JP2002075392A - 燃料電池発電システムの蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池発電装置の排熱を利用して製造され
た湯を貯留する蓄熱装置に必要な熱量を効率良く蓄積
し、蓄熱量が最大蓄熱量に達した状態での余分な排熱を
発生する発電の継続を回避して、エネルギーの利用効率
を高める。 【解決手段】 燃料電池１の排熱を蓄熱する温水タンク
９内に熱交換器10が設けられ、燃料電池１の排熱を回収
する媒体を熱交換器10へ供給する配管11は閉ループをな
すように配設されている。温水タンク９の下部には給水
管13が、上部には給湯管14が連結されている。温水タン
ク９内には複数の温度センサ17〜20が設けられ、給水管
13には温度センサ21が装備されている。制御装置23は各
温度センサ17〜21の検出信号に基づいて温水タンク９内
の蓄熱量を演算し、該蓄熱量が最大蓄熱量に達している
場合、燃料電池１の発電を停止するように発電装置５を
制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池発電システ
ムの蓄熱装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ビルや住宅の電力エネルギー源と
して燃料電池を用いることが検討されている。燃料電池
は、周知のように、例えば、酸素と水素とを化学反応さ
せることで生じる起電力を利用するものであり、化学エ
ネルギーが直接的に電気エネルギーに変換されるので優
れた変換効率が得られる。

【０００３】燃料電池の作動は発熱を伴うため、発電時
に発生する熱を回収していかに効率良く利用するかが課
題となっている。燃料電池を安定してかつ効率的に作動
させるためには、燃料電池に冷却媒体を供給して冷却
し、冷却媒体の供給温度を３０〜４０℃程度とするのが
好ましい。また、燃料電池を間欠的に運転することは効
率的ではないので通常は連続運転される。そして、燃料
電池を冷却して自身が加熱された冷却媒体を貯湯槽（蓄
熱タンク）の熱交換器へ導き、貯湯槽内の水を加熱して
湯として利用するシステムが考えられている（例えば、
特開平１１−９７０４４号公報）。そして、貯湯槽内の
湯の温度が低い場合、貯湯槽で加熱された水をさらに加
熱（追い焚き）する加熱装置が設けられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の発電
システムでは、貯湯槽に貯留されている湯に蓄積された
全体の熱量を演算してその蓄熱量に応じて燃料電池の発
電量を制御することは行われておらず、貯湯槽の湯を使
用する際に、その温度が低すぎる場合は追い焚きをして
加熱し、高すぎる場合は水を足して使用している。ま
た、貯湯槽内の湯の温度を図る温度センサを装備してい
ても、その役割は給湯される湯、即ち貯湯槽の上部の湯
の温度が所望の温度か否かを調べるために使用するもの
であり、貯湯槽全体の蓄熱量を演算するために使用され
るものではない。その結果、貯湯槽内の湯全体が燃料電
池の排熱を熱交換器を介して利用できない状態となって
も、燃料電池の運転を継続して、排熱利用の効率が悪く
なるという問題があった。

【０００５】本発明は前記従来の問題点に鑑みてなされ
たものであって、その目的は燃料電池発電装置の排熱を
利用して製造された湯を貯留する蓄熱装置に必要な熱量
を効率良く蓄積でき、蓄熱量が最大蓄熱量に達した状態
での余分な排熱を発生する発電の継続を回避して、エネ
ルギーの利用効率を高めることができる燃料電池発電シ
ステムの蓄熱装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め請求項１に記載の発明では、燃料電池発電装置の排熱
を蓄熱するための温水タンクと、前記温水タンク内に設
けられた熱交換器と、前記燃料電池発電装置の排熱を回
収する媒体を前記熱交換器へ供給する配管と、前記温水
タンクに設けられた複数の温度センサと、前記複数の温
度センサの検出信号に基づいて前記温水タンク内の蓄熱
量を演算する演算手段と、前記蓄熱量が前記温水タンク
の最大蓄熱量に達している場合、燃料電池の発電量を抑
制するように前記燃料電池発電装置を制御する制御手段
とを備えた。

【０００７】この発明では、燃料電池発電装置の排熱が
熱交換器を介して温水タンクに蓄熱される。温水タンク
に設けられた複数の温度センサからの検出信号に基づい
て、温水タンク内の蓄熱量が演算手段で演算される。そ
して、蓄熱量が前記温水タンクの最大蓄熱量に達してい
る場合、制御手段によって燃料電池の発電量が抑制され
る。発電量の抑制には、温水タンクの放熱によって減少
する熱量に等しい量の排熱を発生する発電量以下で燃料
電池発電装置を運転することの他、燃料電池発電装置の
運転を停止する場合も含む。従って、蓄熱装置に必要な
熱量を効率良く蓄積でき、蓄熱量が最大蓄熱量に達した
状態での余分な排熱を発生する発電の継続が回避され
て、エネルギーの利用効率を高めることができる。

【０００８】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記熱交換器は前記媒体が前記温水
タンクの上側から下側へ向かって移動するように配設さ
れている。この発明では、燃料電池の排熱を移送する媒
体は、温水タンクの上側から下側へ向かって移動するた
め、媒体の持っている熱が熱交換器を介して効率良く温
水タンク内の温水に伝達される。媒体が温水タンクの下
側から上側へ向かって移動する構成では、温度の低い温
水に熱が伝達された媒体が、温度の高い温水と対応する
部分を移動する際に、温水側から熱を奪う虞がある。し
かし、この発明ではそのような虞はない。

【０００９】請求項３に記載の発明では、請求項１又は
請求項２に記載の発明において、前記温水タンクに連結
された給湯管の途中に追い焚き装置が装備されている。
この発明では、燃料電池発電装置の運転開始から時間が
さほど経過せず、温水タンク内の湯の温度がで充分でな
いときに、追い焚き装置が作動され、温水タンク内の湯
が、追い焚き装置で加熱されて供給される。

【００１０】請求項４に記載の発明では、請求項１〜請
求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記温水
タンクには一定の水が貯留されるように、給湯管から排
出される量と同じ量の水が給水管から給水され、前記制
御手段は前記温水タンク内の温度低下が給水による場合
と、給水によらない場合とで前記燃料電池発電装置の単
位時間当たりの発電量を変更して制御を行う。この発明
では、温水タンク内の水温を効率良く所望の温度に加熱
できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した一実施
の形態を図１〜図３に従って説明する。図１に示すよう
に、燃料電池発電システムは、燃料電池１、改質器２及
びインバータ３が一つのハウジング４内に収容された燃
料電池発電装置（燃料電池ユニット）５（以下、単に発
電装置５と称す）を備えている。燃料電池１は例えば固
体高分子形の燃料電池からなり、改質器２で改質された
原燃料と、空気とが供給され、改質ガス中の水素を空気
中の酸素と反応させて直流の電気エネルギーを発生す
る。原燃料としては例えば都市ガスやＬＰガス等が使用
される。

【００１２】インバータ３は入力側が燃料電池１の出力
側に接続され、出力側が配電盤６を介して負荷７に接続
されている。配電盤６は系統電源（商用電源）８とも接
続されている。配電盤６は図示しない制御装置により、
燃料電池１からの供給電力が負荷７の要求電力に足りな
いとき、系統電源８から電力を補うように構成されてい
る。

【００１３】燃料電池発電システムは、発電装置５の排
熱を蓄熱する温水タンク９と、温水タンク９内に設けら
れた熱交換器１０と、発電装置５の排熱を回収する媒体
を熱交換器１０へ供給する配管１１とを備えた熱回収設
備を備えている。配管１１は前記媒体が燃料電池１と熱
交換器１０との間を循環する閉ループをなすように配設
されるとともに、熱交換器１０より下流側にポンプ１２
が設けられている。即ち、配管１１内を循環する媒体は
燃料電池１を冷却することにより自身が加熱されて燃料
電池１の排熱を回収し、熱交換器１０を介して温水タン
ク９内の水と熱交換を行って自身が冷却されて再び燃料
電池１へ供給される。熱交換器１０は前記媒体が温水タ
ンク９内において上側から下側へ向かって移動するよう
に配設されている。

【００１４】温水タンク９の下部には水道水を供給する
給水管１３が連結され、上部には給湯管１４が連結され
ている。給水管１３の途中には電磁弁１５が設けられて
いる。給湯管１４の途中には追い焚き装置１６が配設さ
れている。追い焚き装置１６は例えば、都市ガスやＬＰ
ガスを燃料としている。

【００１５】温水タンク９内には複数（この実施の形態
では４個）の温度センサ１７〜２０が設けられている。
各温度センサ１７〜２０は第１の温度センサ１７が最上
位置に、第４の温度センサが最下位置となるように温水
タンク９の高さ方向に、順にほぼ所定間隔で配設されて
いる。

【００１６】給水管１３には電磁弁１５より下流側に温
度センサ２１及び流量計２２が装備されている。各温度
センサ１７〜２１及び流量計２２は演算手段及び制御手
段としての制御装置２３に電気的に接続されている。制
御装置２３はマイクロコンピュータ（図示せず）を備
え、各温度センサ１７〜２１の検出信号に基づいて温水
タンク９内の蓄熱量を演算する演算手段と、該蓄熱量が
最大蓄熱量に達している場合、燃料電池１の発電量を抑
制するように該発電装置５を制御する制御手段としての
役割を果たす。制御装置２３は、改質器２への原燃料の
供給量等を調整することにより、燃料電池１の発電量を
制御する。

【００１７】次に前記のように構成された装置の作用を
説明する。発電装置５の運転時にはポンプ１２が作動さ
れるとともに、改質器２から改質ガスが燃料電池１に供
給され、発電量は改質ガスの供給量に比例する。燃料電
池１で発生した直流電力はインバータ３で交流に変換さ
れ、配電盤６を介して負荷７に供給される。燃料電池１
を冷却して加熱された媒体は配管１１を経て温水タンク
９内の熱交換器１０へ導かれ、熱交換器１０を介して温
水タンク９内の水を加熱する。温水タンク内の加熱され
た水は給湯管１４を介して風呂、台所等に供給される。

【００１８】温水タンク９内には常にほぼ満杯の水（温
水）が貯留されており、温水タンク９内の温水が給湯管
１４から排出（使用）されると、その量に対応した量の
水が給水管１３から温水タンク９内に供給される。水の
比重は４℃以上では温度が高いほど小さくなり、また、
温水タンク９内の熱交換器１０は加熱用の媒体が温水タ
ンク９の上側から下側へ向かって流れるように配設され
ている。その結果、温水タンク９内の水は熱交換された
高温の水と低温の水とが対流で混合されることは殆ど無
く、温水タンク９内の水温は上側ほど高い状態に保持さ
れる。

【００１９】温水タンク９内の蓄熱量がゼロの状態から
発電装置５の運転を開始し、温水を使用せずに蓄熱量が
満杯になるまでの各温度センサ１７〜２０の検出温度は
図２（ａ）に示すように変化する。即ち、発電装置５が
運転を開始して所定の遅れ時間を経て温水タンク９内の
水温が上側から順次上昇する。発電装置５の運転を停止
（改質器２への原燃料の供給を停止）してからも、媒体
が熱交換器１０で熱交換を完了するまでの遅れ時間があ
るため、運転停止はその遅れ時間分だけ早く停止され
る。

【００２０】温水タンクの蓄熱量が満杯の状態から、発
電による加熱をせずに温水を取り出す（使用する）場合
の、各温度センサ１７〜２０の検出温度の変化は、図２
（ｂ）に示すようになる。即ち、温水を取り出した分、
給水管１３から低温の水が温水タンク９の下部から供給
されるため、第４の温度センサ２０から順に低下してい
く。

【００２１】図２（ａ），（ｂ）の状態は特殊な場合で
あり、通常は温水タンクの蓄熱量が満杯の状態から、温
水の取り出しと、発電装置５の運転が平行して行われ、
各温度センサ１７〜２０の検出温度の変化は、例えば図
２（ｃ）に示すようになる。即ち、蓄熱量が満杯の状態
から温水が取り出されると、給水管１３から水が供給さ
れ第４の温度センサ２０の検出温度が先ず低下する。そ
して、温水の取り出し開始時点ｔ１から少し遅れた時点
ｔ２て発電装置５の運転が再開される。温水の取り出し
量に対して熱媒体による加熱が追いつかない状態では、
第３〜第１の温度センサ１９〜１７の検出温度も次第に
低下する。そして、温水の取り出しが停止した時点ｔ３
から給水が停止され、熱媒体による加熱のみが行われ、
温水タンク９内の蓄熱量が増加して各温度センサ１７〜
２０の検出温度が上昇する。その後、蓄熱量が満杯に近
づいた時点ｔ４で発電装置５の運転が停止される。

【００２２】次に制御装置２３の発電装置５の運転制御
について図３のフローチャートに従って説明する。燃料
電池発電システムの始動スイッチが入れられると、制御
装置２３は図３のフローチャートに従って、発電装置５
の運転制御を行う。先ずステップＳ１で各温度センサ１
７〜２１の検出信号を入力し、次にステップＳ２で温水
タンク９の蓄熱量を演算する。次にステップＳ３で熱交
換器１０による遅れ時間を演算する。次にステップＳ４
で蓄熱余裕が有るか否かを判断し、蓄熱余裕が有ればス
テップＳ５に進んで発電装置５を運転する。即ち、発電
装置５の停止状態でステップＳ５を実行する場合は、発
電装置５の運転開始となり、発電装置５が運転中であれ
ばステップＳ５は発電装置５の運転継続となる。また、
ステップＳ４で蓄熱余裕が無ければステップＳ６に進ん
で発電装置の運転を停止する。

【００２３】蓄熱量の演算は例えば次のようにして行
う。蓄熱量をＱ、第１〜第５の温度センサ１７〜２１の
検出温度をＴ₁ 〜Ｔ₅ とすると、蓄熱量Ｑは次式で表さ
れる。

【００２４】Ｑ＝ｍ₁ ( Ｔ₁ −Ｔ₅ ）＋ｍ₂ （Ｔ₂ −Ｔ
₅ ）＋ｍ₃ （Ｔ₃ −Ｔ₅ ）＋ｍ₄ ( Ｔ₄ −Ｔ₅ ） 但し、ｍ₁ 〜ｍ₄ は温水タンク９の断熱性や容量等種々
の要因によって決まる係数であり、予め実験あるいは理
論計算により求めたものが使用される。

【００２５】この実施の形態では以下の効果を有する。 （１） 発電装置５の排熱を蓄熱する温水タンク９内及
び給水管１３に設けた複数の温度センサ１７〜２１の検
出信号に基づいて温水タンク９内の蓄熱量を演算し、蓄
熱量が最大蓄熱量に達している場合に燃料電池１の発電
を停止するようにした。従って、燃料電池１の排熱を利
用して製造された湯を貯留する蓄熱装置（温水タンク
９）に必要な熱量を効率良く蓄積でき、余分な排熱を発
生する発電の継続を回避して、エネルギーの利用効率を
高めることができる。

【００２６】（２） 温水タンク９への給水が下から行
われ、排出（給湯）が上から行われる。従って、温水タ
ンク９内で温度の高い水が上側に温度の低い水は下側に
貯留され、温水タンク９内の全体の水が所定温度に加熱
される前に、上側の水が所定温度に加熱されて使用可能
となる。

【００２７】（３） 熱交換器１０は媒体が温水タンク
９の上側から下側へ向かって移動するように配設されて
いるため、媒体が下から上に向かって流れるように配設
された場合と異なり、熱交換により冷却された媒体が温
水タンク９から熱を奪うことが防止される。また、温水
タンク９の上側から熱交換を行うことにより、加熱され
た水が上に留まり、（２）の効果と相まって所定の温度
の水の使用が早期に可能となる。

【００２８】（４） 温水タンク９に連結された給湯管
１４の途中に追い焚き装置１６が装備されている。従っ
て、発電装置５の運転開始から時間がさほど経過せず、
温水タンク９内の湯の温度がで充分でないときに、追い
焚き装置１６を作動させることにより、温水タンク９内
の湯を所望の温度で使用できる。

【００２９】（５） 燃料電池１は閉ループを循環する
媒体で冷却され、温水タンク９には燃料電池１を冷却し
て昇温された媒体を熱源として使用する熱交換器１０で
昇温された水が貯留される。従って、冷媒は閉ループの
配管１１内を循環するため、水以外の液体も使用でき、
不凍液を使用することにより冬季（厳寒季）に燃料電池
１の運転を停止した状態でも冷媒が配管１１内で凍結す
る虞がない。

【００３０】実施の形態は前記に限定されるものではな
く、例えば次のように構成してもよい。 ○ 発電装置５の運転停止状態において、蓄熱余裕が有
る場合に直ちに発電装置５の運転を再開する構成に代え
て、図４に示すように、図３のフローチャートのステッ
プＳ４とステップＳ５との間に、蓄熱余裕が所定量以上
か否かを判断するステップＳ４ａを設け、所定量以上の
ときに発電装置５を運転する構成としてもよい。前記実
施の形態では温水タンク９に蓄熱の余裕ができると、即
ち第４の温度センサ２０の検出温度が下がると直ちに発
電装置５の運転が再開されるため、燃料電池１が頻繁に
作動・停止を繰り返し易くなる。しかし、この構成では
燃料電池１の作動・停止の間隔が長くなり、燃料電池１
の寿命が延びる。

【００３１】○ 温水タンク９内の蓄熱量が最大蓄熱量
に達している場合に燃料電池１の発電を停止する代わり
に、改質器２への原燃料の供給量を少なくして、温水タ
ンクの放熱による蓄熱量の低下を補う分以下の排熱が出
る条件で発電を継続してもよい。この場合、排熱が温水
タンク９の保温用に使用される。

【００３２】○ 制御装置２３が発電装置５を運転する
際、発電量を常に最大で運転する構成に代えて、流量計
２２の出力信号から給水流量の多少を求め、給水流量に
応じて単位時間当たりの発電量、即ち原燃料の供給量を
変更するように制御してもよい。この場合、給水量が少
ない状態で繰り返し給水が行われる際に、発電装置５を
頻繁にオン・オフせずに運転を継続することができ、燃
料電池１の耐久性が向上する。

【００３３】○ 放置により温水タンク９内の水温が低
下した場合と、温水の使用に伴う給水によって水温が低
下した場合とで、発電時の単位時間当たりの発電量を変
更し、放置により温水タンク９内の水温が所定の温度よ
り低下した場合には単位時間当たりの発電量を大きくす
る。流量計２２から流量が０でない出力信号が出力され
ている状態、又は流量計２２から流量が０でない出力信
号が出力されてから所定時間内に第４の温度センサ２０
の温度が低下したとき、制御装置２３は温水の使用に伴
う温度低下と判断する。

【００３４】○ 発電装置５の排熱の回収を燃料電池１
からのみ行う構成に代えて、改質器２の排熱を回収する
熱媒体を循環させる配管を設け、該配管の途中に温水タ
ンク９内の水を加熱する熱交換器及びポンプを設けても
よい。この熱交換器も熱媒体が温水タンク９の上側から
下側に向かって移動するように配設される。この場合、
温水タンク９内の水は燃料電池１の冷却媒体の熱だけで
なく、改質器２の排熱も利用して加熱されるため、燃料
電池発電システムの熱効率が向上する。

【００３５】前記実施の形態から把握される請求項記載
以外の発明（技術思想）について、以下に記載する。 （１） 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の発明に
おいて、前記排熱の回収は、それぞれ独立して設けられ
た燃料電池の冷却を行う媒体が流れる配管と、改質器の
排熱を回収する媒体が流れる配管とを介して行われる。

【００３６】（２） 請求項１〜請求項３のいずれかに
記載の発明において、前記制御手段は、前記温水タンク
の蓄熱可能な熱量が所定量以上の時に前記燃料電池発電
装置の運転を行う。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したように請求項１〜請求項４
に記載の発明によれば、燃料電池発電装置の排熱を利用
して製造された湯を貯留する蓄熱装置に必要な熱量を効
率良く蓄積でき、蓄熱量が最大蓄熱量に達した状態での
余分な排熱を発生する発電の継続を回避して、エネルギ
ーの利用効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 一実施の形態の燃料電池発電システムの構成
図。

【図２】 温水タンクの温度分布を示すグラフ。

【図３】 燃料電池発電装置の運転手順を示すフローチ
ャート。

【図４】 別の実施の形態の運転手順を示すフローチャ
ートの部分図。

【符号の説明】

１…燃料電池、５…燃料電池発電装置、９…温水タン
ク、１０…熱交換器、１１…配管、１４…給湯管、１６
…追い焚き装置、１７〜２１…温度センサ、２３…演算
手段及び制御手段としての制御装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｇ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池発電装置の排熱を蓄熱するため
   の温水タンクと、 前記温水タンク内に設けられた熱交換器と、 前記燃料電池発電装置の排熱を回収する媒体を前記熱交
   換器へ供給する配管と、 前記温水タンクに設けられた複数の温度センサと、 前記複数の温度センサの検出信号に基づいて前記温水タ
   ンク内の蓄熱量を演算する演算手段と、 前記蓄熱量が前記温水タンクの最大蓄熱量に達している
   場合、燃料電池の発電量を抑制するように前記燃料電池
   発電装置を制御する制御手段とを備えた燃料電池発電シ
   ステムの蓄熱装置。
2. 【請求項２】 前記熱交換器は前記媒体が前記温水タン
   クの上側から下側へ向かって移動するように配設されて
   いる請求項１に記載の燃料電池発電システムの蓄熱装
   置。
3. 【請求項３】 前記温水タンクに連結された給湯管の途
   中に追い焚き装置が装備されている請求項１又は請求項
   ２に記載の燃料電池発電システムの蓄熱装置。
4. 【請求項４】 前記温水タンクには一定の水が貯留され
   るように、給湯管から排出される量と同じ量の水が給水
   管から給水され、前記制御手段は前記温水タンク内の温
   度低下が給水による場合と、給水によらない場合とで前
   記燃料電池発電装置の単位時間当たりの発電量を変更し
   て制御を行う請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載
   の燃料電池発電システムの蓄熱装置。