(57)【要約】      （修正有）【課題】低コストで湯切れの発生の可能性を抑制することができる燃料電池コージェネレーションシステムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１と、貯湯槽２と、燃料電池システム１の排熱を回収して加熱された水を貯湯槽２まで戻す排熱回収ライン２２と、貯湯槽２から外部に延びる給湯配管２３と、給湯配管２３の途中に設けられた給湯遮断弁５と、補助貯湯タンク４と、貯湯槽２から補助貯湯タンク４に延びた補助加圧配管２５と、補助貯湯タンク４の水を加熱するヒータ８と、補助貯湯タンク４から給湯配管２３の給湯遮断弁５よりも下流側に延びる補助配管２４と、補助配管２４の途中に設けられた補助遮断弁６と、貯湯槽２から給湯配管２３に送出される水の温度を測定する給湯温度計３と、給湯温度計３が測定した温度を伝達されてその温度が所定の給湯不能検知温度以下となったときに給湯遮断弁５を閉じて補助遮断弁６を開く制御装置９とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、
貯湯槽と、
前記貯湯槽に接続されて外部から水を供給する給水配管と、
前記貯湯槽の水を送出して前記燃料電池本体の排熱を回収して加熱された水を前記貯湯槽まで戻す排熱回収ラインと、
前記貯湯槽から外部に延びる給湯配管と、
前記給湯配管の途中に設けられた給湯遮断弁と、
補助貯湯タンクと、
前記貯湯槽から前記補助貯湯タンクに延びた補助加圧配管と、
前記補助貯湯タンクに湯を貯える補助貯湯手段と、
前記補助貯湯タンクから前記給湯配管の前記給湯遮断弁よりも下流側に延びる補助配管と、
前記補助配管の途中に設けられた補助遮断弁と、
前記貯湯槽から前記給湯配管に送出される水の温度を測定する給湯温度計と、
前記給湯温度計が測定した温度を伝達されてその温度が所定の給湯不能検知温度以下となったときに前記給湯遮断弁を閉じて前記補助遮断弁を開く制御装置と、
を有することを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項２】
前記補助貯湯手段は、前記補助貯湯タンクに蓄えられた水を加熱可能なヒータを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項３】
前記補助貯湯タンクに蓄えられた水の温度を測定する補助貯湯タンク温度計を有し、前記制御装置は前記補助貯湯タンク温度計が測定した温度を伝達されてその温度が所定の補助貯湯タンク加熱要求温度以下の場合に前記ヒータに通電することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項４】
前記貯湯槽の下端から所定の高さで前記貯湯槽に蓄えられた水の温度を測定する貯湯温度計を有し、前記制御装置はさらに前記貯湯温度計が測定した温度を伝達されてその温度が所定の補助貯湯要求温度より高い場合には前記ヒータに通電しないことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項５】
前記補助貯湯手段は、前記排熱回収ラインの前記燃料電池本体よりも下流側から分岐して前記補助貯湯タンクに延びる補助排熱回収配管と前記補助排熱回収配管の途中に設けられた補助排熱回収遮断弁とを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池コージェネレーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
家庭用燃料電池は、都市ガスあるいはＬＰＧを原燃料として水素に改質し、改質した水素と空気中の酸素とを反応させて発生した電力および排熱を利用する。家庭用燃料電池を用いたコージェネレーションシステムでは、燃料電池で発生した熱により湯を生成し、貯湯槽に蓄積してユーザーが湯を使用する（たとえば特許文献１参照）。一般的に、燃料電池で発生する単位時間当たりの熱量は、ユーザーが使用する熱量と比較して小さい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２６１５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
家庭用燃料電池を用いたコージェネレーションシステムでは、ユーザーが湯を使用している際に、貯湯槽の湯が完全に消費されるとユーザーはそれ以上の湯の使用が不可となる「湯切れ」が発生する可能性がある。たとえば入浴中など湯が必要な際に湯切れが発生すると、利便性が大幅に損なわれる。そのため、貯湯槽の湯を完全に消費した後にも湯を供給できるように、貯湯槽にガスで加熱するボイラーを設置する構成がよく知られている。
【０００５】
また、このボイラーは貯湯槽に湯が溜まっていない状態においても十分な湯を供給することが可能なように、一般的なボイラーと同程度の加熱容量を有している。したがって、燃料電池を用いたコージェネレーションシステムを導入しても、さらに貯湯槽と通常のボイラーの両方を設置することになる。その結果、従来の通常のボイラーのみの給湯設備と比較して、大幅にコストアップする可能性がある。
【０００６】
そこで、本発明は、燃料電池を用いたコージェネレーションシステムにおいて、低コストで湯切れの発生の可能性を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的を達成するため、本発明は、燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、燃料電池本体と、貯湯槽と、前記貯湯槽に接続されて外部から水を供給する給水配管と、前記貯湯槽の水を送出して前記燃料電池本体の排熱を回収して加熱された水を前記貯湯槽まで戻す排熱回収ラインと、前記貯湯槽から外部に延びる給湯配管と、前記給湯配管の途中に設けられた給湯遮断弁と、補助貯湯タンクと、前記貯湯槽から前記補助貯湯タンクに延びた補助加圧配管と、前記補助貯湯タンクに湯を貯える補助貯湯手段と、前記補助貯湯タンクから前記給湯配管の前記給湯遮断弁よりも下流側に延びる補助配管と、前記補助配管の途中に設けられた補助遮断弁と、前記貯湯槽から前記給湯配管に送出される水の温度を測定する給湯温度計と、前記給湯温度計が測定した温度を伝達されてその温度が所定の給湯不能検知温度以下となったときに前記給湯遮断弁を閉じて前記補助遮断弁を開く制御装置と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池を用いたコージェネレーションシステムにおいて、低コストで湯切れの発生の可能性を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの第１の実施の形態におけるブロック図である。
【図２】本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの第２の実施の形態におけるブロック図である。
【図３】本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの第３の実施の形態におけるブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１１】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの第１の実施の形態におけるブロック図である。
【００１２】
本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池システム１と、貯湯槽２と、補助貯湯タンク４と、給湯温度計３と、制御装置９とを有している。燃料電池システム１は、改質器や、燃料電池本体、燃料電池本体を冷却して排熱を回収する熱交換器などを備えている。
【００１３】
貯湯槽２には、たとえば市水の水道管など、外部から水を供給する給水配管２１が接続されている。また、貯湯槽２には、排熱回収ライン２２が接続されている。排熱回収ライン２２は、貯湯槽２に貯えられた水を送出して燃料電池システム１の排熱を回収して加熱された水を貯湯槽２に戻す。排熱回収ライン２２は、たとえば貯湯槽２から燃料電池システム１に設けられた熱交換器を通過し貯湯槽２に戻る配管と、この配管を流れる水を駆動するポンプなどを備えている。
【００１４】
給水配管２１は、貯湯槽２の下端に接続されている。このため、外部からの冷たい水は、貯湯槽２の下部に供給される。排熱回収ライン２２は、貯湯槽２の下端から延びて貯湯槽２の上端に戻る。このため、排熱回収ライン２２には、貯湯槽２の下部の冷たい水が送出され、燃料電池システム１で加熱された水は貯湯槽２の上部に戻る。その結果、貯湯槽２に貯えられた水には、下部の冷温層と上部の高温層とが形成される。
【００１５】
また、貯湯槽２から外部の風呂などの熱需要には、給湯配管２３が延びている。給湯配管２３の途中には、給湯遮断弁５が設けられている。
【００１６】
給湯配管２３は、貯湯槽２の上端に接続されている。また、貯湯槽２の内部は、給水配管２によって加圧されている。このため、給湯遮断弁５が開くと、給湯配管２３からは貯湯槽２の上部に貯えられた温度の高い水、すなわち湯が優先的に貯湯槽２から送出される。
【００１７】
給湯温度計３は、貯湯槽２から給湯配管２３に送出される水の温度を測定する。給湯温度計３は、たとえば給湯配管２３に取り付けられている。
【００１８】
補助貯湯タンク４には、補助貯湯タンク４内の水を加熱可能なヒータ８が取り付けられている。つまり、ヒータ８は、補助貯湯タンク４に湯を貯える補助貯湯手段として機能する。補助貯湯タンク４から給湯配管２３の給湯遮断弁５よりも下流側には、補助配管２４が延びている。補助配管２４は、補助貯湯タンク４の上端に接続されている。補助配管２４の途中には、補助遮断弁６が設けられている。
【００１９】
また、補助貯湯タンク４には、貯湯槽２から補助加圧配管２５が延びている。補助加圧配管２５は、貯湯槽２の上端にたとえば給湯配管２３を介して接続されている。また、補助加圧配管２５は、補助貯湯タンク４の下端に接続されている。
【００２０】
貯湯槽２の内部は給水配管２１によって加圧されているため、補助貯湯タンク４の内部も補助加圧配管２５によって加圧されている。このため、補助遮断弁６が開くと、補助貯湯タンク４内の水（湯）が補助配管２４によって外部の熱需要に供給される。
【００２１】
また、補助貯湯タンク４には、補助貯湯タンク温度計７が取り付けられている。補助貯湯タンク温度計７（例えば下端側）は、補助貯湯タンク４に蓄えられた水の温度を測定する。補助貯湯タンク温度計７が測定した温度は、制御装置９に伝達される。
【００２２】
給湯温度計３が測定した温度は、制御装置９に伝達される。制御装置９は、給湯温度計３が測定した温度が所定の給湯不能検知温度以下となったときに給湯遮断弁５を閉じ、また、補助遮断弁６を開く。制御装置９には、連絡装置１０が接続されている。連絡装置１０は、ユーザーが操作するリモコンなどの操作端の画面への表示や、音の発生などにより、外部の熱需要で湯を使用するユーザーに対して情報を伝達する。
【００２３】
本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムでは、据付の際に、給湯遮断弁５および補助遮断弁６を開いた状態で市水が給水配管２１から導入される。これにより、貯湯槽２、排熱回収ライン２２、給湯配管２３、補助加圧配管２５および補助配管２４が水で満たされる。
【００２４】
燃料電池システム１の運転が開始されると、排熱回収ライン２２を循環する水が燃料電池システム１の排熱を回収し、加熱されて湯となって貯湯槽２に貯えられる。給湯遮断弁５は、たとえば通常時には常時開としておき、ユーザーが外部に設けられた蛇口をひねることによって貯湯槽２に貯えられた湯が外部に供給される。
【００２５】
また、補助貯湯タンク４に貯えられた水の温度は、補助貯湯タンク温度計７で監視され、所定の補助貯湯タンク加熱要求温度以下となった場合には、制御装置９はヒータ８に通電する。これにより、補助貯湯タンク４内には、常時、補助貯湯タンク加熱要求温度以上の湯が蓄積されることとなる。
【００２６】
貯湯槽２から供給される湯の温度は給湯温度計３にて計測され、その温度に基づいて給湯温度が所定の給湯不能検知温度以下になったと判断すると、制御装置９は貯湯槽２の湯を完全に消費したと連絡装置１０を介してユーザーに通知する。
【００２７】
このとき、さらにユーザーの湯の使用が可能となるように、貯湯槽２からの湯の供給を遮断するよう給湯遮断弁５を閉とし、補助貯湯タンク４からの湯の供給を行うよう遮断弁６を開とする。
【００２８】
このようにして、本実施の形態では、ユーザーが湯を利用して貯湯槽２の湯を消費し尽した後には、ユーザーに貯湯槽２の湯を消費したことを連絡し、また補助貯湯タンク４内の湯を供給する。これにより、貯湯槽２の湯を消費し尽くした後であっても、ユーザーは今後、一定量の湯しか使用できないことを知ることができるため、シャワーなどを浴びている途中などの湯の使用中に給湯が突然なくなることはない。また、ユーザーは、予め、近い将来給湯されなくなることがわかるため、給湯の終了に向けて、適切に湯を消費することができる。補助貯湯タンク４の容量は、たとえば一人が１回の入浴時に使用する湯量以上としておくとよい（例えば、４０Ｌ以上１００Ｌ以下）。
【００２９】
給湯不能の可能性を低減するためには、たとえば貯湯槽２の容量を大型化することでも対応できる。しかし、本実施の形態のように補助貯湯タンク４を設けることは、貯湯槽２の大型化と比較して優れている。
【００３０】
外部への湯の供給がない期間に、貯湯槽２からの放熱量を低減させ、貯湯槽２に貯えられた湯の温度を維持するために、貯湯槽２の保温が必要になる。このため、貯湯槽２を大型化すると、必要な保温材の量が増大し、製造コストが大幅に増加する。
【００３１】
一方、本実施の形態のように、貯湯槽２に対して比較的小さな補助貯湯タンク４を用いると、保温のために必要な保温材の量を低減することができる。また、放熱量が小さいため、ヒータ８による水の加熱に必要なエネルギーが少なく、燃料電池コージェネレーションシステム全体としてのエネルギーの利用効率を向上させることができる。
【００３２】
さらに、補助貯湯タンク４の湯の温度を貯湯槽２に貯えられた湯よりも高温としてもよい。この場合、市水などの冷水と混合することにより、ユーザーはより多くの湯を使用することができる。
【００３３】
貯湯槽２は燃料電池システム１の冷却熱源であるため、貯湯槽２に貯える水を高温化すると、燃料電池システム１の冷却が困難になり、燃料電池システム１の運転を阻害する。しかし、本実施の形態のように、貯湯槽２と独立して補助貯湯タンク４を設けると、補助貯湯タンク４の湯の温度を上昇させても燃料電池システム１の冷却に影響を与えず、その運転を阻害することもない。
【００３４】
このように本実施の形態では、燃料電池を用いたコージェネレーションシステムにおいて、低コストで湯切れの発生の可能性を抑制できる。
【００３５】
［第２の実施の形態］
図２は、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの第２の実施の形態におけるブロック図である。
【００３６】
本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムは、第１の実施の形態に、貯湯温度計１３を追加したものである。貯湯温度計１３は、貯湯槽２の下端から所定の高さで貯湯槽に蓄えられた水の温度を測定する。貯湯温度計１３は、貯湯槽２のたとえば鉛直方向の中央の高さに設けられる。また、給湯温度計３は、給湯配管２３と貯湯槽２との接続部に設けられている。
【００３７】
貯湯温度計１３が測定した温度は、制御装置９に伝達される。制御装置９は、補助貯湯タンク４に貯えられた水の温度が補助貯湯タンク加熱要求温度以下となったときであっても、貯湯温度計１３が測定した温度が補助貯湯要求温度より高い場合には、ヒータ８に通電しない。
【００３８】
貯湯槽２に貯えられた水には、下部の冷温層と上部の高温層とが形成されている。このため、貯湯槽２の下端から所定の高さの位置での温度を測定すると、貯湯槽２に貯えられた湯の量が分かる。そこで、本実施の形態では、貯湯槽２に貯えられた湯の量が貯湯槽２の容量の半分程度になったときにのみ、ヒータ８に通電することとしている。つまり、貯湯槽２に十分な湯が貯えられている場合には、ヒータ８への通電を避け、電力消費を抑制している。貯湯温度計１３の設置高さや、補助貯湯タンク加熱要求温度は、補助貯湯タンク４の容量や、ヒータ８による加熱速度、および、ユーザーによる湯の消費速度に応じて、貯湯槽２の湯が消費しつくされない間に補助貯湯タンク４の水を所定の温度まで加熱できるように設定すればよい。
【００３９】
このような燃料電池を用いたコージェネレーションシステムでも、第１の実施の形態と同様に、低コストで湯切れの発生の可能性を抑制できる。また、貯湯槽２の温水が一定量使用された後に補助貯湯タンク４の湯を加熱することにより、たとえば夏季など湯の消費量が比較的少ない時期には、補助貯湯タンク４の加熱電力を削減することができる。
【００４０】
また、給湯温度計３を給湯遮断弁５よりも下流側に設けていると、所定の温度以下の湯が給湯される可能性がある。しかし、本実施の形態では、給湯温度計３を給湯配管２３と貯湯槽２との接続部に設けているため、給湯温度が給湯不能検知温度以下となった場合に給湯遮断弁５を瞬時に閉とすれば、所定の温度以下の湯が供給されなくなる。
【００４１】
［第３の実施の形態］
図３は、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの第３の実施の形態におけるブロック図である。
【００４２】
本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムは、第１の実施の形態に、補助排熱回収配管２６、補助排熱回収遮断弁１１および排熱回収ライン遮断弁１２を追加したものである。排熱回収ライン遮断弁１２は、排熱回収ライン２２の燃料電池システム１よりも下流側に設けられている。
【００４３】
補助排熱回収配管２６は、排熱回収ライン２２の燃料電池システム１と排熱回収ライン遮断弁との間から、補助配管２４の補助遮断弁６と補助貯湯タンク４との間に接続されている。このようにして、補助排熱回収配管２６は、排熱回収ライン２２の燃料電池システム１よりも下流側から分岐して補助貯湯タンク４に延びている。補助排熱回収遮断弁１１は、補助排熱回収配管２６の途中に設けられている。
【００４４】
補助排熱回収遮断弁１１を開くと、排熱回収ライン２２を循環して燃料電池システム１で加熱された水は、排熱回収ライン２２から補助排熱回収配管２６を介して補助貯湯タンク４に流れ込む。つまり、補助排熱回収配管２６および補助排熱回収遮断弁１１は、補助貯湯タンク４に湯を貯える補助貯湯手段として機能する。
【００４５】
補助貯湯タンク４に補助排熱回収配管２６を介して湯が流れ込む際には、給湯配管２３に湯が流れないように、補助遮断弁６を閉としておく。また、この際、排熱回収ライン遮断弁１２を閉としておくことにより、燃料電池システム１で加熱された水を全て補助貯湯タンク４に送ることができる。なお、補助貯湯タンク４に補助排熱回収配管２６を介して湯が流れ込む際には、補助貯湯タンク４の内部に貯えられていた水は、補助加圧配管２５を逆流して、貯湯タンク２に送られる。
【００４６】
運転を開始したら、まず排熱回収ライン遮断弁１２を閉とし、補助排熱回収遮断弁１１を開として、燃料電池システム１で生成した湯を補助貯湯タンク４に蓄積する。補助貯湯タンク４の温度を補助貯湯タンク温度計で計測し、所定の補助貯湯タンク加熱要求温度に達すると補助排熱回収遮断弁１１を閉とし、排熱回収ライン遮断弁１２を開として、燃料電池システム１で生成した湯は貯湯槽２に蓄積される。
【００４７】
また、補助貯湯タンク４に貯えられた水の温度は、補助貯湯タンク温度計７で監視され、所定の補助貯湯タンク加熱要求温度以下となった場合には、制御装置９はヒータ８に通電する。このようにして、補助貯湯タンク４内には、常時、補助貯湯タンク加熱要求温度以上の湯が蓄積されることとなる。
【００４８】
このような燃料電池を用いたコージェネレーションシステムでも、低コストで湯切れの発生の可能性を抑制できる。また、本実施の形態では、燃料電池システム１で生成した温水を優先的に補助貯湯タンク４に供給することにより、ヒータ８に通電することなく、補助貯湯タンク４に所定の温度の湯を貯えることができる。このため、ヒータ８による電力消費を抑制し、システム全体としてのエネルギー効率を向上させることができる。
【００４９】
また、補助貯湯タンク４に湯を貯える補助貯湯手段として、ヒータ８、および、補助排熱回収配管２６および補助排熱回収遮断弁１１を備えることにより、状況に応じてより少ないエネルギーで補助貯湯タンク４に湯を貯えておくことが可能となる。なお、補助貯湯手段は、補助排熱回収配管２６および補助排熱回収遮断弁１１だけでもよい。
【００５０】
［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
【符号の説明】
【００５１】
１…燃料電池システム、２…貯湯槽、３…給湯温度計、４…補助貯湯タンク、５…給湯遮断弁、６…補助遮断弁、７…補助貯湯タンク温度計、８…ヒータ、９…制御装置、１０…連絡装置、１１…補助排熱回収遮断弁、１２…排熱回収ライン遮断弁、１３…貯湯温度計、２１…給水配管、２２…排熱回収ライン、２３…給湯配管、２４…補助配管、２５…補助加圧配管、２６…補助排熱回収配管
【図１】
2011081986.tif 000003
【図２】
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【図３】
2011081986.tif 000005