WO2012091094A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2012091094A1
WO2012091094A1 PCT/JP2011/080396 JP2011080396W WO2012091094A1 WO 2012091094 A1 WO2012091094 A1 WO 2012091094A1 JP 2011080396 W JP2011080396 W JP 2011080396W WO 2012091094 A1 WO2012091094 A1 WO 2012091094A1
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heat
fuel cell
combustion gas
flow path
heat medium
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PCT/JP2011/080396
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暁 山本
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Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system.
  • Conventional fuel cell systems include a system body including a cell stack that generates power using a hydrogen-containing gas, and heat recovery that recovers heat by flowing exhaust gas and water discharged from the fuel cell system to the heat exchange section.
  • a system and a backup boiler (a backup burner: a heat supply unit) for supplying an insufficient amount of heat with respect to the heat demand are known (see, for example, Patent Document 1).
  • a backup boiler for supplying an insufficient amount of heat with respect to the heat demand.
  • water after heat recovery by a heat recovery system is stored in a hot water storage tank or the like, and a backup boiler is operated according to heat demand to appropriately supply heat to the water. ing.
  • an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of realizing downsizing and cost reduction. Another object of the present invention is to reduce the size and cost and to improve the convenience when using the heat discharged from the fuel cell system.
  • a fuel cell system includes a system body including a cell stack that generates power using a hydrogen-containing gas, a heat recovery system that recovers heat by circulating a heat medium, A heat supply unit for supplying heat to the heat medium according to the heat demand, a first combustion gas passage for distributing the first combustion gas discharged from the system body, and a second discharge from the heat supply unit A second combustion gas flow path through which the combustion gas is circulated, and the heat recovery system has the first and / or second combustion gas in the primary system and the heat medium in the secondary system, respectively.
  • a heat exchanger that heats the heat medium by transferring heat from the second combustion gas to the heat medium;
  • the first and second combustion gases are circulated through one heat exchanger, and heat is transferred from the first and second combustion gases to the heat medium in the heat exchanger. Therefore, it is not necessary to separately include a heat exchanger that performs heat transfer from the first combustion gas to the heat medium and a heat exchanger that performs heat transfer from the second combustion gas to the heat medium. (Piping) and heat insulating materials can be reduced. That is, the second combustion gas of the heat supply unit is not recovered by itself, but is recovered together with the first combustion gas of the system main body. Cost reduction can be realized. Moreover, since the exhaust heat exhausted from the system main body and the heat supply unit can be concentrated in one heat exchanger, the convenience when using the heat exhausted by the fuel cell system can be improved.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram showing a fuel cell system according to a first embodiment. It is a schematic block diagram which shows the principal part of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment. It is a schematic block diagram which shows the principal part in the modification of the fuel cell system of FIG. It is a schematic block diagram which shows the principal part of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment. It is a schematic block diagram which shows the principal part in the modification of the fuel cell system of FIG. It is a schematic block diagram which shows the principal part of the fuel cell system which concerns on 3rd Embodiment. It is a flowchart which shows an example of operation
  • FIG. 1 is a schematic block diagram showing a fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 1 includes a desulfurization unit 2, a water vaporization unit 3, a hydrogen generation unit 4, a cell stack 5, an offgas combustion unit 6, a hydrogen-containing fuel supply unit 7, A supply unit 8, an oxidant supply unit 9, a power conditioner 10, and a control unit 11 are provided.
  • the fuel cell system 1 generates power in the cell stack 5 using a hydrogen-containing fuel and an oxidant.
  • the type of the cell stack 5 in the fuel cell system 1 is not particularly limited, and examples thereof include a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), and phosphoric acid.
  • PEFC polymer electrolyte fuel cell
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • phosphoric acid phosphoric acid
  • a fuel cell Phosphoric Acid Fuel Cell
  • MCFC Molten Carbonate Fuel Cell
  • 1 may be appropriately omitted depending on the type of cell stack 5, the type of hydrogen-containing fuel, the reforming method, and the like.
  • hydrocarbon fuel a compound containing carbon and hydrogen in the molecule (may contain other elements such as oxygen) or a mixture thereof is used.
  • hydrocarbon fuels include hydrocarbons, alcohols, ethers, and biofuels. These hydrocarbon fuels are derived from conventional fossil fuels such as petroleum and coal, and synthetic systems such as synthesis gas. Those derived from fuel and those derived from biomass can be used as appropriate. Specific examples of hydrocarbons include methane, ethane, propane, butane, natural gas, LPG (liquefied petroleum gas), city gas, town gas, gasoline, naphtha, kerosene, and light oil. Examples of alcohols include methanol and ethanol. Examples of ethers include dimethyl ether. Examples of biofuels include biogas, bioethanol, biodiesel, and biojet.
  • oxygen-enriched air for example, air, pure oxygen gas (which may contain impurities that are difficult to remove by a normal removal method), or oxygen-enriched air is used.
  • the desulfurization unit 2 desulfurizes the hydrogen-containing fuel supplied to the hydrogen generation unit 4.
  • the desulfurization part 2 has a desulfurization catalyst for removing sulfur compounds contained in the hydrogen-containing fuel.
  • a desulfurization method of the desulfurization unit 2 for example, an adsorptive desulfurization method that adsorbs and removes sulfur compounds and a hydrodesulfurization method that removes sulfur compounds by reacting with hydrogen are employed.
  • the desulfurization unit 2 supplies the desulfurized hydrogen-containing fuel to the hydrogen generation unit 4.
  • the water vaporization unit 3 generates water vapor supplied to the hydrogen generation unit 4 by heating and vaporizing water. Heating of the water in the water vaporization unit 3 may use heat generated in the fuel cell system 1 such as recovering heat of the hydrogen generation unit 4, heat of the off-gas combustion unit 6, or exhaust gas. Moreover, you may heat water using other heat sources, such as a heater and a burner separately. In FIG. 1, only heat supplied from the off-gas combustion unit 6 to the hydrogen generation unit 4 is described as an example, but the present invention is not limited to this.
  • the water vaporization unit 3 supplies the generated water vapor to the hydrogen generation unit 4.
  • the hydrogen generation unit 4 generates a hydrogen rich gas (hydrogen-containing gas) using the hydrogen-containing fuel from the desulfurization unit 2.
  • the hydrogen generator 4 has a reformer that reforms the hydrogen-containing fuel with a reforming catalyst.
  • the reforming method in the hydrogen generating unit 4 is not particularly limited, and for example, steam reforming, partial oxidation reforming, autothermal reforming, and other reforming methods can be employed.
  • the hydrogen generator 4 may have a configuration for adjusting the properties in addition to the reformer reformed by the reforming catalyst depending on the properties of the hydrogen rich gas required for the cell stack 5.
  • the hydrogen generation unit 4 is configured to remove carbon monoxide in the hydrogen-rich gas. (For example, a shift reaction part and a selective oxidation reaction part).
  • the hydrogen generation unit 4 supplies a hydrogen rich gas to the anode 12 of the cell stack 5.
  • the cell stack 5 generates power using the hydrogen rich gas from the hydrogen generation unit 4 and the oxidant from the oxidant supply unit 9.
  • the cell stack 5 includes an anode 12 to which a hydrogen-rich gas is supplied, a cathode 13 to which an oxidant is supplied, and an electrolyte 14 disposed between the anode 12 and the cathode 13.
  • the cell stack 5 supplies power to the outside via the power conditioner 10.
  • the cell stack 5 supplies the hydrogen rich gas and the oxidant, which have not been used for power generation, to the off gas combustion unit 6 as off gas.
  • a combustion section for example, a combustor that heats the reformer
  • the hydrogen generation section 4 may be shared with the off-gas combustion section 6.
  • the off gas combustion unit 6 burns off gas supplied from the cell stack 5.
  • the heat generated by the off-gas combustion unit 6 is supplied to the hydrogen generation unit 4 and used for generation of a hydrogen rich gas in the hydrogen generation unit 4.
  • the hydrogen-containing fuel supply unit 7 supplies hydrogen-containing fuel to the desulfurization unit 2.
  • the water supply unit 8 supplies water to the water vaporization unit 3.
  • the oxidant supply unit 9 supplies an oxidant to the cathode 13 of the cell stack 5.
  • the hydrogen-containing fuel supply unit 7, the water supply unit 8, and the oxidant supply unit 9 are configured by a pump, for example, and are driven based on a control signal from the control unit 11.
  • the hydrogen-containing fuel supply unit 7 supplies a hydrogen-containing fuel that does not require a reforming process, such as pure hydrogen gas or hydrogen-enriched gas
  • the desulfurization unit 2, the water supply unit 8, the water vaporization unit 3 and one or more of the hydrogen generator 4 can be omitted.
  • the power conditioner 10 adjusts the power from the cell stack 5 according to the external power usage state. For example, the power conditioner 10 performs a process of converting a voltage and a process of converting DC power into AC power.
  • the control unit 11 performs control processing for the entire fuel cell system 1.
  • the control unit 11 is configured by a device including a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and an input / output interface, for example.
  • the control unit 11 is electrically connected to a hydrogen-containing fuel supply unit 7, a water supply unit 8, an oxidant supply unit 9, a power conditioner 10, and other sensors and auxiliary equipment not shown.
  • the control unit 11 acquires various signals generated in the fuel cell system 1 and outputs a control signal to each device in the fuel cell system 1.
  • FIG. 2 is a schematic block diagram showing the main part of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 1 includes a system main body 21, a heat recovery system 22, and a backup boiler (heat supply unit) 23.
  • the system body 21 includes the desulfurization unit 2, the water vaporization unit 3, the hydrogen generation unit 4, the cell stack 5, the off-gas combustion unit 6, the hydrogen-containing fuel supply unit 7, the water supply unit 8, and the oxidant. It has at least a supply unit 9 and is arranged in the package 24.
  • the system main body 21 is provided with a main body combustion gas channel (first combustion gas channel) 21x.
  • the main body combustion gas flow path 21x circulates the main body combustion gas (first combustion gas) that is the combustion gas discharged from the system main body 21, and is constituted by, for example, piping.
  • the heat recovery system 22 recovers heat by circulating water (recovered water) in the system.
  • the heat recovery system 22 includes, for example, a water flow path 22x configured by piping or the like for circulating water, and a heat exchanger 22y for heating the water in the water flow path 22x.
  • the backup boiler 23 supplies a deficient amount of heat with respect to the heat demand to the water of the heat recovery system 22 (so-called additional hot water supply), and has a combustion section (not shown) such as a burner.
  • the backup boiler 23 is provided so as to be coupled to the system main body 21 in the package 24. That is, the system main body 21 and the backup boiler 23 are configured to be integrated with each other in the package 24.
  • the backup boiler 23 is provided with a boiler combustion gas passage (second combustion gas passage) 23x.
  • the boiler combustion gas flow path 23x circulates the boiler combustion gas (second combustion gas) that is the combustion gas discharged from the combustion part of the backup boiler 23, and is configured by, for example, piping.
  • the fuel cell system 1 includes a merging gas passage 25 configured by joining the main body combustion gas passage 21x and the boiler combustion gas passage 23x.
  • the merged gas flow path 25 circulates a merged gas formed by merging the main body combustion gas and the boiler combustion gas.
  • the heat exchanger 22y of the present embodiment is provided on the water channel 22x and the merged gas channel 25, and the merged gas and water are circulated.
  • the heat exchanger 22y heat-transfers the combined gas to the water of the heat recovery system 22 and heats the water.
  • the main body combustion gas, the boiler combustion gas, and water are circulated, and the heat is transferred from the main body combustion gas and the boiler combustion gas to water. That is, in the present embodiment, the main body combustion gas and the boiler combustion gas are circulated together so as to be collected in one heat exchanger 22y, and the heat amounts of the main body combustion gas and the boiler combustion gas are transferred to the water flowing in the water flow path 22x. And heating.
  • the boiler combustion gas discharged from the backup boiler 23 and the main body combustion gas discharged from the system main body 21 are merged and then distributed to the heat exchanger 22y. Then, heat is transferred from the combined gas to water by the heat exchanger 22y.
  • the heat exchanger 22y it is not necessary to separately have a heat exchanger for transferring heat from the main body combustion gas to water and a heat exchanger for transferring heat from the boiler combustion gas to water, and one heat exchanger for heat recovery is required.
  • the boiler combustion gas from the backup boiler 23 can be recovered not only by itself but also with the main body combustion gas from the system main body 21, and thereby the occupied volume of the system. Therefore, it is possible to achieve downsizing and cost reduction.
  • the system main body 21 and the backup boiler 23 are integrated as mentioned above, it is possible to simplify the routing of the main body combustion gas passage 21x and the boiler combustion gas passage 23x. Therefore, further downsizing and cost reduction can be realized. As a result, it is possible to reduce heat dissipation (loss) due to the routing of the combustion gas passages 21x and 23x.
  • the exhaust heat discharged from the system main body 21 and the backup boiler 23 can be collected in one heat exchanger 22y, the adjustment range of the amount of heat that can be transferred to water (heat medium) per unit flow rate is widened, and waste heat utilization Convenience can be improved.
  • FIG. 3 is a schematic block diagram showing a main part in a modification of the fuel cell system of FIG.
  • the fuel cell system 1 of the present embodiment may not include the merged gas flow path 25 and the main body combustion gas and the boiler combustion gas may be circulated as they are to the heat exchanger 22y.
  • the heat exchanger 22y is provided on the main body combustion gas flow path 21x, the water flow path 22x, and the boiler combustion gas flow path 23x, and causes heat transfer from the main body combustion gas to water and heat transfer from the boiler combustion gas to water. To heat the water.
  • FIG. 4 is a schematic block diagram showing the main part of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 31 of this embodiment further includes a temperature sensor (temperature measurement unit) 32, a water pump 33, and a control unit 34.
  • the temperature sensor 32 is for measuring the temperature of the merged gas, and is provided upstream of the heat exchanger 22y in the merged gas flow path 25.
  • a thermocouple (Thermo-Couple) is used.
  • the water pump 33 is for pumping water circulating in the heat recovery system 22, and is provided on the upstream side of the heat exchanger 22y in the water flow path 22x.
  • the control unit 34 is for controlling the temperature of water after heat recovery by the heat recovery system 22, and is mounted in the system main body 21.
  • the control unit 34 has a capability map of the heat exchanger 22y regarding the temperature of the combined gas and the heat medium.
  • the control unit 34 controls (changes) the flow rate of the water flowing through the water flow path 22x by controlling the driving of the water pump 33 based on the temperature of the combined gas measured by the temperature sensor 32. Adjust water temperature arbitrarily.
  • the main body combustion gas and the boiler combustion gas are circulated together in one heat exchanger 22y, and heat is transferred from the main body combustion gas and the boiler combustion gas to water in the heat exchanger 22y. That is, the boiler combustion gas from the backup boiler 23 can be heat recovered together with the main body combustion gas from the system main body 21 instead of recovering heat alone. Therefore, it is not necessary to separately have a heat exchanger for transferring heat from the main body combustion gas to water and a heat exchanger for transferring heat from the boiler combustion gas to water. Insulating materials can be reduced. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to realize a reduction in size and cost by suppressing the occupied volume of the system.
  • the exhaust heat discharged from the system main body 21 and the backup boiler 23 can be collected in one heat exchanger 22y, the adjustment range of the amount of heat that can be transferred to water (heat medium) per unit flow rate is widened, and the exhaust heat utilization Convenience can be improved.
  • the temperature of the combined gas can be measured by the temperature sensor 32 on the upstream side of the heat exchanger 22y. Based on the temperature information obtained by the temperature sensor 32, it is possible to determine whether the amount of heat recovered by the heat recovery system 22 is excessive or insufficient, and to control the combustion output of the backup boiler 23. Alternatively, based on the temperature information obtained by the temperature sensor 32, the flow rate of water supplied by the water pump 33 is adjusted so that the temperature of water heated by the heat exchanger 22 y (hereinafter also referred to as “hot water”) becomes a desired temperature. Can be controlled. Thereby, the exhaust heat of the fuel cell system 1 can be recovered in a state close to the desired temperature and the desired hot water flow rate, and the convenience when using the heat can be improved.
  • hot water the temperature of water heated by the heat exchanger 22 y
  • warm water utilization equipment implements a specific function (operation
  • the main body combustion gas passage 21x and the boiler combustion gas are provided. It is not necessary to provide the temperature sensor 32 in each of the flow paths 23x, and it is sufficient to provide the temperature sensor 32 only in the combined gas flow path 25. Therefore, it is possible to reduce the number of temperature sensors 32 and the wiring associated therewith.
  • the water flow path 22x of the heat recovery system 22 has a plurality (three in this case) of heated water flow paths 35 for circulating hot water that is water heated by the heat exchanger 22y.
  • the water flow path 22x is configured to be branched into a plurality on the downstream side of the heat exchanger 22y.
  • the plurality of heated water flow paths 35 are connected to the first and second hot water use facilities 36a, 36b and the hot water tank 36c, which are different hot water use facilities, and supply hot water to each of them. Thereby, warm water can be easily supplied to different warm water utilization equipment 36a, 36b or warm water tank 36c.
  • a switching portion 37 is provided at a branch point of the water flow path 22x to the heating water flow path 35.
  • the switching unit 37 switches the flow of the hot water so that the hot water flows through at least one of the plurality of heating water flow paths 35.
  • an electromagnetic valve or the like is used.
  • the switching unit 37 is connected to the control unit 34 and its operation is controlled. Thereby, by appropriately controlling the switching unit 37 by the control unit 34 according to the hot water demand, it becomes possible to appropriately supply the hot water to the hot water use facilities 36a, 36b or the hot water tank 36c.
  • the flow volume adjustment part which adjusts the flow volume of the warm water which distribute
  • the number of the heating water flow paths 35 is not limited, What is necessary is just to set as needed, and two may be sufficient and four or more may be sufficient.
  • the plurality of heated water passages 35 may be connected to a plurality of hot water tanks that store hot water having different temperatures, respectively.
  • the temperature sensor 32 may be provided in the downstream of the heat exchanger 22y in the water flow path 22x. In this case, the temperature sensor 32 measures the temperature of warm water that is water heated by the heat exchanger 22y.
  • FIG. 6 is a schematic block diagram showing the main part of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention.
  • the heat recovery system 22 of the fuel cell system 41 of the present embodiment includes a first water passage 22a through which water introduced into the heat exchanger 22y circulates and water derived from the heat exchanger 22y.
  • a temperature measuring unit 32y that measures the temperature of water is provided on the second water channel 22b.
  • the branch portion 37x is provided with a switching portion 37 that adjusts the flow rates of the plurality of heated water to be branched at the branch portion 37x.
  • Each of the plurality of heated water flow paths 35a to 35c is connected to the hot water use facility 36d, the hot water storage tank 36e, and the heat use facility 36f, and supplies hot water to these.
  • the hot water use facility 36d performs a specific function (operation) using the supplied hot water.
  • This hot water use facility 36d drains the hot water after use to the outside.
  • the hot water storage tank 36e stores hot water.
  • the hot water storage tank 36e here can introduce water from the outside.
  • the hot water storage tank 36e drains the hot water (water) stored in the hot water to the circulation channel 22c.
  • the downstream side of the circulation channel 22c is connected to the upstream side of the first water channel 22a.
  • the circulation channel 22c circulates water to the upstream side of the first water channel 22a by a pump 33y provided downstream of the circulation channel 22c.
  • the pump 33y causes the water in the circulation channel 22c to flow.
  • the heat utilization facility 36f performs a specific function (operation) using the heat of the supplied hot water.
  • the heat utilization facility 36f drains the used hot water to the circulation flow path 22c.
  • a radiator 22d for cooling the hot water circulated to the upstream side of the first water channel 22a is provided on this circulation channel 22c.
  • the radiator 22d is provided upstream of the pump 33y.
  • the present invention is not limited to this, and the radiator 22d may be included in the heat recovery system 22.
  • the fuel cell system 41 has at least the cell stack 5 and the control unit 34 in the system main body 21.
  • An upper surface (one of the surfaces constituting the first box) containing the system main body 21 and a lower surface (one of the surfaces constituting the second box) of the second box containing the backup boiler 23. Are in surface contact with each other.
  • the system main body 21 and the backup boiler 23 are integrated with each other.
  • the system main body and the backup boiler 23 may be integrated by being included in a package 24 as a third box.
  • the control unit 34 controls the operation of the pump 33y, the backup boiler 23, and the cell stack 5 based on the temperature acquired by the temperature measurement unit 32y. Further, the control unit 34 controls the switching unit 37 so that water flows through at least one of the plurality of heating water flow paths 35a to 35c. The control unit 34 controls the operation of the radiator 22d.
  • the package 24 contains the entire fuel cell system 41.
  • FIG. 7 An example of the operation of such a fuel cell system 41 is shown in FIG. In FIG. 7, a case where water is used as a heat medium will be described as an example.
  • the heat supply equipment hot water use equipment 36d, hot water storage tank 36e, and heat use equipment 36f
  • the target hot water temperature and hot water flow rate may be determined in advance, or may be determined by receiving a signal from the heat supply facility.
  • the switching unit 37 is operated to set the heating water channels 35a to 35c (S11, S12). For example, when a use demand of any heat supply facility occurs, the switching unit 37 is operated according to the demand.
  • a heat supply facility that is used (stores heat) at a high temperature is selected, whereas when the reforming water is insufficient, a heat supply facility that is used at a low temperature May be selected.
  • a target demand flow rate in the heat supply facility is acquired, and it is determined whether or not there is a change in the demand flow rate (S13, S14). If Yes in S14, the flow rate setting of the pump 33y is updated (S15). Note that changing the output of the pump 33y only when there is a change in the demand flow rate in this way adjusts the water flow rate for the demand flow rate (the flow rate of water circulated in the heat recovery system 22 and the heat medium circulation rate). This is because priority is given to the adjustment of the water flow rate for maintaining the water temperature (because the current water flow rate is usually the optimum amount for maintaining the desired temperature). In the case of No in S14 or after S15, the temperature measured by the temperature measuring unit 32y is determined (S16).
  • the process proceeds to S11 as it is.
  • the temperature measured by the temperature measuring unit 32y is higher than the predetermined temperature, it is further determined whether or not the backup boiler 23 is in operation (S17).
  • Yes in S17 when the output (combustion amount) of the backup boiler 23 is the lower limit, the backup boiler 23 is stopped and the process proceeds to S11 (S18, S19).
  • Yes in S17 when the output of the backup boiler 23 is larger than the lower limit, the output of the backup boiler 23 is reduced and the process proceeds to S11 (S18, S20).
  • the temperature measurement unit 32y includes a merging gas provided between a merging portion of the main body combustion gas flow path 21x and the boiler combustion gas flow path 23x and the heat exchanger 22y. It may be provided on the flow path 25. In this case, the temperature measuring unit 32y measures the temperatures of the main body combustion gas and the boiler combustion gas. The temperature measuring unit 32y may be configured to measure the temperature of either the main body combustion gas or the boiler combustion gas.
  • the merging gas channel 25 is provided, but the merging gas channel 25 is not provided, and the main body combustion gas and the boiler combustion gas are transferred to the heat exchanger 22y. It may be distributed as it is.
  • the heat exchanger 22y is provided on the main body combustion gas passage 21x, the water passage 22x, and the boiler combustion gas passage 23x. The heat exchanger 22y heat-transfers the water from the main body combustion gas to water and heats the water from the boiler combustion gas to water.
  • the heat supply part should just be for heat-supplying the quantity of heat to the water of the heat recovery system 22 according to a heat demand,
  • a normal boiler including a main boiler
  • the switching unit 37 is provided in the branching unit 37x.
  • a switching unit may be provided in each of the heating water channels (heating medium channels) 36a to 36c.
  • water is used as a thermal medium, you may use oil, air, gas, such as a carbon dioxide, nitrogen, or a vapor
  • the heat medium of the present invention may be a fluid used for moving heat.
  • the heat exchanger 22y has the first and / or second combustion gas in the primary system and the heat medium in the secondary system, respectively, and transfers heat from the first and / or second combustion gas to the heat medium. What is necessary is just to heat a heat carrier.
  • the present invention it is possible to reduce the size and cost of the system.

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Abstract

　水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含むシステム本体と、熱媒体を流通させて熱回収する熱回収系と、熱需要に応じて熱量を熱媒体に熱供給するための熱供給部と、を具備する燃料電池システムであって、システム本体から排出される第１燃焼ガスを流通させる第１燃焼ガス流路と、熱供給部から排出される第２燃焼ガスを流通させる第２燃焼ガス流路と、を備え、熱回収系は、第１及び第２燃焼ガスと熱媒体とが流通され、第１及び第２燃焼ガスから熱媒体へ熱移動させて当該熱媒体を加熱する熱交換器を有している。

Description

燃料電池システム
　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システム本体と、燃料電池システムから排出される排出ガス及び水をそれぞれ熱交換部に流通させて熱回収する熱回収系と、熱需要に対する不足熱量を熱供給するためのバックアップボイラ（バックアップバーナ：熱供給部）と、を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような燃料電池システムでは、例えば、熱回収系で熱回収後の水を貯湯槽等に貯留しておき、熱需要に応じてバックアップボイラを稼働させて水に適宜熱供給することが図られている。
特開２００４－１６４８６８号公報
　ところで、近年の燃料電池システムでは、家庭等への益々の普及に伴い、その小型化及び低コスト化が強く要求されている。かかる要求の中、上述したような燃料電池システムにおいては、燃料電池システムが排出する熱を利用する際の利便性向上がさらに求められている。
　そこで、本発明は、小型化及び低コスト化を実現することが可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。また、本発明は、小型化及び低コスト化を実現すると共に、燃料電池システムが排出する熱を利用する際の利便性向上を課題とする。
　上記課題を解決するため、本発明の一側面に係る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システム本体と、熱媒体を流通させて熱回収する熱回収系と、熱需要に応じて熱量を熱媒体に熱供給するための熱供給部と、システム本体から排出される第１燃焼ガスを流通させる第１燃焼ガス流路と、熱供給部から排出される第２燃焼ガスを流通させる第２燃焼ガス流路と、を備え、熱回収系は、一次系に第１及び／又は第２燃焼ガス、二次系に熱媒体がそれぞれ流通され、第１及び／又は第２燃焼ガスから熱媒体へ熱移動させて当該熱媒体を加熱する熱交換器を有する。
　この燃料電池システムでは、１つの熱交換器に第１及び第２燃焼ガスをともに流通させ、当該熱交換器において第１及び第２燃焼ガスから熱媒体へ熱移動させている。よって、第１燃焼ガスから熱媒体へ熱移動させる熱交換器と、第２燃焼ガスから熱媒体へ熱移動させる熱交換器と、を個別に有することが不要となり、さらには、付随する流路（配管）や断熱材等を少なくすることができる。すなわち、熱供給部の第２燃焼ガスを、それ単体で熱回収するのではなくシステム本体の第１燃焼ガスと併せて熱回収し、これにより、システムの占有体積を抑制して小型化及び低コスト化を実現することが可能となる。また、システム本体及び熱供給部から排出される排熱を１つの熱交換器に集約できるため、燃料電池システムが排出する熱を利用する際の利便性を向上させることができる。
第１実施形態に係る燃料電池システムを示す概略ブロック図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す概略ブロック図である。 図２の燃料電池システムの変形例における要部を示す概略ブロック図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す概略ブロック図である。 図４の燃料電池システムの変形例における要部を示す概略ブロック図である。 第３実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す概略ブロック図である。 図６の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図６の燃料電池システムの変形例における要部を示す概略ブロック図である。
　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、以下の説明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実施形態］
　まず、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを示す概略ブロック図である。図１に示すように、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、或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（水素含有ガス）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。なお、水素含有燃料供給部７が、例えば純水素ガス、水素富化ガス等、改質処理を必要としない水素含有燃料を供給する場合には、脱硫部２、水供給部８、水気化部３、及び水素発生部４のうちの一つまたは複数を省略することができる。
　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。
　図２は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す概略ブロック図である。図２に示すように、燃料電池システム１は、システム本体２１と、熱回収系２２と、バックアップボイラ（熱供給部）２３と、を含んで構成されている。
　システム本体２１は、上記脱硫部２、上記水気化部３、上記水素発生部４、上記セルスタック５、上記オフガス燃焼部６、上記水素含有燃料供給部７、上記水供給部８及び上記酸化剤供給部９を少なくとも有しており、パッケージ２４内に配置されている。このシステム本体２１には、本体燃焼ガス流路（第１燃焼ガス流路）２１ｘが設けられている。本体燃焼ガス流路２１ｘは、システム本体２１から排出される燃焼ガスである本体燃焼ガス（第１燃焼ガス）を流通させるものであり、例えば配管等で構成されている。
　熱回収系２２は、システム内において水（回収水）を循環するよう流通させて熱回収するものである。この熱回収系２２は、水を流通させるものとして例えば配管等で構成された水流路２２ｘと、当該水流路２２ｘの水を加熱するための熱交換器２２ｙと、を有している。
　バックアップボイラ２３は、熱需要に対する不足熱量を熱回収系２２の水に熱供給する（いわゆる追い炊き給湯を行う）ものであり、バーナ等の燃焼部（不図示）を有している。このバックアップボイラ２３は、パッケージ２４内においてシステム本体２１と結合するよう設けられている。つまり、システム本体２１及びバックアップボイラ２３は、パッケージ２４内で互いに一体化されて構成されている。このバックアップボイラ２３には、ボイラ燃焼ガス流路（第２燃焼ガス流路）２３ｘが設けられている。ボイラ燃焼ガス流路２３ｘは、バックアップボイラ２３の燃焼部から排出される燃焼ガスであるボイラ燃焼ガス（第２燃焼ガス）を流通させるものであり、例えば配管等で構成されている。
　また、燃料電池システム１は、本体燃焼ガス流路２１ｘ及びボイラ燃焼ガス流路２３ｘが合流されて構成された合流ガス流路２５を備えている。この合流ガス流路２５は、本体燃焼ガス及びボイラ燃焼ガスが合流されてなる合流ガスを流通させる。
　ここで、本実施形態の熱交換器２２ｙにあっては、水流路２２ｘ及び合流ガス流路２５上に設けられており、合流ガス及び水が流通されている。熱交換器２２ｙは、合流ガスから熱回収系２２の水へと熱移動させ、当該水を加熱する。換言すると、熱交換器２２ｙは、本体燃焼ガス及びボイラ燃焼ガスと水とが流通され、本体燃焼ガス及びボイラ燃焼ガスから水へと熱移動させる。すなわち、本実施形態では、１つの熱交換器２２ｙに集約するように本体燃焼ガス及びボイラ燃焼ガスをともに流通させ、これら本体燃焼ガス及びボイラ燃焼ガスの熱量を水流路２２ｘに流れる水へと移動して加熱している。
　以上、本実施形態では、バックアップボイラ２３から排出されるボイラ燃焼ガスとシステム本体２１から排出される本体燃焼ガスとを、合流させた後で熱交換器２２ｙに流通させている。そして、当該熱交換器２２ｙによって、合流ガスから水へ熱移動させている。その結果、本体燃焼ガスから水へ熱移動させる熱交換器と、ボイラ燃焼ガスから水へ熱移動させる熱交換器と、を個別に有することが不要となり、熱回収用の熱交換器を１つにすることができ、さらには、付随する流路（配管）や断熱材等を少なくすることができる。
　従って、本実施形態によれば、バックアップボイラ２３からのボイラ燃焼ガスを、それ単体で熱回収するのではなくシステム本体２１からの本体燃焼ガスと併せて熱回収でき、これにより、システムの占有体積を抑制して小型化及び低コスト化を実現することが可能となる。
　また、本実施形態では、上述したように、システム本体２１とバックアップボイラ２３とが一体化されていることから、本体燃焼ガス流路２１ｘ及びボイラ燃焼ガス流路２３ｘの引回しを簡易化することが可能となり、一層の小型化及び低コスト化を実現することができる。ひいては、これら燃焼ガス流路２１ｘ，２３ｘの引回しに起因する放熱（ロス）をも低減することが可能となる。また、システム本体２１及びバックアップボイラ２３が排出する排熱を１つの熱交換器２２ｙに集約できることから、単位流量あたりの水（熱媒体）に移動可能な熱量の調整範囲が広がり、排熱利用の利便性を向上させることができる。
　図３は、図２の燃料電池システムの変形例における要部を示す概略ブロック図である。図３に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、合流ガス流路２５を備えず、本体燃焼ガス及びボイラ燃焼ガスが熱交換器２２ｙにそのまま流通されるものであってもよい。この場合、熱交換器２２ｙは、本体燃焼ガス流路２１ｘ、水流路２２ｘ及びボイラ燃焼ガス流路２３ｘ上に設けられ、本体燃焼ガスから水に熱移動させると共にボイラ燃焼ガスから水に熱移動させて当該水を加熱する。これについては、以下の実施形態においても同様である。
［第２実施形態］
　次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明では、上記第１実施形態と異なる点について主に説明する。
　図４は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す概略ブロック図である。図４に示すように、本実施形態の燃料電池システム３１は、温度センサ（温度計測部）３２と水ポンプ３３と制御部３４とをさらに備えている。
　温度センサ３２は、合流ガスの温度を計測するためのものであり、合流ガス流路２５において熱交換器２２ｙの上流側に設けられている。ここでの温度センサ３２としては、熱電対(Thermo-Couple)が利用されている。水ポンプ３３は、熱回収系２２にて流通する水を圧送するためのものであり、水流路２２ｘにおいて熱交換器２２ｙの上流側に設けられている。
　制御部３４は、熱回収系２２で熱回収後の水の温度を制御するためのものであり、システム本体２１内に搭載されている。制御部３４は、合流ガスの温度及び熱媒体に関する熱交換器２２ｙの能力マップを有している。この制御部３４は、温度センサ３２で計測された合流ガスの温度に基づいて、水ポンプ３３の駆動を制御して水流路２２ｘを流れる水の流量を制御し（変化させ）、これにより、当該水の温度を任意に調節する。
　以上、本実施形態では、１つの熱交換器２２ｙに本体燃焼ガス及びボイラ燃焼ガスをともに流通させ、当該熱交換器２２ｙにおいて本体燃焼ガス及びボイラ燃焼ガスから水へと熱移動させている。つまり、バックアップボイラ２３からのボイラ燃焼ガスを、それ単体で熱回収するのではなくシステム本体２１からの本体燃焼ガスと併せて熱回収することができる。よって、本体燃焼ガスから水へ熱移動させる熱交換器と、ボイラ燃焼ガスから水へ熱移動させる熱交換器と、を個別に有することが不要となり、さらには、付随する流路（配管）や断熱材等を少なくすることができる。従って、本実施形態によれば、システムの占有体積を抑制して小型化及び低コスト化を実現することが可能となる。また、システム本体２１及びバックアップボイラ２３が排出する排熱を、１つの熱交換器２２ｙに集約できることから、単位流量あたりの水（熱媒体）に移動可能な熱量の調整範囲が広がり、排熱利用の利便性を向上させることができる。
　加えて、本実施形態では、熱交換器２２ｙの上流側にて、合流ガスの温度を温度センサ３２により測定することができる。そして、温度センサ３２で得られた温度情報に基づいて、熱回収系２２が回収する熱量の過不足を判断し、バックアップボイラ２３の燃焼出力を制御することができる。または、温度センサ３２で得られた温度情報に基づいて、熱交換器２２ｙで加熱後の水（以下、「温水」ともいう）の温度が所望温度となるように水ポンプ３３による供給水流量を制御することができる。これにより、所望温度及び所望温水流量に近い状態で燃料電池システム１の排熱を回収でき、熱を利用する際の利便性を向上させることが可能となる。さらに、例えば、合流ガスの温度変化や、水流路２２ｘ上に設けられる温水利用設備又は温水タンクの熱需要に、迅速に対応することができる。なお、温水利用設備とは、温水を利用して特定の機能（動作）を実施するものであり、例えば、ミストサウナ、温水ヒータ、吸収式冷凍機等が挙げられる。
　なお、本実施形態では、熱交換器２２ｙに流通される燃焼ガスの温度を計測する場合、上述したように合流ガス流路２５を備えていることから、本体燃焼ガス流路２１ｘ及びボイラ燃焼ガス流路２３ｘのそれぞれに温度センサ３２を設ける必要がなく、この合流ガス流路２５のみに温度センサ３２設けることで足りる。よって、温度センサ３２の数及びこれに付随する配線等を減らすことが可能となる。
　また、本実施形態において、熱回収系２２の水流路２２ｘは、当該熱交換器２２ｙで加熱後の水である温水を流通させる加熱水流路３５を複数（ここでは、３つ）有している。つまり、水流路２２ｘは、熱交換器２２ｙの下流側で複数に分岐されて構成されている。
　複数の加熱水流路３５は、異なる温水利用設備である第１及び第２温水利用設備３６ａ，３６ｂと温水タンク３６ｃとのそれぞれに接続されており、これらのそれぞれに温水を供給する。これにより、異なる温水利用設備３６ａ，３６ｂ或いは温水タンク３６ｃへ温水を容易に供給することができる。
　水流路２２ｘの加熱水流路３５への分岐箇所には、切替部３７が設けられている。切替部３７は、複数の加熱水流路３５のうち少なくとも１つに温水が流通するよう温水の流れを切り替えるものであり、例えば電磁弁等が用いられている。この切替部３７は、制御部３４に接続され、その動作が制御される。これにより、温水需要に応じて制御部３４により切替部３７を適宜制御することで、温水利用設備３６ａ，３６ｂ若しくは温水タンク３６ｃへ温水を適宜供給することが可能となる。
　なお、この切替部３７に代えて若しくは加えて、複数の加熱水流路３５に流通する温水の流量を調整する流量調整部が設けられていてもよい。また、加熱水流路３５の数は限定されず、必要に応じて設定すればよく、２つでよいし、４つ以上でもよい。さらにまた、複数の加熱水流路３５は、異なる温度の温水を貯留する複数の温水タンクにそれぞれ接続されていてもよい。
　或いは、図５に示すように、温度センサ３２は、水流路２２ｘにおいて熱交換器２２ｙの下流側に設けられていてもよい。この場合、温度センサ３２は、熱交換器２２ｙで加熱後の水である温水の温度を計測する。
［第３実施形態］
　次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明では、上記第２実施形態と異なる点について主に説明する。
　図６は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す概略ブロック図である。図６に示すように、本実施形態の燃料電池システム４１の熱回収系２２は、熱交換器２２ｙに導入される水を流通させる第１水流路２２ａと、熱交換器２２ｙから導出される水を流通させる第２水流路２２ｂと、第２水流路の下流端部に設けられ熱交換器２２ｙで加熱後の水を複数に分岐させる分岐部３７ｘと、分岐部３７ｘの下流に設けられた複数の加熱水流路３５ａ～３５ｃと、を有している。
　第２水流路２２ｂ上には、水の温度を計測する温度計測部３２ｙが設けられている。分岐部３７ｘには、当該分岐部３７ｘで分岐させる加熱後の複数の水の流量を調整する切替部３７が設けられている。複数の加熱水流路３５ａ～３５ｃのそれぞれは、温水利用設備３６ｄ、貯湯槽３６ｅ及び熱利用設備３６ｆのそれぞれに接続されており、これらに温水を供給する。
　温水利用設備３６ｄは、供給された温水を利用して特定の機能（動作）を実施する。この温水利用設備３６ｄは、利用後の温水を外部へ排水する。貯湯槽３６ｅは、温水を貯湯する。ここでの貯湯槽３６ｅは、外部から水が導入可能とされている。貯湯槽３６ｅは、貯湯した温水（水）を循環流路２２ｃへ排水する。
　循環流路２２ｃは、その下流側が第１水流路２２ａの上流側に接続されている。循環流路２２ｃは、当該循環流路２２ｃの下流に設けられたポンプ３３ｙによって、第１水流路２２ａの上流側へと水を循環させる。ポンプ３３ｙは、循環流路２２ｃの水を流動させる。熱利用設備３６ｆは、供給された温水の熱を利用して特定の機能（動作）を実施する。この熱利用設備３６ｆは、利用後の温水を循環流路２２ｃへ排水する。この循環流路２２ｃ上には、第１水流路２２ａの上流側へ循環させる温水を冷却するためのラジエータ２２ｄが設けられている。なお、本実施形態ではラジエータ２２ｄはポンプ３３ｙの上流に設けられているが、これに限らず、熱回収系２２に含まれていればよい。
　また、燃料電池システム４１では、システム本体２１内に、セルスタック５及び制御部３４を少なくとも有している。システム本体２１を内包する第１箱体の上面（第１箱体を構成する面の１つ）と、バックアップボイラ２３を内包する第２箱体の下面（第２箱体を構成する面の１つ）とは、互いに面接触されている。これにより、システム本体２１及びバックアップボイラ２３は、互いに一体化される。なお、システム本体及びバックアップボイラ２３は、第３箱体としてのパッケージ２４に内包されることで一体化されてもよい。
　制御部３４は、温度計測部３２ｙで取得された温度に基づいて、ポンプ３３ｙ、バックアップボイラ２３及びセルスタック５の動作を制御する。また、制御部３４は、複数の加熱水流路３５ａ～３５ｃのうち少なくとも１つに水が流通するように切替部３７を制御する。また、制御部３４は、ラジエータ２２ｄの動作を制御する。パッケージ２４は、燃料電池システム４１の全体を内包する。
　このような燃料電池システム４１を動作の一例を図７に示す。なお、図７においては熱媒体として水を用いる場合を例に説明する。まず、使用する熱供給設備（温水利用設備３６ｄ、貯湯槽３６ｅ及び熱利用設備３６ｆ）が選択されて決定される。なお、目標とする温水温度および温水流量は、予め定められてもよいし、熱供給設備から信号を受信することにより定められてもよい。この決定に基づき切替部３７が動作され、加熱水流路３５ａ～３５ｃが設定される（Ｓ１１，Ｓ１２）。例えば、何れかの熱供給設備の利用需要が発生した場合は、その需要に応じて切替部３７が動作される。又は、燃料電池システム４１の状態に応じて、改質水余剰の場合、高温で使用（蓄熱）される熱供給設備が選択される一方、改質水不足の場合、低温で使用される熱供給設備が選択されるようにしてもよい。
　続いて、熱供給設備における目標とする需要流量が取得され、この需要流量に変更があるか否かが判断される（Ｓ１３，Ｓ１４）。上記Ｓ１４でＹｅｓの場合、ポンプ３３ｙの流量設定が更新される（Ｓ１５）。なお、このように需要流量に変更がある場合のみにポンプ３３ｙの出力を変更することは、需要流量のための水流量（熱回収系２２で流通する水の流量、熱媒体循環量）の調整よりも、水温維持のための水流量の調整を優先させていることによるものである（通常、現状の水流量は所望温度を維持するための最適量であるため）。上記Ｓ１４でＮｏの場合、又はＳ１５の後、温度測定部３２ｙで測定された温度について判定が行なわれる（Ｓ１６）。
　温度測定部３２ｙで測定された温度が適正範囲の場合、そのまま上記Ｓ１１へ移行される。温度測定部３２ｙで測定された温度が所定温度よりも高い場合、バックアップボイラ２３が運転中であるか否かがさらに判断される（Ｓ１７）。上記Ｓ１７でＹｅｓの場合において、バックアップボイラ２３の出力（燃焼量）が下限のとき、当該バックアップボイラ２３が停止され、上記Ｓ１１へ移行される（Ｓ１８，Ｓ１９）。一方、上記Ｓ１７でＹｅｓの場合において、バックアップボイラ２３の出力が下限よりも大きいとき、当該バックアップボイラ２３の出力が低減され、上記Ｓ１１へ移行される（Ｓ１８，Ｓ２０）。
　上記Ｓ１７でＮｏの場合において、水流量が上限のとき、ラジエータ２２ｄが作動されて温水（水）が冷却される（Ｓ２１，Ｓ２２）。一方、上記Ｓ１７でＮｏの場合において、水流量が上限よりも小さいとき、ポンプ３３ｙが制御されて水流量が増大される（Ｓ２３）。なお、上記Ｓ２３の後、切替部３７を作動させ、使用する熱供給設備を切り替えてもよい。
　温度測定部３２ｙで測定された温度が所定温度よりも低い場合、ラジエータ２２ｄが運転中であるか否かがさらに判断される（Ｓ２３）。上記Ｓ２３でＹｅｓの場合、ラジエータ２２ｄが停止され、上記Ｓ１１へ移行される（Ｓ２４）。
　上記Ｓ２３でＮｏの場合において、バックアップボイラ２３が運転中のとき、バックアップボイラ２３の出力が上限であるか否かが判断される（Ｓ２５，Ｓ２６）。上記Ｓ２６でＹｅｓの場合、ポンプ２２ｙが制御されて水流量が低減され、上記Ｓ１１へ移行される（Ｓ２７）。他方、上記Ｓ２６でＮｏの場合、バックアップボイラ２３の出力が増大され、上記Ｓ１１へ移行される（Ｓ２８）。上記Ｓ２３でＮｏの場合において、バックアップボイラ２３が停止されているとき、当該バックアップボイラ２３が始動されて運転され、上記Ｓ１１へ移行される（Ｓ２９）。
　なお、本実施形態では、図８に示すように、温度計測部３２ｙは、本体燃焼ガス流路２１ｘ及びボイラ燃焼ガス流路２３ｘの合流部分と熱交換器２２ｙとの間に設けられた合流ガス流路２５上に設けられていてもよい。この場合、温度計測部３２ｙは、本体燃焼ガス及びボイラ燃焼ガスの温度を計測する。なお、温度計測部３２ｙは、本体燃焼ガス又はボイラ燃焼ガスの何れかの温度を計測するように構成されていてもよい。
　以上、本発明の好適な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られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
　例えば、上記第２実施形態の燃料電池システム１では、合流ガス流路２５が設けられているが、合流ガス流路２５が設けられずに、本体燃焼ガス及びボイラ燃焼ガスが熱交換器２２ｙにそのまま流通されていてもよい。この場合、熱交換器２２ｙは、本体燃焼ガス流路２１ｘ、水流路２２ｘ及びボイラ燃焼ガス流路２３ｘ上に設けられる。そして、熱交換器２２ｙは、本体燃焼ガスから水に熱移動させると共にボイラ燃焼ガスから水に熱移動させ、当該水を加熱する。
　また、上記実施形態は、熱供給部としてバックアップボイラ２３を備えているが、熱供給部は、熱需要に応じて熱量を熱回収系２２の水に熱供給するためのものであればよく、例えば通常のボイラ（メインボイラを含む）等であってもよい。
　また、上記第３実施形態では、分岐部３７ｘに切替部３７を設けたが、加熱水流路（加熱媒体流路）３６ａ～３６ｃのそれぞれに切替部を設けてもよい。また、上記実施形態では、熱媒体として水を用いているが、油、空気、二酸化炭素や窒素等のガス、又は蒸気等を用いてもよい。本発明の熱媒体は、熱を移動させるために用いられる流体であればよい。また、熱交換器２２ｙは、一次系に第１及び／又は第２燃焼ガス、二次系に熱媒体がそれぞれ流通され、第１及び／又は第２燃焼ガスから熱媒体へ熱移動させて当該熱媒体を加熱するものであればよい。
　本発明によれば、システムの小型化及び低コスト化を実現することが可能となる。また、本発明によれば、システムの小型化及び低コスト化を実現すると共に、燃料電池システムが排出する熱を利用する際の利便性を向上させることができる。
　１，３１，４１…燃料電池システム、５…セルスタック、２１…システム本体（第１箱体）、２１ｘ…本体燃焼ガス流路（第１燃焼ガス流路）、２２…熱回収系、２２ａ…第１水流路（第１熱媒体流路）、２２ｂ…第２水流路（第２熱媒体流路）、２２ｘ…水流路（熱媒体流路）、２３ｘ…ボイラ燃焼ガス流路（第２燃焼ガス流路）、２２ｙ…熱交換器、２３…バックアップボイラ（熱供給部，第２箱体）、２４…パッケージ（第３箱体）、２５…合流ガス流路、３２…温度センサ（温度計測部）、３２ｙ…温度計測部、３３，３３ｙ…ポンプ、３４…制御部、３５，３５ａ～３５ｃ…加熱水流路（加熱媒体流路）、３７…切替部、３７ｘ…分岐部。

Claims (15)

  1. 　水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含むシステム本体と、
    　熱媒体を流通させて熱回収する熱回収系と、
    　熱需要に応じて熱量を前記熱媒体に熱供給するための熱供給部と、
    　前記システム本体から排出される第１燃焼ガスを流通させる第１燃焼ガス流路と、
    　前記熱供給部から排出される第２燃焼ガスを流通させる第２燃焼ガス流路と、を備え、
    　前記熱回収系は、
    　一次系に前記第１及び／又は第２燃焼ガス、二次系に前記熱媒体がそれぞれ流通され、前記第１及び／又は第２燃焼ガスから前記熱媒体へ熱移動させて当該熱媒体を加熱する熱交換器を有する燃料電池システム。
  2. 　前記熱回収系は、前記熱交換器に導入される前記熱媒体を流通させる第１熱媒体流路と、前記熱交換器から導出される前記熱媒体を流通させる第２熱媒体流路と、前記熱媒体を流動させるポンプと、を含み、
    　前記熱供給部及び前記ポンプを制御する制御部をさらに備えた請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　前記第１及び第２燃焼ガスを流通させて前記熱交換器に導入させる合流ガス流路をさらに備え、
    　前記第１燃焼ガス流路の下流端部及び前記第２燃焼ガス流路の下流端部は、互いに合流され、
    　前記合流ガス流路は、前記第１及び第２燃焼ガス流路の合流部分と前記熱交換器との間に設けられている請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記合流ガス流路上に、前記第１及び／又は第２燃焼ガスの温度を計測する温度計測部をさらに備え、
    　前記制御部は、該温度計測部で取得された温度に基づいて、前記ポンプ及び前記熱供給部の動作を制御する請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 　前記第２熱媒体流路上に、前記熱媒体の温度を計測する温度計測部をさらに備え、
    　前記制御部は、該温度計測部で取得された温度に基づいて、前記ポンプ及び前記熱供給部の動作を制御する請求項２に記載の燃料電池システム。
  6. 　前記熱回収系は、
    　前記第２熱媒体流路の下流端部に設けられ、前記熱媒体を複数に分岐させる分岐部と、
    　前記分岐部の下流に設けられた複数の加熱媒体流路と、をさらに含む請求項２又は５に記載の燃料電池システム。
  7. 　前記熱回収系は、前記分岐部で分岐させる複数の前記熱媒体の流量を調整する１つ以上の切替部をさらに含み、
    　前記制御部は、複数の前記加熱媒体流路のうち少なくとも１つに前記熱媒体が流通するように該切替部を制御する請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 　前記熱回収系で熱回収後の前記熱媒体の温度を制御するための制御部をさらに備え、
    　前記熱回収系は、前記熱媒体を流通させる熱媒体流路を有し、
    　前記制御部は、
    　前記熱媒体流路において前記熱交換器の下流側に設けられ、前記熱交換器で加熱後の前記熱媒体の温度を計測する温度計測部を有し、
    　前記温度計測部による計測結果に基づいて、前記熱交換器に流通させる前記熱媒体の流量を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
  9. 　前記第１及び第２燃焼ガス流路が合流されて構成され、前記第１及び第２燃焼ガスの合流ガスを流通させる合流ガス流路と、
    　前記熱回収系で熱回収後の前記熱媒体の温度を制御するための制御部と、をさらに備え、
    　前記熱交換器は、前記第１及び第２燃焼ガスが前記合流ガスとして流通されており、前記合流ガスから前記熱媒体へ熱移動させ、
    　前記制御部は、前記合流ガス流路において前記熱交換器の上流側に設けられ前記合流ガスの温度を計測する温度計測部を有し、前記温度計測部による計測結果に基づいて前記熱交換器に流通させる前記熱媒体の流量を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
  10. 　前記熱回収系は、前記熱交換器で加熱後の前記熱媒体を流通させる加熱媒体流路を複数有している請求項１～４の何れか一項に記載の燃料電池システム。
  11. 　前記熱回収系は、前記熱交換器で加熱後の前記熱媒体の流れを、当該熱媒体が複数の前記加熱媒体流路のうち少なくとも１つに流通するよう切り替える切替部を有する請求項１０に記載の燃料電池システム。
  12. 　前記システム本体と前記熱供給部とは、一体化されている請求項１～１１の何れか一項に記載の燃料電池システム。
  13. 　前記システム本体を内包する第１箱体と、
    　前記熱供給部を内包する第２箱体と、をさらに備え、
    　前記システム本体と前記熱供給部とは、前記第１箱体を構成する面の１つと前記第２箱体を構成する面の１つとを互いに面接触させることで一体化されている請求項１２に記載の燃料電池システム。
  14. 　第３箱体をさらに備え、
    　前記システム本体及び前記熱供給部は、前記第３箱体に内包されることにより一体化されている請求項１２に記載の燃料電池システム。
  15. 　前記熱媒体は、水である請求項１～１４の何れか一項に記載の燃料電池システム。
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