供給される。

また、燃料電池ユニット１０１には、燃料電池スタック１０２における発電の際に発する熱エネルギーを回収する熱回収部１０３が設けられている。熱回収部１０３で回収された熱エネルギーは、熱利用機器１１０で利用される。

熱回収部１０３から熱利用機器１１０への熱エネルギーの移送には熱移送媒体が用いられる。熱移送媒体には、水（温水）、油、不凍液、ゲル状樹脂等を用いることができる。熱移送媒体は、任意の熱伝導性を有し熱移送可能であれば、流動性の無いものや、流動性の低いものであってもよい。

例えば、燃料電池スタック１０２が発電の際に発する熱エネルギーが冷却水によって回収される。熱エネルギーを回収した冷却水は、熱交換器において排熱回収水と熱交換を行って冷却されるとタンクに貯留される。このタンクに貯留されている冷却水が、ポンプによって吸引され、燃料電池スタック１０２に供給されることで、冷却水が循環する。熱交換器における熱交換により昇温した排熱回収水は、お湯として熱利用機器１１０に供給される。

熱利用機器１１０は、燃料電池ユニット１０１（熱回収部１０３）の近傍に配置されており、熱回収部１０３から熱利用機器１１０への熱移送に伴う放熱ロスを抑えることができる。なお、ここで「近傍」とは、熱回収部１０３から熱利用機器１１０への熱移送距離が、放熱ロスを所定値以下に抑える距離であることをいう。

例えば、熱回収部１０３から熱利用機器１１０への熱移送に伴う熱移送媒体の温度低下が５０％以下である場合、熱利用機器１１０は熱回収部１０３の近傍に配置されているものとする。例えば、熱回収部１０３における熱移送媒体の初期温度が７５℃である場合、熱利用機器１１０に到達した熱移送媒体の温度が３７．５℃以上であれば、熱利用機器１１０は熱回収部１０３の近傍に配置されていることになる。放熱ロスは、温度でなく、熱エネルギー（熱量）で計算してもよい。熱移送に伴う熱エネルギーの低下が５０％以下であれば、熱利用機器１１０は熱回収部１０３の近傍に配置されているものとする。

また、熱回収部１０３における熱移送媒体を調温部により調温（減温）してから熱利用機器１１０へ供給する場合は、調温後の熱移送媒体の温度（エネルギー）を初期温度（初期エネルギー）として放熱ロスを算出することが好ましい。例えば、ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell：固体酸化物型燃料電池）等の中〜高温作動型の燃料電池では、熱回収部１０３における熱移送媒体に対して、調温を行ったり、一部を他のエネルギー（タービン発電等）へ変換したりしてから、熱利用機器１１０へ熱移送される。

（比較例）図２に比較例による燃料電池システムの概略構成を示す。燃料電池システムは、燃料電池ユニット２０１と、燃料ガス処理部２０４と、酸化剤ガス処理部２０５とを備え、戸建住宅２に設置されている。燃料電池ユニット２０１、燃料ガス処理部２０４、及び酸化剤ガス処理部２０５は屋外に設けられている。

燃料ガス処理部２０４は、燃料（例えばＬＰＧ）を触媒に接触させて改質処理を行い、水素リッチな燃料ガスを生成する改質器（図示せず）を有する。生成された燃料ガスは、燃料電池ユニット２０１に供給される。

酸化剤ガスは例えば空気であり、酸化剤ガス処理部２０５は、空気中のコンタミ（システムにとって有害な粉塵、化学物質等）を除去するフィルタを有している。フィルタを通過した酸化剤ガス（空気）は、燃料電池ユニット２０１に供給される。

燃料電池ユニット２０１には、燃料電池スタック２０２が設けられている。燃料電池スタック２０２に酸化剤ガス（空気）及び燃料ガスが導入されると、電気化学反応によって電気（直流電力）と熱エネルギーが発生する。燃料電池スタック２０２で発生した直流電力は、図示しないインバータにより交流電力に変換され、屋内の電気機器等の電力負荷に供給される。

また、燃料電池ユニット２０１には、燃料電池スタック２０２における発電の際に発する熱エネルギーを回収する熱回収部２０３が設けられている。熱回収部２０３で回収された熱エネルギーは、屋内の熱利用機器２１０で利用される。

屋外に設置された熱回収部２０３から、熱移送媒体を用いて屋内の熱利用機器２１０へ熱移送を行うため、熱移送に伴う放熱ロスが大きい。

これに対し、本実施形態によれば、屋外で改質処理された燃料ガスを屋内へ導き、屋内の燃料電池ユニット１０１において発電、熱回収を行い、燃料電池ユニット１０１の近傍に配置された熱利用機器１１０へ回収した熱エネルギーを供給する。熱利用機器１１０が燃料電池ユニット１０１の近傍に配置されているため、熱利用機器１１０への熱移送に伴う放熱ロスを低減し、効率の良い燃料電池システムを実現することができる。

また、本実施形態によれば、燃料ガス処理部１０４は屋外に設置される。そのため、動作温度や排出ガス等の仕様が屋内設置に向いていない燃料ガス処理部１０４を燃料電池システムに導入することができ、燃料ガス処理部１０４の設計自由度を拡大させることできる。

図１に示すように、燃料ガス処理部１０４における改質処理により発生する熱を回収する熱回収部１０６を設けてもよい。熱回収部１０６で回収された熱は、屋内の熱利用機器１１１で利用される。

また、図３に示すように、屋外に燃料電池ユニット１０１と同様の構成の燃料電池ユニット１２１をさらに設けてもよい。燃料電池ユニット１２１の燃料電池スタック１２２における発電の際に発する熱エネルギーは熱回収部１２３で回収される。熱回収部１２３で回収された熱エネルギーは、屋内の熱利用機器１１１で利用される。なお、この場合、燃料電池ユニット１２１から熱利用機器１１１への熱移送に伴う放熱ロスは、燃料電池ユニット１０１から熱利用機器１１０への熱移送に伴う放熱ロスよりも大きくなる。

（第２の実施形態）上記第１の実施形態では、屋内に燃料電池ユニット１０１を１つ設けた燃料電池システムについて説明したが、屋内に設けられる燃料電池ユニット１０１は複数でもよい。

図４に、複数の燃料電池ユニット１０１の配置例を示す。図４に示すように、燃料ガス処理部１０４及び酸化剤ガス処理部１０５は屋外の物置４０１に設けられ、燃料電池ユニット１０１は、屋内の浴室４０２、洗面所４０３、トイレ４０４、キッチン４０５、ダイニング４０６、リビング４０７、寝室４０８に設けられる。燃料ガス処理部１０４及び酸化剤ガス処理部１０５からの燃料ガス及び酸化剤ガス（空気）を供給する配管は、壁、床下、天井等に設けられる。

各燃料電池ユニット１０１の近傍には熱利用機器が設けられている。例えば、浴室４０２、洗面所４０３、トイレ４０４、キッチン４０５では、熱利用機器としての給湯器が設けられている。また、トイレ４０４には、熱利用機器としての温水暖房便座が設けられている。ダイニング４０６には、熱利用機器としての空調設備が設けられている。リビング４０７には、熱利用機器としての床暖房設備が設けられている。寝室４０８には、熱利用機器としての窓曇り防止装置が設けられている。

このように、熱利用機器の近傍に配置された燃料電池ユニット１０１へ、屋外の燃料ガス処理部１０４及び酸化剤ガス処理部１０５からの燃料ガス及び酸化剤ガス（空気）を供給するようにすることで、燃料電池ユニット１０１から熱利用機器への熱移送に伴う放熱ロスを抑えることができる。

このような燃料電池システムを集合住宅に導入する場合、図５に示すように、１箇所の燃料ガス処理部１０４から各世帯５０１へ燃料ガスを供給する集中改質システムとしてもよい。なお、この場合、燃料ガス処理部１０４は、集合住宅の建造物内に設置されることもあるが、集合住宅では、各世帯の区画内を屋内、各世帯の区画外を屋外とみなす。

各世帯５０１においては、図６（ａ）に示すように、燃料電池ユニット１０１に隣接して（又は一体的に）熱利用機器１１０を設けてもよいし、図６（ｂ）に示すように、燃料電池ユニット１０１の近傍に熱利用機器１１０を設け、熱移送媒体を用いて熱移送を行ってもよい。また、図６（ｃ）、（ｄ）に示すように、１つの燃料電池ユニット１０１から複数の熱利用機器１１０へ熱移送を行ってもよい。図６（ｃ）は、熱移送媒体が分岐して２つの熱利用機器１１０へ供給される例を示している。また、図６（ｄ）は、燃料電池ユニット１０１が２つの熱移送媒体排出部を有する例を示している。

図７は、本実施形態による燃料電池システムの戸建住宅への適用例を示す。燃料電池ユニット１０１で発生し、回収された熱は、各燃料電池ユニット１０１の近傍に設けられた、屋根の融雪システム７０１、床暖房システム７０２、台所給湯システム７０３、室内空調システム７０４、温室用温湿度制御システム７０５、窓の結露防止システム７０８、食器洗い乾燥機７０９、温水暖房便座７１０、熱帯魚用水槽７１１、ソファ７１２等で利用される。なお、図７に示す例では、屋外に設置した燃料電池ユニット１０１から熱を回収し、貯湯槽（熱媒体貯蔵部）７２０から浴室に対して温水を供給する構成となっている。また、貯湯槽７２０の温水が駐車スペースの融雪システム７０６に利用される。

図７に示す構成では、屋外から温水によって各熱利用機器へ熱を移送する構成と比較して、温水の引き回しによる放熱のロスを低減できる。また、浴室に次いで温水利用の頻度の高い台所給湯システム７０３への給湯を、浴室と別系統にすることで、温水利用の集中による温水の不足を回避することができる。

図８に示すように、改質された燃料ガスや、酸化剤ガス処理部１０５により処理された酸化剤ガス（空気）を貯蔵する貯蔵部７２１をさらに設けてもよい。貯蔵部７２１は、屋内、屋外、何れの場所にも設置することができる。このような構成では、燃料ガスや酸化剤ガスを一時的に貯蔵部７２１に貯蔵してから各燃料電池ユニット１０１へ供給するため、安定的にガスを供給することが可能となる。特に、ガスの需要が大きい時間帯等に生じ得る処理済ガスの不足等を回避することが可能となる。

また、図９に示すように、貯湯槽７２０を屋内、例えば浴室内の浴槽の下に配置するようにしてもよい。

また、各燃料電池ユニット１０１へガスを供給する配管に、バルブ等の開閉機構を設けることが好ましい。これにより、燃料電池ユニット１０１毎に、ガスの供給を止めることができる。なお、全ての配管に開閉機構を設置する必要は無く、用途・目的に応じて任意に設置するものとする。

燃料電池ユニット１０１と熱移送媒体貯蔵部とを１ユニットとして構成にしてもよい。また、処理済みガスの貯蔵部（貯蔵部７２１）と燃料電池ユニット１０１とを１ユニットとした構成にしてもよい。また、燃料電池ユニット１０１、熱移送媒体貯蔵部、及び処理済みガスの貯蔵部（貯蔵部７２１）を１ユニットとして構成にしてもよい。また、貯湯槽をさらに組み込んだユニットを設けてもよい。いずれの場合においても、燃料ガス処理部１０４及び酸化剤ガス処理部１０５は屋外に配置される。

上記第１、第２の実施形態において、燃料電池システムは、ＰＥＦＣ、ＳＯＦＣ、ＤＭＦＣ等、ガスを燃料とする方式、及び燃料をガス化して利用する方式の定置型燃料電池を使用することができる。

また、熱利用機器は、燃料電池ユニット１０１で発生する熱を一次利用又は二次利用する熱利用機器であればよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、燃料電池ユニットから熱利用機器への熱移送に伴う放熱ロスを低減することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０１燃料電池ユニット
１０２燃料電池スタック
１０３熱回収部
１０４燃料ガス処理部
１０５酸化剤ガス処理部
１０６熱回収部
１０７燃料ガス供給部
１０８酸化剤ガス供給部
１０９燃料ガス配管
１１０、１１１熱利用機器

Claims

戸建て住宅の屋外に設けられ、燃料ガスを改質する燃料ガス処理部と、
前記戸建て住宅の屋内に設けられた複数の燃料電池ユニットと、
前記改質された燃料ガスを前記燃料電池ユニットへ供給する配管と、
前記戸建て住宅の屋内に設けられ、前記燃料電池ユニットにおける発電に伴って生じる熱を回収する、前記燃料電池ユニットと同数の熱回収部と、
を備える燃料電池システム。
前記複数の燃料電池ユニットおよび前記熱回収部は、前記戸建て住宅において熱を利用して機能する各々の機器の近傍に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記熱回収部は熱移送媒体を用いて前記熱を利用して機能する機器へ熱を供給し、
前記熱移送媒体は、油、不凍液、又はゲル状樹脂であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。