(57)【要約】【課題】高温の熱媒を貯えることができ且つエネルギ効率の良好な排熱回収システムを提供する。【解決手段】熱媒を貯えることにより蓄熱可能な蓄熱用タンクＴＮＫを備え、燃料電池ＦＣからの排熱が供給される第１熱交換部１と蓄熱用タンクＴＮＫとの間で熱媒を流通させることで燃料電池ＦＣの排熱を回収する排熱回収システムであって、第１熱交換部１から流出した後であり且つ蓄熱用タンクＴＮＫに貯えられる前の熱媒が有する熱を利用して、蓄熱用タンクＴＮＫから取り出された後であり且つ第１熱交換部１に流入する前の熱媒の予熱処理を実施可能な予熱手段Ｈと、熱媒の流通形態及び予熱手段Ｈの動作を制御する制御手段Ｃとを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒を貯えることにより蓄熱可能な蓄熱用タンクを備え、燃料電池からの排熱が供給される第１熱交換部と前記蓄熱用タンクとの間で前記熱媒を流通させることで前記燃料電池の排熱を回収する排熱回収システムであって、
前記第１熱交換部から流出した後であり且つ前記蓄熱用タンクに貯えられる前の前記熱媒が有する熱を利用して、前記蓄熱用タンクから取り出された後であり且つ前記第１熱交換部に流入する前の前記熱媒の予熱処理を実施可能な予熱手段と、前記熱媒の流通形態及び前記予熱手段の動作を制御する制御手段とを備える排熱回収システム。
【請求項２】
前記予熱手段は、前記第１熱交換部から流出した後であり且つ前記蓄熱用タンクに貯えられる前の前記熱媒の一部を、前記蓄熱用タンクから取り出された後であり且つ前記第１熱交換部に流入する前の前記熱媒に対して混合させることで前記予熱処理を実施可能に構成されている請求項１に記載の排熱回収システム。
【請求項３】
前記予熱手段は、第２熱交換部を有し、前記第１熱交換部から流出した後であり且つ前記蓄熱用タンクに貯えられる前の前記熱媒の一部を前記蓄熱用タンクから取り出された後であり且つ前記第１熱交換部に流入する前の前記熱媒と前記第２熱交換部において熱交換させた後で混合させることで前記予熱処理を実施可能に構成されている請求項１に記載の排熱回収システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記第１熱交換部に流入する前記熱媒の温度が目標温度となるように前記予熱手段の動作を制御する請求項１〜３の何れか一項に記載の排熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱媒を貯えることにより蓄熱可能な蓄熱用タンクを備え、燃料電池からの排熱が供給される熱交換部と前記蓄熱用タンクとの間で前記熱媒を流通させることで前記燃料電池の排熱を回収する排熱回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱源としての燃料電池から排熱を回収する排熱回収システムは従来から多数提案されている。しかし、熱源として内燃機関を利用した場合、排熱回収した後の熱媒は高温となるが、それに比べて燃料電池から排熱回収した後の熱媒の温度は相対的に低い。熱媒を貯える蓄熱用タンクの容量が同じであるならば、排熱回収した熱媒の温度が低い（即ち、蓄熱用タンクに貯えられる熱媒の温度が低い）ということは、蓄熱用タンクに貯えることのできる合計熱量が少なくなることを意味する。尚、蓄熱用タンクの容量を大きくすれば（即ち、低温の熱媒を大量に貯えておけば）合計熱量を大きくできるが、タンクが大型になってしまう。
【０００３】
一般的には、熱媒の温度が高いほど、その熱媒の用途が広がる点で好ましい。例えば、比較的低い熱媒温度である６０℃の熱媒であれば給湯用途などには使えるが、床暖房装置等の暖房用途やデシカント除加湿器などには使えないこともある。従って、熱媒の温度が低くても、上述したように大容量の蓄熱用タンクを用いれば蓄熱用タンクに貯えることのできる合計熱量を増大させることはできるものの、熱媒の用途が限定されるという問題は解消できない。
【０００４】
特許文献１には、燃料電池の排熱を回収する排熱回収システムが記載されている。この排熱回収システムは、高温（６０℃〜８０℃）の湯を貯留する貯湯槽と、低温（４０℃〜６０℃）の湯を貯留する貯湯槽という２つの貯湯槽を備える。燃料電池の熱交換部へは冷却水としての水道水を流入させ、燃料電池の熱交換部から流出される湯の温度が高い場合には高温用の貯湯槽へと移送し、或いは、燃料電池の熱交換部から流出される湯の温度が低い場合には低温用の貯湯槽へと移送している。高温用の貯湯槽には、湯の温度を６０℃以上に保つ保温手段（保温用ヒータなど）が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−７５３９０号公報（図１、段落００１９〜段落００２０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の排熱回収システムは、燃料電池の熱交換部へ比較的低温の水道水を流入させているため、燃料電池の熱交換部から流出される湯の温度が、所望の高温にまで高められない可能性が高い。特に、冬季には水道水の温度が非常に低くなるため、排熱量の小さい燃料電池でその低温の水道水を例えば８０℃の湯にすることは困難である。
【０００７】
加えて、特許文献１に記載の排熱回収システムは、保温用ヒータなどを用いて高温用の貯湯槽における湯の温度を高温域に保っている。つまり、この排熱回収システムは、燃料電池の排熱とは別に、エネルギを消費して高温の湯を得ていると言える。従って、排熱回収システムのエネルギ効率が低くなるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高温の熱媒を貯えることができ且つエネルギ効率の良好な排熱回収システムを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明に係る排熱回収システムの特徴構成は、熱媒を貯えることにより蓄熱可能な蓄熱用タンクを備え、燃料電池からの排熱が供給される第１熱交換部と前記蓄熱用タンクとの間で前記熱媒を流通させることで前記燃料電池の排熱を回収する排熱回収システムであって、
前記蓄熱用タンクから取り出された後であり且つ前記第１熱交換部に流入する前の前記熱媒の予熱処理を実施可能な予熱手段と、前記熱媒の流通形態及び前記予熱手段の動作を制御する制御手段とを備える点にある。
【００１０】
上記特徴構成によれば、熱媒は予熱手段によって予熱された上で燃料電池の第１熱交換部に流入するので、第１熱交換部の入口に流入する熱媒の温度が上昇している分、燃料電池の第１熱交換部から流出する熱媒の温度は更に昇温される。また、予熱手段は、従来のような他のエネルギを消費する保温ヒータを用いて予熱処理を実施するのではなく、第１熱交換部から流出した後であり且つ蓄熱用タンクに貯えられる前の熱媒が有する熱を利用して予熱処理を実施するので、エネルギ効率は低下しない。
従って、高温の熱媒を貯えることができ且つエネルギ効率の良好な排熱回収システムを提供できる。
【００１１】
本発明に係る排熱回収システムの更に別の特徴構成は、前記予熱手段は、前記第１熱交換部から流出した後であり且つ前記蓄熱用タンクに貯えられる前の前記熱媒の一部を、前記蓄熱用タンクから取り出された後であり且つ前記第１熱交換部に流入する前の前記熱媒に対して混合させることで前記予熱処理を実施可能に構成されている点にある。
【００１２】
上記特徴構成によれば、第１熱交換部から流出した後であり且つ蓄熱用タンクに貯えられる前の熱媒の一部を、蓄熱用タンクから取り出された後であり且つ第１熱交換部に流入する前の熱媒に対して単に混合させるだけでよいので、単純な装置構成で排熱回収システムを構築できる。
【００１３】
本発明に係る排熱回収システムの更に別の特徴構成は、前記予熱手段は、第２熱交換部を有し、前記第１熱交換部から流出した後であり且つ前記蓄熱用タンクに貯えられる前の前記熱媒の一部を前記蓄熱用タンクから取り出された後であり且つ前記第１熱交換部に流入する前の前記熱媒と前記第２熱交換部において熱交換させた後で混合させることで前記予熱処理を実施可能に構成されている点にある。
【００１４】
上記特徴構成によれば、第１熱交換部から流出した後であり且つ蓄熱用タンクに貯えられる前の熱媒の一部と、蓄熱用タンクから取り出された後であり且つ第１熱交換部に流入する前の熱媒とを混合させる前に、第２熱交換部において温度の均一化を図ることができる。従って、混合部位より下流側に温度の均一化を目的とした温度均一化用流路部などを特に設ける必要性が低減される。
【００１５】
本発明に係る排熱回収システムの更に別の特徴構成は、前記制御手段は、前記第１熱交換部に流入する前記熱媒の温度が目標温度となるように前記予熱手段の動作を制御する点にある。
【００１６】
上記特徴構成によれば、予熱手段の動作を制御して燃料電池の第１熱交換部に流入する熱媒の温度を目標温度とすることで、燃料電池の熱交換部で昇温されて流出する熱媒の温度、即ち、蓄熱用タンクに貯えられる熱媒の温度を所望の温度に調節できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態の排熱回収システムの構成を示す図である。
【図２】第２実施形態の排熱回収システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して本発明の第１実施形態の排熱回収システムについて説明する。
図１は、排熱回収システムの構成を示す図である。図示するように、排熱回収システムは、熱媒を貯えることにより蓄熱可能な蓄熱用タンクＴＮＫを備え、燃料電池ＦＣからの排熱が供給される熱交換部１（本発明の「第１熱交換部」の一例）と蓄熱用タンクＴＮＫとの間で熱媒を流通させることで燃料電池ＦＣの排熱を回収する。本発明において、排熱回収システムは、熱媒の流通形態を制御する制御手段としての制御部Ｃとを備える。熱媒は例えば水である。本発明では燃料電池のタイプは制限されず、例えば、固体高分子形燃料電池や固体酸化物形燃料電池など様々なタイプの燃料電池を利用できる。蓄熱用タンクＴＮＫには、熱媒が温度成層を形成して貯えられる。
【００１９】
燃料電池ＦＣの熱交換部１と蓄熱用タンクＴＮＫとの間には熱媒としての水が流通可能な流路Ｌ１〜Ｌ３が設置されている。
流路Ｌ１は、蓄熱用タンクＴＮＫの下部と燃料電池ＦＣの熱交換部１の流入口１ａとを接続する。蓄熱用タンクＴＮＫから熱交換部１へ至る間の流路Ｌ１の途中には予熱用熱交換器２（本発明の「第２熱交換部」の一例）とポンプ３とが順に設けられている。流路Ｌ２は、燃料電池ＦＣの熱交換部１の流出口１ｂと蓄熱用タンクＴＮＫの上部とを接続する。流路Ｌ２の途中にはコントロールバルブＣＶ１が設けられている。流路Ｌ３は、流路Ｌ２の途中とポンプ３の上流側の流路Ｌ１とを接続する。具体的には、流路Ｌ３は、コントロールバルブＣＶ１において流路Ｌ２から分岐して、ポンプ３の上流側の流路Ｌ１に接続される。流路Ｌ３の途中には、予熱用熱交換器２が設けられている。つまり、予熱用熱交換器２では、流路Ｌ１を流通する熱媒と流路Ｌ３を流通する熱媒とが熱交換可能である。
【００２０】
排熱回収システムには、流路Ｌ４〜Ｌ６も設置されている。流路Ｌ４は、上水の供給元と蓄熱用タンクＴＮＫの下部とを接続する。流路Ｌ５は、蓄熱用タンクＴＮＫと水（熱媒）の給湯先及び熱利用先とを接続する。流路Ｌ６は、流路Ｌ４の途中と流路Ｌ５の途中とを接続する。流路Ｌ６の途中にはコントロールバルブＣＶ２が設けられている。具体的には、流路Ｌ６は、流路Ｌ４の途中の分岐部４で分岐されて流路Ｌ５の途中の合流部５に至る。
【００２１】
図１では、コントロールバルブＣＶ１の三方の流路に対応する記号を「ａ」、「ｂ」、「ｃ」で示している。制御部Ｃは、コントロールバルブＣＶ１における熱媒の流通状態を「ａｂ流通状態」、「ａｃ流通状態」、「ｂｃ流通状態」、「ａｂｃ流通状態」の何れかに切り替えることができる。また、制御部Ｃは、コントロールバルブＣＶ２の開度も調節できる。
【００２２】
流路Ｌ５の途中にはバックアップボイラＢが設けられている。具体的には、バックアップボイラＢは、流路Ｌ５において合流部５よりも下流側に設けられている。バックアップボイラＢの動作は制御部Ｃが制御する。
【００２３】
熱媒が流通する各部には、熱媒の温度を測定する温度センサＴ１〜Ｔ４が設けられている。温度の測定結果は、制御部Ｃに送られる。
温度センサＴ１は、流路Ｌ１の途中に設けられている。具体的には、燃料電池ＦＣの熱交換部１の流入口１ａの近傍の流路Ｌ１、特にポンプ３の下流側に設けられている。つまり、温度センサＴ１は、燃料電池ＦＣの熱交換部１に流入する直前の熱媒の温度を測定できる。温度センサＴ２は、流路Ｌ２の途中に設けられている。具体的には、燃料電池ＦＣの熱交換部１の流出口１ｂの近傍の流路Ｌ２に設けられている。つまり、温度センサＴ２は、燃料電池ＦＣの熱交換部１から流出した直後の熱媒の温度を測定できる。温度センサＴ３は、蓄熱用タンクＴＮＫの下部（底部）に設けられている。つまり、温度センサＴ３は、蓄熱用タンクＴＮＫの底部周辺に貯えられている熱媒の温度を測定できる。温度センサＴ４は、蓄熱用タンクＴＮＫの上部（頂部）に設けられている。つまり、温度センサＴ４は、蓄熱用タンクＴＮＫの頂部周辺に貯えられている熱媒の温度を測定できる。
【００２４】
本実施形態の排熱回収システムでは、風呂やシャワーなどの給湯先や、デシカント除加湿器、床暖房装置などの高温水利用設備を含む熱利用先へ、蓄熱用タンクＴＮＫの上部に貯えられている熱媒が供給される。そして、蓄熱用タンクＴＮＫの上部から流路Ｌ５を介して給湯先及び熱利用先へ熱媒が供給されるのと同時に、蓄熱用タンクＴＮＫの下部へ流路Ｌ４を介して上水が補充される。また、制御部Ｃは、蓄熱用タンクＴＮＫから流路Ｌ５を介して給湯先及び熱利用先に供給される熱媒の温度が所望の温度よりも高いときには、コントロールバルブＣＶ２の開度を調節して流路Ｌ６から流路Ｌ５へ低温の上水を混入させることで熱媒の温度調節を行い、蓄熱用タンクＴＮＫから流路Ｌ５を介して給湯先及び熱利用先に供給される熱媒の温度が所望の温度よりも低いときには、バックアップボイラＢを作動させて昇温することで熱媒の温度調節を行う。
【００２５】
また、制御部Ｃは、運転停止条件が満たされると燃料電池ＦＣと排熱回収システムの運転を停止する。運転停止条件は適宜設定可能であるが、例えば、制御部Ｃは、温度センサＴ３で測定される熱媒温度が後述する目標温度（例えば３７℃）より高くなると運転停止条件が満たされたと判定する。
【００２６】
〔予熱手段Ｈの構成〕
排熱回収システムは、蓄熱用タンクＴＮＫから取り出された後であり且つ燃料電池の熱交換部１に流入する前の熱媒の予熱処理を実施可能な予熱手段Ｈを備える。予熱手段Ｈの動作は制御部Ｃが制御する。本実施形態において、予熱手段Ｈは、コントロールバルブＣＶ１と流路Ｌ３と予熱用熱交換器２とポンプ３とで実現される。以下に説明するように、制御部Ｃは、燃料電池ＦＣの熱交換部１に流入する熱媒の温度が目標温度となるように予熱手段Ｈの動作を制御する。具体的には、制御部Ｃは、温度センサＴ３で測定される蓄熱用タンクＴＮＫの底部に貯えられている熱媒の温度が目標温度未満であるとき、コントロールバルブＣＶ１及びポンプ３の動作を制御して流路Ｌ３を流れる熱媒の量を増加させて上記予熱処理を行うことで、温度センサＴ１で測定される熱媒の温度を目標温度とする。また、制御部Ｃは、温度センサＴ３で測定される熱媒温度が目標温度より高くなると、運転停止条件が満たされたと判定して燃料電池ＦＣを停止させる。
【００２７】
ポンプ３の動作は制御部Ｃによって制御される。ポンプ３は、流路Ｌ１を流れる熱媒と流路Ｌ３を流れる熱媒とを引き込んで混合し、燃料電池ＦＣの熱交換部１に流入させるように働く。つまり、ポンプ３によって、燃料電池ＦＣの熱交換部１から流出した後であり且つ蓄熱用タンクＴＮＫに貯えられる前の熱媒の一部と、蓄熱用タンクＴＮＫから取り出された後であり且つ予熱用熱交換器２を出た熱媒とが混合される。
【００２８】
流路Ｌ２から分岐した後で流路Ｌ３を流れる熱媒は、燃料電池ＦＣの熱交換部１で昇温された後の比較的高温の熱媒である。よって、流路Ｌ３を流れる熱媒の量が相対的に多くなるように変化させると、温度センサＴ１で測定される熱媒の温度（即ち、ポンプ３によって流路Ｌ３を流れる熱媒と流路Ｌ１を流れる熱媒とが混合された後の熱媒の温度）は相対的に高くなるように変化する。逆に、流路Ｌ３を流れる熱媒の量が少なくなるように変化させると温度センサＴ１で測定される熱媒の温度は相対的に低くなるように変化する。
【００２９】
本実施形態では、制御部Ｃが、流路Ｌ３を流れる熱媒の量をコントロールバルブＣＶ１の動作を制御して調節する。つまり、制御部Ｃは、予熱手段ＨとしてのコントロールバルブＣＶ１の動作を制御することで、温度センサＴ１で測定される熱媒の温度を目標温度へと近づけることができる。尚、熱交換部１へ流入される熱媒は燃料電池ＦＣを冷却する役割も担っているため、熱交換部１へ流入される熱媒の温度は高すぎないことが求められる。従って、上記目標温度は、燃料電池ＦＣを冷却できる例えば４０℃以下の温度（一例を挙げると３７℃）である。
【００３０】
以上のように、熱媒は予熱手段Ｈによって予熱された上で燃料電池ＦＣの熱交換部１に流入するので、燃料電池ＦＣの熱交換部１から流出する熱媒の温度は更に昇温される。また、予熱手段Ｈは、従来のような他のエネルギを消費する保温ヒータを用いて予熱処理を実施するのではなく、燃料電池ＦＣの熱交換部１から流出した後であり且つ蓄熱用タンクＴＮＫに貯えられる前の熱媒が有する熱を利用して予熱処理を実施するので、エネルギ効率は低下しない。従って、高温の熱媒を貯えることができ且つエネルギ効率の良好な排熱回収システムを提供できる。
【００３１】
＜第２実施形態＞
第２実施形態の排熱回収システムは、予熱手段の構成が第１実施形態と異なっている。以下に第２実施形態の排熱回収システムについて説明するが、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００３２】
図２は、第２実施形態の排熱回収システムの構成を示す図である。図示するように、本実施形態の予熱手段Ｈは、第１実施形態で説明したような予熱用熱交換器を備えておらず、コントロールバルブＣＶ１と流路Ｌ３とポンプ３とで実現される。つまり、予熱手段Ｈは、燃料電池ＦＣの熱交換部１から流出した後であり且つ蓄熱用タンクＴＮＫに貯えられる前の熱媒の一部を、蓄熱用タンクＴＮＫから取り出された後であり且つ燃料電池ＦＣの熱交換部１に流入する前の熱媒に対して混合させることで上記予熱処理を実施可能に構成されている。
このように、熱交換部１から流出した後であり且つ蓄熱用タンクＴＮＫに貯えられる前の熱媒の一部を、蓄熱用タンクＴＮＫから取り出された後であり且つ熱交換部１に流入する前の熱媒に対して単に混合させるだけでよいので、単純な装置構成で排熱回収システムを構築できる。
【００３３】
＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態に例示した運転停止条件は適宜変更可能である。
【００３４】
＜２＞
上記実施形態において目標温度の値を例示したが本発明はそれらの数値には限定されない。目標温度の値は適宜設定可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、燃料電池の排熱を回収する排熱回収システムに利用できる。
【符号の説明】
【００３６】
１  熱交換部（第１熱交換部）
１ａ  流入口
１ｂ  流出口
２  予熱用熱交換器（第２熱交換部）
ＦＣ  燃料電池
ＴＮＫ  蓄熱用タンク
Ｃ  制御部（制御手段）
Ｈ  予熱手段
【図１】
2012063045.tif 000003
【図２】
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