JP7450442B2 - Fuel cell exhaust heat utilization system and fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池の排熱を利用する燃料電池の排熱利用システム及び燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell exhaust heat utilization system and a fuel cell system that utilize the exhaust heat of a fuel cell.
近年、環境問題、エネルギー効率などの観点から、家庭用燃料電池として燃料電池反応の作動温度が低い固体高分子形燃料電池(PEFC)が用いられることがある。このような燃料電池を利用した排熱利用システムは、電気と熱を発生する固体高分子形燃料電池と、排熱を温水として貯える貯湯タンクと、燃料電池を通して冷却水を循環する冷却水循環流路と、貯湯タンク内の水を循環させる貯湯水循環流路と、冷却水循環流路を流れる冷却水と貯湯水循環流路を流れる水との間で熱交換する熱交換器とを備えている(例えば、特許文献1)。こうした排熱利用システムでは、固体高分子形燃料電池の排熱が冷却水循環流路を流れる冷却水を介して貯湯タンクに伝達され、この貯湯タンクに温水として貯えられる。ここで、固体高分子形燃料電池の排熱を利用することにより、貯湯タンク内に貯えられる温水の温度は40℃程度である。 In recent years, from the viewpoint of environmental issues, energy efficiency, etc., polymer electrolyte fuel cells (PEFC), which have a low operating temperature for fuel cell reactions, are sometimes used as household fuel cells. Such an exhaust heat utilization system using fuel cells consists of a polymer electrolyte fuel cell that generates electricity and heat, a hot water storage tank that stores the exhaust heat as hot water, and a cooling water circulation channel that circulates cooling water through the fuel cell. , a hot water circulation flow path that circulates water in the hot water storage tank, and a heat exchanger that exchanges heat between the cooling water flowing through the cooling water circulation flow path and the water flowing through the hot water circulation flow path (for example, Patent Document 1). In such an exhaust heat utilization system, exhaust heat from the polymer electrolyte fuel cell is transmitted to a hot water storage tank via cooling water flowing through a cooling water circulation path, and is stored in the hot water storage tank as hot water. Here, by utilizing the exhaust heat of the polymer electrolyte fuel cell, the temperature of the hot water stored in the hot water storage tank is approximately 40°C.
特許文献1に示される排熱利用システムでは、燃料電池の排熱を床暖房及びデシカント空調機の加温に利用している。また、特許文献2に示されるコージェネレーションシステムでは、発電ユニットの燃料電池の排熱利用先(床暖房、浴室暖房乾燥機、浴槽、洗濯機等)の順位を予め定めて排熱を利用している。
In the exhaust heat utilization system shown in Patent Document 1, exhaust heat from a fuel cell is used for floor heating and heating a desiccant air conditioner. In addition, in the cogeneration system shown in
特許文献1の排熱利用システムでは、補助熱源として太陽熱集熱装置を備えており、貯湯タンクの蓄えられる熱量が排熱利用先に対して十分でないときには、太陽熱集熱装置によって貯湯タンクの湯水が加熱される。また、特許文献2のコージェネレーションシステムでは、補助熱源を備えており、貯湯タンクの蓄えられる熱量が排熱利用先に対して十分でないときには、補助熱源が燃焼運転をして貯湯タンクの湯水が加熱される。排熱利用先のうち、床暖房は必要な温水の温度が比較的低い(例えば40℃)ので、補助熱源を利用せずに燃料電池の排熱のみで対応することができる。一方、浴室暖房乾燥機は、床暖房に比べて高温の温水(例えば80℃)を必要とするため、例えば燃料電池として固体高分子形燃料電池を用いてその排熱を使用した場合には温水の温度が十分でない可能性が高い。そのため、浴室暖房乾燥機を使用するうえで、燃料電池の排熱を有効活用できず、改善の余地があった。
The exhaust heat utilization system of Patent Document 1 is equipped with a solar heat collection device as an auxiliary heat source, and when the amount of heat stored in the hot water storage tank is not sufficient for the waste heat usage destination, the hot water in the hot water storage tank is drained by the solar heat collection device. heated. In addition, the cogeneration system of
そこで、本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、本発明では、燃料電池の排熱を浴室暖房乾燥機に有効活用できる燃料電池の排熱利用システム及び燃料電池システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell exhaust heat utilization system and a fuel cell system that can effectively utilize the exhaust heat of the fuel cell in a bathroom heater/dryer. With the goal.
本発明に係る燃料電池の排熱利用システムの特徴構成は、
排熱を発生する燃料電池と、
前記燃料電池の排熱を温水として貯える貯湯タンクと、
前記貯湯タンクの温水の熱を利用可能な浴室暖房乾燥機と、
前記貯湯タンク内の温水が循環する貯湯水循環流路と、
前記浴室暖房乾燥機を通して温水が循環する暖房温水循環流路と、
前記貯湯水循環流路を流れる温水と前記暖房温水循環流路を流れる温水との間で熱交換を行う第1熱交換器と、
前記貯湯水循環流路を流れる温水を加熱する補助熱源機と、
前記貯湯水循環流路及び前記暖房温水循環流路の温水の流れと、前記浴室暖房乾燥機の動作と、前記補助熱源機の動作と、を制御する制御部と、を備え、
前記浴室暖房乾燥機は、前記暖房温水循環流路に循環する温水との間で熱交換を行う第2熱交換器と、前記第2熱交換器によって加熱可能な空気を吸引し浴室内に循環させる循環ファンと、を備え、前記循環ファンを駆動させて浴室に加熱された空気又は未加熱の空気を放出する低温乾燥モード及び高温乾燥モードの実行が可能であり、
前記制御部は、
前記低温乾燥モードを実行する場合、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量以上であると、前記補助熱源機を利用せず、前記貯湯水循環流路及び前記暖房温水循環流路における温水の循環を許容する排熱運転を実行し、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量未満であると、前記暖房温水循環流路における温水の循環を停止する涼風運転を実行し、
前記高温乾燥モードを実行する場合、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量以上であると、前記排熱運転を実行し、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量未満であると、前記補助熱源機を駆動して当該補助熱源機によって加熱された温水を前記貯湯水循環流路に供給する補助熱源運転を実行する点にある。
The characteristic configuration of the fuel cell exhaust heat utilization system according to the present invention is as follows:
A fuel cell that generates waste heat,
a hot water storage tank that stores waste heat from the fuel cell as hot water;
a bathroom heater/dryer capable of utilizing the heat of hot water in the hot water storage tank;
a hot water circulation flow path through which hot water in the hot water storage tank circulates;
a heating hot water circulation flow path through which hot water circulates through the bathroom heating dryer;
a first heat exchanger that exchanges heat between the hot water flowing through the stored hot water circulation flow path and the hot water flowing through the heating hot water circulation flow path;
an auxiliary heat source device that heats the hot water flowing through the stored hot water circulation flow path;
a control unit that controls the flow of hot water in the stored hot water circulation flow path and the heating hot water circulation flow path, the operation of the bathroom heating dryer, and the operation of the auxiliary heat source device ,
The bathroom heating dryer includes a second heat exchanger that exchanges heat with the hot water circulating in the heating hot water circulation flow path, and sucks air that can be heated by the second heat exchanger and circulates it in the bathroom. and a circulation fan, and is capable of executing a low temperature drying mode and a high temperature drying mode in which the circulation fan is driven to discharge heated air or unheated air into the bathroom,
The control unit includes:
When executing the low-temperature drying mode, if the amount of heat stored in the hot water storage tank is greater than or equal to a predetermined amount of heat, the auxiliary heat source device is not used and hot water is circulated in the stored hot water circulation flow path and the heating hot water circulation flow path. If the amount of heat stored in the hot water storage tank is less than a predetermined amount of heat, executing a cool air operation that stops the circulation of hot water in the heating hot water circulation flow path ;
When executing the high temperature drying mode, if the amount of heat stored in the hot water storage tank is greater than or equal to a predetermined amount of heat, the exhaust heat operation is executed, and if the amount of heat stored in the hot water storage tank is less than the predetermined amount of heat, the The point is to execute an auxiliary heat source operation in which the auxiliary heat source device is driven to supply hot water heated by the auxiliary heat source device to the stored hot water circulation flow path .
本特徴構成によれば、燃料電池の排熱利用システムは、低温乾燥モードを実行する場合、貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量以上であると、排熱運転を実行し、貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量未満であると、涼風運転を実行する。したがって、補助熱源機は利用することなく、燃料電池の排熱を利用して低温乾燥モードの運転を行うことができる。その結果、燃料電池の排熱利用システムにおいて、燃料電池の排熱を有効活用することができる。また、燃料電池の排熱利用システムは、高温乾燥モードを実行する場合、貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量以上であると、排熱運転を実行し、貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量未満であると、補助熱源機を駆動して当該補助熱源機によって加熱された温水を貯湯水循環流路に供給する補助熱源運転を実行する。
浴室暖房乾燥機を用いた浴室乾燥において、排熱運転と涼風運転とを併用した場合、涼風運転中は加熱空気が浴室に供給されない。したがって、涼風運転の時間が長くなるにつれて浴室乾燥が完了するまでの時間が長くなる。そこで。本特徴構成では、補助熱源機を用いた補助熱源運転の実行が可能に構成されている。これにより、必要に応じて涼風運転に代えて補助熱源運転を実行することで、浴室乾燥を早期に完了させることができる。
According to this characteristic configuration, when executing the low-temperature drying mode, the fuel cell exhaust heat utilization system executes the exhaust heat operation when the amount of heat stored in the hot water storage tank is equal to or higher than a predetermined amount of heat. If the amount of heat generated is less than a predetermined amount of heat, cool air operation is performed. Therefore, the exhaust heat of the fuel cell can be used to operate in the low temperature drying mode without using an auxiliary heat source device. As a result, the exhaust heat of the fuel cell can be effectively utilized in the fuel cell exhaust heat utilization system. In addition, when executing the high temperature drying mode, the fuel cell exhaust heat utilization system executes exhaust heat operation when the amount of heat stored in the hot water storage tank is equal to or higher than a predetermined amount of heat, and the amount of heat stored in the hot water storage tank reaches a predetermined amount. If it is less than the amount of heat, an auxiliary heat source operation is performed in which the auxiliary heat source device is driven to supply hot water heated by the auxiliary heat source device to the stored hot water circulation flow path.
When drying a bathroom using a bathroom heater/dryer, when exhaust heat operation and cool air operation are used together, heated air is not supplied to the bathroom during the cool air operation. Therefore, the longer the cool air operation takes, the longer it takes to complete the bathroom drying. Therefore. This characteristic configuration is configured to allow execution of auxiliary heat source operation using an auxiliary heat source device. Thereby, by executing the auxiliary heat source operation in place of the cool air operation as needed, bathroom drying can be completed quickly.
このように、本構成の燃料電池の排熱利用システムは、燃料電池の排熱をそのまま浴室暖房乾燥機に用いることができる。例えば、燃料電池として用いられる固体高分子形燃料電池は燃料電池反応の作動温度が低く、その排熱を利用しても水を40℃程度までしか加温することができないが、浴室暖房乾燥機に適用して有効活用することができる。したがって、燃料電池として固体高分子形燃料電池を用いたときにおいても、浴室暖房乾燥機の使用によってエネルギー利用率を高めることができる。 In this way, the fuel cell exhaust heat utilization system of this configuration can use the exhaust heat of the fuel cell as it is for the bathroom heater/dryer. For example, in polymer electrolyte fuel cells used as fuel cells, the operating temperature of the fuel cell reaction is low, and even if the waste heat is used, water can only be heated to about 40 degrees Celsius. It can be applied and used effectively. Therefore, even when a polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell, the energy utilization rate can be increased by using the bathroom heater/dryer.
本発明に係る燃料電池の排熱利用システムの更なる特徴構成は、
前記制御部は、前記低温乾燥モードの実行に際し、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量以上であると、前記排熱運転を実行し、前記排熱運転の実行中に、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量未満になると、前記涼風運転を実行する点にある。
Further characteristic configurations of the fuel cell exhaust heat utilization system according to the present invention are as follows:
When executing the low-temperature drying mode , if the amount of heat stored in the hot water storage tank is greater than or equal to a predetermined amount of heat, the control unit executes the exhaust heat operation, and during the execution of the exhaust heat operation, the controller When the stored amount of heat becomes less than a predetermined amount of heat, the cool air operation is executed.
本特徴構成によれば、燃料電池の排熱利用システムは、浴室暖房乾燥機を用いて低温乾燥モードを実行する際に、貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量以上であると排熱運転を実行し、排熱運転の実行中に、貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量未満になると、涼風運転を実行する。したがって、補助熱源機は利用することなく、燃料電池の排熱を利用して低温乾燥モードの運転を行うことができる。その結果、排熱利用システムにおいて、燃料電池の排熱を有効活用することができる。 According to this characteristic configuration, when the exhaust heat utilization system of the fuel cell executes the low temperature drying mode using the bathroom heating/dryer, if the amount of heat stored in the hot water storage tank is equal to or higher than the predetermined amount of heat, the exhaust heat operation is started. When the amount of heat stored in the hot water storage tank becomes less than a predetermined amount of heat during the exhaust heat operation, the cool air operation is executed. Therefore, the exhaust heat of the fuel cell can be used to operate in the low temperature drying mode without using an auxiliary heat source device. As a result, the exhaust heat of the fuel cell can be effectively utilized in the exhaust heat utilization system.
本発明に係る燃料電池の排熱利用システムの更なる特徴構成は、
前記制御部は、前記低温乾燥モードの実行に際し、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量未満であると、前記涼風運転を実行し、前記涼風運転の実行中に、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量以上になると、前記排熱運転を実行する点にある。
Further characteristic configurations of the fuel cell exhaust heat utilization system according to the present invention are as follows:
When executing the low-temperature drying mode , if the amount of heat stored in the hot water storage tank is less than a predetermined amount of heat, the control unit executes the cool air operation, and during the execution of the cool air operation, the amount of heat stored in the hot water storage tank is controlled. When the amount of heat generated exceeds a predetermined amount of heat, the heat exhaust operation is executed.
本特徴構成によれば、燃料電池の排熱利用システムは、浴室暖房乾燥機を用いて低温乾燥モードを実行する際に、貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量未満であると涼風運転を実行し、涼風運転の実行中に、貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量以上になると、排熱運転を実行する。したがって、補助熱源機は利用することなく、燃料電池の排熱を利用して低温乾燥モードの運転を行うことができる。その結果、排熱利用システムにおいて、燃料電池の排熱を有効活用することができる。 According to this characteristic configuration, the fuel cell exhaust heat utilization system performs cool air operation if the amount of heat stored in the hot water storage tank is less than a predetermined amount of heat when executing the low temperature drying mode using the bathroom heater/dryer. However, when the amount of heat stored in the hot water storage tank exceeds a predetermined amount of heat while the cool air operation is being performed, the exhaust heat operation is performed. Therefore, the exhaust heat of the fuel cell can be used to operate in the low temperature drying mode without using an auxiliary heat source device. As a result, the exhaust heat of the fuel cell can be effectively utilized in the exhaust heat utilization system.
本発明に係る燃料電池の排熱利用システムの更なる特徴構成は、前記制御部は、前記低温乾燥モードにおいて、前記排熱運転の実行中に、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量未満になると、前記排熱運転に代えて前記涼風運転を実行し、前記涼風運転の実行中に、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量以上になると、前記涼風運転に代えて前記排熱運転を実行する点にある。 In a further characteristic configuration of the fuel cell exhaust heat utilization system according to the present invention, in the low temperature drying mode , during the execution of the exhaust heat operation, the amount of heat stored in the hot water storage tank is less than a predetermined amount of heat. If the amount of heat stored in the hot water storage tank exceeds a predetermined amount of heat during execution of the cooling air operation, the exhaust heat operation is performed instead of the cooling air operation. The point is to carry out.
本特徴構成によれば、排熱運転の実行中に、貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量未満になることで涼風運転に移行した後であっても、貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量以上になることで再び排熱運転の実行が可能になる。これにより、排熱利用システムは、浴室暖房乾燥機の低温乾燥モードの実行時に、燃料電池の排熱を有効活用することができる。 According to this characteristic configuration, even after shifting to cool air operation due to the amount of heat stored in the hot water storage tank becoming less than a predetermined amount of heat during execution of exhaust heat operation, the amount of heat stored in the hot water storage tank will be reduced to a predetermined amount. When the amount of heat exceeds the amount of heat, exhaust heat operation can be performed again. Thereby, the exhaust heat utilization system can effectively utilize the exhaust heat of the fuel cell when executing the low temperature drying mode of the bathroom heater/dryer.
本発明に係る燃料電池システムの特徴構成は、
浴室暖房乾燥機と接続された燃料電池システムであって、
排熱を発生する燃料電池と、
前記燃料電池の排熱を温水として貯える貯湯タンクと、
前記貯湯タンク内の温水が循環する貯湯水循環流路と、
前記貯湯水循環流路を流れる温水と、前記貯湯タンクの温水の熱を利用可能な前記浴室暖房乾燥機を通して温水が循環する暖房温水循環流路を流れる温水との間で熱交換を行う第1熱交換器と、
前記貯湯水循環流路を流れる温水を加熱する補助熱源機と、
前記貯湯水循環流路及び前記暖房温水循環流路の温水の流れと、前記浴室暖房乾燥機の動作と、前記補助熱源機の動作と、を制御する制御部と、を備え、
前記浴室暖房乾燥機は、前記暖房温水循環流路に循環する温水との間で熱交換を行う第2熱交換器と、前記第2熱交換器によって加熱可能な空気を吸引し浴室内に循環させる循環ファンと、を備え、前記循環ファンを駆動させて浴室に加熱された空気又は未加熱の空気を放出する低温乾燥モード及び高温乾燥モードの実行が可能であり、
前記制御部は、
前記低温乾燥モードを実行する場合、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量以上であると、前記補助熱源機を利用せず、前記貯湯水循環流路及び前記暖房温水循環流路における温水の循環を許容する排熱運転を実行し、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量未満であると、前記暖房温水循環流路における温水の循環を停止する涼風運転を実行し、
前記高温乾燥モードを実行する場合、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量以上であると、前記排熱運転を実行し、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量未満であると、前記補助熱源機を駆動して当該補助熱源機によって加熱された温水を前記貯湯水循環流路に供給する補助熱源運転を実行する点にある。
The characteristic configuration of the fuel cell system according to the present invention is as follows:
A fuel cell system connected to a bathroom heater/dryer,
A fuel cell that generates waste heat,
a hot water storage tank that stores waste heat from the fuel cell as hot water;
a hot water circulation flow path through which hot water in the hot water storage tank circulates;
A first heat exchanger that performs heat exchange between the hot water flowing through the hot water circulation flow path and the hot water flowing through the heating hot water circulation flow path in which hot water circulates through the bathroom heater/dryer that can utilize the heat of the hot water in the hot water storage tank. exchanger and
an auxiliary heat source device that heats the hot water flowing through the stored hot water circulation flow path;
a control unit that controls the flow of hot water in the stored hot water circulation flow path and the heating hot water circulation flow path, the operation of the bathroom heating dryer, and the operation of the auxiliary heat source device ,
The bathroom heating dryer includes a second heat exchanger that exchanges heat with the hot water circulating in the heating hot water circulation flow path, and sucks air that can be heated by the second heat exchanger and circulates it in the bathroom. and a circulation fan, and is capable of executing a low temperature drying mode and a high temperature drying mode in which the circulation fan is driven to discharge heated air or unheated air into the bathroom,
The control unit includes:
When executing the low-temperature drying mode, if the amount of heat stored in the hot water storage tank is greater than or equal to a predetermined amount of heat, the auxiliary heat source device is not used and hot water is circulated in the stored hot water circulation flow path and the heating hot water circulation flow path. If the amount of heat stored in the hot water storage tank is less than a predetermined amount of heat, executing a cool air operation that stops the circulation of hot water in the heating hot water circulation flow path ;
When executing the high temperature drying mode, if the amount of heat stored in the hot water storage tank is greater than or equal to a predetermined amount of heat, the exhaust heat operation is executed, and if the amount of heat stored in the hot water storage tank is less than the predetermined amount of heat, the The point is to execute an auxiliary heat source operation in which the auxiliary heat source device is driven to supply hot water heated by the auxiliary heat source device to the stored hot water circulation flow path .
本特徴構成によれば、燃料電池システムは、低温乾燥モードを実行する場合、貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量以上であると、排熱運転を実行し、貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量未満であると、涼風運転を実行する。したがって、補助熱源機は利用することなく、燃料電池の排熱を利用して低温乾燥モードの運転を行うことができる。その結果、燃料電池システムにおいて、燃料電池の排熱を有効活用することができる。また、燃料電池システムは、高温乾燥モードを実行する場合、貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量以上であると、排熱運転を実行し、貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量未満であると、補助熱源機を駆動して当該補助熱源機によって加熱された温水を貯湯水循環流路に供給する補助熱源運転を実行する。
浴室暖房乾燥機を用いた浴室乾燥において、排熱運転と涼風運転とを併用した場合、涼風運転中は加熱空気が浴室に供給されない。したがって、涼風運転の時間が長くなるにつれて浴室乾燥が完了するまでの時間が長くなる。そこで。本特徴構成では、補助熱源機を用いた補助熱源運転の実行が可能に構成されている。これにより、必要に応じて涼風運転に代えて補助熱源運転を実行することで、浴室乾燥を早期に完了させることができる。
According to this characteristic configuration, when the fuel cell system executes the low temperature drying mode, if the amount of heat stored in the hot water storage tank is equal to or higher than the predetermined amount of heat, the fuel cell system executes the exhaust heat operation, and the amount of heat stored in the hot water storage tank is reduced. If the amount of heat is less than the predetermined amount, cool air operation is performed. Therefore, the exhaust heat of the fuel cell can be used to operate in the low temperature drying mode without using an auxiliary heat source device. As a result, the exhaust heat of the fuel cell can be effectively utilized in the fuel cell system. In addition, when executing the high temperature drying mode, the fuel cell system executes exhaust heat operation if the amount of heat stored in the hot water storage tank is equal to or greater than a predetermined amount of heat, and if the amount of heat stored in the hot water storage tank is less than the predetermined amount of heat. Then, an auxiliary heat source operation is executed in which the auxiliary heat source device is driven to supply hot water heated by the auxiliary heat source device to the stored hot water circulation flow path.
When drying a bathroom using a bathroom heater/dryer, when exhaust heat operation and cool air operation are used together, heated air is not supplied to the bathroom during the cool air operation. Therefore, the longer the cool air operation takes, the longer it takes to complete the bathroom drying. Therefore. This characteristic configuration is configured to allow execution of auxiliary heat source operation using an auxiliary heat source device. Thereby, by executing the auxiliary heat source operation in place of the cool air operation as needed, bathroom drying can be completed quickly.
このように、本構成の燃料電池システムは、燃料電池の排熱をそのまま浴室暖房乾燥機に用いることができる。例えば、燃料電池として用いられる固体高分子形燃料電池は燃料電池反応の作動温度が低く、その排熱を利用しても水を40℃程度までしか加温することができないが、浴室暖房乾燥機に適用して有効活用することができる。したがって、燃料電池として固体高分子形燃料電池を用いたときにおいても、浴室暖房乾燥機の使用によってエネルギー利用率を高めることができる。 In this manner, the fuel cell system with this configuration can directly use the exhaust heat of the fuel cell for the bathroom heater/dryer. For example, in polymer electrolyte fuel cells used as fuel cells, the operating temperature of the fuel cell reaction is low, and even if the waste heat is used, water can only be heated to about 40 degrees Celsius. It can be applied and used effectively. Therefore, even when a polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell, the energy utilization rate can be increased by using the bathroom heater/dryer.
以下、図面を参照して、本発明に係る燃料電池の排熱利用システム及び燃料電池システムについて説明する。 Hereinafter, a fuel cell exhaust heat utilization system and a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1において、燃料電池の排熱利用システム100及び燃料電池システムは、燃料電池(例えば、固体高分子形燃料電池)2と、温水を貯湯するための貯湯タンク4と、を備え、予備的に、補助熱源を利用して水(又は温水)を加温するための補助熱源機6を備えている。燃料電池2は燃料電池反応によって発生する熱により熱回収低温配管24を流れる水を加温し、補助熱源機6は燃焼運転によって貯湯水循環流路12の水を加温する。暖房温水循環流路31を流れる水は、暖房熱交換器13によって加温される。燃料電池2の排熱により加温された温水が貯湯タンク4に貯えられる。また、この実施形態では、燃料電池2の排熱及び/又は補助熱源機6の燃焼熱が熱消費機器としての浴室暖房乾燥機8で消費されるように構成されている。
In FIG. 1, a fuel cell exhaust
燃料電池2の近くには、貯湯タンク4の下部から取り出した水を、燃料電池2の排熱を回収して昇温した後、貯湯タンク4の上部に戻す排熱回収ユニット20が設けられている。
An exhaust
排熱回収ユニット20は、燃料電池2の排熱を回収するための排熱回収用熱交換器21と、排熱回収用循環ポンプ22を備えている。排熱回収ユニット20の入側と貯湯タンク4の下部取水口14との間は熱回収低温配管24で接続され、排熱回収ユニット20の出側と貯湯タンク4の上部戻り口15との間は熱回収高温配管25で接続されている。熱回収低温配管24及び熱回収高温配管25は循環路として構成されている。また、熱回収低温配管24及び熱回収高温配管25を流れる水は燃料電池2の冷却水として機能する。
The exhaust
貯湯タンク4には、貯湯水循環流路12が接続されている。貯湯水循環流路12には、補助熱源機6、暖房熱交換器13(第1熱交換器の一例)、開閉弁16、及び循環用ポンプ17が配置されている。補助熱源機6は、貯湯タンク4の水又は図示しない給水路の水を加熱して貯湯水循環流路12を介して暖房熱交換器13に向けて供給する。暖房熱交換器13は、貯湯タンク4の温水または補助熱源機6によって加熱された温水の熱を、暖房温水循環流路31を流れる水に伝達するために用いられる。貯湯水循環流路12の温水は循環用ポンプ17によって暖房熱交換器13に供給される。貯湯タンク4内はサーミスタ(不図示)を有し、サーミスタによって検出された貯湯タンク4内の湯水の温度が、サーミスタから制御部60に出力される。
A hot
貯湯水循環流路12を流れる温水の熱は、浴室暖房乾燥機8にて消費されるように構成されている。浴室暖房乾燥機8には、暖房温水循環流路31の一部、熱交換器32(第2熱交換器の一例)、及び循環ファン33が収容されている。暖房温水循環流路31には、熱交換器32(第2熱交換器の一例)、熱動弁34、及び循環用ポンプ35が配置されている。暖房温水循環流路31は、暖房熱交換器13によって加温された温水を熱交換器32に供給するために用いられる。暖房熱交換器13において貯湯水循環流路12を流れる温水と暖房温水循環流路31を流れる水との間で熱交換が行われる。この熱交換によって、暖房温水循環流路31の水が加温され、浴室暖房乾燥機8に配置される熱交換器32によって浴室暖房乾燥機8の内部の空気の加熱が可能になる。循環ファン33は、熱交換器32によって加熱可能な空気を浴室内等から吸引し浴室内に循環させるためのものである。熱交換器32によって加熱された空気は、循環ファン33の駆動により浴室内に循環させることができる。熱動弁34は、熱動素子(ペレット)を用いて開閉させるバルブであって、開操作されることで暖房温水循環流路31の水の循環を許容する。熱動弁34の開閉動作は制御部60によって制御される。
The heat of the hot water flowing through the stored hot
排熱利用システム100は、燃料電池2と、貯湯タンク4と、浴室暖房乾燥機8と、貯湯水循環流路12と、暖房温水循環流路31と、暖房熱交換器13と、システムを制御するための制御部60と、を備えて構成されている。燃料電池システムは、燃料電池2と、貯湯タンク4と、貯湯水循環流路12と、暖房熱交換器13と、制御部60と、を備えて構成されている。
The exhaust
本実施形態では、制御部60は、浴室乾燥モードとして、低温乾燥モード及び高温乾燥モードの実行が可能に構成されている。また、制御部60は、燃料電池2、補助熱源機6、及び浴室暖房乾燥機8の動作と、排熱回収用循環ポンプ22、貯湯水循環流路12、及び暖房温水循環流路31の水の流れ等を制御する。尚、浴室暖房乾燥機8は、例えば専用のリモコン(図示せず)によって作動制御される。
In this embodiment, the
低温乾燥モードは、燃料電池2の排熱を利用した排熱運転と、燃料電池2の排熱及び補助熱源機6の何れも利用しない涼風運転とを併用して浴室乾燥を行う運転モードである。一方、高温乾燥モードは、燃料電池2の排熱を利用した排熱運転と、補助熱源機6を利用する補助熱源運転とを併用して浴室乾燥を行う運転モードである。上述した燃料電池2の排熱利用システム100の各種運転モードにおける運転状態について説明する。制御部60において低温乾燥モードが実行されたときには、図2に示すフローチャートに基づく制御が行われる。
The low-temperature drying mode is an operation mode in which bathroom drying is performed using a combination of exhaust heat operation that utilizes the exhaust heat of the
〔低温乾燥モード〕
低温乾燥モードでは、ステップ#11において、浴室暖房乾燥機8が始動する。具体的には、循環ファン33が駆動される。ステップ#12において、貯湯タンク4内の熱量が所定熱量以上(所定温度以上且つ所定水量以上)であるか否かを判断される。貯湯タンク4内の湯水の温度は、貯湯タンク4内に配置されたサーミスタ(不図示)から制御部60に出力される。したがって、制御部60は、貯湯タンク4内の湯水の温度と湯水量に基づいて貯湯タンク4内の熱量が所定熱量以上(所定温度以上且つ所定水量以上)であるか否かを判断することができる。貯湯タンク4内の熱量が所定熱量以上と判断すると(ステップ#12、YES)、ステップ#13において排熱運転を実行する。具体的には、開閉弁16を開にしつつ循環用ポンプ17を作動して貯湯水循環流路12の温水の循環を許容するとともに、熱動弁34を開にしつつ循環用ポンプ35を作動して暖房温水循環流路31の温水の循環を許容する。これにより、暖房熱交換器13において、貯湯タンク4内の湯水の熱が暖房温水循環流路31の水に伝達され、浴室暖房乾燥機8の内部の空気が熱交換器32によって加熱される。その結果、浴室暖房乾燥機8は、加熱された空気を循環ファン33の作動によって浴室内に循環させることができる。
[Low temperature drying mode]
In the low temperature drying mode, the bathroom heating dryer 8 is started in
一方、貯湯タンク4内の熱量が所定熱量未満と判断すると(ステップ#12、NO)、ステップ#14において涼風運転を実行する。具体的には、開閉弁16を閉にしつつ循環用ポンプ17を停止して貯湯水循環流路12の温水の循環が停止するとともに、熱動弁34を閉にしつつ循環用ポンプ35を停止して暖房温水循環流路31の温水の循環を停止する。これにより、浴室暖房乾燥機8は、未加熱の空気(涼風)を循環ファン33の作動によって浴室内に循環させることができる。
On the other hand, if it is determined that the amount of heat in the hot water storage tank 4 is less than the predetermined amount of heat (
排熱運転中に、ステップ#15において浴室暖房乾燥機8の動作が確認されて停止でない場合(動作中)であると(ステップ#15、NO)、ステップ#12に戻って、貯湯タンク4内の熱量が所定熱量以上であるか否かが再度確認される。排熱運転中に、貯湯タンク4内の熱量が所定熱量未満(ステップ#12、NO)になると、排熱運転に代えて涼風運転(ステップ#14)を実行する。
During the heat exhaust operation, if the operation of the bathroom heater/dryer 8 is confirmed in
一方、涼風運転中に、ステップ#15において浴室暖房乾燥機8の動作が確認されて停止でない場合(動作中)であると(ステップ#15、NO)、ステップ#12に戻って、貯湯タンク4内の熱量が所定熱量以上であるか否かが再度確認される。涼風運転中に、貯湯タンク4内の熱量が所定熱量以上(ステップ#12、YES)になると、涼風運転に代えて排熱運転(ステップ#13)を実行し、貯湯タンク4内の熱量が所定熱量未満(ステップ#12、NO)であれば涼風運転を継続する(ステップ#14)。排熱運転中及び涼風運転中のいずれにおいても、ステップ#15において浴室暖房乾燥機8の停止が確認されると(ステップ#15、YES)、低温乾燥モードが終了する。
On the other hand, during the cool air operation, if the operation of the bathroom heater/dryer 8 is confirmed in
制御部60において高温乾燥モードを設定されたときには、図3に示すフローチャートに基づく制御が行われる。
When the high temperature drying mode is set in the
〔高温乾燥モード〕
高温乾燥モードでは、ステップ#21において、浴室暖房乾燥機8が始動する。具体的には、循環ファン33が駆動される。ステップ#22において、貯湯タンク4内の熱量が所定熱量以上であるか否かを判断される。貯湯タンク4内の熱量が所定熱量以上と判断すると(ステップ#22、YES)、ステップ#23において排熱運転を実行する。
[High temperature drying mode]
In the high temperature drying mode, the bathroom heating dryer 8 is started in
一方、貯湯タンク4内の熱量が所定熱量未満と判断すると(ステップ#22、NO)、ステップ#23において補助熱源運転を実行する。具体的には、補助熱源機6が駆動され、開閉弁16を開にしつつ循環用ポンプ17を作動して補助熱源機6によって加熱された温水を貯湯水循環流路12に供給して循環を許容するとともに、熱動弁34を開にしつつ循環用ポンプ35を作動して、暖房温水循環流路31の温水の循環を許容する。これにより、暖房熱交換器13において、貯湯タンク4内の湯水の熱が暖房温水循環流路31の水に伝達され、浴室暖房乾燥機8の内部の空気が熱交換器32によって加熱される。その結果、浴室暖房乾燥機8は、加熱された空気を循環ファン33の作動によって浴室内に循環させることができる。
On the other hand, if it is determined that the amount of heat in the hot water storage tank 4 is less than the predetermined amount of heat (
排熱運転中に、ステップ#25において浴室暖房乾燥機8の動作が確認されて停止でない場合(動作中)であると(ステップ#25、NO)、ステップ#22に戻って、貯湯タンク4内の熱量が所定熱量以上であるか否かが再度確認される。排熱運転中に、貯湯タンク4内の熱量が所定熱量未満(ステップ#22、NO)になると、排熱運転に代えて補助熱源運転を実行する(ステップ#24)。排熱運転中に、ステップ#25において浴室暖房乾燥機8の停止が確認されると(ステップ#25、YES)、高温乾燥モードが終了する。
During the heat exhaust operation, if the operation of the bathroom heater/dryer 8 is confirmed in
補助熱源運転中に、ステップ#26において浴室暖房乾燥機8の動作が確認されて停止でない場合(動作中)であると(ステップ#26、NO)、補助熱源運転を継続する。ステップ#26において浴室暖房乾燥機8の停止が確認されると(ステップ#26、YES)、高温乾燥モードが終了する。
During the auxiliary heat source operation, if the operation of the bathroom heater/dryer 8 is confirmed in
〔高温乾燥モードの変形例〕
高温乾燥モードの変形例について、図4に示すフローチャートに基づいて説明する。
[Variation example of high temperature drying mode]
A modification of the high temperature drying mode will be explained based on the flowchart shown in FIG. 4.
図3に示すフローチャートでは、補助熱源運転は、浴室暖房乾燥機8が停止されるまで継続する。これに代えて、図4に示すフローチャートでは、補助熱源運転中において、ステップ#25において浴室暖房乾燥機8の動作が確認されて停止でない場合(動作中)であると(ステップ#25、NO)、ステップ#22に戻って、貯湯タンク4内の熱量が所定熱量以上であるか否かが再度確認される。補助熱源運転中に、貯湯タンク4内の熱量が所定熱量以上(ステップ#22、YES)になると、補助熱源運転に代えて排熱運転(ステップ#13)を実行する。すなわち、補助熱源機6が停止する。排熱運転中及び補助熱源運転中のいずれにおいても、ステップ#25において浴室暖房乾燥機8の停止が確認されると(ステップ#15、YES)、高温乾燥モードが終了する。
In the flowchart shown in FIG. 3, the auxiliary heat source operation continues until the bathroom heater/dryer 8 is stopped. Instead, in the flowchart shown in FIG. 4, when the operation of the bathroom heater/dryer 8 is confirmed in
これにより、補助熱源機6を用いる高温乾燥モードにおいて、燃料電池2の排熱をより有効に活用することができる。
Thereby, in the high temperature drying mode using the auxiliary
上記の実施形態では、排熱利用システム100及び燃料電池システムの燃料電池2として固体高分子形燃料電池を用いる例を示したが、燃料電池2は固体高分子形燃料電池に限定されない。燃料電池2として例えば固体酸化物形燃料電池(SOFC)等の他の燃料電池を用いてもよい。
In the above embodiment, an example is shown in which a polymer electrolyte fuel cell is used as the
上記の実施形態では、燃料電池2の排熱利用システム100が、熱消費機器として浴室暖房乾燥機8のみを備える例を示したが、熱消費機器に床暖房装置を追加してもよい。
In the above embodiment, an example was shown in which the exhaust
尚、上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ) で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。 It should be noted that the configuration disclosed in the above embodiment (including other embodiments, the same applies hereinafter) can be applied in combination with the configuration disclosed in other embodiments as long as there is no contradiction, and The embodiments disclosed in this specification are illustrative, and the embodiments of the present invention are not limited thereto, and can be modified as appropriate without departing from the purpose of the present invention.
本発明に係る燃料電池の排熱利用システム及び燃料電池システムは、浴室暖房乾燥機に燃料電池の排熱を用いるシステムにおいて広く利用することができる。 The fuel cell exhaust heat utilization system and fuel cell system according to the present invention can be widely used in systems that use fuel cell exhaust heat for bathroom heater/dryers.
2 :燃料電池
4 :貯湯タンク
6 :補助熱源機
8 :浴室暖房乾燥機
12 :貯湯水循環流路
13 :暖房熱交換器(第1熱交換器)
14 :下部取水口
15 :上部戻り口
16 :開閉弁
20 :排熱回収ユニット
21 :排熱回収用熱交換器
22 :排熱回収用循環ポンプ
24 :熱回収低温配管
25 :熱回収高温配管
31 :暖房温水循環流路
32 :熱交換器(第2熱交換器)
33 :循環ファン
34 :熱動弁
60 :制御部
100 :排熱利用システム
2: Fuel cell 4: Hot water storage tank 6: Auxiliary heat source device 8: Bathroom heater/dryer 12: Stored hot water circulation flow path 13: Heating heat exchanger (first heat exchanger)
14 : Lower water intake 15 : Upper return port 16 : Opening/closing valve 20 : Exhaust heat recovery unit 21 : Heat exchanger for exhaust heat recovery 22 : Circulation pump for exhaust heat recovery 24 : Heat recovery low temperature piping 25 : Heat recovery high temperature piping 31 : Heating hot water circulation flow path 32 : Heat exchanger (second heat exchanger)
33: Circulation fan 34: Thermal valve 60: Control unit 100: Exhaust heat utilization system
Claims (5)
前記燃料電池の排熱を温水として貯える貯湯タンクと、
前記貯湯タンクの温水の熱を利用可能な浴室暖房乾燥機と、
前記貯湯タンク内の温水が循環する貯湯水循環流路と、
前記浴室暖房乾燥機を通して温水が循環する暖房温水循環流路と、
前記貯湯水循環流路を流れる温水と前記暖房温水循環流路を流れる温水との間で熱交換を行う第1熱交換器と、
前記貯湯水循環流路を流れる温水を加熱する補助熱源機と、
前記貯湯水循環流路及び前記暖房温水循環流路の温水の流れと、前記浴室暖房乾燥機の動作と、前記補助熱源機の動作と、を制御する制御部と、を備え、
前記浴室暖房乾燥機は、前記暖房温水循環流路に循環する温水との間で熱交換を行う第2熱交換器と、前記第2熱交換器によって加熱可能な空気を吸引し浴室内に循環させる循環ファンと、を備え、前記循環ファンを駆動させて浴室に加熱された空気又は未加熱の空気を放出する低温乾燥モード及び高温乾燥モードの実行が可能であり、
前記制御部は、
前記低温乾燥モードを実行する場合、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量以上であると、前記補助熱源機を利用せず、前記貯湯水循環流路及び前記暖房温水循環流路における温水の循環を許容する排熱運転を実行し、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量未満であると、前記暖房温水循環流路における温水の循環を停止する涼風運転を実行し、
前記高温乾燥モードを実行する場合、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量以上であると、前記排熱運転を実行し、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量未満であると、前記補助熱源機を駆動して当該補助熱源機によって加熱された温水を前記貯湯水循環流路に供給する補助熱源運転を実行する、燃料電池の排熱利用システム。 A fuel cell that generates waste heat,
a hot water storage tank that stores waste heat from the fuel cell as hot water;
a bathroom heater/dryer capable of utilizing the heat of hot water in the hot water storage tank;
a hot water circulation flow path through which hot water in the hot water storage tank circulates;
a heating hot water circulation flow path through which hot water circulates through the bathroom heating dryer;
a first heat exchanger that exchanges heat between the hot water flowing through the stored hot water circulation flow path and the hot water flowing through the heating hot water circulation flow path;
an auxiliary heat source device that heats the hot water flowing through the stored hot water circulation flow path;
a control unit that controls the flow of hot water in the stored hot water circulation flow path and the heating hot water circulation flow path, the operation of the bathroom heating dryer, and the operation of the auxiliary heat source device ,
The bathroom heating dryer includes a second heat exchanger that exchanges heat with the hot water circulating in the heating hot water circulation flow path, and sucks air that can be heated by the second heat exchanger and circulates it in the bathroom. and a circulation fan, and is capable of executing a low temperature drying mode and a high temperature drying mode in which the circulation fan is driven to discharge heated air or unheated air into the bathroom,
The control unit includes:
When executing the low-temperature drying mode, if the amount of heat stored in the hot water storage tank is equal to or higher than a predetermined amount of heat, the auxiliary heat source device is not used and hot water is circulated in the stored hot water circulation flow path and the heating hot water circulation flow path. If the amount of heat stored in the hot water storage tank is less than a predetermined amount of heat, executing a cool air operation that stops the circulation of hot water in the heating hot water circulation flow path ;
When executing the high temperature drying mode, if the amount of heat stored in the hot water storage tank is greater than or equal to a predetermined amount of heat, the exhaust heat operation is executed, and if the amount of heat stored in the hot water storage tank is less than the predetermined amount of heat, the A fuel cell exhaust heat utilization system that performs an auxiliary heat source operation in which an auxiliary heat source device is driven to supply hot water heated by the auxiliary heat source device to the stored hot water circulation flow path .
排熱を発生する燃料電池と、
前記燃料電池の排熱を温水として貯える貯湯タンクと、
前記貯湯タンク内の温水が循環する貯湯水循環流路と、
前記貯湯水循環流路を流れる温水と、前記貯湯タンクの温水の熱を利用可能な前記浴室暖房乾燥機を通して温水が循環する暖房温水循環流路を流れる温水との間で熱交換を行う第1熱交換器と、
前記貯湯水循環流路を流れる温水を加熱する補助熱源機と、
前記貯湯水循環流路及び前記暖房温水循環流路の温水の流れと、前記浴室暖房乾燥機の動作と、前記補助熱源機の動作と、を制御する制御部と、を備え、
前記浴室暖房乾燥機は、前記暖房温水循環流路に循環する温水との間で熱交換を行う第2熱交換器と、前記第2熱交換器によって加熱可能な空気を吸引し浴室内に循環させる循環ファンと、を備え、前記循環ファンを駆動させて浴室に加熱された空気又は未加熱の空気を放出する低温乾燥モード及び高温乾燥モードの実行が可能であり、
前記制御部は、
前記低温乾燥モードを実行する場合、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量以上であると、前記補助熱源機を利用せず、前記貯湯水循環流路及び前記暖房温水循環流路における温水の循環を許容する排熱運転を実行し、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量未満であると、前記暖房温水循環流路における温水の循環を停止する涼風運転を実行し、
前記高温乾燥モードを実行する場合、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量以上であると、前記排熱運転を実行し、前記貯湯タンクに貯められた熱量が所定熱量未満であると、前記補助熱源機を駆動して当該補助熱源機によって加熱された温水を前記貯湯水循環流路に供給する補助熱源運転を実行する、燃料電池システム。 A fuel cell system connected to a bathroom heater/dryer,
A fuel cell that generates waste heat,
a hot water storage tank that stores waste heat from the fuel cell as hot water;
a hot water circulation flow path through which hot water in the hot water storage tank circulates;
A first heat exchanger that performs heat exchange between the hot water flowing through the hot water circulation flow path and the hot water flowing through the heating hot water circulation flow path in which hot water circulates through the bathroom heater/dryer that can utilize the heat of the hot water in the hot water storage tank. exchanger and
an auxiliary heat source device that heats the hot water flowing through the stored hot water circulation flow path;
a control unit that controls the flow of hot water in the stored hot water circulation flow path and the heating hot water circulation flow path, the operation of the bathroom heating dryer, and the operation of the auxiliary heat source device ,
The bathroom heating dryer includes a second heat exchanger that exchanges heat with the hot water circulating in the heating hot water circulation flow path, and sucks air that can be heated by the second heat exchanger and circulates it in the bathroom. and a circulation fan, and is capable of executing a low temperature drying mode and a high temperature drying mode in which the circulation fan is driven to discharge heated air or unheated air into the bathroom,
The control unit includes:
When executing the low-temperature drying mode, if the amount of heat stored in the hot water storage tank is greater than or equal to a predetermined amount of heat, the auxiliary heat source device is not used and hot water is circulated in the stored hot water circulation flow path and the heating hot water circulation flow path. If the amount of heat stored in the hot water storage tank is less than a predetermined amount of heat, executing a cool air operation that stops the circulation of hot water in the heating hot water circulation flow path ;
When executing the high temperature drying mode, if the amount of heat stored in the hot water storage tank is greater than or equal to a predetermined amount of heat, the exhaust heat operation is executed, and if the amount of heat stored in the hot water storage tank is less than the predetermined amount of heat, the A fuel cell system that performs an auxiliary heat source operation in which an auxiliary heat source device is driven to supply hot water heated by the auxiliary heat source device to the stored hot water circulation flow path .
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