JP2010027222A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】吐水口から湯を出している場合に、使用者が予期せぬタイミングで温度の低い湯や水が出されることを極力改善することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムＦＣＳは、貯湯タンクＷＴから送り出される湯の温度を検知するサーミスタ４０での温度が湯温設定部での設定温度よりも高い際に、ミキシングバルブ７６の管路５７側から供給される湯と管路５９側から供給される水を、給湯器ＨＵが着火可能な温度となるように混合制御して給湯器ＨＵへ供給している。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池セル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では、例えば段落番号００５２に記載されているように、燃料電池からの排出ガスを利用して貯湯する貯湯槽の他に補助熱源として、補助給湯熱源装置を備えている。

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、貯湯槽の蓄熱量が所定を下回った場合に、貯湯槽から補助給湯熱源装置へと熱源を切り替えている。

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２００６−２９６５７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、例えば、貯湯槽に高温の湯（例えば７５℃の湯）がある場合、その貯湯槽の湯と別途給水される水とを混合栓で混合して補助給湯熱源装置側へと送り出し、補助給湯熱源装置では加熱せず（ガス給湯装置では着火せず）にそのまま吐水口へと送りだす。その後、貯湯槽の湯が減って設定温度の湯が得られなくなると、給湯熱源を補助給湯熱源装置に切り替えて、補助給湯熱源装置を着火して設定温度まで湯温を上げるものである。
従って、補助給湯熱源装置を着火してから設定温度の湯を得るまでには遅れを生じることになり、使用者にとっては予期せぬタイミングで温度の低い湯や水が出されることになる。

そこで本発明では、吐水口から湯を出している場合に、使用者が予期せぬタイミングで温度の低い湯や水が出されることを極力改善す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燃料電池セルを含む燃料電池モジュールと、
前記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、
前記水及びその水を加熱した前記湯を溜めるタンクと、
前記タンクから吐水口までの間に設けられ、水を加熱して湯とする補助熱源と、
前記吐水口に供給される湯温を設定する湯温設定部と、
を備える燃料電池システムであって、
前記タンクと前記補助熱源との間に配置され、前記タンクから送り出される湯を受け入れる第１導入部と、前記タンクを経由しない管路によって供給される水を受け入れる第２導入部と、前記第１導入部から受け入れた湯及び前記第２導入部から受け入れた水の少なくとも一方を前記補助熱源へと送り出す送出部とを有する混合部と、
前記タンクから出てくる湯温を検知する湯温検知部と、
前記湯温検知部が検知した前記タンクからの湯温に基づいて、前記混合部を制御する制御部と、を備え、
前記湯温検知部での温度が前記湯温設定部での設定温度よりも高い際に、前記補助熱源への入水温度を前記補助熱源が着火可能な温度となるように、前記制御部が前記第２導入部から受け入れる水を増やすことを特徴とする。

本発明によれば、吐水口から湯を出している場合に、使用者が予期せぬタイミングで温度の低い湯や水が出されることを極力改善す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燃料電池セルを含む燃料電池モジュールと、
前記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、
前記水及びその水を加熱した前記湯を溜めるタンクと、
前記タンクから吐水口までの間に設けられ、水を加熱して湯とする補助熱源と、
前記吐水口に供給される湯温を設定する湯温設定部と、
を備える燃料電池システムであって、
前記タンクと前記補助熱源との間に配置され、前記タンクから送り出される湯を受け入れる第１導入部と、前記タンクを経由しない管路によって供給される水を受け入れる第２導入部と、前記第１導入部から受け入れた湯及び前記第２導入部から受け入れた水の少なくとも一方を前記補助熱源へと送り出す送出部とを有する混合部と、
前記タンクから出てくる湯温を検知する湯温検知部と、
前記湯温検知部が検知した前記タンクからの湯温に基づいて、前記混合部を制御する制御部と、を備え、
前記湯温検知部での温度が前記湯温設定部での設定温度よりも高い際に、前記補助熱源への入水温度を前記補助熱源が着火可能な温度となるように、前記制御部が前記第２導入部から受け入れる水を増やすことを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムのように、燃料電池モジュールと、燃料電池モジュール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と、水及びその水を加熱した湯を溜めるタンクと、タンクから吐水口までの間に設けられ、水を加熱して湯とする補助熱源と、を備える場合、タンク内の湯が減っていくと次のような事態が想定される。具体的には、混合部の第１導入部を開いて送出部から吐水口へと湯を送り出している途中でタンク内の湯がなくなり、混合部から湯に代わって水が補助熱源へと送り出され、その後補助熱源が水を加温して湯とする場合には、その切り替えタイミングで加温の遅れが発生してしまう。従って、使用者が、湯が出てくるであろうと期待しているタイミングで温度の低い湯や水が吐水されることになって、使用者は不快感を感じることになる。
そこで、本発明に係る燃料電池システムでは、制御部が、タンクから出てくる湯温の低下を検知すると、タンクを経由しない管路によって供給される水を増やすことで、補助熱源に入水するときの温度を補助熱源が着火可能な温度となるように、混合部を制御することとしている。ここで、補助熱源が着火可能な温度とは、補助熱源によって与えることのできる最小熱量が決まっており、入水温度と設定温度と補助熱源への入水流量から算出した熱量が着火可能熱量以上になると着火動作を実行するという温度のことである。例えば、補助熱源に入水するときの温度と流量を補助熱源に内蔵されている温度検知手段と流量検知手段で検知し、給湯設定温度との温度差と流量より算出される熱量から判断される。貯湯タンクの温度が給湯設定温度近くまで下がってから補助熱源による加温を開始しようとすると、貯湯タンクからの湯温は急速に下がるため、補助熱源による加温の遅れによって、補助熱源に入水するときの温度のままで吐水口から温度の低い湯や水が吐水される場合がある。これに対してタンクの湯切れが発生する前に上述したような制御を実行すると、補助熱源に入水するときの温度を下がり過ぎないようにすることができるため、たとえ補助熱源による加温の遅れがあったとしても、給湯温度の低下を防止することができる。従って、使用者が湯を使っている途中で補助熱源へと切り替わる場合に、タンクの湯切れが発生する前に上述したような制御を実行することで、吐水口からの湯温の低下を極力抑えることができ、上述したような不快感を使用者に感じさせることを改善することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の燃料電池セルを含む燃料電池モジュールと、
前記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、
前記水及びその水を加熱した前記湯を溜めるタンクと、
前記タンクから吐水口までの間に設けられ、水を加熱して湯とする補助熱源と、
前記吐水口に供給される湯温を設定する湯温設定部と、
を備える燃料電池システムであって、
前記タンクと前記補助熱源との間に配置され、前記タンクから送り出される湯を受け入れる第１導入部と、前記タンクを経由しない管路によって供給される水を受け入れる第２導入部と、前記第１導入部から受け入れた湯及び前記第２導入部から受け入れた水の少なくとも一方を前記補助熱源へと送り出す送出部とを有する混合部と、
前記タンクから出てくる湯温を検知する湯温検知部と、
前記湯温検知部が検知した前記タンクからの湯温に基づいて、前記混合部を制御する制御部と、を備え、
前記湯温検知部での温度が前記湯温設定部での設定温度よりも高い際に、前記補助熱源への入水温度を前記補助熱源が着火可能な温度を維持するように、前記制御部が前記第２導入部から受け入れる水を増やした後に、減らすことを特徴とする。
補助熱源へと切り替わる間は、制御部が、補助熱源に入水するときの温度を着火可能な温度から必要以上に下回らないように維持するように、混合部を制御することも好ましい。タンクを経由しない管路によって供給される水を増やし、補助熱源に入水するときの温度を補助熱源が着火可能な温度としたあとは、少なくとも補助熱源が着火するまでは、タンクから出てくる湯温の低下に伴って着火可能な温度を必要以上に下回らないように制御部がタンクを経由しない管路によって供給される水を減らす制御を実行することで、湯温の低下を極力抑えることができる。

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。サーミスタ４０が本発明の湯温検知部に相当する。

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。また、給湯器ＨＵに内蔵されているサーミスタ（図示しない）によって、給湯器ＨＵに入水するときの温度および、給湯栓ＣＬや浴槽ＢＴに供給される湯温を測定することができ、湯温設定部３０で設定された温度の湯を供給することができる。

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。ここで貯湯ユニット制御部ＷＳが本発明の制御部であり、ミキシングバルブ７６が混合部である。

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７３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から吐水口までの間に設けられ、水を加熱して湯とする補助熱源としての給湯器ＨＵと、を備えている。

更にこの燃料電池システムＦＣＳは、貯湯タンクＷＴと給湯器ＨＵとの間に混合部としてのミキシングバルブ７６を備えている。ミキシングバルブ７６は、貯湯タンクＷＴから繋がる管路５７から供給される湯と、給水源に繋がる管路５９から供給される水とを混合して給湯器ＨＵに繋がる管路５８に送り出している。従って、管路５７に繋がっている部分は第１導入部として機能し、管路５９に繋がっている部分は第２導入部として機能し、管路５８に繋がっている部分は送出部として機能している。ミキシングバルブ７６は、制御部としての貯湯ユニット制御部ＷＳからの指示信号に基づいて、湯と水とを混合して管路５８から給湯器ＨＵへと送り出している。

更にこの燃料電池システムＦＣＳは、貯湯タンクＷＴ内の湯量を検知する湯量検知部として、サーミスタ３１，３２，３３，３６，４０が設けられている。本実施形態の場合、サーミスタ３１にて湯を検知すれば３２Ｌ貯まっており、サーミスタ３２にて湯を検知すれば６５Ｌ貯まっており、サーミスタ３３にて湯を検知すれば９８Ｌ貯まっていることになる。さらにサーミスタ３６にて湯を検知すれば、１３０Ｌ貯まっていることになる。一方、サーミスタ４０のみにて湯を検知した場合には、０Ｌ貯まっている、換言すれば貯湯タンクＷＴ内の湯が無くなっていることになる。

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、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。

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は、出湯水量センサ７７からの出力信号に基づいて非出湯状態となっているか判断する（ステップＳ０１）。このステップＳ０１の判断は、時間的に短い間隔で実行されることが好ましい。また、貯湯ユニット制御部ＷＳが、出湯停止指示の情報を受け取ったタイミングで実行されることも好ましい。尚、非出湯状態とは、吐水口である給湯栓ＣＬから湯が出ていなかったり、浴槽ＢＴに湯が出ていない状態である。非出湯状態となっていればステップＳ０２の処理に進み、非出湯状態となっていなければ再びステップＳ０１の判断を継続する。

続いて貯湯ユニット制御部ＷＳは、貯湯タンクＷＴの湯量が予め定められた第１所定湯量以下であるか否かを判断する（ステップＳ０２）。このステップＳ０２の判断は、非出湯状態であることが確認された直後に実行されることが好ましい。第１所定湯量は、その湯量を使い続けた場合に、途中で補助給湯源である給湯器ＨＵに熱源を切り替える必要が生じる湯量として設定されている。この第１所定湯量は季節に応じて、換言すれば外気温に応じて変動させることも好ましい。また、この第１所定湯量は給水温度に応じて変動させることも好ましい。これは、給水温度が低ければ、使用者の所望の温度とするまでに必要とされる湯量が増え、給水温度が高ければ、使用者の所望の温度とするまでに必要とされる湯量が減るためである。より具体的には、貯湯タンクＷＴ内の湯温が６０℃であって、その湯量が２０Ｌであると仮定した場合に、給水温度が２０℃であれば、４０℃の湯を４０Ｌ供給することができる。一方、貯湯タンクＷＴの条件を同一にした場合であって、給水温度が５℃であれば、４０℃の湯は３１Ｌしか供給できない。従って、給水温度が低い場合には、第１所定湯量を増やすことが好ましい。ステップＳ０２の判断の結果、貯湯タンクＷＴの湯量が予め定められた第１所定湯量以下であれば、ステップＳ０３の処理に進む。一方、ステップＳ０２の判断の結果、貯湯タンクＷＴの湯量が予め定められた第１所定湯量を上回っていれば、そのまま処理を終了する。

続いて貯湯ユニット制御部ＷＳは、ミキシングバルブ７６に対して、管路５７側を閉じて、管路５９側を全開とし、給水のみを給湯器ＨＵに送り出すように指示信号を出力する（ステップＳ０３）。

続いて貯湯ユニット制御部ＷＳは、貯湯タンクＷＴの湯量が第２所定湯量を上回ったか判断する（ステップＳ０４）。第２所定湯量は、第１所定湯量以上に予め設定されている湯量であって、その湯量を使い続けた場合に、途中で補助給湯源である給湯器ＨＵに熱源を切り替える必要が生じない蓋然性の高い湯量として設定されている。本実施形態の場合は、貯湯タンクＷＴの全湯量として設定されている。貯湯タンクＷＴの湯量が第２所定湯量を上回っていなければ、この判断を繰り返し実行する。一方、貯湯タンクＷＴの湯量が第２所定湯量を上回っていれば、ステップＳ０５の処理に進む。

続いて貯湯ユニット制御部ＷＳは、ミキシングバルブ７６に対して、管路５７側を開いて、管路５９側からの給水と混合して給湯器ＨＵ側に送り出すように指示信号を出力する（ステップＳ０５）。

続いて貯湯タンクＷＴと補助熱源である給湯器ＨＵについて説明する。燃料電池からの排出ガスを利用して加熱された湯は貯湯タンクＷＴの上側に戻され、貯湯タンクＷＴの上方から高温の湯が貯まって行き、貯湯タンクＷＴの湯が減って行く過程においては、貯湯タンクＷＴの湯が上方から使われて、下方から水が供給されるため、湯と水は分離した状態となる。つまり、湯切れ近くになると急に湯から水へと変わり、貯湯タンクＷＴからの出湯温度が急速に下がってしまう。このため、貯湯タンクＷＴからの出湯温度が給湯設定温度近くになって湯がなくなり始めてから給湯器ＨＵに切替えると、貯湯タンクＷＴからの出湯温度は制御することができず急速に下がるため、給湯器ＨＵによる加熱を開始するまでに給湯栓ＣＬからの出湯温度が一時的に大きく低下してしまう。詳細は後述する。

次に使用者が湯を使っている途中で補助熱源である給湯器ＨＵへと切り替わる場合に、使用者が予期せぬタイミングで温度の低い湯や水が出されることを極力改善する実施例について図５〜８を参照しながら説明する。
まず従来の不具合点をここで説明する。
図５は、従来の湯水温度の変化、図６は、従来の湯水流量の変化を示す概略図である。
従来は湯温検知部での温度（図５中細線）すなわち貯湯タンクに貯められた湯の温度が下がり始めると、第1導入部の湯量を増やし（図６中実線）、第２導入部の水量を減らし、図６中点線）、湯温設定部での設定温度を保持するように制御する。さらに、湯温設定部３０での設定温度（図５中点線）より下がり、補助熱源が着火可能な温度に到達すると、補助熱源が着火を行う。この場合、貯湯タンクの湯温は急激に低下するため、着火指令から実際に着火して設定温度の湯が得られるまでの間に湯の温度自体も設定温度より大幅に低下する（図５中符号Ａ）。
すなわち図５中aで示される湯温検知部での温度低下の傾きが急激であることに基づいて、補助熱源で着火してもその際には補助熱源入水温度が急激に低下しているため希望の設定温度の湯を得るまでの間に大きな温度低下を生じていた。
では次に今回の実施態様について説明する。
図７は、本実施例の湯水温度の変化、図８は、本実施例の湯水流量の変化を示す概略図である。
貯湯タンクＷＴに湯（例えば７５℃）が十分に貯められている場合は、貯湯タンクＷＴから繋がる管路５７から供給される湯と、給水源に繋がる管路５９から供給される水とをミキシングバルブ７６で混合して給湯器ＨＵに繋がる管路５８に送り出し、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湯温設定部３０で設定された湯温（例えば４０℃）の湯を給湯栓ＣＬや浴槽ＢＴに供給する。貯湯タンクＷＴから送り出される湯の温度（図７中細線）を検知する温度検知部としてサーミスタ４０が設けられている。サーミスタ４０にて湯温低下を検知すれば第1導入部の湯量を増やし、第２導入部の水量を減らし、湯温設定部３０での設定温度を保持するように制御する（図７、図８中時間ｘ）。サーミスタ４０にてさらに湯温低下を検知すれば（例えば７５℃から５０℃に低下すれば）、貯湯ユニット制御部ＷＳは、ミキシングバルブ７６に対して管路５７側と管路５９側の湯水混合比率を変更するように指示信号を出力する。つまり、湯温設定部３０での設定温度４０℃より高い温度である５０℃のことを、基準温度と言えば、この基準温度に達すると貯湯ユニット制御部ＷＳは、湯水混合比率を変更する制御を実施する。この場合、給湯栓ＣＬへ供給される湯量は一定に保たれる（図８中一点鎖線）。具体的には、貯湯タンクＷＴから繋がる管路５７から供給される湯を減らし、給水源に繋がる管路５９から供給される水を増やすことで（図７、図８中時間ｙ）、給湯器ＨＵに入水するときの温度（図８中二点鎖線）を給湯器ＨＵが着火可能な温度となるようにする。
すなわち、湯温検知部での温度が湯温設定部での設定温度よりも高い際に、すなわち基準温度に達すると、貯湯ユニット制御部ＷＳは第1導入部の湯量を減らし、第２導入部の水量を増やすことで、給湯器ＨＵへの入水温度を給湯器ＨＵが着火可能な温度となるように制御することができる。このため、給湯栓ＣＬからの出湯温度は、給湯器ＨＵが着火可能な温度より下がることなく、給湯栓ＣＬにおける一時的な出湯温度の低下を抑制することができる。給湯機ＨＵによる加温を開始することができる。
次に、貯湯タンクＷＴから送り出される湯温は徐々に低下するため、ミキシングバルブ７６によって管路５７側と管路５９側の湯水混合比率を変更し、給湯器ＨＵに入水するときの温度を着火可能な温度に維持するように貯湯ユニット制御部ＷＳは制御を実行する。具体的には、第1導入部の湯量を増やし、第２導入部の水量を減らし、給湯器ＨＵに入水するときの温度を保持する（図７、図８中時間ｚ）。つまり、図７中ｂで示される湯温検知部での温度低下の傾きが緩やかであるため、給湯器ＨＵに入水するときの温度（図８中二点鎖線）が着火可能な温度を必要以上に下回らないように制御し給湯機ＨＵによる加温を開始することができ、給湯栓ＣＬにおける一時的な出湯温度の低下を抑制することができる（図７中符号Ｂ）。
また、サーミスタ４０による湯温低下検知の判断は、設定温度に対して、貯湯タンクから送り出される湯温が十分高く、給湯器に入水するときの温度を給湯器ＨＵが着火可能な温度に保持できる温度として設定されている。つまり、給湯設定温度が４０℃の場合は、湯温低下検知の判断は例えば５０℃として設定されているが、給湯設定温度が５０℃に設定されている場合は、湯温低下検知の判断は例えば６０℃に設定することが望ましく、給湯設定温度に対して適切に設定される。給湯器ＨＵに入水するときの温度を着火可能な温度に対して必要以上に下回らないように維持している間に給湯器ＨＵが着火して所望の温度の湯が得られることとなる。

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。 図１に示す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。 従来の燃料電池システムの湯水温度変化を示す概略図である。 従来の燃料電池システムの湯水流量変化を示す概略図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの湯水温度変化を示す概略図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの湯水流量変化を示す概略図である。

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 (2)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の燃料電池セルを含む燃料電池モジュールと、
   前記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、
   前記水及びその水を加熱した前記湯を溜めるタンクと、
   前記タンクから吐水口までの間に設けられ、水を加熱して湯とする補助熱源と、
   前記吐水口に供給される湯温を設定する湯温設定部と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記タンクと前記補助熱源との間に配置され、前記タンクから送り出される湯を受け入れる第１導入部と、前記タンクを経由しない管路によって供給される水を受け入れる第２導入部と、前記第１導入部から受け入れた湯及び前記第２導入部から受け入れた水の少なくとも一方を前記補助熱源へと送り出す送出部とを有する混合部と、
   前記タンクから出てくる湯温を検知する湯温検知部と、
   前記湯温検知部が検知した前記タンクからの湯温に基づいて、前記混合部を制御する制御部と、を備え、
   前記湯温検知部での温度が前記湯温設定部での設定温度よりも高い際に、前記補助熱源への入水温度を前記補助熱源が着火可能な温度となるように、前記制御部が前記第２導入部から受け入れる水を増やすことを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の燃料電池セルを含む燃料電池モジュールと、
   前記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、
   前記水及びその水を加熱した前記湯を溜めるタンクと、
   前記タンクから吐水口までの間に設けられ、水を加熱して湯とする補助熱源と、
   前記吐水口に供給される湯温を設定する湯温設定部と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記タンクと前記補助熱源との間に配置され、前記タンクから送り出される湯を受け入れる第１導入部と、前記タンクを経由しない管路によって供給される水を受け入れる第２導入部と、前記第１導入部から受け入れた湯及び前記第２導入部から受け入れた水の少なくとも一方を前記補助熱源へと送り出す送出部とを有する混合部と、
   前記タンクから出てくる湯温を検知する湯温検知部と、
   前記湯温検知部が検知した前記タンクからの湯温に基づいて、前記混合部を制御する制御部と、を備え、
   前記湯温検知部での温度が前記湯温設定部での設定温度よりも高い際に、前記補助熱源への入水温度を前記補助熱源が着火可能な温度を維持するように、前記制御部が前記第２導入部から受け入れる水を増やした後に、減らすことを特徴とする燃料電池システム。

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