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1. (WO2019030831) FUEL CELL SYSTEM
Document

明 細 書

発明の名称 燃料電池システム

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009  

先行技術文献

特許文献

0010  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0011  

課題を解決するための手段

0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033  

発明の効果

0034  

図面の簡単な説明

0035  

発明を実施するための形態

0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094  

符号の説明

0095  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11  

図面

1   2   3  

明 細 書

発明の名称 : 燃料電池システム

技術分野

[0001]
 本発明は、建築物で利用される燃料電池システムに関するものである。

背景技術

[0002]
 都市ガス等の炭化水素燃料を原燃料とする燃料電池は、燃料のエネルギーが電気と熱に変換されるコジェネレーション装置である。燃料電池を事業所や各種施設などの分散電源として使用する場合には、電力負荷に応じた電主熱従運転が基本となる。そして、燃料電池の効率(総合効率)は、発電効率と熱回収効率との合計によって決まる。そのため、発電に伴って発生するオフガス廃熱をうまく利用できなければ、総合効率の低下を招くことになる。
[0003]
 また、燃料電池は、原燃料の水蒸気改質反応によって水素ガスを生成し、その水素ガスをセルスタックに供給して発電している。この際、水蒸気改質反応に使用する改質水は、オフガス中の水分を凝縮させることにより確保される(水自立)。そのため、オフガスを露点温度以下に冷却し続けることができなければ、燃料電池の発電を継続することができない。
[0004]
 このように、燃料電池をコジェネレーション装置として成立させるためには、事業所や各種施設などの様々な熱利用形態に合わせて、オフガス廃熱の熱利用と冷却を同時に確立する必要がある。
[0005]
 ところで、従来、建築物の建築設備として、セントラル給湯式のシステムが知られている。たとえば、下記特許文献1には、セントラル給湯式(直接給湯式)のシステムが開示されており、このシステムでは、水道水を熱源機で加熱してつくった温水を一旦貯湯タンクに貯め、この温水を建築物内で循環させながら給湯エリアにて出湯可能としている。
[0006]
 この構成の場合、給湯エリアでの出湯量と同じ量の水道水が補給されるので、熱源機で加熱前の水道水を燃料電池のオフガス廃熱で予熱すれば、水道水の冷熱利用によりオフガスを露点温度以下に冷却することができる。出願人は、このオフガス冷却技術について、既に特許出願を済ませている(たとえば特願2016-127485)。但し、オフガスを露点温度以下に冷却し続けるためには、年間を通じた建築物の温水需要が高い水準で見込まれる必要がある。
[0007]
 一方、下記特許文献2には、セントラル給湯暖冷房式(間接給湯式)のシステムが開示されており、このシステムでは、温水を熱源機で加熱しながら建築物内を循環させている。そして、給湯エリアで循環温水と水道水を間接熱交換させて出湯したり、暖房エリアで循環温水と室内空気を間接熱交換させて暖房したりしている。
[0008]
 この構成の場合、温水は循環するのみで入れ替わりがないので、燃料電池のオフガスの冷却に補給水を利用することができない。なお、セントラル給湯暖冷房式の建築物が冷房用空調設備として冷凍機と冷却コイル(冷凍機による冷水と室内空気との熱交換器)を有している場合には、冷却コイルから冷凍機に戻る冷水(10~15℃程度)でオフガスを冷却することも考えられる。しかしながら、この冷却方法では、冷水に移動したオフガス廃熱は、冷凍機内で冷却水(冷媒の凝縮熱を外気へ放出するために冷却塔との間で循環する冷却水)に移動したのち、最終的に冷却塔で捨てられてしまうので、燃料電池の熱回収効率がほぼゼロになってしまう。更に、冬期に冷凍機が停止しているとオフガスの冷却ができないため、冷却塔を利用することや、放熱用のラジエータを設置することを検討しなくてはならない。
[0009]
 一方、夏期は空調用の冷熱需要は非常に高い一方で、温熱需要はデシカントロータの加熱再生用ぐらいしかないのが実情である。吸収式冷凍機の冷媒再生や吸着式冷凍機の吸着剤再生にオフガス廃熱を利用するには、既設設備の大掛かりな改造が必要になるからである。春・秋の中間期も、空調用の温熱需要は夏期を大差ないといえる。また、夏期・中間期は冬期に比べて給湯用の温熱需要も小さいので、年間を通じて燃料電池の熱出力を温水加熱のベースロード熱源とし、熱源機の熱出力を温水製造のピークロード熱源とすることができれば、セントラル給湯暖冷房システムの省エネにつながる。

先行技術文献

特許文献

[0010]
特許文献1 : 特開平6-137679号公報(図1)
特許文献2 : 特開2005-98628号公報(図1、図4)

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0011]
 本発明が解決しようとする課題は、既存の設備環境を利用できる簡易な構成で、燃料電池の熱回収と水自立を両立させた燃料電池システムを提供することにある。

課題を解決するための手段

[0012]
 本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、熱源機と、前記熱源機により加熱された高温水が循環する循環路と、を建築設備として有し、前記循環路を循環する高温水を熱利用する建築物に設置される燃料電池システムであって、前記建築物内に給電可能な燃料電池と、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が環状に接続された冷媒回路を有し、前記圧縮機の駆動により、前記蒸発器で冷媒に吸熱させながら前記凝縮器で冷媒から放熱可能なヒートポンプと、を備え、前記燃料電池のオフガス廃熱を、前記ヒートポンプによって前記循環路の高温水に吸熱させ、前記燃料電池のオフガスを露点温度以下に冷却することを特徴とする燃料電池システムである。
[0013]
 請求項1に記載の発明によれば、熱源機を備えた循環路に高温水を循環させ、その循環する高温水の熱利用が可能とされる。この場合、循環路を循環する高温水の熱を消費するが、高温水そのものの消費(直接出湯)がない。つまり、高温水は循環路を循環するのみで入れ替わりがない。そのため、燃料電池のオフガスの冷却に循環路への補給水(常温水)を利用することはできないが、ヒートポンプを用いて、燃料電池のオフガスを冷却して水自立を図ることができる。また、燃料電池の廃熱をヒートポンプでくみ上げて循環路の循環温水に吸熱させることで、熱源機による加熱を抑えて省エネルギーを図ることができる。
[0014]
 請求項2に記載の発明は、前記循環路の高温水は、前記熱源機による加熱温度が前記燃料電池のオフガスの露点温度以上に設定された状態で循環されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システムである。
[0015]
 請求項2に記載の発明によれば、循環路の高温水が燃料電池のオフガスの露点温度以上になり得るため、循環路の循環温水と燃料電池のオフガスとを単に熱交換するだけでは燃料電池のオフガスを冷却できないおそれがあるが、ヒートポンプを用いて、燃料電池のオフガスを確実に冷却して水自立を図ることができる。
[0016]
 請求項3に記載の発明は、前記建築物の内部には、複数の熱需要箇所が設けられ、前記循環路は、前記複数の熱需要箇所で利用する高温水を取り出すための複数の温水取出部を有する循環往路と、前記複数の熱需要箇所で利用された高温水を取り入れるための複数の温水取入部を有する循環復路とからなり、前記燃料電池のオフガス廃熱を、前記ヒートポンプによって前記循環復路の高温水に吸熱させることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムである。
[0017]
 請求項3に記載の発明によれば、循環往路の温水取出部からの高温水は、熱需要箇所で熱利用(熱交換により放熱)された後、温水取入部を介して循環復路へ戻される。そして、循環復路において、燃料電池のオフガス廃熱からヒートポンプでくみ上げた熱を用いて、循環温水を再加熱することができる。循環温水の温度は、循環往路>循環復路となっているので、比較的温度の低下した循環復路において、ヒートポンプを用いた循環温水への吸熱を効率よく行うことができる。
[0018]
 請求項4に記載の発明は、前記複数の温水取入部うちの最下流に位置する温水取入部よりも更に下流側の前記循環復路において、前記循環復路から分岐すると共に前記循環復路に再び合流する分流路が接続され、前記燃料電池のオフガス廃熱を、前記ヒートポンプを介して前記分流路の高温水に吸熱させることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システムである。
[0019]
 請求項4に記載の発明によれば、最下流に位置する温水取入部よりも更に下流側の循環復路に分流路を設け、その分流路においてヒートポンプで加熱を図る。最も温度が低下し且つ熱源機で再加熱前の循環温水に熱吸収させることで、システム効率を向上することができる。また、循環復路から分岐して再び循環復路に合流する分流路にて熱交換することで、分流路の流量を適切に維持して、効率的な熱交換を図ることができると共に、吸熱用の熱交換器を小型化することができる。
[0020]
 請求項5に記載の発明は、前記循環路には、高温水が前記循環復路から流入しながら前記循環往路へ流出するバッファタンクが配設され、前記熱源機は、前記バッファタンク内の保有水を加熱することを特徴とする請求項3または請求項4に記載の燃料電池システムである。
[0021]
 請求項5に記載の発明によれば、循環路にバッファタンクを設けると共に、バッファタンク内の保有水を熱源機で加熱可能とすることで、循環路に安定した高温水を循環させることができる。つまり、バッファタンクを蓄熱タンクとして機能させつつ、たとえば冬場の夜間などにおいて急激な熱需要の増大があっても、それに円滑に対応することができる。
[0022]
 請求項6に記載の発明は、前記蒸発器は、前記燃料電池のオフガスと前記ヒートポンプの冷媒とを流通させながら間接熱交換させるように構成され、前記凝縮器は、前記ヒートポンプの冷媒と;前記循環路または前記分流路の高温水とを流通させながら間接熱交換させるように構成されることを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の燃料電池システムである。
[0023]
 請求項6に記載の発明によれば、ヒートポンプは、蒸発器において、燃料電池のオフガスを冷却しつつオフガスから熱をくみ上げて、凝縮器において、循環路または分流路の循環温水を加熱することができる。
[0024]
 請求項7に記載の発明は、前記燃料電池のオフガスを冷却するオフガス熱交換器と、前記オフガス熱交換器と前記蒸発器との間で第一冷却液を循環させる第一冷却回路と、を備え、前記オフガス熱交換器は、前記燃料電池のオフガスと前記第一冷却回路の第一冷却液とを流通させながら間接熱交換させるように構成され、前記蒸発器は、前記第一冷却回路の第一冷却液と前記ヒートポンプの冷媒とを流通させながら間接熱交換させるように構成され、前記凝縮器は、前記ヒートポンプの冷媒と;前記循環路または前記分流路の高温水とを流通させながら間接熱交換させるように構成されることを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の燃料電池システムである。
[0025]
 請求項7に記載の発明によれば、燃料電池のオフガス廃熱を、第一冷却回路を介して、ヒートポンプでくみ上げることができる。逆にいえば、ヒートポンプの吸熱により、第一冷却回路を介して、燃料電池のオフガスを冷却することができる。オフガスの冷却に伴う酸性凝縮水によりオフガス熱交換器の腐食による破損が生じても、第一冷却回路の存在により、ヒートポンプの冷媒と燃料電池のオフガスとの直接の接触が防止され、安全性を高めることができる。
[0026]
 請求項8に記載の発明は、前記循環路の高温水を加熱する温水熱交換器と、前記凝縮器と前記温水熱交換器との間で第二冷却液を循環させる第二冷却回路と、を備え、前記蒸発器は、前記燃料電池のオフガスと前記ヒートポンプの冷媒とを流通させながら間接熱交換させるように構成され、前記凝縮器は、前記ヒートポンプの冷媒と前記第二冷却回路の第二冷却液とを流通させながら間接熱交換させるように構成され、前記温水熱交換器は、前記第二冷却回路の第二冷却液と;前記循環路または前記分流路の高温水とを流通させながら間接熱交換させるように構成されることを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の燃料電池システムである。
[0027]
 請求項8に記載の発明によれば、ヒートポンプでくみ上げられたオフガス廃熱は、第二冷却回路を介して、循環路の循環温水に吸熱される。第二冷却回路の存在により、凝縮器が万一破損しても、循環温水への冷媒の混入を防止することができる。
[0028]
 請求項9に記載の発明は、前記燃料電池のオフガスを冷却するオフガス熱交換器と、前記循環路の高温水を加熱する温水熱交換器と、前記オフガス熱交換器と前記蒸発器との間で第一冷却液を循環させる第一冷却回路と、前記凝縮器と前記温水熱交換器との間で第二冷却液を循環させる第二冷却回路と、を備え、前記オフガス熱交換器は、前記燃料電池のオフガスと前記第一冷却回路の第一冷却液とを流通させながら間接熱交換させるように構成され、前記蒸発器は、前記第一冷却回路の第一冷却液と前記ヒートポンプの冷媒とを流通させながら間接熱交換させるように構成され、前記凝縮器は、前記ヒートポンプの冷媒と前記第二冷却路の第二冷却液とを流通させながら間接熱交換させるように構成され、前記温水熱交換器は、前記第二冷却回路の第二冷却液と;前記循環路または前記分流路の高温水とを流通させながら間接熱交換させるように構成されることを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の燃料電池システムである。
[0029]
 請求項9に記載の発明によれば、燃料電池のオフガス廃熱を、第一冷却回路を介して、ヒートポンプでくみ上げることができる。逆にいえば、ヒートポンプの吸熱により、第一冷却回路を介して、燃料電池のオフガスを冷却することができる。オフガスの冷却に伴う酸性凝縮水によりオフガス熱交換器の腐食による破損が生じても、第一冷却回路の存在により、ヒートポンプの冷媒と燃料電池のオフガスとの直接の接触が防止され、安全性を高めることができる。そして、ヒートポンプでくみ上げられたオフガス廃熱は、第二冷却回路を介して、循環路の循環温水に吸熱される。第二冷却回路の存在により、凝縮器が万一破損しても、循環温水への冷媒の混入を防止することができる。
[0030]
 請求項10に記載の発明は、前記燃料電池は、改質器およびセルスタックを有し、前記燃料電池のオフガスを露点温度以下に冷却することにより生成した凝縮水を前記改質器に再供給し、前記改質器において、原燃料と前記凝縮水を水蒸気改質反応させることにより水素を含有する改質ガスを生成し、前記セルスタックにおいて、前記改質ガス中の水素と空気中の酸素を化学反応させて発電することを特徴とする請求項1~9のいずれか1項に記載の燃料電池システムである。
[0031]
 請求項10に記載の発明によれば、オフガス中の水分を凝縮させてその凝縮水を改質器に再供給することで、外部からの補給水なしで運転できる水自立可能な燃料電池システムとなる。
[0032]
 さらに、請求項11に記載の発明は、前記燃料電池は、固体酸化物形の燃料電池であることを特徴とする請求項1~10のいずれか1項に記載の燃料電池システムである。
[0033]
 燃料電池には、固体酸化物形(SOFC)の他、リン酸形(PAFC)や固体高分子形(PEFC)もあるが、請求項11に記載の発明によれば、SOFCが用いられる。SOFCは、高温型の動作温度が650~800℃、中温型の動作温度が450~650℃と高いため、セルスタック保護の観点から、起動・昇温後は停止させることなく、電主熱従運転させるのが基本である。そのため、発生し続けるオフガス廃熱の回収を可能とすることで、高い総合効率を維持することができる。但し、SOFCはPAFCやPEFCに比べて発電効率が高い分、同じ発電出力で比較するとオフガス廃熱量が少なく、単独では建築物の熱需要には応えられないおそれがある。ところが、熱源機を備えた循環路の循環温水の加熱にオフガス廃熱を利用することで、建築物の電力需要と熱需要を同時に満足するシステムを構築することができる。

発明の効果

[0034]
 本発明によれば、既存の設備環境を利用できる簡易な構成で、燃料電池の熱回収と水自立を両立させた燃料電池システムを実現することができる。

図面の簡単な説明

[0035]
[図1] 本発明の一実施例の燃料電池システムが適用されるセントラル給湯暖冷房式(間接給湯式)の建築物の一例を示す概略図である。
[図2] 図1の建築物に適用される本発明の一実施例の燃料電池システムの具体例を示す概略図である。
[図3] 図1の建築物に適用される建築設備の変形例を示す概略図である。

発明を実施するための形態

[0036]
 以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
 図1および図2は、本発明の一実施例の燃料電池システム1が適用されたセントラル給湯暖冷房式(間接給湯式)の建築物2の一例を示す概略図であり、図1の左下部の省略箇所を図2において示している。
[0037]
 本実施例の燃料電池システム1は、公共的施設,産業施設,住宅施設等の建築物2における建築設備の一部として利用される。建築物2は、その階層を特に問わず、低層建築物(1~2階層)、中層建築物(3~5階層)または高層建築物(6階層以上)のいずれでもよい。図1では、地下機械室Bと地上階Fとを有する建築物2が示されており、地下階Bおよび/または地上階Fは、さらに複数階に分けられ得ることは勿論である。
[0038]
 建築設備とは、人が生活を営むうえで必要になる様々な機能を果たすために、建築物2に一体化されて機能する機器および装置をいう。建築設備には、建築基準法第2条第3号に定義されている設備等のほか、建築物利用者のニーズに応じた各種設備(たとえば、ボイラ設備や通信設備など)を含み得る。
[0039]
 本実施例の建築物2は、建築設備として、熱源機3と、熱源機3により加熱された高温水が循環する循環路4の他、好ましくはバッファタンク5を備える。
[0040]
 熱源機3は、特に問わないが、本実施例では、温水ボイラとされる。図示例では、熱源機3として、同一構成の温水ボイラが、並列に複数台(たとえば4台)設置されている。言い換えれば、複数台の温水ボイラにより、熱源機群が構成されている。
[0041]
 循環路4は、熱源機3と熱需要箇所6との間で温水を循環させる流路である。具体的には、熱源機3からの温水は、循環往路4Aを介して熱需要箇所6へ送られ、循環復路4Bを介して熱源機3へ戻される。図示例のように、複数の熱源機3を並列に備える場合、循環往路4Aの基端部(熱源機3側)は複数に分岐されており、各分岐管が熱源機3に接続される。一方、循環復路4Bの先端部(熱源機3側)は複数に分岐されており、各分岐管が熱源機3に接続される。言い換えれば、各熱源機3からの出湯管は合流して熱需要箇所6へ敷設され、熱需要箇所6からの返湯管は分岐して各熱源機3に接続される。
[0042]
 循環路4に温水を循環させるために、循環往路4Aおよび/または循環復路4Bには、循環ポンプ7が設けられる。図示例では、熱源機3から熱需要箇所6への循環往路4Aの内、バッファタンク5より下流で、各熱需要箇所6への分岐前(複数の温水取出部8のうちの最上流に位置する温水取出部8よりも更に上流側の循環往路4A)に、循環ポンプ7が設けられる。また、熱需要箇所6から熱源機3への循環復路4Bの内、バッファタンク5より下流で、各熱源機3への分岐後のそれぞれに、送水ポンプ9が設けられている。
[0043]
 バッファタンク5は、循環往路4Aと循環復路4Bとに接続されて設けられる。すなわち、バッファタンク5は、熱需要箇所6への循環往路4Aへ温水を流出可能であると共に、熱需要箇所6からの循環復路4Bから温水を流入可能に設けられる。より具体的には、本実施例のバッファタンク5は、各熱源機3から温水を流入可能で、各熱需要箇所6へ温水を流出可能とされる一方、各熱需要箇所6から温水を流入可能で、各熱源機3へ温水を流出可能とされる。
[0044]
 なお、説明の便宜上、循環往路4Aの内、各熱源機3からバッファタンク5までを熱源側循環往路4A’、バッファタンク5から各熱需要箇所6までを負荷側循環往路4A”といい、また、循環復路4Bの内、各熱需要箇所6からバッファタンク5までを負荷側循環復路4B”といい、バッファタンク5から各熱源機3までを熱源側循環復路4B’ということがある。従って、バッファタンク5は、熱源側循環往路4A’と熱源側循環復路4B’とを介して、各熱源機3との間で温水を循環可能とされる一方、負荷側循環往路4A”と負荷側循環復路4B”とを介して、各熱需要箇所6との間で温水を循環可能とされる。また、バッファタンク5内に温度成層(上部ほど高温で下部ほど低温の状態)を形成するために、バッファタンク5には、図示例のように、下部に、熱源側循環復路4B’と負荷側循環復路4B”とが接続され、上部に、熱源側循環往路4A’と負荷側循環往路4A”とが接続されるのが好ましい。
[0045]
 負荷側循環往路4A”には、循環ポンプ7よりも下流側において、一または複数の熱需要箇所6が設けられる。熱需要箇所6は、循環温水が有する温熱が利用される箇所であり、循環温水の外部への出湯はない。つまり、循環路4において、温水は循環するのみで、入れ替わりはない。
[0046]
 熱需要箇所6は、その構成、数量、設置位置(建築物2に対する設置場所)などを特に問わないが、図示例では、負荷側循環往路4A”に、熱需要箇所6として、空調用ファンコイルユニット10、床暖房パネル11および給湯用熱交換器12が順に設けられている。この際、負荷側循環往路4A”には、各熱需要箇所6への温水取出部8が分岐して設けられており、熱需要箇所6にて熱利用後の温水を負荷側循環復路4B”に戻すために、負荷側循環復路4B”には、各熱需要箇所6からの温水取入部13が設けられている。なお、循環路4の内、熱源機3の出口から循環方向最下流位置の温水取出部8(循環路4と最下流の温水取出部8との分岐部)までを、循環往路4Aとし、その最下流の温水取出部8を過ぎて熱源機3の入口までを、循環復路4Bとする。
[0047]
 空調用ファンコイルユニット10は、循環往路4Aからの温水と室内空気とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器である。空調用ファンコイルユニット10は、たとえば、建築物2の各階に設置される。空調用ファンコイルユニット10には、温水取出部8を介した温水が通され、室内空気と熱交換して放熱後の温水は、温水取入部13を介して循環復路4Bへ戻される。空調用ファンコイルユニット10に対する温水取出部8(または温水取入部13)には温熱利用弁14が設けられており、この温熱利用弁14の開閉または開度を制御することで、空調用ファンコイルユニット10への通水の有無または量を変更して、室内暖房の有無や温度を調整することができる。なお、空調用ファンコイルユニット10は、ファンを備えており、空調用ファンコイルユニット10への通水中、ファンを作動させることで、室内空気を空調用ファンコイルユニット10に通して加温することができる。
[0048]
 ところで、空調用ファンコイルユニット10では、室内の暖房だけでなく、冷房も可能に構成されるのが好ましい。そのために、本実施例では、空調用ファンコイルユニット10には、熱源機3からの温水に代えて、冷凍機15との間で冷水を循環可能とされる。すなわち、冷凍機15の蒸発器において水を冷却して冷水を製造し、その冷水は、冷水送り路16Aを介して空調用ファンコイルユニット10に送られ、室内空気と熱交換後、冷水戻し路16Bを介して冷凍機15へ戻される。冷水送り路16A(または冷水戻し路16B)には、冷水ポンプ17および開閉弁18が設けられており、開閉弁18を開けた状態で冷水ポンプ17を作動させることで、冷凍機15と空調用ファンコイルユニット10との間で冷水を循環させて、室内の冷房を図ることができる。
[0049]
 冷房を図る際には、空調用ファンコイルユニット10への温熱利用弁14を閉じた状態で、開閉弁18を開けて冷水ポンプ17を作動させる一方、暖房を図る際には、開閉弁18を閉じて冷水ポンプ17を停止した状態で、空調用ファンコイルユニット10への温熱利用弁14を開ければよい。いずれの場合も、空調用ファンコイルユニット10において、ファンを作動させることで、冷水または温水の熱で、室内空気を冷却または加温することができる。なお、冷凍機15の凝縮器では、冷却塔(図示省略)との間で冷却水を循環させて、凝縮熱は外気へ放出される。
[0050]
 床暖房パネル11は、室内床に設置され、循環往路4Aからの温水が通される。具体的には、床暖房パネル11には、温水取出部8を介した温水が通され、床面で放熱後の温水は、温水取入部13を介して循環復路4Bへ戻される。床暖房パネル11に対する温水取出部8(または温水取入部13)には温熱利用弁14が設けられており、この温熱利用弁14の開閉または開度を制御することで、床暖房パネル11への通水の有無または量を変更して、床暖房の有無や温度を調整することができる。
[0051]
 給湯用熱交換器12は、循環往路4Aからの温水と、カラン19Aやシャワー19Bなどの出湯部19への常温水とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器である。すなわち、給湯用熱交換器12には、温水取出部8を介した温水が通されると共に、高架タンクなどからの給水管20を介した常温水が通される。これにより、温水取出部8からの温水で、出湯部19への常温水を加熱することができる。そして、給湯用熱交換器12にて常温水と熱交換して放熱後の温水は、温水取入部13を介して循環復路4Bへ戻される。給湯用熱交換器12に対する温水取出部8(または温水取入部13)には温熱利用弁14が設けられており、出湯部での出湯時、この温熱利用弁14が開かれる。なお、出湯部19では、給湯用熱交換器12を介した温水の他、給湯用熱交換器12を介さない冷水(常温水)も供給可能とされ、その混合割合を調整することで所望温度の温水を出湯可能とされる。
[0052]
 本実施例の建築物2は、さらに建築設備として、図2に示すように、燃料電池21とヒートポンプ22とを備える。燃料電池21は、建築物2内の各所へ給電するために設置され、オフガス廃熱がヒートポンプ22でくみ上げられて、循環路4の循環温水の加熱に用いられる。その際、燃料電池21のオフガスは、ヒートポンプ22で冷却されて、露点温度以下に冷却される。
[0053]
 具体的構成として、図2に示す第一形態(a)から第四形態(d)までの内、いずれかが採用される。そして、これら構成が燃料電池システム1の主要部を構成する。なお、図1の構成(つまり、熱源機3、循環路4およびバッファタンク5など)として、建築物2の既存建築設備を利用することもでき、その既存建築設備に、図2の構成(つまり、燃料電池21およびヒートポンプ22など)を新設して構成することができる。以下、まずは、燃料電池21とヒートポンプ22とについて説明した後、図2の各形態について説明する。
[0054]
 燃料電池21は、オフガス熱交換器23の他、燃料電池本体24、パワーコンディショナ(図示省略)および各種の補機(図示省略)などを備える。燃料電池本体24は、改質器(図示省略)およびセルスタック(図示省略)などを備える。具体的には、燃料電池本体24は、発電に使用する主要機器を断熱容器に収容した発電モジュールとして構成されており、主要機器には、(I)蒸発部、混合部および改質部を有する改質器;(II)複数の発電セルよりなるセルスタック;(III)アノードオフガスとカソードオフガスを燃焼させる燃焼器;(IV)燃焼オフガスとアノード空気を熱交換させる空気予熱器などが含まれる。
[0055]
 燃料電池本体24には、原燃料(都市ガス)G、空気A、および水(改質水)Wが供給される。そして、原燃料(メタンガスを主成分とする都市ガス)Gと水(水蒸気)Wとを改質器において水蒸気改質反応させることにより水素を含有する改質ガスを生成し、改質ガス中の水素と空気中の酸素とをセルスタックにおいて化学反応させて発電する。セルスタックでは、発電に伴ってアノードオフガスおよびカソードオフガスが生成されるが、これらのガスは、燃焼器に供給されたのち、燃焼オフガスとなって排出される。この燃焼オフガスは、セルスタックの前段に配置された空気予熱器に通され、カソード空気の予熱に利用される。
[0056]
 セルスタックの電池出力は、パワーコンディショナで調整された後に、建築物2内に給電される。パワーコンディショナは、セルスタックから出力された直流電圧を昇圧するDC/DCコンバータ(昇圧回路)と、DC/DCコンバータで昇圧された直流電圧を系統電源と同期の取れた交流電圧に変換する系統連系インバータ(電圧変換回路)と、セルスタックの出力電流を制御する出力電流制御部(出力制御回路)と、を有している。系統連系インバータは、建築物2内に設置された商用電力系統の配電盤と電気的に接続されている。系統連系インバータと配電盤とは、系統連系用のスイッチを介して並列・解列を切換可能である。配電盤には、系統電源および複数の分電盤が電気的に接続されている。分電盤には、建築物2の各階で使用する照明器具、動力装置、コンセント等の負荷機器が電気的に接続されている。
[0057]
 燃料電池本体24の種類は、特に問わないが、好適には固体酸化物形(SOFC)とされる。SOFCは、高温型の動作温度が650~800℃、中温型の動作温度が450~650℃と高いため、セルスタック保護の観点から、起動・昇温後は停止させることなく、電主熱従運転させるのが基本である。そのため、発生し続けるオフガス廃熱の回収を可能とすることで、高い総合効率を維持することができる。但し、SOFC(固体酸化物形)はPAFC(リン酸形)やPEFC(固体高分子形)に比べて発電効率が高い分、同じ発電出力で比較するとオフガス廃熱量が少なく、単独では建築物2の熱需要には応えられないおそれがある。ところが、熱源機3を備えた循環路4の循環温水の加熱にオフガス廃熱を利用することで、建築物2の電力需要と熱需要を同時に満足するシステムを構築することができる。
[0058]
 オフガス熱交換器23は、燃料電池本体24からのオフガスとその冷却流体とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器である。そのために、オフガス熱交換器23には、燃料電池本体24からオフガス配管25を介してオフガスが通されると共に、冷却流体(図2(a)および(c)ではヒートポンプ22の冷媒、(b)および(d)では第一冷却回路26の第一冷却液)が通される。これにより、オフガス熱交換器23において、オフガスは冷却流体により冷却され、オフガス中の水分(水蒸気)の凝縮が図られる。一方、冷却流体は、オフガス熱交換器23において、オフガスと熱交換することで加熱される。
[0059]
 オフガス熱交換器23での熱交換の対象となるオフガスは、燃料電池本体24で発生する水蒸気を含むオフガスである。具体的には、(i)セルスタックのアノード側から排出されるアノードオフガス;(ii)セルスタックのカソード側から排出されるカソードオフガス;(iii)燃焼器から排出される燃焼オフガスから選ばれた一種以上を熱交換の対象とすることができる。オフガス熱交換器23に通されるオフガスは、空気予熱器等で部分的に熱回収された後の状態であってもよい。
[0060]
 SOFCセルスタックのアノード側では、水素と酸素の化学反応が起こるので、アノードオフガスには水蒸気が含まれる。SOFCセルスタックのカソード側に供給される空気には大気の水蒸気が含まれるので、カソードオフガスにも水蒸気が含まれる。燃焼オフガスには、アノードオフガスおよびカソードオフガスに由来する水蒸気のほか、アノードオフガス中の残留水素とカソードオフガス中の残留酸素の燃焼反応によって生成した水蒸気が含まれる。そのため、いずれのオフガスを熱交換の対象とした場合でも、露点温度以下に冷却することで凝縮水を得ることができる。
[0061]
 オフガス熱交換器23からのオフガスの出口側には、セパレータタンク27が設けられており、オフガス熱交換器23に通されたオフガスの気液分離が図られる。そして、気液分離後の凝縮水は、燃料電池本体24への改質水Wとして、供給ポンプ28を介して燃料電池本体24の改質器へ再供給可能とされる。これにより、燃料電池21は、外部からの補給水なしで発電を継続できる水自立運転が可能になっている。なお、気液分離後のアノードオフガスおよびカソードオフガスは燃焼器に供給され、気液分離後の燃焼オフガスは外部に排出される。
[0062]
 燃料電池21の水自立運転において、改質器では、蒸発部で改質水Wとしての凝縮水が気化された後、混合部で原燃料Gと水蒸気が混合される。そして、この混合ガスが改質部の触媒層に供給されて、水素を含有する改質ガスが生成される。改質部で得られた改質ガスは、アノード燃料としてセルスタックのアノード側に送られる。
[0063]
 また、オフガス熱交換器23は、その構造や流体の流し方を工夫することにより、オフガスの気液分離をセパレータタンクではなく、オフガス熱交換器23内で行うようにすることもできる。その場合、オフガス熱交換器23からのオフガスの出口側に、排気用の分岐ラインを接続する。
[0064]
 ヒートポンプ22は、蒸気圧縮式のヒートポンプであり、圧縮機29、凝縮器30、膨張弁31および蒸発器32が順次環状に接続されて冷媒を循環させる。そして、圧縮機29は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。また、凝縮器30は、圧縮機29からのガス冷媒を凝縮液化する。さらに、膨張弁31は、凝縮器30からの液冷媒を通過させることで、冷媒の圧力と温度とを低下させる。そして、蒸発器32は、膨張弁31からの冷媒の蒸発を図る。
[0065]
 つまり、ヒートポンプ22は、蒸発器32において、冷媒が外部から熱を奪って気化する一方、凝縮器30において、冷媒が外部へ放熱して液化することになる。これを利用して、本実施例では、ヒートポンプ22は、蒸発器32において、熱源流体(図2(a)および(c)では燃料電池21のオフガス、(b)および(d)では第一冷却回路26の第一冷却液)から熱をくみ上げ、凝縮器30において、被加熱流体(図2(a)および(b)では循環路4の循環温水、(c)および(d)では第二冷却回路33の第二冷却液)を加熱する。
[0066]
 なお、ヒートポンプ22には、さらに、凝縮器30の出口側に過冷却器を設置したり、圧縮機29の入口側にアキュムレータを設置したり、圧縮機29の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器30の出口側(凝縮器30と過冷却器との間)に受液器を設置したりしてもよい。
[0067]
 燃料電池21のオフガスからの熱回収と、オフガスの冷却による水自立とを実現するために、本実施例の燃料電池システム1では、以下に述べるように、第一形態から第四形態までの内、いずれかが採用される。以下、図2に基づき、各形態について、具体的に説明する。
[0068]
 ≪第一形態≫
 図2(a)に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池21およびヒートポンプ22を備える。前述したように、ヒートポンプ22は、圧縮機29、凝縮器30、膨張弁31および蒸発器32が環状に接続された冷媒回路を有し、圧縮機29の駆動により、蒸発器32で冷媒に吸熱させながら凝縮器30で冷媒から放熱する。
[0069]
 蒸発器32は、オフガスを冷却するためのオフガス熱交換器23でもあり、燃料電池21のオフガスとヒートポンプ22の冷媒とを流通させながら、両流体を混ぜることなく間接熱交換する。一方、凝縮器30は、循環路4の循環温水を加熱するための温水熱交換器34でもあり、ヒートポンプ22の冷媒と循環路4(後述する分流路4Cでもよい、以下同様)の循環温水とを流通させながら、両流体を混ぜることなく間接熱交換する。
[0070]
 蒸発器32において、ヒートポンプ22の冷媒は、燃料電池21のオフガスから吸熱して蒸発を図られる。この気化熱により、燃料電池21のオフガスは、露点温度以下に冷却され、オフガス中の水分の凝縮が図られる。一方、蒸発器32でくみ上げられたオフガス廃熱は、凝縮器30において、循環路4の循環温水の加熱に用いられる。
[0071]
 循環温水の加熱は、循環復路4Bにおいて行うのが好ましい。最も温度が低下し且つ熱源機3で再加熱前の循環温水に熱吸収させることで、システム効率を向上することができる。本実施例では、複数の温水取入部13うちの最下流に位置する温水取入部13よりも更に下流側の循環復路4B(負荷側循環復路4B”)に、温水熱交換器34としての凝縮器30を設置する。この際、図1に示すように、循環復路4Bに分流路4Cを設けて、その分流路4Cに凝縮器30を設置するのが好ましい。
[0072]
 分流路4Cは、複数の温水取入部13うちの最下流に位置する温水取入部13よりも更に下流側の循環復路4Bにおいて、循環復路4Bから分岐すると共に循環復路4Bに再び合流する流路である。なお、分流路4Cには、温水熱交換器34(ここでは凝縮器30)よりも上流側(または下流側)に、送水ポンプ35を設けておくことが好ましい。分流路4Cにて熱交換することで、分流路4Cの流量を適切に維持して、効率的な熱交換を図ることができると共に、温水熱交換器34を小型化することができる。
[0073]
 このように、第一形態では、ヒートポンプ22の蒸発器32を燃料電池21のオフガス熱交換器23とする一方、ヒートポンプ22の凝縮器30を循環路4の温水熱交換器34とする。そのため、毒性や可燃性のない自然冷媒(CO )か、低毒性で非可燃性のHFC冷媒(R-134a等)を用いたヒートポンプ22に適した構成となる。
[0074]
 ≪第二形態≫
 図2(b)に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池21、第一冷却回路26およびヒートポンプ22を備える。前記第一形態と比較して、本第二形態では、燃料電池21とヒートポンプ22との間に第一冷却回路26を介在させた点が異なり、他は同様である。
[0075]
 第一冷却回路26は、燃料電池21のオフガス熱交換器23とヒートポンプ22の蒸発器32との間で第一冷却液(たとえば水)を循環させる。具体的には、蒸発器32からオフガス熱交換器23へは、冷却液送り路26Aを介して第一冷却液が供給され、オフガス熱交換器23から蒸発器32へは冷却液戻し路26Bを介して第一冷却液が戻される。冷却液送り路26A(または冷却液戻し路26B)に設けた循環ポンプ36を作動させることで、オフガス熱交換器23と蒸発器32との間で第一冷却液を循環させることができる。
[0076]
 オフガス熱交換器23は、燃料電池21のオフガスと第一冷却回路26の第一冷却液とを流通させながら、両流体を混ぜることなく間接熱交換する。蒸発器32は、第一冷却回路26の第一冷却液とヒートポンプ22の冷媒とを流通させながら、両流体を混ぜることなく間接熱交換する。さらに、凝縮器30は、ヒートポンプ22の冷媒と循環路4(前述した分流路4Cでもよい、以下同様)の循環温水とを流通させながら、両流体を混ぜることなく間接熱交換する。
[0077]
 オフガス熱交換器23において、燃料電池21のオフガスは、第一冷却回路26の第一冷却液により、露点温度以下に冷却される。この際、第一冷却液は、燃料電池21のオフガスにより加熱され、その回収されたオフガス廃熱は、ヒートポンプ22でくみ上げられる。そして、ヒートポンプ22でくみ上げられた熱は、凝縮器30において、循環路4の循環温水の加熱に用いられる。
[0078]
 このように、第二形態では、ヒートポンプ22の蒸発器32と燃料電池21のオフガス熱交換器23との間に、第一冷却回路26を介在させる。そのため、低毒性ではあるが、可燃性のある自然冷媒(イソブタン、プロパン等)を用いたヒートポンプに適した構成となる。すなわち、酸性凝縮水によりオフガス熱交換器23の腐食破損が起こっても、冷媒とオフガスの接触はないので、安全性を高めることができる。
[0079]
 ≪第三形態≫
 図2(c)に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池21、ヒートポンプ22および第二冷却回路33を備える。前記第一形態と比較して、本第三形態では、ヒートポンプ22と循環路4(前述した分流路4Cでもよい、以下同様)との間に第二冷却回路33を介在させた点が異なり、他は同様である。
[0080]
 第二冷却回路33は、ヒートポンプ22の凝縮器30と循環路4の温水熱交換器34との間で第二冷却液(たとえば水)を循環させる。具体的には、温水熱交換器34から凝縮器30へは、冷却液送り路33Aを介して第二冷却液が供給され、凝縮器30から温水熱交換器34へは冷却液戻し路33Bを介して第二冷却液が戻される。冷却液送り路33A(または冷却液戻し路33B)に設けた循環ポンプ37を作動させることで、凝縮器30と温水熱交換器34との間で第二却液を循環させることができる。
[0081]
 蒸発器32は、オフガス熱交換器23でもあり、燃料電池21のオフガスとヒートポンプ22の冷媒とを流通させながら、両流体を混ぜることなく間接熱交換する。一方、凝縮器30は、ヒートポンプ22の冷媒と第二冷却回路33の第二冷却液とを流通させながら、両流体を混ぜることなく間接熱交換する。さらに、温水熱交換器34は、第二冷却回路33の第二冷却液と循環路4の循環温水とを流通させながら、両流体を混ぜることなく間接熱交換する。
[0082]
 蒸発器32において、ヒートポンプ22の冷媒は、燃料電池21のオフガスから吸熱して蒸発を図られる。この気化熱により、燃料電池21のオフガスは、露点温度以下に冷却され、オフガス中の水分の凝縮が図られる。一方、蒸発器32でくみ上げられたオフガス廃熱は、凝縮器30において、第二冷却回路33の第二冷却液の加熱に用いられる。そして、ヒートポンプ22で加熱された第二冷却液により、温水熱交換器34において、循環路4の循環温水を加熱することができる。
[0083]
 このように、第三形態では、ヒートポンプ22の凝縮器30と循環路4の温水熱交換器34との間に、第二冷却回路33を介在させる。第二冷却回路33の存在により、凝縮器30が万一破損しても、循環温水への冷媒の混入を防止することができる。つまり、第二冷却回路33は、低毒性の冷媒をヒートポンプ22に使用する場合において、凝縮器30の他、給湯用熱交換器12が万一破損した場合の安全性を高めるものである。
[0084]
 ≪第四形態≫
 図2(d)に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池21、第一冷却回路26、ヒートポンプ22および第二冷却回路33を備える。前記第一形態と比較して、本第四形態では、燃料電池21とヒートポンプ22との間に第一冷却回路26を介在させると共に、ヒートポンプ22と循環路4(前述した分流路4Cでもよい、以下同様)との間に第二冷却回路33を介在させた点が異なる。つまり、本第四形態は、前記第二形態と前記第三形態とを組み合わせた構成とされる。
[0085]
 本第四形態では、前記第二形態と同様、第一冷却回路26を介して、燃料電池21のオフガス廃熱がヒートポンプ22でくみ上げられる。その際、オフガス熱交換器23において、燃料電池21のオフガスは冷却されて、オフガス中の水分の凝縮が図られる。一方、ヒートポンプ22でくみ上げられたオフガス廃熱は、前記第三形態と同様、第二冷却回路33を介して、循環路4の循環温水の加熱に用いられる。その他の構成は、前記各形態と同様であるため、説明を省略する。
[0086]
 次に、本実施例の燃料電池システム1の作用(運転)について、説明する。
 燃料電池21は、系統連系しながら常時発電する電主熱従運転を行っており、建築物2内の電力需要に合わせて、燃料電池21の発電出力(セルスタックの電池出力をパワーコンディショナで調整した出力)が調整される。すなわち、燃料電池21をベースロード電源として使用しつつ、系統電源をピークロード電源として使用している。燃料電池21の運転に伴い、ヒートポンプ22を作動させると共に、第一冷却回路26や第二冷却回路33を有する場合には、その循環ポンプ36,37も作動させる。これにより、前述したとおり、オフガス熱交換器23において、オフガスを露点温度以下に冷却して、確実で安定した水自立を図ることができる。
[0087]
 建築物2内の熱需要に備えて、循環路4の循環ポンプ7の作動を継続すると共に、循環復路4Bに分流路4Cを備える場合には、その送水ポンプ35の作動も継続する。循環路4に高温水を循環させておくことで、所望箇所の温熱利用弁14を開ければ、熱需要箇所6にて循環高温水の熱利用を図ることができる。たとえば、空調用ファンコイルユニット10において室内暖房を図ったり、床暖房パネル11において床暖房を図ったり、給湯用熱交換器12を介して出湯部19への温水を製造したりすることができる。
[0088]
 循環路4にバッファタンク5を備えない場合、循環往路4Aの基端部(つまり熱源機3からの出湯部)の水温を設定温度に維持するように、熱源機3を制御すればよい。図示例のように、複数台の熱源機3を備える場合、循環温水の水温(たとえば循環復路4Bの水温)に基づき、熱源機3の稼働台数と出力(火力)を調整すればよい。
[0089]
 循環路4にバッファタンク5を備える場合、バッファタンク5内の貯留水を、負荷側循環往路4A”と負荷側循環復路4B”とを用いて、熱需要箇所6との間で循環させればよい。また、バッファタンク5内の貯留水の水温などに基づき、適宜、バッファタンク5内の貯留水を、熱源側循環往路4A’と熱源側循環復路4B’とを用いて、熱源機3との間で循環させればよい。これにより、バッファタンク5内の水温、ひいては熱需要箇所6への水温を、設定温度に維持することができる。図示例のように、複数台の熱源機3を備える場合、バッファタンク5内の水温に基づき、熱源機3の稼働台数と出力(火力)を調整すればよい。バッファタンク5を備える場合、バッファタンク5は蓄熱タンクとして機能し、冬場の夜間など急激な熱需要の増大に対応することができる。
[0090]
 本実施例では、ヒートポンプ22を利用することで、循環路4の高温水は、熱源機3による加熱温度(前記設定温度ということもできる)が燃料電池21のオフガスの露点温度以上に設定された状態で循環されてもよい。なお、循環温水の設定温度は、季節によって変えることが多く、50~80℃の幅がある。夏期・中間期は、給湯主体の熱利用なので設定は低めであり、冬期は、給湯・暖房の熱利用なので設定は高めである。
[0091]
 循環路4の高温水が燃料電池21のオフガスの露点温度(たとえば40℃)以上になり得る場合、循環路4の循環温水と燃料電池21のオフガスとを単に熱交換するだけでは燃料電池21のオフガスを冷却できないおそれがあるが、ヒートポンプ22を用いて、燃料電池21のオフガスを確実に冷却して水自立を図ることができる。
[0092]
 本実施例の燃料電池システム1では、燃料電池21は、建築物2内の商用電源系統に接続(並列)されて使用される。すなわち、燃料電池21の発電出力は、建築物2内の配電盤・分電盤を介して負荷機器に給電される。ヒートポンプ22の圧縮機29を分電盤からの電力で駆動すると、燃料電池21の発電出力の一部が消費されることになるから、建築物2内で利用可能な電力としては減少し、燃料電池21の発電効率が低下することになる。一方で、燃料電池21のオフガス廃熱はロスなく回収されることになり、しかもヒートポンプ22で再加熱された循環温水が熱源機3に還流するので、熱源機3の熱出力を抑制しながら、設定温度の高温水を容易に送り出すことができる。そのため、建築物2全体で見ると、セントラル給湯暖冷房システムの高い省エネ性を維持しつつ、燃料電池21を高効率の分散電源として活用できる。
[0093]
 本発明の燃料電池システム1は、前記実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。特に、(a)熱源機3と、(b)熱源機3により加熱された高温水が循環する循環路4と、を建築設備として有し、(c)循環路4を循環する高温水を熱利用する建築物2に設置される燃料電池システム1であって、(d)建築物2内に給電可能な燃料電池21と、(e)圧縮機29、凝縮器30、膨張弁31および蒸発器32が環状に接続された冷媒回路を有し、圧縮機29の駆動により、蒸発器32で冷媒に吸熱させながら凝縮器30で冷媒から放熱可能なヒートポンプ22と、を備え、(f)燃料電池21のオフガス廃熱を、ヒートポンプ22によって循環路4の高温水に吸熱させ、燃料電池21のオフガスを露点温度以下に冷却するものであれば、その他の構成は適宜に変更可能である。
[0094]
 たとえば、前記実施例では、室内の暖冷房を図るために、建築物2の各階に空調用ファンコイルユニット10を設けた例を説明したが、空調用ファンコイルユニット10に代えて、単一ダクト方式の空気調和装置にも適用できる。この場合、図3に示す空調ユニット38が、特定の階(たとえば地下階)に設置される。そして、この空調ユニット38は、エアフィルタ39、冷却コイル40、加熱コイル41の他、送風機42を備える。送風機42は、吐出口が、各階の室内へのダクト43に接続される一方、吸込口が、各階の室内からのダクト44と外気導入口45に接続される。従って、送風機42を作動させると、外気導入口45から適宜外気を混入しつつ、室内空気を吸引して再び室内へ吐出することができる。その際、冷却コイル40に冷水を通せば冷房を図ることができ、加熱コイル41に温水を通せば暖房を図ることができる。また、加湿器46により、循環空気に加湿することもできる。

符号の説明

[0095]
  1 燃料電池システム
  2 建築物
  3 熱源機
  4 循環路(4A:循環往路、4B:循環復路、4C:分流路)
  5 バッファタンク
  6 熱需要箇所
  7 循環ポンプ
  8 温水取出部
  9 送水ポンプ
 10 空調用ファンコイルユニット
 11 床暖房パネル
 12 給湯用熱交換器
 13 温水取入部
 14 温熱利用弁
 15 冷凍機
 16 (16A:冷水送り路、16B:冷水戻し路)
 17 冷水ポンプ
 18 開閉弁
 19 出湯部(19A:カラン、19B:シャワー)
 20 給水管
 21 燃料電池
 22 ヒートポンプ
 23 オフガス熱交換器
 24 燃料電池本体
 25 オフガス配管
 26 第一冷却回路(26A:冷却液送り路、26B:冷却液戻し路)
 27 セパレータタンク
 28 供給ポンプ
 29 圧縮機
 30 凝縮器
 31 膨張弁
 32 蒸発器
 33 第二冷却回路(33A:冷却液送り路、33B:冷却液戻し路)
 34 温水熱交換器
 35 送水ポンプ
 36 循環ポンプ
 37 循環ポンプ
 38 空調ユニット
 39 エアフィルタ
 40 冷却コイル
 41 加熱コイル
 42 送風機
 43 ダクト
 44 ダクト
 45 外気導入口
 46 加湿器

請求の範囲

[請求項1]
 熱源機と、前記熱源機により加熱された高温水が循環する循環路と、を建築設備として有し、前記循環路を循環する高温水を熱利用する建築物に設置される燃料電池システムであって、
 前記建築物内に給電可能な燃料電池と、
 圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が環状に接続された冷媒回路を有し、前記圧縮機の駆動により、前記蒸発器で冷媒に吸熱させながら前記凝縮器で冷媒から放熱可能なヒートポンプと、を備え、
 前記燃料電池のオフガス廃熱を、前記ヒートポンプによって前記循環路の高温水に吸熱させ、前記燃料電池のオフガスを露点温度以下に冷却する
 ことを特徴とする燃料電池システム。
[請求項2]
 前記循環路の高温水は、前記熱源機による加熱温度が前記燃料電池のオフガスの露点温度以上に設定された状態で循環される
 ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
[請求項3]
 前記建築物の内部には、複数の熱需要箇所が設けられ、
 前記循環路は、前記複数の熱需要箇所で利用する高温水を取り出すための複数の温水取出部を有する循環往路と、前記複数の熱需要箇所で利用された高温水を取り入れるための複数の温水取入部を有する循環復路とからなり、
 前記燃料電池のオフガス廃熱を、前記ヒートポンプによって前記循環復路の高温水に吸熱させる
 ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。
[請求項4]
 前記複数の温水取入部うちの最下流に位置する温水取入部よりも更に下流側の前記循環復路において、前記循環復路から分岐すると共に前記循環復路に再び合流する分流路が接続され、
 前記燃料電池のオフガス廃熱を、前記ヒートポンプを介して前記分流路の高温水に吸熱させる
 ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
[請求項5]
 前記循環路には、高温水が前記循環復路から流入しながら前記循環往路へ流出するバッファタンクが配設され、
 前記熱源機は、前記バッファタンク内の保有水を加熱する
 ことを特徴とする請求項3または請求項4に記載の燃料電池システム。
[請求項6]
 前記蒸発器は、前記燃料電池のオフガスと前記ヒートポンプの冷媒とを流通させながら間接熱交換させるように構成され、
 前記凝縮器は、前記ヒートポンプの冷媒と;前記循環路または前記分流路の高温水とを流通させながら間接熱交換させるように構成される
 ことを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
[請求項7]
 前記燃料電池のオフガスを冷却するオフガス熱交換器と、
 前記オフガス熱交換器と前記蒸発器との間で第一冷却液を循環させる第一冷却回路と、を備え、
 前記オフガス熱交換器は、前記燃料電池のオフガスと前記第一冷却回路の第一冷却液とを流通させながら間接熱交換させるように構成され、
 前記蒸発器は、前記第一冷却回路の第一冷却液と前記ヒートポンプの冷媒とを流通させながら間接熱交換させるように構成され、
 前記凝縮器は、前記ヒートポンプの冷媒と;前記循環路または前記分流路の高温水とを流通させながら間接熱交換させるように構成される
 ことを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
[請求項8]
 前記循環路の高温水を加熱する温水熱交換器と、
 前記凝縮器と前記温水熱交換器との間で第二冷却液を循環させる第二冷却回路と、を備え、
 前記蒸発器は、前記燃料電池のオフガスと前記ヒートポンプの冷媒とを流通させながら間接熱交換させるように構成され、
 前記凝縮器は、前記ヒートポンプの冷媒と前記第二冷却回路の第二冷却液とを流通させながら間接熱交換させるように構成され、
 前記温水熱交換器は、前記第二冷却回路の第二冷却液と;前記循環路または前記分流路の高温水とを流通させながら間接熱交換させるように構成される
 ことを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
[請求項9]
 前記燃料電池のオフガスを冷却するオフガス熱交換器と、
 前記循環路の高温水を加熱する温水熱交換器と、
 前記オフガス熱交換器と前記蒸発器との間で第一冷却液を循環させる第一冷却回路と、
 前記凝縮器と前記温水熱交換器との間で第二冷却液を循環させる第二冷却回路と、を備え、
 前記オフガス熱交換器は、前記燃料電池のオフガスと前記第一冷却回路の第一冷却液とを流通させながら間接熱交換させるように構成され、
 前記蒸発器は、前記第一冷却回路の第一冷却液と前記ヒートポンプの冷媒とを流通させながら間接熱交換させるように構成され、
 前記凝縮器は、前記ヒートポンプの冷媒と前記第二冷却路の第二冷却液とを流通させながら間接熱交換させるように構成され、
 前記温水熱交換器は、前記第二冷却回路の第二冷却液と;前記循環路または前記分流路の高温水とを流通させながら間接熱交換させるように構成される
 ことを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
[請求項10]
 前記燃料電池は、改質器およびセルスタックを有し、
 前記燃料電池のオフガスを露点温度以下に冷却することにより生成した凝縮水を前記改質器に再供給し、
 前記改質器において、原燃料と前記凝縮水を水蒸気改質反応させることにより水素を含有する改質ガスを生成し、
 前記セルスタックにおいて、前記改質ガス中の水素と空気中の酸素を化学反応させて発電する
 ことを特徴とする請求項1~9のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
[請求項11]
 前記燃料電池は、固体酸化物形の燃料電池である
 ことを特徴とする請求項1~10のいずれか1項に記載の燃料電池システム。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]