JP6228708B1 - Fuel cell system - Google Patents
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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１A fuel cell system capable of obtaining stable tapping performance is provided. A fuel cell system includes a power generation unit that generates power in a fuel cell, and a refrigerant that heats the refrigerant by exchanging heat between the exhaust gas discharged from the fuel cell and the refrigerant. Heat is exchanged between the heating unit 19 and the external water supplied from the outside and the refrigerant W2 to heat the upper water, and the amount of heat exchange between the refrigerant W2 and the exhaust gas is changed according to the flow rate of the upper water. And a water heating unit 21 for discharging. [Selection] Figure 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。 The present invention relates to a fuel cell system capable of supplying electric power and hot water.
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）。 The following is known as a conventional fuel cell system used in a house or the like (see Patent Document 1).
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。 In a conventional fuel cell system, in order to recover heat generated during power generation, off-gas heat is recovered as hot water using a heat exchanger and stored in a refrigerant tank, and the stored hot water is used for hot water supply, heating, or the like. Things have been done. However, there has been room for improvement in order to obtain stable tapping performance.
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。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of obtaining stable hot water performance in consideration of the above facts.
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。 The fuel cell system according to claim 1 includes a power generation unit that generates power with the fuel cell, a refrigerant heating unit that heats the refrigerant by exchanging heat between the exhaust gas discharged from the fuel cell and the refrigerant, and an external Heating the water by performing heat exchange between the supplied water and the refrigerant, and changing the amount of heat exchange between the refrigerant and the water according to the flow rate of the water, A heated water discharge unit that discharges the heated fresh water, the power generation unit includes a fuel cell that generates power by supplying fuel gas and reformed water, and the refrigerant heating unit includes the exhaust gas. An exhaust heat exchanger for exchanging heat between the refrigerant and the refrigerant, a refrigerant tank for storing the refrigerant to be supplied to the exhaust heat exchanger, and the refrigerant between the refrigerant tank and the exhaust heat exchanger. A first circulation path to be circulated; and the refrigerant is circulated through the first circulation path. A water recovery heat pump, wherein the water heating unit is configured to exchange heat between the refrigerant supplied from the refrigerant tank and the external water supplied from the outside, and the refrigerant tank. A second circulation path for circulating the refrigerant to and from the water heat exchanger, a preheat pump for circulating the refrigerant in the second circulation path, and the upper heat heated by the water heat exchanger. A hot water supply path for discharging water, a flow rate sensor for measuring the flow rate of the clean water, and a control device for controlling the preheat pump according to the flow rate of the clean water measured by the flow rate sensor are provided .
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。
In the fuel cell system according to claim 1, power generation is performed by the fuel cell of the power generation unit.
In the refrigerant heating unit, heat exchange is performed between the exhaust gas discharged from the fuel cell and the refrigerant, and the refrigerant is heated.
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。 In the clean water heating unit, heat is exchanged between clean water supplied from the outside and the refrigerant to heat clean water. Further, the water heating unit can change the amount of heat exchange between the refrigerant and the water according to the flow rate of the water, and discharge the heated water, that is, hot water.
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。 In the fuel cell system according to claim 1, hot water is made by heating clean water supplied from the outside, and the heated refrigerant is not used as hot water. There is no shortage of hot water.
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。 In addition, the water heating unit can change the heat exchange amount between the refrigerant and the clean water according to the flow rate of the clean water. For example, when the clean water flow rate is large, the heat exchange amount is increased. The temperature drop of hot water can be suppressed. On the other hand, when the flow rate of clean water is small, the amount of heat exchange can be reduced to suppress the temperature rise of the hot water. Thus, in the fuel cell system according to the first aspect, the amount of heat exchange can be changed according to the flow rate of clean water, the temperature of the hot water can be kept constant, and stable hot water performance can be obtained.
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。 In the fuel cell system according to the first aspect, by supplying the fuel gas and the reforming water to the fuel cell, the fuel cell generates electric power and discharges high-temperature exhaust gas. The hot exhaust gas exchanges heat with the refrigerant in the exhaust heat exchanger. The refrigerant that performs heat exchange is stored in a refrigerant tank.
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。 By operating the heat recovery pump, the first circulation path circulates the refrigerant between the refrigerant tank and the exhaust heat exchanger, so that the refrigerant in the refrigerant tank is heated by the exhaust heat exchanger, Returning to the refrigerant tank, the temperature of the refrigerant in the refrigerant tank rises.
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。 The clean water heat exchanger performs heat exchange between the warmed refrigerant in the refrigerant tank and clean water supplied from the outside. By operating the preheating pump, the second circulation path circulates the refrigerant between the refrigerant tank and the tap water heat exchanger, so the tap water supplied from the outside is heated by the tap water heat exchanger. It is warmed and discharged from the hot water supply route and used as hot water.
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。 Here, the flow rate sensor can measure the flow rate of clean water, and the control device can control the preheat pump according to the flow rate of clean water measured by the flow rate sensor. More specifically, when the flow rate of clean water flowing into the clean water heat exchanger is large, the control device circulates a large amount of refrigerant in the second circulation path with a preheat pump, and the clean water heat exchanger. Thus, a large amount of heat exchange can be performed, and the temperature drop of the clean water discharged from the clean water heat exchanger can be suppressed.
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。 On the other hand, when the flow rate of clean water flowing into the clean water heat exchanger is small, a small amount of refrigerant is circulated to the second circulation path by the preheat pump, and a small amount of heat is exchanged by the clean water heat exchanger. The temperature rise of the clean water discharged from the clean water heat exchanger can be suppressed.
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。 Thus, in the fuel cell system according to claim 1 , the preheat pump is controlled according to the flow rate of the clean water flowing into the clean water heat exchanger, so that the clean water discharged from the clean water heat exchanger is controlled. The temperature can be kept constant, and a stable hot water performance can be obtained.
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。 Invention according to claim 2, mixed in the fuel cell system according to claim 1, provided in the hot water supply path and clean water that has been heated by the clean water supplied from the outside the tap water heat exchanger And a temperature sensor that measures the temperature of the clean water discharged from the mixing valve, and the control device is configured based on the temperature of the clean water measured by the temperature sensor. The mixing valve is controlled and supplied to the clean water heated by the clean water heat exchanger from the outside so that the temperature of the clean water discharged from the mixing valve does not exceed a preset upper limit temperature. Mix clean water before heating.
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。 In the fuel cell system according to claim 2 , the mixing valve mixes and discharges the warmed water heated by the clean water heat exchanger and the unwarmed clean water supplied from the outside. The temperature of the clean water discharged from the mixing valve is adjusted by changing the mixing ratio of warm clean water heated by the clean water heat exchanger and unwarmed clean water supplied from the outside. can do.
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。 The temperature sensor can measure the temperature of the clean water discharged from the mixing valve, and the control device controls the mixing valve based on the temperature of the clean water discharged from the mixing valve and is discharged from the mixing valve. In order to prevent the temperature of the clean water from exceeding the preset upper limit temperature, clean water supplied from outside is mixed with clean water heated by the clean water heat exchanger.
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。 In the fuel cell system according to claim 2, when the flow rate of the clean water suddenly changes, the temperature of the clean water discharged from the mixing valve is preset when the temperature control by the control of the preheating pump is not in time. The temperature of the clean water discharged from the mixing valve can be controlled so as not to exceed the temperature. That is, in the fuel cell system according to claim 2 , main adjustment of the hot water temperature is performed by controlling the preheating pump according to the flow rate of clean water, and fine adjustment of the hot water temperature is performed by controlling the mixing valve. Can do.
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。 The invention of claim 3 is the fuel cell system according to claim 1 or claim 2, comprising a coolant temperature sensor for measuring temperature of the refrigerant in the refrigerant tank flowing into the water supply heat exchanger, The control device controls the preheating pump based on the temperature of the refrigerant measured by the refrigerant temperature sensor.
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。 In the invention according to claim 3 , the control device controls the preheating pump based on the temperature of the refrigerant in the refrigerant tank flowing into the water heat exchanger, and controls the amount of heat exchange in the water heat exchanger. Therefore, the temperature of the clean water discharged from the clean water heat exchanger can be kept constant, and a stable tapping performance can be obtained.
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。 As described above, according to the fuel cell system of the present invention, there is an excellent effect that it is possible to obtain stable tapping performance.
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。 Hereinafter, a fuel cell system 10 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. The fuel cell system 10 of this embodiment is applied to a house as an example.
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。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 of this embodiment includes two units, a fuel cell unit 12 with a refrigerant tank and a backup heat source unit 14 that is separate from the fuel cell unit 12 with a refrigerant tank. ing. As an example, the fuel cell unit 12 with a refrigerant tank and the backup heat source unit 14 can be installed on a veranda or the like on a foundation formed of outdoor concrete or the like.
（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。
(Configuration of fuel cell unit with refrigerant tank)
The fuel cell unit 12 with a refrigerant tank includes a power generation unit 17 that generates power and discharges exhaust gas, a refrigerant heating unit 19 that heats the refrigerant W2 with the exhaust gas, and heats clean water with the refrigerant W2. A water heating unit 21 is provided.
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。 A fuel cell module 18 that generates power by being supplied with city gas, air (oxygen), and reforming water W1, a fuel gas pipe 20 that supplies city gas to the fuel cell module 18, and fuel gas A desulfurizer 22 provided in an intermediate portion of the pipe 20 for removing sulfur compounds contained in city gas, a reforming water tank 24 for storing reforming water W1 to be supplied to the fuel cell module 18, and reforming of the reforming water tank 24. A liquid level sensor 24A for measuring the liquid level of the quality water W1, a reforming water supply pipe 26 for connecting the reforming water tank 24 and the fuel cell module 18, and the reforming water W1 in the reforming water tank 24 as the fuel cell. A reforming water pump 28 for supplying to the module 18, a wiring 66 for transmitting the power generated by the fuel cell module 18 to the outside, and an intermediate portion of the wiring 66, which converts DC power into AC power. Nbata 68, air blower 86 is an oxidizing gas pipe 88 or the like provided has been accommodated, the power generation unit 17 is configured to include these components.
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。 Further, inside the casing 16, there are a refrigerant tank 30 for storing the refrigerant W2, an exhaust heat exchanger 31 for exchanging heat between the exhaust gas discharged from the fuel cell module 18 and the refrigerant W2, and the fuel cell module 18. A first exhaust gas pipe 32 connecting the exhaust heat exchanger 31, a second exhaust gas pipe 34 for exhausting the exhaust gas that has passed through the exhaust heat exchanger 31 to the outside of the housing 16, and generated inside the exhaust heat exchanger 31. A drain pipe 35 for discharging the generated moisture (water in the exhaust gas aggregated inside the exhaust heat exchanger 31) to the reformed water tank 24, the bottom of the refrigerant tank 30, and the exhaust heat exchanger 31 are connected. The first delivery side pipe 36 for supplying the refrigerant W2 in the refrigerant tank 30 to the exhaust heat exchanger 31, the refrigerant tank 30 and the exhaust heat exchanger 31 are connected, and the exhaust tank is connected to the upper part of the refrigerant tank 30 to exchange the exhaust heat. Passed the vessel 31 A heat recovery pump 40 provided in the first return side pipe 38 and the first delivery side pipe 36 for returning the medium W2 to the refrigerant tank 30 and sending out the refrigerant W2 in the refrigerant tank 30 to the exhaust heat exchanger 31 side; A radiator 42 which is provided in the first delivery side pipe 36 and can release the heat of the refrigerant W2 to the outside, and a radiator fan 43 which blows air to the radiator 42 are housed. The refrigerant heating unit 19 includes these components. It is comprised including.
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。 In addition, the housing 16 is connected to an upper portion of the refrigerant tank 30 and an upper water heat exchanger 44 for exchanging heat between the refrigerant W2 of the refrigerant tank 30 and the external water supplied from the outside. The second delivery side pipe 46 connecting the water and the water heat exchanger 44, the refrigerant temperature sensor 47 for measuring the temperature of the refrigerant W2 flowing into the water heat exchanger 44, and the refrigerant that has passed through the water heat exchanger 44 A second return side pipe 48 for returning W2 to the refrigerant tank 30, a preheating pump 50 for returning the refrigerant W2 to the refrigerant tank 30 provided in the second return side pipe 48, and warming supplied from the outside (water supply) The clean water that has passed through the clean water heat exchanger 44, the clean water supply pipe 52 that supplies the clean water to the clean water heat exchanger 44, the clean water branch pipe 54 branched from the intermediate portion of the clean water supply pipe 52, Supply from the hot water supply pipe 56 to be discharged and the hot water supply pipe 56 Valve 62 for mixing the warmed clean water and the unwarmed clean water supplied from the clean water branch pipe 54, and a clean water discharge pipe for discharging clean water from the mix valve 62 to the outside of the housing 16. 64, a flow rate sensor 67 for measuring the flow rate of clean water flowing through the clean water supply pipe 52, one end is downstream of the flow rate sensor 67 in the clean water supply pipe 52, and the clean water supply pipe 52 and the clean water branch pipe 54 The auxiliary branch pipe 69 is connected to the upstream side of the connecting portion and the other end is connected to the middle part of the water discharge pipe 64, and the flow rate adjusting valve 73 for preventing high-temperature hot water provided in the middle part of the auxiliary branch pipe 69. And a temperature sensor that measures the temperature of the clean water that flows through the clean water discharge pipe 64 and is supplied to the backup heat source unit 14 in the downstream of the connection portion of the clean water discharge pipe 64 with the auxiliary branch pipe 69. 77 etc. are accommodated Cage, clean water heating unit 21 is configured to include these components. In the present embodiment, the refrigerant temperature sensor 47 is attached to the second delivery side pipe 46, but may be attached to the upper part of the refrigerant tank 30.
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。 Furthermore, a control device 70 for controlling various electrical components provided in the fuel cell unit 12 with the refrigerant tank is housed in the housing 16.
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。 Here, inside the housing 16, a path through which the refrigerant W <b> 2 circulates between the refrigerant tank 30 and the exhaust heat exchanger 31, i.e., a first delivery side pipe 36 and a first return side pipe 38. One circulation path 118 is formed. Inside the housing 16, a path through which the refrigerant W <b> 2 circulates between the refrigerant tank 30 and the water heat exchanger 44, that is, a second delivery side pipe 46 and a second return side pipe 48, A circulation path 120 is formed. In addition, a hot water supply path 121 is formed in the housing 16 by a hot water supply pipe 56 and a water discharge pipe 64.
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。 A temperature sensor 65 that is connected to the control device 70 and measures the outside air temperature is provided outside the housing 16.
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。 In the present embodiment, water is used as the refrigerant W2 of the refrigerant tank 30. An opening 33 is formed in the ceiling wall 30A of the refrigerant tank 30 as a communication portion that penetrates the inside and outside of the refrigerant tank 30 and allows air to enter and exit. In addition, the refrigerant tank 30 stores the refrigerant W2 so that a space is provided in the upper portion, and the refrigerant W2 overflows from the opening 33 even when the volume of the refrigerant W2 in the tank expands due to thermal expansion. The volume of the refrigerant W2 to be injected into the refrigerant tank 30 is determined so as not to come out.
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。 As shown in FIG. 2, the fuel cell module 18 includes a reforming catalyst 72, a burner 74, and a fuel cell stack 76 as main components inside a casing 71.
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。 The reforming catalyst 72 is connected to the fuel gas pipe 20. The reforming catalyst 72 is supplied with the city gas from which the sulfur compound is adsorbed and removed by the desulfurizer 22 through the fuel gas pipe 20. The reforming catalyst 72 performs steam reforming of the supplied city gas (raw material gas) using the reformed water (condensed water) W1 supplied through the reformed water supply pipe 26.
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。 A stack exhaust gas pipe 80 to be described later is connected to the burner 74. The burner 74 burns burner gas (stack exhaust gas containing unreacted hydrogen gas) supplied through the stack exhaust gas pipe 80 and heats the reforming catalyst 72. In the reforming catalyst 72, fuel gas containing hydrogen gas is generated from the city gas (raw material gas) supplied from the desulfurizer 22. This fuel gas is supplied to a fuel electrode 78 of a fuel cell stack 76 described later through a fuel gas pipe 75.
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。 The fuel cell stack 76 is a solid oxide fuel cell stack, and has a plurality of stacked fuel cell cells 81 (only one is shown in FIG. 2). Each fuel cell 81 has an electrolyte layer 82, and a fuel electrode 78 and an air electrode 84 stacked on the front and back surfaces of the electrolyte layer 82.
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。 An oxidizing gas (air outside the casing 16) is supplied to the air electrode 84 (cathode electrode) through an oxidizing gas pipe 88 provided with an air blower 86. In the air electrode 84, as shown by the following formula (1), oxygen and electrons in the oxidizing gas react to generate oxygen ions. The oxygen ions reach the fuel electrode 78 through the electrolyte layer 82.
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２− ・・・（１）
(Air electrode reaction)
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。 On the other hand, in the fuel electrode 78, as shown by the following formulas (2) and (3), oxygen ions that have passed through the electrolyte layer 82 react with hydrogen and carbon monoxide in the fuel gas, and water (water vapor). And carbon dioxide and electrons are generated. Electrons generated at the fuel electrode 78 reach the air electrode 84 through an external circuit. Then, the electrons move from the fuel electrode 78 to the air electrode 84 in this way, whereby electric power is generated in each fuel cell 81. Further, each fuel cell 81 generates heat with the above reaction during power generation.
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ− ・・・（２）
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ− ・・・（３）
(Fuel electrode reaction)
H 2 + O 2− → H 2 O + 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。 The upstream side of the stack exhaust gas pipe 80 connected to the fuel cell stack 76 is branched into a fuel electrode exhaust gas pipe 90 and an air electrode exhaust gas pipe 92. The fuel electrode exhaust gas pipe 90 and the air electrode exhaust gas pipe 92 are divided into fuel electrodes. 78 and the air electrode 84, respectively. The fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode 78 and the air electrode exhaust gas discharged from the air electrode 84 are discharged through the fuel electrode exhaust gas tube 90 and the air electrode exhaust gas tube 92 and mixed in the stack exhaust gas tube 80. And the stack exhaust gas. This stack exhaust gas contains unreacted hydrogen gas contained in the fuel electrode exhaust gas, and is supplied to the burner 74 as burner gas as described above. The burner 74 is connected to a first exhaust pipe 32 that discharges the burner exhaust gas to the exhaust heat exchanger 31.
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。 The control device 70 is supplied with electric power from the inverter 68, and controls the reforming water pump 28, the heat recovery pump 40, the radiator fan 43, the preheating pump 50, the auxiliary water valve 60, the mixing valve 62, and the like.
（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。
(Configuration of backup heat source unit)
The backup heat source unit 14 of the present embodiment is a latent heat recovery type heat source unit that can further heat and discharge hot water supplied from the fuel cell unit 12 with a refrigerant tank. The latent heat recovery type heat source device is a type of heat source device that improves the thermal efficiency by recovering latent heat in the exhaust gas by converting the water vapor in the exhaust gas of the burner 100 to water (condensed water). As shown in FIG. 1, the hot water from the secondary heat exchanger 91, the primary heat exchanger 94, and the fuel cell unit 12 with a refrigerant tank is secondarily placed inside the first casing 93 of the backup heat source unit 14. The heat exchanger 91, the pipe 96 supplied to the primary heat exchanger 94, the burner 100 as a heating device for heating the primary heat exchanger 94, the fuel gas pipe 102 for supplying fuel gas to the burner 100, and the heat exchanger 94 are passed through. A pipe 98 for discharging hot water, a branch pipe 104 connected in the middle of the pipe 96, a mixing valve 106 connected to the pipe 98, a pipe 108 for discharging hot water from the mixing valve 106, and the temperature of the discharged hot water. A temperature sensor 109, a control device 110, and the like are provided. The control device 110 controls electrical components such as a mixing valve 106 and a flow rate adjustment valve (not shown) of fuel gas sent to the burner 100.
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。 Below the backup heat source unit 14, a drain receiver 128 is provided as a drainage facility for collecting drainage and draining it into sewage or the like. The wastewater that has flowed into the drainage receptacle 128 can be discharged into sewage or the like.
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。 In this embodiment, when drainage (condensate) is discharged from the backup heat source unit 14, the drainage can be drained to the drain receiver 128 via the drain pipe 129.
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。 The reformed water tank 24 of the present embodiment is provided with a liquid level sensor 24A, and the liquid level of the reformed water W1 stored in the reformed water tank 24 has reached a preset upper limit value. When detected by the surface level sensor 24A, the control device 70 is configured to know that the liquid level of the reforming water W1 stored in the reforming water tank 24 has reached a preset upper limit value.
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。 Further, the reforming water tank 24 of the present embodiment is connected to a drain pipe 130 having a drain pump 132 in the middle, and when the drain pump 132 is driven, the reforming water in the reforming water tank 24 is. W1 is discharged to the drain receiver 128 through the drain pipe 130. When the control device 70 determines that the liquid level of the reforming water W1 has reached a preset upper limit value, the controller 70 drives the drain pump 132 and sets the liquid level of the reforming water W1 stored in the reforming water tank 24 in advance. When the lower limit is reached, the drain pump 132 is controlled to stop the drain pump 132. As a result, surplus reforming water W1 is drained to the drain receiver 128, and the amount of reforming water W1 necessary for power generation remains.
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。 In addition, control of the drain pump 132 by the control apparatus 70 is not restricted to the example described above. For example, when the liquid level sensor 24A detects that the liquid level of the reforming water W1 stored in the reforming water tank 24 has reached a preset upper limit value, the control device 70 causes the drain pump 132 to remain in the fixed time. It may be driven to discharge a certain amount of the reforming water W1 to the drain receiver 128. In this case, instead of the liquid level sensor 24A, an upper limit detection float switch that is switched on when the liquid level of the reforming water W1 reaches a preset upper limit value can be used. In addition, the upper limit value of the float switch for detecting the upper limit value of the reforming water W1 and the lower limit detection float switch for detecting the lower limit value of the reforming water W1 are used. Is detected by the upper limit detection float switch, the control device 70 determines whether the water level of the reforming water W1 has reached the lower limit value until the lower limit detection float switch detects that the liquid level has reached the lower limit value. 132 may be driven to discharge a certain amount of the reformed water W1 to the drain receiver 128.
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。
A city gas gas supply pipe 112 is connected to the fuel gas pipe 20 of the fuel cell unit 12 with refrigerant tank and the fuel gas pipe 102 of the backup heat source unit 14.
Further, the clean water discharge pipe 64 of the fuel cell unit 12 with the refrigerant tank and the pipe 96 of the backup heat source unit 14 are connected by a connection pipe 114. Furthermore, a pipe 116 for feeding hot water toward a water device in a house is connected to the pipe 108 of the backup heat source unit 14.
（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。
(Function, effect)
Next, the operation of the fuel cell system 10 of the present embodiment will be described.
In the fuel cell system 10 according to the first embodiment, the fuel gas is supplied from the reforming catalyst 72 to the fuel electrode 78 of the fuel cell stack 76, and the air blower 86 is activated to generate the oxidizing gas from the oxidizing gas pipe 88. When air is supplied to the air electrode 84 of the fuel cell stack 76, the fuel gas and the oxidizing gas react in the fuel cell stack 76 to generate power.
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。 Along with this power generation, stack exhaust gas containing unreacted hydrogen gas is discharged from the fuel cell stack 76, and this stack exhaust gas is burned by the burner 74 as burner gas, and the burner exhaust gas is discharged from this burner 74. . The burner exhaust gas contains water vapor and is supplied to the exhaust heat exchanger 31 through the first exhaust gas pipe 32.
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。 In the exhaust heat exchanger 31, heat is exchanged between the burner exhaust gas and the refrigerant W2 supplied from the refrigerant tank 30, and the refrigerant W2 is heated and the water vapor contained in the burner exhaust gas is condensed. The condensed water (distilled water) generated in this way is recovered in the reforming water tank 24 as the reforming water W1, and the reforming water recovered in the reforming water tank 24 is supplied to the reforming water supply pipe 26. Is supplied to the reforming catalyst 72 and is used as steam for steam reforming by the reforming catalyst 72. The burner exhaust gas from which moisture has been removed in this way is discharged to the outside through the second exhaust gas pipe 34.
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。 By operating the heat recovery pump 40, the first circulation path 118 circulates the refrigerant W2 between the refrigerant tank 30 and the exhaust heat exchanger 31, so that the lower refrigerant W2 in the refrigerant tank 30 is the first refrigerant W2. 1 is supplied to the exhaust heat exchanger 31 via the delivery pipe 36 and heated by the exhaust heat exchanger 31, and then returns to the upper side of the refrigerant tank 30, whereby the temperature of the refrigerant W2 in the refrigerant tank is increased from the upper side. Gradually rise toward the bottom.
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。 The ceiling wall 30A of the refrigerant tank 30 is provided with an opening 33 that communicates the inside and the outside. Therefore, even if the refrigerant W2 in the refrigerant tank 30 expands as the temperature rises, the refrigerant W2 Since the upper air is discharged from the opening 33 to the outside, the pressure increase in the tank can be suppressed.
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。 Heated refrigerant W2 in refrigerant tank 30 can exchange heat with water supplied from the outside by water supply heat exchanger 44. By operating the preheating pump 50, the second circulation path 120 circulates the refrigerant W2 between the refrigerant tank 30 and the water heat exchanger 44, so that the water supplied from the external water supply is It is heated by the water heat exchanger 44 and warmed.
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。 The clean water heated by the clean water heat exchanger 44 is discharged to the outside of the fuel cell unit 12 with the refrigerant tank via the mixing valve 62 and the clean water discharge pipe 64. Here, the mixing valve 62 can mix and discharge the unheated clean water supplied from the external clean water to the clean water warmed by the clean water heat exchanger 44, and can also discharge the clean water heat. It is also possible to drain the clean water heated by the exchanger 44 as it is. The mixing valve 62 changes the mixing ratio between the clean water heated by the clean water heat exchanger 44 and the unwarmed clean water supplied from the external clean water based on a control signal from the control device 70. Can be discharged.
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。 Here, the flow rate sensor 67 can measure the flow rate of clean water flowing into the clean water heat exchanger 44, and the control device 70 determines the preheat pump 50 according to the flow rate of clean water measured by the flow rate sensor 67. Can be controlled. As an example, when the flow rate of clean water flowing into the clean water heat exchanger 44 is large, the control device 70 causes the preheat pump 50 to circulate a large amount of the refrigerant W2 to the second circulation path 120 so that the clean water heat A large amount of heat exchange is performed by the exchanger, and the temperature drop of the clean water discharged from the clean water heat exchanger 44 is suppressed.
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。 On the other hand, when the flow rate of clean water flowing into the clean water heat exchanger 44 is small, the circulation amount of the refrigerant W2 in the second circulation path 120 is reduced, and the heat exchange amount in the clean water heat exchanger 44 is reduced. Thus, the temperature rise of the clean water discharged from the clean water heat exchanger 44 is suppressed.
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。 As described above, in the fuel cell system 10 of the present embodiment, the preheat pump 50 is controlled according to the flow rate of the clean water flowing into the clean water heat exchanger 44, so that the top discharged from the clean water heat exchanger 44. The temperature of water can be kept constant, and stable hot water performance can be obtained. The temperature sensor 77 can measure the temperature of the clean water discharged from the mixing valve 62, and the control device 70 controls the preheating pump 50 according to the temperature of the clean water discharged from the mixing valve 62. The temperature of the clean water discharged from the clean water heat exchanger 44 can be kept constant.
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。 Further, the control device 70 controls the preheating pump 50 in accordance with the temperature of the refrigerant W2 flowing into the clean water heat exchanger 44, thereby keeping the temperature of clean water discharged from the clean water heat exchanger 44 constant. You can also.
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。 In addition, the control device 70 controls the mixing valve 62 based on the preset upper limit temperature and the temperature of the clean water discharged from the mixing valve 62 measured by the temperature sensor 77, and warms it with the clean water heat exchanger 44. It is possible to change the mixing ratio between the supplied clean water and the unwarmed clean water supplied from the external water supply. The controller 70 heats the water supplied from the outside to the water heated by the water heat exchanger 44 so that the temperature of the water discharged from the mixing valve 62 does not exceed the preset upper limit temperature. The mixing valve 62 can be controlled to mix not clean water.
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。 Thereby, when the flow rate of clean water changes suddenly and the temperature control by the control of the preheating pump 50 is not in time, the mixing amount of unheated clean water supplied from the outside by controlling the mixing valve 62 is set. By increasing, it can suppress that the hot water exceeding the upper limit temperature is discharged from the fuel cell unit 12 with the refrigerant tank to the backup heat source unit 14.
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。 Further, in the fuel cell system 10 of the present embodiment, by opening the flow rate adjustment valve 73 for preventing high-temperature hot water so that the temperature of the clean water discharged from the mixing valve 62 does not exceed a preset upper limit temperature, Unheated clean water supplied from the outside is mixed with clean water heated by the water heat exchanger 44, and high-temperature clean water exceeding the upper limit temperature is transferred from the fuel cell unit 12 with the refrigerant tank to the backup heat source unit. It is also possible to suppress the hot water from flowing out to 14.
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。 The backup heat source unit 14 is connected to the fuel tank unit 12 with the refrigerant tank when, for example, the temperature of the refrigerant W2 in the refrigerant tank 30 is low and the temperature of the clean water discharged from the clean water heat exchanger 44 is low. The supplied clean water can be further heated.
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。 The control device 110 controls the mixing valve 106 based on the hot water temperature set by a controller (not shown) provided in the house and the temperature measurement data of the hot water temperature measured by the temperature sensor 109. The hot water heated by the heat exchanger 94 and the non-warmed clean water supplied from the outside are mixed so that the temperature of the hot water supplied to the heater becomes the temperature set by the controller. Thereby, the temperature of the hot water supplied to the house can be kept at the hot water temperature set by the controller.
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。 Thus, in this embodiment, the temperature of the hot water supplied to the backup heat source unit 14 is mainly adjusted by controlling the preheating pump 50 in accordance with the flow rate of clean water measured by the flow sensor 67, and the backup heat source unit 14, the temperature of the hot water supplied to the house can be finely adjusted so as to be the hot water temperature set by the controller. In addition, the fuel cell unit 12 with the refrigerant tank can be made constant by raising the water supplied to the backup heat source unit 14 to a preset temperature. The temperature of water is low and it can suppress that the supplied clean water is further heated by the backup heat source unit 14. Thereby, the usage-amount of the fuel gas used with the burner 100 of the backup heat source unit 14 can be restrained. In addition, the backup heat source unit 14 can also be used when additionally cooking a bath in a house (not shown).
［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。
[Other Embodiments]
Although an example of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. .
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。 The refrigerant tank 30 of the above embodiment is a so-called open type tank in which an opening 33 that communicates the inside and the outside is formed in the upper part. However, the refrigerant tank 30 is not provided with the opening 33. Also, a so-called sealed tank whose inside is sealed may be used.
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。 In the fuel cell system 10 of the above embodiment, the flow sensor 67 is provided on the upstream side of the connection portion with the auxiliary branch pipe 69 in the water supply pipe 52, but the auxiliary branch pipe 69 in the water supply pipe 52 is provided. It may be provided between the connected part and the part to which the water supply branch pipe 54 is connected, and the part in the water supply pipe 52 to which the water supply branch pipe 54 is connected is exchanged with the water. The hot water supply pipe 56 may be provided, or the hot water discharge pipe 64 may be provided.
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。 In the above-described embodiment, an example in which city gas is used as the fuel gas supplied to the fuel cell stack 76 is shown, but flammable gas other than city gas such as propane gas may be used as the fuel gas.
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell system 17 Power generation part 19 Refrigerant heating part 21 Fresh water heating part 30 Refrigerant tank 31 Exhaust heat exchanger 40 Heat recovery pump 44 Fresh water heat exchanger 47 Refrigerant temperature sensor 50 Preheating pump 62 Mixing valve 67 Flow rate sensor 70 Control device 77 Temperature sensor 81 Fuel cell (fuel cell)
118 First circulation path 120 Second circulation path 121 Hot water supply path
Claims (3)
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、
燃料電池システム。 A power generation unit that generates power with a fuel cell;
A refrigerant heating unit that heats the refrigerant by exchanging heat between the exhaust gas discharged from the fuel cell and the refrigerant;
The water is heated by exchanging heat between the water supplied from the outside and the refrigerant, and the amount of heat exchange between the refrigerant and the water is changed according to the flow rate of the water. An upper water heating section for discharging the heated upper water;
Have
The power generation unit includes a fuel cell that generates power by supplying fuel gas and reformed water,
The refrigerant heating unit includes an exhaust heat exchanger that exchanges heat between the exhaust gas and the refrigerant, a refrigerant tank that stores the refrigerant to be supplied to the exhaust heat exchanger, the refrigerant tank, and the exhaust heat exchange A first circulation path that circulates the refrigerant between itself and a heat recovery pump that circulates the refrigerant in the first circulation path,
The clean water heating unit includes a clean water heat exchanger that performs heat exchange between the coolant supplied from the coolant tank and clean water supplied from the outside, and the coolant tank and the clean water heat exchanger. A second circulation path for circulating the refrigerant between, a preheating pump for circulating the refrigerant in the second circulation path, a hot water supply path for discharging the clean water heated by the clean water heat exchanger, A flow rate sensor that measures the flow rate of the clean water, and a control device that controls the preheat pump according to the flow rate of the clean water measured by the flow rate sensor.
Fuel cell system.
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１に記載の燃料電池システム。 A mixing valve provided in the hot water supply path for mixing and discharging the clean water supplied from the outside and clean water heated by the clean water heat exchanger;
A temperature sensor for measuring the temperature of the clean water discharged from the mixing valve;
With
The control device controls the mixing valve based on the temperature of the clean water measured by the temperature sensor, so that the temperature of the clean water discharged from the mixing valve does not exceed a preset upper limit temperature, 2. The fuel cell system according to claim 1 , wherein fresh water supplied from outside is mixed with the fresh water heated by the fresh water heat exchanger.
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１または請求項２に記載の燃料電池システム。 A refrigerant temperature sensor for measuring the temperature of the refrigerant in the refrigerant tank flowing into the water heat exchanger,
3. The fuel cell system according to claim 1 , wherein the control device controls the preheating pump based on a temperature of the refrigerant measured by the refrigerant temperature sensor.
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