JP2016225102A - 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、凝縮水量を必要かつ十分に生成する。【解決手段】燃料電池システムの制御装置１５は、燃料電池３４の発電に必要な改質水量を熱交換器１２で生成される凝縮水のみで賄うことができる水自立が成立していないか否かを判定する水自立不成立判定部（ステップＳ１０２）と、水自立成立判定部（ステップＳ１０２）によって水自立が不成立である旨判定されている場合、熱交換器１２の貯湯水出口温度の目標温度を減少させる目標温度減少設定部（ステップＳ１０６）と、目標温度減少設定部（ステップＳ０６）にて設定された目標温度となるように、貯湯水循環ポンプ２２ｂの送出量を制御する送出量制御部（ステップＳ１０８）と、を備えている。【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの一形式として、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、燃料ガス３ａと酸化剤ガスとしての酸素含有ガス６１ａとが供給され、電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池３０と、燃料電池３０から排出される排ガス６３ａを冷却し、水分を分離する気水分離部８３、１００、８９と、水分を分離された排ガス６４ａの温度を検知する排ガス温度検知手段９０と、排ガス温度検知手段により検知される温度が第１の所定温度以下となるように、気水分離部で交換される熱量を調整する冷却調整手段１３０とを備えている。

特開２００５−２７６７５７号公報

上述した特許文献１に記載されている燃料電池システムは、高効率化のために例えば低Ｓ／Ｃ運転をすると、排ガスにおいて潜熱に対する顕熱の比率である潜熱／顕熱比が小さくなり、凝縮水量を必要かつ十分に生成することができないおそれがあった。

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、凝縮水量を必要かつ十分に生成することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池システムの発明は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、改質用原料と改質水とから燃料を生成して燃料電池に供給する改質部と、燃料電池からの未使用の燃料を含む可燃性ガスを導入し酸化剤ガスで燃焼して燃焼排ガスを導出する燃焼部と、貯湯水を貯水する貯湯槽と、燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われ、燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する熱交換器と、貯湯槽と熱交換器との間において貯湯水を循環させるように形成された貯湯水循環ラインと、貯湯水循環ラインに設けられ、貯湯水を送出して循環させる送出装置と、貯湯水循環ラインであって熱交換器の貯湯水導出口と貯湯槽の貯湯水導入口との間に設けられ、熱交換器から導出される貯湯水の温度を検出する熱交換器貯湯水出口温度センサと、送出装置の送出量を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、燃料電池の発電に必要な改質水量を熱交換器で生成される凝縮水のみで賄うことができる水自立が成立していないか否かを判定する水自立不成立判定部と、水自立成立判定部によって水自立が不成立である旨判定されている場合、熱交換器の貯湯水出口温度の目標温度を減少させる目標温度減少設定部と、熱交換器から導出される貯湯水の温度が目標温度減少設定部にて設定された目標温度となるように、送出装置の送出量を制御する送出量制御部と、を備えている。

これによれば、水自立が不成立である場合、貯湯水出口温度の目標温度（熱交換器から導出される貯湯水の温度）を低下させるように、貯湯水循環ラインの送出装置の送出量が制御される。これにより、熱交換器で生成される凝縮水を増大させることが可能となり、潜熱を有効に回収することが可能となる。すなわち、水自立が不成立である場合、換言すると、燃焼排ガスにおいて潜熱に対する顕熱の比率である潜熱／顕熱比が小さい場合であっても、熱交換器で生成される凝縮水を増大させることが可能となる。よって、凝縮水量を必要かつ十分に生成することが可能となる。

本発明による燃料電池システムの一実施形態の概要を示す概要図である。 図１に示す制御装置で実行される制御プログラム（第一制御例）のフローチャートである。 顕熱／潜熱比率が小である場合の熱交換器における燃焼排ガスと貯湯水との温度を示す図である。燃焼排ガスは実線で示し、貯湯水は破線で示す。 顕熱／潜熱比率が大である場合の熱交換器における燃焼排ガスと貯湯水との温度を示す図である。燃焼排ガスは実線で示し、貯湯水は破線で示す。 顕熱／潜熱比率と温度差ΔＴ（水収支）との相関を示す図である。 顕熱／潜熱比率が大である場合に本発明を適用した場合の熱交換器における燃焼排ガスと貯湯水との温度を示す図である。燃焼排ガスは実線で示し、貯湯水は破線で示す。 図１に示す制御装置で実行される制御プログラム（第二制御例）のフローチャートである。 図１に示す制御装置で実行される制御プログラム（第三制御例）のフローチャートである。

以下、本発明による燃料電池システム１の一実施形態について説明する。燃料電池システム１は、図１に示すように、発電ユニット１０および貯湯槽２１を備えている。発電ユニット１０は、筐体１０ａ、燃料電池モジュール１１（３０）、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、および制御装置１５を備えている。燃料電池モジュール１１（３０）、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、および制御装置１５は、筐体１０ａ内に収容されている。

燃料電池モジュール１１は、後述するように燃料電池３４を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール１１は、改質用原料、改質水およびカソードエアが供給されている。具体的には、燃料電池モジュール１１は、一端が供給源Ｇｓに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。改質用原料供給管１１ａは、原料ポンプ１１ａ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端が水タンク１４に接続されて改質水が供給される水供給管１１ｂの他端が接続されている。水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。

熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガス（燃料電池３４および改質部３３の各排熱を含んでいる）と貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器である。また、熱交換器１２は、燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われ、燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する。貯湯水は、燃焼排ガスの排熱を回収する熱媒体（排熱回収水）である。

具体的には、貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。貯湯水循環ライン２２上には、下端から上端に向かって順番にラジエータ２２ａ、貯湯水循環ポンプ２２ｂ、熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｃ、熱交換器１２、および熱交換器貯湯水出口温度センサ２２ｄが配設されている。

熱交換器１２は、ケーシング１２ｂを備えている。ケーシング１２ｂの上部には、燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続されている。ケーシング１２ｂの下部には、外部（大気）に接続されている排気管１１ｅが接続されている。ケーシング１２ｂの底部には、水タンク１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。ケーシング１２ｂ内には、燃焼排ガスが通過する燃焼排ガス流路が形成されている。この燃焼排ガス流路に、貯湯水循環ライン２２に接続されている熱交換部（凝縮部）１２ｃが配設されている。熱交換部１２ｃ内には、貯湯水が流れ、熱交換部１２ｃの外側には、燃焼排ガスが流れている。なお、貯湯水と燃焼排ガスとは互いに反対向きに流れるように構成されるのが好ましい。

このように構成された熱交換器１２においては、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通ってケーシング１２ｂ内に導入され、貯湯水が流通する熱交換部１２ｃを通る際に貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。その後、燃焼排ガスは排気管１１ｅを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される（自重で落水する）。一方、熱交換部１２ｃに流入した貯湯水は、加熱されて流出される。

また、熱交換器１２（ケーシング１２ｂ）内には、導入される燃焼排ガスの温度（熱交換器燃焼排ガス入口温度）を検出する温度センサ１２ｄが設けられている。温度センサ１２ｄは、燃焼排ガス流路のうち燃焼排ガスの導入口付近（排気管１１ｄとの接続付近）に設けられるのが好ましい。温度センサ１２ｄの検出結果は、制御装置１５に送信されるようになっている。なお、温度センサ１２ｄは、排気管１１ｄに設けるようにしてもよい。

上述した熱交換器１２、貯湯槽２１および貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。
貯湯槽２１は、密封式の容器である。貯湯槽２１は、耐圧式の容器である。貯湯槽２１内の温度分布は、基本的には、温度の異なる二層に分かれている。上層は比較的温度が高い層（例えば５０度以上）であり、下層は比較的温度が低い層（例えば２０度以下（水道水の温度））である。上下各層は、それぞれほぼ同一温度である。

ラジエータ２２ａは、貯湯水循環ライン２２を循環する熱媒体（貯湯水）を冷却する冷却装置であり、制御装置１５の指令によってオン・オフ制御されており、オン状態のときには熱媒体を冷却し、オフ状態のときには冷却しないものである。なお、ラジエータ２２ａは、熱媒体と空気との間で熱交換が行われる熱交換部（図示省略）と、熱交換部を空冷する冷却ファン（図示省略）とを備えている。
貯湯水循環ポンプ２２ｂは、貯湯水循環ライン２２の熱媒体（貯湯水）を送出して図示矢印方向へ循環させる送出装置であり、制御装置１５によって制御されてその吐出量（送出量）が制御されるようになっている。

熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｃは、貯湯水循環ライン２２であって貯湯槽２１の貯湯水導出口２１ａと熱交換器１２の貯湯水導入口１２ｅとの間に設けられている。熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｃは、熱交換器１２に導入される貯湯水の温度を検出して、制御装置１５に送信している。
熱交換器貯湯水出口温度センサ２２ｄは、貯湯水循環ライン２２であって熱交換器１２の貯湯水導出口１２ｆと貯湯槽２１の貯湯水導入口２１ｃとの間に設けられている。熱交換器貯湯水出口温度センサ２２ｄは、熱交換器１２の貯湯水導出口１２ｆ付近に設けられるのが望ましい。熱交換器貯湯水出口温度センサ２２ｄは、熱交換器１２から導出される貯湯水の温度を検出して、制御装置１５に送信している。なお、熱交換器貯湯水出口温度センサ２２ｄの代わりに、熱交換器１２内に設けられ、熱交換器１２から導出される貯湯水の温度（特に熱交換器１２の貯湯水導出口１２ｆ側の温度）を検出する温度センサを使用するようにしてもよい。

インバータ装置１３は、燃料電池３４から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。また、インバータ装置１３は、系統電源１６ａからの交流電圧を電源ライン１６ｂを介して入力し所定の直流電圧に変換して補機（各ポンプ、ブロワなど）や制御装置１５に出力する。

水タンク１４は、熱交換器１２から供給される凝縮水を貯水し、改質部３３に改質水として供給するものである。水タンク１４内には、水タンク１４内の水位（水量）を検出する水位センサ１４ａが配設されている。水位センサ１４ａの検出結果は、制御装置１５に出力されるようになっている。水位センサ１４ａは、例えば、フロート式のセンサであり、フロートの上下量を可変抵抗（ポテンショメータ）により抵抗値に変換し、抵抗値の上下動によって水位（残水量）を表示する方式のセンサである。なお、水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。
なお、制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システム１の運転を制御する。

燃料電池モジュール１１（３０）は、ケーシング３１、蒸発部３２、改質部３３および燃料電池３４を備えている。ケーシング３１は、断熱性材料で箱状に形成されている。
蒸発部３２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部３２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部３３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス（メタンガスを主成分とする）、ＬＰガスなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

蒸発部３２には、一端（下端）が水タンク１４に接続された水供給管１１ｂの他端が接続されている。また、蒸発部３２には、一端が供給源Ｇｓに接続された改質用原料供給管１１ａが接続されている。供給源Ｇｓは、例えば都市ガスのガス供給管、ＬＰガスのガスボンベである。

改質部３３は、上述した燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部３２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部３３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素などを含んだガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。このように、改質部３３は改質用原料（原燃料）と改質水とから改質ガス（燃料）を生成して燃料電池３４に供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。

燃料電池３４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル３４ａが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池３４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は４００〜１０００℃程度である。

セル３４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路３４ｂが形成されている。セル３４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路３４ｃが形成されている。

燃料電池３４は、マニホールド３５上に設けられている。マニホールド３５には、改質部３３からの改質ガス（アノードガス）が改質ガス供給管３８を介して供給される。燃料流路３４ｂは、その下端（一端）がマニホールド３５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ１１ｃ１によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管１１ｃを介して供給され、空気流路３４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。

燃料電池３４においては、燃料極に供給されたアノードガスと空気極に供給された酸化剤ガス（カソードガス）によって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化１および化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ^２−）が電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路３４ｂおよび空気流路３４ｃからは、発電に使用されなかった改質ガスおよび酸化剤ガス（空気）が導出する。
（化１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
（化２）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（化３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−

そして、発電に使用されなかった改質ガス（アノードオフガス）は、燃料流路３４ｂから燃焼空間３６（燃料電池３４と蒸発部３２（改質部３３）の間に形成された）に導出される。発電に使用されなかった酸化剤ガス（空気：カソードオフガス）は、空気流路３４ｃから燃焼空間３６に導出される。燃焼空間３６にてアノードオフガスはカソードオフガスによって燃焼され、その燃焼ガスによって蒸発部３２および改質部３３が加熱される。さらには、燃料電池モジュール１１内を動作温度に加熱している。その後、燃焼ガスは、ケーシング１２ｂの下部に設けられた排気管１１ｅから燃料電池モジュール１１の外に燃焼排ガスとして排気される。このように、燃焼空間３６が、燃料電池３４からの未使用の燃料（改質ガス）を含む可燃性ガス（アノードオフガス）を導入し酸化剤ガスで燃焼して燃焼排ガス（水蒸気を含む）を導出する燃焼部である。

燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されて火炎３７（燃焼ガス）が発生している。燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されてその燃焼ガスが発生している。燃焼部３６には、アノードオフガスを着火させるための一対の着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２が設けられている。

制御装置１５は、燃料電池システム１の運転を統括して制御する。制御装置１５は、貯湯水循環ポンプ２２ｂの送出量を調整することができる。制御装置１５は、マイクロコンピュータ（図示省略）を有している。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、燃料電池システム１の統括運転を実施している。ＲＡＭは制御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は制御プログラムを記憶するものである。

＜第一制御例＞
次に、上述した燃料電池システム１の作動（第一制御例）について図２に示すフローチャートに沿って説明する。制御装置１５は、そのフローチャートに沿ったプログラムを所定時間（短時間でも長時間でもよい）毎に繰り返し実行する。
制御装置１５は、ステップＳ１０２において、燃料電池３４の発電に必要な改質水量を熱交換器１２で生成された凝縮水のみで賄うことができる水自立が成立していないか否かを判定する（水自立不成立判定部）。

具体的には、制御装置１５は、水位センサ１４ａから取得した水タンク１４の水位が判定水位より低い場合に、水自立が成立していない旨を判定する（水自立不成立判定部：ステップＳ１０２）。水自立が成立していない場合、すなわち発電に使用される改質水量が熱交換器１２で生成された凝縮水量より多い場合、水タンク１４の水位が判定水位より低くなる。よって、水タンク１４の水位が判定水位より低い場合に、水自立が成立していない旨を判定することが可能となる。

なお、制御装置１５は、水位センサ１４ａから取得した水タンク１４の水位が下降する場合に、水自立が成立していない旨を判定するようにしてもよい。この場合、水位の下降速度が判定値より大きくなった場合、水自立が成立していない旨を判定するようにすればよい。

制御装置１５は、ステップＳ１０２（水自立成立判定部）によって水自立が不成立である旨判定されている場合（ステップＳ１０２にて「ＮＯ」と判定）、ステップＳ１０６において、熱交換器１２の貯湯水出口温度（熱交換器貯湯水出口温度）の目標温度ＴＨ３＊を減少させる（目標温度減少設定部）。例えば、熱交換器貯湯水出口温度の目標温度ＴＨ３＊は第二設定温度Ｔｗ−ｏｕｔ２に設定される。第二設定温度Ｔｗ−ｏｕｔ２は、燃料電池システム１の水自立が成立している場合に設定される第一設定温度Ｔｗ−ｏｕｔ１より低い温度に設定されている。
そして、制御装置１５は、ステップＳ１０８において、ステップＳ１０６（目標温度減少設定部）にて設定された目標温度ＴＨ３＊（第二設定温度Ｔｗ−ｏｕｔ２）となるように、貯湯水循環ポンプ２２ｂの送出量を制御する（送出量制御部）。

一方、制御装置１５は、ステップＳ１０２（水自立成立判定部）によって水自立が成立である旨判定されている場合（ステップＳ１０２にて「ＹＥＳ」と判定）、ステップＳ１０４において、熱交換器１２の貯湯水出口温度（熱交換器貯湯水出口温度）の目標温度ＴＨ３＊を増大させる（目標温度増大設定部）。例えば、熱交換器貯湯水出口温度の目標温度ＴＨ３＊は、第一設定温度Ｔｗ−ｏｕｔ１に設定される。
そして、制御装置１５は、ステップＳ１０８において、ステップＳ１０４（目標温度増大設定部）にて設定された目標温度ＴＨ３＊（第一設定温度Ｔｗ−ｏｕｔ１）となるように、貯湯水循環ポンプ２２ｂの送出量を制御する（送出量制御部）。

このように制御される燃料電池システム１の作用効果を説明する前に、熱交換器１２内の様子を説明する。最初に、図３に示すように、顕熱／潜熱比率が小の場合、すなわち、燃焼排ガス中の水蒸気が比較的多い場合について説明する。顕熱／潜熱比率は、潜熱に対する顕熱の比である。

図３および図４において、横軸に熱交換器１２の流れ（対向流）を、縦軸に燃焼排ガスおよび貯湯水の温度を示す。燃焼排ガスは、燃焼排ガス入口から流入し、熱交換器１２内で貯湯水と熱交換しながら温度が低下し、最終的に燃焼排ガス出口から流出する（図３において左から右への流れ）。一方、貯湯水は、貯湯水入口から流入し、熱交換器１２内で燃焼排ガスと熱交換しながら温度が上昇し、最終的に貯湯水出口から流出する（図３において右から左への流れ）。このとき、熱交換器１２内は、燃焼排ガスの露点までの顕熱を回収する部位である顕熱回収部と、燃焼排ガスの露点以下において潜熱を回収する（顕熱も回収する）部位である潜熱回収部と、が存在する。

なお、顕熱は、物質の状態を変えずに、温度を変化させるために費やされる熱量である。潜熱は、物質の状態変化のとき、温度変化を伴わずに吸収または放出される熱量である。燃焼排ガスの温度の低下に供された熱が顕熱負荷であり、燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮するために供された熱が潜熱負荷である。

顕熱／潜熱比率が小の場合、貯湯水入口温度ＴＨ１が律速条件となり、燃焼排ガス出口温度Ｔ８ｃは貯湯水入口温度ＴＨ１に対し所定の温度差ΔＴ１以下まで低下することが可能である。このとき、燃焼排ガス出口温度Ｔ８ｃはＴ８ｃ１であり、貯湯水入口温度ＴＨ１はＴｈ１ａである（Ｔ８ｃ１＝ＴＨ１ａ＋ΔＴ１）。所定の温度差ΔＴ１は水自立が可能となる温度差である。顕熱／潜熱比率が小さいため、顕熱回収部の貯湯水入口温度ＴＨ２ａに対し顕熱回収部の燃焼排ガス出口温度Ｔ８ｂ１が高く、潜熱も十分回収することが可能となる。よって、燃焼排ガスの温度を十分低下させることが可能となる。なお、貯湯水出口温度ＴＨ３の目標温度ＴＨ３＊は、第一設定温度Ｔｗ−ｏｕｔ１に設定されている。

一方、図４に示すように、顕熱／潜熱比率が大の場合、すなわち、燃焼排ガス中の水蒸気が比較的少ない場合について説明する。顕熱／潜熱比率が大の場合、貯湯水出口温度ＴＨ３の目標温度ＴＨ３＊は、顕熱／潜熱比率が小の場合と同じ第一設定温度Ｔｗ−ｏｕｔ１に設定されている。この場合、顕熱／潜熱比率が大であるため、顕熱回収部の燃焼排ガス出口温度Ｔ８ｂは、顕熱／潜熱比率が小の場合と比較して、低下してＴ８ｂ１より低いＴ８ｂ２となる。顕熱回収部の燃焼排ガス出口温度Ｔ８ｂ２は顕熱回収部の貯湯水入口温度ＴＨ２ａとほぼ同じになってしまう。よって、熱交換器貯湯水出口温度ＴＨ３を第一設定温度Ｔｗ−ｏｕｔ１に制御しようとする場合、潜熱回収部の燃焼排ガス入口温度Ｔ８ｂ２は潜熱回収部の貯湯水出口温度ＴＨ２ａとほぼ同じであるため、燃焼排ガスの露点温度が律速条件となる。燃焼排ガスの露点は、Ｔ８ｂ２である。この場合、潜熱回収部の貯湯水の授受熱量に対し、潜熱回収量が過多となるため、潜熱を十分に回収しきれず、潜熱回収部の燃焼排ガス出口温度Ｔ８ｃと潜熱回収部の貯湯水入口温度との温度差ΔＴはΔＴ１からΔＴ２に増大する。よって、必要な改質水量と比較して生成される凝縮水量が減少し、水自立が不成立となる。

さらに図５に顕熱／潜熱比率と温度差ΔＴとの相関を示す。図５に示すように、顕熱／潜熱比率がＮ−ａ以下である場合、熱交換器貯湯水入口温度が律速条件であるため、温度差ΔＴがΔＴ１となっており、水収支はプラスとなる。一方、顕熱／潜熱比率がＮ−ａより大きい場合、燃焼排ガス露点が律速条件であるため、温度差ΔＴがΔＴ１より増大し、水収支は低下する。顕熱／潜熱比率がＮ−ｂ以上となると、水収支はマイナスとなる（すなわち水自立は不成立となる）。Ｎ−ｂ＞Ｎ−ａである。なお、水収支がプラスである場合、水自立は成立する。

燃料電池システム１は、高発電効率を図るため、少ない燃料で発電させること、発生する排熱を燃料電池モジュール１１内で有効利用すること、などが可能となる構成とすることが好ましい。しかし、この場合、顕熱／潜熱比率が大きくなる。顕熱／潜熱比率が大きくなる理由は、顕熱／潜熱比率によって燃焼排ガス露点が律速条件であることが決定されるからである。よって、例えば、熱交換器１２の容量を大きくするなど設計変更で解決することができない。

そこで、本願発明者は、水自立が不成立である場合に、燃焼排ガスの露点律速とならないように熱交換器貯湯水出口温度の目標温度ＴＨ３＊を変更することにより、凝縮水の生成を増大させ水自立を成立させることを見出した。

具体的には、図６に示すように、熱交換器貯湯水出口温度の目標温度ＴＨ３＊は、第一設定温度Ｔｗ−ｏｕｔ１から第二設定温度Ｔｗ−ｏｕｔ２に低下（減少）される。これにより、顕熱回収部の貯湯水入口温度ＴＨ２がＴＨ２ａからＴＨ２ｂに低下し、すなわち顕熱回収部の貯湯水入口温度ＴＨ２が顕熱回収部の燃焼排ガス出口温度Ｔ８ｂより低下する（Ｔ８ｂ２＞ＴＨ２ｂ）。よって、燃焼排ガス露点律速から抜けることが可能となり、熱交換器１２の貯湯水出口温度律速とすることが可能となる。その結果、温度差ΔＴが所定の温度差ΔＴ１とすることとなり、凝縮水の生成を増大させ水自立を成立させることが可能となる。なお、図６において、図３と同様に、横軸に熱交換器１２の流れ（対向流）を、縦軸に燃焼排ガスおよび貯湯水の温度を示す。
なお、第二設定温度Ｔｗ−ｏｕｔ２は、例えば図５に示すマップから、燃焼排ガス露点律速において水収支がマイナスとならない温度に設定されている。

上述した説明から明らかなように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池３４と、改質用原料と改質水とから燃料を生成して燃料電池３４に供給する改質部３３と、燃料電池３４からの未使用の燃料を含む可燃性ガスを導入し酸化剤ガスで燃焼して燃焼排ガスを導出する燃焼部３６と、貯湯水を貯水する貯湯槽２１と、燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われ、燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する熱交換器１２と、貯湯槽２１と熱交換器１２との間において貯湯水を循環させるように形成された貯湯水循環ライン２２と、貯湯水循環ライン２２に設けられ、貯湯水を送出して循環させる送出装置（貯湯水循環ポンプ２２ｂ）と、貯湯水循環ライン２２であって熱交換器１２の貯湯水導出口と貯湯槽２１の貯湯水導入口との間に設けられ、熱交換器１２から導出される貯湯水の温度を検出する熱交換器貯湯水出口温度センサ２２ｄと、貯湯水循環ポンプ２２ｂの送出量を制御する制御装置１５と、を備え、制御装置１５は、燃料電池３４の発電に必要な改質水量を熱交換器１２で生成される凝縮水のみで賄うことができる水自立が成立していないか否かを判定する水自立不成立判定部（ステップＳ１０２）と、水自立成立判定部（ステップＳ１０２）によって水自立が不成立である旨判定されている場合、熱交換器１２の貯湯水出口温度の目標温度を減少させる目標温度減少設定部（ステップＳ１０６）と、目標温度減少設定部（ステップＳ１０６）にて設定された目標温度となるように、貯湯水循環ポンプ２２ｂの送出量を制御する送出量制御部（ステップＳ１０８）と、を備えている。

これによれば、水自立が不成立である場合、貯湯水出口温度の目標温度ＴＨ３＊ひいては貯湯水出口温度ＴＨ３を低下させるように、貯湯水循環ライン２２の貯湯水循環ポンプ２２ｂの送出量が制御される。これにより、熱交換器１２で生成される凝縮水を増大させることが可能となるとともに、潜熱を有効に回収することが可能となる。すなわち、水自立が不成立である場合、換言すると、燃焼排ガスにおいて潜熱に対する顕熱の比率である潜熱／顕熱比が小さい場合であっても、熱交換器１２で生成される凝縮水を増大させることが可能となる。よって、凝縮水量を必要かつ十分に生成することが可能となる。

また本実施形態の燃料電池システム１は、熱交換器１２から供給される凝縮水を貯水し、改質部３３に改質水として供給する水タンク１４をさらに備え、水自立不成立判定部（ステップＳ１０２）は、水タンク１４の水位が判定水位より低い場合に、水自立が成立していない旨を判定する。
これによれば、水自立が成立しない旨を、簡単な構成にて検出することが可能となる。

また本実施形態の燃料電池システム１において、制御装置１５は、熱交換器１２における燃焼排ガスから回収可能な顕熱および潜熱から算出される顕熱／潜熱比率が水自立が成立する値となるように、貯湯水出口温度の目標温度ＴＨ３＊を設定する（ステップＳ１０６：目標温度減少設定部）。このとき、例えば目標温度ＴＨ３＊は第二設定温度Ｔｗ−ｏｕｔ２に設定される。
これによれば、水自立が不成立である場合、貯湯水出口温度の目標温度ＴＨ３＊を確実に低下させることができ、ひいては熱交換器１２で生成される凝縮水を増大させることが可能となる。

また本実施形態の燃料電池システム１において、制御装置１５は、熱交換器１２の熱交換能力が排熱回収水入口温度が律速となるように、貯湯水出口温度の目標温度ＴＨ３＊を設定する（ステップＳ１０６：目標温度減少設定部）。このとき、例えば目標温度ＴＨ３＊は第二設定温度Ｔｗ−ｏｕｔ２に設定される。
これによれば、水自立が不成立である場合、貯湯水出口温度の目標温度ＴＨ３＊を確実に低下させることができ、ひいては熱交換器１２で生成される凝縮水を増大させることが可能となる。

＜第二制御例＞
さらに、上述した燃料電池システム１の作動（第二制御例）について図７に示すフローチャートに沿って説明する。第二制御例は、第一制御例と以下の点が異なる。第一制御例の水自立不成立判定部（ステップＳ１０２）は、水タンク１４の水位から水自立不成立を判定するようにしたが、第二制御例の水自立不成立判定部（ステップＳ２０２）は、熱交換器１２における燃焼排ガスから回収可能な顕熱および潜熱から算出される顕熱／潜熱比率から水自立不成立を判定するようにしている。第一制御例と同一処理については同一符号を付してその説明を省略する。

制御装置１５は、ステップＳ２０２において、顕熱／潜熱比率を算出し、その算出した顕熱／潜熱比率が判定値より大きい場合に、水自立が成立していない旨を判定する（水自立不成立判定部）。例えば、判定値がＮ−ｂに設定されている場合、顕熱／潜熱比率がＮ−ｂより大きい場合、水自立は不成立である（図５参照）。

顕熱、潜熱、顕熱／潜熱比率の算出方法について説明する。燃料電池モジュール１１に投入される燃料、改質水、カソードエアの各流量から燃焼排ガスの組成が算出される。燃焼排ガスの組成は、投入される燃料が完全燃焼して二酸化炭素と水のみが生成される（例えば、燃料がメタンである場合、燃焼反応式はＣＨ_４＋２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏである。）ことを前提として算出される。さらに、カソードエア中には、窒素が含まれている。よって、燃焼排ガスは、酸素、窒素、二酸化炭素、水（気体）から組成され、投入される燃料、改質水、カソードエアの各流量から燃焼排ガスの組成が算出される。

さらに、燃焼排ガスの組成から、燃焼排ガス中の水蒸気分率（水蒸気分圧、飽和水蒸気圧）Ｒｈが算出される。
さらに、飽和水蒸気曲線と水蒸気分率Ｒｈと熱交換器１２の燃焼排ガス入口温度Ｔ８ａとから、顕熱Ｗ−ａが算出される。具体的には、最初に、算出された水蒸気分率Ｒｈに対応した露点Ｔｇ−ｓが算出される。すなわち、算出された水蒸気分率Ｒｈと飽和水蒸気曲線との交点が露点Ｔｇ−ｓである。また、燃焼排ガス中に存在する水蒸気の温度が、燃焼排ガスの温度が熱交換器１２の燃焼排ガス入口温度Ｔ８ａから算出された水蒸気分率Ｒｈに対応する露点Ｔｇ−ｓまで低下した場合、顕熱Ｗ−ａは、低下した分の熱量である。よって、顕熱Ｗ−ａは、比熱（燃焼排ガス）×流量（燃焼排ガスの総流量）×（燃焼排ガス入口温度Ｔ８ａ−露点Ｔｇ−ｓ）から算出される。

さらに、熱交換器１２の顕熱回収部において、顕熱Ｗ−ａは排熱回収水（貯湯水）に回収されて、排熱回収水が昇温される。すなわち、この昇温に使用される熱が顕熱Ｗ−ａと等しい。よって、顕熱Ｗ−ａ＝比熱（貯湯水（水））×流量Ｑ（貯湯水の流量）×（熱交換器貯湯水出口温度ＴＨ３＊（例えば７０℃）−顕熱回収部貯湯水入口温度Ｔｗ−ｍ）なる式が成立する。なお、流量Ｑは制御されている流量でもよく、予め設定された値（例えば初期値）でもよい。

さらに、熱交換器１２の潜熱回収部において、排熱回収水が燃焼排ガスから回収（交換）できる熱量（交換熱量という。）が算出できる。この交換熱量は、比熱（貯湯水（水））×流量Ｑ（貯湯水の流量）×（（顕熱回収部貯湯水入口温度Ｔｗ−ｍ）−熱交換器貯湯水入口温度ＴＨ１（例えば２０℃））なる式により算出される。

一方、熱交換器１２の潜熱回収部において、交換熱量は燃焼排ガスの降温分の熱量に等しい。よって、交換熱量＝比熱（燃焼排ガス）×流量（燃焼排ガスの総流量）×（露点Ｔｇ−ｓ−燃焼排ガス出口温度Ｔｇ−Ａ）なる式が成立する。この式から、燃焼排ガス出口温度Ｔｇ−Ａ＝露点Ｔｇ−ｓ−（交換熱量／（比熱（燃焼排ガス）×流量（燃焼排ガスの総流量）））なる式が導出される。

さらに、飽和水蒸気曲線を使って、先に顕熱を算出したときと同じ水蒸気分率Ｒｈにおける、露点Ｔｇ−ｓから燃焼排ガス出口温度Ｔｇ−Ａまで降温した場合に凝縮される凝縮水量が算出できる。この算出した凝縮水量から潜熱が次の式を使って算出できる。式は潜熱＝気化熱（ｋＪ／ｍｏｌ）×凝縮水量（ｍｏｌ／ｓｅｃ）×１０００である。なお、水の気化熱は、−４０．６６である。
さらに、上述したように算出された顕熱と潜熱とから顕熱／潜熱比率が算出される。なお、露点Ｔｇ−ｓ、および顕熱回収部貯湯水入口温度Ｔｗ−ｍは、その一例が図３に示されている。

この第二制御例によれば、制御装置１５（水自立不成立判定部）は、熱交換器１２における燃焼排ガスから回収可能な顕熱および潜熱から算出される顕熱／潜熱比率から水自立が成立していない旨を判定する。
これによれば、水自立が成立しない旨をより早期かつ的確に検出することが可能となる。

＜第三制御例＞
さらに、上述した燃料電池システム１の作動（第三制御例）について図８に示すフローチャートに沿って説明する。第三制御例は、第一制御例と以下の点が異なる。第一制御例の水自立不成立判定部（ステップＳ１０２）は、水タンク１４の水位から水自立不成立を判定するようにしたが、第三制御例では、熱交換器１２における燃焼排ガスの露点から水自立が成立していない旨を判定するようにしている。

具体的には、制御装置１５は、ステップＳ３０２において、熱交換器１２の貯湯水出口温度（熱交換器貯湯水出口温度）の目標温度ＴＨ３＊を第一設定温度Ｔｗ−ｏｕｔ１に設定する。
制御装置１５は、ステップＳ３０４において、燃焼排ガスの露点Ｔｇ−ｓを演算する。制御装置１５は、上述したように、燃料流量、改質水流量およびカソードエア流量から、燃焼排ガスの組成および露点Ｔｇ−ｓを演算する。

制御装置１５は、ステップＳ３０６において、上述したように、燃焼排ガス入口温度から露点Ｔｇ−ｓまでの燃焼排ガスの熱量Ｗ−ａを演算する。
制御装置１５は、ステップＳ３０８において、燃焼排ガスの熱量Ｗ−ａから、熱交換器１２の貯湯水出口温度（熱交換器貯湯水出口温度）が目標温度ＴＨ３＊である第一設定温度Ｔｗ−ｏｕｔ１となる貯湯水流量Ｑ（単位時間あたりの貯湯水流量）を演算する。

制御装置１５は、ステップＳ３１０において、熱交換器貯湯水出口温度の目標温度ＴＨ３＊を第二設定温度Ｔｗ−ｏｕｔ２に設定した場合における、顕熱回収部の貯湯水入口温度Ｔｗ−ｍを演算する。制御装置１５は、上述したように、第二設定温度Ｔｗ−ｏｕｔ２、先に演算した燃焼排ガスの熱量Ｗ−ａおよび貯湯水流量Ｑから、顕熱回収部の貯湯水入口温度Ｔｗ−ｍを演算する。

制御装置１５は、ステップＳ３１２において、それぞれ先に演算した、顕熱回収部の貯湯水入口温度Ｔｗ−ｍと燃焼排ガスの露点Ｔｇ−ｓとを比較して、水自立が成立していない旨を判定する。顕熱回収部の貯湯水入口温度Ｔｗ−ｍが燃焼排ガスの露点Ｔｇ−ｓ以下である場合、制御装置１５は、水自立が成立している旨を判定する。一方、顕熱回収部の貯湯水入口温度Ｔｗ−ｍが燃焼排ガスの露点Ｔｇ−ｓより大きい場合、制御装置１５は、水自立が成立していない旨を判定する。なお、顕熱回収部の貯湯水入口温度Ｔｗ−ｍと所定値との和と、燃焼排ガスの露点Ｔｇ−ｓとを比較するようにしてもよい。

制御装置１５は、水自立が不成立である場合（ステップＳ３１２にて「ＹＥＳ」と判定）、ステップＳ３１４において、熱交換器貯湯水出口温度の目標温度ＴＨ３＊を減少させるべく第二設定温度Ｔｗ−ｏｕｔ２に設定する（目標温度減少設定部）。そして、制御装置１５は、ステップＳ３１６において、ステップＳ３１４（目標温度減少設定部）にて設定された目標温度ＴＨ３＊（第二設定温度Ｔｗ−ｏｕｔ２）となるように、貯湯水循環ポンプ２２ｂの送出量を制御する（送出量制御部）。

一方、制御装置１５は、水自立が成立である場合（ステップＳ３１２にて「ＮＯ」と判定）、プログラムをステップＳ３１６に進め、ステップＳ３０２にて設定された目標温度ＴＨ３＊（第一設定温度Ｔｗ−ｏｕｔ１）となるように、貯湯水循環ポンプ２２ｂの送出量を制御する（送出量制御部）。

この第三制御例によれば、制御装置１５（水自立不成立判定部）は、熱交換器１２における燃焼排ガスの露点から水自立が成立していない旨を判定する（ステップＳ３１２）。
これによれば、水自立が成立しない旨を的確に検出することが可能となる。

１…燃料電池システム、１０…発電ユニット、１１…燃料電池モジュール、１２…熱交換器、１４…水タンク、１４ａ…水位センサ、１５…制御装置（水自立不成立判定部、目標温度減少設定部、送出量制御部）、２１…貯湯槽、２２…貯湯水循環ライン、２２ｂ…貯湯水循環ポンプ（送出装置）、２２ｄ…熱交換器貯湯水出口温度センサ、３３…改質部、３４…燃料電池、３６…燃焼部。

Claims (6)

1. 燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
   改質用原料と改質水とから前記燃料を生成して前記燃料電池に供給する改質部と、
   前記燃料電池からの未使用の前記燃料を含む可燃性ガスを導入し酸化剤ガスで燃焼して燃焼排ガスを導出する燃焼部と、
   貯湯水を貯水する貯湯槽と、
   前記燃焼排ガスと前記貯湯水との間で熱交換が行われ、前記燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する熱交換器と、
   前記貯湯槽と前記熱交換器との間において前記貯湯水を循環させるように形成された貯湯水循環ラインと、
   前記貯湯水循環ラインに設けられ、前記貯湯水を送出して循環させる送出装置と、
   前記貯湯水循環ラインであって前記熱交換器の貯湯水導出口と前記貯湯槽の貯湯水導入口との間に設けられ、前記熱交換器から導出される前記貯湯水の温度を検出する熱交換器貯湯水出口温度センサと、
   前記送出装置の送出量を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池の発電に必要な改質水量を前記熱交換器で生成される前記凝縮水のみで賄うことができる水自立が成立していないか否かを判定する水自立不成立判定部と、
   前記水自立成立判定部によって前記水自立が不成立である旨判定されている場合、前記熱交換器の貯湯水出口温度の目標温度を減少させる目標温度減少設定部と、
   前記熱交換器から導出される前記貯湯水の温度が前記目標温度減少設定部にて設定された前記目標温度となるように、前記送出装置の送出量を制御する送出量制御部と、を備えている燃料電池システム。
2. 前記熱交換器から供給される前記凝縮水を貯水し、前記改質部に前記改質水として供給する水タンクをさらに備え、
   前記水自立不成立判定部は、水タンクの水位が判定水位より低い場合に、前記水自立が成立していない旨を判定する請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記水自立不成立判定部は、前記熱交換器における前記燃焼排ガスから回収可能な顕熱および潜熱から算出される顕熱／潜熱比率から前記水自立が成立していない旨を判定する請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記水自立不成立判定部は、前記熱交換器における前記燃焼排ガスの露点から前記水自立が成立していない旨を判定する請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記目標温度減少設定部は、前記熱交換器における前記燃焼排ガスから回収可能な顕熱および潜熱から算出される顕熱／潜熱比率が前記水自立が成立する値となるように、前記目標温度を設定する請求項１乃至請求項４の何れか一項記載の燃料電池システム。
6. 前記目標温度減少設定部は、前記熱交換器の熱交換能力が排熱回収水入口温度が律速となるように、前記目標温度を設定する請求項１乃至請求項４の何れか一項記載の燃料電池システム。

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