JP2008243555A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】外部から改質水貯留部に補給する改質水を極力少量とすることができながら、排ガスが有する熱を有効に活用して省エネルギー化を図る。
【解決手段】改質水貯留部１に貯留された改質水Ｂを用いて燃料ガスＡから水素含有ガスを生成する改質部１２と、燃料電池部３の排ガスＤに含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮部４と、凝縮部４にて凝縮された凝縮水Ｅを回収して改質水貯留部１に供給する凝縮水回収路５と、蓄熱槽２３から取り出した蓄熱流体Ｃを凝縮部４に供給して蓄熱槽２３に戻す形態で蓄熱流体Ｃを循環する蓄熱流体循環手段２４と、蓄熱槽２３から取り出して凝縮部４に供給する前の蓄熱流体Ｃを放熱させる放熱作動を実行可能なラジエータ２９とが設けられ、凝縮部４が、排ガスＤに含まれる水蒸気と蓄熱流体Ｃとの熱交換により水蒸気を凝縮させるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、改質水貯留部に貯留された改質水を用いて燃料ガスから水素含有ガスを生成する改質部と、前記水素含有ガスと酸素とを反応させて発電する燃料電池部と、前記燃料電池部から排出される排ガスに含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮部と、前記凝縮部にて凝縮された凝縮水を回収して前記改質水として前記改質水貯留部に供給する凝縮水回収手段とが設けられている燃料電池システムに関する。

上記のような燃料電池システムは、改質水貯留部に貯留された改質水から水蒸気を生成し、改質部にてその水蒸気を用いて燃料ガスから水素含有ガスを生成し、燃料電池部にて水素含有ガスの水素と酸素とを反応させて発電するようにしている。改質水は純水が用いられ、改質水貯留部には、改質部にて使用する改質水を賄える量の改質水が貯留されている。

燃料電池部から排出される排ガスには、水素と酸素とを反応させる際に生じる水蒸気が含まれるので、その排ガスに含まれる水蒸気を凝縮すると、その凝縮水を改質水（純水）として利用できる。
そこで、凝縮水回収手段が凝縮部にて凝縮された凝縮水を回収して改質水として改質水貯留部に供給している。このように、燃料電池部の排ガスに含まれる水蒸気の凝縮水を改質水として利用することにより、外部から改質水貯留部に補給する改質水を少量又はほぼ零とすることができる。

外部から改質水貯留部に改質水を補給する場合には、例えば、水道水を水処理部（例えば、イオン交換樹脂、逆浸透圧膜、活性炭フィルター）にて改質水（純水）として改質水貯留部に供給している。したがって、外部から改質水貯留部に補給する改質水を少量又はほぼ零とすることにより、水処理部の寿命を延ばすことができる。このように、水処理部の寿命を延ばすことができれば、コストの低減を図れるとともに、交換作業の回数を少なくできる。

従来の燃料電池システムは、ラジエータの冷却水を循環する水回路が設けられ、凝縮部が、排ガスに含まれる水蒸気と水回路にて供給されるラジエータの冷却水との熱交換により排ガスに含まれる水蒸気を凝縮させ、ラジエータが、ファンの作動により凝縮部にて加熱された冷却水を外気に対して放熱させている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１０−１７２５９９号公報

上記従来の燃料電池システムでは、ラジエータが、ファンの作動により凝縮部にて加熱された冷却水を外気に対して放熱させているので、燃料電池部の排ガスが有する熱を単に外気に放熱しているだけであり、排ガスが有する熱を有効に活用することができず、省エネルギー化を図ることが難しいものであった。

本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、外部から改質水貯留部に補給する改質水を極力少量とすることができながら、排ガスが有する熱を有効に活用して省エネルギー化を図ることができる燃料電池システムを提供する点にある。

この目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムの第１特徴構成は、改質水貯留部に貯留された改質水を用いて燃料ガスから水素含有ガスを生成する改質部と、前記水素含有ガスと酸素とを反応させて発電する燃料電池部と、前記燃料電池部から排出される排ガスに含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮部と、前記凝縮部にて凝縮された凝縮水を回収して前記改質水として前記改質水貯留部に供給する凝縮水回収手段とが設けられている燃料電池システムにおいて、蓄熱槽から取り出した蓄熱流体を前記凝縮部に供給して前記蓄熱槽に戻す形態で前記蓄熱流体を循環する蓄熱流体循環手段と、前記蓄熱流体循環手段にて前記蓄熱槽から取り出して前記凝縮部に供給する前の前記蓄熱流体を放熱させる放熱作動を実行可能な放熱手段とが設けられ、前記凝縮部が、前記排ガスと前記蓄熱流体循環手段にて供給される前記蓄熱流体との熱交換により前記排ガスに含まれる水蒸気を凝縮させるように構成されている点にある。

すなわち、凝縮部は、排ガスと蓄熱流体循環手段にて供給される蓄熱流体との熱交換により排ガスに含まれる水蒸気を凝縮させるので、排ガスが有する熱により蓄熱流体を加熱しながら、排ガスに含まれる水蒸気を凝縮させることができる。凝縮水回収手段は、凝縮部にて凝縮された凝縮水を回収して改質水として改質水貯留部に供給するので、凝縮部にて凝縮された凝縮水をそのまま改質水として利用することができる。凝縮部にて加熱された蓄熱流体は、蓄熱流体循環手段にて蓄熱槽に戻されるので、排ガスが有する顕熱に加えて水蒸気の凝縮により回収される潜熱を蓄熱槽に蓄熱しておくことができ、その蓄熱した熱を暖房や給湯等に活用することができる。

蓄熱槽には、凝縮部にて加熱された蓄熱流体が戻されるので、蓄熱槽に貯留している蓄熱流体の温度が上昇して蓄熱槽から取り出す蓄熱流体の温度が上昇する。そして、凝縮部に供給する蓄熱流体の温度が上限設定温度以上になってしまうことがある。この上限設定温度は、凝縮部における水蒸気の凝縮を可能とする凝縮上限温度に基づいて設定したものであり、例えば、凝縮部にてある程度の凝縮水を得ることができるように凝縮上限温度よりも低下側に余裕を見込んだ温度を設定している。凝縮部に供給する蓄熱流体の温度が上限設定温度以上となると、凝縮部にてある程度の凝縮水を得ることができず、改質水貯留部に改質部にて使用する改質水を賄えるだけの改質水を確保できなくなる可能性が生じてしまう。
そこで、本発明は、蓄熱流体循環手段にて蓄熱槽から取り出して凝縮部に供給する前の蓄熱流体を放熱させる放熱作動を実行可能な放熱手段を設けており、この放熱手段を放熱作動させることによって、凝縮部に供給する蓄熱流体の温度を低下させることができる。したがって、燃料電池部の排ガスの顕熱及び潜熱を蓄熱槽に蓄熱しながら、凝縮部における水蒸気の凝縮を的確に行うことができる。
以上のことから、外部から改質水貯留部に補給する改質水を極力少量とすることができながら、排ガスが有する熱を有効に活用して省エネルギー化を図ることができる燃料電池システムを提供できるに至った。

本発明に係る燃料電池システムの第２特徴構成は、前記改質水貯留部における改質水の貯留量を検出する改質水貯留量検出手段と、前記蓄熱流体循環手段にて前記蓄熱槽から取り出される前記蓄熱流体の温度を検出する蓄熱流体温度検出手段と、前記改質水貯留量検出手段の検出情報及び前記蓄熱流体温度検出手段の検出情報に基づいて、前記放熱手段を放熱作動させるか否かを制御する制御手段とが設けられている点にある。

すなわち、蓄熱流体温度検出手段にて検出する蓄熱流体の温度が上限設定温度以上であると、凝縮部にてある程度の凝縮水を得ることができないので、蓄熱流体温度検出手段にて検出する蓄熱流体の温度が上限設定温度以上となると、放熱手段を放熱作動させることが考えられる。しかしながら、改質水貯留部に十分な改質水が貯留されていれば、凝縮部にてある程度の凝縮水を得ることができなくても、改質水貯留部に貯留された改質水にて改質部にて必要とする改質水の量を賄うことができる。しかも、放熱手段を放熱作動させた場合には、凝縮水回収手段にて改質水貯留部に供給する改質水の量の方が改質部にて必要とする改質水の量よりも多量であるので、改質水貯留部では改質水が溢れているオーバーフロー状態である場合が多い。したがって、単に、蓄熱流体温度検出手段にて検出する蓄熱流体の温度が上限設定温度以上となると、放熱手段を放熱作動させるだけでは、放熱作動を行うためにエネルギーを無駄に使うことになる。
また、凝縮部に供給される排ガスの温度は上限設定温度よりも高温であるので、蓄熱流体温度検出手段にて検出する蓄熱流体の温度が上限設定温度以上であっても、凝縮部にて蓄熱流体を加熱することができる。したがって、蓄熱流体温度検出手段にて検出する蓄熱流体の温度が上限設定温度未満のときよりも、凝縮部において蓄熱流体を高温に加熱することができ、より高温の蓄熱流体を蓄熱槽に貯留させることができる。その為に、蓄熱流体温度検出手段にて検出する蓄熱流体の温度が上限設定温度以上となることによって放熱手段を放熱作動させると、蓄熱槽に蓄熱可能であった熱を無駄に捨ててしまうことになる。

そこで、本発明は、制御手段が、蓄熱流体温度検出手段の検出情報に加えて、改質水貯留量検出手段の検出情報に基づいて、放熱手段を放熱作動させるか否かを制御することにより、凝縮部における水蒸気の凝縮を行う必要があるか否かを適切に判別しながら、放熱手段を放熱作動させることができる。したがって、無駄な放熱手段の放熱作動や無駄に熱を捨ててしまうことを抑制しながら、凝縮部における水蒸気の凝縮を的確に行うことができる。

本発明に係る燃料電池システムの第３特徴構成は、前記制御手段は、前記蓄熱流体温度検出手段の検出温度が前記凝縮部における水蒸気の凝縮を可能とする凝縮上限温度に基づいて設定した上限設定温度以上であるときに前記改質水貯留量検出手段にて前記改質水貯留部の貯留量が設定貯留量未満であることを検出する放熱手段作動要求状態において、前記放熱手段を放熱作動させ、且つ、前記放熱手段作動要求状態以外において、前記放熱手段を放熱作動させないように構成されている点にある。

すなわち、蓄熱流体温度検出手段の検出温度が上限設定温度以上であるときに改質水貯留量検出手段にて改質水貯留部の貯留量が設定貯留量未満であることを検出すると、改質部にて必要とする改質水の量を賄えなくなる可能性がある。このような場合に、制御手段が放熱手段作動要求状態であるとして、放熱手段を放熱作動させる。このときの上限設定温度は、上述した如く、例えば、凝縮部にてある程度の凝縮水を得ることができるように凝縮上限温度よりも低下側に余裕を見込んだ温度を設定している。
蓄熱流体温度検出手段の検出温度が上限設定温度未満である又は改質水貯留量検出手段にて改質水貯留部の貯留量が設定貯留量以上であることを検出していると、改質部にて必要とする改質水の量を賄えなくなる可能性がない。このような場合に、制御手段が放熱手段作動要求状態以外であるとして、放熱手段を放熱作動させない。
したがって、無駄な放熱手段の放熱作動や無駄に熱を捨ててしまうことを抑制しながら、凝縮部における水蒸気の凝縮を的確に行うことができる。

本発明に係る燃料電池システムの第４特徴構成は、前記制御手段は、前記蓄熱流体温度検出手段の検出温度が前記上限設定温度以上であるときに前記改質水貯留量検出手段にて前記改質水貯留部の貯留量が前記設定貯留量未満であることを設定時間継続して検出すると、前記放熱手段作動要求状態であると判別し、且つ、前記放熱手段の放熱作動中に前記改質水貯留量検出手段にて前記改質水貯留部の貯留量が前記設定貯留量以上であることを設定時間継続して検出すると、前記放熱手段の放熱作動を停止させるように構成されている点にある。

すなわち、蓄熱流体温度検出手段の検出温度が上限設定温度以上であるときに、単に、改質水貯留量検出手段にて改質水貯留部の貯留量が設定貯留量未満であることを検出することにより、放熱手段作動要求状態であると判別するのではなく、改質水貯留量検出手段にて改質水貯留部の貯留量が設定貯留量未満であることを設定時間継続して検出しなければ、放熱手段作動要求状態であると判別しない。したがって、外乱等により改質水貯留部の貯留量が一時的に設定貯留量未満となるときに、誤って放熱手段作動要求状態であると判別してしまうことを防止できる。
また、制御手段が、放熱手段の放熱作動中に改質水貯留量検出手段にて改質水貯留部の貯留量が設定貯留量以上であることを設定時間継続して検出すると、放熱手段の放熱作動を停止させるので、放熱手段の放熱作動を停止させてから直ぐに改質水貯留部の貯留量が設定貯留量未満となるのを抑制できる。したがって、放熱手段の放熱作動とその放熱作動の停止とが短時間で繰り返されることを抑制することができ、放熱手段を的確に作動させることができる。
しかも、改質水貯留量検出手段は、改質水貯留部の貯留量が設定貯留量未満であるか否かだけを検出するものであればよく、それだけ構成の簡素化を図ることができる。

本発明に係る燃料電池システムの第５特徴構成は、前記改質水貯留量検出手段が、前記改質水貯留部の貯留量が前記設定貯留量未満か否かを検出する設定貯留量検出手段、及び、前記改質水貯留部の貯留量が前記設定貯留量よりも多量の多量側設定貯留量以上であるか否かを検出する多量側設定貯留量検出手段にて構成され、前記制御手段は、前記蓄熱流体温度検出手段の検出温度が前記上限設定温度以上であるときに前記設定貯留量検出手段にて前記改質水貯留部の貯留量が前記設定貯留量未満であることを検出すると、前記放熱手段作動要求状態であると判別し、且つ、前記放熱手段の放熱作動中に前記多量側設定貯留量検出手段にて前記改質水貯留部の貯留量が前記多量側設定貯留量以上であることを検出すると、前記放熱手段の放熱作動を停止させるように構成されている点にある。

すなわち、改質水貯留量検出手段にて検出する改質水貯留部の貯留量について、制御手段が放熱手段作動要求状態であると判別して放熱手段を放熱作動させるための貯留量と放熱手段の放熱作動を停止させるための貯留量とを同一の貯留量とするのではなく、放熱手段を放熱作動させるための貯留量を設定貯留量とし且つ放熱手段の放熱作動を停止させるための貯留量を設定貯留量よりも多量の多量側設定貯留量としている。したがって、放熱手段の放熱作動とその放熱作動の停止とが短時間で繰り返されることを抑制できる。
しかも、制御手段は、改質水貯留量検出手段にて検出する改質水貯留部の貯留量について、単に、設定貯留量検出手段にて改質水貯留部の貯留量が設定貯留量未満であることを検出するだけで、放熱手段作動要求状態であると判別し、且つ、多量側設定貯留量検出手段にて改質水貯留部の貯留量が多量側設定貯留量以上であることを検出するだけで、放熱手段の放熱作動を停止させる。したがって、制御手段における制御構成の簡素化を図ることができる。

本発明に係る燃料電池システムの第６特徴構成は、前記制御手段は、前記蓄熱流体温度検出手段の検出温度が前記上限設定温度以上であり且つ前記改質水貯留量検出手段にて前記改質水貯留部の貯留量が前記設定貯留量以上であることを検出しているときに、前記蓄熱流体循環手段にて前記蓄熱槽に戻す前記蓄熱流体の温度が蓄熱上限温度以上になると、前記蓄熱流体循環手段による前記蓄熱流体の循環を停止させる又は前記放熱手段を放熱作動させて前記蓄熱流体循環手段による前記蓄熱流体の循環を継続させるように構成されている点にある。

すなわち、蓄熱流体循環手段にて蓄熱槽に戻す蓄熱流体の温度が蓄熱上限温度以上になると、蓄熱槽に戻す蓄熱流体の温度を低下させるための構成を追加したり、蓄熱槽をより高温の蓄熱流体を貯留できるように蓄熱槽の耐久性を強化する必要があるので、蓄熱槽に戻す蓄熱流体の温度が蓄熱上限温度以上になるのを防止することが求められる。

そこで、本発明は、制御手段が、蓄熱流体温度検出手段の検出温度が上限設定温度以上であり且つ改質水貯留量検出手段にて改質水貯留部の貯留量が設定貯留量以上であることを検出しているときに、蓄熱流体循環手段にて蓄熱槽に戻す蓄熱流体の温度が蓄熱上限温度以上になると、蓄熱流体循環手段による蓄熱流体の循環を停止させることにより、蓄熱槽に戻す蓄熱流体の温度が蓄熱上限温度以上になることを防止できる。そして、制御手段は、蓄熱流体循環手段にて蓄熱槽に戻す蓄熱流体の温度が蓄熱上限温度以上になるまで、蓄熱槽への蓄熱を継続させるので、蓄熱槽により高温の蓄熱流体を貯留させることができ、蓄熱槽への蓄熱量をより多量にできる。

また、制御手段が、蓄熱流体温度検出手段の検出温度が上限設定温度以上であり且つ改質水貯留量検出手段にて改質水貯留部の貯留量が設定貯留量以上であることを検出しているときに、蓄熱流体循環手段にて蓄熱槽に戻す蓄熱流体の温度が蓄熱上限温度以上になると、放熱手段を放熱作動させて蓄熱流体循環手段による蓄熱流体の循環を継続させることにより、放熱手段の放熱作動により凝縮部に供給される蓄熱流体の温度が低下し、蓄熱槽に戻す蓄熱流体の温度が蓄熱上限温度未満に低下する。したがって、蓄熱槽に戻す蓄熱流体の温度が蓄熱上限温度以上になることを防止できる。そして、制御手段は、放熱手段を放熱作動させて蓄熱流体循環手段による蓄熱流体の循環を継続させているので、蓄熱槽により高温の蓄熱流体を貯留させることができ、蓄熱槽への蓄熱量をより多量にできる。

本発明に係る燃料電池システムの第７特徴構成は、前記改質水貯留部における改質水の貯留量が下限設定貯留量未満になると、前記改質水貯留部に改質水を補給する改質水補給手段が設けられている点にある。

すなわち、改質水補給手段が、改質水貯留部における改質水の貯留量が下限設定貯留量未満になると、改質水貯留部に改質水を補給するので、改質水貯留部に貯留されている改質水だけでは改質部にて使用する改質水を賄えなくなっても、改質水補給手段にて補給される改質水によって改質部にて使用する改質水を賄えるようになる。したがって、改質部における水素含有ガスの生成を的確に行うことができる。

本発明に係る燃料電池システムの実施形態について図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
この燃料電池システムは、図１に示すように、都市ガス等の燃料ガスＡから水素含有ガスを生成するガス生成部２、水素含有ガスと酸素とを反応させて発電する燃料電池部３、燃料電池部３から排出される排ガスＤに含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮部４、及び、凝縮部４にて凝縮された凝縮水Ｅを回収して改質水として改質水貯留部１に供給する凝縮水回収手段としての凝縮水回収路５を備えて構成されている。

前記改質水貯留部１は、改質水Ｂとしての純水を貯留するように構成されている。この改質水貯留部１には、その貯留量が設定貯留量未満か否かを検出する設定貯留量検出手段としての水位センサ６、及び、その貯留量が下限設定貯留量未満か否かを検出する下限水位センサ７が設けられている。水位センサ６及び下限水位センサ７は、改質水Ｂの水位がその下端部よりも下方に位置するか否かにより貯留量を検出している。水位センサ６が、改質水貯留部１における改質水の貯留量を検出する改質水貯留量検出手段として構成されている。前記改質水貯留部１は、オーバーフロー路３５により改質水貯留部１から溢れ出す改質水Ｂを排出するように構成されている。

前記改質水貯留部１に補給する改質水補給手段８が設けられている。この改質水補給手段８は、水道水を水処理部１０（例えば、イオン交換樹脂、逆浸透圧膜、活性炭フィルター）により改質水（純水）としてその改質水を改質水貯留部１に補給する改質水補給路９、及び、改質水貯留部１に補給する改質水を調整する補給調整弁３２から構成されている。改質水補給手段８は、補給調整弁３２を開弁させて改質水貯留部１に改質水を補給するように作動し、補給調整弁３２を閉弁させてその作動を停止する。

前記ガス生成部２は、燃料ガスを脱硫処理する脱硫部１１、改質水貯留部１に貯留された改質水Ｂにて水蒸気を生成して、その生成された水蒸気Ｃを脱硫部１１から排出される脱硫原燃料ガスに混合させて改質させて水素ガスと一酸化炭素ガスを含有する改質ガスに改質させる改質部１２を備えて構成されている。
そして、改質部１２は、改質水貯留部１に貯留された改質水Ｂにて水蒸気を生成する水蒸気生成部１５と、水蒸気生成部１５にて生成された水蒸気を脱硫原燃料ガスに混合させて改質反応させる改質処理部１６とから構成されている。

前記脱硫部１１に燃料ガスＡを供給する燃料ガス供給路１７には、燃料電池部３への燃料ガス供給量を調整する燃料ガス供給量調整弁１８が設けられている。改質水貯留部１に貯留されている改質水を水蒸気生成部１５に供給する改質水供給路１９には、水蒸気生成部１５に供給する改質水の水量を調整可能な改質水供給ポンプ２０が設けられている。

前記燃料電池部３は、ガス生成部２にて生成された水素含有ガスの水素とブロア２１にて供給される酸素とを反応させて発電するように構成されている。そして、燃料電池部３から水蒸気を含む排ガスＤが排出されるので、その水蒸気を含む排ガスＤを凝縮部４に供給する排ガス供給路２２が設けられている。

前記凝縮部４に供給する蓄熱流体Ｃとしての水を貯留する蓄熱槽２３が設けられている。前記蓄熱槽２３から取り出した蓄熱流体Ｃを凝縮部４に供給して蓄熱槽２３に戻す形態で蓄熱流体Ｃを循環する蓄熱流体循環手段２４が設けられている。蓄熱流体循環手段２４は、蓄熱槽２３の下部から蓄熱流体Ｃを取り出して凝縮部４に供給したのち蓄熱槽２３の上部に戻す蓄熱流体循環路２５、及び、その蓄熱流体循環路２５に設けられた蓄熱流体循環ポンプ２６から構成されている。このようにして、蓄熱槽２３は、高温の蓄熱流体Ｃが上部に且つ低温の蓄熱流体Ｃが下部に位置する温度成層を形成する状態で蓄熱流体Ｃを貯留するように構成されている。
また、蓄熱流体循環路２５において蓄熱槽２３の下部から蓄熱流体Ｃを取り出した部分には、蓄熱流体循環手段２４にて蓄熱槽２３から取り出される蓄熱流体Ｃの温度を検出する蓄熱流体温度検出手段としての第１蓄熱流体温度センサ２７が設けられている。蓄熱流体循環路２５において蓄熱槽２３の上部に蓄熱流体Ｃを戻す部分には、凝縮部４を通過して蓄熱槽２３に戻される蓄熱流体Ｃの温度を検出する第２蓄熱流体温度センサ２８が設けられている。

前記蓄熱流体循環路２５において蓄熱槽２３の下部との接続箇所と凝縮部４との間には、蓄熱流体循環手段２４にて蓄熱槽２３から取り出して凝縮部４に供給する前の蓄熱流体Ｃを放熱させる放熱作動を実行可能な放熱手段としてのラジエータ２９が設けられている。このラジエータ２９は、ファン３０付きのラジエータであり、ファン３０を作動させて蓄熱流体Ｃを外気に放熱させる放熱作動を実行するように構成されている。

前記凝縮部４は、水蒸気を含む排ガスＤと蓄熱流体循環手段２４にて供給される蓄熱流体Ｃとの熱交換により排ガスＤに含まれる水蒸気を凝縮するように構成されている。そして、凝縮部４にて凝縮された凝縮水Ｅは、凝縮水回収路５により改質水貯留部１に供給される。
このようにして、凝縮部４にて凝縮された凝縮水Ｅを改質水貯留部１に供給してその凝縮水Ｅを改質水（純水）として利用している。したがって、外部から改質水貯留部１に補給する改質水を極力少量とすることができる。そして、凝縮部４では、蓄熱流体循環手段２４にて供給される蓄熱流体Ｃが排ガスＤにて加熱され、その加熱された蓄熱流体Ｃを蓄熱槽２３に戻すので、排ガスＤが有する顕熱に加えて水蒸気の凝縮により回収される潜熱を蓄熱槽２３に蓄熱することができる。そして、蓄熱槽２３に蓄熱した熱は、例えば、暖房や給湯等に用いることができる。

この燃料電池システムの運転を制御する制御手段としての運転制御部３１が設けられている。この運転制御部３１は、燃料ガス供給路調整弁１８を調整することにより、燃料電池部３に供給する水素含有ガス量を調整するとともに、ブロア２１の作動を制御することにより、燃料電池部３に供給する酸素量を調整するように構成されている。そして、運転制御部３１は、改質水供給ポンプ２０の作動を制御することにより、水蒸気生成部１５に供給する改質水の量を調整するように構成されている。また、運転制御部３１は、蓄熱流体循環手段２４の作動、ラジエータ２９の作動、及び、改質水補給手段８の作動を制御するように構成されている。

以下、蓄熱流体循環手段２４、ラジエータ２９、及び、改質水補給手段８についての運転制御部３１の動作を説明する。
前記運転制御部３１は、燃料電池部３にて水素と酸素を反応させて発電している場合に、蓄熱流体循環手段２４を作動させることにより、蓄熱槽２３から蓄熱流体Ｃを取り出しその蓄熱流体Ｃを凝縮部４に供給したのち蓄熱槽２３に戻すようにしている。このとき、凝縮部４に供給される蓄熱流体Ｃの温度が上限設定温度未満であると、凝縮部４にて排ガスＤに含まれる水蒸気を凝縮するとともに、凝縮部４にて加熱された蓄熱流体Ｃを蓄熱槽２３に戻す。上限設定温度は、凝縮部４における水蒸気の凝縮を可能とする凝縮上限温度に基づいて設定したものであり、例えば、凝縮部４にてある程度の凝縮水Ｅを得ることができるように凝縮上限温度よりも低下側に余裕を見込んだ温度を設定している。例えば、凝縮部４に供給される蓄熱流体Ｃの温度が２０℃であると、凝縮部４にて蓄熱流体Ｃが６０〜７０℃に加熱されて蓄熱槽２３に戻される。

前記運転制御部３１は、水位センサ６の検出情報及び第１蓄熱流体温度センサ２７の検出情報に基づいて、ラジエータ２９を放熱作動させるか否かを制御するように構成されている。運転制御部３１は、第１蓄熱流体温度センサ２７の検出温度が上限設定温度以上であるときに水位センサ６にて改質水貯留部１の貯留量が設定貯留量未満であることを設定時間継続して検出すると、放熱手段作動要求状態であるとして、ラジエータ２９を放熱作動させ、且つ、放熱手段作動要求状態以外においては、ラジエータ２９を放熱作動させないように構成されている。また、運転制御部３１は、ラジエータ２９の放熱作動中に水位センサ６にて改質水貯留部１の貯留量が設定貯留量以上であることを設定時間継続して検出すると、ラジエータ２９の放熱作動を停止させるように構成されている。
水位センサ６にて改質水貯留部１の貯留量が設定貯留量未満であることを設定時間継続して検出するときの設定時間と、水位センサ６にて改質水貯留部１の貯留量が設定貯留量以上であることを設定時間継続して検出するときの設定時間とは、同じ時間又は異なる時間を設定できる。

このようにして、運転制御部３１は、第１蓄熱流体温度センサ２７の検出温度が上限設定温度以上であるときに水位センサ６にて改質水貯留部１の貯留量が設定貯留量未満であることを設定時間継続して検出したときだけ、ラジエータ２９を放熱作動させることにより、無駄なラジエータ２９の放熱作動や無駄に熱を捨ててしまうことを抑制しながら、凝縮部４における水蒸気の凝縮を的確に行うことができる。

前記運転制御部３１は、下限水位センサ７にて改質水貯留部１の貯留量が下限設定貯留量未満であることを検出すると、補給調整弁３２を開弁して改質水補給手段８を作動させて改質水貯留部１に改質水Ｃを補給するように構成されている。そして、運転制御部３１は、改質水補給手段８の作動中に水位センサ６にて改質水貯留部１の貯留量が設定貯留量以上であることを検出すると、補給調整弁３２を閉弁して改質水補給手段８の作動を停止させて改質水貯留部１への改質水Ｃの補給を停止するように構成されている。

前記運転制御部３１は、第１蓄熱流体温度センサ２７の検出温度が上限設定温度以上であり且つ水位センサ６にて改質水貯留部１の貯留量が設定貯留量以上であることを検出しているときに、第２蓄熱流体温度センサ２８の検出温度が蓄熱上限温度（例えば、９５℃）以上になるまでは、蓄熱流体循環手段２４の作動を継続させるように構成されている。例えば、７０℃の蓄熱流体を凝縮部４に供給すると、凝縮部４にて８５℃に加熱されて蓄熱槽２３に戻される。
そして、運転制御部３１は、第１蓄熱流体温度センサ２７の検出温度が上限設定温度以上であり且つ水位センサ６にて改質水貯留部１の貯留量が設定貯留量以上であることを検出しているときに、第２蓄熱流体温度センサ２８の検出温度が蓄熱上限温度（例えば、９５℃）以上になると、蓄熱流体循環手段２４の作動を停止させて蓄熱流体循環手段２４による蓄熱流体Ｃの循環を停止させるように構成されている。
このようにして、蓄熱槽２により高温の蓄熱流体Ｃを貯留させながら、蓄熱上限温度（例えば、９５℃）以上の蓄熱流体Ｃが蓄熱槽２３に戻されるのを防止することができる。

図２のフローチャートに基づいて、蓄熱流体循環手段２４、ラジエータ２９、及び、改質水補給手段８についての運転制御部３１の動作を説明する。
まず、運転制御部３１は、蓄熱流体循環手段２４を作動させて第１蓄熱流体温度センサ２７の検出温度Ｔ１が上限設定温度Ｔａ以上であるか否かを判別する（ステップ１，２）。運転制御部３１は、第１蓄熱流体温度センサ２７の検出温度Ｔ１が上限設定温度Ｔａ以上であるときに、水位センサ６にて改質水貯留部１の貯留量が設定貯留量未満であることを設定時間継続して検出すると、放熱手段作動要求状態であるとして、ラジエータ２９を放熱作動させる（ステップ３，４）。運転制御部３１は、ラジエータ２９の放熱作動中に水位センサ６にて改質水貯留部１の貯留量が設定貯留量以上であることを設定時間継続して検出すると、ラジエータ２９の放熱作動を停止させる（ステップ５，６）
前記運転制御部３１は、第２蓄熱流体温度センサ２８の検出温度Ｔ２が蓄熱上限温度Ｔｂ（例えば、９５℃）以上になると、蓄熱流体循環手段２４の作動を停止させる（ステップ７，８）。

また、運転制御部３１は、図２における動作中に、下限水位センサ７にて改質水貯留部１の貯留量が下限設定貯留量未満であることを検出するか否かを監視しており、下限水位センサ７にて改質水貯留部１の貯留量が下限設定貯留量未満であることを検出すると、補給調整弁３２を調整することにより改質水補給手段８を作動させて改質水貯留部１に改質水Ｃを補給する割り込み処理を行う。そして、運転制御部３１は、水位センサ６にて改質水貯留部１の貯留量が設定貯留量以上であることを検出すると、補給調整弁３２を調整することにより改質水補給手段８の作動を停止させて改質水貯留部１への改質水Ｃの補給を停止して割り込み処理を終了する。

〔第２実施形態〕
この第２実施形態は、上記第１実施形態における改質水貯留部１における改質水の貯留量を検出する改質水貯留量検出手段の別実施形態である。その他の構成については上記第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。

前記改質水貯留量検出手段が、図３に示すように、改質水貯留部１の貯留量が設定貯留量未満か否かを検出する設定貯留量検出手段としての設定貯留量水位センサ３３、及び、改質水貯留部１の貯留量が設定貯留量よりも多量の多量側設定貯留量以上であるか否かを検出する多量側設定貯留量水位センサ３４から構成されている。

そして、運転制御部３１は、第１蓄熱流体温度センサ２７の検出温度が上限設定温度以上であるときに設定貯留量水位センサ３３にて改質水貯留部１の貯留量が設定貯留量未満であることを検出すると、放熱手段作動要求状態であるとして、ラジエータ２９を放熱作動させるように構成されている。
また、運転制御部３１は、ラジエータ２９を放熱作動中に多量側設定貯留量水位センサ３４にて改質水貯留部１の貯留量が多量側設定貯留量以上であることを検出すると、ラジエータ２９の放熱作動を停止させるように構成されている。

この第２実施形態における蓄熱流体循環手段２４、ラジエータ２９、及び、改質水補給手段８についての運転制御部３１の動作について説明するが、上記第１実施形態における図２のフローチャートにて示した動作と、ステップ３における動作及びステップ５における動作が異なるだけである。したがって、ステップ３における動作及びステップ５における動作のみ説明する。
つまり、ステップ３では、運転制御部３１が、「設定貯留量水位センサ３３にて改質水貯留部１の貯留量が設定貯留量未満であることを検出したか？」を判別する動作を行う。ステップ５では、運転制御部３１が、「多量側設定貯留量水位センサ３４にて改質水貯留部１の貯留量が多量側設定貯留量以上であることを検出したか？」を判別する動作を行う。

〔別実施形態〕
（１）上記第１実施形態では、運転制御部３１が、第１蓄熱流体温度センサ２７の検出温度が上限設定温度以上であるときに水位センサ６にて改質水貯留部１の貯留量が設定貯留量未満であることを設定時間継続して検出すると、放熱手段作動要求状態であると判別しているが、第１蓄熱流体温度センサ２７の検出温度が上限設定温度以上であるときに水位センサ６にて改質水貯留部１の貯留量が設定貯留量未満であることを検出すると、放熱手段作動要求状態であると判別してもよい。
また、ラジエータ２９の放熱作動中においても、運転制御部３１が、水位センサ６にて改質水貯留部１の貯留量が設定貯留量以上であることを検出すると、ラジエータ２９の放熱作動を停止させるようにしてもよい。

（２）上記第１及び第２実施形態において、ラジエータ２９を放熱作動させるか否かを判別するための条件は、改質水貯留量検出手段の検出情報と蓄熱流体温度検出手段の検出情報とに基づくものであればよく、運転制御部３１が、改質水貯留量検出手段の検出情報及び蓄熱流体温度検出手段の検出情報に基づいて、ラジエータ２９を放熱作動させるか否かを制御するものであればよい。

（３）上記第１及び第２実施形態では、蓄熱流体循環手段２４について、運転制御部３１が、第１蓄熱流体温度センサ２７の検出温度が上限設定温度以上であり且つ水位センサ６にて改質水貯留部１の貯留量が設定貯留量以上であることを検出しているときに、第２蓄熱流体温度センサ２８の検出温度が蓄熱上限温度（例えば、９５℃）以上になると、蓄熱流体循環手段２４の作動を停止させるようにしている。これに代えて、運転制御部３１が、第１蓄熱流体温度センサ２７の検出温度が上限設定温度以上であり且つ水位センサ６にて改質水貯留部１の貯留量が設定貯留量以上であることを検出しているときに、第２蓄熱流体温度センサ２８の検出温度が蓄熱上限温度（例えば、９５℃）以上になると、ラジエータ２９を放熱作動させて蓄熱流体循環手段２４による蓄熱流体Ｃの循環を継続することもできる。

（４）上記第１及び第２実施形態では、ラジエータ２９を蓄熱流体循環路２５に設置しているが、蓄熱槽２３から取り出して凝縮部４に供給する蓄熱流体Ｃを放熱させることができればよく、ラジエータ２９をどのように設置するかは適宜変更が可能である。また、ラジエータ２９の構成についても、ファン３０付きのものに限らず、各種の放熱器を適応することができる。
ラジエータ２９の設置箇所として、例えば、蓄熱流体循環路２５において蓄熱流体循環ポンプ２６の下流側から分岐して凝縮部４よりも上流側に合流する分岐合流路を設け、その分岐合流路にラジエータ２９を設けるようにしてもよい。この場合には、蓄熱槽２３から取り出した蓄熱流体Ｃを分岐合流路を通流させずに凝縮部４に供給する非放熱通流状態と、蓄熱槽２３から取り出した蓄熱流体Ｃを分岐合流路を通流させて凝縮部４に供給する放熱通流状態とに切換自在な切換手段（例えば、三方弁）を設ける。そして、ラジエータ２９を放熱作動させないときには切換手段を非放熱通流状態に切り換え、且つ、ラジエータ２９を放熱作動させるときには切換手段を放熱通流状態に切り換える。

（５）上記第１及び第２実施形態では、第１蓄熱流体温度センサ２７及び第２蓄熱流体温度センサ２８を蓄熱流体循環路２５に設置しているが、第１蓄熱流体温度センサ２７及び第２蓄熱流体温度センサ２８を直接蓄熱槽２３に設置することもでき、第１蓄熱流体温度センサ２７及び第２蓄熱流体温度センサ２８の設置箇所は適宜変更が可能である。例えば、第１蓄熱流体温度センサ２７を蓄熱槽２３の下部に設置したり、第２蓄熱流体温度センサ２８を蓄熱槽２３の上部に設置することができる。
また、第１蓄熱流体温度センサ２７については、蓄熱流体循環路２５に設置する場合に、蓄熱流体循環路２５において凝縮部４の上流側手前箇所に設置することもできる。

本発明は、改質水貯留部に貯留された改質水を用いて燃料ガスから水素含有ガスを生成する改質部と、燃料電池部から排出される排ガスに含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮部と、凝縮部にて凝縮された凝縮水を回収して改質水として改質水貯留部に供給する凝縮水回収手段とを設け、外部から改質水貯留部に補給する改質水を極力少量とすることができながら、排ガスが有する熱を有効に活用して省エネルギー化を図ることができる各種の燃料電池システムに適応可能である。

燃料電池システムの概略構成図 運転制御部の動作を示すフローチャート 第２実施形態における改質水貯留部を示す図

符号の説明

１ 改質水貯留部
３ 燃料電池部
４ 凝縮部
５ 凝縮水回収手段（凝縮水回収路）
６ 改質水貯留量検出手段（水位センサ）
８ 改質水補給手段
１２ 改質部
２３ 蓄熱槽
２４ 蓄熱流体循環手段
２７ 蓄熱流体温度検出手段（第１蓄熱流体温度センサ）
２９ 放熱手段（ラジエータ）
３１ 制御手段（運転制御部）
３３ 蓄熱流体温度検出手段としての設定貯留量検出手段（設定貯留量水位センサ
３４ 蓄熱流体温度検出手段としての多量側設定貯留量検出手段（多量側設定貯留量水位センサ）
Ａ 燃料ガス
Ｂ 改質水
Ｃ 蓄熱流体
Ｄ 排ガス
Ｅ 凝縮水

Claims (7)

1. 改質水貯留部に貯留された改質水を用いて燃料ガスから水素含有ガスを生成する改質部と、前記水素含有ガスと酸素とを反応させて発電する燃料電池部と、前記燃料電池部から排出される排ガスに含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮部と、前記凝縮部にて凝縮された凝縮水を回収して前記改質水として前記改質水貯留部に供給する凝縮水回収手段とが設けられている燃料電池システムであって、
   蓄熱槽から取り出した蓄熱流体を前記凝縮部に供給して前記蓄熱槽に戻す形態で前記蓄熱流体を循環する蓄熱流体循環手段と、前記蓄熱流体循環手段にて前記蓄熱槽から取り出して前記凝縮部に供給する前の前記蓄熱流体を放熱させる放熱作動を実行可能な放熱手段とが設けられ、
   前記凝縮部が、前記排ガスと前記蓄熱流体循環手段にて供給される前記蓄熱流体との熱交換により前記排ガスに含まれる水蒸気を凝縮させるように構成されている燃料電池システム。
2. 前記改質水貯留部における改質水の貯留量を検出する改質水貯留量検出手段と、前記蓄熱流体循環手段にて前記蓄熱槽から取り出される前記蓄熱流体の温度を検出する蓄熱流体温度検出手段と、前記改質水貯留量検出手段の検出情報及び前記蓄熱流体温度検出手段の検出情報に基づいて、前記放熱手段を放熱作動させるか否かを制御する制御手段とが設けられている請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記蓄熱流体温度検出手段の検出温度が前記凝縮部における水蒸気の凝縮を可能とする凝縮上限温度に基づいて設定した上限設定温度以上であるときに前記改質水貯留量検出手段にて前記改質水貯留部の貯留量が設定貯留量未満であることを検出する放熱手段作動要求状態において、前記放熱手段を放熱作動させ、且つ、前記放熱手段作動要求状態以外において、前記放熱手段を放熱作動させないように構成されている請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記蓄熱流体温度検出手段の検出温度が前記上限設定温度以上であるときに前記改質水貯留量検出手段にて前記改質水貯留部の貯留量が前記設定貯留量未満であることを設定時間継続して検出すると、前記放熱手段作動要求状態であると判別し、且つ、前記放熱手段の放熱作動中に前記改質水貯留量検出手段にて前記改質水貯留部の貯留量が前記設定貯留量以上であることを設定時間継続して検出すると、前記放熱手段の放熱作動を停止させるように構成されている請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記改質水貯留量検出手段が、前記改質水貯留部の貯留量が前記設定貯留量未満か否かを検出する設定貯留量検出手段、及び、前記改質水貯留部の貯留量が前記設定貯留量よりも多量の多量側設定貯留量以上であるか否かを検出する多量側設定貯留量検出手段にて構成され、
   前記制御手段は、前記蓄熱流体温度検出手段の検出温度が前記上限設定温度以上であるときに前記設定貯留量検出手段にて前記改質水貯留部の貯留量が前記設定貯留量未満であることを検出すると、前記放熱手段作動要求状態であると判別し、且つ、前記放熱手段の放熱作動中に前記多量側設定貯留量検出手段にて前記改質水貯留部の貯留量が前記多量側設定貯留量以上であることを検出すると、前記放熱手段の放熱作動を停止させるように構成されている請求項３に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、前記蓄熱流体温度検出手段の検出温度が前記上限設定温度以上であり且つ前記改質水貯留量検出手段にて前記改質水貯留部の貯留量が前記設定貯留量以上であることを検出しているときに、前記蓄熱流体循環手段にて前記蓄熱槽に戻す前記蓄熱流体の温度が蓄熱上限温度以上になると、前記蓄熱流体循環手段による前記蓄熱流体の循環を停止させる又は前記放熱手段を放熱作動させて前記蓄熱流体循環手段による前記蓄熱流体の循環を継続させるように構成されている請求項３〜５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記改質水貯留部における改質水の貯留量が下限設定貯留量未満になると、前記改質水貯留部に改質水を補給する改質水補給手段が設けられている請求項１〜６の何れか１項に記載の燃料電池システム。

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