燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法
【課題】燃料電池８によって電気及び高温排気ガス９を発生し、この高温排気ガス９は熱交換器１０に供給し、この熱交換器１０に冷水１２を供給して温水１６に変化させて給湯する燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法において、上記の高温排気ガス９の温度Ｔｉが変化しても上記の温水１６の温度を所定値に精密に制御する。
【解決手段】本発明は、高温排気ガス９の保有熱量Ｑｃを算出し，この高温排気ガス保有熱量Ｑｃ及び温水温度設定値Ｔｒ及び冷水温度Ｔｗに基づいて冷水１２の流量設定値ｆｒを算出し，冷水１２の流量ｆがこの冷水流量設定値ｆｒと略等しくなるように調節して温水温度を所定値に制御する。
【解決手段】本発明は、高温排気ガス９の保有熱量Ｑｃを算出し，この高温排気ガス保有熱量Ｑｃ及び温水温度設定値Ｔｒ及び冷水温度Ｔｗに基づいて冷水１２の流量設定値ｆｒを算出し，冷水１２の流量ｆがこの冷水流量設定値ｆｒと略等しくなるように調節して温水温度を所定値に制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池によって発生した高温排気ガスを利用して生成される温水の温度制御を精密に行うための燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来技術における燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法を示す構成図である。同図において、燃料電池８は、空気１、都市ガス２及び純水３を燃料として発電・発熱して電気及び高温排気ガス９を発生する。電気は、図示していないインバータ回路等の電気回路を介して負荷又は電力系統に供給される。以下、同図を参照して各構成物について説明する。
【０００３】
燃料用の空気１は、圧縮機４によって圧縮されて燃料供給部７に供給される。燃料用の都市ガス２は、昇圧機５によって昇圧されて燃料供給部７に供給される。燃料用の純水３は、純水ポンプ６によって燃料供給部７に供給される。燃料供給部７は、上記の空気１の圧力及び流量α、都市ガス２の圧力及び流量β並びに純水３の流量γを調節して燃料電池８に供給する。燃料電池８は、上記の空気１、都市ガス２及び純水３を燃料として電気及び数百℃の高温の排気ガス９を発生する。
【０００４】
上記の高温排気ガス９は熱交換器１０によって熱交換されて数十℃に冷却された冷却排気ガス１１に変化し、この冷却排気ガス１１はシステムの外部に放出される。冷水１２は、給水ポンプ１３によって上記の熱交換器１０に供給される。流量調節弁１４は、冷水１２の流量ｆを調節する。冷水１２は熱交換器１０によって加熱されて温水１６に変化し、この温水１６は貯湯槽１５に蓄えられて給湯等に利用される。
【０００５】
温水１６の温度が高いほど貯湯槽１５を小型化することができる。すなわち、同一の熱量を貯湯槽１５で蓄積する場合、温水温度に比例して貯湯槽１５の容積は小さくなる。反面、温水温度が100℃近くになると水泡の発生等により熱交換器１０の熱交換効率が低下する。また、温水温度がさらに上昇して温水が沸騰すると、熱交換器１０及び水路配管が損傷することもある。したがって、温水温度は例えば９０℃程度の所定値に精密に制御する必要がある。以下、従来技術における温水温度制御法について説明する。
【０００６】
温水温度センサＴＨは、温水１６の温度を計測して、温水温度計測信号Ｔｈを出力する。温水温度設定部ＴＲは、予め定めた温水温度設定信号Ｔｒを出力する。温水温度制御部ＣＴは、上記の温水温度計測信号Ｔｈの値と上記の温水温度設定信号Ｔｒの値とが略等しくなるように流量設定信号ｆｒを出力する。上記の流量調節弁１４は、この流量設定信号ｆｒに相当する流量ｆに調節する。これによって、温水温度は設定温度に制御される（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−９３５９３号公報
【特許文献２】特開２００２−２９５８６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した従来技術の温水温度制御方法には以下の課題がある。すなわち、数百℃の高温排気ガス９は流量が大きいために冷却排気ガス１１に変化するまでの変換時間は短くなる。この短時間の間に高温排気ガス９は保有熱量を放出する。他方、冷水１２の流量ｆは高温排気ガス９の流量に比べて相当に小さいために、温水に変化する変換時間は上記の排気ガスのときに比べて十数倍長くかかる。この結果、燃料電池８の負荷変動時、起動／停止の過渡時等において高温排気ガス９の温度又は流量が変動して保有熱量が変化しても、温水温度は遅れて変化することになる。このために、温水温度Ｔｈと設定温度Ｔｒとに誤差が生じた時点で冷水の流量を調節しても、上記の時間遅れのために誤差は拡大し続けて大きくオーバーシュート又はアンダーシュートする。特に、高温排気ガス９の保有熱量の変化が急峻であるほど、この誤差は大きくなる。上述したように、温水温度は貯湯槽１５の容積を小さくするために９０℃程度の高温に設定されるので、温水温度が大きくオーバーシュートすると、上述したように、温水に水泡が発生して熱交換器１０の熱交換効率が低下したり、沸騰に至り熱交換器１０等を損傷することになる。また、アンダーシュートすると、上述したように、貯湯槽１５の容積を大きくすることになる。
【０００９】
そこで、本発明では、高温排気ガスの温度又は流量が急変しても温水温度を所定値に精密に制御することができる燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するために、第１の発明は、空気及び都市ガス及び純水などを燃料とする燃料電池によって電気及び高温の排気ガスを発生し、前記電気は負荷又は電力系統に供給し、前記高温排気ガスは熱交換器に供給しこの熱交換器に冷水を供給して温水に変化させて給湯し、前記熱交換器によって冷却された冷却排気ガスは外部に排気し、前記冷水の流量を調節して前記温水の温度を所定値に制御する燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法において、
前記高温排気ガスに含まれる水蒸気の流量及び水蒸気以外の排気ガスの流量を検出し、前記高温排気ガスの温度及び前記冷却排気ガスの温度を検出し、前記水蒸気の流量及び前記水蒸気以外の排気ガスの流量及び前記高温排気ガス温度及び前記冷却排気ガス温度に基づいて排気ガス保有熱量を算出し，
前記温水温度の設定値を予め設定し、前記冷水の温度を検出し、前記排気ガス保有熱量及び前記温水温度設定値及び前記冷水温度に基づいて前記冷水の流量設定値を算出し，
前記冷水の流量が前記冷水流量設定値と略等しくなるように調節して温水温度を所定値に制御する、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温水温度制御方法である。
【００１１】
また、第２の発明は、前記排気ガス保有熱量を、前記水蒸気の流量及び前記水蒸気以外の排気ガスの流量及び前記高温排気ガス温度及び前記冷却排気ガス温度を入力として前記水蒸気の顕熱及び潜熱による保有熱量と、前記水蒸気以外の排気ガスの保有熱量との合算値として算出する、ことを特徴とする第１の発明記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法である。
【００１２】
また、第３の発明は、前記水蒸気以外の排気ガスを窒素及び酸素及び二酸化炭素の３つの排気ガスに分類し、これら３つの排気ガスの各流量及び前記高温排気ガス温度及び前記冷却排気ガス温度を入力として前記３つの排気ガスごとの顕熱による保有熱量を算出し、これら３つの排気ガスの保有熱量を合算して前記水蒸気以外の排気ガスの保有熱量を算出する、ことを特徴とする第２の発明記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法である。
【００１３】
また、第４の発明は、前記水蒸気以外の排気ガスを窒素及び空気及び二酸化炭素の３つの排気ガスに分類する、ことを特徴とする第３の発明記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法である。
【００１４】
また、第５の発明は、前記水蒸気の顕熱及び潜熱による保有熱量は、前記水蒸気の流量及び前記高温排気ガス温度及び前記冷却排気ガス温度を入力として前記水蒸気が前記高温排気ガス温度から露点温度まで低下するときの顕熱による保有熱量と、前記水蒸気が冷却されて前記露点温度で水に変化するときの潜熱による保有熱量と、前記水及び前記水蒸気が前記露点温度から前記冷却排気ガス温度まで低下するときの顕熱による保有熱量との合算値である、ことを特徴とする第２の発明記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法である。
【００１５】
また、第６の発明は、前記冷水流量設定値ｆｒを、前記排気ガス保有熱量Ｑ及び前記温水温度設定値Ｔｒ及び前記冷水温度Ｔｗ及び予め定めた熱交換器の効率η及び予め定めた水の比熱ｃｗを入力としてｆｒ＝(η・Ｑ)／(ｃｗ・(Ｔｒ−Ｔｗ))の演算によって算出する、ことを特徴とする第１乃至第５の発明のいずれかに記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法である。
【００１６】
また、第７の発明は、前記温水の温度を検出し、前記温水温度設定値と前記温水温度の検出値との誤差に応じて前記排気ガス保有熱量を補正する、ことを特徴とする第１乃至第６の発明のいずれかに記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法である。
【００１７】
また、第８の発明は、前記空気及び都市ガス及び純水の各流量を入力として化学反応式に基づいて前記高温排気ガスに含まれるガス成分ごとの流量を算出する、ことを特徴とする第１乃至第７の発明のいずれかに記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料電池によって発生する高温排気ガスの温度又は流量が変化しても、高温排気ガスの保有熱量を算出して冷水の流量を調節するので、温水温度はオーバーシュート又はアンダーシュートして大きく変動することがなく、常に設定温度に精密に制御される。このために、温水の設定温度を９０℃程度と高く設定することが可能となり、貯湯槽の容積を小さくすることができる。さらに、温水温度の変動を小さく抑制することができるので、100℃近くまで変動し水泡が発生して熱交換器の熱効率を低下させることもない。さらに、温水が沸騰して熱交換器、水路配管等を損傷することもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法を示すシステム構成図である。同図において、上述した図５と同一の構成物には同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図５とは異なる点線で示す構成物について説明する。
【００２１】
排気ガス流量検出部ＧＤは、高温排気ガス９に含まれる水蒸気の流量値ε［NL/min］及び水蒸気以外の排気ガスの流量値δ［NL/min］から形成される排気ガス流量信号Ｇｄを出力する。ここで、高温排気ガスの成分は、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）及び二酸化炭素（ＣＯ２）からなる。実施の形態１では、窒素、酸素及び二酸化炭素を水蒸気以外の排気ガスとする。また、下記の熱量算出において算出方法を簡単にするために、実施の形態１では水蒸気以外の排気ガスを成分比が似ている空気として取り扱う。上記のNL/minは１atm、０℃における気体の流量［L/min］を示す。上記の水蒸気及び水蒸気以外の排気ガスの流量値は、高温排気ガス９の総流量を検出して予め実験等によって定めた比率によって算出しても良い。
【００２２】
排気ガス温度センサＴＤは、高温排気ガス９の温度Ｔｉ［℃］及び冷却排気ガス１１の温度Ｔｏ［℃］から形成される排気ガス温度信号Ｔｄを出力する。
【００２３】
排気ガス保有熱量算出部ＱＣは、上記の排気ガス流量信号Ｇｄ及び排気ガス温度信号Ｔｄを入力として、図２で後述する演算によって排気ガス保有熱量信号Ｑｃ［kw］を出力する。冷水温度センサＴＷは、冷水１２の温度を計測して冷水温度計測信号Ｔｗ［℃］を出力する。流量設定算出部ＦＲＣは、上記の排気ガス保有熱量信号Ｑｃ［kW］、冷水温度計測信号Ｔｗ［℃］、温水温度設定信号Ｔｒ［℃］、予め定めた熱交換器の効率η及び予め定めた水の比熱ｃｗ［J/K・g］を入力として、流量設定信号ｆｒ［L/min］＝(η・Ｑｃ)／(ｃｗ・(Ｔｒ−Ｔｗ))・(1/60)を出力する。水の比熱ｃｗは、例えば70℃のときはｃｗ＝4.189となる。この流量設定信号ｆｒによって流量調節弁１４を調節して冷水１２の流量ｆ＝ｆｒとなるように制御する。これにより、高温排気ガス９の温度Ｔｉ又は流量ε、δが急変しても、温水１６の温度は常に温水温度設定信号Ｔｒの値に維持される。
【００２４】
図２は、上述した排気ガス保有熱量Ｑ［kW］を演算する方法を示すフローチャートである。ステップＳ１において、水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇ［kW］を算出する。ステップＳ２において、高温排気ガスに含まれる水蒸気の顕熱による保有熱量Ｑwk［kW］を算出する。ステップＳ３において、水蒸気の潜熱による保有熱量Ｑws［kW］を算出する。ステップＳ４において、排気ガス保有熱量Ｑ＝Ｑｇ＋Ｑwk＋Ｑwsを算出する。以下、各ステップの詳細について説明する。
【００２５】
（Ｓ１）水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇ［kW］の算出方法
（ａ）水蒸気以外の排気ガス質量Ｗｇ［g/min］の算出
高温排気ガスの圧力Ｐ［atm］、水蒸気以外の排気ガスの流量δ［NL/min］、水蒸気以外の排気ガスの分子量ｄｇ及び高温排気ガス温度Ｔ［℃］を入力として下式で算出される。
Ｗｇ＝(Ｐ・δ・ｄｇ)／(0.082・(Ｔ＋273))
ここで、0.082は気体定数である。また、水蒸気以外の排気ガスの成分は上述したように空気に似ているので、ここではｄｇは空気の分子量となる。また、流量δの単位は［NL/min］に換算されているので、圧力Ｐ＝１atm、温度Ｔ＝０℃である。
【００２６】
（ｂ１）比エンタルピーによる水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇ［kW］の算出
高温排気ガス温度Ｔｉ［℃］、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］を入力として、周知である空気の比エンタルピー図から、高温排気ガス温度Ｔｉにおける比エンタルピーＨgi［kJ/kg］及び冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピーＨgo［kJ/kg］を算出する。そして、これらの比エンタルピーＨgi、Ｈgo及び上記の水蒸気以外の排気ガスの質量Ｗｇ［g/min］を入力として下式で算出される。
Ｑｇ＝Ｗｇ・(Ｈgi−Ｈgo)・(1/6×10−４) …（11）式
ここで、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００２７】
（ｂ２）比熱による水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇ［kW］の算出
上記（ｂ１）とは異なる算出方法を説明する。上記水蒸気以外の排気ガスの質量Ｗｇ［g/min］、高温排気ガス温度Ｔｉ［℃］、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］及び空気の比熱ｃｇ［J/K・g］を入力として下式で算出される。
Ｑｇ＝Ｗｇ・(Ｔｉ−Ｔｏ)・ｃｇ・(1/6×10−４) …（12）式
ここで、空気の比熱はＴｉとＴｏとの中間温度での比熱とし、例えば170℃ではｃｇ＝1.019となる。また、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００２８】
（Ｓ２）水蒸気の顕熱による保有熱量Ｑwk［kW］の算出方法
（ａ）排気ガスの露点温度Ｔｃ［℃］の算出
上記の水蒸気以外の排気ガス流量δ［NL/min］及び水蒸気流量ε［NL/min］を入力として、水蒸気の分圧Ｐwi［kPa］を下式によって算出する。
Ｐwi＝(ε／(ε＋δ))・101.325
ここで、101.325は単位変換のための定数である。
次に、周知である飽和蒸気圧曲線図において分圧Ｐwiに対応する露点温度Ｔｃを算出する。
【００２９】
（ｂ）高温水蒸気の質量Ｗｈ［g/min］の算出
高温排気ガスの圧力Ｐ［atm］、水蒸気流量ε［NL/min］、水蒸気の分子量ｄｗ及び高温排気ガス温度Ｔ［℃］を入力として下式で算出される。
Ｗｈ＝(Ｐ・ε・ｄｗ)／(0.082・(Ｔ＋273))
ここで、0.082は気体定数である。また、流量εの単位は［NL/min］に換算されているので、圧力Ｐ＝１atm、温度Ｔ＝０℃である。
【００３０】
（ｃ１）比エンタルピーによる高温水蒸気のＴｉ→Ｔｃ変化時における顕熱量Ｑhk［kW］の算出
高温排気ガス温度Ｔｉ［℃］、露点温度Ｔｃ［℃］を入力として、周知である水蒸気の比エンタルピー図から、高温排気ガス温度Ｔｉにおける比エンタルピーＨhi［kJ/kg］及び露点温度Ｔｃにおける比エンタルピーＨhc［kJ/kg］を算出する。そして、これらの比エンタルピーＨhi、Ｈhc及び上記の高温水蒸気質量Ｗｈ［g/min］を入力として下式で算出される。
Ｑhk＝Ｗｈ・(Ｈhi−Ｈhc)・(1/6×10−４)
ここで、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００３１】
（ｃ２）比熱による高温水蒸気のＴｉ→Ｔｃ変化時における顕熱量Ｑhk［kW］の算出
上記（ｃ１）とは異なる算出方法を説明する。上記水蒸気質量Ｗｈ［g/min］、高温排気ガス温度Ｔｉ［℃］、上記の露点温度Ｔｃ［℃］、水蒸気の比熱ｃｈ［J/K・g］を入力として下式で算出される。
Ｑhk＝Ｗｈ・(Ｔｉ−Ｔｃ)・ｃｈ・(1/6×10−４)
ここで、水蒸気の比熱ｃｈはＴｉとＴｃとの中間温度での比熱とし、例えば200℃でｃｈ＝1.981となる。また、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００３２】
（ｄ）冷却排気ガスに含まれる冷却水蒸気の流量εｓ［NL/min］の算出
周知である飽和蒸気圧曲線図から、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］に対応する冷却水蒸気の分圧Ｐwo［kPa］を算出する。そして、この冷却水蒸気の分圧Ｐwo［kPa］及び上記の水蒸気以外の排気ガス流量δ［NL/min］を入力として下式で算出される。
εｓ＝(Ｐwo・δ)／(101.325−Ｐwo)
ここで、101.325は単位変換のための定数である。
【００３３】
（ｅ）冷却水蒸気の質量Ｗｓ［g/min］の算出
冷却排気ガスの圧力Ｐｓ［atm］、冷却水蒸気流量εｓ［NL/min］、水蒸気の分子量ｄｗ及び冷却排気ガス温度Ｔ［℃］を入力として下式で算出される。
Ｗｓ＝(Ｐｓ・εｓ・ｄｗ)／(0.082・(Ｔ＋273))
ここで、0.082は気体定数である。また、流量εｓの単位は［NL/min］に換算されているので、圧力Ｐｓ＝１atm、温度Ｔ＝０℃である。
【００３４】
（ｆ）冷却排気ガスに含まれる冷却凝縮水質量Ｗｍ［g/min］の算出
高温水蒸気はその温度が露点温度Ｔｃよりも低下するのに伴い次第に凝縮水に変化し、冷却排気ガス温度Ｔｏにおける冷却凝縮水の質量は以下のようになる。上記の高温水蒸気質量Ｗｈ［g/min］及び上記の冷却水蒸気質量Ｗｓ［g/min］を入力として下式で算出される。
Ｗｍ＝Ｗｈ−Ｗｓ
【００３５】
（ｇ）露点温度Ｔｃ以下の水蒸気平均質量Ｗhs［g/min］及び凝縮水平均質量Ｗma［g/min］の算出
露点温度Ｔｃ以下において、水蒸気は温度が低下するに伴い凝縮水に変化するために、その質量は次第に減少する。逆に、温度が低下するに伴い凝縮水の質量は増加する。このために、露点温度Ｔｃから冷却排気ガス温度Ｔｏまでの水蒸気及び凝縮水の顕熱による保有熱量を算出する際に必要となる質量を、Ｔｃ→Ｔｏ変化時の水蒸気及び凝縮水の平均質量とする。
露点温度Ｔｃから冷却排気ガス温度Ｔｏまでの水蒸気の平均質量Ｗhsは、上記の高温水蒸気質量Ｗｈ［g/min］及び上記の冷却水蒸気質量Ｗｓ［g/min］を入力として下式で算出される。
Ｗhs＝(Ｗｈ＋Ｗｓ)／２
また、露点温度Ｔｃから冷却排気ガス温度Ｔｏまでの凝縮水の平均質量Ｗwaは、上記の冷却凝縮水質量Ｗｍ［g/min］を入力として下式で算出される。
Ｗma＝Ｗｍ／２
【００３６】
（ｈ１）比エンタルピーによる水蒸気のＴｃ→Ｔｏ変化時における顕熱量Ｑsk［kW］の算出
露点温度Ｔｃ［℃］、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］を入力として、周知である水蒸気の比エンタルピー図から、露点温度Ｔｃにおける比エンタルピーＨsc［kJ/kg］及び冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピーＨso［kJ/kg］を算出する。そして、これらの比エンタルピーＨsc、Ｈso及び上記の水蒸気平均質量Ｗhs［g/min］を入力として下式で算出される。
Ｑsk＝Ｗhs・(Ｈsc−Ｈso)・(1/6×10−４)
ここで、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００３７】
（ｈ２）比熱による水蒸気のＴｃ→Ｔｏ変化時における顕熱量Ｑsk［kW］の算出
上記（ｈ１）とは異なる算出方法を説明する。上記の水蒸気平均質量Ｗhs［g/min］、上記の露点温度Ｔｃ［℃］、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］、水蒸気の比熱ｃｈ［J/K・g］を入力として下式で算出される。
Ｑsk＝Ｗhs・(Ｔｃ−Ｔｏ)・ｃｈ・(1/6×10−４)
ここで、水蒸気の比熱ｃｈはＴｃとＴｏとの中間温度での比熱とする。また、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００３８】
（ｉ１）比エンタルピーによる凝縮水のＴｃ→Ｔｏ変化時における顕熱量Ｑmk［kW］の算出
露点温度Ｔｃ［℃］、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］を入力として、周知である凝縮水の比エンタルピー図から、露点温度Ｔｃにおける比エンタルピーＨmc［kJ/kg］及び冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピーＨmo［kJ/kg］を算出する。そして、これらの比エンタルピーＨmc、Ｈmo及び上記の凝縮水平均質量Ｗwa［g/min］を入力として下式で算出される。
Ｑmk＝Ｗma・(Ｈmc−Ｈmo)・(1/6×10−４)
ここで、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００３９】
（ｉ２）比熱による凝縮水のＴｃ→Ｔｏ変化時における顕熱量Ｑmk［kW］の算出
上記（ｉ１）とは異なる算出方法を説明する。上記の凝縮水平均質量Ｗma［g/min］、上記の露点温度Ｔｃ［℃］、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］、凝縮水の比熱ｃｗ［J/K・g］を入力として下式で算出される。
Ｑmk＝Ｗma・(Ｔｃ−Ｔｏ)・ｃｗ・(1/6×10−４)
ここで、凝縮水の比熱ｃｗはＴｃとＴｏとの中間温度での比熱とする。また、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００４０】
（ｊ）水蒸気の顕熱による保有熱量Ｑwk［kW］の算出
上記の水蒸気のＴｉ→Ｔｃ変化時の保有熱量Ｑhk［kW］、上記の水蒸気のＴｃ→Ｔｏ変化時の保有熱量Ｑsk［kW］及び上記の凝縮水のＴｃ→Ｔｏ変化時の保有熱量Ｑmk［kW］を入力として下式で算出される。
Ｑwk＝Ｑhk＋Ｑsk＋Ｑmk …（２）式
【００４１】
（Ｓ３）水蒸気の潜熱による保有熱量Ｑwsの算出方法
（ａ１）比エンタルピーによる水蒸気の潜熱量Ｑws［kW］の算出
露点温度Ｔｃ［℃］における水蒸気の比エンタルピーＨsc［kJ/kg］及び冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］における凝縮水の比エンタルピーＨmo［kJ/kg］及び冷却凝縮水質量Ｗｍ［g/min］を入力として下式で算出される。
Ｑws＝Ｗｍ・(Ｈsc−Ｈmo)・(1/6×10−４) …（31）式
ここで、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００４２】
（ａ２）蒸発熱による水蒸気の潜熱量Ｑws［kW］の算出
上記（ａ１）とは異なる算出方法を説明する。上記の冷却凝縮水質量Ｗｍ［g/min］及び水の分子量ｄｗを入力として下式で算出される。
Ｑws＝((Ｗｍ／ｄｗ)・41)／60 …（32）式
ここで、41［kJ/mol］は水の蒸発熱であり、60は単位変換のための定数である。
【００４３】
（Ｓ４）排気ガスの保有熱量Ｑ［kW］の算出方法
上記（11）式又は（12）式の水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇ［kW］、上記（２）式の水蒸気の顕熱による保有熱量Ｑwk［kW］及び上記（31）式又は（32）式の水蒸気の潜熱による保有熱量Ｑws［kW］を入力として下式で算出される。
Ｑ＝Ｑｇ＋Ｑwk＋Ｑws
【００４４】
［実施の形態２］
上述した実施の形態１では、高温排気ガスに含まれる水蒸気以外のガス成分である窒素、酸素及び二酸化炭素を空気として取り扱って保有熱量Ｑｇを算出した。これに対して、実施の形態２では、以下のように、窒素、酸素及び二酸化炭素のそれぞれの保有熱量Ｑgn、Ｑgo及びＱgcを算出する。そして、これらを合算して水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇを算出する。これによって、水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇをより正確に算出することができる。以下、詳細を説明する。
【００４５】
実施の形態２では、上述した図２のステップＳ１を下記のように変更したものである。
（Ｓ１）水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇ［kW］の算出方法
（ａ）窒素、酸素及び二酸化炭素の各質量Ｗgn、Ｗgo及びＷgc［g/min］の算出
高温排気ガスの圧力Ｐ［atm］、窒素、酸素及び二酸化炭素の各流量δｎ、δｏ及びδｃ［NL/min］、窒素、酸素及び二酸化炭素の各分子量ｄgn、ｄgo及びｄgc並びに高温排気ガス温度Ｔ［℃］を入力として下式で算出される。
Ｗgn＝(Ｐ・δｎ・ｄgn)／(0.082・(Ｔ＋273))
Ｗgo＝(Ｐ・δｏ・ｄgo)／(0.082・(Ｔ＋273))
Ｗgc＝(Ｐ・δｃ・ｄgc)／(0.082・(Ｔ＋273))
ここで、0.082は気体定数である。また、流量の単位は［NL/min］に換算されているので、圧力Ｐ＝１atm、温度Ｔ＝０℃である。
【００４６】
（ｂ１）比エンタルピーによる窒素、酸素及び二酸化炭素の保有熱量Ｑgn、Ｑgo及びＱgc［kW］の算出
高温排気ガス温度Ｔｉ［℃］、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］を入力として、周知である窒素、酸素及び二酸化炭素の各比エンタルピー図から、高温排気ガス温度Ｔｉにおける比エンタルピーＨgni、Ｈgoi及びＨgci［kJ/kg］並びに冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピーＨgno、Ｈgoo及びＨgco［kJ/kg］を算出する。そして、これらの比エンタルピー並びに上記の窒素、酸素及び二酸化炭素の各質量Ｗgn、Ｗgo及びＷgc［g/min］を入力として下式で算出される。
Ｑgn＝Ｗgn・(Ｈgni−Ｈgno)・(1/6×10−４)
Ｑgo＝Ｗgo・(Ｈgoi−Ｈgoo)・(1/6×10−４)
Ｑgc＝Ｗgc・(Ｈgci−Ｈgco)・(1/6×10−４)
ここで、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００４７】
（ｂ2）比熱による窒素、酸素及び二酸化炭素の保有熱量Ｑgn、Ｑgo及びＱgc［kW］の算出
上記（ｂ１）とは異なる算出方法を説明する。上記の窒素、酸素及び二酸化炭素の各質量Ｗgn、Ｗgo及びＷgc［g/min］、高温排気ガス温度Ｔｉ［℃］、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］並びに窒素、酸素及び二酸化炭素の各比熱ｃgn、ｃgo及びｃgc［J/K・g］を入力として下式で算出される。
Ｑgn＝Ｗgn・(Ｔｉ−Ｔｏ)・ｃgn・(1/6×10−４)
Ｑgo＝Ｗgo・(Ｔｉ−Ｔｏ)・ｃgo・(1/6×10−４)
Ｑgc＝Ｗgc・(Ｔｉ−Ｔｏ)・ｃgc・(1/6×10−４)
ここで、各比熱はＴｉとＴｏとの中間温度での比熱とする。また、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００４８】
（ｃ）水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇ［ｋＷ］の算出
上記の窒素、酸素及び二酸化炭素の各保有熱量Ｑgn、Ｑgo及びＱgc［ｋＷ］を合算して下式で算出される。
Ｑｇ＝Ｑgn＋Ｑgo＋Ｑgc
【００４９】
［実施の形態３］
上述した実施の形態２では、高温排気ガスに含まれる水蒸気以外のガス成分を窒素、酸素及び二酸化炭素としたが、実施の形態３では、高温排気ガスに含まれる水蒸気以外のガス成分を窒素、空気（0.8Ｎ2＋0.2Ｏ2）及び二酸化炭素に分類し、それぞれの保有熱量Ｑgn、Ｑga及びＱgcを算出する。そして、これらを合算して水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇを算出する。ここで、酸素に代えて空気として扱う方が保有熱量の演算が簡単になる場合がある。以下、詳細を説明する。
【００５０】
実施の形態３では、上述した図２のステップＳ１を下記のように変更したものである。
（Ｓ１）水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇ［kW］の算出方法
（ａ）窒素、空気及び二酸化炭素の各質量Ｗgn、Ｗga及びＷgc［g/min］の算出
高温排気ガスの圧力Ｐ［atm］、窒素、空気及び二酸化炭素の各流量δｎ、δａ及びδｃ［NL/min］、窒素、空気及び二酸化炭素の各分子量ｄgn、ｄga及びｄgc並びに高温排気ガス温度Ｔ［℃］を入力として下式で算出される。
Ｗgn＝(Ｐ・δｎ・ｄgn)／(0.082・(Ｔ＋273))
Ｗga＝(Ｐ・δａ・ｄga)／(0.082・(Ｔ＋273))
Ｗgc＝(Ｐ・δｃ・ｄgc)／(0.082・(Ｔ＋273))
ここで、0.082は気体定数である。また、流量の単位は［NL/min］に換算されているので、圧力Ｐ＝１atm、温度Ｔ＝０℃である。
【００５１】
（ｂ１）比エンタルピーによる窒素、空気及び二酸化炭素の保有熱量Ｑgn、Ｑga及びＱgc［kW］の算出
高温排気ガス温度Ｔｉ［℃］、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］を入力として、周知である窒素、空気及び二酸化炭素の各比エンタルピー図から、高温排気ガス温度Ｔｉにおける比エンタルピーＨgni、Ｈgai及びＨgci［kJ/kg］並びに冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピーＨgno、Ｈgao及びＨgco［kJ/kg］を算出する。そして、これらの比エンタルピー並びに上記の窒素、空気及び二酸化炭素の各質量Ｗgn、Ｗga及びＷgc［g/min］を入力として下式で算出される。
Ｑgn＝Ｗgn・(Ｈgni−Ｈgno)・(1/6×10−４)
Ｑga＝Ｗga・(Ｈgai−Ｈgao)・(1/6×10−４)
Ｑgc＝Ｗgc・(Ｈgci−Ｈgco)・(1/6×10−４)
ここで、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００５２】
（ｂ２）比熱による窒素、空気及び二酸化炭素の保有熱量Ｑgn、Ｑga及びＱgc［kW］の算出
上記（ｂ１）とは異なる算出方法を説明する。上記の窒素、空気及び二酸化炭素の各質量Ｗgn、Ｗga及びＷgc［g/min］、高温排気ガス温度Ｔｉ［℃］、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］並びに窒素、空気及び二酸化炭素の各比熱ｃgn、ｃga及びｃgc［J/K・g］を入力として下式で算出される。
Ｑgn＝Ｗgn・(Ｔｉ−Ｔｏ)・ｃgn・(1/6×10−４)
Ｑga＝Ｗga・(Ｔｉ−Ｔｏ)・ｃga・(1/6×10−４)
Ｑgc＝Ｗgc・(Ｔｉ−Ｔｏ)・ｃgc・(1/6×10−４)
ここで、比熱はＴｉとＴｏとの中間温度での比熱とする。また、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００５３】
（ｃ）水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇ［ｋＷ］の算出
上記の窒素、空気及び二酸化炭素の各保有熱量Ｑgn、Ｑga及びＱgc［ｋＷ］を合算して下式で算出される。
Ｑｇ＝Ｑgn＋Ｑga＋Ｑgc
【００５４】
［実施の形態４］
図３は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法を示すシステム構成図である。同図において、上述した図１と同一の構成物には同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図１とは異なる点線で示す構成物について説明する。
【００５５】
温水温度センサＴＨは、温水１６の温度を計測して、温水温度計測信号Ｔｈを出力する。温度誤差増幅部ＥＴは、温水温度設定信号Ｔｒと上記の温水温度計測信号Ｔｈとの誤差を増幅して、温度誤差増幅信号ΔＴを出力する。第２排気ガス保有熱量算出部ＱＣ２は、排気ガス流量信号Ｇｄ及び排気ガス温度信号Ｔｄを入力として上述したように排気ガス保有熱量を演算し、上記の温度誤差増幅信号ΔＴに応じてその値を補正して排気ガス保有熱量信号Ｑｃを出力する。排気ガス保有熱量Ｑの演算値に誤差あるために、温水温度と設定温度とにズレが生じる場合がある。このようなときに、実施の形態４では、温度誤差値に応じて排気ガス保有熱量Ｑの演算値を補正することによって、温水温度を設定温度に一致させることができる。
【００５６】
［実施の形態５］
図４は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法を示すシステム構成図である。同図において、上述した図１と同一の構成物には同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図１とは異なる点線で示す構成物について説明する。
【００５７】
信号出力燃料供給部７ａは、空気１の圧力及び流量α、都市ガス２の圧力及び流量β並びに純水３の流量γを調節して燃料電池８に供給すると共に、これら空気流量値α［NL/min］、都市ガス流量値β［NL/min］及び純水流量値γ［NL/min］から形成される燃料流量信号Ｆｄを出力する。高温排気ガス流量算出部ＧＣは、この燃料流量信号Ｆｄを入力として、後述する算出方法に基づいて高温排気ガス９に含まれる水蒸気の流量ε［NL/min］及び水蒸気以外の排気ガスの流量δ［NL/min］を算出し、両値から形成される排気ガス流量信号Ｇｄを出力する。これ以外の動作は上述した図１と同一である。
【００５８】
（１）高温排気ガスの成分を水蒸気と空気に分類したときの各成分の流量ε、δの算出
上記の水蒸気流量ε［NL/min］及び水蒸気以外の排気ガス（空気）流量δ［NL/min］の算出方法は以下のとおりである。すなわち、燃料の空気を0.2Ｏ２＋0.8Ｎ２とし、都市ガスを例えばａＣＨ４＋ｂＣ２Ｈ６（ａ，ｂは成分比率）とし、純水をＨ２Ｏとする。燃料電池８での化学反応の結果、下式に示すように、水蒸気以外の排気ガスｘＮ２＋ｙＯ２＋ｚＣＯ２（ｘ，ｙ，ｚは成分比率）及び水蒸気Ｈ２Ｏからなる高温排気ガス９が生成される。
α(0.2Ｏ２＋0.8Ｎ２)＋β(ａＣＨ４＋ｂＣ２Ｈ６)＋γＨ２Ｏ
→δ(xＮ２＋yＯ２＋zＣＯ２)＋εＨ２Ｏ
【００５９】
上式において、都市ガス成分が決まり、空気流量α、都市ガス流量β及び純水流量γが入力されると、水蒸気以外の排気ガス流量δ及び水蒸気流量εを化学反応式から算出することができる。ここで、上記の水蒸気以外の排気ガス(xＮ２＋yＯ２＋zＣＯ２)は空気に似た成分であるので、簡易的には空気として取り扱うことができる。この(α，β，γ)→(δ，ε)の関係は、予め実験によって算出しても良い。
【００６０】
（２）高温排気ガスの成分を水蒸気と窒素、酸素及び二酸化炭素とに分類したときの各成分の流量ε、δｎ、δｏ、δｃの算出
上記の水蒸気流量ε［NL/min］並びに窒素流量δｎ［NL/min］、酸素流量δｏ［NL/min］及び二酸化炭素流量δｃ［NL/min］の算出方法は以下のとおりである。すなわち、燃料の空気を0.2Ｏ２＋0.8Ｎ２とし、都市ガスを例えばａＣＨ４＋ｂＣ２Ｈ６（ａ，ｂは成分比率）とし、純水をＨ２Ｏとする。燃料電池８での化学反応の結果、下式に示すように、窒素Ｎ２、酸素Ｏ２及び二酸化炭素ＣＯ２並びに水蒸気Ｈ２Ｏからなる高温排気ガス９が生成される。
α(0.2Ｏ２＋0.8Ｎ２)＋β(ａＣＨ４＋ｂＣ２Ｈ６)＋γＨ２Ｏ
→δｎＮ２＋δｏＯ２＋δｃＣＯ２＋εＨ２Ｏ
【００６１】
上式において、都市ガス成分が決まり、空気流量α、都市ガス流量β及び純水流量γが入力されると、窒素流量δｎ、酸素流量δｏ、二酸化炭素流量δｃ及び水蒸気流量εを化学反応式から算出することができる。この(α，β，γ)→(δｎ，δｏ，δｃ，ε)の関係は、予め実験によって算出しても良い。
【００６２】
（３）高温排気ガスの成分を水蒸気と窒素、空気及び二酸化炭素とに分類したときの各成分の流量ε、δｎ、δａ、δｃの算出
上記の水蒸気流量ε［NL/min］並びに窒素流量δｎ［NL/min］、空気流量δａ［NL/min］及び二酸化炭素流量δｃ［NL/min］の算出方法は以下のとおりである。すなわち、燃料の空気を0.2Ｏ２＋0.8Ｎ２とし、都市ガスを例えばａＣＨ４＋ｂＣ２Ｈ６（ａ，ｂは成分比率）とし、純水をＨ２Ｏとする。燃料電池８での化学反応の結果、下式に示すように、窒素Ｎ２、空気（0.2Ｏ２＋0.8Ｎ２）及び二酸化炭素ＣＯ２並びに水蒸気Ｈ２Ｏからなる高温排気ガス９が生成される。
α(0.2Ｏ２＋0.8Ｎ２)＋β(ａＣＨ４＋ｂＣ２Ｈ６)＋γＨ２Ｏ
→δｎＮ２＋δａ（0.8Ｎ２＋0.2Ｏ２）＋δｃＣＯ２＋εＨ２Ｏ
【００６３】
上式において、都市ガス成分が決まり、空気流量α、都市ガス流量β及び純水流量γが入力されると、窒素流量δｎ、空気流量δａ、二酸化炭素流量δｃ及び水蒸気流量εを化学反応式から算出することができる。ここでは、Ｎ２＋Ｏ２をＮ２＋（0.8Ｎ２＋0.2Ｏ２）に分類している。これは、酸素単独よりも窒素とまとめて空気として扱った方が、排気ガス保有熱量の演算が簡単、正確になる場合があるからである。この(α，β，γ)→(δｎ，δａ，δｃ，ε)の関係は、予め実験によって算出しても良い。
【００６４】
図５は、図１を元にして排気ガス流量算出部ＧＣ等を追加した場合であるが、図４を元にして追加しても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る排気ガスの保有熱量Ｑの算出方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態４に係る燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法を示す構成図である。
【図４】本発明の実施の形態５に係る燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法を示す構成図である。
【図５】従来技術における燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法を示す構成図である。
【符号の説明】
【００６６】
１ 空気
２ 都市ガス
３ 純水
４ 圧縮機
５ 昇圧機
６ 純水ポンプ
７ 燃料供給部
７ａ 信号出力燃料供給部
８ 燃料電池
９ 高温排気ガス
１０ 熱交換器
１１ 冷却排気ガス
１２ 冷水
１３ 給水ポンプ
１４ 流量調節弁
１５ 貯湯槽
１６ 温水
ｃｇ 水蒸気以外の排気ガスの比熱
ｃga 空気の比熱
ｃgc 二酸化炭素の比熱
ｃgn 窒素の比熱
ｃg0 酸素の比熱
ｃｈ 高温水蒸気の比熱
ＣＯ２ 二酸化炭素
ＣＴ 温水温度制御部
ｃｗ 水の比熱
ｄｇ 水蒸気以外の排気ガスの分子量
ｄga 空気の分子量
ｄgc 二酸化炭素の分子量
ｄgn 窒素の分子量
ｄgo 酸素の分子量
ｄｗ 水の分子量
ＥＴ 温度誤差増幅部
ｆ 流量
Ｆｄ 燃料流量信号
ｆｒ （冷水）流量設定信号
ＦＲＣ 流量設定算出部
ＧＣ 高温排気ガス流量算出部
ＧＤ 排気ガス流量検出部
Ｇｄ 排気ガス流量信号
Ｈ２Ｏ 水蒸気
Ｈgi 排気ガスの高温排気ガス温度Ｔｉにおける比エンタルピー
Ｈgai 空気の高温排気ガス温度Ｔｉにおける比エンタルピー
Ｈgao 空気の冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピー
Ｈgci 二酸化炭素の高温排気ガス温度Ｔｉにおける比エンタルピー
Ｈgco 二酸化炭素の冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピー
Ｈgni 窒素の高温排気ガス温度Ｔｉにおける比エンタルピー
Ｈgno 窒素の冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピー
Ｈgoi 酸素の高温排気ガス温度Ｔｉにおける比エンタルピー
Ｈgoo 酸素の冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピー
Ｈgo 排気ガスの冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピー
Ｈhc 高温水蒸気の露点温度Ｔｃにおける比エンタルピー
Ｈhi 高温水蒸気の高温排気ガス温度Ｔｉにおける比エンタルピー
Ｈmc 凝縮水の露点温度Ｔｃにおける比エンタルピー
Ｈmo 凝縮水の冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピー
Ｈsc 冷却水蒸気の露点温度Ｔｃにおける比エンタルピー
Ｈso 冷却水蒸気の冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピー
Ｎ２ 窒素
Ｏ２ 酸素
Ｐ 高温排気ガス圧力
Ｐｓ 冷却排気ガス圧力
Ｐwi 高温排気ガスにおける水蒸気の分圧
Ｐwo 冷却排気ガスにおける水蒸気の分圧
Ｑ 排気ガス保有熱量
ＱＣ 排気ガス保有熱量算出部
Ｑｃ 排気ガス保有熱量信号
ＱＣ２ 第２排気ガス保有熱量算出部
Ｑｇ 水蒸気以外の排気ガスの保有熱量
Ｑga 空気の保有熱量
Ｑgc 二酸化炭素の保有熱量
Ｑgn 窒素の保有熱量
Ｑgo 酸素の保有熱量
Ｑhk 高温水蒸気のＴｃ→Ｔｏ変化時における顕熱量
Ｑmk 凝縮水のＴｃ→Ｔｏ変化時における顕熱量
Ｑsk 冷却水蒸気のＴｃ→Ｔｏ変化時における顕熱量
Ｑwk 水蒸気の顕熱量
Ｑws 水蒸気の潜熱量
Ｓ１〜Ｓ４ ステップ
Ｔｃ 露点温度
ＴＤ 排気ガス温度センサ
Ｔｄ 排気ガス温度信号
ＴＨ 温水温度センサ
Ｔｈ 温水温度計測信号
Ｔｉ 高温排気ガス温度
Ｔｏ 冷却排気ガス温度
ＴＲ 温水温度設定部
Ｔｒ 温水温度設定信号
Ｔｒ 設定温度
ＴＷ 冷水温度センサ
Ｔｗ 冷水温度計測信号
Ｗｇ 水蒸気以外の排気ガス質量
Ｗgc 二酸化炭素の質量
Ｗga 空気の質量
Ｗgn 窒素の質量
Ｗgo 酸素の質量
Ｗｈ 高温水蒸気質量
Ｗhs 水蒸気の平均質量
Ｗｍ 凝縮水質量
Ｗma 凝縮水平均質量
Ｗｓ 冷却水蒸気質量質量
α 空気流量
β 都市ガス流量
γ 純水流量
δ 水蒸気以外の排気ガス流量
δａ 空気流量
δｃ 二酸化炭素流量
δｎ 窒素流量・
δｏ 酸素流量・
ΔＴ 温度誤差増幅信号
ε 水蒸気流量
εｓ 冷却水蒸気流量
η 効率
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池によって発生した高温排気ガスを利用して生成される温水の温度制御を精密に行うための燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来技術における燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法を示す構成図である。同図において、燃料電池８は、空気１、都市ガス２及び純水３を燃料として発電・発熱して電気及び高温排気ガス９を発生する。電気は、図示していないインバータ回路等の電気回路を介して負荷又は電力系統に供給される。以下、同図を参照して各構成物について説明する。
【０００３】
燃料用の空気１は、圧縮機４によって圧縮されて燃料供給部７に供給される。燃料用の都市ガス２は、昇圧機５によって昇圧されて燃料供給部７に供給される。燃料用の純水３は、純水ポンプ６によって燃料供給部７に供給される。燃料供給部７は、上記の空気１の圧力及び流量α、都市ガス２の圧力及び流量β並びに純水３の流量γを調節して燃料電池８に供給する。燃料電池８は、上記の空気１、都市ガス２及び純水３を燃料として電気及び数百℃の高温の排気ガス９を発生する。
【０００４】
上記の高温排気ガス９は熱交換器１０によって熱交換されて数十℃に冷却された冷却排気ガス１１に変化し、この冷却排気ガス１１はシステムの外部に放出される。冷水１２は、給水ポンプ１３によって上記の熱交換器１０に供給される。流量調節弁１４は、冷水１２の流量ｆを調節する。冷水１２は熱交換器１０によって加熱されて温水１６に変化し、この温水１６は貯湯槽１５に蓄えられて給湯等に利用される。
【０００５】
温水１６の温度が高いほど貯湯槽１５を小型化することができる。すなわち、同一の熱量を貯湯槽１５で蓄積する場合、温水温度に比例して貯湯槽１５の容積は小さくなる。反面、温水温度が100℃近くになると水泡の発生等により熱交換器１０の熱交換効率が低下する。また、温水温度がさらに上昇して温水が沸騰すると、熱交換器１０及び水路配管が損傷することもある。したがって、温水温度は例えば９０℃程度の所定値に精密に制御する必要がある。以下、従来技術における温水温度制御法について説明する。
【０００６】
温水温度センサＴＨは、温水１６の温度を計測して、温水温度計測信号Ｔｈを出力する。温水温度設定部ＴＲは、予め定めた温水温度設定信号Ｔｒを出力する。温水温度制御部ＣＴは、上記の温水温度計測信号Ｔｈの値と上記の温水温度設定信号Ｔｒの値とが略等しくなるように流量設定信号ｆｒを出力する。上記の流量調節弁１４は、この流量設定信号ｆｒに相当する流量ｆに調節する。これによって、温水温度は設定温度に制御される（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−９３５９３号公報
【特許文献２】特開２００２−２９５８６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した従来技術の温水温度制御方法には以下の課題がある。すなわち、数百℃の高温排気ガス９は流量が大きいために冷却排気ガス１１に変化するまでの変換時間は短くなる。この短時間の間に高温排気ガス９は保有熱量を放出する。他方、冷水１２の流量ｆは高温排気ガス９の流量に比べて相当に小さいために、温水に変化する変換時間は上記の排気ガスのときに比べて十数倍長くかかる。この結果、燃料電池８の負荷変動時、起動／停止の過渡時等において高温排気ガス９の温度又は流量が変動して保有熱量が変化しても、温水温度は遅れて変化することになる。このために、温水温度Ｔｈと設定温度Ｔｒとに誤差が生じた時点で冷水の流量を調節しても、上記の時間遅れのために誤差は拡大し続けて大きくオーバーシュート又はアンダーシュートする。特に、高温排気ガス９の保有熱量の変化が急峻であるほど、この誤差は大きくなる。上述したように、温水温度は貯湯槽１５の容積を小さくするために９０℃程度の高温に設定されるので、温水温度が大きくオーバーシュートすると、上述したように、温水に水泡が発生して熱交換器１０の熱交換効率が低下したり、沸騰に至り熱交換器１０等を損傷することになる。また、アンダーシュートすると、上述したように、貯湯槽１５の容積を大きくすることになる。
【０００９】
そこで、本発明では、高温排気ガスの温度又は流量が急変しても温水温度を所定値に精密に制御することができる燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するために、第１の発明は、空気及び都市ガス及び純水などを燃料とする燃料電池によって電気及び高温の排気ガスを発生し、前記電気は負荷又は電力系統に供給し、前記高温排気ガスは熱交換器に供給しこの熱交換器に冷水を供給して温水に変化させて給湯し、前記熱交換器によって冷却された冷却排気ガスは外部に排気し、前記冷水の流量を調節して前記温水の温度を所定値に制御する燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法において、
前記高温排気ガスに含まれる水蒸気の流量及び水蒸気以外の排気ガスの流量を検出し、前記高温排気ガスの温度及び前記冷却排気ガスの温度を検出し、前記水蒸気の流量及び前記水蒸気以外の排気ガスの流量及び前記高温排気ガス温度及び前記冷却排気ガス温度に基づいて排気ガス保有熱量を算出し，
前記温水温度の設定値を予め設定し、前記冷水の温度を検出し、前記排気ガス保有熱量及び前記温水温度設定値及び前記冷水温度に基づいて前記冷水の流量設定値を算出し，
前記冷水の流量が前記冷水流量設定値と略等しくなるように調節して温水温度を所定値に制御する、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温水温度制御方法である。
【００１１】
また、第２の発明は、前記排気ガス保有熱量を、前記水蒸気の流量及び前記水蒸気以外の排気ガスの流量及び前記高温排気ガス温度及び前記冷却排気ガス温度を入力として前記水蒸気の顕熱及び潜熱による保有熱量と、前記水蒸気以外の排気ガスの保有熱量との合算値として算出する、ことを特徴とする第１の発明記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法である。
【００１２】
また、第３の発明は、前記水蒸気以外の排気ガスを窒素及び酸素及び二酸化炭素の３つの排気ガスに分類し、これら３つの排気ガスの各流量及び前記高温排気ガス温度及び前記冷却排気ガス温度を入力として前記３つの排気ガスごとの顕熱による保有熱量を算出し、これら３つの排気ガスの保有熱量を合算して前記水蒸気以外の排気ガスの保有熱量を算出する、ことを特徴とする第２の発明記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法である。
【００１３】
また、第４の発明は、前記水蒸気以外の排気ガスを窒素及び空気及び二酸化炭素の３つの排気ガスに分類する、ことを特徴とする第３の発明記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法である。
【００１４】
また、第５の発明は、前記水蒸気の顕熱及び潜熱による保有熱量は、前記水蒸気の流量及び前記高温排気ガス温度及び前記冷却排気ガス温度を入力として前記水蒸気が前記高温排気ガス温度から露点温度まで低下するときの顕熱による保有熱量と、前記水蒸気が冷却されて前記露点温度で水に変化するときの潜熱による保有熱量と、前記水及び前記水蒸気が前記露点温度から前記冷却排気ガス温度まで低下するときの顕熱による保有熱量との合算値である、ことを特徴とする第２の発明記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法である。
【００１５】
また、第６の発明は、前記冷水流量設定値ｆｒを、前記排気ガス保有熱量Ｑ及び前記温水温度設定値Ｔｒ及び前記冷水温度Ｔｗ及び予め定めた熱交換器の効率η及び予め定めた水の比熱ｃｗを入力としてｆｒ＝(η・Ｑ)／(ｃｗ・(Ｔｒ−Ｔｗ))の演算によって算出する、ことを特徴とする第１乃至第５の発明のいずれかに記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法である。
【００１６】
また、第７の発明は、前記温水の温度を検出し、前記温水温度設定値と前記温水温度の検出値との誤差に応じて前記排気ガス保有熱量を補正する、ことを特徴とする第１乃至第６の発明のいずれかに記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法である。
【００１７】
また、第８の発明は、前記空気及び都市ガス及び純水の各流量を入力として化学反応式に基づいて前記高温排気ガスに含まれるガス成分ごとの流量を算出する、ことを特徴とする第１乃至第７の発明のいずれかに記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料電池によって発生する高温排気ガスの温度又は流量が変化しても、高温排気ガスの保有熱量を算出して冷水の流量を調節するので、温水温度はオーバーシュート又はアンダーシュートして大きく変動することがなく、常に設定温度に精密に制御される。このために、温水の設定温度を９０℃程度と高く設定することが可能となり、貯湯槽の容積を小さくすることができる。さらに、温水温度の変動を小さく抑制することができるので、100℃近くまで変動し水泡が発生して熱交換器の熱効率を低下させることもない。さらに、温水が沸騰して熱交換器、水路配管等を損傷することもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法を示すシステム構成図である。同図において、上述した図５と同一の構成物には同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図５とは異なる点線で示す構成物について説明する。
【００２１】
排気ガス流量検出部ＧＤは、高温排気ガス９に含まれる水蒸気の流量値ε［NL/min］及び水蒸気以外の排気ガスの流量値δ［NL/min］から形成される排気ガス流量信号Ｇｄを出力する。ここで、高温排気ガスの成分は、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）及び二酸化炭素（ＣＯ２）からなる。実施の形態１では、窒素、酸素及び二酸化炭素を水蒸気以外の排気ガスとする。また、下記の熱量算出において算出方法を簡単にするために、実施の形態１では水蒸気以外の排気ガスを成分比が似ている空気として取り扱う。上記のNL/minは１atm、０℃における気体の流量［L/min］を示す。上記の水蒸気及び水蒸気以外の排気ガスの流量値は、高温排気ガス９の総流量を検出して予め実験等によって定めた比率によって算出しても良い。
【００２２】
排気ガス温度センサＴＤは、高温排気ガス９の温度Ｔｉ［℃］及び冷却排気ガス１１の温度Ｔｏ［℃］から形成される排気ガス温度信号Ｔｄを出力する。
【００２３】
排気ガス保有熱量算出部ＱＣは、上記の排気ガス流量信号Ｇｄ及び排気ガス温度信号Ｔｄを入力として、図２で後述する演算によって排気ガス保有熱量信号Ｑｃ［kw］を出力する。冷水温度センサＴＷは、冷水１２の温度を計測して冷水温度計測信号Ｔｗ［℃］を出力する。流量設定算出部ＦＲＣは、上記の排気ガス保有熱量信号Ｑｃ［kW］、冷水温度計測信号Ｔｗ［℃］、温水温度設定信号Ｔｒ［℃］、予め定めた熱交換器の効率η及び予め定めた水の比熱ｃｗ［J/K・g］を入力として、流量設定信号ｆｒ［L/min］＝(η・Ｑｃ)／(ｃｗ・(Ｔｒ−Ｔｗ))・(1/60)を出力する。水の比熱ｃｗは、例えば70℃のときはｃｗ＝4.189となる。この流量設定信号ｆｒによって流量調節弁１４を調節して冷水１２の流量ｆ＝ｆｒとなるように制御する。これにより、高温排気ガス９の温度Ｔｉ又は流量ε、δが急変しても、温水１６の温度は常に温水温度設定信号Ｔｒの値に維持される。
【００２４】
図２は、上述した排気ガス保有熱量Ｑ［kW］を演算する方法を示すフローチャートである。ステップＳ１において、水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇ［kW］を算出する。ステップＳ２において、高温排気ガスに含まれる水蒸気の顕熱による保有熱量Ｑwk［kW］を算出する。ステップＳ３において、水蒸気の潜熱による保有熱量Ｑws［kW］を算出する。ステップＳ４において、排気ガス保有熱量Ｑ＝Ｑｇ＋Ｑwk＋Ｑwsを算出する。以下、各ステップの詳細について説明する。
【００２５】
（Ｓ１）水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇ［kW］の算出方法
（ａ）水蒸気以外の排気ガス質量Ｗｇ［g/min］の算出
高温排気ガスの圧力Ｐ［atm］、水蒸気以外の排気ガスの流量δ［NL/min］、水蒸気以外の排気ガスの分子量ｄｇ及び高温排気ガス温度Ｔ［℃］を入力として下式で算出される。
Ｗｇ＝(Ｐ・δ・ｄｇ)／(0.082・(Ｔ＋273))
ここで、0.082は気体定数である。また、水蒸気以外の排気ガスの成分は上述したように空気に似ているので、ここではｄｇは空気の分子量となる。また、流量δの単位は［NL/min］に換算されているので、圧力Ｐ＝１atm、温度Ｔ＝０℃である。
【００２６】
（ｂ１）比エンタルピーによる水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇ［kW］の算出
高温排気ガス温度Ｔｉ［℃］、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］を入力として、周知である空気の比エンタルピー図から、高温排気ガス温度Ｔｉにおける比エンタルピーＨgi［kJ/kg］及び冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピーＨgo［kJ/kg］を算出する。そして、これらの比エンタルピーＨgi、Ｈgo及び上記の水蒸気以外の排気ガスの質量Ｗｇ［g/min］を入力として下式で算出される。
Ｑｇ＝Ｗｇ・(Ｈgi−Ｈgo)・(1/6×10−４) …（11）式
ここで、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００２７】
（ｂ２）比熱による水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇ［kW］の算出
上記（ｂ１）とは異なる算出方法を説明する。上記水蒸気以外の排気ガスの質量Ｗｇ［g/min］、高温排気ガス温度Ｔｉ［℃］、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］及び空気の比熱ｃｇ［J/K・g］を入力として下式で算出される。
Ｑｇ＝Ｗｇ・(Ｔｉ−Ｔｏ)・ｃｇ・(1/6×10−４) …（12）式
ここで、空気の比熱はＴｉとＴｏとの中間温度での比熱とし、例えば170℃ではｃｇ＝1.019となる。また、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００２８】
（Ｓ２）水蒸気の顕熱による保有熱量Ｑwk［kW］の算出方法
（ａ）排気ガスの露点温度Ｔｃ［℃］の算出
上記の水蒸気以外の排気ガス流量δ［NL/min］及び水蒸気流量ε［NL/min］を入力として、水蒸気の分圧Ｐwi［kPa］を下式によって算出する。
Ｐwi＝(ε／(ε＋δ))・101.325
ここで、101.325は単位変換のための定数である。
次に、周知である飽和蒸気圧曲線図において分圧Ｐwiに対応する露点温度Ｔｃを算出する。
【００２９】
（ｂ）高温水蒸気の質量Ｗｈ［g/min］の算出
高温排気ガスの圧力Ｐ［atm］、水蒸気流量ε［NL/min］、水蒸気の分子量ｄｗ及び高温排気ガス温度Ｔ［℃］を入力として下式で算出される。
Ｗｈ＝(Ｐ・ε・ｄｗ)／(0.082・(Ｔ＋273))
ここで、0.082は気体定数である。また、流量εの単位は［NL/min］に換算されているので、圧力Ｐ＝１atm、温度Ｔ＝０℃である。
【００３０】
（ｃ１）比エンタルピーによる高温水蒸気のＴｉ→Ｔｃ変化時における顕熱量Ｑhk［kW］の算出
高温排気ガス温度Ｔｉ［℃］、露点温度Ｔｃ［℃］を入力として、周知である水蒸気の比エンタルピー図から、高温排気ガス温度Ｔｉにおける比エンタルピーＨhi［kJ/kg］及び露点温度Ｔｃにおける比エンタルピーＨhc［kJ/kg］を算出する。そして、これらの比エンタルピーＨhi、Ｈhc及び上記の高温水蒸気質量Ｗｈ［g/min］を入力として下式で算出される。
Ｑhk＝Ｗｈ・(Ｈhi−Ｈhc)・(1/6×10−４)
ここで、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００３１】
（ｃ２）比熱による高温水蒸気のＴｉ→Ｔｃ変化時における顕熱量Ｑhk［kW］の算出
上記（ｃ１）とは異なる算出方法を説明する。上記水蒸気質量Ｗｈ［g/min］、高温排気ガス温度Ｔｉ［℃］、上記の露点温度Ｔｃ［℃］、水蒸気の比熱ｃｈ［J/K・g］を入力として下式で算出される。
Ｑhk＝Ｗｈ・(Ｔｉ−Ｔｃ)・ｃｈ・(1/6×10−４)
ここで、水蒸気の比熱ｃｈはＴｉとＴｃとの中間温度での比熱とし、例えば200℃でｃｈ＝1.981となる。また、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００３２】
（ｄ）冷却排気ガスに含まれる冷却水蒸気の流量εｓ［NL/min］の算出
周知である飽和蒸気圧曲線図から、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］に対応する冷却水蒸気の分圧Ｐwo［kPa］を算出する。そして、この冷却水蒸気の分圧Ｐwo［kPa］及び上記の水蒸気以外の排気ガス流量δ［NL/min］を入力として下式で算出される。
εｓ＝(Ｐwo・δ)／(101.325−Ｐwo)
ここで、101.325は単位変換のための定数である。
【００３３】
（ｅ）冷却水蒸気の質量Ｗｓ［g/min］の算出
冷却排気ガスの圧力Ｐｓ［atm］、冷却水蒸気流量εｓ［NL/min］、水蒸気の分子量ｄｗ及び冷却排気ガス温度Ｔ［℃］を入力として下式で算出される。
Ｗｓ＝(Ｐｓ・εｓ・ｄｗ)／(0.082・(Ｔ＋273))
ここで、0.082は気体定数である。また、流量εｓの単位は［NL/min］に換算されているので、圧力Ｐｓ＝１atm、温度Ｔ＝０℃である。
【００３４】
（ｆ）冷却排気ガスに含まれる冷却凝縮水質量Ｗｍ［g/min］の算出
高温水蒸気はその温度が露点温度Ｔｃよりも低下するのに伴い次第に凝縮水に変化し、冷却排気ガス温度Ｔｏにおける冷却凝縮水の質量は以下のようになる。上記の高温水蒸気質量Ｗｈ［g/min］及び上記の冷却水蒸気質量Ｗｓ［g/min］を入力として下式で算出される。
Ｗｍ＝Ｗｈ−Ｗｓ
【００３５】
（ｇ）露点温度Ｔｃ以下の水蒸気平均質量Ｗhs［g/min］及び凝縮水平均質量Ｗma［g/min］の算出
露点温度Ｔｃ以下において、水蒸気は温度が低下するに伴い凝縮水に変化するために、その質量は次第に減少する。逆に、温度が低下するに伴い凝縮水の質量は増加する。このために、露点温度Ｔｃから冷却排気ガス温度Ｔｏまでの水蒸気及び凝縮水の顕熱による保有熱量を算出する際に必要となる質量を、Ｔｃ→Ｔｏ変化時の水蒸気及び凝縮水の平均質量とする。
露点温度Ｔｃから冷却排気ガス温度Ｔｏまでの水蒸気の平均質量Ｗhsは、上記の高温水蒸気質量Ｗｈ［g/min］及び上記の冷却水蒸気質量Ｗｓ［g/min］を入力として下式で算出される。
Ｗhs＝(Ｗｈ＋Ｗｓ)／２
また、露点温度Ｔｃから冷却排気ガス温度Ｔｏまでの凝縮水の平均質量Ｗwaは、上記の冷却凝縮水質量Ｗｍ［g/min］を入力として下式で算出される。
Ｗma＝Ｗｍ／２
【００３６】
（ｈ１）比エンタルピーによる水蒸気のＴｃ→Ｔｏ変化時における顕熱量Ｑsk［kW］の算出
露点温度Ｔｃ［℃］、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］を入力として、周知である水蒸気の比エンタルピー図から、露点温度Ｔｃにおける比エンタルピーＨsc［kJ/kg］及び冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピーＨso［kJ/kg］を算出する。そして、これらの比エンタルピーＨsc、Ｈso及び上記の水蒸気平均質量Ｗhs［g/min］を入力として下式で算出される。
Ｑsk＝Ｗhs・(Ｈsc−Ｈso)・(1/6×10−４)
ここで、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００３７】
（ｈ２）比熱による水蒸気のＴｃ→Ｔｏ変化時における顕熱量Ｑsk［kW］の算出
上記（ｈ１）とは異なる算出方法を説明する。上記の水蒸気平均質量Ｗhs［g/min］、上記の露点温度Ｔｃ［℃］、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］、水蒸気の比熱ｃｈ［J/K・g］を入力として下式で算出される。
Ｑsk＝Ｗhs・(Ｔｃ−Ｔｏ)・ｃｈ・(1/6×10−４)
ここで、水蒸気の比熱ｃｈはＴｃとＴｏとの中間温度での比熱とする。また、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００３８】
（ｉ１）比エンタルピーによる凝縮水のＴｃ→Ｔｏ変化時における顕熱量Ｑmk［kW］の算出
露点温度Ｔｃ［℃］、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］を入力として、周知である凝縮水の比エンタルピー図から、露点温度Ｔｃにおける比エンタルピーＨmc［kJ/kg］及び冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピーＨmo［kJ/kg］を算出する。そして、これらの比エンタルピーＨmc、Ｈmo及び上記の凝縮水平均質量Ｗwa［g/min］を入力として下式で算出される。
Ｑmk＝Ｗma・(Ｈmc−Ｈmo)・(1/6×10−４)
ここで、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００３９】
（ｉ２）比熱による凝縮水のＴｃ→Ｔｏ変化時における顕熱量Ｑmk［kW］の算出
上記（ｉ１）とは異なる算出方法を説明する。上記の凝縮水平均質量Ｗma［g/min］、上記の露点温度Ｔｃ［℃］、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］、凝縮水の比熱ｃｗ［J/K・g］を入力として下式で算出される。
Ｑmk＝Ｗma・(Ｔｃ−Ｔｏ)・ｃｗ・(1/6×10−４)
ここで、凝縮水の比熱ｃｗはＴｃとＴｏとの中間温度での比熱とする。また、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００４０】
（ｊ）水蒸気の顕熱による保有熱量Ｑwk［kW］の算出
上記の水蒸気のＴｉ→Ｔｃ変化時の保有熱量Ｑhk［kW］、上記の水蒸気のＴｃ→Ｔｏ変化時の保有熱量Ｑsk［kW］及び上記の凝縮水のＴｃ→Ｔｏ変化時の保有熱量Ｑmk［kW］を入力として下式で算出される。
Ｑwk＝Ｑhk＋Ｑsk＋Ｑmk …（２）式
【００４１】
（Ｓ３）水蒸気の潜熱による保有熱量Ｑwsの算出方法
（ａ１）比エンタルピーによる水蒸気の潜熱量Ｑws［kW］の算出
露点温度Ｔｃ［℃］における水蒸気の比エンタルピーＨsc［kJ/kg］及び冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］における凝縮水の比エンタルピーＨmo［kJ/kg］及び冷却凝縮水質量Ｗｍ［g/min］を入力として下式で算出される。
Ｑws＝Ｗｍ・(Ｈsc−Ｈmo)・(1/6×10−４) …（31）式
ここで、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００４２】
（ａ２）蒸発熱による水蒸気の潜熱量Ｑws［kW］の算出
上記（ａ１）とは異なる算出方法を説明する。上記の冷却凝縮水質量Ｗｍ［g/min］及び水の分子量ｄｗを入力として下式で算出される。
Ｑws＝((Ｗｍ／ｄｗ)・41)／60 …（32）式
ここで、41［kJ/mol］は水の蒸発熱であり、60は単位変換のための定数である。
【００４３】
（Ｓ４）排気ガスの保有熱量Ｑ［kW］の算出方法
上記（11）式又は（12）式の水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇ［kW］、上記（２）式の水蒸気の顕熱による保有熱量Ｑwk［kW］及び上記（31）式又は（32）式の水蒸気の潜熱による保有熱量Ｑws［kW］を入力として下式で算出される。
Ｑ＝Ｑｇ＋Ｑwk＋Ｑws
【００４４】
［実施の形態２］
上述した実施の形態１では、高温排気ガスに含まれる水蒸気以外のガス成分である窒素、酸素及び二酸化炭素を空気として取り扱って保有熱量Ｑｇを算出した。これに対して、実施の形態２では、以下のように、窒素、酸素及び二酸化炭素のそれぞれの保有熱量Ｑgn、Ｑgo及びＱgcを算出する。そして、これらを合算して水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇを算出する。これによって、水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇをより正確に算出することができる。以下、詳細を説明する。
【００４５】
実施の形態２では、上述した図２のステップＳ１を下記のように変更したものである。
（Ｓ１）水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇ［kW］の算出方法
（ａ）窒素、酸素及び二酸化炭素の各質量Ｗgn、Ｗgo及びＷgc［g/min］の算出
高温排気ガスの圧力Ｐ［atm］、窒素、酸素及び二酸化炭素の各流量δｎ、δｏ及びδｃ［NL/min］、窒素、酸素及び二酸化炭素の各分子量ｄgn、ｄgo及びｄgc並びに高温排気ガス温度Ｔ［℃］を入力として下式で算出される。
Ｗgn＝(Ｐ・δｎ・ｄgn)／(0.082・(Ｔ＋273))
Ｗgo＝(Ｐ・δｏ・ｄgo)／(0.082・(Ｔ＋273))
Ｗgc＝(Ｐ・δｃ・ｄgc)／(0.082・(Ｔ＋273))
ここで、0.082は気体定数である。また、流量の単位は［NL/min］に換算されているので、圧力Ｐ＝１atm、温度Ｔ＝０℃である。
【００４６】
（ｂ１）比エンタルピーによる窒素、酸素及び二酸化炭素の保有熱量Ｑgn、Ｑgo及びＱgc［kW］の算出
高温排気ガス温度Ｔｉ［℃］、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］を入力として、周知である窒素、酸素及び二酸化炭素の各比エンタルピー図から、高温排気ガス温度Ｔｉにおける比エンタルピーＨgni、Ｈgoi及びＨgci［kJ/kg］並びに冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピーＨgno、Ｈgoo及びＨgco［kJ/kg］を算出する。そして、これらの比エンタルピー並びに上記の窒素、酸素及び二酸化炭素の各質量Ｗgn、Ｗgo及びＷgc［g/min］を入力として下式で算出される。
Ｑgn＝Ｗgn・(Ｈgni−Ｈgno)・(1/6×10−４)
Ｑgo＝Ｗgo・(Ｈgoi−Ｈgoo)・(1/6×10−４)
Ｑgc＝Ｗgc・(Ｈgci−Ｈgco)・(1/6×10−４)
ここで、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００４７】
（ｂ2）比熱による窒素、酸素及び二酸化炭素の保有熱量Ｑgn、Ｑgo及びＱgc［kW］の算出
上記（ｂ１）とは異なる算出方法を説明する。上記の窒素、酸素及び二酸化炭素の各質量Ｗgn、Ｗgo及びＷgc［g/min］、高温排気ガス温度Ｔｉ［℃］、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］並びに窒素、酸素及び二酸化炭素の各比熱ｃgn、ｃgo及びｃgc［J/K・g］を入力として下式で算出される。
Ｑgn＝Ｗgn・(Ｔｉ−Ｔｏ)・ｃgn・(1/6×10−４)
Ｑgo＝Ｗgo・(Ｔｉ−Ｔｏ)・ｃgo・(1/6×10−４)
Ｑgc＝Ｗgc・(Ｔｉ−Ｔｏ)・ｃgc・(1/6×10−４)
ここで、各比熱はＴｉとＴｏとの中間温度での比熱とする。また、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００４８】
（ｃ）水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇ［ｋＷ］の算出
上記の窒素、酸素及び二酸化炭素の各保有熱量Ｑgn、Ｑgo及びＱgc［ｋＷ］を合算して下式で算出される。
Ｑｇ＝Ｑgn＋Ｑgo＋Ｑgc
【００４９】
［実施の形態３］
上述した実施の形態２では、高温排気ガスに含まれる水蒸気以外のガス成分を窒素、酸素及び二酸化炭素としたが、実施の形態３では、高温排気ガスに含まれる水蒸気以外のガス成分を窒素、空気（0.8Ｎ2＋0.2Ｏ2）及び二酸化炭素に分類し、それぞれの保有熱量Ｑgn、Ｑga及びＱgcを算出する。そして、これらを合算して水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇを算出する。ここで、酸素に代えて空気として扱う方が保有熱量の演算が簡単になる場合がある。以下、詳細を説明する。
【００５０】
実施の形態３では、上述した図２のステップＳ１を下記のように変更したものである。
（Ｓ１）水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇ［kW］の算出方法
（ａ）窒素、空気及び二酸化炭素の各質量Ｗgn、Ｗga及びＷgc［g/min］の算出
高温排気ガスの圧力Ｐ［atm］、窒素、空気及び二酸化炭素の各流量δｎ、δａ及びδｃ［NL/min］、窒素、空気及び二酸化炭素の各分子量ｄgn、ｄga及びｄgc並びに高温排気ガス温度Ｔ［℃］を入力として下式で算出される。
Ｗgn＝(Ｐ・δｎ・ｄgn)／(0.082・(Ｔ＋273))
Ｗga＝(Ｐ・δａ・ｄga)／(0.082・(Ｔ＋273))
Ｗgc＝(Ｐ・δｃ・ｄgc)／(0.082・(Ｔ＋273))
ここで、0.082は気体定数である。また、流量の単位は［NL/min］に換算されているので、圧力Ｐ＝１atm、温度Ｔ＝０℃である。
【００５１】
（ｂ１）比エンタルピーによる窒素、空気及び二酸化炭素の保有熱量Ｑgn、Ｑga及びＱgc［kW］の算出
高温排気ガス温度Ｔｉ［℃］、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］を入力として、周知である窒素、空気及び二酸化炭素の各比エンタルピー図から、高温排気ガス温度Ｔｉにおける比エンタルピーＨgni、Ｈgai及びＨgci［kJ/kg］並びに冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピーＨgno、Ｈgao及びＨgco［kJ/kg］を算出する。そして、これらの比エンタルピー並びに上記の窒素、空気及び二酸化炭素の各質量Ｗgn、Ｗga及びＷgc［g/min］を入力として下式で算出される。
Ｑgn＝Ｗgn・(Ｈgni−Ｈgno)・(1/6×10−４)
Ｑga＝Ｗga・(Ｈgai−Ｈgao)・(1/6×10−４)
Ｑgc＝Ｗgc・(Ｈgci−Ｈgco)・(1/6×10−４)
ここで、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００５２】
（ｂ２）比熱による窒素、空気及び二酸化炭素の保有熱量Ｑgn、Ｑga及びＱgc［kW］の算出
上記（ｂ１）とは異なる算出方法を説明する。上記の窒素、空気及び二酸化炭素の各質量Ｗgn、Ｗga及びＷgc［g/min］、高温排気ガス温度Ｔｉ［℃］、冷却排気ガス温度Ｔｏ［℃］並びに窒素、空気及び二酸化炭素の各比熱ｃgn、ｃga及びｃgc［J/K・g］を入力として下式で算出される。
Ｑgn＝Ｗgn・(Ｔｉ−Ｔｏ)・ｃgn・(1/6×10−４)
Ｑga＝Ｗga・(Ｔｉ−Ｔｏ)・ｃga・(1/6×10−４)
Ｑgc＝Ｗgc・(Ｔｉ−Ｔｏ)・ｃgc・(1/6×10−４)
ここで、比熱はＴｉとＴｏとの中間温度での比熱とする。また、(1/6×10−４)は単位変換のための定数である。
【００５３】
（ｃ）水蒸気以外の排気ガスの保有熱量Ｑｇ［ｋＷ］の算出
上記の窒素、空気及び二酸化炭素の各保有熱量Ｑgn、Ｑga及びＱgc［ｋＷ］を合算して下式で算出される。
Ｑｇ＝Ｑgn＋Ｑga＋Ｑgc
【００５４】
［実施の形態４］
図３は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法を示すシステム構成図である。同図において、上述した図１と同一の構成物には同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図１とは異なる点線で示す構成物について説明する。
【００５５】
温水温度センサＴＨは、温水１６の温度を計測して、温水温度計測信号Ｔｈを出力する。温度誤差増幅部ＥＴは、温水温度設定信号Ｔｒと上記の温水温度計測信号Ｔｈとの誤差を増幅して、温度誤差増幅信号ΔＴを出力する。第２排気ガス保有熱量算出部ＱＣ２は、排気ガス流量信号Ｇｄ及び排気ガス温度信号Ｔｄを入力として上述したように排気ガス保有熱量を演算し、上記の温度誤差増幅信号ΔＴに応じてその値を補正して排気ガス保有熱量信号Ｑｃを出力する。排気ガス保有熱量Ｑの演算値に誤差あるために、温水温度と設定温度とにズレが生じる場合がある。このようなときに、実施の形態４では、温度誤差値に応じて排気ガス保有熱量Ｑの演算値を補正することによって、温水温度を設定温度に一致させることができる。
【００５６】
［実施の形態５］
図４は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法を示すシステム構成図である。同図において、上述した図１と同一の構成物には同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図１とは異なる点線で示す構成物について説明する。
【００５７】
信号出力燃料供給部７ａは、空気１の圧力及び流量α、都市ガス２の圧力及び流量β並びに純水３の流量γを調節して燃料電池８に供給すると共に、これら空気流量値α［NL/min］、都市ガス流量値β［NL/min］及び純水流量値γ［NL/min］から形成される燃料流量信号Ｆｄを出力する。高温排気ガス流量算出部ＧＣは、この燃料流量信号Ｆｄを入力として、後述する算出方法に基づいて高温排気ガス９に含まれる水蒸気の流量ε［NL/min］及び水蒸気以外の排気ガスの流量δ［NL/min］を算出し、両値から形成される排気ガス流量信号Ｇｄを出力する。これ以外の動作は上述した図１と同一である。
【００５８】
（１）高温排気ガスの成分を水蒸気と空気に分類したときの各成分の流量ε、δの算出
上記の水蒸気流量ε［NL/min］及び水蒸気以外の排気ガス（空気）流量δ［NL/min］の算出方法は以下のとおりである。すなわち、燃料の空気を0.2Ｏ２＋0.8Ｎ２とし、都市ガスを例えばａＣＨ４＋ｂＣ２Ｈ６（ａ，ｂは成分比率）とし、純水をＨ２Ｏとする。燃料電池８での化学反応の結果、下式に示すように、水蒸気以外の排気ガスｘＮ２＋ｙＯ２＋ｚＣＯ２（ｘ，ｙ，ｚは成分比率）及び水蒸気Ｈ２Ｏからなる高温排気ガス９が生成される。
α(0.2Ｏ２＋0.8Ｎ２)＋β(ａＣＨ４＋ｂＣ２Ｈ６)＋γＨ２Ｏ
→δ(xＮ２＋yＯ２＋zＣＯ２)＋εＨ２Ｏ
【００５９】
上式において、都市ガス成分が決まり、空気流量α、都市ガス流量β及び純水流量γが入力されると、水蒸気以外の排気ガス流量δ及び水蒸気流量εを化学反応式から算出することができる。ここで、上記の水蒸気以外の排気ガス(xＮ２＋yＯ２＋zＣＯ２)は空気に似た成分であるので、簡易的には空気として取り扱うことができる。この(α，β，γ)→(δ，ε)の関係は、予め実験によって算出しても良い。
【００６０】
（２）高温排気ガスの成分を水蒸気と窒素、酸素及び二酸化炭素とに分類したときの各成分の流量ε、δｎ、δｏ、δｃの算出
上記の水蒸気流量ε［NL/min］並びに窒素流量δｎ［NL/min］、酸素流量δｏ［NL/min］及び二酸化炭素流量δｃ［NL/min］の算出方法は以下のとおりである。すなわち、燃料の空気を0.2Ｏ２＋0.8Ｎ２とし、都市ガスを例えばａＣＨ４＋ｂＣ２Ｈ６（ａ，ｂは成分比率）とし、純水をＨ２Ｏとする。燃料電池８での化学反応の結果、下式に示すように、窒素Ｎ２、酸素Ｏ２及び二酸化炭素ＣＯ２並びに水蒸気Ｈ２Ｏからなる高温排気ガス９が生成される。
α(0.2Ｏ２＋0.8Ｎ２)＋β(ａＣＨ４＋ｂＣ２Ｈ６)＋γＨ２Ｏ
→δｎＮ２＋δｏＯ２＋δｃＣＯ２＋εＨ２Ｏ
【００６１】
上式において、都市ガス成分が決まり、空気流量α、都市ガス流量β及び純水流量γが入力されると、窒素流量δｎ、酸素流量δｏ、二酸化炭素流量δｃ及び水蒸気流量εを化学反応式から算出することができる。この(α，β，γ)→(δｎ，δｏ，δｃ，ε)の関係は、予め実験によって算出しても良い。
【００６２】
（３）高温排気ガスの成分を水蒸気と窒素、空気及び二酸化炭素とに分類したときの各成分の流量ε、δｎ、δａ、δｃの算出
上記の水蒸気流量ε［NL/min］並びに窒素流量δｎ［NL/min］、空気流量δａ［NL/min］及び二酸化炭素流量δｃ［NL/min］の算出方法は以下のとおりである。すなわち、燃料の空気を0.2Ｏ２＋0.8Ｎ２とし、都市ガスを例えばａＣＨ４＋ｂＣ２Ｈ６（ａ，ｂは成分比率）とし、純水をＨ２Ｏとする。燃料電池８での化学反応の結果、下式に示すように、窒素Ｎ２、空気（0.2Ｏ２＋0.8Ｎ２）及び二酸化炭素ＣＯ２並びに水蒸気Ｈ２Ｏからなる高温排気ガス９が生成される。
α(0.2Ｏ２＋0.8Ｎ２)＋β(ａＣＨ４＋ｂＣ２Ｈ６)＋γＨ２Ｏ
→δｎＮ２＋δａ（0.8Ｎ２＋0.2Ｏ２）＋δｃＣＯ２＋εＨ２Ｏ
【００６３】
上式において、都市ガス成分が決まり、空気流量α、都市ガス流量β及び純水流量γが入力されると、窒素流量δｎ、空気流量δａ、二酸化炭素流量δｃ及び水蒸気流量εを化学反応式から算出することができる。ここでは、Ｎ２＋Ｏ２をＮ２＋（0.8Ｎ２＋0.2Ｏ２）に分類している。これは、酸素単独よりも窒素とまとめて空気として扱った方が、排気ガス保有熱量の演算が簡単、正確になる場合があるからである。この(α，β，γ)→(δｎ，δａ，δｃ，ε)の関係は、予め実験によって算出しても良い。
【００６４】
図５は、図１を元にして排気ガス流量算出部ＧＣ等を追加した場合であるが、図４を元にして追加しても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る排気ガスの保有熱量Ｑの算出方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態４に係る燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法を示す構成図である。
【図４】本発明の実施の形態５に係る燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法を示す構成図である。
【図５】従来技術における燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法を示す構成図である。
【符号の説明】
【００６６】
１ 空気
２ 都市ガス
３ 純水
４ 圧縮機
５ 昇圧機
６ 純水ポンプ
７ 燃料供給部
７ａ 信号出力燃料供給部
８ 燃料電池
９ 高温排気ガス
１０ 熱交換器
１１ 冷却排気ガス
１２ 冷水
１３ 給水ポンプ
１４ 流量調節弁
１５ 貯湯槽
１６ 温水
ｃｇ 水蒸気以外の排気ガスの比熱
ｃga 空気の比熱
ｃgc 二酸化炭素の比熱
ｃgn 窒素の比熱
ｃg0 酸素の比熱
ｃｈ 高温水蒸気の比熱
ＣＯ２ 二酸化炭素
ＣＴ 温水温度制御部
ｃｗ 水の比熱
ｄｇ 水蒸気以外の排気ガスの分子量
ｄga 空気の分子量
ｄgc 二酸化炭素の分子量
ｄgn 窒素の分子量
ｄgo 酸素の分子量
ｄｗ 水の分子量
ＥＴ 温度誤差増幅部
ｆ 流量
Ｆｄ 燃料流量信号
ｆｒ （冷水）流量設定信号
ＦＲＣ 流量設定算出部
ＧＣ 高温排気ガス流量算出部
ＧＤ 排気ガス流量検出部
Ｇｄ 排気ガス流量信号
Ｈ２Ｏ 水蒸気
Ｈgi 排気ガスの高温排気ガス温度Ｔｉにおける比エンタルピー
Ｈgai 空気の高温排気ガス温度Ｔｉにおける比エンタルピー
Ｈgao 空気の冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピー
Ｈgci 二酸化炭素の高温排気ガス温度Ｔｉにおける比エンタルピー
Ｈgco 二酸化炭素の冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピー
Ｈgni 窒素の高温排気ガス温度Ｔｉにおける比エンタルピー
Ｈgno 窒素の冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピー
Ｈgoi 酸素の高温排気ガス温度Ｔｉにおける比エンタルピー
Ｈgoo 酸素の冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピー
Ｈgo 排気ガスの冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピー
Ｈhc 高温水蒸気の露点温度Ｔｃにおける比エンタルピー
Ｈhi 高温水蒸気の高温排気ガス温度Ｔｉにおける比エンタルピー
Ｈmc 凝縮水の露点温度Ｔｃにおける比エンタルピー
Ｈmo 凝縮水の冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピー
Ｈsc 冷却水蒸気の露点温度Ｔｃにおける比エンタルピー
Ｈso 冷却水蒸気の冷却排気ガス温度Ｔｏにおける比エンタルピー
Ｎ２ 窒素
Ｏ２ 酸素
Ｐ 高温排気ガス圧力
Ｐｓ 冷却排気ガス圧力
Ｐwi 高温排気ガスにおける水蒸気の分圧
Ｐwo 冷却排気ガスにおける水蒸気の分圧
Ｑ 排気ガス保有熱量
ＱＣ 排気ガス保有熱量算出部
Ｑｃ 排気ガス保有熱量信号
ＱＣ２ 第２排気ガス保有熱量算出部
Ｑｇ 水蒸気以外の排気ガスの保有熱量
Ｑga 空気の保有熱量
Ｑgc 二酸化炭素の保有熱量
Ｑgn 窒素の保有熱量
Ｑgo 酸素の保有熱量
Ｑhk 高温水蒸気のＴｃ→Ｔｏ変化時における顕熱量
Ｑmk 凝縮水のＴｃ→Ｔｏ変化時における顕熱量
Ｑsk 冷却水蒸気のＴｃ→Ｔｏ変化時における顕熱量
Ｑwk 水蒸気の顕熱量
Ｑws 水蒸気の潜熱量
Ｓ１〜Ｓ４ ステップ
Ｔｃ 露点温度
ＴＤ 排気ガス温度センサ
Ｔｄ 排気ガス温度信号
ＴＨ 温水温度センサ
Ｔｈ 温水温度計測信号
Ｔｉ 高温排気ガス温度
Ｔｏ 冷却排気ガス温度
ＴＲ 温水温度設定部
Ｔｒ 温水温度設定信号
Ｔｒ 設定温度
ＴＷ 冷水温度センサ
Ｔｗ 冷水温度計測信号
Ｗｇ 水蒸気以外の排気ガス質量
Ｗgc 二酸化炭素の質量
Ｗga 空気の質量
Ｗgn 窒素の質量
Ｗgo 酸素の質量
Ｗｈ 高温水蒸気質量
Ｗhs 水蒸気の平均質量
Ｗｍ 凝縮水質量
Ｗma 凝縮水平均質量
Ｗｓ 冷却水蒸気質量質量
α 空気流量
β 都市ガス流量
γ 純水流量
δ 水蒸気以外の排気ガス流量
δａ 空気流量
δｃ 二酸化炭素流量
δｎ 窒素流量・
δｏ 酸素流量・
ΔＴ 温度誤差増幅信号
ε 水蒸気流量
εｓ 冷却水蒸気流量
η 効率
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池によって電気及び高温の排気ガスを発生し、前記電気は負荷又は電力系統に供給し、前記高温排気ガスは熱交換器に供給しこの熱交換器に冷水を供給して温水に変化させて給湯し、前記熱交換器によって冷却された冷却排気ガスは外部に排気し、前記冷水の流量を調節して前記温水の温度を所定値に制御する燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法において、
前記高温排気ガスに含まれる水蒸気の流量及び水蒸気以外の排気ガスの流量を検出し、前記高温排気ガスの温度及び前記冷却排気ガスの温度を検出し、前記水蒸気の流量及び前記水蒸気以外の排気ガスの流量及び前記高温排気ガス温度及び前記冷却排気ガス温度に基づいて排気ガス保有熱量を算出し，
前記温水温度の設定値を予め設定し、前記冷水の温度を検出し、前記排気ガス保有熱量及び前記温水温度設定値及び前記冷水温度に基づいて前記冷水の流量設定値を算出し，
前記冷水の流量が前記冷水流量設定値と略等しくなるように調節して温水温度を所定値に制御する、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温水温度制御方法。
【請求項２】
前記排気ガス保有熱量を、前記水蒸気の流量及び前記水蒸気以外の排気ガスの流量及び前記高温排気ガス温度及び前記冷却排気ガス温度を入力として前記水蒸気の顕熱及び潜熱による保有熱量と、前記水蒸気以外の排気ガスの保有熱量との合算値として算出する、ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法。
【請求項３】
前記水蒸気以外の排気ガスを窒素及び酸素及び二酸化炭素の３つの排気ガスに分類し、これら３つの排気ガスの各流量及び前記高温排気ガス温度及び前記冷却排気ガス温度を入力として前記３つの排気ガスごとの顕熱による保有熱量を算出し、これら３つの排気ガスの保有熱量を合算して前記水蒸気以外の排気ガスの保有熱量を算出する、ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法。
【請求項４】
前記水蒸気以外の排気ガスを窒素及び空気及び二酸化炭素の３つの排気ガスに分類する、ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法。
【請求項５】
前記水蒸気の顕熱及び潜熱による保有熱量は、前記水蒸気の流量及び前記高温排気ガス温度及び前記冷却排気ガス温度を入力として前記水蒸気が前記高温排気ガス温度から露点温度まで低下するときの顕熱による保有熱量と、前記水蒸気が冷却されて前記露点温度で水に変化するときの潜熱による保有熱量と、前記水及び前記水蒸気が前記露点温度から前記冷却排気ガス温度まで低下するときの顕熱による保有熱量との合算値である、ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法。
【請求項６】
前記冷水流量設定値ｆｒを、前記排気ガス保有熱量Ｑ及び前記温水温度設定値Ｔｒ及び前記冷水温度Ｔｗ及び予め定めた熱交換器の効率η及び予め定めた水の比熱ｃｗを入力としてｆｒ＝（η・Ｑ）／（ｃｗ・（Ｔｒ−Ｔｗ））の演算によって算出する、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法。
【請求項７】
前記温水の温度を検出し、前記温水温度設定値と前記温水温度の検出値との誤差に応じて前記排気ガス保有熱量を補正する、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法。
【請求項８】
空気及び都市ガス及び純水などを供給して運転する燃料電池において、前記空気及び都市ガス及び純水などの各流量を入力として化学反応式に基づいて前記高温排気ガスに含まれるガス成分ごとの流量を算出する、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法。
【請求項１】
燃料電池によって電気及び高温の排気ガスを発生し、前記電気は負荷又は電力系統に供給し、前記高温排気ガスは熱交換器に供給しこの熱交換器に冷水を供給して温水に変化させて給湯し、前記熱交換器によって冷却された冷却排気ガスは外部に排気し、前記冷水の流量を調節して前記温水の温度を所定値に制御する燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法において、
前記高温排気ガスに含まれる水蒸気の流量及び水蒸気以外の排気ガスの流量を検出し、前記高温排気ガスの温度及び前記冷却排気ガスの温度を検出し、前記水蒸気の流量及び前記水蒸気以外の排気ガスの流量及び前記高温排気ガス温度及び前記冷却排気ガス温度に基づいて排気ガス保有熱量を算出し，
前記温水温度の設定値を予め設定し、前記冷水の温度を検出し、前記排気ガス保有熱量及び前記温水温度設定値及び前記冷水温度に基づいて前記冷水の流量設定値を算出し，
前記冷水の流量が前記冷水流量設定値と略等しくなるように調節して温水温度を所定値に制御する、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温水温度制御方法。
【請求項２】
前記排気ガス保有熱量を、前記水蒸気の流量及び前記水蒸気以外の排気ガスの流量及び前記高温排気ガス温度及び前記冷却排気ガス温度を入力として前記水蒸気の顕熱及び潜熱による保有熱量と、前記水蒸気以外の排気ガスの保有熱量との合算値として算出する、ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法。
【請求項３】
前記水蒸気以外の排気ガスを窒素及び酸素及び二酸化炭素の３つの排気ガスに分類し、これら３つの排気ガスの各流量及び前記高温排気ガス温度及び前記冷却排気ガス温度を入力として前記３つの排気ガスごとの顕熱による保有熱量を算出し、これら３つの排気ガスの保有熱量を合算して前記水蒸気以外の排気ガスの保有熱量を算出する、ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法。
【請求項４】
前記水蒸気以外の排気ガスを窒素及び空気及び二酸化炭素の３つの排気ガスに分類する、ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法。
【請求項５】
前記水蒸気の顕熱及び潜熱による保有熱量は、前記水蒸気の流量及び前記高温排気ガス温度及び前記冷却排気ガス温度を入力として前記水蒸気が前記高温排気ガス温度から露点温度まで低下するときの顕熱による保有熱量と、前記水蒸気が冷却されて前記露点温度で水に変化するときの潜熱による保有熱量と、前記水及び前記水蒸気が前記露点温度から前記冷却排気ガス温度まで低下するときの顕熱による保有熱量との合算値である、ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法。
【請求項６】
前記冷水流量設定値ｆｒを、前記排気ガス保有熱量Ｑ及び前記温水温度設定値Ｔｒ及び前記冷水温度Ｔｗ及び予め定めた熱交換器の効率η及び予め定めた水の比熱ｃｗを入力としてｆｒ＝（η・Ｑ）／（ｃｗ・（Ｔｒ−Ｔｗ））の演算によって算出する、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法。
【請求項７】
前記温水の温度を検出し、前記温水温度設定値と前記温水温度の検出値との誤差に応じて前記排気ガス保有熱量を補正する、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法。
【請求項８】
空気及び都市ガス及び純水などを供給して運転する燃料電池において、前記空気及び都市ガス及び純水などの各流量を入力として化学反応式に基づいて前記高温排気ガスに含まれるガス成分ごとの流量を算出する、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料電池コージェネレーションシステムの温水温度制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−１９８６４９（Ｐ２００７−１９８６４９Ａ）
【公開日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１６１０４（Ｐ２００６−１６１０４）
【出願日】平成１８年１月２５日（２００６．１．２５）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月２５日（２００６．１．２５）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【Ｆターム（参考）】
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