(57)【要約】【課題】排気ガスから凝縮したドレンの不足による出力低下や運転停止を防ぎ、省エネ性及び経済性を損なうことなく運転することができる家庭用燃料電池コージェネレーションシステムを提供すること。【解決手段】燃料電池を用いた発電部２０と、発電部２０からの排気ガスの熱と導入される水との間で熱交換を行う熱交換器２１とを備える燃料電池ユニット２と、熱交換器２１で加熱された温水を貯める貯湯タンク２２と、貯湯タンク２２から出湯される温水を補助的に加熱する燃焼部３０とを有し、熱交換器２１にて排気ガスから発生したドレンを発電部２０に供給して燃料改質に使用する家庭用燃料電池コージェネレーションシステム１において、燃焼部３０で発生するドレンを貯めるドレン回収タンク３１と、ドレン回収タンク３１と発電部２０とを接続するドレンラインＬ３とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を用いた発電部と、前記燃料電池からの排気ガスの熱と導入される水との間で熱交換を行う熱交換器とを備える燃料電池ユニットと、前記熱交換器で加熱された温水を貯める貯湯タンクと、前記貯湯タンクから出湯される温水を補助的に加熱する給湯器とを有し、前記熱交換器にて前記排気ガスから発生したドレンを前記発電部に供給して燃料改質に使用する家庭用燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
前記給湯器で発生するドレンを貯めるドレン回収タンクと、
前記ドレン回収タンクと前記発電部とを接続するドレンラインと、
を有することを特徴とする家庭用燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項２】
請求項１に記載する家庭用燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
前記ドレンラインを遮断又は開放する電磁弁と、
前記電磁弁を開閉して前記給湯器で発生するドレンの前記発電部への供給を制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記熱交換器から前記発電部に供給されるドレンが不足した場合に、前記電磁弁を開弁して前記ドレン回収タンクからドレンを前記発電部へ供給する
ことを特徴とする家庭用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、燃料電池の発電に伴って発生する熱を回収利用して温水を生成する家庭用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】
例えば、都市ガスから取り出した水素と空気中の酸素を反応させて電気を取り出す燃料電池ユニットと、発電中に発生する熱を温水として回収して貯めておく貯湯ユニット（貯湯タンク＋給湯器）とで構成される家庭用燃料電池コージェネレーションシステムが実用化されている。また、燃料電池ユニットに貯湯タンクを内蔵し、燃料電池ユニットと給湯器で構成される家庭用燃料電池コージェネレーションシステムもある。このような家庭用燃料電池コージェネレーションシステムでは、都市ガスから水素を取り出す改質（水蒸気改質）工程において、排気ガスから発生（凝縮）したドレンを再利用する水の自立運転が行われている。
【０００３】
ここで、夏季などシステムの周辺温度が著しく高い場合には、排気ガスから発生するドレンが不足するおそれがある。そして、ドレンが不足すると、コージェネレーションシステムが自動で出力低下したり、運転を停止したりすることがある。そうすると、コージェネレーションシステムの省エネ性や経済性を損なう。そのため、ドレンが不足しないように、例えば、都市ガスと空気の比率に応じて熱回収ポンプを制御し、ドレンの回収量を調整する燃料電池システムが開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２１０４４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の燃料電池システムであっても、システムの周辺温度が著しく高い場合には、排気ガスから発生するドレンが少なくなる。そのため、上記の燃料電池システムでも、夏季などシステムの周辺温度が著しく高い場合には、ドレンが不足してしまい、出力低下や運転停止が発生するおそれを解消することはできない。
【０００６】
そこで、本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、排気ガスから凝縮したドレンの不足による出力低下や運転停止を防ぎ、省エネ性及び経済性を損なうことなく運転することができる家庭用燃料電池コージェネレーション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】
【０００７】
上記課題を解決するためになされた本発明の一形態は、
燃料電池を用いた発電部と、前記燃料電池からの排気ガスの熱と導入される水との間で熱交換を行う熱交換器とを備える燃料電池ユニットと、前記熱交換器で加熱された温水を貯める貯湯タンクと、前記貯湯タンクから出湯される温水を補助的に加熱する給湯器とを有し、前記熱交換器にて前記排気ガスから発生したドレンを前記発電部に供給して燃料改質に使用する家庭用燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
前記給湯器で発生するドレンを貯めるドレン回収タンクと、
前記ドレン回収タンクと前記発電部とを接続するドレンラインと、
を有することを特徴とする。
【０００８】
この家庭用燃料電池コージェネレーションシステムでは、熱交換器にて発電部から排出される排気ガスから発生したドレンを発電部に供給して燃料改質に使用している。そして、このコージェネレーションシステムでは、給湯器で発生するドレンを貯めるドレン回収タンクと、ドレン回収タンクと発電部とを接続するドレンラインとを有する。そのため、発電部に対して、熱交換器で発生するドレンの他に、給湯器で発生するドレンを供給することができる。すなわち、夏季などシステムの周辺温度が著しく高くて、熱交換器で発生する排気ガスからのドレンが不足するような場合であっても、給湯器で発生したドレンをドレン回収タンクから発電部へ供給することできる。これにより、発電部に供給するドレンが不足することがなくなり、出力低下や運転停止が防止されるため、省エネ性及び経済性を損なうことなく運転することができる。
【０００９】
ここで、発電部に供給されるドレンは、燃料改質に使用する前にイオン交換樹脂を通して、ドレンの不純物を除去するとともに純水化される。そのため、ドレン回収タンクからドレンを発電部へ必要以上に供給してしまうと、イオン交換樹脂の寿命を縮めてしまい、交換周期が短くなってメンテナンスコストが上昇してしまう。
【００１０】
そこで、上記した家庭用燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
前記ドレンラインを遮断又は開放する電磁弁と、
前記電磁弁を開閉して前記給湯器で発生するドレンの前記発電部への供給を制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記熱交換器から前記発電部に供給されるドレンが不足した場合に、前記電磁弁を開弁して前記ドレン回収タンクからドレンを前記発電部へ供給する
ことが好ましい。
【００１１】
このような構成にすることにより、ドレン回収タンクからドレンが発電部に供給されるのは、熱交換器から発電部に供給されるドレンが不足した場合に限られる。これにより、ドレン回収タンクからドレンが発電部へ必要以上に供給されることがない。従って、発電部にドレンが必要以上に供給されることを確実に防止することができるため、イオン交換樹脂の寿命を縮めることはなく、メンテナンスコストを上昇させることはない。
【００１２】
なお、ドレン回収タンクには、予め決められた一定量のドレンを貯めておければよく、一定量を超える場合にはドレンをオーバーフローさせ、燃料電池ユニットの排水ラインを介して処理するようにすればよい。
こうすることにより、例えば、集合住宅ではドレンを排水系統に捨てる必要があるため、給湯器で発生するドレンを浴室まで誘導している場合には、施工費を低減することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の家庭用燃料電池コージェネレーションシステムによれば、排気ガスから凝縮したドレンの不足による出力低下や運転停止を防ぎ、省エネ性及び経済性を損なうことなく運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態に係るコージェネレーションシステムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の家庭用燃料電池コージェネレーションシステムを具体化した実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１に、本実施形態の家庭用燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に「コージェネレーションシステム」という。）１の概略構成を示す。本実施形態のコージェネレーションシステム１は、燃料電池ユニット２と、給湯器３と、制御部４とを有している。
【００１６】
燃料電池ユニット２は、発電部２０と、熱交換器２１と、貯湯タンク２２とを備えている。発電部２０は、都市ガスと空気との供給を受けて電力を発生する燃料電池により構成されている。この発電部２０は、燃料電池スタックの他に、燃料改質器などを内蔵している。発電部２０は、燃料改質器から送られてくる水素と、ブロワ等から送られた空気中の酸素とが電気化学的に反応して、電力を発生するとともに、主として水蒸気と窒素などとからなる高温の排気ガスを排出する。
【００１７】
熱交換器２１は、発電部２０から排出された高温の排気ガスと、システム内に導入される水との間で熱交換を行い、水を昇温させて温水にして出力するとともに、排気ガスを降温させるものである。このため，発電部２０から熱交換器２１へ排気ガスを導くガスラインＬ１が設けられている。
【００１８】
貯湯タンク２２は、熱交換器２１から出力される温水を貯蔵するものである。そして、貯湯タンク２２に貯められた温水は、給湯器３を介して、需要先へ供給されるようになっている。
【００１９】
ここで、熱交換器２１において、ガスラインＬ１により供給された排気ガス中には水蒸気が多く含まれているため、熱交換により水蒸気が凝縮してドレンが発生する。そのため、熱交換器２１からドレンを回収するようになっている。そして、回収したドレンを、ポンプ２３によりドレンラインＬ２を介して発電部２０に還流させている。ポンプ２３は、制御部４に接続されており、制御部４により制御されるようになっている。このようにドレンを発電部２０へ還流させるのは、発電部２０における燃料改質器において都市ガスを改質（水蒸気改質）して水素を得る反応を起こさせるためである。なお、ガスラインＬ１から熱交換器２１に供給された排気ガスのうちドレンとならなかった部分は、屋外へ排出される。
【００２０】
そして、ドレンラインＬ２には、イオン交換樹脂２４が設けられている。そのため、発電部２０へ還流させるドレンは、イオン交換樹脂２４を通過することにより、不純物が除去されるとともに純水化される。
【００２１】
なお、コージェネレーションシステム１には、インバータユニットが設けられており、発電部２０で発生した電力を、商用電源からの電力と同じ交流に変換して需要先に供給するようになっている。ここで電力の供給先には、コージェネレーションシステム１の一部である制御部４、ポンプ２３、及び後述する電磁弁３２なども含まれる。
【００２２】
給湯器３は、貯湯タンク２２から出力される温水を補助的に加熱するものである。そのため、給湯器３には、燃焼部３０が備わっており、都市ガスが供給されている。これにより、燃焼部３０において、貯湯タンク２２から出力された温水が加熱されて、その加熱された温水が需要先へ供給されるようになっている。
【００２３】
そして、給湯器３には、燃焼部３０で温水が加熱された際に発生するドレンを一時的に貯めておくドレン回収タンク３１が設けられている。このドレン回収タンク３１は、ドレンラインＬ３を介して発電部２０に接続されている。なお、ドレンラインＬ３は、その一部（例えばイオン交換樹脂２４より下流側（発電部２０側））を、ドレンラインＬ２と共用している。これにより、給湯器３（燃焼部３０）で発生するドレンを発電部２０へ供給することができる。従って、本実施形態のコージェネレーションシステム１では、発電部２０に対して、熱交換器２１で発生するドレンの他に、燃焼部３０で発生するドレンを供給することができる。
【００２４】
ドレン回収タンク３１には、予め決められた一定量のドレンが貯まるようになっており、一定量を超えたドレンはオーバーフローする。そして、ドレン回収タンク３１からオーバーフローしたドレンは、燃料電池ユニット２の排水ラインを介して処理される。これにより、例えば、集合住宅において、ドレンを排水系統に捨てるために、給湯器３で発生するドレンを浴室まで誘導している場合であれば、コージェネレーションシステム１の施工費を低減することができる。
【００２５】
ここで、ドレンラインＬ３（イオン交換樹脂２４より上流側（ドレン回収タンク３１側））には、電磁弁３２が配置されている。この電磁弁３２は、制御部４からの指令に基づいて開閉される。この電磁弁３２の開閉制御により、ドレン回収タンク３１から発電部２０へのドレンの供給が制御される。すなわち、電磁弁３２が開弁すると、ドレン回収タンク３１から発電部２０へドレンが供給され、電磁弁３２が閉弁すると、ドレン回収タンク３１から発電部２０へのドレンの供給が停止する。
【００２６】
制御部４は、コージェネレーションシステム１の各種機器を制御するものである。この制御部４により、電磁弁３２が開閉されて燃焼部３０で発生するドレンの発電部２０への供給が制御される。制御部４は、熱交換器２１から発電部２０へのドレンの供給状況に関する情報を受けるようになっている。そして、この情報に基づき、制御部４は、電磁弁３２の開閉制御を行う。具体的に、制御部４は、熱交換器２１から発電部２０に供給されるドレンが予め定められた下限量以下となってドレンが不足したと判断した場合に、電磁弁３２を開弁する。なお、ドレン不足と判断する下限量としては、発電部２０の出力を低下させる必要が生じるドレン量を設定すればよい。
【００２７】
このような本実施形態のコージェネレーションシステム１では、発電部２０において、供給される都市ガスから燃料改質部で取り出した水素と空気中の酸素を反応させて発電を行う。また、この発電部２０における発電に伴って発生する排気ガスを利用して、熱交換器２１において、システムに導入される水を加熱し温水として貯湯タンク２２に貯める。このとき、熱交換器２１からドレンが発生し、そのドレンはポンプ２３によって発電部２０へ供給され、都市ガスから水素を取り出すため（燃料改質）に使用される。
【００２８】
そして、夏季などシステムの周辺温度が著しく高くなると、熱交換器２１において排気ガスから発生するドレンが少なくなる。周辺温度が高いと、排気ガスに含まれる水蒸気が凝縮し難くなり、そのまま排気ガスとして屋外に排出されるからである。そのため、システムの周辺温度が著しく高くなると、熱交換器２１から発電部２０に供給するドレンが不足する場合が生じる。そして、発電部２０に供給するドレンが不足すると、コージェネレーションシステム１において、制御部４が出力を低下させたり、運転を停止させたりするおそれがあり、省エネ性や経済性を損なってしまう。その一方、熱交換器２１からのドレンが不足する時期（夏季など）は多湿環境であるため、燃焼部３０で発生するドレンが多くなる傾向がある。
【００２９】
そこで、本実施形態のコージェネレーションシステム１では、燃焼部３０で発生するドレンを一時的にドレン回収タンク３１に貯めて、ドレン回収タンク３１からドレンラインＬ３を介して発電部２０へドレンを供給することができるようになっている。そのため、夏季などシステムの周辺温度が著しく高くて、熱交換器２１で発生する排気ガスからのドレンが不足した場合、制御部４が電磁弁３２を開弁する。これにより、ドレン回収タンク３１内の燃焼部３０で発生したドレンが発電部２０に供給される。従って、発電部２０に供給するドレンが不足することがなくなり、出力低下や運転停止が防止されるため、省エネ性及び経済性を損なうことなく運転することができる。
【００３０】
そして、ドレン回収タンク３１からドレンが発電部２０に供給されるのは、熱交換器２１から発電部２０に供給されるドレンが不足した場合に限られる。そのため、ドレン回収タンク３１からドレンが発電部２０へ必要以上に供給されない。このように、本実施形態のコージェネレーションシステム１では、ドレン回収タンク３１から発電部２０にドレンを供給可能にしているが、発電部２０にドレンが必要以上に供給されることが確実に防止されている。従って、ドレン回収タンク３１から発電部２０へドレンを供給しても、イオン交換樹脂２４の寿命を縮めることはなく、メンテナンスコストを上昇させることはない。
【００３１】
このように本実施形態のコージェネレーションシステム１によれば、燃焼部３０で発生するドレンを貯めるドレン回収タンク３１と、ドレン回収タンク３１と発電部２０とを接続するドレンラインＬ３と、ドレンラインＬ３を遮断又は開放する電磁弁３２と、電磁弁３２を開閉して燃焼部３０で発生するドレンの発電部２０への供給を制御する制御部４とを有するので、制御部４により、熱交換器２１から発電部２０に供給されるドレンが不足した場合に、電磁弁３２を開弁してドレン回収タンク３１からドレンを発電部２０へ供給することができる。これにより、熱交換器２１において排気ガスから凝縮したドレンの不足による出力低下や運転停止を防ぎ、省エネ性及び経済性を損なうことなく運転することができる。
【００３２】
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記の実施形態では、貯湯タンク２２が燃料電池ユニット２に内蔵されているが、貯湯タンクは燃料電池ユニットと別体であってもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１    家庭用燃料電池コージェネレーションシステム（コージェネレーションシステム）
２    燃料電池ユニット
３    給湯器
４    制御部
２０  発電部
２１  熱交換器
２４  イオン交換樹脂
３０  燃焼部
３１  ドレン回収タンク
３２  電磁弁
Ｌ２  ドレンライン
Ｌ３  ドレンライン
【図１】
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