排熱回収システム
【課題】高温の熱媒を貯えることができ且つエネルギ効率の良好な排熱回収システムを提供する。
【解決手段】排熱回収システムが、蓄熱用タンクＴＮＫ１、ＴＮＫ２としての第１蓄熱用タンクＴＮＫ１及び第２蓄熱用タンクＴＮＫ２と、熱媒の流通形態を制御する制御手段Ｃとを備え、制御手段Ｃは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１から取り出した熱媒を熱交換部１へ流入させると共に、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている熱媒の温度、及び、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている熱媒の温度、及び、熱交換部１から流出する熱媒の温度のうちの少なくとも何れか一つの温度に応じて、熱交換部１から流出する熱媒を第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に流入させる第１蓄熱状態と、熱交換部１から流出する熱媒を第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に流入させる第２蓄熱状態とを切り替え可能に構成されている。
【解決手段】排熱回収システムが、蓄熱用タンクＴＮＫ１、ＴＮＫ２としての第１蓄熱用タンクＴＮＫ１及び第２蓄熱用タンクＴＮＫ２と、熱媒の流通形態を制御する制御手段Ｃとを備え、制御手段Ｃは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１から取り出した熱媒を熱交換部１へ流入させると共に、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている熱媒の温度、及び、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている熱媒の温度、及び、熱交換部１から流出する熱媒の温度のうちの少なくとも何れか一つの温度に応じて、熱交換部１から流出する熱媒を第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に流入させる第１蓄熱状態と、熱交換部１から流出する熱媒を第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に流入させる第２蓄熱状態とを切り替え可能に構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱媒を貯えることにより蓄熱可能な蓄熱用タンクを備え、燃料電池からの排熱が供給される熱交換部と蓄熱用タンクとの間で熱媒を流通させることで燃料電池の排熱を回収する排熱回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱源としての燃料電池から排熱を回収する排熱回収システムは従来から多数提案されている。しかし、熱源として内燃機関を利用した場合、排熱回収した後の熱媒は高温となるが、それに比べて燃料電池から排熱回収した後の熱媒の温度は相対的に低い。熱媒を貯える蓄熱用タンクの容量が同じであるならば、排熱回収した熱媒の温度が低い（即ち、蓄熱用タンクに貯えられる熱媒の温度が低い）ということは、蓄熱用タンクに貯えることのできる合計熱量が少なくなることを意味する。尚、蓄熱用タンクの容量を大きくすれば（即ち、低温の熱媒を大量に貯えておけば）合計熱量を大きくできるが、タンクが大型になってしまう。
【０００３】
一般的には、熱媒の温度が高いほど、その熱媒の用途が広がる点で好ましい。例えば、比較的低い熱媒温度である６０℃の熱媒であれば給湯用途などには使えるが、床暖房装置等の暖房用途やデシカント除加湿器などには使えないこともある。従って、熱媒の温度が低くても、上述したように大容量の蓄熱用タンクを用いれば蓄熱用タンクに貯えることのできる合計熱量を増大させることはできるものの、熱媒の用途が限定されるという問題は解消できない。
【０００４】
特許文献１には、燃料電池の排熱を回収する排熱回収システムが記載されている。この排熱回収システムは、高温（６０℃〜８０℃）の湯を貯留する貯湯槽と、低温（４０℃〜６０℃）の湯を貯留する貯湯槽という２つの貯湯槽を備える。燃料電池の熱交換部へは冷却水としての水道水を流入させ、燃料電池の熱交換部から流出される湯の温度が高い場合には高温用の貯湯槽へと移送し、或いは、燃料電池の熱交換部から流出される湯の温度が低い場合には低温用の貯湯槽へと移送している。高温用の貯湯槽には、湯の温度を６０℃以上に保つ保温手段（保温用ヒータなど）が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−７５３９０号公報（図１、段落００１９〜段落００２０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の排熱回収システムは、燃料電池の熱交換部へ比較的低温の水道水を流入させているため、燃料電池の熱交換部から流出される湯の温度が、所望の高温にまで高められない可能性が高い。特に、冬季には水道水の温度が非常に低くなるため、排熱量の小さい燃料電池でその低温の水道水を例えば８０℃の湯にすることは困難である。
【０００７】
加えて、特許文献１に記載の排熱回収システムは、保温用ヒータなどを用いて高温用の貯湯槽における湯の温度を高温域に保っている。つまり、この排熱回収システムは、燃料電池の排熱とは別に、エネルギを消費して高温の湯を得ていると言える。従って、排熱回収システムのエネルギ効率が低くなるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高温の熱媒を貯えることができ且つエネルギ効率の良好な排熱回収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】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明に係る排熱回収システムの特徴構成は、熱媒を貯えることにより蓄熱可能な蓄熱用タンクを備え、燃料電池からの排熱が供給される熱交換部と前記蓄熱用タンクとの間で前記熱媒を流通させることで前記燃料電池の排熱を回収する排熱回収システムであって、
前記蓄熱用タンクとしての第１蓄熱用タンク及び第２蓄熱用タンクと、前記熱媒の流通形態を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記第１蓄熱用タンクから取り出した前記熱媒を前記熱交換部へ流入させると共に、前記第１蓄熱用タンクに貯えられている前記熱媒の温度、及び、前記第２蓄熱用タンクに貯えられている前記熱媒の温度、及び、前記熱交換部から流出する前記熱媒の温度のうちの少なくとも何れか一つの温度に応じて、前記熱交換部から流出する前記熱媒を前記第１蓄熱用タンクに流入させる第１蓄熱状態と、前記熱交換部から流出する前記熱媒を前記第２蓄熱用タンクに流入させる第２蓄熱状態とを切り替え可能に構成されている点にある。
【００１０】
上記特徴構成によれば、第１蓄熱状態では、第１蓄熱用タンクから取り出した熱媒を燃料電池の熱交換部へ流入させると共に、燃料電池の熱交換部から流出する熱媒を第１蓄熱用タンクに再流入させる。つまり、第１蓄熱状態は、次に燃料電池の熱交換部へ流入することになる第１蓄熱用タンク内の熱媒の昇温を繰り返している状態であると見なせる。
また、第２蓄熱状態では、第１蓄熱用タンクから取り出した熱媒を燃料電池の熱交換部へ流入させると共に、燃料電池の熱交換部から流出する熱媒を第２蓄熱用タンクに流入させる。つまり、第２蓄熱状態は、第１蓄熱状態である程度昇温された第１蓄熱用タンク内の熱媒を燃料電池の熱交換部において更に昇温して第２蓄熱用タンクに貯えている状態であると見なせる。
以上のように、必要があれば第１蓄熱用タンクに蓄えている熱媒を第１蓄熱状態において燃料電池の排熱を利用して昇温した上で、第１蓄熱用タンクに貯えられている熱媒を燃料電池の排熱を利用して更に昇温して第２蓄熱用タンクに貯えることができる。従って、冬季など、上水の温度が低い状況であっても、エネルギを別途消費せずに燃料電池の排熱を利用して高温の熱媒を得ることができる。
従って、高温の熱媒を貯えることができ且つエネルギ効率の良好な排熱回収システムを提供できる。
【００１１】
本発明に係る排熱回収システムの別の特徴構成は、前記制御手段は、前記第１蓄熱用タンクに貯えられている前記熱媒のうち、取り出されて前記熱交換部へ流入される熱媒の温度が、前記第１蓄熱用タンクに貯えられる熱媒の目標温度である第１目標温度より高いときは前記第２蓄熱状態で蓄熱を行い、前記第１目標温度以下であるときは前記第１蓄熱状態で蓄熱を行う点にある。
【００１２】
上記特徴構成によれば、第１蓄熱用タンクに貯えられている熱媒のうち、取り出されて熱交換部へ流入される熱媒の温度が第１目標温度より高いか或いは第１目標温度以下であるかに応じて、上記第１蓄熱状態と上記第２蓄熱状態とが切り替えられる。
つまり、第２蓄熱用タンクに流入する熱媒は、第１蓄熱用タンクから取り出した第１目標温度より高い熱媒を燃料電池の熱交換部で更に昇温した熱媒となる。その結果、第２蓄熱用タンクには、第１目標温度よりも高温の熱媒を選択的に貯えることができる。
【００１３】
本発明に係る排熱回収システムの別の特徴構成は、前記制御手段は、前記第１蓄熱状態で蓄熱を行うとき、前記第１蓄熱用タンクの内部で前記熱媒を対流させる点にある。
【００１４】
第１蓄熱用タンクにおいて熱媒が温度成層を形成して貯えられる場合には、燃料電池の熱交換部で昇温された熱媒がその温度をほぼ維持しつつ第１蓄熱用タンクに貯えられる。つまり、温度が高い熱媒と温度が低い熱媒とが第１蓄熱用タンク内部で共存するので、第１蓄熱用タンク内部の全ての熱媒の温度が第１目標温度近くとなるには、第１蓄熱用タンク全体が温度の高い熱媒で置換されるまで待たなくてはならない。
ところが本特徴構成によれば、第１蓄熱用タンク内部で熱媒を対流させることで、第１蓄熱用タンク内部の熱媒の温度が全体的に均一化される。つまり、第１蓄熱状態において、燃料電池の熱交換部で昇温された熱媒が第１蓄熱用タンクの内部に流入したとき、低温の熱媒と混合されて第１蓄熱用タンク内部の熱媒の温度が全体的に上昇する。その結果、第１蓄熱用タンクの内部の全ての熱媒の温度を第１目標温度にまで相対的に早く上昇させることができる。
【００１５】
本発明に係る排熱回収システムの別の特徴構成は、前記制御手段は、前記第２蓄熱状態で蓄熱を行うとき、前記第２蓄熱用タンクに貯えられている低温側の前記熱媒を取り出して前記第１蓄熱用タンクへ流入させる点にある。
【００１６】
上記特徴構成によれば、第２蓄熱状態において、高温の熱媒を第２蓄熱用タンクに貯えつつ、第２蓄熱用タンクに貯えられている低温側の熱媒を第１蓄熱用タンクへ移送することで、第２蓄熱用タンクの内部の低温側の熱媒を高温の熱媒で置き換えることができる。また、第２蓄熱用タンクに貯えられている低温側の熱媒を第１蓄熱用タンクを用いて貯え続けることができる。このように、第２蓄熱用タンクから一部の熱媒を追い出さなければならなくなっても、その追い出された熱媒が有する熱量は廃棄されること無く第１蓄熱用タンクで貯え続けられる。その結果、エネルギ効率の低下が抑制される。
【００１７】
本発明に係る排熱回収システムの別の特徴構成は、前記制御手段は、前記第２蓄熱用タンクに貯えられている前記低温側の前記熱媒の温度が前記第１目標温度よりも高い第２目標温度以上であるときは、前記低温側の前記熱媒を、前記第１蓄熱用タンクの内部で温度成層を形成させながら前記第１蓄熱用タンクへ流入させる点にある。
【００１８】
上記特徴構成によれば、第２蓄熱用タンクに貯えられている低温側の熱媒を第１蓄熱用タンクを用いて貯え続けるに当たり、第２蓄熱用タンクに貯えられている低温側の熱媒の温度が第１目標温度よりも高い第２目標温度以上であるときは、その低温側の熱媒を、第１蓄熱用タンクの内部で温度成層を形成させながら第１蓄熱用タンクへ流入させる。つまり、第２目標温度以上の高温の熱媒を、第２蓄熱用タンクに加えて第１蓄熱用タンクにも貯留できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１蓄熱状態での熱媒の流通形態を示す図である。
【図２】第２蓄熱用タンクにおいて蓄熱量が満杯になっていないときの第２蓄熱状態での熱媒の流通形態を示す図である。
【図３】第２蓄熱用タンクにおいて蓄熱量が満杯になっているときの第２蓄熱状態での熱媒の流通形態を示す図である。
【図４】熱使用状態における熱媒の流通状態を示す図である。
【図５】排熱回収運転のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して第１実施形態に係る排熱回収システムについて説明する。
図１は排熱回収システムの構成を説明する図である。図示するように、排熱回収システムは、熱媒を貯えることにより蓄熱可能な蓄熱用タンクＴＮＫ１、ＴＮＫ２を備え、燃料電池ＦＣからの排熱が供給される熱交換部１と蓄熱用タンクＴＮＫ１、ＴＮＫ２との間で熱媒を流通させることで燃料電池ＦＣの排熱を回収する。本実施形態において、排熱回収システムは、蓄熱用タンクとしての第１蓄熱用タンクＴＮＫ１及び第２蓄熱用タンクＴＮＫ２と、熱媒の流通形態を制御する制御手段としての制御部Ｃとを備える。熱媒は例えば水である。本発明では燃料電池のタイプは制限されず、例えば、固体高分子形燃料電池や固体酸化物形燃料電池など様々なタイプの燃料電池を利用できる。
【００２１】
燃料電池ＦＣの熱交換部１へ直接供給されるのは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている熱媒である。つまり、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている熱媒が燃料電池ＦＣの熱交換部１へ直接供給されることはない。第１蓄熱用タンクＴＮＫ１と第２蓄熱用タンクＴＮＫ２との役割を比較すると、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１は比較的低温の熱媒を貯えるためのものであり、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２は比較的高温の熱媒を貯えるためのものである。
【００２２】
燃料電池ＦＣの熱交換部１と第１蓄熱用タンクＴＮＫ１と第２蓄熱用タンクＴＮＫ２との間には熱媒としての水が流通可能な流路Ｌ１〜Ｌ７が設置されている。流路Ｌ１は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部と燃料電池ＦＣの熱交換部１の流入口１ａとを接続する。流路Ｌ１の途中にはコントロールバルブＣＶ５が設けられている。流路Ｌ２は、燃料電池ＦＣの熱交換部１の流出口１ｂと第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部とを接続する。流路Ｌ２の途中にはコントロールバルブＣＶ１が設けられている。流路Ｌ３は、流路Ｌ２の途中と第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部とを接続する。具体的には、流路Ｌ３は、コントロールバルブＣＶ１において流路Ｌ２から分岐して、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部の接続部５に接続される。流路Ｌ３の途中には、コントロールバルブＣＶ１から第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に向かって、コントロールバルブＣＶ２とコントロールバルブＣＶ３とが順に設けられている。流路Ｌ４は、流路Ｌ３の途中と第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部とを接続する。具体的には、流路Ｌ４は、コントロールバルブＣＶ３において流路Ｌ３から分岐して、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部に至る。流路Ｌ５は、流路Ｌ３の途中と第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部とを接続する。具体的には、流路Ｌ５は、コントロールバルブＣＶ２において流路Ｌ３から分岐して、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部に至る。流路Ｌ６は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部と第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部とを接続する。流路Ｌ７は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部と流路Ｌ１の途中とを接続する。具体的には、流路Ｌ７は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部からコントロールバルブＣＶ５に至る。
【００２３】
排熱回収システムには、流路Ｌ８〜Ｌ１０も設置されている。流路Ｌ８は、上水の供給元と第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部とを接続する。流路Ｌ９は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２と水（熱媒）の給湯先及び熱利用先とを接続する。流路Ｌ１０は、流路Ｌ８の途中と流路Ｌ９の途中とを接続する。流路Ｌ１０の途中にはコントロールバルブＣＶ４が設けられている。具体的には、流路Ｌ１０は、流路Ｌ８の途中の分岐部３で分岐されて流路Ｌ９の途中の合流部４に至る。
【００２４】
図１では、コントロールバルブＣＶ１、ＣＶ２、ＣＶ３、ＣＶ５の三方の流路に対応する記号を「ａ」、「ｂ」、「ｃ」で示している。制御部Ｃは、コントロールバルブＣＶ１、ＣＶ２、ＣＶ３、ＣＶ５における熱媒の流通状態を「ａｂ流通状態」、「ａｃ流通状態」、「ｂｃ流通状態」、「ａｂｃ流通状態」の何れかに切り替えることができる。また、制御部Ｃは、コントロールバルブＣＶ４の開度を調節できる。図示は省略しているが、制御部Ｃによって流路中の熱媒の流通が調整される。
【００２５】
流路Ｌ９の途中にはバックアップボイラＢが設けられている。具体的には、バックアップボイラＢは、流路Ｌ９において合流部４よりも下流側に設けられている。バックアップボイラＢの動作は制御部Ｃが制御する。
【００２６】
熱媒が流通する各部には、熱媒の温度を測定する温度センサＴ１〜Ｔ７が設けられている。温度の測定結果は、制御部Ｃに送られる。温度センサＴ１は、流路Ｌ１の途中に設けられている。具体的には、燃料電池ＦＣの熱交換部１の流入口１ａの近傍の流路Ｌ１に設けられている。つまり、温度センサＴ１は、燃料電池ＦＣの熱交換部１に流入する直前の熱媒の温度を測定できる。温度センサＴ２は、流路Ｌ２の途中に設けられている。具体的には、燃料電池ＦＣの熱交換部１の流出口１ｂの近傍の流路Ｌ２に設けられている。つまり、温度センサＴ２は、燃料電池ＦＣの熱交換部１から流出した直後の熱媒の温度を測定できる。温度センサＴ３は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部（底部）に設けられている。つまり、温度センサＴ３は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の底部周辺に貯えられている熱媒の温度を測定できる。温度センサＴ４は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の中央部に設けられている。つまり、温度センサＴ４は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の中央部周辺に貯えられている熱媒の温度を測定できる。温度センサＴ５は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部（頂部）に設けられている。つまり、温度センサＴ５は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の頂部周辺に貯えられている熱媒の温度を測定できる。温度センサＴ６は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部（底部）に設けられている。つまり、温度センサＴ６は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の底部周辺に貯えられている熱媒の温度を測定できる。温度センサＴ７は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部（頂部）に設けられている。つまり、温度センサＴ７は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の頂部周辺に貯えられている熱媒の温度を測定できる。
【００２７】
次に、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１及び第２蓄熱用タンクＴＮＫ２への蓄熱について説明する。
本実施形態において、制御部Ｃは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１から取り出した熱媒を燃料電池ＦＣの熱交換部１へ流入させると共に、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている熱媒の温度、及び、第２蓄熱用タンクに貯えられている熱媒の温度に応じて、熱交換部から流出する熱媒を第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に流入させる第１蓄熱状態と、熱交換部１から流出する熱媒を第２蓄熱用タンクＴＮＫに流入させる第２蓄熱状態とを切り替え可能に構成されている。つまり、制御部Ｃは、燃料電池ＦＣの熱交換部１において熱媒を昇温はできるが充分に昇温できないときに第１蓄熱状態を実施し、燃料電池ＦＣの熱交換部１において熱媒を充分に昇温できるときに第２蓄熱状態を実施する。ここで、熱媒を充分に昇温できないとは、燃料電池ＦＣの熱交換部１において熱媒が回収できる熱量が不足していることに起因して昇温できないことを意味する。言い換えると、制御部Ｃは、充分に昇温されなかった熱媒を第１蓄熱用タンクＴＮＫ１へ貯え、充分に昇温された熱媒を第２蓄熱用タンクＴＮＫ２へ貯える。制御部Ｃは、例えば、燃料電池ＦＣの熱交換部１へ流入する熱媒の温度が約３７℃である場合に、熱交換部１から流出する熱媒の温度が約８５℃〜９０℃となるように制御している。
【００２８】
〔第１蓄熱状態〕
図１は、第１蓄熱状態での熱媒の流通形態を示す図である。図中では、太線で熱媒の流れを示す。
制御部Ｃは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１から取り出した熱媒を燃料電池ＦＣの熱交換部１へ流入させると共に、その熱交換部１から流出する熱媒を第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に流入させる第１蓄熱状態で燃料電池ＦＣの排熱回収を実施可能である。具体的には、制御部Ｃは、第１蓄熱状態において、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部から取り出した熱媒を燃料電池ＦＣの熱交換部１へ流入させると共に、燃料電池ＦＣの熱交換部１から流出する熱媒を第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部に流入させる。制御部Ｃは、このような形態で熱媒を流通させるため、コントロールバルブＣＶ１をａｃ流通状態に切り替え、コントロールバルブＣＶ２をａｂ流通状態に切り替え、コントロールバルブＣＶ３をａｂ流通状態に切り替え、コントロールバルブＣＶ５をａｃ流通状態に切り替える。
【００２９】
制御部Ｃが、第１蓄熱状態での蓄熱を行うのは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている熱媒のうち、取り出されて熱交換部１へ流入される熱媒の温度（図１において、温度センサＴ５で測定される温度）が第１目標温度以下であるときである。第１目標温度は第１蓄熱用タンクに貯えられる熱媒の目標温度である。熱交換部１へ流入される熱媒は燃料電池ＦＣを冷却する役割も担っているため、熱交換部１へ流入される熱媒の温度は低すぎないこと及び高すぎないことが求められる。従って、第１目標温度は燃料電池ＦＣを冷却できる例えば４０℃以下の温度（一例を挙げると３７℃）である。つまり、第１蓄熱状態において、燃料電池ＦＣの熱交換部１へ流入する熱媒は、温度が比較的低いものである。従って、熱交換部１から流出する熱媒の温度も高くならない。この状態は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に上水をそのまま供給した場合、常温の熱媒が第１目標温度近くまで昇温される状態を意味する。
【００３０】
第１蓄熱状態では、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部に貯えられている低温の熱媒が燃料電池ＦＣの熱交換部１において昇温された後、高温の熱媒として第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部に戻される。図１に示すように、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部の熱媒が流入する接続部５の近傍には整流板２が設けられている。そのため、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部の接続部５から流入した熱媒は上方向へと流れ、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の内部に対流を引き起こす。また、整流板２は接続部５と温度センサＴ３との間に設けられているので、接続部５に流入した熱媒の温度が温度センサＴ３の検出結果に対して直接的に影響を及ぼすことはない。以上のように、第１蓄熱状態で蓄熱を行っているとき、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の内部では熱媒の対流により第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の全体で熱媒の温度の均一化が図られた状態で全体的に温度が上昇し、一部の熱媒のみが高温になることはない。
【００３１】
〔第２蓄熱状態〕
（１）第２蓄熱用タンクＴＮＫ２において蓄熱量が満杯になっていない状態
図２は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２が満杯になる前の第２蓄熱状態での熱媒の流通形態を示す図である。
制御部Ｃは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１から取り出した熱媒を燃料電池ＦＣの熱交換部１へ流入させると共に、その熱交換部１から流出する熱媒を第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に流入させる第２蓄熱状態で燃料電池ＦＣの排熱回収を実施可能である。具体的には、制御部Ｃは、第２蓄熱状態において、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部から取り出した熱媒を燃料電池ＦＣの熱交換部１へ流入させると共に、燃料電池ＦＣの熱交換部１から流出する熱媒を第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部に流入させる。加えて、制御部Ｃは、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている低温側の熱媒の温度（図１において、温度センサＴ６で測定される温度）が上記第１目標温度よりも高い第２目標温度（例えば、８０℃）未満であるときは、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２において蓄熱量が満杯になっていない状態であると判定して、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている低温側の熱媒（本実施形態では、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部に貯えられている熱媒）を取り出して第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部へ流入させる。つまり、第２目標温度は、第２蓄熱タンクＴＮＫ２に貯えられる熱媒の目標温度である。制御部Ｃは、このような形態で熱媒を流通させるため、コントロールバルブＣＶ１をａｂ流通状態に切り替え、コントロールバルブＣＶ２をａｃ流通状態に切り替え、コントロールバルブＣＶ３をａｂ流通状態に切り替え、コントロールバルブＣＶ５をａｃ流通状態に切り替える。
【００３２】
制御部Ｃが、第２蓄熱状態で蓄熱を行うのは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている熱媒のうち、取り出されて熱交換部１へ流入される熱媒の温度（図１において、温度センサＴ５で測定される温度）が第１目標温度より高いときである。例えば、燃料電池ＦＣの熱交換部１へ流入する熱媒の温度が第１目標温度としての約３７℃である場合、熱交換部１から流出する熱媒の温度は例えば約８５℃〜９０℃となり、その熱媒が第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部に流入する。
【００３３】
第２蓄熱状態では、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部に貯えられているある程度高温の熱媒が燃料電池ＦＣの熱交換部１において昇温された後、更に高温の熱媒として第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部に流入される。第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の内部では、温度成層が形成されるように熱媒が貯えられる。このように、第２蓄熱状態では、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部からは低温側の熱媒が流出し、且つ、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部には高温の熱媒が流入する。その結果、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部から順に高温の熱媒が温度成層を形成しながら貯まり続け、最終的には、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の全体が高温の熱媒に入れ替わることになる。
【００３４】
（２）第２蓄熱用タンクＴＮＫ２において蓄熱量が満杯になっている状態
図３は、排熱回収システムの構成を説明する図であり、特に第２蓄熱用タンクＴＮＫ２が満杯になった後の第２蓄熱状態での熱媒の流通形態を示す図である。本実施形態において、制御部Ｃは、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている低温側の熱媒の温度（図１において、温度センサＴ６で測定される温度）が上記第１目標温度よりも高い第２目標温度（例えば、８０℃）以上であるときは、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の蓄熱量が満杯になったと判定する。
【００３５】
図２を参照して上述した場合と同様に、制御部Ｃは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１から取り出した熱媒を燃料電池ＦＣの熱交換部１へ流入させると共に、その熱交換部１から流出する熱媒を第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に流入させる第２蓄熱状態で燃料電池ＦＣの排熱回収を実施可能である。
更に、図３に示すように、制御部Ｃは、この第２蓄熱状態において第２蓄熱用タンクＴＮＫ２が満杯になったと判定したとき、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部から取り出した熱媒を燃料電池ＦＣの熱交換部１へ流入させると共に、燃料電池ＦＣの熱交換部１から流出する熱媒を第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部に流入させる。加えて、制御部Ｃは、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている低温側の熱媒（本実施形態では、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部に貯えられている熱媒）を取り出して、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部へ流入させる。これにより、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の内部では温度成層が形成される。制御部Ｃは、このような形態で熱媒を流通させるため、コントロールバルブＣＶ１をａｂ流通状態に切り替え、コントロールバルブＣＶ２をａｃ流通状態に切り替え、コントロールバルブＣＶ３をｂｃ流通状態に切り替え、コントロールバルブＣＶ５をａｂ流通状態に切り替える。
【００３６】
つまり、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２が満杯になった後は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部にも、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられていた高温の熱媒が移送されて貯えられ始める。このとき、燃料電池ＦＣの熱交換部１には、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部に貯えられている熱媒が供給される。
【００３７】
〔熱使用状態〕
上述した第１蓄熱状態及び第２蓄熱状態を実施している間、熱媒が、風呂やシャワーなどの給湯先や、デシカント除加湿器、床暖房装置などの高温水利用設備を含む熱利用先へ供給される熱使用状態が発生することもある。図４は、熱使用状態における熱媒の流通状態を示す図である。本実施形態では、給湯先及び熱利用先へは、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部に貯えられている熱媒が供給される。そして、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部から流路Ｌ９を介して給湯先及び熱利用先へ熱媒が供給されるのと同時に、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部から流路Ｌ６を介して第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部へと熱媒が補充され、更に、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部へ流路Ｌ８を介して上水が補充される。つまり、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２から減少した分の熱媒は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている高温側の熱媒によって補充される。また、制御部Ｃは、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２から流路Ｌ９を介して給湯先及び熱利用先に供給される熱媒の温度が所望の温度よりも高いときには、コントロールバルブＣＶ４の開度を調節して流路Ｌ９から流路Ｌ１０へ低温の上水を混入させることで熱媒の温度調節を行い、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２から流路Ｌ９を介して給湯先及び熱利用先に供給される熱媒の温度が所望の温度よりも低いときには、バックアップボイラＢを作動させて昇温することで熱媒の温度調節を行う。
【００３８】
〔運転停止条件〕
上述のように、第１蓄熱状態又は第２蓄熱状態で蓄熱が行われ、及び、熱使用が行われているとき、制御部Ｃは、運転停止条件が満たされると燃料電池ＦＣと排熱回収システムの運転を停止する。
本実施形態において、制御部Ｃは、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている低温側の熱媒の温度が上記第２目標温度よりも低い第３目標温度（例えば、７０℃）以上である状態において、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている低温側の熱媒の温度が第１目標温度になると、運転停止条件が満たされたと判定する。
【００３９】
上記運転停止条件において、前者の「第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている低温側の熱媒の温度が第３目標温度（例えば、７０℃）以上である状態」という条件は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２における蓄熱量が実質的に満杯であることを意味する。加えて、「第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている低温側の熱媒の温度が第３目標温度（例えば、７０℃）以上である状態」という条件は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２から第１蓄熱用タンクＴＮＫ１へ流入する熱媒の温度が第３目標温度以上という、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の第１目標温度から見て非常に高温であることを意味する。
【００４０】
上記運転停止条件において、後者の「第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている低温側の熱媒の温度が第１目標温度になる」という条件は、燃料電池ＦＣの熱交換部１に流入する熱媒の温度が第１目標温度になることを意味する。加えて、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２から第１蓄熱用タンクＴＮＫ１へ流入する熱媒の温度が第３目標温度以上という高温であるので、燃料電池ＦＣの熱交換部１に流入する熱媒の温度が第１目標温度より高い温度に昇温される状態（即ち、燃料電池ＦＣの冷却を有効に行えないおそれが生じる状態）となる。
【００４１】
以上のように、上記運転停止条件が満たされた状態で燃料電池ＦＣ及び排熱回収システムの運転を継続すると、燃料電池ＦＣの熱交換部１へは燃料電池ＦＣを冷却するには不適当な温度の熱媒が供給されることになる。従って、制御部Ｃは、上記運転停止条件が満たされたと判定すると、燃料電池ＦＣ及び排熱回収システムの運転を停止する。
【００４２】
〔排熱回収システムでの排熱回収運転〕
次に、図５を参照して、上記第１蓄熱状態及び上記第２蓄熱状態が組み合わされた排熱回収運転について説明する。図５は、排熱回収運転のフローチャートである。
工程＃１０において制御部Ｃは、温度センサＴ５の検出温度（第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている熱媒のうち、取り出されて熱交換部１へ流入される熱媒の温度）が第１目標温度より高いか否かを判定する。つまり、制御部Ｃは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１から燃料電池ＦＣの熱交換部１へ第１目標温度の熱媒を供給できる状態であるか否かを判定している。燃料電池ＦＣの熱交換部１へ第１目標温度の熱媒を供給した場合、燃料電池ＦＣの熱交換部１から流出する熱媒の温度が、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２への蓄熱に適した高温になる。つまり、工程＃１０では、制御部Ｃは、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２へ高温の熱媒を供給できる状態であるか否かを判定している。
【００４３】
制御部Ｃは、工程＃１０において温度センサＴ５の検出温度が第１目標温度以下であると判定した場合（工程＃１０において「Ｎｏ」の場合）、工程＃２０に移行して第１蓄熱状態で蓄熱を行う。その結果、燃料電池ＦＣの熱交換部１から流出した熱媒は第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に供給され、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の熱媒の昇温が行われる。このとき、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部から熱交換部１へ熱媒が移送される。その後、制御部Ｃはこのフローチャートの最初にリターンする。
【００４４】
制御部Ｃは、工程＃１０において温度センサＴ５の検出温度が第１目標温度より高いと判定した場合（工程＃１０において「Ｙｅｓ」の場合）、工程＃３０に移行して温度センサＴ６の検出温度（第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている低温側の熱媒の温度）が第２目標温度以上であるか否かを判定する。つまり、制御部Ｃは、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の蓄熱量が満杯状態であるか否かを判定する。
制御部Ｃは、工程＃３０において温度センサＴ６の検出温度が第２目標温度未満であると判定した場合（満杯でない場合）は工程＃４０に移行して、第２蓄熱状態で蓄熱を行う。ここでの第２蓄熱状態は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２において蓄熱量が満杯になっていないときの第２蓄熱状態であるので、図２に示したように、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部から第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部へ熱媒が移送され、及び、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部から燃料電池ＦＣの熱交換部１へ熱媒が移送される。
【００４５】
その後、工程＃５０において制御部Ｃは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の温度センサＴ３及びＴ４及びＴ５の全ての検出温度が第１目標温度以下であるか否かを判定する。もしも、第２蓄熱状態で蓄熱中であっても、上述した熱使用状態が発生すると第１蓄熱用タンクＴＮＫ１には上水が流入して、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の熱媒の温度が低下する可能性があるからである。特に、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の温度センサＴ３及びＴ４及びＴ５の全ての検出温度が第１目標温度以下になってしまうと、燃料電池ＦＣの熱交換部１に流入する熱媒の温度も第１目標温度以下になり、再度、第１蓄熱状態での蓄熱に切り替える必要が生じる。
従って、制御部Ｃは、温度センサＴ３及びＴ４及びＴ５の全ての検出温度が第１目標温度以下である場合（即ち、第１蓄熱状態での蓄熱が必要になる場合）にはフローチャートの始めにリターンし、温度センサＴ３及びＴ４及びＴ５の全ての検出温度が第１目標温度以下でない場合（未だ第１蓄熱状態での蓄熱は不要の場合）には工程＃３０へ戻る。
【００４６】
制御部Ｃは、工程＃３０において温度センサＴ６の検出温度が第２目標温度以上であると判定した場合（即ち、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の蓄熱量が満杯の場合）は工程＃６０に移行して、上述した運転停止条件は満たされているか否かを判定する。
制御部Ｃは、運転停止条件が満たされていると判定した場合、工程＃７０に移行して燃料電池ＦＣ及び排熱回収システムの運転を停止する。
【００４７】
制御部Ｃは、工程＃７０において燃料電池ＦＣ及び排熱回収システムの運転を停止した後、工程＃１００において、温度センサＴ６の検出温度が上記第２目標温度以下に設定される燃料電池起動条件温度未満であるか否かを判定する。上述したように、熱使用状態が発生した場合、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部から流路Ｌ９を介して給湯先及び熱利用先へ熱媒が供給されるのと同時に、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部から流路Ｌ６を介して第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部へと比較的低温の熱媒が補充されるため、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部に貯えられている熱媒の温度は低くなる。つまり、工程＃７０において一旦は運転停止条件が満たされたとしても、その後の熱使用状態の発生に伴って第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の蓄熱量が満杯ではなくなる、即ち、燃料電池ＦＣ及び排熱回収システムの運転再開が必要になることがある。
そこで、制御部Ｃは、温度センサＴ６の検出温度が燃料電池起動条件温度未満である場合は工程１１０に移行して燃料電池ＦＣを起動して、燃料電池ＦＣの排熱回収を再開する。この燃料電池起動条件温度は、例えば、４０℃である。
【００４８】
制御部Ｃは、工程＃６０において運転停止条件が満たされていないと判定した場合は工程＃８０に移行して、第２蓄熱状態で蓄熱を行う。ここでの第２蓄熱状態は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２において蓄熱量が実質的に満杯になっているときの第２蓄熱状態であるので、図３に示したように、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部から第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部へ熱媒が移送され、及び、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部から燃料電池ＦＣの熱交換部１へ熱媒が移送される。
その後、工程＃９０において制御部Ｃは、上述した工程＃５０の場合と同様に上記熱使用状態の発生を考慮して、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の温度センサＴ３及びＴ４及びＴ５の全ての検出温度が第１目標温度以下であるか否かを判定する。制御部Ｃは、温度センサＴ３及びＴ４及びＴ５の全ての検出温度が第１目標温度以下である場合にはフローチャートの始めにリターンし、温度センサＴ３及びＴ４及びＴ５の全ての検出温度が第１目標温度以下でない場合には工程＃６０へ戻る。
【００４９】
以上のように、本実施形態の排熱回収システムでは、必要があれば第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に蓄えている熱媒を第１蓄熱状態において燃料電池ＦＣの排熱を利用して昇温した上で、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている熱媒を燃料電池ＦＣの排熱を利用して更に昇温して第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えることができる。従って、冬季など、上水の温度が低い状況であっても、エネルギを別途消費せずに燃料電池ＦＣの排熱を利用して高温の熱媒を得ることができる。従って、高温の熱媒を貯えることができ且つエネルギ効率の良好な排熱回収システムを提供できる。
【００５０】
＜第２実施形態＞
第１実施形態では、制御部Ｃが、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている熱媒の温度、及び、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている熱媒の温度に応じて、第１蓄熱状態と第２蓄熱状態とを切り替え可能に構成されている例を説明したが、他の指標に応じて第１蓄熱状態と第２蓄熱状態とを切り替えてもよい。例えば、制御部Ｃが、燃料電池ＦＣの熱交換部１から流出する熱媒の温度に応じて、第１蓄熱状態と第２蓄熱状態とを切り替えてもよい。
【００５１】
具体的には、本実施形態では、図５の工程＃１０において制御部Ｃは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の温度センサＴ５で測定される温度が第１目標温度より高いか否かを判定するのではなく、燃料電池ＦＣの熱交換部１から流出する熱媒の温度が第５目標温度（例えば８０℃）より高いか否かを判定する。つまり、制御部Ｃは、燃料電池ＦＣの熱交換部１において熱媒が充分に昇温されていないときには第１蓄熱状態を実施し、燃料電池ＦＣの熱交換部１において熱媒が充分に昇温されているときには第２蓄熱状態を実施する。このような制御を行うことで、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に対して選択的に高温の熱媒を貯えることができる。
【００５２】
＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態において、運転停止条件は適宜変更可能である。
例えば、制御部Ｃが、図５の工程＃６０において燃料電池ＦＣの熱交換部１から熱媒が流出する流路Ｌ２の温度センサＴ２での検出温度が第４目標温度（例えば８０℃）未満になったときに運転停止条件が満たされたと判定するように変更してもよい。つまり、工程＃６０の段階は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の温度センサＴ６の検出温度が第２目標温度以上であると判定した後（即ち、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の蓄熱量が満杯であると判定した後）に第２蓄熱状態で蓄熱を継続している状態である。このように、例えば８０℃以上の熱媒で満杯になっている第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に対して、８０℃未満の熱媒が新たに流入すると、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の熱媒の温度が低下してしまう。従って、制御部Ｃは、上記運転停止条件が満たされたと判定すると、燃料電池ＦＣ及び排熱回収システムの運転を停止して、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の熱媒の温度低下を阻止する。
【００５３】
＜２＞
上記実施形態において、燃料電池ＦＣの熱交換部１と第１蓄熱用タンクＴＮＫ１と第２蓄熱用タンクＴＮＫ２とを接続する熱媒の流路の構成は適宜変更可能である。
【００５４】
＜３＞
上記実施形態において複数の目標温度の値を例示したが本発明はそれらの数値には限定されない。各目標温度の値は適宜設定可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、燃料電池の排熱を回収する排熱回収システムに利用できる。
【符号の説明】
【００５６】
１ 熱交換部
１ａ 流入口
１ｂ 流出口
ＦＣ 燃料電池
ＴＮＫ１ 第１蓄熱用タンク
ＴＮＫ２ 第２蓄熱用タンク
Ｃ 制御部（制御手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱媒を貯えることにより蓄熱可能な蓄熱用タンクを備え、燃料電池からの排熱が供給される熱交換部と蓄熱用タンクとの間で熱媒を流通させることで燃料電池の排熱を回収する排熱回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱源としての燃料電池から排熱を回収する排熱回収システムは従来から多数提案されている。しかし、熱源として内燃機関を利用した場合、排熱回収した後の熱媒は高温となるが、それに比べて燃料電池から排熱回収した後の熱媒の温度は相対的に低い。熱媒を貯える蓄熱用タンクの容量が同じであるならば、排熱回収した熱媒の温度が低い（即ち、蓄熱用タンクに貯えられる熱媒の温度が低い）ということは、蓄熱用タンクに貯えることのできる合計熱量が少なくなることを意味する。尚、蓄熱用タンクの容量を大きくすれば（即ち、低温の熱媒を大量に貯えておけば）合計熱量を大きくできるが、タンクが大型になってしまう。
【０００３】
一般的には、熱媒の温度が高いほど、その熱媒の用途が広がる点で好ましい。例えば、比較的低い熱媒温度である６０℃の熱媒であれば給湯用途などには使えるが、床暖房装置等の暖房用途やデシカント除加湿器などには使えないこともある。従って、熱媒の温度が低くても、上述したように大容量の蓄熱用タンクを用いれば蓄熱用タンクに貯えることのできる合計熱量を増大させることはできるものの、熱媒の用途が限定されるという問題は解消できない。
【０００４】
特許文献１には、燃料電池の排熱を回収する排熱回収システムが記載されている。この排熱回収システムは、高温（６０℃〜８０℃）の湯を貯留する貯湯槽と、低温（４０℃〜６０℃）の湯を貯留する貯湯槽という２つの貯湯槽を備える。燃料電池の熱交換部へは冷却水としての水道水を流入させ、燃料電池の熱交換部から流出される湯の温度が高い場合には高温用の貯湯槽へと移送し、或いは、燃料電池の熱交換部から流出される湯の温度が低い場合には低温用の貯湯槽へと移送している。高温用の貯湯槽には、湯の温度を６０℃以上に保つ保温手段（保温用ヒータなど）が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−７５３９０号公報（図１、段落００１９〜段落００２０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の排熱回収システムは、燃料電池の熱交換部へ比較的低温の水道水を流入させているため、燃料電池の熱交換部から流出される湯の温度が、所望の高温にまで高められない可能性が高い。特に、冬季には水道水の温度が非常に低くなるため、排熱量の小さい燃料電池でその低温の水道水を例えば８０℃の湯にすることは困難である。
【０００７】
加えて、特許文献１に記載の排熱回収システムは、保温用ヒータなどを用いて高温用の貯湯槽における湯の温度を高温域に保っている。つまり、この排熱回収システムは、燃料電池の排熱とは別に、エネルギを消費して高温の湯を得ていると言える。従って、排熱回収システムのエネルギ効率が低くなるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高温の熱媒を貯えることができ且つエネルギ効率の良好な排熱回収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】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明に係る排熱回収システムの特徴構成は、熱媒を貯えることにより蓄熱可能な蓄熱用タンクを備え、燃料電池からの排熱が供給される熱交換部と前記蓄熱用タンクとの間で前記熱媒を流通させることで前記燃料電池の排熱を回収する排熱回収システムであって、
前記蓄熱用タンクとしての第１蓄熱用タンク及び第２蓄熱用タンクと、前記熱媒の流通形態を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記第１蓄熱用タンクから取り出した前記熱媒を前記熱交換部へ流入させると共に、前記第１蓄熱用タンクに貯えられている前記熱媒の温度、及び、前記第２蓄熱用タンクに貯えられている前記熱媒の温度、及び、前記熱交換部から流出する前記熱媒の温度のうちの少なくとも何れか一つの温度に応じて、前記熱交換部から流出する前記熱媒を前記第１蓄熱用タンクに流入させる第１蓄熱状態と、前記熱交換部から流出する前記熱媒を前記第２蓄熱用タンクに流入させる第２蓄熱状態とを切り替え可能に構成されている点にある。
【００１０】
上記特徴構成によれば、第１蓄熱状態では、第１蓄熱用タンクから取り出した熱媒を燃料電池の熱交換部へ流入させると共に、燃料電池の熱交換部から流出する熱媒を第１蓄熱用タンクに再流入させる。つまり、第１蓄熱状態は、次に燃料電池の熱交換部へ流入することになる第１蓄熱用タンク内の熱媒の昇温を繰り返している状態であると見なせる。
また、第２蓄熱状態では、第１蓄熱用タンクから取り出した熱媒を燃料電池の熱交換部へ流入させると共に、燃料電池の熱交換部から流出する熱媒を第２蓄熱用タンクに流入させる。つまり、第２蓄熱状態は、第１蓄熱状態である程度昇温された第１蓄熱用タンク内の熱媒を燃料電池の熱交換部において更に昇温して第２蓄熱用タンクに貯えている状態であると見なせる。
以上のように、必要があれば第１蓄熱用タンクに蓄えている熱媒を第１蓄熱状態において燃料電池の排熱を利用して昇温した上で、第１蓄熱用タンクに貯えられている熱媒を燃料電池の排熱を利用して更に昇温して第２蓄熱用タンクに貯えることができる。従って、冬季など、上水の温度が低い状況であっても、エネルギを別途消費せずに燃料電池の排熱を利用して高温の熱媒を得ることができる。
従って、高温の熱媒を貯えることができ且つエネルギ効率の良好な排熱回収システムを提供できる。
【００１１】
本発明に係る排熱回収システムの別の特徴構成は、前記制御手段は、前記第１蓄熱用タンクに貯えられている前記熱媒のうち、取り出されて前記熱交換部へ流入される熱媒の温度が、前記第１蓄熱用タンクに貯えられる熱媒の目標温度である第１目標温度より高いときは前記第２蓄熱状態で蓄熱を行い、前記第１目標温度以下であるときは前記第１蓄熱状態で蓄熱を行う点にある。
【００１２】
上記特徴構成によれば、第１蓄熱用タンクに貯えられている熱媒のうち、取り出されて熱交換部へ流入される熱媒の温度が第１目標温度より高いか或いは第１目標温度以下であるかに応じて、上記第１蓄熱状態と上記第２蓄熱状態とが切り替えられる。
つまり、第２蓄熱用タンクに流入する熱媒は、第１蓄熱用タンクから取り出した第１目標温度より高い熱媒を燃料電池の熱交換部で更に昇温した熱媒となる。その結果、第２蓄熱用タンクには、第１目標温度よりも高温の熱媒を選択的に貯えることができる。
【００１３】
本発明に係る排熱回収システムの別の特徴構成は、前記制御手段は、前記第１蓄熱状態で蓄熱を行うとき、前記第１蓄熱用タンクの内部で前記熱媒を対流させる点にある。
【００１４】
第１蓄熱用タンクにおいて熱媒が温度成層を形成して貯えられる場合には、燃料電池の熱交換部で昇温された熱媒がその温度をほぼ維持しつつ第１蓄熱用タンクに貯えられる。つまり、温度が高い熱媒と温度が低い熱媒とが第１蓄熱用タンク内部で共存するので、第１蓄熱用タンク内部の全ての熱媒の温度が第１目標温度近くとなるには、第１蓄熱用タンク全体が温度の高い熱媒で置換されるまで待たなくてはならない。
ところが本特徴構成によれば、第１蓄熱用タンク内部で熱媒を対流させることで、第１蓄熱用タンク内部の熱媒の温度が全体的に均一化される。つまり、第１蓄熱状態において、燃料電池の熱交換部で昇温された熱媒が第１蓄熱用タンクの内部に流入したとき、低温の熱媒と混合されて第１蓄熱用タンク内部の熱媒の温度が全体的に上昇する。その結果、第１蓄熱用タンクの内部の全ての熱媒の温度を第１目標温度にまで相対的に早く上昇させることができる。
【００１５】
本発明に係る排熱回収システムの別の特徴構成は、前記制御手段は、前記第２蓄熱状態で蓄熱を行うとき、前記第２蓄熱用タンクに貯えられている低温側の前記熱媒を取り出して前記第１蓄熱用タンクへ流入させる点にある。
【００１６】
上記特徴構成によれば、第２蓄熱状態において、高温の熱媒を第２蓄熱用タンクに貯えつつ、第２蓄熱用タンクに貯えられている低温側の熱媒を第１蓄熱用タンクへ移送することで、第２蓄熱用タンクの内部の低温側の熱媒を高温の熱媒で置き換えることができる。また、第２蓄熱用タンクに貯えられている低温側の熱媒を第１蓄熱用タンクを用いて貯え続けることができる。このように、第２蓄熱用タンクから一部の熱媒を追い出さなければならなくなっても、その追い出された熱媒が有する熱量は廃棄されること無く第１蓄熱用タンクで貯え続けられる。その結果、エネルギ効率の低下が抑制される。
【００１７】
本発明に係る排熱回収システムの別の特徴構成は、前記制御手段は、前記第２蓄熱用タンクに貯えられている前記低温側の前記熱媒の温度が前記第１目標温度よりも高い第２目標温度以上であるときは、前記低温側の前記熱媒を、前記第１蓄熱用タンクの内部で温度成層を形成させながら前記第１蓄熱用タンクへ流入させる点にある。
【００１８】
上記特徴構成によれば、第２蓄熱用タンクに貯えられている低温側の熱媒を第１蓄熱用タンクを用いて貯え続けるに当たり、第２蓄熱用タンクに貯えられている低温側の熱媒の温度が第１目標温度よりも高い第２目標温度以上であるときは、その低温側の熱媒を、第１蓄熱用タンクの内部で温度成層を形成させながら第１蓄熱用タンクへ流入させる。つまり、第２目標温度以上の高温の熱媒を、第２蓄熱用タンクに加えて第１蓄熱用タンクにも貯留できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１蓄熱状態での熱媒の流通形態を示す図である。
【図２】第２蓄熱用タンクにおいて蓄熱量が満杯になっていないときの第２蓄熱状態での熱媒の流通形態を示す図である。
【図３】第２蓄熱用タンクにおいて蓄熱量が満杯になっているときの第２蓄熱状態での熱媒の流通形態を示す図である。
【図４】熱使用状態における熱媒の流通状態を示す図である。
【図５】排熱回収運転のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して第１実施形態に係る排熱回収システムについて説明する。
図１は排熱回収システムの構成を説明する図である。図示するように、排熱回収システムは、熱媒を貯えることにより蓄熱可能な蓄熱用タンクＴＮＫ１、ＴＮＫ２を備え、燃料電池ＦＣからの排熱が供給される熱交換部１と蓄熱用タンクＴＮＫ１、ＴＮＫ２との間で熱媒を流通させることで燃料電池ＦＣの排熱を回収する。本実施形態において、排熱回収システムは、蓄熱用タンクとしての第１蓄熱用タンクＴＮＫ１及び第２蓄熱用タンクＴＮＫ２と、熱媒の流通形態を制御する制御手段としての制御部Ｃとを備える。熱媒は例えば水である。本発明では燃料電池のタイプは制限されず、例えば、固体高分子形燃料電池や固体酸化物形燃料電池など様々なタイプの燃料電池を利用できる。
【００２１】
燃料電池ＦＣの熱交換部１へ直接供給されるのは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている熱媒である。つまり、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている熱媒が燃料電池ＦＣの熱交換部１へ直接供給されることはない。第１蓄熱用タンクＴＮＫ１と第２蓄熱用タンクＴＮＫ２との役割を比較すると、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１は比較的低温の熱媒を貯えるためのものであり、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２は比較的高温の熱媒を貯えるためのものである。
【００２２】
燃料電池ＦＣの熱交換部１と第１蓄熱用タンクＴＮＫ１と第２蓄熱用タンクＴＮＫ２との間には熱媒としての水が流通可能な流路Ｌ１〜Ｌ７が設置されている。流路Ｌ１は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部と燃料電池ＦＣの熱交換部１の流入口１ａとを接続する。流路Ｌ１の途中にはコントロールバルブＣＶ５が設けられている。流路Ｌ２は、燃料電池ＦＣの熱交換部１の流出口１ｂと第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部とを接続する。流路Ｌ２の途中にはコントロールバルブＣＶ１が設けられている。流路Ｌ３は、流路Ｌ２の途中と第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部とを接続する。具体的には、流路Ｌ３は、コントロールバルブＣＶ１において流路Ｌ２から分岐して、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部の接続部５に接続される。流路Ｌ３の途中には、コントロールバルブＣＶ１から第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に向かって、コントロールバルブＣＶ２とコントロールバルブＣＶ３とが順に設けられている。流路Ｌ４は、流路Ｌ３の途中と第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部とを接続する。具体的には、流路Ｌ４は、コントロールバルブＣＶ３において流路Ｌ３から分岐して、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部に至る。流路Ｌ５は、流路Ｌ３の途中と第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部とを接続する。具体的には、流路Ｌ５は、コントロールバルブＣＶ２において流路Ｌ３から分岐して、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部に至る。流路Ｌ６は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部と第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部とを接続する。流路Ｌ７は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部と流路Ｌ１の途中とを接続する。具体的には、流路Ｌ７は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部からコントロールバルブＣＶ５に至る。
【００２３】
排熱回収システムには、流路Ｌ８〜Ｌ１０も設置されている。流路Ｌ８は、上水の供給元と第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部とを接続する。流路Ｌ９は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２と水（熱媒）の給湯先及び熱利用先とを接続する。流路Ｌ１０は、流路Ｌ８の途中と流路Ｌ９の途中とを接続する。流路Ｌ１０の途中にはコントロールバルブＣＶ４が設けられている。具体的には、流路Ｌ１０は、流路Ｌ８の途中の分岐部３で分岐されて流路Ｌ９の途中の合流部４に至る。
【００２４】
図１では、コントロールバルブＣＶ１、ＣＶ２、ＣＶ３、ＣＶ５の三方の流路に対応する記号を「ａ」、「ｂ」、「ｃ」で示している。制御部Ｃは、コントロールバルブＣＶ１、ＣＶ２、ＣＶ３、ＣＶ５における熱媒の流通状態を「ａｂ流通状態」、「ａｃ流通状態」、「ｂｃ流通状態」、「ａｂｃ流通状態」の何れかに切り替えることができる。また、制御部Ｃは、コントロールバルブＣＶ４の開度を調節できる。図示は省略しているが、制御部Ｃによって流路中の熱媒の流通が調整される。
【００２５】
流路Ｌ９の途中にはバックアップボイラＢが設けられている。具体的には、バックアップボイラＢは、流路Ｌ９において合流部４よりも下流側に設けられている。バックアップボイラＢの動作は制御部Ｃが制御する。
【００２６】
熱媒が流通する各部には、熱媒の温度を測定する温度センサＴ１〜Ｔ７が設けられている。温度の測定結果は、制御部Ｃに送られる。温度センサＴ１は、流路Ｌ１の途中に設けられている。具体的には、燃料電池ＦＣの熱交換部１の流入口１ａの近傍の流路Ｌ１に設けられている。つまり、温度センサＴ１は、燃料電池ＦＣの熱交換部１に流入する直前の熱媒の温度を測定できる。温度センサＴ２は、流路Ｌ２の途中に設けられている。具体的には、燃料電池ＦＣの熱交換部１の流出口１ｂの近傍の流路Ｌ２に設けられている。つまり、温度センサＴ２は、燃料電池ＦＣの熱交換部１から流出した直後の熱媒の温度を測定できる。温度センサＴ３は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部（底部）に設けられている。つまり、温度センサＴ３は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の底部周辺に貯えられている熱媒の温度を測定できる。温度センサＴ４は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の中央部に設けられている。つまり、温度センサＴ４は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の中央部周辺に貯えられている熱媒の温度を測定できる。温度センサＴ５は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部（頂部）に設けられている。つまり、温度センサＴ５は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の頂部周辺に貯えられている熱媒の温度を測定できる。温度センサＴ６は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部（底部）に設けられている。つまり、温度センサＴ６は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の底部周辺に貯えられている熱媒の温度を測定できる。温度センサＴ７は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部（頂部）に設けられている。つまり、温度センサＴ７は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の頂部周辺に貯えられている熱媒の温度を測定できる。
【００２７】
次に、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１及び第２蓄熱用タンクＴＮＫ２への蓄熱について説明する。
本実施形態において、制御部Ｃは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１から取り出した熱媒を燃料電池ＦＣの熱交換部１へ流入させると共に、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている熱媒の温度、及び、第２蓄熱用タンクに貯えられている熱媒の温度に応じて、熱交換部から流出する熱媒を第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に流入させる第１蓄熱状態と、熱交換部１から流出する熱媒を第２蓄熱用タンクＴＮＫに流入させる第２蓄熱状態とを切り替え可能に構成されている。つまり、制御部Ｃは、燃料電池ＦＣの熱交換部１において熱媒を昇温はできるが充分に昇温できないときに第１蓄熱状態を実施し、燃料電池ＦＣの熱交換部１において熱媒を充分に昇温できるときに第２蓄熱状態を実施する。ここで、熱媒を充分に昇温できないとは、燃料電池ＦＣの熱交換部１において熱媒が回収できる熱量が不足していることに起因して昇温できないことを意味する。言い換えると、制御部Ｃは、充分に昇温されなかった熱媒を第１蓄熱用タンクＴＮＫ１へ貯え、充分に昇温された熱媒を第２蓄熱用タンクＴＮＫ２へ貯える。制御部Ｃは、例えば、燃料電池ＦＣの熱交換部１へ流入する熱媒の温度が約３７℃である場合に、熱交換部１から流出する熱媒の温度が約８５℃〜９０℃となるように制御している。
【００２８】
〔第１蓄熱状態〕
図１は、第１蓄熱状態での熱媒の流通形態を示す図である。図中では、太線で熱媒の流れを示す。
制御部Ｃは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１から取り出した熱媒を燃料電池ＦＣの熱交換部１へ流入させると共に、その熱交換部１から流出する熱媒を第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に流入させる第１蓄熱状態で燃料電池ＦＣの排熱回収を実施可能である。具体的には、制御部Ｃは、第１蓄熱状態において、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部から取り出した熱媒を燃料電池ＦＣの熱交換部１へ流入させると共に、燃料電池ＦＣの熱交換部１から流出する熱媒を第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部に流入させる。制御部Ｃは、このような形態で熱媒を流通させるため、コントロールバルブＣＶ１をａｃ流通状態に切り替え、コントロールバルブＣＶ２をａｂ流通状態に切り替え、コントロールバルブＣＶ３をａｂ流通状態に切り替え、コントロールバルブＣＶ５をａｃ流通状態に切り替える。
【００２９】
制御部Ｃが、第１蓄熱状態での蓄熱を行うのは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている熱媒のうち、取り出されて熱交換部１へ流入される熱媒の温度（図１において、温度センサＴ５で測定される温度）が第１目標温度以下であるときである。第１目標温度は第１蓄熱用タンクに貯えられる熱媒の目標温度である。熱交換部１へ流入される熱媒は燃料電池ＦＣを冷却する役割も担っているため、熱交換部１へ流入される熱媒の温度は低すぎないこと及び高すぎないことが求められる。従って、第１目標温度は燃料電池ＦＣを冷却できる例えば４０℃以下の温度（一例を挙げると３７℃）である。つまり、第１蓄熱状態において、燃料電池ＦＣの熱交換部１へ流入する熱媒は、温度が比較的低いものである。従って、熱交換部１から流出する熱媒の温度も高くならない。この状態は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に上水をそのまま供給した場合、常温の熱媒が第１目標温度近くまで昇温される状態を意味する。
【００３０】
第１蓄熱状態では、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部に貯えられている低温の熱媒が燃料電池ＦＣの熱交換部１において昇温された後、高温の熱媒として第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部に戻される。図１に示すように、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部の熱媒が流入する接続部５の近傍には整流板２が設けられている。そのため、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部の接続部５から流入した熱媒は上方向へと流れ、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の内部に対流を引き起こす。また、整流板２は接続部５と温度センサＴ３との間に設けられているので、接続部５に流入した熱媒の温度が温度センサＴ３の検出結果に対して直接的に影響を及ぼすことはない。以上のように、第１蓄熱状態で蓄熱を行っているとき、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の内部では熱媒の対流により第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の全体で熱媒の温度の均一化が図られた状態で全体的に温度が上昇し、一部の熱媒のみが高温になることはない。
【００３１】
〔第２蓄熱状態〕
（１）第２蓄熱用タンクＴＮＫ２において蓄熱量が満杯になっていない状態
図２は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２が満杯になる前の第２蓄熱状態での熱媒の流通形態を示す図である。
制御部Ｃは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１から取り出した熱媒を燃料電池ＦＣの熱交換部１へ流入させると共に、その熱交換部１から流出する熱媒を第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に流入させる第２蓄熱状態で燃料電池ＦＣの排熱回収を実施可能である。具体的には、制御部Ｃは、第２蓄熱状態において、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部から取り出した熱媒を燃料電池ＦＣの熱交換部１へ流入させると共に、燃料電池ＦＣの熱交換部１から流出する熱媒を第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部に流入させる。加えて、制御部Ｃは、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている低温側の熱媒の温度（図１において、温度センサＴ６で測定される温度）が上記第１目標温度よりも高い第２目標温度（例えば、８０℃）未満であるときは、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２において蓄熱量が満杯になっていない状態であると判定して、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている低温側の熱媒（本実施形態では、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部に貯えられている熱媒）を取り出して第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部へ流入させる。つまり、第２目標温度は、第２蓄熱タンクＴＮＫ２に貯えられる熱媒の目標温度である。制御部Ｃは、このような形態で熱媒を流通させるため、コントロールバルブＣＶ１をａｂ流通状態に切り替え、コントロールバルブＣＶ２をａｃ流通状態に切り替え、コントロールバルブＣＶ３をａｂ流通状態に切り替え、コントロールバルブＣＶ５をａｃ流通状態に切り替える。
【００３２】
制御部Ｃが、第２蓄熱状態で蓄熱を行うのは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている熱媒のうち、取り出されて熱交換部１へ流入される熱媒の温度（図１において、温度センサＴ５で測定される温度）が第１目標温度より高いときである。例えば、燃料電池ＦＣの熱交換部１へ流入する熱媒の温度が第１目標温度としての約３７℃である場合、熱交換部１から流出する熱媒の温度は例えば約８５℃〜９０℃となり、その熱媒が第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部に流入する。
【００３３】
第２蓄熱状態では、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部に貯えられているある程度高温の熱媒が燃料電池ＦＣの熱交換部１において昇温された後、更に高温の熱媒として第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部に流入される。第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の内部では、温度成層が形成されるように熱媒が貯えられる。このように、第２蓄熱状態では、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部からは低温側の熱媒が流出し、且つ、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部には高温の熱媒が流入する。その結果、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部から順に高温の熱媒が温度成層を形成しながら貯まり続け、最終的には、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の全体が高温の熱媒に入れ替わることになる。
【００３４】
（２）第２蓄熱用タンクＴＮＫ２において蓄熱量が満杯になっている状態
図３は、排熱回収システムの構成を説明する図であり、特に第２蓄熱用タンクＴＮＫ２が満杯になった後の第２蓄熱状態での熱媒の流通形態を示す図である。本実施形態において、制御部Ｃは、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている低温側の熱媒の温度（図１において、温度センサＴ６で測定される温度）が上記第１目標温度よりも高い第２目標温度（例えば、８０℃）以上であるときは、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の蓄熱量が満杯になったと判定する。
【００３５】
図２を参照して上述した場合と同様に、制御部Ｃは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１から取り出した熱媒を燃料電池ＦＣの熱交換部１へ流入させると共に、その熱交換部１から流出する熱媒を第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に流入させる第２蓄熱状態で燃料電池ＦＣの排熱回収を実施可能である。
更に、図３に示すように、制御部Ｃは、この第２蓄熱状態において第２蓄熱用タンクＴＮＫ２が満杯になったと判定したとき、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部から取り出した熱媒を燃料電池ＦＣの熱交換部１へ流入させると共に、燃料電池ＦＣの熱交換部１から流出する熱媒を第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部に流入させる。加えて、制御部Ｃは、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている低温側の熱媒（本実施形態では、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部に貯えられている熱媒）を取り出して、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部へ流入させる。これにより、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の内部では温度成層が形成される。制御部Ｃは、このような形態で熱媒を流通させるため、コントロールバルブＣＶ１をａｂ流通状態に切り替え、コントロールバルブＣＶ２をａｃ流通状態に切り替え、コントロールバルブＣＶ３をｂｃ流通状態に切り替え、コントロールバルブＣＶ５をａｂ流通状態に切り替える。
【００３６】
つまり、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２が満杯になった後は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部にも、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられていた高温の熱媒が移送されて貯えられ始める。このとき、燃料電池ＦＣの熱交換部１には、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部に貯えられている熱媒が供給される。
【００３７】
〔熱使用状態〕
上述した第１蓄熱状態及び第２蓄熱状態を実施している間、熱媒が、風呂やシャワーなどの給湯先や、デシカント除加湿器、床暖房装置などの高温水利用設備を含む熱利用先へ供給される熱使用状態が発生することもある。図４は、熱使用状態における熱媒の流通状態を示す図である。本実施形態では、給湯先及び熱利用先へは、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部に貯えられている熱媒が供給される。そして、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部から流路Ｌ９を介して給湯先及び熱利用先へ熱媒が供給されるのと同時に、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部から流路Ｌ６を介して第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部へと熱媒が補充され、更に、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部へ流路Ｌ８を介して上水が補充される。つまり、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２から減少した分の熱媒は、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている高温側の熱媒によって補充される。また、制御部Ｃは、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２から流路Ｌ９を介して給湯先及び熱利用先に供給される熱媒の温度が所望の温度よりも高いときには、コントロールバルブＣＶ４の開度を調節して流路Ｌ９から流路Ｌ１０へ低温の上水を混入させることで熱媒の温度調節を行い、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２から流路Ｌ９を介して給湯先及び熱利用先に供給される熱媒の温度が所望の温度よりも低いときには、バックアップボイラＢを作動させて昇温することで熱媒の温度調節を行う。
【００３８】
〔運転停止条件〕
上述のように、第１蓄熱状態又は第２蓄熱状態で蓄熱が行われ、及び、熱使用が行われているとき、制御部Ｃは、運転停止条件が満たされると燃料電池ＦＣと排熱回収システムの運転を停止する。
本実施形態において、制御部Ｃは、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている低温側の熱媒の温度が上記第２目標温度よりも低い第３目標温度（例えば、７０℃）以上である状態において、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている低温側の熱媒の温度が第１目標温度になると、運転停止条件が満たされたと判定する。
【００３９】
上記運転停止条件において、前者の「第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている低温側の熱媒の温度が第３目標温度（例えば、７０℃）以上である状態」という条件は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２における蓄熱量が実質的に満杯であることを意味する。加えて、「第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている低温側の熱媒の温度が第３目標温度（例えば、７０℃）以上である状態」という条件は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２から第１蓄熱用タンクＴＮＫ１へ流入する熱媒の温度が第３目標温度以上という、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の第１目標温度から見て非常に高温であることを意味する。
【００４０】
上記運転停止条件において、後者の「第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている低温側の熱媒の温度が第１目標温度になる」という条件は、燃料電池ＦＣの熱交換部１に流入する熱媒の温度が第１目標温度になることを意味する。加えて、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２から第１蓄熱用タンクＴＮＫ１へ流入する熱媒の温度が第３目標温度以上という高温であるので、燃料電池ＦＣの熱交換部１に流入する熱媒の温度が第１目標温度より高い温度に昇温される状態（即ち、燃料電池ＦＣの冷却を有効に行えないおそれが生じる状態）となる。
【００４１】
以上のように、上記運転停止条件が満たされた状態で燃料電池ＦＣ及び排熱回収システムの運転を継続すると、燃料電池ＦＣの熱交換部１へは燃料電池ＦＣを冷却するには不適当な温度の熱媒が供給されることになる。従って、制御部Ｃは、上記運転停止条件が満たされたと判定すると、燃料電池ＦＣ及び排熱回収システムの運転を停止する。
【００４２】
〔排熱回収システムでの排熱回収運転〕
次に、図５を参照して、上記第１蓄熱状態及び上記第２蓄熱状態が組み合わされた排熱回収運転について説明する。図５は、排熱回収運転のフローチャートである。
工程＃１０において制御部Ｃは、温度センサＴ５の検出温度（第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている熱媒のうち、取り出されて熱交換部１へ流入される熱媒の温度）が第１目標温度より高いか否かを判定する。つまり、制御部Ｃは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１から燃料電池ＦＣの熱交換部１へ第１目標温度の熱媒を供給できる状態であるか否かを判定している。燃料電池ＦＣの熱交換部１へ第１目標温度の熱媒を供給した場合、燃料電池ＦＣの熱交換部１から流出する熱媒の温度が、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２への蓄熱に適した高温になる。つまり、工程＃１０では、制御部Ｃは、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２へ高温の熱媒を供給できる状態であるか否かを判定している。
【００４３】
制御部Ｃは、工程＃１０において温度センサＴ５の検出温度が第１目標温度以下であると判定した場合（工程＃１０において「Ｎｏ」の場合）、工程＃２０に移行して第１蓄熱状態で蓄熱を行う。その結果、燃料電池ＦＣの熱交換部１から流出した熱媒は第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に供給され、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の熱媒の昇温が行われる。このとき、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部から熱交換部１へ熱媒が移送される。その後、制御部Ｃはこのフローチャートの最初にリターンする。
【００４４】
制御部Ｃは、工程＃１０において温度センサＴ５の検出温度が第１目標温度より高いと判定した場合（工程＃１０において「Ｙｅｓ」の場合）、工程＃３０に移行して温度センサＴ６の検出温度（第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている低温側の熱媒の温度）が第２目標温度以上であるか否かを判定する。つまり、制御部Ｃは、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の蓄熱量が満杯状態であるか否かを判定する。
制御部Ｃは、工程＃３０において温度センサＴ６の検出温度が第２目標温度未満であると判定した場合（満杯でない場合）は工程＃４０に移行して、第２蓄熱状態で蓄熱を行う。ここでの第２蓄熱状態は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２において蓄熱量が満杯になっていないときの第２蓄熱状態であるので、図２に示したように、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部から第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部へ熱媒が移送され、及び、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部から燃料電池ＦＣの熱交換部１へ熱媒が移送される。
【００４５】
その後、工程＃５０において制御部Ｃは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の温度センサＴ３及びＴ４及びＴ５の全ての検出温度が第１目標温度以下であるか否かを判定する。もしも、第２蓄熱状態で蓄熱中であっても、上述した熱使用状態が発生すると第１蓄熱用タンクＴＮＫ１には上水が流入して、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の熱媒の温度が低下する可能性があるからである。特に、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の温度センサＴ３及びＴ４及びＴ５の全ての検出温度が第１目標温度以下になってしまうと、燃料電池ＦＣの熱交換部１に流入する熱媒の温度も第１目標温度以下になり、再度、第１蓄熱状態での蓄熱に切り替える必要が生じる。
従って、制御部Ｃは、温度センサＴ３及びＴ４及びＴ５の全ての検出温度が第１目標温度以下である場合（即ち、第１蓄熱状態での蓄熱が必要になる場合）にはフローチャートの始めにリターンし、温度センサＴ３及びＴ４及びＴ５の全ての検出温度が第１目標温度以下でない場合（未だ第１蓄熱状態での蓄熱は不要の場合）には工程＃３０へ戻る。
【００４６】
制御部Ｃは、工程＃３０において温度センサＴ６の検出温度が第２目標温度以上であると判定した場合（即ち、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の蓄熱量が満杯の場合）は工程＃６０に移行して、上述した運転停止条件は満たされているか否かを判定する。
制御部Ｃは、運転停止条件が満たされていると判定した場合、工程＃７０に移行して燃料電池ＦＣ及び排熱回収システムの運転を停止する。
【００４７】
制御部Ｃは、工程＃７０において燃料電池ＦＣ及び排熱回収システムの運転を停止した後、工程＃１００において、温度センサＴ６の検出温度が上記第２目標温度以下に設定される燃料電池起動条件温度未満であるか否かを判定する。上述したように、熱使用状態が発生した場合、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の上部から流路Ｌ９を介して給湯先及び熱利用先へ熱媒が供給されるのと同時に、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部から流路Ｌ６を介して第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部へと比較的低温の熱媒が補充されるため、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部に貯えられている熱媒の温度は低くなる。つまり、工程＃７０において一旦は運転停止条件が満たされたとしても、その後の熱使用状態の発生に伴って第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の蓄熱量が満杯ではなくなる、即ち、燃料電池ＦＣ及び排熱回収システムの運転再開が必要になることがある。
そこで、制御部Ｃは、温度センサＴ６の検出温度が燃料電池起動条件温度未満である場合は工程１１０に移行して燃料電池ＦＣを起動して、燃料電池ＦＣの排熱回収を再開する。この燃料電池起動条件温度は、例えば、４０℃である。
【００４８】
制御部Ｃは、工程＃６０において運転停止条件が満たされていないと判定した場合は工程＃８０に移行して、第２蓄熱状態で蓄熱を行う。ここでの第２蓄熱状態は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２において蓄熱量が実質的に満杯になっているときの第２蓄熱状態であるので、図３に示したように、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の下部から第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の下部へ熱媒が移送され、及び、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の上部から燃料電池ＦＣの熱交換部１へ熱媒が移送される。
その後、工程＃９０において制御部Ｃは、上述した工程＃５０の場合と同様に上記熱使用状態の発生を考慮して、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の温度センサＴ３及びＴ４及びＴ５の全ての検出温度が第１目標温度以下であるか否かを判定する。制御部Ｃは、温度センサＴ３及びＴ４及びＴ５の全ての検出温度が第１目標温度以下である場合にはフローチャートの始めにリターンし、温度センサＴ３及びＴ４及びＴ５の全ての検出温度が第１目標温度以下でない場合には工程＃６０へ戻る。
【００４９】
以上のように、本実施形態の排熱回収システムでは、必要があれば第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に蓄えている熱媒を第１蓄熱状態において燃料電池ＦＣの排熱を利用して昇温した上で、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている熱媒を燃料電池ＦＣの排熱を利用して更に昇温して第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えることができる。従って、冬季など、上水の温度が低い状況であっても、エネルギを別途消費せずに燃料電池ＦＣの排熱を利用して高温の熱媒を得ることができる。従って、高温の熱媒を貯えることができ且つエネルギ効率の良好な排熱回収システムを提供できる。
【００５０】
＜第２実施形態＞
第１実施形態では、制御部Ｃが、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１に貯えられている熱媒の温度、及び、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に貯えられている熱媒の温度に応じて、第１蓄熱状態と第２蓄熱状態とを切り替え可能に構成されている例を説明したが、他の指標に応じて第１蓄熱状態と第２蓄熱状態とを切り替えてもよい。例えば、制御部Ｃが、燃料電池ＦＣの熱交換部１から流出する熱媒の温度に応じて、第１蓄熱状態と第２蓄熱状態とを切り替えてもよい。
【００５１】
具体的には、本実施形態では、図５の工程＃１０において制御部Ｃは、第１蓄熱用タンクＴＮＫ１の温度センサＴ５で測定される温度が第１目標温度より高いか否かを判定するのではなく、燃料電池ＦＣの熱交換部１から流出する熱媒の温度が第５目標温度（例えば８０℃）より高いか否かを判定する。つまり、制御部Ｃは、燃料電池ＦＣの熱交換部１において熱媒が充分に昇温されていないときには第１蓄熱状態を実施し、燃料電池ＦＣの熱交換部１において熱媒が充分に昇温されているときには第２蓄熱状態を実施する。このような制御を行うことで、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に対して選択的に高温の熱媒を貯えることができる。
【００５２】
＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態において、運転停止条件は適宜変更可能である。
例えば、制御部Ｃが、図５の工程＃６０において燃料電池ＦＣの熱交換部１から熱媒が流出する流路Ｌ２の温度センサＴ２での検出温度が第４目標温度（例えば８０℃）未満になったときに運転停止条件が満たされたと判定するように変更してもよい。つまり、工程＃６０の段階は、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の温度センサＴ６の検出温度が第２目標温度以上であると判定した後（即ち、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の蓄熱量が満杯であると判定した後）に第２蓄熱状態で蓄熱を継続している状態である。このように、例えば８０℃以上の熱媒で満杯になっている第２蓄熱用タンクＴＮＫ２に対して、８０℃未満の熱媒が新たに流入すると、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の熱媒の温度が低下してしまう。従って、制御部Ｃは、上記運転停止条件が満たされたと判定すると、燃料電池ＦＣ及び排熱回収システムの運転を停止して、第２蓄熱用タンクＴＮＫ２の熱媒の温度低下を阻止する。
【００５３】
＜２＞
上記実施形態において、燃料電池ＦＣの熱交換部１と第１蓄熱用タンクＴＮＫ１と第２蓄熱用タンクＴＮＫ２とを接続する熱媒の流路の構成は適宜変更可能である。
【００５４】
＜３＞
上記実施形態において複数の目標温度の値を例示したが本発明はそれらの数値には限定されない。各目標温度の値は適宜設定可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、燃料電池の排熱を回収する排熱回収システムに利用できる。
【符号の説明】
【００５６】
１ 熱交換部
１ａ 流入口
１ｂ 流出口
ＦＣ 燃料電池
ＴＮＫ１ 第１蓄熱用タンク
ＴＮＫ２ 第２蓄熱用タンク
Ｃ 制御部（制御手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒を貯えることにより蓄熱可能な蓄熱用タンクを備え、燃料電池からの排熱が供給される熱交換部と前記蓄熱用タンクとの間で前記熱媒を流通させることで前記燃料電池の排熱を回収する排熱回収システムであって、
前記蓄熱用タンクとしての第１蓄熱用タンク及び第２蓄熱用タンクと、前記熱媒の流通形態を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記第１蓄熱用タンクから取り出した前記熱媒を前記熱交換部へ流入させると共に、前記第１蓄熱用タンクに貯えられている前記熱媒の温度、及び、前記第２蓄熱用タンクに貯えられている前記熱媒の温度、及び、前記熱交換部から流出する前記熱媒の温度のうちの少なくとも何れか一つの温度に応じて、前記熱交換部から流出する前記熱媒を前記第１蓄熱用タンクに流入させる第１蓄熱状態と、前記熱交換部から流出する前記熱媒を前記第２蓄熱用タンクに流入させる第２蓄熱状態とを切り替え可能に構成されている排熱回収システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記第１蓄熱用タンクに貯えられている前記熱媒のうち、取り出されて前記熱交換部へ流入される熱媒の温度が、前記第１蓄熱用タンクに貯えられる熱媒の目標温度である第１目標温度より高いときは前記第２蓄熱状態で蓄熱を行い、前記第１目標温度以下であるときは前記第１蓄熱状態で蓄熱を行う請求項１に記載の排熱回収システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記第１蓄熱状態で蓄熱を行うとき、前記第１蓄熱用タンクの内部で前記熱媒を対流させる請求項２に記載の排熱回収システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記第２蓄熱状態で蓄熱を行うとき、前記第２蓄熱用タンクに貯えられている低温側の前記熱媒を取り出して前記第１蓄熱用タンクへ流入させる請求項１〜３の何れか一項に記載の排熱回収システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記第２蓄熱用タンクに貯えられている前記低温側の前記熱媒の温度が前記第１目標温度よりも高い第２目標温度以上であるときは、前記低温側の前記熱媒を、前記第１蓄熱用タンクの内部で温度成層を形成させながら前記第１蓄熱用タンクへ流入させる請求項４に記載の排熱回収システム。
【請求項１】
熱媒を貯えることにより蓄熱可能な蓄熱用タンクを備え、燃料電池からの排熱が供給される熱交換部と前記蓄熱用タンクとの間で前記熱媒を流通させることで前記燃料電池の排熱を回収する排熱回収システムであって、
前記蓄熱用タンクとしての第１蓄熱用タンク及び第２蓄熱用タンクと、前記熱媒の流通形態を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記第１蓄熱用タンクから取り出した前記熱媒を前記熱交換部へ流入させると共に、前記第１蓄熱用タンクに貯えられている前記熱媒の温度、及び、前記第２蓄熱用タンクに貯えられている前記熱媒の温度、及び、前記熱交換部から流出する前記熱媒の温度のうちの少なくとも何れか一つの温度に応じて、前記熱交換部から流出する前記熱媒を前記第１蓄熱用タンクに流入させる第１蓄熱状態と、前記熱交換部から流出する前記熱媒を前記第２蓄熱用タンクに流入させる第２蓄熱状態とを切り替え可能に構成されている排熱回収システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記第１蓄熱用タンクに貯えられている前記熱媒のうち、取り出されて前記熱交換部へ流入される熱媒の温度が、前記第１蓄熱用タンクに貯えられる熱媒の目標温度である第１目標温度より高いときは前記第２蓄熱状態で蓄熱を行い、前記第１目標温度以下であるときは前記第１蓄熱状態で蓄熱を行う請求項１に記載の排熱回収システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記第１蓄熱状態で蓄熱を行うとき、前記第１蓄熱用タンクの内部で前記熱媒を対流させる請求項２に記載の排熱回収システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記第２蓄熱状態で蓄熱を行うとき、前記第２蓄熱用タンクに貯えられている低温側の前記熱媒を取り出して前記第１蓄熱用タンクへ流入させる請求項１〜３の何れか一項に記載の排熱回収システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記第２蓄熱用タンクに貯えられている前記低温側の前記熱媒の温度が前記第１目標温度よりも高い第２目標温度以上であるときは、前記低温側の前記熱媒を、前記第１蓄熱用タンクの内部で温度成層を形成させながら前記第１蓄熱用タンクへ流入させる請求項４に記載の排熱回収システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−６３０４４（Ｐ２０１２−６３０４４Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０５３９６（Ｐ２０１０−２０５３９６）
【出願日】平成２２年９月１４日（２０１０．９．１４）
【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２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１４日（２０１０．９．１４）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
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