JP2009301977A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 主に湯を沸かし上げる場合と主に熱交換器において排出ガスを放熱させる場合との双方の場合おいて適切に管路の流速を制御することが可能な燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】 この燃料電池システムＦＣＳは、循環管路部である管路５５と還流管路部である管路５６との管路切り替えを行う切替部としての三方弁７３を備えている。更にこの燃料電池システムＦＣＳは、管路５５を含む第１管路及び管路５６を含む第２管路の水流を生じさせるように管路５３に配置されたポンプ７１を備え、ポンプ７１の下流側から上流側へ還流する第２還流管路部１０１に流量調整弁１００が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池セル（ＳＯＦＣ）を含む燃料電池モジュールで発生する熱を利用する燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池からの排出ガスを利用する燃料電池システムとして、例えば下記特許文献１に記載されているような燃料電池システムが提案されている。下記特許文献１に記載されている燃料電池システムは、固体電解質形の燃料電池を用いるものであって、燃料電池モジュールにおける排出ガスを有効利用するためのものである。具体的には、固体電解質形燃料電池モジュールと、この固体電解質形燃料電池モジュールからの排ガスと水とを熱交換する熱交換器と、水を貯える貯湯タンクと、この貯湯タンクの底部と熱交換器との間、及び貯湯タンクの上部と熱交換器との間をそれぞれ連結し、貯湯タンクと熱交換器との間で水を循環させる循環配管と、この循環配管に設けられ、水を強制的に循環させる循環ポンプと、熱交換器の入口水温及び出口水温を検出する温度検出器と、熱交換器の出口水温が入口水温よりも所定温度以上となるように循環ポンプの出力を制御する制御装置とによって構成されている。

下記特許文献１に記載の燃料電池システムではこのような構成とすることにより、熱交換器の出口水温が入口水温よりも所定温度以上となるように循環ポンプの出力を制御することができ、その結果、水と排ガスの熱交換を有効に行って高温の湯水を安定して供給できるものとしている。より具体的には、固体電解質形燃料電池による発電が少ない場合、排ガスも少なくなるが、この場合には、循環ポンプをゆっくり回転させて一定時間あたりの循環量を少なくし、熱交換器での熱交換を充分に行うことにより、貯湯タンク内に供給される水の温度を高くできるように構成している。

更に、下記特許文献２に記載されているような燃料電池と給湯装置のコンバインシステムも提案されている。下記特許文献２に記載されているシステムは、燃料電池からの排ガスと貯湯槽の水とを熱交換器により熱交換して、排ガスの冷却に伴って生じる凝縮水を凝縮水タンクに回収すると共に貯湯槽に湯を貯蔵している。循環流路には、凝縮水タンクの水位が低いほど、貯湯槽の湯温が低いほど、給湯量が大きいほど大きな循環流量となるよう貯湯槽の水（湯）を循環させている。そして、熱交換器での熱交換が十分に行なうことができない状態のときには、循環流路にラジエータを取り込んで貯湯槽の水を冷却して用いている。この結果、燃料電池や給湯装置をより適正に運転できると共に熱効率や資源の利用効率を高くすることができるものとしている。

また、燃料電池からの排出ガスを利用する燃料電池システムとしては、下記特許文献３に記載されているようなものも提案されている。
特開２００６−２４４３０号公報 特開２００１−３２５９８２号公報 特開２００２−８１７４３号公報

ところで、上述した特許文献１に記載されている燃料電池システムでは、貯湯タンク内の水を熱交換器との間で循環させることで加温している。しかしながら、固体電解質形の燃料電池は、発電効率が良く燃料消費が少ないため、排出ガス温度は高いがその排出量が少なく、排出ガスが含有する熱量は少ないものである。従って、上述した特許文献１に記載されているような循環経路を備える燃料電池システムでは、水を何度も循環させるか、熱交換器に対してかなりの低速で水を循環させる必要がある。このように何度も循環させないようにするためには、湯を沸かす際には流速を低下させる必要がある。しかしながら、上記特許文献２に記載されているように、湯を沸かし上げた後においても熱交換器において排出ガスを放熱させるために水又は湯を循環させる必要がある。この場合には、冷却効率を高めるために流速を上げる必要がある。このように燃料電池の排出ガスを用いて湯を沸かす燃料電池システムでは、管路の流速を上昇させたり低下させたりする必要があるが、特に固体酸化物形の燃料電池の場合には、排出される熱量が少ないため管路の流速の下限が極めて低くなり、流速の制御が極めて難しくなる。

そこで本発明では、主に湯を沸かし上げる場合と、主に熱交換器において排出ガスを放熱させる場合との双方の場合おいて適切に管路の流速を制御することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の固体酸化物形燃料電池セルを含む燃料電池モジュールと、前記固体酸化物形燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼することで発生するガスを含む排出ガスを用いて熱交換を行い、水を加熱して湯とする熱交換器と、水及びその水を加熱した湯を溜めるタンクと、前記熱交換器へと送り込まれた水が再び前記熱交換器へと至るように構成された第１管路と、前記タンクから送り出された水を前記熱交換器へ送り込み、前記熱交換器において熱交換された湯を前記タンクへと還流させるように構成された第２管路と、前記第１管路及び前記第２管路における水流を生じさせるポンプと、を備える燃料電池システムであって、前記第１管路と前記第２管路とはそれぞれの一部を共有する共有管路部を有し、前記第２管路は、前記共有管路部と共に、前記タンクから送り出された水を前記共有管路部へと供給する供給管路部と、前記共有管路部から前記タンクへと湯を還流させる還流管路部と、を有し、前記第１管路は、前記共有管路部と共に、前記共有管路部に前記供給管路部が接続される合流点と前記共有管路部から前記還流管路部が分岐する分岐点とを繋ぐ循環管路部を有しており、前記分岐点には、前記還流管路部と前記循環管路部との管路切り替えを行う切替部が設けられており、前記ポンプは、前記共有管路部に配置され、前記ポンプの下流側に第２分岐点を備え、前記第２分岐点から前記ポンプの上流側へ還流する第２還流管路部と、前記第２還流管路部の流量を調整する流量調整部と、前記流量調整部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は前記流量調整部を用いて前記第２還流管路部の流量を多くすることで、前記第１管路よりも前記第２管路の流量を少なくする制御部であることを特徴とする。

本発明によれば、主に湯を沸かし上げる場合と、主に熱交換器において排出ガスを放熱させる場合との双方の場合おいて適切に管路の流速を制御することが可能な燃料電池システムを提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の固体酸化物形燃料電池セルを含む燃料電池モジュールと、前記固体酸化物形燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼することで発生するガスを含む排出ガスを用いて熱交換を行い、水を加熱して湯とする熱交換器と、水及びその水を加熱した湯を溜めるタンクと、前記熱交換器へと送り込まれた水が再び前記熱交換器へと至るように構成された第１管路と、前記タンクから送り出された水を前記熱交換器へ送り込み、前記熱交換器において熱交換された湯を前記タンクへと還流させるように構成された第２管路と、前記第１管路及び前記第２管路における水流を生じさせるポンプと、を備える燃料電池システムであって、前記第１管路と前記第２管路とはそれぞれの一部を共有する共有管路部を有し、前記第２管路は、前記共有管路部と共に、前記タンクから送り出された水を前記共有管路部へと供給する供給管路部と、前記共有管路部から前記タンクへと湯を還流させる還流管路部と、を有し、前記第１管路は、前記共有管路部と共に、前記共有管路部に前記供給管路部が接続される合流点と前記共有管路部から前記還流管路部が分岐する分岐点とを繋ぐ循環管路部を有しており、前記分岐点には、前記還流管路部と前記循環管路部との管路切り替えを行う切替部が設けられており、前記ポンプは、前記共有管路部に配置され、前記ポンプの下流側に第２分岐点を備え、前記第２分岐点から前記ポンプの上流側へ還流する第２還流管路部と、前記第２還流管路部の流量を調整する流量調整部と、前記流量調整部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は前記流量調整部を用いて前記第２還流管路部の流量を多くすることで、前記第１管路よりも前記第２管路の流量を少なくする制御部であることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムによれば、第１管路は、熱交換器へと送り込まれた水が再び熱交換器へと至るように構成されており、第２管路は、タンクから送り出された水を熱交換器へ送り込み、熱交換器において熱交換された湯をタンクへと還流させるように構成されている。また、第１管路と第２管路とはそれぞれの一部の管路を共有しており、タンクから送り出された水は、第２管路の供給管路部、第１管路及び第２管路の共有管路部を経由して熱交換器に至る。熱交換器において熱交換され湯となった後には、その湯は、第１管路及び第２管路の共有管路部を経由して分岐点に至る。その分岐点には切替部が配置されており、切替部によって第２管路の還流管路部を経由してタンクに還流するのか、第１管路の循環管路部を経由して合流点に至り、再度第１管路及び第２管路の共有管路部に戻るのかが制御される。このような管路構成において本発明では、ポンプを共有管路部に設置し、そのポンプの下流側から上流側へ還流する第２還流管路部に流量調整部を設け、その流量調整部を制御する制御部は流量調整部を用いて第２還流管路部の流量を調整するように構成されている。従って、切替部を第２管路の還流管路部側に切り替えた状態でポンプを駆動し、流量調整部により第２還流管路部の流量を多くすると、第２管路の流量が少なくなり、熱交換器において排出ガスの熱を効果的に受け取って湯を沸かし上げることができる。一方、切替部を第１管路の循環管路部側に切り替えた状態でポンプを駆動し、流量調整部を用いて第２還流管路部の流量を少なくすると、第１管路の流量が多くなり、燃料電池モジュールからの排出ガスの熱をより多く奪うことができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１を参照しながら本実施形態に係る燃料電池システムＦＣＳについて説明する。図１は、燃料電池システムＦＣＳの構成を概略的に示すブロック構成図である。図１に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池ユニットＦＣＵと、貯湯ユニットＷＰＵとによって構成されている。

続いて、燃料電池ユニットＦＣＵについて説明する。燃料電池ユニットＦＣＵは、燃料電池モジュールＦＣＭと、空気供給部ＡＰと、燃料供給部ＦＰと、水供給部ＷＰと、電力取出部ＥＰと、燃料電池ユニット制御部ＦＳと、を備えている。

燃料電池モジュールＦＣＭは、燃料電池セルスタック１０と、予熱・蒸発器１１と、改質器１２と、空気用熱交換器１３と、を備えている。燃料電池モジュールＦＣＭは、燃料電池セルスタック１０を構成する複数の電気的に繋がれた燃料電池セル（図示しない）に、水素又は炭化水素燃料等を改質した改質ガス等の燃料ガスと酸化剤ガスとを供給することで発電反応を起こして発電するものである。燃料電池モジュールＦＣＭの各構成要素について更に説明する。

空気供給部ＡＰは、フィルタ、流量センサ、バッファータンク、空気ブロアといった要素によって構成されている。空気供給部ＡＰから供給された酸化剤ガスとしての空気は、予熱・蒸発器１１を通って空気用熱交換器１３に導入される。空気用熱交換器１３は、燃料電池セルスタック１０において発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガス及び空気が燃焼したガスを含む排出ガスと、予熱・蒸発器１１を通って導入される空気との間で熱交換されるように構成されている。空気用熱交換器１３において予熱された空気は、燃料電池セルスタック１０に供給される。また、空気用熱交換器１３を通過した排出ガスの温度を測定するためのサーミスタ１４が、空気用熱交換器１３から排出経路の出口までの間であって、空気用熱交換器１３の近傍に配置されている。

燃料供給部ＦＰは、炭化水素燃料である都市ガスが流入する経路と、大気が流入する経路とからなる。都市ガスが流入する経路は、電磁弁、ガバナ、燃料ポンプ、バッファータンク、流量センサ、脱硫器、逆止弁といた要素によって構成されている。大気が流入する経路は、フィルタ、空気ブロア、バッファータンク、流量センサ、逆止弁、電磁弁といった要素によって構成されている。これら２つの経路から流入する都市ガスと大気とが混合されて予熱・蒸発器１１に導入される。予熱・蒸発器１１に導入された混合気は、改質器１２に導入され、改質器１２内において炭化水素系のガスが水蒸気改質されて水素リッチな燃料ガスとなる。改質された燃料ガスは、燃料電池セルスタック１０に供給される。

水供給部ＷＰは、都市ガスを水蒸気改質する際に用いられる水蒸気となる水を供給する部分であって、浄化器、水ポンプ、逆止弁、流量センサ、電磁弁といった要素によって構成されている。水供給部ＷＰによって供給される水は、予熱・蒸発器１１に導入されて水蒸気とされた後に改質器１２に導入される。

燃料電池セルスタック１０に供給された燃料ガスと空気とによって、燃料電池セルスタック１０を構成する各燃料電池セルにおいて発電反応が起こり、発電することができる。燃料電池セルの形態は特に限定されないけれども、例えば、円筒状の燃料電池セルが好適に用いられる。円筒状の燃料電池セルは、電解質層と、その電解質層を挟む内側の電極層及び外側の電極層とによって構成される。内側の電極層は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。電解質層は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。外側の電極層は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたサマリウムコバルト、銀、などの少なくとも一種から形成される。

燃料電池セルスタック１０において発電された電気は、電力取出部ＥＰから外部へと取り出される。電力取出部ＥＰは、インバータ等の電力変換装置を有しており、燃料電池セルスタック１０において発電された電気を、交流出力として外部に出力する。

ここで、燃料電池ユニット制御部ＦＳと、燃料電池モジュールＦＣＭ、空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰとの関係について図２を参照しながら説明する。図２は、燃料電池ユニット制御部ＦＳと、燃料電池モジュールＦＣＭ、空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰとの関係を説明するためのブロック構成図である。

図２に示すように、燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池ユニットＦＣＵの補器ＡＤを構成している。燃料電池ユニット制御部ＦＳは、燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、補器ＡＤ、及び電力取出部ＥＰのそれぞれを制御するための部分であって、ＣＰＵやＲＯＭを有している。燃料電池モジュールＦＣＭの動作は、燃料電池ユニット制御部ＦＳからの指示信号に基づいて実行される。

図１に戻り、燃料電池セルスタック１０に供給された燃料ガス及び空気のうち発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガス及び残余の空気は燃焼され、排出ガスが発生する。この燃焼や排出ガスによって改質器１２及び空気用熱交換器１３に熱が与えられる。排出ガスは、改質器１２及び空気用熱交換器１３に熱を与えた後、排出ガス熱回収用熱交換器７２を通って十分に安全な温度まで温度が下げられた後に外部に排出される。排出ガス熱回収用熱交換器７２は、貯湯ユニットＷＰＵにおいて溜められる湯を沸かすための熱交換器である。従って、この排出ガス熱回収用熱交換器７２が、本願発明の熱交換器に相当する。

続いて、貯湯ユニットＷＰＵについて説明する。貯湯ユニットＷＰＵは、貯湯タンクＷＴと、補助熱源としての給湯器ＨＵと、貯湯ユニット制御部ＷＳと、を備えている。貯湯ユニットＷＰＵは、貯湯タンクＷＴに溜めた水を沸かして貯湯し、その貯湯した湯を給湯器ＨＵを通して給湯栓ＣＬや浴槽ＢＴに供給するものである。より具体的には、貯湯タンクＷＴに湯が十分に溜められている場合は、給湯器ＨＵによっては加温せずに、給湯器ＨＵ内をそのまま通過させて給湯栓ＣＬや浴槽ＢＴに供給する。貯湯タンクＷＴに湯が十分に溜められていない場合等には、給湯器ＨＵによって加温して給湯栓ＣＬや浴槽ＢＴに供給する。

続いて、貯湯ユニットＷＰＵの配管構成について説明する。貯湯タンクＷＴには、管路６１と、管路５１と、管路５２と、管路５６と、管路５７とが繋がれている。貯湯タンクＷＴに対して、管路６１、管路５１及び管路５２は下側に、管路５６及び管路５７は上側に、それぞれ繋がれている。

管路６１は、貯湯タンクＷＴに対して外部から給水するための管路である。貯湯タンクＷＴからみて管路６１の上流側には、逆止弁８０と、減圧弁８１と、逆止弁８２と、バキュームブレーカー８３と、止水栓８４とが設けられている。このような構成により、貯湯タンクＷＴ内の湯が使われると、貯湯タンクＷＴの下側から水が供給される。

管路５１は、貯湯タンクＷＴ内の水を排出ガス熱回収用熱交換器７２へと送り出すための管路である。管路５２は、貯湯タンクＷＴ内の水を排水するための管路である。管路５２には排水弁７０が設けられている。管路５１は、後述する管路５５と合流して管路５３に繋がれている。管路５３は、貯湯ユニットＷＰＵ内の管路５３ａと、燃料電池ユニットＦＣＵ内の管路５３ｂとによって構成されている。管路５３ａには、貯湯タンクＷＴ内の水を排出ガス熱回収用熱交換器７２へと送り込むポンプ７１が設けられている。管路５３ｂは、排出ガス熱回収用熱交換器７２へと繋げられている。

排出ガス熱回収用熱交換器７２からは、出口側の管路として管路５４ｂが繋げられている。管路５４ｂは、燃料電池ユニットＦＣＵ内の管路であって、その先には貯湯ユニットＷＰＵ内の管路５４ａが繋げられている。この管路５４ａと管路５４ｂとによって管路５４が構成されている。管路５４（管路５４ａ）は、三方弁７３に繋げられている。

三方弁７３には、管路５４（管路５４ａ）の他に、管路５５と管路５６とが繋げられている。管路５５は上述したように管路５１と合流して管路５３に繋げられている。従って、管路５３、管路５４、及び管路５５によって排出ガス熱回収用熱交換器７２を通る循環管路が形成されている。管路５５にはラジエータ７４が設けられていて、管路５５を通る湯を放熱させることが可能なように構成されている。

ポンプ７１の下流側の管路（管路５３a１）には、第２分岐点１０２が設けられている。第２分岐点１０２には、ポンプ上流側の管路（管路５３a２）に設けられている第２合流点１０３へ還流する第２還流管路部１０１が繋げられており、第２還流管路部１０１には流量調整部である流量調整弁１００が設けられている。管路５３aは管路５３a１と管路５３a２により構成されている。第２分岐点１０２は排出ガス熱回収用熱交換器７２の流入口とポンプ７１の流出口との間にある管路５３に、第２合流点１０３は貯湯タンクＷＴの流出口とポンプ７１の流入口の間にある管路５３a１もしくは管路５１もしくは管路５０に設ける構成とすれば良い。本実施形態の場合の様にポンプ７１の出入口に近い管路（管路５３a１と管路５３a２）に設けると第２還流管路部１０１の経路が短くなり、第２還流管路部１０１内の圧損を小さくして流量を多くすることができるのでより好ましい。なお、本実施形態の場合は流量調整部を流量調整弁１００としたが、管路内の流量を変化させることが出来ればよいので、電磁弁を開閉する様な構成としても良い。また、ポンプ７１と第２分岐点１０２を管路５３に設けたが、管路５４に設けることも好ましい。

管路５６は、貯湯タンクＷＴに湯を供給するための管路であり、貯湯タンクＷＴの上方に繋げられている。管路５６には、圧力損失部５６ａが設けられている。圧力損失部５６ａは、それが設けられている部分における管路の圧力損失が管路５３、管路５４、管路５５よりも高くなるように構成されている部分である。圧力損失部５６ａとしては、管路が狭められているような絞り状のものとしてもよく、逆止弁や流量調整弁といった弁体を設ける構成としてもよい。また、本実施形態の場合は圧力損失部５６ａを管路５６に設けたけれども、管路５１に設けることも好ましい。またさらに管路５６及び管路５１それぞれに１つずつ設けることも好ましい。管路５７は、貯湯タンクＷＴから湯を供給するための管路であり、貯湯タンクＷＴの上方に繋げられている。管路５７は、ミキシングバルブ７６に繋げられていると共に、逆止弁７９、貯湯水量センサ７５が設けられている。ミキシングバルブ７６には、管路６１から分岐した管路５９が繋げられている。ミキシングバルブ７６は、管路５７から供給される湯と、管路５９から供給される水とを混合して管路５８に送り出している。管路５８は、給湯器ＨＵに繋げられている。管路５９には、給水水量センサ７７が設けられている。

続いて、各管路や貯湯タンクＷＴに設けられている温度測定部としてのサーミスタの配置について説明する。貯湯タンクＷＴには、上方から順に、サーミスタ３１、サーミスタ３２、サーミスタ３３が設けられている。また、管路５７にはサーミスタ４０が設けられている。これらの、サーミスタ３１，３２，３３，４０は、貯湯タンクＷＴ内の貯湯量を測定するためのサーミスタである。本実施形態の場合、貯湯タンクＷＴには上方に湯が下方に水が溜まる構成となっている。従って、サーミスタの温度によって貯湯量を把握することができる。

管路５３の管路５３ａには、サーミスタ３６が設けられている。このサーミスタ３６によって、管路５３を流れているのが、十分に加温された湯なのか、貯湯タンクＷＴから出た水なのかを判断することができるし、排出ガス熱回収用熱交換器７２に送られる水の温度を測定することもできる。管路５４の燃料電池ユニットＦＣＵ内の管路５４ｂにはサーミスタ３７が、管路５４ａにはサーミスタ３４及びサーミスタ３８が、それぞれ設けられている。すわなち、管路５４の排出ガス熱回収用熱交換器７２側にはサーミスタ３７が、管路５４の三方弁７３側にはサーミスタ３４及びサーミスタ３８が、それぞれ設けられている。サーミスタ３７によって、排出ガス熱回収用熱交換器７２によって加温された直後の湯の温度が測定でき、サーミスタ３４及びサーミスタ３８によって、三方弁７３に入る直前の湯の温度が測定できる。

管路５６にはサーミスタ３９が設けられている。サーミスタ３９は、貯湯タンクＷＴに繋がる部分の近傍に設けられており、貯湯タンクＷＴに導入される湯の温度を測定することができる。

続いて、貯湯ユニット制御部ＷＳについて図３を参照しながら説明する。図３は、貯湯ユニット制御部ＷＳの機能を説明するためのブロック構成図である。図３に示すように、貯湯ユニット制御部ＷＳには、サーミスタ３１，３２，３３，３４，３６，３７，３８，３９，４０から出力される温度測定値を示す信号が入力され、貯湯水量センサ７５及び給水水量センサ７７からはそれぞれの部分を通過した水量を示す信号が入力される。貯湯ユニット制御部ＷＳは、それらの入力信号に基づいた情報処理や、予め定められたルーチンに基づく情報処理に基づいて、ポンプ７１、三方弁７３、ミキシングバルブ７６、流量調整弁１００を駆動するための制御信号を出力する。このように、貯湯ユニット制御部ＷＳは、ポンプ７１、三方弁７３、ミキシングバルブ７６、及び流量調整弁１００のそれぞれを制御するための部分であって、ＣＰＵやＲＯＭを有している。貯湯ユニットＷＰＵの動作は、貯湯ユニット制御部ＷＳからの指示信号に基づいて実行される。

この燃料電池システムＦＣＳは構成要素として、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の固体酸化物形燃料電池セルを含む燃料電池モジュールＦＣＭと、燃料ガスと酸化剤ガスとが燃焼することで燃料電池モジュールＦＣＭから排出される排出ガスを用いて熱交換を行い、水を加熱して湯とする熱交換器である排出ガス熱回収用熱交換器７２と、水及びその水を加熱した湯を溜めるタンクである貯湯タンクＷＴと、を備えている。

更にこの燃料電池システムＦＣＳは、水及び湯が通る管路として次のような管路を備えている。まず、排出ガス熱回収用熱交換器７２へと送り込まれた水が再び排出ガス熱回収用熱交換器７２へと至るように構成された第１管路である管路５３（管路５３ａ及び管路５３ｂ）、管路５４（管路５４ａ及び管路５４ｂ）、及び管路５５を備えている。更に、貯湯タンクＷＴから送り出された水を排出ガス熱回収用熱交換器７２へと送り込み、排出ガス熱回収用熱交換器７２において熱交換された湯を貯湯タンクＷＴへと還流させるように構成された第２管路である管路５１、管路５３（管路５３ａ及び管路５３ｂ）、管路５４（管路５４ａ及び管路５４ｂ）、及び管路５６を備えている。

従って、管路５３（管路５３ａ及び管路５３ｂ）及び管路５４（管路５４ａ及び管路５４ｂ）は、第１管路及び第２管路の共有管路部として構成されている。また、管路５１は供給管路部として、管路５６は還流管路部として、それぞれ構成されている。また、管路５５は循環管路部として構成されている。

更にこの燃料電池システムＦＣＳは、循環管路部である管路５５と還流管路部である管路５６との管路切り替えを行う切替部としての三方弁７３を備えている。更にこの燃料電池システムＦＣＳは、上述した第１管路及び第２管路の水流を生じさせるように管路５３に配置されたポンプ７１を備えている。更にこの燃料電池システムＦＣＳは、切替部としての三方弁７３及びポンプ７１を制御する制御部としての貯湯ユニット制御部ＷＳを備えている。

このような構成とすれば、燃料電池ユニットＦＣＵの運転開始時等には、排出ガス熱回収用熱交換器７２へと送り込まれた水が再びその排出ガス熱回収用熱交換器７２へと至るように構成されてなる第１管路である管路５３（管路５３ａ及び管路５３ｂ）、管路５４（管路５４ａ及び管路５４ｂ）、及び管路５５と、その第１管路である管路５３（管路５３ａ及び管路５３ｂ）、管路５４（管路５４ａ及び管路５４ｂ）、及び管路５５を流れる湯を貯湯タンクＷＴへと還流させる還流管路部である管路５６、供給管路部である管路５１とからなる第２管路を備えるように構成できる。従って、第１管路である管路５３（管路５３ａ及び管路５３ｂ）、管路５４（管路５４ａ及び管路５４ｂ）、及び管路５５を循環させることで排出ガス熱回収用熱交換器７２から十分な熱量を得ることができ、水を所望の温度の湯とすることができる。

特に本実施形態のように固体酸化物形燃料電池を用いている場合は、このような構成とすることがより有効である。固体酸化物形燃料電池は発電効率が良いため、燃料消費が少なく、排出ガス温度は２００〜４００℃と高いものの、排出ガスの量が少ないため、排出ガスの熱量自体は少ない。従って、排出ガスとの熱交換によって即座に大量に湯を沸かして溜めることができず、少量沸かした湯を少しずつ溜めていくことが必要となる。そこで本実施形態のように、燃料電池ユニットＦＣＵの運転開始時に湯を沸かしている間は第１管路である管路５３（管路５３ａ及び管路５３ｂ）、管路５４（管路５４ａ及び管路５４ｂ）、及び管路５５を流し、湧き上がったら管路を還流管路部である管路５６へと切り替えて、湯を貯湯タンクＷＴへと送り込むことができる。

また、管路５６には圧力損失部５６ａが設けられているので、第１管路を構成する部分には圧力損失を生じさせる部分がなく、第２管路を構成する部分にのみ圧力損失を生じさせる部分が存在するように構成されている。従って、切替部である三方弁７３を第１管路の循環管路部である管路５５側に切り替えた状態でポンプを駆動すると、必要以上に圧力損失が高まることがなく、ポンプ７１の駆動速度に応じた水流が発生し、燃料電池モジュールＦＣＭからの排出ガスの熱を適切に奪うことができる。一方、切替部である三方弁７３を第２管路の還流管路部である管路５６側に切り替えた状態でポンプ７１を駆動すると、圧力損失部５６ａによって第１管路よりも圧力損失が高められるため、圧力損失部５６ａが設けられていない場合よりも水流の流速が低下する。従って、排出ガス熱回収用熱交換器７２において排出ガスの熱を効果的に受け取って湯を沸かし上げることができる。

また、第２還流管路部１０１には流量調整弁１００が設けられているので、流量調整弁１００の流量を調整することより、第２還流管路部１０１内の流量を調整できるように構成されている。従って、切替部である三方弁７３を第２管路の還流管路部である管路５６側に切り替えた状態でポンプ７１を駆動し、流量調整弁１００を開くと第２還流管路部１０１内の流量は多くなる。そうすると、第２管路内の流量は少なくなり、排ガス熱回収用熱交換器７２において排出ガスの熱を効果的に受け取って湯を沸かし上げ、貯湯タンクＷＴへ貯湯することができる。一方、三方弁７３を第１管路の循環管路部である管路５５側に切り替えた状態でポンプ７１を駆動し、流量調整弁１００を閉めると第２還流管路部１０１内の流量は少なくなる。そうすると、第１管路内の流量は多くなり、燃料電池モジュールＦＣＭからの排出ガスの熱をより多く奪うことができる。

上述したような燃料電池システムＦＣＳによれば、次のような好適な運転制御を行うことが可能となる。この制御ルーチンを説明するためのフローチャートを図４に示す。図４に示す例では、貯湯ユニット制御部ＷＳに、サーミスタ３６から水温が入力される（ステップＳ０１）。

続いて貯湯ユニット制御部ＷＳは、サーミスタ３６から入力される水温が高温となっているか否か判断する（ステップＳ０２）。サーミスタ３６から入力される水温が高温となっていれば、貯湯タンクＷＴ内は沸かし上げられた湯によって満たされており、高温となっていなければ、貯湯タンクＷＴ内の少なくとも下方には水が入っているものと判断される。従って、貯湯ユニット制御部ＷＳは、サーミスタ３６から入力される水温が高温となっていなければ、ステップＳ０４の処理に進む。一方、サーミスタ３６から入力される水温が高温となっていれば、ステップＳ０３の処理に進む。

サーミスタ３６から入力される水温が高温となっている場合は、貯湯ユニット制御部ＷＳは、切替部である三方弁７３に対して第２管路である管路５６側から第１管路である管路５５側へと管路切り替えを行うように指示信号を出力し、更に流量調整弁１００に対して弁を閉めるように指示信号を出力する（ステップＳ０３）。この場合、貯湯ユニット制御部ＷＳは、ポンプ７１の駆動速度を上げることも好ましい。

サーミスタ３６から入力される水温が高温となっていない場合は、貯湯ユニット制御部ＷＳは、切替部である三方弁７３に対して第１管路である管路５５側から第２管路である管路５６側へと管路切り替えを行うように指示信号を出力し、更に流量調整弁１００に対して弁を開けるように指示信号を出力する（ステップＳ０４）。この場合、貯湯ユニット制御部ＷＳは、ポンプ７１の駆動速度を下げることも好ましい。

このような制御を行えば、水を循環させて第１管路内である管路５３（管路５３ａ及び管路５３ｂ）、管路５４（管路５４ａ及び管路５４ｂ）、及び管路５５を循環させるか、還流管路部である管路５６へと切り替えて貯湯タンクＷＴへと還流させるかを適切に切り替えることができる。この切り替えは、温度測定部であるサーミスタ３６が測定した水温に基づいてなされているので、貯湯タンクＷＴ内に沸かし上げられた湯が満たされていなければ、管路５６側に切り替えられており、ポンプ７１の回転に応じて水流が生じ、湯が貯湯タンクＷＴへと送られる。管路５６には圧力損失部５６ａが設けられているので、管路５５側へ切り替えられている場合に比較して流速が低下し、排出ガス熱回収用熱交換器７２における熱交換が十分に行え、湯が効率的に昇温される。一方、貯湯タンクＷＴ内に沸かし上げられた湯が満たされていれば、管路５５側に切り替えられており、ポンプ７１の回転に応じて湯がラジエータ７４を経由して温度が下げられて排出ガス熱回収用熱交換器７２へと送り込まれる。管路５６側に切り替えられている場合に比較して流速が上昇するので、ラジエータ７４における放熱が効果的に行われ、結果として排出ガス熱回収用熱交換器７２において排出ガスの熱を効果的に奪うことができる。

更に、第２還流管路部１０１には流量調整弁１００が設けられているので、流量調整弁１００の流量を調整することより、第２還流管路部１０１内の流量を調整できるように構成されている。従って、切替部である三方弁７３を第２管路の還流管路部である管路５６側に切り替えた状態でポンプ７１を駆動し、流量調整弁１００を開くと第２還流管路部１０１内の流量は多くなる。そうすると、第２管路内の流量は少なくなり、排ガス熱回収用熱交換器７２において排出ガスの熱を効果的に受け取って湯を沸かし上げることができる。一方、三方弁７３を第１管路の循環管路部である管路５５側に切り替えた状態でポンプ７１を駆動し、流量調整弁１００を閉めると第２還流管路部１０１内の流量は少なくなる。そうすると、第１管路内の流量は多くなり、燃料電池モジュールＦＣＭからの排出ガスの熱をより多く奪うことができる。

本実施形態に係る燃料電池システムを示す図である。 図１に示す燃料電池ユニットの制御的な構成を示すブロック構成図である。 図１に示す貯湯ユニットの制御的な構成を示すブロック構成図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１０：燃料電池セルスタック
１１：予熱・蒸発器
１２：改質器
１３：空気用熱交換器
１４，３１，３２，３３，３４，３６，３７，３８，３９，４０：サーミスタ
５１，５２，５３，５３ａ，５３ｂ，５４，５４ａ，５４ｂ，５５，５６，５７，５８，５９，６１：管路
７０：排水弁
７１：ポンプ
７２：排出ガス熱回収用熱交換器
７３：三方弁
７４：ラジエータ
７５：貯湯水量センサ
７６：ミキシングバルブ
７７：給水水量センサ
７９：逆止弁
８０：逆止弁
８１：減圧弁
８２：逆止弁
８３：バキュームブレーカー
８４：止水栓
１００：流量調整弁
１０１：第２還流管路部
１０２：第２分岐点
１０３：第２合流点
ＡＤ：補器
ＡＰ：空気供給部
ＢＴ：浴槽
ＣＬ：給湯栓
ＥＰ：電力取出部
ＦＣＭ：燃料電池モジュール
ＦＣＳ：燃料電池システム
ＦＣＵ：燃料電池ユニット
ＦＰ：燃料供給部
ＦＳ：燃料電池ユニット制御部
ＨＵ：給湯器
ＷＰ：水供給部
ＷＰＵ：貯湯ユニット
ＷＳ：貯湯ユニット制御部
ＷＴ：貯湯タンク

Claims (1)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の固体酸化物形燃料電池セルを含む燃料電池モジュールと、
   前記固体酸化物形燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼することで発生するガスを含む排出ガスを用いて熱交換を行い、水を加熱して湯とする熱交換器と、
   水及びその水を加熱した湯を溜めるタンクと、
   前記熱交換器へと送り込まれた水が再び前記熱交換器へと至るように構成された第１管路と、
   前記タンクから送り出された水を前記熱交換器へ送り込み、前記熱交換器において熱交換された湯を前記タンクへと還流させるように構成された第２管路と、
   前記第１管路及び前記第２管路における水流を生じさせるポンプと、を備える燃料電池システムであって、
   前記第１管路と前記第２管路とはそれぞれの一部を共有する共有管路部を有し、
   前記第２管路は、前記共有管路部と共に、前記タンクから送り出された水を前記共有管路部へと供給する供給管路部と、前記共有管路部から前記タンクへと湯を還流させる還流管路部と、を有し、
   前記第１管路は、前記共有管路部と共に、前記共有管路部に前記供給管路部が接続される合流点と前記共有管路部から前記還流管路部が分岐する分岐点とを繋ぐ循環管路部を有しており、
   前記分岐点には、前記還流管路部と前記循環管路部との管路切り替えを行う切替部が設けられており、
   前記ポンプは、前記共有管路部に配置され、
   前記ポンプの下流側に第２分岐点を備え、
   前記第２分岐点から前記ポンプの上流側へ還流する第２還流管路部と、
   前記第２還流管路部の流量を調整する流量調整部と、
   前記流量調整部を制御する制御部と、を備え
   前記制御部は前記流量調整部を用いて前記第２還流管路部の流量を多くすることで、前記第１管路よりも前記第２管路の流量を少なくする制御部であることを特徴とする燃料電池システム。

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