JP2007123032A - 燃料電池発電システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】システムの起動直後や低負荷運転時といった電池排熱の温度レベルが低い場合であっても、強制的な加熱手段を用いることなく累積の総合効率低下を防止し、短時間で所望の排熱利用温度を確保可能として、システム稼働率の向上を図った燃料電池発電システム及びその運転方法を得る。
【解決手段】排熱供給用熱交換器６の高温側には高温側バイパスライン７が設けられ、高温側バイパスライン７への通水量を調節するための高温側制御弁８が配置されている。高温側制御弁８は制御装置５からの指令により開閉するようになっており、制御装置５は、排熱供給温度の測定値が、設定した目標値６５℃に達しない場合には排熱利用設備１１への排熱供給量を通常量よりも抑制するように高温側制御弁８を開ける弁開放指令を出すようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池からの電池排熱が供給される排熱利用設備を備えた燃料電池発電システム及びその運転方法に係り、特に、早いタイミングで所定温度での排熱供給を可能とする燃料電池発電システム及びその運転方法に関するものである。

燃料電池とは、水素と酸素とを電気化学的に反応させることで、直接、直流電力を取り出す装置であり、静粛性が高く、環境性にも優れている。そのため、りん酸形や固体高分子形など様々なタイプが知られている。中でも、固体高分子形燃料電池は電池作動温度が低く、起動時間も短いので、エネルギー出力密度を高く取ることができる。したがって、数十ｋＷのオンサイト型から５００Ｗ級の家庭用あるいは携帯用にまで対応した発電装置として期待されている。このような燃料電池は、大型電源と分散電源のベストミックス化が社会的な要請となっている現在、最適なエネルギー変換装置として大きな注目を集めている。

ところで、燃料電池は発電時に電池排熱が生じる。そのため、燃料電池発電システムでは、排熱利用設備を併設し、電池電力の利用のみならず、電池排熱を暖房や給湯などに利用するコージェネレーション運転を行うのが一般的となっている。特に固体高分子形燃料電池を採用した発電システムでは、電池作動温度に比例して排熱温度も低いので、給湯や風呂などの温水利用に好適であり、コージェネレーション運転によって総合的なエネルギー効率を８０％程度にまで向上させることも不可能ではないとされている。したがって、従来の系統電力利用に比べてエネルギー効率を格段に高めることができ、省エネルギーで経済的な発電システムが実現できる。

ここで、燃料電池発電システムの従来例について、図６のブロック図を参照して具体的に説明する。燃料電池発電システムは通常、燃料電池本体１、電池冷却水系統２、電池冷却水ポンプ３、排熱供給用熱交換器６、排熱供給流体用ポンプ９、排熱利用設備１１、バックアップ温水器１２、排熱供給系統２３から構成されている。

燃料電池本体１は、水素が供給されるアノード極、酸素が供給されるカソード極及びこれらを冷やす冷却盤を有しており、冷却盤を電池冷却水系統２に接続している。電池冷却水系統２は、燃料電池本体１の作動温度を適正に保持するための部分であり、ここを流れる電池冷却水は、燃料電池本体１から発電時に生じた電池排熱を除去、回収して、排熱供給用熱交換器６の高温側に流れ込むようになっている。なお、図示しないが、燃料電池本体１から燃料処理系の流体が排熱供給用熱交換器６の高温側に流れ込むようにしても良い。

また、排熱供給用熱交換器６の低温側を排熱供給系統２３に接続している。排熱供給系統２３は、電池排熱を排熱利用設備１１にまで供給する部分であり、水が流れるようになっている。この排熱供給の役割を担う水、つまり排熱供給水は、排熱供給用熱交換器６の低温側を通って電池冷却水から排熱を受け取ることで所定温度の温水となり、排熱利用設備１１に流れ込むようになっている。排熱利用設備１１は貯湯槽を有する給湯設備などであり、ここで温水が利用されることになる。

ところで、排熱利用設備１１では、利用に最適な温水の所望温度が予め設定されている。そのため、排熱供給用熱交換器６は、排熱利用設備１１に電池排熱が供給されることで、排熱利用設備１１での実際の利用温度が所望温度を満たすように交換熱量を制御している。

ただし、システムの起動直後や低負荷運転時には、通常の負荷運転時に比べて、燃料電池本体１から出る電池冷却水や燃料処理系の流体温度が低い。したがって、燃料電池本体１からの電池排熱を回収するだけでは、排熱供給用熱交換器６の交換熱量が十分でなく、排熱利用設備１１での利用温度が、所望温度に上昇するまでには時間がかかっていた。

排熱利用設備１１での利用温度が所望温度に達しない状態では、設備の能力を十分に引き出すことは困難であった。例えば、排熱利用設備１１に付設した貯湯槽に対し所望温度よりも低温の温水を供給し続けたとしても、貯湯槽の温度レベルはいつまでも上がることがなく、貯湯槽としての役割を果たすことができなかった。

このように、燃料電池発電システムの起動直後や低負荷運転時では、排熱の熱源となる電池冷却水や燃料処理系の流体温度が低いので、これらを熱源とするだけでは排熱供給用熱交換器における交換熱量が少なく、排熱利用設備での実際の利用温度が所望温度にまでなかなか上がらなかった。

そこで従来より、排熱供給系統２３に流れる排熱供給流体の流量を減らすが提案されていた（特許文献１参照）。すなわち、特許文献１では、排熱供給流体の流量を絞ることで排熱利用設備１１にて奪われる排熱量を減らして排熱供給流体の温度低下を防いでいる。また、特許文献２記載の技術のように、給電部の結露防止を目的としてではあるが、電池冷却水の流量を絞ることも知られている。

以上のような従来技術によれば、排熱の熱源となる電池冷却水や燃料処理系の流体温度が低いうちは、電池冷却水系統２又は排熱供給系統２３における流体量を低減することで、排熱の熱エネルギーが低い条件化でさらに熱エネルギーが奪われることを防ぎ、熱源となる流体の温度低下を抑えることができる。その結果、排熱エネルギーのロスを抑制し、排熱供給流体の温度上昇に寄与することが可能である。それでも、排熱利用設備における実際の利用温度が目標値に到達しなければ、バックアップ温水器１２などの補助熱源を用いることによって排熱供給温度を強制的に高め、前記目標値を満たした上で排熱利用設備１１に供給するようになっていた。
特開２００４−１９０８７０号公報 特開２００４−１７１８３５号公報

しかしながら、上記のような従来の燃料電池発電システムには、以下の問題点が指摘されていた。すなわち、特許文献１、２では、電池排熱の熱源となる流体の温度を下げないように排熱供給流体や電池冷却水の流体量を絞っている。しかし、これらの流体の流体量を絞った分だけ、排熱利用設備での所望温度を保証する高温の排熱供給量自体は少量となった。

つまり、高温の排熱が排熱利用設備１１に供給されたとしても、供給される排熱エネルギー量が少ないため、排熱利用設備１１にて短時間で消費されてしまう。したがって、排熱利用設備１１で安定して利用できるようになるまでには、排熱の熱源となる電池冷却水や燃料処理系の流体温度が高くなるまで待たなくてはならなかった。このように、従来の燃料電池発電システムでは、起動からしばらく経過し、通常の負荷運転が続いてからでないと、排熱利用設備を安定して利用することが困難であり、所定の温度で排熱を利用するには温水器による加温の必要があるため累積の総合効率が低下するという問題があった。

また、排熱供給系統２３における排熱供給温度を強制的に高める運転方法として、バックアップ温水器を使用する場合（これ以外にも、電池冷却水温度や燃料処理系の流体温度を上昇させることも考えられるが、いずれにせよ）、燃料の過剰投入や、電気ヒータによる加熱が必要となった。このため、システム構成が複雑化するだけではなく、せっかくの優れた発電効率及びエネルギー効率が低下することになり、やはり累積の総合効率が低下するという問題が生じてしまった。

本発明は、以上の課題を解決するためになされたものであり、システムの起動直後や低負荷運転時といった電池排熱の温度レベルが低い場合であっても、強制的な加熱手段を用いることなく累積の総合効率低下を防ぎ、短時間で所望の排熱利用温度を確保可能として、システム稼動率の向上を図った燃料電池発電システム及びその運転方法を得ることを目的としたものである。

本発明は、上述した目的を達成するために、電池冷却水系統又は排熱供給系統における温度が、予め設定された目標値に達しないうちは、電池排熱を排熱利用設備へ通常通り供給するのではなく、排熱利用設備への排熱供給量を通常量よりも抑えることによって、まずは電池冷却水温度又は排熱供給温度を高めるために電池排熱を使用し、排熱の熱源となる流体温度又は排熱を供給する流体の温度を十分に高くし、電池冷却水温度又は排熱供給温度が目標値を越えてから通常量の排熱を排熱利用設備に供給するようにしたものである。

本発明の燃料電池発電システムは、アノード極及びカソード極を備え水素分に富むガスを還元剤として前記アノード極に供給し、酸素分に富むガスを酸化剤として前記カソード極に供給することで電気化学反応により直流電力及び排熱を発生する燃料電池本体と、前記燃料電池本体から前記排熱を除去、回収する電池冷却水を流すための電池冷却水系統と、前記電池冷却水系統により回収した前記排熱を外部へと供給するための排熱供給系統と、前記排熱供給系統から供給される前記排熱を利用するための排熱利用設備、を有する燃料電池発電システムにおいて、前記電池冷却水系統の冷却水温度及び前記排熱供給系統の排熱供給温度のうち、少なくとも一方に関して目標値を設定する目標値設定手段と、前記電池冷却水系統の冷却水温度又は前記排熱供給系統の排熱供給温度を測定して測定値を求める温度測定手段と、前記排熱利用設備への排熱供給量を調節する排熱供給量調節手段と、前記温度測定手段が測定した測定値が前記目標値に達しない場合には排熱供給量を通常量よりも抑制する抑制指令を前記排熱供給量調節手段に出し、前記温度測定手段が測定した測定値が前記目標値を越した場合には排熱供給量を抑制した量から通常量まで高めて供給する通常供給指令を前記排熱供給量調節手段に出す排熱供給量制御手段、を有することを特徴とするものである。

また、本発明の運転方法は、本発明の燃料電池発電システムを、システムを運転する方法の観点から捉えたものであり、前記電池冷却水系統の冷却水温度及び前記排熱供給系統の排熱供給温度のうち、少なくとも一方に関して目標値を設定する目標値設定処理と、前記電池冷却水系統の冷却水温度及び前記排熱供給系統の排熱供給温度の少なくとも一方を測定して測定値を求める温度測定処理と、前記排熱利用設備への排熱供給量を調節する排熱供給量調節処理と、前記温度測定処理にて測定した測定値が前記目標値に達しない場合には排熱供給量を通常量よりも抑制する抑制指令を出し、前記温度測定処理にて測定した測定値が前記目標値を越した場合には排熱供給量を抑制した量から通常量まで高めて供給する通常供給指令を出す排熱供給量制御処理、を行うことを特徴としている。

このような本発明では、目標値設定手段にて電池冷却水系統の冷却水温度あるいは排熱供給系統での排熱供給温度に関して目標値を予め設定し、温度測定手段にて電池冷却水系統の冷却水温度及び前記排熱供給系統の排熱供給温度の少なくとも一方を測定しておく。そして、測定値が設定された目標値に達しない間は、排熱供給量制御手段は、排熱利用設備に対し排熱供給量を通常量よりも抑制する旨の抑制指令を、排熱供給量調節手段に出す。これを受けて排熱供給量調節手段は排熱供給量を通常量よりも抑制するように調節する。

上記の本発明においては、電池冷却水系統の冷却水温度あるいは排熱供給系統での排熱供給温度が、設定された目標値に達するまでは、排熱利用設備への排熱供給量を少なくなるので、排熱利用設備の使用を制限することになるが、燃料電池本体からの電池排熱を、排熱の熱源となる電池冷却水の温度、又は排熱を供給する流体の温度上昇のために集中して用いることができる。したがって、電池冷却水又は排熱供給流体は急速に高温にすることができ、結果的には、排熱利用設備での所望温度を早期に確保することが可能である。いったん、電池冷却水系統あるいは排熱供給系統の温度を高いレベルにまで高めてしまえば、排熱供給量を抑制した量から通常量に戻したとしても、豊かな排熱供給が可能であり、排熱利用設備を安定して利用することができる。

つまり従来では、電池冷却水系統あるいは排熱供給系統の温度が低いうち、つまり電池排熱の温度レベルが低い場合でも、排熱利用設備にて排熱エネルギーを消費してしまったので、かえって排熱利用設備の不安定状態が長期化してしまった。これに対して本発明では、電池排熱の温度レベルが低い場合は、排熱利用設備での排熱消費よりも、電池冷却水系統又は排熱供給系統の温度を高めるために優先させて排熱エネルギーを使用することで、排熱利用設備の使用が制限される時間を極力短くして、システムの起動直後や低負荷運転時でも排熱利用設備の安定利用を実現させることができる。

以上述べたように、本発明によれば、電池排熱の温度レベルが低くて、電池冷却水系統あるいは排熱供給系統の測定温度が設定された目標値に達しないうちは、排熱利用設備への排熱供給量を通常量よりも抑えることによって、電池冷却水系統又は排熱供給系統の温度をすばやく上昇させることができ、システムの起動直後や低負荷運転時でも、短時間で所望温度の排熱を排熱利用設備に供給可能であり、システム稼働率の向上を図った燃料電池発電システム及びその運転方法を得ることができる。

以下、本発明を適用した実施形態について、図１〜図５を参照して具体的に説明する。なお、下記の実施形態における基本的なシステム構成は、図６に示した従来技術のそれと同様なので、説明を簡略化するために、図６に示した従来技術と同一部分に関しては同一符号を付している。

[第１の実施形態]
[システム構成]
図１は、本発明を適用した第１の実施形態に係る燃料電池発電システムを示すブロック図である。本実施形態のシステム構成は次の通りである。

図１に示すように、電池冷却水系統２において燃料電池本体１の冷却盤下流側には、電池冷却水系統２の水温を測定する電池冷却水温度センサ４が設置されている。また、排熱供給系統２３において排熱供給用熱交換器６低温側の上流には、排熱供給流体である温水の温度を測定する排熱供給温度センサ１０が設けられている。これらセンサ４、１０からの測定値は後述する制御装置５に送られるようになっている。

排熱供給用熱交換器６の高温側には排熱供給用熱交換器６を回避して電池冷却水を流す高温側バイパスライン７が設けられている。また、高温側バイパスライン７と電池冷却水系統２との接続部分には高温側制御弁８が配置されている。高温側制御弁８は高温側バイパスライン７への通水量を調節するためのものであり、制御装置５からの指令により熱交換器６側／バイパスライン７側に電池冷却水を流すようになっている。これら高温側バイパスライン７及び高温側制御弁８が、請求項でいうところの排熱供給量調節手段を構成する。

制御装置５は、制御指令を出して燃料電池発電システムの各部を制御する部分である。また、制御装置５は、電池冷却水系統２の水温及び排熱供給系統２３の排熱供給温度に関して目標値を設定する部分である。ここでは、説明のための仮の数値として、電池冷却水系統２の水温の目標値を７５℃、排熱供給温度の目標値を６５℃としている。さらに、制御装置５は、以下の処理を行うようになっている。すなわち、排熱供給温度センサ１０から送られてきた排熱供給流体の温度測定値が、設定した目標値６５℃に達しない場合には、制御装置５は、排熱利用設備１１への排熱供給流体量を通常量よりも抑制すべく、バイパスライン７側に電池冷却水を流すように高温側制御弁８を動作させる指令を出すようになっている。

また、電池冷却水温度センサ４から送られてきた電池冷却水の測定値が、目標値７５℃を越した場合には、排熱供給量を、抑制した量から通常量まで高めて排熱利用設備１１へ供給すべく、熱交換器６側に電池冷却水を流すように高温側制御弁８を動作させる指令を出すようになっている。このような制御装置５は、具体的には本発明による燃料電池発電システム制御用に特化したプログラムを記憶させたマイコンにより実現される。

[作用]
[排熱供給の通常モード]
以上述べた本実施形態の作用について説明する。まず、本実施形態のシステム起動処理における基本的な作用として、排熱供給の通常モードについて述べる。

本実施形態に係るシステムが起動した後、十分な時間を経過した後、あるいは、高負荷運転を十分な時間を経過した後であれば、電池冷却水系統２の水温は、一例として電池冷却水系温度センサ４における測定値が７６℃程度であったとする。つまり、電池冷却水温度センサ４から送られてきた電池冷却水の測定値が、目標値７５℃を越していることになる。そのため、制御装置５は高温側制御弁８に指令を出して、熱交換器６側に電池冷却水を流す状態となっている。

すなわち、電池冷却水は高温側バイパスライン７側には流れず、電池冷却水系統２には通常量の電池冷却水が流れている。また、排熱供給系統２３から排熱利用設備１１への排熱供給流体は通常量を供給している。この時、排熱供給用熱交換器６において排熱回収を行った結果として、排熱供給系統２３では排熱供給温度の目標値６５℃を満たすことが可能である。

[排熱供給量抑制モード]
ところで、システム起動直後や、低負荷運転状態においては、電池作動温度が低く、電池冷却水系温度センサ４の測定値が目標値７５℃を下回り、排熱供給系統２３での排熱供給温度は目標値６５℃を下回ることが多い。例えば、システム起動直後や低負荷運転状態では、冷却水温度センサ４における測定値は目標値７５℃を大きく下回る６３℃程度である。

このような場合、排熱利用設備１１へ排熱の供給を継続すると、電池冷却水系統２の温度を、とても前述したような７５℃程度にまで上昇させることは難しく、排熱供給温度の目標値６５℃を満たすシステム運転条件を確立することができない。このため、排熱利用設備１１に対し所望温度に満たない排熱を継続的に供給することになって、排熱利用設備１１は所望温度をいつまでも確保することができなくなる。

そこで、排熱供給温度センサ１０からの排熱供給温度の測定値が、目標値６５℃に達しない場合に、制御装置５は高温側制御弁８に指令を出して、高温側制御弁８は高温側バイパスライン７側へ電池冷却水を流すようにする。すなわち、電池冷却水系統２側の通水量が減少し、排熱供給系統２３側に奪われる電池冷却水系統２側の排熱エネルギー量は低減して、結果的に排熱供給系統２３から排熱利用設備１１への排熱供給量を抑制することができる。これにより、電池冷却水の温度を迅速に上昇させることが可能となる。

[排熱供給量復帰モード]
そして、電池冷却水温度センサ４の測定値が目標値７５℃を越えた時点で、排熱供給温度に関する目標値６５℃を満たす排熱供給を行うことが可能となる。ここで制御装置５は、高温側制御弁８に指令を出して高温側制御弁８から高温側バイパスライン７への通水を停止し、排熱供給用熱交換器６側に電池冷却水を流すようにする。そのため、排熱供給系統２３から排熱利用設備１１への排熱供給が再開し、排熱供給を通常の供給量にまで復帰させることができる。

[効果]
このような第１の実施形態によれば、システムの起動直後や低負荷運転時といった電池排熱の温度レベルが低い状態では、電池冷却水系統２あるいは排熱供給系統２３の測定温度が設定された目標値に達しないので、高温側制御弁８を動作させて高温側バイパスライン７への通水量を増やし、排熱利用設備１１への排熱供給量を通常量よりも抑えることができる。これにより、電池冷却水系統２又は排熱供給系統２３の温度を急速に高めることが可能である。この結果、システムの起動直後や低負荷運転時でも、短時間で所望温度の排熱を排熱利用設備１１に供給でき、総合的なシステム稼働率の向上を図ることができる。

[第２の実施形態]
[システム構成]
第２の実施形態は、上記第１の実施形態における排熱供給量調節手段の構成を変えたもので、第１の実施形態において示した高温側バイパスライン７及び高温側制御弁８を省き、排熱供給流体用ポンプ９の送水量を調節するための調節要素として、回転数制御装置１３を設置したことを特徴としている。なお、その他の部分に関しては、第１の実施形態と同様である。

なお、制御装置５は、排熱供給温度センサ１０から送られてきた排熱供給温度の測定値が、設定した目標値６５℃に達しない場合には排熱利用設備１１への排熱供給量を通常量よりも抑制するように、回転数制御装置１３の回転数を抑える指令を出すようになっている。また、電池冷却水温度センサ４から送られてきた電池冷却水の測定値が、目標値７５℃を越した場合には、回転数制御装置１３の回転数を通常のレベルに戻す指令を出すようになっている。

[作用効果]
このような第２の実施形態では、システム起動直後や、低負荷運転状態において、排熱供給温度センサ１０による排熱供給流体の測定温度が、目標値６５℃に達しなければ、制御装置５は回転数制御装置１３の回転数を抑える指令を出す。このため、排熱供給流体用ポンプ９の送水量が低くなり、排熱供給系統２３の通水量が減少する。したがって、排熱利用設備１１への排熱供給量を抑制できる。

つまり、第２の実施形態によれば、回転数制御装置１３を抑制することで排熱供給量を減らし、電池冷却水系統２側から排熱供給系統２３側に移動する排熱エネルギー量は低減する。これにより、電池冷却水の温度を迅速に上昇させることが可能となる。したがって、システムの起動直後や低負荷運転時では、燃料電池本体からの電池排熱を、排熱供給温度上昇のためにのみ用いることができる。短時間で所望温度の排熱を排熱利用設備１１に供給可能であり、システム稼働率の向上に寄与することができる。

なお、電池冷却水温度センサ４の測定値が目標値７５℃を越えれば、排熱供給温度に関する目標値６５℃を満たす排熱供給を行うことが可能となるので、制御装置５は、回転数制御装置１３の回転数を通常のレベルに戻す指令を出し、排熱供給流体用ポンプ９の送水量は通常量に戻る。したがって、排熱供給系統２３から熱利用設備１１への排熱供給量は通常量に復帰する。

[第３の実施形態]
[システム構成]
第３の実施形態は、上記第２の実施形態における回転数制御装置１３に代えて、電池冷却水ポンプ３の送水量を調節するための調節要素として、回転数制御装置１４を設置したことを特徴としている（図３参照）。その他の部分に関しては、第２の実施形態と同様であり、制御装置５に関しても、指令を出す対象が回転数制御装置１３から回転数制御装置１４に代わっただけで、その指令内容は同じである。

すなわち、制御装置５は、排熱供給温度センサ１０から送られてきた排熱供給温度の測定値が、設定した目標値６５℃に達しない場合には回転数制御装置１４の回転数を抑える指令を出し、電池冷却水温度センサ４から送られてきた電池冷却水の測定値が、目標値７５℃を越した場合には、回転数制御装置１３の回転数を通常のレベルに戻す指令を出すようになっている。

[作用効果]
このような第３の実施形態では、システム起動直後や、低負荷運転状態において、排熱供給温度センサ１０による排熱供給温度の測定値が、目標値６５℃に達しなければ、制御装置５は回転数制御装置１４の回転数を抑える指令を出すことになる。このため、電池冷却水ポンプ３の送水量が低くなり、電池冷却水系統２の通水量が減少する。

これにより、上記第１の実施形態と同じく、排熱供給系統２３側に奪われる電池冷却水系統２側の排熱エネルギー量を低減させることができ、電池冷却水の温度を迅速に上昇させることができる。つまり、システムの起動直後や低負荷運転時では、燃料電池本体からの電池排熱を、排熱の熱源となる電池冷却水の温度上昇のために集中して使用できる。したがって、結果的に短時間で所望温度の排熱を排熱利用設備１１に供給することができる。

また、電池冷却水温度センサ４の測定値が目標値７５℃を越えた場合には、排熱供給温度に関する目標値６５℃を満たす排熱供給を行うことが可能となる。このため、制御装置５は、回転数制御装置１４の回転数を通常のレベルに戻す指令を出すことになり、電池冷却水ポンプ３の送水量は通常量に戻る。この結果、排熱供給系統２３から熱利用設備１１への排熱供給量を通常量に戻すことができる。なお、第３の実施形態では、電池冷却水の温度上昇を図るために電池冷却水ポンプ３の送水量を減らしているので、送水量が少ない分、排熱を取りはじめると、すぐ温度がすぐに下がることが考えられる。このため、排熱供給センサ１０にて排熱供給系統２３の温度監視も重要となる。

[第４の実施形態]
[システム構成]
第４の実施形態は、上記第１の実施形態における排熱供給量調節手段の構成を変えたもので、図４に示すように、排熱供給用熱交換器６の低温側には排熱供給用熱交換器６を回避して排熱を供給する低温側バイパスライン１５が設けられている。また、低温側バイパスライン１５と排熱供給系統２３との接続部分には低温側制御弁１６が配置されている。低温側制御弁１６は低温側バイパスライン１５への通水量を調節するためのもので、制御装置５からの指令により熱交換器６側／バイパスライン１５側に排熱供給流体である温水を流すようになっている。その他の部分に関しては、第１の実施形態と同様である。

制御装置５は、排熱供給温度センサ１０から送られてきた排熱供給温度の測定値が、設定した目標値６５℃に達しない場合には排熱利用設備１１への排熱供給量を通常量よりも抑制すべく、バイパスライン１５側に温水を流すように低温側制御弁１６を動作させる指令を出すようになっている。

また、電池冷却水温度センサ４から送られてきた電池冷却水の測定値が、目標値７５℃を越した場合には、排熱供給量を抑制した量から通常量まで高めて排熱利用設備１１へ供給すべく、熱交換器６側に温水を流すように、低温側制御弁１６を動作させる指令を出すようになっている。

[作用効果]
以上述べた本実施形態の作用効果は次の通りである。制御装置５は、排熱供給温度センサ１０からの排熱供給温度の測定値が、目標値６５℃に達しない場合、低温側制御弁１６を動作させてバイパスライン１５側に温水を流す。すなわち、低温側バイパスライン１５への通水量が増加し、排熱供給系統２３側の通水量が減少する。したがって、排熱利用設備１１への排熱供給量を抑制することができ、電池冷却水系統２側から排熱供給系統２３側に移る排熱エネルギー量は低くなって、電池冷却水の温度を迅速に高めることができる。

そして、電池冷却水温度センサ４の測定値が目標値７５℃を越えた時点で、排熱供給温度に関する目標値６５℃を満たす排熱供給を行うことが可能となる。このとき、制御装置５は、低温側制御弁１６を動作させて低温側バイパスライン１５への通水を停止させ、排熱供給用熱交換器６側に温水を流すようにする。したがって、排熱供給系統２３から熱利用設備１１への排熱供給量は通常量にまで戻る。

上記の第４の実施形態によれば、システムの起動直後や低負荷運転時といった電池排熱の温度レベルが低い状態では、低温側制御弁１６を開けて低温側バイパスライン１５への通水量を増やし、排熱利用設備１１への排熱供給量を抑えることができる。これにより、電池冷却水系統２又は排熱供給系統２３の温度を急速に高めて、優れたシステム稼働率を発揮することができる。

[第５の実施形態]
[システム構成]
第５の実施形態は、上記第４の実施形態におけるバイパスライン構成に変更を加えたもので、図５に示すように、排熱利用設備１１における排熱供給ライン１７と、排熱利用設備１１からの戻りライン１８とを接続するようにして、排熱利用設備バイパスライン１９が設けられている。また、熱利用設備バイパスライン１９と排熱供給ライン１７との接続部分には、バイパスライン制御弁２０が設置されている。バイパスライン制御弁２０は、排熱利用設備バイパスライン１９への通水量を調節するためのものであり、制御装置５からの指令によって熱交換器６側／バイパスライン１９側に排熱供給流体である温水を流すようになっている。その他の部分に関しては、第１の実施形態と同様である。

制御装置５は、排熱供給温度センサ１０から送られてきた排熱供給温度の測定値が、設定した目標値６５℃に達しない場合には排熱利用設備１１への排熱供給量を通常量よりも抑制するようにバイパスライン制御弁２０を動作させてバイパスライン１９側に温水を流す指令を出すようになっている。

また、電池冷却水温度センサ４から送られてきた電池冷却水の測定値が、目標値７５℃を越した場合には、排熱供給量を抑制した量から通常量まで高めて排熱利用設備１１へ供給するように、バイパスライン制御弁２０を動作させて熱交換器６側に温水を流す指令を出すようになっている。

[作用効果]
以上述べた本実施形態において、排熱供給温度センサ１０からの排熱供給温度の測定値が目標値６５℃に達しない場合には、制御装置５はバイパスライン制御弁２０を動作させて、バイパスライン１９へ温水を流す。これにより、排熱供給系統２３側の通水量が減少し、排熱利用設備１１への排熱供給量を抑制することができ、電池冷却水系統２側から排熱供給系統２３側に移る排熱エネルギー量は低くなって、電池冷却水の温度を迅速に高めることができる。

そして、電池冷却水温度センサ４の測定値が目標値７５℃を越えた時点で、排熱供給温度に関する目標値６５℃を満たす排熱供給を行うことが可能となる。このとき、制御装置５は、バイパスライン制御弁２０に指令を出し、排熱利用設備バイパスライン１９への通水を停止させて、熱交換器６側に温水を流す。このため、排熱供給系統２３から排熱利用設備１１への排熱供給を通常量にまで再開させることができる。

このような第５の実施形態によれば、システムの起動直後や低負荷運転時といった電池排熱の温度レベルが低い状態では、バイパスライン制御弁２０を開けて排熱利用設備バイパスライン１９への通水量を増加させ、排熱利用設備１１への排熱供給量を抑制することができる。これにより、電池冷却水系統２又は排熱供給系統２３の温度を急速に高めることができ、システム稼働率を向上させることができる。

［他の実施形態］
なお、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、上記各実施形態における排熱供給量の調節手段を組み合わせることも自由である。具体的には、第２の実施形態と第３の実施形態を組み合わせて、排熱供給流体用ポンプ９及び電池冷却水ポンプ３に対し回転数制御装置１３、１４を設置しても良い。また、電池冷却水系統や排熱供給系統において設定される目標値も適宜設定可能である。例えば、電池冷却水系統の冷却水温度及び排熱供給系統の排熱供給温度のうち、一方に関してのみ目標値を設定しても良い。さらに、電池冷却水系統や排熱供給系統において測定される測定値に関しても電池冷却水系統及び排熱供給系統のうちいずれか一方の水温から他方の水温を算出することも可能なので、片方だけを測定するようにしても良い。また、上記実施形態において使用された高温側制御弁８等の三方弁に代えて、二方弁を二基用いるようにしても良い。

本発明に係る第１の実施形態のブロック図。 本発明に係る第２の実施形態のブロック図。 本発明に係る第３の実施形態のブロック図。 本発明に係る第４の実施形態のブロック図。 本発明に係る第５の実施形態のブロック図。 従来の燃料電池発電システムのブロック図。

符号の説明

１…燃料電池本体
２…電池冷却水系統
３…電池冷却水ポンプ
４…電池冷却水温度センサ
５…制御装置
６…排熱供給用熱交換器
７…高温側バイパスライン
８…高温側制御弁
９…排熱回収ポンプ
１０…排熱供給温度センサ
１１…排熱利用設備
１２…バックアップ温水器
１３，１４…回転数制御装置
１５…低温側バイパスライン
１６…低温側制御弁
１７…排熱供給ライン
１８…戻りライン
１９…排熱利用設備バイパスライン
２０…バイパスライン制御弁
２３…排熱供給系統

Claims (7)

1. アノード極及びカソード極を備え水素分に富むガスを還元剤として前記アノード極に供給し、酸素分に富むガスを酸化剤として前記カソード極に供給することで電気化学反応により直流電力及び排熱を発生する燃料電池本体と、前記燃料電池本体から前記排熱を除去、回収する電池冷却水を流すための電池冷却水系統と、前記電池冷却水系統により回収した前記排熱を外部へと供給するための排熱供給系統と、前記排熱供給系統から供給される前記排熱を利用するための排熱利用設備、を有する燃料電池発電システムにおいて、
   前記電池冷却水系統の冷却水温度及び前記排熱供給系統の排熱供給温度のうち、少なくとも一方に関して目標値を設定する目標値設定手段と、
   前記電池冷却水系統の冷却水温度又は前記排熱供給系統の排熱供給温度を測定して測定値を求める温度測定手段と、
   前記排熱利用設備への排熱供給量を調節する排熱供給量調節手段と、
   前記温度測定手段が測定した測定値が前記目標値に達しない場合には排熱供給量を通常量よりも抑制する抑制指令を前記排熱供給量調節手段に出し、前記温度測定手段が測定した測定値が前記目標値を越した場合には排熱供給量を抑制した量から通常量まで高めて供給する通常供給指令を前記排熱供給量調節手段に出す排熱供給量制御手段、を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記排熱供給系統として、
   排熱供給用熱交換器を有し、
   前記排熱供給量調節手段として、
   前記排熱供給用熱交換器の高温側流体を流すための高温側バイパスラインと、
   前記高温側バイパスラインへの通水量を調節するための高温側制御弁、を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記排熱供給系統として、
   排熱供給用熱交換器と、
   前記排熱供給用熱交換器の低温側流体を送るための低温側ポンプ、を有し
   前記排熱供給量調節手段として、
   前記低温側ポンプの送水量を調節するための調節要素を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記排熱供給系統として、
   排熱供給用熱交換器と、
   前記排熱供給用熱交換器の高温側流体を送るための高温側ポンプ、を有し、
   前記排熱供給量調節手段として、
   前記高温側ポンプの送水量を調節するための調節要素を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。
5. 前記排熱供給系統として、
   排熱供給用熱交換器を有し、
   前記排熱供給量調節手段として、
   前記排熱供給用熱交換器の低温側流体を流すための低温側バイパスラインと、
   前記低温側バイパスラインへの通水量を調節するための低温側制御弁、を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。
6. 前記排熱供給系統として、
   排熱供給用熱交換器と、
   前記排熱利用設備への排熱供給ラインと、
   前記排熱利用設備からの戻り水ライン、を有し
   前記排熱供給量調節手段として、
   前記排熱供給ライン及び前記戻り水ラインを接続する排熱利用設備バイパスラインと、
   前記排熱利用設備バイパスラインへの通水量を調節するためのバイパスライン制御弁、を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
7. アノード極及びカソード極を備え水素分に富むガスを還元剤として前記アノード極に供給し、酸素分に富むガスを酸化剤として前記カソード極に供給することで電気化学反応により直流電力及び排熱を発生する燃料電池本体と、前記燃料電池本体から前記排熱を除去、回収する電池冷却水を流すための電池冷却水系統と、前記電池冷却水系統により回収した前記排熱を外部へと供給するための排熱供給系統と、前記排熱供給系統から供給される前記排熱を利用するための排熱利用設備、を有する燃料電池発電システムの運転方法において、
   前記電池冷却水系統の冷却水温度及び前記排熱供給系統の排熱供給温度のうち、少なくとも一方に関して目標値を設定する目標値設定処理と、
   前記電池冷却水系統の冷却水温度及び前記排熱供給系統の排熱供給温度の少なくとも一方を測定して測定値を求める温度測定処理と、
   前記排熱利用設備への排熱供給量を調節する排熱供給量調節処理と、
   前記温度測定処理にて測定した測定値が前記目標値に達しない場合には排熱供給量を通常量よりも抑制する抑制指令を出し、前記温度測定処理にて測定した測定値が前記目標値を越した場合には排熱供給量を抑制した量から通常量まで高めて供給する通常供給指令を出す排熱供給量制御処理、を行うことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。

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