JP2009301985A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 運転開始初期において十分加温されていない水によるタンク内への影響を低減させ、タンク内の水温を確実に上昇させることができる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、排出ガス熱回収用熱交換器７２から切替部としての三方弁７３に至る間の第１管路である管路５４に配置され、第１管路である管路５４の当該部分を流れる水温を測定する温度測定部としてのサーミスタ３８と、切替部としての三方弁７３を制御する制御部としての貯湯ユニット制御部ＷＳと、を備えている。
【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。

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２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ことによって長時間で高温の大量の湯を作るか、熱交換器に対してかなりの低速で水を供給させることで短時間で少量の高温の湯を作る必要がある。このように短時間で少量の高温の湯を作る際に熱交換器の制御の兼ね合いで不具合を発生することがある。

そこで本発明では、熱交換器に対して低速で水を供給する際に発生する不具合を低減させ、タンク内の水温を確実に上昇させることができる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、前記タンク内の水を前記熱交換器へと送り込むポンプと、を備える燃料電池システムであって、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第１管路へと供給する供給管路部及び前記第１管路から前記タンクへと湯を還流させる還流管路部を含む第２管路と、前記第１管路と前記還流管路部との管路切り替えを行う切替部と、前記熱交換器から前記切替部に至る間の前記第１管路に配置され、前記第１管路の当該部分を流れる水温を測定する温度測定部と、前記切替部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記温度測定部が測定する水温が基準温度以上となった場合に、前記切替部に対して前記第１管路から前記還流管路部へと管路切り替えを行う制御を実行することを特徴とする。

本発明によれば、熱交換器に対して低速で水を供給する際に発生する不具合を低減させ、タンク内の水温を確実に上昇させることができる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、前記タンク内の水を前記熱交換器へと送り込むポンプと、を備える燃料電池システムであって、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第１管路へと供給する供給管路部及び前記第１管路から前記タンクへと湯を還流させる還流管路部を含む第２管路と、前記第１管路と前記還流管路部との管路切り替えを行う切替部と、前記熱交換器から前記切替部に至る間の前記第１管路に配置され、前記第１管路の当該部分を流れる水温を測定する温度測定部と、前記切替部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記温度測定部が測定する水温が基準温度以上となった場合に、前記切替部に対して前記第１管路から前記還流管路部へと管路切り替えを行う制御を実行す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、熱交換器へと送り込まれた水が再びその熱交換器へと至るように構成されてなる第１管路と、その第１管路を流れる湯をタンクへと還流させる還流管路部を含む第２管路とを備えているので、第１管路を循環させることで熱交換器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。第１管路と還流管路部との管路切り替えを行うために切替部を備えているので、水を循環させて第１管路内を循環させるか、タンク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、温度測定部が測定した水温に基づいてなされているので、例えば、運転開始当初の冷たい水を十分に加温することなくタンクに還流させることを防止することができ、タンクへ冷たい水を送り込むことがなくなる。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部が、外気温に対応させて前記基準温度を変更し、この変更した基準温度によって前記切替部の制御を行うことも好ましい。燃料電池システムが設置されている外気温が標準となる温度よりも低くなると、熱交換器からタンクに至る間に降下する温度が大きくなる。特に熱交換器での水流が遅いと熱交換器内での滞留時間が長くなるため、放熱時間も長くなり、さらに温度低下してしまう。一方で、燃料電池システムが設置されている外気温が標準となる温度よりも高くなると、熱交換器からタンクに至る間に降下する温度が小さくなる。そこでこの好ましい態様では、外気温に対応させて基準温度を変更することで、第１管路から還流管路部への管路切り替えをする際の水温をより適切なものとすることができる。

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、前記タンク内の水を前記熱交換器へと送り込むポンプと、を備える燃料電池システムであって、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第１管路へと供給する供給管路部及び前記第１管路から前記タンクへと湯を還流させる還流管路部を含む第２管路と、前記第１管路と前記還流管路部との管路切り替えを行う切替部と、前記切替部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記ポンプの駆動開始後、基準時間経過した後に、前記切替部に対して前記第１管路から前記還流管路部へと管路切り替えを行う制御を実行す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、熱交換器へと送り込まれた水が再びその熱交換器へと至るように構成されてなる第１管路と、その第１管路を流れる湯をタンクへと還流させる還流管路部を含む第２管路とを備えているので、第１管路を循環させることで熱交換器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。第１管路と還流管路部との管路切り替えを行うために切替部を備えているので、水を第１管路内を循環させるか、タンク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、ポンプの駆動開始後の基準時間経過に基づいてなされているので、例えば、運転開始当初の冷たい水を十分に加温することなくタンクに還流させることを防止することができ、タンクへ冷たい水を送り込むことがなくなる。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部が、外気温に対応させて前記基準時間を変更し、この変更した基準時間によって前記切替部の制御を行うことも好ましい。燃料電池システムが設置されている外気温が標準となる温度よりも低くなると、熱交換器からタンクに至る間に降下する温度が大きくなる。一方で、燃料電池システムが設置されている外気温が標準となる温度よりも高くなると、熱交換器からタンクに至る間に降下する温度が小さくなる。そこでこの好ましい態様では、外気温に対応させて基準時間を変更することで、第１管路から還流管路部への管路切り替えをする際の水温をより適切なものとすることができる。

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。

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。また、サーミスタ３３により貯湯量が貯湯タンクＷＴの貯湯量を満たしている満タン状態であることが確認された場合に、後述する貯湯ユニット制御部ＷＳの制御を止めるための伝達部（図示しない）を備えることも好ましい。そのような伝達部を備えることで、貯湯タンクＷＴにお湯がない状態のときのみに、述する貯湯ユニット制御部ＷＳによる制御内容を実施することができ効率的である。

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、及びミキシングバルブ７６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、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へと供給する供給管路部としての管路５１を備えている。更に、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から貯湯タンクＷＴへと湯を還流させる還流管路部としての管路５６を備えている。管路５１及び管路５６によって第２管路が形成されている。

更にこの燃料電池システムＦＣＳ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、排出ガス熱回収用熱交換器７２から切替部としての三方弁７３に至る間の第１管路である管路５４に配置され、第１管路である管路５４の当該部分を流れる水温を測定する温度測定部としてのサーミスタ３８と、切替部としての三方弁７３を制御する制御部としての貯湯ユニット制御部ＷＳと、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を含む第２管路と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、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。

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。一つの好適な運転制御例は、管路の水温に基づく制御である。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３４及びサーミスタ３８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、基準温度を設定する（ステップＳ０２）。より具体的には、貯湯ユニット制御部ＷＳは、外気温に対応させて基準温度を変更する。例えば、外気温が初期値よりも低ければ、排出ガス熱回収用熱交換器７２から貯湯タンクＷＴに至るまでの間に水温がより下がると想定されるので、基準温度を高めに設定する。一方、外気温が初期値よりも高ければ、排出ガス熱回収用熱交換器７２から貯湯タンクＷＴに至るまでの間に水温はあまり下がらないと想定されるので、基準温度を低めに設定する。

続いて貯湯ユニット制御部ＷＳは、サーミスタ３４及びサーミスタ３８から入力される水温が基準温度を上回っているか判断する（ステップＳ０３）。サーミスタ３４及びサーミスタ３８から入力される水温が基準温度を上回っていなければ、ステップＳ０１の処理に戻る。一方、サーミスタ３４及びサーミスタ３８から入力される水温が基準温度以上であれば、ステップＳ０４の処理に進む。

貯湯ユニットＷＰＵ内に配置される管路５４ａに位置するサーミスタ３８から入力される水温が基準温度以上であれば、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から還流管路部である管路５６へと管路切り替えを行うように指示信号を出力する（ステップＳ０４）。

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３８が測定した水温に基づいてなされているので、例えば、運転開始当初の冷たい水を十分に加温することなく貯湯タンクＷＴに還流させることを防止することができ、貯湯タンクＷＴへ冷たい水を送り込むことがなくなる。特に本実施形態のように貯湯タンクＷＴへ上方から湯を溜め、同じく上方から湯を取り出す態様の場合に、湯を取り出す部分の近傍に冷たい水が存在しなくなるので有効である。

また、上述した燃料電池システムＦＣＳでの好適な運転制御例の別例は、制御時間に基づく制御である。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５に示す。図５に示す例では、貯湯ユニット制御部ＷＳは、基準時間を設定する（ステップＳ１１）。より具体的には、貯湯ユニット制御部ＷＳは、外気温に対応させて基準時間を変更する。例えば、外気温が初期値よりも低ければ、排出ガス熱回収用熱交換器７２から貯湯タンクＷＴに至るまでの間に水温がより下がると想定されるので、基準時間を長めに設定する。一方、外気温が初期値よりも高ければ、排出ガス熱回収用熱交換器７２から貯湯タンクＷＴに至るまでの間に水温はあまり下がらないと想定されるので、基準時間を短めに設定する。

続いて貯湯ユニット制御部ＷＳは、ポンプ７１が駆動を開始してからの時間が基準時間を上回っているか判断する（ステップＳ１２）。ポンプ７１が駆動を開始してからの時間が基準時間を上回っていなければ、ステップＳ１１の処理に戻る。一方、ポンプ７１が駆動を開始してからの時間が基準時間以上であれば、ステップＳ１３の処理に進む。

ポンプ７１が駆動を開始してからの時間が基準時間以上であれば、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から還流管路部である管路５６へと管路切り替えを行うように指示信号を出力する（ステップＳ１３）。

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、ポンプ７１が駆動を開始してからの時間に基づいてなされているので、例えば、運転開始当初の冷たい水を十分に加温することなく貯湯タンクＷＴに還流させることを防止することができ、貯湯タンクＷＴへ冷たい水を送り込むことがなくなる。特に本実施形態のように貯湯タンクＷＴへ上方から湯を溜め、同じく上方から湯を取り出す態様の場合に、湯を取り出す部分の近傍に冷たい水が存在しなくなるので有効である。

このような制御を行えば、特に、運転初期、再起動時、電気需要が低下し発電量低下した場合に非常に有効である。具体的には、運転初期においては、排出ガスの温度立ち上がり遅れによる冷たい水の存在を防ぐことができる。また再起動時においては、ポンプ７１の停止時に排出ガス熱回収用熱交換器７２で特に加温されたお湯が、そのお湯よりも冷たいお湯に挟まれて貯湯タンクＷＴに向かって送られる。その際に加温されたお湯よりも上流側に存在するお湯を元に制御がなされると、排出ガス熱回収用熱交換器７２に位置する熱いお湯に対してさらに熱くさせる制御をさせることを防ぐことができる。また電気需要が低下し、発電量低下した際には、排出ガス量が減り、熱交換量が減っているため、さらにその際に水を排出ガス熱回収用熱交換器７２へ送り込む流速が低速であると対応するのに時間がかかるという不具合を防ぐことができる。

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。 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
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 (4)

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、
   前記タンク内の水を前記熱交換器へと送り込むポンプと、を備える燃料電池システムであって、
   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第１管路へと供給する供給管路部及び前記第１管路から前記タンクへと湯を還流させる還流管路部を含む第２管路と、
   前記第１管路と前記還流管路部との管路切り替えを行う切替部と、
   前記熱交換器から前記切替部に至る間の前記第１管路に配置され、前記第１管路の当該部分を流れる水温を測定する温度測定部と、
   前記切替部を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記温度測定部が測定する水温が基準温度以上となった場合に、前記切替部に対して前記第１管路から前記還流管路部へと管路切り替えを行う制御を実行することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御部は、外気温に対応させて前記基準温度を変更し、この変更した基準温度によって前記切替部の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 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、
   前記タンク内の水を前記熱交換器へと送り込むポンプと、を備える燃料電池システムであって、
   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第１管路へと供給する供給管路部及び前記第１管路から前記タンクへと湯を還流させる還流管路部を含む第２管路と、
   前記第１管路と前記還流管路部との管路切り替えを行う切替部と、
   前記切替部を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記ポンプの駆動開始後、基準時間経過した後に、前記切替部に対して前記第１管路から前記還流管路部へと管路切り替えを行う制御を実行することを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記制御部は、外気温に対応させて前記基準時間を変更し、この変更した基準時間によって前記切替部の制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。

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