JP2004127841A - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池と貯湯タンクと追焚給湯機を用いた燃料電池コージェネレーションシステムは、広い設置場所を必要とし、設置性が困難であった。また、配管を引き回して接続するため放熱ロスを生じ易く、経済性も悪かった。
【解決手段】燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、追焚加熱手段６と燃料電池１とを貯湯タンク４の側部に配置し、燃料電池１の上部に追焚加熱手段６を配置する。
【選択図】 図１
【解決手段】燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、追焚加熱手段６と燃料電池１とを貯湯タンク４の側部に配置し、燃料電池１の上部に追焚加熱手段６を配置する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の排熱回収により湯水を貯える貯湯タンクと貯湯水を追焚する追焚加熱手段とにより給湯利用する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池コージェネレーションシステムにおける給湯および熱利用装置は、図７に示されるものが一般的であった。この装置は図７に示すように、燃料電池１が、燃料ガス供給弁２より燃料ガスを供給され、発電運転を行い、発電時の排熱を排熱回収配管３を介して、貯湯タンク４に熱回収するように接続されている。貯湯タンク４に蓄えられた湯水は出湯配管５を介して追焚加熱手段６に送られ、給湯栓７の給湯需要設定水温より貯湯水温が低い場合に、追焚加熱され、給湯需要設定温度に維持されながら給湯配管８により給湯栓７に供給される。燃料電池１は、燃料電池外装９、貯湯タンク４は貯湯タンク外装１０、追焚加熱手段６は追焚加熱手段外装１１により、それぞれ個別に外装され、各機器を直列に接続されている（例えば、特許文献１、２、または３参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−９７０４４号公報
【特許文献２】
特開２００２―５６８６７号公報
【特許文献３】
特開２００２―７５３９２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の装置においては、燃料電池と貯湯槽と追焚加熱手段（追焚用給湯機）を、それぞれ独立して直列に設置するため、家庭用コージェネ機器として広い設置場所を必要とし、設置性が困難であった。
【０００５】
また、各機器は配管を引き回して接続するため放熱ロスを生じ易く、経済性も悪かった。燃料電池の改質器バーナ加熱部と追焚加熱手段が個別設置の場合、燃料電池の改質器バーナ加熱部と追焚加熱手段それぞれに排気ガス通路、排気口を設けるため、排気部の容積が大きくなり、装置も大型化するという課題を有していた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の発電時の排熱を回収する貯湯タンクと、前記貯湯タンクの湯水を追焚加熱する追焚加熱手段とを有し、前記追焚加熱手段および前記燃料電池は前記貯湯タンク側部に配置され、前記追焚加熱手段は、前記燃料電池の上部に配置されていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、少なくとも前記貯湯タンクおよび追焚加熱手段が、断熱材を有する１つの外装内に収納されていると有効である。
【０００８】
また、本発明は、前記貯湯タンクが、前記貯湯タンクの上部より貯湯されていく積層式であると有効である。
【０００９】
また、本発明は、前記燃料ガスを生成する改質器を加熱するバーナ加熱部および前記追焚加熱手段の少なくともいずれか一方の排ガスの熱を回収する排ガス熱交換器と、前記燃料電池の冷却水中の熱を回収する冷却水熱交換器とを備え、貯湯タンクへの熱回収は、（１）前記排ガス熱交換器による熱回収（２）前記冷却水熱交換器による熱回収の順に行うと有効である。
【００１０】
また、本発明は、前記改質器バーナ加熱部の排ガス経路と前記追焚加熱手段の排ガス経路とが結合し、一つの排ガス熱交換器で排ガス熱回収を行うと有効である。
【００１１】
また、本発明は、前記追焚加熱手段非動作時に、前記追焚加熱手段の排ガス経路の排ガス熱交換器をバイパスするバイパス回路を備えると有効である。
【００１２】
また、本発明は、前記排ガス熱交換器の下流、かつ前記冷却水熱交換器の上流に前記燃料電池からの燃料排ガス中の熱を熱回収する燃料排ガス熱交換器および前記燃料電池からの酸化剤排ガス中の熱を熱回収する酸化剤排ガス熱交換器の少なくともいずれか一方を備えると有効である。
【００１３】
また、本発明は、前記貯湯タンクから前記冷却水熱交換器までの排熱回収路と前記貯湯タンクから前記排ガス熱交換器までの排熱回収路とをバイパスする貯湯タンクバイパス回路と、冷却水循環経路上に前記冷却水熱交換器をバイパスするバイパス回路と、前記バイパス回路上に加熱手段とを備え、前記燃料電池起動時に、前記貯湯タンクバイパス回路に切り換え、前記冷却水熱交換器を介して前記加熱手段による回収熱を利用して冷却水を昇温させると有効である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図である。図１において、図７で示した従来の燃料電池コージェネレーションシステムと同じ機能を有するものについては、同一符号を付与しており、それらの機能の詳細は、図７のものに準ずるものとして説明を省略する。
【００１６】
図１において、燃料電池１の上部に追焚加熱手段６を配置し、原料ガス供給を原料ガス供給弁２より、燃料電池１と追焚加熱手段６に分岐配管接続している。貯湯タンク４への給水は給水弁１２より、貯湯タンク４の下部に供給されるように接続されている。燃料電池１の発電反応に伴う排熱回収は排熱回収配管３により貯湯タンク４の下部より貯湯タンク４内下層の水を燃料電池１に取り入れ、排熱回収後の湯を燃料電池１から貯湯タンク４の上部へ戻すように接続されている。貯湯タンク４からの湯水は出湯配管５を介し追焚加熱手段６へ供給されるように接続されており、貯湯タンク４上部に近接した追焚加熱手段６の給水口１３へ短回路配管にて接続されている。追焚加熱手段６からの追焚された湯は給湯配管８を経由して給湯栓７より供給されるように接続されている。そして、これら、燃料電池１、貯湯タンク４、追焚加熱手段６、排熱回収配管３、出湯配管５等々が外装１４の中で、各配管を最短でかつ、断熱材（図示せず）を共有し、一体化されて接続されている。
【００１７】
なお、上述の構成では燃料電池の排熱回収を燃料電池内に貯湯タンクの水を取り入れ排熱回収を行っていたが、燃料電池内を冷却する冷却水と貯湯タンクの水を熱交換器を介して排熱回収する構成であっても構わない。
【００１８】
次に、動作、作用について説明する。
【００１９】
まず、燃料電池起動、発電時には、燃料電池１の運転に適した温度（７０〜８０℃）に昇温されるため、燃料電池１と断熱材を共有した追焚加熱手段６に燃料電池部分より余熱が上昇し、追焚加熱手段の入出口配管である出湯配管や給湯配管が保温され、冷えにくくなり、配管内の湯の温度低下が緩和される。
【００２０】
また、燃料電池と貯湯タンクと追焚加熱手段とを一つの外装内で接続構成し、かつ貯湯タンクが、上部から暖かい湯が貯湯される積層貯湯方式であり、給湯は貯湯タンク上部から湯を取り出し行うため、燃料電池と貯湯タンク間、貯湯タンクと追焚加熱手段間の給湯配管が最短回路で結ばれ、小型化が図れ、また、燃料電池と貯湯タンクと追焚加熱手段とを断熱材を共用化しているため、排熱ロスが低減できる。
【００２１】
さらに、燃料電池１内部には、燃料ガス供給手段としての改質器（図示せず）や酸化剤ガス供給手段としてのブロアファン（図示せず）、加湿器さらに燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池本体（図示ぜず）等の重量部品を搭載しており、この燃料電池を下部に、熱交換器、バーナ等の比較的軽量部品を搭載した追焚加熱手段６を燃料電池１の上部に配置したことにより、外装１４内の機器全体の設置安定性が良い。また、燃料電池１の重量部品の部品交換等が発生した場合、高い位置から重量部品を引き下ろす必要が無く、サービス、メンテ性に優れる。
【００２２】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図である。
【００２３】
図２において、図１で示した実施の形態１の燃料電池コージェネレーションシステムと同じ機能を有するものについては、同一符号を付与しており、それらの機能の詳細は、図１のものに準ずるものとして説明を省略する。
【００２４】
図２において、２０は燃料電池本体であり、燃料ガス供給手段２１は天然ガスなどの原料ガスを、一方は燃焼ガス供給弁２２を介して改質器バーナ加熱部２３へ、もう一方は原料ガス供給弁２４を介して改質器２５へ供給し、加熱・水蒸気改質し、水素を主成分とする燃料ガスを生成して燃料電池本体２０に供給するように接続されている。
【００２５】
燃料ガス供給手段２１には、改質器バーナ加熱部２３から第１の排ガス経路２６に至る間に第１の排ガス熱交換器２７が備えられている。
【００２６】
２８は空気供給装置としてのブロアファンであり、酸化剤の空気を燃料電池本体２０に供給する。このとき、酸化側加湿器２９で供給空気を加湿する。燃料電池本体２０には、冷却水を送って冷却する冷却水配管３０と、冷却水配管内の水を循環させる冷却水ポンプ３１とを備えている。
【００２７】
また、発電時には、冷却水熱交換器３２および循環ポンプ３３により燃料電池本体２０の発電による排熱を燃料電池内排熱回収配管３４から排熱回収配管３を経由して貯湯タンク４へ排熱回収するよう接続されている。そして燃料電池本体２０を含む、点線内１がいわゆる燃料電池である。
【００２８】
貯湯タンク４は、貯湯タンク４下部の給水口３５より給水し、一部が給水配管３６に分岐され貯湯タンク４下部の給湯口３７より出湯配管５を介して給湯し、混合弁３８に供給するように接続されている。
【００２９】
制御手段３９は、貯湯タンク４からの湯と水をサーミスタ等の混合温度検知手段４０により給湯需要設定温度なるように混合弁３８の混合比を制御し、かつ貯湯温度検知手段（サーミスタ等）４１により貯湯タンク４の貯湯温度が高温（７０〜８０℃）一定になるように循環ポンプ３３の循環流量を制御するように接続されている。さらに、燃料ガス供給手段２１への供給ガスを燃焼ガス供給弁２２，原料ガス供給弁２４により制御し、空気供給装置２８からの供給空気量を制御し、燃料電池本体２０の冷却水流量を冷却水ポンプ３１を介して制御するように接続されている。
【００３０】
混合弁３８の下流側には、追焚加熱部４２により追焚加熱された湯が給湯配管８を経由して給湯栓４３から出湯されるように配管されている。追焚加熱部４２には、追焚加熱バーナ４４に原料ガスを供給する追焚原料ガス供給弁４５が接続されており、追焚加熱熱交換器４６から下流側の第２の排ガス経路４７にかけて第２の排ガス熱交換器４８が設置されている。また、制御手段３９は、追焚加熱温度検知手段（サーミスタ等）４９により貯湯タンク４内の貯湯温度が給湯需要設定温度以下の場合、給湯需要設定温度になるように追焚加熱バーナ４４の燃焼量を追焚原料ガス供給弁４５のガス量を調整し行うように接続されている。そして追焚加熱部４２を含む、点線内６が追焚加熱手段である。そして、これら、燃料電池１、貯湯タンク４、追焚加熱手段６、排熱回収配管３、出湯配管５等々が外装１４の中で、各配管を最短でかつ、断熱材（図示せず）を共有し、一体化されて接続されている。
【００３１】
次に、動作、作用について説明する。
【００３２】
まず、燃料電池起動時には、制御手段３９により、燃料ガス供給手段２１の改質器バーナ加熱部２３の燃焼量を制御し、改質器２５を加熱するとともに改質器２５の加熱により水素を主成分とする燃料ガスが所定の一酸化炭素濃度（約１０〜２０ｐｐｍ）以下になれば燃料電池本体２０に供給する。
【００３３】
次に、燃料電池発電時には、制御手段３９により、まず、燃料ガス供給手段２１の改質器バーナ加熱部２３の燃焼による排ガスから第１の排ガス熱交換器２７を介して貯湯タンク４下部から取り出された水等の熱輸送媒体が流れる燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。次に、燃料ガス供給手段２１の改質器２５から供給された水素を主成分とする燃料ガスと空気供給装置２８から供給された空気（酸素）とにより燃料電池本体２０の発電反応に伴う排熱を冷却水ポンプ３１を動作させ、冷却水熱交換器３２を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。制御手段３９は、第１の排ガス熱交換器２７、冷却水熱交換器３２の順に排熱回収し、貯湯温度検知手段４１により貯湯タンク４の貯湯温度が高温（７０〜８０℃）一定になるように循環ポンプ３３の循環流量を制御する。
【００３４】
貯湯タンク４が貯湯量が満タンになれば、循環ポンプを停止させ燃料電池内排熱回収配管３４と排熱回収配管３を介した排熱回収を完了する。
【００３５】
次に、貯湯タンク４の貯湯量が十分なときには、給湯栓４３による給湯利用時に混合温度検知手段４０での混合温度検出値が給湯需要設定温度よりも高いので追焚加熱部４２での追い焚き動作は不要であり、貯湯湯水は直接給湯栓４３側に供給される。
【００３６】
次に、貯湯タンク４の貯湯量が少なく不十分なときには、給湯栓４３による給湯利用時に混合温度検知手段４０での混合温度検出値が給湯需要設定温度よりも低くなった場合、追焚加熱部４２での追い焚き動作が必要となり、制御手段３９は、追焚加熱温度検知手段４９により、給湯需要設定温度になるように追焚加熱バーナ４４の燃焼量を追焚原料ガス供給弁４５のガス量調節により調整する。
【００３７】
このとき、燃料電池本体２０が発電している場合には、制御手段３９により、まず、燃料ガス供給手段２１の改質器バーナ加熱部２３の燃焼による排ガスから第１の排ガス熱交換器２７を介して貯湯タンク４の燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収され、さらに、追焚加熱部４２の追焚加熱バーナ加熱部４４の燃焼による排ガスから第２の排ガス熱交換器４８を介して貯湯タンク４の燃料電池内排熱回収配管３４側へ排ガスの熱回収が行われる。次に、水素を主成分とする燃料ガスと空気（酸素）とにより燃料電池本体２０の発電反応に伴う排熱を冷却水ポンプ３１を動作させ、冷却水熱交換器３２を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。制御手段３９は、第１の排ガス熱交換器２７、第２の排ガス熱交換器４８、冷却水熱交換器３２の順に排熱回収し、貯湯温度検知手段４１により貯湯タンク４の貯湯温度が高温（７０〜８０℃）一定になるように循環ポンプ３３の循環流量を制御する。
【００３８】
よって、燃料電池本体２０発電時、追焚加熱部４２の追焚加熱時には、貯湯タンク４への排熱回収量が冷却水熱交換器３２による排熱回収量に、排ガス経路の第１の排ガス熱交換器２７および／または第２の排ガス熱交換器４８による排熱回収配量が付加されるため熱回収効率が向上する。
【００３９】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３の燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図である。
【００４０】
実施の形態２と異なる点は、燃料ガス供給手段２１の改質器バーナ加熱部２３の排ガス経路と追焚加熱部４２の排ガス経路を結合した統合排ガス経路５０と、この統合排ガス経路５０内の排ガスの熱回収を行う統合排ガス熱交換器５１を設けた点である。
【００４１】
なお、実施の形態１、２と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００４２】
次に、動作、作用について説明する。
【００４３】
まず、燃料電池起動時には、制御手段３９により、燃料ガス供給手段２１の改質器バーナ加熱部２３の燃焼量を制御し、改質器２５を加熱するとともに改質器２５の加熱により水素を主成分とする燃料ガスが所定の一酸化炭素濃度（約１０〜２０ｐｐｍ）以下になれば燃料電池本体２０に供給する。
【００４４】
次に、燃料電池発電時には、制御手段３９により、まず、燃料ガス供給手段２１の改質器バーナ加熱部２３の燃焼による排ガスから統合排ガス熱交換器５１を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。次に、燃料ガス供給手段２１の改質器２５から供給された水素を主成分とする燃料ガスと空気供給装置２８から供給された空気（酸素）とにより燃料電池本体２０の発電反応に伴う排熱を冷却水ポンプ３１を動作させ、冷却水熱交換器３２を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。制御手段３９は、統合排ガス熱交換器５１、冷却水熱交換器３２の順に排熱回収し、貯湯温度検知手段４１により貯湯タンク４の貯湯温度が高温（７０〜８０℃）一定になるように循環ポンプ３３の循環流量を制御する。
【００４５】
貯湯タンク４が貯湯量が満タンになれば、循環ポンプを停止させ燃料電池内排熱回収配管３４と排熱回収配管３を介した排熱回収を完了する。
【００４６】
貯湯タンク４の貯湯量が少なく不十分なときには、実施の形態１と同様に追焚加熱部４２を介して、追焚加熱温度検知手段４９により、給湯需要設定温度になるように追焚加熱バーナ４４の燃焼量を調整する。
【００４７】
よって、燃料電池本体２０発電時、追焚加熱部４２の追焚加熱時には、貯湯タンク４への排熱回収が統合排ガス経路５０の統合排ガス熱交換器５１による排熱回収と冷却水熱交換器３２による発電反応の排熱回収が付加されるため熱回収効率が向上する。さらに、燃料電池本体２０の改質器バーナ加熱部２３の排ガス経路と追焚加熱部４２の排ガス経路を結合し、一つの排ガス熱交換器で排ガス熱回収を行うようにしたことにより、燃料電池コージェネレーションシステムとしての低コスト化、小型化、高効率化が図れる。
【００４８】
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４の燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図である。
【００４９】
実施の形態２と異なる点は、追焚加熱部４２の排ガス経路４７の第２の排ガス熱交換器４８をバイパスさせるバイパス回路５２とバイパス回路５２と第２の排ガス熱交換器４８を切り換えるバイパス弁５３を設けた点である。
【００５０】
なお、実施の形態１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００５１】
次に、動作、作用について説明する。
【００５２】
燃料電池発電時には、制御手段３９により、まず、燃料ガス供給手段２１の改質器バーナ加熱部２３の燃焼による排ガスから第１の排ガス熱交換器２７を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。このとき、追焚加熱部４２が動作していなければ、バイパス弁５３を介してバイパス回路５２を経由して、追焚加熱部４２が動作していれば、第２の排ガス熱交換器４８を経由して熱回収する。次に、燃料ガス供給手段２１の改質器２５から供給された水素を主成分とする燃料ガスと空気供給装置２８から供給された空気（酸素）とにより燃料電池本体２０の発電反応に伴う排熱を冷却水ポンプ３１を動作させ、冷却水熱交換器３２を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。制御手段３９は、第１の排ガス熱交換器２７および／または第２の排ガス熱交換器４８、冷却水熱交換器３２の順に排熱回収し、貯湯温度検知手段４１により貯湯タンク４の貯湯温度が高温（７０〜８０℃）一定になるように循環ポンプ３３の循環流量を制御する。
【００５３】
貯湯タンク４が貯湯量が満タンになれば、循環ポンプを停止させ燃料電池内排熱回収配管３４、排熱回収配管３を介した排熱回収を完了する。
【００５４】
貯湯タンク４の貯湯量が少なく不十分なときには、実施の形態２と同様に追焚加熱部４２を介して、追焚加熱温度検知手段４９により、給湯需要設定温度になるように追焚加熱バーナ４４の燃焼量を調整する。
【００５５】
よって、燃料電池本体２０発電時、追焚加熱部４２が非動作時には、貯湯タンク４への排熱回収が第１の排ガス経路２７の第１の排ガス熱交換器２７による排熱回収と冷却水熱交換器３２による発電反応の排熱回収とにより行われ、追焚加熱部４２の第２の排ガス経路４７の第２の排ガス熱交換器４８を経由することなく行われるため排ガス熱交換器による放熱ロスをなくし、一層の高効率化が図れる。
【００５６】
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５の燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図である。
【００５７】
実施の形態２と異なる点は、燃料電池本体２０と化学反応した後の燃料排ガス中の熱を熱回収する燃料排ガス熱交換器５４を第２の排ガス熱交換器４８と冷却水熱交換器３２の間に配置した点である。
【００５８】
なお、実施の形態１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００５９】
次に、動作、作用について説明する。
【００６０】
燃料電池発電時には、制御手段３９により、まず、燃料ガス供給手段２１の改質器バーナ加熱部２３の燃焼による排ガスから第１の排ガス熱交換器２７を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。このとき、追焚加熱部４２が動作していれば、第２の排ガス熱交換器４８でさらに追焚加熱手段の排ガスの熱回収を行う。次に、燃料排ガス熱交換器５４を経由して、燃料電池本体２０と化学反応した後の燃料排ガス中の熱を熱回収する。さらに、燃料電池本体２０の発電反応に伴う排熱を冷却水ポンプ３１を動作させ、冷却水熱交換器３２を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。制御手段３９は、第１の排ガス熱交換器２７および第２の排ガス熱交換器４８、燃料排ガス熱交換器５４、冷却水熱交換器３２の順に排熱回収し、貯湯温度検知手段（サーミスタ）４１により貯湯タンク４の貯湯温度が高温（７０〜８０℃）一定になるように循環ポンプ３３の循環流量を制御する。
【００６１】
貯湯タンク４が貯湯量が満タンになれば、循環ポンプを停止させ燃料電池内排熱回収配管３４、排熱回収配管３を介した排熱回収を完了する。
【００６２】
貯湯タンク４の貯湯量が少なく不十分なときには、実施の形態２と同様に追焚加熱部４２を介して、追焚加熱温度検知手段４９により、給湯需要設定温度になるように追焚加熱バーナ４４の燃焼量を調整する。
【００６３】
よって、貯湯タンクへの熱回収を、燃料電池の改質器バーナ加熱部の排ガス熱交換器および／または追焚加熱手段の排ガス熱交換器による熱回収、次に燃料電池と化学反応した後の燃料排ガス中の熱を熱回収する燃料排ガス熱交換器、さらに燃料電池の発電時の冷却水循環による冷却水熱交換器を介した熱回収の順に行うことにより排気ガスと貯湯水の低温熱交換（ガス−水熱交換）から燃料電池の冷却水と貯湯水の高温熱交換（水−水熱交換）を順次行うことにより、燃料電池、追焚加熱手段の排熱回収効率が一段と向上する。
【００６４】
なお、本実施の形態では、燃料電池と化学反応した後の燃料排ガス中の熱を熱回収する燃料排ガス熱交換器を排ガス熱交換器と冷却水熱交換器の間に設ける構成としたが燃料電池と化学反応した後の酸化剤排ガス中の熱を熱回収する酸化剤排ガス熱交換器を設けた構成としても、同様の効果を有することは言うまでもない。
【００６５】
また、改質器バーナ加熱部の排ガス熱交換器および／または追焚加熱手段の排ガスについて熱交換器実施の形態２，３または４のような構成を採用しても同様の効果を有することは言うまでもない。
【００６６】
（実施の形態６）
図６は、本発明の実施の形態６の燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図である。
【００６７】
実施の形態２と異なる点は、
冷却水配管３０の循環経路の冷却水熱交換器３２をバイパスさせる冷却水バイパス弁５５、バイパス回路中に燃料電池本体２０起動時に冷却水を加熱するためのヒータ等の加熱手段５６を備えている点。また、貯湯タンクへの回収熱をバイパスさせる貯湯タンクバイパス回路５７に切り換える貯湯タンクバイパス弁５８，５９を備えた点である。
【００６８】
なお、実施の形態２と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００６９】
次に、動作、作用について説明する。
【００７０】
まず、燃料電池起動時には、制御手段３９により、燃料ガス供給手段２１の改質器バーナ加熱部２３の燃焼量を制御し、改質器２５を加熱するとともに改質器２５の加熱により水素を主成分とする燃料ガスが所定の一酸化炭素濃度（約１０〜２０ｐｐｍ）以下になれば燃料電池本体２０に供給する。
【００７１】
このとき、冷却水バイパス弁５５を加熱手段５６側にバイパスさせ、燃料電池本体２０の冷却水を加熱手段（ヒータ）５６により発電に適した温度になるように昇温させる。
【００７２】
さらに、貯湯タンクバイパス弁５８，５９を貯湯タンクバイパス回路５７側に切り換え改質器バーナ加熱部２３の燃焼による排ガス熱を第１の排ガス熱交換器２７を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。そして、循環ポンプ３３により燃料電池内排熱回収配管３４と貯湯タンクバイパス回路５７の閉回路を排熱循環させる。この排ガス熱交換器２７からの回収熱を冷却水熱交換器３２を介して冷却水配管３０側へ熱回収し、冷却水バイパス弁５５の弁開度を調節して、排ガス熱交換器２７からの回収熱と加熱手段（ヒータ）５６と両者の熱回収により燃料電池本体２０を加温する。
【００７３】
次に、燃料電池発電時には、制御手段３９により、まず、燃料ガス供給手段２１の改質器バーナ加熱部２３の燃焼による排ガスから第１の排ガス熱交換器を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。次に、冷却水バイパス弁を冷却水熱交換器側に通じ、燃料電池本体２０の発電反応に伴う排熱を冷却水ポンプ３１を動作させ、冷却水熱交換器３２を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。貯湯タンクバイパス弁５８，５９は、貯湯タンクバイパス回路５７側から貯湯タンク４への排熱回収側へ切り換える。制御手段３９は、第１の排ガス熱交換器２７、冷却水熱交換器３２の順に排熱回収し、貯湯温度検知手段（サーミスタ）４１により貯湯タンク４の貯湯温度が高温（７０〜８０℃）一定になるように循環ポンプ３３の循環流量を制御する。
【００７４】
よって、燃料電池起動時は、冷却水循環経路の冷却水熱交換器３２をバイパス比を調節し、排ガス熱交換器２７からの回収熱と加熱手段（ヒータ）５６と両者の熱回収により冷却水を昇温させ、燃料電池を加温するようにしたことにより、燃料電池起動時に、燃料電池起動のための冷却水の昇温が迅速になり、短時間起動が可能となり、使い勝手がさらに向上する。
【００７５】
なお、改質器バーナ加熱部の排ガス熱交換器および／または追焚加熱手段の排ガスについて熱交換器実施の形態２、３、４または５のような構成を採用しても同様の効果を有することは言うまでもない。
【００７６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムによれば、次の効果が得られる。
【００７７】
１）貯湯タンク側部に燃料電池と追焚加熱手段を近接し、燃料ガス供給手段としての改質器や酸化剤ガス供給手段としてのブロアファン、加湿器さらに燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池本体等の重量部品を搭載した燃料電池を下部に、熱交換器、バーナ等の比較的軽量部品を搭載した追焚加熱手段を燃料電池の上部に配置したことにより、機器全体の設置安定性に優れ、燃料電池本体等の重量部品の部品交換等のサービス、メンテ性が良くできる。
【００７８】
２）燃料電池を追焚加熱手段の下部に設けおり、燃料電池の運転温度が７０〜８０℃と高温であるため、燃料電池運転時には燃料電池部分より余熱が上昇し、追焚加熱手段の入出口配管である出湯配管や給湯配管が保温され、冷えにくくなり、給湯機固有の課題である出湯の前後の配管内の湯が冷やされる現象（いわゆる、前冷え、冷水サンドイッチ現象）が緩和される。
【００７９】
３）燃料電池と貯湯タンクと追焚加熱手段とを一つの外装内で接続構成することにより、燃料電池と貯湯タンク間、貯湯タンクと追焚加熱手段間の給湯配管が簡略化、最短化でき、燃料電池と貯湯タンクと追焚加熱手段とを断熱材など共用化できるため、一層の小型化と排熱ロス低減による高効率化が図れる。
【００８０】
４）燃料電池の改質器バーナ加熱部の排ガスと追焚加熱手段の排ガスの熱回収をすることにより排熱回収効率を高められ、かつ排ガス熱交換器による熱回収、次に前記燃料電池本体の発電時排熱の冷却水循環による冷却水熱交換器を介した熱回収の順に行うことにより、排気ガスの潜熱回収の後に、燃料電池の冷却水の熱交換という効率良い排熱回収が実現でき、高効率なコージェネレーション機器を提供できる。
【００８１】
５）燃料電池の改質器バーナ加熱部の排ガス経路と追焚加熱手段の排ガス経路を結合し、一つの排ガス熱交換器で排ガス熱回収を行うようにしたことにより、低コスト化、小型化、高効率化が図れる。
【００８２】
６）追焚加熱手段非動作時は、追焚加熱手段の排ガス経路の排ガス熱交換器をバイパスさせることにより、追焚加熱手段の排ガス経路の排ガス熱交換器を経由することことによる放熱ロスをなくし、一層の高効率化が図れる。
【００８３】
７）貯湯タンクへの熱回収を、燃料電池の改質器バーナ加熱部の排ガス熱交換器および／または追焚加熱手段の排ガス熱交換器による熱回収、次に燃料電池と化学反応した後の燃料排ガス中の熱を熱回収する燃料排ガス熱交換器および／または燃料電池と化学反応した後の酸化剤排ガス中の熱を熱回収する酸化剤排ガス熱交換器、さらに燃料電池の発電時の冷却水循環による冷却水熱交換器を介した熱回収の順に行うことにより排気ガスと貯湯水の低温熱交換（ガス−水熱交換）から燃料電池の冷却水と貯湯水の高温熱交換（水−水熱交換）を順次行うことにより、燃料電池、追焚加熱手段の排熱回収効率が一段と向上する。
【００８４】
８）燃料電池起動時は、冷却水循環経路の冷却水熱交換器３２をバイパス比を調節し、排ガス熱交換器２７からの回収熱と加熱手段（ヒータ）５７と両者の熱回収により冷却水を昇温させ、燃料電池を加温するようにしたことにより、燃料電池起動時に、燃料電池起動のための冷却水の昇温が迅速になり、短時間起動が可能となり、使い勝手が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図
【図２】本発明の実施の形態２の燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図
【図３】本発明の実施の形態３の燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図
【図４】本発明の実施の形態４の燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図
【図５】本発明の実施の形態５の燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図
【図６】本発明の実施の形態６の燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図
【図７】従来の排熱回収装置のブロック構成図
【符号の説明】
１ 燃料電池
３ 排熱回収配管
４ 貯湯タンク
５ 出湯配管
６ 追焚加熱手段
１４ 外装
２３ 改質器バーナ加熱部
２７ 第１の排ガス熱交換器
３２ 冷却水熱交換器
４８ 第２の排ガス熱交換器
５１ 統合排ガス熱交換器
５２，５７ バイパス回路
５４ 燃焼排ガス熱交換器
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の排熱回収により湯水を貯える貯湯タンクと貯湯水を追焚する追焚加熱手段とにより給湯利用する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池コージェネレーションシステムにおける給湯および熱利用装置は、図７に示されるものが一般的であった。この装置は図７に示すように、燃料電池１が、燃料ガス供給弁２より燃料ガスを供給され、発電運転を行い、発電時の排熱を排熱回収配管３を介して、貯湯タンク４に熱回収するように接続されている。貯湯タンク４に蓄えられた湯水は出湯配管５を介して追焚加熱手段６に送られ、給湯栓７の給湯需要設定水温より貯湯水温が低い場合に、追焚加熱され、給湯需要設定温度に維持されながら給湯配管８により給湯栓７に供給される。燃料電池１は、燃料電池外装９、貯湯タンク４は貯湯タンク外装１０、追焚加熱手段６は追焚加熱手段外装１１により、それぞれ個別に外装され、各機器を直列に接続されている（例えば、特許文献１、２、または３参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−９７０４４号公報
【特許文献２】
特開２００２―５６８６７号公報
【特許文献３】
特開２００２―７５３９２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の装置においては、燃料電池と貯湯槽と追焚加熱手段（追焚用給湯機）を、それぞれ独立して直列に設置するため、家庭用コージェネ機器として広い設置場所を必要とし、設置性が困難であった。
【０００５】
また、各機器は配管を引き回して接続するため放熱ロスを生じ易く、経済性も悪かった。燃料電池の改質器バーナ加熱部と追焚加熱手段が個別設置の場合、燃料電池の改質器バーナ加熱部と追焚加熱手段それぞれに排気ガス通路、排気口を設けるため、排気部の容積が大きくなり、装置も大型化するという課題を有していた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の発電時の排熱を回収する貯湯タンクと、前記貯湯タンクの湯水を追焚加熱する追焚加熱手段とを有し、前記追焚加熱手段および前記燃料電池は前記貯湯タンク側部に配置され、前記追焚加熱手段は、前記燃料電池の上部に配置されていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、少なくとも前記貯湯タンクおよび追焚加熱手段が、断熱材を有する１つの外装内に収納されていると有効である。
【０００８】
また、本発明は、前記貯湯タンクが、前記貯湯タンクの上部より貯湯されていく積層式であると有効である。
【０００９】
また、本発明は、前記燃料ガスを生成する改質器を加熱するバーナ加熱部および前記追焚加熱手段の少なくともいずれか一方の排ガスの熱を回収する排ガス熱交換器と、前記燃料電池の冷却水中の熱を回収する冷却水熱交換器とを備え、貯湯タンクへの熱回収は、（１）前記排ガス熱交換器による熱回収（２）前記冷却水熱交換器による熱回収の順に行うと有効である。
【００１０】
また、本発明は、前記改質器バーナ加熱部の排ガス経路と前記追焚加熱手段の排ガス経路とが結合し、一つの排ガス熱交換器で排ガス熱回収を行うと有効である。
【００１１】
また、本発明は、前記追焚加熱手段非動作時に、前記追焚加熱手段の排ガス経路の排ガス熱交換器をバイパスするバイパス回路を備えると有効である。
【００１２】
また、本発明は、前記排ガス熱交換器の下流、かつ前記冷却水熱交換器の上流に前記燃料電池からの燃料排ガス中の熱を熱回収する燃料排ガス熱交換器および前記燃料電池からの酸化剤排ガス中の熱を熱回収する酸化剤排ガス熱交換器の少なくともいずれか一方を備えると有効である。
【００１３】
また、本発明は、前記貯湯タンクから前記冷却水熱交換器までの排熱回収路と前記貯湯タンクから前記排ガス熱交換器までの排熱回収路とをバイパスする貯湯タンクバイパス回路と、冷却水循環経路上に前記冷却水熱交換器をバイパスするバイパス回路と、前記バイパス回路上に加熱手段とを備え、前記燃料電池起動時に、前記貯湯タンクバイパス回路に切り換え、前記冷却水熱交換器を介して前記加熱手段による回収熱を利用して冷却水を昇温させると有効である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図である。図１において、図７で示した従来の燃料電池コージェネレーションシステムと同じ機能を有するものについては、同一符号を付与しており、それらの機能の詳細は、図７のものに準ずるものとして説明を省略する。
【００１６】
図１において、燃料電池１の上部に追焚加熱手段６を配置し、原料ガス供給を原料ガス供給弁２より、燃料電池１と追焚加熱手段６に分岐配管接続している。貯湯タンク４への給水は給水弁１２より、貯湯タンク４の下部に供給されるように接続されている。燃料電池１の発電反応に伴う排熱回収は排熱回収配管３により貯湯タンク４の下部より貯湯タンク４内下層の水を燃料電池１に取り入れ、排熱回収後の湯を燃料電池１から貯湯タンク４の上部へ戻すように接続されている。貯湯タンク４からの湯水は出湯配管５を介し追焚加熱手段６へ供給されるように接続されており、貯湯タンク４上部に近接した追焚加熱手段６の給水口１３へ短回路配管にて接続されている。追焚加熱手段６からの追焚された湯は給湯配管８を経由して給湯栓７より供給されるように接続されている。そして、これら、燃料電池１、貯湯タンク４、追焚加熱手段６、排熱回収配管３、出湯配管５等々が外装１４の中で、各配管を最短でかつ、断熱材（図示せず）を共有し、一体化されて接続されている。
【００１７】
なお、上述の構成では燃料電池の排熱回収を燃料電池内に貯湯タンクの水を取り入れ排熱回収を行っていたが、燃料電池内を冷却する冷却水と貯湯タンクの水を熱交換器を介して排熱回収する構成であっても構わない。
【００１８】
次に、動作、作用について説明する。
【００１９】
まず、燃料電池起動、発電時には、燃料電池１の運転に適した温度（７０〜８０℃）に昇温されるため、燃料電池１と断熱材を共有した追焚加熱手段６に燃料電池部分より余熱が上昇し、追焚加熱手段の入出口配管である出湯配管や給湯配管が保温され、冷えにくくなり、配管内の湯の温度低下が緩和される。
【００２０】
また、燃料電池と貯湯タンクと追焚加熱手段とを一つの外装内で接続構成し、かつ貯湯タンクが、上部から暖かい湯が貯湯される積層貯湯方式であり、給湯は貯湯タンク上部から湯を取り出し行うため、燃料電池と貯湯タンク間、貯湯タンクと追焚加熱手段間の給湯配管が最短回路で結ばれ、小型化が図れ、また、燃料電池と貯湯タンクと追焚加熱手段とを断熱材を共用化しているため、排熱ロスが低減できる。
【００２１】
さらに、燃料電池１内部には、燃料ガス供給手段としての改質器（図示せず）や酸化剤ガス供給手段としてのブロアファン（図示せず）、加湿器さらに燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池本体（図示ぜず）等の重量部品を搭載しており、この燃料電池を下部に、熱交換器、バーナ等の比較的軽量部品を搭載した追焚加熱手段６を燃料電池１の上部に配置したことにより、外装１４内の機器全体の設置安定性が良い。また、燃料電池１の重量部品の部品交換等が発生した場合、高い位置から重量部品を引き下ろす必要が無く、サービス、メンテ性に優れる。
【００２２】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図である。
【００２３】
図２において、図１で示した実施の形態１の燃料電池コージェネレーションシステムと同じ機能を有するものについては、同一符号を付与しており、それらの機能の詳細は、図１のものに準ずるものとして説明を省略する。
【００２４】
図２において、２０は燃料電池本体であり、燃料ガス供給手段２１は天然ガスなどの原料ガスを、一方は燃焼ガス供給弁２２を介して改質器バーナ加熱部２３へ、もう一方は原料ガス供給弁２４を介して改質器２５へ供給し、加熱・水蒸気改質し、水素を主成分とする燃料ガスを生成して燃料電池本体２０に供給するように接続されている。
【００２５】
燃料ガス供給手段２１には、改質器バーナ加熱部２３から第１の排ガス経路２６に至る間に第１の排ガス熱交換器２７が備えられている。
【００２６】
２８は空気供給装置としてのブロアファンであり、酸化剤の空気を燃料電池本体２０に供給する。このとき、酸化側加湿器２９で供給空気を加湿する。燃料電池本体２０には、冷却水を送って冷却する冷却水配管３０と、冷却水配管内の水を循環させる冷却水ポンプ３１とを備えている。
【００２７】
また、発電時には、冷却水熱交換器３２および循環ポンプ３３により燃料電池本体２０の発電による排熱を燃料電池内排熱回収配管３４から排熱回収配管３を経由して貯湯タンク４へ排熱回収するよう接続されている。そして燃料電池本体２０を含む、点線内１がいわゆる燃料電池である。
【００２８】
貯湯タンク４は、貯湯タンク４下部の給水口３５より給水し、一部が給水配管３６に分岐され貯湯タンク４下部の給湯口３７より出湯配管５を介して給湯し、混合弁３８に供給するように接続されている。
【００２９】
制御手段３９は、貯湯タンク４からの湯と水をサーミスタ等の混合温度検知手段４０により給湯需要設定温度なるように混合弁３８の混合比を制御し、かつ貯湯温度検知手段（サーミスタ等）４１により貯湯タンク４の貯湯温度が高温（７０〜８０℃）一定になるように循環ポンプ３３の循環流量を制御するように接続されている。さらに、燃料ガス供給手段２１への供給ガスを燃焼ガス供給弁２２，原料ガス供給弁２４により制御し、空気供給装置２８からの供給空気量を制御し、燃料電池本体２０の冷却水流量を冷却水ポンプ３１を介して制御するように接続されている。
【００３０】
混合弁３８の下流側には、追焚加熱部４２により追焚加熱された湯が給湯配管８を経由して給湯栓４３から出湯されるように配管されている。追焚加熱部４２には、追焚加熱バーナ４４に原料ガスを供給する追焚原料ガス供給弁４５が接続されており、追焚加熱熱交換器４６から下流側の第２の排ガス経路４７にかけて第２の排ガス熱交換器４８が設置されている。また、制御手段３９は、追焚加熱温度検知手段（サーミスタ等）４９により貯湯タンク４内の貯湯温度が給湯需要設定温度以下の場合、給湯需要設定温度になるように追焚加熱バーナ４４の燃焼量を追焚原料ガス供給弁４５のガス量を調整し行うように接続されている。そして追焚加熱部４２を含む、点線内６が追焚加熱手段である。そして、これら、燃料電池１、貯湯タンク４、追焚加熱手段６、排熱回収配管３、出湯配管５等々が外装１４の中で、各配管を最短でかつ、断熱材（図示せず）を共有し、一体化されて接続されている。
【００３１】
次に、動作、作用について説明する。
【００３２】
まず、燃料電池起動時には、制御手段３９により、燃料ガス供給手段２１の改質器バーナ加熱部２３の燃焼量を制御し、改質器２５を加熱するとともに改質器２５の加熱により水素を主成分とする燃料ガスが所定の一酸化炭素濃度（約１０〜２０ｐｐｍ）以下になれば燃料電池本体２０に供給する。
【００３３】
次に、燃料電池発電時には、制御手段３９により、まず、燃料ガス供給手段２１の改質器バーナ加熱部２３の燃焼による排ガスから第１の排ガス熱交換器２７を介して貯湯タンク４下部から取り出された水等の熱輸送媒体が流れる燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。次に、燃料ガス供給手段２１の改質器２５から供給された水素を主成分とする燃料ガスと空気供給装置２８から供給された空気（酸素）とにより燃料電池本体２０の発電反応に伴う排熱を冷却水ポンプ３１を動作させ、冷却水熱交換器３２を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。制御手段３９は、第１の排ガス熱交換器２７、冷却水熱交換器３２の順に排熱回収し、貯湯温度検知手段４１により貯湯タンク４の貯湯温度が高温（７０〜８０℃）一定になるように循環ポンプ３３の循環流量を制御する。
【００３４】
貯湯タンク４が貯湯量が満タンになれば、循環ポンプを停止させ燃料電池内排熱回収配管３４と排熱回収配管３を介した排熱回収を完了する。
【００３５】
次に、貯湯タンク４の貯湯量が十分なときには、給湯栓４３による給湯利用時に混合温度検知手段４０での混合温度検出値が給湯需要設定温度よりも高いので追焚加熱部４２での追い焚き動作は不要であり、貯湯湯水は直接給湯栓４３側に供給される。
【００３６】
次に、貯湯タンク４の貯湯量が少なく不十分なときには、給湯栓４３による給湯利用時に混合温度検知手段４０での混合温度検出値が給湯需要設定温度よりも低くなった場合、追焚加熱部４２での追い焚き動作が必要となり、制御手段３９は、追焚加熱温度検知手段４９により、給湯需要設定温度になるように追焚加熱バーナ４４の燃焼量を追焚原料ガス供給弁４５のガス量調節により調整する。
【００３７】
このとき、燃料電池本体２０が発電している場合には、制御手段３９により、まず、燃料ガス供給手段２１の改質器バーナ加熱部２３の燃焼による排ガスから第１の排ガス熱交換器２７を介して貯湯タンク４の燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収され、さらに、追焚加熱部４２の追焚加熱バーナ加熱部４４の燃焼による排ガスから第２の排ガス熱交換器４８を介して貯湯タンク４の燃料電池内排熱回収配管３４側へ排ガスの熱回収が行われる。次に、水素を主成分とする燃料ガスと空気（酸素）とにより燃料電池本体２０の発電反応に伴う排熱を冷却水ポンプ３１を動作させ、冷却水熱交換器３２を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。制御手段３９は、第１の排ガス熱交換器２７、第２の排ガス熱交換器４８、冷却水熱交換器３２の順に排熱回収し、貯湯温度検知手段４１により貯湯タンク４の貯湯温度が高温（７０〜８０℃）一定になるように循環ポンプ３３の循環流量を制御する。
【００３８】
よって、燃料電池本体２０発電時、追焚加熱部４２の追焚加熱時には、貯湯タンク４への排熱回収量が冷却水熱交換器３２による排熱回収量に、排ガス経路の第１の排ガス熱交換器２７および／または第２の排ガス熱交換器４８による排熱回収配量が付加されるため熱回収効率が向上する。
【００３９】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３の燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図である。
【００４０】
実施の形態２と異なる点は、燃料ガス供給手段２１の改質器バーナ加熱部２３の排ガス経路と追焚加熱部４２の排ガス経路を結合した統合排ガス経路５０と、この統合排ガス経路５０内の排ガスの熱回収を行う統合排ガス熱交換器５１を設けた点である。
【００４１】
なお、実施の形態１、２と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００４２】
次に、動作、作用について説明する。
【００４３】
まず、燃料電池起動時には、制御手段３９により、燃料ガス供給手段２１の改質器バーナ加熱部２３の燃焼量を制御し、改質器２５を加熱するとともに改質器２５の加熱により水素を主成分とする燃料ガスが所定の一酸化炭素濃度（約１０〜２０ｐｐｍ）以下になれば燃料電池本体２０に供給する。
【００４４】
次に、燃料電池発電時には、制御手段３９により、まず、燃料ガス供給手段２１の改質器バーナ加熱部２３の燃焼による排ガスから統合排ガス熱交換器５１を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。次に、燃料ガス供給手段２１の改質器２５から供給された水素を主成分とする燃料ガスと空気供給装置２８から供給された空気（酸素）とにより燃料電池本体２０の発電反応に伴う排熱を冷却水ポンプ３１を動作させ、冷却水熱交換器３２を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。制御手段３９は、統合排ガス熱交換器５１、冷却水熱交換器３２の順に排熱回収し、貯湯温度検知手段４１により貯湯タンク４の貯湯温度が高温（７０〜８０℃）一定になるように循環ポンプ３３の循環流量を制御する。
【００４５】
貯湯タンク４が貯湯量が満タンになれば、循環ポンプを停止させ燃料電池内排熱回収配管３４と排熱回収配管３を介した排熱回収を完了する。
【００４６】
貯湯タンク４の貯湯量が少なく不十分なときには、実施の形態１と同様に追焚加熱部４２を介して、追焚加熱温度検知手段４９により、給湯需要設定温度になるように追焚加熱バーナ４４の燃焼量を調整する。
【００４７】
よって、燃料電池本体２０発電時、追焚加熱部４２の追焚加熱時には、貯湯タンク４への排熱回収が統合排ガス経路５０の統合排ガス熱交換器５１による排熱回収と冷却水熱交換器３２による発電反応の排熱回収が付加されるため熱回収効率が向上する。さらに、燃料電池本体２０の改質器バーナ加熱部２３の排ガス経路と追焚加熱部４２の排ガス経路を結合し、一つの排ガス熱交換器で排ガス熱回収を行うようにしたことにより、燃料電池コージェネレーションシステムとしての低コスト化、小型化、高効率化が図れる。
【００４８】
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４の燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図である。
【００４９】
実施の形態２と異なる点は、追焚加熱部４２の排ガス経路４７の第２の排ガス熱交換器４８をバイパスさせるバイパス回路５２とバイパス回路５２と第２の排ガス熱交換器４８を切り換えるバイパス弁５３を設けた点である。
【００５０】
なお、実施の形態１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００５１】
次に、動作、作用について説明する。
【００５２】
燃料電池発電時には、制御手段３９により、まず、燃料ガス供給手段２１の改質器バーナ加熱部２３の燃焼による排ガスから第１の排ガス熱交換器２７を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。このとき、追焚加熱部４２が動作していなければ、バイパス弁５３を介してバイパス回路５２を経由して、追焚加熱部４２が動作していれば、第２の排ガス熱交換器４８を経由して熱回収する。次に、燃料ガス供給手段２１の改質器２５から供給された水素を主成分とする燃料ガスと空気供給装置２８から供給された空気（酸素）とにより燃料電池本体２０の発電反応に伴う排熱を冷却水ポンプ３１を動作させ、冷却水熱交換器３２を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。制御手段３９は、第１の排ガス熱交換器２７および／または第２の排ガス熱交換器４８、冷却水熱交換器３２の順に排熱回収し、貯湯温度検知手段４１により貯湯タンク４の貯湯温度が高温（７０〜８０℃）一定になるように循環ポンプ３３の循環流量を制御する。
【００５３】
貯湯タンク４が貯湯量が満タンになれば、循環ポンプを停止させ燃料電池内排熱回収配管３４、排熱回収配管３を介した排熱回収を完了する。
【００５４】
貯湯タンク４の貯湯量が少なく不十分なときには、実施の形態２と同様に追焚加熱部４２を介して、追焚加熱温度検知手段４９により、給湯需要設定温度になるように追焚加熱バーナ４４の燃焼量を調整する。
【００５５】
よって、燃料電池本体２０発電時、追焚加熱部４２が非動作時には、貯湯タンク４への排熱回収が第１の排ガス経路２７の第１の排ガス熱交換器２７による排熱回収と冷却水熱交換器３２による発電反応の排熱回収とにより行われ、追焚加熱部４２の第２の排ガス経路４７の第２の排ガス熱交換器４８を経由することなく行われるため排ガス熱交換器による放熱ロスをなくし、一層の高効率化が図れる。
【００５６】
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５の燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図である。
【００５７】
実施の形態２と異なる点は、燃料電池本体２０と化学反応した後の燃料排ガス中の熱を熱回収する燃料排ガス熱交換器５４を第２の排ガス熱交換器４８と冷却水熱交換器３２の間に配置した点である。
【００５８】
なお、実施の形態１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００５９】
次に、動作、作用について説明する。
【００６０】
燃料電池発電時には、制御手段３９により、まず、燃料ガス供給手段２１の改質器バーナ加熱部２３の燃焼による排ガスから第１の排ガス熱交換器２７を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。このとき、追焚加熱部４２が動作していれば、第２の排ガス熱交換器４８でさらに追焚加熱手段の排ガスの熱回収を行う。次に、燃料排ガス熱交換器５４を経由して、燃料電池本体２０と化学反応した後の燃料排ガス中の熱を熱回収する。さらに、燃料電池本体２０の発電反応に伴う排熱を冷却水ポンプ３１を動作させ、冷却水熱交換器３２を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。制御手段３９は、第１の排ガス熱交換器２７および第２の排ガス熱交換器４８、燃料排ガス熱交換器５４、冷却水熱交換器３２の順に排熱回収し、貯湯温度検知手段（サーミスタ）４１により貯湯タンク４の貯湯温度が高温（７０〜８０℃）一定になるように循環ポンプ３３の循環流量を制御する。
【００６１】
貯湯タンク４が貯湯量が満タンになれば、循環ポンプを停止させ燃料電池内排熱回収配管３４、排熱回収配管３を介した排熱回収を完了する。
【００６２】
貯湯タンク４の貯湯量が少なく不十分なときには、実施の形態２と同様に追焚加熱部４２を介して、追焚加熱温度検知手段４９により、給湯需要設定温度になるように追焚加熱バーナ４４の燃焼量を調整する。
【００６３】
よって、貯湯タンクへの熱回収を、燃料電池の改質器バーナ加熱部の排ガス熱交換器および／または追焚加熱手段の排ガス熱交換器による熱回収、次に燃料電池と化学反応した後の燃料排ガス中の熱を熱回収する燃料排ガス熱交換器、さらに燃料電池の発電時の冷却水循環による冷却水熱交換器を介した熱回収の順に行うことにより排気ガスと貯湯水の低温熱交換（ガス−水熱交換）から燃料電池の冷却水と貯湯水の高温熱交換（水−水熱交換）を順次行うことにより、燃料電池、追焚加熱手段の排熱回収効率が一段と向上する。
【００６４】
なお、本実施の形態では、燃料電池と化学反応した後の燃料排ガス中の熱を熱回収する燃料排ガス熱交換器を排ガス熱交換器と冷却水熱交換器の間に設ける構成としたが燃料電池と化学反応した後の酸化剤排ガス中の熱を熱回収する酸化剤排ガス熱交換器を設けた構成としても、同様の効果を有することは言うまでもない。
【００６５】
また、改質器バーナ加熱部の排ガス熱交換器および／または追焚加熱手段の排ガスについて熱交換器実施の形態２，３または４のような構成を採用しても同様の効果を有することは言うまでもない。
【００６６】
（実施の形態６）
図６は、本発明の実施の形態６の燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図である。
【００６７】
実施の形態２と異なる点は、
冷却水配管３０の循環経路の冷却水熱交換器３２をバイパスさせる冷却水バイパス弁５５、バイパス回路中に燃料電池本体２０起動時に冷却水を加熱するためのヒータ等の加熱手段５６を備えている点。また、貯湯タンクへの回収熱をバイパスさせる貯湯タンクバイパス回路５７に切り換える貯湯タンクバイパス弁５８，５９を備えた点である。
【００６８】
なお、実施の形態２と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００６９】
次に、動作、作用について説明する。
【００７０】
まず、燃料電池起動時には、制御手段３９により、燃料ガス供給手段２１の改質器バーナ加熱部２３の燃焼量を制御し、改質器２５を加熱するとともに改質器２５の加熱により水素を主成分とする燃料ガスが所定の一酸化炭素濃度（約１０〜２０ｐｐｍ）以下になれば燃料電池本体２０に供給する。
【００７１】
このとき、冷却水バイパス弁５５を加熱手段５６側にバイパスさせ、燃料電池本体２０の冷却水を加熱手段（ヒータ）５６により発電に適した温度になるように昇温させる。
【００７２】
さらに、貯湯タンクバイパス弁５８，５９を貯湯タンクバイパス回路５７側に切り換え改質器バーナ加熱部２３の燃焼による排ガス熱を第１の排ガス熱交換器２７を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。そして、循環ポンプ３３により燃料電池内排熱回収配管３４と貯湯タンクバイパス回路５７の閉回路を排熱循環させる。この排ガス熱交換器２７からの回収熱を冷却水熱交換器３２を介して冷却水配管３０側へ熱回収し、冷却水バイパス弁５５の弁開度を調節して、排ガス熱交換器２７からの回収熱と加熱手段（ヒータ）５６と両者の熱回収により燃料電池本体２０を加温する。
【００７３】
次に、燃料電池発電時には、制御手段３９により、まず、燃料ガス供給手段２１の改質器バーナ加熱部２３の燃焼による排ガスから第１の排ガス熱交換器を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。次に、冷却水バイパス弁を冷却水熱交換器側に通じ、燃料電池本体２０の発電反応に伴う排熱を冷却水ポンプ３１を動作させ、冷却水熱交換器３２を介して燃料電池内排熱回収配管３４側へ熱回収する。貯湯タンクバイパス弁５８，５９は、貯湯タンクバイパス回路５７側から貯湯タンク４への排熱回収側へ切り換える。制御手段３９は、第１の排ガス熱交換器２７、冷却水熱交換器３２の順に排熱回収し、貯湯温度検知手段（サーミスタ）４１により貯湯タンク４の貯湯温度が高温（７０〜８０℃）一定になるように循環ポンプ３３の循環流量を制御する。
【００７４】
よって、燃料電池起動時は、冷却水循環経路の冷却水熱交換器３２をバイパス比を調節し、排ガス熱交換器２７からの回収熱と加熱手段（ヒータ）５６と両者の熱回収により冷却水を昇温させ、燃料電池を加温するようにしたことにより、燃料電池起動時に、燃料電池起動のための冷却水の昇温が迅速になり、短時間起動が可能となり、使い勝手がさらに向上する。
【００７５】
なお、改質器バーナ加熱部の排ガス熱交換器および／または追焚加熱手段の排ガスについて熱交換器実施の形態２、３、４または５のような構成を採用しても同様の効果を有することは言うまでもない。
【００７６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムによれば、次の効果が得られる。
【００７７】
１）貯湯タンク側部に燃料電池と追焚加熱手段を近接し、燃料ガス供給手段としての改質器や酸化剤ガス供給手段としてのブロアファン、加湿器さらに燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池本体等の重量部品を搭載した燃料電池を下部に、熱交換器、バーナ等の比較的軽量部品を搭載した追焚加熱手段を燃料電池の上部に配置したことにより、機器全体の設置安定性に優れ、燃料電池本体等の重量部品の部品交換等のサービス、メンテ性が良くできる。
【００７８】
２）燃料電池を追焚加熱手段の下部に設けおり、燃料電池の運転温度が７０〜８０℃と高温であるため、燃料電池運転時には燃料電池部分より余熱が上昇し、追焚加熱手段の入出口配管である出湯配管や給湯配管が保温され、冷えにくくなり、給湯機固有の課題である出湯の前後の配管内の湯が冷やされる現象（いわゆる、前冷え、冷水サンドイッチ現象）が緩和される。
【００７９】
３）燃料電池と貯湯タンクと追焚加熱手段とを一つの外装内で接続構成することにより、燃料電池と貯湯タンク間、貯湯タンクと追焚加熱手段間の給湯配管が簡略化、最短化でき、燃料電池と貯湯タンクと追焚加熱手段とを断熱材など共用化できるため、一層の小型化と排熱ロス低減による高効率化が図れる。
【００８０】
４）燃料電池の改質器バーナ加熱部の排ガスと追焚加熱手段の排ガスの熱回収をすることにより排熱回収効率を高められ、かつ排ガス熱交換器による熱回収、次に前記燃料電池本体の発電時排熱の冷却水循環による冷却水熱交換器を介した熱回収の順に行うことにより、排気ガスの潜熱回収の後に、燃料電池の冷却水の熱交換という効率良い排熱回収が実現でき、高効率なコージェネレーション機器を提供できる。
【００８１】
５）燃料電池の改質器バーナ加熱部の排ガス経路と追焚加熱手段の排ガス経路を結合し、一つの排ガス熱交換器で排ガス熱回収を行うようにしたことにより、低コスト化、小型化、高効率化が図れる。
【００８２】
６）追焚加熱手段非動作時は、追焚加熱手段の排ガス経路の排ガス熱交換器をバイパスさせることにより、追焚加熱手段の排ガス経路の排ガス熱交換器を経由することことによる放熱ロスをなくし、一層の高効率化が図れる。
【００８３】
７）貯湯タンクへの熱回収を、燃料電池の改質器バーナ加熱部の排ガス熱交換器および／または追焚加熱手段の排ガス熱交換器による熱回収、次に燃料電池と化学反応した後の燃料排ガス中の熱を熱回収する燃料排ガス熱交換器および／または燃料電池と化学反応した後の酸化剤排ガス中の熱を熱回収する酸化剤排ガス熱交換器、さらに燃料電池の発電時の冷却水循環による冷却水熱交換器を介した熱回収の順に行うことにより排気ガスと貯湯水の低温熱交換（ガス−水熱交換）から燃料電池の冷却水と貯湯水の高温熱交換（水−水熱交換）を順次行うことにより、燃料電池、追焚加熱手段の排熱回収効率が一段と向上する。
【００８４】
８）燃料電池起動時は、冷却水循環経路の冷却水熱交換器３２をバイパス比を調節し、排ガス熱交換器２７からの回収熱と加熱手段（ヒータ）５７と両者の熱回収により冷却水を昇温させ、燃料電池を加温するようにしたことにより、燃料電池起動時に、燃料電池起動のための冷却水の昇温が迅速になり、短時間起動が可能となり、使い勝手が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図
【図２】本発明の実施の形態２の燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図
【図３】本発明の実施の形態３の燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図
【図４】本発明の実施の形態４の燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図
【図５】本発明の実施の形態５の燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図
【図６】本発明の実施の形態６の燃料電池コージェネレーションシステムのブロック構成図
【図７】従来の排熱回収装置のブロック構成図
【符号の説明】
１ 燃料電池
３ 排熱回収配管
４ 貯湯タンク
５ 出湯配管
６ 追焚加熱手段
１４ 外装
２３ 改質器バーナ加熱部
２７ 第１の排ガス熱交換器
３２ 冷却水熱交換器
４８ 第２の排ガス熱交換器
５１ 統合排ガス熱交換器
５２，５７ バイパス回路
５４ 燃焼排ガス熱交換器
Claims (8)
- 燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の発電時の排熱を回収する貯湯タンクと、前記貯湯タンクの湯水を追焚加熱する追焚加熱手段とを有し、前記追焚加熱手段および前記燃料電池は前記貯湯タンク側部に配置され、前記追焚加熱手段は、前記燃料電池の上部に配置されている燃料電池コージェネレーションシステム。
- 少なくとも前記貯湯タンクおよび追焚加熱手段が、断熱材を有する１つの外装内に収納されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
- 前記貯湯タンクが、前記貯湯タンクの上部より貯湯されていく積層式であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
- 前記燃料ガスを生成する改質器を加熱するバーナ加熱部および前記追焚加熱手段の少なくともいずれか一方の排ガスの熱を回収する排ガス熱交換器と、前記燃料電池を冷却する冷却水中の熱を回収する冷却水熱交換器とを備え、貯湯タンクへの熱回収は、（１）前記排ガス熱交換器による熱回収（２）前記冷却水熱交換器による熱回収の順に行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
- 前記改質器バーナ加熱部の排ガス経路と前記追焚加熱手段の排ガス経路とが結合し、一つの排ガス熱交換器で排ガス熱回収を行うことを特徴とする請求項４記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
- 前記追焚加熱手段非動作時に、前記追焚加熱手段の排ガス経路の排ガス熱交換器をバイパスするバイパス回路を備えることを特徴とする請求項４記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
- 前記排ガス熱交換器の下流、かつ前記冷却水熱交換器の上流に前記燃料電池からの燃料排ガス中の熱を熱回収する燃料排ガス熱交換器および前記燃料電池からの酸化剤排ガス中の熱を熱回収する酸化剤排ガス熱交換器の少なくともいずれか一方を備えることを特徴とする請求項４または〜６記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
- 前記貯湯タンクから前記冷却水熱交換器までの排熱回収路と前記貯湯タンクから前記排ガス熱交換器までの排熱回収路とをバイパスする貯湯タンクバイパス回路と、冷却水循環経路上に前記冷却水熱交換器をバイパスするバイパス回路と、前記バイパス回路上に加熱手段とを備え、前記燃料電池起動時に、前記貯湯タンクバイパス回路に切り換え、前記冷却水熱交換器を介して前記加熱手段による回収熱を利用して冷却水を昇温させることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
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