(57)【要約】【課題】燃料電池の起動時間を良好に短縮させることができ、効率的な発電運転を経済的に遂行することを可能にする。【解決手段】燃料電池コージェネレーションシステム１０は、燃料電池モジュール１２、熱交換器１４、貯湯タンク１６、循環水流路１８及び酸化剤ガス供給流路２０を備える。循環水流路１８上には、水を昇温させる循環水ヒータ４０が設けられる。酸化剤ガス供給流路２０の一部２０ａが、循環水ヒータ４０内に配設されることにより、該酸化剤ガス供給流路２０を流通する空気は、前記循環水ヒータ４０から受熱して昇温される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュール、前記燃料電池モジュールから排出される排熱との熱交換により水を昇温させて温水を生成する熱交換器、前記水を排出する一方、前記温水を貯留する貯湯タンク、前記貯湯タンクから排出された前記水を前記熱交換器に送るとともに、前記熱交換器で得られた前記温水を該貯湯タンクに戻す循環水流路、及び前記燃料電池モジュールに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路を備える燃料電池コージェネレーションシステムであって、
前記循環水流路上に設けられ、前記水を昇温させる循環水ヒータを備え、
前記酸化剤ガス供給流路の一部は、前記循環水ヒータ内に配設されることにより、該酸化剤ガス供給流路を流通する前記酸化剤ガスは、前記循環水ヒータから受熱して昇温される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】
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において、前記燃料電池モジュールは、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質して前記燃料ガスを生成し、該燃料ガスを前記燃料電池モジュールに供給する水蒸気改質器を備えており、
前記水蒸気を生成する改質水が貯留された改質水タンクを収容する改質水室を設けるとともに、
前記酸化剤ガス供給流路は、途上に設けられた分岐点で分岐し、前記改質水室を通って合流するバイパス流路を有する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３】
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において、前記分岐点には、前記バイパス流路に前記酸化剤ガスの供給を許容する切替弁が設けられる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４】
請求項１〜３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において、電力を制御する電装ユニットを備え、
前記電装ユニットは、外部空気を取り込む吸気口と、
前記電装ユニット内に取り込んだ空気を、前記酸化剤ガス供給流路を通って前記燃料電池モジュールに、又は、前記酸化剤ガス供給流路とは個別に前記燃料電池モジュールに供給する電装ユニット側酸化剤ガス供給流路と、
を備える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】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュール、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質して前記燃料ガスを生成し、該燃料ガスを前記燃料電池モジュールに供給する水蒸気改質器、前記水蒸気を生成する改質水が貯留された改質水タンクを収容する改質水室、前記燃料電池モジュールから排出される排熱との熱交換により水を昇温させて温水を生成する熱交換器、前記水を排出する一方、前記温水を貯留する貯湯タンク、前記貯湯タンクから排出された前記水を前記熱交換器に送るとともに、前記熱交換器で得られた前記温水を該貯湯タンクに戻す循環水流路、前記循環水流路上に設けられ、前記水を昇温させる循環水ヒータ、前記燃料電池モジュールに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路、及び前記酸化剤ガス供給流路の途上から分岐し、前記改質水室を通って合流するバイパス流路を備える燃料電池コージェネレーションシステムの起動方法であって、
前記燃料電池モジュールが起動されたか否かを判断する工程と、
前記燃料電池モジュールが起動されたと判断された際、前記改質水室が所定の温度以下であるか否かを判断する工程と、
前記改質水室が所定の温度以下であると判断された際、前記循環水ヒータをオンさせるとともに、前記バイパス流路を前記酸化剤ガス供給流路に開放させる工程と、
前記改質水室が所定の温度以下でないと判断された際、前記循環水ヒータをオンさせるとともに、前記バイパス流路を前記酸化剤ガス供給流路から閉塞させる工程と、
を有する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の起動方法。
【請求項６】
請求項５記載の起動方法において、電力を制御する電装ユニット内に取り込んだ空気を、前記酸化剤ガス供給流路を通って前記燃料電池モジュールに、又は、前記酸化剤ガス供給流路とは個別に前記燃料電池モジュールに供給する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の起動方法。
【請求項７】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュール、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質して前記燃料ガスを生成し、該燃料ガスを前記燃料電池モジュールに供給する水蒸気改質器、前記水蒸気を生成する改質水が貯留された改質水タンクを収容する改質水室、前記燃料電池モジュールから排出される排熱との熱交換により水を昇温させて温水を生成する熱交換器、前記水を排出する一方、前記温水を貯留する貯湯タンク、前記貯湯タンクから排出された前記水を前記熱交換器に送るとともに、前記熱交換器で得られた前記温水を該貯湯タンクに戻す循環水流路、前記循環水流路上に設けられ、前記水を昇温させる循環水ヒータ、前記燃料電池モジュールに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路、及び前記酸化剤ガス供給流路の途上から分岐し、前記改質水室を通って合流するバイパス流路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って、
前記燃料電池モジュールが定常運転されたか否かを判断する工程と、
前記燃料電池モジュールが定常運転されたと判断された際、前記改質水室が所定の温度以下であるか否かを判断する工程と、
前記改質水室が所定の温度以下であると判断された際、前記循環水ヒータをオンさせるとともに、前記バイパス流路を前記酸化剤ガス供給流路に開放させる工程と、
を有する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の運転方法。
【請求項８】
請求項７記載の運転方法において、前記改質水室が所定の温度以下でないと判断された際、前記貯湯タンク内が所定の湯量で有るか否かを判断する工程と、
前記貯湯タンク内が所定の湯量で有ると判断された際、前記循環水ヒータをオフさせるとともに、前記バイパス流路を前記酸化剤ガス供給流路から閉塞させる工程と、
前記貯湯タンク内が所定の湯量で無いと判断された際、前記循環水ヒータをオンさせるとともに、前記バイパス流路を前記酸化剤ガス供給流路から閉塞させる工程と、
を有する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の運転方法。
【請求項９】
請求項８記載の運転方法において、電力を制御する電装ユニット内に取り込んだ空気を、前記酸化剤ガス供給流路を通って前記燃料電池モジュールに、又は、前記酸化剤ガス供給流路とは個別に前記燃料電池モジュールに供給する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の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールを備える燃料電池コージェネレーションシステム、その起動方法及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。固体電解質の両面にアノード電極とカソード電極とを配設した電解質・電極接合体（ＭＥＡ）は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして燃料電池モジュールに適用されている。
【０００３】
ＳＯＦＣでは、運転温度が比較的高温であり、発電反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを含む排ガスも高温になっている。このため、排ガスの有効利用を図ることが望まれている。
【０００４】
例えば、ＳＯＦＣからの排ガスと水とを熱交換する熱交換器を備えるとともに、前記水が貯湯タンクに蓄えられるシステムが採用されている。貯湯タンク内の水は、熱交換により昇温されて所定の温度の温水が得られており、前記温水は、家庭内の給湯システムや暖房システムに供給されている。すなわち、燃料電池コージェネレーションシステムである。
【０００５】
ところで、燃料電池は、起動を開始してから、所望の運転可能温度に昇温するまでに相当な時間が必要である。例えば、燃料電池を氷点下等の低温時に起動させる場合や、運転温度の高いＳＯＦＣが用いられる場合に、起動時間の長尺化が顕著になっている。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この特許文献１では、燃料電池システムの起動時に、冷却媒体がバイパス流路を流れるようにして、燃料電池スタックの発電を開始させるとともに、加温装置を作動させて燃料電池をバイパスして循環する前記冷却媒体を加温している。一方、冷却媒体の温度が所定値以上になったら、燃料電池スタックを通過する流路に切り替えている。
【０００７】
このため、冷たい冷却媒体が、燃料電池スタック内部に流入することを防ぐことができ、発電による自己昇温を促進することができる、としている。また、バイパス流路及びその内部の冷却媒体は、燃料電池スタック自体及び燃料電池スタック内部の冷却媒体に比べて、熱容量が小さいため、熱容量の小さい加温装置でも比較的短時間に昇温させることができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１７９１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の特許文献１では、冷部媒体を所定温度に昇温させるため、特に運転温度の高いＳＯＦＣを所望の温度に迅速に昇温させることができないという問題がある。
【００１０】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、燃料電池の起動時間を良好に短縮させることができ、効率的な発電運転を経済的に遂行することが可能な燃料電池コージェネレーションシステム、その起動方法及びその運転方法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】
本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池モジュール、熱交換器、貯湯タンク、循環水流路及び酸化剤ガス供給流路を備えている。燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する。熱交換器は、燃料電池モジュールから排出される排熱との熱交換により水を昇温させて温水を生成する。貯湯タンクは、水を排出する一方、温水を貯留する。循環水流路は、貯湯タンクから排出された水を熱交換器に送るとともに、前記熱交換器で得られた温水を該貯湯タンクに戻す。酸化剤ガス供給流路は、燃料電池モジュールに酸化剤ガスを供給する。
【００１２】
燃料電池コージェネレーションシステムは、循環水流路上に設けられ、水を昇温させる循環水ヒータを備えている。そして、酸化剤ガス供給流路の一部は、循環水ヒータ内に配設されることにより、該酸化剤ガス供給流路を流通する酸化剤ガスは、前記循環水ヒータから受熱して昇温される。
【００１３】
また、燃料電池モジュールは、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質して燃料ガスを生成し、該燃料ガスを前記燃料電池モジュールに供給する水蒸気改質器を備えることが好ましい。その際、燃料電池コージェネレーションシステムは、水蒸気を生成する改質水が貯留された改質水タンクを収容する改質水室を設けている。そして、酸化剤ガス供給流路は、途上に設けられた分岐点で分岐し、改質水室を通って合流するバイパス流路を有することが好ましい。
【００１４】
このため、低温時に、循環水ヒータにより昇温された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給流路から分岐するバイパス流路に供給され、改質水室を通って前記酸化剤ガス供給流路に戻されている。従って、改質水室には、昇温された酸化剤ガスが流通するため、改質水の凍結を確実に防止することができる。しかも、改質水室の凍結防止ヒータやサーモスタッド等が不要になり、設備の小型化を図るとともに、コストダウンが容易に遂行され、経済的である。
【００１５】
さらに、分岐点には、バイパス流路に酸化剤ガスの供給を許容する切替弁が設けられることが好ましい。これにより、昇温された酸化剤ガスは、切替弁の切り替え操作を行うだけで、改質水室に容易且つ確実に供給され、改質水の凍結を可及的に抑制することが可能になる。
【００１６】
さらにまた、この燃料電池コージェネレーションシステムは、電力を制御する電装ユニットを備えることが好ましい。電装ユニットは、外部空気を取り込む吸気口と、前記電装ユニット内に取り込んだ空気を、酸化剤ガス供給流路を通って燃料電池モジュールに、又は、前記酸化剤ガス供給流路とは個別に前記燃料電池モジュールに供給する電装ユニット側酸化剤ガス供給流路と、を備えることが好ましい。
【００１７】
このため、電装ユニット内を流通する空気は、前記電装ユニットからの熱により昇温された後、燃料電池モジュールに供給されている。従って、専用の空気昇温装置が不要になり、経済的に構成されるとともに、容易に小型化を図ることができる。
【００１８】
また、本発明は、燃料電池コージェネレーションシステムの起動方法及び運転方法に関する。
【００１９】
燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池モジュール、水蒸気改質器、改質水室、熱交換器、貯湯タンク、循環水流路、循環水ヒータ、酸化剤ガス供給流路、及びバイパス流路を備えている。
【００２０】
この起動方法では、燃料電池モジュールが起動されたと判断された際、燃料電池コージェネレーションシステムの内部温度が所定の温度以下であるか否かを判断している。そして、改質水室の内部温度が所定の温度以下であると判断された際、循環水ヒータをオンさせるとともに、バイパス流路を酸化剤ガス供給流路に開放させている。一方、改質水室が所定の温度以下でないと判断された際、循環水ヒータをオンさせるとともに、バイパス流路を酸化剤ガス供給流路から閉塞させている。
【００２１】
さらに、この起動方法では、電力を制御する電装ユニット内に取り込んだ空気を、酸化剤ガス供給流路を通って燃料電池モジュールに、又は、前記酸化剤ガス供給流路とは個別に前記燃料電池モジュールに供給することが好ましい。これにより、専用の空気昇温装置が不要になり、経済的に構成されるとともに、容易に小型化を図ることができる。
【００２２】
さらにまた、本発明に係る運転方法では、燃料電池モジュールが定常運転されたと判断された際、燃料電池コージェネレーションシステムの内部温度が所定の温度以下であるか否かを判断している。そして、内部温度が所定の温度以下であると判断された際、循環水ヒータをオンさせるとともに、バイパス流路を酸化剤ガス供給流路に開放させている。
【００２３】
また、この運転方法では、内部温度が所定の温度以下でないと判断された際、貯湯タンク内が所定の湯量で有るか否かを判断することが好ましい。その際、貯湯タンク内が所定の湯量で有ると判断された際、循環水ヒータをオフさせるとともに、バイパス流路を酸化剤ガス供給流路から閉塞させることが好ましい。このため、熱交換器では、貯湯タンクから排出された水が、燃料電池モジュールから排出される排熱により昇温され、前記貯湯タンクに温水を維持することが可能になる。
【００２４】
一方、貯湯タンク内が所定の湯量で無いと判断された際、循環水ヒータをオンさせるとともに、バイパス流路を酸化剤ガス供給流路から閉塞させている。従って、循環水流路を循環する水は、循環水ヒータにより昇温されるため、貯湯タンクに温水を貯留することができる。
【００２５】
さらに、この運転方法では、電力を制御する電装ユニット内に取り込んだ空気を、酸化剤ガス供給流路を通って燃料電池モジュールに、又は、前記酸化剤ガス供給流路とは個別に前記燃料電池モジュールに供給することが好ましい。これにより、専用の空気昇温装置が不要になり、経済的に構成されるとともに、容易に小型化を図ることが可能になる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、酸化剤ガス供給流路を流通する酸化剤ガスは、循環水ヒータから受熱して昇温されるため、昇温された前記酸化剤ガスは、燃料電池モジュールを昇温させることができる。このため、燃料電池モジュールの起動時間を良好に短縮させることが可能になる。しかも、酸化剤ガスの昇温は、循環水を昇温させるための循環水ヒータにより行うことができ、酸化剤ガス専用の昇温装置が不要になる。従って、燃料電池コージェネレーションシステムは、効率的な発電運転を経済的に遂行することが可能になる。
【００２７】
また、本発明によれば、低温起動時には、昇温された酸化剤ガスが低温の改質水室を流通することができ、改質水の凍結を防止することが可能になる。しかも、循環水流路を流通する水は、循環水ヒータにより昇温され、貯湯タンクには、温水を貯留することができる。
【００２８】
さらに、本発明によれば、低温運転時には、昇温された酸化剤ガスが低温の改質水室を流通することができ、改質水の凍結を防止することが可能になる。しかも、循環水流路を流通する水は、循環水ヒータにより昇温され、貯湯タンクには、温水を貯留することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池コージェネレーションシステムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池コージェネレーションシステムの起動方法及び運転方法を説明するフローチャートである。
【図３】低温起動時の動作説明図である。
【図４】常温起動時の動作説明図である。
【図５】低温運転時の動作説明図である。
【図６】常温運転時で、貯湯タンクに温水がある場合の動作説明図である。
【図７】常温運転時で、貯湯タンクに温水がない場合の動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム１０は、燃料電池モジュール１２、熱交換器１４、貯湯タンク１６、循環水流路１８及び酸化剤ガス供給流路２０を備える。
【００３１】
燃料電池モジュール１２は、燃料電池スタック２２、水蒸気改質器２４及び蒸発器２６を備える。燃料電池スタック２２は、燃料ガス（水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する複数の燃料電池を積層する。燃料電池は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質の両面に、カソード電極及びアノード電極が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を備える固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。
【００３２】
水蒸気改質器２４は、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成し、該燃料ガスを燃料電池スタック２２に供給する。蒸発器２６は、改質水を蒸発させるとともに、水蒸気を水蒸気改質器２４に供給する。
【００３３】
蒸発器２６には、改質水循環流路２８を介して改質水ポンプ３０、改質水タンク３２及びイオン交換器３４が接続される。改質水ポンプ３０、改質水タンク３２及びイオン交換器３４は、改質水室３６に収容される。
【００３４】
熱交換器１４は、循環水流路１８に配設されるとともに、燃料電池モジュール１２から排ガス流路３８を通って排出される排ガス（使用済みの燃料ガス及び酸化剤ガス）の排熱との熱交換により、水を昇温させて温水を生成する。貯湯タンク１６は、循環水流路１８に配設されており、前記循環水流路１８に水を排出する一方、温水を貯留する。なお、貯湯タンク１６には、外部から水が供給（補充）される。
【００３５】
循環水流路１８は、貯湯タンク１６から排出された水を熱交換器１４に送るとともに、前記熱交換器１４で得られた温水を前記貯湯タンク１６に戻す。貯湯タンク１６は、図示しないが、家庭内の給湯システムや暖房システムに温水を供給する。
【００３６】
循環水流路１８上には、水を昇温させる循環水ヒータ４０と、前記水（及び温水）を循環させる循環水ポンプ４２とが配設される。酸化剤ガス供給流路２０の一部２０ａは、循環水ヒータ４０内に配設されることにより、前記酸化剤ガス供給流路２０を流通する酸化剤ガスは、前記循環水ヒータ４０から受熱して昇温される。
【００３７】
酸化剤ガス供給流路２０は、燃料電池モジュール１２に酸化剤ガス（空気）を供給する。酸化剤ガス供給流路２０は、途上に設けられた分岐点ＤＰで分岐し、改質水室３６を通って合流点ＭＰで合流するバイパス流路４４を有する。分岐点ＤＰには、バイパス流路４４に酸化剤ガスの供給を許容する三方弁（切替弁）４６が設けられる。合流点ＭＰの近傍には、酸化剤ガス供給流路２０からバイパス流路４４への逆流を阻止するための逆止弁４８が設けられる。
【００３８】
酸化剤ガス供給流路２０には、合流点ＭＰの下流側に、燃料電池モジュール１２に向かって、エアフィルタ５０、流量計５２及びエアポンプ５４の順に配置される。
【００３９】
燃料電池コージェネレーションシステム１０は、系統電源５６に接続されるとともに、電力を制御する電装ユニット（ＰＣＳ）５８を備える。電装ユニット５８は、ファン６０の作用下に外部空気を取り込む吸気口６２と、前記電装ユニット５８内に取り込んだ空気を、酸化剤ガス供給流路２０を通って燃料電池モジュール１２に供給する電装ユニット側酸化剤ガス供給流路６４とを備える。
【００４０】
電装ユニット側酸化剤ガス供給流路６４は、エアフィルタ５０の上流側で酸化剤ガス供給流路２０に連結される。なお、電装ユニット側酸化剤ガス供給流路６４は、酸化剤ガス供給流路２０とは独立して（個別に）燃料電池モジュール１２に連通し、前記燃料電池モジュール１２に空気（酸化剤ガス）を供給してもよい。
【００４１】
燃料電池コージェネレーションシステム１０は、制御ユニット６６を備える。制御ユニット６６は、燃料電池コージェネレーションシステム１０全体の制御を行うものであり、電装ユニット５８、三方弁４６及び温度センサ６８に接続される。温度センサ６８は、燃料電池コージェネレーションシステム１０の内部温度、特に改質水室３６の内部温度を検出する。
【００４２】
このように構成される燃料電池コージェネレーションシステム１０の動作について、本発明に係る起動方法及び運転方法との関連で、図２に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００４３】
先ず、ステップＳ１では、燃料電池モジュール１２が起動されたか否かが判断される。燃料電池モジュール１２が起動されたと判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進んで、改質水室３６の内部温度が設定温度Ｔ℃（例えば、５℃）以下であるか否かが判断される。
【００４４】
改質水室３６の内部温度が、設定温度Ｔ℃以下であると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３及びステップＳ４に進む。ステップＳ３では、循環水ヒータ４０がオンされるとともに、ステップＳ４では、三方弁４６が操作されて、酸化剤ガス供給流路２０がバイパス流路４４に連通（開放）される。なお、ステップＳ３とステップＳ４とは、同時に行ってもよく、又は、ステップＳ３の内容とステップＳ４の内容とを入れ替えてもよい。
【００４５】
図３に示すように、電装ユニット５８は、系統電源５６から供給される電力により駆動されるとともに、循環水ヒータ４０を駆動させる。制御ユニット６６は、電装ユニット５８から電力が供給されており、温度センサ６８からの温度信号に基づいて、三方弁４６を操作する。このため、循環水流路１８を循環する水及び酸化剤ガス供給流路２０を流通する空気は、循環水ヒータ４０を介して昇温される。
【００４６】
酸化剤ガス供給流路２０を流通する昇温された空気は、三方弁４６の作用下に、バイパス流路４４から改質水室３６に導入される。空気は、改質水室３６を流通して改質水ポンプ３０、改質水タンク３２及びイオン交換器３４を昇温させた後、バイパス流路４４から逆止弁４８を通って酸化剤ガス供給流路２０に戻される。
【００４７】
酸化剤ガス供給流路２０に戻された空気は、エアフィルタ５０、流量計５２及びエアポンプ５４を通って燃料電池モジュール１２に供給され、前記燃料電池モジュール１２を昇温させる。
【００４８】
一方、電装ユニット５８では、ファン６０を介して吸気口６２から取り込まれた低温の外部空気は、前記電装ユニット５８を冷却することにより昇温される。昇温された空気は、電装ユニット側酸化剤ガス供給流路６４から酸化剤ガス供給流路２０に合流した後、燃料電池モジュール１２に供給される。
【００４９】
図２に示すように、改質水室３６の内部温度が、設定温度Ｔ℃を上回ると判断されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、ステップＳ５及びステップＳ６に進む。ステップＳ５では、循環水ヒータ４０がオンされるとともに、ステップＳ６では、三方弁４６が操作されて、酸化剤ガス供給流路２０がバイパス流路４４から遮断（閉塞）される。なお、ステップＳ５とステップＳ６とは、同時に行ってもよく、又は、ステップＳ５の内容とステップＳ６の内容とを入れ替えてもよい。
【００５０】
図４に示すように、循環水流路１８を循環する水及び酸化剤ガス供給流路２０を流通する空気は、循環水ヒータ４０を介して昇温される。昇温された空気は、酸化剤ガス供給流路２０を流通することにより、エアフィルタ５０、流量計５２及びエアポンプ５４を通って燃料電池モジュール１２に供給され、前記燃料電池モジュール１２を昇温させる。一方、電装ユニット５８を冷却することにより昇温された空気は、酸化剤ガス供給流路２０に合流した後、燃料電池モジュール１２に供給される。
【００５１】
次に、ステップＳ７に進んで、燃料電池モジュール１２は、運転可能状態であるか否か、すなわち、所望の発電可能温度まで昇温したか否かが判断される。燃料電池モジュール１２が、運転可能状態であると判断されると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、ステップＳ８に進んで、定常運転が開始される。
【００５２】
燃料電池モジュール１２の定常運転時には、前記燃料電池モジュール１２に、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料が供給される。改質水タンク３２内の改質水は、改質水ポンプ３０の作用下に、イオン交換器３４を通って改質水循環流路２８から蒸発器２６に供給され、水蒸気が得られる。
【００５３】
このため、水蒸気改質器２４では、原燃料と水蒸気との混合燃料が水蒸気改質され、Ｃ2+の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガス（燃料ガス）が得られる。この改質ガスは、燃料電池スタック２２に供給される。従って、改質ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする燃料ガスは、アノード電極（図示せず）に供給される。
【００５４】
一方、燃料電池モジュール１２に供給された空気は、燃料電池スタック２２に導入され、図示しないカソード電極に供給される。これにより、燃料電池スタック２２では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。
【００５５】
次いで、ステップＳ９に進んで、改質水室３６の内部温度が、設定温度Ｔ℃（例えば、５℃）以下であるか否かが判断される。改質水室３６の内部温度が、設定温度Ｔ℃以下であると判断されると（ステップＳ９中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０及びステップＳ１１に進む。
【００５６】
ステップＳ１０では、循環水ヒータ４０がオンされるとともに、ステップＳ４では、三方弁４６が操作されて酸化剤ガス供給流路２０がバイパス流路４４に連通（開放）される。なお、ステップＳ１０とステップＳ１１とは、同時に行ってもよく、又は、ステップＳ１０の内容とステップＳ１１の内容とを入れ替えてもよい。
【００５７】
図５に示すように、燃料電池モジュール１２が運転されているため、この燃料電池モジュール１２からの電力は、電装ユニット５８に供給される。一方、系統電源５６から電装ユニット５８への電力供給は、停止される。電装ユニット５８から循環水ヒータ４０に供給される電力により、前記循環水ヒータ４０が駆動される。
【００５８】
制御ユニット６６は、電装ユニット５８から電力が供給されており、温度センサ６８からの温度信号に基づいて、三方弁４６を操作する。このため、循環水流路１８を循環する水及び酸化剤ガス供給流路２０を流通する空気は、循環水ヒータ４０を介して昇温される。なお、燃料電池モジュール１２から熱交換器１４には、排ガスが供給されており、前記排ガスの排熱との熱交換により循環水流路１８を循環する水が昇温される。
【００５９】
酸化剤ガス供給流路２０を流通する昇温された空気は、バイパス流路４４から改質水室３６を通って改質水ポンプ３０、改質水タンク３２及びイオン交換器３４を昇温させた後、前記酸化剤ガス供給流路２０に戻される。この空気は、電装ユニット５８を通って昇温された空気と混合され、エアフィルタ５０、流量計５２及びエアポンプ５４を通って燃料電池モジュール１２に供給され、前記燃料電池モジュール１２を昇温させる。
【００６０】
図２に示すように、改質水室３６の内部温度が、設定温度Ｔ℃を上回ると判断されると（ステップＳ９中、ＮＯ）、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、貯湯タンク１６内が所定の湯量で有るか否かが判断される。貯湯タンク１６内が所定の湯量で有ると判断された際（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１３及びステップＳ１４に進む。
【００６１】
ステップＳ１３では、循環水ヒータ４０がオフされるとともに、ステップＳ１４では、三方弁４６が操作されて酸化剤ガス供給流路２０がバイパス流路４４から遮断（閉塞）される。なお、ステップＳ１３とステップＳ１４とは、同時に行ってもよく、又は、ステップＳ１３の内容とステップＳ１４の内容とを入れ替えてもよい。
【００６２】
図６に示すように、燃料電池モジュール１２から電装ユニット５８に電力が供給されるとともに、前記燃料電池モジュール１２には、電装ユニット側酸化剤ガス供給流路６４のみから昇温された空気が供給される。また、循環水流路１８を循環する水は、熱交換器１４による熱交換処理により昇温維持され、貯湯タンク１６に貯留される。
【００６３】
図２に示すように、貯湯タンク１６内が所定の湯量で無いと判断された際（ステップＳ１２中、ＮＯ）、ステップＳ１５及びステップＳ１６に進む。ステップＳ１５では、循環水ヒータ４０がオンされるとともに、ステップＳ１６では、ステップＳ１４と同様に、三方弁４６が操作されて酸化剤ガス供給流路２０がバイパス流路４４から遮断（閉塞）される。なお、ステップＳ１５とステップＳ１６とは、同時に行ってもよく、又は、ステップＳ１５の内容とステップＳ１６の内容とを入れ替えてもよい。
【００６４】
図７に示すように、燃料電池モジュール１２から電装ユニット５８に電力が供給されるとともに、前記電装ユニット５８から循環水ヒータ４０に供給される電力により、前記循環水ヒータ４０が駆動される。このため、燃料電池モジュール１２には、循環水ヒータ４０により昇温された空気及び電装ユニット５８により昇温された空気が供給される。循環水流路１８では、循環水ヒータ４０により水が昇温されるとともに、熱交換器１４により水が昇温される。
【００６５】
さらに、ステップＳ１７に進んで、燃料電池モジュール１２の運転が終了されるか否かが判断される。燃料電池モジュール１２の運転が終了されると判断されることにより（ステップＳ１７中、ＹＥＳ）、燃料電池コージェネレーションシステム１０の運転制御が終了する。
【００６６】
この場合、本実施形態では、図１に示すように、燃料電池コージェネレーションシステム１０は、循環水流路１８上に循環水ヒータ４０を備えるとともに、酸化剤ガス供給流路２０の一部２０ａが、前記循環水ヒータ４０内に配設されている。このため、酸化剤ガス供給流路２０を流通する空気（酸化剤ガス）は、循環水ヒータ４０から受熱して昇温され、昇温された前記空気により、燃料電池モジュール１２を昇温させることができる。
【００６７】
従って、燃料電池モジュール１２の起動時間を良好に短縮させることが可能になる。しかも、空気の昇温は、循環水を昇温させるための循環水ヒータ４０により行うことができ、酸化剤ガス専用の昇温装置が不要になる。これにより、燃料電池コージェネレーションシステム１０は、効率的な発電運転を経済的に遂行することが可能になるという効果が得られる。
【００６８】
また、燃料電池モジュール１２は、水蒸気改質器２４を備える一方、燃料電池コージェネレーションシステム１０は、水蒸気を生成する改質水が貯留された改質水タンク３２を収容する改質水室３６を設けている。そして、酸化剤ガス供給流路２０は、途上に設けられた分岐点ＤＰで分岐し、改質水室３６を通って合流するバイパス流路４４を有している。
【００６９】
これにより、低温時に、循環水ヒータ４０により昇温された空気は、酸化剤ガス供給流路２０から分岐するバイパス流路４４に供給され、改質水室３６を通って前記酸化剤ガス供給流路２０に戻されている。このため、改質水室３６には、昇温された空気が流通するため、改質水の凍結を確実に防止することができる。しかも、改質水室３６の凍結防止ヒータやサーモスタッド等が不要になり、設備の小型化を図るとともに、コストダウンが容易に遂行され、経済的である。
【００７０】
さらに、分岐点ＤＰには、バイパス流路４４に空気の供給を許容する切替弁である三方弁４６が設けられている。従って、昇温された空気は、三方弁４６の切り替え操作を行うだけで、改質水室３６に容易且つ確実に供給され、改質水の凍結を可及的に抑制することが可能になる。
【００７１】
さらにまた、燃料電池コージェネレーションシステム１０は、電力を制御する電装ユニット５８を備えている。電装ユニット５８は、外部空気を取り込む吸気口６２と、前記電装ユニット５８内に取り込んだ空気を、酸化剤ガス供給流路２０を通って燃料電池モジュール１２に供給する電装ユニット側酸化剤ガス供給流路６４とを備えている。
【００７２】
これにより、電装ユニット５８内を流通する空気は、前記電装ユニット５８を冷却することにより昇温された後、燃料電池モジュール１２に供給されている。このため、専用の空気昇温装置が不要になり、経済的に構成されるとともに、容易に小型化を図ることができる。
【００７３】
また、本発明に係る起動方法によれば、燃料電池モジュール１２が起動されたと判断された際、改質水室３６の内部温度が、設定温度Ｔ℃以下であるか否かを判断している。そして、内部温度が設定温度Ｔ℃以下であると判断された際、循環水ヒータ４０をオンさせるとともに、バイパス流路４４を酸化剤ガス供給流路２０に開放させている。
【００７４】
このため、低温起動時には、昇温された空気が低温の改質水室３６を流通することができ、改質水の凍結を防止することが可能になる。しかも、循環水流路１８を流通する水は、循環水ヒータ４０により昇温され、貯湯タンク１６には、温水を貯留することができる。
【００７５】
さらに、この起動方法では、電力を制御する電装ユニット５８内に取り込んだ空気を、酸化剤ガス供給流路２０を通って燃料電池モジュール１２に供給している。従って、専用の空気昇温装置が不要になり、経済的に構成されるとともに、容易に小型化を図ることができる。
【００７６】
さらにまた、本発明に係る運転方法によれば、燃料電池モジュール１２が定常運転されたと判断された際、改質水室３６の内部温度が設定温度Ｔ℃以下であるか否かを判断している。そして、内部温度が設定温度Ｔ℃以下であると判断された際、循環水ヒータ４０をオンさせるとともに、バイパス流路４４を酸化剤ガス供給流路２０に開放させている。
【００７７】
これにより、低温運転時には、昇温された空気が低温の改質水室３６を流通することができ、改質水の凍結を防止することが可能になる。しかも、循環水流路１８を流通する水は、循環水ヒータ４０により昇温され、貯湯タンク１６には、温水を貯留することができる。
【００７８】
また、この運転方法では、改質水室３６の内部温度が設定温度Ｔ℃以下でないと判断された際、貯湯タンク１６内が所定の湯量で有るか否かを判断している。その際、貯湯タンク１６内が所定の湯量で有ると判断された際、循環水ヒータ４０をオフさせるとともに、バイパス流路４４を酸化剤ガス供給流路２０から閉塞させている。このため、熱交換器１４では、貯湯タンク１６から排出された水が、燃料電池モジュール１２から排出される排熱により昇温され、前記貯湯タンク１６の温水を維持することが可能になる。
【００７９】
一方、貯湯タンク１６内が所定の湯量で無いと判断された際、循環水ヒータ４０をオンさせるとともに、バイパス流路４４を酸化剤ガス供給流路２０から閉塞させている。従って、循環水流路１８を循環する水は、循環水ヒータ４０により昇温されるため、貯湯タンク１６に温水を貯留することができる。
【００８０】
さらに、この運転方法では、電力を制御する電装ユニット５８内に取り込んだ空気を、酸化剤ガス供給流路２０を通って燃料電池モジュール１２に供給している。これにより、専用の空気昇温装置が不要になり、経済的に構成されるとともに、容易に小型化を図ることが可能になる。
【符号の説明】
【００８１】
１０…燃料電池コージェネレーションシステム
１２…燃料電池モジュール                  １４…熱交換器
１６…貯湯タンク                          １８…循環水流路
２０…酸化剤ガス供給流路                  ２２…燃料電池スタック
２４…水蒸気改質器                        ２６…蒸発器
２８…改質水循環流路                      ３０…改質水ポンプ
３２…改質水タンク                        ３４…イオン交換器
３６…改質水室                            ３８…排ガス流路
４０…循環水ヒータ                        ４２…循環水ポンプ
４４…バイパス流路                        ４６…三方弁
４８…逆止弁                              ５６…系統電源
５８…電装ユニット                        ６０…ファン
６２…吸気口
６４…電装ユニット側酸化剤ガス供給流路
６６…制御ユニット                        ６８…温度センサ
【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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