JP6869916B2 - 家庭用燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の発電に伴って発生する熱を回収利用して湯を生成する家庭用燃料電池コージェネレーションシステムに関する。

例えば、都市ガスから取り出した水素と空気中の酸素を反応させて電気を取り出す燃料電池ユニットと、発電中に発生する熱を湯として回収して貯めておく貯湯ユニット（貯湯タンク＋給湯器）とで構成される家庭用燃料電池コージェネレーションシステムが実用化されている。そして、システムの小型化を図るために、燃料電池ユニットに貯湯タンクを内蔵し、燃料電池ユニットと給湯器で構成される家庭用燃料電池コージェネレーションシステムも実用化されている。

このような家庭用燃料電池コージェネレーションシステムでは、燃料電池ユニット内部で、発電中に発生する熱のうち、排気から回収した熱を、熱交換器を通して貯湯タンクに供給し、湯として利用している。発電時に回収する熱が、貯湯タンク内に貯めておくことができる容量を上回る、つまり貯湯タンクにおける蓄熱が満杯状態になると、うまく熱交換ができなくなるとともにドレンが不足すること等により、発電出力が低下したり、運転を停止したりするおそれがある。そのため、空気熱交換器と放熱ファンで構成される放熱器により、貯湯タンクの湯水を冷却し、冷却後の湯水を熱交換器へ供給することにより、運転を継続するようになっている。

また、更なる省スペース化やコストダウンを図るために、貯湯タンクの湯水を冷却するための放熱器を設けず、給湯器に備わる熱交換器（給気ファン）を利用して貯湯タンクの湯水を冷却するコージェネレーションシステムも開示されている（特許文献１参照）。

特開２０１３−１３４０２６号公報

しかしながら、上記のコージェネレーションシステムでは、夏季などシステムの周辺温度が著しく高い場合には、空冷式であるため冷却能力が不足して、貯湯タンクから熱交換器に供給する湯水を十分に冷却できないおそれがある。また、貯湯タンクからの湯水を冷却するために、給湯器の給気ファンが作動するため、静かな環境下（例えば夜間など）では、ファンの駆動音や風切り音などの運転音が問題になるおそれもある。

そこで、本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、熱交換器に供給する湯水を冷却する冷却性能を向上させるとともに運転音を低減することができる家庭用燃料電池コージェネレーションシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一形態は、
湯水を貯める貯湯タンクと、燃料電池を用いた発電部と、前記燃料電池からの排気ガスの熱と前記貯湯タンクから供給される湯水との間で熱交換を行う熱交換器と、前記貯湯タンクの湯水を前記熱交換器に供給するポンプとを有する家庭用燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
給水ラインから分岐して前記給水ラインに戻る分岐ラインと、
前記分岐ラインを流れる水と前記貯湯タンクから前記熱交換器に供給される湯水との間で熱交換を行う冷却用熱交換器と、
前記分岐ラインに設けられ、前記冷却用熱交換器に供給する水の流量を調整する循環ポンプと、
前記循環ポンプの回転数を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記貯湯タンクから前記熱交換器に供給される湯水の温度に応じて、前記循環ポンプの回転数を制御し、湯水の温度が高くなるにしたがって前記循環ポンプの回転数を高くしていく
ことを特徴とする。

この家庭用燃料電池コージェネレーションシステムでは、冷却用熱交換器において、貯湯タンクから熱交換器に供給される湯水が、分岐ラインを流れる水（水道水）によって冷却（熱交換）される（なお、冷却後に冷却用熱交換器から流出する水は給水ラインに戻される）。そして、制御部により、貯湯タンクから熱交換器に供給される湯水の温度に応じて循環ポンプの回転数が制御され、分岐ラインを流れる水の流量が調節される。すなわち、湯水の温度が高くなるほど循環ポンプの回転数が高くなるように制御され、分岐ラインを流れる水の流量が増加する。これにより、熱交換器に供給する湯水を十分に冷却することができる、つまり、冷却性能を向上させることができる。また、分岐ラインを流れる水によって湯水を冷却するため、ファンの作動によって発生する駆動音や風切り音が発生することがない。従って、システムの運転音を低減することもできる。

上記の家庭用燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
前記貯湯タンクから前記熱交換器に供給される湯水と周辺空気との間で熱交換を行う空気熱交換器と、前記空気熱交換器に外気を送風する放熱ファンとを含む放熱器を備える
ことが好ましい。

このような構成にすることにより、熱交換器に供給する湯水の冷却を、分岐ラインを流れる水および放熱器のどちらからも行うことができる。そのため、湯水を冷却する冷却性能をさらに向上させることができる。そして、放熱器は補助的な冷却機構となるため、従来のものよりも小型で良いので、運転音を低減することができるとともに、省スペース化やコストダウンも図ることができる。

この場合には、前記制御部は、前記循環ポンプが駆動している状態で、前記冷却用熱交換器を通過した湯水の温度が予め定めた所定温度以上になった場合に、前記放熱ファンを駆動させることが好ましい。

このような構成にすることにより、循環ポンプが駆動している状態で、冷却用熱交換器を通過した熱交湯水の温度が予め定められた所定温度以上になった場合に限って放熱ファンが駆動される。つまり、分岐ラインを流れる水によって湯水を十分に冷却することができない場合、例えば、夏季の昼間など給水温度が著しく高い場合などに限り、放熱ファンが駆動される。そして、このような環境（夏季の昼間など）では、エアコンが稼働して室外機の運転音が発生していると考えられるため、放熱ファンの駆動音や風切り音などが問題になることはほとんどない。

本発明の家庭用燃料電池コージェネレーションシステムによれば、熱交換器に供給する湯水を冷却する冷却性能を向上させるとともに運転音を低減することができる。

実施形態に係るコージェネレーションシステムの構成図である。

以下、本発明の家庭用燃料電池コージェネレーションシステムを具体化した実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１に、本実施形態の家庭用燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に「コージェネレーションシステム」という。）１の概略構成を示す。本実施形態のコージェネレーションシステム１は、燃料電池ユニット２と、給湯器３と、制御部４とを有している。

燃料電池ユニット２は、発電部２０と、熱交換器２１と、貯湯タンク２２とを備えている。発電部２０は、都市ガスと空気との供給を受けて電力を発生する燃料電池により構成されている。この発電部２０は、燃料電池スタックの他に、燃料改質器などを内蔵している。発電部２０は、燃料改質器から送られてくる水素と、ブロワ等から送られた空気中の酸素とが電気化学的に反応して、電力を発生するとともに、主として水蒸気と窒素などとからなる高温の排気ガスを排出する。

熱交換器２１は、発電部２０から排出された高温の排気ガスと、貯湯タンク２２から供給される湯水との間で熱交換を行い、湯水を昇温させて出力するとともに、排気ガスを降温させるものである。この熱交換器２１は、発電部２０から排出される排気ガスが流れる排気ガスラインＬ１と、貯湯タンク２２の湯水をポンプ２３により循環する湯水循環ラインＬ２とに跨がって設置されている。

貯湯タンク２２は、熱交換器２１から出力される湯水を貯蔵するものである。そして、貯湯タンク２２に貯められた湯水は、給水ラインＬ３から供給される水と必要に応じて混合され、給湯器３を介して需要先へ供給されるようになっている。また、貯湯タンク２２の底部に給水ラインＬ３が接続されており、給水ラインＬ３を介して貯湯タンク２２へ給水されるようになっている。

湯水循環ラインＬ２には、冷却用熱交換器２４と放熱器２５とが設けられている。これら冷却用熱交換器２４及び放熱器２５は、貯湯タンク２２から熱交換器２１に供給される湯水を冷却する(放熱させる)ための冷却機構である。

冷却用熱交換器２４は、湯水循環ラインＬ２と分岐ラインＬ４とに跨がって設置されており、分岐ラインＬ４を流れる水と貯湯タンク２２から熱交換器２１に供給される湯水との間で熱交換を行い、熱交換器２１に供給される湯水を冷却する水冷機構である。そして、湯水循環ラインＬ２には、貯湯タンク２２から熱交換器２１に供給される冷却前の湯水の温度を検出する貯湯タンク出口水温センサ４０と、冷却後の湯水の温度を検出する熱交換器入口水温センサ４１とが設けられている。これらのセンサ４０，４１で検出される温度情報は、制御部４に入力される。

ここで、分岐ラインＬ４は、給水ラインＬ３から分岐して冷却用熱交換器２４を通過して給水ラインＬ３に戻る配管である。この分岐ラインＬ４には、循環ポンプ２６が設けられており、この循環ポンプ２６によって分岐ラインＬ４を流れる水の流量が調整されるようになっている。この循環ポンプ２６は、後述するように制御部４によって制御される。そして、分岐ラインＬ４には、給水ラインＬ３から冷却用熱交換器２４に供給される水の温度を検出する分岐ライン入口水温センサ４２と、冷却用熱交換器２４から流出して給水ラインＬ３に戻される水の温度を検出する分岐ライン出口水温センサ４３とが設けられている。これらのセンサ４２，４３で検出される温度情報は、制御部４に入力される。

放熱器２５は、熱交換器２１に供給される湯水と周辺空気との熱交換を行う空気熱交換器２５ａと、空気熱交換器２５ａに外気を送り、湯水を冷却するための放熱ファン２５ｂとで構成される空冷機構である。このような放熱器２５を設けることにより、熱交換器２１に供給する湯水の冷却を、主として冷却用熱交換器２４において分岐ラインＬ４を流れる水によって行うとともに、補助的に放熱器２５によっても行うことができる。そのため、湯水を冷却する冷却性能をさらに向上させることができる。

この放熱器２５は、冷却用熱交換器２４の補助的な冷却機構である。そのため、従来のものよりも小型のものを設ければ良い。従って、運転音を低減することができるとともに、省スペース化やコストダウンも図ることができる。なお、放熱器２５の放熱ファン２５ｂは、後述するように制御部４によって制御される。

そして、熱交換器２１において、排気ガスラインＬ１により供給された排気ガス中には水蒸気が多く含まれているため、熱交換により水蒸気が凝縮してドレンが発生する。このドレンは、イオン交換樹脂を通して不純物を除去するとともに純水化して、発電部２０に還流される。このようにドレンを発電部２０へ還流させるのは、発電部２０における燃料改質器において都市ガスを改質（水蒸気改質）して水素を得る反応を起こさせるためである。なお、排気ガスラインＬ１から熱交換器２１に供給された排気ガスのうちドレンとならなかった部分は、屋外へ排出される。

給湯器３は、貯湯タンク２２から出力される湯水を補助的に加熱するものである。そのため、給湯器３には、燃焼部３０が備わっており、都市ガスが供給されている。これにより、燃焼部３０において、貯湯タンク２２から出力された湯水が補助的に加熱されて需要先へ給湯される。

制御部４は、コージェネレーションシステム１の各種機器を制御するものである。この制御部４により、循環ポンプ２６及び放熱ファン２５ｂが、各水温センサ４０〜４３で検出される温度の情報に基づいて制御される。本実施形態では、貯湯タンク出口水温センサ４０で検出される湯水の温度に基づき、循環ポンプ２６の基本回転数を決定する。具体的には、循環ポンプ２６の基本回転数は、湯水の温度が高くなるほど高くなるよう設定されている。これにより、湯水の温度が高くなるほど分岐ラインＬ４を流れる水量が増加するため、冷却用熱交換器２４において湯水を十分に冷却することができ、冷却性能が高められている。なお、貯湯タンク出口水温センサ４０の検出温度と循環ポンプ２６の回転数との関係は、冷却用熱交換器２４の冷却性能に応じて予め実験などにより予め決めておき、制御部４にマップデータとして記憶されている。

そして、本実施形態では、熱交換器入口水温センサ４１、分岐ライン入口水温センサ４２、及び分岐ライン出口水温センサ４３で検出される温度により、循環ポンプ２６の基本回転数を補正して、循環ポンプ２６の最終的な回転数を決定する。例えば、貯湯タンク出口水温センサ４０と熱交換器入口水温センサ４１で検出される温度情報から得られる湯水の温度低下幅、及び分岐ライン入口水温センサ４２と分岐ライン出口水温センサ４３で検出される温度情報から得られる冷却用の水の温度上昇幅に基づき、循環ポンプ２６の基本回転数を補正して、循環ポンプ２６の最終的な回転数を決定する。これにより、湯水を効率良く冷却することができる最適な水量が冷却用熱交換器２４に供給されるように、循環ポンプ２６の回転数を制御することができる。従って、循環ポンプ２６の消費電力を抑えることができる。

また、本実施形態では、制御部４により、循環ポンプ２６が駆動している状態で、熱交換器入口水温センサ４１で検出される温度が予め定めた所定温度以上になった場合に、放熱ファン２５ｂが駆動される。なお、所定温度としては、例えば、熱交換器２１でのドレン不足などにより運転停止や出力を低下させる必要が生じるおそれがある温度を設定すればよい。これにより、冷却用熱交換器２４において分岐ラインＬ４を流れる水によって湯水を十分に冷却することができない場合、例えば、夏季の昼間など給水温度が著しく高い場合などに限り、放熱ファン２５ｂが駆動される。そして、熱交換器入口水温センサ４１で検出される温度が予め定めた所定温度より低くなれば、放熱ファン２５ｂは停止される。なお、放熱ファン２５ｂの回転数は、一定回転数で制御してもよいし、熱交換器入口水温センサ４１で検出される温度に応じて制御してもよい。

このような本実施形態のコージェネレーションシステム１では、発電部２０において、供給される都市ガスから燃料改質部で取り出した水素と空気中の酸素を反応させて発電を行う。また、この発電部２０における発電に伴って発生する排気ガスを利用して、熱交換器２１において、貯湯タンク２２から供給される湯水を加熱して、再度、貯湯タンク２２に戻して貯めていく。このとき、熱交換器２１からドレンが発生し、そのドレンが発電部２０へ供給され、都市ガスから水素を取り出すため（燃料改質）に使用される。

ここで、貯湯タンク２２における蓄熱が満杯状態になると、貯湯タンク２２内の湯水を発電部２０の熱交換器２１に供給しても、湯水の温度が高すぎてうまく熱交換ができなくなるとともにドレンが不足すること等により、出力低下や運転停止なるおそれがある。そこで、本実施形態のコージェネレーションシステム１では、貯湯タンク２２の湯水を、冷却用熱交換器２４において分岐ラインＬ４を流れる水によって強制的に冷却して熱交換器２１へ供給することにより、運転を継続している。

そして、分岐ラインＬ４を介して冷却用熱交換器２４に供給される水量は、制御部４により、基本的に貯湯タンク出口水温センサ４０で検出される湯水の温度に応じて循環ポンプ２６の回転数が制御されることによって調整される。すなわち、制御部４は、熱交換器２１に供給される湯水の温度が高くなれば循環ポンプ２６の回転数を高くして水量を多くし、湯水の温度が低くなれば循環ポンプ２６の回転数を低くして水量を少なくする。そのため、熱交換器２１に供給される湯水を効率良く確実に冷却することができる。これにより、コージェネレーションシステム１は、運転を継続することができる。また、循環ポンプ２６の駆動音は、従来のファンの駆動音に比べて非常に小さいため、コージェネレーションシステム１の運転音を低減することができる。

ところで、夏季の昼間など給水温度が著しく高くなると、冷却用熱交換器２４において、湯水の冷却性能が低下して冷却不足になるおそれもある。そのため、本実施形態のコージェネレーションシステム１では、冷却用熱交換器２４に加えて放熱器２５を備えている。そして、循環ポンプ２６が駆動している状態で、熱交換器入口水温センサ４１で検出される温度が予め定めた所定温度以上になった場合に、制御部４が放熱ファン２５ｂを駆動する。これにより、冷却用熱交換器２４だけでは湯水の冷却不足が懸念される状況においても、熱交換器２１に供給される湯水を十分に冷却することができる。このような環境（夏季の昼間など）では、エアコンが稼働して室外機の運転音が発生していると考えられるため、放熱ファン２５ｂの駆動音や風切り音などが問題になることはほとんどないと考えられる。

このように本実施形態のコージェネレーションシステム１では、主として冷却用熱交換器２４にて分岐ラインＬ４を流れる水によって、貯湯タンク２２から熱交換器２１に供給される湯水を冷却する。また、補助的に放熱器２５によって貯湯タンク２２から熱交換器２１に供給される湯水を冷却する。従って、本実施形態のコージェネレーションシステム１によれば、熱交換器２１に供給する湯水を冷却する冷却性能を向上させるとともに運転音を低減することができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記の実施形態では、放熱器２５を備えている場合を例示しているが、例えば、夏季に気温や給水温度があまり上昇しない地域であれば、冷却用熱交換器２４によって熱交換器２１に供給される湯水を十分に冷却することができるため、放熱器２５を設けなくてもよい。

１ 家庭用燃料電池コージェネレーションシステム（コージェネレーションシステム）
２ 燃料電池ユニット
３ 給湯器
４ 制御部
２０ 発電部
２１ 熱交換器
２２ 貯湯タンク
２４ 冷却用熱交換器
２５ 放熱器
２５ａ 空気熱交換器
２５ｂ 放熱ファン
２６ 循環ポンプ
４０ 貯湯タンク出口水温センサ
４１ 熱交換器入口水温センサ
Ｌ２ 湯水循環ライン
Ｌ３ 給水ライン
Ｌ４ 分岐ライン

Claims (3)

1. 湯水を貯める貯湯タンクと、燃料電池を用いた発電部と、前記燃料電池からの排気ガスの熱と前記貯湯タンクから供給される湯水との間で熱交換を行う熱交換器と、前記貯湯タンクの湯水を前記熱交換器に供給するポンプとを有する家庭用燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
   給水ラインから分岐して前記給水ラインに戻る分岐ラインと、
   前記分岐ラインを流れる水と前記貯湯タンクから前記熱交換器に供給される湯水との間で熱交換を行う冷却用熱交換器と、
   前記分岐ラインに設けられ、前記冷却用熱交換器に供給する水の流量を調整する循環ポンプと、
   前記循環ポンプの回転数を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記貯湯タンクから前記熱交換器に供給される湯水の温度に応じて、前記循環ポンプの回転数を制御し、湯水の温度が高くなるにしたがって前記循環ポンプの回転数を高くしていく
   ことを特徴とする家庭用燃料電池コージェネレーションシステム。
2. 請求項１に記載する家庭用燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
   前記貯湯タンクから前記熱交換器に供給される湯水と周辺空気との間で熱交換を行う空気熱交換器と、前記空気熱交換器に外気を送風する放熱ファンとを含む放熱器を備える
   ことを特徴とする家庭用燃料電池コージェネレーションシステム。
3. 請求項２に記載する家庭用燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
   前記制御部は、前記循環ポンプが駆動している状態で、前記冷却用熱交換器を通過した湯水の温度が予め定めた所定温度以上になった場合に、前記放熱ファンを駆動させる
   ことを特徴とする家庭用燃料電池コージェネレーションシステム。

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