特許 6013129 燃料電池コジェネレーションシステム、その制御プログラムおよび制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6013129

(24)【登録日】2016年9月30日

(45)【発行日】2016年10月25日

(54)【発明の名称】燃料電池コジェネレーションシステム、その制御プログラムおよび制御方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04225 20160101AFI20161011BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20161011BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20161011BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 X

   H01M8/04 J

【請求項の数】6

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2012-231818(P2012-231818)

(22)【出願日】2012年10月19日

(65)【公開番号】特開2014-86157(P2014-86157A)

(43)【公開日】2014年5月12日

【審査請求日】2015年2月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083725

【弁理士】

【氏名又は名称】畝本 正一

(74)【代理人】

【識別番号】100140349

【弁理士】

【氏名又は名称】畝本 継立

(74)【代理人】

【識別番号】100153305

【弁理士】

【氏名又は名称】畝本 卓弥

(72)【発明者】

【氏名】香田 淳也

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 崇之

【審査官】 清水 康

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−１７２９４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０５２９８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１５３３９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０１２６５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／０２６３６５１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−１７９３３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１７９３４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０１７８３４２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−２８２７６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２２２３４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−２７２７６５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００ − ８／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

上水を溜める貯湯タンクと、前記貯湯タンクに接続されて前記貯湯タンクの前記上水を循環させる貯湯循環路と、前記貯湯循環路に前記上水を循環させる貯湯ポンプとを備える貯湯ユニットと、
燃料電池に冷却水を循環させる循環路と、前記循環路に前記冷却水を循環させるポンプと、前記循環路に循環する前記冷却水を加熱する発熱手段と、前記冷却水に燃焼排ガスの熱を熱交換する第１の熱交換手段と、前記冷却水と前記上水との間で熱交換する第２の熱交換手段と、前記冷却水の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池の発電開始前、前記発熱手段および前記第１の熱交換手段により前記冷却水を加熱するとともに、前記貯湯タンクの前記上水の温度が前記冷却水の温度よりも高い場合に前記貯湯ポンプで前記上水を循環させて前記第２の熱交換手段により前記冷却水を加熱し、前記冷却水の検出温度が所定温度に到達するまで前記燃料電池の発電動作を待機状態に制御する制御部とを備える燃料電池ユニットと、
からなることを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステム。

【請求項2】

前記制御部は、前記冷却水を前記循環路に循環させる前記ポンプの動作を断続させ、または断続動作中の前記ポンプの出力を変動させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池コジェネレーションシステム。

【請求項3】

貯湯ユニットと燃料電池ユニットとからなる燃料電池コジェネレーションシステムに搭載されたコンピュータに実行させるための制御プログラムであって、
前記燃料電池ユニットに設置された燃料電池の発電開始前、前記燃料電池に循環する冷却水の温度情報を取り込み、
前記燃料電池ユニットに設置されたポンプを起動して前記燃料電池に前記冷却水を循環させる循環路に前記冷却水を循環させ、発熱手段と燃焼排ガスの熱を前記冷却水に熱交換する第１の熱交換手段とにより前記冷却水を加熱するとともに、前記貯湯ユニットに設置された貯湯タンク内の上水の温度が前記冷却水の温度よりも高い場合に、前記上水と前記冷却水との間で熱交換する第２の熱交換手段により前記冷却水を加熱し、
前記温度情報により前記冷却水が所定温度に到達しているか否かを判断し、
前記冷却水が所定温度に到達するまで前記燃料電池の発電動作を待機状態に制御する
処理を前記コンピュータに実行させるための制御プログラム。

【請求項4】

前記燃料電池に接続されている前記循環路にあるポンプの動作を断続させる処理、または断続動作中の前記ポンプの出力を変動させる処理のいずれかを前記コンピュータに実行させる、
請求項３に記載の燃料電池コジェネレーションシステムの制御プログラム。

【請求項5】

貯湯ユニットと燃料電池ユニットとからなる燃料電池コジェネレーションシステムの制御方法であって、
前記燃料電池ユニットに設置された燃料電池の発電開始前、前記燃料電池に循環させる冷却水を加熱手段により加熱し、
前記燃料電池の発電開始前、前記冷却水の温度を温度検出手段により検出し、
前記燃料電池ユニットに設置されたポンプを起動して前記燃料電池に前記冷却水を循環させる循環路に前記冷却水を循環させ、発熱手段と燃焼排ガスの熱を前記冷却水に熱交換する第１の熱交換手段とにより前記冷却水を加熱するとともに、前記貯湯ユニットに設置された貯湯タンク内の上水の温度が前記冷却水の温度よりも高い場合に、前記上水と前記冷却水との間で熱交換する第２の熱交換手段により前記冷却水を加熱し、
前記冷却水が所定温度に到達しているか否かを判断し、
前記冷却水が所定温度に到達するまで前記燃料電池の発電動作を待機状態に制御する
ことを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステムの制御方法。

【請求項6】

前記燃料電池に接続されている前記循環路にあるポンプの動作を断続させ、または断続動作中に前記ポンプの出力を変動させる
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池コジェネレーションシステムの制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、燃料電池ユニットの熱を冷却水により回収し、再利用する燃料電池コジェネレーションシステム、その制御プログラムおよび制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池コジェネレーションシステム（以下、単に「システム」と称する）は、都市ガスなどの燃料ガスの燃焼により発電する燃料電池スタックの熱を回収し、燃料電池スタックを所定温度に維持するとともに、蓄積した回収熱を再利用する。このため、システムは冷却水系統を有する。この冷却水系統は燃料電池スタックに冷却水を循環させる循環路が備えられている。この循環路には冷却水循環を行うポンプが設置されている。

【0003】

この冷却水系統に関し、システム停止時に冷却水系統に空気圧を導入し、システム起動時に冷却水系統からエアを排除して燃料電池への悪影響を回避することが知られている（たとえば、特許文献１）。

【0004】

燃料電池の冷却水中のエアに関し、燃料電池の暖気中に冷却液を温め、冷却水からエアを抜き取ることが知られている（たとえば、特許文献２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００５−１３５８２５号公報

【特許文献2】特開２００７−１４９３９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、冷却水系統に循環する冷却水の温度がシステムの起動から徐々に上昇し、冷却水中の溶存空気が気泡（エア）として現れる。システム停止から長時間が経過すると、冷却水系統にエア溜りが発生する場合がある。システム設置後、冷却水系統に水張りを行う際、冷却水系統にエアが入り込み、そのエアが抜け難い。

【0007】

冷却水に残留するエアがポンプに絡むと、ポンプ機能の低下を来す。いわゆるポンプのエア噛みである。また、冷却水の熱を上水などに熱交換する熱交換器にエアが滞留すると、熱交換効率を低下させる。残留するエアを放置し、その残留量が増大すると、動作エラーを引き起こす原因になる。この動作エラーはたとえば、燃料電池のオーバーヒート、セパレータ内のエア残留による出力電圧の低下、熱交換機器の熱交換異常、冷却水の圧力異常、冷却水タンクのレベル異常などである。

【0008】

冷却水系統は配管レイアウトで構成され、配管により様々な機器が連結されている。このため、冷却水系統内に生じたエアは冷却水内に溶存状態、気泡状態などの種々の状態で滞留している。このエアを冷却水系統から除去するには、冷却水系統に設置されたポンプをＯＮ／ＯＦＦさせて冷却水を動揺させて系統外に導くことが行われている。

【0009】

しかしながら、冷却水の水張り時または起動時のポンプＯＮ／ＯＦＦ制御では、熱交換器内のエアや冷却水系統の各所に滞留するエアを完全に除去できない場合や、ポンプ自体にエア噛みをしているために冷却水循環が行えないなど、性能低下や既述のエラーが発生するという課題がある。発電時に生じたエアを残留させることは、同様に性能低下やエラーを生じるという課題がある。そして、起動時、冷却水からエア抜きのために起動時間が長くなり、発電動作の開始が遅延するという課題がある。

【0010】

そこで、本発明の目的は、冷却水系統のエア抜き機能を高め、起動時間を短縮化することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池コジェネレーションシステムは、上水を溜める貯湯タンクと、前記貯湯タンクに接続されて前記貯湯タンクの前記上水を循環させる貯湯循環路と、前記貯湯循環路に前記上水を循環させる貯湯ポンプとを備える貯湯ユニットと、燃料電池に冷却水を循環させる循環路と、前記循環路に前記冷却水を循環させるポンプと、前記循環路に循環する前記冷却水を加熱する発熱手段と、前記冷却水に燃焼排ガスの熱を熱交換する第１の熱交換手段と、前記冷却水と前記上水との間で熱交換する第２の熱交換手段と、前記冷却水の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池の発電開始前、前記発熱手段および前記第１の熱交換手段により前記冷却水を加熱するとともに、前記貯湯タンクの前記上水の温度が前記冷却水の温度よりも高い場合に前記貯湯ポンプで前記上水を循環させて前記第２の熱交換手段により前記冷却水を加熱し、前記冷却水の検出温度が所定温度に到達するまで前記燃料電池の発電動作を待機状態に制御する制御部とを備える燃料電池ユニットとからなる。

【0012】

上記燃料電池コジェネレーションシステムにおいて、より好ましくは、前記制御部は、前記冷却水を前記循環路に循環させる前記ポンプの動作を断続させ、または断続動作中の前記ポンプの出力を変動させてもよい。

【0014】

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池コジェネレーションシステムの制御プログ
ラムは、貯湯ユニットと燃料電池ユニットとからなる燃料電池コジェネレーションシステムに搭載されたコンピュータに実行させるための制御プログラムである。この制御プログラムは、前記燃料電池ユニットに設置された燃料電池の発電開始前、前記燃料電池に循環する冷却水の温度情報を取り込み、前記燃料電池ユニットに設置されたポンプを起動して前記燃料電池に前記冷却水を循環させる循環路に前記冷却水を循環させ、発熱手段と燃焼排ガスの熱を前記冷却水に熱交換する第１の熱交換手段とにより前記冷却水を加熱するとともに、前記貯湯ユニットに設置された貯湯タンク内の上水の温度が前記冷却水の温度よりも高い場合に、前記上水と前記冷却水との間で熱交換する第２の熱交換手段により前記冷却水を加熱し、前記温度情報により前記冷却水が所定温度に到達しているか否かを判断し、前記冷却水が所定温度に到達するまで前記燃料電池の発電動作を待機状態に制御する処理を前記コンピュータに実行させる。

【0015】

上記制御プログラムにおいて、より好ましくは、前記燃料電池に接続されている前記循環路にあるポンプの動作を断続させ、または断続動作中に前記ポンプの出力を変動させる処理を前記コンピュータに実行させてもよい。

【0016】

上記目的を達成するため、本発明の貯湯ユニットと燃料電池ユニットとからなる燃料電池コジェネレーションシステムの制御方法は、前記燃料電池ユニットに設置された燃料電池の発電開始前、前記燃料電池に循環させる冷却水を加熱手段により加熱し、前記燃料電池の発電開始前、前記冷却水の温度を温度検出手段により検出し、前記燃料電池ユニットに設置されたポンプを起動して前記燃料電池に前記冷却水を循環させる循環路に前記冷却水を循環させ、発熱手段と燃焼排ガスの熱を前記冷却水に熱交換する第１の熱交換手段とにより前記冷却水を加熱するとともに、前記貯湯ユニットに設置された貯湯タンク内の上水の温度が前記冷却水の温度よりも高い場合に、前記上水と前記冷却水との間で熱交換する第２の熱交換手段により前記冷却水を加熱し、前記冷却水が所定温度に到達しているか否かを判断し、前記冷却水が所定温度に到達するまで前記燃料電池の発電動作を待機状態に制御する。

【0017】

上記制御方法において、より好ましくは、前記燃料電池に接続されている前記循環路にあるポンプの動作を断続させ、または断続動作中に前記ポンプの出力を変動させてもよい。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、次のいずれかの効果が得られる。

【0019】

(1) 燃料電池の発電開始前、循環路を循環させる冷却水を所定温度に到達させた後、発電動作に移行させることができ、冷却水のエア抜きに要する制御の不要化ないし軽減することができる。これにより、燃料電池の温度制御を安定化できる。

【0020】

(2) エア抜きのための起動時間を短縮でき、発電動作の開始を迅速化できる。

【0021】

(3) 燃料電池の発電開始前の冷却水からのエア抜きが良好になり、起動中や発電中のエアによる性能低下やエラーの発生を防止できる。

【0022】

そして、本発明の他の目的、特徴および利点は、添付図面および各実施の形態を参照することにより、一層明確になるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】第１の実施の形態に係る燃料電池コジェネレーションシステムの一例を示す図である。

【図2】ポンプの制御系統の一例を示す図である。

【図3】冷却水制御機能の一例を示す図である。

【図4】冷却水温度に依存させた起動から発電に至る切替え動作を示す図である。

【図5】起動時のポンプ制御動作を示す図である。

【図6】起動から発電に至るポンプ出力を示す図である。

【図7】起動から発電動作に至るポンプ出力制御の処理手順を示すフローチャートである。

【図8】第２の実施の形態に係る燃料電池コジェネレーションシステムの一例を示す図である。

【図9】ポンプの制御系統の一例を示す図である。

【図10】上水の流れ方向の切替えを示す図である。

【図11】他の実施の形態に係る上水の流れ方向の切替えを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

〔第１の実施の形態〕

【0025】

図１は、第１の実施の形態に係る燃料電池コジェネレーションシステムを示している。図１に示す構成は一例であって、斯かる構成に本発明が限定されるものではない。

【0026】

この燃料電池コジェネレーションシステム２−１には、燃料電池ユニット４と貯湯ユニット６が備えられている。燃料電池ユニット４は、燃料ガスの化学変化により発電するとともに、発電により生じる熱を回収する（排熱回収）。貯湯ユニット６は、燃料電池ユニット４から回収した熱を熱源に用いて上水２２を加熱し、貯湯する。

【0027】

燃料電池ユニット４には、燃料電池スタック８が設置されている。この燃料電池スタック８は燃料電池の一例であり、複数の燃料電池を備える。この燃料電池スタック８には、冷却水循環路（以下単に「循環路」と称する）１０が接続されており、この冷却水循環路１０には、燃料電池スタック８の起動時、発電時または水張り時に冷却水１２を循環させる。起動時は発電前の準備期間である。発電時は発電動作中である。これら起動時または発電時のいずれにも属さない時間として、たとえば、水張り時がある。この水張り時は循環路１０に冷却水１２を充填する場合である。

【0028】

循環路１０は燃料電池ユニット４に冷却水１２を循環させる経路である。つまり、燃料電池スタック８の出側から流出した冷却水１２を燃料電池スタック８の入側に循環させる。冷却水１２にはたとえば、純水が用いられる。

【0029】

この循環路１０には、エアベント１４、冷却水タンク１６、第１の熱交換器１８−１、第２の熱交換器１８−２および冷却水ポンプ２０−１が設置されている。エアベント１４は、循環する冷却水１２から気泡化したエアを排出させる。このエアベント１４は、冷却水タンク１６にエアベント機能つまり、エア抜き機能を備えていれば、省略してもよい。冷却水タンク１６には冷却水１２が溜められる。循環する冷却水１２は、冷却水タンク１６の上層側に戻され、冷却水タンク１６の冷却水１２は冷却水タンク１６の底側から流出させる。

【0030】

熱交換器１８−１は、発電時、冷却水１２に回収された排熱を上水２２側に熱交換する。冷却水１２を熱源とし、上水２２が加熱される。起動時、この熱交換器１８−１は、貯湯タンク３０の上水２２に蓄熱された熱で冷却水１２を加熱する熱交換に用いることができる。この場合、高温の上水２２の熱を熱交換に利用するため、上水２２の流れ方向を逆方向に設定する。

【0031】

熱交換器１８−２は、燃料改質器２３で発生した排気の熱を冷却水１２に熱交換する。燃料改質器２３は、燃料電池スタック８の起動前、改質動作を行うので、起動時にその排熱を冷却水１２の加熱、つまり、その熱交換に利用することができる。

【0032】

冷却水ポンプ２０−１は、燃料電池スタック８の起動時（または水張り時）、または発電時に起動し、冷却水１２を循環路１０を通じて燃料電池スタック８に循環させる。

【0033】

燃料電池スタック８の入側には温度センサ２４−１、燃料電池スタック８の出側には温度センサ２４−２が設置されている。温度センサ２４−１は、循環路１０から燃料電池スタック８に流入する冷却水１２の入側検出温度Ｔ１を検出する。温度センサ２４−２は、燃料電池スタック８から循環路１０に流出する冷却水１２の出側検出温度Ｔ２を検出する。これら温度センサ２４−１または温度センサ２４−２は、温度検出手段の一例である。これら温度センサ２４−１または温度センサ２４−２の入側検出温度Ｔ１、出側検出温度Ｔ２は、燃料電池スタック８が発電動作前であれば、同一ないし同等の温度となる。

【0034】

冷却水タンク１６にはヒータ２６およびレベルセンサ２８が設置されている。ヒータ２６は、発熱手段の一例であり、起動時、冷却水１２を温める。レベルセンサ２８は、冷却水タンク１６の冷却水レベルを検出する。この冷却水レベルは、循環路１０内の冷却水１２が適正量であるか否か（つまり、循環路１０に循環可能か否か）の判断に用いられる。

【0035】

貯湯ユニット６には貯湯タンク３０が設置されている。貯湯タンク３０は上水２２を溜めており、下層側を低温度、上層側を高温度とする蓄熱（階層蓄熱）を行う。この貯湯タンク３０には貯湯循環路３２が接続されている。この貯湯循環路３２は、下層側から取り出された上水２２を上層側に戻す経路である。この貯湯循環路３２には熱交換器１８−１および貯湯ポンプ２０−２が設置されている。

【0036】

貯湯ポンプ２０−２は、貯湯循環路３２を通じて貯湯タンク３０の下層側から上水２２を取り出して貯湯循環路３２に循環させ、その上水２２を貯湯タンク３０の上層側に戻す。貯湯循環路３２に循環する上水２２は熱交換器１８−１に循環し、冷却水１２と上水２２との間で熱交換を行う。つまり、冷却水１２の温度が上水２２より高い場合には、上水２２が冷却水１２によって加熱される。また、上水２２の温度が冷却水１２の温度より高い場合には蓄熱している上水２２の熱で冷却水１２が加熱されることになる。

【0037】

この実施の形態の燃料電池コジェネレーションシステム２−１では、冷却水１２の加熱手段として熱交換器１８−１、１８−２およびヒータ２６を備え、熱交換器１８−１では、上水２２の蓄熱、熱交換器１８−２では燃料改質器２３の排気の熱を利用している。冷却水１２の加熱手段は、これらいずれかでもよく、これらのうちの２以上を組み合わせて用いてもよい。

【0038】

＜燃料電池コジェネレーションシステム２−１の制御系統３−１＞

【0039】

図２は、燃料電池コジェネレーションシステム２−１の制御系統３−１を示している。図２において、図１と同一部分には同一符号を付してある。

【0040】

この制御系統３−１には制御部３６が設置されている。この制御部３６はたとえば、マイクロコンピュータ（μ−ＣＯＭ）などのコンピュータによって構成される。この制御部３６にはＣＰＵ（Central Processing Unit ）３８、ＲＯＭ（Read-Only Memory）４０、ＲＡＭ（Random-Access Memory）４２および入出部（Ｉ／Ｏ）４４が備えられる。これら機能部はバス４６により接続されている。

【0041】

ＣＰＵ３８はＲＯＭ４０に格納されているＯＳ（Operating System）や制御プログラムなどの各種のプログラムを実行する。このＲＯＭ４０は、記憶媒体の一例であり、このＲＯＭ４０には不揮発性メモリが含まれる。したがって、ＲＯＭ４０には制御情報が格納されている。ＲＡＭ４２は、情報処理のワークエリアを構成する。

【0042】

Ｉ／Ｏ４４には温度センサ２４−１、２４−２、レベルセンサ２８の検出信号が取り込まれる。このＩ／Ｏ４４から発せられた制御出力は、冷却水ポンプ２０−１、貯湯ポンプ２０−２、加熱制御部４８に加えられる。

【0043】

ヒータ２６はたとえば、交流ヒータであり、交流電源５０の供給により発熱する。加熱制御部４８は、ヒータ２６の給電制御部の一例であり、制御部３６の制御出力を受けることによりヒータ２６を給電状態または給電解除状態に制御する。

【0044】

＜ＣＰＵ３８による冷却水制御機能＞

【0045】

図３は、ＣＰＵ３８によって実行される冷却水制御機能５２を示している。この冷却水制御機能５２には、起動機能５６、冷却水加熱制御機能５７、ポンプ出力断続機能５８およびポンプ出力変動機能６０が含まれる。

【0046】

起動機能５６は、発電前の起動時（または水張り時）の機能であり、発電前に冷却水ポンプ２０−１を起動させる機能である。斯かる機能の実行により、主として冷却水１２からエアを排出させる。

【0047】

冷却水加熱制御機能５７は、冷却水１２の温度情報を取り込み、冷却水１２が所定温度未満であれば起動状態を維持して冷却水１２を加熱し、冷却水１２が所定温度以上に到達すれば起動状態から発電状態に移行する。

【0048】

ポンプ出力断続機能５８は、起動時、冷却水ポンプ２０−１を起動させ、ポンプ出力Ｐを断続させる。

【0049】

ポンプ出力変動機能６０は、断続動作中の冷却水ポンプ２０−１のポンプ出力Ｐを変動させる。この変動形態は、動作期間を単位として出力レベルを変更してもよいし、動作期間中であれば時間経過に応じて出力レベルを変更してもよい。いずれの形態であっても、断続するポンプ出力Ｐの出力レベルを変動させれば、循環する冷却水１２を加熱と相まって動揺させ、冷却水１２中のエアをエアベント１４または冷却水タンク１６に導き、外気に排出させることができる。つまり、冷却水１２からエアを抜き取ることができる。

【0050】

＜起動および発電の切替え制御＞

【0051】

図４は、冷却水温度に依存させた起動および発電の切替え制御を示している。図４のＡは温度センサ２４−１、２４−２の検出温度の推移を示している。図４のＢは、起動動作から発電動作への切替えを示している。

【0052】

燃料電池コジェネレーションシステム２−１の起動時には冷却水ポンプ２０−１を起動する。冷却水ポンプ２０−１を動作させると、冷却水１２が循環路１０に循環する。この冷却水１２の温度は温度センサ２４−１、２４−２で検出することができる。各温度センサ２４−１、２４−２の入側検出温度Ｔ１、出側検出温度Ｔ２は制御部３６に取り込まれ、起動状態の維持、発電動作への切替え情報に用いられる。

【0053】

時点ｔ１で起動した後、時点ｔ２で入側検出温度Ｔ１または出側検出温度Ｔ２のいずれかまたは双方が基準温度Ｔｒｅｆに到達すれば、その時点ｔ２で起動状態から発電動作に移行する。起動状態は、燃料電池スタック８の発電前の状態である。発電動作は、起動状態から燃料電池スタック８に発電を開始させる動作である。

【0054】

＜冷却水ポンプ２０−１のポンプ制御＞

【0055】

(1) 起動時（または水張り時）のポンプ出力制御

【0056】

起動時（または水張り時）、冷却水ポンプ２０−１を起動して循環路１０に冷却水１２を循環させ、冷却水ポンプ２０−１の動作を断続させる（ＯＮ／ＯＦＦ制御）。このＯＮ／ＯＦＦ制御において、図５に示すように、冷却水ポンプ２０−１のポンプ出力Ｐを変動させる。

【0057】

図５は、起動時のＯＮ／ＯＦＦ制御における出力変動制御を示している。図５の横軸は時間ｔ、縦軸はポンプ出力Ｐの増減比率〔％〕を示している。

【0058】

この出力変動制御では、時点ｔ０から時点ｔ１までの時間間隔Ｉ１、時点ｔ１から時点ｔ２までの時間間隔Ｉ２、時点ｔ２から時点ｔ３までの時間間隔Ｉ３、時点ｔ３から時点ｔ４までの時間間隔Ｉ４、時点ｔ４から時点ｔ５までの時間間隔Ｉ５、時点ｔ５から時点ｔ６までの時間間隔Ｉ６、時点ｔ６から時点ｔ７までの時間間隔Ｉ７、時点ｔ７から時点ｔ８までの時間間隔Ｉ８、時点ｔ８から時点ｔ９までの時間間隔Ｉ９、時点ｔ９から時点ｔ１０までの時間間隔Ｉ１０、時点ｔ１０から時点ｔ１１までの時間間隔Ｉ１１が設定されている。

【0059】

時点ｔ０で起動を開始し、時間間隔Ｉ１でポンプ出力Ｐ＝０に設定している。時間間隔Ｉ２でポンプ出力Ｐ＝Ｐ５（但し、Ｐ５＞Ｐ１、Ｐ５＞Ｐ２、Ｐ５＞Ｐ３、Ｐ５＞Ｐ４、Ｐ５＜Ｐ６）に設定している。時間間隔Ｉ３でポンプ出力Ｐ＝０に設定している。時間間隔Ｉ４でポンプ出力Ｐ＝Ｐ２（但し、Ｐ２＞Ｐ１、Ｐ２＜Ｐ３、Ｐ２＜Ｐ４）に設定している。時間間隔Ｉ５でポンプ出力Ｐ＝０に設定している。時間間隔Ｉ６でポンプ出力Ｐ＝Ｐ１（Ｐ１＜Ｐ３、Ｐ１＜Ｐ４）に設定している。時間間隔Ｉ７でポンプ出力Ｐ＝０に設定している。時間間隔Ｉ８でポンプ出力Ｐ＝Ｐ６（Ｐ６＞Ｐ５、Ｐ６＞Ｐ４、Ｐ６＞Ｐ３、Ｐ６＞Ｐ２、Ｐ６＞Ｐ１、たとえば、Ｐ６＝１００〔％〕）に設定している。時間間隔Ｉ９でポンプ出力Ｐ＝０に設定している。時間間隔Ｉ１０でポンプ出力Ｐ＝Ｐ３に設定している。時間間隔Ｉ１１でポンプ出力Ｐ＝０に設定している。

【0060】

この場合のポンプ出力制御では、時間間隔Ｉ１＝Ｉ２＝Ｉ３＝Ｉ４＝Ｉ５＝Ｉ６＝Ｉ７＝Ｉ８＝Ｉ９＝Ｉ１０＝Ｉ１１に設定されている。また、ポンプ出力の変動は、０→Ｐ５→０→Ｐ２→０→Ｐ１→０→Ｐ６→０→Ｐ３→０のように交互に出力０を介在させたレベル変化（つまり、前回値と異なる出力であり、出力レベルのリズム化）を設定している。また、時間間隔Ｉ２：Ｐ５＝一定、時間間隔Ｉ４：Ｐ２＝一定、時間間隔Ｉ６：Ｐ１＝一定、時間間隔Ｉ８：Ｐ６＝一定、時間間隔Ｉ１０：Ｐ３＝一定に設定されている。

【0061】

ポンプ出力制御の時間間隔Ｉは、Ｉ１≠Ｉ２≠Ｉ３≠Ｉ４≠Ｉ５≠Ｉ６≠Ｉ７≠Ｉ８≠Ｉ９≠Ｉ１０≠Ｉ１１でもよいし、Ｉ１＜Ｉ２＜Ｉ３＜Ｉ４＜Ｉ５＜Ｉ６＜Ｉ７＜Ｉ８＜Ｉ９＜Ｉ１０＜Ｉ１１でもよいし、Ｉ１＞Ｉ２＞Ｉ３＞Ｉ４＞Ｉ５＞Ｉ６＞Ｉ７＞Ｉ８＞Ｉ９＞Ｉ１０＞Ｉ１１でもよい。また、Ｉ１＝Ｉ３＝Ｉ５＝Ｉ７＝Ｉ９＝Ｉ１１＝Ｉｘ、Ｉ２＝Ｉ４＝Ｉ６＝Ｉ８＝Ｉ１０＝Ｉｙとし、Ｉｘ≠Ｉｙとしてもよい。

【0062】

時間間隔を単位とする出力変動では、時間間隔Ｉ２：Ｐ５＝変動（増加または減少）、時間間隔Ｉ４：Ｐ２＝変動（増加または減少）、時間間隔Ｉ６：Ｐ１＝変動（増加または減少）、時間間隔Ｉ８：Ｐ６＝変動（増加または減少）、時間間隔Ｉ１０：Ｐ３＝変動（増加または減少）に設定してもよい。その出力変動も、ランプ関数などの単調変化でもよいし、アトランダムな出力変動でもよい。つまり、正弦関数などの出力変化であってもよい。

【0063】

(2) 発電時のポンプ出力制御（燃料電池スタック８の発熱温度に応じた冷却水ポンプ２０−１の出力制御）

【0064】

燃料電池スタック８の入側検出温度Ｔ１、出側検出温度Ｔ２を参照し、燃料電池スタック８の発熱温度を所定温度に維持するための冷却水ポンプ２０−１の出力制御を行う。

【0065】

図６は、既述の起動から移行した発電動作を示している。この場合、時点ｔ１１で燃料電池スタック８が発電動作に移行している。発電が開始されると、燃料電池スタック８は、燃料の燃焼により熱を発する。つまり、冷却水１２は燃料電池スタック８の排熱を吸収し、温められる。この燃料電池スタック８の温度推移は、温度センサ２４−１の入側検出温度Ｔ１と、温度センサ２４−２の出側検出温度Ｔ２により、ＣＰＵ３８で監視される。この温度推移を参照し、制御部３６では燃料電池スタック８の温度が所定温度に維持されるように冷却水ポンプ２０−１のポンプ出力Ｐを制御する。つまり、回転を増減することにより、冷却水１２の循環量を制御する。図６のＰは、ポンプ出力の変動を示している。このようなポンプ出力Ｐを増減することにより、燃料電池スタック８の温度が所定温度に制御される。

【0066】

＜冷却水ポンプ２０−１のポンプ制御処理＞

【0067】

図７は、起動時（または水張り時）のポンプ出力制御の処理手順を示している。この処理手順は、燃料電池コジェネレーションシステムの制御プログラムまたはその制御方法の一例である。

【0068】

この処理手順では、ＣＰＵ３８が燃料電池スタック８の発電開始前に冷却水ポンプ２０−１を循環させ、冷却水１２の温度情報の取込みを行う（Ｓ１０１）。ＣＰＵ３８は、既述の温度情報に基づき、冷却水１２の温度が所定温度以上か否かを判断する（Ｓ１０２）。

【0069】

冷却水１２の検出温度が所定温度以上であれば（Ｓ１０２のＹＥＳ）、発電動作に移行し（Ｓ１０３）、この処理を終了する。

【0070】

冷却水１２の検出温度が所定温度未満であれば（Ｓ１０２のＮＯ）、冷却水１２の加熱動作を行う（Ｓ１０４）。この加熱動作には既述の加熱手段のいずれかまたは２以上を用いればよい。

【0071】

起動中の冷却水ポンプ２０−１のポンプ動作を断続させ（Ｓ１０５）、断続動作中に冷却水ポンプ２０−１の出力を変動させる（Ｓ１０６）。

【0072】

そして、冷却水１２の検出温度を取り込み（Ｓ１０１）、冷却水１２の検出温度が所定温度未満であれば（Ｓ１０２のＮＯ）、Ｓ１０４ないしＳ１０６を繰り返し、検出温度を監視する。冷却水１２の検出温度が所定温度に到達すれば（Ｓ１０２のＹＥＳ）、起動状態から発電動作に移行する（Ｓ１０３）。

【0073】

＜第１の実施の形態の効果＞

【0074】

(1) 燃料電池コジェネレーションシステムにおいて、水張り時や起動時に冷却水系統のエア抜きを適切に行うことができ、エア噛みに付随したエラー発生を抑制することができる。つまり、発電時の燃料電池スタック８のオーバーヒート、セパレータ内のエア残留による出力電圧の低下、熱交換機器の熱交換異常、冷却水の圧力異常、冷却水タンクのレベル異常などを未然に回避することができる。

【0075】

(2) 冷却水温度が所定の温度へ到達するまで発電動作を待機させることができ、エア抜きが不完全な状態での発電動作への移行を防止できる。

【0076】

(3) 発電の待機中（即ち、燃料電池システム起動中）に、
ａ）冷却水１２の循環系統にあるヒータ２６
ｂ）燃料改質器２３の燃焼排ガス
ｃ）貯湯タンク３０の蓄熱
ｄ）ａ）〜ｃ）いずれか２以上の組み合わせ
を冷却水１２の加熱手段に用いることにより、発電前に冷却水１２を加温する。これにより、冷却水１２からエア抜きを迅速に行うことができ、発電前の起動動作を短縮化でき、発電動作への移行を迅速化できる。

【0077】

(4) 冷却水ポンプ２０−１のＯＮ／ＯＦＦ制御により断続動作を併用すれば、エア抜きの迅速化を図ることができる。

【0078】

(5) 断続中の冷却水ポンプ２０−１のポンプ出力を様々に変化すれば、よりエア抜き効果を高めることができる。

【0079】

(6) このようなエア抜き動作により、発電中のエア発生を抑制でき、発電中のエア抜き制御の不要化ないし軽減が図られるとともに、発電中の燃料電池スタック８の温度を所定の温度に制御できる。

【0080】

(7) 発電中のエア発生を抑制でき、発電中のエア抜き制御が不要になることに加え、起動時の冷却水１２の温度上昇を短時間で行え、起動時間を短縮化できる。つまり、起動から発電動作への移行を迅速化できる。

【0081】

(8) 発電中のエア抜き制御の不要化ないし軽減に加え、冷却水１２の加熱、断続、ポンプ出力Ｐの変動により、種々の流速を冷却水１２に付与でき、係る冷却水１２により燃料電池スタック８や循環路１０などの滞留エアを押し出すことができ、起動中や発電中のエアによる性能低下やエラー発生を防止できる。

【0082】

(9) 起動中のエア抜きにより、起動中や発電中のエアによる性能低下やエラー発生を防止できる。

【0083】

(10) 既述したとおり、起動時、水張り時または発電時の冷却水系統のエアによる性能低下やエラーを確実に防止でき、信頼性の高い燃料電池コジェネレーションシステムを実現することができる。

【0084】

〔第２の実施の形態〕

【0085】

図８は、第２の実施の形態に係る燃料電池コジェネレーションシステムを示している。図８において、図１と同一部分には同一符号を付し、その説明を割愛する。

【0086】

上記実施の形態では、貯湯ポンプ２０−２を反転させることにより貯湯タンク３０から高温の上水２２を熱交換器１８−１に循環させている。これに対し第２の実施の形態では貯湯ポンプ２０−２に対してバイパス管３２−１、３２−２が設置されるとともに、切替弁６２−１、６２−２が設置されている。各切替弁６２−１、６２−２はたとえば、三方弁で構成されている。切替弁６２−１、６２−２は貯湯ポンプ２０−２の回転方向を変えることなく、切替弁６２−１、６２−２の流れ方向の切替えにより、貯湯タンク３０の高温の上水２２を熱交換器１８−１に流し、上水２２の熱で冷却水１２を温める構成である。

【0087】

＜燃料電池コジェネレーションシステム２−２の制御系統３−２＞

【0088】

図９は、燃料電池コジェネレーションシステム２−２の制御系統３−２の一例を示している。この実施の形態では、既述の切替弁６２−１、６２−２が入出部（Ｉ／Ｏ）４４に接続されている。つまり、上水２２の熱で冷却水１２を加熱する際に、図１０のＡに示すように、切替弁６２−１、６２−２が切り替えられる。その他の構成は、第１の実施の形態と同様であるので同一符号を付し、その説明を割愛する。

【0089】

＜切替弁６２−１、６２−２の切り替え＞

【0090】

(1) 起動時

【0091】

貯湯タンク３０に貯湯されている上水２２の熱を冷却水１２に利用する場合には、図１０のＡに示すように切替弁６２−１、６２−２を切り替える。貯湯ポンプ２０−２は、発電時（図１０のＢ）と同一方向に回転させる。

【0092】

貯湯タンク３０から流出した高温の上水２２は熱交換器１８−１に流れ、上水２２の熱が冷却水１２に熱交換される。熱交換により、上水２２は低温化される。この上水２２は、切替弁６２−２、バイパス管３２−１、貯湯ポンプ２０−２、バイパス管３２−２および切替弁６２−１を経て貯湯タンク３０に至る。

【0093】

(2) 発電時

【0094】

この場合、図１０のＢに示すように切替弁６２−１、６２−２を切り替える。貯湯ポンプ２０−２は、起動時（図１０のＡ）と同一方向に回転させる。

【0095】

貯湯タンク３０から流出した低温の上水２２は、切替弁６２−１、貯湯ポンプ２０−２および切替弁６２−２を経て熱交換器１８−１に流れ、冷却水１２の熱が上水２２に熱交換される。この場合、バイパス管３２−１、３２−２には上水２２が循環しない。熱交換により、上水２２は高温化され、貯湯タンク３０の上層部に至る。

【0096】

＜第２の実施の形態の効果＞

【0097】

第１の実施の形態と同様の効果が得られるとともに、エア抜きの必要状態を判断して、発電前または発電中に冷却水１２のエアを除くことができる。発電前であれば、エア抜き後、速やかに発電動作に移行でき、発電中であれば、発電動作における機能低下やエラー発生を確実に防止でき、信頼性の高い動作を確保することができる。

【0098】

以上説明したように、本発明の最も好ましい実施の形態等について説明した。本発明は、上記記載に限定されない。特許請求の範囲に記載され、または発明を実施するための形態に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能であることは勿論である。斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

【0099】

〔他の実施の形態〕

【0100】

(1) 上記実施の形態（図１）では、冷却水１２の加熱手段として冷却水１２の循環系統にあるヒータ２６、燃料改質器２３の燃焼排ガスおよび貯湯タンク３０の蓄熱の全てを備えているが、既述したとおりいずれかひとつでもよく、選択された２以上を備えてもよい。

【0101】

(2) 上記実施の形態では、冷却水１２の加熱手段としてヒータ２６を冷却水タンク１６に備えた例を示しているが、冷却水タンク１６以外の循環路１０にヒータ２６を備えてもよい。

【0102】

(3) 上記実施の形態では、冷却水１２の加熱手段の一例としてとして蓄熱媒体である上水２２および熱交換器１８−１を用いているが、他の熱交換手段を用いて燃焼熱などを利用して冷却水１２を温めてもよい。

【0103】

(4) 貯湯ユニット６について、図１１のＡに示すように、貯湯循環路３２にバイパス管３２−１、３２−２を分岐して備え、バイパス管３２−１の出側に切替弁６２−１、バイパス管３２−２の入側に切替弁６２−２を備えてもよい。この場合、起動時には図１１のＡに示すように、切替弁６２−１、６２−２により貯湯ポンプ２０−２により上水２２を流し、発電時には図１１のＢに示すように、上水２２を流してもよい。

【0104】

(5) 第２の実施の形態の貯湯ポンプ２０−２、切替弁６２−１、６２−２およびバイパス管３２−１、３２−２を備える構成は、貯湯ユニット６に限定されない。同様の構成を燃料電池ユニット４で構成してもよい。

【産業上の利用可能性】

【0105】

起動時（水張り時）または発電時に冷却水からエアを除去でき、エア抜き後の冷却水を用いて冷却を行うことができ、発電機能の低下やエラー発生を防止することができ、信頼の高い燃料電池コジェネレーションシステムを構築できる。

【符号の説明】

【0106】

２−１、２−２ 燃料電池コジェネレーションシステム
３−１、３−２ 制御系統
４ 燃料電池ユニット
６ 貯湯ユニット
８ 燃料電池スタック
１０ 冷却水循環路（循環路）
１２ 冷却水
１４ エアベント
１６ 冷却水タンク
１８−１ 第１の熱交換器
１８−２ 第２の熱交換器
２０−１ 冷却水ポンプ
２０−２ 貯湯ポンプ
２２ 上水
２３ 燃料改質器
２４−１、２４−２ 温度センサ
２６ ヒータ
２８ レベルセンサ
３０ 貯湯タンク
３２ 貯湯循環路
３２−１、３２−２ バイパス管
３６ 制御部
３８ ＣＰＵ
４０ ＲＯＭ
４２ ＲＡＭ
４４ 入出部（Ｉ／Ｏ）
４６ バス
４８ 加熱制御部
５０ 交流電源
５２ 冷却水制御機能
５６ 起動機能
５７ 冷却水加熱制御機能
５８ ポンプ出力断続機能
６０ ポンプ出力変動機能
６２−１、６２−２ 切替弁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】