(57)【要約】【課題】ラジエータ配設のためのスペースおよび駆動動力が不要で、かつ冷却の必要性判断のための検出・制御装置が不要あるいは簡易でコンパクトなシステムで構成される燃料電池の熱回収装置を提供する。【解決手段】燃料電池（１）の冷却回路に熱回収用熱交換器（３）を介装し、貯湯槽（２）からその熱交換器（３）を経て再度貯湯槽（２）に戻る熱回収水回路（Ｌ１、Ｌ２）を設け、その熱回収水によって前記熱交換器（３）と熱交換を行って貯湯槽（２）に温水を蓄える燃料電池の熱回収装置において、前記貯湯槽（２）から熱回収用熱交換器（３）に至る熱回収水回路（Ｌ１）に外部と熱交換を行う放熱手段（４）を設ける。【選択図】  図１
2005063675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の冷却回路に熱回収用熱交換器を介装し、貯湯槽からその熱交換器を経て貯湯槽に戻る熱回収水回路を設け、その熱回収水によって燃料電池で発生した熱を貯湯槽に蓄熱する燃料電池の熱回収装置において、前記貯湯槽から熱回収用熱交換器に至る熱回収水回路に外部と熱交換を行う放熱手段を設け、該放熱手段は、前記貯湯槽とその設置基礎との間の空間に放熱管を配設して放熱するように構成されていることを特徴とする燃料電池の熱回収装置。
【請求項２】
燃料電池の冷却回路に熱回収用熱交換器を介装し、貯湯槽からその熱交換器を経て貯湯槽に戻る熱回収水回路を設け、その熱回収水によって燃料電池で発生した熱を貯湯槽に蓄熱する燃料電池の熱回収装置において、前記貯湯槽から熱回収用熱交換器に至る熱回収水回路に外部と熱交換を行う放熱手段を設け、該放熱手段は、これらの装置を設置するコンクリート基礎の内部に放熱管を埋設して構成されていることを特徴とする燃料電池の熱回収装置。
【請求項３】
燃料電池の冷却回路に熱回収用熱交換器を介装し、貯湯槽からその熱交換器を経て貯湯槽に戻る熱回収水回路を設け、その熱回収水によって燃料電池で発生した熱を貯湯槽に蓄熱する燃料電池の熱回収装置において、前記貯湯槽から熱回収用熱交換器に至る熱回収水回路に外部と熱交換を行う放熱手段を設け、該放熱手段は、前記貯湯槽の設置基礎近傍の土中に放熱管を配設して構成されていることを特徴とする燃料電池の熱回収装置。
【請求項４】
前記熱回収水回路に温度センサを設け、前記熱回収用熱交換器に供給される熱回収水の温度が所定値以上であれば燃料電池の出力を低下させる制御を行う様に構成された制御手段を有する請求項１〜３の何れか１項の燃料電池の熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池運転時の発生熱を給湯等に利用する燃料電池コージェネレーションシステムにおける熱回収装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池で発生した電力と共に、燃料電池の運転に伴って発生する熱をも（例えば温水として）利用している燃料電池コージェネレーションシステムでは、図１０に示すように、燃料電池１の冷却水回路に熱回収用熱交換器３を介装して、燃料電池側の排熱（燃料電池の冷却、凝縮熱、あるいは改質器の発熱）を取り出している。
すなわち、貯湯槽２からその熱交換器３を経て貯湯槽２に戻る熱回収水回路Ｌ１、Ｌ２を設け、回路Ｌ１、Ｌ２を流れる熱回収水が、熱交換器３において燃料電池側と熱交換を行って、以って、貯湯槽２に蓄熱している（温水を蓄えている）。
【０００３】
このようなシステムでは、貯湯槽２に十分熱が蓄えられて（いわゆる「満タン」となり）、循環する熱回収水が高温になると（約４０度を超えると）燃料電池１の冷却に不十分となり、燃料電池１が運転を継続できなくなる。そのため、貯湯槽２から熱交換器３への熱回収水回路Ｌ１に並列にラジエータ１５を設け、制御ユニット１０が冷却を必要と判断すると三方弁１６を動作させて流路を切り換え、同時にラジエータ１５を運転して冷却を行っている（特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、上記した従来技術では、以下に列挙するような問題点を有している。
（１）  ラジエータ取付けスペースが必要。
（２）  ラジエータでの冷却に電力を消費し、燃料電池による発電電力の有効利用分が減少してしまう。
（３）  冷却の必要性判断のために温度センサなどの検出装置や制御ユニット、あるいは流路切り換えのための三方弁などが必要であり、複雑な構成となる。
（４）  ラジエータの電源や制御ユニットへの配線工事が必要。
（５）  ラジエータには凍結対策を行う必要がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３２５９８２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に対処するため提案するものであり、ラジエータ配設のためのスペースおよび駆動動力が不要で、かつ冷却の必要性判断のための検出・制御装置が不要または簡易でコンパクトなシステムで構成される燃料電池の熱回収装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池の熱回収装置は、燃料電池（１）の冷却回路に熱回収用熱交換器（３）を介装し、貯湯槽（２）からその熱交換器（３）を経て貯湯槽（２）に戻る熱回収水回路（Ｌ１、Ｌ２）を設け、その熱回収水によって燃料電池（１）で発生した熱を貯湯槽（２）に蓄熱する燃料電池の熱回収装置において、前記貯湯槽（２）から熱回収用熱交換器（３）に至る熱回収水回路（Ｌ１）に外部と熱交換を行う放熱手段（４）を設け、該放熱手段（４）は、前記貯湯槽（２）とその設置用基礎（５）との間の空間に放熱管（４Ａ）を配設して放熱するように構成されていることを特徴としている（請求項１）。
【０００８】
一般に、燃料電池コージェネレーションシステムは、
（１）  起動時に比較的大きなエネルギを消費する、
（２）  起動・停止にある程度の時間がかかる、
という特性を有するものである。
そこで発明者は種々研究の結果、貯湯槽が温水で満杯になった場合でも、温水需要があるまでの間は出力を最低レベルに抑えて運転を続ければ、燃料電池を停止する必要が無く、上記特性（１）、（２）に対応することが出来ることを見出した。そして、燃料電池を停止しない程度の最低レベルの出力で運転させれば、運転継続のために必要な熱回収回路の放熱量は少なく、放熱手段の簡略化が可能となることを見出した。
係る知見により、本発明に至ったものである。
【０００９】
したがって、上述したような構成によれば、熱回収用熱交換器へ送られる熱回収水は、外部と熱交換を行う放熱手段を常に通り、その温度が高い場合には自然冷却される。そして、冷却のための特別な動力を必要とせず、また、冷却の必要性を判断する検出装置や制御ユニット等を、あるいは流路を切換る三方弁を必要としない。
【００１０】
また、本発明の燃料電池の熱回収装置は、燃料電池（１）の冷却回路に熱回収用熱交換器（３）を介装し、貯湯槽（２）からその熱交換器（３）を経て貯湯槽（２）に戻る熱回収水回路（Ｌ１、Ｌ２）を設け、その熱回収水によって燃料電池（１）で発生した熱を貯湯槽（２）に蓄熱する燃料電池の熱回収装置において、前記貯湯槽（２）から熱回収用熱交換器（３）に至る熱回収水回路（Ｌ１）に外部と熱交換を行う放熱手段（４）を設け、該放熱手段（４）は、これらの装置を設置するコンクリート基礎（５Ａ）の内部に放熱管（４Ｂ）を埋設して構成されているのを特徴としている（請求項２）。
【００１１】
あるいは、本発明の燃料電池の熱回収装置は、燃料電池（１）の冷却回路に熱回収用熱交換器（３）を介装し、貯湯槽（２）からその熱交換器（３）を経て貯湯槽（２）に戻る熱回収水回路（Ｌ１、Ｌ２）を設け、その熱回収水によって燃料電池で発生した熱を貯湯槽（２）に蓄熱する燃料電池の熱回収装置において、前記貯湯槽（２）から熱回収用熱交換器（３）に至る熱回収水回路（Ｌ１）に外部と熱交換を行う放熱手段（４）を設け、該放熱手段（４）は、前記貯湯槽（２）の設置基礎（５）近傍の土中に放熱管（４Ｃ）を配設して構成されていることを特徴としている（請求項３）。
【００１２】
また、本発明の燃料電池の熱回収装置において、前記熱回収水回路（Ｌ１）に温度センサ（Ｔ１またはＴ２）を設け、前記熱回収用熱交換器（３）に供給される熱回収水の温度が所定値以上であれば燃料電池（１）の出力を低下させる制御を行う様に構成された制御手段（制御ユニット１０）を有しているのが好ましい（請求項４）。
この様な熱回収装置を備えた燃料電池（請求項４の燃料電池の熱回収装置）の制御方法は、前記熱回収水回路（Ｌ１）に設けた温度センサ（Ｔ１またはＴ２）により、前記熱回収用熱交換器（３）に供給される熱回収水の温度を計測する工程と、当該熱回収水が所定値以上であれば燃料電池（１）の出力を低下させる工程、とを有するのが好ましい。
【００１３】
係る構成を採用すれば、熱交換器へ供給する熱回収水の温度を所定値以下に制御することが出来るので、燃料電池の運転を確実に継続することができる。そして、簡易な制御システムで実現できる。
【００１４】
なお、このようなコージェネレーションシステムでは、冬場の外気温度が低い場合、凍結による配管破損の防止をしなければならない。内部配管などには、検知温度が設定値以下になると電気ヒータに通電するなどの方法が採られており、従来は、ラジエータなどの外部配管には独立した凍結防止制御が必要であった。一方、本発明においては、独立の凍結防止装置を必要とせず、内部配管の凍結防止制御が利用でき、システム構成を簡易化できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
なお、前記図１０で説明した従来技術と同様の部品には同じ符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１６】
図１において、貯湯槽２は円筒状で比較的縦長であって、温水は上層が高温、下層が低温の成層式に蓄えられている。すなわち、燃料電池１から熱回収された６０〜７０度Ｃの温水が回路Ｌ２により貯湯槽２の上部に投入されており、給湯等の利用には貯湯槽２の上部から流路Ｌ３によって取り出される。また、熱交換器３への回路Ｌ１を流れる熱回収水、換言すれば燃料電池１の冷却に用いられる熱回収水は、温度の低い貯湯槽２の下部から取り出されている。
そして、貯湯槽２から出た回路Ｌ１には放熱手段５が介装されており、熱回収水は外部へ放熱し冷却されて熱交換器３へ送られている。
【００１７】
図２および図３には、放熱手段の実施形態の詳細が示されている。
貯湯槽２は、コンクリート基礎５上に、（図示例では３本の）支持脚６を介して設置されており、その支持脚６による基礎５と貯湯槽２下面との空隙δに脚６との干渉を避け複数回折り曲げ折り返された放熱配管４Ａが配設されている。
【００１８】
この放熱配管４Ａの配設されるスペースは、従来、デッドスペースであってラジエータの配設は不可能なスペースである。また、貯湯槽２の水温の低い底部の下方であって周囲温度は低く、放熱効果は大きい。
なお、符号７は補助熱源機を示し、燃料電池１側からの回収熱が不足などの温水温度が低い場合には、補助運転を行って適正な水温を保持している。
【００１９】
図示はされていないが、放熱配管４Ａにフィンを設けると、さらに効果的である。もちろん、放熱配管４Ａの断面形状は円形管に限らず冷却効果を向上するために表面積を増加した各種断面形状の異形管を採用してもよく、あるいは、蛇腹管のように表面積の大きい管を用いても良い。
【００２０】
また、図４および図５に示す実施形態では、放熱手段はコンクリート基礎５Ａ内に放熱配管４Ｂが埋設されている。このような構成にすれば、コンクリート基礎５Ａは、大きな熱容量を有しているので、十分な放熱効果を得ることができる。
なお、このような家庭用の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、貯湯槽が温水で満杯になってから温水需要があるまでの時間は比較的短時間であるため、基礎５Ａの温度上昇により放熱効果が低減するという問題は生じない。
【００２１】
さらに、図６および図７にその他の実施形態を示す。
図６は、基礎５近傍の地中に放熱管４Ｃを埋設するようにしたものである。装置の設置に際しては、基礎工事等の簡単な（地ならし程度の）土木工事が行われており、このような放熱管埋設作業は特段に工数増加となるものではない。
【００２２】
また、図７に示す実施形態は、貯湯槽を含むユニットのケーシングＣの一側面に放熱手段を設けたものである。この場合、放熱手段は、例えば折り返した放熱管４Ｄを用い、ケーシングＣの内側、あるいは外側のいずれに設けてもよい。そして、ケーシングＣの下方位置に設けると環境温度が低く、しかも接続距離が短くできるので好ましい。
【００２３】
以上説明した各実施形態では、複雑な検出装置や制御ユニットを使用せずに自然放熱を行うものであるが、次に、簡単な構成による運転制御を行う実施形態について図８を参照して説明する。
図８において、貯湯槽２の下方から熱回収用熱交換器３に連通する熱回収水回路Ｌ１には放熱手段４が介装されており、その回路Ｌ１には熱回収水の温度を検出する温度センサＴ１が設けられている。
【００２４】
なお、図８には、貯湯槽２の下部にも温度センサＴ２が取り付けられて示されているが、後記のように、温度センサはＴ１またはＴ２のいずれかの一方でよく、それぞれに適正な所定温度によって比較判定するようにする。
【００２５】
そして、制御ユニット１０が設けられており、温度センサＴ１（またはＴ２）から検出データが入力され、制御ユニット１０からはそのデータに基づいて燃料電池１へ制御信号が送られるように構成されている。
その制御は、冷却が必要になった場合に、燃料電池の出力を抑えるように運転制御を行って必要放熱量を低減させることで自然冷却を可能としている。
【００２６】
その冷却の必要性の判定には、以下の方法が選択できる。
（１）  貯湯槽から燃料電池に送られる熱回収水の温度が高い場合（センサＴ１で検出）。
（２）  貯湯槽下部の温水の温度が高い場合（センサＴ２で検出）。
（３）  あるいは、ユーザの熱・電力需要を予測して燃料電池の運転時間・出力を決定する運転制御方式においては、次の熱需要の発生予測時刻までに貯湯槽が温水で満杯になると予測された場合に、その熱需要が発生するまで燃料電池の出力を低下させる。
【００２７】
上記（１）または（２）による制御の態様を図９のフローチャートにより説明する。
まず、温度センサＴ１（またはＴ２）で水温ｔを検出し（ステップＳ１）、検出された水温ｔが所定値以上か判定する（ステップＳ２）。Ｎｏであれば、ステップＳ４にジャンプし、Ｙｅｓであれば、燃料電池（ＦＣ）１の出力を低下させる（ステップＳ３）。そして、ステップＳ４で制御が終了か否かの判断を行い、ＮｏであればステップＳ１に戻る。
【００２８】
このような構成においては、出力低下時の運転において、
Ｑ１（熱交換器の交換熱量）≦Ｑ２（放熱手段放熱熱量）
となるように放熱手段４を設定すればよい。
【００２９】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。
【００３０】
【発明の効果】
本発明による作用効果は以下に示す通りである。
（１）  ラジエータ設置のために要した特別なスペースを必要としないため、システムのコンパクト化が図れる。
（２）  特別な動力を使用せずに冷却が可能である。
（３）  冷却の必要性を判断するためのセンサ等の検出器・制御ユニットが不要または簡易化でき、かつ流路の切り換えのための三方弁等が不要でシステムの構成を簡易化出来る。
（４）  水の冷却に関わる電源供給や制御用などの配線が不要である。
（５）  放熱部分の凍結防止制御を独立に用意する必要がなく、システム構成の簡易化とコスト低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す構成図。
【図２】本発明の放熱手段の一実施形態を示す側面図。
【図３】図２のａ−ａ矢視平面図。
【図４】放熱手段の別の実施形態を示す側面図。
【図５】図４のｂ−ｂ矢視断面図。
【図６】放熱手段のさらに別の実施形態を示す側面図。
【図７】放熱手段のさらに別の実施形態を示す側面図。
【図８】制御と組み合わせた実施形態を説明する構成図。
【図９】図８の構成による制御機能を示すフローチャート。
【図１０】従来の燃料電池の熱回収装置の構成を示す図。
【符号の説明】
１・・・燃料電池
２・・・貯湯槽
３・・・熱回収用熱交換器
４、４Ａ、４Ｂ・・・放熱手段
５・・・基礎
７・・・補助熱源機
１０・・・制御ユニット
１５・・・ラジエータ
１６・・・三方弁
Ｔ１、Ｔ２・・・温度センサ
【図１】
2005063675.tif 000003
【図２】
2005063675.tif 000004
【図３】
2005063675.tif 000005
【図４】
2005063675.tif 000006
【図５】
2005063675.tif 000007
【図６】
2005063675.tif 000008
【図７】
2005063675.tif 000009
【図８】
2005063675.tif 000010
【図９】
2005063675.tif 000011
【図１０】
2005063675.tif 000012