WO2019030830A1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

補水管（１６）を介して常温水が補給される温水タンク（５）と；補水管（１６）を流通する常温水を加熱可能な主熱源機（６）と、を建築設備として有する建築物（２）で利用される燃料電池システム（１）である。建築物（２）内に給電可能な燃料電池（８）と、主熱源機（６）の加熱位置よりも上流側で補水管（１６）の途中に配設した予熱タンク（７）と、を備える。燃料電池（８）のオフガスの熱回収により、予熱タンク（７）内の貯留水を予熱しながらオフガスを冷却可能に構成する。補水管（１６）を介して補給される常温水を予熱タンク（７）でオフガスの冷却用熱源として利用する。オフガスの冷却により生成させた凝縮水を燃料電池（８）で再利用する。

Description

燃料電池システム

　本発明は、建築物で利用される燃料電池システムに関するものである。

　都市ガス等の炭化水素燃料を原燃料とする燃料電池は、燃料のエネルギーが電気と熱に変換されるコジェネレーション装置である。燃料電池を事業所や各種施設などの分散電源として使用する場合には、電力負荷に応じた電主熱従運転が基本となる。そして、燃料電池の効率（総合効率）は、発電効率と熱回収効率との合計によって決まる。そのため、発電に伴って発生するオフガス廃熱をうまく利用できなければ、総合効率の低下を招くことになる。

　また、燃料電池は、原燃料の水蒸気改質反応によって水素ガスを生成し、その水素ガスをセルスタックに供給して発電している。この際、水蒸気改質反応に使用する改質水は、下記特許文献１に開示されるように、オフガス中の水分を凝縮させることにより確保される（水自立）。そのため、オフガスを露点温度以下に冷却し続けることができなければ、燃料電池の発電を継続することができない。

　このように、燃料電池をコジェネレーション装置として成立させるためには、事業所や各種施設などの様々な熱利用形態に合わせて、オフガス廃熱の熱利用と冷却を同時に確立する必要がある。

特許第５５９３９４８号公報（図５）

　建築物の給湯設備として、たとえば即湯循環設備が知られている。即湯循環設備は、蒸気ボイラ等を主熱源機とする温水タンクと、この温水タンク内の温水を温水需要箇所に送る給湯循環配管とを備えた設備である。そして、このような既存の給湯設備が存在する建築物において、後から燃料電池を設置したい場合がある。すなわち、既存の給湯設備を活用しながら、燃料電池の熱回収を可能にし、更には燃料電池の水自立を成立させたい場合がある。

　このような要求に応えるシステムとして、出願人は、先に、次のようなシステムを提案し、既に特許出願を済ませている（特願２０１６－６４８０２）。すなわち、この先願のシステムでは、燃料電池の熱回収により製造した温水と、主熱源機により製造した温水とを、並列に給湯循環配管に供給可能とし、かつ燃料電池側の温水を優先的に利用しようとするものである。しかしながら、このシステムには、次のような課題が残る。

　（ａ）燃料電池側の温水を優先利用させる補助機器（減圧弁やポンプ等）が必要となる。また、その補助機器による圧力損失や電力消費の大きさによっては、システム全体の効率が低下するおそれがある。

　（ｂ）燃料電池側の湯切れ時に給水を遮断する補助機器（温度センサおよび遮断弁）が必要となる。なお、燃料電池は、分散電源として発電出力を基準に選定される。そのため、燃料電池の廃熱量、すなわち熱出力は大きくないので、温水需要の大きい施設では頻繁に湯切れを起こすおそれがある。

　そこで、本発明が解決しようとする課題は、上記のような補助機器を必要とせず、既存の設備環境を利用できる簡易な構成で、燃料電池の熱回収と水自立を両立させた燃料電池システムを提供することにある。

　本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、補水管を介して常温水が補給される温水タンクと；前記補水管を流通する常温水を加熱可能な主熱源機と、を建築設備として有する建築物で利用される燃料電池システムであって、前記建築物内に給電可能な燃料電池と、前記主熱源機の加熱位置よりも上流側で前記補水管の途中に配設した予熱タンクと、を備え、前記燃料電池のオフガスの熱回収により、前記予熱タンク内の貯留水を予熱しながら前記オフガスを冷却可能に構成し、前記補水管を介して補給される常温水を前記予熱タンクで前記オフガスの冷却用熱源として利用し、前記オフガスの冷却により生成させた凝縮水を前記燃料電池で再利用することを特徴とする燃料電池システムである。

　請求項１に記載の発明によれば、温水タンクへの補水管には、補水管を流れる水を加熱可能に主熱源機が設けられると共に、その主熱源機の加熱位置よりも上流側に予熱タンクが設けられる。そして、この予熱タンク内の貯留水ひいては温水タンクへの補給水を、燃料電池の廃熱で予熱しながら、燃料電池のオフガスを冷却して水自立を図ることができる。また、仮に、燃料電池による温水と主熱源機による温水とを並列に出湯可能とする場合には、燃料電池側の温水を優先利用したり、燃料電池側の湯切れ時に給水を遮断したりするための構成が必要となるが、温水タンクへの補給水を、主熱源機の加熱位置よりも上流側において燃料電池の廃熱で予熱するので、簡易な構成で、燃料電池の廃熱を優先利用した温水を得ることができる。なお、温水タンク、主熱源機および補水管として、建築物の既存建築設備を利用することもでき、その既存建築設備に、燃料電池および予熱タンクを新設して構成することができる。

　請求項２に記載の発明は、前記建築物は、屋上又は上層階に設置される高架タンクを有する多層階施設とされ、前記高架タンクは、常温水が補給され、前記温水タンクは、前記高架タンクよりも下層階に設置されると共に、前記高架タンクと前記補水管で接続されて常温水が降水されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムである。

　請求項２に記載の発明によれば、高架タンクから温水タンクへの補水管には、補水管を流れる水を加熱可能に主熱源機が設けられると共に、その主熱源機の加熱位置よりも上流側に予熱タンクが設けられる。そして、この予熱タンク内の貯留水ひいては温水タンクへの補給水を、燃料電池の廃熱で予熱しながら、燃料電池のオフガスを冷却して水自立を図ることができる。しかも、多層階施設において、高架タンクから予熱タンクを介した温水タンクへの給水を、ポンプを用いることなく、水頭圧差を用いて自然に行うことができる。なお、高架タンク、温水タンク、主熱源機および補水管として、多層階施設の既存建築設備を利用することもでき、その既存建築設備に、燃料電池および予熱タンクを新設して構成することができる。

　請求項３に記載の発明は、前記建築物は、屋上又は上層階に設置される高架タンクを有する多層階施設とされ、前記高架タンクは、常温水が補給され、前記温水タンクは、前記高架タンクと同一層階に設置されると共に、前記高架タンクと前記補水管で接続されて常温水が補給されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムである。

　請求項３に記載の発明によれば、高架タンクから温水タンクへの補水管には、補水管を流れる水を加熱可能に主熱源機が設けられると共に、その主熱源機の加熱位置よりも上流側に予熱タンクが設けられる。そして、この予熱タンク内の貯留水ひいては温水タンクへの補給水を、燃料電池の廃熱で予熱しながら、燃料電池のオフガスを冷却して水自立を図ることができる。しかも、多層階施設において、温水タンクと高架タンクとを、同一階層に設置することができる。なお、高架タンク、温水タンク、主熱源機および補水管として、多層階施設の既存建築設備を利用することもでき、その既存建築設備に、燃料電池および予熱タンクを新設して構成することができる。

　請求項４に記載の発明は、前記建築物は、配水管に接続された給水管を備え、前記温水タンクは、地上又は地下階の床上に設置されると共に、前記給水管からなる前記補水管を介して常温水が補給されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムである。

　請求項４に記載の発明によれば、配水場からの配水管に接続された給水管を、温水タンクへの補水管として用い、その補水管には、補水管を流れる水を加熱可能に主熱源機が設けられると共に、その主熱源機の加熱位置よりも上流側に予熱タンクが設けられる。そして、この予熱タンク内の貯留水ひいては温水タンクへの補給水を、燃料電池の廃熱で予熱しながら、燃料電池のオフガスを冷却して水自立を図ることができる。なお、温水タンク、主熱源機および補水管として、建築物の既存建築設備を利用することもでき、その既存建築設備に、燃料電池および予熱タンクを新設して構成することができる。

　請求項５に記載の発明は、前記温水タンク内の温水を、前記予熱タンクと前記主熱源機の加熱位置との間の前記補水管に返送する再加熱管を備えることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。

　請求項５に記載の発明によれば、温水タンク内の温水を、再加熱管を介して主熱源機に戻して、再加熱することができる。これにより、温水タンク内の温水を所望温度に維持することができる。

　請求項６に記載の発明は、前記温水タンク内の温水を再加熱可能な副熱源機を備えることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。

　請求項６に記載の発明によれば、温水タンク内の温水を、副熱源機にて再加熱することができる。これにより、温水タンク内の温水を所望温度に維持することができる。

　請求項７に記載の発明は、前記燃料電池は、改質器、セルスタックおよびオフガス熱交換器を有し、前記オフガス熱交換器において、前記オフガスと冷却液との熱交換によりオフガスを露点温度以下に冷却して、オフガス中の水分を凝縮させ、その凝縮水を前記改質器に再供給し、前記改質器において、原燃料と前記凝縮水を水蒸気改質反応させることにより水素を含有する改質ガスを生成し、前記セルスタックにおいて、前記改質ガス中の水素と空気中の酸素を化学反応させて発電することを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。

　請求項７に記載の発明によれば、オフガス熱交換器において、オフガス中の水分を凝縮させてその凝縮水を改質器に再供給することで、外部からの補給水なしで運転できる水自立可能な燃料電池システムとなる。

　請求項８に記載の発明は、前記予熱タンク内の前記貯留水を予熱する予熱用熱交換器と、前記オフガス熱交換器と前記予熱用熱交換器との間で、前記冷却液を循環させる循環液回路と、を備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システムである。

　請求項８に記載の発明によれば、燃料電池側のオフガス熱交換器と、予熱タンク内の予熱用熱交換器との間で、冷却液を循環させる。そして、オフガス熱交換器において、オフガスと冷却液とを熱交換して、オフガスを冷却しつつ冷却液を加熱し、この加熱された冷却液の熱で、予熱用熱交換器において、予熱タンク内の貯留水を加熱することができる。

　請求項９に記載の発明は、前記燃料電池は、固体酸化物形の燃料電池であることを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。

　燃料電池には、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）の他、リン酸形（ＰＡＦＣ）や固体高分子形（ＰＥＦＣ）もあるが、請求項９に記載の発明によれば、ＳＯＦＣが用いられる。ＳＯＦＣは、高温型の動作温度が６５０～８００℃、中温型の動作温度が４５０～６５０℃と高いため、セルスタック保護の観点から、起動・昇温後は停止させることなく、電主熱従運転させるのが基本である。そのため、発生し続けるオフガス廃熱の回収を可能とすることで、高い総合効率を維持することができる。但し、ＳＯＦＣはＰＡＦＣやＰＥＦＣに比べて発電効率が高い分、同じ発電出力で比較するとオフガス廃熱量が少なく、単独では建築物の温水需要には応えられないおそれがある。ところが、主熱源機を介した温水タンクへの補給水の予熱にオフガス廃熱を利用することで、建築物の電力需要と温水需要を同時に満足するシステムを構築することができる。

　さらに、請求項１０に記載の発明は、前記建築設備は、前記温水タンク内に貯留された温水を循環可能に接続された給湯循環配管と；前記給湯循環配管を幹管として当該幹管から温水需要箇所に温水を送る枝管と、を更に含むことを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。

　請求項１０に記載の発明によれば、温水タンク内に貯留された温水を給湯循環配管（幹管）に循環させておくことで、その循環配管から分岐した枝管を介して、温水需要箇所にて温水を迅速に取り出すことができる。

　本発明によれば、既存の設備環境を利用できる簡易な構成で、燃料電池の熱回収と水自立を両立させた燃料電池システムを実現することができる。

本発明の燃料電池システムの実施例１を示す概略図であり、建築物の即湯循環設備に適用した例を示している。 本発明の燃料電池システムの実施例２を示す概略図であり、建築物の即湯循環設備に適用した例を示している。 本発明の燃料電池システムの実施例３を示す概略図であり、建築物の即湯循環設備に適用した例を示している。

　以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

　図１は、本発明の燃料電池システム１の実施例１を示す概略図であり、建築物２の即湯循環設備に適用した例を示している。

　本実施例の燃料電池システム１は、公共的施設，産業施設，住宅施設等の建築物２における建築設備の一部として利用される。特に、多層階施設における建築設備の一部として利用される。

　多層階施設は、地下も含めて三以上の階を備えた建築物２であり、典型的には地上３階建て以上の建築物２である。具体的には、中層建築物（３～５階層）または高層建築物（６階層以上）とされる。図１では、地下１階Ｂ１の他、地上１階Ｆ１、２階Ｆ２、および最上階（ここでは６階Ｆ６）が示されており、途中の階（３階～５階）は、２階と同様として図示を省略している。

　建築設備とは、人が生活を営むうえで必要になる様々な機能を果たすために、建築物２に一体化されて機能する機器および装置をいう。建築設備には、建築基準法第２条第３号に定義されている設備等のほか、建築物利用者のニーズに応じた各種設備（たとえば、ボイラ設備や通信設備など）を含み得る。

　本実施例の建築物２は、建築設備として、給水源から給水可能な受水タンク３と、この受水タンク３から給水可能な高架タンク４と、この高架タンク４から給水可能な温水タンク５と、高架タンク４から温水タンク５への給水を加熱可能な主熱源機６と、この主熱源機６の加熱位置よりも上流側に設けられる予熱タンク７と、この予熱タンク７内の貯留水の加熱にオフガス廃熱が用いられる燃料電池８と、温水タンク５内に貯留された温水を各階に循環させる給湯循環配管９と、高架タンク４内に貯留された常温水を各階に供給する水供給配管１０とを備える。そして、これらの建築設備のうち、燃料電池８および予熱タンク７が燃料電池システム１の主要部を構成している。

　本実施例では、受水タンク３、温水タンク５および主熱源機６は、地下階（ここでは地下１階Ｂ１）に設置され、高架タンク４は、屋上または上層階（典型的には最上階）に設置され、予熱タンク７および燃料電池８は、中途階（ここでは地上１階Ｆ１などの地上階）に設置される。但し、受水タンク３および温水タンク５が高架タンク４よりも下層階に設置される限り、各構成の設置階は適宜に変更可能である。また、場合により、屋内に限らず、屋外に設置されてもよい。

　受水タンク３は、本実施例では開放型タンク（大気開放されたタンク）とされる。受水タンク３には、配水管（図示省略）に接続された給水管１１を介して、水道水が供給され貯留される。本実施例では、定水位弁（ボールタップ）１２を用いて、受水タンク３への給水の有無が切り替えられ、受水タンク３内は所定水位に維持される。なお、配水管とは、配水場から給水区域まで水を送る管をいい、給水管１１とは、配水管から分岐して各家庭など需要者に水を供給する管をいう。配水管から給水管１１へは、常温の水道水（通常５～３０℃の範囲で季節により成行き）が供給される。

　高架タンク４は、本実施例では開放型タンクとされる。高架タンク４には、受水タンク３から揚水配管１３を介して、水が供給され貯留される。揚水配管１３には、受水タンク３の出口部に揚水ポンプ１４が設けられており、この揚水ポンプ１４を作動させることで、受水タンク３内の水を高架タンク４へ供給することができる。高架タンク４に設けた水位検出器（たとえば水位電極棒やフロートスイッチ）１５の検出信号に基づき揚水ポンプ１４を自動制御することで、高架タンク４内を所定水位に維持することができる。たとえば、水位検出器１５にて、下限水位と上限水位とを検出可能としておき、下限水位を下回れば揚水ポンプ１４を作動させる一方、上限水位を上回れば揚水ポンプ１４を停止させればよい。

　ここで、高架タンク４への補給水は、受水タンク３からの常温水である。そのため、高架タンク４には、燃料電池８のオフガスの露点温度（たとえば４０℃）以下の水が補給されることになる。後述するように、高架タンク４の貯留水は、予熱タンク７でオフガスの冷却用熱源として利用される。燃料電池８の水自立とは、オフガスの冷却により生成させた凝縮水を燃料電池８で再利用するものであるため、高架タンク４への補給水の温度は、燃料電池８の水自立の成否と密接に関係している。

　温水タンク５は、本実施例では開放型タンクとされる。温水タンク５には、高架タンク４から補水管１６を介して、水が供給され貯留される。温水タンク５は高架タンク４よりも下層階に設置されるため、高架タンク４から温水タンク５への給水は、水頭圧差を用いて自然になされる。そのため、補水管１６にポンプを設置する必要はない。なお、補水管１６について、説明の便宜上、高架タンク４から主熱源機６の加熱位置までを第一補水管１６Ａといい、主熱源機６の加熱位置から温水タンク５までを第二補水管１６Ｂということがある。

　補水管１６には補水弁１７が設けられており、この補水弁１７の開閉により、高架タンク４から温水タンク５への給水の有無を切り替えることができる。温水タンク５に設けた水位検出器（たとえば水位電極棒やフロートスイッチ）１８の検出信号に基づき補水弁１７を自動制御することで、温水タンク５内を設定水位に維持することができる。たとえば、水位検出器１８にて、下限水位と上限水位とを検出可能としておき、下限水位を下回れば補水弁１７を開放する一方、上限水位を上回れば補水弁１７を閉鎖すればよい。

　高架タンク４から補水管１６を介した温水タンク５への給水は、主熱源機６により加熱可能とされる。後述するように、温水タンク５への給水は燃料電池８のオフガス廃熱を用いても加熱されるが、この加熱がなくても（つまり燃料電池８の発電が停止していても）、主熱源機６は、温水タンク５への給水を所望温度に維持でき、建築物２内への温水供給には影響を及ぼさない加熱能力を有する。言い換えれば、主熱源機６は、単独で建築物２の温水需要を賄うことのできる熱出力を有する。

　主熱源機６は、特に問わないが、本実施例では、ガス給湯器とされる。図示例では、主熱源機６として、同一構成のガス給湯器が、並列に複数台（たとえば４台）設置されている。言い換えれば、複数台のガス給湯器により、主熱源機群が構成されている。そして、各主熱源機６は、第一補水管１６Ａを介して高架タンク４と接続される一方、第二補水管１６Ｂを介して温水タンク５と接続される。その際、第一補水管１６Ａは、下流側（主熱源機６側）で分岐され、各分岐管が補水弁１７を介して主熱源機６に接続される。一方、第二補水管１６Ｂは、上流側（主熱源機６側）で分岐され、各分岐管が主熱源機６に接続される。

　補水弁１７を開けることで、高架タンク４から主熱源機６を介して、温水タンク５に降水することができる。その際、温水タンク５内の温水需要に合わせて、補水弁１７の開放個数を変更することで、温水タンク５への給水流量を変更することができる。すなわち、温水タンク５内の水位が下がるほど、補水弁１７の開放個数を増加させて、温水タンク５への給水流量を増加させることができる。そして、補水弁１７を開放中、その開放中の補水弁１７と対応した主熱源機６（つまり補水弁１７の開放により通水される主熱源機６）を作動させて、設定温度の温水として温水タンク５へ供給することができる。

　このようにして、温水タンク５内には、建築物２内に供給するための温水が貯留される。そして、温水タンク５内に貯留された温水は、後述するように、給湯循環配管９を通じて建築物２の各階に循環される。そのため、循環温水のレジオネラ汚染防止など衛生上の観点からは、主熱源機６（さらには後述する副熱源機１９）による加熱時の設定温度を６０℃以上にしておくのが望ましい。

　予熱タンク７は、高架タンク４から温水タンク５への補水管１６の内、主熱源機６の加熱位置よりも上流側（ここでは各補水弁１７より上流の第一補水管１６Ａ）に設けられる。予熱タンク７は、本実施例では密閉型タンク（大気開放されないタンク）とされる。予熱タンク７は、第一補水管１６Ａの内、上流側配管１６Ａｕを介して高架タンク４と接続される一方、下流側配管１６Ａｄを介して主熱源機６と接続される。そのため、高架タンク４からの水は、第一補水管１６Ａの上流側配管１６Ａｕを介して予熱タンク７を満たし、下流側配管１６Ａｄを介して主熱源機６へ供給可能とされる。前述した補水弁１７を開けることで、高架タンク４内の水を、第一補水管１６Ａの上流側配管１６Ａｕ、予熱タンク７および下流側配管１６Ａｄを介した後、主熱源機６を通して温水タンク５へ供給することができる。つまり、補水弁１７の開放により、予熱タンク７から温水タンク５へ給水しつつ、その給水分の水を高架タンク４から予熱タンク７へ補給することができる。

　予熱タンク７内の貯留水は、燃料電池８のオフガス廃熱を用いて加熱されるが、その際、予熱タンク７内には温度成層（上部ほど高温で下部ほど低温の状態）が形成される。この温度成層を乱さないために、予熱タンク７には、図示例のように、下部に、高架タンク４からの上流側配管１６Ａｕが接続され、上部に、主熱源機６への下流側配管１６Ａｄが接続されるのが好ましい。

　上流側配管１６Ａｕと下流側配管１６Ａｄとは、所望によりバイパス配管１６Ｃで接続される。この場合、高架タンク４からの水を、予熱タンク７を介して温水タンク５へ供給するか、予熱タンク７を介さずにバイパス配管１６Ｃを介して温水タンク５へ供給するかを切替可能とされる。そのために、本実施例では、上流側配管１６Ａｕには、バイパス配管１６Ｃとの分岐部より下流に入口弁２０が設けられる一方、下流側配管１６Ａｄには、バイパス配管１６Ｃとの合流部より上流に出口弁２１が設けられる。さらに、バイパス配管１６Ｃには、バイパス弁２２が設けられる。これら入口弁２０、出口弁２１およびバイパス弁２２は、本実施例では手動弁から構成される。そして、通常、バイパス弁２２が閉じられると共に、入口弁２０および出口弁２１が開かれた状態に維持される。従って、高架タンク４内の水は、バイパス配管１６Ｃを介することなく、上流側配管１６Ａｕを介して予熱タンク７へ供給され、予熱タンク７内の水が、下流側配管１６Ａｄを介して温水タンク５へ供給される。

　一方、所望時には、バイパス弁２２を開ける一方、入口弁２０および出口弁２１を閉じた状態として、高架タンク４内の水を、予熱タンク７を介することなく、バイパス配管１６Ｃを介して温水タンク５へ供給可能とされる。たとえば、予熱タンク７や後述する循環液回路２３などをメンテナンスする際、バイパス弁２２を開ける一方、入口弁２０および出口弁２１を閉じた状態としておけばよい。その場合、高架タンク４からの水は、主熱源機６にて加熱されて温水タンク５へ供給可能であるから、温水需要箇所への湯切れを防止することができる。

　予熱タンク７内の貯留水は、燃料電池８のオフガス廃熱を用いて加熱可能とされる。そのために、本実施例では、燃料電池８（より具体的には後述する燃料電池本体２４）のオフガスとその冷却液とを熱交換するオフガス熱交換器２５と、このオフガス熱交換器２５で加熱された冷却液で予熱タンク７内の貯留水を加熱する予熱用熱交換器２６と、オフガス熱交換器２５と予熱用熱交換器２６との間で冷却液を循環させる循環液回路２３とを備える。循環液回路２３を循環する冷却液は、ここでは水であるが、その他の液体（たとえばエチレングリコールなどを主成分とする不凍液）であってもよい。

　燃料電池８は、オフガス熱交換器２５の他、燃料電池本体２４、パワーコンディショナ（図示省略）および各種の補機（図示省略）などを備える。燃料電池本体２４は、改質器（図示省略）およびセルスタック（図示省略）などを備える。具体的には、燃料電池本体２４は、発電に使用する主要機器を断熱容器に収容した発電モジュールとして構成されており、主要機器には、（Ｉ）蒸発部、混合部および改質部を有する改質器；（ＩＩ）複数の発電セルよりなるセルスタック；（ＩＩＩ）アノードオフガスとカソードオフガスを燃焼させる燃焼器；（ＩＶ）燃焼オフガスとアノード空気を熱交換させる空気予熱器などが含まれる。

　燃料電池本体２４には、原燃料（都市ガス）Ｇ、空気Ａ、および水（改質水）Ｗが供給される。そして、原燃料（メタンガスを主成分とする都市ガス）Ｇと水（水蒸気）Ｗとを改質器において水蒸気改質反応させることにより水素を含有する改質ガスを生成し、改質ガス中の水素と空気中の酸素とをセルスタックにおいて化学反応させて発電する。セルスタックでは、発電に伴ってアノードオフガスおよびカソードオフガスが生成されるが、これらのガスは、燃焼器に供給されたのち、燃焼オフガスとなって排出される。この燃焼オフガスは、セルスタックの前段に配置された空気予熱器に通され、カソード空気の予熱に利用される。

　セルスタックの電池出力は、パワーコンディショナで調整された後に、建築物２内に給電される。パワーコンディショナは、セルスタックから出力された直流電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ（昇圧回路）と、ＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧された直流電圧を系統電源と同期の取れた交流電圧に変換する系統連系インバータ（電圧変換回路）と、セルスタックの出力電流を制御する出力電流制御部（出力制御回路）と、を有している。系統連系インバータは、建築物２内に設置された商用電力系統の配電盤と電気的に接続されている。系統連系インバータと配電盤とは、系統連系用のスイッチを介して並列・解列を切換可能である。配電盤には、系統電源および複数の分電盤が電気的に接続されている。分電盤には、建築物２の各階で使用する照明器具、動力装置、コンセント等の負荷機器が電気的に接続されている。

　燃料電池本体２４の種類は、特に問わないが、好適には固体酸化物形（ＳＯＦＣ）とされる。ＳＯＦＣは、高温型の動作温度が６５０～８００℃、中温型の動作温度が４５０～６５０℃と高いため、セルスタック保護の観点から、起動・昇温後は停止させることなく、電主熱従運転させるのが基本である。そのため、発生し続けるオフガス廃熱の回収を可能とすることで、高い総合効率を維持することができる。但し、ＳＯＦＣ（固体酸化物形）はＰＡＦＣ（リン酸形）やＰＥＦＣ（固体高分子形）に比べて発電効率が高い分、同じ発電出力で比較するとオフガス廃熱量が少なく、単独では建築物の温水需要には応えられないおそれがある。ところが、主熱源機６を介した温水タンク５への補給水の予熱にオフガス廃熱を利用することで、建築物２の電力需要と温水需要を同時に満足するシステムを構築することができる。

　オフガス熱交換器２５は、燃料電池本体２４からのオフガスとその冷却液とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器である。そのために、オフガス熱交換器２５には、燃料電池本体２４からオフガス配管２７を介してオフガスが通されると共に、循環液回路２３の循環液がオフガスの冷却液として通される。これにより、オフガス熱交換器２５において、オフガスは循環冷却液により冷却され、オフガス中の水分（水蒸気）の凝縮が図られる。一方、循環液回路２３の循環冷却液は、オフガス熱交換器２５において、オフガスと熱交換することで加熱される。

　オフガス熱交換器２５での熱交換の対象となるオフガスは、燃料電池本体２４で発生する水蒸気を含むオフガスである。具体的には、（ｉ）セルスタックのアノード側から排出されるアノードオフガス；（ｉｉ）セルスタックのカソード側から排出されるカソードオフガス；（ｉｉｉ）燃焼器から排出される燃焼オフガスから選ばれた一種以上を熱交換の対象とすることができる。オフガス熱交換器２５に通されるオフガスは、空気予熱器等で部分的に熱回収された後の状態であってもよい。

　ＳＯＦＣセルスタックのアノード側では、水素と酸素の化学反応が起こるので、アノードオフガスには水蒸気が含まれる。ＳＯＦＣセルスタックのカソード側に供給される空気には大気の水蒸気が含まれるので、カソードオフガスにも水蒸気が含まれる。燃焼オフガスには、アノードオフガスおよびカソードオフガスに由来する水蒸気のほか、アノードオフガス中の残留水素とカソードオフガス中の残留酸素の燃焼反応によって生成した水蒸気が含まれる。そのため、いずれのオフガスを熱交換の対象とした場合でも、露点温度以下に冷却することで凝縮水を得ることができる。

　オフガス熱交換器２５からのオフガスの出口側には、セパレータタンク２８が設けられており、オフガス熱交換器２５に通されたオフガスの気液分離が図られる。そして、気液分離後の凝縮水は、燃料電池本体２４への改質水Ｗとして、供給ポンプ２９を介して燃料電池本体２４の改質器へ再供給可能とされる。これにより、燃料電池８は、外部からの補給水なしで発電を継続できる水自立運転が可能になっている。なお、気液分離後のアノードオフガスおよびカソードオフガスは燃焼器に供給され、気液分離後の燃焼オフガスは外部に排出される。

　燃料電池８の水自立運転において、改質器では、蒸発部で改質水Ｗとしての凝縮水が気化された後、混合部で原燃料Ｇと水蒸気が混合される。そして、この混合ガスが改質部の触媒層に供給されて、水素を含有する改質ガスが生成される。改質部で得られた改質ガスは、アノード燃料としてセルスタックのアノード側に送られる。

　また、オフガス熱交換器２５は、その構造や流体の流し方を工夫することにより、オフガスの気液分離をセパレータタンク２８ではなく、オフガス熱交換器２５内で行うようにすることもできる。その場合、オフガス熱交換器２５からのオフガスの出口側に、排気用の分岐ラインを接続する。

　予熱用熱交換器２６は、予熱タンク７内に配置され、予熱タンク７内の貯留水とオフガス熱交換器２５からの循環冷却液とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器（たとえば伝熱コイル）である。予熱用熱交換器２６は、予熱タンク７の内部領域のうち、少なくとも常温水が流入する下層領域（たとえば底部から３０～５０％の高さ領域）を加熱可能に配置される。これにより、予熱用熱交換器２６において、予熱タンク７内の貯留水が加熱される一方、循環液回路２３の循環冷却液は冷却される。

　循環液回路２３は、オフガス熱交換器２５と予熱用熱交換器２６との間で、冷却液を循環させる。具体的には、予熱用熱交換器２６からオフガス熱交換器２５へは、冷却液送り路２３Ａを介して冷却液が供給され、オフガス熱交換器２５から予熱用熱交換器２６へは、冷却液戻し路２３Ｂを介して冷却液が戻される。そして、冷却液送り路２３Ａ（または冷却液戻し路２３Ｂ）に設けた循環ポンプ３０を作動させることで、オフガス熱交換器２５と予熱用熱交換器２６との間で冷却液を循環させることができる。

　本実施例では、冷却液送り路２３Ａには、予熱用熱交換器２６からオフガス熱交換器２５へ向けて順に、ラジエータ３１および循環ポンプ３０が設けられている。なお、循環ポンプ３０は、冷却液送り路２３Ａに設けられる代わりに、冷却液戻し路２３Ｂに設けられてもよい。

　ラジエータ３１は、オフガス熱交換器２５への冷却液とファン３２による通風との熱交換器である。所望時にラジエータ３１のファン３２を作動させることで、オフガス熱交換器２５へ供給する冷却液を、外気で冷却することができる。たとえば予熱タンク７でオフガス廃熱の熱回収が十分にできない場合に、ラジエータ３１の冷却作用によってオフガス熱交換器２５への冷却液温度をオフガスの露点温度以下にすることで、オフガス熱交換器２５においてオフガス中の水分を凝縮させ、燃料電池８の水自立を図ることができる。

　ラジエータ３１は、好ましくは、通風量を調整可能とされる。本実施例では、ファン３２の駆動モータをＤＣモータとすると共に、冷却液送り路２３Ａに複数台のラジエータ３１を配置している（図示例では１台のみの配置例を記載）。この構成では、ファン３２を一定速度で駆動する。ラジエータ３１の稼動台数、すなわちファン３２の駆動台数を制御することで、通風量を調整することができる。

　また、ラジエータ３１を１台で構成する場合には、ファン３２の駆動モータをブラシレスＤＣモータとし、このＤＣモータをパルス幅変調（ＰＷＭ）により可変速制御するように構成してもよい。ファン３２の作動中、ＤＣモータの駆動電圧パルスのデューティ比を変化させることで、通風量を調整することができる。

　また、ラジエータ３１を１台で構成する場合には、ファン３２の駆動モータをＡＣモータとし、このＡＣモータをインバータ装置により可変電圧可変周波数制御（ＶＶＶＦ制御）するように構成してもよい。ファン３２の作動中、ＡＣモータの駆動周波数または駆動電圧を変化させることで、通風量を調整することができる。

　循環ポンプ３０は、冷却液の流量を調整可能に構成されていることが好ましい。本実施例では、循環ポンプ３０の駆動モータをブラシレスＤＣモータとし、このＤＣモータをパルス幅変調（ＰＷＭ）により可変速制御するように構成している。循環ポンプ３０の作動中、ＤＣモータの駆動電圧パルスのデューティ比を変化させることで、循環液回路２３内の循環流量を調整することができる。

　また、循環ポンプ３０の駆動モータをＡＣモータとし、このＡＣモータをインバータ装置により可変電圧可変周波数制御（ＶＶＶＦ制御）するように構成してもよい。循環ポンプ３０の作動中、ＡＣモータの駆動周波数または駆動電圧を変化させることで、循環液回路２３内の循環流量を調整することができる。

　また、ＤＣかＡＣかに関わらず駆動モータを一定速度で駆動する場合には、オフガス熱交換器２５から予熱用熱交換器２６への冷却液戻し路２３Ｂ、または予熱用熱交換器２６からオフガス熱交換器２５への冷却液送り路２３Ａに、比例制御弁が設けられる。循環ポンプ３０の作動中、比例制御弁の開度を調整することで、循環液回路２３内の循環流量を調整することができる。

　冷却液送り路２３Ａには、ラジエータ３１の出口側に第一温度センサ３３が設けられる一方、冷却液戻し路２３Ｂには、第二温度センサ３４が設けられる。第一温度センサ３３は、オフガス熱交換器２５の入口側の冷却液の温度を検出し、第二温度センサ３４は、オフガス熱交換器２５の出口側の冷却液の温度を検出する。

　燃料電池８の稼働時、循環ポンプ３０を作動させる。これにより、オフガス熱交換器２５と予熱用熱交換器２６との間で冷却液が循環される。オフガス熱交換器２５において、燃料電池本体２４からのオフガスが冷却される一方、予熱用熱交換器２６への冷却液が加熱される。一方、予熱用熱交換器２６において、オフガス熱交換器２５からの冷却液で、予熱タンク７内の貯留水が加熱される。このようにして、燃料電池８のオフガス廃熱を、予熱タンク７内の貯留水の加熱に用いて、熱回収することができる。

　循環ポンプ３０の作動中、第一温度センサ３３の検出温度を第一目標温度範囲（たとえば３５～４０℃の設定範囲）に維持するように、複数台のラジエータ３１におけるファン３２の駆動台数が増減される。この駆動台数の増減には、たとえばフィードフォワード制御が用いられる。具体的には、第一温度センサ３３の検出温度が上限設定値（たとえば４０℃）以上となり、その状態で第一設定時間（たとえば１０秒）が継続すると１台を起動する一方で、第一温度センサ３３の検出温度が下限設定値（たとえば３５℃）以下となり、その状態で第二設定時間（たとえば１０秒）が経過すると１台を停止する。これにより、冷却液の温度が高まり過ぎるのを防止して、水自立を確実に図ることができる。すなわち、オフガス熱交換器２５においてオフガスを露点温度以下に冷却して、オフガス中の水分を凝縮させ、その凝縮水を前記改質器へ再供給することができる。

　循環ポンプ３０の作動中、第二温度センサ３４の検出温度を第二目標温度（たとえば６０～７５℃から選択された設定値）に維持するように、循環ポンプ３０の駆動モータ出力、すなわち循環流量が調整される。この駆動モータ出力の調整には、たとえば速度型ＰＩＤアルゴリズムによるフィードバック制御が用いられる。これにより、予熱用熱交換器２６へ供給する循環液温度を所定温度に維持して、予熱タンク７内の貯留水を所望温度に加熱することができる。

　ところで、温水タンク５内の温水は、副熱源機（たとえばガス給湯器）１９にて再加熱可能とされるのがよい。本実施例では、温水タンク５内の温水は、温水取出し路３５Ａを介して副熱源機１９に供給され、副熱源機１９にて設定温度に加熱された後、温水戻し路３５Ｂを介して温水タンク５へ戻される。温水取出し路３５Ａ（または温水戻し路３５Ｂ）に設けた送水ポンプ３６を作動させることで、温水タンク５内の温水を副熱源機１９に通して、温水タンク５内の温水を設定温度に維持することができる。副熱源機１９による加熱目標温度（設定温度）は、主熱源機６による加熱目標温度（設定温度）と同一でもよいし、所定温度だけ高いまたは低い温度でもよい。

　なお、副熱源機１９は、好ましくは温水タンク５と同一層階に設置される。また、副熱源機１９による温水タンク５内の貯留水の再加熱は、温水タンク５内の貯留水を副熱源機１９との間で循環させて行う以外に、温水タンク５内に設けたヒータ（電気ヒータまたは蒸気ヒータなど）により行ってもよい。

　温水タンク５内の温水は、建築物２内の一または複数の温水需要箇所に供給され利用可能とされる。本実施例では、建築物２内には、温水タンク５内に貯留された温水を循環させる給湯循環配管９が敷設されており、その給湯循環配管９に設けた出湯部３７から温水を取り出し可能とされている。

　給湯循環配管９は、温水タンク５内の温水を建築物２の各階に行き渡らせるループ配管である。本実施例では、地下の温水タンク５から最上階へ向けて往路９Ａが敷設され、最上階から温水タンク５へ向けて復路９Ｂが敷設される。往路９Ａには、温水タンク５からの出口部に、揚水ポンプを兼ねる循環ポンプ３８が設けられる。

　ところで、温水タンク５は、典型的には略矩形のボックス状とされ、給湯循環配管９の往路９Ａへの給湯口と、復路９Ｂからの返湯口とが、対角の位置に設けられるのが好ましい。また、温水タンク５は、補水管１６からの給水口と、給湯循環配管９の復路９Ｂからの返湯口とが、隣接して配置されるのが好ましい。これにより、高架タンク４から予熱タンク７および主熱源機６を介した補給水と、給湯循環配管９の復路９Ｂからの温水との混合を図ることができる。

　建築物２の各階（あるいは所望の階）には、温水需要箇所への出湯部３７が設けられる。本実施例では、１階以上の各階には、給湯循環配管９を幹管として、その幹管から温水需要箇所に温水を送る枝管９Ｘが設けられている。この際、通常、枝管９Ｘは、幹管の往路９Ａから分岐して設けられる。つまり、枝管９Ｘは、給湯循環配管９に付随する建築設備である。図示例では、各階に一つの枝管９Ｘのみを示しているが、複数の枝管９Ｘを設けてもよい。また、所望により、一つの枝管９Ｘからさらに枝管９Ｘを分岐させてもよい。

　各枝管９Ｘは、幹管（給湯循環配管９）からの温水を出湯部３７に供給するための配管である。出湯部３７としては、たとえば、洗面台、浴室、厨房等に設けられた混合栓３７Ａである。なお、高架タンク４から各階へは、冷水（常温水）の水供給配管１０が別途、敷設されている。高架タンク４から水供給配管１０を介した各階への給水も、水頭圧差を用いて自然に行うことができる。そして、各階の混合栓３７Ａには、温水タンク５から幹管９Ａおよび枝管９Ｘを介した温水と、高架タンク４から水供給配管１０を介した冷水とが供給可能とされ、その混合割合を調整することで所望温度の温水を出湯可能とされる。

　次に、本実施例の燃料電池システム１の作用（運転）について、説明する。
　燃料電池８は、系統連系しながら常時発電する電主熱従運転を行っており、建築物２内の電力需要に合わせて、燃料電池８の発電出力（セルスタックの電池出力をパワーコンディショナで調整した出力）が調整される。すなわち、燃料電池８をベースロード電源として使用しつつ、系統電源をピークロード電源として使用している。燃料電池８の運転に伴い、オフガス熱交換器２５と予熱用熱交換器２６との間の循環液回路２３の循環ポンプ３０が作動する。また、第一温度センサ３３の検出温度を第一目標温度範囲に維持するように、複数台のラジエータ３１におけるファン３２の駆動台数を増減すると共に、第二温度センサ３４の検出温度を第二目標温度に維持するように、循環ポンプ３０の駆動モータ出力を自動制御するのは前述したとおりである。これにより、オフガス熱交換器２５において、オフガスを露点温度以下に冷却して、確実で安定した水自立を図ることができる。また、予熱用熱交換器２６において、予熱タンク７内の貯留水を、所定温度（第二目標温度）の循環冷却液で加熱することができる。

　なお、予熱用熱交換器２６での熱交換により、予熱タンク７内の貯留水は最大、第二目標温度まで加熱されることになる。この第二目標温度は、温水タンク５内の設定温度（主熱源機６および／または副熱源機１９による加熱目標温度）と同一かそれよりも低い温度とされる。

　温水タンク５には、水位検出器１８の検出信号に基づき補水弁１７を自動制御することで、所定水位の水が貯留される。高架タンク４から温水タンク５への補水管１６には、主熱源機６の加熱位置よりも上流側に予熱タンク７を設けて、燃料電池８のオフガス廃熱が回収されることで、予熱された温水を主熱源機６ひいては温水タンク５へ供給することができる。なお、高架タンク４から予熱タンク７を介した温水タンク５への給水に伴い、高架タンク４には必要に応じて受水タンク３から給水される。

　建築物２内の温水需要に備えて、給湯循環配管９の循環ポンプ３８は、作動を継続する。そのため、所望の階の所望の混合栓３７Ａを開ければ、即座に出湯することができる。その際、温水タンク５からの温水に、高架タンク４から水供給配管１０を介した常温水を混合することで、所望の温度で出湯することができる。

　ところで、予熱タンク７では、燃料電池８のオフガス廃熱を温水タンク５への給水予熱に用いて熱回収することで、予熱タンク７内の貯留水を予熱しながらオフガスの冷却が可能とされる。この点について、具体的に説明すると、次のケースが想定される。

　（ａ）夏場以外で、高架タンク４に滞留中の貯留水、すなわちオフガスの冷却用熱源がオフガスの露点温度を超えない場合、予熱タンク７での熱回収のみでオフガスを露点以下に冷却できる。この場合、循環液回路２３では、ラジエータ３１のファン３２を停止しておけばよい。

　（ｂ）夏場で、高架タンク４に滞留中の貯留水、すなわちオフガスの冷却用熱源がオフガスの露点温度を超える場合、予熱タンク７での熱回収と、ラジエータ３１での放熱とにより、オフガスを露点以下に冷却する。但し、夏場であっても建築物２内で温水需要が十分にある場合には、高架タンク４の貯留水は頻繁に入れ替わるため、高架タンク４内の貯留水（ひいては予熱タンク７への給水）がオフガスの露点温度以下になれば、ラジエータ３１のファン３２を停止させればよい。それにより、温水タンク５への補給水の冷熱利用による水自立を成立させつつ、熱回収効率を高めることができる。

　なお、建築物２内での温水需要が少ない場合には、給水源からの水温とは無関係に十分な熱回収ができないので、ラジエータ３１のファン３２を作動させて、外気への放熱によりオフガスを露点以下に冷却して水自立を成立させることになる。

　前述したとおり、本実施例の燃料電池システム１では、給湯負荷（出湯部３７における出湯）がある場合には、燃料電池８の廃熱回収と主熱源機６での加熱を行いながら温水タンク５に給水する。そして、給湯負荷がない場合などにおいて、温水タンク５内の温度が下がると、副熱源機１９に温水を循環させて追い炊きすることができる。

　本実施例の燃料電池システム１を利用する建築物２においては、温水タンク５への給水を、主熱源機６で加熱可能であると共に、主熱源機６の加熱位置よりも上流側で、燃料電池８の廃熱で予熱可能とされる。従って、簡易な構成で、燃料電池８の廃熱を優先利用した温水を得ることができる。また、受水タンク３、高架タンク４、温水タンク５、主熱源機６、補水管１６および給湯循環配管９として、建築物２の既存建築設備を利用することもでき、その既存建築設備に、燃料電池８および予熱タンク７を新設して構成することも容易である。

　図２は、本発明の燃料電池システム１の実施例２を示す概略図であり、建築物２の即湯循環設備に適用した例を示している。本実施例２も、基本的には前記実施例１と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、同様の箇所については説明を省略する。また、前記実施例１と対応する箇所には、同一の符号を付して説明する。

　前記実施例１では、温水タンク５が高架タンク４よりも下層階に設置されたが、本実施例２では、温水タンク５が高架タンク４と同一層階に設置される。図示例の場合、高架タンク４および温水タンク５の他、主熱源機６、予熱タンク７および燃料電池８も、同一層階（ここでは屋上Ｒ）に設置されている。

　本実施例２では、温水タンク５が高架タンク４と同一層階に設置されるので、高架タンク４から温水タンク５への給水を、水頭圧差のみで行うことができない。そこで、本実施例２の第一補水管１６Ａ（下流側配管１６Ａｄ）には、各主熱源機６の入口側に、前記実施例１の補水弁１７に代えて、補水ポンプ３９が設けられる。温水タンク５内の水位（具体的には水位検出器１８の検出水位）に基づき、補水ポンプ３９の稼働台数（さらには補水ポンプ３９と連動する主熱源機６の稼働台数）を自動制御することで、温水タンク５内の水位を所望に維持することができる。

　前記実施例１では、副熱源機１９を設けて、温水タンク５内の温水を再加熱可能としたが、本実施例２では、温水タンク５内の温水を主熱源機６との間で循環可能に構成される。具体的には、温水タンク５内の温水を、予熱タンク７と主熱源機６の加熱位置との間の補水管１６に返送する再加熱管４０を備える。より詳細には、予熱タンク７から主熱源機６への下流側配管１６Ａｄの内、各補水ポンプ３９よりも上流位置に、温水タンク５からの再加熱管４０が接続されている。再加熱管４０の接続位置よりも上流側の下流側配管１６Ａｄには、開閉弁（図示省略）が設けられる。所望により開閉弁を閉じた状態で補水ポンプ３９を作動させることで、温水タンク５内の貯留水を所望温度に加熱することができる。たとえば、温水タンク５内の温水温度に基づき、補水ポンプ３９および主熱源機６の稼働台数を自動制御により変更して、温水タンク５内の温水を設定温度に維持することができる。

　本実施例２では、給湯負荷（出湯部３７における出湯）がある場合には、燃料電池８の廃熱回収と主熱源機６での加熱を行いながら温水タンク５に給水する。そして、給湯負荷がない場合などにおいて、温水タンク５内の温度が下がると、主熱源機６に温水を循環させて追い炊きすることができる。再加熱管４０の接続位置よりも上流側の下流側配管１６Ａｄに設けた開閉弁は、温水タンク５への給水を加熱する場合は開放し、温水タンク５内の温水を再加熱する場合は閉鎖する。その他の構成（制御を含む）は、前記実施例１と同様のため、説明を省略する。

　図３は、本発明の燃料電池システム１の実施例３を示す概略図であり、建築物２の即湯循環設備に適用した例を示している。本実施例３も、基本的には前記実施例１（または前記実施例２）と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、同様の箇所については説明を省略する。また、両実施例で対応する箇所には、同一の符号を付して説明する。

　前記実施例１では、建築物２は多層階施設とされ、高架タンク４を備えたが、本実施例３では、建築物２は、典型的には、低層建築物（１～２階層）または中層建築物（３～５階層）とされ、高架タンク４を備えない。図示例では、地下１階、地上３階建ての建築物２とされる。

　本実施例３では、受水タンク３、温水タンク５および予熱タンク７は、地下階（ここでは地下１階Ｂ１）の床上に架台設置される。また、主熱源機６および燃料電池８も、地下階に設置されている。但し、これら構成の内、いずれか一以上は、場合により、地上（屋外または屋内）に設置されてもよい。たとえば、地下階のない建築物２では、これらタンクは、地上（典型的には地上１階Ｆ１）に架台設置される。いずれにしても、受水タンク３と温水タンク５とは、同じ階に併設されるのが好ましい。

　本実施例３では、受水タンク３には、第一給水管１１Ａを介して給水可能とされる一方、温水タンク５には、第二給水管１１Ｂを介して給水可能とされる。この第二給水管１１Ｂは、前記各実施例における補水管１６として機能する。温水タンク５内の水位（具体的には水位検出器１８の検出水位）に基づき、後述する補水ポンプ３９の稼働台数（さらには補水ポンプ３９と連動する主熱源機６の稼働台数）を自動制御することで、温水タンク５内の水位を所望に維持することができる。

　受水タンク３への第一給水管１１Ａと温水タンク５への第二給水管１１Ｂ（補水管１６）とは、上流側において共通管路１１Ｘとされている。言い換えれば、配水管（図示省略）からの水は、共通管路１１Ｘを介して、第一給水管１１Ａにより受水タンク３へ供給可能とされると共に、第二給水管１１Ｂからなる補水管１６を介して温水タンク５へ供給可能とされる。補水管１６を介した温水タンク５への補給水は、前記各実施例と同様に、まず予熱タンク７において燃料電池８のオフガス廃熱により加熱可能とされると共に、その後、主熱源機６により加熱可能とされる。

　本実施例３では、前記実施例２と同様に、第一補水管１６Ａには、各主熱源機６の入口側に、補水ポンプ３９が設けられる。一方、第二補水管１６Ｂには、各主熱源機６からの配管が合流後の位置に、開閉弁４１が設けられる。一以上の補水ポンプ３９の稼働時、開閉弁４１は開けられた状態に維持される。

　本実施例３でも、前記実施例２と同様に、温水タンク５内の温水を主熱源機６との間で循環可能に構成される。具体的には、温水タンク５内の温水を、予熱タンク７と主熱源機６の加熱位置との間の補水管１６に返送する再加熱管４０を備える。より詳細には、予熱タンク７から主熱源機６への下流側配管１６Ａｄの内、各補水ポンプ３９よりも上流位置に、温水タンク５からの再加熱管４０が接続されている。再加熱管４０の接続位置よりも上流側の下流側配管１６Ａｄには、開閉弁（図示省略）が設けられる。所望により開閉弁を閉じた状態で補水ポンプ３９を作動させることで、温水タンク５内の貯留水を所望温度に加熱することができる。たとえば、温水タンク５内の温水温度に基づき、補水ポンプ３９および主熱源機６の稼働台数を変更して、温水タンク５内の温水を設定温度に維持することができる。

　前記各実施例では、各階の混合栓３７Ａへは、高架タンク４からの水が供給されたが、本実施例３では、受水タンク３からの水が供給される。そのために、受水タンク３には、各階へ向けて水供給配管１０が設けられており、この水供給配管１０の基端部には、揚水ポンプ１４が設けられている。その他の構成（制御を含む）は、前記各実施例と同様のため、説明を省略する。

　本発明の燃料電池システム１は、前記各実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。特に、燃料電池システム１を利用する建築物２が、（ａ）補水管１６を介して常温水が補給される温水タンク５と；（ｂ）補水管１６を流通する常温水を加熱可能な主熱源機６と、を建築設備として有しており、燃料電池システム１が、（ｃ）建築物２内に給電可能な燃料電池８と、（ｄ）主熱源機６の加熱位置よりも上流側で補水管１６の途中に配設した予熱タンク７と、を備え、（ｅ）燃料電池８のオフガスの熱回収により、予熱タンク７内の貯留水を予熱しながらオフガスを冷却可能に構成し、（ｆ）補水管１６を介して補給される常温水を予熱タンク７でオフガスの冷却用熱源として利用し、（ｇ）オフガスの冷却により生成させた凝縮水を燃料電池８で再利用するものであれば、その他の構成は適宜に変更可能である。

　たとえば、前記各実施例では、温水タンク５は、開放型タンクにより構成されたが、場合により、密閉型タンクにより構成されてもよい。その場合、温水タンク５への補水弁１７（または補水ポンプ３９）の設置は不要であり、温水需要箇所での出湯に伴い、その出湯分の温水が予熱タンク７を介して温水タンク５へ供給される。但し、実施例２，３のように、温水タンク５内の温水を主熱源機６との間で循環させて再加熱する場合には、補水ポンプ３９の設置は必要となる。

　また、前記各実施例では、受水タンク３は、定水位弁１２により所定水位に維持されたが、受水タンク３に設けた水位センサの検出信号に基づき、給水管１１に設けた給水弁を自動制御してもよい。この場合、給水弁を開ければ、配水管からの給水圧により、受水タンク３へ給水される。

　また、前記各実施例では、予熱タンク７は、密閉型タンクとされたが、場合により開放型タンクとされてもよい。その場合、予熱タンク７内の水位を設定水位に維持するように、予熱タンク７に定水位弁を設けるか、予熱タンク７への上流側配管１６Ａｕに設けた給水弁を自動制御すればよい。

　また、前記各実施例では、予熱タンク７内に予熱用熱交換器２６を設置して、循環液回路２３の循環冷却液と予熱タンク７内の貯留水とを間接熱交換したが、場合により、予熱用熱交換器２６の設置を省略して、予熱タンク７内の貯留水自体をオフガス熱交換器２５との間で循環させてもよい。つまり、予熱タンク７内の貯留水を、オフガスの冷却液として、冷却液送り路２３Ａを介してオフガス熱交換器２５に供給して、オフガス熱交換器２５においてオフガス廃熱を用いて加熱し、冷却液戻し路２３Ｂを介して予熱タンク７へ戻す循環を繰り返してもよい。

　また、前記各実施例において、受水タンク３は、建築物２内に設置したが、場合により、建築物２に隣接した屋外（地上）に設置してもよい。なお、前記各実施例では、地下として、地下１階Ｂ１のみを示したが、地下２階以上にしてもよい。

　さらに、前記実施例１では、副熱源機１９を設置することで、温水タンク５内の貯留水を再加熱可能としたが、これに代えてまたはこれに加えて、実施例２，３と同様に、温水タンク５内の貯留水を主熱源機６の加熱位置上流へ戻す再加熱管４０を設置して、温水タンク５内の貯留水を主熱源機６との間で循環させることで再加熱可能としてもよい。この場合、再加熱管４０には送水ポンプを設置して、温水タンク５内の温水を主熱源機６との間で循環させることになる。

　一方、前記実施例２，３では、再加熱管４０を設置することで、温水タンク５内の貯留水を主熱源機６との間で循環させて再加熱可能としたが、これに代えてまたはこれに加えて、実施例１と同様に、温水タンク５内の貯留水を副熱源機１９により再加熱可能としてもよい。

　　１　燃料電池システム
　　２　建築物
　　３　受水タンク
　　４　高架タンク
　　５　温水タンク
　　６　主熱源機
　　７　予熱タンク
　　８　燃料電池
　　９　給湯循環配管（９Ａ：往路、９Ｂ：復路、９Ｘ：枝管）
　１０　水供給配管
　１１　給水管（１１Ａ：第一給水管、１１Ｂ：第二給水管、１１Ｘ：共通管路）
　１２　定水位弁
　１３　揚水配管
　１４　揚水ポンプ
　１５　水位検出器
　１６　補水管（１６Ａ：第一補水管、１６Ｂ：第二補水管、１６Ｃ：バイパス配管）
　１７　補水弁
　１８　水位検出器
　１９　副熱源機
　２０　入口弁
　２１　出口弁
　２２　バイパス弁
　２３　循環液回路（２３Ａ：冷却液送り路、２３Ｂ：冷却液戻し路）
　２４　燃料電池本体
　２５　オフガス熱交換器
　２６　予熱用熱交換器
　２７　オフガス配管
　２８　セパレータタンク
　２９　供給ポンプ
　３０　循環ポンプ
　３１　ラジエータ
　３２　ファン
　３３　第一温度センサ
　３４　第二温度センサ
　３５　（３５Ａ：温水取出し路、３５Ｂ：温水戻し路）
　３６　送水ポンプ
　３７　出湯部（３７Ａ：混合栓）
　３８　循環ポンプ
　３９　補水ポンプ
　４０　再加熱管
　４１　開閉弁

Claims (10)

1. 　補水管を介して常温水が補給される温水タンクと；前記補水管を流通する常温水を加熱可能な主熱源機と、を建築設備として有する建築物で利用される燃料電池システムであって、
   　前記建築物内に給電可能な燃料電池と、
   　前記主熱源機の加熱位置よりも上流側で前記補水管の途中に配設した予熱タンクと、を備え、
   　　　前記燃料電池のオフガスの熱回収により、前記予熱タンク内の貯留水を予熱しながら前記オフガスを冷却可能に構成し、
   　　　前記補水管を介して補給される常温水を前記予熱タンクで前記オフガスの冷却用熱源として利用し、
   　　　前記オフガスの冷却により生成させた凝縮水を前記燃料電池で再利用する
   　ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 　前記建築物は、屋上又は上層階に設置される高架タンクを有する多層階施設とされ、
   　前記高架タンクは、常温水が補給され、
   　前記温水タンクは、前記高架タンクよりも下層階に設置されると共に、前記高架タンクと前記補水管で接続されて常温水が降水される
   　ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 　前記建築物は、屋上又は上層階に設置される高架タンクを有する多層階施設とされ、
   　前記高架タンクは、常温水が補給され、
   　前記温水タンクは、前記高架タンクと同一層階に設置されると共に、前記高架タンクと前記補水管で接続されて常温水が補給される
   　ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 　前記建築物は、配水管に接続された給水管を備え、
   　前記温水タンクは、地上又は地下階の床上に設置されると共に、前記給水管からなる前記補水管を介して常温水が補給される
   　ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 　前記温水タンク内の温水を、前記予熱タンクと前記主熱源機の加熱位置との間の前記補水管に返送する再加熱管を備える
   　ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 　前記温水タンク内の温水を再加熱可能な副熱源機を備える
   　ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 　前記燃料電池は、改質器、セルスタックおよびオフガス熱交換器を有し、
   　前記オフガス熱交換器において、前記オフガスと冷却液との熱交換によりオフガスを露点温度以下に冷却して、オフガス中の水分を凝縮させ、その凝縮水を前記改質器に再供給し、
   　前記改質器において、原燃料と前記凝縮水を水蒸気改質反応させることにより水素を含有する改質ガスを生成し、
   　前記セルスタックにおいて、前記改質ガス中の水素と空気中の酸素を化学反応させて発電する
   　ことを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 　前記予熱タンク内の前記貯留水を予熱する予熱用熱交換器と、
   　前記オフガス熱交換器と前記予熱用熱交換器との間で、前記冷却液を循環させる循環液回路と、を備える
   　ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 　前記燃料電池は、固体酸化物形の燃料電池である
   　ことを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 　前記建築設備は、前記温水タンク内に貯留された温水を循環可能に接続された給湯循環配管と；前記給湯循環配管を幹管として当該幹管から温水需要箇所に温水を送る枝管と、を更に含む
    　ことを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

Images