特開 2023-149029 熱源機システム、熱源機システム運転方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023149029

(43)【公開日】2023-10-13

(54)【発明の名称】熱源機システム、熱源機システム運転方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20231005BHJP

   H01M 8/04014 20160101ALI20231005BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20231005BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20231005BHJP

   H01M 8/04313 20160101ALI20231005BHJP

   H01M 8/04225 20160101ALI20231005BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20231005BHJP

   F24H 1/12 20220101ALI20231005BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20231005BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20231005BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 J

H01M8/04014

H01M8/04858

H01M8/04746

H01M8/04313

H01M8/04225

H01M8/04302

F24H1/12 B

F24H1/12 A

H01M8/10 101

H01M8/12 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022057355

(22)【出願日】2022-03-30

(71)【出願人】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】本道 正樹

(72)【発明者】

【氏名】香田 淳也

(72)【発明者】

【氏名】高須 俊樹

【テーマコード（参考）】

3L034

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

3L034BA12

3L034BA22

5H126BB06

5H127AA04

5H127AA06

5H127AA07

5H127AB02

5H127AB23

5H127AC15

5H127BA02

5H127BA05

5H127BA18

5H127BA20

5H127BA37

5H127BA57

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB37

5H127DA01

5H127DB69

5H127DC02

5H127DC90

5H127GG04

5H127GG09

(57)【要約】

【課題】炭化水素及び水素を主成分とする混合ガスを、簡易に効率的に利用する。
【解決手段】熱源機システム１０Ａは、ガス導管Ｇから供給される炭化水素及び水素を主成分とする混合ガスが非改質で燃料極２０Ａに供給され、混合ガス中の水素を発電反応に用いて発電する燃料電池セルスタック２０と、燃料電池セルスタック２０の燃料極２０Ａから排出される燃料極オフガスを燃焼させるバーナ３２と、バーナ３２による燃焼熱と加熱対象流体との間で熱交換を行う熱交換器３４と、を有する熱源機３０と、を備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガス導管から供給される炭化水素及び水素を主成分とする混合ガスが非改質で燃料極に供給され、前記混合ガス中の水素を発電反応に用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の燃料極から排出される燃料極オフガスを燃焼させるバーナと、前記バーナによる燃焼熱と加熱対象流体との間で熱交換を行う熱交換器と、を有する熱源機と、
を備えた、熱源機システム。

【請求項2】

前記加熱対象流体の流路において前記熱交換器よりも上流側に配置されて前記加熱対象流体を加熱する電気ヒータを有し、
前記燃料電池で発電された電力は、ユーザの電力消費へ供給され、余剰分が前記電気ヒータへ供給される、
請求項１に記載の熱源機システム。

【請求項3】

前記燃料電池へ前記混合ガスを供給する燃料供給部と、
前記熱源機に対する運転要求がある時にのみ前記燃料極へ前記混合ガスが供給されるように前記燃料供給部を制御する制御部と、
を、備えた、請求項１または請求項２に記載の熱源機システム。

【請求項4】

前記制御部は、前記熱源機の運転継続時間が所定の発電可能時間以上であると判断した場合に、前記燃料電池の発電運転が開始されるように前記燃料電池を制御する、
請求項３に記載の熱源機システム。

【請求項5】

ガス導管から供給される炭化水素及び水素を主成分とする混合ガスを燃料電池の燃料極へ非改質で供給して前記混合ガス中の水素を用いて発電し、
前記燃料電池の燃料極から排出される燃料極オフガスを熱源機へ送出し、前記熱源機のバーナで燃焼させた燃焼熱で加熱対象流体を加熱する、
熱源機システム運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱源機システム、及び熱源機システム運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

低炭素社会の実現に向けて、従来の都市ガス等のメタンを主成分とする炭化水素系のガスに水素を混合した混合ガスを利用することが検討されている。このような混合ガスをガス導管から供給する場合、ユーザ側での対応が問題となる。

【0003】

特許文献１、２では、水素燃料用設備と既存のガス燃焼機器が並存する場合に、両方の機器を支障なく利用するため、混合ガス中の水素と炭化水素系ガスを分離し、機器で利用できない分離した未使用のガスを導管に戻し、他の需要家へ供給している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許４５３０１９３号

【特許文献2】特許４７２１５２５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１、２のように、ガス導管へ分離後のガスを戻す場合、戻された先のガスの水素や炭化水素の濃度にバラツキが生じると共に、ガス導管システムが大がかりとなる。一方、混合ガスを既存のガス燃焼機器で燃焼させることも考えられるが、水素を効率的に利用できない。需用者側に、水素燃料用設備利用者と既存のガス燃焼機器利用者が並存する場合に、混合ガスを簡易、且つ効率的に利用する方法が求められる。

【0006】

本発明は、上記事実を考慮して成されたものであり、炭化水素及び水素を主成分とする混合ガスを、簡易に効率的に利用することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

請求項１に係る熱源機システムは、ガス導管から供給される炭化水素及び水素を主成分とする混合ガスが非改質で燃料極に供給され、前記混合ガス中の水素を発電反応に用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池の燃料極から排出される燃料極オフガスを燃焼させるバーナと、前記バーナによる燃焼熱と加熱対象流体との間で熱交換を行う熱交換器と、を有する熱源機と、を備えている。

【0008】

請求項１に係る熱源機システムでは、ガス導管からの炭化水素及び水素を主成分とする混合ガスは、非改質で燃料電池の燃料極に供給され、燃料電池では、混合ガス中の水素が発電に利用される。発電に利用されずに燃料極から排出される燃料極オフガスは、熱源機のバーナの燃焼に供され、熱交換器においてバーナによる燃焼熱と加熱対象流体との間で熱交換が行われ、加熱対象流体が加熱される。

【0009】

請求項１に係る熱源機システムによれば、混合ガス中の水素が燃料電池で利用され、未利用の炭化水素や水素などが熱源機で利用される。したがって、熱源機のみで水素及び炭化水素を燃焼させて利用する場合と比較して、供給エネルギーに対して得られるエネルギーが多くなり、混合ガスを効率よく利用することができる。

【0010】

また、混合ガスから水素と炭化水素を分離することなく利用し、且つ、燃料電池へ供給する混合ガスは非改質なので、分離装置や改質器を必要とせず、簡易な構成とすることができる。

【0011】

請求項２に係る熱源機システムは、前記加熱対象流体の流路において前記熱交換器よりも上流側に配置されて前記加熱対象流体を加熱する電気ヒータを有し、前記燃料電池で発電された電力は、ユーザの電力消費へ供給され、余剰分が前記電気ヒータへ供給される。

【0012】

請求項２に係る熱源機システムによれば、燃料電池で発電された電力の余剰分が電気ヒータへ供給され、加熱対象流体を熱交換器よりも上流で加熱する。これにより、余剰電力を効率的に利用することができる。

【0013】

請求項３に係る熱源機システムは、前記燃料電池へ前記混合ガスを供給する燃料供給部と、前記熱源機に対する運転要求がある時にのみ前記燃料極へ前記混合ガスが供給されるように前記燃料供給部を制御する制御部と、を備えている。

【0014】

請求項３に係る熱源機システムによれば、熱源機の運転要求時にのみ燃料極へ混合ガスを供給する。ここでの「熱源機に対する運転要求がある時」は、熱源機へ運転要求があり且つ要求に応じて熱源機が運転中の場合を意味する。したがって、燃料電池のみが運転されて熱源機が運転されない事態が生じず、燃料電池から排出される、炭化水素や未利用水素が含まれる燃料極オフガスを、熱源機において適切に処理することができる。

【0015】

請求項４に係る熱源機システムは、前記制御部は、前記熱源機の運転継続時間が所定の発電可能時間以上であると判断した場合に、前記燃料電池の発電運転が開始されるように前記燃料電池を制御する。

【0016】

請求項４に係る熱源機システムによれば、熱源機の運転継続時間が所定の発電可能時間以上であると判断された場合に、燃料電池の発電運転が開始されるので、非効率な短時間の燃料電池の発電運転を抑制することができる。

【0017】

請求項５に係る熱源機システム運転方法は、ガス導管から供給される炭化水素及び水素を主成分とする混合ガスを燃料電池の燃料極へ非改質で供給して前記混合ガス中の水素を用いて発電し、前記燃料電池の燃料極から排出される燃料極オフガスを熱源機へ送出し、前記熱源機のバーナで燃焼させた燃焼熱で加熱対象流体を加熱する。

【0018】

請求項５に係る熱源機システム運転方法では、ガス導管から供給される炭化水素及び水素を含む混合ガス中の水素を用いて発電し、燃料電池の燃料極から排出される燃料極オフガスを熱源機のバーナで燃焼させ、燃焼熱で加熱対象流体を加熱する。したがって、熱源機のみで水素及び炭化水素を燃焼させて利用する場合と比較して、混合ガスを効率よく利用することができる。

【0019】

また、燃料電池へ供給する混合ガスは非改質なので、改質器を必要とせず、簡易な構成とすることができる。

【発明の効果】

【0020】

本発明に係る熱源機システム及び熱源機システム運転方法によれば、炭化水素及び水素を主成分とする混合ガスを、簡易に効率的に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】第１実施形態に係る熱源機システムの構成図である。

【図2】第１実施形態に係る熱源機システムの制御関連の構成図である。

【図3】発電制御処理のフローチャートである。

【図4】第２実施形態に係る熱源機システムの構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態について、図面を参照して説明する。

【0023】

熱源機システム１０Ａは、ユーザ宅や、集合住宅等に設置されている、水などの加熱対象流体を加熱するためのシステムであり、給湯設備や温水式床暖房設備などの熱源となる機器である。図１には、本発明の実施形態に係る熱源機システム１０Ａの主要構成の概略が示されている。本発明の実施形態に係る熱源機システム１０Ａは、主要な構成として、発電ユニット１２、及び熱源機３０を備えている。

【0024】

熱源機システム１０Ａには、所定の地域にガスを供給するガス導管Ｇから混合ガスが供給される。混合ガスは、水素及び炭化水素を主成分とするガスであり、一例として都市ガスに水素を混合させたガスを用いることができる。また、一例として、混合ガス中の水素濃度は０．１％～１０％程度、メタン濃度は９０％～９９．９％程度に設定することができる。ガス導管Ｇから分岐して燃料供給管Ｐ１が設けられており、燃料供給管Ｐ１を介して熱源機システム１０Ａへ混合ガスが供給される。

【0025】

発電ユニット１２は、混合ガスの水素を利用して発電する機器であり、脱硫器１４、燃料電池セルスタック２０、空気供給ブロワ２２、燃料供給ブロワ２４、及びパワーコンディショナ２６を有している。

【0026】

燃料電池セルスタック２０は、積層された複数の燃料電池セルを有するセルスタックである。燃料電池セルスタック２０は、本発明における燃料電池の一例であり、個々の燃料電池セルは、電解質層（不図示）と、当該電解質層の表裏面にそれぞれ積層された燃料極２０Ａ、及び空気極２０Ｂと、を有している。なお、燃料電池セルスタック２０として、固体酸化物型燃料電池（SOFC）、溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC）、固体高分子型燃料電池（PEFC）等、種々の燃料電池を適用することができる。本実施形態では、PEFCを例に説明する。

【0027】

燃料極２０Ａの入口側には、燃料供給管Ｐ１が接続され、空気極２０Ｂの入口側には、空気供給管Ｐ２が接続されている。燃料供給管Ｐ１には、上流側から順に燃料供給ブロワ２４、及び脱硫器１４が設けられている。燃料供給ブロワ２４は、混合ガスを指示された流量で燃料極２０Ａへ向かって送出する。脱硫器１４は、混合ガス中の付臭剤としての硫黄成分を除去する。硫黄成分が除去された混合ガスは、水素及びメタンを含んでおり、改質されることなく燃料電池セルスタック２０の燃料極２０Ａへ供給される。空気供給管Ｐ２には、空気供給ブロワ２２が設けられており、空気供給ブロワ２２により空気極２０Ｂへ空気が供給される。

【0028】

燃料極２０Ａの出口側には、燃料極オフガス管Ｐ３が接続され、空気極２０Ｂの出口側には、空気極オフガス管Ｐ４が接続されている。燃料極オフガス管Ｐ３の下流端は、熱源機３０の後述するバーナ３２に接続されている。空気極２０Ｂから排出される空気極オフガスは、空気極オフガス管Ｐ４から大気に放散される。燃料極２０Ａから排出される燃料極オフガスは、燃料極オフガス管Ｐ３を介してバーナ３２へ供給される。

【0029】

燃料電池セルスタック２０には、パワーコンディショナ２６が電気的に接続されている。パワーコンディショナ２６により、燃料電池セルスタック２０による発電出力が制御されると共に、電力がユーザへ供給される。

【0030】

熱源機３０は、発電ユニット１２の燃料電池セルスタック２０の燃料極２０Ａから排出された燃料極オフガスを燃料として加熱対象流体を加熱する機器であり、バーナ３２、及び熱交換器３４を有している。熱交換器３４には、水供給管Ｐ５から上水が供給される。

【0031】

バーナ３２には、燃料極オフガス管Ｐ３が接続されており、燃料電池セルスタック２０の燃料極２０Ａから排出された燃料極オフガスが供給される。バーナ３２は熱交換器３４と隣接配置されている。バーナ３２は、燃料極オフガス中の可燃成分を燃焼させ、燃焼熱により熱交換器３４へ供給された上水を加熱する。

【0032】

熱交換器３４で加熱された上水は、配管Ｐ７から送出され、給湯用、床暖用へ供給される。バーナ３２からの燃焼排ガスは、排ガス管Ｐ６から排出される。

【0033】

図２には、熱源機システム１０Ａの制御系に係る概略ブロック図が示されている。熱源機システム１０Ａには、コントローラ４０が設けられており、コントローラ４０により発電ユニット１２及び熱源機３０が制御されている。

【0034】

コントローラ４０は、図２に示されるように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）４２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）４３と、入出力インターフェース（Ｉ／Ｆ）４４と、記憶部４５と、を備えている。

【0035】

ＣＰＵ４１、ＲＯＭ４２、ＲＡＭ４３、及びＩ／Ｆ４４は、バス４６を介して各々接続されている。Ｉ／Ｆ４４には、記憶部４５を含む各機能部が接続されている。これらの各機能部は、Ｉ／Ｆ４４を介して、ＣＰＵ４１と相互に通信可能とされる。

【0036】

記憶部４５としては、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、フラッシュメモリ等が用いられる。記憶部４５には、熱源機システム１０Ａの各部を制御するための制御プログラムや、各種のデータが記憶される。なお、この制御プログラム、各種データは、ＲＯＭ４２に記憶されていてもよい。

【0037】

本実施形態では、制御プログラムの一部として、発電制御処理プログラム等が格納されている。また、この処理に使用されるデータとして、発電条件情報Ｉ等が格納されている。

【0038】

発電条件情報Ｉは、発電ユニット１２において、発電運転が実行されるための条件である。本実施形態では、熱源機３０の稼働が発電運転の条件とされ、且つ、操作パネル５０から床暖開始の入力があった場合、浴槽湯張り開始の入力があった場合、給湯時間が所定時間Ｔ以上となった場合、のいずれかが条件とされている。所定時間Ｔとしては、例えば、１０秒～２０秒など、床暖房や浴槽湯張りよりも短く設定され、床暖房や浴槽湯張りよりも短いが、ユーザの湯の使用時間がある程度長くなる時間を設定することができる。床暖房の時間、浴槽湯張り時間、及び所定時間Ｔ以上が、本発明の発電可能時間の例となる。

【0039】

コントローラ４０は、空気供給ブロワ２２、燃料供給ブロワ２４、パワーコンディショナ２６、バーナ３２、操作パネル５０等と接続されている。操作パネル５０は、表示器、ランプ、及び、スイッチ等を有しており、ユーザが各種の指示を入力できると共に、熱源機システム１０Ａの状態等が表示される。

【0040】

次に、熱源機システム１０Ａの作用について説明する。

【0041】

ユーザにより、操作パネル５０から熱源機システム１０Ａの電源がオンされると、コントローラ４０では、図３に示す発電制御処理が実行される。

【0042】

ステップＳ１０で、熱源機３０の駆動指示があったかどうかを判断し、判断が肯定された場合には、ステップＳ１２で、熱源機３０の駆動を開始する。判断が否定された場合には、熱源機の駆動指示があるまで待機する。熱源機３０の駆動指示は、ユーザによる操作パネル５０からの入力（床暖開始、浴槽の湯張り等）、または着火最低流量を超える上水の出水で行われる。

【0043】

熱源機３０の駆動開始により、燃料供給ブロワ２４が駆動され、ガス導管Ｇから混合ガスが、非改質で、脱硫器１４、燃料電池セルスタック２０の燃料極２０Ａを経て、熱源機３０のバーナ３２に供給される。そして、バーナ３２で混合ガス（燃料極オフガス）が燃焼され、熱交換器３４に供給される加熱対象流体である水が燃焼熱で加熱される。なお、本実施形態では加熱対象流体として水を例に説明するが、不凍液（床暖房の場合）など他の流体であってもよい。

【0044】

ステップＳ１４で、発電条件を満たすかどうかを判断する。発電条件を満たすか否かは、記憶部４５に記憶されている発電条件情報Ｉを満たすか否かで判断される。本実施形態では、操作パネル５０から床暖開始の入力があった場合、浴槽湯張り開始の入力があった場合、上水の出水後に給湯時間が所定時間Ｔ以上となった場合、に判断が肯定される。

【0045】

ステップＳ１４で発電条件を満たすと判断された場合には、ステップＳ１６で発電ユニット１２において発電運転を開始する指示を出力する。発電開始により、空気供給ブロワ２２が駆動されて空気極２０Ｂへ空気が供給され、パワーコンディショナ２６により燃料電池セルスタック２０の発電出力が開始される。これにより、燃料電池セルスタック２０へ供給された混合ガス中の水素が発電反応に用いられて消費され、水素消費後の燃料極オフガスがバーナ３２へ供給される。バーナ３２では、燃料電池セルスタック２０での水素消費後の燃料極オフガスが燃焼される。

【0046】

次に、ステップＳ１８で、熱源機３０の停止指示があるまで待機し、熱源機３０の停止指示があった場合には、ステップＳ２０で熱源機３０の停止指示を出力し、ステップＳ２２で発電ユニット１２の発電運転を停止する。

【0047】

ステップＳ２４で、熱源機システム１０Ａの停止指示があったかどうかを判断し、判断が肯定された場合には、本処理を終了する。熱源機システム１０Ａの停止指示がない場合には、ステップＳ１０へ戻り、上記の処理を繰り返す。

【0048】

本実施形態の熱源機システム１０Ａでは、混合ガス中の水素が燃料電池セルスタック２０の発電で利用され、燃料電池セルスタック２０で未利用のメタン等の可燃成分が熱源機３０で利用される。したがって、熱源機３０のバーナ３２のみで水素及びメタンを含む混合ガスを燃焼させて利用する場合と比較して、混合ガスを効率よく利用することができる。

【0049】

また、燃料電池セルスタック２０へ供給する混合ガスに水素が含まれているため、改質器を必要とせず、簡易な構成とすることができる。

【0050】

なお、本実施形態では、熱源機３０に対する運転要求がある時にのみ燃料電池へ混合ガスを供給したが、熱源機３０の非運転時に燃料電池へ混合ガスを供給して、発電ユニット１２において発電運転を行ってもよい。この場合には、燃料電池セルスタック２０から排出される、可燃成分が含まれる燃料極オフガスを、適切に処理する燃焼器等を設ける。本実施形態のように、熱源機３０に対する運転要求がある時にのみ燃料電池へ混合ガスを供給することにより、燃料電池セルスタック２０から排出される、可燃成分が含まれる燃料極オフガスを、外部排出することなく、熱源機３０において適切に処理することができる。なお、ここでの燃料極２０Ａへの混合ガスの供給は、発電ユニット１２の発電運転が実行されない場合を含む。

【0051】

また、本実施形態では、熱源機３０の運転継続時間が床暖房の時間、浴槽湯張り時間、及び所定時間Ｔ以上であると判断された場合に、燃料電池セルスタック２０の発電運転が開始されるので、非効率な燃料電池セルスタック２０の発電運転を抑制することができる。なお、必ずしも、熱源機３０の運転継続時間が床暖房の時間、浴槽湯張り時間、及び所定時間Ｔ以上であると判断された場合に、燃料電池セルスタック２０の発電運転が開始される必要はなく、熱源機３０の駆動と同時に燃料電池セルスタック２０の発電運転を開始してもよい。

【0052】

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付して図示し、その詳細な説明は省略する。

【0053】

本実施形態の熱源機システム１０Ｂは、図４に示されるように、主にヒータ５２を有する点が第１実施形態と異なっている。ヒータ５２は電気式のヒータであり、水供給管Ｐ５が接続されている。ヒータ５２により、水供給管Ｐ５からの上水が加熱され、熱交換器３４へ送出される。

【0054】

パワーコンディショナ２６は、負荷電力に応じてユーザへ電力を供給し、余剰電力が発生した場合には、当該余剰電力をヒータ５２に供給する。

【0055】

本実施形態では、燃料電池セルスタック２０で発電された電力の余剰分がヒータ５２へ供給され、加熱対象流体である上水が熱交換器３４よりも上流で加熱される。したがって、余剰電力を効率的に利用することができる。

【0056】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

【符号の説明】

【0057】

１０Ａ、１０Ｂ 熱源機システム
２０ 燃料電池セルスタック（燃料電池）
２０Ａ 燃料極
２４ 燃料供給ブロワ（燃料供給部）
３０ 熱源機
３２ バーナ
３４ 熱交換器
４０ コントローラ（制御部）
５２ ヒータ（電気ヒータ）
Ｇ ガス導管
Ｐ５ 水供給管（流路）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】