JP2010062044A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を抑制しつつ燃料電池の排熱を有効に利用可能な燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システム１は、水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池２０と、燃料電池２０で発生した熱を蓄える蓄熱槽４０と、燃料電池２０で発生した熱を媒体ｃ、ｈを介して蓄熱槽４０に搬送すると共に燃料電池２０を冷却する冷却排熱回収系２３であって、媒体ｃ、ｈを流動させる流動装置２２、３２を有する冷却排熱回収系２３と、発電をしているときの燃料電池２０の温度が、春季又は秋季における温度よりも冬季における温度の方が第１の所定の温度高くなるように流動装置２２、３２を制御する制御装置６０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に大型化を抑制しつつ燃料電池の排熱を有効に利用可能な燃料電池システムに関する。

近年の地球環境保全意識の高まりを背景に、地球温暖化抑制に資する燃料電池の普及が期待されている。燃料電池は水素と酸素との電気化学的反応により発電する電力を取り出す装置であり、電気化学的反応を行う際に熱を発生する。燃料電池の発電を継続するには燃料電池を所定の温度に維持する必要があるため、冷却水を供給して発生した熱を奪うことが行われている。そして燃料電池で発生した熱を有効利用すべく、冷却水を供給して奪った熱を貯湯槽に蓄熱し、必要に応じて熱需要に供給するコージェネレーションシステムを構築するのが一般的である（例えば、特許文献１参照。）。多くの地域では、気温が他の季節の気温よりも低くなる冬季に熱需要が増加する傾向にある。従来の燃料電池を備えるシステムは、熱需要が増加する冬季に合わせて貯湯槽の容量を大きくするか、あるいは貯湯槽の容量を大きくせずに、蓄熱すれば利用可能な燃料電池の排熱の蓄熱できない分を棄てていた。
特開２００８−０６６０１６（図１等）

しかしながら、貯湯槽を大きくすると燃料電池を含むユニット全体が大きくなり、特に一般家庭に設置する際の自由度が小さくなってしまっていた。他方、貯湯槽を大きくしない場合は、燃料電池の排熱を有効に利用することができなかった。

本発明は上述の課題に鑑み、大型化を抑制しつつ燃料電池の排熱を有効に利用可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池２０と；燃料電池２０で発生した熱を蓄える蓄熱槽４０と；燃料電池２０で発生した熱を媒体ｃ、ｈを介して蓄熱槽４０に搬送すると共に燃料電池２０を冷却する冷却排熱回収系２３であって、媒体ｃ、ｈを流動させる流動装置２２、３２を有する冷却排熱回収系２３と；発電をしているときの燃料電池２０の温度が、春季又は秋季における温度よりも冬季における温度の方が第１の所定の温度高くなるように流動装置２２、３２を制御する制御装置６０とを備える。

このように構成すると、発電をしているときの燃料電池の温度が、春季又は秋季における温度よりも冬季における温度の方が第１の所定の温度高くなるように流動装置を制御するので、蓄熱槽内の媒体の温度を高くすることができ、蓄熱槽に蓄えられた熱の利用可能な熱量（エクセルギー）が増大すると共に、蓄熱槽に蓄える単位熱量あたりの蓄熱槽の容積を小さくすることができる。

また、本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池２０と；燃料電池２０で発生した熱を蓄える蓄熱槽４０と；燃料電池２０で発生した熱を媒体ｃ、ｈを介して蓄熱槽４０に搬送すると共に燃料電池２０を冷却する冷却排熱回収系２３であって、媒体ｃ、ｈを流動させる流動装置２２、３２を有する冷却排熱回収系２３と；発電をしているときの燃料電池２０の温度が、春季又は秋季における温度よりも夏季における温度の方が第２の所定の温度低くなるように流動装置２２、３２を制御する制御装置６０とを備える。あるいは、上記本発明の第１の態様に係る燃料電池システム１において、制御装置６０が、発電をしているときの燃料電池２０の温度が、春季又は秋季における温度よりも夏季における温度の方が第２の所定の温度低くなるように流動装置２２、３２を制御することとしてもよい。

このように構成すると、発電をしているときの燃料電池の温度が、春季又は秋季における温度よりも夏季における温度の方が第２の所定の温度低くなるように流動装置を制御するので、燃料電池の構成部材の耐久性が低下することを抑制することができ、燃料電池の寿命の低下を抑制することができる。

また、本発明の第３の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様又は第２の態様に係る燃料電池システムにおいて、蓄熱槽４０に蓄えられた熱量の消費量を検出する熱消費量検出手段６５〜６８を備え；制御装置６０が、熱消費量検出手段６５〜６８で検出された熱量の消費量に応じて季節を区別するように構成されている。

このように構成すると、熱消費量検出手段で検出された熱量の消費量に応じて季節を区別するので、消費される分の熱量を蓄熱槽に蓄熱できる燃料電池の運転温度とすることができ、必要とされる蓄熱量に応じて燃料電池の運転温度を適切に調節することが可能となる。

また、本発明の第４の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様又は第２の態様に係る燃料電池システム１において、外気温度を検出する外気温度検出手段８１を備え；制御装置６０が、外気温度検出手段８１で検出された外気温度に応じて季節を区別するように構成されている。

このように構成すると、外気温度検出手段で検出された外気温度に応じて季節を区別するので、燃料電池の運転温度の調節を簡便に行うことができる。

また、本発明の第５の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様又は第２の態様に係る燃料電池システム１において、暦を認識するカレンダー８２を備え；制御装置６０が、カレンダー８２に基づいた暦に応じて季節を区別するように構成されている。

このように構成すると、カレンダーに基づいた暦に応じて季節を区別するので、燃料電池の運転温度の調節を簡便に行うことができる。

また、本発明の第６の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様乃至第５の態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池システム１において、前記冷却排熱回収系が、媒体ｃが燃料電池２０に導入されて燃料電池２０を冷却する冷却水系２１と、媒体ｈが蓄熱槽４０に導入されて蓄熱槽４０に熱を搬送する排熱回収水系３１と、冷却水系２１の媒体ｃと排熱回収水系３１の媒体ｈとで熱交換を行わせる熱交換器３０とを含んで構成され；冷却水系２１の燃料電池２０から導出された媒体ｃの温度を検出する冷却水温度検出手段６３をさらに備え；冷却水温度検出手段６３で検出された温度に基づいて流動装置２２を制御することにより、発電をしているときの燃料電池２０の温度を調節するように構成されている。

このように構成すると、燃料電池の耐久性に影響を与える冷却水系の媒体の温度を制御対象とすることができ、燃料電池の寿命の低下を抑制する制御を直接的に行うことが可能となる。

本発明によれば、発電をしているときの燃料電池の温度が、春季又は秋季における温度よりも冬季における温度の方が第１の所定の温度高くなるように流動装置を制御するので、蓄熱槽内の媒体の温度を高くすることができ、蓄熱槽に蓄えられた熱の利用可能な熱量（エクセルギー）が増大すると共に、蓄熱槽に蓄える単位熱量あたりの蓄熱槽の容積を小さくすることができる。

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。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。

まず図１を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１を説明する。図１は、燃料電池システム１の模式的系統図である。燃料電池システム１は、燃料電池２０と、冷却水系を構成する冷却水ライン２１と、排熱回収水系を構成する排熱回収水ライン３１と、冷却水ライン２１を流れる冷却水ｃと排熱回収水ライン３１を流れる排熱回収水ｈとで熱交換を行わせる熱交換器３０と、蓄熱槽としての貯湯槽４０と、制御装置６０とを備えている。冷却水ｃ及び排熱回収水ｈは、燃料電池２０で発生した熱を貯湯槽４０へと搬送する媒体として機能する。また、冷却水系及び排熱回収水系は、熱交換器３０と共に冷却排熱回収系２３を構成する。

燃料電池２０は、水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱するものであり、典型的には固体高分子型燃料電池である。燃料電池２０は、改質器（不図示）で生成された改質ガスｇを導入する燃料極２０ａと、酸化剤ガスｔを導入する空気極２０ｃと、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部２０ｒとを含んで構成されている。改質器（不図示）は、原料とプロセス水とを導入し水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスｇを生成する機器である。原料は、典型的には、メタン、エタン、ＬＰＧ等の鎖式炭化水素（天然ガスも含む）、あるいはメタノール、石油製品（灯油、ガソリン、ナフサ等）等の炭化水素を主成分とする混合物等の炭化水素系の原料である。改質ガスｇは、水素を４０％以上、典型的には７５％程度含み、一酸化炭素濃度がおよそ１０ｐｐｍ以下程度のガスである。改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度をこのような値まで低減させるのは、一酸化炭素によって被毒する燃料極２０ａの電極触媒が、被毒しないようにするためである。酸化剤ガスｔは、典型的には空気である。燃料電池２０は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜を燃料極２０ａと空気極２０ｃとで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部２０ｒを介し複数枚積層して構成されている。

燃料電池２０では、燃料極２０ａに供給された改質ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過して空気極２０ｃに移動すると共に電子が燃料極２０ａと空気極２０ｃとを結ぶ導線を通って空気極２０ｃに移動して、空気極２０ｃに供給された酸化剤ガスｔ中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応で発生した熱は、冷却部２０ｒに供給される冷却水ｃによって除去される。換言すれば、燃料電池２０は冷却水ｃにより冷却される。また、この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。燃料電池２０は、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナー（不図示）を介して、商用電源９８及び電力負荷９９とそれぞれ電気的に接続されている。

固体高分子型の燃料電池２０は、一般に、発電を行っているときの温度（運転温度）が低い方が、固体高分子膜及びセルのシール材の耐久性の低下が抑制される（例えば、アレニウスプロットによる寿命予測に基づく）。発電を行っているときの燃料電池２０の温度は、典型的には、冷却水ｃとの交換熱量に依存する。

熱交換器３０は、燃料電池２０を冷却する冷却水ｃと、燃料電池２０で発生した熱を貯湯槽４０に蓄える媒体である排熱回収水ｈとの間で熱交換を行う機器であり、典型的にはプレート型熱交換器が用いられる。熱交換器３０は、冷却水ｃと排熱回収水ｈとが混合することがないように構成されている。熱交換器３０は、燃料電池２０から受熱して温度が上昇した冷却水ｃと冷却水ｃよりも温度が低い排熱回収水ｈとがカウンターフローにより熱交換し、燃料電池２０で発生した熱を冷却水ｃから排熱回収水ｈに伝達するように構成されている。熱交換器３０を用いて冷却水ｃと排熱回収水ｈとを別系統の流れとすることにより、冷却水ｃ及び排熱回収水ｈの水質を個別に管理することが可能となる。

貯湯槽４０は、燃料電池２０における電気化学的反応の際に発生した熱を、排熱回収水ｈを媒体として蓄える機器である。貯湯槽４０は、典型的には鉛直方向に長く耐食性に富む容器で形成されている。鉛直方向に長く形成されていることにより、内部に貯留される排熱回収水ｈの温度が上部から下部に向かうにしたがって低くなる温度成層の形成が容易になる。なお、排熱回収水ｈを媒体として貯湯槽４０に蓄えられた熱は、給湯や暖房機器（床暖房やファンコイルユニット等）などの熱需要（不図示）にて任意の時間に利用される。貯湯槽４０には、蓄えられている排熱回収水ｈを供給温水Ｗｐとして給湯や暖房機器などの熱需要に供給するための温水往管４２が上部に、暖房機器等で熱が利用されて温度が低下した戻り温水Ｗｑを導入する温水還管４３が下部に、給湯等で消費された温水分の水を補充するために補給水Ｗｓ（例えば市水等）を導入する補給水管４８が下部に、それぞれ接続されている。供給温水Ｗｐ、戻り温水Ｗｑ、及び排熱回収水ｈは、用途に応じて呼称を区別したものであり、物質として見れば同じものであって、貯湯槽４０内では混合される。

温水往管４２には、典型的には、熱需要に向けて供給される供給温水Ｗｐを加熱昇温する不図示の加熱器（例えば追い焚き器）が配設されている。また、温水往管４２には、熱需要に向けて供給される供給温水Ｗｐの流量を検出する流量計６５が設けられている。また、加熱器（不図示）よりも下流側の温水往管４２には、熱需要に向けて供給される供給温水Ｗｐの温度を検出する温水往管温度センサ６６が設けられている。温水還管４３には、熱需要において熱が利用され温度が低下して貯湯槽４０へ戻ってきた戻り温水Ｗｑの温度を検出する温水還管温度センサ６７が設けられている。補給水管４８には、貯湯槽４０に補充される補給水Ｗｓの量を計測する水量検出手段としての量水器６８が設けられている。なお、温水往管４２から導出された供給温水Ｗｐと補給水管４８から導入される補給水Ｗｓの量とが同じになる場合は、補給水管４８及び量水器６８を設けなくてもよい。

燃料電池２０の冷却部２０ｒと熱交換器３０とは、内部に冷却水ｃを流す冷却水ライン２１で接続されている。燃料電池２０と熱交換器３０とが冷却水ライン２１で接続されることにより、冷却水ｃがこれらの間を循環する循環流路が形成される。冷却水ライン２１は、燃料電池２０から熱交換器３０へと冷却水ｃを流す第１冷却水ライン２１Ａと、熱交換器３０から燃料電池２０へと冷却水ｃを流す第２冷却水ライン２１Ｂとを有している。以下、第１冷却水ライン２１Ａと第２冷却水ライン２１Ｂとを特に区別する必要がない場合はこれらを総称して単に「冷却水ライン２１」という。第１冷却水ライン２１Ａには、冷却部２０ｒから導出された冷却水ｃの温度を検出する冷却水温度検出手段としての冷却水出口温度センサ６３が設けられている。冷却水出口温度センサ６３は、冷却部２０ｒ近傍の第１冷却水ライン２１Ａに設けられていることが好ましい。あるいは、冷却水出口温度センサ６３は、冷却水ｃの出口部分の冷却部２０ｒに設けられていてもよい。第２冷却水ライン２１Ｂには冷却水ｃを循環させる流動装置としての冷却水ポンプ２２が挿入配置されている。なお、冷却水ポンプ２２は第１冷却水ライン２１Ａに挿入配置されてもよいが、燃料電池２０保護の観点から冷却部２０ｒが負圧になることを回避するために第２冷却水ライン２１Ｂに挿入配置されることが好ましい。また、第２冷却水ライン２１Ｂには、冷却部２０ｒに導入される冷却水ｃの温度を検出する冷却水入口温度センサ６４が設けられている。本実施の形態では、冷却水入口温度センサ６４が、冷却水ポンプ２２と熱交換器３０との間の第２冷却水ライン２１Ｂに設けられているが、冷却部２０ｒ近傍の第２冷却水ライン２１Ｂに設けられていてもよく、冷却水ｃの入口部分の冷却部２０ｒに設けられていてもよい。

熱交換器３０と貯湯槽４０とは、内部に排熱回収水ｈを流す排熱回収水ライン３１で接続されている。熱交換器３０と貯湯槽４０とが排熱回収水ライン３１で接続されることにより、排熱回収水ｈがこれらの間を循環する循環流路が形成される。排熱回収水ライン３１は、熱交換器３０から貯湯槽４０へと排熱回収水ｈを流す第１排熱回収水ライン３１Ａと、貯湯槽４０から熱交換器３０へと排熱回収水ｈを流す第２排熱回収水ライン３１Ｂとを有している。以下、第１排熱回収水ライン３１Ａと第２排熱回収水ライン３１Ｂとを特に区別する必要がない場合はこれらを総称して単に「排熱回収水ライン３１」という。第１排熱回収水ライン３１Ａは、好ましくは貯湯槽４０の上部で、より好ましくは貯湯槽４０の頂部で貯湯槽４０に接続されており、第２排熱回収水ライン３１Ｂは、好ましくは貯湯槽４０の下部で、より好ましくは貯湯槽４０の底部で貯湯槽４０に接続されている。このように接続されることで、貯湯槽４０の内部に貯留される排熱回収水ｈの温度成層の形成が容易になる。第２排熱回収水ライン３１Ｂには排熱回収水ｈを循環させる流動装置としての排熱回収水ポンプ３２が挿入配置されている。なお、排熱回収水ポンプ３２は第１排熱回収水ライン３１Ａに挿入配置されてもよい。

第１排熱回収水ライン３１Ａと、排熱回収水ポンプ３２よりも上流側の第２排熱回収水ライン３１Ｂとは、バイパスライン３５で接続されている。バイパスライン３５は、第１排熱回収水ライン３１Ａを流れる排熱回収水ｈを、貯湯槽４０に流入させずに（貯湯槽４０をバイパスして）第２排熱回収水ライン３１Ｂへ導く流路である。第１排熱回収水ライン３１Ａとバイパスライン３５との接続部分には、第１排熱回収水ライン３１Ａを流れる排熱回収水ｈを貯湯槽４０に流入させるのと、貯湯槽４０をバイパスして第２排熱回収水ライン３１Ｂに流入させるのとを切り替える切替手段としての三方弁６２が配設されている。三方弁６２は、三方弁６２と貯湯槽４０との間の距離ができるだけ短くなるように配設されていることが好ましい。三方弁６２は制御装置６０からの信号を受信して電動で流路を切り替えることができるように構成されている。第１排熱回収水ライン３１Ａには、三方弁６２の直近上流に、排熱回収水ｈの温度を検出する温度検出器としてのバイパス温度センサ６１が設けられている。

制御装置６０は、燃料電池システム１の運転を制御する。制御装置６０は冷却水ポンプ２２及び排熱回収水ポンプ３２とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、冷却水ポンプ２２及び排熱回収水ポンプ３２の発停や回転数をそれぞれ制御することができるように構成されている。また、制御装置６０は三方弁６２と信号ケーブルで接続されており、信号を送信して三方弁６２の流路を切り替えることができるように構成されている。また、制御装置６０はバイパス温度センサ６１、冷却水出口温度センサ６３、冷却水入口温度センサ６４、温水往管温度センサ６６、温水還管温度センサ６７とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、各温度センサ６１、６３、６４、６６、６７から温度信号をそれぞれ受信することができるように構成されている。また、制御装置６０は流量計６５及び量水器６８とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、流量計６５及び量水器６８から流量信号をそれぞれ受信することができるように構成されている。燃料電池システム１は、外気温度を検出する外気温度検出手段としての外気温度センサ８１を備えている。制御装置６０は外気温度センサ８１と信号ケーブルで接続されており、外気温度センサ８１から温度信号を受信することができるように構成されている。また、燃料電池システム１は、暦を認識するカレンダー８２を備えている。カレンダー８２は、典型的にはコンピュータに組み込まれ、データとして時を刻むように構成されている。制御装置６０はカレンダー８２との間でデータの授受を行うことができるように構成されている。制御装置６０とカレンダー８２とは一体に構成されていてもよい。

引き続き図１を参照して、燃料電池システム１の作用を説明する。まず、燃料電池システム１の中間季（春季又は秋季）の作用について説明する。電力負荷９９において電力需要が発生すると、制御装置６０は燃料電池２０が発電を行うように燃料電池システム１を制御する。このとき燃料電池２０には、燃料極２０ａに改質ガスｇが導入され、空気極２０ｃに酸化剤ガスｔが導入されて、燃料電池２０では改質ガスｇ中の水素と酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電が行われる。燃料電池２０で発電された電力は直流電力であるため、パワーコンディショナー（不図示）にて交流電力に変換された後に電力需要９９に供給される。制御装置６０は、典型的には電力需要９９における消費電力よりも所定の容量（例えば１００ｗ）だけ少ない電力を燃料電池２０で発電するように燃料電池２０に導入される改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔの流量を制御する。電力需要９９が燃料電池２０から電力の供給を受けてなお不足する電力は、商用電源９８から供給を受けることで補われる。燃料電池２０は、その性質上、電力需要の急峻な変動に追従することが困難であるため、電力需要９９における消費電力よりも所定の容量だけ少ない電力を発電することにより、燃料電池２０で発電した電力が商用電源系統に逆潮流することを防いでいる。なお、仮に燃料電池２０における発電電力が電力需要９９の消費電力を上回った場合に対応するため、上回った分の電力（余剰電力）を熱に変換することで余剰電力を逆潮流させずに消費させる電気ヒータ（不図示）を設けてもよい。

燃料電池２０は、発電が行われるのに伴い熱が発生する。制御装置６０は、改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔが燃料電池２０に導入されたら、冷却水ポンプ２２及び排熱回収水ポンプ３２を起動する。また、制御装置６０は、三方弁６２に信号を送信して、当初は排熱回収水ｈがバイパスライン３５を流れるように三方弁６２の通水方向を設定し、バイパス温度センサ６１で検出された温度が熱需要で利用可能な温度（例えば４５〜５０℃の任意の温度）以上のときは貯湯槽４０に流入するように三方弁６２の通水方向を切り替える。冷却水ポンプ２２が起動されることにより冷却水ｃが冷却水ライン２１を循環する。これにより、燃料電池２０の冷却部２０ｒに導入された冷却水ｃは燃料電池２０から熱を奪って温度が上昇し、他方、燃料電池２０は冷やされる。燃料電池２０は、冷却水ｃで冷却されることにより発電に適した温度に維持される。燃料電池２０の熱を奪って温度が上昇した冷却水ｃは、熱交換器３０で排熱回収水ｈと熱交換して燃料電池２０を冷却可能な程度に温度が低下し、他方、排熱回収水ｈの温度は上昇する。温度が低下した冷却水ｃは、再び冷却部２０ｒに導入されて燃料電池２０で発生した熱を奪う、というように冷却水ライン２１を循環する。このとき、制御装置６０は、冷却水出口温度センサ６３で検出された温度が中間季の所定の温度（例えば７５℃）になるように冷却水ポンプ２２の吐出流量を調節し、冷却水入口温度センサ６４で検出された温度が中間季の所定の温度（例えば６５℃）になるように排熱回収水ポンプ３２の吐出流量を調節する。このように調節することで、燃料電池２０の温度を安定させることができ、燃料電池２０を安定して運転させることができる。

熱交換器３０で冷却水ｃと熱交換することにより温度が上昇した排熱回収水ｈは、その後貯湯槽４０の上部に流入する。他方、貯湯槽４０の下部からは、熱交換器３０に導入される冷却水ｃよりも温度が低い排熱回収水ｈが導出される。貯湯槽４０の下部から導出された排熱回収水ｈは、熱交換器３０に導入され、冷却水ｃと熱交換を行って温度が上昇する。貯湯槽４０には温度が高い排熱回収水ｈが上部から導入されることにより、温度成層が形成される。なお、形成された温度成層をできるだけ乱さないようにする観点から、貯湯槽４０に導入される排熱回収水ｈの動圧はできるだけ小さい方がよい。

貯湯槽４０に蓄えられた温度が高い排熱回収水ｈは、温水往管４２を介して給湯や暖房機器（床暖房やファンコイルユニット等）などの熱需要（不図示）に供給温水Ｗｐとして供給される。熱需要に供給される供給温水Ｗｐの温度が熱需要において利用される温度よりも低下している場合は、加熱器（不図示）で加熱される。熱需要に供給された供給温水Ｗｐは、例えば、暖房機器等の熱を利用して物質としての水を消費しない場所に供給された場合は、暖房機器等において熱が利用されて温度が低下した後に戻り温水Ｗｑとして温水還管４３を介して貯湯槽４０の下部に戻される。給湯等の物質としての水の消費を伴う場所に供給された場合は、給湯等に利用されて消費された分の水が補給水Ｗｓとして補給水管４８を介して貯湯槽４０の下部に補充される。これらにより、貯湯槽４０の下部から流出する排熱回収水ｈは、熱交換器３０に導入される冷却水ｃよりも温度が低くなる。貯湯槽４０に補給された水量の情報は、信号として制御装置６０に送信される。

ここで、貯湯槽４０に貯留される排熱回収水ｈは、熱利用の観点からは温度が高いほど利用価値が高くなる。貯湯槽４０に流入する排熱回収水ｈの温度が上昇すると、貯湯槽４０への蓄熱量を増やすことができ、あるいは蓄熱量を変えずに貯湯槽４０を小さくすることができると共に、利用可能な熱量（エクセルギー）が増大することとなるからである。貯湯槽４０に流入する排熱回収水ｈの温度は、燃料電池２０の運転温度を高くすることによって高くすることができる。しかしながら、上述のように、燃料電池２０の運転温度が低い方が、固体高分子膜及びセルのシール材の耐久性の低下が抑制される。例えば一般家庭用の燃料電池システムは、少なくとも１０年の耐久性を有することが好ましいところ、寿命を延ばす観点から、燃料電池の耐久性の低下を抑制する運転を行うことが好ましい。燃料電池システム１では、上記の相反する利点を最大限に生かすため、以下のような制御を行う。

図２は、燃料電池システム１の制御を説明するフローチャートである。燃料電池システム１は、一般的に熱需要が増加する冬季に燃料電池２０の運転温度を中間季（春季及び秋季）の温度よりも第１の所定の温度高くなるようにし、一般的に熱需要が減少する夏季に燃料電池２０の運転温度を中間季の温度よりも第２の所定の温度低くなるようにしている。燃料電池２０の運転温度の変動幅と、貯湯槽４０に流入する排熱回収水ｈの温度の変動幅とを同じにした場合は、貯湯槽４０に流入する排熱回収水ｈの温度も燃料電池２０の運転温度に応じて上昇又は低下する。また、「第１の所定の温度」は、任意の値とすることができるが、燃料電池２０の上限運転温度内で、熱需要で消費できる範囲の蓄熱量とする排熱回収水ｈの最高温度にできるだけ近づけつつ、燃料電池２０に導入される冷却水ｃの温度を、燃料電池２０の耐久性に過度の悪影響を及ぼすことなく燃料電池２０を継続して運転可能に冷却できる温度とすることができる範囲で決定するのが好ましい。「第２の所定の温度」は、任意の値とすることができるが、熱需要の消費熱量をできるだけ燃料電池２０の排熱で賄えるようにすること（燃料電池２０の運転温度を高くする方向に働く）と、固体高分子膜及びセルのシール材の耐久性の低下の抑制の効果をできるだけ高めるようにすること（燃料電池２０の運転温度を低くする方向に働く）とのバランスを考慮して決定するのが好ましい。燃料電池２０の運転温度を冬季に高くして、冬季以外は中間季の運転温度以下にすることにより、燃料電池システム１の大型化を抑制しつつ燃料電池２０の排熱を有効利用でき、また年間を通じて燃料電池２０の運転温度を高くするよりは燃料電池２０の寿命を延ばすことができる。また、燃料電池２０の運転温度を夏季に低くして、夏季以外は中間季の運転温度以上にすることにより、燃料電池２０の寿命を延ばすことが可能になる。

燃料電池システム１の運転中、制御装置９９は、温水往管温度センサ６６で検出された温度と温水還管温度センサ６７で検出された温度との差、及び流量計６５で検出された供給温水Ｗｐの流量、並びに量水器６８で検出された補給水Ｗｓの流量及びあらかじめ制御装置９９に記憶されている季節ごとの補給水Ｗｓの温度から熱需要で消費された熱量を算出し、算出された熱量の値をあらかじめ制御装置９９に記憶されている季節ごとの消費熱量と比較して、冬季か否かを判断する（ＳＴ１）。冬季であれば、冷却水出口温度センサ６３で検出された冷却水ｃの温度が中間季よりも第１の所定の温度（本実施の形態では１０℃）高くなるように冷却水ポンプ２２及び排熱回収水ポンプ３２の吐出流量を調節する（ＳＴ２）。本実施の形態では、冷却水出口温度センサ６３で検出された温度が８５℃になるように冷却水ポンプ２２の吐出流量を調節し、冷却水入口温度センサ６４で検出された温度が７５℃になるように排熱回収水ポンプ３２の吐出流量を調節している。このようにすると、貯湯槽４０への蓄熱量を増大すること又は蓄熱量を変えずに貯湯槽４０を小さくすることができると共に貯湯槽４０内の排熱回収水ｈの温度が上昇するため供給温水Ｗｐの温度を高くすることができ、利用可能な熱量を増大させることができる。

冬季か否かを判断する工程（ＳＴ１）において冬季でないと判断したら、上述した要領により、熱需要において消費された熱量を算出し、算出された熱量の値をあらかじめ制御装置９９に記憶されている季節ごとの消費熱量と比較して、夏季か否かを判断する（ＳＴ３）。夏季であれば、冷却水出口温度センサ６３で検出された冷却水ｃの温度が中間季よりも第２の所定の温度（本実施の形態では１０℃）低くなるように冷却水ポンプ２２及び排熱回収水ポンプ３２の吐出流量を調節する（ＳＴ４）。本実施の形態では、冷却水出口温度センサ６３で検出された温度が６５℃になるように冷却水ポンプ２２の吐出流量を調節し、冷却水入口温度センサ６４で検出された温度が５５℃になるように排熱回収水ポンプ３２の吐出流量を調節している。このようにすると、燃料電池２０の固体高分子膜及びセルのシール材の耐久性の低下を抑制することができ、燃料電池システム１の寿命を延ばすことができる。

夏季か否かを判断する工程（ＳＴ３）において夏季でないと判断したら、設定温度の変更は行わず、冷却水出口温度センサ６３で検出された冷却水ｃの温度を中間季の設定温度に維持する（ＳＴ５）。本実施の形態では、冷却水出口温度センサ６３で検出された温度が７５℃になるように冷却水ポンプ２２の吐出流量を調節し、冷却水入口温度センサ６４で検出された温度が６５℃になるように排熱回収水ポンプ３２の吐出流量を調節している。冷却水ｃの温度を調節することにより貯湯槽４０に流入する排熱回収水ｈの温度を中間季よりも第１の所定の温度高くする工程（ＳＴ２）、冷却水ｃの温度を調節することにより貯湯槽４０に流入する排熱回収水ｈの温度を中間季よりも第２の所定の温度低くする工程（ＳＴ４）、又は中間季の設定温度に維持する工程（ＳＴ５）の後は、それぞれ再び冬季か否かを判断する工程（ＳＴ１）に戻る。

以上の説明では、熱需要で消費された熱量を算出し、算出された熱量の値をあらかじめ制御装置９９に記憶されている季節ごとの消費熱量と比較して季節を判断することとしたが、熱需要の消費熱量に基づいて季節を判断することに代えて、外気温度センサ８１で検出した温度をあらかじめ制御装置９９に記憶されている季節ごとの外気温度と比較して季節を判断することとしてもよく、あるいはカレンダー８２で把握される暦をあらかじめ制御装置９９に記憶されている季節と暦との対応関係と比較して季節を判断することとしてもよい。熱需要の消費熱量に基づいて季節を判断すると、燃料電池２０の運転を消費熱量とバランスのとれた温度で行うことができ、この場合は外気温度センサ８１及びカレンダー８２を省略してもよい（設けなくてもよい）。外気温度に基づいて季節を判断する場合は、流量計６５、温水往管温度センサ６６、及び温水還管温度センサ６７、並びにカレンダー８２を省略することができ、季節を判断するために必要な構成が簡便になる。カレンダー８２に基づいて季節を判断する場合は、流量計６５、温水往管温度センサ６６、及び温水還管温度センサ６７、並びに外気温度センサ８１を省略することができ、季節を判断するために必要な構成が簡便になる。

以上の説明では、夏季の場合に設定温度を中間季よりも第２の所定の温度低くすることとしたが、例えば夏季であっても熱需要が減少しない場合は、図２におけるフローチャートの夏季か否かを判断する工程（ＳＴ３）及び設定温度を中間季よりも第２の所定の温度低くする工程（ＳＴ４）を省略して、冬季か否かを判断する工程（ＳＴ１）において冬季でないと判断した場合に中間季の設定温度に維持する工程（ＳＴ５）に進むように構成してもよい。つまり、夏季における燃料電池２０の運転温度を、第２の所定の温度低くせずに、中間季と同じ温度としてもよい。

また、例えば冬季であっても熱需要が増加しない等、利用可能な熱量を増やさなくてもよい場合は、図２におけるフローチャートの冬季か否かを判断する工程（ＳＴ１）及び設定温度を中間季よりも第１の所定の温度高くする工程（ＳＴ２）を省略して、夏季か否かを判断する工程（ＳＴ３）から制御を始めて、設定温度を中間季よりも第２の所定の温度低くする工程（ＳＴ４）、又は中間季の設定温度に維持する工程（ＳＴ５）の後に、それぞれ再び夏季か否かを判断する工程（ＳＴ３）に戻るように構成してもよい。つまり、冬季における燃料電池２０の運転温度を、第１の所定の温度高くせずに、中間季と同じ温度としてもよい。この場合、夏季に燃料電池２０の運転温度を第２の所定の温度低くするので、燃料電池２０の寿命を延ばすことが可能になる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの模式的系統図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの作用を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２０ 燃料電池
２２ 冷却水ポンプ
２３ 冷却排熱回収系
３０ 熱交換器
３２ 排熱回収水ポンプ
４０ 蓄熱槽
６０ 制御装置
６３ 冷却水出口温度センサ
６５ 流量計
６６ 温水往管温度センサ
６７ 温水還管温度センサ
６８ 量水器
８１ 外気温度センサ
８２ カレンダー
ｃ 冷却水
ｈ 排熱回収水

Claims (6)

1. 水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池と；
   前記燃料電池で発生した熱を蓄える蓄熱槽と；
   前記燃料電池で発生した熱を媒体を介して前記蓄熱槽に搬送すると共に前記燃料電池を冷却する冷却排熱回収系であって、前記媒体を流動させる流動装置を有する冷却排熱回収系と；
   発電をしているときの前記燃料電池の温度が、春季又は秋季における温度よりも冬季における温度の方が第１の所定の温度高くなるように前記流動装置を制御する制御装置とを備える；
   燃料電池システム。
2. 水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池と；
   前記燃料電池で発生した熱を蓄える蓄熱槽と；
   前記燃料電池で発生した熱を媒体を介して前記蓄熱槽に搬送すると共に前記燃料電池を冷却する冷却排熱回収系であって、前記媒体を流動させる流動装置を有する冷却排熱回収系と；
   発電をしているときの前記燃料電池の温度が、春季又は秋季における温度よりも夏季における温度の方が第２の所定の温度低くなるように前記流動装置を制御する制御装置とを備える；
   燃料電池システム。
3. 前記蓄熱槽に蓄えられた熱量の消費量を検出する熱消費量検出手段を備え；
   前記制御装置が、前記熱消費量検出手段で検出された熱量の消費量に応じて季節を区別するように構成された；
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 外気温度を検出する外気温度検出手段を備え；
   前記制御装置が、前記外気温度検出手段で検出された外気温度に応じて季節を区別するように構成された；
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 暦を認識するカレンダーを備え；
   前記制御装置が、前記カレンダーに基づいた暦に応じて季節を区別するように構成された；
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 前記冷却排熱回収系が、前記媒体が前記燃料電池に導入されて前記燃料電池を冷却する冷却水系と、前記媒体が前記蓄熱槽に導入されて前記蓄熱槽に熱を搬送する排熱回収水系と、前記冷却水系の媒体と前記排熱回収水系の媒体とで熱交換を行わせる熱交換器とを含んで構成され；
   前記冷却水系の前記燃料電池から導出された媒体の温度を検出する冷却水温度検出手段をさらに備え；
   前記冷却水温度検出手段で検出された温度に基づいて前記流動装置を制御することにより、発電をしているときの前記燃料電池の温度を調節するように構成された；
   請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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