JP2001273916A - 燃料電池コジェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 敷地に余裕がない都市部の住宅にも設置可能
な燃料電池コジェネレーションシステムを提供するこ
と。 【解決手段】 原燃料タンク２を、改質器３および燃料
電池４の廃熱を蓄える蓄熱槽とし、この蓄熱槽に蓄えら
れた廃熱を利用する。原燃料タンク２を蓄熱槽としたの
で、従来の蓄熱槽が不要となり、その分燃料電池コジェ
ネレーションシステム１の小型化を図ることができる。
これにより、敷地に余裕がない都市部の住宅にも当該燃
料電池コジェネレーションシステム１を設置することが
できる。その上、原燃料タンク２内の灯油２１を予熱す
ることになるので、燃料電池コジェネレーションシステ
ム１全体の熱効率を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原燃料が貯蔵され
る原燃料タンクと、前記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
電を行う燃料電池とを備えた燃料電池コジェネレーショ
ンシステムに関するものである。

【０００２】

【背景技術】従来より、改質器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、改質器および燃料電池から高温の廃熱が発生す
る。そこで、改質器や燃料電池から発生するこの廃熱を
利用して、給湯や暖房を行うコジェネレーションシステ
ムが検討されている。

【０００３】このコジェネレーションシステムでは、改
質器と燃料電池とに熱交換装置を設け、水道水等の低温
の水を熱交換装置に流し、当該水を改質器や燃料電池の
廃熱で加熱することによって、温水として給湯すること
ができるようにしてある。ここで、給湯を行う場合に
は、瞬間的に大量の熱で加熱を行うことが必要であるた
め、例えば、一般家庭では、シャワーおよび洗面等、複
数の箇所で同時に湯を使用できるように高熱量の給湯器
が用いられている。しかし、熱交換装置に流す水を改質
器と燃料電池との廃熱で加熱して直ちに湯として使用す
る場合、改質器や燃料電池から大出力の廃熱を発生させ
なければいけないため、コジェネレーションシステムを
大型化する必要があるとともに、廃熱回収も非効率であ
るという問題がある。

【０００４】そこで、熱交換装置を貯湯槽などの蓄熱槽
に接続し、熱交換装置で回収した改質器や燃料電池の廃
熱を蓄熱槽に蓄熱しておき、必要に応じて蓄熱槽から湯
を供給するようにしたコジェネレーションシステムが考
えられている（特開平１１−９７０４４号公報等参
照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなコジェネレーションシステムを構成する蓄熱槽の大
きさは、一般家庭で使用するものでも最低１００リット
ル程度の容量が必要であるため、都市部の住宅のよう
に、敷地に余裕がない場合は、蓄熱槽を配置することが
できず、これにより、コジェネレーションシステムの設
置が困難であるという問題がある。

【０００６】本発明の目的は、敷地に余裕がない都市部
の住宅にも設置可能な燃料電池コジェネレーションシス
テムを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、原燃料タンク
から供給される原燃料から改質器により水素リッチな改
質ガスを生成し、この生成された改質ガスの水素を燃料
として燃料電池で発電を行い、改質器および燃料電池か
らの廃熱を回収して熱エネルギーとして利用する燃料電
池コジェネレーションシステムであって、原燃料タンク
の少なくとも一部は、改質器および燃料電池の少なくと
も一方の廃熱が蓄えられる蓄熱槽とされ、当該燃料電池
コジェネレーションシステムは、この蓄熱槽に蓄えられ
た廃熱を利用することを特徴とする。ここで、原燃料と
しては、炭化水素系の液体、固体や、メタノール系等の
アルコール燃料などが採用できる。具体的には、ナフ
サ、ガソリン、灯油、軽油、重油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、および
取り扱い性からナフサ、灯油等の液体炭化水素、メタノ
ール等のアルコールが好ましい。また、燃料電池として
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
料電池等を採用することができる。このような本発明に
よれば、原燃料タンクの少なくとも一部を蓄熱槽とする
ことで、従来の蓄熱槽が小型化または不要となるので、
その分燃料電池コジェネレーションシステムの小型化が
図られ、これにより、敷地に余裕がない都市部の住宅に
も設置可能となる。また、原燃料タンクを蓄熱槽とすれ
ば、当該原燃料タンク内の原燃料を予熱することになる
ので、燃料電池コジェネレーションシステム全体の熱効
率を向上させることが可能となる。

【０００８】以上において、前述の原燃料タンク内に
は、原燃料に含まれる硫黄化合物を除去可能な脱硫剤が
設けられていることが好ましい。ここで、脱硫剤として
は、活性炭、多孔質シリカ、ゼオライト等の吸着剤、Ｍ
ｎ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の遷移金属化合物、Ｐ
ｔ、Ｐｄ等の貴金属化合物およびこれらをシリカ、アル
ミナ、ゼオライト、珪藻土、粘土化合物等の担体に担持
させたものなどが採用できる。このようにすれば、原燃
料に含まれる硫黄化合物を簡単に除去することが可能と
なり、これにより、硫黄化合物による原燃料タンクの腐
食等を容易に防止することができるとともに、燃料電池
に使用される改質触媒等への硫黄被毒を防止することが
できる。また、原燃料タンクでは、原燃料の滞留時間を
十分に取ることができるので、脱硫反応を十分に進行さ
せることが可能となり、これにより、原燃料タンク内で
ほぼ純粋な原燃料を得ることが可能となる。

【０００９】また、前述の原燃料タンクの周囲および／
または内部には、原燃料に蓄えられた廃熱を蓄える蓄熱
材が設けられていることが望ましい。ここで、蓄熱材と
しては、煉瓦やコンクリート、水や水に金属塩、有機物
等を溶かしたもの、パラフィンや高級アルコール、有機
酸、エステル、油脂、有機または無機塩等の融解・凝固
を利用して蓄熱を行う潜熱蓄熱材、さらにこれらの潜熱
蓄熱材をカプセルに封入したものなどが採用できる。こ
のように、例えば、原燃料タンク内に熱交換器が設けら
れるとともに、当該原燃料タンクの周囲に蓄熱材である
無機塩等が設けられていれば、熱交換器と原燃料との間
で熱交換されて原燃料に蓄えられる改質器および燃料電
池からの廃熱を、給湯等の用途に使用するとともに、無
機塩等に蓄えることができる。これにより、蓄熱効率を
向上させることができる。

【００１０】さらに、前述の原燃料タンクの内壁面に
は、凹凸が形成されていることが好ましい。このように
すれば、原燃料タンク内の原燃料と蓄熱材との熱交換を
促進させることが可能となり、これにより、蓄熱効率を
より一層向上させることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１には、本発明の第１実施形態
における燃料電池コジェネレーションシステム１が示さ
れている。燃料電池コジェネレーションシステム１は、
原燃料である灯油２１が貯蔵されている原燃料タンク２
と、改質器３と、燃料電池４とを備えて構成されてい
る。

【００１２】改質器３は、原燃料供給経路１１を介して
原燃料タンク２から供給される灯油２１および水蒸気か
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
するように形成されている。こ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、灯油２１を燃焼さ
せて、改質器３を所定の温度（例えば、６００〜７００
℃）に加熱するようにしてある。この燃焼によって発生
する排気ガスは、図示しない排気経路から排出されるよ
うになっている。また、改質器３で生成された水素リッ
チな改質ガスは、改質ガス供給経路に送出され、燃料電
池４に供給されるようになっている。燃料電池４は、固
体高分子型燃料電池であり、改質器３から供給された改
質ガスを燃料として発電を行うようになっている。

【００１３】原燃料タンク２は、図２にも示されるよう
に、ステンレスで円柱状に形成され、その周囲に灯油に
蓄えられた廃熱を蓄える蓄熱材である無機塩からなる蓄
熱部１２が設けられている。また、原燃料タンク２の内
部には、原燃料であり、かつ、蓄熱作用を有する灯油２
１が貯蔵されているとともに、２つの熱交換器２２、２
３が設けられている。この２つの熱交換器は、第１熱交
換器２２および第２熱交換器２３である。第１熱交換器
２２は、螺旋状に形成されたパイプであり、蓄熱部１２
表面に露出する熱媒出口２２Ａおよび熱媒入口２２Ｂを
備えて形成されている。第２熱交換器２３は、螺旋状に
形成されたパイプであり、蓄熱部１２表面に露出する給
水口２３Ａおよび送水口２３Ｂを備えて形成されてい
る。この給水口２３Ａには、図示しない水道管等の給水
管が接続され、送水口２３Ｂには、給湯システム１３へ
の送水経路を構成する送水管が接続されている。

【００１４】また、原燃料タンク２の下部には、改質器
３が接続され、前記原燃料供給経路１１を形成する原燃
料供給管２４が設けられている。また、原燃料タンク２
の上部には、当該原燃料タンク２内に灯油２１を給油す
るための給油口２５が形成されている。さらに、原燃料
タンク２内には、温度センサ２６が設けられている。こ
の温度センサ２６は、後述する熱媒循環経路５１に流れ
る水の循環量を制御するとともに、灯油２１の温度を所
望の温度に設定するようになっている。また、原燃料タ
ンク２内には、灯油２１に含まれる硫黄化合物を除去可
能な脱硫剤である活性炭を充填した脱硫剤ユニット２７
が設けられている。

【００１５】一方、改質器３で加熱を行ったり、燃料電
池４で発電を行うことによって、当該改質器３および燃
料電池４からは、高温の廃熱が発生する。この廃熱は、
熱交換装置５で回収されるようになっている。ここで、
熱交換装置５としては、改質器３や燃料電池４の熱を空
気の送風で搬送し、この空気流路の周囲に熱媒である水
を循環させる方式のものと、改質器３や燃料電池４の周
囲に熱媒である水を循環させ、この水に廃熱を回収させ
る方式のものと、これら２つの方式を組み合わせたもの
がある。廃熱回収を効率よく行うには、改質器３や燃料
電池４の周囲に水を循環させ、この水に廃熱を回収させ
る方式の熱交換装置を利用することが好ましい。

【００１６】本実施形態の熱交換装置５は、改質器３や
燃料電池４の周囲に水を循環させ、この水に廃熱を回収
させる方式のものであり、前述の原燃料タンク２内に設
けられる第１熱交換器２２と、この第１熱交換器２２、
改質器３、燃料電池４を循環する熱媒循環経路５１とを
含んで形成されている。熱媒循環経路５１は、第１熱交
換器２２および燃料電池４間を相互に連結する第１熱媒
経路５２と、燃料電池４および改質器３間を相互に連結
する第２熱媒経路５３と、改質器３および第１熱交換器
２２間を相互に連結する第３熱媒経路５４とを備えて形
成されている。なお、各経路は、図示しないパイプで形
成され、前記水は、このパイプ内を通って循環するよう
になっている。

【００１７】つまり、前述の第１熱媒経路５２は、第１
熱交換器２２の熱媒出口２２Ａに接続され、第３熱媒経
路５４は、第１熱交換器２２の熱媒入口２２Ｂに接続さ
れている。このように、第１熱交換器２２と熱媒循環経
路５１とを接続することで、図１の矢印で示されるよう
に、熱媒である水を第１熱交換器２２と熱媒循環経路５
１との間で循環させ、当該水に改質器３や燃料電池４の
廃熱を回収させ、原燃料タンク２内において第１熱交換
器２２で水と灯油２１との間で熱交換させ、回収した廃
熱を原燃料タンク２内に蓄熱することができるようにな
っている。また、第２熱交換器２３と、給水管および送
水管とをそれぞれ接続することで、水道水は給水口２３
Ａから第２熱交換器２３に供給され、原燃料タンク２内
に蓄熱された熱で加熱されて温水となって送水口２３Ｂ
から送出され、送水経路を通って給湯システム１３に供
給されるようになっている。

【００１８】ここで、水を熱媒循環経路５１を通して、
改質器３や燃料電池４の廃熱を回収するに当たって、水
が燃料電池４の廃熱を回収した後に改質器３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。このよ
うにすれば、廃熱の温度は、燃料電池４よりも改質器３
の方が高いので、先に温度の低い燃料電池４との間で熱
交換させ、水に燃料電池４の廃熱を回収した後、温度の
高い改質器３との間で熱交換させ、水に改質器３の廃熱
を回収させるようにすることによって、効率よく廃熱の
回収を行うことができる。

【００１９】従って、改質器３や燃料電池４から回収さ
れた廃熱で、第１熱交換器２２を介して原燃料タンク２
内の灯油２１が加熱されて蓄熱され、また、第２熱交換
器２３に通される水道水は、この原燃料タンク２内の灯
油２１によって加熱される。これにより、給湯システム
１３で温水を得ることができるようになっている。これ
らのことから、原燃料タンク２は、それ自体が蓄熱槽と
なっている。この際、灯油２１に蓄熱された熱は、蓄熱
部１２にも蓄熱されるので、例えば、灯油２１の残量が
減っても、原燃料タンク２の温度が下がることがなく、
蓄熱部１２に蓄えられた熱で所望の温度の温水を供給す
ることができ、供給する温水の温度を一定に保持するこ
とができるようになっている。なお、各熱交換器２２、
２３は、原燃料タンク２内に設けるに限らず、例えば、
原燃料タンク２の外周に巻き付ける形で設けるようにし
てもよい。

【００２０】次に、このような燃料電池コジェネレーシ
ョンシステム１の動作を以下に説明する。まず、改質器
３で、灯油２１および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生成されると、この改質ガス
は、改質ガス供給経路を通って燃料電池４に供給され
る。燃料電池４では、改質ガス中の水素および大気中の
酸素を燃料源として発電が行われる。一方、第１熱交換
器２２と熱媒循環経路５１との間で熱媒である水が循環
しており、第１熱交換器２２の熱媒出口２２Ａから送出
された水は、燃料電池４の廃熱を回収し、さらに、改質
器３の廃熱を回収し、第１熱交換器２２に戻ってくる。
そして、廃熱を回収した水と灯油２１との間で熱交換が
行われ、灯油２１が加熱される。また、第２熱交換器２
３に給水された水道水は、灯油２１の熱によって加熱さ
れ、温水となって給湯システム１３に送出される。これ
により、温水を利用することができる。

【００２１】このような本実施形態によれば、次のよう
な効果が得られる。すなわち、原燃料タンク２を蓄熱槽
としたので、従来の蓄熱槽が不要となり、その分燃料電
池コジェネレーションシステム１の小型化を図ることが
でき、これにより、敷地に余裕がない都市部の住宅にも
当該燃料電池コジェネレーションシステム１を設置する
ことができる。その上、原燃料タンク２内の灯油２１を
予熱することになるので、燃料電池コジェネレーション
システム１全体の熱効率を向上させることができる。

【００２２】また、原燃料タンク２内に活性炭が充填さ
れた脱硫剤ユニット２７を設けたので、灯油２１に含ま
れる硫黄化合物を簡単に除去することができ、これによ
り、硫黄化合物による原燃料タンク２の腐食等を容易に
防止することができるとともに、改質器３の触媒被毒を
防止することができる。さらに、原燃料タンク２では、
灯油２１の滞留時間を十分に取ることができるので、脱
硫反応を十分に進行させることができ、これにより、原
燃料タンク２内でほぼ純粋な灯油２１を得ることができ
る。

【００２３】また、原燃料タンク２内に第１、２熱交換
器２２、２３が設けられるとともに、当該原燃料タンク
２の周囲に蓄熱部１２を設けたので、第１熱交換器２２
と灯油２１との間で熱交換されて当該灯油２１に蓄えら
れた改質器３および燃料電池４からの廃熱を、第２熱交
換器２３を介して給湯等の用途に使用するとともに、蓄
熱部１２に蓄えることができる。これにより、蓄熱効率
を向上させることができる。

【００２４】図３には、本発明の第２実施形態に係る燃
料電池コジェネレーションシステム１Ａが示されてい
る。なお、前記第１実施形態と同一または相当構成品に
は同じ符号を付し、説明を省略もしくは簡略する。本実
施形態は、前記第１実施形態の内壁面が平面とされた原
燃料タンク２を、内壁面が凹凸に形成された原燃料タン
ク２Ａとしたものである。詳しくは、原燃料タンク２Ａ
の周囲は、蓄熱材を充填した蓄熱層で覆われているとと
もに、当該原燃料タンク２Ａの内壁面には、凹凸が形成
され、蓄熱層と原燃料タンク２Ａとの境界部分に凹凸が
形成されている。このような本実施形態によれば、前記
実施形態と同様の効果が得られるうえ、原燃料タンク２
Ａ内の灯油２１と蓄熱部１２との熱交換を促進させるこ
とができ、これにより、蓄熱効率をより一層向上させる
ことができる。

【００２５】なお、本発明は前記実施の形態に限定され
るものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等
を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、蓄熱材としては、原燃料タンク２の周囲に設け
るに限らず、例えば、図４に示されるように、原燃料タ
ンク２内部に設けてもよい。この際、原燃料タンク２の
周囲をグラスウール等の断熱材１４を設けることが好ま
しい。なお、断熱材の厚さ寸法としては、約１０ｍｍ〜
１００ｍｍが好ましい。また、蓄熱材としては、原燃料
タンク２の周囲および内部の両方に設けてもよく、その
位置は実施に当たって適宜決めればよい。

【００２６】さらに、前記第１実施形態では、原燃料タ
ンク２内に脱硫剤ユニット２７を設けたが、これに限ら
ず、燃料電池コジェネレーションシステム１内に別途設
けてもよく、設ける場所は実施に当たって適宜決めれば
よい。

【００２７】また、脱硫剤としては、活性炭に限らず、
例えば、多孔質シリカ、ゼオライト等の吸着剤、Ｍｎ、
Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の遷移金属化合物、Ｐｔ、Ｐ
ｄ等の貴金属化合物およびこれらをシリカ、アルミナ、
ゼオライト、珪藻土、粘土化合物等の担体に担持させた
ものなどが採用できる。

【００２８】さらに、原燃料としては、灯油２１に限ら
ず、ナフサ、ガソリン、軽油、重油、メタノール、エタ
ノール等が採用できる。

【００２９】また、燃料電池としては、固体高分子型燃
料電池に限らず、例えば、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
電池等を採用できる

【００３０】さらに、蓄熱槽は、原燃料タンク自体で構
成するに限らず、例えば、原燃料タンクの一部で構成し
てもよく、実施に当たって適宜決めればよい。

【００３１】

【実施例】（実施例１）上記第１実施形態のシステム１
から脱硫ユニットを外した燃料電池コジェネレーション
システムを作製した。 灯油…１９６Ｌ。 燃料電池…戸建住宅用１ｋＷ固体高分子型燃料電池。こ
の燃料電池コジェネレーションシステムの設置面積は、
０．８ｍ²であった。また、平均的な戸建住宅の電力需
要と熱需要とを仮定し、このシステムを運転した場合の
総合効率は、６１％であった。

【００３２】（実施例２）上記第１実施形態において、
具体的条件を下記の通りとした。 灯油…１８０Ｌ（硫黄濃度：３５ｐｐｍ）。 脱硫剤ユニット…３Ｌの活性炭を充填。このシステムを
運転し、原燃料タンク内の温度センサで熱媒である水の
循環量を制御して、原燃料タンク内の温度が３５度にな
った時、改質器に供給される灯油中の硫黄濃度は１ｐｐ
ｍとなった。

【００３３】（実施例３）上記第２実施形態において、
具体的条件を下記の通りとした。 蓄熱材…アデカサーモトップＭ３５（旭電化工業（株）
製）１７０ｋｇ この燃料電池コジェネレーションシステムの設置面積
は、１．０ｍ²であった。また、実施例１と同様に、平
均的な戸建住宅の電力需要と熱需要を仮定し、このシス
テムを運転した場合の総合効率は、６３％であった。

【００３４】（比較例）図５に示されるように、別に貯
湯槽１０１を設けて蓄熱を行う燃料電池コジェネレーシ
ョンシステム１００を作製した。 貯湯槽…２００Ｌ。 この燃料電池コジェネレーションシステムの設置面積
は、１．９ｍ²であった。また、実施例１と同様に、平
均的な戸建住宅の電力需要と熱需要を仮定し、このシス
テムを運転した場合の総合効率は、６２％であった。

【００３５】これら実施例および比較例から、原燃料タ
ンクを蓄熱槽としても、蓄熱を行うために別途貯湯槽を
設けても、総合効率は、ほとんど変わらないことが確認
できた。また、脱硫剤を使用すると、灯油中の硫黄濃度
が、原燃料タンクの腐食や触媒被毒を防止できる程度に
低減することがわかる。さらに、原燃料タンクの周囲を
蓄熱層で覆うとともに、原燃料タンクの内壁面に凹凸を
形成し、蓄熱層とタンクの境界部分に凹凸を形成する
と、他の実施例、比較例と比較して総合効率が一番よい
ことが確認できた。

【００３６】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明の燃料電池
コジェネレーションシステムによれば、原燃料タンク
を、改質器および燃料電池の少なくとも一方の廃熱が蓄
えられる蓄熱槽とすることで、敷地に余裕がない都市部
の住宅にも設置できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池コジェ
ネレーションシステムを示すブロック図である。

【図２】前記実施形態における原燃料タンクを示す断面
図である。

【図３】本発明の第２実施形態における燃料電池コジェ
ネレーションシステムを示すブロック図である。

【図４】本発明の変形例であって、原燃料タンクを示す
断面図である。

【図５】本発明の比較例における燃料電池コジェネレー
ションシステムを示すブロック図である。

【符号の説明】 １ 燃料電池コジェネレーションシステム ２ 原燃料タンク ３ 改質器 ４ 燃料電池 １２ 蓄熱材である無機塩（塩化カルシウム・６水塩） ２１ 原燃料である灯油 ２７ 脱硫剤ユニット

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原燃料タンクから供給される原燃料から改
   質器により水素リッチな改質ガスを生成し、この生成さ
   れた改質ガスの水素を燃料として燃料電池で発電を行
   い、前記改質器および燃料電池からの廃熱を回収して熱
   エネルギーとして利用する燃料電池コジェネレーション
   システムであって、 前記原燃料タンクの少なくとも一部は、前記改質器およ
   び燃料電池の少なくとも一方の廃熱が蓄えられる蓄熱槽
   とされ、 この蓄熱槽に蓄えられた廃熱を利用することを特徴とす
   る燃料電池コジェネレーションシステム。
2. 【請求項２】請求項１に記載の燃料電池コジェネレーシ
   ョンシステムにおいて、 前記原燃料タンク内には、前記原燃料に含まれる硫黄化
   合物を除去可能な脱硫剤が設けられていることを特徴と
   する燃料電池コジェネレーションシステム。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２に記載の燃料電池
   コジェネレーションシステムにおいて、 前記原燃料タンクの周囲および／または内部には、前記
   原燃料に蓄えられた廃熱を蓄える蓄熱材が設けられてい
   ることを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステ
   ム。
4. 【請求項４】請求項３に記載の燃料電池コジェネレーシ
   ョンシステムにおいて、 前記原燃料タンクの内壁面には、凹凸が形成されている
   ことを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステ
   ム。