JP6952248B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

電力及び熱の両方を供給可能な燃料電池システムはよく知られている。燃料電池システムの運転に伴って排熱が発生する。排熱は、温水の生成に使用される。温水は、貯湯タンクに貯められ、必要に応じて浴槽又は蛇口に供給される。

昨今、停電等の非常時にも運転が可能な燃料電池システムの開発が進められている。当業者に知られているように、貯湯タンクの上部から下部まで高温の温水が貯まると、燃料電池システムは運転を継続できない。貯湯タンクの温水を破棄したり浴槽に移したりして貯湯タンクに冷たい市水を補給すれば運転を継続できるものの、非常時には断水が同時に起こっている可能性がある。集合住宅では、停電時に揚水ポンプが止まって断水が起こることもある。

この問題に対処するべく、特許文献１に記載された発電システムは、貯湯タンクの温水を冷却するための補助ユニットを備えている。非常時において、貯湯タンクの温水を補助ユニットによって冷却すれば、発電システムが運転を継続できない状態に陥ることを防止できる。

特開２０１０−２６２８３３号公報

特許文献１に記載された補助ユニットなどの冷却装置は、通常時には使用されないことが多い。そのため、非常時に冷却装置が確実に動作するように、普段から冷却装置の検査を行う必要がある。

本開示は、非常時にも運転可能な燃料電池システムに関し、温水を冷却するための冷却装置の検査を容易にする技術を提供する。

本開示は、
燃料電池ユニットと、
前記燃料電池ユニットの排熱によって生成された温水を貯留する貯湯タンクと、
前記貯湯タンクから前記燃料電池ユニットに供給されるべき水が流れる第１部分と、前記燃料電池ユニットから前記貯湯タンクに戻されるべき前記温水が流れる第２部分と、を有する熱回収経路と、
前記第１部分の第１位置と前記第２部分の第２位置とを接続しているバイパス経路と、
前記第１位置よりも下流側かつ前記第２位置よりも上流側において前記熱回収経路に設けられた、又は、前記バイパス経路に設けられた冷却装置と、
前記温水が前記燃料電池ユニットから前記貯湯タンクに導かれる第１状態と前記温水が前記燃料電池ユニットから前記バイパス経路に導かれる第２状態との間で選択的に切り換えられる流路切換機構と、
を備えた、燃料電池システムを提供する。

本開示の技術によれば、非常時の冷却装置の検査を容易に行うことができる。

図１は、本開示の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図２は、燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。 図３は、冷却装置の検査方法を示すフローチャートである。 図４は、燃料電池ユニットの変形例を示す構成図である。 図５は、冷却装置の変形例を示す構成図である。 図６Ａは、流路切換機構の変形例を示す構成図である。 図６Ｂは、流路切換機構の他の変形例を示す構成図である。

（本開示の基礎となった知見）
燃料電池システムにおいては、ガスの加湿、水蒸気改質による燃料ガスの生成などの処理に水が使用されている。アノードオフガス、カソードオフガス、燃焼排ガスなどの排気ガスには多量の水蒸気が含まれているので、貯湯タンクに貯められた水で排気ガスを冷却すれば、凝縮水を回収できる。凝縮水を再利用すれば、外部から水を供給することなく、燃料電池システムの運転を継続することが可能である。凝縮水には金属イオンなどの不純物が含まれていないという利点もある。

貯湯タンクの上部から下部まで高温の温水が貯まると、貯湯タンクの温水で排気ガスを十分に冷却できない。排気ガスを十分に冷却できない場合、凝縮水の回収量が減少する。その結果、燃料電池システムの内部の水が枯渇し、燃料電池システムが運転を継続できない状態に陥る。特許文献１に記載されているように、貯湯タンクの温水を補助ユニットで冷却することは確かに有効である。ただし、補助ユニットなどの冷却装置を使用することは、燃料電池システムのエネルギー効率の観点で不利である。そのため、冷却装置は、通常時には使用されないことが多い。一方、非常時に冷却装置が確実に動作するように、普段から冷却装置の検査を行う必要がある。

特許文献１に記載された発電システムにおいて、補助ユニットが正常に動作するかどうかを検査するためには、運転を継続できない状態又はそれに近い状態を予め準備する必要がある。つまり、貯湯タンクの上部から下部に高温の温水を貯めたのち、補助ユニットが正常に動作するかどうか、及び、発電システムが運転を継続できない状態に陥ることを防止できるかどうかを確認する必要がある。しかし、貯湯タンクの中の水の熱容量は大きいので、貯湯タンクの上部から下部に高温の温水を貯めるのに長い時間がかかる場合がある。このことは、冷却装置の健全性を定期的に検査したり、簡単に検査したりすることの大きな障害となる。

（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１態様に係る燃料電池システムは、
燃料電池ユニットと、
前記燃料電池ユニットの排熱によって生成された温水を貯留する貯湯タンクと、
前記貯湯タンクから前記燃料電池ユニットに供給されるべき水が流れる第１部分と、前記燃料電池ユニットから前記貯湯タンクに戻されるべき前記温水が流れる第２部分と、を有する熱回収経路と、
前記第１部分の第１位置と前記第２部分の第２位置とを接続しているバイパス経路と、
前記第１位置よりも下流側かつ前記第２位置よりも上流側において前記熱回収経路に設けられた、又は、前記バイパス経路に設けられた冷却装置と、
前記温水が前記燃料電池ユニットから前記貯湯タンクに導かれる第１状態と前記温水が前記燃料電池ユニットから前記バイパス経路に導かれる第２状態との間で選択的に切り換えられる流路切換機構と、
を備えたものである。

第１態様によれば、バイパス経路を開通して高温の温水を冷却装置に導くことができる。これにより、貯湯タンクを満蓄状態にするまでもなく、冷却装置が正常に動作するかどうかを検査できる。検査に費やされる時間も短時間で済む。そのため、冷却装置の健全性を定期的に検査することが容易であるとともに、検査で消費されるエネルギーも少ない。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係る燃料電池システムでは、前記流路切換機構は、前記第１位置又は前記第２位置に配置された三方弁を含む。第２態様によれば、温水を熱回収経路にスムーズに循環させることができる。

本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様に係る燃料電池システムでは、前記冷却装置は、前記熱回収経路の前記第１部分に配置された第１熱交換器を含む。第３態様によれば、水又は温水が冷却装置の第１熱交換器を通るので、水又は温水の温度が下がる可能性がある。水又は温水の温度が第１熱交換器で下がると、水又は温水と熱交換するべき対象（排気ガス）との温度差が拡大するので、燃料電池ユニットにおける熱交換効率の向上を期待できる。

本開示の第４態様において、例えば、第３態様に係る燃料電池システムでは、前記冷却装置は、第２熱交換器と、前記１熱交換器と前記第２熱交換器との間で冷媒を循環させるための冷媒循環経路と、をさらに含む。第４態様によれば、第１熱交換器として、液−液熱交換器を使用できる。液−液熱交換器は、空冷式熱交換器よりも寸法の観点で有利である。

本開示の第５態様において、例えば、第４態様に係る燃料電池システムでは、前記第２熱交換器は、空冷式熱交換器である。第２熱交換器が空冷式熱交換器である場合、冷却装置は、断水時にも十分な冷却能力を発揮できる。

本開示の第６態様において、例えば、第１〜第５態様のいずれか１つに係る燃料電池システムは、断水時に前記温水が前記バイパス経路に導かれるように前記流路切換機構を制御する制御器をさらに備えている。第６態様によれば、燃料電池ユニットにおいて凝縮水を十分に回収でき、断水であるにもかかわらず燃料電池システムの運転を長時間にわたって継続できる。

本開示の第７態様において、例えば、第６態様に係る燃料電池システムでは、断水時において、前記制御器は、前記貯湯タンクが満蓄状態に達するまで前記温水が前記貯湯タンクに導かれるように前記流路切換機構を制御し、前記貯湯タンクが満蓄状態に達したら前記温水が前記バイパス経路に導かれるように前記流路切換機構を制御する。第７態様によれば、外部への供給電力が増えるので、ユーザの利便性が増す。

本開示の第８態様において、例えば、第１〜第７態様のいずれか１つに係る燃料電池システムは、前記熱回収経路又は前記バイパス経路に配置され、前記燃料電池ユニットに供給されるべき前記水の温度を検出する温度センサをさらに備えている。第８態様によれば、冷却装置で冷却される前の温水の温度又は冷却装置で冷却された温水の温度を正確に検出できる。

本開示の第９態様において、例えば、第８態様に係る燃料電池システムでは、前記温度センサは、前記第１位置よりも下流側において、前記熱回収経路の前記第１部分に配置されている。第９態様によれば、冷却装置で冷却される前の温水の温度又は冷却装置で冷却された温水の温度を正確に検出できる。

本開示の第１０態様において、例えば、第６態様に係る燃料電池システムでは、前記制御器は、前記温水が前記バイパス経路に導かれるように前記流路切換機構を制御して前記冷却装置の検査を定期的に実行する。第１０態様によれば、冷却装置の健全性を常に保証できるので、非常時に確実に運転することができる信頼性の高い燃料電池システムを提供できる。

本開示の第１１態様において、例えば、第１０態様に係る燃料電池システムでは、前回の前記検査が終了した時点から一定期間が経過し、かつ、前記燃料電池ユニットが発電中である場合、前記制御部は、今回の前記検査を実行する。第１１態様によれば、冷却装置の健全性を常に保証できるので、非常時に確実に運転することができる信頼性の高い燃料電池システムを提供できる。

本開示の第１２態様において、例えば、第１０又は第１１態様に係る燃料電池システムでは、前回の前記検査が終了した時点から一定期間が経過し、かつ、前記燃料電池ユニットが停止中である場合、前記制御部は、前記燃料電池ユニットを起動させて今回の前記検査を実行する。第１２態様によれば、燃料電池ユニットで発電が行われていなかったとしても、冷却装置の検査を確実に実施することができる。

本開示の第１３態様において、例えば、第１０〜第１２態様のいずれか１つに係る燃料電池システムでは、前記冷却装置の動作が正常でないとき、前記制御器は、前記燃料電池ユニットの発電を停止させること、及び、前記冷却装置に異常があることを外部に報知すること、からなる群より選ばれる少なくとも１つの処理を実行する。第１３態様によれば、冷却装置の修理に直ちに着手できるので、冷却装置の健全性を常に保証できる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

（実施形態）
本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池ユニット１０及び貯湯ユニット３０を備えている。貯湯ユニット３０は、貯湯タンク２０を有する。燃料電池ユニット１０及び貯湯タンク２０は、熱回収経路２１によって互いに接続されている。燃料電池ユニット１０において生成された温水が貯湯タンク２０に貯められる。

燃料電池ユニット１０は、燃料電池１１、改質器１２、熱交換器１３及びポンプ１４を有する。

燃料電池１１は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて電力を生成する。改質器１２は、都市ガスなどの原料ガスを改質することによって燃料ガスを生成する。燃料ガスは、水素ガスを含む。酸化剤ガスは、典型的には、空気である。燃料電池１１の型式は特に限定されない。燃料電池１１は、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、リン酸型燃料電池又は溶融炭酸塩型燃料電池である。純水素ガスが燃料電池１１に供給される場合、改質器１２は省略されうる。

熱交換器１３は、燃料電池１１のアノードオフガス、燃料電池１１のカソードオフガス、及び、燃焼排ガスから選ばれる少なくとも１つのガスを冷却して凝縮水を生じさせる冷却器でありうる。複数のガスを個別に冷却できるように、熱交換器１３は、複数の部分に分かれていてもよい。貯湯タンク２０の下部に貯められた水を冷却媒体として熱交換器１３に流すことができるように、熱交換器１３が貯湯タンク２０に接続されている。凝縮水は、凝縮水タンク（図示せず）に貯められる。凝縮水タンクに貯められた水は、改質器１２に供給され、燃料ガスの生成に使用される。燃焼排ガスは、改質器１２を昇温するためのバーナの燃焼排ガスである。バーナの燃料には、燃料電池１１のアノードオフガスが使用されうる。熱交換器１３は、例えば、フィンチューブ式熱交換器、プレート式熱交換器などの気−液熱交換器である。

熱回収経路２１は、第１部分２１ａ及び第２部分２１ｂを含む。第１部分２１ａは、貯湯タンク２０の下部と熱交換器１３の入口とを接続している。第２部分２１ｂは、熱交換器１３の出口と貯湯タンク２０の上部とを接続している。第１部分２１ａは、熱回収経路２１の上流部分を構成している。第２部分２１ｂは、熱回収経路２１の下流部分を構成している。第１部分２１ａは、熱交換器１３において加熱されるべき水を熱交換器１３に導くための流路である。第１部分２１ａには、貯湯タンク２０から燃料電池ユニット１０に供給されるべき水が流れる。第２部分２１ｂは、熱交換器１３において加熱された水（温水）を貯湯タンク２０に導くための流路である。第２部分２１ｂには、燃料電池ユニット１０から貯湯タンク２０に戻されるべき温水が流れる。

ポンプ１４は、熱回収経路２１に配置されている。ポンプ１４の働きによって、貯湯タンク２０から熱交換器１３に水が供給され、生成された温水が熱交換器１３から貯湯タンク２０に戻される。本実施形態では、ポンプ１４は、熱回収経路２１の第１部分２１ａに配置されている。ポンプ１４は、第２部分２１ｂに配置されていてもよい。

本実施形態の燃料電池システム１００に使用されたポンプのそれぞれは、例えば、ピストンポンプ、プランジャポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプなどの容積式ポンプである。

燃料電池システム１００は、さらに、バイパス経路２２、三方弁２３及び冷却装置２４を備えている。バイパス経路２２、三方弁２３及び冷却装置２４は、断水時において、燃料電池ユニット１０に供給されるべき温水の温度を下げるために使用される。

バイパス経路２２は、熱回収経路２１の第１部分２１ａと熱回収経路２１の第２部分２１ｂとを接続している。詳細には、バイパス経路２２は、第１部分２１ａの第１位置Ｐ１から第２部分２１ｂの第２位置Ｐ２まで延びている。バイパス経路２２は、燃料電池ユニット１０で生成された温水を貯湯タンク２０に戻さず、熱回収経路２１に循環させるための経路である。

三方弁２３は、熱回収経路２１に配置されている。本実施形態において、三方弁２３は、熱回収経路２１とバイパス経路２２との接続位置に配置されている。三方弁２３は、温水の流路を切り換える流路切換機構の一例である。詳細には、三方弁２３は、温水が燃料電池ユニット１０から貯湯タンク２０に導かれる第１状態と温水が燃料電池ユニット１０からバイパス経路２２に導かれる第２状態との間で選択的に切り換えられる。図１に示す例において、三方弁２３は、バイパス経路２２と熱回収経路２１の第２部分２１ｂとの接続位置である第２位置Ｐ２に配置されている。ただし、三方弁２３は第１位置Ｐ１に配置されていてもよい。三方弁２３の働きによって、温水を熱回収経路２１にスムーズに循環させることができる。ただし、三方弁２３は、複数の開閉弁によって置き換えられてもよい。三方弁２３は、分配機能又は混合機能を有していてもよい。

断水時において、ユーザは、貯湯タンク２０の温水を使用できる。ユーザが温水を使用すると、市水が補給されないので、貯湯タンク２０の上部には空間が生じる。そのため、第１位置Ｐ１のみに三方弁２３が配置されている場合、温水がバイパス経路２２に向かわず、貯湯タンク２０に戻る可能性がある。貯湯タンク２０に温水が戻ることを阻止するためには、追加の開閉弁が必要である。しかし、第２位置Ｐ２に三方弁２３が配置されている場合、貯湯タンク２０の水量によらず、温水を確実にバイパス経路２２に導くことができる。貯湯タンク２０が空にならない限り、熱回収経路２１に水を循環させて燃料電池システム１００の運転を継続できる。

冷却装置２４は、熱回収経路２１を流れる温水を冷却する役割を担っている。冷却装置２４は、第１位置Ｐ１よりも下流側かつ第２位置Ｐ２よりも上流側において熱回収経路２１に設けられている。本実施形態において、冷却装置２４は、第１熱交換器４０を有する。第１熱交換器４０は、熱回収経路２１の第１部分２１ａに配置されている。第１熱交換器４０は、例えば、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器などの液−液熱交換器である。第１熱交換器４０において、温水が冷却されるように、温水と冷媒との間で熱交換が行われる。冷媒の種類は特に限定されない。冷媒は、水、ブライン、オイル、アルコールなどの液冷媒である。

燃料電池システム１００の通常の運転時において、冷却装置２４の機能はオフである。ただし、水又は温水が冷却装置２４の第１熱交換器４０を通るので、水又は温水の温度が下がる可能性がある。水又は温水の温度が第１熱交換器４０で下がると、水又は温水と熱交換するべき対象（排気ガス）との温度差が拡大するので、燃料電池ユニット１０における熱交換効率の向上を期待できる。燃料電池システム１００の通常の運転時において、燃料電池ユニット１０によって生成された温水の温度が第１熱交換器４０で低下することも回避できる。もちろん、冷却装置２４は、熱回収経路２１の第２部分２１ｂに設けられていてもよい。

冷却装置２４は、バイパス経路２２に設けられていてもよい。この場合、バイパス経路２２を流れる温水が冷却装置２４によって冷却されうる。燃料電池システム１００の通常の運転時において、温水はバイパス経路２２を流れないので、バイパス経路２２には水が滞留する。バイパス経路２２が短ければ短いほど滞留する水の量が減る。冷却装置２４が熱回収経路２１に配置されている場合、バイパス経路２２を十分に短くすることができる。他方、バイパス経路２２に冷却装置２４が設けられている場合、熱回収経路２１の第１部分２１ａ又は第２部分２１ｂの長さを短縮できるので、燃料電池システム１００の通常の運転時における圧力損失を抑制できる。

本実施形態において、冷却装置２４は、第２熱交換器４１及び冷媒循環経路４５をさらに有する。第２熱交換器４１は、第１熱交換器４０において温水によって加熱された冷媒を冷却する役割を担う。冷媒循環経路４５は、第１熱交換器４０と第２熱交換器４１との間で冷媒を循環させるための経路である。

本実施形態の冷却装置２４によれば、第１熱交換器４０として、液−液熱交換器を使用できる。液−液熱交換器は、空冷式熱交換器よりも寸法の観点で有利である。第１熱交換器４０を貯湯ユニット３０の筐体の中に収めることも可能である。その結果、外気温が低いときに熱回収経路２１の中の水が凍結することを防止できる。

第２熱交換器４１は、フィンチューブ式熱交換器、プレート式熱交換器などの空冷式熱交換器でありうる。第２熱交換器４１が空冷式熱交換器である場合、冷却装置２４は、断水時にも十分な冷却能力を発揮できる。第２熱交換器４１は、貯湯ユニット３０の筐体の外部に配置されうる。

冷媒循環経路４５には、シスターンタンク４２及びポンプ４３が設けられている。シスターンタンク４２に冷媒が貯められている。ポンプ４３の働きによって、第１熱交換器４０と第２熱交換器４１との間で冷媒が循環する。冷媒を循環させながら第２熱交換器４１のファンを回せば、冷却装置２４が所定の冷却能力を発揮する。シスターンタンク４２には、オーバーフロー管４４が取り付けられていてもよい。

燃料電池システム１００は、さらに、温度センサ２６，２７及び２８を備えている。温度センサ２６，２７及び２８は、熱回収経路２１を流れる水の温度を検出する。温度センサ２６は、第１位置Ｐ１よりも下流側において、熱回収経路２１の第１部分２１ａに配置されている。詳細には、温度センサ２６は、第１位置Ｐ１と冷却装置２４との間において、熱回収経路２１の第１部分２１ａに配置されている。温度センサ２６によれば、冷却装置２４の第１熱交換器４０の入口における温水の温度を正確に検出できる。温度センサ２７は、第２位置Ｐ２よりも上流側において、熱回収経路２１の第２部分２１ｂに配置されている。詳細には、温度センサ２７は、燃料電池ユニット１０と第２位置Ｐ２との間において、熱回収経路２１の第２部分２１ｂに配置されている。温度センサ２７によれば、燃料電池ユニット１０で生成された温水の温度を正確に検出できる。温度センサ２８は、冷却装置２４と熱交換器１３の間において、熱回収経路２１の第１部分２１ａに配置されている。温度センサ２８は、燃料電池ユニット１０に含まれていてもよいし、貯湯ユニット３０に含まれていてもよい。温度センサ２８は、燃料電池ユニット１０の筐体の内部に位置していてもよいし、貯湯ユニット３０の筐体の内部に位置していてもよい。温度センサ２８によれば、冷却装置２４の第１熱交換器４０の出口における温水の温度であって、熱交換器１３に供給されるべき温水の温度を正確に検出できる。後述するように、温度センサ２６，２７及び２８の検出値は、冷却装置２４の検査においても有効に使用されうる。

温度センサ２６又は温度センサ２７は、バイパス経路２２に配置されていてもよい。この場合、バイパス経路２２を流れる温水の温度を正確に検出できる。

温度センサ２８によって検出された水の温度が閾値温度以下（例えば、４５℃以下）であるとき、燃料電池ユニット１０が水不足に陥るおそれが無く、燃料電池１１の運転を継続可能である。温度センサ２８によって検出された水の温度が閾値温度よりも高いとき、燃料電池ユニット１０が水不足に陥る可能性がある。燃料電池ユニット１０が水不足に陥るおそれがあるとき、貯湯タンク２０の温水を一部破棄又は浴槽に放出し、市水を貯湯タンク２０に補給してもよい。電力需要に応じて、発電を停止させてもよい。

本実施形態の燃料電池システム１００に使用された温度センサのそれぞれは、例えば、サーミスタを用いた温度センサ又は熱電対を用いた温度センサである。

貯湯タンク２０は、燃料電池１１の運転に伴って発生する排熱によって生成された温水を貯留するための容器である。貯湯タンク２０は、断熱性及び耐圧性を有する容器によって構成されている。貯湯タンク２０には、複数の温度センサ２５ａ〜２５ｅが設けられている。温度センサ２５ａ〜２５ｅは、鉛直方向に沿って概ね等間隔で配置されている。温度センサ２５ａ〜２５ｅは、貯湯タンク２０の内部に配置されていてもよく、貯湯タンク２０の表面上に配置されていてもよい。

温度センサ２５ａ〜２５ｅは、貯湯タンク２０に貯められた温水の温度を検出する。高温の温水が貯湯タンク２０の上部に貯められる。温水が使用されると市水が貯湯タンク２０の下部に補給される。そのため、貯湯タンク２０の内部には温水の温度成層が形成される。温度センサ２５ａ〜２５ｅの検出値によって、貯湯タンク２０の蓄熱状態を把握できる。

貯湯タンク２０の下部には、市水の給水経路４７が接続されている。貯湯タンク２０の温水が消費されると、給水経路４７を通じて市水が貯湯タンク２０に補給される。したがって、貯湯タンク２０には市水の給水圧力が加わっている。

貯湯タンク２０の上部には、給湯経路６０が接続されている。給湯経路６０は、貯湯タンク２０に貯められた温水を浴槽、蛇口などのユースポイントに供給するための流路であり、貯湯タンク２０からユースポイントまで延びている。

給水経路４７には、流量センサ５１、温度センサ５２、圧力センサ５３、減圧弁５４及び逆止弁５５が設けられている。逆止弁５５と圧力センサ５３との間において、給水経路４７から分岐経路５７が分岐している。分岐経路５７は、給湯経路６０に合流している（図示せず）。分岐経路５７には、混合弁５８が配置されている。混合弁５８を制御して貯湯タンク２０の温水と市水とを適切な比率で混合すれば、適切な温度の温水をユースポイントに供給できる。

圧力センサ５３は、例えば、ピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧力センサである。通常時において、圧力センサ５３には市水の圧力（例えば、０．１５〜０．５ＭＰａ）が加わっている。断水時には、圧力センサ５３の検出値は、通常時の値を大幅に下回る。圧力センサ５３の検出値に基づき、断水かどうかを特定できる。市水の圧力を検出できる限り、圧力センサ５３の位置は特に限定されない。

貯湯タンク２０の下部には、排水経路６２が接続されている。排水経路６２には、開閉弁６３が設けられている。開閉弁６３は、手動式であってもよい。例えば、長期不在のとき、排水経路６２を通じて、貯湯タンク２０の水を全て抜くことができる。排水経路６２には分岐排水経路６４が接続されている。分岐排水経路６４は、例えば、浴槽等に接続されている経路である。分岐排水経路６４を通じて、貯湯タンク２０の水を浴槽等に短時間で移すことができる。熱回収経路２１から取水経路６５が分岐しており、取水経路６５の先端には蛇口６１が取り付けられている。熱回収経路２１及び取水経路６５は細い経路なので、取水経路６５及び蛇口６１を通じて、ペットボトルなどの容器に貯湯タンク２０の水をゆっくり移すことができる。

熱回収経路２１、バイパス経路２２、冷媒循環経路４５、給水経路４７、給湯経路６０、排水経路６２、分岐排水経路６４及び取水経路６５は、それぞれ、少なくとも１つの配管によって構成されている。配管は、ステンレス管などの金属配管であってもよいし、樹脂配管であってもよい。必要に応じて、フィルタ、逆止弁、流量センサ、開閉弁などの部品が各流路に設けられていてもよい。

燃料電池システム１００は、さらに、制御器７０を備えている。制御器７０は、例えば、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。温度センサ２６、温度センサ２７、温度センサ２８、圧力センサ５３などの計測機器の検出信号が制御器７０に入力される。制御器７０は、各種計測機器の計測結果に基づき、三方弁２３、第２熱交換器４１、ポンプ４３などの制御対象を制御する。制御器７０には、燃料電池システム１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。

制御器７０は、単一のマイクロコンピュータによって構成されていてもよく、複数のマイクロコンピュータによって構成されていてもよい。さらに、燃料電池システム１００が複数の制御器を有していてもよい。

次に、燃料電池システム１００の運転について説明する。制御器７０は、図２のフローチャートに示す各処理を定期的に実行する。

ステップＳ１において、断水かどうかを判断する。具体的には、圧力センサ５３の検出値が閾値以下かどうかを判断する。断水時には水圧が大幅に低下するので、圧力センサ５３の検出値から断水かどうかを容易に判断できる。閾値は、通常時の水圧を考慮に入れて、断水が起こったことを確実に検出できる値に設定されうる。

次に、ステップＳ２において、貯湯タンク２０が満蓄状態に達しているかどうか判断する。具体的には、温度センサ２６の検出値又は温度センサ２８の検出値が閾値温度以下（例えば、４５℃以下）かどうかを判断する。

貯湯タンク２０が満蓄状態に達している場合、ステップＳ３において、ポンプ４３及び第２熱交換器４１のファンを動かして冷却装置２４を起動する。ステップＳ４において、温水がバイパス経路２２に導かれるように三方弁２３を制御する。温水が冷却装置２４の第１熱交換器４０において冷却されるので、低温の温水（例えば、４０℃未満）が燃料電池ユニット１０の熱交換器１３に供給される。その結果、凝縮水を十分に回収でき、断水であるにもかかわらず燃料電池システム１００の運転を長時間にわたって継続できる。ステップＳ３の処理とステップＳ４の処理との順序は、図２に示す順序と逆であってもよい。

貯湯タンク２０が満蓄状態に達していない場合、ステップＳ５において、温水が貯湯タンク２０に導かれるように三方弁２３を制御する。ステップＳ６において、冷却装置２４を停止させる。ステップＳ５の処理とステップＳ６の処理との順序は、図２に示す順序と逆であってもよい。

本実施形態によれば、断水が起こったとしても、満蓄状態に達するまで、温水が貯湯タンク２０に貯められる。このようにすれば、停電と断水が同時に起こっている場合において、冷却装置２４によって電力が消費されずに済む。冷却装置２４によって電力が消費されない場合、外部への供給電力が増加する。これにより、ユーザの利便性が増す。

ただし、満畜状態に達した後も貯湯タンク２０と燃料電池ユニット１０との間で温水を循環させてもよい。バイパス経路２２を使用することは必須ではない。冷却装置２４の働きによって、低温の温水が燃料電池ユニット１０に供給されうる。

次に、冷却装置２４を検査する方法について説明する。制御器７０は、図３のフローチャートに沿って冷却装置２４が正常に動作するかどうかを検査する。

ステップＳ１１において、冷却装置２４の検査が１回目かどうかを判断する。冷却装置２４の検査が１回目である場合、つまり、過去に検査を全く実施したことがない場合、ステップＳ１２において、冷却装置２４の検査を実施する。検査は、断水時と同じ状況を作ることから始まる。すなわち、温水がバイパス経路２２に導かれるように三方弁２３を制御する。ポンプ４３及び第２熱交換器４１のファンを動かして冷却装置２４を起動する。このようにすれば、貯湯タンク２０の蓄熱状態によらず、冷却装置２４の検査を直ちに実施できる。仮に、貯湯タンク２０の全体が冷水で満たされていたとしても、燃料電池ユニット１０が所定の運転状態に達した時点で検査を行うことができる。「所定の運転状態に達した時点」とは、例えば、第１熱交換器４０の入口における温水の温度（温度センサ２６の検出値）が所定温度（５０℃）に達した時点である。ステップＳ１２の処理は、例えば、燃料電池システム１００の試運転とともに行われる。

本実施形態によれば、全自動で冷却装置２４の検査が行われる。ただし、メンテナンス担当者又はシステム管理者が外部から制御器７０に命令を与えることによって、任意のタイミングで冷却装置２４の検査を実行することも可能である。

次に、ステップＳ１３において、冷却装置２４の動作が正常かどうかを判断する。具体的には、温度センサ２６の検出値及び温度センサ２８の検出値から冷却装置２４の動作が正常かどうかを判断する。温度センサ２６の検出値は、第１熱交換器４０の入口における水温に概ね一致する。温度センサ２８の検出値は、第１熱交換器４０の出口における水温に概ね一致する。温度センサ２６の検出値と温度センサ２８の検出値との差に基づき、冷却装置２４の動作が正常かどうかを判断できる。具体的には、温度センサ２８の検出値から温度センサ２６の検出値を減じることによって、冷却装置２４での温水の温度低下を算出する。例えば、低下した温度が閾値温度以上（例えば、１０℃以上）のとき、冷却装置２４の動作が正常である。低下した温度が閾値温度未満のとき、冷却装置２４の動作は正常でない。

冷却装置２４の動作が正常かどうかを判断する方法は、上記の方法に限定されない。例えば、燃料電池システム１００の起動後において、温度センサ２８の検出値が所定時間にわたって上限温度（例えば、４０℃）を下回っている場合、冷却装置２４の動作は正常であると言える。また、温度センサ２８の検出値が上限温度（例えば、４０℃）を下回っていることを条件に加えてもよい。

冷却装置２４の動作が正常である場合、検査は終了する。冷却装置２４の動作が正常でない場合、ステップＳ１４において、冷却装置２４に異常があることを外部に報知する。外部に異常を報知する方法は特に限定されない。例えば、異常ランプを点灯させてもよいし、タッチパネルなどの入出力デバイスに異常を知らせるメッセージを表示してもよいし、音声によって異常があることを報知してもよい。さらに、制御器７０がインターネット等の通信網に接続されている場合、冷却装置２４に異常があることをメンテナンス担当者の端末に通知してもよい。冷却装置２４に異常があることを外部に報知する処理に代えて、又は、冷却装置２４に異常があることを外部に報知する処理とともに、燃料電池ユニット１０の発電を停止させてもよい。このようにすれば、冷却装置２４の修理に直ちに着手できるので、冷却装置２４の健全性を常に保証できる。ただし、冷却装置２４に異常があったとしても、燃料電池システム１００の通常の運転には支障は無い。そのため、発電を自動的に停止させたのち、ユーザの操作によって発電を再開することが可能である。

冷却装置２４の検査が２回目以降である場合、ステップＳ１５において、冷却装置２４を検査すべき旨の指示が入力されたかどうかを判断する。例えば、冷却装置２４に異常が見つかり、修理完了後、試運転が必要である。このような場合において、外部から制御器７０に命令を与え、冷却装置２４の検査を直ちに実施することができる。

次に、ステップＳ１６において、条件１が成立したかどうかを判断する。条件１が成立している場合、ステップＳ１７において、冷却装置２４の今回の検査を実施する。条件１は、例えば、前回の検査が終了した時点から一定期間が経過し、かつ、燃料電池ユニット１０が発電中であることである。「一定期間」は、特に限定されず、例えば、２５〜３０日間である。つまり、本実施形態によれば、所定のスケジュールに沿って、定期的に冷却装置２４の検査が行われる。このようにすれば、冷却装置２４の健全性を常に保証できるので、非常時に確実に運転することができる信頼性の高い燃料電池システム１００を提供できる。

条件１が成立していない場合、ステップＳ１８において、条件２が成立したかどうかを判断する。条件２が成立している場合、ステップＳ１９において、燃料電池システム１００を起動し、ステップＳ１７において、冷却装置２４の今回の検査を実施する。条件２は、例えば、前回の検査が終了した時点から一定期間が経過し、かつ、燃料電池ユニット１０が停止中であることである。「一定期間」は、特に限定されず、例えば、３０日間である。このようにすれば、燃料電池ユニット１０で発電が行われていなかったとしても、冷却装置２４の検査を確実に実施することができる。

条件１も条件２も成立していない場合、検査のタイミングではないので、現在の動作（運転又は停止）を継続する（ステップＳ２０）。

以上の通り、本実施形態によれば、バイパス経路２２を開通して高温の温水を冷却装置２４に導くことができる。これにより、貯湯タンク２０を満蓄状態にするまでもなく、冷却装置２４が正常に動作するかどうかを検査できる。検査に費やされる時間も短時間で済む。そのため、冷却装置２４の健全性を定期的に検査することが容易であるとともに、検査で消費されるエネルギーも少ない。

（変形例）
図４に示すように、燃料電池１１が固体高分子型燃料電池であるとき、燃料電池ユニット１０は、熱交換器１５及び冷却水回路１６をさらに備えていてもよい。熱交換器１５は、燃料電池１１の排熱によって貯湯タンク２０の水を加熱する役割を担っている。熱交換器１５は、燃料電池１１の冷却水と貯湯タンク２０の水との間で熱交換を生じさせる。熱交換器１５は、例えば、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器などの液−液熱交換器である。

冷却水回路１６は、燃料電池１１と熱交換器１５との間で冷却水を循環させるための流路であり、燃料電池１１と熱交換器１５とを接続している。冷却水回路１６によって、燃料電池１１を効率的に冷却できるとともに、燃料電池１１の排熱を温水の形で燃料電池１１の外部に取り出すことができる。冷却水回路１６には、ポンプ１７及び冷却水タンク１８が設けられている。

熱回収経路２１は、熱交換器１３と熱交換器１５とを接続する第３部分２１ｃを含んでいてもよい。熱回収経路２１において、熱交換器１３が上流側に位置し、熱交換器１５が下流側に位置している。このような配置によれば、貯湯タンク２０の水は、熱交換器１３及び熱交換器１５の順番で加熱される。熱交換器１３により低い温度の水が供給される。熱交換器１３において、少なくとも１つのガスを十分に冷却できるので、凝縮水を十分に回収できる。第３部分２１ｃは、熱交換器１３の出口と熱交換器１５の入口とを接続している。

図５に示すように、変形例に係る冷却装置７４は、冷却経路７５、熱交換器７６及び流路切換機構７７によって構成されている。冷却経路７５は、熱回収経路２１の第１部分２１ａから分岐し、第１部分２１ａに合流している。冷却経路７５は、熱回収経路２１の第２部分２１ｂから分岐し、第２部分２１ｂに合流していてもよい。熱交換器７６は、冷却経路７５に配置されている。熱交換器７６は、フィンチューブ式熱交換器、プレート式熱交換器などの空冷式熱交換器でありうる。流路切換機構７７は、例えば、冷却経路７５と熱回収経路２１との接続位置に配置された三方弁である。流路切換機構７７は、複数の開閉弁で構成されていてもよい。本変形例によれば、熱交換器が１つで済むので安価である。流路切換機構７７は、状態Ａと状態Ｂとを選択的にとりうる。流路切換機構７７が状態Ａのとき、温水が冷却経路７５に導かれる。流路切換機構７７が状態Ｂのとき、温水が冷却経路７５を流れることが禁止される。

ただし、図１に示す実施形態によれば、冷却装置２４がオフのときに第１熱交換器４０に水が滞留しないので、衛生上有利である。

図６Ａに示すように、バイパス経路２２の両端（第１位置Ｐ１及び第２位置Ｐ２）のそれぞれに三方弁２３が配置されていると、ユーザが貯湯タンク２０の温水を使用して貯湯タンク２０が空になったとしても、燃料電池システム１００の運転を継続できる。本変形例では、２つの三方弁２３によって流路切換機構が構成されている。

図６Ｂに示すように、本変形例では、３つの開閉弁７８ａ〜７８ｃによって流路切換機構が構成されている。三方弁７８ａは、貯湯タンク２０と第１位置Ｐ１との間において熱回収経路２１に配置されている。三方弁７８ｂは、第２位置Ｐ２と貯湯タンク２０との間において熱回収経路２１に配置されている。三方弁７８ｃは、バイパス経路２２に配置されている。

本開示の技術は、燃料電池システムなどのコジェネレーションシステムに有用である。

１０ 燃料電池ユニット
１１ 燃料電池
１２ 改質器
１３ 熱交換器
１４ ポンプ
２０ 貯湯タンク
２１ 熱回収経路
２１ａ 第１部分
２１ｂ 第２部分
２１ｃ 第３部分
２２ バイパス経路
２３ 三方弁
２４ 冷却装置
２５ａ〜２５ｅ，２６，２７，２８ 温度センサ
３０ 貯湯ユニット
４０ 第１熱交換器
４１ 第２熱交換器
４２ シスターンタンク
４３ ポンプ
４４ オーバーフロー管
４５ 冷媒循環経路
４７ 給水経路
５１ 流量センサ
５２ 温度センサ
５３ 圧力センサ
５４ 減圧弁
５５ 逆止弁
５７ 分岐経路
５８ 混合弁
６０ 給湯経路
６２ 排水経路
６３ 開閉弁
７０ 制御器
７４ 冷却装置
７５ 冷却経路
７６ 熱交換器
７７ 流路切換機構
７８ａ，７８ｂ，７８ｃ 開閉弁
１００ 燃料電池システム
Ｐ１ 第１位置
Ｐ２ 第２位置

Claims (12)

1. 燃料電池ユニットと、
   前記燃料電池ユニットの排熱によって生成された温水を貯留する貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクから前記燃料電池ユニットに供給されるべき水が流れる第１部分と、前記燃料電池ユニットから前記貯湯タンクに戻されるべき前記温水が流れる第２部分と、を有する熱回収経路と、
   前記第１部分の第１位置と前記第２部分の第２位置とを接続しているバイパス経路と、
   前記第１位置よりも下流側かつ前記第２位置よりも上流側において前記熱回収経路に設けられた、又は、前記バイパス経路に設けられた冷却装置と、
   前記温水が前記燃料電池ユニットから前記貯湯タンクに導かれる第１状態と前記温水が前記燃料電池ユニットから前記バイパス経路に導かれる第２状態との間で選択的に切り換えられる流路切換機構と、
   前記冷却装置の検査を実行する際、及び、断水時、からなる群より選ばれる少なくとも１つの場合に前記温水が前記バイパス経路に導かれるように前記流路切換機構を制御する制御器と、
   を備えた、燃料電池システム。
2. 前記流路切換機構は、前記第１位置又は前記第２位置に配置された三方弁を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記冷却装置は、前記熱回収経路の前記第１部分に配置された第１熱交換器を含む、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記冷却装置は、第２熱交換器と、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で冷媒を循環させるための冷媒循環経路と、をさらに含む、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記第２熱交換器は、空冷式熱交換器である、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 断水時において、前記制御器は、前記貯湯タンクが満蓄状態に達するまで前記温水が前記貯湯タンクに導かれるように前記流路切換機構を制御し、前記貯湯タンクが満蓄状態に達したら前記温水が前記バイパス経路に導かれるように前記流路切換機構を制御する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記熱回収経路又は前記バイパス経路に配置され、前記燃料電池ユニットに供給されるべき前記水の温度を検出する温度センサをさらに備えた、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記温度センサは、前記第１位置よりも下流側において、前記熱回収経路の前記第１部分に配置されている、請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記制御器は、前記検査を定期的に実行する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前回の前記検査が終了した時点から一定期間が経過し、かつ、前記燃料電池ユニットが発電中である場合、前記制御器は、今回の前記検査を実行する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
11. 前回の前記検査が終了した時点から一定期間が経過し、かつ、前記燃料電池ユニットが停止中である場合、前記制御器は、前記燃料電池ユニットを起動させて今回の前記検査を実行する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
12. 前記冷却装置の動作が正常でないとき、前記制御器は、前記燃料電池ユニットの発電を停止させること、及び、前記冷却装置に異常があることを外部に報知すること、からなる群より選ばれる少なくとも１つの処理を実行する、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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