(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備える燃料電池装置と貯湯槽を備える給湯装置とのコンバインシステムであって、
前記燃料電池からの排ガスの流路をなす排ガス流と前記貯湯槽からの水の流路をなす水流路とを熱交換可能に備え、前記燃料電池からの排ガス中に含まれる水を凝縮可能な熱交換手段と、
該熱交換手段による凝縮により得られた水を前記燃料電池装置の運転に必要な水として貯蔵する凝縮水貯蔵手段と、
前記貯湯槽から前記熱交換手段に供給される水を冷却可能な水冷却手段と、
前記貯湯槽の水の温度が所定温度以上であるかを検出する所定温度検出手段と、
該所定温度検出手段により所定温度以上と検出されたとき、前記貯湯槽から前記熱交換手段に供給される水が冷却されるよう水冷却手段を制御する第１冷却制御手段と
を備える燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステムであって、
前記凝縮水貯蔵手段における水の貯蔵量が所定貯蔵量以下であるかを検出する所定貯蔵量検出手段と、
該所定貯蔵量検出手段により所定貯蔵量以下と検出されたとき、前記貯湯槽から前記熱交換手段に供給される水が冷却されるよう水冷却手段を制御する第２冷却制御手段と
を備える燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステムであって、
前記凝縮水貯蔵手段における水の貯蔵量を検出する貯蔵量検出手段と、
該検出された水の貯蔵量に基づいて前記熱交換手段の水流路へ供給される水の流量を制御する第１水量制御手段と
を備える燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム。
【請求項４】
前記第１水量制御手段は、前記検出された水の貯蔵量が多いほど前記熱交換手段の水流路へ供給される水の流量が小さくなるよう制御する手段である請求項３記載の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステムであって、
前記給湯装置における給湯量を検出する給湯量検出手段と、
該検出された給湯量に基づいて前記熱交換手段の水流路へ供給される水の流量を制御する第２水量制御手段と
を備え、
前記第２水量制御手段は、前記検出された給湯量が多いほど前記熱交換手段の水流路へ供給される水の流量が大きくなるよう制御する手段である燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム。
【請求項６】
請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステムであって、
前記貯湯槽に貯湯されている水の温度を検出する水温検出手段と、
該検出された水の温度に基づいて前記熱交換手段の水流路へ供給される水の流量を制御する第３水量制御手段と
を備え、
前記第３水量制御手段は、前記検出された水の温度が高いほど前記熱交換手段の水流路へ供給される水の流量が小さくなるよう制御する手段である燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム。
【請求項７】
前記燃料電池装置は、前記凝縮水貯蔵手段から水の供給を受け、前記燃料電池に供給するガスを加湿する加湿手段を備える請求項１ないし６いずれか記載の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム。
【請求項８】
前記燃料電池装置は、前記凝縮水貯蔵手段から水の供給を受け、炭化水素系の燃料を前記燃料電池に供給する水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質手段を備える請求項１ないし７いずれか記載の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステムに関し、詳しくは、燃料電池を備える燃料電池装置と貯湯槽を備える給湯装置とのコンバインシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステムとしては、燃料電池からの排ガスと熱交換により加温された水を給湯として用いるものが提案されている（例えば、特開平７−２２０７４５号公報など）。システムでは、燃料電池からの排ガスと熱交換により加温された水を燃焼ガスとの熱交換により更に高温の水として給湯している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステムでは、熱効率や資源の利用効率が低い。このシステムでは、炭化水素系の燃料を燃料電池に供給する水素リッチな燃料ガスに改質する改質器に熱交換により得られた温水を蒸気化して供給しているものの、その水は改質用水として、別途外部から供給されており、発電に伴って燃料電池で生成される水は、燃料電池からの排ガスと共に放出されてしまう。こうした生成水の排出は、資源の利用効率を低下させると共に熱効率も低下させてしまう。
【０００４】
また、上述の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステムでは、燃料電池装置や給湯装置が適正に運転されない場合も生じる。燃料電池は、負荷状態やその温度状態に基づいて運転制御が必要である一方、給湯装置は、給湯量や求められる給湯温度に基づいて運転制御が必要である。このため、燃料電池の運転を中心に制御すれば給湯装置の運転制御が適正に行なえなくなる場合を生じ、給湯装置の運転を中心に制御すれば燃料電池の運転制御が適正に行なえなくなる場合を生じてしまう。
【０００５】
本発明の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステムは、システムの熱効率を向上させることを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステムは、システムにおける資源の利用効率を高くすることを目的の一つとする。さらに、本発明の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステムは、燃料電池のより適正な運転と給湯装置のより適正な運転との両立を図ることを目的の一つとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステムは、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステムは、
燃料電池を備える燃料電池装置と貯湯槽を備える給湯装置とのコンバインシステムであって、
前記燃料電池からの排ガスの流路をなす排ガス流と前記貯湯槽からの水の流路をなす水流路とを熱交換可能に備え、前記燃料電池からの排ガス中に含まれる水を凝縮可能な熱交換手段と、
該熱交換手段による凝縮により得られた水を前記燃料電池装置の運転に必要な水として貯蔵する凝縮水貯蔵手段と、
前記貯湯槽から前記熱交換手段に供給される水を冷却可能な水冷却手段と、
前記貯湯槽の水の温度が所定温度以上であるかを検出する所定温度検出手段と、
該所定温度検出手段により所定温度以上と検出されたとき、前記貯湯槽から前記熱交換手段に供給される水が冷却されるよう水冷却手段を制御する第１冷却制御手段と
を備えることを要旨とする。
【０００８】
この本発明の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステムでは、熱交換手段における熱交換を制御することができ、熱交換手段により排ガスを十分に冷却することができる。また、熱交換手段による凝縮により得られた水を燃料電池装置の運転に必要な水として貯蔵するから、資源の利用効率を向上させることができる。もとより、燃料電池からの排ガスの熱を用いて水を加温し、その水を給湯装置からの給湯に使用することができる。また、本発明の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステムにおいて、前記凝縮水貯蔵手段における水の貯蔵量が所定貯蔵量以下であるかを検出する所定貯蔵量検出手段と、該所定貯蔵量検出手段により所定貯蔵量以下と検出されたとき、前記貯湯槽から前記熱交換手段に供給される水が冷却されるよう水冷却手段を制御する第２冷却制御手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、熱交換手段でより多くの水を凝縮させて凝縮水貯蔵手段に貯蔵する水の貯蔵量を増やすことができる。
【０００９】
こうした本発明の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステムにおいて、前記凝縮水貯蔵手段における水の貯蔵量を検出する貯蔵量検出手段と、該検出された水の貯蔵量に基づいて前記熱交換手段の水流路へ供給される水の流量を制御する第１水量制御手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、熱交換手段による排ガス中の水の凝縮、即ち燃料電池装置の運転に必要な水の量を制御することができる。この態様の本発明の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステムにおいて、前記第１水量制御手段は、前記検出された水の貯蔵量が多いほど前記熱交換手段の水流路へ供給される水の流量が小さくなるよう制御する手段であるものとすることもできる。
【００１０】
また、本発明の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステムにおいて、前記給湯装置における給湯量を検出する給湯量検出手段と、該検出された給湯量に基づいて前記熱交換手段の水流路へ供給される水の流量を制御する第２水量制御手段とを備え、前記第２水量制御手段は、前記検出された給湯量が多いほど前記熱交換手段の水流路へ供給される水の流量が大きくなるよう制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、熱交換手段における熱交換を給湯装置からの給湯量に応じたものとすることができる。
【００１１】
さらに、本発明の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステムにおいて、前記貯湯槽に貯湯されている水の温度を検出する水温検出手段と、該検出された水の温度に基づいて前記熱交換手段の水流路へ供給される水の流量を制御する第３水量制御手段とを備え、前記第３水量制御手段は、前記検出された水の温度が高いほど前記熱交換手段の水流路へ供給される水の流量が小さくなるよう制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、貯湯槽に貯湯されている水の温度を制御することができる。
【００１３】
また、本発明の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステムにおいて、前記燃料電池装置は、前記凝縮水貯蔵手段から水の供給を受け前記燃料電池に供給するガスを加湿する加湿手段を備えるものとすることもできるし、前記凝縮水貯蔵手段から水の供給を受け炭化水素系の燃料を前記燃料電池に供給する水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質手段を備えるものとすることもできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム２０の構成の概略を示す構成図である。燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム２０は、図示するように、燃料電池装置３０と、給湯装置４０と、燃料電池装置３０と給湯装置４０との間で熱交換を行なう熱交換器５０と、装置全体をコントロールする電子制御ユニット６０とを備える。
【００１５】
燃料電池装置３０は、炭化水素系の燃料を水蒸気改質反応により水素リッチな燃料ガスに改質する改質器３２と、改質器３２からの燃料ガスと空気との供給を受けて発電する燃料電池３４とを備える。なお、炭化水素系の燃料としては、例えばメタンやエタンなどの飽和炭化水素やエチレンやプロピレンなどの不飽和炭化水素，メタノールやエタノールなどのアルコール類などが含まれる。また、燃料電池３４としては、例えば固体電解質型の燃料電池などが含まれる。
【００１６】
給湯装置４０は、湯を貯蔵する貯湯槽４２を備え、貯湯槽４２に取り付けられた水位計４３により検出される水位が所定のローレベルになったときにハイレベルになるまで水道水が供給されるようになっている。
【００１７】
熱交換器５０は、燃料電池３４からのアノード側およびカソード側の排ガスと貯湯槽４２からの水（湯）との熱交換により、排ガスを冷却すると共に水を加温する。この熱交換器５０は、排ガスに対しては凝縮器として機能し、排ガスの冷却の際に生じる凝縮水を凝縮水タンク５１に回収する。こうして凝縮水タンク５１に回収された凝縮水は、水ポンプ５３により改質器３２に送られて炭化水素系の燃料を水蒸気改質する際の水として用いられたり、燃料電池３４に供給する燃料ガスや空気を加湿する水として用いられる。
【００１８】
熱交換器５０には、循環流路５４により貯湯槽４２の水が供給されるようになっており、循環流路５４には、貯湯槽４２の水を「大」「中」「小」の三段階の流量として圧送する循環ポンプ５５と、貯湯槽４２からの水を外気により冷却するラジエータ５６が設けられている。なお、ラジエータ５６は、三方弁５８により循環流路５４に取り入れられたり、循環流路５４から切り離されたりできるようになっている。
【００１９】
電子制御ユニット６０は、ＣＰＵ６２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ６４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ６６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。この電子制御ユニット６０には、貯湯槽４２に取り付けられた水位計４３からの水位や貯湯槽４２に取り付けられた温度センサ４４からの湯温Ｔ，給湯配管に取り付けられた流量計４５からの給湯量Ｑ，凝縮水タンク５１に取り付けられた水位計５２からの水位Ｈｗなどが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット６０からは、水ポンプ５３や循環ポンプ５５への駆動信号や三方弁５８のアクチュエータ５９への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００２０】
次に、こうして構成された実施例の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム２０の動作、特に循環ポンプ５５による循環流量の制御とラジエータ５６の循環流路５４への取り込みおよび切り離しの制御について説明する。図２は、実施例の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム２０の電子制御ユニット６０により実行される循環流量制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎（例えば、１秒毎）に繰り返し実行されている。
【００２１】
この循環流量制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット６０のＣＰＵ６２は、まず、凝縮水タンク５１に取り付けられた水位計５２からの水位Ｈｗと貯湯槽４２に取り付けられた温度センサ４４からの湯温Ｔと給湯配管に取り付けられた流量計４５からの給湯量Ｑを読み込む処理を実行する（ステップＳ１００）。そして、読み込んだ凝縮水の水位Ｈｗを閾値Ｈ１と閾値Ｈ２とにより設定される所定範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。ここで、閾値Ｈ１と閾値Ｈ２とにより設定される所定範囲は、凝縮水タンク５１の水位として適正な範囲として判定するためのものであり、凝縮水タンク５１の容量などにより定められる。水位Ｈｗが閾値Ｈ１未満のときには、凝縮水を回収するよう循環ポンプ５５による水の循環流量を「大」に設定して（ステップＳ１１０）、本ルーチンを終了する。水位Ｈｗが閾値Ｈ２より大きいときには、凝縮水の回収は不要と判断して、循環ポンプ５５による水の循環流量を「小」に設定して（ステップＳ１１２）、本ルーチンを終了する。
【００２２】
凝縮水タンク５１の水位Ｈｗが閾値Ｈ１と閾値Ｈ２とにより設定される所定範囲内のときには、湯温Ｔが閾値Ｔ１と閾値Ｔ２とにより設定される所定範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。ここで、閾値Ｔ１と閾値Ｔ２とにより設定される所定範囲は、貯湯槽４２に蓄えられている湯の温度として適正な範囲として判定するためのものである。湯温Ｔが閾値Ｔ１未満のときには、より多くの熱を燃料電池３４の排ガスから得るよう循環ポンプ５５による水の循環流量を「大」に設定して（ステップＳ１１０）、本ルーチンを終了する。湯温Ｔが閾値Ｔ２より大きいときには、熱は不要と判断して、循環ポンプ５５による水の循環流量を「小」に設定して（ステップＳ１１２）、本ルーチンを終了する。
【００２３】
凝縮水タンク５１の水位Ｈｗが閾値Ｈ１と閾値Ｈ２とにより設定される所定範囲内であり、貯湯槽４２の湯温Ｔが閾値Ｔ１と閾値Ｔ２とにより設定される所定範囲内のときには、給湯量Ｑが閾値Ｑ１と閾値Ｑ２とにより設定される所定範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。ここで、閾値Ｑ１と閾値Ｑ２とにより設定される所定範囲は、給湯量として適正な範囲として判定するためのものである。給湯量Ｑが閾値Ｑ２より大きいときには、より多くの給湯が行なえるよう循環ポンプ５５による水の循環流量を「大」に設定して（ステップＳ１１０）、本ルーチンを終了する。給湯量Ｑが閾値Ｑ１未満のときには、給湯は不要と判断して、循環ポンプ５５による水の循環流量を「小」に設定して（ステップＳ１１２）、本ルーチンを終了する。
【００２４】
凝縮水タンク５１の水位Ｈｗが閾値Ｈ１と閾値Ｈ２とにより設定される所定範囲内にあり、貯湯槽４２の湯温Ｔが閾値Ｔ１と閾値Ｔ２とにより設定される所定範囲内にあり、さらに、給湯量Ｑが閾値Ｑ１と閾値Ｑ２とにより設定される所定範囲内にあるときには、通常の熱交換と判断し、循環ポンプ５５による水の循環流量を「中」に設定して（ステップＳ１０８）、本ルーチンを終了する。
【００２５】
このように循環流路５４における循環流量は制御されるが、湯温Ｔが高いときには循環流量を「大」としても凝縮水が多く得られない場合が生じる。このため、実施例の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム２０では、ラジエータ５６の循環流路５４への取り込みと切り離しの制御を行なっている。図３は、実施例の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム２０の電子制御ユニット６０により実行されるラジエータ制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎（例えば、１秒毎）に繰り返し実行される。
【００２６】
このラジエータ制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット６０のＣＰＵ６２は、まず、凝縮水タンク５１に取り付けられた水位計５２からの水位Ｈｗと貯湯槽４２に取り付けられた温度センサ４４からの湯温Ｔと給湯配管に取り付けられた流量計４５からの給湯量Ｑを読み込む処理を実行する（ステップＳ２００）。そして、水位Ｈｗが閾値Ｔ１未満か否か、給湯量Ｑが閾値Ｑ１以上か否か、湯温Ｔが閾値Ｔ２より大きいか否かを判定する（ステップＳ２０２〜Ｓ２０６）。水位Ｈｗが閾値Ｈ１未満で湯温Ｔが閾値Ｔ２より大きいときや水位Ｈｗが閾値Ｈ１以上であっても給湯量Ｑが閾値Ｑ１未満で湯温Ｔが閾値Ｔ２より大きいときには、熱交換器５０で十分な熱交換が行なわれないと判断してラジエータ５６を循環流路５４に取り込む処理を実行し（ステップＳ２０８）、それ以外のときには、熱交換器５０で十分な熱交換が可能と判断してラジエータ５６を循環流路５４から切り離す処理を実行して（ステップＳ２１０）、本ルーチンを終了する。
【００２７】
以上説明した実施例の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム２０によれば、凝縮水タンク５１の水位Ｈｗに基づいて循環流路５４の循環流量を変更するから、凝縮水の回収量を制御することができる。また、実施例の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム２０によれば、貯湯槽４２の湯温Ｔに基づいて循環流路５４の循環流量を変更するから、貯湯槽４２の湯温Ｔをより適正な温度に制御することができる。さらに、実施例の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム２０によれば、給湯量Ｑに基づいて循環流路５４の循環流量を変更するから、より適温の給湯を行なうことができる。
【００２８】
また、実施例の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム２０によれば、熱交換器５０での熱交換が十分に行なわれない状態のときには、ラジエータ５６を循環流路５４に取り込んで貯湯槽４２からの水（湯）を冷却して用いるから、十分な凝縮水を回収することができると共に貯湯槽４２の湯温Ｔが高いときでも排ガスを冷却することができる。
【００２９】
実施例の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム２０では、凝縮水タンク５１の水位Ｈｗや貯湯槽４２の湯温Ｔ，給湯量Ｑに基づいて循環流路５４の循環流量を「大」「中」「小」の三段階に切り換えるものとしたが、循環流量は四段階以上の多段階としてもよく、また、水位Ｈｗや湯温Ｔ，給湯量Ｑに基づいて定まる流量としてもよい。即ち凝縮水タンク５１の水位Ｈｗが低いほど、貯湯槽４２の湯温Ｔが低いほど、給湯量Ｑが大きいほど循環流量を大きくし、逆に凝縮水タンク５１の水位Ｈｗが高いほど、貯湯槽４２の湯温Ｔが高いほど、給湯量Ｑが小さいほど循環流量を小さくするのである。
【００３０】
実施例の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム２０によれば、熱交換器５０で十分な熱交換が行なえないときにはラジエータ５６を循環流路５４に取り込んでラジエータ５６で貯湯槽４２の水を冷却するものとしたが、ラジエータ５６以外の冷却装置を用いて貯湯槽４２の水を冷却するものとしてもよいし、ラジエータ５６を備えないものとしてもかまわない。
【００３１】
実施例の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム２０では、改質器３２と燃料電池３４とにより燃料電池装置３０を構成するものとしたが、水素吸蔵合金を内蔵する水素吸蔵合金タンクとこのタンクから供給される水素により発電する燃料電池とにより燃料電池装置を構成するものとしてもよい。この場合、凝縮水タンク５１に貯蔵される凝縮水は、燃料電池に供給する水素や空気の加湿に用いる他、水素吸蔵合金タンクの冷却または加温の際の熱交換媒体としても用いることができる。
【００３２】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例である燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】  実施例の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム２０の電子制御ユニット６０により実行される循環流量制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図３】  実施例の燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム２０の電子制御ユニット６０により実行されるラジエータ制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
２０  燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム、３０  燃料電池装置、３２  改質器、３４  燃料電池、４０  給湯装置、４２  貯湯槽、４３  水位計、４４  温度センサ、４５  流量計、５０  熱交換器、５１  凝縮水タンク、５２  水位計、５３  水ポンプ、５４  循環流路、５５  循環ポンプ、５６  ラジエータ、５８  三方弁、５９  アクチュエータ、６０  電子制御ユニット、６２ＣＰＵ、６４  ＲＯＭ、６６  ＲＡＭ。
【図１】
0004513168.tif 000002
【図２】
0004513168.tif 000003
【図３】
0004513168.tif 000004