JP2022159919A - 燃料電池システム、及び燃料電池システム運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池ユニットとバックアップ熱源機ユニットとの通信が行われない燃料電池システムにおいて、バックアップ熱源機ユニットから供給される湯の急激な温度変化を抑制する。【解決手段】燃料電池システム１０は、発電を行う燃料電池モジュールが設けられた燃料電池ユニット１２と、燃料電池ユニット１２における熱交換で加熱された湯を貯留する貯湯タンク４８と、燃料電池ユニット１２に設けられ、貯湯タンク４８に貯留された湯の熱を利用し、燃料電池ユニット１２から送出される湯の温度を出湯目標温度Ｔ０に調整する温度調整部１１１Ａと、貯湯タンク４８に貯留された湯の温度が出湯目標温度Ｔ０よりも高い切換温度ＴＣ以下となった場合に、出湯目標温度Ｔ０を通常出湯目標温度Ｔ１から該通常出湯目標温度Ｔ１よりも低い低温出湯目標温度Ｔ２へ切り換える目標温度切換部１１１Ｂと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム、及び燃料電池システム運転方法に関し、詳しくは、貯湯タンクを備えたコジェネレーションであり、給湯加熱用のバックアップ熱源機（ＢＢ）を有する燃料電池システム、及び当該燃料電池システムの運転方法に関する。

従来、燃料電池ユニットで発電すると共に、燃料電池ユニットの排熱を利用して給湯を行うコジェネレーションの燃料電池システムが提案されている。当該燃料電池システムでは、燃料電池ユニットの排熱で加熱された湯を貯湯タンクに湯を貯留している。また、補助熱源を有する給湯ユニットが備えられ、貯湯タンクに貯留された湯の温度が所望の温度よりも低温の場合に、当該給湯ユニットで、貯湯タンクからの湯を加熱する。

ところで、貯湯タンクに貯留された湯の温度が低下した場合に、補助熱源での急激な加熱は難しい。そこで、特許文献１では、貯湯タンクの上層温度が設定温度Ｔよりもβ高い温度（Ｔ＋β）を下回った場合に、熱量不足を予測して、補助熱源を動作させている。貯湯タンクの設けられた燃料電池ユニット側の制御機器と、補助熱源を有する給湯ユニット側の制御機器との間で通信を行うことにより、燃料電池ユニット側から補助熱源側へ温度情報を伝達して、予め補助熱源を起動させておくことが可能である。

特開２０１８－９１６１３号公報

しかしながら、燃料電池ユニットを既存の熱源機に対して追加設置した（後付けした）場合など、燃料電池ユニット側の制御機器と補助熱源を備えた給湯ユニット（バックアップ熱源機ユニット）側の制御機器との間で通信できない場合には、貯湯タンクの温度情報をバックアップ熱源機側へ伝達できず、バックアップ熱源機ユニット側で貯湯タンク側の温度変化に追従しにくい状態が発生する場合もある。燃料電池ユニット側に設けられた制御機器がバックアップ熱源機ユニット側の制御機器と通信できない場合であっても、バックアップ熱源機ユニットから供給される湯の急激な温度変化を抑制することが求められる。

本発明は、上記事情に鑑みてされたものであって、燃料電池ユニットとバックアップ熱源機ユニットとの通信が行われない燃料電池システムにおいて、バックアップ熱源機ユニットから供給される湯の急激な温度変化を抑制することを目的とする

第１態様に係る燃料電池システムは、発電を行う燃料電池モジュールが設けられた燃料電池ユニットと、前記燃料電池ユニットにおける熱交換で加熱された湯を貯留する貯湯タンクと、前記燃料電池ユニットに設けられ、前記貯湯タンクに貯留された湯の熱を利用し、前記燃料電池ユニットから送出される湯の温度を出湯目標温度に調整する温度調整部と、前記貯湯タンクに貯留された湯の温度が前記出湯目標温度よりも高い切換温度以下となった場合に、前記出湯目標温度を通常出湯目標温度から該通常出湯目標温度よりも低い低温出湯目標温度へ切り換える目標温度切換部と、前記燃料電池ユニットと非通信とされ、ガスの燃焼による熱を用いて前記燃料電池ユニットから送出された湯を加熱可能な熱源機ユニットと、を備えている。

第１態様に係る燃料電池システムは、燃料電池ユニット、貯湯タンク、及び熱源機ユニットを備えている。貯湯タンクには、燃料電池ユニットにおける熱交換で加熱された湯が貯留される。熱源機ユニットは、ガスの燃焼による熱を用いて燃料電池ユニットから送出された湯を加熱する。

燃料電池ユニットから送出される湯の温度は、貯湯タンクに貯留された湯の熱を利用して、温度調整部により出湯目標温度に調整される。ここで、熱源機ユニットは、燃料電池ユニットと非通信であるため、燃料電池ユニットから送出される湯の温度変化があっても、変化当初は当該温度変化に追従できず、所定の燃焼号数で燃料電池ユニットからの湯を加熱する。したがって、貯湯タンクに貯留された湯の温度が低下して、温度調整部により通常出湯目標温度に調整できなくなった場合、熱源機ユニットからユーザーへ供給される湯の温度が急激に低下する可能性がある。

そこで、貯湯タンクに貯留された湯の温度が所定の切換温度以下となった場合に、温度調整部の調整対象である出湯目標温度を、目標温度切換部によって、通常出湯目標温度から該通常出湯目標温度よりも低い低温出湯目標温度へ切り換える。これにより、貯湯タンクに貯留された湯の温度が出湯目標温度よりも高い切換温度以下となった時点から、熱源機ユニットへ供給する湯の温度が下がる。そして、熱源機ユニットでは、通常出湯目標温度から低温出湯目標温度に対応した加熱が実施される。その結果、貯湯タンクに貯留された湯の温度低下の速度が抑制される。また、熱源機ユニットでは、ユーザーへの給湯温度の変化を、通常出湯目標温度と低温出湯目標温度との温度差程度に抑制することができる。このように、熱源機ユニットにおいて貯湯タンクの湯温情報を得ることなく、ユーザーへ供給する湯の急激な温度変化を抑制することができる。

第２態様に係る燃料電池システムは、前記切換温度は、前記通常出湯目標温度よりもα℃高い温度に設定されている。

ここでの「通常出湯目標温度よりもα℃高い温度」は、通常出湯目標温度よりも高いことを意味している。このように切換温度を設定することにより、出湯目標温度について通常出湯目標温度を維持できなくなる前に、熱源機ユニットへ供給する湯の温度が下がり、熱源機ユニットにおいて、湯の温度に応じた加熱を開始することができる。

第３態様に係る燃料電池システムは、前記低温出湯目標温度が、前記通常出湯目標温度よりもβ℃低い温度で設定され、α＞βの関係とされている。

このように低温出湯目標温度を設定することにより、熱源機ユニットへ供給される湯の温度下げ幅は、α℃よりも小さくなる。したがって、熱源機ユニットでは、小さい温度変化に追従するように加熱制御すればよく、貯湯タンクの湯温情報を得ることなく、ユーザーへ供給する湯の急激な温度変化を抑制することができる。

第４態様に係る燃料電池システムは、前記切換温度よりも低い第２切換温度が設定され、前記目標温度切換部は、前記貯湯タンクに貯留された湯の温度が前記第２切換温度以下となった場合に、前記出湯目標温度を前記低温出湯目標温度から該低温出湯目標温度よりも低い第２低温出湯目標温度へ切り換える。

第４態様に係る燃料電池システムでは、貯湯タンクに貯留された湯の温度が、切換温度よりもさらに低下した第２切換温度以下となった場合に、出湯目標温度を低温出湯目標温度からさらに低い第２低温出湯目標温度へ切り換える。したがって、複数段階で出湯目標温度を下げることができ、熱源機ユニットでは、貯湯タンクの湯温情報を得ることなく、ユーザーへ供給する湯の温度変化を緩やかにすることができる。

第５態様に係る燃料電池システムは、前記出湯目標温度は、前記貯湯タンクに貯留された湯の温度が前記切換温度よりも高い場合には一定に維持されている。

このように、出湯目標温度を一定に維持することにより、熱源機ユニットでは、燃料電池ユニットから供給される湯の温度変化に対応した制御を行う機会が低減され、熱源機ユニットからユーザーへ供給される湯の温度の急激な変化を抑制することができる。

第６態様に係る燃料電池システム運転方法は、燃料電池ユニットにおいて、発電を行う燃料電池モジュールからの排熱で加熱された湯を貯湯タンクに貯留し、前記貯湯タンクに貯留された湯の熱を利用し、前記燃料電池ユニットから送出される湯の温度を出湯目標温度に調整すると共に、前記貯湯タンクに貯留された湯の温度が通常出湯目標温度よりも高い所定の切換温度以下となった場合に、前記燃料電池ユニットから送出される湯の温度を前記通常出湯目標温度から該通常出湯目標温度よりも低い低温出湯目標温度となるように切り換え、ガスの燃焼による熱を用いて前記燃料電池ユニットから送出された湯を加熱可能、且つ前記燃料電池ユニットと非通信とされた熱源機ユニットへ送出する。

燃料電池ユニットから送出される湯の温度は、貯湯タンクに貯留された湯の熱を利用して、低温出湯目標温度に調整される。ここで、熱源機ユニットは、燃料電池ユニットと非通信であるため、燃料電池ユニットから送出される湯の温度変化があっても、変化当初は当該温度変化に追従できず、所定の燃焼号数で燃料電池ユニットから送出される湯を加熱する。したがって、貯湯タンクに貯留された湯の温度が低下して、通常出湯目標温度に調整できなくなった場合、熱源機ユニットからユーザーへ供給される湯の温度が急激に低下する可能性がある。

そこで、貯湯タンクに貯留された湯の温度が所定の切換温度以下となった場合に、燃料電池ユニットから送出される湯の温度が通常出湯目標温度から通常出湯目標温度よりも低い低温出湯目標温度となるように調整を切り換える。これにより、貯湯タンクに貯留された湯の温度が切換温度以下となった時点から、熱源機ユニットへ供給する湯の温度が下がる。そして、熱源機ユニットでは、通常出湯目標温度から低温出湯目標温度に対応した加熱が実施される。その結果、貯湯タンクに貯留された湯の温度低下の速度が抑制される。また、熱源機ユニットでは、ユーザーへの給湯温度の変化を、通常出湯目標温度と低温出湯目標温度との温度差程度に抑制することができる。このように、熱源機ユニットにおいて貯湯タンクの湯温情報を得ることなく、ユーザーへ供給する湯の急激な温度変化を抑制することができる。

第７態様に係る燃料電池システム運転方法は、前記切換温度は、前記通常出湯目標温度よりもα℃高い温度に設定され、前記低温出湯目標温度は、前記通常出湯目標温度よりもβ℃低い温度で設定され、α＞βの関係とされている。

ここでの「通常出湯目標温度よりもα℃高い温度」は、通常出湯目標温度よりも高いことを意味している。このように切換温度および低温出湯目標温度を設定することにより、熱源機ユニットへ供給される湯の温度下げ幅は、α℃よりも小さくなる。したがって、熱源機ユニットでは、小さい温度変化に追従するように加熱制御すればよく、貯湯タンクの湯温情報を得ることなく、ユーザーへ供給する湯の急激な温度変化を抑制することができる。

第８態様に係る燃料電池システム運転方法は、前記切換温度よりも低い第２切換温度が設定され、前記貯湯タンクに貯留された湯の温度が前記第２切換温度以下となった場合に、前記出湯目標温度を前記低温出湯目標温度から該低温出湯目標温度よりも低い第２低温出湯目標温度へ切り換える。

第８態様に係る燃料電池システム運転方法では、貯湯タンクに貯留された湯の温度が、切換温度よりもさらに低下した第２切換温度以下となった場合に、燃料電池ユニットから送出される湯の温度を低温出湯目標温度からさらに低い第２低温出湯目標温度へ切り換える。したがって、複数段階で燃料電池ユニットから送出される湯の温度を下げることができ、熱源機ユニットでは、貯湯タンクの湯温情報を得ることなく、ユーザーへ供給する湯の温度変化を緩やかにすることができる。

第９態様に係る燃料電池システム運転方法は、前記出湯目標温度は、前記貯湯タンクに貯留された湯の温度が前記切換温度よりも高い場合には一定に維持されている。

このように、出湯目標温度を一定に維持することにより、熱源機ユニットでは、燃料電池ユニットから供給される湯の温度変化に対応した制御を行う機会が低減され、熱源機ユニットからユーザーへ供給される湯の温度の急激な変化を抑制することができる。

以上詳述したように、本発明によれば、燃料電池ユニットとバックアップ熱源機ユニットとの通信が行われない場合でも、バックアップ熱源機ユニットから供給される湯の急激な温度変化を抑制することができる。

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す図である。 第１実施形態に係るＦＣ制御部の電気的な構成の一例を示すブロック図である。 第１実施形態に係るＢＢ制御部の電気的な構成の一例を示すブロック図である。 第１実施形態に係るＦＣ制御部の機能的な構成の一例を示すブロック図である。 第１実施形態に係る出湯目標温度調整処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第１実施形態に係る出湯目標温度調整処理の温度調整処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第１実施形態に係る給湯温度調整処理の温度調整処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る第２出湯目標温度調整処理の流れの一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の一例について詳細に説明する。

[第１実施形態]
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システム１０の構成の一例を示す図である。
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、大きく分けて、燃料電池ユニット１２と、熱源機ユニットの一例である給湯ユニット１４との２ユニットで構成されている。

燃料電池ユニット１２は、燃料ガス及び水を用いて発電を行う。また、貯湯タンク４８を備え、発電により生じた熱を熱交換で回収する伝熱媒体としての湯を貯湯タンク４８に蓄える。給湯ユニット１４は、燃料電池ユニット１２で加熱された上水を目的の温度まで加熱して供給する。なお、貯湯タンク４８には、一例として、開放式のタンクを用いているが、加圧式のタンクを用いてもよい。

また、貯湯タンク４８は、燃料電池モジュール２０と同一の筐体内に設けられていてもよいし、燃料電池モジュール２０と別の筐体内に設けられていてもよい。貯湯タンク４８が燃料電池モジュール２０と別の筐体内に設けられている場合には、後述する混合弁７２や上水熱交換器５４等の器機は、燃料電池モジュール２０側の筐体内に設けられていてもよいし、貯湯タンク４８側の筐体内に設けられていてもよい。

燃料電池ユニット１２は、発電を行う燃料電池の一例である燃料電池モジュール２０を備えている。燃料電池モジュール２０は、筐体の内部に、改質器、バーナ、及び燃料電池スタックを主要な構成として備えている。燃料電池モジュール２０には、不図示の供給路から原料ガス、酸化剤ガス（空気）、改質水等が供給される。

この燃料電池モジュール２０に備えられた改質器は、原料ガスを改質水により改質して水素を生成する。

この改質器では、供給された原料ガスを、バーナ（不図示）の燃焼熱で加熱し、吸熱反応により水素ガスを含む燃料ガスを生成する。この燃料ガスは、燃料電池モジュール２０内の燃料電池スタックの燃料極に供給される。

燃料電池スタックは、例えば、固体酸化物形の燃料電池スタックであり、積層された複数の燃料電池セルを有している。各燃料電池セルは、電解質層と、この電解質層の表裏面にそれぞれ積層された燃料極と空気極とを有している。

空気極には、酸化ガス（外部の空気）が供給される。この空気極では、下記式（１）で示されるように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、電解質層を通って燃料極に到達する。

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ^－ →Ｏ^２－ ・・・（１）

一方、燃料極では、下記式（２）及び式（３）で示されるように、電解質層を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水（水蒸気）及び二酸化炭素と、電子が生成される。燃料極で生成された電子は、外部回路を通って空気極に到達する。そして、このようにして電子が燃料極から空気極に移動することにより、各燃料電池セルにおいて発電される。また、各燃料電池セルは、発電時に上記反応に伴って発熱する。

（燃料極反応）
Ｈ_２ ＋Ｏ^２－ →Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－ ・・・（２）
ＣＯ＋Ｏ^２－ →ＣＯ_２＋２ｅ^－ ・・・（３）

燃料極から排出された燃料極排ガスと、空気極から排出された空気極排ガスとは、バーナにバーナガスとして供給される。バーナでの燃焼により生じたバーナ排ガスは、排出路３４により排気熱交換器３６へ排出される。

排出路３４には、排気熱交換器３６が設けられており、排気熱交換器３６より下流側が排ガス流路３０に接続されている。燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスは、排気熱交換器３６で後述する伝熱媒体５０との熱交換により冷却され、排気される。なお、燃焼排ガスに含有されている水蒸気を凝縮させて、水とガスとに分けれ、水は改質水として再利用することもできる。

排気熱交換器３６には、伝熱媒体５０を排気熱交換器３６と貯湯タンク４８との間で循環させる熱回収循環路４２が接続されている。排気熱交換器３６と貯湯タンク４８とを接続する熱回収循環路４２の一方の流路である第一流路４２ａには、熱回収ポンプ４４が設けられている。この第一流路４２ａの熱回収ポンプ４４より上流側は、貯湯タンク４８に接続されている。貯湯タンク４８には、伝熱媒体として湯が貯留されている。貯湯タンク４８の上部は大気開放されている。また、貯湯タンク４８には、貯湯タンク４８内の上部の湯の温度を計測するタンク温度センサ５２が設けられている。

第一流路４２ａは、貯湯タンク４８の下部に接続されており、貯湯タンク４８の下部に貯留された湯が優先的に排気熱交換器３６へ送られる。貯湯タンク４８から熱回収循環路４２の第一流路４２ａに供給された湯は、熱回収ポンプ４４によって排気熱交換器３６へ送られる。

貯湯タンク４８から第一流路４２ａを介して排気熱交換器３６へ送られた湯は、熱回収循環路４２の他方の流路である第二流路４２ｅを介して貯湯タンク４８に戻される。第二流路４２ｅは、貯湯タンク４８の上部に接続されている。燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスの熱は、排気熱交換器３６によって伝熱媒体５０へ移動され、この熱で加熱された伝熱媒体５０は、貯湯タンク４８の上部に戻される。これにより、燃料電池モジュール２０で発生した熱により貯湯タンク４８内の湯が加熱される。

貯湯タンク４８に貯留された湯は、熱回収循環路４２と異なる熱供給循環路５８を介して、燃料電池ユニット１２に設けられた上水熱交換器５４に供給される。貯湯タンク４８の湯は、熱供給循環路５８に設けられた上水熱交換器５４を経て貯湯タンク４８へ戻される。

熱供給循環路５８の上水熱交換器５４よりも上流側の第一流路５８ａには、熱供給ポンプ５６が設けられている。熱供給ポンプ５６は、貯湯タンク４８の湯の熱を利用して上水等を加熱する際に作動する。

第一流路５８ａの上流端は、貯湯タンク４８の上部に接続されており、貯湯タンク４８の上部に貯留された湯が第一流路５８ａへ送出される。タンク温度センサ５２は、第一流路５８ａの貯湯タンク４８との接続部分の近傍の高さに配置されている。タンク温度センサ５２により、貯湯タンク４８に貯留された湯の上部の温度（以下「タンク湯温情報ＴＴ」という）が検知される。第一流路５８ａの下流端は、上水熱交換器５４と接続され、貯湯タンク４８の上部に貯留された湯が上水熱交換器５４へ供給される。熱供給循環路５８の下流側の第二流路５８ｅは、貯湯タンク４８の下部に接続されており、上水熱交換器５４で熱が奪われた湯は、貯湯タンク４８の下部側に戻される。

上水熱交換器５４には、流入側分岐点６０ａを有する流入路６０が接続されている。流入路６０は、入側管継手６２に接続されている。入側管継手６２は、例えば水道管の給水管６４に接続されており、流入路６０には、上水が供給される。

上水熱交換器５４には、流入路６０からの上水が熱交換後に流出する流出路６６が接続されている。

流出路６６の流出側分岐点６６ａの下流には、混合弁７２が設けられている。混合弁７２は、バイパス路７４を介して流入側分岐点６０ａに接続されている。混合弁７２は、流入路６０からの上水と上水熱交換器５４からの湯とを混合する弁であり、流出温度が予め定められた出湯目標温度Ｔ０となるように、流入路６０からの上水と上水熱交換器５４からの湯との混合比を調整する。混合弁７２は、後述するＦＣ制御部１１０と接続されている。

なお、混合弁７２から流出する湯の温度は、後述する出湯温度計６７で計測される出湯温度情報ＴＤに対応する。出湯目標温度Ｔ０は、ユーザーが任意に設定する要求給湯温度よりも低く設定されている。また、出湯目標温度Ｔ０は、給水管６４から供給される上水の温度よりも高く設定されている。このように、出湯目標温度Ｔ０を上水温度よりも高温にすることにより、燃料電池ユニット１２の排熱を予熱に有効利用することができる。

流出路６６の混合弁７２より下流側には、流量計６５及び出湯温度計６７が設けられている。流量計６５では、混合弁７２から流出した湯の流量を計測する。出湯温度計６７では、混合弁７２から流出した湯の温度を計測する。流量計６５及び出湯温度計６７は、後述するＦＣ制御部１１０と接続されており、流量計６５からは計測した湯の流量（以下「出湯流量ＲＦ」という）がＦＣ制御部１１０へ送信され、出湯温度計６７からは計測した出湯温度情報ＴＤがＦＣ制御部１１０へ送信される。

流出路６６の流量計６５及び出湯温度計６７より下流側は出側継手７６に接続されており、出側継手７６は、出湯管７８を介して、給湯ユニット１４の入水継手８０に接続されている。

給湯ユニット１４のガス継手８２には、ガス供給管２４が接続されており、給湯ユニット１４のバーナ１５０には、ガス供給管２４からの都市ガスが供給される。バーナ１５０の燃焼熱により、熱交換器１５４を通過する湯が加熱される。

本実施形態でのバーナ１５０の最小号数をＧ０とする。ここでの最小号数とは、給湯ユニット１４のバーナ１５０の火力を最小にした状態で連続的に駆動燃焼させた場合の燃焼号数である。

給湯ユニット１４の給湯継手８４には、給湯管８６が接続されており、給湯管８６は、湯が利用される給湯箇所へ配索されている。

給湯ユニット１４の入水継手８０には、入水路１５２が接続されており、入水路１５２は、熱交換器１５４に接続されている。熱交換器１５４は、混合弁１５６を有する給湯路１５８を介して給湯継手８４に接続されており、混合弁１５６は、バイパス路１６０を介して入水路１５２の入水側分岐点１５２ａに接続されている。また、入水継手８０と入水側分岐点１５２ａとの間には、ＢＢ流量計５３が設けられている。

ＢＢ流量計５３は、燃料電池ユニット１２から出湯管７８を介して給湯ユニット１４へ供給される湯の流量（ＢＢ流量情報ＲＢ）を計測する。ＢＢ流量計５３は、後述するＢＢ制御部１７０と接続されており、ＢＢ制御部１７０へ計測したＢＢ流量情報ＲＢを出力する。

混合弁１５６は、入水路１５２からの湯と熱交換器１５４からの湯とを混合する弁であり、入水路１５２からの湯と熱交換器１５４からの湯との混合比を、ユーザーの要求温度に応じて調整する。混合弁１５６には、混合弁１５６から送出される湯の温度（以下「給湯温度情報ＴＳ」という）を計測する給湯温度計１５７が設けられている。給湯温度計１５７は、後述するＢＢ制御部１７０と接続されており、ＢＢ制御部１７０へ給湯温度情報ＴＳを出力する。

なお、給湯ユニット１４には、暖房用の暖房管や、ふろ追焚き用のふろ管などが配策されており、各々循環路を構成すると共に、熱交換器１５４での熱交換により循環路内の湯が加熱される。これら暖房管、ふろ管については図示を省略している。

給湯ユニット１４は、燃料電池ユニット１２で加熱された湯、暖房管、ふろ管内を流れる水を必要に応じて加熱するバックアップ用の熱源機として機能する。

燃料電池ユニット１２には、コントローラとしてのＦＣ制御部１１０が設けられている。ＦＣ制御部１１０により、燃料電池ユニット１２の動作が制御される。また、ＦＣ制御部１１０には、リモコン装置５１が接続されている。リモコン装置５１は、ユーザーからの操作入力を受け付けると共に、燃料電池ユニット１２の状態情報、エラー情報等の各種の情報を表示する。

図２は、第１実施形態に係るＦＣ制御部１１０の電気的な構成の一例を示すブロック図である。

図２に示すように、本実施形態に係るＦＣ制御部１１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１１２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１１３と、入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）１１４と、記憶部１１５と、外部インターフェース（以下、「外部Ｉ／Ｆ」という。）１１６と、を備えている。

ＣＰＵ１１１、ＲＯＭ１１２、ＲＡＭ１１３、及びＩ／Ｏ１１４は、バスを介して各々接続されている。Ｉ／Ｏ１１４には、記憶部１１５と、外部Ｉ／Ｆ１１６と、を含む各機能部が接続されている。これらの各機能部は、Ｉ／Ｏ１１４を介して、ＣＰＵ１１１と相互に通信可能とされる。

記憶部１１５としては、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、フラッシュメモリ等が用いられる。記憶部１１５には、燃料電池ユニット１２の動作を制御するための制御プログラム１１５Ａが記憶される。なお、この制御プログラム１１５Ａは、ＲＯＭ１１２に記憶されていてもよい。

制御プログラム１１５Ａは、例えば、ＦＣ制御部１１０に予めインストールされていてもよい。制御プログラム１１５Ａは、不揮発性の記憶媒体に記憶して、又はネットワークを介して配布して、ＦＣ制御部１１０に適宜インストールすることで実現してもよい。なお、不揮発性の記憶媒体の例としては、ＣＤ-ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、光磁気ディスク、ＨＤＤ、ＤＶＤ-ＲＯＭ（Digital Versatile Disc Read Only Memory）、フラッシュメモリ、メモリカード等が想定される。

本実施形態では、制御プログラム１１５Ａの一部として、出湯目標温度調整処理のプログラムが格納されている。また、出湯目標温度調整処理に使用されるデータとして、通常出湯目標温度Ｔ１、低温出湯目標温度Ｔ２、切換温度ＴＣが格納されている。

出湯目標温度調整処理は、出湯温度計６７で計測される湯の温度である出湯温度情報ＴＤを、出湯目標温度Ｔ０を挟んだ上下の温度幅である出湯目標範囲ＴＲ（Ｔ０±γ℃）内になるように調整すると共に、タンク湯温情報ＴＴが切換温度ＴＣ以下となった場合に、出湯目標温度Ｔ０を、通常出湯目標温度Ｔ１から低温出湯目標温度Ｔ２へ切り換える。

ここで、切換温度ＴＣは、設定されている出湯目標温度Ｔ０よりも高い温度とされている。本実施形態では、出湯目標温度Ｔ０の初期値として、通常出湯目標温度Ｔ１が設定されており、通常出湯目標温度Ｔ１よりもα℃高い温度が切換温度ＴＣとして設定されている。また、低温出湯目標温度Ｔ２は、通常出湯目標温度Ｔ１よりもβ℃低い温度が設定されている。そして、切換温度ＴＣと通常出湯目標温度Ｔ１との温度差α℃が、通常出湯目標温度Ｔ１と低温出湯目標温度Ｔ２との温度差β℃よりも大きく設定されている。

外部Ｉ／Ｆ１１６には、例えば、リモコン装置５１、タンク温度センサ５２、流量計６５、出湯温度計６７、混合弁７２、熱回収ポンプ４４、熱供給ポンプ５６、が接続されている。これらのリモコン装置５１、タンク温度センサ５２、流量計６５、出湯温度計６７、混合弁７２、熱回収ポンプ４４、熱供給ポンプ５６は、外部Ｉ／Ｆ１１６を介して、ＣＰＵ１１１と通信可能に接続される。

図３は、第１実施形態に係るＢＢ制御部１７０の電気的な構成の一例を示すブロック図である。ＢＢ制御部１７０は、ＦＣ制御部１１０と接続されておらず、ＦＣ制御部１１０と非通信となっている。

図３に示すように、本実施形態に係るＢＢ制御部１７０は、ＦＣ制御部１１０と同様に、ＣＰＵ１７１と、ＲＯＭ１７２と、ＲＡＭ１７３と、入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）１７４と、記憶部１７５と、外部インターフェース（以下、「外部Ｉ／Ｆ」という。）１７６と、を備えている。

ＣＰＵ１７１、ＲＯＭ１７２、ＲＡＭ１７３、及びＩ／Ｏ１７４は、バスを介して各々接続されている。Ｉ／Ｏ１７４には、記憶部１７５と、外部Ｉ／Ｆ１７６と、を含む各機能部が接続されている。これらの各機能部は、Ｉ／Ｏ１７４を介して、ＣＰＵ１７１と相互に通信可能とされる。

記憶部１７５には、給湯ユニット１４の動作を制御するための制御プログラム１７５Ａが記憶される。なお、この制御プログラム１７５Ａは、ＲＯＭ１７２に記憶されていてもよい。制御プログラム１７５Ａの一部として、給湯温度調整処理のプログラムが格納されている。給湯温度調整処理により、給湯ユニット１４からユーザーへ供給される湯の温度が調整される。また、記憶部１７５には、ユーザーが要求する湯の温度（以下「要求温度情報ＴＵ」という）が記憶されている。要求温度情報ＴＵとしては、ユーザーが不図示の入力部から任意の温度を設定し、随時変更することができる。

外部Ｉ／Ｆ１７６には、例えば、給湯温度計１５７、混合弁１５６、ＢＢ流量計５３が接続されている。これらの給湯温度計１５７、混合弁１５６、ＢＢ流量計５３は、外部Ｉ／Ｆ１７６を介して、ＣＰＵ１７１と通信可能に接続される。

図４は、第１実施形態に係るＦＣ制御部１１０の機能的な構成の一例を示すブロック図である。本実施形態に係るＦＣ制御部１１０のＣＰＵ１１１は、記憶部１１５に記憶されている制御プログラム１１５ＡをＲＡＭ１１３に書き込んで実行することにより、図４に示す各部として機能する。図４に示すように、本実施形態に係るＦＣ制御部１１０のＣＰＵ１１１は、温度調整部１１１Ａ及び目標温度切換部１１１Ｂとして機能する。

温度調整部１１１Ａは、燃料電池ユニット１２から給湯ユニット１４へ供給される湯の温度を、出湯目標温度Ｔ０に調整する。目標温度切換部１１１Ｂは、タンク湯温情報ＴＴが切換温度ＴＣ以下となった場合に、出湯目標温度Ｔ０を通常出湯目標温度Ｔ１から低温出湯目標温度Ｔ２へ切り換える。

次に、図５、図６を参照して、第１実施形態に係るＦＣ制御部１１０の作用について説明する。

図５は、第１実施形態に係る制御プログラム１１５Ａの内、出湯目標温度調整処理を示すフローチャートである。上述したように、燃料電池ユニット１２では、燃料電池モジュール２０での発電による排熱で貯湯タンク４８の湯が加熱されるため、貯湯タンク４８に貯留された湯の温度は変化する。そこで、燃料電池ユニット１２の運転中は、出湯目標温度調整処理が実行される。なお、出湯目標温度Ｔ０は、初期値として、通常出湯目標温度Ｔ１に設定されている。

まず、ステップＳ１２で、タンク温度センサ５２で検知されたタンク湯温情報ＴＴを取得する。ステップＳ１４で、取得したタンク湯温情報ＴＴが切換温度ＴＣ以下か否かを判断する。ステップＳ１４での判断が肯定された場合には、ステップＳ１６で、出湯目標温度Ｔ０を低温出湯目標温度Ｔ２に切り換える。ステップＳ１４での判断が否定された場合には、ステップＳ１８で、出湯目標温度Ｔ０を通常出湯目標温度Ｔ１に切り換える。

ステップＳ１６、ステップＳ１８の後、ステップＳ２０で、温度調整処理を実行する。温度調整処理は、図６に示されるように、ステップＳ２２で、出湯温度計６７で計測された出湯温度情報ＴＤを取得する。ステップＳ２４で、出湯温度情報ＴＤが出湯目標範囲ＴＲ内か否かを判断する。ステップＳ２４での判断が否定された場合には、ステップＳ２６で、混合弁７２の開度を調整し、ステップＳ２４へ戻る。混合弁７２の開度調整は、出湯温度情報ＴＤが出湯目標範囲ＴＲ内となるまで繰り返され、いわゆるフィードバック制御が実行される。ステップＳ２４での判断が肯定された場合には、温度調整処理を終了し、図５のステップＳ１２へ戻る。

そして、給湯ユニット１４のＣＰＵ１７１では、ユーザーから給湯要求がある場合に、図７に示す給湯温度調整処理が実行される。

ステップＳ４０で、要求温度情報ＴＵを取得し、ステップＳ４１で給湯温度情報ＴＳを取得し、ステップＳ４２で、ＢＢ流量情報ＲＢを取得する。ステップＳ４４で、取得した要求温度情報ＴＵ、給湯温度情報ＴＳ、及びＢＢ流量情報ＲＢに基づいて、ステップＳ４４でバーナ出力制御処理を実行し、ステップＳ４６で混合弁の開度調整処理を実行する。バーナ出力制御処理及び混合弁の開度調整処理は、給湯温度情報ＴＳが要求温度情報ＴＵに近づくように、バーナ１５０の出力が決定されると共に、混合弁１５６の開度が決定されて実行される。

ステップＳ４８で、給湯終了か否かを判断する。給湯の終了は、ＢＢ流量情報ＲＢが０となることで検知することができる。ステップＳ４８での判断が否定された場合には、ステップＳ４０へ戻り、上記の処理を繰り返す。ステップＳ４８での判断が肯定された場合には、給湯温度調整処理を終了する。

本実施形態の燃料電池ユニット１２では、このようにして給湯ユニット１４へ供給される湯の温度が、出湯目標温度Ｔ０に近い出湯目標範囲ＴＲ内に調整される。このように、出湯目標温度Ｔ０を一定の範囲内に維持することにより、給湯ユニット１４では、燃料電池ユニット１２から供給される湯の温度変化に対応した制御を行う機会が低減される。したがって、給湯ユニット１４が燃料電池ユニット１２と非通信であっても、給湯ユニット１４からユーザーへ供給される湯の温度の急激な変化を抑制することができる。

また、タンク湯温情報ＴＴが切換温度ＴＣ以下となった場合に、出湯目標温度Ｔ０を通常出湯目標温度Ｔ１から低温出湯目標温度Ｔ２へ切り換える。この切換えにより、給湯ユニット１４へ供給される湯の温度は、貯湯タンクに貯留された湯の温度が通常出湯目標温度Ｔ１よりも高い切換温度ＴＣ以下となった時点から下がる。これにより、比較的長時間にわたって湯の供給が継続されている場合（例えば浴槽への湯溜）でも、貯湯タンク４８に貯留された湯から上水へ伝達される熱量が減少し、貯湯タンク４８の湯の温度低下の速度を抑制することができる。

一方、給湯ユニット１４では、給湯温度調整処理により、燃料電池ユニット１２から供給された湯を、要求温度になるように処理する。燃料電池ユニット１２から供給される湯は、通常出湯目標温度Ｔ１から低温出湯目標温度Ｔ２に変更された場合、この変更に対応した加熱が実施される。その結果、給湯ユニット１４では、変化当初において、ユーザーへの給湯温度の変化を、通常出湯目標温度Ｔ１と低温出湯目標温度Ｔ２の温度差β℃程度に抑制することができる。これにより、給湯ユニット１４では、貯湯タンクの湯温情報を得ることなく、ユーザーへ供給する湯の急激な温度変化を抑制することができる。

なお、本実施形態では、通常出湯目標温度Ｔ１と低温出湯目標温度Ｔ２の温度差β℃を、切換温度ＴＣと通常出湯目標温度Ｔ１の温度差α℃よりも小さく設定したが、必ずしもそのように設定する必要はない。本実施形態のように、α℃＞β℃となるように設定することにより、温度変化の幅を小さくすることができる。

[第２実施形態]
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

本実施形態では、燃料電池システム１０の構成は、第１実施形態と同様である（図１～図４参照）。本実施形態では、出湯目標温度Ｔ０を切り換える切換温度を複数有すると共に、各々の切換温度に対応して低温出湯目標温度が設定されている。

本実施形態では、制御プログラム１１５Ａの一部として、第２出湯目標温度調整処理のプログラムが格納されている。また、第２出湯目標温度調整処理に使用されるデータとして、通常出湯目標温度Ｔ１、第１低温出湯目標温度Ｔ２－１、第２低温出湯目標温度Ｔ２－２、第１切換温度ＴＣ－１、第２切換温度ＴＣ－２、が格納されている。

第２出湯目標温度調整処理は、出湯温度計６７で計測される湯の温度である出湯温度情報ＴＤを、出湯目標温度Ｔ０を挟んだ上下の温度幅である出湯目標範囲ＴＲ内になるように調整すると共に、タンク湯温情報ＴＴが第１切換温度ＴＣ－１以下となった場合に、出湯目標温度Ｔ０を通常出湯目標温度Ｔ１から第１低温出湯目標温度Ｔ２－１へ切り換え、タンク湯温情報ＴＴが第２切換温度ＴＣ－２以下となった場合に、出湯目標温度Ｔ０を、低温出湯目標温度Ｔ２－１から第２低温出湯目標温度Ｔ２－２へ切り換える。

ここで、第１切換温度ＴＣ－１は、設定されている出湯目標温度Ｔ０よりも高い温度とされている。本実施形態では、出湯目標温度Ｔ０の初期値として、通常出湯目標温度Ｔ１が設定されており、通常出湯目標温度Ｔ１よりもα℃高い温度が第１切換温度ＴＣ－１として設定されている。低温出湯目標温度Ｔ２－１は、通常出湯目標温度Ｔ１よりもβ℃低い温度が設定されている。そして、第１切換温度ＴＣ－１と通常出湯目標温度Ｔ１との温度差α℃が、通常出湯目標温度Ｔ１と第１低温出湯目標温度Ｔ２－１との温度差β℃よりも大きく設定されている。

また、第１低温出湯目標温度Ｔ２－１よりもα℃高い温度が第２切換温度ＴＣ－２として設定され、第１低温出湯目標温度Ｔ２－１よりもβ℃低い温度が第２低温出湯目標温度Ｔ２－２として設定されている。そして、第２切換温度ＴＣ－２は、第１切換温度ＴＣ－１よりも低く、通常出湯目標温度Ｔ１よりも高い温度に設定されている。

温度調整部１１１Ａは、燃料電池ユニット１２から給湯ユニット１４へ供給される湯の温度を、出湯目標温度Ｔ０に調整する。目標温度切換部１１１Ｂは、タンク湯温情報ＴＴが第１切換温度ＴＣ－１となった場合に、出湯目標温度Ｔ０を通常出湯目標温度Ｔ１から第１低温出湯目標温度Ｔ２－１へ切り換え、タンク湯温情報ＴＴが第２切換温度ＴＣ－２となった場合に、出湯目標温度Ｔ０を第１低温出湯目標温度Ｔ２－１から第２低温出湯目標温度Ｔ２－２へ切り換える。

次に、図８を参照して、第２実施形態に係るＦＣ制御部１１０の作用について説明する。

図８は、第２実施形態に係る制御プログラム１１５Ａの内、第２出湯目標温度調整処理を示すフローチャートである。燃料電池ユニット１２の運転中は、第２出湯目標温度調整処理が実行される。なお、出湯目標温度Ｔ０は、初期値として、通常出湯目標温度Ｔ１に設定されている。

まず、ステップＳ１２で、タンク温度センサ５２で検知されたタンク湯温情報ＴＴを取得する。ステップＳ３４で、取得したタンク湯温情報ＴＴが第１切換温度ＴＣ－１以下か否かを判断する。ステップＳ３４での判断が否定された場合には、ステップＳ１８で、出湯目標温度Ｔ０を通常出湯目標温度Ｔ１に切り換える。

ステップＳ３４での判断が肯定された場合には、ステップＳ３６で、取得したタンク湯温情報ＴＴが第２切換温度ＴＣ－２以下か否かを判断する。ステップＳ３６での判断が否定された場合には、ステップＳ３７で、出湯目標温度Ｔ０を第１低温出湯目標温度Ｔ２－１に切り換える。ステップＳ３６での判断が肯定された場合には、ステップＳ３８で、出湯目標温度Ｔ０を第２低温出湯目標温度Ｔ２－２に切り換える。

ステップＳ１８、ステップＳ３７、ステップＳ３８の後、ステップＳ２０で、温度調整処理を実行する（図５参照）。

本実施形態では、貯湯タンク４８に貯留された湯の温度が、第１切換温度ＴＣ－１よりもさらに低下した第２切換温度ＴＣ－２以下となった場合に、燃料電池ユニット１２から送出される湯の温度を第１低温出湯目標温度Ｔ２－１からさらに低い第２低温出湯目標温度Ｔ２－２へ切り換える。したがって、複数段階（２段階）で燃料電池ユニット１２から送出される湯の温度を下げることができ、給湯ユニット１４では、ユーザーへ供給する湯の温度変化を緩やかにすることができる。

なお、本実施形態では、２段階で出湯目標温度Ｔ０を下げたが、３段階、４段階以上で出湯目標温度Ｔ０を下げてもよい。

また、前述の第１、第２本実施形態において、燃料電池ユニット１２から給湯ユニット１４へ供給される湯の流量が所定の切換流量Ｒ０以下となった場合に、出湯目標温度Ｔ０を下げる制御を行ってもよい。この場合、流量計６５で計測される流量（出湯流量Ｒ１）に基づいて、切換流量Ｒ０を検出することができる。

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池ユニット
１４ 給湯ユニット（熱源機ユニット）
２０ 燃料電池モジュール
４８ 貯湯タンク
５２ タンク温度センサ
６７ 出湯温度計
１１０ ＦＣ制御部
１１１Ａ 温度調整部
１１１Ｂ 目標温度切換部
Ｔ０ 出湯目標温度
Ｔ１ 通常出湯目標温度
Ｔ２ 低温出湯目標温度
Ｔ２－１ 第１低温出湯目標温度
Ｔ２－２ 第２低温出湯目標温度
ＴＣ 切換温度
ＴＣ－１ 第１切換温度
ＴＣ－２ 第２切換温度

Claims (9)

1. 発電を行う燃料電池モジュールが設けられた燃料電池ユニットと、
   前記燃料電池ユニットにおける熱交換で加熱された湯を貯留する貯湯タンクと、
   前記燃料電池ユニットに設けられ、前記貯湯タンクに貯留された湯の熱を利用し、前記燃料電池ユニットから送出される湯の温度を出湯目標温度に調整する温度調整部と、
   前記貯湯タンクに貯留された湯の温度が前記出湯目標温度よりも高い切換温度以下となった場合に、前記出湯目標温度を通常出湯目標温度から該通常出湯目標温度よりも低い低温出湯目標温度へ切り換える目標温度切換部と、
   前記燃料電池ユニットと非通信とされ、ガスの燃焼による熱を用いて前記燃料電池ユニットから送出された湯を加熱可能な熱源機ユニットと、
   を備えた燃料電池システム。
2. 前記切換温度は、前記通常出湯目標温度よりもα℃高い温度に設定されている、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記低温出湯目標温度は、前記通常出湯目標温度よりもβ℃低い温度で設定され、α＞βの関係とされている、
   請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記切換温度よりも低い第２切換温度が設定され、
   前記目標温度切換部は、前記貯湯タンクに貯留された湯の温度が前記第２切換温度以下となった場合に、前記出湯目標温度を前記低温出湯目標温度から該低温出湯目標温度よりも低い第２低温出湯目標温度へ切り換える、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記通常出湯目標温度は、前記貯湯タンクに貯留された湯の温度が前記切換温度よりも高い場合には一定に維持されている、
   請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 燃料電池ユニットにおいて、発電を行う燃料電池モジュールからの排熱で加熱された湯を貯湯タンクに貯留し、
   前記貯湯タンクに貯留された湯の熱を利用し、前記燃料電池ユニットから送出される湯の温度を出湯目標温度に調整すると共に、前記貯湯タンクに貯留された湯の温度が通常出湯目標温度よりも高い所定の切換温度以下となった場合に、前記燃料電池ユニットから送出される湯の温度が前記通常出湯目標温度から該通常出湯目標温度よりも低い低温出湯目標温度となるように調整を切り換え、
   ガスの燃焼による熱を用いて前記燃料電池ユニットから送出された湯を加熱可能、且つ前記燃料電池ユニットと非通信とされた熱源機ユニットへ送出する、
   燃料電池システム運転方法。
7. 前記切換温度は、前記通常出湯目標温度よりもα℃高い温度に設定され、
   前記低温出湯目標温度は、前記通常出湯目標温度よりもβ℃低い温度で設定され、
   α＞βの関係とされている、
   請求項６に記載の燃料電池システム運転方法。
8. 前記切換温度よりも低い第２切換温度が設定され、
   前記貯湯タンクに貯留された湯の温度が前記第２切換温度以下となった場合に、前記出湯目標温度を前記低温出湯目標温度から該低温出湯目標温度よりも低い第２低温出湯目標温度へ切り換える、
   請求項６または請求項７に記載の燃料電池システム運転方法。
9. 前記通常出湯目標温度は、前記貯湯タンクに貯留された湯の温度が前記切換温度よりも高い場合には一定に維持されている、
   請求項６～請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム運転方法。

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