JPH1197044A - 燃料電池給湯コジェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 改質器や燃料電池の廃熱を効率良く利用して
必要とする温度の給湯を行なうことができる燃料電池給
湯コジェネレーションシステムを提供する。 【解決手段】 原燃料から水素リッチな改質ガスを生成
する改質器１。改質ガスの水素を燃料として発電を行な
う燃料電池２。改質器１と燃料電池２の少なくとも一方
の廃熱を回収して蓄熱タンク３に供給する熱交換装置
４。蓄熱タンク４に水を通して蓄熱タンク４で水を加熱
させる送水機構。蓄熱タンク４で加熱された水を追い炊
き加熱する加熱装置５。これらを具備して燃料電池給湯
コジェネレーションシステムを構成する。改質器１や燃
料電池２の廃熱量が少なくても蓄熱タンク３に大きな熱
量で蓄熱することができる。また蓄熱タンク３で加熱さ
れた水の温度が低いときには加熱装置５で加熱して所定
温度の湯として給湯することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素系の気
体、液体、固体、メタノール系等のアルコール燃料など
の原燃料と水蒸気から水素リッチな改質ガスを生成する
改質器と、この改質ガスを燃料として発電を行なう燃料
電池を具備する燃料電池発電システムにおいて、改質器
や燃料電池の廃熱を利用して給湯を行なうようにしたコ
ジェネレーションシステムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】改質器１によって原燃料から水素リッチ
な改質ガスを生成し、この改質ガスを燃料として燃料電
池２で発電させるようにした燃料電池発電システムで
は、改質器１及び燃料電池２から高温の廃熱が発生す
る。そこで改質器１や燃料電池２から発生するこの廃熱
を利用して給湯や暖房を行なうコジェネレーションシス
テムが検討されている。

【０００３】図６はその一例を示すものであり、改質器
１と燃料電池２に熱交換装置４を設け、図の矢印のよう
に水道水等の低温の水（ＣＷ）を熱交換装置４に流すこ
とによって、水を改質器１や燃料電池２の廃熱で加熱
し、温水（ＨＷ）として給湯することができるようにし
てある。しかし、給湯を行なう場合には瞬間的に大量の
熱で加熱を行なうことが必要であり、例えば一般家庭で
はシャワーと洗面等、複数の箇所で同時に湯を使用でき
るように２４号（約４２ｋＷ）や３２号（約５６ｋＷ）
のような高熱量の給湯器が用いられているが、図６のよ
うに熱交換機４に流す水を改質器１と燃料電池２の廃熱
で加熱して直ちに湯として使用しようとする場合、改質
器１や燃料電池２から大出力の廃熱が発生していること
が必要であって、燃料電池発電システムを大型化する必
要があり、また廃熱回収も非効率であるという問題があ
る。

【０００４】そこで図７に示すように、熱交換装置４を
貯湯タンクなどの蓄熱タンク３に接続し、熱交換装置４
で回収した改質器１や燃料電池２の廃熱を蓄熱タンク３
に蓄熱しておき、必要に応じて蓄熱タンク３から湯を供
給するようにしたシステムが考えられている。図７にお
いて１１は蓄熱タンク３に水道水等の水（ＣＷ）を供給
する給水配管、１２は蓄熱タンク３内で加熱された温水
（ＨＷ）を供給する給湯配管である。

【０００５】しかしこの図７のものにあっても、蓄熱タ
ンク３への蓄熱が不十分であると必要な温度の温水を給
湯することができず、同様に燃料電池発電システムを大
型化して蓄熱タンク３への蓄熱量を高める必要があると
いう問題がある。また、蓄熱タンク３として貯湯タンク
を用いる場合、一般の深夜電力利用電気温水器では、深
夜に貯湯タンク内に８０℃程度の湯をつくっておき、使
用時は貯湯タンクの下側から低温の水道水を入れ、上の
高温の湯と混ざらない温度成層を形成させて、上の高温
の湯を給湯するようにしているために、給湯タンク内に
つくった８０℃の湯の全量を利用することができ、従っ
てこのような深夜電力利用電気温水器の貯湯タンクは比
較的小型に形成することが可能である。しかし、図７の
システムの蓄熱タンク３として貯湯タンクを用いる場
合、燃料電池２は不定期に作動されるために、改質器１
と燃料電池２の廃熱は不定期に発生して貯湯タンクに回
収されることになり、貯湯タンク内に温度成層を形成す
ることがきない。このために図７のシステムでは貯湯タ
ンクを小型に形成することは難しい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の点に鑑
みてなされたものであり、改質器や燃料電池の廃熱を効
率良く利用して必要とする温度の給湯を行なうことがで
き、しかも小型化が可能な燃料電池給湯コジェネレーシ
ョンシステムを提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る燃料電池給
湯コジェネレーションシステムは、原燃料から水素リッ
チな改質ガスを生成する改質器１と、改質ガスの水素を
燃料として発電を行なう燃料電池２と、改質器１と燃料
電池２の少なくとも一方の廃熱を回収して蓄熱タンク３
に供給する熱交換装置４と、蓄熱タンク３に水を通して
蓄熱タンク３で水を加熱させる送水機構と、蓄熱タンク
３で加熱された水を追い炊き加熱する加熱装置６を具備
して成ることを特徴とするものである。

【０００８】また請求項２の発明は、水は蓄熱タンク３
を経由して加熱装置６に供給されるようにして成ること
を特徴とするものである。また請求項３の発明は、熱交
換装置４を熱媒を循環させる方式に形成し、熱媒が燃料
電池２の廃熱を回収した後に改質器１の廃熱を回収する
ように熱交換装置４の循環経路を形成して成ることを特
徴とするものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。図１は本発明の実施の形態の一例を示すものであ
り、改質器１は原燃料供給経路１４から供給される原燃
料と水蒸気から水蒸気改質反応によって水素リッチな改
質ガスを生成するように形成してある。原燃料として
は、炭化水素系の気体、液体、固体や、メタノール系等
のアルコール燃料などが適当であり、具体的にはメタン
ガス、プロパンガス、ブタンガス等の炭化水素系気体、
灯油、軽油、ガソリン等の炭化水素系液体、メタノー
ル、エタノール等のアルコール類を例示することができ
る。家庭用の用途では、入手のし易さ及び取り扱い性か
ら、プロパンガス、ブタンガス、メタンガスを主成分と
したガスや灯油が好ましい。

【００１０】上記の水蒸気改質反応には高温での触媒反
応が必要であるため、改質器１を所定の温度（６００〜
７００℃）に加熱するようにしてある。加熱方法は特に
限定されるものではないが、原燃料を燃焼させて加熱を
行なうことができる。この燃焼によって発生する排気ガ
スは排気経路１５から排出されるようにしてあり、また
改質器１で生成された水素リッチな改質ガスは改質ガス
供給経路１６から送り出されるようにしてある。

【００１１】改質ガス供給経路１６から送り出された改
質ガスは改質ガス供給配管２９を通じて燃料電池２に供
給されるようにしてある。燃料電池２としては、リン酸
型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料
電池、アルカリ型燃料電池、固体高分子型燃料電池等を
用いることができるものであり、燃料電池２の各セル２
ａに改質ガス供給配管２９を分岐して接続するようにし
てある。

【００１２】本発明では改質器１と燃料電池２の少なく
とも一方から廃熱を回収する熱交換装置４を具備するも
のであり、改質器１や燃料電池２の熱を空気の送風で搬
送し、この空気流路の周囲に水等の熱媒が循環する熱交
換装置４を設けることによって廃熱の回収を行なうよう
にしてもよいが、廃熱回収を効率高く行なうには、改質
器１や燃料電池２の周囲に熱媒を循環させて熱媒に廃熱
を回収させる方式の熱交換装置４を設けるのが好まし
い。勿論、この二種類の熱交換装置４を組み合わせるこ
とも可能である。

【００１３】図１の実施の形態では熱交換装置４を、燃
料電池２の各セル２ａの間に設けた熱媒が循環可能な冷
却板１７と、改質器１の排気経路１５と改質ガス供給経
路１６にそれぞれ巻き付けたパイプで形成される熱交換
器１８，１９とから形成してあり、冷却板１７間や、冷
却板１７と熱交換器１８の間や、熱交換器１８，１９間
は接続管２０で接続してある。このように形成される熱
交換装置４は蓄熱タンク３に接続してある。すなわち、
燃料電池２の冷却板１７を熱媒往路管２１で蓄熱タンク
３に接続し、改質器１の熱交換器１９を熱媒復路管２２
で接続するようにしてあり、熱媒復路管２２には循環ポ
ンプ２３が設けてある。

【００１４】蓄熱タンク３は蓄熱作用を有する各種の蓄
熱材を充填して形成されるものであり、例えばレンガや
コンクリート等を加熱して蓄熱したり、物質の融解・凝
固を利用して蓄熱を行なう潜熱蓄熱材を用いるようにし
たりすることができるが、図２の実施の形態では、蓄熱
材兼熱媒として水３０を充填して蓄熱タンク３を貯湯タ
ンクとして形成するようにしてある。水３０は比熱が高
く安全性に優れるために、水３０を蓄熱材兼熱媒として
用いることが好ましい。上記の熱交換装置４の熱媒往路
管２１は蓄熱タンク３の熱媒出口２４に、熱媒復路管２
２は熱媒入口２５にそれぞれ接続してある。

【００１５】そしてこの蓄熱タンク３の給水口２６は水
道配管等の給水配管１１に、送水口２７は送水配管２８
で加熱装置６にそれぞれ接続してあり、水道水等の水が
給水口２６から蓄熱タンク３に供給され、蓄熱タンク３
内で加熱された後に送水口２７から送り出されるように
なっている。このように給水口２６と送水口２７によっ
て送水機構が形成されるものである。また加熱装置６は
電気ヒーター、ヒートポンプ、灯油やガスのボイラー等
を加熱手段として有するものを用いることができるが、
改質器１で用いる原燃料と同じものを燃焼させるボイラ
ーを加熱手段とするものが好ましい。

【００１６】上記のように形成される本発明の燃料電池
給湯コジェネレーションシステムにあって、原燃料と水
蒸気から水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガス
が改質器１で生成されると、この改質ガスは改質器１の
改質ガス供給経路１６から改質ガス供給配管２９を通じ
て燃料電池２の各セル２ａに供給され、改質ガス中の水
素と大気中の酸素を燃料源として燃料電池２で発電がな
される。一方、循環ポンプ２３によって蓄熱タンク３の
水が熱媒として熱交換装置４との間で循環されており、
蓄熱タンク３から熱媒往路管２１を通して熱交換装置４
に送り出された水は、燃料電池２の冷却板１７を通過す
る際に燃料電池２の廃熱を回収し、さらに改質器１の熱
交換器１８，１９を通過する際に改質器１の廃熱を回収
し、熱媒復路管２２を通して蓄熱タンク３に返送され
る。このように蓄熱タンク３の水を熱交換装置４との間
で循環させることによって、改質器１や燃料電池２の廃
熱を回収して蓄熱タンク３に蓄熱することができるもの
であり、図２の蓄熱タンク３では改質器１や燃料電池２
の廃熱は温水として蓄熱されるものである。

【００１７】ここで、熱媒を熱交換装置４に通して改質
器１や燃料電池２の廃熱を回収するにあたって、図１の
実施の形態のように、熱媒が燃料電池２の廃熱を回収し
た後に改質器１の廃熱を回収するように循環経路を形成
するのが好ましい。廃熱の温度は燃料電池２よりも改質
器１のほうが高いので、先に温度の低い燃料電池２との
間で熱交換させて熱媒に燃料電池２の廃熱を回収した
後、温度の高い改質器１との間で熱交換させて熱媒に改
質器１の廃熱を回収させるようにすることによって、効
率高く廃熱の回収を行なうことができるものである。

【００１８】上記のように改質器１や燃料電池２の廃熱
が蓄熱された蓄熱タンク３の下部に給水口２６から水道
水などの低温の水（ＣＷ）を給水すると、給水された水
の分量だけ、蓄熱タンク３内の上部の温水（ＨＷ）が送
水口２７から送水配管２８を通して加熱装置６に送水さ
れる。そして蓄熱タンク３から加熱装置６に送水された
温水の温度が所定温度よりも低いときには、加熱装置６
で所定の温度にまで加熱して、給湯配管３１から送り出
されて給湯されるようになっている。従って、改質器１
や燃料電池２の廃熱の量が少なく、蓄熱タンク３内の蓄
熱が少なくても、加熱装置６によって追い炊きして所定
の温度の湯を給湯することができるものであり、改質器
１や燃料電池２から大量の廃熱が発生するように燃料電
池発電システムを大型に形成する必要がなくなるもので
あり、また蓄熱タンク３の容積を給湯の最大使用量に合
わせて設計する必要がなく、蓄熱タンク３の小型化を図
ることもできるものである。

【００１９】ここで、加熱装置６で水を加熱するにあた
って、水道水等の水を加熱装置６で加熱してから蓄熱タ
ンク３に供給するのではなく、図１の実施の形態のよう
に、水は蓄熱タンク３を経由して加熱装置６に供給され
るようにするのが好ましい。水を加熱装置６で加熱して
から蓄熱タンク３に供給して蓄熱タンク３から給湯され
るようにすると、給湯される湯の温度調整が不可能にな
る。これに対して、上記ように蓄熱タンク３に蓄熱され
た廃熱で加熱した温水を加熱装置６に供給するようにす
れば、加熱装置６で温水の温度調整をして給湯すること
ができるものである。

【００２０】図３は蓄熱タンク３の他の実施の形態を示
すものであり、このものでは蓄熱タンク３内に熱交換器
３２を設け、熱交換器３２の熱媒出口２４に熱交換装置
４の熱媒往路管２１を、熱交換器３２の熱媒入口２５に
熱交換装置４の熱媒復路管２２をそれぞれ接続するよう
にしてある。蓄熱タンク３内には蓄熱材として水３０が
充填してある。このものでは、循環ポンプ２３を作動さ
せて熱媒を熱交換器３２と熱交換装置４との間で循環さ
せて、熱媒に改質器１や燃料電池２の廃熱を回収させ、
蓄熱タンク３内において熱交換器３２で熱媒と水３０と
の間で熱交換させて蓄熱タンク３内に蓄熱するようにな
っている。この実施の形態では、熱媒はこのように熱交
換器３２と熱交換装置４との間で循環するので、熱媒は
水である必要はなく、エチレングリコールやプロピレン
グリコール及びこれらの水溶液などの不凍液やオイルを
用いることが可能になる。従って熱媒の凍結を防止でき
ると共に水の沸騰温度より高い温度でも使用が可能にな
り、寒冷地での使用や高温の廃熱の回収が可能になるも
のである。また蓄熱タンク３内の蓄熱材を加熱する熱交
換器３２は、図３のように蓄熱タンク３内に設ける他
に、蓄熱タンク３の外周に巻き付ける形で設けるように
してもよく、このようにすれば、熱交換器３２が破損し
て熱媒が漏れ出ても、蓄熱タンク３内の蓄熱材を汚染す
るようなことがなくなるものである。

【００２１】図４は蓄熱タンク３のさらに他の実施の形
態を示すものであり、このものでは蓄熱タンク３内に熱
交換器３３を設け、熱交換器３３の給水口２６に水道配
管などの給水配管１１を、熱交換器３３の送水口２７に
送水配管２８をそれぞれ接続するようにしてある。この
熱交換器３３で送水機構を形成することができるもので
ある。また蓄熱タンク３内には蓄熱材兼熱媒となる水３
０が充填してある。このものでは、水道水等の水は給水
口２６から熱交換器３３に供給され、蓄熱タンク３内に
蓄熱された熱で加熱されて温水となって送水口２７から
送り出され、送水配管２８から加熱装置６へ供給される
ようになっている。

【００２２】図５は蓄熱タンク３のさらに他の実施の形
態を示すものであり、このものでは蓄熱タンク３内に上
記の熱交換器３２と熱交換器３３の両方を設けるように
してある。このものでは改質器１や燃料電池２から回収
された廃熱で熱交換器３２によって蓄熱タンク３内の蓄
熱材３５が加熱されて蓄熱され、また熱交換器３３に通
される水道水等の水は蓄熱タンク３内の蓄熱材３５によ
って加熱され、温水を得ることができるものである。こ
のものでは蓄熱材３５は蓄熱タンク３から出ることがな
いので、水である必要はなく、各種の蓄熱材料を用いる
ことができる。また図４や図５のものは、水道配管は熱
交換器３３に接続してあって、水道の水圧が蓄熱タンク
３に直接作用することがないので、蓄熱タンク３を耐圧
構造にする必要がないものである。

【００２３】

【実施例】以下本発明を実施例によって説明する。 （実施例）図１のコジェネレーションシステムで発電を
行なうと共に給湯を行なった。すなわち、改質器１に原
燃料として天然ガス（主成分メタンガス）を供給し、次
のように水蒸気改質反応を行なわせて水素チッリな改質
ガスを生成させた。このとき、天然ガスの燃焼で６００
〜７００℃に加熱して水蒸気改質反応を行なわせるよう
にした。

【００２４】ＣＨ₄ ＋２Ｈ₂ Ｏ→４Ｈ₂ ＋ＣＯ₂ このように改質器１で生成される改質ガスを固体高分子
型燃料電池３のアノード部に供給すると共に、カソード
部に酸素を含む空気を供給することによって、燃料電池
３で発電させた。蓄熱タンク３として外周に断熱材とし
て１００ｍｍ厚のグラスウールを巻いた１５０リットル
のステンレス製タンクを用い、図３のように内部に水３
０を充填すると共に熱交換器３２を設けた。この熱交換
器３２を熱交換装置４と接続すると共にこれらの配管内
に熱媒として４０％濃度のプロピレングリコール水溶液
を通し、循環ポンプ２３で熱媒を熱交換器３２と熱交換
装置４の間で循環させ、燃料電池２及び改質器１の廃熱
を回収して蓄熱タンク３内に蓄熱するようにした。また
加熱装置６としては天然ガスを燃料とするボイラーを用
いた。

【００２５】そして図１のコジェネレーションシステム
にあって、改質器１に０．３ｍ³ ／ｈｒの天然ガスを供
給したところ、燃料電池２で毎時１．１ｋＷの電力の発
電ができた。また改質器１と燃料電池２で毎時２．７ｋ
Ｗの廃熱が発生し、このうちの１．９ｋＷを回収して蓄
熱タンク３内に蓄熱できた。３時間発電を行なって、ト
ータルで５．７ｋＷの廃熱を回収し、はじめ２０℃であ
った蓄熱タンク３内の水温は５２℃に上昇した。この蓄
熱タンク３に２０℃の水を５リットル／ｍｉｎで供給
し、１時間で４．９ｋＷの熱を利用することができた。
蓄熱タンク３から出てくる水の温度は初め５２℃であっ
たが、３０分後は３２℃に、１時間後は２４℃になった
ので、それぞれ加熱装置６で４５℃にまで追い炊き加熱
して利用した。

【００２６】（比較例１）図６のコジェネレーションシ
ステムで発電を行なうと共に給湯を行なった。このシス
テムにおいて、実施例１と同じ条件で改質器１に天然ガ
スを供給すると共に燃料電池２で発電させ、熱交換装置
４に水を５リットル／ｍｉｎの流量で流したところ、２
０℃の水を２５℃の温度にまでしか上昇できなかった。
従ってこのシステムでは、４５℃の水温で給湯するため
には、５倍もの能力の燃料電池２や改質器１を用いる必
要がある。

【００２７】（比較例２）図７のコジェネレーションシ
ステムで発電を行なうと共に給湯を行なった。このシス
テムでは、実施例１と同じ条件で改質器１に天然ガスを
供給すると共に燃料電池２で発電させ、３時間発電を行
なって、トータルで５．７ｋＷの廃熱を回収し、はじめ
２０℃であった蓄熱タンク３内の水温は５２℃に上昇し
た。この蓄熱タンク３に２０℃の水を５リットル／ｍｉ
ｎで供給したところ、蓄熱タンク３から出てくる水の温
度は初め５２℃であったが、３０分後は３２℃に、１時
間後は２４℃になり、３０分以後は給湯に利用すること
ができなかった。

【００２８】

【発明の効果】上記のように本発明は、原燃料から水素
リッチな改質ガスを生成する改質器と、改質ガスの水素
を燃料として発電を行なう燃料電池と、改質器と燃料電
池の少なくとも一方の廃熱を回収して蓄熱タンクに供給
する熱交換装置と、蓄熱タンクに水を循環させて蓄熱タ
ンクで水を加熱させる循環機構と、蓄熱タンクで加熱さ
れた水を追い炊き加熱する加熱装置を具備するので、改
質器や燃料電池の廃熱を回収して蓄熱タンクに蓄熱する
ことができ、改質器や燃料電池の廃熱量が少なくても蓄
熱タンクに大きな熱量に蓄熱して、水を高温に加熱する
ことができるものであり、しかも蓄熱タンクで加熱され
た水の温度が低いときには加熱装置で加熱して所定温度
の湯として給湯することができ、改質器や燃料電池の廃
熱を効率良く利用して必要とする温度の給湯を行なうこ
とができると共に小型化が可能になるものである。

【００２９】また請求項２の発明は、水を蓄熱タンクを
経由して加熱装置に供給するようにしたので、蓄熱タン
クに蓄熱された廃熱で加熱された温水の温度を加熱装置
で調整して給湯することができるものである。また請求
項３の発明は、熱交換装置を熱媒を循環させる方式に形
成し、熱媒が燃料電池の廃熱を回収した後に改質器の廃
熱を回収するように熱交換装置の循環経路を形成したの
で、先に廃熱温度の低い燃料電池との間で熱交換させて
熱媒に燃料電池の廃熱を回収した後、廃熱温度の高い改
質器との間で熱交換させて熱媒に改質器の廃熱を回収さ
せることができ、効率高く廃熱の回収を行なうことがで
きるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例を示す斜視図であ
る。

【図２】蓄熱タンクの実施の形態の一例を示す断面図で
ある。

【図３】蓄熱タンクの実施の形態の他の一例を示す断面
図である。

【図４】蓄熱タンクの実施の形態の他の一例を示す断面
図である。

【図５】蓄熱タンクの実施の形態の他の一例を示す断面
図である。

【図６】従来の一例を示す斜視図である。

【図７】従来の他の一例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 改質器 ２ 燃料電池 ３ 蓄熱タンク ４ 熱交換器 ６ 加熱装置

フロントページの続き (72)発明者 工藤 均 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 品川 幹夫 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原燃料から水素リッチな改質ガスを生成
   する改質器と、改質ガスの水素を燃料として発電を行な
   う燃料電池と、改質器と燃料電池の少なくとも一方の廃
   熱を回収して蓄熱タンクに供給する熱交換装置と、蓄熱
   タンクに水を通して蓄熱タンクで水を加熱させる送水機
   構と、蓄熱タンクで加熱された水を追い炊き加熱する加
   熱装置を具備して成ることを特徴とする燃料電池給湯コ
   ジェネレーションシステム。
2. 【請求項２】 水は蓄熱タンクを経由して加熱装置に供
   給されるようにして成ることを特徴とする請求項１に記
   載の燃料電池給湯コジェネレーションシステム。
3. 【請求項３】 熱交換装置を熱媒を循環させる方式に形
   成し、熱媒が燃料電池の廃熱を回収した後に改質器の廃
   熱を回収するように熱交換装置の循環経路を形成して成
   ることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池給
   湯コジェネレーションシステム。