JP7335798B2 - 燃料電池システム、及び燃料電池システム運転方法 - Google Patents

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する。

ガス燃料を用いて燃料電池で発電すると共に燃料電池からの排熱で加熱された伝熱媒体を蓄える貯湯タンク、追い焚き器（熱源機）、を備えた燃料電池システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８－２６２８４９号公報

一般的に、熱源機は、貯湯タンクに貯留された湯の温度が低下した場合に、燃料を用いて湯を加熱してユーザーへ給湯する。このとき、熱源機の熱交換器において湯の加熱が行われるが、なるべく、燃料を用いることなく湯の加熱を行うことで、燃料の使用量を減らし、省エネルギーで運転することが望ましい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、省エネルギーで運転可能な燃料電池システム、及び、燃料電池システム運転方法を提供することが目的である。

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と、前記燃料電池モジュールからの熱により加熱された水を貯留する貯湯タンクと、ガス燃料の燃焼により水を加熱して熱供給する熱源機と、前記貯湯タンクと前記熱源機との間で前記貯湯タンクの湯を循環させ、前記熱源機内での熱交換により水を加熱する熱源機循環路と、を備えている。

第１態様に係る燃料電池システムは、燃料電池モジュール、貯湯タンク、熱源機、及び熱源機循環路を備えている。燃料電池モジュールは発電を行い、貯湯タンクは燃料電池モジュールからの熱により加熱された水を貯留する。熱源機は、ガス燃料の燃焼により水を加熱して熱供給する。ここでの熱供給には、給湯、暖房用の温水供給、追焚用の湯の供給などが含まれている。

熱源機循環路は、貯湯タンクと熱源機との間で貯湯タンクの湯を循環させ、熱源機内での熱交換により水を加熱する。この熱交換により、貯湯タンクの湯で熱源機内において水を加熱することができる。これにより、熱源機におけるガス燃料の使用を遅らせたり、必要に応じた使用によりガス燃料の使用を行わない水の加熱を行ったりすることができる。

第２態様に係る燃料電池システムは、前記熱源機循環路と別に、前記貯湯タンクの湯又は前記貯湯タンクの湯が有する熱により加熱された湯を前記熱源機へ供給する湯供給路、を備えている。

第２態様に係る燃料電池システムによれば、熱源機循環路と別に湯供給路を備えているので、熱源機は湯供給路から供給される湯が要求温度に満たない場合にガス燃料を用いて加熱すればよい。したがって、熱源機におけるガス燃料の使用を抑制することができる。

第３態様に係る燃料電池システムは、前記貯湯タンクの湯を前記熱源機循環路において循環させる循環駆動部と、前記貯湯タンクの湯が駆動開始温度以下となった場合に、前記循環駆動部を駆動させる制御部と、を備えている。

第３態様に係る燃料電池システムによれば、貯湯タンクの湯が駆動開始温度以下となった場合に、循環駆動部が駆動されて熱源機循環路で貯湯タンクの湯が循環し、熱源機での熱交換が行われる。したがって、駆動開始温度を気温や給湯要求温度等に応じて設定することにより、熱源機におけるガス燃料の使用開始前に循環駆動部を駆動させることで熱源機から供給される水の温度を上げ、ガス燃料の使用の開始を遅らせることができる。

第４態様に係る燃料電池システムは、前記制御部は、前記熱源機からの給湯用湯温が給湯要求温度よりもΔＴ１高い燃料使用加熱開始温度以下になった場合にガス燃料の燃焼による水の加熱を行うように前記熱源機を制御すると共に、前記燃料使用加熱開始温度よりもΔＴ２高い温度を前記駆動開始温度とする。

第４態様に係る燃料電池システムでは、熱源機からの給湯用湯温が給湯要求温度よりもΔＴ１高い温度が燃料使用加熱開始温度とされ、燃料使用加熱開始温度よりもΔＴ２高い温度が駆動開始温度とされている。燃料使用加熱開始温度は、給湯要求温度よりも高く、ガス燃料により水の加熱が開始される温度である。当該燃料使用加熱開始温度よりもΔＴ２高い駆動開始温度で、循環駆動部が駆動されて熱源機循環路で貯湯タンクの湯が循環し、熱源機での熱交換が行われる。したがって、熱源機における湯温が燃料使用加熱開始温度になるのを遅らせることができ、熱源機におけるガス燃料の使用の開始を遅らせることができる。

第５態様に係る燃料電池システムは、前記制御部は、前記熱源機においてガスの燃焼による水の加熱が開始された場合、及び、給湯要求温度が前記貯湯タンクの湯温よりも高くなった場合に、前記循環駆動部を停止させる。

第５態様に係る燃料電池システムでは、熱源機においてガスの燃焼による水の加熱が開始された場合、及び、給湯要求温度が貯湯タンクの湯温よりも高くなった場合には、循環駆動部を停止させる。これらの場合には、貯湯タンクの湯を循環させても、熱源機における水の加熱ができないことから、循環駆動部を停止させることにより、ガス燃料の燃焼熱を用いて効率的にシステムを運転することができる。

第６態様に係る燃料電池システム運転方法は、燃料電池モジュールからの熱により加熱された水を貯留する貯湯タンク内の湯を、ガスの燃焼により水を加熱して熱供給する熱源機との間で循環させ、前記熱源機内での熱交換により水を加熱する。

第６態様に係る燃料電池システム運転方法では、貯湯タンクと熱源機との間で貯湯タンクの湯を循環させ、熱源機内での熱交換により水を加熱する。この熱交換により、貯湯タンクの湯で熱源機内において水を加熱することができる。これにより、熱源機におけるガス燃料の使用を遅らせたり、必要に応じた使用によりガス燃料の使用を行わない水の加熱を行ったりすることができる。

第７態様に係る燃料電池システム運転方法は、前記貯湯タンク内の湯の循環と別に、前記貯湯タンクの湯又は前記貯湯タンクの湯が有する熱により加熱された湯を前記熱源機へ供給する。

第７態様に係る燃料電池システム運転方法によれば、貯湯タンク内の湯の循環と別に湯を熱源機へ供給するので、熱源機は別で供給される湯が要求温度に満たない場合にガス燃料を用いて加熱すればよい。したがって、熱源機におけるガス燃料の使用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、前記貯湯タンクの湯が駆動開始温度以下となった場合に、前記貯湯タンク内の湯を前記熱源機と前記貯湯タンクとの間で循環させる。

第８態様に係る燃料電池システム運転方法によれば、貯湯タンクの湯が駆動開始温度以下となった場合に、貯湯タンクの湯が循環し、熱源機での熱交換が行われる。したがって、駆動開始温度を気温や給湯要求温度等に応じて設定することにより、熱源機におけるガス燃料の使用開始前に熱源機から供給される水の温度を上げ、ガス燃料の使用の開始を遅らせることができる。

第９態様に係る燃料電池システム運転方法は、前記熱源機からの給湯用湯温が給湯要求温度よりもΔＴ１高い燃料使用加熱開始温度以下になった場合にガスの燃焼による水の加熱を行うと共に、前記燃料使用加熱開始温度よりもΔＴ２高い温度を前記駆動開始温度とする。

第９態様に係る燃料電池システム運転方法では、熱源機からの給湯用湯温が給湯要求温度よりもΔＴ１高い温度が燃料使用加熱開始温度とされ、燃料使用加熱開始温度よりもΔＴ２高い温度が駆動開始温度とされている。燃料使用加熱開始温度は、給湯要求温度よりも高く、ガス燃料により水の加熱が開始される温度である。当該燃料使用加熱開始温度よりもΔＴ２高い駆動開始温度で、貯湯タンクの湯が循環し、熱源機での熱交換が行われる。したがって、熱源機における湯温が燃料使用加熱開始温度になるのを遅らせることができ、熱源機におけるガス燃料の使用の開始を遅らせることができる。

第１０態様に係る燃料電池システム運転方法は、前記熱源機においてガスの燃焼による水の加熱が開始された場合、及び、給湯要求温度が前記貯湯タンクの湯温よりも高くなった場合に、前記貯湯タンク内の湯を前記熱源機と前記貯湯タンクとの間での循環を停止する。

第１０態様に係る燃料電池システム運転方法では、熱源機においてガスの燃焼による水の加熱が開始された場合、及び、給湯要求温度が貯湯タンクの湯温よりも高くなった場合には、貯湯タンク内の湯の熱源機と貯湯タンクとの間での循環を停止させる。これらの場合には、貯湯タンクの湯を循環させても、熱源機における水の加熱ができないことから、湯の循環を停止させることにより、効率的にガス燃料の燃焼熱を用いてシステムを運転することができる。

以上説明したように、本発明に係る燃料電池システム、及び、燃料電池システム運転方法は、貯湯タンクの湯を熱源機との間で循環させることにより、省エネルギーでシステムを運転することができる。

第１実施形態の燃料電池システムの構成概略図である。 第１実施形態の燃料電池システムの制御系の構成を示すブロック図である。 第１実施形態における給湯処理のフローチャートである。 第１実施形態における熱源機循環処理のフローチャートである。 第１実施形態の変形例に係る燃料電池システムの構成概略図である。 第２実施形態の燃料電池システムの構成概略図である。 第２実施形態の変形例に係る燃料電池システムの構成概略図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態の燃料電池システム１０Ａは、図１に示されるように、燃料電池ユニット１２と、熱源機の一例である給湯ユニット１４の２ユニットで構成されている。なお、燃料電池システム１０Ａは、燃料電池ユニット１２と、後述する貯湯タンク４８を収容した貯湯タンクユニットとを別体として、３ユニットで構成してもよい。

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水を貯湯タンク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。

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、ガス供給路２１を介して、ガス継手２２に接続されており、ガス継手の２２には、ガス供給管２４が接続されている。ガス供給管２４は、後述する給湯ユニット１４のバーナー１５０へ向かう流路と燃料電池モジュール２０へ向かう流路とに分岐されている。当該分岐を分岐部２４Ａと称する。

ガス供給管２４は、ガス本管（不図示）に接続されており、ガス供給管２４には、炭化水素原料の一例であるメタンを主成分とする都市ガスが供給される。ガス供給路２１には、脱硫部２６が設けられており、都市ガスに含まれた硫黄分や硫黄化合物が脱硫部２６で除去されて燃料電池モジュール２０に供給される。

また、燃料電池モジュール２０は、供給ポンプ２８を有する改質水流入路３０を介して貯留槽３２に接続されており、燃料電池モジュール２０には、貯留槽３２に貯留された改質水が供給ポンプ２８で供給される。この燃料電池モジュール２０は、都市ガスと改質水とを改質反応させて水素を生成する水素生成部（改質器）を備えている（図示省略）。

燃料電池モジュール２０には、水素生成部での改質反応促進の為に利用した燃焼排ガスを排出する排出路３４が接続されている。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より下流側が貯留槽３２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、含有されている水蒸気が凝縮される。これにより、燃焼排ガスは、水とガスとに分けられ、水は貯留槽３２へ送られて改質水として再利用される。また、ガスは、不図示の排気口より排気される。

貯留槽３２には、排水ポンプ１００を有した排水路１０２が接続されており、排水路１０２は、排水継手１０２ａに接続された排水管１０４を介して下水道に接続されている。排水ポンプ１００は、貯留槽３２の水が所定量以上になった際に作動し、貯留槽３２内の水を、排水管１０４を介して下水道に排出する。

燃料電池モジュール２０は、水素生成部で生成した水素を利用して発電を行う燃料電池スタックを有する発電部（図示省略）を備えている。燃料電池モジュール２０の発電部からの電力は、インバーター回路３８によって交流に変換された後、接続端子４０ａに接続された供給線９２ａを介して外部へ供給される。

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及びラジエータ４６が設けられている。この第一流路４２ａのラジエータ４６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５０が貯留されており、伝熱媒体５０としては、一例として水が使用されている。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、貯湯タンク内の水温を計測するためのタンク温度計５１が設けられている。

この第一流路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伝熱媒体５０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に供給された伝熱媒体５０は、ラジエータ４６で冷却された後、熱回収ポンプ４４によって排気熱交換器３６へ送られる。なお、ラジエータ４６は、供給される伝熱媒体５０が高温の際など必要に応じてファンモータが作動する。

貯湯タンク４８から第一流路４２ａを介して排気熱交換器３６へ送られた伝熱媒体５０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内の伝熱媒体５０が加熱される。

貯湯タンク４８に貯留された伝熱媒体５０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。これにより、貯湯タンク４８の伝熱媒体５０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よりも上流側には、分岐部５５が設けられている。分岐部５５では、伝熱媒体５０を、上水熱交換器５４へ向かう第一流路５８ａと、給湯ユニット１４内の、後述する熱交換器１５４へ向かう熱源機循環路１２０へ分岐させる。通常時には、熱源機循環路１２０へ分岐させる開口は閉鎖されている。分岐部５５は、伝熱媒体５０の分岐流量（一方へ分岐しない場合を含む）を調整可能とされている。分岐部５５よりも上流側（貯湯タンク４８側）の共通流路５９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の伝熱媒体５０の熱を利用して上水等を加熱する際に作動する。共通流路５９は、後述する第一流路５８ａの一部を兼ねている。

共通流路５９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伝熱媒体５０が優先的に共通流路５９へ送出される。共通流路５９の下流端は分岐部５５と接続されている。分岐部５５で分岐された一方側の第一流路５８ａ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伝熱媒体５０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で熱が奪われた伝熱媒体５０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には、流出側分岐点６６ａが設けられており、流出側分岐点６６ａには、補水弁６８を有した補水路７１が接続されている。補水路７１は、熱供給循環路５８の第一流路５８ａに接続されており、補水弁６８を開作動することで、上水を伝熱媒体５０として、上水熱交換器５４の上流側から貯湯タンク４８へ供給することができる。

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からの上水とを混合する弁であり、例えば流出温が予め定められた設定温度となるように、流入路６０からの上水と上水熱交換器５４からの上水との混合比を調整する。

流出路６６の混合弁７２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。

燃料電池ユニット１２には、制御部１１０が設けられている。制御部１１０により、燃料電池システム１０Ａが制御されている。図２に示されるように、制御部１１０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：プロセッサ）１１２、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１１３、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１１４、ストレージ１１５、入出力インターフェース（Ｉ／Ｆ）１１６、を有する。各構成は、バス１１７を介して相互に通信可能に接続されている。

ＣＰＵ１１２は、中央演算処理ユニットであり、各種プログラムを実行したり、各部を制御したりする。すなわち、ＣＰＵ１１２は、ＲＯＭ１１３またはストレージ１１５からプログラムを読み出し、ＲＡＭ１１４を作業領域としてプログラムを実行する。ＣＰＵ１１２は、ＲＯＭ１１３またはストレージ１１５に記録されているプログラムにしたがって、上記各構成の制御および各種の演算処理を行う。

ＲＯＭ１１３は、各種プログラムおよび各種データを格納する。ＲＡＭ１１４は、作業領域として一時的にプログラムまたはデータを記憶する。ストレージ１１５は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）またはＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）により構成され、オペレーティングシステムを含む各種プログラム、および各種データを格納する。本実施形態では、ＲＯＭ１１３またはストレージ１１５には、燃料電池システム１０Ａの後述する給湯処理、熱源機循環処理についてのプログラム、各処理に用いる設定温度ΔＴ１、ΔＴ２等が格納されている。入出力Ｉ／Ｆ１１６は、信号線を介して、分岐部５５、温度計５１、熱供給ポンプ５６、制御部１６４（後述）、及びその他の燃料電池システム１０Ａを駆動させるための機器と接続されている。（制御部１１０と各機器との接続線は省略）。

ここで、設定温度ΔＴ１、ΔＴ２について説明する。燃料電池システム１０Ａでは、給湯ユニット１４の熱源機温度計１５４Ａで測定された温度ＴＢが、ユーザーが要求する給湯温度（要求温度Ｔ０）よりもΔＴ１高い場合に、給湯ユニット１４のバーナー１５０でガス燃料を燃焼させず、燃料電池ユニット１２内における熱交換による加熱のみで、給湯が行われる。そこで、温度ＴＢが、当該ΔＴ１となる時の温度を燃料使用加熱開始温度ＴＹと称する。温度ＴＢが燃料使用加熱開始温度ＴＹ以下となった場合に、ガス燃料により加熱が行われる。また、燃料使用加熱開始温度ＴＹよりもΔＴ２高い温度を「駆動開始温度ＴＫ」とし、温度ＴＡ（タンク温度計５１で測定される温度）が、駆動開始温度ＴＫ以下となった場合に、貯湯タンク４８の伝熱媒体５０を熱源機循環路１２０に循環させ、熱交換器１５４における熱交換を行う。

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のバーナー１５０には、ガス供給管２４からの都市ガスが供給される。バーナー１５０の燃焼熱により、熱交換器１５４を通過する水が加熱される。

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、お湯が利用される給湯箇所へ配索されている。そして、給湯ユニット１４に接続された排水管８８は、下水道に接続されている。

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。

混合弁１５６は、入水路１５２からの上水と熱交換器１５４からの上水とを混合する弁であり、入水路１５２からの上水と熱交換器１５４からの上水との混合比を調整する。また、熱交換器１５４には、内部に滞留する水の温度を計測するための熱源機温度計１５４Ａが設けられている。ここで測定される温度が給湯用湯温となる。

熱源機循環路１２０は、熱交換器１５４よりも上流側が上流循環路１２０ａ、下流側が下流循環路１１ｂとされている。上流循環路１２０ａは、一端が分岐部５５に接続され、継手１２１ａ、継手１２１ｂを経て、他端が熱交換器１５４の入口側に接続されている。共通流路５９は上流循環路１２０ａの一部を兼ねている。下流循環路１２０ｂは、一端が熱交換器１５４の出口側と接続され、継手１２２ｂ、継手１２２ａを経て、他端が貯湯タンク４８の下部に接続されている。

熱供給ポンプ５６が駆動されると共に、上流循環路１２０ａへ湯が送出されるように分岐部５５において流量調整を行うことにより、貯湯タンク４８の湯が熱交換器１５４へ送出され、熱交換器１５４で熱交換を行った後、貯湯タンク４８へ戻され、熱源機循環路１２０を循環する。

給湯ユニット１４は、制御部１６４を備えている。制御部１６４は、制御部１１０と同様に、不図示のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ストレージ、入出力インターフェース（Ｉ／Ｆ）を有し、ＣＰＵは、ＲＯＭまたはストレージに記録されているプログラムにしたがって、各構成の制御および各種の演算処理を行う。制御部１６４は、不図示の信号線を介して、制御部１１０、熱源機温度計１５４Ａ、バーナー１５０、及び給湯ユニット１４を駆動させるためのその他の機器と接続されている。

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水が加熱される。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で加熱された上水、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である。制御部１６４は、例えば、バーナー１５０での燃焼量を調整して熱交換器１５４での上水の加熱量を制御するとともに、混合弁１５６の開度を制御する。これにより、給湯管８６からの給湯温度が図示しないリモコンで設定された設定温度となる。また、暖房管内を流れる水、ふろ管内を流れる水を設定温度まで上昇させる。また、制御部１６４は、後述する給湯処理、熱源機循環処理において、貯湯タンク４８からの伝熱媒体５０で入水路１５２から熱交換器１５４へ流入する水の温度を上昇させる。

ガス供給管２４の分岐部２４Ａよりも上流側には、マイコンメータ７０が取り付けられている。マイコンメータ７０は、供給するガスの流量を計測すると共に、ガスの供給における異常を監視する複数の機能を有している。主たる監視機能としては、異常流出監視機能、感震機能、圧力監視機能、及び長時間使用監視機能等がある。

次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの動作について説明する。

ユーザーから給湯要求があり給水管６４が開放されると、制御部１１０により、図３に示される給湯処理が実行される。なお、通常、燃料電池システム１０Ａにおいて、発電は継続して行われていることから、貯湯タンク４８内の伝熱媒体５０の温度は充分高いが、湯の使用量が継続して行われると、熱回収量よりも熱使用量が多くなり、伝熱媒体５０の温度は低下する。

給湯処理では、まず、ステップＳ１０で、熱供給ポンプ５６を駆動させ、次に、ステップＳ１１で、タンク温度計５１で測定されるタンク温度ＴＡを取得する。そして、ステップＳ１２で、タンク温度ＴＡが、駆動開始温度ＴＫよりも高いかどうかを判断する。

判断が肯定された場合には、ステップＳ１４で通常給湯運転を行う。通常給湯運転では、分岐部５５で、熱供給循環路５８のみへ伝熱媒体５０を流して上水熱交換器５４で上水を加熱し、湯温が要求温度Ｔ０でユーザーに供給されるように、混合弁７２で調整が行われて湯が送出される。混合弁７２から送出された湯は、出湯管７８を介して、給湯ユニット１４へ送出され、給湯管８６からユーザーへ供給される。

ステップＳ１２での判断が否定された場合には、ステップＳ１５で熱源機温度計１５４Ａの熱源機温度ＴＢを取得する。ステップＳ１６で、熱源機温度ＴＢが、燃料使用加熱開始温度ＴＹよりも高いかどうかを判断する。判断が肯定された場合には、ステップＳ２０で、熱源機循環処理を行うように、制御部１６４へ指示が出される。制御部１６４での熱源機循環処理は、図４に示されるように、ステップＳ２２で、分岐部５５の熱源機循環路１２０側を開放し、熱源機循環路１２０で貯湯タンク４８内の伝熱媒体５０を循環させる。この伝熱媒体５０の循環により、熱交換器１５４へ燃料使用加熱開始温度ＴＹよりも高温の伝熱媒体５０を供給でき、給湯ユニット１４においてバーナー１５０の燃焼による上水の加熱を避けることができる。

次に、ステップＳ２４で温度ＴＢが駆動開始温度ＴＫよりも大きいかどうかを判断する。判断が肯定された場合には、ステップＳ２６で、分岐部５５の熱源機循環路１２０側を閉鎖し、熱源機循環処理を終了してステップＳ３２へ進む。燃料電池システム１０Ａにおいて発電出力が上がって熱回収量が増加したり、給湯要求の流量が少なくなったりするような変化があった場合に、貯湯タンク４８の温度ＴＡが上昇し、温度ＴＢが駆動開始温度ＴＫよりも大きくなることが考えられる。

ステップＳ２４での判断が否定された場合には、ステップＳ２８で、温度ＴＢが燃料使用加熱開始温度ＴＹよりも高いかどうかを判断する。判断が肯定された場合には、熱源機循環路１２０内で貯湯タンク４８の伝熱媒体５０の循環を継続するため、そのままステップＳ２４へ戻る。ステップＳ２８での判断が否定された場合には、熱交換器１５４の温度が燃料使用加熱開始温度ＴＹ以下となってガス燃料を使用した運転が必要なため、ステップＳ２６へ進み、熱源機循環処理を終了し、ステップＳ３２へ進む。

ステップＳ１６での判断が否定された場合には、ステップＳ３０でバーナー１５０を用いて加熱を行う、燃料使用運転が実行される。具体的には、ガス燃料が供給されてバーナー１５０の燃焼が開始され、要求温度Ｔ０の湯が得られるように混合弁１５６の開度が調整される。貯湯タンク４８の温度ＴＡが所定の温度（燃料使用加熱開始温度ＴＹよりも高く駆動開始温度よりも低い温度を設定）を超えると、バーナー１５０の燃焼は停止される。

ステップＳ３２では、給湯の停止があったかどうかを判断する。給湯の停止があった場合には、ステップＳ３４で、熱供給ポンプ５６を停止させ、給湯処理を終了する。給湯の停止がない場合には、ステップＳ１１へ戻り、上記の処理を繰り返す。

本実施形態の燃料電池システム１０Ａは、熱源機循環路１２０を有しているので、貯湯タンク４８内の伝熱媒体５０を給湯ユニット１４の熱交換器１５４との間で循環させて、水を加熱することができる。

なお、本実施形態では、暖房やふろの追焚きの循環路について詳細に説明していないが、これらの循環路を流通する水についても、熱源機循環路１２０を循環する伝熱媒体５０との間での熱交換により、加熱することができる。

また、本実施形態では、温度ＴＡが燃料使用加熱開始温度ＴＹよりもΔＴ２高い駆動開始温度ＴＫまで低下した時に、貯湯タンク４８の伝熱媒体５０が循環し、熱交換器１５４での熱交換が行われる。したがって、熱交換器１５４において加熱される水の温度（給湯用湯温）が燃料使用加熱開始温度ＴＹになるのを遅らせることができる。これにより、給湯ユニット１４におけるガス燃料の使用の開始を遅らせることができ、省エネルギーで燃料電池システム１０Ａを運転することができる。

また、本実施形態では、熱交換器１５４の温度ＴＢが燃料使用加熱開始温度ＴＹよりも低くなった場合に、熱源機循環路１２０における伝熱媒体５０の循環を停止するので、ガス燃料の燃焼熱が熱源機循環路１２０伝熱媒体５０で奪われることがなく、効率よく給湯用の水を加熱することができる。

なお、本実施形態では、上水熱交換器５４及び熱供給循環路５８を設けたが、図５に示されるように、上水熱交換器５４及び熱供給循環路５８を有しない構成にすることもできる。この場合には、熱供給ポンプ５６から送出される伝熱媒体５０は、分岐されずに熱源機循環路１２０へ供給される。また、給水管６４は、熱回収循環路４２へ補水する給水管６４Ａと、給湯ユニット１４の入水路１５２へ上水を供給する給水管６４Ｂに分岐される。

（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、その詳細な説明を省略する。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、図６に示されるように、開放式の貯湯タンク４８に代えて、加圧式の貯湯タンク４８Ｐを備えている。また、上水熱交換器５４を有しておらず、給水管６４の一端は貯湯タンク４８Ｐの下部に接続され、上水は貯湯タンク４８Ｐへ供給される。貯湯タンク４８Ｐに貯留された上水は、熱回収循環路４２へ送出され、排気熱交換器３６によって加熱される。

本実施形態では、上水熱交換器５４を備えておらず、貯湯タンク４８Ｐに貯留された湯が、給湯用の上水となる。貯湯タンク４８Ｐに貯留された上水は、一端が貯湯タンク４８Ｐの上部に接続された上水供給路９４から送出される。上水供給路９４から送出された上水は、混合弁７２、出側継手７６、及び出湯管７８を介して、給湯ユニット１４に供給される。

熱源機循環路１２０は、上流循環路１２０ａが貯湯タンク４８Ｐの上部に接続されている。熱供給ポンプ５６は、上流循環路１２０ａに設けられ、分岐することなく貯湯タンク４８Ｐ内の湯が熱交換器１５４へ送出される。

燃料電池システム１０Ｂでも、燃料電池システム１０Ａと同様に、図３に示される給湯処理、図４に示される熱源機循環処理を行うことができ、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

１０Ａ、１０Ｂ 燃料電池システム
１４ 給湯ユニット（熱源機）
２０ 燃料電池モジュール
４８、４８Ｐ 貯湯タンク
５６ 熱供給ポンプ（循環駆動部）
７８ 出湯管（湯供給路）
９４ 上水供給路（湯供給路）
１２０ 熱源機循環路
１１０ 制御部
Ｔ０ 要求温度（給湯要求温度）
ＴＫ 駆動開始温度
ＴＹ 燃料使用加熱開始温度

Claims (14)

1. 発電を行う燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールからの熱により加熱された水を貯留する貯湯タンクと、
   ガス燃料の燃焼により水を加熱して熱供給する熱源機と、
   前記貯湯タンクと前記熱源機との間で前記貯湯タンクの湯を循環させ、前記熱源機内での熱交換により前記貯湯タンクの湯で給湯対象の水を加熱する熱源機循環路と、
   を備えた、燃料電池システム。
2. 前記熱源機循環路と別に、前記貯湯タンクの湯又は前記貯湯タンクの湯が有する熱により加熱された湯を前記熱源機へ供給する湯供給路、を備えた、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記貯湯タンクの湯を前記熱源機循環路において循環させる循環駆動部と、
   前記貯湯タンクの湯が駆動開始温度以下となった場合に、前記循環駆動部を駆動させる制御部と、
   を備えた、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御部は、前記熱源機の給湯用湯温が給湯要求温度よりもΔＴ１高い燃料使用加熱開始温度以下になった場合にガス燃料の燃焼による水の加熱を行うように前記熱源機を制御すると共に、前記燃料使用加熱開始温度よりもΔＴ２高い温度を前記駆動開始温度とする、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御部は、前記熱源機においてガスの燃焼による水の加熱が開始された場合、及び、給湯要求温度が前記貯湯タンクの湯温よりも高くなった場合に、前記循環駆動部を停止させる、
   請求項３または請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 燃料電池モジュールからの熱により加熱された水を貯留する貯湯タンク内の湯を、ガスの燃焼により水を加熱して熱供給する熱源機との間で循環させ、前記熱源機内での熱交換により前記貯湯タンクの湯で給湯対象の水を加熱する、燃料電池システム運転方法。
7. 前記貯湯タンク内の湯の循環と別に、前記貯湯タンクの湯又は前記貯湯タンクの湯が有する熱により加熱された湯を前記熱源機へ供給する、請求項６に記載の燃料電池システム運転方法。
8. 前記貯湯タンクの湯が駆動開始温度以下となった場合に、前記貯湯タンク内の湯を前記熱源機と前記貯湯タンクとの間で循環させる、請求項７に記載の燃料電池システム運転方法。
9. 前記熱源機からの給湯用湯温が給湯要求温度よりもΔＴ１高い燃料使用加熱開始温度以下になった場合にガスの燃焼による水の加熱を行うと共に、前記燃料使用加熱開始温度よりもΔＴ２高い温度を前記駆動開始温度とする、請求項８に記載の燃料電池システム運転方法。
10. 前記熱源機においてガスの燃焼による水の加熱が開始された場合、及び、給湯要求温度が前記貯湯タンクの湯温よりも高くなった場合に、前記貯湯タンク内の湯を前記熱源機と前記貯湯タンクとの間での循環を停止する、請求項８または請求項９に記載の燃料電池システム運転方法。
11. 発電を行う燃料電池モジュールと、
    前記燃料電池モジュールからの熱により加熱された水を貯留する貯湯タンクと、
    ガス燃料の燃焼により水を加熱して熱供給する熱源機と、
    前記貯湯タンクと前記熱源機との間で前記貯湯タンクの湯を循環させ、前記熱源機内での熱交換により水を加熱する熱源機循環路と、
    前記熱源機循環路と別に、前記貯湯タンクの湯又は前記貯湯タンクの湯が有する熱により加熱された湯を前記熱源機へ供給する湯供給路と、
    前記貯湯タンクの湯を前記熱源機循環路において循環させる循環駆動部と、
    前記貯湯タンクの湯が駆動開始温度以下となった場合に、前記循環駆動部を駆動させる制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記熱源機の給湯用湯温が給湯要求温度よりもΔＴ１高い燃料使用加熱開始温度以下になった場合にガス燃料の燃焼による水の加熱を行うように前記熱源機を制御すると共に、前記燃料使用加熱開始温度よりもΔＴ２高い温度を前記駆動開始温度とする、燃料電池システム。
12. 発電を行う燃料電池モジュールと、
    前記燃料電池モジュールからの熱により加熱された水を貯留する貯湯タンクと、
    ガス燃料の燃焼により水を加熱して熱供給する熱源機と、
    前記貯湯タンクと前記熱源機との間で前記貯湯タンクの湯を循環させ、前記熱源機内での熱交換により水を加熱する熱源機循環路と、
    前記熱源機循環路と別に、前記貯湯タンクの湯又は前記貯湯タンクの湯が有する熱により加熱された湯を前記熱源機へ供給する湯供給路と、
    前記貯湯タンクの湯を前記熱源機循環路において循環させる循環駆動部と、
    前記貯湯タンクの湯が駆動開始温度以下となった場合に、前記循環駆動部を駆動させる制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記熱源機においてガスの燃焼による水の加熱が開始された場合、及び、給湯要求温度が前記貯湯タンクの湯温よりも高くなった場合に、前記循環駆動部を停止させる、燃料電池システム。
13. 燃料電池モジュールからの熱により加熱された水を貯留する貯湯タンク内の湯を、ガスの燃焼により水を加熱して熱供給する熱源機との間で循環させ、前記熱源機内での熱交換により水を加熱し、
    前記貯湯タンク内の湯の循環と別に、前記貯湯タンクの湯又は前記貯湯タンクの湯が有する熱により加熱された湯を前記熱源機へ供給し、
    前記貯湯タンクの湯が駆動開始温度以下となった場合に、前記貯湯タンク内の湯を前記熱源機と前記貯湯タンクとの間で循環させ、
    前記熱源機からの給湯用湯温が給湯要求温度よりもΔＴ１高い燃料使用加熱開始温度以下になった場合にガスの燃焼による水の加熱を行うと共に、前記燃料使用加熱開始温度よりもΔＴ２高い温度を前記駆動開始温度とする、燃料電池システム運転方法。
14. 燃料電池モジュールからの熱により加熱された水を貯留する貯湯タンク内の湯を、ガスの燃焼により水を加熱して熱供給する熱源機との間で循環させ、前記熱源機内での熱交換により水を加熱し、
    前記貯湯タンク内の湯の循環と別に、前記貯湯タンクの湯又は前記貯湯タンクの湯が有する熱により加熱された湯を前記熱源機へ供給し、
    前記貯湯タンクの湯が駆動開始温度以下となった場合に、前記貯湯タンク内の湯を前記熱源機と前記貯湯タンクとの間で循環させ、
    前記熱源機においてガスの燃焼による水の加熱が開始された場合、及び、給湯要求温度が前記貯湯タンクの湯温よりも高くなった場合に、前記貯湯タンク内の湯を前記熱源機と前記貯湯タンクとの間での循環を停止する、燃料電池システム運転方法。