(57)【要約】【課題】貯湯式排熱回収システムに係る排熱循環回路において排熱循環水をエアー噛み無く安定して循環でき、これにより制御が簡単で耐久性能を満たす排熱循環回路により安定した発電を実施することができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】電力及び熱を供給する燃料電池１と、前記燃料電池１の熱を吸収する熱媒体が循環する循環経路２と、前記熱媒体の熱を蓄熱する蓄熱器４と、前記循環経路２に配置され、前記熱媒体を循環するポンプ７１と、少なくとも前記ポンプ７１を制御する制御器５０とを有し、前記制御器５０は、前記燃料電池１が発電を行っている場合に、前記ポンプ７１の操作量を高操作量及びゼロより大きい低操作量の少なくとも二段階に断続的に変化させるように前記ポンプ７１を制御する、燃料電池システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力及び熱を供給する燃料電池と、
前記燃料電池の熱を吸収する熱媒体が循環する循環経路と、
前記熱媒体の熱を蓄熱する蓄熱器と、
前記循環経路に配置され、前記熱媒体を循環するポンプと、
少なくとも前記ポンプを制御する制御器と、
を有し、
前記制御器は、前記燃料電池が発電を行っている場合に、前記ポンプの操作量を高操作量及びゼロより大きい低操作量の少なくとも二段階に断続的に変化させるように前記ポンプを制御する、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記低操作量は、前記燃料電池が発電を行っている場合の最低操作量である、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記高操作量は、複数の大きさの操作量に区分されるように設定されている、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はコジェネレーションシステム例えば燃料電池コジェネレーションシステムなどで排熱を離れた貯湯タンクに温水として蓄熱する排熱回収システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の貯湯式排熱回収システムとしては、燃料電池のコジェネレーションシステムに関するものがあった（例えば、特許文献１参照）。図４は、前記特許文献１に記載された従来の燃料電池のコジェネレーションシステムを示すものである。
【０００３】
図５において、燃料電池１０１は余剰な熱を熱交換器１０２で熱回収水に受け渡すことで排出している。この熱回収水は、循環ポンプ１０３によって貯湯タンク１０４の下部から熱回収配管Ａ１０５および熱回収配管Ｂ１０６を通じて搬送されたものである。熱交換器１０２で燃料電池１０１の余剰熱で加熱された熱回収水は熱交出温度センサー１０８で検出され、その温度が貯湯タンク１０４の上部の温度よりも高い時は熱回収配管Ｃ１０７によって貯湯槽１０４の上部に搬送される。ここで加熱された熱回収水の温度が貯湯タンク１０４の上部の温度よりも低い時は切替弁１０９によってバイパス回路１１０を通じて熱回収配管Ａ１０５の合流部に搬送され回路内を循環する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２２３３８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の構成では、燃料電池１０１で発生する余剰な熱が小さい場合、高温の温水を貯湯槽１０４へ送るためには熱交換器１０２で熱回収水に受け渡し、循環ポンプ１０３により貯湯槽１０４へ送られる熱回収水の流量をきわめて小さくする必要がある。
【０００６】
この場合、循環ポンプ１０３の循環流量が小さくなるため、循環ポンプ１０３内部にエア噛みが派生し、キャビテーションによる循環ポンプ１０３の破損、循環不良が発生するという課題を有していた。
【０００７】
また、集合住宅等に設置された場合貯湯槽と燃料電池の設置により熱回収配管が長くなる場合が十分想定される。
【０００８】
この場合、熱回収配管の放熱量が大きくなり貯湯槽に十分な蓄熱をすることができないという課題を有していた。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、排熱回収用循環ポンプの耐久性性能を向上させるとともに、設置余裕度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記従来の課題を解決するために、貯湯式排熱回収システムは、電力及び熱を供給する燃料電池と、前記燃料電池の熱を吸収する熱媒体が循環する循環経路と、前記熱媒体の熱を蓄熱する蓄熱器と、前記循環経路に配置され、前記熱媒体を循環する循環ポンプと、少なくとも前記循環ポンプを制御する制御器とを有し、前記制御器は、前記燃料電池が発電
を行っている場合に、前記ポンプの操作量を高操作量及びゼロより大きい低操作量の少なくとも二段階に断続的に変化させるように前記ポンプを制御する、燃料電池システムである。
【００１１】
本構成によって、循環ポンプのエア噛みを防止することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の貯湯式排熱回収システムによれば、単純な制御により熱回収配管の燃料電池ユニットと貯湯ユニットの間の熱回収水に用いられる循環ポンプのエア噛みを防止することができ、耐久性能を向上させることができると共に、熱回収配管を通して、貯湯槽に送られる高温回収水の量を多くすることにより熱回収配管の放熱量を少なくして前記熱回収配管の延長が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムを示す構成図
【図２】本発明の実施の形態１および２の循環ポンプの制御を示すタイムチャート
【図３】本発明の実施の形態３の循環ポンプの制御を示すタイムチャート
【図４】従来の燃料電池システムを示す構成図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
第１の発明は、水素と空気が供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の発電時に発熱する前記燃料電池を冷却する冷却水を循環させる冷却水循環回路と、前記冷却水循環回路に配され冷却水を貯える冷却水タンクと、前記冷却水循環回路内の冷却水を循環させる冷却水循環ポンプと、貯湯槽と、前記貯湯槽から流出した熱回収水を前記貯湯槽に戻す熱回収水循環回路と、前記冷却水循環回路の冷却水と前記熱回収水循環回路の熱回収水とを熱交換させる冷却水熱交換器と、
熱回収水を貯湯槽と冷却水熱交換器との間で循環させる循環ポンプを備え、
前記燃料電池の排熱を回収する際に、循環ポンプの運転操作量を高操作量及びゼロより大きい低操作量の少なくとも二段階に断続的に変化させるように前記ポンプを制御する、燃料電池システムである。
【００１５】
第２の発明は、水素と空気が供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の発電時に発熱する前記燃料電池を冷却する冷却水を循環させる冷却水循環回路と、前記冷却水循環回路に配され冷却水を貯える冷却水タンクと、前記冷却水循環回路内の冷却水を循環させる冷却水循環ポンプと、貯湯槽と、前記貯湯槽から流出した熱回収水を前記貯湯槽に戻す熱回収水循環回路と、前記冷却水循環回路の冷却水と前記熱回収水循環回路の熱回収水とを熱交換させる冷却水熱交換器と、
熱回収水を貯湯槽と冷却水熱交換器との間で循環させる循環ポンプを備え、
前記燃料電池の排熱を回収する際に、循環ポンプの運転操作量を高操作量及び前記燃料電池が発電を行っている場合の最低操作量の少なくとも二段階に断続的に変化させるように前記ポンプを制御する、燃料電池システムである。
【００１６】
第３の発明は、水素と空気が供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の発電時に発熱する前記燃料電池を冷却する冷却水を循環させる冷却水循環回路と、前記冷却水循環回路に配され冷却水を貯える冷却水タンクと、前記冷却水循環回路内の冷却水を循環させる冷却水循環ポンプと、貯湯槽と、前記貯湯槽から流出した熱回収水を前記貯湯槽に戻す熱回収水循環回路と、前記冷却水循環回路の冷却水と前記熱回収水循環回路の熱回収水とを熱交換させる冷却水熱交換器と、
熱回収水を貯湯槽と冷却水熱交換器との間で循環させる循環ポンプを備え、
前記燃料電池の排熱を回収する際に、循環ポンプの運転操作量を複数の大きさの操作量に
区分されるように設定して断続的に変化させるように前記ポンプを制御する、燃料電池システムである。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における循環ポンプ７１の操作量を制御する熱回収循環回路を包含する燃料電池システムの構成を示すものであり、図２は循環ポンプの操作量を制御する熱回収循環回路のタイムチャートである。
【００１８】
以下、本発明の実施の形態の燃料電池熱回収循環回路の具体的な構成例および動作例について、燃料電池システムの構成例をもとに図面を参照しながら説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施の形態の燃料電池システムの一構成例を示したブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料ガス（水素ガス）を用いて発電および発熱する燃料電池１と燃焼ガス中のメタンと、改質反応を起こさせ、水素を発生させる燃料処理機１０を備える。
【００２０】
燃料電池１では、燃料電池１のアノード（図示せず）に供給された燃料ガスと、燃料電池１のカソード（図示せず）に供給された酸化ガス（例えば、空気）と、が電気化学的に反応（発熱反応）して、電力および熱が発生する。燃料電池１によって生成された電力は、例えば、様々な電気機器において利用できる。また、燃料電池１によって生成された熱は、様々な用途に利用でき、例えば、家庭の暖房や給湯などにおいても利用できる。
【００２１】
なお、燃料電池１の内部構造は公知である。よって、その詳細な説明は省略する。燃料電池１の発電では、上述の電気化学反応（発熱反応）が進行するので、燃料電池１の発電中の運転温度が、その反応に適した温度（例えば、７０℃〜８０℃程度）に維持されるよう、燃料電池１の温度を一定に保つ機構が一般的に採用されている。
【００２２】
まず燃料電池冷却回路について説明する。
【００２３】
燃料電池冷却回路は、図１に示すように、燃料電池１の発電中に前記燃料電池１を冷却するための冷却水を循環する冷却水循環回路２（請求項１の「循環経路」に対応する）と、前記冷却水循環回路２に設けられた余剰ヒータ３を具備し冷却水を貯える冷却水タンク４と、前記冷却水循環回路２内の冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ６と、前記冷却水循環回路２の廃熱を吸収して貯湯槽２０内に蓄熱する冷却水熱交換器５と、燃料電池１の冷却水出口に設けられた温度検出器７を備えたものである。図１では、冷却水の流れの方向が実線の矢印によって示されている。前記冷却水循環回路２は冷却水タンク４と冷却水熱交換器５をつなぐ冷却水循環回路ａ２１と、冷却水熱交換器５と燃料電池１をつなぐ冷却水循環回路ｂ２２と、燃料電池１と冷却水循環ポンプ６をつなぐ冷却水循環回路ｃ２３と、冷却水循環ポンプ６と冷却水タンク４をつなぐ冷却水循環回路ｄ２４で構成されている。
【００２４】
つぎに、燃料電池１に都市ガス等を用いて燃料ガス（水素ガス）を供給する燃料処理機１０に改質反応のための反応用の水を供給する改質水供給回路について説明する。
【００２５】
改質水供給回路は前記冷却水循環回路２の冷却水循環回路ｄ２４から分岐した給水回路１２と、燃料処理機に反応用の水を供給する供給ポンプ１１と、燃料処理機１０への反応用の水の入り切りを行う第１の燃料処理弁１５ａと、供給ポンプ１１から分岐した凝縮水回路１４と、第２の燃料処理弁１５ｂと、給水タンク（凝縮水タンク）１６と、冷却水の供給ポンプ１３と、冷却水供給回路１７ｂを備えている。図１では、冷却水の流れの方向が点線の矢印によって示されている。前記給水回路１２は、燃料電池１と冷却水循環ポン
プ６をつなぐ冷却水循環回路ｃ２３から分岐して、供給ポンプ１１をつなぐ給水回路１２と、供給ポンプ１１、第１の燃料処理弁１５ａをつなぐ給水回路ｂ３２と、第１の燃料処理弁１５ａと燃料処理機１０をつなぐ給水回路ｃ３３と、前記給水回路ｂ３２の途中から分岐して第２の燃料処理弁１５ｂをつなぐ給水回路ｄ３４と、第２の燃料処理弁１５ｂと給水タンク（凝縮水タンク）１６をつなぐ給水回路ｅ３５で構成されている。給水タンク１６には、オーバーフローした場合に排水を行うための排水経路が接続されており、排水経路にはオーバーフロー弁１６ｂが配置されている。
【００２６】
また前記冷却水供給回路１７ｂは冷却水供給回路ｃ１７ｃ、冷却水供給回路ｄ１７ｄ、冷却水供給回路ｅ１７ｅ、で構成されている。また、冷却水循環回路ｅ１７ｅには、冷却水タンク弁４ｂが配置されている。
【００２７】
また、循環ポンプ７１を含む燃料電池システムの構成部品を制御する制御器５０が配置されている。
【００２８】
つぎに燃料電池の発電工程を通水、循環回路の循環水充填運転（以下初期水張り）燃料処理、燃料電池の発電の順に説明する。
【００２９】
燃料電池システムの循環回路内へ水を充填するため、初期水張りを行う。
【００３０】
まず、第１のバイパス回路６０に設けられた第１の切り替え手段６１の回路を「開」にする。これにより貯湯槽２０内の補給水は、貯湯循環回路４１、循環ポンプ７１（請求項の「ポンプ」に対応する）、補給水回路５１ａを通り、第１のバイパス回路６０を経て冷却水供給回路ｃ１７ｃ、冷却水供給回路ｄ１７ｄ、イオン交換樹脂１８、冷却水供給回路ｅ１７ｅ、を通り、冷却水タンク４に導かれる。これらの一連の動作は貯湯槽２０にかかる水道の供給圧により行われる。
【００３１】
冷却水タンク４内の水位が上昇すると冷却水タンクレベルスイッチ８が満水を検知して、１の切り替え手段６１の回路を「閉」にする。
【００３２】
また、前記初期水張りと同時に、給水タンク（凝縮水タンク）１６への水の補給を行う。給水タンク弁７２を「開」にして貯湯槽２０内の貯水を貯湯循環回路４１、循環ポンプ７１、貯湯循環回路ｂ４２から分岐した補給水回路ａ５１、補給水回路ｂ５２を介して給水タンク（凝縮水タンク）１６に補給する。給水タンク（凝縮水タンク）１６内の水位が上昇すると給水タンクレベルスイッチ１７が満水を検知して、循環ポンプ７１を停止するとともに給水タンク弁７２を「閉」にする。
【００３３】
前記操作は循環ポンプ７１の運転有無に関らず行われる。
【００３４】
前記の冷却水循環回路２内の冷却水の充填が完了すると燃料処理機１０から燃料ガス（水素ガス）が燃料電池１に供給され酸化ガス（例えば、空気）と、反応して発電が開始される。そして、この発電により電力および熱が発生する。この電力は電気機器により消費され、発生した熱は冷却水熱交換器５により、貯湯槽２０から循環ポンプ７１により排熱循環回路４０を循環する貯湯水により熱交換され貯湯槽２０に蓄熱される。
【００３５】
前記補給水循環回路は、貯湯槽２０と循環ポンプ７１をつなぐ貯湯循環回路４１と、循環ポンプ７１と冷却水熱交換器５をつなぐ補給水循環回路ａ４２と、冷却水熱交換器５と貯湯槽２０をつなぐ補給水循環回路ｃ４３から構成されている。
【００３６】
また、前記燃料電池システムにおいて発電時に余剰電量が生じた場合は、その余剰電力
をヒータにより熱に変換し、貯湯槽２０に蓄熱する。具体的には冷却水タンク４に設けられた余剰ヒータ３により余剰電力を温水に変換する。この冷却水タンク内の温水は冷却水循環ポンプ６により冷却水熱交換器５へ送られ、貯湯槽２０から循環ポンプ７１により排熱循環回路４０を循環する貯湯水により熱交換され貯湯槽２０に蓄熱される。
【００３７】
つぎに、発電量が変化し、冷却水熱交換器５で熱交換されて、貯湯槽２０に蓄熱される熱量が変化した時の循環ポンプ７１の運転制御について図２を用いて説明する。
【００３８】
図２は横軸を運転時間としたタイムチャートである。図１の上図は発電排熱量（発熱量）と運転時間の関係を示し、下図は循環ポンプ７１の操作量（循環量）と運転時間の関係を示している。
【００３９】
この場合、最大発電量で燃料電池１の発電排熱量（発電量）が最大の場合は循環ポンプ７１の操作量（循環量）を最大（高操作量）にして前記冷却水熱交換器５により、貯湯槽２０から循環ポンプ７１により排熱循環回路４０を循環する貯湯水により熱交換され貯湯槽２０に蓄熱される。
【００４０】
つぎに、燃料電池１の発電量が低下して発電排熱量（発電量）があらかじめ設定されたしきい値を下回った場合は循環ポンプ７１の操作量（循環量）を最大発熱量時の操作量（循環量）より小さい低操作量にして前記冷却水熱交換器５により、貯湯槽２０から循環ポンプ７１により排熱循環回路４０を循環する貯湯水により熱交換され貯湯槽２０に蓄熱される。このとき、ポンプ操作量（循環量）を０にしてポンプ循環を停止してもかまわない。以降は燃料電池の発電排熱量に応じて前記動作を繰り返す。
【００４１】
以上のように、制御器５０により、構成された燃料電池システム等に利用される貯湯式排熱回収システムによれば、一定のしきい値を基準にポンプ操作量（循環量）が制御されるため、ポンプ操作量（循環量）に大きな差を設けることにより低操作量でポンプ内部に発生したエアー噛みを高操作量（循環量）時に排出することができる。
【００４２】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の第２の実施例について図２を用いて説明を行う。
燃料電池の発電工程、通水、循環回路の循環水充填運転、燃料処理、燃料電池の発電の順についての説明については（実施の形態１）と同様であるため省略する。
【００４３】
本実施の形態は、第１の実施例で説明した低操作量を循環ポンプ７１の最低操作量にすることを特徴とする。
【００４４】
すなわち、最大発電量で燃料電池１の発電排熱量（発電量）が最大の場合は循環ポンプ７１の操作量（循環量）を最大（高操作量）にして前記冷却水熱交換器５により、貯湯槽２０から循環ポンプ７１により排熱循環回路４０を循環する貯湯水により熱交換され貯湯槽２０に蓄熱される。
【００４５】
つぎに、燃料電池１の発電量が低下して発電排熱量（発電量）があらかじめ設定されたしきい値を下回った場合は循環ポンプ７１の操作量（循環量）を最大発熱量時の操作量（循環量）より小さい低操作量である循環ポンプの最低操作量にして前記冷却水熱交換器５により、貯湯槽２０から循環ポンプ７１により排熱循環回路４０を循環する貯湯水により熱交換され貯湯槽２０に蓄熱される。このとき、ポンプ操作量（循環量）を０にしてポンプ循環を停止してもかまわない。以降は燃料電池の発電排熱量に応じて前記動作を繰り返す。
【００４６】
以上のように、構成された燃料電池システム等に利用される貯湯式排熱回収システムによれば、一定のしきい値を基準に制御されるため、ポンプ操作量（循環量）に大きな差を設けることにより低操作量でポンプ内部に発生したエアー噛みを高操作量時に排出することができる。
【００４７】
（実施の形態３）
つぎに、本発明の第３の実施例について図３を用いて説明を行う。
【００４８】
燃料電池の発電工程、通水、循環回路の循環水充填運転、燃料処理、燃料電池の発電の順についての説明については（実施の形態１）と同様であるため省略する。
【００４９】
本実施の形態は発電排熱量の最大時から最小時において、複数の大きさの操作量に区分してポンプ循環量を制御することに特徴を有する。
【００５０】
すなわち、最大発電量で燃料電池１の発電排熱量（発電量）が最大の場合は循環ポンプ７１の操作量（循環量）を最大（高操作量）にして前記冷却水熱交換器５により、貯湯槽２０から循環ポンプ７１により排熱循環回路４０を循環する貯湯水により熱交換され貯湯槽２０に蓄熱される。
【００５１】
つぎに、燃料電池１の発電量が低下して発電排熱量（発電量）があらかじめ設定されたしきい値を下回った場合は循環ポンプ７１の操作量（循環量）を最大発熱量時の操作量（循環量）より小さい低操作量である循環ポンプの最低操作量にして前記冷却水熱交換器５により、貯湯槽２０から循環ポンプ７１により排熱循環回路４０を循環する貯湯水により熱交換され貯湯槽２０に蓄熱される。
【００５２】
具体的には、図３に示すように、発電排熱量（発電量）が第１しきい値を下まわった時は循環ポンプ操作量（循環量）を第１操作量に低下させる。
【００５３】
以後第２しきい値から第５しきい値に低下していくに従いそれに対応して循環ポンプ操作量（循環量）も第２操作量から第５操作量へ降下していく。発電排熱量（発電量）が最低になり第６しきい値以下になると循環ポンプ操作量（循環量）は低操作量で制御される。このとき、ポンプ操作量（循環量）を０にしてポンプ循環を停止してもかまわない。以降は燃料電池の発電排熱量に応じて前記動作を繰り返す。
【００５４】
以上のように、構成された燃料電池システム等に利用される貯湯式排熱回収システムによれば、複数のしきい値を基準にポンプ操作量（循環量）が制御されるため、安定した排熱量を貯湯槽２０へ蓄熱することができる。
【００５５】
またリニアにポンプ操作量（循環量）を制御する場合に比べポンプ操作量（循環量）に大きな差を設けることにより低操作量でポンプ内部に発生したエアー噛みを高操作量時に排出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上のように、本発明に係る燃料電池冷却装置に係る貯湯式排熱回収システムは、循環ポンプのエアー噛み無くすことができ、循環ポンプのエア噛みの無い制御が簡単で耐久性のある排熱循環回路を実現できる。これにより初期設定性能を満たす十分な熱交換性能を確保して、安定した発電を実施することができる燃料電池システムに係る貯湯式排熱回収システムを提供することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１  燃料電池
２  冷却水循環回路（循環経路）
３  余剰ヒータ
４  冷却水タンク（蓄熱器）
４ｂ  冷却水タンク弁
５  冷却水熱交換器
６  冷却水循環ポンプ
７  温度検出器
８  冷却水タンクレベルスイッチ
１０  燃料処理機
１１  供給ポンプ
１２  給水回路
１３  供給ポンプ
１４  凝縮水回路
１５ａ  第１の燃料処理弁
１５ｂ  第２の燃料処理弁
１６  給水タンク（凝縮水タンク）
１６ｂ  オーバーフロー弁
１７  給水タンクレベルスイッチ
１７ｃ  冷却水供給回路ｃ
１７ｄ  冷却水供給回路ｄ
１７ｅ  冷却水供給回路ｅ
１８  イオン交換樹脂
２０  貯湯槽
２１  冷却水循環回路ａ
２２  冷却水循環回路ｂ
２３  冷却水循環回路ｃ
２４  冷却水循環回路ｄ
３２  給水回路ｂ
３３  給水回路ｃ
３４  給水回路ｄ
３５  給水回路ｅ
４０  排熱循環回路
４１  貯湯循環回路
４２  貯湯循環回路ｂ
４３  補給水循環回路ｃ
５０  制御器
５１  補給水回路ａ
５２  補給水回路ｂ
６０  第１のバイパス回路
７１  循環ポンプ（ポンプ）
７２  給水タンク弁
【図１】
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【図２】
2012221723.tif 000004
【図３】
2012221723.tif 000005
【図４】
2012221723.tif 000006