JP4552387B2 - Fuel cell cogeneration system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の発電時に発生する熱を回収して給湯および暖房に利用する燃料電池コージェネレーション装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池コージェネレーション装置としては、例えば、図11に示すようなものがある。
【0003】
図11は、従来の燃料電池コージェネレーション装置の構成図であり、1は燃料電池で、酸素極2に空気と燃料極3に水素ガスなどの燃料ガスを供給して発電した電力を電力負荷4に供給する。5は冷却熱回収熱交換器で、冷却回路6の冷却ポンプ7で冷却水を循環して燃料電池1の冷却部8から熱を得て貯湯循環回路9に放熱する。10は貯湯槽で、循環ポンプ11で貯湯槽10の下部の低温水を冷却熱回収熱交換器5に送って加熱し高温になった温水を貯湯槽10の上部に蓄える。12は熱交換器で、冷却回路6に設けた3方切換手段13で分岐した冷却バイパス回路14に設けて燃料電池1の発生熱を放熱する。15は制御器で、貯湯循環回路9の蓄熱槽10の戻り側に設けた温度検出手段16の検知温度に応じて循環ポンプ11の循環量を制御して蓄熱槽10の上部に入る温水の温度を所定の温度になるように制御する(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−340244号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、燃料電池を起動させるためには外部から加熱する必要がありエネルギー効率が悪く、起動時間が長くなるなどの課題を有していた。
【0006】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、貯湯循環回路に貯湯バイパス回路を設けて燃料電池の起動時に貯湯槽の温度成層を崩すことなくシステム内で発生する熱で燃料電池を加熱起動してエネルギー効率を高め、起動時間を短縮することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池コージェネレーション装置は、貯湯槽と循環ポンプと燃料電池の冷却回路に設けた冷却熱回収熱交換器と水素製造装置の排気熱を回収する排気ガス熱回収熱交換器とを順に配管接続して構成する貯湯循環回路と、前記貯湯循環回路内で貯湯槽をバイパスする貯湯バイパス回路と、前記貯湯バイパス回路を切換る回路切換手段と、燃料電池の温度検知手段と、前記温度検出手段の信号に応じて前記燃料電池の温度が所定の温度に達していない場合は前記貯湯循環回路内で貯湯槽をバイパスして前記貯湯バイパス回路に循環水が流れ前記燃料電池の温度が所定の温度以上になると前記貯湯槽に循環水が流れるように前記回路切換手段を切換る制御装置とを設けた構成としたものである。
【0008】
これによって、燃料電池の起動時は貯湯循環回路の温水を貯湯槽を通さずに貯湯バイパス回路に流すことができるので、低温の水を貯湯槽の上部に入れて温度成層を崩すことなく排気ガスなどのシステムで発生する熱をシステム熱回収熱交換器で回収して冷却熱回収熱交換器を介して燃料電池を加熱することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
請求項1に記載した発明は、貯湯槽と循環ポンプと燃料電池の冷却回路に設けた冷却熱回収熱交換器と水素製造装置の排気熱を回収する排気ガス熱回収熱交換器とを順に配管接続して構成する貯湯循環回路と、前記貯湯循環回路内で貯湯槽をバイパスする貯湯バイパス回路と、前記貯湯バイパス回路を切換る回路切換手段と、燃料電池の温度検知手段と、前記温度検出手段の信号に応じて前記燃料電池の温度が所定の温度に達していない場合は前記貯湯循環回路内で貯湯槽をバイパスして前記貯湯バイパス回路に循環水が流れ前記燃料電池の温度が所定の温度以上になると前記貯湯槽に循環水が流れるように前記回路切換手段を切換る制御装置とを設けた構成とすることにより、燃料電池の温度検知手段が所定の値に達していない場合は、制御器で回路切換手段を貯湯バイパス回路に切換て、貯湯槽を通さずに貯湯循環回路の温水を循環することにより、貯湯槽の上部に低温の水がはいるのを防止して温度成層が崩れるのを防ぐことができ、システム熱回収熱交換器で得た熱を冷却熱回収熱交換器を介して燃料電池を加熱して燃料電池の温度を上げることができるので燃料電池の起動時間を短縮することができる。
【0010】
請求項2に記載の発明は、特に、請求項1に記載の燃料電池コージェネレーション装置における回路切換手段を、貯湯槽出口に設けた逆止弁と、貯湯循環回路のバイパス分岐部に設けた3方切換手段とで構成することにより、回路切換のための制御電力を低減して確実に回路を切換ることができるので、高効率で信頼性の高い燃料電池コージェネレーション装置を実現することができる。
【0011】
請求項3に記載の発明は、特に、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装置に加えて、貯湯バイパス回路に設けた補助熱源と、貯湯循環回路の貯湯槽入口に設けた貯湯温度検知手段とを有し、制御手段は、燃料電池の温度が所定の温度に達するまでは前記貯湯バイパス回路を流れる循環水を前記補助熱源により加熱し、前記燃料電池の温度が所定の温度以上になり前記回路切換手段により貯湯槽に循環水が流れるようにした後は、前記貯湯温度検知手段の信号に応じて貯湯槽入口の温度が所定の温度になるように前記回路切換手段により前記貯湯バイパス回路を流れる流量と前記補助熱源の加熱量を制御する構成とすることにより、貯湯槽に所定の温水が蓄えられていないときは貯湯バイパス回路に設けた補助熱源で加熱して貯湯槽に蓄えて給湯し、燃料電池の起動時は貯湯バイパス回路の補助熱源で加熱した循環水を冷却熱回収熱交換器に流して燃料電池を加熱することができるので、補助熱源によって安定した給湯を行うことができるとともに燃料電池の起動時間を大幅に短縮することができる。
【0012】
請求項4に記載の発明は、特に、請求項3に記載の燃料電池コージェネレーション装置に加えて、貯湯バイパス回路の補助熱源の出口に設けた第2貯湯槽を有する構成とすることにより、燃料電池の動作温度より高い温度の温水を第2貯湯槽に蓄えることができるので、燃料電池の起動時に第2貯湯槽から大量の熱を取り出して冷却熱回収熱交換器を介して燃料電池を加熱することができるので燃料電池の起動時間を大幅に短縮することができる。さらに、第2貯湯槽には常に高温の温水をためておくことができるので貯湯槽内の温水が不足した場合でも安定して給湯することができる。
【0013】
請求項5に記載の発明は、特に、請求項4に記載の燃料電池コージェネレーション装置に加えて、貯湯バイパス回路の補助熱源の出口から分岐して給湯配管を設けた構成とすることにより、補助熱源で温水を任意の温度に加熱して給湯することができる。
【0014】
請求項6に記載の発明は、特に、請求項1から5に記載の燃料電池コージェネレーション装置に加えて、貯湯バイパス回路の補助熱源の下流に暖房用および乾燥用の放熱器を有する熱利用熱交換器を設けた構成とすることにより、燃料電池で発生する熱を暖房および乾燥などに使用することができる。また、燃料電池で発生する熱が不足する場合は補助熱源で補うことができるので経済的で安定した暖房運転ができる。
【0015】
請求項7に記載の発明は、特に、請求項1に記載の燃料電池コージェネレーション装置に加えて、貯湯循環回路の貯湯槽入口に設けた補助熱源と、貯湯槽に設けた貯湯量検知手段とを有し、制御手段は、前記貯湯量検知手段により前記貯湯槽に所定量の湯水が貯まったことを検知するまで前記貯湯循環回路を循環する循環水を補助熱源で加熱する構成としたもので、貯湯槽に設けた貯湯量検知手段が所定の値を検知するまで貯湯循環回路を循環する温水を補助熱源で加熱するように制御装置で制御することにより、燃料電池の運転状態に拘わらず常に一定の温水を貯湯槽に蓄えることができるので、湯切れの無い安定した給湯運転ができる。
【0016】
請求項8に記載の発明は、特に、請求項7に記載の燃料電池コージェネレーション装置に加えて、貯湯循環回路の貯湯槽入口に設けた温度検知手段と、前記貯湯循環回路の補助熱源の下流で前記貯湯槽入口に設けた温度検知手段の上流に設けた暖房用および乾燥用の放熱器を有する熱利用熱交換器とを有し、制御手段は、前記温度検出手段の検出値が所定の値になるように前記補助熱源の加熱量を制御する構成としたもので、貯湯循環回路に設けた冷却熱回収熱交換器と排気ガス熱回収熱交換器で得た熱を熱利用熱交換器で放熱して暖房および乾燥用の放熱器で利用することができる。また燃料電池が停止している場合や熱利用熱交換器の出口温度が所定の値より低くなる場合は、貯湯温度検出手段の検出値が所定の値になるように制御装置で補助熱源を制御することにより、暖房および乾燥運転に安定して対応できるとともに、貯湯槽内の温度を所定の値に保つことができる。
【0017】
請求項9に記載の発明は、貯湯槽と循環ポンプと燃料電池の冷却回路に設けた冷却熱回収熱交換器と水素製造装置の排気熱などを回収する排気ガス熱回収熱交換器とを順に配管接続して構成する貯湯循環回路と、一方を貯湯槽の下部出口と循環ポンプの吸入側と接続し他方を循環ポンプの吐出側と貯湯槽の上部入口を接続し、切換時には、一方を貯湯槽の下部出口と貯湯槽の上部入口を接続し他方を循環ポンプ吐出側と循環ポンプの吸入側とを接続する4方切換手段と、燃料電池の温度検出手段と、前記温度検出手段の検出値に応じて前記燃料電池の温度が所定の温度に達していない場合は一方を前記貯湯槽の下部出口と前記貯湯槽の上部入口を接続し他方を前記循環ポンプ吸入側と前記循環ポンプの吐出側とを接続し前記燃料電池の温度が所定の温度以上になると一方を前記貯湯槽の下部出口と前記循環ポンプの吸入側と接続し他方を前記循環ポンプの吐出側と前記貯湯槽の上部入口を接続するように前記4方切換手段を切換制御する制御装置とを設けた構成としたもので、燃料電池の温度検出手段の検出値が所定の値より低い場合は、4方切換手段で循環ポンプ吐出側と循環ポンプの吸入側とを接続して、貯湯槽の上部入口に低温の水が入らないようにするとともにシステム熱回収熱交換器で得た熱を冷却熱交換器を介して燃料電池に放熱するように制御器で制御することにより、簡単な構造で、貯湯槽の温度成層を崩さずに起動時に燃料電池を加熱することができる。
【0018】
請求項10に記載の発明は、貯湯槽と循環ポンプと燃料電池の冷却回路に設けた冷却熱回収熱交換器と水素製造装置の排気熱などを回収する排気ガス熱回収熱交換器とを順に配管接続して構成する貯湯循環回路と、一方を貯湯槽の下部出口と循環ポンプの吸入側と接続し他方を循環ポンプの吐出側と貯湯槽の上部入口を接続し、切換時には、一方を貯湯槽の下部出口と循環ポンプ吐出側を接続し他方を貯湯槽の上部入口と循環ポンプの吸入側とを接続する4方切換手段と、燃料電池の温度検出手段と、前記温度検出手段の検出値に応じて前記燃料電池の温度が所定の温度に達していない場合は一方を前記貯湯槽の下部出口と前記循環ポンプ吐出側を接続し他方を前記貯湯槽の上部入口と前記循環ポンプの吸入側とを接続し前記燃料電池の温度が所定の温度以上になると一方を前記貯湯槽の下部出口と前記循環ポンプの吸入側と接続し他方を前記循環ポンプの吐出側と前記貯湯槽の上部入口を接続するように前記4方切換手段を切換制御する制御装置とを設けた構成としたもので、燃料電池の温度検出手段の検出値が所定の値より低い場合は、4方切換手段で一方を貯湯槽の下部出口と循環ポンプ吐出側を接続し他方を貯湯槽の上部入口と循環ポンプの吸入側とを接続して、貯湯槽上部の高温の温水を冷却熱交換器におくって燃料電池を加熱するように制御器で制御することにより、簡単な構造で、貯湯槽の熱を利用して燃料電池を加熱することができる。
【0019】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【0020】
(実施例1)
図1は本実施例の第1の実施例における燃料電池コージェネレーション装置の構成図を示すものである。
【0021】
図1において、1は固体高分子膜を用いた燃料電池で、酸素極2に空気と燃料極3に水素製造機17で生成した水素を供給して発電した電力を電力負荷4に供給する。5は冷却熱回収熱交換器で、冷却回路6の冷却ポンプ7で冷却水を循環して燃料電池1の冷却部8から熱を得て貯湯循環回路9に放熱する。18は水素製造機17から排出する排気ガスから熱を得て貯湯循環回路9に放熱する排ガス熱回収熱交換器で、貯湯循環回路9に設けた循環ポンプ11で貯湯槽10の上部に高温にした温水を蓄える。19は貯湯槽10の上部入り口部と循環ポンプ11の吸入側を接続して貯湯槽10をバイパスする貯湯バイパス回路で、貯湯槽10の上部入り口部に設けた開閉弁20aと貯湯バイパス回路19に設けた開閉弁20bとを制御器15で開閉制御して管路を切換る構成としている。
【0022】
以上のように構成された燃料電池コージェネレーション装置について、以下その動作、作用を説明する。
【0023】
まず、燃料電池1が発電するためには所定の温度以上に達している必要があるが、起動時には燃料電池1の温度は低く温度検出手段16aの検出値は低い値を検出している。制御装置15で開閉弁20aを閉じて開閉弁20bを開放することにより、貯湯循環回路9の循環水を循環ポンプ11によって冷却熱回収熱交換器5と排気ガス熱回収熱交換器18に送り、貯湯槽10をバイパスして貯湯バイパス回路19に流して循環することができる。このとき燃料電池1は発電していないので冷却部8からは熱が発生しないが、水素製造装置17は都市ガスなどの燃料を燃焼させて水素を製造し高温の排気ガスを排気ガス熱回収熱交換器におくるため、排気ガス熱回収熱交換器18で得た熱で貯湯循環回路9の循環水を加熱して循環ポンプ11によって冷却熱回収熱交換器9に運び、冷却ポンプ7で冷却回路6の冷却水を循環させて燃料電池1の冷却部8で放熱して燃料電池1を加熱することとなる。一方、貯湯槽10の上部には循環水が入らないので、貯湯槽10内の温度成層は保たれた状態を継続する。燃料電池1は加熱されて温度が充分高くなると、発電を開始して熱を発生し、温度検出手段16aの検出値も高い値を検出するので、制御器15は開閉弁20aを開放して開閉弁20bを閉じるように制御する。このとき貯湯バイパス回路19は閉塞された状態なので、貯湯槽10の下部の水を循環ポンプ11によって冷却熱回収熱交換器9と排気ガス熱回収熱交換器18に送り、高温にして貯湯槽10の上部に送り込み、貯湯槽10の上部に高温水を蓄えることができる。
【0024】
以上のように、本実施例においては、貯湯槽10内の温度成層を崩すことなくシステム内で発生する水素製造装置17の排気ガスの熱を利用して燃料電池を加熱して起動させることができる。
【0025】
(実施例2)
図2は、本発明の第2の実施例の燃料電池コージェネレーション装置の構成図である。
【0026】
図2において、21は貯湯槽10の下部出口に設けた逆止弁で、22は貯湯循環回路9の貯湯バイパス回路19の分岐部に設けた3方弁で、15は燃料電池1の温度検出手段16aの検出値に応じて3方弁22を切換制御する制御装置で、実施例1の構成と異なるところは、貯湯バイパス回路19の回路切換手段として逆止弁21と3方弁22とを設けた点である。
【0027】
以上のように構成された燃料電池コージェネレーション装置について、以下その動作、作用を説明する。
【0028】
まず、起動時のように燃料電池1の温度が低い場合は、温度検出手段16aは低い値を検出し、制御装置15は3方弁22が貯湯バイパス回路19に回路を接続するように制御するので、貯湯循環回路9を流れる低温の循環水は貯湯槽10をバイパスして貯湯バイパス回路19を流れる。このとき貯湯槽10の下部出口に逆止弁21を設けているので循環ポンプ11が発停を繰り返しても貯湯槽10に循環水が逆流するのを防止することができるので、温度成層を崩すことがない。
【0029】
一方、燃料電池1の温度が充分高くなった場合は、温度検出手段16aは高い値を検出し、制御装置15は3方弁22が貯湯槽10に流すように回路を接続して制御するので、貯湯循環回路9を流れる高温の循環水を貯湯槽10の上部に蓄えることができる。
【0030】
以上のように、本実施例においては、貯湯バイパス回路19の回路切換手段として逆止弁21と3方弁22とを設けたことにより、簡単な構成で制御のための電力消費も少ない信頼性の高い回路切換手段を実現することができる。
【0031】
(実施例3)
図3は、本発明の第3の実施例の燃料電池コージェネレーション装置の構成図である。
【0032】
図3において、23はガスまたは電気などを熱源とする補助熱源で、実施例1と2の構成と異なるところは、貯湯温度検知手段16bを貯湯槽10の上部入口に設けて、補助熱源23を貯湯バイパス回路19に設けた点である。
【0033】
以上のように構成された燃料電池コージェネレーション装置について、以下その動作、作用を説明する。
【0034】
まず、起動時は燃料電池1の温度検出手段16aの検出値は低い値を検出しているので、制御装置15で開閉弁20aを閉じて開閉弁20bを開放することにより、貯湯循環回路9の循環水を循環ポンプ11によって冷却熱回収熱交換器9と排気ガス熱回収熱交換器18に送り、貯湯槽10をバイパスして貯湯バイパス回路19に流して循環することができる。
【0035】
このとき排気ガス熱回収熱交換器18で得た熱を冷却熱回収熱交換器9に送って燃料電池1の冷却部8で放熱して燃料電池1を加熱するが、さらに補助熱源23を運転して循環水を加熱することにより燃料電池1の加熱量を増加することができる。
【0036】
一方、燃料電池1が発電を開始して温度が上昇して温度検出手段16aの検出値が所定の値より高い値を検出した場合は、開閉弁20aを開放して貯湯槽10の上部に循環水を流すように制御器15で制御する。燃料電池1の運転状態に応じて排気ガス熱回収熱交換器18と冷却熱回収熱交換器9の加熱量は変わるが、貯湯温度検出手段16bの値が所定の値になるように制御器15で開閉弁20aの開度を調節して貯湯バイパス回路19を流れる流量を制御するとともに補助熱源23の加熱量を制御する。
【0037】
以上のように、本実施例においては、貯湯槽10の上部入口に貯湯温度検知手段16bを設け、貯湯バイパス回路19に補助熱源23を設けて制御器15で制御することにより、燃料電池1の起動時には、補助熱源23で燃料電池1を加熱することができるので起動時間を大幅に短縮することができる。さらに、貯湯循環回路9を流す循環水の一部を貯湯バイパス回路19に流して補助熱源23で加熱することにより燃料電池1の運転状態にかかわらず貯湯槽10の上部に安定して高温の温水を蓄えることができる。
【0038】
(実施例4)
図4は、本発明の第4の実施例の燃料電池コージェネレーション装置の構成図である。
【0039】
図4において、24は第2貯湯槽で、実施例3の構成と異なるところは、第2貯湯槽24を貯湯バイパス回路19の補助熱源23の出口に設けた点と第2貯湯槽の入口に温度検出手段16cを設けた点である。
【0040】
以上のように構成された燃料電池コージェネレーション装置について、以下その動作、作用を説明する。
【0041】
まず、燃料電池1が発電状態のときは、燃料電池1の温度検出手段16aの検出値は高い値を検出しているので、制御装置15で開閉弁20aを開放して開閉弁20bを閉じて運転することにより、冷却熱回収熱交換器9と排気ガス熱回収熱交換器18で加熱された温水を貯湯槽10の上部に蓄えることができる。このとき、制御器15で開閉弁20bを開放し、温度検出手段16cの検出値に応じて補助熱源23で温水を加熱して第2貯湯槽24に蓄えることにより、燃料電池1の再起動時には開閉弁20bを開放して循環ポンプ11で第2貯湯槽24内の高温水を冷却熱回収熱交換器9に送って燃料電池1を加熱することができる。
【0042】
以上のように、本実施例においては、第2貯湯槽24を貯湯バイパス回路19の補助熱源23の出口に設けたことにより、小能力の小型の補助熱源で燃料電池1の起動時間を大幅に短縮することができ、給湯などの熱負荷に対しても迅速に対応ができる。
【0043】
(実施例5)
図5は、本発明の第5の実施例の燃料電池コージェネレーション装置の構成図である。
【0044】
図5において、25は給湯配管で、実施例4の構成と異なるところは、貯湯バイパス回路19の補助熱源23の出口から分岐して給湯配管25を設けた点である。
【0045】
以上のように構成された燃料電池コージェネレーション装置について、以下その動作、作用を説明する。
【0046】
まず、燃料電池1の定常運転時は、制御装置15が開閉弁20aを開放して開閉弁20bを閉じて運転して貯湯循環回路9の循環水を循環ポンプ11で貯湯槽10の上部に送る。給湯負荷が発生して時は、給湯開閉弁20cが開放されると冷却熱回収熱交換器9と排気ガス熱回収熱交換器18で加熱した循環水は貯湯バイパス回路19を通って給湯配管25から給湯水として供給し、循環回路の循環水量が少ない場合は貯湯槽10の上部の温水を市水の圧力で押し出して貯湯バイパス回路19で合流させて給湯配管25から必要な給湯水量を供給する。
【0047】
以上のように、本実施例においては、貯湯バイパス回路19の補助熱源23の出口で開閉弁20bの手前から分岐して給湯配管25を設けることにより、燃料電池1で発生する熱を蓄熱することなく直接給湯に利用することができ、給湯量が不足する場合は貯湯槽10から自動的に温水を補うことができるので、簡単な配管構成で効率の良い給湯運転ができる。
【0048】
(実施例6)
図6は、本発明の第6の実施例の燃料電池コージェネレーション装置の構成図である。
【0049】
図6において、26は暖房および乾燥用の放熱器27に接続する熱利用熱交換器で、実施例1から5の構成と異なるところは、貯湯バイパス回路19の補助熱源23の下流に熱利用熱交換器26を設けた点である。
【0050】
以上のように構成された燃料電池コージェネレーション装置について、以下その動作、作用を説明する。
【0051】
まず、燃料電池1の定常運転時は、制御装置15が開閉弁20aを開放して開閉弁20bを閉じて運転するので貯湯循環回路9の循環水を循環ポンプ11で貯湯槽10の上部に送る。暖房などの負荷が発生して放熱器27を運転する場合は、制御器15で開閉弁20bを開放し、貯湯循環回路9の冷却熱回収熱交換器5と排気ガス熱回収熱交換器18で加熱した循環水を貯湯バイパス回路19に流して熱利用熱交換器26で暖房に利用する。放熱器27の負荷が大きい場合は補助熱源23で不足分を加熱して負荷に対応する。一方、燃料電池1が停止しているときも同様に、開閉弁20bを開放して循環ポンプ11を運転し、貯湯バイパス回路19に循環水を流して補助熱源23で加熱して熱利用熱交換器26に熱を与えて暖房する。
【0052】
以上のように、本実施例においては貯湯バイパス回路19の補助熱源23の下流に熱利用熱交換器26を設けることにより、燃料電池1で発生する熱を直接暖房などに利用することができ、負荷の大きい場合は補助熱源23で加熱することにより、効率の良い安定した暖房運転が実現できる。
【0053】
(実施例7)
図7は、本発明の第7の実施例の燃料電池コージェネレーション装置の構成図である。
【0054】
図7において、23は補助熱源で、28は貯湯量検知手段で、実施例1から6の構成と異なるところは、貯湯量検知手段28の検出値に応じて制御装置15で制御する補助熱源23を貯湯循環回路9の貯湯槽10の入口に設けた点である。
【0055】
以上のように構成された燃料電池コージェネレーション装置について、以下その動作、作用を説明する。
【0056】
まず、燃料電池1の定常運転時は、貯湯槽10の下部の低温水を循環ポンプ11で冷却熱回収熱交換器5と排気ガス熱回収熱交換器18に送って加熱し貯湯槽10の上部に蓄えるが、電力負荷4が少なくて燃料電池1の発熱が少ない場合は、冷却熱回収熱交換器5と排気ガス熱回収熱交換器18の加熱量も少なく循環水の温度も低くなるので、制御器15で貯湯量検知手段28の検出値が所定の値になるまで補助熱源23で加熱して貯湯槽10の上部に蓄える。
【0057】
以上のように、本実施例においては、補助熱源23を貯湯循環回路9の貯湯槽10の入口に設けることにより、燃料電池1の運転状態に拘わらずに一定の給湯負荷に対応する温水量を貯湯槽10に蓄えることができる。さらに、貯湯槽10にためる温水の温度を高くすることにより貯湯槽10を小型にすることができる。
【0058】
(実施例8)
図8は、本発明の第8の実施例の燃料電池コージェネレーション装置の構成図である。
【0059】
図8において、26は暖房および乾燥用の放熱器27に接続する熱利用熱交換器で、実施例7の構成と異なるところは、貯湯循環回路9の補助熱源23の下流で貯湯槽10の入口に設けた温度検出器16bの上流に熱利用熱交換器26を設けた点である。
【0060】
以上のように構成された燃料電池コージェネレーション装置について、以下その動作、作用を説明する。
【0061】
まず、暖房などの負荷が発生して放熱器27を運転する場合は、制御器15で開閉弁20aを開放して、貯湯循環回路9の循環ポンプ11を運転して循環水を循環するが、燃料電池1が運転しているときは、冷却熱回収熱交換器5と排気ガス熱回収熱交換器18で加熱した循環水を熱利用熱交換器27に流して暖房運転ができる。一方、燃料電池1の電力負荷4の値が小さいか運転を停止しているときは補助熱源23を運転して不足分を加熱するがこのとき貯湯槽10の入口に設けた温度検出手段16bの検出値が所定の値になるように制御器15で補助熱源15の加熱量を制御する。
【0062】
以上のように、本実施例においては、貯湯循環回路9の補助熱源23の下流で貯湯槽10の入口に設けた温度検出手段16bの上流に熱利用熱交換器26を設けたことにより、燃料電池1で発生する熱を直接暖房などの熱として利用することができ、燃料電池1で発生する熱が不足する場合は自動的に補助熱源23で補うことができる。さらに貯湯槽10の上部に入る温水を任意の温度に設定することができるので、貯湯槽10の温度成層を崩すこともなく安定して給湯負荷に対応できる。
【0063】
(実施例9)
図9は、本発明の第9の実施例の燃料電池コージェネレーション装置の構成図である。
【0064】
図9において、29は4方弁で、実施例1の構成と異なるところは、一方を貯湯槽10の下部出口と循環ポンプ11の吸入側と接続し他方を循環ポンプ11の吐出側と貯湯槽10の上部入口を接続し、切換時には、一方を貯湯槽10の下部出口と貯湯槽10の上部入口を接続し他方を循環ポンプ11の吸入側と循環ポンプ11の吐出側とを接続する4方弁29を貯湯循環回路9の回路切換手段として設けた点である。
【0065】
以上のように構成された燃料電池コージェネレーション装置について、以下その動作、作用を説明する。
【0066】
まず、定常運転時のように燃料電池1の温度が高い場合は、温度検出手段16aは高い値を検出し、制御装置15は4方弁29を、一方を貯湯槽10の下部出口と循環ポンプ11の吸入側と接続し他方を循環ポンプ11の吐出側と貯湯槽10の上部入口を接続するように制御して高温の温水を貯湯槽10の上部に蓄える。起動時のように燃料電池1の温度が低い場合は、温度検出手段16aは低い値を検出し、制御装置15は4方弁29を一方を貯湯槽10の下部出口と貯湯槽10の上部入口を接続し他方を循環ポンプ11の吐出側と循環ポンプ11の吸入側とを接続するように制御して排気ガス熱回収熱交換器18で得た熱を冷却熱回収熱交換器5に送って燃料電池1を加熱して起動させることができる。
【0067】
以上のように、本実施例においては、4方弁29を回路切換手段として用いることにより、簡単な構成でシステム内で発生する熱を排気ガス熱回収熱交換器18で回収して燃料電池1を加熱して起動することができる。
【0068】
(実施例10)
図10は、本発明の第10の実施例の燃料電池コージェネレーション装置の構成図である。
【0069】
図10において、29は4方弁で、実施例9の構成と異なるところは、一方を貯湯槽10の下部出口と循環ポンプ11の吸入側と接続し他方を循環ポンプ11の吐出側と貯湯槽10の上部入口を接続し、切換時には、一方を貯湯槽10の下部出口と循環ポンプ11の吐出側を接続し他方を貯湯槽10の上部入口と循環ポンプ11の吸入側とを接続する4方弁29を貯湯循環回路9の回路切換手段として設けた点である。
【0070】
以上のように構成された燃料電池コージェネレーション装置について、以下その動作、作用を説明する。
【0071】
まず、定常運転時のように燃料電池1の温度が高い場合は、温度検出手段16aは高い値を検出し、制御装置15は4方弁29を、一方を貯湯槽10の下部出口と循環ポンプ11の吸入側と接続し他方を循環ポンプ11の吐出側と貯湯槽10の上部入口を接続するように制御して高温の温水を貯湯槽10の上部に蓄える。起動時のように燃料電池1の温度が低い場合は、温度検出手段16aは低い値を検出し、制御装置15は4方弁29の一方を貯湯槽10の下部出口と循環ポンプ11の吐出側を接続し他方を貯湯槽10の上部入口と循環ポンプ11の吸入側とを接続するように制御して貯湯槽10の上部に蓄えた高温の温水を4方弁29を介して循環ポンプ11で冷却熱回収熱交換器5に送って燃料電池1を加熱して起動させることができる。
【0072】
以上のように、本実施例においては、4方弁29を貯湯循環回路9の回路切換手段として用いることにより、簡単な構成で貯湯槽10に蓄えた温水で燃料電池1を起動させることができる。
【0073】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、簡単な構成でシステム内部で発生する熱を回収して燃料電池を短時間で起動し、貯湯槽に温度成層を形成して温水を蓄ることができる高効率な燃料電池コージェネレーション装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1における燃料電池コージェネレーション装置の構成図
【図2】本発明の実施例2における燃料電池コージェネレーション装置の構成図
【図3】本発明の実施例3における燃料電池コージェネレーション装置の構成図
【図4】本発明の実施例4における燃料電池コージェネレーション装置の構成図
【図5】本発明の実施例5における燃料電池コージェネレーション装置の構成図
【図6】本発明の実施例6における燃料電池コージェネレーション装置の構成図
【図7】本発明の実施例7における燃料電池コージェネレーション装置の構成図
【図8】本発明の実施例8における燃料電池コージェネレーション装置の構成図
【図9】本発明の実施例9における燃料電池コージェネレーション装置の構成図
【図10】本発明の実施例10における燃料電池コージェネレーション装置の構成図
【図11】従来の燃料電池コージェネレーション装置の構成図
【符号の説明】
1 燃料電池
5 冷却熱回収熱交換器
6 冷却回路
9 貯湯循環回路
10 貯湯槽
11 循環ポンプ
15 制御器(制御装置)
16a 温度検出手段
16b 温度検出手段
16c 温度検出手段
17 水素製造装置
18 排気ガス熱回収熱交換器
19 貯湯バイパス回路
20a 開閉弁(回路切換手段)
20b 開閉弁(回路切換手段)
21 逆止弁
22 3方弁(3方切換手段)
23 補助熱源
24 第2貯湯槽
25 給湯配管
26 熱利用熱交換器
27 放熱器
28 貯湯量検出手段
29 4方弁(4方切換手段)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell cogeneration apparatus that recovers heat generated during power generation of a fuel cell and uses it for hot water supply and heating.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as this type of fuel cell cogeneration apparatus, there is one as shown in FIG.
[0003]
FIG. 11 is a configuration diagram of a conventional fuel cell cogeneration apparatus.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2000-340244 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional configuration, in order to start the fuel cell, it is necessary to heat from the outside, which has problems such as low energy efficiency and long start-up time.
[0006]
The present invention solves the above-described conventional problems, and a hot water storage bypass circuit is provided in the hot water circulation circuit to heat and start the fuel cell with heat generated in the system without destroying the temperature stratification of the hot water tank when starting the fuel cell. The goal is to increase energy efficiency and reduce startup time.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the conventional problem, a fuel cell cogeneration apparatus according to the present invention includes: A hot water storage circulation circuit comprising a hot water storage tank, a circulation pump, a cooling heat recovery heat exchanger provided in the cooling circuit of the fuel cell, and an exhaust gas heat recovery heat exchanger for recovering the exhaust heat of the hydrogen production device in order by piping connection; A hot water storage bypass circuit for bypassing the hot water storage tank in the hot water storage circulation circuit, a circuit switching means for switching the hot water storage bypass circuit, a temperature detection means for the fuel cell, and a signal of the temperature detection means according to the signal of the temperature detection means. When the temperature does not reach the predetermined temperature, the hot water tank is bypassed in the hot water circulation circuit, and the circulating water flows into the hot water bypass circuit, and when the temperature of the fuel cell exceeds the predetermined temperature, the circulating water is supplied to the hot water tank. Said to flow And a control device for switching the circuit switching means.
[0008]
This allows hot water in the hot water circulation circuit to flow through the hot water bypass circuit without passing through the hot water tank when the fuel cell is started, so that exhaust gas can be discharged without putting low temperature water into the upper part of the hot water tank and destroying the temperature stratification. The heat generated in the system can be recovered by the system heat recovery heat exchanger and the fuel cell can be heated via the cooling heat recovery heat exchanger.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The invention described in
[0010]
The invention described in
[0011]
The invention according to
[0012]
The invention according to claim 4 is particularly the fuel cell cogeneration apparatus according to
[0013]
The invention according to
[0014]
The invention according to
[0015]
The invention described in
[0016]
The invention according to
[0017]
The invention according to
[0018]
The invention according to
[0019]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0020]
Example 1
FIG. 1 shows a configuration diagram of a fuel cell cogeneration apparatus according to a first embodiment of the present embodiment.
[0021]
In FIG. 1,
[0022]
The operation and action of the fuel cell cogeneration apparatus configured as described above will be described below.
[0023]
First, in order for the
[0024]
As described above, in this embodiment, the fuel cell is heated and started up using the heat of the exhaust gas of the
[0025]
(Example 2)
FIG. 2 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration apparatus according to a second embodiment of the present invention.
[0026]
In FIG. 2, 21 is a check valve provided at the lower outlet of the
[0027]
The operation and action of the fuel cell cogeneration apparatus configured as described above will be described below.
[0028]
First, when the temperature of the
[0029]
On the other hand, when the temperature of the
[0030]
As described above, in the present embodiment, the
[0031]
(Example 3)
FIG. 3 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration apparatus according to a third embodiment of the present invention.
[0032]
In FIG. 3,
[0033]
The operation and action of the fuel cell cogeneration apparatus configured as described above will be described below.
[0034]
First, since the detected value of the
[0035]
At this time, the heat obtained by the exhaust gas heat
[0036]
On the other hand, when the
[0037]
As described above, in this embodiment, the hot water storage temperature detection means 16b is provided at the upper inlet of the
[0038]
Example 4
FIG. 4 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
[0039]
In FIG. 4,
[0040]
The operation and action of the fuel cell cogeneration apparatus configured as described above will be described below.
[0041]
First, when the
[0042]
As described above, in this embodiment, the second hot
[0043]
(Example 5)
FIG. 5 is a block diagram of a fuel cell cogeneration apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
[0044]
In FIG. 5,
[0045]
The operation and action of the fuel cell cogeneration apparatus configured as described above will be described below.
[0046]
First, during steady operation of the
[0047]
As described above, in the present embodiment, the heat generated in the
[0048]
(Example 6)
FIG. 6 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
[0049]
In FIG. 6,
[0050]
The operation and action of the fuel cell cogeneration apparatus configured as described above will be described below.
[0051]
First, during the steady operation of the
[0052]
As described above, in the present embodiment, by providing the heat
[0053]
(Example 7)
FIG. 7 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration apparatus according to a seventh embodiment of the present invention.
[0054]
In FIG. 7,
[0055]
The operation and action of the fuel cell cogeneration apparatus configured as described above will be described below.
[0056]
First, during steady operation of the
[0057]
As described above, in the present embodiment, by providing the
[0058]
(Example 8)
FIG. 8 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration apparatus according to an eighth embodiment of the present invention.
[0059]
In FIG. 8,
[0060]
The operation and action of the fuel cell cogeneration apparatus configured as described above will be described below.
[0061]
First, when a load such as heating is generated and the
[0062]
As described above, in this embodiment, the heat
[0063]
Example 9
FIG. 9 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration apparatus according to a ninth embodiment of the present invention.
[0064]
In FIG. 9,
[0065]
The operation and action of the fuel cell cogeneration apparatus configured as described above will be described below.
[0066]
First, when the temperature of the
[0067]
As described above, in this embodiment, by using the four-
[0068]
(Example 10)
FIG. 10 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration apparatus according to a tenth embodiment of the present invention.
[0069]
In FIG. 10,
[0070]
The operation and action of the fuel cell cogeneration apparatus configured as described above will be described below.
[0071]
First, when the temperature of the
[0072]
As described above, in this embodiment, by using the four-
[0073]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to recover heat generated in the system with a simple configuration, start the fuel cell in a short time, form a temperature stratification in the hot water storage tank, and store hot water. A highly efficient fuel cell cogeneration system can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration apparatus according to
FIG. 2 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration apparatus according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration apparatus according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration apparatus according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration apparatus according to
FIG. 10 is a configuration diagram of a fuel cell cogeneration apparatus according to a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a configuration diagram of a conventional fuel cell cogeneration apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell
5 Cooling heat recovery heat exchanger
6 Cooling circuit
9 Hot water circulation circuit
10 Hot water tank
11 Circulation pump
15 Controller (Control device)
16a Temperature detection means
16b Temperature detection means
16c Temperature detection means
17 Hydrogen production equipment
18 Exhaust gas heat recovery heat exchanger
19 Hot water storage bypass circuit
20a On-off valve (circuit switching means)
20b On-off valve (circuit switching means)
21 Check valve
22 3-way valve (3-way switching means)
23 Auxiliary heat source
24 2nd hot water tank
25 Hot water supply piping
26 Heat-use heat exchanger
27 Heatsink
28 Hot water storage amount detection means
29 4-way valve (4-way switching means)
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