(57)【要約】【課題】熱交換器とタンクが循環回路によって接続されているため、放熱があり、熱回収効率が低下すること。【解決手段】第２タンク４から供給された第２熱媒体が前記第１タンク２を経由して第２タンクに戻ってくるように構成されている第２循環経路をさらに備え、第２循環経路は、第１タンク２内の第１熱媒体と第２熱媒体とを熱交換させる熱交換部６を第１タンク内に備えており、ヒータ３の前記発熱部は、第１タンク２内で、かつ、熱交換部６の上端と下端との間に配置されるように構成することにより、第１タンク２内で第１熱媒体と第２タンク４内の第２熱媒体との熱交換を、第１タンク２から第１循環経路５を介さずに直接行う構成となり、第１循環経路５における放熱による熱回収効率の低下を防止できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電を行うことにより電力および熱を供給する燃料電池と、
前記燃料電池からの熱を回収する第１熱媒体を循環する第１循環経路と、
前記第１熱媒体を貯める第１タンクと、
前記第１熱媒体を循環する第１循環器と、
前記燃料電池の電力の少なくとも一部を消費して発熱する発熱部を備えているヒータと、
前記第１熱媒体と熱交換する第２熱媒体をためている第２タンクと、
前記第２熱媒体を循環する第２循環器と、
を備え、
前記第２タンクから供給された第２熱媒体が前記第１タンクを経由して前記第２タンクに戻ってくるように構成されている第２循環経路路をさらに備え、
前記第２循環経路は、前記第１タンク内の前記第１熱媒体と前記第２熱媒体とを熱交換させる熱交換部を前記第１タンク内に備えており、前記ヒータの前記発熱部は、前記第１タンク内で、かつ、前記熱交換部の上端と下端との間に配置されるように構成されている、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１タンクは、前記熱交換部と前記発熱部との間を区画する仕切り部を備え、
前記第１循環経路は、前記第１タンクの前記仕切り部より前記発熱部側に接続される、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記熱交換部は、前記第１タンク内の上部に配置されている第１熱交換部と、
前記第１タンク内の下部に配置されている第２熱交換部と、
を備え、
前記発熱部は、前記第１熱交換部と前記第２熱交換部との間に配置されている、請求項１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、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池システムは新発電システムの一つとして、小容量分散発電が容易であり、ＮＯｘやＳＯｘなどの有害物質の発生がなく、しかも低騒音というメリットを有する電解質膜と触媒とを利用した燃料電池システムが考えられている。
【０００３】
こうした燃料電池システムは、例えば特許文献１などに開示されているように、燃料ガスである天然ガスなどから水素ガスを生成する改質装置と、この水素ガスと酸化剤としての酸素（空気）との電気化学的反応により発電を行う燃料電池と、この燃料電池に酸素（空気）を供給する空気供給装置（空気ブロワ）と、燃料電池で発生した電気エネルギーを商用電圧・周波数に変換する電力変換装置（インバータ）と、熱交換器を具備し燃料電池や改質装置で発生する熱を回収して他の排熱利用外部機器に熱を供給する熱回収装置と、本体（パッケージ）内を換気する送風装置（換気ファン）と、排熱を利用しない場合の冷却に使用する放熱装置（クーリングモジュール）とにより基本的に構成される。
【０００４】
また、上記基本的な構成において、各々の構成要素を円滑に動作させるために、天然ガスを昇圧するブロワや、天然ガスの硫黄成分を除去する脱硫器や、改質装置に水（蒸気）を送るポンプや、燃料電池の電解質膜を加湿するために、この燃料電池に水を送るポンプや、水中の不純物を除去する浄化装置や、水の電解質を除去するイオン交換樹脂や、燃料ガス、空気、水の流量を電磁弁で制御する制御部としてのコントローラなどの、様々な補助機器が配置され、配管や配線によって物理的および電気的に接続されている。
【０００５】
また、上記基本的な構成において、発電を行うことにより電力および熱を供給する燃料電池と、燃料電池の熱を吸収する第１熱媒体をためている第１タンクと、燃料電池の電力の少なくとも一部を消費して発熱する発熱部を備えているヒータと、第１熱媒体と熱交換する第２熱媒体をためている第２タンクとを備え、第２タンクから供給された第２熱媒体が第１タンクを経由して第２タンクに戻ってくるように構成されている循環流路をさらに備え、循環流路は、第１タンク内の第１熱媒体と第２熱媒体とを熱交換させる熱交換器を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−８４５６４号公報
【特許文献２】国際公開第２００９／０３４９９７号
【特許文献３】特開平１１−２１４０２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の構成では第１タンク内の第１熱媒体と第２タンク内の第２熱媒体の熱交換を行う熱交換器が循環回路により接続されているので、放熱により熱回収効率が低下するという課題を有していた。
【０００８】
本発明は従来の課題を解決するもので、第１熱媒体と第２熱媒体の熱交換を効率的に行い、熱回収効率を向上した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】
【０００９】
従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、発電を行うことにより電力および熱を供給する燃料電池と、燃料電池からの熱を回収する第１熱媒体を循環する第１循環経路と、第１熱媒体を貯める第１タンクと、第１熱媒体を循環する第１循環器と、燃料電池の電力の少なくとも一部を消費して発熱する発熱部を備えているヒータと、第１熱媒体と熱交換する第２熱媒体をためている第２タンクと、第２熱媒体を循環する第２循環器と、を備え、第２タンクから供給された第２熱媒体が第１タンクを経由して第２タンクに戻ってくるように構成されている第２循環経路をさらに備え、第２循環経路は、第１タンク内の第１熱媒体と第２熱媒体とを熱交換させる熱交換部を第１タンク内に備えており、ヒータの発熱部は、第１タンク内で、かつ、熱交換部の上端と下端との間に配置されるように構成したものである。
【００１０】
これによって、第１タンク内で第１熱媒体と第２タンク内の第２熱媒体との熱交換を、第１タンクから循環回路を介さずに直接行うため、循環回路における放熱による熱回収効率の低下を防止できる。
また、本発明の燃料電池は、ヒータの発電部の上端と下端に熱交換部を配置することにより、ヒータにより加熱された第１熱媒体の熱を上端の熱交換部で、放熱なく回収し、下端の熱交換部では燃料電池に循環する第１熱媒体の温度を下げる効果を持つ。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、第１タンク内に熱交換部を備えることにより、循環回路における放熱を防ぐことができ、第１タンク内の第１熱媒体と、第２タンク内の第２熱媒体において直接熱交換を行うことにより、熱回収効率を向上した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】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムのブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における（ａ）第１タンク内部におけるヒータと熱交換部の正面図（ｂ）第１タンク内部におけるヒータと熱交換部の上面図
【図３】本発明の実施の形態２における燃料電池システムのブロック図
【図４】本発明の実施の形態２における（ａ）第１タンク内部におけるヒータと熱交換部の正面図（ｂ）第１タンク内部におけるヒータと熱交換部の上面図
【図５】本発明の実施の形態３における燃料電池システムのブロック図
【図６】本発明の実施の形態３における（ａ）第１タンク内部におけるヒータと熱交換部の正面図（ｂ）第１タンク内部におけるヒータと熱交換部の上面図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
第１の発明は発電を行うことにより電力および熱を供給する燃料電池と、燃料電池からの熱を回収する第１熱媒体を循環する第１循環経路と、第１熱媒体を貯める第１タンクと、第１熱媒体を循環する第１循環器と、燃料電池の電力の少なくとも一部を消費して発熱する発熱部を備えているヒータと、第１熱媒体と熱交換する第２熱媒体をためている第２タンクと、第２熱媒体を循環する第２循環器と、を備え、第２タンクから供給された第２熱媒体が第１タンクを経由して第２タンクに戻ってくるように構成されている第２循環経路をさらに備え、第２循環経路は、第１タンク内の第１熱媒体と第２熱媒体とを熱交換させる熱交換部を第１タンク内に備えており、ヒータの発熱部は、第１タンク内で、かつ、熱交換部の上端と下端との間に配置されるように構成することにより、第１タンク内で第１熱媒体と第２タンク内の第２熱媒体との熱交換を、第１タンクから循環回路を介さずに直接行う構成となり、循環回路における放熱による熱回収効率の低下を防止できる。
【００１４】
第２の発明は、特に第１の発明の第１タンク内の熱交換部と発熱部との間を区画する仕切り部を備え、第１循環経路は、第１タンクの仕切り部より発熱部側に接続することにより、循環経路を通り燃料電池の熱を回収した高温の第１熱媒体と、循環経路に接続された低温の第１熱媒体とが混合するのを避けることができ、熱回収効率を上げることができる。
【００１５】
第３の発明は、特に第１の発明の熱交換部を第１タンク内の上部に配置されている第１熱交換部と、第１タンク内の下部に配置されている第２熱交換部とを備え、ヒータの発熱部は、第１熱交換部と第２熱交換部との間に配置されるように構成することにより、ヒータの発熱により温められた第１タンク内の第１熱媒体の熱を上部の第１熱交換部で直接熱交換することとなり、循環回路を介さないため、循環回路における放熱による熱回収効率の低下を防ぐことができ、第２熱交換部において第１タンクから燃料電池に循環する第１熱媒体の温度を、第２タンク内の第２熱媒体との熱交換により下げることができる。
【００１６】
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。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムのブロック図を示すものである。
【００１８】
図１において、燃料電池システムは、燃料ガスを用いて発電および発熱する燃料電池１を備える。
【００１９】
この燃料電池１では、燃料電池１のアノード（図示せず）に供給された水素ガスと、燃料電池１のカソード（図示せず）に供給された酸化剤としての酸素（空気）とが電気化学的に反応して、電力および熱が発生する。
【００２０】
ところで、燃料電池システムでは、発電運転中に生じる排熱を回収することが一般的に採用されている。排熱を回収するための第１熱媒体として、例えば、燃料電池を冷却する冷却水を用いることができる。冷却水は、燃料電池１内を通過する循環流路内を循環するように構成されている。
【００２１】
また、第１タンク２内部には、ヒータ３にて、燃料電池１の電力の少なくとも一部の電力を消費して発熱するように構成されている。
【００２２】
また、本実施の形態１の燃料電池システムでは、発電運転中において、燃料電池１を通過した高温状態の冷却水の熱を、熱交換部での熱交換によって第２熱媒体（例えば、貯湯水）が回収して、このような第２熱媒体が第２タンク（例えば、貯湯タンク）に蓄えられる。
【００２３】
よって、本実施の形態１の燃料電池システムは、図１に示すように、１次冷媒である、燃料電池１を通過した第１熱媒体と第２熱媒体とが熱交換する熱交換部と、第１熱媒体が循環する第２循環経路１０と、を備えている。
【００２４】
ところで、本実施の形態１の燃料電池システムでは、図１に示すように、第１タンク内部にヒータ３と、熱交換部６とを備え、ヒータ３の発熱部が、熱交換部６の上端と下端との間に位置するように配置されるように構成されている。
【００２５】
以上のように構成された燃料電池装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００２６】
まず、発電を行うことにより電力および熱を供給する燃料電池と、燃料電池１からの熱を回収する第１熱媒体を循環する第１循環経路と、第１熱媒体を貯める第１タンク２と、第１熱媒体を循環する第１循環器７と、燃料電池１の電力の少なくとも一部を消費して発熱する発熱部を備えているヒータと、第１熱媒体と熱交換する第２熱媒体をためている第２タンクと、第２熱媒体を循環する第２循環器８と、を備え、第２タンクから供給された第２熱媒体が第１タンク２を経由して第２タンク４に戻ってくるように構成されている第２循環経路１０をさらに備え、第２循環経路１０は、第１タンク２内の第１熱媒体と第２熱媒体とを熱交換させる熱交換部を第１タンク２内に備えており、ヒータの発熱部は、第１タンク２内で、かつ、熱交換部の上端と下端との間に配置されるように構成することにより、第１タンク２内で第１熱媒体と第２タンク４内の第２熱媒体との熱交換を、第１タンク２から循環回路を介さずに直接行う構成となり、循環回路における放熱による熱回収効率の低下を防止できるようになる。
【００２７】
以上のように、本実施の形態１においては、第１タンク２内部の第１熱媒体と第２熱媒体との熱交換を行う熱交換部６が、燃料電池１の電力の少なくとも一部の電力を消費して発熱するヒータ３の発熱部の上端と下端との間に位置するように配置することにより、第１タンク内で第１熱媒体と第２タンク内の第２熱媒体との熱交換を、第１タンクから循環回路を介さずに直接行うことになり、循環回路における放熱による熱回収効率の低下を防止できる。
【００２８】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムのブロック図を示すものである。
【００２９】
図３において、燃料電池システムは、燃料ガスを用いて発電および発熱する燃料電池１を備える。
【００３０】
この燃料電池１では、燃料電池１のアノード（図示せず）に供給された水素ガスと、燃料電池１のカソード（図示せず）に供給された酸化剤としての酸素（空気）とが電気化学的に反応して、電力および熱が発生する。
【００３１】
ところで、燃料電池システムでは、発電運転中に生じる排熱を回収することが一般的に採用されている。排熱を回収するための第１熱媒体として、例えば、燃料電池を冷却する冷却水を用いることができる。冷却水は、燃料電池１内を通過する循環流路内を循環するように構成されている。
【００３２】
また、第１タンク２内部には、ヒータ３にて、燃料電池１の電力の少なくとも一部の電力を消費して発熱するように構成されている。
【００３３】
また、本実施の形態１の燃料電池システムでは、発電運転中において、燃料電池１を通過した高温状態の冷却水の熱を、熱交換部での熱交換によって第２熱媒体（例えば、貯湯水）が回収して、このような第２熱媒体が第２タンク（例えば、貯湯タンク）に蓄えられる。
【００３４】
よって、本実施の形態１の燃料電池システムは、図３に示すように、１次冷媒である、燃料電池１を通過した第１熱媒体と第２熱媒体とが熱交換する熱交換部と、第１熱媒体が循環する第２循環経路１０と、を備えている。
【００３５】
ところで、本実施の形態２の燃料電池システムでは、図３に示すように、第１タンク内
部に熱交換部と発熱部との間を区画する仕切り部を備え、第１循環経路は、第１タンクの仕切り部より発熱部側に接続するように構成されている。
【００３６】
以上のように構成された燃料電池装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００３７】
まず、発電を行うことにより電力および熱を供給する燃料電池と、燃料電池からの熱を回収する第１熱媒体を循環する第１循環経路と、第１熱媒体を貯める第１タンクと、第１熱媒体を循環する第１循環器と、燃料電池の電力の少なくとも一部を消費して発熱する発熱部を備えているヒータと、第１熱媒体と熱交換する第２熱媒体をためている第２タンクと、第２熱媒体を循環する第２循環器と、を備え、  第２タンクから供給された第２熱媒体が第１タンクを経由して第２タンクに戻ってくるように構成されている第２循環経路１０をさらに備え、第２循環経路１０は、第１タンク内の第１熱媒体と第２熱媒体とを熱交換させる熱交換部を第１タンク内に備えており、ヒータの発熱部は、第１タンク内で、かつ、熱交換部の上端と下端との間に配置され、特に第１の発明の第１タンク内の熱交換部と発熱部との間を区画する仕切り部を備え、第１循環経路は、第１タンクの仕切り部より発熱部側に接続することによりように構成することにより、第１タンク内で第１熱媒体と第２タンク内の第２熱媒体との熱交換を、第１タンクから循環回路を介さずに直接行う構成となり、循環回路における放熱による熱回収効率の低下を防止でき、さらに、燃料電池１を通過して高温となった第１熱媒体と燃料電池１に接続された第１循環経路に流れる低温の第１熱媒体との混合を避けることができ、効率的な熱回収ができるようになる。
【００３８】
以上のように、本実施の形態２においては、第１タンク２内部の第１熱媒体と第２熱媒体との熱交換を行う熱交換部６が、燃料電池１の電力の少なくとも一部の電力を消費して発熱するヒータ３の発熱部の上端と下端との間に位置するように配置することにより、第１タンク２内で第１熱媒体と第２タンク４内の第２熱媒体との熱交換を、第１タンク２から循環回路を介さずに直接行うことができ、さらに、第１タンク２内部に熱交換部と発熱部との間を区画する仕切り部９を備え、第１循環経路は、第１タンクの仕切り部９より発熱部側に接続するように構成されていることにより、燃料電池１を通過して高温となった第１熱媒体と燃料電池１に接続された第１循環経路に流れる低温の第１熱媒体との混合を避けることができ、循環回路における放熱による熱回収効率の低下を防止できる。
【００３９】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムのブロック図を示すものである。
【００４０】
図５において、燃料電池システムは、燃料ガスを用いて発電および発熱する燃料電池１を備える。
【００４１】
この燃料電池１では、燃料電池１のアノード（図示せず）に供給された水素ガスと、燃料電池１のカソード（図示せず）に供給された酸化剤としての酸素（空気）とが電気化学的に反応して、電力および熱が発生する。
【００４２】
ところで、燃料電池システムでは、発電運転中に生じる排熱を回収することが一般的に採用されている。排熱を回収するための第１熱媒体として、例えば、燃料電池を冷却する冷却水を用いることができる。冷却水は、燃料電池１内を通過する循環流路内を循環するように構成されている。
【００４３】
また、第１タンク２内部には、ヒータ３にて、燃料電池１の電力の少なくとも一部の電力を消費して発熱するように構成されている。
【００４４】
また、本実施の形態２の燃料電池システムでは、発電運転中において、燃料電池１を通過した高温状態の冷却水の熱を、熱交換部での熱交換によって第２熱媒体（例えば、貯湯水）が回収して、このような第２熱媒体が第２タンク（例えば、貯湯タンク）に蓄えられる。
【００４５】
よって、本実施の形態３の燃料電池システムは、図５に示すように、１次冷媒である、燃料電池１を通過した第１熱媒体と第２熱媒体とが熱交換する熱交換部と、第１熱媒体が循環する循環流路と、を備えている。
【００４６】
ところで、本実施の形態２の燃料電池システムでは、図５に示すように、第１タンク内部にヒータ３と、熱交換部６とを備え、ヒータ３の発熱部が、第１熱交換部と第２熱交換部との間に配置されるように構成されている。
【００４７】
以上のように構成された燃料電池装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００４８】
まず、発電を行うことにより電力および熱を供給する燃料電池と、燃料電池の熱を吸収する第１熱媒体をためている第１タンク２と、燃料電池１の電力の少なくとも一部を消費して発熱する発熱部を備えているヒータ３と、第１熱媒体と熱交換する第２熱媒体をためている第２タンクとを備え、第２タンク４から供給された第２熱媒体が第１タンク２を経由して第２タンク４に戻ってくるように構成されている第１循環経路５をさらに備え、第１循環経路５は、第１タンク２内の第１熱媒体と第２熱媒体とを熱交換させる熱交換部６を第１タンク２内に備えており、ヒータ３の発熱部は、第１タンク２内で、かつ、熱交換部６の上端と下端との間に配置されるように構成することにより、第１タンク２内で第１熱媒体と第２タンク４内の第２熱媒体との熱交換を、第１タンク２から第１循環経路５を介さずに直接行う構成となり、第１循環経路５における放熱による熱回収効率の低下を防止できるようになる。
【００４９】
以上のように、本実施の形態２においては、第１タンク２内部の第１熱媒体と第２熱媒体との熱交換を行う熱交換部６が、燃料電池１の電力の少なくとも一部の電力を消費して発熱するヒータ３の発熱部が、第１熱交換部と、第２熱交換部との間に配置することにより、ヒータ３の発熱により温められた第１タンク２内の第１熱媒体の熱を上部の第１熱交換部で直接熱交換することとなり、第１循環経路５を介さないため、第１循環経路５における放熱による熱回収効率の低下を防ぐことができ、第２熱交換部において第１タンクから燃料電池１に循環する第１熱媒体の温度を、第２タンク内の第２熱媒体との熱交換により下げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは第１熱媒体と、第２熱媒体の熱回収効率の低下を防止することが可能となるので、例えば、家庭用または業務用の燃料電池システム等の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００５１】
１  燃料電池
２  第１タンク
３  ヒータ
４  第２タンク
５  第１循環経路
６  熱交換部
７  第１循環器
８  第２循環器
９  仕切り部
１０  第２循環経路
【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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