JP2009068806A - 発電熱利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来のコージェネレーションシステムの利便性を失うことなく、大幅なコストダウンを実現できる燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】燃料電池発電ユニット２０および燃料供給部２２のうち少なくとも一方から取り出した熱を貯める貯湯槽７と、貯湯槽の下部に連通する第１の冷水排出系ラインＬ１を通って貯湯槽７の下部から取り出した冷水を燃料電池発電ユニット２０および燃料供給部２２のうち少なくとも一方と熱交換させる熱交換器３と、熱交換器３からの温水を貯湯槽７の上部に導入する第１の温水導入系ラインＬ２と、貯湯槽７の蓄熱レベルに基づく制御手段３０からの指令に従って、貯湯槽７の下部から取り出した冷水を追い炊きする瞬間湯沸し器１６と、瞬間湯沸し器１６により追い炊きした温水を貯湯槽７の上部に導入する第２の温水導入系ラインＬ５と、第２の冷水排出系ラインＬ４に設けられた第２のポンプ１５とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コージェネレーションシステム（電気と熱の併給システム）として用いられる発電熱利用システムに関する。

燃料が内包している化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するシステムとして燃料電池は優れた利便性を有する。燃料電池は、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものであるため、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、静かで有害な排ガスを出さないという利点を有し、環境に優しいシステムである。近年まで、燃料電池と言えば比較的大型のＰＡＦＣ（りん酸型）が主に開発されてきたが、最近では小型のＰＥＦＣ（固体高分子型燃料電池）の開発が活発化し、一般家庭用として燃料電池発電システムが普及する状況が期待されてきている。一般家庭用では電気と熱エネルギーの効率的な利用を図るために、発電に伴って発生する熱を利用して温水を得、その温水を給湯装置に供給して暖房等に利用する発電熱利用システムとして、所謂コージェネレーションシステムの構築が例えば特許文献１などに提案されている。

従来の典型的な発電熱利用システム１００は、図７に示すように、燃料電池発電システム１０１と、燃料電池の発電熱を利用する熱利用システム１０２とを備えている。燃料電池発電システム１０１は、温水を回収する温水回収熱交換器１０３および温水回収ポンプ１０４を有し、燃料電池発電システムの各部から発生する熱を温水として回収し、熱利用システム１０２に送るようにしている。

熱利用システム１０２は、貯湯部１０５、瞬間湯沸部１０６、および複数系統の熱利用ラインＬ３，Ｌ６〜Ｌ７，Ｌ８〜Ｌ９を備えている。貯湯部１０５は、回収した水を蓄熱するものであり、大容量（２００リットル）タンク様式の貯湯槽１０７を有する。瞬間湯沸部１０６は、瞬間湯沸し機能を集約したものであり、複数の瞬間湯沸し器１６１，１６２，１６３を有する。瞬間湯沸し器１６１，１６２，１６３は、それぞれが小型（最大容量２０リットル）の２４号瞬間湯沸し器である。熱利用ラインのうち給湯系ラインＬ３はユーザーに温水を供給するライン、風呂追い炊き系ラインＬ６〜Ｌ７は風呂１７０の水を追い炊きするライン、床暖房系ラインＬ８〜Ｌ９は床暖房器１８０の熱媒を加熱するラインである。符号１６４，１６５はラインＬ６〜Ｌ７，Ｌ８〜Ｌ９に水や熱媒を循環させるための循環ポンプである
このように、現在一般に販売されている形態は、２４号瞬間湯沸し器、風呂追い炊き、床暖房対応等のフルスペックの給湯器に燃料電池発電ユニットを組み合わせた構成となっている。これにより、従来のフルスペックの給湯器の利便性を損なうことなく、熱利用系と燃料電池発電系とのコージェネレーションシステム（電気と熱の併給システム）を構築するようにしている。
特開２００４−２００８１号公報

しかしながら、コージェネレーションシステムを一般の家庭に普及させるためには、従来の燃料電池発電システムを大幅にコストダウンすることが必要である。すなわち、これを一般家庭のユーザーに普及させるためには、その販売価格を５０万円程度に設定する必要があるといわれている。一方で、フルスペックの給湯器が通常４０万円程度で販売されていることを考慮すると、図７の構成で販売価格を５０万円まで下げることは現実的に困難である。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、従来のコージェネレーションシステムの利便性を失うことなく、大幅なコストダウンを実現できる発電熱利用システムを提供することを目的とする。

本発明に係る発電熱利用システムは、発電により電力と熱を生成する燃料電池発電ユニットを有する燃料電池発電部と、前記燃料電池発電ユニットに燃料を供給する燃料供給部と、前記燃料電池発電ユニットおよび前記燃料供給部のうち少なくとも一方から熱を取り出す熱利用部と、前記燃料電池発電部、前記燃料供給部および前記熱利用部を制御する制御手段とを具備する発電熱利用システムにおいて、前記熱利用部に設けられ、前記燃料電池発電ユニットおよび前記燃料供給部のうち少なくとも一方から取り出した熱を貯める貯湯槽と、前記貯湯槽の下部に連通する第１の冷水排出系ラインと、前記第１の冷水排出系ラインを通って前記貯湯槽の下部から取り出した冷水を前記燃料電池発電ユニットおよび前記燃料供給部のうち少なくとも一方と熱交換させる熱交換器と、前記熱交換器と前記貯湯槽の上部とに連通し、前記熱交換器からの温水を前記貯湯槽の上部に導入する第１の温水導入系ラインと、前記第１の冷水排出系ラインおよび前記第１の温水導入系ラインのうち少なくとも一方に設けられた第１のポンプと、前記貯湯槽の下部に連通する第２の冷水排出系ラインと、前記貯湯槽の蓄熱レベルに基づく前記制御手段からの指令に従って、前記第２の冷水排出系ラインを通って前記貯湯槽の下部から取り出した冷水を追い炊きする瞬間湯沸し器と、前記瞬間湯沸し器と前記貯湯槽の上部とに連通し、前記瞬間湯沸し器により追い炊きした温水を前記貯湯槽の上部に導入する第２の温水導入系ラインと、前記第２の冷水排出系ラインおよび前記第２の温水導入系ラインのうち少なくとも一方に設けられた第２のポンプと、を有することを特徴とする。

上記の発電熱利用システムは、貯湯槽内の蓄熱状況を把握する手段をさらに有することが好ましい。制御手段は、貯湯槽内の蓄熱量を把握し、把握した蓄熱量が所定の設定値以下となる場合に、貯湯槽の下部から取り出した冷水を追い炊きさせる信号を瞬間湯沸し器に送ることができる。蓄熱量の所定の設定値は、本発明者が多くの実証試験を通して求めた閾値であり、例えば貯湯槽内の温水と冷水との境界面が上限レベルを超える（例えば貯湯槽内の温水比率が２０％未満となる）ときの閾値をいう。

また、制御手段は、貯湯槽内の蓄熱量の変化率を把握し、把握した蓄熱量の変化率に基づいて蓄熱減少率を求め、求めた蓄熱減少率から所定の設定時間以内に貯湯槽内において湯切れの発生が予測される場合に、貯湯槽の下部から取り出した冷水を追い炊きさせる信号を瞬間湯沸し器に送るようにしてもよい。湯切れ発生の予測（時間）は、本発明者が多くの実証試験と理論を組み合わせて求めた閾値である。このような閾値は、例えば把握した現蓄熱量の変化率を時間変化率で微分解析した関数（ｄレベル／ｄＴ）を用いて求められる。

また、上記の発電熱利用システムは、家庭の熱需要および電気需要を把握する手段および貯湯槽内の蓄熱状況を把握する手段をさらに有することが好ましい。制御手段は、過去の一定期間にわたる家庭の熱需要および電気需要の実績から現在の熱需要を予測し、貯湯槽内において湯切れの発生が予測される場合に、貯湯槽の下部から取り出した冷水を追い炊きさせる信号を瞬間湯沸し器に送ることができる。湯切れ発生の予測時間は、過去の実績値に基づいて求められる。

また更に、上記の発電熱利用システムは、貯湯槽内部の水質を把握する手段をさらに有することが望ましい。制御手段は、貯湯槽内部でレジオネラ菌が発生するリスクが所定の設定値を超える場合に、貯湯槽の底部が所定の設定温度以上になるまで追い炊きさせる信号を瞬間湯沸し器に送ることができる。これに応じて瞬間湯沸し器は、必要な温度に必要な時間だけ貯湯槽内の水を加熱し、レジオネラ菌発生リスクを実質的にゼロとする。

上記の瞬間湯沸し器には市販の小型汎用瞬間湯沸し器や小型電気温水器（例えば５号汎用小型追炊きボイラなど）を用いることが望ましい。瞬間湯沸し器は、貯湯槽と連繋して動作が制御されるものであり、貯湯槽の蓄熱状態を把握し、把握した蓄熱状態から貯湯槽内の湯切れを予測したときに貯湯槽内の水を追い炊きする。制御手段は、貯湯槽内の湯切れを予測すると、第２のポンプへON/OFF指令信号を送り、瞬間湯沸かし器を制御する。このような瞬間湯沸し器は、フルスペック性能である必要はなく必要最小限度の性能だけ備えていれば足り、低コストの小型のものを採用することによりシステム全体の販売価格を抑えることができる。

本発明によれば、従来のように湯切れ時にリアルタイムで湯を沸かして供給するのではなく、小型湯沸かし器を用いて貯湯槽と連携させるため、貯湯槽の負荷が軽減され、貯湯槽に掛かるコストを大幅に低減することができる。

以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための最良の実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１を参照して本発明の第１の実施形態に係る発電熱利用システムについて説明する。本実施形態の発電熱利用システム１０が図７に示す従来システム１００と異なる部分は、従来の給湯用瞬間湯沸し器１６１、風呂追い炊き系ラインＬ６〜Ｌ７の瞬間湯沸し器１６２、床暖房系ラインＬ８〜Ｌ９の瞬間湯沸し器１６３の代わりとして、５号程度の小型追炊ボイラ１６（５号相当品）および追炊循環ポンプ１５が設けられ、さらに制御器３０が付加されていることである。

発電熱利用システム１０は、発電を行う燃料電池発電部１と、発電熱を利用する熱利用部２とを組み合わせてなる複合システムである。燃料電池発電部１は、燃料電池発電ユニット２０と、燃料供給部としての燃料供給源２２と、熱交換器３と、ポンプ４と、制御器３０とを備えている。一方、熱利用部２は、貯湯槽７と、５号相当品の小型追炊ボイラ１６と、追炊循環ポンプ１５とを備えている。熱利用部２の貯湯槽７は、上部に温水導入系ラインＬ２，Ｌ５および給湯系ラインＬ３がそれぞれ接続され、下部に冷水排出系ラインＬ１，Ｌ４が接続されている。

燃料電池発電ユニット２０は、多段に積み重ねて直列接続した複数の燃料電池（単電池）を有し、その発電部（発熱部）が熱交換器３と熱交換可能に接触している。燃料電池発電ユニット２０の燃料電池は、燃料として改質ガス（ジメチルエーテルを改質した水素含有ガス）を使用するものであってもよいしメタノール蒸気を使用するものであってもよい。

燃料供給源２２は、図示しないタンク、流量制御弁、圧力制御弁を内蔵し、制御器３０から信号Ｓ１を受けると、燃料電池発電ユニット２０に所定流量の燃料（メタノール液など）を供給するようになっている。ポンプ４は、熱交換器３と熱利用部２の貯湯槽７とを繋ぐ冷水排出系ラインＬ１に設けられ、制御器３０から信号Ｓ２を受けると、貯湯槽下部の冷水（４０℃以下の水）を熱交換器３に供給するようになっている。熱交換器３において発電ユニット２０の発電熱を受けて加熱された温水（６０℃以上の湯）は、温水導入系ラインＬ２を通って貯湯槽７の上部に供給される。すなわち、水は、貯湯槽７の下部→ラインＬ１→ポンプ４→熱交換器３→ラインＬ２→貯湯槽７の上部からなるループ回路を循環する。

貯湯槽７は、気密な圧力容器からなり、その内部は常に水又は温水で満たされている。貯湯槽７内の温水は、所謂「積層沸き上げ」によって上部に向かうに従って高温のお湯が蓄えられている。このため、ラインＬ２を通って温水回収熱交換器３からお湯（温水）を導入するための給湯入口と、ラインＬ５を通って５号相当品の小型追炊きボイラ１６からお湯を導入するための給湯入口と、お湯を給湯系ラインＬ３へ供給するための給湯出口と、はそれぞれ貯湯槽７の上部に設けられている。一方、貯湯槽７内の冷水を追炊きするために、ラインＬ１を通って貯湯槽７から冷水を抜き出すための冷水排出口、およびラインＬ４を通って貯湯槽７から冷水を抜き出すための冷水排出口と、はそれぞれ貯湯槽７の下部に設けられている。

また、貯湯槽７には複数の温度センサが異なる高さレベル位置にそれぞれ取り付けられ、各高さレベルの温度が検出されるようになっている。図示の例では４つの温度センサ１１，１２，１３，１４を貯湯槽７に対して等ピッチ間隔に取り付けている。各温度センサ１１，１２，１３，１４は制御器３０の入力側に接続され、温度検出信号を制御器３０にそれぞれ送るようになっている。なお、図中の符号８は温水（６０℃以上のお湯）と冷水（４０℃以下の水）との境界面を表している。

制御器３０の基本的な機能は、貯湯槽７の湯切れリスクを検知し、湯切れが発生する前に、５号相当品の小型追炊ボイラ１６と追炊循環ポンプ１５をそれぞれ作動させ、予め貯湯槽７内の貯湯量を増やして、湯切れの発生を未然に防止することにある。

湯切れリスクを検知するロジックとしては、様々な手法が考えられるが、代表的なロジックについて図２、図３、図４にそれぞれ示した。制御器３０のＣＰＵ等の制約が大きい場合は、ロジック１を選択して、図２に示すように、貯湯槽７内の単純な貯湯量の変化に応じてＯＮ／ＯＦＦ制御する。ロジック１においては、制御器３０は、温度センサ１１，１２，１３，１４から温度検出信号を受け取ると、それらに基づいて温水／冷水境界面８がどの高さレベル位置にあるかを把握し、その位置が予め設定された所定の閾値レベルを超えるとき（例えば境界面８が第３センサ１３と第４センサ１４の間の高さレベルにあるとき）に湯切れ予測と判断して、ポンプ１５に指令信号Ｓ３を送り、貯湯槽７の下部から冷水（４０℃以下の水）を抜き取り循環ラインＬ４，Ｌ５に循環させるとともに、５号相当品の小型追炊ボイラ１６に追炊指令信号Ｓ４を送り、貯湯槽７下部から抜き取った冷水を追い炊きさせる。水は、貯湯槽７の下部→ラインＬ４→ポンプ１５→５号相当品の小型追炊ボイラ１６→ラインＬ５→貯湯槽７の上部からなるループ回路を循環しながら昇温する。これにより温水／冷水境界面８が第３センサ１３の高さレベルより下方の安全レベルまで下がり、湯切れの発生が未然に防止される。

制御器３０のＣＰＵ等の制約が比較的小さい場合は、ロジック２を選択して、図３に示すように、貯湯量の変化量から湯切れ時間を予測し、その予測時間が１時間以内の場合は３時間以上となるまで追炊きを開始することにより、さらに湯切れ発生防止の精度を上げる。

さらに、制御器３０のＣＰＵに余力がある場合は、ロジック３を選択して、図４に示すように、図示しない家庭内電力需要と、給湯需要を過去数週間にわたり監視した実績に基づいて当日の湯消費量を推測し、湯切れ時間を予測することで、最も湯切れ発生防止の精度を上げることができる。

いずれのロジック１，２，３を用いる場合であっても一定のマージンをのせて、湯切れを防止することが重要であるが、万一湯切れが発生した場合であっても、小型追炊ボイラ１６で１０分間程度追炊きすることで、風呂湯張り以外は十分対応できるため、ユーザーの利便性に対して致命的なインパクトを与えることは避けられる。

一方、燃料電池発電ユニット２０が万一故障したとしても、小型追炊きボイラ１６の加熱により湯切れの心配がなく、本実施形態のシステム１０においても図７に示した従来システム１００と同等の信頼性を確保することができる。

さらに、本実施形態のシステム１０はレジオネラ菌対策機能を有する。貯湯槽７内にレジオネラ菌の繁殖リスクが予め設定した閾値レベル以上に高まった場合に、５号相当品の小型追炊ボイラ１６を貯湯槽７の蓄熱状況に関係なく加熱し、貯湯槽７の最下部温度が６０℃超となるまで継続する。この時、５号相当品の小型追炊ボイラ１６は１０分間以上継続で自動ＯＦＦするため、９分間ＯＮと約３分間ＯＦＦのＯＮ／ＯＦＦ動作を繰り返すことで、保護を回避する。

なお、レジオネラ菌対策機能においては、実際にレジオネラ菌が繁殖してしまってからでは遅すぎるので、貯湯槽７内に保留される水の滞留量と貯湯槽７から取り出される温水の出湯量（消費量）とは常に監視下におかれ、レジオネラ菌の繁殖リスクが所定の設定値を超えて上昇するのを未然に防止するようにしている。すなわち、レジオネラ菌の繁殖リスクは水質に大きく依存するため、所定の設定時間（例えば３０日間）を超えて劣化した古い水が貯湯槽７（容量２００リットル）内に長時間にわたって滞留しないように制御器３０が貯湯槽７内の水を時間監視する。この貯湯槽７内の水の時間監視において、所定の設定時間（例えば３０日間）が到来すると、制御器３０は、小型追炊きボイラ１６を用いて貯湯槽７内の水を加熱沸騰して殺菌するか、または図示しないドレイン流路のバルブを開けて貯湯槽７内の水を系外に排出して新鮮な水と入れ替える。このようにすることにより、貯湯槽７内の水にレジオネラ菌が繁殖するのを未然に防止することができる。

以下に小型追炊きボイラ１６の性能の一例を示す。

１）タンク炊上げ温度：高温追炊き…約９０℃
低温追炊き…約７５℃（レジオネラ菌対策の最低設定温度）
２）ふろ湯温設定：３５〜４８℃（１℃刻み）
ふろ湯量設定：１００〜４００リットル（２０リットル刻み）
３）給湯湯温設定：３５〜４８℃（１℃刻み）、５０℃、６０℃
４）音声案内機能：設定の変更などを行えば、その都度、その内容を音声で復唱する。

以上のとおり、本実施形態の発電熱利用システムでは、熱利用設備を大幅に簡素化することで、利便性低下が少なく、大きなコストダウンを図ることができる。

（第２の実施形態）
次に図５を参照して本発明の第２の実施形態の発電熱利用システムについて説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。

本実施形態の発電熱利用システム１０Ａでは、熱利用システムが大幅に簡素化されたことを受けて、燃料電池発電部１Ａと熱利用部２Ａとを共通のパッケージケース内に納めて一体化している。また、燃料電池発電部１Ａでは、燃料供給源２２を熱交換器３と熱交換可能に接触させている。

燃料供給源２２は、図示しないタンク、改質器、ＣＯ除去器、流量制御弁、圧力制御弁を内蔵し、制御器３０Ａから信号Ｓ１を受けると、燃料電池発電ユニット２０に所定流量の燃料（水素を含有する改質ガスなど）を供給するようになっている。ポンプ４は、熱交換器３と熱利用部２の貯湯槽７とを繋ぐ冷水排出系ラインＬ１に設けられ、制御器３０Ａから信号Ｓ２を受けると、貯湯槽下部の冷水（４０℃以下の水）を熱交換器３に供給するようになっている。熱交換器３において燃料供給源２２（改質器）の反応熱を受けて加熱された温水（６０℃以上の湯）は、温水導入系ラインＬ２を通って貯湯槽７の上部に供給される。すなわち、水は、貯湯槽７の下部→ラインＬ１→ポンプ４→熱交換器３→ラインＬ２→貯湯槽７の上部からなるループ回路を循環する。

湯切れリスクを検知する代表的なロジックについて図２、図３、図４にそれぞれ示した。制御器３０ＡのＣＰＵ等の制約が大きい場合は、ロジック１を選択して、図２に示すように、貯湯槽７内の単純な貯湯量の変化に応じてＯＮ／ＯＦＦ制御する。ロジック１においては、制御器３０Ａは、温度センサ１１，１２，１３，１４から温度検出信号を受け取ると、それらに基づいて温水／冷水境界面８がどの高さレベル位置にあるかを把握し、その位置が予め設定された所定の閾値レベルを超えるとき（例えば境界面８が第３センサ１３と第４センサ１４の間の高さレベルにあるとき）に湯切れ予測と判断して、ポンプ１５に指令信号Ｓ３を送り、貯湯槽７の下部から冷水（４０℃以下の水）を抜き取り循環ラインＬ４，Ｌ５に循環させるとともに、５号相当品の小型追炊ボイラ１６に追炊指令信号Ｓ４を送り、貯湯槽７下部から抜き取った冷水を追い炊きさせる。水は、貯湯槽７の下部→ラインＬ４→ポンプ１５→５号相当品の小型追炊ボイラ１６→ラインＬ５→貯湯槽７の上部からなるループ回路を循環しながら昇温する。これにより温水／冷水境界面８が第３センサ１３の高さレベルより下方の安全レベルまで下がり、湯切れの発生が未然に防止される。

制御器３０ＡのＣＰＵ等の制約が比較的小さい場合は、ロジック２を選択して、図３に示すように、貯湯量の変化量から湯切れ時間を予測し、その予測時間が１時間以内の場合は３時間以上となるまで追炊きを開始することにより、さらに湯切れ発生防止の精度を上げる。

さらに、制御器３０ＡのＣＰＵに余力がある場合は、ロジック３を選択して、図４に示すように、図示しない家庭内電力需要と、給湯需要を過去数週間にわたり監視した実績に基づいて当日の湯消費量を推測し、湯切れ時間を予測することで、最も湯切れ発生防止の精度を上げることができる。

いずれのロジック１，２，３を用いる場合であっても一定のマージンをのせて、湯切れを防止することが重要であるが、万一湯切れが発生した場合であっても、５号相当品の小型追炊ボイラ１６で１０分間程度追炊きすることで、風呂湯張り以外は十分対応できるため、ユーザーの利便性に対して致命的なインパクトを与えることは避けられる。

一方、燃料電池発電ユニット２０が万一故障したとしても、５号相当品の小型追炊きボイラ１６の加熱により湯切れの心配がなく、本実施形態のシステム１０Ａにおいても図７に示した従来システム１００と同等の信頼性を確保することができる。

（第３の実施形態）
次に図６を参照して本発明の第３の実施形態の発電熱利用システムについて説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。

本実施形態の発電熱利用システム１０Ｂでは、熱利用部２Ｂにおいて、上記第１及び第２の実施形態の５号程度の小型追炊きボイラ１６（５号相当品）の代わりに市販の５号の汎用小型追炊きボイラ２５を取り付けている。熱利用部２Ｂの５号の汎用小型追炊ボイラ２５を接続する箇所は、取り合い形状を適合することで、接続を容易としている。５号の汎用小型追炊ボイラ２５は、このポンプ１５のＯＮ／ＯＦＦ動作による流れを自動的に検知し、ガス炊きを自動的に制御する機能を備えている。５号の汎用小型追炊きボイラ２５は大量生産されており、価格が数千円と手ごろであり、市販品を入手しやすいことから大幅なコストダウンを図ることができる。

また、本実施形態のシステム１０Ｂでは、燃料電池発電部１Ｂにおいて、燃料電池発電ユニット２０を熱交換器３と熱交換可能に接触させるとともに、燃料供給源２２を別の熱交換器３と熱交換可能に接触させている。すなわち、本実施形態のシステム１０Ｂでは、第１の実施形態のシステム１０に更に熱利用の循環ラインＬ１１，Ｌ１２を増設し、熱利用の効率を向上させている。燃料供給源２２は、図示しないタンク、改質器、ＣＯ除去器、流量制御弁、圧力制御弁を内蔵し、制御器３０Ａから信号Ｓ１を受けると、燃料電池発電ユニット２０に所定流量の燃料（水素を含有する改質ガスなど）を供給するようになっている。この燃料供給源２２（改質器）で発生する熱を、貯湯槽７の下部→ラインＬ１１→ポンプ４→熱交換器３→ラインＬ１２→貯湯槽７の上部からなるループ回路を循環させることにより利用する。このようにして本実施形態のシステム１０Ｂでは熱利用効率をさらに向上させることができる。

湯切れリスクを検知する代表的なロジックについて図２、図３、図４にそれぞれ示した。制御器３０ＢのＣＰＵ等の制約が大きい場合は、ロジック１を選択して、図２に示すように、貯湯槽７内の単純な貯湯量の変化に応じてＯＮ／ＯＦＦ制御する。ロジック１においては、制御器３０Ｂは、温度センサ１１，１２，１３，１４から温度検出信号を受け取ると、それらに基づいて温水／冷水境界面８がどの高さレベル位置にあるかを把握し、その位置が予め設定された所定の閾値レベルを超えるとき（例えば境界面８が第３センサ１３と第４センサ１４の間の高さレベルにあるとき）に湯切れ予測と判断して、ポンプ１５に指令信号Ｓ３を送り、貯湯槽７の下部から冷水（４０℃以下の水）を抜き取り循環ラインＬ４，Ｌ５に循環させ、５号の汎用小型追炊きボイラ２５に貯湯槽７の下部から抜き取った冷水を追い炊きさせる。水は、貯湯槽７の下部→ラインＬ４→ポンプ１５→５号の汎用小型追炊きボイラ２５→ラインＬ５→貯湯槽７の上部からなるループ回路を循環しながら昇温する。これにより温水／冷水境界面８が第３センサ１３の高さレベルより下方の安全レベルまで下がり、湯切れの発生が未然に防止される。

制御器３０ＢのＣＰＵ等の制約が比較的小さい場合は、ロジック２を選択して、図３に示すように、貯湯量の変化量から湯切れ時間を予測し、その予測時間が１時間以内の場合は３時間以上となるまで追炊きを開始することにより、さらに湯切れ発生防止の精度を上げる。

さらに、制御器３０ＢのＣＰＵに余力がある場合は、ロジック３を選択して、図４に示すように、図示しない家庭内電力需要と、給湯需要を過去数週間にわたり監視した実績に基づいて当日の湯消費量を推測し、湯切れ時間を予測することで、最も湯切れ発生防止の精度を上げることができる。

いずれのロジック１，２，３を用いる場合であっても一定のマージンをのせて、湯切れを防止することが重要であるが、万一湯切れが発生した場合であっても、５号の汎用小型追炊ボイラ２５で１０分間程度追炊きすることで、風呂湯張り以外は十分対応できるため、ユーザーの利便性に対して致命的なインパクトを与えることは避けられる。

一方、燃料電池発電ユニット２０が万一故障したとしても、５号の汎用小型追炊きボイラ２５の自動加熱により湯切れの心配がなく、本実施形態のシステム１０Ｂにおいても図７に示した従来システム１００と同等の信頼性を確保することができる。

また、本実施形態システムの追炊循環ポンプ１５は、制御器３０Ｂから信号Ｓ３を受けてＯＮ／ＯＦＦ動作する。５号の汎用小型追炊ボイラ２５は、このポンプ１５のＯＮ／ＯＦＦ動作による流れを自動的に検知し、ガス炊きを自動的に制御するため、制御器３０Ｂによる制御は不要で単純な構成となる。

本発明の第１の実施形態に係る発電熱利用システムを示すブロック構成図。 本発明の実施形態に係る発電熱利用システムの動作を制御するためのロジック図。 他の実施形態のロジック図。 他の実施形態のロジック図。 本発明の第２の実施形態に係る発電熱利用システムを示すブロック構成図。 本発明の第３の実施形態に係る発電熱利用システムを示すブロック構成図。 従来の発電熱利用システムを示すブロック構成図。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ…燃料電池発電部（燃料電池発電システム、パッケージ）、
２，２Ａ，２Ｂ…熱利用部（熱利用システム）、
３…熱交換器、４…温水回収ポンプ、
７…貯湯槽（タンク）、
８…温水／冷水境界面、
１０，１０Ａ，１０Ｂ…発電熱利用システム、
１１，１２，１３，１４…温度計、
１５…追炊循環ポンプ、
１６…小型追炊ボイラ（５号相当品）、
２０…燃料電池発電ユニット、
２２…燃料供給部（燃料供給源、改質器）、
２５…５号の汎用小型追炊ボイラ、
３０，３０Ａ，３０Ｂ…制御器、
１００…発電熱利用システム、１０１…燃料電池発電部、１０２…熱利用部、
１０５…貯湯部、１０６…瞬間湯沸部、１６１，１６２，１６３…瞬間湯沸器、
１７０…風呂、１８０…床暖房機、
Ｌ１，Ｌ４，Ｌ１１…冷水排出系ライン、Ｌ２，Ｌ５，Ｌ１２…温水導入系ライン、
Ｌ３…給湯系ライン、Ｌ６，Ｌ７…風呂追炊系ライン、Ｌ８，Ｌ９…床暖房系ライン。

Claims (6)

1. 発電により電力と熱を生成する燃料電池発電ユニットを有する燃料電池発電部と、前記燃料電池発電ユニットに燃料を供給する燃料供給部と、前記燃料電池発電ユニットおよび前記燃料供給部のうち少なくとも一方から熱を取り出す熱利用部と、前記燃料電池発電部、前記燃料供給部および前記熱利用部を制御する制御手段とを具備する発電熱利用システムにおいて、
   前記熱利用部に設けられ、前記燃料電池発電ユニットおよび前記燃料供給部のうち少なくとも一方から取り出した熱を貯める貯湯槽と、
   前記貯湯槽の下部に連通する第１の冷水排出系ラインと、
   前記第１の冷水排出系ラインを通って前記貯湯槽の下部から取り出した冷水を前記燃料電池発電ユニットおよび前記燃料供給部のうち少なくとも一方と熱交換させる熱交換器と、
   前記熱交換器と前記貯湯槽の上部とに連通し、前記熱交換器からの温水を前記貯湯槽の上部に導入する第１の温水導入系ラインと、
   前記第１の冷水排出系ラインおよび前記第１の温水導入系ラインのうち少なくとも一方に設けられた第１のポンプと、
   前記貯湯槽の下部に連通する第２の冷水排出系ラインと、
   前記貯湯槽の蓄熱レベルに基づく前記制御手段からの指令に従って、前記第２の冷水排出系ラインを通って前記貯湯槽の下部から取り出した冷水を追い炊きする瞬間湯沸し器と、
   前記瞬間湯沸し器と前記貯湯槽の上部とに連通し、前記瞬間湯沸し器により追い炊きした温水を前記貯湯槽の上部に導入する第２の温水導入系ラインと、
   前記第２の冷水排出系ラインおよび前記第２の温水導入系ラインのうち少なくとも一方に設けられた第２のポンプと、
   を有することを特徴とする発電熱利用システム。
2. 前記貯湯槽内の蓄熱状況を把握する手段をさらに有し、前記制御手段は、前記貯湯槽内の蓄熱量を把握し、把握した蓄熱量が所定の設定値以下となる場合に、前記貯湯槽の下部から取り出した冷水を追い炊きさせる信号を前記瞬間湯沸し器に送ることを特徴とする請求項１記載の発電熱利用システム。
3. 前記貯湯槽内の蓄熱状況を把握する手段をさらに有し、前記制御手段は、前記貯湯槽内の蓄熱量の変化率を把握し、把握した蓄熱量の変化率に基づいて蓄熱減少率を求め、求めた蓄熱減少率から所定の設定時間以内に前記貯湯槽内において湯切れの発生が予測される場合に、前記貯湯槽の下部から取り出した冷水を追い炊きさせる信号を前記瞬間湯沸し器に送ることを特徴とする請求項１記載の発電熱利用システム。
4. 家庭の熱需要および電気需要を把握する手段および前記貯湯槽内の蓄熱状況を把握する手段をさらに有し、前記制御手段は、過去の一定期間にわたる熱需要および電気需要の実績から現在の熱需要を予測し、前記貯湯槽内において湯切れの発生が予測される場合に、前記貯湯槽の下部から取り出した冷水を追い炊きさせる信号を前記瞬間湯沸し器に送ることを特徴とする請求項１記載の発電熱利用システム。
5. 前記貯湯槽内部の水質を把握する手段をさらに有し、前記制御手段は、前記貯湯槽内部でレジオネラ菌が発生するリスクが所定の設定値を超える場合に、前記貯湯槽の底部が所定の設定温度以上になるまで追い炊きさせる信号を前記瞬間湯沸し器に送ることを特徴とする請求項１記載の発電熱利用システム。
6. 前記瞬間湯沸し器は市販の小型汎用瞬間湯沸し器であり、前記制御手段は、前記第２のポンプへON/OFF指令信号を送ることで、前記瞬間湯沸かし器を制御することを特徴とする請求項１記載の発電熱利用システム。

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