JP2023056934A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】必要加熱能力を補うために、燃料電池の排熱を回収する第１加熱回路からの温水供給とは別に第２加熱回路からも温水を供給する場合に、燃料電池側への悪影響が生じるのを回避する。【解決手段】燃料電池システム１において、加熱回路４００及び補助加熱回路３００は、貯湯タンク２に互いに並列に接続され、加熱回路４００で加熱された温水の貯湯タンク２への供給と、補助加熱回路３００で加熱された温水の貯湯タンク２への供給とを、同時並行して実行する。補助加熱回路３００では、循環ポンプ３１７の下流側に、前記ヒータ装置３０１とともにオリフィス３３５を設ける。これにより、オリフィス３３５の絞り機能によって補助加熱回路３００における温水の流量を所望の値まで低下させ、加熱回路４００側の温水流量に対し過剰にならないようにすることができるので、燃料電池発電ユニット４１０の発電に悪影響を与えるのを回避できる。【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池の排熱を用いて湯水を加熱する燃料電池システムに関するものである。

従来よりこの種の燃料電池システムにおいては、特許文献１記載のように、燃料電池の排熱を回収し湯水を加熱する第１加熱回路と、別途設けた加熱手段からの加熱（ガスバーナの燃焼熱）により湯水を加熱する第２加熱回路とを設け、それら第１加熱回路及び第２加熱回路を貯湯タンクに対して並列に接続するものがあった。

特開２０１４－１８２９２３号公報

上記従来のものでは、燃料電池から第１加熱回路が回収できる排熱が決して多くはないことに鑑み、湯水の利用側から必要とされる加熱能力（以下、必要加熱能力）を補うための前記第２加熱回路が設けられている。このとき、前記のように第１加熱回路及び第２加熱回路が貯湯タンクに対して互いに並列に接続されることで、第１加熱回路で加熱された温水の貯湯タンクへの供給と、第２加熱回路で加熱された温水の貯湯タンクへの供給とを、同時並行して実行可能となっている。

しかしながら、前記のように必要加熱能力を補うために第１加熱回路からの温水の供給に加えて第２加熱回路からの温水の供給を同時並行して行う場合、第２加熱回路側の温水の流量によっては、第１加熱回路側の流量が安定しなくなり、燃料電池の発電に悪影響を与える場合があるという問題があった。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１では、湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部に接続され、当該貯湯タンク内の湯水を導出する共通往き管と、前記貯湯タンクの上部に接続され、加熱後の湯水を当該貯湯タンク内へ戻す共通戻り管と、燃料電池の排熱を回収して湯水を加熱可能な熱交換器、及び、湯水を循環させる第１循環ポンプ、を備えた第１加熱回路と、湯水を加熱可能な補助加熱ヒータ、及び、湯水を循環させる第２循環ポンプ、を有する第２加熱回路と、を有する燃料電池システムにおいて、前記第１加熱回路及び前記第２加熱回路の湯水流入側は、前記共通往き管から分岐するように互いに並列に接続されるとともに、前記第１加熱回路及び前記第２加熱回路の湯水流出側は、前記共通戻り管へと合流するように互いに並列に接続されており、前記第２加熱回路は、前記第２循環ポンプよりも下流側に、オリフィスと、前記補助加熱ヒータと、が配置されているものである。

また、請求項２では、前記第１循環ポンプを制御する第１制御手段と、前記第２循環ポンプを制御する第２制御手段と、をさらに有し、前記第１制御手段及び前記第２制御手段は、前記熱交換器の受熱により加熱された温水の前記第１加熱回路から前記貯湯タンクへの供給と、前記補助加熱ヒータにより加熱された温水の前記第２加熱回路から前記貯湯タンクへの供給とが、同時並行して行われるように、互いに協働して前記第１循環ポンプ及び前記第２循環ポンプを制御するものである。

また、請求項３では、前記第２加熱回路は、前記補助加熱ヒータによる加熱後の温水の温度を検出する検出手段をさらに備え、前記第２制御手段は、前記検出手段により検出される前記温水の温度が所定の目標温度となるように、前記第２循環ポンプを制御するものである。

この発明の請求項１によれば、貯湯タンクの温水の加熱を、燃料電池の排熱により行えるように構成されている。すなわち、燃料電池の排熱を回収して湯水を加熱可能な熱交換器と第１循環ポンプとを備えた第１加熱回路が設けられ、前記第１加熱回路の湯水流入側は貯湯タンクからの共通往き管に接続され、前記第１加熱回路の湯水流出側は貯湯タンクへの共通戻り管に接続されている。これにより、貯湯タンクの温水は共通往き管を介し第１加熱回路へ導入されて前記熱交換器において燃料電池の排熱を利用して加熱され、加熱後の温水が共通戻り管を介して貯湯タンクへ戻される。

このとき、燃料電池から回収できる排熱は決して多くはないことから、本願発明においては、必要加熱能力を補うために、湯水を加熱可能な補助加熱ヒータと第２循環ポンプとを備えた第２加熱回路が設けられる。この第２加熱回路の湯水流入側は、前記第１加熱回路の湯水流入側とともに、貯湯タンクからの共通往き管に対し分岐するように互いに並列に接続される。第２加熱回路の湯水流出側は、前記第１加熱回路の湯水流出側とともに、貯湯タンクへの共通戻り管に合流するように互いに並列に接続されている。言い換えれば、第１加熱回路及び第２加熱回路は、貯湯タンクに対して互いに並列に接続されていることとなる。これにより、第１加熱回路で加熱された温水の貯湯タンクへの供給と、第２加熱回路で加熱された温水の貯湯タンクへの供給とを、同時並行して実行可能となる。

ところが、このように必要加熱能力を補うために第１加熱回路からの温水の供給に加えて第２加熱回路からの温水の供給を同時並行して行う場合、第２加熱回路側の温水流量が相対的に大きすぎると、第１加熱回路側の流量が安定しなくなり、燃料電池の発電に悪影響を与える場合がある。

そこで請求項１によれば、第２加熱回路において、第２循環ポンプの下流側に、前記補助加熱ヒータとともにオリフィスが設けられる。これにより、オリフィスの絞り機能によって第２加熱回路における温水の流量を所望の値まで低下させることができる。この結果、第２加熱回路側の温水流量を所望の一定値に抑制して第１加熱回路側の温水流量に対し過剰にならないようにすることができるので、前記の燃料電池側への悪影響が生じるのを回避することができる。

また、請求項２によれば、第１制御手段と第２制御手段とが互いに協働して第１循環ポンプ及び第２循環ポンプを制御する。これにより、第１加熱回路での加熱能力では不足する必要加熱能力を補うために、同時並行して第２加熱回路からの温水の供給を確実に行うことができる。

また、請求項３によれば、第２制御手段が、検出手段により検出された補助加熱ヒータによる加熱後の温水温度が目標温度になるように、第２循環ポンプを制御する。第２循環ポンプの回転数を制御することで、第２加熱回路の流量を変化させることができる。このように、補助加熱ヒータによる加熱の熱量に対し、第２加熱回路を流れる流量を変化させることで、間接的に第２加熱回路から排出される温水の温度を制御することができる。これにより、目標温度を適宜に設定することで、第２加熱回路側での加熱能力（言い換えれば、第１加熱回路に合流した時に、第１加熱回路から排出される温水の温度を上げるために必要な第２加熱回路から排出される温水の流量）を確実に所望の値に制御することができるので、第２加熱回路側での加熱能力を適宜に抑制して第１加熱回路側での加熱能力とのバランスを取ることができる。

本発明の一実施形態の燃料電池システムの全体概略構成を表す回路図 ヒータ装置の詳細構造を表す斜視図 オリフィスの詳細構造を表す縦断面図 排熱単独沸き上げ運転の作動を説明する図 給湯運転の作動を説明する図 湯張り運転の作動を説明する図 追焚き運転の作動を説明する図 ヒータ補助沸き上げ運転の作動を説明する図 排熱回収ユニットの排熱回収制御部と給湯ユニットの給湯制御部とが協働して実行する制御手順を表すシーケンスフロー図

次に、本発明の一実施形態を図１～図９に基づいて説明する。

＜全体構成＞
本実施形態の燃料電池システムの全体概略構成を図１に示す。図１において、この燃料電池システム１は、給湯ユニット１００と、排熱回収ユニット２００と、を有する。

＜給湯ユニット＞
給湯ユニット１００は、湯水を貯湯する貯湯タンク２と、台所や洗面所等にそれぞれ設けられた給湯栓４と、を有する。

＜貯湯タンク及び出湯管路系＞
前記貯湯タンク２は、例えば３７０リットル容量の大容量タンクであり、上端に出湯管８が接続され、下端に給水管９が接続されている。また、それら出湯管８及び給水管９とは別に、貯湯タンク２の下部に共通往き管１０が接続され、上部に共通戻り管１１が接続されている。前記共通往き管１０を介し導出された貯湯タンク２内の湯水は、前記排熱回収ユニット２００内の加熱回路４００（後述）や、給湯ユニット１００内の補助加熱回路３００（後述）によって加温された後、前記共通戻り管１１から貯湯タンク２内に戻され、すなわち各回路からの温水の供給により貯湯される。また、前記給水管９からの給水により貯湯タンク２内の湯水が押し上げられることで、貯湯タンク２内上部の高温水が前記出湯管８から押し出され、給湯される。このとき、前記給水管９には、給水の圧力を減圧する減圧弁４６と、給水の温度を検出する給水温度センサ４９とが設けられ、前記出湯管８には、貯湯タンク２の過圧を逃す過圧逃し弁４５が設けられている。

貯湯タンク２には、上下方向に沿って複数個の貯湯温度センサ３９が配置されている。本実施形態では、上から下へ向かって５つの貯湯温度センサ３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，３９ｄ，３９ｅが配置されており、これらの貯湯温度センサ３９ａ～ｅが検出する温度情報によって、貯湯タンク２内にどれだけの熱量が残っているかが検知され、さらに貯湯タンク２内の上下方向の温度分布が検知される。

一方、前記貯湯タンク２内には、浴槽６の湯水を加熱するための、例えばステンレス製の蛇管よりなる熱交換器１９が設けられている。この熱交換器１９にはふろ往き管２０とふろ循環ポンプ２１を備えたふろ戻り管２２とが接続されており、浴槽６の湯水が循環可能となっている。すなわち、ふろ戻り管２２を介して導かれた浴槽６内の湯水が熱交換器１９内において貯湯タンク２内の高温水により加熱された後、ふろ往き管２０を介し浴槽６に戻されることで保温あるいは追焚きが行われる。なお、ふろ戻り管２２には、循環する浴槽６の湯水の温度を検出するふろ温度センサ２３が設けられている。

また、前記貯湯タンク２の中間位置（上下方向の略中央位置には限られない）には、中間出湯管２４が接続されている。この中間出湯管２４は、前記熱交換器１９で浴槽６からの湯水と熱交換して温度低下した中温水や、湯と水の境界層付近で温度低下した（あるいは温度上昇した）中温水などの、貯湯タンク２の中間位置（上下方向の略中央位置には限られない）に貯められている湯水を貯湯タンク２から出湯する。

さらに、前記中間出湯管２４と前記出湯管８との下流側合流位置には、貯湯タンク２の前記中間位置付近から中間出湯管２４を介し導かれる中温水と貯湯タンク２の上端に接続された出湯管８を介し導かれる高温水とを混合する、電動ミキシング弁からなる中間混合弁２５が設けられている。この中間混合弁２５の下流側には中間給湯管２７が接続されており、中間温度センサ２６が設けられている。中間混合弁２５における前記中温水と前記高温水との混合比率は、前記中間温度センサ２６の検出湯温が、例えば給湯栓４の近傍に設けられた給湯リモコンや例えば浴室に設けられたふろリモコンでユーザが設定した給湯設定温度よりも所定温度だけ高い混合目標温度となるように制御される。

さらに、前記中間給湯管２７と前記給水管９から分岐された給水バイパス管２９との下流側合流位置には、中間混合弁２５から中間給湯管２７を介し導かれる湯水と前記給水バイパス管２９から導かれる低温水とを混合する、電動ミキシング弁からなる給湯混合弁２８が設けられている。この給湯混合弁２８の下流側には給湯管３０が接続されており、給湯温度センサ３１が設けられている。給湯混合弁２８における前記湯水と前記低温水との混合比率は、前記給湯温度センサ３１の検出湯温が前記給湯リモコンや前記ふろリモコンでユーザが設定した給湯設定温度となるように制御される。なお、給湯管３０にはさらに、給湯する湯水の量を検出する給湯流量センサ４７が設けられている。

また、前記中間給湯管２７から分岐された分岐中間給湯管３３と前記給水管９から分岐された分岐給水バイパス管３４との下流側合流位置には、分岐中間給湯管３３を介し導かれる湯水と分岐給水バイパス管３４から導かれる低温水とを混合する、電動ミキシング弁からなるふろ混合弁３２が設けられている。このふろ混合弁３２の下流側には、ふろ戻り管２２に連通する湯張り管３５が接続されており、湯張り温度センサ３６が設けられている。ふろ混合弁３２における前記湯水と前記低温水との混合比率は、前記湯張り温度センサ３６の検出湯温が前記給湯リモコンや前記ふろリモコンでユーザが設定したふろ設定温度となるように制御される。なお、前記湯張り管３５には、浴槽６への湯張りの開始／停止を行う湯張り弁３７と、浴槽６への湯張り量を検出するふろ流量センサ３８と、浴槽６の湯水が逆流するのを防止する二重の逆止弁４８とが設けられている。

＜排熱回収ユニット＞
排熱回収ユニット２００は、燃料電池発電ユニット４１０と、燃料電池発電ユニット４１０の発電部（発熱部）からの熱（言い換えれば燃料電池の排熱）を受熱する温水循環回路４１１と、温水循環回路４１１に備えられた温水循環ポンプ４１２と、後述のように貯湯タンク２の湯水を加熱するための加熱回路４００（第１加熱回路に相当）と、加熱回路４００に備えられた循環ポンプ４１７（第１循環ポンプに相当）と、温水循環回路４１１側の温水と加熱回路４００側の湯水との熱交換を行うことで前記燃料電池の排熱を回収し前記湯水を加熱する水－水熱交換器４１６と、加熱回路４００に設けられ水－水熱交換器４１６から流出する温水の温度を検出する温度センサ４１５と、循環ポンプ４１７の駆動を制御する排熱回収制御部４４４（第１制御手段に相当）と、を備えている。

加熱回路４００の湯水流入側は、入水フィルタ１５１及び手動バルブ１５２を備えた排熱回収ユニット２００外の接続管路１５３と、給湯ユニット１００への接続口９１を介し接続される給湯ユニット１００内の配管９２と、配管９３と、配管９４と、を介し、前記共通往き管１０に接続されている。
加熱回路４００の湯水流出側は、手動バルブ１５４を備えた排熱回収ユニット２００外の接続管路１５５と、給湯ユニット１００への接続口９５を介し接続される給湯ユニット１００内の配管９６と、貯湯切替弁９７と、配管９８と、を介し、前記共通戻り管１１に接続されている。

上記管路構成により、発電が行われることにより排熱回収需要が生じた際に、前記循環ポンプ４１７は、貯湯タンク２内の湯水を前記共通往き管１０及び共通戻り管１１を介して水－水熱交換器４１６内に循環させる。これによって温水循環回路４１１側の温水からの受熱により加熱回路４００側の湯水の加熱を行う。このとき、前記循環ポンプ４１７は、前記排熱回収制御部４４４によって制御される。具体的には、循環ポンプ４１７の回転数が、温度センサ４１５により検出される湯水の温度が、所定の目標温度となるように、排熱回収制御部４４４によって制御される。また、水－水熱交換器４１６の熱交換能力は、１．０～２．０［ＫＷ］程度とされる。

なお配管９２，９６にはそれぞれ湯水の温度を検出するセンサ８９，８８が設けられており、貯湯切替弁９７は、これらセンサ８９，８８の検出結果に基づき前記給湯制御部４４（第２制御手段に相当）によって切替制御される。例えばセンサ８８により検出された、加熱回路４００から導出される湯水の温度が所定値よりも低い場合は、貯湯切替弁９７は、配管９６，９２を接続する接続配管８７と配管９６とを連通させるとともに配管９６と配管９８とを遮断するように切り替えられる。この結果、前記加熱回路４００から導出された湯水は配管９６から接続配管８７を介し配管９２へと導かれ、再び加熱回路４００へと還流されて再加熱される。

＜補助加熱回路＞
本実施形態の特徴の１つとして、給湯ユニット１００内に補助加熱回路３００が備えられている。すなわち、排熱回収ユニット２００において燃料電池から回収できる排熱の大きさは一般家庭における給湯負荷の大きさに比べて決して多くはないことから、排熱回収ユニット２００での加熱能力だけでは不足する必要加熱能力を補うための補助加熱回路３００が設けられる。

補助加熱回路３００の湯水流入側は、前記加熱回路４００の湯水流入側に連通する配管９４と同様、前記共通往き管１０に接続されている。すなわち言い換えれば、補助加熱回路３００と加熱回路４００とは、共通往き管１０から分岐するように互いに並列に接続されていることになる。
補助加熱回路３００の湯水流出側は、前記加熱回路４００の湯水流出側に連通する配管９８と同様、前記共通戻り管１１に接続されている。すなわち言い換えれば、補助加熱回路３００と加熱回路４００とは、共通戻り管１１へと合流するように互いに並列に接続されていることになる。

そして補助加熱回路３００には、湯水の流れに沿った上流側から下流側に向かって、補助加熱回路３００内に湯水を循環させる循環ポンプ３１７（第２循環ポンプに相当）と、湯水の流量を検出する流量センサ３２５と、後述するヒータ装置３０１へ流入する湯水の入口温度を検出する入口温度センサ３１５と、湯水を加熱するヒータ装置３０１（補助加熱ヒータに相当）と、ヒータ装置３０１から流出する湯水の出口温度を検出する出口温度センサ３２０（検出手段に相当）と、流量絞り機能を備えたオリフィス装置３３０と、逆止弁３４０と、補助加熱回路３００から共通戻り管１１へ合流する直前の湯水温度が過熱状態になったらヒータ装置３０１への通電がＯＦＦされるサーモスタット３４５と、がこの順序で配置されている。なお、ヒータ装置３０１及びオリフィス装置３３０が循環ポンプ３１７よりも下流側に配置されていれば足り、オリフィス装置３３０がヒータ装置３０１よりも上流側に配置されてもよい。

このとき、前記循環ポンプ３１７は、前記給湯制御部４４によって制御される。具体的には、循環ポンプ３１７の回転数が、出口温度センサ３２０により検出される湯水の出口温度が、所定の目標温度となるように、給湯制御部４４によって制御される。

＜ヒータ装置＞
前記ヒータ装置３０１の詳細構造を図２に示す。図２において、ヒータ装置３０１は、ヒータユニット３０２と、ヒータユニット３０２が取り付けられるヒータ取付板３０３と、取付脚３０４と、を備えている。

取付脚３０４には、ヒータユニット３０２とヒータ取付板３０３とを固定するための固定部材３０５が内包されている。固定部材３０５は、ボルト３０５ａ、ワッシャ３０５ｂ、及び、スリーブ３０５ｃを有している。

ヒータユニット３０２は、例えばステンレスパイプをＵ字状に折り曲げて形成され、内方を熱媒体である温水が流通する流通配管３０６と、同じくＵ字状に折り曲げられて構成され、例えばシーズヒータにより構成される電熱ヒータ３０７と、例えばアルミ製の金属カバー３０８と、を有している。詳細には、ヒータユニット３０２は、電熱ヒータ３０７の上記Ｕ字状の外周側に流通配管３０６が配置された状態で金属カバー３０８内にダイキャストで埋設されることにより構成されている。流通配管３０６の内径は、例えばこの例ではφ７．５［ｍｍ］となっている。電熱ヒータ３０７は、例えばこの例では作動電圧２００［Ｖ］、出力３．０［ＫＷ］程度となっている。

取付脚３０４は、金属カバー３０８と同じ素材で構成されており、電熱ヒータ３０７からの熱が金属カバー３０８を介し取付脚３０４に伝えられる。なお、取付脚３０４は、金属カバー３０８と別体として構成してもよいし一体に構成してもよいが、熱を伝えやすい金属により構成することが好ましい。

ヒータ取付板３０３には、過熱防止用のサーモスタット３０９がネジ等の固定具によって取付けられる。サーモスタット３０９は、電熱ヒータ３０７の発熱がヒータ取付板３０３を介して伝わることで、電熱ヒータ３０７が過熱状態になったかどうかを検知するためのものである。電熱ヒータ３０７が過熱状態になったとみなせる場合には、サーモスタット３０９により電熱ヒータ３０７への通電がＯＦＦされる。

＜オリフィス装置＞
前記オリフィス装置３３０の詳細構造を図３に示す。図３において、オリフィス装置３３０は、ケーシング３３１を備えている。そして、ケーシング３３１内に、図示下から上方向への温水流れ方向に沿って、大径の入口室３３３、オリフィス３３５、中間室３３７、大径の出口室３３９、がこの順序で設けられている。この例では、中間室３３７の内径は、入口室３３３及び出口室３３９の内径よりは小さく、オリフィス３３５の内径よりも大きくなっている。また入口室３３３の内径と出口室３３９の内径とは略等しくなっている。

オリフィス３３５の内径ｄは、例えばこの例ではｄ＝φ３［ｍｍ］となっている。オリフィス３３５の上流側、すなわち入口室３３３側には、テーパ面３３４が設けられている。オリフィス３３５の下流側、すなわち中間室３３７側には、テーパ面３３６が設けられている。

＜各種作動＞
次に、図４～図８を用いて、本実施形態の各種作動を説明する。なお、各管路の矢印は湯水の流れ方向を示す。

＜沸き上げ運転＞
まず、沸き上げ運転について説明する。本実施形態の燃料電池システム１における沸き上げ運転には、排熱回収ユニット２００の加熱回路４００により単独で行われる沸き上げ運転（以下適宜、「排熱単独沸き上げ運転」という）と、排熱回収ユニット２００の加熱回路４００のみならず給湯ユニット１００の補助加熱回路３００の補助を受けて行われる沸き上げ運転（以下適宜、「ヒータ補助沸き上げ運転」）と、給湯ユニット１００の補助加熱回路３００により単独で行われる沸き上げ運転（以下適宜、「ヒータ単独沸き上げ運転」）と、の３種類がある。これら３種類のうちいずれが行わるかは、排熱回収ユニット２００の燃料電池発電ユニット４１０により決定される（詳細は後述）。

＜排熱単独沸き上げ運転＞
図４を用いて、排熱単独沸き上げ運転について説明する。
排熱単独沸き上げ運転が行われる場合、排熱回収制御部４４４の制御により循環ポンプ４１７が駆動開始される。このとき循環ポンプ４１７の回転数は、前記したように温度センサ４１５により検出される湯水の温度が所定の目標温度となるように、排熱回収制御部４４４によって制御される。これにより、貯湯タンク２下部に接続された共通往き管１０から取り出された低温水が前述の経路で加熱回路４００に導入され、水－水熱交換器４１６において温水循環回路４１１側の温水から受熱して加熱される。その後、加熱された温水は、加熱回路４００から前述の経路を経て共通戻り管１１から貯湯タンク２内に戻され、この結果、貯湯タンク２の上部から順次積層して高温水が貯湯されていく。排熱回収需要がなくなるか、必要な熱量が貯湯されると、排熱回収制御部４４４の制御により循環ポンプ４１７が停止してこの排熱単独沸き上げ運転を終了する。

なお、ヒータ補助沸上運転については図８を用いて後述する。

＜給湯運転＞
次に、図５を用いて、給湯運転について説明する。例えばユーザが洗顔や台所仕事やシャワー等に湯水を用いるために前記給湯栓４を開くと、給水管９からの給水が貯湯タンク２内に流れ込む。そして貯湯タンク２の中間部に貯められた高温水が中間出湯管２４を介して中間混合弁２５側へ押し出されるとともに出湯管８を介しても中間混合弁２５側へと押し出される。そして、中間混合弁２５から流出した湯は中間給湯管２７を介して給湯混合弁２８へ流入し、給湯混合弁２８において給水バイパス管２９からの低温水と混合され、給湯栓４へと給湯される。そして、ユーザが給湯栓４を閉止することで、給湯が終了する。

＜湯張り運転＞
次に、図６を用いて、浴槽６への湯張り運転について説明する。例えばユーザが湯張りを意図して前記給湯リモコン（またはふろリモコン）を適宜に操作すると、給湯制御部４４が湯張り弁３７を開弁する。そして、給水管９からの給水が貯湯タンク２内に流れ込む。この結果、前述と同様、貯湯タンク２内の湯水が中間出湯管２４を介して中間混合弁２５側へ押し出されるとともに出湯管８を介しても中間混合弁２５側へと押し出される。

そして、中間混合弁２５から流出した湯は中間給湯管２７から分岐する分岐中間給湯管３３へと出湯される。そして分岐中間給湯管３３からの高温水はふろ混合弁３２へ流入して、分岐給水バイパス管３４からの低温水と混合され、湯張り管３５からふろ戻り管２２を介して浴槽６へと湯張りされる。そして、湯張り管３５途中に設けられたふろ流量センサ３８が所定の湯張り量をカウントしたとき、給湯制御部４４が湯張り弁３７を閉弁し湯張り運転が終了する。

＜追焚き運転＞
次に、図７を用いて、ふろの追焚き運転について説明する。例えばユーザが追焚きを意図して給湯リモコン（またはふろリモコン）を適宜に操作すると、給湯制御部４４はふろ循環ポンプ２１を駆動し、浴槽６内の浴槽水をふろ戻り管２２を介して熱交換器１９に流入させる。そして、熱交換器１９において貯湯タンク２内の上部に貯められた高温水と熱交換して加熱された浴槽水は、ふろ往き管２０を介して再び浴槽６へと流入する（追焚き運転）。このような運転中に、ふろ温度センサ２３で検出する温度が前記ふろ設定温度に達すると、給湯制御部４４はふろ循環ポンプ２１を駆動停止し、これによって追焚き運転が終了する。

＜実施形態の特徴＞
上記構成及び動作である本実施形態の燃料電池システム１における最大の特徴は、補助加熱回路３００を用いて行う前記ヒータ補助沸上運転と、そのヒータ補助沸上運転における上記オリフィス装置３３０の機能にある。

＜ヒータ補助沸き上げ運転＞
まず図８を用いて、前記ヒータ補助沸き上げ運転について説明する。ヒータ補助沸き上げ運転が行われる場合、排熱回収制御部４４４の制御により前述のように循環ポンプ４１７が駆動開始されるとともに、排熱回収制御部４４４からの指示に基づく給湯制御部４４の制御（詳細は後述）により、循環ポンプ３１７が駆動開始される。なお、このとき循環ポンプ３１７の回転数は、前記したように湯水の出口温度が所定の目標温度となるように給湯制御部４４によって制御されるが、この所定の目標温度は、循環ポンプ４１７の回転数が排熱回収制御部４４４により制御されるときの目標温度と同一の温度である。あるいは、この所定の目標温度として、循環ポンプ４１７の回転数が排熱回収制御部４４４により制御されるときの目標温度よりも、所定温度（例えば５℃）だけ高い温度としてもよい。この場合、循環ポンプ４１７に係わる目標温度よりも循環ポンプ３１７に係わる目標温度を高くすることで、循環ポンプ３１７に係わる目標温度が低い時に比べて補助加熱回路３００の流量が抑制され、より加熱回路４００側の流れを阻害しにくくなる効果がある。

上記により、貯湯タンク２下部に接続された共通往き管１０から取り出された低温水は、前述のように加熱回路４００に導入されて水－水熱交換器４１６で加熱されるとともに、共通往き管１０から分岐するように接続される補助加熱回路３００にも導入される。補助加熱回路３００へ流入した温水は、ヒータ装置３０１により加熱された後、オリフィス装置３３０において絞られることで流量を調整され、前述のようにして加熱回路４００で加熱された温水の流れと合流して共通戻り管１１から貯湯タンク２内に戻される。

なお、このとき、前記したように、排熱回収制御部４４４及び給湯制御部４４の協働による制御によって、循環ポンプ３１７の回転数を制御するときの目標温度と循環ポンプ４１７の回転数を制御するときの目標温度とが同一の値となるように設定されているか、あるいは、循環ポンプ３１７の回転数を制御するときの目標温度が循環ポンプ４１７の回転数を制御するときの目標温度よりも所定温度だけ高い温度に設定されている。これにより、補助加熱回路３００側の流量が加熱回路４００側の流量に比べて過剰に大きくならないように、図られる。その結果、例えば加熱回路４００における湯水の流量は約０．２～０．６［リットル／分］に制御されるとともに、補助加熱回路３００における湯水の流量はそれとほぼ同等の約０．５～０．８［リットル／分］に制御される。

上記の後、例えばある程度熱量が貯湯されると、排熱回収制御部４４４からの指示に基づく給湯制御部４４の制御(詳細は後述)によって先に循環ポンプ３１７が停止して補助加熱回路３００における加熱が終了する。その後、追って排熱回収制御部４４４の制御により循環ポンプ４１７の駆動が停止し、このヒータ補助沸き上げ運転を終了する。

＜ヒータ補助沸き上げ運転時の制御＞
前記のヒータ補助沸き上げ運転の実行時、すなわち前記排熱単独沸き上げ運転が実行開始された後にさらに追加で補助加熱回路３００における温水の加熱が加わる際において、前記排熱回収制御部４４４と給湯制御部４４とが協働して実行する制御手順を、図９のシーケンスフローにより説明する。

図９において、前記のように排熱回収制御部４４４の制御により循環ポンプ４１７が駆動されて単独沸上運転が実行されている状態において、まず給湯ユニット１００の給湯制御部４４により、前記貯湯温度センサ３９ａ～３９ｅの検出結果、すなわち貯湯タンク２内にどれだけの熱量が残っているか、を表す貯湯信号の送信が開始される（ＳＡ１０）。排熱回収ユニット２００の排熱回収制御部４４４では、ＳＢ２０において、前記貯湯信号の受信が開始される。これにより、前記ＳＡ１０で給湯制御部４４から送信が開始された貯湯信号は、排熱回収制御部４４４において随時受信される。

その後、ＳＢ３０で、排熱回収制御部４４４により、前記ＳＢ２０で受信した貯湯信号の表す熱量に基づき、補助加熱回路３００のヒータ装置３０１の運転による温水の加熱（以下適宜、単に「補助加熱」という）が必要か否かが公知の手法により判定される。貯湯タンク２内の熱量が十分でなく、かつ排熱回収需要が小さくヒータ装置３０１の運転が必要である場合にはＹｅｓ判定され、ＳＢ４０においてヒータ運転指示が給湯制御部４４へと送信される。

給湯制御部４４では、前記ＳＡ１０の貯湯信号の送信開始後、ＳＡ５０においてヒータ運転指示が排熱回収制御部４４４から受信されたか否かが判定される。ＳＢ４０にて排熱回収制御部４４４から送信されたヒータ運転指示が受信された場合はＳＡ５０がＹｅｓ判定され、ＳＡ６０においてヒータ装置３０１の前記電熱ヒータ３０７がＯＮされる。なお、これとともに、循環ポンプ３１７の駆動も開始される。この結果、前記加熱回路４００で加熱された温水の前記貯湯タンク２への供給と、前記補助加熱回路３００のヒータ装置３０１により加熱された温水の前記貯湯タンク２への供給とが、同時並行して行われることとなる。

その後、前記のような補助加熱の開始に伴い、ＳＡ７０において、ヒータＯＮ信号が給湯制御部４４から排熱回収制御部４４４へと送信される。排熱回収制御部４４４では、ＳＢ８０において、前記ＳＡ７０で給湯制御部４４から送信された前記ヒータＯＮ信号が受信される。

その後、排熱回収制御部４４４では、前記のような補助加熱の開始、すなわち加熱回路４００及び補助加熱回路３００の両方からの温水の供給によって、貯湯タンク２内の熱量が十分となりヒータ装置３０１の運転が不要となったか否かが判定される。貯湯タンク２内の熱量が十分になった場合にはＹｅｓ判定され、ＳＢ１００においてヒータ停止指示が排熱回収制御部４４４から給湯制御部４４へと送信される。

給湯制御部４４では、前記ＳＡ７０のヒータＯＮ信号の送信後、ＳＡ１１０においてヒータ停止指示が排熱回収制御部４４４から受信されたか否かが判定される。ＳＢ１００にて排熱回収制御部４４４から送信されたヒータ停止指示が受信された場合はＳＡ１１０がＹｅｓ判定され、ＳＡ１２０において前記電熱ヒータ３０７がＯＦＦされる。なお、これとともに、循環ポンプ３１７の駆動も停止される。この結果、前記加熱回路４００で加熱された温水の前記貯湯タンク２への供給はそのままに、前記補助加熱回路３００のヒータ装置３０１により加熱された温水の前記貯湯タンク２への供給が停止されることとなる。

その後、前記のような補助加熱の終了に伴い、ＳＡ１３０において、ヒータＯＦＦ信号が給湯制御部４４から排熱回収制御部４４４へと送信される。排熱回収制御部４４４では、ＳＢ１４０において、前記ＳＡ１３０で給湯制御部４４から送信された前記ヒータＯＦＦ信号が受信される。その後、排熱回収制御部４４４では前記ＳＢ２０へ、給湯制御部４４では前記ＳＡ１０に処理が戻り、前記同様の手順が繰り返される。

＜実施形態の効果＞
以上のように構成した本実施形態の燃料電池システム１においては、貯湯タンク２の温水の加熱を、燃料電池発電ユニット４１０からの排熱により行えるように構成されている。すなわち、燃料電池発電ユニット４１０の排熱を回収して湯水を加熱可能な水－水熱交換器４１６と循環ポンプ４１７とを備えた加熱回路４００が設けられ、前記加熱回路４００の湯水流入側は貯湯タンク２からの共通往き管１０に接続され、前記加熱回路４００の湯水流出側は貯湯タンク２への共通戻り管１１に接続されている。これにより、貯湯タンク２の温水は共通往き管１０を介し加熱回路４００へ導入されて前記水－水熱交換器１６において燃料電池発電ユニット４１０の排熱を利用して加熱され、加熱後の温水が共通戻り管１１を介して貯湯タンク２へ戻される。

このとき、燃料電池から回収できる排熱は決して多くはないことから、本実施形態においては、必要加熱能力を補うために、湯水を加熱可能なヒータ装置３０１と循環ポンプ３１７とを備えた補助加熱回路３００が設けられている。この補助加熱回路３００の湯水流入側は、前記加熱回路４００の湯水流入側とともに、貯湯タンク２からの共通往き管１０に対し分岐するように互いに並列に接続される。補助加熱回路３００の湯水流出側は、前記加熱回路４００の湯水流出側とともに、貯湯タンク２への共通戻り管１１に合流するように互いに並列に接続されている。言い換えれば、加熱回路４００及び補助加熱回路３００は、貯湯タンク２に対して互いに並列に接続されていることとなる。これにより、加熱回路４００で加熱された温水の貯湯タンク２への供給と、補助加熱回路３００で加熱された温水の貯湯タンク２への供給とを、同時並行して実行可能となっている（図８参照）。

ここで、上記のように必要加熱能力を補うために加熱回路４００からの温水の供給に加えて補助加熱回路３００からの温水の供給を同時並行して行う場合、補助加熱回路３００側の温水流量が相対的に大きすぎると、加熱回路４００側の流量が安定しなくなり、燃料電池発電ユニット４１０の発電に悪影響を与える場合がある。

本実施形態においては、上記に対応して、補助加熱回路３００において、循環ポンプ３１７の下流側に、前記ヒータ装置３０１とともにオリフィス装置３３０が設けられる。これにより、オリフィス３３５の絞り機能によって補助加熱回路３００における温水の流量を所望の値まで低下させることができる。この結果、補助加熱回路３００側の温水流量を所望の一定値に抑制して加熱回路４００側の温水流量に対し過剰にならないようにすることができるので、前記の燃料電池発電ユニット４１０側への悪影響が生じるのを回避することができる。

また、本実施形態では特に、排熱回収制御部４４４と給湯制御部４４とが互いに協働して循環ポンプ４１７及び循環ポンプ３１７を制御する（図９のＳＡ６０参照）。これにより、加熱回路４００での加熱能力では不足する必要加熱能力を補うために、同時並行して補助加熱回路３００からの温水の供給を確実に行うことができる。

また、本実施形態では特に、給湯制御部４４が、出口温度センサ３２０により検出されたヒータ装置３０１による加熱後の温水温度が目標温度になるように、循環ポンプ３１７を制御する。循環ポンプ３１７の回転数を制御することで、補助加熱回路３００の流量を変化させることができる。このように、ヒータ装置３０１による加熱の熱量に対し、補助加熱回路３００を流れる流量を変化させることで、間接的に補助加熱回路３００から排出される温水の温度を制御することができる。これにより、前記目標温度を適宜に設定することで、補助加熱回路３００側での加熱能力を確実に所望の値に制御することができるので、補助加熱回路３００側での加熱能力を適宜に抑制して加熱回路４００側での加熱能力とのバランスを取ることができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜構成を変更することができる。例えば、前記実施形態に記載した構成を適宜に組み合わせ又は選択したり、前記実施形態の構成の一部について追加・削除・置換することができる。

１ 燃料電池システム
２ 貯湯タンク
１０ 共通往き管
１１ 共通戻り管
４４ 給湯制御部（第２制御手段）
３００ 補助加熱回路（第２加熱回路）
３０１ ヒータ装置（補助加熱ヒータ）
３１７ 循環ポンプ（第２循環ポンプ）
３２０ 出口温度センサ（検出手段）
３３０ オリフィス装置
３３５ オリフィス
４００ 加熱回路（第１加熱回路）
４１０ 燃料電池発電ユニット
４１６ 水－水熱交換器（熱交換器）
４１７ 循環ポンプ（第１循環ポンプ）
４４４ 排熱回収制御部（第１制御手段）

Claims (3)

1. 湯水を貯湯する貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクの下部に接続され、当該貯湯タンク内の湯水を導出する共通往き管と、
   前記貯湯タンクの上部に接続され、加熱後の湯水を当該貯湯タンク内へ戻す共通戻り管と、
   燃料電池の排熱を回収して湯水を加熱可能な熱交換器、及び、湯水を循環させる第１循環ポンプ、を備えた第１加熱回路と、
   湯水を加熱可能な補助加熱ヒータ、及び、湯水を循環させる第２循環ポンプ、を有する第２加熱回路と、
   を有する燃料電池システムにおいて、
   前記第１加熱回路及び前記第２加熱回路の湯水流入側は、前記共通往き管から分岐するように互いに並列に接続されるとともに、前記第１加熱回路及び前記第２加熱回路の湯水流出側は、前記共通戻り管へと合流するように互いに並列に接続されており、
   前記第２加熱回路は、
   前記第２循環ポンプよりも下流側に、オリフィスと、前記補助加熱ヒータと、が配置されている
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第１循環ポンプを制御する第１制御手段と、
   前記第２循環ポンプを制御する第２制御手段と、
   をさらに有し、
   前記第１制御手段及び前記第２制御手段は、
   前記熱交換器の受熱により加熱された温水の前記第１加熱回路から前記貯湯タンクへの供給と、前記補助加熱ヒータにより加熱された温水の前記第２加熱回路から前記貯湯タンクへの供給とが、同時並行して行われるように、互いに協働して前記第１循環ポンプ及び前記第２循環ポンプを制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記第２加熱回路は、
   前記補助加熱ヒータによる加熱後の温水の温度を検出する検出手段をさらに備え、
   前記第２制御手段は、
   前記検出手段により検出される前記温水の温度が所定の目標温度となるように、前記第２循環ポンプを制御する
   ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。

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