JP2013062216A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】水自立及び熱自立を促進させるとともに、総合効率及び負荷追従性の向上を図ることを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュール１２と、前記燃料電池モジュール１２から排出される排ガスと冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮して回収するとともに、凝縮水を前記燃料電池モジュール１２に供給する凝縮装置１４とを備える。凝縮装置１４は、冷媒体として酸化剤ガスが使用される空冷凝縮器４４を備えるとともに、前記空冷凝縮器４４は、充電時に吸熱反応を行う一方、放電時に発熱反応を行う２次電池６０を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮して回収するとともに、凝縮水を前記燃料電池モジュールに供給する凝縮装置とを備える燃料電池システムに関する。
通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。この固体電解質の両側に、アノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定の数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに、例えば、水蒸気改質を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。
この燃料電池では、運転温度が比較的高温であり、発電反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを含む排ガスも高温になっている。この種の排ガスは、無駄に廃棄される場合が多く、熱エネルギの有効利用を図ることが望まれている。
そこで、例えば、特許文献１に開示されている電力貯蔵型熱電併給システムが知られている。このシステムは、図６に示すように、熱供給系として排熱ボイラ１ａの吸水加熱系、Ｎａ−Ｓ電池（ナトリウム硫黄電池）２ａの加熱系、ボイラ３ａによる熱供給系、さらに電力供給系として発電機４ａ、Ｎａ−Ｓ電池２ａ及び商用系統５ａを備えている。
ここで、熱供給系の一つである吸水加熱系の構成は、ガスタービン６ａ等の軸受冷却水を冷却する水−水熱交換器７ａ、Ｎａ−Ｓ電池２ａを一定温度に保持する恒温槽８ａの排気系に設置したガス−水熱交換器９ａにより構成されている。
吸水は、水−水熱交換器７ａ、ガス−水熱交換器９ａにより加熱され、排熱ボイラ１ａに供給されている。Ｎａ−Ｓ電池２ａの加熱系は、ガスタービン６ａ等の内燃機関の高温排ガスを出口部分で分岐し、断熱配管で恒温槽８ａに導いてＮａ−Ｓ電池２ａを加熱することにより、一定温度に保持している。
これにより、発電電力の有効利用を図るべく余剰電力を充電し、必要に応じて放電する電力貯蔵設備を設置したため、高温状態を維持する必要がある高温作動型電池（Ｎａ−Ｓ電池等）の熱源として、既に存在する高温排ガスを使用するため、従来使用していた加熱用電気ヒータ等の設備費並びにヒータ電力の倹約になる、としている。
また、特許文献２に開示されている負荷追従型燃料電池発電システムでは、図７に示すように、燃料処理装置である脱硫器１ｂに燃料電池スタック２ｂが接続され、前記燃料電池スタック２ｂにインバータ３ｂが接続されている。燃料電池スタック２ｂとインバータ３ｂとの間には、双方向コンバータ４ｂを介してナトリウム硫黄電池５ｂが接続されている。
燃料電池スタック２ｂには、冷却水管により接続された熱交換器６ｂが設けられるとともに、ナトリウム硫黄電池５ｂを加熱するヒータ７ｂが設けられている。ヒータ７ｂは、熱伝達用媒体管により熱交換器６ｂに接続され、前記熱交換器６ｂには、熱伝達用媒体管により接続された給湯器８ｂが設けられている。
従って、ナトリウム硫黄電池の放電、充電により、負荷追従型燃料電池発電システムの出力電力を負荷電力に追従して変化することができるから、負荷電力の速い変動に対して追従することができ、また電力を使用してナトリウム硫黄電池を加熱する必要がないから、電力損失が生ずることがない、としている。
特開平６−１７６７９２号公報 特開２００２−３３４７１０号公報
ところで、上記の特許文献１において、Ｎａ−Ｓ電池では、充電時が吸熱反応であるため、排ガスの熱が供給されることにより、エネルギの有効利用が図られる。しかしながら、Ｎａ−Ｓ電池は、放電時が発熱反応であるため、前記Ｎａ−Ｓ電池が昇温し過ぎるおそれがある。これにより、Ｎａ−Ｓ電池を、常に作動状態に維持することが困難になるという問題がある。
また、上記の特許文献２では、熱需要が多い時で且つナトリウム硫黄電池５ｂが充電時（吸熱反応）では、燃料電池スタック２ｂからの排熱だけでは補うことができず、前記ナトリウム硫黄電池５ｂが熱不足になるおそれがある。しかも、ナトリウム硫黄電池５ｂの放電時（発熱反応）には、前記ナトリウム硫黄電池５ｂを降温させる手段がない。このため、ナトリウム硫黄電池５ｂを、常に作動状態に維持することが困難になるという問題がある。
本発明は、この種の問題を解決するものであり、水自立及び熱自立を促進させるとともに、発電効率、熱効率及び負荷追従性の向上を図ることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮して回収するとともに、凝縮水を前記燃料電池モジュールに供給する凝縮装置と、制御装置とを備える燃料電池システムに関するものである。
この燃料電池システムでは、凝縮装置は、冷媒体として酸化剤ガスが使用される空冷凝縮機構を備えるとともに、前記空冷凝縮機構は、充電時に吸熱反応を行う一方、放電時に発熱反応を行う２次電池を設けている。そして、制御装置は、充電時に熱媒体として排ガスを使用し、放電時に冷媒体として酸化剤ガスを使用することにより、２次電池を充放電可能な状態に温度維持する制御を行っている。
また、この燃料電池システムでは、湯を貯留するための貯湯部を備えるとともに、凝縮装置は、冷媒体として前記貯湯部に貯えられる貯湯水が使用される水冷凝縮機構を備えることが好ましい。このため、排ガスの熱エネルギを貯湯部に回収することができ、エネルギ効率の向上が図られる。しかも、排ガス温度が低下されるとともに、排ガス中の水蒸気を凝縮して回収することが可能になる。従って、廃熱の抑制と水自立の促進が図られる。
このように、空冷凝縮機構と水冷凝縮機構とが、選択的又は同時に使用されるため、排ガスの熱エネルギを効率的に回収することができる。このため、水自立が図られるとともに、排ガス温度の低減が可能になる。
しかも、貯湯水の状態、すなわち、貯湯水の量によって発電出力が影響されることがなく、需要電力を確実に供給することができる。
さらに、燃料電池モジュールは、貯湯部の容量に依存することがなく、起動及び停止を最小限に抑制することができ、発電効率の向上が容易に図られる。
さらにまた、この燃料電池システムでは、２次電池は、溶融塩電解液電池又はナトリウム硫黄電池であることが好ましい。従って、充電時に吸熱反応を行う一方、放電時に発熱反応を行う２次電池として良好に使用するとともに、作動温度域を燃料電池モジュールの運転温度域に対応させることが可能になる。
また、この燃料電池システムでは、制御装置は、少なくとも２次電池の電池温度と予め設定された電池温度範囲とを比較する電池温度比較部と、前記２次電池の電池電力量と予め設定された電池電力量範囲とを比較する電池電力量比較部とを有することが好ましい。
これにより、２次電池の温度を充放電可能な状態に確実に維持するとともに、前記２次電池の充放電が良好に遂行される。しかも、２次電池を充電する際には、排ガスを空冷凝縮機構に供給する一方、前記２次電池を放電する際には、前記排ガスを水冷凝縮機構に供給することができ、負荷追従性と発電効率及び熱効率の向上が可能になる。
さらに、この燃料電池システムでは、貯湯部は、貯湯水水位を検出する貯湯水水位検出器と、貯湯水温度を検出する貯湯水温度検出器とを備えることが好ましい。このため、貯湯水の状態、すなわち、貯湯水の量（水位）及び貯湯水の温度を確実に検出することができる。
さらにまた、この燃料電池システムでは、凝縮装置は、凝縮水を貯留する水容器と、前記水容器内の凝縮水水位を検出する凝縮水水位検出器とを備えることが好ましい。従って、凝縮水の状態、すなわち、凝縮水の量を確実に検出することが可能になる。
また、この燃料電池システムでは、空冷凝縮機構に供給される排ガスの流量、及び水冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量を調整する調整弁を備えることが好ましい。これにより、空冷凝縮機構と水冷凝縮機構とに供給される各排ガス量を良好に調整することができ、水自立及び要求電力負荷の供給が可能になるとともに、貯湯水の温度維持が遂行される。
さらに、この燃料電池システムでは、燃料電池モジュールは、少なくとも電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、前記混合燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器とを備えることが好ましい。
このため、特に水蒸気改質を行う燃料電池モジュールに最適に適用することができ、良好な効果が得られる。
さらにまた、この燃料電池システムでは、燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることが好ましい。従って、高温型燃料電池システムに最適に用いることが可能になり、良好な効果が得られる。
本発明によれば、空冷凝縮機構は、充電時に吸熱反応を行う一方、放電時に発熱反応を行う２次電池を設けるとともに、前記２次電池は、充電時に熱媒体として排ガスを使用し、放電時に冷媒体として酸化剤ガスを使用することにより、充放電可能な状態に温度維持されている。このため、２次電池の充放電により、燃料電池システムの出力電力を負荷電力に追従して変化させることができ、前記負荷電力の急激な変動に容易に追従することが可能になる。
しかも、２次電池の充電時には、排ガスが使用される一方、前記２次電池の放電時には、酸化剤ガスが使用されている。従って、必要以上に電力損失が発生することがなく、電力損失の抑制と熱の有効利用とが図られることから、発電効率及び熱効率、すなわち、総合効率の向上を図ることができる。
その上、排ガス温度が低減されるとともに、排ガス中の水蒸気を凝縮して回収することが可能になり、廃熱の抑制と水自立の促進が図られる。さらに、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が容易に遂行可能になる。
ここで、水自立とは、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を外部から供給することなく、前記燃料電池システム内で賄うことをいう。また、熱自立とは、燃料電池システムの運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池システムの動作温度を維持することをいう。
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャートである。 前記制御方法の制御マップの説明図である。 前記制御マップの詳細説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 特許文献１の電力貯蔵型熱電併給システムの説明図である。 特許文献２の負荷追従型燃料電池発電システムの説明図である。
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。
燃料電池システム１０は、図１に概略的に示すように、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール１２と、前記燃料電池モジュール１２から排出される排ガスと冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮して回収するとともに、凝縮水を前記燃料電池モジュール１２に供給する凝縮装置１４と、制御装置１６と、前記冷媒体として貯留水が貯えられる貯湯タンク（貯留部）１８とを備える。
燃料電池モジュール１２には、前記燃料電池モジュール１２に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する燃料ガス供給装置（燃料ガスポンプを含む）２０と、前記燃料電池モジュール１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（エアポンプを含む）２２と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）２４とが接続される。
燃料電池モジュール１２は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質（固体酸化物）をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体２６とセパレータ２８とが積層される固体酸化物形の燃料電池３０を設けるとともに、複数の前記燃料電池３０が鉛直方向（又は水平方向）に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック３２を備える。
燃料電池スタック３２の積層方向下端側（又は上端側）には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック３２に供給する前に加熱する熱交換器３４と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、前記水を蒸発させる蒸発器３６と、前記混合燃料を改質して燃料ガス（改質ガス）を生成する改質器３８とが配設される。
改質器３８は、都市ガス（燃料ガス）中に含まれるエタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）及びブタン（Ｃ４Ｈ１０）等の高級炭化水素（Ｃ２＋）を、主としてメタン（ＣＨ４）を含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。
燃料電池３０は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体２６では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素が得られ、この水素がアノード電極に供給される。
熱交換器３４は、燃料電池スタック３２から排出される使用済み反応ガス（以下、排ガス又は燃焼排ガスともいう）と、被加熱流体である空気とを、互いに対向流に流して熱交換を行う。熱交換後の排ガスは、排気管４０に排出される一方、熱交換後の空気は、酸化剤ガスとして燃料電池スタック３２に供給される。
蒸発器３６の出口は、改質器３８の入口に連結されるとともに、前記改質器３８の出口は、燃料電池スタック３２の燃料ガス供給連通孔（図示せず）に連通する。蒸発器３６に供給された排ガスを排出するために、主排気管４２が設けられる。主排気管４２は、排気管４０に一体化される。
凝縮装置１４は、冷媒体として酸化剤ガスが使用される空冷凝縮器（空冷凝縮機構）４４と、前記冷媒体として貯湯タンク１８に貯えられる貯湯水が使用される水冷凝縮器（水冷凝縮機構）４６とを備える。
燃料電池モジュール１２から延在する排気管４０には、調整弁４８が配設され、前記調整弁４８の出口側には、排ガス通路５０ａ、５０ｂが分岐する。排ガス通路５０ａには、空冷凝縮器４４が接続される一方、排ガス通路５０ｂには、水冷凝縮器４６が接続される。
調整弁４８は、空冷凝縮器４４に供給される排ガスの流量、及び水冷凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量を個別に調整可能である。排ガスは、空冷凝縮器４４のみに供給される場合、水冷凝縮器４６のみに供給される場合、及び前記空冷凝縮器４４と前記水冷凝縮器４６とにそれぞれ所定の流量で供給される場合がある。
なお、調整弁４８は、排ガス通路５０ａと５０ｂとに対する排ガスの分配流量を変更させることにより、前記排ガス通路５０ａ、５０ｂに供給される排ガス流量を調整することもできる。その際、後述する制御では、燃料電池モジュール１２の出力を増減させて排ガス供給量を増減させることにより、排ガス通路５０ａ、５０ｂに分配される排ガス流量を増減させる必要がある。
空冷凝縮器４４及び水冷凝縮器４６の出口側には、排ガスを排出するための排気ガス流路５２ａ、５２ｂが設けられるとともに、凝縮した凝縮水を水容器５４に供給するための凝縮水流路５６ａ、５６ｂが設けられる。水容器５４は、凝縮水を貯留するとともに、水流路５８を介して水供給装置２４に接続される。排気ガス流路５２ａ、５２ｂは、合流した後、凝縮装置１４の外部に排ガスを排出自在である。
空冷凝縮器４４には、充電時に吸熱反応を行う一方、放電時に発熱反応を行う２次電池６０が設けられる。２次電池６０は、好適には、溶融塩電解液電池又はナトリウム硫黄電池等の高温型２次電池が使用される。２次電池６０には、この２次電池６０自体の温度を検出するために温度センサ６２が装着される。温度センサ６２により検出された電池温度Ｔは、制御装置１６に送られる。
２次電池６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６４を介して燃料電池モジュール１２に電気的に接続され、前記燃料電池モジュール１２の出力電力を負荷電力に追従して変化させることができる。燃料電池モジュール１２の出力電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６４により降圧されて２次電池６０に充電可能である。
空冷凝縮器４４には、酸化剤ガス供給装置２２を配設した空気供給管６６が接続される。空気供給管６６は、空冷凝縮器４４内に冷媒体として酸化剤ガスを通し、排ガスと熱交換させることにより昇温された前記酸化剤ガスを燃料電池スタック３２に供給する。
水冷凝縮器４６には、貯湯タンク１８に接続された循環配管６８が配設される。循環配管６８は、水冷凝縮器４６内に冷媒体として貯湯タンク１８内の貯湯水を通して排ガスと熱交換させ、昇温された貯湯水を前記貯湯タンク１８に戻す。
制御装置１６は、充電時に熱媒体として排ガスを使用し、放電時に冷媒体として酸化剤ガスを使用することにより、２次電池６０を充放電可能な状態に温度維持する制御を行う。
制御装置１６は、少なくとも２次電池６０の電池温度Ｔと予め設定された電池温度範囲とを比較する電池温度比較部７０と、前記２次電池６０の電池電力量Ｗと予め設定された電池電力量範囲とを比較する電池電力量比較部７２と、燃料電池モジュール１２の供給電力（燃料電池出力）と需要電力（要求出力）とを比較する電力比較部７４を備える。
貯湯タンク１８は、貯湯水水位を検出する水位計（貯湯水水位検出器）８０と、貯湯水温度を検出する温度計（貯湯水温度検出器）８２とを備える。水容器５４は、前記水容器５４内の凝縮水水位を検出する水位計（凝縮水水位検出器）８４を備える。
貯湯タンク１８には、外部から市水を供給するための給水管８６と、排水を行う排水管８８と、所望の温度の貯湯水を給湯する給湯管９０とが接続される。給水管８６、排水管８８及び給湯管９０には、それぞれ弁９２、９４及び９６が配設される。
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
燃料ガス供給装置２０の駆動作用下に、蒸発器３６には、例えば、都市ガス（ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０を含む）等の原燃料が供給される。一方、水供給装置２４の駆動作用下に、蒸発器３６には、水が供給されるとともに、熱交換器３４には、酸化剤ガス供給装置２２を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が空冷凝縮器４４を通って供給される。
蒸発器３６では、原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、改質器３８の入口に供給される。混合燃料は、改質器３８内で水蒸気改質され、Ｃ２＋の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする燃料ガスが得られる。この燃料ガスは、改質器３８の出口から燃料電池スタック３２に導入される。このため、燃料ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする燃料ガスは、アノード電極（図示せず）に供給される。
一方、熱交換器３４に供給される空気は、この熱交換器３４に沿って移動する際、後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器３４で加温された空気は、燃料電池スタック３２に導入され、図示しないカソード電極に供給される。
従って、電解質・電極接合体２６では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体２６の外周部に排出される高温（数百℃）の排ガスは、熱交換器３４を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。排ガスは、蒸発器３６に供給されて水を蒸発させる。蒸発器３６を通過した排ガスは、主排気管４２から排気管４０を介して凝縮装置１４に送られる。
次いで、凝縮装置１４における制御方法について、図２に示すフローチャート、並びに、図３及び図４に示す制御マップに沿って、以下に説明する。
先ず、２次電池６０の電池温度Ｔの電池温度範囲として、電池温度上限値Ｔｍａｘと電池温度下限値Ｔｍｉｎとが予め設定される。さらに、２次電池６０の電池電力量Ｗの電池電力量範囲として、電池電力量上限値Ｗｍａｘと電池電力量下限値Ｗｍｉｎとが予め設定される。
図４中、空冷ＵＰとは、空冷凝縮器４４内に供給される排ガスの流量を増加させるモードであり、空冷ＤＯＷＮとは、前記空冷凝縮器４４内に供給される排ガスの流量を減少させるモードである。水冷ＵＰとは、水冷凝縮器４６内に供給される排ガスの流量を増加させるモードであり、水冷ＤＯＷＮとは、前記水冷凝縮器４６内に供給される排ガスの流量を減少させるモードである。
図４中、充放電条件とあるのは、燃料電池モジュール１２の供給出力に対する要求出力の関係から、２次電池６０を放電させるか充電させるかを判断する条件である。要求出力＞供給出力では、２次電池６０が放電モードとなり、要求出力＜供給出力では、前記２次電池６０が充電モードとなる。
そこで、制御装置１６では、電池温度比較部７０を介して、２次電池６０の電池温度Ｔと予め設定された電池温度範囲とが比較される。電池温度Ｔが、電池温度上限値Ｔｍａｘ以下であると判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。
ステップＳ２では、電池温度Ｔが、電池温度下限値Ｔｍｉｎ以上であると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、電池電力量比較部７２を介して、２次電池６０の電池電力量Ｗと予め設定された電池電力量範囲とが比較される。電池電力量Ｗが、電池電力量上限値Ｗｍａｘ以下であると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。
ステップＳ４では、電池電力量Ｗが、電池電力量下限値Ｗｍｉｎ以上であると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、処理Ｅが行われる。この状態は、図３及び図４に示すように、２次電池６０の電池温度Ｔが、電池温度範囲内であり、且つ、前記２次電池６０の電池電力量Ｗが、電池電力量範囲内である。
その際、空冷凝縮器４４内に供給される排ガスの流量が維持されるとともに（空冷維持）、水冷凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量が維持される（水冷維持）。このため、２次電池６０の電池温度Ｔが維持される一方、電池電力量Ｗは、充放電可能な状態にある。電力比較部７４では、燃料電池モジュール１２の供給電力と需要電力とを比較する。従って、要求出力＞供給出力では、２次電池６０から放電される一方、要求出力＜供給出力では、燃料電池モジュール１２から前記２次電池６０に充電される。
また、ステップＳ４において、電池電力量Ｗが、電池電力量下限値Ｗｍｉｎ未満であると判断されると（ステップＳ４中、ＮＯ）、ステップＳ６に進んで、処理Ｄが行われる。この状態は、図３及び図４に示すように、２次電池６０の電池温度Ｔが、電池温度範囲内であり、且つ、前記２次電池６０の電池電力量Ｗが、電池電力量未満である。
この処理Ｄでは、空冷凝縮器４４内に供給される排ガスの流量及び水冷凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量が維持される。そして、電力比較部７４において、要求出力＜供給出力であると判断されると、燃料電池モジュール１２から２次電池６０に充電が行われる。
さらにまた、ステップＳ３において、電池電力量Ｗが、電池電力量上限値Ｗｍａｘ超過であると判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ７に進んで、処理Ｆが行われる。この状態は、図３及び図４に示すように、２次電池６０の電池温度Ｔが、電池温度範囲内であり、且つ、前記２次電池６０の電池電力量Ｗが、電池電力量超過である。
この処理Ｆでは、空冷凝縮器４４内に供給される排ガスの流量及び水冷凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量が維持される。さらに、電力比較部７４において、要求出力＞供給出力であると判断されると、２次電池６０から放電が行われる。
ステップＳ２において、電池温度Ｔが、電池温度下限値Ｔｍｉｎ未満であると判断されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、ステップＳ８に進んで、電池電力量Ｗが、電池電力量上限値Ｗｍａｘ以下であるか否かが判断される。電池電力量Ｗが、電池電力量上限値Ｗｍａｘ以下であると判断されると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進む。
ステップＳ９では、電池電力量Ｗが、電池電力量下限値Ｗｍｉｎ以上であると判断されると（ステップＳ９中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０に進んで、処理Ｂが行われる。この状態は、図３及び図４に示すように、２次電池６０の電池温度Ｔが、電池温度未満であり、且つ、前記２次電池６０の電池電力量Ｗが、電池電力量範囲内である。
この処理Ｂでは、空冷凝縮器４４内に供給される排ガスの流量が増加される一方、水冷凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量が維持される。そして、電力比較部７４において、要求出力＞供給出力であると判断されると、２次電池６０から放電が行われる。
ステップＳ９において、電池電力量Ｗが、電池電力量下限値Ｗｍｉｎ未満であると判断されると（ステップＳ９中、ＮＯ）、ステップＳ１１に進んで、処理Ａが行われる。この状態は、図３及び図４に示すように、２次電池６０の電池温度Ｔが、電池温度未満であり、且つ、前記２次電池６０の電池電力量Ｗが、電池電力量未満である。
この処理Ａでは、空冷凝縮器４４内に供給される排ガスの流量が増加されるとともに、水冷凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量が減少される。その際、２次電池６０では、充放電が行われず、作動可能な温度域まで昇温される。
また、ステップＳ８において、電池電力量Ｗが、電池電力量上限値Ｗｍａｘ超過であると判断されると（ステップＳ８中、ＮＯ）、ステップＳ１２に進んで、処理Ｃが行われる。この状態は、図３及び図４に示すように、２次電池６０の電池温度Ｔが、電池温度未満であり、且つ、前記２次電池６０の電池電力量Ｗが、電池電力量超過である。
この処理Ｃでは、空冷凝縮器４４内に供給される排ガスの流量が増加される一方、水冷凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量が減少される。そして、電力比較部７４において、要求出力＞供給出力であると判断されると、２次電池６０から放電が行われる。
さらにまた、ステップＳ１において、電池温度Ｔが、電池温度上限値Ｔｍａｘ超過であると判断されると（ステップＳ１中、ＮＯ）、ステップＳ１３に進む。このステップＳ１３では、電池電力量Ｗが、電池電力量上限値Ｗｍａｘ以下であると判断されると（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１４に進む。
ステップＳ１４では、電池電力量Ｗが、電池電力量下限値Ｗｍｉｎ以上であると判断されると（ステップＳ１４中、ＹＥＳ）、ステップＳ１５に進んで、処理Ｈが行われる。この状態は、図３及び図４に示すように、２次電池６０の電池温度Ｔが、電池温度超過であり、且つ、前記２次電池６０の電池電力量Ｗが、電池電力量範囲内である。
この処理Ｈでは、空冷凝縮器４４内に供給される排ガスの流量が減少される一方、水冷凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量が増加される。そして、電力比較部７４において、要求出力＜供給出力であると判断されると、燃料電池モジュール１２から２次電池６０に充電が行われる。
ステップＳ１４において、電池電力量Ｗが、電池電力量下限値Ｗｍｉｎ未満であると判断されると（ステップＳ１４中、ＮＯ）、ステップＳ１６に進んで、処理Ｇが行われる。この状態は、図３及び図４に示すように、２次電池６０の電池温度Ｔが、電池温度超過であり、且つ、前記２次電池６０の電池電力量Ｗが、電池電力量未満である。
この処理Ｇでは、空冷凝縮器４４内に供給される排ガスの流量が減少される一方、水冷凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量が増加される。さらに、電力比較部７４において、要求出力＜供給出力であると判断されると、燃料電池モジュール１２から２次電池６０に充電が行われる。
また、ステップＳ１３において、電池電力量Ｗが、電池電力量上限値Ｗｍａｘ超過であると判断されると（ステップＳ１３中、ＮＯ）、ステップＳ１７に進んで、処理Ｉが行われる。この状態は、図３及び図４に示すように、２次電池６０の電池温度Ｔが、電池温度超過であり、且つ、前記２次電池６０の電池電力量Ｗが、電池電力量超過である。
この処理Ｉでは、空冷凝縮器４４内に供給される排ガスの流量が減少される一方、水冷凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量が増加される。その際、２次電池６０では、充放電が行われず、作動可能な温度域まで降温される。
この場合、第１の実施形態では、凝縮装置１４は、冷媒体として酸化剤ガスが使用される空冷凝縮器４４を備えるとともに、前記空冷凝縮器４４は、充電時に吸熱反応を行う一方、放電時に発熱反応を行う２次電池６０を備えている。そして、２次電池６０は、充電時に熱媒体として排ガスを使用し、放電時に冷媒体として酸化剤ガスを使用することにより、充放電可能な状態に温度維持されている。
このため、２次電池６０の充放電により、燃料電池モジュール１２の出力電力を負荷電力に追従して変化させることができ、前記負荷電力の急激な変動に容易に追従することが可能になるという効果が得られる。
しかも、２次電池６０の充電時には、排ガスが使用される一方、前記２次電池６０の放電時には、酸化剤ガスが使用されている。従って、必要以上に電力損失が発生することがなく、電力損失の抑制と熱の有効利用とが図られることから、発電効率及び熱効率、すなわち、総合効率の向上を図ることができる。
その上、排ガス温度が低減されるとともに、排ガス中の水蒸気を凝縮して回収することが可能になり、廃熱の抑制と水自立の促進が図られる。さらに、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が容易に遂行可能になる。
ここで、水自立とは、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を外部から供給することなく、前記燃料電池システム１０内で賄うことをいう。また、熱自立とは、燃料電池システム１０の運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池システム１０の動作温度を維持することをいう。
また、燃料電池システム１０では、湯を貯留するための貯湯タンク１８を備えるとともに、凝縮装置１４は、冷媒体として前記貯湯タンク１８に貯えられる貯湯水が使用される水冷凝縮器４６を備えている。これにより、排ガスの熱エネルギを貯湯タンク１８に回収することができ、エネルギ効率の向上が図られる。しかも、排ガス温度が低下されるとともに、排ガス中の水蒸気を凝縮して回収することが可能になる。従って、廃熱の抑制と水自立の促進が図られる。
このように、空冷凝縮器４４と水冷凝縮器４６とは、選択的又は同時に使用されるため、排ガスの熱エネルギを効率的に回収することができる。このため、水自立が図られるとともに、排ガス温度の低減が可能になる。しかも、貯湯水の状態、すなわち、貯湯水の量によって発電出力が影響されることがなく、需要電力を確実に供給することができる。
さらに、燃料電池モジュール１２は、貯湯タンク１８の容量に依存することがなく、起動及び停止を最小限に抑制することができ、発電効率の向上が容易に図られる。
さらにまた、２次電池６０は、好適には、溶融塩電解液電池又はナトリウム硫黄電池が使用されている。従って、充電時に吸熱反応を行う一方、放電時に発熱反応を行う２次電池６０として良好に使用するとともに、作動温度域を燃料電池モジュール１２の運転温度域に対応させることが可能になる。
また、制御装置１６は、少なくとも２次電池６０の電池温度Ｔと予め設定された電池温度範囲とを比較する電池温度比較部７０と、前記２次電池６０の電池電力量Ｗと予め設定された電池電力量範囲とを比較する電池電力量比較部７２とを備えている。
これにより、２次電池６０の温度を充放電可能な状態に確実に維持するとともに、前記２次電池６０の充放電が良好に遂行される。しかも、２次電池６０を充電する際には、排ガスを空冷凝縮器４４に供給する一方、前記２次電池６０を放電する際には、前記排ガスを水冷凝縮器４６に供給することができ、負荷追従性と発電効率及び熱効率の向上が可能になる。
さらに、貯湯タンク１８は、貯湯水水位を検出する水位計８０と、貯湯水温度を検出する温度計８２とを備えている。これにより、貯湯水の状態、すなわち、貯湯水の量（水位）及び貯湯水の温度を確実に検出することができる。
さらにまた、凝縮装置１４は、凝縮水を貯留する水容器５４と、前記水容器５４内の凝縮水水位を検出する水位計８４とを備えている。このため、凝縮水の状態、すなわち、凝縮水の量を確実に検出することができる。
また、この燃料電池システム１０は、空冷凝縮器４４に供給される排ガスの流量、及び水冷凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量を調整する調整弁４８を備えている。従って、空冷凝縮器４４と水冷凝縮器４６とに供給される各排ガス量を良好に調整することができ、水自立及び要求電力負荷の供給が可能になるとともに、貯湯水の温度維持が遂行される。
さらに、燃料電池モジュール１２は、燃料電池スタック３２と、熱交換器３４と、蒸発器３６と、改質器３８とを備えている。これにより、特に水蒸気改質を行う燃料電池モジュール１２に最適に適用することができ、良好な効果が得られる。
さらにまた、燃料電池モジュール１２は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュールにより構成されている。このため、高温型燃料電池システムに最適に用いることが可能になり、良好な効果が得られる。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成説明図である。
なお、第１の実施形態に係る燃料電池システムと同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
燃料電池システム１００は、空冷凝縮器４４に空冷ファン１０２を装着して構成される。従って、空冷凝縮器４４では、空冷ファン１０２から強制的に供給される外気（酸化剤ガス）が、燃料電池スタック３２から排出される排ガスを冷却するとともに、２次電池６０の放電時に冷媒体として使用される。
これにより、第２の実施形態では、水自立及び熱自立を促進させるとともに、総合効率及び負荷追従性の向上を図ることが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
１０、１００…燃料電池システム １２…燃料電池モジュール
１４…凝縮装置 １６…制御装置
１８…貯湯タンク ２０…燃料ガス供給装置
２２…酸化剤ガス供給装置 ２４…水供給装置
２６…電解質・電極接合体 ２８…セパレータ
３０…燃料電池 ３２…燃料電池スタック
３４…熱交換器 ３６…蒸発器
３８…改質器 ４０…排気管
４４…空冷凝縮器 ４６…水冷凝縮器
４８…調整弁 ５２ａ、５２ｂ…排気ガス流路
５４…水容器 ５６ａ、５６ｂ…凝縮水流路
６０…２次電池 ６２…温度センサ
６４…ＤＣ／ＤＣコンバータ ６６…空気供給管
７０…電池温度比較部 ７２…電池電力量比較部
７４…電力比較部 ８０、８４…水位計
８２…温度計 １０２…空冷ファン

Claims (9)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、
    前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮して回収するとともに、凝縮水を前記燃料電池モジュールに供給する凝縮装置と、
    制御装置と、
    を備える燃料電池システムであって、
    前記凝縮装置は、前記冷媒体として前記酸化剤ガスが使用される空冷凝縮機構を備えるとともに、
    前記空冷凝縮機構は、充電時に吸熱反応を行う一方、放電時に発熱反応を行う２次電池を設け、
    前記制御装置は、充電時に熱媒体として前記排ガスを使用し、放電時に冷媒体として前記酸化剤ガスを使用することにより、前記２次電池を充放電可能な状態に温度維持する制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、湯を貯留するための貯湯部を備えるとともに、
    前記凝縮装置は、前記冷媒体として前記貯湯部に貯えられる貯湯水が使用される水冷凝縮機構を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記２次電池は、溶融塩電解液電池又はナトリウム硫黄電池であることを特徴とする燃料電池システム。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、少なくとも前記２次電池の電池温度と予め設定された電池温度範囲とを比較する電池温度比較部と、
    前記２次電池の電池電力量と予め設定された電池電力量範囲とを比較する電池電力量比較部と、
    を有することを特徴とする燃料電池システム。
  5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記貯湯部は、貯湯水水位を検出する貯湯水水位検出器と、
    貯湯水温度を検出する貯湯水温度検出器と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記凝縮装置は、前記凝縮水を貯留する水容器と、
    前記水容器内の凝縮水水位を検出する凝縮水水位検出器と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  7. 請求項２〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記空冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量、及び前記水冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量を調整する調整弁を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池モジュールは、少なくとも電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、
    前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、
    炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、前記水を蒸発させる蒸発器と、
    前記混合燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることを特徴とする燃料電池システム。
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