JP4837265B2 - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents

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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する。
従来の燃料電池コージェネレーションシステムとして以下のようなものがある（例えば特許文献1参照）。
図１６は、この従来の燃料電池コージェネレーションシステムの構成を示すブロック図である。
図１６において、この燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１と、原料燃料を水蒸気改質及び一酸化炭素変成して燃料ガスを発生させる燃料処理装置２と、燃料電池１に供給する燃料ガスを加湿する燃料側加湿器５と、酸化剤の空気を燃料電池１に供給する空気供給装置６と、供給空気を加湿する酸化側加湿器７とを備えている。
また、この燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池１に不凍液などを送って燃料電池１の温度調整をする冷却配管８と、冷却水を循環させるポンプ９と、燃料電池１で発生した熱を外部熱輸送媒体（市水など）と熱交換する熱交換器１２とを備え、これにより熱交換された外部熱輸送媒体によって燃料電池の排熱を回収する貯湯タンクなどの熱利用手段１６に貯え、かつ排熱輸送制御手段１７により、燃料電池起動時に排熱回収時とは逆方向に外部熱輸送媒体を輸送し熱利用手段１６に回収された排熱を、熱交換手段１２を介して燃料電池１に排熱輸送するように構成されている。
特開２００２−０４２８４１号公報（第３−６頁、第１図）
ところで、上記従来の燃料電池コージェネレーションシステムのように、起動時に燃料電池１を加温するための熱として熱利用手段に貯えられた湯を用いる方が、起動時間の短縮及びエネルギー利用効率の点から最適である。
しかし、利用者は、一般的に熱利用手段の残湯量に無関係に給湯利用するので、熱利用手段の残湯量が少ない場合は給湯利用により熱利用手段の残湯が無くなり、いわゆる湯切れしてしまうことがあった。特に、熱利用手段の湯切れの場合に、給湯を確保するためのバックアップ用給湯装置等を内蔵していない熱利用手段にあっては、湯切れした場合、給湯利用できず極めて利便性の悪いという問題があった。
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、湯切れを防止して利便性を向上可能な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している。
上記課題を解決するため、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池と、前記燃料電池と内部熱輸送媒体とが熱交換するよう該内部熱輸送媒体を循環させる冷却システムと、前記内部熱輸送媒体を加熱する内部熱輸送媒体ヒータと、水である外部熱輸送媒体を利用者が利用可能に貯える貯湯タンクである熱利用部と、前記冷却システムの内部熱輸送媒体と外部熱輸送媒体とが熱交換するように前記熱利用部を通って該外部熱輸送媒体を循環させる排熱利用システムと、前記熱利用部の残存熱量を検知する残存熱量検知手段と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池の起動時に、前記検知された前記熱利用部の残存熱量が、前記燃料電池を運転温度までに昇温するのに必要な熱量である燃料電池昇温熱量以上のある閾値熱量以上であるか否か判定し、前記残存熱量が前記閾値熱量以上である場合には、前記熱利用部の残存熱量を熱交換により前記内部熱輸送媒体に伝達して前記燃料電池を昇温する第１の昇温動作を主として前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させ、前記残存熱量が前記閾値熱量未満である場合には、前記内部熱輸送媒体ヒータにより前記内部熱輸送媒体を加熱して前記燃料電池を昇温する第２の昇温動作を主として前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させる。
また、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池と、前記燃料電池と内部熱輸送媒体とが熱交換するよう該内部熱輸送媒体を循環させる冷却システムと、前記内部熱輸送媒体を加熱する内部熱輸送媒体ヒータと、水である外部熱輸送媒体を利用者が利用可能に貯える貯湯タンクである熱利用部と、前記冷却システムの内部熱輸送媒体と外部熱輸送媒体とが熱交換するように前記熱利用部を通って該外部熱輸送媒体を循環させる排熱利用システムと、前記熱利用部の残存熱量を検知する残存熱量検知手段と、前記熱利用部に貯えられた外部熱輸送媒体の温度を検知する手段と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池の起動時に、前記検知された前記熱利用部の残存熱量が、前記燃料電池を運転温度までに昇温するのに必要な熱量である燃料電池昇温熱量以上のある閾値熱量以上であるか否か判定し、前記残存熱量が前記閾値熱量未満である場合には、前記内部熱輸送媒体ヒータにより前記内部熱輸送媒体を加熱して前記燃料電池を昇温する第２の昇温動作を主として前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させ、前記残存熱量が前記閾値熱量以上である場合には、前記検知された外部熱輸送媒体の温度が前記運転温度以上であるか否か判定し、前記外部熱輸送媒体の温度が前記運転温度以上である場合には、前記熱利用部の残存熱量を熱交換により前記内部熱輸送媒体に伝達して前記燃料電池を昇温する第１の昇温動作を主として前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させ、前記外部熱輸送媒体の温度が前記運転温度未満である場合には、前記第２の昇温動作を主として前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させる。
また、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池と、前記燃料電池と内部熱輸送媒体とが熱交換するよう該内部熱輸送媒体を循環させる冷却システムと、前記内部熱輸送媒体を加熱する内部熱輸送媒体ヒータと、水である外部熱輸送媒体を利用者が利用可能に貯える貯湯タンクである熱利用部と、前記冷却システムの内部熱輸送媒体と外部熱輸送媒体とが熱交換するように前記熱利用部を通って該外部熱輸送媒体を循環させる排熱利用システムと、前記熱利用部の残存熱量を検知する残存熱量検知手段と、前記熱利用部に貯えられた外部熱輸送媒体の温度を検知する手段と、前記燃料電池の外部の気温を検知する手段と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池の起動時に、前記検知された前記熱利用部の残存熱量が、前記燃料電池を運転温度までに昇温するのに必要な熱量である燃料電池昇温熱量以上のある閾値熱量以上であるか否か判定し、前記残存熱量が前記閾値熱量未満である場合には、前記内部熱輸送媒体ヒータにより前記内部熱輸送媒体を加熱して前記燃料電池を昇温する第２の昇温動作を主として前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させ、前記残存熱量が前記閾値熱量以上である場合には、前記検知された外部熱輸送媒体の温度が前記運転温度以上であるか否か判定し、前記外部熱輸送媒体の温度が前記運転温度以上である場合には、前記熱利用部の残存熱量を熱交換により前記内部熱輸送媒体に伝達して前記燃料電池を昇温する第１の昇温動作を主として前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させ、前記外部熱輸送媒体の温度が前記運転温度未満である場合には、前記外部熱輸送媒体の温度が前記検知された外部の気温以上であるか否か判定し、前記外部熱輸送媒体の温度が前記検知された外部の気温以上である場合には、前記第１の昇温動作と前記第２の昇温動作とを組み合わせて前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させ、前記外部熱輸送媒体の温度が前記検知された外部の気温未満である場合には、前記第２の昇温動作を主として前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させる。
また、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池と、前記燃料電池と内部熱輸送媒体とが熱交換するよう該内部熱輸送媒体を循環させる冷却システムと、前記内部熱輸送媒体を加熱する内部熱輸送媒体ヒータと、水である外部熱輸送媒体を利用者が利用可能に貯える貯湯タンクである熱利用部と、前記冷却システムの内部熱輸送媒体と外部熱輸送媒体とが熱交換するように前記熱利用部を通って該外部熱輸送媒体を循環させる排熱利用システムと、前記熱利用部の残存熱量を検知する残存熱量検知手段と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池の起動時に、前記検知された前記熱利用部の残存熱量が、前記燃料電池を運転温度までに昇温するのに必要な熱量である燃料電池昇温熱量と所定の熱量とからなる閾値熱量以上であるか否か判定し、前記残存熱量が前記閾値熱量以上である場合には、前記熱利用部の残存熱量を熱交換により前記内部熱輸送媒体に伝達して前記燃料電池を昇温する第１の昇温動作を主として前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させ、前記残存熱量が前記閾値熱量未満である場合には、前記内部熱輸送媒体ヒータにより前記内部熱輸送媒体を加熱して前記燃料電池を昇温する第２の昇温動作を主として前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させる。
前記燃料電池コージェネレーションシステムは、前記熱利用部に貯えられた外部熱輸送媒体の利用による利用熱量を検知する手段と、時刻を取得する手段と、前記検知された利用熱量を前記取得した時刻とともに記憶する記憶手段とを備え、前記制御装置が、前記時刻とともに記憶された前記利用熱量に基づいて前記起動時間帯利用熱量を算出してもよい。
前記制御装置が、所定の期間に渡る平均値を取るようにして前記起動時間帯利用熱量を算出してもよい。
前記所定の熱量が固定量と補正量とからなり、前記制御装置が、前記算出した起動時間帯利用熱量に基づいて前記補正量を変更してもよい。
前記燃料電池コージェネレーションシステムは、前記燃料電池の外部の気温を検知する手段を備え、前記制御装置が、前記検知された外部の気温に基づいて前記所定の熱量を変更してもよい。
前記燃料電池コージェネレーションシステムは、前記利用される外部熱輸送媒体の温度を検出する手段を備え、前記制御装置が、前記検知された利用される外部熱輸送媒体の温度が前記熱利用部である貯湯タンクの湯切れが発生したと判定できる温度以下となる頻度に応じて、前記所定の熱量を変更してもよい。
前記熱利用部である貯湯タンクが積層沸き上げタイプのもので構成されていてもよい。
前記制御装置は、前記残存熱量が前記燃料電池昇温熱量以上である場合には、前記第１の昇温動作のみで前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させ、前記残存熱量が前記燃料電池昇温熱量未満である場合には、前記第２の昇温動作のみで前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させてもよい。
本発明は、以上に説明したような構成を有し、燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、湯切れを防止して利便性を向上することができるという効果を奏する。その結果、特に燃料電池コージェネレーションシステムに貯湯タンクの湯切れ時のバックアップのための給湯機を内蔵しないものにあっては、極めて有用な装置となる。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る燃料電池コージェネレーションシステムの構成を示すブロック図である。
図１において、燃料電池コージェネレーションシステムの構成は、ハードウェアの構成と制御系統の構成とに大別される。
まず、ハードウェアの構成について説明する。この燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１と、原料と水とから燃料ガスを生成してこれを燃料電池１に供給する燃料処理装置２と、この燃料電池１に供給される燃料ガスを途中で加湿する燃料側加湿器５と、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給する空気供給装置６と、この燃料電池１に供給される空気を途中で加湿する酸化側加湿器７とを備えている。燃料処理装置２は、原料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器３とこの生成された燃料ガスを変成する変成器４とを有している。
また、この燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池１を冷却する冷却システムとこの冷却システムで回収された排熱を利用する排熱利用システムとを有している。
この冷却システムは、燃料電池１の冷却水流路（以下、内部流路という）１ａの入口及び出口にその両端が接続され内部熱輸送媒体としての冷却水（ここでは不凍液）が通流する冷却水配管８と、冷却水配管８の途中に設けられ冷却水を循環させる冷却水ポンプ９と、冷却水配管８の途中に設けられ冷却水の保持する熱を外部熱輸送媒体（ここでは貯湯水（市水））と交換する熱交換器１２とを備えている。熱交換器１２は、その一対の熱交換用流路の一方が冷却水配管８に接続されるように設けられている。
また、配管８の、熱交換器１２の両側に位置する部分を結ぶように配管３１が配設され、この配管３１の途中に冷却水を加熱する冷却水ヒータ１００と流量調整弁１３とが設けられている。また、配管８の、該配管８と配管３１との接続部分と熱交換器１２との間の部分に流量調整弁１４が設けられている。冷却水ヒータ１００は、例えば、抵抗加熱方式のヒータで構成され、電力系統に接続された電源（図示せず）から供給される電流によって発熱するよう構成されている。
上記排熱利用システムは、熱利用部としての貯湯タンク１６と、一対の配管１５ａ，１５ｂと、循環方向切換手段１７とを備えている。貯湯タンク１６の利用形態としては、ここでは、積層沸き上げ方式が採用されている。具体的には、貯湯タンク１６は、ここでは筒状に形成されその中心軸が鉛直方向に延びるように配設されている。そして、貯湯タンク１６の上端と熱交換器１２の一対の熱交換用流路の他方の一端との間が配管１５ａによって接続されている。また、貯湯タンク１６の下端と熱交換器１２の一対の熱交換用流路の他方の他端との間が配管１５ｂによって接続されている。そして、配管１５ｂの途中に、循環方向切換手段１７が設けられている。
循環方向切換手段１７は、外部熱輸送媒体循環手段としての貯湯水ポンプ２０と、貯湯水ポンプ２０の吐出ポート及び吸入ポートにそれぞれ接続された吐出側分岐継手２３及び吸入側分岐継手２４と、配管１５ｂの熱交換器１２側の部分、吐出側分岐継手２３、及び吸入側分岐継手２４に接続された第１の流路切換弁２１と、配管１５ｂの貯湯タンク１６側の部分、吸入側分岐継手２４、及び吐出側分岐継手２３に接続された第２の流路切換弁２２とを備えている。この構成により、循環方向切換手段１７は、第１の流路切換弁２１を、配管１５ｂの熱交換器側の部分を吸入側分岐継手２４に接続するよう切り換え、第２の流路切換弁２２を、配管１５ｂの貯湯タンク１６側の部分を吐出側分岐継手２４に接続するよう切り換えることによって、貯湯水を貯湯タンク１６の上端から取り出して貯湯タンク１６の下端に送り込むような方向（矢印Ｂ方向）に循環させ、かつ第１の流路切換弁２１を、配管１５ｂの熱交換器側の部分を吐出側分岐継手２３に接続するよう切り換え、第２の流路切換弁２２を、配管１５ｂの貯湯タンク１６側の部分を吸入側分岐継手２４に接続するよう切り換えることによって、貯湯水を貯湯タンク１６の下端から取り出して貯湯タンク１６の上端に送り込むような方向（矢印Ａ方向）に循環させることができる。
また、排熱利用システムは、貯湯タンク１６の下端に接続された市水を供給するための配管３２と、貯湯タンク１６の上端に接続された貯湯水を利用者に供給するための配管３３とを備えており、これにより、配管３２から貯湯タンク１６に送り込まれた市水が燃料電池１の排熱により温水化され、この温水が配管３３から取り出されて、利用者に供給される。
次に、制御系統の構成を説明する。燃料電池コージェネレーションシステムは、制御装置２０１と、残存熱量検知手段としての第１〜第３のタンク温度センサ１０１Ａ〜１０１Ｃと、利用熱量検知手段としての流量計１０２と、燃料電池１のスタックの温度を検知するスタック温度センサ２０２と、第１の熱交換温度センサ１８と、第２の熱交換温度センサ１９とを備えている。制御装置２０１は、演算装置で構成され、演算部１０５と、記憶部１０４と、計時部１０３とを有している。この演算装置として、ここではマイコンが用いられ、演算部１０５はＣＰＵで、記憶部１０４はＲＯＭ、ＲＡＭ等の半導体メモリで、それぞれ構成されている。
第１〜第３の温度センサ１０１Ａ〜１０１Ｃは、例えばサーミスタ又は熱電対で構成され、貯湯タンク１６の鉛直方向における温度分布を検知可能なように配設されている。ここでは、第１〜第３の温度センサ１０１Ａ〜１０１Ｃは、貯湯タンク１６の上部１６ａ、中部１６ｂ、及び下部１６ｃの各表面の中央にそれぞれ位置するように設けられている。
第１〜第３の温度センサ１０１Ａ〜１０１Ｃの出力（温度検知信号）は制御装置２０１の演算部１０５にそれぞれ入力されている。
スタック温度センサ２０２は、例えばサーミスタ又は熱電対で構成され、燃料電池１のスタックに配設されている。スタック温度センサ２０２の出力（温度検知信号）は制御装置２０１の演算部１０５に入力されている。
流量計１０２は貯湯水を利用者に供給する配管３３に配設され、その出力（流量検知信号）が制御装置２０１の演算部１０５に入力されている。
第１、第２の熱交換温度センサ１８，１９は、例えばサーミスタでそれぞれ構成されている。第１の熱交換温度センサ１８は、配管１５ａの熱交換器１２への接続部近傍に配設され、第２の熱交換温度センサ１９は、配管１５ｂの熱交換器１２への接続部近傍に配設されている。第１、第２の熱交換温度センサ１８，１９の出力（温度検知信号）は制御装置２０１の演算部１０５に入力されている。
一方、この演算部１０５は、冷却水ヒータ１００のオン・オフと循環方向切換手段１７の動作とを制御している。
さらに、図示されてはいないが、この演算部１０５には燃料電池コージェネレーションシステムの所要のセンサの出力が入力されるとともに、燃料電池コージェネレーションシステムの所要の構成要素がこの演算部１０５によって制御されている。これにより、演算部１０５は、各入力に基づいて演算、処理等を行い、これに基づいて各構成要素に制御信号を出力することによって、後述する昇温手段選択制御を含む燃料電池コージェネレーションシステムの動作を制御する。
次に、以上の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の動作を説明する。この動作は、上述のように制御装置２０１の制御により遂行される。なお、制御装置２０１自体は、常時（正確には燃料電池コージェネレーションシステムが設置された以降は常時）、動作している。
まず、一般的な動作を説明する。燃料電池コージェネレーションシステムは、動作モードとして、起動モードと、運転モードと、停止モードとを有しており、起動モードにおいて、所定の動作により燃料電池コージェネレーションシステムが円滑かつ安全に立ち上げられ、運転モードにおいて発電が行われ、停止モードにおいて、所定の動作により燃料電池コージェネレーションシステムが円滑かつ安全に停止される。
具体的には、図１において、運転モードでは、改質器３に原料ガスと水が供給され、そこで水素リッチな改質ガスからなる燃料ガスが生成される。この燃料ガスは変成器４に供給され、そこでシフト反応により水素ガスの濃度が高められ、次いで、燃料側加湿器５に供給されてそこで加湿され、次いで、燃料電池１の燃料極（図示せず）に供給される。
一方、空気供給装置６から酸化ガスとしての空気が酸化側加湿器７に供給されてそこで加湿され、次いで、燃料電池１の空気極（図示せず）に供給される。この酸化ガスはそこで燃料極の燃料と反応して電気及び熱を発生する。
そして、反応に使用されなかった燃料及び酸化ガスは燃料電池１の外部に排出される。発生した電気は図示されない出力部から負荷等に供給される。
一方、冷却システム及び排熱利用システムでは、運転モードにおいては、流量調整弁１３が全閉されるとともに流量調整弁１４が全開され、冷却水ポンプ９により、冷却水が燃料電池１の内部流路１ａと、配管８と、熱交換器１２とを通って循環する。これにより、燃料電池１で発生した熱（排熱）が冷却水によって回収されるとともに燃料電池１が冷却され、この回収された熱が熱交換器１２において貯湯水に伝達される。
また、循環方向切換手段１７においては、第１の流路切換弁２１が、配管１５ｂの熱交換器側の部分を吐出側分岐継手２３に接続するよう切り換えられるとともに、第２の流路切換弁２２が、配管１５ｂの貯湯タンク１６側の部分を吸入側分岐継手２４に接続するよう切り換えられ、貯湯水が、貯湯水ポンプ２０によって、矢印Ａ方向、すなわち、貯湯タンク１６の下端から取り出されて貯湯タンク１６の上端に送り込まれるような方向に循環される。これにより、熱交換器１２において、貯湯水に冷却水から熱が伝達（回収）されるとともに冷却水が貯湯水によって冷却される。このように熱が伝達された貯湯水はそれによって昇温しタンク１６に下から上へ温度が高くなるよう積層されるようにして貯えられる。このように貯えられた貯湯水が、配管３３とカラン等の給湯端末とを通じて、利用者により、適時、利用（消費）される。そして、この消費された貯湯水を補充するように、配管３２から貯湯タンク１６に市水が供給される。
次に、本発明を特徴付ける燃料電池コージェネレーションシステムの昇温手段選択動作を図１及び図２用いて説明する。図２図１の燃料電池コージェネレーションシステムの昇温手段選択動作を示すフローチャートである。
図１及び図２を参照して、この昇温手段選択動作において、制御装置２０１の演算部１０５は、貯湯タンク１６の残存熱量Ｑを演算する（ステップＳ１）。具体的には、以下のように行う。
図１及び図２において、演算部１０５には、第１〜第３のタンク温度センサ１０１Ａ〜１０１Ｃから貯湯タンク１６の上部１６ａ、中部１６ｂ、及び下部１６ｃの温度がそれぞれ逐次入力される。演算部１０５は、次のようにして貯湯タンク１６の残存熱量Ｑを算出する。まず、貯湯タンク１６の上部１６ａの体積と第１のタンク温度センサ１０１Ａから入力される貯湯タンク１６の上部１６ａの温度との積に所定の係数を掛けることによって貯湯タンク１６の上部１６ａの残存熱量を算出する。また、貯湯タンク１６の中部１６ｂの体積と第２のタンク温度センサ１０１Ｂから入力される貯湯タンク１６の中部１６ｂの温度との積に所定の係数を掛けることによって貯湯タンク１６の中部の残存熱量を算出する。また、貯湯タンク１６の下部１６ｃの体積と第３のタンク温度センサ１０１Ｃから入力される貯湯タンク１６の下部１６ｃの温度との積に所定の係数を掛けることによって貯湯タンク１６の下部１６ｃの残存熱量を算出する。そして、貯湯タンク１６の各部の残存熱量を合計して、貯湯タンク１６の残存熱量Ｑを得る。なお、貯湯タンク１６の各部１６ａ〜１６ｃの体積は、実験によって測定してもよい。
次に、演算部１０５は、燃料電池１をその運転温度まで昇温するのに必要な熱量（以下、燃料電池昇温熱量という）ＱＦを演算する（ステップＳ２）。具体的には、スタック温度センサ２０２から演算部１０５にスタックの温度検知信号が入力され、演算部１０５はこの温度検知信号を変換してステックの温度を得る。一方、制御装置２０１の記憶部１０４には、燃料電池１の運転温度とスタックの熱容量とが記憶されており、演算部１０５は、これらを記憶部１０４から読み出して、燃料電池１の運転温度と入力されたスタックの温度との差分にスタックの熱容量を掛けることによって燃料電池昇温熱量ＱＦを算出する。なお、演算を簡略化する場合には、スタックの温度を考慮せずに、燃料電池昇温熱量ＱＦを固定値とし、これを記憶部１０４に記憶して適宜読み出してもよい。
次に、演算部１０５は、燃料電池１が起動時であるか否か判定する（ステップＳ３）。ここで、既述のように、制御装置１０５は常時動作（オン）しており、起動停止されるのは、この燃料電池コージェネレーションシステムの制御装置２０１を除く部分である。従って、「燃料電池１の起動時」とは、制御装置２０１から燃料電池１に起動モードを開始するための制御信号が出力される時をいう。但し、このステップＳ３における判定対象の「時」は「起動時」に限定する必要はなく、設計に応じて起動モード中の適宜な時点を選択することができる。
そして、起動時でない場合はステップＳ１に戻る。一方、起動時である場合は、貯湯タンク１６の残存熱量Ｑが燃料電池昇温熱量ＱＦ（閾値熱量、以下、昇温手段選択閾値ＱＬＴという）以上であるか否か判定する（ステップＳ４）。
そして、貯湯タンク１６の残存熱量Ｑが燃料電池昇温ＱＦ以上である場合には、この残存熱量Ｑにより燃料電池１を昇温し（ステップＳ５）、貯湯タンク１６の残存熱量Ｑが燃料電池昇温ＱＦ未満である場合には、冷却水ヒータ１００により燃料電池１を昇温する（ステップＳ６）。
以下、これらの昇温動作を具体的に説明する。まず、貯湯タンク１６の残存熱量Ｑで燃料電池１を昇温する場合には、冷却システムの流量調整弁１４が全開され、流量調整弁１３が全閉され、かつ冷却水ポンプ９が作動される。また、循環方向切換手段１７においては、第１の流路切換弁２１が、配管１５ｂの熱交換器側の部分を吸入側分岐継手２４に接続するよう切り換えられるとともに、第２の流路切換弁２２が、配管１５ｂの貯湯タンク１６側の部分を吐出側分岐継手２３に接続するよう切り換えられ、かつ貯湯水ポンプ２０が作動される。これにより、貯湯水が、貯湯水ポンプ２０によって、矢印Ｂ方向、すなわち、貯湯タンク１６の上端から取り出されて貯湯タンク１６の下端に送り込まれるような方向に循環され、貯湯タンク１６に貯えられた熱が、熱交換器１２において貯湯水から冷却水に伝達される。そして、この熱を伝達された冷却水が燃料電池１の内部流路１ａを通流し、その熱によって燃料電池１が昇温される。
一方、冷却水ヒータ１００により燃料電池１を昇温する場合には、冷却システムの流量調整弁１４が全閉され、流量調整弁１３が全開され、かつ冷却水ポンプ９が作動される。一方、循環方向切換手段１７においては貯湯ポンプ２０が停止される。これにより、冷却水ヒータ１００によって加熱された冷却水が燃料電池１の内部流路１ａを通流し、燃料電池１が昇温する。
以上のように、本実施の形態では、貯湯タンク１６の残存熱量Ｑが、燃料電池１の昇温に必要な熱量ＱＦ以上の場合にのみ、冷却水ヒータ１００を用いずに貯湯タンク１６の残存熱量Ｑで燃料電池１を昇温するので、燃料電池１の昇温に起因する湯切れを防止することができる。
［変形例１］
次に、本実施の形態の変形例１を説明する。
図３は本変形例における燃料電池コージェネレーションシステムの昇温手段選択動作を示すフローチャートである。
本変形例では、制御装置２０１の制御による昇温手段選択動作が図２の昇温手段選択動作と相違し、その他の点は図１及び図２の構成と同じである。具体的には、図１及び図３に示すように、制御装置２０１の演算部１０５は、ステップＳ２で燃料電池昇温熱量ＱＦを演算した後、貯湯水温度ＴＷ及び燃料電池運転温度ＴＯを取得する。すなわち、演算部１０５は、第１のタンク温度センサ１０１Ａから入力される貯湯水タンク１６の上部の温度検知信号を所定の変換式を用いて温度に変換し、この温度を貯湯水温度ＴＷとして用いる。また、制御装置２０１の記憶部１０４には予め燃料電池１の運転温度ＴＯが記憶されており、演算部１０５はこの燃料電池運転温度ＴＯを記憶部１０４から読み出してこれを取得する。
そして、演算部１０５は、ステップＳ４で残存熱量Ｑが燃料電池昇温熱量ＱＦ以上であると判定された場合に、その後、貯湯水温度ＴＷが燃料電池運転温度ＴＯ以上であるか否か、判定する（ステップＳ１２）。そして、貯湯水温度ＴＷが燃料電池運転温度ＴＯ以上であると残存熱量Ｑにより燃料電池１を昇温し、貯湯水温度ＴＷが燃料電池運転温度ＴＯ未満であると冷却水１００により燃料電池１を昇温する。この他の点は、図２の昇温手段選択動作と同じである。
これにより、燃料電池１を確実に所定の運転温度ＴＯにまで昇温することができる。
［変形例２］
次に、本実施の形態の変形例２を説明する。
図４は本変形例における燃料電池コージェネレーションシステムの昇温手段選択動作を示すフローチャート、図５は残存熱量の１日の経時変化を示すグラフ、図６は利用者による利用熱量の１日の経時時変化の一例を示すグラフである。
本変形例では、制御装置２０１の制御による昇温手段選択動作が図２の昇温手段選択動作と相違し、その他の点は図１及び図２の構成と同じである。具体的には、図１及び図４に示すように、制御装置２０１の演算部１０５は、ステップＳ１で残存熱量Ｑを既述の方法で算出するが、ここでは、この算出した残存熱量Ｑを計時部１０３から入力される時刻と一緒に記憶部１０４に記憶する。この残存熱量Ｑは、１日の残存熱量として、１日単位で記憶される。このデータは、現在から所定の日数分保存され、所定の日数を経過すると順次消去される（上書きされる）。
次いで、演算部１０５は、ステップＳ２で燃料電池昇温熱量ＱＦを演算し、その後、ステップＳ１３で利用熱量Ｅを演算する。すなわち、配管３３を通じて利用される貯湯水（以下、給湯水という）の流量は、逐次、流量計１０２から制御装置２０１の演算部１０５に入力される。また、演算部１０５には、第１のタンク温度センサ１０１Ａから貯湯タンク１６の上部１６ａの温度が逐次入力される。演算部１０５は、流量計１０２から入力される給湯水の流量と、第１のタンク温度センサ１０１Ａから入力される貯湯タンク１６の上部１６ａの温度との積に所定の係数を掛けることによって利用者による利用熱量Ｅを算出し、この利用熱量Ｅを計時部１０３から入力される時刻と一緒に記憶部１０４に記憶する。この利用熱量Ｅは、１日の利用者による利用熱量として、１日単位で記憶される。このデータは、現在から所定の日数分保存され、所定の日数を経過すると順次消去される（上書きされる）。
次いで、演算部１０５は、燃料電池１が起動されるか否か判定し（ステップＳ３）、起動されるまでステップＳ１，２，１３、３を繰り返す。そして、起動されると、貯湯タンク１６の残存熱量Ｑが燃料電池昇温熱量ＱＦと利用熱量Ｅのうちの起動時間帯利用熱量ＥＳＡとの合計値以上であるか否か判定する（ステップＳ４）。
そして、残存熱量Ｑが燃料電池昇温熱量ＱＦと起動時間帯利用熱量ＥＳＡとの合計値以上であると、残存熱量Ｑにより燃料電池１を昇温し（ステップＳ５）、残存熱量Ｑが燃料電池昇温熱量ＱＦと起動時間帯利用熱量ＥＳＡとの合計値未満であると、冷却水ヒータ１００により燃料電池１を昇温する（ステップＳ５）。
次に、ステップＳ４における昇温手段選択判定について詳しく説明する。演算部１０５が、ステップＳ１，２，１３，４〜６の動作を繰り返すことにより、記憶部１０４には、１日の利用熱量の経時変化と１日の残存熱量の経時変化とが記憶される。
この利用熱量（ここでは実質的に給湯利用量を意味する）Ｅは、例えば、１日において、図６に実線で示すように経時変化する。図６では、午前６時頃と、昼１２頃と、夕方から夜にかけての１８時〜２４時の時間帯に熱利用があり、特に１８時〜２４時の時間帯の利用熱量ＥＳ１が多い。この場合、貯湯タンク１６の残存熱量Ｑは、図５に実線で示すように経時変化し、１日の終わり（２４時）頃には、最終的にＱ１という熱量になる。
本変形例では、燃料電池コージェネレーションシステムは、自動的に起動及び停止されるように設定されており、朝６時頃（時刻ｔ１）に起動し、夜２４時頃に停止する。また、本変形例では、昇温手段選択の判定基準となる利用熱量Ｅは利用者の生活パターンを考慮して決定されており、具体的には、起動時間帯（ここでは期間ｔＡ（時刻：ｔ１〜ｔ２））における利用熱量ＥＳ２がこの判定基準となる熱量（以下、起動時間帯利用熱量ＥＳＡという）として用いられる。ここで、本明細書において、「起動時間帯」とは、「燃料電池コージェネレーションシステムの起動から、これと同時又はこの後に開始された熱利用が所定時間以上停止されるまでの時間帯」をいう。この所定時間として、本変形例では６０ 分が用いられる。但し、熱利用の頻度は、利用者の熱利用形態又は利用者数の多寡等によって異なるため、「起動時間帯」は、この所定時間（６０分）に限定されるものではない。例えば、熱利用頻度が多い又は利用者数が多い場合には所定時間を長くする必要があり、逆に熱利用頻度が少ない又は利用者数が少ない場合には所定時間を短くする必要がある。このようにすると、使用実態に合った「起動時間帯」を規定することができる。
従って、ある日の残存熱量Ｑ及び利用熱量Ｅの経時変化が図５及び図６に実線で示すようなものであった場合、演算部１０５は、翌日の起動時（時刻Ｔ１）に、ステップＳ４において、残存熱量ＱとしてのＱ１が、起動時間帯利用熱量ＥＳＡとしての利用熱量ＥＳ２と燃料電池昇温熱量ＱＦとの合計値以上であるか否か判定する。ここでは、この残存熱量Ｑ１が、利用熱量ＥＳ２と燃料電池昇温熱量ＱＦとの合計値より小さいと仮定する。この場合、演算部１０５は、残存熱量Ｑが、燃料電池昇温熱量ＱＦと起動時間帯利用熱量ＥＳＡとの合計値未満であると判定して、冷却水ヒータ１００により燃料電池１を昇温する（ステップＳ６）。これにより、燃料電池１の起動時に生活パターンによりある利用熱量（ＥＳ２）が見込まれる場合における湯切れを防止することができる。なお、図５において、期間ｔＡ中の残存熱量Ｑの減少量ＱＬ１は利用熱量ＥＳ２と燃料電池昇温熱量ＱＦとの合計値に相当する。
一方、前記ある日の１８時〜２４時の時間帯における利用熱量ＥＳ３が図６に一点鎖線で示すように少なかった場合、貯湯タンク１６の残存熱量Ｑは、図５に一点鎖線で示すように最終的にＱ２という熱量になる。ここでは、この残存熱量Ｑ２が、利用熱量ＥＳ３と燃料電池昇温熱量ＱＦとの合計値より大きいと仮定する。この場合、翌朝の起動時に、演算部１０５は、ステップ４において、残存熱量Ｑが、燃料電池昇温熱量ＱＦと起動時間帯利用熱量ＥＳＡとの合計値以上であると判定し、残存熱量Ｑにより燃料電池１を起動する。これにより、燃料電池コージェネレーションシステムでは、期間ｔＡにおける利用熱量ＥＳ２を確保した上で、燃料電池１が昇温される。その結果、期間ｔＡにおいて、給湯による利用熱量ＥＳ２と燃料電池昇温熱量ＱＦの合計値に相当する残存熱量Ｑの減少ＱＬ２が生じるが、給湯利用終了時ｔ２に湯切れすることはない。
このように、本変形例によれば、貯湯タンク１６に運転時に貯えられた残存熱量Ｑに応じて、燃料電池１の起動時に、利用者の給湯利用に不足を生じさせずに回収した排熱を有効に利用することができる。
なお、上記の説明では、起動時間帯利用熱量ＥＳＡとして前日の起動時間帯ｔＡにおける利用熱量ＥＳ２を用いたが、構成を簡略化する場合には、起動時間帯利用熱量ＥＳＡを固定値としてもよい。
［変形例３］
次に、本実施の形態の変形例３を説明する。変形例２では、利用者の生活パターンを考慮して昇温手段選択判定における閾値ＱＬＴが設定されたが、具体的には起動時間帯利用熱量ＥＳＡとして前日の起動時間帯ｔＡにおける利用熱量ＥＳ２が用いられている。しかし、個々の利用熱量ＥＳ２は日によって変動するため、特に、当日と前日との間における変動が大きい場合には、湯切れを適切に防止できない場合も生じる。本変形例は、この課題の解決を図ったものである。
図７は本変形例における燃料電池コージェネレーションシステムの昇温手段選択動作を示すフローチャートである。
本変形例では、変形例２とは以下の点が相違する。すなわち、図７に示すように、ステップＳ３で起動時でないと判定した場合には、演算部１０５が、起動時間帯利用熱量ＥＳＡ（ここでは起動時間帯である期間ｔＡにおける利用熱量ＥＳ２）の所定期間毎の平均値ＥＳＡＡを算出し、この算出した起動時間帯利用熱量ＥＳＡの平均値（以下、平均起動時間帯利用熱量という）ＥＳＡＡを記憶部１０４に記憶する。前記所定の期間として、例えば、１週間、１ヶ月あるいは季節等が用いられる。この平均起動時間帯利用熱量ＥＳＡＡは前記所定期間より長い期間毎に更新される。
そして、ステップＳ４で、残存熱量Ｑが、燃料電池昇温熱量ＱＦと平均起動時間帯利用熱量ＥＳＡＡとの合計値以上であるか否かが判定される。その他の点は変形例２と同様である。
このような本変形例によれば、昇温手段選択閾値ＯＬＴにおいて考慮される起動時間帯利用熱量ＥＳＡとしてその平均値ＥＳＡＡが用いられるため、昇温手段選択閾値ＱＬＴの変動が小さくなり、当日と前日との間における変動が大きい場合における湯切れを低減することができる。
（実施の形態２）
実施の形態１の変形例２及び３では、利用者の生活パターンを考慮して昇温手段選択閾値ＯＬＴが設定されたが、この利用者の生活パターンは季節の変化に影響されて変動する。例えば、一般的に、朝方における給湯や暖房などに利用される熱量は、外気温が低いほど増加する。本発明の実施の形態２は、この季節の変化による起動時間帯の利用熱量の変化を見込んで昇温手段選択閾値ＯＬＴが設定される例を示す。
図８は本発明の実施の形態２に係る燃料電池コージェネレーションシステムの構成を示すブロック図である。図８において、図１と同一又は相当する部分には同じ符号を付してその説明を省略する。
本実施の形態では、外気温を検知する外気温センサ１０６が適所に配設され、この外気温センサ１０６の温度検知信号が制御装置２０１の演算部１０５に入力される。そして、演算部１０５がこの検知された外気温を考慮して昇温手段を選択する。外気温センサ１０６としてはサーミスタ等の温度センサが用いられる。これ以外の点は実施の形態１（図１及び図２の構成）と同様である。
次に、以上の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の動作を説明する。図９は図８の燃料電池コージェネレーションシステムの昇温手段選択動作を示すフローチャートである。図９において図４と同一又は相当するステップには同じ符号を付してその説明を省略する。
図８及び図９において、本実施の形態では、演算部１０５は、ステップＳ２で燃料電池昇温熱量ＱＦを演算した後、ステップＳ１５で外気温による補正量ＱＨを演算する。そして、ステップＳ４で、残存熱量Ｑが、燃料電池昇温熱量ＱＦと基準起動時間帯利用熱量ＱＡとこの補正量ＱＨとの合計値以上であるか否か判定する。その他の点は、実施の形態１の図１及び図２の構成と同様である。
以下、実施の形態１との相違点について詳しく説明する。
図１０は外気温ＴＡの変化に対する起動時間帯利用熱量ＥＳＡの変化（以下、外気温―起動時間帯利用熱量特性という）を示すグラフである。
一般的に、起動時間帯ｔＡにおける利用熱量は外気温が低くなるに連れて増大する。本実施の形態では、予め、外気温―起動時間帯利用熱量特性が制御装置２０１の記憶部１０４に記憶されている。この外気温―起動時間帯利用熱量特性は、ここでは、実験、シミュレーション等で求められる。図１０は、この外気温―起動時間帯利用熱量特性の一例を示したものである。そして、記憶部１０４には、この外気温−起動時間帯熱量特性を用いて昇温手段選択閾値ＱＬＴを設定するための基準起動時間帯利用熱量ＱＡが記憶されている。この基準起動時間帯利用熱量ＱＡは任意の値に設定してよいが、ここでは、この外気温―起動時間帯利用熱量特性において標準的な外気温に対応する起動時間帯利用熱量に設定されている。
ステップＳ１５において、演算部１０５は、外気温センサ１０６から入力される外気温検知信号を温度に変換して外気温ＴＡを取得し、かつ記憶部１０４から外気温―起動時間帯利用熱量特性と基準起動時間帯利用熱量ＱＡを読み出す。そして、外気温―起動時間帯利用熱量特性上の外気温ＴＡ（図１０ではＴＡ１）に対応する起動時間帯利用熱量ＥＳＡ（図１０ではＥＳＡ１）と基準起動時間帯利用熱量ＱＡとの差分ΔＥＳＡを補正量ＱＨとして取得する。
そして、ステップＳ４において、残存熱量Ｑが、燃料電池昇温熱量ＱＦと基準起動時間帯利用熱量ＱＡとこの補正量ＱＨとの合計値以上である場合、すなわち、
Ｑ ≧ ＱＦ ＋ ＱＡ ＋ ＱＨ ＝ ＱＬＴ
である場合には、残存熱量Ｑにより燃料電池を昇温する（ステップＳ５）。
一方、残存熱量Ｑが、燃料電池昇温熱量ＱＦと基準起動時間帯利用熱量ＱＡとこの補正量ＱＨとの合計値未満である場合、すなわち、
Ｑ ＜ ＱＦ ＋ ＱＡ ＋ ＱＨ ＝ＱＬＴ
である場合には、冷却水ヒータ１００により燃料電池を昇温する（ステップＳ６）。
以上のように、本実施の形態によれば、季節の変化により起動時間帯ｔＡの利用熱量が変化しても、自動的に昇温手段選択閾値ＱＬＴを補正して追従するため、燃料電池起動時に湯切れをきたすことなく、極めて利便性がよくかつ省エネルギーなコージェネレーションシステムを提供することができる。
なお、上記の説明では、外気温―起動時間帯利用熱量特性を実験等で求めたが、起動時間帯利用熱量ＥＳＡを実施の形態１と同様にして求め、この起動時間帯利用熱量ＥＳＡと外気温センサ１０６で検知された外気温ＴＡとを記憶部１０４に記憶して蓄積し、この蓄積した起動時間帯利用熱量ＥＳＡと外気温ＴＡとを演算部１０５が回帰分析等で統計的に処理して外気温―起動時間帯利用熱量特性を得るように構成してもよい。
［変形例１］
次に、本実施の形態の変形例１を説明する。
本変形例では、図８において外気温を検知する外気温センサ１０６が省略されている。そして、演算部１０５が月別の平均起動時間帯利用熱量を演算し、この月別平均起動時間帯利用熱量に基づいて昇温手段を選択することにより、結果的に外気温を考慮して昇温手段を選択する。これ以外の点は図８及び図９の構成と同様である。
以下、図８及び図９の構成との相違点を詳しく説明する。
図１１は本変形例の燃料電池コージェネレーションシステムの昇温手段選択動作を示すフローチャート、図１２は本変形例の燃料電池コージェネレーションシステムにおける月別平均起動時間帯利用熱量の経時変化を示すグラフである。
図８及び図１１において、本変形例では、演算部１０５は、ステップＳ２で燃料電池昇温熱量ＱＦを演算した後、ステップＳ１３で実施の形態１の変形例２と同様にして利用熱量Ｅを演算する。
その後、ステップＳ１５で外気温による補正量ＱＨを演算する。そして、ステップＳ３で起動時ではないと判定された場合に、その後、ステップＳ１４’で月別起動時間帯利用熱量変化曲線を作成する。その他の点は、図９の昇温手段選択動作と同様である。
具体的には、ステップＳ１４’において、演算部１０５は、ステップＳ１３で演算した利用熱量Ｅのうち、起動時間帯利用熱量ＥＳＡを月毎に合算した後これをその月の日数で除して、月毎の平均起動時間帯利用熱量（以下、月別平均起動時間帯利用熱量という）ＥＳＡＡを算出し、これをその月と一緒に（関連付けて）記憶部１０４に記憶する。このデータは、例えば、現在から過去１年の間の分が保存され、１年を経過すると順次消去される（新しいデータを上書きされる）。そして、演算部１０５は、図１２に例示するように、時間軸−月別平均起動時間帯利用熱量ＥＳＡＡ軸平面上において過去１年間の各月別平均起動時間帯利用熱量ＥＳＡＡのプロットを直線で結んで（プロット間を直線で補間して）、１年間の月別平均起動時間帯利用熱量ＥＳＡＡの経時変化曲線（以下、月別起動時間帯利用熱量変化曲線という）を作成し、これを記憶部１０４に記憶する。
一方、記憶部１０４には、この月別起動時間帯利用熱量変化曲線を用いて昇温手段選択閾値ＱＬＴを設定するための基準起動時間帯利用熱量ＱＡが記憶されている。この基準起動時間帯利用熱量ＱＡは任意の値に設定してよいが、ここでは、この月別起動時間帯利用熱量変化曲線において標準的な月別起動時間帯利用熱量に設定されている。
そして、ステップＳ１５において、演算部１０５は、計時部１０３から現在時刻を取得し、かつ記憶部１０４から月別起動時間帯利用熱量変化曲線と基準起動時間帯利用熱量ＱＡを読み出す。そして、月別起動時間帯利用熱量変化曲線上の現在時刻ｔ（図１２ではｔ３）に対応する月別平均起動時間帯利用熱量ＥＳＡＡ（図１２ではＥＳＡＡ１）と基準起動時間帯利用熱量ＱＡとの差分ΔＥＳＡＡを補正量ＱＨとして取得する。
そして、ステップＳ４において、残存熱量Ｑが、燃料電池昇温熱量ＱＦと基準起動時間帯利用熱量ＱＡとこの補正量ＱＨとの合計値以上である場合、すなわち、
Ｑ ≧ ＱＦ ＋ ＱＡ ＋ ＱＨ ＝ ＱＬＴ
である場合には、残存熱量Ｑにより燃料電池を昇温する（ステップＳ５）。
一方、残存熱量Ｑが、燃料電池昇温熱量ＱＦと基準起動時間帯利用熱量ＱＡとこの補正量ＱＨとの合計値未満である場合、すなわち、
Ｑ ＜ ＱＦ ＋ ＱＡ ＋ ＱＨ ＝ＱＬＴ
である場合には、冷却水ヒータ１００により燃料電池を昇温する（ステップＳ６）。
このように本変形例によっても、季節の変化により起動時間帯の利用熱量が変化しても、自動的に昇温手段選択閾値ＱＬＴを補正して追従するため、燃料電池起動時に湯切れをきたすことなく、極めて利便性がよくかつ省エネルギーなコージェネレーションシステムを提供することができる。しかも、外気温センサ１０６を省略することができる。
なお、上記の説明では、月別起動時間帯利用熱量経時変化曲線をリアルタイムに演算で求めたが、構成を簡略化する場合には、これを予め実験等で求めて記憶部１０４に記憶させるように構成してもよい。
なお、上記では、補正量ＱＨを、外気温―起動時間帯利用熱量特性及び月別起動時間帯利用熱量経時変化曲線のいずれかに基づいて求めるようにしたが、これらの双方に基づいて求めてもよい。この場合、例えば、外気温―起動時間帯利用熱量特性及び月別起動時間帯利用熱量経時変化曲線に基づいてそれぞれ補正量ＱＨ’，ＱＨ”を求め、この補正量ＱＨ’，ＱＨ”を所定の比率でウエイト付けして加算することにより補正量ＱＨを求めればよい。
（実施の形態３）
図１３は本発明の実施の形態３に係る燃料電池コージェネレーションシステムの構成を示すブロック図である。図１３において、図８と同一又は相当する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
図１３に示すように、本実施の形態では、貯湯タンク１６の貯湯水を給湯利用するための配管３３に給湯水の温度を検知する給湯水温度センサ１０７が配設されている。この給湯水温度センサ１０７の出力は制御装置２０１の演算部１０５に入力されている。そして、演算部１０５は、この検知された給湯水の温度を考慮して昇温手段を選択する。その他の点は実施の形態２と同様である。
次に、以上の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の動作を説明する。
図１４は図１３の燃料電池コージェネレーションシステムの昇温手段選択動作を示すフローチャートである。
図１４において、図９と同一又は相当するステップには同一の符号を付してその説明を省略する。
図１４に示すように、本実施の形態では、演算部１０５が、ステップＳ１５で外気温による補正量ＱＨを演算した後、ステップＳ１６で湯切れを考慮した補正係数Ｋｈを演算する。具体的には、給湯水温度センサ１０７から温度検知信号が演算部１０５に入力され、演算部１０５は、この温度検知信号を変換して給湯水温度を取得する。一方、記憶部１０４には、給湯水の温度の所定の閾値が予め記憶されている。この閾値は、例えば、市水の通常の温度に設定されている。演算部１０５は、この閾値を記憶部１０４から読み出して上記取得した給湯水温度と比較し、給湯水温度が閾値以下であると、湯切れが発生したと判定する。湯切れが発生した場合、給湯水の温度が市水の温度まで低下するからである。
そして、ステップＳ１６で演算した補正量ＱＨに積算する補正係数Ｋｈを算出する。この補正係数Ｋｈは、１．０以上の値であって、一定時間（例えば、１日）当たりに湯切れが発生した回数に応じて、増加するようにして算出される。
そして、ステップＳ４において、演算部１０５は、残存熱量Ｑが、燃料電池昇温熱量ＱＦと、基準起動時間帯利用熱量ＱＡと、補正量ＱＨとこの補正係数Ｋｈとの積と、の合計値以上であるか判定する。
そして、残存熱量Ｑが、燃料電池昇温熱量ＱＦと、基準起動時間帯利用熱量ＱＡと、補正量ＱＨと補正係数Ｋｈとの積と、の合計値以上である場合、すなわち、
Ｑ ≧ ＱＦ ＋ ＱＡ ＋ ＱＨ・Ｋｈ ＝ ＱＬＴ
である場合には、残存熱量Ｑにより燃料電池を昇温する（ステップＳ５）。
一方、残存熱量Ｑが、燃料電池昇温熱量ＱＦと、基準起動時間帯利用熱量ＱＡと、補正量ＱＨと補正係数Ｋｈとの積と、の合計値未満である場合、すなわち、
Ｑ ＜ ＱＦ ＋ ＱＡ ＋ ＱＨ・Ｋｈ ＝ ＱＬＴ
である場合には、冷却水ヒータ１００により燃料電池を昇温する（ステップＳ６）。
このように、本実施の形態では、万一、利用者の利用熱量の増加による湯切れが発生した場合には、即座に、対応処理する（自動的に昇温手段選択閾値ＱＬＴを増加させて実情に追従するようコージェネレーションステムを制御する）ため、燃料電池１の起動時の熱利用に再度の不足をきたすことなく、極めて利便性がよく、かつ省エネルギーなコージェネレーションシステムを提供できる。
なお、上記の構成を実施の形態２の変形例１に上記と同様に適用できることは明らかである。この場合、上記のステップＳ１６で求めた補正係数Ｋｈを、実施の形態２の変形例１で演算した補正量ＱＨに乗じて、ステップＳ４において、残存熱量Ｑが、燃料電池昇温熱量ＱＦと、基準起動時間帯利用熱量ＱＡと、この補正量ＱＨと補正係数Ｋｈとの積と、の合計値以上であるか否か判定すればよい。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４は、実施の形態１の変形例１をさらに変形したものである。本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムのハードウェアは、図８に示す実施の形態２の燃料電池コージェネレーションシステムと同様に構成されている。すなわち、実施の形態１の変形例１の燃料電池コージェネレーションシステムのハードウェアの構成（図１）に、さらに、外気温センサ１０６が付加されている。そして、制御装置２０１の演算部１０５が、外気温と貯湯水温度とを考慮して、昇温手段を選択する。その他の点は実施の形態１の変形例１と同様である。
以下、具体的に説明する。
図１５は本発明の実施の形態４に係るコージェネレーションシステムの昇温手段選択動作を示すフローチャートである。図１５において図３と同一のステップには同一の符号を付してその説明を省略する。
図８及び図１５に示すように、本実施の形態では、ステップＳ１１で演算部１０５が貯湯水温度ＴＷ及び燃料電池運転温度ＴＯを取得した後、ステップＳ１７で演算部１０５が、外気温センサ１０６から入力される温度検知信号を変換して外気温を取得する。
そして、ステップＳ４で、演算部１０５は、残存熱量Ｑが燃料電池昇温熱量ＱＦ以上であるか否か判定し、残存熱量Ｑが燃料電池昇温熱量ＱＦ未満であると、冷却水ヒータ１００により燃料電池１を昇温し、残存熱量Ｑが燃料電池昇温熱量ＱＦ以上であると、ステップＳ１２に進む。
ステップＳ１２では、演算部１０５は、貯湯水温度ＴＷが燃料電池運転温度ＴＯ以上であるか否か判定する。そして、貯湯水温度ＴＷが燃料電池運転温度ＴＯ以上であると、残存熱量Ｑにより燃料電池１を昇温し（ステップＳ５）、貯湯水温度ＴＷが燃料電池運転温度ＴＯ未満であるとステップＳ１８に進む。
ステップＳ１８では、演算部１０５は、貯湯水温度ＴＷが外気温ＴＡ以上であるか否か判定する。そして、貯湯水温度ＴＷが外気温ＴＡ未満であると、冷却水ヒータ１００により燃料電池１を昇温する。一方、貯湯水温度ＴＷが外気温ＴＡ以上であると、残存熱量Ｑと冷却水ヒータ１００との双方（組み合わせ）により燃料電池１を昇温する。この場合、例えば、演算部１０５は、まず、残存熱量Ｑにより燃料電池１を昇温し、スタック温度センサ２０２で検知されたスタックの温度が貯湯水温度ＴＷに近づいた時点で残存熱量Ｑによる燃料電池１の昇温を停止する。その後、冷却水ヒータ１００により燃料電池１を昇温する。
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５は、実施の形態１〜３において、燃料電池１の昇温動作を以下のように変えたものである。
すなわち、実施の形態１〜３の昇温手段選択動作のステップＳ５において、残存熱量Ｑによる燃料電池１の昇温と冷却水ヒータ１００による燃料電池１の昇温とを併用し、前者を主として後者を従とする（前者の占める割合を後者の占める割合より大きくする）。また、ステップＳ６において、冷却水ヒータ１００による燃料電池１の昇温と残存熱量Ｑによる燃料電池１の昇温とを併用し、前者を主として後者を従とする（前者の占める割合を後者の占める割合より大きくする）。この場合、残存熱量Ｑによる燃料電池１の昇温動作と冷却水ヒータ１００による燃料電池１の昇温動作との比率（配分）は、時間配分又は冷却水の流量配分により決定される。
図１，８，１３において、残存熱量Ｑによる燃料電池１の昇温と冷却水ヒータ１００による燃料電池１の昇温との比率が時間配分により決められた場合には、残存熱量Ｑによる燃料電池１の昇温と冷却水ヒータ１００による燃料電池１の昇温とを、両者の時間が決められた比率になるよう、切り換えて行われる。
一方、残存熱量Ｑによる燃料電池１の昇温と冷却水ヒータ１００による燃料電池１の昇温との比率が冷却水の流量配分により決められた場合には、流量調整弁１３と流量調整弁１４とが同時に開放され、両者を通過する冷却水の流量の比率がこの決められた比率になるように、両者の弁の開度が調整される。そして冷却水ポンプ９と冷却水ヒータ１０が作動されるととともに、貯湯水ポンプ２０が作動され、貯湯水がＢ方向に循環するよう循環方向切換手段１７が制御される。
このような構成としても、実施の形態１〜３とほぼ同様の効果が得られる。但し、実施の形態１〜３において残存熱量Ｑのみにより燃料電池１を起動すべき場合に冷却水ヒータ１００を併用した場合には、その分、燃料電池コージェネレーションシステムのエネルギー効率が低下する。一方、実施の形態１〜３において冷却水ヒータ１００のみにより燃料電池１を起動すべき場合に残存熱量Ｑを併用した場合には、その分、利用者が起動時間帯ｔＡに利用可能な熱量（ここでは給湯水量）が減少する。
なお、実施の形態１〜５では、残存熱量検知手段１０１を、貯湯タンク１６の表面に、鉛直方向に間隔を置いて貼り付けた複数の温度センサで構成したが、これを、図１，８，１３に示すように、熱交換器１２の出口及び入口（貯湯水を矢印Ａ方向に通流した場合）にそれぞれに配設された熱交換器出口温度センサ１８及び熱交換器入口温度センサ１９と排熱回収配管１５ａ，１５ｂに配設された図示されない流量計とで構成し、演算部１０５において、熱交換器出口温度センサ１８と熱交換器入口温度センサ１９との温度差と流量計で検知した排熱回収配管１５ａ，１５ｂに流れる貯湯水の流量との積から排熱回収熱量を演算し、この排熱回収熱量から利用熱量Ｅを差し引いた残りの熱量を演算してもよい。
また、実施の形態１〜５では、回収した廃熱を給湯に利用する場合を示したが、この回収した廃熱を暖房や乾燥等に利用する場合にも、同様に本発明を適用して同様の効果を得ることができる。
また、実施の形態１〜５では、貯湯タンク１６を積層沸き上げタイプのもので構成したが、これを積層沸き上げタイプ以外のタイプのもので構成してもよい。
また、実施の形態１〜５では、内部熱輸送媒体として不凍液を、外部熱輸送媒体として水を、それぞれ用いたが、これら以外の熱輸送媒体を用いても構わない。
また、実施の形態１〜５では、燃料電池コージェネレーションシステム全体の動作と昇温手段選択動作とを１つの制御装置２０１で制御するよう構成したが、燃料電池コージェネレーションシステムの複数の所要の構成要素に対応して複数の制御装置を配置し、これら複数の制御装置が共働して各構成要素及び燃料電池コージェネレーションシステム全体の動作を制御するように構成してもよい。このことから、本明細書においては、制御装置とは、単独の制御装置と、共働する複数の制御装置からなる制御装置群との双方を意味する。
また、実施の形態１〜５において、制御装置２０１は記憶手段として内部メモリからなる記憶部１０４を用いたが、情報記録媒体とこの情報記録媒体を装着してこれへ情報を書き込み及び読み出し可能な情報記録媒体駆動装置を記憶手段として用いてもよい。
本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、湯切れを防止して利便性を向上可能な燃料電池コージェネレーションシステム等として有用である。
本発明の実施の形態１に係る燃料電池コージェネレーションシステムの構成を示すブロック図である。 図１の燃料電池コージェネレーションシステムの昇温手段選択動作を示すフローチャートである。 実施の形態１の変形例１の燃料電池コージェネレーションシステムの昇温手段選択動作を示すフローチャートである。 実施の形態１の変形例２の燃料電池コージェネレーションシステムの昇温手段選択動作を示すフローチャートである。 １日の残存熱量の経時変化を示すグラフである。 １日の利用者による利用熱量の経時変化を示すグラフである。 実施の形態１の変形例３の燃料電池コージェネレーションシステムの昇温手段選択動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池コージェネレーションシステムの構成を示すブロック図である。 図８の燃料電池コージェネレーションシステムの昇温手段選択動作を示すフローチャートである。 外気温の変化に対する起動時間帯利用熱量の変化を示すグラフである。 実施の形態２の変形例１の燃料電池コージェネレーションシステムの昇温手段選択動作を示すフローチャートである。 月別平均起動時間帯利用熱量の経時変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態３に係る燃料電池コージェネレーションシステムの構成を示すブロック図である。 図１３の燃料電池コージェネレーションシステムの昇温手段選択動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態４に係る燃料電池コージェネレーションシステムの昇温手段選択動作を示すフローチャートである。 従来の燃料電池コージェネレーションシステムの構成を示すブロック図である。
符号の説明
１ 燃料電池
２ 燃料処理装置
３ 改質器
４ 変成器
５ 燃料側加湿器
６ 空気供給装置
７ 酸化ガス側加湿器
８ 冷却水配管
９ 冷却水ポンプ
１２ 熱交換器
１３ 流量調整弁
１４ 流量調整弁
１５ａ，１５ｂ 配管
１６ 熱利用部（貯湯タンク）
１７ 循環方向切換手段（排熱輸送制御手段）
１８ 第１の熱交換温度センサ
１９ 第２の熱交換温度センサ
２０ 貯湯水ポンプ
２１ 第１の流路切換弁
２２ 第２の流路切換弁
２３ 吐出側分岐継手
２４ 吸入側分岐継手
３１，３２，３３ 配管
１００ 冷却水ヒータ
１０１Ａ〜１０１Ｃ 第１〜３のタンク温度センサ
１０２ 流量計（利用熱量検知手段）
１０３ 計時部
１０４ 記憶部
１０５ 演算部
１０６ 外気温センサ
１０７ 給湯水温度センサ
２０１ 制御装置
２０２ スタック温度センサ

Claims (12)

  1. 燃料電池と、前記燃料電池と内部熱輸送媒体とが熱交換するよう該内部熱輸送媒体を循環させる冷却システムと、前記内部熱輸送媒体を加熱する内部熱輸送媒体ヒータと、水である外部熱輸送媒体を利用者が利用可能に貯える貯湯タンクである熱利用部と、前記冷却システムの内部熱輸送媒体と外部熱輸送媒体とが熱交換するように前記熱利用部を通って該外部熱輸送媒体を循環させる排熱利用システムと、前記熱利用部の残存熱量を検知する残存熱量検知手段と、制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    前記燃料電池の起動時に、前記検知された前記熱利用部の残存熱量が、前記燃料電池を運転温度までに昇温するのに必要な熱量である燃料電池昇温熱量以上のある閾値熱量以上であるか否か判定し、
    前記残存熱量が前記閾値熱量以上である場合には、前記熱利用部の残存熱量を熱交換により前記内部熱輸送媒体に伝達して前記燃料電池を昇温する第１の昇温動作を主として前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させ、前記残存熱量が前記閾値熱量未満である場合には、前記内部熱輸送媒体ヒータにより前記内部熱輸送媒体を加熱して前記燃料電池を昇温する第２の昇温動作を主として前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させる、燃料電池コージェネレーションシステム。
  2. 燃料電池と、前記燃料電池と内部熱輸送媒体とが熱交換するよう該内部熱輸送媒体を循環させる冷却システムと、前記内部熱輸送媒体を加熱する内部熱輸送媒体ヒータと、水である外部熱輸送媒体を利用者が利用可能に貯える貯湯タンクである熱利用部と、前記冷却システムの内部熱輸送媒体と外部熱輸送媒体とが熱交換するように前記熱利用部を通って該外部熱輸送媒体を循環させる排熱利用システムと、前記熱利用部の残存熱量を検知する残存熱量検知手段と、前記熱利用部に貯えられた外部熱輸送媒体の温度を検知する手段と、制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    前記燃料電池の起動時に、前記検知された前記熱利用部の残存熱量が、前記燃料電池を運転温度までに昇温するのに必要な熱量である燃料電池昇温熱量以上のある閾値熱量以上であるか否か判定し、
    前記残存熱量が前記閾値熱量未満である場合には、前記内部熱輸送媒体ヒータにより前記内部熱輸送媒体を加熱して前記燃料電池を昇温する第２の昇温動作を主として前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させ、
    前記残存熱量が前記閾値熱量以上である場合には、前記検知された外部熱輸送媒体の温度が前記運転温度以上であるか否か判定し、前記外部熱輸送媒体の温度が前記運転温度以上である場合には、前記熱利用部の残存熱量を熱交換により前記内部熱輸送媒体に伝達して前記燃料電池を昇温する第１の昇温動作を主として前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させ、前記外部熱輸送媒体の温度が前記運転温度未満である場合には、前記第２の昇温動作を主として前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させる、燃料電池コージェネレーションシステム。
  3. 燃料電池と、前記燃料電池と内部熱輸送媒体とが熱交換するよう該内部熱輸送媒体を循環させる冷却システムと、前記内部熱輸送媒体を加熱する内部熱輸送媒体ヒータと、水である外部熱輸送媒体を利用者が利用可能に貯える貯湯タンクである熱利用部と、前記冷却システムの内部熱輸送媒体と外部熱輸送媒体とが熱交換するように前記熱利用部を通って該外部熱輸送媒体を循環させる排熱利用システムと、前記熱利用部の残存熱量を検知する残存熱量検知手段と、前記熱利用部に貯えられた外部熱輸送媒体の温度を検知する手段と、前記燃料電池の外部の気温を検知する手段と、制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    前記燃料電池の起動時に、前記検知された前記熱利用部の残存熱量が、前記燃料電池を運転温度までに昇温するのに必要な熱量である燃料電池昇温熱量以上のある閾値熱量以上であるか否か判定し、
    前記残存熱量が前記閾値熱量未満である場合には、前記内部熱輸送媒体ヒータにより前記内部熱輸送媒体を加熱して前記燃料電池を昇温する第２の昇温動作を主として前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させ、
    前記残存熱量が前記閾値熱量以上である場合には、前記検知された外部熱輸送媒体の温度が前記運転温度以上であるか否か判定し、
    前記外部熱輸送媒体の温度が前記運転温度以上である場合には、前記熱利用部の残存熱量を熱交換により前記内部熱輸送媒体に伝達して前記燃料電池を昇温する第１の昇温動作を主として前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させ、前記外部熱輸送媒体の温度が前記運転温度未満である場合には、前記外部熱輸送媒体の温度が前記検知された外部の気温以上であるか否か判定し、
    前記外部熱輸送媒体の温度が前記検知された外部の気温以上である場合には、前記第１の昇温動作と前記第２の昇温動作とを組み合わせて前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させ、前記外部熱輸送媒体の温度が前記検知された外部の気温未満である場合には、前記第２の昇温動作を主として前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させる、燃料電池コージェネレーションシステム。
  4. 燃料電池と、前記燃料電池と内部熱輸送媒体とが熱交換するよう該内部熱輸送媒体を循環させる冷却システムと、前記内部熱輸送媒体を加熱する内部熱輸送媒体ヒータと、水である外部熱輸送媒体を利用者が利用可能に貯える貯湯タンクである熱利用部と、前記冷却システムの内部熱輸送媒体と外部熱輸送媒体とが熱交換するように前記熱利用部を通って該外部熱輸送媒体を循環させる排熱利用システムと、前記熱利用部の残存熱量を検知する残存熱量検知手段と、制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、前記燃料電池の起動時に、前記検知された前記熱利用部の残存熱量が、前記燃料電池を運転温度までに昇温するのに必要な熱量である燃料電池昇温熱量と所定の熱量とからなる閾値熱量以上であるか否か判定し、
    前記残存熱量が前記閾値熱量以上である場合には、前記熱利用部の残存熱量を熱交換により前記内部熱輸送媒体に伝達して前記燃料電池を昇温する第１の昇温動作を主として前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させ、前記残存熱量が前記閾値熱量未満である場合には、前記内部熱輸送媒体ヒータにより前記内部熱輸送媒体を加熱して前記燃料電池を昇温する第２の昇温動作を主として前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させる、燃料電池コージェネレーションシステム。
  5. 前記所定の熱量が、前記燃料電池の起動時における該起動時から所定の時間に渡る起動時間帯において利用者に利用されると想定された起動時間帯利用熱量である、請求項４記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
  6. 前記熱利用部に貯えられた外部熱輸送媒体の利用による利用熱量を検知する手段と、時刻を取得する手段と、
    前記検知された利用熱量を前記取得した時刻とともに記憶する記憶手段とを備え、
    前記制御装置が、前記時刻とともに記憶された前記利用熱量に基づいて前記起動時間帯利用熱量を算出する、請求項５記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
  7. 前記制御装置が、所定の期間に渡る平均値を取るようにして前記起動時間帯利用熱量を算出する、請求項６記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
  8. 前記所定の熱量が固定量と補正量とからなり、
    前記制御装置が、前記算出した起動時間帯利用熱量に基づいて前記補正量を変更する、請求項６記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
  9. 前記燃料電池の外部の気温を検知する手段を備え、
    前記制御装置が、前記検知された外部の気温に基づいて前記所定の熱量を変更する、請求項４記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
  10. 前記利用される外部熱輸送媒体の温度を検出する手段を備え、
    前記制御装置が、前記検知された利用される外部熱輸送媒体の温度が、前記熱利用部である貯湯タンクの湯切れが発生したと判定できる温度以下となる頻度に応じて、前記所定の熱量を変更する、請求項４記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
  11. 前記熱利用部である貯湯タンクが積層沸き上げタイプのもので構成されている、請求項１乃至１０のいずれかに記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
  12. 前記制御装置は、前記残存熱量が前記閾値量以上である場合には、前記第１の昇温動作のみで前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させ、前記残存熱量が前記閾値熱量未満である場合には、前記第２の昇温動作のみで前記燃料電池を前記運転温度まで昇温させる、請求項１及び４乃至１０のいずれか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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