JP2011070981A - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】環境や下水処理に及ぼす影響を低減することが可能な燃料電池コージェネレーションシステムを提供する。
【解決手段】燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セル、燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器４、燃料電池セルからの排ガスと水とで熱交換するための熱交換器５および改質器４に供給する水として熱交換器５での熱交換により生成される凝縮水を貯水するための水タンク７を備える発電ユニットと、熱交換後の水を貯水するための貯湯タンク１４を備える貯湯ユニットと、熱交換器５と貯湯タンク１４との間で水を循環させるための循環配管と、水タンク７からの排水および貯湯タンク１４からの排水を混合するための混合タンク２１を備える混合部と、混合部において混合された混合排水を外部へ排水するための外部排水管２２とを備えることから、外部に排水される水の水質を所定の範囲内とすることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池コージェネレーションシステムに関する。

近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガス（燃料ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを、集電部材を介して複数個配置して電気的に直列に接続してなるセルスタックを、燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのマニホールドに固定してセルスタック装置を構成し、そのセルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールを備える燃料電池装置や、燃料電池装置の発電に生じる熱を利用して生成したお湯を貯湯するための貯湯タンクと組み合わせた燃料電池コージェネレーションシステムが種々提案されている。

このような燃料電池コージェネレーションシステムにおいては、燃料電池コージェネレーションシステムにおける余剰の水を排水する必要があり、排水ラインの簡素化を目的とした燃料電池コージェネレーションシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−４８６５４号公報

ところで、燃料電池コージェネレーションシステムのうち、特に発電ユニットから排水される水の水質が悪化している場合がある。特に、燃料電池セルからの排ガスと水とで熱交換するための熱交換器と、改質器に供給する水として熱交換器での熱交換により生成される凝縮水を貯水するための水タンクとを備える発電ユニットにおいて、燃料電池セルの発電に伴って生じる二酸化炭素等のガスが溶解した水（凝縮水）を外部に排水する場合には、外部に排水される水のｐＨが低下し、ｐＨが低下した水を外部に排水した場合に、環境に与える影響や下水処理に与える影響が懸念される。

そこで、本発明においては、外部に排水される水の水質を所定の範囲内とすることにより、環境や下水処理に及ぼす影響を低減することが可能な燃料電池コージェネレーションシステムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セル、該燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器、前記燃料電池セルからの排ガスと水とで熱交換するための熱交換器および前記改質器に供給する水として前記熱交換器での熱交換により生成される凝縮水を貯水するための水タンクを備える発電ユニットと、熱交換後の水を貯水するための貯湯タンクを備える貯湯ユニットと、前記熱交換器と前記貯湯タンクとの間で水を循環させるための循環配管と、前記水タンクからの排水および前記貯湯タンクからの排水を混合するための混合タンクを備える混合部と、該混合部において混合された混合排水を外部へ排水するための外部排水管とを備えることを特徴とする。

このような燃料電池コージェネレーションシステムにおいては、水タンクからの排水および貯湯タンクからの排水を、混合タンクを備える混合部にて混合した後に、外部排水管を介して外部に排水することから、水タンクから排水される水の水質（ｐＨ等）が悪い場合であっても、貯湯タンクからの排水と混合することで、外部に排水される水の水質（ｐＨ等）が悪化することを抑制することができる。それにより、環境や下水処理に及ぼす影響を低減することが可能な燃料電池コージェネレーションシステムとすることができる。

また、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記混合部が、前記混合排水のｐＨを測定するためのｐＨセンサを備えており、前記混合部に前記水タンクからの排水および前記貯湯タンクからの排水以外の水を供給するための混合用水供給手段を備えるとともに、前記ｐＨセンサにより測定された前記混合排水のｐＨが所定の範囲外の場合に、前記水タンクからの排水および前記貯湯タンクからの排水以外の水を前記混合部に供給するように前記混合用水供給手段の動作を制御する制御装置を備えることが好ましい。

このような燃料電池コージェネレーションシステムにおいては、水タンクからの排水および貯湯タンクからの排水を混合した混合排水のｐＨを測定するためのｐＨセンサを備えることから、混合排水のｐＨを容易に測定することができる。ここで、水タンクからの排水および貯湯タンクからの排水以外の水を混合部に供給するための混合用水供給手段を備えるとともに、混合排水のｐＨが所定の範囲外の場合に、制御装置が、水タンクからの排水および貯湯タンクからの排水以外の水を混合部に供給するように混合用水供給手段の動作を制御することで、より有効に混合排水のｐＨを所定の範囲内とすることができる。

また、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記混合用水供給手段が、前記貯湯タンクに外部から水を供給するための外部水供給手段と、該外部水供給手段と前記混合部とを接続し、前記外部水供給手段から前記混合部に供給する水の供給量を調整するための外部水調整弁を有する外部水供給管とを含んでおり、前記制御装置は、前記ｐＨセンサにより測定された前記混合排水のｐＨが所定の範囲外の場合に、外部からの水を前記混合部に供給するように前記外部水調整弁の動作を制御することが好ましい。

このような燃料電池コージェネレーションシステムにおいては、混合用水供給手段が、貯湯タンクに外部から水を供給するための外部水供給手段と、外部水供給手段と混合部とを接続し、外部水供給手段から混合部に供給する水の供給量を調整するための外部水調整弁を有する外部水供給管とを含んでおり、混合排水のｐＨが所定の範囲外の場合に、制御装置が、外部水供給手段より混合部に水を供給するように、外部水調整弁の動作を制御することで、より有効に混合排水のｐＨを所定の範囲内とすることができる。

また、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記混合用水供給手段が、前記循環配管と、該循環配管と前記混合部とを接続し、前記循環配管から前記混合部に供給する水の供給量を調整するための循環水調整弁を有する循環水供給管とを含んでおり、前記制御装置は、前記ｐＨセンサにより測定された前記混合排水のｐＨが所定の範囲外の場合に、前記循環配管を流れる循環水を前記混合部に供給するように前記循環水調整弁の動作を制御することが好ましい。

このような燃料電池コージェネレーションシステムにおいては、混合用水供給手段が、循環配管と、循環配管と混合部とを接続し、循環配管から混合部に供給する水の供給量を調整するための循環水調整弁を有する循環水供給管とを含んでおり、混合排水のｐＨが所定の範囲外の場合に、制御装置が、循環配管を流れる水を混合部に供給するように、循環水調整弁の動作を制御することで、より有効に混合排水のｐＨを所定の範囲内とすることができる。

また、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記混合用水供給手段が、前記貯湯タンクに外部から水を供給するための外部水供給手段と、前記外部水供給手段と前記混合部とを接続し、前記外部水供給手段から前記混合部に供給する水の供給量を調整するための外部水調整弁を有する外部水供給管と、前記循環配管と、該循環配管と前記混合部とを接続し、前記循環配管から前記混合部に供給する水の供給量を調整するための循環水調整弁を有する循環水供給管とを含んでおり、前記貯湯タンクが、前記貯湯タンクの貯水量を測定するための貯水量センサと、前記貯湯タンクに貯水された水の温度を測定するための貯湯タンク温度センサとを備えるとともに、前記制御装置は、前記ｐＨセンサにより測定された前記混合排水のｐＨが所定の範囲外の場合に、前記貯水量センサおよび前記貯湯タンク温度センサにより測定された値に基づいて、前記外部水供給管を流れる水および前記循環配管を流れる水のうち少なくとも一方を前記混合部に供給するように、前記外部水調整弁および前記循環水調整弁の動作を制御することが好ましい。

このような燃料電池コージェネレーションシステムにおいては、混合用水供給手段が、記貯湯タンクに外部から水を供給するための外部水供給手段と、外部水供給手段と混合部とを接続し、外部水供給手段から混合部に供給する水の供給量を調整するための外部水調整弁を有する外部水供給管と、循環配管と、循環配管と混合部とを接続し、循環配管から混合部に供給する水の供給量を調整するための循環水調整弁を有する循環水供給管とを含んでおり、混合排水のｐＨが所定の範囲外の場合に、制御装置が、貯湯タンクに貯水された水の量や温度に基づいて、外部水供給手段および循環配管のうち少なくとも一方より水を混合部に供給するように、外部水調整弁および循環水調整弁の動作を制御することで、効率よく混合排水のｐＨを所定の範囲内とすることができる。

また、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記外部水供給管と前記循環水供給管とが三方弁により接続されているとともに、該三方弁が、前記外部水調整弁および前記循環水調整弁を兼ねていることが好ましい。

このような燃料電池コージェネレーションシステムにおいては、貯湯タンクに貯水された水の量や温度に基づいて、三方弁の動作を制御することにより、外部水供給手段および循環配管のうち少なくとも一方より水を混合部に供給することができ、効率よく混合排水のｐＨを所定の範囲内とすることができるとともに、燃料電池コージェネレーションシステムの構成を簡略化することができる。

また、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記循環水供給管が、前記循環配管のうち、前記熱交換器にて熱交換された後の水を前記貯湯タンクに供給するための戻り配管に接続されていることが好ましい。

このような燃料電池コージェネレーションシステムにおいては、循環配管を流れる水を混合部に供給するにあたり、循環水供給管が、熱交換器にて熱交換された後の水を貯湯タンクに供給するための戻り配管に接続されていることから、熱交換器内を流れる水の量を低減することなく、循環配管を流れる水を混合部に供給できる。それにより、熱交換効率を低下することなく、混合排水のｐＨを所定の範囲内とすることができる。

本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、水タンクからの排水と貯湯タンクからの排水とを混合した混合排水を外部に排水することにより、外部に排水される水の水質（ｐＨ等）が悪化することを抑制することができ、環境や下水処理に及ぼす影響を低減することが可能な燃料電池コージェネレーションシステムとすることができる。

本発明の燃料電池コージェネレーションシステムの構成の一例を示す構成図である。 本発明の燃料電池コージェネレーションシステムの構成の他の一例を示す構成図である。 本発明の燃料電池コージェネレーションシステムの構成のさらに他の一例を示す構成図である。 本発明の燃料電池コージェネレーションシステムの構成のさらに他の一例を示す構成図である。 本発明の燃料電池コージェネレーションシステムの構成のさらに他の一例を示す構成図である。 本発明の燃料電池コージェネレーションシステムの構成のさらに他の一例を示す構成図である。

図１は、本発明の燃料電池コージェネレーションシステム（以下、コージェネシステムと略す場合がある。）の一例を示した構成図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。

図１に示すコージェネシステムは、発電を行なう発電ユニットと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニットと、これらのユニット間に水を循環させるための循環配管とを具備して構成されている。

図１に示す発電ユニットは、複数個の燃料電池セル（図示せず）を組み合わせてなる燃料電池セルスタック１と（以下、セルスタックと略す場合がある。）、セルスタック１に供給する燃料ガスを生成するための改質器４と、セルスタック１からの排ガスと水とで熱交換するための熱交換器５と、改質器４に供給する水として熱交換器５での熱交換により生成された凝縮水を一時的に貯水して浄化するための凝縮水処理装置１６と、凝縮水処理装置１６にて浄化された凝縮水（純水）を貯水するための水タンク７とを備えている。まず、発電ユニットを構成する各部材について説明する。

発電ユニットは、天然ガス等の原燃料を供給する原燃料供給装置２、セルスタック１を構成する燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給装置３、原燃料と水蒸気により水蒸気改質する改質器４を具備している。なお、改質器４は、後述する水ポンプ６により供給される水（純水、以下適宜水と略す場合がある）を気化し、原燃料供給装置２から供給された原燃料と水蒸気とを混合するための気化部と、内部に改質触媒を備え、混合された原燃料と水蒸気とを反応させて燃料ガス（水素含有ガス）を生成するための改質部とを備えている。

なお、セルスタック１や改質器４を収納容器内に収納することで、発電ユニットを構成する燃料電池モジュールが構成される。なお図１においては、燃料電池モジュールを構成する各装置類を二点鎖線により囲って示している（図１においてＭで示している）。

また、セルスタック１からの排ガスと水とで熱交換するための熱交換器５、熱交換器５においてセルスタック１からの排ガスとで熱交換するための水を循環するための循環配管の一部、熱交換器５での熱交換により生成された凝縮水を一時的に貯水するとともに、凝縮水を浄化する（純水にする）ための凝縮水処理装置１６、熱交換器５と凝縮水処理装置１６とを接続する凝縮水供給管１５、凝縮水処理装置１６と水タンク７とを接続するタンク連結管１７、水タンク７と改質器４とを接続する改質水供給管３９とが設けられており、熱交換器５で生成された凝縮水は、凝縮水処理装置１６にて純水に処理された後、水タンク７に貯水されて、改質水供給管３９に設けられた水ポンプ６により改質器４（気化部、図示せず）に供給される。なお、図１に示すコージェネシステムにおいては、凝縮水処理装置１６が、熱交換器５での熱交換により生成される凝縮水を貯水するための水タンクに相当する。

さらに図１に示す発電ユニットは、セルスタック１にて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電流の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部（パワーコンディショナ）８、熱交換器５の出口に設けられ熱交換器５の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ１０のほか、制御装置９が設けられている。制御装置９については後述する。また、後述する熱交換器５と後述する貯湯タンク１４とで水を循環するための、送り配管１２と戻り配管１３とが設けられており（以下、送り配管１２と戻り配管１３とをあわせて循環配管と呼ぶ）、送り配管１２に設けられ循環配管内で水を循環させるための循環ポンプ１１が設けられている。なお、循環ポンプ１１は貯湯ユニット側に配置することも可能である。そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な発電ユニット（燃料電池装置）とすることができる（図示せず）。

なお、セルスタック１と熱交換器５との間には、燃料電池セル（セルスタック１）の運転に伴い生じる排ガスを処理するための排ガス処理装置が設けられている（図示せず）。なお、排ガス処理装置は、収納容器内に排ガス処理部材を収納してなり、排ガス処理部材としては、一般的に公知の燃焼触媒を用いることができる。

貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯水するための貯湯タンク１４を備えている。貯湯タンク１４には、外部からの水（水道水等）を供給するための貯湯タンク水供給管２３が接続されており、また貯湯タンク１４内の圧力を減圧するための逃がし弁２５を備えている。なお、図中の矢印は、原燃料、酸素含有ガス、水の流れ方向を示したものである。

また、凝縮水処理装置１６、水タンク７、貯湯タンク１４には、それぞれの装置に貯水される水がオーバーフローした場合に、それぞれの装置から水を排水するための、凝縮水排水管２０、水タンク排水管１９、貯湯タンク排水管１８が設けられており、それぞれの排水管が、後述する混合部（混合タンク２１）に接続されている。なお逃がし弁２５は貯湯タンク排水管１８に設けられている。

以下に、図１に示したコージェネシステムの運転方法について説明する。

燃料電池セルの発電に用いられる燃料ガスを生成するために水蒸気改質を行なうにあたり、改質器４で使用される水は、熱交換器５において燃料電池セル（セルスタック１）の運転に伴って生じた排ガスと循環配管を流れる水との熱交換により生成される凝縮水が用いられる。熱交換器５にて生成された凝縮水は、凝縮水供給管１５を流れて凝縮水処理装置１６に供給される。凝縮水処理装置１６にて凝縮水を処理して純水が生成されて一時的に貯水される。凝縮水処理装置１６にて生成された純水は水タンク７に供給される。水タンク７に貯水された水は、水ポンプ６により改質器４に供給され、原燃料供給装置２より供給される原燃料とで水蒸気改質が行われ、生成された燃料ガスが燃料電池セルに供給される。燃料電池セルにおいては、燃料ガスと酸素含有ガス供給装置３より供給される酸素含有ガスとを用いて発電が行われる。このように凝縮水を有効に利用することにより、水自立運転を行なうことができる。この際、凝縮水処理装置１６にてオーバーフローした水（凝縮水）は凝縮水排水管２０より排水され、水タンク７にてオーバーフローした水は水タンク排水管１７より排水される。

一方、貯湯タンク１４に接続され循環ポンプ１１により貯湯タンク１４から熱交換器５に向けて送り配管１２を流れる循環水は、熱交換器５内を流れる間に、セルスタック１からの排ガスとで熱交換され、温度が上昇する。熱交換後の温度の上昇した水（お湯）は、続いて戻り配管１３を流れて貯湯タンク１４に貯水される。なお、循環ポンプ１１の動作は、出口水温センサ１０が測定する熱交換後の循環水の温度情報に基づいて、制御装置９により制御される。

また、貯湯タンク１４においては、ユーザーの給湯の使用量（貯湯タンク１４内の貯水量）や貯湯タンク１４内に貯水された水の温度等に基づいて、貯湯タンク水供給管２３より外部からの水（水道水等）が貯湯タンク１４内に供給される。

一方、貯湯タンク１４がオーバーフローする場合や、貯湯タンク１４の内圧を低減する場合においては、逃がし弁２５を作動させて、貯湯タンク１４に貯水された水を、貯湯タンク排水管１８より排水する。なお、図１には示していないが、逃がし弁２５を設けない構成とすることもできる。

ところで、発電ユニット（セルスタック１）から排出される排ガスには二酸化炭素等の成分を含む場合がある。ここで、熱交換器５において循環配管を流れる水とでの熱交換により生成された凝縮水に二酸化炭素等の成分が溶解した場合に、凝縮水の水質（特にはｐＨ）が悪化し、そのような水質が悪化した凝縮水を、凝縮水排水管２０を介して外部に排水した場合には、環境に与える影響や下水処理に与える影響が懸念される。

ここで、水質の悪化した凝縮水を処理するために、さらに各種装置や各種処理剤を設けることもできるが、この場合、コージェネシステムのコストがかかるという問題がある。

そこで、本発明のコージェネシステムにおいては、凝縮水を一時的に貯水する凝縮水処理装置（凝縮水を一時的に貯水する水タンクに相当）からの排水および貯湯タンク１４からの排水を混合した後に、コージェネシステムの外部に排水するための、混合タンク２１を備える混合部を有し、混合部において混合された混合排水を、外部排水管２２を介してコージェネシステムの外部に排水する。なお、図１に示すコージェネシステムにおいては、凝縮水処理装置より排水される凝縮水に加えて、水タンク７より排水される水を混合しており、以下、これらをまとめて、発電ユニットからの排水という場合がある。

具体的には、凝縮水排水管２０と、水タンク排水管１９と、貯湯タンク排水管１８とがそれぞれ混合部（混合タンク２１）に接続されており、混合タンク２１内にて各排水管より排水された水を混合した後に、コージェネシステムの外部に外部排水管２２を介して排水する。

それにより、凝縮水処理装置１６（凝縮水排水管２０）から排水される水の水質（ｐＨ等）が悪い場合であっても、貯湯タンク１４（貯湯タンク排水管１８）からの排水と混合することで、外部に排水される水の水質（ｐＨ等）が悪化することを抑制することができる。それにより、環境や下水処理に及ぼす影響を低減することが可能なコージェネシステムとすることができるとともに、コストの低減を図ることができる。

なお、本発明のコージェネシステムにおいて、熱交換器５において生成される凝縮水の水質が改質器４に供給するにあたり問題を生じない水質レベルである場合には、凝縮水処理装置１６や凝縮水排水管１７を設けない構成としてもよく、この場合は、水タンク７が、本発明でいう凝縮水を貯水するための水タンクに相当する。またこの場合は、水タンク排水管１９より排水される水と、貯湯タンク排水管１８より排水される水とを、混合部（混合タンク２１）にて混合した後に、外部排水管２２を介して排水すればよい。

図２は、本発明のコージェネシステムの他の一例を示した構成図である。図２に示すコージェネシステムにおいては、混合タンク２１に混合排水のｐＨを測定するためのｐＨセンサ４０が備えられているとともに、混合部（混合タンク２１）に供給される水タンク（凝縮水処理装置１６）および貯湯タンク１４からの排水以外の水として、外部からの水を供給する場合を示している。

上述したように、発電ユニット（セルスタック１）から排出される排ガスには二酸化炭素等の成分を含む場合があり、熱交換器５において循環配管を流れる水とでの熱交換により生成された凝縮水に二酸化炭素等の成分が溶解した場合に、凝縮水のｐＨが悪化し、そのようなｐＨが悪化した凝縮水を、凝縮水排水管２０を介して外部に排水した場合には、環境に与える影響や下水処理に与える影響が懸念される。

ここで、混合タンク２１において、貯湯タンク排水管１８を介して貯湯タンク１４より排水される水および発電ユニット（水タンク排水管１９、凝縮水排水管２０）より排水される水を混合した場合においても、貯湯タンク排水管１８より排水される貯湯タンク１４の水の量が少ない場合には、混合排水のｐＨが悪化した状態が継続されるおそれがあり、このような混合排水を外部に排水した場合には、環境に与える影響や下水処理に与える影響が懸念される。

そこで、図２に示すコージェネシステムにおいては、混合用水供給手段が、貯湯タンク１４に外部から水を供給するための外部水供給手段と、外部水供給手段と混合タンク２１とを接続し、外部水供給手段から混合タンク２１に供給する水の供給量を調整するための外部水調整弁２６を有する外部水供給管２４とを含んでなるとともに、ｐＨセンサ４０により測定された混合排水のｐＨ情報に基づいて外部水調整弁２６の動作を制御する制御装置９を備えている。なお、外部水供給管２４と貯湯タンク水供給管２３とが接続されている。

それにより、発電ユニットからの排水および貯湯タンク１４からの排水を混合した後の混合排水のｐＨを容易に測定することができるとともに、混合排水のｐＨが所定の範囲外の場合に、混合タンク２１に外部水供給管２４より外部からの水を供給することで、混合排水のｐＨを所定の範囲内とすることが可能となる。それゆえ、混合タンク２１より外部排水管２２を介して外部に排水される水（混合排水）のｐＨが悪化することを抑制することができ、環境や下水処理に及ぼす影響を低減することが可能なコージェネシステムとすることができる。なお、ｐＨの所定の範囲とは、例えばｐＨ６．０〜８．４とすることができ、以下同意である。

具体的には、ｐＨセンサ４０により測定された混合排水のｐＨ情報が制御装置９に伝送される。制御装置９は、ｐＨセンサ４０より伝送された混合排水のｐＨ情報が、所定の範囲外の場合に、外部水供給管２４より混合タンク２１に外部水が供給されるように、外部水調整弁２６の動作を制御する。それにより、発電ユニット（特には凝縮水処理装置１６）からの排水および貯湯タンク１４からの排水と、外部水供給管２４より供給される外部水とが混合されることで、混合排水のｐＨを所定の範囲内とすることができる。なお、混合排水のｐＨが所定の範囲内となった後は、制御装置９は、外部水供給管２４から混合タンク２１に供給される外部水を停止するように、適宜外部水調整弁２６を制御することで、外部水の使用量が増加することを抑制することができる。なお、外部水供給管２４から混合タンク２１に供給される外部水を停止するにあたっては、例えば混合排水のｐＨが所定の範囲内となってから１〜１０分後とすることができる。また、外部水供給管２４から混合タンク２１への供給を停止した後に、発電ユニットからの排水と貯湯タンク１４からの排水との混合排水のｐＨが所定の範囲外となった場合には、再度外部水調整弁２６を制御して、外部水供給管２４から混合タンク２１に外部水を供給することができ、繰り返して外部水調整弁２６の動作を制御することができる。

図３は、本発明のコージェネシステムのさらに他の一例を示した構成図である。図３に示すコージェネシステムにおいては、混合タンク２１に混合排水のｐＨを測定するためのｐＨセンサ４０が備えられているとともに、混合部（混合タンク２１）に、水タンク（凝縮水処理装置１６）および貯湯タンク１４からの排水以外の水を供給するための混合用水供給手段として、循環配管を用いる場合を示している。

上述と同様に、混合タンク２１において、貯湯タンク排水管１８を介して貯湯タンク１４より排水される水および発電ユニット（水タンク排水管１９、凝縮水排水管２０）より排水される水を混合した場合においても、貯湯タンク排水管１８より排水される貯湯タンク１４の水の量が少ない場合には、混合排水のｐＨが悪化した状態が継続するおそれがあり、このような混合排水を外部に排水した場合には、環境に与える影響や下水処理に与える影響が懸念される。

そこで、図３に示すコージェネシステムにおいては、混合用水供給手段が、循環配管を用と、循環配管と混合タンク２１とを接続し、循環配管から混合タンク２１に供給する水の供給量を調整するための循環水調整弁２７を有する循環水供給管２８とを含んでなるとともに、ｐＨセンサ４０により測定された混合排水のｐＨ情報に基づいて循環水調整弁２７の動作を制御する制御装置９を備えている。

それにより、発電ユニットからの排水および貯湯タンク１４からの排水を混合した後の混合排水のｐＨを容易に測定することができるとともに、混合排水のｐＨが所定の範囲外の場合に、循環水供給管２８より、混合タンク２１に循環配管を流れる水を供給することで、混合排水のｐＨを所定の範囲内とすることが可能となる。それゆえ、混合タンク２１より外部排水管２２を介して外部に排水される水のｐＨが悪化することを抑制することができ、環境や下水処理に及ぼす影響を低減することが可能なコージェネシステムとすることができる。

具体的には、ｐＨセンサ４０により測定された混合排水のｐＨ情報が制御装置９に伝送される。制御装置９は、ｐＨセンサ４０より伝送された混合排水のｐＨ情報が、所定の範囲外の場合に、循環水供給管２７より混合タンク２１に循環水が供給されるように、循環水調整弁２８の動作を制御する。それにより、発電ユニット（特には凝縮水処理装置１６）からの排水および貯湯タンク１４からの排水と、循環水供給管２７より供給される循環水とが混合されることで、混合排水のｐＨを所定の範囲内とすることができる。なお、混合排水のｐＨが所定の範囲内となった後は、制御装置９は、循環水供給管２７から混合タンク２１に供給される循環水を停止するように、適宜循環水調整弁２８を制御することで、循環水の使用量が増加することを抑制することができる。なお、循環水供給管２７から混合タンク２１に供給される循環水を停止するにあたっては、例えば混合排水のｐＨが所定の範囲内となってから１〜１０分後とすることができる。また、循環水供給管２７から混合タンク２１への供給を停止した後に、発電ユニットからの排水と貯湯タンク１４からの排水との混合排水のｐＨが所定の範囲外となった場合には、再度循環水調整弁２８を制御して、循環水供給管２７から混合タンク２１に外部水を供給することができ、繰り返して循環水調整弁２８の動作を制御することができる。

なお、循環水供給管２７は、循環配管のうち、熱交換器５にて熱交換された後の水を貯湯タンク１４に供給するための戻り配管１３に接続されていることが好ましい。

貯湯タンク１４より熱交換器５に向けて送り配管１２を流れる水を混合タンク２１に供給するように循環水供給管２７を接続する場合には、熱交換器５内を流れる水の量が減少し、熱交換器５における熱交換効率が低下するとともに、熱交換器５での熱交換により生成される凝縮水の量が減少するおそれがある。

ここで、循環水供給管２７を、熱交換器５にて熱交換された後の水を貯湯タンク１４に供給するための戻り配管１３に接続することにより、熱交換器５内を流れる水の量が減少することを抑制でき、熱交換器５における熱交換効率が低下することや、熱交換器５での熱交換により生成される凝縮水の量が減少することを抑制することができる。

それにより、熱交換効率を低下することなく、混合排水のｐＨを所定の範囲内とすることが可能となり、環境や下水処理に及ぼす影響を低減することが可能な燃料電池コージェネレーションシステムとすることができる。

図４は、本発明のコージェネシステムのさらに他の一例を示した構成図である。図４に示すコージェネシステムにおいては、混合タンク２１に供給する水として、外部からの水と循環配管を流れる水との両方を用いる場合の例を示している。

上述と同様に、混合タンク２１において、貯湯タンク排水管１８を介して貯湯タンク１４より排水される水および発電ユニット（水タンク排水管１９、凝縮水排水管２０）より排水される水を混合した場合においても、貯湯タンク排水管１８より排水される貯湯タンク１４の水の量が少ない場合には、混合排水のｐＨが悪化した状態が継続するおそれがあり、このような混合排水を外部に排水した場合には、環境に与える影響や下水処理に与える影響が懸念される。

そこで、図２に示すコージェネシステムにおいては、混合タンク２１に供給する水として、外部からの水を供給する場合の例を示し、図３に示すコージェネシステムにおいては、混合タンク２１に供給する水として、循環配管を流れる水を供給する場合の例を示したが、貯湯タンク１４内に貯水されている水の量や温度によっては、これらを使い分ることが好ましい。

特には、貯湯タンク１４内に貯水されている水の量が少ない場合には、貯湯タンク水供給管２３より多くの水を貯湯タンク１４に供給することが好ましく、この場合に外部水供給管２４より混合タンク２１への供給を停止し、循環水供給管２７より混合タンク２１へ循環水を供給することが好ましい。

一方、貯湯タンク１４内に貯水されている水の温度が低い場合には、貯湯タンク水供給管２３より貯湯タンク１４に供給される外部水を停止することが好ましく、この場合に、循環水供給管２７より混合タンク２１への供給を停止し、外部水供給管２４より混合タンク２１へ外部水を供給することが好ましい。

それゆえ、図４に示すコージェネシステムにおいては、混合タンク２１に供給する水として、外部からの水と循環配管を流れる水との両方を用いる場合の例を示している。

具体的には、混合用水供給手段が、貯湯タンク１４に外部から水を供給するための外部水供給手段と、外部水供給手段と混合タンク２１を接続し、外部水供給手段から混合タンク２１に供給する水の供給量を調整するための外部水調整弁２６を有する外部水供給管２４と、循環配管と、循環配管と混合タンク２１を接続し、循環配管から混合タンク２１に供給する水の供給量を調整するための循環水調整弁２７を有する循環水供給管２８とを含んでなる。さらに、貯湯タンク１４には、貯湯タンク１４の貯水量を測定するための貯水量センサ３１と、貯湯タンク１４に貯水された水の温度を測定するための貯湯タンク温度センサ３２とが設けられているとともに、ｐＨセンサ４０により測定された混合排水のｐＨ情報と、貯水量センサ３１および貯湯タンク温度センサ３２により測定された情報に基づいて、外部水供給管２４を流れる水および循環配管を流れる水のうち少なくとも一方を混合タンク２１に供給するように、外部水調整弁２６および循環水調整弁２７の動作を制御する制御装置９を備えている。

それにより、貯水量センサ３１により測定される貯湯タンク１４の貯水量や、貯湯タンク温度センサ３２により測定される貯湯タンク１４に貯水された水の温度に基づいて、制御装置９が、外部水調整弁２６および循環水調整弁２７の動作を制御して、適宜外部水供給管２４および循環水供給管２７より混合タンク２１に水を供給することで、効率よく混合排水のｐＨを所定の範囲内とすることができる。

具体的には、ｐＨセンサ４０により測定された混合排水のｐＨ情報と、貯水量センサ３１により測定された貯湯タンク１４の貯水量情報と、貯湯タンク温度センサ３２により測定された貯湯タンク１４に貯水された水の温度情報とが制御装置９に伝送される。制御装置９は、ｐＨセンサ４０より伝送される混合排水のｐＨ情報が所定の範囲外の場合であって、貯水量センサ３１より伝送された貯水量情報が所定の範囲外の場合には、循環水供給管２７より混合タンク２１に循環水が供給されるように、外部水調整弁２６および循環水調整弁２７の動作を制御する。それにより、発電ユニットからの排水および貯湯タンク１４からの排水と、循環水供給管２７より供給される循環水とが混合されることで、混合排水のｐＨを所定の範囲内とすることができる。ここで、貯水量が所定の範囲とは、貯湯タンク１４の容量等に基づいて適宜設定することができ、例えば最低貯水量とすることができる。

一方、制御装置９は、ｐＨセンサ４０より伝送された混合排水のｐＨ情報が所定の範囲外の場合であって、貯湯タンク温度センサ３２より伝送された温度情報が所定の範囲外の場合には、外部水供給管２４より混合タンク２１に外部水が供給されるように、外部水調整弁２６および循環水調整弁２７の動作を制御する。それにより、発電ユニットからの排水および貯湯タンク１４からの排水と、外部水供給管２４より供給される循環水とが混合されることで、混合排水のｐＨを所定の範囲内とすることができる。ここで、貯湯タンク１４に貯水された水の温度の所定の範囲とは、適宜設定することができ、例えば貯湯タンク１４の底部側の水の温度が６５℃〜８０℃とすることができる。なお、制御装置９は、混合タンク２１に、外部水供給管２４および循環水供給管２８の両方より水が供給されるように、外部水調整弁２６および循環水調整弁２７の動作を制御することもできる。

なお、上述と同様に、混合排水のｐＨが所定の範囲内となった後は、制御装置９は、外部水供給管２４や循環水供給管２７から混合タンク２１に供給される水を停止するように、適宜外部水調整弁２６および循環水調整弁２７の動作を制御することができる。なお、外部水供給管２４や循環水供給管２７から混合タンク２１に供給される水を停止するにあたっては、例えば混合排水のｐＨが所定の範囲内となってから１〜１０分後とすることができる。また、外部水供給管２４や循環水供給管２７から混合タンク２１に供給される水を停止した後に、発電ユニットからの排水と貯湯タンク１４からの排水との混合排水のｐＨが所定の範囲外となった場合には、再度外部水調整弁２６および循環水調整弁２７の動作を制御して、外部水供給管２４や循環水供給管２７から混合タンク２１に水を供給することができ、繰り返して外部水調整弁２６および循環水調整弁２７の動作を制御することができる。それにより、効率よく混合排水のｐＨを所定の範囲内とすることができる。

図５は、本発明のコージェネシステムのさらに他の一例を示した構成図である。図５に示すコージェネシステムにおいては、混合タンク２１に供給する水として、外部からの水と循環配管を流れる水との両方を用いる場合の例を示しており、図４に示すコージェネシステムと対比して、外部水供給手段と混合タンク２１とを接続する外部水供給管２４と、循環配管と混合タンク２１とを接続する循環水供給管２７とが三方弁２９により接続されており、三方弁２９と混合タンク２１とが接続管３０により接続されている点と、ｐＨセンサ４０により測定された混合排水のｐＨ情報と、貯水量センサ３１および貯湯タンク温度センサ３２により測定される情報に基づいて三方弁２９の動作を制御する制御装置９を備えている点で異なっている。

図５に示すコージェネシステムにおいては、制御装置９が、ｐＨセンサ４０により測定された混合排水のｐＨ情報と、貯水量センサ３１および貯湯タンク温度センサ３２により測定された情報に基づいて三方弁２９の動作を制御することで、適宜外部水供給管２４または循環水供給管２７より混合タンク２１に水を供給することで、効率よく混合排水のｐＨを所定の範囲内とすることができる。

具体的には、ｐＨセンサ４０により測定された混合排水のｐＨ情報と、貯水量センサ３１により測定された貯湯タンク１４の貯水量情報と、貯湯タンク温度センサ３２により測定された貯湯タンク１４に貯水された水の温度情報とが制御装置９に伝送される。制御装置９は、ｐＨセンサ４０より伝送される混合排水のｐＨ情報が所定の範囲外の場合であって、貯水量センサ３１より伝送される貯水量情報が所定の範囲外の場合には、循環水供給管２７より混合タンク２１に循環水が供給されるように、三方弁２９の動作を制御する。それにより、発電ユニットからの排水および貯湯タンク１４からの排水と、循環水供給管２７より供給される循環水とが混合されることで、混合排水のｐＨを所定の範囲内とすることができる。ここで、貯水量が所定の範囲とは、貯湯タンク１４の容量等に基づいて適宜設定することができ、例えば最低貯水量とすることができる。

一方、制御装置９は、ｐＨセンサ４０より伝送された混合排水のｐＨ情報が所定の範囲外の場合であって、貯湯タンク温度センサ３２より伝送された温度情報が所定の範囲外の場合には、外部水供給管２４より混合タンク２１に外部水が供給されるように、三方弁２９の動作を制御する。それにより、発電ユニットからの排水および貯湯タンク１４からの排水と、外部水供給管２４より供給される循環水とが混合されることで、混合排水のｐＨを所定の範囲内とすることができる。ここで、貯湯タンク１４に貯水された水の温度の所定の範囲とは、上述と同様に、例えば貯湯タンク１４の底部側の水の温度が６５℃〜８０℃とすることができる。

なお、上述と同様に、混合排水のｐＨが所定の範囲内となった後は、制御装置９は、外部水供給管２４や循環水供給管２７から混合タンク２１に供給される水を停止するように、適宜三方弁２９の動作を制御することができる。なお、外部水供給管２４や循環水供給管２７から混合タンク２１に供給される水を停止するにあたっては、例えば混合排水のｐＨが所定の範囲内となってから１〜１０分後とすることができる。また、外部水供給管２４や循環水供給管２７から混合タンク２１に供給される水を停止した後に、発電ユニットからの排水と貯湯タンク１４からの排水との混合排水のｐＨが所定の範囲外となった場合には、再度三方弁２９の動作を制御して、外部水供給管２４や循環水供給管２７から混合タンク２１に水を供給することができ、繰り返して三方弁２９の動作を制御することができる。それにより、効率よく混合排水のｐＨを所定の範囲内とすることができる。

図６は、本発明のコージェネシステムのさらに他の一例を示した構成図である。図６に示すコージェネシステムにおいては、図５に示すコージェネシステムに加えて、外部より供給される水（水道水等）を浄化し、浄化された水を改質器４に水を供給するための外部水処理装置Ｘを備えている。

外気温が高く且つ湿度が低い場合等において、熱交換器５における熱交換により生成される凝縮水の量が少ない場合がある。この場合に、コージェネシステムが水自立運転を行なうことが困難となるおそれがある。また、水タンク７に貯水された水の量が少ない場合にも水自立運転が困難となるおそれがある。

それゆえ、図６に示す燃料電池装置においては、外部より供給される水を浄化し、浄化された水を改質器４に供給するための外部水浄化装置Ｘを具備している。

ここで、外部水浄化装置Ｘとしては、外部より供給される水の量を調整するための給水弁３４、水を浄化するための活性炭フィルタ装置３５、逆浸透膜装置３６およびイオン交換樹脂装置３７の各装置のうち、少なくともイオン交換樹脂装置３７（好ましくは全ての装置）、各装置を接続する水供給管３３を具備し、図５において、外部より供給される水を浄化し、浄化された水を改質器４に供給するための各装置類を一点鎖線により囲い、外部水浄化装置Ｘとして示している。なお、イオン交換樹脂装置３７にて浄化された水は、水タンク７に供給される。

なお、外部水浄化装置Ｘとは、上述した外部から供給される水を処理するための各装置を意味するものとし、図６に示したコージェネシステムにおいては、上記各装置のすべてを備える構成を示している。

ここで、混合用水供給手段として、外部水浄化装置Ｘに供給される外部水を用いることもでき、図６に示したコージェネシステムにおいては、混合用水供給手段が、図５に示したコージェネシステムの構成に加えて、外部水浄化装置Ｘに水を供給する水供給管３３と、水供給管３３に設けられた給水弁３４（三方弁）、給水弁３４（三方弁）の一端と混合タンク２１とを接続する水供給管３８とを含んでいる。なお、給水弁３４として、三方弁の代わりに、電磁弁等の弁を水供給管３３と水供給管３８のそれぞれに設けることも可能である。この場合、水供給管３３に設ける電磁弁は、水供給管３８との接続部よりも下流側に設けることが好ましい。

それにより、外部水供給管２４や循環水供給管２７から混合タンク２１に水を供給することが困難な場合において、制御装置９が給水弁３４の動作を制御することにより、水供給管３３を流れる外部水を、水供給管３８を介して混合タンク２１に供給することができ、混合排水のｐＨを所定の範囲内とすることができる。

具体的には、制御装置９は、ｐＨセンサ４０より伝送された混合排水のｐＨ情報が所定の範囲外の場合であって、貯水量センサ３１より伝送された貯水量情報が所定の範囲外であり、かつ貯湯タンク温度センサ３２より伝送された温度情報が所定の範囲外の場合には、水供給管３３を流れる外部水を、水供給管３８を介して混合タンク２１に供給するように、給水弁（三方弁）３４の動作を制御する。それにより、発電ユニットからの排水および貯湯タンク１４からの排水と、水供給管３８を介して供給される外部水とが混合されることで、混合排水のｐＨを所定の範囲内とすることができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、混合部として混合タンク２１を備える例を示したが、発電ユニットからの排水および貯湯タンク１４からの排水を混合するための混合部材を備え、混合部材にて発電ユニットからの排水と貯湯タンク１４からの排水とを混合した後に、混合タンク２１に混合排水を供給するように構成することもできる。

また、上記例においては、混合部（混合タンク２１）を発電ユニット内に配置した例を示して説明したが、混合部（混合タンク２１）を貯湯ユニット内や、発電ユニットおよび貯湯ユニット外の部位に配置することも可能である。

また、外部水浄化装置Ｘを備えていない構成において、ｐＨセンサ４０より伝送される混合排水のｐＨ情報が所定の範囲外の場合であって、貯水量センサ３１より伝送される貯水量情報が所定の範囲外であり、かつ貯湯タンク温度センサ３２より伝送される温度情報が所定の範囲外の場合に、制御装置９は発電ユニットでの発電を停止するように制御することもできる。この場合には、発電ユニットでの発電を停止することで、水質の悪化した水が外部に排水されることを停止することができる。

１：燃料電池セルスタック
５：熱交換器
７：水タンク
９：制御装置
１２：送り配管
１３：戻り配管
１４：貯湯タンク
１６：凝縮水処理装置
１８：貯湯タンク排水管
１９：水タンク排水管
２０：凝縮水排水管
２１：混合タンク
２２：外部排水管
２４：外部水供給管
２６：外部水調整弁
２７：循環水供給管
２８：循環水調整弁
２９：三方弁
Ｘ：外部水処理装置

Claims (7)

1. 燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セル、該燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器、前記燃料電池セルからの排ガスと水とで熱交換するための熱交換器および前記改質器に供給する水として前記熱交換器での熱交換により生成される凝縮水を貯水するための水タンクを備える発電ユニットと、
   熱交換後の水を貯水するための貯湯タンクを備える貯湯ユニットと、
   前記熱交換器と前記貯湯タンクとの間で水を循環させるための循環配管と、
   前記水タンクからの排水および前記貯湯タンクからの排水を混合するための混合タンクを備える混合部と、
   該混合部において混合された混合排水を外部へ排水するための外部排水管と
   を備えることを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
2. 前記混合部が、前記混合排水のｐＨを測定するためのｐＨセンサを備えており、前記混合部に前記水タンクからの排水および前記貯湯タンクからの排水以外の水を供給するための混合用水供給手段を備えるとともに、前記ｐＨセンサにより測定された前記混合排水のｐＨが所定の範囲外の場合に、前記水タンクからの排水および前記貯湯タンクからの排水以外の水を前記混合部に供給するように前記混合用水供給手段の動作を制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
3. 前記混合用水供給手段が、前記貯湯タンクに外部から水を供給するための外部水供給手段と、該外部水供給手段と前記混合部とを接続し、前記外部水供給手段から前記混合部に供給する水の供給量を調整するための外部水調整弁を有する外部水供給管とを含んでおり、前記制御装置は、前記ｐＨセンサにより測定された前記混合排水のｐＨが所定の範囲外の場合に、外部からの水を前記混合部に供給するように前記外部水調整弁の動作を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
4. 前記混合用水供給手段が、前記循環配管と、該循環配管と前記混合部とを接続し、前記循環配管から前記混合部に供給する水の供給量を調整するための循環水調整弁を有する循環水供給管とを含んでおり、前記制御装置は、前記ｐＨセンサにより測定された前記混合排水のｐＨが所定の範囲外の場合に、前記循環配管を流れる循環水を前記混合部に供給するように前記循環水調整弁の動作を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
5. 前記混合用水供給手段が、前記貯湯タンクに外部から水を供給するための外部水供給手段と、前記外部水供給手段と前記混合部とを接続し、前記外部水供給手段から前記混合部に供給する水の供給量を調整するための外部水調整弁を有する外部水供給管と、前記循環配管と、該循環配管と前記混合部とを接続し、前記循環配管から前記混合部に供給する水の供給量を調整するための循環水調整弁を有する循環水供給管とを含んでおり、
   前記貯湯タンクが、前記貯湯タンクの貯水量を測定するための貯水量センサと、前記貯湯タンクに貯水された水の温度を測定するための貯湯タンク温度センサとを備えるとともに、
   前記制御装置は、前記ｐＨセンサにより測定された前記混合排水のｐＨが所定の範囲外の場合に、前記貯水量センサおよび前記貯湯タンク温度センサにより測定された値に基づいて、前記外部水供給管を流れる水および前記循環配管を流れる水のうち少なくとも一方を前記混合部に供給するように、前記外部水調整弁および前記循環水調整弁の動作を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
6. 前記外部水供給管と前記循環水供給管とが三方弁により接続されているとともに、該三方弁が、前記外部水調整弁および前記循環水調整弁を兼ねていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
7. 前記循環水供給管が、前記循環配管のうち、前記熱交換器にて熱交換された後の水を前記貯湯タンクに供給するための戻り配管に接続されていることを特徴とする請求項４乃至請求項６のうち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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