JP2018195452A

JP2018195452A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2018195452A
Application number: JP2017098307A
Authority: JP
Inventors: 大樹安藤; Daiki Ando; 吉田　英樹; Hideki Yoshida; 英樹吉田; 健太郎伊東; Kentaro Ito; 滋人松尾; Shigeto Matsuo; 良和白井; Yoshikazu Shirai
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2017-05-17
Filing date: 2017-05-17
Publication date: 2018-12-06
Anticipated expiration: 2037-05-17
Also published as: JP6228708B1

Abstract

【課題】安定した出湯性能を得ることが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池セル８１で発電を行う発電部１７と、燃料電池セル８１から排出される排ガスと冷媒Ｗ２との間で熱交換することで冷媒Ｗ２を加熱する冷媒加熱部１９と、外部より供給された上水と冷媒Ｗ２との間で熱交換を行うことで上水を加熱すると共に、上水の流量に応じて冷媒Ｗ２と排ガスとの熱交換量を変更して排出する上水加熱部２１と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、電力と湯の供給が可能な燃料電池システムに関する。

住宅等に用いる従来の燃料電池システムとして以下のものが知られている（特許文献１参照）。

特開２０１５−００２０９３号公報

従来の燃料電池システムでは、発電時に発生した熱を回収するために、オフガスの熱を熱交換器を用いて温水として回収して冷媒タンクに貯留し、貯留した温水を給湯や暖房等に利用することが行われている。しかしながら、安定した出湯性能を得るには改善の余地があった。

本発明は、上記事実を考慮して、安定した出湯性能を得ることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の燃料電池システムは、燃料電池で発電を行う発電部と、燃料電池から排出される排ガスと冷媒との間で熱交換することで前記冷媒を加熱する冷媒加熱部と、外部より供給された上水と前記冷媒との間で熱交換を行うことで前記上水を加熱すると共に、前記上水の流量に応じて前記冷媒と前記上水との熱交換量を変更し、加熱した前記上水を排出する上水加熱部と、を有する。

請求項１に記載の燃料電池システムでは、発電部の燃料電池で発電が行われる。
冷媒加熱部では、燃料電池から排出される排ガスと冷媒との間で熱交換が行われ、冷媒が加熱される。

上水加熱部では、外部より供給された上水と冷媒との間で熱交換が行われて上水が加熱される。また、上水加熱部では、上水の流量に応じて冷媒と上水との熱交換量を変更し、加熱した上水、即ち、湯を排出することができる。

請求項１に記載の燃料電池システムでは、外部より供給された上水を加熱して湯を作っており、冷媒を加熱したものを湯として使用しないので、従来の燃料電池システムのように冷媒が不足して給湯が出来なくなることが無い。

また、上水加熱部では、上水の流量に応じて冷媒と上水との熱交換量を変更することができ、例えば、上水の流量が多い場合には、熱交換量を多くして湯の温度低下を抑制することができる。一方、上水の流量が少ない場合には、熱交換量を少なくして、湯の温度上昇を抑制することができる。このように、請求項１に記載の燃料電池システムでは、上水の流量に応じて熱交換量を変更して湯の温度を一定に保つことができ、安定した出湯性能を得ることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記発電部は、燃料ガスと改質水とを供給して発電を行う燃料電池を備え、前記冷媒加熱部は、前記排ガスと前記冷媒との間で熱交換を行う排気熱交換器と、前記排気熱交換器へ供給する前記冷媒を貯留する冷媒タンクと、前記冷媒タンクと前記排気熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第１の循環経路と、前記第１の循環経路に前記冷媒を循環させる熱回収ポンプと、を備え、前記上水加熱部は、前記冷媒タンクから供給される冷媒と外部より供給された上水との間で熱交換を行う上水熱交換器と、前記冷媒タンクと前記上水熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第２の循環経路と、前記第２の循環経路に前記冷媒を循環させる予熱ポンプと、前記上水熱交換器で加熱された前記上水を排出する給湯経路と、前記上水の流量を計測する流量センサと、前記流量センサで計測された前記上水の流量に応じて前記予熱ポンプを制御する制御装置と、を備えている

請求項２に記載の燃料電池システムでは、燃料ガスと改質水とを燃料電池に供給することで、燃料電池は発電を行うと共に、高温の排ガスを排出する。高温の排ガスは、排気熱交換器で冷媒との間で熱交換を行う。なお、熱交換を行う冷媒は、冷媒タンクに貯留される。

熱回収ポンプを作動させることで、第１の循環経路は、冷媒タンクと排気熱交換器との間で冷媒を循環させるため、冷媒タンク内の冷媒は、排気熱交換器で加熱された後、冷媒タンク内に戻り、これによって冷媒タンク内の冷媒の温度が上昇する。

上水熱交換器は、暖められた冷媒タンクの冷媒と、外部より供給された上水との間で熱交換を行う。予熱ポンプを作動させることで、第２の循環経路は、冷媒タンクと上水熱交換器との間で冷媒を循環させるため、外部より供給された上水は、上水熱交換器で加熱されて暖められ、給湯経路から排出されて湯として利用される。

ここで、流量センサは、上水の流量を計測することができ、制御装置は、流量センサで計測された上水の流量に応じて予熱ポンプを制御することができる。より具体的には、制御装置は、上水熱交換器に流入する上水の流量が多い場合には、予熱ポンプで大量の冷媒を第２の循環経路に循環させて、上水熱交換器で大量の熱交換を行わせ、上水熱交換器から排出される上水の温度低下を抑制することができる。

一方、上水熱交換器に流入する上水の流量が少ない場合には、予熱ポンプで少量の冷媒を第２の循環経路に循環させて、上水熱交換器で少量の熱交換を行わせ、上水熱交換器から排出される上水の温度上昇を抑制することができる。

このように、請求項２に記載の燃料電池システムでは、上水熱交換器に流入する上水の流量に応じて予熱ポンプを制御することで、上水熱交換器から排出される上水の温度を一定に保つことができ、安定した出湯性能が得られる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記給湯経路に設けられ、外部より供給された上水と前記上水熱交換器で加熱された上水とを混合して排出する混合弁と、前記混合弁から排出される前記上水の温度を計測する温度センサと、を備え、前記制御装置は、前記温度センサで計測した前記上水の温度に基づいて前記混合弁を制御し、前記混合弁から排出される前記上水の温度が予め設定した上限温度を超えないように、前記上水熱交換器で加熱された前記上水に、外部より供給された加熱前の上水を混合する。

請求項３に記載の燃料電池システムでは、混合弁は、上水熱交換器で加熱された暖められた上水と、外部より供給された暖められていない上水とを混合して排出することができ、上水熱交換器で加熱された暖められた上水と、外部より供給された暖められていない上水との混合比を変えることで、混合弁から排出され上水の温度を調整することができる。

温度センサは、混合弁から排出される前記上水の温度を計測することができ、制御装置は、混合弁から排出される上水の温度に基づいて混合弁を制御し、混合弁から排出される上水の温度が予め設定した上限温度を超えないように、上水熱交換器で加熱された上水に、外部より供給された加熱前の上水を混合する。

請求項３に記載の燃料電池システムでは、上水の流量が急変した場合などで、予熱ポンプの制御による温度制御が間に合わないときに、混合弁から排出される上水の温度が予め設定した上限温度を超えないように、混合弁から排出される上水の温度を制御することができる。即ち、請求項３に記載の燃料電池システムでは、上水の流量に応じて予熱ポンプを制御することで湯温の主調整を行い、混合弁を制御することで湯温の微調整を行うことができる。

請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記上水熱交換器に流入する前記冷媒タンクの前記冷媒の温度を計測する冷媒温度センサを備え、前記制御装置は、前記冷媒温度センサで計測した前記冷媒の温度に基づいて前記予熱ポンプを制御する。

請求項４に記載の発明では、制御装置は、上水熱交換器に流入する冷媒タンクの冷媒の温度に基づいて予熱ポンプを制御し、上水熱交換器での熱交換量を制御することができるので、上水熱交換器から排出される上水の温度を一定に保つことができ、安定した出湯性能が得られる。

以上説明したように、本発明の燃料電池システムによれば、安定した出湯性能を得ることが可能となる、という優れた効果を有する。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。燃料電池モジュールの構成を示す構成図である。

以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０を図１、及び図２にしたがって説明する。本実施形態の燃料電池システム１０は、一例として住宅に適用されるものである。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１０は、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２、及び冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２とは別体とれたバックアップ熱源機ユニット１４の２ユニットで構成されている。冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２、及びバックアップ熱源機ユニット１４は、一例として、屋外のコンクリート等で形成された基礎の上、ベランダ等に設置することができる。

（冷媒タンク付き燃料電池ユニットの構成）
冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２は、筐体１６の内部に、発電を行うと共に排ガスを排出する発電部１７、排ガスによって冷媒Ｗ２を加熱する冷媒加熱部１９、及び冷媒Ｗ２によって上水を加熱する上水加熱部２１が設けられている。

筐体１６の内部には、都市ガス、空気（酸素）、及び改質水Ｗ１が供給されて発電を行う燃料電池モジュール１８、都市ガスを燃料電池モジュール１８に供給する燃料ガス管２０、燃料ガス管２０の中間部に設けられ都市ガス中に含まれる硫黄化合物を除去する脱硫器２２、燃料電池モジュール１８に供給する改質水Ｗ１を貯留する改質水タンク２４、改質水タンク２４の改質水Ｗ１の液面レベルを測定する液面レベルセンサ２４Ａ、改質水タンク２４と燃料電池モジュール１８とを連結する改質水供給管２６、改質水タンク２４の改質水Ｗ１を燃料電池モジュール１８に供給するための改質水ポンプ２８、燃料電池モジュール１８で発電された電力を外部へ送電する配線６６、配線６６の中間部に設けられ、直流電力を交流電力に変換するインバーター６８、空気ブロワ８６が設けられた酸化ガス管８８等が収容されており、発電部１７は、これらの構成要素を含んで構成されている。

また、筐体１６の内部には、冷媒Ｗ２を貯留する冷媒タンク３０、燃料電池モジュール１８から排出された排ガスと冷媒Ｗ２との間で熱交換を行う排気熱交換器３１、燃料電池モジュール１８と排気熱交換器３１とを接続する第１排ガス管３２、排気熱交換器３１を通過した排ガスを筐体１６の外部へ排出するための第２排ガス管３４、排気熱交換器３１の内部で生成された水分（排気熱交換器３１の内部で凝集された排ガス中の水分）を改質水タンク２４へ排出するための排水管３５、冷媒タンク３０の底部と排気熱交換器３１とを連結し冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２を排気熱交換器３１へ供給するための第１送出し側配管３６、冷媒タンク３０と排気熱交換器３１とを連結し、冷媒タンク３０の上部に連結され排気熱交換器３１を通過した冷媒Ｗ２を冷媒タンク３０へ戻すための第１戻し側配管３８、第１送出し側配管３６に設けられて冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２を排気熱交換器３１側へ送り出すための熱回収ポンプ４０、第１送出し側配管３６に設けられて冷媒Ｗ２の熱を外部に放出可能とするラジエータ４２、ラジエータ４２に送風を行うラジエータファン４３が収容されており、冷媒加熱部１９は、これらの構成要素を含んで構成されている。

また、筐体１６の内部には、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２と外部から供給された上水との間で熱交換を行う上水熱交換器４４、冷媒タンク３０の上部に連結され冷媒タンク３０と上水熱交換器４４とを連結する第２送出し側配管４６、上水熱交換器４４に流入する冷媒Ｗ２の温度を計測する冷媒温度センサ４７、上水熱交換器４４を通過した冷媒Ｗ２を冷媒タンク３０へ戻すための第２戻し側配管４８、第２戻し側配管４８に設けられて冷媒Ｗ２を冷媒タンク３０へ戻すための予熱ポンプ５０、外部（上水道）から供給された暖められていない上水を上水熱交換器４４に供給する上水供給配管５２、上水供給配管５２の中間部から分岐された上水分岐配管５４、上水熱交換器４４を通過した上水を排出する給湯配管５６、給湯配管５６から供給された暖められた上水と上水分岐配管５４から供給された暖められていない上水とを混合する混合弁６２、混合弁６２から筐体１６の外部へ上水を排出する上水排出配管６４、上水供給配管５２を流れる上水の流量を計測する流量センサ６７、一端が、上水供給配管５２における流量センサ６７の下流側で、かつ上水供給配管５２と上水分岐配管５４との接続部分の上流側に接続され、他端が上水排出配管６４の中間部に接続される補助分岐配管６９と、補助分岐配管６９の中間部に設けられる高温出湯防止用の流量調整弁７３と、上水排出配管６４における補助分岐配管６９との接続部分よりも下流側に設けられ、上水排出配管６４を流れてバックアップ熱源機ユニット１４に供給される上水の温度を計測する温度センサ７７等が収容されており、上水加熱部２１は、これらの構成要素を含んで構成されている。なお、本実施形態では、冷媒温度センサ４７が、第２送出し側配管４６に取り付けられているが、冷媒タンク３０の上部に取り付けられていてもよい。

さらに、筐体１６の内部には、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２に設けられた各種電装部品の制御を行う制御装置７０が収容されている。

ここで、筐体１６の内部には、冷媒タンク３０と排気熱交換器３１との間で冷媒Ｗ２が循環する経路、即ち、第１送出し側配管３６、及び第１戻し側配管３８で第１の循環経路１１８が形成されている。筐体１６の内部には、冷媒タンク３０と上水熱交換器４４との間で冷媒Ｗ２が循環する経路、即ち、第２送出し側配管４６、及び第２戻し側配管４８で第２の循環経路１２０が形成されている。また、筐体１６の内部には、給湯配管５６、及び上水排出配管６４で給湯経路１２１が形成されている。

なお、筐体１６の外部には、制御装置７０に接続されて、外気温を測定する温度センサ６５が設けられている。

本実施形態では、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２として水が用いられている。冷媒タンク３０の天井壁３０Ａには、冷媒タンク３０の内外を貫通し、空気の出入を可能とする連通部としての開口部３３が形成されている。また、冷媒タンク３０には、上部に空間が設けられるように冷媒Ｗ２が貯留されており、タンク内の冷媒Ｗ２が熱膨張して体積が増加した場合においても、開口部３３から冷媒Ｗ２が溢れ出ないように、冷媒タンク３０に注入する冷媒Ｗ２の体積が決められている。

図２に示すように、燃料電池モジュール１８は、筐体７１の内部に、改質触媒７２、バーナ７４、及び燃料電池スタック７６を主要な構成として備えている。

改質触媒７２は、燃料ガス管２０と接続されている。この改質触媒７２には、脱硫器２２にて硫黄化合物が吸着除去された都市ガスが燃料ガス管２０を通じて供給される。この改質触媒７２は、供給された都市ガス（原料ガス）を、改質水供給管２６を通じて供給された改質水（凝縮水）Ｗ１を利用して水蒸気改質する。

バーナ７４には、後述するスタック排ガス管８０が接続されている。このバーナ７４は、スタック排ガス管８０を通じて供給されたバーナガス（未反応の水素ガスを含むスタック排ガス）を燃焼し、改質触媒７２を加熱する。そして、この改質触媒７２では、脱硫器２２から供給された都市ガス（原料ガス）から、水素ガスを含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスは、燃料ガス管７５を通じて後述する燃料電池スタック７６の燃料極７８に供給される。

燃料電池スタック７６は、固体酸化物形の燃料電池スタックであり、積層された複数の燃料電池セル８１（図２では１つのみ図示）を有している。各燃料電池セル８１は、電解質層８２と、この電解質層８２の表裏面にそれぞれ積層された燃料極７８及び空気極８４とを有している。

空気極８４（カソード極）には、空気ブロワ８６が設けられた酸化ガス管８８を通じて酸化ガス（筐体１６の外部の空気）が供給される。この空気極８４では、下記式（１）で示されるように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、電解質層８２を通って燃料極７８に到達する。

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ →Ｏ^２− ・・・（１）

一方、燃料極７８では、下記式（２）及び式（３）で示されるように、電解質層８２を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水（水蒸気）及び二酸化炭素と、電子が生成される。燃料極７８で生成された電子は、外部回路を通って空気極８４に到達する。そして、このようにして電子が燃料極７８から空気極８４に移動することにより、各燃料電池セル８１において発電される。また、各燃料電池セル８１は、発電時に上記反応に伴って発熱する。

（燃料極反応）
Ｈ_２＋Ｏ^２− →Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・（２）
ＣＯ＋Ｏ^２− →ＣＯ_２＋２ｅ⁻ ・・・（３）

燃料電池スタック７６に接続されたスタック排ガス管８０の上流側は、燃料極排ガス管９０及び空気極排ガス管９２に分岐されており、この燃料極排ガス管９０及び空気極排ガス管９２は、燃料極７８及び空気極８４にそれぞれ接続されている。燃料極７８から排出された燃料極排ガスと、空気極８４から排出された空気極排ガスとは、燃料極排ガス管９０及び空気極排ガス管９２を通じて排出されると共に、スタック排ガス管８０内にて混合されてスタック排ガスとされる。このスタック排ガスは、燃料極排ガスに含まれる未反応の水素ガスを含んでおり、上述の通り、バーナ７４にバーナガスとして供給される。なお、このバーナ７４に、バーナ排ガスを排気熱交換器３１へ排出する第１排ガス管３２が接続されている。

なお、制御装置７０は、インバーター６８より電力が供給され、改質水ポンプ２８、熱回収ポンプ４０、ラジエータファン４３、予熱ポンプ５０、補水弁６０、混合弁６２等の制御を行う。

（バックアップ熱源機ユニットの構成）
本実施形態のバックアップ熱源機ユニット１４は、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２から供給された湯を更に加熱して排出可能とした潜熱回収型の熱源機である。潜熱回収型の熱源機は、バーナ１００の排気中の水蒸気を水（凝縮水）にすることにより、排気中の潜熱を回収して、熱効率を向上させたタイプの熱源機である。図１に示すように、バックアップ熱源機ユニット１４の第１の筐体９３の内部には、二次熱交換器９１、一次熱交換器９４、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２からの湯を二次熱交換器９１、一次熱交換器９４に供給する配管９６、一次熱交換器９４を加熱する加熱装置としてのバーナ１００、バーナ１００に燃料ガスを供給する燃料ガス管１０２、熱交換器９４を通った湯を排出する配管９８、配管９６の途中に接続された分岐管１０４と配管９８とに接続された混合弁１０６、混合弁１０６から湯を排出する配管１０８、排出される湯の温度を計測する温度センサ１０９、制御装置１１０等が設けられている。制御装置１１０は、混合弁１０６、バーナ１００へ送る燃料ガスの流量調整弁（図示せず）等の電装部品を制御する。

バックアップ熱源機ユニット１４の下方には、排水を集めて下水等へ排水するための排水設備としての排水受け１２８が設けられている。排水受け１２８に流入した排水は、下水等に排出することができる。

本実施形態では、バックアップ熱源機ユニット１４から排水（凝縮水）が排出される場合、該排水は排水管１２９を介して排水受け１２８に排水することができる。

本実施形態の改質水タンク２４には、液面レベルセンサ２４Ａが設けられており、改質水タンク２４に貯留した改質水Ｗ１の液面が予め設定した上限値に達したことが液面レベルセンサ２４Ａで検出されると、制御装置７０は、改質水タンク２４に貯留した改質水Ｗ１の液面が予め設定した上限値に達したことが分かるようになっている。

また、本実施形態の改質水タンク２４には、中間部に排水ポンプ１３２を備えた排水管１３０が接続されており、排水ポンプ１３２が駆動されると、改質水タンク２４の改質水Ｗ１が排水管１３０を通って排水受け１２８へ排出されるようになっている。制御装置７０は、改質水Ｗ１の液面が予め設定した上限値に達したと判断すると、排水ポンプ１３２を駆動し、改質水タンク２４に貯留した改質水Ｗ１の液面が予め設定した下限値になると排水ポンプ１３２を停止するように排水ポンプ１３２を制御するようになっている。これにより、余剰の改質水Ｗ１が排水受け１２８に排水され、発電に必要な量の改質水Ｗ１が残る。

なお、制御装置７０による排水ポンプ１３２の制御は、上記に記載した例に限らない。例えば、改質水タンク２４に貯留した改質水Ｗ１の液面が予め設定した上限値に達したことが液面レベルセンサ２４Ａで検出された場合、制御装置７０は、排水ポンプ１３２を一定時間駆動して、一定量の改質水Ｗ１を排水受け１２８に排出するようにしてもよい。この場合、液面レベルセンサ２４Ａの代わりに、改質水Ｗ１の液面が予め設定した上限値に達した場合にスイッチが入る上限検知用のフロートスイッチを用いることができる。また、改質水Ｗ１の上限値を検出する上限検知用のフロートスイッチと、改質水Ｗ１の下限値を検出する下限検知用のフロートスイッチとを用い、改質水Ｗ１の液面が上限値に達したことが上限検知用のフロートスイッチで検出された場合、制御装置７０は、改質水Ｗ１の液面が下限値に達したことが下限検知用のフロートスイッチで検出されるまで排水ポンプ１３２を駆動して、一定量の改質水Ｗ１を排水受け１２８に排出するようにしてもよい。

なお、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２の燃料ガス管２０、及びバックアップ熱源機ユニット１４の燃料ガス管１０２には、都市ガスのガス供給管１１２が接続されている。
また、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２の上水排出配管６４とバックアップ熱源機ユニット１４の配管９６とは、接続配管１１４で接続されている。さらに、バックアップ熱源機ユニット１４の配管１０８には、住宅の水機器に向けて湯を送る配管１１６が接続されている。

（作用、効果）
次に、本実施形態の燃料電池システム１０の動作について説明する。
第一実施形態に係る燃料電池システム１０では、改質触媒７２から燃料ガスが燃料電池スタック７６の燃料極７８に供給されると共に、空気ブロワ８６が作動して酸化ガス管８８から酸化ガスとしての空気が燃料電池スタック７６の空気極８４に供給されると、この燃料電池スタック７６において燃料ガス及び酸化ガスが反応し発電する。

この発電に伴い燃料電池スタック７６からは、未反応の水素ガスを含むスタック排ガスが排出され、このスタック排ガスは、バーナガスとしてバーナ７４にて燃焼され、このバーナ７４からは、バーナ排ガスが排出される。このバーナ排ガスは、水蒸気を含んでおり、第１排ガス管３２を通じて排気熱交換器３１に供給される。

この排気熱交換器３１では、バーナ排ガスと冷媒タンク３０から供給された冷媒Ｗ２との間で熱交換がなされ、冷媒Ｗ２が加熱されると共にバーナ排ガスに含まれる水蒸気が凝縮される。このようにして生成された凝縮水（蒸留水）は、改質水Ｗ１として改質水タンク２４に回収され、この改質水タンク２４に回収された改質水は、改質水供給管２６を通じて改質触媒７２に供給され、この改質触媒７２にて水蒸気改質用の水蒸気として利用される。なお、このようにして水分の除去されたバーナ排ガスは、第２排ガス管３４を介して外部に排出される。

熱回収ポンプ４０を作動させることで、第１の循環経路１１８は、冷媒タンク３０と排気熱交換器３１との間で冷媒Ｗ２を循環させるため、冷媒タンク３０内の下側の冷媒Ｗ２は第１送出し側配管３６を介して排気熱交換器３１へ供給され、排気熱交換器３１で加熱された後、冷媒タンク３０の上側に戻り、これによって冷媒タンク内の冷媒Ｗ２の温度が上側から下側に向けて徐々に上昇する。

なお、冷媒タンク３０の天井壁３０Ａには、内部と外部とを連通する開口部３３が設けられているため、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２が温度上昇に伴って膨張しても、冷媒Ｗ２の上の空気は開口部３３から外部へ排出されるので、タンク内の圧力上昇を抑制することができる。

暖められた冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２は、上水熱交換器４４で、外部より供給された上水との間で熱交換を行うことができる。予熱ポンプ５０を作動させることで、第２の循環経路１２０は、冷媒タンク３０と上水熱交換器４４との間で冷媒Ｗ２を循環させるため、外部の上水道から供給された上水は、上水熱交換器４４で加熱されて暖められる。

上水熱交換器４４で暖められた上水は、混合弁６２、及び上水排出配管６４を介して冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２の外部へ排出される。ここで、混合弁６２は、上水熱交換器４４で暖められた上水に、外部の上水道から供給された暖められていない上水を混合して排出することができ、また、上水熱交換器４４で加熱された上水をそのまま排出することもできる。混合弁６２は、制御装置７０からの制御信号に基づいて、上水熱交換器４４で暖められた上水と、外部の上水道から供給された暖められていない上水との混合比を変更して排出することができる。

ここで、流量センサ６７は、上水熱交換器４４に流入する上水の流量を計測することができ、制御装置７０は、流量センサ６７で計測された上水の流量に応じて予熱ポンプ５０を制御することができる。一例として、制御装置７０は、上水熱交換器４４に流入する上水の流量が多い場合には、予熱ポンプ５０で大量の冷媒Ｗ２を第２の循環経路１２０に循環させて、上水熱交換器で大量の熱交換を行わせ、上水熱交換器４４から排出される上水の温度低下を抑制する。

一方、上水熱交換器４４に流入する上水の流量が少ない場合には、第２の循環経路１２０における冷媒Ｗ２の循環量を減らして、上水熱交換器４４での熱交換量を減らし、これにより上水熱交換器４４から排出される上水の温度上昇を抑制する。

このように、本実施形態の燃料電池システム１０では、上水熱交換器４４に流入する上水の流量に応じて予熱ポンプ５０を制御することで、上水熱交換器４４から排出される上水の温度を一定に保つことができ、安定した出湯性能が得られる。なお、温度センサ７７は、混合弁６２から排出される上水の温度を計測することができ、制御装置７０は、混合弁６２から排出される上水の温度に応じて予熱ポンプ５０を制御し、上水熱交換器４４から排出される上水の温度を一定に保つことができる。

さらに、制御装置７０は、上水熱交換器４４に流入する冷媒Ｗ２の温度に応じて予熱ポンプ５０を制御することで、上水熱交換器４４から排出される上水の温度を一定に保つこともできる。

また、制御装置７０は、予め設定した上限温度と、温度センサ７７で計測された混合弁６２から排出される上水の温度に基づいて混合弁６２を制御し、上水熱交換器４４で暖められた上水と外部の上水道から供給された暖められていない上水との混合比を変更することができる。制御装置７０は、混合弁６２から排出される上水の温度が予め設定した上限温度を超えないように、上水熱交換器４４で加熱された上水に、外部より供給された加熱していない上水を混合するように混合弁６２を制御することができる。

これにより、上水の流量が急変した場合などで、予熱ポンプ５０の制御による温度制御が間に合わないときに、混合弁６２を制御して外部より供給された加熱していない上水の混合量を増加することで、上限温度を超えた高温の上水が、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２からバックアップ熱源機ユニット１４に出湯することを抑制することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１０では、混合弁６２から排出される上水の温度が予め設定した上限温度を超えないように、高温出湯防止用の流量調整弁７３を開くことで、上水熱交換器４４で加熱された上水に外部より供給された加熱していない上水を混合し、上限温度を超えた高温の上水が、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２からバックアップ熱源機ユニット１４に出湯することを抑制することもできる。

なお、バックアップ熱源機ユニット１４は、例えば、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２の温度が低く、上水熱交換器４４から排出される上水の温度が低い場合等に、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２から供給される上水を更に加熱することができる。

制御装置１１０は、住宅に備えられている図示しないコントローラーで設定された湯温、及び温度センサ１０９で計測した湯温の温度測定データに基づいて混合弁１０６を制御し、混合弁１０６は、住宅に供給する湯の温度がコントローラーで設定された温度となるように熱交換器９４で暖められた上水と外部から供給された暖められていない上水とを混合する。これにより、住宅に供給する湯の温度を、コントローラーで設定された湯温に保つことができる。

このように、本実施形態では、流量センサ６７で計測された上水の流量に応じて予熱ポンプ５０を制御してバックアップ熱源機ユニット１４に供給する湯の温度を主調整し、バックアップ熱源機ユニット１４では住宅に供給する湯の温度が、コントローラーで設定された湯温となるように微調整することができる。また、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２は、バックアップ熱源機ユニット１４に供給する上水を予め設定した温度に高めて一定にしておくことができるので、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２から供給される上水の温度が低く、供給された上水をバックアップ熱源機ユニット１４で更に加熱することを抑制できる。これにより、バックアップ熱源機ユニット１４のバーナ１００で用いる燃料ガスの使用量を抑えることができる。なお、バックアップ熱源機ユニット１４は、図示しない住宅の風呂の追い炊きをする場合に使用することもできる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の一例について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

上記実施形態の冷媒タンク３０は、内部と外部とを連通する開口部３３が上部に形成されている所謂開放型のタンクであったが、冷媒タンク３０は、開口部３３が設けられておらず、内部が密閉されている所謂密閉型タンクであってもよい。

上記実施形態の燃料電池システム１０では、流量センサ６７が上水供給配管５２における補助分岐配管６９との接続部分よりも上流側に設けられていたが、上水供給配管５２における補助分岐配管６９が接続されている部分と上水分岐配管５４が接続されている部分との間に設けられていてもよく、上水供給配管５２における上水分岐配管５４が接続されている部分と上水熱交換器４４との間に設けられていてもよく、給湯配管５６に設けられていてもよく、上水排出配管６４に設けられていてもよい。

上記実施形態では、燃料電池スタック７６に供給する燃料ガスに都市ガスを用いた例を示したが、燃料ガスとしてプロパンガス等、都市ガス以外の可燃性ガスを用いることもできる。

１０燃料電池システム
１７発電部
１９冷媒加熱部
２１上水加熱部
３０冷媒タンク
３１排気熱交換器
４０熱回収ポンプ
４４上水熱交換器
４７冷媒温度センサ
５０予熱ポンプ
６２混合弁
６７流量センサ
７０制御装置
７７温度センサ
８１燃料電池セル（燃料電池）
１１８第１の循環経路
１２０第２の循環経路
１２１給湯経路

請求項１に記載の燃料電池システムは、燃料電池で発電を行う発電部と、燃料電池から排出される排ガスと冷媒との間で熱交換することで前記冷媒を加熱する冷媒加熱部と、外部より供給された上水と前記冷媒との間で熱交換を行うことで前記上水を加熱すると共に、前記上水の流量に応じて前記冷媒と前記上水との熱交換量を変更し、加熱した前記上水を排出する上水加熱部と、を有し、前記発電部は、燃料ガスと改質水とを供給して発電を行う燃料電池を備え、前記冷媒加熱部は、前記排ガスと前記冷媒との間で熱交換を行う排気熱交換器と、前記排気熱交換器へ供給する前記冷媒を貯留する冷媒タンクと、前記冷媒タンクと前記排気熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第１の循環経路と、前記第１の循環経路に前記冷媒を循環させる熱回収ポンプと、を備え、前記上水加熱部は、前記冷媒タンクから供給される冷媒と外部より供給された上水との間で熱交換を行う上水熱交換器と、前記冷媒タンクと前記上水熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第２の循環経路と、前記第２の循環経路に前記冷媒を循環させる予熱ポンプと、前記上水熱交換器で加熱された前記上水を排出する給湯経路と、前記上水の流量を計測する流量センサと、前記流量センサで計測された前記上水の流量に応じて前記予熱ポンプを制御する制御装置と、を備えている。

請求項１に記載の燃料電池システムでは、燃料ガスと改質水とを燃料電池に供給することで、燃料電池は発電を行うと共に、高温の排ガスを排出する。高温の排ガスは、排気熱交換器で冷媒との間で熱交換を行う。なお、熱交換を行う冷媒は、冷媒タンクに貯留される。

このように、請求項１に記載の燃料電池システムでは、上水熱交換器に流入する上水の流量に応じて予熱ポンプを制御することで、上水熱交換器から排出される上水の温度を一定に保つことができ、安定した出湯性能が得られる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記給湯経路に設けられ、外部より供給された上水と前記上水熱交換器で加熱された上水とを混合して排出する混合弁と、前記混合弁から排出される前記上水の温度を計測する温度センサと、を備え、前記制御装置は、前記温度センサで計測した前記上水の温度に基づいて前記混合弁を制御し、前記混合弁から排出される前記上水の温度が予め設定した上限温度を超えないように、前記上水熱交換器で加熱された前記上水に、外部より供給された加熱前の上水を混合する。

請求項２に記載の燃料電池システムでは、混合弁は、上水熱交換器で加熱された暖められた上水と、外部より供給された暖められていない上水とを混合して排出することができ、上水熱交換器で加熱された暖められた上水と、外部より供給された暖められていない上水との混合比を変えることで、混合弁から排出され上水の温度を調整することができる。

請求項２に記載の燃料電池システムでは、上水の流量が急変した場合などで、予熱ポンプの制御による温度制御が間に合わないときに、混合弁から排出される上水の温度が予め設定した上限温度を超えないように、混合弁から排出される上水の温度を制御することができる。即ち、請求項２に記載の燃料電池システムでは、上水の流量に応じて予熱ポンプを制御することで湯温の主調整を行い、混合弁を制御することで湯温の微調整を行うことができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記上水熱交換器に流入する前記冷媒タンクの前記冷媒の温度を計測する冷媒温度センサを備え、前記制御装置は、前記冷媒温度センサで計測した前記冷媒の温度に基づいて前記予熱ポンプを制御する。

請求項３に記載の発明では、制御装置は、上水熱交換器に流入する冷媒タンクの冷媒の温度に基づいて予熱ポンプを制御し、上水熱交換器での熱交換量を制御することができるので、上水熱交換器から排出される上水の温度を一定に保つことができ、安定した出湯性能が得られる。

Claims

燃料電池で発電を行う発電部と、
燃料電池から排出される排ガスと冷媒との間で熱交換することで前記冷媒を加熱する冷媒加熱部と、
外部より供給された上水と前記冷媒との間で熱交換を行うことで前記上水を加熱すると共に、前記上水の流量に応じて前記冷媒と前記上水との熱交換量を変更し、加熱した前記上水を排出する上水加熱部と
を有する燃料電池システム。
前記発電部は、燃料ガスと改質水とを供給して発電を行う燃料電池を備え、
前記冷媒加熱部は、前記排ガスと前記冷媒との間で熱交換を行う排気熱交換器と、前記排気熱交換器へ供給する前記冷媒を貯留する冷媒タンクと、前記冷媒タンクと前記排気熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第１の循環経路と、前記第１の循環経路に前記冷媒を循環させる熱回収ポンプと、を備え、
前記上水加熱部は、前記冷媒タンクから供給される冷媒と外部より供給された上水との間で熱交換を行う上水熱交換器と、前記冷媒タンクと前記上水熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第２の循環経路と、前記第２の循環経路に前記冷媒を循環させる予熱ポンプと、前記上水熱交換器で加熱された前記上水を排出する給湯経路と、前記上水の流量を計測する流量センサと、前記流量センサで計測された前記上水の流量に応じて前記予熱ポンプを制御する制御装置と、を備えている、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記給湯経路に設けられ、外部より供給された上水と前記上水熱交換器で加熱された上水とを混合して排出する混合弁と、
前記混合弁から排出される前記上水の温度を計測する温度センサと、
を備え、
前記制御装置は、前記温度センサで計測した前記上水の温度に基づいて前記混合弁を制御し、前記混合弁から排出される前記上水の温度が予め設定した上限温度を超えないように、前記上水熱交換器で加熱された前記上水に、外部より供給された加熱前の上水を混合する、請求項２に記載の燃料電池システム。
前記上水熱交換器に流入する前記冷媒タンクの前記冷媒の温度を計測する冷媒温度センサを備え、
前記制御装置は、前記冷媒温度センサで計測した前記冷媒の温度に基づいて前記予熱ポンプを制御する、請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。