熱供給システム
【課題】複数の燃料電池システムの夫々における貯湯タンクの容量を小さくしても、その燃料電池装置の排熱を有効に活用して、更なる省エネルギー化を図ること。
【解決手段】複数の燃料電池システム１の夫々には、貯湯タンク３の湯水と共用熱媒体とを熱交換させる熱交換部１４が備えられ、共用熱媒体を共用熱媒体循環路９にて循環させる共用熱媒体循環手段１０，２２と、複数の熱交換部１４の夫々に対応して備えられ、共用熱媒体循環路９の共用熱媒体を熱交換部１４に供給して共用熱媒体循環路９に戻す熱交換部供給路１５と、複数の熱交換部供給路１５の夫々に備えられて、共用熱媒体循環路９の共用熱媒体を熱交換部供給路１５に供給する供給状態と共用熱媒体循環路９の共用熱媒体を熱交換部供給路１５に供給しない非供給状態とに切換自在な切換手段１６とが備えられている。
【解決手段】複数の燃料電池システム１の夫々には、貯湯タンク３の湯水と共用熱媒体とを熱交換させる熱交換部１４が備えられ、共用熱媒体を共用熱媒体循環路９にて循環させる共用熱媒体循環手段１０，２２と、複数の熱交換部１４の夫々に対応して備えられ、共用熱媒体循環路９の共用熱媒体を熱交換部１４に供給して共用熱媒体循環路９に戻す熱交換部供給路１５と、複数の熱交換部供給路１５の夫々に備えられて、共用熱媒体循環路９の共用熱媒体を熱交換部供給路１５に供給する供給状態と共用熱媒体循環路９の共用熱媒体を熱交換部供給路１５に供給しない非供給状態とに切換自在な切換手段１６とが備えられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置と、その燃料電池装置と貯湯タンクとの間で湯水を循環させて前記燃料電池装置の排熱にて加熱された湯水を前記貯湯タンクに貯湯する排熱回収手段と、その排熱回収手段にて前記貯湯タンクから前記燃料電池装置に供給する湯水が有する熱を放熱させる放熱器とを備えた燃料電池システムが複数備えられている熱供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記の熱供給システムでは、例えば、マンション等の複数の住戸が集合している集合住宅に適応して、複数の住戸の夫々に燃料電池システムを備えることが考えられている（例えば、特許文献１参照。）。各住戸では、排熱回収手段が燃料電池装置の排ガスと貯湯タンクの湯水とを熱交換させて燃料電池装置の排熱にて加熱された湯水を貯湯タンクに貯湯している。このようにして、燃料電池装置にて発電される電力を電力消費機器に用いるとともに、貯湯タンクの湯水を給湯や暖房等に用いて、燃料電池装置にて発生される電力及び排熱を有効に活用して省エネルギー化を図るようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１２９０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池システムは、燃料電池装置の排熱を貯湯タンクに蓄熱する一方で、貯湯タンクから燃料電池装置に供給する湯水が有する熱を放熱させる放熱器（本願に係る図１に示す例ではラジエータ５がこの放熱器に相当する）を備えており、その放熱器にて放熱することで、貯湯タンクから燃料電池装置に供給する湯水の温度が上限設定温度（例えば、４０℃）未満となるようにしている。
【０００５】
この点について説明する。
燃料電池装置では、例えば、天然ガス等の炭化水素を原燃料として用いる場合、原燃料に水蒸気を混合させて、ＣＯとＨ2に改質させてから燃料電池にて反応されている。このときのＨ2Ｏは、改質反応に必要なことから改質水と呼ばれている。そして、水道水等を改質水として用いると、不純物が多く含まれていることから、水浄化装置が必要になるので、主として、燃料電池装置の排ガスを貯湯タンクから供給される湯水にて冷却して凝縮水を生成し、その凝縮水を改質水として用いている。そこで、燃料電池装置の排ガスを凝縮させるまで冷却させるには、貯湯タンクから燃料電池装置に供給する湯水の温度を排ガスの凝縮温度よりも低温にすることが必要となる。したがって、貯湯タンクから燃料電池装置に供給する湯水の温度が上限設定温度（例えば、４０℃）以上である場合には、放熱器にて湯水が有する熱を放熱させて、湯水の温度を上限設定温度（例えば、４０℃）未満に低下させるようにしている。
【０００６】
ここで、例えば、熱供給システムを集合住宅に適応させて、各住戸に燃料電池システムを備える場合に、貯湯タンクの容量が大きくなれば設置スペースの確保が難しくなる等の理由から、貯湯タンクの容量を小さくすることが望まれている。しかしながら、貯湯タンクの容量を小さくすれば、貯湯タンク全体の湯水の温度が高温になり易くなるので、貯湯タンクの湯水が上限設定温度（例えば、４０℃）以上となり、上述の如く、その湯水が有する熱を放熱器にて放熱してしまい、燃料電池装置の排熱を有効に活用できない場合がある。
【０００７】
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、複数の燃料電池システムの夫々における貯湯タンクの容量を小さくしても、その燃料電池装置の排熱を有効に活用して、更なる省エネルギー化を図ることができる熱供給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】
【０００８】
この目的を達成するために、本発明に係る熱供給システムの特徴構成は、燃料電池装置と、その燃料電池装置と貯湯タンクとの間で湯水を循環させて前記燃料電池装置の排熱にて加熱された湯水を前記貯湯タンクに貯湯する排熱回収手段と、その排熱回収手段にて前記貯湯タンクから前記燃料電池装置に供給する湯水が有する熱を放熱させる放熱器とを備えた燃料電池システムが複数備えられている熱供給システムにおいて、
複数の前記燃料電池システムの夫々には、前記貯湯タンクの湯水と共用熱媒体とを熱交換させる熱交換部が備えられ、共用熱媒体を共用熱媒体循環路にて循環させる共用熱媒体循環手段と、複数の前記熱交換部の夫々に対応して備えられ、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体を前記熱交換部に供給して前記共用熱媒体循環路に戻す熱交換部供給路と、複数の前記熱交換部供給路の夫々に備えられて、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体を前記熱交換部供給路に供給する供給状態と前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体を前記熱交換部供給路に供給しない非供給状態とに切換自在な切換手段とが備えられている点にある。
【０００９】
本特徴構成によれば、複数の燃料電池システムの夫々において、切換手段が非供給状態から供給状態に切り換えることで、熱交換部供給路を通して熱交換部に共用熱媒体が供給され、熱交換部における共用熱媒体と貯湯タンクの湯水との熱交換を行うことができる。そこで、貯湯タンクの湯水の温度が上限設定温度以上となって、その湯水が有する熱を放熱器にて放熱してしまう場合には、切換手段が非供給状態から供給状態に切り換えることで、熱交換部において貯湯タンクの湯水にて共用熱媒体を加熱して、貯湯タンクの湯水が有する熱を共用熱媒体に供給することができる。また、貯湯タンクの湯水の温度が低い場合には、切換手段が非供給状態から供給状態に切り換えることで、熱交換部において共用熱媒体にて貯湯タンクの湯水を加熱することができる。したがって、複数の燃料電池システムの夫々において、切換手段が非供給状態から供給状態に切り換えて、熱交換部において貯湯タンクの湯水と共用熱媒体との間で熱の授受を行い、燃料電池システムから共用熱媒体への熱の供給及び共用熱媒体から燃料電池システムへの熱の取り込みを行うことができる。その結果、複数の燃料電池システムの夫々において、燃料電池装置の排熱を無駄に放熱器にて放熱することなく、給湯や暖房等に用いることができる。また、例えば、ある燃料電池システムにて放熱器にて放熱されていた熱を、共用熱媒体を介して、他の燃料電池システムにて用いることができ、システム全体として熱の有効活用を図ることができる。
【００１０】
以上のことから、複数の燃料電池システムの夫々における貯湯タンクの容量を小さくしても、複数の燃料電池システムの夫々における燃料電池装置の排熱を有効活用して、更なる省エネルギー化を図るとともに、システム全体としても熱の有効活用を図ることができる。
【００１１】
本発明に係る熱供給システムの更なる特徴構成は、共用熱媒体を共用熱媒体加熱部にて加熱する共用熱媒体加熱手段が備えられている点にある。
【００１２】
本特徴構成によれば、共用熱媒体加熱手段は、共用熱媒体を共用熱媒体加熱部にて加熱することができるので、共用熱媒体加熱部から取得した熱をも共用熱媒体に供給することができる。したがって、共用熱媒体が有する熱を複数の燃料電池システムにて有効に活用することができ、システム全体での省エネルギー化を適切に図ることができる。
【００１３】
本発明に係る熱供給システムの更なる特徴構成は、前記共用熱媒体循環手段は、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体の温度が設定温度範囲になるように共用熱媒体の循環状態を制御している点にある。
【００１４】
本特徴構成によれば、共用熱媒体循環手段は、例えば、共用熱媒体の循環量等を制御することで、共用熱媒体循環路の共用熱媒体の温度が設定温度範囲になるように共用熱媒体の循環状態を制御することができる。そして、設定温度範囲を、例えば４０〜５０℃の温度範囲に設定しておくことで、ある燃料電池システムでは、燃料電池システムから共用熱媒体への熱の供給を行うことができ、別の燃料電池システムでは、共用熱媒体から燃料電池システムへの熱の取り込みを行うことができ、熱の供給と熱の取り込みとを同時に行うこともできる。
【００１５】
本発明に係る熱供給システムの更なる特徴構成は、前記熱交換部において前記貯湯タンクの湯水にて共用熱媒体を加熱可能とする熱供給開始条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記非供給状態から前記供給状態に切り換え、その後、熱供給停止条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記供給状態から前記非供給状態に切り換える切換手段制御部が備えられ、前記熱供給開始条件及び前記熱供給停止条件は、前記貯湯タンクの湯水の温度に基づいて設定されている点にある。
【００１６】
貯湯タンクの湯水の温度が共用熱媒体の温度よりも高温である場合には、熱交換部において貯湯タンクの湯水にて共用熱媒体を加熱できることから、燃料電池システムから共用熱媒体への熱の供給を行うことができる。上述の如く、例えば、共用熱媒体の循環量等を制御して、共用熱媒体の温度を設定温度範囲とすることができるので、貯湯タンクの湯水の温度に基づいて熱供給開始条件及び熱供給停止条件を設定することで、熱供給開始条件及び熱供給停止条件として適切な条件を設定することができる。したがって、燃料電池システムから共用熱媒体への熱の供給を適切に行うことができる。
【００１７】
本発明に係る熱供給システムの更なる特徴構成は、前記熱交換部において共用熱媒体にて前記貯湯タンクの湯水を加熱可能とする熱取込開始条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記非供給状態から前記供給状態に切り換え、その後、熱取込停止条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記供給状態から前記非供給状態に切り換える切換手段制御部が備えられ、前記熱取込開始条件及び前記熱取込停止条件は、前記貯湯タンクの湯水の温度に基づいて設定されている点にある。
【００１８】
貯湯タンクの湯水の温度が共用熱媒体の温度よりも低温である場合には、熱交換部において共用熱媒体にて貯湯タンクの湯水を加熱できることから、共用熱媒体から燃料電池システムへの熱の取り込みを行うことができる。上述の如く、例えば、共用熱媒体の循環量等を制御して、共用熱媒体の温度を設定温度範囲とすることができるので、貯湯タンクの湯水の温度に基づいて熱取込開始条件及び熱取込停止条件を設定することで、熱取込開始条件及び熱取込停止条件として適切な条件を設定することができる。したがって、共用熱媒体から燃料電池システムへの熱の取り込みを適切に行うことができる。
【００１９】
本発明に係る熱供給システムの更なる特徴構成は、前記熱取込開始条件は、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体の温度に応じて変更設定自在に構成されている点にある。
【００２０】
本特徴構成によれば、例えば、共用熱媒体の温度が高温になる場合には、共用熱媒体から燃料電池システムへの熱の取り込みを行い易くするように、熱取込開始条件を変更設定することができる。これにより、共用熱媒体の温度が過剰に上昇している場合には、共用熱媒体から燃料電池システムへの熱の取り込みを行い、一旦、共用熱媒体が有する熱を貯湯タンクに蓄熱させて、その熱を放熱器にて放熱させることができる。したがって、共用熱媒体が有する熱を放熱するための専用の構成を備えなくても、既に燃料電池システムに備えられている放熱器を用いて、共用熱媒体の熱を放熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】熱供給システムの概略構成を示す図
【図２】本実施形態の熱供給システムにおいて、ある住戸における熱需要、貯湯タンクの蓄熱量、及び、燃料電池装置の排熱の出力の１日の変化、並びに、太陽熱の出力の１日の変化を示したグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明に係る熱供給システムの実施形態を図面に基づいて説明する。
この熱供給システム１００は、図１に示すように、複数の燃料電池システム１を備えており、例えば、マンション等の複数の住戸が集合している集合住宅に適応して、複数の住戸の夫々に燃料電池システム１を備えさせている。
【００２３】
（燃料電池システムの構成）
複数の燃料電池システム１の夫々は、燃料電池装置２と、その燃料電池装置２と貯湯タンク３との間で湯水を循環させて燃料電池装置２の排熱にて加熱された湯水を貯湯タンク３に貯湯する排熱回収手段４と、その排熱回収手段４にて貯湯タンク３から燃料電池装置２に供給する湯水が有する熱を放熱させるラジエータ（放熱器に相当する）５とを備えている。
【００２４】
燃料電池装置２は、水素を含む水素含有ガスと酸素を含む酸素含有ガスとを反応させて発電しており、例えば、固体酸化物型にて構成されている。貯湯タンク３は、例えば、密閉型のタンクにて構成されており、温度が高い湯水（温水）は上方側に且つ温度が低い湯水は下方側に温度成層を形成する状態で湯水を貯留自在に構成されている。図示は省略するが、貯湯タンク３に貯湯されている湯水は、給湯栓等の給湯利用箇所に供給自在であるとともに、暖房や風呂の追焚の熱源としても利用可能に構成されている。貯湯タンク３には、その貯湯タンク３の蓄熱量を検出する等のために、複数の温度センサＴ１〜Ｔ４が上下方向に間隔を隔てて設けられている。第１温度センサＴ１は、貯湯タンク３の上部部位の湯水の温度を検出し、第２温度センサＴ２は、貯湯タンク３の中間上部部位の湯水の温度を検出し、第３温度センサＴ３は、貯湯タンク３の中間下部部位の湯水の温度を検出し、第４温度センサＴ４は、貯湯タンク３の下部部位の湯水の温度を検出している。
【００２５】
排熱回収手段４は、貯湯タンク３の下部から取り出した湯水を燃料電池装置２に供給して貯湯タンク３の上部に戻す湯水循環路６と、その湯水循環路６にて湯水を循環させる湯水循環ポンプ７とを備えている。そして、排熱回収手段４は、燃料電池装置２の排ガスと湯水循環路６の湯水とを熱交換させて燃料電池装置２の排熱にて湯水循環路６の湯水を加熱し、その加熱された湯水を貯湯タンク３に戻して貯湯するように構成されている。ラジエータ５は、湯水循環路６において貯湯タンク３と燃料電池装置２との間の部位に備えられており、貯湯タンク３から燃料電池装置２に供給する湯水が有する熱を放熱自在に構成されている。
【００２６】
（共用熱媒体を循環する構成）
熱供給システム１００は、燃料電池システム１とは別に、共用熱媒体（例えば、湯水）を貯留する共用タンク８と、その共用タンク８の共用熱媒体を循環させる共用熱媒体循環路９と、共用タンク８から取り出した共用熱媒体を共用熱媒体循環路９にて循環させて共用タンク８に戻す共用熱媒体循環ポンプ１０（共用熱媒体循環手段に相当する）とを備えている。共用タンク８は、例えば、密閉型のタンクにて構成されており、温度が高い共用熱媒体（温水）は上方側に且つ温度が低い共用熱媒体は下方側に温度成層を形成する状態で共用熱媒体を貯留自在に構成されている。共用熱媒体循環路９は、共用タンク８の上部から共用熱媒体を取り出して通流させる取り出し側部位９ａと、その取り出し側部位９ａを通流した共用熱媒体を共用タンク８の下部に戻す戻し側部位９ｂとから構成されている。
【００２７】
共用タンク８の共用熱媒体と貯湯タンク３の湯水とを熱交換させるために、貯湯タンク３には、貯湯タンク３の湯水と共用熱媒体とを熱交換させる熱交換部１４が備えられている。この熱交換部１４は、貯湯タンク３の内部に備えられており、貯湯タンク３の下方側部位に存在する湯水と共用熱媒体とを熱交換自在に構成されている。そして、熱交換部１４に共用熱媒体を供給するために、複数の熱交換部１４の夫々に対応して、共用熱媒体循環路９の共用熱媒体を熱交換部１４に供給して共用熱媒体循環路９に戻す熱交換部供給路１５が備えられている。この熱交換部供給路１５は、その上流側端部が共用熱媒体循環路９の取り出し側部位９ａに接続され、その途中部位に熱交換部１４を備え、その下流側端部が共用熱媒体循環路９の戻し側部位９ｂに接続されている。複数の熱交換部供給路１５の夫々には、共用熱媒体循環路９の共用熱媒体を熱交換部供給路１５に供給する供給状態と共用熱媒体循環路９の共用熱媒体を熱交換部供給路１５に供給しない非供給状態とに切換自在な切換弁１６（切換手段に相当する）が備えられている。
【００２８】
このようにして、燃料電池システム１は、燃料電池装置２、排熱回収手段４及びラジエータ５に加えて、熱交換部１４及び切換弁１６を備えている。切換弁１６を非供給状態から供給状態に切り換えることで、熱交換部１４において貯湯タンク３の湯水と共用熱媒体との熱交換を行うようにしている。そして、熱交換部１４において貯湯タンク３の湯水にて共用熱媒体を加熱することで、貯湯タンク３に蓄熱されている熱を燃料電池システム１から共用熱媒体に供給することができる。逆に、熱交換部１４において共用熱媒体にて貯湯タンク３の湯水を加熱することで、共用熱媒体が有する熱を燃料電池システム１に取り込んで貯湯タンク３に蓄熱することができる。
【００２９】
共用熱媒体循環路９において、取り出し側部位９ａの上流側部位と戻し側部位９ｂの下流側部位とを接続するバイパス路１２が備えられ、取り出し側部位９ａとバイパス路１２との接続箇所には第１三方弁１３が備えられている。取り出し側部位９ａとバイパス路１２との接続箇所は、取り出し側部位９ａと熱交換部供給路１５との接続箇所よりも上流側となっている。そして、共用熱媒体循環路９において、取り出し側部位９ａとバイパス路１２との接続箇所と取り出し側部位９ａと熱交換部供給路１５との接続箇所の間に共用熱媒体循環ポンプ１０が備えられている。また、共用熱媒体循環路９において、取り出し側部位９ａと戻し側部位９ｂとの間に第１制御弁１１が備えられている。
【００３０】
共用タンク８の共用熱媒体を加熱するために、共用タンク８から取り出した共用熱媒体を共用熱媒体加熱部１７にて加熱して共用タンク８に戻す共用熱媒体加熱手段１８が備えられている。この例では、共用熱媒体加熱部１７は、太陽熱を集熱して共用熱媒体を加熱する太陽熱集熱器にて構成されている。共用熱媒体加熱手段１８は、共用タンク８の下部から取り出した共用熱媒体を共用熱媒体加熱部１７に供給して共用熱媒体加熱部１７にて加熱された共用熱媒体を共用タンク８の上部に戻す加熱用循環路１９と、その加熱用循環路１９にて共用熱媒体を循環させる加熱用循環ポンプ２０とを備えている。
【００３１】
複数の燃料電池システム１の夫々には、その運転を制御する燃料電池側制御部２１が備えられている。この燃料電池側制御部２１は、燃料電池装置２や排熱回収手段４の作動を制御するとともに、切換弁１６についての供給状態と非供給状態との切換をも制御するように構成されている。また、共用熱媒体循環路９における共用熱媒体の循環状態を制御する共用側制御部２２が備えられており、燃料電池側制御部２１と共用側制御部２２との間では各種の情報が通信自在に構成されている。この共用側制御部２２は、共用熱媒体循環ポンプ１０及び第１三方弁１３の作動を制御することで、共用熱媒体循環路９における共用熱媒体の循環状態を制御するとともに、共用熱媒体加熱手段１８の作動をも制御するように構成されている。
【００３２】
（燃料電池システムの動作）
燃料電池側制御部２１は、例えば、電力需要に応じて燃料電池装置２の出力等を制御している。燃料電池側制御部２１は、燃料電池装置２を作動させる場合に、湯水循環ポンプ７を作動させて、貯湯タンク３の下部から取り出した湯水を湯水循環路６にて燃料電池装置２に供給して燃料電池装置２の排ガスにてその湯水を加熱し、その加熱された湯水を湯水循環路６にて貯湯タンク３に戻して貯湯している。燃料電池装置２は、例えば、天然ガス等の炭化水素を原燃料としており、その原燃料に水蒸気を混合させてＣＯとＨ2に改質させてから燃料電池にて反応させている。燃料電池装置２の排ガスにて湯水循環路６の湯水を加熱することで、燃料電池装置２の排ガスを凝縮させて凝縮水を得ており、その凝縮水を上述の改質反応に必要な改質水として用いている。そこで、改質水としての凝縮水を得るために、貯湯タンク３から燃料電池装置２に供給する湯水の温度に上限設定温度（例えば、４０℃）が設定されている。燃料電池側制御部２１は、第４温度センサＴ４の検出温度が上限設定温度以上であると、ラジエータ５を作動させて、湯水循環路６にて貯湯タンク３から燃料電池装置２に供給する湯水の温度を上限設定温度未満となるようにしている。
【００３３】
（共用熱媒体の循環状態の制御）
共用側制御部２２（共用熱媒体循環手段に相当する）は、共用熱媒体循環路９の共用熱媒体の温度が設定温度範囲（例えば、４０〜５０℃の温度範囲）になるように共用熱媒体の循環状態を制御している。共用熱媒体の温度については、例えば、共用熱媒体循環路９の取り出し側部位９ａに温度センサ（図示省略）を備え、その温度センサにて共用熱媒体の温度を検出している。共用側制御部２２は、その温度センサの検出温度が設定温度範囲になるように、共用熱媒体循環ポンプ１０の回転速度及び第１三方弁１３の切換状態や開度を制御して、共用熱媒体循環路９における共用熱媒体の循環状態を制御している。そして、例えば、複数の燃料電池システム１の全てが運転停止している場合等には、共用側制御部２２が、燃料電池側制御部２１と共用側制御部２２との間での通信によりその運転停止の情報を取得すると、共用熱媒体循環ポンプ１０を作動停止させるようにしている。また、共用側制御部２２は、例えば、昼間等の太陽熱を取得できる時間帯等に、加熱用循環ポンプ２０を作動させて、加熱用循環路１９によって、共用タンク８の下部から取り出した共用熱媒体を共用熱媒体加熱部１７に供給し、共用熱媒体加熱部１７にて加熱された共用熱媒体を共用タンク８の上部に戻すようにしている。
【００３４】
（切換弁の切換の制御）
燃料電池側制御部２１（切換手段制御部に相当する）は、熱供給開始条件が満たされた場合に、切換弁１６を非供給状態から供給状態に切り換え、その後、熱供給停止条件が満たされた場合に、切換弁１６を供給状態から非供給状態に切り換えている。熱供給開始条件は、熱交換部１４において貯湯タンク３の湯水にて共用熱媒体を加熱可能とする条件であり、貯湯タンク３の湯水の温度に基づいて設定されており、熱供給停止条件も、貯湯タンク３の湯水の温度に基づいて設定されている。熱供給開始条件は、貯湯タンク３の下部部位に存在する湯水の温度が第１設定温度（例えば、６０℃）以上になるという条件に設定されており、熱供給停止条件は、貯湯タンク３の下部部位に存在する湯水の温度が第２設定温度（例えば、４０℃）以下になるという条件に設定されている。これにより、燃料電池側制御部２１は、第４温度センサＴ４の検出温度が第１設定温度（例えば、６０℃）以上になると、熱供給開始条件が満たされたとして、切換弁１６を非供給状態から供給状態に切り換えて、熱交換部１４において貯湯タンク３の湯水にて共用熱媒体を加熱して貯湯タンク３に蓄熱されている熱を共用熱媒体に供給している。そして、燃料電池側制御部２１は、第４温度センサＴ４の検出温度が第２設定温度（例えば、４０℃）以下になると、熱供給停止条件が満たされたとして、切換弁１６を供給状態から非供給状態に切り換えている。
【００３５】
燃料電池側制御部２１（切換手段制御部に相当する）は、熱取込開始条件が満たされた場合に、切換弁１６を非供給状態から供給状態に切り換え、その後、熱取込停止条件が満たされた場合に、切換弁１６を供給状態から非供給状態に切り換えている。熱取込開始条件は、熱交換部１４において共用熱媒体にて貯湯タンク３の湯水を加熱可能とする条件であり、貯湯タンク３の湯水の温度に基づいて設定されており、熱取込停止条件も、貯湯タンク３の湯水の温度に基づいて設定されている。熱取込開始条件は、貯湯タンク３の上部部位に存在する湯水の温度が第３設定温度（例えば、３０℃）以下になるという条件に設定されており、熱取込停止条件は、貯湯タンク３の下部部位に存在する湯水の温度が第４設定温度（例えば、３０℃）以上になるという条件に設定されている。これにより、燃料電池側制御部２１は、第１温度センサＴ１の検出温度が第３設定温度（例えば、３０℃）以下になると、熱取込開始条件が満たされたとして、切換弁１６を非供給状態から供給状態に切り換えて、熱交換部１４において共用熱媒体にて貯湯タンク３の湯水を加熱して共用熱媒体が有する熱を貯湯タンク３に取り込んでいる。
【００３６】
熱取込開始条件については、共用熱媒体循環路９の共用熱媒体の温度に応じて変更設定自在に構成されている。つまり、共用熱媒体循環路９の共用熱媒体の温度が上昇した場合には、共用熱媒体が有する熱を貯湯タンク３に取り込み易くするために、例えば、第３設定温度を条件緩和設定温度だけ高い温度に変更して、熱取込開始条件を満たし易く変更設定している。
【００３７】
このようにして、本実施形態の熱供給システム１００では、複数の燃料電池システム１の夫々において、熱供給開始条件が満たされた場合に、切換弁１６を非供給状態から供給状態に切り換えることで、貯湯タンク３に蓄熱されている熱を、ラジエータ５にて無駄に放熱することなく、共用熱媒体に供給して共用タンク８に蓄熱させておくことができる。そして、熱取込開始条件が満たされた場合に、切換弁１６を非供給状態から供給状態に切り換えることで、共用熱媒体が有する熱を貯湯タンク３に取り込んで、その取り込んだ熱を給湯や暖房等に利用することができる。これにより、複数の燃料電池システム１の夫々において、貯湯タンク３の容量を小さくすることができながら、貯湯タンク３の湯水と共用熱媒体との間で熱の授受を行い、燃料電池装置２の排熱を無駄に放熱することなく、給湯や暖房等に有効に活用することができる。しかも、共用熱媒体は、複数の燃料電池システム１の夫々に備えられた熱交換部１４にて貯湯タンク３の湯水と熱交換できるので、ある住戸にて余剰な燃料電池装置２の排熱を他の住戸にて給湯や暖房等に用いることができ、集合住宅の全体としてエネルギーの有効活用を図ることができる。
【００３８】
図２は、本実施形態の熱供給システム１００において、ある住戸における熱需要Ｂ１、貯湯タンク３の蓄熱量Ｂ２、及び、燃料電池装置２の排熱の出力Ｂ３の１日の変化を示すとともに、太陽熱の出力Ｂ４の１日の変化を示したグラフである。図２によれば、ラジエータ５にて放熱する時間帯は、１５時頃から１６時半頃までのわずかな時間帯（図中Ａで示す時間帯）に限られており、燃料電池装置２の排熱を無駄にラジエータ５にて放熱していない。そして、太陽熱の出力を共用熱媒体から貯湯タンク３に取り込んで貯湯タンク３の蓄熱量を蓄熱上限まで上昇させている。よって、その後に発生する大きな熱需要に対して、元々、貯湯タンク３に蓄熱されている熱だけでなく、共用熱媒体から取り込んだ太陽熱をも有効に活用している。
【００３９】
〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、共用熱媒体加熱部１７として、太陽熱集熱器を採用した場合を例示したが、例えば、集合住宅における共用部の電灯等の消費電力だけを賄うことができる小型のコージェネレーションシステムを備え、その小型のコージェネレーションシステムを共用熱媒体加熱部として採用して、小型のコージェネレーションシステムから発生する排熱にて共用熱媒体を加熱することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、燃料電池装置と、その燃料電池装置と貯湯タンクとの間で湯水を循環させて前記燃料電池装置の排熱にて加熱された湯水を前記貯湯タンクに貯湯する排熱回収手段と、その排熱回収手段にて前記貯湯タンクから前記燃料電池装置に供給する湯水が有する熱を放熱させる放熱器とを備えた燃料電池システムが複数備えられ、複数の燃料電池システムの夫々における貯湯タンクの容量を小さくしても、その燃料電池装置の排熱を有効に活用して、更なる省エネルギー化を図ることができる各種の熱供給システムに適応可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池装置
３ 貯湯タンク
４ 排熱回収手段
５ ラジエータ（放熱器）
９ 共用熱媒体循環路
１０ 共用熱媒体循環ポンプ（共用熱媒体循環手段）
１４ 熱交換部
１５ 熱交換部供給路
１６ 切換弁（切換手段）
１７ 共用熱媒体加熱部
１８ 共用熱媒体加熱手段
２１ 燃料電池側制御部（切換手段制御部）
２２ 共用側制御部（共用熱媒体循環手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置と、その燃料電池装置と貯湯タンクとの間で湯水を循環させて前記燃料電池装置の排熱にて加熱された湯水を前記貯湯タンクに貯湯する排熱回収手段と、その排熱回収手段にて前記貯湯タンクから前記燃料電池装置に供給する湯水が有する熱を放熱させる放熱器とを備えた燃料電池システムが複数備えられている熱供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記の熱供給システムでは、例えば、マンション等の複数の住戸が集合している集合住宅に適応して、複数の住戸の夫々に燃料電池システムを備えることが考えられている（例えば、特許文献１参照。）。各住戸では、排熱回収手段が燃料電池装置の排ガスと貯湯タンクの湯水とを熱交換させて燃料電池装置の排熱にて加熱された湯水を貯湯タンクに貯湯している。このようにして、燃料電池装置にて発電される電力を電力消費機器に用いるとともに、貯湯タンクの湯水を給湯や暖房等に用いて、燃料電池装置にて発生される電力及び排熱を有効に活用して省エネルギー化を図るようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１２９０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池システムは、燃料電池装置の排熱を貯湯タンクに蓄熱する一方で、貯湯タンクから燃料電池装置に供給する湯水が有する熱を放熱させる放熱器（本願に係る図１に示す例ではラジエータ５がこの放熱器に相当する）を備えており、その放熱器にて放熱することで、貯湯タンクから燃料電池装置に供給する湯水の温度が上限設定温度（例えば、４０℃）未満となるようにしている。
【０００５】
この点について説明する。
燃料電池装置では、例えば、天然ガス等の炭化水素を原燃料として用いる場合、原燃料に水蒸気を混合させて、ＣＯとＨ2に改質させてから燃料電池にて反応されている。このときのＨ2Ｏは、改質反応に必要なことから改質水と呼ばれている。そして、水道水等を改質水として用いると、不純物が多く含まれていることから、水浄化装置が必要になるので、主として、燃料電池装置の排ガスを貯湯タンクから供給される湯水にて冷却して凝縮水を生成し、その凝縮水を改質水として用いている。そこで、燃料電池装置の排ガスを凝縮させるまで冷却させるには、貯湯タンクから燃料電池装置に供給する湯水の温度を排ガスの凝縮温度よりも低温にすることが必要となる。したがって、貯湯タンクから燃料電池装置に供給する湯水の温度が上限設定温度（例えば、４０℃）以上である場合には、放熱器にて湯水が有する熱を放熱させて、湯水の温度を上限設定温度（例えば、４０℃）未満に低下させるようにしている。
【０００６】
ここで、例えば、熱供給システムを集合住宅に適応させて、各住戸に燃料電池システムを備える場合に、貯湯タンクの容量が大きくなれば設置スペースの確保が難しくなる等の理由から、貯湯タンクの容量を小さくすることが望まれている。しかしながら、貯湯タンクの容量を小さくすれば、貯湯タンク全体の湯水の温度が高温になり易くなるので、貯湯タンクの湯水が上限設定温度（例えば、４０℃）以上となり、上述の如く、その湯水が有する熱を放熱器にて放熱してしまい、燃料電池装置の排熱を有効に活用できない場合がある。
【０００７】
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、複数の燃料電池システムの夫々における貯湯タンクの容量を小さくしても、その燃料電池装置の排熱を有効に活用して、更なる省エネルギー化を図ることができる熱供給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】
【０００８】
この目的を達成するために、本発明に係る熱供給システムの特徴構成は、燃料電池装置と、その燃料電池装置と貯湯タンクとの間で湯水を循環させて前記燃料電池装置の排熱にて加熱された湯水を前記貯湯タンクに貯湯する排熱回収手段と、その排熱回収手段にて前記貯湯タンクから前記燃料電池装置に供給する湯水が有する熱を放熱させる放熱器とを備えた燃料電池システムが複数備えられている熱供給システムにおいて、
複数の前記燃料電池システムの夫々には、前記貯湯タンクの湯水と共用熱媒体とを熱交換させる熱交換部が備えられ、共用熱媒体を共用熱媒体循環路にて循環させる共用熱媒体循環手段と、複数の前記熱交換部の夫々に対応して備えられ、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体を前記熱交換部に供給して前記共用熱媒体循環路に戻す熱交換部供給路と、複数の前記熱交換部供給路の夫々に備えられて、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体を前記熱交換部供給路に供給する供給状態と前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体を前記熱交換部供給路に供給しない非供給状態とに切換自在な切換手段とが備えられている点にある。
【０００９】
本特徴構成によれば、複数の燃料電池システムの夫々において、切換手段が非供給状態から供給状態に切り換えることで、熱交換部供給路を通して熱交換部に共用熱媒体が供給され、熱交換部における共用熱媒体と貯湯タンクの湯水との熱交換を行うことができる。そこで、貯湯タンクの湯水の温度が上限設定温度以上となって、その湯水が有する熱を放熱器にて放熱してしまう場合には、切換手段が非供給状態から供給状態に切り換えることで、熱交換部において貯湯タンクの湯水にて共用熱媒体を加熱して、貯湯タンクの湯水が有する熱を共用熱媒体に供給することができる。また、貯湯タンクの湯水の温度が低い場合には、切換手段が非供給状態から供給状態に切り換えることで、熱交換部において共用熱媒体にて貯湯タンクの湯水を加熱することができる。したがって、複数の燃料電池システムの夫々において、切換手段が非供給状態から供給状態に切り換えて、熱交換部において貯湯タンクの湯水と共用熱媒体との間で熱の授受を行い、燃料電池システムから共用熱媒体への熱の供給及び共用熱媒体から燃料電池システムへの熱の取り込みを行うことができる。その結果、複数の燃料電池システムの夫々において、燃料電池装置の排熱を無駄に放熱器にて放熱することなく、給湯や暖房等に用いることができる。また、例えば、ある燃料電池システムにて放熱器にて放熱されていた熱を、共用熱媒体を介して、他の燃料電池システムにて用いることができ、システム全体として熱の有効活用を図ることができる。
【００１０】
以上のことから、複数の燃料電池システムの夫々における貯湯タンクの容量を小さくしても、複数の燃料電池システムの夫々における燃料電池装置の排熱を有効活用して、更なる省エネルギー化を図るとともに、システム全体としても熱の有効活用を図ることができる。
【００１１】
本発明に係る熱供給システムの更なる特徴構成は、共用熱媒体を共用熱媒体加熱部にて加熱する共用熱媒体加熱手段が備えられている点にある。
【００１２】
本特徴構成によれば、共用熱媒体加熱手段は、共用熱媒体を共用熱媒体加熱部にて加熱することができるので、共用熱媒体加熱部から取得した熱をも共用熱媒体に供給することができる。したがって、共用熱媒体が有する熱を複数の燃料電池システムにて有効に活用することができ、システム全体での省エネルギー化を適切に図ることができる。
【００１３】
本発明に係る熱供給システムの更なる特徴構成は、前記共用熱媒体循環手段は、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体の温度が設定温度範囲になるように共用熱媒体の循環状態を制御している点にある。
【００１４】
本特徴構成によれば、共用熱媒体循環手段は、例えば、共用熱媒体の循環量等を制御することで、共用熱媒体循環路の共用熱媒体の温度が設定温度範囲になるように共用熱媒体の循環状態を制御することができる。そして、設定温度範囲を、例えば４０〜５０℃の温度範囲に設定しておくことで、ある燃料電池システムでは、燃料電池システムから共用熱媒体への熱の供給を行うことができ、別の燃料電池システムでは、共用熱媒体から燃料電池システムへの熱の取り込みを行うことができ、熱の供給と熱の取り込みとを同時に行うこともできる。
【００１５】
本発明に係る熱供給システムの更なる特徴構成は、前記熱交換部において前記貯湯タンクの湯水にて共用熱媒体を加熱可能とする熱供給開始条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記非供給状態から前記供給状態に切り換え、その後、熱供給停止条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記供給状態から前記非供給状態に切り換える切換手段制御部が備えられ、前記熱供給開始条件及び前記熱供給停止条件は、前記貯湯タンクの湯水の温度に基づいて設定されている点にある。
【００１６】
貯湯タンクの湯水の温度が共用熱媒体の温度よりも高温である場合には、熱交換部において貯湯タンクの湯水にて共用熱媒体を加熱できることから、燃料電池システムから共用熱媒体への熱の供給を行うことができる。上述の如く、例えば、共用熱媒体の循環量等を制御して、共用熱媒体の温度を設定温度範囲とすることができるので、貯湯タンクの湯水の温度に基づいて熱供給開始条件及び熱供給停止条件を設定することで、熱供給開始条件及び熱供給停止条件として適切な条件を設定することができる。したがって、燃料電池システムから共用熱媒体への熱の供給を適切に行うことができる。
【００１７】
本発明に係る熱供給システムの更なる特徴構成は、前記熱交換部において共用熱媒体にて前記貯湯タンクの湯水を加熱可能とする熱取込開始条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記非供給状態から前記供給状態に切り換え、その後、熱取込停止条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記供給状態から前記非供給状態に切り換える切換手段制御部が備えられ、前記熱取込開始条件及び前記熱取込停止条件は、前記貯湯タンクの湯水の温度に基づいて設定されている点にある。
【００１８】
貯湯タンクの湯水の温度が共用熱媒体の温度よりも低温である場合には、熱交換部において共用熱媒体にて貯湯タンクの湯水を加熱できることから、共用熱媒体から燃料電池システムへの熱の取り込みを行うことができる。上述の如く、例えば、共用熱媒体の循環量等を制御して、共用熱媒体の温度を設定温度範囲とすることができるので、貯湯タンクの湯水の温度に基づいて熱取込開始条件及び熱取込停止条件を設定することで、熱取込開始条件及び熱取込停止条件として適切な条件を設定することができる。したがって、共用熱媒体から燃料電池システムへの熱の取り込みを適切に行うことができる。
【００１９】
本発明に係る熱供給システムの更なる特徴構成は、前記熱取込開始条件は、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体の温度に応じて変更設定自在に構成されている点にある。
【００２０】
本特徴構成によれば、例えば、共用熱媒体の温度が高温になる場合には、共用熱媒体から燃料電池システムへの熱の取り込みを行い易くするように、熱取込開始条件を変更設定することができる。これにより、共用熱媒体の温度が過剰に上昇している場合には、共用熱媒体から燃料電池システムへの熱の取り込みを行い、一旦、共用熱媒体が有する熱を貯湯タンクに蓄熱させて、その熱を放熱器にて放熱させることができる。したがって、共用熱媒体が有する熱を放熱するための専用の構成を備えなくても、既に燃料電池システムに備えられている放熱器を用いて、共用熱媒体の熱を放熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】熱供給システムの概略構成を示す図
【図２】本実施形態の熱供給システムにおいて、ある住戸における熱需要、貯湯タンクの蓄熱量、及び、燃料電池装置の排熱の出力の１日の変化、並びに、太陽熱の出力の１日の変化を示したグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明に係る熱供給システムの実施形態を図面に基づいて説明する。
この熱供給システム１００は、図１に示すように、複数の燃料電池システム１を備えており、例えば、マンション等の複数の住戸が集合している集合住宅に適応して、複数の住戸の夫々に燃料電池システム１を備えさせている。
【００２３】
（燃料電池システムの構成）
複数の燃料電池システム１の夫々は、燃料電池装置２と、その燃料電池装置２と貯湯タンク３との間で湯水を循環させて燃料電池装置２の排熱にて加熱された湯水を貯湯タンク３に貯湯する排熱回収手段４と、その排熱回収手段４にて貯湯タンク３から燃料電池装置２に供給する湯水が有する熱を放熱させるラジエータ（放熱器に相当する）５とを備えている。
【００２４】
燃料電池装置２は、水素を含む水素含有ガスと酸素を含む酸素含有ガスとを反応させて発電しており、例えば、固体酸化物型にて構成されている。貯湯タンク３は、例えば、密閉型のタンクにて構成されており、温度が高い湯水（温水）は上方側に且つ温度が低い湯水は下方側に温度成層を形成する状態で湯水を貯留自在に構成されている。図示は省略するが、貯湯タンク３に貯湯されている湯水は、給湯栓等の給湯利用箇所に供給自在であるとともに、暖房や風呂の追焚の熱源としても利用可能に構成されている。貯湯タンク３には、その貯湯タンク３の蓄熱量を検出する等のために、複数の温度センサＴ１〜Ｔ４が上下方向に間隔を隔てて設けられている。第１温度センサＴ１は、貯湯タンク３の上部部位の湯水の温度を検出し、第２温度センサＴ２は、貯湯タンク３の中間上部部位の湯水の温度を検出し、第３温度センサＴ３は、貯湯タンク３の中間下部部位の湯水の温度を検出し、第４温度センサＴ４は、貯湯タンク３の下部部位の湯水の温度を検出している。
【００２５】
排熱回収手段４は、貯湯タンク３の下部から取り出した湯水を燃料電池装置２に供給して貯湯タンク３の上部に戻す湯水循環路６と、その湯水循環路６にて湯水を循環させる湯水循環ポンプ７とを備えている。そして、排熱回収手段４は、燃料電池装置２の排ガスと湯水循環路６の湯水とを熱交換させて燃料電池装置２の排熱にて湯水循環路６の湯水を加熱し、その加熱された湯水を貯湯タンク３に戻して貯湯するように構成されている。ラジエータ５は、湯水循環路６において貯湯タンク３と燃料電池装置２との間の部位に備えられており、貯湯タンク３から燃料電池装置２に供給する湯水が有する熱を放熱自在に構成されている。
【００２６】
（共用熱媒体を循環する構成）
熱供給システム１００は、燃料電池システム１とは別に、共用熱媒体（例えば、湯水）を貯留する共用タンク８と、その共用タンク８の共用熱媒体を循環させる共用熱媒体循環路９と、共用タンク８から取り出した共用熱媒体を共用熱媒体循環路９にて循環させて共用タンク８に戻す共用熱媒体循環ポンプ１０（共用熱媒体循環手段に相当する）とを備えている。共用タンク８は、例えば、密閉型のタンクにて構成されており、温度が高い共用熱媒体（温水）は上方側に且つ温度が低い共用熱媒体は下方側に温度成層を形成する状態で共用熱媒体を貯留自在に構成されている。共用熱媒体循環路９は、共用タンク８の上部から共用熱媒体を取り出して通流させる取り出し側部位９ａと、その取り出し側部位９ａを通流した共用熱媒体を共用タンク８の下部に戻す戻し側部位９ｂとから構成されている。
【００２７】
共用タンク８の共用熱媒体と貯湯タンク３の湯水とを熱交換させるために、貯湯タンク３には、貯湯タンク３の湯水と共用熱媒体とを熱交換させる熱交換部１４が備えられている。この熱交換部１４は、貯湯タンク３の内部に備えられており、貯湯タンク３の下方側部位に存在する湯水と共用熱媒体とを熱交換自在に構成されている。そして、熱交換部１４に共用熱媒体を供給するために、複数の熱交換部１４の夫々に対応して、共用熱媒体循環路９の共用熱媒体を熱交換部１４に供給して共用熱媒体循環路９に戻す熱交換部供給路１５が備えられている。この熱交換部供給路１５は、その上流側端部が共用熱媒体循環路９の取り出し側部位９ａに接続され、その途中部位に熱交換部１４を備え、その下流側端部が共用熱媒体循環路９の戻し側部位９ｂに接続されている。複数の熱交換部供給路１５の夫々には、共用熱媒体循環路９の共用熱媒体を熱交換部供給路１５に供給する供給状態と共用熱媒体循環路９の共用熱媒体を熱交換部供給路１５に供給しない非供給状態とに切換自在な切換弁１６（切換手段に相当する）が備えられている。
【００２８】
このようにして、燃料電池システム１は、燃料電池装置２、排熱回収手段４及びラジエータ５に加えて、熱交換部１４及び切換弁１６を備えている。切換弁１６を非供給状態から供給状態に切り換えることで、熱交換部１４において貯湯タンク３の湯水と共用熱媒体との熱交換を行うようにしている。そして、熱交換部１４において貯湯タンク３の湯水にて共用熱媒体を加熱することで、貯湯タンク３に蓄熱されている熱を燃料電池システム１から共用熱媒体に供給することができる。逆に、熱交換部１４において共用熱媒体にて貯湯タンク３の湯水を加熱することで、共用熱媒体が有する熱を燃料電池システム１に取り込んで貯湯タンク３に蓄熱することができる。
【００２９】
共用熱媒体循環路９において、取り出し側部位９ａの上流側部位と戻し側部位９ｂの下流側部位とを接続するバイパス路１２が備えられ、取り出し側部位９ａとバイパス路１２との接続箇所には第１三方弁１３が備えられている。取り出し側部位９ａとバイパス路１２との接続箇所は、取り出し側部位９ａと熱交換部供給路１５との接続箇所よりも上流側となっている。そして、共用熱媒体循環路９において、取り出し側部位９ａとバイパス路１２との接続箇所と取り出し側部位９ａと熱交換部供給路１５との接続箇所の間に共用熱媒体循環ポンプ１０が備えられている。また、共用熱媒体循環路９において、取り出し側部位９ａと戻し側部位９ｂとの間に第１制御弁１１が備えられている。
【００３０】
共用タンク８の共用熱媒体を加熱するために、共用タンク８から取り出した共用熱媒体を共用熱媒体加熱部１７にて加熱して共用タンク８に戻す共用熱媒体加熱手段１８が備えられている。この例では、共用熱媒体加熱部１７は、太陽熱を集熱して共用熱媒体を加熱する太陽熱集熱器にて構成されている。共用熱媒体加熱手段１８は、共用タンク８の下部から取り出した共用熱媒体を共用熱媒体加熱部１７に供給して共用熱媒体加熱部１７にて加熱された共用熱媒体を共用タンク８の上部に戻す加熱用循環路１９と、その加熱用循環路１９にて共用熱媒体を循環させる加熱用循環ポンプ２０とを備えている。
【００３１】
複数の燃料電池システム１の夫々には、その運転を制御する燃料電池側制御部２１が備えられている。この燃料電池側制御部２１は、燃料電池装置２や排熱回収手段４の作動を制御するとともに、切換弁１６についての供給状態と非供給状態との切換をも制御するように構成されている。また、共用熱媒体循環路９における共用熱媒体の循環状態を制御する共用側制御部２２が備えられており、燃料電池側制御部２１と共用側制御部２２との間では各種の情報が通信自在に構成されている。この共用側制御部２２は、共用熱媒体循環ポンプ１０及び第１三方弁１３の作動を制御することで、共用熱媒体循環路９における共用熱媒体の循環状態を制御するとともに、共用熱媒体加熱手段１８の作動をも制御するように構成されている。
【００３２】
（燃料電池システムの動作）
燃料電池側制御部２１は、例えば、電力需要に応じて燃料電池装置２の出力等を制御している。燃料電池側制御部２１は、燃料電池装置２を作動させる場合に、湯水循環ポンプ７を作動させて、貯湯タンク３の下部から取り出した湯水を湯水循環路６にて燃料電池装置２に供給して燃料電池装置２の排ガスにてその湯水を加熱し、その加熱された湯水を湯水循環路６にて貯湯タンク３に戻して貯湯している。燃料電池装置２は、例えば、天然ガス等の炭化水素を原燃料としており、その原燃料に水蒸気を混合させてＣＯとＨ2に改質させてから燃料電池にて反応させている。燃料電池装置２の排ガスにて湯水循環路６の湯水を加熱することで、燃料電池装置２の排ガスを凝縮させて凝縮水を得ており、その凝縮水を上述の改質反応に必要な改質水として用いている。そこで、改質水としての凝縮水を得るために、貯湯タンク３から燃料電池装置２に供給する湯水の温度に上限設定温度（例えば、４０℃）が設定されている。燃料電池側制御部２１は、第４温度センサＴ４の検出温度が上限設定温度以上であると、ラジエータ５を作動させて、湯水循環路６にて貯湯タンク３から燃料電池装置２に供給する湯水の温度を上限設定温度未満となるようにしている。
【００３３】
（共用熱媒体の循環状態の制御）
共用側制御部２２（共用熱媒体循環手段に相当する）は、共用熱媒体循環路９の共用熱媒体の温度が設定温度範囲（例えば、４０〜５０℃の温度範囲）になるように共用熱媒体の循環状態を制御している。共用熱媒体の温度については、例えば、共用熱媒体循環路９の取り出し側部位９ａに温度センサ（図示省略）を備え、その温度センサにて共用熱媒体の温度を検出している。共用側制御部２２は、その温度センサの検出温度が設定温度範囲になるように、共用熱媒体循環ポンプ１０の回転速度及び第１三方弁１３の切換状態や開度を制御して、共用熱媒体循環路９における共用熱媒体の循環状態を制御している。そして、例えば、複数の燃料電池システム１の全てが運転停止している場合等には、共用側制御部２２が、燃料電池側制御部２１と共用側制御部２２との間での通信によりその運転停止の情報を取得すると、共用熱媒体循環ポンプ１０を作動停止させるようにしている。また、共用側制御部２２は、例えば、昼間等の太陽熱を取得できる時間帯等に、加熱用循環ポンプ２０を作動させて、加熱用循環路１９によって、共用タンク８の下部から取り出した共用熱媒体を共用熱媒体加熱部１７に供給し、共用熱媒体加熱部１７にて加熱された共用熱媒体を共用タンク８の上部に戻すようにしている。
【００３４】
（切換弁の切換の制御）
燃料電池側制御部２１（切換手段制御部に相当する）は、熱供給開始条件が満たされた場合に、切換弁１６を非供給状態から供給状態に切り換え、その後、熱供給停止条件が満たされた場合に、切換弁１６を供給状態から非供給状態に切り換えている。熱供給開始条件は、熱交換部１４において貯湯タンク３の湯水にて共用熱媒体を加熱可能とする条件であり、貯湯タンク３の湯水の温度に基づいて設定されており、熱供給停止条件も、貯湯タンク３の湯水の温度に基づいて設定されている。熱供給開始条件は、貯湯タンク３の下部部位に存在する湯水の温度が第１設定温度（例えば、６０℃）以上になるという条件に設定されており、熱供給停止条件は、貯湯タンク３の下部部位に存在する湯水の温度が第２設定温度（例えば、４０℃）以下になるという条件に設定されている。これにより、燃料電池側制御部２１は、第４温度センサＴ４の検出温度が第１設定温度（例えば、６０℃）以上になると、熱供給開始条件が満たされたとして、切換弁１６を非供給状態から供給状態に切り換えて、熱交換部１４において貯湯タンク３の湯水にて共用熱媒体を加熱して貯湯タンク３に蓄熱されている熱を共用熱媒体に供給している。そして、燃料電池側制御部２１は、第４温度センサＴ４の検出温度が第２設定温度（例えば、４０℃）以下になると、熱供給停止条件が満たされたとして、切換弁１６を供給状態から非供給状態に切り換えている。
【００３５】
燃料電池側制御部２１（切換手段制御部に相当する）は、熱取込開始条件が満たされた場合に、切換弁１６を非供給状態から供給状態に切り換え、その後、熱取込停止条件が満たされた場合に、切換弁１６を供給状態から非供給状態に切り換えている。熱取込開始条件は、熱交換部１４において共用熱媒体にて貯湯タンク３の湯水を加熱可能とする条件であり、貯湯タンク３の湯水の温度に基づいて設定されており、熱取込停止条件も、貯湯タンク３の湯水の温度に基づいて設定されている。熱取込開始条件は、貯湯タンク３の上部部位に存在する湯水の温度が第３設定温度（例えば、３０℃）以下になるという条件に設定されており、熱取込停止条件は、貯湯タンク３の下部部位に存在する湯水の温度が第４設定温度（例えば、３０℃）以上になるという条件に設定されている。これにより、燃料電池側制御部２１は、第１温度センサＴ１の検出温度が第３設定温度（例えば、３０℃）以下になると、熱取込開始条件が満たされたとして、切換弁１６を非供給状態から供給状態に切り換えて、熱交換部１４において共用熱媒体にて貯湯タンク３の湯水を加熱して共用熱媒体が有する熱を貯湯タンク３に取り込んでいる。
【００３６】
熱取込開始条件については、共用熱媒体循環路９の共用熱媒体の温度に応じて変更設定自在に構成されている。つまり、共用熱媒体循環路９の共用熱媒体の温度が上昇した場合には、共用熱媒体が有する熱を貯湯タンク３に取り込み易くするために、例えば、第３設定温度を条件緩和設定温度だけ高い温度に変更して、熱取込開始条件を満たし易く変更設定している。
【００３７】
このようにして、本実施形態の熱供給システム１００では、複数の燃料電池システム１の夫々において、熱供給開始条件が満たされた場合に、切換弁１６を非供給状態から供給状態に切り換えることで、貯湯タンク３に蓄熱されている熱を、ラジエータ５にて無駄に放熱することなく、共用熱媒体に供給して共用タンク８に蓄熱させておくことができる。そして、熱取込開始条件が満たされた場合に、切換弁１６を非供給状態から供給状態に切り換えることで、共用熱媒体が有する熱を貯湯タンク３に取り込んで、その取り込んだ熱を給湯や暖房等に利用することができる。これにより、複数の燃料電池システム１の夫々において、貯湯タンク３の容量を小さくすることができながら、貯湯タンク３の湯水と共用熱媒体との間で熱の授受を行い、燃料電池装置２の排熱を無駄に放熱することなく、給湯や暖房等に有効に活用することができる。しかも、共用熱媒体は、複数の燃料電池システム１の夫々に備えられた熱交換部１４にて貯湯タンク３の湯水と熱交換できるので、ある住戸にて余剰な燃料電池装置２の排熱を他の住戸にて給湯や暖房等に用いることができ、集合住宅の全体としてエネルギーの有効活用を図ることができる。
【００３８】
図２は、本実施形態の熱供給システム１００において、ある住戸における熱需要Ｂ１、貯湯タンク３の蓄熱量Ｂ２、及び、燃料電池装置２の排熱の出力Ｂ３の１日の変化を示すとともに、太陽熱の出力Ｂ４の１日の変化を示したグラフである。図２によれば、ラジエータ５にて放熱する時間帯は、１５時頃から１６時半頃までのわずかな時間帯（図中Ａで示す時間帯）に限られており、燃料電池装置２の排熱を無駄にラジエータ５にて放熱していない。そして、太陽熱の出力を共用熱媒体から貯湯タンク３に取り込んで貯湯タンク３の蓄熱量を蓄熱上限まで上昇させている。よって、その後に発生する大きな熱需要に対して、元々、貯湯タンク３に蓄熱されている熱だけでなく、共用熱媒体から取り込んだ太陽熱をも有効に活用している。
【００３９】
〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、共用熱媒体加熱部１７として、太陽熱集熱器を採用した場合を例示したが、例えば、集合住宅における共用部の電灯等の消費電力だけを賄うことができる小型のコージェネレーションシステムを備え、その小型のコージェネレーションシステムを共用熱媒体加熱部として採用して、小型のコージェネレーションシステムから発生する排熱にて共用熱媒体を加熱することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、燃料電池装置と、その燃料電池装置と貯湯タンクとの間で湯水を循環させて前記燃料電池装置の排熱にて加熱された湯水を前記貯湯タンクに貯湯する排熱回収手段と、その排熱回収手段にて前記貯湯タンクから前記燃料電池装置に供給する湯水が有する熱を放熱させる放熱器とを備えた燃料電池システムが複数備えられ、複数の燃料電池システムの夫々における貯湯タンクの容量を小さくしても、その燃料電池装置の排熱を有効に活用して、更なる省エネルギー化を図ることができる各種の熱供給システムに適応可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池装置
３ 貯湯タンク
４ 排熱回収手段
５ ラジエータ（放熱器）
９ 共用熱媒体循環路
１０ 共用熱媒体循環ポンプ（共用熱媒体循環手段）
１４ 熱交換部
１５ 熱交換部供給路
１６ 切換弁（切換手段）
１７ 共用熱媒体加熱部
１８ 共用熱媒体加熱手段
２１ 燃料電池側制御部（切換手段制御部）
２２ 共用側制御部（共用熱媒体循環手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池装置と、その燃料電池装置と貯湯タンクとの間で湯水を循環させて前記燃料電池装置の排熱にて加熱された湯水を前記貯湯タンクに貯湯する排熱回収手段と、その排熱回収手段にて前記貯湯タンクから前記燃料電池装置に供給する湯水が有する熱を放熱させる放熱器とを備えた燃料電池システムが複数備えられている熱供給システムであって、
複数の前記燃料電池システムの夫々には、前記貯湯タンクの湯水と共用熱媒体とを熱交換させる熱交換部が備えられ、共用熱媒体を共用熱媒体循環路にて循環させる共用熱媒体循環手段と、複数の前記熱交換部の夫々に対応して備えられ、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体を前記熱交換部に供給して前記共用熱媒体循環路に戻す熱交換部供給路と、複数の前記熱交換部供給路の夫々に備えられて、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体を前記熱交換部供給路に供給する供給状態と前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体を前記熱交換部供給路に供給しない非供給状態とに切換自在な切換手段とが備えられている熱供給システム。
【請求項２】
共用熱媒体を共用熱媒体加熱部にて加熱する共用熱媒体加熱手段が備えられている請求項１に記載の熱供給システム。
【請求項３】
前記共用熱媒体循環手段は、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体の温度が設定温度範囲になるように共用熱媒体の循環状態を制御している請求項１又は２に記載の熱供給システム。
【請求項４】
前記熱交換部において前記貯湯タンクの湯水にて共用熱媒体を加熱可能とする熱供給開始条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記非供給状態から前記供給状態に切り換え、その後、熱供給停止条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記供給状態から前記非供給状態に切り換える切換手段制御部が備えられ、前記熱供給開始条件及び前記熱供給停止条件は、前記貯湯タンクの湯水の温度に基づいて設定されている請求項１〜３の何れか１項に記載の熱供給システム。
【請求項５】
前記熱交換部において共用熱媒体にて前記貯湯タンクの湯水を加熱可能とする熱取込開始条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記非供給状態から前記供給状態に切り換え、その後、熱取込停止条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記供給状態から前記非供給状態に切り換える切換手段制御部が備えられ、前記熱取込開始条件及び前記熱取込停止条件は、前記貯湯タンクの湯水の温度に基づいて設定されている請求項１〜４の何れか１項に記載の熱供給システム。
【請求項６】
前記熱取込開始条件は、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体の温度に応じて変更設定自在に構成されている請求項５に記載の熱供給システム。
【請求項１】
燃料電池装置と、その燃料電池装置と貯湯タンクとの間で湯水を循環させて前記燃料電池装置の排熱にて加熱された湯水を前記貯湯タンクに貯湯する排熱回収手段と、その排熱回収手段にて前記貯湯タンクから前記燃料電池装置に供給する湯水が有する熱を放熱させる放熱器とを備えた燃料電池システムが複数備えられている熱供給システムであって、
複数の前記燃料電池システムの夫々には、前記貯湯タンクの湯水と共用熱媒体とを熱交換させる熱交換部が備えられ、共用熱媒体を共用熱媒体循環路にて循環させる共用熱媒体循環手段と、複数の前記熱交換部の夫々に対応して備えられ、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体を前記熱交換部に供給して前記共用熱媒体循環路に戻す熱交換部供給路と、複数の前記熱交換部供給路の夫々に備えられて、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体を前記熱交換部供給路に供給する供給状態と前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体を前記熱交換部供給路に供給しない非供給状態とに切換自在な切換手段とが備えられている熱供給システム。
【請求項２】
共用熱媒体を共用熱媒体加熱部にて加熱する共用熱媒体加熱手段が備えられている請求項１に記載の熱供給システム。
【請求項３】
前記共用熱媒体循環手段は、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体の温度が設定温度範囲になるように共用熱媒体の循環状態を制御している請求項１又は２に記載の熱供給システム。
【請求項４】
前記熱交換部において前記貯湯タンクの湯水にて共用熱媒体を加熱可能とする熱供給開始条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記非供給状態から前記供給状態に切り換え、その後、熱供給停止条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記供給状態から前記非供給状態に切り換える切換手段制御部が備えられ、前記熱供給開始条件及び前記熱供給停止条件は、前記貯湯タンクの湯水の温度に基づいて設定されている請求項１〜３の何れか１項に記載の熱供給システム。
【請求項５】
前記熱交換部において共用熱媒体にて前記貯湯タンクの湯水を加熱可能とする熱取込開始条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記非供給状態から前記供給状態に切り換え、その後、熱取込停止条件が満たされた場合に、前記切換手段を前記供給状態から前記非供給状態に切り換える切換手段制御部が備えられ、前記熱取込開始条件及び前記熱取込停止条件は、前記貯湯タンクの湯水の温度に基づいて設定されている請求項１〜４の何れか１項に記載の熱供給システム。
【請求項６】
前記熱取込開始条件は、前記共用熱媒体循環路の共用熱媒体の温度に応じて変更設定自在に構成されている請求項５に記載の熱供給システム。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−５７４３５（Ｐ２０１３−５７４３５Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９５３２５（Ｐ２０１１−１９５３２５）
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
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