JP2005302627A - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池コージェネレーションシステムのエネルギー効率を向上させるシステムを提供する。
【解決手段】 燃料電池に、冷却水循環経路、冷却水循環手段、熱交換器、貯湯水循環経路、貯湯タンク、貯湯水の循環方向を貯湯タンクの上部から取水する第１の循環方向Ａと貯湯タンクの底部から取水する第２の循環方向Ｂとに切り換えることができる貯湯水循環方向切換手段、貯湯水を循環する貯湯水循環手段、冷却水温度検出手段、並びに貯湯水温度検出手段とを備え、燃料電池の暖機時に、貯湯水温度検出手段により検出された貯湯水検出温度と冷却水温度検出手段により検出された冷却水検出温度との検出温度差が第１の設定温度差以下の場合には貯湯水が第２の循環方向Ｂに循環し、前記検出温度差が第１の設定温度差より大きい場合には貯湯水が第１の循環方向Ａに循環するよう、貯湯水循環方向切換手段が貯湯水を循環させる、燃料電池コージェネレーションシステム。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池コージェネレーションシステムに関し、特に燃料電池の暖機を行う燃料電池コージェネレーションシステムに関する。

燃料電池は、電気化学反応に伴う発熱を除熱し、電気化学反応に最適な温度状態に燃料電池を維持すべく、冷却システムを設けている。燃料電池コージェネレーションシステムは、この冷却システムから回収される熱を有効利用して温水の供給を行うものである。他方で、燃料電池は、電気化学反応に適する温度状態にしないと発電運転を行うことができないため、燃料電池コージェネレーションシステムの起動時には燃料電池の暖機を行う必要がある。そこで、従来の燃料電池コージェネレーションシステムでは、暖機時においてヒータを用いて冷却水を加熱し、冷却システムを燃料電池の暖機に応用している（例えば特許文献1参照）。
特開平２−２３０６６５号公報（第５頁、第1図）

しかしながら、従来の燃料電池コージェネレーションシステムでは、燃料電池の暖機には、主としてヒータを用いるため、暖機に時間がかかるとともに、ヒータによるエネルギー消費が燃料電池コージェネレーションシステムのエネルギー効率の低下を招くという問題があった。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池コージェネレーションシステムのエネルギー効率を向上させる燃料電池コージェネレーションシステムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池と、前記燃料電池を所定の温度に維持するための冷却水が循環する冷却水循環経路と、前記冷却水循環経路内の冷却水を循環する冷却水循環手段と、前記冷却水循環経路に配設された熱交換器と、前記熱交換器において前記冷却水と熱交換を行う貯湯水が循環する貯湯水循環経路と、前記貯湯水循環経路中に配設された積層沸き上げ方式の貯湯タンクと、前記貯湯水の循環方向を前記貯湯タンクの上部から取水する第１の循環方向と前記貯湯タンクの底部から取水する第２の循環方向とに切り換える貯湯水循環方向切換手段と、前記貯湯水循環経路内の貯湯水を循環する貯湯水循環手段と、所定の冷却水温度検出位置において前記冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、所定の貯湯水温度検出位置において前記貯湯水の温度を検出する貯湯水温度検出手段とを備え、前記燃料電池の暖機時に、前記貯湯水温度検出手段により検出された貯湯水検出温度と前記冷却水温度検出手段により検出された冷却水検出温度との検出温度差が第１の設定温度差以下の場合には前記貯湯水が前記第２の循環方向に循環し、前記検出温度差が第１の設定温度差より大きい場合には前記貯湯水が前記第１の循環方向に循環するよう、前記貯湯水循環方向切換手段が前記貯湯水を循環させる（請求項１）。このような構成とすると、所定の温度条件に応じて、貯湯タンクに蓄えられた貯湯水を燃料電池の暖機に活用することができるので、燃料電池コージェネレーションシステムの効率の向上が可能となる。

前記貯湯水循環方向切換手段は、前記暖機開始から所定時間、前記貯湯水を前記第１の循環方向に循環させた後、前記検出温度差が前記第１の設定温度差以下の場合には前記貯湯水の循環方向を前記第２の循環方向に切り換える（請求項２）。このような構成とすると、貯湯水循環経路内の貯湯水温度や貯湯水循環経路の配管による貯湯水温度の低下の影響の影響を排除できるので、貯湯タンクに蓄えられた貯湯を利用した燃料電池コージェネレーションシステムの効率的な暖機が可能となる。

前記所定の冷却水温度検出位置が、前記燃料電池の冷却水出口と熱交換器の冷却水入口との間の前記冷却水循環経路上にある（請求項３）。

前記所定の貯湯水温度検出位置が、前記第１の循環方向において前記貯湯タンクの上部接続部と前記熱交換器との間の貯湯水循環経路上、あるいは前記貯湯水タンク内の上部接続部近傍にある（請求項４）。

前記の所定時間が、少なくとも、前記貯湯タンクの上部接続部と前記貯湯水温度検出手段との間の前記貯湯水循環経路の距離、前記貯湯水循環経路の配管の熱容量、前記貯湯水の流速のいずれかに応じて、設定もしくは変更できるように構成される（請求項５）。このような構成とすると、燃料電池コージェネレーションシステムの設置条件の変更や改修時においても、最適な設定を実現することが可能となるので、燃料電池コージェネレーションシステムの設置の自由度が向上する。

前記燃料電池コージェネレーションシステムは、前記冷却水循環経路に配設された冷却水加熱ヒータをさらに備え、前記検出温度差が前記第１の設定温度差以下の場合に、前記冷却水加熱ヒータが作動する（請求項６）。このような構成とすると、冷却水加熱ヒータの消費エネルギーを節約することができるので、燃料電池コージェネレーションシステムの効率の向上が可能となる。

前記燃料電池コージェネレーションシステムは、前記冷却水が前記熱交換器を経由せずに循環するように前記冷却水循環経路に配設された冷却水熱交換器バイパス経路と、前記冷却水の循環経路を、前記冷却水熱交換器を経由する第１の冷却水循環経路と前記冷却水熱交換器バイパス経路を経由する第２の冷却水循環経路とに切り換える冷却水循環経路切換手段とをさらに備え、前記冷却水は前記第２の冷却水循環経路を循環し、前記検出温度差が第１の設定温度差より大きい場合に、前記冷却水循環経路切換手段が前記冷却水の循環経路を前記第１の冷却水循環経路に切り換える（請求項７）。あるいは、前記貯湯水が前記熱交換器を経由せずに循環するように前記貯湯水循環経路に配設された貯湯水熱交換器バイパス経路と、前記貯湯水の循環経路を、前記熱交換器を経由する第１の貯湯水循環経路と前記貯湯水熱交換器バイパス経路を経由する第２の貯湯水循環経路とに切り換える貯湯水循環経路切換手段とをさらに備え、前記貯湯水は前記第２の貯湯水循環経路を循環し、前記検出温度差が第１の設定温度差より大きい場合に、前記貯湯水循環経路切換手段が前記貯湯水の循環経路を前記第１の貯湯水循環経路に切り換える（請求項１１）。このような構成とすると、検出温度差が小さい場合には、貯湯タンクの貯湯水と冷却水との熱交換を行わないようにすることが可能となるので、燃料電池コージェネレーションシステムの効率の向上が可能となる。

前記冷却水循環経路切換手段が前記冷却水の循環経路を前記第１の冷却水循環経路に切り換えた後、前記検出温度差が第２の設定温度差以下の場合に、前記冷却水加熱ヒータが作動する（請求項８）。あるいは、前記貯湯水循環経路切換手段が前記貯湯水の循環経路を前記第１の貯湯水循環経路に切り換えた後、前記検出温度差が第２の設定温度差以下の場合に、前記冷却水加熱ヒータが作動する（請求項１２）。このような構成とすると、検出温度差の大きさに応じて、貯湯水との熱交換と冷却水加熱ヒータとの併用によって冷却水を加熱することが可能となるので、暖機時間を短縮することが可能となる。

前記冷却水循環経路切換手段が前記冷却水の循環経路を前記第１の冷却水循環経路に切り換えた後、前記第１の設定温度差及び前記第２の設定温度差より小さい第３の設定温度差より前記検出温度差が大きい場合に、前記検出温度差が再度検出及び算出される（請求項９）。あるいは、前記貯湯水循環経路切換手段が前記貯湯水の循環経路を前記第１の貯湯水循環経路に切り換えた後、前記第１の設定温度差及び前記第２の設定温度差より小さい第３の設定温度差より前記検出温度差が大きい場合に、前記検出温度差が再度検出及び算出される（請求項１３）。このような構成とすると、検出温度差が小さくなるに従い、第２の設定温度差以下となり冷却水加熱ヒータが作動し、次いで、第３の設定温度差以下となり冷却水と貯湯水との熱交換が停止するようになるので、暖機時間の長期化を極力回避しながら、貯湯水と冷却水との熱交換を極力継続することが可能となる。

前記冷却水循環経路切換手段が前記冷却水の循環経路を前記第１の冷却水循環経路に切り換えた後、前記検出温度差が前記第３の設定温度差以下の場合に、前記冷却水循環経路切換手段が前記冷却水の循環経路を前記第２の冷却水循環経路に切り換えるとともに、前記貯湯水循環方向切換手段が前記貯湯水の循環方向を前記第２の循環方向に切り換える（請求項１０）。あるいは、前記貯湯水循環経路切換手段が前記貯湯水の循環経路を前記第１の貯湯水循環経路に切り換えた後、前記検出温度差が前記第３の設定温度差以下の場合に、前記貯湯水循環経路切換手段が前記貯湯水の循環経路を前記第２の貯湯水循環経路に切り換えるとともに、前記貯湯水循環方向切換手段が前記貯湯水の循環方向を前記第２の循環方向に切り換える（請求項１４）。このような構成とすると、検出温度差が第３の設定温度差以下になるまで、冷却水と貯湯水との熱交換が継続するので、燃料電池コージェネレーションシステムの効率の向上が可能となる。

前記燃料電池から排出される余剰のアノードガスを燃焼処理する燃焼装置と、前記貯湯水循環経路に配設された燃焼装置排気ガス熱交換器とを備え、前記燃焼装置排気ガス熱交換器が、前記燃焼装置の排気ガスと前記貯湯水との熱交換を行う（請求項１５）。このような構成とすると、燃料電池から排出される余剰のアノードガスが貯湯水への蓄熱に活用されるので、燃料電池コージェネレーションシステムの効率の向上が可能となる。

前記貯湯水循環方向切換手段が、前記貯湯水の循環方向を前記第２の循環方向に切り換えた後においてのみ、前記燃焼装置排気ガス熱交換器が、前記排気ガスと前記貯湯水との熱交換を行う（請求項１６）。このような構成とすると、貯湯水の循環方向が第１の循環方向の時において、貯湯タンク上部の貯湯水より高温の貯湯水が貯湯タンク底部に流入することを回避できるので、貯湯タンクの積層構造の損傷を防止することができる。

前記燃焼装置が、前記燃料電池に付設された改質器の燃焼部である（請求項１７）。このような構成とすると、燃料電池から排出される余剰のアノードガスが貯湯水への蓄熱に加え、アノードガスの改質にも活用されるので、燃料電池コージェネレーションシステムの効率の更なる向上が可能となる。

以上のように、本発明は、燃料電池コージェネレーションシステムのエネルギー効率を向上させるという効果を奏する。

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。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池コージェネレーションシステムの概略構成を示す模式図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態１の燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池１１と、冷却水循環ポンプ１２（冷却水循環手段）と、冷却水加熱ヒータ１３と、熱交換器１４と、冷却水循環経路１５と、冷却水温度検出手段１６と、冷却水熱交換器バイパス経路１７と、三方弁１８（冷却水循環経路切換手段）と、貯湯タンク２１と、貯湯水循環経路２３と、貯湯水循環ポンプ２２（貯湯水循環手段）と、切換経路２３ａ’、２３ｂ’及び三方弁２６ａ、２６ｂを備えて構成される貯湯水循環方向切換手段と、貯湯水温度検出手段２４と、制御装置２９とを有している。

貯湯水循環経路２３は、貯湯水が貯湯タンク２１と熱交換器１４とを通って循環するように形成され、その途中に貯湯水を循環させる貯湯水循環ポンプ２２と貯湯水の温度を検出する貯湯水温度検出手段２４と、三方弁２６ａ、２６ｂとが配設されている。

貯湯タンク２１は、上部に高温の貯湯水を蓄え、下部に比較的低温の貯湯水を蓄える積層沸き上げ方式である。貯湯水が貯湯タンク２１の上部接続部２１ａ及び底部接続部２１ｂを通って循環するように配設されている。

三方弁２６ａは、貯湯タンク２１の底部接続部２１ｂと熱交換器１４の貯湯水入口１４ａとの間に配設されている。三方弁２６ａのポートａ１は、底部接続部２１ｂ側の貯湯水循環経路２３と接続し、ポートａ２は、熱交換器１４側の貯湯水循環経路２３と接続し、ポートａ３は切換経路２３ａ’と接続している。

三方弁２６ｂは、貯湯タンク２１の上部接続部２１ａと熱交換器１４の貯湯水出口１４ｂとの間に配設されている。三方弁２６ｂのポートｂ１は、上部接続部２１ｂ側の貯湯水循環経路２３と接続し、ポートｂ２は、熱交換器１４側の貯湯水循環経路２３と接続し、ポートａ３は切換経路２３ｂ’と接続している。

切換経路２３ａ’は、三方弁２６ａのポートａ３と三方弁２６ｂ及び上部接続部２１ａ間の貯湯水循環経路２３とを接続するように配設されている。

切換経路２３ｂ’は、三方弁２６ｂのポートｂ３と三方弁２６ａ及び底部接続部２１ｂ間の貯湯水循環経路２３とを接続するように配設されている。

これにより、三方弁２６ａ，２６ｂのポート接続の切換により、貯湯水の循環方向を切り換えることが可能となる。

貯湯水温度検出手段２４は、貯湯タンク２１内の上部接続部２１ａ近傍、あるいは貯湯水が上部接続部２１ａから循環（第１の循環方向Ａ）する際の上部接続部２１ａから熱交換器１４の貯湯水入口１４ａに至るまでの貯湯水循環経路２３に配設されている。ここでは、三方弁２６ａのポートａ２と熱交換器１４の貯湯水入口１４ａとの間の貯湯水循環経路２３に配設されている。

貯湯水循環ポンプ２２は、切換経路２３ａ’、２３ｂ’によって循環方向が切り換わっても貯湯水を循環することが可能な位置に配設される。ここでは、三方弁２６ａのポートａ２と貯湯水温度検出手段２４との間に配設されている。

冷却水循環経路１５は、冷却水が燃料電池１１及び熱交換器１４を通って循環するように形成され、その途中に冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ１２と、冷却水を加熱する冷却水加熱ヒータ１３と、冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段１６と、三方弁１８とが配設されている。

冷却水加熱ヒータ１３は、熱交換器１４の冷却水出口１４ｄと燃料電池１１の冷却水入口１１ａとの間に配設されている。冷却水加熱ヒータ１３には、電気ヒータなど一般的なヒータを用いることができる。

冷却水温度検出手段１６は、燃料電池１１の冷却水出口１１ｂと熱交換器１４の冷却水入口１４ｃとの間に配設されている。

ここで、冷却水温度検出手段１６及び貯湯水温度検出手段２４には、例えば、熱電対を用いることができる。また、冷却水循環経路１５及び貯湯水循環経路２３を構成する配管の温度を計測することによって配管内の流体の温度を検出するという方法でもよい。

三方弁１８は、冷却水温度検出手段１６と熱交換器１４の冷却水入口１４ｃとの間に配設されている。三方弁１８のポートｃ１は、冷却水温度検出手段１６側の冷却水循環経路１５と接続し、ポートｃ２は、熱交換器１４の冷却水入口１４ｃ側の冷却水循環経路１５と接続し、ポートｃ３は冷却水熱交換器バイパス経路１７と接続している。

冷却水熱交換器バイパス経路１７は、三方弁１８のポートａ３と、熱交換器１４の冷却水出口１４ｄ及び冷却水加熱ヒータ１３間の冷却水循環経路１５とを接続するように配設されている。これにより、三方弁１８のポート接続の切換により、冷却水の循環経路を熱交換器１４経由の循環経路（第１の冷却水循環経路Ｃ）と冷却水熱交換器バイパス経路１７経由の循環経路（第２の冷却水循環経路Ｄ）とに切り換えることが可能となる。

また、制御装置２９は、燃料電池１１の暖機開始後の経過時間ｔ、あるいは冷却水温度検出手段１６で検出される冷却水検出温度Ｔ２と貯湯水温度検出手段２４で検出される貯湯水検出温度Ｔ１との検出温度差ΔＴに基づいて、三方弁２６ａ、２６ｂ、冷却水加熱ヒータ１３あるいは三方弁１８を制御するように構成されている。

以上のように構成された実施の形態１に係る燃料電池コージェネレーションシステムの動作を説明する。

図２は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池１１の暖機時における燃料電池コージェネレーションシステムの動作を示すフローチャートである。このフローチャートに示される動作は、燃料電池コージェネレーションシステムが制御装置２９によって制御されることにより遂行される。ここで、燃料電池１１の暖機時とは、燃料電池１１の起動から燃料電池が発電を開始するまでの間を言う。燃料電池１１の起動とは、燃料電池１１が運転待機状態から昇温状態に移行する時をいう。例えば、停止中の燃料電池コージェネレーションシステムの運転スイッチがＯＮになった時をいう。

図２において、ステップＳ１の燃料電池１１の暖機開始後、ステップＳ２において、貯湯水は、貯湯水循環ポンプ２２によって、貯湯タンク２１の上部接続部２１ａから循環する（第１の循環方向Ａ）。すなわち、図１において、図中矢印Ａ側である。三方弁２６ａは、ポートａ３とポートａ２とが接続されるように切り換わり、貯湯水が貯湯タンク２１の上部接続部２１ａから切換経路２３ａ’を経由して、貯湯水循環ポンプ２２、熱交換器１４を経由するように流れる。三方弁２６ｂは、ポートｂ２とポートｂ３とが接続されるように切り換わり、貯湯水が切換経路２３ｂ’を経由して、貯湯タンク２１の底部接続部２１ｂに循環するように流れる。積層沸き上げ方式である貯湯タンク２１内では底部より上部の方に高い温度の湯水が分布しているので、貯湯タンク２１の上部から貯湯水を循環させることによって、この高温の湯水を利用して冷却水を加熱することができる。また、貯湯タンク２１の底部接続部２１ｂより戻すことによって、熱交換器１４において降温した後の貯湯水は貯湯タンク２１内の高温の貯湯水と接触しないので、貯湯タンク２１の貯湯水の積層構造の損傷を防止することができる。

また、ステップＳ３において、三方弁１８は、ポートｃ１とポートｃ３とが接続されるように切り換わり、冷却水は熱交換器１４を経由せずに冷却水熱交換器バイパス経路１７を経由して循環する（第２の冷却水循環経路Ｄ）。

そして、ステップＳ４において、暖機開始後の経過時間ｔが所定時間ｔ１を経過しているか否かが判定され、所定時間ｔ１を経過していない場合には、ステップＳ２及びＳ３の状態が維持される。これは、燃料電池１１の暖機開始後、貯湯タンク２１の上部接続部２１ａの貯湯水が貯湯水温度検出手段２４の位置に到達するまでには時間がかかるため、燃料電池１１の暖機開始から所定時間ｔ１は、貯湯水を第１の循環方向Ａに循環させるようにして、貯湯タンク２１の貯湯水の温度を正確に検出するためである。

ここで、所定時間ｔ１は、貯湯タンク２１の上部接続部２１ａと貯湯水温度検出手段２４との間の距離、貯湯水循環経路２３の配管の熱容量、貯湯水の流速などの設定条件に応じて、貯湯タンク２１の上部接続部２１ａの貯湯水が貯湯水温度検出手段２４の位置に十分到達するまでの時間を考慮して設定される。また、貯湯タンク２１の上部接続部２１ａと貯湯水温度検出手段２４との間の距離、貯湯水循環経路２３の配管の熱容量、貯湯水の流速などの設定条件は燃料電池コージェネレーションシステムの具体的設置条件に応じて決まる。そこで、所定時間ｔ１は、これら具体的設置条件に応じて、設定もしくは変更できることが好ましい。例えば、これら具体的設置条件に応じた所定時間ｔ１、あるいはこれら具体的設置条件に基づいて所定時間ｔ１を演算処理する回路（図示せず）をあらかじめ制御装置２９に記憶させておくことによって所定時間ｔ１の設定を実現することができる。これにより、燃料電池コージェネレーションシステム設置後に所定時間ｔ１をより的確に設定あるいは変更することが可能となる。つまり、燃料電池コージェネレーションシステムの設置の自由度を向上させることができる。

所定時間ｔ１経過後には、ステップＳ５において、貯湯水温度検出手段２４で貯湯水検出温度Ｔ１が検出され、ステップＳ６において、冷却水温度検出手段１６で、冷却水検出温度Ｔ２が検出され、ステップＳ７において、貯湯水検出温度Ｔ１と冷却水検出温度Ｔ２との検出温度差ΔＴが算出され、ステップＳ８において、検出温度差ΔＴが第１の設定温度差Ｘと比較される。

検出温度差ΔＴが第１の設定温度差Ｘ以下の場合は、ステップＳ１６において、冷却水加熱ヒータ１３が作動する。そして、ステップＳ１８において、貯湯水循環方向が貯湯タンク２１の底部接続部２１ｂから循環するよう（第２の循環方向Ｂ）に切り換わる。すなわち、図１において、図中矢印Ｂ側である。三方弁２６ａは、ポートａ１とポートａ２とが接続されるように切り換わり、貯湯水が貯湯タンク２１の底部接続部２１ｂから経路２３ｂを経由して、貯湯水循環ポンプ２２、熱交換器１４を経由するように流れる。三方弁２６ｂは、ポートｂ２とポートｂ１とが接続されるように切り換わり、経路２３ａを経由して、貯湯タンク２１の上部接続部２１ａへと循環するように流れる。これにより、冷却水加熱ヒータ１３による冷却水の加熱が開始し、貯湯水との熱交換による冷却水の加熱は行われない。

また、検出温度差ΔＴが第１の設定温度差Ｘより大きい場合は、ステップＳ９において、三方弁１８は、ポートｃ１とポートｃ２とが接続されるように切り換わり、冷却水は熱交換器１４を経由して循環する（第１の冷却水循環経路Ｃ）。これによって、貯湯水と冷却水の温度差を利用して、熱交換器１４において冷却水を昇温させ、ひいては燃料電池１１を昇温させることができる。

そして、ステップＳ１０において、検出温度差ΔＴが第２の設定温度差Ｙと比較される。

検出温度差ΔＴが第２の設定温度差Ｙより大きい場合は、そのままステップＳ１１に進む。これによって、熱交換器１４において冷却水を昇温させることができるので、冷却水加熱ヒータ１３を用いずに、燃料電池１１の暖機を効率的に行うことができる。

検出温度差ΔＴが第２の設定温度差Ｙ以下の場合には、ステップＳ１５において、冷却水加熱ヒータ１３が作動し、ステップＳ１１に進む。これによって、熱交換器１４における加熱と冷却水加熱ヒータ１３による加熱とを併用して、冷却水を昇温させ、ひいては燃料電池１１を昇温させることができる。

ここで、第２の設定温度差Ｙの設定により、燃料電池１１の暖機にかかる時間とエネルギー効率を適宜調整することができる。すなわち、冷却水加熱ヒータ１３の消費エネルギーを節約したい場合には第２の設定温度差Ｙを小さく設定し、冷却水加熱ヒータ１３が停止する検出温度差ΔＴの範囲を拡張し、燃料電池１１の暖機時間を短くしたい場合には第２の設定温度差Ｙを大きく設定し、冷却水加熱ヒータ１３が作動する検出温度差ΔＴの範囲を拡張することができる。

次に、ステップＳ１１において、検出温度差ΔＴが第３の設定温度差Ｚと比較される。

検出温度差ΔＴが第３の設定温度差Ｚ以下の場合は、ステップＳ１７において、三方弁１８はポートｃ１とポートｃ３とが接続されるように切り換わり、冷却水の経路は第２の冷却水循環経路Ｄになり、ステップＳ１８に進む。これにより、貯湯水との熱交換による冷却水の昇温は終了する。

また、検出温度差ΔＴが第３の設定温度差Ｚより大きい場合は、再度、貯湯水検出温度Ｔ１が検出され（ステップＳ１２）、冷却水検出温度Ｔ２が検出され（ステップＳ１３）、検出温度差ΔＴが算出され（ステップＳ１４）、ステップＳ１０乃至Ｓ１１が繰り返される。

なお、第３の設定温度差Ｚは第２の設定温度差Ｙより小さく設定される。これにより、検出温度差ΔＴが第３の設定温度差Ｚまで縮まる前にステップＳ１５において、冷却水加熱ヒータ１２が作動することになる。また、第３の設定温度差Ｚは第１の設定温度差Ｘ以下に設定される。第３の設定温度差Ｚが第１の設定温度差Ｘより大きくては、ステップＳ９において熱交換が開始した後に、すぐにステップＳ１７において熱交換が停止してしまう事態が発生してしまうからである。

また、第１の設定温度差Ｘ、第２の設定温度差Ｙ及び第３の設定温度差Ｚは、冷却水温度検知手段１６及び貯湯水温度検出手段２４それぞれと熱交換器１４との距離に応じた放熱及び熱交換器１４での熱損失分の温度（数℃程度）を考慮して設定される。

また、ステップＳ１８において、貯湯水循環方向が第２の循環方向Ｂに切り換わった後は、燃料電池１１から排出される余剰のアノードガス（余剰アノードガスという）を燃焼処理する燃焼装置（図示せず）と、その燃焼装置の排気ガスと貯湯水とを熱交換して熱回収を行う燃焼装置排気ガス熱交換器（図示せず）とを配設しておくことによって、貯湯水の加熱を行うことができる。すなわち、貯湯水循環経路２３が、燃焼装置排気ガス熱交換器を経由するように構成することによって、加熱された貯湯水は上部接続部２１ａより貯湯タンク２１内に戻され、積層沸き上げが行われるようにすることができる。これによって、余剰アノードガスが貯湯水への蓄熱に活用されることとなり、燃料電池コージェネレーションシステムのエネルギー効率が向上する。ここで、アノードガスとは、燃料電池１１のアノード側に供給されるガスをいい、一般的には、水素、あるいは水素を多く含むガスが用いられる。

なお、貯湯水の循環方向が第２の循環方向Ｂに切り換わった後にのみ、燃焼装置排気ガス熱交換器において燃焼装置の排気ガスと貯湯水との熱交換が行われるように構成するとよい。例えば、切換弁（図示せず）を介して貯湯水循環経路２３を分岐させて、燃焼装置排気ガス熱交換器に貯湯水が循環するように構成することによって実現できる。あるいは、貯湯水の循環方向が第２の循環方向Ｂに切り換わった後にのみ、燃焼装置排気ガス熱交換器に燃焼装置の排気ガスが流通するように構成することによって実現できる。これによって、貯湯水の循環方向が第１の循環方向Ａの時において、貯湯タンク上部接続部２１ａ近傍の貯湯水より高温の貯湯水が貯湯タンク底部接続部２１ｂに流入することを回避できるので、貯湯タンク２１の積層構造の損傷を防止することができる。

また、この燃焼装置は、改質器の燃焼部（図示せず）であってもよい。改質器は、燃料電池１１のアノードガスに水素以外の炭化水素系燃料を用いる場合において、一般的に燃料電池１１に付設される装置であって、燃料電池１１に供給されるアノードガスを燃焼熱によって水蒸気改質するように構成されている。これによって、余剰アノードガスが貯湯水への蓄熱に加え、アノードガスの改質にも活用されることとなり、燃料電池コージェネレーションシステムのエネルギー効率が向上する。

さらに、燃料電池１１の発電時には、冷却水は第１の冷却水循環経路Ｃを循環し、貯湯水は第２の循環方向Ｂに循環する。この時、冷却水は、燃料電池１１にて昇温され、冷却水経路１５を通って、熱交換器１４にて貯湯水により冷却される。そして、貯湯水は、熱交換器１４にて昇温され、上部接続部２１ａより貯湯タンク２１内に戻され、積層沸き上げが行われる。

ところで、貯湯水循環方向切換手段は、以下のような変形例によっても実施することができる。

（変形例１）
図３は、実施の形態１の変形例１に係る貯湯水循環経路２３の構成を示す。

図３に示すように、変形例１は、実施に形態１の貯湯水循環方向切換手段の変形例である。すなわち、切換弁２５が、貯湯水循環経路２３に配設され、切換弁２５には、貯湯水循環ポンプ２２の吸入側とつながる貯湯水循環ポンプ吸入側取付経路２２ａと貯湯水循環ポンプ２２の吐出側とつながる貯湯水循環ポンプ吐出側取付経路２２ｂとが接続されている。

切換弁２５は、貯湯水循環経路２３に貯湯水循環ポンプ吸入側経路２２ａと貯湯水循環ポンプ吐出側経路２２ｂとを切り換えて接続することができ、それにより貯湯水の循環方向を逆方向に切り換えることができるように構成されている。

以上のように構成された貯湯水循環方向切換手段の動作について説明する。

図３において、第１の循環方向Ａは、図中矢印Ａ側、すなわち、切換弁２５が、貯湯水循環経路２３の熱交換器１４側と貯湯水循環ポンプ吸入側経路２２ａとを接続し、貯湯水循環経路２３の貯湯タンク２１側と貯湯水循環ポンプ吐出側経路２２ｂとを接続することによって構成される。

第２の循環方向Ｂは、図中矢印Ｂ側、すなわち、切換弁２５が、貯湯水循環経路２３の熱交換器１４側と貯湯水循環ポンプ吐出側経路２２ｂとを接続し、貯湯水循環経路２３の貯湯タンク２１側と貯湯水循環ポンプ吸入側経路２２ａとを接続することによって構成される。切換弁２５の動作は、制御装置２９によって制御される。

なお、貯湯水循環ポンプ２２がポンプの吐出方向を逆転することができるポンプであってもよい。例えば、切換弁２５、貯湯水循環ポンプ吸入側経路２２ａ及び貯湯水循環ポンプ吐出側経路２２ｂを内在するポンプである。この場合、切換弁２５の操作が、貯湯水循環ポンプ２２の吐出方向の切換操作に置換される。

（変形例２）
図４は、実施の形態１の変形例２に係る貯湯水循環経路２３を示す。

図４に示すように、変形例２は、実施に形態１の貯湯水循環方向切換手段の変形例である。すなわち、切換経路２３ａ’、２３ｂ’の構成は、実施の形態１と同様であり、三方弁２６ａの位置において切換経路２３ａ’が貯湯水循環経路２３と接続し、三方弁２６ｂの位置において切換経路２３ｂ’ が貯湯水循環経路２３と接続している。

貯湯水循環経路２３の熱交換器１４の貯湯水出口１４ｂと貯湯タンク２１の上部接続部２１ａとの間であって、換経路２３ａ’、２３ｂ’の接続箇所の間の部分の経路２３ａには、開閉弁２８ａが配設されている。

貯湯水循環経路２３の貯湯タンク２１の底部接続部２１ｂと熱交換器１４の貯湯水入口１４ａとの間であって、換経路２３ａ’、２３ｂ’の接続箇所の間の部分の経路２３ｂには開閉弁２７ｂが配設されている。

切換経路２３ａ’には開閉弁２７ａが配設されている。

切換経路２３ｂ’には開閉弁２８ｂが配設されている。

以上のように構成され貯湯水循環方向切換手段の動作について説明する。

図４において、第１の循環方向Ａの循環は、図中矢印Ａ側、すなわち、貯湯水が貯湯タンク２１の上部接続部２１ａから切換経路２３ａ’を経由して、貯湯水循環ポンプ２２、熱交換器１４を経由するように、開閉弁２７ａが開き、かつ開閉弁２７ｂが閉止され、切換経路２３ｂ’を経由して、貯湯タンク２１の底部接続部２１ｂに循環するように、開閉弁２８ｂが開き、開閉弁２８ａが閉止されて形成される。

また、第２の循環方向Ｂの循環は、図中矢印Ｂ側、すなわち、貯湯水が貯湯タンク２１の底部接続部２１ｂから経路２３ｂを経由して、貯湯水循環ポンプ２２、熱交換器１４を経由するように、開閉弁２７ｂが開き、開閉弁２７ａが閉止され、かつ経路２３ａを経由して、貯湯タンク２１の上部接続部２１ａに循環するように開閉弁２８ａが開き、開閉弁２８ｂが閉止されて形成される。これらの動作は、制御装置２９によって制御される。

（実施の形態２）
図１は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池コージェネレーションシステムの概略構成を示す模式図である。

実施の形態２は、実施の形態１の冷却水熱交換器バイパス経路１７の代替として、貯湯水熱交換器バイパス経路１９を設けた燃料電池コージェネレーションシステムである。したがって、実施の形態１と相違する部分についてのみ説明する。

三方弁２０（貯湯水循環経路切換手段）は、貯湯水温度検出手段２４と熱交換器１４の貯湯水入口１４ａとの間に配設されている。三方弁２０のポートｃ１は、貯湯水温度検出手段２４側の貯湯水循環経路２３と接続し、ポートｃ２は、熱交換器１４の貯湯水入口１４ａ側の貯湯水循環経路２３と接続し、ポートｃ３は貯湯水熱交換器バイパス経路１９と接続している。

貯湯水熱交換器バイパス経路１９は、三方弁２０のポートａ３と、熱交換器１４の貯湯水出口１４ｂ近傍の貯湯水循環経路２４とを接続するように、ここでは、三方弁２０のポートａ３と、貯湯水出口１４ｂと貯湯水循環方向切換手段（具体的には、三方弁２６ｂ）との間の貯湯水循環経路２４とを接続するように配設されている。これにより、三方弁２０のポート接続の切換により、貯湯水の循環経路を熱交換器１４経由の循環経路（第１の貯湯水循環経路Ｅ）と貯湯水熱交換器バイパス経路１９経由の循環経路（第２の貯湯水循環経路Ｆ）とに切り換えることが可能となる。

以上のように構成された実施の形態２に係る燃料電池コージェネレーションシステムの動作について説明する。

図６は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池１１の暖機時における燃料電池コージェネレーションシステムの動作を示すフローチャートである。図６は、図２の「冷却水循環経路切換手段」が「貯湯水循環経路切換手段」に代替されている。以下、図２と相違する部分について説明する。

まず、ステップＳ２において、三方弁２０は、ポートｃ１とポートｃ３とが接続されるように切り換わり、貯湯水は熱交換器１４を経由せずに貯湯水熱交換器バイパス経路１９を経由して循環する（第２の貯湯水循環経路Ｆ）。これによって、暖機開始直後は、ステップＳ８において、検出温度差ΔＴが第１の設定温度差Ｘより大きいと判断されるまで、貯湯水は熱交換器１４をバイパスすることになる。

また、検出温度差ΔＴが第１の設定温度差Ｘより大きい場合は、ステップＳ９において、三方弁２０は、ポートｃ１とポートｃ２とが接続されるように切り換わり、貯湯水は熱交換器１４を経由して循環する（第１の冷却水循環経路Ｅ）。これによって、貯湯水と冷却水の温度差を利用して、熱交換器１４において冷却水を昇温させ、ひいては燃料電池１１を昇温させることができる。

さらに、ステップＳ１７において、検出温度差ΔＴが第３の設定温度差Ｚ以下の場合に、三方弁２０はポートｃ１とポートｃ３とが接続されるように切り換わり、貯湯水の経路は第２の貯湯水循環経路Ｆになり、ステップＳ１８に進む。これにより、貯湯水との熱交換による冷却水の昇温は終了する。

そして、燃料電池１１の発電時には、貯湯水は第１の貯湯水循環経路Ｅを、第２の循環方向Ｂに循環する。この時、冷却水は、燃料電池１１にて昇温され、冷却水経路１５を通って、熱交換器１４にて貯湯水により冷却される。そして、貯湯水は、熱交換器１４にて昇温され、上部接続部２１ａより貯湯タンク２１内に戻され、積層沸き上げが行われる。

本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、エネルギー効率が高い燃料電池コージェネレーションシステムとして有用である。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池コージェネレーションシステムの概略構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係る燃料電池の暖機時における燃料電池コージェネレーションシステムの動作を示すフローチャートである。 実施の形態１の変形例１に係る貯湯水循環経路を示す模式図である。 実施の形態１の変形例２に係る貯湯水循環経路を示す模式図である。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池コージェネレーションシステムの概略構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池の暖機時における燃料電池コージェネレーションシステムの動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１１ 燃料電池
１１ａ 冷却水入口
１１ｂ 冷却水出口
１２ 冷却水循環ポンプ
１３ 冷却水加熱ヒータ
１４ 熱交換器
１４ａ 貯湯水入口
１４ｂ 貯湯水出口
１４ｃ 冷却水入口
１４ｄ 冷却水出口
１５ 冷却水循環経路
１６ 冷却水温度検出手段
１７ 冷却水熱交換器バイパス経路
１８、２０ 三方弁
１９ 貯湯水熱交換器バイパス経路
ｃ１，ｃ２，ｃ３ ポート
２１ 貯湯タンク
２１ａ 上部接続部
２１ｂ 底部接続部
２２ 貯湯水循環ポンプ
２２ａ 貯湯水循環ポンプ吸入側取付経路
２２ｂ 貯湯水循環ポンプ吐出側取付経路
２３ 貯湯水循環経路
２３ａ 経路
２３ａ’切換経路
２３ｂ 経路
２３ｂ’切換経路
２４ 貯湯水温度検出手段
２５ 切換弁
２６ａ 三方弁
ａ１，ａ２，ａ３ ポート
２６ｂ 三方弁
ｂ１，ｂ２，ｂ３ ポート
２７ａ 開閉弁
２７ｂ 開閉弁
２８ａ 開閉弁
２８ｂ 開閉弁
２９ 制御装置
Ａ （貯湯水の）第１の循環方向
Ｂ （貯湯水の）第２の循環方向
Ｃ 第１の冷却水循環経路
Ｄ 第２の冷却水循環経路
Ｅ 第１の貯湯水循環経路
Ｆ 第２の貯湯水循環経路
ｔ 経過時間
ｔ１ 所定時間
Ｔ１ 貯湯水検出温度
Ｔ２ 冷却水検出温度
ΔＴ 検出温度差
Ｘ 第１の設定温度差
Ｙ 第２の設定温度差
Ｚ 第３の設定温度差

Claims (17)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池を所定の温度に維持するための冷却水が循環する冷却水循環経路と、
   前記冷却水循環経路内の冷却水を循環する冷却水循環手段と、
   前記冷却水循環経路に配設された熱交換器と、
   前記熱交換器において前記冷却水と熱交換を行う貯湯水が循環する貯湯水循環経路と、
   前記貯湯水循環経路中に配設された積層沸き上げ方式の貯湯タンクと、
   前記貯湯水の循環方向を前記貯湯タンクの上部から取水する第１の循環方向と前記貯湯タンクの底部から取水する第２の循環方向とに切り換える貯湯水循環方向切換手段と、
   前記貯湯水循環経路内の貯湯水を循環する貯湯水循環手段と、
   所定の冷却水温度検出位置において前記冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、
   所定の貯湯水温度検出位置において前記貯湯水の温度を検出する貯湯水温度検出手段とを備え、
   前記燃料電池の暖機時に、前記貯湯水温度検出手段により検出された貯湯水検出温度と前記冷却水温度検出手段により検出された冷却水検出温度との検出温度差が第１の設定温度差以下の場合には前記貯湯水が前記第２の循環方向に循環し、前記検出温度差が第１の設定温度差より大きい場合には前記貯湯水が前記第１の循環方向に循環するよう、前記貯湯水循環方向切換手段が前記貯湯水を循環させる、燃料電池コージェネレーションシステム。
2. 前記貯湯水循環方向切換手段は、前記暖機開始から所定時間、前記貯湯水を前記第１の循環方向に循環させた後、前記検出温度差が前記第１の設定温度差以下の場合には前記貯湯水の循環方向を前記第２の循環方向に切り換える、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. 前記所定の冷却水温度検出位置が、前記燃料電池の冷却水出口と熱交換器の冷却水入口との間の前記冷却水循環経路上にある、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。
4. 前記所定の貯湯水温度検出位置が、前記第１の循環方向において前記貯湯タンクの上部接続部と前記熱交換器との間の貯湯水循環経路上、あるいは前記貯湯水タンク内の上部接続部近傍にある、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。
5. 前記の所定時間が、少なくとも、前記貯湯タンクの上部接続部と前記貯湯水温度検出手段との間の前記貯湯水循環経路の距離、前記貯湯水循環経路の配管の熱容量、前記貯湯水の流速のいずれかに応じて、設定もしくは変更できるように構成された、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。
6. 前記冷却水循環経路に配設された冷却水加熱ヒータをさらに備え、
   前記検出温度差が前記第１の設定温度差以下の場合に、前記冷却水加熱ヒータが作動する、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。
7. 前記冷却水が前記熱交換器を経由せずに循環するように前記冷却水循環経路に配設された冷却水熱交換器バイパス経路と、
   前記冷却水の循環経路を、前記熱交換器を経由する第１の冷却水循環経路と前記冷却水熱交換器バイパス経路を経由する第２の冷却水循環経路とに切り換える冷却水循環経路切換手段とをさらに備え、
   前記冷却水は前記第２の冷却水循環経路を循環し、前記検出温度差が第１の設定温度差より大きい場合に、前記冷却水循環経路切換手段が前記冷却水の循環経路を前記第１の冷却水循環経路に切り換える、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. 前記冷却水循環経路切換手段が前記冷却水の循環経路を前記第１の冷却水循環経路に切り換えた後、前記検出温度差が第２の設定温度差以下の場合に、前記冷却水加熱ヒータが作動する、請求項７に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
9. 前記冷却水循環経路切換手段が前記冷却水の循環経路を前記第１の冷却水循環経路に切り換えた後、前記第１の設定温度差及び前記第２の設定温度差より小さい第３の設定温度差より前記検出温度差が大きい場合に、前記検出温度差が再度検出及び算出される、請求項７に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
10. 前記冷却水循環経路切換手段が前記冷却水の循環経路を前記第１の冷却水循環経路に切り換えた後、前記検出温度差が前記第３の設定温度差以下の場合に、前記冷却水循環経路切換手段が前記冷却水の循環経路を前記第２の冷却水循環経路に切り換えるとともに、前記貯湯水循環方向切換手段が前記貯湯水の循環方向を前記第２の循環方向に切り換える、請求項９に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
11. 前記貯湯水が前記熱交換器を経由せずに循環するように前記貯湯水循環経路に配設された貯湯水熱交換器バイパス経路と、
    前記貯湯水の循環経路を、前記熱交換器を経由する第１の貯湯水循環経路と前記貯湯水熱交換器バイパス経路を経由する第２の貯湯水循環経路とに切り換える貯湯水循環経路切換手段とをさらに備え、
    前記貯湯水は前記第２の貯湯水循環経路を循環し、前記検出温度差が第１の設定温度差より大きい場合に、前記貯湯水循環経路切換手段が前記貯湯水の循環経路を前記第１の貯湯水循環経路に切り換える、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。
12. 前記貯湯水循環経路切換手段が前記貯湯水の循環経路を前記第１の貯湯水循環経路に切り換えた後、前記検出温度差が第２の設定温度差以下の場合に、前記冷却水加熱ヒータが作動する、請求項１１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
13. 前記貯湯水循環経路切換手段が前記貯湯水の循環経路を前記第１の貯湯水循環経路に切り換えた後、前記第１の設定温度差及び前記第２の設定温度差より小さい第３の設定温度差より前記検出温度差が大きい場合に、前記検出温度差が再度検出及び算出される、請求項１１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
14. 前記貯湯水循環経路切換手段が前記貯湯水の循環経路を前記第１の貯湯水循環経路に切り換えた後、前記検出温度差が前記第３の設定温度差以下の場合に、前記貯湯水循環経路切換手段が前記貯湯水の循環経路を前記第２の貯湯水循環経路に切り換えるとともに、前記貯湯水循環方向切換手段が前記貯湯水の循環方向を前記第２の循環方向に切り換える、請求項１３に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
15. 前記燃料電池から排出される余剰のアノードガスを燃焼処理する燃焼装置と、
    前記貯湯水循環経路に配設された燃焼装置排気ガス熱交換器とを備え、
    前記燃焼装置排気ガス熱交換器が、前記燃焼装置の排気ガスと前記貯湯水との熱交換を行う、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。
16. 前記貯湯水循環方向切換手段が、前記貯湯水の循環方向を前記第２の循環方向に切り換えた後においてのみ、前記燃焼装置排気ガス熱交換器が、前記排気ガスと貯湯水との熱交換を行う、請求項１５に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
17. 前記燃焼装置が、前記燃料電池に付設された改質器の燃焼部である、請求項１５に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。

Images