JP6272524B1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ユニット単体の小型化やメンテナンス性の向上が図れる燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】ガス燃料を用いて発電する燃料電池モジュール２０、及び該燃料電池モジュール２０からの排熱より熱を得るための排気熱交換器３６を有する燃料電池ユニット１２と、該燃料電池ユニット１２と別体で構成され、該燃料電池ユニット１２の前記排気熱交換器３６で得られた熱を利用して加熱された上水を蓄えるタンク４８を有し、電子部品を備えた制御部を不具備なタンクユニット１３と、前記燃料電池ユニット１２及び前記タンクユニット１３と別体で構成され、前記タンク４８から供給される上水を加熱するバックアップ熱源機１４と、を備えている。【選択図】図９

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、ガス燃料を用いて発電する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この燃料電池システムは、２ユニットで構成されており、燃料電池を備えた燃料電池側筐体と、追い炊き器を備えた蓄熱側筐体とで構成されている。

特開２００８−２６２８４９号公報

燃料電池システムを複数のユニットに分ける構成としては、以下の構成が考えられる。

第一の燃料電池システムとしては、発電ユニットと貯湯ユニットとの２ユニットで構成するものが挙げられる。

例えば発電ユニットに、燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールからの排熱で伝熱媒体を加熱する熱交換器とを設ける。貯湯ユニットには、発電ユニットで加熱された伝熱媒体を蓄える貯湯タンクと、貯湯タンクの伝熱媒体を利用して加熱した上水を設定温度まで加熱するバックアップ熱源機とを設ける。

また、第二の燃料電池システムとしては、燃料電池ユニットとバックアップ熱源機との２ユニットで構成するものが挙げられる。

例えば燃料電池ユニットに、燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールからの排熱で伝熱媒体を加熱する熱交換器と、熱交換器で加熱された伝熱媒体を蓄える貯湯タンクとを設ける。バックアップ熱源機は、燃料電池ユニットで加熱された上水を設定温度まで加熱する構成とする。

そして、第三の燃料電池システムとしては、燃料電池ユニットと貯湯ユニットとバックアップ熱源機との３ユニットで構成するものが挙げられる。

例えば発電ユニットは、燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールからの排熱で伝熱媒体を加熱する熱交換器とを設ける。貯湯ユニットには、伝熱媒体を蓄える貯湯タンクと、貯湯タンクの伝熱媒体を利用して上水を加熱する熱交換器とを設ける。バックアップ熱源機は、貯湯ユニットで加熱された上水を設定温度まで加熱する構成とする。

前述した２ユニット構成の第一の燃料電池システムや第二の燃料電池システムにおいては、３ユニット構成の第三の燃料電池システムと比較して、設置場所での配管作業が少ないという利点はある。

しかし、構成するユニット単体の重量やサイズが大きくなり、運搬に手間がかかるとともに、狭小地での搬送が困難となる。また、設置場所においては、各ユニットが設置可能な空間が必要となり、設置条件に制約があるという問題が生ずる。

一方、３ユニット構成の第三の燃料電池システムは、２ユニット構成の第一の燃料電池システムや第二の燃料電池システムと比較して、ユニット単体の重量やサイズが小さいという利点はある。

しかし、総てのユニットがメンテナンスできるように各ユニットの周囲にメンテナンススペースやアクセス空間を確保しなければならないという問題が生ずる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ユニット単体の小型化やメンテナンス性の向上が図れる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本態様では、ガス燃料を用いて発電する燃料電池モジュール、及び該燃料電池モジュールからの排熱より熱を得るための排気熱交換器を有する燃料電池ユニットと、該燃料電池ユニットと別体で構成され、該燃料電池ユニットの前記排気熱交換器で得られた熱を利用して加熱された上水を蓄えるタンクを有し、電子部品を備えた制御部を不具備なタンクユニットと、前記燃料電池ユニット及び前記タンクユニットと別体で構成され、前記タンクから供給される上水を加熱するバックアップ熱源機と、を備え、給水管からの上水と前記タンクからの上水との混合比を調整して前記バックアップ熱源機へ送る混合弁が前記燃料電池ユニットに設けられ、前記タンクと前記混合弁とが継手を介して接続されている。

すなわち、燃料電池ユニットとタンクユニットとバックアップ熱源機とを別体にしたので、各ユニット単体の小型化、軽量化を図ることができる。これにより、燃料電池システムの運搬性が向上する。

また、タンクユニットから電子部品を備えた制御部が排除されているので、タンクユニットのメンテナンスが不要となる。これにより、総てのユニットに対してメンテナンスが必要となり、各ユニットの周囲にメンテナンススペースや、メンテナンス用のアクセス空間を確保しなければならない場合と比較して、配置の自由度が高まる。

そして、タンクを有したタンクユニットは、燃料電池ユニットやバックアップ熱源機と別体で構成されている。このため、用途に応じてタンクの容積が異なるタンクユニットに変更することができる。これにより、給湯需要に応じた対応が可能となる。

本態様の燃料電池システムでは、ユニット単体の小型化やメンテナンス性の向上を図りつつ、給湯需要に応じたスペック変更が可能となる。

第一実施形態に係る燃料電池システムを示す斜視図である。 第一実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。 第一実施形態の動作の一例を示すフローチャートである。 第二実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。 第二実施形態の動作の一例を示すフローチャートである。 第三実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。 第三実施形態の動作の一例を示すフローチャートである。 第四実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。 第五実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。 第六実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。

（第一実施形態）
以下、第一実施形態に係る燃料電池システムを図１及び図２を参照しつつ説明する。

この燃料電池システム１０は、図１に示したように、燃料電池ユニット１２と、タンクユニット１３と、バックアップ熱源機の一例である給湯器ユニット１４との３ユニットで構成されている。燃料電池ユニット１２は、燃料ガス及び水を用いて発電を行い、タンクユニット１３は、燃料電池ユニット１２で用いる伝熱媒体を蓄える。給湯器ユニット１４は、燃料電池ユニット１２で加熱された上水を目的の温度まで加熱して供給する。

各ユニット１２、１３、１４の筐体１２ａ，１３ａ、１４ａはそれぞれ独立しており、各ユニット１２、１３、１４は、それぞれ別体で構成されている。

燃料電池ユニット１２の筐体１２ａは、奥行より横幅が長い直方体形状に形成されている。横幅方向に位置する左側面１２ｅから右側面１２ｆまでの幅寸法をＷ１、底面１２ｇから天面１２ｈまでの高さ寸法をＨ１、正面１２ｄから背面１２ｃまでの奥行寸法をＤ１とすると、奥行寸法Ｄ１より幅寸法Ｗ１が長い（Ｄ１＜Ｗ１）。

また、筐体１２ａの右側面１２ｆは、燃料電池側メンテナンス面１２ｂを構成しており、燃料電池側メンテナンス面１２ｂは、例えばフレームにヒンジを介して固定された扉構造や、周縁部がネジで固定された取り外し可能なパネル構造が挙げられる。これにより、燃料電池側メンテナンス面１２ｂを開放することで、燃料電池ユニット１２内部のメンテナンス（保守点検）を側方から行える。

燃料電池側メンテナンス面１２ｂの上部には、排気口１５が設けられている。また、燃料電池側メンテナンス面１２ｂの下部には、配管が配索される配管部１２ｉが設けられている。

給湯器ユニット１４は、奥行より横幅が長い直方体形状に形成されており、下側を構成する下部構成部１６と、上側を構成する給湯器本体１８と備えている。下部構成部１６及び給湯器本体１８からなる給湯器ユニット１４の筐体１４ａは、横幅方向に位置する左側面１４ｅから右側面１４ｆまでの幅寸法をＷ２、底面１４ｇから天面１４ｈまでの高さ寸法をＨ２、正面１４ｄから背面１４ｃまでの奥行寸法をＤ２とすると、奥行寸法Ｄ２より幅寸法Ｗ２が長い（Ｄ２＜Ｗ２）。

給湯器本体１８の筐体１８ａの右側面（給湯器ユニット１４の右側面１４ｆの上部）は、給湯器側メンテナンス面１８ｂを構成しており、給湯器側メンテナンス面１８ｂは、例えばフレームにヒンジを介して固定された扉構造や、周縁部がネジで固定された取り外し可能なパネル構造が挙げられる。これにより、給湯器側メンテナンス面１８ｂを開放することで、給湯器本体１８内部のメンテナンス（保守点検）を側方から行える。

また、下部構成部１６の筐体１６ａの右側面（給湯器ユニット１４の右側面１４ｆの下部）も、メンテナンス面１６ｂを構成しており、このメンテナンス面１６ｂは、例えばフレームにヒンジを介して固定された扉構造や、周縁部がネジで固定された取り外し可能なパネル構造が挙げられる。これにより、メンテナンス面１６ｂを開放することで、例えば給湯器本体１８に接続された配管のメンテナンス（保守点検）を側方から行える。

一方、タンクユニット１３は、メンテナンスが不要であり、タンクユニット１３の筐体１３ａには、メンテナンス面が設定されていない。

燃料電池システム１０の燃料電池ユニット１２は、図２に示すように、発電を行う燃料電池の一例である燃料電池モジュール２０を備えている。燃料電池モジュール２０は、ガス供給路２１を介して、ガス継手２２に接続されており、ガス継手の２２には、ガス供給管２４が接続されている。

ガス供給管２４は、ガス本管に接続されており、ガス供給管２４には、炭化水素原料の一例であるメタンを主成分とする都市ガスが供給される。ガス供給路２１には、脱硫部２６が設けられており、都市ガスに含まれた硫黄分や硫黄化合物が脱硫部２６で除去されて燃料電池モジュール２０に供給される。

また、燃料電池モジュール２０は、供給ポンプ２８を有する改質水流入路３０を介して貯留槽３２に接続されており、燃料電池モジュール２０には、貯留槽３２に貯留された改質水が供給ポンプ２８で供給される。この燃料電池モジュール２０は、都市ガスと改質水とを改質反応させて水素を生成する水素生成部（改質器）を備えている（図示省略）。

燃料電池モジュール２０には、水素生成部での改質反応促進の為に利用した燃焼排ガスを排出する排出路３４が接続されている。排出路３４には、排気熱交換器３６が設けられており、排気熱交換器３６より下流側が貯留槽３２に接続されている。燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスは、排気熱交換器３６で冷却され、含有した水蒸気が凝縮される。これにより、燃焼排ガスは、水とガスとに分けられ、水は貯留槽３２へ送られて改質水として再利用される。また、ガスは、燃料電池側メンテナンス面１２ｂの排気口１５より排気される（図１参照）。

貯留槽３２には、排水ポンプ１００を有した排水路１０２が接続されており、排水路１０２は、排水継手１０２ａに接続された排水管１０４を介して下水道に接続されている。排水ポンプ１００は、貯留槽３２の水が所定量以上になった際に作動し、貯留槽３２内の水を、排水管１０４を介して下水道に排出する。

燃料電池モジュール２０は、水素生成部で生成した水素を利用して発電を行う燃料電池スタックを有する発電部（図示省略）を備えている。燃料電池モジュール２０の発電部からの電力は、インバーター回路３８によって交流に変換された後、接続端子４０ａに接続された供給線９２ａを介して外部へ供給される。

排気熱交換器３６には、伝熱媒体５０を排気熱交換器３６と貯湯タンク４８との間で循環させる熱回収循環路４２が接続されている。排気熱交換器３６と貯湯タンク４８とを接続する熱回収循環路４２の一方の流路である第一流路４２ａには、熱回収ポンプ４４及びラジエータ４６が設けられている。この第一流路４２ａのラジエータ４６より上流側は、継手４２ｂ、４２ｄ及び配管４２ｃを介して貯湯タンク４８に接続されている。貯湯タンク４８には、伝熱媒体５０が貯留されており、伝熱媒体５０としては、一例として水が使用されている。

この第一流路４２ａは、貯湯タンク４８の下部に接続されており、貯湯タンク４８の下部に貯留した伝熱媒体５０が優先的に排気熱交換器３６へ送られる。貯湯タンク４８から熱回収循環路４２の第一流路４２ａに供給された伝熱媒体５０は、ラジエータ４６で冷却された後、熱回収ポンプ４４によって排気熱交換器３６へ送られる。なお、ラジエータ４６は、供給される伝熱媒体５０が高温の際など必要に応じてファンモータが作動する。

貯湯タンク４８から第一流路４２ａを介して排気熱交換器３６へ送られた伝熱媒体５０は、熱回収循環路４２の他方の流路である第二流路４２ｅを介して貯湯タンク４８に戻される。第二流路４２ｅは、継手４２ｆ、４２ｈ及び配管４２ｇを介して貯湯タンク４８の上部に接続されている。燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスの熱は、排気熱交換器３６によって伝熱媒体５０へ移動され、この熱で加熱された伝熱媒体５０は、貯湯タンク４８の上部に戻される。

タンクユニット１３の貯湯タンク４８に貯留された伝熱媒体５０は、熱回収循環路４２と異なる供給循環路５８を介して、燃料電池ユニット１２に設けられた上水熱交換器５４に供給される。これにより、貯湯タンク４８の伝熱媒体５０は、熱供給循環路５８に設けられた上水熱交換器５４及び予熱ポンプ５６を介して貯湯タンク４８へ戻される。なお、予熱ポンプ５６は、貯湯タンク４８の伝熱媒体５０の熱を利用する際に作動する。

本実施形態では、上水熱交換器５４の下流側に予熱ポンプ５６を配置した場合について説明するが、これに限定されるものではない。例えば、上水熱交換器５４の上流側に予熱ポンプ５６を配置してもよく、以下の実施形態も同様とする。

熱供給循環路５８の上流側の第一流路５８ａは、継手５８ｂ、５８ｄ及び配管５８ｃを介して貯湯タンク４８の上部に接続されており、貯湯タンク４８の上部に貯留された伝熱媒体５０が優先的に上水熱交換器５４へ供給される。熱供給循環路５８の下流側の第二流路５８ｅは、継手５８ｆ、５８ｈ及び配管５８ｇを介して、貯湯タンク４８の下部に接続されており、上水熱交換器５４で熱が奪われた伝熱媒体５０は、貯湯タンク４８の下部側に戻される。

上水熱交換器５４には、流入側分岐点６０ａを有する流入路６０が接続されている。流入路６０は、入側管継手６２に接続されている。入側管継手６２は、例えば水道管の給水管６４に接続されており、流入路６０には、上水が供給される。

上水熱交換器５４には、流出路６６が接続されている。流出路６６には、流出側分岐点６６ａが設けられており、流出側分岐点６６ａには、補水弁６８を有した補水路７０が接続されている。補水路７０は、熱供給循環路５８の第一流路５８ａに接続されており、補水弁６８を開作動することで、上水を伝熱媒体５０として、上水熱交換器５４の上流側から貯湯タンク４８へ供給することができる。

流出路６６の流出側分岐点６６ａの下流には、混合弁７２が設けられている。混合弁７２は、バイパス路７４を介して流入側分岐点６０ａに接続されている。混合弁７２は、流入路６０からの上水と上水熱交換器５４からの上水とを混合する弁であり、例えば流出温が予め定められた設定温度となるように、流入路６０からの上水と上水熱交換器５４からの上水との混合比を調整する。

流出路６６の混合弁７２より下流側は、出側継手７６に接続されており、出側継手７６は、出湯管７８を介して、給湯器ユニット１４の入水継手８０に接続されている。

この燃料電池ユニット１２には、各ポンプ２８、４４、５６、１００やインバーター回路３８の作動を制御する制御部１１０が設けられている（制御部１１０と各ポンプ２８、４４、５６、１００との接続線は省略）。

給湯器ユニット１４のガス継手８２には、ガス供給管２４が接続されており、給湯器ユニット１４のバーナー１５０には、ガス供給管２４からの都市ガスが供給される。また、給湯器ユニット１４の給湯継手８４には、給湯管８６が接続されており、給湯管８６は、お湯が利用される給湯箇所へ配索されている。そして、給湯器ユニット１４に接続された排水管８８は、下水道に接続されている。

給湯器ユニット１４の入水継手８０には、入水路１５２が接続されており、入水路１５２は、熱交換器１５４に接続されている。熱交換器１５４は、混合弁１５６を有する給湯路１５８を介して給湯継手８４に接続されており、混合弁１５６は、バイパス路１６０を介して入水路１５２の入水側分岐点１５２ａに接続されている。混合弁１５６は、入水路１５２からの上水と熱交換器１５４からの上水とを混合する弁であり、入水路１５２からの上水と熱交換器１５４からの上水との混合比を調整する。

この給湯器ユニット１４は、制御部１６４を備えている。制御部１６４は、マイコン等を備え、マイコンは、バーナー１５０での燃焼量を調整して熱交換器１５４での上水の加熱量を制御するとともに、混合弁１５６の開度を制御する（制御部１６４とバーナー１５０や混合弁１５６等との接続線は省略）。これにより、制御部１６４のマイコンは、給湯管８６からの給湯温度が図示しないリモコンで設定された設定温度となるように制御する。

図３は、燃料電池システム１０の動作の一例を示すフローチャートであり、燃料電池ユニット１２の動作を中心に説明する。

すなわち、燃料電池ユニット１２の制御部１１０に設けられたマイコンが、内蔵のＲＯＭに記憶されたプログラムに従って動作し、メインルーチンから流量処理が呼び出されると、燃料電池モジュール２０の状態を取得して待機状態か否かを判断する（Ｓ１）。

待機状態でない場合、熱回収ポンプ４４を作動して（Ｓ２）、貯湯タンク４８に貯留された伝熱媒体５０を、貯湯タンク４８と排気熱交換器３６との間で循環し、ステップＳ４へ移行する。これにより、燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスを冷却するとともに、燃焼排ガスの熱で加熱された伝熱媒体５０を貯湯タンク４８へ戻す。

ステップＳ１において、待機状態と判断した場合、熱回収ポンプ４４を停止して（Ｓ３）、ステップＳ４へ移行する。

ステップＳ４では、上水熱交換器５４へ上水が流入するか否かを判断する。給湯器ユニット１４から給湯が行われておらず、上水が上水熱交換器５４へ流入しない場合には（Ｓ４）、予熱ポンプ５６を停止し（Ｓ５）、伝熱媒体５０の上水熱交換器５４への循環を停止してメインルーチンへ戻る。

一方、給湯器ユニット１４から給湯が行われ、上水が上水熱交換器５４へ流入する場合には（Ｓ４）、貯湯タンク４８での蓄熱の有無を判断する（Ｓ６）。このステップＳ６において、蓄熱がない場合には、予熱ポンプ５６を停止し（Ｓ５）、伝熱媒体５０の上水熱交換器５４への循環を停止してメインルーチンへ戻る。

また、ステップＳ６において、蓄熱があると判断した際には、予熱ポンプ５６を所定の出力で作動して（Ｓ７）、給湯処理を実行した後（Ｓ８）、メインルーチンへ戻る。これにより、貯湯タンク４８の伝熱媒体５０を貯湯タンク４８と上水熱交換器５４との間で循環させ、伝熱媒体５０の熱による上水の加熱を開始する。

なお、作動中の予熱ポンプ５６は、上水熱交換器５４の出口温度に基づいてフィードバック制御する。また、作動中の熱回収ポンプ４４は、排熱交換器３６の出口温度に基づいてフィードバック制御される。

次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。

すなわち、本実施形態の燃料電池システム１０では、燃料電池ユニット１２とタンクユニット１３と給湯器ユニット１４とを別体にしたので、各ユニット１２、１３、１４単体の小型化及び軽量化を図ることができる。これにより、燃料電池システム１０の運搬性が向上する。

そして、設置時には、各ユニット１２、１３、１４が小型化されているので、大型のユニットを設置する場合と比較して、狭小な場所であっても設置が可能となる。これにより、設置場所の選択範囲が広がる。

また、タンクユニット１３は、貯湯タンク４８で構成されるため、タンクユニット１３から電子部品や弁類を排除することができる。これにより、タンクユニット１３のメンテナンスが不要となり、燃料電池システム１０のメンテナンス性が向上する。また、総てのユニット１２、１３、１４に対してメンテナンスが必要となり、各ユニット１２、１３、１４の周囲にメンテナンススペースや、メンテナンス用のアクセス空間を確保しなければならない場合と比較して、燃料電池システム１０の配置の自由度が高まる。

さらに、タンクユニット１３に対して電源線の敷設が不要となる。これにより、施工が容易となる。

そして、貯湯タンク４８を有したタンクユニット１３は、燃料電池ユニット１２や給湯器ユニット１４と別体で構成されている。このため、用途に応じて貯湯タンク４８の容積が異なるタンクユニット１３に変更することができる。これにより、給湯需要に応じた対応が可能となる。

したがって、ユニット単体の小型化やメンテナンス性の向上を図りつつ、給湯需要に応じたスペック変更が可能となる。

（第二実施形態）
図４及び図５は、第二実施形態に係る燃料電池システム１０を示す図であり、第一実施形態と同一又は同等部分については、同符号を付して説明を割愛するとともに、異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、第一実施形態の熱供給循環路５８の一部が熱回収循環路４２の一部で構成されている。

すなわち、燃料電池ユニット１２の熱回収循環路４２の第二流路４２ｅの分岐点４２ｉと第一流路４２ａの接続点４２ｊとは、加熱路２００で接続されている。加熱路２００には、上水熱交換器５４と上水熱交換弁２０２と予熱ポンプ５６とが、第二流路４２ｅの分岐点４２ｉ側から順に設けられている。

これにより、この加熱路２００と、第一流路４２ａの接続点４２ｊより貯湯タンク４８側の流路と、第二流路４２ｅの分岐点４２ｉより貯湯タンク４８側の流路とによって、熱供給循環路５８が構成されている。

そして、この熱供給循環路５８の流路径を、第一流路４２ａの接続点４２ｊより排気熱交換器３６側の流路の流路径や、第二流路４２ｅの分岐点４２ｉより排気熱交換器３６側の流路の流路径より大径とする。

また、第一流路４２ａの接続点４２ｊより貯湯タンク４８側の流路径を、第一流路４２ａの接続点４２ｊより排気熱交換器３６側の流路の流路径や、第二流路４２ｅの分岐点４２ｉより排気熱交換器３６側の流路の流路径より大径とする。さらに、第二流路４２ｅの分岐点４２ｉより貯湯タンク４８側の流路径を、第一流路４２ａの接続点４２ｊより排気熱交換器３６側の流路の流路径や、第二流路４２ｅの分岐点４２ｉより排気熱交換器３６側の流路の流路径より大径とする。

図５は、本実施形態の動作の一例を示すフローチャートであり、ステップＳＣ１〜ＳＣ５は、図３に示した第一実施形態のステップＳ１〜Ｓ５に相当するので、詳細な説明は割愛する。

ステップＳＣ４において、上水が上水熱交換器５４へ流入しないと判断した際には、予熱ポンプ５６を停止し（ＳＣ５）、伝熱媒体５０の上水熱交換器５４への循環を停止する。そして、上水熱交換弁２０２を閉作動して（ＳＣ６）、排気熱交換器３６と貯湯タンク４８とを循環する伝熱媒体５０の上水熱交換器５４への流入を阻止してメインルーチンへ戻る。

一方、上水が上水熱交換器５４へ流入する場合には（ＳＣ４）、貯湯タンク４８での蓄熱の有無を判断する（ＳＣ７）。このステップＳＣ７において、蓄熱がない場合には、予熱ポンプ５６を停止し（ＳＣ５）、伝熱媒体５０の上水熱交換器５４への循環を停止する。そして、上水熱交換弁２０２を閉作動して（ＳＣ６）、排気熱交換器３６と貯湯タンク４８とを循環する伝熱媒体５０の上水熱交換器５４への流入を阻止してメインルーチンへ戻る。

また、ステップＳＣ７において、蓄熱があると判断した際には、上水熱交換弁２０２を開作動した後（ＳＣ８）、予熱ポンプ５６を作動して（ＳＣ９）、貯湯タンク４８及び排気熱交換器３６からの伝熱媒体５０を上水熱交換器５４へ流入する。

このとき、第二流路４２ｅの分岐点４２ｉより貯湯タンク４８側の流路径は、第一流路４２ａの接続点４２ｊより排気熱交換器３６側の流路の流路径や、第二流路４２ｅの分岐点４２ｉより排気熱交換器３６側の流路の流路径より大径とされている。また、熱供給循環路５８の流路径は、第一流路４２ａの接続点４２ｊより排気熱交換器３６側の流路の流路径や、第二流路４２ｅの分岐点４２ｉより排気熱交換器３６側の流路の流路径より大径とされている。このため、貯湯タンク４８からの伝熱媒体５０を優先的に加熱路２００へ流入することができる。

そして、第一流路４２ａの接続点４２ｊより貯湯タンク４８側の流路径は、第一流路４２ａの接続点４２ｊより排気熱交換器３６側の流路の流路径や、第二流路４２ｅの分岐点４２ｉより排気熱交換器３６側の流路の流路径より大径とされている。このため、加熱路２００からの伝熱媒体５０を優先的に貯湯タンク４８へ戻すことができる。

そして、第一実施形態と同様の給湯処理を行い（ＳＣ１０）、熱供給循環路５８での伝熱媒体５０の通流量を制御して、メインルーチンへ戻る。

本実施形態では、第一実施形態の作用効果に加えて、熱供給循環路５８の一部を熱回収循環路４２の一部と共用できるので、構成のシンプル化やコンパクト化を図ることができる。

そして、燃料電池ユニット１２とタンクユニット１３との間に、熱回収循環路４２を構成する配管４２ｃ、４２ｇを配索すれば、熱供給循環路５８を構成するための配管５８ｃ、５８ｇを別途配索する必要は無く、配索作業が容易となる。

（第三実施形態）
図６及び図７は、第三実施形態に係る燃料電池システム１０を示す図である。第三実施形態に係る燃料電池システム１０は、第二実施形態を変形したものであり、第二実施形態と同一又は同等部分については、同符号を付して説明を割愛するとともに、異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態では、第二実施形態の熱回収循環路４２における第二流路４２ｅの分岐点４２ｉに接続された加熱路２００が、熱回収循環路４２の第一流路４２ａにおける排気熱交換器３６の上流側で熱回収ポンプ４４の下流の接続点４２ｋに接続されている。

これにより、この加熱路２００と、第一流路４２ａの接続点４２ｋより貯湯タンク４８側の流路と、第二流路４２ｅの分岐点４２ｉより貯湯タンク４８側の流路とによって、熱供給循環路５８が構成されている。

この熱回収循環路４２には、予熱ポンプ５６の下流側に例えばチャッキ弁３００が設けられており、上水熱交換器５４からの伝熱媒体５０が排気熱交換器３６側へ流れるように構成されている。また、熱回収循環路４２における第一流路４２ａの熱回収ポンプ４４と接続点４２ｋとの間にも例えばチャッキ弁３０２が設けられており、加熱路２００からの伝熱媒体５０が熱回収ポンプ４４側へ逆流しないように構成されている。

排気熱交換器３６の下流側の流路４２ｌは、切替弁３０４の入力ポートに接続されており、切替弁３０４の第一ポートＡは、熱回収循環路４２の第二流路４２ｅに接続されている。また、切替弁３０４の第二ポートＢは、熱回収循環路４２の第一流路４２ａにおけるラジエータ４６の上流側の接続点４２ｍに接続されている。

図７は、本実施形態の動作の一例を示すフローチャートであり、ステップＳＤ１〜ＳＤ５は、図３に示した第一実施形態のステップＳ１〜Ｓ５に相当するので、詳細な説明は割愛する。

ステップＳＤ４において、上水が上水熱交換器５４へ流入しないと判断した際には、予熱ポンプ５６を停止し（ＳＤ５）、伝熱媒体５０の上水熱交換器５４への流入を停止する。そして、切替弁３０４を第一ポートＡ側へ切り替え（ＳＤ６）、排気熱交換器３６と貯湯タンク４８との間で伝熱媒体５０を循環させてメインルーチンへ戻る。

一方、上水が上水熱交換器５４へ流入する場合には（ＳＤ４）、貯湯タンク４８での蓄熱の有無を判断する（ＳＤ７）。このステップＳＤ７において、蓄熱がない場合には、予熱ポンプ５６を停止し（ＳＤ５）、伝熱媒体５０の上水熱交換器５４への循環を停止する。

また、ステップＳＤ７において、蓄熱があると判断した際には、切替弁３０４を第二ポートＢ側へ切り替え（ＳＤ８）、排気熱交換器３６から流出した伝熱媒体５０を、切替弁３０４を介して熱回収循環路４２の第一流路４２ａへ送出し、貯湯タンク４８へ戻す。

そして、予熱ポンプ５６を作動し（ＳＤ９）、貯湯タンク４８からの伝熱媒体５０を、上水熱交換器５４を介して排気熱交換器３６へ流入する。

これにより、貯湯タンク４８からの伝熱媒体５０を、熱回収循環路４２の第二流路４２ｅ、上水熱交換器５４、排気熱交換器３６、及び熱回収循環路４２の第一流路４２ａを経由して貯湯タンク４８へ戻す循環経路が形成される。この循環経路によって、貯湯タンク４８からの伝熱媒体５０の熱を、上水熱交換器５４で上水へ移動した後、上水熱交換器５４で熱が奪われた伝熱媒体５０を、排気熱交換器３６で加熱して貯湯タンク４８へ戻すことができる。

そして、第一実施形態と同様の給湯処理を行って（ＳＤ１０）、熱供給循環路５８での伝熱媒体５０の通流量を制御し、メインルーチンへ戻る。

本実施形態においても、第一実施形態の作用効果に加え、第二実施形と同様に熱供給循環路５８の一部を熱回収循環路４２の一部と共用できるので、構成のシンプル化やコンパクト化を図ることができる。

また、燃料電池ユニット１２とタンクユニット１３との間に、熱回収循環路４２を構成する配管４２ｃ、４２ｇを配索すれば、熱供給循環路５８を構成するための配管５８ｃ、５８ｇを別途配索する必要は無く、配索作業が容易となる。

（第四実施形態）
図８は、第四実施形態に係る燃料電池システム１０を示す図であり、第一実施形態と同一又は同等部分については、同符号を付して説明を割愛するとともに、異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、第一実施形態の上水熱交換器５４が給湯器ユニット１４に設けられている点が異なる。

すなわち、タンクユニット１３の貯湯タンク４８に貯留された伝熱媒体５０は、供給循環路５８を介して、給湯器ユニット１４に設けられた上水熱交換器５４に供給される。これにより、貯湯タンク４８の伝熱媒体５０は、熱供給循環路５８に設けられた上水熱交換器５４及び予熱ポンプ５６を介して貯湯タンク４８へ戻される。なお、予熱ポンプ５６は、貯湯タンク４８の伝熱媒体５０の熱を利用する際に作動する。

上水熱交換器５４には、入水側分岐点１５２ａを有する入水路１５２からの上水が供給される。上水熱交換器５４は、流出路６６を介して、熱交換器１５４に接続されている。

流出路６６には、流出側分岐点６６ａが設けられており、流出側分岐点６６ａには、補水弁６８を有した補水路７０を介して、熱供給循環路５８の第一流路５８ａに接続されている。補水弁６８を開作動することで、上水を伝熱媒体５０として、上水熱交換器５４の上流側から貯湯タンク４８へ供給することができる。

本実施形態においても、第一実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第五実施形態）
図９は、第五実施形態に係る燃料電池システム１０を示す図であり、第一実施形態と同一又は同等部分については、同符号を付して説明を割愛するとともに、異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、第一実施形態の上水熱交換器５４が廃止され、排気熱交換器３６によって貯湯タンク４８の上水を加熱する点が異なる。

燃料電池モジュール２０からの排出路３４に接続された排気熱交換器３６には、上水を排気熱交換器３６と貯湯タンク４８との間で循環させる熱回収循環路４２が接続されている。これにより、水道管の給水管６４か供給されタンクユニット１３の貯湯タンク４８に貯留された上水を、排気熱交換器３６で得られた熱を利用して加熱できるように構成されている。

そして、タンクユニット１３の貯湯タンク４８に貯留された上水は、継手４００ａ、配管４００ｂ、継手４００ｃを介して、燃料電池ユニット１２内の上水供給路４００を通流する。上水供給路４００を通流する上水は、混合弁７２、出側継手７６、及び出湯管７８を介して、給湯器ユニット１４に供給される。

混合弁７２は、流入路６０からの上水と貯湯タンク４８からの上水とを混合する弁であり、例えば流出温が予め定められた設定温度となるように、流入路６０からの上水と貯湯タンク４８からの上水との混合比を調整する。

本実施形態においても、第一実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第六実施形態）
図１０は、図９の変形例を構成する第六実施形態に係る燃料電池システム１０を示す図であり、第五実施形態と同一又は同等部分については、同符号を付して説明を割愛するとともに、異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、第五実施形態の熱回収循環路４２の一部が上水供給路４００を兼用し、上水が燃料電池ユニット１２に供給される点が異なる。

すなわち、熱回収循環路４２の第二流路４２ｅにおける接続点４２ｎには、上水供給路４００が接続されており、上水供給路４００は、混合弁７２及び出湯管７８を介して給湯器ユニット１４に接続されている。

また、水道管の給水管６４が接続された流入路６０は、熱回収循環路４２の第一流路４２ａにおける接続点４２ｏに接続されており、流入路６０の流入側分岐点６０ａに混合弁７２が接続されている。

そして、熱回収循環路４２の第二流路４２ｅでは、接続点４２ｎより貯湯タンク４８側の流路径が、接続点４２ｎより排気熱交換器３６側の流路径より太く設定されている。また、熱回収循環路４２の第一流路４２ａでは、接続点４２ｏより貯湯タンク４８側の流路径が、接続点４２ｏより排気熱交換器３６側の流路径より太く設定されている。

これにより、燃料電池モジュール２０からの排熱で貯留タンク４８の上水を加熱する際には、貯留タンク４８と排気熱交換器３６との間で上水を循環させることができる。また、給湯器ユニット１４で上水を使用する際には、貯留タンク４８に貯留された上水を、上水供給路４００及び出湯管７８を介して、給湯器ユニット１４に供給できるように構成されている。

本実施形態においても、第五実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、第五実施形態の作用効果に加え、熱回収循環路４２の一部と上水供給路４００の一部とを共用できるので、構成のシンプル化やコンパクト化を図ることができる。

また、燃料電池ユニット１２とタンクユニット１３との間に、熱回収循環路４２を構成する配管４２ｃ、４２ｇを配索すれば、上水供給路４００を構成するための配管４００ｂ及びバイパス路７４を別途配索する必要は無く、配索作業が容易となる。

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池ユニット
１３ タンクユニット
１４ 給湯器ユニット
２０ 燃料電池モジュール
３６ 排気熱交換器
４２ 熱回収循環路
４２ａ 第一流路
４２ｅ 第二流路
４８ 貯湯タンク
５０ 伝熱媒体
５４ 上水熱交換器
５６ 予熱ポンプ
５８ 熱供給循環路
５８ａ 第一流路
５８ｅ 第二流路
１１０ 制御部
２００ 加熱路
２０２ 上水熱交換弁
３０４ 切替弁
Ａ 第一ポート
Ｂ 第二ポート

Claims (1)

1. ガス燃料を用いて発電する燃料電池モジュール、及び該燃料電池モジュールからの排熱より熱を得るための排気熱交換器を有する燃料電池ユニットと、
   該燃料電池ユニットと別体で構成され、該燃料電池ユニットの前記排気熱交換器で得られた熱を利用して加熱された上水を蓄えるタンクを有し、電子部品を備えた制御部を不具備なタンクユニットと、
   前記燃料電池ユニット及び前記タンクユニットと別体で構成され、前記タンクから供給される上水を加熱するバックアップ熱源機と、
   を備え、
   給水管からの上水と前記タンクからの上水との混合比を調整して前記バックアップ熱源機へ送る混合弁が前記燃料電池ユニットに設けられ、前記タンクと前記混合弁とが継手を介して接続されている燃料電池システム。