JP2017181023A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の廃熱を用いた給湯を優先可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】循環路２は、温水取出部１０を有し、循環ポンプ１１により温水を循環させる。第一貯湯タンク４は、給水源からの第一給水路２３と循環路２への第一温水路２４とに接続され、燃料電池３の廃熱を用いて貯留水が加温される。第二貯湯タンク６は、給水源からの第二給水路２５と循環路２への第二温水路２６とに接続され、たとえばヒートポンプ５を用いて貯留水が加温される。第一圧力調節手段８は、二次側圧力を第一設定圧力に維持するように循環路２へ向けて給水する。第二圧力調節手段９は、二次側圧力を第二設定圧力に維持するように循環路２へ向けて給水する。第一設定圧力を第二設定圧力よりも高くしておくことで、第一貯湯タンク４からの循環路２への給水が、第二貯湯タンク６よりも優先される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の廃熱を用いて温水を製造する燃料電池システムに関するものである。

従来、たとえば、ヒートポンプを用いて温水を製造したり、バーナ、電気ヒータまたは蒸気ヒータなどを用いて温水を製造したりすることが知られている。また、下記特許文献１に開示されるように、燃料電池（６）の廃熱を用いて温水を製造することも知られている。この特許文献１に記載の発明では、貯湯タンク（５０）内の貯留水が、熱交換器（３２，４６，７１）に循環されて燃料電池のオフガスにより加温されると共に、温水供給管（６２）により外部に出湯可能とされる（［０００５］、［０００８］、［００２０］−［００２２］）。

特開２００２−２１６８１９号公報（［０００５］−［００２５］、図４）

燃料電池の廃熱を用いた温水製造は、発電時の廃熱を利用するので省エネルギで低コストであるが、熱出力を調節できない（すなわち、単位時間当たりの廃熱量を増やすことができない）ため、多量の温水製造には不向きである。つまり、温水の使用負荷が大きくなると、燃料電池における発電時の廃熱だけでは、所望量の温水を製造できないおそれがある。一方、ヒートポンプやバーナなどを用いた温水製造は、燃料電池の廃熱を用いる場合よりもコストを要するが、熱出力を調節できるため、多量の温水を安定して製造することができる。従って、両者のメリットを活かし、低コストで安定した温水製造を実現できれば好適である。その際、燃料電池の廃熱利用による温水製造をいかに優先するかが課題となる。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池の廃熱を用いた給湯設備と、燃料電池の廃熱以外を熱源とする給湯設備とを備え、所望量の温水を安定して供給可能で、しかも燃料電池の廃熱を用いた給湯を優先することができる燃料電池システムを提供することにある。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、ユースポイントに向けて温水を取り出し可能な温水取出部を有し、循環ポンプにより温水を循環させる循環路と、給水源からの第一給水路と前記循環路への第一温水路とに接続され、燃料電池の廃熱を用いて貯留水が加温される第一貯湯タンクと、前記給水源からの第二給水路と前記循環路への第二温水路とに接続され、燃料電池の廃熱以外を熱源として貯留水が加温される第二貯湯タンクと、前記第一給水路または前記第一温水路に設けられた第一圧力調節手段であって、前記温水取出部を介してユースポイントで出湯されると、前記第一圧力調節手段の二次側圧力に基づき、この二次側圧力を第一設定圧力に維持するように前記循環路への給水を制御する第一圧力調節手段と、前記第二給水路または前記第二温水路に設けられた第二圧力調節手段であって、前記温水取出部を介してユースポイントで出湯されると、前記第二圧力調節手段の二次側圧力に基づき、この二次側圧力を第二設定圧力に維持するように前記循環路への給水を制御する第二圧力調節手段とを備え、前記第一圧力調節手段の第一設定圧力は、前記第二圧力調節手段の第二設定圧力よりも高く、前記第一圧力調節手段が前記第一温水路に設けられる場合には、前記第二圧力調節手段が前記第二温水路に設けられることはないことを特徴とする燃料電池システムである。
請求項２に記載の発明は、前記第一圧力調節手段および前記第二圧力調節手段は、それぞれ減圧弁であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムである。
請求項３に記載の発明は、前記燃料電池は、水自立型の燃料電池であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムである。
請求項４に記載の発明は、前記燃料電池は、固体酸化物形の燃料電池であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。
請求項５に記載の発明は、前記燃料電池は、改質器、セルスタックおよびオフガス熱交換器を有し、前記オフガス熱交換器において、オフガスと冷却液との熱交換によりオフガスを露点温度以下に冷却して、オフガス中の水分を凝縮させ、その凝縮水を前記改質器に再供給し、前記改質器において、原燃料と前記凝縮水を水蒸気改質反応させることにより水素を生成し、前記セルスタックにおいて、前記水素と空気中の酸素を化学反応させて発電することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システムである。
請求項６に記載の発明は、前記第一貯湯タンク内の前記貯留水を加温する貯留水加温熱交換器と、前記オフガス熱交換器と前記貯留水加温熱交換器との間で、前記冷却液を循環させる循環液回路と、を備えることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムである。

請求項１〜６に記載の発明によれば、循環路に温水を循環させておくことで、循環路の温水取出部から温水を迅速に取り出すことができる。また、循環路には、燃料電池の廃熱を用いて加温された第一貯湯タンクからの温水と、燃料電池の廃熱以外を熱源として加温された第二貯湯タンクからの温水とが供給可能であるから、電気の使用負荷（言い換えれば燃料電池における発電状況）や、温水の使用負荷（言い換えれば温水取出部からの出湯状況）に拘わらず、循環路ひいては温水取出部へ安定して温水を供給することができる。しかも、第一圧力調節手段により第一温水路の下流端の圧力を第一設定圧力に維持するように循環路へ向けて給水する一方、第二圧力調節手段により第二温水路の下流端の圧力を第二設定圧力に維持するように循環路へ向けて給水する構成において、第一設定圧力を第二設定圧力よりも高くしておくことで、第一貯湯タンク内の温水を第二貯湯タンク内の温水よりも優先して、循環路へ供給することができる。これにより、燃料電池の廃熱を用いて製造した温水の利用を、燃料電池の廃熱以外を熱源として製造した温水の利用よりも優先して、省エネルギで低コストでの給湯が可能となる。

請求項７に記載の発明は、前記第一給水路または前記第一温水路に、第一流量調節手段が設けられており、前記第一貯湯タンクから前記循環路への温水が設定温度を下回ると、前記第一流量調節手段の設定流量を減少させるか、ゼロにすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。

第一貯湯タンクから第一温水路を介した循環路への出湯に伴い、その出湯分だけ第一貯湯タンクには第一給水路から給水されるが、第一貯湯タンクから循環路への出湯流量が多くなると、第一貯湯タンク内の水温が低下するおそれがある。ところが、請求項７に記載の発明によれば、第一貯湯タンクから循環路への温水が設定温度を下回ると、第一流量調節手段による循環路への給水流量を減少させるかゼロにすることで、第一貯湯タンクからの比較的低温の出湯を制限することができる。その場合でも、循環路には第二貯湯タンクが接続されているので、その第二貯湯タンクから循環路へ出湯することができる。このようにして、循環路内の温水温度の低下を防止することができる。

請求項８に記載の発明は、前記循環路には、前記第二給水路、前記第二貯湯タンクおよび前記第二温水路からなる温水供給系列が並列に複数接続されており、前記各温水供給系列においては、前記第二給水路または前記第二温水路に第二流量調節手段が設けられており、前記第二貯湯タンクから前記循環路への温水が設定温度を下回ると、前記第二流量調節手段の設定流量を減少させるか、ゼロにすることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。

第二貯湯タンクから第二温水路を介した循環路への出湯に伴い、その出湯分だけ第二貯湯タンクには第二給水路から給水されるが、第二貯湯タンクから循環路への出湯流量が多くなると、第二貯湯タンク内の水温が低下するおそれがある。ところが、請求項８に記載の発明によれば、第二貯湯タンクから循環路への温水が設定温度を下回ると、第二流量調節手段による循環路への給水流量を減少させるかゼロにすることで、第二貯湯タンクからの比較的低温の出湯を制限することができる。その場合でも、循環路には、第二給水路、第二貯湯タンクおよび第二温水路からなる温水供給系列が並列に複数接続されているので、他の第二貯湯タンクからの温水供給を継続することができる。このようにして、循環路内の温水温度の低下を防止することができる。

請求項９に記載の発明は、前記循環ポンプは、前記燃料電池により発電された電力を使って駆動されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。

請求項９に記載の発明によれば、燃料電池により発電された電力を用いて、循環ポンプを低コストに運転することができる。また、循環ポンプに比較的近い場所から、容易に循環ポンプに給電することができる。

請求項１０に記載の発明は、前記第二貯湯タンクは、ヒートポンプにより貯留水が加温され、前記ヒートポンプは、少なくとも冷媒圧縮機が前記燃料電池により発電された電力を使って駆動されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。

請求項１０に記載の発明によれば、ヒートポンプを用いて、第二貯湯タンクにおいて低コストに温水を製造することができる。しかも、燃料電池により発電された電力を用いて、ヒートポンプの冷媒圧縮機を低コストに運転することができる。また、冷媒圧縮機に比較的近い場所から、容易に冷媒圧縮機に給電することができる。

請求項１１に記載の発明は、前記循環路には、循環温水を加温する加温装置と、循環温水の体積変化を吸収する膨張タンクとが設けられていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。

請求項１１に記載の発明によれば、循環路に加温装置を設けることで、循環路内の温水温度を所望に維持することができる。それにより、温水取出部において、即座に所望温度の温水を取り出すことができる。また、循環路に膨張タンクを設けることで、循環温水の温度変化に伴う体積変化を、膨張タンクで吸収することができる。

さらに、請求項１２に記載の発明は、前記第一給水路と前記第二給水路とは、上流側において共通管路とされ、その共通管路に、前記各貯湯タンクへの給水ポンプが設けられていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。

請求項１２に記載の発明によれば、第一貯湯タンクへの第一給水路と、第二貯湯タンクへの第二給水路との上流部を共通管路として、その共通管路に各貯湯タンクへの給水ポンプを設けることで、各貯湯タンクへの給水ポンプを共通化することができる。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の廃熱を用いた給湯設備と、燃料電池の廃熱以外を熱源とする給湯設備とを備え、所望量の温水を安定して供給可能で、しかも燃料電池の廃熱を用いた給湯を優先することができる。

本発明の一実施例の燃料電池システムを示す概略図である。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例の燃料電池システム１を示す概略図である。

本実施例の燃料電池システム１は、温水を循環させる循環路２と、燃料電池３の廃熱を用いて貯留水が加温される第一貯湯タンク４と、燃料電池の廃熱以外を熱源として（ここではヒートポンプ５を用いて）貯留水が加温される第二貯湯タンク６と、これら貯湯タンク４，６への給水を貯留する給水タンク７と、第一貯湯タンク４から循環路２への給水を調節する第一圧力調節手段８と、第二貯湯タンク６から循環路２への給水を調節する第二圧力調節手段９とを備える。

循環路２は、ユースポイントに向けて温水を取り出し可能な温水取出部１０を有し、循環ポンプ１１により温水を循環させる。循環ポンプ１１を作動させると、循環ポンプ１１の吐出口から吐出された温水は、循環路２を介して循環ポンプ１１の吸込口へ戻されるが、循環路２の中途に設けた一または複数の温水取出部１０から、所望により適宜の配管を介して各種のユースポイントへ出湯可能とされる。すなわち、ユースポイントの出湯口が開けられると、その出湯口から外部へ出湯することができる。ユースポイントは、特に問わないが、たとえば、家庭用の燃料電池システムの場合、カラン、シャワーまたは浴槽などとされ、業務用の燃料電池システムの場合、各種温水利用機器（例えば、厨房での温水利用）とされる。

なお、循環ポンプ１１は、典型的には、常時運転を継続する。但し、循環ポンプ１１は、場合により、温水取出部１０への出湯時に、出湯を検知（たとえば出湯に伴う循環路２内の圧力低下を検知）して作動してもよい。

循環路２には、加温装置１２を設けるのが好ましい。加温装置１２は、循環路２内の循環温水を加温する装置であり、その構成を特に問わないが、たとえば、バーナ、電気ヒータまたは蒸気ヒータから構成される。循環路２内の温水温度に基づき加温装置１２を制御することで、循環路２内の温水温度を目標温度に維持することができる。これにより、温水取出部１０において、所望温度の温水を取り出すことができる。

なお、循環路２における加温装置１２の設置位置は、特に限定されない。図示例では、加温装置１２は、温水取出部１０よりも下流側に設置されているが、たとえば、温水取出部１０よりも上流側（循環ポンプ１１と温水取出部１０との間）に設置されてもよい。

循環路２には、さらに、膨張タンク（図示省略）を設けるのが好ましい。膨張タンクは、周知のとおり、循環路２内の循環温水の体積変化を吸収する装置であり、循環温水を大気開放する開放式でもよいし、大気開放することなく循環温水の体積変化を吸収する機構を内蔵した密閉式でもよい。循環路２に膨張タンクを設けることで、循環温水の温度変化に伴う体積変化を、膨張タンクで吸収することができる。

燃料電池３は、周知のとおり、原燃料（図示例ではガス管１３からのメタンガスを主成分とする都市ガス）と水（水蒸気）とを改質器（図示省略）において水蒸気改質反応させることにより水素を生成し、その水素と空気中の酸素とをセルスタック（図示省略）において化学反応させて発電する装置である。発電した電気は、インバータで交流電流に変換され、各種の電気機器へ供給される。また、燃料電池３では、発電時に熱を生じるので、その熱を用いて、後述するように、第一貯湯タンク４内の貯留水が加温される。なお、燃料電池３の種類は、特に問わない。本実施例では、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）が用いられるが、たとえば固体高分子形（ＰＥＦＣ）などを用いてもよい。

第一貯湯タンク４は、燃料電池３の廃熱を用いて貯留水が加温される。典型的には、燃料電池３のオフガス廃熱を用いて、第一貯湯タンク４内の貯留水が加温される。つまり、燃料電池３における発電時、セルスタックや改質器からはオフガス（排ガス）が排出されるが、そのオフガス廃熱を用いて、第一貯湯タンク４内の貯留水を加温する。あるいは、これに代えてまたはこれに加えて、セルスタックの冷却器において、セルスタックからの廃熱を回収して、第一貯湯タンク４内の貯留水を加温する。

燃料電池３のオフガス廃熱で第一貯湯タンク４内の貯留水を加温するために、本実施例では、燃料電池３側のオフガス熱交換器１４と、第一貯湯タンク４側の貯留水加温熱交換器１５とが、循環液回路１６で接続されている。循環液回路１６は、オフガス熱交換器１４と貯留水加温熱交換器１５との間で、循環液（たとえば水）を循環させる。具体的には、貯留水加温熱交換器１５からの循環液は、送り路１６ａを介してオフガス熱交換器１４へ供給され、オフガス熱交換器１４を通過後の循環液は、戻し路１６ｂを介して貯留水加温熱交換器１５へ戻される。送り路１６ａ（または戻し路１６ｂ）に設けた循環液ポンプ１７を作動させることで、循環液回路１６内に循環液を循環させることができる。燃料電池３の運転中（つまり発電中）、循環液ポンプ１７は作動を継続する。

オフガス熱交換器１４では、燃料電池３の廃熱を用いて、循環液が加温される。本実施例では、オフガスと循環液とを混ぜることなく熱交換して、オフガスの冷却を図ると共に循環液を加温する。

貯留水加温熱交換器１５では、オフガス熱交換器１４からの循環液を用いて、第一貯湯タンク４内の貯留水が加温される。本実施例では、貯留水と循環液とを混ぜることなく熱交換して、貯留水の加温を図ると共に循環液の冷却を図る。

なお、本実施例では、第一貯湯タンク４内に貯留水加温熱交換器１５を設置して、循環液と貯留水とを間接熱交換したが、場合により、貯留水加温熱交換器１５の設置を省略して、第一貯湯タンク４内の貯留水自体をオフガス熱交換器１４との間で循環させてもよい。つまり、第一貯湯タンク４内の貯留水を、送り路１６ａを介してオフガス熱交換器１４に供給して、オフガス熱交換器１４においてオフガス廃熱を用いて加温し、戻し路１６ｂを介して第一貯湯タンク４へ戻す循環を繰り返してもよい。

ところで、送り路１６ａには、ラジエータ１８を設けておくのが好ましい。図示例では、送り路１６ａには、貯留水加温熱交換器１５からオフガス熱交換器１４へ向けて、ラジエータ１８と循環液ポンプ１７とが順に設けられる。所望時にラジエータ１８の冷却ファン１９を作動させることで、オフガス熱交換器１４へ供給する循環液を空冷することができる。これは、燃料電池３において、いわゆる水自立を実現するためである。

つまり、オフガス熱交換器１４においてオフガスを露点温度以下に冷却して、オフガス中の水分を凝縮させ、その凝縮水を前記改質器へ再供給（つまり水自立）するには、循環液の温度が高まり過ぎるのを防止する必要がある。そこで、本実施例では、ラジエータ１８を設けて、オフガス熱交換器１４へ供給する循環液温度を第一目標温度以下に維持する。具体的には、送り路１６ａには、ラジエータ１８の出口側に第一温度センサ２０が設けられ、その検出温度を第一目標温度（たとえば４０℃）に維持するように、冷却ファン１９のモータがインバータ制御される。

一方、戻し路１６ｂには、本実施例では、流量調整弁２１が設けられている。流量調整弁２１の開度を調整することで、循環液回路１６内の循環流量を調整することができる。ここでは、戻し路１６ｂには、オフガス熱交換器１４の出口側に第二温度センサ２２が設けられ、その検出温度を第二目標温度（たとえば６０〜７５℃）に維持するように、流量調整弁２１の開度が調整される。これにより、貯留水加温熱交換器１５へ供給する循環液温度を所定温度に維持して、第一貯湯タンク４内の貯留水を所望温度に加温することができる。なお、循環液回路１６の循環流量を調整する手段は、流量調整弁２１に限らず、たとえば循環液ポンプ１７をインバータ制御するなどしてもよい。

第一貯湯タンク４には、給水源からの第一給水路２３が接続されると共に、循環路２への第一温水路２４が接続される。一方、第二貯湯タンク６には、給水源からの第二給水路２５が接続されると共に、循環路２への第二温水路２６が接続される。

循環路２に対する各温水路２４，２６の接続位置は、特に問わないが、図示例では、温水取出部１０から見て下流側（言い換えれば循環ポンプ１１の吸込側）に、各温水路２４，２６を並列に接続している。

第一給水路２３と第二給水路２５の各給水源は、異なってもよいが、典型的には同一である。本実施例では、給水タンク７が、各給水路２３，２５への共通の給水源とされる。そして、図示例では、第一給水路２３と第二給水路２５とは、上流側において共通管路２７とされ、その共通管路２７に、各貯湯タンク４，６への給水ポンプ２８が設けられている。なお、給水タンク７は、たとえば市水が供給可能とされ、所定水位に維持される。

給水ポンプ２８は、典型的には、常時運転を継続する。但し、給水ポンプ２８は、場合により、各貯湯タンク４，６への給水必要時にのみ作動するよう制御されてもよい。たとえば、本実施例では後述するように各貯湯タンク４，６は密閉型タンクであるが、この場合、給水ポンプ２８は、二次側（出口側つまり各貯湯タンク４，６側）の圧力を所定圧力に維持するように、オンオフ制御またはインバータ制御されてもよい。この場合、各貯湯タンク４，６から循環路２への出湯がなされると、給水ポンプ２８の二次側の圧力が下がるので、それを検知して給水ポンプ２８を作動させる。そして、各貯湯タンク４，６から循環路２への出湯がなくなると、給水ポンプ２８の二次側の圧力が高まるので、それを検知して給水ポンプ２８を停止させる。

第一貯湯タンク４は、本実施例では、密閉型タンク（つまり大気開放されないタンク）とされる。そのため、第一貯湯タンク４内は温水で満たされており、第一温水路２４を介して循環路２へ出湯されると、その出湯分と同量の水が、第一給水路２３を介して第一貯湯タンク４に給水される。第一貯湯タンク４から循環路２への給水、それに伴う給水タンク７から第一貯湯タンク４への給水は、本実施例では後述する第一圧力調節手段８により制御される。

第二貯湯タンク６は、第一貯湯タンク４と同様に、本実施例では、密閉型タンクとされる。そのため、第二貯湯タンク６内は温水で満たされており、第二温水路２６を介して循環路２へ出湯されると、その出湯分と同量の水が、第二給水路２５を介して第二貯湯タンク６に給水される。第二貯湯タンク６から循環路２への給水、それに伴う給水タンク７から第二貯湯タンク６への給水は、本実施例では後述する第二圧力調節手段９により制御される。

第二貯湯タンク６は、燃料電池の廃熱以外を熱源として貯留水が加温される。第二貯湯タンク６内の貯留水を加温する手段は、特に問わず、たとえばバーナ、電気ヒータまたは蒸気ヒータの他、燃焼機器からの排ガス熱、圧縮機やエンジンの廃熱などでもよいが、本実施例では蒸気圧縮式のヒートポンプ５とされる。

蒸気圧縮式のヒートポンプ５は、周知のとおり、冷媒圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて構成され、冷媒を循環させる。そして、蒸発器において、熱源流体（たとえば大気）から熱をくみ上げ、凝縮器において、第二貯湯タンク内の貯留水を加温する。そのため、図示例では、凝縮器５ａは、第二貯湯タンク６内に収容されており、冷媒と貯留水とを熱交換する。

第一給水路２３または第一温水路２４には、第一温水路２４の下流端の圧力（言い換えれば循環路２内の圧力）を第一設定圧力に維持するように循環路２へ向けて給水する第一圧力調節手段８が設けられる。本実施例では、第一圧力調節手段８は、第一温水路２４に設けられた第一減圧弁２９（二次圧力調整弁）を含んで構成される。また、前述した給水ポンプ２８も、第一圧力調節手段８の一部として機能する。第一減圧弁２９は、二次側（出口側つまり循環路２側）の圧力を第一設定圧力に維持するように、自力で機械的に弁開度（すなわち、弁部の開口面積）が調整される。たとえば、第一減圧弁２９は、二次側の圧力が第一設定圧力未満になると弁開度を増すように作動する一方、二次側の圧力が第一設定圧力以上になると弁開度を減らすように作動する。なお、第一減圧弁２９は、直動式とパイロット式のうち、いずれのタイプであってもよい。

第二給水路２５または第二温水路２６には、第二温水路２６の下流端の圧力（言い換えれば循環路２内の圧力）を第二設定圧力に維持するように循環路２へ向けて給水する第二圧力調節手段９が設けられる。本実施例では、第二圧力調節手段９は、第二温水路２６に設けられた第二減圧弁３０（二次圧力調整弁）を含んで構成される。また、前述した給水ポンプ２８も、第二圧力調節手段９の一部として機能する。第二減圧弁３０は、二次側（出口側つまり循環路２側）の圧力を第二設定圧力に維持するように、自力で機械的に弁開度（すなわち、弁部の開口面積）が調整される。たとえば、第二減圧弁３０は、二次側の圧力が第二設定圧力未満になると弁開度を増すように作動する一方、二次側の圧力が第二設定圧力以上になると弁開度を減らすように作動する。なお、第二減圧弁３０は、直動式とパイロット式のうち、いずれのタイプであってもよい。

次に、本実施例の燃料電池システム１の作用（運転）について、説明する。
本実施例では、前述したとおり、各貯湯タンク４，６は密閉型タンクである。従って、給水ポンプ２８を作動させると、各貯湯タンク４，６の他、各給水路２３，２５、各温水路２４，２６、および循環路２は、水で満たされる。

燃料電池３の運転に伴い、燃料電池３の廃熱が循環液回路１６を介して、第一貯湯タンク４内の貯留水を加温する。その際、所定温度（たとえば７０℃）を目標値として、第一貯湯タンク４内の貯留水は加温される。

一方、第二貯湯タンク６内の貯留水は、ヒートポンプ５により加温される。この際、所定温度（典型的には第一貯湯タンク４の貯留水の加温目標温度と同温）を目標値として、第二貯湯タンク６内の貯留水は加温される。

また、循環ポンプ１１を作動させることで、循環路２内に水が循環される。この水は、加温装置１２により、目標温度に維持される。燃料電池システム１の立ち上げ時、第一貯湯タンク４内に所定温度の温水が準備される前であれば、第二貯湯タンク６において比較的速やかに温水を製造（あるいは夜間電力を用いて予め製造）して、その温水を優先的に循環路２へ供給してもよい。

さて、温水取出部１０を介してユースポイントにて出湯されると、その分だけ循環路２内の圧力が下がる。ここで、前述したように、循環路２は、第一圧力調節手段８により第一設定圧力に維持されるように第一温水路２４から給水される一方、第二圧力調節手段９により第二設定圧力に維持されるように第二温水路２６から給水される。そして、第一設定圧力は第二設定圧力よりも高く設定されている。従って、循環路２内の圧力下降時には、まずは第一圧力調節手段８により第一貯湯タンク４から循環路２への給水が優先してなされる。そして、それでは足りない場合（あるいは後述するように第一温水路２４からの給水が停止中の場合）、第二圧力調節手段９により第二貯湯タンク６から循環路２への給水がなされる。なお、第一温水路２４および／または第二温水路２６から循環路２への給水時、第一温水路２４の圧力（第一設定圧力）＞第二温水路２６の圧力（第二設定圧力）＞循環路２の圧力、の関係となっている。

ところで、第一貯湯タンク４内の貯留水が循環路２へ供給されると、それに伴い、第一貯湯タンク４には同量の水が、給水タンク７から供給される。従って、第一貯湯タンク４から循環路２への供給流量（言い換えればユースポイントにおける温水の使用負荷）や、燃料電池３からの廃熱発生状況（言い換えれば燃料電池３における電気の使用負荷）によっては、第一貯湯タンク４内の貯留水を所定温度に維持できず、第一貯湯タンク４内の貯留水の温度は徐々に低下する。あまりに低温の水を循環路２へ供給することは好ましくない場合があるので、その場合には、第一貯湯タンク４からの出湯を抑制するか停止して、第二貯湯タンク６からの出湯に切り替えるのが好ましい。そのために、本実施例では、次のように構成される。

すなわち、第一給水路２３または第一温水路２４に、第一流量調節手段３１を設けておき、第一貯湯タンク４から循環路２への温水が設定温度を下回ると、第一流量調節手段３１の設定流量（つまり循環路２への給水流量）を減少させるか、ゼロにすればよい。本実施例では、第一温水路２４の内、第一減圧弁２９よりも上流側に第一電動弁３２を設けておき、第一電動弁３２の一次側（入口側つまり第一貯湯タンク４側）には第一水温センサ３３が設けられる。そして、第一水温センサ３３の検出温度が設定温度を下回ると、第一電動弁３２の開度を絞るか閉鎖すればよい。この際、第一電動弁３２の開度を閉鎖せずに所定開度まで絞る構成とすれば、第一温水路２４の通水をある程度維持して、第一貯湯タンク４内の水温を検出しやすい。

ところで、循環ポンプ１１は、燃料電池３により発電された電力を使って駆動されるのが好ましい。このことは、循環ポンプ１１に限らず、給水ポンプ２８、循環液ポンプ１７などについても同様である。また、第二貯湯タンク６内の貯留水を加温するためのヒートポンプ５は、少なくとも冷媒圧縮機が燃料電池により発電された電力を使って駆動されるのが好ましい。さらに、循環路２に設けた加温装置１２が電気ヒータから構成される場合、その電気ヒータは、燃料電池３により発電された電力を使って駆動されるのが好ましい。このことは、第二貯湯タンク６内の貯留水をヒートポンプ５ではなく電気ヒータで加温する場合においても同様であり、その電気ヒータへは、燃料電池３により発電された電力を供給してもよい。いずれにしても、商用電源に代えて、安価な都市ガスを使って燃料電池３により発電された電力を用いることで、低コストに運転することができる。また、商用電源から新たに配線するよりも、各種ポンプ１１，２８，１７やヒートポンプ５などに比較的近い場所から、容易に給電することも可能となる。

本発明の燃料電池システム１は、前記実施例の構成（制御を含む）に限らず、適宜変更可能である。特に、ユースポイントに向けて出湯可能な循環路２と、第一温水路２４を介して循環路２に接続されると共に燃料電池３の廃熱を用いて貯留水が加温される第一貯湯タンク４と、第二温水路２６を介して循環路２に接続されると共に燃料電池３の廃熱以外を熱源として貯留水が加温される第二貯湯タンク６と、第一温水路２４の下流側の圧力を第一設定圧力に維持するように循環路２へ向けて給水する第一圧力調節手段８と、第二温水路２６の下流側の圧力を第二設定圧力に維持するように循環路へ向けて給水する第二圧力調節手段９とを備え、第一設定圧力が第二設定圧力よりも高いのであれば、その他の構成は適宜に変更可能である。

たとえば、前記実施例において、第一減圧弁２９は、第一温水路２４に設けられたが、（共通管路２７から分岐後の）第一給水路２３に設けられてもよい。同様に、前記実施例において、第二減圧弁３０は、第二温水路２６に設けられたが、（共通管路２７から分岐後の）第二給水路２５に設けられてもよい。

また、前記実施例では、各貯湯タンク４，６を密閉型タンクとしつつ、各圧力調節手段８，９を減圧弁２９，３０から構成したが、以下のように構成してもよい。すなわち、第一貯湯タンク４と第二貯湯タンク６との内の一方または双方、あるいは、第一圧力調節手段８と第二圧力調節手段９との一方または双方は、以下のように変更することもできる。

まず、各圧力調節手段８，９が、前記実施例と同様に、各温水路２４，２６に設けた減圧弁２９，３０から構成される場合において、各貯湯タンク４，６が開放型タンクであるとき、各温水路２４，２６に送水ポンプを設置すればよい。

また、各貯湯タンク４，６が開放型タンクの場合、各貯湯タンク４，６内の水位を所望に維持するように、各給水路２３，２５から各貯湯タンク４，６への給水を制御すればよい。たとえば、第一給水路２３に第一給水弁を設け、給水ポンプ２８を作動させつつ、第一給水弁を第一貯湯タンク４内の水位に基づき制御したり、第二給水路２５に第二給水弁を設け、給水ポンプ２８を作動させつつ、第二給水弁を第二貯湯タンク６内の水位に基づき制御したりすればよい。もちろん、各給水路２３，２５に個別に給水ポンプを設けて、各給水ポンプを各貯湯タンク４，６内の水位に基づき制御してもよい。

また、前記実施例では、各圧力調節手段８，９として、減圧弁２９，３０を用いた例を説明したが、圧力センサと比例制御可能な電動弁（前記第一電動弁３２を利用してもよい）の弁開度制御により構成してもよい。つまり、各温水路２４，２６（各貯湯タンク４，６が密閉型タンクの場合は各給水路２３，２５でもよい）に電動弁を設置し、その電動弁の二次側に圧力センサを設けておき、その圧力センサの検出圧力を設定圧力に維持するように、電動弁の開度を調整してもよい。なお、各貯湯タンク４，６が開放型タンクの場合、各温水路２４，２６に送水ポンプを設置して、電動弁の開放時に送水ポンプを作動させればよい。

これと同様に、各圧力調節手段８，９として、圧力センサとインバータポンプ（回転数制御可能な送水ポンプ）を用いてもよい。つまり、電動弁の開度調整に代えて、圧力センサの検出圧力に基づき、送水ポンプをインバータ制御してもよい。

また、前記実施例において、循環路２には、第二給水路２５、第二貯湯タンク６および第二温水路２６からなる温水供給系列を、並列に複数接続してもよい。この場合において、並列に設置された第二貯湯タンク６の容量は、互いに異なってもよい。また、各第二貯湯タンク６内の貯留水を加温するための熱源は、互いに異なってもよい。たとえば、ある第二貯湯タンク６内の貯留水は、ヒートポンプで加温され、他の第二貯湯タンク６内の貯留水は、電気ヒータで加温されるなどしてもよい。いずれの場合も、各第二貯湯タンク６内の貯留水の加温目標温度は、典型的には同一とされる。

そして、各温水供給系列においては、前記第一流量調節手段３１と同様に、第二給水路２５または第二温水路２６に第二流量調節手段が設けられており、第二貯湯タンク６から循環路２への温水が設定温度を下回ると、第二流量調節手段の設定流量を減少させるか、ゼロにするのがよい。前記実施例において、第一貯湯タンク４からの出湯温度が低下した場合にその出湯を制限して第二貯湯タンク６からの出湯に切り替えた場合と同様の作用効果を奏することができる。つまり、第二貯湯タンク６から循環路２への出湯に伴い、いずれかの第二貯湯タンク６内の貯留水の水温が低下した場合、その第二貯湯タンク６からの出湯を抑制または停止することができる。その場合でも、他の第二貯湯タンク６からの温水供給を継続することができる。

なお、各第二温水路２６（または各第二給水路２５）に設けた第二流量調節手段の前記設定温度は、互いに同一でもよいし、異なってもよい。また、第二圧力調節手段の第二設定圧力は、互いに同一でもよいし、異なってもよい。

さらに、第一貯湯タンク４経由の循環路２への給水系統と、第二貯湯タンク６経由の循環路２への複数の給水系統とのすべてに流量調節手段を設けた場合、ユースポイントで断水させないために、いずれか一系統は、貯湯タンク４，６内の湯切れ（温度低下）の有無に関わらず、通水状態を維持するのが好ましい。

その他、第一流量調節手段３１は、前記実施例では電動弁３２を開度調整したが、これに限らない。たとえば、第一温水路２４の一部が並列流路を備え、各並列流路に開閉弁が設置されており、その各開閉弁の開弁数で通水量を変えてもよい。また、これと同様であるが、簡易には、第一温水路２４には、図１において、第一電動弁３２の前後に接続してバイパス路を設けておき、このバイパス路にバイパス弁を設けておき、第一電動弁３２とバイパス弁とのいずれを開けるか（または双方を開けるか）により、流量を変更してもよい。なお、第二流量調節手段についても同様である。

１ 燃料電池システム
２ 循環路
３ 燃料電池
４ 第一貯湯タンク
５ ヒートポンプ（５ａ：凝縮器）
６ 第二貯湯タンク
７ 給水タンク
８ 第一圧力調節手段
９ 第二圧力調節手段
１０ 温水取出部
１１ 循環ポンプ
１２ 加温装置
１３ ガス管
１４ オフガス熱交換器
１５ 貯留水加温熱交換器
１６ 循環液回路（１６ａ：送り路、１６ｂ：戻し路）
１７ 循環液ポンプ
１８ ラジエータ
１９ 冷却ファン
２０ 第一温度センサ
２１ 流量調整弁
２２ 第二温度センサ
２３ 第一給水路
２４ 第一温水路
２５ 第二給水路
２６ 第二温水路
２７ 共通管路
２８ 給水ポンプ
２９ 第一減圧弁
３０ 第二減圧弁
３１ 第一流量調節手段
３２ 第一電動弁
３３ 第一水温センサ

Claims (12)

1. ユースポイントに向けて温水を取り出し可能な温水取出部を有し、循環ポンプにより温水を循環させる循環路と、
   給水源からの第一給水路と前記循環路への第一温水路とに接続され、燃料電池の廃熱を用いて貯留水が加温される第一貯湯タンクと、
   前記給水源からの第二給水路と前記循環路への第二温水路とに接続され、燃料電池の廃熱以外を熱源として貯留水が加温される第二貯湯タンクと、
   前記第一給水路または前記第一温水路に設けられた第一圧力調節手段であって、前記温水取出部を介してユースポイントで出湯されると、前記第一圧力調節手段の二次側圧力に基づき、この二次側圧力を第一設定圧力に維持するように前記循環路への給水を制御する第一圧力調節手段と、
   前記第二給水路または前記第二温水路に設けられた第二圧力調節手段であって、前記温水取出部を介してユースポイントで出湯されると、前記第二圧力調節手段の二次側圧力に基づき、この二次側圧力を第二設定圧力に維持するように前記循環路への給水を制御する第二圧力調節手段とを備え、
   前記第一圧力調節手段の第一設定圧力は、前記第二圧力調節手段の第二設定圧力よりも高く、
   前記第一圧力調節手段が前記第一温水路に設けられる場合には、前記第二圧力調節手段が前記第二温水路に設けられることはない
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第一圧力調節手段および前記第二圧力調節手段は、それぞれ減圧弁である
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池は、水自立型の燃料電池である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池は、固体酸化物形の燃料電池である
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池は、改質器、セルスタックおよびオフガス熱交換器を有し、
   前記オフガス熱交換器において、オフガスと冷却液との熱交換によりオフガスを露点温度以下に冷却して、オフガス中の水分を凝縮させ、その凝縮水を前記改質器に再供給し、
   前記改質器において、原燃料と前記凝縮水を水蒸気改質反応させることにより水素を生成し、
   前記セルスタックにおいて、前記水素と空気中の酸素を化学反応させて発電する
   ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記第一貯湯タンク内の前記貯留水を加温する貯留水加温熱交換器と、
   前記オフガス熱交換器と前記貯留水加温熱交換器との間で、前記冷却液を循環させる循環液回路と、を備える
   ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記第一給水路または前記第一温水路に、第一流量調節手段が設けられており、
   前記第一貯湯タンクから前記循環路への温水が設定温度を下回ると、前記第一流量調節手段の設定流量を減少させるか、ゼロにする
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記循環路には、前記第二給水路、前記第二貯湯タンクおよび前記第二温水路からなる温水供給系列が並列に複数接続されており、
   前記各温水供給系列においては、前記第二給水路または前記第二温水路に第二流量調節手段が設けられており、
   前記第二貯湯タンクから前記循環路への温水が設定温度を下回ると、前記第二流量調節手段の設定流量を減少させるか、ゼロにする
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記循環ポンプは、前記燃料電池により発電された電力を使って駆動される
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記第二貯湯タンクは、ヒートポンプにより前記貯留水が加温され、
    前記ヒートポンプは、少なくとも冷媒圧縮機が前記燃料電池により発電された電力を使って駆動される
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
11. 前記循環路には、循環温水を加温する加温装置と、循環温水の体積変化を吸収する膨張タンクとが設けられている
    ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
12. 前記第一給水路と前記第二給水路とは、上流側において共通管路とされ、その共通管路に、前記各貯湯タンクへの給水ポンプが設けられている
    ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。