JP2010267565A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池ユニットと貯湯ユニットを分離して熱回収配管で接続する形態では、熱回収配管が長く、かつ、屋外に露出しているために放熱量が大きくなる。
【解決手段】燃料電池ユニット２０１内の熱交換器１０２の前後の温度差ΔＴ１を制御するために流量調整器２０３によって熱交換器１０２を流れる熱回収水の流量を可変する。本構成によって、熱回収配管の燃料電池ユニットと貯湯ユニットの間の熱回収水の温度が高い時には流量を増やして外気との放熱を抑えることを可能とすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明はコジェネレーションシステム例えば燃料電池コジェネレーションシステムなどで排熱を離れた貯湯タンクに温水として蓄熱する燃料電池システムに関するものである。

従来の燃料電池システムとしては、燃料電池のコジェネレーションシステムに関するものがあった（例えば、特許文献１参照）。図３は、前記特許文献１に記載された従来の燃料電池のコジェネレーションシステムを示すものである。

図３において、燃料電池１０１は余剰な熱を熱交換器１０２で熱回収水に受け渡すことで排出している。この熱回収水は、循環ポンプ１０３によって貯湯タンク１０４の下部から熱回収配管１０５を通じて搬送されたものである。熱交換器１０２で燃料電池１０１の余剰熱で加熱された熱回収水は熱交出温度センサー１０８で検出され、その温度が貯湯タンク１０４の上部の温度よりも高い時は熱回収配管１０７によって貯湯タンク１０４の上部に搬送される。ここで加熱された熱回収水の温度が貯湯タンク１０４の上部の温度よりも低い時は切替弁１０９によってバイパス回路１１０を通じて熱回収配管１０５の合流部に搬送され回路内を循環する。

特開平１１−２２３３８５号公報（図１）

しかしながら、前記従来の構成では、貯湯タンクの温水は給湯に使用されるため一般的な給湯の最高温度Ｔ１（６０℃）以上で貯湯されなければならないため、熱交換器から出る熱回収水の貯湯タンクへの循環温度もＴ１（６０℃）以上の高温に制御される。貯湯タンクから熱交換器に送られる熱回収水の水温Ｔ２は一般家庭への水道水を貯湯タンクに供給しているために季節によって変動する。燃料電池などの運転量で決まる排熱量が熱交換器の加熱量Ｑと熱交換器を流れる熱回収水の流量Ｍ、熱交換器の加熱後の温度Ｔ１、加熱前の温度Ｔ２の関係は、加熱量Ｑ＝Ｍ×（Ｔ１−Ｔ２）となり、冬季に水道水の給水温度が下がるとＴ２が低下するため温度差ΔＴａ＝（Ｔ１−Ｔ２）が大きくなり、必然的に加熱量Ｑに対し流量Ｍを小さくしなければならない。また、現状のシステム設置をみると、設置スペースの関係から燃料電池ユニットと貯湯ユニットを分離して熱回収配管で接続する形態がとられているため、熱回収配管が長くかつ屋外に露出することになる。ここで、熱回収配管上を通水する熱回収水の温度Ｔ１と外気温Ｔ３の放熱を考えると、放熱量Ｆは温度差ΔＴｂ＝（Ｔ１−Ｔ３）と配管の表面積Ａと熱伝達率εの積に比例する（Ｆ∝ΔＴｂ×Ａ×ε）ため、冬季など外気温度Ｔ３が低いと、熱回収配管上を通水する熱回収水の温度Ｔ１と外気の温度Ｔ３の温度差が大きくなり、放熱量Ｆは増加する。一方、この放熱によって貯湯タンクへ入る熱回収水の温度Ｔ４を考えると、放熱量Ｆは、Ｆ＝Ｍ×（Ｔ１−Ｔ４）より、流量Ｍが小さくなると温度差ΔＴｃ＝（Ｔ１−Ｔ４）が大きくなり、熱回収水の熱交換器出口温度Ｔ１は一定のため貯湯タンクに入る温度Ｔ４は低下することになる。よって、燃料電池のように排熱量が少ないシステムにおいては冬季に給水温度が低下し外気温度が低下すると熱回収水の流量を低下させなければならず、熱回収水の流量が低下すると外気温の低下での熱回収水の放熱量による増加と合わせて、貯湯タンクに入る熱回収水の温度は低下することになるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、貯湯タンクへ熱を貯湯するコジェネレーションシステムで排熱の熱回収量が少ない燃料電池のようなシステムで、設置形態が主要本体ユニットと貯湯ユニットで分離されるために、熱回収配管における排熱の搬送時の放熱の割合が大きいという場合でもこれを考慮して放熱量をより少なく搬送出来るように配慮した燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、熱回収水の熱交換器での加熱制御量をその前後の温度差で制御するものである。

本構成によって、熱交換器への入温度が変動しても流量Ｍ＝加熱量Ｑ÷温度差ΔＴａ、温度差ΔＴａ＝（熱交換器入口温度Ｔ１−熱交換器出口温度Ｔ２）より、温度差ΔＴａを従来の熱交換器入口温度Ｔ１を給湯温度一定に制御するよりも低くとることになるため、流量Ｍは従来よりも大きくなる。流量を大きくとること、熱交換器入口温度Ｔ１を低くとることによって、放熱量をより少なく搬送出来るように配慮することができる。

本発明の燃料電池システムによれば、熱回収配管の燃料電池ユニットと貯湯ユニットの間の熱回収水の通水が外気との間で放熱するために貯湯タンクに湯がたまりにくい、あるいは放熱ロスが大きいという課題に対して改善をすることができる。

本発明の実施の形態１および実施の形態２における燃料電池システムの構成図 本発明の実施の形態３および実施の形態４と実施の形態５における貯湯式排熱回収システムの構成図 従来の燃料電池システムの構成図

第１の発明は、排熱を熱回収水との間で授受するための熱交換器を有する機器である燃料電池ユニットと、この燃料電池の排熱を回収し回収した熱を温水として使用するために蓄えるための貯湯タンクを有する貯湯ユニットと、燃料電池内ユニット内の熱交換器と貯湯ユニット内の貯湯タンクの間を接続し貯湯タンク内の水を熱回収水として熱交換器から排熱を受け取り貯湯タンクに循環させるための熱回収配管と、この熱回収配管上にあって循環する熱回収水の循環量を制御する流量調整器と、貯湯タンク内に蓄えられた温水が使用時に適切な温度ではないときに熱量の不足を補うために加熱するバックアップ熱源機と、前記流量調整器が熱回収水の熱交換器前後での温度差が所定の温度差になるように熱回収水の循環流量を制御する機能を備えたものである。

第２の発明は、特に、第１の発明において、流量調整器が熱回収水の熱交換器前後での温度差が所定の温度差になるように熱回収水の循環流量を制御する機能において、熱回収水の熱交換器に入る前の水温に応じて所定の温度差を可変する機能を有したものである。

第３の発明は、特に、第１の発明において、流量調整器が熱回収水の熱交換器前後での温度差が所定の温度差になるように熱回収水の循環流量を制御する機能において、外気温に応じて所定の温度差を可変する機能を有したものである。

第４の発明は、特に、第１の発明において、流量調整器が熱回収水の熱交換器前後での温度差が所定の温度差になるように熱回収水の循環流量を制御する機能において、熱回収水の熱交換器に入る前の水温と外気温の差に応じて所定の温度差を可変する機能を有した
ものである。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれかの発明において、流量調整器が熱回収水の熱交換器前後での温度差が所定の温度差になるように熱回収水の循環流量を制御するときに、熱回収水の熱交換器に入る前の水温が所定値２を超えたときには熱回収水の熱交換器後の温度を一定の値にするように制御する機能を有したものである。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図である。図１において、図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図１において、排熱を熱回収水との間で授受するための熱交換器１０２を有する機器である燃料電池ユニット２０１と、この燃料電池１０１の排熱を回収し回収した熱を温水として使用するために蓄えるための貯湯タンク１０４を有する貯湯ユニット２０２と、燃料電池ユニット２０１内の熱交換器１０２と貯湯ユニット２０２内の貯湯タンク１０４の間を接続し貯湯タンク１０４内の水を熱回収水として熱交換器１０２から排熱を受け取り貯湯タンク１０４に循環させるための熱回収配管１０５と、この熱回収配管１０５上にあって循環する熱回収水の循環量を制御する流量調整器２０３と、貯湯タンク１０４内に蓄えられた温水が使用時に適切な温度ではないときに熱量の不足を補うために加熱するバックアップ熱源機２１０と、前記流量調整器２０３が熱回収水の熱交換器１０２前後での温度差が所定の温度差になるように熱回収水の循環流量を制御する機能を備えている。

更に、詳述すると、図１において、燃料電池ユニット２０１の中の燃料電池１０１は余剰な熱を熱交換器１０２で熱回収水に受け渡すことで排出している。この熱回収水は、貯湯ユニット２０２内の貯湯タンク１０４の下部から熱回収配管１０５を通じて流量調整器２０３を経て搬送されたものである。流量調整器２０３は、流量の可変のために回転数を可変できる機能を持つ循環ポンプを想定している。よって流量調整機能を有する部品と循環ポンプという構成でもかまわない。また、熱交換器１０２の入口温度を検出する熱交入温度センサー２０４と、熱交換器１０２の出口温度を検出する熱交出温度センサー２０５が熱交換器１０２近傍の熱回収配管１０５と１０７上にそれぞれ配置されている。熱交換器１０２で加熱後の熱回収水が熱回収配管１０６によって貯湯ユニット１０４内の貯湯入温度センサー２０５から切替器１０９を経て貯湯タンク１０４の上部から貯湯タンク１０４内に流入している。

切替器１０９は、貯湯入温度センサー２０５の検出温度に応じて熱回収水をバイパス配管１１０に切り替える機能を有している。次に、貯湯タンク１０４には給水配管２０６より水道水が貯湯タンク１０４の下部に給水され、貯湯タンク１０４の湯は貯湯タンク１０４の上部から湯配管２０７を通して混合器２０８で給水配管２０６から混合水配管２０９を通して得た給水をと混合しバックアップ給湯機２１０を通して給湯配管２１１を通じで各給湯栓に給湯される。ここで、給湯温度が給湯要求温度になるように混合器２０８で調整するが、貯湯タンク１０４からの湯温が給湯要求温度にみたないときはバックアップ給湯機２１０にて再加熱して給湯配管２１１より供給する。

かかる構成によれば、熱交換器１０２の入口温度を検出する熱交入温度センサー２０４の検知温度Ｔ２と、熱交換器１０２の出口温度を検出する熱交出温度センサー２０５の検知温度Ｔ１とその温度差ΔＴａ＝（Ｔ１−Ｔ２）とすると、Ｔ１を貯湯タンク１０４への貯湯目標温度Ｔｍａｘ（通常は、給湯の最高温度以上の温度）と同等またはそれ以下の低
い温度とした温度差ΔＴａとなるように流量調整器２０３を調整して熱回収水の流量Ｍを調整する。これによって、より熱回収水の流量Ｍを大きく設定することができ、放熱量をより少なく放熱による燃料電池ユニット２０１と貯湯ユニット２０２間の熱回収水の温度低下をより少なくすることが出来る。

なお、ここで燃料電池システムしたため熱交換器１０２の排熱を供給する機器を燃料電池１０１としたが、この燃料電池１０１は同様の排熱を排出する機器に置き換わってもかまわない。

（実施の形態２）
前記実施の形態１の図１を用いて本発明の実施の形態２の説明を行う。よって前記実施の形態１ですでに説明した構成要素および図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

本実施の形態２は、温度差ΔＴａ＝（Ｔ１−Ｔ２）で運転するときに熱交換器１０２の熱交入温度Ｔ２が変化するが、その温度に応じて温度差ΔＴａを可変するために流量調整器２０３で流量Ｍを可変するものである。

かかる構成によれば、外気温度との差が小さくなる熱交入温度Ｔ２が低いときには温度差ΔＴａを大きくとるために流量Ｍを小さくとり、熱交入温度Ｔ２が高いときには温度差ΔＴａを小さくとるために流量Ｍを大きくとる。流量Ｍを大きくすることで放熱量をより低減するものである。これによって、より効率的に放熱量を低減した運転を行うことが出来る。

（実施の形態３）
図２は、本発明の実施の形態３の貯湯式排熱回収システムの構成図である。図２において、図１および図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図２において、燃料電池ユニット２０１の外気温度センサー３０１を設けている。このでは外気温度センサー３０１を燃料電池ユニット２０１内に設けたが、外気温度が検知できれば設置位置は貯湯ユニット２０２内でも、外部であってもかまわない。この外気温度センサー３０１の検出温度に応じて温度差ΔＴａを可変するために流量調整器２０３で流量Ｍを可変するものである。

かかる構成によれば、外気温度Ｔ３高い時には放熱量は比較的少ないといえる、このため温度差ΔＴａを大きくとるために流量Ｍを小さくとり、外気温度Ｔ３低い時には放熱量が大きくなる可能性が高いため、燃料電池１０１の放熱量を確保できるように熱交換器１０２の加熱量Ｑを確保できる範囲で温度差ΔＴａを小さくとるために流量Ｍを大きくとることで放熱量をより低減するものである。これによって、より効率的に放熱量を低減した運転を行うことが出来る。

（実施の形態４）
前記実施の形態３の図２を用いて本発明の実施の形態４の説明を行う。よって前記実施の形態３ですでに説明した構成要素および図１、図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

本実施の形態４は、外気温度センサー３０１の検出する外気温度Ｔ３と熱交入温度Ｔ２に応じて温度差ΔＴａが決まると熱交出温度Ｔ１が決まる。外気温度Ｔ３と熱交出温度Ｔ１の差を可変制御するために流量調整器２０３で流量Ｍを可変するものである。

かかる構成によれば、外気温度Ｔ３と熱交出温度Ｔ１の差が小さい時には放熱量は比較的少ないといえる、このため許容される範囲で熱交出温度Ｔ１を高く設定できるような範囲で温度差ΔＴａを大きくとるために流量Ｍを小さくとり、外気温度Ｔ３と熱交出温度Ｔ１の差が大きい時には放熱量が大きくなるため、燃料電池１０１の放熱量を確保できるように熱交換器１０２の加熱量Ｑをとれる範囲で温度差ΔＴａを小さくとるために流量Ｍを大きくとる。これによって、より効率的に放熱量を低減した運転を行うことが出来る。

（実施の形態５）
前記実施の形態４の図２を用いて本発明の実施の形態５の説明を行う。よって前記実施の形態３と実施の形態４ですでに説明した構成要素および図１、図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

ここで熱交入温度Ｔ２の温度が設定値Ａを超えたときには、流量調整器２０３を熱交出温度Ｔ１を貯湯目標温度Ｔｍａｘとなるように流量Ｍを可変する制御とするものである。この設定値Ａは、燃料電池１０１の排熱の温度が燃料電池１０１の運転に影響が生じる温度以下に低減できない温度よりも低い温度に設定され、燃料電池１０１の運転が継続できる設定値である。

かかる構成によれば、貯湯タンク１０４を貯湯目標温度Ｔｍａｘで満たされるように運転することが可能となり、放熱量を低減してより効率的な運転であっても貯湯タンク１０４の温度が低い状態で燃料電池１０１の運転を停止するといことがなくより長時間の燃料電池１０１の運転を確保することができる。

この設定値Ａに変わって直接燃料電池１０１の排熱の温度を計測する温度センサーを設けその温度に判定値をもうけてもよい。

本発明にかかる燃料電池システムは、燃料電池などの排熱を有効に利用しようとするシステムで、その排熱を生じる本体ユニットと貯湯ユニットが分離され、その間を熱回収配管を用いて排熱の搬送を行うシステムにおいて、外気と熱回収配管の間で生じる放熱ロスを低減できるシステムを提供できるものとして有用である。

１０２ 熱交換器
１０４ 貯湯タンク
１０５、１０７ 熱回収配管
２０１ 燃料電池ユニット
２０２ 貯湯ユニット
２０３ 流量調整器
２０４ 熱交入温度センサー
２０５ 貯湯出温度センサー
２１０ バックアップ給湯機
３０１ 外気温センサー

Claims (5)

1. 排熱を熱回収水との間で授受するための熱交換器を有する機器である燃料電池ユニットと、この燃料電池の排熱を回収し回収した熱を温水として使用するために蓄えるための貯湯タンクを有する貯湯ユニットと、燃料電池内ユニット内の熱交換器と貯湯ユニット内の貯湯タンクの間を接続し貯湯タンク内の水を熱回収水として熱交換器から排熱を受け取り貯湯タンクに循環させるための熱回収配管と、この熱回収配管上にあって循環する熱回収水の循環量を制御する流量調整器と、貯湯タンク内に蓄えられた温水が使用時に適切な温度ではないときに熱量の不足を補うために加熱するバックアップ熱源機と、前記流量調整器が熱回収水の熱交換器前後での温度差が所定の温度差になるように熱回収水の循環流量を制御する機能を備えた燃料電池システム。
2. 流量調整器が熱回収水の熱交換器前後での温度差が所定の温度差になるように熱回収水の循環流量を制御する機能において、熱回収水の熱交換器に入る前の水温に応じて所定の温度差を可変する機能を有した請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 流量調整器が熱回収水の熱交換器前後での温度差が所定の温度差になるように熱回収水の循環流量を制御する機能において、外気温に応じて所定の温度差を可変する機能を有した請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 流量調整器が熱回収水の熱交換器前後での温度差が所定の温度差になるように熱回収水の循環流量を制御する機能において、熱回収水の熱交換器に入る前の水温と外気温の差に応じて所定の温度差を可変する機能を有した請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 流量調整器が熱回収水の熱交換器前後での温度差が所定の温度差になるように熱回収水の循環流量を制御するときに、熱回収水の熱交換器に入る前の水温が所定値２を超えたときには熱回収水の熱交換器後の温度を一定の値にするように制御する機能を有した請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。