JP2010211987A - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の運転を安定させつつ過昇温による停止を回避する。
【解決手段】燃料電池システム１は、系統電力９８に連系された燃料電池２０と、冷却水ｃと熱交換媒体ｈとで熱交換を行わせる熱交換器３０と、冷却水ライン２１Ａに設けられたヒータ５０と、吐出流量が可変に構成された冷却水ポンプ２２と、出口温度検出器６８と、入口温度検出器６７と、加熱後温度検出器６９と、冷却水ポンプ２２の吐出流量を調節して燃料電池２０を好適な温度に維持する定常運転制御を行う制御装置６０とを備える。さらに制御装置６０は、加熱後温度検出器６９が所定の温度を検出したとき又はヒータ５０に電力が供給されたことを検出したときに定常運転制御を一時中断して、冷却水ポンプ２２の吐出流量を所定の流量に増加させる制御を、所定の時間行った後又は加熱後温度検出器６９で検出された温度が所定の温度未満となるまで行った後に再び定常運転制御を行う。
【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、特に燃料電池の運転を安定させつつ過昇温による停止を回避する燃料電池コージェネレーションシステムに関するものである。

水素と酸素とを使用して、これらの電気化学的反応により発電する燃料電池は、環境に優しい発電装置として注目されている。燃料電池は発電の際に熱を発生するため、この熱を有効に活用すべく、燃料電池の熱を奪った冷却水と蓄熱水とで熱交換させる熱交換器と、この蓄熱水を貯留することで蓄熱する貯湯槽とを燃料電池に併設し、冷却水や蓄熱水等の媒体を介して蓄えた熱を任意の時間に利用可能な燃料電池システムを構築するのが一般的である。燃料電池は、その特性上発電電力を急激に増減することが難しいため、一般に、商用電源に連系され、燃料電池における発電電力を電力需要よりも所定量だけ少なくしつつ不足分の電力を商用電源から受電して電力需要の変動分は商用電源で吸収することが多い。それでも電力負荷が急激に減少した場合は燃料電池で発生した電力が余剰となるため、余剰電力が商用電源に逆潮流することを回避するために、余剰電力を消費する電気ヒータを、設置される系統の保有水量を少なくして取り扱いを簡便にする観点から、燃料電池の冷却水系統に設置した燃料電池システムがある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００８−１７６９４３（図１等）

燃料電池は、運転に適した温度があり、この適正温度に維持するために、燃料電池の入口及び／又は出口における冷却水の温度が所定の温度になるような流量で燃料電池に導入されるのが、燃料電池の運転の安定化の観点から好ましい。しかしながら、保有水量が比較的少ない冷却水の系統は、逆潮流を防止する電気ヒータが通電すると、上述のような流量で導入される冷却水では燃料電池を適切な温度に冷却することができず、過昇温が原因で燃料電池の運転を停止しなければならないことがあった。

本発明は上述の課題に鑑み、燃料電池の運転を安定させつつ過昇温による停止を回避す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する。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば図１に示すように、系統電力９８に連系された燃料電池２０と；燃料電池２０で発生した熱を奪った冷却水ｃと、熱交換媒体ｈとで熱交換を行わせて冷却水ｃの温度を低下させる熱交換器３０と；燃料電池２０と熱交換器３０との間で冷却水ｃを循環させる冷却水ライン２１と；燃料電池２０から導出された冷却水ｃが熱交換器３０に至るまでの冷却水ライン２１Ａに設けられたヒータ５０であって、燃料電池２０が発生した電力が系統電力９８に逆潮流することを防ぐために燃料電池２０が発生した電力のうちの余剰電力を消費して冷却水ｃを加熱するヒータ５０と；冷却水ライン２１内の冷却水ｃを流動させる冷却水ポンプ２２であって、吐出流量が可変に構成された冷却水ポンプ２２と；燃料電池２０から熱を奪った冷却水ｃの温度を検出する出口温度検出器６８と；燃料電池２０から熱を奪う前の冷却水ｃの温度を検出する入口温度検出器６７と；ヒータ５０で加熱された冷却水ｃの温度を検出する加熱後温度検出器６９と；冷却水ポンプ２２の吐出流量を調節することにより、出口温度検出器６８で検出された温度及び入口温度検出器６７で検出された温度の少なくとも一方が所定の値になるような定常運転制御を行う制御装置６０とを備え；制御装置６０はさらに、加熱後温度検出器６９が所定の温度を検出したときに、前記定常運転制御を一時中断して、冷却水ポンプ２２の吐出流量を所定の流量に増加させる制御を所定の時間行った後又は加熱後温度検出器６９で検出された温度が前記所定の温度未満となるまで行った後に再び前記定常運転制御を行うように構成されている。

このように構成すると、できる限り定常運転制御を行って燃料電池の運転を安定させつつ、加熱後温度検出器が所定の温度を検出したときに定常運転制御を一時中断して冷却水ポンプの吐出流量を所定の流量に増加させるので、燃料電池の過昇温による停止を回避することができる。

上記目的を達成するために、本発明の第２の態様に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば図１に示すように、系統電力９８に連系された燃料電池２０と；燃料電池２０で発生した熱を奪った冷却水ｃと、熱交換媒体ｈとで熱交換を行わせて冷却水ｃの温度を低下させる熱交換器３０と；燃料電池２０と熱交換器３０との間で冷却水ｃを循環させる冷却水ライン２１と；燃料電池２０から導出された冷却水ｃが熱交換器３０に至るまでの冷却水ライン２１Ａに設けられたヒータ５０であって、燃料電池２０が発生した電力が系統電力９８に逆潮流することを防ぐために燃料電池２０が発生した電力のうちの余剰電力を消費して冷却水ｃを加熱するヒータ５０と；冷却水ライン２１内の冷却水ｃを流動させる冷却水ポンプ２２であって、吐出流量が可変に構成された冷却水ポンプ２２と；燃料電池２０から熱を奪った冷却水ｃの温度を検出する出口温度検出器６８と；燃料電池２０から熱を奪う前の冷却水ｃの温度を検出する入口温度検出器６７と；冷却水ポンプ２２の吐出流量を調節することにより、出口温度検出器６８で検出された温度及び入口温度検出器６７で検出された温度の少なくとも一方が所定の値になるような定常運転制御を行う制御装置６０とを備え；制御装置６０はさらに、ヒータ５０に電力が供給されたことを検出したときに、前記定常運転制御を一時中断して冷却水ポンプ２２の吐出流量を所定の流量に増加させる制御を所定の時間行った後に再び前記定常運転制御を行うように構成されている。

このように構成すると、できる限り定常運転制御を行って燃料電池の運転を安定させつつ、ヒータに電力が供給されたことを検出したときに定常運転制御を一時中断して冷却水ポンプの吐出流量を所定の流量に増加させるので、燃料電池の過昇温による停止を回避することができる。

また、本発明の第３の態様に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば図１を参照して示すと、上記本発明の第１の態様又は第２の態様に係る燃料電池コージェネレーションシステム１において、制御装置６０が、ヒータ５０に供給された電力とヒータ５０で加熱された冷却水ｃの温度との関係を参照し、ヒータ５０で加熱された冷却水ｃを、過昇温によって燃料電池２０の運転を停止させる高温度未満に維持する流量を前記所定の流量とする制御を行う。上記ヒータに供給された電力とヒータで加熱された冷却水の温度との関係は、典型的には、制御装置にあらかじめ記憶されているか、又は制御装置において演算される。

このように構成すると、余剰電力量に応じて冷却水の流量を決定することができ、燃料電池の過昇温による停止を効率よく回避することができる。

本発明によれば、できる限り定常運転制御を行って燃料電池の運転を安定させつつ、燃料電池の過昇温による停止を回避することができる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの模式的系統図である。 電気ヒータの構造図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 冷却水の流量と、電気ヒータで加熱された冷却水の温度の上昇幅との関係の一例を示すグラフである。（ａ）は電気ヒータの出力が１００％のときのもの、（ｂ）は同５０％のときのもののグラフである。 燃料電池の過昇温による停止を回避する制御のフローチャートである。 燃料電池の過昇温による停止を回避する別の制御のフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。

まず図１を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１を説明する。図１は、燃料電池システム１の模式的系統図である。燃料電池システム１は、電力を発生すると共に熱を発生するコージェネレーションシステムである。燃料電池システム１は、主要な機器として、燃料電池２０と、冷却水ポンプ２２と、熱交換器３０と、排熱回収水ポンプ３２と、貯湯槽４０と、電気ヒータ５０と、制御装置６０とを備えている。

燃料電池２０は、水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱するものであり、典型的には固体高分子型燃料電池である。燃料電池２０は、改質器（不図示）で生成された改質ガスｇを導入する燃料極２０ａと、酸化剤ガスｔを導入する空気極２０ｃと、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部２０ｒとを含んで構成されている。改質器（不図示）は、原料とプロセス水とを導入し水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスｇを生成する機器である。原料は、典型的には、メタン、エタン、ＬＰＧ等の鎖式炭化水素（天然ガスも含む）、あるいはメタノール、石油製品（灯油、ガソリン、ナフサ等）等の炭化水素を主成分とする混合物等の炭化水素系の原料である。改質ガスｇは、水素を４０％以上、典型的には７５％程度含み、一酸化炭素濃度がおよそ１０ｐｐｍ以下程度のガスである。酸化剤ガスｔは、酸素を含有するガスであり、典型的には空気である。燃料電池２０は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜を燃料極２０ａと空気極２０ｃとで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部２０ｒを介し複数枚積層して構成されている。

燃料電池２０では、燃料極２０ａに供給された改質ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過して空気極２０ｃに移動すると共に電子が燃料極２０ａと空気極２０ｃとを結ぶ導線を通って空気極２０ｃに移動して、空気極２０ｃに供給された酸化剤ガスｔ中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応で発生した熱は、冷却部２０ｒに供給される冷却水ｃによって除去される。換言すれば、燃料電池２０は冷却水ｃにより冷却される。また、この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。燃料電池２０は、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナー（不図示）を介して、電気ヒータ５０、系統電力としての商用電源９８及び電力負荷９９とそれぞれ電気的に接続されている。このように、燃料電池２０は、系統電力に連系されている。

熱交換器３０は、燃料電池２０を冷却する冷却水ｃと、燃料電池２０で発生した熱を貯湯槽４０に蓄える媒体である熱交換媒体としての排熱回収水ｈとの間で熱交換を行う機器であり、典型的にはプレート型熱交換器が用いられる。熱交換器３０は、冷却水ｃと排熱回収水ｈとが混合することがないように構成されている。熱交換器３０は、燃料電池２０から受熱して温度が上昇した冷却水ｃと、冷却水ｃよりも温度が低い排熱回収水ｈとがカウンターフローにより熱交換し、燃料電池２０で発生した熱を冷却水ｃから排熱回収水ｈに伝達するように構成されている。熱交換器３０を用いて冷却水ｃと排熱回収水ｈとを別系統の流れとすることにより、冷却水ｃ及び排熱回収水ｈの水質を個別に管理することが可能となる。

貯湯槽４０は、燃料電池２０における電気化学的反応の際に発生した熱を、排熱回収水ｈを媒体として蓄える機器である。貯湯槽４０は、典型的には鉛直方向に長く耐食性に富む容器で形成されている。鉛直方向に長く形成されていることにより、内部に貯留される排熱回収水ｈの温度が上部から下部に向かうにしたがって低くなる温度成層の形成が容易になる。なお、排熱回収水ｈを媒体として貯湯槽４０に蓄えられた熱は、給湯や暖房機器（床暖房やファンコイルユニット等）などの熱需要（不図示）にて任意の時間に利用される。貯湯槽４０には、蓄えられている排熱回収水ｈを温水として給湯や暖房機器などの熱需要に供給するための温水往管４２が上部に、暖房機器等で熱が利用されて温度が低下した温水を導入する温水還管４３が下部に、給湯等で消費された温水分の水を補充するために水（例えば市水等）を導入する補給水管４８が下部に、それぞれ接続されている。温水往管４２には、熱需要に向けて供給される排熱回収水ｈを加熱昇温する不図示の加熱器（例えば追い焚き器）が配設されていてもよい。

燃料電池２０の冷却部２０ｒと熱交換器３０とは、内部に冷却水ｃを流す冷却水ライン２１で接続されている。燃料電池２０と熱交換器３０とが冷却水ライン２１で接続されることにより、冷却水ｃがこれらの間を循環する循環流路が形成される。冷却水ライン２１は、燃料電池２０から熱交換器３０へと冷却水ｃを流す第１冷却水ライン２１Ａと、熱交換器３０から燃料電池２０へと冷却水ｃを流す第２冷却水ライン２１Ｂとを有している。以下、第１冷却水ライン２１Ａと第２冷却水ライン２１Ｂとを特に区別する必要がない場合はこれらを総称して単に「冷却水ライン２１」という。第１冷却水ライン２１Ａには電気ヒータ５０が挿入配置されている。第２冷却水ライン２１Ｂには冷却水ｃを循環させる冷却水ポンプ２２が挿入配置されている。なお、冷却水ポンプ２２は第１冷却水ライン２１Ａに挿入配置されてもよいが、燃料電池２０保護の観点から冷却部２０ｒが負圧になることを回避するために第２冷却水ライン２１Ｂに挿入配置されることが好ましい。冷却水ポンプ２２は、インバータによりモータの回転速度を変えることができ、これによって冷却水ｃの吐出流量を変えることができるように構成されている。

ここで図２を参照して、電気ヒータ５０の構造を説明する。図２は、電気ヒータ５０の構造を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。電気ヒータ５０は、円筒状のチャンバ５１内に、発熱体であるケーブルヒータ５５が収容されて構成されている。チャンバ５１は、チャンバ５１からの放熱を小さくする観点から、ケーブルヒータ５５を収容可能な範囲で極力小さく形成されている。チャンバ５１には、円筒状の一端面５１ａに近い側面５１ｃに冷却水ｃを導入する導入口５２が設けられ、円筒状の他端面５１ｂに冷却水ｃを導出する導出口５３が設けられている。導入口５２及び導出口５３には、それぞれ第１冷却水ライン２１Ａが接続される。チャンバ５１内に収容されたケーブルヒータ５５は、細長いケーブル状のヒータであり、螺旋状に巻かれている。ケーブルヒータ５５は、螺旋によって形成される回転面が円筒の両端面５１ａ、５１ｂに略平行になり、回転しながらチャンバ５１の軸方向に伸びるようにチャンバ５１内に配設されている。ケーブルヒータ５５は、一端面５１ａを貫通して燃料電池２０（図１参照）及び商用電源９８（図１参照）につながるケーブルに接続されている。ケーブルヒータ５５は、典型的には燃料電池２０から電力の供給を受けて発熱するが、商用電源９８からも電力の供給を受けて発熱することができるように構成されていてもよい。電気ヒータ５０は、燃料電池２０で発生した電力よりも電力負荷９９における消費電力が小さいときに、燃料電池２０で発電した余剰電力を消費する逆潮流防止電気ヒータとして機能する。本実施の形態では、ケーブルヒータ５５の定格出力（出力１００％）が１０００Ｗに構成されている。

再び図１に戻って燃料電池システム１の構成の説明を続ける。冷却水ポンプ２２と冷却部２０ｒとの間の第２冷却水ライン２１Ｂには、冷却部２０ｒに導入される冷却水ｃの温度を検出する入口温度検出器としての入口温度センサ６７が設けられている。冷却部２０ｒと電気ヒータ５０との間の第１冷却水ライン２１Ａには、冷却部２０ｒから導出された冷却水ｃの温度を検出する出口温度検出器としての出口温度センサ６８が設けられている。電気ヒータ５０と熱交換器３０との間の第１冷却水ライン２１Ａには、電気ヒータ５０から導出された冷却水ｃの温度を検出する加熱後温度検出器としての加熱後温度センサ６９が設けられている。入口温度センサ６７は、冷却部２０ｒに設けられていてもよく、すなわち燃料電池２０から熱を奪う前の冷却水ｃの温度を検出することができる位置に設けられていればよい。また、出口温度センサ６８は、燃料電池２０から熱を奪った冷却水ｃの温度を検出することができれば冷却部２０ｒに設けられていてもよい。また、加熱後温度センサ６９は、電気ヒータ５０で加熱された冷却水ｃの温度を検出することができれば電気ヒータ５０に設けられていてもよい。

熱交換器３０と貯湯槽４０とは、内部に排熱回収水ｈを流す排熱回収水ライン３１で接続されている。熱交換器３０と貯湯槽４０とが排熱回収水ライン３１で接続されることにより、排熱回収水ｈがこれらの間を循環する循環流路が形成される。排熱回収水ライン３１は、熱交換器３０から貯湯槽４０へと排熱回収水ｈを流す第１排熱回収水ライン３１Ａと、貯湯槽４０から熱交換器３０へと排熱回収水ｈを流す第２排熱回収水ライン３１Ｂとを有している。以下、第１排熱回収水ライン３１Ａと第２排熱回収水ライン３１Ｂとを特に区別する必要がない場合はこれらを総称して単に「排熱回収水ライン３１」という。第２排熱回収水ライン３１Ｂには排熱回収水ｈを循環させる排熱回収水ポンプ３２が挿入配置されている。なお、排熱回収水ポンプ３２は第１排熱回収水ライン３１Ａに挿入配置されてもよい。排熱回収水ポンプ３２は、インバータによりモータの回転速度を変えることができ、これによって排熱回収水ｈの吐出流量を変えることができるように構成されている。

第１排熱回収水ライン３１Ａと、排熱回収水ポンプ３２よりも上流側の第２排熱回収水ライン３１Ｂとは、バイパスライン３５で接続されている。バイパスライン３５は、第１排熱回収水ライン３１Ａを流れる排熱回収水ｈを、貯湯槽４０に流入させずに（貯湯槽４０をバイパスして）第２排熱回収水ライン３１Ｂへ導く流路である。第１排熱回収水ライン３１Ａとバイパスライン３５との接続部分には、第１排熱回収水ライン３１Ａを流れる排熱回収水ｈを貯湯槽４０に流入させるのと、貯湯槽４０をバイパスして第２排熱回収水ライン３１Ｂに流入させるのとを切り替える切替手段としての三方弁６２が配設されている。三方弁６２は制御装置６０からの信号を受信して電動で流路を切り替えることができるように構成されている。

制御装置６０は、燃料電池システム１の運転を制御する。制御装置６０は燃料電池２０と信号ケーブルで接続されており、燃料電池２０が発電を行っているか否かの信号を受信できるように構成されている。また、制御装置６０は電気ヒータ５０と信号ケーブルで接続されており、電気ヒータ５０への通電の有無を制御できるように構成されている。また、制御装置６０は冷却水ポンプ２２及び排熱回収水ポンプ３２とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、冷却水ポンプ２２及び排熱回収水ポンプ３２の発停や回転速度をそれぞれ制御することができるように構成されている。また、制御装置６０は三方弁６２と信号ケーブルで接続されており、信号を送信して三方弁６２の流路を切り替えることができるように構成されている。また、制御装置６０は各温度センサ６７、６８、６９とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、各温度センサ６７、６８、６９から温度信号を受信することができるように構成されている。また、制御装置６０は、時間を計測することができるタイマー６１を有している。

制御装置６０は、さらに、冷却水ライン２１を流れる冷却水ｃの流量と、加熱後温度センサ６９で検出される冷却水ｃの温度の上昇幅（どれくらい温度が上昇するか）との関係が、電気ヒータ５０の出力ごとに関連づけられてあらかじめ記憶されている。
図３に、冷却水ｃの流量と、電気ヒータ５０で加熱された冷却水ｃの温度（典型的には加熱後温度センサ６９で検出される）の上昇幅との関係の一例のグラフを示す。図３において、（ａ）は電気ヒータ５０の出力が１００％のときのもの、（ｂ）は電気ヒータ５０の出力が５０％のときのものを示している。図示した以外の電気ヒータ５０の出力のものも、典型的には１００Ｗごとに、制御装置６０には記憶されている。図３中の曲線Ｌ１００は冷却水ｃの流量が冷却水ポンプ２２の定格流量（１００％）のときのもの、曲線Ｌ８０、Ｌ６０、Ｌ４０、Ｌ２０は、それぞれ冷却水ポンプ２２の定格流量の８０％、６０％、４０％、２０％のときのものである。制御装置６０には、図３に示す関係が、テーブルとして記憶されている。あるいは図３に示す関係が一般式として記憶されており、各温度センサ６８、６９及び電気ヒータ５０の出力を検出し、この検出した値を一般式に照らし演算して算出してもよい。

燃料電池システム１は、電気ヒータ５０が、上述のように第１冷却水ライン２１Ａに挿入配置されており、排熱回収水ライン３１には挿入配置されていない。したがって、加熱装置のない貯湯槽４０を含む排熱回収水系統がボイラー又は圧力容器としての扱いを受けない。これにより、燃料電池システム１の取り扱いが簡便になる。

引き続き図１及び図２を参照して、燃料電池システム１の作用を説明する。電力負荷９９において電力需要が発生すると、制御装置６０は燃料電池２０が発電を行うように燃料電池システム１を制御する。このとき燃料電池２０には、燃料極２０ａに改質ガスｇが導入され、空気極２０ｃに酸化剤ガスｔが導入されて、燃料電池２０では改質ガスｇ中の水素と酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電が行われる。燃料電池２０は、発電が行われるのに伴い熱が発生する。制御装置６０は、改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔが燃料電池２０に導入されたら、冷却水ポンプ２２及び排熱回収水ポンプ３２を起動する。

冷却水ポンプ２２が起動されることにより冷却水ｃが冷却水ライン２１を循環する。これにより、燃料電池２０の冷却部２０ｒに導入された冷却水ｃは燃料電池２０から熱を奪って温度が上昇し、他方、燃料電池２０は冷やされる。燃料電池２０の熱を奪って温度が上昇した冷却水ｃは、熱交換器３０で排熱回収水ｈと熱交換して燃料電池２０を冷却可能な程度に温度が低下し、他方、排熱回収水ｈの温度は上昇する。温度が低下した冷却水ｃは、再び冷却部２０ｒに導入されて燃料電池２０で発生した熱を奪う、というように冷却水ライン２１を循環する。排熱回収水ｈは、排熱回収水ポンプ３２が起動されることにより排熱回収水ライン３１を循環する。これにより、冷却水ｃと排熱回収水ｈとは、熱交換器３０において連続的に熱交換が行われる。このとき制御装置６０は、出口温度センサ６８で検出された温度が燃料電池２０の継続した運転のために許容される所定の値となるように、冷却水ポンプ２２の回転速度を調節する。ここでの「所定の値」は、燃料電池２０内の温度が均一になり（温度分布が所定の範囲内にあり）、一酸化炭素に対する耐性低下に起因した効率低下や湿度管理の悪化が抑制される安定した運転ができる値である。また、制御装置６０は、入口温度センサ６７で検出された温度が燃料電池２０の効率を考慮してあらかじめ設定された温度となるように、排熱回収水ポンプ３２の回転速度を調節する。ここでの効率は、投入エネルギ（改質ガスｇ等の反応に必要なガスの流量及び搬送動力）に対する出力（発電電力）である。このような定常運転制御が行われることにより、燃料電池２０は発電に適した温度（典型的には６０℃〜８０℃）に維持される。

また、制御装置６０は、三方弁６２に信号を送信して、当初は排熱回収水ｈがバイパスライン３５を流れるように三方弁６２の通水方向を設定し、排熱回収水ｈの温度が熱需要で利用可能な温度（例えば４５〜５０℃の任意の温度）以上になったら貯湯槽４０に流入するように三方弁６２の通水方向を切り替える。排熱回収水ｈの温度が熱需要で利用可能な温度以上になったか否かは、温度センサ（不図示）により検出してもよく、又は所定時間が経過したことをもって当該温度に達したと推定してもよい。貯湯槽４０に流入する排熱回収水ｈは、貯湯槽４０の上部に流入する。他方、貯湯槽４０の下部からは、熱交換器３０に導入される冷却水ｃよりも温度が低い排熱回収水ｈが導出される。貯湯槽４０の下部から導出された排熱回収水ｈは、熱交換器３０に導入され、冷却水ｃと熱交換を行って温度が上昇する。貯湯槽４０には温度が高い排熱回収水ｈが上部から導入されることにより、温度成層が形成される。なお、形成された温度成層をできるだけ乱さないようにする観点から、貯湯槽４０に導入される排熱回収水ｈの動圧はできるだけ小さい方がよい。

貯湯槽４０に蓄えられた温度が高い排熱回収水ｈは、温水往管４２を介して給湯や暖房機器（床暖房やファンコイルユニット等）などの熱需要（不図示）に温水として供給される。熱需要に供給される温水の温度が熱需要において利用される温度よりも低下している場合は、加熱器（不図示）で加熱される。熱需要に供給された温水は、例えば、暖房機器等の熱を利用して物質としての水を消費しない場所に供給された場合は、暖房機器等において熱が利用されて温度が低下した後に温水還管４３を介して貯湯槽４０の下部に戻される。給湯等の物質としての水の消費を伴う場所に供給された場合は、給湯等に利用されて消費された分の水が補給水管４８を介して貯湯槽４０の下部に補充される。これらにより、貯湯槽４０の下部から流出する排熱回収水ｈは、熱交換器３０に導入される冷却水ｃよりも温度が低くなる。

上述のように冷却水ｃ及び排熱回収水ｈが循環することにより、燃料電池２０が発電に適した温度に維持されて、継続的な発電が可能となる。燃料電池２０で発電された電力は直流電力であるため、パワーコンディショナー（不図示）にて交流電力に変換された後に電力負荷９９に供給される。制御装置６０は、典型的には電力負荷９９における消費電力よりも所定の容量（例えば１００Ｗ）だけ少ない電力を燃料電池２０で発電するように燃料電池２０に導入される改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔの流量を制御する。電力負荷９９が燃料電池２０から電力の供給を受けてなお不足する電力は、商用電源９８から供給を受けることで補われる。燃料電池２０は、その性質上、電力需要の急峻な変動に追従することが困難であるため、電力負荷９９における消費電力よりも所定の容量だけ少ない電力を発電することにより、燃料電池２０で発電した電力が商用電源系統に逆潮流することを防いでいる。なお、仮に燃料電池２０における発電電力が電力負荷９９の消費電力を上回った場合、制御装置６０は上回った分の電力（余剰電力）を電気ヒータ５０に通電し、熱に変換することで余剰電力を逆潮流させずに消費させる。

燃料電池２０で発生した余剰電力が電気ヒータ５０に通電されると、燃料電池２０から熱を奪って温度が上昇した冷却水ｃが電気ヒータ５０で受熱してさらに温度が上昇した後に熱交換器３０に導入されることとなる。このとき、電気ヒータ５０は、余剰電力を受電しても直ちには昇温しない一方で、昇温が開始されると急激に温度が上昇してチャンバ５１内に保有している冷却水ｃを昇温させる。このため、電気ヒータ５０に通電されてから所定時間経過後に高温の冷却水ｃが電気ヒータ５０から吐出される。他方、電気ヒータ５０で加熱された冷却水ｃが定常運転制御に反映されるのは、電気ヒータ５０で加熱された冷却水ｃが入口温度センサ６７及び出口温度センサ６８に達した後になる。このため、燃料電池２０を継続運転可能に冷却できる温度を超えた冷却水ｃが燃料電池２０の冷却部２０ｒに導入されてしまい、燃料電池２０を運転可能な適正温度に維持できず、燃料電池２０の停止を余儀なくされてしまうこととなる。このような不都合は、電力負荷９９の消費電力が少なく、燃料電池２０の出力が絞られているために、冷却水ｃの循環流量が少なくなっているときに顕著である。燃料電池システム１は、このような不都合を回避するために、以下のような制御を行う。

図４は、燃料電池２０の過昇温による停止を回避する制御のフローチャートである。制御装置６０は、燃料電池２０に改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔを供給して運転を開始させたら（ＳＴ１）、上述のように、出口温度センサ６８で検出された温度が所定の値となるように冷却水ポンプ２２の回転速度を調節すると共に、入口温度センサ６７で検出された温度があらかじめ設定された温度となるように排熱回収水ポンプ３２の回転速度を調節して定常運転制御（出口温度一定制御）を行う（ＳＴ２）。この定常運転制御により、燃料電池２０は安定して運転される。

制御装置６０は、定常運転制御を行っている際、加熱後温度センサ６９で検出された温度が所定の温度以上か否かを判断する（ＳＴ３）。加熱後温度センサ６９で検出された温度が所定の温度以上となるときは、燃料電池２０で発生した電力のうち余剰電力が電気ヒータ５０で消費されている。ここで「所定の温度」は、燃料電池２０を適切に冷却することができずに運転を停止せざるを得ない温度（以下「高温度」という。）に近い温度であって、次に行う冷却水ｃの循環流量を増加させる対策が反映されることによって燃料電池２０の過昇温による停止を回避できる温度である。つまり、所定の温度は、高温度とすると冷却水ｃの流量を増加させても温度上昇が止まるまでに高温度を超えた温度になって燃料電池２０を停止せざるを得なくなってしまい、他方、低すぎると運転状態を安定させる時間が短くなってしまうところ、少なくとも昇温による停止を回避する措置が反映されるまでの温度上昇分だけ上記高温度よりも低い温度とするとよい。

加熱後温度センサ６９で検出された温度が所定の温度以上か否かを判断する工程（ＳＴ３）において、所定の温度以上でない場合は定常運転制御（ＳＴ２）を続ける。他方、所定の温度以上の場合、制御装置６０は、定常運転制御を中断し、冷却水ポンプ２２の吐出流量を所定の流量に増加させて冷却水ｃの循環流量を増加させる（ＳＴ４）。ここで「所定の流量」は、冷却水ｃが高温度になることを防ぐことができる流量であり、あらかじめ制御装置６０に記憶されている、電気ヒータ５０の出力に応じた冷却水ライン２１を流れる冷却水ｃの流量と加熱後温度センサ６９で検出される冷却水ｃの温度の上昇幅との関係（図３参照）に基づいて、テーブルを参照することによりあるいは当該関係を表す一般式から演算することにより、決定される。冷却水ｃの循環流量が増加すると、図３に示すように、電気ヒータ５０から導出された冷却水ｃの温度（加熱後温度センサ６９で検出された温度）が低くなり、燃料電池２０が過昇温により停止する不都合を回避することができる。

冷却水ポンプ２２の吐出流量を所定の流量に増加させたら、制御装置６０は、吐出流量が増加された状態を解除するための条件（解除条件）が充足したか否かを判断する（ＳＴ５）。ここでは、解除条件は、冷却水ポンプ２２の吐出流量を所定の流量に増加させる制御を所定の時間行ったことである。ここで「所定の時間」は、電気ヒータ５０で所定の温度に加熱された冷却水ｃの温度がすべての温度センサ６７、６８、６９で検出されるようになるまでの時間であり、制御を簡便にするために冷却水ｃが冷却水ライン２１を一巡するのに要する時間をあらかじめ求めておき、この冷却水ｃが一巡するまでの時間を所定の時間としてもよい。なお、解除条件を、加熱後温度センサ６９で検出された温度が所定の温度未満となったこととしてもよい。解除条件が充足したか否かを判断する工程（ＳＴ５）において、充足していない場合は再び解除条件が充足したか否かを判断する工程（ＳＴ５）に戻る。他方、解除条件が充足した場合は、定常運転制御を行う工程（ＳＴ２）に戻り、以降上述のフローを繰り返す。

電気ヒータ５０で所定の温度に加熱された冷却水ｃの温度がすべての温度センサ６７、６８、６９で検出されるようになれば、各温度センサ６７、６８、６９に反映された冷却水ｃの温度に基づいて循環流量（冷却水ポンプ２２の吐出流量）が制御されることとなるので、その後は定常運転制御としても冷却水ｃが上記の高温度になることを回避することができる。以上の制御により、燃料電池システム１は、安定した定常運転制御をできる限り行いつつ、燃料電池２０の過昇温による停止を回避することができる。

次に図５を参照して、燃料電池２０の過昇温による停止を回避する別の制御を説明する。図５に示す制御では、図４における「加熱後温度センサ６９で検出された温度が所定の温度以上か否かを判断する（ＳＴ３）」ことに代えて、電気ヒータ５０が起動したか否かを判断し（ＳＴ３Ａ）、電気ヒータ５０が起動していない場合は定常運転制御（ＳＴ２）を続け、電気ヒータ５０が起動している場合は定常運転制御を中断し、冷却水ポンプ２２の吐出流量を所定の流量に増加させて冷却水ｃの循環流量を増加させる（ＳＴ４）こととしている。そして、冷却水ポンプ２２の吐出流量を所定の流量に増加させた後は、冷却水ポンプ２２の吐出流量を所定の流量に増加させる制御を所定の時間行ったか否かを判断し（ＳＴ５Ａ）、所定の時間が経過していない場合は再び冷却水ポンプ２２の吐出流量を所定の流量に増加させる制御を所定の時間行ったか否かを判断する工程（ＳＴ５Ａ）に戻り、所定の時間が経過した場合は定常運転制御を行う工程（ＳＴ２）に戻る。上記以外の制御フロー及び判断基準は、図４におけるフローと同様である。図５に示す別の制御によれば、電気ヒータ５０が起動したときに冷却水ｃの流量が増加するため、冷却水ｃが上記高温度に達する確率が低くなると共に、加熱後温度センサ６９を省略することができて燃料電池システム１の構成を簡略化することができる。

以上の説明では、制御装置６０が行う定常運転制御が、出口温度センサ６８で検出された温度が所定の値となるように冷却水ポンプ２２の回転速度を調節する、いわゆる出口温度一定制御であるとした。これ以外に、制御装置６０は、この出口温度一定制御に代えて、出口温度センサ６８で検出された温度と入口温度センサ６７で検出された温度との差が所定の値となるように冷却水ポンプ２２の回転速度を調節する、いわゆる温度差一定制御を定常運転制御として行うこととしてもよい。このような温度差が所定の値となる温度差一定制御によって燃料電池２０が発電に適した温度に維持されるときが、燃料電池２０が最も効率よく運転される。ここでの効率は、投入エネルギ（改質ガスｇ等の反応に必要なガスの流量及び搬送動力）に対する出力（発電電力）である。「所定の値」は、燃料電池２０の運転効率がよくなる値を選定するのが好ましい。

１ 燃料電池システム
２０ 燃料電池
２１ 冷却水ライン
２２ 冷却水ポンプ
３０ 熱交換器
５０ ヒータ
６０ 制御装置
６７ 入口温度検出器
６８ 出口温度検出器
６９ 加熱後温度検出器
９８ 系統電力
ｃ 冷却水
ｈ 熱交換媒体

Claims (3)

1. 系統電力に連系された燃料電池と；
   前記燃料電池で発生した熱を奪った冷却水と、熱交換媒体とで熱交換を行わせて前記冷却水の温度を低下させる熱交換器と；
   前記燃料電池と前記熱交換器との間で前記冷却水を循環させる冷却水ラインと；
   前記燃料電池から導出された冷却水が前記熱交換器に至るまでの前記冷却水ラインに設けられたヒータであって、前記燃料電池が発生した電力が前記系統電力に逆潮流することを防ぐために前記燃料電池が発生した電力のうちの余剰電力を消費して前記冷却水を加熱するヒータと；
   前記冷却水ライン内の冷却水を流動させる冷却水ポンプであって、吐出流量が可変に構成された冷却水ポンプと；
   前記燃料電池から熱を奪った冷却水の温度を検出する出口温度検出器と；
   前記燃料電池から熱を奪う前の冷却水の温度を検出する入口温度検出器と；
   前記ヒータで加熱された冷却水の温度を検出する加熱後温度検出器と；
   前記冷却水ポンプの吐出流量を調節することにより、前記出口温度検出器で検出された温度及び前記入口温度検出器で検出された温度の少なくとも一方が所定の値になるような定常運転制御を行う制御装置とを備え；
   前記制御装置はさらに、前記加熱後温度検出器が所定の温度を検出したときに、前記定常運転制御を一時中断して、前記冷却水ポンプの吐出流量を所定の流量に増加させる制御を所定の時間行った後又は前記加熱後温度検出器で検出された温度が前記所定の温度未満となるまで行った後に再び前記定常運転制御を行うように構成された；
   燃料電池コージェネレーションシステム。
2. 系統電力に連系された燃料電池と；
   前記燃料電池で発生した熱を奪った冷却水と、熱交換媒体とで熱交換を行わせて前記冷却水の温度を低下させる熱交換器と；
   前記燃料電池と前記熱交換器との間で前記冷却水を循環させる冷却水ラインと；
   前記燃料電池から導出された冷却水が前記熱交換器に至るまでの前記冷却水ラインに設けられたヒータであって、前記燃料電池が発生した電力が前記系統電力に逆潮流することを防ぐために前記燃料電池が発生した電力のうちの余剰電力を消費して前記冷却水を加熱するヒータと；
   前記冷却水ライン内の冷却水を流動させる冷却水ポンプであって、吐出流量が可変に構成された冷却水ポンプと；
   前記燃料電池から熱を奪った冷却水の温度を検出する出口温度検出器と；
   前記燃料電池から熱を奪う前の冷却水の温度を検出する入口温度検出器と；
   前記冷却水ポンプの吐出流量を調節することにより、前記出口温度検出器で検出された温度及び前記入口温度検出器で検出された温度の少なくとも一方が所定の値になるような定常運転制御を行う制御装置とを備え；
   前記制御装置はさらに、前記ヒータに電力が供給されたことを検出したときに、前記定常運転制御を一時中断して前記冷却水ポンプの吐出流量を所定の流量に増加させる制御を所定の時間行った後に再び前記定常運転制御を行うように構成された；
   燃料電池コージェネレーションシステム。
3. 前記制御装置が、前記ヒータに供給された電力と前記ヒータで加熱された冷却水の温度との関係を参照し、前記ヒータで加熱された冷却水を、過昇温によって前記燃料電池の運転を停止させる高温度未満に維持する流量を前記所定の流量とする制御を行う；
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。

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