JP2013057435A - 熱供給システム - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の燃料電池システムの夫々における貯湯タンクの容量を小さくしても、その燃料電池装置の排熱を有効に活用して、更なる省エネルギー化を図ること。
【解決手段】複数の燃料電池システム1の夫々には、貯湯タンク3の湯水と共用熱媒体とを熱交換させる熱交換部14が備えられ、共用熱媒体を共用熱媒体循環路9にて循環させる共用熱媒体循環手段10,22と、複数の熱交換部14の夫々に対応して備えられ、共用熱媒体循環路9の共用熱媒体を熱交換部14に供給して共用熱媒体循環路9に戻す熱交換部供給路15と、複数の熱交換部供給路15の夫々に備えられて、共用熱媒体循環路9の共用熱媒体を熱交換部供給路15に供給する供給状態と共用熱媒体循環路9の共用熱媒体を熱交換部供給路15に供給しない非供給状態とに切換自在な切換手段16とが備えられている。
【選択図】図1
【解決手段】複数の燃料電池システム1の夫々には、貯湯タンク3の湯水と共用熱媒体とを熱交換させる熱交換部14が備えられ、共用熱媒体を共用熱媒体循環路9にて循環させる共用熱媒体循環手段10,22と、複数の熱交換部14の夫々に対応して備えられ、共用熱媒体循環路9の共用熱媒体を熱交換部14に供給して共用熱媒体循環路9に戻す熱交換部供給路15と、複数の熱交換部供給路15の夫々に備えられて、共用熱媒体循環路9の共用熱媒体を熱交換部供給路15に供給する供給状態と共用熱媒体循環路9の共用熱媒体を熱交換部供給路15に供給しない非供給状態とに切換自在な切換手段16とが備えられている。
【選択図】図1
Description
本発明は、燃料電池装置と、その燃料電池装置と貯湯タンクとの間で湯水を循環させて前記燃料電池装置の排熱にて加熱された湯水を前記貯湯タンクに貯湯する排熱回収手段と、その排熱回収手段にて前記貯湯タンクから前記燃料電池装置に供給する湯水が有する熱を放熱させる放熱器とを備えた燃料電池システムが複数備えられている熱供給システムに関する。
上記の熱供給システムでは、例えば、マンション等の複数の住戸が集合している集合住宅に適応して、複数の住戸の夫々に燃料電池システムを備えることが考えられている(例えば、特許文献1参照。)。各住戸では、排熱回収手段が燃料電池装置の排ガスと貯湯タンクの湯水とを熱交換させて燃料電池装置の排熱にて加熱された湯水を貯湯タンクに貯湯している。このようにして、燃料電池装置にて発電される電力を電力消費機器に用いるとともに、貯湯タンクの湯水を給湯や暖房等に用いて、燃料電池装置にて発生される電力及び排熱を有効に活用して省エネルギー化を図るようにしている。
燃料電池システムは、燃料電池装置の排熱を貯湯タンクに蓄熱する一方で、貯湯タンクから燃料電池装置に供給する湯水が有する熱を放熱させる放熱器(本願に係る図1に示す例ではラジエータ5がこの放熱器に相当する)を備えており、その放熱器にて放熱することで、貯湯タンクから燃料電池装置に供給する湯水の温度が上限設定温度(例えば、40℃)未満となるようにしている。
この点について説明する。
燃料電池装置では、例えば、天然ガス等の炭化水素を原燃料として用いる場合、原燃料に水蒸気を混合させて、COとH2に改質させてから燃料電池にて反応されている。このときのH2Oは、改質反応に必要なことから改質水と呼ばれている。そして、水道水等を改質水として用いると、不純物が多く含まれていることから、水浄化装置が必要になるので、主として、燃料電池装置の排ガスを貯湯タンクから供給される湯水にて冷却して凝縮水を生成し、その凝縮水を改質水として用いている。そこで、燃料電池装置の排ガスを凝縮させるまで冷却させるには、貯湯タンクから燃料電池装置に供給する湯水の温度を排ガスの凝縮温度よりも低温にすることが必要となる。したがって、貯湯タンクから燃料電池装置に供給する湯水の温度が上限設定温度(例えば、40℃)以上である場合には、放熱器にて湯水が有する熱を放熱させて、湯水の温度を上限設定温度(例えば、40℃)未満に低下させるようにしている。
燃料電池装置では、例えば、天然ガス等の炭化水素を原燃料として用いる場合、原燃料に水蒸気を混合させて、COとH2に改質させてから燃料電池にて反応されている。このときのH2Oは、改質反応に必要なことから改質水と呼ばれている。そして、水道水等を改質水として用いると、不純物が多く含まれていることから、水浄化装置が必要になるので、主として、燃料電池装置の排ガスを貯湯タンクから供給される湯水にて冷却して凝縮水を生成し、その凝縮水を改質水として用いている。そこで、燃料電池装置の排ガスを凝縮させるまで冷却させるには、貯湯タンクから燃料電池装置に供給する湯水の温度を排ガスの凝縮温度よりも低温にすることが必要となる。したがって、貯湯タンクから燃料電池装置に供給する湯水の温度が上限設定温度(例えば、40℃)以上である場合には、放熱器にて湯水が有する熱を放熱させて、湯水の温度を上限設定温度(例えば、40℃)未満に低下させるようにしている。
ここで、例えば、熱供給システムを集合住宅に適応させて、各住戸に燃料電池システムを備える場合に、貯湯タンクの容量が大きくなれば設置スペースの確保が難しくなる等の理由から、貯湯タンクの容量を小さくすることが望まれている。しかしながら、貯湯タンクの容量を小さくすれば、貯湯タンク全体の湯水の温度が高温になり易くなるので、貯湯タンクの湯水が上限設定温度(例えば、40℃)以上となり、上述の如く、その湯水が有する熱を放熱器にて放熱してしまい、燃料電池装置の排熱を有効に活用できない場合がある。
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、複数の燃料電池システムの夫々における貯湯タンクの容量を小さくしても、その燃料電池装置の排熱を有効に活用して、更なる省エネルギー化を図ることができる熱供給システムを提供する点にある。
この目的を達成するために、本発明に係る熱供給システムの特徴構成は、燃料電池装置と、その燃料電池装置と貯湯タンクとの間で湯水を循環させて前記燃料電池装置の排熱にて加熱された湯水を前記貯湯タンクに貯湯する排熱回収手段と、その排熱回収手段にて前記貯湯タンクから前記燃料電池装置に供給する湯水が有する熱を放熱させる放熱器とを備えた燃料電池システムが複数備えられている熱供給システムにおいて、
複数の前記燃料電池システムの夫々には、前記貯湯タンクの湯水と共用熱媒体とを熱交換させる熱交換部が備えられ、共用熱媒体を共用熱媒体循環路にて循環させる共用熱媒体循環手段と、複数の前記熱交換部の夫々に対応して備えられ、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体を前記熱交換部に供給して前記共用熱媒体循環路に戻す熱交換部供給路と、複数の前記熱交換部供給路の夫々に備えられて、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体を前記熱交換部供給路に供給する供給状態と前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体を前記熱交換部供給路に供給しない非供給状態とに切換自在な切換手段とが備えられている点にある。
複数の前記燃料電池システムの夫々には、前記貯湯タンクの湯水と共用熱媒体とを熱交換させる熱交換部が備えられ、共用熱媒体を共用熱媒体循環路にて循環させる共用熱媒体循環手段と、複数の前記熱交換部の夫々に対応して備えられ、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体を前記熱交換部に供給して前記共用熱媒体循環路に戻す熱交換部供給路と、複数の前記熱交換部供給路の夫々に備えられて、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体を前記熱交換部供給路に供給する供給状態と前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体を前記熱交換部供給路に供給しない非供給状態とに切換自在な切換手段とが備えられている点にある。
本特徴構成によれば、複数の燃料電池システムの夫々において、切換手段が非供給状態から供給状態に切り換えることで、熱交換部供給路を通して熱交換部に共用熱媒体が供給され、熱交換部における共用熱媒体と貯湯タンクの湯水との熱交換を行うことができる。そこで、貯湯タンクの湯水の温度が上限設定温度以上となって、その湯水が有する熱を放熱器にて放熱してしまう場合には、切換手段が非供給状態から供給状態に切り換えることで、熱交換部において貯湯タンクの湯水にて共用熱媒体を加熱して、貯湯タンクの湯水が有する熱を共用熱媒体に供給することができる。また、貯湯タンクの湯水の温度が低い場合には、切換手段が非供給状態から供給状態に切り換えることで、熱交換部において共用熱媒体にて貯湯タンクの湯水を加熱することができる。したがって、複数の燃料電池システムの夫々において、切換手段が非供給状態から供給状態に切り換えて、熱交換部において貯湯タンクの湯水と共用熱媒体との間で熱の授受を行い、燃料電池システムから共用熱媒体への熱の供給及び共用熱媒体から燃料電池システムへの熱の取り込みを行うことができる。その結果、複数の燃料電池システムの夫々において、燃料電池装置の排熱を無駄に放熱器にて放熱することなく、給湯や暖房等に用いることができる。また、例えば、ある燃料電池システムにて放熱器にて放熱されていた熱を、共用熱媒体を介して、他の燃料電池システムにて用いることができ、システム全体として熱の有効活用を図ることができる。
以上のことから、複数の燃料電池システムの夫々における貯湯タンクの容量を小さくしても、複数の燃料電池システムの夫々における燃料電池装置の排熱を有効活用して、更なる省エネルギー化を図るとともに、システム全体としても熱の有効活用を図ることができる。
本発明に係る熱供給システムの更なる特徴構成は、共用熱媒体を共用熱媒体加熱部にて加熱する共用熱媒体加熱手段が備えられている点にある。
本特徴構成によれば、共用熱媒体加熱手段は、共用熱媒体を共用熱媒体加熱部にて加熱することができるので、共用熱媒体加熱部から取得した熱をも共用熱媒体に供給することができる。したがって、共用熱媒体が有する熱を複数の燃料電池システムにて有効に活用することができ、システム全体での省エネルギー化を適切に図ることができる。
本発明に係る熱供給システムの更なる特徴構成は、前記共用熱媒体循環手段は、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体の温度が設定温度範囲になるように共用熱媒体の循環状態を制御している点にある。
本特徴構成によれば、共用熱媒体循環手段は、例えば、共用熱媒体の循環量等を制御することで、共用熱媒体循環路の共用熱媒体の温度が設定温度範囲になるように共用熱媒体の循環状態を制御することができる。そして、設定温度範囲を、例えば40〜50℃の温度範囲に設定しておくことで、ある燃料電池システムでは、燃料電池システムから共用熱媒体への熱の供給を行うことができ、別の燃料電池システムでは、共用熱媒体から燃料電池システムへの熱の取り込みを行うことができ、熱の供給と熱の取り込みとを同時に行うこともできる。
本発明に係る熱供給システムの更なる特徴構成は、前記熱交換部において前記貯湯タンクの湯水にて共用熱媒体を加熱可能とする熱供給開始条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記非供給状態から前記供給状態に切り換え、その後、熱供給停止条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記供給状態から前記非供給状態に切り換える切換手段制御部が備えられ、前記熱供給開始条件及び前記熱供給停止条件は、前記貯湯タンクの湯水の温度に基づいて設定されている点にある。
貯湯タンクの湯水の温度が共用熱媒体の温度よりも高温である場合には、熱交換部において貯湯タンクの湯水にて共用熱媒体を加熱できることから、燃料電池システムから共用熱媒体への熱の供給を行うことができる。上述の如く、例えば、共用熱媒体の循環量等を制御して、共用熱媒体の温度を設定温度範囲とすることができるので、貯湯タンクの湯水の温度に基づいて熱供給開始条件及び熱供給停止条件を設定することで、熱供給開始条件及び熱供給停止条件として適切な条件を設定することができる。したがって、燃料電池システムから共用熱媒体への熱の供給を適切に行うことができる。
本発明に係る熱供給システムの更なる特徴構成は、前記熱交換部において共用熱媒体にて前記貯湯タンクの湯水を加熱可能とする熱取込開始条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記非供給状態から前記供給状態に切り換え、その後、熱取込停止条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記供給状態から前記非供給状態に切り換える切換手段制御部が備えられ、前記熱取込開始条件及び前記熱取込停止条件は、前記貯湯タンクの湯水の温度に基づいて設定されている点にある。
貯湯タンクの湯水の温度が共用熱媒体の温度よりも低温である場合には、熱交換部において共用熱媒体にて貯湯タンクの湯水を加熱できることから、共用熱媒体から燃料電池システムへの熱の取り込みを行うことができる。上述の如く、例えば、共用熱媒体の循環量等を制御して、共用熱媒体の温度を設定温度範囲とすることができるので、貯湯タンクの湯水の温度に基づいて熱取込開始条件及び熱取込停止条件を設定することで、熱取込開始条件及び熱取込停止条件として適切な条件を設定することができる。したがって、共用熱媒体から燃料電池システムへの熱の取り込みを適切に行うことができる。
本発明に係る熱供給システムの更なる特徴構成は、前記熱取込開始条件は、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体の温度に応じて変更設定自在に構成されている点にある。
本特徴構成によれば、例えば、共用熱媒体の温度が高温になる場合には、共用熱媒体から燃料電池システムへの熱の取り込みを行い易くするように、熱取込開始条件を変更設定することができる。これにより、共用熱媒体の温度が過剰に上昇している場合には、共用熱媒体から燃料電池システムへの熱の取り込みを行い、一旦、共用熱媒体が有する熱を貯湯タンクに蓄熱させて、その熱を放熱器にて放熱させることができる。したがって、共用熱媒体が有する熱を放熱するための専用の構成を備えなくても、既に燃料電池システムに備えられている放熱器を用いて、共用熱媒体の熱を放熱することができる。
本発明に係る熱供給システムの実施形態を図面に基づいて説明する。
この熱供給システム100は、図1に示すように、複数の燃料電池システム1を備えており、例えば、マンション等の複数の住戸が集合している集合住宅に適応して、複数の住戸の夫々に燃料電池システム1を備えさせている。
この熱供給システム100は、図1に示すように、複数の燃料電池システム1を備えており、例えば、マンション等の複数の住戸が集合している集合住宅に適応して、複数の住戸の夫々に燃料電池システム1を備えさせている。
(燃料電池システムの構成)
複数の燃料電池システム1の夫々は、燃料電池装置2と、その燃料電池装置2と貯湯タンク3との間で湯水を循環させて燃料電池装置2の排熱にて加熱された湯水を貯湯タンク3に貯湯する排熱回収手段4と、その排熱回収手段4にて貯湯タンク3から燃料電池装置2に供給する湯水が有する熱を放熱させるラジエータ(放熱器に相当する)5とを備えている。
複数の燃料電池システム1の夫々は、燃料電池装置2と、その燃料電池装置2と貯湯タンク3との間で湯水を循環させて燃料電池装置2の排熱にて加熱された湯水を貯湯タンク3に貯湯する排熱回収手段4と、その排熱回収手段4にて貯湯タンク3から燃料電池装置2に供給する湯水が有する熱を放熱させるラジエータ(放熱器に相当する)5とを備えている。
燃料電池装置2は、水素を含む水素含有ガスと酸素を含む酸素含有ガスとを反応させて発電しており、例えば、固体酸化物型にて構成されている。貯湯タンク3は、例えば、密閉型のタンクにて構成されており、温度が高い湯水(温水)は上方側に且つ温度が低い湯水は下方側に温度成層を形成する状態で湯水を貯留自在に構成されている。図示は省略するが、貯湯タンク3に貯湯されている湯水は、給湯栓等の給湯利用箇所に供給自在であるとともに、暖房や風呂の追焚の熱源としても利用可能に構成されている。貯湯タンク3には、その貯湯タンク3の蓄熱量を検出する等のために、複数の温度センサT1〜T4が上下方向に間隔を隔てて設けられている。第1温度センサT1は、貯湯タンク3の上部部位の湯水の温度を検出し、第2温度センサT2は、貯湯タンク3の中間上部部位の湯水の温度を検出し、第3温度センサT3は、貯湯タンク3の中間下部部位の湯水の温度を検出し、第4温度センサT4は、貯湯タンク3の下部部位の湯水の温度を検出している。
排熱回収手段4は、貯湯タンク3の下部から取り出した湯水を燃料電池装置2に供給して貯湯タンク3の上部に戻す湯水循環路6と、その湯水循環路6にて湯水を循環させる湯水循環ポンプ7とを備えている。そして、排熱回収手段4は、燃料電池装置2の排ガスと湯水循環路6の湯水とを熱交換させて燃料電池装置2の排熱にて湯水循環路6の湯水を加熱し、その加熱された湯水を貯湯タンク3に戻して貯湯するように構成されている。ラジエータ5は、湯水循環路6において貯湯タンク3と燃料電池装置2との間の部位に備えられており、貯湯タンク3から燃料電池装置2に供給する湯水が有する熱を放熱自在に構成されている。
(共用熱媒体を循環する構成)
熱供給システム100は、燃料電池システム1とは別に、共用熱媒体(例えば、湯水)を貯留する共用タンク8と、その共用タンク8の共用熱媒体を循環させる共用熱媒体循環路9と、共用タンク8から取り出した共用熱媒体を共用熱媒体循環路9にて循環させて共用タンク8に戻す共用熱媒体循環ポンプ10(共用熱媒体循環手段に相当する)とを備えている。共用タンク8は、例えば、密閉型のタンクにて構成されており、温度が高い共用熱媒体(温水)は上方側に且つ温度が低い共用熱媒体は下方側に温度成層を形成する状態で共用熱媒体を貯留自在に構成されている。共用熱媒体循環路9は、共用タンク8の上部から共用熱媒体を取り出して通流させる取り出し側部位9aと、その取り出し側部位9aを通流した共用熱媒体を共用タンク8の下部に戻す戻し側部位9bとから構成されている。
熱供給システム100は、燃料電池システム1とは別に、共用熱媒体(例えば、湯水)を貯留する共用タンク8と、その共用タンク8の共用熱媒体を循環させる共用熱媒体循環路9と、共用タンク8から取り出した共用熱媒体を共用熱媒体循環路9にて循環させて共用タンク8に戻す共用熱媒体循環ポンプ10(共用熱媒体循環手段に相当する)とを備えている。共用タンク8は、例えば、密閉型のタンクにて構成されており、温度が高い共用熱媒体(温水)は上方側に且つ温度が低い共用熱媒体は下方側に温度成層を形成する状態で共用熱媒体を貯留自在に構成されている。共用熱媒体循環路9は、共用タンク8の上部から共用熱媒体を取り出して通流させる取り出し側部位9aと、その取り出し側部位9aを通流した共用熱媒体を共用タンク8の下部に戻す戻し側部位9bとから構成されている。
共用タンク8の共用熱媒体と貯湯タンク3の湯水とを熱交換させるために、貯湯タンク3には、貯湯タンク3の湯水と共用熱媒体とを熱交換させる熱交換部14が備えられている。この熱交換部14は、貯湯タンク3の内部に備えられており、貯湯タンク3の下方側部位に存在する湯水と共用熱媒体とを熱交換自在に構成されている。そして、熱交換部14に共用熱媒体を供給するために、複数の熱交換部14の夫々に対応して、共用熱媒体循環路9の共用熱媒体を熱交換部14に供給して共用熱媒体循環路9に戻す熱交換部供給路15が備えられている。この熱交換部供給路15は、その上流側端部が共用熱媒体循環路9の取り出し側部位9aに接続され、その途中部位に熱交換部14を備え、その下流側端部が共用熱媒体循環路9の戻し側部位9bに接続されている。複数の熱交換部供給路15の夫々には、共用熱媒体循環路9の共用熱媒体を熱交換部供給路15に供給する供給状態と共用熱媒体循環路9の共用熱媒体を熱交換部供給路15に供給しない非供給状態とに切換自在な切換弁16(切換手段に相当する)が備えられている。
このようにして、燃料電池システム1は、燃料電池装置2、排熱回収手段4及びラジエータ5に加えて、熱交換部14及び切換弁16を備えている。切換弁16を非供給状態から供給状態に切り換えることで、熱交換部14において貯湯タンク3の湯水と共用熱媒体との熱交換を行うようにしている。そして、熱交換部14において貯湯タンク3の湯水にて共用熱媒体を加熱することで、貯湯タンク3に蓄熱されている熱を燃料電池システム1から共用熱媒体に供給することができる。逆に、熱交換部14において共用熱媒体にて貯湯タンク3の湯水を加熱することで、共用熱媒体が有する熱を燃料電池システム1に取り込んで貯湯タンク3に蓄熱することができる。
共用熱媒体循環路9において、取り出し側部位9aの上流側部位と戻し側部位9bの下流側部位とを接続するバイパス路12が備えられ、取り出し側部位9aとバイパス路12との接続箇所には第1三方弁13が備えられている。取り出し側部位9aとバイパス路12との接続箇所は、取り出し側部位9aと熱交換部供給路15との接続箇所よりも上流側となっている。そして、共用熱媒体循環路9において、取り出し側部位9aとバイパス路12との接続箇所と取り出し側部位9aと熱交換部供給路15との接続箇所の間に共用熱媒体循環ポンプ10が備えられている。また、共用熱媒体循環路9において、取り出し側部位9aと戻し側部位9bとの間に第1制御弁11が備えられている。
共用タンク8の共用熱媒体を加熱するために、共用タンク8から取り出した共用熱媒体を共用熱媒体加熱部17にて加熱して共用タンク8に戻す共用熱媒体加熱手段18が備えられている。この例では、共用熱媒体加熱部17は、太陽熱を集熱して共用熱媒体を加熱する太陽熱集熱器にて構成されている。共用熱媒体加熱手段18は、共用タンク8の下部から取り出した共用熱媒体を共用熱媒体加熱部17に供給して共用熱媒体加熱部17にて加熱された共用熱媒体を共用タンク8の上部に戻す加熱用循環路19と、その加熱用循環路19にて共用熱媒体を循環させる加熱用循環ポンプ20とを備えている。
複数の燃料電池システム1の夫々には、その運転を制御する燃料電池側制御部21が備えられている。この燃料電池側制御部21は、燃料電池装置2や排熱回収手段4の作動を制御するとともに、切換弁16についての供給状態と非供給状態との切換をも制御するように構成されている。また、共用熱媒体循環路9における共用熱媒体の循環状態を制御する共用側制御部22が備えられており、燃料電池側制御部21と共用側制御部22との間では各種の情報が通信自在に構成されている。この共用側制御部22は、共用熱媒体循環ポンプ10及び第1三方弁13の作動を制御することで、共用熱媒体循環路9における共用熱媒体の循環状態を制御するとともに、共用熱媒体加熱手段18の作動をも制御するように構成されている。
(燃料電池システムの動作)
燃料電池側制御部21は、例えば、電力需要に応じて燃料電池装置2の出力等を制御している。燃料電池側制御部21は、燃料電池装置2を作動させる場合に、湯水循環ポンプ7を作動させて、貯湯タンク3の下部から取り出した湯水を湯水循環路6にて燃料電池装置2に供給して燃料電池装置2の排ガスにてその湯水を加熱し、その加熱された湯水を湯水循環路6にて貯湯タンク3に戻して貯湯している。燃料電池装置2は、例えば、天然ガス等の炭化水素を原燃料としており、その原燃料に水蒸気を混合させてCOとH2に改質させてから燃料電池にて反応させている。燃料電池装置2の排ガスにて湯水循環路6の湯水を加熱することで、燃料電池装置2の排ガスを凝縮させて凝縮水を得ており、その凝縮水を上述の改質反応に必要な改質水として用いている。そこで、改質水としての凝縮水を得るために、貯湯タンク3から燃料電池装置2に供給する湯水の温度に上限設定温度(例えば、40℃)が設定されている。燃料電池側制御部21は、第4温度センサT4の検出温度が上限設定温度以上であると、ラジエータ5を作動させて、湯水循環路6にて貯湯タンク3から燃料電池装置2に供給する湯水の温度を上限設定温度未満となるようにしている。
燃料電池側制御部21は、例えば、電力需要に応じて燃料電池装置2の出力等を制御している。燃料電池側制御部21は、燃料電池装置2を作動させる場合に、湯水循環ポンプ7を作動させて、貯湯タンク3の下部から取り出した湯水を湯水循環路6にて燃料電池装置2に供給して燃料電池装置2の排ガスにてその湯水を加熱し、その加熱された湯水を湯水循環路6にて貯湯タンク3に戻して貯湯している。燃料電池装置2は、例えば、天然ガス等の炭化水素を原燃料としており、その原燃料に水蒸気を混合させてCOとH2に改質させてから燃料電池にて反応させている。燃料電池装置2の排ガスにて湯水循環路6の湯水を加熱することで、燃料電池装置2の排ガスを凝縮させて凝縮水を得ており、その凝縮水を上述の改質反応に必要な改質水として用いている。そこで、改質水としての凝縮水を得るために、貯湯タンク3から燃料電池装置2に供給する湯水の温度に上限設定温度(例えば、40℃)が設定されている。燃料電池側制御部21は、第4温度センサT4の検出温度が上限設定温度以上であると、ラジエータ5を作動させて、湯水循環路6にて貯湯タンク3から燃料電池装置2に供給する湯水の温度を上限設定温度未満となるようにしている。
(共用熱媒体の循環状態の制御)
共用側制御部22(共用熱媒体循環手段に相当する)は、共用熱媒体循環路9の共用熱媒体の温度が設定温度範囲(例えば、40〜50℃の温度範囲)になるように共用熱媒体の循環状態を制御している。共用熱媒体の温度については、例えば、共用熱媒体循環路9の取り出し側部位9aに温度センサ(図示省略)を備え、その温度センサにて共用熱媒体の温度を検出している。共用側制御部22は、その温度センサの検出温度が設定温度範囲になるように、共用熱媒体循環ポンプ10の回転速度及び第1三方弁13の切換状態や開度を制御して、共用熱媒体循環路9における共用熱媒体の循環状態を制御している。そして、例えば、複数の燃料電池システム1の全てが運転停止している場合等には、共用側制御部22が、燃料電池側制御部21と共用側制御部22との間での通信によりその運転停止の情報を取得すると、共用熱媒体循環ポンプ10を作動停止させるようにしている。また、共用側制御部22は、例えば、昼間等の太陽熱を取得できる時間帯等に、加熱用循環ポンプ20を作動させて、加熱用循環路19によって、共用タンク8の下部から取り出した共用熱媒体を共用熱媒体加熱部17に供給し、共用熱媒体加熱部17にて加熱された共用熱媒体を共用タンク8の上部に戻すようにしている。
共用側制御部22(共用熱媒体循環手段に相当する)は、共用熱媒体循環路9の共用熱媒体の温度が設定温度範囲(例えば、40〜50℃の温度範囲)になるように共用熱媒体の循環状態を制御している。共用熱媒体の温度については、例えば、共用熱媒体循環路9の取り出し側部位9aに温度センサ(図示省略)を備え、その温度センサにて共用熱媒体の温度を検出している。共用側制御部22は、その温度センサの検出温度が設定温度範囲になるように、共用熱媒体循環ポンプ10の回転速度及び第1三方弁13の切換状態や開度を制御して、共用熱媒体循環路9における共用熱媒体の循環状態を制御している。そして、例えば、複数の燃料電池システム1の全てが運転停止している場合等には、共用側制御部22が、燃料電池側制御部21と共用側制御部22との間での通信によりその運転停止の情報を取得すると、共用熱媒体循環ポンプ10を作動停止させるようにしている。また、共用側制御部22は、例えば、昼間等の太陽熱を取得できる時間帯等に、加熱用循環ポンプ20を作動させて、加熱用循環路19によって、共用タンク8の下部から取り出した共用熱媒体を共用熱媒体加熱部17に供給し、共用熱媒体加熱部17にて加熱された共用熱媒体を共用タンク8の上部に戻すようにしている。
(切換弁の切換の制御)
燃料電池側制御部21(切換手段制御部に相当する)は、熱供給開始条件が満たされた場合に、切換弁16を非供給状態から供給状態に切り換え、その後、熱供給停止条件が満たされた場合に、切換弁16を供給状態から非供給状態に切り換えている。熱供給開始条件は、熱交換部14において貯湯タンク3の湯水にて共用熱媒体を加熱可能とする条件であり、貯湯タンク3の湯水の温度に基づいて設定されており、熱供給停止条件も、貯湯タンク3の湯水の温度に基づいて設定されている。熱供給開始条件は、貯湯タンク3の下部部位に存在する湯水の温度が第1設定温度(例えば、60℃)以上になるという条件に設定されており、熱供給停止条件は、貯湯タンク3の下部部位に存在する湯水の温度が第2設定温度(例えば、40℃)以下になるという条件に設定されている。これにより、燃料電池側制御部21は、第4温度センサT4の検出温度が第1設定温度(例えば、60℃)以上になると、熱供給開始条件が満たされたとして、切換弁16を非供給状態から供給状態に切り換えて、熱交換部14において貯湯タンク3の湯水にて共用熱媒体を加熱して貯湯タンク3に蓄熱されている熱を共用熱媒体に供給している。そして、燃料電池側制御部21は、第4温度センサT4の検出温度が第2設定温度(例えば、40℃)以下になると、熱供給停止条件が満たされたとして、切換弁16を供給状態から非供給状態に切り換えている。
燃料電池側制御部21(切換手段制御部に相当する)は、熱供給開始条件が満たされた場合に、切換弁16を非供給状態から供給状態に切り換え、その後、熱供給停止条件が満たされた場合に、切換弁16を供給状態から非供給状態に切り換えている。熱供給開始条件は、熱交換部14において貯湯タンク3の湯水にて共用熱媒体を加熱可能とする条件であり、貯湯タンク3の湯水の温度に基づいて設定されており、熱供給停止条件も、貯湯タンク3の湯水の温度に基づいて設定されている。熱供給開始条件は、貯湯タンク3の下部部位に存在する湯水の温度が第1設定温度(例えば、60℃)以上になるという条件に設定されており、熱供給停止条件は、貯湯タンク3の下部部位に存在する湯水の温度が第2設定温度(例えば、40℃)以下になるという条件に設定されている。これにより、燃料電池側制御部21は、第4温度センサT4の検出温度が第1設定温度(例えば、60℃)以上になると、熱供給開始条件が満たされたとして、切換弁16を非供給状態から供給状態に切り換えて、熱交換部14において貯湯タンク3の湯水にて共用熱媒体を加熱して貯湯タンク3に蓄熱されている熱を共用熱媒体に供給している。そして、燃料電池側制御部21は、第4温度センサT4の検出温度が第2設定温度(例えば、40℃)以下になると、熱供給停止条件が満たされたとして、切換弁16を供給状態から非供給状態に切り換えている。
燃料電池側制御部21(切換手段制御部に相当する)は、熱取込開始条件が満たされた場合に、切換弁16を非供給状態から供給状態に切り換え、その後、熱取込停止条件が満たされた場合に、切換弁16を供給状態から非供給状態に切り換えている。熱取込開始条件は、熱交換部14において共用熱媒体にて貯湯タンク3の湯水を加熱可能とする条件であり、貯湯タンク3の湯水の温度に基づいて設定されており、熱取込停止条件も、貯湯タンク3の湯水の温度に基づいて設定されている。熱取込開始条件は、貯湯タンク3の上部部位に存在する湯水の温度が第3設定温度(例えば、30℃)以下になるという条件に設定されており、熱取込停止条件は、貯湯タンク3の下部部位に存在する湯水の温度が第4設定温度(例えば、30℃)以上になるという条件に設定されている。これにより、燃料電池側制御部21は、第1温度センサT1の検出温度が第3設定温度(例えば、30℃)以下になると、熱取込開始条件が満たされたとして、切換弁16を非供給状態から供給状態に切り換えて、熱交換部14において共用熱媒体にて貯湯タンク3の湯水を加熱して共用熱媒体が有する熱を貯湯タンク3に取り込んでいる。
熱取込開始条件については、共用熱媒体循環路9の共用熱媒体の温度に応じて変更設定自在に構成されている。つまり、共用熱媒体循環路9の共用熱媒体の温度が上昇した場合には、共用熱媒体が有する熱を貯湯タンク3に取り込み易くするために、例えば、第3設定温度を条件緩和設定温度だけ高い温度に変更して、熱取込開始条件を満たし易く変更設定している。
このようにして、本実施形態の熱供給システム100では、複数の燃料電池システム1の夫々において、熱供給開始条件が満たされた場合に、切換弁16を非供給状態から供給状態に切り換えることで、貯湯タンク3に蓄熱されている熱を、ラジエータ5にて無駄に放熱することなく、共用熱媒体に供給して共用タンク8に蓄熱させておくことができる。そして、熱取込開始条件が満たされた場合に、切換弁16を非供給状態から供給状態に切り換えることで、共用熱媒体が有する熱を貯湯タンク3に取り込んで、その取り込んだ熱を給湯や暖房等に利用することができる。これにより、複数の燃料電池システム1の夫々において、貯湯タンク3の容量を小さくすることができながら、貯湯タンク3の湯水と共用熱媒体との間で熱の授受を行い、燃料電池装置2の排熱を無駄に放熱することなく、給湯や暖房等に有効に活用することができる。しかも、共用熱媒体は、複数の燃料電池システム1の夫々に備えられた熱交換部14にて貯湯タンク3の湯水と熱交換できるので、ある住戸にて余剰な燃料電池装置2の排熱を他の住戸にて給湯や暖房等に用いることができ、集合住宅の全体としてエネルギーの有効活用を図ることができる。
図2は、本実施形態の熱供給システム100において、ある住戸における熱需要B1、貯湯タンク3の蓄熱量B2、及び、燃料電池装置2の排熱の出力B3の1日の変化を示すとともに、太陽熱の出力B4の1日の変化を示したグラフである。図2によれば、ラジエータ5にて放熱する時間帯は、15時頃から16時半頃までのわずかな時間帯(図中Aで示す時間帯)に限られており、燃料電池装置2の排熱を無駄にラジエータ5にて放熱していない。そして、太陽熱の出力を共用熱媒体から貯湯タンク3に取り込んで貯湯タンク3の蓄熱量を蓄熱上限まで上昇させている。よって、その後に発生する大きな熱需要に対して、元々、貯湯タンク3に蓄熱されている熱だけでなく、共用熱媒体から取り込んだ太陽熱をも有効に活用している。
〔別実施形態〕
(1)上記実施形態では、共用熱媒体加熱部17として、太陽熱集熱器を採用した場合を例示したが、例えば、集合住宅における共用部の電灯等の消費電力だけを賄うことができる小型のコージェネレーションシステムを備え、その小型のコージェネレーションシステムを共用熱媒体加熱部として採用して、小型のコージェネレーションシステムから発生する排熱にて共用熱媒体を加熱することも可能である。
(1)上記実施形態では、共用熱媒体加熱部17として、太陽熱集熱器を採用した場合を例示したが、例えば、集合住宅における共用部の電灯等の消費電力だけを賄うことができる小型のコージェネレーションシステムを備え、その小型のコージェネレーションシステムを共用熱媒体加熱部として採用して、小型のコージェネレーションシステムから発生する排熱にて共用熱媒体を加熱することも可能である。
本発明は、燃料電池装置と、その燃料電池装置と貯湯タンクとの間で湯水を循環させて前記燃料電池装置の排熱にて加熱された湯水を前記貯湯タンクに貯湯する排熱回収手段と、その排熱回収手段にて前記貯湯タンクから前記燃料電池装置に供給する湯水が有する熱を放熱させる放熱器とを備えた燃料電池システムが複数備えられ、複数の燃料電池システムの夫々における貯湯タンクの容量を小さくしても、その燃料電池装置の排熱を有効に活用して、更なる省エネルギー化を図ることができる各種の熱供給システムに適応可能である。
1 燃料電池システム
2 燃料電池装置
3 貯湯タンク
4 排熱回収手段
5 ラジエータ(放熱器)
9 共用熱媒体循環路
10 共用熱媒体循環ポンプ(共用熱媒体循環手段)
14 熱交換部
15 熱交換部供給路
16 切換弁(切換手段)
17 共用熱媒体加熱部
18 共用熱媒体加熱手段
21 燃料電池側制御部(切換手段制御部)
22 共用側制御部(共用熱媒体循環手段)
2 燃料電池装置
3 貯湯タンク
4 排熱回収手段
5 ラジエータ(放熱器)
9 共用熱媒体循環路
10 共用熱媒体循環ポンプ(共用熱媒体循環手段)
14 熱交換部
15 熱交換部供給路
16 切換弁(切換手段)
17 共用熱媒体加熱部
18 共用熱媒体加熱手段
21 燃料電池側制御部(切換手段制御部)
22 共用側制御部(共用熱媒体循環手段)
Claims (6)
- 燃料電池装置と、その燃料電池装置と貯湯タンクとの間で湯水を循環させて前記燃料電池装置の排熱にて加熱された湯水を前記貯湯タンクに貯湯する排熱回収手段と、その排熱回収手段にて前記貯湯タンクから前記燃料電池装置に供給する湯水が有する熱を放熱させる放熱器とを備えた燃料電池システムが複数備えられている熱供給システムであって、
複数の前記燃料電池システムの夫々には、前記貯湯タンクの湯水と共用熱媒体とを熱交換させる熱交換部が備えられ、共用熱媒体を共用熱媒体循環路にて循環させる共用熱媒体循環手段と、複数の前記熱交換部の夫々に対応して備えられ、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体を前記熱交換部に供給して前記共用熱媒体循環路に戻す熱交換部供給路と、複数の前記熱交換部供給路の夫々に備えられて、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体を前記熱交換部供給路に供給する供給状態と前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体を前記熱交換部供給路に供給しない非供給状態とに切換自在な切換手段とが備えられている熱供給システム。 - 共用熱媒体を共用熱媒体加熱部にて加熱する共用熱媒体加熱手段が備えられている請求項1に記載の熱供給システム。
- 前記共用熱媒体循環手段は、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体の温度が設定温度範囲になるように共用熱媒体の循環状態を制御している請求項1又は2に記載の熱供給システム。
- 前記熱交換部において前記貯湯タンクの湯水にて共用熱媒体を加熱可能とする熱供給開始条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記非供給状態から前記供給状態に切り換え、その後、熱供給停止条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記供給状態から前記非供給状態に切り換える切換手段制御部が備えられ、前記熱供給開始条件及び前記熱供給停止条件は、前記貯湯タンクの湯水の温度に基づいて設定されている請求項1〜3の何れか1項に記載の熱供給システム。
- 前記熱交換部において共用熱媒体にて前記貯湯タンクの湯水を加熱可能とする熱取込開始条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記非供給状態から前記供給状態に切り換え、その後、熱取込停止条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記供給状態から前記非供給状態に切り換える切換手段制御部が備えられ、前記熱取込開始条件及び前記熱取込停止条件は、前記貯湯タンクの湯水の温度に基づいて設定されている請求項1〜4の何れか1項に記載の熱供給システム。
- 前記熱取込開始条件は、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体の温度に応じて変更設定自在に構成されている請求項5に記載の熱供給システム。
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