(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つの力‐熱結合システムと、少なくとも１つの追加ヒータ（１４）と、少なくとも１つの蓄熱器とを備えた加熱設備（１０）と、当該加熱設備（１０）の動作方法とに関する。前記蓄熱器を熱バッファ（１６）として構成することを提案する。
2016515190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの力‐熱結合システムと、少なくとも１つの追加ヒータ（１４）と、少なくとも１つの蓄熱器とを備えた加熱設備（１０）において、
前記蓄熱器が熱バッファ（１６）として構成されている
ことを特徴とする加熱設備（１０）。
【請求項２】
前記熱バッファ（１６）は、前記力‐熱結合システムと前記追加ヒータ（１４）との間に接続されている、
請求項１記載の加熱設備（１０）。
【請求項３】
前記熱バッファ（１６）は、
少なくとも２つの管継手（２２，２４）を有する上部領域（１８）と、
少なくとも２つの管継手（２６，２８）を有する下部領域（２０）と
を有し、
前記力‐熱結合システムの温水出口（３０）は、前記熱バッファ（１６）の上部管継手（２２）に連通されており、
前記力‐熱結合システムの冷水入口（３２）は、前記熱バッファ（１６）の下部管継手（２６）に連通されている、
請求項２記載の加熱設備（１０）。
【請求項４】
前記熱バッファ（１６）は、
少なくとも２つの管継手（２２，２４）を有する上部領域（１８）と、
少なくとも２つの管継手（２６，２８）を有する下部領域（２０）と
を有し、
前記加熱ヒータ（１４）の供給口部（６４）は、前記熱バッファ（１６）の上部管継手（２４）に連通されており、
前記加熱ヒータ（１４）の戻り口部（６６）は、前記熱バッファ（１６）の下部管継手（２８）に連通されている、
請求項２または３記載の加熱設備（１０）。
【請求項５】
前記熱バッファ（１６）は３方向混合弁（７０）を介して前記追加ヒータ（１４）に接続されている、
請求項２から４までのいずれか１項記載の追加ヒータ（１４）。
【請求項６】
前記熱バッファ（１６）は、少なくとも１つの上部温度センサおよび／または少なくとも１つの下部温度センサ（７２，７４）を備えている、
請求項２から５までのいずれか１項記載の加熱設備（１０）。
【請求項７】
前記追加ヒータ（１４）は、非飲料水容器（７８）および／または１つもしくは複数の加熱回路（７９）に直接的および／または間接的に接続されている、
請求項１から６までのいずれか１項記載の加熱設備（１０）。
【請求項８】
前記力‐熱結合システムは、供給された燃料を分解する少なくとも１つの改質器（４０）を有し、
前記改質器（４０）には、更に水も供給可能である、
請求項１から７までのいずれか１項記載の加熱設備（１０）。
【請求項９】
前記水は、前記加熱設備（１０）の少なくとも１つの熱交換器（６０，７６）から復水として得られ、復水容器（９６）へ供給することが可能である、
請求項８記載の加熱設備（１０）。
【請求項１０】
前記復水容器（９６）は、充填レベルセンサ（９８）を備えている、
請求項９記載の加熱設備（１０）。
【請求項１１】
少なくとも１つの力‐熱結合システムと、少なくとも１つの追加ヒータ（１４）と、少なくとも１つの熱バッファ（１６）とを備えた、とりわけ請求項１から１０までのいずれか１項記載の加熱設備（１０）の動作方法において、
前記追加ヒータ（１４）に到達した加熱用水の戻り口部温度が、前記熱バッファ（１６）の上部領域の温度より低い場合にのみ、前記追加ヒータ（１４）は高温の加熱用水を前記熱バッファ（１６）から引き込む
ことを特徴とする動作方法。
【請求項１２】
少なくとも１つの力‐熱結合システムと、少なくとも１つの追加ヒータ（１４）と、少なくとも１つの熱バッファ（１６）とを備えた、とりわけ請求項１から１０までのいずれか１項記載の加熱設備（１０）の動作方法において、
前記追加ヒータ（１４）に到達した加熱用水の戻り口部温度が、前記熱バッファ（１６）の下部領域の温度より低い場合にのみ、前記追加ヒータ（１４）は高温の加熱用水を前記熱バッファ（１６）から引き込む
ことを特徴とする動作方法。
【請求項１３】
少なくとも１つの力‐熱結合システムと、少なくとも１つの追加ヒータ（１４）と、少なくとも１つの熱バッファ（１６）とを備えた、とりわけ請求項１から１０までのいずれか１項記載の加熱設備（１０）の動作方法において、
前記力‐熱結合システムは電力を生成することが可能であり、
前記熱バッファ（１６）の下部領域（２０）における温度が５０℃を、有利には４５℃を下回る限り、前記力‐熱結合システムを高電力で、特に最大電力で動作させる
ことを特徴とする動作方法。
【請求項１４】
少なくとも１つの力‐熱結合システムと、少なくとも１つの追加ヒータ（１４）と、少なくとも１つの熱バッファ（１６）とを備えた、とりわけ請求項１から１０までのいずれか１項記載の加熱設備（１０）の動作方法において、
前記力‐熱結合システムは電力を生成することが可能であり、
前記熱バッファ（１６）の上部領域（１８）における温度が７０℃を、有利には６５℃を下回る限り、前記力‐熱結合システムを高電力で、特に最大電力で動作させる
ことを特徴とする動作方法。
【請求項１５】
少なくとも１つの力‐熱結合システムと、少なくとも１つの追加ヒータ（１４）と、少なくとも１つの熱バッファ（１６）と、復水容器とを備えた、とりわけ請求項１から１０までのいずれか１項記載の加熱設備（１０）の動作方法において、
前記力‐熱結合システムは電力を生成することができ、
前記復水容器から復水を取り出せる限り、前記力‐熱結合システムを高電力で、特に最大電力で動作させる
ことを特徴とする動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの力‐熱結合システムと少なくとも１つの追加ヒータと少なくとも１つの蓄熱器とを有する加熱設備に関する。さらに本発明は、とりわけ上記構成の加熱設備の動作方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
以下、「力‐熱結合システム」とは、第１の出力側において力と等価のものを出力し、かつ、他の１つの出力側において熱を出力するシステムを指す。前記力と等価のものとはたとえば、機械的回転成分、または、電流を流す電圧等である。「燃料電池加熱設備」とは特殊な力‐熱結合システムを指し、これは、１つまたは複数の燃料電池を含む燃料電池スタックとアフタバーナとを備えた燃料電池設備を有する。この燃料電池設備では、燃料電池において電圧と場合によっては電流とが生成され、当該燃料電池とアフタバーナとにおいて熱が生成される。
【０００３】
従来技術
力‐熱結合システムを備えた加熱設備では、たとえば燃料電池設備によって発電が行われ、発電時に発生した廃熱が他の用途に、たとえば室内暖房用の加熱回路および／または温水システムに供給される。特定の時刻または季節にはこのことにより、瞬時に必要とされる熱需要量、すなわち、室内加熱および／または温水システムに必要な熱量が、発電時に生じる廃熱を上回るという事態が生じてしまう。
【０００４】
独国特許出願公開第１０２０１０００１０１１号明細書に、燃料電池加熱設備の形態の力‐熱結合システムを備えた設備が記載されており、当該設備では、第１の燃料の第１の割合が、前記力‐熱結合システムの燃料電池設備の少なくとも１つの燃料電池において電気化学的に変換されることによって電力および熱が生成され、前記第１の燃料のうち、変換せずに前記燃料電池から出た第２の割合は、当該燃料電池から出た後に前記燃料電池設備のアフタバーナにおいて燃焼されて熱が生成され、追加加熱機器において第２の燃料を燃焼させて熱を生成することができ、当該燃料電池の最適動作点において前記第１の燃料の最大限の第１の割合を変換することができる。
【０００５】
熱取り出しを行うことなく、燃料電池設備を発電のために動作させる場合、燃料電池を性能劣化させることなく、供給された燃料のうち電気化学反応できる割合を可能な限り多くする試みがなされる。つまり、所要電力を生成するために供給される燃料を可能な限り少なくする。燃料供給量あたりの電力出力量により求められる効率を可能な限り大きくするためには、電気化学的変換される燃料の割合を可能な限り多くしなければならない。しかし一方、性能劣化を回避するためには、通常は多数の燃料電池を備えている燃料電池設備を、理論空燃比以上で動作させなければならない。すなわち、アノードへ供給される燃料とカソードへ供給される酸化剤とを、当該アノードおよびカソードにて電気化学的反応する量より多くしなければならない。このことにより、各電極または電極の各部分における供給不足を回避することができる。供給不足になると、燃料電池において不所望の副反応と、不均等な電圧分布と、場合によっては不均等な電流分布と、不均等な温度分布とが生じてしまい、これらは燃料電池を性能劣化させる原因となる。燃料電池の最適動作点では、燃料電池が急速に劣化することなく、燃料電池において電気化学的変換される燃料の割合が最大可能割合となる。全負荷と複数の異なる部分負荷状態とで動作させるために、各々の最適動作点を設定することができる。燃料電池において変換されなかった未使用の燃料は、再循環するか、またはアフタバーナにおいて燃焼することができる。このアフタバーナにて生成された熱は、総効率に加算される。
【０００６】
最適動作点は電気的効率と燃料電池の性能劣化との間の妥協点なので、燃料電池のこの最適動作点における性能劣化は最小にならない。ここで「性能劣化」とは、少なくとも１つの燃料電池の効率または出力の経時的な低下を指し、その原因は様々である。
【０００７】
独国特許出願公開第１０２０１０００１０１１号明細書では、特に燃料電池設備の力‐熱結合システムの動作時に、当該力‐熱結合システムの効率を実質的に変えずに燃料電池の性能劣化を低減することが提案されている。とりわけ、閉ループ制御が行われる力‐熱結合システムは、燃料電池の最適動作点において燃料電池設備により生成可能な熱量よりも熱需要量の方が上回る場合、燃料電池の最適動作点の場合よりも多くの第１の燃料がアフタバーナにおいて燃焼するように、前記第１の燃料の第１の割合を低減させなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１０００１０１１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、性能劣化の増幅を引き起こすことなく、上述の構成の加熱設備の効率を更に改善することである。
【００１０】
発明の開示
前記課題は、既存の蓄熱器を熱バッファとして構成することにより解決される。このような構成により、遮断サイクル数を劇的に減少させることができ、この遮断サイクル数の減少により性能劣化が抑止される。にもかかわらず、力‐熱結合システムに包含される燃料電池設備を幅広い区間において、最大電力で動作させることができる。「最大電力」とは、燃料電池を破壊することなく、燃料電池設備内に配置された燃料電池スタックに後置接続されているインバータから取り出すことができる最大公称電力を指す。「インバータ」とは、燃料電池から出力された直流電流を交流電流に変換できる装置を指す。
【００１１】
従属請求項に記載された構成により、独立請求項に記載の加熱設備を更に有利に発展させることができる。これにより、蓄熱器を力‐熱結合システムと追加ヒータとの間に連通させると、蓄熱器の挿入を回路技術的に簡単に行うことができる。この追加加熱機器は、ボイラ、浴槽またはバーナとすることができる。この追加加熱機器は、燃料電池設備と統合して１つの機器とするか、または別個の機器として構成することができる。とりわけ、燃料電池設備と追加加熱機器とは、構成要素を共用することができ、たとえば熱交換器、燃料供給部または開ループ制御部ないしは閉ループ制御部を共用することができる。
【００１２】
熱バッファが、少なくとも２つの管継手を有する上部領域と、少なくとも２つの管継手を有する下部領域とを有し、前記力‐熱結合システムの温水出口が前記熱バッファの上部管継手に連通されており、かつ、当該力‐熱結合システムの冷水入口が当該熱バッファの下部管継手に連通されるように構成すると、更に簡素化することができる。
【００１３】
さらに、熱バッファが、少なくとも２つの管継手を有する上部領域と、少なくとも２つの管継手を有する下部領域とを有し、前記追加ヒータの温水出口が前記熱バッファの上部管継手に連通されており、かつ、当該追加ヒータの冷水入口が当該熱バッファの下部管継手に連通されるように構成すると、上述の回路を簡素化することができる。
【００１４】
３方向混合弁を介して前記熱バッファを追加ヒータに接続すると、水流を、特に温水流を細やかに調整することができる。
【００１５】
前記熱バッファが少なくとも１つの上部温度センサおよび／または少なくとも１つの下部温度センサを有すると、当該熱バッファの監視を行うことができる。前記上部温度センサを介して、とりわけ、熱バッファの温水領域を監視することができ、かつ、下部の低温領域に別の温度センサが配置される。
【００１６】
有利には、前記追加ヒータを非飲料水容器および／または１つもしくは複数の加熱回路に直接的および／または間接的に接続することができる。
【００１７】
前記力‐熱結合システムが、供給された燃料を分解する少なくとも１つの改質器を備えていると、加熱設備の効率を更に向上させることができる。この改質器にはさらに水も供給することができる。改質器とは、たとえば天然ガスを受け取って当該天然ガスの少なくとも一部を、水素、炭化水素、一酸化炭素および／または二酸化炭素に変換できる装置を指す。
【００１８】
前記水が、特に前記改質器へ供給される水が、前記加熱設備の少なくとも１つの熱交換器から復水として得られて復水容器へ供給される場合には、力‐熱結合システムに対する外部水管継手の全部または一部を省略することができる。
【００１９】
復水容器が充填レベルセンサを有している場合、当該復水容器内に存在する復水量を簡単に特定することができる。
【００２０】
少なくとも１つの力‐熱結合システムと少なくとも１つの追加ヒータと少なくとも１つの熱バッファとを備えた加熱設備の本発明の動作方法でも、当該追加ヒータに到達した加熱用水の戻り口部温度が、当該熱バッファの上部領域の温度を下回る場合にのみ、当該追加ヒータが高温の加熱用水を当該熱バッファから引き込む方法により、効率上昇を実現することができる。
【００２１】
また、少なくとも１つの力‐熱結合システムと少なくとも１つの追加ヒータと少なくとも１つの熱バッファとを備えた加熱設備の動作に際し、当該追加ヒータに到達した加熱用水の戻り口部温度が、当該熱バッファの下部領域の温度を下回る場合にのみ、当該追加ヒータが高温の加熱用水を当該熱バッファから引き込む方法によっても、効率上昇を実現することができる。
【００２２】
さらに、少なくとも１つの力‐熱結合システムと少なくとも１つの追加ヒータと少なくとも１つの熱バッファとを備えた加熱設備の本発明の動作方法については、当該力‐熱結合システムが電力を出力することができ、かつ、当該熱バッファの下部領域の温度が５０℃を、有利には４５℃を下回る限り、当該力‐熱結合システムを高電力で、特に最大電力で動作させることによっても、効率上昇を実現することができる。
【００２３】
さらに、少なくとも１つの力‐熱結合システムと少なくとも１つの追加ヒータと少なくとも１つの熱バッファとを備えた加熱設備の本発明の動作方法については、当該力‐熱結合システムが電力を出力することができ、かつ、当該熱バッファの上部領域の温度が７０℃を、有利には６５℃を下回る限り、当該力‐熱結合システムを高電力で、特に最大電力で動作させることによっても、効率上昇を実現することができる。
【００２４】
その上さらに、少なくとも１つの力‐熱結合システムと少なくとも１つの追加ヒータと少なくとも１つの熱バッファとを備えた加熱設備の本発明の動作方法については、前記力‐熱結合システムが電力を出力することができ、復水容器から復水を取り出して特に改質器へ供給できる限り、当該力‐熱結合システムを高電力で、特に最大電力で動作させることによっても、効率上昇を実現することができる。
【００２５】
本発明の方法の各態様は組み合わせることも可能であり、好適には、上述の加熱設備のうちいずれかを動作するのに適している。その点については、特許請求の範囲および明細書にて説明した各発明特定事項は、それ自体で個別に、または組合せでも、本発明の重要な特徴になり得る。
【００２６】
燃料電池はＳＯＦＣ（Solid Oxid Fuel Cell）とすることができる。その際には、前記燃料電池設備は複数の燃料電池を有することができ、これら複数の燃料電池を１つの燃料電池スタックまたは燃料電池ユニットにまとめることができる。前記第１の燃料は、天然ガス、バイオガスもしくは純粋なメタンとするか、または、たとえばプロパン、ディーゼル機関用燃料、ガソリン、灯油、液体ガスまたは暖房用オイル等の、より長鎖の炭化水素とすることができる。これらに代えて択一的に、前記第１の燃料をメタノールとするか、またはより長鎖のアルコールとすることもできる。前記第１の燃料は、燃料電池内に導入する前に、または燃料電池内部にて、一部または全部を改質することができる。その際に、高濃度の水素および／または一酸化炭素を含む燃料が生成される。「第１の燃料」とは、改質された燃料と、未改質処理の燃料との双方を指す。燃料電池および／またはアフタバーナにおいて生成された熱の一部は、前記改質に必要とされることがある。
【００２７】
前記燃料電池から出た前記第１の燃料の第３の割合を、再循環によって当該燃料電池へ再供給することも可能である。このようにして、前記第１の燃料の前記第２の割合が、前記第３の割合だけ低減する。したがって、燃料電池から変換されずに出てきてアフタバーナにおいて燃焼される前記第２の割合は、当該燃料電池において変換されなかった割合の全部である必要はない。前記第３の割合も、熱需要量に応じて調整することができ、特に、熱需要量の増大時には低減することができる。前記第２の割合および第３の割合もまた、燃料電池設備へ供給される第１の燃料の量を基準とした割合である。
【００２８】
前記第２の燃料は、第１の燃料と同一物質とすることができる。また、第２の燃料と第１の燃料とは、異なる物質とすることも可能である。前記追加加熱機器は、復水式ガスボイラとすることができる。
【００２９】
本発明の他の改良形態については、以下の本発明の実施例の説明から明らかであり、この実施例は図面に概略的に示されている。特許請求の範囲、明細書または図面から明らかである、構造上の個別ユニット、空間的配置および方法の各ステップを含めた構成および／または利点は全て、それ自体でも、また種々の組合せでも、本発明の重要な要素になり得る。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の加熱設備の概略図であり、以下詳細に説明する。
【実施例】
【００３１】
図１に加熱設備１０を示している。これは、燃料電池設備１２の形態の力‐熱結合システムと、追加ヒータ１４と、熱バッファ１６として構成された蓄熱器とを備えている。熱バッファ１６は蓄熱媒体を含むことを特徴としている。この蓄熱媒体は有利には、循環可能な加熱用水である。実際の需要要求に依存せずに、この熱バッファ１６内に熱を入れたり、または熱を取り出したりすることができる。これが、熱バッファ１６と蓄熱器との相違点であり、蓄熱器は通常、需要ピーク時のために熱を予備的に保持しておくため、高い温度水準に保たなければならない。熱バッファ１６では、熱バッファ作用すなわち再吸熱を可能にするため、熱を可能な限り適時に放出されるようになっている。
【００３２】
本実施例では熱バッファ１６は、力‐熱結合システムと追加ヒータ１４との間に連通されている。このような構成により、力‐熱結合システムすなわち燃料電池設備１２から熱が熱バッファ１６へ出力され、追加ヒータ１４から熱が熱バッファ１６によって取り出すことが可能となる。
【００３３】
熱バッファ１６は上部領域１８と下部領域２０とを有し、両領域１８，２０は熱バッファ１６の内部にて、間断を伴って、または間断無しで、相互に連通することができる。熱バッファ１６の上部領域１８には２つの管継手２２および２４が設けられており、下部領域２０には２つの管継手２６および２８が設けられている。
【００３４】
力‐熱結合システムすなわち燃料電池設備１２は、熱バッファ１６の上部管継手２２に連通された温水出口３０と、下部管継手２６に連通された冷水入口３２とを備えている。これらによって、燃料電池設備１２は熱バッファ１６へ熱を連続的に出力することができる。
【００３５】
加熱用水の循環を改善するために、ポンプ３４が設けられている。このポンプ３４は有利には、下部管継手２６と冷水入口３２との間に配置されている。このような構成により、低温の加熱用水を熱バッファ１６の下部領域２０内から吸い出して燃料電池設備１２の冷水入口３２へ圧送することができる。
【００３６】
もちろん、ポンプ３４を温水出口３０と上部管継手２２との間に連通させることも可能である。
【００３７】
図１に示した燃料電池設備１２は燃料入口３６を有し、これは、後で作動される混合弁３８を介して燃料を改質器４０へ送るものである。
【００３８】
この改質器４０内では、供給された燃料、有利には天然ガスが、少なくとも一部分解されて燃料電池４２へ供給される。
【００３９】
燃料電池４２はアノード４４とカソード４６とを有し、これらは触媒部材４８によって相互に隔絶されている。改質器４０によって処理された燃料は、燃料電池４２のアノード４４へ供給されるのに対し、カソード４６には空気入口５０を介して、とりわけ酸素が供給される。燃料電池４２の電気に関する側面については、これ以上深くは言及しない。
【００４０】
余剰燃料は、出口５２を通ってアノード４４からアフタバーナ５４に向かって出て行く。アノード４４とアフタバーナ５４との間において、この未使用燃料の一部が帰還され、上記にて既に述べた混合弁３８を介して改質器４０へ供給される。余剰空気とりわけ酸素は、出口５６を介してカソード４６から出て行き、この余剰空気もアフタバーナ５４へ送られる。アフタバーナ５４内にて余剰燃料／余剰空気を燃焼させることにより、アフタバーナ５４から高温の排ガスがアフタバーナ出口５８を介して熱交換器６０の方向に出ていく。
【００４１】
この熱交換器６０は本実施例では、冷水入口３２と温水出口３０との間に連通されており、生成された上記熱を熱バッファ１６内へ送出するように構成されている。電気が取り出されるかないしは公共配電網へ配電でき、かつ、熱バッファ１６によって熱が吸収される限り、燃料電池設備１２は上述のようにして、力‐熱結合システムとして特に高効率で動作することができる。よって、この力‐熱結合システムの効率は上述の構成によって格段に向上する。
【００４２】
冷却された排ガスは、出口６２を介して熱交換器６０から出て行く。
【００４３】
燃料電池設備１２は更に、各構成要素を開ループ制御するための制御部６３も有する。とりわけ前記混合弁３８を、または、空気入口５０に設けられた圧縮機６５も駆動させることができる。また、ポンプ３４の構成に応じて、ポンプ３４も前記制御部６３によって投入および遮断することができ、または、回転数を可変に調整して当該ポンプ３４を駆動制御することもできる。
【００４４】
既に述べたように、熱バッファ１６は上部領域１８において少なくとも２つの管継手２２および２４を有し、かつ、下部領域２０において更に２つの管継手２６および２８を有する。これらの管継手２４および２８は本実施例では、熱バッファ１６の容積に直接連通されているので、同一の加熱用水を使用し、この加熱用水は熱交換器６０内にも通流することができる。しかしこの構成は、内側が通流可能になっているフィラメントを熱バッファ１６内に配置し、このフィラメントを管継手２２および２６に、または管継手２４および２８に連通し、当該フィラメントが、その他の点として熱バッファ１６の容積内にて熱交換を保証する構成とすることも可能である。
【００４５】
上部管継手２４を供給口部６４に連通させ、かつ、下部管継手２８を戻り口部６６に連通させるように、管継手２４および２８に追加ヒータ１４が接続されている。追加ヒータ１４はヒートブロック６８を有する。これは、温度上昇が必要な場合に限り、供給された加熱用水を加熱するものである。ヒートブロック６８はたとえば、伝熱機能を有するガスバーナの形態の復水式ボイラによって実現することができる。
【００４６】
上部出力側２４と供給口部６４との間に混合弁７０が接続されており、この混合弁７０は、戻り管路６６からの戻り水を供給口部６４に添加して混合するためのものである。こうするために、混合弁７０は戻り口部６６にも連通されている。
【００４７】
前記追加ヒータは、ヒートブロック６８を自明の態様で開ループ制御ないしは閉ループ制御する制御部６９を備えている。こうするために制御部６９は、図中に示されていない構成要素を監視して、当該構成要素に影響を及ぼす。当該構成要素はたとえば、燃料インレット、燃料圧縮機および／または流入空気圧縮機、火炎監視装置等である。
【００４８】
制御部６９は前記制御部６３に接続されており、たとえばバスシステム７１を介して通信する。しかし、制御部６９と制御部６３とを１つの制御部にまとめて具現化することも可能である。
【００４９】
戻り口部６６を供給口部６４に完全に連通させるように混合弁７０を制御すると、上部管継手２４は供給口部６４に連通されなくなるので、下部管継手２８と、熱バッファ１６と、上部管継手２４とを流れる加熱用水の流れが阻止される。しかし、混合弁７０の構成に応じて、相互間においてそれぞれ異なる体積流量を可変に実現することができる。すなわち、戻り口部６６からの加熱用水を供給口部６４に直接混合することも、または熱バッファ１６を介して間接的に混合することもできる。
【００５０】
熱バッファ１６は上部温度センサ７２を有し、この上部温度センサ７２は、上部領域１８の温度を測定することができる。この温度センサ７２は、加熱用水内に取り付けるか、または熱バッファ１６の外壁に取り付けることができる。
【００５１】
熱バッファ１６は下部温度センサ７４を有し、この下部温度センサ７４は、下部領域２０の温度を測定することができる。この温度センサ７４は、加熱用水内に取り付けるか、または熱バッファ１６の外壁に取り付けることができる。
【００５２】
本実施例では、上部温度センサ７２および下部温度センサ７４は、前記制御部６３および制御部６９に接続されている。
【００５３】
追加ヒータ１４は本実施例では熱交換器７６に接続されており、この熱交換器７６の方は、非飲料水容器７８に接続されている。このような構成により、ヒートブロック６８は非飲料水容器７８に間接的に接続されることとなる。前記熱交換器７６と非飲料水容器７８との接続区間にポンプ８０が介挿されており、このポンプ８０は、熱交換器７６内に非飲料水を強制的に循環させるものである。このポンプ８０は、制御部６９によって作動させることができる。
【００５４】
ヒートブロック６８には少なくとも１つの加熱回路８２が接続されている。この加熱回路８２の往流路８４は、ヒートブロック６８の温水出口８６に連通されている。この連通は、３方向混合弁８８を用いて行われる。この３方向混合弁８８には、前記熱交換器７６も接続されている。
【００５５】
加熱回路８２の復流路９０は、前記戻り口部６６に連通されている。
【００５６】
加熱回路８２を複数設けることも可能であり、たとえば、これらの加熱回路８２は並列接続され、各加熱回路８２がそれぞれ、対応する往流路８４と、対応する復流路９０とを有する。
【００５７】
戻り口部６６ないしは復流路９０の内部または外部に、戻り口部温度または復流路温度を監視する温度センサ９２が配置されており、この温度センサ９２は前記制御ユニット６３および／または制御ユニット６９に接続されている。
【００５８】
前記熱交換器６０は、アフタバーナ５４から放出された排ガスを含有する復水を復水処理により取り出し、復水容器９６へ直接、または本実施例のように管路９４を介して放出するように構成されている。原則的には、復水を他の熱交換器によって、たとえば熱交換器８８によって捕捉して、復水容器９６へ供給することも可能である。しかし、復水は後に更に使用されるものなので、復水の洗浄ユニットに特に配慮をすべきであり、また必要に応じて、熱交換器８８からの復水を洗浄すべき場合がある。
【００５９】
復水容器９６は改質器４０に連通されており、供給された燃料を分解するために必要な復水を、この改質器４０へ放出することができる。
【００６０】
復水容器９６には充填レベルセンサ９８が取り付けられており、この充填レベルセンサ９８は制御部６３に接続されている。この構成により、制御部６３は、改質器４０内の改質プロセスに必要な復水が十分な量であるか否かの情報、または、燃料電池設備１２を他の動作点に制御すべきであるか否かの情報を受け取る。
【００６１】
動作点を求める際には、熱交換器６０の冷水入口３２において限界温度を超えると、燃料電池の水収支、すなわち復水処理により取り出された水と改質器にて必要とされる水との差が負になるという認識が利用される。すなわち、燃料設備の出力が高いほど、改質器４０へ供給すべき復水量が多くなるが、このことは、熱交換器６０にも同様に当てはまる事項ではない。上述の限界温度を下回ると、復水処理により取り出される水量は、改質器４０が必要とする量より多くなる。燃料として天然ガスを用いる場合、前記限界温度は４０℃から６０℃までの間である。
【００６２】
本発明は、少なくとも１つの力‐熱結合システムと、少なくとも１つの追加ヒータ１４と、少なくとも１つの熱バッファ１６とを備えた、とりわけ燃料電池設備１２の形態の加熱設備１０の動作方法であって、前記追加ヒータ１４に到達した加熱用水の戻り口部温度が前記熱バッファ１６の上部領域１８における温度より低い場合のみ、前記追加ヒータ１４は高温の加熱用水を前記熱バッファ１６から引き込む動作方法にも関する。
【００６３】
このことにより、熱バッファ１６が追加ヒータ１４によって加熱されないことが保証される。その際には、少なくとも、温度センサ９２を用いて測定された戻り口部６６の温度が、温度センサ７２を用いて測定された熱バッファ１６の上部領域１８の温度より高い場合には、当該熱バッファ１６内に加熱用水を流さずに追加ヒータ１４へ供給するように、混合弁７０を作動させる。
【００６４】
本発明は、少なくとも１つの力‐熱結合システムと、少なくとも１つの追加ヒータ１４と、少なくとも１つの熱バッファ１６とを備えた、とりわけ燃料電池設備１２の形態の加熱設備１０の動作方法であって、前記追加ヒータ１４に到達した加熱用水の戻り口部温度が前記熱バッファ１６の下部領域２０における温度より低い場合のみ、前記追加ヒータ１４は高温の加熱用水を前記熱バッファ１６から引き込む動作方法に関する。
【００６５】
このような動作方法により、熱バッファ１６が追加ヒータ１４によって加熱されることが完全に無くなる。その際には、少なくとも、温度センサ９２を用いて測定された戻り口部６６の温度が、温度センサ７４を用いて測定された熱バッファ１６の下部領域２０の温度より高い場合には、当該熱バッファ１６内に加熱用水を流さずに追加ヒータ１４へ供給するように、混合弁７０を作動させる。
【００６６】
本発明はまた、少なくとも１つの力‐熱結合システムと、少なくとも１つの追加ヒータ１４と、少なくとも１つの熱バッファ１６とを備えた、とりわけ燃料電池設備１２の形態の加熱設備１０の動作方法であって、前記力‐熱結合システムは電力を出力することができ、前記熱バッファ１６の下部領域２０における温度が５０℃未満である限り、有利には４５℃未満である限り、前記力‐熱結合システムは高電力で、とりわけ最大電力で動作する動作方法にも関する。
【００６７】
本発明はまた、少なくとも１つの力‐熱結合システムと、少なくとも１つの追加ヒータ１４と、少なくとも１つの熱バッファ１６とを備えた、とりわけ燃料電池設備１２の形態の加熱設備１０の動作方法であって、前記力‐熱結合システムは電力を出力することができ、前記熱バッファ１６の上部領域１８における温度が７０℃未満である限り、有利には６５℃未満である限り、前記力‐熱結合システムは高電力で、とりわけ最大電力で動作する動作方法にも関する。
【００６８】
燃料電池４２は自身の電力範囲内で、典型的には１００％から３０％までの間で、変調して動作することができる。その制御手順は、動作時に電気的効率を可能な限り高くし、同時に、熱エネルギーを活用することを意図したものである。熱エネルギーは暖房ないしは温水生成に利用される。電気は、必要な場合には所有者自身によって利用されるか、または公共電力網へ供給される。熱バッファ１６の下部領域２０の温度が５０℃を、有利には４５℃を下回る場合、および／または、当該熱バッファ１６の上部領域１８の温度が７０℃を、有利には６５℃を下回る場合、燃料電池４２を最大電力で動作させることができる。下部領域２０ないしは上部領域１８の温度が上昇して上述の値を上回った場合、出力される熱量が可能な限り少なくなるように、燃料電池４２を動作させる。このことにより、総合的に見て燃料電池４２を可能な限り長時間にわたって最大電力で動作させることができ、このことによって燃料電池の電気的効率が上昇し、かつ、燃料電池の性能劣化が小さくなることが保証される。
【００６９】
本発明はまた、少なくとも１つの力‐熱結合システムと、少なくとも１つの追加ヒータ１４と、少なくとも１つの熱バッファ１６とを備えた、とりわけ燃料電池設備１２の形態の加熱設備１０の動作方法であって、前記力‐熱結合システムは電力を出力することができ、復水容器９６から復水を取り出せる限り、前記力‐熱結合システムは高電力で、とりわけ最大電力で動作する動作方法にも関する。
【００７０】
改質器４０へ供給可能な復水が存在する限りは、燃料電池４２を最大電力で動作させることができる。このことは、十分以上の燃料および空気を燃料電池４２へ供給できることを意味しており、このことにより、燃料電池４２内部において、特にアノード４４の領域において、最大限の完全混合が実現される。このようにして、過剰供給された領域または供給不足の領域が生じるのが回避され、このことにより、性能劣化の迅速化の原因となる比較的高温のスポットまたは比較的低温のスポットが生じるのが回避される。さらに、加熱設備１０全体の総効率が上昇する。
【００７１】
上述の特別な具体的構成により、特に上述の熱バッファ１６を挿入したことにより、電力の観点および熱出力量の観点の双方において、燃料電池設備１２を従来の温水ボイラを用いた設備よりも改善することができ、このことにより、全体効率の観点でも、燃料電池設備１２を、従来の温水ボイラを備えた設備より改善することができる。実際の需要に依存せずに熱を保存できる熱バッファ１６の特性こそが、全体効率に有益となる。その際には制御部６３および６９は、熱バッファ１６による上部領域１８からの熱出力が所要熱分布により可能になると直ちに、熱バッファ１６が当該熱出力を行うように構成される。
2016515190.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成27年9月9日(2015.9.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの力‐熱結合システムと、少なくとも１つの追加ヒータ（１４）と、少なくとも１つの蓄熱器とを備えた加熱設備（１０）において、
前記蓄熱器が熱バッファ（１６）として構成されている
ことを特徴とする加熱設備（１０）。
【請求項２】
前記熱バッファ（１６）は、前記力‐熱結合システムと前記追加ヒータ（１４）との間に接続されている、
請求項１記載の加熱設備（１０）。
【請求項３】
前記熱バッファ（１６）は、
少なくとも２つの管継手（２２，２４）を有する上部領域（１８）と、
少なくとも２つの管継手（２６，２８）を有する下部領域（２０）と
を有し、
前記力‐熱結合システムの温水出口（３０）は、前記熱バッファ（１６）の上部管継手（２２）に連通されており、
前記力‐熱結合システムの冷水入口（３２）は、前記熱バッファ（１６）の下部管継手（２６）に連通されている、
請求項２記載の加熱設備（１０）。
【請求項４】
前記熱バッファ（１６）は、
少なくとも２つの管継手（２２，２４）を有する上部領域（１８）と、
少なくとも２つの管継手（２６，２８）を有する下部領域（２０）と
を有し、
前記加熱ヒータ（１４）の供給口部（６４）は、前記熱バッファ（１６）の上部管継手（２４）に連通されており、
前記加熱ヒータ（１４）の戻り口部（６６）は、前記熱バッファ（１６）の下部管継手（２８）に連通されている、
請求項２または３記載の加熱設備（１０）。
【請求項５】
前記熱バッファ（１６）は３方向混合弁（７０）を介して前記追加ヒータ（１４）に接続されている、
請求項２から４までのいずれか１項記載の追加ヒータ（１４）。
【請求項６】
前記熱バッファ（１６）は、少なくとも１つの上部温度センサおよび／または少なくとも１つの下部温度センサ（７２，７４）を備えている、
請求項２から５までのいずれか１項記載の加熱設備（１０）。
【請求項７】
前記追加ヒータ（１４）は、非飲料水容器（７８）および／または１つもしくは複数の加熱回路（７９）に直接的および／または間接的に接続されている、
請求項１から６までのいずれか１項記載の加熱設備（１０）。
【請求項８】
前記力‐熱結合システムは、供給された燃料を分解する少なくとも１つの改質器（４０）を有し、
前記改質器（４０）には、更に水も供給可能である、
請求項１から７までのいずれか１項記載の加熱設備（１０）。
【請求項９】
前記水は、前記加熱設備（１０）の少なくとも１つの熱交換器（６０，７６）から復水として得られ、復水容器（９６）へ供給することが可能である、
請求項８記載の加熱設備（１０）。
【請求項１０】
前記復水容器（９６）は、充填レベルセンサ（９８）を備えている、
請求項９記載の加熱設備（１０）。
【請求項１１】
少なくとも１つの力‐熱結合システムと、少なくとも１つの追加ヒータ（１４）と、少なくとも１つの熱バッファ（１６）とを備えた加熱設備（１０）の動作方法において、
前記追加ヒータ（１４）に到達した加熱用水の戻り口部温度が、前記熱バッファ（１６）の上部領域の温度より低い場合にのみ、前記追加ヒータ（１４）は高温の加熱用水を前記熱バッファ（１６）から引き込む
ことを特徴とする動作方法。
【請求項１２】
少なくとも１つの力‐熱結合システムと、少なくとも１つの追加ヒータ（１４）と、少なくとも１つの熱バッファ（１６）とを備えた加熱設備（１０）の動作方法において、
前記追加ヒータ（１４）に到達した加熱用水の戻り口部温度が、前記熱バッファ（１６）の下部領域の温度より低い場合にのみ、前記追加ヒータ（１４）は高温の加熱用水を前記熱バッファ（１６）から引き込む
ことを特徴とする動作方法。
【請求項１３】
少なくとも１つの力‐熱結合システムと、少なくとも１つの追加ヒータ（１４）と、少なくとも１つの熱バッファ（１６）とを備えた加熱設備（１０）の動作方法において、
前記力‐熱結合システムは電力を生成することが可能であり、
前記熱バッファ（１６）の下部領域（２０）における温度が５０℃を下回る限り、前記力‐熱結合システムを最大電力で動作させる
ことを特徴とする動作方法。
【請求項１４】
前記熱バッファ（１６）の下部領域（２０）における温度が４５℃を下回る限り、前記力‐熱結合システムを前記最大電力で動作させる、
請求項１３記載の動作方法。
【請求項１５】
少なくとも１つの力‐熱結合システムと、少なくとも１つの追加ヒータ（１４）と、少なくとも１つの熱バッファ（１６）とを備えた加熱設備（１０）の動作方法において、
前記力‐熱結合システムは電力を生成することが可能であり、
前記熱バッファ（１６）の上部領域（１８）における温度が７０℃を下回る限り、前記力‐熱結合システムを最大電力で動作させる
ことを特徴とする動作方法。
【請求項１６】
前記熱バッファ（１６）の上部領域（１８）における温度が６５℃を下回る限り、前記力‐熱結合システムを前記最大電力で動作させる、
請求項１５記載の動作方法。
【請求項１７】
少なくとも１つの力‐熱結合システムと、少なくとも１つの追加ヒータ（１４）と、少なくとも１つの熱バッファ（１６）と、復水容器とを備えた加熱設備（１０）の動作方法において、
前記力‐熱結合システムは電力を生成することができ、
前記復水容器から復水を取り出せる限り、前記力‐熱結合システムを最大電力で動作させる
ことを特徴とする動作方法。
【請求項１８】
前記加熱設備（１０）は、請求項１から１０までのいずれか１項記載の加熱設備（１０）である、
請求項１１から１７までのいずれか１項記載の動作方法。
【国際調査報告】
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2016515190.tif 000005
2016515190.tif 000006
2016515190.tif 000007
2016515190.tif 000008
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