(57)【要約】  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。
2012091094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１６４８６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【発明の効果】
【０００７】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】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２】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３】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４】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５】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。
【図６】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７】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８】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。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
［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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
［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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
［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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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）。
【００５３】
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）。
【００５４】
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。
【００５５】
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）。
【００５６】
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）。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
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。
【符号の説明】
【００６３】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年6月4日(2013.6.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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、
熱供給設備の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及び第２燃焼ガスが流通可能に構成され、二次系に前記熱媒体が流通可能に構成され、前記第１及び第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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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、前記熱供給設備に加熱媒体を分配する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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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８又は９に記載の燃料電池システム。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
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、熱供給設備の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及び第２燃焼ガスが流通可能に構成され、二次系に熱媒体が流通可能に構成され、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する。
【国際調査報告】
2012091094.tif 000011
2012091094.tif 000012
2012091094.tif 000013
2012091094.tif 000014