JP2010272342A - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】排気ガスの温度を低下させ、排気ガスに含まれる水分を低減させ、冬季や寒冷地であっても、排気ガスが白煙となって外気に放出されることを抑制させる固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【解決手段】制御部１００は、排気ガス温度センサ２０１で検知した排気ガスの温度Ｔに基づいて水搬送源７２のポンプ出力を制御し、排気ガスの温度Ｔが相対的に高いとき、水搬送源７２のポンプ出力を増加させて熱交換器７４における熱交換量を増加させる。制御部１００は、排気ガスの温度Ｔが相対的に低いとき、水搬送源７２のポンプ出力を減少またはゼロとさせて熱交換器７４における熱交換量を減少させるかゼロとさせる。
【選択図】図１
【解決手段】制御部１００は、排気ガス温度センサ２０１で検知した排気ガスの温度Ｔに基づいて水搬送源７２のポンプ出力を制御し、排気ガスの温度Ｔが相対的に高いとき、水搬送源７２のポンプ出力を増加させて熱交換器７４における熱交換量を増加させる。制御部１００は、排気ガスの温度Ｔが相対的に低いとき、水搬送源７２のポンプ出力を減少またはゼロとさせて熱交換器７４における熱交換量を減少させるかゼロとさせる。
【選択図】図１
Description
本発明は、燃料電池の発電運転により発生した排気ガスを通過させる排気ガス通路を有する固体酸化物形燃料電池システムに関する。
特許文献１には、燃料電池と、貯湯タンクと、熱交換器とを有する燃料電池システムが開示されている。このものによれば、燃料電池からの高温の排気ガスと貯湯タンクの水とを熱交換器により熱交換させて、水を温水とさせる。特許文献２には、燃料電池と、貯湯タンクと、熱交換器と、循環ポンプと、熱交換器の入口水温および出口水温を検知する温度センサとを有する燃料電池システムが開示されている。このものによれば、熱交換器の出口水温が入口水温よりも所定温度以上高くなるように循環ポンプを制御し、熱交換器から吐出された温水の温度を安定的に維持させることにしている。
特許文献３には、燃料電池と、貯湯タンクと、熱交換器と、熱交換器に水を循環させる循環ポンプと、循環ポンプの回転数を検知する回転数センサと、循環流量を検知する流量センサとを有する燃料電池システムが開示されている。このものによれば、制御部は、回転数センサから水の理論流量を求め、流量センサで水の実流量を求め、実流量が理論流量よりも小さいとき、循環ポンプの出力を強制的に増加させる。
上記した技術によれば、燃料電池システムから排出される高温の排気ガスから熱回収して貯湯タンクに温水として溜める旨の記載が認められるものの、熱交換器から吐出された排気ガスの温度が高温であるか低温であるかについては、必ずしもわからない。外気に吐出された排気ガスの温度が高温であると、排気ガスに含まれている水分が外気に捨てられることになり、排気ガスに含まれている水分が充分にシステム内に改質水として回収されていないことになる。この場合、システムに改質水として水道水などから水を補給させる補給操作の頻度が増加するおそれがある。更に、水分を多く含む排気ガスが排気ガスの排気口から外気に放出されると、冬季や寒冷地では、排気ガスが排気口から白煙となって外気に放出され易くなるおそれがある。
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池が発電運転しているとき、外気に排出される排気ガスの温度を低下させ、外気に排出される排気ガスに含まれる水分を低減させ、冬季や寒冷地であっても、排気ガスが白煙となって外気に放出されることを抑制するのに有利な固体酸化物形燃料電池システムを提供することを課題とする。
（１）様相１に係る固体酸化物形燃料電池システムは、燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、改質器で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電される固体酸化物形の燃料電池と、燃料電池の発電運転に伴って発生した排気ガスを通過させて排気口から排出させる排気ガス通路と、貯湯タンクと貯湯タンクに対して循環する循環通路と循環通路の水を循環させる水搬送源とをもつ貯湯系と、排気ガス通路および循環通路に設けられ排気ガス通路を流れる排気ガスと循環通路を流れる水とを熱交換させて循環通路の水を加熱させて温水とする熱交換器と、熱交換器で熱交換される排気ガスの温度を検知する排気ガス温度センサと、排気ガス温度センサの温度信号が入力される制御部とを具備しており、
制御部は、排気ガス温度センサで検知した排気ガスの温度に基づいて水搬送源の駆動出力を制御し、排気ガスの温度がこれの目標温度よりも相対的に高いとき、水搬送源の駆動出力を増加させて熱交換器における熱交換量を増加させ、且つ、排気ガスの温度が相対的に低いとき、水搬送源の駆動出力を減少またはゼロとさせて熱交換器における熱交換量を減少させるかゼロとさせる制御部とを具備する。
制御部は、排気ガス温度センサで検知した排気ガスの温度に基づいて水搬送源の駆動出力を制御し、排気ガスの温度がこれの目標温度よりも相対的に高いとき、水搬送源の駆動出力を増加させて熱交換器における熱交換量を増加させ、且つ、排気ガスの温度が相対的に低いとき、水搬送源の駆動出力を減少またはゼロとさせて熱交換器における熱交換量を減少させるかゼロとさせる制御部とを具備する。
様相１によれば、排気ガスの温度が相対的に低いときとは、排気ガスの温度が目標温度よりも相対的に低いときを意味する。排気ガスの温度が相対的に高いときとは、排気ガスの温度が目標温度よりも相対的に高いときを意味する。目標温度はシステムや発電条件やシステムの設置場所等に応じて適宜選択される。例えば冬季や寒冷地等であっても、排気口から外気に排出される排気ガスが白煙化しないように、目標温度が設定されることが好ましい。
排気ガス温度センサで検知した排気ガスの温度に基づいて、制御部は、水搬送源の駆動出力を制御する。すなわち、制御部は、排気ガス温度センサで検知された排気ガスの温度が目標温度よりも相対的に高いとき、水搬送源の駆動出力を増加させて熱交換器における熱交換量を増加させ、熱交換器から吐出される排気ガスの温度を低下させる。これにより排気ガス通路から吐出される排気ガスの過熱が抑制される。従って、高温の排気ガスが放出されることによる不具合が改善される。このように外気に排出される排気ガスの温度を低下させ、外気に排出される排気ガスに含まれる水分を低減させることができる。従って、制御部は、冬季や寒冷地であっても、排気ガスが白煙となって外気に放出されることを抑制するのに有利となる。
制御部は、排気ガス温度センサで検知された排気ガスの温度がこれの目標温度よりも相対的に低いとき、水搬送源の駆動出力を減少またはゼロとさせて熱交換器における熱交換量を減少またはゼロとさせる。水搬送源の駆動出力が低減されるため、水搬送源の駆動エネルギが節約される。
（２）様相２に係る固体酸化物形燃料電池システムによれば、燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、改質器で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電される固体酸化物形の燃料電池と、燃料電池の発電運転に伴って発生した排気ガスを通過させて排気口から排出させる排気ガス通路と、貯湯タンクと貯湯タンクに対して循環する循環通路と循環通路の水を循環させる水搬送源とをもつ貯湯系と、排気ガス通路および循環通路に設けられ排気ガス通路を流れる排気ガスと循環通路を流れる水とを熱交換させて循環通路の水を加熱させて温水とする熱交換器と、熱交換器で熱交換される排気ガスの温度を検知する排気ガス温度センサと、熱交換器で熱交換される循環通路の水の温度を検知する水温センサと、排気ガス温度センサおよび水温センサの温度信号が入力される制御部とを具備しており、
制御部は、（ｉ）排気ガスの温度が排気ガス第１閾値温度未満であるとき、水温センサで検知される水の温度に基づいて水搬送源の駆動出力を制御し、循環通路のうち熱交換器から吐出された水の温度を温水目標温度範囲内に維持させる第１制御を実行し、且つ、（ｉｉ）排気ガスの温度が排気ガス第１閾値温度以上であるとき、第１制御を中止し、水温センサで検知される水の温度の制御よりも、排気ガス温度センサで検知される排気ガスの温度の制御を優先させ、排気ガスセンサで検知される排気ガスの温度に基づいて水搬送源の駆動出力を制御し、水搬送源の駆動出力を第１制御よりも増加させることにより、熱交換器から吐出された排気ガスの温度を排気ガス目標温度範囲内に維持させると共に、熱交換器から吐出された温水の温度低下を許容させる第２制御を実行する。
制御部は、（ｉ）排気ガスの温度が排気ガス第１閾値温度未満であるとき、水温センサで検知される水の温度に基づいて水搬送源の駆動出力を制御し、循環通路のうち熱交換器から吐出された水の温度を温水目標温度範囲内に維持させる第１制御を実行し、且つ、（ｉｉ）排気ガスの温度が排気ガス第１閾値温度以上であるとき、第１制御を中止し、水温センサで検知される水の温度の制御よりも、排気ガス温度センサで検知される排気ガスの温度の制御を優先させ、排気ガスセンサで検知される排気ガスの温度に基づいて水搬送源の駆動出力を制御し、水搬送源の駆動出力を第１制御よりも増加させることにより、熱交換器から吐出された排気ガスの温度を排気ガス目標温度範囲内に維持させると共に、熱交換器から吐出された温水の温度低下を許容させる第２制御を実行する。
様相２によれば、排気ガスの温度が排気ガス第１閾値温度未満であるとき、排気ガスの温度は過熱されていない。そこで制御部は、水温センサで検知される水の温度に基づいて水搬送源の駆動出力を制御する第１制御を実行する。排気ガス第１閾値温度は、システムの発電条件、システムの設置場所、季節等に応じて適宜選択され、排気口から外気に排出される排気ガスが人に影響を与えないように設定されることが好ましく、例えば５０〜６０℃（例えば５０℃）にできる。但しこれに限定されるものではない。
このような第１制御によれば、水温センサで検知される水の温度が相対的に高いとき、制御部は、水搬送源の駆動出力を増加させ、熱交換器から吐出された水の過熱を抑制させ、水の温度を適温化させる。これに対して、水温センサで検知される水の温度が相対的に低いとき、制御部は、水搬送源の駆動出力を減少（ゼロを含む）させる。これにより水搬送源の駆動出力が低減されるため、水搬送源の駆動エネルギが節約されるばかりか、循環通路のうち熱交換器から吐出された水の温度が過剰に低温化することが抑制される。この結果、循環通路のうち熱交換器から吐出された水の温度を温水目標温度範囲内に維持させる。
これに対して、排気ガスの温度が排気ガス閾値温度以上であるとき、排気ガスの温度は過熱されている。そこで制御部は、第１制御を中止し、水温センサで検知される水の温度の制御よりも、排気ガス温度センサで検知される排気ガスの温度の制御を優先させる第２制御を実行する。第２制御によれば、制御部は、排気ガスセンサで検知される排気ガスの温度に基づいて水搬送源の駆動出力を制御し、水搬送源の駆動出力を第１制御よりも増加させる。これにより、単位時間当たり熱交換器を流れる水の流量が増加し、熱交換器における熱交換量が増加し、排気ガスの温度が低下される。この結果、熱交換器から吐出された排気ガスの温度を排気ガス目標温度範囲内に維持させる。この場合、熱交換器から吐出された温水の温度が低いときもあるが、これは許容される。上記したように外気に排出される排気ガスの温度を低下させ、外気に排出される排気ガスに含まれる水分を低減させることができる。従って、制御部は、冬季や寒冷地であっても、排気ガスが白煙となって外気に放出されることを抑制するのに有利となる。
（３）様相３に係る固体酸化物形燃料電池システムは、燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、前記改質器で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電される固体酸化物形の燃料電池と、前記燃料電池の発電運転に伴って発生した排気ガスを通過させて排気口から排出させる排気ガス通路と、貯湯タンクと貯湯タンクに対して循環する循環通路と循環通路の水を循環させる水搬送源とをもつ貯湯系と、排気ガス通路および循環通路に設けられ排気ガス通路を流れる排気ガスと循環通路を流れる水とを熱交換させて循環通路の水を加熱させて温水とする熱交換器と、熱交換器で熱交換される排気ガスの温度を検知する排気ガス温度センサと、熱交換器で熱交換される循環通路の水の温度を検知する水温センサと、排気ガス温度センサおよび水温センサの温度信号が入力される制御部とを具備しており、
制御部は、（ｉ）排気ガス温度センサで検知された排気ガスの温度が排気ガス第２閾値温度未満であるとき、循環通路のうち熱交換器から吐出された水の温度を制御対象とし、水温センサで検知された水の温度に基づいて水搬送源の駆動出力を制御することにより、循環通路のうち熱交換器から吐出された水の温度を温水目標温度範囲内とさせる第３制御を実行し、且つ、（ｉｉ）排気ガス温度センサで検知された排気ガスの温度が排気ガス第２閾値温度以上であるとき、熱交換器から吐出された水の温度よりも、熱交換器から吐出された排気ガスの温度を制御対象に切り替え、排気ガス温度センサで検知された排気ガスの温度に基づいて水搬送源の駆動出力を制御することにより、熱交換器から吐出された排気ガスの温度を排気ガス目標温度範囲内とさせる第４制御を実行する。
制御部は、（ｉ）排気ガス温度センサで検知された排気ガスの温度が排気ガス第２閾値温度未満であるとき、循環通路のうち熱交換器から吐出された水の温度を制御対象とし、水温センサで検知された水の温度に基づいて水搬送源の駆動出力を制御することにより、循環通路のうち熱交換器から吐出された水の温度を温水目標温度範囲内とさせる第３制御を実行し、且つ、（ｉｉ）排気ガス温度センサで検知された排気ガスの温度が排気ガス第２閾値温度以上であるとき、熱交換器から吐出された水の温度よりも、熱交換器から吐出された排気ガスの温度を制御対象に切り替え、排気ガス温度センサで検知された排気ガスの温度に基づいて水搬送源の駆動出力を制御することにより、熱交換器から吐出された排気ガスの温度を排気ガス目標温度範囲内とさせる第４制御を実行する。
様相３によれば、排気ガス温度センサで検知された排気ガスの温度が排気ガス第２閾値温度未満であるとき、排気ガスは過熱されていない。そこで制御部は、循環通路のうち熱交換器から吐出された水の温度を制御対象とし、水温センサで検知された水の温度に基づいて水搬送源の駆動出力を制御する第３制御を実行する。排気ガス第２閾値温度は、システムの発電条件、システムの設置場所、季節等に応じて適宜選択され、排気口から外気に排出される排気ガスが人に影響を与えないように設定されることが好ましく、例えば５０〜６０℃（例えば６０℃）にできる。但しこれに限定されるものではない。なお、様相３の場合の方が様相２の場合より温度上昇を抑え込みやすいため、排気ガス第２閾値温度の方が排気ガス第１閾値温度より高く設定できる。
このような第３制御によれば、水温センサで検知された水の温度が相対的に高温のとき、水搬送源の駆動出力を増加させるように水搬送源を制御する。これに対して、水温センサで検知された水の温度が相対的に低温のとき、貯湯タンクの水の温度が低下するおそれがある。そこで制御部は、搬送源の駆動出力を減少させるように水搬送源を制御する。これにより循環通路のうち熱交換器から吐出された水の温度を適温化させて、温水目標温度範囲内とさせる。
排気ガス温度センサで検知された排気ガスの温度が排気ガス第２閾値温度以上であるとき、排気ガスは過熱されている。そこで制御部は、熱交換器から吐出された水の温度よりも、熱交換器から吐出された排気ガスの温度を制御対象に切り替える第４制御を実行する。このような第４制御によれば、排気ガス温度センサで検知された排気ガスの温度に基づいて水搬送源の駆動出力を制御する。すなわち、排気ガス温度センサで検知された排気ガスの温度が相対的に高いとき、制御部は、水搬送源の駆動出力を増加させるように水搬送源を制御する。これにより単位時間あたり熱交換器に流れる水の流量が増加し、外気に排出される排気ガスの温度を低下させ、外気に排出される排気ガスに含まれる水分を低減させることができる。従って、制御部は、冬季や寒冷地であっても、排気ガスが白煙となって外気に放出されることを抑制するのに有利となる。
これに対して、排気ガス温度センサで検知された排気ガスの温度が相対的に低いとき、制御部は、水搬送源の駆動出力を減少またはゼロとさせるように水搬送源を制御する。これにより水搬送源の駆動出力が減少されるため、水搬送源の駆動エネルギが節約されるばかりか、循環通路のうち熱交換器から吐出された水の温度が過剰に低温化することが抑制される。この結果、循環通路のうち熱交換器から吐出された水の温度を温水目標温度範囲内に維持させる。熱交換器から吐出された排気ガスの温度を適温化させ、排気ガス目標温度範囲内とさせる。
本発明は、排気ガス通路の排気口から外気に排出される排気ガスの温度を低下させ、外気に排出される排気ガスに含まれる水分を低減させることができる。従って、本発明は、冬季や寒冷地であっても、排気ガスが白煙となって外気に放出されることを抑制するのに有利となる。
好ましい形態によれば、循環通路は、貯湯タンクを迂回する迂回通路と、迂回通路を開閉させる迂回バルブとをもつ。この場合、熱交換器から吐出された水の温度が第１温水閾値温度よりも低いとき、その水は低温であるため、貯湯タンクに戻すには好ましくない。そこで制御部は、迂回バルブを開放させて、熱交換器で加熱された温水を迂回通路に流して貯湯タンクに流入させることを制限または禁止させる制御を実行する。このため、貯湯タンクの温水を消費するとき、貯湯タンクの温水の温度が確保される。
好ましい形態によれば、循環通路は、熱交換器の上流に設けられた放熱器と、放熱器に送風して放熱器を冷却させる送風部とを有する。この場合、迂回通路を流れた温水の温度が第２温水閾値温度よりも高いとき、制御部は、送風部を作動させて放熱器からの放熱量を増加させることにより、迂回通路を流れた温水の温度を低下させる放熱制御を実行する。このため放熱させた水を熱交換器に供給できるため、熱交換器において排気ガスを冷却させる効率が高まる。
好ましい形態によれば、システムは、排気ガスが熱交換器を流れるときにおいて排気ガスに含まれる水分が凝縮した凝縮水が流れる凝縮水通路と、凝縮水通路に接続され凝縮水を改質用の改質水として溜める改質水タンクと、凝縮水通路に設けられ凝縮水通路を流れる凝縮水を排気ガス通路の排気ガスと熱交換させて加熱させる凝縮水用熱交換器とを有する。この場合、凝縮水通路を流れる凝縮水を凝縮水用熱交換器で加熱させることができる。排気ガスを過剰に冷却させると、排気ガスに含まれる水分が凝縮した凝縮水が過剰に低温であることがある。凝縮水が改質水として使用される場合、改質水を水蒸気化させる効率が低下するおそれがある。そこで凝縮水を凝縮水用熱交換器で排気ガスと熱交換させて加熱させることができる。
（実施形態１）
図１〜図４は実施形態１を示す。図１は固体酸化物形の燃料電池システムの概念を示す。図２はスタック１付近を示す。図２に模式的に示すように、固体酸化物形燃料電池システムにおいて搭載されているスタック１は、スタック１を収容する発電室３２において、カソードガスが通過できる通路３２ｒを形成するように複数の燃料電池セル１０を並設して形成されている。隣設する燃料電池セル１０は図示しない導電部材によって電気的に接続されている。燃料電池セル１０は、アノードガスが供給される燃料極として機能するアノード１１と、カソードガスが供給される酸化剤極として機能するカソード１２と、アノード１１およびカソード１２で挟まれた固体酸化物を母材とする電解質膜１５と、アノードガスを流す通路１１ｒをもつ多孔性導電部１１ｗと、コネクタ１０ｘとを有する。カソード１２は、カソードガスが流れる通路３２ｒに対面する。電解質膜１５を構成する固体酸化物は、酸素イオン（Ｏ２−）を伝導させる性質性をもつものであり、イットリアを添加した安定化ジルコニア系、ランタンガレート系が例示される。多孔質導電部１１ｗは、通路１１ｒに供給されたアノードガスをアノード１１に供給するとともにアノード１１、電解質１５、カソード１２およびコネクタ１０ｘを支持するものであり、材質はガス透過性と導電性を有する。多孔質導電部１１ｗは、金属と希土類酸化物との複合体が例示される。アノード１１は、ニッケル等の金属相とジルコニアとが混在するサーメットが例示される。カソード１２は、サマリウムコバルタイト、ランタンマンガナイトが例示される。コネクタ１０ｘは、ガス不透過性と導電性を有し、通路１１ｒから多孔質導電部２６に拡散されたアノードガスと、カソードガスの通路３２ｒに供給されたカソードガスを遮断するものである。コネクタ１０ｘは、ペロブスカイト型酸化物が例示される。材質は上記に限定されるものではない。なお、スタック１の下部には、改質器２からアノードガス通路１４を介して供給されたアノードガスをスタック１の入口に案内するアノードガスマニホルド１３が配置されている。
図１〜図４は実施形態１を示す。図１は固体酸化物形の燃料電池システムの概念を示す。図２はスタック１付近を示す。図２に模式的に示すように、固体酸化物形燃料電池システムにおいて搭載されているスタック１は、スタック１を収容する発電室３２において、カソードガスが通過できる通路３２ｒを形成するように複数の燃料電池セル１０を並設して形成されている。隣設する燃料電池セル１０は図示しない導電部材によって電気的に接続されている。燃料電池セル１０は、アノードガスが供給される燃料極として機能するアノード１１と、カソードガスが供給される酸化剤極として機能するカソード１２と、アノード１１およびカソード１２で挟まれた固体酸化物を母材とする電解質膜１５と、アノードガスを流す通路１１ｒをもつ多孔性導電部１１ｗと、コネクタ１０ｘとを有する。カソード１２は、カソードガスが流れる通路３２ｒに対面する。電解質膜１５を構成する固体酸化物は、酸素イオン（Ｏ２−）を伝導させる性質性をもつものであり、イットリアを添加した安定化ジルコニア系、ランタンガレート系が例示される。多孔質導電部１１ｗは、通路１１ｒに供給されたアノードガスをアノード１１に供給するとともにアノード１１、電解質１５、カソード１２およびコネクタ１０ｘを支持するものであり、材質はガス透過性と導電性を有する。多孔質導電部１１ｗは、金属と希土類酸化物との複合体が例示される。アノード１１は、ニッケル等の金属相とジルコニアとが混在するサーメットが例示される。カソード１２は、サマリウムコバルタイト、ランタンマンガナイトが例示される。コネクタ１０ｘは、ガス不透過性と導電性を有し、通路１１ｒから多孔質導電部２６に拡散されたアノードガスと、カソードガスの通路３２ｒに供給されたカソードガスを遮断するものである。コネクタ１０ｘは、ペロブスカイト型酸化物が例示される。材質は上記に限定されるものではない。なお、スタック１の下部には、改質器２からアノードガス通路１４を介して供給されたアノードガスをスタック１の入口に案内するアノードガスマニホルド１３が配置されている。
図２に示すように、改質器２は、蒸発部２０と、燃料原料が供給される改質部２２とを備えている。蒸発部２０は、改質水系４から蒸発部２０に供給される液相状の改質水を水蒸気化させる。改質部２２は蒸発部２０の下流に設けられており、蒸発部２０で生成された水蒸気でガス状または液状の燃料原料を水蒸気改質させてアノードガス（水素リッチのため還元性雰囲気）を生成させ、アノードガスをアノードガス通路１４およびアノードガスマニホルド１３を介してアノード１１側の多孔質導電部１１ｗの通路１１ｒに供給させる。アノードガスは水素ガスまたは水素含有ガスである。
図１に示すように、筐体９は、筐体９の収容室９１と、外気とを連通させる外気取込口９２と、外気連通口９３とをもつ。燃料電池モジュール３は筐体９の内部に収容されており、発電室３２を形成する断熱材で形成された容器状の断熱壁３０を有する。断熱壁３０の発電室３２にスタック１および改質器２を燃焼用空間２３を介して収容することにより、燃料電池モジュール３は形成されている。
燃料電池モジュール３では、スタック１の上側には改質器２（改質部２２および蒸発部２０）が配置されている。燃料電池モジュール３では、スタック１と改質器２（改質部２２および蒸発部２０）との間には、燃焼用空間２３が形成されている。殊に、スタック１の上部と改質器２（改質部２２および蒸発部２０）の下部との間には、燃焼用空間２３が形成されている。
図１に示すように、改質水系４は、改質部２２における水蒸気改質において水蒸気として消費される液相状の改質水を蒸発部２０を介して改質部２２に供給するものであり、水精製器４０と改質器２の蒸発部２０とを結ぶ改質水供給通路４１と、改質水ポンプ４２（改質水搬送源）と、給水バルブ４３とを有する。水精製器４０は、水を浄化させ得るイオン交換樹脂等の水精製材４０ａを有する。
図１に示すように、燃料原料供給系５は、炭化水素系の燃料原料を改質器２に供給させるために燃料源５０に繋がる燃料原料供給通路５１と、入口バルブ５２と、流量計５３、脱硫器５４と、燃料原料ポンプ５５（燃料原料搬送源）とを有する。カソードガス供給糸６は、空気であるカソードガスを燃料電池モジュール３の発電室３２に供給するカソードガス供給通路６０と、除塵フィルタ６１と、カソードガスポンプ６２（カソードガス搬送源）と、流量計６３とを有する。
カソードガスポンプ６２が駆動すると、外気は外気取込口９２から収容室９１に流入し、除塵フィルタ６１およびカソードガス供給通路６０を介してカソードガスとして燃料電池モジュール３の発電室３２に供給される。外気取込口９２から取り込まれる外気（カソードガス）の温度を検知する温度センサ１０２が、筐体９の外気取込口９２付近において設けられている。蒸発部２０で生成される水蒸気の温度を検知する温度センサ１０３が蒸発部２０に設けられている。改質器２の改質部２２の温度を検知する温度センサ１０４が改質器２２に設けられている。
スタック１の温度を検知する温度センサ１０５がスタック１に設けられている。センサ１０２，１０３，１０４，１０５の各信号は制御部１００に入力される。
図１に示すように、貯湯系７は、熱交換器７４および貯湯タンク７０を循環する循環通路７１と、貯湯タンク７０と、循環通路７１に設けられた貯湯ポンプ７２（貯湯用水の水搬送源）とを有する。循環通路７１は、貯湯タンク７０の下側の出水ポート７０ｐから導出された往路７１ａと、貯湯タンク７０の上側の入水ポート７０ｉに導入された復路７１ｃとを有する。貯湯ポンプ７２が作動すると、貯湯タンク７２の水は、出水ポート７０ｐおよび循環通路７１の往路７１ａを介して熱交換器７４の水通路７４ｗに供給され、熱交換器７４のガス通路７４ｇにおける排気ガスとの熱交換により加熱され、復路７１ｃおよび入水ポート７０ｉから貯湯タンク７０に帰還する。これにより貯湯タンク７０は温水を貯留させる。
貯湯タンク７０の上部には温水取出通路７０ｍが接続され、下部には新水通路７０ｋが接続されている。貯湯タンク７０では、上部の温水は下部よりも暖かいため、温水取出通路７０ｍから取り出される。貯湯タンク７０の水が不足するとき、新しい水が新水通路７０ｋから貯湯タンク７０の下部に導入される。
燃料電池モジュール３の近傍には熱交換器７４が設けられている。熱交換器７４は、燃料電池モジュール３から排出される排気ガス（スタック１の発電運転に伴い発生する高温の排気ガスが通過するガス通路７４ｇと、貯湯系７の循環通路７１の水が通過する水通路７４ｗとをもつ。そして、熱交換器７４のガス通路７４ｇを流れる排気ガスの熱は、貯湯系７の循環通路７１の水に伝達される。熱交換器７４のガス通路７４ｇから排気ガス通路７５が筐体９の排気口７６に向けて延設されている。燃料電池モジュール３の発電室３２で生成された排気ガスは、熱交換器７４で冷却された後、排気ガス通路７５を介して排気口７６から外気に排出される。熱交換器７４のガス通路７４ｇから凝縮水通路７７が水精製器４０に向けて延設されている。従って排気ガスに含まれている気相状の水分は、熱交換器７４において冷却されて凝縮水を生成する。凝縮水は凝縮水通路７７から重力等により水精製器４０に供給される。
図３に示すように、排気ガス通路７５のうち熱交換器７４で熱交換された直後の排気ガスの温度Ｔを検知する排気ガス温度センサ２０１が設けられている。排気ガス温度センサ２０１は、循環通路７１において熱交換器７４のガス通路７４ｇの出口側に配置されている。循環通路７１のうち熱交換器７４の水通路７４ｗで熱交換された直後の水の温度を検知する水温センサ２０３が設けられている。水温センサ２０３は、循環通路７１において熱交換器７４の出口側に配置されている。排気ガス温度センサ２０１の温度信号、水温センサ２０３の温度信号は制御部１００に入力される。
さて、スタック１の発電運転時には、バルブ５２が開放した状態で燃料原料ポンプ５５が駆動し、ガス状または液状の燃料原料が燃料原料供給通路５１を介して改質器２の蒸発部２０に供給される。また改質水ポンプ４２が駆動し、改質水タンク４４の液相状の改質水が改質水供給通路４１を介して蒸発部２０に供給される。ここで、蒸発部２０は改質水を水蒸気化させる。水蒸気は改質部２２に供給される。改質部２２は燃料原料を水蒸気改質させ、アノードガスを生成させる。燃料原料がメタン系である場合には、水蒸気改質ではアノードガスの生成は、次の（１）式に基づくと考えられている。固体酸化物形のスタック１では、Ｈ２の他にＣＯも燃料となりうる。
（１）…ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→４Ｈ２＋ＣＯ２
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ
生成されたアノードガスは、アノードガス通路１４およびアノードガスマニホルド１３を介して、スタック１のアノード１１側の通路１１ｒに供給されて発電に使用される。またカソードガスポンプ６２が駆動しているため、筐体９の外部の外気がカソードガスとして除塵フィルタ６１およびカソードガス供給通路６０を介して燃料電池モジュール３の発電室３２に供給され、通路３２ｒを介してカソード１２に供給される。これによりスタック１が電力負荷と接続されている状態において、スタック１はアノードガスとカソードガスとにより発電する。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ
生成されたアノードガスは、アノードガス通路１４およびアノードガスマニホルド１３を介して、スタック１のアノード１１側の通路１１ｒに供給されて発電に使用される。またカソードガスポンプ６２が駆動しているため、筐体９の外部の外気がカソードガスとして除塵フィルタ６１およびカソードガス供給通路６０を介して燃料電池モジュール３の発電室３２に供給され、通路３２ｒを介してカソード１２に供給される。これによりスタック１が電力負荷と接続されている状態において、スタック１はアノードガスとカソードガスとにより発電する。
発電反応においては、水素含有ガスで供給されるアノード１１では基本的には（２）の反応が発生すると考えられている。酸素が供給されるカソード１２では基本的には（３）の反応が発生すると考えられている。カソード１２において発生した酸素イオン（Ｏ２−）がカソード１２からアノード１１に向けて電解質膜１５を伝導する。
（２）…Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
ＣＯが含まれている場合には、ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−
（３）…１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
発電反応後のアノードオフガスは、スタック１の上方の燃焼用空間２３に排出され、発電反応後のカソードオフガスおよび発電反応を経ていないカソードガスにより燃焼し、燃焼火炎２４を燃焼用空間２３において形成し、その後、排気ガスとして、熱交換器７４を経て排気ガス通路７５の先端の排気口７６から筐体９の外部に放出される。排気ガスに含まれる水分が凝縮した凝縮水は、熱交換器７４から導出される凝縮水通路７７から水精製器４０に供給され、水精製器４０で精製される。精製された水は、改質水タンク４４に改質水４４ｗとして貯留される。
ＣＯが含まれている場合には、ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−
（３）…１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
発電反応後のアノードオフガスは、スタック１の上方の燃焼用空間２３に排出され、発電反応後のカソードオフガスおよび発電反応を経ていないカソードガスにより燃焼し、燃焼火炎２４を燃焼用空間２３において形成し、その後、排気ガスとして、熱交換器７４を経て排気ガス通路７５の先端の排気口７６から筐体９の外部に放出される。排気ガスに含まれる水分が凝縮した凝縮水は、熱交換器７４から導出される凝縮水通路７７から水精製器４０に供給され、水精製器４０で精製される。精製された水は、改質水タンク４４に改質水４４ｗとして貯留される。
なお、アノードガス（燃料原料）の流量としては、スタック１のアノード１１における発電反応で使用される流量と、燃焼用空間２３においてアノードオフガスが燃焼火炎２４を形成する流量とを加算した流量が設定されている。カソードガスの流量としては、スタック１のカソード１２における発電反応で使用される流量と、燃焼用空間２３において燃焼用空気として燃焼火炎２４を形成する流量と、余裕流量とを加算した流量が設定されている。蒸発部２０は、燃焼用空間２３の燃焼火炎２４により加熱される。蒸発部２０は、炭化水素系の燃料原料を水蒸気改質させる改質触媒部２２０を有する水蒸気改質反応室（吸熱室）を有する改質部２２に繋がる。改質触媒部２２０は、水蒸気改質反応を促進させる改質触媒と、改質触媒を担持するセラミックス担体（例えばアルミナ、マグネシア）とを有する。触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、金等の貴金属系、または、ニッケル等の卑金属系等の公知のものが例示される。
さて、本実施形態を特徴づける制御について説明する。排気ガス温度センサ２０１で検知した排気ガスの温度Ｔに基づいて、制御部１００は、貯湯ポンプ７２の駆動出力を制御する。すなわち、制御部１００は、排気ガス温度センサ２０１で検知された排気ガスの温度Ｔがこれの目標温度よりも相対的に高いとき、貯湯ポンプ７２の駆動出力を増加させて熱交換器７４の水通路７４ｗにおける熱交換量を増加させ、熱交換器７４のガス通路７４ｇから吐出された排気ガスの温度Ｔを低下させる。これにより排気ガス通路７５の排気口７６から外気に放出される排気ガスの過熱が抑制される。従って、高温の排気ガスが放出されることによる不具合が改善される。このように排気口７６から外気に排出される排気ガスの温度Ｔを低下させ、外気に排出される排気ガスに含まれる水分を低減させることができる。従って、本実施形態は、冬季や寒冷地であっても排気ガスが白煙となって排気口７６から外気に放出されることを抑制するのに有利となる。
制御部１００は、排気ガス温度センサ２０１で検知された排気ガスの温度Ｔがこれの目標温度よりも相対的に低いとき、貯湯ポンプ７２の駆動出力を減少またはゼロとさせて熱交換器７４の水通路７４ｗを流れる水の流量を減少させ、熱交換器７４における熱交換量を減少またはゼロとさせる。この場合、貯湯ポンプ７２の駆動出力が低減されるため、貯湯ポンプ７２の駆動エネルギが節約される。
（実施形態２）
本実施形態は基本的には実施形態１と同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図３を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。制御部１００に搭載されているメモリ１００ｍには、図４に示すマップが格納されている。図４は、排気ガス温度センサ２０１で検知された排気ガスの温度Ｔと貯湯ポンプ７２のポンプ出力との関係を示す。排気ガス温度センサ２０１で検知された排気ガスの温度Ｔが高くなるにつれて、貯湯ポンプ７２のポンプ出力が増加されている。すなわち、排気ガスの温度Ｔが低くなるにつれて、貯湯ポンプ７２のポンプ出力が減少されている。
本実施形態は基本的には実施形態１と同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図３を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。制御部１００に搭載されているメモリ１００ｍには、図４に示すマップが格納されている。図４は、排気ガス温度センサ２０１で検知された排気ガスの温度Ｔと貯湯ポンプ７２のポンプ出力との関係を示す。排気ガス温度センサ２０１で検知された排気ガスの温度Ｔが高くなるにつれて、貯湯ポンプ７２のポンプ出力が増加されている。すなわち、排気ガスの温度Ｔが低くなるにつれて、貯湯ポンプ７２のポンプ出力が減少されている。
上記したマップに基づけば、制御部１００は、排気ガス温度センサ２０１で検知された排気ガスの温度Ｔが相対的に高いとき、貯湯ポンプ７２のポンプ出力を増加させて熱交換器７４の水通路７４ｗを流れる水の流量を増加させ、熱交換器７４における熱交換量を増加させ、熱交換器７４から吐出された排気ガスの温度Ｔを低下させる。これにより排気口７６から吐出される排気ガスの過熱が抑制される。従って、高温の排気ガスが放出されることによる不具合が改善される。このように外気に排出される排気ガスの温度Ｔを低下させ、排気口７６から外気に排出される排気ガスに含まれる水分を低減させることができる。従って、制御部１００は、冬季や寒冷地であっても、排気ガスが白煙となって外気に放出されることを抑制するのに有利となる。
（実施形態３）
本実施形態は基本的には実施形態１と同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図３を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。まず、図５に示すように、スタック１の発電運転において排気ガス温度の制御を実行するにあたり、制御部１００は、排気ガス温度センサ２０１および水温センサ２０３を含む各種センサの信号を読み込む（ステップＳ１０４）。次に、制御部１００は、排気ガス温度センサ２０１で検知された排気ガスの温度Ｔと排気ガス第１閾値温度Ｔａとを比較する（ステップＳ１０６）。
本実施形態は基本的には実施形態１と同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図３を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。まず、図５に示すように、スタック１の発電運転において排気ガス温度の制御を実行するにあたり、制御部１００は、排気ガス温度センサ２０１および水温センサ２０３を含む各種センサの信号を読み込む（ステップＳ１０４）。次に、制御部１００は、排気ガス温度センサ２０１で検知された排気ガスの温度Ｔと排気ガス第１閾値温度Ｔａとを比較する（ステップＳ１０６）。
排気ガス第１閾値温度Ｔａは、システムの発電条件、システムの設置場所、季節等に応じて適宜選択され、排気口７６から外気に排出される排気ガスが人に影響を与えないように設定されることが好ましく、例えば５０〜６０℃（例えば５０℃）にできる。但しこれに限定されるものではない。
排気ガスの温度Ｔが排気ガス第１閾値温度Ｔａ未満であるとき、排気ガスは過熱されていないため、制御部１００は第１制御を実行する（ステップＳ１０８）。このような第１制御では、制御部１００は、排気ガス温度センサ２０１で検知された排気ガスの温度Ｔではなく、水温センサ２０３で検知される水の温度Ｔｗに基づいて貯湯ポンプ７２のポンプ出力を制御する。このような第１制御によれば、排気ガスの温度Ｔが排気ガス第１閾値温度Ｔａ未満である場合において、水温センサ２０３で検知される水の温度Ｔｗが相対的に高いとき、制御部１００は、貯湯ポンプ７２のポンプ出力を増加させ、単位時間当たり熱交換器７４の通路７４ｗに供給する水の流量を相対的に増加させる。この場合、メモリ１００ｍに予め格納されているマップに基づいてあるいは演算式に基づいて、制御部１００は、貯湯ポンプ７２のポンプ出力を増加させることにすることが好ましい。これにより熱交換器７４の水通路７４ｗの出口から吐出された水の過熱が抑制され、水の温度Ｔｗが適温化される。この結果、適温化された温水が貯湯タンク７０に蓄積される。
一方、第１制御によれば、水温センサ２０３で検知される水の温度Ｔｗが相対的に低いとき、温度が過剰に低い温水が貯湯タンク７０に供給されるおそれがある。そこで制御部１００は、貯湯ポンプ７２のポンプ出力を相対的に減少（ゼロを含む）させる。この場合、メモリ１００ｍに予め格納されているマップに基づいてあるいは演算式に基づいて、制御部１００は、貯湯ポンプ７２のポンプ出力を減少させることが好ましい。このように貯湯ポンプ７２のポンプ出力が低減（ゼロを含む）されるため、貯湯ポンプ７２の駆動エネルギが節約されるばかりか、循環通路７１のうち熱交換器７４の水通路７４ｗの出口から吐出された水の温度Ｔｗが過剰に低温化することが抑制される。この結果、循環通路７１のうち熱交換器７４から吐出された水の温度Ｔｗを温水目標温度範囲内に維持させる。この結果、適温化された温水が貯湯タンク７０に蓄積される。なお、ハンチングを防止するため、制御部１００は所定時間待機（ステップＳ１１０）した後に、ステップＳ１０４に戻り、上記した制御を繰り返す。
これに対して、排気ガスの温度Ｔが排気ガス第１閾値温度Ｔａ以上のとき、排気ガスは過熱されている。このため制御部１００は、上記した第１制御を中止し（ステップＳ１１２）、第２制御を実行する（ステップＳ１１４）。第２制御によれば、制御部１００は、水温センサ２０３で検知される水の温度Ｔｗの安定化よりも、排気ガス温度センサ２０１で検知される排気ガスの温度Ｔを低下させることを優先させる。このような第２制御によれば、排気ガスは過熱されているため、制御部１００は、排気ガス温度センサ２０１で検知される排気ガスの温度Ｔに基づいて、貯湯ポンプ７２のポンプ出力を制御し、貯湯ポンプ７２のポンプ出力を第１制御よりも増加させ、熱交換器７４の水通路７４ｗを通過する単位時間当たりの水の流量を増加させる。この場合、メモリ１００ｍに予め格納されているマップに基づいてあるいは演算式に基づいて、制御部１００は、貯湯ポンプ７２のポンプ出力を増加させることにしても良い。
この結果、排気ガスの温度Ｔが排気ガス第１閾値温度Ｔａ以上で過熱されている場合であっても、排気ガスの温度Ｔが相対的に高いときには、熱交換器７４の水流路７４ｗに流れる水の流量が増加し、熱交換器７４における熱交換量が増加し、排気口７６から外気に排出される排気ガスの温度Ｔが低下される。この結果、熱交換器７４のガス通路７４ｇから吐出された排気ガスの温度、すなわち、排気口７６から外気に排出される排気ガスの温度を排気ガス目標温度範囲内に維持させることができる。この場合、排気ガスの温度Ｔを低下させることを優先させるため、循環通路７１のうち熱交換器７４から吐出された温水の温度Ｔｗが過剰に低いときもあるが、これは許容される。なお、この場合、低温の水が貯湯タンク７０に流入されるおそれがある。この場合、必要に応じて、貯湯タンク７０を追い炊きバーナで追い炊きしても良い。
上記したように本実施形態によれば、排気ガスの温度Ｔが排気ガス第１閾値温度Ｔａ以上であり、排気ガスが過熱されているときであっても、排気口７６から外気に排出される排気ガスの温度Ｔを低下させ、外気に排出される排気ガスに含まれる水分を低減させることができる。従って、制御部１００は、冬季や寒冷地であっても、排気ガスが白煙となって排気口７６から外気に放出されることを抑制される。
（実施形態４）
本実施形態は基本的には実施形態１と同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図３を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。まず、図６に示すように、スタック１の発電運転において、制御部１００は、排気ガス温度センサ２０１および水温センサ２０３を含む各種センサの信号を読み込む（ステップＳ２０４）。制御部１００は、排気ガス温度センサ２０１で検知された排気ガスの温度Ｔと排気ガス第２閾値温度Ｔｂとを比較する（ステップＳ２０６）。排気ガス第２閾値温度Ｔｂは、システムの発電条件、システムの設置場所、季節等に応じて適宜選択され、排気口から外気に排出される排気ガスが人に影響を与えないように設定されることが好ましく、例えば５０〜６０℃（例えば６０℃）にできる。但しこれに限定されるものではない。
本実施形態は基本的には実施形態１と同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図３を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。まず、図６に示すように、スタック１の発電運転において、制御部１００は、排気ガス温度センサ２０１および水温センサ２０３を含む各種センサの信号を読み込む（ステップＳ２０４）。制御部１００は、排気ガス温度センサ２０１で検知された排気ガスの温度Ｔと排気ガス第２閾値温度Ｔｂとを比較する（ステップＳ２０６）。排気ガス第２閾値温度Ｔｂは、システムの発電条件、システムの設置場所、季節等に応じて適宜選択され、排気口から外気に排出される排気ガスが人に影響を与えないように設定されることが好ましく、例えば５０〜６０℃（例えば６０℃）にできる。但しこれに限定されるものではない。
排気ガスの温度Ｔが排気ガス第２閾値温度Ｔｂ未満であるとき、排気口７６から排出される排気ガスは過熱されておらず、問題がない。このため、制御部１００は、循環通路７１のうち熱交換器７４の水通路７４ｗから吐出された水の温度Ｔｗを制御対象とし、水の温度Ｔｗの安定的維持を優先させる。すなわち、制御部１００は、水温センサ２０３で検知された水の温度Ｔｗに基づいて、貯湯ポンプ７２のポンプ出力を制御する第３制御を実行する（ステップＳ２０８）。このような第３制御によれば、水温センサ２０３で検知された水の温度Ｔｗが相対的に高温のとき、制御部１００は、マップあるいは演算式等に基づいて、貯湯ポンプ７２のポンプ出力を増加させるように貯湯ポンプ７２を制御する。また第３制御によれば、水温センサ２０３で検知された水の温度Ｔｗが相対的に低温のとき、制御部１００は、マップあるいは演算式等に基づいて、貯湯ポンプ７２のポンプ出力を減少させるかまたはゼロとさせるように、貯湯ポンプ７２を制御する。これにより貯湯ポンプ７２の駆動エネルギを節約させるばかりか、循環通路７１のうち熱交換器７４から吐出された水の温度Ｔｗを適温化させて、温水目標温度範囲内とさせることができ、貯湯タンク７０の温水温度が維持される。なお、制御部１００は所定時間待機（ステップＳ２１０）した後に、ステップＳ２０４に戻り、上記した制御を繰り返す。
これに対して、排気ガス温度センサ２０１で検知された排気ガスの温度Ｔが排気ガス第２閾値温度Ｔｂ以上となるとき、排気ガスは過熱されている。そこで制御部１００は温水温度を安定化させる第３制御を止め（ステップＳ２１２）、排気ガスの温度を低下させる第４制御を実行する（ステップＳ２１４）。このような第４制御によれば、制御部１００は、熱交換器７４から吐出された水の温度Ｔｗよりも、熱交換器７４のガス通路７４ｇから吐出された排気ガスの温度Ｔを優先させるべく、排気ガスの温度Ｔに制御対象に切り替える。
このような第４制御によれば、制御部１００は、排気ガス温度センサ２０１で検知された排気ガスの温度Ｔに基づいて貯湯ポンプ７２のポンプ出力を制御する。すなわち、排気ガス温度センサ２０１で検知された排気ガスの温度Ｔが相対的に高いとき、制御部１００は、マップあるいは演算式等に基づいて、貯湯ポンプ７２のポンプ出力を相対的に増加させるように、貯湯ポンプ７２を制御する。これにより外気に排出される排気ガスの温度Ｔが低下され、外気に排出される排気ガスに含まれる水分が低減される。従って、制御部１００は、冬季や寒冷地であっても、排気ガスが白煙となって外気に放出されることを抑制できる。
上記した第４制御によれば、排気ガス温度センサ２０１で検知された排気ガスの温度Ｔが相対的に低くなるときには、制御部１００は、マップあるいは演算式等に基づいて、貯湯ポンプ７２のポンプ出力を減少またはゼロとさせるように、貯湯ポンプ７２のポンプ出力を制御する。これにより貯湯ポンプ７２のポンプ出力が次第に減少されるため、貯湯ポンプ７２の駆動エネルギが節約されるばかりか、循環通路７１のうち熱交換器７４の水通路７４ｗから吐出された水の温度Ｔｗが過剰に低温化することが抑制される。この結果、制御部１００は、循環通路７１のうち熱交換器７４から吐出された水の温度Ｔｗを温水目標温度範囲内に維持させることができる。従って、熱交換器７４から吐出された排気ガスの温度Ｔが適温化され、排気ガス目標温度範囲内とされる。
（実施形態４）
本実施形態は基本的には実施形態１と同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図３を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。排気ガス温度センサ２０１で検知された排気ガスの温度Ｔが異状判定温度Ｔｆ以上の状態となることは、好ましくない。ここで、Ｔｆ＞Ｔａ、Ｔｆ＞Ｔｂの関係となる。この状態が所定時間ｔｆ継続するとき、制御部１００はシステム異状が発生していると判定し、発電運転を停止させると共に、警告を出力する。排気ガスの温度Ｔが異状となる要因としては、貯湯ポンプ７２の劣化や故障等の不具合、循環通路７１における異物詰まり、空気巻き込み等により、熱交換器７４の水通路７４ｗに水が良好に流れなかったことが例示される。上記したシステム異状判定処理を、全ての実施形態に適用しても良い。
本実施形態は基本的には実施形態１と同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図３を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。排気ガス温度センサ２０１で検知された排気ガスの温度Ｔが異状判定温度Ｔｆ以上の状態となることは、好ましくない。ここで、Ｔｆ＞Ｔａ、Ｔｆ＞Ｔｂの関係となる。この状態が所定時間ｔｆ継続するとき、制御部１００はシステム異状が発生していると判定し、発電運転を停止させると共に、警告を出力する。排気ガスの温度Ｔが異状となる要因としては、貯湯ポンプ７２の劣化や故障等の不具合、循環通路７１における異物詰まり、空気巻き込み等により、熱交換器７４の水通路７４ｗに水が良好に流れなかったことが例示される。上記したシステム異状判定処理を、全ての実施形態に適用しても良い。
（実施形態５）
本実施形態は基本的には実施形態１と同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図３を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。排気ガス温度センサ２０１で検知された排気ガスの温度Ｔが異状判定温度Ｔｆ以上となり、且つ、貯湯ポンプ７２が最大出力で駆動している状態となることは、好ましくない。この状態が所定時間ｔｈ継続するとき、制御部１００はシステム異状が発生していると判定と、発電運転を停止させると共に、警告を出力する。上記したシステム異状判定処理を、全ての実施形態に適用しても良い。
本実施形態は基本的には実施形態１と同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図３を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。排気ガス温度センサ２０１で検知された排気ガスの温度Ｔが異状判定温度Ｔｆ以上となり、且つ、貯湯ポンプ７２が最大出力で駆動している状態となることは、好ましくない。この状態が所定時間ｔｈ継続するとき、制御部１００はシステム異状が発生していると判定と、発電運転を停止させると共に、警告を出力する。上記したシステム異状判定処理を、全ての実施形態に適用しても良い。
（実施形態６）
図７は実施形態６を示す。本実施形態は基本的には実施形態１と同様の構成および同様の作用効果を有するため、図２および図３を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。図７に示すように、循環通路７１は、貯湯タンク７０を迂回する迂回通路７１ｒと、迂回通路７１ｒを開閉させる迂回バルブ７１ｖとをもつ。迂回バルブ７１ｖは、熱交換器７４に連通する熱交換ポート７１１と、貯湯タンク７０に連通する貯湯ポート７１２と、迂回通路７１ｒに連通する迂回ポート７１３とを有する。循環通路７１のうち熱交換器７４から吐出された水の温度Ｔｗが第１温水閾値温度Ｔｗａよりも低いとき、低温の温水が貯湯タンク７０に供給されるおそれがある。そこで、循環通路７１のうち熱交換器７４から吐出された水の温度Ｔｗが第１温水閾値温度Ｔｗａ（例えば４０℃）未満であるとき、制御部１００は、迂回バルブ７１ｖの貯湯ポート７１２を閉鎖し、熱交換ポート７１１および迂回ポート７１３を開放させる。これにより、熱交換器７４で加熱された温水を迂回通路７１ｒに流し、貯湯タンク７０に流入させることを禁止（制限）させる。この場合、迂回通路７１ｒを通過した水は熱交換器７４の水通路７４ｗに再び送られ、排気ガス通路７５の排気ガスと熱交換され、暖められる。なお、第１温水閾値温度Ｔｗａはシステムの種類、システムの設置場所、季節等に応じて適宜選択される。
図７は実施形態６を示す。本実施形態は基本的には実施形態１と同様の構成および同様の作用効果を有するため、図２および図３を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。図７に示すように、循環通路７１は、貯湯タンク７０を迂回する迂回通路７１ｒと、迂回通路７１ｒを開閉させる迂回バルブ７１ｖとをもつ。迂回バルブ７１ｖは、熱交換器７４に連通する熱交換ポート７１１と、貯湯タンク７０に連通する貯湯ポート７１２と、迂回通路７１ｒに連通する迂回ポート７１３とを有する。循環通路７１のうち熱交換器７４から吐出された水の温度Ｔｗが第１温水閾値温度Ｔｗａよりも低いとき、低温の温水が貯湯タンク７０に供給されるおそれがある。そこで、循環通路７１のうち熱交換器７４から吐出された水の温度Ｔｗが第１温水閾値温度Ｔｗａ（例えば４０℃）未満であるとき、制御部１００は、迂回バルブ７１ｖの貯湯ポート７１２を閉鎖し、熱交換ポート７１１および迂回ポート７１３を開放させる。これにより、熱交換器７４で加熱された温水を迂回通路７１ｒに流し、貯湯タンク７０に流入させることを禁止（制限）させる。この場合、迂回通路７１ｒを通過した水は熱交換器７４の水通路７４ｗに再び送られ、排気ガス通路７５の排気ガスと熱交換され、暖められる。なお、第１温水閾値温度Ｔｗａはシステムの種類、システムの設置場所、季節等に応じて適宜選択される。
なお、迂回通路７１ｒを複数回通過すると、循環通路７１の水も熱交換器７４の水通路７４ｗを複数回流れて熱交換するため、昇温する。この場合、水温センサ２０３が検知する水の温度Ｔｗが第１温水閾値温度Ｔｗａ以上になったら、制御部１００は、迂回ポート７１３を閉鎖させ、且つ、熱交換ポート７１１と貯湯ポート７１２とを所定時間だけ連通させるように迂回バルブ７１ｖを制御し、循環通路７１の温水を貯湯タンク７０に供給させる通水制御を実行しても良い。
この場合、通水制御を所定時間経過すれば、あるいは、水温センサ２０３で検知された水の温度Ｔｗが第１温水閾値温度Ｔｗａ（例えば４０℃）未満となったら、暖かい温水が貯湯タンク７０に供給されたと推定される。このため、制御部１００は、迂回バルブ７１ｖの熱交換ポート７１１と貯湯ポート７１２とを非連通とさせ、熱交換ポート７１１と迂回ポート７１３とを連通させ、循環通路７１の水が貯湯タンク７０に供給されることを禁止する禁止制御を実行する。このように禁止制御および通水制御を交互に繰り返すことができる。本実施形態においても、上記したように外気に排出される排気ガスの温度Ｔを低下させ、外気に排出される排気ガスに含まれる水分を低減させることができる。従って、制御部は、冬季や寒冷地であっても、排気ガスが白煙となって外気に放出されることを抑制できる。なお上記した迂回構造を全ての実施形態に適用しても良い。
（実施形態７）
図８は実施形態７を示す。本実施形態は基本的には実施形態１と同様の構成および同様の作用効果を有するため、図２および図３を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。上記したように循環通路７１のうち熱交換器７４から吐出された水の温度Ｔｗが第１温水閾値温度Ｔｗａよりも低いとき、低温の温水が貯湯タンク７０に供給されるおそれがある。そこで、循環通路７１のうち熱交換器７４から吐出された水の温度Ｔｗが第１温水閾値温度Ｔｗａ（例えば４０℃）未満であるとき、制御部１００は、迂回バルブ７１ｖの貯湯ポート７１２を閉鎖し、熱交換ポート７１１および迂回ポート７１３を開放させる。これにより、熱交換器７４で加熱された温水を迂回通路７１ｒに流して貯湯タンク７０に流入させることを禁止（制限）させる。この場合、迂回通路７１ｒを通過した水は熱交換器７４の水通路７４ｗに送られ、排気ガス通路７５の排気ガスと熱交換される。このため、熱交換器７４の水通路７４ｗを流れる水の温度Ｔｗが上昇して第２温水閾値温度以上Ｔｗｃ（Ｔｗｃ＞Ｔｗａ）となり、熱交換器７４のガス通路７４ｇを通過する排気ガスの温度Ｔが低下しにくくなるおそれがある。この場合には、制御部１００は以下のような制御を実施する。ここで、循環通路７１の往路７１ａは、熱交換器７４の上流に設けられ放熱フィンをもつ放熱器７８０と、放熱器７８０に送風して放熱器７８０を冷却させる送風部７８２とを有する。
図８は実施形態７を示す。本実施形態は基本的には実施形態１と同様の構成および同様の作用効果を有するため、図２および図３を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。上記したように循環通路７１のうち熱交換器７４から吐出された水の温度Ｔｗが第１温水閾値温度Ｔｗａよりも低いとき、低温の温水が貯湯タンク７０に供給されるおそれがある。そこで、循環通路７１のうち熱交換器７４から吐出された水の温度Ｔｗが第１温水閾値温度Ｔｗａ（例えば４０℃）未満であるとき、制御部１００は、迂回バルブ７１ｖの貯湯ポート７１２を閉鎖し、熱交換ポート７１１および迂回ポート７１３を開放させる。これにより、熱交換器７４で加熱された温水を迂回通路７１ｒに流して貯湯タンク７０に流入させることを禁止（制限）させる。この場合、迂回通路７１ｒを通過した水は熱交換器７４の水通路７４ｗに送られ、排気ガス通路７５の排気ガスと熱交換される。このため、熱交換器７４の水通路７４ｗを流れる水の温度Ｔｗが上昇して第２温水閾値温度以上Ｔｗｃ（Ｔｗｃ＞Ｔｗａ）となり、熱交換器７４のガス通路７４ｇを通過する排気ガスの温度Ｔが低下しにくくなるおそれがある。この場合には、制御部１００は以下のような制御を実施する。ここで、循環通路７１の往路７１ａは、熱交換器７４の上流に設けられ放熱フィンをもつ放熱器７８０と、放熱器７８０に送風して放熱器７８０を冷却させる送風部７８２とを有する。
迂回通路７１ｒが通水可能に開放されている条件において、迂回通路７１ｒを流れた温水の温度Ｔｗ（水温センサ２０３で検知された温度）が第２温水閾値温度Ｔｗｃ（Ｔｗｃ＞Ｔｗａ）以上となったとき、制御部１００は送風部７８２を作動させて放熱器７８０からの放熱量を増加させる。これにより制御部１００は、迂回通路７１ｒを流れた温水の温度Ｔｗを放熱器７８０において低下させる放熱制御を実行する。これにより熱交換器７４の水通路７４ｗに流入する水の温度が低下するため、熱交換器７４のガス通路７４ｇを流れる排気ガスを効率よく冷却できる。これにより排気口７６から排出される排気ガスの温度Ｔが低下され、排気ガスに含まれる水分が低減される。従って、制御部１００は、冬季や寒冷地であっても、排気ガスが白煙となって外気に放出されることを抑制できる。なお、迂回通路７１ｒを流れた温水の温度（水温センサ２０３で検知された温度）が第２温水閾値温度Ｔｗｃ未満である、排気ガスを熱交換器７４で冷却できるため、制御部１００は送風部７８２の送風作動を中止させることができる。なお上記した迂回構造および放熱構造を全ての実施形態に適用しても良い。
（実施形態８）
図９は実施形態８を示す。本実施形態は基本的には実施形態１と同様の構成および同様の作用効果を有するため、図２および図３を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。排気ガスに含まれる水分が凝縮した凝縮水が流れる凝縮水通路７７が設けられている。凝縮水通路７７に接続され凝縮水を水精製器４０で精製させた後に改質用の改質水として溜める改質水タンク４４が設けられている。凝縮水用熱交換器７９が熱交換器７４の下流に設けられている。凝縮水用熱交換器７９は、凝縮水通路７７を流れる凝縮水と排気ガス通路７４の排気ガスとを熱交換させ、凝縮水を加熱させる。
図９は実施形態８を示す。本実施形態は基本的には実施形態１と同様の構成および同様の作用効果を有するため、図２および図３を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。排気ガスに含まれる水分が凝縮した凝縮水が流れる凝縮水通路７７が設けられている。凝縮水通路７７に接続され凝縮水を水精製器４０で精製させた後に改質用の改質水として溜める改質水タンク４４が設けられている。凝縮水用熱交換器７９が熱交換器７４の下流に設けられている。凝縮水用熱交換器７９は、凝縮水通路７７を流れる凝縮水と排気ガス通路７４の排気ガスとを熱交換させ、凝縮水を加熱させる。
排気ガス通路７５の排気ガスは、熱交換器７４のガス通路７４ｇで循環通路７１の水と熱交換して冷却される。このとき排気ガスの温度Ｔが過剰に低下すると、排気ガスに含まれている水分が凝縮して生成された凝縮水の温度も過剰に低くなるおそれがある。凝縮水は改質水として使用される。このため改質水タンク４４内の改質水（凝縮水）の温度が過剰に低いと、蒸発部２０の蒸発能、ひいては改質部２２の改質能に影響を与えるおそれがある。
そこで本実施形態は、排気ガスが凝縮して生成された凝縮水を、重力等により凝縮水通路７７を介して凝縮水用熱交換器７９に流す。これにより熱交換器７４のガス通路７４ｇから吐出された排気ガスと凝縮水とが熱交換され、凝縮水が暖められる。このように暖められた凝縮水が凝縮水通路７７を経て水精製器４０で精製された後、改質水として改質水タンク４４に貯留される。この場合、冬季や寒冷地等において、改質水タンク４４内の改質水が必要以上に低温となることが抑制される。なお、上記した凝縮水昇温構造を全ての実施形態に適用しても良い。
（その他）
本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。排気ガス温度センサ２０１を、排気ガス通路７６において熱交換器７４のガス通路７４ｇと排気口７６との間に設けても良い。あるいは、排気口７６に設けても良い。水温センサ２０３を、循環通路７１において熱交換器７４の水通路７４ｗと入水ポート７０ｉとの間に設けても良い。スタック１は平板のアノード１１、カソード１２を組み付けて形成された平板積層構造であるが、これに限らず、チューブ型でも良い。蒸発部２０は改質部２２と一体的に形成されているが、これに限らず、蒸発部２０は改質部２２から物理的に分離されていても良い。改質水ポンプ４２、燃料原料ポンプ５５およびカソードガスポンプ６２はポンプに限らず、コンプレッサ、ファンでも良い。上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。排気ガス温度センサ２０１を、排気ガス通路７６において熱交換器７４のガス通路７４ｇと排気口７６との間に設けても良い。あるいは、排気口７６に設けても良い。水温センサ２０３を、循環通路７１において熱交換器７４の水通路７４ｗと入水ポート７０ｉとの間に設けても良い。スタック１は平板のアノード１１、カソード１２を組み付けて形成された平板積層構造であるが、これに限らず、チューブ型でも良い。蒸発部２０は改質部２２と一体的に形成されているが、これに限らず、蒸発部２０は改質部２２から物理的に分離されていても良い。改質水ポンプ４２、燃料原料ポンプ５５およびカソードガスポンプ６２はポンプに限らず、コンプレッサ、ファンでも良い。上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
［付記項１］燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、改質器で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電される燃料電池と、燃料電池の発電運転に伴って発生した排気ガスを通過させる排気ガス通路と、貯湯タンクと貯湯タンクに対して循環する循環通路と循環通路の水を循環させる水搬送源とをもつ貯湯系と、排気ガス通路および循環通路に設けられ排気ガス通路を流れる排気ガスと循環通路を流れる水とを熱交換させて循環通路の水を加熱させて温水とする熱交換器と、熱交換器で熱交換された排気ガスの温度を検知する排気ガス温度センサと、排気ガス温度センサの温度信号が入力される制御部とを具備する燃料電池システム。排気ガスの温度が高ければ、制御部は水搬送源の出力を増加させる。この場合、排気口から外気に排出される排気ガスの白煙化が抑制される。
本発明は例えば定置用、車両用、電子機器用、電気機器用の固体酸化物形燃料電池システムに利用することができる。
１はスタック、１１はアノード、１２はカソード、２は改質器、２０は蒸発部、２２は改質部、２２０は改質触媒部、２３は燃焼用空間、２４は燃焼火炎、３は燃料電池モジュール、３０は断熱壁、３２は発電室、３２ｒは通路、４は改質水系、４０は水精製器、４１は改質水供給通路、４２は改質水ポンプ（改質水搬送源）、４４は改質水タンク、５は燃料原料供給系、５１は燃料原料供給通路、５５は燃料原料ポンプ（燃料原料搬送源）、６はカソードガス供給系、６０はカソードガス供給通路、６２はカソードガスポンプ（カソードガス搬送源）、７は貯湯系、７０は貯湯タンク、７１は循環通路、７１ａは往路、７１ｃは復路、７１ｒは迂回通路、７１ｖは迂回バルブ、７２は貯湯ポンプ（水搬送源）、７４は熱交換器、７４ｇはガス通路、７４ｗは水通路、７５は排気ガス通路、７６は排気口、７７は凝縮水通路、７８０は放熱器、７８２は送風部、１００は制御部、２０１は排気ガス温度センサ、２０３は水温センサを示す。
Claims (6)
- 燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、前記改質器で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電される固体酸化物形の燃料電池と、前記燃料電池の発電運転に伴って発生した排気ガスを通過させて排気口から排出させる排気ガス通路と、貯湯タンクと前記貯湯タンクに対して循環する循環通路と前記循環通路の水を循環させる水搬送源とをもつ貯湯系と、前記排気ガス通路および前記循環通路に設けられ排気ガス通路を流れる排気ガスと前記循環通路を流れる水とを熱交換させて前記循環通路の水を加熱させて温水とする熱交換器と、前記熱交換器で熱交換される排気ガスの温度を検知する排気ガス温度センサと、前記排気ガス温度センサの温度信号が入力される制御部とを具備しており、
前記制御部は、
前記排気ガス温度センサで検知した排気ガスの温度に基づいて前記水搬送源の駆動出力を制御し、排気ガスの温度がこれの目標温度よりも相対的に高いとき、前記水搬送源の駆動出力を増加させて前記熱交換器における熱交換量を増加させ、且つ、排気ガスの温度がこれの目標温度よりも相対的に低いとき、前記水搬送源の駆動出力を減少またはゼロとさせて前記熱交換器における熱交換量を減少させるかゼロとさせる燃料電池システム。 - 燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、前記改質器で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電される固体酸化物形の燃料電池と、前記燃料電池の発電運転に伴って発生した排気ガスを通過させて排気口から排出させる排気ガス通路と、貯湯タンクと前記貯湯タンクに対して循環する循環通路と前記循環通路の水を循環させる水搬送源とをもつ貯湯系と、前記排気ガス通路および前記循環通路に設けられ前記排気ガス通路を流れる排気ガスと前記循環通路を流れる水とを熱交換させて前記循環通路の水を加熱させて温水とする熱交換器と、前記熱交換器で熱交換される排気ガスの温度を検知する排気ガス温度センサと、前記熱交換器で熱交換される前記循環通路の水の温度を検知する水温センサと、前記排気ガス温度センサおよび前記水温センサの温度信号が入力される制御部とを具備しており、
前記制御部は、
排気ガスの温度が排気ガス第１閾値温度未満であるとき、前記水温センサで検知される水の温度に基づいて前記水搬送源の駆動出力を制御し、前記循環通路のうち前記熱交換器から吐出された水の温度を温水目標温度範囲内に維持させる第１制御を実行し、且つ、排気ガスの温度が前記排気ガス第１閾値温度以上であるとき、前記第１制御を中止し、前記水温センサで検知される水の温度の制御よりも、前記排気ガス温度センサで検知される排気ガスの温度の制御を優先させ、前記排気ガスセンサで検知される排気ガスの温度に基づいて前記水搬送源の駆動出力を制御し、前記水搬送源の駆動出力を前記第１制御よりも増加させることにより、前記熱交換器から吐出された排気ガスの温度を排気ガス目標温度範囲内に維持させると共に、前記熱交換器から吐出された温水の温度低下を許容させる第２制御を実行する燃料電池システム。 - 燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、前記アノードガスとカソードガスとで発電される固体酸化物形の燃料電池と、前記燃料電池の発電運転に伴って発生した排気ガスを通過させて排気口から排出させる排気ガス通路と、貯湯タンクと前記貯湯タンクに対して循環する循環通路と前記循環通路の水を循環させる水搬送源とをもつ貯湯系と、前記排気ガス通路および前記循環通路に設けられ排気ガス通路を流れる排気ガスと前記循環通路を流れる水とを熱交換させて前記循環通路の水を加熱させて温水とする熱交換器と、前記熱交換器で熱交換される排気ガスの温度を検知する排気ガス温度センサと、前記熱交換器で熱交換される前記循環通路の水の温度を検知する水温センサと、前記排気ガス温度センサおよび前記水温センサの温度信号が入力される制御部とを具備しており、
前記制御部は、
前記排気ガス温度センサで検知された排気ガスの温度が排気ガス第２閾値温度未満であるとき、前記循環通路のうち前記熱交換器から吐出された水の温度を制御対象とし、前記水温センサで検知された水の温度に基づいて前記水搬送源の駆動出力を制御することにより、前記循環通路のうち前記熱交換器から吐出された水の温度を温水目標温度範囲内とさせる第３制御を実行し、且つ、
前記排気ガス温度センサで検知された排気ガスの温度が前記排気ガス第２閾値温度以上であるとき、前記熱交換器から吐出された水の温度よりも、前記熱交換器から吐出された排気ガスの温度を制御対象に切り替え、前記排気ガス温度センサで検知された排気ガスの温度に基づいて前記水搬送源の駆動出力を制御することにより、前記熱交換器から吐出された排気ガスの温度を排気ガス目標温度範囲内とさせる第４制御を実行する燃料電池システム。 - 請求項１〜３のうちの一項において、前記循環通路は、前記貯湯タンクを迂回する迂回通路と、前記迂回通路を開閉させる迂回バルブとをもち、
前記熱交換器から吐出された水の温度が第１温水閾値温度よりも低いとき、前記制御部は、前記迂回バルブを開放させて、前記熱交換器で加熱された温水を前記迂回通路に流して前記貯湯タンクに流入させることを制限または禁止させる制御を実行する燃料電池システム。 - 請求項４において、前記循環通路は、前記熱交換器の上流に設けられた放熱器と、前記放熱器に送風して前記放熱器を冷却させる送風部とを有しており、前記迂回通路を流れた温水の温度が第２温水閾値温度よりも高いとき、前記送風部を作動させて前記放熱器からの放熱量を増加させることにより、前記迂回通路を流れた水の温度を低下させて前記熱交換器に流入させる放熱制御を実行する燃料電池システム。
- 請求項１〜５のうちの一項において、排気ガスが前記熱交換器を流れるときにおいて排気ガスに含まれる水分が凝縮した凝縮水が流れる凝縮水通路と、前記凝縮水通路に接続され凝縮水を改質用の改質水として溜める改質水タンクと、前記凝縮水通路に設けられ前記凝縮水通路を流れる凝縮水を前記排気ガス通路の排気ガスと熱交換させて加熱させる凝縮水用熱交換器とを有する燃料電池システム。
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