(57)【要約】【課題】  水自立性と高排熱回収効率と高システム稼動率とを有する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３０を冷却した冷却水２４ａと熱交換する排熱温水４３ａを貯留する、温度検知器１２４を有する貯湯タンク１２０と、燃料電池３０から排出されるオフガス６３ａと排熱温水４３ａとを熱交換する排ガス冷却熱交換器１００と、燃料電池３０に導入する酸化剤ガス６１ａを加湿する有用水４２ａをオフガス６３ａから回収して貯留する、有用水４２ａの水位を検知する水位検知器１３２を有する貯水タンク７０とを備え、排熱温水４３ａの温度が所定の温度以上かつ貯水タンク７０の水位が所定の水位以上のときに、燃料電池３０から排出されるオフガス６３ａと排熱温水４３ａとの熱交換を回避するように構成されている燃料電池コージェネレーションシステム。【選択図】  図１
2006032153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を冷却した冷却水と熱交換する排熱温水を貯留する貯湯タンクであって、該貯湯タンクに貯留され又は該貯湯タンクから導出される該排熱温水の温度を検知する温度検知器を有する貯湯タンクと；
前記燃料電池から排出されるオフガスと前記排熱温水とを熱交換する排ガス冷却熱交換器と；
前記燃料電池に導入する酸化剤ガスを加湿する有用水を前記オフガスから回収し貯留する貯水タンクであって、該貯留された有用水の水位を検知する水位検知器を有する貯水タンクとを備え；
前記温度検知器で検知される排熱温水の温度が所定の温度以上かつ前記水位検知器で検知される水位が所定の水位以上のときに、前記燃料電池から排出されるオフガスと前記排熱温水との熱交換を回避するように構成された；
燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項２】
前記排熱温水を循環する排熱温水循環流路と；
前記排熱温水循環流路に配置され、前記排ガス冷却熱交換器への前記排熱温水の流れを回避する、切替手段を有するバイパス流路と；
前記温度検知器で検知される排熱温水の温度が所定の温度以上かつ前記水位検知器で検知される水位が所定の水位以上のときに、前記排ガス冷却熱交換器への前記排熱温水の流れを回避するように前記切替手段を制御する制御装置とを備える；
請求項１に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】
前記冷却水を導入し、発生した熱を前記冷却水に移す燃料電池と；
原料燃料と前記有用水とを導入して前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する改質装置とを備える；
請求項１又は請求項２に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】
前記温度検知器は、前記貯湯タンクに貯留される排熱温水の満水時の水位の鉛直方向中間より下部に貯留される前記排熱温水の温度を検知するように構成された；
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に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】
前記所定の水位は、前記燃料電池コージェネレーションシステムで所定時間の間に消費される水量に相当する水位である；
請求項１乃至請求項４のいずれか１項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】
本発明は燃料電池コージェネレーションシステムに関し、特に水自立性と高い排熱回収効率と高いシステム稼動率とを有する燃料電池コージェネレーションシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池コージェネレーションシステムは、水素に富む燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとを導入して燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応により発電し熱と水を発生する燃料電池と、燃料電池の電気化学的反応の際に発生する熱を温水を媒体として回収し蓄える貯湯タンクとを備え、電力と温熱を同時に得ることができるシステムである。燃料電池で発生した熱は、冷却水により冷却され、冷却水と熱交換する温水を介して貯湯タンクに蓄えられる。貯湯タンクに蓄えられた燃料電池からの排熱は、給湯や暖房等の熱需要に利用される。また、燃料電池に導入された燃料ガスや酸化剤ガスはすべてが電気化学的反応に利用されるわけではなく、反応に利用されなかった燃料ガス及び酸化剤ガスは後に混合され混合排ガスとして系外へ排出される。この系外へ排出される混合排ガスは燃料電池で発生した水分を含んでおり、また燃料電池で発生した熱の一部を含んでいる。
【０００３】
一方、燃料電池が固体高分子型燃料電池の場合は、プロトン交換膜の導電率を高く維持するために酸化剤ガスを所定の露点に対応する湿度まで加湿する必要がある。この酸化剤ガスの加湿は、混合排ガスに含まれる水分を凝縮回収して得られた水により行なわれている。また、混合排ガスから水分を凝縮するために放出した熱は、酸化剤ガスを加湿する水分の加熱に利用される。このように、燃料電池から回収した排熱は給湯や暖房等の熱需要に供給し、回収した水は酸化剤ガスの加湿に利用することにより燃料電池コージェネレーションシステムの総合エネルギ効率を高めている（例えば特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−３３８３０４号公報（図３等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した酸化剤ガスの加湿に利用される水分として混合排ガスから回収された水分で不足する場合は系外から水の供給を受けざるを得ないが、系外から供給を受ける水にシリカ等の不純物が含まれる場合はこの不純物の処理負荷が増大し、不純物を処理する水処理装置の寿命が短くなってしまう。
【０００５】
一方で、混合排ガスに含まれる熱は、酸化剤ガスを加湿する回収水の温度を上昇させた後でも回収する余地があり、混合排ガスからなるべく多くの熱を回収することで排熱回収効率を高めることができ、またより多くの水分も回収できることとなる。
【０００６】
しかし、排熱回収効率を高めても排熱を蓄熱するタンクがいわゆる満蓄状態になると燃料電池を所定の作動温度に冷却することができなくなり、このような場合は別途ラジエータ等を設置して燃料電池を所定の作動温度に冷却するかシステムを停止しなければならず、燃料電池コージェネレーションシステムの総合エネルギ効率の向上が頭打ちとなってしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、水自立と排熱回収率とシステム稼動率とのバランスを考慮した上で、水自立性と高い排熱回収効率と高いシステム稼動率とを有する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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば図１に示すように、燃料電池３０を冷却した冷却水２４ａと熱交換する排熱温水４３ａを貯留する貯湯タンク１２０であって、貯湯タンク１２０に貯留され又は貯湯タンク１２０から導出される排熱温水４３ａの温度を検知する温度検知器１２４を有する貯湯タンク１２０と；燃料電池３０から排出されるオフガス６３ａと排熱温水４３ａとを熱交換する排ガス冷却熱交換器１００と；燃料電池３０に導入する酸化剤ガス６１ａを加湿する有用水４２ａをオフガス６３ａから回収し貯留する貯水タンク７０であって、貯留された有用水４２ａの水位を検知する水位検知器１３２を有する貯水タンク７０とを備え；温度検知器１２４で検知される排熱温水４３ａの温度が所定の温度以上かつ水位検知器１３２で検知される水位が所定の水位以上のときに、燃料電池３０から排出されるオフガス６３ａと排熱温水４３ａとの熱交換を回避するように構成されている。
【０００９】
このように構成すると、温度検知器で検知される排熱温水の温度が所定の温度以上かつ水位検知器で検知される水位が所定の水位以上のときに、燃料電池から排出されるオフガスと排熱温水との熱交換を回避するように構成されているので、貯湯タンクがいわゆる満蓄になりつつあり貯水タンクに所定の水量があるときに排熱回収を行なわないようにすることで、燃料電池コージェネレーションシステムの稼動率を高めてかつ水自立させつつできるだけ多くの排熱を回収することができる。ここで「所定の温度」とは、典型的には、冷却水が燃料電池を冷却することができる温度に、冷却水と排熱温水との熱交換の効率を勘案した温度である。また「満蓄」とは、燃料電池を所定の温度に冷やすために必要な温度に冷却水を冷却できなくなるほど貯湯タンク内の排熱温水の温度が上昇した状態をいう。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば図１に示すように、請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム１において、排熱温水４３ａを循環する排熱温水循環流路１２８と；排熱温水循環流路１２８に配置され、排ガス冷却熱交換器１００への排熱温水４３ａの流れを回避する、切替手段１３１を有するバイパス流路１２９と；温度検知器１２４で検知される排熱温水４３ａの温度が所定の温度以上かつ水位検知器１３２で検知される水位が所定の水位以上のときに、排ガス冷却熱交換器１００への排熱温水４３ａの流れを回避するように切替手段１３１を制御する制御装置１３０とを備える。
【００１１】
このように構成すると、温度検知器で検知される排熱温水の温度が所定の温度以上かつ水位検知器で検知される水位が所定の水位以上のときに、排ガス冷却熱交換器への排熱温水の流れを回避するように切替手段を制御するので、貯湯タンクがいわゆる満蓄になりつつあり貯水タンクに所定の水量があるときに排熱回収を行なわないように制御することで、燃料電池コージェネレーションシステムの稼動率を高めてかつ水自立させつつできるだけ多くの排熱を回収することができる。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば図１に示すように、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池コージェネレーションシステム１において、冷却水２４ａを導入し、発生した熱を冷却水２４ａに移す燃料電池３０と；原料燃料２ａと有用水６５ａとを導入して燃料電池３０に供給する燃料ガス３ａを生成する改質装置７を備える。
【００１３】
このように構成すると、燃料電池と、燃料ガスを生成する改質装置を備えるので、都市ガスや灯油等の原料燃料を基に燃料電池で発電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となる。
【００１４】
また、請求項４に記載の発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば図１に示すように、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池コージェネレーションシステム１において、温度検知器１２４は、貯湯タンク１２０に貯留される排熱温水４３ａの満水時の水位の鉛直方向中間より下部に貯留される排熱温水４３ａの温度を検知するように構成されている。
【００１５】
このように構成すると、温度検知器は、貯湯タンクに貯留される排熱温水の満水時の水位の鉛直方向中間より下部に貯留される排熱温水の温度を検知するように構成されているので、検知される温度が貯湯タンクから導出されオフガスと熱交換される排熱温水の温度とほぼ等しくなり、できるだけ多くの排熱を回収しつつ貯湯タンクが満蓄になるのを回避して燃料電池コージェネレーションシステムの稼動率を高めることができる。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば図１に示すように、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池コージェネレーションシステム１において、所定の水位は、燃料電池コージェネレーションシステム１で所定時間の間に消費される水量に相当する水位である。
【００１７】
このように構成すると、所定時間の間は水分を回収することができなくても外部から水の供給を受けずに燃料電池コージェネレーションシステムを稼動することができる。なお「所定時間」は、典型的には、０．５〜４時間であり、燃料電池コージェネレーションシステム稼動時間の観点から下限は１時間程度であることが好ましく、貯水タンクをできるだけ小さくする観点から上限は２時間程度であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、温度検知器で検知される排熱温水の温度が所定の温度以上かつ水位検知器で検知される水位が所定の水位以上のときに、燃料電池から排出されるオフガスと排熱温水との熱交換を回避するように構成されているので、燃料電池コージェネレーションシステムの稼動率を高めてかつ水自立させつつできるだけ多くの排熱を回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。なお、図１及び図３中、破線は制御信号を表す。
【００２０】
まず、図１を参照して本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム１の構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態である燃料電池コージェネレーションシステム１を説明するブロック図である。燃料電池コージェネレーションシステム１は、改質装置７と、貯水タンク７０と、ブロワ８４と、三流体熱交換器１１４と、気液分離器４５、５５と、燃料電池３０と、冷却水熱交換器１１０と、ポンプ１０８と、混合排ガス熱交換器８３と、排ガス冷却熱交換器１００と、気液分離器８９と、ポンプ８２、８５と、純水装置８６と、水処理装置９３と、貯湯タンク１２０と、ポンプ１２５と、制御装置１３０とを備えている。
【００２１】
改質装置７は、改質に必要な改質熱を得るための燃焼部１０７を有する。また、改質装置７は、天然ガス、ナフサ、メタノール、灯油等の原料燃料２ａを導入するノズルと、純水装置８６から送出される改質用水６５ａを導入するノズルと、改質反応により生成される燃料ガス３ａを導出するノズルとを有する。さらに、燃焼部１０７に、燃料電池３０から排出されるアノードオフガス２１ａを導入するノズルと、支燃剤ガスとしての酸素含有ガスである燃焼用空気４ａを導入するノズルと、燃焼排ガス６ａを排出するノズルとを有し、さらに、改質装置７は、起動時や改質反応に必要な改質熱が不足するときの補助燃料として燃焼用に供給される燃焼燃料５ａを導入するノズルとを有する。改質装置７で生成された燃料ガス３ａを導出するノズルは、三流体熱交換器１１４、気液分離器４５を経て、燃料電池３０の燃料極３２と接続されている。なお、２つの機器等が「接続され」とは、流路を介して接続される場合を含む。
【００２２】
貯水タンク７０は、燃料電池３０に導入する酸化剤ガス６１ａを加湿する加湿器の役割を兼ねており、その下部に、気液分離器４５から送出された回収水４２Ａ、気液分離器５５から送出された回収水４２Ｂ、気液分離器８９から送出された回収水４２Ｃが入る回収水入口７３と、導入された回収水４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを有用水４２ａとして貯留する貯液部７１とを有する。貯液部７１には、貯液部７１に貯留されている有用水４２ａの水位を検知する水位検知器１３２が設けられている。水位検知器１３２と制御装置１３０との間には信号ケーブルが敷設されており、水位検知器１３２は貯液部７１の水位を信号ｉ２として制御装置１３０に送信できるように構成されている。
【００２３】
また、貯水タンク７０内の貯液部７１は、酸化剤ガス入口７２により大気開放状態を維持することにより大気圧の状態にあるので、気液分離器４５、５５、８９とのレベル差によって気液分離器４５、５５、８９から回収水４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを貯液部７１へ導入することができる。したがって、回収水４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを送液する送液ポンプ等を不要にすることができる。なお、余剰の有用水４２ａは、ポンプ８２の吐出側に設けた分岐（不図示）から系外へ排出することができる。
【００２４】
貯水タンク７０の下部には、さらに、有用水４２ａが導出される有用水導出口７４と、酸化剤ガス６１ａが導入される酸化剤ガス入口７２とを有する。なお、本実施の形態で例示する酸化剤ガス入口７２は、大気開放されており、大気中の空気を酸化剤ガス６１ａとして用いる。貯水タンク７０の上部には、酸化剤ガス６１ａが燃料電池３０の空気極３３に向けて流れ出る酸化剤ガス出口７７と、混合排ガス熱交換器８３から戻った有用水４２ａが、加湿用水として注入される有用水注入口７８と、有用水注入口７８に注入された有用水４２ａを細かい水滴として貯水タンク７０内に散布する水分散器７９とが設けられている。また、貯水タンク７０の上部と下部の間には、注入された有用水４２ａと酸化剤ガス６１ａとの気液接触を促進するための充填物を充填した充填部８０と、充填部８０を支持する充填物支持板８１とが設けられている。
【００２５】
有用水導出口７４の先は、ポンプ８２、水処理装置９３及び混合排ガス熱交換器８３を経て、貯水タンク７０上部の水分散器７９に接続される。このように、貯液部７１から有用水導出口７４、ポンプ８２、水処理装置９３、混合排ガス熱交換器８３、有用水注入口７８、水分散器７９、充填部８０を経て貯液部７１に有用水４２ａを循環する循環流路が構成される。
【００２６】
貯水タンク７０の酸化剤ガス出口７７に、酸化剤ガス６１ａを燃料電池３０に圧送するブロワ８４が接続される。ブロワ８４により貯水タンク７０内の酸化剤ガス６１ａが吸引される。酸化剤ガス入口７２から吸引された酸化剤ガス６１ａと、有用水注入口７８から注入された有用水４２ａとは、充填部８０にて向流接触するように構成されている。
【００２７】
ブロワ８４の出口は、三流体熱交換器１１４、気液分離器５５を経て、燃料電池３０の空気極３３に接続されている。ブロワ８４にて昇圧された酸化剤ガス６１ａは、燃料電池３０の空気極３３に導入されるように構成されている。
【００２８】
三流体熱交換器１１４は、冷却水２４ａと、貯水タンク７０から送出される酸化剤ガス６１ａとを熱交換し、さらに冷却水２４ａと、改質装置７から送出される燃料ガス３ａとを熱交換する三流体の熱交換器であって、多管式熱交換器が好適に用いられる。三流体熱交換器１１４は、燃料ガス３ａ、酸化剤ガス６１ａ、冷却水２４ａを平行流で熱交換し、これら三つの流体が三流体熱交換器１１４の出口でほぼ等しい温度になるように構成されている。
【００２９】
三流体熱交換器１１４の燃料ガス３ａの出口ノズルは、気液分離器４５を経て、燃料電池３０の燃料極３２に接続される。三流体熱交換器１１４の酸化剤ガス６１ａの出口ノズルは、気液分離器５５を経て、燃料電池３０の空気極３３に接続される。三流体熱交換器１１４の冷却水２４ａの出口ノズルは、燃料電池３０の冷却水流路３１に接続される。
【００３０】
気液分離器４５は、燃料ガス３ａ中の凝縮水を分離する装置である。気液分離器４５には、分離された回収水４２Ａを貯水タンク７０に導入する流路１４５が接続される。気液分離器５５は、酸化剤ガス６１ａ中の凝縮水を分離する装置である。気液分離器５５には、分離された回収水４２Ｂを貯水タンク７０に導入する流路１５５が接続される。
【００３１】
燃料電池３０は、固体高分子型燃料電池であり、冷却水流路３１と燃料極３２と空気極３３とを有する。冷却水流路３１には、ポンプ１０８により圧送される冷却水２４ａを導入するノズルと、冷却水２４ａを導出するノズルが配置されている。燃料極３２には、改質装置７で生成され供給される燃料ガス３ａを導入するノズルと、燃料ガス３ａのうち電気化学的反応に使われなかったオフガスであるアノードオフガス２１ａを排出するノズルが配置されている。空気極３３には、貯水タンク７０から送出される酸化剤ガス６１ａを導入するノズルと、酸化剤ガス６１ａのうち電気化学的反応に使われなかったオフガスであるカソードオフガス２２ａを排出するノズルが配置されている。なお、本明細書中、アノードオフガス２１ａ及びカソードオフガス２２ａをオフガスと総称する。また、既述の、改質装置７の燃焼部１０７に導入されたアノードオフガス２１ａを燃焼した後に排出される燃焼排ガス６ａも燃料電池３０から排出されるオフガスの一種であることとする。
【００３２】
燃料電池３０は、燃料ガス３ａと酸化剤ガス６１ａとの電気化学的反応により電力を出力し、水を発生する。この電気化学的反応は発熱反応であり、燃料電池３０を冷却するために冷却水流路３１に冷却水２４ａが導入され、冷却水流路３１に冷却水２４ａが流れることにより燃料電池３０を冷却しつつ、電気化学的反応により発生した熱を吸収するように構成されている。電気化学的反応により発生した熱は、冷却水２４ａあるいは排出される排ガス（アノードオフガス２１ａ、カソードオフガス２２ａ）により燃料電池３０から搬出される。また、固体高分子型燃料電池では、プロトン交換膜（不図示）の電気伝導度を高く維持するために空気極に供給する酸化剤ガス６１ａを加湿する必要がある。要求される酸化剤ガス６１ａの露点は使用する燃料電池の作動温度等運転条件によって変わるが、５０〜８０℃の範囲であるのが一般的である。
【００３３】
燃料電池３０の空気極３３から排出されたカソードオフガス２２ａを搬送する空気極オフガス流路１４１と、改質装置７の燃焼部１０７から排出された燃焼排ガス６ａを搬送する流路１４２とは分岐管にて合流し、排熱及び水分を保有するガスとしての混合排ガス６３ａを搬送する流路１４３となる。ここで、オフガスであるカソードオフガス２２ａ及び燃焼排ガス６ａが合流した混合排ガス６３ａも燃料電池３０から排出されるオフガスである。流路１４３は、混合排ガス熱交換器８３、排ガス冷却熱交換器１００及び気液分離器８９を経て、系外１０２の排気口（不図示）に至る。
【００３４】
燃料電池３０の冷却水流路３１から排出される冷却水２４ａが流れる流路には、冷却水熱交換器１１０とポンプ１０８と三流体熱交換器１１４とが配置され、冷却水２４ａの流路は、冷却流体流路として、これらの機器を経由して冷却水流路３１に戻る循環流路とされる。なお、ポンプ１０８は、冷却水２４ａを圧送して循環させるもので、冷却水熱交換器１１０と三流体熱交換器１１４との間でなくても、循環する冷却水２４ａの流路上に配置されればよい。
【００３５】
冷却水熱交換器１１０は、貯湯タンク１２０に蓄えられる排熱温水４３ａと冷却水２４ａとの間で熱交換させる熱交換器であり、プレート型熱交換器が好適に用いられる。冷却水熱交換器１１０において排熱温水４３ａは加熱され、冷却水２４ａは冷却される。すなわち、排熱温水４３ａにより冷却水２４ａ中に移された燃料電池３０の排熱を回収する。冷却水熱交換器１１０の排熱温水４３ａの出口ノズルは、貯湯タンク１２０の上部に接続される。
【００３６】
混合排ガス熱交換器８３は、混合排ガス６３ａと有用水４２ａとの間で熱交換させる熱交換器であって、温度差の比較的少ない、混合排ガス６３ａである気体と有用水４２ａである液体との熱を交換するので、プレート型熱交換器が好適に用いられる。混合排ガス熱交換器８３において有用水４２ａは加熱され、混合排ガス６３ａは冷却される。有用水４２ａが加熱されることで貯水タンク７０の水分散器７９から散布される散布水の温度が高くなる結果酸化剤ガス６１ａの露点を上昇させることができ、混合排ガス６３ａが冷却されることで混合排ガス６３ａ中の水分の一部が凝縮する。
【００３７】
排ガス冷却熱交換器１００は、貯湯タンク１２０に蓄えられる排熱温水４３ａと混合排ガス６３ａとの間で熱交換させる熱交換器であって、プレート型熱交換器が好適に用いられる。排ガス冷却熱交換器１００において排熱温水４３ａは加熱され、混合排ガス６３ａは冷却される。すなわち、排熱温水４３ａにより混合排ガス６３ａ中に移された燃料電池３０の排熱を回収する。また、混合排ガス６３ａが冷却されることで混合排ガス６３ａ中の水分の一部が凝縮する。
【００３８】
混合排ガス６３ａ流れ方向から見た排ガス冷却熱交換器１００の下流側には気液分離器８９が設置される。気液分離器８９は、混合排ガス熱交換器８３及び排ガス冷却熱交換器１００により冷却された混合排ガス６３ａから、凝縮水４２Ｃを分離する。気液分離器８９には、分離された回収水４２Ｃを貯水タンク７０に導入する流路１８９が接続され、回収水４２Ａ、４２Ｂと共に、回収水入口７３から貯水タンク７０に導入される。気液分離器８９には、凝縮水を回収された後の混合排ガスである排出ガス６４ａを大気（系外）１０２に放出する流路１０４が接続される。
【００３９】
純水装置８６は、有用水４２ａを改質用水６５ａとして改質装置７へ導く流路中のポンプ８５の下流側に配置され、イオン交換樹脂充填カラム８７を備えている。純水装置８６は、改質用水６５ａとして利用される有用水４２ａを純水に精製する。純水装置８６の出口ノズルは、改質装置７に接続されており、純水に精製された改質用水６５ａが改質装置７に送水される。また、イオン交換樹脂が改質用水６５ａに混入することを防止するために、イオン交換樹脂充填カラム８７の下流側にフィルタ８８を設置してもよい。
【００４０】
水処理装置９３は、貯水タンク７０の有用水導出口７４に接続する有用水４２ａの循環流路中のポンプ８２の下流側に配置され、イオン交換樹脂充填カラム９４を有している。この水処理装置９３のイオン交換樹脂充填カラム９４に用いるイオン交換樹脂としては、陰イオン交換樹脂が望ましい。また、イオン交換樹脂充填カラム９４の下流側にフィルタ９５を設置することで、イオン交換樹脂が有用水４２ａに混入することを防止する。本実施の形態では、有用水４２ａが循環する循環流路に、陰イオン交換樹脂を用いた水処理装置９３を備えることによって、貯水タンク７０で酸化剤ガス６１ａと気液接触する有用水４２ａに水酸化イオンＯＨ−を常に供給するように構成されている。これにより、循環する有用水４２ａが常にアルカリ性に保たれ、酸化剤ガス６１ａに含有されるＮＯｘ、ＳＯｘ等の酸性ガスの汚染物質が効果的に除去される。
【００４１】
貯湯タンク１２０は、排熱温水４３ａを貯留するタンクである。貯湯タンク１２０に貯留される排熱温水４３ａは、上部は比較的温度が高く下部は比較的温度が低い、いわゆる温度成層を形成している。貯湯タンク１２０には、排熱温水４３ａを供給又は循環させることにより外部の熱需要に熱を供給する装置（不図示）が接続されている。例えば、貯湯タンク１２０に貯留される排熱温水４３ａが外部の装置との間を循環し、貯湯タンク１２０から導出された排熱温水４３ａは外部の装置に熱を供給した後に、貯湯タンク１２０に戻される。すなわち、排熱温水４３ａを介して貯湯タンク１２０に蓄えられた燃料電池３０の排熱が、熱需要に対して有効利用される。
【００４２】
貯湯タンク１２０には、上述した外部の装置へ熱を供給するための不図示の循環流路の他に、燃料電池コージェネレーションシステム１内に、排熱を回収するための排熱温水４３ａの循環流路である排熱温水循環流路１２８が接続されている。排熱温水循環流路１２８には排熱温水４３ａの流れる方向に、ポンプ１２５、切替手段としての三方弁１３１、排ガス冷却熱交換器１００、冷却水熱交換器１１０がこの順序で配設されている。貯湯タンク１２０に貯留される排熱温水４３ａは排熱温水循環流路１２８を流れ、排ガス冷却熱交換器１００で混合排ガス６３ａと熱交換をして混合排ガス６３ａに移動した燃料電池３０の排熱や燃焼部１０７での燃焼熱を回収し、冷却水熱交換器１１０で冷却水２４ａと熱交換をして冷却水２４ａに移動した燃料電池３０の排熱を回収して貯湯タンク１２０に戻り、回収した排熱を貯湯タンク１２０に蓄えることができるように構成されている。また、排熱温水循環流路１２８には、三方弁１３１を切り替えることにより排熱温水４３ａが排ガス冷却熱交換器１００を通過するのを回避させるためのバイパス流路１２９が配設されており、排熱温水４３ａがバイパス流路１２９を通過した場合には排ガス冷却熱交換器１００での排熱回収は行なわれないように構成されている。三方弁１３１と制御装置１３０との間には信号ケーブルが敷設されており、三方弁１３１は制御装置１３０からの信号ｉ３を受信して排熱温水４３ａがバイパス流路１２９を通るか否かの切替動作をすることができるように構成されている。
【００４３】
貯湯タンク１２０の下部には、温度検知器１２４が設置されている。温度検知器１２４は、冷却水熱交換器１１０を循環する排熱温水４３ａの温度を計測するために貯湯タンク１２０の下部に設置される。又は貯湯タンク１２０から導出される排熱温水４３ａの温度を計測するように配置してもよい。温度検知器１２４と制御装置１３０との間には信号ケーブルが敷設されており、温度検知器１２４で検知された温度は信号ｉ１として制御装置１３０に送信することができるように構成されている。
【００４４】
制御装置１３０は、温度検知器１２４で検知された温度を信号ｉ１として随時受信し、また水位検知器１３２で検知された水位を信号ｉ２として随時受信して、受信した温度が所定の温度以上でかつ受信した水位が所定の水位以上のときに三方弁１３１に信号ｉ３を送信して、排熱温水循環流路１２８を流れる排熱温水４３ａが排ガス冷却熱交換器１００を流れることを回避するように三方弁１３１の流れを切り替えることができるように構成されている。
【００４５】
次に、本発明の第１の実施の形態である燃料電池コージェネレーションシステム１の作用を説明する。
改質装置７では、有用水４２ａから精製された改質用水６５ａと燃料電池コージェネレーションシステム１の系外から供給される原料燃料２ａとの改質反応により、水素を主成分とする燃料ガス３ａを生成する。通常、改質用水６５ａが必要量以上に供給されるので、燃料ガス３ａには水分が多く含まれる。改質装置７は、さらに系外からの支燃剤としての空気４ａと燃料極３２から排出されるアノードオフガス２１ａとを燃焼部１０７に導入して燃焼し、原料燃料２ａの改質反応のための改質熱を発生させ、燃焼排ガス６ａを排出する。燃焼部１０７には、アノードオフガス２１ａが不足するときの補助用に、燃焼燃料５ａが系外より供給される。改質装置７で生成された燃料ガス３ａは、三流体熱交換器１１４に送出されて冷却水２４ａにより冷却され、温度及び絶対湿度が適宜調整される。三流体熱交換器１１４に入る前の燃料ガス３ａの温度は、６５〜１００℃、三流体熱交換器１１４を出る燃料ガス３ａの温度は、５０〜７０℃である。冷却された燃料ガス３ａは水分が凝縮し、凝縮した水分は気液分離器４５において回収水４２Ａとして分離されて回収水入口７３より貯水タンク７０へ導入される。気液分離器４５で回収水４２Ａとして余分な水分が分離された燃料ガス３ａは、燃料電池３０の燃料極３２に供給される。
【００４６】
一方、貯水タンク７０に導入された酸化剤ガス６１ａは、充填部８０へ導かれ、充填部８０を通過中に水分散器７９から散布される有用水４２ａと気液接触し、有用水４２ａによって洗浄されると共に、昇温及び加湿される。洗浄、昇温、加湿が終了した酸化剤ガス６１ａは、貯水タンク７０から流出する。なお、貯水タンク７０に入る酸化剤ガス６１ａの温度は、５〜４０℃であり、貯水タンク７０を流出する酸化剤ガス６１ａの温度は、５０〜６５℃である。
【００４７】
貯水タンク７０を流出した酸化剤ガス６１ａは、ブロワ８４によって昇圧される。ブロワ８４による昇圧の結果、酸化剤ガス６１ａの露点が上昇する。例えば、ブロワ８４による酸化剤ガス６１ａの圧力上昇を１２ｋＰａとして、酸化剤ガス出口７７における酸化剤ガス６１ａの露点が５０℃の場合は、酸化剤ガス６１ａの露点が約２℃上昇し約５２℃になる。よって、酸化剤ガス６１ａの達成すべき露点が一定の場合、ブロワ８４を貯水タンク７０の下流側に配置することにより、貯水タンク７０の加湿負荷を軽減し、貯水タンク７０をコンパクト化することができる。また、ブロワ８４を酸化剤ガス入口７２側に配置した場合と違って、貯水タンク７０内はブロワ８４により加圧されることがない。
【００４８】
ブロワ８４によって昇圧された酸化剤ガス６１ａは三流体熱交換器１１４に圧送され、三流体熱交換器１１４で冷却水２４ａとの熱交換により冷却される。三流体熱交換器１１４で冷却された酸化剤ガス６１ａは、余剰な水分が凝縮し、凝縮した水分は気液分離器５５において回収水４２Ｂとして分離されて回収水入口７３より貯水タンク７０へ導入される。気液分離器５５で余剰な水分が分離された酸化剤ガス６１ａは、燃料電池３０の空気極３３に供給される。三流体熱交換器１１４に入る前の酸化剤ガス６１ａの温度は、５５〜８５℃、三流体熱交換器１１４を出る酸化剤ガス６１ａの温度は、５０〜７０℃である。また、三流体熱交換器１１４に入る前の冷却水２４ａの温度は、５０〜７０℃であり、三流体熱交換器１１４を出る冷却水２４ａの温度は、５０〜７０℃である。ここで、三流体熱交換器１１４においては、冷却水２４ａと、酸化剤ガス６１ａ及び燃料ガス３ａとの比熱が大きく異なるので、酸化剤ガス６１ａ及び燃料ガス３ａが冷却されても、冷却水２４ａの温度はほとんど変わらない。冷却水２４ａ、酸化剤ガス６１ａ及び燃料ガス３ａは、三流体熱交換器１１４で並流することによりそれぞれの出口温度は同じとなり、燃料電池３０に送られる。
【００４９】
冷却水２４ａは、冷却水熱交換器１１０において排熱温水４３ａとの間で熱交換が行なわれ、ポンプ１０８へ導かれて昇圧された後、三流体熱交換器１１４へ向けて送出される。冷却水熱交換器１１０において、冷却水２４ａは排熱温水４３ａを加熱し、排熱温水４３ａは冷却水２４ａを冷却する。ここで、冷却水熱交換器１１０に入る前の冷却水２４ａの温度は、６０〜８０℃であり、冷却水熱交換器１１０を出る冷却水２４ａの温度は、５０〜７０℃である。また、冷却水熱交換器１１０に入る前の排熱温水４３ａの温度は、１０〜４５℃であり、冷却水熱交換器１１０を出る排熱温水の温度は、５９〜７９℃である。既述のように、三流体熱交換器１１４に導入された冷却水２４ａは、燃料ガス３ａ及び酸化剤ガス６１ａの温度及び湿度を調整した後に燃料電池３０に送られる。
【００５０】
燃料電池３０では、燃料極３２に供給された燃料ガス３ａ中の水素と空気極３３に供給された酸化剤ガス６１ａ中の酸素との電気化学的反応により電力を出力し熱と水を発生する。電気化学的反応により発生した熱は冷却水２４ａに吸収され燃料電池３０は冷却される。また、燃料電池３０は、燃料極３２から電気化学的反応に利用されなかった燃料ガス３ａのオフガスであるアノードオフガス２１ａが、空気極３３から電気化学的反応に利用されなかった酸化剤ガス６１ａのオフガスであるカソードオフガス２２ａがそれぞれ排出される。なお、電気化学的反応で生じた水分は、排出されるカソードオフガス２２ａの中に含まれる。したがって、オフガスとしての混合排ガス６３ａにも水分が含まれていることとなる。
【００５１】
混合排ガス６３ａは、まず、混合排ガス熱交換器８３へ導かれる。混合排ガス熱交換器８３では、混合排ガス６３ａと有用水４２ａとの間で熱交換が行なわれ、有用水４２ａが混合排ガス６３ａによって加熱されることにより混合排ガス６３ａ中の排熱が有用水４２ａに回収される。混合排ガス熱交換器８３に入る前の混合排ガス６３ａの温度は、６０〜８０℃であり、混合排ガス熱交換器８３を出る混合排ガス６３ａの温度は、３５〜５５℃である。また、この場合の混合排ガス熱交換器８３に入る前の有用水４２ａの温度は、３０〜５０℃であり、混合排ガス熱交換器８３を出る有用水４２ａの温度は、５５〜７０℃である。有用水４２ａにより熱を回収された混合排ガス６３ａは温度が下がるので、混合排ガス６３ａ中の水分は凝縮する。
【００５２】
混合排ガス熱交換器８３から出た混合排ガス６３ａは排ガス冷却熱交換器１００に導かれ、混合排ガス６３ａと排熱温水４３ａとが熱交換することにより、混合排ガス６３ａが持っている燃料電池３０の排熱がさらに回収される。排ガス冷却熱交換器１００に入る前の混合排ガス６３ａの温度は、３５〜５５℃であり、排ガス冷却熱交換器１００を出る混合排ガス６３ａの温度は、１０〜４５℃である。また、この場合の排ガス冷却熱交換器１００に入る前の排熱温水４３ａの温度は、５〜４０℃であり、排ガス冷却熱交換器１００を出る排熱温水４３ａの温度は、１０〜４５℃である。排熱温水４３ａにより熱を回収された混合排ガス６３ａは温度が下がるので、混合排ガス６３ａ中の水分はさらに凝縮する。
【００５３】
混合排ガス熱交換器８３及び排ガス冷却熱交換器１００において冷却されて水分の凝縮した混合排ガス６３ａは、気液分離器８９に導かれ凝縮水が分離される。分離された凝縮水は、回収水４２Ｃとして、回収水入口７３より貯水タンク７０へ導入される。また、凝縮水が分離された排出ガス６４ａは、排ガスとして流路１０４を通って大気である系外１０２に放出される。
【００５４】
貯水タンク７０の回収水入口７３から導入された回収水４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃは、有用水４２ａとして貯液部７１に溜められた後、有用水導出口７４からポンプ８２により吸い込まれ、水処理装置９３に圧送される。水処理装置９３に圧送された有用水４２ａは、水処理装置９３のイオン交換樹脂充填カラム９４により含有する酸性ガス汚染物質が除去される。水処理装置９３を出た有用水４２ａは、混合排ガス熱交換器８３で混合排ガス６３ａにより加熱され、混合排ガス６３ａ中の排熱を回収する。排熱を回収した有用水４２ａは、有用水注入口７８から貯水タンク７０に注入され、水分散器７９によって充填部８０に分散して撒かれ、そこで酸化剤ガス６１ａと気液接触し、酸化剤ガス６１ａを加湿、昇温、洗浄する。一方、有用水４２ａは、酸化剤ガス６１ａによって脱炭酸され、冷却される。脱炭酸され、冷却された有用水４２ａは、再び貯液部７１に戻り、貯留される。したがって、貯液部７１に貯留される有用水４２ａは、脱炭酸されたものとなる。なお、有用水４２ａの脱炭酸処理工程により少量の炭酸ガスが酸化剤ガス６１ａに混入するが、炭酸ガスが燃料電池３０内の空気極触媒（不図示）に対する触媒被毒作用をほとんど有しないので、燃料電池３０の劣化や寿命に影響することはない
【００５５】
また、有用水４２ａの一部は、改質用水６５ａとして使用される。改質用水６５ａとして使用される有用水４２ａは、有用水導出口７４からポンプ８５により吸い込まれ、純水装置８６に圧送される。純水装置８６において純水に精製された改質用水６５ａは、改質装置７に供給され、改質反応に用いられる。改質反応に用いる改質用水６５ａは純水であることが要求される。ここで、有用水４２ａが予め脱炭酸され、すなわち改質用水６５ａが脱炭酸されている場合は、イオン交換樹脂８７の寿命を延ばすことができ、純水装置８６のメンテナンス期間を延ばすことができる。また、燃料電池コージェネレーションシステム１が水自立をすることにより、外部からの水供給を受けない間は、水処理負荷が小さく、純水装置８６のメンテナンス期間がさらに延びる。
【００５６】
さて、冷却水熱交換器１１０で冷却水２４ａから排熱を回収した排熱温水４３ａは、貯湯タンク１２０に貯留される。既述のとおり、貯湯タンク１２０内に貯留される排熱温水４３ａは温度成層を形成しており、上層部の高温の排熱温水４３ａが系外の熱需要に利用され、下層部の低温の排熱温水４３ａが冷却水２４ａを冷却するのに用いられる。貯湯タンク１２０下部から導出された排熱温水４３ａは、ポンプ１２５により排熱温水循環流路１２８内を圧送され、三方弁１３１に至る。原則として、三方弁１３１は排熱温水４３ａをバイパス流路１２９に流さないようになっているため、排熱温水４３ａは排熱温水循環流路１２８内を流れて排ガス冷却熱交換器１００に導入される。
【００５７】
排ガス冷却熱交換器１００に導入された排熱温水４３ａは、混合排ガス６３ａとの間で熱交換を行ない、燃料電池３０の排熱を回収する。排熱を回収して排ガス冷却熱交換器１００から出た排熱温水４３ａは、冷却水熱交換器１１０に導入され冷却水２４ａとの間で熱交換を行ない、冷却水２４ａに吸収された燃料電池３０の排熱を回収する。排ガス冷却熱交換器１００及び冷却水熱交換器１１０で燃料電池３０の排熱を回収した排熱温水４３ａは貯湯タンク１２０の上部に戻される。このようにして貯湯タンク１２０に燃料電池３０の排熱の多くが回収・蓄熱され、蓄えられた熱は要求に応じて系外の熱需要に供給されて有効利用される。
【００５８】
本来は系外に排出されるべき燃料電池３０の排熱をなるべく多く回収することは燃料電池コージェネレーションシステム１の総合エネルギ効率を高める観点から好ましい。しかし、貯湯タンク１２０に貯留される排熱温水４３ａは燃料電池３０を冷却する冷却水２４ａを冷やすために用いられるため、冷却水２４ａを冷やすことができなくなるほど、すなわち燃料電池３０を冷却することができなくなるほど貯湯タンク１２０内の排熱温水４３ａが昇温することを回避する必要がある。つまり、燃料電池コージェネレーションシステム１の稼動率を高めるには貯湯タンク１２０が満蓄になるのを回避する必要がある。
【００５９】
満蓄になると燃料電池３０を冷却できなくなるので、このような場合は別途ラジエータ等を設置して燃料電池３０を所定の作動温度に冷却するか燃料電池コージェネレーションシステム１を停止しなければならない。別途ラジエータ等を設けると初期コストが増大すると共に設置スペースも必要となる。また、これを作動させるエネルギが必要となりシステムの総合エネルギ効率が低下することとなる。他方、システムを停止すると稼動率が低下し、その間に電力需要が発生した場合、貯湯タンク１２０が満蓄であるために燃料電池３０を停止している間は、系外の電源（例えば商用電源）から電力の供給を受ける必要がある。その一方で排熱回収をしないと得られる回収水が少なくなり、シリカ等の不純物が含まれる系外の水を系内に導入せざるを得なくなる。そこで、水自立と排熱回収率とシステム稼動率とのバランスを考慮して、以下に示すようなフローで排熱温水４３ａの流れを制御する。
【００６０】
図２は、排熱温水循環流路１２８内の排熱温水４３ａの流れを切り替える切替手段としての三方弁１３１の切替動作を説明するフローチャートである。なお、以下の説明の便宜上、排ガス冷却熱交換器１００に向けて排熱温水４３ａを流す方向に三方弁１３１が開いている状態を「ノーマル」といい、バイパス流路１２９に向けて排熱温水４３ａを流す方向に三方弁１３１が開いている状態を「バイパス」ということとする。
【００６１】
制御装置１３０は、温度検知器１２４から温度信号ｉ１を随時受信しており、水位検知器１３２から水位信号ｉ２を随時受信している。三方弁１３１が制御装置１３０から信号ｉ３を受信していないときは三方弁１３１はノーマルである（Ｓ２０１）。三方弁１３１がノーマルのとき、排熱温水４３ａは排熱温水循環流路１２８を通って排ガス冷却熱交換器１００及び冷却水熱交換器１１０において燃料電池３０の排熱を回収して貯湯タンク１２０に戻る。
【００６２】
制御装置１３０は、随時受信している温度信号ｉ１により、温度検知器１２４で検知される排熱温水４３ａの温度が所定の温度以上か否かを判断する（Ｓ２０２）。所定の温度以上でなければ三方弁１３１をノーマルの状態に維持し（Ｓ２０１）、所定の温度以上であれば次のステップに進む。所定の温度は、冷却水が燃料電池を冷却することができる温度に、冷却水と排熱温水との熱交換の効率を勘案した温度であり、本実施の形態の場合は４０℃である。この温度を所定の温度とすると、冷却水熱交換器１１０で冷却水２４ａを冷やすことができ、燃料電池３０の運転可能時間を延ばすことができる。
【００６３】
温度検知器１２４で検知される排熱温水４３ａの温度が所定の温度以上のときは、随時受信している水位信号ｉ２により、水位検知器１３２で検知される貯液部７１に貯留される有用水４２ａの水位が所定の水位以上か否かを判断する（Ｓ２０３）。所定の水位以上でなければ三方弁１３１をノーマルの状態に維持し（Ｓ２０１）、所定の水位以上であれば次のステップに進む。所定の水位は、典型的には、燃料電池コージェネレーションシステム１が起動してから発電が開始されるまでの間に改質装置７で使用される有用水としての改質用水６５ａを貯留したときの水位である。本実施の形態では、改質装置７で使用される改質用水６５ａは１分間平均６ｍＬで、燃料電池コージェネレーションシステム１が起動してから発電が開始されるまでの時間が５０分である。したがって、１０分の余裕を見ると、所定の水位は、６ｍＬ／ｍｉｎ×（５０＋１０）ｍｉｎ＝３６０ｍＬの水量を貯水タンク７０が貯水したときの水位となる。
【００６４】
温度検知器１２４で検知される排熱温水４３ａの温度が所定の温度以上かつ水位検知器１３２で検知される有用水４２ａの水位が所定の水位以上のときは、制御装置１３０は、三方弁１３１に信号ｉ３を送信し、三方弁１３１をバイパス側に切り替える（Ｓ２０４）。三方弁１３１がバイパスになると排熱温水４３ａは、排ガス冷却熱交換器１００に導入されずに、バイパス流路１２９を通って直接冷却水熱交換器１１０に導入される。これにより、冷却水熱交換器１１０に導入される排熱温水４３ａは排ガス冷却熱交換器１００での排熱回収がなされないため、貯湯タンク１２０における蓄熱速度が抑制される。したがって、貯湯タンク１２０が満蓄となることに起因する燃料電池３０の運転を継続することができなくなるまでの時間を延ばすことができる。燃料電池３０の運転時間を延ばしている間に系外の熱需要が発生し、貯湯タンク１２０に蓄えられた熱が消費されれば燃料電池３０の運転を停止することなく継続することが可能となる。
【００６５】
しかし、排熱温水４３ａが排ガス冷却熱交換器１００をバイパスしていると、排ガス冷却熱交換器１００で排熱回収ができず、さらに気液分離器８９で分離される回収水も少なくなる。したがって、温度検知器１２４で検知される排熱温水４３ａの温度が所定の温度よりも低いノーマルの状態に復帰させる温度（以下「復帰温度」という。）になったとき（すなわち、貯湯タンク１２０内の蓄熱量が減少して残蓄熱可能量に余裕が発生したとき）に排熱温水４３ａのバイパスを解除し排熱温水４３ａを排ガス冷却熱交換器１００に導入して、排熱及び水分を回収することが好ましい。そのため、三方弁１３１をバイパス側に切り替えた後（Ｓ２０４）、温度検知器１２４で検知される排熱温水４３ａの温度が復帰温度以下か否かを判断するステップ（Ｓ２０５）に進む。なお、復帰温度を所定の温度よりも低い温度にしているのは、貯湯タンク１２０内の蓄熱可能量に余裕を持たせるためである。
【００６６】
制御装置１３０は、随時受信している温度信号ｉ１により、温度検知器１２４で検知される排熱温水４３ａの温度が復帰温度以下か否かを判断する（Ｓ２０５）。復帰温度まで下がっていれば三方弁１３１をノーマルの状態にするステップに戻る（Ｓ２０１）。復帰温度まで下がっていなければ、随時受信している水位信号ｉ２により、水位検知器１３２で検知される貯液部７１に貯留される有用水４２ａの水位が所定の水位以上か否かを判断するステップ（Ｓ２０３）に戻る。貯液部７１に貯留される有用水４２ａの水位が所定の水位以上か否かを判断するステップ（Ｓ２０３）において、所定の水位以上であれば三方弁１３１をバイパスの状態に維持し（Ｓ２０４）、所定の水位以上でなければ三方弁１３１をノーマルの状態にするステップに戻る（Ｓ２０１）。
【００６７】
三方弁１３１がノーマルの状態に戻ると、排熱温水４３ａは再び排ガス冷却熱交換器１００に導入されるようになり、より多くの排熱が回収されると共に水分も回収されることとなる。このようにして、燃料電池コージェネレーションシステム１の稼動率を高めつつ、できるだけ多くの排熱を回収してシステムの総合エネルギ効率を高めると共に系内の水自立も可能な限り満足している。なお、本発明では、温度検知器１２４で検知される排熱温水４３ａの温度が所定の温度以上であっても水位検知器１３２で検知される有用水４２ａの水位が所定の水位を下回っているときは排熱温水４３ａが排ガス冷却熱交換器１００をバイパスしないが、この場合は、排熱を最大限に回収して貯湯タンク１２０が満蓄になった後、燃料電池コージェネレーションシステム１を停止することとなる。温度検知器１２４が所定の温度を検知した時点では貯湯タンク１２０はまだ満蓄状態に至っていない一方で、貯水タンク７０内の有用水４２ａの水位が所定の水位に満たないときは、燃料電池コージェネレーションシステム１の運転を継続するために系外から水を補充しなければならない。しかし、系外から導入した水を使用するにはシリカ等の不純物を除去しなくてはならない。貯水タンク７０内の有用水４２ａの水位が所定の水位に満たないときに三方弁１３１をバイパスせず排熱を最大限に回収して貯湯タンク１２０が満蓄になった後燃料電池コージェネレーションシステム１を停止すれば、水処理装置９３の寿命を延ばすことができる。
【００６８】
続いて、図３を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム２について説明する。図３に示す第２の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム２は、第１の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム１が排熱温水循環流路１２８にバイパス流路１２９及び切替手段である三方弁１３１を備えるのに代えて、混合排ガス流路１４３にバイパス流路１４４及び切替手段である三方弁１３６を備えている。三方弁１３６と制御装置１３０との間には信号ケーブルが敷設されており、三方弁１３６は制御装置１３０からの信号ｉ４を受信して混合排ガス６３ａがバイパス流路１４４を通るか否かの切替動作をすることができるように構成されている。
【００６９】
燃料電池コージェネレーションシステム２では、排熱温水４３ａが常に排ガス冷却熱交換器１００及び冷却水熱交換器１１０を通過する。しかし、温度検知器１２４で検知される排熱温水４３ａの温度が所定の温度以上かつ水位検知器１３２で検知される有用水４２ａの水位が所定の水位以上のときに、制御装置１３０は、三方弁１３６に信号ｉ４を送信し、三方弁１３６をバイパス側に切り替える。三方弁１３６がバイパス側に切り替わると混合排ガス６３ａは排ガス冷却熱交換器１００を通らないため、排熱温水４３ａと混合排ガス６３ａとの間で熱交換は行なわれない。したがって排熱温水４３ａに燃料電池３０の排熱が回収されないこととなる。三方弁１３６の制御は、図２において三方弁１３１を三方弁１３６に置き換えた場合のフローと同様になる。
【００７０】
以上の説明では、改質方式は水蒸気改質方式として説明したが、部分酸化改質方式やオートサーマル改質方式であってもよい。部分酸化改質方式やオートサーマル改質方式を採用した場合は燃焼部１０７が不要になり、改質装置７をコンパクトにすることができる。
【００７１】
以上の説明では、燃料電池３０は固体高分子型燃料電池として説明したが、りん酸型燃料電池等の固体高分子型燃料電池以外の燃料電池であってもよい。
【００７２】
以上の説明では、切替手段１３１（１３６）は三方弁であるとして説明をしたが、バイパス流路１２９（１４４）との分岐部の下流側の排熱温水循環流路１２８（混合排ガス流路１４３）及びバイパス流路１２９（１４４）のそれぞれに二方弁を設けるように構成してもよい。また、排熱温水循環流路１２８及び排ガス冷却熱交換器１００での圧力損失によってはバイパス流路１２９のみに二方弁を設けるように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の第１の実施の形態である燃料電池コージェネレーションシステムを説明するブロック図である。
【図２】切替手段の切替動作を説明するフローチャートである。
【図３】本発明の第２の実施の形態である燃料電池コージェネレーションシステムを説明するブロック図である。
【符号の説明】
【００７４】
１      燃料電池コージェネレーションシステム
２ａ    原料燃料
３ａ    燃料ガス
７      改質装置
２４ａ  冷却水
３０    燃料電池
４２ａ  有用水
４３ａ  排熱温水
６１ａ  酸化剤ガス
６３ａ  オフガス（混合排ガス）
７０    貯水タンク
１００  排ガス冷却熱交換器
１２０  貯湯タンク
１２４  温度検知器
１２８  排熱温水循環流路
１２９  バイパス流路
１３０  制御装置
１３１  切替手段
１３２  水位検知器
【図１】
2006032153.tif 000003
【図２】
2006032153.tif 000004
【図３】
2006032153.tif 000005