(57)【要約】【課題】  冷却用のラジエターを不要にしてシステムの低コスト化を実現することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタック１２と、燃料電池スタック１２の排熱を回収する排熱回収熱交換器１５とを備えた燃料電池ユニット１０と、貯湯タンク２１と、貯湯タンク２１と排熱回収熱交換器１５との間で水を循環させる循環配管１６Ａと、循環配管１６Ａの通水路に挿入され、貯湯タンク２１から循環配管１６Ａを通して供給される水を加熱又は冷却することが可能なバックアップ給湯器２２Ａと、を備える。バックアップ給湯器２２Ａは、貯湯タンク２１内の水の温度が所定温度より高いときに貯湯タンク２１からの水を冷却した後に、循環配管１６Ａを通して排熱回収熱交換器１５に供給するように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、該燃料電池の排熱を回収する排熱回収熱交換器とを備えた燃料電池ユニットと、
貯湯タンクと、
前記貯湯タンクと前記排熱回収熱交換器との間で水を循環させる循環配管と、
前記循環配管の通水路に挿入され、前記貯湯タンクから前記循環配管を通して供給される水を加熱又は冷却することが可能なバックアップ給湯器と、を備え、
前記バックアップ給湯器は、前記貯湯タンク内の水の温度が所定温度より高いときに前記貯湯タンクからの水を冷却した後に、前記循環配管を通して前記排熱回収熱交換器に供給するように構成されたことを特徴とすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記バックアップ給湯器は、バーナと、該バーナに空気を供給する給気ファンと、
前記バーナの上方に配置され、前記給気ファンからの空気と前記貯湯タンクからの水との間で熱交換を行う熱交換器を備え、
前記貯湯タンク内の水の温度が所定温度より高いときに前記バーナの燃焼を停止させた状態で前記給気ファンを作動させ、前記熱交換器により前記貯湯タンクからの水を冷却す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。
【請求項３】
前記バックアップ給湯器が前記貯湯タンクからの水を加熱するときは、前記バックアップ給湯器から前記排熱回収熱交換器に至る通水路を遮断し、前記バックアップ給湯器が前記貯湯タンクからの水を冷却するときには、前記バックアップ給湯器から前記排熱回収熱交換器に至る通水路を形成するように通水路を切り換える通水路切換弁を備えることを特徴とする請求項１又は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、燃料電池を備える燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の排熱を用いて水を加熱し、貯湯タンクに貯蔵してそれを給湯や暖房等の用途に提供することが可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池の発電により発生した排熱を熱交換器により水との間で熱交換して加熱した後に貯湯タンクに供給・貯蔵するという燃料電池システムが知られている。図３は、従来の燃料電池システムの構成を示す図である。
【０００３】
この燃料電池システムは、燃料電池ユニット１０、貯湯ユニット２０を備える。燃料電池ユニット１０は、燃料改質装置１１、燃料電池スタック１２、空気供給機１３、インバータ１４、及び排熱回収熱交換器１５を含んで構成される。また、貯湯ユニット２０は、貯湯タンク２１、バックアップ給湯器２２、三方弁２３、及びラジエター２４を含んで構成される。
【０００４】
燃料電池ユニット１０において、燃料改質装置１１は都市ガスやＬＰガスと水蒸気の反応を利用して水素を取り出す。燃料電池スタック１２は、燃料改質装置１１からの水素と、空気供給機１３からの酸素とを化学反応させて直流の電気を発生する。
インバータ１４は燃料電池スタック１２で発生された直流の電気を交流に変換して、家庭用の電源として利用できるようにする。排熱回収熱交換器１５は、燃料電池スタック１２の排熱（排気ガス）と循環配管１６の通水との間で熱交換を行うことで、循環配管１６の通水を加熱する。
【０００５】
循環配管１６は、貯湯タンク２１と排熱回収熱交換器１５との間で通水を循環させる。循環配管１６の一部は排熱回収熱交換器１５内に配置されている。バックアップ給湯器２２は貯湯タンク２１からの水が供給され、追い炊きが必要なときに作動して水を加熱するために設けられている。
【０００６】
燃料電池システムの運転時において、循環配管１６を通して、貯湯タンク２１→三方弁２３→排熱回収熱交換器１５→貯湯タンク２１という循環通水路が形成される。このとき、貯湯タンク２１が所定温度（例えば、６０°Ｃ〜８０°Ｃ）以上の高温水で満たされていると、当該高温水が循環配管１６を通して排熱回収熱交換器１５へ供給されるため、排熱回収熱交換器１５の熱交換効率が落ち、システムの熱的バランスが崩れてしまう。
【０００７】
そこで、この問題を解決するために、貯湯タンク２１から排熱回収熱交換器１５へ至る循環配管１６の途中にラジエター２４を設け、循環配管１６内を流れる高温水を冷却した後に、排熱回収熱交換器１５に供給していた。
【０００８】
この種の燃料電池システムは、例えば特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１３−５５０６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の燃料電池システムにおいては、冷却用のラジエター２４を設けていたので、その分コストが高くなるという問題があった。また、ラジエター２４を設けると、貯湯タンク２１の水の温度が低い時でも、水が冷却されて循環するため熱効率が悪い（貯湯タンク２１の水の温度上昇が遅くなる）という問題もあった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題に鑑み、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、該燃料電池の排熱を回収する排熱回収熱交換器とを備えた燃料電池ユニットと、貯湯タンクと、前記貯湯タンクと前記排熱回収熱交換器との間で水を循環させる循環配管と、前記循環配管の通水路に挿入され、前記貯湯タンクから前記循環配管を通して供給される水を加熱又は冷却することが可能なバックアップ給湯器と、を備え、前記バックアップ給湯器は、前記貯湯タンク内の水の温度が所定温度より高いときに前記貯湯タンクからの水を冷却した後に、前記循環配管を通して前記排熱回収熱交換器に供給するように構成されたことを特徴とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の燃料電池システムによれば、バックアップ給湯器の冷却機能を利用して高温水を冷却しているので、冷却用のラジエターを不要にしてシステムの低コスト化を実現することができる。
【００１３】
しかも、本発明の燃料電池システムによれば、バックアップ給湯器は、貯湯タンク内の水の温度が所定温度より高いときにだけ、これを冷却するように構成されているので、熱効率を向上させることができる。（貯湯タンクの水の温度上昇が速くなる）
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態におけるバックアップ給湯器の構成を示す図である。
【図３】従来例における燃料電池システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態における燃料電池システムを図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【００１６】
この燃料電池システムは、燃料電池ユニット１０、貯湯ユニット２０Ａを備える。燃料電池ユニット１０は、燃料改質装置１１、燃料電池スタック１２、空気供給機１３、インバータ１４、及び排熱回収熱交換器１５を含んで構成される。また、貯湯ユニット２０Ａは、貯湯タンク２１、バックアップ給湯器２２Ａ、第１の三方弁２５、第２の三方弁２６を含んで構成される。
【００１７】
燃料電池ユニット１０の構成は、従来の燃料電池システム（図３）と同様なので説明を省略する。貯湯ユニット２０Ａにおいて、バックアップ給湯器２２Ａは、貯湯タンク２１から循環配管１６Ａを通して供給される水を加熱又は冷却することが可能であり、貯湯タンク２１から排熱回収熱交換器１５へ至る循環配管１６Ａの通水路に挿入されている。そして、バックアップ給湯器２２Ａは、貯湯タンク２１内の水の温度が所定温度（例えば、６０°Ｃ〜８０°Ｃ）より高いときにだけ貯湯タンク２１からの水を冷却した後に、循環配管１６Ａ、第２の三方弁２６、及び第１の三方弁２５を通して排熱回収熱交換器１５に供給するように構成されている。貯湯タンク２１内の水の温度は温度センサにより検知することができる。
【００１８】
このように、バックアップ給湯器２２Ａの冷却機能を利用して高温水を冷却しているので、冷却用のラジエターを不要にしてシステムの低コスト化を実現することができる。しかも、バックアップ給湯器２２Ａは、貯湯タンク２１内の水の温度が所定温度より高いときにだけ貯湯タンク２１からの水を冷却するように構成されているので、熱効率を向上させることができる。
【００１９】
そして、貯湯タンク２１からの水の追い炊きが必要なときは、バックアップ給湯器２２Ａは水を加熱して給湯する。第２の三方弁２６（通水路切換弁）は、循環配管１６Ａに接続され、バックアップ給湯器２２Ａが貯湯タンク２１からの水を加熱するときは、バックアップ給湯器２２Ａから排熱回収熱交換器１５に至る通水路を遮断し、バックアップ給湯器２２Ａが貯湯タンク２１からの水を冷却するときには、バックアップ給湯器２２Ａから排熱回収熱交換器１５に至る通水路を形成するように通水路を切り換えている。
【００２０】
上述のようにバックアップ給湯器２２Ａは、貯湯タンク２１から循環配管１６Ａを通して供給される水を加熱又は冷却することが可能であるが、その具体的な構成を図２に基づいて説明する。
【００２１】
バックアップ給湯器２２Ａは、バーナ２２１、給気ファン２２２、コントローラ２２３、主熱交換器２２４、副熱交換器２２５を含んで構成される。
【００２２】
給気ファン２２２は、バーナ２２１の下方に配置される。バーナ２２１は給気ファン２２２からの空気とガス配管（不図示）からの燃料ガスとの混合ガスを燃焼し、燃焼排気を発生する。主熱交換器２２４はバーナ２２１の上方に配置され、主伝熱管２２４ａと、多数の熱回収フィン２２４ｂを備え、バーナ１２からの燃焼排気のほとんどの顕熱を回収する。コントローラ２２３は、バーナ２２１の点火と給気ファン２２２の運転を制御する。
【００２３】
主熱交換器２２４の上方には、副熱交換器２２５が設けられる。副熱交換器２２５は、副伝熱管２２５ａと、多数の熱回収フィン２２５ｂを備え、主熱交換器２２４を通過した燃焼排気が案内されて主熱交換器２２４で回収されなかった顕熱に加えて潜熱を回収して副伝熱管２２５ａ内の通水を加熱する。
【００２４】
バックアップ給湯器２２Ａ内の全体の通水路は、上流から順に、給水管２２６、副熱交換器２２５に設けられる副伝熱管２２５ａ、主熱交換器２２４に設けられる主伝熱管２２４ａ、出湯管２２９である。給水管２２６には、バックアップ給湯器２２Ａの上流側の循環配管１６Ａを介して貯湯タンク２１からの水が供給される。出湯管２２９は、第２の三方弁２６の上流側の循環配管１６Ａに接続される。また、副熱交換器２２５での潜熱回収によって発生した酸性のドレンは、中和器２２７で中和された後、ドレン配管２２８を介して外部に排出される。
【００２５】
上述のバックアップ給湯器２２Ａにあっては、主熱交換器２２４に加えて、副熱交換器２２５が設けられているので、燃焼排気中のほとんどの熱エネルギーを回収することができる。そして、コントローラ２２３は貯湯タンク２１内の水の温度が所定温度より高いときには、バーナ２２１の燃焼を停止させた状態で給気ファン２２２を作動させ、給気ファン２２２からの空気と主熱交換器２２４の主伝熱管２２４ａ、副熱交換器２２５の副伝熱管２２５ａ内の通水との間で熱交換を行うことで、貯湯タンク２１からの水を冷却することができる。
【００２６】
副熱交換器２２５が設けられていない給湯器においても、主熱交換器２２５により貯湯タンク２１からの水を冷却することができるが、主熱交換器２２５に加えて
副熱交換器２２５を設けることで、冷却機能を高めることができる。
【００２７】
次に、このように構成された燃料電池システムの動作を説明する。先ず、貯湯タンク２１に水が入っていない状態で、第１の三方弁２５を介して循環配管１６Ａに水道水を導入する。貯湯タンク２１に水が満たされると、第１の三方弁２５が切り換えられ、循環配管１６Ａにより貯湯タンク２１と排熱回収熱交換器１５との間の循環通水路が形成される。そして、燃料電池ユニット１０が作動すると、燃料電池スタック１２が発電を行う。その際に発生する排熱は、排熱回収熱交換器１５により回収され、循環配管１６Ａ内の通水が加熱される。これにより、貯湯タンク２１内の水の温度は上昇していく。
【００２８】
そして、バックアップ給湯器２２Ａは、貯湯タンク２１内の水の温度が所定温度（例えば、６０°Ｃ〜８０°Ｃ）より高くなると、貯湯タンク２１からの水を冷却した後に、循環配管１６Ａ、第２の三方弁２６、及び第１の三方弁２５を通して排熱回収熱交換器１５に供給する。
【符号の説明】
【００２９】
１０  燃料電池ユニット
１１  燃料改質装置
１２  燃料電池スタック
１３  空気供給機
１４  インバータ
１５  排熱回収熱交換器
１６Ａ  循環配管
２０Ａ  貯湯ユニット
２１  貯湯タンク
２２Ａ  バックアップ給湯器
２５  第１の三方弁
２６  第２の三方弁
２２１  バーナ
２２２  給気ファン
２２３  コントローラ
２２４  主熱交換器
２２５  副熱交換器
【図１】
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【図２】
2014220090.tif 000004
【図３】
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