JP2004199920A - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電効率を維持しつつ熱負荷側への熱回収率を向上させた燃料電池コージェネレーションシステムを提供する。
【解決手段】燃料電池１３で発生する熱を回収する排熱回収回路１８と、排熱によって熱負荷を加熱する加熱循環回路６５とを有した燃料電池コージェネレーションシステム１であって、加熱循環回路６５は、熱交換器１５と熱負荷３３とを流路上に有する循環流路で形成され、循環流路上の循環ポンプ３５の流出側と流入側を短絡して熱媒体の一部または全部を直接流入側へ戻す循環バイパス流路４９を備えており、循環流路６５と循環バイパス流路４９とを分岐流動する熱媒体の分岐割合、または、循環ポンプ３５による熱媒体の循環流量の少なくともいずれかを制御する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の排熱を利用して湯水などの熱負荷を加熱する燃料電池コージェネレーションシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、トータルエネルギー効率の向上を図ったコージェネレーションシステムの研究が進み、内燃機関や燃料電池を用いたコージェネレーションシステムの開発が行われている。
このようなシステムのうち、燃料電池を用いたコージェネレーションシステムでは、燃料電池で生成した直流電圧を交流変換し昇圧して外部の電気機器へ供給しつつ、発電に伴って燃料電池で生ずる熱を排熱として回収して湯水などを加熱するものであり、システム全体のエネルギー効率の向上を図る構成とされている。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１４７８６号公報
【０００４】
ところで、特開平９−１４７８６号公報に記載されたシステム（装置）では、燃料電池の発電に際して燃料電池を適切な温度に維持する必要がある。則ち、発電に際して燃料電池で生じる熱を熱負荷側へ回収し過ぎると、燃料電池の温度が低下して化学反応効率が低下し、発電効率が低下する。また、発電に際して燃料電池で生じる熱の熱負荷側への回収が少なすぎると、燃料電池の温度が上昇して燃料電池ユニット側に設けられた冷却用ラジエターが作動し、熱負荷側への熱回収率が著しく低下する。
このため、燃料電池コージェネレーションシステムにおいては、発電に際しての燃料電池の温度を適切な温度範囲に維持しなければならない。
則ち、燃料電池の発電効率を維持しつつ熱負荷側への熱回収率を向上させるために、燃料電池で発生する熱の熱負荷側への熱吸収量をきめ細かく制御しなければならない。
【０００５】
発電に際して、燃料電池で維持する温度範囲は、燃料電池の種類によって異なり、固体高分子型燃料電池では常温〜１２０℃程度の温度範囲が適切であり、リン酸型燃料電池では１９０〜２２０℃程度の温度範囲が好適である。また、溶融炭酸塩型燃料電池では６００〜７００℃程度、固体酸化物型燃料電池では９００〜１０００℃程度の温度範囲が好適である。
【０００６】
ところで、従来のシステムでは、燃料電池で生じた熱を熱負荷側へ伝達するために種々の構成が採用されている。例えば、燃料電池ユニットに熱媒体を循環させる排熱回収回路を設け、燃料電池で発生する熱を循環する熱媒体に回収しつつ、回収された熱を熱交換器を介して加熱ユニット側の加熱循環回路を循環する熱媒体へ伝達して熱負荷を加熱するような構成が採られる。
【０００７】
このような構成のシステムでは、発電に際して燃料電池の温度を適切に維持するために、熱交換器を介して熱負荷側へ吸収する熱量を、当該熱交換器の２次側に流入する熱媒体の流量を制御することで調節している。
則ち、熱交換器の２次側に流入する熱媒体の温度が目的温度となるように、加熱循環回路を循環する熱媒体の循環量を循環ポンプで制御することにより、燃料電池から熱負荷側への熱の吸収量を調節している。
また、従来のシステムでは、システムを構成する燃料電池ユニットおよび加熱ユニットの形状が大型のため、敷設性を向上させるべく、両ユニットを別体とした構成が多く採用されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、一般に、循環ポンプによって熱媒体の循環量を安定して広範囲に変化させることが難しく、特に、インペラを回転させて流体を循環させる循環ポンプでは、低回転における循環量を安定させることが極めて困難であった。
このため、前記した従来のシステムでは、熱交換器を流動する熱媒体の温度に応じて加熱循環回路を循環する熱媒体の循環量を循環ポンプによって安定して制御することができず、これに伴って燃料電池から熱負荷側への熱吸収量が変動して、燃料電池の温度を所定温度範囲に維持することが極めて困難であった。
【０００９】
また、前記したように、従来のシステムでは、燃料電池ユニットと加熱ユニットとを離して敷設することが多く、両ユニット間に配管や多数の信号線をひき回さなければならず、敷設に手間を要するものであった。
【００１０】
また、従来のシステムでは、燃料電池ユニット側に設けられた熱交換器２次側の熱媒体の温度を検知して加熱ユニット側の制御に用いる場合に、敷設信号線を削減するために、熱交換器の２次側に連通する加熱ユニット側の温度を検知して制御を行う構成のものもあった。
ところが、両ユニット間の配管長の増大に伴って、熱媒体が加熱ユニットの温度センサの設置部位から燃料電池ユニット側の熱交換器へ到る配管を流動する間に温度変動を生じ、熱交換器２次側の熱媒体の温度を正確に検知することができなかった。このため、燃料電池から吸収する熱量を安定して制御することができず、改善が望まれていた。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みて提案されるもので、燃料電池から回収する熱量をきめ細かく制御して燃料電池の温度を最適に維持することにより、発電効率を維持しつつ熱負荷側への熱回収率を向上させた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を目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために提案される請求項１に記載の発明は、電力の生成に伴って燃料電池で発生する反応熱を排熱として熱媒体に回収する第１の排熱回収回路と、当該第１の排熱回収回路で回収された排熱を熱媒体によって熱負荷へ伝達して加熱する加熱循環回路とを有した燃料電池コージェネレーションシステムであって、第１の排熱回収回路と加熱循環回路との間には熱伝達を行う第１の熱交換器を介在させ、加熱循環回路は、第１の熱交換器と熱負荷とを流路上に有する循環流路で形成され、当該循環流路上には熱媒体を強制循環させる循環手段を有すると共に、当該循環手段の流出側と流入側を短絡して循環手段から流出する熱媒体の一部または全部を第１の熱交換器を経ずに直接流入側へ戻す循環バイパス流路を備えており、加熱循環回路における循環流路と循環バイパス流路とを分岐流動する熱媒体の分岐割合、または、循環手段による熱媒体の循環流量の少なくともいずれかを制御することにより、第１の熱交換器への熱媒体の流動量を調節制御する構成とされている。
【００１３】
本発明によれば、例えば、加熱循環回路における循環流路と循環バイパス流路との分岐割合を１０：０に制御すると、循環手段から流出した熱媒体は全て第１の熱交換器側へ流動して、第１の熱交換器における熱負荷側への熱吸収量は最大となる。また、循環流路と循環バイパス流路との分岐割合を０：１０に制御すると、循環手段から流出した熱媒体は全て循環バイパス流路を介して流動し、第１の熱交換器への熱媒体の流動が停止して第１の熱交換器における熱負荷側への熱吸収量はゼロとなる。
【００１４】
また、循環流路と循環バイパス流路との分岐割合を上記範囲で適宜に変化させると、第１の熱交換器への熱媒体の流動量を連続的に調節することができ、第１の熱交換器における熱負荷側への熱の吸収量をきめ細かく制御することができる。
本発明によれば、循環流路と循環バイパス流路との分岐割合の制御に加えて、循環手段による熱媒体の循環流量を制御する。則ち、これらのいずれか一方の制御または双方の制御を行うことにより、第１の熱交換器への熱媒体の流動量を最小値から最大値まで広範囲に安定して可変制御することが可能となる。
【００１５】
従って、本発明によれば、例えば、循環手段で制御が困難な低流量においては、循環手段の駆動量を、当該循環手段によって安定した流動量が得られる最低値に固定しつつ、循環流路と循環バイパス流路との分岐割合を制御することによって、低流量の熱媒体を安定して第１の熱交換器へ流動させることができる。
また、循環手段で制御が容易な大流量においては、循環流路と循環バイパス流路との分岐割合を適宜の値に固定しつつ、循環手段の駆動量を可変制御することにより、大流量の熱媒体を安定して第１の熱交換器へ流動させることが可能となる。
【００１６】
本発明において、循環手段は第１の熱交換器（２次側）の上流側または下流側に配することが可能である。
循環手段を第１の熱交換器の上流側へ配する場合は、循環流路（加熱循環回路）と循環バイパス流路とへの熱媒体の分岐割合は、循環手段の上流側で制御しても良く、下流側で制御しても良い。
また、循環手段を第１の熱交換器の下流側へ配する場合も、循環流路（加熱循環回路）と循環バイパス流路とへの熱媒体の分岐割合は、循環手段の上流側で制御しても良く、下流側で制御しても良い。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載の発明において、第１の熱交換器を流動する熱媒体の温度を検知する第１の熱交温度検知手段を備えており、加熱循環回路における循環流路と循環バイパス流路とを分岐流動する熱媒体の分岐割合、または、循環手段による熱媒体の循環流量の少なくともいずれかを、第１の熱交温度検知手段の検知信号に基づいて制御する構成とされている。
【００１８】
本発明によれば、例えば、第１の熱交温度検知手段の検知信号が目的温度となるように、循環流路と循環バイパス流路との分岐割合、あるいは、循環流量を制御して第１の熱交換器への熱媒体の流動量をきめ細かく可変制御することができる。これにより、発電に際しての燃料電池から熱負荷への熱吸収量を安定して制御することができ、燃料電池の発電効率および熱負荷への熱吸収率を向上させることが可能となる。
【００１９】
本発明において、循環流路と循環バイパス流路とを分岐流動する熱媒体の分岐割合を制御するには種々の構成を採ることができる。例えば、循環流路と循環バイパス流路との分岐部分にステップモータなどで駆動される比例制御弁を設け、ステップモータの駆動に応じて、循環流路側と循環バイパス流路側との開口面積を、一方を増加させつつ他方を減少させる、あるいは、逆に一方を減少させつつ他方を増加させるように連続的に制御する構成を採ることが可能である。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、第１の熱交温度検知手段は第１の熱交換器の近傍に配置されると共に、第１の熱交温度検知手段は、第１の熱交換器の１次側において流入または流出する熱媒体の温度、または、第１の熱交換器の２次側において流入または流出する熱媒体の温度の少なくともいずれかの温度を検知する構成とされている。
【００２１】
ここで、第１の熱交温度検知手段を設ける部位が第１の熱交換器から離れていると、第１の熱交温度検知手段を設けた部位から第１の熱交換器に到るまでの循環流路長が増大して、循環流路における熱媒体の温度変動が生じる。このため、第１の熱交換器の近傍を流動する熱媒体の温度を正確に検知できない。
【００２２】
しかし、本発明によれば、第１の熱交換器の近傍を流動する熱媒体の温度を第１の熱交温度検知手段の検知信号によって正確に検知することができる。これにより、第１の熱交温度検知手段の検知信号に基づいて第１の熱交換器の近傍を流動する熱媒体の温度を適正に制御することができ、発電に際しての燃料電池の温度を所定範囲に維持することが可能となる。
【００２３】
本発明によれば、第１の熱交温度検知手段によって、第１の熱交換器の１次側に流入する熱媒体の温度を検知する構成を採ることができる。この構成によれば、第１の熱交温度検知手段の検知信号によって燃料電池の排熱状態を知ることができ、当該検知信号に応じて第１の排熱回収回路側への熱吸収量を制御して、発電に際しての燃料電池の温度を安定化させることができる。
また、第１の熱交温度検知手段によって、第１の熱交換器の１次側から流出する熱媒体の温度を検知する構成を採ることができる。この構成によれば、例えば、第１の熱交温度検知手段の検知信号が所定値となるように制御して、燃料電池の温度を安定化させることが可能となる。
【００２４】
また、第１の熱交温度検知手段によって、第１の熱交換器の２次側に流入する熱媒体の温度を検知する構成を採ることができる。この構成によれば、例えば、第１の熱交温度検知手段の検知信号が目的温度となるように制御して、燃料電池で発生する熱量に応じて加熱循環回路側への吸収熱量を変化させることが可能となる。
更に、第１の熱交温度検知手段によって、第１の熱交換器の２次側から流出する熱媒体の温度を検知する構成を採ることができる。この構成によれば、例えば、第１の熱交温度検知手段の検知信号が所定値となるように制御して、熱負荷へ循環する熱媒体の温度を安定させることが可能となる。
【００２５】
また、本発明において、第１の熱交温度検知手段は、第１の熱交換器の１次側において流入または流出する熱媒体の温度、または、２次側において流入または流出する熱媒体の温度のいずれか一つだけを検知する構成であっても良く、２以上を検知する構成であっても良い。これらの検知信号を単独あるいは組み合わせて帰還制御を施すことにより、燃料電池の温度を所定範囲に維持しつつ、熱負荷側への熱吸収率を向上させることが可能となる。
【００２６】
請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載の発明において、熱負荷への熱媒体の循環開始時において、加熱循環回路における循環流路と循環バイパス流路とを分岐流動する湯水の分岐割合、または、循環手段による熱媒体の循環流量の少なくともいずれかを、循環開始時において第１の熱交換器の２次側へ流入する熱媒体の温度と予め定められた設定温度との温度差に基づいて制御する構成とされている。
ここに、本発明で言う熱負荷への熱媒体の循環開始時とは、循環手段の駆動停止状態の期間から循環手段の駆動状態に移行する時点を指すものである。
【００２７】
熱負荷への熱媒体の循環開始時は、加熱循環回路の各流路の熱媒体の流動が開始されたばかりであり、各流路を流動する熱媒体の温度が安定していない。
本発明によれば、熱負荷への循環開始時において、第１の熱交温度検知手段で検知される第１の熱交換器の２次側へ流入する熱媒体の検知温度を、循環開始時における制御基準値として用いる。これにより、循環開始時における温度変動を抑えつつ、以降の熱負荷の加熱制御における温度制御を安定して行うことが可能となる。
【００２８】
請求項５に記載の発明は、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の発明において、燃料電池の発電量を検知する発電量検知手段を備えており、加熱循環回路における循環流路と循環バイパス流路とを分岐流動する熱媒体の分岐割合、または、循環手段による熱媒体の循環流量の少なくともいずれかを、第１の熱交温度検知手段または発電量検知手段の少なくともいずれかの検知信号に基づいて制御する構成とされている。
【００２９】
ここで、本発明で言う発電量検知手段とは、燃料電池の発電量データを検知するものであっても良く、発電量に応じて変動する排熱量などを検知するものであっても良い。
本発明によれば、第１の熱交温度センサの検知信号に加えて、発電量検知手段の検知信号を参照することができる。これにより、燃料電池の発電量に応じて第１の熱交換器への熱媒体の流動量を調節することができ、当該第１の熱交換器から加熱循環回路側への熱吸収量を適切に制御して、発電に際しての燃料電池の温度を安定化することが可能となる。
【００３０】
請求項６に記載の発明は、請求項２乃至５のいずれか１項に記載の発明において、燃料電池で生じる未反応ガスを燃焼させて得られる熱を排熱として熱媒体に回収する第２の排熱回収回路と、当該第２の排熱回収回路で回収された排熱を加熱循環回路を循環する熱媒体へ伝達する第２の熱交換器とを有し、当該第２の熱交換器を流動する熱媒体の温度を検知する第２の熱交温度検知手段を備えており、加熱循環流路における循環流路と循環バイパス流路とを分岐流動する熱媒体の分岐割合、または、循環手段による熱媒体の循環流量の少なくともいずれかを、第１の熱交温度検知手段または第２の熱交温度検知手段または発電量検知手段の少なくともいずれかの検知信号に基づいて制御する構成とされている。
【００３１】
則ち、本発明は、前記した燃料電池の反応熱を回収する第１の排熱回収回路に加えて、燃料電池で生じる未反応ガスなどを燃焼させて得られる熱を排熱として熱媒体に回収する第２の排熱回収回路を設けている。
これにより、未反応ガスをそのまま放出する構成に比べて、熱負荷へ回収する熱量を増加させることができ、エネルギーロスを低減したシステムとすることが可能となる。
【００３２】
また、第１の熱交温度センサ、第２の熱交温度センサあるいは発電量検知手段の検知信号に基づいて、循環流路と循環バイパス流路とを分岐流動する熱媒体の分岐割合、または、循環手段による熱媒体の循環流量の少なくともいずれかを制御する。これにより、第１および第２の熱交換器への熱媒体の流動量を最適に制御して熱負荷側への熱吸収量を調節制御することができ、燃料電池の温度を所定範囲に維持して発電効率を向上させつつ、熱負荷への熱回収率を向上させることが可能となる。
【００３３】
本発明において、燃料電池ユニットに設けられる第１の熱交換器および第２の熱交換器の２次側同士が直列に接続され、当該直列接続された２次側の両端部は加熱ユニット側へ延出して前記加熱循環回路に接続される構成を採ることができる。
【００３４】
ここで、第２の熱交換器を介して加熱循環回路へ供給される熱は燃料電池の発電に伴う未反応ガスを燃焼させて得られる熱である。従って、第２の熱交換器を介して加熱循環回路側へ多量の熱吸収を行っても、燃料電池自体の温度は低下せず、燃料電池の発電効率に影響を及ぼさない。
従って、第１の熱交換器と第２の熱交換器の２次側を直列に接続し、第１の熱交換器を流動する熱媒体の温度を適正に制御することにより、燃料電池の温度を所定範囲に維持して発電効率を向上させつつ熱負荷側への熱吸収率を増加させることが可能となる。
【００３５】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、第２の熱交温度検知手段は第２の熱交換器の近傍に配置されると共に、当該第２の熱交温度検知手段は、第２の熱交換器の２次側において流入または流出する熱媒体の温度の少なくともいずれかの温度を検知する構成とされている。
【００３６】
ここで、前記請求項３に記載した第１の熱交温度検知手段と同様に、第２の熱交温度検知手段を設ける部位が第２の熱交換器から離れていると、第２の熱交温度検知手段を設けた部位から第２の熱交換器に到るまでの循環流路長が増大して、循環流路における熱媒体の温度変動が生じる。このため、第２の熱交換器の近傍を流動する熱媒体の温度を正確に検知できない。
【００３７】
しかし、本発明によれば、前記請求項３の発明と同様に、第２の熱交換器の近傍を流動する熱媒体の温度を第２の熱交温度検知手段の検知信号によって正確に検知することができる。これにより、第２の熱交温度検知手段の検知信号に基づいて第２の熱交換器の近傍を流動する熱媒体の温度を適正に制御することができ、発電に際しての燃料電池の温度を所定範囲に維持することが可能となる。
【００３８】
また、本発明によれば、第２の熱交換器の２次側に流入する熱媒体の温度を検知する構成を採ることができる。この構成によれば、例えば、第２の熱交換器の２次側に流入する熱媒体の温度が一定となるように制御して、燃料電池で発生する熱量に応じて加熱循環回路側へ吸収する熱量を変化させることが可能となる。
【００３９】
また、第２の熱交温度センサによって、第２の熱交換器の２次側から流出する熱媒体の温度を検知する構成を採ることができる。この構成によれば、例えば、燃料電池の発電状態に拘わらず、２次側から流出する熱媒体の温度が一定となるように制御して、燃料電池の温度を安定化しつつ熱負荷への熱吸収量を向上させることが可能となる。
【００４０】
更に、本発明において、第２の熱交温度検知手段は、第２の熱交換器の２次側において流入または流出する熱媒体の温度のいずれか一つだけを検知する構成であっても良く、双方を検知する構成であっても良い。これらの検知信号を用いて帰還制御を施すことにより、燃料電池の温度を所定範囲に維持しつつ、熱負荷側への熱吸収率を向上させることが可能となる。
【００４１】
請求項８に記載の発明は、請求項２乃至７のいずれか１項に記載の発明において、加熱循環回路は、循環流路上に熱負荷をバイパスする熱負荷バイパス流路を備えており、熱負荷と熱負荷バイパス流路とへ分岐流動する熱媒体の分岐割合を、第１の熱交温度検知手段または第２の熱交温度検知手段または発電量検知手段の少なくともいずれかの検知信号に基づいて制御する構成とされている。
【００４２】
本発明によれば、例えば、熱負荷と熱負荷バイパス流路との分岐割合を１０：０に制御すると、循環流路を流動する熱媒体は全て熱負荷へ流入して、熱負荷における熱吸収量は最大となる。また、熱負荷と熱負荷バイパス流路との分岐割合を０：１０に制御すると、循環流路を流動する熱媒体は全て熱負荷バイパス流路へ流入して、熱負荷における熱吸収量はゼロとなる。
【００４３】
また、熱負荷と熱負荷バイパス流路との分岐割合を上記範囲で適宜に変化させると、熱負荷への熱媒体の流動量を連続的に調節することができ、熱負荷における熱の吸収量をきめ細かく制御することが可能となる。
則ち、熱負荷と熱負荷バイパス流路との分岐割合を調節制御することにより、第１の熱交換器側へ戻る熱媒体の温度を調節することが可能となる。
【００４４】
従って、本発明によれば、第１の熱交温度センサ、第２の熱交温度センサあるいは発電量検知手段の検知信号に基づいて、熱負荷と熱負荷バイパス流路との分岐割合を調節制御することにより、第１の熱交換器または第２の熱交換器側へ戻る熱媒体の温度を調節することが可能となる。
これにより、燃料電池から熱負荷側へ吸収する熱量を、第１の熱交換器や第２の熱交換器を流動する熱媒体の温度、あるい、は燃料電池の発電量に応じてきめ細かく調節することができ、燃料電池の温度を所定範囲に維持して発電効率を向上させつつ、熱負荷への熱吸収率を向上させることが可能となる。
【００４５】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、発電量検知手段の検知信号に基づいて第１の熱交換器の２次側に流入させる熱媒体の下限温度が設定され、当該第１の熱交換器の２次側へ流入する熱媒体の温度が下限温度以上となるように、熱負荷と熱負荷バイパス流路とへ分岐流動させる熱媒体の分岐割合を制御する構成とされている。
【００４６】
本発明によれば、燃料電池の発電量が増加したときは、第１の熱交換器の２次側に流入させる熱媒体の下限温度を低下させ、逆に、発電量が低下したときは、第１の熱交換器の２次側に流入させる熱媒体の下限温度を増加させる制御を行うことができる。
これにより、燃料電池の運転状態に応じて加熱循環回路側へ熱吸収を行うことができ、燃料電池の発電効率を維持しつつ、熱負荷への熱吸収率を向上させることが可能となる。
【００４７】
請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、加熱循環回路を循環する熱媒体が湯水であり、前記熱負荷が湯水を貯留する貯留タンクである構成とされている。
【００４８】
ここで、貯留タンク内に水を充填し、加熱された湯水（熱媒体）を貯留タンクの上方から流入させつつ貯留された低温の湯水を下方から流出させる構成とすれば、貯留タンクを一つの熱負荷と見なすことができる。
本発明によれば、燃料電池で発生する排熱を利用して貯留タンクに効率良く湯水を貯留することができ、燃料電池による外部電気機器への電力供給を含めてトータルエネルギー効率の高いシステムを形成することが可能となる。
【００４９】
請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のシステムにおいて、燃料電池を有する燃料電池ユニットと熱負荷を有する加熱ユニットとを接続して構成され、当該燃料電池ユニットおよび加熱ユニットは、両ユニット同士の間でデータを送受信する送受信部を各々備えると共に、当該送受信部の間は信号線で接続されており、当該信号線を介して第１の熱交温度検知手段または第２の熱交温度検知手段または発電量検知手段の少なくともいずれかの検知信号を含む制御に必要なデータが相互に伝送される構成とされている。
【００５０】
本発明によれば、燃料電池ユニットと加熱ユニットとを離れた位置に敷設する場合でも、両ユニットの間に信号線を接続するだけで、当該信号線を介して必要な全てのデータをユニット間で相互に伝送することが可能となる。これにより、敷設性が向上すると共に、装置の信頼性を向上することができる。
【００５１】
ここで、前記請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の発明において、加熱循環回路は、循環流路のエアーパージを行うエアーセパレータを流路上に備えており、試運転に際して、循環バイパス流路、熱負荷バイパス流路あるいは循環流路の各流路毎に区分してエアーパージを行う構成とすることができる。
【００５２】
例えば、循環流路と循環バイパス流路との分岐部、および、熱負荷と熱負荷バイパス流路との分岐部に、分岐割合を制御する分岐制御弁を設ける構成を採る場合は、試運転の際のエアーパージの第１段階として、分岐制御弁を切り換えることにより、循環手段から流出する熱媒体を全て循環バイパス流路のみに循環させつつエアーパージを行うことができる。これにより、大流量の熱媒体を循環バイパス流路に流動させることができ、短時間にエアーパージを完了することが可能となる。また、他の流路についても、同様にして大流量の熱媒体を循環させて短時間にエアーパージを行うことができ、試運転を効率良く実施可能となる。
【００５３】
また、試運転に際してのエアーパージは、循環バイパス流路、熱負荷バイパス流路あるいは循環流路のうち、加熱ユニットの下方に位置する流路から順に行うことが望ましい。下方に位置する流路から空気抜きを行うことにより、既に空気抜きを行った流路に再びエアーが混入することが防止され、試運転の効率が向上する。
【００５４】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は本実施形態の燃料電池コージェネレーションシステム１の流路系統図、図２はシステム１の貯湯モードの動作を示すフローチャート、図３は貯湯モードにおける熱交換器１５への熱媒体の循環量に対して、循環ポンプ（循環手段）３５の駆動電圧と循環分岐弁３６の開度とを示すグラフ、図４は熱負荷分岐弁３７の駆動ステップ数と熱負荷側の開度を示すグラフである。
【００５５】
本実施形態のシステム１は、燃料電池１３を有する燃料電池ユニット１０と、貯留タンク（熱負荷）３３を有する加熱ユニット３０との間に配管および信号線を敷設すると共に、加熱ユニット３０と接続されたリモートコントローラ８０を備えて構成される。
本実施形態のシステム１は、燃料電池１３で生成された電力を外部電気機器へ供給しつつ、燃料電池１３の電力生成に伴って発生する熱を回収して加熱された湯水を貯留タンク３３へ貯留する貯留運転モードと、貯留タンク３３へ貯留された湯水を給湯栓（カラン）４２の開栓に応じて給湯する給湯運転モードの２種類の運転モードを有する。
【００５６】
燃料電池ユニット１０は、制御回路部１１、送受信部１２，燃料電池１３、電力制御部１４、熱交換器１５および発電量検知手段１９を備えて構成される。
燃料電池１３は、直流電圧を発生する電池であり、本実施形態では、固体高分子型燃料電池を採用している。
電力制御部１４は、燃料電池１３で生成された直流電圧を交流に変換しつつ昇圧または降圧して、得られた交流電圧を外部の電気機器へ供給する。
【００５７】
発電量検知手段１９は、電力制御部１４で消費される電力を参照して燃料電池１３で発電される電力量に相当するデータを出力する。尚、当該発電量検知手段１９は、後述する貯湯運転の変形実施形態において採用する構成である。
【００５８】
また、燃料電池１３は、熱交換器１３ａを内蔵し、当該熱交換器１３ａから延出する循環往路１６と循環復路１７は熱交換器（第１の熱交換器）１５の１次側に接続されて、熱交換器１３ａから循環往路１６、熱交換器１５および循環復路１７を介して熱交換器１３ａに戻るループ状の排熱回収回路１８を形成している。また、熱交換器１５の２次側には、加熱ユニット３０へ延出する循環往路４４と循環復路４３が接続されて、後述する加熱循環回路の一部を構成している。
【００５９】
燃料電池の電力の発生に伴って生じる反応熱は、熱交換器１３ａによって排熱回収回路１８を循環する熱媒体（本実施形態では熱媒体として水を採用）に排熱として回収される。そして、排熱を回収した熱媒体は排熱回収回路１８を循環しつつ、回収した排熱を熱交換器１５において加熱ユニット３０側へ伝達する。
【００６０】
排熱回収回路１８に設けられた熱交換器１５の２次側から延出する循環往路４４および循環復路４３には、熱交換器１５に近接させて出湯温度センサ２０と入水温度センサ２１を設けている。これらの各温度センサ２０，２１の検知信号は制御回路部１１に伝送される。
【００６１】
一方、加熱ユニット３０は、制御回路部３１、送受信部３２、貯留タンク３３および補助燃焼器３４を備えて構成される。そして、加熱ユニット３０の送受信部３２と、燃料電池ユニット１０の送受信部１２との間は、信号線６８で接続されている。
貯留タンク３３は上部配管４６および下部配管４７を備えている。そして、前記燃料電池ユニット１０に設けられた熱交換器１５の２次側から延出する循環往路４４は、循環往路４５を介して上部配管４６に接続され、下部配管４７は、循環復路４８を介して熱交換器１５の２次側から延出する循環復路４３に接続されている。
また、下部配管４７と循環復路４８との接続部には、流路内に混入する空気を外部に放出するエアーセパレータ３９が設けられている。
【００６２】
循環復路４８の流路上には直流電圧で駆動される循環ポンプ（循環手段）３５が設けられると共に、循環復路４８は循環復路４３との接続部において循環バイパス流路４９に分岐し、分岐した循環バイパス流路４９の他端は、エアーセパレータ３９に接続されている。また、循環復路４８から循環復路４３と循環バイパス流路４９への分岐部分には、循環分岐弁３６が設けられている。
【００６３】
一方、循環往路４４は循環往路４５との接続部において熱負荷バイパス流路５０に分岐し、分岐した熱負荷バイパス流路５０の他端は、エアーセパレータ３９に接続されている。また、循環往路４４から循環往路４５と熱負荷バイパス流路５０への分岐部分には、熱負荷分岐弁３７が設けられている。
【００６４】
また、貯留タンク３３の上部配管４６は、循環往路４５との接続部において更に２方の流路へ分岐している。一方の分岐流路は、タンク内圧力を逃がす負圧作動式の安全弁４０を介して大気に開放され、他方の分岐流路である給湯流路５３は、混合流路５４および補助燃焼器３４を介して給湯栓４２の接続された排出流路５５に接続されている。
給水栓（不図示）から延びる給水流路５１は、給湯流路５３と混合流路５４の接続部において給湯流路５３と合流しており、合流部分には混合制御弁３８が設けられている。また、給水流路５１は流路途中において貯留タンク３３の下部給水配管５２に分岐している。
【００６５】
ここで、循環復路４８から循環復路４３と循環バイパス流路４９への分岐部に設ける循環分岐弁３６、および、循環往路４４から循環往路４５と熱負荷バイパス流路５０への分岐部に設ける熱負荷分岐弁３７は同一の構造を有する。
【００６６】
循環分岐弁３６はステップモータ３６ａを備えており、当該モータ３６ａを駆動することによって、循環ポンプ３５から流出し循環復路４８を流動する熱媒体（湯水）の循環復路４３と循環バイパス流路４９とへの分岐割合を調節する。則ち、ステップモータ３６ａを調整して、循環復路４８を流動する熱媒体を全て循環復路４３側へ流動させたり、循環復路４８を流動する熱媒体を全て循環バイパス流路４９側へ流動させることができ、更に、循環復路４３と循環バイパス流路４９とへの熱媒体の分岐割合を任意に調節可能である。
【００６７】
熱負荷分岐弁３７はステップモータ３７ａを備えており、循環分岐弁３６と同様の動作を行う。則ち、ステップモータ３７ａを調整して、循環往路４４を流動する熱媒体を全て循環往路４５側（熱負荷側）へ流動させたり、循環往路４４を流動する熱媒体を全て熱負荷バイパス流路５０側へ流動させることができ、更に、循環往路４５（熱負荷側）と熱負荷バイパス流路５０とへの熱媒体の分岐割合を任意に調節可能である。
【００６８】
また、給湯流路５３と給水流路５１の合流部に設ける混合制御弁３８も、前記循環分岐弁３６および熱負荷分岐弁３７と同一の構成を有する制御弁である。則ち、前記循環分岐弁３６および熱負荷分岐弁３７は、分岐部分を熱媒体の下流側に配して用いるのに対して、混合制御弁３８は、分岐部分を熱媒体の上流側に配して用いる点が異なる。
この混合制御弁３８はステップモータ３８ａを備えており、当該モータ３８ａを調整して、給湯流路５３を流動する高温の湯水だけを混合流路５４側へ流動させたり、給水流路５１を流動する水だけを混合流路５４側へ流動させることができ、更に、給湯流路５３を流動する高温の湯水と給水流路５１を流動する水を任意の混合割合で混合しつつ混合流路５４側へ流動させることが可能である。
【００６９】
また、混合流路５４には湯水の流動を検知する流量センサ６６が設けられ、排出流路５５には流路を開閉制御する電磁弁６７が設けられている。
【００７０】
加熱ユニット３０は、前記したように、燃料電池ユニット１０に設けられた熱交換器１５の２次側から延びる循環往路４４、循環往路４５および上部配管４６を介して貯留タンク（熱負荷）３３に到る流路と、貯留タンク３３の下部配管４７、循環復路４８および循環復路４３を介して熱交換器１５の２次側に到る流路とで形成される循環流路によって加熱循環回路６５を形成している。
【００７１】
また、循環バイパス流路４９は、循環ポンプ３５から流出する熱媒体を循環ポンプ３５の流入側へバイパスする働きをする。則ち、循環分岐弁３６の制御に応じて、循環ポンプ３５から流出する熱媒体の一部または全部を循環バイパス流路４９を介して循環ポンプ３５の流入側へバイパスするものであり、これによって、循環ポンプ３５の駆動量を固定したままで、循環復路４３を介して熱交換器１５側への熱媒体の流動量を調節する働きを有する。
更に、熱負荷バイパス流路５０は、熱負荷分岐弁３７の制御に応じて、循環往路４４を流動する熱媒体の一部または全部をバイパスして、熱負荷である貯留タンク３３への熱媒体の流動量を調節し、これによって、熱交換器１５へ戻る熱媒体の温度を調節制御する働きを有している。
【００７２】
また、加熱ユニット３０の各流路には、流動する熱媒体の温度を検知する温度センサが各部に設けられている。則ち、貯留タンク３３の下部配管４７には下部出水温度センサ５８、循環復路４８には復路温度センサ５６が設けられ、循環往路４５には往路温度センサ５７が設けられている。また、貯留タンク３３には、貯留されている湯水の上部の温度を検知する上部温度センサ６３と、下部の温度を検知する下部温度センサ６４が設けられている。
更に、給湯流路５３には給湯温度センサ５９が設けられ、補助燃焼器３４に接続される混合流路５４および排出流路５５には、各々、混合温度センサ６０および排出温度センサ６１が設けられている。
【００７３】
これらの各温度センサの検知信号は制御回路部３１に伝送され、制御回路部３１は、これらの検知信号と、燃料電池ユニット１０から送受信部１２、３２を介して伝送される検知信号を参照して、循環ポンプ３５、循環分岐弁３６，熱負荷分岐弁３７および混合制御弁３８の制御を行う。
【００７４】
また、加熱ユニット３０の制御回路部３１は、図３に示すように、熱交換器１５の２次側の熱媒体の循環量と循環ポンプ３５の駆動電圧とを対応させたデータテーブルと、熱交換器１５の２次側の熱媒体の循環量と循環分岐弁３６のステップモータ３６ａの駆動ステップとを対応させたデータテーブルとをＲＯＭ（不図示）に格納している。
【００７５】
本実施形態では、図３に示すように、熱交換器１５への熱媒体の循環量が所定値Ｋ未満の領域では、循環ポンプ３５の駆動電圧を安定した循環流量が得られる最低電圧ｍｉｎに固定しつつ、循環分岐弁３６の開度をｍｉｎ〜ｍａｘまで変化させている。これにより、循環ポンプ３５による循環流量を安定させつつ、熱交換器１５への循環流量が低い場合における流量の安定化を図っている。
【００７６】
また、熱交換器１５への熱媒体の循環量が所定値Ｋ以上の領域では、循環分岐弁３６の熱交換器１５側への開度を最大に固定しつつ、循環ポンプ３５の駆動電圧をｍｉｎ〜ｍａｘまで変化させている。これにより、熱交換器１５への循環流量が高い場合における流量の安定化を図っている。
【００７７】
また、制御回路部３１は、図４に示すように、熱負荷分岐弁３７のステップモータ３７ａの駆動ステップ数と熱負荷側の開度とを対応させた制御テーブルをＲＯＭに格納している。
【００７８】
次に、本実施形態の燃料電池コージェネレーションシステム１の貯湯運転モードおよび給湯運転モードの動作を説明する。
尚、貯湯運転に際しては、予め、貯留タンク３３および各流路内部に水を貯留し、流路のエアーパージを行う試運転を実施するが、当該試運転の動作は後述するものとし、貯留タンク３３および各流路内には、既に水が満水状態に貯留されているものとする。
【００７９】
（貯湯運転モード）
図２は、本実施形態のシステム１の貯湯運転動作を示すフローチャートであり、図を参照して貯湯運転の動作を説明する。
リモートコントローラ８０を操作して貯湯運転モードを選択すると、制御回路部３１は、初期設定として、循環分岐弁３６および熱負荷分岐弁３７の開度を初期位置に戻す。
【００８０】
制御回路部３１は、貯湯運転開始時（循環開始時）における熱交換器１５への湯水の運転開始循環量を式１によって算出する。但し、式１において、基準循環量は、予め設定された所定循環量、設定温度は予め設定された給湯温度（本実施形態では６５℃）、入水温度は熱交換器１５の２次側に設けた入水温度センサ２１の検知信号、αは定数である。
【００８１】
【数１】

【００８２】
制御回路部３１は、データテーブル（図３参照）を参照して、式１で算出した運転開始循環量に対応した循環ポンプ３５の駆動電圧と循環分岐弁３６のステップモータ３６ａの駆動ステップ数とを求めて、当該駆動量で循環分岐弁３６を駆動すると共に循環ポンプ３５を駆動する。これにより、熱交換器１５の２次側には式１で定まる運転開始循環量の熱媒体が流動する（以上、図２ステップ１０１〜１０３参照）。
【００８３】
制御回路部３１は、運転開始循環量に応じた待機時間ｔを算出し、当該待機時間ｔだけ待機する。
ここで、待機時間ｔは、循環量に応じて、熱交換器１５の２次側に設けた入水温度センサ２１から出湯温度センサ２０に到る間の流路を熱媒体が流動する時間に略相当する時間であり、この待機時間ｔの間は、制御回路部３１は、現在の駆動時間を維持する制御を行う（以上、図２ステップ１０９〜１１０参照）。
【００８４】
待機時間ｔが経過すると、ステップ１２２，１２３を通りステップ１０４に戻って、制御回路部３１は、入水温度センサ２１および出湯温度センサ２０の検知温度を参照し、各々の検知温度に応じて次の制御を行う。
まず、入水温度センサ２１の検知温度が所定温度（本実施形態では２０℃に設定）未満であり、出湯温度センサ２０の検知温度が設定温度（本実施形態では６５℃）未満のときは、データテーブル（図３参照）を参照して、循環ポンプ３５を最小電圧で駆動すると共に循環分岐弁３６の熱交換器１５側の開度を最小となるように制御し、更に、データテーブル（図４参照）を参照して、熱負荷分岐弁３７の循環往路４５側の開度が最小となるように制御する（以上、図２ステップ１０４，１１１，１１６〜１１８参照）。
【００８５】
これにより、熱交換器１５の２次側を流動する湯水の循環量と、貯留タンク３３へ流動する湯水の量は最少となる。則ち、熱交換器１５から流出した熱媒体の殆どが循環バイパス流路４９と熱負荷バイパス流路５０を介してそのまま熱交換器１５に戻るため、熱交換器１５の２次側から貯留タンク３３側へ吸収される熱量は最少となり、燃料電池１３からの熱吸収を抑えつつ燃料電池１３の温度上昇を待つ。そして、制御回路部３１は待機時間ｔを算出して、制御を待機時間ｔだけ継続し、待機時間ｔが経過すると、ステップ１２２，１２３を通りステップ１０４に戻る（以上、図２ステップ１０９，１１０，１０４参照）。
【００８６】
また、入水温度センサ２１の検知温度が所定温度（２０℃）以上であり、出湯温度センサ２０の検知温度が設定温度（６５℃）未満のときも、データテーブル（図３参照）を参照して、循環ポンプ３５を最小電圧で駆動すると共に循環分岐弁３６の熱交換器１５側の開度を最小となるように制御し、更に、データテーブル（図４参照）を参照して、熱負荷分岐弁３７の循環往路４５側の開度を最小となるように制御する。この場合も、燃料電池１３からの熱吸収を抑えつつ燃料電池１３の温度上昇を待つ。そして、制御回路部３１は待機時間ｔを算出して、制御を待機時間ｔだけ継続し、待機時間ｔが経過すると、ステップ１２２，１２３を通りステップ１０４に戻る（以上、図２ステップ１０４，１０５，１１９〜１２１，１０９，１１０参照）。
【００８７】
一方、入水温度センサ２１の検知温度が所定温度（２０℃）未満であり、出湯温度センサ２０の検知温度が設定温度（６５℃）以上のときは、制御回路部３１は、熱交換器１５への湯水の循環量を式２によって算出する。但し、式２において、前回循環量は、待機時間ｔより前に行われた制御における循環量、設定温度は予め設定された給湯温度（６５℃）、出湯温度は出湯温度センサ２０の検知温度、αは定数である。
【００８８】
【数２】

【００８９】
制御回路部３１は、データテーブル（図３参照）を参照して、式２で算出した循環量に対応した循環ポンプ３５の駆動電圧と循環分岐弁３６のステップモータ３６ａの駆動ステップ数とを求めて、当該駆動量で循環分岐弁３６を駆動すると共に循環ポンプ３５を駆動する。これにより、熱交換器１５の２次側には式２で定まる循環量の熱媒体が流動する（以上、図２ステップ１０４，１１１〜１１３参照）。
【００９０】
更に、制御回路部３１は、熱負荷バイパス流路５０と貯留タンク３３との熱媒体の流量比率を式３によって算出する。但し、式３において、入水温度は入水温度センサ２１の検知温度、給水温度は給水温度センサ６２の検知温度、出湯温度は出湯温度センサ２０の検知温度であり、循環量は前記式２によって算出された値である。
尚、式３は、図１において、貯湯運転に際して上部配管４６を介して流入する高温水によって下部配管４７から流出する低温水（略給水温度の低温水）と、熱負荷バイパス流路５０を介して循環する高温水とがエアーセパレータ３９で混合されて熱交換器１５へ流動する湯水の温度が入水温度（２０℃）となる関係に基づいて導かれる。
【００９１】
【数３】

【００９２】
制御回路部３１は、式３によって算出された熱負荷流量と熱負荷バイパス流路流量との比率に基づいて、熱負荷分岐弁３７を駆動して、当該比率によって貯留タンク３３への貯湯を行う。そして、制御回路部３１は待機時間ｔを算出して、制御を待機時間ｔだけ継続し、待機時間ｔが経過すると、ステップ１２２，１２３を通りステップ１０４に戻る（以上、図２ステップ１１４，１１５，１０９，１１０，１０４参照）。
則ち、制御回路部３１は、式２で示される循環量の熱媒体を熱交換器１５へ流動させると共に、式３で示される比率で貯留タンク３３と熱負荷バイパス流路５０への熱媒体の分岐割合を調節することにより、燃料電池１３の温度を所定範囲に維持しつつ貯留タンク３３側への熱吸収量を増加させる制御を行う。
【００９３】
また、入水温度センサ２１の検知温度が所定温度（２０℃）以上であり、出湯温度センサ２０の検知温度が設定温度（６５℃）以上のときは、制御回路部３１は、熱交換器１５への湯水の循環量を前記式２によって算出する。
そして、制御回路部３１は、データテーブル（図３参照）を参照して、式２で算出した循環量に対応した循環ポンプ３５の駆動電圧と循環分岐弁３６のステップモータ３６ａの駆動ステップ数とを求めて、当該駆動量で循環分岐弁３６を駆動すると共に循環ポンプ３５を駆動する。これにより、熱交換器１５の２次側には式２で定まる循環量の熱媒体が流動する。
【００９４】
更に、制御回路部３１は、熱負荷分岐弁３７を貯留タンク３３側への流動量が最大となるように制御する。これにより、熱交換器１５で昇温された湯水は全て貯留タンク３３へ流入して貯湯が行われる。そして、制御回路部３１は待機時間ｔを算出して、制御を待機時間ｔだけ継続し、待機時間ｔが経過すると、ステップ１２２，１２３を通りステップ１０４に戻る（以上、図２ステップ１０４〜１１０参照）。
則ち、制御回路部３１は、式２で示される循環量の熱媒体を熱交換器１５へ流動させつつ、熱交換器１５から流出する高温水を貯留タンク３３側へ流入させることにより、燃料電池１３の温度を所定範囲に維持しつつ貯留タンク３３側への熱吸収量が最大となる制御を行う。
【００９５】
このようにして、貯留タンク３３の上部配管４６から高温水が流入しつつ下部配管４７から低温水が流出して循環する貯湯運転が行われる。そして、貯留タンク３３の下部温度センサ６４が設定温度（６５℃）を検知すると、制御回路部３１は、循環ポンプ３５の駆動を停止して貯留運転を終了する（以上、図２ステップ１２２，１２３参照）。
【００９６】
尚、上記説明では、給湯温度の設定値を６５℃とし、入水温度センサ２１の検知温度を２０℃として、これらの温度を境界として分岐させる制御を行うものとして述べた。しかし、本実施形態では、給湯温度の設定値および入水温度センサ２１の検知温度の境界値をディップスイッチにより変更可能な構成としており、燃料電池１３の種別や給湯温度に応じて切換設定可能である。
また、貯湯運転が行われていないときに燃料電池１３の発電が行われる場合は、燃料電池１３で発生する熱の加熱ユニット３０側への吸収が行われないため、燃料電池１３の温度が上昇する。しかし、本実施形態では、排熱回収回路１８にラジエター（不図示）を設けて、循環する熱媒体の温度が所定値を超えると冷却を行う構成を採用している。
【００９７】
このように、本実施形態のシステム１では、加熱ユニット３０の加熱循環回路６５に循環バイパス流路４９を設けた簡単な構成により、循環流路６５と循環バイパス流路４９との分岐割合、および、循環ポンプ３５による循環流量を制御するだけで、燃料電池ユニット１０の熱交換器１５を流動する湯水の循環量を広範囲に安定して制御することができる。また、加熱循環回路６５に熱負荷バイパス流路５０を設けて分岐割合を制御するだけで、貯留タンク３３における熱吸収量を安定して制御することができる。
これにより、発電に際しての燃料電池１３の温度を所定範囲に維持しつつ、貯留タンク３３への熱吸収率を向上させたシステム１を提供することが可能となる。
【００９８】
（給湯運転モード）
給湯栓４２を開栓すると、混合流路５４の湯水の流動を流量センサ６６が検知して制御回路部３１は給湯栓４２の開栓を検知する。
【００９９】
給湯運転が開始されたときに貯湯運転が行われていない場合は、給水流路５１から貯留タンク３３の下部給水配管５２に加わる給水圧力によって、貯留タンク３３に貯留された高温水が上部配管４６から給湯流路５３を介して混合制御弁３８に到ると共に、給水流路５１を介して水が混合制御弁３８に到り、混合制御弁３８の混合割合に応じて高温水と水が混合されて混合流路５４へ流動する。
一方、給湯運転が開始されたときに貯湯運転が行われている場合は、給湯流路５３を流動する湯水の流動量を賄うように、循環往路４５を流動する湯水と貯留タンク３３から上部配管４６を介して流動する湯水が混合されつつ給湯流路５３側へ供給される。
【０１００】
ここで、制御回路部３１は、給湯流路５３を流動する高温水の温度、給水流路５１から給水される水の温度、および、混合流路５４を流動する湯水の温度を、各々、給湯温度センサ５９、給水温度センサ６２および混合温度センサ６０で検知しつつ、混合温度センサ６０の検知温度がリモートコントローラ８０の設定温度となるように、混合制御弁３８のステップモータ３８ａを制御する。そして、混合制御弁３８における高温水と水の混合割合を制御しつつ設定温度に混合された湯水を混合流路５４から排出流路５５を介して給湯栓４２へ給湯する。
【０１０１】
一方、貯留タンク３３に貯留された湯水の温度が低く、給湯温度センサ５９の検知温度がリモートコントローラ８０の設定温度に達しないときは、制御回路部３１は、混合制御弁３８を給湯流路５３側に全開制御すると共に、補助燃焼器３４を着火して混合流路５４から流入する湯水を更に加熱する。そして、排出流路５５の排出温度センサ６１の検知温度が設定温度となるように、補助燃焼器３４の燃焼量を調整しつつ、設定温度の湯水を給湯する。
【０１０２】
給湯栓４２を閉じると、流量センサ６６によって検知され、制御回路部３１は補助燃焼器３４の燃焼制御を停止して給湯運転を終了する。
また、給湯運転によって貯留タンク３３に貯留する高温水の量が低下すると、制御回路部３１は、上部温度センサ６３で検知して自動的に上記貯湯運転を再開する。
【０１０３】
（試運転モード）
次に、本実施形態のシステム１を敷設した場合に、貯留タンク３３への給水および各流路に水張りを行う試運転の制御を、図５のフローチャートを参照して説明する。
試運転に先立って、貯留タンク３３への給水を行う。給水に際しては、安全弁４０を開成すると、給水流路５１に加わる水圧によって下部給水配管５２を介して貯留タンク３３内部に給水が行われる。そして、貯留タンク３３が満水となり、安全弁４０側から水が出始めると安全弁４０を閉成する（以上、図５ステップ１３０〜１３４参照）。
【０１０４】
次いで、リモートコントローラ８０を操作して試運転モードを選択すると、制御回路部３１は、循環分岐弁３６を循環バイパス流路４９側へ全開駆動し、循環ポンプ３５を最大電圧で所定時間だけ駆動する。これにより、循環ポンプ３５から流出する大流量の水が循環復路４８と循環バイパス流路４９で形成されるループを循環しつつ、流路内の空気はエアーセパレータ３９から外部に放出される（以上、図５ステップ１３５〜１３７参照）。
【０１０５】
所定時間が経過すると、制御回路部３１は、循環分岐弁３６を循環復路４３側へ全開駆動すると共に、熱負荷分岐弁３７を熱負荷バイパス流路側へ全開駆動し、引き続き循環ポンプ３５を最大電圧で所定時間だけ駆動する。これにより、循環ポンプ３５から流出する大流量の水は、循環復路４８，４３、熱交換器１５、循環往路４４および熱負荷バイパス流路５０で形成されるループを循環しつつ、流路内の空気はエアーセパレータ３９から外部に放出される（以上、図５ステップ１３８〜１４１参照）。
【０１０６】
所定時間が経過すると、制御回路部３１は、循環分岐弁３６を循環復路４３側へ駆動したまま、熱負荷分岐弁３７を循環往路４５側（貯留タンク側）へ全開駆動し、引き続き循環ポンプ３５を最大電圧で所定時間だけ駆動する。これにより、循環ポンプ３５から流出する大流量の水は、循環復路４８，４３、熱交換器１５、循環往路４４，４５、上部配管４６、貯留タンク３３および下部配管４７で形成される加熱循環回路６５を循環しつつ、流路内の空気はエアーセパレータ３９から外部に放出される。そして、所定時間が経過すると、制御回路部３１は試運転を終了する（以上、図５ステップ１４２〜１４５参照）。
【０１０７】
このように、本実施形態のシステム１では、試運転に際して、循環流路毎に区分して大流量の水を循環させてエアーパージを行うので、流路内に空気が残留することがない。また、加熱ユニット３０の下部に位置する流路から順にエアーパージを行うので、先にエアーパージを行った流路に後から空気が混入することがなく、試運転を効率良く行うことが可能となる。
【０１０８】
（貯湯運転の変形実施形態）
次に、前記した貯湯運転の制御の一部が異なるシステム１の動作を、図６のフローチャートを参照して説明する。
本実施形態の貯湯運転は、前記図２で示したフローチャートのステップ１０８を変更したものであり、他のステップについては同一である。従って、同一符合を付して重複した説明を省略する。
【０１０９】
ここで、前記図２に示した実施形態では、入水温度センサ２１の検知温度が所定温度（２０℃）以上であり、出湯温度センサ２０の検知温度が設定温度（６５℃）以上のときは、制御回路部３１は、式２によって算出した循環量に対応した駆動量で循環ポンプ３５と循環分岐弁３６とを駆動して、熱交換器１５の２次側に式２で定まる循環量の湯水を流動させ、更に、制御回路部３１は、熱負荷分岐弁３７を貯留タンク３３側への流動量が最大となるように制御するものであった（図２ステップ１０４〜１０８参照）。
【０１１０】
これに対して、本実施形態では、循環ポンプ３５と循環分岐弁３６の制御については、前記実施形態と同一であるが、循環分岐弁３６の制御が異なる。
則ち、制御回路部３１は、循環ポンプ３５と循環分岐弁３６の駆動に引き続いて、送受信部３２および燃料電池ユニット１０側の送受信部１２を介して制御回路部１１へ燃料電池１３の発電量（排熱量）データの要求信号を送出する。
この要求信号に対して、燃料電池ユニット１０の制御回路部１１は、発電量検知手段（不図示）から発電量データを受け、送受信部１２および加熱ユニット３０側の送受信部３２を介して制御回路部３１へ送信する（図６ステップ１０８ａ参照）。
【０１１１】
すると、制御回路部３１は、受信した発電量（排熱量）データに応じて、発電量（排熱量）が増加しているときは熱交換器１５の入水温度（入水制限温度）を低下させ、逆に、発電量（排熱量）が低下しているときは熱交換器１５の入水温度（入水制限温度）を増加させる。そして、前記式３における入水温度を、発電量に応じて新たに設定した入水温度とした式４に基づいて、熱負荷流量と熱負荷バイパス流路流量との比率を算出し、算出した比率に基づいて熱負荷分岐弁３７を駆動して、当該比率によって貯留タンク３３への貯湯を行う（図６ステップ１０８ｂ〜１０８ｄ参照）。
【０１１２】
【数４】

【０１１３】
このように、本実施形態の貯湯運転によれば、熱交換器１５の入水温度を固定するのではなく、燃料電池の発電量（排熱量）に応じて熱交換器１５の入水温度を変化させるので、燃料電池から排出される熱を一層多く吸収して熱負荷に供給することができ、これにより、システム１のトータルのエネルギー効率を向上させることが可能となる。
【０１１４】
（燃料電池ユニットの変形実施形態）
次に、前記図１に示した実施形態の一部の構成を変形したシステム１の構成を、図７を参照して説明する。本実施形態のシステム１は、前記図１に示したシステム１の燃料電池ユニット１０の構成を変更したものであり、加熱ユニット３０については同一構成である。従って、同一部分には同一の符合を付して重複した説明を省略する。
【０１１５】
図１に示した燃料電池ユニット１０では、燃料電池１３の反応熱を回収して加熱ユニット３０側へ伝達する熱交換器１５を有した構成であった。
これに対して、図７に示す本実施形態では、燃料電池１３の発電に際して未反応のまま放出されるガスを燃焼させて得られる熱を排熱として回収する排熱回収回路（第２の排熱回収回路）２６を有し、当該排熱回収回路２６に熱交換器（第２の熱交換器）２２を備えた構成である。
【０１１６】
排熱回収回路２６は、熱媒体が循環する循環往路２４と循環復路２５によって形成され、未反応ガスを燃焼させて得られる熱は熱媒体に回収され、熱交換器２２において、熱媒体の熱が加熱ユニット３０側へ伝達される。
本実施形態では、熱交換器２２が上流側となるように熱交換器２２と熱交換器１５の各々の２次側を直列に接続している。則ち、加熱ユニット３０へ延出する循環復路４３を熱交換器２２の２次入水側に接続すると共に、加熱ユニット３０へ延出する循環往路４４を熱交換器１５の２次出湯側へ接続した構成としている。
【０１１７】
また、熱交換器２２、１５の２次側の接続部には、熱交換器２２から流出する熱媒体の温度を検知する流出温度センサ２３を設けている。
このような構成の燃料電池ユニット１０では、排熱回収回路２６は前記したように燃料電池の未反応ガスを燃焼させて得られる熱を回収するので、排熱回収回路２６から加熱ユニット３０側への熱吸収量が過大になっても、燃料電池１３の発電に際しての温度低下に影響を及ぼさない。
【０１１８】
本実施形態の燃料電池ユニット１０では、燃料電池１３として固体高分子型燃料電池を用いるので、排熱回収回路１８の循環復路１７を循環する熱媒体の温度が３０〜４０℃に制御するのが好適である。この温度に制御するには、流出温度センサ２３の検知温度が略４０℃、入水温度センサ２１の検知温度が略２５℃以上となるように維持する必要があり、当該入水温度センサ２１の検知温度が２５℃以上となるように、加熱ユニット３０で循環流量の制御および熱負荷流量の制御を行う。
これにより、燃料電池１３の温度を適切な温度範囲に維持しつつ、しかも、燃料電池１３の反応熱に加えて未反応ガスの燃焼熱をも加熱ユニット３０側へ伝達して熱負荷を効率良く加熱することが可能となる。
【０１１９】
尚、前記実施形態で示したシステム１では、貯湯運転および給湯運転の可能な構成例として示したが、本発明はこのような構成に限られるものではなく、暖房運転や風呂の落とし込み運転、追い焚き運転の可能なシステムに適用することも可能である。
また、前記実施形態で示したシステム１において、貯湯運転における各部の制御量の算出方法として式１〜式４を示したが、本発明は、このような算出方法に限定されるものではなく、使用する燃料電池の種類に応じて適宜変更設定することが可能である。
【０１２０】
【発明の効果】
請求項１〜４に記載の発明によれば、熱交換器へ流入する熱媒体の量を広範囲に安定して制御することができ、燃料電池の発電効率を維持しつつ、熱負荷への熱回収率を向上させた燃料電池コージェネレーションシステムを提供できる。
請求項５に記載の発明によれば、燃料電池の発電状況に応じて熱負荷側へ吸収する熱量を調節制御することができ、燃料電池の発電効率を維持しつつ、熱負荷への熱回収率を向上させることが可能となる。
請求項６，７に記載の発明によれば、発電に際して未反応のまま燃料電池から放出される未反応ガスの燃焼熱を熱負荷側へ回収することができ、熱回収効率を一層向上させた燃料電池コージェネレーションシステムを提供できる。
請求項８，９に記載の発明によれば、熱交換器へ流入する熱媒体の温度を安定して制御することができ、燃料電池の発電効率を維持しつつ、熱負荷への熱回収率を向上させた燃料電池コージェネレーションシステムを提供できる。
請求項１０に記載の発明によれば、熱負荷として湯水を加熱することができ、燃料電池の排熱を利用した給湯システムを提供することが可能となる。
請求項１１に記載の発明によれば、燃料電池ユニットおよび加熱ユニットの敷設性が向上されると共に、信頼性を向上させた燃料電池コージェネレーションシステムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池コージェネレーションシステムの流路系統図である。
【図２】図１に示すシステムの貯湯運転の動作を示すフローチャートである。
【図３】熱交換器への循環量に対応して定められる循環ポンプおよび循環分岐弁の駆動量を示すグラフである。
【図４】熱負荷分岐弁の制御に応じて熱負荷側と熱負荷バイパス流路側との開度を示すグラフである。
【図５】図１に示すシステムの試運転の動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の変形実施形態に係るシステムの貯湯運転の動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の変形実施形態に係るシステムの燃料電池ユニットの構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池コージェネレーションシステム
１０ 燃料電池ユニット
１２，３２ 送受信部
１３ 燃料電池
１５ 第１の熱交換器
１８ 第１の排熱回収回路
２０ 第１の熱交温度検知手段（出湯温度センサ）
２１ 第１の熱交温度検知手段（入水温度センサ）
２２ 第２の熱交換器
２３ 第２の熱交温度検知手段（流出温度センサ）
２６ 第２の排熱回収回路
３０ 加熱ユニット
３３ 熱負荷（貯留タンク）
３５ 循環手段（循環ポンプ）
４９ 循環バイパス流路
５０ 熱負荷バイパス流路
６５ 加熱循環回路（循環流路）
６８ 信号線

Claims (11)

1. 電力の生成に伴って燃料電池で発生する反応熱を排熱として熱媒体に回収する第１の排熱回収回路と、当該第１の排熱回収回路で回収された排熱を熱媒体によって熱負荷へ伝達して加熱する加熱循環回路とを有した燃料電池コージェネレーションシステムであって、前記第１の排熱回収回路と加熱循環回路との間には熱伝達を行う第１の熱交換器を介在させ、前記加熱循環回路は、第１の熱交換器と熱負荷とを流路上に有する循環流路で形成され、当該循環流路上には熱媒体を強制循環させる循環手段を有すると共に、当該循環手段の流出側と流入側を短絡して循環手段から流出する熱媒体の一部または全部を前記第１の熱交換器を経ずに直接流入側へ戻す循環バイパス流路を備えており、
   前記加熱循環回路における循環流路と循環バイパス流路とを分岐流動する熱媒体の分岐割合、または、循環手段による熱媒体の循環流量の少なくともいずれかを制御することにより、第１の熱交換器への熱媒体の流動量を調節制御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。
2. 前記第１の熱交換器を流動する熱媒体の温度を検知する第１の熱交温度検知手段を備えており、
   前記加熱循環回路における循環流路と循環バイパス流路とを分岐流動する熱媒体の分岐割合、または、循環手段による熱媒体の循環流量の少なくともいずれかを、第１の熱交温度検知手段の検知信号に基づいて制御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。
3. 前記第１の熱交温度検知手段は第１の熱交換器の近傍に配置されると共に、第１の熱交温度検知手段は、第１の熱交換器の１次側において流入または流出する熱媒体の温度、または、第１の熱交換器の２次側において流入または流出する熱媒体の温度の少なくともいずれかの温度を検知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。
4. 前記熱負荷への熱媒体の循環開始時において、加熱循環回路における循環流路と循環バイパス流路とを分岐流動する湯水の分岐割合、または、循環手段による熱媒体の循環流量の少なくともいずれかを、循環開始時において第１の熱交換器の２次側へ流入する熱媒体の温度と予め定められた設定温度との温度差に基づいて制御することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
5. 前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知手段を備えており、前記加熱循環回路における循環流路と循環バイパス流路とを分岐流動する熱媒体の分岐割合、または、循環手段による熱媒体の循環流量の少なくともいずれかを、前記第１の熱交温度検知手段または発電量検知手段の少なくともいずれかの検知信号に基づいて制御することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
6. 前記燃料電池で生じる未反応ガスを燃焼させて得られる熱を排熱として熱媒体に回収する第２の排熱回収回路と、当該第２の排熱回収回路で回収された排熱を前記加熱循環回路を循環する熱媒体へ伝達する第２の熱交換器とを有し、当該第２の熱交換器を流動する熱媒体の温度を検知する第２の熱交温度検知手段を備えており、
   前記加熱循環流路における循環流路と循環バイパス流路とを分岐流動する熱媒体の分岐割合、または、前記循環手段による熱媒体の循環流量の少なくともいずれかを、前記第１の熱交温度検知手段または第２の熱交温度検知手段または発電量検知手段の少なくともいずれかの検知信号に基づいて制御することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
7. 前記第２の熱交温度検知手段は第２の熱交換器の近傍に配置されると共に、当該第２の熱交温度検知手段は、第２の熱交換器の２次側において流入または流出する熱媒体の温度の少なくともいずれかの温度を検知することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
8. 前記加熱循環回路は、循環流路上に前記熱負荷をバイパスする熱負荷バイパス流路を備えており、熱負荷と熱負荷バイパス流路とへ分岐流動する熱媒体の分岐割合を、第１の熱交温度検知手段または第２の熱交温度検知手段または発電量検知手段の少なくともいずれかの検知信号に基づいて制御することを特徴とする請求項２乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
9. 前記発電量検知手段の検知信号に基づいて第１の熱交換器の２次側に流入させる熱媒体の下限温度が設定され、当該第１の熱交換器の２次側へ流入する熱媒体の温度が前記下限温度以上となるように、前記熱負荷と熱負荷バイパス流路とへ分岐流動させる熱媒体の分岐割合を制御することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、前記加熱循環回路を循環する熱媒体が湯水であり、前記熱負荷が湯水を貯留する貯留タンクであ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。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のシステムにおいて、燃料電池を有する燃料電池ユニットと熱負荷を有する加熱ユニットとを接続して構成され、当該燃料電池ユニットおよび加熱ユニットは、両ユニット同士の間でデータを送受信する送受信部を各々備えると共に、当該送受信部の間は信号線で接続されており、当該信号線を介して前記第１の熱交温度検知手段または第２の熱交温度検知手段または発電量検知手段の少なくともいずれかの検知信号を含む制御に必要なデータが相互に伝送され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。

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