(57)【要約】【課題】燃料電池の出力電圧の低下によるエネルギー効率の低下を抑制することができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池２と、主ガスラインＬ４１と１又は複数の副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００とを有する排ガスラインＬ４と、主ガスラインＬ４１、及び、１又は複数の副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００それぞれに設けられる熱交換器１２、２２、３２と、熱交換器１２、２２、３２よりも上流側に設けられ、オフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３の熱により溶融可能な溶融部材１１１、２１１、３１１を有し、溶融部材１１１、２１１、３１１が溶融する前において副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を塞ぎ、溶融部材１１１、２１１、３１１が溶融した後において副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を開放してオフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３を流通させる遮断部材１１、２１、３１と、を備える。【選択図】図１
2014078359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池から排気されるオフガスを流通させる排ガスラインであって、主ガスラインと、１又は複数の副ガスラインと、を有する排ガスラインと、
前記主ガスライン、及び、前記１又は複数の副ガスラインそれぞれに設けられる熱交換器と、
前記１又は複数の副ガスラインそれぞれにおける前記熱交換器よりも上流側に設けられ、前記副ガスラインを流通するオフガスの熱により溶融可能な溶融部材を有する遮断部材であって、前記溶融部材が溶融する前において前記副ガスラインを塞ぎ、前記溶融部材が溶融した後において前記副ガスラインを開放してオフガスを流通させる遮断部材と、を備える
燃料電池システム。
【請求項２】
前記溶融部材は、前記副ガスラインを流通するオフガスの温度上昇に伴って溶融し、これに伴って、前記遮断部材は、前記副ガスラインを開放する
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
複数の前記溶融部材それぞれは、前記複数の副ガスラインそれぞれを流通するオフガスの温度上昇に伴って順に溶融し、これに伴って、複数の前記遮断部材は、前記溶融した複数の溶融部材に対応する前記複数の副ガスラインを順に開放する
請求項２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、燃料電池を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池と、燃料電池から排気されたオフガスの熱エネルギーと循環水との間で熱交換する熱交換器と、オフガスの熱エネルギーと循環水との間で熱交換器により熱交換されて得られた温水を熱エネルギーとして貯蔵する貯湯タンクと、を備える燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電エネルギーと、燃料電池から排気されたオフガスから得られる熱エネルギーとが、燃料電池システムのシステム全体のエネルギーである。
【０００３】
特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、燃料電池を長期間にわたって使用し続けると、燃料電池の経年劣化により、燃料電池の出力電圧は低下していく。特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、燃料電池の出力電圧の低下に伴って、排気されるオフガスの排気量が増加する。そのため、燃料電池の出力電圧の低下分のエネルギーは、オフガスの熱エネルギーとして排気される。排気されたオフガスの熱エネルギーは、熱交換器により循環水との間で熱交換されて温水として貯湯タンクに貯蔵される。
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、燃料電池の経年劣化により燃料電池の出力電圧が低下して、燃料電池の出力電圧の低下によりオフガスが増加されて排気された場合には、熱交換器の容量を超えた分のオフガスの熱エネルギーは、熱交換媒体との間で熱交換されずに、オフガスとともに、燃料電池システムの外部に排出されてしまう。
【０００５】
そのため、燃料電池システムにおいては、熱交換器がオフガスの熱エネルギーを熱交換媒体との間で熱交換できるだけの容量を有していない場合には、燃料電池を長期間にわたって使い続けると、出力電圧の低下により発電エネルギーが低下するだけでなく、熱交換器の容量を超える分の熱エネルギーが排出されて、燃料電池システムのシステム全体におけるエネルギー効率が低下することになる。
【０００６】
これに対して、燃料電池システムにおいて、長期間にわたって使用される燃料電池の経年劣化による電圧低下を見込んで、熱交換器の容量を、使用開始の最初から大きくすることが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２８０９７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、熱交換器の容量がオフガスの熱エネルギーに対して必要以上に大きい場合には、熱交換器においては、結露による圧力損失が生じたり、腐食等により劣化が生じたりする。そのため、燃料電池の経年劣化による電圧低下を見込んで、熱交換器の容量を、使用開始の最初から大きくすることは、難しい。
従って、燃料電池の出力電圧の低下によるエネルギー効率の低下を抑制することができる燃料電池システムが望まれている。
【０００９】
本発明は、燃料電池の出力電圧の低下によるエネルギー効率の低下を抑制することができる燃料電池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】
【００１０】
本発明は、燃料電池と、前記燃料電池から排気されるオフガスを流通させる排ガスラインであって、主ガスラインと、１又は複数の副ガスラインと、を有する排ガスラインと、前記主ガスライン、及び、前記１又は複数の副ガスラインそれぞれに設けられる熱交換器と、前記１又は複数の副ガスラインそれぞれにおける前記熱交換器よりも上流側に設けられ、前記副ガスラインを流通するオフガスの熱により溶融可能な溶融部材を有する遮断部材であって、前記溶融部材が溶融する前において前記副ガスラインを塞ぎ、前記溶融部材が溶融した後において前記副ガスラインを開放してオフガスを流通させる遮断部材と、を備える燃料電池システムに関する。
【００１１】
また、前記溶融部材は、前記副ガスラインを流通するオフガスの温度上昇に伴って溶融し、これに伴って、前記遮断部材は、前記副ガスラインを開放することが好ましい。
【００１２】
また、複数の前記溶融部材それぞれは、前記複数の副ガスラインそれぞれを流通するオフガスの温度上昇に伴って順に溶融し、これに伴って、複数の前記遮断部材は、前記溶融した複数の溶融部材に対応する前記複数の副ガスラインを順に開放することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池の出力電圧の低下によるエネルギー効率の低下を抑制することができる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池システム１を示す概略図である。
【図２】本発明の燃料電池システム１における遮断部材１１、２１、３１の構成を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態における燃料電池システム１Ａを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態による燃料電池システムについて図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１を示す概略図である。図２は、本発明の燃料電池システム１における遮断部材１１、２１、３１の構成を示す図である。
【００１６】
図１に示すように、第１実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池２と、改質器３と、熱交換器としての主熱交換器４と、ファン５と、前段側熱交換器６と、燃焼器７と、第１排熱回収部１０と、第２排熱回収部２０と、第３排熱回収部３０と、を備える。
【００１７】
また、燃料電池システム１は、空気供給ラインＬ１と、燃料電池側空気ラインＬ１１と、燃焼器側空気ラインＬ１２と、燃料ガス供給ラインＬ２と、改質器側ガスラインＬ２１と、燃焼器側ガスラインＬ２２と、改質ガス供給ラインＬ３と、排ガスラインとしてのオフガスラインＬ４と、水供給ラインＬ５と、主排熱回収ラインＬ４０３と、を備える。「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。
【００１８】
空気供給ラインＬ１は、上流側においてファン５に接続されており、下流側において空気分岐部Ｊ１に接続されている。空気供給ラインＬ１は、空気分岐部Ｊ１を介して、燃料電池側空気ラインＬ１１及び燃焼器側空気ラインＬ１２に分岐されている。空気供給ラインＬ１には、ファン５の駆動により流入する（酸素を含む）空気Ａ１が流通する。
【００１９】
燃料電池側空気ラインＬ１１は、下流側において燃料電池２に接続されている。燃料電池側空気ラインＬ１１には、空気分岐部Ｊ１を介して、空気供給ラインＬ１を流通された空気Ａ１が流通する。燃料電池側空気ラインＬ１１の途中には、前段側熱交換器６が設けられている。
【００２０】
燃焼器側空気ラインＬ１２は、下流側において燃焼器７に接続されている。燃焼器側空気ラインＬ１２には、空気分岐部Ｊ１を介して、空気供給ラインＬ１を流通された空気Ａ１が流通する。
【００２１】
燃料ガス供給ラインＬ２は、上流側において燃料としての都市ガス等の燃料ガスＧ１の供給源（図示せず）に接続されており、下流側においてガス分岐部Ｊ２に接続されている。燃料ガス供給ラインＬ２は、ガス分岐部Ｊ２を介して、改質器側ガスラインＬ２１及び燃焼器側ガスラインＬ２２に分岐されている。燃料ガス供給ラインＬ２には、燃料ガスＧ１が流通する。
【００２２】
改質器側ガスラインＬ２１は、上流側においてガス分岐部Ｊ２に接続されており、下流側において改質器３に接続されている。改質器側ガスラインＬ２１には、ガス分岐部Ｊ２を介して、燃料ガス供給ラインＬ２を流通された燃料ガスＧ１が流通する。改質器側ガスラインＬ２１の途中には、前段側熱交換器６が設けられている。
【００２３】
燃焼器側ガスラインＬ２２は、上流側においてガス分岐部Ｊ２に接続されており、下流側において燃焼器７が接続されている。燃焼器側ガスラインＬ２２には、ガス分岐部Ｊ２を介して、燃料ガス供給ラインＬ２を流通された燃料ガスＧ１が流通する。
【００２４】
水供給ラインＬ５は、上流側において水Ｗ等の供給源（図示せず）に接続されており、下流側において改質器３に接続されている。水供給ラインＬ５には、水Ｗが流通する。水供給ラインＬ５の途中には、前段側熱交換器６が設けられている。
【００２５】
改質器３には、改質器側ガスラインＬ２１を介して燃料ガスＧ１が供給されると共に、水供給ラインＬ５を介して水Ｗが供給される。改質器３は、燃料ガスＧ１及び水Ｗから水素Ｇ２を生成する。この際、燃料ガスＧ１を８００℃程度にまで加熱する必要がある。この加熱は、改質器側ガスラインＬ２１における改質器３よりも上流側に配置される前段側熱交換器６において、後述するオフガスＧ３から得た熱により行われる。改質器３によって生成された改質ガス中の水素Ｇ２は、改質ガス供給ラインＬ３を介して燃料電池２へ供給される。
【００２６】
改質ガス供給ラインＬ３は、上流側において改質器３に接続されており、下流側において燃料電池２に接続されている。改質ガス供給ラインＬ３には、改質器３において生成された水素Ｇ２、未反応のメタン、未利用の水蒸気、副生一酸化炭素が流通する。
【００２７】
オフガスラインＬ４は、上流側において燃料電池２に接続されている。オフガスラインＬ４は、燃料電池２から排気されるオフガスＧ３を流通させるラインである。オフガスラインＬ４は、下流側においてオフガスＧ３を燃料電池システム１の外部に排出するラインである。
【００２８】
オフガスラインＬ４は、燃料電池オフガスラインＬ４０と、主ガスラインＬ４１と、３つの副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００と、を有する。
燃料電池オフガスラインＬ４０は、上流側において燃料電池２に接続されており、下流側において燃焼器７に接続されている。燃料電池オフガスラインＬ４０は、燃料電池２から排出されるオフガスＧ３を燃焼器７に向けて排出する。
【００２９】
燃料電池２は、高温型の燃料電池であるＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）である。燃料電池２は、改質器３から改質ガス供給ラインＬ３を介して供給される改質ガス中の水素Ｇ２と、燃料電池側空気ラインＬ１１から供給される空気Ａ１中の酸素と、を反応させることにより、発電を行う。燃料電池２において発電を行うときの温度である運転温度は、７００℃〜１０００℃と高温である。燃料電池２によって発電された電気は、パワーコンディショナ（図示せず）を介してＤＣ／ＡＣコンバータ（図示せず）に送られ、ＡＣ電圧に変換される。燃料電池２は、オフガスラインＬ４を介して、オフガスＧ３（アノードオフガス、カソードオフガス）を排気する。
【００３０】
燃料電池２は、長期間にわたって使用されると、経年劣化により出力電圧が低下していき、オフガスＧ３の排気量が増加する傾向にある。燃料電池２は、例えば、５年間で出力電圧が一割程度低下する。この場合には、オフガスＧ３の排気量が増加することにより、燃料電池２における出力電圧の低下分のエネルギーは、オフガスＧ３の熱エネルギーとして排出される。
【００３１】
主ガスラインＬ４１は、上流側において燃焼器７に接続されている。主ガスラインＬ４１は、後述する遮断部材１１、２１、３１の溶融部材１１１、２１１、３１１が溶融する前においては、燃料電池２から排気されるオフガスＧ３を、後述する第１排熱回収部１０、第２排熱回収部２０及び第３排熱回収部３０を介さずに且つ主熱交換器４を介して、下流側において燃料電池システム１の外部に排出する。
【００３２】
主ガスラインＬ４１には、上流側から順に、燃焼器７、前段側熱交換器６、第１分岐部Ｊ２１、第２分岐部Ｊ２２、第３分岐部Ｊ２３、主熱交換器４、合流部Ｊ３３が設けられている。
第１分岐部Ｊ２１、第２分岐部Ｊ２２及び第３分岐部Ｊ２３それぞれには、副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００が接続されている。副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００は、後述する第１排熱回収部１０、第２排熱回収部２０及び第３排熱回収部３０の一部を構成する。
【００３３】
燃焼器７は、加熱バーナ（不図示）を有している。加熱バーナは、燃焼室（不図示）に設けられている。燃焼器７の燃焼室には、燃料電池オフガスラインＬ４０と、燃焼器側ガスラインＬ２２と、燃焼器側空気ラインＬ１２とが接続されている。また、燃焼器７は、主ガスラインＬ４１に接続されている。燃焼器７の加熱バーナには、燃料電池オフガスラインＬ４０を介してオフガスＧ３が供給されるとともに、燃焼器側ガスラインＬ２２を介して燃料ガスＧ１が所定の供給量で供給され、また、燃焼器側空気ラインＬ１２を介して空気Ａ１が所定の供給量で供給される。そして、このオフガスＧ３と燃料ガスＧ１と空気Ａ１とが燃焼して、より安定した高温度のオフガスＧ３となり、このより安定した高温度のオフガスＧ３は、主ガスラインＬ４１に排出される。
【００３４】
主熱交換器４は、主ガスラインＬ４１における第３分岐部Ｊ２３と合流部Ｊ３３との間に設けられている。主熱交換器４は、主ガスラインＬ４１における第３分岐部Ｊ２３と合流部Ｊ３３との間を流通するオフガスＧ３と、主排熱回収ラインＬ４０３を流通する循環水Ｗ４０との間で熱交換を行う。主熱交換器４は、燃料電池システム１の使用を開始した最初において、オフガスＧ３と循環水Ｗ４０（熱交換媒体）との間で熱交換するための適度な容量を有している。
【００３５】
主排熱回収ラインＬ４０３は、主貯湯タンク４３の下部側と主貯湯タンク４３の上部側とをつなぐラインである。主排熱回収ラインＬ４０３は、上流側において主貯湯タンク４３の下部側に接続され、下流側において主貯湯タンク４３の上部側に接続される。
【００３６】
主排熱回収ラインＬ４０３は、主熱交換器４により熱交換された温水Ｗ４１を後述する主貯湯タンク４３に導出すると共に、主貯湯タンク４３に貯留された温水Ｗ４１を主熱交換器４に供給するラインである。詳細には、主排熱回収ラインＬ４０３は、温水Ｗ４１を主熱交換器４と主貯湯タンク４３との間において循環させて、オフガスＧ３の熱を主貯湯タンク４３に回収するラインである。
【００３７】
主排熱回収ラインＬ４０３には、上流側から順に、主貯湯タンク４３、循環ポンプ４４、主熱交換器４が設けられている。
【００３８】
主貯湯タンク４３は、主熱交換器４により熱交換されて主排熱回収ラインＬ４０３を流通された温水Ｗ４１を貯留する。本実施形態においては、主貯湯タンク４３は、主熱交換器４により熱交換された温水を温水Ｗ４１の状態で貯留する。これにより、主貯湯タンク４３には、燃料電池２により排気されたオフガスＧ３で主熱交換器４により熱交換された温水Ｗ４１が、高温の温水Ｗ４１状態で貯留される。主貯湯タンク４３に貯留された温水Ｗ４１は、後述する循環ポンプ４４により主熱交換器４に向けて送り出される。
【００３９】
主貯湯タンク４３には、給水ラインＬ４０４が接続されている。給水ラインＬ４０４は、供給水Ｗ０を主貯湯タンク４３に供給するラインである。給水ラインＬ４０４の上流側の端部は、供給水Ｗ０の供給源（不図示）に接続されている。給水ラインＬ４０４の下流側の端部は、主貯湯タンク４３に接続されている。給水ラインＬ４０４により主貯湯タンク４３に供給される供給水Ｗ０は、常温又は高温の水でもよいし、水道水でもよい。
【００４０】
主熱交換器４を通過する際に加熱された温水Ｗ４１は、排熱回収水として、主貯湯タンク４３に貯えられる。すなわち、主貯湯タンク４３に貯えられる温水Ｗ４１が有する熱量の形態で、回収された熱エネルギーが貯蔵される。主貯湯タンク４３に温水Ｗ４１して貯蔵された熱エネルギーは、例えば、蒸気として取り出されて蒸気使用設備（不図示）に利用されたり、温水として取り出されて温水使用設備（不図示）に利用される。
【００４１】
循環ポンプ４４は、主貯湯タンク４３に貯留された温水Ｗ４１を、主排熱回収ラインＬ４０３を介して主熱交換器４に向けて送り出すように動作する。循環ポンプ４４を作動させることにより、主排熱回収ラインＬ４０３内を流通する循環水Ｗ４０は、主熱交換器４によりオフガスＧ３との間で熱交換を行う。
【００４２】
第１排熱回収部１０、第２排熱回収部２０及び第３排熱回収部３０は、主ガスラインＬ４１に設けられる主熱交換器４に対して、並列に設けられている。
第１排熱回収部１０、第２排熱回収部２０及び第３排熱回収部３０それぞれは、遮断部材１１、２１、３１と、熱交換器としての副熱交換器１２、２２、３２と、副貯湯タンク１３、２３、３３と、循環ポンプ１４、２４、３４と、を備える。
第１排熱回収部１０、第２排熱回収部２０及び第３排熱回収部３０それぞれは、副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００と、副排熱回収ラインＬ１０３、Ｌ２０３、Ｌ３０３と、を備える。
【００４３】
３つの副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００は、主ガスラインＬ４１から分岐されるラインである。副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００は、導入分岐ラインＬ１０１、Ｌ２０１、Ｌ３０１と、熱交換ガスラインＬ１０２、Ｌ２０２、Ｌ３０２と、給水ラインＬ１０４、Ｌ２０４、Ｌ３０４と、を有する。
【００４４】
導入分岐ラインＬ１０１、Ｌ２０１、Ｌ３０１それぞれは、上流側において分岐部Ｊ２１、Ｊ２２、Ｊ２３に接続されており、下流側において遮断部材１１、２１、３１に接続されている。導入分岐ラインＬ１０１、Ｌ２０１、Ｌ３０１には、オフガスラインＬ４を流通するオフガスＧ３から分岐されたオフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３が導入される。
【００４５】
遮断部材１１、２１、３１それぞれは、図２に示すように、副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００における副熱交換器１２、２２、３２よりも、オフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３の流通方向の上流側に設けられる。遮断部材１１、２１、３１は、溶融部材１１１，２１１，３１１と、遮断球体１１２，２１２，３１２と、を有する。
詳細については後述するが、遮断部材１１、２１、３１は、溶融部材１１１、２１１、３１１が溶融する前においては、副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を塞ぐ。また、遮断部材１１、２１、３１は、溶融部材１１１、２１１、３１１が溶融した後においては、溶融した溶融部材１１１，２１１，３１１に対応する副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を開放してオフガスＧ３１、Ｇ３２，Ｇ３３を流通させる。
【００４６】
熱交換ガスラインＬ１０２、Ｌ２０２、Ｌ３０２それぞれは、上流側において遮断部材１１、２１、３１に接続されており、下流側において合流部Ｊ３３に接続されている。熱交換ガスラインＬ１０２、Ｌ２０２、Ｌ３０２それぞれを流通するオフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３は、合流部Ｊ３３において、主ガスラインＬ４１に合流される。
【００４７】
熱交換ガスラインＬ１０２と熱交換ガスラインＬ２０２とは、合流部Ｊ３１において接続されている。熱交換ガスラインＬ１０２及び熱交換ガスラインＬ２０２と、熱交換ガスラインＬ３０２とは、合流部Ｊ３２において接続されている。熱交換ガスラインＬ１０２、熱交換ガスラインＬ２０２及び熱交換ガスラインＬ３０２と、主ガスラインＬ４１とは、合流部Ｊ３３において接続されている。
合流部Ｊ３１から合流部Ｊ３２までのラインは、熱交換ガスラインＬ１０２の一部と熱交換ガスラインＬ２０２の一部とが共通するラインである。合流部Ｊ３２から合流部Ｊ３３までのラインは、熱交換ガスラインＬ１０２の一部と熱交換ガスラインＬ２０２の一部と熱交換ガスラインＬ３０２の一部とが共通するラインである。
【００４８】
熱交換ガスラインＬ１０２、Ｌ２０２、Ｌ３０２の途中には、副熱交換器１２、２２、３２が設けられている。副熱交換器１２、２２、３２は、熱交換ガスラインＬ１０２、Ｌ２０２、Ｌ３０２を流通するオフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３と、副排熱回収ラインＬ１０３、Ｌ２０３、Ｌ３０３を流通する循環水Ｗ１０、Ｗ２０、Ｗ３０との間で熱交換をする。
【００４９】
副排熱回収ラインＬ１０３、Ｌ２０３、Ｌ３０３は、副貯湯タンク１３、２３、３３の下部側と副貯湯タンク１３、２３、３３の上部側とをつなぐラインである。副排熱回収ラインＬ１０３、Ｌ２０３、Ｌ３０３は、上流側において副貯湯タンク１３、２３、３３の下部側に接続され、下流側において副貯湯タンク１３、２３、３３の上部側に接続される。
【００５０】
副排熱回収ラインＬ１０３、Ｌ２０３、Ｌ３０３は、副熱交換器１２、２２、３２により熱交換された温水Ｗ１１、Ｗ２１、Ｗ３１を後述する副貯湯タンク１３、２３、３３に導出すると共に、副貯湯タンク１３、２３、３３に貯留された温水Ｗ１１、Ｗ２１、Ｗ３１を副熱交換器１２、２２、３２に供給するラインである。詳細には、副排熱回収ラインＬ１０３、Ｌ２０３、Ｌ３０３は、温水Ｗ１１、Ｗ２１、Ｗ３１を副熱交換器１２、２２、３２と副貯湯タンク１３、２３、３３との間において循環させて、オフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３の熱を副貯湯タンク１３、２３、３３に回収するラインである。
【００５１】
副排熱回収ラインＬ１０３、Ｌ２０３、Ｌ３０３には、上流側から順に、副貯湯タンク１３、２３、３３、循環ポンプ１４、２４、３４、副熱交換器１２、２２、３２が設けられている。
【００５２】
副貯湯タンク１３、２３、３３は、副熱交換器１２、２２、３２により熱交換されて副排熱回収ラインＬ１０３、Ｌ２０３、Ｌ３０３を流通された温水Ｗ１１、Ｗ２１、Ｗ３１を貯留する。本実施形態においては、副貯湯タンク１３、２３、３３は、副熱交換器１２、２２、３２により熱交換された温水を温水Ｗ１１、Ｗ２１、Ｗ３１の状態で貯留する。これにより、副貯湯タンク１３、２３、３３には、燃料電池２により排気されたオフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３で副熱交換器１２、２２、３２により熱交換された温水Ｗ１１、Ｗ２１、Ｗ３１が、高温の温水Ｗ１１、Ｗ２１、Ｗ３１の状態で貯留される。副貯湯タンク１３、２３、３３に貯留された温水Ｗ１１、Ｗ２１、Ｗ３１は、後述する循環ポンプ１４、２４、３４により副熱交換器１２、２２、３２に向けて送り出される。
【００５３】
副貯湯タンク１３、２３、３３には、給水ラインＬ１０４、Ｌ２０４、Ｌ３０４が接続されている。給水ラインＬ１０４、Ｌ２０４、Ｌ３０４は、供給水Ｗ０を副貯湯タンク１３、２３、３３に供給するラインである。給水ラインＬ１０４、Ｌ２０４、Ｌ３０４の上流側の端部は、供給水Ｗ０の供給源（不図示）に接続されている。給水ラインＬ１０４、Ｌ２０４、Ｌ３０４の下流側の端部は、副貯湯タンク１３、２３、３３に接続されている。給水ラインＬ１０４、Ｌ２０４、Ｌ３０４により副貯湯タンク１３、２３、３３に供給される供給水Ｗ０は、常温又は高温の水でもよいし、水道水でもよい。
【００５４】
副熱交換器１２、２２、３２は、熱交換ガスラインＬ１０２、Ｌ２０２、Ｌ３０２を流通するオフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３と副排熱回収ラインＬ１０３、Ｌ２０３、Ｌ３０３を流通する循環水Ｗ１０、Ｗ２０、Ｗ３０との間の熱交換を行わせる。循環ポンプ１４、２４、３４を作動させることにより、副排熱回収ラインＬ１０３、Ｌ２０３、Ｌ３０３内を流通する循環水Ｗ１０、Ｗ２０、Ｗ３０は、副熱交換器１２、２２、３２によりオフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３との間で熱交換を行う。
【００５５】
副熱交換器１２、２２、３２を通過する際に加熱された温水Ｗ１１、Ｗ２１、Ｗ３１は、排熱回収水として、副貯湯タンク１３、２３、３３に貯えられる。すなわち、副貯湯タンク１３、２３、３３に貯えられる温水Ｗ１１、Ｗ２１、Ｗ３１が有する熱量の形態で、回収された熱エネルギーが貯蔵される。副貯湯タンク１３、２３、３３に温水Ｗ１１、Ｗ２１、Ｗ３１として貯蔵された熱エネルギーは、例えば、蒸気として取り出されて蒸気使用設備（不図示）に利用されたり、温水として取り出されて温水使用設備（不図示）に利用される。
【００５６】
循環ポンプ１４、２４、３４は、副貯湯タンク１３、２３、３３に貯留された温水Ｗ１１、Ｗ２１、Ｗ３１を、副排熱回収ラインＬ１０３、Ｌ２０３、Ｌ３０３を介して副熱交換器１２、２２、３２に向けて送り出すように動作する。
【００５７】
次に、遮断部材１１、２１、３１の詳細について説明する。
図２に示すように、遮断部材１１、２１、３１は、溶融部材１１１，２１１，３１１と、遮断球体１１２，２１２，３１２と、を有する。
【００５８】
溶融部材１１１，２１１，３１１は、副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を流通するオフガスＧ３の熱の温度上昇により溶融可能に構成される。溶融部材１１１、２１１、３１１は、例えば、３１５℃程度以上の軟化点を有する低融点ガラスや、３１５℃程度未満の融点を有する半田により構成される。
【００５９】
溶融部材１１１，２１１，３１１は、溶融する前においては、副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００の管体の径方向において、遮断球体１１２，２１２，３１２と副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００の管体との間に配置される。溶融部材１１１，２１１，３１１は、副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を塞ぐように遮断球体１１２，２１２，３１２を固定する。
【００６０】
副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００におけるオフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３の流通方向において、遮断部材１１、２１、３１の下流側であって、遮断部材１１、２１、３１と副熱交換器１２、２２、３２との間には、遮断球体１１２、２１２、３１２を収容可能な凹部１１４、２１４、３１４が形成されている。副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００の管体の底部側には、遮断部材１１、２１、３１が設けられる部分から凹部１１４、２１４、３１４に向かうにしたがって下方側に向かうように傾斜する傾斜部１１３、２１３、３１３が形成されている。
【００６１】
遮断部材１１、２１、３１において、溶融部材１１１、２１１、３１１が溶融した後においては、遮断球体１１２、２１２、３１２は、傾斜部１１３、２１３、３１３に沿って転がり、凹部１１４、２１４、３１４に収容される。これにより、溶融部材１１１，２１１，３１１は、溶融部材１１１、２１１、３１１が溶融した後においては、遮断球体１１２、２１２、３１２及び溶融部材１１１、２１１、３１１により塞がれていた副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を開放して、オフガスＧ３１、Ｇ３２，Ｇ３３を流通させる。
【００６２】
溶融部材１１１、２１１、３１１が溶融して副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を開放した後においては、前述のように、副熱交換器１２、２２、３２それぞれは、副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を流通するオフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３と副排熱回収ラインＬ１０３、Ｌ２０３、Ｌ３０３を流通する循環水Ｗ１０、Ｗ２０、Ｗ３０との間で熱交換を行う。
【００６３】
溶融部材１１１，２１１，３１１においては、形成される材料を選択することにより、融点を異ならせることができる。
本実施形態においては、第１排熱回収部１０の溶融部材１１１、第２排熱回収部２０の溶融部材２１１、第３排熱回収部３０の溶融部材３１１は、この順に融点が高く構成されている。溶融部材１１１，２１１，３１１の材料を適宜選択することにより、例えば、第１排熱回収部１０の溶融部材１１１の融点を４５０〜３５０℃、第２排熱回収部２０の溶融部材２１１の融点を３５０〜２５０℃、第３排熱回収部３０の溶融部材３１１の融点を２５０〜１００℃とすることができる。
【００６４】
溶融部材１１１，２１１，３１１の融点の高さをこのような順番に構成した場合には、３つの溶融部材１１１、２１１、３１１それぞれは、副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００それぞれを流通するオフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３の温度上昇に伴って、溶融部材１１１、溶融部材２１１、溶融部材３１１の順に溶融する。そして、これに伴って、３つの遮断部材１１、２１、３１は、溶融した溶融部材１１１、２１１、３１１に対応する副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を、副ガスラインＬ１００、副ガスラインＬ２００、副ガスラインＬ３００の順に開放することができる。
【００６５】
本実施形態の燃料電池システム１によれば、例えば、以下の効果が奏される。
本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池２と、主ガスラインＬ４１と３つの副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００とを有するオフガスラインＬ４と、主ガスラインＬ４１及び副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００それぞれに設けられる副熱交換器１２、２２、３２と、副熱交換器１２、２２、３２よりも上流側に設けられ、副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を流通するオフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３の熱により溶融可能な溶融部材１１１、２１１、３１１を有する遮断部材１１、２１、３１であって、溶融部材１１１、２１１、３１１が溶融する前において副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を塞ぎ、溶融部材１１１、２１１、３１１が溶融した後において副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を開放してオフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３を流通させる遮断部材１１、２１、３１と、を備える。
【００６６】
そのため、オフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３の熱により溶融部材１１１、２１１、３１１が溶融することにより、副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を開放してオフガスＧ３を流通させることができる。これにより、燃料電池２の経年劣化により出力電圧が低下してオフガスＧ３の温度が上昇した場合に、オフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３の熱を副熱交換器１２、２２、３２により循環水Ｗ１０、Ｗ２０、Ｗ３０（熱交換媒体）との間で熱交換して、副貯湯タンク１３、２３、３３に温水Ｗ１１、Ｗ２１，Ｗ３１の熱エネルギーとして貯蔵することができる。従って、燃料電池２の経年劣化により出力電圧が低下してオフガスＧ３の温度が上昇した場合に、オフガスＧ３の熱エネルギーを無駄にしないように、オフガスＧ３と熱交換媒体との間で熱交換するための熱交換器の総容量を大きくすることができる。このため、燃料電池２の出力電圧の低下による燃料電池システム１のシステム全体としてのエネルギー効率の低下を抑制することができる。
また、各熱交換器の容量がオフガスの熱エネルギーに対して必要以上に大きくなることを抑制して、熱交換器において、結露による圧力損失が生じたり、腐食等により劣化が生じたりすることを抑制することができる。
【００６７】
また、本実施形態の燃料電池システム１においては、溶融部材１１１、２１１、３１１は、副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を流通するオフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３の温度上昇に伴って溶融し、これに伴って、遮断部材１１、２１、３１は、副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を開放する。そのため、燃料電池２から排気されるオフガスＧ３の温度が高くなった場合に、溶融部材１１１、２１１、３１１を溶融させることができる。従って、オフガスＧ３の温度が高くなった場合に溶融部材１１１、２１１、３１１を溶融させるだけの簡易な構成で、副熱交換器１２、２２、３２により熱交換媒体に熱交換させることができる。このため、オフガスＧ３と熱交換媒体との間で熱交換するための熱交換器の総容量を大きくすることができ、燃料電池システム１のオフガスＧ３の熱エネルギーを副貯湯タンク１３、２３、３３に温水Ｗ１１、Ｗ２１、Ｗ３１の熱エネルギーとして貯蔵することができる。
【００６８】
また、３つの溶融部材１１１、２１１、３１１それぞれは、３つの副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００それぞれを流通するオフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３の温度上昇に伴って順に溶融し、これに伴って、３つの遮断部材１１、２１、３１それぞれは、溶融した溶融部材１１１、２１１、３１１に対応する副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を順に開放する。そのため、オフガスＧ３と熱交換媒体との間で熱交換するための熱交換器の総容量を燃料電池システム１の使用を開始した最初において小さくしておき、長期間にわたって使用されてオフガスＧ３の温度が上昇するに伴って、熱交換器の総容量を徐々に大きくすることができる。これにより、オフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３と循環水Ｗ１０、Ｗ２０、Ｗ３０（熱交換媒体）との間で熱交換するための熱交換器の総容量を、オフガスＧ３の温度上昇に伴って、効率よく調整することができる。従って、燃料電池システム１のシステム全体としてのエネルギーの効率が低下することを効率よく抑制することができる。
【００６９】
＜第２実施形態＞
次に、図３により、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態については、主として、第１実施形態と異なる点を中心に説明し、第１実施形態と同様な構成については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。第２実施形態において、特に説明しない点は、第１実施形態についての説明が適宜適用される。また、第２実施形態においても、第１実施形態と同様な効果が奏される。
図３は、本発明の第２実施形態における燃料電池システム１Ａを示す概略図である。
【００７０】
第２実施形態の燃料電池システム１Ａは、図３に示すように、第１実施形態の第１排熱回収部１０、第２排熱回収部２０及び第３排熱回収部３０の３つの排熱回収部により熱エネルギーを貯蔵する構成に代えて、１つの排熱回収部５０により熱エネルギーを貯蔵する構成とする点において主に異なる。
【００７１】
図３に示すように、第２実施形態の燃料電池システム１Ａは、第１実施形態の第１排熱回収部１０、第２排熱回収部２０及び第３排熱回収部３０の構成に代えて、１つの排熱回収部５０を備える。
【００７２】
排熱回収部５０は、主ガスラインＬ４１に設けられる主熱交換器４に対して、並列に設けられている。排熱回収部５０は、副熱交換器１２、２２、３２と、貯湯タンク５３と、循環ポンプ５４と、を備える。排熱回収部５０は、第１実施形態と同様の副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００と、排熱回収ラインＬ５０３と、を備える。
【００７３】
排熱回収ラインＬ５０３は、貯湯タンク５３の下部側と貯湯タンク５３の上部側とをつなぐラインである。排熱回収ラインＬ５０３は、上流側において貯湯タンク５３の下部側に接続され、下流側において貯湯タンク５３の上部側に接続される。
【００７４】
排熱回収ラインＬ５０３は、副熱交換器１２、２２、３２により熱交換された温水Ｗ５３を貯湯タンク５３に導出すると共に、貯湯タンク５３に貯留された温水Ｗ５３を副熱交換器１２、２２、３２に供給するラインである。詳細には、排熱回収ラインＬ５０３は、温水Ｗ５１、Ｗ５２、Ｗ５３を副熱交換器１２、２２、３２と貯湯タンク５３との間において循環させて、最終的に温水Ｗ５３になるように加熱して、オフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３の熱を温水Ｗ５３として貯湯タンク５３に回収するラインである。
【００７５】
排熱回収ラインＬ５０３には、上流側から順に、貯湯タンク５３、循環ポンプ５４、第３副熱交換器３２、第２副熱交換器２２、第１副熱交換器１２が設けられている。
【００７６】
貯湯タンク５３は、副熱交換器１２、２２、３２により熱交換されて排熱回収ラインＬ５０３を流通された温水Ｗ５３を貯留する。貯湯タンク５３に貯留された温水Ｗ５３は、後述する循環ポンプ５４により副熱交換器１２、２２、３２に向けて送り出される。
【００７７】
貯湯タンク５３には、給水ラインＬ５０４が接続されている。給水ラインＬ５０４は、供給水Ｗ０を貯湯タンク５３に供給するラインである。
【００７８】
副熱交換器１２、２２、３２は、熱交換ガスラインＬ１０２、Ｌ２０２、Ｌ３０２を流通するオフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３と排熱回収ラインＬ５０３を流通する循環水Ｗ５０との間の熱交換を行わせる。循環ポンプ５４を作動させることにより、排熱回収ラインＬ５０３内を流通する循環水Ｗ５０は、副熱交換器３２、２２、１２によりオフガスＧ３３、Ｇ３２、Ｇ３１との間で熱交換を行い、温水Ｗ５１、Ｗ５２、Ｗ５３となる。
【００７９】
副熱交換器３２、２２、１２を通過する際に加熱された温水Ｗ５３は、排熱回収水として、貯湯タンク５３に貯えられる。すなわち、貯湯タンク５３に貯えられる温水Ｗ５３が有する熱量の形態で、回収された熱エネルギーが貯蔵される。
【００８０】
循環ポンプ５４は、貯湯タンク５３に貯留された温水Ｗ５３を、排熱回収ラインＬ５０３を介して副熱交換器３２、２２、１２に向けて送り出すように動作する。
【００８１】
以上のように構成される第２実施形態の燃料電池システム１Ａにおいては、第１副熱交換器１２、第２副熱交換器２２及び第３副熱交換器３２それぞれにより熱交換された熱エネルギーを、貯湯タンク５３に貯蔵することができる。
そのため、第１排熱回収部１０、第２排熱回収部２０及び第３排熱回収部３０の３つの排熱回収部を用いて熱エネルギーを貯蔵する第１実施形態の構成に比べて、熱エネルギーを分散させずに、１つの貯湯タンク５３に貯蔵することができる。また、熱エネルギーを１つの貯湯タンク５３に貯蔵することができるため、熱エネルギーが複数の貯湯タンクに分散されて貯蔵されるよりも、貯湯タンク５３に貯蔵された熱エネルギーを簡易な構成で取り出すことができる。
【００８２】
本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において変形が可能である。
前記各実施形態においては、３つの副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を設けると共に３つの副熱交換器１２、２２、３２を設け、これに対応する３つの遮断部材１１、２１、３１を設けたが、これに制限されない。副ガスライン、副熱交換器及び遮断部材を、１つ、２つ又は４つ以上設けるように構成してもよい。
【００８３】
前記各実施形態においては、３つの溶融部材１１１、２１１、３１１それぞれをオフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３の温度上昇に伴って順に溶融し、これに伴って、３つの遮断部材１１、２１、３１に対応する副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を順に開放するように構成した。しかし、これに制限されず、例えば、３つの溶融部材１１１、２１１、３１１のいずれか２つ以上が同時に溶融され、これに伴って、３つの遮断部材１１、２１、３１に対応する副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００のいずれか２つ以上が同時に開放されるように構成してもよい。
【００８４】
また、前記第１実施形態においては、副熱交換器１２、２２、３２により、副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を流通するオフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３と副排熱回収ラインＬ１０３、Ｌ２０３、Ｌ３０３を流通する温水Ｗ１１、Ｗ２１、Ｗ３１との間で熱交換させて、熱エネルギーとして副貯湯タンク１３、２３、３３に貯蔵するように構成したが、これに制限されない。例えば、副熱交換器１２、２２、３２により、副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を流通するオフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３と燃料ガス供給ラインＬ２を流通する燃料ガスＧ１や水供給ラインＬ５を流通する水Ｗとの間で熱交換をするように構成してもよいし、副ガスラインＬ１００、Ｌ２００、Ｌ３００を流通するオフガスＧ３１、Ｇ３２、Ｇ３３と空気供給ラインＬ１を流通する空気Ａ１との間で熱交換をするように構成してもよい。この場合においても、燃料電池システム１においてオフガスの熱エネルギーを回収するため、燃料電池システム１のシステム全体としてのエネルギーの効率が低下することを抑制することができる。
【符号の説明】
【００８５】
１、１Ａ  燃料電池システム
２  燃料電池
４  主熱交換器（熱交換器）
１１、２１、３１  遮断部材
１２、２２、３２  副熱交換器（熱交換器）
１１１，２１１，３１１  溶融部材
Ｌ２  燃料ガス供給ライン
Ｌ４  オフガスライン（排ガスライン）
Ｌ４１  主ガスライン
Ｌ１００、Ｌ２００、Ｌ３００  副ガスライン
Ｇ３、Ｇ３１、Ｇ３２、Ｇ３３  オフガス
【図１】
2014078359.tif 000003
【図２】
2014078359.tif 000004
【図３】
2014078359.tif 000005