(57)【要約】【課題】起動時における電力消費を抑制し、経済性の高い燃料電池発電装置とその運転方法を提供する。【解決手段】燃料電池の廃熱を貯湯槽１０に供給する燃料電池発電装置の運転方法において、燃料電池の起動時に必要な供給熱の少なくとも一部に、貯湯槽に貯えられた熱エネルギーの一部を利用する。本方法を実施するため、燃料電池本体１の起動時に、貯湯槽循環水温度検出器８の検出値が、電池冷却水温度検出器６の検出値より高い場合は、電池冷却水を電池冷却水冷却器２に通流するように三方調節弁７を制御し、低い場合は、電池冷却水を電池冷却水バイパスライン６０ａに切換えるように三方調節弁７を制御し、かつ前記低い場合であって、燃料電池の起動時に必要な供給熱が不足する場合には、電池冷却水昇温ヒータ４を稼動して、熱エネルギーの補給を行なう演算・制御装置７０を備える。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の廃熱を、電池冷却水を介して廃熱利用設備としての貯湯槽に供給する燃料電池発電装置の運転方法において、
前記燃料電池の起動時に必要な供給熱の少なくとも一部に、前記貯湯槽に貯えられた熱エネルギーの一部を利用することを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項２】
請求項１記載の運転方法において、前記貯湯槽に貯えられた熱エネルギーの供給は、電池冷却水循環系に設けた電池冷却水冷却器に、貯湯槽内温水循環系の温水を通流することにより行うことを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項３】
請求項２に記載の運転方法において、前記貯湯槽内温水循環系の所定位置の検出水温が、電池冷却水循環系内の所定位置の検出水温より低い場合であって、前記燃料電池の起動時に必要な供給熱が不足する場合には、前記貯湯槽が備えるガスの追炊き装置もしくは電池冷却水循環系に設けた電池冷却水昇温ヒータを稼動して、熱エネルギーの補給を行なうことを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項４】
燃料電池本体と、燃料電池本体を冷却する電池冷却水循環系と、燃料電池本体の廃熱利用設備としての貯湯槽と、貯湯槽内温水循環系と、前記電池冷却水循環系に設けられ前記貯湯槽内温水循環系の温水と熱交換可能に構成した電池冷却水冷却器と、電池冷却水昇温ヒータと、前記電池冷却水循環系に設けた電池冷却水温度検出器と、前記貯湯槽内温水循環系に設けた貯湯槽循環水温度検出器と、前記電池冷却水循環系に設けた電池冷却水冷却器の電池冷却水バイパスラインおよび三方調節弁とを備えた燃料電池発電装置において、
前記燃料電池本体の起動時に、前記貯湯槽循環水温度検出器の検出値が、前記電池冷却水温度検出器の検出値より高い場合は、電池冷却水を電池冷却水冷却器に通流するように前記三方調節弁を制御し、低い場合は、電池冷却水を電池冷却水バイパスラインに切換えるように前記三方調節弁を制御し、かつ前記低い場合であって、燃料電池の起動時に必要な供給熱が不足する場合には、前記電池冷却水昇温ヒータを稼動して、熱エネルギーの補給を行なう演算・制御装置を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池発電装置において、前記貯湯槽内温水循環系は、貯湯槽への出入配管にそれぞれ三方切替弁を備え、前記演算・制御装置は、前記燃料電池本体の起動時に、貯湯槽上部の温水を前記電池冷却水冷却器に通流した後、貯湯槽下部に還流するように前記三方切替弁を調節し、燃料電池の通常運転時には逆に、貯湯槽下部の温水を前記電池冷却水冷却器に通流した後、貯湯槽上部に還流するように前記三方切替弁を切替える機能を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の燃料電池発電装置において、前記電池冷却水昇温ヒータに代えて、前記貯湯槽はガスの追炊き装置を備え、前記演算・制御装置は、前記燃料電池本体の起動時に必要な供給熱が不足する場合には、前記ガスの追炊き装置を稼動して熱エネルギーの補給を行なう機能を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池発電装置において、前記追炊き装置により追炊きした温水を前記貯湯槽をバイパスしてユーザ給湯口に供給する貯湯槽バイパスラインと、このバイパスラインに接続され貯湯槽上部の温水のユーザ給湯口への給湯供給ライン上に設けた給湯温度調節弁と、前記給湯供給ライン上に設けた給湯温度検出器とを備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の廃熱を外部の熱利用設備へ有効に熱供給するために、燃料電池から受けた冷却水の熱を回収する廃熱利用設備としての貯湯槽を備えた燃料電池発電装置とその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電装置に組み込まれる燃料電池としては、電解質の種類、改質原料の種類等によって異なる種々のタイプがあるが、例えば、固体高分子膜を電解質として用い、その運転温度が約８０℃と比較的低いタイプの燃料電池として、固体高分子電解質型燃料電池がよく知られている。
【０００３】
この固体高分子電解質型燃料電池は、リン酸型燃料電池と同様に、メタンガス等の原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを、燃料電池の燃料極および空気極にそれぞれ供給し、電気化学反応に基づいて発電を行うもので、固体高分子電解質型燃料電池を組み込んだ燃料電池発電装置においても、発電時に発生する熱を冷却水を供給して取り出し、燃料電池本体の温度を一定に維持すると共に、発生熱を回収して、例えば廃熱利用温水器などの廃熱利用設備により有効活用している。
【０００４】
また、原燃料を燃料ガスへ改質するに際しては、原燃料に水蒸気を加え燃料改質器で触媒により改質を促進する方法が採られているが、改質を定常的に行なうには所要の水蒸気量を定常的に補給する必要があり、水蒸気の供給装置には、これに対応した水を常時補給する必要がある。なお、使用する水は高純度の水であることが必要であり、イオン交換式の水処理装置で不純物を除去したイオン交換水が用いられるのが通例である。
【０００５】
一方、燃料電池の電気化学反応では発電生成水が生じ、また燃料改質器では吸熱反応である水蒸気改質反応を定常的に行なうための触媒加熱用の燃焼に伴い燃焼生成水が生じるが、これらの生成水は通常の水道水に比べて不純物が少なく、これらの生成水を原水として用いれば、水処理装置の負荷を軽減することができるため、回収水タンクおよび排ガス冷却器を付加して、これらの生成水を回収する方法が採られている。
【０００６】
図８は従来のこの種の廃熱利用設備を備えた固体高分子電解質型燃料電池発電装置の、主に廃熱回収系および生成水回収系に着目した基本的な系統図である。
【０００７】
図８において、模式的に示した燃料電池１は、燃料極１ａと空気極１ｂとを有する単位セルを複数個重ねる毎に冷却管または冷却溝を有する冷却板１ｃを配設，積層することにより構成されている。
【０００８】
燃料電池の冷却水としては、電池冷却水タンク３に貯液された純水が用いられ、電池冷却水循環ポンプ５により、電池冷却水循環系６０を通流して燃料電池へ供給される。燃料電池から出た冷却水は、これを冷却するために電池冷却水循環系６０に設けられた電池冷却水冷却器２とこれをバイパスするバイパスライン１８、および両者の流量割合を調節する三方調節弁７によって、所定温度、例えば７５℃に冷却維持される。この調節制御は、電池冷却水タンク３内に設けた温度計６の出力値と所定の温度設定値との差に基づいて前記三方調節弁７の開度を調節することにより行われる。
【０００９】
一方、電池冷却水冷却器２へは、燃料電池発電装置における回収水を供給して電池冷却水を冷却する。回収水タンク５０の回収水は、回収水ポンプ５１により電池冷却水冷却器２へ供給され、その後、燃料電池発電装置パッケージの外部に取り出され、廃熱利用設備としての貯湯槽１０へ供給され、ここで燃料電池の廃熱を供給して給湯等に利用する。
【００１０】
貯湯槽１０内の温水温度が十分に高く、燃料電池からの廃熱がここへ捨てきれない場合には、その下流にある回収水冷却器５３、回収水冷却ファン５４にて冷却する。その後、回収水は排ガス冷却器５５へと供給され、燃料電池の空気極からの排ガスと、図示しない燃料改質器からの燃焼排ガスとを、回収水に直接接触させてこれら排ガスを冷却し、生成水を回収する。４１は排空気出口配管、５６は回収水冷却器出口配管を示す。
【００１１】
また、電池冷却水循環ポンプ５の出口側には改質用の水蒸気となる純水の分岐ライン４６を設け、ここから図示しない燃料改質器へと定常的に改質用水を供給する。従って、その分は常時補給する必要があるが、これは回収水から、水処理装置５８を介して補給され、回収水が不足する場合には、補給水供給ライン５７から供給される。
【００１２】
固体高分子電解質型燃料電池の運転温度は約８０℃であるため、この温度を維持するために冷却水の燃料電池出口温度も約８０℃となる。一方、排ガスを回収し、外部からの補給水をできる限りゼロとするためには、回収水冷却器５３から出た回収水の温度を４５℃以下に下げる必要があるため、その結果として回収水の貯湯槽入口温度は約５０℃となる。
【００１３】
次に、図７の従来システム例について述べる。図７に示すシステムは、図８に示したシステムとは一部異なる小容量固体高分子型燃料電池発電装置のシステム例を示し、この発明の説明の便宜上、一部の部材を省略して示す。なお、図７において、図８に示した部材と同一機能部材には、同一番号を付してその詳細説明を省略する。
【００１４】
近年、新エネルギー政策促進の観点から、小容量固体高分子型燃料電池発電装置の開発が急速に進展し、家庭や小規模事業所等に設置する検討が進められている。これらの設置先では，小容量固体高分子型燃料電池発電装置が電力を発生する際に付随して生じる約７０℃の温水を、貯湯槽に蓄熱し浴場や厨房に給湯するコージェネレーションを行つて、経済メリットを発生させるのが一般的である。
【００１５】
図７において２０で示した一点鎖線の範囲内は、小容量固体高分子型燃料電池発電装置のパッケージの内部を示す。パッケージ２０の内部には、部番１〜７で示す部材以外にも多数の機器が存在するが、ここではこれらを省略している。
【００１６】
１は燃料電池本体を示し、前述のように、発生した熱は電池冷却水冷却器２により外部の貯湯槽１０に供給される。このとき、三方調節弁７により、電池冷却水温度検出器６による検出温度を燃料電池本体１が安定して運転できる温度になるように、電池冷却水冷却器２を通過する電池冷却水流量を適宜調節している。電池冷却水冷却器２により外部に供給された熱は、貯湯槽循環水ポンプ９により送出される貯湯槽循環水により、貯湯槽１０に蓄熱される。
【００１７】
貯湯槽１０の温度レベルが一定値以上に達したことを貯湯槽循環水温度検出器８が検知すると、貯湯槽循環水冷却器１１が作動し、燃料電池発電装置の電池冷却水温度制御が正常に行えるよう制御される。なお、貯湯槽循環水は、貯湯槽１０の下部より導出され、電池冷却水冷却器２により加熱された後、貯湯槽上部に供給される配管構成となっている。これは、貯湯槽１０内部の自然対流による温水の温度分布、すなわち貯湯槽１０内の上層部の温度レベルが高いことを考慮し、貯湯槽の温水を使用するユーザ給湯口１６に可能な限り高いレベルの温度を供給するためである。
【００１８】
一方、燃料電池発電装置が発電に至るまでの起動工程時は、発電開始に備え、燃料電池本体１の温度を所定の温度まで昇温するために、電池冷却水タンク３に設けられた電池冷却水昇温ヒータ４により、電池冷却水が加熱される。このとき、昇温された電池冷却水の熱を逃さないように、電池冷却水の流路は、三方調節弁７によって、電池冷却水冷却器２をバイパスするよう設定される。
【００１９】
なお、図７において、６０は電池冷却水循環系、６０ａは電池冷却水バイパスライン、８０は貯湯槽内温水循環系、１７は貯湯槽１０の液面レベルを所定の範囲内に維持するために、ユーザ給湯口１６での温水使用量に応じて供給される市水の開閉弁を示す。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述のような小容量固体高分子型燃料電池発電装置においては、下記のような問題点があった。
【００２１】
小容量固体高分子型燃料電池発電装置は、前述のように、家庭や小規模事業所への設置が想定されるため、設置先の電力需要が非常に小さくなる深夜等は、発電装置を停止し、翌朝の電力需要増加時にタイミングを合わせて起動させる、所謂デイリー・スタート・アンド・ストップ運転（ＤＳＳ運転）を行うことで、経済性を向上させることが考えられる。
【００２２】
しかしながら、発電装置の起動には、装置各部の温度を所定の温度まで昇温させる手順が必要であり、そのうち、燃料電池本体の昇温には燃料電池冷却水を昇温，循環させる手段が採られ、昇温には電気ヒータが用いられている。このため、燃料電池発電装置が発電に至るまでの間は、いわゆる起動電力を消費してしまい、この分、経済性が損われてしまう問題がある。
【００２３】
この発明は、上記問題点を解消するためになされたもので、この発明の課題は、起動時における電力消費を抑制し、経済性の高い燃料電池発電装置とその運転方法を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、この発明は、燃料電池の廃熱を、電池冷却水を介して廃熱利用設備としての貯湯槽に供給する燃料電池発電装置の運転方法において、前記燃料電池の起動時に必要な供給熱の少なくとも一部に、前記貯湯槽に貯えられた熱エネルギーの一部を利用することとする（請求項１の発明）。
【００２５】
また、前記請求項１の発明の実施態様としては、請求項２ないし３の発明が好ましい。即ち、請求項１記載の運転方法において、前記貯湯槽に貯えられた熱エネルギーの供給は、電池冷却水循環系に設けた電池冷却水冷却器に、貯湯槽内温水循環系の温水を通流することにより行う（請求項２の発明）。
【００２６】
さらに、前記請求項２に記載の運転方法において、前記貯湯槽内温水循環系の所定位置の検出水温が、電池冷却水循環系内の所定位置の検出水温より低い場合であって、前記燃料電池の起動時に必要な供給熱が不足する場合には、前記貯湯槽が備えるガスの追炊き装置もしくは電池冷却水循環系に設けた電池冷却水昇温ヒータを稼動して、熱エネルギーの補給を行なう（請求項３の発明）。
【００２７】
前記請求項１ないし３の発明の作用効果について総括的に述べると、下記のとおりである。前記ＤＳＳ運転において燃料電池発電装置が停止すると、容積の小さい、即ち、熱容量の小さい電池冷却水タンク３および燃料電池本体１は、放熱により温度レベルが比較的早く外気温度近辺まで低下してしまうが、貯湯槽１０は容積が大きく、また断熱施工が十分行われているため、翌朝まで高温を維持することが可能である。従って、起動時に、電池冷却水冷却器２を介して貯湯槽１０の温度レベル付近まで電池冷却水を昇温し、その温度が、燃料電池本体１の運転に適した所定の温度に至らない場合は、電池冷却水昇温ヒータ４でさらに加熱、もしくは追焚きする起動方法により、電池冷却水昇温ヒータ４を削除することが可能となる。
【００２８】
また、前記運転方法を実施するための装置としては、下記請求項４ないし７の発明が好適である。即ち、燃料電池本体と、燃料電池本体を冷却する電池冷却水循環系と、燃料電池本体の廃熱利用設備としての貯湯槽と、貯湯槽内温水循環系と、前記電池冷却水循環系に設けられ前記貯湯槽内温水循環系の温水と熱交換可能に構成した電池冷却水冷却器と、電池冷却水昇温ヒータと、前記電池冷却水循環系に設けた電池冷却水温度検出器と、前記貯湯槽内温水循環系に設けた貯湯槽循環水温度検出器と、前記電池冷却水循環系に設けた電池冷却水冷却器の電池冷却水バイパスラインおよび三方調節弁とを備えた燃料電池発電装置において、
前記燃料電池本体の起動時に、前記貯湯槽循環水温度検出器の検出値が、前記電池冷却水温度検出器の検出値より高い場合は、電池冷却水を電池冷却水冷却器に通流するように前記三方調節弁を制御し、低い場合は、電池冷却水を電池冷却水バイパスラインに切換えるように前記三方調節弁を制御し、かつ前記低い場合であって、燃料電池の起動時に必要な供給熱が不足する場合には、前記電池冷却水昇温ヒータを稼動して、熱エネルギーの補給を行なう演算・制御装置を備えたものとする（請求項４の発明）。
【００２９】
また、請求項４に記載の燃料電池発電装置において、前記貯湯槽内温水循環系は、貯湯槽への出入配管にそれぞれ三方切替弁を備え、前記演算・制御装置は、前記燃料電池本体の起動時に、貯湯槽上部の温水を前記電池冷却水冷却器に通流した後、貯湯槽下部に還流するように前記三方切替弁を調節し、燃料電池の通常運転時には逆に、貯湯槽下部の温水を前記電池冷却水冷却器に通流した後、貯湯槽上部に還流するように前記三方切替弁を切替える機能を備えたものとする（請求項５の発明）。これにより、貯湯槽中の上層にある高温の温水を電池冷却水冷却器を介して電池冷却水の昇温に供することとなり、効率的な電池冷却水の昇温が可能となる。
【００３０】
さらに、請求項４または５に記載の燃料電池発電装置において、前記電池冷却水昇温ヒータに代えて、前記貯湯槽はガスの追炊き装置を備え、前記演算・制御装置は、前記燃料電池本体の起動時に必要な供給熱が不足する場合には、前記ガスの追炊き装置を稼動して熱エネルギーの補給を行なう機能を備えたものとする（請求項６の発明）。これにより、貯湯槽の温度レベルが低い場合でも確実に電池冷却水を昇温させることが可能となり、また電池冷却水昇温ヒータの削除が可能となる。
【００３１】
また、前記請求項６に記載の燃料電池発電装置において、前記追炊き装置により追炊きした温水を前記貯湯槽をバイパスしてユーザ給湯口に供給する貯湯槽バイパスラインと、このバイパスラインに接続され貯湯槽上部の温水のユーザ給湯口への給湯供給ライン上に設けた給湯温度調節弁と、前記給湯供給ライン上に設けた給湯温度検出器とを備えたものとする（請求項７の発明）。これにより、貯湯槽とユーザ給湯口のラインに新たな追焚き機能を付加せずとも、電池冷却水昇温ヒータの削除を可能としたシステムにおいて、貯湯槽の温度が低い場合でもユーザーの要求した温度の温水を供給することが可能となり、ユーザーに対する利便性を付加することが可能となる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下にのべる。
【００３３】
図１は、この発明に関わる実施例を示す系統図であり、図７において同じ機能を有する部材には同一の番号を付してその詳細説明を省略する。図１と図７との相違点は、図１においては、請求項４に記載の演算・制御装置７０を備える点である。
【００３４】
燃料電池発電装置の起動時において、従来の図７の発電装置においては、三方調節弁７によって電池冷却水冷却器２がバイパスされているため、貯湯槽循環水温度検出器８の検出温度が、電池冷却水温度検出器６による検出温度を上回っていても、貯湯槽循環水の熱を電池冷却水冷却器２を通じて電池冷却水の昇温に用いることは行われていなかったが、図１の実施例においては、貯湯槽循環水温度検出器８の検出温度と、電池冷却水温度検出器６による検出温度を比較する演算機能を従来の装置に付加し、また、貯湯槽循環水温度検出器８の検出温度が、電池冷却水温度検出器６による検出温度を上回っている間は、三方調節弁７を電池冷却水冷却器２の側に調節し、かつ、貯湯槽循環水ポンプ９を作動させる制御を行うことにより、貯湯槽１０の熱を電池冷却水に与えることが可能となる。
【００３５】
さらに、燃料電池の起動時に必要な供給熱が不足する場合には、電池冷却水昇温ヒータ４により、その不足分を補充することができる。
【００３６】
次に、図２〜図４について説明する。図２の実施例は、図１の実施例に対してさらに三方切替弁１２Ａ，１２Ｂおよび関連配管を追加した請求項５に関わる実施例を示す。また、図３および図４は、それぞれ図２に示すシステムの通常運転時および起動時を説明する図である。
【００３７】
図２に示すように、貯湯槽内温水循環系８０における貯湯槽１０の入口出口に三方切替弁１２Ａ，１２Ｂと、それぞれの三方切替弁１２Ａ，１２Ｂと貯湯槽１０の入口出口とを結ぶ配管１３Ａ，１３Ｂとを設ける構成とし、燃料電池の発電装置運転中は図３に示すとおり、１３Ａ，１３Ｂのラインを閉、１４Ａ，１４Ｂのラインを開とし、燃料電池本体１から生じる高温水および貯湯槽１０中の上層にある高温の温水をユーザ給湯口１６へ供給することが可能な流路とする。
【００３８】
一方、燃料電池発電装置の起動時には、図４に示すとおり、１３Ａ，１３Ｂのラインを開、１４Ａ，１４Ｂのラインを閉とし、貯湯槽１０中の上層にある高温の温水を電池冷却水冷却器２を介して電池冷却水の昇温に供することで、効率的な電池冷却水の昇温が可能となる。
【００３９】
次に、図５について説明する。図５の実施例は、図２の実施例に対してさらにガスの追炊き装置３０を追加した請求項６に関わる実施例を示す。図５のように、ガスによる追焚き機能を付加した場合には、貯湯槽１０の温度レベルが低い場合でも確実に電池冷却水を昇温させることが可能となり、また、電池冷却水昇温ヒータ４の削除が可能となる。
【００４０】
さらに、請求項７に関わる図６の実施例に示すように、貯湯槽バイパスライン３１および給湯温度調節弁３２と給湯温度検出器３３を追加することにより、貯湯槽１０とユーザ給湯口１６のラインに新たな追焚き機能を付加せずとも、電池冷却水昇温ヒータ４の削除を可能としたシステムにおいて、貯湯槽１０の温度が低い場合でもユーザが必要とする温度の温水を供給することが可能となる。
【００４１】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、燃料電池の廃熱を、電池冷却水を介して廃熱利用設備としての貯湯槽に供給する燃料電池発電装置の運転方法において、
前記燃料電池の起動時に必要な供給熱の少なくとも一部に、前記貯湯槽に貯えられた熱エネルギーの一部を利用することとしたので、
起動時における電力消費を抑制し、経済性の高い燃料電池発電装置とその運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の燃料電池発電装置の実施例を示す系統図
【図２】この発明の異なる燃料電池発電装置の実施例を示す系統図
【図３】図２に示す装置の通常運転時を説明する図
【図４】図２に示す装置の起動時を説明する図
【図５】この発明のさらに異なる燃料電池発電装置の実施例を示す系統図
【図６】この発明のさらに異なる燃料電池発電装置の実施例を示す系統図
【図７】従来の燃料電池発電装置の一例を示す系統図
【図８】従来の燃料電池発電装置の図７とは異なる例を示す系統図
【符号の説明】
１：燃料電池本体、２：電池冷却水冷却器、３：電池冷却水タンク、４：電池冷却水昇温ヒータ、６：電池冷却水温度検出器、８：貯湯槽循環水温度検出器、１０：貯湯槽、１２Ａ，１２Ｂ：三方切替弁、１６：ユーザ給湯口、３０：追炊き装置、３１：貯湯槽バイパスライン、３２：貯湯温度調節弁、３３：貯湯温度検出器、６０：電池冷却水循環系、６０ａ：電池冷却水バイパスライン、７０：演算・制御装置、８０：貯湯槽内温水循環系。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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