(57)【要約】【課題】貯湯水と冷却水の温度差が小さいときにも、短時間で冷却水温度が昇温でき、起動に時間がかからない、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。【解決手段】燃料電池１１と、冷却水経路１６上に設けられた冷却水熱交換器１３と、冷却水と熱交換する貯湯水の流れる貯湯水経路１５と、貯湯タンク３１と、貯湯水制御手段３３と、貯湯水温度測定手段３６と、貯湯水流量調節手段３８と、貯湯水流量調節手段３８を制御する流量制御手段３７と、燃料処理手段２１、２２の排ガスと貯湯水とを熱交換するための排ガス熱交換器２３と、を備え、流量制御手段３７は、燃料電池１１の運転開始時において、貯湯水温度が第１の所定の温度以下の場合は、貯湯水流量調節手段３８を制御して貯湯水経路１５に流れる貯湯水の流量を低下させる、燃料電池コージェネレーションシステム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料処理手段に接続され、冷却水経路を有する燃料電池と、
前記冷却水経路上に設けられた第1の熱交換手段と、
前記第１の熱交換手段を介して、前記冷却水と熱交換する貯湯水の流れる貯湯水経路と、
前記貯湯水を蓄える貯湯タンクと、
前記燃料電池の運転開始時に、前記貯湯タンクに蓄えられた貯湯水の熱を、前記貯湯水経路および前記第１の熱交換手段を介して、前記燃料電池に伝えるよう、前記貯湯水を循環させる貯湯水制御手段と、
前記第１の熱交換手段へ流入する貯湯水の温度を測定するための貯湯水温度測定手段と、
前記貯湯水経路に流れる貯湯水の流量を調整するための貯湯水流量調節手段と、
前記貯湯水温度測定手段により測定される貯湯水温度に基づき、前記貯湯水流量調節手段を制御する流量制御手段と、
前記第１の熱交換手段の上流側の前記貯湯水経路に接続され、前記燃料処理手段の排ガスと熱交換するための第２の熱交換手段と、を備え、
前記流量制御手段は、前記燃料電池の運転開始時において、前記貯湯水温度が第１の所定の温度以下の場合は、前記貯湯水流量調節手段を制御して前記貯湯水経路に流れる貯湯水の流量を低下させる、燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項２】
前記第１の所定の温度は、前記燃料電池の運転温度である、請求の範囲１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いて発電と熱供給を行う燃料電池コージェネレーションシステムの運転方法、そのためのプログラム、記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池コージェネレーションシステムでは、燃料電池を所定の温度まで昇温しないと発電できないため、起動時には予熱をする必要がある。従来の燃料電池コージェネレーションシステムでは、ヒータを用いて冷却水を加熱し燃料電池を昇温していた。しかし、ヒータを用いた昇温方法では、燃料電池コージェネレーションシステム起動時の消費電力が大きくなるという問題があった。そこで、貯湯タンクに蓄えられた温水を利用して、起動時に燃料電池を昇温する方法を提案されてきた（例えば、特許文献１参照）。その構成を図４に示す。燃料電池１１は、供給される水素リッチなガス（以下、燃料ガスとする）と空気などの酸化剤ガスの反応により、電力および熱を発生させる。燃料ガスは、燃料処理手段２１において、天然ガスなどの原料を水蒸気を含む雰囲気下で加熱して生成される。空気供給装置４１により酸化剤ガスが燃料電池１１に供給される。
【０００３】
燃料電池１１の内部には、起動時には熱を供給して燃料電池１１を昇温し、発電時には発生する熱を除去し、燃料電池１１を所定の温度に維持するための冷却水を、冷却水循環ポンプ１２により循環させる。燃料電池１１を経由した冷却水は冷却水熱交換器１３により貯湯水と熱交換される。貯湯タンク３１には、燃料電池システムより発生した熱を回収するための貯湯水が蓄えられる。
【０００４】
発電時には、排熱輸送制御手段３９により、貯湯タンク３１の下部から貯湯水経路１５へ貯湯水が取水され、冷却水熱交換器１３を経由して冷却水経路１６を流れる冷却水と熱交換を行う。熱回収した貯湯水は、排熱輸送制御手段３９により貯湯タンク３１の上部に回帰する。
【０００５】
起動時には、排熱輸送制御手段３９により、貯湯タンク３１から貯湯水経路１５に至る経路が切り換えられる。すなわち、貯湯タンク３１の上部から貯湯水が取水され、冷却水熱交換器１３を経由して冷却水に熱供給を行い、冷却水に熱を供給した貯湯水は、貯湯タンク３１の下部に回帰する。このように貯湯タンク３１の熱を冷却水に伝えることで燃料電池１１の昇温を行う。上記のような燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、貯湯タンク３１の温水を用いて燃料電池１１を昇温することにより、起動時の消費電力を削減することが可能となった。
【０００６】
また、別の例として図５に示す燃料電池コージェネレーションシステムのように、貯湯水経路１５上の冷却水熱交換器１３の上流側に燃料処理手段２１から発生する熱を回収する排ガス熱交換器２３を設置し、排ガスから回収した熱を冷却水熱交換器１３を介して冷却水に伝え、燃料電池の昇温を促進することが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−４２８４１号公報
【特許文献２】特開２００２−２５５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、図４に示す燃料電池コージェネレーションシステムでは、熱交換を行う貯湯水と冷却水の温度差が小さいときには、冷却水の昇温に時間がかかるといった問題があった。
【０００９】
また、図５に示す燃料電池コージェネレーションシステムのように、排ガスから回収した熱のみを利用して燃料電池の昇温をしても、燃料電池の起動時間を十分に短縮することができなかった。そこで、図４に示す構成と図５に示す構成を組み合わせた構成も考えられるが、そのような場合でも、燃料電池の温度が目標とする運転温度に達しなかったり、運転温度に達したとしても昇温時間を十分に短縮できないという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記の課題を鑑み、貯湯水と冷却水の温度差が小さいときにも、短時間で燃料電池が昇温でき、起動までの時間を短縮することができる、燃料電池コージェネレーションシステム、燃料電池コージェネレーションシステムの運転方法、そのプログラム、記録媒体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、第１の本発明は、燃料処理手段に接続され、冷却水経路を有する燃料電池と、
前記冷却水経路上に設けられた第1の熱交換手段と、
前記第１の熱交換手段を介して、前記冷却水と熱交換する貯湯水の流れる貯湯水経路と、
前記貯湯水を蓄える貯湯タンクと、
前記燃料電池の運転開始時に、前記貯湯タンクに蓄えられた貯湯水の熱を、前記貯湯水経路および前記第１の熱交換手段を介して、前記燃料電池に伝えるよう、前記貯湯水を循環させる貯湯水制御手段と、
前記第１の熱交換手段へ流入する貯湯水の温度を測定するための貯湯水温度測定手段と、
前記貯湯水経路に流れる貯湯水の流量を調整するための貯湯水流量調節手段と、
前記貯湯水温度測定手段により測定される貯湯水温度に基づき、前記貯湯水流量調節手段を制御する流量制御手段と、
前記第１の熱交換手段の上流側の前記貯湯水経路に接続され、前記燃料処理手段の排ガスと熱交換するための第２の熱交換手段と、を備え、
前記流量制御手段は、前記燃料電池の運転開始時において、前記貯湯水温度が第１の所定の温度以下の場合は、前記貯湯水流量調節手段を制御して前記貯湯水経路に流れる貯湯水の流量を低下させる、燃料電池コージェネレーションシステムである。
【００１２】
第２の本発明は、前記第１の所定の温度は、前記燃料電池の運転温度である、第１の本発明の燃料電池コージェネレーションシステムである。
【００１３】
第３の本発明は、前記冷却水経路における、前記第１の熱交換手段の上流側に、冷却水温度測定手段をさらに備え、前記流量制御手段は、前記貯湯水温度が、前記冷却水温度に所定の温度を加えた値未満のときには、前記貯湯水温度が上昇するように前記貯湯水流量調節手段を調整して、前記貯湯水経路を流れる貯湯水の流量をさらに低下させる、第１の本発明の燃料電池コージェネレーションシステムである。
【００１４】
第４の本発明は、前記流量制御手段は、前記貯湯水温度が、第２の所定の温度を上限として上昇するように、前記貯湯水流量調節手段を調整して、前記貯湯水経路を流れる貯湯水の流量を低下させ、
前記第２の所定の温度は、前記第２の熱交換手段において、前記燃料処理手段から排出される排ガスに含まれる水分を所定量回収するために必要な温度により決定される、第３の本発明の燃料電池コージェネレーションシステムである。
【００１５】
第５の本発明は、前記燃料処理手段から排出される排ガスに含まれる水分を回収する回収水タンクをさらに備え、
前記第２の所定の温度は、前記回収された水をシステム内に供給しながら、前記回収水タンク内の所定の水位を維持することができる温度である、第４の本発明の燃料電池コージェネレーションシステムである。
【００１６】
第６の本発明は、前記燃料処理手段から排出される排ガスに含まれる水分を回収する回収水タンクをさらに備え、
前記回収された水をシステム内に供給しながら、前記回収水タンク内の水位が所定の値を下回った場合は、前記流量制御手段は、前記貯湯水経路を流れる貯湯水の流量の低下を停止させるか、前記貯湯水の流量を増加させるように、前記貯湯水流量調節手段を調節する、第１または３の本発明の燃料電池コージェネレーションシステムである。
【００１７】
第７の本発明は、前記第１の所定の温度は、６０℃〜８０℃の範囲に設定される、第１の本発明の燃料電池コージェネレーションシステムである。
【００１８】
第８の本発明は、前記第２の所定の温度は、４０℃〜５０℃の範囲に設定される、第４の本発明の燃料電池コージェネレーションシステムである。
【００１９】
第９の本発明は、前記所定の温度は、５℃〜１０℃の範囲に設定される、第３の本発明の燃料電池コージェネレーションシステムである。
【００２０】
第１０の本発明は、燃料電池の運転開始時に、貯湯タンクに蓄えられた貯湯水の熱を、貯湯水経路および第１の熱交換手段を介して、前記燃料電池の冷却水経路に伝えるよう、前記貯湯水を循環させる工程と、
前記第１の熱交換手段へ流入する貯湯水の温度を測定する工程と、
前記第１の熱交換手段の上流側の前記貯湯水経路に接続された第２の熱交換手段を介して燃料処理手段の排ガスの熱を前記貯湯水に伝達する工程と、
前記燃料電池の運転開始時において、前記貯湯水温度が第１の所定の温度以下の場合は、前記貯湯水経路に流れる貯湯水の流量を低下させる工程と、を備える、燃料電池コージェネレーションシステムの運転方法である。
【００２１】
第１１の本発明は、第１の本発明の燃料電池コージェネレーションシステムの、前記燃料電池の運転開始時において、前記貯湯水温度測定手段により測定される前記貯湯水温度が第１の所定の温度以下の場合は、前記貯湯水流量調節手段を制御して前記貯湯水経路に流れる貯湯水の流量を低下させる、前記貯湯水流量調節手段を制御する流量制御手段、としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
【００２２】
第１２の本発明は、第１１の本発明のプログラムを担持した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、貯湯水と冷却水の温度差が小さいときにも、短時間で燃料電池温度が昇温でき、起動までの時間を短縮することができる、燃料電池コージェネレーションシステム、燃料電池コージェネレーションシステムの運転方法、そのプログラム、記録媒体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図である。
【図３】本発明の実施の形態４の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図である。
【図４】従来の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図である。
【図５】従来の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図３を用いて説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１の燃料電池コージェネレーションシステムの構成を図１に示す。図１に示す燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを用いて電力および熱の発生を行う燃料電池１１と、原料を加熱して燃料ガスを生成し、燃料電池１１に供給する燃料処理手段２１と、燃料処理手段２１内部に配置され原料を加熱するための燃焼器２２と、酸化剤ガスを燃料電池１１に供給する空気供給装置４１と、燃料電池コージェネレーションシステムの運転中に、燃料電池１１を所定の温度に保つための冷却水を循環させるための冷却水経路１６と、冷却水経路１６内において冷却水を循環させるための冷却水循環ポンプ１２と、冷却水と貯湯水で熱交換を行う、冷却水経路１６上に設けられた、本発明の第１の熱交換手段の一例である冷却水熱交換器１３と、貯湯水を蓄える貯湯タンク３１と、三方弁３４、３５により起動時と発電時で、貯湯タンク３１から貯湯水経路１５への経路を切り替える、貯湯水経路切換手段３３と、貯湯水を循環させる貯湯水循環ポンプ３２と、燃焼器２２の排気ガスから熱と水を回収し、冷却水熱交換器１３の上流側に接続された、本発明の第２の熱交換手段の一例である排ガス熱交換器２３とを備えている。また、排ガス熱交換器２３と冷却水熱交換器１３の間の貯湯水経路１５に、冷却水熱交換器１３へ流入する貯湯水の温度を測定する貯湯水温度測定手段３６と、貯湯水経路１５における貯湯水の流量を制御する指令を出す、流量制御手段３７と、流量制御手段３７の指令により貯湯水の流量を調節する、本発明の貯湯水流量調節手段の一例である流量調節手段３８と、を備えて構成されている。
【００２７】
なお、図１中の矢印Ａは燃料電池コージェネレーションシステムの発電運転時の貯湯水の流れを、矢印Ｂは起動時の貯湯水の流れを表している。
【００２８】
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について、その動作を説明する。
【００２９】
まず、発電運転時の動作を以下に述べる。
【００３０】
燃料処理手段２１は、外部から供給された天然ガスなどの原料を水蒸気を含む雰囲気下で加熱して水素を含む燃料ガスを生成する。燃料処理手段２１は燃焼器２２により加熱される。排ガス熱交換器２３は、燃焼器２２から排出された排ガスから、貯湯水に熱を伝達するとともに、排ガスから凝縮水を回収する。
【００３１】
燃料電池１１は、生成された燃料ガスと空気供給装置４１により供給される酸化剤ガスを用いて発電を行う。冷却水は、冷却水循環ポンプ１２により燃料電池１１を経由して循環され、発電により発生した熱を除去する。高温になった冷却水は冷却水熱交換器１３で貯湯水と熱交換を行い熱を放出する。発電運転時（発電運転中）は、貯湯水経路切換手段３３内の三方弁３４、３５が矢印Ａ側に切り換えられ、貯湯水は、貯湯タンク３１の下部より取水され、貯湯水循環ポンプ３２により、排ガス熱交換器２３、冷却水熱交換器１３の順に各熱交換器を通じて循環され、熱の回収を行う。熱回収された貯湯水は、貯湯タンク３１の上部へと戻される。このように貯湯タンク３１内においては、昇温された貯湯水が貯湯タンク３１の上部から次々と供給され、積層沸き上げが行われる。
【００３２】
次に、上記の構成の燃料電池コージェネレーションシステムを起動させるときの動作を以下に述べる。
【００３３】
この燃料電池コージェネレーションシステムの起動を行うには、燃料電池１１および燃料処理手段２１が所定の反応可能温度に達することが必要である。そのためそれぞれの予熱が必要となる。燃料処理手段２１は、燃焼器２２により加熱されて昇温する。起動時、貯湯水経路切換手段３３内の三方弁３４、３５が矢印Ｂ側に切り換えられる。これにより、貯湯タンク３１に蓄えられた貯湯水の熱を、燃料電池１１に伝えるよう、貯湯水を循環させる貯湯水経路１５を切り替える。すなわち、貯湯タンク３１の上部に蓄えられた昇温されている貯湯水が取り出され、貯湯水循環ポンプ３２により、貯湯水経路１５を循環する。貯湯水経路１５を流れる貯湯水は、排ガス熱交換器２３で排ガスから熱の回収を行い、貯湯水の温度が上昇する。温度が上昇した貯湯水は、冷却水熱交換器１３で冷却水経路１６を循環する冷却水と熱交換することにより冷却水を加熱する。その後、冷却水に熱を与えた貯湯水は、貯湯タンク３１の下部へと戻される。他方、加熱された冷却水は、燃料電池１１内部を流通することにより、燃料電池１１は発電に必要な所定の目標温度（本発明の第１の所定の温度の一例として燃料電池の運転温度）まで昇温する。
【００３４】
流量制御手段３７は、貯湯水温度測定手段３６で測定される、冷却水熱交換器１３の入り口における貯湯水温度が、目標温度以下の場合は、流量調節手段３８を調整して貯湯水経路１５を流れる貯湯水流量を低下させる。貯湯水経路１５を流れる貯湯水の流量が減少する結果、排ガス熱交換器２３で貯湯水が回収する熱量が増加して、貯湯水温度が上昇し、冷却水放熱器１３における貯湯水経路１５側の貯湯水の温度と冷却水経路１６側の冷却水との温度差が大きくなり、貯湯タンク３１に蓄えられていた熱および／または燃料処理手段２１において発生した熱を効率的に燃料電池１１に伝達することができる。従って、その結果、燃料電池１１が起動するために必要な温度に達するまでの時間を短縮することができる。
【００３５】
また、貯湯水温度を上昇させる際に、貯湯水温度と目標温度とが少なくとも所定の温度差を確保できるように貯湯水流量の低下量を設定する。
【００３６】
そして、燃料電池１１が目標温度に到達し、発電準備が完了している場合は、三方弁３４、３５を切り替えて、通常運転に入る。
【００３７】
このような、目標温度の例としては、燃料電池１１が高分子電解質型の場合、６０〜８０℃が挙げられる。そして、貯湯水温度と目標温度との差の好ましい例としては、例えば、５〜１０℃が挙げられる。
【００３８】
このような燃料電池コージェネレーションシステムによれば、発電運転中に貯湯タンク３１に蓄えられた貯湯水の熱を利用して、起動時に燃料電池１１の昇温を行うことができる。その結果、起動時の消費電力を低減することができ、燃料電池コージェネレーションシステムの効率を向上することが可能となる。また、排ガスからの熱回収を行い、貯湯水の温度をさらに上げて冷却水熱交換器１３で冷却水と熱交換することにより、貯湯水と冷却水の温度差を大きくすることができ、燃料電池１１の昇温に要する時間を短くすることができる。
【００３９】
加えて、貯湯タンク３１に蓄えられた貯湯水の温度が、燃料電池１１の昇温目標温度より低い場合でも、排ガス熱交換器２３にて燃焼器２２からの排ガスの熱を回収して、目標温度まで燃料電池１１の昇温を行うことが可能となる。
【００４０】
さらに、貯湯水流量を調節して冷却水熱交換器１３の貯湯水温度を一定以上に保つことができ、燃料電池１１の昇温時間を短くすることができる。さらに、冷却水熱交換器１３での貯湯水と冷却水の温度差を一定以上に保つ場合は、さらに燃料電池１１の昇温時間を短くすることができる。
【００４１】
本実施の形態のコージェネレーションシステムによれば、例えば、燃料電池システムが家庭で使用される場合、燃料電池の起動中であっても、貯湯タンク３１からの熱の使用が制限されることが少なく、家庭内で熱を十分に使用することができる。
【００４２】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における燃料電池コージェネレーションシステムを示す構成図である。実施の形態１と同様の構成要素については、同一符号を付与し、その説明を省略する。本実施の形態における燃料電池コージェネレーションシステムは、冷却水熱交換器１３の上流側に設置された、冷却水熱交換器１３の入り口における、冷却水温度を測定するための、冷却水温度測定手段１４をさらに構成要素として備えている。そして、流量制御手段３７は、貯湯水温度および冷却水温度に基づいて、貯湯水経路１５を流れる貯湯水の流量を流量調節手段３８により調節させる機能をさらに有する。
【００４３】
以上のように構成された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、起動時における動作を以下に述べる。なお、実施の形態１における同様の動作についてはその説明を省略する。
【００４４】
貯湯タンク３１に蓄えられ、昇温している貯湯水は、冷却水熱交換器１３で冷却水と熱交換することにより冷却水を加熱する。このとき、冷却水温度測定手段１４で測定された冷却水温度と貯湯水温度測定手段３６で測定された貯湯水温度の温度差が所定の値以上になり、なおかつ、そのような条件を満たしながら貯湯水温度が最低になるように、流量制御手段３７は流量調節手段３８を制御して貯湯水流量を調節する。すなわち、冷却水温度と貯湯水温度との温度差が、所定の温度差未満のとき（すなわち、貯湯水温度が冷却水温度に所定の温度を加えた値未満のとき）は、流量制御手段３７は、流量調節手段３８に指令を出し、貯湯水経路１５に流れる貯湯水の流量を低下させる。
【００４５】
しかし、このとき、貯湯水温度が、第２の所定の温度以下になるように、流量制御手段３７は、流量調節手段３８に貯湯水の流量を設定する。ここで、第２の所定の温度とは、排ガス熱交換器２３において、燃料処理手段２１から排出される排ガスに含まれる水分を所定量回収するために必要な温度の上限値である。このような上限値の例としては、４０〜５０℃が挙げられる。
【００４６】
排ガス熱交換器２３および冷却水熱交換器１３で熱交換された貯湯水は、貯湯タンク３１の下部へと戻される。
【００４７】
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構成によれば、貯湯水流量を調節して冷却水熱交換器１３の貯湯水温度と冷却水温度の差を一定以上に保つことができ、なおかつ排ガス熱交換器２３の貯湯水出口温度（つまり冷却水熱交換器１３の貯湯入口温度）を第２の所定の温度以下にすることが可能となる。その結果、燃料電池１１の昇温時間を短縮し、かつ、排ガス熱交換器２３における水回収量を所定量以上に維持することができる。
【００４８】
なお、以上の実施の形態１、２における説明では、貯湯水流量を流量調節手段３８にて調節するとして説明したが、本発明の貯湯水流量調節手段は、貯湯水循環ポンプ３２と一体化した構成であり、貯湯水ポンプ３２の操作量により貯湯水流量が調節される構成であってもよい。その場合は、流量制御手段３７が、貯湯水流量を低下させる指令を出した場合に、その指令に応じて貯湯水ポンプ３２の操作量が調節される構成であればよく、その場合も上記と同様の効果が得られる。
【００４９】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態４における燃料電池コージェネレーションシステムを示す構成図である。実施の形態１〜３と同様の構成要素については、同一符号を付与し、その説明を省略する。本実施の形態における燃料電池コージェネレーションシステムは、排ガス熱交換器２３に接続されている回収水タンク５１を備えている。回収水タンク５１の内部には、排ガス熱交換器２３から回収される水の水量（水位）を検知するための水量測定手段５２が設置されている。水量測定手段５２は、流量制御手段３７に接続されている。
【００５０】
次に、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動作を説明する。
【００５１】
貯湯タンク３１に蓄えられ、昇温している貯湯水は、冷却水熱交換器１３で冷却水と熱交換することにより冷却水を加熱する。このとき、冷却水温度測定手段１４で測定された冷却水温度と貯湯水温度測定手段３６で測定された貯湯水温度の温度差が所定の値以上になり、なおかつ、そのような条件を満たしながら回収水タンク５１内の水位を維持するように、流量制御手段３７は流量調節手段３８を制御して貯湯水流量を調節する。すなわち、冷却水温度と貯湯水温度との温度差が、所定の温度差以下のときは、流量制御手段３７は、流量調節手段３８に指令を出し、貯湯水経路１５に流れる貯湯水の流量を低下させる。
【００５２】
回収水タンク５１に回収された水は、燃料電池コージェネレーションシステムの各部に供給される。従って、排ガス熱交換器２３から回収される水の流量（所定時間内に回収水タンク５１に入る水量）と、回収水タンク５１から各部に供給される水の流量（上記所定時間内に回収水タンク５１から出る水量）が均衡しているときに、回収水タンク５１の水位は一定となる。回収数タンク５１から供給される水の流量に比べて、排ガス熱交換器２３から回収される水の流量が少ないとき、回収水タンク５１の水位は低下する。
【００５３】
水量測定手段５２が回収水タンク５１内の水位が所定の値以下になったことを検出したときは、流量制御手段３７は、流量調節手段３８を調節し、貯湯水経路１５を流れる貯湯水の流量の低下量を調整し、回収水タンク５１に回収される水の量を増加させ、回収水タンク５１内の水位が所定の水位になるように制御する。タンク５１内の水位が所定の値に達しないときは、流量制御手段３７は、流量調節手段３８を調節して、貯湯水経路１５を流れる貯湯水の流量を、冷却水温度と貯湯水温度との差が所定値以上であることを条件として、増加させる。貯湯水流量が増加すれば、貯湯水温度が低下するので、排ガス熱交換器２３における凝縮水の回収が増加する。言い換えれば、回収水タンク５１内のタンクの水位を所定の値に維持することを限界として、冷却水温度と貯湯水温度の差が所定値以上となるように、貯湯水流量を低下させる。その結果、回収水タンク５１に入る水の流量が、回収水タンク５１を出る水の流量よりも増加するため、回収水タンク５１内の水位が増加する。
【００５４】
このように、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によれば、起動時における燃料電池の昇温時間を短縮しながら、排ガス熱交換器２３において回収される水量をシステムの運転に必要な量に確保することができる。
【００５５】
なお、実施の形態２においては、貯湯水温度が第２の所定の温度以下になるようにして、排ガス熱交換器２３において回収される水量を維持することを説明したが、第２の所定温度は、本実施の形態において説明した、回収水タンク５１内における所定の水位を確保するときの、貯湯水の温度に相当する。
【００５６】
以上のように本発明の燃料電池コージェネレーションシステムの構成によれば、発電運転の起動時に貯湯タンクに蓄えられた温水の熱を利用して、燃料電池の昇温に要する時間を短くすることができる。
【００５７】
なお、以上までの説明において、本発明の貯湯タンクは、積層沸き上げ式であるとして説明してきたが、他の方式の貯湯タンクであってもよく、その場合も上記と同様の効果を得ることができる。
【００５８】
また、以上までの説明では、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムの運転中は、燃料電池１１から発生する熱が貯湯タンク３１に全て蓄えられるとしてきたが、燃料電池１１から発生する熱の一部が貯湯タンク３１に蓄えられてもよく、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムの起動時に、貯湯タンク３１から常温よりも高い貯湯水が供給されれば、上記と同様の効果を得ることができる。さらに、貯湯タンク３１に蓄えられている貯湯水が、常温よりも高くなくても、排ガス熱交換器２３において熱交換することができるので、その場合も上記と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
また、本発明の貯湯水制御手段は、三方弁３４，３５を用いて構成される、として説明してきたが、本発明の貯湯水制御手段は、他の手段により、貯湯タンク３１から貯湯水経路１５へ至る経路が切り替えられてもよく、その場合も上記と同様の効果を得ることができる。
【００６０】
また、本発明の第２の熱交換手段は、排ガス熱交換器２３として、燃料処理手段とは、別の構成であるとして説明してきたが、本発明の第２の熱交換手段は、例えば、本発明の燃料処理手段と一体化されて構成されていてもよく、本発明の燃料処理手段から排出される排気ガスと貯湯水とが熱交換される構成であれば、上記と同様の効果を得ることができる。
【００６１】
また、以上までの説明において、本発明の第１の所定の温度は燃料電池の運転温度であるとしたが、燃料電池の運転温度よりも高くてもよい。さらに、貯湯水温度を本発明の第２の所定の温度以下に制御する場合は、本発明の第１の所定の温度は一時的に運転温度よりも低くなる場合もある。
【００６２】
なお、本発明は、上述した本発明の燃料電池コージェネレーションシステムの流量制御手段の全部または一部の手段または装置の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムであって、コンピュータと協働して動作するプログラムも含む。
【００６３】
また、本発明は、上述した本発明の燃料電池コージェネレーションシステムの流量制御手段の全部または一部の手段または装置の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムを担持した媒体であり、コンピュータにより読み取り可能且つ、読み取られた上記プログラムが上記コンピュータと協働して上記機能を実行する媒体も含む。
【００６４】
また、本発明の一部の手段または装置とは、それらの複数の手段または装置のうちの、幾つかの手段または装置を意味し、あるいは、一つの手段または装置のうちの、一部の機能または一部の動作を意味するものである。
【００６５】
また、本発明の一部の手段または装置とは、それらの複数の手段または装置のうちの、幾つかの手段または装置を意味し、あるいは、一つの手段または装置のうちの、一部の手段のまたは装置を意味し、あるいは、一つの手段のうちの一部の機能を意味するものである。
【００６６】
また、本発明のプログラムを記録した、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体も本発明に含まれる。
【００６７】
また、本発明のプログラムの一利用形態は、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータと協働して動作する態様であってもよい。
【００６８】
また、本発明のプログラムの一利用形態は、伝送媒体中を伝送し、コンピュータにより読み取られ、コンピュータと協働して動作する態様であってもよい。
【００６９】
また、記録媒体としては、ＲＯＭ等が含まれ、伝送媒体としては、インターネット等の伝送媒体、光、電波、音波等が含まれる。
【００７０】
また、上述した本発明のコンピュータは、ＣＰＵ等の純然たるハードウェアに限らず、ファームウェアや、ＯＳ、更に周辺機器を含むものであってもよい。
【００７１】
なお、以上説明したように、本発明の構成は、ソフトウェア的に実現してもよいし、ハードウェア的に実現してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明にかかる、燃料電池コージェネレーションシステム、燃料電池コージェネレーションシステムの運転方法、そのプログラム、記録媒体によれば、貯湯水と冷却水の温度差が小さいときにも、短時間で冷却水温度が昇温でき、起動に時間がかかる時間を短縮することができ、貯湯タンクを有した燃料電池コージェネレーションシステム等において有用である。
【符号の説明】
【００７３】
１１  燃料電池
１２  冷却水循環ポンプ
１３  冷却水熱交換器
１４  冷却水温度測定手段
２１  燃料処理手段
２２  燃焼器
２３  排ガス熱交換器
３１  貯湯タンク
３２  貯湯水循環ポンプ
３３  貯湯水経路切換手段
３４、３５  三方弁
３６  貯湯水温度測定手段
３７  流量制御手段
３８  流量調節手段
３９  排熱輸送制御手段
４１  空気供給装置
【図１】
2010153390.tif 000003
【図２】
2010153390.tif 000004
【図３】
2010153390.tif 000005
【図４】
2010153390.tif 000006
【図５】
2010153390.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成22年3月23日(2010.3.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を用いて水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理手段と、前記燃料処理手段を加熱する燃焼器と、前記燃料処理手段に接続され、冷却水経路を有する燃料電池と、前記冷却水経路上に設けられた第１の熱交換手段と、前記第１の熱交換手段を介して、前記冷却水と熱交換する貯湯水の流れる貯湯水経路と、前記貯湯水を蓄える貯湯タンクと、前記第１の熱交換手段へ流入する貯湯水の温度を測定するための貯湯水温度測定手段と、前記貯湯水経路に流れる貯湯水の流量を調整するための貯湯水流量調節手段と、前記第１の熱交換手段の上流側の前記貯湯水経路に接続され、前記燃焼器の排ガスと熱交換するための第２の熱交換手段と、前記冷却水経路における、前記第１の熱交換手段の上流側に設けられた冷却水温度測定手段と、を備え、起動時に前記燃焼器が前記燃料処理手段を加熱するよう構成された燃料電池コージェネレーションシステムであって、
起動時に、前記第２の熱交換手段を介して回収した前記排ガスの熱、及び前記貯湯タンクに蓄えられた貯湯水の熱を前記第１の熱交換手段を介して、前記燃料電池に伝えるよう、前記貯湯水を循環させる貯湯水制御手段と、
起動時において、前記貯湯水温度が、前記冷却水温度に所定の温度を加えた値未満のときには、前記貯湯水温度が上昇するように前記貯湯水流量調節手段を調整して、前記貯湯水経路を流れる貯湯水の流量を低下させる流量制御手段を備える、燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項２】
前記流量制御手段は、前記貯湯水温度が、第２の所定の温度を上限として上昇するように、前記貯湯水流量調節手段を調整して、前記貯湯水経路を流れる貯湯水の流量を低下させ、
前記第２の所定の温度は、前記第２の熱交換手段において、前記燃料処理手段から排出される排ガスに含まれる水分を所定量回収するために必要な温度により決定される、請求項１記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項３】
前記燃料処理手段から排出される排ガスに含まれる水分を回収する回収水タンクをさらに備え、
前記第２の所定の温度は、前記回収された水をシステム内に供給しながら、前記回収水タンク内の所定の水位を維持することができる温度である、請求項２記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項４】
前記燃料処理手段から排出される排ガスに含まれる水分を回収する回収水タンクをさらに備え、
前記回収された水をシステム内に供給しながら、前記回収水タンク内の水位が所定の値を下回った場合は、前記流量制御手段は、前記貯湯水経路を流れる貯湯水の流量の低下を停止させるか、前記貯湯水の流量を増加させるように、前記貯湯水流量調節手段を調節する、請求項１記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項５】
起動時に、
貯湯タンクに蓄えられた貯湯水の熱を、貯湯水経路及び第１の熱交換手段を介して、燃料電池の冷却水経路に伝えるよう、前記貯湯水を循環させる工程と、
前記第１の熱交換手段へ流入する貯湯水の温度を測定する工程と、
原料を用いて水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理手段を燃焼器により加熱する工程と、
前記第１の熱交換手段の上流側の前記貯湯水経路に接続された第２の熱交換手段を介して前記燃焼器の排ガスの熱を前記貯湯水に伝達する工程と、
前記冷却水経路における、前記第１の熱交換手段の上流側の冷却水の温度を測定する工程と、
前記貯湯水温度が、前記冷却水温度に所定の温度を加えた値未満のときには、前記貯湯水温度が上昇するように前記貯湯水経路を流れる貯湯水の流量を低下させる工程とを備えた、燃料電池コージェネレーションシステムの運転方法。
【請求項６】
前記貯湯水の流量を低下させる工程は、
前記貯湯水温度が、第２の所定の温度を上限として上昇するように、前記貯湯水経路を流れる貯湯水の流量を低下させる工程であり、
前記第２の所定の温度は、前記第２の熱交換手段において、前記燃料処理手段から排出される排ガスに含まれる水分を所定量回収するために必要な温度により決定される、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の運転方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明は、上記の課題を鑑み、貯湯水と冷却水の温度差が小さいときにも、短時間で燃料電池が昇温でき、起動までの時間を短縮することができる、燃料電池コージェネレーションシステム、燃料電池コージェネレーションシステムの運転方法を提供することを目的とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
上記課題を解決するために、第１の本発明は、原料を用いて水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理手段と、前記燃料処理手段を加熱する燃焼器と、前記燃料処理手段に接続され、冷却水経路を有する燃料電池と、前記冷却水経路上に設けられた第1の熱交換手段と、前記第１の熱交換手段を介して、前記冷却水と熱交換する貯湯水の流れる貯湯水経路と、前記貯湯水を蓄える貯湯タンクと、前記第１の熱交換手段へ流入する貯湯水の温度を測定するための貯湯水温度測定手段と、前記貯湯水経路に流れる貯湯水の流量を調整するための貯湯水流量調節手段と、前記第１の熱交換手段の上流側の前記貯湯水経路に接続され、前記燃焼器の排ガスと熱交換するための第２の熱交換手段と、前記冷却水経路における、前記第１の熱交換手段の上流側に設けられた冷却水温度測定手段と、を備え、起動時に前記燃焼器が前記燃料処理手段を加熱するよう構成された燃料電池コージェネレーションシステムであって、
起動時に、前記第２の熱交換手段を介して回収した前記排ガスの熱、及び前記貯湯タンクに蓄えられた貯湯水の熱を前記第１の熱交換手段を介して、前記燃料電池に伝えるよう、前記貯湯水を循環させる貯湯水制御手段と、
起動時において、前記貯湯水温度が、前記冷却水温度に所定の温度を加えた値未満のときには、前記貯湯水温度が上昇するように前記貯湯水流量調節手段を調整して、前記貯湯水経路を流れる貯湯水の流量を低下させる流量制御手段を備える、燃料電池コージェネレーションシステムである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
第２の本発明は、前記流量制御手段は、前記貯湯水温度が、第２の所定の温度を上限として上昇するように、前記貯湯水流量調節手段を調整して、前記貯湯水経路を流れる貯湯水の流量を低下させ、
前記第２の所定の温度は、前記第２の熱交換手段において、前記燃料処理手段から排出される排ガスに含まれる水分を所定量回収するために必要な温度により決定される、第１の本発明の燃料電池コージェネレーションシステムである。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
第３の本発明は、前記燃料処理手段から排出される排ガスに含まれる水分を回収する回収水タンクをさらに備え、
前記第２の所定の温度は、前記回収された水をシステム内に供給しながら、前記回収水タンク内の所定の水位を維持することができる温度である、第２の本発明の燃料電池コージェネレーションシステムである。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
第４の本発明は、前記燃料処理手段から排出される排ガスに含まれる水分を回収する回収水タンクをさらに備え、
前記回収された水をシステム内に供給しながら、前記回収水タンク内の水位が所定の値を下回った場合は、前記流量制御手段は、前記貯湯水経路を流れる貯湯水の流量の低下を停止させるか、前記貯湯水の流量を増加させるように、前記貯湯水流量調節手段を調節する、第１の本発明の燃料電池コージェネレーションシステムである。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
第５の本発明は、起動時に、
貯湯タンクに蓄えられた貯湯水の熱を、貯湯水経路及び第１の熱交換手段を介して、燃料電池の冷却水経路に伝えるよう、前記貯湯水を循環させる工程と、
前記第１の熱交換手段へ流入する貯湯水の温度を測定する工程と、
原料を用いて水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理手段を燃焼器により加熱する工程と、
前記第１の熱交換手段の上流側の前記貯湯水経路に接続された第２の熱交換手段を介して前記燃焼器の排ガスの熱を前記貯湯水に伝達する工程と、
前記冷却水経路における、前記第１の熱交換手段の上流側の冷却水の温度を測定する工程と、
前記貯湯水温度が、前記冷却水温度に所定の温度を加えた値未満のときには、前記貯湯水温度が上昇するように前記貯湯水経路を流れる貯湯水の流量を低下させる工程とを備えた、燃料電池コージェネレーションシステムの運転方法である。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
第６の本発明は、前記貯湯水の流量を低下させる工程は、
前記貯湯水温度が、第２の所定の温度を上限として上昇するように、前記貯湯水経路を流れる貯湯水の流量を低下させる工程であり、
前記第２の所定の温度は、前記第２の熱交換手段において、前記燃料処理手段から排出される排ガスに含まれる水分を所定量回収するために必要な温度により決定される、第５の本発明の燃料電池コージェネレーションシステムの運転方法である。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
本発明によれば、貯湯水と冷却水の温度差が小さいときにも、短時間で燃料電池温度が昇温でき、起動までの時間を短縮することができる、燃料電池コージェネレーションシステム、燃料電池コージェネレーションシステムの運転方法を提供することができる。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図である。
【図３】本発明の実施の形態３の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図である。
【図４】従来の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図である。
【図５】従来の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図である。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
この燃料電池コージェネレーションシステムの起動を行うには、燃料電池１１および燃料処理手段２１が所定の反応可能温度に達することが必要である。そのためそれぞれの予熱が必要となる。燃料処理手段２１は、燃焼器２２により加熱されて昇温する。起動時、貯湯水経路切換手段３３内の三方弁３４、３５が矢印Ｂ側に切り換えられる。これにより、貯湯タンク３１に蓄えられた貯湯水の熱を、燃料電池１１に伝えるよう、貯湯水を循環させる貯湯水経路１５を切り替える。すなわち、貯湯タンク３１の上部に蓄えられた昇温されている貯湯水が取り出され、貯湯水循環ポンプ３２により、貯湯水経路１５を循環する。貯湯水経路１５を流れる貯湯水は、排ガス熱交換器２３で排ガスから熱の回収を行い、貯湯水の温度が上昇する。温度が上昇した貯湯水は、冷却水熱交換器１３で冷却水経路１６を循環する冷却水と熱交換することにより冷却水を加熱する。その後、冷却水に熱を与えた貯湯水は、貯湯タンク３１の下部へと戻される。他方、加熱された冷却水は、燃料電池１１内部を流通することにより、燃料電池１１は発電に必要な所定の目標温度（第１の所定の温度の一例として燃料電池の運転温度）まで昇温する。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における燃料電池コージェネレーションシステムを示す構成図である。実施の形態１〜３と同様の構成要素については、同一符号を付与し、その説明を省略する。本実施の形態における燃料電池コージェネレーションシステムは、排ガス熱交換器２３に接続されている回収水タンク５１を備えている。回収水タンク５１の内部には、排ガス熱交換器２３から回収される水の水量（水位）を検知するための水量測定手段５２が設置されている。水量測定手段５２は、流量制御手段３７に接続されている。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６１】
また、以上までの説明において、第１の所定の温度は燃料電池の運転温度であるとしたが、燃料電池の運転温度よりも高くてもよい。さらに、貯湯水温度を本発明の第２の所定の温度以下に制御する場合は、第１の所定の温度は一時的に運転温度よりも低くなる場合もある。
【手続補正２１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2010153390.tif 000008
【手続補正２２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2010153390.tif 000009