JP5188086B2

JP5188086B2 - 燃料電池装置

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Publication number: JP5188086B2
Application number: JP2007082912A
Authority: JP
Inventors: 秀則中林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2027-03-27
Also published as: JP2008135356A

Description

本発明は、燃料電池からの排ガスと水とで熱交換する燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、水素ガスと酸素含有ガス（通常、空気である）とを用いて電力を得ることができる燃料電池と、湯水を貯える貯湯タンクとを組み合わせ、貯湯タンクの水と燃料電池の発電により生じる排ガスの熱とで熱交換する燃料電池装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような燃料電池装置においては、燃料電池の発電により生じた排ガスと水とを熱交換するための熱交換器、熱交換により生じた湯水を貯湯するための貯湯タンク、貯湯タンク内の水を熱交換器の内部を流れて循環させるための循環配管、循環配管内の水を循環させるための循環ポンプとを具備し、熱交換器の出口に位置する循環配管に設けられた出口水温センサにより測定される出口水温に基づき、循環ポンプの作動が制御される。

なお、上記特許文献１においては、熱交換器の入口にも水温計を設け、熱交換器の出口水温が入口水温よりも所定温度以上となるように、循環ポンプの出力を制御する制御装置を具備した燃料電池システムが記載されている。そして、燃料電池の発電量が少ない場合には、循環ポンプをゆっくり回転させて一定時間あたりの循環量を少なくし、熱交換器での熱交換を充分に行なうことにより、貯湯タンク内に供給される水の温度を高くできる旨が記載されている。
特開２００６−２４４３０号公報

しかしながら、燃料電池からの排ガスの温度や流量が低下した場合や、燃料電池の発電量が低下した場合に、排熱回収効率が低下し、熱交換器の出口水温が設定温度を下回る場合がある。

この場合、制御装置により循環配管を流れる流量を調整するよう循環ポンプが制御されるが、そのような制御を行なっても出口水温が回復しない場合には、出口水温が設定温度に回復するまで循環ポンプが停止し、出口水温が設定温度に回復した後に循環ポンプが再起動することとなる。

そして、このような循環ポンプの停止と起動の繰り返し（ハンチング）は、特に夜間のような電力消費量が少ない場合に生じ、この場合、燃料電池からの排ガスの排熱回収効率が低下するという問題があった。

一方、循環ポンプが停止している間、熱交換器内に配置される循環配管中に滞留した水は非常に高温となり、循環ポンプの再起動時に一時的にその非常に高温の水が循環することとなる。それゆえ、そのような非常に高温の水（例えば１００℃以上の水等）が循環した場合には、燃料電池装置の安全性の観点から、燃料電池の発電自体を停止するよう設計される場合がある。

そして、そのように設計された燃料電池装置においては、循環ポンプの停止（再起動）に合わせて燃料電池の発電が停止する場合があり、循環ポンプが度々停止した場合には、燃料電池の発電も頻繁に停止することとなり、安定かつ効率的に発電を行なうことができないという問題があった。

また、本発明の燃料電池装置は、燃料電池と、該燃料電池からの排ガスと水とで熱交換するための熱交換器と、熱交換後の水を貯湯するための貯湯タンクと、前記熱交換器と前記貯湯タンクとで水を循環させるための循環配管と、該循環配管に設けられた循環ポンプと、前記循環配管に設けられ、前記熱交換器の出口水温を測定するための出口水温センサと、前記熱交換器の出口水温が予め設定された設定温度となるように前記循環配管を流れる水の流量を調整するように循環ポンプの作動を制御するとともに、前記水の流量を調整した場合において、前記熱交換器の出口水温が前記設定温度を下回る場合に前記循環ポンプの作動を停止して、前記熱交換器の出口水温が前記設定温度となった場合に前記循環ポ
ンプを再起動させる制御を行なう制御装置とを有するとともに、該制御装置は、前記循環ポンプが所定時間内に所定回数以上の停止と起動を繰り返した場合に、前記出口水温の設定温度を前記出口水温の温度以下に変更するように制御し、前記出口水温が変更された設定温度となるように前記循環ポンプの運転を制御し、前記出口水温が設定温度の下限値を下回った場合には、前記循環ポンプを停止させるように制御することを特徴とする。

このような燃料電池装置においては、循環ポンプが所定時間内に所定回数以上の停止と起動を繰り返す場合に、出口水温の設定温度を出口水温の温度以下に変更するように制御することから、循環ポンプの耐久性を長くすることができる。

すなわち、出口水温が設定温度Ｔ_０を下回った場合に、循環ポンプを停止するように制御するが、循環ポンプの停止後直ちに熱交換器内に配置される循環配管中に滞留する水の温度が上昇し、循環ポンプが再起動する場合においては、循環ポンプが停止するたびに、直ちに出口水温の設定温度を下げると、逆に排熱回収効率が低下するおそれがある。

また、循環ポンプが停止するたびに設定温度を変化させると、循環ポンプに過剰な負荷をもたらすこととなり、循環ポンプの耐久性が低下するおそれがある。

それゆえ、循環ポンプが所定時間内に所定回数（好ましくは複数回）以上の停止と起動を繰り返した場合に、出口水温の設定温度を制御装置により下げることにより、循環ポンプに過剰な負担をかけることなく、循環ポンプの耐久性を長くすることができるとともに、排熱回収効率が低下することを抑制でき、安定かつ効率的に発電を行なうことができる燃料電池装置とすることができる。

また、本発明の燃料電池装置は、燃料電池と、該燃料電池からの排ガスと水とで熱交換するための熱交換器と、熱交換後の水を貯湯するための貯湯タンクと、前記熱交換器と前記貯湯タンクとで水を循環させるための循環配管と、該循環配管に設けられた循環ポンプと、前記循環配管に設けられ、前記熱交換器の出口水温を測定するための出口水温センサと、前記熱交換器の出口水温が予め設定された設定温度となるように前記循環配管を流れる水の流量を調整するように循環ポンプの作動を制御するとともに、前記水の流量を調整した場合において、前記熱交換器の出口水温が前記設定温度を下回る場合に前記循環ポンプの作動を停止して、前記熱交換器の出口水温が前記設定温度となった場合に前記循環ポンプを再起動させる制御を行なう制御装置とを有するとともに、該制御装置は、前記燃料電池の発電量が所定の発電量を充足しない状態が一定時間継続した場合に、前記出口水温の設定温度を前記出口水温の温度以下に変更するように制御し、前記出口水温が変更された設定温度となるように前記循環ポンプの運転を制御し、前記出口水温が設定温度の下限値を下回った場合には、前記循環ポンプを停止させるように制御することを特徴とする。

このような燃料電池装置においては、燃料電池の発電量が所定の発電量を充足しない状態が一定時間継続した場合には、発電量の低下に伴い次第に出口水温が低下し、循環ポンプが停止と起動を繰り返す（ハンチング）おそれがあることから、循環ポンプがハンチングする前に設定温度を下げる制御を行うことにより、循環ポンプのハンチングを抑制することができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記循環配管中を流れる水量が所定量以上の状態が一定時間継続した場合に、前記出口水温の設定温度を変更前の設定温度に戻すように制御することが好ましい。

このような燃料電池装置においては、出口水温や発電量の低下により設定温度を下げた場合に、その設定温度を下げた状態で燃料電池装置を長時間運転すると、貯湯タンクに低温のお湯が貯湯されることとなる。それゆえ、発電量が増加（回復）した場合等においては、出口水温の設定温度を上げる（変更前の設定温度に戻す）ことが好ましい。

ここで、循環配管を流れる水量が所定量以上の状態が一定時間継続した場合には、出口水温が回復していると判断することができることから、設定温度を制御装置により変更前の設定温度に戻すことで、排熱回収温度を上げる（元に戻す）ことが可能となる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記熱交換器内を流れた水を前記貯湯タンクに戻す前記循環配管に三方弁を具備するとともに、前記三方弁の一方が前記貯湯タンクの上部側と上部配管により接続され、他方が前記貯湯タンクの上部側以外の部分と分岐配管により接続されるとともに、前記制御装置は、前記出口水温の設定温度が前記出口水温の温度以下に変更されている間、前記熱交換器を流れた水が前記分岐配管を流れるよう前記三方弁を制御することが好ましい。

このような燃料電池装置においては、出口水温の設定温度を下げた間は、低温の水が貯湯タンクに戻されることとなり、その場合に例えば貯湯タンクの上部に貯湯されている温水の水温が低下することとなる。

それゆえ、循環配管に三方弁を具備するとともに、その一方を前記貯湯タンクの上部側以外の部分と分岐配管により接続し、出口水温の設定温度を下げた間は、熱交換器内を流れた水が分岐配管を流れるように三方弁を制御することにより、貯湯タンクの上部側の温水の水温が低下することを抑制できる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記制御装置は、前記出口水温の設定温度が当初の設定温度に戻された後、前記熱交換器内を流れた水が上部配管を流れるよう前記三方弁を制御することが好ましい。

このような燃料電池装置においては、出口水温の設定温度が当初の設定温度に戻された後に、熱交換器内を流れた水（熱交換済みの水）が上部配管を流れるよう三方弁を制御することから、貯湯タンクの上部側に高温の温水を貯湯することができる。

本発明の燃料電池装置は、循環ポンプの停止もしくはハンチングを抑制することができることから、排熱回収効率が低下することを抑制できるとともに、安定かつ効率的に発電を行なうことができる。

図１は、本発明の燃料電池装置の構成の一例を示した構成図である。本発明の燃料電池装置は、発電を行なう発電ユニット、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニット、これらのユニット間を水が循環するための循環配管から構成されている。

図１に示す燃料電池装置は、燃料電池１、天然ガスや灯油等の被改質ガスを供給する被改質ガス供給手段２、酸素含有ガスを燃料電池１に供給するための酸素含有ガス供給手段３、被改質ガスと水蒸気により水蒸気改質する改質器４を具備している。

ここで、改質器４に純水を供給する手段である水供給手段Ｘは、水を浄化するための活性炭フィルタ装置７、逆浸透膜装置８（以下、ＲＯ膜装置とする）、浄化された水を純水にするためのイオン交換樹脂装置９および純水を一時的に貯水する水タンク１０の各装置と、この各装置と改質器４をこの順で接続する水供給管５と、水供給管５に供給する水量を調節する給水弁６とで主に構成されている。

そして燃料電池１、被改質ガス供給装置２、酸素含有ガス供給手段３、改質器４および水供給手段Ｘにて、主たる発電部が構成される。

さらに、上記した主たる発電部に加え、燃料電池１にて発電された直流電力を交流電力に切り替え外部負荷に供給するためのパワーコンディショナ１２、燃料電池１の発電により生じた排ガス（排熱）と水とで熱交換を行なう熱交換器１３、熱交換器１３の出口に設けられ熱交換器１３の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ１５、水を循環させるための循環ポンプ１６、出口水温センサ１５の情報に基づき循環ポンプ１６の運転を制御する制御装置１４、により発電ユニットが構成されている。なお、制御装置１４については後述する。

また貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１８を具備して構成されている。

さらに、熱交換器１３と貯湯タンク１８との間で水を循環させるための循環配管１７が設けられており、発電ユニット、貯湯ユニット、循環配管１７をあわせて燃料電池装置が構成される。なお、循環配管１７は、貯湯タンク１８から熱交換器１３に向けて貯湯タンクの水が流れる往路１７ａと、熱交換後の水を貯湯タンク１８に戻すための復路１７ｂとから構成されており、循環配管１７という場合には、この往路１７ａと復路１７ｂとの両方を意味するものとする。

なお、図中の矢印は、燃料（改質）ガス、酸素含有ガス、水の流れ方向を示したものであり、また破線は制御装置１４に伝送される主な信号経路、または制御装置１４より伝送される主な信号経路を示している。また、同一の構成については同一の番号を付するものとし、以下同様である。さらに、図示していないが、被改質ガス供給手段２と改質器４の間に、被改質ガスを加湿するための被改質ガス加湿器を設けることも可能である。

また、燃料電池１としては、各種燃料電池が知られているが、燃料電池を小型化する上で、固体酸化物形燃料電池とすることができる。それにより、燃料電池のほか、燃料電池の動作に必要な補機類を小型化することができ、燃料電池装置を小型化することができる。またあわせて、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行うことができる。

ここで、図１に示した燃料電池装置を用いて、本発明の燃料電池装置の運転方法について説明する。

燃料電池１の発電に用いられる改質ガス（燃料ガス）を得るための改質器４で使用される水（純水）は、水供給手段Ｘを構成する給水弁６が開放され、水供給管５を通して活性炭フィルタ装置７に給水される。活性炭フィルタ装置７にて処理された水は、続いてＲＯ膜装置８に給水される。ＲＯ膜装置８にて処理された水は、続いてイオン交換樹脂装置９にて処理され、純水が生成される。生成された純水は、一時的に水タンク１０に貯水され、改質器４で必要となる水の量に応じて水ポンプ１１により改質器４に供給される。

改質器４においては、水ポンプ１１により供給された純水と、被改質ガス供給手段２より供給される被改質ガスとにより、水蒸気改質を行なう。改質器４にて生成された改質ガス（燃料ガス）は、燃料電池１に供給され、酸素含有ガス供給手段３より供給される酸素含有ガスと反応して、燃料電池１の発電が行なわれる。そして、燃料電池１の発電で生じた電力は、パワーコンディショナ１２を通じて、外部負荷に供給される。

一方、燃料電池１の発電により生じた排ガス（排熱）は、主に燃料電池１の温度を高めるもしくは維持するために使用されるが、余った排熱が燃料電池１より熱交換器１３に供給される。

熱交換器１３に供給された排ガスは、熱交換器１３内を流れる（循環）する水とで熱交換される。そして熱交換された水（湯水）は、循環配管１７を循環して貯湯タンク１８に貯湯される。そして、熱交換器１３にて熱交換された後の排ガスは、燃料電池装置の外部に排気される。

ここで、熱交換器１３の出口水温は、出口水温センサ１５により測定され、その出口水温の情報が制御装置１４に伝送される。そして伝送された出口水温に基づき、出口水温が設定温度Ｔ_０となるように、循環ポンプ１６の作動が制御装置１４により制御される。

具体的には、制御装置１４は、熱交換器１３の出口水温が、設定温度よりも高い場合には、循環配管１７を流れる水量を増加するよう循環ポンプ１６の作動を制御し、熱交換器１３の出口水温が、設定温度よりも低い場合には、循環配管１７を流れる水量を減少するよう循環ポンプ１６の作動を制御する。

しかしながら、このような燃料電池装置において、例えば燃料電池１からの排ガスの温度や流量が低下した場合等において、制御装置１４により循環ポンプ１６を制御し、循環配管１７の流量を減少させる等の制御を行ったとしても、熱交換器１３の出口水温が設定温度Ｔ_０を下回る場合があり、この場合循環ポンプ１６が停止する。

ここで循環ポンプ１６が停止すると、循環配管１７中を水が流れなくなる（水が滞留する）ことから、循環ポンプ１６の停止後しばらくすれば（場合によれば直ちに）、熱交換器１３内に配置される循環配管１７中に滞留する水の温度が上昇し、出口水温が設定温度まで回復し、循環ポンプ１６が再起動する。そして、燃料電池１からの排ガスの温度や流量が低下している状況においては、その後またしばらくすれば、出口水温がＴ_０を下回り、循環ポンプ１６が停止する。そしてさらにまたしばらくすれば、出口水温が回復し、循環ポンプ１６が再起動し、これを繰り返すこととなる。

このように、循環ポンプ１６が何度も繰り返して停止と起動を繰り返す（ハッチング）と、燃料電池１からの排ガスの排熱回収効率が低下することとなる。また、循環ポンプ１６が停止している間に、熱交換器１３内に配置される循環配管１７中に滞留する水が高温となり、循環ポンプ１６が再起動した場合に、一時的に非常に高温の水が循環する場合がある。燃料電池装置においては安全性を考慮し、非常に高温の水が循環した場合に燃料電池１の発電自体を停止する設計とされる場合があり、このような燃料電池装置において、循環ポンプ１６を再起動した場合に、非常に高温の水が循環して燃料電池１の発電が停止する場合がある。

それゆえ、本発明の燃料電池装置においては、出口水温センサ１５により測定される熱交換器１３の出口水温が、制御装置１４に伝送され、出口水温が設定温度Ｔ_０を下回った場合に、制御装置１４はその出口水温の設定温度を下げる（Ｔ_１）制御を行う。それにより、循環ポンプ１６は、熱交換器１３の出口水温が新たな設定温度Ｔ_１となるよう制御される（循環配管１７を流れる水の流量が増える）。それにより、循環ポンプ１６の停止を回避することができ、燃料電池１の排ガスの排熱回収効率が低下することを抑制できる。

なお、設定温度Ｔ_０は、目的とする排熱回収効率等にあわせて適宜設定することができ、例えば、約７５〜８５℃の範囲とすることができる。また設定温度Ｔ_１は、設定温度Ｔ_０を下回った際の出口水温の水温以下とすればよい。

そして、循環ポンプ１６が停止することを回避できることから、循環配管１７中を非常に高温の水が循環することが抑制でき、非常に高温の水が循環した場合に、燃料電池１の発電自体を停止する設計とされる燃料電池装置において、燃料電池１の発電が停止することを抑制できる。

ここで、設定温度をはじめからＴ_１とすることも考えられるが、この場合、熱交換後の水の水温が下がること、さらには熱交換器１３で排熱回収を行なうにあたり、循環配管１７中に多量の水が循環することとなり貯湯タンク１４が大型化する（それに伴い燃料電池装置も大型化する）という問題があり、好ましくない。

ところで、燃料電池１からの排ガスの温度や流量によっては、循環ポンプ１６が停止した後に、場合によっては直ちに熱交換器１３の出口水温が上昇し、循環ポンプ１６が再起動する場合がある。それゆえ、そのような場合に、循環ポンプ１６が停止した後、直ちに設定温度を下げると、逆に排熱回収効率が低下する場合がある。

また、あわせて循環ポンプ１６が停止するたびに、熱交換器１３の出口水温の設定温度を変化させることは、循環ポンプ１６に過剰な負荷をもたらすこととなり、循環ポンプ１６の耐久性が低下するおそれがある。

それゆえ、制御装置１４は、例えば循環ポンプ１６が所定時間内に所定回数以上の停止と起動を繰り返した場合に、出口水温の設定温度を下げるように制御することもできる。この場合において、循環ポンプ１６が所定時間内に所定回数以上の停止と起動を繰り返すとは、使用する循環ポンプ１６の性能に合わせて適宜設定できるが、例えば循環ポンプ１６が３０分の間に３回以上停止した場合とすることができる。制御装置１４が循環ポンプ１６をこのように制御することにより、循環ポンプ１６に過剰な負担をかけることなく、排熱回収効率が低下することを抑制でき、発電効率のよい燃料電池装置とすることができる。

また、夜間のような消費電力が少ない場合には、燃料電池１の発電量が低下し（所定の発電量を充足しない）、燃料電池１からの排ガスの温度・熱量等が低下する場合がある。さらに、燃料電池１の発電量の低下に伴い、次第に熱交換器１３の出口水温が低下し、ひいては循環ポンプ１６がハンチングし、安定した排熱回収を行なうことができなくなる場合がある。

そのため、制御装置１４は、循環ポンプ１６がハンチングする前、すなわち燃料電池１の発電量が所定の発電量を充足していない場合に、熱交換器１３の出口水温の設定温度を下げる制御を行うことができる。そして、出口水温の設定温度を下げることにより、循環ポンプ１６のハンチングを抑制することができる。

ここで、所定の発電量を充足しない場合に、直ちに設定温度を下げた場合には、場合によっては、循環ポンプ１６に過剰な負荷をもたらすこととなり、循環ポンプ１６の耐久性が低下するおそれがあるため、制御装置１４は、燃料電池１の発電量が所定の発電量を充足しない状態が一定時間継続した場合に、出口水温の設定温度を下げる制御を行うことが好ましい。

具体的には、燃料電池１の発電量が、燃料電池１にて発電された直流電力を交流電力に切り替えるためのパワーコンディショナ９より、制御装置１４に情報（信号）として伝送される。そして、燃料電池１の発電量が、所定の発電量を充足しない状態が一定時間継続した場合に、制御装置１４が出口水温センサ１５の設定温度を下げる制御を行う。

なお、所定の発電量を充足しない状態が一定時間継続するとは、燃料電池１や燃料電池装置の大きさ等によって適宜設定することができる。それゆえ、例えば、予め燃料電池１の発電量と出口水温との相関関係を調査した後、設定することが好ましいが、例えば、燃料電池１の発電量が２００ｗ以下の状態が６０分続いた場合とすることができる。

そして、上記のように設定温度をＴ_１に下げた場合に、その設定温度を下げた状態で燃料電池装置を長時間運転すると、循環ポンプ１６は出口水温がＴ_１となるよう作動することから、循環水量が多くなり排熱回収効率は高くなるが、低温の温水が多くなる。それゆえ、設定温度をＴ_１に下げた場合には、いずれかの時点において設定温度を変更前の設定温度Ｔ_０に戻すことが好ましい。

ここで、循環配管１７を流れる水量が所定量以上の状態が一定時間継続した場合には、出口水温が回復していると判断することができることから、制御装置１４は、設定温度を元の設定温度Ｔ_０に戻すように制御することが好ましい。それにより、排熱回収温度を上げる（元に戻す）ことが可能となる。

なお、循環配管１７を流れる水量が所定量以上の状態が一定時間継続した場合とは、循環配管１７のサイズ等により適宜設定できるが、例えば水量１００ｃｃ／ｍｉｎが３０分続いた場合とすることができる。

ところで、上述の説明においては、設定温度をＴ_０からＴ_１へ一度だけ変更する例をあげて説明したが、さらにＴ_１からＴ_２へと設定温度の変更（設定温度を下げる）を繰り返してもよい。例えば、設定温度をＴ_１へ下げた場合に、熱交換器１３に供給される排ガス量がさらに減少する、または排ガスの温度が低下し、それにより出口水温がさらに低下（Ｔ_２）する場合がある。その場合、さらに設定温度を下げる（Ｔ_２とする）ことにより、循環ポンプ１６のハンチングを抑制でき、発電効率のよい燃料電池装置とすることができる。

なお、設定温度を変更する（下げる）場合において、その設定温度の下限温度は６０℃以上とすることが好ましい。それにより、循環配管１７や貯湯タンク１８中において、レジオネラ菌等の菌類の繁殖を抑制することができる。

また、設定温度を複数回変更した（下げた）場合において、設定温度を変更前の設定温度に戻すにあたっては、例えばＴ_２からＴ_０へ一度に戻すこともできるが、好ましくはＴ_２からＴ_１へ戻した後、Ｔ_１からＴ_０戻すといったように段階的に設定温度を戻すこともでき、多くの場合そのほうが好ましい。

段階的に設定温度を戻す場合においては、循環配管１７を流れる水量が所定量以上の状態が一定時間継続した後、設定温度をＴ_２からＴ_１へ戻し、その後さらに循環配管１７を流れる水量が所定量以上の状態が一定時間継続した場合に、設定温度をＴ_１からＴ_０へ戻すことができる。

また、上述において、出口水温の設定温度を変更前の設定温度に戻すための判断手法として、循環配管１７を流れる水量が所定量以上の状態が一定時間継続した場合について説明したが、その他、例えば燃料電池１の発電量が、所定の発電量を所定時間継続する場合や、被改質ガス供給手段３から供給される被改質ガスの供給量等に基づいて、出口水温の設定温度を変更前の設定温度に戻すこともできる。ただし、燃料電池１の発電量や被改質ガス供給手段３から供給される被改質ガスの供給量に基づいて、出口水温の設定温度を変更前の設定温度に戻すにあたっては、燃料電池１の発電量や被改質ガス供給手段３の被改質ガス供給量が増加するのと、熱交換器１３に排ガスが供給されるまでの間にタイムラグを生じるため、発電量や被改質ガス供給量が増加した後、一定時間経過した後、設定温度を変更前の設定温度に戻すようにすることが好ましい。

図２は、循環配管１７の復路１７ｂに三方弁１９を配置し、三方弁１９の一方に貯湯タンク１８の上部側に接続される上部配管２０を接続し、他方に貯湯タンク１８の上部側以外の部分と接続される分岐配管２１を具備していることを示す構成図である。

通常、燃料電池１が定常運転を行なっている場合は、熱交換器１３にて熱交換された後の水（復路１７ｂを流れる水）は、設定温度Ｔ_０の高温の水が流れているため、復路１７ｂを流れる水は、貯湯タンク１８の上部に回収されることとなる。

ところが、上述したように、熱交換器の出口水温の設定温度がＴ_１やＴ_２に変更されている間は、低温の水が貯湯タンク１８に回収されることとなる。ここで、貯湯タンク１８は、上部側に高温の水が貯水され、底部側の温度が低いといった温度勾配を生じる。それゆえ、低温の水が上部側に回収されると、上部側に貯湯されている温水の水温が低下することとなり、所望の温水を使用することが難しくなるおそれがある。

それゆえ、図２においては、循環配管の復路１７ｂに三方弁１９を配置し、出口水温の設定温度を下げている間は、復路１７ｂを流れる水が、分岐配管２１に流れるように制御することにより、貯湯タンク１８の上部側に貯水された水温が低下することを抑制できる。

なお、分岐配管２１の一端は、貯湯タンク１８の上部側以外の部分と接続されるが、この上部側以外の部分とは、例えば貯湯タンク１８の大きさや貯湯タンク１８に貯水されている水の温度勾配、さらには出口水温の設定温度等にあわせて適宜設定することができ、図２においては、貯湯タンク１８の中央部近傍に接続している例を示している。

また、出口水温の設定温度が当初の設定温度にＴ_０に戻された場合には、三方弁１９を制御して、復路１７ｂを流れる水を、貯湯タンク１８の上部側に流れる（定常運転時の流れに戻す）ように制御することが好ましい。

出口水温の設定温度が当初の設定温度に戻された後は、循環配管を流れる水の温度が回復する。それゆえ、温度が回復した水は、貯湯タンク１８の上部側に戻すことが好ましい。それゆえ、制御装置１４は、出口水温の設定温度が元の設定温度Ｔ_０に戻された後、復路１７ｂを流れる水を上部配管２０に流れるように三方弁１９を制御する。それにより、貯湯タンク１８の上部側に、高温の温水を貯湯することができ、所望の温水を使用することができる。

なお制御装置１４は、復路１７ｂを流れる水が上部配管２０を流れるように三方弁１９を制御するが、出口水温の設定温度が元の設定温度Ｔ_０に戻された直後は、水温が回復していない場合があるため、出口水温の設定温度が元の設定温度Ｔ_０に戻されて一定時間経過した後に、三方弁１９を制御するようにしてもよい。そのような一定時間としては、循環配管１７や熱交換器１３の大きさ等により適宜設定することができるが、例えば出口水温を当初の設定温度Ｔ_０に戻した後１〜１０分とすることができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内にて、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、制御装置１４は１つの制御装置とするとともに、その制御装置の中に上述したような制御機能を備えるようにしてもよく、燃料電池装置の小型化において、その方が好ましい。

本発明の燃料電池装置の構成を示す構成図である。循環配管の復路に、一方が貯湯タンクの上部側に接続される上部配管と接続され、他方が貯湯タンクの上部側以外の部分に接続される分岐配管を接続される三方弁を配置した本発明の燃料電池装置の他の一例を示す構成図である。

符号の説明

１：燃料電池
２：燃料供給装置
３：酸素含有ガス供給装置
４：改質器
１３：熱交換器
１４：制御装置
１５：出口水温センサ
１６：循環ポンプ
１７：循環配管
１７ａ：復路
１７ｂ：往路
１８：貯湯タンク
１９：三方弁
２０：上部配管
２１：分岐配管

Claims

燃料電池と、
該燃料電池からの排ガスと水とで熱交換するための熱交換器と、
熱交換後の水を貯湯するための貯湯タンクと、
前記熱交換器と前記貯湯タンクとで水を循環させるための循環配管と、
該循環配管に設けられた循環ポンプと、
前記循環配管に設けられ、前記熱交換器の出口水温を測定するための出口水温センサと、前記熱交換器の出口水温が予め設定された設定温度となるように前記循環配管を流れる水の流量を調整するように循環ポンプの作動を制御するとともに、前記水の流量を調整した場合において、前記熱交換器の出口水温が前記設定温度を下回る場合に前記循環ポンプの作動を停止して、前記熱交換器の出口水温が前記設定温度となった場合に前記循環ポンプを再起動させる制御を行なう制御装置とを有するとともに、
該制御装置は、前記循環ポンプが所定時間内に所定回数以上の停止と起動を繰り返した場合に、前記出口水温の設定温度を前記出口水温の温度以下に変更するように制御し、前記出口水温が変更された設定温度となるように前記循環ポンプの運転を制御し、前記出口水温が設定温度の下限値を下回った場合には、前記循環ポンプを停止させるように制御することを特徴とする燃料電池装置。
燃料電池と、
該燃料電池からの排ガスと水とで熱交換するための熱交換器と、
熱交換後の水を貯湯するための貯湯タンクと、
前記熱交換器と前記貯湯タンクとで水を循環させるための循環配管と、
該循環配管に設けられた循環ポンプと、
前記循環配管に設けられ、前記熱交換器の出口水温を測定するための出口水温センサと、前記熱交換器の出口水温が予め設定された設定温度となるように前記循環配管を流れる水の流量を調整するように循環ポンプの作動を制御するとともに、前記水の流量を調整した場合において、前記熱交換器の出口水温が前記設定温度を下回る場合に前記循環ポンプの作動を停止して、前記熱交換器の出口水温が前記設定温度となった場合に前記循環ポンプを再起動させる制御を行なう制御装置とを有するとともに、
該制御装置は、前記燃料電池の発電量が所定の発電量を充足しない状態が一定時間継続した場合に、前記出口水温の設定温度を前記出口水温の温度以下に変更するように制御し、前記出口水温が変更された設定温度となるように前記循環ポンプの運転を制御し、前記出口水温が設定温度の下限値を下回った場合には、前記循環ポンプを停止させるように制御することを特徴とする燃料電池装置。
前記制御装置は、前記循環配管中を流れる水量が所定量以上の状態が一定時間継続した場合に、前記出口水温の設定温度を変更前の設定温度に戻すように制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置。
前記熱交換器内を流れた水を前記貯湯タンクに戻す前記循環配管に三方弁を具備するとともに、前記三方弁の一方が前記貯湯タンクの上部側と上部配管により接続され、他方が前記貯湯タンクの上部側以外の部分と分岐配管により接続されるとともに、前記制御装置は、前記出口水温の設定温度が前記出口水温の温度以下に変更されている間、前記熱交換器内を流れた水が前記分岐配管を流れるよう前記三方弁を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置。
前記制御装置は、前記出口水温の設定温度が当初の設定温度に戻された後、前記熱交換器内を流れた水が上部配管を流れるよう前記三方弁を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。