JP2009123488A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、燃料ガスの温度調整をより適切かつ容易に行う。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と熱交換する燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路と、燃料極から導出される燃料オフガス、酸化剤極から導出される酸化剤オフガス、改質装置から排出される燃焼排ガスの少なくとも一つと熱交換する凝縮用冷媒が循環する凝縮用冷媒循環回路と、貯湯水を貯湯する貯湯槽と、凝縮用冷媒循環回路を循環する凝縮用冷媒、燃料電池熱媒体循環回路を循環する燃料電池熱媒体と熱交換する貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、を備えている。燃料電池熱媒体循環回路上には、燃料電池熱媒体と燃料極に供給される燃料ガスとが熱交換する燃料ガス熱交換器が配設されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムとしては、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、燃料電池システムは、燃料極１１および酸化剤極１２に供給された燃料ガス（アノードガス）および酸化剤ガスによって発電する燃料電池１０と、燃料ガスを生成して燃料極に供給する改質装置２０と、燃料ガス、燃料電池１０と熱交換する燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路７３と、燃料電池１０の燃料極１１から導出される燃料オフガス（アノードオフガス）、燃料電池１０の酸化剤極１２から導出される酸化剤オフガス（カソードオフガス）、改質装置２０から排出される燃焼排ガスの少なくとも一つと熱交換する凝縮用冷媒が循環する凝縮用冷媒循環回路７５と、貯湯水を貯湯する貯湯槽７１と、燃料電池熱媒体循環回路７３を循環する燃料電池熱媒体、凝縮用冷媒循環回路７５を循環する凝縮用冷媒と熱交換する貯湯水が循環する貯湯水循環回路７２と、を備えている。
特開２００６−２３６７５８号公報

しかし、特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、燃料ガスと凝縮用冷媒とが熱交換をすることにより、燃料ガスの温度調整ひいては燃料電池の燃料極の露点調整は可能である。しかし、一方で、凝縮用冷媒は燃料オフガス、酸化剤オフガス、燃焼排ガスとも熱交換している。すなわち、燃料ガスの温度調整のみを行うことが難しいので、その温度調整を適切かつ容易に行うことができにくい。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、燃料ガスの温度調整をより適切かつ容易に行うことを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料極に供給された燃料ガスおよび酸化剤極に供給された酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、燃料ガスを生成して燃料極に供給する改質装置と、燃料電池と熱交換する燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路と、燃料極から導出される燃料オフガス、酸化剤極から導出される酸化剤オフガス、改質装置から排出される燃焼排ガスの少なくとも一つと熱交換する凝縮用冷媒が循環する凝縮用冷媒循環回路と、貯湯水を貯湯する貯湯槽と、凝縮用冷媒循環回路を循環する凝縮用冷媒、燃料電池熱媒体循環回路を循環する燃料電池熱媒体と熱交換する貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池熱媒体循環回路上には、燃料電池熱媒体と燃料極に供給される燃料ガスとが熱交換する燃料ガス熱交換器が配設されていることである。

また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、貯湯水循環回路を循環する貯湯水は、凝縮用冷媒循環回路を循環する凝縮用冷媒、および燃料電池熱媒体循環回路を循環する熱媒体とこの順番に熱交換することである。

また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、貯湯水循環回路の流量は、燃料電池熱媒体循環回路の所定場所を所定温度範囲に調節するように制御されることである。

また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、凝縮用冷媒循環回路は、燃料オフガス、酸化剤オフガスの順番に熱交換することである。

また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、燃料電池熱媒体循環回路上には、電気ヒータが配設されていることである。

また請求項６に係る発明の構成上の特徴は、燃料極に供給された燃料ガスおよび酸化剤極に供給された酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、燃料電池と熱交換する燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池熱媒体循環回路上には、燃料電池熱媒体と燃料極に供給される燃料ガスとが熱交換する燃料ガス熱交換器と、燃料電池熱媒体と他の熱媒体とが熱交換する他熱媒体熱交換器と、電気ヒータと、が配設されていることである。

また請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項６において、燃料ガスを生成して燃料極に供給する改質装置と、燃料極から導出される燃料オフガス、酸化剤極から導出される酸化剤オフガス、改質装置から排出される燃焼排ガスの少なくとも一つと熱交換する凝縮用冷媒が循環する凝縮用冷媒循環回路と、貯湯水を貯湯する貯湯槽と、凝縮用冷媒循環回路を循環する凝縮用冷媒、燃料電池熱媒体循環回路を循環する燃料電池熱媒体と熱交換する貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、をさらに備え、他熱媒体熱交換器は、燃料電池熱媒体と貯湯水循環回路を循環する貯湯水とが熱交換することである。

また請求項８に係る発明の構成上の特徴は、請求項６または請求項７において、電気ヒータは、燃料電池の下流かつ他熱媒体熱交換器の上流に配設されていることである。

また請求項９に係る発明の構成上の特徴は、請求項６乃至請求項８のいずれか一項において、電気ヒータは、燃料電池で発電された余剰電力を熱に変換することである。

また請求項１０に係る発明の構成上の特徴は、請求項６乃至請求項９のいずれか一項において、燃料電池システムの起動時であって改質装置の暖機終了時に燃料電池熱媒体が所定温度以下の場合には、電気ヒータにより燃料電池熱媒体の暖機を行うことである。

また請求項１１に係る発明の構成上の特徴は、請求項６乃至請求項１０のいずれか一項において、燃料電池熱媒体循環回路において燃料電池の入口および出口の少なくとも一方の温度に基づいて燃料電池熱媒体の暖機を行うことである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、凝縮用冷媒循環回路において、燃料オフガス、酸化剤オフガス、燃焼排ガスの少なくとも一つと凝縮用冷媒とが熱交換される。一方、凝縮用冷媒循環回路とは別に設けられた燃料電池熱媒体循環回路上に配設されている燃料ガス熱交換器において、燃料電池熱媒体と燃料ガスとが熱交換される。これにより、燃料ガスの温度調整を単独で行うことができるので、その温度調整を適切かつ容易に行うことができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、貯湯水循環回路を循環する貯湯水は、凝縮用冷媒循環回路を循環する凝縮用冷媒、および燃料電池熱媒体循環回路を循環する熱媒体とこの順番に熱交換する。これにより、比較的温度の低い凝縮用冷媒循環回路および比較的温度の高い燃料電池熱媒体循環回路の順番に熱交換を行うため、熱回収効率を向上させることができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１または請求項２に係る発明において、貯湯水循環回路の流量は、燃料電池熱媒体循環回路の所定場所を所定温度範囲に調節するように制御される。これにより、燃料電池を迅速に暖機するとともに燃料電池の発電効率を高く維持することができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に係る発明において、凝縮用冷媒循環回路は、燃料オフガス、酸化剤オフガスの順番に熱交換する。これにより、改質装置を加熱するために燃料オフガスの燃焼熱を利用する場合、燃料オフガスを先に冷却することで、燃料オフガス中の水蒸気を低減する能力を極力高く維持して燃料オフガスの安定燃焼を確保することができる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に係る発明において、燃料電池熱媒体循環回路上には、電気ヒータが配設されている。これにより、電気ヒータにより迅速に燃料電池熱媒体を昇温しひいては燃料電池を早期に暖機することができる。したがって、起動時の燃料極のフラッディングを抑制することができる。

上記のように構成した請求項６に係る発明においては、燃料電池熱媒体循環回路上には、燃料電池熱媒体と燃料極に供給される燃料ガスとが熱交換する燃料ガス熱交換器と、燃料電池熱媒体と他の熱媒体とが熱交換する他熱媒体熱交換器と、電気ヒータと、が配設されている。これにより、燃料電池熱媒体を独立して調整することにより、燃料ガスの温度調整を単独で行うことができるので、その温度調整を適切かつ容易に行うことができる。さらに、電気ヒータにより燃料電池熱媒体を迅速に昇温しひいては燃料電池を早期に暖機することができる。

上記のように構成した請求項７に係る発明においては、請求項６に係る発明において、他熱媒体熱交換器は、燃料電池熱媒体と貯湯水循環回路を循環する貯湯水とが熱交換する。これにより、燃料電池熱媒体と貯湯水との熱交換により、燃料電池熱媒体の温度を適切に調整することができる。

上記のように構成した請求項８に係る発明においては、請求項６または請求項７に係る発明において、電気ヒータは、燃料電池の下流かつ他熱媒体熱交換器の上流に配設されている。これにより、燃料電池より高温である電気ヒータで昇温された燃料電池熱媒体が他熱媒体熱交換器で降温した後に燃料電池に導出できる。したがって、余剰電力が生じた場合、その電力を電気ヒータで消費させても燃料電池の温度変動を少なく抑制することができる。

上記のように構成した請求項９に係る発明においては、請求項６乃至請求項８のいずれか一項に係る発明において、電気ヒータは、燃料電池で発電された余剰電力を熱に変換する。これにより、逆潮を抑制することができる。

上記のように構成した請求項１０に係る発明においては、請求項６乃至請求項９のいずれか一項に係る発明において、燃料電池システムの起動時であって改質装置の暖機終了時に燃料電池熱媒体が所定温度以下の場合には、電気ヒータにより燃料電池熱媒体の暖機を行う。これにより、燃料電池熱媒体が低温である場合（例えば起動時など）でも、燃料電池熱媒体ひいては燃料電池を早期に暖機することができ、適切な温度に維持することができる。

上記のように構成した請求項１１に係る発明においては、請求項６乃至請求項１０のいずれか一項に係る発明において、燃料電池熱媒体循環回路において燃料電池の入口および出口の少なくとも一方の温度に基づいて燃料電池熱媒体の暖機を行う。これにより、燃料電池を確実に適切な温度に維持することができる。

以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池１０と、この燃料電池１０に必要な水素ガスを含む燃料ガス（改質ガス、アノードガス）を生成する改質装置２０と、燃料電池１０から排出される排熱および／または改質装置２０にて発生する排熱を回収して利用する排熱回収システム３０と、を備えている。

燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２とを備えており、燃料極１１に供給されたアノードガスおよび空気極１２に供給された酸化剤ガスである空気（カソードガス）を用いて発電するものである。

改質装置２０は、改質用燃料（原料）を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０に供給するものであり、改質部、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。

改質部は、改質用燃料ポンプ４８ａから供給された改質用燃料に改質水ポンプ４９ａから供給された改質水（水蒸気）を混合した混合ガスを改質部に充填された触媒（例えば、Ｒｕ、Ｎｉ系の触媒）により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している（いわゆる一酸化炭素シフト反応）。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）はＣＯシフト部に導出される。

ＣＯシフト部は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒（例えば、Ｃｕ、Ｚｎ系の触媒）により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてＣＯ選択酸化部に導出される。

ＣＯ選択酸化部は、改質ガスに残留している一酸化炭素と外部からさらに供給されたＣＯ浄化用の空気とをその内部に充填された触媒（例えば、Ｒｕ系またはＰｔ系の触媒）により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）アノードガス供給管４３を介して燃料電池１０の燃料極１１に導出される。

燃料電池１０の燃料極１１の導入口には、アノードガスを供給するアノードガス供給管４３を介して改質装置２０のＣＯ選択酸化部が接続されている。燃料極１１の導出口には、アノードオフガス供給管４４を介して改質装置２０のバーナ２１が接続されており、燃料極１１から排出されるアノードオフガスをバーナ２１に供給可能になっている。アノードガス供給管４３とアノードオフガス供給管４４との間には、燃料電池１０をバイパスするバイパス管４５が接続されている。

燃料電池１０の空気極１２には、カソードガスを供給するカソードガス供給管４１およびカソードオフガスを排出するカソードオフガス排気管４２が接続されている。カソードガス供給管４１およびカソードオフガス排気管４２の途中には、加湿器４１ｂが設けられている。この加湿器４１ｂは水蒸気交換型であり、カソードオフガス中の水蒸気（空気極１２で発電に伴い発生した水蒸気を含む）をカソードガス中に供給して加湿するものである。

カソードガス供給管４１には、カソードガスポンプ４１ａが配設されており、カソードガスポンプ４１ａは制御装置６０からの指示によってカソードエアの供給量が制御される。アノードガス供給管４３のバイパス分岐点から燃料電池システム１０までの間、アノードオフガス供給管４４の燃料電池１０からバイパス合流点までの間、およびバイパス管４５には、アノードガスバルブ４３ａ，アノードオフガスバルブ４４ａ，バイパスバルブ４５ａがそれぞれ配設されており、アノードガスバルブ４３ａ，アノードオフガスバルブ４４ａ，バイパスバルブ４５ａは制御装置６０からの指示によって開閉制御される。

改質装置２０には、バーナ（燃焼部）２１が設けられている。バーナ２１には、アノードガス供給管４４が接続され、アノードガスが供給されている。バーナ２１には、燃焼用空気供給管４６が接続され、燃焼用空気が供給されている。バーナ２１は、アノードガスを燃焼用空気で燃焼して燃焼ガスを改質部に導出するものである。この燃焼ガスは改質部を（同改質部の触媒の活性温度域となるように）加熱し、その後燃焼排ガス排気管４７を通って外部に排出される。

さらに、改質装置２０には、改質部に改質用燃料および改質水をそれぞれ供給する改質用燃料供給管４８および改質水供給管４９が接続されている。

燃焼用空気供給管４６には、燃焼用空気ポンプ４６ａが配設されており、燃焼用空気ポンプ４６ａは制御装置６０からの指示によって燃焼用空気の供給量が制御される。改質用燃料供給管４８には、改質用燃料ポンプ４８ａが配設されており、改質用燃料ポンプ４８ａは制御装置６０からの指示によって改質用燃料の供給量が制御される。改質水供給管４９には、改質水ポンプ４９ａが配設されており、改質水ポンプ４９ａは制御装置６０からの指示によって改質水の供給量が制御される。

さらに、燃料電池システムは、第１〜第４凝縮器５１〜５４を備えている。第１凝縮器（アノードガス凝縮器）５１はアノードガス供給管４３中を流れる燃料電池１０の燃料極１１に供給されるアノードガス中の水蒸気を凝縮する。第２凝縮器（アノードオフガス凝縮器）５２は、アノードオフガス供給管４４中を流れる燃料電池１０の燃料極１１から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。第３凝縮器（カソードオフガス凝縮器）５３は、カソードオフガス排気管４２中を流れる燃料電池１０の空気極１２から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。第４凝縮器（燃焼排ガス凝縮器）５４は、燃焼排ガス排気管４７中を流れる燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮する。

第１凝縮器５１には、燃料電池熱媒体が供給されるようになっており、第１凝縮器（燃料ガス熱交換器）５１は、この燃料電池熱媒体とアノードガスとの熱交換によってアノードガス中の水蒸気を凝縮している。第２〜第４凝縮器５２〜５４には、凝縮用冷媒が供給されるようになっており、第２〜第４凝縮器５２〜５４は、この凝縮用冷媒と第２〜第４凝縮器５２〜５４を流通する各ガスとの熱交換によって各ガス中の水蒸気を凝縮している。凝縮用冷媒としては、プロピレングリコール水溶液などの不凍液や水を使用する。

各凝縮器５１〜５４にて凝縮された凝縮水は、純水器で純水化されて水タンクに一旦貯水される。水タンクに貯水されている純水が改質水ポンプ４９ａによって改質装置２０に供給されている。水タンクには、水（例えば水道水）が補給されるようになっている。

排熱回収システム３０は、貯湯水を貯湯する貯湯槽３１と、凝縮用冷媒循環回路３５を循環する凝縮用冷媒および燃料電池熱媒体循環回路３３を循環する燃料電池熱媒体と熱交換する貯湯水が循環する貯湯水循環回路３２と、燃料電池１０と熱交換する燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路３３と、貯湯水と燃料電池熱媒体との間で熱交換が行われる第１熱交換器３４と、アノードオフガス、カソードオフガス、燃焼排ガスの少なくとも一つと熱交換する凝縮用冷媒が循環する凝縮用冷媒循環回路３５と、貯湯水と凝縮用冷媒との間で熱交換が行われる第２熱交換器３６と、が備えられている。貯湯水循環回路３２、燃料電池熱媒体循環回路３３および凝縮用冷媒循環回路３５は互いに独立して設けられている。

これにより、燃料電池１０の発電にて発生した排熱（熱エネルギー）は、燃料電池熱媒体に回収され、第１熱交換器３４を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱（昇温）する。さらに、燃料電池１０に供給されるアノードガスの排熱も、第1凝縮器５１を介して燃料電池熱媒体に回収され、第１熱交換器３４を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱（昇温）する。

燃料電池１０から排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスの排熱は、第２および第３凝縮器５２，５３を介して凝縮用冷媒に回収され、第２熱交換器３６を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱（昇温）する。さらに、バーナ２１からの燃焼排ガスの排熱も、第４凝縮器５４を介して凝縮用冷媒に回収され、第２熱交換器３６を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱（昇温）する。

燃料電池１０から排出される排熱は、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスの排熱だけでなく、燃料電池１０の発電で発生する排熱が含まれている。改質装置２０にて発生する排熱は、アノードガスの排熱、バーナ２５からの燃焼排ガスの排熱、および改質装置２０と熱交換する排熱（改質装置自身の排熱）が含まれている。

貯湯槽３１は、１つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽３１の柱状容器の下部には水道水などの水（低温の水）が補給され、貯湯槽３１に貯留された高温の温水が貯湯槽３１の柱状容器の上部から導出されるようになっている。

貯湯水循環回路３２の一端および他端は貯湯槽３１の下部および上部に接続されている。貯湯水循環回路３２上には、一端から他端に向かって順番に貯湯水循環手段である貯湯水循環ポンプ３２ａ、第２熱交換器３６、および第１熱交換器３４が配設されている。貯湯水循環ポンプ３２ａは、貯湯槽３１の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環回路３２を図示矢印方向へ通水させて貯湯槽３１の上部に吐出するものであり、制御装置６０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。これにより、貯湯水循環回路３２を循環する貯湯水は、凝縮用冷媒循環回路３５を循環する凝縮用冷媒、および燃料電池熱媒体循環回路３３を循環する熱媒体とこの順番に熱交換するようになっている。

燃料電池熱媒体循環回路３３上には、燃料電池１０を起点に上流から下流に向かって順番に、第２温度センサ３３ａ、電気ヒータ３３ｂ、第１熱交換器３４、燃料電池熱媒体循環ポンプ３３ｃ、第１凝縮器５１、および第１温度センサ３３ｄが配設されている。

第１および第２温度センサ３３ｄ，３３ａは、燃料電池熱媒体の燃料電池１０の入口温度Ｔ１および出口温度Ｔ２をそれぞれ検出するものであり、その検出結果を制御装置６０に送信するようになっている。

電気ヒータ３３ｂは、制御装置６０からの指示に従って制御されるものであり、通電されて発熱するものである。電気ヒータ３３ｂは、燃料電池１０の下流かつ第１熱交換器（他熱媒体熱交換器）３４の上流に配設されていることが好ましい。電気ヒータ３３ｂは、燃料電池１０で発電された余剰電力が通電されてその電力を熱に変換するものである。電気ヒータ３３ｂは、燃料電池システムの起動時であって改質装置２０の暖機終了時に燃料電池熱媒体が所定温度以下の場合には、通電されて燃料電池熱媒体の暖機を行うものである。

燃料電池熱媒体循環ポンプ３３ｃは、燃料電池熱媒体循環回路３３で燃料電池熱媒体を図示矢印方向へ循環させるものであり、制御装置６０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。

凝縮用冷媒循環回路３５上には、第２熱交換器３６を起点に上流から下流に向かって順番に、凝縮用冷媒循環ポンプ３５ａ、第２凝縮器５２、第３凝縮器５３、第４凝縮器５４および第３温度センサ３５ｂが配設されている。

凝縮用冷媒循環ポンプ３５ａは、凝縮用冷媒循環回路３５で図示矢印方向へ凝縮用冷媒を循環させるものであり、制御装置６０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。これにより、凝縮用冷媒循環回路３５を循環する凝縮用冷媒は、アノードオフガス、カソードオフガスの順番に熱交換するようになっている。

第３温度センサ３５ｂは、凝縮用冷媒の第２熱交換器３６の入口温度Ｔ３を検出するものであり、その検出結果を制御装置６０に送信するようになっている。

さらに、燃料電池システムは、制御装置６０を備えている。制御装置６０には、上述した各温度センサ３３ａ，３３ｄ，３５ｂ、各ポンプ３２ａ，３３ｃ，３５ａ，４１ａ，４６ａ，４８ａ，４９ａ、各バルブ４３ａ，４４ａ，４５ａ、電気ヒータ３３ｂ、およびバーナ２１が接続されている（図２参照）。制御装置６０は、マイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、図３〜図９のフローチャートに対応したプログラムを実行して、燃料電池システムの運転を行っている。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。

次に、上述した燃料電池システムの全体的な作動の一例について図３および図４を参照して説明する。制御装置６０は、図示しない主電源が投入されると、ステップ１００にてプログラムを起動しステップ１０２に進める。なお、プログラムが起動されると、各フラグＦａ〜Ｆｅは０に設定される。

制御装置６０は、ステップ１０２において、運転を開始するか否かを判定する。制御装置６０は、図示しないスタートスイッチが押されて運転が開始される場合、運転計画にしたがって運転が開始される場合には、ステップ１０２で「ＹＥＳ」と判定し、フラグＦａを１に設定した後（ステップ１０４）、改質装置２０の暖機運転を実施する（ステップ１０６）。そうでなければ、ステップ１０２の判定を繰り返す。運転計画とは、あらかじめ学習制御などにより決められた計画であり、主電源が投入されてもすぐに起動することはなく、運転計画に基づいて、燃料電池システムの起動・停止が制御される。フラグＦａは、改質装置２０が暖機運転中であることを示すものであり、１で暖機運転中であることを、０で暖機運転中でないことを示す。

暖機運転（起動運転）が開始されると、制御装置６０は、ステップ１０６において、アノードバルブ４３ａおよびアノードオフガスバルブ４４ａを閉じ、バイパスバルブ４５ａを開く。これと同時に、制御装置６０は、燃焼用空気ポンプ４６ａを駆動して、燃焼用空気をバーナ２１に供給する。また、制御装置６０は、バーナ２１の点火用電極に通電する。さらに、制御装置６０は、燃料ポンプ４８ａを駆動して、改質用燃料を改質装置２０に供給する。改質用燃料は、改質装置２０、燃料電池１０を介さないでバイパス管４５を通ってバーナ２１に供給される。これにより、改質用燃料がバーナ２１で燃焼され、その燃焼ガスにより改質部および蒸発部が加熱される。

そして、制御装置６０は、改質水ポンプ４９ａを制御して蒸発部ひいては改質部に所定量の水を供給する。これにより、改質部に改質用燃料と水蒸気が供給され、改質部では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。

そして、改質部から導出された改質ガスはＣＯシフト部およびＣＯ選択酸化部により一酸化炭素ガスを低減されてＣＯ選択酸化部から導出され、燃料電池１０を通らないで、バイパス管７３を通って直接バーナ２１に供給され燃焼される。

このような改質ガスの生成中において（改質装置２０の暖機中において）、制御装置６０は、ステップ１０８において、ＣＯシフト部の触媒温度（ＣＯ選択酸化部の触媒温度でもよい。）を検出し、この検出した温度が所定温度以上であるか否かを判定する。その温度が所定温度未満である場合には、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定の低濃度より高いとして、すなわち暖機が終了していないとして、制御装置６０は、ステップ１０８の処理を繰り返す。

一方、ＣＯシフト部の触媒温度が所定温度以上となれば、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定の低濃度以下となったとして、制御装置６０は、改質装置２０の暖機が終了したと判定し、フラグＦｂを１に設定する（ステップ１１０）。フラグＦｂは、改質装置２０の暖機が終了したことを示すものであり、１で暖機終了を示し、０で暖機未終了を示す。

改質装置２０の暖機が終了すると、制御装置６０は、ステップ１１２において、その時点で燃料電池１０の暖機が終了したか否かを判定する。すなわち、フラグＦｃが１であるか否かを判定する。フラグＦｃは、別のルーチンで燃料電池の暖気状態（例えば、燃料電池スタックの温度Ｔｓや燃料電池熱媒体の温度Ｔ１，Ｔ２）を監視しており、暖機が完了した時（例えば、温度Ｔ１が所定温度Ｔ１ａ以上となった時）、フラグＦｃが１となる。制御装置６０は、フラグＦｃが１である場合、燃料電池１０の暖機が終了していると判定し、発電運転を行い（ステップ１１４）、フラグＦｃが０である場合、燃料電池１０の暖機（燃料電池システムの暖機）が終了していないと判定し、ステップ１１２の処理を繰り返し実行する。

制御装置６０は、ステップ１１４において、図４に示す発電運転ルーチンに沿ってプログラムを実行し、燃料電池１０の発電を行う。制御装置６０は、発電運転中において本ルーチンを繰り返し実行する。制御装置６０は、図示しない負荷装置の消費電力である負荷電力を検出し、その負荷電力に追従するように燃料電池１０を発電させる（ステップ２０２）。具体的には、制御装置６０は、負荷電力に応じた出力電力となるように改質用燃料の供給量を演算しその供給量となるように燃料ポンプ４８ａを駆動させ、演算した改質用燃料供給量およびＳ／Ｃ（スチームカーボン比）に基づいて改質水の供給量を演算しその供給量となるように改質水ポンプ４９ａを駆動させている。また、制御装置６０は、改質用燃料の供給量などに基づいて燃焼用空気の供給量を演算しその供給量となるように燃焼用空気ポンプ４６ａを駆動させている。

制御装置６０は、燃料電池１０の発電量を検出しており、発電量が負荷電力より大きい場合、電気ヒータ３３ｂに通電するようになっている（ステップ２０６）。発電中に電気ヒータ３３ｂを通電すると、その熱エネルギによって燃料電池熱媒体が昇温される。第１熱交換器３４では、電気ヒータ３３ｂによって昇温された燃料電池熱媒体と貯湯水とが熱交換を行う。第１熱交換器３４中の貯湯水が燃料電池熱媒体より低温である場合には、電気ヒータ３３ｂの熱エネルギは、第１熱交換器３４で貯湯水に回収される。

一方、発電量が負荷電力以下である場合、制御装置６０は、負荷電力に追従するように燃料電池１０を発電させる。負荷電力に追従するように発電するとは、所定時間ごとに、その時間前の所定時間内の平均負荷電力を計算し、計算された平均負荷電力になるように燃料電池１０の出力電力を制御することである。発電量が負荷電力より大きい場合とは、負荷電力に追従するように発電していても、燃料電池１０が追従できない負荷電力の変化や、一時的（瞬間的）な負荷電力の変化の場合であり、これらの場合に逆潮が生じないように電気ヒータに通電する。

このような発電運転中に、制御装置６０は、ステップ１１６において、運転を停止するか否かを判定する。制御装置６０は、図示しないストップスイッチが押されて運転が停止される場合、もしくは運転計画にしたがって運転が停止される場合には、ステップ１１６で「ＹＥＳ」と判定し、フラグＦｄを１に設定した後（ステップ１１８）、燃料電池システムの停止処理を実施する（ステップ１２０）。そうでなければ、ステップ１１６の判定を繰り返す。フラグＦｄは、燃料電池システムが停止処理中であることを示すものであり、１で停止処理中であることを、０で停止処理中でないことを示す。

制御装置６０は、ステップ１２０において、燃料ポンプ４８ａの駆動を停止し改質用燃料の供給を停止する。制御装置６０は、改質水ポンプ４９ａの駆動を停止し改質水の供給を停止する。そして、制御装置６０は、アノードガスバルブ４３ａ、アノードオフガスバルブ４４ａを閉じ、バイパスバルブ４５ａを開く。これにより、燃料電池１０の発電が停止され、燃料電池システムの停止処理が開始される。このとき、制御装置６０は、燃焼用空気ポンプ４６ａの駆動を継続し燃焼用空気の供給を継続する。

このような燃料電池システムの停止処理中において、制御装置６０は、ステップ１２２において、ＣＯシフト部の触媒温度（ＣＯ選択酸化部の触媒温度でもよい。）を検出し、この検出した温度が所定温度以下であるか否かを判定する。その温度が所定温度より大きい場合には、燃料電池システムの停止処理が終了していないとして、制御装置６０は、ステップ１２２の処理を繰り返す。

一方、検出した温度が所定温度以下となれば、制御装置６０は、燃料電池システムの停止処理が終了したと判定し、フラグＦｅを１に設定した後（ステップ１２４）、停止処理を終了する（ステップ１２６）。フラグＦｅは、燃料電池システムの停止処理が終了したことを示すものであり、１で停止処理終了を示し、０で停止処理未終了を示す。

制御装置６０は、ステップ１２６において、燃焼用空気ポンプ４６ａの駆動を停止し燃焼用空気の供給を停止する。そして、制御装置６０は、バイパスバルブ４５ａも閉じる。その後、プログラムをステップ１２８に進めて本プログラムを終了する。

次に、燃料電池システムのうち排熱回収システムの作動について説明する。まず、燃料電池熱媒体循環回路３３に関する暖機運転中および発電運転中の作動の一例について図５を参照して説明する。制御装置６０は、図示しない主電源が投入されると、ステップ３００にてプログラムを起動しステップ３０２に進める。なお、プログラムが起動されると、各フラグＦａ〜Ｆｅは０に設定される。

制御装置６０は、ステップ３０２において、フラグＦａが１であるか否かすなわち改質装置２０の暖機運転中であるか否かを判定する。制御装置６０は、フラグＦａが１である場合には、ステップ３０２で「ＹＥＳ」と判定し、燃料電池熱媒体循環ポンプ３３ｃを初期設定値（初期設定流量）でオン（駆動）する（ステップ３０４）。そうでなければ、ステップ３０２の判定を繰り返す。

改質装置２０の暖機運転中には、改質装置２０からのアノードガスが、第１凝縮器５１、バイパス管４５、第２凝縮器５２を通ってバーナ２１に供給されている。第１凝縮器５１においては、アノードガスの排熱が燃料電池熱媒体に回収され、燃料電池熱媒体が昇温される。昇温された燃料電池熱媒体は燃料電池１０で降温され、燃料電池１０は昇温される。さらに、第１熱交換器３４において、燃料電池熱媒体が貯湯水より高温である場合には、燃料電池熱媒体は第１熱交換器３４で降温され、貯湯水が昇温される。このように、アノードガスの排熱は、燃料電池１０の暖機、貯湯水の昇温に利用されている。

制御装置６０は、ステップ３０６において、フラグＦｂが１であるか否かすなわち改質装置２０の暖機が終了したか否かを判定する。制御装置６０は、フラグＦｂが１である場合には、ステップ３０６で「ＹＥＳ」と判定し、燃料電池熱媒体の燃料電池１０の入口温度Ｔ１が燃料電池１０の暖機判定温度Ｔ１ａ（例えば５０〜６０℃）より低いか否かを判定する（ステップ３０８）。そうでなければ、ステップ３０６の判定を繰り返す。

すなわち、制御装置６０は、改質装置２０の暖機が終了した時点に、燃料電池１０の暖機が終了しているか否かを判定し（ステップ３０８）、暖機が終了していない場合には、電気ヒータ３３ｂを使用して燃料電池熱媒体を昇温する。燃料電池１０の暖機が終了している場合には、電気ヒータ３３ｂで昇温することなく、燃料電池システムの暖機運転を終了して発電運転を開始する（ステップ３３２〜３３６）。

燃料電池システムの暖機が終了していない場合には、制御装置６０は、ステップ３１０において、電気ヒータ３３ｂをオンする。このとき、電気ヒータ３３ｂには、系統電源からの電力がインバータを介して供給されるようになっている。

このように、アノードガスの排熱および電気ヒータ３３ｂによる発熱を利用して燃料電池熱媒体ひいては燃料電池１０が昇温されるなかで、制御装置６０は、ステップ３１２において、燃料電池熱媒体の燃料電池１０の入口温度Ｔ１を検出し、その入口温度Ｔ１が暖機判定温度Ｔ１ａ以上であるか否かを判定する。

入口温度Ｔ１が暖機判定温度Ｔ１ａより低い場合には、制御装置６０は、ステップ３１２の判定を繰り返す。一方、入口温度Ｔ１が暖機判定温度Ｔ１ａ以上である場合には、制御装置６０は、燃料電池１０の発電運転を開始する。

具体的には、制御装置６０は、アノードガスバルブ４３ａおよびアノードオフガス４４ａを開きバイパスバルブ４５ａを閉じて、改質装置２０を燃料電池１０を介してバーナ２１に接続し、改質装置２０からのアノードガスを燃料電池１０の燃料極１１に供給し、燃料極１１からのアノードオフガスをバーナ２１に供給する（ステップ３１４）。これと同時に、制御装置６０は、カソードガスポンプ４１ａをオンして、カソードガスを燃料電池１０の空気極１２に供給し、空気極１２からのカソードオフガスを加湿器４１ｂおよび第３凝縮器５３を介して排気する（ステップ３１６）。その後、制御装置６０は、フラグＦｃを１に設定する（ステップ３１８）。フラグＦｃは、燃料電池１０の暖機（燃料電池システムの暖機）が終了しているか否か（燃料電池システムが発電運転中であるか否か）を示すものであり、１で燃料電池システムの暖機終了（発電運転中）を示し、０で燃料電池システムの暖機未終了（発電運転中でないこと）を示す。

そして、電気ヒータ３３ｂの通電中に、制御装置６０は、ステップ３２０において、燃料電池熱媒体の燃料電池１０の入口温度Ｔ１を検出し、その入口温度Ｔ１が暖機判定温度Ｔ１ａより高温である電気ヒータオフ温度Ｔ１ｂ（例えば６０〜７０℃）以上であるか否かを判定する。入口温度Ｔ１が電気ヒータオフ温度Ｔ１ｂより低い場合には、制御装置６０は、ステップ３２０の判定を繰り返す。一方、入口温度Ｔ１が電気ヒータオフ温度Ｔ１ｂ以上である場合には、制御装置６０は、電気ヒータ３３ｂをオフする（ステップ３２２）。

一方、燃料電池システムの暖機が終了している場合には、制御装置６０は、上記ステップ３１４，３１６と同様な処理で、燃料電池システムの暖機運転を終了して発電運転を開始する（ステップ３３２，３３４）。その後、制御装置６０は、フラグＦｃを１に設定する（ステップ３３６）。

燃料電池１０の発電運転開始後、発電運転中において、燃料電池１０は発電によって自身の温度が上昇すると、燃料電池１０の熱によって燃料電池熱媒体が昇温され、出口温度Ｔ２が入口温度Ｔ１より高温となる。制御装置６０は、燃料電池熱媒体の燃料電池１０の入口温度Ｔ１および出口温度Ｔ２をそれぞれ検出し、それら温度Ｔ１，Ｔ２の温度差（＝Ｔ２−Ｔ１）が目標値ｄＴより大きいか否かを判定する（ステップ３２４）。目標値ｄＴは、例えば２〜７℃である。

温度Ｔ１，Ｔ２の温度差（＝Ｔ２−Ｔ１）がｄＴ以下である場合には、制御装置６０は、ステップ３２４の判定を繰り返す。一方、温度差がｄＴより大きい場合には、制御装置６０は、燃料電池熱媒体循環ポンプ３３ｃをＰＩＤ制御して、温度差がｄＴとなるように調整される（ステップ３２６）。このとき、燃料電池１０の発電で発生する熱は、燃料電池熱媒体、第１熱交換器３４を介して貯湯水に回収することができる。

制御装置６０は、ステップ３２８において、フラグＦｄが１であるか否かすなわち燃料電池システムが停止処理中であるか否かを判定する。制御装置６０は、フラグＦｄが１でない場合すなわち燃料電池システムが発電運転中である場合には、ステップ３２８の判定を繰り返す。一方、制御装置６０は、フラグＦｄが１である場合すなわち燃料電池システムが停止処理中である場合には、プログラムをステップ３３０に進めて本プログラムを終了する。

次に、凝縮用冷媒循環回路３５に関する暖機運転中および発電運転中の作動の一例について図６を参照して説明する。制御装置６０は、図示しない主電源が投入されると、ステップ４００にてプログラムを起動しステップ４０２に進める。なお、プログラムが起動されると、各フラグＦａ〜Ｆｅは０に設定される。

制御装置６０は、ステップ４０２において、フラグＦａが１であるか否かすなわち改質装置２０の暖機運転中であるか否かを判定する。制御装置６０は、フラグＦａが１である場合には、ステップ４０２で「ＹＥＳ」と判定し、凝縮用冷媒循環ポンプ３５ａを初期設定値（初期設定流量）でオン（駆動）する（ステップ４０４）。そうでなければ、ステップ４０２の判定を繰り返す。

改質装置２０の暖機運転中には、改質装置２０からのアノードガスが、第１凝縮器５１、バイパス管４５、第２凝縮器５２を通ってバーナ２１に供給されている。バーナ２１からの燃焼排ガスが、第４凝縮器５４を通って排気されている。第２凝縮器５２においては、アノードオフガスの排熱が凝縮用冷媒に回収され、凝縮用冷媒が昇温される。昇温された凝縮用冷媒は、カソードオフガスはまだ供給されていないので、第３凝縮器５３では熱交換されることはない。第４凝縮器５４においては、昇温された凝縮用冷媒が、アノードオフガスより高温である燃焼排ガスの排熱によってさらに昇温される。この凝縮用冷媒は、第２熱交換器３６で降温され、貯湯水が昇温される。このように、アノードオフガスおよび燃焼排ガスの排熱は、貯湯水の昇温に利用されている。

このように、アノードオフガスおよび燃焼排ガスの排熱を利用して凝縮用冷媒が昇温されるなかで、制御装置６０は、ステップ４０６において、凝縮用冷媒の第２熱交換器３６の入口温度Ｔ３を検出し、その入口温度Ｔ３が凝縮用冷媒制御目標温度Ｔ３ａ（例えば４０〜５０℃）より高いか否かを判定する。

入口温度Ｔ３が凝縮用冷媒制御目標温度Ｔ３ａ以下である場合には、制御装置６０は、ステップ４０６の判定を繰り返す。一方、入口温度Ｔ３が凝縮用冷媒制御目標温度Ｔ３ａより高い場合には、制御装置６０は、凝縮用冷媒循環ポンプ３５ａをＰＩＤ制御して、凝縮用冷媒の第２熱交換器３６の入口温度Ｔ３が凝縮用冷媒制御目標温度Ｔ３ａとなるように調整される（ステップ４０８）。このとき、アノードオフガス、燃焼排ガスの排熱は、凝縮用冷媒、第２熱交換器３６を介して貯湯水に回収することができる。

制御装置６０は、ステップ４１０において、フラグＦｄが１であるか否かすなわち燃料電池システムが停止処理中であるか否かを判定する。制御装置６０は、フラグＦｄが１でない場合すなわち燃料電池システムが発電運転中である場合には、ステップ４１０の判定を繰り返す。一方、制御装置６０は、フラグＦｄが１である場合すなわち燃料電池システムが停止処理中である場合には、プログラムをステップ４１２に進めて本プログラムを終了する。

さらに、貯湯水循環回路３２に関する暖機運転中および発電運転中の作動の一例について図７を参照して説明する。制御装置６０は、図示しない主電源が投入されると、ステップ５００にてプログラムを起動しステップ５０２に進める。なお、プログラムが起動されると、各フラグＦａ〜Ｆｅは０に設定される。

制御装置６０は、ステップ５０２において、フラグＦａが１であるか否かすなわち改質装置２０の暖機運転中であるか否かを判定する。制御装置６０は、フラグＦａが１である場合には、ステップ５０２で「ＹＥＳ」と判定し、貯湯水循環ポンプ３２ａを初期設定値（初期設定流量）でオン（駆動）する（ステップ５０４）。そうでなければ、ステップ５０２の判定を繰り返す。

改質装置２０の暖機運転中には、第２熱交換器３６において、アノードオフガスおよび燃焼排ガスの排熱が貯湯水に授熱され、貯湯水が昇温される。第１熱交換器３４において、貯湯水が燃料電池熱媒体より高温である場合には、貯湯水の熱が燃料電池熱媒体に授熱され、燃料電池熱媒体が昇温される。すなわち、アノードオフガスおよび燃焼排ガスの排熱が燃料電池熱媒体ひいては燃料電池１０に授熱される。

このように、アノードオフガスおよび燃焼排ガスの排熱を利用して燃料電池熱媒体が昇温されるなかで、制御装置６０は、ステップ５０６において、燃料電池熱媒体の燃料電池１０の入口温度Ｔ１を検出し、その入口温度Ｔ１が燃料電池熱媒体入口目標温度Ｔ１ｃ（例えば６０〜７０℃）より高いか否かを判定する。燃料電池熱媒体入口目標温度Ｔ１ｃは、燃料電池暖機判定温度Ｔ１ａより高温である。

入口温度Ｔ１が燃料電池熱媒体入口目標温度Ｔ１ｃ以下である場合には、制御装置６０は、ステップ５０６の判定を繰り返す。一方、入口温度Ｔ１が燃料電池熱媒体入口目標温度Ｔ１ｃより高い場合には、制御装置６０は、貯湯水循環ポンプ３２ａをＰＩＤ制御して、燃料電池熱媒体の燃料電池１０の入口温度Ｔ１が燃料電池熱媒体入口目標温度Ｔ１ｃとなるように調整される（ステップ５０８）。このとき、アノードオフガス、燃焼排ガスの排熱は、凝縮用冷媒、第２熱交換器３６を介して貯湯水に回収することができる。

制御装置６０は、ステップ５１０において、フラグＦｄが１であるか否かすなわち燃料電池システムが停止処理中であるか否かを判定する。制御装置６０は、フラグＦｄが１でない場合すなわち燃料電池システムが発電運転中である場合には、ステップ５１０の判定を繰り返す。一方、制御装置６０は、フラグＦｄが１である場合すなわち燃料電池システムが停止処理中である場合には、プログラムをステップ５１２に進めて本プログラムを終了する。

さらに、燃料電池熱媒体循環回路３３に関する運転ルーチンの一例について図８を参照して説明する。制御装置６０は、図示しない主電源が投入されると、ステップ６００にてプログラムを起動しステップ６０２に進める。なお、プログラムが起動されると、各フラグＦａ〜Ｆｅは０に設定される。

制御装置６０は、ステップ６０２において、フラグＦｄが１であるか否かすなわち燃料電池システムの停止処理中であるか否かを判定する。制御装置６０は、フラグＦｄが１である場合には、ステップ６０２で「ＹＥＳ」と判定し、燃料電池熱媒体循環ポンプ３３ｃを初期設定値（初期設定流量）で駆動する（ステップ６０４）。そうでなければ、ステップ６０２の判定を繰り返す。

燃料電池システムの停止処理中には、改質装置２０が燃焼用空気で冷却される。一方、燃料電池熱媒体循環回路３３で燃料電池熱媒体が循環しているので、第１凝縮器５１での熱交換により沸騰を抑制するとともにアノードガスの排熱を燃料電池熱媒体に回収することができる。

そして、制御装置６０は、ステップ６０６において、フラグＦｅが１であるか否かすなわち燃料電池システムの停止処理が終了したか否かを判定する。制御装置６０は、フラグＦｅが０である場合には、ステップ６０６の判定を繰り返す。制御装置６０は、フラグＦｅが１である場合には、ステップ６０６で「ＹＥＳ」と判定し、燃料電池熱媒体冷媒ポンプ３３ｃをオフする（ステップ６０８）。その後、制御装置６０はプログラムをステップ６１０に進めて本プログラムを終了する。

さらに、凝縮用冷媒循環回路３５に関する運転ルーチンの一例について図９を参照して説明する。制御装置６０は、図示しない主電源が投入されると、ステップ７００にてプログラムを起動しステップ７０２に進める。なお、プログラムが起動されると、各フラグＦａ〜Ｆｅは０に設定される。

制御装置６０は、ステップ７０２において、フラグＦｄが１であるか否かすなわち燃料電池システムの停止処理中であるか否かを判定する。制御装置６０は、フラグＦｄが１である場合には、ステップ７０２で「ＹＥＳ」と判定し、凝縮用冷媒循環ポンプ３５ａを初期設定値（初期設定流量）で駆動する（ステップ７０４）。そうでなければ、ステップ７０２の判定を繰り返す。

燃料電池システムの停止処理中には、改質装置２０が燃焼用空気で冷却される。一方、凝縮用冷媒循環回路３５で凝縮用冷媒が循環しているので、第２凝縮器５２での熱交換により沸騰を抑制するとともにアノードオフガスの排熱を凝縮用冷媒に回収し、第４凝縮器５４での熱交換により沸騰を抑制するとともに燃焼排ガスの排熱を凝縮用冷媒に回収することができる。

そして、制御装置６０は、ステップ７０６において、フラグＦｅが１であるか否かすなわち燃料電池システムの停止処理が終了したか否かを判定する。制御装置６０は、フラグＦｅが０である場合には、ステップ７０６の判定を繰り返す。制御装置６０は、フラグＦｅが１である場合には、ステップ７０６で「ＹＥＳ」と判定し、凝縮用冷媒ポンプ３５ａをオフする（ステップ７０８）。その後、制御装置６０はプログラムをステップ７１０に進めて本プログラムを終了する。

さらに、貯湯水循環回路３２に関する運転ルーチンの一例について図１０を参照して説明する。制御装置６０は、図示しない主電源が投入されると、ステップ８００にてプログラムを起動しステップ８０２に進める。なお、プログラムが起動されると、各フラグＦａ〜Ｆｅは０に設定される。

制御装置６０は、ステップ８０２において、フラグＦｄが１であるか否かすなわち燃料電池システムの停止処理中であるか否かを判定する。制御装置６０は、フラグＦｄが１である場合には、ステップ８０２で「ＹＥＳ」と判定し、貯湯水循環ポンプ３２ａを初期設定値（初期設定流量）で駆動する（ステップ８０４）。そうでなければ、ステップ８０２の判定を繰り返す。

燃料電池システムの停止処理中には、改質装置２０が燃焼用空気で冷却される。一方、貯湯水循環回路３２で貯湯水が循環しているので、凝縮用冷媒が回収した排熱が第２熱交換器３６を介して、燃料電池熱媒体が回収した排熱が第１熱交換器３４を介して、貯湯水に回収することができる。

そして、制御装置６０は、ステップ８０６において、フラグＦｅが１であるか否かすなわち燃料電池システムの停止処理が終了したか否かを判定する。制御装置６０は、フラグＦｅが０である場合には、ステップ８０６の判定を繰り返す。制御装置６０は、フラグＦｅが１である場合には、ステップ８０６で「ＹＥＳ」と判定し、貯湯水循環ポンプ３２ａをオフする（ステップ８０８）。その後、制御装置６０はプログラムをステップ８１０に進めて本プログラムを終了する。

上述したように、燃料電池システムの暖機運転中において、第１凝縮器５１でアノードガスの潜熱と顕熱が燃料電池熱媒体に授熱され、さらに燃料電池１０に授熱される。燃料電池１０の暖機は主としてアノードガスの潜熱と顕熱による。さらに、第２凝縮器５２でアノードオフガスの潜熱と顕熱が凝縮用冷媒に授熱され、第４凝縮器５４で燃焼排ガスの潜熱と顕熱が凝縮用冷媒に授熱される。これら凝縮用冷媒に授熱された熱が第２熱交換器３６で貯湯水に授熱され、さらに第１熱交換器３４で燃料電池熱媒体に授熱され、さらに燃料電池１０に授熱される。

このように起動することで、燃料電池熱媒体温度とアノードガス温度（露点温度）を適切に維持することが可能であり、安定した起動を実現できる。

上述した燃料電池システムの発電運転中において、燃料電池熱媒体の燃料電池１０の入口温度Ｔ１（または燃料電池熱媒体の燃料電池１０の出口温度Ｔ２）が所定温度（所定温度範囲）に保たれている。燃料電池熱媒体の燃料電池１０の入口温度Ｔ１と出口温度Ｔ２の差が所定の温度差に保たれている。凝縮用冷媒の第２熱交換器３６の入口温度Ｔ３が所定温度（所定温度範囲）に保たれている。

さらに、本燃料電池システムによる構成が効率的に熱を回収できる理由について説明する。貯湯水循環回路３２には貯湯槽３１の底部から貯湯水が導出される。ユーザが貯湯水を使用すると、その分だけ水道水が貯湯槽３１の底部に供給される。貯湯槽３１の底部の貯湯水は、水道水の水温とほぼ同じである（水の伝熱はほとんどない。底部の貯湯水が温度上昇するような湯使用状況では燃料電池システムを停止するよう制御しているためである。）。一方、凝縮用冷媒循環回路３５は、各凝縮器５２〜５４で十分な凝縮効果を得るために平均で４５℃以下に保たれ、燃料電池熱媒体は、燃料電池１０の発電に適した６０〜７０℃に保たれる。

図１１に、凝縮用冷媒の温度に対する１００℃飽和蒸気の凝縮率を示す。図１１から明らかなように、凝縮用冷媒を４５℃以下に保つことで、９０％以上の蒸気（潜熱）が回収できるため、効率的な熱回収が可能であることがわかる。実際には凝縮用冷媒循環回路３５では、第２熱交換器３６を通過した後の凝縮用冷媒は、凝縮器を通過する毎に温度が上昇する。そのため、凝縮用冷媒循環回路３５の最高温度（例えば凝縮用冷媒の第２熱交換器３６の入口温度Ｔ３）を４５℃以内とすることで、全体を２５〜４５℃に維持することが可能であり、効果的に潜熱を回収可能である。

貯湯水循環ポンプ３２ａで制御される貯湯水は、燃料電池熱媒体を所定の温度範囲内に保つように制御される。凝縮用冷媒循環回路３５の温度が４５℃であるとする場合、貯湯水の第２熱交換器３６の出口温度は、最も効率よく熱回収した場合でも、４５℃以下となる（例えば約４４℃）。次に、貯湯水が第１熱交換器３４で燃料電池熱媒体から授熱する場合、７０℃弱（例えば６９℃）程度まで昇温することができる。このとき、貯湯水の温度差は、第２熱交換器３６で２４℃（＝４４℃−２０℃）、第１熱交換器３４で２５℃（＝６９℃−４４℃）となり、２つの熱交換器３６，３４での温度差はほぼ同一の値となる。つまり、２つの熱交換器３６，３４での熱交換量が等しいため、効率的な熱回収が可能となる。

以下にその理由を説明する。本発明では、第１凝縮器５１を凝縮用冷媒循環回路３５でなく燃料電池熱媒体循環回路３３に設置した結果、燃料電池熱媒体循環回路３３と凝縮用冷媒循環回路３５の熱量（熱回収量）をほぼ等しくすることができる。下記表１は、第１凝縮器５１を燃料電池熱媒体循環回路３３に設置した場合、各凝縮器５１〜５４および燃料電池１０における設計上回収可能な熱量（熱媒体温度が２０℃基準の場合）と実際に測定した熱量を示すとともに、凝縮用冷媒循環回路３５に設置した場合（従来技術）、各凝縮器５１〜５４および燃料電池１０における実際に測定した熱量を示している。

本実施の形態による構成によれば、燃料電池熱媒体循環回路３３の回収可能熱量は、燃料電池１０の発熱とアノードガス凝縮器５１の熱回収量の合計であり、８５０Ｗである。凝縮用冷媒循環回路３５の回収可能熱量は、各凝縮器５２〜５４の熱回収量の合計であり、７３０Ｗである。一方、従来技術による構成によれば、燃料電池熱媒体循環回路３３の回収可能熱量は、燃料電池１０の発熱のみであり、７００Ｗである。凝縮用冷媒循環回路３５の回収可能熱量は、各凝縮器５１〜５４の熱回収量の合計であり、８８０Ｗである。

したがって、燃料電池熱媒体循環回路３３の回収可能熱量と凝縮用冷媒循環回路３５の回収可能熱量の差は、従来技術に比べて本実施の形態のほうが小さく抑制されている。すなわち、燃料電池熱媒体循環回路３３で得られる熱量と凝縮用冷媒循環回路３５で得られる熱量がほぼ等しくなるため、効率的な熱回収が行われている。

さらに、本実施の形態による構成によれば、実際には、両回路３３，３５を循環する燃料電池熱媒体、凝縮用冷媒は基準温度２０℃より高い温度であるので、各凝縮器５１〜５４、燃料電池１０で得られる熱量は小さくなる。例えば、燃料電池熱媒体循環回路３３で得られる熱量は、燃料電池１０の発熱とアノードガス凝縮器５１の熱回収量の合計であり、７４０Ｗである。凝縮用冷媒循環回路３５で得られる熱量は、各凝縮器５２〜５４の熱回収量の合計であり、６７０Ｗである。しかし、燃料電池１０の燃料極１１を適切な湿度に維持するため、アノードガスの温度を燃料極１１の温度にできるだけ近い温度（６０〜７０℃）に維持する必要があるアノードガス凝縮器５１を、燃料電池熱媒体循環回路３３に配設しているので、凝縮用冷媒循環回路３５を比較的低温（例えば４５℃）に維持することができる。これにより、凝縮用冷媒循環回路３５に配設されている各凝縮器５２〜５４の熱回収能力を高く維持している。

また、従来技術による構成のように、凝縮用冷媒循環回路３５の回収可能熱量が燃料電池熱媒体循環回路３３の回収可能熱量より多い場合、貯湯水流量を燃料電池１０の入口温度Ｔ１（または出口温度Ｔ２）を一定に保つように制御すると、第２熱交換器３６での熱回収量は、凝縮用冷媒循環回路３５が持つ熱量より小さくなる。その結果、凝縮用冷媒循環回路３５の温度は４５℃以上に上昇し、アノードオフガスやカソードオフガス中の水蒸気凝縮量が低下し、排気によって外部排出される熱量が増えることで、全体の熱量がバランスする。

また、本実施の形態による構成にアノードガス凝縮器５１以外の他の凝縮器を燃料電池熱媒体循環回路３３にさらに設けた場合について説明する。この場合、燃料電池熱媒体循環回路３３の回収可能熱量が凝縮用冷媒循環回路３５の回収可能熱量より多いので、燃料電池１０の入口温度Ｔ１（または出口温度Ｔ２）を一定に保つためには貯湯水流量を増大するように制御する。貯湯水流量の増大により、凝縮用冷媒循環回路３５を低温に維持することが可能となる。しかし、他の凝縮器を流通する燃料電池熱媒体の温度は比較的高温（６０〜７０℃）であるため、凝縮潜熱として得られる熱量が低下するので、全体での熱回収量は低下する。したがって、燃料電池熱媒体循環回路３３にアノードガス凝縮器５１以外の他の凝縮器を設けることは全体での熱回収量の点から適当でない。

また、本実施の形態において、燃料電池熱媒体循環回路３３に設ける凝縮器がアノードガス凝縮器５１である理由を説明する。アノードガスが、燃料電池１０の燃料極１１に供給される直前に、燃料電池１０の発電に適切な温度に調整されている燃料電池熱媒体と熱交換することにより、燃料電池熱媒体とすなわち燃料電池１０とほぼ同一温度となる。その結果、燃料極１１に供給されたアノードガス中の水蒸気が結露するのを抑制することができる。したがって、アノードガスと燃料電池熱媒体とを熱交換するアノード凝縮器５１を設けるだけで、アノードガスを適切な温度に調整して燃料極１１に供給しかつ燃料極１１でフラッディングを抑制することができる。

上述した説明から明らかなように、本実施の形態においては、凝縮用冷媒循環回路３５において、燃料オフガス（アノードオフガス）、酸化剤オフガス（カソードオフガス）、燃焼排ガスの少なくとも一つと凝縮用冷媒とが熱交換される。一方、凝縮用冷媒循環回路３５とは別に設けられた燃料電池熱媒体循環回路３３上に配設されている燃料ガス熱交換器（アノードガス凝縮器５１）において、燃料電池熱媒体と燃料ガス（アノードガス）とが熱交換される。これにより、燃料ガスの温度調整を単独で行うことができるので、その温度調整を適切かつ容易に行うことができる。

また、貯湯水循環回路３２を循環する貯湯水は、凝縮用冷媒循環回路３５を循環する凝縮用冷媒、および燃料電池熱媒体循環回路３３を循環する熱媒体（燃料電池熱媒体）とこの順番に熱交換する。これにより、比較的温度の低い凝縮用冷媒循環回路３５および比較的温度の高い燃料電池熱媒体循環回路３３の順番に熱交換を行うため、熱回収効率を向上させることができる。また、２つの熱交換器３４，３６での温度差がほぼ同一となり、最も効率的な熱回収が可能となる。

また、貯湯水循環回路３２の流量は、燃料電池熱媒体循環回路３３の所定場所である燃料電池１０の入口（または出口）を所定温度範囲（例えば６０〜７０℃）に調節するように制御される。これにより、燃料電池１０を迅速に暖機するとともに燃料電池１０の発電効率を高く維持することができる。

また、凝縮用冷媒循環回路３５は、燃料オフガス（アノードオフガス）、酸化剤オフガス（カソードオフガス）の順番に熱交換する。これにより、改質装置２０を加熱するために燃料オフガスの燃焼熱を利用する場合（バーナ２１で燃料オフガスを燃焼しその燃焼ガスで改質部や蒸発部を加熱する場合）、燃料オフガスを先に冷却することで、燃料オフガス中の水蒸気を低減する能力を極力高く維持し、その結果、水蒸気を低減した燃料オフガスをバーナ２１に供給して燃料オフガスの安定燃焼を確保することができる。

また、燃料電池熱媒体循環回路３３上には、電気ヒータ３３ｂが配設されている。これにより、電気ヒータ３３ｂにより迅速に燃料電池熱媒体を昇温しひいては燃料電池１０を早期に暖機することができる。したがって、起動時の燃料電池１０の燃料極１１のフラッディングを抑制することができる。

また、燃料電池熱媒体循環回路３３上には、燃料電池熱媒体と燃料電池１０の燃料極１１に供給される燃料ガス（アノードガス）とが熱交換する燃料ガス熱交換器（アノードガス凝縮器）５１と、燃料電池熱媒体と他の熱媒体（例えば貯湯水）とが熱交換する他熱媒体熱交換器（例えば第１熱交換器３４）と、電気ヒータ３３ｂと、が配設されている。これにより、燃料電池熱媒体を独立して調整することにより、燃料ガスの温度調整を単独で行うことができるので、その温度調整を適切かつ容易に行うことができる。さらに、電気ヒータ３３ｂにより燃料電池熱媒体を迅速に昇温しひいては燃料電池１０を早期に暖機することができる。

また、他熱媒体熱交換器（例えば第１熱交換器３４）は、燃料電池熱媒体と貯湯水循環回路３２を循環する貯湯水とが熱交換する。これにより、燃料電池熱媒体と貯湯水との熱交換により、燃料電池熱媒体の温度を適切に調整することができる。

また、電気ヒータ３３ｂは、燃料電池１０の下流かつ他熱媒体熱交換器（例えば第１熱交換器３４）の上流に配設されている。これにより、燃料電池１０より高温である電気ヒータ３３ｂで昇温された燃料電池熱媒体が他熱媒体熱交換器で降温した後に燃料電池１０に導出できる。したがって、余剰電力が生じた場合、その電力を電気ヒータ３３ｂで消費させても燃料電池１０の温度変動を少なく抑制することができる。

また、電気ヒータ３３ｂは、燃料電池１０で発電された余剰電力を熱に変換する。これにより、逆潮を抑制することができる。

また、燃料電池システムの起動時であって改質装置２０の暖機終了時に燃料電池熱媒体が所定温度以下の場合には（ステップ３０６，３０８）、電気ヒータ３３ｂにより燃料電池熱媒体の暖機を行う（ステップ３１０）。これにより、燃料電池熱媒体が低温である場合（例えば起動時など）でも、燃料電池熱媒体ひいては燃料電池１０を早期に暖機することができ、適切な温度に維持することができる。

また、燃料電池熱媒体循環回路３３において燃料電池１０の入口および出口の少なくとも一方の温度に基づいて燃料電池熱媒体の暖機を行う（図７のフローチャート）。これにより、燃料電池１０を確実に適切な温度に維持することができる。

なお、上述した実施の形態において、凝縮用冷媒循環回路３５には、３つの第２〜第４凝縮器５２〜５４を配設したが、これら凝縮器のうちいずれか２つを配設してもよく、いずれか１つを配設してもよい。

また、上述した実施の形態において、電気ヒータ３３ｂをオンするタイミングは、改質装置２０の暖機終了を予測して、改質装置２０の暖機終了前としてもよい。これによれば、発電運転開始までの暖機時間を短縮することができる。

本発明による燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。 図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。 図２に示す制御装置で実行される制御メインプログラムのフローチャートである。 図２に示す制御装置で実行される発電運転ルーチンのフローチャートである。 図２に示す制御装置で実行される燃料電池熱媒体循環回路に関する制御プログラムのフローチャートである。 図２に示す制御装置で実行される凝縮用冷媒循環回路に関する制御プログラムのフローチャートである。 図２に示す制御装置で実行される貯湯水循環回路に関する制御プログラムのフローチャートである。 図２に示す制御装置で実行される燃料電池熱媒体循環回路に関する制御プログラムのフローチャートである。 図２に示す制御装置で実行される凝縮用冷媒循環回路に関する制御プログラムのフローチャートである。 図２に示す制御装置で実行される貯湯水循環回路に関する制御プログラムのフローチャートである。 凝縮用冷媒の温度と蒸気回収率との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…酸化剤極、２０…改質装置、２１…バーナ、３０…排熱回収システム、３１…貯湯槽、３２…貯湯水循環回路、３２ａ…貯湯水循環ポンプ、３３…燃料電池熱媒体循環回路、３３ａ…第２温度センサ、３３ｂ…電気ヒータ、３３ｃ…燃料電池熱媒体循環ポンプ、３３ｄ…第１温度センサ、３４…第１熱交換器、３５…凝縮用冷媒循環回路、３５ａ…凝縮用冷媒循環ポンプ、３５ｂ…第３温度センサ、４１…カソードガス供給管、４１ａ…カソードガスポンプ、４１ｂ…加湿器、４２…カソードオフガス排気管、４３…アノードガス供給管、４３ａ…アノードガスバルブ、４４…アノードオフガス供給管、４４ａ…アノードオフガスバルブ、４５…バイパス管、４５ａ…バイパスバルブ、４６…燃焼用空気供給管、４６ａ…燃焼用空気ポンプ、４７…燃焼排ガス排気管、４８…改質用燃料供給管、４８ａ…改質用燃料ポンプ、４９…改質水供給管、４９ａ…改質水ポンプ、５１…第１凝縮器（アノードガス凝縮器）、５２…第２凝縮器（アノードオフガス凝縮器）、５３…第３凝縮器（カソードオフガス凝縮器）、５４…第４凝縮器（燃焼排ガス凝縮器）、６０…制御装置。

Claims (11)

1. 燃料極に供給された燃料ガスおよび酸化剤極に供給された酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、
   前記燃料ガスを生成して前記燃料極に供給する改質装置と、
   前記燃料電池と熱交換する燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路と、
   前記燃料極から導出される燃料オフガス、前記酸化剤極から導出される酸化剤オフガス、前記改質装置から排出される燃焼排ガスの少なくとも一つと熱交換する凝縮用冷媒が循環する凝縮用冷媒循環回路と、
   貯湯水を貯湯する貯湯槽と、
   前記凝縮用冷媒循環回路を循環する前記凝縮用冷媒、前記燃料電池熱媒体循環回路を循環する燃料電池熱媒体と熱交換する前記貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池熱媒体循環回路上には、前記燃料電池熱媒体と前記燃料極に供給される前記燃料ガスとが熱交換する燃料ガス熱交換器が配設されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記貯湯水循環回路を循環する前記貯湯水は、前記凝縮用冷媒循環回路を循環する前記凝縮用冷媒、および前記燃料電池熱媒体循環回路を循環する前記熱媒体とこの順番に熱交換することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２において、前記貯湯水循環回路の流量は、前記燃料電池熱媒体循環回路の所定場所を所定温度範囲に調節するように制御されることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、前記凝縮用冷媒循環回路は、前記燃料オフガス、前記酸化剤オフガスの順番に熱交換することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、前記燃料電池熱媒体循環回路上には、電気ヒータが配設されていることを特徴とする燃料電池システム。
6. 燃料極に供給された燃料ガスおよび酸化剤極に供給された酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、
   前記燃料電池と熱交換する燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路と、
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池熱媒体循環回路上には、前記燃料電池熱媒体と前記燃料極に供給される前記燃料ガスとが熱交換する燃料ガス熱交換器と、前記燃料電池熱媒体と他の熱媒体とが熱交換する他熱媒体熱交換器と、電気ヒータと、が配設されていることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項６において、
   前記燃料ガスを生成して前記燃料極に供給する改質装置と、
   前記燃料極から導出される燃料オフガス、前記酸化剤極から導出される酸化剤オフガス、前記改質装置から排出される燃焼排ガスの少なくとも一つと熱交換する凝縮用冷媒が循環する凝縮用冷媒循環回路と、
   貯湯水を貯湯する貯湯槽と、
   前記凝縮用冷媒循環回路を循環する前記凝縮用冷媒、前記燃料電池熱媒体循環回路を循環する燃料電池熱媒体と熱交換する前記貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、をさらに備え、
   前記他熱媒体熱交換器は、前記燃料電池熱媒体と前記貯湯水循環回路を循環する前記貯湯水とが熱交換することを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項６または請求項７において、前記電気ヒータは、前記燃料電池の下流かつ前記他熱媒体熱交換器の上流に配設されていることを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項６乃至請求項８のいずれか一項において、前記電気ヒータは、前記燃料電池で発電された余剰電力を熱に変換することを特徴とする燃料電池システム。
10. 請求項６乃至請求項９のいずれか一項において、前記燃料電池システムの起動時であって前記改質装置の暖機終了時に前記燃料電池熱媒体が所定温度以下の場合には、前記電気ヒータにより前記燃料電池熱媒体の暖機を行うことを特徴とする燃料電池システム。
11. 請求項６乃至請求項１０のいずれか一項において、前記燃料電池熱媒体循環回路において前記燃料電池の入口および出口の少なくとも一方の温度に基づいて前記燃料電池熱媒体の暖機を行うことを特徴とする燃料電池システム。
    
    

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