(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の排熱を温水に熱変換する熱交換器及び前記温水を回収する排熱回収ポンプを備えた燃料電池システムと、
前記熱交換器からの温水を第１の温水配管を介して直接導く温水利用設備と、
前記温水利用設備において、利用されない前記温水を第２の温水配管を介して導く貯湯槽と、
前記貯湯槽内の温水を前記熱交換器に導く第３の温水配管とを備え、
前記排熱回収ポンプにより前記熱交換器からの温水を前記温水利用設備に導き、前記第１の温水配管を、前記第２の温水配管の周囲を回りこみながら前記貯湯槽に接続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】
前記燃料電池システムから前記温水利用端を通って前記貯湯槽に導入する温水配管を、二重配管で構成した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】
前記温水利用端が複数である場合に、前記燃料電池システムで生成した温水をそれぞれの前記温水利用端の直近を経由し前記貯湯槽に導入する配管と前記配管上に遮断弁と、それぞれの前記配管に前記遮断弁及びバイパス配管を有し、前記複数の温水利用端への前記燃料電池システムからの温水供給を個別に実施できる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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに排熱回収ポンプを有し、これにより例えば温水利用設備に温水を供給す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】
家庭用に燃料電池コージェネレーションシステムを適用する場合、燃料電池の排熱で生成した温水を燃料電池の外部に設置した貯湯槽に蓄積し、利用する構成が一般的である。  従来は貯湯槽に貯めた温水を温水配管を通して、洗面台及び又は風呂などの温水利用端(温水利用設備)に供給していた。
【０００３】
特許文献１において貯湯槽に蓄積した温水を供給する構成が提案されている。貯湯槽は通常屋外に設置されており、貯湯槽から屋内の温水利用端まで、数メートル〜1０メートル程度離れているため、利用端で給湯を行うために給湯用蛇口を開いてから実際に利用可能な温水が供給されるまで数分〜十分程度の時間が必要であった。これは以下のことが理由である。
【０００４】
a)貯湯槽から利用端までの給水配管中には常時水が滞留している。滞留水は放熱によって徐々に温度が低下し、通常温水利用を行う場合には外気温度とほぼ同じ温度まで低下する。従って、貯湯槽から利用端までの前記滞留水が排出されるまで外気温度相当の低温水が利用端から供給される。
【０００５】
b)前記滞留水が完全に排出された後に、貯湯槽から高温の温水が供給されても、貯湯槽から温水利用端までの配管温度は、前記滞留水と同じ程度の温度、すなわち外気温度相当であるため、貯湯槽から供給された温水の熱はまずこの配管の加温に消費される（以下、本特許明細中では暖管と称する）。そのため、貯湯槽から温水利用端までの配管温度が十分に上がるまでは依然として温水利用端から供給される温水温度は低い。
【特許文献１】特開平7-217927号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の特許文献１においては貯湯槽から洗面及び又は風呂等の温水利用端までの距離が長く、温水利用端の蛇口を開いてから実際に温水が供給されるまでに時間がかかるという問題があった。
【０００７】
前述の特許文献１では温水を温水利用端まで供給するために、循環専用ポンプを設置し、これを運転する必要があった。
【０００８】
図１４を用いて、本発明の課題の説明を行う。燃料電池システム１内で排熱によって生成した温水は貯湯槽３への温水配管２を通って貯湯槽３に蓄積する。貯湯槽３は利用端への温水配管を洗面台５及び又は風呂６などの蛇口といった温水利用端に接続されている。利用者の温水利用時には、貯湯槽３に蓄積された温水を循環専用ポンプ７によって温水配管４を通して循環し、温水利用時には前記利用端から温水を供給する構成であった。
【０００９】
循環専用ポンプ７によって温水を循環しているため、温水利用時には短時間で温水を供給することが可能であるものの、循環専用ポンプ７の設置が必要であり、また循環専用ポンプ７の動力も常時消費されるという欠点があった。
【００１０】
本発明は、循環専用ポンプを設置することなく、熱媒体例えば温水の利用時には短時間で供給することが可能で、従来低温であったために利用されること無く捨てられていた低温熱媒体例えば低温水を活用可能な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】
【００１２】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、燃料電池の排熱を温水に熱変換する熱交換器及び前記温水を回収する排熱回収ポンプを備えた燃料電池システムと、前記熱交換器からの温水を第１の温水配管を介して直接導く温水利用設備と、前記温水利用設備において、利用されない前記温水を第２の温水配管を介して導く貯湯槽と、前記貯湯槽内の温水を前記熱交換器に導く第３の温水配管とを備え、前記排熱回収ポンプにより前記熱交換器からの温水を前記温水利用設備に導き、前記第１の温水配管を、前記第２の温水配管の周囲を回りこみながら前記貯湯槽に接続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である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、循環専用ポンプを設置することなく、熱媒体例えば温水の利用時には短時間で供給することが可能で、従来低温であったために利用されること無く捨てられていた熱媒体例えば低温水を活用可能な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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に関わる燃料電池コージェネレーションシステムの実施形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
（実施形態１）  
本発明の実施形態１について図１及び２を参照して説明する。
【００１６】
実施形態１の燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池の排熱を熱媒体例えば温水に熱変換する熱交換器２１及び温水を回収する排熱回収ポンプ８を備えた燃料電池システム１と、熱交換器２１からの温水を第１の供給路部材例えば温水配管(温水供給配管)２を介して直接導く熱媒体利用設備例えば温水利用設備具体的には洗面台５及び又は風呂６等と、洗面台５及び又は風呂６において、利用されない温水を第２の供給路部材例えば温水配管(温水供給配管)４を介して導く熱媒体貯槽例えば貯湯槽３と、貯湯槽３内の温水を熱交換器２１に導く第３の供給路部材例えば温水配管(温水供給配管)２２とを備え、排熱回収ポンプ８により熱交換器２１からの温水を洗面台５及び又は風呂６に導くように構成したものである。
【００１７】
なお、貯湯槽３の底面には、例えば水道水の配管３１が貫通接続され、これにより水圧が例えば３〜５ｋｇ／ｃｍ２からの水道水が供給されるように構成されている。
【００１８】
この構成では、排熱回収ポンプ８を利用して利用端直近まで常時温水が循環しているため、前述した従来例のように別途循環専用ポンプ７を設置せずに常時温水が循環することが可能である。
【００１９】
温水を利用しない温水非利用時の温水の循環経路は、図１に示す通りである。温水を利用する温水利用時は、図２に示す燃料電池で生成した温水を温水配管２を通して利用端の洗面台５及び又は風呂６に供給すると共に、貯湯槽３に蓄積した温水を温水配管４に通して供給する。
【００２０】
以上述べたことから、実施形態１では、新たな循環ポンプ等の機器の追加や、動力増加を必要とせず、温水利用端の例えば洗面台５及び又は風呂６から直ちに温水が供給可能となる作用を有する。  
以上の作用により、利用者は温水利用開始から実際に適切な温度の温水を利用するまでの時間が大幅に短縮できる効果を得られ、さらに従来低温であったために利用されること無く捨てられていた温水利用開始直後の低温水を活用可能である効果を得られる。
【００２１】
（実施形態２）
本発明の実施形態２について、図３を参照して説明する。
【００２２】
実施形態２では、貯湯槽３への温水配管２を、利用端例えば洗面台５及び又は風呂６への温水配管４の周囲にらせん状に配置する構成としたものであり、これ以外の構成は図１と同一である。
【００２３】
実施形態２では貯湯槽３への温水配管２からの放熱によって、利用端例えば洗面台５及び又は風呂６への温水配管４及び配管内の滞留水温度の低下を防止することができるため、実施形態１と同様に温水利用開始直後から利用端例えば洗面台５及び又は風呂６において高温の温水を供給する作用を有し、よって利用者は温水利用開始から実際に適切な温度の温水を利用するまでの時間が大幅に短縮可能な効果を得られ、さらに従来低温であったために利用されること無く捨てられていた温水利用開始直後の低温水を活用可能である効果を得られる。
【００２４】
（実施形態３）
本発明の実施形態３について図４を参照して説明する。
【００２５】
実施形態３では、第１の温水配管２及び第２の温水配管４を二重配管構成とし、各配管内に熱交換器２１からの温水及び貯湯槽３からの温水を通すようにした点が、図１とは異なる。
【００２６】
実施形態３では実施形態２と同様に燃料電池で生成した温水によって配管４内の滞留した温水温度を維持する作用を有する。本作用によって、図１、図３と同様に、利用者は温水利用開始から実際に適切な温度の温水を利用するまでの時間が大幅に短縮可能な効果を得られ、さらに従来低温であったために利用されること無く捨てられていた温水利用開始直後の低温水を活用可能である効果を得られる。
【００２７】
なお、図４では燃料電池で生成した温水を二重配管の外側、貯湯槽から利用単に供給する温水を同内側として記載しているが、それぞれ逆であっても同様の作用、効果を得られる。
【００２８】
（実施形態４）
本発明の実施形態４について図５及び６を参照して説明する。
【００２９】
実施形態４では、貯湯槽３から利用端例えば洗面台５及び又は風呂６への温水配管４の途中にボイラーユニット１０及び、ボイラーユニット１０をバイパスするボイラーバイパス配管１１と、バイパス配管１１の途中に逆止弁１２を設置した点が、図１の実施形態１とは異なる。これ以外の点は、図１の実施形態１と同一である。
【００３０】
実施形態４では燃料電池システム１で生成した温水を貯湯槽３への温水配管２を通し、温水利用端の直近を経由した後に、ボイラーバイパス配管１１および逆止弁１２を通過して貯湯槽３に流入する構成となる。一般的に、貯湯槽３内の温水温度が低い場合に温水を加熱するため貯湯槽３の下流にボイラーユニット１０を設置する構成は広く採用されている。
【００３１】
しかしながら通常、ボイラーユニット１０の内部には、給湯とは逆の流れを防止する構成を有しており、そのような構成では貯湯槽３から利用端への温水配管４上にボイラーが設置されている場合には、図１に示すように温水利用端直近を経由して貯湯槽３に温水を流入させることが不可能である。
【００３２】
本構成は温水利用を行わない場合には、図5に示すように燃料電池１から温水配管２を通り、温水利用端直近を循環し、逆止弁１２およびボイラーバイパス配管１１を通って貯湯槽３に流入する構成とする。また、温水利用時には図６に示すように、燃料電池で生成した温水は温水配管２を通って利用端に供給されると共に、貯湯槽３の温水はボイラ−ユニット１０を通って利用端に供給される。
【００３３】
本構成によれば、ボイラーユニット１０を有する構成においても、実施形態１と同様に、利用端の直近まで常時温水が循環することが可能であるため、請求項１と同様に利用者は温水利用開始から実際に適切な温度の温水を利用するまでの時間が大幅に短縮可能な効果を得られ、さらに従来低温であったために利用されること無く捨てられていた温水利用開始直後の低温水を活用可能である効果を得られる。
【００３４】
（実施形態５）
本発明の実施形態５について図７を参照して説明する。
【００３５】
実施形態５では燃料電池システム１で生成した温水を、温水利用端の直近まで循環させる温水配管２の他に、直近まで流さず貯湯槽３に温水を流入させるバイパス配管１３を有する構成としたもので、この点が図１の実施形態とは異なり、それ以外は図１と同一である。実施形態１では燃料電池で生成した温水を全量、利用端直近まで循環させる構成としているが、燃料電池から温水利用端までの距離が長い場合には温水配管２あるいは温水配管４における圧力損失も大きくなり、その結果温水循環のための動力が過大になる可能性がある。
【００３６】
そこで、本構成では生成した温水の一部を循環させることによって、温水循環動力を過剰に増大させずに、実施形態１と同様の作用及び効果を有する。
【００３７】
（実施形態６）
本発明の実施形態６について図８を参照して説明する。
【００３８】
本実施形態６では、第１の温水配管２の途中と貯湯槽３の間であって、温水利用端直近をバイパスし直接前記貯湯槽３に流入するバイパス配管１３を設け、第１の温水配管２とバイパス配管１３との接続点と第２の温水配管４と第１の温水配管２の接続点間に、遮断弁１４を設けたもので、この点を除けば図１と同一である。
【００３９】
本構成では遮断弁１４を開けた場合には、遮断弁１４を通った温水が温水利用端直近を経由する。また、遮断弁１４を閉じると温水は直近を経由せず直接貯湯槽３に流入する。利用端直近まで温水を循環する場合、温水利用の際に直ちに温水供給が可能となるメリットがある一方で、循環する配管からの放熱も無視できない。従って、例えば深夜など温水利用が見込まれないような場合には、利用端直近までの温水循環を停止し、放熱の削減及び循環動力の低減を行うことが有益である。
【００４０】
そこで、本実施形態では遮断弁１４を適宜開閉することにより必要に応じて利用端直近までの温水循環を実施・停止する作用を有する。
【００４１】
本作用により、温水利用時間帯には図１の実施形態と同様の効果を有し、さらに、温水非利用時間帯には、過剰な温水循環動力を削除すると共に不要な放熱を削減する効果を有する。
【００４２】
（実施形態７）
本発明の実施形態７について、図９を参照して説明する。
【００４３】
本実施形態７では第１の温水配管２の途中と貯湯槽３の間であって、温水利用端直近をバイパスし直接貯湯槽３に流入するバイパス配管１３を設け、バイパス配管１３と第１の温水配管２の接続点に温水利用端に導入する温水流量を制御するための制御弁１５を設けたもので、この点を除けば図１の実施形態と同一である。
【００４４】
実施形態７では、燃料電池で生成した温水の一部を温水利用端まで循環する構成において、循環配管を流れる温水流量を任意に制御することにより、温水利用端を適切に温度維持し、かつ温水循環動力が最低となる最適な運転を行う作用を有する。この作用により、過剰な温水循環動力を削除し、かつ実施形態１と同様の効果を得る。
【００４５】
（実施形態８）
本発明の実施形態８について、図１０を参照して説明する。
【００４６】
本実施形態８では、第１の温水配管２の途中と貯湯槽３の間であって、温水利用端直近をバイパスし直接前記貯湯槽３に流入するバイパス配管１３を設け、バイパス配管１３と第１の温水配管２の接続点に温水利用端に導入する温水流量を制御するための制御弁１５を設け、かつ温水利用端直近の温度を測定する温度計１６を設け、温度計１６の測定値が設定温度となるように制御弁１５を制御するように構成したもので、この点を除けば図１の実施形態と同一である。
【００４７】
本構成では、温水利用端の流体温度を温度計１６で計測し、計測した温度が設定値となるように調節弁１５を制御する。すなわち、温度計１６の温度が設定値より低い場合は利用端への温水流量を増加させ、バイパス配管１３を通る温水流量を減少させる。一方温度計１６の温度が設定値より高い場合は逆の動作を実施することにより、温水利用端を最適な温度に制御する作用を有する。本作用によって、より適切な制御で請求項１と同様の効果及び、循環動力の削減を可能とする効果を得る。
【００４８】
（実施形態９）
本発明の実施形態９について、図１１および１２を参照して説明する。
【００４９】
実施形態９では、燃料電池システム１から温水利用端例えば洗面台５及び又は風呂６を通って貯湯槽３に導入する温水配管４を、二重配管１７で構成した点を除けば、図１の実施形態と同一である。
【００５０】
図１の実施形態では、熱媒体例えば温水利用端直近を経由して温水を循環させるため、温水利用端までの配管は往復２本の配管構成となる。そのため、配管施工が複雑になるという短所がある。
【００５１】
これに対して実施形態９では、温水利用端直近までの配管について二重配管１７の一方側を往きに、他方を戻りに利用することで一本の配管で同様の作用を実現する。すなわち、温水利用がない場合は図１１に示すように二重配管１７の一方側を通って、先端においてもう一方側に流入する。また、温水利用を行う場合は図１２に示すように、二重配管１７の両方を流れて温水を供給する。
【００５２】
なお、上記説明では実施形態１の構成に対して温水利用端までの往復を二重配管に変えた場合を述べているが、実施形態２〜８において、温水利用端までの往復配管を本二重配管に適用することが可能である。本実施形態では、実施形態１〜８と同様に、温水利用端で蛇口を開くと直ちに温水が供給可能となる作用を有し、利用者は温水利用開始から実際に適切な温度の温水を利用するまでの時間が大幅に短縮し、従来低温であったために利用されること無く捨てられていた温水利用開始直後の低温水を活用可能である効果を有する。
【００５３】
（実施形態１０）
本発明の実施形態１０について、図１３を参照して説明する。
【００５４】
実施形態１０は、複数の温水利用端例えばここでは洗面台５と風呂６であり、洗面台５と風呂６への燃料電池システム１からの温水供給を個別に実施できるように構成したものである。具体的には、洗面台５及び風呂６のそれぞれの直近を経由する温水配管２の途中において、遮断弁１９(５)と１９(６)をそれぞれ設ける。そして、遮断弁１９(５)をバイパスするようにバイパス配管１８(５)を遮断弁１９(５)に対して並列に接続し、また遮断弁１９(６)をバイパスするようにバイパス配管１８(６)を遮断弁１９(６)に対して並列に接続したものである。
【００５５】
本構成によれば、個別の温水利用端について燃料電池からの温水を直近まで供給するか、遮断するか変更することが可能である。日常生活では洗面台は朝、風呂は夜というように利用する時間帯が明確に分かれている場合がある。
【００５６】
そこで、本実施形態では例えば朝の時間帯は洗面台への温水循環遮断弁を開け洗面台への温水ラインを温め、一方利用しない風呂への循環ラインを閉める作用を有する。
【００５７】
本作用により、温水利用を行う利用端については実施形態１〜９と同様に、温水利用開始から実際に適切な温度の温水を利用するまでの時間が大幅に短縮し、従来低温であったために利用されること無く捨てられていた温水利用開始直後の低温水を活用可能である効果を有する。
【００５８】
また、温水利用を行わない利用端への温水供給を停止することにより、温水循環動力の低減及び不要な放熱の削減を行う効果を得る。
【００５９】
(変形例)
本発明は、以上述べた実施形態に限定されず種々変形して実施できる。前述の実施形態では、主として熱媒体として温水を例にあげ、熱媒体利用設備として洗面台、風呂を例にあげたが、これ以外のものであっても同様に実施できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施形態１における温水非利用時を説明するための概略構成図。
【図２】本発明の実施形態１における温水利用時を説明するための概略構成図。
【図３】本発明の実施形態２を説明するための概略構成図。
【図４】本発明の実施形態３を説明するための概略構成図。
【図５】本発明の実施形態４における温水非利用時を説明するための概略構成図。
【図６】本発明の実施形態４における温水利用時を説明するための概略構成図。
【図７】本発明の実施形態５を説明するための概略構成図。
【図８】本発明の実施形態６を説明するための概略構成図。
【図９】本発明の実施形態７を説明するための概略構成図。
【図１０】本発明の実施形態８を説明するための概略構成図。
【図１１】本発明の実施形態９における温水非利用時を説明するための概略構成図。
【図１２】本発明の実施形態９における温水利用時を説明するための概略構成図。
【図１３】本発明の実施形態１０を説明するための概略構成図。
【図１４】従来の燃料電池コージェネレーションシステムの課題を説明するための概略構成図。
【符号の説明】
【００６１】
１・・・燃料電池システム、２・・・貯湯槽への温水配管、３・・・貯湯槽、４・・・利用端への温水配管、５・・・洗面台、６・・・風呂、７・・・循環ポンプ、８…排熱回収ポンプ、９…二重配管、１０・・・ボイラーユニット、１１・・・ボイラーバイパス配管、１２・・・逆止弁、１３・・・バイパス配管、１４・・・遮断弁、１５・・・流量調節弁、１６・・・温度計、１７…二重配管、１８・・・バイパス配管、１９・・・遮断弁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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