JP2019203650A - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 循環回路内の湯水の凍結をより効果的に防止することができる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。
【解決手段】 燃料電池コージェネレーションシステム１は、筐体２の出口開口２２ａを覆うように筐体２に設けられ、出口開口２２ａを閉塞する閉状態と出口開口２２ａを開放する開状態とにその開閉状態を変化させることができるように構成された電動ルーバ装置９と、制御装置１０とを備える。制御装置１０は、循環回路６内の湯水の温度が凍結温度以下であるという凍結条件の成立時に電動ルーバ装置９の開閉状態が閉状態に設定され、上記凍結条件の非成立時に電動ルーバ装置９の開閉状態が開状態に設定されるように、電動ルーバ装置９の開閉状態を制御する。
【選択図】 図２

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。

電気と熱を併給することができる燃料電池コージェネレーションシステムは、発電ユニットと、蓄熱装置と、これらを収容する筐体とを備える。発電ユニットは燃料電池スタックを有し、燃料電池スタックの作動により発電する。発電ユニットにて発電された電力は、例えば家庭内の電力負荷等に供給される。また、発電ユニットは、発電に伴い、副次的に熱をも発生する。それ故に、このような発電ユニットは、ホットモジュールとも呼ばれる。発電ユニットにて生じた熱は、蓄熱装置に蓄えられる。蓄熱装置に蓄えられた熱は、例えば家庭内の熱負荷に供給される。蓄熱装置として、一般的には、熱を蓄えた水（湯水）を貯留した貯湯タンクが用いられる。この場合、貯湯タンク内の湯水が温水として例えば家庭内の熱負荷に供給され、或いは熱源として利用される。

発電ユニットが有する燃料電池スタックは、水素と空気中の酸素とを反応させることにより水（生成水）及び電気を生成する。従って、燃料電池スタックには、水素及び空気（酸素）が供給される。水素は水素ボンベ等により直接的に燃料電池スタックに供給されても良いが、既設のガスラインを流れる都市ガスやＬＰガス等の燃料ガスを改質することにより生成された水素を燃料電池スタックに供給することもできる。この場合、発電ユニットは、燃料ガスから水素を生成するための改質装置を備える。

また、燃料電池コージェネレーションシステムは、排熱回収用熱交換器を備える。排熱回収用熱交換器には、発電ユニットによる発電の際に発生する高温の排気ガスが通過する。さらに、燃料電池コージェネレーションシステムは、排熱回収用熱交換器と貯湯タンクとを接続する循環回路を備える。この循環回路内には貯湯タンク内の湯水が流れる。そして、排熱回収用熱交換器にて、高温の排気ガスと循環回路を流れる湯水が熱交換することにより、貯湯タンク内の湯水に排気ガスの熱が蓄熱される。

また、改質装置にて燃料ガスから水素を取り出すために、純水が必要である。この純水は、燃料電池スタックによる水素と酸素との反応により生じた生成水と、排気ガス中に含まれる水蒸気が排熱回収用熱交換器にて熱交換される際に凝縮することによって得られる凝縮水とにより賄われる。

上記したように凝縮水は排熱回収用熱交換器にて凝縮されるが、このとき排熱回収用熱交換器にて排気ガスと熱交換する循環回路内の湯水の温度が高すぎると、適切な量の凝縮水を得ることができない。適切な量の凝縮水を得るために、循環回路内の湯水の温度が高い場合に循環回路内の湯水を冷却する冷却装置が燃料電池コージェネレーションシステムに備えられる。冷却装置として典型的には、ラジエータ及び送風ファンを有する空冷タイプの冷却装置が採用され得る。この場合、ラジエータが循環回路に介装される。

空冷タイプの冷却装置を採用する場合、燃料電池コージェネレーションシステムの筐体には、送風ファンの作動により外気を筐体内に取り込むための開口である入口開口と、送風ファンの作動により筐体内に取り込まれた外気を筐体内から放出するための開口である出口開口とが形成される。そして、送風ファンの作動により入口開口から筐体内に取り込まれた外気をラジエータに通過させることにより、ラジエータ内を流れる湯水が冷却される。一方、ラジエータを通過した外気は出口開口を経由して外部に放出される。

また、燃料電池コージェネレーションシステムを、冬季等の外気温の低いときに駆動させると、ラジエータ内又は循環回路内の湯水が凍結する虞がある。これに対し、特許文献１は、筐体内に配設された凍結防止用ヒータを備える燃料電池コージェネレーションシステムを開示する。凍結防止用ヒータの作動により発生する熱が筐体内に拡散されることにより、筐体内の温度が上昇する。筐体内の温度を上昇させることにより、ラジエータ内又は循環回路内の湯水の凍結が防止される。

特開２００５−２５９４９４号公報

（発明が解決しようとする課題）
空冷タイプの冷却装置を備える燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、外気温が極めて低い場合には、外気によりラジエータを通る循環回路内の湯水が過冷却されることを防止するために、送風ファンの作動が停止される。しかし、送風ファンを停止させていても、筐体に形成された入口開口又は出口開口を経由して外気が筐体内に進入する。進入する外気の温度が例えば−１５℃程度の極めて低い温度である場合、たとえ特許文献１に開示の凍結防止用ヒータを作動させた場合であっても、循環回路を流れる湯水の加熱が不十分となる。その結果、ラジエータにて外気と湯水との熱交換により循環回路内の湯水が過冷却されて、循環回路内の湯水、特にラジエータを流れる湯水及びラジエータを通過した後の循環回路内の湯水が凍結する虞がある。つまり、特許文献１に記載の凍結防止策では、筐体内に外気を取り込む空冷タイプの冷却装置を有する燃料電池コージェネレーションシステムに対して十分に循環回路内の湯水の凍結防止を図ることができない。

本発明は、空冷タイプの冷却装置を備える燃料電池コージェネレーションシステムにおいても循環回路内の湯水の凍結をより効果的に防止することができる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。

（課題を解決するための手段）
本発明は、燃料電池スタック（３２）を有し、燃料電池スタックの作動により発電する発電ユニット（３）と、発電ユニットにて生じた排気ガスが通過する排熱回収用熱交換器（４）と、内部に湯水が貯留された貯湯タンク（５）と、貯湯タンク内の湯水が排熱回収用熱交換器を経由して循環することができるように、貯湯タンクと排熱回収用熱交換器とを接続する循環回路（６）と、循環回路内に介装されたラジエータ（７３）と、発電ユニット、排熱回収用熱交換器、貯湯タンク、循環回路、及びラジエータを収容するとともに、外部に連通する開口（２１ａ，２２ａ）が形成された筐体（２）と、開口を覆うように筐体に設けられ、開口を閉塞する閉状態と開口を開放する開状態とにその開閉状態を変化させることができるように構成された開閉装置（９）と、循環回路内の湯水が凍結する可能性が高い条件として予め定められた凍結条件の成立時に開閉装置の開閉状態が閉状態に設定され、凍結条件の非成立時に開閉装置の開閉状態が開状態に設定されるように、開閉装置の開閉状態を制御する制御装置（１０）と、を備える、燃料電池コージェネレーションシステム（１）を提供する。

本発明によれば、循環回路内の湯水が凍結する可能性が高い条件として予め定められる条件、すなわち凍結条件の成立時には、開閉装置の開閉状態が閉状態に設定されることにより、筐体に形成された開口が開閉装置により塞がれる。このため、開口を経由して外気が筐体内に進入することが防止される。よって、ラジエータを流れる湯水が外気と熱交換することによって循環回路内の湯水が凍結することを、効果的に防止することができる。

凍結条件としては、循環回路内の湯水が凍結する可能性が高いと考えられる条件であれば特に限定されることはない。例えば、ラジエータを通過した循環回路内の湯水の温度が予め定められた凍結温度（例えば５℃）以下であるという条件を、凍結条件に設定することができる。また、外気温度或いは筐体内の温度が予め定められた所定温度以下（例えば−１０℃以下）であるという条件を、凍結条件に設定することができる。

また、開閉装置は、筐体に形成される開口を閉塞し或いは開放することができる機能を有する装置であれば特に限定されることはない。開閉装置として、後述する実施形態で示す電動ルーバ装置を採用することができる。

また、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、外気を筐体内に取り込むための送風ファン（７２）を備えるとよい。また、筐体に形成された開口は、送風ファンの作動によって外気を筐体内に取り込むための開口である入口開口（２１ａ）と、送風ファンの作動によって筐体内に取り込まれた外気を筐体内から放出するための開口である出口開口（２２ａ）とを含むとよい。そして、開閉装置は、出口開口を覆うように設けられているとよい。この場合、制御装置は、送風ファンの作動が停止しているときであって、凍結条件の成立時に開閉装置の開閉状態が閉状態に設定されるように、開閉装置の開閉状態を制御すると良い。また、制御装置は、送風ファンの作動時、及び、送風ファンの作動の停止時であって凍結条件の非成立時に、開閉装置の開閉状態が開状態に設定されるように、開閉装置の開閉状態を制御すると良い。

通常、燃料電池コージェネレーションシステムは、筐体を構成する面のうち送風ファンの作動により外気を筐体内に取り込む入口開口が形成されている面（背面）が家屋の外壁に対面し、送風ファンの作動により筐体内に取り込まれた外気を放出する出口開口が形成されている面（正面）が外部空間に対面するように、屋外に設置される。このため送風ファンの停止時には、外部空間に対面している出口開口側から外気が筐体内に進入する可能性が高い。従って、出口開口を覆うように開閉装置を筐体に設け、凍結条件成立時に開閉装置の開閉状態を閉状態に設定して出口開口を塞ぐことにより、出口開口から筐体内への外気の進入を効果的に防止することができる。これにより、送風ファンの作動の停止時に、ラジエータを流れる湯水が外気、特に低温の外気と熱交換することによって循環回路内の湯水が凍結することが、より効果的に防止される。さらに、外部空間に対面している出口開口を開閉装置により塞ぐことにより、出口開口から筐体内への雨水、雪、埃等の異物の進入を防止することができる。

図１は、本実施形態に係る燃料電池コージェネレーションシステムの設置状態を示す概略図である。 図２は、燃料電池コージェネレーションシステムの概略構成図である。 図３は、ダクト、送風ファン、及びラジエータの斜視図である。 図４は、筐体内での冷却装置の配置状態を示す概略断面図である。 図５は、電動ルーバ装置が取り付けられた筐体の斜視図である。 図６は、電動ルーバ装置の正面図である。 図７は、図６のVII−VII断面図である。 図８は、閉状態にある電動ルーバ装置の断面図である。 図９は、電動ルーバ装置が開状態であるときに送風ファン７２が作動した場合に筐体内に導入される外気の流れを示した図である。 図１０は、送風ファンの停止中に外気が出口開口を経由して筐体内に進入する様子を示す概略断面図である。 図１１は、制御装置が実行する電動ルーバ開閉制御処理ルーチンの流れを示すフローチャートである。 図１２は、閉状態にある電動ルーバ装置が取り付けられた筐体の概略断面図である。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態では、一般家庭に用いられる家庭用燃料電池コージェネレーションシステムについて述べるが、本発明は、家庭用以外の、例えば業務用の燃料電池コージェネレーションシステムにも適用することができる。

図１は、本実施形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム１の設置状態を示す概略図である。図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム１は、家屋Ｈに隣接するように、屋外に設置される。

燃料電池コージェネレーションシステム１は、内部に様々な部品が収納される筐体２を備える。この筐体２は、本実施形態では略直方体形状に形成されており、家屋Ｈの外壁Ｗに微小の隙間を開けて対面配置する背面２１と、その背面２１と反対側の正面２２を有する。このため正面２２は、広大な外部空間に対面する。また、背面２１には入口開口２１ａが形成され、正面２２には出口開口２２ａが形成される。入口開口２１ａは家屋Ｈの外壁Ｗに対面し、出口開口２２ａは外部空間に対面する。これらの開口を通じて筐体２内の空間が筐体２の外部に連通する。

図２は、燃料電池コージェネレーションシステム１の構成を概略的に示す図である。図２に示すように、燃料電池コージェネレーションシステム１は、上述した筐体２と、筐体２内に収容される、発電ユニット３、排熱回収用熱交換器４、貯湯タンク５、循環回路６、冷却装置７、純水供給装置８、及び制御装置１０を備える。さらに、燃料電池コージェネレーションシステム１は、開閉装置としての電動ルーバ装置９を備える。

発電ユニット３は、改質装置３１と燃料電池スタック３２とを有する。改質装置３１には、炭化水素ガスを含む燃料ガス及び純水が供給される。燃料ガスとして、既設のガスラインから供給される都市ガス、ＬＰガス、或いは天然ガスを利用することができる。改質装置３１は、供給された燃料ガスと純水とを反応させて、水素を生成する。例えば、燃料ガス中のメタン（ＣＨ_４）と純水（Ｈ_２Ｏ）とを反応させて、水素（Ｈ_２）と二酸化炭素（ＣＯ_２）を生成する。

燃料電池スタック３２には、改質装置３１にて生成された水素及び、エアブロワ３３により外気から吸引された空気が供給される。燃料電池スタック３２は、供給された水素及び空気中の酸素を反応させて水（生成水）を生成する。このとき電気が生成される。このようにして、発電ユニット３は、燃料電池スタック３２の作動により発電する。発電ユニット３にて発電された電力は、例えば、パワーコンディショナと呼ばれる電力変換装置にて、家庭内の電力負荷に使用することができる交流電力に変換された後に、家庭内の電力負荷に供給される。

また、発電ユニット３にて発電する際に、高温の排気ガスが発生する。発生した排気ガスは、排熱回収用熱交換器４を通過した後に、外部に放出される。

貯湯タンク５は、蓄熱された水（以下、湯水と呼ぶ）を貯留する。貯湯タンク５に貯留された湯水は、必要に応じて温水として放出されて、家庭内の熱負荷に供給され、或いは熱源として利用される。また、貯湯タンク５内の湯水が減少した場合には、必要に応じて、水道水が貯湯タンク５に給水される。

また、排熱回収用熱交換器４と貯湯タンク５との間に循環回路６が設けられる。循環回路６は、第一配管６１と、第二配管６２と、第三配管６３と、第一ポンプ６４とを有する。第一配管６１の一方端は貯湯タンク５の下方部分に接続され、第一配管６１の他方端は後述するラジエータ７３の入口ポート７４に接続される。第二配管６２の一方端は後述するラジエータ７３の出口ポート７５に接続され、第二配管６２の他方端は排熱回収用熱交換器４に設けられた入口ポート４１に接続される。第三配管６３の一方端は排熱回収用熱交換器４に設けられた出口ポート４２に接続され、第三配管６３の他方端は貯湯タンク５の上方部分に接続される。第一配管６１の途中に第一ポンプ６４が介装される。

また、排熱回収用熱交換器４内には、入口ポート４１と出口ポート４２とを接続する湯水通路４３が形成されている。従って、循環回路６の第二配管６２と第三配管６３は、排熱回収用熱交換器４内に形成された湯水通路４３を介して連通する。

第一ポンプ６４が作動すると、貯湯タンク５内の湯水が貯湯タンク５の下方部分から第一配管６１に流入する。第一配管６１に流入した湯水は第一配管６１からラジエータ７３に入り、このラジエータ７３を通過した後に第二配管６２に流入する。そして、第二配管６２から排熱回収用熱交換器４の入口ポート４１を経由して排熱回収用熱交換器４内に流入する。排熱回収用熱交換器４内に流入した湯水は排熱回収用熱交換器４内の湯水通路４３を通過する。このとき、湯水通路４３内を流れる湯水が、排熱回収用熱交換器４を通過する排気ガスと熱交換することにより加熱される。すなわち循環回路６を流れる湯水が排熱回収用熱交換器４にて排気ガスと熱交換することにより加熱される。排熱回収用熱交換器４にて加熱された湯水は出口ポート４２から排熱回収用熱交換器４を流出して第三配管６３に至り、さらに第三配管６３から貯湯タンク５に戻る。このように、循環回路６は、第一ポンプ６４の作動によって、貯湯タンク５内の湯水が排熱回収用熱交換器４を経由して循環することができるように、貯湯タンク５と排熱回収用熱交換器４とを接続する。

純水供給装置８は、純水を発電ユニット３の改質装置３１に供給する。純水供給装置８は、純水精製器８１と、純水貯留タンク８２と、第二ポンプ８３と、第四配管８４と、第五配管８５とを有する。

第四配管８４の一方端は排熱回収用熱交換器４に接続され、第四配管８４の他方端は純水貯留タンク８２に接続される。第四配管８４の途中に純水精製器８１が介装される。また、第五配管８５の一方端は純水貯留タンク８２に接続され、第五配管８５の他方端は発電ユニット３の改質装置３１に接続される。第五配管８５の途中に第二ポンプ８３が介装される。

上述したように、排熱回収用熱交換器４では、発電ユニット３により発生した排気ガスと、循環回路６を流れる湯水が熱交換する。斯かる熱交換により、排気ガスが冷やされる。また、排気ガス中には水蒸気が含まれており、排気ガス中の水蒸気は排熱回収用熱交換器４にて排気ガスが熱交換されて冷やされることによって凝縮する。こうして凝縮した水分である凝縮水が、排熱回収用熱交換器４から純水供給装置８の第四配管８４に流れる。第四配管８４に流れた凝縮水は、第四配管８４の途中に介装された純水精製器８１に導入される。

純水精製器８１に導入された凝縮水は、純水精製器８１にて二酸化炭素成分等が除去されることにより純水に精製される。そして、純水精製器８１にて精製された純水は、第四配管８４の他方端に接続された純水貯留タンク８２に貯留される。

また、純水供給装置８の第二ポンプ８３が作動すると、純水貯留タンク８２に貯留された純水が、第五配管８５に汲み上げられる。第五配管８５に汲み上げられた純水は、第五配管８５の他方端に接続された改質装置３１に供給される。このようにして、純水供給装置８から純水が改質装置３１に供給される。なお、燃料電池スタック３２にて水素と酸素との反応の結果生じた生成水も、凝縮水と同じように排熱回収用熱交換器４を通って純水貯留タンク８２に貯留される。

冷却装置７は、ダクト７１と、送風ファン７２と、ラジエータ７３とを備える。送風ファン７２はダクト７１内に配設される。図３は、ダクト７１、送風ファン７２、及びラジエータ７３の斜視図である。図３に示すように、ダクト７１は筒状を呈しており、その内部空間により導風路７１ａが構成される。また、ダクト７１は、入口ダクト７１１及び出口ダクト７１２を有する。入口ダクト７１１の一方端と出口ダクト７１２の他方端が接続されることにより、ダクト７１が形成される。

送風ファン７２は、ダクト７１の導風路７１ａ内であって、入口ダクト７１１と出口ダクト７１２との境界部分に配設される。送風ファン７２は図示しないファンモータを有し、このファンモータの駆動により作動する。送風ファン７２が作動すると、入口ダクト７１１側の空気が出口ダクト７１２側に向かうように導風路７１ａ内を流れる。また、入口ダクト７１１の他方端（開口端）にラジエータ７３が対面配置する。ラジエータ７３は図３に示すように直方体状に形成されており、一方面（図３において図示せず）及びその反対側の他方面７３ｂを有する。

図４は、筐体２内での冷却装置７の配置状態を示す概略断面図である。図４に示すように、ラジエータ７３は、その一方面７３ａが筐体２の背面２１に形成された入口開口２１ａに対面するように、筐体２内に配設される。一方、ダクト７１の出口ダクト７１２の一方端（開口端）が、筐体２の正面２２に形成された出口開口２２ａに対面するように、筐体２内に配設される。また、ダクト７１の入口ダクト７１１の他方端（開口端）は、筐体２内にてラジエータ７３の他方面７３ｂに対面配置している。従って、送風ファン７２が作動して、入口ダクト７１１側から出口ダクト７１２側に向かって空気が流れると、それに伴い筐体２の背面２１に形成された入口開口２１ａから外気が筐体２内に供給されるとともに供給された外気がラジエータ７３をその一方面７３ａから他方面７３ｂに向けて通過し、さらに入口ダクト７１１に流れ込む。このようにして、入口開口２１ａから取り込まれた外気がラジエータ７３を通過する。ラジエータ７３を通過してダクト７１を流れた外気は出口ダクト７１２の一方端（開口端）から放出され、さらに出口ダクト７１２の一方端（開口端）に対面した出口開口２２ａを通過して筐体２の外部に放出される。

図３に示すように、ラジエータ７３は、銅等の熱伝導率の高い金属により構成されたチューブ７３１と、チューブ７３１の外周回りに設けられたフィンとを有する。チューブ７３１の一方の端部は入口ポート７４に接続され、チューブ７３１の他方の端部は出口ポート７５に接続される。

上述したように、ラジエータ７３の入口ポート７４は第一配管６１の一方端に接続され、ラジエータ７３の出口ポート７５は第二配管６２の一方端に接続される。従って、ラジエータ７３は循環回路６内に介装され、第一配管６１内の湯水は、ラジエータ７３のチューブ７３１を経由して、第二配管６２に流れることになる。チューブ７３１内を流れる湯水は、送風ファン７２が作動することによりラジエータ７３をその一方面７３ａから他方面７３に向けて通過する外気と熱交換する。斯かる熱交換によって、循環回路６内の湯水が冷却されるとともに、ラジエータ７３を通過する外気が加熱される。

また、図２に示すように、燃料電池コージェネレーションシステム１は、第一温度センサ１１、第二温度センサ１２、第三温度センサ１３、第四温度センサ１４を備える。本実施形態において、第一温度センサ１１は、循環回路６の第二配管６２に取り付けられる。従って、第一温度センサ１１は、第二配管６２を流れる湯水、つまりラジエータ７３を通過した湯水の温度Ｔ１を検出する。第二温度センサ１２は、循環回路６の第三配管６３に取り付けられる。従って、第二温度センサ１２は、第三配管６３を流れる湯水、すなわち排熱回収用熱交換器４を流出した湯水の温度Ｔ２を検出する。第三温度センサ１３は、排熱回収用熱交換器４に取り付けられる。従って、第三温度センサ１３は、排熱回収用熱交換器４の湯水通路４３を流れる湯水の温度Ｔ３を検出する。第四温度センサ１４は、筐体２内の温度Ｔ４を検出する。これらの温度センサ１１，１２，１３，１４により検出された温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４は制御装置１０に入力される。また、燃料電池コージェネレーションシステム１は、外気温を検出する図示しない外気温センサをさらに備える。

制御装置１０は、燃料電池コージェネレーションシステム１の動作を制御する。例えば、制御装置１０は、電力負荷要求、熱負荷要求、各温度センサから取得する温度情報に基づいて、発電ユニット３による発電量、第一ポンプ６４の作動、第二ポンプ８３の作動を制御する。さらに、制御装置１０は、冷却装置７の送風ファン７２の動作を制御する。

また、筐体２には、開閉装置としての電動ルーバ装置９が取り付けられる。図５は、電動ルーバ装置９が取り付けられた筐体２の斜視図である。図１及び図５に示すように、筐体２の正面２２に形成された出口開口２２ａを覆うように、電動ルーバ装置９が筐体２に取り付けられる。

図６は、電動ルーバ装置９の正面図である。また、図７は、図６のVII−VII断面図である。図６に示すように、電動ルーバ装置９は、窓枠９１と、駆動機構９２と、複数のルーバ９３とを有する。窓枠９１は、一定の長さを有する一対の縦枠材９１ａ，９１ｂの上端間と下端間をそれぞれ上側横枠材９１ｃと下側横枠材９１ｄにより連結することにより、矩形の枠体状に形成される。この窓枠９１の内部空間に複数の横長形状のルーバ９３が、上下方向に一定の間隔で併設される。

縦枠材９１ｂは、縦枠材９１ａに比べて横方向に幅広に形成されている。縦枠材９１ｂの内部には収容空間が形成されており、この収容空間内に駆動機構９２が配設される。

各ルーバ９３には、横方向に貫通した支持軸９３１が一体回転するように取り付けられている。支持軸９３１の一方端は縦枠材９１ａに回転可能に軸支され、支持軸９３１の他方端は縦枠材９１ｂ内の駆動機構９２に接続される。駆動機構９２は電動モータを備える。駆動機構９２は、電動モータの駆動によって全ての支持軸９３１を同時に同一方向に同じ角度だけ回転させることができるように構成される。従って、駆動機構９２の作動によって、全てのルーバ９３が一斉に同一方向に同じ回転角度だけ回転する。

また、図７の断面図において、各ルーバ９３が支持軸９３１により支持された部分から水平に延びるように、各ルーバ９３の回転位置が設定されている。各ルーバ９３の回転位置が図７に示す位置であるとき、上下に隣接するルーバ９３，９３間に所定の隙間が形成される。このため窓枠９１の内部空間は開放されている。窓枠９１の内部空間が開放されているような電動ルーバ装置９の開閉状態を、開状態と呼ぶ。従って、図６及び図７は、開状態にある電動ルーバ装置９を示している。一方、図７に示す状態から各ルーバ９３が所定角度だけ回転して窓枠９１の内部空間がルーバ９３により閉塞されているような電動ルーバ装置９の開閉状態を、閉状態と呼ぶ。

図８は、閉状態にある電動ルーバ装置９の断面図である。図８に示すように、閉状態にある電動ルーバ装置９の各ルーバ９３は、支持軸９３１により支持された部分から下方に延びるように、その回転角度が設定されている。また、上下に隣接するルーバ９３，９３のうち上側に配置したルーバ９３の下方部分が下側に配置したルーバ９３の上方部分に接触している。このため、ルーバ９３によって、窓枠９１の内部空間が閉塞される。

上述したように、電動ルーバ装置９は、筐体２の正面２２に形成された出口開口２２ａを覆うように設けられている。従って、電動ルーバ装置９の開閉状態が閉状態であるとき、出口開口２２ａが閉塞されることになる。一方、電動ルーバ装置９の開閉状態が開状態であるとき、出口開口２２ａは開放されることになる。つまり、電動ルーバ装置９は、筐体２の出口開口２２ａを覆うように設けられ、出口開口２２ａを閉塞する閉状態と出口開口２２ａを開放する開状態とにその開閉状態を変化させることができるように構成される。電動ルーバ装置９の開閉状態は、通常は、開状態に設定される。電動ルーバ装置９の開閉状態は、制御装置１０により制御される。

また、電動ルーバ装置９の開閉状態は、冷却装置７の送風ファン７２が作動しているときには開状態にされる。図９は、電動ルーバ装置９が開状態であるときに送風ファン７２が作動した場合に筐体２内に導入される外気の流れを示した図である。図９の矢印に示すように、送風ファン７２が作動すると、外気が筐体２の背面２１に形成された入口開口２１ａを経由して筐体２内に供給される。筐体２内に供給された外気はラジエータ７３及びダクト７１の導風路７１ａをこの順で通過し、その後、筐体２の出口開口２２ａ及び電動ルーバ装置９の窓枠９１の内部空間を通過して、外部に放出される。

ここで、上記した外気の流れとは反対の方向に外気が筐体２内を流れた場合、外気が出口開口２２ａから筐体２内に取り込まれることになる。出口開口２２ａから取り込まれた外気はラジエータ７３で加熱されて温風にされ、その後、入口開口２１ａ側から外部に放出される。この場合、入口開口２１ａから放出された温風が、家屋Ｈの外壁Ｗに衝突するため、例えば外壁Ｗの表面に塗布された塗料を溶かしてしまう。これを防止するために、通常は、送風ファン７２が作動したとき、外壁Ｗに対面している筐体２の背面２１に形成された入口開口２１ａから外気が筐体２内に取り込まれる。

ところで、燃料電池コージェネレーションシステム１の運転中、排熱回収用熱交換器４は、上述したように発電ユニット３にて生じる排気ガスと循環回路６を流れる貯湯タンク５内の湯水とを熱交換させる。これにより貯湯タンク５内の湯水が加熱される。また、排熱回収用熱交換器４にて、排気ガス中の水蒸気が凝縮することによって、凝縮水が排気ガス中から取り出される。この場合において、排熱回収用熱交換器４に流入する循環回路６内の湯水の温度が高すぎると、排気ガスから凝縮水を十分に得ることができない。凝縮水は上記したように純水供給装置８にて純水にされた後に改質装置３１に供給されるので、凝縮水が十分に得られない場合には、改質装置３１にて燃料ガスから十分な量の水素を得ることができず、その結果、燃料電池コージェネレーションシステム１を継続的に運転することができない。このような不具合の発生を防止するために、制御装置１０は、第一温度センサ１１が検出する温度、すなわちラジエータ７３を通過した循環回路６内の湯水の温度が高水温として予め定められる所定温度以上であるときに冷却装置７の送風ファン７２が作動するように送風ファン７２を制御する。これにより、湯水の温度が、凝縮水を得るために必要な所定温度以下の温度に維持される。

一方、外気温が極めて低い場合に送風ファン７２を作動させた場合、循環回路６を流れる湯水がラジエータ７３にて過冷却されて、ラジエータ７３を流れる湯水又はラジエータ７３を流出して循環回路６（第二配管６２）を流れる湯水が凍結する虞がある。このような循環回路６内の湯水（ラジエータ７３を流れる湯水を含む。以下同じ）の凍結を防止するため、制御装置１０は、外気温が低外気温として予め定められる所定の温度以下である場合に送風ファン７２の作動が停止するように、送風ファン７２を制御する。

しかしながら、送風ファン７２が停止した状態であっても、筐体２には入口開口２１ａ及び出口開口２２ａが形成されており、これらの開口から外気が筐体２内に流入する。特に、筐体２の正面２２側は外部空間に対面しているために、送風ファン７２が停止しているときには正面２２に形成された出口開口２２ａから外気が筐体２内に進入し易い。図１０は、送風ファン７２の停止中に外気が出口開口２２ａを経由して筐体２内に進入する様子を示す概略断面図である。図１０の矢印に示すように、外気が、開状態の電動ルーバ装置９及び出口開口２２ａを経由して、筐体２内に進入する。進入した外気は、ダクト７１を介してラジエータ７３を通過し、その後、入口開口２１ａから筐体２の外部に放出される。筐体２内に進入した外気がラジエータ７３を通過することにより、ラジエータ７３のチューブ７３１を流れる湯水が冷却される。

上記した送風ファン７２の停止時における筐体２内への外気の進入に関し、特に寒冷地においては、冬季に極めて低い温度（例えば−１５℃）まで外気温が低下する上に、強風が吹く場合も多く、こうした場合、極めて低い温度の外気（冷気）がかなりの風速を持って、出口開口２２ａから筐体２内に進入することも考えられる。このようにして冷気が出口開口２２ａから筐体２内に進入すると、進入した冷気がラジエータ７３を高い風速を持って通過することによって、ラジエータ７３のチューブ７３１内を流れる湯水が過冷却される。これにより、循環回路６内の湯水の温度が大きく低下し、その結果、送風ファン７２を作動させていない場合でも循環回路６内の湯水、特に、ラジエータ７３を流れる湯水及びラジエータ７３を通過して第二配管６２を流れる湯水が凍結するという現象が発生する虞がある。循環回路６を流れる湯水が凍結すると、燃料電池コージェネレーションシステム１の継続運転が不可能になるので、一旦システムを停止し、凍結を解消した後に、システムを再起動することになる。よって、燃料電池コージェネレーションシステム１を継続運転させるために、送風ファン７２の作動停止時においても循環回路６内の湯水の凍結を防止することが望まれる。

従来においては特許文献１に示されるように、筐体２内に凍結防止用ヒータが設置され、凍結防止用ヒータを作動させて筐体２内の温度を上昇させることで、上記した凍結を防止している。しかしながら、出口開口２２ａから吹き込む冷気により十分に筐体２内の温度を上昇させることができず、その結果、凍結防止用ヒータを作動させていても、循環回路６内の湯水が凍結する可能性が高い。この点に関し、本実施形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム１は、制御装置１０が電動ルーバ開閉制御処理ルーチンを実行して、電動ルーバ装置９の開閉状態を制御することにより、循環回路６内を流れる湯水の凍結を効果的に防止することができるように構成される。これについて、以下に説明する。

図１１は、制御装置１０が実行する電動ルーバ開閉制御処理ルーチンの流れを示すフローチャートである。このルーチンは、所定の微小時間ごとに繰り返し実行される。このルーチンが起動すると、まず、制御装置１０は、図１１のステップ（以下、ステップをＳと略記する）１にて、送風ファン７２が停止しているか否かを判断する。送風ファン７２が停止していない場合（Ｓ１：Ｎｏ）、制御装置１０はＳ４に処理を進めて、開信号を電動ルーバ装置９に送信する。これにより電動ルーバ装置９の開閉状態は開状態にされる。その後、制御装置１０はこのルーチンを一旦終了する。

一方、送風ファン７２が停止している場合（Ｓ１：Ｙｅｓ）、制御装置１０はＳ２に処理を進める。Ｓ２では、制御装置１０は、第一温度センサ１１が検出した温度Ｔ１、すなわちラジエータ７３を通過して循環回路６の第二配管６２を流れる湯水の温度が、循環回路６内の湯水が凍結する可能性が高い温度として予め定められた凍結温度Ｔ０以下であるか否かを判断する。凍結温度Ｔ０として、例えば５℃を例示できる。Ｓ２に示す条件、すなわち温度Ｔ１が凍結温度Ｔ０以下であるという条件は、循環回路６内の湯水が凍結する可能性が高い条件として予め定められた条件（凍結条件）である。

Ｓ２にて、温度Ｔ１が凍結温度Ｔ０よりも高いと判断した場合（Ｓ２：Ｎｏ）、すなわち凍結条件の非成立時に、制御装置１０は、Ｓ４に処理を進めて、開信号を電動ルーバ装置９に送信する。これにより、電動ルーバ装置９の開閉状態は開状態にされる。その後、制御装置１０はこのルーチンを一旦終了する。

一方、Ｓ２にて、温度Ｔ１が凍結温度Ｔ０以下であると判断した場合（Ｓ２：Ｙｅｓ）、すなわち凍結条件の成立時に、制御装置１０は、Ｓ３に処理を進めて、閉信号を電動ルーバ装置９に送信する。これにより、電動ルーバ装置９の開閉状態は閉状態にされる。その後、制御装置１０はこのルーチンを一旦終了する。

制御装置１０が上記した電動ルーバ開閉制御処理ルーチンを実行した場合、循環回路６を流れる湯水、具体的には循環回路６を流れる湯水のうちラジエータ７３を通過して第二配管６２を流れる湯水の温度が凍結温度Ｔ０以下であるときに、電動ルーバ装置９の開閉状態が閉状態にされる。図１２は、閉状態にある電動ルーバ装置９が取り付けられた筐体２の概略断面図である。図１２に示すように、電動ルーバ装置９の開閉状態が閉状態であるときには筐体２の出口開口２２ａが塞がれるので、外気（冷気）が出口開口２２ａから筐体２に進入することが防止される。つまり、本実施形態においては、凍結条件の成立時には、筐体２内への外気（冷気）の進入が妨げられる。これにより、外気（冷気）とラジエータ７３を通過する湯水との熱交換によってラジエータ７３を通過する湯水が冷却されることが防止され、ラジエータ７３を流れる湯水或いはラジエータ７３を通過して第二配管６２を流れる湯水の温度を凍結温度Ｔ０以上に維持することができる。こうして循環回路６内の湯水の温度を凍結温度Ｔ０以上に維持することにより、循環回路６を流れる湯水の凍結を効果的に防止することができる。

以上のように、本実施形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム１は、改質装置３１及び燃料電池スタック３２を有し、燃料電池スタック３２の作動により発電する発電ユニット３と、発電ユニット３にて生じた排気ガスが通過する排熱回収用熱交換器４と、内部に湯水が貯留された貯湯タンク５と、貯湯タンク５内の湯水が排熱回収用熱交換器４を経由して循環することができるように、貯湯タンク５と排熱回収用熱交換器４とを接続する循環回路６と、循環回路６内に介装されたラジエータ７３と、発電ユニット３、排熱回収用熱交換器４、貯湯タンク５、循環回路６、及び、ラジエータ７３を含む冷却装置７を収容する筐体２を備える。筐体２には、外部に連通する入口開口２１ａ及び出口開口２２ａが形成される。

さらに、本実施形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム１は、筐体２の出口開口２２ａを覆うように筐体２に設けられ、出口開口２２ａを閉塞する閉状態と出口開口２２ａを開放する開状態とにその開閉状態を変化させることができるように構成された電動ルーバ装置９と、制御装置１０とを備える。この制御装置１０は、電動ルーバ開閉制御処理ルーチンを実行する。電動ルーバ開閉制御処理ルーチンの実行により、循環回路６内の湯水の温度に相当する温度Ｔ１が凍結温度Ｔ０以下であるという凍結条件の成立時に電動ルーバ装置９の開閉状態が閉状態に設定され、上記凍結条件の非成立時に電動ルーバ装置９の開閉状態が開状態に設定されるように、電動ルーバ装置９の開閉状態が制御される。制御装置１０が電動ルーバ開閉制御処理ルーチンを実行して、凍結条件の成立時、すなわち循環回路６内の湯水が凍結する可能性が高い場合に出口開口２２ａを塞ぐことにより、出口開口２２ａを経由して外気が筐体２内に進入することが防止される。よって、ラジエータ７３を流れる湯水が外気と熱交換することによってさらに冷却されて、循環回路６内の湯水が凍結することが、効果的に防止される。

また、電動ルーバ装置９は、筐体２に形成された入口開口２１ａ及び出口開口２２ａのうち、送風ファン７２の停止時に外気が筐体２内に吹き込み易い出口開口２２ａを覆うように設けられている。従って、凍結条件成立時に電動ルーバ装置９を閉状態に設定して出口開口２２ａを塞ぐことにより、出口開口２２ａから筐体２内への外気の進入を効果的に防止することができる。これにより、ラジエータ７３を流れる湯水が外気と熱交換してさらに冷やされることにより循環回路６内の湯水が凍結することが、より効果的に防止される。加えて、外部空間に対面している出口開口２２ａを電動ルーバ装置９により塞ぐことにより、出口開口２２ａから筐体２内への雨水、雪、埃等の異物の進入を防止することができる。

また、電動ルーバ装置９は、筐体２とは別体として筐体２に取り付けられている。これによれば、既設の燃料電池コージェネレーションシステムの筐体に電動ルーバ装置９を後付けすることにより、既設の燃料電池コージェネレーションシステムに本発明を適用することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるべきものではない。例えば、上記実施形態では、開閉装置として電動ルーバ装置９を示したが、筐体２に設けられた開口を閉塞する閉状態と開放する開状態とにその開閉状態を変化させることができるように構成されていれば、それ以外の装置を開閉装置として採用することができる。また、上記実施形態に係る電動ルーバ装置９は、各ルーバ９３が回転することにより開閉状態が変化するように構成されているが、例えば各ルーバがスライドすることにより開閉状態が変化するように構成されていてもよい。また、上記実施形態では、筐体２に筐体２とは別体の電動ルーバ装置９を取り付ける例を示したが、筐体２の出口開口２２ａ自体に開閉機構が備えられていても良い。また、上記実施形態では、電動ルーバ装置９が筐体２の出口開口２２ａを覆うように取り付けられているが、入口開口２１ａを覆うように取り付けられている場合であっても、循環回路６内の湯水の凍結の防止に関して所定の効果を奏することができる。

さらに、上記実施形態では、第一温度センサ１１にて検出される温度Ｔ１が凍結温度Ｔ０以下であるという条件を、循環回路６内の湯水が凍結する可能性が高い凍結条件として例示したが、循環回路６内の湯水が凍結する可能性が高い条件であれば、それ以外の条件を凍結状態に設定することができる。例えば、外気温が所定温度以下（例えば−１０℃以下）であるという条件を凍結条件に設定しても良いし、また、筐体２内の温度が所定温度以下（例えば−１０℃以下）であるという条件を凍結条件に設定してもよい。或いは、筐体２の外部に風速センサを設け、風速センサから得られる風速と外気温センサから得られる外気温とから推定される負の熱伝達量（すなわち循環回路６内の湯水から奪われる熱量）が所定値以上であるという条件を凍結条件に設定してもよい。また、上記実施形態では、第一温度センサ１１が燃料電池コージェネレーションシステム１に備えられ、その第一温度センサ１１にてラジエータ７３を通過した循環回路６（第二配管６２）内の湯水の温度に相当する温度Ｔ１が検出される例について示したが、凍結条件に関連する情報を外部機器から取得するように構成することもできる。例えば、使用されるエネルギーを管理するエネルギーマネジメントシステム（ＨＥＭＳ、ＢＥＭＳ、ＦＥＭＳ等）が入手する外気温、風速、或いは循環回路６内の湯水の温度を取得し、取得した温度や風速に基づいて、制御装置１０が電動ルーバ装置９の開閉を制御することもできる。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、変形可能である。

１…燃料電池コージェネレーションシステム、２…筐体、２１…背面、２１ａ…入口開口、２２…正面、２２ａ…出口開口、３…発電ユニット、３１…改質装置、３２…燃料電池スタック、４…排熱回収用熱交換器、５…貯湯タンク、６…循環回路、６１…第一配管、６２…第二配管、６３…第三配管、６４…第一ポンプ、７…冷却装置、７１…ダクト、７１ａ…導風路、７２…送風ファン、７３…ラジエータ、７３１…チューブ、８…純水供給装置、８１…純水精製器、８２…純水貯留タンク、８３…第二ポンプ、８４…第四配管、８５…第五配管、９…電動ルーバ装置（開閉装置）、９１…窓枠、９２…駆動機構、９３…ルーバ、９３１…支持軸、１０…制御装置、１１…第一温度センサ、

Claims (3)

1. 燃料電池スタックを有し、前記燃料電池スタックの作動により発電する発電ユニットと、
   前記発電ユニットにて生じた排気ガスが通過する排熱回収用熱交換器と、
   内部に湯水が貯留された貯湯タンクと、
   前記貯湯タンク内の湯水が前記排熱回収用熱交換器を経由して循環することができるように、前記貯湯タンクと前記排熱回収用熱交換器とを接続する循環回路と、
   前記循環回路内に介装されたラジエータと、
   前記発電ユニット、前記排熱回収用熱交換器、前記貯湯タンク、前記循環回路、及び前記ラジエータを収容するとともに、外部に連通する開口が形成された筐体と、
   前記開口を覆うように前記筐体に設けられ、前記開口を閉塞する閉状態と前記開口を開放する開状態とにその開閉状態を変化させることができるように構成された開閉装置と、
   前記循環回路内の湯水が凍結する可能性が高い条件として予め定められた凍結条件の成立時に前記開閉装置の開閉状態が閉状態に設定され、前記凍結条件の非成立時に前記開閉装置の開閉状態が開状態に設定されるように、前記開閉装置の開閉状態を制御する制御装置と、
   を備える、燃料電池コージェネレーションシステム。
2. 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において、
   前記凍結条件が、前記ラジエータを通過した前記循環回路内の湯水の温度が予め定められた凍結温度以下であるという条件である、燃料電池コージェネレーションシステム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
   外気を前記筐体内に取り込むための送風ファンを備え、
   前記筐体に形成された前記開口は、前記送風ファンの作動によって外気を前記筐体内に取り込むための開口である入口開口と、前記送風ファンの作動によって前記筐体内に取り込まれた外気を前記筐体内から放出するための開口である出口開口とを含み、
   前記開閉装置は、前記出口開口を覆うように設けられている、燃料電池コージェネレーションシステム。

Images