(57)【要約】【課題】貯湯タンクの缶体の長期信頼性を向上させることができ、より性能の高い固体酸化物形燃料電池システムを提供する。【解決手段】水を貯える貯湯タンク１２と、固体酸化物形燃料電池１と、固体酸化物形燃料電池１から排出される排ガスと前記水との間で熱交換する熱交換器１０と、貯湯タンク１２と熱交換器１０との間で前記水を循環させる循環ポンプ１１とを備えた固体酸化物形燃料電池システム１００において、前記水の水質を計測する水質計測手段１５と、水質計測手段１５の計測値に応じて貯湯タンク１２の水の温度を設定する貯湯温度設定手段１４とを備え、水質計測手段１５は、貯湯タンク１２、及び前記水の少なくとも一方の自然電位を計測する。【選択図】    図１
2007273146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を貯える貯湯タンクと、
固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池から排出される排ガスと前記水との間で熱交換する熱交換器と、
前記貯湯タンクと前記熱交換器との間で前記水を循環させる循環ポンプと、
を備えた固体酸化物形燃料電池システムにおいて、
前記水の水質を計測する水質計測手段と、
前記水質計測手段の計測値に応じて前記貯湯タンクの水の温度を設定する貯湯温度設定手段と、
を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
前記水質計測手段は、前記貯湯タンク、及び前記水の少なくとも一方の自然電位を計測することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
前記自然電位が増加傾向にあるときは、前記貯湯温度設定手段が前記貯湯タンクの設定温度を低減させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貯湯タンク、固体酸化物形燃料電池、熱交換器、循環ポンプとを備えた固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
図２は従来の固体酸化物形燃料電池システムの構成を示す構成図である。図２に示すように、固体酸化物形燃料電池システム２００は、固体酸化物形燃料電池３１、都市ガスや天然ガスなどの燃料ガスを固体酸化物形燃料電池３１に供給する燃料供給装置３２、酸化剤の空気を固体酸化物形燃料電池３１に供給するための空気供給装置３３、水を供給する水供給装置３４、及び燃料ガスを加湿する燃料加湿装置３５を備えている。制御装置３９は、燃料供給装置３２、空気供給装置３３、水供給装置３４、及び、燃料加湿装置３５などの流量や動作の制御を行う。
【０００３】
この固体酸化物形燃料電池３１には、発電した直流電力を交流電力に変換し、電力系統３７と接続するパワーコンディショナ３６を接続している。そして、電力系統３７とパワーコンディショナ３６との間には電力負荷３８を接続している。
また、固体酸化物形燃料電池３１には、発電によって生じる排熱を回収する熱交換器４０を接続している。この熱交換器４０には、貯湯タンク４２内の水を循環させるための配管を接続して、この配管内の水を熱交換器４０に供給する循環ポンプ４１を接続している。
【０００４】
循環ポンプ４１は、貯湯タンク４２ヘの戻り温度（貯湯温度）を一定とするように循環ポンプ制御基板４３で制御されている。貯湯タンク４２内の水は、循環ポンプ４１により貯湯タンク４２の底部から供給され、熱交換器４０を通して温められ、貯湯タンク４２の上部に戻される。このとき、貯湯温度は通常９０℃など予め設定された値に一意に決定され、沸き上げ温度の変更は行われない。
【０００５】
また、貯湯タンクに一般的に使用されているステンレス鋼は、貯湯タンク内に水又はお湯を貯えて使用していく間に経年変化により徐々に腐食して劣化していくことが知られている。この劣化の度合いが進むと、貯湯タンクの缶体に穴が開き、水漏れなどの不具合が発生する。
【０００６】
この劣化の原因としては、水に溶け込んだ溶存酸素、塩素、及び配管の銅イオンなどの影響が挙げられるが、こうした要因による腐食の進行は貯湯温度が高くなると、より早く進む傾向がある。しかし、従来の貯湯式給湯器では、湯切れを発生させないことに重点が置かれているため、貯湯温度を低く設定すると供給できる湯量を確保するための缶体を大きくする必要がある。
また、従来の固体高分子形燃料電池においては、貯湯タンクが湧き上がると発電運転を停止するため、貯湯温度を低く設定するとシステム運転効率が低下してしまうという問題があった。
【０００７】
このため、ボイラーなどの水管内に電極を挿入し、この電極に対面する水管の外周部にもう一つの電極を設け、これらの２つの電極間を流れる電流値を測定することによって、水管の腐食状況を検出する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−３３２６２３号公報（段落番号０００６、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、水管の腐食状況が検出された場合、固体酸化物形燃料電池システムを停止させて修理をする必要があり、稼動に対して信頼性が低いという問題があった。
【００１０】
本発明は、前記問題点を解決するために創案されたものであり、貯湯タンクの長期信頼性を向上させることができ、より性能の高い固体酸化物形燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を達成するために、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、水を貯える貯湯タンクと、固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池から排出される排ガスと前記水との間で熱交換する熱交換器と、前記貯湯タンクと前記熱交換器との間で前記水を循環させる循環ポンプとを備えた固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記水の水質を計測する水質計測手段と、前記水質計測手段の計測値に応じて前記貯湯タンクの水の温度を設定する貯湯温度設定手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
この固体酸化物形燃料電池システムでは、貯湯タンクの水質を計測する水質計測手段を備え、貯湯温度を水質に応じて変更してそれを設定する貯湯温度設定手段を備えたことにより、通常の水質では最大の設定温度、例えば９０℃で動作させ、水質の悪い地域では設定温度を自動的に１０〜２０℃程度下げて動作させることが可能となる。
また、設定温度を低下させることによるシステム運転効率の低下は殆どないことから、水質が悪い地域においても、システム運転効率を低下させることなく、貯湯タンクの缶体の寿命を延ばすことができる。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、前記水質計測手段は、前記貯湯タンク、及び前記水の少なくとも一方の自然電位を計測することを特徴とする。
【００１４】
この固体酸化物形燃料電池システムでは、貯湯タンクの自然電位の電圧を計測する水質計測手段を備えることで、水質の度合いを計測することができ、水質が悪い場合には自動的に貯湯温度を下げて運転することで貯湯タンクの缶体の寿命を延ばし、貯湯タンクの信頼性を向上させることができる。また、この際もシステムの運転効率を低下させることはない。
【００１５】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、前記自然電位が増加傾向にあるときは、前記貯湯温度設定手段が前記貯湯タンクの設定温度を低減させることを特徴とする。
【００１６】
この固体酸化物形燃料電池システムでは、自然電位が増加傾向にあるときは、貯湯温度設定手段が貯湯タンクの設定温度を低減させるため、水質が悪い場合には自動的に貯湯温度を下げて運転することで貯湯タンクの缶体の寿命を延ばし、貯湯タンクの信頼性を向上させることができる。また、この際もシステムの運転効率を低下させることはない。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に係る発明によれば、貯湯タンクの水の設定温度を水の水質に応じて設定する貯湯温度設定手段を備え、使用する水質に合わせて貯湯温度を変化させることで、貯湯タンクの缶体の長期信頼性を向上させることができ、より性能の高い固体酸化物形燃料電池システムを提供することができる。
【００１８】
請求項２に係る発明によれば、貯湯タンク、及び水の少なくとも一方の自然電位に応じて、貯湯温度を変化させることで、貯湯タンクの缶体の長期信頼性を向上させることができ、より性能の高い固体酸化物形燃料電池システムを提供することができる。
【００１９】
請求項３に係る発明によれば、自然電位が増加傾向にあるときは、貯湯タンクの設定温度を低減させることにより、水質が悪い地域においても、自動的に貯湯温度を下げて運転することで、システム運転効率を低下させることなく、貯湯タンクの缶体の寿命を延ばし、貯湯タンクの信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を適用した固体酸化物形燃料電池システムの一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の固体酸化物形燃料電池システムを示す構成図である。図１に示すように、固体酸化物形燃料電池システム１００は、固体酸化物形燃料電池１、都市ガスや天然ガスなどを固体酸化物形燃料電池１に供給する燃料供給装置２、酸化剤の空気を固体酸化物形燃料電池１に供給するための空気供給装置３、水を供給する水供給装置４、固体酸化物形燃料電池１に供給する燃料ガスを加湿する燃料加湿装置５、固体酸化物形燃料電池１から排出される排ガスと水との間で熱交換する熱交換器１０と、水を貯える貯湯タンク１２、貯湯タンク１２と熱交換器１０との間で前記水を循環させる循環ポンプ１１、水の水質を計測する水質計測手段１５，１５′、及び水質計測手段１５，１５′の計測値に応じて貯湯タンク１２の水の温度を設定する貯湯温度設定手段１４を備えている。
【００２１】
水質計測手段１５は、貯湯タンク１２自体の自然電位を計測する。水質計測手段１５′は、貯湯タンク１２内の水の自然電位を計測する。
なお、これらの水質計測手段１５，１５′は、少なくとも一方が設けられている。
この水質計測手段１５は、第一の電極１５ａを貯湯タンク１２の外壁に備え、第二の電極１５ｂを貯湯タンク１２内に備えている。そして第一の電極１５ａと第二の電極１５ｂは貯湯温度設定手段１４に接続され、貯湯温度設定手段１４に貯湯タンク１２自体の自然電位情報を伝達している。
【００２２】
また、水質計測手段１５′は、第一の電極１５ａ′、第二の電極１５ｂ′を貯湯タンク１２内の水中に備えている。この第一の電極１５ａ′と第二の電極１５ｂ′は貯湯温度設定手段１４に接続され、貯湯温度設定手段１４に自然電位情報を伝達している。
なお、水質計測手段１５と水質計測手段１５′の構成の違いは、第一の電極１５，１５ａ′と第二の電極１５，１５ｂ′を、貯湯タンク１２の外壁に設けたか、貯湯タンク１２内の水中に設けたかの差であり、その他は同様である。
【００２３】
また、貯湯タンク１２には、温度計１６が設けられている。この温度計１６は、貯湯温度設定手段１４に接続され、貯湯温度設定手段１４に貯湯温度情報を与えている。
【００２４】
制御装置９は、燃料供給装置２、空気供給装置３、水供給装置４、及び、燃料加湿装置５の流量及び動作の制御を行うように設けられている。
【００２５】
固体酸化物形燃料電池１には、発電した直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ６が接続されている。このパワーコンディショナ６は電力系統７に接続されており、パワーコンディショナ６と電力系統７との間には電力負荷８が接続されている。また、循環ポンプ１１には、循環ポンプ制御基板１３が接続されている。
【００２６】
次に、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの動作を説明する。
図１に示すように、固体酸化物形燃料電池１には、発電により生じる排熱を回収する熱交換器１０が接続され、更に、熱交換器１０には、貯湯タンク１２内の水を循環するための配管が接続され、配管内の水を熱交換器１０に供給している。循環ポンプ１１は循環ポンプ制御基板１３で制御され、貯湯タンク１２ヘの戻り温度（貯湯温度）が一定となるように制御されている。貯湯タンク１２内の水は、循環ポンプ１１により貯湯タンク１２の底部から供給され、熱交換器１０を通して温められ、貯湯タンク１２の上部に戻される。その際、貯湯温度は、貯湯温度設定手段１４によって、例えば９０℃、８０℃、７０℃と設定を変更することが可能となっている。
【００２７】
また、固体酸化物形燃料電池１は、発電効率が排熱回収効率よりも高いため、給湯負荷へのお湯の供給という面から見ると供給量が少なくなる反面、貯湯温度を低く設定して動作させても性能面への影響が少ないという特徴がある。
【００２８】
貯湯タンク１２はステンレス鋼が用いられているが、このステンレス鋼は、内部に水やお湯を貯えて使用していくうちに、経年変化により腐食が進行して劣化していき、劣化が進むと貯湯タンク１２に穴が開いたり、水漏れが発生したりしてしまう。この劣化の要因としては、貯湯タンク１２内部の水に溶け込んだ溶存酸素、塩素、配管の銅イオンなどの影響が挙げられるが、こうした要因による腐食の進行は貯湯温度が高くなるとより早く進む傾向がある。
【００２９】
そのため、劣化の進行を遅くする方法として、貯湯温度を下げることが有効な手設である。この固体酸化物形燃料電池１においては、発電効率が排熱回収効率よりも高いため、貯湯温度を１０〜２０℃程度低下させて貯湯温度の制御を行っても、通常の家庭で使用される程度の給湯負荷があれば、システム運転効率を低下させることなく、運用することが可能である。
【００３０】
この固体酸化物形燃料電池システム１００では、貯湯タンク１２の自然電位を計測する水質計測手段１５を備え、貯湯温度を水質に応じて変更してそれを設定する貯湯温度設定手段１４を備えていることにより、通常の水質では最大の設定温度、例えば９０℃で動作させ、水質の悪い地域では設定温度を自動的に１０〜２０℃程度下げて動作させることが可能となる。
また、設定温度を低下させることによる固体酸化物形燃料電池システム１００の運転効率の低下は殆どないことから、水質が悪い地域においても、システム運転効率を低下させることなく、貯湯タンクの缶体の寿命を延ばすことができる。
【００３１】
水質を計測する水質計測手段１５においては、貯湯タンク１２の外壁に備えた第一の電極１５ａと、貯湯タンク１２内の水中に配置した第二の電極１５ｂとの間の電位を計測することによって、この計測値が水質を示す自然電位情報として貯湯温度設定手段１４に伝達され、この貯湯温度設定手段１４によって、貯湯温度が変更される。
【００３２】
また、貯湯タンク１２内の水の自然電位を測定するために、第一の電極１５ａ′、第二の電極１５ｂ′を貯湯タンク１２の水中に配置して、第一の電極１５ａ′と第二の電極１５ｂ′との間の電位を計測することによって、この計測値が水質を示す自然電位情報として貯湯温度設定手段１４に伝達され、この貯湯温度設定手段１４によって、貯湯温度が変更される。
【００３３】
このように、固体酸化物形燃料電池システムでは、貯湯タンク１２の自然電位を計測する水質計測手段１５を備えることで、水質の度合いを計測することができ、水質が悪い場合には自動的に貯湯温度を下げて運転することで貯湯タンク１２の寿命を延ばし、貯湯タンク１２の信頼性を向上させることができる。また、この際もシステムの運転効率を低下させることはない。
【００３４】
すなわち、供給水の水質が悪い状態で貯湯タンク１２を使用していると、貯湯タンク１２の自然電位を計測したとき自然電位が高く計測される。このことから、貯湯タンク１２の自然電位を計測することで供給水の水質の度合いを推し量ることが可能である。
【００３５】
この固体酸化物形燃料電池システム１００では、自然電位が増加傾向にあるときは、貯湯温度設定手段１４が貯湯タンク１２の設定温度を低減させるため、水質が悪い場合には自動的に貯湯温度を下げて運転することで貯湯タン１２の缶体の寿命を延ばし、貯湯タンク１２の信頼性を向上させることができる。また、このとき、固体酸化物形燃料電池システム１００の運転効率を低下させることはない。
【００３６】
温度計１６が貯湯温度設定手段１４に接続されており、温度計１６はこの貯湯温度設定手段１４に貯湯温度情報を与える。この貯湯温度情報によって、貯湯温度設定手段１４は、循環ポンプ制御基板１３を制御する。これによって、循環ポンプ１１は、配管の水の循環量を調節して貯湯温度を制御する。
【００３７】
また、固体酸化物形燃料電池１においては、循環ポンプ１１で制御される循環流量が少ないため、貯湯温度を下げて運転することで排熱回収効率を向上させることができるという効果を奏する。
【００３８】
本発明の固体酸化物形燃料電池システム１００によれば、水質が悪い地域での使用においても、システムの運転効率を低下させることなく、貯湯タンク１２の寿命を延ばすことができ、より信頼性の高いシステムを提供することが可能となる。
【００３９】
以上、好ましい実施の形態について説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することのない範囲内において適宜の変更が可能なものである。例えば、自然電位は電圧値を計測することを想定して説明したが、水質は電圧、抵抗、電流、微弱な電磁波のいずれの値で計測しても構わない。また、水質は透明度及び色相などで計測しても構わないし、水質計測手段はこれらに限定されるものではなく、その他、水質が計測されるものであればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の固体酸化物形燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】従来の固体酸化物形燃料電池システムを示す構成図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    固体酸化物形燃料電池
２    燃料供給装置
３    空気供給装置
４    水供給装置
５    燃料加湿装置
６    パワーコンディショナ
７    電力系統
８    電力負荷
９    制御装置
１０    熱交換器
１１    循環ポンプ
１２    貯湯タンク
１３    循環ポンプ制御基板
１４    貯湯温度設定手設
１５    水質計測手段（自然電位計測手段）
１５ａ，１５ａ′  第一の電極
１５ｂ，１５ｂ′  第二の電極
１６    温度計
１００  固体酸化物形燃料電池システム
【図１】
2007273146.tif 000003
【図２】
2007273146.tif 000004