燃料電池コージェネレーションシステム
【課題】満蓄状態となった貯湯槽の湯水を湯水循環通路に循環させずに、上水を利用して燃料電池セルスタックからの排気ガス中に含まれる水蒸気から水を回収することができる燃料電池コージェネレーションシステムを提供すること。
【解決手段】上記システム１は、発電を行なう発電ユニット２と、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯槽３１を有する貯湯ユニット３と、ユニット２，３間に湯水を循環させる湯水循環通路４等を備え、湯水循環通路４のうちの熱交換器１１の熱交換通路部１１ａより下流側且つ貯湯槽３１より上流側において、湯水循環通路４から外部へ分岐する分岐通路部４５を設け、貯湯槽３１内の湯温が所定の温度以上且つ貯留タンク２１の水位低下時には、貯湯槽３１への湯水の循環を停止して分岐通路部４５を開放することによって、湯水循環通路４から湯水を排水するとともに、湯水循環通路４に接続された入水通路３２から低温の上水を導入する。
【解決手段】上記システム１は、発電を行なう発電ユニット２と、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯槽３１を有する貯湯ユニット３と、ユニット２，３間に湯水を循環させる湯水循環通路４等を備え、湯水循環通路４のうちの熱交換器１１の熱交換通路部１１ａより下流側且つ貯湯槽３１より上流側において、湯水循環通路４から外部へ分岐する分岐通路部４５を設け、貯湯槽３１内の湯温が所定の温度以上且つ貯留タンク２１の水位低下時には、貯湯槽３１への湯水の循環を停止して分岐通路部４５を開放することによって、湯水循環通路４から湯水を排水するとともに、湯水循環通路４に接続された入水通路３２から低温の上水を導入する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池コージェネレーションシステムに関し、燃料電池セルスタックから発生する排気ガス中に含まれる水蒸気から改質用の水を回収する構成において、特に貯湯槽内の湯水を循環させて改質用の水を回収するようにした燃料電池コージェネレーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、空気と改質燃料ガス（水素含有ガス）とを燃料電池セルスタックに供給することで電力を発生させ、この発電の際に副次的に発生する熱を湯水として回収する燃料電池コージェネレーションシステムが実用に供されている。従来の燃料電池コージェネレーションシステムは、発電を行なう発電ユニットと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯槽を有する貯湯ユニットと、発電ユニットと貯湯ユニットとの間に湯水を循環させる湯水循環通路であって湯水を冷却する為のラジエータが設けられた湯水循環通路等を備えている。
【０００３】
ここで、上記の発電ユニットは、一般に、空気と改質燃料ガスとで発電を行なう燃料電池セルスタックと、この燃料電池セルスタックに供給する改質燃料ガスを水と天然ガス等の燃料ガスから生成する改質器と、前記燃料電池セルスタックからの排気ガスと貯湯槽の湯水との間で熱交換する熱交換器と、前記改質器に供給する水を貯留する貯留タンク等を備えている。
【０００４】
ところで、燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、上記の改質器に供給される改質用の水を供給する手段として、熱交換器で排気ガスと貯湯槽の湯水との間で熱交換を行ない、その際に発生する凝縮水を回収して改質用の水として再利用する方法が採用されている。この方法を採用することで、改質用の水を外部から供給する必要のない、所謂水自立システムが成立する。
【０００５】
しかし、貯湯槽から湯水循環通路を介して熱交換器へ流れる湯水の温度は、貯湯槽の蓄熱状況により上昇し、やがて、貯湯槽が満蓄状態となり、湯水循環通路を循環する湯水が熱交換器における露点以上の温度に達する。すると、熱交換器で発生する凝縮水の量が減少して十分な量の凝縮水を回収できなくなり、改質用の水の供給が不足する。
【０００６】
このような場合には、通常、前記ラジエータを作動することによって、熱交換器へ供給される湯水の温度を低下させて凝縮水を回収している。
特許文献１には、満蓄状態になった場合に、満蓄状態の貯湯槽の湯水の一部を排出して低温の上水を貯湯槽に補給することで貯湯槽内の湯水の温度を低下させ、この低下させた湯水を、湯水循環通路に循環させて凝縮水を回収することにより、ラジエータを省略可能にした構成も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２７７９７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記特許文献１における、満蓄状態となった貯湯槽内の湯水の一部を外部に排出し、低温の上水を補給して湯水の温度を低下させる技術は、貯湯槽から湯水を急に出湯する場合に対応できない虞がある。つまり、出湯時に湯水の温度が不足している場合、補助給湯器等で再度加熱する必要があり、無駄なコストが発生してしまう。
【０００９】
一方、前記ラジエータを備えている場合には、上記のような問題は生じない。しかし、一般にラジエータは複雑な構造で高価なものであるから、湯水循環通路にラジエータを設けることは、製作コストの低減及び装置の小型化を図る上で不利である。
【００１０】
さらに、燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、発電ユニット（又は貯湯ユニット）内に湯水循環通路内の湯水を循環させる循環ポンプが設けられるが、一般に湯水循環通路は閉回路に構成されるので、前記循環ポンプへの呼び水を行う場合や運転開始時の水張りを行なう場合、マニュアル操作でバルブ等の開閉操作を手順通り実行しなければならず、運転開始時に非常に手間がかかるという問題がある。
【００１１】
本発明の目的は、満蓄状態となった貯湯槽の湯水を湯水循環通路に循環させずに、上水を利用して燃料電池セルスタックからの排気ガス中に含まれる水蒸気から水を回収することができる燃料電池コージェネレーションシステムを提供すること、湯水循環通路の循環ポンプへの呼び水や運転開始時の水張りを容易に行え且つ製作コストや運転コストを低減可能な燃料電池コージェネレーションシステムを提供すること等である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池発電部から排出される排気ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して回収する水回収手段と、この水回収手段が回収した凝縮水の不純物を取り除く水処理手段と、この水処理手段により処理された水を貯留する貯留タンクと、この貯留タンク内の水を燃料電池発電部へ供給する水供給手段と、湯水を貯湯する貯湯槽と、前記水回収手段の熱交換通路部を含む排熱回収用の湯水循環通路であって前記貯湯槽内の湯水を循環させて前記水蒸気の凝縮を行う湯水循環通路とを備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、前記湯水循環通路のうちの前記水回収手段の熱交換通路部より下流側且つ前記貯湯槽より上流側において、前記湯水循環通路から外部へ分岐する分岐通路部を設け、前記貯湯槽内の湯温が所定の設定温度以上且つ前記貯留タンク内の水が所定の設定水位に低下時には、前記貯湯槽への湯水の循環を停止して前記分岐通路部を開放することによって、前記湯水循環通路から湯水を排水するとともに、前記湯水循環通路に接続された入水通路から低温の上水を導入することを特徴としている。
【００１３】
請求項２の燃料電池コージェネレーションシステムは、請求項１の発明において、前記湯水循環通路から前記分岐通路部が分岐する分岐部に三方弁が設けられ、前記貯湯槽内の湯水を前記湯水循環通路に循環させる場合には、前記三方弁を介して前記分岐通路部を閉止して前記湯水循環通路を循環状態にし、前記分岐通路部を開放する場合には、前記三方弁を介して前記分岐通路部を開放し且つ前記貯湯槽への湯水の循環を停止することを特徴としている。
【００１４】
請求項３の燃料電池コージェネレーションシステムは、請求項２の発明において、前記分岐通路部に開閉弁が設けられ、前記三方弁と前記開閉弁との間において前記分岐通路部から分岐して前記湯水循環通路の熱交換通路部より上流側に接続されたバイパス通路が設けられ、前記分岐通路部を開放する場合には、前記開閉弁を開弁状態にし、前記湯水循環通路内の湯水と前記入水通路からの上水を前記バイパス通路を介して混合して排水することを特徴としている。
【００１５】
請求項４の燃料電池コージェネレーションシステムは、請求項３の発明において、前記分岐通路部の開放後に、前記湯水循環通路内の湯水が所定の設定温度以下になった場合、前記開閉弁を閉弁状態にするとともに前記入水通路からの上水の導入を停止して、前記バイパス通路を介して湯水を前記熱交換通路部に循環させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明によれば、湯水循環通路のうちの水回収手段の熱交換通路部より下流側且つ貯湯槽より上流側において、湯水循環通路から外部へ分岐する分岐通路部を設け、前記貯湯槽内の湯温が所定の設定温度以上且つ前記貯留タンク内の水が所定の設定水位に低下時には、貯湯槽への湯水の循環を停止して分岐通路部を開放することによって、湯水循環通路から湯水を排水するとともに、湯水循環通路に接続された入水通路から低温の上水を導入するので、貯湯槽が満蓄状態になった場合でも貯湯槽内の湯水を排水せずに維持したまま、熱交換器において低温の上水と排気ガスとの間で熱交換することで、排気ガスから凝縮水を容易に回収することができる。従って、高価なラジエータを設ける必要もなく、出湯時に貯湯槽内の湯水を再加熱する必要もないので、燃料電池コージェネレーションシステムの小型化を図り、製作コストや運転コストを低減することができる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、三方弁を介して分岐通路部を開放すると、給水から導入される上水は、湯水循環通路の上流側を流れ、熱交換器の熱交換通路部を経て湯水循環通路の下流側を流れ、分岐通路部から外部に排出されるので、湯水循環通路の循環ポンプへの呼び水を容易に行なえ、運転初期の操作を簡略化できる。また、ユーザーの都合により長期不在時の水抜き後の運転開始時の水張りを、システム起動が専用のメンテナンス員がいなくても、ユーザー自身が容易に行える。
【００１８】
請求項３の発明によれば、バイパス通路を介して湯水と上水を混合させて排出することができるので、湯水循環通路内から高温の湯水を直接外部に排出することを防止し、高温の湯水を排出することに伴う危険を回避することができる。また、高温の湯水の直接排水を防止するので、耐久性の高い排水配管を必要とせず、製作コストを低減することができる。
【００１９】
請求項４の発明によれば、分岐通路部の開放後に、湯水循環通路内の湯水が所定の温度以下になった場合、開閉弁を閉弁状態にするとともに入水通路からの上水の導入を停止して、バイパス通路を介して湯水を熱交換通路部に循環させるので、低温の上水を有効に活用して上水の無駄をなくし、運転コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１に係る燃料電池コージェネレーションシステムの発電ユニットの概略構成図である。
【図２】水処理装置の概略構成図である。
【図３】貯湯ユニットの概略構成図である。
【図４】三方弁の制御パターンを示す図表である。
【図５】実施例２に係る貯湯ユニットの概略構成図である。
【図６】第１，第２開閉弁の制御パターンを示す図表である。
【図７】実施例３に係る貯湯ユニットの概略構成図である。
【図８】三方弁と開閉弁の制御パターンを示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２２】
先ず、燃料電池コージェネレーションシステム１の全体構成について説明する。
図１〜図３に示すように、燃料電池コージェネレーションシステム１は、発電を行なう発電ユニット２と、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯槽３１を有する貯湯ユニット３と、これらのユニット２，３間に湯水を循環させる為の湯水循環配管４等から構成されている。
【００２３】
次に、発電ユニット２について説明する。
図１に示すように、発電ユニット２は、発電モジュール５と、カソード空気ブロア６と、燃料ガス昇圧ブロア７と、燃料改質空気ブロア８と、排気ガス排出通路９と、熱交換器１１と、水処理装置１２と、インバータ１３等から構成されている。発電モジュール５にて発電された直流電力は、インバータ１３を介して交流電力に変換されて外部に出力される。
【００２４】
次に、発電モジュール５について説明する。
発電モジュール５（燃料電池発電部に相当する）は、燃料電池セルスタック１４と、蒸発器１５と、燃料改質器１６と、オフガス燃焼室１７等を備え、燃料改質器１６によって改質された改質燃料ガス及び酸化剤としての空気を燃料電池セルスタック１４で化学反応させることで発電を行うものでる。
【００２５】
蒸発器１５は、燃料ガスに混合する為の水蒸気を生成して燃料改質器１６に供給するものである。蒸発器１５には、燃料ガス昇圧ブロア７によって取り込まれて昇圧された燃料ガス（天然ガス、都市ガスやプロパン等）と、燃料改質空気ブロア８によって取り込まれた燃料改質用の空気とが、共通供給通路１８ａを介して供給され、水処理装置１２から水供給通路２８を介して水が供給され、これらを混合して気化させて、燃料ガスと水蒸気を生成する。
【００２６】
燃料改質器１６は、その内部に白金等の改質触媒を備え、蒸発器１５から混合供給通路１８ｂを介して供給される燃料ガスと水蒸気とを混合して反応（所謂、水蒸気改質）させて、水素含有ガスを含む改質燃料ガスを生成し、この改質燃料ガスを、改質燃料ガス供給路１８ｃを介して燃料電池セルスタック１４の燃料電極側に供給する。
【００２７】
燃料電池セルスタック１４は、複数の燃料電池セルを多層に積層して構成されている。各燃料電池セルは、ジルコニア等の固定電解質と燃料電極と酸素電極から夫々形成されている。燃料電池セルスタック１４の燃料電極側には、燃料改質器１６から改質燃料ガスが供給され、燃料電池セルスタック１４の酸素電極側には、カソード空気ブロア６から空気供給通路１８ｄを介して空気が供給され、これらを高温下の環境で電気化学反応させて直流電力を生成する。
【００２８】
オフガス燃焼室１７は、燃料電池セルスタック１４の発電に伴い生じる残余燃料ガスを処理する為のものであり、燃料電池セルスタック１４の燃料電極側及び酸素電極側の各排出側と接続されている。このオフガス燃焼室１７には、燃料電極側から排出された残余燃料ガスを含む反応燃料ガスと、酸素電極側から排出された酸素を含む空気とが供給され、これらを公知の燃焼触媒を用いて燃焼させることによって高温の排気ガスを生成し、この排気ガスの中の水蒸気を熱交換器１１で凝縮させてから、排気ガス排出通路９を介して外部に排出する。
【００２９】
次に、熱交換器１１について説明する。
図１に示すように、熱交換器１１（水回収手段に相当する）は、排気ガス排出通路９の内部に設けられ、湯水循環通路４の一部を構成する熱交換通路部１１ａを備えている。この熱交換器１１において、発電モジュール５から排出される排気ガスを、熱交換通路部１１ａを流れる湯水との間で熱交換させて、排気ガス中に含まれる水蒸気は冷却され凝縮されて凝縮水となる。
【００３０】
次に、水処理装置１２について説明する。
図２に示すように、水処理装置１２は、水処理手段１９と、貯留タンク２１と、水供給手段２２等を備え、熱交換器１１にて凝縮された凝縮水を、回収通路２３を介して回収し、水処理手段１９により不純物を取り除いた水を、水供給通路２８を介して発電モジュール５の蒸発器１５に供給するものである。
【００３１】
水処理手段１９は、熱交換器１１から回収した凝縮水の不純物を取り除く為のものであり、処理タンク２４を備えている。処理タンク２４には、凝縮水に含まれる不純物をイオン交換により除去するイオン交換樹脂が設けられている。処理タンク２４の下部に回収通路２３が接続される。
【００３２】
貯留タンク２１は、水処理手段１９により処理された水を一時的に貯留する為のものである。貯留タンク２１の上部には、処理タンク２４の上部と接続するタンク連結通路２５と、貯留タンク２１内が水で満杯になった場合に外部のドレン排出部２７に排出する為の排出通路２６とが接続されている。貯留タンク２１内には、例えば、貯留タンク２１内の１／５程度の高さ位置（所定の設定水位に相当する）に低下した水を検知する水位センサ２１ａが設けられ、この水位センサ２１ａが貯留された水の液面を検知すると、通常運転モードから上水導入運転モードに切り換えられる。通常運転モードは、貯湯槽３１内の湯水を湯水循環通路４に循環させて熱交換器１１で排気ガスと熱交換する運転状態であり、上水導入運転モードは、上水源から低温の上水を導入して熱交換器１１で排気ガスと熱交換する運転状態である。
【００３３】
水供給手段２２は、貯留タンク２１内の浄化された水を発電モジュール５の蒸発器１５へ供給する為のものであり、貯留タンク２１の下端部に接続された水供給通路２８と、この水供給通路２８の途中部に介装された送水ポンプ２９とを備え、送水ポンプ２９の駆動により、貯留タンク２１内の水を、水供給通路２８を介して蒸発器１５に供給する。
【００３４】
次に、貯湯ユニット３について説明する。
図３に示すように、貯湯ユニット３は、排気ガスの熱を湯水として蓄熱する為の貯湯槽３１、入水通路３２、出湯通路３３、湯水循環通路４、三方弁３５、混合弁３６、補助給湯器３７等を有する。貯湯槽３１は湯水を貯留可能な上下方向に比較的長い断熱性の密閉タンクであり、貯湯槽３１内の複数の貯留層の湯水の温度が複数のタンク湯水温度センサ３８ａ〜３８ｄにより検出される。
【００３５】
貯湯槽３１の下部には、入水通路３２の下流端と湯水循環通路４の上流端とが接続される下部通路部４１が接続されている。その貯湯槽３１から循環ポンプ３９を介して湯水が下部通路部４１、湯水循環通路４の往き通路部４ａを通り熱交換器１１の熱交換通路部１１ａに送られる。熱交換器１１で加熱された温水は上流側戻り通路部４ｂと下流側戻り通路部４ｃへ流れる。貯湯槽３１の上部には、下流側戻り通路部４ｃと出湯通路３３とが接続されている。貯湯槽３１内に貯留された高温の湯水（例えば、８０〜９０℃）を出湯通路３３に供給することができる。
【００３６】
入水通路３２は、共通通路部３２ａ、上側通路部３２ｂ、下側通路部３２ｃを有する。上側通路部３２ｂの下流端が混合弁３６に接続され、下側通路部３２ｃの下流端が下部通路部４１に接続されている。共通通路部３２ａの上流端に上水源（図示略）が接続されている。共通通路部３２ａに減圧弁４２が設けられている。減圧弁４２の入口付近の共通通路部３２ａ内の上水の温度が入水温度センサ４３により検出される。
【００３７】
湯水循環通路４は、熱交換器１１の熱交換通路部１１ａにより水蒸気と熱交換される湯水が流れる流路であり、往き通路部４ａ、上流側戻り通路部４ｂ，下流側戻り通路部４ｃを有する。往き通路部４ａの上流端が下部通路部４１に接続され、往き通路部４ａの下流端が熱交換通路部１１ａに接続されている。上流側戻り通路部４ｂの上流端が熱交換通路部１１ａに接続され、下流端が三方弁３５に接続されている。下流側戻り通路部４ｃの上流端が三方弁３５に接続され、下流端が貯湯槽３１の上部に接続されている。
【００３８】
湯水循環通路４のうちの熱交換器１１の熱交換通路部１１ａより下流側且つ貯湯槽３１より上流側において、湯水循環通路４から外部へ分岐する分岐通路部４５が設けられている。この分岐通路部４５が分岐する分岐部４６に三方弁３５が設けられている。分岐通路部４５の下流端には、ドレン放出部４７が設けられている。
【００３９】
上流側戻り通路部４ｂの下流端が三方弁３５（ポートＡ）に接続され、分岐通路部４５の上流端が三方弁３５（ポートＢ）に接続され、下流側戻り通路部４ｃの上流端が三方弁３５（ポートＣ）に接続され、この三方弁３５により上流側戻り通路部４ｂが下流側戻り通路部４ｃと分岐通路部４５の何れかに択一的に接続される。
【００４０】
通常運転モードにおいて、貯湯槽３１内の湯水を湯水循環通路４に循環させる場合には、三方弁３５を介して分岐通路部４５を閉止して湯水循環通路４を循環状態にする。つまり、三方弁３５のポートＡ−ポートＣ間を開弁状態にして、上流側戻り通路部４ｂと下流側戻り通路部４ｃとを接続する。上水導入運転モードにおいて、分岐通路部４５を開放する場合には、三方弁３５を介して分岐通路部４５を開放し且つ貯湯槽３１への湯水の循環を停止する。つまり、三方弁３５のポートＡ−ポートＢ間を開弁状態にして、上流側戻り通路部４ｂと分岐通路部４５とを接続する。
【００４１】
循環ポンプ３９は、湯水循環通路４に湯水を循環させる為のポンプであり、往き通路部４ａの発電ユニット２側に設けられている（図１参照）。尚、循環ポンプ３９は貯湯ユニット３側に配置しても良い。
【００４２】
貯湯ユニット３の出口付近（発電ユニット２の入口付近）の往き通路部４ａ内の湯水の温度が、入口湯水温度センサ４９ａにより検出され、貯湯ユニット３の入口付近（発電ユニット２の出口付近）の上流側戻り通路部４ｂ内の湯水の温度が、出口湯水温度センサ４９ｂにより検出される。
【００４３】
出湯通路３３は、高温の湯水が流れる上流側通路部３３ａ、水と高温の湯水が混合された混合湯水が流れる下流側通路部３３ｂを有する。上流側通路部３３ａの上流端が貯湯槽３１の上部に接続され、上流側通路部３３ａの下流端が混合弁３６に接続されている。下流側通路部３３ｂの上流端が混合弁３６に接続され、下流側通路部３３ｂの下流端に給湯栓５１が接続されている。上流側通路部３３ａの途中部から分岐して外部のドレン放出部４７に接続される排出通路部５２が設けられ、この排出通路部５２に圧力リリーフ弁５３が設けられている。
【００４４】
混合弁３６は、出湯温度が指令温度になるように、混合される水と高温の湯水の流量比が制御される。混合弁３６の入口付近の上流側通路部３３ａ内の湯水の流量と温度が、上流側流量センサ５４ａと上流側出湯温度センサ５４ｂにより夫々検出され、混合弁３６の出口付近の下流側通路部３３ｂ内の湯水の流量と温度が、下流側流量センサ５５ａと下流側出湯温度センサ５５ｂにより夫々検出される。
【００４５】
入水通路３２の共通通路部３２ａと出湯通路３３の下流側通路部３３ｂがバイパス通路５７により接続され、このバイパス通路５７に高温出湯回避用の安全弁５８が設けられている。出湯通路３３の下流側通路部３３ｂの途中部には、湯水の熱量が不足している場合に湯水を加熱する為の補助給湯器３７が設けられている。
【００４６】
複数のタンク湯水温度センサ３８ａ〜３８ｄ、入水温度センサ４３，入口湯水温度センサ４９ａ、出口湯水温度センサ４９ｂ、上流側流量センサ５４ａ、下流側流量センサ５５ａ、上流側出湯温度センサ５４ｂ、下流側出湯温度センサ５５ｂ、水位センサ２１ａからの信号を制御装置（図示略）に送信し、この信号に基づいて、三方弁３５、混合弁３６、循環ポンプ３９等を制御し、各種運転（通常の排熱回収運転、水回収運転、呼び水運転、出湯運転、給湯加熱運転等）を実行する。
【００４７】
次に、燃料電池コージェネレーションシステム１の作用について説明する。
図４に示すように、燃料電池コージェネレーションシステム１は、貯留タンク２１内の水の貯留状態と貯湯槽３１の湯水の貯湯状態等に応じて、貯湯槽３１内の湯水を湯水循環通路４に循環させて熱交換器１１で排気ガスと熱交換する通常運転モード（ａ）と、貯湯槽３１内の湯水を使用せずに上水源から低温の上水を導入して熱交換器１１で排気ガスと熱交換する上水導入運転モード（ｂ）と、循環ポンプ３９への呼び水を実行する呼び水運転モード（ｃ）との３つの運転パターンを有する。
【００４８】
図４に示すように、この通常運転モード（ａ）においては、三方弁３５をポートＡ−ポートＣ間を接続する開弁状態に設定する。つまり、三方弁３５は、分岐通路部４５を閉止して湯水循環通路４を循環状態になるように制御される。循環ポンプ３９の駆動により貯湯槽３１の下端部から下部通路部４１と湯水循環通路４の往き通路部４ａとを経て熱交換通路部１１ａに流入した湯水は、オフガス燃焼室１７から排出された排気ガスと熱交換し、この湯水を暖め、加熱された湯水が上流側戻り通路部４ｂと下流側戻り通路部４ｃを通って貯湯槽３１に貯留され、この運転を繰り返すことで貯湯槽３１に高温の湯水が貯留される。
【００４９】
一方、発電ユニット２においては、熱交換器１１で排気ガスに含まれる水蒸気が冷却されて凝縮水を発生し、この凝縮水は、回収通路２３を介して水処理手段１９の処理タンク２４に送られ、処理タンク２４内で凝縮水の不純物を除去し、この浄化された水を貯留タンク２１に送り一時的に貯留する。その後、この貯留タンク２１に貯留された水は、水供給手段２２によって発電モジュール５の蒸発器１５に送られ、改質用の水として再利用される。
【００５０】
しかし、貯湯槽３１から往き通路部４ａを介して熱交換器１１へ流れる湯水の温度は、貯湯槽３１の蓄熱状況により上昇し、やがて、貯湯槽３１が満蓄状態となり、湯水循環通路４を循環する湯水が熱交換器１１における露点近傍の温度に達する。すると、排気ガスの温度低下が小さくなり、熱交換器１１で発生する凝縮水の量が低減して十分な量の凝縮水を回収できなくなり、改質用の水の供給が不足する。この場合、貯湯槽３１の複数のタンク湯水温度センサ３８ａ〜３８ｄが満蓄状態を検知し、貯留タンク２１の水位センサ２１ａが低下した水の液面を検知した場合に、これら検知信号に基づいて運転モードを、以下に説明する上水導入運転モード（ｂ）に切り換える。尚、満畜状態とは、貯湯槽３１内が、例えば９０℃度（所定の設定温度に相当する）の高温の湯水で満たされた状態である。
【００５１】
図４に示すように、この上水導入運転モード（ｂ）においては、貯湯ユニット３の三方弁３５のポートＡ−ポートＢ間を接続する開弁状態に設定する。上記のように貯湯槽３１内の湯水の温度が所定の設定温度以上且つ貯留タンク２１内の水が所定の設定水位に低下時には、三方弁３５を介して貯湯槽３１への湯水の循環を停止して分岐通路部４５を開放することによって、湯水循環通路４から湯水を排水するとともに、湯水循環通路４に接続された入水通路３２から低温の上水を往き通路部４ａへ導入する。このとき排水する温水は、往き通路部４ａと熱交換通路部１１ａと上流側戻り通路部４ｂ内の比較的少量の温水である。
【００５２】
次に、入水通路３２と湯水循環通路４の往き通路部４ａとを経て熱交換通路部１１ａに流入した低温の上水は、オフガス燃焼室１７から排出された排気ガスに含まれる水蒸気と熱交換し、この上水を暖め、加熱された上水が上流側戻り通路部４ｂと分岐通路部４５を通って貯湯ユニット３の外部（ドレン放出部４７）に排出される。
【００５３】
一方、発電ユニット２においては、低温の上水が導入されることで、熱交換器１１の冷却能力が増すので、通常運転モード（ａ）の場合と比較して多めの凝縮水が発生し、この凝縮水を、回収通路２３を介して水処理手段１９の処理タンク２４に送られ、処理タンク２４内で処理した後に貯留タンク２１に貯留する。
【００５４】
このように、満蓄状態となった貯湯槽３１内の湯水に代えて低温の上水を熱交換に利用する事で、水蒸気との間の熱交換を促進し、十分な量の凝縮水を回収することができ、改質用の水不足による異常運転を回避することができる。その後、貯留タンク２１の水位が設定水位以上に回復した場合や貯湯槽３１内の湯水の温度が所定の設定温度より低下した場合は、上水源からの上水の導入を停止して、通常運転モード（ａ）に切り換えても良い。
【００５５】
ところで、発電ユニット２内に湯水循環通路４内の湯水を循環させる循環ポンプ３９が設けられているが、燃料電池コージェネレーションシステム１の施工後における、運転初期の循環ポンプ３９への呼び水を行う場合や運転開始時の水張りを行なう場合、以下に説明する呼び水運転モード（ｃ）で制御される。
【００５６】
図４に示すように、この呼び水運転モード（ｃ）においては、貯湯ユニット３の三方弁３５のポートＡ−ポートＢ間を接続する開弁状態に設定する。つまり、三方弁３５は、下流側戻り通路部４ｃを閉止して分岐通路部４５を開放するように制御される。この状態で、上水源から低温の上水が入水通路３２に供給されると、湯水循環通路４の往き通路部４ａを経て熱交換通路部１１ａに流入し、上流側戻り通路部４ｂ、分岐通路部４５を通って貯湯槽３１の外部に排出されるので、運転初期の循環ポンプ３９への呼び水や運転開始時の水張りを行うことができる。
【００５７】
次に、本発明の燃料電池コージェネレーションシステム１の効果について説明する。
上記の構成によれば、湯水循環通路４のうちの熱交換器１１（水回収手段）の熱交換通路部１１ａより下流側且つ貯湯槽３１より上流側において、湯水循環通路４から外部へ分岐する分岐通路部４５を設け、貯湯槽３１内の湯温が所定の設定温度以上且つ貯留タンク２１内の水が設定水位に低下時には、貯湯槽３１への湯水の循環を停止して分岐通路部４５を開放することによって、湯水循環通路４から湯水を排水するとともに、湯水循環通路４に接続された入水通路３２から低温の上水を導入するので、貯湯槽３１が満蓄状態になった場合でも貯湯槽３１内の湯水を排水せずに維持したまま、熱交換器１１において低温の上水と排気ガスとの間で熱交換することで、排気ガスから凝縮水を容易に回収することができる。
【００５８】
従って、高価なラジエータを設ける必要もなく、貯湯槽３１内の湯水を再加熱する必要もないので、燃料電池コージェネレーションシステム１の小型化を図り、製作コストや運転コストを低下することができる。
【００５９】
また、三方弁３５を介して分岐通路部４５を開放すると、給水から導入される上水は、湯水循環通路４の上流側を流れ、熱交換器１１の熱交換通路部１１ａを経て湯水循環通路４の下流側を流れ、分岐通路部４５から外部に排出されるので、湯水循環通路４の循環ポンプ３９への呼び水を容易に行なえ、運転初期の操作を簡略化できる。
さらに、ユーザーの都合により長期不在時の水抜き後の運転開始時の水張りを、システム起動が専用のメンテナンス員がいなくても、ユーザー自身が容易に行える。
【実施例２】
【００６０】
次に、実施例１の貯湯ユニット３を部分的に変更した実施例２について説明するが、前記実施例１と同様の構成要素には同様の参照符号を付して説明を省略し、異なる構成要素についてのみ説明する。図５に示すように、この貯湯ユニット３Ａは、実施例１の三方弁３５の代わりに第１，第２開閉弁６１，６２が設けられている。
【００６１】
図５に示すように、貯湯ユニット３Ａにおいて、湯水循環通路４のうちの熱交換器１１の熱交換通路部１１ａより下流側且つ貯湯槽３１より上流側において、湯水循環通路４から分岐部４６において外部へ分岐する分岐通路部４５が設けられ、この分岐通路部４５に第１開閉弁６１が設けられている。下流側戻り通路部４ｃに第２開閉弁６２が設けられている。第１，第２開閉弁６１，６２により上流側戻り通路部４ｂが下流側戻り通路部４ｃと分岐通路部４５の何れかに択一的に接続される。
【００６２】
通常運転モードにおいて、貯湯槽３１内の湯水を湯水循環通路４に循環させる場合には、第１開閉弁６１を閉弁状態にして分岐通路部４５を閉止して、第２開閉弁６２を開弁状態にして上流側戻り通路部４ｂと下流側戻り通路部４ｃとを接続して湯水循環通路４を循環状態にする。上水導入運転モードにおいて、分岐通路部４５を開放する場合には、第１開閉弁６１を開弁状態にして分岐通路部４５を開放し、第２開閉弁６２を閉弁状態にして上流側戻り通路部４ｂと分岐通路部４５とを接続して貯湯槽３１への湯水の循環を停止する。
【００６３】
次に、燃料電池コージェネレーションシステム１Ａの作用について説明する。
図６に示すように、燃料電池コージェネレーションシステム１Ａは、前記実施例１と同様の通常運転モード（ａ）と、上水導入運転モード（ｂ）と、循環ポンプ３９への呼び水を実行する呼び水運転モード（ｃ）との３つの運転パターンを有する。
【００６４】
図６に示すように、通常運転モード（ａ）においては、貯湯ユニット３Ａの第１開閉弁６１を閉弁状態に設定し、第２開閉弁６２を開弁状態に設定する。つまり、第１，第２開閉弁６１，６２は、分岐通路部４５を閉止して湯水循環通路４を循環状態になるように制御される。この通常運転モード（ａ）による熱交換器１１における作用は、貯湯ユニット３Ａ側と発電ユニット２側の両方とも、前記実施例１と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００６５】
図６に示すように、上水導入運転モード（ｂ）においては、貯湯ユニット３Ａの第１開閉弁６１を開弁状態に設定し、第２開閉弁６２を閉弁状態に設定する。貯湯槽３１内の湯温が所定の設定温度以上且つ貯留タンク２１内の水が所定の設定水位に低下時には、貯湯槽３１への湯水の循環を停止して分岐通路部４５を開放することによって、湯水循環通路４から湯水を排水するとともに、湯水循環通路４に接続された入水通路３２から低温の上水を導入する。このとき排水する温水は、往き通路部４ａと熱交換通路部１１ａと上流側戻り通路部４ｂ内の比較的少量の温水である。この上水導入運転モード（ｂ）による熱交換器１１における作用は、貯湯ユニット３Ａ側と発電ユニット２側の両方とも、前記実施例１と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００６６】
図６に示すように、呼び水運転モード（ｃ）においては、貯湯ユニット３Ａの第１開閉弁６１を開弁状態に設定し、第２開閉弁６２を閉弁状態に設定する。つまり、第１，第２開閉弁６１，６２は、下流側戻り通路部４ｃを閉止して分岐通路部４５を開放するように制御される。この状態で、上水源から低温の上水が入水通路３２に供給されると、湯水循環通路４の往き通路部４ａを経て熱交換通路部１１ａに流入し、上流側戻り通路部４ｂ、分岐通路部４５を通って貯湯槽３１の外部に排出されるので、運転初期の循環ポンプ３９への呼び水や運転開始時の水張りを行うことができる。
その他の構成及び作用は前記実施例１と同様であるので説明は省略する。
【実施例３】
【００６７】
次に、実施例１の貯湯ユニット３を部分的に変更した実施例３について説明するが、前記実施例１と同様の構成要素には同様の参照符号を付して説明を省略し、異なる構成要素についてのみ説明する。図７に示すように、この貯湯ユニット３Ｂは、実施例１の主要な構成に加えて、分岐通路部４５Ｂから分岐するバイパス通路６５と、分岐通路部４５Ｂに設けられた開閉弁６６を備えている。
【００６８】
図７に示すように、貯湯ユニット３Ｂにおいて、湯水循環通路４Ｂのうちの熱交換器１１の熱交換通路部１１ａより下流側且つ貯湯槽３１より上流側において、湯水循環通路４Ｂから分岐部４６Ｂにおいて外部へ分岐する分岐通路部４５Ｂが設けられ、この分岐通路部４５Ｂが分岐する分岐部４６Ｂに三方弁３５Ｂが設けられている。
【００６９】
上流側戻り通路部４ｂの下流端が三方弁３５Ｂ（ポートＡ）に接続され、分岐通路部４５Ｂの上流端が三方弁３５Ｂ（ポートＢ）に接続され、下流側戻り通路部４ｃの上流端が三方弁３５Ｂ（ポートＣ）に接続され、この三方弁３５Ｂにより上流側戻り通路部４ｂが下流側戻り通路部４ｃと分岐通路部４５Ｂの何れかに択一的に接続される。
【００７０】
さらに、分岐通路部４５Ｂに開閉弁６６が設けられ、三方弁３５Ｂと開閉弁６６との間において分岐通路部４５Ｂから分岐して湯水循環通路４Ｂの熱交換通路部１１ａより上流側の往き通路部４ａに接続されたバイパス通路６５が設けられている。
【００７１】
通常運転モードにおいて、貯湯槽３１内の湯水を湯水循環通路４Ｂに循環させる場合には、三方弁３５ＢのポートＡ−ポートＣ間を開弁状態にし、開閉弁６６を閉弁状態にして、上流側戻り通路部４ｂと下流側戻り通路部４ｃとを接続することで、湯水循環通路４Ｂを循環状態にする。上水導入運転モードにおいて、分岐通路部４５Ｂを開放する場合には、三方弁３５ＢのポートＡ−ポートＢ間を開弁状態にし、開閉弁６６を開弁状態にして、上流側戻り通路部４ｂと分岐通路部４５Ｂとを接続することで、三方弁３５Ｂを介して分岐通路部４５Ｂを開放し且つ貯湯槽３１への湯水の循環を停止する。
【００７２】
次に、燃料電池コージェネレーションシステム１Ｂの作用について説明する。
図８に示すように、燃料電池コージェネレーションシステム１Ｂは、前記実施例１と同様の通常運転モード（ａ）と上水導入運転モード（ｂ）と循環ポンプ３９への呼び水を実行する呼び水運転モード（ｃ）に加えて、低温の上水を湯水循環通路４Ｂに循環させる上水導入循環運転モード（ｂ’）の４つの運転パターンを有する。
【００７３】
図８に示すように、通常運転モード（ａ）においては、貯湯ユニット３Ｂの三方弁３５ＢをポートＡ−ポートＣ間を接続する開弁状態に設定し、開閉弁６６を閉弁状態に設定する。つまり、三方弁３５Ｂと開閉弁６６は、分岐通路部４５Ｂを閉止して湯水循環通路４Ｂを循環状態になるように制御される。この通常運転モード（ａ）による熱交換器１１における作用は、貯湯ユニット３Ｂ側と発電ユニット２側の両方とも、前記実施例１と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００７４】
図８に示すように、上水導入運転モード（ｂ）においては、貯湯ユニット３Ｂの三方弁３５ＢをポートＡ−ポートＢ間を接続する開弁状態に設定し、開閉弁６６を開弁状態に設定する。貯湯槽３１内の湯温が所定の設定温度以上且つ貯留タンク２１内の水が所定の設定水位に低下時には、貯湯槽３１への湯水の循環を停止して分岐通路部４５Ｂを開放することによって、湯水循環通路４Ｂから湯水を排水するとともに、湯水循環通路４Ｂに接続された入水通路３２から低温の上水を導入する。このとき排水する温水は、往き通路部４ａと熱交換通路部１１ａと上流側戻り通路部４ｂ内の比較的少量の温水であり、これら湯水と入水通路３２からの上水を、バイパス通路６５を介して混合して排水することができる。この上水導入運転モード（ｂ）による熱交換器１１における作用は、貯湯ユニット３Ｂ側と発電ユニット２側の両方とも、前記実施例１と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００７５】
ここで、貯湯槽３１への湯水の循環を停止して分岐通路部４５Ｂの開放後に、入口湯水温度センサ４９ａ（又は出口湯水温度センサ４９ｂ）によって、湯水循環通路４Ｂ内の湯水が所定の設定温度以下（例えば、５０度以下）になったと検知した場合、この入口湯水温度センサ４９ａからの検知信号に基づいて、運転モードを、以下に説明する上水導入循環運転モード（ｂ’）に切り換える。
【００７６】
図８に示すように、上水導入循環運転モード（ｂ’）においては、上水導入運転モード（ｂ）の設定状態から、開閉弁６６を閉弁状態に切り換え、入水通路３２からの低温の上水の導入を停止する。すると、低温の上水を供給されたことによって低下した湯水循環通路４Ｂ内の湯水は、循環ポンプ３９の駆動により、上流側戻り通路部４ｂから分岐通路部４５Ｂの分岐部４６Ｂの近傍部とバイパス通路６５を介して往き通路部４ａに流れて、湯水を熱交換通路部１１ａに循環させ、排気ガスとの間で熱交換させる。
【００７７】
その後、入口湯水温度センサ４９ａ（又は出口湯水温度センサ４９ｂ）によって、湯水循環通路４Ｂ内の湯水が所定の設定温度以上（例えば、９０度以上）になったと検知した場合、上水導入運転モード（ｂ）に切り換え、開閉弁６６を開弁状態に切り換え、湯水循環通路４Ｂ内の湯水を、分岐通路部４５Ｂを介して排出するとともに、上水源から低温の上水を導入する。このときも、湯水循環通路４Ｂ内の湯水と入水通路３２からの上水を、バイパス通路６５を介して混合して分岐通路部４５Ｂから排水することができる。一方、前記実施例１と同様に、発電ユニット２の貯留タンク２１の水位が設定水位以上に回復した場合や貯湯槽３１内の湯水の温度が所定の設定温度より低下した場合は、上水源からの上水の導入を停止して、通常運転モード（ａ）に切り換えても良い。
【００７８】
図８に示すように、呼び水運転モード（ｃ）においては、貯湯ユニット３Ｂの三方弁３５ＢのポートＡ−ポートＢ間を接続する開弁状態に設定し、開閉弁６６を開弁状態に設定する。つまり、三方弁３５Ｂと開閉弁６６は、下流側戻り通路部４ｃを閉止して分岐通路部４５Ｂを開放するように制御される。この状態で、上水源から低温の上水が入水通路３２から供給されると、上水の一部はバイパス通路６５を介して分岐通路部４５Ｂを通って貯湯ユニット３Ｂの外部に排出されるが、上水の残りは、湯水循環通路４Ｂの往き通路部４ａを経て熱交換通路部１１ａに流入し、上流側戻り通路部４ｂ、分岐通路部４５Ｂを通って貯湯ユニット３Ｂの外部に排出されるので、運転初期の循環ポンプ３９への呼び水や運転開始時の水張りを行うことができる。
【００７９】
次に、本発明の燃料電池コージェネレーションシステム１Ｂの効果について説明する。
上記の構成によれば、バイパス通路６５を介して湯水と上水を混合させて排出することができるので、湯水循環通路４Ｂ内から高温の湯水を直接外部に排出することを防止し、高温の湯水を排出することに伴う危険を回避することができる。また、高温の湯水の直接排水を防止するので、耐久性の高い排水配管を必要とせず、製作コストを低減することができる。
【００８０】
さらに、分岐通路部４５Ｂの開放後に、湯水循環通路４Ｂ内の湯水が所定の温度以下になった場合、開閉弁６６を閉弁状態にするとともに入水通路３２からの上水の導入を停止して、バイパス通路６５を介して湯水を熱交換通路部１１ａに循環させるので、低温の上水を有効に活用して上水の無駄をなくし、運転コストを低減することができる。
その他の構成及び作用は前記実施例１と同様であるので説明は省略する。
【００８１】
次に、前記実施例を部分的に変更した形態について説明する。
［１］前記実施例１〜３において、三方弁３５，３５Ｂ，開閉弁６１，６２，６６に流量調整機能を設け、湯水循環通路４，４Ｂ内からの湯水の排出量を調整可能に構成しても良い。この構成によれば、熱交換通路部１１ａ内を流れる上水の流量を調整することができ、上水と水蒸気との間で熱交換を効率よく行い上水の無駄を無くすことができる。
【００８２】
［２］前記実施例１〜３において、水位センサ２１ａが検知する所定の設定水位は、貯留タンク２１の１／５程度の高さ位置に設定されているが、特にこの位置に限定する必要はなく、他の高さ位置に設定しても良い。また、水位センサ２１ａが検知するのは、貯留された水の液面に限定する必要はなく液面近傍部であっても良い。
【００８３】
［３］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例の種々の変更を付加した形態で実施可能で、本発明はそのような変更形態を包含するものである。
【符号の説明】
【００８４】
１，１Ａ，１Ｂ 燃料電池コージェネレーションシステム
２ 発電ユニット
３，３Ａ，３Ｂ 貯湯ユニット
４，４Ｂ 湯水循環通路
５ 発電モジュール（燃料電池発電部）
１１ 熱交換器（水回収手段）
１１ａ 熱交換通路部
１９ 水処理手段
２１ 貯留タンク
２２ 水供給手段
３１ 貯湯槽
３２ 入水通路
３５，３５Ｂ 三方弁
４５，４５Ｂ 分岐通路部
４６，４６Ｂ 分岐部
６１，６２ 第１，第２開閉弁
６５ バイパス通路
６６ 開閉弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池コージェネレーションシステムに関し、燃料電池セルスタックから発生する排気ガス中に含まれる水蒸気から改質用の水を回収する構成において、特に貯湯槽内の湯水を循環させて改質用の水を回収するようにした燃料電池コージェネレーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、空気と改質燃料ガス（水素含有ガス）とを燃料電池セルスタックに供給することで電力を発生させ、この発電の際に副次的に発生する熱を湯水として回収する燃料電池コージェネレーションシステムが実用に供されている。従来の燃料電池コージェネレーションシステムは、発電を行なう発電ユニットと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯槽を有する貯湯ユニットと、発電ユニットと貯湯ユニットとの間に湯水を循環させる湯水循環通路であって湯水を冷却する為のラジエータが設けられた湯水循環通路等を備えている。
【０００３】
ここで、上記の発電ユニットは、一般に、空気と改質燃料ガスとで発電を行なう燃料電池セルスタックと、この燃料電池セルスタックに供給する改質燃料ガスを水と天然ガス等の燃料ガスから生成する改質器と、前記燃料電池セルスタックからの排気ガスと貯湯槽の湯水との間で熱交換する熱交換器と、前記改質器に供給する水を貯留する貯留タンク等を備えている。
【０００４】
ところで、燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、上記の改質器に供給される改質用の水を供給する手段として、熱交換器で排気ガスと貯湯槽の湯水との間で熱交換を行ない、その際に発生する凝縮水を回収して改質用の水として再利用する方法が採用されている。この方法を採用することで、改質用の水を外部から供給する必要のない、所謂水自立システムが成立する。
【０００５】
しかし、貯湯槽から湯水循環通路を介して熱交換器へ流れる湯水の温度は、貯湯槽の蓄熱状況により上昇し、やがて、貯湯槽が満蓄状態となり、湯水循環通路を循環する湯水が熱交換器における露点以上の温度に達する。すると、熱交換器で発生する凝縮水の量が減少して十分な量の凝縮水を回収できなくなり、改質用の水の供給が不足する。
【０００６】
このような場合には、通常、前記ラジエータを作動することによって、熱交換器へ供給される湯水の温度を低下させて凝縮水を回収している。
特許文献１には、満蓄状態になった場合に、満蓄状態の貯湯槽の湯水の一部を排出して低温の上水を貯湯槽に補給することで貯湯槽内の湯水の温度を低下させ、この低下させた湯水を、湯水循環通路に循環させて凝縮水を回収することにより、ラジエータを省略可能にした構成も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２７７９７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記特許文献１における、満蓄状態となった貯湯槽内の湯水の一部を外部に排出し、低温の上水を補給して湯水の温度を低下させる技術は、貯湯槽から湯水を急に出湯する場合に対応できない虞がある。つまり、出湯時に湯水の温度が不足している場合、補助給湯器等で再度加熱する必要があり、無駄なコストが発生してしまう。
【０００９】
一方、前記ラジエータを備えている場合には、上記のような問題は生じない。しかし、一般にラジエータは複雑な構造で高価なものであるから、湯水循環通路にラジエータを設けることは、製作コストの低減及び装置の小型化を図る上で不利である。
【００１０】
さらに、燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、発電ユニット（又は貯湯ユニット）内に湯水循環通路内の湯水を循環させる循環ポンプが設けられるが、一般に湯水循環通路は閉回路に構成されるので、前記循環ポンプへの呼び水を行う場合や運転開始時の水張りを行なう場合、マニュアル操作でバルブ等の開閉操作を手順通り実行しなければならず、運転開始時に非常に手間がかかるという問題がある。
【００１１】
本発明の目的は、満蓄状態となった貯湯槽の湯水を湯水循環通路に循環させずに、上水を利用して燃料電池セルスタックからの排気ガス中に含まれる水蒸気から水を回収することができる燃料電池コージェネレーションシステムを提供すること、湯水循環通路の循環ポンプへの呼び水や運転開始時の水張りを容易に行え且つ製作コストや運転コストを低減可能な燃料電池コージェネレーションシステムを提供すること等である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池発電部から排出される排気ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して回収する水回収手段と、この水回収手段が回収した凝縮水の不純物を取り除く水処理手段と、この水処理手段により処理された水を貯留する貯留タンクと、この貯留タンク内の水を燃料電池発電部へ供給する水供給手段と、湯水を貯湯する貯湯槽と、前記水回収手段の熱交換通路部を含む排熱回収用の湯水循環通路であって前記貯湯槽内の湯水を循環させて前記水蒸気の凝縮を行う湯水循環通路とを備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、前記湯水循環通路のうちの前記水回収手段の熱交換通路部より下流側且つ前記貯湯槽より上流側において、前記湯水循環通路から外部へ分岐する分岐通路部を設け、前記貯湯槽内の湯温が所定の設定温度以上且つ前記貯留タンク内の水が所定の設定水位に低下時には、前記貯湯槽への湯水の循環を停止して前記分岐通路部を開放することによって、前記湯水循環通路から湯水を排水するとともに、前記湯水循環通路に接続された入水通路から低温の上水を導入することを特徴としている。
【００１３】
請求項２の燃料電池コージェネレーションシステムは、請求項１の発明において、前記湯水循環通路から前記分岐通路部が分岐する分岐部に三方弁が設けられ、前記貯湯槽内の湯水を前記湯水循環通路に循環させる場合には、前記三方弁を介して前記分岐通路部を閉止して前記湯水循環通路を循環状態にし、前記分岐通路部を開放する場合には、前記三方弁を介して前記分岐通路部を開放し且つ前記貯湯槽への湯水の循環を停止することを特徴としている。
【００１４】
請求項３の燃料電池コージェネレーションシステムは、請求項２の発明において、前記分岐通路部に開閉弁が設けられ、前記三方弁と前記開閉弁との間において前記分岐通路部から分岐して前記湯水循環通路の熱交換通路部より上流側に接続されたバイパス通路が設けられ、前記分岐通路部を開放する場合には、前記開閉弁を開弁状態にし、前記湯水循環通路内の湯水と前記入水通路からの上水を前記バイパス通路を介して混合して排水することを特徴としている。
【００１５】
請求項４の燃料電池コージェネレーションシステムは、請求項３の発明において、前記分岐通路部の開放後に、前記湯水循環通路内の湯水が所定の設定温度以下になった場合、前記開閉弁を閉弁状態にするとともに前記入水通路からの上水の導入を停止して、前記バイパス通路を介して湯水を前記熱交換通路部に循環させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明によれば、湯水循環通路のうちの水回収手段の熱交換通路部より下流側且つ貯湯槽より上流側において、湯水循環通路から外部へ分岐する分岐通路部を設け、前記貯湯槽内の湯温が所定の設定温度以上且つ前記貯留タンク内の水が所定の設定水位に低下時には、貯湯槽への湯水の循環を停止して分岐通路部を開放することによって、湯水循環通路から湯水を排水するとともに、湯水循環通路に接続された入水通路から低温の上水を導入するので、貯湯槽が満蓄状態になった場合でも貯湯槽内の湯水を排水せずに維持したまま、熱交換器において低温の上水と排気ガスとの間で熱交換することで、排気ガスから凝縮水を容易に回収することができる。従って、高価なラジエータを設ける必要もなく、出湯時に貯湯槽内の湯水を再加熱する必要もないので、燃料電池コージェネレーションシステムの小型化を図り、製作コストや運転コストを低減することができる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、三方弁を介して分岐通路部を開放すると、給水から導入される上水は、湯水循環通路の上流側を流れ、熱交換器の熱交換通路部を経て湯水循環通路の下流側を流れ、分岐通路部から外部に排出されるので、湯水循環通路の循環ポンプへの呼び水を容易に行なえ、運転初期の操作を簡略化できる。また、ユーザーの都合により長期不在時の水抜き後の運転開始時の水張りを、システム起動が専用のメンテナンス員がいなくても、ユーザー自身が容易に行える。
【００１８】
請求項３の発明によれば、バイパス通路を介して湯水と上水を混合させて排出することができるので、湯水循環通路内から高温の湯水を直接外部に排出することを防止し、高温の湯水を排出することに伴う危険を回避することができる。また、高温の湯水の直接排水を防止するので、耐久性の高い排水配管を必要とせず、製作コストを低減することができる。
【００１９】
請求項４の発明によれば、分岐通路部の開放後に、湯水循環通路内の湯水が所定の温度以下になった場合、開閉弁を閉弁状態にするとともに入水通路からの上水の導入を停止して、バイパス通路を介して湯水を熱交換通路部に循環させるので、低温の上水を有効に活用して上水の無駄をなくし、運転コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１に係る燃料電池コージェネレーションシステムの発電ユニットの概略構成図である。
【図２】水処理装置の概略構成図である。
【図３】貯湯ユニットの概略構成図である。
【図４】三方弁の制御パターンを示す図表である。
【図５】実施例２に係る貯湯ユニットの概略構成図である。
【図６】第１，第２開閉弁の制御パターンを示す図表である。
【図７】実施例３に係る貯湯ユニットの概略構成図である。
【図８】三方弁と開閉弁の制御パターンを示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２２】
先ず、燃料電池コージェネレーションシステム１の全体構成について説明する。
図１〜図３に示すように、燃料電池コージェネレーションシステム１は、発電を行なう発電ユニット２と、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯槽３１を有する貯湯ユニット３と、これらのユニット２，３間に湯水を循環させる為の湯水循環配管４等から構成されている。
【００２３】
次に、発電ユニット２について説明する。
図１に示すように、発電ユニット２は、発電モジュール５と、カソード空気ブロア６と、燃料ガス昇圧ブロア７と、燃料改質空気ブロア８と、排気ガス排出通路９と、熱交換器１１と、水処理装置１２と、インバータ１３等から構成されている。発電モジュール５にて発電された直流電力は、インバータ１３を介して交流電力に変換されて外部に出力される。
【００２４】
次に、発電モジュール５について説明する。
発電モジュール５（燃料電池発電部に相当する）は、燃料電池セルスタック１４と、蒸発器１５と、燃料改質器１６と、オフガス燃焼室１７等を備え、燃料改質器１６によって改質された改質燃料ガス及び酸化剤としての空気を燃料電池セルスタック１４で化学反応させることで発電を行うものでる。
【００２５】
蒸発器１５は、燃料ガスに混合する為の水蒸気を生成して燃料改質器１６に供給するものである。蒸発器１５には、燃料ガス昇圧ブロア７によって取り込まれて昇圧された燃料ガス（天然ガス、都市ガスやプロパン等）と、燃料改質空気ブロア８によって取り込まれた燃料改質用の空気とが、共通供給通路１８ａを介して供給され、水処理装置１２から水供給通路２８を介して水が供給され、これらを混合して気化させて、燃料ガスと水蒸気を生成する。
【００２６】
燃料改質器１６は、その内部に白金等の改質触媒を備え、蒸発器１５から混合供給通路１８ｂを介して供給される燃料ガスと水蒸気とを混合して反応（所謂、水蒸気改質）させて、水素含有ガスを含む改質燃料ガスを生成し、この改質燃料ガスを、改質燃料ガス供給路１８ｃを介して燃料電池セルスタック１４の燃料電極側に供給する。
【００２７】
燃料電池セルスタック１４は、複数の燃料電池セルを多層に積層して構成されている。各燃料電池セルは、ジルコニア等の固定電解質と燃料電極と酸素電極から夫々形成されている。燃料電池セルスタック１４の燃料電極側には、燃料改質器１６から改質燃料ガスが供給され、燃料電池セルスタック１４の酸素電極側には、カソード空気ブロア６から空気供給通路１８ｄを介して空気が供給され、これらを高温下の環境で電気化学反応させて直流電力を生成する。
【００２８】
オフガス燃焼室１７は、燃料電池セルスタック１４の発電に伴い生じる残余燃料ガスを処理する為のものであり、燃料電池セルスタック１４の燃料電極側及び酸素電極側の各排出側と接続されている。このオフガス燃焼室１７には、燃料電極側から排出された残余燃料ガスを含む反応燃料ガスと、酸素電極側から排出された酸素を含む空気とが供給され、これらを公知の燃焼触媒を用いて燃焼させることによって高温の排気ガスを生成し、この排気ガスの中の水蒸気を熱交換器１１で凝縮させてから、排気ガス排出通路９を介して外部に排出する。
【００２９】
次に、熱交換器１１について説明する。
図１に示すように、熱交換器１１（水回収手段に相当する）は、排気ガス排出通路９の内部に設けられ、湯水循環通路４の一部を構成する熱交換通路部１１ａを備えている。この熱交換器１１において、発電モジュール５から排出される排気ガスを、熱交換通路部１１ａを流れる湯水との間で熱交換させて、排気ガス中に含まれる水蒸気は冷却され凝縮されて凝縮水となる。
【００３０】
次に、水処理装置１２について説明する。
図２に示すように、水処理装置１２は、水処理手段１９と、貯留タンク２１と、水供給手段２２等を備え、熱交換器１１にて凝縮された凝縮水を、回収通路２３を介して回収し、水処理手段１９により不純物を取り除いた水を、水供給通路２８を介して発電モジュール５の蒸発器１５に供給するものである。
【００３１】
水処理手段１９は、熱交換器１１から回収した凝縮水の不純物を取り除く為のものであり、処理タンク２４を備えている。処理タンク２４には、凝縮水に含まれる不純物をイオン交換により除去するイオン交換樹脂が設けられている。処理タンク２４の下部に回収通路２３が接続される。
【００３２】
貯留タンク２１は、水処理手段１９により処理された水を一時的に貯留する為のものである。貯留タンク２１の上部には、処理タンク２４の上部と接続するタンク連結通路２５と、貯留タンク２１内が水で満杯になった場合に外部のドレン排出部２７に排出する為の排出通路２６とが接続されている。貯留タンク２１内には、例えば、貯留タンク２１内の１／５程度の高さ位置（所定の設定水位に相当する）に低下した水を検知する水位センサ２１ａが設けられ、この水位センサ２１ａが貯留された水の液面を検知すると、通常運転モードから上水導入運転モードに切り換えられる。通常運転モードは、貯湯槽３１内の湯水を湯水循環通路４に循環させて熱交換器１１で排気ガスと熱交換する運転状態であり、上水導入運転モードは、上水源から低温の上水を導入して熱交換器１１で排気ガスと熱交換する運転状態である。
【００３３】
水供給手段２２は、貯留タンク２１内の浄化された水を発電モジュール５の蒸発器１５へ供給する為のものであり、貯留タンク２１の下端部に接続された水供給通路２８と、この水供給通路２８の途中部に介装された送水ポンプ２９とを備え、送水ポンプ２９の駆動により、貯留タンク２１内の水を、水供給通路２８を介して蒸発器１５に供給する。
【００３４】
次に、貯湯ユニット３について説明する。
図３に示すように、貯湯ユニット３は、排気ガスの熱を湯水として蓄熱する為の貯湯槽３１、入水通路３２、出湯通路３３、湯水循環通路４、三方弁３５、混合弁３６、補助給湯器３７等を有する。貯湯槽３１は湯水を貯留可能な上下方向に比較的長い断熱性の密閉タンクであり、貯湯槽３１内の複数の貯留層の湯水の温度が複数のタンク湯水温度センサ３８ａ〜３８ｄにより検出される。
【００３５】
貯湯槽３１の下部には、入水通路３２の下流端と湯水循環通路４の上流端とが接続される下部通路部４１が接続されている。その貯湯槽３１から循環ポンプ３９を介して湯水が下部通路部４１、湯水循環通路４の往き通路部４ａを通り熱交換器１１の熱交換通路部１１ａに送られる。熱交換器１１で加熱された温水は上流側戻り通路部４ｂと下流側戻り通路部４ｃへ流れる。貯湯槽３１の上部には、下流側戻り通路部４ｃと出湯通路３３とが接続されている。貯湯槽３１内に貯留された高温の湯水（例えば、８０〜９０℃）を出湯通路３３に供給することができる。
【００３６】
入水通路３２は、共通通路部３２ａ、上側通路部３２ｂ、下側通路部３２ｃを有する。上側通路部３２ｂの下流端が混合弁３６に接続され、下側通路部３２ｃの下流端が下部通路部４１に接続されている。共通通路部３２ａの上流端に上水源（図示略）が接続されている。共通通路部３２ａに減圧弁４２が設けられている。減圧弁４２の入口付近の共通通路部３２ａ内の上水の温度が入水温度センサ４３により検出される。
【００３７】
湯水循環通路４は、熱交換器１１の熱交換通路部１１ａにより水蒸気と熱交換される湯水が流れる流路であり、往き通路部４ａ、上流側戻り通路部４ｂ，下流側戻り通路部４ｃを有する。往き通路部４ａの上流端が下部通路部４１に接続され、往き通路部４ａの下流端が熱交換通路部１１ａに接続されている。上流側戻り通路部４ｂの上流端が熱交換通路部１１ａに接続され、下流端が三方弁３５に接続されている。下流側戻り通路部４ｃの上流端が三方弁３５に接続され、下流端が貯湯槽３１の上部に接続されている。
【００３８】
湯水循環通路４のうちの熱交換器１１の熱交換通路部１１ａより下流側且つ貯湯槽３１より上流側において、湯水循環通路４から外部へ分岐する分岐通路部４５が設けられている。この分岐通路部４５が分岐する分岐部４６に三方弁３５が設けられている。分岐通路部４５の下流端には、ドレン放出部４７が設けられている。
【００３９】
上流側戻り通路部４ｂの下流端が三方弁３５（ポートＡ）に接続され、分岐通路部４５の上流端が三方弁３５（ポートＢ）に接続され、下流側戻り通路部４ｃの上流端が三方弁３５（ポートＣ）に接続され、この三方弁３５により上流側戻り通路部４ｂが下流側戻り通路部４ｃと分岐通路部４５の何れかに択一的に接続される。
【００４０】
通常運転モードにおいて、貯湯槽３１内の湯水を湯水循環通路４に循環させる場合には、三方弁３５を介して分岐通路部４５を閉止して湯水循環通路４を循環状態にする。つまり、三方弁３５のポートＡ−ポートＣ間を開弁状態にして、上流側戻り通路部４ｂと下流側戻り通路部４ｃとを接続する。上水導入運転モードにおいて、分岐通路部４５を開放する場合には、三方弁３５を介して分岐通路部４５を開放し且つ貯湯槽３１への湯水の循環を停止する。つまり、三方弁３５のポートＡ−ポートＢ間を開弁状態にして、上流側戻り通路部４ｂと分岐通路部４５とを接続する。
【００４１】
循環ポンプ３９は、湯水循環通路４に湯水を循環させる為のポンプであり、往き通路部４ａの発電ユニット２側に設けられている（図１参照）。尚、循環ポンプ３９は貯湯ユニット３側に配置しても良い。
【００４２】
貯湯ユニット３の出口付近（発電ユニット２の入口付近）の往き通路部４ａ内の湯水の温度が、入口湯水温度センサ４９ａにより検出され、貯湯ユニット３の入口付近（発電ユニット２の出口付近）の上流側戻り通路部４ｂ内の湯水の温度が、出口湯水温度センサ４９ｂにより検出される。
【００４３】
出湯通路３３は、高温の湯水が流れる上流側通路部３３ａ、水と高温の湯水が混合された混合湯水が流れる下流側通路部３３ｂを有する。上流側通路部３３ａの上流端が貯湯槽３１の上部に接続され、上流側通路部３３ａの下流端が混合弁３６に接続されている。下流側通路部３３ｂの上流端が混合弁３６に接続され、下流側通路部３３ｂの下流端に給湯栓５１が接続されている。上流側通路部３３ａの途中部から分岐して外部のドレン放出部４７に接続される排出通路部５２が設けられ、この排出通路部５２に圧力リリーフ弁５３が設けられている。
【００４４】
混合弁３６は、出湯温度が指令温度になるように、混合される水と高温の湯水の流量比が制御される。混合弁３６の入口付近の上流側通路部３３ａ内の湯水の流量と温度が、上流側流量センサ５４ａと上流側出湯温度センサ５４ｂにより夫々検出され、混合弁３６の出口付近の下流側通路部３３ｂ内の湯水の流量と温度が、下流側流量センサ５５ａと下流側出湯温度センサ５５ｂにより夫々検出される。
【００４５】
入水通路３２の共通通路部３２ａと出湯通路３３の下流側通路部３３ｂがバイパス通路５７により接続され、このバイパス通路５７に高温出湯回避用の安全弁５８が設けられている。出湯通路３３の下流側通路部３３ｂの途中部には、湯水の熱量が不足している場合に湯水を加熱する為の補助給湯器３７が設けられている。
【００４６】
複数のタンク湯水温度センサ３８ａ〜３８ｄ、入水温度センサ４３，入口湯水温度センサ４９ａ、出口湯水温度センサ４９ｂ、上流側流量センサ５４ａ、下流側流量センサ５５ａ、上流側出湯温度センサ５４ｂ、下流側出湯温度センサ５５ｂ、水位センサ２１ａからの信号を制御装置（図示略）に送信し、この信号に基づいて、三方弁３５、混合弁３６、循環ポンプ３９等を制御し、各種運転（通常の排熱回収運転、水回収運転、呼び水運転、出湯運転、給湯加熱運転等）を実行する。
【００４７】
次に、燃料電池コージェネレーションシステム１の作用について説明する。
図４に示すように、燃料電池コージェネレーションシステム１は、貯留タンク２１内の水の貯留状態と貯湯槽３１の湯水の貯湯状態等に応じて、貯湯槽３１内の湯水を湯水循環通路４に循環させて熱交換器１１で排気ガスと熱交換する通常運転モード（ａ）と、貯湯槽３１内の湯水を使用せずに上水源から低温の上水を導入して熱交換器１１で排気ガスと熱交換する上水導入運転モード（ｂ）と、循環ポンプ３９への呼び水を実行する呼び水運転モード（ｃ）との３つの運転パターンを有する。
【００４８】
図４に示すように、この通常運転モード（ａ）においては、三方弁３５をポートＡ−ポートＣ間を接続する開弁状態に設定する。つまり、三方弁３５は、分岐通路部４５を閉止して湯水循環通路４を循環状態になるように制御される。循環ポンプ３９の駆動により貯湯槽３１の下端部から下部通路部４１と湯水循環通路４の往き通路部４ａとを経て熱交換通路部１１ａに流入した湯水は、オフガス燃焼室１７から排出された排気ガスと熱交換し、この湯水を暖め、加熱された湯水が上流側戻り通路部４ｂと下流側戻り通路部４ｃを通って貯湯槽３１に貯留され、この運転を繰り返すことで貯湯槽３１に高温の湯水が貯留される。
【００４９】
一方、発電ユニット２においては、熱交換器１１で排気ガスに含まれる水蒸気が冷却されて凝縮水を発生し、この凝縮水は、回収通路２３を介して水処理手段１９の処理タンク２４に送られ、処理タンク２４内で凝縮水の不純物を除去し、この浄化された水を貯留タンク２１に送り一時的に貯留する。その後、この貯留タンク２１に貯留された水は、水供給手段２２によって発電モジュール５の蒸発器１５に送られ、改質用の水として再利用される。
【００５０】
しかし、貯湯槽３１から往き通路部４ａを介して熱交換器１１へ流れる湯水の温度は、貯湯槽３１の蓄熱状況により上昇し、やがて、貯湯槽３１が満蓄状態となり、湯水循環通路４を循環する湯水が熱交換器１１における露点近傍の温度に達する。すると、排気ガスの温度低下が小さくなり、熱交換器１１で発生する凝縮水の量が低減して十分な量の凝縮水を回収できなくなり、改質用の水の供給が不足する。この場合、貯湯槽３１の複数のタンク湯水温度センサ３８ａ〜３８ｄが満蓄状態を検知し、貯留タンク２１の水位センサ２１ａが低下した水の液面を検知した場合に、これら検知信号に基づいて運転モードを、以下に説明する上水導入運転モード（ｂ）に切り換える。尚、満畜状態とは、貯湯槽３１内が、例えば９０℃度（所定の設定温度に相当する）の高温の湯水で満たされた状態である。
【００５１】
図４に示すように、この上水導入運転モード（ｂ）においては、貯湯ユニット３の三方弁３５のポートＡ−ポートＢ間を接続する開弁状態に設定する。上記のように貯湯槽３１内の湯水の温度が所定の設定温度以上且つ貯留タンク２１内の水が所定の設定水位に低下時には、三方弁３５を介して貯湯槽３１への湯水の循環を停止して分岐通路部４５を開放することによって、湯水循環通路４から湯水を排水するとともに、湯水循環通路４に接続された入水通路３２から低温の上水を往き通路部４ａへ導入する。このとき排水する温水は、往き通路部４ａと熱交換通路部１１ａと上流側戻り通路部４ｂ内の比較的少量の温水である。
【００５２】
次に、入水通路３２と湯水循環通路４の往き通路部４ａとを経て熱交換通路部１１ａに流入した低温の上水は、オフガス燃焼室１７から排出された排気ガスに含まれる水蒸気と熱交換し、この上水を暖め、加熱された上水が上流側戻り通路部４ｂと分岐通路部４５を通って貯湯ユニット３の外部（ドレン放出部４７）に排出される。
【００５３】
一方、発電ユニット２においては、低温の上水が導入されることで、熱交換器１１の冷却能力が増すので、通常運転モード（ａ）の場合と比較して多めの凝縮水が発生し、この凝縮水を、回収通路２３を介して水処理手段１９の処理タンク２４に送られ、処理タンク２４内で処理した後に貯留タンク２１に貯留する。
【００５４】
このように、満蓄状態となった貯湯槽３１内の湯水に代えて低温の上水を熱交換に利用する事で、水蒸気との間の熱交換を促進し、十分な量の凝縮水を回収することができ、改質用の水不足による異常運転を回避することができる。その後、貯留タンク２１の水位が設定水位以上に回復した場合や貯湯槽３１内の湯水の温度が所定の設定温度より低下した場合は、上水源からの上水の導入を停止して、通常運転モード（ａ）に切り換えても良い。
【００５５】
ところで、発電ユニット２内に湯水循環通路４内の湯水を循環させる循環ポンプ３９が設けられているが、燃料電池コージェネレーションシステム１の施工後における、運転初期の循環ポンプ３９への呼び水を行う場合や運転開始時の水張りを行なう場合、以下に説明する呼び水運転モード（ｃ）で制御される。
【００５６】
図４に示すように、この呼び水運転モード（ｃ）においては、貯湯ユニット３の三方弁３５のポートＡ−ポートＢ間を接続する開弁状態に設定する。つまり、三方弁３５は、下流側戻り通路部４ｃを閉止して分岐通路部４５を開放するように制御される。この状態で、上水源から低温の上水が入水通路３２に供給されると、湯水循環通路４の往き通路部４ａを経て熱交換通路部１１ａに流入し、上流側戻り通路部４ｂ、分岐通路部４５を通って貯湯槽３１の外部に排出されるので、運転初期の循環ポンプ３９への呼び水や運転開始時の水張りを行うことができる。
【００５７】
次に、本発明の燃料電池コージェネレーションシステム１の効果について説明する。
上記の構成によれば、湯水循環通路４のうちの熱交換器１１（水回収手段）の熱交換通路部１１ａより下流側且つ貯湯槽３１より上流側において、湯水循環通路４から外部へ分岐する分岐通路部４５を設け、貯湯槽３１内の湯温が所定の設定温度以上且つ貯留タンク２１内の水が設定水位に低下時には、貯湯槽３１への湯水の循環を停止して分岐通路部４５を開放することによって、湯水循環通路４から湯水を排水するとともに、湯水循環通路４に接続された入水通路３２から低温の上水を導入するので、貯湯槽３１が満蓄状態になった場合でも貯湯槽３１内の湯水を排水せずに維持したまま、熱交換器１１において低温の上水と排気ガスとの間で熱交換することで、排気ガスから凝縮水を容易に回収することができる。
【００５８】
従って、高価なラジエータを設ける必要もなく、貯湯槽３１内の湯水を再加熱する必要もないので、燃料電池コージェネレーションシステム１の小型化を図り、製作コストや運転コストを低下することができる。
【００５９】
また、三方弁３５を介して分岐通路部４５を開放すると、給水から導入される上水は、湯水循環通路４の上流側を流れ、熱交換器１１の熱交換通路部１１ａを経て湯水循環通路４の下流側を流れ、分岐通路部４５から外部に排出されるので、湯水循環通路４の循環ポンプ３９への呼び水を容易に行なえ、運転初期の操作を簡略化できる。
さらに、ユーザーの都合により長期不在時の水抜き後の運転開始時の水張りを、システム起動が専用のメンテナンス員がいなくても、ユーザー自身が容易に行える。
【実施例２】
【００６０】
次に、実施例１の貯湯ユニット３を部分的に変更した実施例２について説明するが、前記実施例１と同様の構成要素には同様の参照符号を付して説明を省略し、異なる構成要素についてのみ説明する。図５に示すように、この貯湯ユニット３Ａは、実施例１の三方弁３５の代わりに第１，第２開閉弁６１，６２が設けられている。
【００６１】
図５に示すように、貯湯ユニット３Ａにおいて、湯水循環通路４のうちの熱交換器１１の熱交換通路部１１ａより下流側且つ貯湯槽３１より上流側において、湯水循環通路４から分岐部４６において外部へ分岐する分岐通路部４５が設けられ、この分岐通路部４５に第１開閉弁６１が設けられている。下流側戻り通路部４ｃに第２開閉弁６２が設けられている。第１，第２開閉弁６１，６２により上流側戻り通路部４ｂが下流側戻り通路部４ｃと分岐通路部４５の何れかに択一的に接続される。
【００６２】
通常運転モードにおいて、貯湯槽３１内の湯水を湯水循環通路４に循環させる場合には、第１開閉弁６１を閉弁状態にして分岐通路部４５を閉止して、第２開閉弁６２を開弁状態にして上流側戻り通路部４ｂと下流側戻り通路部４ｃとを接続して湯水循環通路４を循環状態にする。上水導入運転モードにおいて、分岐通路部４５を開放する場合には、第１開閉弁６１を開弁状態にして分岐通路部４５を開放し、第２開閉弁６２を閉弁状態にして上流側戻り通路部４ｂと分岐通路部４５とを接続して貯湯槽３１への湯水の循環を停止する。
【００６３】
次に、燃料電池コージェネレーションシステム１Ａの作用について説明する。
図６に示すように、燃料電池コージェネレーションシステム１Ａは、前記実施例１と同様の通常運転モード（ａ）と、上水導入運転モード（ｂ）と、循環ポンプ３９への呼び水を実行する呼び水運転モード（ｃ）との３つの運転パターンを有する。
【００６４】
図６に示すように、通常運転モード（ａ）においては、貯湯ユニット３Ａの第１開閉弁６１を閉弁状態に設定し、第２開閉弁６２を開弁状態に設定する。つまり、第１，第２開閉弁６１，６２は、分岐通路部４５を閉止して湯水循環通路４を循環状態になるように制御される。この通常運転モード（ａ）による熱交換器１１における作用は、貯湯ユニット３Ａ側と発電ユニット２側の両方とも、前記実施例１と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００６５】
図６に示すように、上水導入運転モード（ｂ）においては、貯湯ユニット３Ａの第１開閉弁６１を開弁状態に設定し、第２開閉弁６２を閉弁状態に設定する。貯湯槽３１内の湯温が所定の設定温度以上且つ貯留タンク２１内の水が所定の設定水位に低下時には、貯湯槽３１への湯水の循環を停止して分岐通路部４５を開放することによって、湯水循環通路４から湯水を排水するとともに、湯水循環通路４に接続された入水通路３２から低温の上水を導入する。このとき排水する温水は、往き通路部４ａと熱交換通路部１１ａと上流側戻り通路部４ｂ内の比較的少量の温水である。この上水導入運転モード（ｂ）による熱交換器１１における作用は、貯湯ユニット３Ａ側と発電ユニット２側の両方とも、前記実施例１と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００６６】
図６に示すように、呼び水運転モード（ｃ）においては、貯湯ユニット３Ａの第１開閉弁６１を開弁状態に設定し、第２開閉弁６２を閉弁状態に設定する。つまり、第１，第２開閉弁６１，６２は、下流側戻り通路部４ｃを閉止して分岐通路部４５を開放するように制御される。この状態で、上水源から低温の上水が入水通路３２に供給されると、湯水循環通路４の往き通路部４ａを経て熱交換通路部１１ａに流入し、上流側戻り通路部４ｂ、分岐通路部４５を通って貯湯槽３１の外部に排出されるので、運転初期の循環ポンプ３９への呼び水や運転開始時の水張りを行うことができる。
その他の構成及び作用は前記実施例１と同様であるので説明は省略する。
【実施例３】
【００６７】
次に、実施例１の貯湯ユニット３を部分的に変更した実施例３について説明するが、前記実施例１と同様の構成要素には同様の参照符号を付して説明を省略し、異なる構成要素についてのみ説明する。図７に示すように、この貯湯ユニット３Ｂは、実施例１の主要な構成に加えて、分岐通路部４５Ｂから分岐するバイパス通路６５と、分岐通路部４５Ｂに設けられた開閉弁６６を備えている。
【００６８】
図７に示すように、貯湯ユニット３Ｂにおいて、湯水循環通路４Ｂのうちの熱交換器１１の熱交換通路部１１ａより下流側且つ貯湯槽３１より上流側において、湯水循環通路４Ｂから分岐部４６Ｂにおいて外部へ分岐する分岐通路部４５Ｂが設けられ、この分岐通路部４５Ｂが分岐する分岐部４６Ｂに三方弁３５Ｂが設けられている。
【００６９】
上流側戻り通路部４ｂの下流端が三方弁３５Ｂ（ポートＡ）に接続され、分岐通路部４５Ｂの上流端が三方弁３５Ｂ（ポートＢ）に接続され、下流側戻り通路部４ｃの上流端が三方弁３５Ｂ（ポートＣ）に接続され、この三方弁３５Ｂにより上流側戻り通路部４ｂが下流側戻り通路部４ｃと分岐通路部４５Ｂの何れかに択一的に接続される。
【００７０】
さらに、分岐通路部４５Ｂに開閉弁６６が設けられ、三方弁３５Ｂと開閉弁６６との間において分岐通路部４５Ｂから分岐して湯水循環通路４Ｂの熱交換通路部１１ａより上流側の往き通路部４ａに接続されたバイパス通路６５が設けられている。
【００７１】
通常運転モードにおいて、貯湯槽３１内の湯水を湯水循環通路４Ｂに循環させる場合には、三方弁３５ＢのポートＡ−ポートＣ間を開弁状態にし、開閉弁６６を閉弁状態にして、上流側戻り通路部４ｂと下流側戻り通路部４ｃとを接続することで、湯水循環通路４Ｂを循環状態にする。上水導入運転モードにおいて、分岐通路部４５Ｂを開放する場合には、三方弁３５ＢのポートＡ−ポートＢ間を開弁状態にし、開閉弁６６を開弁状態にして、上流側戻り通路部４ｂと分岐通路部４５Ｂとを接続することで、三方弁３５Ｂを介して分岐通路部４５Ｂを開放し且つ貯湯槽３１への湯水の循環を停止する。
【００７２】
次に、燃料電池コージェネレーションシステム１Ｂの作用について説明する。
図８に示すように、燃料電池コージェネレーションシステム１Ｂは、前記実施例１と同様の通常運転モード（ａ）と上水導入運転モード（ｂ）と循環ポンプ３９への呼び水を実行する呼び水運転モード（ｃ）に加えて、低温の上水を湯水循環通路４Ｂに循環させる上水導入循環運転モード（ｂ’）の４つの運転パターンを有する。
【００７３】
図８に示すように、通常運転モード（ａ）においては、貯湯ユニット３Ｂの三方弁３５ＢをポートＡ−ポートＣ間を接続する開弁状態に設定し、開閉弁６６を閉弁状態に設定する。つまり、三方弁３５Ｂと開閉弁６６は、分岐通路部４５Ｂを閉止して湯水循環通路４Ｂを循環状態になるように制御される。この通常運転モード（ａ）による熱交換器１１における作用は、貯湯ユニット３Ｂ側と発電ユニット２側の両方とも、前記実施例１と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００７４】
図８に示すように、上水導入運転モード（ｂ）においては、貯湯ユニット３Ｂの三方弁３５ＢをポートＡ−ポートＢ間を接続する開弁状態に設定し、開閉弁６６を開弁状態に設定する。貯湯槽３１内の湯温が所定の設定温度以上且つ貯留タンク２１内の水が所定の設定水位に低下時には、貯湯槽３１への湯水の循環を停止して分岐通路部４５Ｂを開放することによって、湯水循環通路４Ｂから湯水を排水するとともに、湯水循環通路４Ｂに接続された入水通路３２から低温の上水を導入する。このとき排水する温水は、往き通路部４ａと熱交換通路部１１ａと上流側戻り通路部４ｂ内の比較的少量の温水であり、これら湯水と入水通路３２からの上水を、バイパス通路６５を介して混合して排水することができる。この上水導入運転モード（ｂ）による熱交換器１１における作用は、貯湯ユニット３Ｂ側と発電ユニット２側の両方とも、前記実施例１と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００７５】
ここで、貯湯槽３１への湯水の循環を停止して分岐通路部４５Ｂの開放後に、入口湯水温度センサ４９ａ（又は出口湯水温度センサ４９ｂ）によって、湯水循環通路４Ｂ内の湯水が所定の設定温度以下（例えば、５０度以下）になったと検知した場合、この入口湯水温度センサ４９ａからの検知信号に基づいて、運転モードを、以下に説明する上水導入循環運転モード（ｂ’）に切り換える。
【００７６】
図８に示すように、上水導入循環運転モード（ｂ’）においては、上水導入運転モード（ｂ）の設定状態から、開閉弁６６を閉弁状態に切り換え、入水通路３２からの低温の上水の導入を停止する。すると、低温の上水を供給されたことによって低下した湯水循環通路４Ｂ内の湯水は、循環ポンプ３９の駆動により、上流側戻り通路部４ｂから分岐通路部４５Ｂの分岐部４６Ｂの近傍部とバイパス通路６５を介して往き通路部４ａに流れて、湯水を熱交換通路部１１ａに循環させ、排気ガスとの間で熱交換させる。
【００７７】
その後、入口湯水温度センサ４９ａ（又は出口湯水温度センサ４９ｂ）によって、湯水循環通路４Ｂ内の湯水が所定の設定温度以上（例えば、９０度以上）になったと検知した場合、上水導入運転モード（ｂ）に切り換え、開閉弁６６を開弁状態に切り換え、湯水循環通路４Ｂ内の湯水を、分岐通路部４５Ｂを介して排出するとともに、上水源から低温の上水を導入する。このときも、湯水循環通路４Ｂ内の湯水と入水通路３２からの上水を、バイパス通路６５を介して混合して分岐通路部４５Ｂから排水することができる。一方、前記実施例１と同様に、発電ユニット２の貯留タンク２１の水位が設定水位以上に回復した場合や貯湯槽３１内の湯水の温度が所定の設定温度より低下した場合は、上水源からの上水の導入を停止して、通常運転モード（ａ）に切り換えても良い。
【００７８】
図８に示すように、呼び水運転モード（ｃ）においては、貯湯ユニット３Ｂの三方弁３５ＢのポートＡ−ポートＢ間を接続する開弁状態に設定し、開閉弁６６を開弁状態に設定する。つまり、三方弁３５Ｂと開閉弁６６は、下流側戻り通路部４ｃを閉止して分岐通路部４５Ｂを開放するように制御される。この状態で、上水源から低温の上水が入水通路３２から供給されると、上水の一部はバイパス通路６５を介して分岐通路部４５Ｂを通って貯湯ユニット３Ｂの外部に排出されるが、上水の残りは、湯水循環通路４Ｂの往き通路部４ａを経て熱交換通路部１１ａに流入し、上流側戻り通路部４ｂ、分岐通路部４５Ｂを通って貯湯ユニット３Ｂの外部に排出されるので、運転初期の循環ポンプ３９への呼び水や運転開始時の水張りを行うことができる。
【００７９】
次に、本発明の燃料電池コージェネレーションシステム１Ｂの効果について説明する。
上記の構成によれば、バイパス通路６５を介して湯水と上水を混合させて排出することができるので、湯水循環通路４Ｂ内から高温の湯水を直接外部に排出することを防止し、高温の湯水を排出することに伴う危険を回避することができる。また、高温の湯水の直接排水を防止するので、耐久性の高い排水配管を必要とせず、製作コストを低減することができる。
【００８０】
さらに、分岐通路部４５Ｂの開放後に、湯水循環通路４Ｂ内の湯水が所定の温度以下になった場合、開閉弁６６を閉弁状態にするとともに入水通路３２からの上水の導入を停止して、バイパス通路６５を介して湯水を熱交換通路部１１ａに循環させるので、低温の上水を有効に活用して上水の無駄をなくし、運転コストを低減することができる。
その他の構成及び作用は前記実施例１と同様であるので説明は省略する。
【００８１】
次に、前記実施例を部分的に変更した形態について説明する。
［１］前記実施例１〜３において、三方弁３５，３５Ｂ，開閉弁６１，６２，６６に流量調整機能を設け、湯水循環通路４，４Ｂ内からの湯水の排出量を調整可能に構成しても良い。この構成によれば、熱交換通路部１１ａ内を流れる上水の流量を調整することができ、上水と水蒸気との間で熱交換を効率よく行い上水の無駄を無くすことができる。
【００８２】
［２］前記実施例１〜３において、水位センサ２１ａが検知する所定の設定水位は、貯留タンク２１の１／５程度の高さ位置に設定されているが、特にこの位置に限定する必要はなく、他の高さ位置に設定しても良い。また、水位センサ２１ａが検知するのは、貯留された水の液面に限定する必要はなく液面近傍部であっても良い。
【００８３】
［３］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例の種々の変更を付加した形態で実施可能で、本発明はそのような変更形態を包含するものである。
【符号の説明】
【００８４】
１，１Ａ，１Ｂ 燃料電池コージェネレーションシステム
２ 発電ユニット
３，３Ａ，３Ｂ 貯湯ユニット
４，４Ｂ 湯水循環通路
５ 発電モジュール（燃料電池発電部）
１１ 熱交換器（水回収手段）
１１ａ 熱交換通路部
１９ 水処理手段
２１ 貯留タンク
２２ 水供給手段
３１ 貯湯槽
３２ 入水通路
３５，３５Ｂ 三方弁
４５，４５Ｂ 分岐通路部
４６，４６Ｂ 分岐部
６１，６２ 第１，第２開閉弁
６５ バイパス通路
６６ 開閉弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池発電部から排出される排気ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して回収する水回収手段と、この水回収手段が回収した凝縮水の不純物を取り除く水処理手段と、この水処理手段により処理された水を貯留する貯留タンクと、この貯留タンク内の水を燃料電池発電部へ供給する水供給手段と、湯水を貯湯する貯湯槽と、前記水回収手段の熱交換通路部を含む排熱回収用の湯水循環通路であって前記貯湯槽内の湯水を循環させて前記水蒸気の凝縮を行う湯水循環通路とを備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
前記湯水循環通路のうちの前記水回収手段の熱交換通路部より下流側且つ前記貯湯槽より上流側において、前記湯水循環通路から外部へ分岐する分岐通路部を設け、
前記貯湯槽内の湯温が所定の設定温度以上且つ前記貯留タンク内の水が所定の設定水位に低下時には、前記貯湯槽への湯水の循環を停止して前記分岐通路部を開放することによって、前記湯水循環通路から湯水を排水するとともに、前記湯水循環通路に接続された入水通路から低温の上水を導入することを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項２】
前記湯水循環通路から前記分岐通路部が分岐する分岐部に三方弁が設けられ、
前記貯湯槽内の湯水を前記湯水循環通路に循環させる場合には、前記三方弁を介して前記分岐通路部を閉止して前記湯水循環通路を循環状態にし、
前記分岐通路部を開放する場合には、前記三方弁を介して前記分岐通路部を開放し且つ前記貯湯槽への湯水の循環を停止することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項３】
前記分岐通路部に開閉弁が設けられ、
前記三方弁と前記開閉弁との間において前記分岐通路部から分岐して前記湯水循環通路の熱交換通路部より上流側に接続されたバイパス通路が設けられ、
前記分岐通路部を開放する場合には、前記開閉弁を開弁状態にし、
前記湯水循環通路内の湯水と前記入水通路からの上水を前記バイパス通路を介して混合して排水することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項４】
前記分岐通路部の開放後に、前記湯水循環通路内の湯水が所定の設定温度以下になった場合、前記開閉弁を閉弁状態にするとともに前記入水通路からの上水の導入を停止して、前記バイパス通路を介して湯水を前記熱交換通路部に循環させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項１】
燃料電池発電部から排出される排気ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して回収する水回収手段と、この水回収手段が回収した凝縮水の不純物を取り除く水処理手段と、この水処理手段により処理された水を貯留する貯留タンクと、この貯留タンク内の水を燃料電池発電部へ供給する水供給手段と、湯水を貯湯する貯湯槽と、前記水回収手段の熱交換通路部を含む排熱回収用の湯水循環通路であって前記貯湯槽内の湯水を循環させて前記水蒸気の凝縮を行う湯水循環通路とを備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
前記湯水循環通路のうちの前記水回収手段の熱交換通路部より下流側且つ前記貯湯槽より上流側において、前記湯水循環通路から外部へ分岐する分岐通路部を設け、
前記貯湯槽内の湯温が所定の設定温度以上且つ前記貯留タンク内の水が所定の設定水位に低下時には、前記貯湯槽への湯水の循環を停止して前記分岐通路部を開放することによって、前記湯水循環通路から湯水を排水するとともに、前記湯水循環通路に接続された入水通路から低温の上水を導入することを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項２】
前記湯水循環通路から前記分岐通路部が分岐する分岐部に三方弁が設けられ、
前記貯湯槽内の湯水を前記湯水循環通路に循環させる場合には、前記三方弁を介して前記分岐通路部を閉止して前記湯水循環通路を循環状態にし、
前記分岐通路部を開放する場合には、前記三方弁を介して前記分岐通路部を開放し且つ前記貯湯槽への湯水の循環を停止することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項３】
前記分岐通路部に開閉弁が設けられ、
前記三方弁と前記開閉弁との間において前記分岐通路部から分岐して前記湯水循環通路の熱交換通路部より上流側に接続されたバイパス通路が設けられ、
前記分岐通路部を開放する場合には、前記開閉弁を開弁状態にし、
前記湯水循環通路内の湯水と前記入水通路からの上水を前記バイパス通路を介して混合して排水することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項４】
前記分岐通路部の開放後に、前記湯水循環通路内の湯水が所定の設定温度以下になった場合、前記開閉弁を閉弁状態にするとともに前記入水通路からの上水の導入を停止して、前記バイパス通路を介して湯水を前記熱交換通路部に循環させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１２３８１（Ｐ２０１３−１２３８１Ａ）
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４３９８８（Ｐ２０１１−１４３９８８）
【出願日】平成２３年６月２９日（２０１１．６．２９）
【出願人】（０００００４７０９）株式会社ノーリツ (1,293)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２９日（２０１１．６．２９）
【出願人】（０００００４７０９）株式会社ノーリツ (1,293)
【Ｆターム（参考）】
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