JP5158745B2 - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、ガス漏れを監視するマイコンメータを通して供給されるガスを改質して発電する燃料電池と、当該ガスを消費して給湯・風呂の追焚等を行う給湯システムとを組み合わせてなる燃料電池コージェネレーションシステムに関する。通常家庭用コージェネレーションシステムの給湯システムには給湯の不足を補うため補助熱源機が設けられる。

近年、ガスを原料として発電を行う燃料電池と給湯システムとを組み合わせた燃料電池コージェネレーションシステムが、一般家庭や店舗等において普及してきている。このガス消費型の燃料電池は、都市ガス等から供給されるガスを改質器に通して水素に富む燃料ガスを生成し、この燃料ガス中の水素と空気中の酸素や水とを反応させることにより発電を行う。通常、燃料電池では、改質器を常に所定の温度に加熱した状態とするために、常時改質器でガス消費が行われる。そのため、電力の消費が行われない期間も、燃料電池は、通常は常に一定の量の発電が行われガスが供給され続けることになる。

一方、都市ガス等の商用ガスから燃料電池にガスを供給するガス管には、ガス漏れを検知するためにマイコンメータが備えられている。マイコンメータは、ガス供給の異常を検知すると、ガス供給を遮断したり警報を発したりするように構成されている。

マイコンメータがガス供給の異常を検知する方法の一つとして、ガス管から供給されるガス流量を監視し、ガスが供給された状態においてガス流量がある所定の時間以上変動しない場合にはガス漏れが発生したとして異常を検知するようにしたものが公知である（例えば、特許文献３，４参照）。例えば、ガス管が外れたりヒビ等の破損が生じたりした場合のようにガス漏れが生じた場合や、風呂のつけ放しのように必要以上の長時間に亘ってガスが流れ続けた場合などに、異常として検知するためである。

ところで、長期間に亘って補助熱源機が稼働せず燃料電池による発電が行われる場合、ガス管からは一定量のガスが供給され続ける。この場合、正常な運転であるにもかかわらず、マイコンメータは誤ってガス供給に異常が発生したと判定し、ガス供給を遮断したり警報を発したりする場合が生じる。従って、燃料電池コージェネレーションシステムにおいては、かかるマイコンメータの誤作動を防止するための対策が必要とされる。

マイコンメータの誤作動を防止する技術としては、特許文献１，２に記載のものが公知である。

特許文献１の燃料電池システムにおいては、学習機能により電力消費が多い時間帯を学習し、一定時間以上燃料電池の運転が継続した場合、電力消費が少ない時間帯に燃料電池を停止する手法を採用している。

特許文献２の燃料電池システムにおいては、マイコンメータを通過するガスの流量の変動が、一定の時間以上、所定の変動幅以内であった場合、改質器に供給するガスを、マイコンメータを通過せずに改質器に供給される原料ガスに切り替えることにより、マイコンメータを通過するガスの流量の変動を大きくし、マイコンメータの誤作動を防止する手法を採用している。
特開２００５−３５３２９２号公報 特開２００６−４８３３号公報 特開平８−４３１５４号公報 特開２００２−２３６０３７号公報

しかしながら、電力消費の変動は使用者が電力を使用する状況によって変動するため、学習機能によって電力需要を予測しても必ずしもその予測通りに電力消費が行われるとは限らない。そのため、上記特許文献１に記載の手法では、マイコンメータの誤動作防止のために燃料電池を停止させた時間帯に、大きな電力消費が入る可能性がある。かかる場合改質器は一旦運転を止めてしまうと再起動するまでに時間を要するので、燃料電池の発電が停止している場合には商用電源に切り替えて必要な電力を賄うため、エネルギー効率が低下する。

また、上記特許文献２に記載の手法は、燃料電池を停止する必要がないため、上記のような問題は生じない。しかし、マイコンメータを通さずに原料ガスを供給する経路が必要となる。従って、この経路においてガス管の破損等によりガス漏れ等が生じた場合、マイコンメータによって検出することができない。また、マイコンメータを通さずに改質器に原料ガスを供給する配管を別途配設する必要があるため、設置が容易ではない。

そこで、本発明の目的は、燃料電池を停止する必要がなく、設置も容易に行うことができ、かつマイコンメータの誤作動を防止することが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にある。

本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの第１の構成は、燃料電池の排熱を温水として回収し成層式の貯湯タンクに蓄熱するとともに、前記貯湯タンクに蓄熱された温水を給湯、暖房、または風呂の追焚に利用する燃料電池コージェネレーションシステムであって、前記貯湯タンクの下部と前記貯湯タンクの上部とに連通する第１の循環路と、前記貯湯タンクの上部から導出される給湯水をガス燃焼熱により加熱する補助熱源機と、前記補助熱源機の出口側と前記補助熱源機の入口側とに連通し、流路の一部が前記第１の循環路の流路の一部と共通となった共有流路部分を有する第２の循環路と、前記第１及び第２の循環路の共有流路部分に配設され、流路内の水を前記貯湯タンクの下部から上部に向かう方向に圧送する循環ポンプと、前記燃料電池及び前記補助熱源機において消費される全体の消費ガス量を検出する消費ガス量検出手段と、前記消費ガス量検出手段が検出する消費ガス量の変動が一定時間以上所定の範囲内の場合、前記循環ポンプを起動させるとともに、前記補助熱源機を所定の時間だけ起動する消費ガス量変動化手段とを備えたことを特徴とする。

この構成により、一定時間以上継続して消費ガス量の変化が所定範囲内の状態が継続すると、消費ガス量変動化手段が、循環ポンプを起動して補助熱源機に水を循環させると共に、補助熱源機を所定の時間だけ起動させて、消費ガス量に時間変化を与える。これにより、マイコンメータ等の消費ガス量検出手段が、ガス漏れが発生したと誤って検知することを防止できる。また、補助熱源機で暖められた水は、循環ポンプにより、第２の循環路、第１の循環路の間を循環する。従って、補助熱源機の熱交換器内で即座に沸騰が生じることは防止される。

また、給湯システム側を稼働させることによってガスの消費量に変動を与えるため、燃料電池の改質器を停止させる必要がなく、マイコンメータ等の消費ガス量検出手段の誤動作を防止するための特別なガス配管を新たに必要とすることもない。

ここで、第２の循環路としては、風呂の追焚を行うための熱交換器に温水を循環させる追焚用循環路や、室内暖房や床暖房の熱交換器に温水を循環させる暖房用循環路などが利用される。

また、消費ガス量の変動が一定時間以上所定の範囲内の場合に補助熱源機を起動させる「所定の時間」は、マイコンメータ等の消費ガス量検出手段が消費ガス量の変動を検知して誤動作を生じないようにするのに必要なガス量が消費される時間であればよい。

また、第１の循環路が貯湯タンクに接続する位置は、貯湯タンクの「下部」と「上部」であればよいが、より好ましくは、貯湯タンクの「底部」と「頂部」に接続するのがよい。成層式の貯湯タンクでは、タンク底部の水が最も低温で、タンク頂部の水が最も高温だからである。

本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの第２の構成は、前記第１の構成において、前記第１の循環路を断通する第１循環路断通手段を備え、前記消費ガス量変動化手段は、前記消費ガス量検出手段が検出する消費ガス量の変動が一定時間以上所定の範囲内の場合、前記第１循環路断通手段により前記第１の循環路を導通状態とし、前記循環ポンプを起動させるとともに、前記補助熱源機を所定の時間だけ起動することを特徴とする。

この構成により、一定時間以上継続して消費ガス量が一定の状態が継続すると、消費ガス量変動化手段が、循環ポンプを起動して第２の循環路を通して補助熱源機に水を循環させると共に、補助熱源機を所定の時間だけ起動させる。このとき、第１循環路断通手段により第１の循環路は導通状態とされているため、循環ポンプによって第１及び第２の循環路の双方に水が循環する。従って、補助熱源機で循環水に与えられた熱は貯湯タンク上部に蓄積される。

また、上記運転動作をしないときは、必要に応じて第１循環路断通手段により第１の循環路を遮断することで、貯湯タンク下部の水が、第１の循環路を通して必要以上に循環するのを防止することができる。

ここで、第１循環路断通手段としては、開閉弁、三方弁等を使用することができる。

本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの第３の構成は、前記第１の構成において、前記第１の循環路の流量を調節する第１循環路調流手段を備え、前記消費ガス量変動化手段は、前記消費ガス量検出手段が検出する消費ガス量の変動が一定時間以上所定の範囲内の場合、前記第１循環路調流手段により前記第１の循環路の流量を０より大きくなるように設定し、前記循環ポンプを起動させるとともに、前記補助熱源機を所定の時間だけ起動することを特徴とする。

この構成により、一定時間以上継続して消費ガス量が一定の状態が継続すると、消費ガス量変動化手段が、循環ポンプを起動して第２の循環路を通して補助熱源機に水を循環させると共に、補助熱源機を所定の時間だけ起動させる。このとき、第１循環路調流手段により第１の循環路の流量は０より大きくなるように設定されているため、循環ポンプによって第１及び第２の循環路の双方に水が循環する。従って、補助熱源機で循環水に与えられた熱は貯湯タンク上部に蓄積される。

また、上記運転動作をしないときは、必要に応じて第１循環路調流手段により第１の循環路の流量を調節することで、貯湯タンク下部の水が、第１の循環路を通して必要以上に循環するのを防止することができる。

ここで、第１循環路調流手段としては、流量調整弁、循環比例弁、電動三方弁等を使用することができる。

本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの第４の構成は、前記第２又は３の構成において、前記出湯路の前記補助熱源機の出口側に設けられ、補助熱源機を通過した給湯水の水温を検出する温度センサと、前記温度センサの検出温度が所定の閾値未満の場合は、前記第１循環路断通手段又は前記第１循環路調流手段により前記第１の循環路を遮断状態とし、前記温度センサの検出温度が所定の閾値以上となった場合、前記第１循環路断通手段又は第１循環路調流手段により前記第１の循環路を導通状態とする制御を行う沸騰防止手段と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、出湯路内の水温が閾値以下の場合には第１循環路調流手段（循環比例弁）は閉止しており、循環ポンプの起動により、第２の循環路に水が循環する。この間、第２の循環路内の水温は上昇し続ける。第２の循環路内の水温が閾値以上となると、第１循環路断通手段又は第１循環路調流手段により第１の循環路が導通状態とされ、貯湯タンク下部の低温の水が第１の循環路に供給され始める。これにより、第２の循環路内の水温は低下し、沸騰が生じることが防止される。それとともに、第２の循環路内の加熱された温水は、第１の循環路内の水と混合して貯湯タンクの上部に供給され、貯湯タンクに蓄熱が行われる。

第２の循環路内の水の温度が低い間は、第１循環路断通手段又は第１循環路調流手段により第１の循環路が遮断状態とされているので、貯湯タンク上部に低温の水が流れ込むことが防止される。従って、貯湯タンクの上部と下部の温度差が小さくなることが防止され、貯湯タンクの使用可能な温度の湯量が低下することを防止することができる。

以上のように、本発明によれば、一定時間以上継続して消費ガス量の変化が所定範囲内の状態が継続すると、消費ガス量変動化手段が、補助熱源機に水を循環させ、補助熱源機を所定の時間だけ起動させて、消費ガス量に時間変化を与える。これにより、マイコンメータ等の消費ガス量検出手段が、ガス漏れが発生したと誤って検知することを防止できる。また、燃料電池を停止する必要がなく、設置も容易に行うことができ、かつ消費ガス量検出手段（マイコンメータ）の誤作動を防止することが可能である。

また、補助熱源機で暖められた水は、循環ポンプにより、第２の循環路、第１の循環路の間を循環する。従って、補助熱源機の熱交換器内で即座に沸騰が生じることは防止される。そして、補助熱源機で加熱された水を貯湯タンク上部に戻すことで、ガス消費によって得られた熱を貯湯タンクに蓄え、有効利用することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る燃料電池コージェネレーションシステムの構成を表す図である。

図１において、燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池ユニット１及び給湯ユニット２の２つの部分から構成されている。

燃料電池ユニット１は、ガス流量計３、流量調節弁４、改質器５、燃料電池６、循環ポンプ７，８、及び排熱熱交換器９を備えている。

ガス流量計３は、都市ガス等の商用ガスからガス供給路１２を通して燃料電池ユニット１に供給される原料ガスの流量を検出する。流量調節弁４は、ガス供給路１２を通して改質器５に供給される原料ガスの流量を調節する弁である。改質器５は、原料ガスを改質し、水素に富んだ改質ガスを生成する装置である。燃料電池６は、改質ガスと空気中の酸素とを反応させることにより発電を行う。発電に使用した後の改質ガスは、改質器５の燃焼部５ａに送られ燃焼される。これにより、改質器５は加熱される。燃料電池６において発生する排熱は、排熱循環路１０を循環する冷却水によって回収される。循環ポンプ７は、排熱循環路１０内に冷却水を循環させるためのポンプである。また、排熱循環路１０の水は、排熱熱交換器９により、給湯ユニット２から供給される熱回収用の水と熱交換され冷却される。排熱熱交換器９には、燃料電池ユニット１と給湯ユニット２との間で熱回収用の水を循環させるための熱回収路１１が接続されている。循環ポンプ８は、この熱回収用の水を熱回収路１１に循環させるためのポンプである。

一方、給湯ユニット２は、貯湯タンク２１、給水路２２、給湯路２３、熱回収路１１、第１循環路２４、第２循環路２５、浴槽水循環路２６、浴槽水給湯路２７、バイパス路２８、背圧管２８ａ、混合水供給路２９、減圧弁３０、給水サーミスタ３１、給水水量センサ３２、逆止弁３３、逃がし弁３４、貯湯サーミスタ３５，３６，３７，３８、バキュームブレーカ３９、圧力逃し弁４０、循環比例弁（第１循環路調流手段）４１、循環ポンプ４２、ＢＵ水量センサ４４、ＢＵ入サーミスタ４５、補助熱源機４６、ファン４６ａ、ガスバーナ４６ｂ、ＢＵ出サーミスタ４７、風呂熱交換器４８、風呂弁４９、風呂ポンプ５０、水位センサ５１、風呂サーミスタ５２、風呂水流スイッチ５３、複合水弁５４、排水弁５５、混合比例弁５６、逆止弁５７，５８、高温出湯防止弁５９、給湯サーミスタ６０、排熱往きサーミスタ６１、ラジエータ６２、ラジエータ入サーミスタ６３、バイパス三方弁６４、排熱戻りサーミスタ６５、ガス供給弁６６、及び制御盤６７を備えている。

貯湯タンク２１は、燃料電池ユニット１から排出される排熱を温水として貯熱するためのタンクである。貯湯タンク２１は、成層貯湯方式（高温の温水を、貯湯タンク２１上部にゆっくりと注入することで、下部の水と混ざり合わないように貯熱する方式）であり、貯湯タンク２１上部には高温のお湯が、下部には低温の水が蓄えられる。貯湯タンク２１の各高さにおける貯湯温度は、貯湯サーミスタ３５，３６，３７，３８によって検出される。

貯湯タンク２１の上部と底部には、前述の熱回収路１１が接続されている。循環ポンプ８の運転が開始されると、貯湯タンク２１の底部の水は、熱回収路１１に吸引され、熱回収路１１を通して排熱熱交換器９に送られて加熱された後、熱回収路１１を通って貯湯タンク２１の上部に戻される。これにより、貯湯タンク２１に排熱が回収され蓄熱される。

熱回収路１１には、上流側（貯湯タンク２１下部の接続端側）から、バイパス三方弁６４、ラジエータ入サーミスタ６３、ラジエータ６２、排熱往きサーミスタ６１、循環ポンプ８、排熱熱交換器９、及び排熱戻りサーミスタ６５が配設されている。また、熱回収路１１にはバイパス路１１ａが設けられており、バイパス路１１ａの一端はバイパス三方弁６４に接続され、他端は排熱戻りサーミスタ６５下流側の熱回収路１１に接続されている。バイパス路１１ａは燃料電池６が運転開始直後で排熱戻りサーミスタ６５が検出する温度が所定温度より低い場合に貯湯タンク２１をバイパスさせることにより、貯湯タンク２１内の撹拌を防止する回路である。

ラジエータ６２は、貯湯タンク２１の底部から熱回収路１１に供給される水の温度が高い場合に、熱回収路１１内の水を冷却するために設けられた冷却器である。ラジエータ入サーミスタ６３は、ラジエータ６２に流入する水の温度を検出する温度センサであり、排熱往きサーミスタ６１は、ラジエータ６２から出て燃料電池ユニット１に供給される熱回収路１１内の水の水温を検出する温度センサである。排熱戻りサーミスタ６５は、燃料電池ユニット１から貯湯タンク２１に戻される水（温水）の温度を検出する温度センサである。

給水路２２は、水道や井戸水などの上水道から供給される水を貯湯タンク２１の底部に供給するための管路である。給水路２２には、上流側から減圧弁３０，給水サーミスタ３１，給水水量センサ３２，逆止弁３３，及び逃がし弁３４が設けられている。減圧弁３０は上水道の水圧を一定の水圧に減圧する弁である。給水サーミスタ３１は、上水道から供給される水の水温を検出する温度センサである。給水水量センサ３２は、上水道から供給される水の水量を検出する水量センサである。逆止弁３３は、貯湯タンク２１側から上水道側へ水が逆流するのを防止する弁である。逃がし弁３４は、給水路２２内の水圧が高圧となった場合に、余分な圧力を放圧するための弁である。

給湯路２３は、貯湯タンク２１上部のお湯を給湯栓等に供給するための管路である。給湯路２３の上流側端部は、貯湯タンク２１の頂部に接続されている。また、第１循環路２４は、貯湯タンク２１の底部の水を貯湯タンク２１の上部に循環させるための管路である。第１循環路２４の上流側端部は、逆止弁３３と逃がし弁３４との間で、給水路２２に接続されおり、この給水路２２を介して貯湯タンク２１の底部に連通している。また、第１循環路２４の下流側端部は、ＢＵ水量センサ４４の上流側において、給湯路２３に接続されており、この給湯路２３を介して貯湯タンク２１の頂部に連通している。

第１循環路２４には、給水路２２側から循環比例弁４１及び循環ポンプ４２が設けられている。循環比例弁４１は、給水路２２から第１循環路２４に流入する水量を調節する弁である。循環ポンプ４２は、第１循環路２４内の水を、給水路２２側から給湯路２３の側に圧送するポンプである。

給湯路２３には、上流側から、バキュームブレーカ３９及び圧力逃し弁４０、ＢＵ水量センサ４４、ＢＵ入サーミスタ４５、補助熱源機４６、ＢＵ出サーミスタ４７、混合比例弁５６、並びに給湯サーミスタ６０が設けられている。

バキュームブレーカ３９は図示しない排水弁を開くことにより貯湯タンク２１の内圧が負圧になることを防ぐ弁である。また、圧力逃し弁４０は、熱回収による温度上昇によって貯湯タンク２１を含む給湯路２３内の水圧が高圧となったときに圧力を逃がすための機構である。

ＢＵ水量センサ４４は、補助熱源機４６に流入する水量を検出する水量センサである。ＢＵ入サーミスタ４５は、補助熱源機４６に流入する水（温水）の温度を検出する温度センサである。ＢＵ出サーミスタ４７は、補助熱源機４６から流出する給湯路２３内の水（温水）の温度を検出する温度センサである。

補助熱源機４６は、給湯路２３内の水を加熱するための熱交換器である。補助熱源機４６は、ファン４６ａ及びガスバーナ４６ｂを備えている。ガスバーナ４６ｂには、給湯器ガス供給路６８を通して、商用ガスが供給される。給湯器ガス供給路６８には、ガス供給弁６６が設けられており、このガス供給弁６６によってガスバーナ４６ｂに供給されるガスの量が調節される。

給湯器ガス供給路６８の上流側端部は、ガス供給路１２に接続されている。そして、ガス供給路１２に供給される商用ガスの流量は、マイコンメータ７０によって検出される。

混合比例弁５６は、給湯路２３の上流側から流入する温水と、混合水供給路２９から流入する水とを設定された比率で混合する混合弁である。混合水供給路２９の上流側端部は、給水水量センサ３２と逆止弁３３との間において給水路２２に接続されており、給水路２２に供給される水が直接この混合比例弁５６に送られる。尚、混合水供給路２９には逆流防止のための逆止弁５７が設けられている。

給湯サーミスタ６０は、給湯路２３から給湯栓等に出湯される温水の温度を検出するための温度センサである。

第２循環路２５は、風呂の追焚を行う際に、浴槽水に熱供給を行うための温水を循環させるための管路である。第２循環路２５の上流側端部は、ＢＵ出サーミスタ４７の下流側において給湯路２３に接続されており、この給湯路２３を介して補助熱源機４６の出口側に連通している。第２循環路２５の下流側端部は、循環比例弁４１と循環ポンプ４２との中間において第１循環路２４に接続され、さらに循環ポンプ４２の配設部分は第１循環路２４との共有流路部分となって、ＢＵ水量センサ４４の上流側において、給湯路２３に接続されている。そして、この給湯路２３を介して、補助熱源機４６の入口側に連通している。

第２循環路２５には、上流側から、風呂熱交換器４８、風呂弁４９及び循環ポンプ４２が設けられている。風呂熱交換器４８は、第２循環路２５内の温水と、浴槽水循環路２６を通して浴槽から循環される浴槽水との間で熱交換を行うための熱交換器である。風呂弁４９は、第２循環路２５の水流を止めたり流したりする切り替えを行う開閉弁である。

浴槽水循環路２６は、浴槽水を風呂熱交換器４８に循環させるための管路である。浴槽水循環路２６には、上流側から、水位センサ５１、風呂サーミスタ５２、風呂水流スイッチ５３、風呂熱交換器４８、及び風呂ポンプ５０が設けられている。

水位センサ５１は、図示しない浴槽内の水位を検出するためのセンサである。風呂サーミスタ５２は浴槽水の水温を検出するための温度センサである。風呂水流スイッチ５３は、浴槽水循環路２６に浴槽水が流れているか否かを検出する水流スイッチである。風呂ポンプ５０は、浴槽水循環路２６内に浴槽水を循環させるためのポンプである。

浴槽水給湯路２７は、浴槽に湯張りを行う際に浴槽へお湯を供給するための管路である。浴槽水給湯路２７の上流側端部は、給湯サーミスタ６０の下流側において、給湯路２３に接続されている。また、浴槽水給湯路２７の下流側端部は、風呂ポンプ５０の上流側において浴槽水循環路２６に接続されている。

浴槽水給湯路２７には、複合水弁５４が設けられている。複合水弁５４は、浴槽水給湯路２７の開閉を行う開閉弁５４ａ、湯張りで供給されるお湯の量を検出する湯張り水量センサ５４ｂ、及び浴槽水循環路２６から給湯路２３へ浴槽水が逆流することを防止する逆止弁５４ｃ，５４ｄを備えた複合弁である。

バイパス路２８は、混合水供給路２９と混合比例弁５６の上流側の給湯路２３との間をバイパスする管路である。バイパス路２８には高温出湯防止弁５９及び逆止弁５８が設けられている。高温出湯防止弁５９は通電時閉、非通電時開の電磁弁で、停電時混合比例弁５６の開度が調節できなくなったときでも、混合水供給路２９から混合比例弁５６の上流側の給湯路２３へ冷水を流入させ、図示しない給湯栓に高温のお湯が出ていくことを防ぐ。

背圧管２８ａは、排水弁５５のダイヤフラムの背圧側に給水圧をかけるための管である。給水が正常なときはダイヤフラムの背圧側に圧力がかかっているので排水弁５５は閉じており、浴槽水給湯路２７と排水弁５５の間は閉止状態である。断水になると背圧管２８ａは圧力０または負圧になるので排水弁５５はスプリングの力で開となり、仮に逆止弁５４ｃ、５４ｄが開いたままで故障したとしても浴槽水が給湯路２３に入り込むことを防ぐことができる。

制御盤６７は、給湯ユニット２全体の動作制御を行う制御回路である。

マイコンメータ７０は、都市ガス等の商用ガスからガス供給路１２を通して供給される全ガス供給流量を検出し、ガス漏れ等の異常を検知すると共に、異常時にはガスの供給を停止する安全装置である。

図２は、図１の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、マイコンメータ７０の誤動作防止機構のみを抜き出して表した機能ブロック図である。尚、図２において、循環比例弁４１，循環ポンプ４２，ＢＵ出サーミスタ４７，補助熱源機４６，風呂弁４９，ガス供給弁６６，制御盤６７，及びマイコンメータ７０は、図１の同符号を付したものに対応する。

制御盤６７は、消費ガス量変動化手段８１、沸騰防止手段８２、及びタイマ８３を備えている。消費ガス量変動化手段８１は、マイコンメータ７０（消費ガス量検出手段）が検出する消費ガス量の変動が一定時間以上所定の範囲内の場合、風呂弁４９を開弁し、循環ポンプ４２を起動させるとともに、補助熱源機４６のガスバーナ４６ｂを所定の時間だけ起動させる制御を行う。また、沸騰防止手段８２は、ＢＵ出サーミスタ４７の検出温度が所定の閾値未満の場合は、循環比例弁４１を閉止し、ＢＵ出サーミスタ４７の検出温度が所定の閾値以上となった場合、循環比例弁４１を開弁する制御を行う。

以上のように構成された本実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、以下、マイコンメータ７０の誤動作防止のための動作について説明する。

図３は、マイコンメータ７０の誤動作防止のための動作を表すフローチャートである。

まず、ステップＳ１において、消費ガス量変動化手段８１は、タイマ８３をリセットし０から計時を開始する。

次に、ステップＳ２において、消費ガス量変動化手段８１は、マイコンメータ７０が検出する原料ガスの流量Ｆを取得し、原料ガスの流量の変動が所定の閾値Ｆ１以下か否かを判定する。所定の閾値Ｆ１より大きい場合には、消費ガス量変動化手段８１は、タイマ８３をリセットし（Ｓ３）０から計時を開始し、ステップＳ２に戻る。所定の閾値Ｆ１以下の場合には、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４において、消費ガス量変動化手段８１は、タイマ８３の計測時間ｔが、閾値ｔ１に達したか否かを判定する。ここで、閾値ｔ１は、マイコンメータ７０の誤動作防止の処理を行うか否かを判定する基準となる時間である。ｔ１は、マイコンメータ７０が消費ガス量変動が閾値Ｆ１以下の状態が継続したときに、異常と判定し原料ガスの供給を遮断する時間よりも短い時間に設定される。計測時間ｔが、閾値ｔ１に達していない場合は、ステップＳ２に戻り、達した場合は次のステップＳ５に進む。

ステップＳ５〜Ｓ６において、消費ガス量変動化手段８１は、風呂弁４９を開弁し、循環ポンプ４２を起動する。これにより、循環ポンプ４２→第１循環路２４→給湯路２３→補助熱源機４６→第２循環路２５→第１循環路２４→循環ポンプ４２の閉回路を水が循環し始める。このとき、循環比例弁４１は閉止しており、貯湯タンク２１側の水は循環しない。これにより、補助熱源機４６の起動前に冷水が貯湯タンク２１の上部に送られることが防止される。

そして、ステップＳ７において、ガス供給弁６６を開弁しファン４６ａを起動しガスバーナ４６ｂを点火することによって、補助熱源機４６を起動する。これにより、ガスが消費され、マイコンメータ７０を流れるガスの流量が増加する。従って、マイコンメータ７０が誤って異常が発生したと判定する事態を回避することができる。

ステップＳ８において、消費ガス量変動化手段８１は、タイマ８３をリセットし、０から計時を開始させる。

ステップＳ９において、沸騰防止手段８２は、ＢＵ出サーミスタ４７が検出する水温Ｔが沸騰温度以下の所定の閾値温度Ｔ１以上となったか否かを判定する。閾値温度Ｔ１未満の場合は、次のステップＳ１１に進む。閾値温度Ｔ１以上の場合は、沸騰防止手段８２は、循環比例弁４１を開弁する（Ｓ１０）。これにより、循環ポンプ４２→第１循環路２４→給湯路２３→貯湯タンク２１→給水路２２→第１循環路２４→循環ポンプ４２の閉回路にも水が循環し始める。従って、貯湯タンク２１の下部の水が補助熱源機４６に送られると共に、補助熱源機４６により加熱された水は、貯湯タンク２１の上部に戻される。これによって、補助熱源機４６で供給される熱は、貯湯タンク２１に蓄熱される。

ステップＳ１１において、消費ガス量変動化手段８１は、タイマ８３の計測時間ｔが所定の閾値ｔ２に達したか否かを判定する。ｔ＜ｔ２の場合、ステップＳ９に戻る。ｔがｔ２に達した場合、次のステップＳ１２に進む。

ここで、閾値ｔ２は、マイコンメータ７０の誤動作防止のために、補助熱源機４６を起動させておく時間であり、あらかじめ５分程度に設定されている。

ステップＳ１２において、消費ガス量変動化手段８１は、ガス供給弁６６を閉止しガスバーナ４６ｂを消火する。尚、後沸きによる沸騰防止や排気を完全にする等のため、ファン４６ａはガスバーナ４６ｂを消火してから一定時間動作させた後に停止させる。

ステップＳ１３〜Ｓ１４において、消費ガス量変動化手段８１は、循環ポンプ４２を停止し、風呂弁４９及び循環比例弁４１を閉止する。これにより、水の循環は止まる。

以上の動作が終了すると、再びステップＳ１に戻り、同様の動作を繰り返す。

尚、本実施例では、ステップＳ５において、最初は循環比例弁４１を閉止した状態としたが、他の実施例として、ステップＳ５において最初から循環比例弁４１を開弁するようにすることもできる。この場合、ステップＳ９，Ｓ１０の動作は省略される。

以上のように、本実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステムによれば、一定の時間ｔ１の間、ガス流量の変動幅が所定の閾値Ｆ１以下の状態が継続すると、補助熱源機４６が起動されて、補助熱源機４６においてガスが消費され、マイコンメータ７０で検出されるガス流量に変動が与えられる。これにより、マイコンメータ７０が、ガス漏れが発生したと誤って検知することを防止できるので、燃料電池６を停止する必要がない。

また、給湯ユニット２内にもともと備えられている配管を用いており、新たな配管等を必要としないため、設置も容易に行うことができる。

更に、補助熱源機４６で生成される熱は、貯湯タンク２１に蓄熱され、給湯などに利用されるため、エネルギーの無駄な消費を極力抑えることも可能である。

図４は、本発明の実施例２に係る燃料電池コージェネレーションシステムの第１及び第２の循環路の接続構成を表す図である。

図２において、循環ポンプ４２，貯湯タンク２１，給水路２２，給湯路２３，循環比例弁４１，及び補助熱源機４６，ＢＵ出サーミスタ４７は、実施例１と同様である。

本実施例において、第１循環路２４は、一端が給水路２２とは独立に、貯湯タンク２１の底部に接続され、他端は給湯路２３を介して、貯湯タンク２１の頂部に接続されている。また、第２循環路２５は、実施例１と同様に、上流側端部がＢＵ出サーミスタ４７の下流側において給湯路２３に接続されており、この給湯路２３を介して補助熱源機４６の出口側に連通している。第２循環路２５の下流側端部は、貯湯タンク２１と循環ポンプ４２との中間において第１循環路２４に接続され、さらに循環ポンプ４２の部分が第１循環路２４との共有流路部分となって給湯路２３に接続されている。そして、この給湯路２３を介して、補助熱源機４６の入口側に連通している。

このような配管構成によっても、実施例１と同様の動作をさせることによって、同様の作用・効果を得ることができる。

図５は、本発明の実施例３に係る燃料電池コージェネレーションシステムの第１及び第２の循環路の接続構成を表す図である。

図５において、循環ポンプ４２，貯湯タンク２１，給水路２２，給湯路２３，及び補助熱源機４６，ＢＵ出サーミスタ４７は、実施例１と同様である。

本実施例において、第１循環路２４は、一端が給水路２２とは独立に、貯湯タンク２１の底部に接続され、他端は接続点Ｄにおいて給湯路２３に接続され、給湯路２３を介して、貯湯タンク２１の頂部に接続されている。

また、第２循環路２５は、実施例１と同様に、上流側端部がＢＵ出サーミスタ４７の下流側の接続点Ｅにおいて給湯路２３に接続されており、この給湯路２３を介して補助熱源機４６の出口側に連通している。第２循環路２５の下流側端部は、貯湯タンク２１と循環ポンプ４２との中間の接続点Ａにおいて第１循環路２４に接続され、さらに循環ポンプ４２の部分が第１循環路２４との共有流路部分となって、更にその下流側の接続点Ｂで第１循環路２４と再び分離して、接続点Ｃで給湯路２３に接続されている。そして、この給湯路２３を介して、補助熱源機４６の入口側に連通している。

給湯路２３の接続点Ｄと接続点Ｃとの間には開閉弁８４が設けられており、第１循環路２４の接続点Ｂと接続点Ｄとの間には、開閉弁８５が設けられている。

通常の給湯時には、開閉弁８４が開弁し開閉弁８５が閉止した状態にある。また、循環ポンプ４２を起動して第１循環路に水を循環させる循環運転時には、開閉弁８５が開弁し開閉弁８４が閉止した状態とされる。

このような配管構成によっても、実施例１と同様の動作をさせることによって、同様の作用・効果を得ることができる。

尚、本実施例３において、開閉弁８４，８５の代わりに、接続点Ｄの位置に三方弁を設けるようにしてもよい。

図６は、本発明の実施例４に係る燃料電池コージェネレーションシステムの第１及び第２の循環路の接続構成を表す図である。

図６において、循環ポンプ４２，貯湯タンク２１，給水路２２，給湯路２３，及び補助熱源機４６，ＢＵ出サーミスタ４７は、実施例１と同様である。

本実施例において、第１循環路２４の上流側端部は給水路２２に接続され、給水路２２を介して貯湯タンク２１の底部に接続されている。そして、第１循環路２４と給水路２２との接続点には、三方弁８６が配設されている。第１循環路２４の下流側端部は、接続点Ｂにおいて給湯路２３に接続され、この給湯路２３を介して貯湯タンク２１の頂部に接続されている。

また、第２循環路２５は、実施例１と同様に、上流側端部がＢＵ出サーミスタ４７の下流側の接続点Ｃにおいて給湯路２３に接続されており、この給湯路２３を介して補助熱源機４６の出口側に連通している。第２循環路２５の下流側端部は、貯湯タンク２１と循環ポンプ４２との中間の接続点Ａにおいて第１循環路２４に接続され、さらに循環ポンプ４２の部分が第１循環路２４との共有流路部分となって、更にその下流側の接続点Ｂで給湯路２３に接続されている。そして、この給湯路２３を介して、補助熱源機４６の入口側に連通している。

通常の給湯時には、三方弁８６がその両側の給水路２２を連通させた状態にある。また、循環ポンプ４２を起動して第１循環路に水を循環させる循環運転時には、三方弁８６が、第１循環路２４と、給湯タンク２１に接続した側の給水路２２とを連通させた状態とされる。

このような配管構成によっても、実施例１と同様の動作をさせることによって、同様の作用・効果を得ることができる。

本発明の実施例１に係る燃料電池コージェネレーションシステムの構成を表す図である。 図１の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、マイコンメータ７０の誤動作防止機構のみを抜き出して表した機能ブロック図である。 マイコンメータ７０の誤動作防止のための動作を表すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る燃料電池コージェネレーションシステムの第１及び第２の循環路の接続構成を表す図である。 本発明の実施例３に係る燃料電池コージェネレーションシステムの第１及び第２の循環路の接続構成を表す図である。 本発明の実施例４に係る燃料電池コージェネレーションシステムの第１及び第２の循環路の接続構成を表す図である。

符号の説明

１ 燃料電池ユニット
２ 給湯ユニット
３ ガス流量計
４ 流量調節弁
５ 改質器
５ａ 燃焼部
６ 燃料電池
７，８ 循環ポンプ
９ 排熱熱交換器
１０ 排熱循環路
１１ 熱回収路
１１ａ バイパス路
１２ ガス供給路
２１ 貯湯タンク
２２ 給水路
２３ 給湯路
２４ 第１循環路
２５ 第２循環路
２６ 浴槽水循環路
２７ 浴槽水給湯路
２８ バイパス路
２８ａ 背圧管
２９ 混合水供給路
３０ 減圧弁
３１ 給水サーミスタ
３２ 給水水量センサ
３３ 逆止弁
３４ 逃がし弁
３５，３６，３７，３８ 貯湯サーミスタ
３９ バキュームブレーカ
４０ 圧力逃し弁
４１ 循環比例弁（第１循環路調流手段）
４２ 循環ポンプ
４４ ＢＵ水量センサ
４５ ＢＵ入サーミスタ
４６ 補助熱源機
４６ａ ファン
４６ｂ ガスバーナ
４７ ＢＵ出サーミスタ
４８ 風呂熱交換器
４９ 風呂弁
５０ 風呂ポンプ
５１ 水位センサ
５２ 風呂サーミスタ
５３ 風呂水流スイッチ
５４ 複合水弁
５４ａ 開閉弁
５４ｂ 湯張り水量センサ
５４ｃ，５４ｄ 逆止弁
５５ 排水弁
５６ 混合比例弁
５７，５８ 逆止弁
５９ 高温出湯防止弁
６０ 給湯サーミスタ
６１ 排熱往きサーミスタ
６２ ラジエータ
６３ ラジエータ入サーミスタ
６４ バイパス三方弁
６５ 排熱戻りサーミスタ
６６ ガス供給弁
６７ 制御盤
６８ 給湯器ガス供給路
７０ マイコンメータ（消費ガス量検出手段）
８１ 消費ガス量変動化手段
８２ 沸騰防止手段
８３ タイマ
８４，８５ 開閉弁（第１循環路断通手段）
８６ 三方弁（第１循環路断通手段）

Claims (1)

1. 燃料電池の排熱を温水として回収し成層式の貯湯タンクに蓄熱するとともに、前記貯湯タンクに蓄熱された温水を給湯、暖房、または風呂の追焚に利用する燃料電池コージェネレーションシステムであって、
   前記貯湯タンクの下部と前記貯湯タンクの上部とに連通する第１の循環路と、
   上流側端部が前記第１の循環路に接続され、且つ該上流側端部が前記第１の循環路を介して前記貯湯タンクの上部に連通している給湯路と、
   前記給湯路上に配設され内部を通過する水をガス燃焼熱により加熱する補助熱源機と、
   上流側端部が前記給湯路の前記補助熱源機よりも下流側に接続され、下流側端部が前記第１の循環路の前記給湯路との接続点よりも前記貯湯タンクの下部に近い側に接続されており、これら両端部が前記第１の循環路及び前記給湯路を介して接続されることで循環経路を構成している第２の循環路と、
   前記第１の循環路上の、前記給湯路の接続点と前記第２の循環路の下流側端部の接続点との間に配設され、流路内の水を前記貯湯タンクの下部から上部に向かう方向に圧送する循環ポンプと、
   前記燃料電池及び前記補助熱源機において消費される全体の消費ガス量を検出する消費ガス量検出手段と、
   前記消費ガス量検出手段が検出する消費ガス量の変動が一定時間以上所定の範囲内の場合、前記循環ポンプを起動させるとともに、前記補助熱源機を所定の時間だけ起動する消費ガス量変動化手段と、
   前記第１の循環路を断通する第１循環路断通手段又は前記第１の循環路の流量を調節する第１循環路調流手段と、
   前記給湯路の前記補助熱源機の出口側に設けられ、前記補助熱源機を通過した水の水温を検出する温度センサと、
   沸騰防止手段と、を備え、
   前記消費ガス量変動化手段は、前記消費ガス量検出手段が検出する消費ガス量の変動が一定時間以上所定の範囲内の場合、前記第１循環路断通手段により前記第１の循環路を導通状態とし又は前記第１循環路調流手段により前記第１の循環路の流量を０より大きくなるように設定し、前記循環ポンプを起動させるとともに、前記補助熱源機を所定の時間だけ起動するものであり、
   沸騰防止手段は、前記温度センサの検出温度が所定の閾値未満の場合は、前記第１循環路断通手段又は第１循環路調流手段により前記第１の循環路を遮断状態とし、前記温度センサの検出温度が所定の閾値以上となった場合、前記第１循環路断通手段又は前記第１循環路調流手段により前記第１の循環路を導通状態とする制御を行う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。

Images