(57)【要約】【課題】燃料電池ユニットと貯湯ユニットを分離して熱回収配管で接続する形態では、熱回収配管が長くかつ屋外に露出しているために放熱量が大きくなる。【解決手段】燃料電池ユニット２０１内に熱交換器１０２と、循環ポンプ１０３と、熱回収水の循環回路の切替器１０９と、バイパス配管１１０とを備え、別設の貯湯ユニット２０２内の貯湯タンク１０４の間を熱回収配管Ａ１０５と熱回収配管Ｃ１０７で接続した貯湯式排熱回収システムであり、本構成によって、熱回収配管の燃料電池ユニットと貯湯ユニットの間の熱回収水の通水はバイパス配管に通水時は燃料電池ユニット内を流れ外気との放熱を抑えることを可能とすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排熱を熱回収水との間で授受するための熱交換器を有する機器である燃料電池ユニットと、この燃料電池の排熱を回収し回収した熱を温水として使用するために蓄えるための貯湯タンクを有する貯湯ユニットと、燃料電池ユニット内で熱回収水を循環させる循環ポンプと、貯湯ユニット内の貯湯タンク内の底部接続口から貯湯タンクの水を熱回収水として循環ポンプに送る熱回収配管Ａと、熱回収水を循環ポンプから燃料電池ユニットの熱交換器に送る熱回収配管Ｂと、燃料電池ユニットの熱交換器から熱を回収し加熱された熱回収水を貯湯ユニット内の貯湯タンクの上部入り口から貯湯タンク内に送るための経路を構成する熱回収配管Ｃと、この熱回収配管Ｃの途中の燃料電池ユニット内で貯湯タンク上部への経路とは異なる回路への切替器と、この切替器で切り替えられた熱回収水を熱回収配管Ａの循環ポンプ手前で熱回収配管Ａに合流させる燃料電池ユニット内を通るバイパス配管を備えた貯湯式排熱回収システム。
【請求項２】
燃料電池ユニット内でバイパス配管と熱回収配管Ａの合流点から熱交換器の入口の間の経路にバッファータンクを有した回路構成の請求項１に記載の貯湯式排熱回収システム。
【請求項３】
熱交換器の出口と切替器の間の経路上で熱回収水の温度を検知する熱交出温度センサーと、熱交換器の入口とバイパス配管と熱回収配管Ａの合流点の間の経路上で熱回収水の熱交換器入口の温度を検出する熱交入温度センサーと、貯湯ユニット内の熱回収配管Ａから貯湯タンクへの熱回収水の温度を検知する貯湯入温度センサーと、熱交換器で加熱後の熱回収水温度を貯湯目標温度になるように熱交出温度センサーの温度を循環ポンプの回転数で制御する機能と切替器が貯湯タンク側で貯湯タンクに熱回収水を貯湯しているときに、熱交出温度センサーと貯湯入温度センサーとの温度情報から放熱が大きいと判断した時、熱交出温度センサーの制御温度を貯湯目標温度から燃料電池の運転に支障のない範囲の第２の目標温度とし、熱交出温度センサーの温度が第２の目標温度まで低くなったところで切替器をバイパス回路に切替え、熱交入温度センサーの温度が第２の目標温度まで高くなったところで熱交出温度センサーの制御温度を貯湯目標温度に変更し、熱交出温度センサーの温度が切替設定温度よりも高くなったところで切替器を貯湯タンク側に切替える制御機能を備えた請求項１または請求項２に記載の貯湯式排熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はコジェネレーションシステム、例えば燃料電池コジェネレーションシステムなどで排熱を離れた貯湯タンクに温水として蓄熱する貯湯式排熱回収システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の貯湯式排熱回収システムとしては、燃料電池のコジェネレーションシステムに関するものがあった（例えば、特許文献１参照）。図４は、前記特許文献１に記載された従来の燃料電池のコジェネレーションシステムを示すものである。
【０００３】
図４において、燃料電池１０１は余剰な熱を熱交換器１０２で熱回収水に受け渡すことで排出している。この熱回収水は、循環ポンプ１０３によって貯湯タンク１０４の下部から熱回収配管Ａ１０５および熱回収配管Ｂ１０６を通じて搬送されたものである。熱交換器１０２で燃料電池１０１の余剰熱で加熱された熱回収水は熱交出温度センサー１０８で検出され、その温度が貯湯タンク１０４の上部の温度よりも高い時は熱回収配管Ｃ１０７によって貯湯タンク１０４の上部に搬送される。ここで加熱された熱回収水の温度が貯湯タンク１０４の上部の温度よりも低い時は切替弁１０９によってバイパス回路１１０を通じて熱回収配管Ａ１０５の合流部に搬送され回路内を循環する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２２３３８５号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の構成では、燃料電池の熱交換器の熱回収水の加熱温度を貯湯タンクにためるべき温度を目標に制御し、その過程で温度が貯湯タンクにためるべき温度か否かで切替弁を貯湯タンクとバイパス回路とに切り替えている。現状のシステム設置をみると、設置スペースの関係から燃料電池ユニットと貯湯ユニットを分離して熱回収配管で接続する形態がとられている。また、バイパス回路に流れる場合の回路の保有水量を増やすことからバイパス回路を貯湯ユニット内に設置している。このため熱回収配管が長くかつ屋外に露出しているために放熱量が大きくなる。貯湯タンク通水時もバイパス回路通水時も熱回収水は熱回収配管Ｃ上を通水するため絶えず放熱されることになる。貯湯タンクに蓄熱せずにバイパス回路で循環する場合はその往復において放熱ロスを生じているという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池を使った貯湯式のコジェネレーションシステムのように熱回収量が少なく、特に設置形態が主要本体ユニットと貯湯ユニットで分離されるために、従来の構成では想定していなかった熱回収配管における放熱が大きいという場合でもこれを考慮して熱回収水を搬送出来るように配慮した貯湯式排熱回収システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の貯湯式排熱回収システムは、燃料電池ユニット内に排熱を熱回収水との間で授受するための熱交換器と、燃料電池ユニット内で熱回収水を循環させる循環ポンプと、この燃料電池の排熱を温水として蓄えるための貯湯タンクを有する貯湯ユニットと、貯湯ユニット内の貯湯タンク内の水を熱回収水として循環ポ
ンプに送る熱回収配管Ａと、熱回収水を循環ポンプから燃料電池ユニットの熱交換器に送る熱回収配管Ｂと、燃料電池ユニットの熱交換器から熱を回収し加熱された熱回収水を貯湯タンク上部に送るための熱回収配管Ｃと、この熱回収配管Ｃの途中の燃料電池ユニット内で貯湯タンク上部への経路とは異なる回路への切替器と、この切替器で切り替えられた熱回収水を熱回収配管Ａの循環ポンプ手前で熱回収配管Ａに合流させる燃料電池ユニット内を通るバイパス配管とを備えたものである。
【０００８】
本構成によって、熱回収配管の燃料電池ユニットと貯湯ユニットの間の熱回収水の通水はバイパス配管に通水時は燃料電池ユニット内を流れ外気との放熱を抑えることを可能とすることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の貯湯式排熱回収システムによれば、熱回収配管の燃料電池ユニットと貯湯ユニットの間の熱回収水の通水がバイパス配管に通水される場合には、絶えず燃料電池ユニット内を流れるため外気との接触を燃料電池ユニットが防ぐことになるため、熱回収水と外気との温度差から生じる放熱を抑えることを可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１における貯湯式排熱回収システムの構成図
【図２】本発明の実施の形態２における貯湯式排熱回収システムの構成図
【図３】本発明の実施の形態３における貯湯式排熱回収システムの構成図
【図４】従来の燃料電池のコジェネレーションシステムの構成図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
第１の発明は、排熱を熱回収水との間で授受するための熱交換器を有する機器である燃料電池ユニットと、この燃料電池の排熱を回収し回収した熱を温水として使用するために蓄えるための貯湯タンクを有する貯湯ユニットと、燃料電池ユニット内で熱回収水を循環させる循環ポンプと、貯湯ユニット内の貯湯タンク内の底部接続口から貯湯タンクの水を熱回収水として循環ポンプに送る熱回収配管Ａと、熱回収水を循環ポンプから燃料電池ユニットの熱交換器に送る熱回収配管Ｂと、燃料電池ユニットの熱交換器から熱を回収し加熱された熱回収水を貯湯ユニット内の貯湯タンクの上部入り口から貯湯タンク内に送るための経路を構成する熱回収配管Ｃと、この熱回収配管Ｃの途中の燃料電池ユニット内で貯湯タンク上部への経路とは異なる回路への切替器と、この切替器で切り替えられた熱回収水を熱回収配管Ａの循環ポンプ手前で熱回収配管Ａに合流させる燃料電池ユニット内を通るバイパス配管を備えたものである。
【００１２】
第２の発明は、特に、第１の発明において、燃料電池ユニット内でバイパス配管と熱回収配管Ａの合流点から熱交換器の入口の間の経路にバッファータンクを有した回路構成のものである。
【００１３】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、熱交換器の出口と切替器の間の経路上で熱回収水の温度を検知する熱交出温度センサーと、熱交換器の入口とバイパス配管と熱回収配管Ａの合流点の間の経路上で熱回収水の熱交換器入口の温度を検出する熱交入温度センサーと、貯湯ユニット内の熱回収配管Ａから貯湯タンクへの熱回収水の温度を検知する貯湯入温度センサーと、熱交換器で加熱後の熱回収水温度を貯湯目標温度になるように熱交出温度センサーの温度を循環ポンプの回転数で制御する機能と切替器が貯湯タンク側で貯湯タンクに熱回収水を貯湯しているときに、熱交出温度センサーと貯湯入温度センサーとの温度情報から放熱が大きいと判断した時、熱交出温度センサーの制御温度を貯湯目標温度から燃料電池の運転に支障のない範囲の第２の目標温度とし、熱交出温度センサーの温度が第２の目標温度まで低くなったところで切替器をバイパス回路に切替え、
熱交入温度センサーの温度が第２の目標温度まで高くなったところで熱交出温度センサーの制御温度を貯湯目標温度に変更し、熱交出温度センサーの温度が切替設定温度よりも高くなったところで切替器を貯湯タンク側に切替える制御機能を備えたものである。
【００１４】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における貯湯式排熱回収システムの構成図である。図１において、図４と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００１６】
図１において、排熱を熱回収水との間で授受するための熱交換器１０２を有する機器である燃料電池ユニット２０１と、この燃料電池１０１の排熱を回収し回収した熱を温水として使用するために蓄えるための貯湯タンク１０４を有する貯湯ユニット２０２と、燃料電池ユニット２０１内で熱回収水を循環させる循環ポンプ１０３と、貯湯ユニット２０２内の貯湯タンク１０４内の底部接続口から貯湯タンク１０４の水を熱回収水として循環ポンプ１０３に送る熱回収配管Ａ１０５と、熱回収水を循環ポンプ１０３から燃料電池ユニット２０１の熱交換器１０２に送る熱回収配管Ｂ１０６と、燃料電池ユニット２０１の熱交換器１０２から熱を回収し加熱された熱回収水を貯湯ユニット２０２内の貯湯タンク１０４の上部入り口から貯湯タンク１０４内に送るための経路を構成する熱回収配管Ｃ１０７と、この熱回収配管Ｃ１０７の途中の燃料電池ユニット２０１内で貯湯タンク１０４上部への経路とは異なる回路への切替器１０９と、この切替器１０９で切り替えられた熱回収水を熱回収配管Ａ１０５の循環ポンプ１０３手前で熱回収配管Ａ１０５に合流させる燃料電池ユニット２０１内を通るバイパス配管１１０を備えている。
【００１７】
更に、詳述すると、図１において、燃料電池ユニット２０１の中の燃料電池１０１は余剰な熱を熱交換器１０２で熱回収水に受け渡すことで排出している。この熱回収水は、貯湯ユニット２０２内の貯湯タンク１０４の下部から熱回収配管Ａ１０５を通じて循環ポンプ１０３を経て熱回収配管Ｂ１０６を通じて搬送されたものである。また、熱交換器１０２で燃料電池１０１の余剰熱で加熱された熱回収水は温度センサー１０８で温度を検出され、その温度によって熱回収水を貯湯タンク１０４に貯湯する場合は切替弁１０９を貯湯タンク側に切り替え、貯湯しない場合は切替弁１０９をバイパス回路１１０側に切り替える構成になっている。
【００１８】
かかる構成によれば切替弁１０９をバイパス回路１１０側に切り替えた場合にバイパス回路１１０から循環ポンプ１０３を通り熱交換器１０２から切替器で構成される循環回路構成はすべてが燃料電池ユニット２０１の内部で構成され燃料電池ユニット２０１の外郭によって外気と遮断されることとなり、燃料電池ユニット２０１と貯湯ユニット２０２という分離された構成であってもこの循環回路の外気への放熱ロスをなくすことができる。
【００１９】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２の貯湯式排熱回収システムの構成図である。図２において、図１および図４と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００２０】
図２において、バッファータンク２０３は循環ポンプ１０３の出口と熱交換器１０２の入口の間に設置されている。ここで、バッファータンク２０３は、バイパス回路１１０と熱回収配管Ａの合流点１１０Ａと循環ポンプ１０３の入口の間に設けてもよい。また、循環ポンプ１０３の中に構成してもかまわない。
【００２１】
かかる構成によれば、切替器１０９を切り替えた時に構成される循環回路の容積をバッ
ファータンク２０３の容積分大きくすることで切替器１０３の切替周期を長くすることができ、頻繁な切替による温度の頻繁な変動の発生を緩和することで、循環回路上の部品の耐久性能などへの影響を緩和できる。
【００２２】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３の貯湯式排熱回収システムの構成図である。図３において、図１および図３、図４と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００２３】
図３において、熱交入温度センサー２０４は熱交換器１０２に入る熱回収水温度を検出するために熱回収配管Ｂ１０６のバッファータンク２０３の出口と熱交換器１０２の入口の間に設けられている。また、熱交出温度センサー１０８は熱交換器１０２の出口と切替器１０９の間の熱回収配管Ｃ１０７を流れる熱回収水の温度を検出できる位置に設置され、熱回収配管Ｃ１０７の貯湯ユニット２０２内で貯湯タンク１０４の入口までの間に熱回収水の温度を検出するために貯湯入温度センサー２０５が設けられている。
【００２４】
かかる構成によれば、熱交換器１０２から燃料電池１０１の排熱される熱量をＱとすると熱回収水の熱交換器１０２への入り温度である熱交入温度センサー２０４の検知温度をＴｉ、熱交換器１０２の加熱後の温度である熱交出温度センサー１０８の検知温度をＴｏ、回路を流れる熱回収水の流量をＭ、循環ポンプ１０３の回転数をＲとすると、温度差ΔＴｏｉ＝Ｔｏ-Ｔｉに対してＱ＝ΔＴｏｉ・Ｍ、ここで循環流量Ｍは循環ポンプ１０３の回転数Ｒに比例する（Ｍ∝Ｒ）ことがいえるため循環ポンプ１０３の回転数を制御することで熱交換器１０２の加熱後の温度Ｔｏを制御ができる。回転数Ｒを増やし循環流量Ｍが増えると温度差ΔＴｏｉは小さくなる。また、外気によって放熱する量を放熱量Ｈとすると、熱回収配管Ｃを流れる熱回収水の放熱前の温度を熱交出温度センサー１０８の検知温度をＴｏ、放熱後の温度を貯湯入温度センサー２０５の検知温度をＴｔ、配管の温度降下による温度差ΔＴｏｔ＝Ｔｏ-Ｔｔとすると、主に対流放熱に依存すると考え近似的には、放熱量Ｈ≒ΔＴｏｔ・Ｍといえる。よって、Ｔｏｔ≒Ｈ／Ｍより循環ポンプ１０３の回転数Ｒを増やし循環流量Ｍが増えると放熱による温度降下を減らすことができる。
【００２５】
以上により、熱交換器１０２で加熱後の熱回収水温度を貯湯目標温度になるように熱交出温度センサー１０８の温度を循環ポンプ１０３の回転数で制御し、熱交出温度センサー１０８と貯湯入温度センサー２０５との温度から放熱が大きいと判断した時、熱交出温度センサー１０８の制御温度を貯湯目標温度から燃料電池の運転に支障のない範囲の第２の目標温度にさげるために循環ポンプ１０３の回転数を上げて、熱交出温度センサー１０８の温度が第２の目標温度まで低くなったところで切替器１０９をバイパス回路１１０に切替える。これによって循環回路内の熱回収水の温度は第２の目標温度まで上昇することになる。熱交入温度センサーの温度が第２の目標温度まで高く暖まったところで熱交出温度センサーの制御温度を貯湯目標温度に変更し、循環ポンプ１０３の回転数を制御する。ただし、ここでの回転数は循環温度が上昇しているため放熱が大きいと判断した時の回転数よりも高くなる。よって、熱回収配管Ｃ１０７および熱回収配管Ａ１０５の中を流れる循環流量が多くなることで放熱量を減少させることができ、結果として高温の湯を貯湯タンク１０４に蓄えることが可能となる。
【００２６】
ここで、制御可能であれば貯湯入温度センサー２０５を廃止し熱交出温度センサー１０８の温度で制御することも可能である。さらに熱交出温度センサー１０８の熱交換器１０２の加熱後の温度検出と切替器１０９の切替温度検出の機能を同時に実現できないときは熱交換器１０２の後と切替器１０９の前にそれぞれ温度センサーを設置してもかまわない。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明にかかる貯湯式排熱回収システムは、燃料電池などの排熱を有効に利用しようとするシステムでその排熱を生じる本体ユニットと貯湯ユニットが分離されてその間を熱回収配管を用いて排熱の搬送を行うシステムにおいて外気と熱回収配管の間で生じる放熱ロスを低減できるシステムを提供できるもとして有用である。
【符号の説明】
【００２８】
１０２  熱交換器
１０３  循環ポンプ
１０４  貯湯タンク
１０５  熱回収配管Ａ
１０６  熱回収配管Ｂ
１０７  熱回収配管Ｃ
１０８  熱交出温度センサー
１０９  切替器
１１０  バイパス配管
２０１  燃料電池ユニット
２０２  貯湯ユニット
２０３  バッファータンク
２０４  熱交入温度センサー
２０５  貯湯入温度センサー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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