JP2009259744A - 熱電併給システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池を利用した発電と、この発電に伴って生じた熱の回収とを行って、電力と熱とを供給可能とした熱電併給システムにおいて、熱余り状態の発生を低減するとともに、エネルギーの無駄を低減してシステムの最大総合効率を高めることを目的とする。
【解決手段】熱電併給システムに、冷却水槽４９、燃料電池５、及び冷却水熱交換器１４（第一熱交換器）の高温側の順に冷却水が循環する第一循環経路の他に、冷却水槽４９、燃料電池５、及び余剰熱交換器３２（第二熱交換器）の高温側の順に冷却水が循環する第三循環経路を冷却水循環路１０に設け、これらの循環経路への冷却水の流量比を調整する冷却水流量調整器を備えた。余剰熱交換器３２では、余剰熱回収路３５を流れる余剰熱利用機器４３から供給されて余剰熱利用機器４３に還流する冷媒と、燃料電池５を通った後の高温の冷却水とを熱交換するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を利用した発電と、この発電に伴って生じた熱の回収とを行って、電力と熱とを供給可能とした熱電併給システムに関する。

従来、燃料電池などを利用した発電装置と、この発電装置で発電が行われる際に生じる熱を利用して加熱した水（温水）を貯湯する貯湯槽とを備えた、家庭用熱電併給システム（コージェネレーションシステム）が知られている。図５は一般的な家庭用熱電併給システムの熱電供給イメージ図である。図５に示すように、一般的な家庭用熱電併給システムでは、発電装置で発電して得た電力が家庭で使用する一部の電力負荷（例えば、照明や空調装置などの電化製品）に供給されるとともに、貯湯槽の温水が家庭内の熱負荷（例えば、給湯機器や床暖房などの熱利用機器）に供給される。

ところで、熱電併給システムは、通常、熱負荷又は電力負荷に応じて発電を行い、より高い総合効率を達成するように制御されているが、最大効率を達成するのは熱負荷及び電力負荷のバランスがシステムに最適なモデルに合致するときである。しかし、実際の熱負荷及び電力負荷のバランスは最適なモデルから乖離したものとなりがちである。このため、以下に示すように良好なシステム効率を発揮することが困難となっている。

例えば、予め設定されている最小出力から最大出力の範囲内で要求されている電力負荷を賄えるように発電装置の出力が調整されている電力負荷追従型の熱電併給システムの場合、要求されている電力負荷を賄うことができるものの、要求されている熱負荷には対応しておらず、熱が余る熱余りや熱負荷を賄えない熱不足が発生することがある。例えば、夏季などのように電力負荷が大きく熱負荷が小さい場合に熱余り状態が発生すると、余った熱は貯湯槽に貯えられるが、貯えられた熱は使用されずに放熱されてシステムの効率が低下する。逆に、冬季などのように熱負荷が大きい場合に熱不足状態が発生すると、熱負荷を賄うために補助的にバーナーを働かせることになるので、システムの効率が低下する。

そこで、特許文献１に記載された熱電併給システムでは、貯湯槽から取り出した湯水がラジエータを通過するように循環する状態と、貯湯槽から取り出した湯水がラジエータをバイパスするように循環する状態とに切替可能に構成して、熱余り状態が発生する場合には貯湯槽から取り出した湯水の熱の一部をラジエータにて放熱させることによって、従来固有値とされている発電装置の最小出力若しくは最大出力或いはそれらの両方を、熱負荷に対する熱出力の過不足量に応じて設定できるようにしている。
特開２００６−２２８６０６号公報

上述の通り、特許文献１に記載の熱電併給システムでは、熱余り状態が発生したときに、余剰の熱をラジエータで放熱させることによって、発電装置での更なる発電を可能としているが、ラジエータからの放熱は有効に利用されないのでエネルギーの無駄が生じてしまう。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、燃料電池を利用した発電と、この発電に伴って生じた熱の回収とを行って、電力と熱とを供給可能とした熱電併給システムにおいて、熱余り状態の発生を低減するとともに、エネルギーの無駄を低減してシステムの最大総合効率を高めることを目的とする。

本発明の熱電併給システムは、電力と熱とを発生する燃料電池と、冷却水を貯える冷却水槽と、第一熱交換器及び第二熱交換器の２つの熱交換器と、前記冷却水槽、前記燃料電池、及び前記第一熱交換器の高温側流路の順に前記冷却水が循環する冷却水循環路と、前記冷却水循環路に冷却水を循環させる第一ポンプと、貯湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽、前記第一熱交換器の低温側流路の順に前記貯湯水が循環する貯湯水循環路と、前記貯湯水循環路に前記貯湯水を循環させる第二ポンプと、前記燃料電池の下流側の前記冷却水又は前記第一熱交換器の低温側流路の下流側の前記貯湯水を前記第二熱交換器の高温側流路へ通す余剰熱取出経路と、前記余剰熱取出経路の前記冷却水又は前記貯湯水の流量を調整可能な流量調整器と、余剰熱利用機器と、前記余剰熱利用機器の冷媒出口、前記第二熱交換器の低温側流路、及び前記余剰熱利用機器の冷媒入口の順に冷媒が流れる余剰熱回収路と、前記流量調整器、前記第一ポンプ、及び前記第二ポンプの動作を制御する制御装置とを、備えるものである。

上記構成の熱電併給システムは、余剰の熱を余剰熱利用機器で利用することができ、熱余り状態の発生を低減することができる。このように、熱電併給システムでは、余剰の熱を余剰熱利用機器で利用することができるので、熱電併給システムの総合効率を向上させることができる。

前記冷却水循環路は、前記冷却水槽、前記燃料電池、及び前記第一熱交換器の高温側流路の順に前記冷却水が循環する第一循環経路と、前記冷却水槽及び前記燃料電池の順に前記冷却水が循環する第二循環経路と、前記冷却水槽、前記燃料電池、及び第二熱交換器の高温側流路の順に前記冷却水が循環し前記余剰熱取出経路として機能する第三循環経路との３つの循環経路を有し、前記流量調整器は、前記冷却水循環路の前記第一循環経路、前記第二循環経路、及び前記第三循環経路の前記冷却水の流量比を個別に調整する冷却水流量調整器とすることができる。

この構成によれば、余剰の熱を余剰熱利用機器で利用することができ、熱余り状態の発生を低減することができる。さらに、第二熱交換器は、冷却水循環路の第三循環経路において、発熱源である燃料電池の直ぐ下流に配置されており、熱交換ロスが少ない。このように、熱電併給システムでは、余剰の熱を余剰熱利用機器で利用することができるので、熱電併給システムの総合効率を向上させることができる。

ここで、前記制御装置は、前記第二熱交換器の高温側流路に所定の熱量を供給する状態と、前記第二熱交換器の高温側流路に熱量を供給しない状態とを切り替えるように、前記第一循環経路、前記第二循環経路、及び前記第三循環経路の前記冷却水の流量比を前記冷却水流量調整器によって調整するように構成することができる。これにより、余剰熱利用機器が必要とする熱量を余熱利用機器に供給する状態と、貯湯槽に熱量を供給する状態と、これら双方に熱量を供給する状態とに切り替えることができる。

また、前記制御装置は、前記第二熱交換器の高温側流路に熱量を供給しない状態において、前記第三循環経路の前記冷却水の流量比をゼロに調整し、前記第一循環経路及び前記第二循環経路の前記冷却水の流量比を調整するように構成されていることが望ましい。これにより、余剰熱利用機器で熱を利用しない場合において、第二熱交換器に無駄に熱が流れることがない。

さらに、本発明の熱電併給システムは、前記燃料電池に流入する前記冷却水の温度を検出する入口温度センサと、前記燃料電池より流出する前記冷却水の温度を検出する出口温度センサとを、更に備え、前記制御装置は、前記入口温度センサ及び前記出口温度センサの検出温度を取得し、前記燃料電池に流入する前記冷却水の温度を所定の値に維持するように、前記検出温度に基づいて前記冷却水流量調整器及び前記第一ポンプの動作を調整するように構成することができる。これにより、燃料電池に流入する冷却水の温度が一定に維持されて、熱電併給システムの安定した運転を確保することができる。

また、本発明の熱電併給システムにおいて、前記貯湯水循環路は、前記貯湯槽及び前記第一熱交換器の低温側流路の順に前記貯湯水が循環する第一貯湯水循環経路と、前記第一熱交換器の低温側流路及び前記第二熱交換器の高温側流路の順に前記貯湯水が循環し前記余剰熱取出経路として機能する第二貯湯水循環経路との２つの循環経路を有し、前記流量調整器は、前記第一貯湯水循環経路と前記第二貯湯水循環経路との前記貯湯水の流量比を調整する貯湯水流量調整器とすることができる。

上記構成の熱電併給システムは、余剰となる熱を余剰熱利用機器で利用することができ、熱余り状態の発生を低減することができる。このように、余剰の熱を余剰熱利用機器で利用することができるので、熱電併給システムの総合効率を向上させることができる。

前記制御装置は、前記第二熱交換器の高温側流路に所定の熱量を供給する状態と、前記第二熱交換器の高温側流路に熱量を供給しない状態とを切り替えるように、前記第一貯湯水循環経路及び前記第二貯湯水循環経路の前記貯湯水の流量比を前記貯湯水流量調整器によって調整するように構成することができる。これにより、余剰熱利用機器が必要とする熱量を余熱利用機器に供給する状態と、貯湯槽に熱量を供給する状態と、これら双方に熱量を供給する状態とに切り替えることができる。

さらに、本発明の熱電併給システムは、前記第一熱交換器の低温側流路より下流側の前記貯湯水の温度を検出する貯湯水温度センサを、更に備え、前記制御装置は、前記貯湯水温度センサの検出温度を取得し、前記貯湯槽に流入する前記貯湯水の温度を所定の値に維持するように、前記検出温度に基づいて前記第二ポンプの動作を調整するように構成することができる。これにより、所定温度の貯湯水が貯湯槽に供給されることとなる。

また、本発明の熱電併給システムは、前記余剰熱回収路に前記冷媒を圧送する第三ポンプを、更に備えることができる。これにより、余剰熱利用機器が冷媒を圧送する手段を備えない場合に、余剰熱回収路に冷媒を流すことができる。

本発明の熱電併給システムにおいて、前記冷媒は、水とすることができる。この場合、余剰熱利用機器において温水を、例えば、洗濯機、温水プール、池或いは水槽の水、温水シャワー、ペットの洗浄、又は車の洗浄などに利用することができる。

或いは、本発明の熱電併給システムにおいて、前記冷媒は、不凍液とすることができる。この場合、余剰熱利用機器において熱を、例えば、ヒーター、融雪、又は凍結防止などに利用することができる。

或いは、本発明の熱電併給システムにおいて、前記冷媒は、空気とすることができる。この場合、余剰熱利用機器において温風を、例えば、ビニールハウス或いは温室への送風、又は乾燥などに利用することができる。

本発明は、以下に示すような効果を奏する。

本発明によれば、熱電併給システムの余剰となる熱を余剰熱利用機器で利用することができ、熱余り状態の発生を低減することができる。このように、余剰の熱を余剰熱利用機器で利用することができるので、熱電併給システムの総合効率を向上させることができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複説明を省略する。

（実施の形態１）
先ず、本実施の形態１に係る熱電併給システムの全体構成について説明する。図１は本発明の実施の形態１に係る熱電併給システムの全体的な構成を示すブロック図である。図１に示すように、熱電併給システムは、発電を行う発電ユニット４１と、発電に伴い生じた熱を利用して加熱された温水を貯える貯湯ユニット４２と、これらの動作を制御する制御装置２１とを備えている。

〔発電ユニット４１〕
以下、発電ユニット４１について説明する。発電ユニット４１は、発電機としての燃料電池５を備えている。ここでは、燃料電池５として、酸素極と水素極とを備えた高分子電解質形燃料電池を用いているが、燃料電池の種類はこれに限定されない。

燃料電池５には、燃料ガス生成装置１から燃料ガス供給路３を通じて燃料ガスが供給されるとともに、空気ブロワ７から酸化剤ガス（ここでは空気）が供給される。燃料電池５は、供給された燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とによる電気化学反応によって発電を行う。

燃料ガス生成装置１は、原料供給路２から脱硫器を介して供給される都市ガスと図示しない配管により供給される水蒸気とを原料とし、改質器にて都市ガスを水素リッチな改質ガスに改質し、酸化触媒にて前記改質ガス中の一酸化炭素を低減することにより、水素リッチな改質ガス（燃料ガス）を生成する。燃料ガス生成装置１には、改質器のための熱源としてバーナー９が備えられている。

燃料電池５の図示しない出力端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６とインバータ４５とを介して、電力負荷５５が接続されている商用電力網に連結されている。この構成により、燃料電池５で発電された電力は、所望の電圧の直流電力に変換され、さらに、商用電力網と同位相の交流電力に変換されたうえで、商用電力網と系統連係しながら電力負荷５５へ供給される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６の出力側には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４７が接続されている。このＤＣ／ＤＣコンバータ４７は、後述する補助ヒーター２９に電力（電圧）を調整しながら供給する可変電圧電源として機能する。

発電ユニット４１は、燃料電池５を冷却するために、冷却水が循環する冷却水循環路１０を備えている。この冷却水循環路１０を循環する冷却水は、冷却水槽４９から流れ出て、燃料電池５内の冷却水通路５ａを通過して吸熱し、冷却水熱交換器１４内を通過して放熱し、冷却水槽４９に戻る。また、発電ユニット４１は、貯湯槽２０に貯えられた水（以下「貯湯水」という）が循環する貯湯水循環路１２を備えている。この貯湯水循環路１２を循環する貯湯水は、貯湯槽２０から流れ出て、冷却水熱交換器１４内を通過するうちに燃料電池５内を通過して高温となった冷却水と熱交換することにより加温され、湯となって貯湯槽２０に戻る。この冷却水循環路１０と貯湯水循環路１２については、後ほど詳細に説明する。

〔貯湯ユニット４２〕
ここで、貯湯ユニット４２について説明する。貯湯ユニット４２は、貯湯槽２０と、貯湯槽２０から熱負荷５６（例えば、給湯機器や床暖房システムなど）へ供給する温水を調整するための温水加熱器１９及び水混合弁３１とを備えている。

貯湯槽２０は、いわゆる積層沸き挙げ方式のものであり、貯湯槽２０の底部には給水弁２５ａを備えた給水管２５ｂが接続されて、給水源２５から給水管２５ｂを通じて貯湯槽２０の底部へ低温の水が供給される。この貯湯槽２０の底部にある低温の水は、貯湯水循環路１２へ送られて、貯湯水循環路１２を通じるうち加温されて温水となり、貯湯槽２０の上部から貯湯槽２０内に戻る。第一〜第五の温度センサ５７ａ〜５７eが、貯湯槽２０の鉛直方向における温度分布を検出することができるように、貯湯槽２０の側面に配設されている。第一〜第五の温度センサ５７ａ〜５７eは、例えば、サーミスタや熱電対で構成されており、貯湯槽２０の温度分布に基づいて貯湯量を算出する。

貯湯槽２０の上部に貯まっている温水は、温水加熱器１９で加熱され、水混合弁３１で温度と流量とが調整されたのち、温水供給管３６を通じて熱負荷５６に供給される。温水供給管３６には、温水供給管３６を流れる温水の温度を検出する温度センサ３０が備えられている。

〔冷却水循環路１０〕
ここで、冷却水循環路１０について詳細に説明する。冷却水循環路１０は、主となる第一循環経路の他に、副（補助）となる第二循環経路と第三循環経路との、併せて３つの経路を備えている。

冷却水循環路１０の第一循環経路は、冷却水槽４９の流出口、冷却水循環ポンプ１１、燃料電池５内の冷却水通路５ａ、冷却水熱交換器１４の高温側流路１４ａ、冷却水分流弁１６、及び冷却水槽４９の流入口の各々の間が、配管で構成された流路１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｅ，１０ｆで適宜接続されることによって形成されている。この第一循環経路において、冷却水槽４９の流出口から出た冷却水は、冷却水循環ポンプ１１、燃料電池５内の冷却水通路５ａ、冷却水熱交換器１４の高温側流路１４ａ、及び冷却水分流弁１６を順に流れて、冷却水槽４９の流入口から冷却水槽４９内に戻る。冷却水熱交換器１４では、燃料電池５を通ったあとの高温の冷却水と、貯湯水循環路１２を流れる低温の貯湯水との熱交換が行われる。

冷却水循環路１０の第二循環経路は、冷却水槽４９の流出口、冷却水循環ポンプ１１、燃料電池５内の冷却水通路５ａ、冷却水分流弁１６、及び冷却水槽４９の流入口の各々の間が、配管で構成された流路１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｇ，１０ｆで適宜接続されることによって形成されている。この第二循環経路において、冷却水槽４９の流出口から出た冷却水は、冷却水循環ポンプ１１、燃料電池５内の冷却水通路５ａ、及び冷却水分流弁１６を順に流れて、冷却水槽４９の流入口から冷却水槽４９内に戻る。なお、第二循環経路は、冷却水分流弁１６の出口から燃料電池５内の冷却水通路５ａの出口までの流路を第一循環経路と共有している。

冷却水循環路１０の第三循環経路は、冷却水槽４９の流出口、冷却水循環ポンプ１１、燃料電池５内の冷却水通路５ａ、余剰熱交換器３２の高温側流路３２ａ、及び冷却水槽４９の流入口の各々の間が、配管で構成された流路１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，３３ａ，３３ｃ，１０ｆで適宜接続されることによって形成されている。この第三循環経路は、燃料電池５の冷却水通路５ａの下流側の冷却水を余剰熱交換器３２の高温側流路３２ａへ通す余剰熱取出経路として機能する。なお、第三循環経路は、冷却水分流弁１６の出口から燃料電池５内の冷却水通路５ａの出口までの流路を第一循環経路及び第二循環経路と共有している。この第三循環経路では、冷却水槽４９の流出口から出た冷却水は、冷却水循環ポンプ１１、燃料電池５内の冷却水通路５ａ、及び余剰熱交換器３２の高温側流路３２ａを順に流れて、冷却水槽４９の流入口から冷却水槽４９内に戻る。余剰熱交換器３２では、燃料電池５を通ったあとの高温の冷却水と、余剰熱回収路３５を流れる低温の冷媒との熱交換が行われる。この余剰熱回収路３５には、後述する余剰熱利用機器４３から冷媒が供給され、この冷媒が冷媒圧送ポンプ３４により圧送されて余剰熱回収路３５を流れる。

冷却水循環路１０に備えられた冷却水循環ポンプ１１は、冷却水循環路１０にある冷却水を圧送して、冷却水槽４９に貯留されている冷却水を冷却水循環路１０で循環させるためのものである。また、冷却水循環路１０は、燃料電池５内の冷却水通路５ａに流入する冷却水の温度を検出するために冷却水通路５ａの上流側の流路１０ｂに入口温度センサ２３を備え、燃料電池５の冷却水通路５ａから流出した冷却水の温度を検出するために冷却水通路５ａの下流側の流路１０ｃに出口温度センサ２４を備えている。これらの温度センサ２３，２４の検出温度は電気的配線を介して制御装置２１に入力される。そして、制御装置２１は、入口温度センサ２３と出口温度センサ２４とで検出された温度等に基づいて、冷却水循環ポンプ１１の冷却水の圧送能力を調整するように構成されている。

冷却水循環路１０に備えられた冷却水分流弁１６は、三方弁であって、２つの入口はそれぞれ第一循環経路と第二循環経路とに属し、１つの出口は第一循環経路と第二循環経路との双方に属する。冷却水分流弁１６の、第一循環経路側の入口の開度と第二循環経路側の入口の開度とは可変であって、冷却水分流弁１６は制御装置２１の制御を受けてこれらの開度を変化させることにより、第三循環経路の流路抵抗Ｐ３に対して第一循環経路の流路抵抗Ｐ１と第二循環経路の流路抵抗Ｐ２とを独立して調整することができる。つまり、制御装置２１の制御を受けた冷却水分流弁１６が第一循環経路側と第二循環経路側とのそれぞれの開度を増減することにより、第一循環経路と第二循環経路と第三循環経路との冷却水の流量比が調整されることとなる。

〔貯湯水循環路１２〕
次に、貯湯水循環路１２について詳細に説明する。貯湯水循環路１２は、貯湯槽２０の下部に設けられた出口、貯湯水循環ポンプ１３、排燃料ガス熱交換器２６の低温側流路、排酸化剤ガス熱交換器２７の低温側流路、燃焼排ガス熱交換器２８の低温側流路、冷却水熱交換器１４の低温側流路１４ｂ、及び貯湯槽２０の上部に設けられた入口の各々の間が、配管で構成された流路１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆで適宜接続されることによって形成されている。

冷却水熱交換器１４の出口と貯湯槽２０の入口とを接続している流路１２ｆには、熱電併給システムが熱不足の状態となったときに貯湯水を所定温度にまで加熱するための補助ヒーター２９が設けられている。

また、貯湯槽２０の出口と貯湯水循環ポンプ１３とを接続している流路１２ａには、低温側メンテナンスバルブ１７が設けられ、冷却水熱交換器１４の出口と貯湯槽２０の入口とを接続している流路１２ｆには、高温側メンテナンスバルブ１８が設けられている。低温側メンテナンスバルブ１７と高温側メンテナンスバルブ１８とで、貯湯水循環路１２を発電ユニット４１側と貯湯ユニット４２側とに分断することにより、メンテナンス時に貯湯ユニット４２側の貯湯水循環路１２にある貯湯水を止水することができる。

貯湯水循環路１２に備えられた貯湯水循環ポンプ１３は、貯湯水循環路１２にある貯湯水を圧送して、貯湯槽２０に貯留されている貯湯水を貯湯水循環路１２で循環させるためのものである。また、冷却水熱交換器１４の出口と貯湯槽２０の入口とを接続している流路１２ｆに、冷却水熱交換器１４で冷却水と熱交換することにより加熱された後の貯湯水の温度を検出する貯湯水温度センサ１５が設けられている。この温度センサ１５の検出温度は電気的配線を介して制御装置２１に入力される。そして、制御装置２１は、貯湯水温度センサ１５で検出された貯湯水の温度等に基づいて、貯湯水循環ポンプ１３の貯湯水の圧送能力を調整するように構成されている。

貯湯水循環路１２に備えられた排燃料ガス熱交換器２６には、燃料電池５に供給された燃料ガスのうち未消費の燃料ガスが排出される燃料ガス排出路６の一部が導入されている。そして、排燃料ガス熱交換器２６では、燃料ガス排出路６内の排燃料ガス及びこれに含まれる水蒸気と、貯湯水循環路１２内の貯湯槽２０から貯湯水循環ポンプ１３により圧送されてきた低温の貯湯水との熱交換が行われる。この熱交換により低温となった排燃料ガスは、バーナー９に供給されて燃料ガス生成装置１の燃料として利用される。

貯湯水循環路１２に備えられた排酸化剤ガス熱交換器２７には、燃料電池５で発電に使用された酸化剤ガスが排出される酸化剤ガス排出路８の一部が導入されている。そして、排酸化剤ガス熱交換器２７では、酸化剤ガス排出路８内の高温の排酸化剤ガスと、排燃料ガス熱交換器２６を通ったあとの低温の貯湯水との熱交換が行われる。

貯湯水循環路１２に備えられた燃焼排ガス熱交換器２８には、バーナー９で燃料を燃焼することにより生じた燃料排ガスが排出される燃焼排ガス路４の一部が導入されている。そして、燃焼排ガス熱交換器２８では、燃焼排ガス路４内の高温の燃料排ガスと、排酸化剤ガス熱交換器２７を通ったあとの低温の貯湯水との熱交換が行われる。

このように構成された貯湯水循環路１２では、貯湯槽２０の下部に設けられた出口から流れ出た低温の貯湯水が、貯湯水循環ポンプ１３、排燃料ガス熱交換器２６、排酸化剤ガス熱交換器２７、燃焼排ガス熱交換器２８、及び冷却水熱交換器１４を通じるうちに熱交換により加温され、さらに補助ヒーター２９で適宜加熱されたのち、貯湯槽２０の上部に設けられた入口から貯湯槽２０内に湯となって戻る。

〔余剰熱利用機器４３〕
ここで、余剰熱利用機器４３について説明する。余剰熱利用機器４３は、発電ユニット４１の外部に設置された熱利用機器であり、コントローラ５０と、発電ユニット４１に備えられた余剰熱回収路３５の入口に接続される冷媒出口５２と、同じく余剰熱回収路３５の出口に接続される冷媒入口５１とを備えている。余剰熱利用機器４３の冷媒出口５２から余剰熱回収路３５に、冷媒が供給される。この冷媒は、冷媒圧送ポンプ３４により圧送されて余剰熱回収路３５を通じるうちに余剰熱交換器３２で加温され、冷媒入口５１から余剰熱利用機器４３に導入されて、余剰熱利用機器４３で利用される。但し、余剰熱利用機器４３から冷媒を供給することによって冷媒が余剰熱回収路３５を流れる場合には、冷媒圧送ポンプ３４は省くことができる。

コントローラ５０は、発電ユニット４１の制御装置２１とも接続されており、コントローラ５０から入力された余剰熱利用機器４３の起動及び停止、並びに余剰熱交換器３２で要求される熱量Ｐ(ｔ)などが、制御装置２１に伝達される。なお、余剰熱利用機器４３の起動及び停止、並びに余剰熱交換器３２で要求される熱量Ｐ(ｔ)などは、表示操作パネル２２から制御装置２１に入力されるように構成してもよい。

余剰熱利用機器４３から余剰熱回収路３５へ供給される冷媒として、水、空気、又は不凍液などを用いることができる。冷媒が水の場合、余剰熱利用機器４３は屋外で利用される温水利用機器である。この温水利用機器において、温水は、例えば、洗濯機、温水プール、池或いは水槽の水、温水シャワー、ペットの洗浄、又は車の洗浄などに利用することができる。また、冷媒が空気の場合、余剰熱利用機器４３は屋外で利用される温風利用機器である。この温風利用機器において、温風は、例えば、ビニールハウス或いは温室への送風、又は乾燥などに利用することができる。また、冷媒が不凍液の場合、余剰熱利用機器４３は屋外で利用される熱利用機器である。この熱利用機器において、熱は、例えば、ヒーター、融雪、又は凍結防止などに利用することができる。

〔熱電併給システムの制御系統〕
ここで、発熱電併給システムの制御系統について説明する。制御装置２１には、ユーザーインターフェースとして表示操作パネル２２が接続されている。表示操作パネル２２は、屋内など発電ユニット４１及び貯湯ユニット４２からは離れたユーザーが利用しやすい場所に設置される。

制御装置２１は、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に処理プログラムを記憶するＲＯＭと、データを一時的に記憶するＲＡＭと、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備えている。このような制御装置２１の構成はよく知られたものであり、詳細な説明は省略する。

制御装置２１には、冷却水循環路１０に備えた入口温度センサ２３からの燃料電池５へ流入する前の冷却水の温度、冷却水循環路１０に備えた出口温度センサ２４からの燃料電池５から流出した冷却水の温度、貯湯水循環路１２に備えた貯湯水温度センサ１５からの冷却水熱交換器１４で熱交換したあとの貯湯水の温度、及び熱負荷５６への温水供給管に備えた温度センサ３０からの熱負荷５６へ供給される温水の温度などが、入力ポートを介して入力されている。さらに、制御装置２１には、燃料電池５の出力端子に取り付けられた電力計からの出力電力、インバータ４５内の電流センサや電圧センサからの出力電流及び電圧、商用電力網に備えた負荷電力計からの負荷電力、貯湯槽２０に取り付けられた温度センサ５７からの貯湯槽２０で貯湯している温水の温度、貯湯槽２０に取り付けられた水位センサ５８からの貯湯槽２０で貯湯している温水の水位、貯湯槽２０と熱負荷５６との間に設けられた流量センサ（図示略）からの熱負荷５６へ供給される温水の流量、燃料電池５に取り付けられた温度センサ（図示略）からの温度、及び表示操作パネル２２からの操作信号などが、入力ポートを介して入力されている。

また、制御装置２１からは、燃料ガス生成装置１、空気ブロワ７、冷却水循環ポンプ１１、貯湯水循環ポンプ１３、及び冷媒圧送ポンプ３４などへの駆動信号、並びに、冷却水分流弁１６への制御信号が出力ポートを介して出力されている。さらに、制御装置２１からは、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６への制御信号、ＤＣ／ＤＣコンバータ５９への制御信号、インバータ４５へのスイッチング制御信号、及び表示操作パネル２２への表示画像信号などが出力ポートを介して出力されている。

〔熱電併給システムの発電時の動作〕
ここで、熱電併給システムの発電時の動作について説明する。

まず、熱電併給システムの電力供給に係る動作について説明する。発電ユニット４１の燃料ガス生成装置１に炭化水素などの原料ガスが原料供給路２を通じて供給されて、水素リッチな燃料ガスが生成される。この燃料ガスは、燃料ガス供給路３を通じて燃料電池５の水素極に供給される。一方、空気ブロワ７から燃料電池５の酸素極に酸化剤ガスが供給される。そして、燃料電池５では、供給された燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが反応して、発電が行われる。発電された電力はＤＣ／ＤＣコンバータ４６やインバータ４５を介して交流電流に変換されて電力負荷５５に供給される。ここで、燃料電池５で発電に使用されたのち余った燃料ガスは燃料ガス排出路６に排出され、燃料電池５で発電に使用された酸化剤ガスは酸化剤ガス排出路８に排出される。

続いて、熱電併給システムの熱供給に係る動作について説明する。燃料電池５の発電に伴って発生した熱は、燃料電池５の冷却水通路５ａを流れる冷却水に回収される。冷却水に回収された熱は、冷却水熱交換器１４を通じるうちに、貯湯水循環路１２を循環している貯湯水に移動する。このようにして温度上昇した貯湯水は貯湯槽２０に貯えられて、熱負荷５６に供給される。これに加え、余剰熱利用機器４３が動作しているときには、冷却水に回収された熱は、余剰熱交換器３２を通じるうちに、余剰熱回収路３５を流れている冷媒に移動する。このようにして温度上昇した冷媒は、余剰熱利用機器４３で利用される。

上述のように、発電に伴って発生した熱が、熱負荷５６と余剰熱利用機器４３とに供給されるにあたって、これらに供給される熱量の調整が制御装置２１で行われている。以下に、制御装置２１の熱量供給調整に係る制御について説明する。ここで、発電ユニット４１の燃料電池５で発電される電力量は、電力負荷５５に対応して決定されており、このように電力負荷追従型運転で行われる発電に伴って回収可能な熱量の最大値をＱ(ｔ)とする。

まず、貯湯水循環路１２及び貯湯ユニット４２に関する制御について説明する。余剰熱利用機器４３が動作していない定常運転時及び余剰熱利用機器４３が動作している余剰熱利用運転時の双方において、制御装置２１は、貯湯水温度センサ１５から貯湯水の温度を取得し、この値に基づいて貯湯槽２０に流れ込む貯湯水が常に所定温度以上となるように貯湯水循環ポンプ１３の圧送能力を算出し、貯湯水循環ポンプ１３を算出した圧送能力で動作させるとともに、必要に応じて補助ヒーター２９を動作させる。

例えば、電力負荷５５の低下に伴って燃料電池５の電力出力が低下したときには、貯湯水循環ポンプ１３の圧送能力を下げて貯湯水循環路１２の貯湯水流量を低減し、貯湯水温度センサ１５で検知される貯湯水の温度を目標温度に維持する。また、急な電力負荷５５の低下に伴って余剰電力が発生したときには、貯湯水循環路１２に備えた補助ヒーター２９で電熱変換し貯湯水を加熱することにより貯湯水を目標温度に維持する。これにより、安定した所定温度の貯湯水が貯湯槽２０に供給されることとなる。

さらに、制御装置２１は、貯湯槽２０に貯留されている温水の温度を貯湯槽２０に備えた温度センサ５７で検出するとともに、熱負荷５６に供給される温水の温度を温水供給管３６に備えた温度センサ３０で検出し、これらの温度に基づいて、貯湯槽２０上部より取り出される温水の温度が目標給湯温度となるように、給水弁２５ａ、水混合弁３１、及び温水加熱器１９の動作を制御する。

なお、余剰熱利用運転時に、貯湯水に与え得る熱量は｛Ｑ(ｔ)−Ｐ(ｔ)｝である。そこで、制御装置２１は、貯湯水温度センサ１５で検出される貯湯水の温度が所定温度以上となるように、与えられた熱量｛Ｑ(ｔ)−Ｐ(ｔ)｝に対応して貯湯水循環ポンプ１３の圧送能力を調整する。従って、余剰熱利用機器４３が動作している余剰熱利用運転時には、貯湯水循環ポンプ１３の圧送能力が低下して貯湯水循環路１２全体の流量が減少する。このように余剰熱利用運転時においても常に所定温度以上の貯湯水が貯湯槽２０に供給されるように、制御装置２１による制御が行われている。

続いて、制御装置２１が行う熱量供給調整において冷却水循環路１０に関する制御について説明する。図２は熱電併給システムの冷却水循環路に関する制御の流れ図である。

図２に示すように、定常運転時の制御装置２１は（ステップＳ４０のＹＥＳ）、入口温度センサ２３及び出口温度センサ２４で冷却水の温度を検出し(ステップＳ４１)、これらの値に基づいて、第一循環経路と第二循環経路と第三循環経路の冷却水の流量比と、冷却水循環ポンプ１１の圧送能力と、を算出する(ステップＳ４２，Ｓ４３)。

ここで、第一循環経路と第二循環経路と第三循環経路の冷却水の流量比は、冷却水分流弁１６の第一循環経路との流路抵抗Ｐ１と第二循環経路の流路抵抗Ｐ２と第三循環経路の流路抵抗Ｐ３とから定まる。定常運転時は、冷却水循環路１０の第三循環経路の冷却水の流量がほぼゼロとなるように、即ち、第三循環経路を冷却水が循環しないように、｛第一循環経路の流路抵抗Ｐ１＋第二循環経路の流路抵抗Ｐ２＜＜第三循環経路の流路抵抗Ｐ３｝で示す関係を前提条件として、第一循環経路と第二循環経路と第三循環経路の冷却水の流量比が算出され、この流量比に基づいて冷却水分流弁１６の第一循環経路側と第二循環経路側とのそれぞれ開度が決定される。

例えば、燃料電池５の発電電力が小さいときは燃料電池５で発生する熱量が小さく冷却水の温度上昇も小さいことから、制御装置２１は、第一循環経路の冷却水流量が減少するように、即ち、冷却水熱交換器１４を通過する冷却水流量が減少するように、第一循環経路と第二循環経路との冷却水の流量比が算出される。逆に、燃料電池５の発電電力が大きいときは燃料電池５で発生する熱量が大きく冷却水の温度上昇も大きいことから、制御装置２１は、第一循環経路の冷却水流量が増大するように、即ち、冷却水熱交換器１４を通過する冷却水流量が増大するように、第一循環経路と第二循環経路との冷却水の流量比が算出される。

そして、制御装置２１は、第一循環経路、第二循環経路及び第三循環経路が算出された通りの流量比となるように、冷却水分流弁１６の第一循環経路側と第二循環経路側とのそれぞれの開度を調整し(ステップＳ４４)、さらに、算出された通りの圧送能力で、冷却水循環ポンプ１１を動作させる(ステップＳ４５)。

一方、余剰熱利用運転時の制御装置２１は（ステップＳ４０のＮＯ）、余剰熱交換器３２で要求される熱量Ｐ(ｔ)を取得するとともに(ステップＳ３１)、余剰熱回収路３５に冷媒を流すために冷媒圧送ポンプ３４を駆動する。これにより、余剰熱交換器３２において、余剰熱回収路３５を流れる冷媒と、冷却水循環路１０の第三循環経路を流れる冷却水との熱交換が行われるようになる。

制御装置２１は、余剰熱交換器３２で要求される熱量Ｐ(ｔ)に相応する冷却水が第三循環経路を流れ、且つ、残りの冷却水が第一循環経路と第二循環経路とを流れるように、第一循環経路と第二循環経路と第三循環経路の冷却水の流量比を算出し、この流量比に基づいて冷却水分流弁１６の第一循環経路側と第二循環経路側とのそれぞれ開度を決定する(ステップＳ３２)。

そして、制御装置２１は、冷却水循環路１０の第一循環経路、第二循環経路及び第三循環経路が算出された通りの流量比となるように、冷却水分流弁１６の第一循環経路側と第二循環経路側とのそれぞれの開度を調整する(ステップＳ３３)。ここで、通常は第一循環経路の流路抵抗Ｐ１と第二循環経路の流路抵抗Ｐ２が共に低減する。

さらに、制御装置２１は、入口温度センサ２３と出口温度センサ２４との検出温度を取得し(ステップＳ３４)、これらの値に基づいて、燃料電池５内の冷却水通路５ａに一定の温度分布をつけるため、入口温度および出口温度が所定の設定温度となるように、冷却水循環ポンプ１１の圧送能力を算出し(ステップＳ３５)、算出された圧送能力で冷却水循環ポンプ１１を動作させる(ステップＳ３６)。これにより、燃料電池５内の冷却水通路５ａの冷却水の温度分布が一定に維持される。

上述の通り、熱電併給システムでは、燃料電池５内の冷却水通路５ａに流入する冷却水の温度と流出する冷却水の温度と貯湯槽２０に流れ込む貯湯水の温度とを所定の値に維持することによって、燃料電池５の安定した発電と所定温度の貯湯水の安定した供給とを確保したうえで、余剰の熱を余剰熱利用機器４３で利用することができ、熱余り状態の発生を低減することができる。さらに、余剰熱交換器３２は、冷却水循環路１０の第三循環経路において、発熱源である燃料電池５の冷却水通路５ａの直ぐ下流に配置されており、熱交換ロスが少ない。このように、余熱利用運転時の熱電併給システムでは、余剰の熱を利用することができるので、熱電併給システムの総合効率を向上させることができる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２に係る熱電併給システムは、実施の形態１に係る熱電併給システムと比較して、冷却水循環路１０と貯湯水循環路１２との構成が異なるが、他の構成については同一である。そこで、以下では、熱電併給システムにおいて冷却水循環路１０と貯湯水循環路１２について詳細に説明し、重複する他の部分の説明を省略する。

〔冷却水循環路１０〕
まず、冷却水循環路１０について詳細に説明する。冷却水循環路１０は、主となる第一冷却水循環経路の他に、副（補助）となる第二冷却水循環経路の、併せて２つの経路を備えている。

冷却水循環路１０の第一冷却水循環経路は、冷却水槽４９の流出口、冷却水循環ポンプ１１、燃料電池５内の冷却水通路５ａ、冷却水熱交換器１４の高温側流路１４ａ、冷却水分流弁１６、及び冷却水槽４９の流入口の各々の間が、配管で構成された流路１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｅ，１０ｆで接続されることによって形成されている。この第一冷却水循環経路において、冷却水槽４９の流出口から流れ出た冷却水は、冷却水循環ポンプ１１、燃料電池５内の冷却水通路５ａ、冷却水熱交換器１４の高温側流路１４ａ、及び冷却水分流弁１６を順に流れて、冷却水槽４９の流入口から冷却水槽４９内に戻る。冷却水熱交換器１４では、燃料電池５を通ったあとの高温の冷却水と、貯湯水循環路１２を流れる低温の貯湯水との熱交換が行われる。

冷却水循環路１０の第二冷却水循環経路は、冷却水槽４９の流出口、冷却水循環ポンプ１１、燃料電池５内の冷却水通路５ａ、冷却水分流弁１６、及び冷却水槽４９の流入口の各々の間が、配管で構成された流路１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｇ，１０ｆで適宜接続されることによって形成されている。この第二冷却水循環経路において、冷却水槽４９の流出口から流れ出た冷却水は、冷却水循環ポンプ１１、燃料電池５内の冷却水通路５ａ、及び冷却水分流弁１６を順に流れて、冷却水槽４９の流入口から冷却水槽４９内に戻る。なお、第二冷却水循環経路は、冷却水分流弁１６の出口から燃料電池５内の冷却水通路５ａの出口までの流路を第一冷却水循環経路と共有している。

冷却水循環路１０に備えられた冷却水循環ポンプ１１は、冷却水循環路１０にある冷却水を圧送して、冷却水槽４９に貯留されている冷却水を冷却水循環路１０で循環させるためのものである。また、冷却水循環路１０は、燃料電池５内の冷却水通路５ａに流入する冷却水の温度を検出するために冷却水通路５ａの上流側の流路１０ｂに入口温度センサ２３を備え、燃料電池５の冷却水通路５ａから流出した冷却水の温度を検出するために冷却水通路５ａの下流側の流路１０ｃに出口温度センサ２４を備えている。これらの温度センサ２３，２４の検出温度は電気的配線を介して制御装置２１に入力される。そして、制御装置２１は、入口温度センサ２３と出口温度センサ２４とで検出された温度等に基づいて、冷却水循環ポンプ１１の冷却水の圧送能力を調整するように構成されている。

冷却水循環路１０に備えられた冷却水分流弁１６は、三方弁であって、２つの入口はそれぞれ第一冷却水循環経路と第二冷却水循環経路とに属し、１つの出口は第一冷却水循環経路と第二冷却水循環経路との双方に属する。冷却水分流弁１６の、第二冷却水循環経路側の入口の開度は可変であって、制御装置２１の制御を受けてこの開度を変化させることにより、第一冷却水循環経路と第二冷却水循環経路との流量比を調整することができる。

〔貯湯水循環路１２〕
次に、貯湯水循環路１２について詳細に説明する。貯湯水循環路１２は、第一貯湯水循環経路と第二貯湯水循環経路の、併せて２つの経路を備えている。

貯湯水循環路１２の第一貯湯水循環経路は、貯湯槽２０の下部に設けられた出口、貯湯水循環ポンプ１３、排燃料ガス熱交換器２６の低温側流路、排酸化剤ガス熱交換器２７の低温側流路、燃焼排ガス熱交換器２８の低温側流路、冷却水熱交換器１４の低温側流路１４ｂ、及び貯湯槽２０の上部に設けられた入口の各々の間が、配管で構成された流路１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇで適宜接続されることによって形成されている。

冷却水熱交換器１４の出口と貯湯槽２０の入口とを接続している流路１２ｆには、熱電併給システムが熱不足の状態となったときに貯湯水を所定温度にまで加熱するための補助ヒーター２９が設けられている。

貯湯水循環路１２に備えられた貯湯水循環ポンプ１３は、貯湯水循環路１２にある貯湯水を圧送して、貯湯槽２０に貯留されている貯湯水を貯湯水循環路１２で循環させるためのものである。また、冷却水熱交換器１４の出口と貯湯槽２０の入口とを接続している流路１２ｆに、冷却水熱交換器１４で冷却水と熱交換することにより加熱された後の貯湯水の温度を検出する貯湯水温度センサ１５が設けられている。この温度センサ１５の検出温度は電気的配線を介して制御装置２１に入力される。そして、制御装置２１は、貯湯水温度センサ１５で検出された貯湯水の温度等に基づいて、貯湯水循環ポンプ１３の貯湯水の圧送能力を調整するように構成されている。

このように構成された貯湯水循環路１２の第一貯湯水循環経路では、貯湯槽２０の下部に設けられた出口から流れ出た低温の貯湯水が、貯湯水循環ポンプ１３、排燃料ガス熱交換器２６、排酸化剤ガス熱交換器２７、燃焼排ガス熱交換器２８、及び冷却水熱交換器１４を通じるうちに熱交換により加温され、さらに補助ヒーター２９で適宜加熱されたのち、貯湯槽２０の上部に設けられた入口から貯湯槽２０内に湯となって戻る。

上記構成の貯湯水循環路１２の第一貯湯水循環経路において、冷却水熱交換器１４の出口と貯湯槽２０の入口とを接続している流路１２ｆ，１２ｇの途中に三方弁である貯湯水分流弁３７が設けられている。この貯湯水分流弁３７により、貯湯水循環路１２は、貯湯水分流弁３７から貯湯槽２０に流れ込む還流流路１２ｇを含む第一貯湯水循環経路と、貯湯水分流弁３７から余剰熱交換器３２の高温側流路３２ａを通り貯湯槽２０をバイパスして貯湯槽２０の出口と貯湯水循環ポンプ１３とを接続している流路１２ａに流れ込む熱交換流路３８含む第二貯湯水循環経路とに分岐している。このようにして、貯湯水循環路１２に、貯湯水循環ポンプ１３、排燃料ガス熱交換器２６の低温側流路、排酸化剤ガス熱交換器２７の低温側流路、燃焼排ガス熱交換器２８の低温側流路、冷却水熱交換器１４の低温側流路１４ｂ、貯湯水分流弁３７、及び余剰熱交換器３２の高温側流路３２ａを順に貯湯水が循環する第二貯湯水循環経路が形成されている。この第二貯湯水循環経路は、冷却水熱交換器１４の低温側流路１４ｂの下流側の貯湯水を余剰熱交換器３２の高温側流路３２ａへ通す余剰熱取出経路として機能する。余剰熱交換器３２では、冷却水熱交換器１４を通ったあとの高温の貯湯水と、余剰熱回収路３５を流れる低温の冷媒との熱交換が行われる。

貯湯水分流弁３７は、冷却水熱交換器１４を通ったあとの貯湯水が流入する１つの入口と、第一貯湯水循環経路側（貯湯槽２０側）への１つの出口と、第二貯湯水循環経路側（余剰熱交換器３２側）への１つの出口とを有する。貯湯水分流弁３７の、第二貯湯水循環経路側への出口の開度は可変であって、制御装置２１の制御を受けてこの開度を変化させて、第一貯湯水循環経路側への流路抵抗Ｐ４と第二貯湯水循環経路側への流路抵抗Ｐ５とを独立して制御することにより、第一貯湯水循環経路と第二貯湯水循環経路との貯湯水の流量比を調整することができる。

〔熱電併給システムの発電時の動作〕
ここで、熱電併給システムの発電時の動作について説明する。熱電併給システムの電力供給に係る動作は、前述の実施の形態１で説明したものと同一であるので説明を省略し、以下では、制御装置２１の熱量供給調整に係る制御について説明する。

まず、制御装置２１の冷却水循環路１０に関する制御について説明する。余剰熱利用機器４３が動作していない定常運転時及び余剰熱利用機器４３が動作している余剰熱利用運転時の双方において、制御装置２１は、電力負荷変動に関わらず所定温度の冷却水を燃料電池５内の冷却水通路５ａに供給するために、入口温度センサ２３及び出口温度センサ２４で冷却水の温度を検出し、これらの温度に基づいて冷却水循環ポンプ１１の圧送能力と、第一冷却水循環経路と第二冷却水循環経路の流量比とを調整する。

続いて、制御装置２１の貯湯水循環路１２に関する制御について説明する。図４は熱電併給システムの貯湯水循環路に関する制御の流れ図である。

図４に示すように、定常運転時の制御装置２１は（ステップＳ１のＹＥＳ）、熱交換流路３８への分流がなくなるように、貯湯水分流弁３７の流路抵抗比率が｛第一貯湯水循環経路側の流路抵抗Ｐ４＜＜第二貯湯水循環経路側の流路抵抗Ｐ５｝で示す関係となるように、第一貯湯水循環経路と第二貯湯水循環経路との流量比を決定し、貯湯水分流弁３７の第二貯湯水循環経路側の出口の開度を調整する（ステップＳ２）。これにより、熱交換流路３８の貯湯水の流量はほぼゼロになり、余剰熱利用機器４３への供給熱量もゼロとなる。

さらに、制御装置２１は、貯湯水循環路１２に備えた貯湯水温度センサ１５にて貯湯水の温度を検出し（ステップＳ３）、検出された温度に基づいて貯湯水循環ポンプ１３の圧送能力を算出し（ステップＳ４）、貯湯水循環ポンプ１３の圧送能力若しくは補助ヒーター２９の動作、又はこれら両方を制御して（ステップＳ５）、貯湯槽２０に流れ込む貯湯水の温度が所定温度以上となるようにする。

一方、余剰熱利用運転時の制御装置２１は（ステップＳ１のＮＯ）、余剰熱回収路３５に冷媒を流すために冷媒圧送ポンプ３４を駆動する。さらに、制御装置２１は、余剰熱利用機器４３の設定値（余剰熱交換器３２で要求される熱量Ｐ(ｔ)など）と、貯湯水温度センサ１５からの貯湯水の温度とを取得する（ステップＳ１１，Ｓ１２）。続いて、制御装置２１は、これらの値に基づいて、余剰熱交換器３２で要求される熱量Ｐ(ｔ)に必要な流量の貯湯水が熱交換流路３８を流れ、且つ、貯湯槽２０に所定温度の貯湯水が流れ込むように、第一貯湯水循環経路と第二貯湯水循環経路との貯湯水の流量比と貯湯水循環ポンプ１３の圧送能力とを算出する（ステップＳ１３，Ｓ１４）。

そして、制御装置２１は、算出された通りに、余剰熱交換器３２で要求される熱量Ｐ(ｔ)に必要な流量の貯湯水が熱交換流路３８へ流れるように、貯湯水分流弁３７の開度を調整する（ステップＳ１５）。このとき、通常は、第一貯湯水循環経路側の流路抵抗Ｐ４は大きく、第二貯湯水循環経路側の流路抵抗Ｐ５は小さくなるように調整される。また、制御装置２１は、算出された通りに、貯湯水循環ポンプ１３の圧送能力を調整する（ステップＳ１６）。

上述のようにして、余剰熱交換器３２において、余剰熱回収路３５を流れる低温の冷媒と、貯湯水循環路１２の熱交換流路３８を流れる高温の貯湯水との熱交換が行われて、燃料電池５の発電に伴って生じた熱が余剰熱利用機器４３でも利用できるようになる。ここで、燃料電池５内の冷却水通路５ａに流入する冷却水の温度と流出する冷却水の温度と貯湯槽２０に流れ込む貯湯水の温度とを所定の値に維持されているので、燃料電池５の安定した発電と所定温度の貯湯水の安定した供給とを確保したうえで、余剰の熱を余剰熱利用機器４３で利用することができる。このように、余熱利用運転時の熱電併給システムでは、余剰の熱を利用することができるので、熱電併給システムの総合効率を向上させることができる。

本発明の活用例として、燃料電池を利用した発電と、この発電に伴って生じた熱の回収とを行って、電力と熱とを供給可能とした熱電併給システムにおいて、熱余り状態の発生を低減して、システムの最大総合効率を高めるために有用である。

本発明の実施の形態１に係る熱電併給システムの全体的な構成を示すブロック図である。 熱電併給システムの冷却水循環路に関する制御の流れ図である。 本発明の実施の形態２に係る熱電併給システムの全体的な構成を示すブロック図である。 熱電併給システムの貯湯水循環路に関する制御の流れ図である。 一般的な家庭用熱電併給システムの熱電供給イメージ図である。

符号の説明

１ 燃料ガス生成装置
２ 原料供給路
３ 燃料ガス供給路
４ 燃焼排ガス路
５ 燃料電池
６ 燃料ガス排出路
７ 空気ブロワ
８ 酸化剤ガス排出路
９ バーナー
１０ 冷却水循環路
１１ 冷却水循環ポンプ（第一ポンプ）
１２ 貯湯水循環路
１３ 貯湯水循環ポンプ（第二ポンプ）
１４ 冷却水熱交換器（第一熱交換器）
１５ 貯湯水温度センサ
１６ 冷却水分流弁（冷却水流量調整器）
１７ 低温側メンテナンスバルブ
１８ 高温側メンテナンスバルブ
１９ 温水加熱器
２０ 貯湯槽
２１ 制御装置
２２ 表示操作パネル
２３ 入口温度センサ
２４ 出口温度センサ
２５ 給水源
２６ 排燃料ガス熱交換器
２７ 排酸化剤ガス熱交換器
２８ 燃焼排ガス熱交換器
２９ 補助ヒーター
３０ 温度センサ
３１ 水混合弁
３２ 余剰熱交換器（第二熱交換器）
３４ 冷媒圧送ポンプ（第三ポンプ）
３５ 余剰熱回収路
３６ 温水供給管
３７ 貯湯水分流弁（貯湯水流量調整器）
３８ 熱交換経路
４１ 発電ユニット
４２ 貯湯ユニット
４３ 余剰熱利用機器
４５ インバータ
４６ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４７ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４９ 冷却水槽
５０ コントローラ
５１ 冷媒入口
５２ 冷媒出口
５５ 電力負荷
５６ 熱負荷

Claims (12)

1. 電力と熱とを発生する燃料電池と、
   冷却水を貯える冷却水槽と、
   第一熱交換器及び第二熱交換器の２つの熱交換器と、
   前記冷却水槽、前記燃料電池、及び前記第一熱交換器の高温側流路の順に前記冷却水が循環する冷却水循環路と、
   前記冷却水循環路に冷却水を循環させる第一ポンプと、
   貯湯水を貯える貯湯槽と、
   前記貯湯槽、前記第一熱交換器の低温側流路の順に前記貯湯水が循環する貯湯水循環路と、
   前記貯湯水循環路に前記貯湯水を循環させる第二ポンプと、
   前記燃料電池の下流側の前記冷却水又は前記第一熱交換器の低温側流路の下流側の前記貯湯水を前記第二熱交換器の高温側流路へ通す余剰熱取出経路と、
   前記余剰熱取出経路の前記冷却水又は前記貯湯水の流量を調整可能な流量調整器と、
   余剰熱利用機器と、
   前記余剰熱利用機器の冷媒出口、前記第二熱交換器の低温側流路、及び前記余剰熱利用機器の冷媒入口の順に冷媒が流れる余剰熱回収路と、
   前記流量調整器、前記第一ポンプ、及び前記第二ポンプの動作を制御する制御装置とを、
   備えた、熱電併給システム。
2. 前記冷却水循環路は、前記冷却水槽、前記燃料電池、及び前記第一熱交換器の高温側流路の順に前記冷却水が循環する第一循環経路と、前記冷却水槽及び前記燃料電池の順に前記冷却水が循環する第二循環経路と、前記冷却水槽、前記燃料電池、及び第二熱交換器の高温側流路の順に前記冷却水が循環し前記余剰熱取出経路として機能する第三循環経路との３つの循環経路を有し、
   前記流量調整器は、前記冷却水循環路の前記第一循環経路、前記第二循環経路、及び前記第三循環経路の前記冷却水の流量比を個別に調整する冷却水流量調整器である、
   請求項１に記載の熱電併給システム
3. 前記制御装置は、前記第二熱交換器の高温側流路に所定の熱量を供給する状態と、前記第二熱交換器の高温側流路に熱量を供給しない状態とを切り替えるように、前記第一循環経路、前記第二循環経路、及び前記第三循環経路の前記冷却水の流量比を前記冷却水流量調整器によって調整するように構成されている、
   請求項２に記載の熱電併給システム。
4. 前記制御装置は、前記第二熱交換器の高温側流路に熱量を供給しない状態において、前記第三循環経路の前記冷却水の流量比をゼロに調整し、前記第一循環経路及び前記第二循環経路の前記冷却水の流量比を調整するように構成されている、
   請求項３に記載の熱電併給システム。
5. 前記燃料電池に流入する前記冷却水の温度を検出する入口温度センサと、前記燃料電池より流出する前記冷却水の温度を検出する出口温度センサとを、更に備え、
   前記制御装置は、前記入口温度センサ及び前記出口温度センサの検出温度を取得し、前記燃料電池に流入する前記冷却水の温度を所定の値に維持するように、前記検出温度に基づいて前記冷却水流量調整器及び前記第一ポンプの動作を調整するように構成されている、
   請求項２〜請求項５のいずれか一項に記載の熱電併給システム。
6. 前記貯湯水循環路は、前記貯湯槽及び前記第一熱交換器の低温側流路の順に前記貯湯水が循環する第一貯湯水循環経路と、前記第一熱交換器の低温側流路及び前記第二熱交換器の高温側流路の順に前記貯湯水が循環し前記余剰熱取出経路として機能する第二貯湯水循環経路との２つの循環経路を有し、
   前記流量調整器は、前記第一貯湯水循環経路と前記第二貯湯水循環経路との前記貯湯水の流量比を調整する貯湯水流量調整器である、
   請求項５に記載の熱電併給システム。
7. 前記制御装置は、前記第二熱交換器の高温側流路に所定の熱量を供給する状態と、前記第二熱交換器の高温側流路に熱量を供給しない状態とを切り替えるように、前記第一貯湯水循環経路及び前記第二貯湯水循環経路の前記貯湯水の流量比を前記貯湯水流量調整器によって調整するように構成されている、
   請求項６に記載の熱電併給システム。
8. 前記第一熱交換器の低温側流路より下流側の前記貯湯水の温度を検出する貯湯水温度センサを、更に備え、
   前記制御装置は、前記貯湯水温度センサの検出温度を取得し、前記貯湯槽に流入する前記貯湯水の温度を所定の値に維持するように、前記検出温度に基づいて前記第二ポンプの動作を調整するように構成されている、
   請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の熱電併給システム。
9. 前記余剰熱回収路に前記冷媒を圧送する第三ポンプを、更に備えた、
   請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の熱電併給システム。
10. 前記冷媒は、水である、
    請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の熱電併給システム。
11. 前記冷媒は、不凍液である、
    請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の熱電併給システム。
12. 前記冷媒は、空気である、
    請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の熱電併給システム。

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