(57)【要約】【課題】低温起動時には燃料電池のフラッディングを防止し、暖機完了後には燃料電池のドライアウトを防止すること。【解決手段】燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料ガス及び酸化ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池１と、燃料電池１の廃熱を給湯に利用する貯湯槽３とを備える。貯湯槽３の湯は循環通路５１を流れて熱交換器９で利用される。コントローラ７０は、燃料電池１の低温起動時には、循環通路５１における湯の全部を熱交換器９へ流すために三方比例弁６０を制御する。コントローラ７０は、燃料電池１の暖機完了後には、水温センサ４９，５０により検出される暖機状態が所定状態となるように循環通路５１における湯の流れを熱交換器９と熱交換器迂回通路５９とへ振り分けるために三方比例弁６０を制御する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素リッチな燃料ガスと、酸化ガスとの供給を受け、それら燃料ガス及び酸化ガスを電気化学反応させることにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の廃熱を給湯に利用するための貯湯槽とを備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
前記貯湯槽に貯えられた湯を循環させるための循環通路と、
前記燃料電池に冷却水を流す冷却水循環通路と前記循環通路との間に設けられる熱交換器と、
前記熱交換器を迂回するために前記循環通路に設けられる熱交換器迂回通路と、
前記熱交換器の上流側にて前記循環通路における湯の流れを前記熱交換器と前記熱交換器迂回通路とへ流量可変に振り分けるための流量振分手段と、
前記燃料電池の暖機状態を検出するための暖機状態検出手段と、
前記燃料電池の低温起動時には、前記循環通路における湯の全部を前記熱交換器へ流すために前記流量振分手段を制御し、前記燃料電池の暖機完了後には、前記検出される暖機状態が所定状態となるように前記循環通路における湯の流れを前記熱交換器と前記熱交換器迂回通路とへ振り分けるために前記流量振分手段を制御する振分制御手段と
を備えたことを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項２】
前記燃料電池に供給される前の前記燃料ガス及び前記燃料電池に供給された後の前記燃料ガスの少なくとも一方を凝縮するための燃料ガス凝縮手段を備え、前記燃料ガス凝縮手段が前記循環通路との間で熱交換可能に設けられることを特徴とする請求項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】
前記貯湯槽を迂回するために前記循環通路に設けられる貯湯槽迂回通路と、
前記貯湯槽の上流側にて前記循環通路における湯の流れを前記貯湯槽迂回通路へ切り替えるための切替手段と、
前記燃料電池の低温起動時に、前記湯の流れを前記貯湯槽迂回通路へ切り替えるために前記切替手段を制御するための切替制御手段と
を備えたことを特徴とする請求項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】
水素リッチな燃料ガスと、酸化ガスとの供給を受け、それら燃料ガス及び酸化ガスを電気化学反応させることにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の廃熱を給湯に利用するための貯湯槽とを備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
前記貯湯槽に貯えられた湯を循環させるための循環通路と、
前記燃料電池に供給される前の前記燃料ガスを凝縮するための燃料ガス凝縮器と、
前記燃料ガス凝縮器が前記循環通路との間で熱交換可能に設けられることと、
前記燃料ガス凝縮器を迂回するために前記循環通路に設けられる凝縮器迂回通路と、
前記燃料ガス凝縮器の上流側にて前記循環通路における湯の流れを前記燃料ガス凝縮器と前記凝縮器迂回通路とへ流量可変に振り分けるための流量振分手段と、
前記燃料ガス凝縮器を通過した後の燃料ガスの温度を検出するための燃料ガス温度検出手段と、
前記燃料電池の低温起動時には、前記循環通路における湯の全部を前記燃料ガス凝縮器へ流すために前記流量振分手段を制御し、前記燃料電池の暖機完了後には、前記検出される燃料ガスの温度が所定値となるように前記循環通路における湯の流れを前記燃料ガス凝縮器と前記凝縮器迂回通路とへ振り分けるために前記流量振分手段を制御する振分制御手段と
を備えたことを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項５】
水素リッチな燃料ガスと、酸化ガスとの供給を受け、それら燃料ガス及び酸化ガスを電気化学反応させることにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の廃熱を給湯に利用するための貯湯槽とを備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
前記貯湯槽に貯えられた湯を循環させるための循環通路と、
前記燃料電池に冷却水を流す冷却水循環通路と前記循環通路との間に設けられる熱交換器と、
前記熱交換器による熱交換状態を調整するための熱交換調整手段と、
前記燃料電池の暖機状態を検出するための暖機状態検出手段と、
前記燃料電池の低温起動時には、前記熱交換状態を標準状態へ向けて増大させるために前記熱交換調整手段を制御し、前記燃料電池の暖機完了後には、前記検出される暖機状態が所定状態となるように前記熱交換調整手段を制御する熱交換制御手段と
を備えたことを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項６】
水素リッチな燃料ガスと、酸化ガスとの供給を受け、それら燃料ガス及び酸化ガスを電気化学反応させることにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の廃熱を給湯に利用するための貯湯槽とを備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
前記貯湯槽に貯えられた湯を循環させるための循環通路と、
前記燃料電池に冷却水を流す冷却水循環通路と前記循環通路との間に設けられる熱交換器と、
前記循環通路における循環湯流量を調整するための循環湯流量調整手段と、
前記燃料電池に供給される前の前記燃料ガスの温度を検出するための燃料ガス温度検出手段と、
前記燃料電池の低温起動時には、前記循環湯流量を相対的に大流量とするために前記循環湯流量調整手段を制御し、前記燃料電池の暖機完了後には、前記検出される燃料ガスの温度が所定温度となるように前記循環湯流量調整手段を制御する循環湯流量制御手段と
を備えたことを特徴とする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】
この発明は、水素リッチな燃料ガスと、酸化ガスとの供給を受け、それら燃料ガス及び酸化ガスを電気化学反応させることにより発電する燃料電池と、燃料電池の廃熱を給湯に利用するための貯湯槽とを備えた燃料電池コージェネレーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は自己発熱により自己暖機が可能である。しかしながら、低温起動時には、燃料電池の内部で生成水等が凝縮する現象（フラッディング）が起きるおそれがある。このフラッディングが起きると、凝縮水がガス流路等を閉塞して水素や酸素等が電解質に十分に供給されなくなる。この結果、燃料電池に発電不良や性能低下が生じ、燃料電池が発電不能となったり、損傷を受けたりするおそれがある。特に、燃料電池を備えた定置式のシステムでは、発電効率向上（補機効率向上）のために、低圧システムに設計することがある。この低圧システムでは、ガス圧により生成水を排出する等のフラッディング対策が採り難くなる。また、ガス圧が低いことから、水蒸気として燃料電池から持ち去られる水分量が少なく、車両用等の高圧システムに比べてフラッディングが起こり易い。このため、燃料電池を暖機してから発電させる必要があった。
【０００３】
ここで、燃料電池を備えたコージェネレーションシステムでは、燃料電池で高温の廃熱が生じることから、この廃熱を利用して水が加熱され、給湯が行われる。また、この加熱された湯を貯えるための貯湯槽が設けられる。
【０００４】
下記の特許文献１及び２には、給湯用の貯湯槽を備えたコージェネレーションシステムが記載される。このシステムでは、燃料電池等の発電装置の廃熱が熱交換器を介して水を加熱し、その加熱により得られた湯が配管を通じて貯湯槽へ流れ、貯湯槽と熱交換器との間を循環するように構成される。従って、貯湯槽に貯えられた湯を利用して燃料電池を加熱することも可能である。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２２３３８５号公報（第２〜１０頁，図１〜６）
【特許文献２】特開２００１−２４８９０６号公報（第２〜６頁，図１〜３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、低温起動時に燃料電池のフラッディングを防止するには、燃料電池を早期に昇温させて暖機したり、燃料電池に供給される燃料ガスを冷却して燃料ガス中の水分を除去したりする必要がある。しかしながら、上記の特許文献１及び２に記載の装置等では、低温起動時に、貯湯槽の湯を利用して、燃料電池を昇温させたり、燃料ガスを冷却したりする具体的な構成について何の記載も示唆もされていない。
【０００７】
一方、燃料電池の暖機完了後は、燃料電池（特に固体高分子型燃料電池）における電気化学反応に適度な水分が必要になる。このため、過剰な暖機等によって燃料電池の水分が減っていき、燃料電池の性能が低下する現象、すなわち「ドライアウト」が問題になる。従って、燃料電池を暖機等することによりフラッディングを防止する場合には、暖機等が完了した後にドライアウトが起きないようにすることが課題となっていた。
【０００８】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、低温起動時には燃料電池のフラッディングを防止し、暖機完了後には燃料電池のドライアウトを防止することを可能とした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にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、水素リッチな燃料ガスと、酸化ガスとの供給を受け、それら燃料ガス及び酸化ガスを電気化学反応させることにより発電する燃料電池と、燃料電池の廃熱を給湯に利用するための貯湯槽とを備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、貯湯槽に貯えられた湯を循環させるための循環通路と、燃料電池に冷却水を流す冷却水循環通路と循環通路との間に設けられる熱交換器と、熱交換器を迂回するために循環通路に設けられる熱交換器迂回通路と、熱交換器の上流側にて循環通路における湯の流れを熱交換器と熱交換器迂回通路とへ流量可変に振り分けるための流量振分手段と、燃料電池の暖機状態を検出するための暖機状態検出手段と、燃料電池の低温起動時には、循環通路における湯の全部を熱交換器へ流すために流量振分手段を制御し、燃料電池の暖機完了後には、検出される暖機状態が所定状態となるように循環通路における湯の流れを熱交換器と熱交換器迂回通路とへ振り分けるために流量振分手段を制御する振分制御手段とを備えたことを趣旨とする。
【００１０】
上記発明の構成によれば、燃料電池の低温起動時には、循環通路を流れる湯の全部を熱交換器へ流すために、振分制御手段が流量振分手段を制御する。これにより、貯湯槽に貯えられた湯の熱が、熱交換器を介して大量に燃料電池へ伝えられ、燃料電池が強く暖機されて、燃料電池の内部で生成水が凝縮し難くなる。一方、燃料電池の暖機完了後には、暖機状態検出手段により検出される燃料電池の暖機状態が所定状態となるように循環通路における湯の流れを熱交換器と熱交換器迂回通路とへ振り分けるために、振分制御手段が流量振分手段を制御する。これにより、貯湯槽に貯えられた湯の熱が、熱交換器を介して適度に燃料電池に伝えられ、燃料電池が適度に暖機されて燃料電池の内部で生成水が凝縮し難くなる。
尚、「循環通路における湯」の温度に特に限定はなく、湯の場合もあり、温度が低下しているときは水の場合もあり得る（以下において同じ）。
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、燃料電池に供給される前の燃料ガス及び燃料電池に供給された後の燃料ガスの少なくとも一方を凝縮するための燃料ガス凝縮手段を備え、燃料ガス凝縮手段が循環通路との間で熱交換可能に設けられることを趣旨とする。
【００１２】
上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、燃料電池の低温起動時には、貯湯槽に貯えられた湯の熱に加え、燃料ガス凝縮手段により燃料ガスから回収された熱が、熱交換器を介して燃料電池に伝えられ、燃料電池がより強く暖機される。
【００１３】
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、貯湯槽を迂回するために循環通路に設けられる貯湯槽迂回通路と、貯湯槽の上流側にて循環通路における湯の流れを貯湯槽迂回通路へ切り替えるための切替手段と、燃料電池の低温起動時に、湯の流れを貯湯槽迂回通路へ切り替えるために切替手段を制御するための切替制御手段とを備えたことを趣旨とする。
【００１４】
上記発明の構成によれば、請求項２に記載の発明の作用に加え、燃料電池の低温起動時には、循環通路における湯の流れを貯湯槽迂回通路へ切り替えるために切替制御手段が切替手段を制御する。従って、低温起動時には、燃料ガス凝縮手段により回収される熱が、貯湯槽へ回収されることなく、熱交換器を介して燃料電池に伝えられ、燃料電池がより強く暖機される。
【００１５】
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、水素リッチな燃料ガスと、酸化ガスとの供給を受け、それら燃料ガス及び酸化ガスを電気化学反応させることにより発電する燃料電池と、燃料電池の廃熱を給湯に利用するための貯湯槽とを備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、貯湯槽に貯えられた湯を循環させるための循環通路と、燃料電池に供給される前の燃料ガスを凝縮するための燃料ガス凝縮器と、燃料ガス凝縮器が循環通路との間で熱交換可能に設けられることと、燃料ガス凝縮器を迂回するために循環通路に設けられる凝縮器迂回通路と、燃料ガス凝縮器の上流側にて循環通路における湯の流れを燃料ガス凝縮器と凝縮器迂回通路とへ流量可変に振り分けるための流量振分手段と、燃料ガス凝縮器を通過した後の燃料ガスの温度を検出するための燃料ガス温度検出手段と、燃料電池の低温起動時には、循環通路における湯の全部を燃料ガス凝縮器へ流すために流量振分手段を制御し、燃料電池の暖機完了後には、検出される燃料ガスの温度が所定値となるように循環通路における湯の流れを燃料ガス凝縮器と凝縮器迂回通路とへ振り分けるために流量振分手段を制御する振分制御手段とを備えたことを趣旨とする。
【００１６】
上記発明の構成によれば、燃料電池の低温起動時には、循環通路における湯の全部を燃料ガス凝縮器へ流すために、振分制御手段が流量振分手段を制御する。これにより、循環通路における湯と燃料ガス凝縮器との間で盛んに熱交換が行われ、その凝縮器を流れる燃料ガスが冷やされてガス中に含まれる水蒸気が凝縮し、燃料電池に投入される水蒸気量が少なくなる。一方、燃料電池の暖機完了後には、燃料ガス温度検出手段により検出される温度が所定値となるように循環通路における湯の流れを燃料ガス凝縮器と凝縮器迂回通路とへ振り分けるために、振分制御手段が流量振分手段を制御する。これにより、循環通路における湯と燃料ガス凝縮器との間で適度に熱交換が行われ、その凝縮器を流れる燃料ガス中に含まれる水蒸気が適度に凝縮し、燃料電池に投入される水蒸気量が適度に保たれる。
【００１７】
上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、水素リッチな燃料ガスと、酸化ガスとの供給を受け、それら燃料ガス及び酸化ガスを電気化学反応させることにより発電する燃料電池と、燃料電池の廃熱を給湯に利用するための貯湯槽とを備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、貯湯槽に貯えられた湯を循環させるための循環通路と、燃料電池に冷却水を流す冷却水循環通路と循環通路との間に設けられる熱交換器と、熱交換器による熱交換状態を調整するための熱交換調整手段と、燃料電池の暖機状態を検出するための暖機状態検出手段と、燃料電池の低温起動時には、熱交換状態を標準状態へ向けて増大させるために熱交換調整手段を制御し、燃料電池の暖機完了後には、検出される暖機状態が所定状態となるように熱交換調整手段を制御する熱交換制御手段とを備えたことを趣旨とする。
【００１８】
上記発明の構成によれば、燃料電池の低温起動時には、熱交換器による熱交換状態を標準状態へ向けて増大させるために、熱交換制御手段が熱交換調整手段を制御する。これにより、燃料電池が徐々に暖機されて燃料電池の内部で生成水が凝縮し難くなる。一方、燃料電池の暖機完了後には、暖機状態検出手段により検出される暖機状態が所定状態となるように熱交換制御手段が熱交換調整手段を制御する。これにより、燃料電池が適度に暖機されてその内部における水蒸気量が適量に保たれる。
【００１９】
上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明は、水素リッチな燃料ガスと、酸化ガスとの供給を受け、それら燃料ガス及び酸化ガスを電気化学反応させることにより発電する燃料電池と、燃料電池の廃熱を給湯に利用するための貯湯槽とを備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、貯湯槽に貯えられた湯を循環させるための循環通路と、燃料電池に冷却水を流す冷却水循環通路と循環通路との間に設けられる熱交換器と、循環通路における循環湯流量を調整するための循環湯流量調整手段と、燃料電池に供給される前の燃料ガスの温度を検出するための燃料ガス温度検出手段と、燃料電池の低温起動時には、循環湯流量を相対的に大流量とするために循環湯流量調整手段を制御し、燃料電池の暖機完了後には、検出される燃料ガスの温度が所定温度となるように循環湯流量調整手段を制御する循環湯流量制御手段とを備えたことを趣旨とする。
【００２０】
上記発明の構成によれば、燃料電池の低温起動時には、循環通路における循環湯流量を相対的に大流量とするために循環湯流量制御手段が循環湯流量調整手段を制御する。これにより、循環通路における湯と熱交換器との間で盛んに熱交換が行われ、燃料電池が強く暖機されて燃料電池の内部で生成水が凝縮し難くなる。一方、燃料電池の暖機完了後には、燃料ガス温度検出手段により検出される燃料ガスの温度が所定温度となるように循環湯流量制御手段が循環湯流量調整手段を制御する。これにより、燃料ガスにより燃料電池に投入される水蒸気量が適度に保たれる。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１に記載の発明によれば、低温起動時には燃料電池のフラッディングを防止することができ、暖機完了後には燃料電池のドライアウトを防止することができる。
【００２２】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に対し、低温起動時には燃料電池をより有効に暖機してフラッディングを防止することができる。
【００２３】
請求項３に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明の効果に対し、低温起動時には燃料電池をより一層有効に暖機してフラッディングを防止することができる。
【００２４】
請求項４に記載の発明によれば、低温起動時には燃料電池のフラッディングを防止することができ、暖機完了後には燃料電池のドライアウトを防止することができる。
【００２５】
請求項５に記載の発明によれば、低温起動時には燃料電池のフラッディングを防止することができ、暖機完了後には燃料電池のドライアウトを防止することができる。
【００２６】
請求項６に記載の発明によれば、低温起動時には燃料電池のフラッディングを防止することができ、暖機完了後には燃料電池のドライアウトを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
［第１実施形態］
以下、本発明の「燃料電池コージェネレーションシステム」を具体化した第１実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
図１に、燃料電池コージェネレーションシステムの概略構成図を示す。燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池（ＦＣ）１を含む燃料電池システム２と、燃料電池１の廃熱を給湯に利用するための貯湯槽３とを備える。燃料電池システム２は、燃料電池１の他に、改質器４、燃焼器５、改質ガス凝縮器６、アノード凝縮器７、カソード凝縮器８、ＦＣ熱交換器９及び燃焼排気ガス熱交換器１０を基本構成として備える。
【００２９】
改質器４は、化石燃料である天然ガスを水素リッチな燃料ガス（改質ガス）に改質する。改質器４には、燃料ライン１１Ａ，１１Ｂを通じて天然ガスと水蒸気との混合気が供給される。燃料ライン１１Ｂには、第１のポンプ１２、脱硫器１３、第１の開閉弁１４及び混合器１５が設けられる。天然ガスと水蒸気は、混合器１５により混合される。この混合気を改質器４にて、水蒸気改質反応及びシフト反応することにより、水素リッチな燃料ガス（改質ガス）が生成される。混合器１５には、第１のポンプ１２により圧送され、脱硫器１３にて脱硫される天然ガスが、第１の開閉弁１４を介して供給される。混合器１５には、第１の水タンク１６に貯えられた水が、水ライン１７を通じて水蒸気として供給される。水ライン１７には、第２のポンプ１８、純水器１９及び第２の開閉弁２０が設けられる。第１の水タンク１６から第２のポンプ１８により圧送される水は、純水器１９で不純物が取り除かれた後、改質器４の発熱により加熱されて蒸発し、水蒸気となって混合器１５に供給される。第１の水タンク１６には、水道ライン２１を通じて水道水が補給される。水道ライン２１には、第３の開閉弁２２が設けられる。
【００３０】
改質器４に設けられる燃焼器５は、改質器４における上記水蒸気改質反応及びシフト反応に必要な熱を供給するために改質器４を加熱する。燃焼器５には、燃料ライン１１Ａを通じ燃焼用ガスとして天然ガスが供給されると共に、燃焼エアライン２３を通じて燃焼エアが供給される。燃焼器５には、点火用のイグナイタ２４が設けられる。燃料ライン１１Ａには、第４の開閉弁２５、第５の開閉弁２６、第３のポンプ２７及び第６の開閉弁２８が設けられる。燃焼器５には、第３のポンプ２７により圧送される天然ガスが、第６の開閉弁２８を介して供給される。燃焼エアライン２３には、第４のポンプ２９、第７の開閉弁３０及び第８の開閉弁３１が設けられる。燃焼器５には、第４のポンプ２９により圧送される燃焼エアが第７及び第８の開閉弁３０，３１を介してその一部あるいは全部（開閉弁３１により切り替え）を改質器４の冷却に使用した後供給される。燃焼器５には、アノードライン３２を通じて、アノード凝縮器７を通過したアノードオフガスが供給される。ここでは、アノードオフガス中の未反応の水素を燃焼器５にて燃焼させるようになっている。
【００３１】
燃料電池１は、燃料ガスと酸化ガスとの供給を受け、それら燃料ガス及び酸化ガスを電気化学反応させることにより発電する。燃料電池１により発電され、出力される直流電力は、インバータ４４にて交流電力に変換され、補機４５等へ供給される。
【００３２】
図２に燃料電池１を構成する単セル１００を部分断面図により示す。この実施形態で、燃料電池１は、単セル１００を複数積層してなる固体高分子型として構成される。単セル１００は、電解質膜１０１と、この膜１０１を挟持するアノード１０２及びカソード１０３と、アノード１０２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路１０４を有するセパレータ１０５と、カソード１０３に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路１０６を有するセパレータ１０７とから構成される。セパレータ１０５，１０７は、隣り合う単セル１００との隔壁をなす。アノード１０２は、触媒電極１０２ａ及びガス拡散電極１０２ｂから構成される。カソード１０３は、同じく、触媒電極１０３ａ及びガス拡散電極１０３ｂから構成される。各単セル１００のアノード１０２には、燃料ガスが供給され、各単セル１００のカソード１０３には、ＦＣエア（酸化ガス）が供給される。これにより、各単セル１００では、燃料ガス中の水素と酸化ガス中の酸素との電気化学反応により発電が行われる。
【００３３】
改質ガス凝縮器６は、燃料電池１に供給される燃料ガスを冷却して凝縮するためのものであり、本発明の燃料ガス凝縮器及び燃料ガス凝縮手段に相当する。
【００３４】
アノード凝縮器７は、燃料電池１から排出されるアノードオフガスを冷却してガス中に含まれる水蒸気を凝縮する。この凝縮器７は、燃料電池１に供給された後の燃料ガスとしてのアノードオフガスを冷却してガス中の水蒸気を凝縮するためのものであり、本発明の燃料ガス凝縮手段に相当する。この凝縮器７は、アノードライン３２を流れるアノードオフガスの凝縮潜熱を奪うことによって熱を回収し、水分を凝縮させて同ガスを低湿度化する。この凝縮器７にて集められた水分は、第２の水タンク３３に回収され、更に第１の水タンク１６に回収される。
【００３５】
改質器４から燃料電池１までのアノードライン３２には、上記した改質ガス凝縮器６の他に、第９の開閉弁３４が設けられる。アノードライン３２において、第９の開閉弁３４と燃料電池１との間には、燃料ガス温センサ６４が設けられる。このセンサ６４は、改質ガス凝縮器６を通過した後の燃料ガス（改質ガス）の温度（燃料ガス温）Ｔ５を検出するための本発明の燃料ガス温度検出手段に相当する。また、このセンサ６４は、燃料電池１に供給される前の燃料ガスの温度（燃料ガス温）Ｔ５を検出するための本発明の燃料ガス温度検出手段に相当する。燃料電池１から燃焼器５までのアノードライン３２には、第１０の開閉弁３５と上記アノード凝縮器７が設けられる。また、アノードライン３２において、改質ガス凝縮器６の上流側と、燃料電池１の下流側との間には、燃料電池１を迂回するＦＣ迂回通路３６が設けられる。この迂回通路３６には、第１１の開閉弁３７が設けられる。
【００３６】
燃料電池１には、ＦＣエアライン３８を通じてＦＣエア（酸化ガス）が供給される。このエアライン３８には、第５のポンプ３９が設けられる。この燃料電池１より下流のカソードライン４０には、上記したカソード凝縮器８が設けられる。ＦＣエアライン３８及びカソードライン４０には、燃料電池１に供給される酸化ガスを加湿するための加湿器４１が設けられる。ＦＣエアライン３８には、加湿器４１を迂回する加湿器迂回通路４２が設けられる。この迂回通路４２には、第１２の開閉弁４３が設けられる。第５のポンプ３９により圧送されるＦＣエアは、加湿器４１にて加湿され、燃料電池１を通過した後、カソード凝縮器８を介して外部へ排出される。
【００３７】
カソード凝縮器８は、燃料電池１から排出されるカソードオフガスを凝縮する。この凝縮器８は、カソードライン４０を流れるカソードオフガスの凝縮潜熱を奪うことにより熱を回収し、水分を凝縮させて同ガスを低湿度化する。この凝縮器８にて集められた水分は、第１の水タンク１６に回収される。また、燃料電池１に供給されるＦＣエア中の余分な水分は、第１の水タンク１６に回収される。
【００３８】
ＦＣ熱交換器９は、燃料電池１と湯循環通路５１との間に設けられ、本発明の熱交換器に相当する。ＦＣ熱交換器９は、間接的に燃料電池１との間で熱交換を行う。燃焼排気ガス熱交換器１０は、燃焼器５からの燃焼排気ガスの熱回収をすると共に排ガス温度を低下させるために熱交換を行う。燃料電池１とＦＣ熱交換器９との間には、燃料電池１に冷却水を流す冷却水循環通路４６が設けられる。この冷却水循環通路４６には、第６のポンプ４７が設けられる。このポンプ４７には、第３の水タンク４８より水が補給される。この水としては純水やＬＬＣ（ロング・ライフ・クーラント）などが使用される。このポンプ４７が駆動されることにより、冷却水循環通路４６を流れる水流量が調整され、ＦＣ熱交換器９による熱交換状態が調整される。このポンプ４７は、本発明の熱交換調整手段に相当する。燃料電池１の入口側の冷却水循環通路４６には、その入口側水温Ｔ３を検出するための入口側水温センサ４９が設けられる。燃料電池１の出口側の冷却水循環通路４６には、その出口側水温Ｔ４を検出するための出口側水温センサ５０が設けられる。この実施形態では、各水温センサ４９，５０が、燃料電池１の暖機状態を検出するための本発明の暖機状態検出手段に相当する。
【００３９】
貯湯槽３に対して設けられた湯循環通路５１は、貯湯槽３に貯えられた湯を巡回させるためのものであり、本発明の循環通路に相当する。この湯循環通路５１には、その上流側から順に、アノード凝縮器７、改質ガス凝縮器６、カソード凝縮器８、燃焼排ガス熱交換器１０及びＦＣ熱交換器９が直列に設けられる。各機器７，６，８，１０，９は、湯循環通路５１に設けられることにより、同通路５１との間で熱交換可能に設けられる。貯湯槽３とアノード凝縮器７との間の湯循環湯通路５１には、その上流側から順に、第１３の開閉弁５２、第７のポンプ５３、第１の三方比例弁５４及びラジエータ５５が設けられる。湯循環通路５１には、ラジエータ５５を迂回するラジエータ迂回通路５６が設けられる。第１の三方比例弁５４は、ラジエータ５５の上流側にて、湯の流れをラジエータ５５又はラジエータ迂回通路５６へ切り替えると共に、その流量を可変とする。第７のポンプは、湯循環通路５１における循環湯流量を調整するための本発明の循環湯流量調整手段に相当する。
【００４０】
湯循環通路５１には、改質ガス凝縮器６を迂回するための本発明の凝縮器迂回通路５７が設けられる。改質ガス凝縮器６の上流側には、第２の三方比例弁５８が設けられる。この三方比例弁５８は、改質ガス凝縮器６の上流側にて、湯循環通路５１における湯の流れを同凝縮器６と凝縮器迂回通路５７とへ流量可変に振り分けるためのものであり、本発明の流量振分手段に相当する。
【００４１】
湯循環通路５１には、ＦＣ熱交換器９を迂回するために本発明の熱交換器迂回通路５９が設けられる。このＦＣ熱交換器９の上流側には、第３の三方比例弁６０が設けられる。この三方比例弁６０は、ＦＣ熱交換器９の上流側にて、湯循環通路５１における湯の流れを、ＦＣ熱交換機９と熱交換器迂回通路５９とへ流量可変に振り分けるためのものであり、本発明の流量振分手段に相当する。この三方比例弁６０の上流側には、湯循環通路５１を流れる熱回収湯温Ｔ１を検出するための回収湯温センサ６５が設けられる。
【００４２】
湯循環通路５１には、貯湯槽３を迂回するための本発明の貯湯槽迂回通路６１が設けられる。この迂回通路６１には、第１４の開閉弁６２が設けられる。この実施形態で、第１３の開閉弁５２及び第１４の開閉弁６２は、貯湯槽３の上流側にて、湯循環通路５１における湯の流れを貯湯槽迂回通路６１へ切り替えるための本発明の切替手段に相当する。貯湯槽３には、水道ライン６３を通じて水道水が補給される。
【００４３】
この実施形態で、上記した第１〜第１４の開閉弁１４，２０，２２，２５，２６，２８，３０，３１，３４，３５，３７，４３，５２，６２、第１〜第３の三方比例弁５４，５８，６０及び第１〜第７のポンプ１２，１８，２７，２９，３９，４７，５３は、それぞれ電動式の機器である。
【００４４】
この他、燃料電池システム２は、コントローラ７０を備える。コントローラ７０は、第１〜第１４の開閉弁１４，２０，２２，２５，２６，２８，３０，３１，３４，３５，３７，４３，５２，６２、第１〜第３の三方比例弁５４，５８，６０及び第１〜第７のポンプ１２，１８，２７，２９，３９，４７，５３を駆動制御する。コントローラ７０は、所定の制御プログラムを格納し、その制御プログラムに基づき燃料電池システム２の起動制御を実行する。
【００４５】
図３に、上記した燃料電池コージェネレーションシステムの主要構成を概略的に示す。コントローラ７０には、冷却水用の第６のポンプ４７と、貯湯槽３の湯を循環させるための第７のポンプ５３がそれぞれ電気的に接続される。また、コントローラ７０には、入口側水温センサ４９、出口側水温センサ５０、燃料ガス温度センサ６４及び回収湯温センサ６５がそれぞれ電気的に接続される。更に、コントローラ７０には、第１３の開閉弁５２、第２の三方比例弁５８、第３の三方比例弁６０及び第１４の開閉弁１４がそれぞれ電気的に接続される。コントローラ７０は、燃料電池コージェネレーションシステムの運転時に、各水温センサ４９，５０，６４の検出値等に基づき、各ポンプ４７，５３及び各弁５２，５８，６０を制御する。
【００４６】
この実施形態で、コントローラ７０は、本発明の振分制御手段に相当し、燃料電池１の低温起動時には、湯循環通路５１における湯の全部をＦＣ熱交換器９へ流すために第３の三方比例弁６０を制御し、燃料電池１の暖機完了後には、検出される入口側水温Ｔ３及び出口側水温Ｔ４が所定状態となるように湯循環通路５１における湯の流れをＦＣ熱交換器９と熱交換器迂回通路５９とへ振り分けるために第３の三方比例弁６０を制御する。
【００４７】
次に、燃料電池コージェネレーションシステム運転時における、ＦＣ熱交換器９に対する循環湯制御について説明する。図４に、各三方比例弁５８，６０の特性をグラフに示す。このグラフには、各三方比例弁５８，６０に対するＦＣ熱交換器９及び改質ガス凝縮器６の流通水（湯）割合の関係を示す。このグラフからも分かるように、各三方比例弁５８，６０の特性は、その開度の増加に対して流通水割合がリニアに増加する関係を示す。図４では、三方比例弁の開度と流通水割合がリニアの関係にない場合でも対応可能である。
【００４８】
図５に、ＦＣ熱交換器９に対する循環湯制御に関する制御プログラムをフローチャートに示す。この制御プログラムは、コントローラ７０に予め格納されており、コントローラ７０は、このプログラムに基づいて制御を実行する。
【００４９】
先ず、ステップ１００で、燃料電池コージェネレーションシステムが起動すると、ステップ１１０で、入口側水温センサ４９により検出される入口側水温Ｔ３が、燃料電池１の暖機完了の目安となる所定の目標温度Ｔ３（ｔ１）より高いか否かを判断する。この判断結果が肯定（ＦＣ暖機完了）である場合、コントローラ７０は、ステップ１２０で、入口側水温Ｔ３が、暖機後運転の目安となる所定の目標温度Ｔ３（ｔ２）となるように、第３の三方比例弁６０の開度ＭＶ２を制御する。
【００５０】
一方、ステップ１１０の判断結果が否定（ＦＣ暖機未完了）である場合、コントローラ７０は、ステップ１３０で、検出される入口側水温Ｔ３が、回収湯温センサ６５で検出される熱回収湯温Ｔ１より低いか否かを判断する。
【００５１】
ステップ１３０の判断結果が肯定である場合、ステップ１４０で、コントローラ７０は、第３の三方比例弁６０の開度ＭＶ２を１００％に制御する。つまり、湯循環通路５１を流れる湯を全てＦＣ熱交換器９へ流して熱交換を行わせる。
【００５２】
一方、ステップ１３０の判断結果が否定である場合、ステップ１５０で、コントローラ７０は、第３の三方比例弁６０の開度ＭＶ２を０％に制御する。つまり、湯循環通路５１を流れる湯を全て熱交換器迂回通路５９へバイパスさせる。
【００５３】
以上説明した燃料電池コージェネレーションシステムによれば、燃料電池１の低温起動時には、湯循環通路５１を流れる湯の全部をＦＣ熱交換器９へ流すために、コントローラ７０が第３の三方比例弁６０を制御する。これにより、貯湯槽３に貯えられた湯の熱が、ＦＣ熱交換器９を介して大量に燃料電池１に伝えられ、燃料電池１が強く暖機され、燃料電池１の内部で生成水が凝縮し難くなる。この結果、低温起動時に燃料電池１のフラッディングを防止することができる。
【００５４】
一方、燃料電池１の暖機完了後には、燃料電池１の暖機状態が所定状態となるように、すなわち、検出される入口側水温Ｔ３が所定の目標温度Ｔ３（ｔ２）となるように、湯循環通路５１における湯の流れをＦＣ熱交換器９と熱交換器迂回通路５９とへ振り分けるために、コントローラ７０が第３の三方比例弁６０を制御する。暖機完了後は、燃料電池１での発熱を湯循環通路１５の湯を振り分けることにより、貯湯槽３へ熱回収すると共に、燃料電池１の温度を調整し、ドライアウトやフラッディングを防止することができる。
【００５５】
この実施形態によれば、燃料電池１の低温起動時には、貯湯槽３に貯えられた湯の熱に加え、改質ガス凝縮器６、アノード凝縮器７、カソード凝縮器８及び燃焼排気ガス熱交換器１０により回収される熱が、ＦＣ熱交換器９を介して燃料電池１に伝えられる。これにより、燃料電池１がより強く暖機されて、燃料電池１の内部で生成水が凝縮し難くなる。この結果、低温起動時には、燃料電池１のフラッディングを防止することができる。
【００５６】
［第２実施形態］
次に、本発明の「燃料電池コージェネレーションシステム」を具体化した第２実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００５７】
この実施形態では、第１実施形態の制御に対して以下の制御が追加された点で第１実施形態と構成が異なる。この実施形態で、コントローラ７０は、燃料電池１の低温起動時には、湯循環通路５１における湯の全部を改質ガス凝縮器６へ流すために第２の三方比例弁５８を制御し、燃料電池１の暖機完了後には、検出される燃料ガス温度Ｔ５が所定値となるように湯循環通路５１における湯の流れを改質ガス凝縮器６と凝縮器迂回通路５７とへ振り分けるために第２の三方比例弁５８を制御する本発明の振分制御手段に相当する。
【００５８】
図６に、改質ガス凝縮器６に対する循環湯制御に関する制御プログラムをフローチャートに示す。この制御プログラムは、コントローラ７０に予め格納されており、コントローラ７０は、このプログラムに基づいて制御を実行する。
【００５９】
先ず、ステップ２００で、燃料電池コージェネレーションシステムが起動すると、ステップ２１０で、検出される入口側水温Ｔ３が、燃料電池１の暖機完了の目安となる所定の目標温度Ｔ３（ｔ１）より高いか否かを判断する。この判断結果が肯定（ＦＣ暖機完了）である場合、コントローラ７０は、ステップ２２０で、燃料ガス温センサ６４で検出される燃料ガス温Ｔ５が、暖機後運転の目安となる所定の目標温度Ｔ５（ｔ）となるように、第２の三方比例弁５８の開度ＭＶ１を制御する。
【００６０】
一方、ステップ２１０の判断結果が否定（ＦＣ暖機未完了）である場合、コントローラ７０は、ステップ２３０で、第２の三方比例弁５８の開度ＭＶ１を１００％に制御する。つまり、湯循環通路５１を流れる湯を全て改質ガス凝縮器６へ流して熱交換を行わせる。
【００６１】
以上説明した燃料電池コージェネレーションシステムによれば、燃料電池１の低温起動時には、湯循環通路５１における湯の全部を改質ガス凝縮器６へ流すために、コントローラ７０が第２の三方比例弁５８を制御する。これにより、貯湯槽３に貯えられた湯と改質ガス凝縮器６との間で盛んに熱交換が行われ、その凝縮器６を流れる燃料ガス（改質ガス）が強く冷やされてガス中に含まれる水蒸気が凝縮し、燃料電池１に投入される水蒸気量が少なくなり、燃料ガス（改質ガス）も冷却されるため、燃料電池１の内部で凝縮水が生じ難くなる。この結果、低温起動時には、燃料電池１のフラッディングを防止することができる。
【００６２】
一方、燃料電池１の暖機完了後には、燃料ガス温センサ６４で検出される燃料ガス温Ｔ５が所定の目標温度Ｔ５（ｔ）となるように湯循環通路５１における湯の流れを改質ガス凝縮器６と凝縮器迂回通路５７とへ振り分けるために、コントローラ７０が第２の三方比例弁５８を制御する。これにより、貯湯槽３に貯えられた湯と改質ガス凝縮器６との間で適度に熱交換が行われ、その凝縮器６を流れる燃料ガス中の水蒸気が適度に凝縮し、燃料電池１に投入される水蒸気量が適度に保たれる。この結果、暖機完了後には、燃料電池１のドライアウトを防止することができる。
【００６３】
また、この実施形態では、上記したＦＣ熱交換器９に対する循環湯制御と、改質ガス凝縮器６に対する循環湯制御とを並行して行うので、両制御の作用を相乗的に発揮させることができる。すなわち、低温起動時には、燃料電池１を有効に暖機すると共に燃料ガス中の水蒸気を有効に凝縮させることにより、燃料電池１のフラッディングを防止することができる。また、燃料電池１の暖機完了後には、燃料電池１を適度に暖機すると共に燃料ガス中の水蒸気を適度に凝縮させることにより、燃料電池１のドライアウトを防止することができる。
【００６４】
［第３実施形態］
次に、この発明の「燃料電池コージェネレーションシステム」を具体化した第３実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００６５】
この実施形態では、第２実施形態の制御に対して以下の制御が追加された点で第２実施形態と構成が異なる。この実施形態では、コントローラ７０は、燃料電池１の低温起動時に、湯の流れを貯湯槽迂回通路６１へ切り替えるために第１３及び第１４の開閉弁５２，６２を制御するための本発明の切替制御手段に相当する。
【００６６】
すなわち、図７に、貯湯槽迂回通路６１に対する循環湯制御に関する制御プログラムをフローチャートに示す。この制御プログラムは、コントローラ７０に予め格納されており、コントローラ７０は、このプログラムに基づいて制御を実行する。
【００６７】
先ず、ステップ３００で、燃料電池コージェネレーションシステムが起動すると、ステップ３１０で、検出される入口側水温Ｔ３が、燃料電池１の暖機完了の目安となる所定の目標温度Ｔ３（ｔ１）より高いか否かを判断する。この判断結果が肯定（ＦＣ暖機完了）である場合、湯循環通路５１における湯の流れを貯湯槽３へ切り替えるために、コントローラ７０は、ステップ３２０で、第１３の開閉弁５２を開き、第１４の開閉弁６２を閉じる。
【００６８】
一方、ステップ３１０の判断結果が否定（ＦＣ暖機未完了）である場合、湯循環通路５１における湯の流れを貯湯槽迂回通路６１へ切り替えるために、コントローラ７０は、ステップ３３０で、第１３の開閉弁５２を閉じ、第１４の開閉弁６２を開く。
【００６９】
以上説明した燃料電池コージェネレーションシステムによれば、燃料電池１の低温起動時には、湯循環通路５１における湯の流れを貯湯槽迂回通路６１へ切り替えるために、コントローラ７０が第１３及び第１４の開閉弁５２，６２を制御する。従って、低温起動時には、改質ガス凝縮器６、アノード凝縮器７、カソード凝縮器８及び燃焼排気ガス熱交換器１０により回収される熱が、貯湯槽３へ回収されることなく、ＦＣ熱交換器９を介して燃料電池１に伝えられる。これにより、燃料電池１がより強く暖機されて、燃料電池１の内部で生成水が凝縮し難くなる。この結果、低温起動時には、燃料電池１のフラッディングを防止することができる。
【００７０】
一方、燃料電池１の暖機完了後には、改質ガス凝縮器６、アノード凝縮器７、カソード凝縮器８及び燃焼排気ガス熱交換器１０により回収される熱が、貯湯槽３へ回収される。暖機完了後は、貯湯槽３からの冷水を改質ガス凝縮６、アノード凝縮器７、カソード凝縮器８及び燃焼排気ガス熱交換器１０からの熱及びＦＣ熱交換器９からの熱を回収し、貯湯槽３へ湯を貯めることができる。この結果、暖機完了後には、燃料電池１のドライアウトを防止することができる。
【００７１】
［第４実施形態］
次に、この発明の「燃料電池コージェネレーションシステム」を具体化した第４実施形態を図面を参照して詳細に説明する。この実施形態では、以下に説明する制御の点で前記各実施形態と構成が異なる。この実施形態で、コントローラ７０は、燃料電池１の低温起動時には、熱交換状態を標準状態へ向けて増大させるために第６のポンプ４７を制御し、燃料電池１の暖機完了後には、検出される各水温Ｔ３，Ｔ４が所定状態に相当する温度となるように第６のポンプ４７を制御する熱交換制御手段に相当する。以下には、図３の概略構成図及び図８，９のタイムチャートを参照して説明する。
【００７２】
従来は、図３に示す燃料電池システム２において、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、起動時刻ｔ１から、各水温センサ４９，５０により検出される入口側水温Ｔ３及び出口側水温Ｔ４が所定温度に達する時刻ｔ２まで、冷却水循環通路４６を流れるＦＣ冷却水流量を所定の一定流量としていた。これにより、出口側水温Ｔ４と入口側水温Ｔ３との水温差ΔＴを、起動時刻ｔ１から時刻ｔ２まで徐々に増加させていた。
【００７３】
これに対し、この実施形態では、低温起動時には、燃料電池１が自己発熱により暖機されるまで、ＦＣ冷却水流量を従来の標準流量より減少させて冷却水循環通路４６に流すようにしている。すなわち、図９（ｃ）に示すように、コントローラ７０は、起動時刻ｔ１から、従来のＦＣ冷却水流量より少ない流量で、燃料電池１の発電電力に対してＦＣ冷却水流量を徐々に増大させるために第６のポンプ４７を制御する。つまり、コントローラ７０は、燃料電池１の低温起動時には、ＦＣ熱交換器９による熱交換状態を標準状態へ向けて増大させるために第６のポンプ４７を制御する。これにより、図９（ａ），（ｂ）に示すように、上記水温差ΔＴを、従来よりも増大させている。燃料電池１の冷却水の流れとＦＣエアの流れが同一方向に近い場合、水温差ΔＴを増大させ冷却水出口温度を上げることで、ＦＣエアの出口温度も上げることができる。これにより、カソード１０３からの持ち去り水量が増大（飽和水蒸気量が増大）され、フラッディングを抑制することができる。この結果、低温起動時には、燃料電池１のフラッディングを防止することができる。
【００７４】
一方、燃料電池１の暖機完了後である時刻ｔ２以降には、従来のＦＣ冷却水流量と同じ一定流量となるように、コントローラ７０が第６のポンプ４７を制御する。これにより、図９（ｂ）に示すように、上記水温差ΔＴが、極めて緩やかに増加を続けることになる。つまり、コントローラ７０は、燃料電池１の暖機完了後には、各水温センサ４９，５０により検出される各水温Ｔ３，Ｔ４が所定温度となるように第６のポンプ４７を制御する。従って、燃料電池１が適度に暖機された状態が保たれる。この結果、暖機完了後には、燃料電池１のドライアウトを防止することができる。
【００７５】
［第５実施形態］
次に、この発明の「燃料電池コージェネレーションシステム」を具体化した第５実施形態を図面を参照して詳細に説明する。この実施形態では、以下に説明する制御の点で前記各実施形態と構成が異なる。この実施形態で、コントローラ７０は、燃料電池１の低温起動時には、熱交換状態を標準状態へ向けて増大させるために第６のポンプ４７を制御し、燃料電池１の暖機完了後には、検出される各水温Ｔ３，Ｔ４が所定状態に相当する温度となるように第６のポンプ４７を制御する熱交換制御手段に相当する。ここでは、図３の概略構成図及び図８，１０のタイムチャートを参照して説明する。
【００７６】
この実施形態では、図１０に示すように、コントローラ７０は、起動時刻ｔ１から、従来のＦＣ冷却水流量より少ない流量で、水温差ΔＴが所定値ΔＴ１になるようにＦＣ冷却水流量を増大させるために第６のポンプ４７を制御する。これにより、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、上記水温差ΔＴを従来よりも増大させている。つまり、コントローラ７０は、燃料電池１の低温起動時には、ＦＣ熱交換器９による熱交換状態を標準状態へ向けて増大させるために第６のポンプ４７を制御する。燃料電池１の冷却水の流れとＦＣエアの流れが同一方向に近い場合、水温差ΔＴを増大させ冷却水出口温度を上げることで、ＦＣエアの出口温度も上げることができる。これにより、カソード１０３からの持ち去り水量が増大（飽和水蒸気量が増大）され、フラッディングを抑制することができる。この結果、低温起動時には、燃料電池１のフラッディングを防止することができる。
【００７７】
一方、燃料電池１の暖機完了後である時刻ｔ２以降には、従来のＦＣ冷却水流量と同じ一定流量となるように、コントローラ７０が第６のポンプ４７を制御する。これにより、図１０（ｂ）に示すように、水温差ΔＴが、極めて緩やかに増加を続けることになる。つまり、コントローラ７０は、燃料電池１の暖機完了後には、各水温センサ４９，５０により検出される各水温Ｔ３，Ｔ４が所定温度となるように第６のポンプ４７を制御する。従って、燃料電池１が適度に暖機された状態が保たれる。この結果、暖機完了後には、燃料電池１のドライアウトを防止することができる。
【００７８】
［第６実施形態］
次に、この発明の「燃料電池コージェネレーションシステム」を具体化した第６実施形態を図面を参照して詳細に説明する。この実施形態では、以下に説明する制御の点で前記各実施形態と構成が異なる。この実施形態で、コントローラ７０は、燃料電池１の低温起動時には、熱交換状態を標準状態へ向けて増大させるために第６のポンプ４７を制御し、燃料電池１の暖機完了後には、検出される各水温Ｔ３，Ｔ４が所定状態に相当する温度となるように第６のポンプ４７を制御する熱交換制御手段に相当する。ここでは、図３の概略構成図、図１１のマップ及び図１２のタイムチャートを参照して説明する。
【００７９】
この実施形態では、コントローラ７０は、図１１に示すような入口側水温Ｔ３と水温差ΔＴとの関係を予め定めた関数データ（マップ）を格納している。そして、コントローラ７０は、図１２に示すように、起動時刻ｔ１から、従来のＦＣ冷却水流量より少ない流量で、入口側水温Ｔ３と水温差ΔＴとの関係が、図１１のマップの関係となるように、第６のポンプ４７を制御することによりＦＣ冷却水流量を増大させている。これにより、図１２（ａ），（ｂ）に示すように、水温差ΔＴを従来よりも増大させる。つまり、コントローラ７０は、燃料電池１の低温起動時には、ＦＣ熱交換器９による熱交換状態を標準状態へ向けて増大させるために第６のポンプ４７を制御する。燃料電池１の冷却水の流れとＦＣエアの流れが同一方向に近い場合、水温差ΔＴを増大させ冷却水出口温度を上げることで、ＦＣエアの出口温度も上げることができる。これにより、カソード１０３からの持ち去り水量が増大（飽和水蒸気量が増大）され、フラッディングを抑制することができる。この結果、低温起動時には、燃料電池１のフラッディングを防止することができる。
【００８０】
一方、燃料電池１の暖機完了後である時刻ｔ２以降には、従来のＦＣ冷却水流量と同じ一定流量となるように、コントローラ７０が第６のポンプ４７を制御する。これにより、図１２（ｂ）に示すように、上記水温差ΔＴが、ほぼ一定となる。つまり、コントローラ７０は、燃料電池１の暖機完了後には、検出される各水温Ｔ３，Ｔ４が所定温度となるように第６のポンプ４７を制御する。従って、燃料電池１が適度に暖機された状態が保たれる。この結果、暖機完了後には、燃料電池１のドライアウトを防止することができる。
【００８１】
［第７実施形態］
次に、この発明の「燃料電池コージェネレーションシステム」を具体化した第７実施形態を図面を参照して詳細に説明する。この実施形態では、以下に説明する制御の点で前記各実施形態と構成が異なる。この実施形態で、コントローラ７０は、燃料電池１の低温起動時には、循環湯流量を相対的に大流量とするために第７のポンプ５３を制御し、燃料電池１の暖機完了後には、検出される燃料ガス温度Ｔ５が所定温度となるように第７のポンプ５３を制御する。ここでは、図３の概略構成図及び図１３のタイムチャートを参照して説明する。
【００８２】
この実施形態では、図１３に示すように、コントローラ７０は、起動時刻ｔ１から、第７のポンプ５３の回転数を最大に制御することにより、湯循環通路５１における循環湯流量を相対的に多い大流量Ｑ１とし、改質ガス凝縮器６を通過する燃料ガス（改質ガス）を最大限に冷却している。そして、コントローラ７０は、検出される各水温Ｔ３,Ｔ４（ＦＣ冷却水温度）が、所定温度に達する時刻ｔ２に、第７のポンプ５３に係る回転数の最大制御を停止する。これにより、図１３（ｃ）に示すように、起動時刻ｔ１から時刻ｔ２まで、燃料電池１の入口側における燃料ガスの温度（アノード入口温度）を低下させる。従って、湯循環通路５１における湯とＦＣ熱交換器９との間で盛んに熱交換が行われ、燃料電池１が強く暖機されて、燃料電池１の内部で生成水が凝縮し難くなる。この結果、低温起動時には、燃料電池１のフラッディングを防止することができる。
【００８３】
一方、コントローラ７０は、ＦＣ冷却水温度が所定温度に達する時刻ｔ２以降には、第７のポンプ５３により循環湯流量を調整することにより、図１３（ｃ）に示すように、アノード入口温度を所定温度Ｔａに制御する。すなわち、コントローラ７０は、燃料電池１の暖機完了後には、検出される燃料ガス温度Ｔ５が所定温度となるように第７のポンプ５３を制御する。従って、燃料ガスにより燃料電池１に投入される水蒸気量が適度に保たれる。この結果、暖機完了後には、燃料電池１のドライアウトを防止することができる。
【００８４】
尚、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で、構成の一部を適宜に変更して実施することもできる。
【００８５】
例えば、前記各実施形態では、図１，３に示すように、燃料ガス凝縮手段として、改質ガス凝縮器６とアノード凝縮器７の両方を設けたが、その何れか一方のみ設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】燃料電池コージェネレーションシステムを示す概略構成図。
【図２】燃料電池の単セルを示す部分断面図。
【図３】燃料電池コージェネレーションシステムの主要構成を示す概略図。
【図４】各三方比例弁の特性を示すグラフ。
【図５】湯流通制御に関する制御プログラムを示すフローチャート。
【図６】湯流通制御に関する制御プログラムを示すフローチャート。
【図７】湯流通制御に関する制御プログラムを示すフローチャート。
【図８】従来のＦＣ冷却水流量の制御方法等を示すタイムチャート。
【図９】ＦＣ冷却水流量の制御方法等を示すタイムチャート。
【図１０】ＦＣ冷却水流量の制御方法等を示すタイムチャート。
【図１１】入口側水温と水温差との関係を示すマップ。
【図１２】ＦＣ冷却水流量の制御方法等を示すタイムチャート。
【図１３】アノード入口温度等の制御方法を示すタイムチャート。
【符号の説明】
【００８７】
１      燃料電池
３      貯湯槽
６      改質ガス凝縮器
７      アノード凝縮器
９      ＦＣ熱交換器
４７    第６のポンプ（熱交換調整手段）
４９    入口側水温センサ（暖機状態検出手段）
５０    出口側水温センサ（暖機状態検出手段）
５１    湯循環通路
５２    第１３の開閉弁（切替手段）
５３    第７のポンプ（循環湯流量調整手段）
５７    凝縮器迂回通路
５８    第２の三方比例弁（流量振分手段）
５９    熱交換器迂回通路
６０    第３の三方比例弁（流量振分手段）
６１    貯湯槽迂回通路
６２    第１４の開閉弁（切替手段）
６４    燃料ガス温センサ（燃料ガス温度検出手段）
７０    コントローラ（振分制御手段、切替制御手段、熱交換制御手段、循環湯        流量制御手段）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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