JP5803245B2 - 排熱回収装置 - Google Patents

Description

この発明は排熱回収装置に関し、より詳細には、発電装置に燃料電池を使用した家庭用コージェネレーションシステムの排熱回収装置に関する。

従来、家庭用のコージェネレーションシステムとして、発電装置に燃料電池を使用したものが提案されている。この種のコージェネレーションシステムでは、燃料電池からの排熱を排熱回収装置で回収して貯湯槽内の湯水を加熱昇温させるように構成されている。

具体的には、排熱回収装置は、一端が貯湯槽の下部に接続され、他端が貯湯槽の上部に接続された熱交換器を有して構成されており、この熱交換器を用いて燃料電池からの排ガスと貯湯槽の下部から供給される低温の湯水とで熱交換を行って、熱交換により加熱昇温された温水を貯湯槽の上部に供給するようになっている。

ところで、このような家庭用のコージェネレーションシステムの排熱回収装置において、最近では、排ガスの熱交換時（冷却時）に熱交換器に生じる凝縮水を凝縮水槽に回収し、この凝縮水槽に貯留された凝縮水を燃料電池での燃料の水蒸気改質用の純水に利用する（いわゆる「水自立動作」を行う）ものが提案されている（特許文献１参照）。

水自立動作では、貯湯槽から熱交換器に供給される湯水の温度が低ければ、燃料電池での純水使用量よりも生成される凝縮水の水量が多くなるので燃料電池で使用する純水を容易に確保することができるが、貯湯槽から熱交換器に供給される湯水の温度が高くなった場合には、燃料電池での純水使用量よりも生成される凝縮水の水量が少なくなってしまうので、この状態が長時間継続すると、凝縮水槽内の凝縮水の水量が低下し、水蒸気改質用の純水を十分に供給できなくなってしまう。

そのため、水自立動作を行う排熱回収装置では、凝縮水槽の水位（水量）を検出する水位検出手段が備えられており、この水位検出手段で検出される水位が、凝縮水の残水量の低下を示す水位にまで低下した場合には、貯湯槽から熱交換器に供給される湯水を強制冷却して凝縮水の生成量を増加させる（強制的に水自立動作を行わせる）一方、凝縮水の生成量の増加に伴って凝縮水槽の水位が上昇し、凝縮水槽が満杯となった場合には、貯湯槽から熱交換器に供給される湯水の強制冷却を停止する（強制的な水自立動作を停止させる）ようになっている。

特開２００１−３２５９８２号公報

しかしながら、このように凝縮水槽の水位だけを監視して強制的な水自立動作の開始／停止を制御する構成では、以下のような問題があり、その改善が望まれていた。

（１）凝縮水槽や凝縮水槽から燃料電池（具体的には、凝縮水から生成された純水を水蒸気改質用の水蒸気に変換する蒸発器）に至る経路に軽微な水漏れが生じていることによって凝縮水槽の水位上昇に遅れが生じても、それを発見することができない。つまり、軽微な水漏れを発見できない。

（２）水位検出手段が、たとえば、フロートの引っかかりなどによって水位の上昇を検出できなくなっていてもそのような異常を発見することができず、強制的な水自立動作が停止されることなく継続されてしまう。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、凝縮水の軽微な水漏れや水位検出手段の異常など凝縮水槽の水位上昇についての異常を検出できる排熱回収装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る排熱回収装置は、燃料電池の排熱を回収して貯湯する貯湯槽と、その排熱回収の熱交換部で生じる凝縮水を回収する凝縮水槽と、上記凝縮水槽に貯留される凝縮水を上記燃料電池に供給する凝縮水供給路と、制御部とを備えた排熱回収装置であって、上記貯湯槽の湯水の温度が所定温度以上であり、かつ、上記凝縮水槽に貯留される凝縮水の水位が所定の第１の水位より低下したときには、上記熱交換部で加熱昇温させた温水を上記貯湯槽に供給することなく冷却手段で冷却して上記熱交換部に供給する強制的な水自立動作を行うものにおいて、上記貯湯槽の湯水の温度を検出する温度検出手段と、上記熱交換部に供給される湯水の温度を検出する第２の温度検出手段と、上記凝縮水槽内に貯留される凝縮水の水位を検出する水位検出手段とを備え、上記制御部に、上記水位検出手段の検出水位を上記第１の水位から第２の水位まで上昇させるのに必要な水量を示す必要水量データと、上記熱交換部に供給される湯水の温度と熱交換部で回収される凝縮水との関係を示す凝縮水データと、上記燃料電池での発電電流と純水使用量との関係を示す純水使用量データとを備えてなり、上記制御部は、上記強制的な水自立動作時に、上記凝縮水データと上記熱交換部に供給される湯水の温度とから凝縮水回収量を求めるとともに、上記純水使用量データと燃料電池に対する能力指示の内容とに基づいて純水使用量を求め、これら凝縮水回収量と純水使用量の差から予測される凝縮水増水量を算出してその積算値を求め、上記予測される凝縮水増水量の積算値が、上記必要水量に達したにもかかわらず、検出水位が上記第２の水位に達していない場合、上記凝縮水槽の水位上昇について異常があると判定することを特徴とする。

すなわち、本発明の排熱回収装置では、貯湯槽の湯水の温度を検出する温度検出手段と、凝縮水槽内に貯留される凝縮水の水位を検出する水位検出手段とを用いて、凝縮水を回収する凝縮水槽の水位上昇についての異常の有無を判断するようにしている。ここで、凝縮水槽の水位上昇についての異常とは、凝縮水槽や凝縮水供給路における水漏れによる水位上昇の遅れや、水位検出手段が水位を正常に検出しない場合など、本来なら検出されるべきである水位上昇が検出されないことを意味する。

そして、好適な実施態様として、本発明の排熱回収装置は、以下の特徴を有する。
すなわち、上記制御部は、上記温度検出手段の検出温度が所定温度未満であるときに、上記凝縮水槽の検出水位が上記凝縮水槽内の水量低下を示す水位として予め設定された所定の判定閾値水位未満になったことを条件に、上記凝縮水槽の水位上昇について異常があると判断するように構成される。

また、本発明において異常判定の手順を切り替える上記所定温度は、上記熱交換部において生成される凝縮水の生成量が上記燃料電池で使用される純水使用量を下回ることなく少なくとも同等になるような温度に設定される。

本発明によれば、燃料電池の排熱を回収して貯湯する貯湯槽と、その排熱回収の熱交換部で生じる凝縮水を回収する凝縮水槽と、上記凝縮水槽に貯留される凝縮水を上記燃料電池に供給する凝縮水供給路と、制御部とを備えた排熱回収装置において、燃料電池の発電に伴う排熱回収の際に、制御部が、貯湯槽の湯水の温度を検出する温度検出手段の検出温度と、凝縮水槽内の凝縮水の水位を検出する水位検出手段の検出水位とに基づいて、凝縮水槽の水位上昇についての異常の有無を判断するので、凝縮水槽や凝縮水供給路での水漏れや水位検出手段の異常などを速やかに発見することができる。

本発明に係る排熱回収装置の概略構成を示す説明図であって、図１（ａ）は同排熱回収装置が排熱貯湯動作を行っている状態を示しており、図１（ｂ）は同排熱回収装置が強制的な水自立動作を行っている状態を示している。 同排熱回収装置における凝縮水の生成量とその使用量の関係を示す説明であって、図２（ａ）は熱交換器の入水温度と生成される凝縮水の回収水量の関係を示しており、図２（ｂ）は燃料電池の発電電流と純水の使用量の関係を示している。 同排熱回収装置における凝縮水タンクの水位上昇についての異常検出手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る排熱回収装置の概略構成を示している。この排熱回収装置は、燃料電池（図示せず）を発電装置とする家庭用のコージェネレーションシステムにおいて、燃料電池から排出される排ガスの排熱を回収して貯湯槽内の湯水を加熱昇温するように構成された排熱回収装置であって、特に、排熱回収の際に生じる凝縮水を回収し、この凝縮水を燃料電池での燃料の水蒸気改質用の純水に利用できるように構成された排熱回収装置を示している。

具体的には、この図１に示す排熱回収装置は、燃料電池の排熱を回収して貯湯する貯湯タンク（貯湯槽）１と、燃料電池の排熱を回収する熱交換器（熱交換部）２と、熱交換器２で排熱回収を行う際に生じる凝縮水を回収する凝縮水タンク（凝縮水槽）３と、凝縮水タンク３に貯留される凝縮水を燃料電池に供給する凝縮水供給路４とを主要部として備えており、図示のように、この排熱回収装置では、これらが燃料電池を収容する燃料電池ユニットＡと貯湯タンク１を収容する排熱貯湯ユニットＢの二つのユニットに分散配置されている。

燃料電池ユニットＡは、上記燃料電池と、上記熱交換器２と、上記凝縮水タンク３と、上記凝縮水供給路４と、燃料電池ユニットＡの制御中枢を構成するＦＣ制御部（制御部）５とを主要部として備えており、これらが１つの筐体内に収容されている（なお、ここで「ＦＣ」とは、「燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）」の略称である）。

上記燃料電池は、天然ガス、石油などの炭化水素系の燃料を水蒸気改質することによって得られる水素ガス（燃料ガス）と空気（酸素）とを用いて直流電力を発電する周知の構成の燃料電池で構成される。そのため、この燃料電池には、少なくとも水蒸気改質に用いる純水を水蒸気化するための蒸発器が備えられている。なお、この燃料電池には、たとえば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）などの燃料電池が使用されるが、以下の実施形態は、発電能力（発電電流）が最大８Ａの固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いた場合を例に説明する。

上記熱交換器２は、上記燃料電池からの排ガスの熱を上記貯湯タンク１から供給される湯水と熱交換する（排熱を回収する）ことによって貯湯タンク１から供給される湯水を加熱昇温させる熱交換器であり、この熱交換器２は、その入力側が上記貯湯タンク１の下部と排熱低温配管６を介して接続されるとともに、その出力側が上記貯湯タンク１の上部と排熱高温配管７を介して接続されている。

そして、燃料電池ユニットＡ内の排熱低温配管６には、排熱低温配管６内の湯水を熱交換器２に圧送する排熱循環ポンプ８と、この排熱循環ポンプ８の下流側に設けられて熱交換器２に供給（入力）される湯水の温度を検出する燃料電池ユニットＡ側の排熱低温サーミスタ９とが備えられている。また、燃料電池ユニットＡ内の排熱高温配管７には、熱交換器２から出力される湯水の温度を検出する燃料電池ユニットＡ側の排熱高温サーミスタ１０が備えられている。

また、この熱交換器２には、排熱回収の際に生じる凝縮水を回収できるように下側が漏斗状にすぼまって凝縮水タンク３の上部に連通するホッパ１１が備えられており、排熱回収時に熱交換器２に発生し自然落下する凝縮水がこのホッパ１１を介して凝縮水タンク３に貯留されるようになっている。なお、この熱交換器２は、上記ホッパ１１と連通するハウジング１２内に収容されており、熱交換器２と接触して凝縮水を生成した後の排ガスは、このハウジング１２に設けられた排気口１３から燃料電池ユニットＡ外に排出されるようになっている。

凝縮水タンク３は、上記ホッパ１１の下方に配置されて上記ホッパ１１から自然落下する凝縮水を回収・貯留できるように構成された凝縮水の貯留タンクであって、この凝縮水タンク３には、タンク内の凝縮水の水位を検出するための水位検出手段として水位スイッチ１４が備えられている。

この水位スイッチ１４は、図１に示すように、少なくとも凝縮水タンク３内で所定の高中低の３点の水位が検出できるように構成されている。本実施形態では、この水位スイッチ１４には、タンク内の水位に応じて高さ位置が変化するフロートによって各スイッチ１４ａ〜１４ｃがＯＮ／ＯＦＦするフロートスイッチが用いられており、これら各スイッチ１４ａ〜１４ｃのうち、タンク３の最上部に設けられるスイッチ１４ａは、凝縮水タンク３が満水（またはその付近）であることを示す位置に配置される。また、タンク３の最下部に設けられるスイッチ１４ｃは、凝縮水タンク３が空になる少し前であること（具体的には、凝縮水タンク３の残水量が、燃料電池の発電停止を指示してから燃料電池が停止するまでの間に燃料電池で使用される純水使用量に近い水量になったこと）を示す位置に配置される。さらに、これらスイッチ１４ａ，１４ｃの間に設けられるスイッチ１４ｂは、凝縮水タンク３の水量が後述する強制的な水自立動作の開始を必要とするほど低下していることを示す位置に配置される。

また、この凝縮水タンク３は、図示のように、その上部に補水口１５が備えられており、施工時などタンクに水の補給が必要なときにはこの補水口１５を通じて水を補給できるようになっている。なお、本実施形態に示す排熱回収装置は、後述するように水自立動作を行うので、通常の使用状態では、この補水口１５からの給水は原則として必要とされない。また、１６はオーバーフロー配管を示しており、凝縮水タンク３が凝縮水で満水となった時には、このオーバーフロー配管１６を介してタンク内の凝縮水３が外部に排出されるようになっている。なお、本実施形態では、この凝縮水タンク３は、たとえば３〜５リットル程度の容量をもったタンクで構成している。

そして、この凝縮水タンク３の下部（より具体的には底部近傍）には、凝縮水タンク３に貯留された凝縮水を燃料電池に供給するための凝縮水供給路４が接続されている。

凝縮水供給路４は、凝縮水タンク３内の凝縮水の純水化処理を行って燃料電池の蒸発器に供給するための配管経路であって、この凝縮水供給路４には凝縮水タンク３内の凝縮水を燃料電池に向けて圧送するための純水ポンプ１７と、凝縮水を純水化処理するためのイオン交換膜（図示せず）を内蔵するイオン交換膜タンク１８と、蒸発器に供給される純水（純水化処理後の凝縮水）の流量を検出するための純水流量センサ１９とが備えられている。なお、図において符号２０は、凝縮水タンク３への逆流を防止する逆止弁である。また、上記イオン交換膜タンク１８にはエア抜き弁２１が備えられており、凝縮水供給路４内に発生した気泡などのエアはこのエア抜き弁２１から排出されるようになっている。

上記ＦＣ制御部（制御部）５は、燃料電池ユニットＡの各部の動作を制御する制御装置であって、図示しないマイコンを制御中枢として備えている。このＦＣ制御部５には、燃料電池ユニットＡに備えられた各種センサ類（たとえば、排熱低温サーミスタ９、排熱高温サーミスタ１０、水位スイッチ１４、純水流量センサ１９など）が接続され、これらセンサ類からの検出信号が入力されるようになっている。また、このＦＣ制御部５は、図示しない通信線を介して後述する排熱貯湯ユニットＢのＥＨＵ制御部２５と通信可能に接続されており、ＥＨＵ制御部２５が取得する排熱貯湯ユニットＢ側の各種センサ類で検出される検出データやＥＨＵ制御部２５から与えられる制御信号も取得できるようになっている。そして、このＦＣ制御部５は、これら各種センサ類から入力されたデータや排熱貯湯ユニットＢのＥＨＵ制御部２５との通信よって得たデータや制御信号などに基づいて、燃料電池ユニットＡに備えられた各種制御対象機器（たとえば、燃料電池の各部や、排熱循環ポンプ８、純水ポンプ１７など）の制御を行うように構成されている（制御の詳細は後述する）。

排熱貯湯ユニットＢは、上記貯湯タンク１と、上記排熱高温配管７を貯湯タンク１をバイパスして排熱低温配管６に接続するためのバイパス配管２２と、排熱低温配管６への接続を上記バイパス配管２２または貯湯タンク１のいずれかに切り替える貯湯切替弁２３と、上記排熱低温配管６を介して熱交換器２に供給される湯水を冷却するための冷却装置（冷却手段）２４と、排熱貯湯ユニットＢの制御中枢を構成するＥＨＵ制御部２５とを主要部として備えており、これらが１つの筐体内に収容されている。また、排熱貯湯ユニットＢには、上記貯湯タンク１から供給される湯水の温度が低い時などに、当該湯水を加熱昇温するための補助熱源機（図示せず）も備えられている（なお、ここで「ＥＨＵ」とは、「排熱貯湯ユニット（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｈｅａｔ Ｕｎｉｔ）」の略称である）。

上記貯湯タンク１は、上述したように、燃料電池の排熱を回収して温水を貯湯するためのタンクであって、図示のように高さ方向に長さをもったタンクで構成されており、この貯湯タンク１の下部には上記熱交換器２の入力側に接続された排熱低温配管６が接続され、また、タンク１の上部には上記熱交換器２の出力側に接続された排熱高温配管７が接続されている。すなわち、この貯湯タンク１は、後述するように、熱交換器２で加熱昇温された高温の温水が貯湯タンク１の上部に供給されるようになっており、タンク１内がこの高温の温水で満たされるまでは、貯湯タンク１の下部からは低温の温水（湯水）が熱交換器２に供給されるようになっている。

そして、この貯湯タンク１には、その高さ方向にタンク１内の湯水の温度を検出する温度検出手段が複数配設されている。図示例では、この温度検出手段として、貯湯サーミスタ３１〜３５が配設されており、これら各貯湯サーミスタ３１〜３５の検出温度をみることで貯湯タンク１内の湯水の温度分布が検出できるようになっている。より詳細には、これら各貯湯サーミスタ３１〜３５のうち最上部に配設される貯湯サーミスタ３１は、貯湯タンク１の上端部付近（つまり、上記排熱高温配管７の接続部の近傍）に配設される。また、貯湯タンク１の最下部に配設される貯湯サーミスタ３５は、貯湯タンク１の下端付近（つまり、上記排熱低温配管６の接続部の近傍）に配設される。そして、これら以外の貯湯サーミスタ３２〜３４は、上記貯湯サーミスタ３１と３５との間にほぼ等間隔で配設される。

なお、この貯湯タンク１の容量は、当該貯湯タンク１に貯留される湯水の使用用途（具体的には、たとえば、給湯だけでの使用か、あるいは、給湯以外にも風呂の追い焚きや温水暖房などの熱交換器の１次側の熱媒としても使用するか）などに応じて適宜設定されるが、一般的には、１００〜６００リットル程度とされる。

上記バイパス配管２２は、後述する強制的な水自立動作を行うときなどに、貯湯タンク１を通さずに上記排熱高温配管７から供給される湯水を排熱低温配管６に接続するための配管であって、このバイパス配管２２と排熱低温配管６との接続部には上記貯湯切替弁２３が備えられている。この貯湯切替弁２３は三方弁で構成されており、流路を貯湯タンク１側に切り替えると、熱交換器２から出力された湯水は排熱高温配管７、貯湯タンク１、排熱低温配管６の経路をたどって熱交換器２に循環するようになる一方、流路をバイパス配管２２側に切り替えると、熱交換器２から出力された湯水は排熱高温配管７、バイパス配管２２、排熱低温配管６の経路をたどって貯湯タンク１を通らずに熱交換器２に循環するようになる。

冷却装置２４は、上記バイパス配管２２と同様に強制的な水自立動作を行うときに使用するもので、上記排熱低温配管６において上記貯湯切替弁２３の下流側に配置されており、排熱低温配管６内の湯水を冷却できるようになっている。本実施形態では、この冷却装置２４には、空冷用のファンを備えた放熱器（ラジエータ）が用いられている。なお、符号３６は、冷却装置２４に流れ込む湯水の温度を検出する放熱器入口側サーミスタ３６である。

また、このほか、排熱貯湯ユニットＢの排熱低温配管６には、燃料電池ユニットＡの熱交換器２に供給する湯水の温度を検出する排熱貯湯ユニットＢ側の排熱低温サーミスタ３７（第２の温度検出手段）が備えられており、さらに、排熱貯湯ユニットＢ内の排熱高温配管７には、燃料電池ユニットＡの熱交換器２から出力される湯水の温度を検出する排熱貯湯ユニットＢ側の排熱高温サーミスタ３８が備えられている。

なお、本実施形態では、このように燃料電池ユニットＡおよび排熱貯湯ユニットＢの双方に、それぞれ熱交換器２に供給される湯水の温度を検出する排熱低温サーミスタ９，３７と、熱交換器２から出力される温水の温度を検出する排熱高温サーミスタ１０，３８とを設けた場合を示したが、これら排熱低温サーミスタおよび排熱高温サーミスタは燃料電池ユニットＡまたは排熱貯湯ユニットＢのいずれか一方にだけ設けられるように構成されていてもよい。

ＥＨＵ制御部２５は、排熱貯湯ユニットＢの各部の動作を制御する制御装置であって、図示しないマイコンを制御中枢として備えている。このＥＨＵ制御部２５には、排熱貯湯ユニットＢに備えられた各種センサ類（たとえば、貯湯サーミスタ３１〜３５、放熱器入口側サーミスタ３６、排熱低温サーミスタ３７、排熱高温サーミスタ３８など）が接続され、これらセンサ類からの検出信号が入力されるようになっている。また、このＥＨＵ制御部２５は、図示しない通信線を介して前述の燃料電池ユニットＡのＦＣ制御部５と通信接続されており、ＦＣ制御部５との間でデータや制御信号の送受信ができるようになっている。そして、このＥＨＵ制御部２５は、これら各種センサ類から入力されたデータや燃料電池ユニットＡのＦＣ制御部５との通信よって得たデータなどに基づいて、排熱貯湯ユニットＢに備えられた各種制御対象機器（たとえば、補助熱源機や、貯湯切替弁２３、冷却装置２４など）の制御を行うように構成されている（制御の詳細は後述する）。

しかして、このように構成された排熱回収装置では、燃料電池の発電に伴う排熱の回収と凝縮水の生成は以下のようにして行われる。

すなわち、本実施形態に示す排熱回収装置では、ＦＣ制御部５が燃料電池の発電を開始させると、ＦＣ制御部５は、ＥＨＵ制御部２５との通信によって貯湯サーミスタ３５の検出温度を取得し、この検出温度と予め設定された所定温度Ｔとを比較して、検出温度が上記所定温度Ｔ未満である場合には排熱貯湯動作を、また、検出温度が上記所定温度Ｔ以上である場合には、凝縮水タンク３の水量が所定水量未満に低下することを条件に強制的な水自立動作を、それぞれＥＨＵ制御部２５による制御と連携して行うように構成されている。

Ａ：排熱貯湯動作
排熱貯湯動作は、熱交換器２による排熱の回収と凝縮水の生成（水自立動作）とを同時・並行して行う動作であって、この動作のときには、ＦＣ制御部５は燃料電池での発電と並行して排熱循環ポンプ８を動作させる。一方、ＥＨＵ制御部２５は、ＦＣ制御部５から排熱貯湯動作の指示を受け付けると、貯湯切替弁２３の流路を貯湯タンク１側に切り替える（図１（ａ）参照）。

これにより、排熱循環ポンプ８の動作に伴って貯湯タンク１の下部から低温（上記所定温度未満）の湯水が排熱低温配管６に供給され、熱交換器２を通る際に燃料電池の排ガスとの熱交換によって加熱昇温されて高温の温水となって排熱高温配管７を経由して貯湯タンク１の上部に供給される。そのため、この排熱貯湯動作が継続されると、貯湯タンク１内の湯水はタンク１の上層部分から順次高温の温水に置き換えられることとなる。

これに対し凝縮水は、燃料電池の排ガスが上記熱交換部２での熱交換によって冷却される際に熱交換部２の表面などに生成され、自然落下してホッパ１１で集約されて凝縮水タンク３に回収・貯留される。ここで、この凝縮水の生成量（さらには凝縮水タンク３への凝縮水の回収量）は、気温や湿度など周辺環境によっても左右されるが、貯湯タンク１から熱交換器２に供給される湯水の温度に最も大きく影響される。

図２（ａ）は、熱交換器２に供給される湯水の温度（ここでは、排熱貯湯ユニットＢの排熱低温サーミスタ３７の検出温度）と凝縮水の回収水量との関係についての実験結果を示しており、この図２（ａ）に示すように、熱交換器２に供給される湯水の温度が高くなるに伴って凝縮水の回収水量は温度に反比例して低下する関係になる。そのため、熱交換器２に供給される湯水の温度があまり高すぎると、凝縮水の生成量が燃料電池での純水使用量よりも少なくなってしまう。このようなことから、本発明の排熱回収装置では、凝縮水の生成量が、燃料電池で使用される純水使用量を下回ることなく、少なくとも純水使用量と同等（同量）以上の凝縮水が生成されるように、上記所定温度Ｔが設定される。

図２（ｂ）は、燃料電池の発電能力（発電電流）と純水の使用量との関係を示す実験結果である。この実験結果は、燃料電池として発電能力が最大８Ａの固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いた場合を示しており、この図に示されるように、発電電流と純水の使用量は比例関係にある。本実施形態に示す排熱回収装置では、このような特性を有する燃料電池において、その能力最大時（発電電流８Ａの時）に使用される純水使用量（６cc／min）を基準に、燃料電池が能力最大で発電した場合であっても凝縮水の回収水量が燃料電池での純水使用量を下回らないように（換言すれば、凝縮水タンク３の水位を低下させないように）上記所定温度Ｔを設定している。つまり、本実施形態では、少なくとも毎分６cc以上の凝縮水を生成・回収できるように、上記所定温度Ｔは４０℃に設定される。

このように、上記所定温度を４０℃に設定することによって、この排熱貯湯動作は貯湯タンク１の下部に４０℃以下の湯水が貯留している場合に行われることとなり、凝縮水タンク３には少なくとも毎分６cc以上の凝縮水が回収・貯留される。そのため、燃料電池が能力最大で発電していても、凝縮水タンク３の凝縮水が減少する（水位が低下する）ことがないようになっている。

なお、燃料電池で発電を行う場合、ＦＣ制御部５は純水ポンプ１７を動作させるので、凝縮水タンク３に貯留された凝縮水は、この純水ポンプ１７によってイオン交換樹脂膜タンク１８に圧送され、イオン交換膜タンク１８で純水化処理されて純水となって燃料電池の蒸発器に供給され、燃料の水蒸気改質に使用されている。

Ｂ：強制的な水自立動作
強制的な水自立動作は、貯湯タンク１の下部に貯留されている湯水の温度（すなわち、貯湯サーミスタ３５の検出温度）が上記所定温度Ｔ以上で、かつ、凝縮水タンク３の水位が強制的な水自立動作の開始を必要とするほど低下したときに実施される。すなわち、この強制的な水自立動作は、貯湯タンク１が高温の温水で満たされ、かつ、凝縮水タンク３の水量が少なくなったときに実施される。

具体的には、ＦＣ制御部５は、貯湯サーミスタ３５の検出温度が上記所定温度Ｔ（４０℃）以上であり、かつ、凝縮水タンク３の水位スイッチ１４ｂがオンからオフとなったときに、強制的な水自立動作の開始を決定してＥＨＵ制御部２５にその旨を伝えるようになっている。

これにより、ＥＨＵ制御部２５は、上記貯湯切替弁２３の流路をバイパス配管２２側に切り替えて貯湯タンク１をバイパスするとともに、冷却装置２４を動作させて熱交換器２に供給される湯水の温度が上記所定温度Ｔ以下になるように冷却を開始する（図１（ｂ）参照）。なお、このときＦＣ制御部５は燃料電池での発電と並行して排熱循環ポンプ８を動作させる点は排熱貯湯動作と同様である。

このようにして行われる強制的な水自立動作では、熱交換器２で加熱昇温された温水は貯湯タンク１には供給されずにバイパス配管２２を経由して冷却装置２４に供給され、冷却装置２４で冷却されて低温の湯水となって熱交換器２に供給されるので、熱交換器２での凝縮水の生成が開始される。したがって、この強制的な水自立動作を継続すると、凝縮水タンク３内の水位は徐々に上昇する。そして、凝縮水タンク３が満水（または満水近く）になると水位スイッチ１４ａがオフからオンになり、ＦＣ制御部５は、この水位スイッチ１４ａがオフからオンとなったことを条件として、強制的な水自立動作を停止し、排熱貯湯動作に復帰する。

次に、このように構成された排熱回収装置における凝縮水タンク３の水位上昇についての異常検出について説明する。

この水位上昇についての異常検出は、上記凝縮水タンク３や凝縮水供給路４のどこかに水漏れがあるなどして、上述した排熱貯湯動作や強制的な水自立動作を行っているにもかかわらず凝縮水タンク３の水位が上昇しない、あるいは水位上昇はあるがその上昇が遅いといったような水位上昇そのものの異常や、凝縮水タンク３の水位は正常に上昇しているが水位スイッチ１４のフロートが引っかかるなどして水位の上昇が検出されないといった水位検出手段の異常を、水位上昇についての異常としてまとめて検出するものである。

この水位上昇についての異常検出は、排熱回収装置が上述した排熱貯湯動作を行っている場合（すなわち、貯湯サーミスタ３５の検出温度が４０℃未満である場合）には、上述したように、本実施形態の排熱回収装置では、凝縮水タンク３に貯留される凝縮水は増えることはあっても減ることはないので、この状態で凝縮水タンク３の検出水位が凝縮水タンク３内の水量低下を示す水位として予め設定された所定の判定閾値水位未満になったことを条件として、上記ＦＣ制御部５が水位上昇についての異常（この場合の異常は、凝縮水タンク３または凝縮水供給路４に水漏れありとの異常）があると判断するように構成されている。

なお、この判定閾値水位は適宜設定可能であるが、本実施形態では、この判定閾値水位として上述した強制的な水自立動作の開始を判定する水位（すなわち、水位スイッチ１４ｂで検出する水位）を用いており、ＦＣ制御部５は、排熱貯湯動作中に水位スイッチ１４ｂがオンからオフになった場合には水位上昇について異常があると判断するようになっている。このように強制的な水自立動作の開始を判定する水位（水位スイッチ１４ｂ）を異常検出の判定閾値として用いることによって、水位スイッチ１４におけるスイッチ（検出位置）の増加が回避され、部品コストの上昇が防止される。

これに対し、排熱回収装置が上述した強制的な水自立動作を行っている場合（すなわち、貯湯サーミスタ３５の検出温度が４０℃以上であり、かつ、上記水位スイッチ１４ｂが一旦オンからオフとなった場合）には、以下の手順で水位上昇についての異常の有無が判断される。

すなわち、この判断にあたっては、ＦＣ制御部５には、予め、凝縮水タンク３について、水位スイッチ１４ｂの検出水位（第１の水位）から水位スイッチ１４ａの検出水位（第２の水位）まで水位を上昇させるのに必要となる必要水量（たとえば、本実施形態では９００ｍｌとする）のデータ（必要水量データ）を記憶させておく。また、このＦＣ制御部５には、熱交換器２に供給される湯水の温度（たとえば、排熱貯湯ユニットＢの排熱低温サーミスタ３７の検出温度）と熱交換器２で生成・回収される凝縮水の関係を示すデータ（つまり、図２（ａ）に示すデータ（凝縮水データ））と、燃料電池での発電電流と純水使用量の関係を示すデータ（つまり、図２（ｂ）に示すデータ（純水使用量データ））とを記憶させておく。

そして、強制的な水自立動作が開始された場合には、上記水位スイッチ１４ｂがオフとなってから次に水位スイッチ１４ａがオンとなるまでの間に、単位時間（たとえば、１分）ごとに凝縮水タンク３で増加する水量を演算によって予測するとともに、この予測される凝縮水増水量を積算して積算値を求める。そして、この積算値と予め記憶させておいた上記必要水量とを定期的または随時に比較することによって、水位上昇に異常がないかを判断する。つまり、積算値が必要水量に達したにもかかわらず水位スイッチ１４ａがオンになっていない場合には、凝縮水タンク３などに水漏れがあるか、あるいは、水位スイッチ１４に異常があると判断でき、水位上昇について異常があると判定する。

ここで、演算によって予測する凝縮水増水量は、少なくとも、熱交換器２の入水温度と、燃料電池の発電電流とに基づいて算出される。具体的には、熱交換器２の入水温度から予測される凝縮水回収水量と、燃料電池の発電電流から予測される純水使用量とを求め、これらの差に求めることによって凝縮水増水量の予測値を算出する。すなわち、この算出にあたって、ＦＣ制御部５は、上述した熱交換器２に供給される湯水の温度（入水温度）と熱交換器２で生成・回収される凝縮水の関係を示すデータを基にして排熱低温サーミスタ３７の検出温度から凝縮水回収水量を求めるとともに、燃料電池での発電電流と純水使用量の関係を示すデータを基にして燃料電池に対する能力指示の内容から純水使用量を求めて、これらの差を算出することで凝縮水増水量を算定する。

図３は、ＦＣ制御部における上述した凝縮水タンク３の水位上昇についての異常検出手順をフローチャートで示しており、この図に示すように、ＦＣ制御部５は、水位スイッチ１４ｂがオフであるか否かを判断し（図３ステップＳ１参照）、水位スイッチ１４ｂがオフであれば（図３ステップＳ１で「Ｙｅｓ」）、次に、貯湯サーミスタ３５が４０℃未満であるかを判断し（図３ステップＳ２参照）、このステップＳ１、Ｓ２がともに肯定的であれば、水位上昇に異常があると判断する（図３ステップＳ３参照）。

一方、水位スイッチ１４ｂがオンであった場合には（図３ステップＳ１で「Ｎｏ」）、その後に水位スイッチ１４ｂがオフとなった後に水位スイッチ１４ａがオンしていないかを判断する（図３ステップＳ４参照）。そして、このステップＳ４の判断が肯定的であれば、次に、貯湯サーミスタ３５が４０℃未満であるかを判断して（図３ステップＳ２参照）、この判断が否定的である場合には強制的な水自立動作が行われているので、水位スイッチ１４ａがオンとなるまでの間に上述した演算（予測される凝縮水増水量の積算）を行って（図３ステップＳ５、Ｓ６参照）、その積算値が上記必要水量（９００ｍｌ）以上であるかの判断を繰り返し行い（図３ステップＳ７参照）、水位スイッチ１４ａがオンする前に（図３ステップＳ５が「Ｎｏ」となる前に）、積算値が必要水量以上になれば水位上昇に異常があると判断する（図３ステップＳ３参照）。これに対して、水位スイッチ１４ａが先にオンになれば（図３ステップＳ５で「Ｎｏ」となれば）、演算をリセットする（図３ステップＳ８参照）。

このように、本発明に係る排熱回収装置では、ＦＣ制御部５は、燃料電池の発電に伴う排熱回収を行う際に、貯湯サーミスタ（温度検出手段）３５の検出温度と、水位スイッチ１４（水位検出手段）の検出水位とに基づいて、凝縮水タンク３の水位上昇について異常があるか否かを判断するように構成されているので、凝縮水タンク３や凝縮水供給路４に水漏れがある場合や、水位スイッチ１４に異常がある場合には、これらの異常を速やかに検出することができる。

そして、本実施形態に示す排熱回収装置では、このような水位上昇についての異常を検出した場合、ＦＣ制御部５は、燃料電池での発電を停止させることなく、凝縮水タンク３の水位上昇に異常がある旨を図示しないリモコンの表示部などを通じて外部に報知するように構成される。つまり、本実施形態の排熱回収装置では、凝縮水タンク３の水位スイッチ１４ｃがオフとなった場合に燃料電池を安全に停止させる処理を行うように構成されるが、水位上昇についての異常だけが検出された場合には、ユーザに修理依頼を促す異常の報知（注意喚起）だけを行い、燃料電池による発電は可能な限り（水位スイッチ１４ｃがオフとなるまで）継続するように構成されている。

なお、上述した実施形態は本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれらに限定されることなく発明の範囲内で種々の設計変更が可能である。

たとえば、上述した実施形態では、排熱回収装置を燃料電池ユニットＡと排熱貯湯ユニットＢの二つのユニットに分散配置した場合を示したが、排熱回収装置は一つのユニット内に収容されていてもよい。

また、上述した実施形態では、貯湯タンク１の湯水の温度を検出する温度検出手段として、貯湯タンク１の下部の温度を直接検出する貯湯サーミスタ３５を用いた場合を示したが、貯湯タンク１から出力される湯水の温度を検出可能な温度検出手段である排熱貯湯ユニットＢ側の放熱器入口側サーミスタ３６や排熱低温サーミスタ３７、燃料電池ユニットＡ側の排熱低温サーミスタ９などを用いて貯湯タンク１の湯水の温度を検出するように構成することも可能である。

１ 貯湯タンク（貯湯槽）
２ 熱交換器（熱交換部）
３ 凝縮水タンク（凝縮水槽）
４ 凝縮水供給路
５ ＦＣ制御部（制御部）
６ 排熱低温配管
７ 排熱高温配管
８ 排熱循環ポンプ
９ 燃料電池ユニットＡ側の排熱低温サーミスタ
１０ 燃料電池ユニットＡ側の排熱高温サーミスタ
１１ ホッパ
１４ 水位スイッチ
１７ 純水ポンプ
１８ イオン交換膜タンク
１９ 純水流量センサ
２２ バイパス配管
２３ 貯湯切替弁
２４ 冷却装置（冷却手段）
３１〜３５ 貯湯サーミスタ（温度検出手段）
３７ 排熱貯湯ユニットＢ側の排熱低温サーミスタ
３８ 排熱貯湯ユニットＢ側の排熱高温サーミスタ
Ａ 燃料電池ユニット
Ｂ 排熱貯湯ユニット

Claims (3)

1. 燃料電池の排熱を回収して貯湯する貯湯槽と、その排熱回収の熱交換部で生じる凝縮水を回収する凝縮水槽と、前記凝縮水槽に貯留される凝縮水を前記燃料電池に供給する凝縮水供給路と、制御部とを備えた排熱回収装置であって、
   前記貯湯槽の湯水の温度が所定温度以上であり、かつ、前記凝縮水槽に貯留される凝縮水の水位が所定の第１の水位より低下したときには、前記熱交換部で加熱昇温させた温水を前記貯湯槽に供給することなく冷却手段で冷却して前記熱交換部に供給する強制的な水自立動作を行うものにおいて、
   前記貯湯槽の湯水の温度を検出する温度検出手段と、前記熱交換部に供給される湯水の温度を検出する第２の温度検出手段と、前記凝縮水槽内に貯留される凝縮水の水位を検出する水位検出手段とを備え、
   前記制御部に、前記水位検出手段の検出水位を前記第１の水位から第２の水位まで上昇させるのに必要な水量を示す必要水量データと、前記熱交換部に供給される湯水の温度と熱交換部で回収される凝縮水との関係を示す凝縮水データと、前記燃料電池での発電電流と純水使用量との関係を示す純水使用量データとを備えてなり、
   前記制御部は、前記強制的な水自立動作時に、
   前記凝縮水データと前記熱交換部に供給される湯水の温度とから凝縮水回収量を求めるとともに、前記純水使用量データと燃料電池に対する能力指示の内容とに基づいて純水使用量を求め、これら凝縮水回収量と純水使用量の差から予測される凝縮水増水量を算出してその積算値を求め、
   前記予測される凝縮水増水量の積算値が、前記必要水量に達したにもかかわらず、検出水位が前記第２の水位に達していない場合、前記凝縮水槽の水位上昇について異常があると判定する
   ことを特徴とする排熱回収装置。
2. 前記制御部は、前記温度検出手段の検出温度が所定温度未満であるときに、前記凝縮水槽の検出水位が前記凝縮水槽内の水量低下を示す水位として予め設定された所定の判定閾値水位未満になったことを条件に、前記凝縮水槽の水位上昇について異常があると判断することを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
3. 前記所定温度は、前記熱交換部において生成される凝縮水の生成量が前記燃料電池で使用される純水使用量を下回ることなく少なくとも同等になるような温度に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の排熱回収装置。

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