(57)【要約】【課題】コージェネレーションシステムの省エネルギー性能を向上させる。【解決手段】本開示のコージェネレーションシステム（１００）は、燃料電池（１１）、貯湯タンク（２０）、熱交換器（４２）、循環経路（３０）及びバイパス経路（３１）を備えている。バイパス経路（３１）は、循環経路（３０）の往路部分（３０ａ）と復路部分（３０ｂ）とを接続している。熱交換器（４２）から貯湯タンク（２０）に戻されるべき温水の温度又はその予測値である戻り温度が閾値温度以下である場合には温水が貯湯タンク（２０）に戻され、戻り温度が閾値温度よりも高い場合には貯湯タンク（２０）への温水の返送を制限しつつ温水がバイパス経路（３１）に導かれる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池の運転に伴って発生する排熱によって生成された温水を貯留する貯湯タンクと、
前記貯湯タンクに貯められた前記温水と暖房装置の熱媒体との間で熱交換を生じさせる熱交換器と、
前記貯湯タンクと前記熱交換器とを接続している往路部分と前記熱交換器と前記貯湯タンクとを接続している復路部分とを有する循環経路と、
前記往路部分と前記復路部分とを接続しているバイパス経路と、
を備え、
前記熱交換器から前記貯湯タンクに戻されるべき前記温水の温度又はその予測値である戻り温度が閾値温度以下である場合には前記温水が前記貯湯タンクに戻され、前記戻り温度が前記閾値温度よりも高い場合には前記貯湯タンクへの前記温水の返送を制限しつつ前記温水が前記バイパス経路に導かれる、コージェネレーションシステム。
【請求項２】
前記循環経路の前記往路部分は、前記貯湯タンクの上部に接続されている、請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
【請求項３】
前記循環経路の前記復路部分は、前記貯湯タンクの下部に接続されている、請求項１又は２に記載のコージェネレーションシステム。
【請求項４】
前記戻り温度が前記閾値温度よりも高い場合には前記貯湯タンクへの前記温水の返送が禁止される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
【請求項５】
前記バイパス経路における前記温水の流れを許可及び遮断する切換弁をさらに備えた、請求項１〜４のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
【請求項６】
前記切換弁は、前記バイパス経路と前記循環経路の前記往路部分との接続位置に配置された三方弁を含む、請求項５に記載のコージェネレーションシステム。
【請求項７】
前記循環経路の前記往路部分に配置されたバックアップ熱源機をさらに備え、
前記貯湯タンクに貯められた前記温水の温度よりも高い温度の温水が前記暖房装置から要求されたとき、前記バックアップ熱源機の使用が許可される、請求項１〜６のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
【請求項８】
前記貯湯タンクに接続され、前記燃料電池のアノードオフガス、前記燃料電池のカソードオフガス、及び、燃焼排ガスから選ばれる少なくとも１つのガスを冷却して凝縮水を生じさせる冷却器をさらに備え、
前記閾値温度は、前記温水を冷却媒体として前記冷却器に流通させたとき、前記燃料電池の運転を継続するために必要な量の前記凝縮水を生じさせることができる前記温水の温度である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
【請求項９】
前記暖房装置の利用温度から前記戻り温度を予測する制御部をさらに備えた、請求項１〜８のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
【請求項１０】
燃料電池の運転に伴って発生する排熱を用いて温水を生成することと、
前記温水を貯湯タンクに貯めることと、
熱交換器を用い、前記貯湯タンクに貯められた前記温水で暖房装置の熱媒体を加熱することと、
前記熱交換器から前記貯湯タンクに戻されるべき前記温水の温度又はその予測値である戻り温度が閾値温度以下である場合には、前記温水を前記貯湯タンクに戻すことと、
前記戻り温度が前記閾値温度よりも高い場合には、前記熱交換器から前記貯湯タンクへの前記温水の返送を制限しつつ、前記貯湯タンクから前記熱交換器への前記温水の供給経路に前記温水をバイパスさせることと、
を含む、コージェネレーションシステムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、コージェネレーションシステム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を備えたコージェネレーションシステムはよく知られている。燃料電池の運転に伴って排熱が発生する。排熱は、温水の生成に使用される。温水は、貯湯タンクに貯められ、必要に応じて浴槽又は蛇口に供給される。
【０００３】
特許文献１に記載されているように、貯湯タンクに貯められた温水を暖房に使用することも可能である。この技術によれば、ユーザは、コージェネレーションシステムの利益をより多く享受できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１８０９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
昨今、コージェネレーションシステムの省エネルギー性能を更に向上させることが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示は、
燃料電池と、
前記燃料電池の運転に伴って発生する排熱によって生成された温水を貯留する貯湯タンクと、
前記貯湯タンクに貯められた前記温水と暖房装置の熱媒体との間で熱交換を生じさせる熱交換器と、
前記貯湯タンクと前記熱交換器とを接続している往路部分と前記熱交換器と前記貯湯タンクとを接続している復路部分とを有する循環経路と、
前記往路部分と前記復路部分とを接続しているバイパス経路と、
を備え、
前記熱交換器から前記貯湯タンクに戻されるべき前記温水の温度又はその予測値である戻り温度が閾値温度以下である場合には前記温水が前記貯湯タンクに戻され、前記戻り温度が前記閾値温度よりも高い場合には前記貯湯タンクへの前記温水の返送を制限しつつ前記温水が前記バイパス経路に導かれる、コージェネレーションシステムを提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本開示の技術によれば、コージェネレーションシステムの省エネルギー性能を更に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本開示の一実施形態に係るコージェネレーションシステムの構成図である。
【図２】図２は、燃料電池ユニットの変形例を示す構成図である。
【図３】図３は、暖房制御のフローチャートである。
【図４】図４は、変形例１に係るコージェネレーションシステムの構成図である。
【図５】図５は、変形例２に係る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】
【０００９】
（本開示の基礎となった知見）
特許文献１（図６）に記載されているように、温水は、暖房装置の熱媒体によって冷却されたのち、貯湯タンクに戻される。貯湯タンクに戻されるべき温水は、貯湯タンクの上部に貯められた温水の温度と市水の温度との間の温度を有する。貯湯タンクに中途半端な温度の温水、いわゆる中温水を戻し続けると、貯湯タンクにおける温度成層が大きく乱れる。その結果、いくつかの問題が引き起こされる。
【００１０】
１つの問題は、貯湯タンクの水と燃料電池の冷却水との間の温度差が縮小し、両者の間で熱交換を生じさせるための熱交換器での熱交換効率が低下することである。このことは、コージェネレーションシステムの効率的な運転を妨げる。
【００１１】
他の１つの問題は、システムが水不足に陥る可能性があることである。燃料電池においては、水素と酸素との電気化学反応によって水が生成する。生成した水を回収して再利用すれば、外部から水を補給することなく発電を継続できる。水は、例えば、アノードオフガス、カソードオフガス及び燃焼排ガスに水蒸気の形で含まれている。これらのガスを冷却することによって、凝縮水の形で水を回収できる。ガスの冷却には、貯湯タンクの下部に貯められた水が使用される。貯湯タンクの水の温度が高い場合、ガスを十分に冷却できないため十分な量の凝縮水を回収できず、水の消費量が水の回収量を上回り、システムが水不足に陥る可能性がある。
【００１２】
システムが水不足に陥ることを防ぐための１つの解決策として、燃料電池の運転を停止することが考えられる。しかし、燃料電池の停止と起動とを繰り返すことは、システムの省エネルギー性能を低下させる。他の１つの解決策として、貯湯タンクの温水の一部を破棄することが考えられる。温水を破棄することも、システムの省エネルギー性能の低下につながる。
【００１３】
このように、貯湯タンクの温水を暖房に使用することは、コージェネレーションシステムの省エネルギー性能を向上させるとは限らない。水不足などの不都合な状況に陥ることを極力回避しつつ、貯湯タンクの温水で暖房を行うことが重要である。
【００１４】
（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１態様に係るコージェネレーションシステムは、
燃料電池と、
前記燃料電池の運転に伴って発生する排熱によって生成された温水を貯留する貯湯タンクと、
前記貯湯タンクに貯められた前記温水と暖房装置の熱媒体との間で熱交換を生じさせる熱交換器と、
前記貯湯タンクと前記熱交換器とを接続している往路部分と前記熱交換器と前記貯湯タンクとを接続している復路部分とを有する循環経路と、
前記往路部分と前記復路部分とを接続しているバイパス経路と、
を備え、
前記熱交換器から前記貯湯タンクに戻されるべき前記温水の温度又はその予測値である戻り温度が閾値温度以下である場合には前記温水が前記貯湯タンクに戻され、前記戻り温度が前記閾値温度よりも高い場合には前記貯湯タンクへの前記温水の返送を制限しつつ前記温水が前記バイパス経路に導かれる。
【００１５】
第１態様によれば、暖房装置の熱源として貯湯タンクの温水を使用したとき、閾値温度よりも高い温度の温水が貯湯タンクに戻されることを制限できる。そのため、貯湯タンクの内部の温度成層が乱れることを抑制できる。その結果、貯湯タンクに貯められた水でアノードオフガス、カソードオフガス、及び、燃焼排ガスから選ばれる少なくとも１つのガスを冷却して十分な量の凝縮水を生じさせることができる。また、システムが水不足に陥る可能性が浮上するまでの時間を稼ぐことができるので、燃料電池の運転を停止させたり、貯湯タンクの温水を破棄したりすることを極力回避できる。したがって、コージェネレーションシステムの省エネルギー性が向上することを期待できる。
【００１６】
本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係るコージェネレーションシステムの前記循環経路の前記往路部分は、前記貯湯タンクの上部に接続されている。第２態様によれば、往路部分を通じて、貯湯タンクの上部に貯められた高温の温水が貯湯タンクから熱交換器に供給されうる。このような構成によれば、バックアップ熱源機などの外部の熱源の使用頻度を下げることができる。
【００１７】
本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様に係るコージェネレーションシステムの前記循環経路の前記復路部分は、前記貯湯タンクの下部に接続されている。第３態様によれば、復路部分を通じて、熱交換器から貯湯タンクの下部に温水が戻される。このような構成によれば、貯湯タンクの内部の温度成層が乱れにくい。
【００１８】
本開示の第４態様において、例えば、第１〜第３態様のいずれか１つに係るコージェネレーションシステムでは、前記戻り温度が前記閾値温度よりも高い場合には前記貯湯タンクへの前記温水の返送が禁止される。第４態様によれば、貯湯タンクの内部の温度成層が乱れることをより十分に抑制できる。
【００１９】
本開示の第５態様において、例えば、第１〜第４態様のいずれか１つに係るコージェネレーションシステムは、前記バイパス経路における前記温水の流れを許可及び遮断することを可能にする切換弁をさらに備えている。第５態様によれば、閾値温度よりも高い温度の温水が貯湯タンクに戻ることを確実に阻止できる。
【００２０】
本開示の第６態様において、例えば、第５態様に係るコージェネレーションシステムでは、前記切換弁は、前記バイパス経路と前記循環経路の前記往路部分との接続位置に配置された三方弁を含む。第６態様によれば、簡易な構成によって、閾値温度よりも高い温度の温水が貯湯タンクに戻ることを確実に阻止できる。
【００２１】
本開示の第７態様において、例えば、第１〜第６態様のいずれか１つに係るコージェネレーションシステムは、前記循環経路の前記往路部分に配置されたバックアップ熱源機をさらに備え、前記貯湯タンクに貯められた前記温水の温度よりも高い温度の温水が前記暖房装置から要求されたとき、前記バックアップ熱源機の使用が許可される。第７態様によれば、貯湯タンクに貯められた温水の温度が低い場合であったとしても、バックアップ熱源機の助けを借りて、暖房装置の熱媒体の温度を必要十分な温度まで昇温させることができる。
【００２２】
本開示の第８態様において、例えば、第１〜第７態様のいずれか１つに係るコージェネレーションシステムは、前記貯湯タンクに接続され、前記燃料電池のアノードオフガス、前記燃料電池のカソードオフガス、及び、燃焼排ガスから選ばれる少なくとも１つのガスを冷却して凝縮水を生じさせる冷却器をさらに備え、前記閾値温度は、前記温水を冷却媒体として前記冷却器に流通させたとき、前記燃料電池の運転を継続するために必要な量の前記凝縮水を生じさせることができる前記温水の温度である。このような要件を満たす閾値温度を採用することによって、コージェネレーションシステムが水不足に陥ることを防止できる。
【００２３】
本開示の第９態様において、例えば、第１〜第８態様のいずれか１つに係るコージェネレーションシステムは、前記暖房装置の利用温度から前記戻り温度を予測する制御部をさらに備えている。第９態様によれば、暖房を開始する前に温水の戻り温度を特定できる。
【００２４】
本開示の第１０態様に係るコージェネレーションシステムの運転方法は、
燃料電池の運転に伴って発生する排熱を用いて温水を生成することと、
前記温水を貯湯タンクに貯めることと、
熱交換器を用い、前記貯湯タンクに貯められた前記温水で暖房装置の熱媒体を加熱することと、
前記熱交換器から前記貯湯タンクに戻されるべき前記温水の温度又はその予測値である戻り温度が閾値温度以下である場合には、前記温水を前記貯湯タンクに戻すことと、
前記戻り温度が前記閾値温度よりも高い場合には、前記熱交換器から前記貯湯タンクへの前記温水の返送を制限しつつ、前記貯湯タンクから前記熱交換器への前記温水の供給経路に前記温水をバイパスさせることと、
を含む。
【００２５】
第１０態様によれば、第１態様と同じ効果が得られる。
【００２６】
本開示の第１１態様に係るコージェネレーションシステムは、
燃料電池と、
前記燃料電池の運転に伴って発生する排熱によって生成された温水を貯留する貯湯タンクと、
前記貯湯タンクに貯められた前記温水と暖房装置の熱媒体との間で熱交換を生じさせる熱交換器と、
前記貯湯タンクと前記熱交換器とを接続している往路部分と前記熱交換器と前記貯湯タンクとを接続している復路部分とを有する循環経路と、
前記往路部分と前記復路部分とを接続しているバイパス経路と、
前記バイパス経路に導かれる前記温水の流量と前記貯湯タンクに戻される前記温水の流量との比率を調節する調節弁と、
を備えたものである。
【００２７】
第１１態様によれば、熱交換器から貯湯タンクに戻されるべき温水の温度又はその予測値である戻り温度が閾値温度よりも高い場合、調節弁を適切に制御することによって、温水が貯湯タンクに戻されることを制限できる。そのため、貯湯タンクの内部の温度成層が乱れることを抑制できる。その結果、貯湯タンクに貯められた水でアノードオフガス、カソードオフガス、及び、燃焼排ガスから選ばれる少なくとも１つのガスを冷却して十分な量の凝縮水を生じさせることができる。また、システムが水不足に陥る可能性が浮上するまでの時間を稼ぐことができるので、燃料電池の運転を停止させたり、貯湯タンクの温水を破棄したりすることを極力回避できる。したがって、コージェネレーションシステムの省エネルギー性が向上することを期待できる。
【００２８】
本開示の第１２態様において、例えば、第１１態様に係るコージェネレーションシステムでは、前記調節弁は、前記バイパス経路と前記循環経路の前記往路部分との接続位置に配置された混合弁である。第１２態様によれば、最適な温度の温水を熱交換器に供給できる。バックアップ熱源機などの外部の熱源の使用頻度を下げることもできる。
【００２９】
本開示の第１３態様において、例えば、第１２態様に係るコージェネレーションシステムでは、前記戻り温度が前記閾値温度以下である場合において、前記暖房装置の要求に応じて、前記混合弁における混合比が調節される。第１２態様によれば、最適な温度の温水を熱交換器に供給できる。バックアップ熱源機などの外部の熱源の使用頻度を下げることもできる。
【００３０】
第２態様、第３態様、第４態様、第７態様、第８態様及び第９態様の各構成は、第１１態様に係るコージェネレーションシステムにも採用されうる。
【００３１】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。
【００３２】
（実施形態）
図１に示すように、本実施形態のコージェネレーションシステム１００は、燃料電池ユニット１０及び貯湯タンク２０を備えている。燃料電池ユニット１０及び貯湯タンク２０は、熱回収経路２１によって互いに接続されている。燃料電池ユニット１０において生成された温水が貯湯タンク２０に貯められる。
【００３３】
燃料電池ユニット１０は、燃料電池１１、改質器１２、熱交換器１３及びポンプ１４を有する。
【００３４】
燃料電池１１は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて電力を生成する。改質器１２は、都市ガスなどの原料ガスを改質することによって燃料ガスを生成する。燃料ガスは、水素ガスを含む。酸化剤ガスは、典型的には、空気である。燃料電池１１の型式は特に限定されない。燃料電池１１は、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、リン酸型燃料電池又は溶融炭酸塩型燃料電池である。純水素ガスが燃料電池１１に供給される場合、改質器１２は省略されうる。
【００３５】
熱交換器１３は、燃料電池１１のアノードオフガス、燃料電池１１のカソードオフガス、及び、燃焼排ガスから選ばれる少なくとも１つのガスを冷却して凝縮水を生じさせる冷却器でありうる。複数のガスを個別に冷却できるように、熱交換器１３は、複数の部分に分かれていてもよい。貯湯タンク２０の下部に貯められた水を冷却媒体として熱交換器１３に流すことができるように、熱交換器１３が貯湯タンク２０に接続されている。凝縮水は、凝縮水タンク（図示せず）に貯められる。凝縮水タンクに貯められた水は、改質器１２に供給され、燃料ガスの生成に使用される。燃焼排ガスは、改質器１２を昇温するためのバーナの燃焼排ガスである。バーナの燃料には、燃料電池１１のアノードオフガスが使用されうる。熱交換器１３は、フィンチューブ式熱交換器、プレート式熱交換器などの気−液熱交換器である。
【００３６】
熱回収経路２１は、第１部分２１ａ及び第２部分２１ｂを含む。第１部分２１ａは、貯湯タンク２０の下部と熱交換器１３の入口とを接続している。第２部分２１ｂは、熱交換器１３の出口と貯湯タンク２０の上部とを接続している。第１部分２１ａは、熱回収経路２１の上流部分を構成している。第２部分２１ｂは、熱回収経路２１の下流部分を構成している。第１部分２１ａは、熱交換器１３において加熱されるべき水を熱交換器１３に導くための流路である。第２部分２１ｂは、熱交換器１３において加熱された水（温水）を貯湯タンク２０に導くための流路である。
【００３７】
ポンプ１４は、熱回収経路２１に配置されている。ポンプ１４の働きによって、貯湯タンク２０から熱交換器１３に水が供給され、生成された温水が熱交換器１３から貯湯タンク２０に戻される。本実施形態では、ポンプ１４は、熱回収経路２１の第１部分２１ａに配置されている。ポンプ１４は、第２部分２１ｂに配置されていてもよい。
【００３８】
本実施形態のコージェネレーションシステム１００に使用されたポンプのそれぞれは、例えば、ピストンポンプ、プランジャポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプなどの容積式ポンプである。
【００３９】
熱回収経路２１には、温度センサ２２が設けられている。温度センサ２２は、熱回収経路２１を流れる水の温度を検出する。本実施形態では、温度センサ２２は、熱回収経路２１の第１部分２１ａに配置されている。第１部分２１ａに温度センサ２２が配置されていると、貯湯タンク２０から熱交換器１３に供給されるべき水の温度を正確に検出できる。ただし、温度センサ２２は、第２部分２１ｂに配置されていてもよい。
【００４０】
温度センサ２２によって検出された水の温度が閾値温度以下（例えば、４５℃以下）であるとき、燃料電池ユニット１０が水不足に陥るおそれが無く、燃料電池１１の運転を継続可能である。温度センサ２２によって検出された水の温度が閾値温度よりも高いとき、燃料電池ユニット１０が水不足に陥る可能性が浮上する。燃料電池ユニット１０が水不足に陥るおそれがあるとき、発電を停止させてもよい。
【００４１】
本実施形態のコージェネレーションシステム１００に使用された温度センサのそれぞれは、例えば、サーミスタを用いた温度センサ又は熱電対を用いた温度センサである。
【００４２】
図２に示すように、燃料電池１１が固体高分子型燃料電池であるとき、燃料電池ユニット１０は、熱交換器１５及び冷却水回路１６をさらに備えていてもよい。熱交換器１５は、燃料電池１１の排熱によって貯湯タンク２０の水を加熱する役割を担っている。熱交換器１５は、燃料電池１１の冷却水と貯湯タンク２０の水との間で熱交換を生じさせる。熱交換器１５は、例えば、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器などの液−液熱交換器である。
【００４３】
冷却水回路１６は、燃料電池１１と熱交換器１５との間で冷却水を循環させるための流路であり、燃料電池１１と熱交換器１５とを接続している。冷却水回路１６によって、燃料電池１１を効率的に冷却できるとともに、燃料電池１１の排熱を温水の形で燃料電池１１の外部に取り出すことができる。冷却水回路１６には、ポンプ１７及び冷却水タンク１８が設けられている。
【００４４】
熱回収経路２１は、熱交換器１３と熱交換器１５とを接続する第３部分２１ｃを含んでいてもよい。熱回収経路２１において、熱交換器１３が上流側に位置し、熱交換器１５が下流側に位置している。このような配置によれば、貯湯タンク２０の水は、熱交換器１３及び熱交換器１５の順番で加熱される。熱交換器１３により低い温度の水が供給される。熱交換器１３において、少なくとも１つのガスを十分に冷却できるので、凝縮水を十分に回収できる。第３部分２１ｃは、熱交換器１３の出口と熱交換器１５の入口とを接続している。
【００４５】
図１に示すように、貯湯タンク２０は、燃料電池１１の運転に伴って発生する排熱によって生成された温水を貯留するための容器である。貯湯タンク２０は、断熱性及び耐圧性を有する容器によって構成されている。貯湯タンク２０には、複数の温度センサ２５ａ〜２５ｅが設けられている。温度センサ２５ａ〜２５ｅは、鉛直方向に沿って概ね等間隔で配置されている。温度センサ２５ａ〜２５ｅは、貯湯タンク２０の内部に配置されていてもよく、貯湯タンク２０の表面上に配置されていてもよい。
【００４６】
温度センサ２５ａ〜２５ｅは、貯湯タンク２０に貯められた温水の温度を検出する。高温の温水が貯湯タンク２０の上部に貯められる。温水が使用されると市水が貯湯タンク２０の下部に補給される。そのため、貯湯タンク２０の内部には温水の温度成層が形成される。温度センサ２５ａ〜２５ｅの検出値によって、貯湯タンク２０の蓄熱状態を把握できる。
【００４７】
貯湯タンク２０の下部には、市水の給水経路２７が接続されている。貯湯タンク２０の温水が消費されると、給水経路２７を通じて市水が貯湯タンク２０に補給される。したがって、貯湯タンク２０には市水の給水圧力が加わっている。
【００４８】
コージェネレーションシステム１００は、さらに、循環経路３０、バイパス経路３１及び熱交換器４２を備えている。
【００４９】
循環経路３０は、貯湯タンク２０と熱交換器４２との間で温水を循環させることによって、貯湯タンク２０の温水を暖房に使用するための経路である。循環経路３０は、往路部分３０ａ及び復路部分３０ｂを含む。往路部分３０ａ及び復路部分３０ｂは、それぞれ、貯湯タンク２０と熱交換器４２とを接続している。詳細には、往路部分３０ａは、貯湯タンク２０の上部と熱交換器４２の入口とを接続している。往路部分３０ａを通じて、貯湯タンク２０の上部に貯められた高温の温水が貯湯タンク２０から熱交換器４２に供給されうる。このような構成によれば、外部の熱源の使用頻度を下げることができる。復路部分３０ｂは、熱交換器４２の出口と貯湯タンク２０の下部とを接続している。復路部分３０ｂを通じて、熱交換器４２から貯湯タンク２０の下部に温水が戻される。このような構成によれば、貯湯タンク２０の内部の温度成層が乱れにくい。貯湯タンク２０の下部に予め存在する温水（又は冷水）と貯湯タンク２０に戻された温水とが貯湯タンク２０の下部において混ざりあう。
【００５０】
バイパス経路３１は、貯湯タンク２０の外部において、循環経路３０の往路部分３０ａと循環経路３０の復路部分３０ｂとを接続している。バイパス経路３１によれば、熱交換器４２から排出された温水の一部又は全部を貯湯タンク２０に戻すことなく、循環経路３０に循環させることができる。
【００５１】
熱交換器４２は、貯湯タンク２０に貯められた温水と暖房装置５３の熱媒体との間で熱交換を生じさせる。貯湯タンク２０の温水によって、暖房装置５３の熱媒体が所望の温度まで加熱される。熱交換器４２は、例えば、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器などの液−液熱交換器である。
【００５２】
暖房装置５３としては、床暖房装置などの輻射暖房装置が挙げられる。暖房装置５３の熱媒体は、水、ブライン、オイルなどの液体である。暖房装置５３は、熱媒体回路５０によって熱交換器４２に接続されている。熱媒体回路５０にはポンプ５１が配置されている。ポンプ５１を作動させることによって、熱交換器４２と暖房装置５３との間で熱媒体を循環させることができる。
【００５３】
循環経路３０には、混合弁３２、ポンプ３４及びバックアップボイラ３６が設けられている。バックアップボイラ３６は、バックアップ熱源機の具体例である。混合弁３２は、バイパス経路３１に導かれる温水の流量と貯湯タンク２０に戻される温水の流量との比率を調節する調節器（調節弁）の代表例である。
【００５４】
混合弁３２は、バイパス経路３１と循環経路３０の往路部分３０ａとの接続位置に配置されている。混合弁３２の入り口にバイパス経路３１が接続されている。混合弁３２を制御することによって、貯湯タンク２０から新たに供給されるべき温水とバイパス経路３１を流れる温水との混合比を調節することができる。これにより、最適な温度の温水を熱交換器に供給できる。バックアップボイラ３６などの外部の熱源の使用頻度を下げることもできる。混合弁３２は、バイパス経路３１と循環経路３０の復路部分３０ｂとの接続位置に配置されていてもよい。この場合にも同じ効果が得られる。
【００５５】
バックアップボイラ３６は、循環経路３０の往路部分３０ａを流れる温水を加熱するための装置である。バックアップボイラ３６の例は、ガス給湯器である。循環経路３０の往路部分３０ａにおいて、バックアップボイラ３６は、混合弁３２と熱交換器４２との間に位置している。ポンプ３４は、混合弁３２とバックアップボイラ３６との間に位置している。本実施形態では、温水がバックアップボイラ３６の中を通って熱交換器４２に供給される。バックアップボイラ３６をバイパスする経路が設けられていてもよい。
【００５６】
循環経路３０には、温度センサ３８が設けられている。本実施形態では、温度センサ３８は、循環経路３０の復路部分３０ｂに配置されている。より詳細には、温度センサ３８は、熱交換器４２と位置Ｐとの間の位置において、復路部分３０ｂに配置されている。位置Ｐは、バイパス経路３１と循環経路３０の復路部分３０ｂとの接続位置である。このような構成によれば、熱交換器４２から貯湯タンク２０に戻されるべき温水の温度を正確に検出できる。
【００５７】
循環経路３０から給湯経路５７が分岐している。循環経路３０と給湯経路５７との接続位置は、バックアップボイラ３６と熱交換器４２との間にある。貯湯タンク２０の温水は、給湯経路５７を通じて蛇口５９に供給されうる。
【００５８】
コージェネレーションシステム１００は、さらに、制御器２３を備えている。制御器２３は、例えば、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。温度センサ２２，２５ａ〜２５ｅ及び３８の検出信号が制御器２３に入力される。制御器２３には、流量計、ガスセンサなどの他の計測機器（図示省略）からも検出信号が入力される。制御器２３は、各種計測機器の計測結果に基づき、ポンプ１４、ポンプ３４、混合弁３２、バックアップボイラ３６などの制御対象を制御する。制御器２３には、コージェネレーションシステム１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。
【００５９】
制御器２３は、単一のマイクロコンピュータによって構成されていてもよく、複数のマイクロコンピュータによって構成されていてもよい。さらに、コージェネレーションシステム１００が複数の制御器を有していてもよい。
【００６０】
暖房装置５３の制御器５５は、コージェネレーションシステム１００の制御器２３と有線通信又は無線通信可能に接続されている。これにより、暖房装置５３の要求に応じて、混合弁３２、ポンプ３４及びバックアップボイラ３６が制御され、適切な温度の温水が熱交換器４２に供給される。
【００６１】
次に、コージェネレーションシステム１００における暖房制御について説明する。具体的には、制御器２３は、図３に示す各処理を定期的に実行する。
【００６２】
暖房装置５３の運転スイッチがオンに切り替わると、制御器５５は、制御器２３に対し、利用温度に関する情報を提供する。ステップＳ１において、制御器２３は、暖房装置５３の制御器５５から利用温度に関する情報を取得する。「利用温度」は、暖房装置５３の制御器５５からコージェネレーションシステム１００の制御器２３に対して要求される温度であって、ユーザによって設定された暖房のレベル（強さ）に応じて決まる温度である。この温度は、暖房装置５３の入口（又は熱交換器４２の出口）における熱媒体の温度でありうる。
【００６３】
ステップＳ２において、利用温度に関する情報を参照して、制御器２３は、熱媒体の温度及び温水の戻り温度を予測する。熱媒体の温度及び温水の戻り温度は、利用温度に関する情報に対応して予め定められていてもよい。制御器２３は、利用温度に対応して熱媒体の温度及び温水の戻り温度が記述されたテーブルを有していてもよい。
【００６４】
例えば、４０℃の利用温度が暖房装置５３から要求されたとき、熱交換器４２の入口における温水の温度は概ね５０℃であることが必要とされる。この場合、熱交換器４２において、温水の温度は４０℃まで低下すると予測される。戻り温度は、予め実験的に調べることができる。ステップＳ２の処理によれば、暖房を開始する前に温水の戻り温度を特定できる。
【００６５】
ステップＳ３において、貯湯温度が熱媒体の温度以上であるかどうかを判断する。貯湯温度が熱媒体の温度よりも低い場合、ステップＳ７において、バックアップボイラ３６の使用を許可する。つまり、貯湯タンク２０に貯められた温水の温度よりも高い温度の温水が暖房装置５３に要求されたとき、バックアップボイラ３６の使用を許可する。この処理によれば、貯湯タンク２０に貯められた温水の温度が低い場合であったとしても、バックアップボイラ３６の助けを借りて、暖房装置５３の熱媒体の温度を必要十分な温度まで昇温させることができる。
【００６６】
貯湯温度としては、貯湯タンク２０の上部に貯められた温水の温度を採用できる。本実施形態では、貯湯温度として、温度センサ２５ａの検出値を使用できる。温度センサ２５ａは、貯湯タンク２０に貯められた温水の温度を検出する温度センサであって、鉛直方向において、貯湯タンク２０の最も上に配置されている。そのため、温度センサ２５ａは、貯湯タンク２０の中で最も高い温度を示すと考えられる。正確な貯湯温度を使用することによって、バックアップボイラ３６の使用頻度を減らすことができる。
【００６７】
貯湯温度が熱媒体の温度よりも低く、かつ、バックアップボイラ３６の使用を許可したとき、ステップＳ８において、混合弁３２を制御して貯湯タンク２０への温水の返送を制限する。本実施形態では、混合弁３２を制御して貯湯タンク２０への温水の返送を禁止する。バックアップボイラ３６で温水を加熱するとき、戻り温度も十分に高いことが想定される。したがって、バックアップボイラ３６を使用するときは貯湯タンク２０に温水を戻さず、バイパス経路３１に温水を導くことによって、バックアップボイラ３６と熱交換器４２との間で温水を循環させる。
【００６８】
ステップＳ８において、温水を貯湯タンク２０に返送することを許容する場合であったとしても、貯湯タンク２０に戻される温水の流量が少なければ少ないほど、貯湯タンク２０の内部の温度成層を維持しやすい。その結果、コージェネレーションシステム１００が水不足に陥る可能性が浮上するまでの時間を稼ぐことができ、コージェネレーションシステム１００の省エネルギー性が向上することを期待できる。
【００６９】
貯湯温度が熱媒体の温度以上である場合、ステップＳ４において、戻り温度が閾値温度以下かどうかを判断する。戻り温度が閾値温度以下である場合には、ステップＳ５において、バックアップボイラ３６の使用を禁止するとともに、ステップＳ６において、混合弁３２を制御して混合比を調節する。つまり、バイパス経路３１に導かれる温水の流量（単位：リットル／ｍｉｎ）と貯湯タンク２０に戻される温水の流量との比率を調節する。これにより、温水の一部又は全量が貯湯タンク２０に戻される。混合比は、暖房装置５３の要求（利用温度）に応じて調節されうる。このようにすれば、バックアップボイラ３６の使用頻度を減らしつつ、最適な温度の温水を熱交換器４２に供給できる。
【００７０】
戻り温度が閾値温度よりも高い場合、ステップＳ７において、バックアップボイラ３６の使用を許可するとともに、ステップＳ８において、混合弁３２を制御して貯湯タンク２０への温水の返送を制限する。本実施形態では、混合弁３２を制御して貯湯タンク２０への温水の返送を禁止する。これにより、熱交換器４２から排出された温水の全量がバイパス経路３１に導かれる。
【００７１】
本実施形態によれば、暖房装置５３の熱源として貯湯タンク２０の温水を使用したとき、閾値温度よりも高い温度の温水が貯湯タンク２０に戻されることを回避できる。そのため、貯湯タンク２０の内部の温度成層が乱れることを抑制できる。その結果、貯湯タンク２０に貯められた水でアノードオフガス、カソードオフガス、及び、燃焼排ガスから選ばれる少なくとも１つのガスを冷却して十分な量の凝縮水を生じさせることができる。燃料電池１１の運転を停止させたり、貯湯タンク２０の温水を破棄したりすることを極力回避できるので、コージェネレーションシステム１００の省エネルギー性が向上することを期待できる。貯湯タンク２０の水と燃料電池１１の冷却水との間の温度差を十分に確保できるので、熱交換器１５（図２）での熱交換効率も維持されうる。
【００７２】
ステップＳ４における「閾値温度」は、コージェネレーションシステム１００の設計に応じて適切に定められる。具体的には、閾値温度は、貯湯タンク２０の下部に貯められた温水に要求される温度であって、温水を冷却媒体として熱交換器１３に流通させたとき、燃料電池１１の運転を継続するために必要な量の凝縮水を生じさせることができる温水の温度である。このような要件を満たす閾値温度を採用することによって、コージェネレーションシステム１００が水不足に陥ることを防止できる。一例において、閾値温度は、４０〜５０℃の範囲における特定の温度に定められる。季節、燃料電池１１の運転状態に応じて、閾値温度が変化してもよい。
【００７３】
なお、ステップＳ３の熱媒体の温度は、暖房装置５３の入口又は熱交換器４２の出口における熱媒体の温度の予測値である。ただし、暖房装置５３の入口又は熱交換器４２の出口における熱媒体の温度を温度センサで検出し、検出値をステップＳ３の「熱媒体の温度」として用いてもよい。同様に、ステップＳ４の温水の戻り温度は、熱交換器４２から貯湯タンク２０に戻されるべき温水の温度の予測値である。温水の戻り温度を温度センサ３８で検出し、検出値をステップＳ４の「戻り温度」として用いてもよい。
【００７４】
（変形例１）
図４に示すように、変形例１に係るコージェネレーションシステム１０２において、循環経路３０の復路部分３０ｂは、貯湯タンク２０の中間部に接続されている。温水は、貯湯タンク２０の中間部に戻される。この場合、貯湯タンク２０の下部の低温の水と貯湯タンク２０の中間部に戻された温水とが直接混ざることを回避できるので、貯湯タンク２０の内部の温度成層が乱れにくい。
【００７５】
本明細書において、「貯湯タンク２０の上部」「貯湯タンク２０の中間部」「貯湯タンク２０の下部」は、それぞれ、以下のように定義されうる。貯湯タンク２０の内部空間を鉛直方向に３等分したとき、最も上の部分を「貯湯タンク２０の上部」と定義し、最も下の部分を「貯湯タンク２０の下部」と定義し、真ん中の部分を「貯湯タンク２０の中間部」と定義することができる。
【００７６】
（変形例２）
図５に示すように、変形例２に係るコージェネレーションシステム１０４は、混合弁３２に代えて、バイパス経路３１における温水の流れを許可及び遮断する切換弁４０を備えている。本変形例において、切換弁４０は、バイパス経路３１と循環経路３０の往路部分３０ａとの接続位置に配置された三方弁である。細かい温度調節が要求されない場合、温水の全量が貯湯タンク２０に戻される第１状態と温水の全量がバイパス経路３１に導かれる第２状態とを切換弁４０によって選択できればよい。
【００７７】
本変形例によれば、戻り温度が閾値温度よりも高い場合、切換弁４０によって、上記の第１状態が選択される。閾値温度よりも高い温度の温水が貯湯タンク２０に戻ることを確実に阻止できるので、貯湯タンク２０の内部の温度成層を維持しやすい。また、本変形例によれば、簡易な構成によって、閾値温度よりも高い温度の温水が貯湯タンク２０に戻ることを確実に阻止できる。なお、三方弁は、複数の開閉弁で代用可能である。
【００７８】
（他の変形例）
貯湯タンク２０から熱交換器４２に温水を供給して暖房を行っている最中にバックアップボイラ３６の使用を必要とする命令（例えば、高温暖房又は追い炊き）が割り込んだ場合、温水を貯湯タンク２０に戻さなくてもよい。熱交換器４２から排出された温水の全量がバイパス経路３１に導かれる。
【００７９】
貯湯タンク２０から熱交換器４２に温水を供給して暖房を行っている最中に蛇口５９などのユースポイントに温水を供給する必要が生じた場合にも、温水を貯湯タンク２０に戻さなくてもよい。温水を貯湯タンク２０に戻さず、熱交換器４２から排出された温水の全量がバイパス経路３１に導かれてもよい。
【００８０】
三方弁には、分流型三方弁と混合型三方弁とがあり、用途に応じて選択可能である。例えば、切換弁４０として、分流型三方弁を使用可能である。混合弁３２として、混合型三方弁を使用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本開示の技術は、コージェネレーションシステムの温水を使用した暖房に有用である。
【符号の説明】
【００８２】
１０  燃料電池ユニット
１１  燃料電池
１２  改質器
１３，１５，４２  熱交換器
１４，１７，３４，５１  ポンプ
１６  冷却水回路
１８  冷却水タンク
２０  貯湯タンク
２１  熱回収経路
２１ａ  第１部分
２１ｂ  第２部分
２１ｃ  第３部分
２２，２５ａ〜２５ｅ，３８  温度センサ
２３，５５  制御器
２７  給水経路
３０  循環経路
３０ａ  往路部分
３０ｂ  復路部分
３１  バイパス経路
３２  混合弁
３６  バックアップボイラ
４０  切換弁
５０  熱媒体回路
５３  暖房装置
５７  給湯経路
５９  蛇口
１００，１０２，１０４  コージェネレーションシステム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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