(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子形燃料電池の温排水を用いる排熱回収機構において、固体高分子形燃料電池（４）には給水源（１９Ａ）からの第１の給水管（５５Ａ）が接続され、その固体高分子形燃料電池（４）には更に第３の流量調整弁（Ｖ３）を設けた温排水管（５３）が接続され、該温排水管（５３）は熱交換器（３６）の放熱部（３７）から貯湯槽（８）に接続される第1の管（３４）に前記放熱部（３７）と前記貯湯槽（８）との間で接続され、そしてその貯湯槽（８）に接続された第２の管（３１）にはポンプ（３２）が設けられ、その第２の管（３１）は第２の流量調整弁（Ｖ２）を有する第３の管（５２）に接続され、その第３の管（５２）は前記固体高分子形燃料電池（４）に接続され、そして給水源（１９Ａ）からの第２の給水管（４２）は熱交換器（３６）の受熱部（３８）を介して給湯設備（４５）に接続され、また前記固体高分子形燃料電池（４）と前記第３の流量調整弁（Ｖ３）の間で前記温排水管（５３）から分岐された第４の管（５４）は第４の流量調整弁（Ｖ４）を介して第１の管（３４）に前記放熱部（３７）よりも前記固体高分子形燃料電池（４）側で接続され、前記第２の管（３１）と前記第３の管（５２）の接続部から第1の流量調整弁（Ｖ１）を有するバイパス管（５１）が分岐されており、該バイパス管（５１）は前記第４の管（５４）と前記第１の管（３４）の接続部で接続されていることを特徴とする排熱回収機構。
【請求項２】
固体高分子形燃料電池の温排水を用いる排熱回収機構において、固体高分子形燃料電池（４）には給水源（１９Ａ）からの第１の給水管（５５Ａ）が接続され、その固体高分子形燃料電池（４）には更に第３の流量調整弁（Ｖ２Ｃ）を設けた温排水管（５３）が接続され、該温排水管（５３）は三方弁（Ｖ１Ｃ）から熱交換器（３６）の放熱部（３７Ｃ）を介して貯湯槽（８）に接続される第１の管（３４Ｃ）に前記放熱部（３７Ｃ）と前記貯湯槽（８）との間で接続され、そしてその貯湯槽（８）に接続された第２の管（３１Ｃ）はポンプ（３２Ｃ）および前記三方弁（Ｖ１Ｃ）を介して前記固体高分子形燃料電池（４）に接続され、給水源（１９Ａ）からの第２の給水管（４２Ｃ）は熱交換器（３６Ｃ）の受熱部（３８Ｃ）を介して給湯設備（４５）に接続され、また前記固体分子形燃料電池（４）と前記第３の流量調整弁（Ｖ２Ｃ）との間で前記温排水管（５３）から分岐された第４の管（５４Ｃ）は第４の流量調整弁（Ｖ３Ｃ）を介して第１の管（３４Ｃ）に前記放熱部（３７）よりも前記固体分子形燃料電池（４）側で接続され、前記貯湯槽（８）の温水の水温を計測する温度センサ（１０Ｃ）を設け、その温度センサ（１０Ｃ）に信号線（１６Ｃ）で接続された制御装置（１４Ｃ）は前記三方弁（Ｖ１Ｃ）と第３の流量制御弁（Ｖ２Ｃ）と第４の流量制御弁（Ｖ３Ｃ）を制御することを特徴とする排熱回収機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池に関するものであり、特に、固体高分子形燃料電池の温排水を利用する排熱回収機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
無公害の動力発生装置としての燃料電池は、使用する電解質で分類すると、りん酸水溶液を使用するりん酸形燃料電池、炭酸塩を使用する溶融炭酸塩形燃料電池、ジルコニア系セラミックスを使用する固体酸化物形燃料電池、陽イオン交換膜を使用する固体高分子形燃料電池等が知られている。
これらの燃料電池は、主たる出力としての電力と出力に対応した排熱を発生し、その排熱を温水として回収すれば、電熱併給のコジェネレーションシステムとして作動をする。
【０００３】
ここで発電時の反応温度は、りん酸形燃料電池では約２００℃、溶融炭酸塩形燃料電池では６５０〜７００℃、固体酸化物形燃料電池では９００〜１０００℃、固体高分子形燃料電池では常温〜９０℃である。
【０００４】
上記各種の燃料電池のうち固体高分子形燃料電池は、常温で発電できること、そのため起動、停止が容易であること、出力密度が高いため小型、軽量化が可能なこと、反応作動温度が低温のために安価な材料を使用することができて低コスト化が可能なこと、低負荷時に高発電効率である等の特長を有し、排熱を温水として回収することにより家庭向け発電機能を有する給湯器と考えることが出来る。  さらに、有害成分を包含する排気ガス量が少ないという燃料電池の特質は、家庭向け発電装置としての適性を、さらに高めている。
【０００５】
しかし、固体高分子形燃料電池を家庭用発電装置とした場合、発電出力は１ＫＷ程度が適当と考えられ、この場合の温排水流量は、温排水温度が６０℃の場合では０．４リットル／分程度、温排水温度が４０℃の場合では０．７リットル／分程度の少量である。
【０００６】
この程度の（少流量の）温水では、家庭内で通常消費されるシャワー水量（２０リットル／分）を直接供給するには能力不足（給湯能力不足）である。従って、出力１ｋＷ程度の固体高分子形燃料電池を家庭用に用いる場合には、温排水を貯湯槽に一旦貯えて、貯湯槽に蓄えられた温排水（湯）を使用するのが一般的である。
【０００７】
従来の洗面所、風呂および調理場等への給湯装置では、貯湯槽を屋外に設置しているが、このスペース、設備費、工事費はできるだけ省きたいという要請が存在する。しかし、従来の固体高分子形燃料電池の排熱回収機構では、この様な要請に応えることが出来なかった。
【０００８】
なお、燃料電池発電装置において、排熱回収を合理化したものは特許文献１に記載されており、また排熱を利用した給湯装置も例えば特許文献２に記載されているが、温排水の蓄熱利用の選択や出湯温度に対する対応ができず燃料電池の温排水を有効に利用できない。
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−２３６６８号公報
【特許文献２】特開平１０−１１１０１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたもので、燃料電池の温排水を有効に利用する燃料電池の新たな排熱回収機構の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、固体高分子形燃料電池の温排水を用いる排熱回収機構において、固体高分子形燃料電池４には給水源１９Ａからの第１の給水管５５Ａが接続され、その固体高分子形燃料電池４には更に第３の流量調整弁Ｖ３を設けた温排水管５３が接続され、該温排水管５３は熱交換器３６の放熱部３７から貯湯槽８に接続される第1の管３４に前記放熱部３７と前記貯湯槽８との間で接続され、そしてその貯湯槽８に接続された第２の管３１にはポンプ３２が設けられ、その第２の管３１は第２の流量調整弁Ｖ２を有する第３の管５２に接続され、その第３の管５２は前記固体高分子形燃料電池４に接続され、そして給水源１９Ａからの第２の給水管４２は熱交換器３６の受熱部３８を介して給湯設備４５に接続され、また前記固体高分子形燃料電池４と前記第３の流量調整弁Ｖ３の間で前記温排水管５３から分岐された第４の管５４は第４の流量調整弁Ｖ４を介して第１の管３４に前記放熱部３７よりも前記固体高分子形燃料電池４側で接続され、前記第２の管３１と前記第３の管５２の接続部から第1の流量調整弁Ｖ１を有するバイパス管５１が分岐されており、該バイパス管５１は前記第４の管５４と前記第１の管３４の接続部で接続されている。
【００１２】
また本発明によれば、固体高分子形燃料電池の温排水を用いる排熱回収機構において、固体高分子形燃料電池４には給水源１９Ａからの第１の給水管５５Ａが接続され、その固体高分子形燃料電池４には更に第３の流量調整弁Ｖ２Ｃを設けた温排水管５３が接続され、該温排水管５３は三方弁Ｖ１Ｃから熱交換器３６の放熱部３７Ｃを介して貯湯槽８に接続される第１の管３４Ｃに前記放熱部３７Ｃと前記貯湯槽８との間で接続され、そしてその貯湯槽８に接続された第２の管３１Ｃはポンプ３２Ｃおよび前記三方弁Ｖ１Ｃを介して前記固体高分子形燃料電池４に接続され、給水源１９Ａからの第２の給水管４２Ｃは熱交換器３６Ｃの受熱部３８Ｃを介して給湯設備４５に接続され、また前記固体分子形燃料電池４と前記第３の流量調整弁Ｖ２Ｃとの間で前記温排水管５３から分岐された第４の管５４Ｃは第４の流量調整弁Ｖ３Ｃを介して第１の管３４Ｃに前記放熱部３７よりも前記固体分子形燃料電池４側で接続され、前記貯湯槽８の温水の水温を計測する温度センサ１０Ｃを設け、その温度センサ１０Ｃに信号線１６Ｃで接続された制御装置１４Ｃは前記三方弁Ｖ１Ｃと第３の流量制御弁Ｖ２Ｃと第４の流量制御弁Ｖ３Ｃを制御するようになっている。
【００１４】
そして本発明によれば、固体高分子形燃料電池の温排水を用いる排熱回収機構において、床面Ｆｈ下に設置された貯湯タンク９３の上方には支持材９５を介して浴槽９１が設けられ、固体高分子形燃料電池４には温排水管６Ａが接続され、その温排水管６Ａはポンプ７Ａを介して前記貯湯タンク９３に連通しており、前記固体高分子形燃料電池４に給水源１９からの給水管２０Ａが連通しており、前記貯湯タンク９３には水温センサ１０Ａが設けられ、その水温センサ１０Ａは信号ライン１６Ａを介して制御装置１４Ａに接続され、その制御装置１４Ａは貯湯タンク９３内の温水温度に基づいてポンプ７Ａの作動を決定する機能を有している。
【００１６】
本発明の実施に際して、ユニットバスが設置されている建物の躯体と、ユニットバスの天板とが形成する空間に設けられた貯湯タンクを用いると給湯使用時にポンプが不要となる。そして、従来は有効に用いられていなかったデッドスペースが、有効利用される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の効果は下記の通りである。
（１）  固体高分子形燃料電池からの温排水を家庭内の貯湯槽に貯えるので、温排水の活用が容易である。
（２）  温排水ラインに熱交換器を介装して、温排水の熱量で上水を加熱すれば、水質を変えることなく昇温させることができる。また、追い焚きと併用すれば任意の温度に昇温させることができる。
（３）  家屋の床下に貯湯タンクを設ければ、格別なスペースが不要となり配管類の工事が容易になる。
（４）  家屋の天井に貯湯タンクを設ければ、給湯使用時にポンプが不要となると共に、デッドスペースの更なる有効利用が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１において適所に設けられた固体高分子形燃料電池４（以下ＰＥＦＣ４と略記する）には、貯湯槽８に貯湯されていた温排水が流過する温排水ラインの管３１、３４、５２、５３が連通している。そして管３４は、熱交換器３６の放熱部３７を介して、温排水貯蔵空間である貯湯槽８に連通している。この貯湯槽８は、家屋Ｈ内に設置されている浴槽でもよい。 
前記熱交換器３６の受熱部３８を介装する給水管４２が、外部の給水源たとえば上水道１９Ａから外部の給湯設備４５に連通されている。なお、ＰＥＦＣ４には管５５Ａを介して給水が供給されている。
【００１９】
貯湯槽８には、ポンプ３２を介装した管３１が設けられ、管３１はＰＥＦＣ４に連通するよう設けられている。また、流量制御弁Ｖ１を介装した管５１が、ＰＥＦＣ４をバイパスして設けられている。そして、流量制御弁Ｖ２を介装した管５２が、管３１とＰＥＦＣ４とを連通している。さらに、流量制御弁Ｖ３を介装した管５３、流量制御弁Ｖ４を介装した管５４が設けられている。
【００２０】
そして管５４は前記流量調整弁Ｖ３のＰＥＦＣ４側の管５３に接続され、前記管５３は管３４と連通している。
【００２１】
上記構成を具備した排熱回収機構３の作用を、以下の２ステップに分けて説明する。
Ａ：温排水を蓄熱するとき
Ｂ：温排水を利用するとき
【００２２】
Ａ：温排水を蓄熱するとき
流量制御弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ４は閉、流量制御弁Ｖ３が開として、ＰＥＦＣ４を運転する。
図１において、ＰＥＦＣ４が作動して発電すると、排熱が発生するので、給水管５５Ａを流過する給水により、該排熱が温水として回収される。回収された温排水は、管５３、管３４を通り貯湯槽８で蓄熱する。
【００２３】
Ｂ：温排水を利用するとき
（１）  給湯設備４５における出湯温度が十分なとき
ＰＥＦＣ４は停止させる。流量制御弁Ｖ１は開、流量制御弁Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４は閉とする。給湯使用時、ポンプ３２を運転する。
昇温させるべき上水は、給水源１９Ａから熱交換器３６の受熱部３８に供給される。
ここで、浴槽（貯湯槽）８の温排水が保有する熱量は、放熱部３７から受熱部３８に移動して上水道からの上水を加熱し昇温させる。昇温した上水は、給湯設備４５に供給される。上水を加熱した浴槽８からの温排水は、熱交換により降温して浴槽８に戻る。
【００２４】
（２）  給湯設備４５における出湯温度が不十分なとき
流量制御弁Ｖ４は開放し、流量制御弁Ｖ３は閉鎖し、給水管５５Ａを通る給水は停止する。
浴槽８からの温排水の熱量が、熱交換器３６で交換する必要熱量に満たない（給湯設備４５における出湯温度が不充分な）ときは、流量制御弁Ｖ１、Ｖ２の開度を制御して、温水Ｗを作動しているＰＥＦＣ４で再加熱することで、熱交換器３６への供給温度を高めることができる。
【００２５】
上記の手段によっても昇温した上水が所定の温度に達しない場合、或いは、燃料電池作動が停止または低負荷で発熱量が少なく昇温した上水が所定の温度に達しない場合は、外部の追い焚き等によってさらに加熱して使用する。
なお、図７におけるポンプ３２は、手動でも良いが、給水管４２に設けたフローセンサ（図示せず）により、給湯使用時に合わせて自動的に起動或いは停止する様に構成されていても良い。
【００２６】
図１で示す本発明の実施形態に、制御系を加えた変形例が、図２の排熱回収機構３Ｃである。
図２において、浴槽８内には、そこに貯えられた温水Ｗの水温を計測するための温度センサ１０Ｃが設けられており、温度センサ１０Ｃの計測結果は、信号線１６Ｃにより制御装置１４Ｃに送られる様に構成されている。
【００２７】
制御装置１４Ｃは信号線１８Ｃを介して、三方弁Ｖ１Ｃの開度調節手段２１Ｃに制御信号を出力する様に構成されている。それと共に、流量制御弁Ｖ２Ｃの開度調節手段と、流量制御弁Ｖ３Ｃの開度調節手段に、それぞれ信号線１８Ｄ、１８Ｅを介して開閉制御信号を出力する様に構成されている。
【００２８】
図２で示す排熱回収機構の作用を、
Ａ：温排水を蓄熱するとき
Ｂ：温排水を利用するとき
の２ステップに分けて、以下に説明する。
【００２９】
Ａ：温排水を蓄熱するとき
図２に示す排熱回収機構において、温排水を蓄熱するに際しては、図１により上述した実施形態と同様である。
【００３０】
Ｂ：温排水を利用するとき
温水Ｗの温度を設定値以上に保持することにより、給湯設備４５における出湯温度を十分な数値とする。
温排水を利用するに際しては（給湯使用時に）、ポンプ３２Ｃを運転する。昇温されるべき上水は、給水１９Ａから熱交換器３６Ｃの受熱部３８Ｃに供給される。
【００３１】
温水Ｗの温度が設定値以上であれば、三方弁Ｖ１Ｃが管３４Ｃ側に開放され、浴槽８の温水Ｗは熱交換器３６Ｃの放熱部３７Ｃを通過する。そして、温水Ｗが保有する熱量は、放熱部３７Ｃから受熱部３８Ｃに移動して、給水源１９Ａからの上水を加熱して、昇温させる。
昇温した上水は、給湯設備４５へ供給される。上水に対して熱量を供給した温水Ｗは、その水温が降温した状態で浴槽８に戻る。
【００３２】
次に、温水Ｗの温度が設定値未満である場合について説明する。
温度センサ１０Ｃにより、温水Ｗの温度が設定値未満であることが計測されると、制御装置１４Ｃは、信号線１８Ｅを介して管５４Ｃに介装された流量制御弁Ｖ３Ｃに開放信号を出力して、流量制御弁Ｖ３Ｃを開放する。それと共に、信号線１８Ｃを介して三方弁Ｖ１Ｃの開度調節手段２１Ｃを制御して、三方弁Ｖ１Ｃを管３１Ｃ側に開放する。さらに、流量制御弁Ｖ２Ｃを制御して、閉鎖する。
その結果、浴槽８内の温水Ｗは、管３１Ｃを介してＰＥＦＣ４で再加熱されて昇温する。そのため、熱交換器３６へ供給される際の水温が高くなり、上水道１９Ａから供給される上水を十分に加熱することが出来る。
【００３３】
ここで、温水Ｗの温度が所定値未満ではあるが、それ程低温ではない場合には、三方弁Ｖ１Ｃの開度調節を行って、管３１Ｃと管３４Ｃの両方に温水Ｗを流過せしめても良い。
【００３４】
上記の手段によっても昇温した上水が所定の温度に達しない場合、或いは、燃料電池作動が停止または低負荷で発熱量が少なく昇温した上水が所定の温度に達しない場合は、外部の追い焚き等によってさらに加熱して使用する。
図２におけるポンプ３２Ｃは、手動タイプとして構成されていても良いが、給水管４２Ｃに設けたフローセンサ（図示せず）により、給湯使用時に合わせて自動的に起動或いは停止する様に構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態であって、浴槽に貯えられた温排水を、給湯設備における出湯温度が不充分なとき、ＰＥＦＣで加熱して、その温排水の保有する熱量が熱交換器を介して上水側へ供給される構成を示すブロック図。
【図２】図１の実施形態に制御系を付加した変形例を示すブロック図。
【符号の説明】
【００５３】
Ｈ・・家屋
Ｗ・・・温水
４・・・ＰＥＦＣ（固体高分子燃料電池）
８・・・貯湯槽（浴槽）
１０Ｃ・・・温度センサ
１４Ｃ・・・制御装置
１６Ｃ・・・信号線
１９Ａ・・・給水源
３２、３２Ｃ・・・ポンプ
３６、３６Ｃ・・・熱交換器
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４・・・流量調整弁
【図１】
0004236688.tif 000002
【図２】
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