JP4886238B2 - 燃料電池ユニット - Google Patents

Description

この発明は燃料電池ユニットに関する。

従来より、燃料電池の内部に冷却水を還流させて燃料電池を冷却すると共に、それによって昇温させられた冷却水を熱交換器に通過させることで温水を生成し、生成された温水を温水使用機器（例えば、温水シャワーなど）に供給するようにした燃料電池ユニットが種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１７２５９８号公報（段落００２２，００２３，００２４、図１など）

ところで、始動時における燃料電池は、その温度が所定値になるまで上昇させられた後、発電が開始される。従って、特許文献１などに記載される燃料電池ユニットにあっては、始動時に燃料電池を加熱する必要があるため、発電が開始されるまでに時間がかかり、燃料電池の始動性の向上という点で改善の余地を残していた。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、燃料電池を発電可能な温度まで速やかに昇温させ、燃料電池の始動性を向上させるようにした燃料電池ユニットを提供することにある。

上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却水が流れる冷却水流路を備える冷却系と、前記冷却水流路に排熱回収用熱交換器を介して接続されると共に、前記燃料電池の冷却によって昇温させられた前記冷却水流路の冷却水が前記排熱回収用熱交換器に供給されることで生成される温水が流れる温水流路を備え、よって前記燃料電池から生じる排熱を回収する排熱回収系と、前記温水を温水使用機器に供給する給湯系と、改質用燃料を改質触媒で反応させて前記燃料電池の燃料極に供給すべき水素を含有した改質ガスを生成する改質器と、加熱用燃料を燃焼させて前記改質触媒を加熱する燃焼器とを備える燃料電池ユニットにおいて、前記冷却系と排熱回収系と給湯系にそれぞれ熱交換器を設けると共に、前記燃焼によって発生した燃焼排ガスを燃焼排ガス流路を介して前記冷却系と排熱回収系と給湯系の熱交換器にそれぞれ供給するように構成し、さらに、前記燃焼排ガス流路に第１の分岐弁を介して前記冷却系の熱交換器をバイパスする第１のバイパス流路を設けると共に、前記燃焼排ガス流路に第２の分岐弁を介して前記排熱回収系の熱交換器をバイパスする第２のバイパス流路を設け、前記燃焼排ガス流路に第３の分岐弁を介して前記給湯系の熱交換器をバイパスする第３のバイパス流路を設けるようにした。

請求項２にあっては、さらに、前記熱交換器の温度を検出する温度検出手段と、前記検出された温度に基づいて前記第１、第２、第３の分岐弁のうちの少なくともいずれかを切り替える切替手段とを備えるように構成した。

請求項３にあっては、さらに、前記熱交換器で生成される凝縮水を回収する凝縮水回収手段と、前記回収された凝縮水を前記燃料電池と前記改質器の少なくともいずれかに供給する凝縮水供給手段とを備えるように構成した。

請求項１に係る燃料電池ユニットにあっては、燃料電池を冷却する冷却水が流れる冷却水流路を備える冷却系と、冷却水流路に排熱回収用熱交換器を介して接続されると共に、燃料電池の冷却によって昇温させられた冷却水流路の冷却水が排熱回収用熱交換器に供給されることで生成される温水が流れる温水流路を備え、よって燃料電池から生じる排熱を回収する排熱回収系と、温水を温水使用機器に供給する給湯系にそれぞれ熱交換器を設けると共に、燃焼器での燃焼によって発生した燃焼排ガスを燃焼排ガス流路を介して冷却系と排熱回収系と給湯系の熱交換器にそれぞれ供給する、換言すれば、改質器の改質触媒を加熱するための燃焼排ガスを、冷却系と排熱回収系と給湯系にそれぞれ設けられた熱交換器に供給して冷却系を昇温させるように構成したので、燃料電池は、改質器で改質ガスが生成されるとき、冷却系によって加熱され、燃料電池を所定温度、正確には発電可能な温度まで速やかに昇温させることができる。これにより、改質ガスが改質器から燃料電池へ供給されたとき、燃料電池は直ちに発電を開始することができ、その始動性を向上させることができる。

また、排熱回収系に熱交換器を設け、燃焼器の燃焼排ガスを燃焼排ガス流路を介して排熱回収系の熱交換器に供給することも可能となり、その結果、排熱回収系の温水が大幅に減少して比較的低温の水が多量に補給された場合であっても、燃焼排ガスによって排熱回収系の温水の温度を上昇させることができ、その温度が過度に低下することを防止できる。即ち、排熱回収系の温水の温度が過度に低下すると、冷却系の温度が低下すると共に、燃料電池も温度が低下して発電し難い状態となり、燃料電池の運転状態が不安定になるが、例えば排熱回収系に熱交換器を設けるようにすることで、燃料電池は温度が低下して発電し難い状態となることがなく、燃料電池の運転状態を安定させることができる。

また、給湯系に熱交換器を設け、燃焼器の燃焼排ガスを燃焼排ガス流路を介して給湯系の熱交換器に供給することも可能となり、その結果、多量の水が排熱回収系に補給されて温水の温度が低下した場合であっても、燃焼排ガスによって給湯系の温水の温度を上昇させることができ、必要な温度の温水を十分に温水使用機器に供給することができる。

さらに、燃焼排ガス流路に第１の分岐弁を介して冷却系の熱交換器をバイパスする第１のバイパス流路を設けると共に、燃焼排ガス流路に第２の分岐弁を介して排熱回収系の熱交換器をバイパスする第２のバイパス流路を設け、燃焼排ガス流路に第３の分岐弁を介して給湯系の熱交換器をバイパスする第３のバイパス流路を設ける、即ち、燃焼排ガスを、分岐弁の切り替えによってバイパス流路に流入させるように構成したので、上記した効果に加え、熱交換器に供給される燃焼排ガスの量を調整することができ、冷却系が熱交換器で過度に昇温されるのを防止することができる。また、排熱回収系と給湯系に熱交換器を設ける構成の場合、排熱回収系と給湯系の温水が過度に昇温されるのを防止することができる。

請求項２に係る燃料電池ユニットにあっては、さらに、熱交換器の温度を検出する温度検出手段と、検出された温度に基づいて第１、第２、第３の分岐弁のうちの少なくともいずれかを切り替える切替手段とを備えるように構成したので、上記した効果に加え、冷却系の熱交換器に供給される燃焼排ガスの量を、熱交換器の温度に応じて調整することができ、冷却系の温度制御を正確に行うことができる。また、排熱回収系と給湯系に熱交換器を設ける構成の場合、排熱回収系と給湯系の熱交換器に供給される燃焼排ガスの量を、熱交換器の温度に応じて調整することができ、排熱回収系と給湯系の温度制御を正確に行うことができる。

請求項３に係る燃料電池ユニットにあっては、さらに、熱交換器で生成される凝縮水を回収する凝縮水回収手段と、回収された凝縮水を燃料電池と改質器の少なくともいずれかに供給する凝縮水供給手段とを備える、別言すれば、燃焼排ガスが熱交換器で冷却されることで生成される凝縮水を回収し、その凝縮水を、加湿用の水が必要な燃料電池や改質用の水が必要な改質器の少なくともいずれかに供給するように構成したので、上記した効果に加え、凝縮水を再利用することができ、燃料電池ユニット全体で使用される水の量を低減させることができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池ユニットの最良の実施の形態について説明する。

図１は、この発明の第１実施例に係る燃料電池ユニットの構成を示す概略図である。

図１において、符号１０は燃料電池ユニットを示す。燃料電池ユニット１０は、燃料電池（スタック）１２と、燃料電池１２を冷却する冷却系１４と、冷却系１４に排熱回収用熱交換器１６を介して接続され、燃料電池１２から生じる排熱で温水を生成することで排熱を回収する排熱回収系１８と、その温水を温水使用機器２０に供給する給湯系２２と、燃料電池１２で発生した電力を制御する電力制御系２４とを備える。

燃料電池１２は、電解質膜（固体高分子膜）と、それを挟持するカソード極（空気極）とアノード極（燃料極）と、各電極の外側に配置されるセパレータ（いずれも図示せず）とから構成される単電池を複数個積層（スタック）して形成された、公知の固体高分子型燃料電池である。

燃料電池１２のカソード極には、空気を吸引するエアブロワ２８がカソードガス流路３０を介して接続される。従って、エアブロワ２８で吸引された空気は、カソードガス（反応空気）として、カソードガス流路３０を介して燃料電池１２のカソード極に供給される。また、燃料電池１２には、燃料電池１２から排出されるカソードガス（以下「カソードオフガス」という）を大気へ排出するカソードオフガス流路３２が接続される。

燃料電池１２のアノード極には、改質用燃料（例えば、都市ガス）を改質させ、燃料電池１２のアノード極に供給すべき水素を含有した改質ガス（アノードガス）を生成する改質器３４が、アノードガス流路３６を介して接続される。

改質器３４は、改質用燃料が流入される改質用燃料管３８と、改質用燃料を反応させて改質する改質触媒４０と、改質触媒４０が充填される改質管４２と、改質管４２に接続されると共に、改質触媒４０で生成された改質ガスが流入される改質ガス管４４と、後述する燃焼器での燃焼によって発生した比較的高温の燃焼排ガスが流入される燃焼排ガス管４６とからなる。

改質用燃料管３８の一端は、改質用燃料供給源（図示せず）に改質用燃料流路５０を介して接続される一方、他端は、改質管４２に接続される。また、改質ガス管４４には、前記したアノードガス流路３６が接続される。従って、改質用燃料流路５０に流入した改質用燃料は、図１に矢印で示す如く、改質用燃料管３８、改質管４２、改質ガス管４４を流れ、アノードガス流路３６へと流入する。

燃焼排ガス管４６は、改質管４２の外壁４２ａを被覆するような形状を呈する。また、燃焼排ガス管４６には、加熱用燃料（例えば、都市ガスや改質ガス）を燃焼させる燃焼器５２が接続されると共に、燃焼排ガス管４６の排出口４６ａには、燃焼排ガス管４６の燃焼排ガスを大気中に排出する燃焼排ガス流路５４が接続される。

燃焼器５２には、加熱用燃料を燃焼器５２に供給する加熱用燃料流路５６が接続されると共に、空気を吸引するエアブロワ５８が接続される。エアブロワ５８で吸引された空気は、加熱用燃料を燃焼させるための空気（以下「燃焼空気」という）として、燃焼空気流路６０を介して燃焼器５２に供給される。

冷却系１４は、冷却水が流れる冷却水流路６４を備える。冷却水流路６４の一端は、燃料電池１２の冷却水導入口（図示せず）に接続されると共に、他端は、燃料電池１２の冷却水排出口（図示せず）に接続される。冷却水導入口と冷却水排出口は、燃料電池１２の内部に配置された冷却管（図示せず）を介して連通される。これにより、冷却水は、冷却水導入口から燃料電池１２の内部に流入し、冷却管を流れた後、冷却排出口から排出される。

冷却水流路６４の途中には、冷却水を燃料電池１２に圧送する冷却水ポンプ６６と、燃焼排ガス流路５４の燃焼排ガスと冷却水流路６４の冷却水とで熱の授受を行う第１の熱交換器（熱交換器）６８と、第１の熱交換器６８の温度、即ち、第１の熱交換器６８に流入される冷却水の温度（受熱側入口温度）Ｔ１に応じた信号を出力する第１の温度センサ７０が配置される。

排熱回収系１８は、温水が流れる温水流路７２を備え、温水流路７２の途中には、温水が貯留される貯湯槽７４と、貯湯槽７４の温水を吸入して温水流路７２内を循環させる温水ポンプ７６と、燃焼排ガス流路５４の燃焼排ガスと温水流路７２の温水とで熱の授受を行う第２の熱交換器（熱交換器）７８が配置される。

第２の熱交換器７８の付近には、第２の熱交換器７８の温度（正確には第２の熱交換器７８に流入される温水の温度（受熱側入口温度））Ｔ２に応じた信号を出力する第２の温度センサ８０と、第２の熱交換器７８の温度（正確には第２の熱交換器７８から流出する温水の温度（受熱側出口温度））Ｔ３に応じた信号を出力する第３の温度センサ８２が配置される。

冷却系１４と排熱回収系１８（より詳しくは、冷却系１４の冷却水流路６４と排熱回収系１８の温水流路７２）は、前述したように、排熱回収用熱交換器１６を介して接続される。燃料電池１２を冷却することで昇温させられた冷却水流路６４の冷却水は、排熱用熱交換器１６に供給されると、そこで温水流路７２の温水と熱の授受が行われる。

貯湯槽７４には、貯湯槽７４の貯湯量が減少したとき、水源（図示せず）から比較的低温の水を供給（補給）する給水流路８６が接続されると共に、前記した給湯系２２が接続される。給湯系２２は、貯湯槽７４に貯留された温水が流れると共に、貯湯槽７４を温水使用機器２０に接続する給湯流路８８を備える。

給湯流路８８の途中には、電磁バルブ９０と、電磁バルブ９０の下流側において燃焼排ガス流路５４の燃焼排ガスと給湯流路８８の温水とで熱の授受を行う第３の熱交換器（熱交換器）９２が配置される。尚、電磁バルブ９０は、ノーマル・クローズ型の電磁バルブ（非通電時に閉弁し、通電時に開弁する電磁バルブ）であり、温水使用機器２０が使用されていないときは閉弁されているものとする。

第３の熱交換器９２の付近には、第３の熱交換器９２の温度、正確には第３の熱交換器９２から流出する温水、即ち、温水使用機器２０に供給される温水の温度（受熱側出口温度）Ｔ４に応じた信号を出力する第４の温度センサ９４が配置される。

上記した第１から第３の熱交換器６８，７８，９２には、それぞれ燃焼排ガス流路５４が接続され、燃焼排ガスが供給される。具体的に説明すると、燃焼排ガス流路５４の途中には、先ず第１の熱交換器６８が配置される。図に示す如く、燃焼排ガスの流れにおいて第１の熱交換器６８の上流側には、第１の３方向電磁バルブ（分岐弁）１００が配置されると共に、第１の３方向電磁バルブ１００には、第１の熱交換器６８をバイパスする第１のバイパス流路１０２が設けられる。

また、燃焼排ガス管５４であって、第１の熱交換器６８の下流側には、第２の熱交換器７８が配置される。第２の熱交換器７８の上流側には、第１の熱交換器６８と同様の、第２の３方向電磁バルブ（分岐弁）１０４が配置されると共に、第２の３方向電磁バルブ１０４には、第２の熱交換器７８をバイパスする第２のバイパス流路１０６が設けられる。

さらに、燃焼排ガス管５４であって、第２の熱交換器７８の下流側には、第３の熱交換器９２が配置される。第３の熱交換器９２の上流側には、第１および第２の熱交換器６８，７８と同様の、第３の３方向電磁バルブ（分岐弁）１０８が配置されると共に、第３の３方向電磁バルブ１０８には、第３の熱交換器９２をバイパスする第３のバイパス流路１１０が設けられる。

第１から第３の熱交換器６８，７８，９２は、燃焼排ガスが各熱交換器で冷却されることで生成される凝縮水が排水される排水口（図示せず）をそれぞれ備える。各排水口には、凝縮水を回収して貯留する回収タンク（凝縮水回収手段）１１４が凝縮水回収流路（凝縮水回収手段）１１６を介して接続される。即ち、第１から第３の熱交換器６８，７８，９２で生成される凝縮水は、凝縮水回収流路１１６を介して回収タンク１１４に回収されて貯留される。

回収タンク１１４には、回収された凝縮水を燃料電池１２（具体的には、燃料電池１２のカソードガス流路３０）と改質器３４（具体的には、改質器３４の改質用燃料流路５０）に供給する凝縮水供給流路（凝縮水供給手段）１１８が接続される。

燃料電池ユニット１０の説明を続けると、電力制御系２４は、マイクロコンピュータからなる電子制御ユニット（Electronic Control Unit。以下「ＥＣＵ」という）１２２と、燃料電池１２が発生した電力（直流電流）を所定の周波数の交流電流に変換するインバータ１２４などからなり、燃料電池１２が発生した電力を出力する出力端子１２６に接続される。

ＥＣＵ１２２は、前記した温水使用機器２０、エアブロワ２８，５８、冷却水ポンプ６６、温水ポンプ７６、第１から第４の温度センサ７０，８０，８２，９４、インバータ１２４と信号線１２８を介して接続され、それらの動作を制御する、あるいは出力された信号が入力される。さらにＥＣＵ１２２は、電磁バルブ９０および第１から第３の３方向電磁バルブ１００，１０４，１０８の駆動回路（図示せず）に信号線１２８を介して接続されると共に、それら電磁バルブを励磁・非励磁することで開閉弁し、その動作を制御する。

次いで、燃料電池ユニット１０の動作について概説する。

燃料電池ユニット１０の始動指示がなされると（より詳しくは、オペレータによって始動スイッチ（図示せず）がオンされると）、加熱用燃料が加熱用燃料流路５６を介して燃焼器５２に供給される。また、エアブロワ５８が駆動させられると共に、エアブロワ５８によって吸引された空気、即ち、燃焼空気は燃焼空気流路６０を介して燃焼器５２に供給される。加熱用燃料と燃焼空気は燃焼器５２で混合されると共に、図示しない点火プラグによって着火されて燃焼し、比較的高温の燃焼排ガスが発生する。

燃焼によって発生した燃焼排ガスは、図１に矢印で示す如く、燃焼排ガス管４６の内部を流れる。燃焼排ガス管４６は、前述したように、改質管４２の外壁４２ａを被覆するような形状を呈しているため、燃焼排ガス管４６を流れる燃焼排ガスは、改質管４２を昇温させると共に、改質管４２に充填された改質触媒４０も昇温させる。

このように、改質触媒４０は、加熱用燃料を燃焼させる燃焼器５２の燃焼排ガスによって加熱される。尚、燃焼排ガスはその後、燃焼排ガス管４６の排出口４６ａから燃焼排ガス流路５４に流入するが、それについては後に詳説する。

改質触媒４０が燃焼排ガスによって改質可能な温度まで昇温させられると、改質用燃料が改質用燃料流路５０を介して改質器３４に供給される。このとき、改質用燃料流路５０の改質用燃料には、改質用の水（水蒸気）が供給される。具体的には、回収タンク１１４に貯留された凝縮水が凝縮水供給流路１１８を介して、あるいは図示しない水源の水が、改質用の水として改質用燃焼流路５０に供給される。

改質用の水が供給された改質用燃料は、改質用燃料管３８、改質管４２に流入し、そこで改質触媒４０と反応し、水素を含有した改質ガスが生成される、即ち、改質触媒４０において水蒸気改質反応が起こる。この水蒸気改質反応は、具体的には下記の通りである。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２
このとき生成される一酸化炭素の一部は、さらに改質用の水と反応して水素と二酸化炭素が生成される（即ち、シフト反応が起こる）。具体的には下記の通りである。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２

改質ガスは、改質管４２から改質ガス管４４へ流入した後、燃料電池１２のアノード極にアノードガス流路３６を介して供給される。燃料電池１２に改質ガスが供給されると、次いでエアブロワ２８が駆動させられ、燃料電池１２の発電が開始される。

具体的に説明すると、エアブロワ２８で吸引されたカソードガス（空気）は、燃料電池１２のカソード極にカソードガス流路３０を介して供給される。このとき、カソードガス流路３０のカソードガスには、加湿用の水が供給される。具体的には、カソードガスは、回収タンク１１４に貯留された凝縮水が凝縮水供給流路１１８を介して供給されて加湿される、あるいは図示しない加湿器などによって加湿される。

燃料電池１２のカソード極に供給されたカソードガスは、アノード極に供給されたアノードガスと電気化学反応を生じる。カソード極およびアノード極で生じる電極反応は、具体的には下記の通りである。
アノード極：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード極：１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
従って、全体の反応は下記となる。
全体：Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ

上記の反応によって燃料電池１２が発生した電力（直流電流）は、出力端子１２６から取り出され、その一部がＥＣＵ１２２やエアブロワ２８などの補機類の電源として使用されると共に、残部がインバータ１２４によって所定の周波数の交流電流に変換された後、電気負荷（例えば、照明器具などの交流電気機器）１３０に供給される。

燃料電池１２から排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス流路３２を介して大気中に排出される。また、燃料電池１２から排出されたアノードオフガス（未反応ガス）は、アノードガス流路３６に還流され、再度燃料電池１２に供給される。

冷却水流路６４の冷却水は、冷却水ポンプ６６によって燃料電池１２へ圧送されると共に、燃料電池１２の内部を通過して燃料電池１２を冷却する。燃料電池１２を冷却することによって昇温させられた冷却水は、その一部が排熱回収用熱交換器１６に供給され、そこで温水流路７２の温水と熱の授受が行われる、別言すれば、温水流路７２が昇温させられて温水が生成される一方、残部は図示しないラジエータを通過して大気に放熱させられる。このように、燃料電池ユニット１０は、コージェネレーションシステムを構成する。

排熱回収用熱交換器１６で生成される温水は、温水ポンプ７６によって貯湯槽７４に供給されて貯留される。また貯湯槽７４の温水は、温水ポンプ７６によって再度排熱回収用熱交換器１６に供給され、温水使用機器２０で必要な温度になるまで昇温させられる。

温水使用機器２０は、操作者によって操作されるとき、ＥＣＵ１２２へ信号を出力すると共に、その信号が入力されたＥＣＵ１２２は、電磁バルブ９０を励磁して開弁し、貯湯槽７４の温水を温水使用機器２０に供給する。また、温水使用機器２０の使用によって貯湯槽７４の貯湯量が減少したときは、比較的低温の水が貯湯槽７４に給水流路８６を介して供給される。

次いで、上記の如く構成された燃料電池ユニット１０を前提として、第１から第３の３方向電磁バルブ１００，１０４，１０８の動作および燃焼排ガス流路５４の燃焼排ガスの流れなどについて詳説する。

図２は、ＥＣＵ１２２で実行される、第１から第３の３方向電磁バルブ１００，１０４，１０８の動作などの制御に関する処理を表すフローチャートである。

先ずＳ１０において、第１の温度センサ７０の出力を読み込み、冷却水の温度Ｔ１を検出する。次いでＳ１２に進み、検出された冷却水の温度Ｔ１が所定値、正確には燃料電池１２が発電可能な温度（具体的には、約５０［℃］）を超えたか否か判断する。

Ｓ１２で否定されるときはＳ１４に進み、第１の３方向電磁バルブ１００を切り替える。具体的には、燃焼排ガス管４６から燃焼排ガス流路５４に流入した燃焼排ガスが、第１の熱交換器６８に流入するように、第１の３方向電磁バルブ１００を切り替える。

一方、Ｓ１２で肯定されるとき、即ち、冷却水流路６４の冷却水が、燃料電池１２において発電可能な温度を超えているときはＳ１６に進み、燃焼排ガスが、第１のバイパス流路１０２に流入するように、換言すれば、第１の熱交換器６８に流入しないように、第１の３方向電磁バルブ１００を切り替える。

次いで、Ｓ１８に進み、第２の温度センサ８０の出力を読み込み、第２の熱交換器７８に流入される温水の温度Ｔ２を検出し、Ｓ２０に進み、Ｓ１８で検出された温水の温度Ｔ２が所定値、正確には温水使用機器２０で必要な温度（具体的には、約４０［℃］）を超えたか否か判断する。

Ｓ２０で否定されるときはＳ２２に進み、燃焼排ガス流路５４の燃焼排ガスが、第２の熱交換器７８に流入するように、第２の３方向電磁バルブ１０４を切り替える。次いで、Ｓ２４に進み、第３の温度センサ８２の出力を読み込み、第２の熱交換器７８から流出する温水の温度Ｔ３を検出し、Ｓ２６に進み、Ｓ２４で検出された温水の温度Ｔ３に基づいて温水ポンプ７６の駆動を制御する。具体的には、温水ポンプ７６の吐出量を増減させ、第２の熱交換器７８で燃焼排ガスと授受される熱量を増減させることで、温水流路７２の温水の温度Ｔ３が、前記した温水使用機器２０で必要な温度となるようにする。

Ｓ２０で肯定されるとき、換言すれば、温水流路７２の温水の温度が、温水使用機器２０で必要な温度を超えたときはＳ２８に進み、燃焼排ガスが第２のバイパス流路１０６に流入するように（即ち、第２の熱交換器７８に流入しないように）、第２の３方向電磁バルブ１０４を切り替える。

次いで、Ｓ３０に進み、第４の温度センサ９４の出力を読み込み、第３の熱交換器９２から流出する温水、より詳しくは、温水使用機器２０に供給される温水の温度Ｔ４を検出する。次いでＳ３２に進み、検出された温水の温度Ｔ４が温水使用機器２０で必要な温度（約４０［℃］）を超えたか否か判断する。

Ｓ３２で否定されるときはＳ３４に進み、燃焼排ガス流路５４の燃焼排ガスが、第３の熱交換器９２に流入するように、第３の３方向電磁バルブ１０８を切り替える。一方、Ｓ３２で肯定されるとき、即ち、給湯流路８８の温水が、温水使用機器２０で必要な温度を超えているときはＳ３６に進み、燃焼排ガスが第３のバイパス流路１１０に流入する、別言すれば、第３の熱交換器９２に流入しないように、第３の３方向電磁バルブ１０８を切り替える。

このように、この第１実施例に係る燃料電池ユニット１０にあっては、燃料電池１２を冷却する冷却水が流れる冷却水流路６４を備える冷却系１４と、冷却水流路６４に排熱回収用熱交換器１６を介して接続されると共に、燃料電池１２の冷却によって昇温させられた冷却水流路６４の冷却水が排熱回収用熱交換器１６に供給されることで生成される温水が流れる温水流路７２を備え、よって燃料電池１２から生じる排熱を回収する排熱回収系１８と、温水を温水使用機器２０に供給する給湯系２２の内の少なくとも冷却系１４に熱交換器（第１の熱交換器６８）を設ける、より具体的には、冷却系１４と排熱回収系１８と給湯系２２に、それぞれ熱交換器（第１から第３の熱交換器６８，７８，９２）を設けると共に、燃焼器５２の燃焼排ガスを燃焼排ガス流路５４を介して冷却系１４と排熱回収系１８と給湯系２２の熱交換器にそれぞれ供給するように構成したので、冷却系１４は、第１の熱交換器６８に燃焼排ガスが供給されて昇温する。従って、燃料電池１２は、改質器３４で改質ガスが生成されるとき、冷却系１４によって加熱され、燃料電池１２を所定温度（正確には発電可能な温度）まで速やかに昇温させることができる。燃料電池１２は、改質ガスが改質器３４から供給されたとき、直ちに発電を開始できる状態であることから、燃料電池１２の始動性を向上させることができる。

また、排熱回収系１８に第２の熱交換器７８を設けることで、例えば温水使用機器２０に供給される温水の量が増加して多量の水が貯湯槽７４に給水流路８６を介して補給された場合であっても、燃焼排ガスによって排熱回収系１８の温水の温度を上昇させることができ、その温度が過度に低下することを防止できる。これにより燃料電池１２は、温度が低下して発電し難い状態となることがなく、燃料電池１２の運転状態を安定させることができる。

また、給湯系２２に第３の熱交換器９２を設けることで、例えば多量の水が貯湯槽７４に補給されて温水の温度が低下した場合であっても、燃焼排ガスによって給湯系２２の温水の温度を上昇させることができ、必要な温度の温水を十分に温水使用機器２０に供給することができる。

また、燃焼排ガス流路５４に第１の３方向電磁バルブ１００を介して第１の熱交換器６８をバイパスする第１のバイパス流路１０２を設ける、即ち、燃焼排ガスを、第１の３方向電磁バルブ１００の切り替えによって第１のバイパス流路１０２に流入させるように構成したので、第１の熱交換器６８に供給される燃焼排ガスの量を調整することができる。具体的には、燃焼排ガスが第１の熱交換器６８に流入するように、第１の３方向電磁バルブ１００を切り替えると、冷却系１４の冷却水は、第１の熱交換器６８で燃焼排ガスと熱の授受が行われて昇温する一方、燃焼排ガスが第１のバイパス流路１０２に流入するように切り替えると、冷却系１４の冷却水は、第１の熱交換器６８で燃焼排ガスと熱の授受が行われないため、昇温しない。これにより、冷却系１４が第１の熱交換器６８で過度に昇温されるのを防止することができる。

また、燃焼排ガス流路５４に、第２の３方向電磁バルブ１０４を介して第２の熱交換器７８をバイパスする第２のバイパス流路１０６を設けるようにしたので、第２の熱交換器７８に供給される燃焼排ガスの量を調整することができる。従って、上記した冷却系１４と同様、第２の３方向電磁バルブ１０４を切り替えることで排熱回収系１８が第２の熱交換器７８で過度に昇温されるのを防止することができる。

また、燃焼排ガス流路５４に、第３の３方向電磁バルブ１０８を介して第３の熱交換器９２をバイパスする第３のバイパス流路１１０を設けるようにしたので、第３の３方向電磁バルブ１０８を切り替えることで第３の熱交換器９２に供給される燃焼排ガスの量を調整することができ、給湯系２２が第３の熱交換器９２で過度に昇温されるのを防止することができる。

また、第１の熱交換器６８の温度を検出する第１の温度センサ７０を備え、検出された温度Ｔ１に基づいて第１、第２、第３の３方向電磁バルブ（分岐弁）１００，１０４，１０８のうちの少なくともいずれか、具体的には第１の３方向電磁バルブ１００を切り替えるように構成したので、冷却系１４の第１の熱交換器６８に供給される燃焼排ガスの量を、第１の熱交換器６８の温度Ｔ１に応じて調整することができ、冷却系１４の温度制御を正確に行うことができる。

また、第２の熱交換器７８の温度を検出する第２の温度センサ８０を備えると共に、検出された温度Ｔ２に基づいて第１、第２、第３の３方向電磁バルブ（分岐弁）１００，１０４，１０８のうちの少なくともいずれか、具体的には第２の３方向電磁バルブ１０４を切り替えるようにしたので、排熱回収系１８の第２の熱交換器７８に供給される燃焼排ガスの量を、第２の熱交換器７８の温度Ｔ２に応じて調整することができ、排熱回収系１８の温度制御を正確に行うことができる。

また、第３の熱交換器９２の温度を検出する第４の温度センサ９４を備え、検出された温度Ｔ４に基づいて第１、第２、第３の３方向電磁バルブ（分岐弁）１００，１０４，１０８のうちの少なくともいずれか、具体的には第３の３方向電磁バルブ１０８を切り替えるようにしたので、給湯系２２の第３の熱交換器９２に供給される燃焼排ガスの量を、第３の熱交換器９２の温度Ｔ４に応じて調整することができ、よって給湯系２２の温度制御を正確に行うことができる。

また、第１から第３の熱交換器６８，７８，９２で生成される凝縮水を回収する凝縮水回収手段（回収タンク１１４、凝縮水回収流路１１６）と、回収された凝縮水を燃料電池１２と改質器３４の少なくともいずれかに供給する凝縮水供給手段（凝縮水供給流路１１８）とを備える、別言すれば、燃焼排ガスが第１から第３の熱交換器６８，７８，９２で冷却されることで生成される凝縮水を回収し、その凝縮水を、加湿用の水が必要な燃料電池１２や改質用の水が必要な改質器３４の少なくともいずれかに供給するように構成したので、凝縮水を再利用することができ、燃料電池ユニット１０全体で使用される水の量を低減させることができる。

尚、上記実施例では冷却系１４と排熱回収系１８と給湯系２２に、それぞれ熱交換器を設けるようにしたが、少なくとも冷却系１４に熱交換器を設けるように構成すればよい。

また、燃料電池１２が発電可能な温度や温水使用機器２０で必要な温水の温度など具体的に示したが、それらの数値は例示であって限定されるものではない。

また、燃料電池１２を固体高分子型としたが、それに限られるものではなく、他の形式であってもよい。

また、改質用燃料として都市ガスを使用するように構成したが、ＬＰガス、灯油、メタノール、ナフサ、バイオマス、ガソリンなどであってもよい。また、加熱用燃料として都市ガスや改質ガスを使用するように構成したが、それに限られるものではない。

この発明の第１実施例に係る燃料電池ユニットの構成を示す概略図である。 図１に示す電子制御ユニット（ＥＣＵ）で実行される、第１から第３の３方向電磁バルブの動作などの制御に関する処理を表すフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池ユニット、１２ 燃料電池、１４ 冷却系、１８ 排熱回収系、２０ 温水使用機器、２２ 給湯系、３４ 改質器、４０ 改質触媒、５２ 燃焼器、５４ 燃焼排ガス流路、６８ 第１の熱交換器（熱交換器）、７０ 第１の温度センサ（温度検出手段）、７８ 第２の熱交換器（熱交換器）、８０ 第２の温度センサ（温度検出手段）、９２ 第３の熱交換器（熱交換器）、９４ 第４の温度センサ（温度検出手段）、１００ 第１の３方向電磁バルブ（分岐弁）、１０２ 第１のバイパス流路（バイパス流路）、１０４ 第２の３方向電磁バルブ（分岐弁）、１０６ 第２のバイパス流路（バイパス流路）、１０８ 第３の３方向電磁バルブ（分岐弁）、１１０ 第３のバイパス流路（バイパス流路）、１１４ 回収タンク（凝縮水回収手段）、１１６ 凝縮水回収流路（凝縮水回収手段）、１１８ 凝縮水供給流路（凝縮水供給手段）、１２２ 電子制御ユニット（ＥＣＵ。温度検出手段、切替手段）

Claims (3)

1. 燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却水が流れる冷却水流路を備える冷却系と、前記冷却水流路に排熱回収用熱交換器を介して接続されると共に、前記燃料電池の冷却によって昇温させられた前記冷却水流路の冷却水が前記排熱回収用熱交換器に供給されることで生成される温水が流れる温水流路を備え、よって前記燃料電池から生じる排熱を回収する排熱回収系と、前記温水を温水使用機器に供給する給湯系と、改質用燃料を改質触媒で反応させて前記燃料電池の燃料極に供給すべき水素を含有した改質ガスを生成する改質器と、加熱用燃料を燃焼させて前記改質触媒を加熱する燃焼器とを備える燃料電池ユニットにおいて、前記冷却系と排熱回収系と給湯系にそれぞれ熱交換器を設けると共に、前記燃焼によって発生した燃焼排ガスを燃焼排ガス流路を介して前記冷却系と排熱回収系と給湯系の熱交換器にそれぞれ供給するように構成し、さらに、前記燃焼排ガス流路に第１の分岐弁を介して前記冷却系の熱交換器をバイパスする第１のバイパス流路を設けると共に、前記燃焼排ガス流路に第２の分岐弁を介して前記排熱回収系の熱交換器をバイパスする第２のバイパス流路を設け、前記燃焼排ガス流路に第３の分岐弁を介して前記給湯系の熱交換器をバイパスする第３のバイパス流路を設けることを特徴とする燃料電池ユニット。
2. さらに、前記熱交換器の温度を検出する温度検出手段と、前記検出された温度に基づいて前記第１、第２、第３の分岐弁のうちの少なくともいずれかを切り替える切替手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池ユニット。
3. さらに、前記熱交換器で生成される凝縮水を回収する凝縮水回収手段と、前記回収された凝縮水を前記燃料電池と前記改質器の少なくともいずれかに供給する凝縮水供給手段とを備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池ユニット。

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