JP2016091646A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池システムにおいて、複雑化・高コスト化を招くことなく、水道水が流通する熱交換器が残留塩素によって腐食するのを抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池34と、貯湯水を貯水する貯湯槽21と、燃料電池34の排熱と貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器12と、貯湯槽21と熱交換器12との間において貯湯水を循環させるように形成された貯湯水循環ライン22と、貯湯水循環ライン22であって貯湯槽21の貯湯水導出口21aと熱交換器12の貯湯水導入口12bとの間に設けられ、貯湯水中に含有されている残留塩素を濾過する塩素除去フィルタ22aと、を備えている。【選択図】 図1
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池システムの一形式として、特許文献1に示されているものが知られている。特許文献1の図1に示されているように、燃料電池システムは、冷却水循環系5に連結されて冷却水7の排熱を回収するステンレス合金製の排熱回収用熱交換器21と、その二次熱媒体としての低イオン濃度の中間熱媒水25の循環通路22と、この循環通路に連結されて中間熱媒水の回収熱をイオン濃度の高い(特に残留塩素濃度の高い)外部熱媒水12に伝達する炭素鋼製の供給側熱交換器23と、を備えている。これにより、外部熱媒水に水道水を用いても、供給側熱交換器23は応力腐食割れを起こさない。
上述した特許文献1に記載されている燃料電池システムにおいて、残留塩素濃度が高い水道水が流通する熱交換器は、残留塩素によって腐食が生じない。しかし、燃料電池システムは、構造の複雑化、高コスト化となるという問題があった。
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、複雑化・高コスト化を招くことなく、水道水が流通する熱交換器が残留塩素によって腐食するのを抑制することを目的とする。
上記の課題を解決するため、請求項1に係る燃料電池システムの発明は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、貯湯水を貯水する貯湯槽と、燃料電池の排熱と貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器と、貯湯槽と熱交換との間において貯湯水を循環させるように形成された貯湯水循環ラインと、貯湯水循環ラインであって貯湯槽の貯湯水導出口と熱交換器の貯湯水導入口との間に設けられ、貯湯水中に含有されている残留塩素を濾過する塩素除去フィルタと、を備えている。
これによれば、残留塩素を含有する水道水が貯湯槽に給水され、さらに貯湯槽からの貯湯水が貯湯水循環ラインを通って熱交換器に供給される際に、貯湯水中に含有している残留塩素が塩素除去フィルタによって濾過(除去)される。その結果、燃料電池システムにおいて、複雑化・高コスト化を招くことなく、水道水が循環する熱交換器が残留塩素によって腐食するのを抑制することができる。
以下、本発明による燃料電池システムの一実施形態について説明する。燃料電池システムは、図1に示すように、発電ユニット10および貯湯槽21を備えている。発電ユニット10は、筐体10a、燃料電池モジュール11(30)、熱交換器12、インバータ装置13、水タンク14、制御装置15を備えている。燃料電池モジュール11(30)、熱交換器12、インバータ装置13、水タンク14、および制御装置15は、筐体10a内に収容されている。
燃料電池モジュール11は、後述するように燃料電池34を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール11は、改質用原料、改質水およびカソードエアが供給されている。具体的には、燃料電池モジュール11は、一端が供給源Gsに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管11aの他端が接続されている。改質用原料供給管11aは、原料ポンプ11a1が設けられている。さらに、燃料電池モジュール11は、一端が水タンク14に接続されて改質水が供給される水供給管11bの他端が接続されている。水供給管11bは、改質水ポンプ11b1が設けられている。さらに、燃料電池モジュール11は、一端がカソードエアブロワ11c1に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管11cの他端が接続されている。
熱交換器12は、燃料電池モジュール11から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽21からの貯湯水が供給され、燃焼排ガス(燃料電池34および改質部33の各排熱)と貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器である。具体的には、貯湯槽21は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する(図にて矢印の方向に循環する)貯湯水循環ライン22が接続されている。貯湯水循環ライン22上には、下端から上端に向かって順番に塩素除去フィルタ22a、貯湯水循環ポンプ22bおよび熱交換器12が配設されている。熱交換器12は、燃料電池モジュール11からの排気管11dが接続(貫設)されている。熱交換器12は、水タンク14に接続されている凝縮水供給管12aが接続されている。
熱交換器12において、燃料電池モジュール11からの燃焼排ガスは、排気管11dを通って熱交換器12内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは排気管11dを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管12aを通って水タンク14に供給される。なお、水タンク14は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。
上述した熱交換器12、貯湯槽21および貯湯水循環ライン22から、排熱回収システム20が構成されている。排熱回収システム20は、燃料電池モジュール11の排熱を貯湯水に回収して蓄える。
上述した熱交換器12、貯湯槽21および貯湯水循環ライン22から、排熱回収システム20が構成されている。排熱回収システム20は、燃料電池モジュール11の排熱を貯湯水に回収して蓄える。
貯湯槽21は、密封式の容器である。貯湯槽21は、圧力逃がし弁を備えている。貯湯槽21は、耐圧式の容器である。貯湯槽21は、少なくとも水道水の圧力に耐えることができる。
貯湯槽21は、貯湯槽21から貯湯水を調整可能に導出する導出装置23と、給水源24からの給水を貯湯槽21に導入する導入装置25と、を備えている。
導出装置23は、貯湯水が使用される湯水使用機器41に接続され、湯水使用機器41に貯湯水を供給する貯湯水供給管42と、貯湯水供給管42に接続され貯湯水を外部に排出する排水管43と、排水管43に設けられ排水管43を制御装置15の開閉指令に応じて開閉する開閉弁44と、から構成されている。また、導出装置23は、湯水使用機器41および貯湯水供給管42から構成するようにしてもよい。なお、湯水使用機器41は、例えば複数の湯利用機器および熱利用機器から構成されている。湯利用機器としては、浴槽、シャワ、キッチン(キッチンの蛇口)、洗面所(洗面所の蛇口)などがある。熱利用機器としては、浴室暖房、床暖房、浴槽の湯を追い炊き機構などがある。熱利用機器は、貯湯水を循環させるタイプや貯湯水を熱交換後に排出するタイプのものがある。
貯湯水供給管42は、通過する貯湯水の供給量(単位時間あたりの通水量)を検出する流量計42aが設けられている。流量計42aの検出結果は、制御装置15に送信されている。
貯湯槽21は、貯湯槽21から貯湯水を調整可能に導出する導出装置23と、給水源24からの給水を貯湯槽21に導入する導入装置25と、を備えている。
導出装置23は、貯湯水が使用される湯水使用機器41に接続され、湯水使用機器41に貯湯水を供給する貯湯水供給管42と、貯湯水供給管42に接続され貯湯水を外部に排出する排水管43と、排水管43に設けられ排水管43を制御装置15の開閉指令に応じて開閉する開閉弁44と、から構成されている。また、導出装置23は、湯水使用機器41および貯湯水供給管42から構成するようにしてもよい。なお、湯水使用機器41は、例えば複数の湯利用機器および熱利用機器から構成されている。湯利用機器としては、浴槽、シャワ、キッチン(キッチンの蛇口)、洗面所(洗面所の蛇口)などがある。熱利用機器としては、浴室暖房、床暖房、浴槽の湯を追い炊き機構などがある。熱利用機器は、貯湯水を循環させるタイプや貯湯水を熱交換後に排出するタイプのものがある。
貯湯水供給管42は、通過する貯湯水の供給量(単位時間あたりの通水量)を検出する流量計42aが設けられている。流量計42aの検出結果は、制御装置15に送信されている。
導入装置25は、給水源24と貯湯槽21とを接続する給水管51から構成されている。給水源24は、例えば水道管である。給水管51は、供給されている給水の圧力を所定圧力に減圧する減圧装置52を設けている。なお、導入装置25は、給水源24が圧力が比較的高い水道管ではなく圧力の比較的低い供給源である場合、給水管51と給水管51に設けられたポンプなどの圧送装置とから構成するようにしてもよい。
塩素除去フィルタ22aは、貯湯水循環ライン22であって貯湯槽21の貯湯水導出口21aと熱交換器12の貯湯水導入口12bとの間に設けられている。塩素除去フィルタ22aは、貯湯水中に含有している残留塩素を濾過するフィルタである。例えば、塩素除去フィルタ22aは、ハウジング22a1内に繊維状活性炭と粒状活性炭とを収容して構成されている。例えば、塩素除去フィルタ22aは、繊維状活性炭からなる第一層22a2と粒状活性炭からなる第二層22a3とが積層され、貯湯水が第一層22a2および第二層22a3を順番に通過するように構成されている。なお、残留塩素は、水道水の中に存在させることが必要な遊離残留塩素と結合残留塩素とを合わせたもので、水道水に含まれる物質に対する殺菌や酸化反応に有効に作用し得る塩素化合物のことをいう。遊離残留塩素は、例えば次亜塩素酸(HClO)であり、結合残留塩素は、例えばモノクロラミン(NHCl)とジクロラミン(NHCl2)である。
また、貯湯水循環ポンプ22bは、貯湯水循環ライン22の熱媒体(貯湯水)を送出して図示矢印方向へ循環させる送出装置であり、制御装置15によって制御されてその吐出量(送出量)が制御されるようになっている。
また、貯湯水循環ポンプ22bは、貯湯水循環ライン22の熱媒体(貯湯水)を送出して図示矢印方向へ循環させる送出装置であり、制御装置15によって制御されてその吐出量(送出量)が制御されるようになっている。
インバータ装置13は、燃料電池34から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源16aおよび外部電力負荷16c(例えば電化製品)に接続されている電源ライン16bに出力する。また、インバータ装置13は、系統電源16aからの交流電圧を電源ライン16bを介して入力し所定の直流電圧に変換して補機(各ポンプ、ブロワなど)や制御装置15に出力する。なお、制御装置15は、補機を駆動して燃料電池システムの運転を制御する。
燃料電池モジュール11(30)は、ケーシング31、蒸発部32、改質部33および燃料電池34を備えている。ケーシング31は、断熱性材料で箱状に形成されている。
蒸発部32は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部32は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部33に供給するものである。改質用原料としては天然ガス(メタンガスを主成分とする)、LPガスなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。
蒸発部32は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部32は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部33に供給するものである。改質用原料としては天然ガス(メタンガスを主成分とする)、LPガスなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。
蒸発部32には、一端(下端)が水タンク14に接続された水供給管11bの他端が接続されている。また、蒸発部32には、一端が供給源Gsに接続された改質用原料供給管11aが接続されている。供給源Gsは、例えば都市ガスのガス供給管、LPガスのガスボンベである。
改質部33は、上述した燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部32から供給された混合ガス(改質用原料、水蒸気)から改質ガスを生成して導出するものである。改質部33内には、触媒(例えば、RuまたはNi系の触媒)が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素などを含んだガスが生成されている(いわゆる水蒸気改質反応)。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス(メタンガス)、改質に使用されなかった改質水(水蒸気)を含んでいる。このように、改質部33は改質用原料(原燃料)と改質水とから改質ガス(燃料)を生成して燃料電池34に供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。
燃料電池34は、燃料極、空気極(酸化剤極)、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル34aが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池34の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は400〜1000℃程度である。
セル34aの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路34bが形成されている。セル34aの空気極側には、酸化剤ガスである空気(カソードエア)が流通する空気流路34cが形成されている。
燃料電池34は、マニホールド35上に設けられている。マニホールド35には、改質部33からの改質ガス(アノードガス)が改質ガス供給管38を介して供給される。燃料流路34bは、その下端(一端)がマニホールド35の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ11c1によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管11cを介して供給され、空気流路34cの下端から導入され上端から導出されるようになっている。
燃料電池34においては、燃料極に供給されたアノードガスと空気極に供給されたカソードガスによって発電が行われる。
燃料電池34においては、燃料極に供給されたアノードガスと空気極に供給されたカソードガスによって発電が行われる。
燃焼部36は、燃料電池34と蒸発部32および改質部33との間に設けられている。燃焼部36は、燃料電池34からのアノードオフガス(燃料オフガス)と燃料電池34からのカソードオフガス(酸化剤オフガス)とが燃焼されて改質部33を加熱する。
燃焼部36では、アノードオフガスが燃焼されて火炎37(燃焼ガス)が発生している。燃焼部36では、アノードオフガスが燃焼されてその燃焼排ガスが発生している。燃焼部36には、アノードオフガスを着火させるための一対の着火ヒータ36a1,36a2が設けられている。
制御装置15は、燃料電池システムの運転を統括して制御する。制御装置15は、導出装置23から導出される貯湯水導出量を調整することができる。制御装置15は、マイクロコンピュータ(図示省略)を有している。マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、CPU、RAMおよびROM(いずれも図示省略)を備えている。CPUは、燃料電池システムの統括運転を実施している。RAMは制御プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ROMは制御プログラムを記憶するものである。
制御装置15は、図2に示すように、残留塩素濃度算出部61と、残留塩素濃度取得部62と、給水制御部63と、を備えている。
残留塩素濃度算出部61は、給水制御部63によって貯湯水を導入した直後の貯湯槽21内の残留塩素濃度である導入後残留塩素濃度N2を算出する。すなわち、残留塩素濃度算出部61は、貯湯槽21の容量(貯湯槽容量)Bと、給水制御部63によって貯湯水を導入する直前の貯湯槽21内の残留塩素濃度である導入前残留塩素濃度N1と、給水源24から導入される給水の供給量(給水供給量)A1と、給水源24から導入される給水の残留塩素濃度(水道水残留塩素濃度)N3と、塩素除去フィルタ22aを通過した貯湯水の通水総量(フィルタ通過量)A2とから、導入後残留塩素濃度N2を算出する。
残留塩素濃度算出部61は、給水制御部63によって貯湯水を導入した直後の貯湯槽21内の残留塩素濃度である導入後残留塩素濃度N2を算出する。すなわち、残留塩素濃度算出部61は、貯湯槽21の容量(貯湯槽容量)Bと、給水制御部63によって貯湯水を導入する直前の貯湯槽21内の残留塩素濃度である導入前残留塩素濃度N1と、給水源24から導入される給水の供給量(給水供給量)A1と、給水源24から導入される給水の残留塩素濃度(水道水残留塩素濃度)N3と、塩素除去フィルタ22aを通過した貯湯水の通水総量(フィルタ通過量)A2とから、導入後残留塩素濃度N2を算出する。
具体的には、残留塩素濃度算出部61は、記憶部15aに予め記憶されている水道水に含まれている水道水残留塩素濃度N3を取得する。水道水残留塩素濃度N3は、業者や使用者の入力操作によって記憶部15aに記憶される。なお、制御装置15がインターネットを介して水道局などの事業者に接続されている場合には、残留塩素濃度算出部61は、事業者から水道水残留塩素濃度N3を定期的に取得して更新するようにしてもよい。
残留塩素濃度算出部61は、記憶部15aに予め記憶されている貯湯槽21の容量を取得する。貯湯槽容量Bは、工場出荷時に記憶される。なお、貯湯槽容量Bは、業者や使用者の入力操作によって記憶部15aに記憶されるようにしてもよい。
残留塩素濃度算出部61は、前回の制御サイクルにて導出され記憶部15aに記憶(更新)されている導入後残留塩素濃度N2を導入前残留塩素濃度N1として取得する。
残留塩素濃度算出部61は、前回の制御サイクルにて導出され記憶部15aに記憶(更新)されている導入後残留塩素濃度N2を導入前残留塩素濃度N1として取得する。
残留塩素濃度算出部61は、給水源24から導入される給水の供給量を算出する。残留塩素濃度算出部61は、流量計42aによって検出された貯湯水供給管42を通過する貯湯水の供給量(単位時間あたりの通水量)から給水供給量A1(給水総量)を算出する。例えば、残留塩素濃度算出部61は、所定時間毎に流量計42aによって検出された貯湯水の供給量を積算することにより貯湯水の供給総量を算出し、この貯湯水供給総量を給水供給量A1として取得する。これは、次の理由による。貯湯槽21の貯湯水が湯水使用機器41に供給された場合、貯湯槽21から導出され減少した貯湯水は、導入装置25を介して給水源24から導入される水道水(給水)によって補充される。すなわち、貯湯槽21から導出された貯湯水量(総量)は、貯湯槽21に導入された給水供給量A1と同一である。
残留塩素濃度算出部61は、塩素除去フィルタ22aを通過した貯湯水の通水総量(フィルタ通過量)A2を算出する。例えば、残留塩素濃度算出部61は、貯湯水循環ポンプ22bの制御指示値(単位時間あたりの送出量:単位時間あたりの貯湯水循環流量)から、所定時間内の貯湯水の循環量を積算することによりフィルタ通過量A2を算出する。なお、貯湯水循環ライン22に流量計(図示省略)を設け、その検出結果から貯湯水の循環量を算出しフィルタ通過量A2を算出するようにしてもよい。
残留塩素濃度算出部61は、給水制御部63によって貯湯水を導入した直後の貯湯槽21内の残留塩素濃度である導入後残留塩素濃度N2を算出する。残留塩素濃度算出部61は、下記数1を使用して導入後残留塩素濃度N2を算出する。
(数1)
導入後残留塩素濃度N2=
(貯湯槽容量B×導入前残留塩素濃度N1+給水供給量A1×水道水残留塩素濃度N3−フィルタ通過量A2×導入前残留塩素濃度N1)/貯湯槽容量B
(数1)
導入後残留塩素濃度N2=
(貯湯槽容量B×導入前残留塩素濃度N1+給水供給量A1×水道水残留塩素濃度N3−フィルタ通過量A2×導入前残留塩素濃度N1)/貯湯槽容量B
なお、上記数1の右辺括弧内第一項(貯湯槽容量B×導入前残留塩素濃度N1)は、貯湯槽21に対して貯湯水が入出する直前の貯湯槽21内残留塩素の質量を示している。上記数1の右辺括弧内第二項(給水供給量A1×水道水残留塩素濃度N3)は、貯湯槽21に供給された水道水に含有している残留塩素、すなわち貯湯槽21に加えられた残留塩素の質量を示している。上記数1の右辺括弧内第三項(フィルタ通過量A2×導入前残留塩素濃度N1)は、貯湯槽21から供給されて塩素除去フィルタ22aを通過した貯湯水に含有している残留塩素、すなわち貯湯槽21から除かれた残留塩素の質量を示している。
残留塩素濃度取得部62は、貯湯槽21内の貯湯水の残留塩素の濃度(残留塩素濃度)Nを取得する。例えば、残留塩素濃度取得部62は、残留塩素濃度算出部61が算出した導入後残留塩素濃度N2を残留塩素濃度Nとして取得する。
給水制御部63は、残留塩素濃度取得部62によって取得された残留塩素濃度Nが第一所定濃度Na以下である場合、導出装置23を制御して貯湯槽21から貯湯水を導出して、導入装置25を介して給水を導入する。給水の導入方法としては、例えば、給水制御部63の指示によって開閉弁44を開いて貯湯水を導出して給水を導入する方法がある。また、給水制御部63の指示によって湯水使用機器41の使用を促す表示を表示部15b(後述する)に表示させることにより、ユーザによる湯水使用機器41の使用によって貯湯水を導出して給水を導入する方法がある。
なお、給水制御部63は、給水の導入が開始された後、残留塩素濃度取得部62によって取得された残留塩素濃度Nが第一所定濃度Naより高い第二所定濃度Nbより大きくなった場合、導出装置23を制御して貯湯槽21からの貯湯水の導出を停止して、導入装置25を介する給水の導入を停止する。
また、制御装置15は、図1に示すように。表示部15bが有線または無線にて通信可能に接続されている。表示部15bは、制御装置15からの表示信号を受けて、燃料電池システムの運転状態(運転状況)をユーザに対して表示するものである。表示部15bは、例えば液晶パネルにより構成されている。表示部15bは、ユーザから燃料電池システムに対する指示を入力する操作部を備えるようにしてもよい。
次に、上述した燃料電池システムの作動について図3,図4に示すフローチャートに沿って説明する。制御装置15は、そのフローチャートに沿ったプログラムを所定時間(短時間でも長時間でもよい)毎に繰り返し実行する。
制御装置15は、ステップS102において、上述した残留塩素濃度算出部61と同様に、給水制御部63によって貯湯水を導入した直後の貯湯槽21内の残留塩素濃度である導入後残留塩素濃度N2を残留塩素濃度Nとして算出する。
制御装置15は、ステップS102において、上述した残留塩素濃度算出部61と同様に、給水制御部63によって貯湯水を導入した直後の貯湯槽21内の残留塩素濃度である導入後残留塩素濃度N2を残留塩素濃度Nとして算出する。
残留塩素濃度Nの算出について図4に示すフローチャートに沿って説明する。残留塩素濃度Nの算出は、上述した残留塩素濃度算出部61が行う算出と同様である。制御装置15は、ステップS202において、記憶部15aに予め記憶されている水道水に含まれている水道水残留塩素濃度N3を取得する。制御装置15は、ステップS204において、記憶部15aに予め記憶されている貯湯槽21の容量(貯湯槽容量)Bを取得する。制御装置15は、ステップS206において、前回の制御サイクルにて導出され記憶部15aに記憶(更新)されている導入後残留塩素濃度N2を導入前残留塩素濃度N1として取得する。
制御装置15は、ステップS208において、給水源24から導入される給水の供給量(給水供給量)A1を算出する。制御装置15は、ステップS210において、塩素除去フィルタ22aを通過した貯湯水の通水総量(フィルタ通過量)A2を算出する。制御装置15は、給水制御部63によって貯湯水を導入した直後の貯湯槽21内の残留塩素濃度である導入後残留塩素濃度N2を、上記数1を使用して算出する。
図3に示すように、制御装置15は、ステップS104において、上述した残留塩素濃度取得部62と同様に、貯湯槽21内の貯湯水の残留塩素濃度Nを取得する。
制御装置15は、ステップS106において、ステップS104にて取得した残留塩素濃度Nが第一判定値Na以下であるか否かを判定する。なお、第一判定値Naは、残留塩素が貯湯槽21や貯湯水循環ライン22内で殺菌や酸化反応に有効に作用し得る程度の残留塩素濃度に設定されている。第一判定値Naは、例えば0.2ppm(mg/L)に設定されている。
制御装置15は、ステップS106において、ステップS104にて取得した残留塩素濃度Nが第一判定値Na以下であるか否かを判定する。なお、第一判定値Naは、残留塩素が貯湯槽21や貯湯水循環ライン22内で殺菌や酸化反応に有効に作用し得る程度の残留塩素濃度に設定されている。第一判定値Naは、例えば0.2ppm(mg/L)に設定されている。
残留塩素濃度Nが第一判定値Na以下である場合、制御装置15は、ステップS106にて「YES」と判定し、プログラムをステップS108に進める。制御装置15は、ステップS108において、貯湯槽21内の残留塩素濃度を高くする制御を行う。すなわち、制御装置15は、導出装置23を制御して貯湯槽21から貯湯水を導出して、導入装置25を介して給水(残留塩素濃度が第一判定値Naより高い水、例えば水道水)を導入する。例えば、制御装置15は、開閉弁44を開いて貯湯水を導出して給水を導入する。給水の残留塩素濃度は、0.2ppmより大きいため、貯湯槽21への給水の導入によって、貯湯槽21内の残留塩素濃度は高くなる。なお、制御装置15は、湯水使用機器41の使用を促す表示を表示部15bに表示させることにより、ユーザによる湯水使用機器41の使用によって貯湯水を導出して給水を導入するようにしてもよい。
貯湯槽21内に水道水が供給されると、貯湯槽21内の残留塩素濃度が高くなる。ステップS104にて取得した残留塩素濃度Nが第一判定値Naより大きい第二判定値Nbより大きい場合、制御装置15は、ステップS106,112にてそれぞれ「NO」、「YES」と判定し、プログラムをステップS114に進める。制御装置15は、ステップS114において、貯湯槽21内の残留塩素濃度の増大停止制御を行う。すなわち、制御装置15は、導出装置23を制御して貯湯槽21からの貯湯水の導出を停止して、導入装置25を介する給水の導入を停止する。例えば、制御装置15は、開閉弁44を閉じて貯湯水の導出を停止して給水の導入を停止する。なお、制御装置15は、湯水使用機器41の使用の停止を促す表示を表示部15bに表示させることにより、ユーザによる湯水使用機器41の使用によって貯湯水の導出を停止して給水の導入を停止するようにしてもよい。
なお、ステップS114において、制御装置15は、通常の排熱回収制御を行う。通常の排熱回収制御は、貯湯槽21内の貯湯水の温度状況、熱交換器12の貯湯水出口温度に基づいて貯湯水循環ポンプ22bの送出量(貯湯水の循環流量)を制御することにより、排熱回収を制御することである。
また、ステップS112において、残留塩素濃度が第一判定値Naより高く第二判定値Nb以下である場合、制御装置15は、ステップS106,112にて「NO」と判定しい、給水の導入を継続する。このように、ステップS112によって、給水制御にヒステリシスを持たせることができる。なお、制御装置15は、ステップS112の処理を省略して、ステップS106にて「NO」と判定した場合、ステップS114の処理を行うようにしてもよい。この場合、残留塩素濃度Nが第一判定値Naより高くなった場合、制御装置15は、すぐに給水の導入を停止することとなる。
上述した説明から明らかなように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池34と、貯湯水を貯水する貯湯槽21と、燃料電池34の排熱と貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器12と、貯湯槽21と熱交換器12との間において貯湯水を循環させるように形成された貯湯水循環ライン22と、貯湯水循環ライン22であって貯湯槽21の貯湯水導出口21aと熱交換器12の貯湯水導入口12bとの間に設けられ、貯湯水中に含有されている残留塩素を濾過する塩素除去フィルタ22aと、を備えている。
これによれば、残留塩素を含有する水道水が貯湯槽21に給水され、さらに貯湯槽21からの貯湯水が貯湯水循環ライン22を通って熱交換器12に供給される際に、貯湯水中に含有している残留塩素が塩素除去フィルタ22aによって濾過(除去)される。その結果、燃料電池システムにおいて、複雑化・高コスト化を招くことなく、水道水が循環(流通)する熱交換器12が残留塩素によって腐食するのを抑制することができる。
また、本実施形態の燃料電池システムは、貯湯槽21から貯湯水を調整可能に導出する導出装置23と、給水源24からの給水を貯湯槽21に導入する導入装置25と、導出装置23から導出される貯湯水導出量を調整する制御装置15と、をさらに備え、制御装置15は、貯湯槽21内の貯湯水の残留塩素の濃度を取得する残留塩素濃度取得部62と、残留塩素濃度取得部62によって取得された残留塩素濃度が所定濃度(第一所定濃度Na)以下である場合、導出装置23を制御して貯湯槽21から貯湯水を導出して、導入装置25を介して給水を導入する給水制御部63と、を備えている。
これによれば、貯湯槽21内の残留塩素濃度を所定濃度(第一所定濃度Na)より高く維持することができる。よって、熱交換器12の腐食を抑制するとともに、貯湯槽21内の雑菌繁殖を抑制することができる。
これによれば、貯湯槽21内の残留塩素濃度を所定濃度(第一所定濃度Na)より高く維持することができる。よって、熱交換器12の腐食を抑制するとともに、貯湯槽21内の雑菌繁殖を抑制することができる。
また、本実施形態の燃料電池システムにおいて、制御装置15は、貯湯槽21の容量(貯湯槽容量B)と、給水制御部63によって貯湯水を導入する直前の貯湯槽21内の残留塩素濃度である導入前残留塩素濃度N1と、給水源24から導入される給水の供給量(給水供給量A1)と、給水の残留塩素濃度(水道水残留塩素濃度N3)と、塩素除去フィルタ22aを通過した貯湯水の通水総量(フィルタ通過量A2)とから、給水制御部63によって貯湯水を導入した直後の貯湯槽21内の残留塩素濃度である導入後残留塩素濃度N2を算出する残留塩素濃度算出部61をさらに備え、残留塩素濃度取得部62は、残留塩素濃度算出部61が算出した導入後残留塩素濃度N2を残留塩素の濃度として取得する。
これによれば、貯湯槽21内の塩素濃度が精度よく算出(推定)することができ、貯湯槽21内の残留塩素濃度を所望の濃度(濃度範囲)に精度よく維持することができる。また、この場合、低コストにて、貯湯槽21内の残留塩素濃度を所望の濃度(濃度範囲)に精度よく維持することができる。
これによれば、貯湯槽21内の塩素濃度が精度よく算出(推定)することができ、貯湯槽21内の残留塩素濃度を所望の濃度(濃度範囲)に精度よく維持することができる。また、この場合、低コストにて、貯湯槽21内の残留塩素濃度を所望の濃度(濃度範囲)に精度よく維持することができる。
なお、上述した実施形態において、残留塩素濃度取得部62は、残留塩素濃度算出部61によって算出された残留塩素濃度を取得したが、残留塩素濃度を検出する濃度検出センサを貯湯槽21内に設け、その濃度検出センサの検出結果を取得するようにしてもよい。濃度検出センサは、ポーラログラフ法やボルタンメトリー法を使用して残留塩素濃度を測定できるものである。
また、開閉弁44の代わりに、貯湯水供給管42と排水管43との分岐点に三方弁を設けるようにしてもよい。
また、開閉弁44の代わりに、貯湯水供給管42と排水管43との分岐点に三方弁を設けるようにしてもよい。
また、上述した実施形態において、図5に示すように、燃料電池システムは、塩素除去フィルタ22aをバイパスするバイパスライン26をさらに備えるようにしてもよい。バイパスライン26の一端は、貯湯水循環ライン22であって貯湯槽21の貯湯水導出口21aと塩素除去フィルタ22aとの間に接続されている。バイパスライン26の他端は、貯湯水循環ライン22であって塩素除去フィルタ22aと熱交換器12の貯湯水導入口12bとの間に接続されている。バイパスライン26には、バイパスライン26を開閉する開閉弁26aが設けられている。開閉弁26aは、制御装置15からの開閉指示によって開閉される。また、バイパスライン26と並設されている貯湯水循環ライン22には、貯湯水循環ライン22を開閉する開閉弁22cが設けられている。開閉弁22cは、制御装置15からの開閉指示によって開閉される。
制御装置15は、開閉弁22cを開くとともに開閉弁26aを閉じることにより、貯湯槽21の貯湯水導出口21aと熱交換器12の貯湯水導入口12bとを、塩素除去フィルタ22aを介して連通する。一方、制御装置15は、開閉弁22cを閉じるとともに開閉弁26aを開くことにより、貯湯槽21の貯湯水導出口21aと熱交換器12の貯湯水導入口12bとを、塩素除去フィルタ22aを介さないでバイパスライン26を介して連通する。
制御装置15は、バイパスライン26を介して貯湯水を流通させることで、塩素除去フィルタ22aを介さないで貯湯水を熱交換器12に流通させることができる。その結果、残留塩素濃度を低下させることなく(残留塩素濃度をほぼ一定に維持したまま)排熱を回収することができる。すなわち、残留塩素濃度が第一判定値Na以下になった場合であって、貯湯槽21が排熱を回収可能な状態である場合には、制御装置15は、開閉弁22cを閉じるとともに開閉弁26aを開くことにより、バイパスライン26を介して貯湯水を流通させることで、塩素除去フィルタ22aを介さないで貯湯水を熱交換器12に流通させればよい。
また、貯湯槽21から供給される貯湯水を、塩素除去フィルタ22aを通過させるかバイパスするかを選択することが可能となる。よって、塩素除去フィルタ22aの長寿命化を図ることができる。
なお、開閉弁22cと開閉弁26aを設ける代わりに、バイパスライン26と貯湯水循環ライン22との接続点に三方弁を設けるようにしてもよい。
また、本発明は、改質部33を備えていない燃料電池システムにも適用可能である。
また、貯湯槽21から供給される貯湯水を、塩素除去フィルタ22aを通過させるかバイパスするかを選択することが可能となる。よって、塩素除去フィルタ22aの長寿命化を図ることができる。
なお、開閉弁22cと開閉弁26aを設ける代わりに、バイパスライン26と貯湯水循環ライン22との接続点に三方弁を設けるようにしてもよい。
また、本発明は、改質部33を備えていない燃料電池システムにも適用可能である。
10…発電ユニット、11…燃料電池モジュール、12…熱交換器、15…制御装置(残留塩素濃度算出部、残留塩素濃度取得部、給水制御部)、21…貯湯槽、22…貯湯水循環ライン、22a…塩素除去フィルタ、23…導出装置、24…給水源、25…導入装置、26…バイパスライン、34…燃料電池、42a…流量計、44…開閉弁、61…残留塩素濃度算出部、62…残留塩素濃度取得部、63…給水制御部。
Claims (4)
- 燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
貯湯水を貯水する貯湯槽と、
前記燃料電池の排熱と前記貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器と、
前記貯湯槽と前記熱交換器との間において前記貯湯水を循環させるように形成された貯湯水循環ラインと、
前記貯湯水循環ラインであって前記貯湯槽の貯湯水導出口と前記熱交換器の貯湯水導入口との間に設けられ、前記貯湯水中に含有されている残留塩素を濾過する塩素除去フィルタと、
を備えている燃料電池システム。 - 前記貯湯槽から前記貯湯水を調整可能に導出する導出装置と、
給水源からの給水を前記貯湯槽に導入する導入装置と、
前記導出装置から導出される貯湯水導出量を調整する制御装置と、
をさらに備え、
前記制御装置は、
前記貯湯槽内の前記貯湯水の前記残留塩素の濃度を取得する残留塩素濃度取得部と、
前記残留塩素濃度取得部によって取得された前記残留塩素濃度が所定濃度以下である場合、前記導出装置を制御して前記貯湯槽から前記貯湯水を導出して、前記導入装置を介して前記給水を導入する給水制御部と、
を備えている請求項1記載の燃料電池システム。 - 前記制御装置は、前記貯湯槽の容量と、前記給水制御部によって前記貯湯水を導入する直前の前記貯湯槽内の残留塩素濃度である導入前残留塩素濃度と、前記給水源から導入される前記給水の供給量と、前記給水の残留塩素濃度と、塩素除去フィルタを通過した前記貯湯水の通水総量とから、前記給水制御部によって前記貯湯水を導入した直後の前記貯湯槽内の残留塩素濃度である導入後残留塩素濃度を算出する残留塩素濃度算出部をさらに備え、
前記残留塩素濃度取得部は、前記残留塩素濃度算出部が算出した前記導入後残留塩素濃度を前記残留塩素の濃度として取得する請求項2記載の燃料電池システム。 - 前記塩素除去フィルタをバイパスするバイパスラインをさらに備えている請求項1乃至請求項3の何れか一項記載の燃料電池システム。
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-
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