JP7506020B2 - Fuel cell system and fuel cell system operating method - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システム、及び燃料電池システム運転方法に関し、詳しくは、貯湯タンクを備えたコジェネレーションであり、給湯加熱用のバックアップ熱源機（ＢＢ）を有する燃料電池システム、及び当該燃料電池システムの運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a method for operating the fuel cell system, and more specifically to a fuel cell system that is a cogeneration system equipped with a hot water storage tank and has a backup heat source unit (BB) for hot water heating, and a method for operating the fuel cell system.
従来、燃料電池ユニットで発電すると共に、燃料電池ユニットの排熱を利用して給湯を行うコジェネレーションの燃料電池システムが提案されている。当該燃料電池システムでは、燃料電池ユニットの排熱で加熱された湯を貯湯タンクに湯を貯留している。また、補助熱源を有する給湯ユニットが備えられ、貯湯タンクに貯留された湯の温度が所望の温度よりも低温の場合に、当該給湯ユニットで、貯湯タンクからの湯を加熱する。 Conventionally, a cogeneration fuel cell system has been proposed that generates electricity using a fuel cell unit and supplies hot water using the exhaust heat of the fuel cell unit. In this fuel cell system, hot water heated by the exhaust heat of the fuel cell unit is stored in a hot water storage tank. In addition, a hot water supply unit having an auxiliary heat source is provided, and when the temperature of the hot water stored in the hot water storage tank is lower than the desired temperature, the hot water supply unit heats the hot water from the hot water storage tank.
ところで、貯湯タンクに貯留された湯の温度が低下した場合に、補助熱源での急激な加熱は難しい。そこで、特許文献１では、貯湯タンクの上層温度が設定温度Ｔよりもβ高い温度（Ｔ＋β）を下回った場合に、熱量不足を予測して、補助熱源を動作させている。貯湯タンクの設けられた燃料電池ユニット側の制御機器と、補助熱源を有する給湯ユニット側の制御機器との間で通信を行うことにより、燃料電池ユニット側から補助熱源側へ温度情報を伝達して、予め補助熱源を起動させておくことが可能である。 However, when the temperature of the hot water stored in the hot water tank drops, it is difficult to rapidly heat the water using the auxiliary heat source. Therefore, in Patent Document 1, when the temperature of the upper layer of the hot water tank falls below a temperature (T+β) that is β higher than the set temperature T, a heat shortage is predicted and the auxiliary heat source is activated. By communicating between the control device on the fuel cell unit side where the hot water tank is installed and the control device on the hot water supply unit side that has the auxiliary heat source, it is possible to transmit temperature information from the fuel cell unit side to the auxiliary heat source side and activate the auxiliary heat source in advance.
しかしながら、燃料電池ユニットを既存の熱源機に対して追加設置した（後付けした）場合など、燃料電池ユニット側の制御機器と補助熱源を備えた給湯ユニット（バックアップ熱源機ユニット）側の制御機器との間で通信できない場合には、貯湯タンクの温度情報をバックアップ熱源機側へ伝達できず、バックアップ熱源機ユニット側で貯湯タンク側の温度変化に追従しにくい状態が発生する場合もある。燃料電池ユニット側に設けられた制御機器がバックアップ熱源機ユニット側の制御機器と通信できない場合であっても、バックアップ熱源機ユニットから供給される湯の急激な温度変化を抑制することが求められる。 However, when communication is not possible between the control device on the fuel cell unit side and the control device on the hot water supply unit (backup heat source unit) side that has an auxiliary heat source, such as when a fuel cell unit is added (retrofitted) to an existing heat source unit, it may not be possible to transmit temperature information about the hot water tank to the backup heat source unit side, resulting in a situation where the backup heat source unit side has difficulty following temperature changes on the hot water storage tank side. Even when the control device on the fuel cell unit side cannot communicate with the control device on the backup heat source unit side, it is necessary to suppress sudden temperature changes in the hot water supplied from the backup heat source unit.
本発明は、上記事情に鑑みてされたものであって、燃料電池ユニットとバックアップ熱源機ユニットとの通信が行われない燃料電池システムにおいて、バックアップ熱源機ユニットから供給される湯の急激な温度変化を抑制することを目的とする The present invention was developed in consideration of the above circumstances, and aims to suppress sudden temperature changes in hot water supplied from a backup heat source unit in a fuel cell system in which communication between the fuel cell unit and the backup heat source unit is not performed.
第１態様に係る燃料電池システムは、発電を行う燃料電池モジュールが設けられた燃料電池ユニットと、前記燃料電池ユニットにおける熱交換で加熱された湯を貯留する貯湯タンクと、前記燃料電池ユニットに設けられ、前記貯湯タンクに貯留された湯の熱を利用し、前記燃料電池ユニットから送出される湯の温度を出湯目標温度に調整する温度調整部と、前記燃料電池ユニットから送出される湯の流量が所定の切換流量以下となった場合に、前記出湯目標温度を通常出湯目標温度から該通常出湯目標温度よりも低い少流量時出湯目標温度へ切り換える目標温度切換部と、前記燃料電池ユニットと非通信とされ、ガスの燃焼による熱を用いて前記燃料電池ユニットから送出された湯を加熱可能な熱源機ユニットと、を備えている。 The fuel cell system according to the first aspect includes a fuel cell unit having a fuel cell module that generates electricity, a hot water storage tank that stores hot water heated by heat exchange in the fuel cell unit, a temperature adjustment unit that is provided in the fuel cell unit and uses the heat of the hot water stored in the hot water storage tank to adjust the temperature of the hot water discharged from the fuel cell unit to a target hot water outlet temperature, a target temperature switching unit that switches the target hot water outlet temperature from the normal hot water outlet target temperature to a low flow rate hot water outlet target temperature that is lower than the normal hot water outlet target temperature when the flow rate of the hot water discharged from the fuel cell unit falls below a predetermined switching flow rate, and a heat source unit that is not in communication with the fuel cell unit and is capable of heating the hot water discharged from the fuel cell unit using heat generated by gas combustion.
第１態様に係る燃料電池システムは、燃料電池ユニット、貯湯タンク、及び熱源機ユニットを備えている。貯湯タンクには、燃料電池ユニットにおける熱交換で加熱された湯が貯留される。熱源機ユニットは、ガスの燃焼による熱を用いて燃料電池ユニットから送出された湯を加熱する。 The fuel cell system according to the first aspect includes a fuel cell unit, a hot water storage tank, and a heat source unit. The hot water storage tank stores hot water heated by heat exchange in the fuel cell unit. The heat source unit uses heat generated by gas combustion to heat the hot water sent from the fuel cell unit.
燃料電池ユニットから送出される湯の温度は、貯湯タンクに貯留された湯の熱を利用して、温度調整部により出湯目標温度に調整される。ここで、熱源機ユニットは、燃料電池ユニットと非通信であるため、燃料電池ユニットから送出される湯の流量が変化しても、変化当初は湯の流量変化に追従できず、所定の燃焼号数で燃料電池ユニットからの湯を加熱する。したがって、燃料電池ユニットから送出される湯が温度調整部により出湯目標温度に調整されていても、その流量が少量の場合、ユーザからの要求温度（以下「要求温度」という）よりも高い過熱された湯が供給される可能性がある。 The temperature of the hot water discharged from the fuel cell unit is adjusted to the target hot water outlet temperature by the temperature adjustment unit, using the heat of the hot water stored in the hot water storage tank. Here, since the heat source unit does not communicate with the fuel cell unit, even if the flow rate of the hot water discharged from the fuel cell unit changes, the heat source unit cannot initially follow the change in the hot water flow rate, and heats the hot water from the fuel cell unit at a specified combustion number. Therefore, even if the hot water discharged from the fuel cell unit is adjusted to the target hot water outlet temperature by the temperature adjustment unit, if the flow rate is small, there is a possibility that overheated hot water higher than the temperature requested by the user (hereinafter referred to as the "requested temperature") will be supplied.
そこで、温度調整部の調整対象である出湯目標温度を、燃料電池ユニットから送出される湯の流量が所定の切換流量以下となった場合に、目標温度切換部によって、通常出湯目標温度から該通常出湯目標温度よりも低い少流量時出湯目標温度へ切り換える。これにより、燃料電池ユニットから送出される湯の流量が切換流量以下となった場合に、熱源機ユニットへ供給される湯の温度が低くなり、熱源機ユニットからユーザへ供給される湯の急激な過熱を抑制することができる。 The target hot water outlet temperature, which is the target of adjustment by the temperature adjustment unit, is switched by the target temperature switching unit from the normal hot water outlet temperature to a low flow rate hot water outlet target temperature that is lower than the normal hot water outlet temperature when the flow rate of hot water output from the fuel cell unit falls below a predetermined switching flow rate. As a result, when the flow rate of hot water output from the fuel cell unit falls below the switching flow rate, the temperature of the hot water supplied to the heat source unit is lowered, making it possible to prevent rapid overheating of the hot water supplied from the heat source unit to the user.
第２態様に係る燃料電池システムは、前記切換流量は、前記熱源機ユニットにおける最小号数に対応する流量以下に設定されている。 In the fuel cell system according to the second aspect, the switching flow rate is set to a value equal to or lower than the flow rate corresponding to the minimum number in the heat source unit.
このように切換流量を設定することにより、熱源機ユニットにおける最小号数での加熱によって、熱源機ユニットからユーザへ供給される湯の温度が、要求温度を超えることを抑制することができる。 By setting the switching flow rate in this way, it is possible to prevent the temperature of the hot water supplied to the user from the heat source unit from exceeding the required temperature when the heat source unit is heated at the minimum number.
なお、ここでの最小号数とは、熱源機ユニットのバーナの火力を最小にした状態で連続的に駆動燃焼させた場合の燃焼号数であり、当該最小号数での駆動により上水温度＋２５℃の湯が得られる流量が、最小号数対応流量である。 The minimum number here refers to the combustion number when the burner of the heat source unit is continuously driven and burning with the heat output set to minimum, and the flow rate corresponding to the minimum number is the flow rate that produces hot water at a tap water temperature of 25°C or higher when driven at the minimum number.
第３態様に係る燃料電池システムは、前記少流量時出湯目標温度は、前記通常出湯目標温度から、前記最小号数で前記切換流量を加熱した場合の昇温に対応する温度に設定されている。 In the fuel cell system according to the third aspect, the low flow rate hot water outlet target temperature is set to a temperature that corresponds to the temperature rise from the normal hot water outlet target temperature when the switching flow rate is heated at the minimum number.
このように少流量時出湯目標温度を設定することにより、熱源機ユニットにおける最小号数での加熱によって、熱源機ユニットからユーザへ供給される湯の温度が、要求温度を超えることを抑制することができる。 By setting the target temperature for hot water outlet at low flow rates in this way, the temperature of the hot water supplied to the user from the heat source unit can be prevented from exceeding the required temperature by heating at the minimum number in the heat source unit.
第４態様に係る燃料電池システムは、前記通常出湯目標温度は、前記貯湯タンクに貯留された湯の温度が前記通常出湯目標温度よりも高い熱確保温度以上の場合には一定に維持されている。
なお、ここでの「熱確保温度」は、所定の熱が確保できる温度を意味している。
In the fuel cell system according to a fourth aspect, the normal hot water outlet target temperature is maintained constant when the temperature of the hot water stored in the hot water storage tank is equal to or higher than a heat securing temperature which is higher than the normal hot water outlet target temperature.
The term "heat securing temperature" here means a temperature at which a predetermined amount of heat can be secured.
このように、出湯目標温度を一定に維持することにより、熱源機ユニットでは、燃料電池ユニットから供給される湯の温度変化に対応した制御を行う機会が低減され、熱源機ユニットからユーザへ供給される湯の温度の急激な変化を抑制することができる。 In this way, by maintaining the target hot water outlet temperature constant, the heat source unit reduces the opportunities for control in response to changes in the temperature of the hot water supplied from the fuel cell unit, and sudden changes in the temperature of the hot water supplied to the user from the heat source unit can be suppressed.
第５態様に係る燃料電池システム運転方法は、燃料電池ユニットにおいて、発電を行う燃料電池モジュールからの排熱で加熱された湯を貯湯タンクに貯留し、前記貯湯タンクに貯留された湯の熱を利用し、前記燃料電池ユニットから送出される湯の温度を通常出湯目標温度に調整すると共に、前記燃料電池ユニットから送出される湯の流量が所定の切換流量以下となった場合に、前記出湯目標温度を通常出湯目標温度から該通常出湯目標温度よりも低い少流量時出湯目標温度へとなるように切り換え、ガスの燃焼による熱を用いて前記燃料電池ユニットから送出された湯を加熱可能、且つ前記燃料電池ユニットと非通信とされた熱源機ユニットへ送出する。 The fuel cell system operating method according to the fifth aspect comprises storing hot water heated by exhaust heat from a fuel cell module that generates electricity in a hot water storage tank in a fuel cell unit, utilizing the heat of the hot water stored in the hot water storage tank to adjust the temperature of the hot water discharged from the fuel cell unit to the normal hot water outlet target temperature, and switching the hot water outlet target temperature from the normal hot water outlet target temperature to a low flow rate hot water outlet target temperature that is lower than the normal hot water outlet target temperature when the flow rate of the hot water discharged from the fuel cell unit falls below a predetermined switching flow rate, and using heat from gas combustion to heat the hot water discharged from the fuel cell unit, and sending it to a heat source unit that is not in communication with the fuel cell unit.
第５態様に係る燃料電池システム運転方法では、貯湯タンクには、燃料電池ユニットにおける熱交換で加熱された湯が貯留される。熱源機ユニットは、ガスの燃焼による熱を用いて燃料電池ユニットから送出された湯を加熱する。 In the fuel cell system operating method according to the fifth aspect, the hot water storage tank stores hot water heated by heat exchange in the fuel cell unit. The heat source unit uses heat generated by the combustion of gas to heat the hot water sent from the fuel cell unit.
燃料電池ユニットから送出される湯の温度は、貯湯タンクに貯留された湯の熱を利用して、出湯目標温度に調整される。ここで、熱源機ユニットは、燃料電池ユニットと非通信であるため、燃料電池ユニットから送出される湯の流量が変化しても、変化当初は湯の流量変化に追従できず、所定の燃焼号数で燃料電池ユニットから送出される湯を加熱する。したがって、燃料電池ユニットから送出される湯が出湯目標温度に調整されていても、その流量が少量の場合、ユーザからの要求温度よりも高い過熱湯が供給される可能性がある。 The temperature of the hot water discharged from the fuel cell unit is adjusted to the target hot water outlet temperature by utilizing the heat of the hot water stored in the hot water storage tank. Here, since the heat source unit does not communicate with the fuel cell unit, even if the flow rate of the hot water discharged from the fuel cell unit changes, the heat source unit is unable to keep up with the change in the hot water flow rate at the beginning of the change, and heats the hot water discharged from the fuel cell unit at a specified combustion number. Therefore, even if the hot water discharged from the fuel cell unit is adjusted to the target hot water outlet temperature, if the flow rate is small, there is a possibility that superheated water higher than the temperature requested by the user will be supplied.
そこで、出湯目標温度を、燃料電池ユニットから送出される湯の流量が所定の切換流量以下となった場合に、通常出湯目標温度を、通常出湯目標温度から該通常出湯目標温度よりも低い少流量時出湯目標温度へ切り換える。これにより、燃料電池ユニットから送出される湯が切換流量以下となった場合に、熱源機ユニットへ供給される湯の温度が低くなり、熱源機ユニットからユーザへ供給される湯の急激な過熱を抑制することができる。 Therefore, when the flow rate of hot water delivered from the fuel cell unit falls below a predetermined switching flow rate, the normal hot water outlet target temperature is switched from the normal hot water outlet target temperature to a low flow rate hot water outlet target temperature that is lower than the normal hot water outlet target temperature. As a result, when the hot water delivered from the fuel cell unit falls below the switching flow rate, the temperature of the hot water supplied to the heat source unit is lowered, making it possible to prevent sudden overheating of the hot water supplied from the heat source unit to the user.
第６態様に係る燃料電池システム運転方法は、前記切換流量は、前記熱源機ユニットにおける最小号数に対応する流量以下に設定されている。 In the sixth aspect of the fuel cell system operating method, the switching flow rate is set to a value equal to or lower than the flow rate corresponding to the minimum number of the heat source unit.
このように切換流量を設定することにより、熱源機ユニットにおける最小号数での加熱によって、熱源機ユニットからユーザへ供給される湯の温度が、要求温度を超えることを抑制することができる。 By setting the switching flow rate in this way, it is possible to prevent the temperature of the hot water supplied to the user from the heat source unit from exceeding the required temperature when the heat source unit is heated at the minimum number.
第７態様に係る燃料電池システム運転方法は、前記少流量時出湯目標温度は、前記通常出湯目標温度から、前記最小号数で前記切換流量を加熱した場合の昇温に対応する温度に設定されている。 In the seventh aspect of the fuel cell system operating method, the low flow rate hot water outlet target temperature is set to a temperature that corresponds to the temperature rise from the normal hot water outlet target temperature when the switching flow rate is heated at the minimum number.
このように少流量時出湯目標温度を設定することにより、熱源機ユニットにおける最小号数での加熱によって、熱源機ユニットからユーザへ供給される湯の温度が、要求温度を超えることを抑制することができる。 By setting the target temperature for hot water outlet at low flow rates in this way, the temperature of the hot water supplied to the user from the heat source unit can be prevented from exceeding the required temperature by heating at the minimum number in the heat source unit.
第８態様に係る燃料電池システム運転方法は、前記通常出湯目標温度は、前記貯湯タンクに貯留された湯の温度が前記通常出湯目標温度よりも高い熱確保温度以上の場合には一定に維持されている。 In the eighth aspect of the fuel cell system operating method, the normal hot water outlet target temperature is maintained constant when the temperature of the hot water stored in the hot water storage tank is equal to or higher than a heat securing temperature that is higher than the normal hot water outlet target temperature.
このように、通常出湯目標温度を一定に維持することにより、熱源機ユニットでは、燃料電池ユニットから供給される湯の温度変化に対応した制御を行う機会が低減され、熱源機ユニットからユーザへ供給される湯の温度の急激な変化を抑制することができる。 In this way, by maintaining the normal hot water outlet target temperature constant, the heat source unit reduces the opportunities for control in response to changes in the temperature of the hot water supplied from the fuel cell unit, and sudden changes in the temperature of the hot water supplied to the user from the heat source unit can be suppressed.
以上詳述したように、本発明によれば、燃料電池ユニットとバックアップ熱源機ユニットとの通信が行われない場合でも、バックアップ熱源機ユニットから供給される湯の急激な温度変化を抑制することができる。 As described above in detail, according to the present invention, even when communication between the fuel cell unit and the backup heat source unit is not performed, it is possible to suppress abrupt changes in the temperature of the hot water supplied from the backup heat source unit.
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の一例について詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１０の構成の一例を示す図である。
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a fuel cell system 10 according to this embodiment.
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、大きく分けて、燃料電池ユニット１２と、熱源機ユニットの一例である給湯ユニット１４との２ユニットで構成されている。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 according to this embodiment is broadly composed of two units: a fuel cell unit 12 and a hot water supply unit 14, which is an example of a heat source unit.
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う。また、貯湯タンク４８を備え、発電により生じた熱を熱交換で回収する伝熱媒体としての水を貯湯タンク４８に蓄える。給湯ユニット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。なお、貯湯タンク４８には、一例として、開放式のタンクを用いているが、加圧式のタンクを用いてもよい。 The fuel cell unit 12 generates electricity using fuel gas and water. It also includes a hot water tank 48, which stores water as a heat transfer medium that recovers heat generated by power generation through heat exchange. The hot water supply unit 14 heats the clean water heated by the fuel cell unit 12 to a desired temperature and supplies it. As an example, an open tank is used for the hot water tank 48, but a pressurized tank may also be used.
また、貯湯タンク４８は、燃料電池モジュール２０と同一の筐体内に設けられていてもよいし、燃料電池モジュール２０と別の筐体内に設けられていてもよい。貯湯タンク４８が燃料電池モジュール２０と別の筐体内に設けられている場合には、後述する混合弁７２や上水熱交換器５４等の器機は、燃料電池モジュール２０側の筐体内に設けられていてもよいし、貯湯タンク４８側の筐体内に設けられていてもよい。 The hot water tank 48 may be provided in the same housing as the fuel cell module 20, or in a housing separate from the fuel cell module 20. When the hot water tank 48 is provided in a housing separate from the fuel cell module 20, devices such as the mixing valve 72 and clean water heat exchanger 54 described below may be provided in the housing on the fuel cell module 20 side, or in the housing on the hot water tank 48 side.
燃料電池ユニット１２は、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、筐体の内部に、改質器、バーナ、及び燃料電池スタックを主要な構成として備えている。燃料電池モジュール２０には、不図示の供給路から原料ガス、酸化剤ガス（空気）、改質水等が供給される。 The fuel cell unit 12 is equipped with a fuel cell module 20, which is an example of a fuel cell that generates electricity. The fuel cell module 20 is equipped with a reformer, a burner, and a fuel cell stack as its main components inside a housing. The fuel cell module 20 is supplied with raw material gas, oxidant gas (air), reforming water, etc. from supply paths not shown.
この燃料電池モジュール２０に備えられた改質器は、原料ガスを改質水により改質して水素を生成する。 The reformer installed in this fuel cell module 20 reforms the raw gas with reforming water to produce hydrogen.
この改質器では、供給された原料ガスを、バーナ（不図示）の燃焼熱で加熱し、吸熱反応により水素ガスを含む燃料ガスを生成する。この燃料ガスは、燃料電池モジュール２０内の燃料電池スタックの燃料極に供給される。 In this reformer, the raw material gas supplied is heated by the heat of combustion from a burner (not shown) and a fuel gas containing hydrogen gas is produced by an endothermic reaction. This fuel gas is supplied to the fuel electrode of the fuel cell stack in the fuel cell module 20.
燃料電池スタックは、例えば、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を有している。各燃料電池セルは、電解質層と、この電解質層の表裏面にそれぞれ積層された燃料極と空気極とを有している。 The fuel cell stack is, for example, a solid oxide fuel cell stack, and has multiple stacked fuel cell cells. Each fuel cell has an electrolyte layer, and a fuel electrode and an air electrode stacked on the front and back sides of the electrolyte layer, respectively.
空気極には、酸化ガス（外部の空気）が供給される。この空気極では、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、電解質層を通って燃料極に到達する。 Oxidizing gas (external air) is supplied to the air electrode. At the air electrode, oxygen in the oxidizing gas reacts with electrons to generate oxygen ions, as shown in the following formula (1). These oxygen ions pass through the electrolyte layer to reach the fuel electrode.
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ－ →Ｏ２－ ・・・（１）
(Air electrode reaction)
1/2O 2 + 2e − → O 2 − … (1)
一方、燃料極では、下記式（２）及び式（３）で示されるように、電解質層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。燃料極で生成された電子は、外部回路を通って空気極に到達する。そして、このようにして電子が燃料極から空気極に移動することにより、各燃料電池セルにおいて発電される。また、各燃料電池セルは、発電時に上記反応に伴って発熱する。 Meanwhile, at the fuel electrode, as shown in the following formulas (2) and (3), oxygen ions that have passed through the electrolyte layer react with hydrogen and carbon monoxide in the fuel gas to produce water (water vapor), carbon dioxide, and electrons. The electrons generated at the fuel electrode reach the air electrode through an external circuit. In this way, the electrons move from the fuel electrode to the air electrode, generating electricity in each fuel cell. In addition, each fuel cell generates heat as a result of the above reaction during power generation.
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２－ →Ｈ２Ｏ＋２ｅ－ ・・・（２）
ＣＯ＋Ｏ２－ →ＣＯ２＋２ｅ－ ・・・（３）
(Anode reaction)
H 2 + O 2- → H 2 O + 2e- ... (2)
CO + O 2- → CO 2 + 2e- ... (3)
燃料極から排出された燃料極排ガスと、空気極から排出された空気極排ガスとは、バーナにバーナガスとして供給される。バーナでの燃焼により生じたバーナ排ガスは、排出路３４により排気熱交換器３６へ排出される。 The fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode and the air electrode exhaust gas discharged from the air electrode are supplied to the burner as burner gas. The burner exhaust gas generated by combustion in the burner is discharged to the exhaust heat exchanger 36 through the exhaust path 34.
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より下流側が排ガス流路３０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で後述する伝熱媒体５０との熱交換により冷却され、排気される。なお、燃焼排ガスに含有されている水蒸気を凝縮させて、水とガスとに分けれ、水は改質水として再利用することもできる。 An exhaust heat exchanger 36 is provided in the exhaust passage 34, and the downstream side of the exhaust heat exchanger 36 is connected to the exhaust gas flow passage 30. The combustion exhaust gas from the fuel cell module 20 is cooled by heat exchange with a heat transfer medium 50 (described later) in the exhaust heat exchanger 36 and then exhausted. The water vapor contained in the combustion exhaust gas can be condensed and separated into water and gas, and the water can be reused as reforming water.
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が設けられている。この第一流路４２ａの熱回収ポンプ４４より上流側は、貯湯タンク４８に接続されている。貯湯タンク４８には、伝熱媒体として湯が貯留されている。貯湯タンク４８の上部は大気開放されている。また、貯湯タンク４８には、貯湯タンク４８内の上部の湯の温度を計測するタンク温度センサ５２が設けられている。 A heat recovery circuit 42 is connected to the exhaust heat exchanger 36, which circulates the heat transfer medium 50 between the exhaust heat exchanger 36 and the hot water storage tank 48. A heat recovery pump 44 is provided in a first flow path 42a, which is one of the flow paths of the heat recovery circuit 42 that connects the exhaust heat exchanger 36 and the hot water storage tank 48. The upstream side of the heat recovery pump 44 of the first flow path 42a is connected to the hot water storage tank 48. Hot water is stored in the hot water storage tank 48 as a heat transfer medium. The top of the hot water storage tank 48 is open to the atmosphere. In addition, the hot water storage tank 48 is provided with a tank temperature sensor 52 that measures the temperature of the hot water at the top of the hot water storage tank 48.
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の下部に貯留された湯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に供給された湯は、熱回収ポンプ４４によって排気熱交換器３６へ送られる。 The first flow path 42a is connected to the bottom of the hot water storage tank 48, and the hot water stored in the bottom of the hot water storage tank 48 is sent preferentially to the exhaust heat exchanger 36. The hot water supplied from the hot water storage tank 48 to the first flow path 42a of the heat recovery circuit 42 is sent to the exhaust heat exchanger 36 by the heat recovery pump 44.
貯湯タンク４８から第一流路４２ａを介して排気熱交換器３６へ送られた湯は、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、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。これにより、燃料電池モジュール２０で発生した熱により貯湯タンク４８内の湯が加熱される。 The hot water sent from the hot water storage tank 48 to the exhaust heat exchanger 36 via the first flow path 42a is returned to the hot water storage tank 48 via the second flow path 42e, which is the other flow path of the heat recovery circuit 42. The second flow path 42e is connected to the top of the hot water storage tank 48. The heat of the combustion exhaust gas from the fuel cell module 20 is transferred to the heat transfer medium 50 by the exhaust heat exchanger 36, and the heat transfer medium 50 heated by this heat is returned to the top of the hot water storage tank 48. As a result, the hot water in the hot water storage tank 48 is heated by the heat generated by the fuel cell module 20.
貯湯タンク４８に貯留された湯は、熱回収循環路４２と異なる熱供給循環路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。貯湯タンク４８の湯は、熱供給循環路５８に設けられた上水熱交換器５４を経て貯湯タンク４８へ戻される。 The hot water stored in the hot water storage tank 48 is supplied to the clean water heat exchanger 54 provided in the fuel cell unit 12 via a heat supply circuit 58 that is different from the heat recovery circuit 42. The hot water in the hot water storage tank 48 is returned to the hot water storage tank 48 via the clean water heat exchanger 54 provided in the heat supply circuit 58.
熱供給循環路５８の上水熱交換器５４よりも上流側の第一流路５８ａには、熱供給ポンプ５６が設けられている。熱供給ポンプ５６は、貯湯タンク４８の湯の熱を利用して上水等を加熱する際に作動する。 A heat supply pump 56 is provided in the first flow path 58a upstream of the clean water heat exchanger 54 of the heat supply circuit 58. The heat supply pump 56 operates when the heat of the hot water in the hot water storage tank 48 is used to heat the clean water, etc.
第一流路５８ａの上流端は、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湯が第一流路５８ａへ送出される。タンク温度センサ５２は、第一流路５８ａの貯湯タンク４８との接続部分の近傍の高さに配置されている。タンク温度センサ５２により、貯湯タンク４８に貯留された湯の上部の温度（以下「タンク湯温情報ＴＴ」という）が検知される。第一流路５８ａの下流端は、上水熱交換器５４と接続され、貯湯タンク４８の上部に貯留された湯が上水熱交換器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、貯湯タンク４８の下部に接続されており、上水熱交換器５４で熱が奪われた湯は、貯湯タンク４８の下部側に戻される。 The upstream end of the first flow path 58a is connected to the top of the hot water tank 48, and the hot water stored in the top of the hot water tank 48 is sent to the first flow path 58a. The tank temperature sensor 52 is disposed at a height near the connection part of the first flow path 58a with the hot water tank 48. The tank temperature sensor 52 detects the temperature of the top of the hot water stored in the hot water tank 48 (hereinafter referred to as "tank hot water temperature information TT"). The downstream end of the first flow path 58a is connected to the clean water heat exchanger 54, and the hot water stored in the top of the hot water tank 48 is supplied to the clean water heat exchanger 54. The second flow path 58e on the downstream side of the heat supply circulation path 58 is connected to the bottom of the hot water tank 48, and the hot water whose heat has been removed by the clean water heat exchanger 54 is returned to the bottom side of the hot water tank 48.
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。 An inflow passage 60 having an inflow side branch point 60a is connected to the clean water heat exchanger 54. The inflow passage 60 is connected to an inlet pipe joint 62. The inlet pipe joint 62 is connected to a water supply pipe 64, for example, of a water pipe, and clean water is supplied to the inflow passage 60.
上水熱交換器５４には、流入路６０からの上水が熱交換後に流出する流出路６６が接続されている。 The clean water heat exchanger 54 is connected to an outlet 66 through which the clean water from the inlet 60 flows out after heat exchange.
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からの湯とを混合する弁であり、流出温度が予め定められた出湯目標温度Ｔ０となるように、流入路６０からの上水と上水熱交換器５４からの湯との混合比を調整する。混合弁７２は、後述するＦＣ制御部１１０と接続されている。 A mixing valve 72 is provided downstream of the outlet branch point 66a of the outlet passage 66. The mixing valve 72 is connected to the inlet branch point 60a via a bypass passage 74. The mixing valve 72 is a valve that mixes clean water from the inlet passage 60 and hot water from the clean water heat exchanger 54, and adjusts the mixing ratio of the clean water from the inlet passage 60 and the hot water from the clean water heat exchanger 54 so that the outlet temperature becomes a predetermined hot water outlet target temperature T0. The mixing valve 72 is connected to the FC control unit 110, which will be described later.
なお、混合弁７２から流出する湯の温度は、後述する出湯温度計６７で計測される出湯温度情報ＴＤに対応する。出湯目標温度Ｔ０は、ユーザが任意に設定する要求給湯温度よりも低く設定されている。また、出湯目標温度Ｔ０は、給水管６４から供給される上水の温度よりも高く設定されている。このように、出湯目標温度Ｔ０を上水温度よりも高温にすることにより、燃料電池ユニット１２の排熱を予熱に有効利用することができる。 The temperature of the hot water flowing out of the mixing valve 72 corresponds to the outlet hot water temperature information TD measured by the outlet hot water thermometer 67 described below. The target outlet hot water temperature T0 is set lower than the required hot water temperature set by the user. The target outlet hot water temperature T0 is also set higher than the temperature of the clean water supplied from the water supply pipe 64. In this way, by setting the target outlet hot water temperature T0 higher than the clean water temperature, the exhaust heat of the fuel cell unit 12 can be effectively used for preheating.
流出路６６の混合弁７２より下流側には、流量計６５及び出湯温度計６７が設けられている。流量計６５では、混合弁７２から流出した湯の流量を計測する。出湯温度計６７では、混合弁７２から流出した湯の温度を計測する。流量計６５及び出湯温度計６７は、後述するＦＣ制御部１１０と接続されており、流量計６５からは計測した湯の流量（以下「出湯流量ＲＦ」という）がＦＣ制御部１１０へ送信され、出湯温度計６７からは計測した出湯温度情報ＴＤがＦＣ制御部１１０へ送信される。 A flowmeter 65 and an outlet hot water thermometer 67 are provided downstream of the mixing valve 72 in the outflow path 66. The flowmeter 65 measures the flow rate of the hot water flowing out from the mixing valve 72. The outlet hot water thermometer 67 measures the temperature of the hot water flowing out from the mixing valve 72. The flowmeter 65 and the outlet hot water thermometer 67 are connected to the FC control unit 110 described below, and the flowmeter 65 transmits the measured hot water flow rate (hereinafter referred to as "outlet hot water flow rate RF") to the FC control unit 110, and the outlet hot water thermometer 67 transmits the measured outlet hot water temperature information TD to the FC control unit 110.
流出路６６の流量計６５及び出湯温度計６７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、給湯ユニット１４の入水継手８０に接続されている。 The downstream side of the flow meter 65 and the outlet hot water thermometer 67 of the outlet passage 66 is connected to an outlet joint 76, which is connected to the inlet joint 80 of the hot water supply unit 14 via an outlet hot water pipe 78.
給湯ユニット１４のガス継手８２には、ガス供給管２４が接続されており、給湯ユニット１４のバーナ１５０には、ガス供給管２４からの都市ガスが供給される。バーナ１５０の燃焼熱により、熱交換器１５４を通過する湯が加熱される。 The gas supply pipe 24 is connected to the gas fitting 82 of the hot water supply unit 14, and city gas is supplied from the gas supply pipe 24 to the burner 150 of the hot water supply unit 14. The hot water passing through the heat exchanger 154 is heated by the combustion heat of the burner 150.
本実施形態でのバーナ１５０の最小号数をＧ０とする。ここでの最小号数とは、給湯ユニット１４のバーナ１５０の火力を最小にした状態で連続的に駆動燃焼させた場合の燃焼号数である。 In this embodiment, the minimum number of the burner 150 is G0. The minimum number here is the combustion number when the burner 150 of the hot water supply unit 14 is continuously driven and burned with the fire power of the burner 150 set to the minimum.
給湯ユニット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、湯が利用される給湯箇所へ配索されている。 A hot water supply pipe 86 is connected to the hot water supply joint 84 of the hot water supply unit 14, and the hot water supply pipe 86 is routed to the hot water supply location where hot water is used.
給湯ユニット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。また、入水継手８０と入水側分岐点１５２ａとの間には、ＢＢ流量計５３が設けられている。 The water inlet fitting 80 of the hot water supply unit 14 is connected to a water inlet passage 152, which is connected to a heat exchanger 154. The heat exchanger 154 is connected to the hot water supply fitting 84 via a hot water supply passage 158 having a mixing valve 156, and the mixing valve 156 is connected to the water inlet side branch point 152a of the water inlet passage 152 via a bypass passage 160. In addition, a BB flow meter 53 is provided between the water inlet fitting 80 and the water inlet side branch point 152a.
ＢＢ流量計５３は、燃料電池ユニット１２から出湯管７８を介して給湯ユニット１４へ供給される湯の流量（ＢＢ流量情報ＲＢ）を計測する。ＢＢ流量計５３は、後述するＢＢ制御部１７０と接続されており、ＢＢ制御部１７０へ計測したＢＢ流量情報ＲＢを出力する。 The BB flow meter 53 measures the flow rate of hot water (BB flow rate information RB) supplied from the fuel cell unit 12 to the hot water supply unit 14 via the hot water outlet pipe 78. The BB flow meter 53 is connected to the BB control unit 170 described later, and outputs the measured BB flow rate information RB to the BB control unit 170.
混合弁１５６は、入水路１５２からの湯と熱交換器１５４からの湯とを混合する弁であり、入水路１５２からの湯と熱交換器１５４からの湯との混合比を、ユーザの要求温度に応じて調整する。混合弁１５６には、混合弁１５６から送出される湯の温度（以下「給湯温度情報ＴＳ」という）を計測する給湯温度計１５７が設けられている。給湯温度計１５７は、後述するＢＢ制御部１７０と接続されており、ＢＢ制御部１７０へ給湯温度情報ＴＳを出力する。 The mixing valve 156 is a valve that mixes the hot water from the water inlet 152 and the hot water from the heat exchanger 154, and adjusts the mixing ratio of the hot water from the water inlet 152 and the hot water from the heat exchanger 154 according to the temperature required by the user. The mixing valve 156 is provided with a hot water thermometer 157 that measures the temperature of the hot water sent out from the mixing valve 156 (hereinafter referred to as "hot water temperature information TS"). The hot water thermometer 157 is connected to the BB control unit 170 described later, and outputs the hot water temperature information TS to the BB control unit 170.
なお、給湯ユニット１４には、暖房用の暖房管や、ふろ追焚き用のふろ管などが配策されており、各々循環路を構成すると共に、熱交換器１５４での熱交換により循環路内の湯が加熱される。これら暖房管、ふろ管については図示を省略している。 The hot water supply unit 14 is equipped with heating pipes for heating and bath pipes for reheating the bath, each of which forms a circulation path, and the hot water in the circulation path is heated by heat exchange in the heat exchanger 154. These heating pipes and bath pipes are not shown in the illustration.
給湯ユニット１４は、燃料電池ユニット１２で加熱された湯、暖房管、ふろ管内を流れる水を必要に応じて加熱するバックアップ用の熱源機として機能する。 The hot water supply unit 14 functions as a backup heat source that heats the hot water heated by the fuel cell unit 12 and the water flowing through the heating pipes and bath pipes as needed.
燃料電池ユニット１２には、コントローラとしてのＦＣ制御部１１０が設けられている。ＦＣ制御部１１０により、燃料電池ユニット１２の動作が制御される。また、ＦＣ制御部１１０には、リモコン装置５１が接続されている。リモコン装置５１は、ユーザからの操作入力を受け付けると共に、燃料電池ユニット１２の状態情報、エラー情報等の各種の情報を表示する。 The fuel cell unit 12 is provided with an FC control unit 110 as a controller. The operation of the fuel cell unit 12 is controlled by the FC control unit 110. A remote control device 51 is also connected to the FC control unit 110. The remote control device 51 accepts operation input from the user and displays various information such as status information and error information of the fuel cell unit 12.
図２は、第１実施形態に係るＦＣ制御部１１０の電気的な構成の一例を示すブロック図である。
図２に示すように、本実施形態に係るＦＣ制御部１１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１１２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１１３と、入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）１１４と、記憶部１１５と、外部インターフェース（以下、「外部Ｉ／Ｆ」という。）１１６と、を備えている。
FIG. 2 is a block diagram showing an example of the electrical configuration of the FC control unit 110 according to the first embodiment.
As shown in FIG. 2, the FC control unit 110 of this embodiment includes a CPU (Central Processing Unit) 111, a ROM (Read Only Memory) 112, a RAM (Random Access Memory) 113, an input/output interface (I/O) 114, a storage unit 115, and an external interface (hereinafter referred to as the "external I/F") 116.
ＣＰＵ１１１、ＲＯＭ１１２、ＲＡＭ１１３、及びＩ／Ｏ１１４は、バスを介して各々接続されている。Ｉ／Ｏ１１４には、記憶部１１５と、外部Ｉ／Ｆ１１６と、を含む各機能部が接続されている。これらの各機能部は、Ｉ／Ｏ１１４を介して、ＣＰＵ１１１と相互に通信可能とされる。 The CPU 111, ROM 112, RAM 113, and I/O 114 are each connected via a bus. The I/O 114 is connected to various functional units including a memory unit 115 and an external I/F 116. These functional units are capable of communicating with the CPU 111 via the I/O 114.
記憶部１１５としては、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、フラッシュメモリ等が用いられる。記憶部１１５には、燃料電池ユニット１２の動作を制御するための制御プログラム１１５Ａが記憶される。なお、この制御プログラム１１５Ａは、ＲＯＭ１１２に記憶されていてもよい。 For example, a hard disk drive (HDD), a solid state drive (SSD), or a flash memory is used as the storage unit 115. A control program 115A for controlling the operation of the fuel cell unit 12 is stored in the storage unit 115. This control program 115A may be stored in the ROM 112.
制御プログラム１１５Ａは、例えば、ＦＣ制御部１１０に予めインストールされていてもよい。制御プログラム１１５Ａは、不揮発性の記憶媒体に記憶して、又はネットワークを介して配布して、ＦＣ制御部１１０に適宜インストールすることで実現してもよい。なお、不揮発性の記憶媒体の例としては、ＣＤ-ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、光磁気ディスク、ＨＤＤ、ＤＶＤ-ＲＯＭ（Digital Versatile Disc Read Only Memory）、フラッシュメモリ、メモリカード等が想定される。 The control program 115A may be pre-installed in the FC control unit 110, for example. The control program 115A may be realized by storing it in a non-volatile storage medium or distributing it via a network and installing it appropriately in the FC control unit 110. Examples of non-volatile storage media include CD-ROMs (Compact Disc Read Only Memory), optical magnetic disks, HDDs, DVD-ROMs (Digital Versatile Disc Read Only Memory), flash memories, memory cards, etc.
本実施形態では、制御プログラム１１５Ａの一部として、出湯目標温度調整処理のプログラムが格納されている。また、出湯目標温度調整処理に使用されるデータとして、通常出湯目標温度Ｔ１、少流量時出湯目標温度Ｔ３、及び切換流量ＲＣが格納されている。 In this embodiment, a program for the target hot water outlet temperature adjustment process is stored as part of the control program 115A. In addition, the normal target hot water outlet temperature T1, the low flow target hot water outlet temperature T3, and the switching flow rate RC are stored as data used in the target hot water outlet temperature adjustment process.
出湯目標温度調整処理は、出湯温度計６７で計測される湯の温度である出湯温度情報ＴＤを、出湯目標温度Ｔ０を挟んだ上下の温度幅である出湯目標範囲ＴＲ（Ｔ０±γ℃）内になるように調整すると共に、流量計６５で計測された出湯流量ＲＦが切換流量ＲＣ以下となった場合に、出湯目標温度Ｔ０を、通常出湯目標温度Ｔ１から少流量時出湯目標温度Ｔ３へ切り換える。通常出湯目標温度Ｔ１は、貯湯タンク４８の湯の温度が、所定の温度（熱確保温度ＴＫ）以上の場合に、維持される出湯目標温度Ｔ０である。熱確保温度ＴＫは、通常出湯目標温度Ｔ１よりも高い温度に設定されている。 The target water outlet temperature adjustment process adjusts the water outlet temperature information TD, which is the temperature of the water measured by the water outlet thermometer 67, to be within the target water outlet range TR (T0±γ°C), which is the temperature band above and below the target water outlet temperature T0, and switches the target water outlet temperature T0 from the normal water outlet target temperature T1 to the low flow rate water outlet target temperature T3 when the water outlet flow rate RF measured by the flowmeter 65 falls below the switching flow rate RC. The normal water outlet target temperature T1 is the target water outlet temperature T0 that is maintained when the temperature of the water in the hot water storage tank 48 is at or above a predetermined temperature (heat securing temperature TK). The heat securing temperature TK is set to a temperature higher than the normal water outlet target temperature T1.
本実施形態では、切換流量ＲＣは、バーナ１５０の最小号数Ｇ０対応する流量（最小号数対応流量）以下に設定されている。なお、ここでの最小号数Ｇ０は、給湯ユニット１４のバーナ１５０の火力を最小にした状態で連続的に駆動燃焼させた場合の燃焼号数であり、当該最小号数Ｇ０での駆動により上水温度＋２５℃の湯が得られる流量が、最小号数対応流量である。 In this embodiment, the switching flow rate RC is set to a flow rate (minimum number-compatible flow rate) that corresponds to the minimum number G0 of the burner 150. Note that the minimum number G0 here is the combustion number when the burner 150 of the hot water supply unit 14 is continuously driven and burned with the heat output of the burner set to minimum, and the flow rate that produces hot water at a tap water temperature of 25°C by driving at the minimum number G0 is the minimum number-compatible flow rate.
また、少流量時出湯目標温度Ｔ３は、通常出湯目標温度Ｔ１よりもＸ℃低い温度が設定されている。Ｘ℃は、一例として、バーナ１５０の最小号数で切換流量ＲＣの湯を加熱した場合の昇温に対応する温度とすることができる。このように少流量時出湯目標温度Ｔ３を設定することにより、バーナ１５０の最小号数Ｇ０での加熱によって、ユーザへ供給される湯の温度が、要求温度情報ＴＵを超えることを抑制することができる。 The low flow rate hot water outlet target temperature T3 is set to a temperature X°C lower than the normal hot water outlet target temperature T1. As an example, X°C can be set to a temperature that corresponds to the temperature rise when hot water is heated at the switching flow rate RC with the minimum number of burners 150. By setting the low flow rate hot water outlet target temperature T3 in this manner, it is possible to prevent the temperature of the hot water supplied to the user by heating with the minimum number G0 of burner 150 from exceeding the required temperature information TU.
外部Ｉ／Ｆ１１６には、例えば、リモコン装置５１、タンク温度センサ５２、流量計６５、出湯温度計６７、混合弁７２、熱回収ポンプ４４、熱供給ポンプ５６、が接続されている。これらのリモコン装置５１、タンク温度センサ５２、流量計６５、出湯温度計６７、混合弁７２、熱回収ポンプ４４、熱供給ポンプ５６は、外部Ｉ／Ｆ１１６を介して、ＣＰＵ１１１と通信可能に接続される。 To the external I/F 116, for example, a remote control device 51, a tank temperature sensor 52, a flow meter 65, an outlet hot water thermometer 67, a mixing valve 72, a heat recovery pump 44, and a heat supply pump 56 are connected. These remote control devices 51, tank temperature sensor 52, flow meter 65, outlet hot water thermometer 67, mixing valve 72, heat recovery pump 44, and heat supply pump 56 are connected to the CPU 111 via the external I/F 116 so as to be able to communicate with each other.
図３は、本実施形態に係るＢＢ制御部１７０の電気的な構成の一例を示すブロック図である。ＢＢ制御部１７０は、ＦＣ制御部１１０と接続されておらず、ＦＣ制御部１１０と非通信となっている。 Figure 3 is a block diagram showing an example of the electrical configuration of the BB control unit 170 according to this embodiment. The BB control unit 170 is not connected to the FC control unit 110 and is not in communication with the FC control unit 110.
図３に示すように、本実施形態に係るＢＢ制御部１７０は、ＦＣ制御部１１０と同様に、ＣＰＵ１７１と、ＲＯＭ１７２と、ＲＡＭ１７３と、入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）１７４と、記憶部１７５と、外部インターフェース（以下、「外部Ｉ／Ｆ」という。）１７６と、を備えている。 As shown in FIG. 3, the BB control unit 170 according to this embodiment, like the FC control unit 110, includes a CPU 171, a ROM 172, a RAM 173, an input/output interface (I/O) 174, a memory unit 175, and an external interface (hereinafter referred to as "external I/F") 176.
ＣＰＵ１７１、ＲＯＭ１７２、ＲＡＭ１７３、及びＩ／Ｏ１７４は、バスを介して各々接続されている。Ｉ／Ｏ１７４には、記憶部１７５と、外部Ｉ／Ｆ１７６と、を含む各機能部が接続されている。これらの各機能部は、Ｉ／Ｏ１７４を介して、ＣＰＵ１７１と相互に通信可能とされる。 The CPU 171, ROM 172, RAM 173, and I/O 174 are each connected via a bus. The I/O 174 is connected to various functional units including a memory unit 175 and an external I/F 176. These functional units are capable of communicating with the CPU 171 via the I/O 174.
記憶部１７５には、給湯ユニット１４の動作を制御するための制御プログラム１７５Ａが記憶される。なお、この制御プログラム１７５Ａは、ＲＯＭ１７２に記憶されていてもよい。制御プログラム１７５Ａの一部として、給湯温度調整処理のプログラムが格納されている。給湯温度調整処理により、給湯ユニット１４からユーザへ供給される湯の温度が調整される。また、記憶部１７５には、ユーザが要求する湯の温度（以下「要求温度情報ＴＵ」という）が記憶されている。要求温度情報ＴＵとしては、ユーザが不図示の入力部から任意の温度を設定し、随時変更することができる。 The memory unit 175 stores a control program 175A for controlling the operation of the hot water supply unit 14. This control program 175A may be stored in the ROM 172. A program for hot water temperature adjustment processing is stored as part of the control program 175A. The hot water temperature adjustment processing adjusts the temperature of the hot water supplied to the user from the hot water supply unit 14. The memory unit 175 also stores the hot water temperature requested by the user (hereinafter referred to as "requested temperature information TU"). The user can set any temperature as the requested temperature information TU from an input unit (not shown) and change it at any time.
外部Ｉ／Ｆ１７６には、例えば、給湯温度計１５７、混合弁１５６、ＢＢ流量計５３が接続されている。これらの給湯温度計１５７、混合弁１５６、ＢＢ流量計５３は、外部Ｉ／Ｆ１７６を介して、ＣＰＵ１７１と通信可能に接続される。 For example, the hot water thermometer 157, the mixing valve 156, and the BB flow meter 53 are connected to the external I/F 176. The hot water thermometer 157, the mixing valve 156, and the BB flow meter 53 are connected to the CPU 171 via the external I/F 176 so as to be able to communicate with each other.
図４は、本実施形態に係るＦＣ制御部１１０の機能的な構成の一例を示すブロック図である。本実施形態に係るＦＣ制御部１１０のＣＰＵ１１１は、記憶部１１５に記憶されている制御プログラム１１５ＡをＲＡＭ１１３に書き込んで実行することにより、図４に示す各部として機能する。図４に示すように、本実施形態に係るＦＣ制御部１１０のＣＰＵ１１１は、温度調整部１１１Ａ及び目標温度切換部１１１Ｂとして機能する。 Figure 4 is a block diagram showing an example of the functional configuration of the FC control unit 110 according to this embodiment. The CPU 111 of the FC control unit 110 according to this embodiment functions as each unit shown in Figure 4 by writing a control program 115A stored in the storage unit 115 to the RAM 113 and executing it. As shown in Figure 4, the CPU 111 of the FC control unit 110 according to this embodiment functions as a temperature adjustment unit 111A and a target temperature switching unit 111B.
温度調整部１１１Ａは、燃料電池ユニット１２から給湯ユニット１４へ供給される湯の温度を、出湯目標温度Ｔ０に調整する。目標温度切換部１１１Ｂは、出湯流量ＲＦが切換流量ＲＣ以下となった場合に、出湯目標温度Ｔ０を通常出湯目標温度Ｔ１から少流量時出湯目標温度Ｔ３へ切り換える。 The temperature adjustment unit 111A adjusts the temperature of the hot water supplied from the fuel cell unit 12 to the hot water supply unit 14 to the target hot water outlet temperature T0. The target temperature switching unit 111B switches the target hot water outlet temperature T0 from the normal target hot water outlet temperature T1 to the low flow target hot water outlet temperature T3 when the hot water outlet flow rate RF becomes equal to or lower than the switching flow rate RC.
次に、図５、図６を参照して、本実施形態に係るＦＣ制御部１１０の作用について説明する。 Next, the operation of the FC control unit 110 according to this embodiment will be described with reference to Figures 5 and 6.
図５は、本実施形態に係る制御プログラム１１５Ａの内、出湯目標温度調整処理を示すフローチャートである。上述したように、燃料電池ユニット１２では、燃料電池モジュール２０での発電による排熱で貯湯タンク４８の湯が加熱されるため、貯湯タンク４８に貯留された湯の温度は変化する。そこで、燃料電池ユニット１２の運転中は、出湯目標温度調整処理が実行される。なお、出湯目標温度Ｔ０は、初期値として、通常出湯目標温度Ｔ１に設定されている。 Figure 5 is a flow chart showing the target hot water outlet temperature adjustment process of the control program 115A according to this embodiment. As described above, in the fuel cell unit 12, the hot water in the hot water storage tank 48 is heated by the exhaust heat generated by the power generation in the fuel cell module 20, so the temperature of the hot water stored in the hot water storage tank 48 changes. Therefore, the target hot water outlet temperature adjustment process is executed while the fuel cell unit 12 is in operation. The target hot water outlet temperature T0 is set to the normal target hot water outlet temperature T1 as an initial value.
まず、ステップＳ１２で、流量計６５で計測された出湯流量ＲＦを取得する。ステップＳ１４で、取得した出湯流量ＲＦが切換流量ＲＣ以下か否かを判断する。ステップＳ１４での判断が肯定された場合には、ステップＳ１６で、出湯目標温度Ｔ０を少流量時出湯目標温度Ｔ３に切り換える。ステップＳ１４での判断が否定された場合には、ステップＳ１８で、出湯目標温度Ｔ０を通常出湯目標温度Ｔ１に切り換える。 First, in step S12, the outlet water flow rate RF measured by the flowmeter 65 is obtained. In step S14, it is determined whether the obtained outlet water flow rate RF is equal to or less than the switching flow rate RC. If the determination in step S14 is positive, in step S16, the outlet water target temperature T0 is switched to the low flow rate outlet water target temperature T3. If the determination in step S14 is negative, in step S18, the outlet water target temperature T0 is switched to the normal outlet water target temperature T1.
ステップＳ１６、ステップＳ１８の後、ステップＳ２０で、温度調整処理を実行する。温度調整処理は、図６に示されるように、ステップＳ２２で、出湯温度計６７で計測された出湯温度情報ＴＤを取得する。ステップＳ２４で、出湯温度情報ＴＤが出湯目標範囲ＴＲ内か否かを判断する。ステップＳ２４での判断が否定された場合には、ステップＳ２６で、混合弁７２の開度を調整し、ステップＳ２４へ戻る。混合弁７２の開度調整は、出湯温度情報ＴＤが出湯目標範囲ＴＲ内となるまで繰り返され、いわゆるフィードバック制御が実行される。ステップＳ２４での判断が肯定された場合には、温度調整処理を終了し、図５のステップＳ１２へ戻る。 After steps S16 and S18, in step S20, a temperature adjustment process is executed. In the temperature adjustment process, as shown in FIG. 6, in step S22, outlet hot water temperature information TD measured by the outlet hot water thermometer 67 is acquired. In step S24, it is determined whether the outlet hot water temperature information TD is within the target hot water outlet range TR. If the determination in step S24 is negative, in step S26, the opening degree of the mixing valve 72 is adjusted, and the process returns to step S24. The adjustment of the opening degree of the mixing valve 72 is repeated until the outlet hot water temperature information TD is within the target hot water outlet range TR, and so-called feedback control is executed. If the determination in step S24 is positive, the temperature adjustment process is terminated, and the process returns to step S12 in FIG. 5.
そして、給湯ユニット１４のＣＰＵ１７１では、ユーザから給湯要求がある場合に、図７に示す給湯温度調整処理が実行される。 Then, when a hot water supply request is received from the user, the CPU 171 of the hot water supply unit 14 executes the hot water supply temperature adjustment process shown in FIG. 7.
ステップＳ４０で、要求温度情報ＴＵを取得し、ステップＳ４１で給湯温度情報ＴＳを取得し、ステップＳ４２で、ＢＢ流量情報ＲＢを取得する。ステップＳ４４で、取得した要求温度情報ＴＵ、給湯温度情報ＴＳ、及びＢＢ流量情報ＲＢに基づいて、ステップＳ４４でバーナ出力制御処理を実行し、ステップＳ４６で混合弁の開度調整処理を実行する。バーナ出力制御処理及び混合弁の開度調整処理は、給湯温度情報ＴＳが要求温度情報ＴＵに近づくように、バーナ１５０の出力が決定されると共に、混合弁１５６の開度が決定されて実行される。 In step S40, requested temperature information TU is acquired, in step S41, hot water temperature information TS is acquired, and in step S42, BB flow information RB is acquired. In step S44, based on the acquired requested temperature information TU, hot water temperature information TS, and BB flow information RB, burner output control processing is executed in step S44, and mixing valve opening adjustment processing is executed in step S46. The burner output control processing and mixing valve opening adjustment processing are executed by determining the output of burner 150 and determining the opening of mixing valve 156 so that hot water temperature information TS approaches requested temperature information TU.
ステップＳ４８で、給湯終了か否かを判断する。給湯の終了は、ＢＢ流量情報ＲＢが０となることで検知することができる。ステップＳ４８での判断が否定された場合には、ステップＳ４０へ戻り、上記の処理を繰り返す。ステップＳ４８での判断が肯定された場合には、給湯温度調整処理を終了する。 In step S48, it is determined whether hot water supply has ended. The end of hot water supply can be detected when the BB flow rate information RB becomes 0. If the determination in step S48 is negative, the process returns to step S40 and the above process is repeated. If the determination in step S48 is positive, the hot water supply temperature adjustment process ends.
本実施形態の燃料電池ユニット１２では、このようにして給湯ユニット１４へ供給される湯の温度が、出湯目標温度Ｔ０に近い出湯目標範囲ＴＲ内に調整される。このように、出湯目標温度Ｔ０を一定の範囲内に維持することにより、給湯ユニット１４では、燃料電池ユニット１２から供給される湯の温度変化に対応した制御を行う機会が低減される。したがって、給湯ユニット１４が燃料電池ユニット１２と非通信であっても、給湯ユニット１４からユーザへ供給される湯の温度の急激な変化を抑制することができる。 In this embodiment of the fuel cell unit 12, the temperature of the hot water supplied to the hot water supply unit 14 is adjusted to within the target hot water outlet range TR close to the target hot water outlet temperature T0. In this way, by maintaining the target hot water outlet temperature T0 within a constant range, the hot water supply unit 14 reduces the opportunities for control in response to changes in the temperature of the hot water supplied from the fuel cell unit 12. Therefore, even if the hot water supply unit 14 is not in communication with the fuel cell unit 12, sudden changes in the temperature of the hot water supplied to the user from the hot water supply unit 14 can be suppressed.
ここで、出湯流量ＲＦが切換流量ＲＣ以下となった場合には、給湯温度調整処理におけるバーナ出力制御が難しく、特に、ＢＢ流量情報ＲＢが最小号数対応流量以下の場合には、より難しい。本実施形態では、出湯流量ＲＦが切換流量ＲＣ以下となった場合には、出湯目標温度Ｔ０を通常出湯目標温度Ｔ１から少流量時出湯目標温度Ｔ３へ切り換える。この切換えにより、給湯ユニット１４へ供給される湯の温度は、少流量時出湯目標温度Ｔ３に低下する。これにより、給湯ユニット１４での加熱でユーザへ供給される湯の急激な過熱を抑制することができる。 When the hot water outlet flow rate RF falls below the switching flow rate RC, burner output control in the hot water temperature adjustment process becomes difficult, and is particularly difficult when the BB flow rate information RB falls below the minimum number-compatible flow rate. In this embodiment, when the hot water outlet flow rate RF falls below the switching flow rate RC, the hot water outlet target temperature T0 is switched from the normal hot water outlet target temperature T1 to the low-flow hot water outlet target temperature T3. This switch causes the temperature of the hot water supplied to the hot water supply unit 14 to drop to the low-flow hot water outlet target temperature T3. This makes it possible to prevent the hot water supplied to the user by heating in the hot water supply unit 14 from suddenly overheating.
１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池ユニット
１４ 給湯ユニット（熱源機ユニット）
２０ 燃料電池モジュール
４８ 貯湯タンク
５２ タンク温度センサ
６７ 出湯温度計
１１０ ＦＣ制御部
１１１Ａ 温度調整部
１１１Ｂ 目標温度切換部
Ｔ０ 出湯目標温度
ＴＫ 熱確保温度
Ｔ１ 通常出湯目標温度
Ｔ３ 少流量時出湯目標温度
ＲＣ 切換流量
10 Fuel cell system 12 Fuel cell unit 14 Hot water supply unit (heat source unit)
20 Fuel cell module 48 Hot water storage tank 52 Tank temperature sensor 67 Hot water outlet thermometer 110 FC control unit 111A Temperature adjustment unit 111B Target temperature switching unit T0 Hot water outlet target temperature TK Heat securing temperature T1 Normal hot water outlet target temperature T3 Low flow rate hot water outlet target temperature RC Switching flow rate
Claims (8)
前記燃料電池ユニットにおける熱交換で加熱された湯を貯留する貯湯タンクと、
前記燃料電池ユニットに設けられ、前記貯湯タンクに貯留された湯の熱を利用し、前記燃料電池ユニットから送出される湯の温度を出湯目標温度に調整する温度調整部と、
前記燃料電池ユニットから送出される湯の流量が所定の切換流量以下となった場合に、前記出湯目標温度を通常出湯目標温度から該通常出湯目標温度よりも低い少流量時出湯目標温度へ切り換える目標温度切換部と、
前記燃料電池ユニットと非通信とされ、ガスの燃焼による熱を用いて前記燃料電池ユニットから送出された湯を加熱可能な熱源機ユニットと、
を備えた燃料電池システム。 a fuel cell unit provided with a fuel cell module for generating electricity;
a hot water storage tank for storing hot water heated by heat exchange in the fuel cell unit;
a temperature adjusting unit provided in the fuel cell unit, which adjusts the temperature of the hot water discharged from the fuel cell unit to a target hot water outlet temperature by utilizing the heat of the hot water stored in the hot water storage tank;
a target temperature switching unit that switches the target hot water outlet temperature from a normal target hot water outlet temperature to a low flow rate target hot water outlet temperature that is lower than the normal target hot water outlet temperature when the flow rate of the hot water output from the fuel cell unit becomes equal to or lower than a predetermined switching flow rate;
a heat source unit that is not in communication with the fuel cell unit and that is capable of heating hot water sent from the fuel cell unit by using heat generated by combustion of gas;
A fuel cell system comprising:
請求項１に記載の燃料電池システム。 The switching flow rate is set to be equal to or lower than a flow rate corresponding to the minimum number in the heat source unit.
The fuel cell system according to claim 1 .
請求項２に記載の燃料電池システム。 The low flow rate hot water outlet target temperature is set to a temperature corresponding to the temperature rise when hot water is heated at the switching flow rate with the minimum number from the normal hot water outlet target temperature.
The fuel cell system according to claim 2 .
請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 The normal hot water outlet target temperature is maintained constant when the temperature of the hot water stored in the hot water storage tank is equal to or higher than a heat securing temperature that is higher than the normal hot water outlet target temperature.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
前記貯湯タンクに貯留された湯の熱を利用し、前記燃料電池ユニットから送出される湯の温度を出湯目標温度に調整すると共に、前記燃料電池ユニットから送出される湯の流量が所定の切換流量以下となった場合に、前記出湯目標温度を通常出湯目標温度から該通常出湯目標温度よりも低い少流量時出湯目標温度へとなるように切り換え、
ガスの燃焼による熱を用いて前記燃料電池ユニットから送出された湯を加熱可能、且つ前記燃料電池ユニットと非通信とされた熱源機ユニットへ送出する、
燃料電池システム運転方法。 In the fuel cell unit, hot water heated by exhaust heat from the fuel cell module which generates electricity is stored in a hot water storage tank;
The heat of the hot water stored in the hot water storage tank is utilized to adjust the temperature of the hot water discharged from the fuel cell unit to a target hot water outlet temperature, and when the flow rate of the hot water discharged from the fuel cell unit falls below a predetermined switching flow rate, the target hot water outlet temperature is switched from the normal hot water outlet target temperature to a low flow rate hot water outlet target temperature which is lower than the normal hot water outlet target temperature;
The hot water delivered from the fuel cell unit can be heated using heat generated by the combustion of gas, and the hot water is delivered to a heat source unit that is not in communication with the fuel cell unit.
A method for operating a fuel cell system.
請求項５に記載の燃料電池システム運転方法。 The switching flow rate is set to be equal to or lower than a flow rate corresponding to the minimum number in the heat source unit.
The method for operating a fuel cell system according to claim 5 .
請求項６に記載の燃料電池システム運転方法。 The low flow rate hot water outlet target temperature is set to a temperature corresponding to the temperature rise when hot water is heated at the switching flow rate with the minimum number from the normal hot water outlet target temperature.
The method for operating a fuel cell system according to claim 6.
請求項５～請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム運転方法。 The normal hot water outlet target temperature is maintained constant when the temperature of the hot water stored in the hot water storage tank is equal to or higher than a heat securing temperature that is higher than the normal hot water outlet target temperature.
The method for operating a fuel cell system according to any one of claims 5 to 7.
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