JP6274607B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の廃熱を用いて温水を製造する燃料電池システムに関するものである。

従来、下記特許文献１に開示されるように、蒸気圧縮式のヒートポンプ（３０）を用いて、排ガス冷却器（１０）において燃料電池からのオフガス（排ガス）を冷却し、オフガス中の水分を凝縮させてその凝縮水を燃料電池へ戻すことで、外部からの補給水なしで運転できる水自立可能な燃料電池システムが知られている。

このシステムでは、同文献の図１に示されるように、ヒートポンプ（３０）は、排ガス冷却器（１０）の気相部に配置された蒸発器（３２）において、オフガスと冷媒とを熱交換してオフガスからの熱回収を図り、凝縮器（３４）において、冷媒と水とを熱交換して温水を製造する。また、同文献の図２に示されるように、排ガス冷却器（１０）と蒸発器（４２）との間に、水の循環経路（２３）を設けてもよい。さらに、同文献の図４（および図５）に示されるように、貯湯槽（２１）と電池冷却水冷却器（９）との間に水を循環させ、電池冷却水冷却器（９）から貯湯槽（２１）への温水送り路に、凝縮器（４４）を設置してもよい。その場合、循環水は、電池冷却水冷却器（９）にて加熱された後、凝縮器（４４）にてさらに加熱される。

特許第５５９３９４８号公報

従来技術において、仮に、ヒートポンプを用いずに、排ガス冷却器（１０）において、単にオフガスと水（冷却水）とを熱交換する場合、オフガスの冷却水として比較的高温の水（たとえば暖房などに用いる循環温水）を使用すると、オフガスを所望に冷却できずに、水自立を図れないおそれがある。また、ヒートポンプを用いるとしても、従来技術のように、循環水の加熱装置としての電池冷却水冷却器（９）から、温水需要箇所を備えた貯湯槽（２１）への温水送り路（つまり温水需要箇所に対する往路）に、ヒートポンプの凝縮器（４４）を設置するのでは、比較的高温の水が凝縮器に通され、凝縮器において冷媒と水との熱交換を十分に図れないおそれがある。

また、従来技術では、ヒートポンプの蒸発器（３２）において、燃料電池のオフガスとヒートポンプの冷媒とを熱交換するため（前記文献の図１）、オフガスからの酸性凝縮水により蒸発器が腐食するおそれがある。そして、蒸発器が腐食により破損すると、漏れ出した冷媒油が高温のオフガスと接触して引火するおそれもある。

ここで、前記文献の図２に示されるように、排ガス冷却器（１０）と蒸発器（４２）との間に、水の循環経路（２３）を設けても、排ガス冷却器（１０）においてオフガスと循環水とを直接接触させ、蒸発器（４２）に酸性凝縮水が通されるので、蒸発器の破損のおそれが残る。

さらに、凝縮器に通される循環水は、外部へ出湯されて飲料水とされる場合があるが、従来技術では、ヒートポンプの凝縮器（３４，４４）において、冷媒と水とを熱交換するため、水（例えば、飲用適の水道水）に残留塩素、塩化物イオン、硫酸イオンなどの腐食性因子が含まれていると、凝縮器が高温腐食により破損して、冷媒油が水に混入するおそれがある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池のオフガスを確実に冷却して水自立を実現できる燃料電池システムを提供することにある。また、ヒートポンプの蒸発器の破損を防止して、冷媒油のオフガスへの接触を防止したり、ヒートポンプの凝縮器の破損を防止して、冷媒油の循環水への混入を防止したりできる燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、循環ポンプにより温水を循環させる流路であって、ユースポイントへの温水取出部とユースポイントとしての温水熱利用部との内、一方または双方からなる温水需要箇所と、温水を加熱する加熱装置と、前記加熱装置から前記温水需要箇所へ温水を送る温水送り路と、前記温水需要箇所から前記加熱装置へ温水を戻す温水戻し路とを有し、前記加熱装置で加熱された温水が循環する循環路と、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒が循環される蒸気圧縮式のヒートポンプ回路と、燃料電池のオフガスを冷却するオフガス熱交換器および前記蒸発器が環状に接続されて循環水が循環される第一伝熱回路と、を備え、前記オフガス熱交換器では、前記燃料電池のオフガスと前記第一伝熱回路の循環水とを熱交換し、前記蒸発器では、前記第一伝熱回路の循環水と前記ヒートポンプ回路の冷媒とを熱交換し、前記凝縮器では、前記ヒートポンプ回路の冷媒と前記温水戻し路の温水とを熱交換し、前記燃料電池のオフガス廃熱を前記温水戻し路の温水に熱吸収させ、オフガスを露点温度以下に冷却することを特徴とする燃料電池システムである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記燃料電池は、水自立型の燃料電池である。また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記燃料電池は、固体酸化物形の燃料電池である。更に、請求項４に記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載の発明において、前記燃料電池は、改質器、セルスタックおよび前記オフガス熱交換器を有し、前記オフガス熱交換器において、オフガスを露点温度以下に冷却して、オフガス中の水分を凝縮させ、その凝縮水を前記改質器に再供給し、前記改質器において、原燃料と前記凝縮水を水蒸気改質反応させることにより水素を生成し、前記セルスタックにおいて、前記水素と空気中の酸素を化学反応させて発電する。

請求項１〜４に記載の発明によれば、ヒートポンプを用いて、燃料電池のオフガスを確実に冷却して、安定した水自立を実現することができる。また、循環路には、温水需要箇所から加熱装置への温水戻し路（つまり温水需要箇所に対する復路）にヒートポンプが設けられる。温水需要箇所に対する復路は、循環水が比較的低温となるので、この箇所にヒートポンプを設置することで、循環水を効率よく加熱することができる。そして、冷媒の凝縮温度を低くして、ヒートポンプの効率を高めることができる。また、燃料電池とヒートポンプとの間に第一伝熱回路を設けることで、オフガスからの酸性凝縮水がヒートポンプの蒸発器に接触することが防止される。これにより、蒸発器の腐食による破損を防止して、ヒートポンプの冷媒油と燃料電池のオフガスとの接触による引火を防止することができる。

請求項５に記載の発明は、前記温水戻し路から分岐して前記温水戻し路へ戻されるバイパス路を備え、このバイパス路に設けられた前記凝縮器おいて、前記ヒートポンプ回路の冷媒と前記温水需要箇所から前記加熱装置へ供給される温水の一部が熱交換されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。

請求項５に記載の発明によれば、循環路の循環水の一部をバイパス路に通して、ヒートポンプで加熱することができる。つまり、循環路全体の循環流量と、バイパス路の通水流量とを変えることができる。これにより、温水需要箇所における温水需要を満たしつつ、ヒートポンプ側へのバイパス路には最適流量で通水することができる。

請求項６に記載の発明は、前記オフガス熱交換器の入口側水温を第一目標温度に維持するように、前記ヒートポンプを制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。

請求項６に記載の発明によれば、オフガス熱交換器の入口側水温を第一目標温度に維持して、オフガス熱交換器においてオフガスを露点温度以下に確実に冷却することができる。これにより、オフガス中の水分を確実に凝縮して、水自立を実現することができる。

請求項７に記載の発明は、前記蒸発器の入口側水温を第二目標温度に維持するように、前記第一伝熱回路の循環水の循環流量を制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。

請求項７に記載の発明によれば、蒸発器の入口側水温を第二目標温度に維持して、ヒートポンプの運転を安定させることができる。

請求項８に記載の発明は、通水加温用熱交換器および凝縮器が環状に接続されて循環水が循環される第二伝熱回路を備え、前記オフガス熱交換器では、前記燃料電池のオフガスと前記第一伝熱回路の循環水とを熱交換し、前記蒸発器では、前記第一伝熱回路の循環水と前記ヒートポンプ回路の冷媒とを熱交換し、前記凝縮器では、前記ヒートポンプ回路の冷媒と前記第二伝熱回路の循環水とを熱交換し、前記通水加温用熱交換器では、前記第二伝熱回路の循環水と前記温水戻し路の温水とを熱交換し、前記燃料電池のオフガス廃熱を前記温水戻し路の温水に熱吸収させ、オフガスを露点温度以下に冷却することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。

請求項８に記載の発明によれば、ヒートポンプと循環路との間に第二伝熱回路を設けることで、万一、凝縮器が破損しても、循環水への冷媒油の混入を防止することができる。そのため、循環水を外部へ出湯して飲料水とする場合でも、安全性を高めることができる。

請求項９に記載の発明は、前記凝縮器の入口側水温を第三目標温度に維持するように、前記第二伝熱回路の循環水の循環流量を制御することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システムである。

請求項９に記載の発明によれば、凝縮器の入口側水温を第三目標温度に維持して、ヒートポンプの運転を安定させることができる。

さらに、請求項１０に記載の発明は、前記温水需要箇所への温水は、前記加熱装置により、５０℃以上で設定された所定温度に維持されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。

請求項１０に記載の発明によれば、加熱装置により、所定温度の温水を温水需要箇所に供給することができる。その際、循環路の循環水が５０℃以上であっても、燃料電池の水自立を実現することができる。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池のオフガスを確実に冷却して水自立を実現することができる。また、ヒートポンプの蒸発器の破損を防止して、冷媒油のオフガスへの接触を防止したり、ヒートポンプの凝縮器の破損を防止して、冷媒油の循環水への混入を防止したりすることもできる。

本発明の燃料電池システムの実施例１を示す概略図である。 本発明の燃料電池システムの実施例２を示す概略図である。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の燃料電池システム１の実施例１を示す概略図である。
本実施例の燃料電池システム１は、温水を循環させる循環路２と、この循環路２に設けられて循環水を加熱する加熱装置３と、第一伝熱回路４を介して燃料電池５の廃熱をくみ上げて循環路２の循環水を加熱する蒸気圧縮式のヒートポンプ６とを備える。

循環路２は、循環ポンプ７により温水を循環させる流路である。循環路２には、ユースポイントへの温水取出部８とユースポイントとしての温水熱利用部（図示省略）との内、一方または双方からなる温水需要箇所９が設けられている。図示例では、循環路２には、温水取出部８のみが設けられているが、これに代えてまたはこれに加えて、温水熱利用部が設けられてもよい。

温水取出部８からの温水のユースポイント（出湯部）は、特に問わないが、たとえば、家庭用の燃料電池システム１の場合、カラン、シャワーまたは浴槽などとされ、業務用の燃料電池システム１の場合、各種温水利用機器（たとえば厨房での出湯部）とされる。一方、温水熱利用部となるユースポイント（放熱部）も、特に問わないが、たとえば、家庭用の燃料電池システム１の場合、暖房用室内機とされ、業務用の燃料電池システム１の場合、吸着式冷凍機（吸着材再生用熱源）とされる。

循環路２には、前述したとおり、循環ポンプ７が設けられる。循環ポンプ７を作動させると、循環ポンプ７の吐出口から吐出された温水は、循環路２を介して循環ポンプ７の吸込口へ戻される。また、循環路２の中途に設けた一または複数の温水取出部８から、所望により適宜の配管を介して各種のユースポイントへ温水を取り出すことができる。すなわち、ユースポイントの出湯口が開けられると、その出湯口から外部へ出湯することができる。一方、循環路２に温水熱利用部が設けられる場合、循環ポンプ７を作動させると、循環ポンプ７と温水熱利用部との間で温水を循環させることができる。

循環ポンプ７は、典型的には、常時運転を継続する。但し、循環ポンプ７の発停を、ヒートポンプ６の発停と連動させてもよい。

循環路２には、加熱装置３が設けられる。加熱装置３は、図示例では、循環ポンプ７の一次側（温水需要箇所９よりも下流で循環ポンプ７よりも上流側）に設けられるが、循環ポンプ７の二次側（循環ポンプ７よりも下流で温水需要箇所９よりも上流側）に設けられてもよい。

加熱装置３は、循環路２内の循環水を加熱する装置であり、その構成を特に問わないが、たとえば、バーナ、電気ヒータまたは蒸気ヒータから構成される。本実施例では、加熱装置３は、循環ポンプ７の作動中（つまり循環路２に循環水を循環中）に作動する。また、加熱装置３は、その出口側水温を設定温度に維持するように制御される。これにより、温水需要箇所９に設定温度の温水を供給することができる。なお、加熱装置３は、循環水の貯留タンクを備え、その貯留タンク内の貯留水を設定温度に維持するよう制御されてもよい。

循環路２には、好ましくはさらに、膨張タンク（図示省略）が設けられる。膨張タンクは、周知のとおり、循環路２内の循環水の体積変化を吸収する装置であり、循環水を大気開放する開放式でもよいし、大気開放することなく循環水の体積変化を吸収する機構を内蔵した密閉式でもよい。循環路２に膨張タンクを設けることで、循環水の温度変化に伴う体積変化を、膨張タンクで吸収することができる。

循環路２には、給水路１０が接続される。給水路１０は、図示例では、循環路２の内、加熱装置３の一次側（循環路２の内、後述するバイパス路１１との合流部Ｘよりも下流で加熱装置３よりも上流側）に接続される。但し、給水路１０は、その接続箇所を特に問わず、たとえば、循環路２の内、バイパス路１１との分岐部Ｙよりも上流で温水需要箇所９よりも下流側に接続されてもよい。その場合、給水路１０を介した給水中、バイパス路１１には比較的低温の水（常温水）が供給され、ヒートポンプ６からの吸熱を効率よく図ることができる。

給水路１０には、給水ポンプ１２が設けられている。温水取出部８からの出湯時、その出湯分に対応した量の補給水が、給水路１０から循環路２に供給される。給水ポンプ１２は、典型的には、常時運転を継続する。但し、給水ポンプ１２は、場合により、循環路２への給水必要時にのみ作動するよう制御されてもよい。たとえば、給水ポンプ１２は、二次側（出口側つまり循環路２側）の圧力を所定圧力に維持するように、オンオフ制御またはインバータ制御されてもよい。この場合、循環路２の温水取出部８からユースポイントへの出湯がなされると、給水ポンプ１２の二次側の圧力が下がるので、それを検知して給水ポンプ１２を作動させる。そして、温水取出部８からユースポイントへの出湯がなくなると、給水ポンプ１２の二次側の圧力が高まるので、それを検知して給水ポンプ１２を停止させる。

循環路２には、さらに、バイパス路１１が設けられる。バイパス路１１は、循環路２の内、温水需要箇所９よりも下流で加熱装置３よりも上流側（つまり温水需要箇所９から加熱装置３への温水戻し路２ａ）に設けられ、温水戻し路２ａから分岐してそれより下流の温水戻し路２ａへ戻される流路である。本実施例では、バイパス路１１には、温水需要箇所９から加熱装置３への温水の一部が通され、後述するようにヒートポンプ６で加熱される。つまり、温水需要箇所９からの温水は、一部がバイパス路１１を介して加熱装置３へ送られ、残部がバイパス路１１を介さずに加熱装置３へ送られる。

バイパス路１１には、所望により、送水ポンプ１３を設けたり、流量調整弁を設けたりしてもよい。送水ポンプ１３は、ヒートポンプ６または循環ポンプ７と連動して発停させればよい。また、所望により、バイパス路１１の送水ポンプ１３をインバータ制御したり、バイパス路１１の流量調整弁の開度を調整したりして、たとえばヒートポンプ６を通過後の水温を設定温度に維持するように、バイパス路１１の通水流量を調整してもよい。同様に、温水戻し路２ａの内、バイパス路１１との分岐部Ｙに三方弁を設けるなどして、バイパス路１１の通水流量（言い換えれば、温水需要箇所９からの温水を、バイパス路１１を介して戻すかバイパス路１１を介さずに戻すかの分配割合）を調整可能としてもよい。その他、温水戻し路２ａの内、バイパス路１１との分岐部Ｙと合流部Ｘとの間に、所望により開閉弁または逆止弁を設けて、温水需要箇所９からの温水の全量をバイパス路１１に通すようにしてもよい。

燃料電池５は、燃料電池本体１４を備え、この燃料電池本体１４は、図示しないが改質器やセルスタックなどを備える。燃料電池本体１４には、原燃料（都市ガス）Ｇ、空気Ａ、および水（改質水）Ｗが供給される。そして、周知のとおり、原燃料（メタンガスを主成分とする都市ガス）と水（水蒸気）とを改質器において水蒸気改質反応させることにより水素を生成し、その水素と空気中の酸素とをセルスタックにおいて化学反応させて発電する。発電した電気は、インバータで交流電流に変換され、各種の電気機器へ供給される。この電気機器として、ヒートポンプ６（特にその圧縮機１９）が含まれていてもよいし、循環ポンプ７などの各種ポンプが含まれていてもよい。また、燃料電池５では、発電時に熱を生じるので、その熱がヒートポンプ６の熱源とされて、循環路２の循環水の加熱に用いられる。なお、燃料電池５の種類は、特に問わない。本実施例では、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）が用いられるが、たとえば固体高分子形（ＰＥＦＣ）などを用いてもよい。

燃料電池５の廃熱として、本実施例では、燃料電池本体１４からのオフガス（排ガス）が用いられる。つまり、燃料電池５における発電時、セルスタックや改質器からはオフガスが排出されるが、そのオフガス廃熱を用いて、循環路２の循環水を加熱する。但し、これに代えてまたはこれに加えて、セルスタックの冷却器において、セルスタックからの廃熱を回収して、循環路２の循環水を加熱してもよい。

このような廃熱回収による循環水の加熱を図るために、本実施例の燃料電池システム１は、オフガス熱交換器１５を備える。オフガス熱交換器１５は、燃料電池本体１４からのオフガスとその冷却水とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器である。そのために、オフガス熱交換器１５には、燃料電池本体１４からオフガス路１６を介してオフガスが通されると共に、第一伝熱回路４の循環水がオフガスの冷却水として通される。これにより、オフガス熱交換器１５において、オフガスは循環水により冷却され、オフガス中の水分の凝縮が図られる。

オフガス熱交換器１５からのオフガスの出口側には、セパレータ１７が設けられており、オフガス熱交換器１５に通されたオフガスの気液分離が図られる。そして、気体は、外部へ排出され、凝縮水は、燃料電池本体１４への給水として、供給ポンプ１８を介して燃料電池本体１４へ再供給可能とされる。一方、オフガス熱交換器１５においてオフガスと熱交換することで加熱された第一伝熱回路４の循環水は、ヒートポンプ６の熱源として利用され、循環路２の循環水の加熱に用いられる。

ヒートポンプ６は、蒸気圧縮式のヒートポンプであり、圧縮機１９、凝縮器２０、膨張弁２１および蒸発器２２が順次環状に接続されて冷媒を循環させる。そして、圧縮機１９は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。また、凝縮器２０は、圧縮機１９からのガス冷媒を凝縮液化する。さらに、膨張弁２１は、凝縮器２０からの液冷媒を通過させることで、冷媒の圧力と温度とを低下させる。そして、蒸発器２２は、膨張弁２１からの冷媒の蒸発を図る。

つまり、ヒートポンプ６は、蒸発器２２において、冷媒が外部から熱を奪って気化する一方、凝縮器２０において、冷媒が外部へ放熱して液化することになる。これを利用して、本実施例では、ヒートポンプ６は、蒸発器２２において、第一伝熱回路４の循環水（オフガスの冷却水）から熱をくみ上げ、凝縮器２０において、循環路２の循環水（より具体的にはバイパス路１１の通水）を加熱する。

本実施例のヒートポンプ６では、圧縮機１９は、その出力を変更可能とされる。具体的には、圧縮機１９は、モータの駆動周波数ひいては回転数をインバータで変更可能とされる。また、凝縮器２０は、ヒートポンプ６の冷媒とバイパス路１１の水との間接熱交換器であり、蒸発器２２は、ヒートポンプ６の冷媒と第一伝熱回路４の循環水との間接熱交換器である。さらに、膨張弁２１は、典型的には、蒸発器２２の出口側冷媒過熱度（言い換えれば圧縮機１９の入口側冷媒過熱度）を目標過熱度に維持するように、開度調整する弁である。

ヒートポンプ６には、さらに、凝縮器２０の出口側に過冷却器を設置したり、圧縮機１９の入口側にアキュムレータを設置したり、圧縮機１９の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器２０の出口側（凝縮器２０と過冷却器との間）に受液器を設置したりしてもよい。

燃料電池５のオフガス熱交換器１５とヒートポンプ６の蒸発器２２とは、第一伝熱回路４を介して接続される。第一伝熱回路４は、燃料電池５のオフガス熱交換器１５とヒートポンプ６の蒸発器２２との間で水を循環させる。前述したとおり、オフガス熱交換器１５は、燃料電池５のオフガスと第一伝熱回路４の循環水とを混ぜることなく熱交換する。一方、蒸発器２２は、第一伝熱回路４の循環水とヒートポンプ６の冷媒とを混ぜることなく熱交換する。そして、第一伝熱回路４は、循環用ポンプ２３と循環流量調整手段（流量調整弁２４）とを備える。

循環用ポンプ２３は、図示例では、蒸発器２２からオフガス熱交換器１５への冷却水送り路４ａに設けられるが、場合により、オフガス熱交換器１５から蒸発器２２への冷却水戻し路４ｂに設けられてもよい。

循環流量調整手段は、本実施例では、流量調整弁２４から構成される。流量調整弁２４は、図示例では、オフガス熱交換器１５から蒸発器２２への冷却水戻し路４ｂに設けられるが、場合により、蒸発器２２からオフガス熱交換器１５への冷却水送り路４ａに設けられてもよい。また、循環流量調整手段は、循環用ポンプ２３の駆動周波数ひいては回転数を変更するためのインバータから構成されてもよい。つまり、循環用ポンプ２３をインバータ制御して、第一伝熱回路４の循環流量を調整してもよい。

その他、第一伝熱回路４には、蒸発器２２からオフガス熱交換器１５への冷却水送り路４ａに、第一温度センサ２５が設けられる。第一温度センサ２５は、オフガス熱交換器１５へ供給される循環水の水温を検出する。後述するように、第一温度センサ２５の検出温度に基づき、ヒートポンプ６が制御される。

また、第一伝熱回路４には、オフガス熱交換器１５から蒸発器２２への冷却水戻し路４ｂに、第二温度センサ２６が設けられる。第二温度センサ２６は、蒸発器２２へ供給される循環水の水温を検出する。後述するように、第二温度センサ２６の検出温度に基づき、流量調整弁２４の開度が調整される。

次に、本実施例の燃料電池システム１の制御（運転方法）について説明する。以下に説明する一連の制御は、図示しない制御器を用いて自動でなされる。

燃料電池５の運転中、第一伝熱回路４の循環用ポンプ２３の他、ヒートポンプ６（圧縮機１９）を作動させる。また、これに伴い、前述したとおり、循環路２の循環ポンプ７や送水ポンプ１３も作動させる。第一伝熱回路４の循環用ポンプ２３を作動させることで、燃料電池５のオフガス熱交換器１５とヒートポンプ６の蒸発器２２との間に、循環水が循環される。燃料電池５のオフガスは、オフガス路１６を介してオフガス熱交換器１５へ供給され、オフガス熱交換器１５において、第一伝熱回路４の循環水により冷却される。

オフガス熱交換器１５においてオフガスを露点温度以下に冷却して、オフガス中の水分を凝縮させ、その凝縮水を前記改質器へ再供給（つまり水自立）するには、オフガス熱交換器１５への循環水の温度が高まり過ぎるのを防止する必要がある。そこで、本実施例では、ヒートポンプ６を用いて、オフガス熱交換器１５へ供給する循環水温度を第一目標温度以下に維持する。具体的には、第一温度センサ２５の検出温度を第一目標温度（たとえば４０℃）に維持するように、ヒートポンプ６を制御する。ここでは、第一温度センサ２５の検出温度に基づき、圧縮機１９のモータの駆動周波数ひいては回転数をインバータで制御する。

一方、オフガス熱交換器１５においてオフガスと熱交換して加熱された循環水は、ヒートポンプ６の蒸発器２２に通される。ヒートポンプ６は、第一伝熱回路４の循環水から熱をくみ上げて、凝縮器２０を介して循環路２の循環水（より具体的には温水戻し路２ａに設けたバイパス路１１の通水）を加熱する。このようにして加熱された循環路２の循環水は、加熱装置３において設定温度（たとえば７０℃）に加熱されて、温水需要箇所９へ送られる。

本実施例の燃料電池システム１によれば、ヒートポンプ６を用いて、燃料電池５のオフガスを冷却することで、循環路２内の循環水が比較的高温（たとえば５０℃以上）であっても、燃料電池５の水自立を図ることができる。

また、循環路２には、温水需要箇所９から加熱装置３への温水戻し路２ａ（つまり温水需要箇所９に対する復路）にヒートポンプ６が設けられる。温水需要箇所９に対する復路は、循環水が比較的低温となるので、この箇所にヒートポンプ６を設置することで、循環水を効率よく加熱することができる。また、凝縮器２０に比較的低温の水を供給することで、冷媒の凝縮温度を低くして、ヒートポンプ６の効率を高めることができる。

ところで、温水需要箇所９として温水取出部８が存在する場合において、仮に、温水需要箇所９に対する復路ではなく往路（加熱装置３から温水需要箇所９への温水送り路２ｂ）にヒートポンプ６を設けた場合、次のようなデメリットがある。すなわち、温水取出部８の出湯温度がたとえば６０℃に設定されているとすると、加熱装置３では６０℃の温水を製造することになるが、この際、前記往路にヒートポンプ６を設置して循環水に熱吸収を行わせると、加熱装置３での加熱後にさらにヒートポンプ６で加熱することになり、温水取出部８の出湯温度が６０℃を超えてしまうおそれがある。従って、この点からも、往路ではなく復路に、ヒートポンプ６を設置する必要がある。このことは、温水需要箇所９として温水熱利用部が存在する場合も同様であり、温水熱利用部での要求温度に応えるには、温水需要箇所９に対する復路においてヒートポンプ６で加熱する必要がある。しかも、ヒートポンプ６の熱源の影響を考慮すると、温水需要箇所９に対する復路にヒートポンプ６を設けて循環水を加熱後、最終的に加熱装置３で温度調整する方が、温水需要箇所９への水温を安定させやすい。

また、本実施例の燃料電池システム１によれば、燃料電池５とヒートポンプ６との間に第一伝熱回路４を設けることで、オフガスからの酸性凝縮水がヒートポンプ６の蒸発器２２に接触することが防止される。これにより、蒸発器２２の腐食による破損を防止して、ヒートポンプ６の冷媒油と燃料電池５のオフガスとの接触による引火を防止することができる。

ところで、第二温度センサ２６の検出温度を第二目標温度（たとえば６０〜７５℃）に維持するように、流量調整弁２４の開度を調整するのがよい。これにより、蒸発器２２の入口側水温を第二目標温度に維持して、ヒートポンプ６の運転を安定させることができる。

図２は、本発明の燃料電池システム１の実施例２を示す概略図である。本実施例２の燃料電池システム１は、基本的には前記実施例１と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。また、前記実施例１と同様の点については、説明を省略する。

前記実施例１では、ヒートポンプ６の凝縮器２０において、ヒートポンプ６の冷媒と循環路２の循環水（より具体的にはバイパス路１１の通水）とを熱交換したが、本実施例２では、第二伝熱回路２７を介して熱交換させる。

第二伝熱回路２７は、ヒートポンプ６の凝縮器２０と循環路２側の通水加温熱交換器２８との間で水を循環させる。そして、凝縮器２０では、ヒートポンプ６の冷媒と第二伝熱回路２７の循環水とを熱交換し、通水加温熱交換器２８では、第二伝熱回路２７の循環水と温水戻し路２ａ側の循環水（より具体的にはバイパス路１１の通水）とを熱交換する。また、第一伝熱回路４と同様に、第二伝熱回路２７は、循環用ポンプ２９と循環流量調整手段（流量調整弁３０）とを備える。

循環用ポンプ２９は、図示例では、凝縮器２０から通水加温熱交換器２８への第一送水路２７ａに設けられるが、場合により、通水加温熱交換器２８から凝縮器２０への第二送水路２７ｂに設けられてもよい。第二伝熱回路２７の循環用ポンプ２９も、第一伝熱回路４の循環用ポンプ２３と同様に発停制御される。

循環流量調整手段は、本実施例では、流量調整弁３０から構成される。流量調整弁３０は、図示例では、通水加温熱交換器２８から凝縮器２０への第二送水路２７ｂに設けられるが、場合により、凝縮器２０から通水加温熱交換器２８への第一送水路２７ａに設けられてもよい。また、循環流量調整手段は、循環用ポンプ２９の駆動周波数ひいては回転数を変更するためのインバータから構成されてもよい。つまり、循環用ポンプ２９をインバータ制御して、第二伝熱回路２７の循環流量を調整してもよい。

第二伝熱回路２７には、通水加温熱交換器２８から凝縮器２０への第二送水路２７ｂに、第三温度センサ３１が設けられる。第三温度センサ３１は、凝縮器２０へ供給される循環水の水温を検出する。そして、第三温度センサ３１の検出温度を第三目標温度に維持するように、流量調整弁３０の開度を調整して、第二伝熱回路２７の循環水の循環流量を制御するのがよい。凝縮器２０の入口側水温を第三目標温度に維持して、ヒートポンプ６の運転を安定させることができる。

本実施例の燃料電池システム１によれば、ヒートポンプ６と循環路２との間に第二伝熱回路２７を設けることで、万一、凝縮器２０が破損しても、循環水（より具体的にはバイパス路１１の通水）への冷媒油の混入を防止することができる。これにより、循環水を外部へ出湯して飲料水とする場合でも、安全性を高めることができる。

本発明の燃料電池システム１は、前記各実施例の構成（制御を含む）に限らず、適宜変更可能である。特に、（ａ）温水取出部８および／または温水熱利用部からなる温水需要箇所９が設けられた循環路２と、（ｂ）この循環路２に設けられて循環水を加熱する加熱装置３と、（ｃ）燃料電池５の廃熱から熱をくみ上げて、温水需要箇所９から加熱装置３への温水戻し路２ａの温水を加熱する蒸気圧縮式のヒートポンプ６とを備えるのであれば、その他の構成は適宜に変更可能である。

たとえば、前記実施例１における第一伝熱回路４は、場合により省略可能である。同様に、前記実施例２における第一伝熱回路４と第二伝熱回路２７との内、一方または双方は、場合により省略可能である。

また、前記各実施例では、循環路２にバイパス路１１を設けて、そのバイパス路１１においてヒートポンプ６からの吸熱を行ったが、場合により、バイパス路１１は省略可能である。その場合、前記実施例１では、循環路２（温水戻し路２ａ）自体に凝縮器２０を設置して、その凝縮器２０で、ヒートポンプ６の冷媒と循環路２の循環水とを熱交換させればよい。同様に、前記実施例２では、循環路２（温水戻し路２ａ）自体に通水加温熱交換器２８を設置して、その通水加温熱交換器２８で、第二伝熱回路２７の循環水と循環路２の循環水とを熱交換させればよい。

さらに、前記各実施例において、循環路２もしくはそのバイパス路１１、または、第一伝熱回路４もしくは第二伝熱回路２７に、所望によりラジエータを設けてもよい。たとえば、循環路２に空冷式のラジエータを設けて、循環路２内の循環水の水温が上限温度を超えるとラジエータのファンを作動させるようにしてもよい。

その他、循環路２の循環水（給水路１０による給水）、第一伝熱回路４の循環水、および第二伝熱回路２７の循環水の内、一または複数の水は、前記各実施例では水道水（市水）を用いたが、たとえば軟水を用いてもよい。循環冷却水に軟水を用いた場合には、熱交換器の伝熱面へのスケール付着を防止することができる。

１ 燃料電池システム
２ 循環路（２ａ：温水戻し路、２ｂ：温水送り路）
３ 加熱装置
４ 第一伝熱回路（４ａ：冷却水送り路、４ｂ：冷却水戻し路）
５ 燃料電池
６ ヒートポンプ
７ 循環ポンプ
８ 温水取出部
９ 温水需要箇所
１０ 給水路
１１ バイパス路
１２ 給水ポンプ
１３ 送水ポンプ
１４ 燃料電池本体
１５ オフガス熱交換器
１６ オフガス路
１７ セパレータ
１８ 供給ポンプ
１９ 圧縮機
２０ 凝縮器
２１ 膨張弁
２２ 蒸発器
２３ 循環用ポンプ
２４ 流量調整弁
２５ 第一温度センサ
２６ 第二温度センサ
２７ 第二伝熱回路（２７ａ：第一送水路、２７ｂ：第二送水路）
２８ 通水加温熱交換器
２９ 循環用ポンプ
３０ 流量調整弁
３１ 第三温度センサ
Ａ 空気
Ｇ 原燃料
Ｗ 水
Ｘ 合流部
Ｙ 分岐部

Claims (10)

1. 循環ポンプにより温水を循環させる流路であって、ユースポイントへの温水取出部とユースポイントとしての温水熱利用部との内、一方または双方からなる温水需要箇所と、温水を加熱する加熱装置と、前記加熱装置から前記温水需要箇所へ温水を送る温水送り路と、前記温水需要箇所から前記加熱装置へ温水を戻す温水戻し路とを有し、前記加熱装置で加熱された温水が循環する循環路と、
   圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒が循環される蒸気圧縮式のヒートポンプ回路と、
   燃料電池のオフガスを冷却するオフガス熱交換器および前記蒸発器が環状に接続されて循環水が循環される第一伝熱回路と、を備え、
   前記オフガス熱交換器では、前記燃料電池のオフガスと前記第一伝熱回路の循環水とを熱交換し、
   前記蒸発器では、前記第一伝熱回路の循環水と前記ヒートポンプ回路の冷媒とを熱交換し、
   前記凝縮器では、前記ヒートポンプ回路の冷媒と前記温水戻し路の温水とを熱交換し、
   前記燃料電池のオフガス廃熱を前記温水戻し路の温水に熱吸収させ、オフガスを露点温度以下に冷却する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池は、水自立型の燃料電池である
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池は、固体酸化物形の燃料電池である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池は、改質器、セルスタックおよび前記オフガス熱交換器を有し、
   前記オフガス熱交換器において、オフガスを露点温度以下に冷却して、オフガス中の水分を凝縮させ、その凝縮水を前記改質器に再供給し、
   前記改質器において、原燃料と前記凝縮水を水蒸気改質反応させることにより水素を生成し、
   前記セルスタックにおいて、前記水素と空気中の酸素を化学反応させて発電する
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記温水戻し路から分岐して前記温水戻し路へ戻されるバイパス路を備え、
   このバイパス路に設けられた前記凝縮器おいて、前記ヒートポンプ回路の冷媒と前記温水需要箇所から前記加熱装置へ供給される温水の一部が熱交換される
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記オフガス熱交換器の入口側水温を第一目標温度に維持するように、前記ヒートポンプを制御する
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記蒸発器の入口側水温を第二目標温度に維持するように、前記第一伝熱回路の循環水の循環流量を制御する
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 通水加温用熱交換器および凝縮器が環状に接続されて循環水が循環される第二伝熱回路を備え、
   前記オフガス熱交換器では、前記燃料電池のオフガスと前記第一伝熱回路の循環水とを熱交換し、
   前記蒸発器では、前記第一伝熱回路の循環水と前記ヒートポンプ回路の冷媒とを熱交換し、
   前記凝縮器では、前記ヒートポンプ回路の冷媒と前記第二伝熱回路の循環水とを熱交換し、
   前記通水加温用熱交換器では、前記第二伝熱回路の循環水と前記温水戻し路の温水とを熱交換し、
   前記燃料電池のオフガス廃熱を前記温水戻し路の温水に熱吸収させ、オフガスを露点温度以下に冷却する
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記凝縮器の入口側水温を第三目標温度に維持するように、前記第二伝熱回路の循環水の循環流量を制御する
   ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記温水需要箇所への温水は、前記加熱装置により、５０℃以上で設定された所定温度に維持される
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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