(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備えた燃料電池ユニットと、燃料電池の排熱を熱源とする排熱回収により貯湯として貯湯タンクに蓄熱して給湯等に利用する貯湯ユニットとを備えた燃料電池給湯システムであって、
上記貯湯ユニットは補助熱源機として潜熱回収型熱源機を備え、
上記補助熱源機の運転作動により生じるドレン水を回収しこのドレン水を燃料電池ユニットでの使用水として燃料電池ユニットに供給するドレン水供給回路を備え、
上記燃料電池ユニットは、上記燃料電池からの排ガスを熱源とする熱交換加熱によって上記貯湯タンクに貯湯として蓄熱するための排熱回収を行う排熱回収用熱交換器と、この排熱回収用熱交換器において上記熱交換加熱により上記排ガス中の水分が凝縮して発生するドレン水を貯留する水タンクと、この水タンク内の水を上記燃料電池に供給する前に純水に精製処理する水処理部とを備え、
上記水タンクには、上記排熱回収用熱交換器において発生するドレン水や、上記ドレン水供給回路により供給されるドレン水が導入されて貯留されるように構成されている、
ことを特徴とする燃料電池給湯システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池給湯システムであって、
上記ドレン水供給回路は、ドレン水供給路と、このドレン水供給路を通してドレン水を燃料電池ユニットの側に圧送するためのドレンポンプとを備えている、燃料電池給湯システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池給湯システムであって、
上記ドレンポンプを作動制御する制御手段を備える一方、上記ドレン水供給回路はドレン水を貯留するドレンタンクを備え、燃料電池ユニットは上記ドレン水供給回路から供給されるドレン水を燃料電池での使用水として貯留する水タンクを備え、
上記制御手段は、上記ドレンタンク内の貯留水位、あるいは、上記水タンク内の貯留水位に応じて、上記ドレンポンプを作動制御するように構成されている、燃料電池給湯システム。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料電池給湯システムであって、
上記水タンクには、内部のドレン水を中和処理した上で排水するための排水路が接続されている、燃料電池給湯システム。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の燃料電池給湯システムであって、
上記ドレン水供給路が、貯湯ユニットから燃料電池ユニットに対し排熱回収のために配管される循環管路の内の少なくとも熱回収後の湯が戻される管路に添わせて配設されている、燃料電池給湯システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池ユニットと、この燃料電池ユニットから排熱を回収して貯湯する貯湯ユニットとからなる燃料電池給湯システムに関し、特に貯湯ユニットの側からドレン水を供給することにより燃料電池ユニットの側で使用される水を十分に確保するための技術に係る。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱電併給装置から発生する熱を湯として貯湯タンクに貯湯し、この貯湯を台所や風呂等の給湯先への給湯や温水暖房の熱源用温水に利用することが行われており、その際、給湯等に必要な熱が貯湯では賄えないときには、潜熱回収式の補助熱源機を用いて補助加熱するようにしたシステムが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２３６４１１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、燃料電池による発電の際に発生する排ガスから排熱回収して貯湯ユニットに貯湯する一方、その排熱回収の際に発生するドレン水（凝縮水）を原料にして水処理することにより燃料電池による発電に用いるようにすることが行われている。例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cells）においては、炭化水素系の燃料に対し水蒸気を高温状況下で反応させて水素と一酸化炭素に変換させる水蒸気改質が行われており、この水蒸気改質に上記のドレン水が用いられる。しかしながら、この水蒸気改質に用いる水蒸気として利用するための水の確保が不十分になると、種々の不都合が生じることが予想される。
【０００５】
例えば図２に燃料電池ユニットに貯湯ユニット１００を併設したシステムを例示するように、燃料電池ユニット１０１の側では排熱回収用熱交換器１０２で生じたドレン水を水タンク１０３に貯留し、これを水処理した上で燃料電池１０４での水蒸気改質に利用する一方、貯湯ユニット１００の側では上記の排熱回収用熱交換器１０２に対し貯湯タンク１０５内の冷たい水を循環供給して排ガスの排熱により熱交換加熱した上で貯湯タンク１０５に戻して貯湯されることになる。
【０００６】
ところが、上記排熱回収用熱交換器１０２を水蒸気改質用水の確保のためのドレン水回収用熱交換器として機能させているため、排ガスと熱交換するために貯湯ユニット１００から循環供給される貯湯タンク１０５内の湯水が十分に低温である必要がある。このため、貯湯タンク１０５内の湯水がそれまでの排熱回収により比較的高温になっている場合には、冷却用のラジエータ１０６を作動させて排熱回収用熱交換器に循環供給される湯水の温度を低下させるという作動制御を行う必要があり、このためのエネルギー消費（電力消費）が必要となる。
【０００７】
その一方、ドレン水の回収が不十分であると、水蒸気改質用の水の枯渇を招き、燃料電池１０４そのものに不都合を発生しかねない事態を招くおそれがある上に、燃料電池１０４の劣化を促進させる可能性も考えられる。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、新たなエネルギー消費を招くことなく、燃料電池ユニットで使用する水を燃料電池ユニット以外からも確保し得る燃料電池給湯システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明では、燃料電池を備えた燃料電池ユニットと、燃料電池の排熱を熱源とする排熱回収により貯湯として貯湯タンクに蓄熱して給湯等に利用する貯湯ユニットとを備えた燃料電池給湯システムを対象にして、次の特定事項を備えることとした。上記貯湯ユニットに補助熱源機として潜熱回収型熱源機を備えることとし、上記補助熱源機の運転作動により生じるドレン水を回収しこのドレン水を燃料電池ユニットでの使用水として燃料電池ユニットに供給するドレン水供給回路を備えることとする。加えて、上記燃料電池ユニットは、上記燃料電池からの排ガスを熱源とする熱交換加熱によって上記貯湯タンクに貯湯として蓄熱するための排熱回収を行う排熱回収用熱交換器と、この排熱回収用熱交換器において上記熱交換加熱により上記排ガス中の水分が凝縮して発生するドレン水を貯留する水タンクと、この水タンク内の水を上記燃料電池に供給する前に純水に精製処理する水処理部とを備えることとする。そして、上記水タンクには、上記排熱回収用熱交換器において発生するドレン水や、上記ドレン水供給回路により供給されるドレン水が導入されて貯留されるように構成することとした（請求項１）。
【００１０】
この発明の場合、ドレン水供給回路によって、燃料電池ユニットに対し、貯湯ユニットの補助熱源機で発生するドレン水の供給が可能となる。このため、燃料電池ユニットでの例えば水蒸気改質等での使用水として、同じシステム内の燃料電池ユニット以外の他のユニットからの供給水により確保することが可能となる。これにより、燃料電池ユニットで本来は排熱回収用熱交換器での排熱回収に伴い生じるドレン水の回収により燃料電池ユニットでの使用水を確保していたものの、ドレン水供給回路により貯湯ユニットから水タンクへのドレン水供給が追加されることで、水処理部で純水に精製処理して燃料電池に供給し得る水タンク内の水として同じシステム内で十分なものを確保することができるようになる。このような上記ドレン水供給回路からもドレン水供給が追加されることに伴い、その分、排熱回収用熱交換器からのドレン水回収の必要性が低減し、貯湯タンク内の貯湯温度が設定温度よりも高くても、例えば冷却用ラジエータ等により冷却作動させる必要性が低くなり、その駆動のための電力エネルギー消費の低減化が図られることになる。これにより、新たなエネルギー消費を招くことなく全体としての効率アップが図り得ることになる。
【００１１】
本発明において、上記ドレン水供給回路に、ドレン水供給路と、このドレン水供給路を通してドレン水を燃料電池ユニットの側に圧送するためのドレンポンプとを備えることができる（請求項２）。このようにすることにより、ドレン水供給に係る構成を具体化し得ることになる。又、上記ドレンポンプを作動制御する制御手段を備える一方、上記ドレン水供給回路にドレン水を貯留するドレンタンクを備え、燃料電池ユニットに上記ドレン水供給回路から供給されるドレン水を燃料電池での使用水として貯留する水タンクを備えるようにし、上記制御手段として、上記水タンク内の貯留水位、あるいは、上記ドレンタンク内の貯留水位に応じて、上記ドレンポンプを作動制御する構成とすることができる（請求項３）。このようにすることにより、燃料電池ユニットの水タンク内の貯留水位を適正量以上に維持させることが可能となり、燃料電池ユニットの側での発電等の運転を安定的に継続させることが可能となる。例えば、水タンク内の貯留水位が低下すればドレンポンプを作動制御してドレンタンクからドレン水を供給したり、ドレンタンク内の貯留水位が満水状態になればドレンポンプを作動制御してドレンタンクからドレン水を供給したりすることにより、燃料電池ユニット側の水タンクでの水量確保と、貯湯ユニット側のドレンタンクでの満水によるオーバーフロー回避等の不都合発生回避との双方の課題を解決し得ることになる。
【００１２】
又、本発明において、上記水タンクには、内部のドレン水を中和処理した上で排水するための排水路が接続されているようにすることができる（請求項４）。このようにすることにより、メンテナンス時や運転停止時に水タンク内のドレン水を中和処理した上で排水するようにし得る。さらに、本発明において、上記ドレン水供給路を、貯湯ユニットから燃料電池ユニットに対し排熱回収のために配管される循環管路の内の少なくとも熱回収後の湯が戻される管路に添わせて配設することができる（請求項５）。このようにすることにより、熱回収後の湯の熱によりドレン水供給路も保温され、特に冬期等におけるドレン水供給路の凍結防止が図られ、この結果、凍結防止のための電気ヒータ等の設置を省略したり、電気ヒータ自体のみならず、その駆動のための電気エネルギー消費の低減化又は全廃させたりし得ることになる。
【発明の効果】
【００１３】
以上、説明したように、本発明の燃料電池給湯システムによれば、ドレン水供給回路によって、燃料電池ユニットに対し、貯湯ユニットの補助熱源機で発生するドレン水を供給することができ、このため、燃料電池ユニットでの例えば水蒸気改質等での使用水として、同じシステム内の燃料電池ユニット以外の他のユニットからの供給水により確保することができるようになる。これにより、燃料電池ユニットで本来は排熱回収用熱交換器での排熱回収に伴い生じるドレン水の回収により燃料電池ユニットでの使用水を確保していたものの、ドレン水供給回路により貯湯ユニットから水タンクへのドレン水供給が追加されることで、水処理部で純水に精製処理して燃料電池に供給し得る水タンク内の水として同じシステム内で十分なものを確保することができるようになる。このような上記ドレン水供給回路からもドレン水供給が追加されることに伴い、その分、排熱回収用熱交換器からのドレン水回収の必要性が低減し、貯湯タンク内の貯湯温度が設定温度よりも高くても、例えば冷却用ラジエータ等により冷却作動させる必要性が低くなり、その駆動のための電力エネルギー消費の低減化を図ることができることになる。これにより、新たなエネルギー消費を招くことなく全体としての効率アップを図ることができるようになる。
【００１４】
特に請求項２によれば、ドレン水供給回路としてドレン水供給路とドレンポンプとを備えたものとすることで、ドレン水供給に係る構成を具体化することができ、又、請求項３によれば、そのドレンポンプを制御手段により水タンクの貯留水位又はドレンタンクの貯留水位に応じて作動制御することで、燃料電池ユニットの水タンク内の貯留水位を適正量以上に維持させることができ、燃料電池ユニットの側での発電等を安定的に継続させることができるようになる。
【００１５】
又、請求項４によれば、水タンクに、内部のドレン水を中和処理した上で排水するための排水路が接続されているようにすることにより、メンテナンス時や運転停止時に水タンク内のドレン水を中和処理した上で排水するようにし得る。さらに、請求項５によれば、ドレン水供給路を排熱回収用の循環管路の内の少なくとも熱回収後の湯が戻される管路に添わせて配設することで、熱回収後の湯の熱によりドレン水供給路を保温することができ、特に冬期等におけるドレン水供給路の凍結防止を図ることができる。この結果、凍結防止のための電気ヒータ等の設置を省略したり、電気ヒータ自体のみならず、その駆動のための電気エネルギー消費の低減化又は全廃させたり、することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の燃料電池給湯システムの実施形態を示す模式図である。
【図２】本発明の課題を示すための燃料電池給湯システムの例を示す図１対応図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池給湯システムを示す。この燃料電池給湯システムは、燃料電池ユニット２と、貯湯ユニット３と、貯湯ユニット３から燃料電池ユニット２に対しドレン水を回収して供給するドレン水供給回路４とを備えたものである。以下、燃料電池ユニット２が固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）により構成された場合を例にして、後述の水タンク７１の水を水蒸気改質用の水として使用する場合について説明する。
【００１９】
燃料電池ユニット２は、燃料電池５、排熱回収用熱交換器６、及び、水供給処理回路７を備えて構成されている。又、貯湯ユニット３は、貯湯タンク８、貯湯タンク８と上記排熱回収用熱交換器６との間で湯水を循環供給させる循環回路９、貯湯タンク８に外部からの給水を入水させる入水路１０、貯湯タンク８の頂部から給湯のために出湯させる出湯路１１、貯湯タンク８内の湯水が給湯に必要な温度よりも低温であるときに補助加熱する補助熱源機１２、及び、補助熱源機１２に貯湯タンク８から湯水を導入して補助加熱した上で出湯させる補助加熱出湯路１３を備えて構成されている。
【００２０】
燃料電池５は、空気供給系５１や燃料ガス供給系５２が接続され、例えば都市ガスを原料にして水蒸気改質により水素リッチな燃料ガスにする改質器や、燃料電池セル等を備えたものである。燃料電池セルは、Ｎｉ等の金属酸化物を含有するセラミックスにより形成された燃料極や空気極を備え、電解質として例えばＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）等の固体酸化物により形成されたものである。そして、燃料電池セルではその空気極に対しカソード空気が供給されて、カソード空気の酸素が酸素イオンとなって電解質を通り、燃料極では燃料ガスの水素と反応して水（水蒸気）を生成する一方、その際に生じた電子が回路を通して空気極側に移動して酸素を再びイオン化するということを繰り返して発電される。燃料極に供給された燃料ガスは上記反応に利用された後、未利用の水素リッチなオフガスが改質器バーナでの燃焼用の燃料として利用され、その燃焼後の排ガスが排ガス通路６１を通して排熱回収用熱交換器６に導入されるようになっている。
【００２１】
排熱回収用熱交換器６は、排ガス通路６１から導入される排ガスを熱源として、貯湯ユニット３側の循環回路９から循環供給される水を熱交換加熱するようになっている。排ガスとの熱交換により加熱・昇温された湯が貯湯タンク８に戻されて貯留されることになる。これにより、排ガス通路６１から導入される排ガスからの排熱回収が図られて、その回収熱が貯湯タンク８に湯の状態で蓄熱されることになる。又、排熱回収用熱交換器６において上記の水との熱交換により排ガス中の水分が凝縮して発生したドレン水（凝縮水）が、ドレン水回収路６２を通して水タンク７１に回収されて貯留される一方、熱交換後の排ガスは排気通路６３を通して排出されるようになっている。
【００２２】
水供給処理回路７は、排熱回収用熱交換器６において排ガスに含まれる水分が凝縮したドレン水を回収し、その回収した水を純水に精製した上で、この純水を燃料電池５に供給して再利用するようになっている。すなわち、水供給処理回路７は、ドレン水を貯留する水タンク７１と、水タンク７１内の水を純水に精製処理する水処理部７２と、水処理した純水を水蒸気改質のために燃料電池５に供給するための供給ポンプ７３とを備えている。水タンク７１には、排熱回収用熱交換器６から上記のドレン水回収路６２を通して回収されるドレン水や、ドレン水供給回路４により供給されるドレン水が導入されて貯留されるようになっている。水タンク７１には水タンク７１内の貯留水位、特に設定低水位まで水位が低下したことを検出して後述のコントローラ１４に出力する水位検出手段としての水位センサ７１１が設置されている。なお、図１中の符号７４は排水路であり、この排水路７４はメンテナンス時や運転停止時に水タンク７１内のドレン水を中和処理した上で排水するようになっている。
【００２３】
次に貯湯ユニット３の側について説明すると、循環回路９には循環ポンプ９１及び冷却用ラジエータ９２が介装されている。循環ポンプ９１が作動されると、貯湯タンク８の底部から湯水が取り出された後、循環往き路９３を通して排熱回収用熱交換器６に送られ、この排熱回収用熱交換器６で排ガスとの熱交換により加熱されて高温になった湯水が循環戻り路９４を通して貯湯タンク８の頂部に戻されるように循環作動することになる。冷却用ラジエータ９２は、貯湯タンク８内の貯湯温度が排熱回収用熱交換器６に供給される排ガスの温度との関係で設定された設定上限温度よりも高くなると作動され、排熱回収用熱交換器６においてドレン水の回収が有効に行われるように循環湯水の温度を低下させるようになっている。これらの循環ポンプ９１の作動や、冷却用ラジエータ９２の作動は後述のコントローラ１４により制御されるようになっている。
【００２４】
又、補助熱源機１２は、潜熱回収型熱源機により構成され、燃焼バーナ１２１の燃焼熱（顕熱）により熱交換加熱する顕熱回収用熱交換器１２２に加えて、顕熱回収後の燃焼排ガスの潜熱をも回収して熱回収の高効率化を図るための潜熱回収用熱交換器１２３を備えたものである。貯湯タンク８から導出された湯水は、まず潜熱回収用熱交換器１２３に通されて排ガスの潜熱回収により予熱され、次に顕熱回収用熱交換器１２２に通されて熱交換加熱され、これにより、所定温度まで補助加熱された後に補助加熱出湯路１３を通して給湯のために出湯される。
【００２５】
ドレン水供給回路４は、上記の潜熱回収用熱交換器１２３で排ガスとの熱交換により生じたドレン水を集水して貯留するドレンタンク４１と、このドレンタンク４１のドレン水をドレン水供給路４２を通して燃料電池ユニット２の側の水タンク７１に供給するドレンポンプ４３とを備えている。上記のドレンタンク４１にはドレンタンク４１内の貯留水位、特に設定高水位まで水位が上昇したことを検出して後述のコントローラ１４に出力する水位検出手段としての水位センサ４１１が設置されている。又、上記のドレン水供給路４２は、少なくとも燃料電池ユニット２と貯湯ユニット３との間に配管接続される範囲において、循環回路９の循環往き路９３及び循環戻り路９４に添わせた状態に配管されている。つまり、ドレン水供給路４２、循環往き路９３及び循環戻り路９４の３本の配管が互いに束ねられて一体にされた３本管４４により構成されている。これにより、特に循環戻り路９４内に流れる排熱回収後の高温になった湯水の熱で、冬期等におけるドレン水供給路４２の凍結防止を図るようにしている。この結果、凍結防止のための電気ヒータ等の設置を省略したり、電気ヒータ自体のみならず、その駆動のための電気エネルギー消費の低減化又は全廃させたりし得るというように省エネルギー化を実現することができる。なお、３本管にしなくても、少なくとも循環戻り路９４に添わせてドレン水供給路４２を配管するようにすればよいのである。
【００２６】
燃料電池ユニット２、貯湯ユニット３及びドレン水供給回路４の各運転はコントローラ１４により作動制御されるようになっている。コントローラ１４は特にドレン水供給回路４の作動制御を行う制御手段としてのドレン水供給制御部１４１を備えている。このドレン水供給制御部１４１は、水タンク７１の水位センサ７１１からの水位検出信号及びドレンタンクの水位センサ４１１からの水位検出信号の出力を受けて、ドレンポンプ４３の作動制御を行うことにより、水タンク７１内の貯留量を適正量以上（設定水位以上）に維持・確保するようになっている。
【００２７】
すなわち、ドレン水供給制御部１４１は、水位センサ７１１からの水位検出信号に基づいて水タンク７１の貯留水位が設定低水位まで低下したことが検出されると、ドレンポンプ４３を作動制御してドレンタンク４１からドレン水を水タンク７１に供給して水タンク７１の貯留水位を上昇させるようになっている。この場合、水位センサ７１１により水タンク７１内が設定高水位まで上昇したこと、あるいは、水位センサ４１１によりドレンタンク４１内が設定低水位まで低下したことが検出されれば、ドレンポンプ４３の作動を停止させるようになっている。一方、ドレン水供給制御部１４１は、水位センサ４１１からの水位検出信号に基づいてドレンタンク４１の貯留水位が設定高水位まで上昇したことが検出されると、上記と同様に、ドレンポンプ４３を作動制御してドレンタンク４１からドレン水を水タンク７１に供給するようになっている。この場合、水位センサ４１１によりドレンタンク４１内が設定低水位まで低下したこと、あるいは、水位センサ７１１により水タンク７１内が設定高水位まで上昇したことが検出されれば、ドレンポンプ４３の作動を停止させるようになっている。以上により、燃料電池ユニット２側の水タンク７１での水量確保と、貯湯ユニット３側のドレンタンク４１での満水によるオーバーフロー回避等の不都合発生回避との双方を実現することができるようになる。
【００２８】
以上の実施形態の場合、燃料電池ユニット２の水タンク７１に対し、排熱回収用熱交換器６からのドレン水回収という燃料電池ユニット２の側における水確保のみならず、貯湯ユニット３の補助熱源機１２で発生するドレン水をも供給可能にして燃料電池ユニット２以外で燃料電池給湯システムを構成する貯湯ユニット３の側からの水確保をも追加することができ、燃料電池ユニット２の水蒸気改質に利用する水として同じシステム内で十分なものを確保することができるようになる。このような補助熱源機１２からもドレン水供給が追加されることに伴い、その分、排熱回収用熱交換器６からのドレン水回収の必要性が低減し、貯湯タンク８内の貯湯温度が設定温度よりも高くても、冷却用ラジエータ９２を作動させる必要性が低くなり、その駆動のための電力消費の低減化を図ることができる。これにより、全体としての効率アップを図ることができるようになる。しかも、ドレン水供給制御部１４１によるドレンポンプ４３の作動制御によって、水タンク７１内の貯留水位を適正量以上に維持させることができ、これにより、燃料電池ユニット２の側での発電等の運転を安定的に継続させることができるようになる。
【００２９】
＜他の実施形態＞
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、上記実施形態では、燃料電池ユニット２が固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）により構成された場合を例にして、水タンク７１の水が水蒸気改質用の水として使用される場合について説明したが、これに限らず、例えば燃料電池ユニットが固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）により構成され、水タンクの水が燃料電池のセル加湿用の水として使用される場合に本発明を適用するようにしてもよい。
【００３１】
さらに、ドレンタンク４１は補助熱源機１２内に設置してもよいし、ドレンポンプ４３は補助熱源機１２内に設置したり、あるいは、ドレン水供給路４２であって貯湯ユニット３以外に配管されている部分に介装したりしてもよい。
【符号の説明】
【００３２】
２      燃料電池ユニット
３      貯湯ユニット
４      ドレン水供給回路
５      燃料電池
８      貯湯タンク
１２    補助熱源機（潜熱回収型熱源機）
４１    ドレンタンク
４２    ドレン水供給路
４３    ドレンポンプ
７１    水タンク
９３    循環往き路（循環管路）
９４    循環戻り路（熱回収後の湯が戻される管路）
１４１  ドレン水供給制御部（制御手段）
４１１  水位センサ
７１１  水位センサ
【図１】
0005593808.tif 000002
【図２】
0005593808.tif 000003