(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、貯湯槽を包含する排熱回収水循環系と、該排熱回収水循環系と燃料電池の排ガスラインに介装され排ガスラインを流れる燃料電池の排ガスが保有する熱量を排熱回収水循環系を流れる排熱回収水に投入する熱交換器とを有し、貯湯槽とは上水及び給湯需要に連通しており、上水を貯湯槽へ供給するラインから分岐して貯湯槽をバイパスするラインと、熱交換器から貯湯槽に連通するラインから分岐して排ガスラインに合流するラインとを有し、上水が貯湯槽を経由して流れるラインと分岐して貯湯槽をバイパスするラインとを切り換える上流側切換手段と、熱交換器から貯湯槽に連通するラインと排ガスラインに合流するラインとを切り換える下流側切換手段とを有することを特徴とするコジェネレーションシステム。
【請求項２】
前記上流側切換手段及び下流側切換手段は、貯湯槽が蓄熱可能な状態では、上流側切換手段は上水が貯湯槽を経由して流れるライン側に切り換わり、下流側切換手段が熱交換器から貯湯槽に連通するライン側に切り換わり、貯湯槽が蓄熱出来ない状態では、上流側切換手段が貯湯槽をバイパスするライン側に切り換わり、下流側切換手段が排ガスラインに合流するライン側に切り換わる様に構成されている請求項１のコジェネレーションシステム。
【請求項３】
貯湯槽の蓄熱量を計測する計測装置と、制御装置とを有しており、制御装置は、計測装置により貯湯槽が蓄熱可能な状態であることが計測された場合は、上流側切換手段を上水が貯湯槽を経由して流れるライン側に切り換えると共に、下流側切換手段から貯湯槽に連通するライン側に切り換え、計測装置により貯湯槽が蓄熱出来ない状態であることが計測された場合は、上流側切換手段を貯湯槽をバイパスするライン側に切り換えると共に、下流側切換手段を排ガスラインに合流するライン側に切り換える制御を行う様に構成されている請求項１、請求項２の何れか１項のコジェネレーションシステム。
【請求項４】
燃料電池と、貯湯槽を包含する排熱回収水循環系と、該排熱回収水循環系と燃料電池の排ガスラインに介装され排ガスラインを流れる燃料電池の排ガスが保有する熱量を排熱回収水循環系を流れる排熱回収水に投入する第１の熱交換器とを有し、排ガスラインにおける第１の熱交換器よりも燃料電池側の領域には第２の熱交換器が介装されており、第２の熱交換器は、熱交換をする流体同士が直接接触する様に構成されており、上水を貯湯槽へ供給するラインから分岐して第２の熱交換器の内部に到達する上水ラインが設けられており、該上水ラインの第２の熱交換器側の端部は上水もしくは水蒸気を第２の熱交換器内に散布する様に構成されており、貯湯槽へ上水を供給するラインと第２の熱交換器の内部に到達する上水ラインとを切り換える切換手段が設けられていることを特徴とするコジェネレーションシステム。
【請求項５】
前記切換手段は、貯湯槽が蓄熱可能な状態では、貯湯槽へ上水を供給するライン側に切り換わり、貯湯槽が蓄熱出来ない状態では、第２の熱交換器の内部に到達する上水ライン側に切り換わる様に構成されている請求項４のコジェネレーションシステム。
【請求項６】
貯湯槽の蓄熱量を計測する計測装置と、制御装置とを有しており、制御装置は、計測装置により貯湯槽が蓄熱可能な状態であることが計測された場合は、前記切換手段を貯湯槽へ上水を供給するライン側に切り換え、計測装置により貯湯槽が蓄熱出来ない状態であることが計測された場合は、第２の熱交換器の内部に到達する上水ライン側に切り換える制御を行う様に構成されている請求項４、請求項５の何れかのコ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、熱電併給システム（コジェネレーションシステム）に関し、特に、熱電併給源として燃料電池を用い、貯湯槽を有するタイプのコジェネレーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
貯湯槽を備えたコジェネレーションシステムが種々提案されている。
図９は、そのような貯湯槽を有する燃料電池コジェネレーションシステムの従来技術の一例を、模型的に表現している。
【０００３】
図９において、全体を符号１００で示すコジェネレーションシステムは、燃料電池装置１と、貯湯槽２と、排熱回収用気液熱交換器３とを備えている。燃料電池装置１は、いわゆる「セル（ＣＥＬＬ）」のみではなく、冷却機構や水蒸気改質装置等、燃料電池の運転に必要な各種機器を包含している。
【０００４】
貯湯槽２と、排熱回収用気液熱交換器３とは、循環流路Ｌ２〜Ｌ４で接続されている。
貯湯槽２には、上水供給ラインＬ１と、給湯ラインＬ５とが接続されている。上水供給ラインＬ１は図示しない上水源（水道本管）に連通しており、給湯ラインＬ５は図示しない給湯需要（風呂張り用蛇口、その他の給湯施設）に連通している。
燃料電池装置１の排ガス流路Ｌｈは、排熱回収用気液熱交換器３を経由しており、燃料電池装置１の排ガスが保有する熱量を、循環流路のラインＬ３を流れる冷却水に投入している。
【０００５】
排熱回収用気液熱交換器３において、排ガス流路Ｌｈを流れる燃料電池装置１の排ガスが保有する熱量（燃料電池装置１の排熱）を、循環流路Ｌ２〜Ｌ４を流れる冷却水に対して投入することにより、燃料電池装置１の排熱を回収する。
換言すれば、排ガス流路Ｌｈを流れる燃料電池装置１の排ガスと、循環流路Ｌ２〜Ｌ４を流れる冷却水とが、排熱回収用気液熱交換器３において熱交換を行うことにより、燃料電池装置１の排熱を有効に利用できるのである。
排熱回収用気液熱交換器３で燃料電池装置１の排熱を投入された冷却水は、その熱量を貯湯槽２で蓄熱する。そして、貯湯槽２から給湯ラインＬ５を介して、給湯需要に温水（熱湯）が供給される。
【０００６】
ここで、貯湯槽２内で、それ以上蓄熱出来ない状態（いわゆる「満タン」状態）になると、循環流路Ｌ２〜Ｌ４を流れる冷却水に燃料電池装置１の排熱を投入することが出来なくなり、燃料電池装置１が冷却出来なくなる。また、燃料電池装置１に流れる冷却水温度が或るしきい値より高くなると、改質器に供給する水蒸気を燃料電池装置１内にて自立させることが出来なくなる場合もある。
そのため、図９で示す様な従来の貯湯槽を有する燃料電池コジェネレーションシステムでは、貯湯槽２が熱的に「満タン」の状態（以下、「満タン」と記載する）になると、燃料電池装置１の運転を停止しなければならなかった。
【０００７】
特に、高温作動型燃料電池では、起動や停止において多大なエネルギーと動作時間を必要とするので、長期間に亘って連続して運転をしたいという要請がある。貯湯槽２が満タンになれば燃料電池装置１の運転を停止することは、係る要請（連続運転の要請）に反してしまう。
【０００８】
これに対して、従来技術において、貯湯槽を有する排熱回収水（冷却水）の循環系統に放熱手段を設け、排熱回収水の温度が高い場合でも、放熱手段から放熱することにより、貯湯槽を満タン状態にすることを防止して、燃料電池装置の連続的な運転を可能とする燃料電池の熱回収装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００９】
しかし、係る従来技術（特許文献１）では、放熱管を設置するスペース及び環境を確保する必要がある。すなわち、地中に放熱管が延ばせない、或は、スペース等の問題を有する集合住宅等においては、設置の際の制約条件となってしまう。
また、放熱管による放熱効果を維持させるため、燃料電池の出力を抑えて、必要放熱量を低減させる運転制御を行う必要がある。
さらに、固体酸化物形燃料電池のように、連続運転をベースとするシステムにおいては、発電運転を継続するにあたって、季節の影響を受けてしまうという問題を有している。例えば夏場においては放熱量が減少するので、発電運転の継続が困難になってしまう。
【特許文献１】特開２００５−６３６７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、貯湯槽を有するコジェネレーションシステムであって、貯湯槽が満タンになっても運転を継続することが出来て、しかも、別途冷却手段を設ける必要が無いコジェネレーションシステムの提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のコジェネレーションシステムは、燃料電池（燃料電池装置１）と、貯湯槽（２）を包含する排熱回収水循環系（冷却水循環系Ｌ１３〜Ｌ１５）と、該排熱回収水循環系（Ｌ１３〜Ｌ１５）と燃料電池（１）の排ガスライン（Ｌｈ１〜Ｌｈ３）に介装され排ガスライン（Ｌｈ２）を流れる燃料電池（１）の排ガスが保有する熱量を、排熱回収水循環系（Ｌ１４）を流れる排熱回収水に投入する熱交換器（排熱回収用気液熱交換器３）とを有し、貯湯槽（２）は上水及び給湯需要に連通しており、上水を貯湯槽（２）へ供給するライン（Ｌ１１）から（分岐点Ｂ１で）分岐して貯湯槽（２）をバイパスするライン（バイパスラインＬ１２）と、熱交換器（排熱回収用気液熱交換器３）から貯湯槽（２）に連通するライン（冷却水ラインＬ１４）から（分岐点Ｂ２で）分岐して排ガスラインに合流（Ｇ２）するライン（Ｌ１７）とを有し、上水が貯湯槽（２）を経由して流れるライン（Ｌ１１、Ｌ１３）と（分岐点Ｂ１で）分岐して貯湯槽をバイパスするライン（バイパスラインＬ１２）とを切り換える上流側切換手段（開閉弁Ｖ１、Ｖ４、三方弁Ｖ５）と、熱交換器（排熱回収用気液熱交換器３）から貯湯槽（２）に連通するライン（冷却水ラインＬ１５）と（分岐点Ｂ２で分岐して）排ガスラインに合流（Ｇ２）するライン（Ｌ１７）とを切り換える下流側切換手段（開閉弁Ｖ２、Ｖ３、三方弁Ｖ６）とを有している（請求項１：図１、図３）。
【００１２】
ここで、前記上流側切換手段（開閉弁Ｖ１、Ｖ４、三方弁Ｖ５）及び下流側切換手段（開閉弁Ｖ２、Ｖ３、三方弁Ｖ６）は、貯湯槽（２）が蓄熱可能な状態（満タンではない状態）では、上流側切換手段（開閉弁Ｖ１、Ｖ４、三方弁Ｖ５）は上水が貯湯槽（２）を経由して流れるライン（Ｌ１１、Ｌ１３）側に切り換わり、下流側切換手段（開閉弁Ｖ２、Ｖ３、三方弁Ｖ６）が熱交換器（排熱回収用気液熱交換器３）から貯湯槽（２）に連通するライン（冷却水ラインＬ１５）側に切り換わり、貯湯槽（２）が蓄熱出来ない状態（満タンの状態）では、上流側切換手段（開閉弁Ｖ１、Ｖ４、三方弁Ｖ５）が貯湯槽（２）をバイパスするライン（バイパスラインＬ１２）側に切り換わり、下流側切換手段（開閉弁Ｖ２、Ｖ３、三方弁Ｖ６）が（分岐点Ｂ２で分岐して）排ガスラインに合流（Ｇ２）するライン（Ｌ１７）側に切り換わる様に構成されているのが好ましい（請求項２）。
【００１３】
本発明において、貯湯槽（２）の蓄熱量を計測する計測装置（温度センサ２１）と、制御装置（コントロールユニット１０）とを有しており、制御装置（１０）は、計測装置（２１）により貯湯槽（２）が蓄熱可能な状態（満タンではない状態）であることが計測された場合（温度センサ２１の計測結果がしきい値以下の場合）は、上流側切換手段（開閉弁Ｖ１、Ｖ４、三方弁Ｖ５）を上水が貯湯槽（２）を経由して流れるライン（Ｌ１１、Ｌ１３）側に切り換えると共に、下流側切換手段（開閉弁Ｖ２、Ｖ３、三方弁Ｖ６）を熱交換器（排熱回収用気液熱交換器３）から貯湯槽（２）に連通するライン（冷却水ラインＬ１５）側に切り換え、計測装置（２１）により貯湯槽（２）が蓄熱出来ない状態（満タンの状態）であることが計測された場合（温度センサ２１の計測結果がしきい値よりも高温の場合）は、上流側切換手段（開閉弁Ｖ１、Ｖ４、三方弁Ｖ５）を貯湯槽（２）をバイパスするライン（バイパスラインＬ１２）側に切り換えると共に、下流側切換手段（開閉弁Ｖ２、Ｖ３、三方弁Ｖ６）を（分岐点Ｂ２で分岐して）排ガスラインに合流（Ｇ２）するライン（Ｌ１７）側に切り換える制御を行う様に構成されているのが好ましい（請求項３）。
【００１４】
上述した本発明のコジェネレーション装置（請求項１〜３の何れか１項のコジェネレーション装置）を制御する制御方法は、貯湯槽（２）の蓄熱量を計測する計測工程（Ｓ１）と、計測工程（Ｓ１）における計測結果から貯湯槽（２）が蓄熱可能な状態（満タンではない状態）であるか或いは蓄熱出来ない状態（満タンの状態）であるかを判定する判定工程（Ｓ２）と、判定工程（Ｓ２）で貯湯槽（２）が蓄熱可能な状態（満タンではない状態）であることが計測された場合（温度センサ２１の計測結果がしきい値以下の場合）に、上流側切換手段（開閉弁Ｖ１、Ｖ４、三方弁Ｖ５）を上水が貯湯槽を経由して流れるライン（Ｌ１１、Ｌ１３）側に切り換えると共に、下流側切換手段（開閉弁Ｖ２、Ｖ３、三方弁Ｖ６）を熱交換器（排熱回収用気液熱交換器３）から貯湯槽（２）に連通するライン（冷却水ラインＬ１５）側に切り換える工程（Ｓ７）と、判定工程（Ｓ２）で計測装置（２１）により貯湯槽（２）が蓄熱出来ない状態（満タンの状態）であることが計測された場合（温度センサ２１の計測結果がしきい値よりも高温の場合）に、上流側切換手段（開閉弁Ｖ１、Ｖ４、三方弁Ｖ５）を貯湯槽（２）をバイパスするライン（バイパスラインＬ１２）側に切り換えると共に、下流側切換手段（開閉弁Ｖ２、Ｖ３、三方弁Ｖ６）を（分岐点Ｂ２で分岐して）排ガスラインに合流（Ｇ２）するライン（Ｌ１７）側に切り換える工程（Ｓ４）とを有するのが好ましい（図２）。
【００１５】
また、本発明のコジェネレーションシステムは、燃料電池（燃料電池装置１）と、貯湯槽（２）を包含する排熱回収水循環系（冷却水循環系Ｌ１３〜Ｌ１５）と、該排熱回収水循環系（Ｌ１３〜Ｌ１５）と燃料電池（１）の排ガスライン（Ｌｈ１〜Ｌｈ３）に介装され排ガスライン（Ｌｈ２）を流れる燃料電池（１）の排ガスが保有する熱量を排熱回収水循環系（Ｌ１４）を流れる排熱回収水に投入する第１の熱交換器（排熱回収用気液熱交換器３）とを有し、排ガスライン（Ｌｈ１〜Ｌｈ３）における第１の熱交換器（排熱回収用気液熱交換器３）よりも燃料電池（１）側の領域には第２の熱交換器（放熱用熱交換器５）が介装されており、第２の熱交換器（５）は、熱交換をする流体同士が直接接触する様に構成されており、上水を貯湯槽（２）へ供給するライン（Ｌ１１）から（分岐点Ｂ５で）分岐して第２の熱交換器（放熱用熱交換器５）の内部に到達する上水ライン（Ｌ２１）が設けられており、該上水ライン（Ｌ２１）の第２の熱交換器（放熱用熱交換器５）側の端部（Ｌ２１２）は上水もしくは水蒸気を第２の熱交換器（放熱用熱交換器５）内に散布（或いは噴射）する様に構成されており、貯湯槽（２）へ上水を供給するライン（Ｌ１１）と第２の熱交換器（放熱用熱交換器５）の内部に到達する上水ライン（Ｌ２１）とを切り換える切換手段（開閉弁Ｖ７、Ｖ８、分岐点Ｂ５における三方弁）が設けられていることを特徴としている（請求項４：図４）。
【００１６】
ここで、前記切換手段（開閉弁Ｖ７、Ｖ８、分岐点Ｂ５における三方弁）は、貯湯槽（２）が蓄熱可能な状態（満タンではない状態）では、貯湯槽（２）へ上水を供給するライン（Ｌ１１）側に切り換わり、貯湯槽（２）が蓄熱出来ない状態（満タンの状態）では、第２の熱交換器（放熱用熱交換器５）の内部に到達する上水ライン（Ｌ２１）側に切り換わる様に構成されているのが好ましい（請求項５）。
【００１７】
本発明において、貯湯槽の蓄熱量を計測する計測装置（温度センサ２１）と、制御装置（コントロールユニット１０）とを有しており、制御装置（１０）は、計測装置（２１）により貯湯槽（２）が蓄熱可能な状態（満タンではない状態）であることが計測された場合（温度センサ２１の計測結果がしきい値以下の場合）は、前記切換手段（開閉弁Ｖ７、Ｖ８、分岐点Ｂ５における三方弁）を貯湯槽（２）へ上水を供給するライン（Ｌ１１）側に切り換え、計測装置（２１）により貯湯槽（２）が蓄熱出来ない状態（満タンの状態）であることが計測された場合（温度センサ２１の計測結果がしきい値よりも高温の場合）は、第２の熱交換器（放熱用熱交換器５）の内部に到達する上水ライン（Ｌ２１）側に切り換える制御を行う様に構成されているのが好ましい（請求項６）。
【００１８】
上述した本発明のコジェネレーション装置（請求項４〜６の何れか１項のコジェネレーション装置）を制御する制御方法は、貯湯槽（２）の蓄熱量を計測する計測工程（Ｓ１１）と、計測工程（Ｓ１１）における計測結果から貯湯槽（２）が蓄熱可能な状態（満タンではない状態）であるか或いは蓄熱出来ない状態（満タンの状態）であるかを判定する判定工程（Ｓ１２）と、判定工程（Ｓ１２）で貯湯槽（２）が蓄熱可能な状態（満タンではない状態）であることが計測された場合（温度センサ２１の計測結果がしきい値以下の場合）に前記切換手段（開閉弁Ｖ７、Ｖ８、分岐点Ｂ５における三方弁）を貯湯槽（２）へ上水を供給するライン（Ｌ１１）側に切り換える工程（Ｓ１７）と、判定工程（Ｓ１２）で貯湯槽（２）が蓄熱出来ない状態（満タンの状態）であることが計測された場合（温度センサ２１の計測結果がしきい値よりも高温の場合）に前記切換手段（開閉弁Ｖ７、Ｖ８、分岐点Ｂ５における三方弁）を第２の熱交換器（放熱用熱交換器５）の内部に到達する上水ライン（Ｌ２１）側に切り換える工程とを有するのが好ましい（図５）。
【発明の効果】
【００１９】
上述する構成を具備する本発明によれば、貯湯槽（２）が満タンになっていない場合（開閉弁Ｖ１、Ｖ２を開放、開閉弁Ｖ３、Ｖ４を閉鎖）には、貯湯槽（２）を含む循環系（Ｌ１３〜Ｌ１５）を流れる冷却水により、燃料電池装置（１）を冷却するが、貯湯槽（２）が満タンになった場合（開閉弁Ｖ１、Ｖ２を閉鎖、開閉弁Ｖ３、Ｖ４を開放）には、上水が貯湯槽（２）をバイパスして、熱交換器（排熱回収用気液熱交換器３）に直接供給されて燃料電池装置（１）を冷却し、燃料電池装置（１）の排熱が投入された上水が排ガスラインに合流する様にせしめている。
その結果、貯湯槽（２）に冷却水が出入りしない状態（いわゆる「縁切り」した状態）で、燃料電池装置（１）は上水により冷却されるので、貯湯槽（２）が満タンになったとしても、燃料電池装置（１）の運転を続行することが出来る。
【００２０】
ここで、本発明によれば、特別な放熱手段を別途設ける必要が無い。そのため、係る特別な放熱手段の設置スペースを必要としないので、スペース的な余裕が少ない集合住宅においても、本発明を適用可能となる。
また、放熱手段から常時放熱することが無いので、発電出力の効率が低下してしまうことも無い。
自然冷却による放熱手段を使用する必要が無いので、季節により放熱能力が変動してしまうことも無い。
【００２１】
本発明において、熱交換をする流体同士が直接接触する様に構成され、且つ、上水ライン（Ｌ２１）の第２の熱交換器（放熱用熱交換器５）側の端部（Ｌ２１２）から上水が内部へ散布される様に構成された第２の熱交換器（放熱用熱交換器５）を有するのであれば（請求項４）、貯湯槽（２）が満タンになった場合に、（ラインＬ２１を介して）上水を第２の熱交換器（放熱用熱交換器５）内部で散布（噴射）することにより、第２の熱交換器（放熱用熱交換器５）内では、噴射された上水が燃料電池装置（１）の排ガスと直接接触して、直ちに気化して水蒸気となり、その際に、燃料電池装置（１）の排ガスから気化熱を奪って降温せしめる。
そして、燃料電池装置（１）の排ガスは気化熱を奪われて降温しているので、係る排ガスと水蒸気との混合気が第１の熱交換器（排熱回収用気液熱交換器３）を流れる際に、貯湯槽（２）を包含する循環系（Ｌ１３〜Ｌ１５）を流れる冷却水を加温しない。そのため、燃料電池（１）の運転を続行しても、貯湯槽（２）に熱が供給されることが無い。すなわち、貯湯槽（２）が満タンになっても、燃料電池（１）の運転を続行することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付した図１〜図８を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１〜図８において、図９で示すのと同様な部材には、同様な符号が付されている。
【００２３】
最初に、図１、図２を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。
図１において、全体を符号１０１で示す燃料電池コジェネレーションシステムは、燃料電池装置１と、貯湯槽２を有する循環流路（ラインＬ１３〜Ｌ１５）と、排熱回収用気液熱交換器３とを有している。この点では、従来技術の図９と同様である。
ここで、燃料電池装置１は、セルのみではなく、熱電併給運転に必要な各種機器を包含している。
【００２４】
排熱回収用気液熱交換器３は、排ガス流路（ラインＬｈ１２）を流れる燃料電池装置１の排ガスと、貯湯槽２を有する循環流路（ラインＬ１４）を流れる冷却水とが、熱交換を行う様に構成されている。そして、排熱回収用気液熱交換器３は、燃料電池装置１の排ガスと熱交換することにより、燃料電池装置１の排熱を有効に利用する作用を奏する。
【００２５】
図１において、上水側から貯湯槽２に連通する上水ラインＬ１１には、第１の分岐点Ｂ１が設けられている。ここで上水は、冷却水の供給源である。
第１の分岐点Ｂ１において、上水ラインＬ１１から、バイパスラインＬ１２が分岐している。このバイパスラインＬ１２は、貯湯槽２をバイパスして、第１の合流点Ｇ１で冷却水ラインＬ１３と合流している。
冷却水ラインＬ１３は、貯湯槽２から出て、排熱回収用気液熱交換器３に連通するラインである。冷却水ラインＬ１３の内部には、燃料電池装置１を冷やすための冷却水が流れている。
【００２６】
合流点Ｇ１で合流したバイパスラインＬ１２と冷却水ラインＬ１３は、冷却水ラインＬ１４となる。冷却水ラインＬ１４は、排熱回収用気液熱交換器３に連通し、排熱回収用気液熱交換器３を通過し、第２の分岐点Ｂ２に向う。
冷却水ラインＬ１３には開閉弁Ｖ１が介装されており、バイパスラインＬ１２には開閉弁Ｖ４が介装されている。
【００２７】
冷却水ラインＬ１４は、第２の分岐点Ｂ２において、冷却水ラインＬ１５とラインＬ１７とに分岐する。冷却水ラインＬ１５は、貯湯槽２へ連通している。そして、ラインＬ１７は、排ガスラインＬｈ１との合流点Ｇ２に連通している。
冷却水ラインＬ１５には開閉弁Ｖ２が介装されており、排ガスラインと合流するラインＬ１７には開閉弁Ｖ３が介装されている。
【００２８】
貯湯槽２には、貯蔵された冷却水温度を計測するための温度センサ２１が設けられている。温度センサ２１は、信号伝達ラインＳｉにより、制御装置１０と接続している。
冷却水ラインＬ１３に介装されている開閉弁Ｖ１は、信号伝達ラインＳｏ１により、制御装置１０と接続している。
冷却水ラインＬ１５に介装されている開閉弁Ｖ２は、信号伝達ラインＳｏ２により、制御装置１０と接続している。
ラインＬ１７に介装されている開閉弁Ｖ３は、信号伝達ラインＳｏ３により、制御装置１０と接続している。
冷却水ラインＬ１２に介装されている開閉弁Ｖ４は、信号伝達ラインＳｏ４により、制御装置１０と接続している。
【００２９】
燃料電池装置１の排ガスラインは、ラインＬｈ１とラインＬｈ２とラインＬｈ３とで構成されている。
ラインＬｈ１は、燃料電池１と排熱回収用気液熱交換器３とを接続している。
ラインＬｈ２は、図１では１本のラインとして示しているが、特に有形のラインが存在するのではなく、排熱回収用気液熱交換器３の内部全体がラインＬｈ２を構成している。
ラインＬｈ３は、排熱回収用気液熱交換器３から出るラインであり、例えば図示しない排ガス処理装置に連通している。
【００３０】
図１において、ラインＬｈ２の分岐点Ｂ３で、ドレン回収ラインＬｗ１が分岐しており、ドレン回収ラインＬｗ１は水処理装置４に連通している。実際は、ドレン回収ラインＬｗ１は、排熱回収用気液熱交換器３に設けた図示しないドレンポートに接続されている。
排ガスラインＬｈ２を流れる燃料電池装置１の排ガスは、排熱回収用気液熱交換器３により、降温する。また、開閉弁Ｖ３が開放している場合には、燃料電池装置１の排ガスは、ラインＬ１７を介して排ガスラインＬｈ１に合流する冷却水により降温する。
排ガスが降温して、水蒸気が凝縮したならば、凝縮水（ドレン）はドレン回収ラインＬｗ１により水処理装置４に送られる。
水処理装置４は、改質用水供給ラインＬｗ２を介して、燃料電池装置１内の図示しない水蒸気改質装置と連通している。
ドレン回収ラインＬｗ１、水処理装置４、改質用水供給ラインＬｗ２を設けることにより、排ガス中に含まれる水蒸気を、燃料電池装置１内の水蒸気改質装置（図示せず）に供給して、水蒸気改質に使用することが出来る。
【００３１】
次に、主として図２を参照して、図１で示す第１実施形態の制御について説明する。
図２において、先ず、貯湯槽２に取付けられた温度センサ２１によって、貯湯槽２内の湯温Ｔ２を計測する（ステップＳ１）。次のステップＳ２では、制御手段１０は、湯温Ｔ２がしきい値を超えているか否かを判断する。
ここで、しきい値については、使用条件や設置条件、仕様、その他により、ケース・バイ・ケースに決定される。
湯温Ｔ２がしきい値を超えていれば（ステップＳ２がＹＥＳ）、ステップＳ３に進み、湯温Ｔ２がしきい値を超えていなければ（ステップＳ２がＮＯ）、ステップＳ６に進む。
【００３２】
ステップＳ３では、制御手段１０は、貯湯槽２は「満タンである」と判断し、開閉弁Ｖ１、Ｖ２を閉鎖し、開閉弁Ｖ３、Ｖ４を開放し（ステップＳ４）、ステップＳ５に進む。
貯湯槽２が「満タンである」と判断された場合、上水は貯湯槽２をバイパスして、直接冷却水ラインＬ１４を流れ、排熱回収容器液熱交換装置３において燃料電池装置１の排ガスを冷却し、以って、燃料電池装置を冷却する。
それに加えて、上水はラインＬ１７を経由して、排ガスラインＬｈ１に混合され、直接排気ガスを冷却する。これにより、燃料電池装置はさらに冷却される。
ステップＳ４で示す弁開閉制御を行うことにより、上水が貯湯槽２をバイパスして、排熱回収用気液熱交換器３に直接供給されて燃料電池装置１を冷却し、燃料電池装置１の排熱が投入された上水は、排ガスラインＬｈ１に合流する。すなわち、貯湯槽２には冷却水が出入りしない状態（いわゆる「縁切り」した状態）で、燃料電池装置１を冷却することが出来る。その結果、貯湯槽２が満タンになったとしても、燃料電池装置１の運転を続行することが出来るのである。
【００３３】
ステップＳ６では、制御手段１０は、貯湯槽２は「満タンではない」と判断し、開閉弁Ｖ１、Ｖ２を開放し、開閉弁Ｖ３、Ｖ４を閉鎖し（ステップＳ７）、ステップＳ５に進む。
貯湯槽２が「満タンではない」と判断された場合、上水はバイパスラインＬ１２を流過せず、上水ラインＬ１１を流れて貯湯槽２へ流入する。一方、貯湯槽２の温水は、貯湯槽２及び排熱回収容器液熱交換装置３を有する冷却水循環流路Ｌ１３、Ｌ１４、Ｌ１５を循環する。そして冷却水は、循環流路Ｌ１３、Ｌ１４、Ｌ１５を循環している間に、排熱回収容器液熱交換装置３において、燃料電池装置１の排ガスと熱交換を行う。
換言すれば、ステップＳ６、Ｓ７においては、図９の従来技術と同様な制御が為される。
【００３４】
ステップＳ５において、制御手段１０は、燃料電池１を停止するのか否かを判断する。
燃料電池１を停止するのであれば（ステップＳ５がＹＥＳ）、制御を終了する。
一方、燃料電池１を停止しないのであれば（ステップＳ５がＮＯ）、ステップＳ１に戻り、ステップＳ１以降を繰り返す。
【００３５】
分岐点Ｂ３において排ガスラインＬｈ２から分岐して、水処理装置４に連通するドレン回収ラインＬｗ１を流れる排ガスの流量制御については、図１の実施形態とは別個に行われる。換言すれば、水処理装置４に連通するドレン回収ラインＬｗ１を流れる排ガスの流量制御は、図２とは別個の図示しない制御ルーチンによって行われる。
【００３６】
図１、図２の第１実施形態によれば、貯湯槽２が満タンになっていない場合には、開閉弁Ｖ１、Ｖ２を開放し、開閉弁Ｖ３、Ｖ４を閉鎖し、以って、貯湯槽２を含む循環系を流れる冷却水により、燃料電池装置１を冷却する。
一方、貯湯槽２が満タンになった場合には、開閉弁Ｖ１、Ｖ２を閉鎖し、開閉弁Ｖ３、Ｖ４を開放する。そのように開閉制御すれば、上水が貯湯槽２をバイパスして、排熱回収用気液熱交換器３に直接供給されて燃料電池装置１を冷却し、燃料電池装置１の排熱が投入された上水は、排ガスラインＬｈ１に合流する。その結果、貯湯槽２に冷却水が出入りしない状態（いわゆる「縁切り」した状態）で、燃料電池装置１を冷却することが出来るので、貯湯槽２が満タンになったとしても、燃料電池装置１の運転を続行することが出来る。
【００３７】
満タン時において、給湯需要があれば、貯湯槽２から温水が供給される。温水を供給した結果、貯湯槽２に上水が供給されれば、貯湯槽２の温水温度は低下して、満タンではなくなる。
【００３８】
排熱回収用気液熱交換器３で燃料電池装置１を冷却した上水は、排ガスラインＬｈ１に合流することにより直ちに気化する。その結果、排ガス温度が低下すると共に、排ガスに含有される水蒸気量が増加し、水蒸気改質処理にも寄与する。
【００３９】
図１、図２の第１実施形態によれば、特別な放熱手段を別途設ける必要が無いので、設置スペースを必要とせず、集合住宅にも設置可能である。また、放熱手段から常時放熱することが無いので、発電出力の効率が低下してしまうことも無い。さらに、自然冷却ではないので、季節の影響を受けることも無い。
【００４０】
図３は、図１、図２で示す第１実施形態の変形例（システム全体に符号１０１Ａを付す）を示している。
図１では、上水が流れるラインＬ１１を、バイパスラインＬ１２と冷却水ラインＬ１３とに切り換えるに際して、開閉弁Ｖ１と開閉弁Ｖ４を開閉制御している。
それに対して、図３の変形例では、第１の三方弁Ｖ５により、バイパスラインＬ１２と冷却水ラインＬ１３とを切り換えている。
また、図１では、排熱回収用気液熱交換器３を経由した冷却水を貯湯槽２に戻す（冷却水ラインＬ１５）か、或いは、排ガスラインに合流される（ラインＬ１７）かを切り換えるに際して、開閉弁Ｖ２と開閉弁Ｖ３を開閉制御している。それに対して、図３の変形例では、第２の三方弁Ｖ６により、冷却水ラインＬ１５とラインＬ１７とを切り換えている。
【００４１】
図３の変形例におけるその他の構成及び作用効果については、図１、図２の第１実施形態と同様である。
【００４２】
図４、図５は、本発明の第２実施形態を示している。
図４において、第２実施形態に係る燃料電池コジェネレーションシステムは、全体が符号１０２で示されている。
図４の燃料電池コジェネレーションシステム１０２では、排熱回収用気液熱交換器（貯湯槽２を含む冷却水循環系Ｌ１３〜Ｌ１５を流れる冷却水に、燃料電池装置１の排熱を投入する熱交換器）３に加えて、燃料電池装置１の排ガスラインＬｈ１の上流側（燃料電池装置１側）に、放熱用熱交換器５を介装している。
【００４３】
図４において、上水供給ラインＬ１１には、上水供給ポンプ６が介装されている。
冷却水の供給源である上水側は、上水供給ポンプ６の下流の分岐点Ｂ５で、貯湯槽２に連通するラインＬ１１と、放熱用熱交換器５に連通するラインＬ２１とに分岐している。
ラインＬ１１において、貯湯槽２と分岐点Ｂ５との間の領域には、開閉弁Ｖ７が介装されている。そして、放熱用熱交換器５に連通するラインＬ２１には、開閉弁Ｖ８が介装されている。
開閉弁Ｖ７は、制御信号ラインＳｏ７によって、制御手段１０と接続されている。そして、開閉弁Ｖ８は、制御信号ラインＳｏ８によって、制御手段１０と接続されている。
【００４４】
明確には図示されていないが、貯湯槽２に連通するラインＬ１１と、放熱用熱交換器５に連通するラインＬ２１の各々に開閉弁を介装することに代えて、分岐点Ｂ５に三方弁を介装しても良い。
【００４５】
開閉弁Ｖ８が開放されている場合、ラインＬ２１を流れる上水は放熱用熱交換器５内に噴射される。
ラインＬ２１は熱交換部分Ｌ２１１を有しており、熱交換部分Ｌ２１１において、ラインＬ２１を流れる上水は、燃料電池装置１の排ガスと間接的に熱交換を行う。熱交換部分Ｌ２１１の先端には、ノズルＬ２１２が形成されている。
【００４６】
放熱用熱交換器５は、熱交換部分Ｌ２１１において熱交換するのに加えて、ノズルＬ２１２から噴射された上水が、燃料電池装置１の排ガスと直接接触して熱交換を行う様に構成されている。そして、燃料電池装置１の排ガスと放熱用熱交換器５内に噴射された水蒸気とが、放熱用熱交換器５内部で混合する。
【００４７】
図４において、燃料電池１と放熱用熱交換器５とはラインＬｈ６によって接続されている。ラインＬ６ｈは放熱用熱交換器５に接続される。
放熱用熱交換器５内部には燃料電池装置１の排ガスが流れる特定のラインが設けられてはおらず、ラインＬ６ｈを流れる燃料電池装置１の排ガスは、放熱用熱交換器５内部空間全体を流れることになる。そして、燃料電池装置１の排ガスは、放熱用熱交換器５内部空間を流れる際に、放熱用熱交換器５内に噴射された水もしくは水蒸気と熱交換を行う。
放熱用熱交換器５にはラインＬｈ１が接続しており、放熱用熱交換器５内で熱交換を行った排ガスはラインＬｈ１を流れる。
【００４８】
図４において、分岐点Ｂ４で、放熱用熱交換器５内からドレン回収ラインＬｗ３が分岐している。
ドレン回収ラインＬｗ３は、水処理装置４に連通している。実機では、ドレン回収ラインＬｗ３は、放熱用熱交換器５に設けた図示しないドレンポートに接続されている。なお、ドレン回収ラインＬｗ３には、排ガスがドレン回収ラインＬｗ３内に流入しないように、Ｕ字トラップ等の装置（図示せず）が介装されている。
【００４９】
上述した様に、ラインＬ２１を上水が流れてノズルＬ２１２から噴射されると、放熱用熱交換器５内に上水で燃料電池装置１の排ガスと水蒸気とが混合し、ラインＬｈ７及びドレン回収ラインＬｗ３には、燃料電池装置１の排ガスと水蒸気との混合気が流れる。
ドレン回収ラインＬｗ３には、開閉弁Ｖ９が介装されている。
詳細は後述するが、貯湯槽２が満タンになっていない場合には、ラインＬ２１に上水は流れず、開閉弁Ｖ９は閉鎖される。そのため、燃料電池装置１の排ガスは、ドレン回収ラインＬｗ３を流れることなく、ラインＬｈ１のみを流れる。
【００５０】
次に、主として図５を参照して、第２実施形態における制御を説明する。
図５において、先ず、貯湯槽２に取付けられた温度センサ２１によって、貯湯槽２内の湯温Ｔ２を計測する（ステップＳ１１）。
ステップＳ１２では、貯湯槽２内の湯温Ｔ２がしきい値を超えているか否かを判断する。ここで、しきい値については、使用条件や設置条件、仕様、その他により、ケース・バイ・ケースに決定される。
貯湯槽２内の湯温Ｔ２がしきい値を超えていれば（ステップＳ１２がＹＥＳ）、ステップＳ１３に進む。一方、貯湯槽２内の湯温Ｔ２がしきい値を超えていなければ（ステップＳ１２がＮＯ）、ステップＳ１６に進む。
【００５１】
ステップＳ１３では、制御手段１０は、貯湯槽２は「満タンである」と判断する。そして、開閉弁Ｖ７を閉鎖し、開閉弁Ｖ８、Ｖ９を開放し（ステップＳ１４）、ステップＳ１５に進む。
開閉弁Ｖ７を閉鎖することにより、上水は貯湯槽２には流入しない。そして、開閉弁Ｖ８を開放することにより、上水はラインＬ２１を流れて放熱用熱交換器５に流入する。上述した様に、ラインＬ２１を流れる上水は、ノズルＬ２１２から放熱用熱交換器５内に噴射され、燃料電池装置１の排ガスと直接接触して水蒸気となり、燃料電池装置１の排気ガスから気化熱を奪って冷却する。
そして、開閉弁Ｖ９が開放しているので、燃料電池装置１の排ガスと水蒸気との混合気の一部が、ドレン回収ラインＬｗ３を流れ水処理装置４に供給される。
【００５２】
ステップＳ１６では、制御手段１０は、貯湯槽２は「満タンではない」と判断する。そして、開閉弁Ｖ７を開放し、開閉弁Ｖ８、Ｖ９を閉鎖し（ステップＳ１７）、ステップＳ１５に進む。
この場合、開閉弁Ｖ７を開放し、開閉弁Ｖ８を閉鎖しているので、上水はラインＬ２１を流過することなく、給湯需要に応じて貯湯槽２に流入する。貯湯槽２の湯は、循環流路Ｌ１３〜Ｌ１５を循環し、排熱回収容器液熱交換装置３で燃料電池装置の排ガスと熱交換を行い、加熱されて貯湯槽２に戻る。そして、上水が放熱用熱交換器５内に噴射されないので、水蒸気がドレン回収ラインＬｗ３を流れることが無いので、開閉弁Ｖ９は閉鎖される。
【００５３】
ステップＳ１５では、制御手段１０は、燃料電池装置１の運転を停止するか否かを判断する。
燃料電池１を停止するのであれば（ステップＳ１５がＹＥＳ）、制御を終了する。燃料電池１を停止しないのであれば（ステップＳ１５がＮＯ）、ステップＳ１１に戻り、ステップＳ１１以降を繰り返す。
【００５４】
図４、図５で示す第２実施形態によれば、貯湯槽２が満タンになっていない場合には、開閉弁Ｖ７を開放し、開閉弁Ｖ８を閉鎖することにより、貯湯槽２を含む循環系Ｌ１３〜Ｌ１５を流れる冷却水により、燃料電池装置２を冷却する。
開閉弁Ｖ８、Ｖ９が閉鎖しているので、放熱用熱交換器５側には上水は供給されず、燃料電池装置１の排ガスは、放熱用熱交換器５を介して全量がラインＬｈ１を流れる。
【００５５】
一方、貯湯槽２が満タンになった場合には、開閉弁Ｖ７を閉鎖し、開閉弁Ｖ８、Ｖ９を開放する。開閉弁Ｖ８を開放することにより、上水がラインＬ２１を流れて放熱用熱交換器５内に噴射される。その結果、放熱用熱交換器５内では、噴射された上水が燃料電池装置１の排ガスと直接接触して、直ちに気化して水蒸気となり、その際に燃料電池装置１の排ガスから気化熱を奪って降温せしめる。
【００５６】
そして、放熱用熱交換器５内には、燃料電池装置１の排ガスと水蒸気とが混合する。放熱用熱交換器５内における水蒸気と燃料電池装置１の排ガスとの混合気は、ラインＬｈ１とラインＬｗ３の双方を流れる。そして、ラインＬｗ３を流れる混合気は、水処理装置４を介して、水蒸気改質に用いられる。
一方、ラインＬｈ１を流れる混合気は、上述した通り気化熱を奪われて降温しているので、排熱回収用熱交換器３において、ラインＬ１４を流れる冷却水を加温しない。貯湯槽２内の冷却水が排熱回収用熱交換器３を流れても、昇温せずに貯湯槽２内に戻る。
そのため、貯湯槽２が満タンになっていても、燃料電池１の運転を続行することが出来る。
【００５７】
満タン時において、給湯需要に対して温水を供給する必要があれば、給湯需要に温水を供給した後、開閉弁Ｖ７を開放し、ラインＬ１１を介して貯湯槽２へ新たに上水を供給すれば良い。
新たに上水を供給することにより、貯湯槽２の温水温度Ｔ２は低下するので、満タンではなくなる。
【００５８】
図４、図５の第２実施形態におけるその他の構成及び作用効果については、図１、図２の第１実施形態と同様である。
【００５９】
図６は本発明の第３実施形態（システム全体に符号１０３を付す）を示している。
図１で示す燃料電池コジェネレーションシステム１０１では、水蒸気改質を行っている。それに対して、図６の第３実施形態では、部分燃焼方式により、燃料から水素を得ている。そのため、図６の第３実施形態では、図１示す燃料電池コジェネレーションシステム１０１とは異なり、排ガスラインＬｈ２からドレン回収を行っておらず、ドレン回収ラインは分岐しておらず、水処理装置４及びそれに連通する配管も有していない。
【００６０】
図６の第３実施形態におけるその他の構成及び作用効果については、図１、図２の第１実施形態と同様である。
【００６１】
なお、図６〜図８では、図示の簡略化のために、コントロールユニットと、それに接続されている信号伝達ラインの図示を省略している。
【００６２】
図７は、図６で示す第３実施形態の変形例を示している。
図７において、全体を１０３Ａで示す燃料電池コジェネレーションシステムでは、図６における開閉弁Ｖ１及び開閉弁Ｖ４に代えて、第１の三方弁Ｖ５が介装されている。また、燃料電池コジェネレーションシステム１０３Ａでは、図６の開閉弁Ｖ２及び開閉弁Ｖ３に代えて、第２の三方弁Ｖ６を介装している。
図７の変形例におけるその他の構成及び作用効果については、図６の第３実施形態と同様である。
【００６３】
図８は、本発明の第４実施形態（システム全体に符号１０４を付す）を示している。
図４で示す燃料電池コジェネレーションシステムは、水蒸気改質を行っているが、図８の第４実施形態は部分燃焼方式を採用している。そのため、図８の第４実施形態では、排ガスラインからドレン回収ラインは分岐しておらず、水処理装置４も有していない。
【００６４】
図８の第４実施形態におけるその他の構成及び作用効果については、図４、図５の第２実施形態と同様である。
【００６５】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付記する。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の第１実施形態を示すブロック図。
【図２】第１実施形態の制御を示すフローチャート。
【図３】第１実施形態の変形例を示すブロック図。
【図４】本発明の第２実施形態を示すブロック図。
【図５】第２実施形態の制御を示すフローチャート。
【図６】第３実施形態を示すブロック図。
【図７】第３実施形態の変形例を示すブロック図。
【図８】第４実施形態を示すブロック図。
【図９】従来技術を示すブロック図。
【符号の説明】
【００６７】
１・・・燃料電池装置／燃料電池
２・・・貯湯槽
３・・・排熱回収用気液熱交換器
４・・・水処理装置
５・・・放熱用熱交換器
６・・・ポンプ
１０・・・制御手段
２１・・・計測装置／温度センサ
Ｌ１１・・・上水ライン
Ｌ１２・・・バイパスライン
Ｌ１３〜Ｌ１５・・・循環系／ライン
Ｖ１〜Ｖ４・・・開閉弁
Ｖ５、Ｖ６・・・三方弁
Ｌｈ１〜Ｌｈ３・・・排ガスライン
【図１】
0005014077.tif 000002
【図２】
0005014077.tif 000003
【図３】
0005014077.tif 000004
【図４】
0005014077.tif 000005
【図５】
0005014077.tif 000006
【図６】
0005014077.tif 000007
【図７】
0005014077.tif 000008
【図８】
0005014077.tif 000009
【図９】
0005014077.tif 000010