(57)【要約】    【課題】  システムを複雑にすることなく、利用される温水温度が異なる複数の外部熱利用機器を接続することができ、熱利用効率の高い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】  貯湯タンク７に市水入水接続口16と複数の給湯出口12，14を設け、給湯出口12，14にそれぞれ閉止弁13，15を設けた。貯湯タンク７に温度検出手段11を設け、温度検出手段11の検出温度に基づき閉止弁13，15の動作を制限するように構成した。システムを複雑にすることなく、利用される温水温度が異なる複数の外部熱利用機器を接続することができ、熱利用効率の高い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ができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、発生する熱を温水として蓄える貯湯槽と、この貯湯槽と前記燃料電池とを接続して温水を循環させる循環部とを備え、前記貯湯槽に接続部と給湯排出部を設け、前記給湯排出部に開閉手段を設けるとともに、前記貯湯槽または前記循環部に検出手段を設け、前記検出手段で前記開閉手段を制御するように構成した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】
前記給湯排出部は高温熱利用機器が接続される高温給湯排出部と低温熱利用機器が接続される低温給湯排出部とから構成され、前記検出手段が予め設定した値以下のとき、前記高温給湯排出部に設けられた前記開閉手段の開動作を禁止するように構成したことを特徴とする請求項１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】
前記給湯排出部は高温熱利用機器が接続される高温給湯排出部と低温熱利用機器が接続される低温給湯排出部とから構成され、前記検出手段が予め設定した値以上のとき、前記低温給湯排出部に設けられた前記開閉手段の開動作を禁止するように構成したことを特徴とする請求項１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】
前記高温給湯排出部を前記貯湯槽の上部に設け、前記低温給湯排出部を前記貯湯槽の下部に設けたことを特徴とする請求項２または３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】
前記高温熱利用機器は、空調機器、浴槽、乾燥機器のいずれかであることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項６】
前記低温熱利用機器は、洗濯機、屋外利用機器のいずれかであることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項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、電力および熱を発生させる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】
燃料電池は、水素などの燃料ガスと酸素などの酸化剤ガスを反応させて発電するが、この反応において電力と同時に熱も発生する（例えば、特開２００２−２１６８２８号公報を参照）。燃料電池コージェネレーションシステムは、この電力および熱を外部負荷に供給するものである。
【０００３】
従来の燃料電池コージェネレーションシステムを図２に示す。１は燃料ガス生成部であり、この燃料ガス生成部１は、外部より供給された天然ガス等の原料を水蒸気雰囲気下で加熱して水素リッチな燃料ガスを生成する。そして、燃料電池生成部１で生成された燃料ガスと、空気等の酸化剤ガスが燃料電池２に供給される。燃料電池２で発生した直流電力は、インバータ３で交流電力に変換された後、商用電源と系統連携して外部電力利用機器に供給されるようになっている。
【０００４】
また、燃料電池２で発生した熱は、以下のようにして給湯や暖房などの外部熱利用機器に供給されている。
【０００５】
燃料電池２で発生した熱を回収するために、燃料電池２から熱を回収して輸送する熱輸送媒体を循環させる熱輸送媒体循環路４と、熱輸送媒体から温水循環路９へ熱を移動させる熱交換器５が設けられ、温水循環路９の循環ポンプ６により温水を循環させて貯湯タンク７に高温水を供給するようになっている。
【０００６】
貯湯タンク７には市水が蓄えられており、温水循環路９に設けられた流路切替弁８は、通常稼動時には図２におけるＡ−Ｂ間が接続され、貯湯タンク７の上部より温水が入り、貯湯タンク７の下部より冷水が放出されて温水循環路９を循環することにより貯湯タンク７内の水は加熱される。また、貯湯タンク７の温水が充分に昇温すると、流路切替弁８のＡ−Ｃ間が接続されて温水は放熱器10へ導かれ、余分な熱はこの放熱器10によって外部に放出されるようになっている。このようにして得られた温水は、貯湯タンク７の上部と接続された給湯出口より給湯設備や暖房設備などの外部熱利用機器に利用されるようになっていた。
【特許文献１】特開２００２−２１６８２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような従来の燃料電池コージェネレーションシステムにおいては、貯湯タンク７の給湯出口が１箇所であるため、外部熱利用機器へ供給される温水の温度が１種類のみとなり、利用される温水温度が異なる複数の外部熱利用機器を接続しようとした場合、それぞれの外部熱利用機器に適した温水温度とするために追炊き加熱を追加したり、放熱装置を追加したりしなければならず、システムが複雑になるとともに、熱利用効率が低下する虞があった。
【０００８】
そこで本発明は上記問題点に鑑み、システムを複雑にすることなく、利用される温水温度が異なる複数の外部熱利用機器を接続することができ、熱利用効率の高い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その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の請求項１における燃料電池コージェネレーションシステムでは、貯湯槽または循環部に設けられた検出手段で開閉手段を制御することで、外部熱利用機器への温水供給を選択制御できるので、システムを複雑にすることなく、熱利用効率の高い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ができる。
【００１０】
本発明の請求項２における燃料電池コージェネレーションシステムでは、検出手段が予め設定した値以下のとき、高温給湯排出部に設けられた開閉手段の開動作を禁止することで、利用される温水温度が異なる外部熱利用機器を接続することができる。
【００１１】
本発明の請求項３における燃料電池コージェネレーションシステムでは、検出手段が予め設定した値以上のとき、低温給湯排出部に設けられた開閉手段の開動作を禁止することで、利用される温水温度が異なる外部熱利用機器を接続することができる。
【００１２】
本発明の請求項４における燃料電池コージェネレーションシステムでは、高温給湯排出部を貯湯槽の上部に設け、低温給湯排出部を貯湯槽の下部に設けたことで、システムを複雑にすることなく、熱利用効率の高い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ができる。
【００１３】
本発明の請求項５における燃料電池コージェネレーションシステムでは、高温熱利用機器として、空調機器、浴槽、乾燥機器のいずれかを使用することができる。
【００１４】
本発明の請求項６における燃料電池コージェネレーションシステムでは、低温熱利用機器として、洗濯機、屋外利用機器のいずれかを使用することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の請求項１における燃料電池コージェネレーションシステムでは、システムを複雑にすることなく、熱利用効率の高い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ができる。
【００１６】
本発明の請求項２における燃料電池コージェネレーションシステムでは、利用される温水温度が異なる外部熱利用機器を接続することができる。
【００１７】
本発明の請求項３における燃料電池コージェネレーションシステムでは、利用される温水温度が異なる外部熱利用機器を接続することができる。
【００１８】
本発明の請求項４における燃料電池コージェネレーションシステムでは、システムを複雑にすることなく、熱利用効率の高い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ができる。
【００１９】
本発明の請求項５における燃料電池コージェネレーションシステムでは、高温熱利用機器として、空調機器、浴槽、乾燥機器のいずれかを使用することができる。
【００２０】
本発明の請求項６における燃料電池コージェネレーションシステムでは、低温熱利用機器として、洗濯機、屋外利用機器のいずれかを使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明における好ましい実施例について、添付図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１に基づいて、本発明の第１実施例について説明する。なお、先に説明した従来例と共通する部分には同じ符号を付すものとする。
【００２３】
１は燃料ガス生成部であり、この燃料ガス生成部１は、外部より供給された天然ガス等の原料を水蒸気雰囲気下で加熱して水素リッチな燃料ガスを生成するものである。そして、燃料電池生成部１で生成された燃料ガスと、空気等の酸化剤ガスが燃料電池２に供給されるように構成されている。燃料電池２は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって生じる起電力を取り出して電力として利用するように構成されているが、燃料電池２で発生した直流電力は、インバータ３で交流電力に変換された後、商用電源と系統連携して外部電力利用機器に供給されるようになっている。
【００２４】
また、燃料電池２は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応に伴い熱を発生するが、この熱を回収して有効利用するためのシステムについて、以下に説明する。
【００２５】
燃料電池２には、燃料電池２から回収した熱を輸送する熱輸送媒体を循環させる熱輸送媒体循環路４が接続されている。この熱輸送媒体循環路４は熱交換器５に接続し、燃料電池２と熱交換器５との間に熱輸送媒体を循環させるように構成されている。
【００２６】
また、熱交換器５には、循環部たる貯湯循環路たる温水循環路９が接続し、熱交換器５内で熱輸送媒体循環路４内の熱輸送媒体と温水循環路９内の水とが熱交換し、温水循環路９内の水が加熱されるようになっている。そして、温水循環路９は、熱交換器５と、燃料電池２で発生する熱を温水として貯える貯湯槽たる貯湯タンク７との間を接続し、貯湯タンク７から熱交換器５へ向かう温水循環路９の途中に設けられた循環ポンプ６により熱交換器５と貯湯タンク７との間に温水を循環させて、熱交換器５で加熱された高温水が貯湯タンク７に供給されるようになっている。
【００２７】
熱交換器５から貯湯タンク７へ向かう温水循環路９の途中には、三方弁としての流路切替弁８が設けられている。流路切替弁８の入口Ａは熱交換器５に接続し、流路切替弁８の一方の出口Ｂは貯湯タンク７に接続している。また、流路切替弁８の他方の出口Ｃは余分な熱を外部へ放出するための放熱器10の入口に接続しており、放熱器10の出口は循環ポンプ６の入口に接続している。そして、流路切替弁８は出口Ｂまたは出口Ｃのいずれかに温水循環路９の流路を切替えるように構成されている。
【００２８】
貯湯タンク７には市水が接続する接続部たる市水入水接続口16が設けられるとともに、貯湯タンク７の内部には、温水の温度を検出する検出手段たる温度検出手段11が設けられている。なお、この温度検出手段11は、温水循環路９上に設けてもよい。また、貯湯タンク７の上部には、空調機器，浴槽，乾燥機器などの高温の温水を利用する高温熱利用機器が接続される給湯排出部たる高温給湯出口としての給湯出口12が設けられ、貯湯タンク７の下部には、洗濯機，融雪装置や家庭菜園用機器を含む屋外利用機器などの低温の温水を利用する低温熱利用機器が接続される給湯排出部たる低温給湯出口としての給湯出口14が設けられている。また、給湯出口12，14と高温熱利用機器または低温熱利用機器とを接続する配管の途中には、それぞれ開閉手段としての閉止弁13，15が設けられている。
【００２９】
17は、燃料電池コージェネレーションシステムの運転を制御するコントローラであり、このコントローラ17は、燃料電池コージェネレーションシステムの燃料電池２，インバータ３，流路切替弁８，温度検出手段11，閉止弁13，15などのほか、燃料電池コージェネレーションシステムの熱を利用する高温熱利用機器，低温熱利用機器に電気的に接続している。
【００３０】
そして、コントローラ17は、温度検出手段11の検出温度に基づき、閉止弁13，15の動作を制限し、温度検出手段11の検出温度が予め設定した温度以下のときは、給湯出口12に設けられた閉止弁13の開動作を禁止し、温度検出手段11の検出温度が予め設定した温度以上のときには、給湯出口14に設けられた閉止弁15の開動作を禁止するように構成されている。また、コントローラ17は、高温熱利用機器，低温熱利用機器の稼動状態に合わせて、閉止弁13，15の動作を制御するように構成されている。
【００３１】
なお、閉止弁13の開動作を禁止する温度と、閉止弁15の開動作を禁止する温度は、それぞれ異なる温度で設定可能となっており、例えば、５０℃以下で閉止弁13の開動作を禁止し、６０℃以上で閉止弁15の開動作を禁止し、５０〜６０℃の範囲では閉止弁13，15をともに開状態にするようにしてもよい。または、場合によっては、６０℃以下で閉止弁13の開動作を禁止し、５０℃以上で閉止弁15の開動作を禁止し、５０〜６０℃の範囲では閉止弁13，15をともに閉状態にするようにしてもよい。あるいは、閉止弁13の開動作を禁止する温度と、閉止弁15の開動作を禁止する温度を同じ温度とし、例えば、５５℃以下で閉止弁13の開動作を禁止し、５５℃以上で閉止弁15の開動作を禁止するようにしてもよい。
【００３２】
さらに、コントローラ17は、温度検出手段11の検出温度に基づいて流路切替弁８を切替えるように構成されている。
【００３３】
つぎに、上記構成についてその作用を説明する。燃料ガス生成部１は、外部より供給された天然ガス等の原料を水蒸気雰囲気下で加熱して水素リッチな燃料ガスを生成し、この燃料ガスと、空気等の酸化剤ガスが燃料電池２に供給される。燃料電池２では燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により、直流電力と熱が発生する。この直流電力は、インバータ３で交流電力に変換された後、商用電源と系統連携して外部電力利用機器に供給される。
【００３４】
また、燃料電池２で発生した熱は、熱輸送媒体循環路４を循環する熱輸送媒体を介して熱交換器５へ輸送され、熱交換器５内で熱輸送媒体循環路４内の熱輸送媒体と温水循環路９内の水とが熱交換し、温水循環路９内の水が加熱される。そして、温度検出手段11による検出温度が所定の温度以下の場合は、コントローラ17により制御されて流路切替弁８のＡ−Ｂ間が接続し、循環ポンプ６により熱交換器５で加熱された高温水が貯湯タンク７の上部に供給され、貯湯タンク７の下部より冷水が放出されて、熱交換器５と貯湯タンク７との間に温水が循環し、貯湯タンク７内の水が加熱される。一方、貯湯タンク７の温水が充分に昇温すると、流路切替弁８のＡ−Ｃ間が接続し、温水は放熱器10へ導かれ、余分な熱はこの放熱器10によって外部に放出される。このようにして、貯湯タンク７内の温水は、ほぼ一定の温度に保たれる。なお、貯湯タンク７内の温水量は、市水入水接続口16に接続された図示しない開閉弁がコントローラ17で制御されることで、ほぼ一定量に保たれる。
【００３５】
通常、貯湯タンク７内の温度は約６０℃であるが、貯湯タンク７の上部と下部とでは温度差を生じ、上部が約６０℃のとき下部は５０℃以下となる。本実施例では、貯湯タンク７の上部には、高温熱利用機器が接続される給湯出口12、貯湯タンク７の下部には、低温熱利用機器が接続される給湯出口14を設けたので、この温度差を利用して、それぞれの機器に適した温度の温水を供給できる。
【００３６】
また、コントローラ17は、高温熱利用機器，低温熱利用機器の稼動状態に合わせて、閉止弁13，15の開閉を制御するとともに、温度検出手段11の検出温度が予め設定した温度以下のときは、給湯出口12に設けられた閉止弁13の開動作を禁止し、温度検出手段11の検出温度が予め設定した温度以上のときには、給湯出口14に設けられた閉止弁15の開動作を禁止することで、それぞれの機器へ適切な温度の温水が供給される。
【００３７】
以上のように本実施例では、燃料電池２と、この燃料電池２で発生する熱を温水として蓄える貯湯槽たる貯湯タンク７と、この貯湯タンク７と前記燃料電池２とを接続して温水を循環させる貯湯循環路たる温水循環路９とを備え、前記貯湯タンク７に市水入水接続口16と複数の給湯出口12，14を設け、前記給湯出口12，14にそれぞれ開閉手段たる閉止弁13，15を設けるとともに、前記貯湯タンク７または前記温水循環路９に温度検出手段11を設け、前記温度検出手段11の検出温度に基づき前記閉止弁13，15の動作を制限するように構成している。
【００３８】
この場合、貯湯タンク７に複数の給湯出口12，14を設けることで複数の外部熱利用機器を接続でき、貯湯タンク７に設けられた温度検出手段11の検出温度に基づき給湯出口12，14に設けられた閉止弁13，15の動作を制限することで、外部熱利用機器への温水供給を選択制御できるので、それぞれの外部熱利用機器に適した温水温度とするための追炊き加熱や放熱装置を省略したシステム構成とすることが可能になり、システムを複雑にすることなく、利用される温水温度が異なる複数の外部熱利用機器を接続することができ、熱利用効率の高い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ができる。さらに、貯湯タンク７に複数の給湯出口12，14を設けて温水の利用用途を拡大することで、熱エネルギーを有効に利用することができる。
【００３９】
また、本実施例では、前記給湯出口12，14は高温熱利用機器が接続される高温給湯出口たる給湯出口12と低温熱利用機器が接続される低温給湯出口たる給湯出口14とから構成され、前記温度検出手段11の検出温度が予め設定した温度以下のとき、前記給湯出口12に設けられた前記閉止弁13の開動作を禁止するように構成している。
【００４０】
このようにすると、温度検出手段11の検出温度が予め設定した温度以下のとき、給湯出口12に設けられた閉止弁13の開動作を禁止することで、利用される温水温度が異なる複数の外部熱利用機器を接続することができる。
【００４１】
また、本実施例では、前記給湯出口12，14は高温熱利用機器が接続される高温給湯出口たる給湯出口12と低温熱利用機器が接続される低温給湯出口たる給湯出口14とから構成され、前記温度検出手段11の検出温度が予め設定した温度以上のとき、前記低温給湯出口14に設けられた前記閉止弁15の開動作を禁止するように構成している。
【００４２】
このようにすると、温度検出手段11の検出温度が予め設定した温度以上のとき、給湯出口14に設けられた閉止弁15の開動作を禁止することで、利用される温水温度が異なる複数の外部熱利用機器を接続することができる。
【００４３】
また、本実施例では、前記給湯出口12を前記貯槽タンク７の上部に設け、前記給湯出口14を前記貯湯タンク７の下部に設けている。
【００４４】
このようにすると、給湯出口12を貯湯タンク７の上部に設け、給湯出口14を貯湯タンク７の下部に設けたことで、貯湯タンク７の上部と下部との温度差を利用して、それぞれの機器に適した温度の温水を供給でき、システムを複雑にすることなく、熱利用効率の高い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ができる。
【００４５】
また、本実施例では、前記高温熱利用機器は、空調機器、浴槽、乾燥機器のいずれかを使用することができ、前記低温熱利用機器は、洗濯機、屋外利用機器のいずれかを使用することができる。
【００４６】
なお、本発明は上記各実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。例えば、閉止弁13，14や流路切替弁８を手動操作可能に構成してもよい。また、温度検出手段11を貯湯タンク７の上部，下部の２箇所などに設けるなど複数の箇所に設けて、よりきめ細かやな温度管理ができるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】第１実施例における燃料電池コージェネレーションシステムを示す構成図である。
【図２】従来例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００４８】
２  燃料電池
７  貯湯タンク（貯湯槽）
９  温水循環路（貯湯循環路）（循環部）
11  温度検出手段（検出手段）
12  給湯出口（高温給湯出口）（給湯排出部）
13，15  閉止弁（開閉手段）
14  給湯出口（低温給湯出口）（給湯排出部）
16  市水入水接続口（接続部）
【図１】
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【図２】
2005259665.tif 000004