JPWO2012091030A1 - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
燃料電池システム１は、施設Ｆに湯（貯湯槽２３に貯留された水）を供給するための水流路系として、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｈからバックアップボイラ２４を介して施設Ｆに至る水流路系ＦＳ１と、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｌからバックアップボイラ２４を介して施設Ｆに至る水流路系ＦＳ２と、を有している。切替部２５は、例えば、水貯留領域２３Ｈに貯留された水の温度が施設Ｆの要求温度よりも低い場合に、水流路系ＦＳ１から水流路系ＦＳ２に切り替える。
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。
従来の燃料電池システムとして、セルスタックを含む発電部と、セルスタックから排出されるオフガスの燃焼ガスから水に熱を移動させて水を加熱する熱交換器と、熱交換器で加熱された水を貯留する貯湯槽と、を備えるものが知られている（例えば特許文献１参照）。ここで、貯湯槽に貯留されている湯（熱交換器で加熱された水）は、燃料電池システムが設置された所定の施設で利用される。ただし、貯湯槽に貯留されている湯の温度が所定の施設の要求温度よりも低い場合には、バックアップボイラが用いられて湯が要求温度に加熱された上で所定の施設に供給される。
ところで、バックアップボイラは、最弱の火力での燃焼量である最低燃焼量を有している。従って、貯湯槽に貯留されている湯の温度が所定の施設の要求温度よりも低い場合において、その差が、バックアップボイラの最低燃焼量によって上昇する水の温度よりも小さいときには、所定の施設に供給される湯の温度が要求温度を超えてしまうことになる。そのため、バックアップボイラに供給する前に湯に水を加えるなどして、所定の施設に供給される湯の温度が要求温度を超えないように調節する必要があり、エネルギーの損失を招いていた。
そこで、本発明は、所定の施設に効率良く湯を供給することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明の一観点の燃料電池システムは、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含む発電部と、所定の施設に供給するための水を貯留する貯湯槽と、発電部で発生する熱を利用して、貯湯槽に貯留された水を加熱する熱交換部と、貯湯槽の第１の水貯留領域に貯留された水を所定の施設に流通させる第１の水流路と、第１の水流路に設けられ、第１の水貯留領域に貯留された水の温度が所定の施設の要求温度よりも低い場合に水を加熱する加熱部と、第１の水貯留領域に貯留される水の温度よりも低い温度の水が貯留される貯湯槽の第２の水貯留領域に貯留された水を第１の水流路における加熱部の上流側の第１の位置に流通させる第２の水流路と、貯湯槽に貯留された水を所定の施設に供給するときに、第１の水流路を介して所定の施設に至る第１の水流路系と、第２の水流路、及び第１の水流路における第１の位置の下流側の部分を介して、所定の施設に至る第２の水流路系との間で、水流路系を切り替える切替部と、を備える。
このとき、熱交換部は、セルスタックから排出されるオフガスの燃焼ガスから水に熱を移動させて水を加熱する熱交換器と、貯湯槽から熱交換器に水を循環流通させる第３の水流路と、を有し、第２の水流路は、第３の水流路における熱交換器の下流側の第２の位置から分岐して第１の位置に合流し、第２の水流路系は、第３の水流路における第２の位置の上流側の部分、第２の水流路、及び第１の水流路における第１の位置の下流側の部分を介して、所定の施設に至ってもよい。
或いは、熱交換部は、セルスタックから排出されるオフガスの燃焼ガスから熱媒体に熱を移動させて熱媒体を加熱する熱交換器と、貯湯槽及び熱交換器を介して熱媒体を循環流通させる熱媒体流路と、を有し、第２の水流路は、第２の水貯留領域から延出して第１の位置に合流し、第２の水流路系は、第２の水流路、及び第１の水流路における第１の位置の下流側の部分を介して、所定の施設に至ってもよい。
また、熱交換部は、セルスタックより循環される熱回収媒体から水に熱を移動させて水を加熱する熱交換器と、貯湯槽から熱交換器に水を循環流通させる第３の水流路と、を有し、第２の水流路は、第３の水流路における熱交換器の下流側の第２の位置から分岐して第１の位置に合流し、第２の水流路系は、第３の水流路における第２の位置の上流側の部分、第２の水流路、及び第１の水流路における第１の位置の下流側の部分を介して、所定の施設に至ってもよい。
或いは、熱交換部は、セルスタックより循環される熱回収媒体から熱媒体に熱を移動させて熱媒体を加熱する熱交換器と、貯湯槽及び熱交換器を介して熱媒体を循環流通させる熱媒体流路と、を有し、第２の水流路は、第２の水貯留領域から延出して第１の位置に合流し、第２の水流路系は、第２の水流路、及び第１の水流路における第１の位置の下流側の部分を介して、所定の施設に至ってもよい。
これらの場合、所定の施設に湯（貯湯槽に貯留された水）を供給するための水流路系が、貯湯槽の第１の水貯留領域から加熱部を介して所定の施設に至る第１の水流路系と、貯湯槽の第２の水貯留領域から加熱部を介して所定の施設に至る第２の水流路系との間で切り替えられる。そのため、例えば、第１の水貯留領域に貯留された水の温度が所定の施設の要求温度よりも低い場合に、第１の水流路系から第２の水流路系に切り替えることで、第１の水貯留領域に貯留されている水の温度の低下を抑制しつつ、第２の水貯留領域から加熱部を介して所定の施設に湯を供給することができる。よって、この燃料電池システムによれば、所定の施設に効率良く湯を供給することが可能となる。
ここで、切替部は、第１の水貯留領域に貯留された水の温度が要求温度よりも低い場合に、第１の水流路系から第２の水流路系に切り替えてもよい。これによれば、上述したように、第１の水貯留領域に貯留されている水の温度の低下を抑制することができる。
さらに、切替部は、第１の水貯留領域に貯留された水の温度が要求温度よりも低く、かつその差が加熱部による水の上昇温度の最小値よりも小さい場合に、第１の水流路系から第２の水流路系に切り替えてもよい。そのような場合に第１の水流路系を用いると、加熱部に供給する前に湯に水を加えるなどして、所定の施設に供給される湯の温度が要求温度を超えないように調節する必要があるが、第１の水流路系から第２の水流路系に切り替えることで、そのような調節が不要となる。
本発明によれば、所定の施設に効率良く湯を供給することができる。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１の実施形態］
［第１の実施形態］
図１に示されるように、燃料電池システム１は、脱硫部２と、水気化部３と、水素発生部４と、セルスタック５と、オフガス燃焼部６と、水素含有燃料供給部７と、水供給部８と、酸化剤供給部９と、パワーコンディショナー１０と、制御部１１と、を備えている。燃料電池システム１は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック５にて発電を行う。燃料電池システム１におけるセルスタック５の種類は特に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：Phosphoric Acid Fuel Cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten Carbonate Fuel Cell）、及び、その他の種類を採用することができる。なお、セルスタック５の種類、水素含有燃料の種類、及び改質方式等に応じて、図１に示す構成要素を適宜省略してもよい。
水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。
酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。
脱硫部２は、水素発生部４に供給される水素含有燃料の脱硫を行う。脱硫部２は、水素含有燃料に含有される硫黄化合物を除去するための脱硫触媒を有している。脱硫部２の脱硫方式として、例えば、硫黄化合物を吸着して除去する吸着脱硫方式や、硫黄化合物を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式が採用される。脱硫部２は、脱硫した水素含有燃料を水素発生部４へ供給する。
水気化部３は、水を加熱し気化させることによって、水素発生部４に供給される水蒸気を生成する。水気化部３における水の加熱は、例えば、水素発生部４の熱、オフガス燃焼部６の熱、あるいは排ガスの熱を回収する等、燃料電池システム１内で発生した熱を用いてもよい。また、別途ヒータ、バーナ等の他熱源を用いて水を加熱してもよい。なお、図１では、一例としてオフガス燃焼部６から水素発生部４へ供給される熱のみ記載されているが、これに限定されない。水気化部３は、生成した水蒸気を水素発生部４へ供給する。
水素発生部４は、脱硫部２からの水素含有燃料を用いて水素リッチガスを発生させる。水素発生部４は、水素含有燃料を改質触媒によって改質する改質器を有している。水素発生部４での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。なお、水素発生部４は、セルスタック５に要求される水素リッチガスの性状によって、改質触媒により改質する改質器の他に性状を調整するための構成を有する場合もある。例えば、セルスタック５のタイプが固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）であった場合、水素発生部４は、水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するための構成（例えば、シフト反応部、選択酸化反応部）を有する。水素発生部４は、水素リッチガスをセルスタック５のアノード１２へ供給する。
セルスタック５は、水素発生部４からの水素リッチガス及び酸化剤供給部９からの酸化剤を用いて発電を行う。セルスタック５は、水素リッチガスが供給されるアノード１２と、酸化剤が供給されるカソード１３と、アノード１２とカソード１３との間に配置される電解質１４と、を備えている。セルスタック５は、パワーコンディショナー１０を介して、電力を外部へ供給する。セルスタック５は、発電に用いられなかった水素リッチガス及び酸化剤をオフガスとして、オフガス燃焼部６へ供給する。なお、水素発生部４が備えている燃焼部（例えば、改質器を加熱する燃焼器など）をオフガス燃焼部６と共用してもよい。
オフガス燃焼部６は、セルスタック５から供給されるオフガスを燃焼させる。オフガス燃焼部６によって発生する熱は、水素発生部４へ供給され、水素発生部４での水素リッチガスの発生に用いられる。
水素含有燃料供給部７は、脱硫部２へ水素含有燃料を供給する。水供給部８は、水気化部３へ水を供給する。酸化剤供給部９は、セルスタック５のカソード１３へ酸化剤を供給する。水素含有燃料供給部７、水供給部８、及び酸化剤供給部９は、例えばポンプによって構成されており、制御部１１からの制御信号に基づいて駆動する。
パワーコンディショナー１０は、セルスタック５からの電力を、外部での電力使用状態に合わせて調整する。パワーコンディショナー１０は、例えば、電圧を変換する処理や、直流電力を交流電力へ変換する処理を行う。
制御部１１は、燃料電池システム１全体の制御処理を行う。制御部１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイスによって構成される。制御部１１は、水素含有燃料供給部７、水供給部８、酸化剤供給部９、パワーコンディショナー１０、その他、図示されないセンサや補機と電気的に接続されている。制御部１１は、燃料電池システム１内で発生する各種信号を取得すると共に、燃料電池システム１内の各機器へ制御信号を出力する。
上述した燃料電池システム１は、図２に示されるように、発電部２１と、熱交換器２２と、貯湯槽２３と、バックアップボイラ（加熱部）２４と、を備えて構成されている。発電部２１は、水素リッチガス（水素含有ガス）を用いて発電を行うセルスタック５を含んでモジュール化されたものである。発電部２１は、少なくともセルスタック５を含むものであって、さらにオフガス燃焼部６や水素発生部４等を含む場合もあれば、オフガス燃焼部６や水素発生部４等を含まない場合もある。
熱交換器２２は、セルスタック５から排出されるオフガスの燃焼ガス（すなわち、オフガス燃焼部６からの排ガス）（若しくは、セルスタック５から循環される熱回収媒体（例えば、純水、不凍液等の電気伝導性が充分に低い液体））、及び水を流通させることで、燃焼ガス（若しくは、熱回収媒体（以下、同じ））から水に熱を移動させて水を加熱する。この水は、水流路（第３の水流路）ＦＰ３によって、貯湯槽２３から熱交換器２２に循環流通させられているものである。熱交換器２２で加熱された水は、貯湯槽２３に貯留される。ここでは、熱交換器２２及び水流路ＦＰ３によって熱交換部２０が構成されている。すなわち、熱交換部２０は、発電部２１で発生する熱を利用して、貯湯槽２３に貯留された水を加熱する。なお、熱交換器２２では、冷却された燃焼ガスから水が回収され、その水は、水供給部８及び水気化部３を介して水素発生部４に供給される。
貯湯槽２３は、例えば円筒状に形成されている。ここでは、水流路ＦＰ３は、貯湯槽２３の下部から水を導出し、熱交換器２２を介して、貯湯槽２３の上部に水を導入する。これにより、貯湯槽２３に貯留されている水の温度は、下部での温度よりも上部での温度が高い状態で徐々に上昇することになる。つまり、貯湯槽２３においては、上部が、比較的高い温度の水が貯留される水貯留領域（第１の水貯留領域）２３Ｈとなり、下部が、比較的低い温度（第１の水貯留領域に貯留される水の温度よりも低い温度）の水が貯留される水貯留領域（第２の水貯留領域）２３Ｌとなる。
貯湯槽２３に貯留されている水は、水流路（第１の水流路）ＦＰ１によって、燃料電池システム１が設置された施設（所定の施設）Ｆに流通させられる。つまり、水流路ＦＰ１は、湯（熱交換器２２で加熱された水）を施設Ｆに供給するための水流路である。ここでは、水流路ＦＰ１は、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｈから水を導出する。つまり、水流路ＦＰ１は、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｈに貯留された水を施設Ｆに流通させる。
バックアップボイラ２４は、水流路ＦＰ１に設けられており、熱交換器２２で加熱された水の温度（すなわち、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｈに貯留された水の温度）が施設Ｆの要求温度よりも低い場合に水を加熱する。例えば、施設Ｆの要求温度が７０℃であるのに対し、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｈでの水の温度が５０℃である場合には、水流路ＦＰ１によって貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｈから導出された水の温度は、バックアップボイラ２４によって２０℃上昇させられる。
水流路ＦＰ３における熱交換器２２の下流側の位置（第２の位置）Ｐ２と、水流路ＦＰ１におけるバックアップボイラ２４の上流側の位置（第１の位置）Ｐ１との間には、水流路（第２の水流路）ＦＰ２が掛け渡されている。つまり、水流路ＦＰ２は、水流路ＦＰ３における位置Ｐ２から分岐し、水流路ＦＰ１における位置Ｐ１に合流している。これにより、水流路ＦＰ２は、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｌに貯留された水を間接的に（ここでは、水流路ＦＰ３における位置Ｐ２の上流側の部分を介して）水流路ＦＰ１における位置Ｐ１に流通させる。
燃料電池システム１では、貯湯槽２３に貯留された水を施設Ｆに供給するときに、水流路系（第１の水流路系）ＦＳ１又は水流路系（第２の水流路系）ＦＳ２が用いられる。水流路系ＦＳ１は、貯湯槽２３から水流路ＦＰ１を介して施設Ｆに至る水流路系である。水流路系ＦＳ２は、貯湯槽２３から、水流路ＦＰ３における位置Ｐ２の上流側の部分、水流路ＦＰ２、及び水流路ＦＰ１における位置Ｐ１の下流側の部分を介して、施設Ｆに至る水流路系である。
貯湯槽２３に貯留された水を施設Ｆに供給するための水流路系は、切替部２５によって、水流路系ＦＳ１と水流路系ＦＳ２との間で切り替えられる。切替部２５は、例えば、水流路ＦＰ３における位置Ｐ２の下流側の部分、水流路ＦＰ２、及び水流路ＦＰ１における位置Ｐ１の上流側の部分のそれぞれに設けられた電磁弁によって構成することができる。この場合、切替部２５は、水流路ＦＰ３における位置Ｐ２の下流側の部分に設けられた電磁弁、及び水流路ＦＰ１における位置Ｐ１の上流側の部分に設けられた電磁弁を開き、水流路ＦＰ２に設けられた電磁弁を閉じることで、水流路系ＦＳ１に切り替える。一方、切替部２５は、水流路ＦＰ３における位置Ｐ２の下流側の部分に設けられた電磁弁、及び水流路ＦＰ１における位置Ｐ１の上流側の部分に設けられた電磁弁を閉じ、水流路ＦＰ２に設けられた電磁弁を開くことで、水流路系ＦＳ２に切り替える。
なお、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｌには、水流路ＦＰ４が接続されている。この水流路ＦＰ４は、例えば、貯湯槽２３に貯留されている水が施設Ｆで利用された場合に、貯湯槽２３内の水位が一定に維持されるように、水道水を貯湯槽２３に供給する。また、水流路ＦＰ４における所定の位置と、水流路ＦＰ１における位置Ｐ１の上流側の所定の位置との間には、水流路ＦＰ５が掛け渡されている。つまり、水流路ＦＰ５は、水流路ＦＰ３における所定の位置から分岐し、水流路ＦＰ１における所定の位置に例えば減圧調整バルブやブレンダー等を介して合流している。この水流路ＦＰ５は、例えば、施設Ｆの要求温度が７０℃であるのに対し、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｈでの水の温度が７５℃である場合に、その水の温度が５℃下降するように、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｈから導出された水に水道水を加える。
ここで、施設Ｆに湯を供給するときの切替部２５の動作について説明する。なお、バックアップボイラ２４の最低燃焼量（すなわち、最弱の火力での燃焼量）によって上昇する水の温度（バックアップボイラ２４による水の上昇温度の最小値）は２０℃であるものとする。また、貯湯槽２３に貯留されている水の温度は、少なくとも貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｈ，２３Ｌのそれぞれにおいて温度センサによって検出される。
最初に、施設Ｆの要求温度が７０℃であるのに対し、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｈでの水の温度が７５℃である場合（つまり、水貯留領域２３Ｈに貯留された水の温度が施設Ｆの要求温度よりも高い場合）について説明する。この場合には、図３に示されるように、切替部２５は、例えば、水流路ＦＰ３における位置Ｐ２の下流側の部分に設けられた電磁弁、及び水流路ＦＰ１における位置Ｐ１の上流側の部分に設けられた電磁弁を開き、水流路ＦＰ２に設けられた電磁弁を閉じることで、水流路系ＦＳ１に切り替える。これにより、貯湯槽２３から水流路ＦＰ１を介して施設Ｆに至る水流路系ＦＳ１によって、施設Ｆに湯が供給されることになる。ただし、この場合には、水流路ＦＰ５によって、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｈから導出された水の温度が５℃下降するように、その水に水道水が加えられる。なお、貯湯槽２３に貯留されている水は、水流路ＦＰ３によって、熱交換器２２に循環流通させられる。
次に、施設Ｆの要求温度が７０℃であるのに対し、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｈでの水の温度が７０℃である場合（つまり、水貯留領域２３Ｈに貯留された水の温度が施設Ｆの要求温度に等しい場合）について説明する。この場合には、上述した場合と同様に、切替部２５は、水流路系ＦＳ１に切り替える。これにより、貯湯槽２３から水流路ＦＰ１を介して施設Ｆに至る水流路系ＦＳ１によって、施設Ｆに湯が供給されることになる。勿論、この場合には、水流路ＦＰ５による水道水の加水は不要である。なお、貯湯槽２３に貯留されている水は、水流路ＦＰ３によって、熱交換器２２に循環流通させられる。
最後に、施設Ｆの要求温度が７０℃であるのに対し、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｈでの水の温度が６５℃である場合（つまり、水貯留領域２３Ｈに貯留された水の温度が施設Ｆの要求温度よりも低く、かつその差（ここでは５℃）がバックアップボイラ２４による水の上昇温度の最小値（ここでは２０℃）よりも小さい場合）について説明する。この場合には、図４に示されるように、切替部２５は、例えば、水流路ＦＰ３における位置Ｐ２の下流側の部分に設けられた電磁弁、及び水流路ＦＰ１における位置Ｐ１の上流側の部分に設けられた電磁弁を閉じ、水流路ＦＰ２に設けられた電磁弁を開くことで、水流路系ＦＳ２に切り替える。これにより、貯湯槽２３から、水流路ＦＰ３における位置Ｐ２の上流側の部分、水流路ＦＰ２、及び水流路ＦＰ１における位置Ｐ１の下流側の部分を介して、施設Ｆに至る水流路系ＦＳ２によって、施設Ｆに湯が供給されることになる。このとき、バックアップボイラ２４によって、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｌから導出された水の温度が７０℃となるように、その水が加熱される。このように、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｌに貯留されている低温の水が利用されることで、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｈに貯留されている高温の水が温存されることになる。なお、施設Ｆに供給する湯量を補充するためなどに、水流路ＦＰ５によって、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｌから導出された水に水道水が加えられてもよい。
ところで、切替部２５は、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｈに貯留された水の温度が施設Ｆの要求温度よりも低い場合に（その差がバックアップボイラ２４による水の上昇温度の最小値よりも小さいか否かにかかわらず）、水流路系ＦＳ２に切り替えてもよい。これによっても、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｌに貯留されている低温の水が利用されて、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｈに貯留されている高温の水が温存されるからである。
以上説明したように、燃料電池システム１では、施設Ｆに湯（貯湯槽２３に貯留された水）を供給するための水流路系が、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｈから熱交換器２２を介さずにバックアップボイラ２４を介して施設Ｆに至る水流路系ＦＳ１と、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｌから熱交換器２２及びバックアップボイラ２４を介して施設Ｆに至る水流路系ＦＳ２との間で切り替えられる。そのため、水貯留領域２３Ｈに貯留された水（ここでは、熱交換器２２で加熱された水）の温度が施設Ｆの要求温度よりも低い場合に、水流路系ＦＳ１から水流路系ＦＳ２に切り替えることで、水貯留領域２３Ｈに貯留されている水の温度の低下を抑制しつつ、水貯留領域２３Ｌから熱交換器２２及びバックアップボイラ２４を介して施設Ｆに湯を供給することができる。しかも、水がバックアップボイラ２４に至る前に熱交換器２２で予熱されるため、バックアップボイラ２４の負荷を軽減することができる。よって、燃料電池システム１によれば、施設Ｆに効率良く湯を供給することが可能となる。
さらに、切替部２５は、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｈに貯留された水の温度が施設Ｆの要求温度よりも低く、かつその差がバックアップボイラ２４による水の上昇温度の最小値よりも小さい場合に、水流路系ＦＳ１から水流路系ＦＳ２に切り替える。そのような場合に水流路系ＦＳ１を用いると、バックアップボイラ２４に供給する前に湯に水を加えるなどして、施設Ｆに供給される湯の温度が施設Ｆの要求温度を超えないように調節する必要があるが、水流路系ＦＳ１から水流路系ＦＳ２に切り替えることで、そのような調節が不要となる。
また、施設Ｆに湯を供給するために水流路系ＦＳ２が用いられると、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｌに貯留されていた低温の水が熱交換器２２を流通することになる。そのため、熱交換器２２での燃焼ガスの冷却を促進し、燃焼ガスから回収する水の量を増加させることができる。
［第２の実施形態］
［第２の実施形態］
第２の実施形態の燃料電池システム１は、熱交換部の構成において、上述した第１の実施形態の燃料電池システム１と主に相違している。すなわち、図５に示されるように、熱交換部３０は、セルスタック５から排出されるオフガスの燃焼ガスから熱媒体に熱を移動させて熱媒体を加熱する熱交換器３１と、貯湯槽２３及び熱交換器３１を介して熱媒体を循環流通させる熱媒体流路３２と、を有している。熱媒体流路３２は、貯湯槽２３において水貯留領域２３Ｈから水貯留領域２３Ｌに向かうように熱媒体を流通させる。熱媒体流路３２には、貯湯槽２３の下流側に位置しかつ熱交換器３１の上流側に位置するように熱媒体タンク３３が設けられている。なお、熱媒体としては、例えば、水、エチレングリコール水溶液等の不凍液、油、空気、二酸化炭素や窒素等のガス、水蒸気等を用いることができる。
このとき、水流路ＦＰ２は、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｌから延出し、水流路ＦＰ１における位置Ｐ１に合流している。これにより、水流路ＦＰ２は、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｌに貯留された水を直接的に水流路ＦＰ１における位置Ｐ１に流通させることができる。そして、水流路系ＦＳ２は、水流路ＦＰ２、及び水流路ＦＰ１における位置Ｐ１の下流側の部分を介して、施設Ｆに至る水流路系となっている。
また、切替部２５は、例えば、水流路ＦＰ２、及び水流路ＦＰ１における位置Ｐ１の上流側の部分のそれぞれに設けられた電磁弁によって構成することができる。この場合、切替部２５は、水流路ＦＰ１における位置Ｐ１の上流側の部分に設けられた電磁弁を開き、水流路ＦＰ２に設けられた電磁弁を閉じることで、水流路系ＦＳ１に切り替える。一方、切替部２５は、水流路ＦＰ１における位置Ｐ１の上流側の部分に設けられた電磁弁を閉じ、水流路ＦＰ２に設けられた電磁弁を開くことで、水流路系ＦＳ２に切り替える。なお、施設Ｆに湯を供給するときの切替部２５の動作については、上述した第１の実施形態の燃料電池システム１の場合と同様である。
以上のように構成された燃料電池システム１においても、施設Ｆに湯（貯湯槽２３に貯留された水）を供給するための水流路系が、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｈからバックアップボイラ２４を介して施設Ｆに至る水流路系ＦＳ１と、貯湯槽２３の水貯留領域２３Ｌからバックアップボイラ２４を介して施設Ｆに至る水流路系ＦＳ２との間で切り替えられる。そのため、水貯留領域２３Ｈに貯留された水の温度が施設Ｆの要求温度よりも低い場合に、水流路系ＦＳ１から水流路系ＦＳ２に切り替えることで、水貯留領域２３Ｈに貯留されている水の温度の低下を抑制しつつ、水貯留領域２３Ｌからバックアップボイラ２４を介して施設Ｆに湯を供給することができる。よって、この燃料電池システム１によっても、施設Ｆに効率良く湯を供給することが可能となる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、バックアップボイラ２４に代えて、他の加熱部（通常のボイラ（メインボイラを含む）等）を適用してもよい。その場合、加熱部による水の上昇温度の最小値は、加熱部の最低加熱量によって上昇する水の温度となる。また、上記実施形態では、水素含有燃料として、純水素や水素富化ガス等の改質が不要なガスを供給することもできる。この場合、水素発生部が有する改質器は不要となる。また、熱交換部は、上述した熱交換器２２，３１を用いたものに限定されず、発電部で発生する熱を利用して、貯湯槽に貯留された水を加熱するものであれば、適用可能である。
なお、本発明を別の観点で捉えると、本発明の別の観点の燃料電池システムは、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含む発電部と、セルスタックから排出されるオフガスの燃焼ガスから水に熱を移動させて水を加熱する熱交換器と、熱交換器で加熱された水を貯留する貯湯槽と、貯湯槽から熱交換器に水を循環流通させる第１の水流路と、熱交換器で加熱された水を所定の施設に供給するために、貯湯槽から所定の施設に水を流通させる第２の水流路と、第２の水流路に設けられ、熱交換器で加熱された水の温度が所定の施設の要求温度よりも低い場合に水を加熱する加熱部と、第１の水流路における熱交換器の下流側の第１の位置から分岐し、第２の水流路における加熱部の上流側の第２の位置に合流する第３の水流路と、熱交換器で加熱された水を所定の施設に供給するときに、貯湯槽から第２の水流路を介して所定の施設に至る第１の水流路系と、貯湯槽から、第１の水流路における第１の位置の上流側の部分、第３の水流路、及び第２の水流路における第２の位置の下流側の部分を介して、所定の施設に至る第２の水流路系との間で、水流路系を切り替える切替部と、を備える。
この燃料電池システムでは、所定の施設に湯（熱交換器で加熱された水）を供給するための水流路系が、貯湯槽から熱交換器を介さずに加熱部を介して所定の施設に至る第１の水流路系と、貯湯槽から熱交換器及び加熱部を介して所定の施設に至る第２の水流路系との間で切り替えられる。そのため、例えば、熱交換器で加熱された水の温度が所定の施設の要求温度よりも低い場合に、第１の水流路系から第２の水流路系に切り替えることで、貯湯槽に貯留されている水の温度の低下を抑制しつつ、貯湯槽から熱交換器及び加熱部を介して所定の施設に湯を供給することができる。しかも、水が加熱部に至る前に熱交換器で予熱されるため、加熱部の負荷を軽減することができる。よって、この燃料電池システムによれば、所定の施設に効率良く湯を供給することが可能となる。
ここで、切替部は、熱交換器で加熱された水の温度が要求温度よりも低い場合に、第１の水流路系から第２の水流路系に切り替えてもよい。これによれば、上述したように、貯湯槽に貯留されている水の温度の低下を抑制することができると共に、加熱部の負荷を軽減することができる。
さらに、切替部は、熱交換器で加熱された水の温度が要求温度よりも低く、かつその差が加熱部による水の上昇温度の最小値よりも小さい場合に、第１の水流路系から第２の水流路系に切り替えてもよい。そのような場合に第１の水流路系を用いると、加熱部に供給する前に湯に水を加えるなどして、所定の施設に供給される湯の温度が要求温度を超えないように調節する必要があるが、第１の水流路系から第２の水流路系に切り替えることで、そのような調節が不要となる。
本発明によれば、所定の施設に効率良く湯を供給することができる。
１…燃料電池システム、５…セルスタック、２０，３０…熱交換部、２１…発電部、２２，３１…熱交換器、２３…貯湯槽、２３Ｈ…水貯留領域（第１の水貯留領域）、２３Ｌ…水貯留領域（第２の水貯留領域）、２４…バックアップボイラ（加熱部）、２５…切替部、３２…熱媒体流路、Ｆ…施設（所定の施設）、ＦＰ１…水流路（第１の水流路）、ＦＰ２…水流路（第２の水流路）、ＦＰ３…水流路（第３の水流路）、Ｐ１…位置（第１の位置）、Ｐ２…位置（第２の位置）、ＦＳ１…水流路系（第１の水流路系）、ＦＳ２…水流路系（第２の水流路系）。
ここで、切替部は、第１の水貯留領域に貯留された水の温度が要求温度以上である場合には、第１の水流路系によって所定の施設に水を供給し、第１の水貯留領域に貯留された水の温度が要求温度よりも低い場合には、第２の水流路系によって所定の施設に水を供給するように、第１の水流路系と第２の水流路系との間で、水流路系を切り替えてもよい。これによれば、上述したように、第１の水貯留領域に貯留されている水の温度の低下を抑制することができる。
さらに、切替部は、第１の水貯留領域に貯留された水の温度が要求温度以上であるか、又はその差が加熱部による水の上昇温度の最小値以上である場合には、第１の水流路系によって所定の施設に水を供給し、第１の水貯留領域に貯留された水の温度が要求温度よりも低く、かつその差が加熱部による水の上昇温度の最小値よりも小さい場合には、第２の水流路系によって所定の施設に水を供給するように、第１の水流路系と第２の水流路系との間で、水流路系を切り替えてもよい。そのような場合に第１の水流路系を用いると、加熱部に供給する前に湯に水を加えるなどして、所定の施設に供給される湯の温度が要求温度を超えないように調節する必要があるが、第１の水流路系から第２の水流路系に切り替えることで、そのような調節が不要となる。また、セルスタックは、固体酸化物形燃料電池であってもよい。
Claims (7)
- 水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含む発電部と、
所定の施設に供給するための水を貯留する貯湯槽と、
前記発電部で発生する熱を利用して、前記貯湯槽に貯留された前記水を加熱する熱交換部と、
前記貯湯槽の第１の水貯留領域に貯留された前記水を前記所定の施設に流通させる第１の水流路と、
前記第１の水流路に設けられ、前記第１の水貯留領域に貯留された前記水の温度が前記所定の施設の要求温度よりも低い場合に前記水を加熱する加熱部と、
前記第１の水貯留領域に貯留される前記水の温度よりも低い温度の前記水が貯留される前記貯湯槽の第２の水貯留領域に貯留された前記水を前記第１の水流路における前記加熱部の上流側の第１の位置に流通させる第２の水流路と、
前記貯湯槽に貯留された前記水を前記所定の施設に供給するときに、前記第１の水流路を介して前記所定の施設に至る第１の水流路系と、前記第２の水流路、及び前記第１の水流路における前記第１の位置の下流側の部分を介して、前記所定の施設に至る第２の水流路系との間で、水流路系を切り替える切替部と、を備える、燃料電池システム。 - 前記熱交換部は、前記セルスタックから排出されるオフガスの燃焼ガスから前記水に熱を移動させて前記水を加熱する熱交換器と、前記貯湯槽から前記熱交換器に前記水を循環流通させる第３の水流路と、を有し、
前記第２の水流路は、前記第３の水流路における前記熱交換器の下流側の第２の位置から分岐して前記第１の位置に合流し、
前記第２の水流路系は、前記第３の水流路における前記第２の位置の上流側の部分、前記第２の水流路、及び前記第１の水流路における前記第１の位置の下流側の部分を介して、前記所定の施設に至る、請求項１記載の燃料電池システム。 - 前記熱交換部は、前記セルスタックから排出されるオフガスの燃焼ガスから熱媒体に熱を移動させて前記熱媒体を加熱する熱交換器と、前記貯湯槽及び前記熱交換器を介して前記熱媒体を循環流通させる熱媒体流路と、を有し、
前記第２の水流路は、前記第２の水貯留領域から延出して前記第１の位置に合流し、
前記第２の水流路系は、前記第２の水流路、及び前記第１の水流路における前記第１の位置の下流側の部分を介して、前記所定の施設に至る、請求項１記載の燃料電池システム。 - 前記熱交換部は、前記セルスタックより循環される熱回収媒体から前記水に熱を移動させて前記水を加熱する熱交換器と、前記貯湯槽から前記熱交換器に前記水を循環流通させる第３の水流路と、を有し、
前記第２の水流路は、前記第３の水流路における前記熱交換器の下流側の第２の位置から分岐して前記第１の位置に合流し、
前記第２の水流路系は、前記第３の水流路における前記第２の位置の上流側の部分、前記第２の水流路、及び前記第１の水流路における前記第１の位置の下流側の部分を介して、前記所定の施設に至る、請求項１記載の燃料電池システム。 - 前記熱交換部は、前記セルスタックより循環される熱回収媒体から熱媒体に熱を移動させて前記熱媒体を加熱する熱交換器と、前記貯湯槽及び前記熱交換器を介して前記熱媒体を循環流通させる熱媒体流路と、を有し、
前記第２の水流路は、前記第２の水貯留領域から延出して前記第１の位置に合流し、
前記第２の水流路系は、前記第２の水流路、及び前記第１の水流路における前記第１の位置の下流側の部分を介して、前記所定の施設に至る、請求項１記載の燃料電池システム。 - 前記切替部は、前記第１の水貯留領域に貯留された前記水の温度が前記要求温度よりも低い場合に、前記第１の水流路系から前記第２の水流路系に切り替える、請求項１〜５のいずれか一項記載の燃料電池システム。
- 前記切替部は、前記第１の水貯留領域に貯留された前記水の温度が前記要求温度よりも低く、かつその差が前記加熱部による前記水の上昇温度の最小値よりも小さい場合に、前記第１の水流路系から前記第２の水流路系に切り替える、請求項１〜６のいずれか一項記載の燃料電池システム。
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