JP5361125B2

JP5361125B2 - 燃料電池装置

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Publication number: JP5361125B2
Application number: JP2006310518A
Authority: JP
Inventors: 秀則中林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-11-16
Filing date: 2006-11-16
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2026-11-16
Also published as: JP2008130252A

Description

本発明は、燃料電池と、燃料電池の発電により生じる熱と水とで熱交換した後の湯水を貯える貯湯タンクを組み合わせた燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、複数の燃料電池セルスタックを収納容器内に収納した燃料電池や、燃料電池を備える装置およびその運転方法（システム）が種々提案されている。そのような燃料電池装置として、燃料電池と、燃料電池の発電により生じる熱と水とで熱交換した後の湯水を貯える貯湯タンクを組み合わせた燃料電池装置が提案されている。

図４に、従来の燃料電池装置を示す構成図を示す。図４における燃料電池装置は、燃料電池３１、天然ガス等の燃料ガスを供給する燃料供給装置３２、酸素含有ガスを燃料電池３１に供給するための酸素含有ガス供給装置３３、燃料ガスと水蒸気により水蒸気改質する改質器３４、給水管３５より供給された水を精製する水処理装置３６、給水管３５より供給される水の供給量を調節するための給水電磁弁３７、水処理装置３６により精製された水を貯水するための水タンク３８、水タンク３８に貯水された水を改質器３４に供給するための水ポンプ３９、燃料電池３１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４０、燃料電池３１の発電により生じた排ガスと水とで熱交換するための熱交換器４１、熱交換器４１により熱交換された水の温度を調べるための熱交換器出口水温センサ４２、熱交換器出口水温センサ４２により与えられた水温情報から、循環ポンプ４３の動きを制御するための制御装置４４、熱交換器４１の内部を通って水を循環させるための循環ポンプ４３と、により構成される発電ユニットと、熱交換により生じた湯水を貯水するための貯湯タンク４５を具備する貯湯ユニットと、貯湯タンク４５の水を循環させるための循環配管４６と、から構成されている。

上記構成により、燃料電池３１の発電に伴う排ガスが、熱交換器４１の内部を流れる水とで熱交換されるとともに、熱交換器４１の出口水温が、熱交換器出口水温センサ４２により測定され、この出口水温情報が制御装置４４に伝送され、制御装置４４が循環ポンプ４３を熱交換器４１の出口水温が設定温度となるように制御している。

また、熱交換器と貯湯タンクとを循環する水の流れを変える手段を有する燃料電池装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。該特許文献１においては、貯湯層と循環ポンプと燃料電池の冷却回路に設けた冷却熱回収熱交換器と水素製造装置の排気熱などを回収する排気ガス熱回収交換機とを順に配管接続して構成する貯湯循環回路とを具備し、一方を貯湯層の下部出口と循環ポンプの吸入側と接続し他方を循環ポンプの吐出側と貯湯層の上部入口を接続し、切換時には、一方の貯湯層の下部出口と循環ポンプ吐出側を接続し他方を貯湯層の上部入口と循環ポンプの吸入側とを接続する４方切換手段と、燃料電池の温度検出手段と、前記温度検出手段の検出値に応じて４方切換手段を切換制御する制御装置と、を設けた燃料電池装置が提案されている。

この４方切換手段は、例えば燃料電池の発電が少ない場合には、貯湯層の上部入口の水と循環ポンプの吸入側とを接続して、貯湯層上部の高温の温水を冷却熱交換器に送って燃料電池を加熱するように制御している。
特開２００４−３３５４０２号公報

燃料電池、特に固体電解質形燃料電池を具備する燃料電池装置の設置においては、通常、貯湯タンクの水が、貯湯タンクの底部（貯湯タンク出口）から熱交換器の入水用接続口（熱交換器入口）に流れ、燃料電池の発電による排ガスと熱交換を行ない、熱交換後の水が熱交換器の出水用接続口（熱交換器出口）から貯湯タンクの上部（貯湯タンク入口）に流れるように接続される。

しかしながら、燃料電池装置の設置（施工）において、例えば発電ユニットと貯湯ユニットが離れて設置される場合に、熱交換器と貯湯タンクを循環する循環配管の接続が、貯湯タンクの水が、貯湯タンクの上部より熱交換器の本来は出口となる接続口（出水用接続口）に流れ、かつ熱交換器の本来は入口となる接続口（入水用接続口）から貯湯タンクの底部に流れる等のように、誤って接続される場合がある。

このように循環配管と各ユニットが本来の接続に対し誤って接続された場合、例えば上述の場合は、貯湯タンクの上部に貯水される水温の高い水が、熱交換器の内部を温度の高い方から低い方へと循環することから、熱交換率が低下するという問題があった。

またこの場合に、貯湯タンクの底部に貯水されている水よりも温度の高い水が貯湯タンクの底部に戻ることから、貯湯タンク内で対流（混合）が生じ、温度の高い水を得ることが困難になるという問題もあった。

また、このような燃料電池装置を設置した後、循環配管と各ユニットとの接続に誤りが判明した場合において、例えば、循環配管を構成する各配管の一部が地中等に埋設施工されている場合には、貯湯ユニットを再接続するために貯湯タンクを空にする水抜き作業や、配管施工のやり直し等が必要となり、非常に手間がかかるほか、施工の仕上がりの見栄えも悪くなるとともに、工事費も増大するという問題があった。

それゆえ、本発明は、循環配管と各ユニットとの接続を誤った場合（後に誤りが判明した場合も含む）においても、貯湯タンクの水が、貯湯タンクの底部（貯湯タンク出口）から熱交換器の入水用接続口（熱交換器入口）に流れ、かつ熱交換器の出水用接続口（熱交換器出口）から貯湯タンクの上部（貯湯タンク入口）に流れることが可能で、燃料電池の排ガスと水とで効率よく熱交換することができ、また温度の高い水を得ることができ、さらには配管施工のやり直し等が不要となり、見栄えの問題や工事費の増大といった問題が生じることを抑制可能な燃料電池装置を提供することにある。

また、本発明の燃料電池装置は、燃料電池ならびに入水用および出水用接続口を有し前記燃料電池からの排ガスと内部を前記入水用接続口から前記出水用接続口に流通する水とで熱交換する熱交換器とを具備する発電ユニットと、熱交換後の湯水を貯える貯湯タンクを具備する貯湯ユニットと、前記貯湯タンクの底部に接続される貯湯タンク底部配管、前記貯湯タンクの上部に接続される貯湯タンク上部配管、前記熱交換器の入水用接続口に接続される入水用配管、および前記熱交換器の出水用接続口に接続される出水用配管からなる循環配管ならびにそれぞれの配管を接続する水流れ調整弁と、該水流れ調整弁よりも前記貯湯タンク側における前記貯湯タンク底部配管に設けられ前記水を循環させるための循環ポンプと、前記出水用配管に設けられた前記熱交換器の出口を流れる水の水温を測定するための熱交換器出口水温センサと、前記熱交換器での熱交換が開始されて一定時間経過した後に、前記熱交換器出口水温センサにより測定される温度が所定の温度を下回った場合に、前記貯湯タンクの水が、前記貯湯タンクの底部から前記熱交換器の入水用接続口に流れ、かつ前記熱交換器の出水用接続口から前記貯湯タンクの上部に流れるように、前記水流れ調整弁を動作させる制御装置を備え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、例えば燃料電池の発電による排ガスと熱交換器を流れる水とでの熱交換が開始され一定時間経過した場合に、熱交換器の出口水温の設定温度を下回る場合には、循環配管と各ユニットとの接続が誤っていることが分かる。

より詳細には、循環ポンプが貯湯タンクと接続する配管（貯湯タンク底部配管もしくは貯湯タンク上部配管）に設けられているとともに、貯湯タンク底部配管と出水用配管とが接続されている場合には、貯湯タンク底部配管を流れる水が熱交換器の出口に向けて流れることから、燃料電池の発電による排ガスと水とでの熱交換が開始され一定時間経過した場合に、熱交換器の出口水温が設定温度に達しないこととなり、この場合は、循環配管と各ユニットとの接続が誤っていることが分かる。

それにより、燃料電池の発電による排ガスと水とでの熱交換が開始され一定時間経過した場合に、熱交換器の出口水温が設定温度に達しない場合に、制御装置が水流れ調整手段の動作を制御することにより、循環配管を流れる水を、貯湯タンクの底部、熱交換器の入水用接続口、熱交換器の出水用接続口、貯湯タンクの上部の順に循環させることができる。

それゆえ、循環配管と各ユニットとを誤って接続した場合（後に誤りが判明した場合も含む）であっても、貯湯タンクの水は、貯湯タンクの底部、熱交換器の入水用接続口、熱交換器の出水用接続口、貯湯タンクの上部を順に循環することから、燃料電池の排ガスと水とで効率よく熱交換することができ、また温度の高い水を得ることができ、さらには配管施工のやり直し等が不要となり、見栄えの問題や工事費の増大といった問題が生じることを抑制できる。

本発明の燃料電池装置は、熱交換器と貯湯タンクとを水が循環するための循環配管を構成する各配管に水流れ調整手段の動作を制御することにより、循環配管と、発電ユニットおよび貯湯ユニットを誤って接続した場合（後に誤りが判明した場合も含む）であっても、貯湯タンクの水が、貯湯タンクの底部から熱交換器の入水用接続口に流れ、かつ熱交換器の出水用接続口から貯湯タンクの上部に流れるようにすることができる。それにより、燃料電池の排ガスと水とで効率よく熱交換することができ、また温度の高い水を得ることができるとともに、配管施工のやり直し等が不要となり、見栄えの問題や工事費の増大といった問題が生じることを抑制できる。

図１は、参考例の燃料電池装置の構成の一例を示した構成図である。参考例の燃料電池装置は、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。（Ａ）は、循環配管と各ユニットが正常に接続された場合の構成を、（Ｂ）は循環配管と各ユニットが誤って接続された場合の構成を示しており、以下の図においても同様に（Ａ）が正しい接続の場合、（Ｂ）が誤って接続された場合を示すものとする。なお、各図においては以下に詳述する水流れ調整手段の一例である４方弁１８が作動した状態を示している。

参考例の燃料電池装置は、燃料電池１、天然ガス等の燃料ガスを供給する燃料供給装置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装置３、燃料ガスと水蒸気により水蒸気改質する改質器４、給水管５より供給された水を精製する水処理装置６と、給水管５より供給される水の供給量を調節するための給水電磁弁７、水処理装置６により精製された水を貯水するための水タンク８、水タンク８に貯水された水（本発明においては水蒸気も含み、以下同意である）を改質器４に供給するための水ポンプ９、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１０、燃料電池１の発電により生じた排ガス（排熱）と水とで熱交換する熱交換器１１、熱交換器１１の出口に設けられ熱交換器１１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１２、水を循環させるための循環ポンプ１３、循環ポンプ１３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。

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１５により構成されている。

そして、熱交換器１１と貯湯タンク１５との間で水を循環させるため、貯湯タンク１５の底部に接続される貯湯タンク底部配管１９、貯湯タンク１５の上部に接続される貯湯タンク上部配管２０、熱交換器１１の入水用接続口に接続される入水用配管２１、および熱交換器１１の出水用接続口に接続される出水用配管２２とからなる循環配管が設けられている。

さらに循環配管を構成する各配管（各配管の一方の先端部）には、各配管を流れる水を制御するための水流れ調整手段の一例である４方弁１８が設けられており、上記発電ユニット、上記貯湯ユニット、上記循環配管により、本発明の燃料電池装置が構成される。

ここで、循環ポンプ１３および４方弁１８は、それぞれ、発電ユニットを収納するケース内もしくは貯湯ユニットを収納するケース（図においては二点破線で示し、以下同様である）内に設けられている循環配管に設けることが好ましい。それにより各配管（循環配管）を埋設施工する場合においても、循環ポンプ１３および４方弁１８は、それぞれ各ユニットを収納するケース内に設けられることから、容易にメンテナンスや交換等を行なうことができる。なお、図１においては、循環ポンプ１３が発電ユニットを収納するケース内に、４方弁１８が貯湯ユニットを収納するケース内に設けられている場合を示している。

なお、図中の矢印は、燃料ガス、酸素含有ガス、水の流れ方向を示したものであり、また点線は制御装置１４に伝送される信号経路、または制御装置１４より伝送される信号経路を示している。

なお、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、燃料供給装置２と改質器４の間に、燃料ガスを加湿するための燃料加湿器を設けることも可能である。

ここで、図１に示した燃料電池装置を用いて、参考例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を得るための改質器４で使用される水は、給水電磁弁７が開放され、給水管５を通して水処理装置６に給水される。給水された水は水処理装置６により精製度の高い水（好ましくは純水）に精製され、水タンク８に貯水される。水タンク８に貯水された精製度の高い水は、水ポンプ９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９により供給された精製された水と、燃料供給装置２より供給される燃料ガス（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は、燃料電池１に送られ、酸素含有ガス供給装置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１０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、余った排ガスが燃料電池１より熱交換器１１に供給される。

熱交換器１１に供給された排ガスは、熱交換器１１内を流通（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、循環配管を循環して貯湯タンク１５に貯湯される。

ここで、熱交換器１１の内部を流れる水は、燃料電池１が固体電解質形燃料電池である場合、燃料電池の冷却水を必要としないため、通常、貯湯タンク１５の水が、貯湯タンクの底部から熱交換器１１の入水用接続口（入口）１６に流れ、かつ熱交換器１１の出水用接続口（出口）１７から貯湯タンク１５の上部に流れるように設計される。

ところが、このような燃料電池装置を設置するにあたり、特に新築の家を建てる場合に、循環配管（各配管）の一部（場合によっては全部）を埋設処理する場合がある。その場合、埋設処理された循環配管に、発電ユニットおよび貯湯ユニットを接続するが、その際接続を誤り、例えば貯湯タンク１５の水が、貯湯タンク１５の上部より熱交換器１１の本来は出口となる接続口（出水用接続口１７）に流れ、かつ熱交換器１１の本来は入口となる接続口（入水用接続口１６）から貯湯タンク１５の底部に流れるように接続される場合がある。

この場合、熱交換率が十分に行なわれていない水が貯湯タンクに戻ることから、熱交換率が悪化する、温度の高い水を得ることが困難になる、貯湯ユニットの再接続のための処置や配管施工のやり直し等による見栄えの問題や工事費の増大といった問題が生じる場合がある。

そこで、参考例の燃料電池装置においては、貯湯タンク底部配管１９、貯湯タンク上部配管２０、入水用配管２１、出水用配管２２の各配管（各配管の一方の先端部）に水流れ調整手段の一例である４方弁１８を設け、制御装置１４により４方弁１８を制御することで、貯湯タンク１５の水が、貯湯タンク１５の底部から熱交換器の入水用接続口（入口）１６に流れ、かつ熱交換器の出水用接続口（出口）１７から貯湯タンク１５の上部に流れるようにすることができる。

それにより、熱交換率が悪化することや、温度の高い水を得ることが困難になる等の問題を回避することができる。

なお、循環配管１６と各ユニットとの接続を誤った場合において、水流れ調整手段の一例である４方弁１８を制御する方法としては、例えば、貯湯タンク底部配管を流れる水温を測定する貯湯タンク底部水温センサ２３を貯湯タンク底部配管１９に、貯湯タンク上部配管を流れる水温を測定する貯湯タンク上部水温センサ２４を貯湯タンク上部配管２０に設ける。そして、貯湯タンク底部水温（ＴＬ）と貯湯タンク上部水温（ＴＨ）の情報（信号）が制御装置１４に伝送される。ここで、貯湯タンク上部水温ＴＨが貯湯タンク底部水温ＴＬを下回った場合、各配管（循環配管）と各ユニットとが誤って接続されていることが分かり、制御装置１４から４方弁１８に対し信号を伝送し、貯湯タンク１５の水が、貯湯タンク１５の底部から熱交換器１１の入水用接続口１６（入口）に流れ、かつ熱交換器の出水用接続口１７（出口）から貯湯タンク１５の上部に流れるように４方弁１８が制御される。言い換えれば、貯湯タンク１５の水が、貯湯タンク底部配管１９を流れた後、入水用配管２１を流れ、熱交換器１１の内部を通った後、出水用配管２２から貯湯タンク上部配管２０を流れて、貯湯タンク１５に戻ることとなる。

それにより、例えば、循環ポンプ１３が熱交換器１１の入水用接続口１６と接続する入水用配管２１に設けられ、循環配管と各ユニットとを誤って接続した場合であっても、貯湯タンク１５の水を、貯湯タンク１５の底部、熱交換器１１の入水用接続口１６、熱交換器１１の出水用接続口１７、貯湯タンク１５の上部の順に循環させることができる。

なお、図示はしていないが、循環ポンプ１３が熱交換器１１の出水用接続口１７と接続する出水用配管２２に設けられている場合も、上記と同様である。

図２は、図１で示した構成のうち、貯湯タンク底部水温センサ２３および貯湯タンク上部水温センサ２４に変わって、貯湯タンク１５の底部と接続される貯湯タンク底部配管１９に、貯湯タンク底部配管１９を流れる水の方向を測定するための水流計２５が設けられている場合を示す。

ここで、燃料電池が固体電解質形燃料電池である場合、通常、貯湯タンク１５の水は、貯湯タンク１５の底部から熱交換器１１の入水用接続口１６に流れ、かつ熱交換器１１の出水用接続口１７から貯湯タンク１５の上部に流れるように設計される。

それゆえ、例えば、貯湯タンク底部配管１９を流れる水が貯湯タンク１５の底部に向けて流れている場合には、循環配管と各ユニットとの接続が誤っていることが分かる。

そこで、参考例の燃料電池装置においては、貯湯タンク底部配管１９、貯湯タンク上部配管２０、入水用配管２１、出水用配管２２の各配管（各配管の一方の先端部）に水流れ調整手段の一例である４方弁１８を設け、制御装置１４により４方弁１８を制御することで、貯湯タンク１５の水が、貯湯タンク１５の底部から熱交換器１１の入水用接続口１６（入口）に流れ、かつ熱交換器１１の出水用接続口１７（出口）から貯湯タンク１５の上部に流れるようにすることができる。それにより、熱交換率が悪化することや、温度の高い水を得ることが困難になる等の問題を回避することができる。

なお、循環配管と各ユニットとの接続を誤った場合において、水流れ調整手段の一例である４方弁１８を制御する方法としては、まず水流計２５で測定された貯湯タンク底部配管１９を流れる水の方向の情報を制御装置１４に伝送する。ここで、貯湯タンク底部配管１９を流れる水の方向が、貯湯タンク１５の底部に向けて流れている場合、循環配管と各ユニットとが誤って接続されていることが分かり、制御装置１４から４方弁１８に対し信号を伝送し、貯湯タンク１５の水が、貯湯タンク１５の底部から熱交換器１１の入水用接続口１６（入口）に流れ、かつ熱交換器１１の出水用接続口１７（出口）から貯湯タンク１５の上部に流れるように４方弁１８が制御される。

それにより、例えば、循環ポンプ１３が熱交換器１１の入水用接続口１６と接続する入水用配管２１に設けられている場合に、循環配管と各ユニットとを誤って接続した場合であっても、貯湯タンク１５の水を、貯湯タンク１５の底部、熱交換器１１の入水用接続口１６、熱交換器１１の出水用接続口１７、貯湯タンク１５の上部の順に循環させることができる。

また、水量計２５は、水の流れを判別できるものであれば良く、例えば、一定の水の流れでしか作動しない流量計等を用いることも可能である。

図３は、図１で示した構成のうち、循環ポンプ１３が、貯湯ユニットを収納するケースの内部に設けられた貯湯タンク１５の底部と接続される貯湯タンク底部配管１９に設けられ、水流れ調整手段の一例である４方弁１８が、発電ユニットを収納するケースの内部に設けられた場合を示す。

ところが、循環ポンプ１３が、貯湯ユニットを収納するケースの内部に設けられた貯湯タンク１５の底部と接続される貯湯タンク底部配管１９に設けられている場合において、循環配管と各ユニットとが誤って接続された時には、貯湯タンク１５の底部から熱交換器１１の本来は出口となる出水用接続口１７に流れ、かつ熱交換器１１の本来は入口となる入水用接続口１６から貯湯タンク１５の上部に流れる場合がある。

この場合、例えば、貯湯タンク底部配管１９を流れる水の水温を測定する貯湯タンク底部水温センサ２３を貯湯タンク底部配管１９に、貯湯タンク上部配管２０を流れる水の水温を測定する貯湯タンク上部水温センサ２４を貯湯タンク上部配管２０に設けたとしても、貯湯タンク１５の底部から流れた水は、熱交換器１１の上部（出水用接続口１７）より下部（入水用接続口１６）に流れた後、貯湯タンク１５の上部に戻るため、熱交換率は悪くなるものの、貯湯タンク上部水温が貯湯タンク底部水温を下回ることが抑制される。それゆえ、この場合においては、循環配管と各ユニットとが誤って接続されていることを判断することが困難となる。

また、例えば、貯湯タンク底部に接続される貯湯タンク底部配管１９に貯湯タンク底部配管１９を流れる水の方向を測定するための水流計２５を設けた場合においても、循環ポンプ１３が貯湯タンク１５の底部より、発電ユニット側に水を流すよう作動するため、上記と同様、循環配管と各ユニットとが誤って接続されていることを見つけることが困難となる。

それゆえ、この場合においては、熱交換器１１の出水用接続口１７に接続される出水用配管２２に、出水用配管２２を流れる水の水温を測定するための熱交換器出口水温センサ１２を設ける。

ここで、従来、熱交換器出口水温センサ１２は、循環ポンプ１３の運転を制御するための水温情報を測定するために設置されているが、本発明の燃料電池装置においては、さらに例えば、燃料電池１の発電による排ガスと熱交換器１１の内部を入水用接続口１６から出水用接続口１７に循環する水とでの熱交換が開始され一定時間経過した場合に、熱交換器出口水温が、設定温度を下回る場合に、循環配管と各ユニットとの接続が誤っていると判断する目的で設置される。

なおここで、設定温度とは、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６５〜８５℃の範囲とすることができ、一定時間とは、燃料電池１からの排ガスと水とでの熱交換が開始されてから（水の循環が開始してから）３０秒程度とすることができる。

そこで、本発明の燃料電池装置においては、各配管（各配管の一方の先端部）に水流れ調整手段の一例である４方弁１８を設け、制御装置１４により４方弁１８を制御することで、貯湯タンク１５の水が、貯湯タンク１５の底部から熱交換器１１の入水用接続口１６に流れ、かつ熱交換器１１の出水用接続口１７から貯湯タンク１５の上部に流れるようにすることができる。それにより、熱交換率が悪化することや、温度の高い水を得ることが困難になる等の問題を回避することができる。

なお、循環配管と各ユニットとの接続を誤った場合において、水流れ調整手段の一例である４方弁１８を制御する方法としては、まず熱交換器出口水温センサ１２により測定された出水用配管２２を流れる水の水温（出口水温）の情報が制御装置１４に伝送される。ここで、燃料電池１からの排ガスと熱交換器１１の内部を入水用接続口１６から出水用接続口１７に流通（循環）する水とでの熱交換が開始されてから一定時間経過した後の熱交換器出口水温が、予め設定した設定温度に達していない場合、循環配管と各ユニットとが誤って接続されていると判断でき、制御装置１４から４方弁１８に対し信号を伝送し、貯湯タンク１５の水が、貯湯タンク１５の底部から熱交換器１１の入水用接続口１６に流れ、かつ熱交換器１１の出水用接続口１７から貯湯タンク１５の上部に流れるように４方弁１８が制御される。

それにより、例えば、循環ポンプ１３が貯湯タンク１５の底部と接続する貯湯タンク底部配管１９に設けられている場合に、循環配管と各ユニットとを誤って接続した場合であっても、貯湯タンク１５の水を、貯湯タンク１５の底部、熱交換器１１の入水用接続口１６、熱交換器１１の出水用接続口１７、貯湯タンク１５の上部の順に循環させることができる。

なお、図示はしていないが、循環ポンプ１３が貯湯タンク１５の上部と接続する貯湯タンク上部配管２０に設けられている場合も、上記と同様である。

なお、本発明の燃料電池装置は、上記に記載した燃料電池装置に限られるものではなく、循環配管と各ユニットとを誤って接続した場合（後に誤りが判明した場合も含む）であっても、貯湯タンク１５の水を、貯湯タンク１５の底部、熱交換器１１の入水用接続口１６、熱交換器１１の出水用接続口１７、貯湯タンク１５の上部の順に循環させることができればよい。

それゆえ、例えば、貯湯タンク１５と接続される循環配管に、循環ポンプ１３が設けられている場合に、貯湯タンクの底部配管１９を流れる水の水温を測定する貯湯タンク底部水温センサ２３を設け、燃料電池１の排ガスと熱交換器１１の内部を循環する水とでの熱交換が開始してから一定時間経過後の熱交換器出口水温センサ１２と貯湯タンク底部水温センサ２３で測定された温度を比較し、出口水温が貯湯タンク底部水温よりも一定以上高温となっていない場合に、循環配管と各ユニットとの接続が誤っていると判断することも可能である。

なおここで、一定時間とは、燃料電池１からの排ガスと水とでの熱交換が開始されてから（水の循環が開始してから）３０秒程度とすることができ、出口水温が貯湯タンク底部水温よりも一定以上高温となっているとは、例えば、約２０℃以上高温となっているとすることができる。

この場合においては、熱交換器出口水温センサ１２と貯湯タンク底部水温センサ２３により測定された出口水温および貯湯タンク底部水温が制御装置１４に伝送される。ここで、燃料電池１からの排ガスと熱交換器１１の内部を循環する水とでの熱交換が開始されてから一定時間経過した後の、熱交換器出口水温センサ１２と貯湯タンク底部水温センサ２３で測定された温度を比較し、出口水温が貯湯タンク底部水温よりも一定以上高温となっていない場合、循環配管と各ユニットとが誤って接続されていることが判断することができ、制御装置１４から水流れ調整手段の一例である４方弁１８に対し信号を伝送し、貯湯タンク１５の水が、貯湯タンク１５の底部から熱交換器１１の入水用接続口１６に流れ、かつ熱交換器の出水用接続口１７から貯湯タンク１１の上部に流れるように４方弁１８が制御される。

それにより、例えば、循環ポンプ１３が貯湯タンク底部配管１９に設けられている場合に、循環配管と各ユニットとを誤って接続した場合であっても、貯湯タンク１５の水を、貯湯タンク１５の底部、熱交換器１１の入水用接続口１６、熱交換器の出水用接続口１７、貯湯タンク１５の上部の順に循環させることができる。

なお、上述した本発明の燃料電池装置において、水流れ調整手段の一例として４方弁を例に挙げて説明したが、水の流れを、貯湯タンク１５の水が、貯湯タンク１５の底部から熱交換器１１の入水用接続口１６に流れ、かつ熱交換器の出水用接続口１７から貯湯タンク１１の上部に流れるように調整できるものであれば、その他の調整機器類を使用することもできる。そのような例としては、例えば、循環配管を構成する貯湯タンク底部配管と貯湯タンク上部配管に３方弁を接続するとともに、貯湯タンク底部配管が、３方弁より入水用配管および出水用配管に水が流れるように配管を接続し、貯湯タンク上部配管が、３方弁より入水用配管および出水用配管に水が流れるように配管を接続するよう設計することも可能である。また循環配管を構成する各配管に弁を設け、それぞれの弁を調整して、貯湯タンク１５の水が、貯湯タンク１５の底部から熱交換器１１の入水用接続口１６に流れ、かつ熱交換器の出水用接続口１７から貯湯タンク１１の上部に流れるように調整できるよう設計することも可能である。

貯湯タンク底部配管に貯湯タンク底部水温センサを、貯湯タンク上部配管に貯湯タンク上部水温センサを有する燃料電池装置を示す構成図であり、（Ａ）は循環配管と各ユニットが正しく接続されている場合を、（Ｂ）は循環配管と各ユニットが誤って接続されている場合を示す。貯湯タンク底部配管に貯湯タンク底部配管を流れる水の方向を測定する水流計を設けた燃料電池装置を示す構成図であり、（Ａ）は循環配管と各ユニットが正しく接続されている場合を、（Ｂ）は循環配管と各ユニットが誤って接続されている場合を示す。貯湯ユニットを収納するケース内に循環ポンプを、発電ユニットを収納するケース内に水流れ調整手段の一例である４方弁を設けた燃料電池装置を示す構成図であり、（Ａ）は循環配管と各ユニットが正しく接続されている場合を、（Ｂ）は循環配管と各ユニットが誤って接続されている場合を示す。従来の燃料電池装置を示す構成図である。

符号の説明

１：燃料電池
１１：熱交換器
１２：熱交換器出口水温センサ
１３：循環ポンプ
１４：制御装置
１５：貯湯タンク
１８：４方弁
１９：貯湯タンク底部配管
２０：貯湯タンク上部配管
２１：入水用配管
２２：出水用配管
２３：貯湯タンク底部水温センサ
２４：貯湯タンク上部水温センサ
２５：水流計

Claims

燃料電池ならびに入水用および出水用接続口を有し前記燃料電池からの排ガスと内部を前記入水用接続口から前記出水用接続口に流通する水とで熱交換する熱交換器とを具備する発電ユニットと、
熱交換後の湯水を貯える貯湯タンクを具備する貯湯ユニットと、
前記貯湯タンクの底部に接続される貯湯タンク底部配管、前記貯湯タンクの上部に接続される貯湯タンク上部配管、前記熱交換器の入水用接続口に接続される入水用配管、および前記熱交換器の出水用接続口に接続される出水用配管からなる循環配管ならびにそれぞれの配管を接続する水流れ調整弁と、
該水流れ調整弁よりも前記貯湯タンク側における前記貯湯タンク底部配管に設けられ前記水を循環させるための循環ポンプと、
前記出水用配管に設けられた前記熱交換器の出口を流れる水の水温を測定するための熱交換器出口水温センサと、
前記熱交換器での熱交換が開始されて一定時間経過した後に、前記熱交換器出口水温センサにより測定される温度が所定の温度を下回った場合に、前記貯湯タンクの水が、前記貯湯タンクの底部から前記熱交換器の入水用接続口に流れ、かつ前記熱交換器の出水用接続口から前記貯湯タンクの上部に流れるように、前記水流れ調整弁を動作させる制御装置を備えることを特徴とする燃料電池装置。