(57)【要約】【課題】  排気の温度を低くする。【解決手段】  燃料および第１空気供給部１により供給される空気から発電を行う燃料電池２と、燃料電池２からの排気と第２空気供給部３により供給される空気とを混合する混合部４と、混合流体と熱回収用流体との間で熱交換を行わせる熱回収用熱交換器５とを有している。【選択図】  図１
2006302661.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池（２）の排気から熱回収用熱交換器（５）を介して排熱を取出して利用する排熱利用装置であって、
排気を熱回収用熱交換器（５）に供給する排気供給経路の所定位置に、排気に対して空気を混合させる空気混合手段（４）を設けたことを特徴とする排熱利用装置。
【請求項２】
発電のために空気供給を行う空気供給手段（１）と、空気供給手段（１）からの供給空気の一部を分岐させて空気混合手段（４）に導く分岐管路（６）とをさらに含む請求項１に記載の排熱利用装置。
【請求項３】
排気に対する空気の混合量を、混合後の排気温度が、設定値になるように制御する混合量制御手段（９）をさらに含む請求項１または請求項２に記載の排熱利用装置。
【請求項４】
排気に対する空気の混合量を、熱回収熱交換器（５）の熱回収側流体側表面温度の測定値または推定値に基づいて制御する混合量制御手段（９）をさらに含む請求項１または請求項２に記載の排熱利用装置。
【請求項５】
熱回収側流体が水である請求項４に記載の排熱利用装置。
【請求項６】
熱回収側流体が有機媒体である請求項４に記載の排熱利用装置。
【請求項７】
熱回収側流体がフルオロカーボンである請求項６に記載の排熱利用装置。
【請求項８】
熱回収側流体が空調用熱搬送媒体または熱源用作動媒体である請求項５から請求項７の何れかに記載の排熱利用装置。
【請求項９】
空気混合手段は、空調機の吸込空気に排気を混合するものであり、熱回収用熱交換器は、空調機の熱交換器である請求項８に記載の排熱利用装置。
【請求項１０】
燃料電池（２）は固体酸化物型燃料電池である請求項１から請求項９の何れかに記載の排熱利用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の排気から熱回収用熱交換器を介して排熱を取出して利用する排熱利用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、排熱利用装置からの排熱を回収して温熱を得る装置が知られている。
【０００３】
そして、この排熱利用装置として固体酸化物型燃料電池を用いることが提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
この場合には、発電効率が高いので、システム全体の効率が高いという利点、および排気温度が高いので、温熱の取り出し温度を高くできるという利点がある。
【特許文献１】特開平１０−１８５３１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、固体酸化物型燃料電池の排気の温度は一般に250℃以上の高温であり、排熱を回収する側の流体の循環量が少ない場合などは、排熱回収側流体の使用上、適切な温度を越えてしまい、排熱回収流体の変質や、熱交換器の腐食などを起こしてしまう問題があった。
【０００６】
例えば、特許文献１において、貯湯タンクの温度が上限に達し、温水負荷のない場合に、固体酸化物型燃料電池を運転すると、高温の排気によって、温水の温度が過上昇し、水系統の圧力が過上昇したり、熱回収用熱交換器内の水が過熱沸騰したりしてしまい、熱交換器と貯湯タンクとの位置関係によっては、熱回収用熱交換器への重力による水の流入と蒸発との繰り返しにより、局所的なスケールの成長や高温腐食の問題を生じてしまう。
【０００７】
特に、熱回収側流体としてフルオロカーボンなど高温で耐熱性の高くない流体を用いると、流体の分解等の重大な問題を引き起こしてしまう。
【０００８】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、排気の温度を低くすることができる排熱利用装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の排熱利用装置は、燃料電池の排気から熱回収用熱交換器を介して排熱を取出して利用する排熱利用装置であって、排気を熱回収用熱交換器に供給する排気供給経路の所定位置に、排気に対して空気を混合させる空気混合手段を設けたものである。
【００１０】
この場合には、例えば貯湯タンクの温度が上限に達し、温水負荷がない場合には、排気に対する空気の混合量を増加し、空気および排気の混合流体の温度を貯湯温度の上限にまで下げてやることにより、貯湯タンク内の温水の温度の過上昇を抑えることができる。        
【００１１】
従って、熱負荷がない場合でも、熱回収系統に悪影響を及ぼすことなく、燃料電池の動作を続けることが可能になる。
【００１２】
また、耐熱性の高くない流体を熱回収用媒体に用いる場合にも、媒体の熱分解温度以下に、空気および排気の混合流体の温度を調節することにより、媒体の熱分解を防止することができる。
【００１３】
請求項２の排熱利用装置は、発電のために空気供給を行う空気供給手段と、空気供給手段からの供給空気の一部を分岐させて空気混合手段に導く分岐管路とをさらに含むものである。
【００１４】
この場合には、空気供給手段の台数を低減し、スペース、コストを低減することができる。
【００１５】
請求項３の排熱利用装置は、排気に対する空気の混合量を、混合後の排気温度が、設定値になるように制御する混合量制御手段をさらに含むものである。
【００１６】
この場合には、混合後の排気温度を目標値にすることで、温水の蒸発温度や熱回収媒体の劣化温度以下に容易に制御可能である。
【００１７】
請求項４の排熱利用装置は、排気に対する空気の混合量を、熱回収熱交換器の熱回収側流体側表面温度の測定値または推定値に基づいて制御する混合量制御手段をさらに含むものである。
【００１８】
この場合において、熱回収側流体の流量が大きく、入口温度が低い場合には、熱回収熱量が多くなり、結果、伝熱のための温度差が大きくなるため、排気温度を、流量が小さく、入口温度が高い場合に比較して高くすることができ、熱回収量を高めることができる。
【００１９】
請求項５の排熱利用装置は、熱回収側流体として水を採用するものである。
この場合には、高温を取り出しながら、信頼性の高い燃料電池コージェネ給湯機や温水機などを実現可能である。
【００２０】
請求項６の排熱利用装置は、熱回収側流体として有機媒体を採用するものである。
【００２１】
この場合には、水などの無機物に比較し、一般に耐熱性が低い有機媒体を採用しても、熱劣化を防止でき、信頼性を確保することができる。
【００２２】
請求項７の排熱利用装置は、熱回収側流体としてフルオロカーボンを採用するものである。
【００２３】
この場合には、安全性が高く、熱搬送能力が高いことを考慮して、空調機等に多用されている冷媒の熱劣化を防止ししながら、この多用されている冷媒に排熱を与えることが可能であり、空調機などとのシステム化が容易になる。
【００２４】
請求項８の排熱利用装置は、熱回収側流体として空調用熱搬送媒体または熱源用作動媒体を採用するものである。
【００２５】
この場合には、空調機の信頼性を損なうことなく、排熱利用機能を持った空調装置を実現することができる。
【００２６】
請求項９の排熱利用装置は、空気混合手段として、空調機の吸込空気に排気を混合するものを採用し、熱回収用熱交換器として、空調機の熱交換器を採用するものである。
【００２７】
この場合には、別途、熱回収用の熱交換器を追加することなく、空調機のもともとの構成要素である室外熱交換器をそのまま使用することができ、機器コストの増加を防止する（または抑制する）ことができるとともに、設置スペースの増加を防止する（または抑制する）ことができる。
【００２８】
請求項１０の排熱利用装置は、燃料電池として固体酸化物型燃料電池を採用するものである。
【００２９】
この場合には、発電効率が高いのでシステムの効率を高くすることが可能で、省エネ性、経済性を高めることができる。また、排気温度が高いにも拘らず、信頼性の高い排熱利用システムを構築できる。
【発明の効果】
【００３０】
請求項１の発明は、熱負荷がない場合でも、熱回収系統に悪影響を及ぼすことなく、燃料電池の動作を続けることができ、しかも、耐熱性の高くない流体を熱回収用媒体に用いる場合にも、媒体の熱分解を防止することができるという特有の効果を奏する。
【００３１】
請求項２の発明は、空気供給手段の台数を低減し、スペース、コストを低減することができるという特有の効果を奏する。
【００３２】
請求項３の発明は、混合後の排気温度を、温水の蒸発温度や熱回収媒体の劣化温度以下に容易に制御することができるという特有の効果を奏する。
【００３３】
請求項４の発明は、排気温度を、流量が小さく、入口温度が高い場合に比較して高くすることができ、熱回収量を高めることができるという特有の効果を奏する。
【００３４】
請求項５の発明は、高温を取り出しながら、信頼性の高い燃料電池コージェネ給湯機や温水機などを実現することができるという特有の効果を奏する。
【００３５】
請求項６の発明は、水などの無機物に比較し、一般に耐熱性が低い有機媒体を採用しても、熱劣化を防止でき、信頼性を確保することができるという特有の効果を奏する。
【００３６】
請求項７の発明は、空調機などとのシステム化を容易に実現できるという特有の効果を奏する。
【００３７】
請求項８の発明は、空調機の信頼性を損なうことなく、排熱利用機能を持った空調装置を実現することができるという特有の効果を奏する。
【００３８】
請求項９の発明は、機器コストの増加を防止する（または抑制する）ことができるとともに、設置スペースの増加を防止する（または抑制する）ことができるという特有の効果を奏する。
【００３９】
請求項１０の発明は、省エネ性、経済性を高めることができるとともに、信頼性の高い排熱利用システムを構築できるという特有の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、添付図面を参照して、この発明の排熱利用装置の実施の形態を詳細に説明する。
図１はこの発明の排熱利用装置の一実施形態を示すブロック図である。
【００４１】
この排熱利用装置は、燃料および第１空気供給部（ファン、ブロワなど）１により供給される空気から発電を行う燃料電池２と、燃料電池２からの排気と第２空気供給部（ファン、ブロワなど）３により供給される空気とを混合する混合部４と、混合流体と熱回収用流体との間で熱交換を行わせる熱回収用熱交換器５とを有している。
【００４２】
この場合には、燃料および空気から燃料電池２で発電を行って電力を出力すると同時に、かなり高温の排気が出力される。そして、この排気は、空気と混合された状態で熱回収用熱交換器５に供給されるので、燃料電池２から吐出された時点の排気温度と比較して、熱回収用熱交換器５に供給される時点の混合流体温度を低くすることができる。
【００４３】
したがって、熱負荷がない場合でも、熱回収系統に悪影響を及ぼすことなく、燃料電池の動作を続けることができ、しかも、耐熱性の高くない流体を熱回収用媒体に用いる場合にも、媒体の熱分解を防止することができる。
【００４４】
図２はこの発明の排熱利用装置の他の実施形態を示すブロック図である。
【００４５】
この排熱利用装置が図１の排熱利用装置と異なる点は、第２空気供給部３を省略し、第１空気供給部１からの吐出空気の一部を分岐させて混合部４に導く分岐流路６を設けた点のみである。
【００４６】
この場合には、構成を簡単化し、コストを低減し、しかも、図１の排熱利用装置と同様の作用を達成することができる。
【００４７】
図３はこの発明の排熱利用装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【００４８】
この排熱利用装置が図２の排熱利用装置と異なる点は、混合流体の温度を検出する第１の温度センサ７と、分岐流路６の所定位置に設けたバイパス流量調節装置８と、混合流体の温度を入力とし、第１空気供給部１に対する動作指令、およびバイパス流量調節装置８に対する動作指令を出力する制御装置９とを有する点のみである。
【００４９】
ただし、第１空気供給部１に対する動作指令は、燃料電池２から出力すべき電力に対応して設定されるのであり、従来公知であるから、詳細な説明は省略する。
【００５０】
図４は、図３の制御装置９の動作を説明するフローチャートである。
【００５１】
なお、Ａはバイパス流量調節装置８のバイパス側開度、Ａ０はＡの初期値、ＡｐはＡの現在値、ΔＡはＡの増分、Ｔは空気混合後の混合流体の温度、ＴＬはＴの下限値、ＴＨはＴの上限値である。
【００５２】
ステップＳＰ１において、バイパス流量調節装置８のバイパス側開度Ａを初期値Ａ０に設定し、ステップＳＰ２において、空気混合後の混合流体の温度Ｔを検出する。
【００５３】
そして、ステップＳＰ３において、空気混合後の混合流体の温度Ｔが下限値ＴＬ未満か否かを判定し、空気混合後の混合流体の温度Ｔが下限値ＴＬ未満でなければ、ステップＳＰ４において、空気混合後の混合流体の温度Ｔが上限値ＴＨを超えているか否かを判定する。
【００５４】
Ｔ＜ＴＬの場合には、ステップＳＰ５において、バイパス流量調節装置８のバイパス側開度Ａを、現在値Ａｐに対して増分ΔＡだけ増加させることにより設定する。
【００５５】
Ｔ＞ＴＨの場合には、ステップＳＰ６において、バイパス流量調節装置８のバイパス側開度Ａを、現在値Ａｐに対して増分ΔＡだけ減少させることにより設定する。
【００５６】
それ以外の場合には、ステップＳＰ７において、バイパス流量調節装置８のバイパス側開度Ａを、現在値Ａｐに設定する。
【００５７】
ステップＳＰ５、ステップＳＰ６、ステップＳＰ７の処理が行われた後は、ステップＳＰ８において、バイパス側開度Ａを達成するようにバイパス流量調節装置８を制御する。
その後は、再びステップＳＰ２の処理を行う。
【００５８】
図５はこの発明の排熱利用装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【００５９】
この排熱利用装置が図３の排熱利用装置と異なる点は、熱回収用熱交換器５から出力される混合流体の温度を検出する第２の温度センサ１０と、熱回収用熱交換器５に対する熱回収用流体の入口温度、出口温度を検出する第３、第４の温度センサ１１、１２とをさらに設け、これらの温度センサ１０、１１、１２による検出温度をも制御装置９に供給する点のみである。
【００６０】
図６は、図５の制御装置９の動作を説明するフローチャートである。
【００６１】
なお、ＴＧ１は熱回収用熱交換器５の入口の混合流体の温度の測定値、ＴＧ２は熱回収用熱交換器５の出口の混合流体の温度の測定値、ＴＦ１は熱回収用熱交換器５の入口の熱回収用流体の温度の測定値、ＴＦ２は熱回収用熱交換器５の出口の熱回収用流体の温度の測定値、ＴＷは熱回収用熱交換器５の熱回収用流体側表面温度の推定値、ＴＷ１は熱回収用熱交換器５の入口の熱回収用流体側表面温度の推定値、ＴＷ２は熱回収用熱交換器５の出口の熱回収用流体側表面温度の推定値、ＴＬはＴＷの下限値、ＴＨはＴＷの上限値、αＧは混合流体側熱伝導率、αＦは熱回収用流体側熱伝導率である。
【００６２】
ステップＳＰ１において、バイパス流量調節装置８のバイパス側開度Ａを初期値Ａ０に設定し、ステップＳＰ２において、熱回収用熱交換器５の入口の混合流体の温度ＴＧ１、熱回収用熱交換器５の出口の混合流体の温度ＴＧ２、熱回収用熱交換器５の入口の熱回収用流体の温度ＴＦ１、および熱回収用熱交換器５の出口の熱回収用流体の温度ＴＦ２を検出する。
【００６３】
そして、ステップＳＰ３において、ＴＧ１、ＴＧ２、ＴＦ１、ＴＦ２から熱回収用熱交換器５の入口の熱回収用流体側表面温度ＴＷを推定する。具体的には、例えば、
ＴＷ１＝ＴＦ１＋｛αＧ／（αＧ＋αＦ）｝×（ＴＧ１−ＴＦ１）
ＴＷ２＝ＴＦ２＋｛αＧ／（αＧ＋αＦ）｝×（ＴＧ２−ＴＦ２）
の推定演算を行う。
【００６４】
そして、ステップＳＰ４において、熱回収用熱交換器５の入口の熱回収用流体側表面温度ＴＷが下限値ＴＬ未満か否かを判定し、熱回収用熱交換器５の入口の熱回収用流体側表面温度ＴＷが下限値ＴＬ未満でなければ、ステップＳＰ５において、熱回収用熱交換器５の入口の熱回収用流体側表面温度ＴＷが上限値ＴＨを超えているか否かを判定する。
【００６５】
ＴＷ＜ＴＬの場合には、ステップＳＰ６において、バイパス流量調節装置８のバイパス側開度Ａを、現在値Ａｐに対して増分ΔＡだけ増加させることにより設定する。
【００６６】
ＴＷ＞ＴＨの場合には、ステップＳＰ７において、バイパス流量調節装置８のバイパス側開度Ａを、現在値Ａｐに対して増分ΔＡだけ減少させることにより設定する。
【００６７】
それ以外の場合には、ステップＳＰ８において、バイパス流量調節装置８のバイパス側開度Ａを、現在値Ａｐに設定する。
【００６８】
ステップＳＰ６、ステップＳＰ７、ステップＳＰ８の処理が行われた後は、ステップＳＰ９において、バイパス側開度Ａを達成するようにバイパス流量調節装置８を制御する。
その後は、再びステップＳＰ２の処理を行う。
【００６９】
図７はこの発明の排熱利用装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【００７０】
この排熱利用装置が図２の排熱利用装置と異なる点は、熱回収用流体として水を採用した点のみである。
【００７１】
したがって、この場合には、高温を取り出しながら、信頼性の高い燃料電池コージェネ給湯機や温水器を実現することができる。
【００７２】
図８はこの発明の排熱利用装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【００７３】
この排熱利用装置が図７の排熱利用装置と異なる点は、熱回収用熱交換器５を包囲するように貯湯タンク１３を設けた点のみである。
【００７４】
したがって、この場合にも、高温を取り出しながら、信頼性の高い燃料電池コージェネ給湯機や温水器を実現することができる。
【００７５】
図９はこの発明の排熱利用装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【００７６】
この排熱利用装置が図７の排熱利用装置と異なる点は、熱回収用熱交換器５に液冷媒を供給してガス冷媒を吐出する点、ガス冷媒を、デシカント空調機の再生用空気加熱器１４に供給し、再生用空気加熱器１４から出力される液冷媒をバルブ１７を通して熱回収用熱交換器５に供給する点である。なお、１５は除湿ロータ、１６は顕熱熱交換器、１７、１８はブロワである。
【００７７】
この場合には、排熱をデシカント空調機の液冷媒をガス冷媒に変換するために利用することができる。なお、デシカント空調機は従来公知であるから、詳細な説明を省略する。
【００７８】
したがって、空調機の信頼性を損なうことなく、排熱利用機能を持った空調装置を実現することができる。
【００７９】
図１０はこの発明の排熱利用装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【００８０】
この排熱利用装置が図９の排熱利用装置と異なる点は、デシカント空調機に代えて通常の空調機を採用した点、および室外熱交換器と並列に熱回収用熱交換器５を設けた点である。なお、空調機は、暖房運転モードで示している。
【００８１】
この場合には、排熱を空調機の液冷媒をガス冷媒に変換するために利用することができる。もちろん、冷房運転時は、バルブによって熱回収用熱交換器５を遮断する。
【００８２】
したがって、空調機の信頼性を損なうことなく、排熱利用機能を持った空調装置を実現することができる。
【００８３】
図１１はこの発明の排熱利用装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【００８４】
この排熱利用装置が図１０の排熱利用装置と異なる点は、室外熱交換器と並列に熱回収用熱交換器５を設ける代わりに、空気および燃料電池からの排気の混合流体または燃料電池からの排気を、切替装置１８を通して室外機への吸込空気に混合する点のみである。
【００８５】
この場合には、排熱を空調機の液冷媒をガス冷媒に変換するために利用することができる。すなわち、暖房時には、室外機に対する吸込温度を上昇させて効率を向上させることができる。また、デフロスト時は、室外熱交換器外部から加熱し、除霜することができる。もちろん、冷房運転時は、切替装置１８によって、室外機への吸込空気への排気の混合を阻止する。
【００８６】
したがって、機器コストの増加を防止する（または抑制する）ことができるとともに、設置スペースの増加を防止する（または抑制する）ことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】この発明の排熱利用装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】この発明の排熱利用装置の他の実施形態を示すブロック図である。
【図３】この発明の排熱利用装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【図４】図３の制御装置９の動作を説明するフローチャートである。
【図５】この発明の排熱利用装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【図６】図５の制御装置９の動作を説明するフローチャートである。
【図７】この発明の排熱利用装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【図８】この発明の排熱利用装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【図９】この発明の排熱利用装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【図１０】この発明の排熱利用装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【図１１】この発明の排熱利用装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００８８】
１    第１空気供給部
２    燃料電池
４    混合部
５    熱回収用熱交換器
６    分岐流路
９    制御装置
【図１】
2006302661.tif 000003
【図２】
2006302661.tif 000004
【図３】
2006302661.tif 000005
【図４】
2006302661.tif 000006
【図５】
2006302661.tif 000007
【図６】
2006302661.tif 000008
【図７】
2006302661.tif 000009
【図８】
2006302661.tif 000010
【図９】
2006302661.tif 000011
【図１０】
2006302661.tif 000012
【図１１】
2006302661.tif 000013