JP5299064B2 - 排熱回収装置および燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、排熱回収装置および燃料電池システムに関する。

排熱回収装置および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、排熱回収装置および燃料電池システムは、燃料電池１０と、燃料電池１０に冷却媒体を循環させることによって、燃料電池１０を冷却する冷却システムと、を備え、前記冷却システムは、冷却媒体を冷却する冷却装置２０，２２と、燃料電池１０と冷却装置２０，２２との間で、冷却媒体を循環させるための循環配管４０と、循環配管４０上に配設され、循環配管４０に冷却媒体を循環させる循環ポンプ３０と、燃料電池１０の温度が所定範囲内で維持されるように、燃料電池１０の発電負荷に応じて、循環ポンプ３０の出力を制御することによって、前記冷却システムにおける冷却媒体の循環流量を制御する制御部５０と、を備えている。

この排熱回収装置および燃料電池システムにおいては、冷却水ポンプ３０の出力Ｗが所定値Ｗ１未満である場合（ステップＳ１３２：ＹＥＳ）、すなわち、燃料電池１０の発電負荷が所定値未満である場合に、所定期間、燃料電池１０の温度を所定範囲内に維持するために必要な循環流量、すなわち、燃料電池１０の発電負荷に応じた循環流量よりも多い所定量の冷却水を、間欠的に燃料電池１０に循環させるようになっている。したがって、冷却水の流れの勢いによって、燃料電池１０内の冷却媒体流路での気泡の滞留を予防するようになっている。

特開２００７−２５７９１８号公報

上述した特許文献１に記載の排熱回収装置および燃料電池システムは、冷却媒体流路で発生した気泡によって冷却水ポンプ３０が実際にエア噛みを起こしたことを検知できるものではなく、あくまで、燃料電池１０内の冷却媒体流路での気泡の滞留を予防するものである。このため、冷却水ポンプ３０の増大制御が行われる度に冷却媒体に必要以上に熱が回収されることで、熱回収効率が低下するというおそれがあった。

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、排熱回収装置および燃料電池システムにおいて、熱回収熱媒体を循環させる循環装置におけるエア噛みを検知し、エア噛みを解消する制御を適切なタイミングで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に係る排熱回収装置の発明の構成上の特徴は、熱回収熱媒体が循環する循環ラインと、循環ライン上に設けられ、被凝縮ガスが供給され、熱回収熱媒体と被凝縮ガスとが熱交換する凝縮器と、熱回収熱媒体を循環させる循環装置と、熱回収熱媒体の凝縮器出口温度を検出する第１温度センサと、第１温度センサによって検出された熱回収熱媒体の凝縮器出口温度が目標温度となるように循環装置の送出量を調整する制御装置と、を備えた排熱回収装置において、被凝縮ガスの凝縮器出口温度を検出する第２温度センサと、循環ライン上に設けられ、熱媒体が供給され、熱回収熱媒体と熱媒体とが熱交換する熱交換器と、熱媒体の熱交換器入口温度を検出する第３温度センサと、をさらに備え、制御装置は、第２温度センサによって検出された被凝縮ガスの凝縮器出口温度が所定値以上となり、第２温度センサによって検出された被凝縮ガスの凝縮器出口温度と、第３温度センサによって検出された熱媒体の熱交換器入口温度との組合せが所定領域内となった場合、循環装置の送出量を増大させることである。

また請求項２に係る排熱回収装置の発明の構成上の特徴は、請求項１において、制御装置は、組合せが所定領域となった状態が所定時間継続した場合、循環装置の送出量を増大させることである。

また請求項３に係る排熱回収装置の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、制御装置は、循環装置の送出量の下限値を増加させることで循環装置の送出量を増大させることである。

また請求項４に係る排熱回収装置の発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、凝縮器は、被凝縮ガスとしてバーナからの燃焼排ガスが供給され熱回収熱媒体と燃焼排ガスとが熱交換する第１凝縮器であることである。

また請求項５に係る排熱回収装置の発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、凝縮器は、被凝縮ガスとして改質器のバーナからの燃焼排ガスが供給され熱回収熱媒体と燃焼排ガスとが熱交換する第１凝縮器、改質器の改質部から燃料電池の燃料極に供給されるアノードガスが被凝縮ガスとして供給され熱回収熱媒体とアノードガスとが熱交換する第２凝縮器、燃料極からバーナに供給されるアノードオフガスが被凝縮ガスとして供給され熱回収熱媒体とアノードオフガスとが熱交換する第３凝縮器、燃料電池の酸化剤極からのカソードオフガスが被凝縮ガスとして供給され熱回収熱媒体とカソードオフガスとが熱交換する第４凝縮器のうちの少なくとも何れか一つによって構成され、改質器の排熱および／または燃料電池の排熱を熱回収熱媒体に回収することである。

また請求項６に係る燃料電池システムの発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の排熱回収装置を備えたことである。

上記のように構成した請求項１に係る排熱回収装置の発明においては、制御装置は、第２温度センサによって検出された被凝縮ガスの凝縮器出口温度が所定値以上となった場合、循環ラインで熱回収熱媒体を循環させる循環装置の送出量を増大させる。ところで、循環装置でエア噛みが発生すると、熱回収熱媒体の流量が減少し、かつ熱回収熱媒体の凝縮器出口温度は低下する。制御装置は熱回収熱媒体の凝縮器出口温度を目標温度とするため循環装置の送出量をさらに減少させるように調整する。この結果、凝縮器において、被凝縮ガスから熱回収熱媒体への熱回収が減少し、被凝縮ガスの凝縮器出口温度は上昇する。このことを利用すれば、被凝縮ガスの凝縮器出口温度が所定値以上となった場合、循環装置でエア噛みが発生したことを確実に検知することができる。ひいては、熱回収熱媒体を循環させる循環装置におけるエア噛みを検知し、エア噛みを解消する制御を適切なタイミングで行うことができる。
さらに、循環ライン上に設けられ、熱媒体が供給され、熱回収熱媒体と熱媒体とが熱交換する熱交換器と、熱媒体の熱交換器入口温度を検出する第３温度センサと、をさらに備え、制御装置は、第２温度センサによって検出された被凝縮ガスの凝縮器出口温度と、第３温度センサによって検出された熱媒体の熱交換器入口温度との組合せが所定領域内となった場合、循環装置の送出量を増大させる。これにより、熱回収熱媒体を循環させる循環装置におけるエア噛みをより精度よく検知し、エア噛みを解消する制御を適切なタイミングで行うことができる。

上記のように構成した請求項２に係る排熱回収装置の発明においては、請求項１において、制御装置は、組合せが所定領域となった状態が所定時間継続した場合、循環装置の送出量を増大させる。これにより、循環装置でエア噛みが発生したことを誤って検知するのを抑制することができ、ひいてはエア噛みを解消する制御を適切に行うことができる。

上記のように構成した請求項３に係る排熱回収装置の発明においては、請求項１または請求項２において、制御装置は、循環装置の送出量の下限値を増加させることで循環装置の送出量を増大させる。これにより、循環装置の送出量を極端に増大させることを抑制することで、エア噛みを解消する制御を適切に行うことができる。

上記のように構成した請求項４に係る排熱回収装置の発明においては、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、凝縮器は、被凝縮ガスとしてバーナからの燃焼排ガスが供給され熱回収熱媒体と燃焼排ガスとが熱交換する第１凝縮器である。これにより、排熱回収装置のなかで最も温度の高い被凝縮ガスを利用することで、循環装置でエア噛みが発生したことを誤って検知するのを抑制することができ、ひいてはエア噛みを解消する制御を適切に行うことができる。

上記のように構成した請求項５に係る排熱回収装置の発明においては、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、凝縮器は、被凝縮ガスとして改質器のバーナからの燃焼排ガスが供給され熱回収熱媒体と燃焼排ガスとが熱交換する第１凝縮器、改質器の改質部から燃料電池の燃料極に供給されるアノードガスが被凝縮ガスとして供給され熱回収熱媒体とアノードガスとが熱交換する第２凝縮器、燃料極からバーナに供給されるアノードオフガスが被凝縮ガスとして供給され熱回収熱媒体とアノードオフガスとが熱交換する第３凝縮器、燃料電池の酸化剤極からのカソードオフガスが被凝縮ガスとして供給され熱回収熱媒体とカソードオフガスとが熱交換する第４凝縮器のうちの少なくとも何れか一つによって構成され、改質器の排熱および／または燃料電池の排熱を熱回収熱媒体に回収する。これにより、改質器の排熱および／または燃料電池の排熱を熱回収熱媒体に確実に回収することができる。

上記のように構成した請求項６に係る燃料電池システムの発明においては、請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の排熱回収装置を備えている。これにより、上述した請求項１から請求項５の発明の作用効果のある燃料電池システムを提供することができる。

本発明による排熱回収装置を適用した燃料電池システムの第１の実施形態の構成を示す図である。 図１に示す燃料電池システムの制御システムを示す図である。 図１に示す制御装置に記憶されている、第３温度に対する第２温度の所定値の関係を示すマップである。 図１に示す制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。 本発明による第１の実施形態の作用効果を説明するための図であり、第１温度、第２温度および凝縮用冷媒循環ポンプの制御量の時間変化を示すタイムチャートである。 本発明による排熱回収装置を適用した燃料電池システムの第２の実施形態の構成を示す図である。

１）第１の実施形態
以下、本発明による排熱回収装置を備えた燃料電池システムの第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１は燃料電池システムの構成を示す構成ブロック図である。この燃料電池システムは、燃料電池１０、改質器２０、排熱回収装置３０、および制御装置４０を備えている。

燃料電池１０は、燃料（例えば水素を含む改質ガス）および酸化剤ガス（例えば酸素を含む空気）が供給されて水素と酸素の化学反応により発電して直流電圧を出力するものである。本実施形態では、燃料電池１０は高分子電解質形を例に挙げて説明する。燃料電池１０は、発電した電力を外部電力負荷１３に供給するものである。

改質器２０は、原料（改質用燃料）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、バーナ（燃焼部）２１および改質部２２を含んで構成されている。原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る。本実施形態では原料は天然ガスである。

バーナ２１は、起動運転時に外部から燃焼用燃料および燃焼用空気が供給され、または定常運転時に燃料電池１０の燃料極からアノードオフガス（燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス）が供給され、供給された各可燃性ガスを燃焼用空気で燃焼し、その燃焼ガスで改質部２２を加熱するものである。

改質部２２は、外部から供給された原料に蒸発器からの水蒸気（改質水）を混合した混合ガスを改質部２２に充填された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）は燃料電池１０の燃料極に導出される。

なお、この改質部２２には、図示しないＣＯシフト部およびＣＯ浄化部も備えられている。ＣＯシフト部は、改質部２２から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浄化部に導出される。ＣＯ浄化部は、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）燃料電池１０の燃料極に導出される。

排熱回収装置３０は、貯湯槽３１、貯湯水循環ライン３２、貯湯水循環ポンプ３２ｂ、凝縮用冷媒循環ライン（熱回収熱媒体循環ライン）３３、凝縮用冷媒循環ポンプ（熱回収熱媒体循環装置）３３ａ、燃料電池熱媒体循環ライン３４、燃料電池熱媒体循環ポンプ３４ａ、第１熱交換器３５、第２熱交換器３６、および凝縮器３７を含んで構成されている。

貯湯槽３１は、貯湯水を貯湯可能なタンクである。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）が導入管３１ａを介して補給されるようになっている。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管３１ｂを介して導出されるようになっている。

貯湯水循環ライン３２は、貯湯槽３１に連通され貯湯水が循環するライン（配管系）である。貯湯水循環ライン３２の一端は貯湯槽３１の下部に、他端は貯湯槽３１の上部に接続されている。貯湯水循環ライン３２上には、一端から他端に向かって順番に、温度センサ３２ａ、貯湯水循環装置である貯湯水循環ポンプ３２ｂ、第１熱交換器３５および第２熱交換器３６が配設されている。第３温度センサである温度センサ３２ａは、貯湯槽３１から第１熱交換器３５に流入する貯湯水（熱媒体）の温度（貯湯水第１熱交換器入口温度）を検出して制御装置４０に送出するものである。温度センサ３２ａは、貯湯槽３１と第１熱交換器３５の間に設けられるものであり、本体ハウジングＨ内に設けられるのが望ましい。貯湯水循環ポンプ３２ｂは、貯湯槽３１の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環ライン３２を図示矢印方向へ通水させて貯湯槽３１の上部に送出するものであり、制御装置４０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。

凝縮用冷媒循環ライン（熱回収熱媒体循環ライン）３３は、改質器２０の排熱を回収した凝縮用冷媒（熱回収熱媒体）が循環するライン（配管系）である。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。凝縮用冷媒循環ライン３３上には、第１熱交換器３５を起点に上流から下流に向かって順番に、第１熱交換器３５、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａ、第３凝縮器３７ｃ、第４凝縮器３７ｄ、第１凝縮器３７ａおよび温度センサ３３ｂが配設されている。

凝縮用冷媒循環ポンプ（熱回収熱媒体循環装置（循環装置））３３ａは、凝縮用冷媒循環ライン３３上に設けられ凝縮用冷媒を循環させるポンプである。凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａは、凝縮用冷媒循環ライン３３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４０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。第１温度センサである温度センサ３３ｂは、凝縮用冷媒の第１凝縮器３７ａの出口温度（熱回収熱媒体の凝縮器出口温度）を検出するものであり、その検出結果を制御装置４０に送信するようになっている。

第３凝縮器（アノードオフガス凝縮器）３７ｃは、凝縮用冷媒が供給されるとともに燃料電池１０の燃料極から排出されるアノードオフガスが供給され、凝縮用冷媒とアノードオフガスが熱交換するように構成されている。第３凝縮器３７ｃは、凝縮用冷媒とアノードオフガスとの熱交換によりアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する凝縮器である。第３凝縮器３７ｃは、燃料電池１０のアノードオフガスの排熱を凝縮用冷媒に回収する。

第４凝縮器（カソードオフガス凝縮器）３７ｄは、凝縮用冷媒が供給されるとともに燃料電池１０の空気極から排出されるカソードオフガスが供給され、凝縮用冷媒とカソードオフガスが熱交換するように構成されている。第４凝縮器３７ｄは、凝縮用冷媒とカソードオフガスとの熱交換によりカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する凝縮器である。第４凝縮器３７ｄは、燃料電池１０のカソードオフガスの排熱を凝縮用冷媒に回収する。

第１凝縮器（燃焼排ガス凝縮器）３７ａは、凝縮用冷媒が供給されるとともにバーナ２１から排出される燃焼排ガスが供給され、凝縮用冷媒と燃焼排ガスが熱交換するように構成されている。第１凝縮器３７ａは、凝縮用冷媒と燃焼排ガスとの熱交換により燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮する凝縮器である。第１凝縮器３７ａは、改質器２０の燃焼排ガスの排熱を凝縮用冷媒に回収する。

第１凝縮器３７ａの燃焼排ガスの出口側には、温度センサ５１が設けられている。第２温度センサである温度センサ５１は、被凝縮ガスである燃焼排ガスの第１凝縮器３７ａの出口温度を検出するものであり、その検出結果を制御装置４０に送信するようになっている。

本実施形態では、凝縮用冷媒循環ライン３３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、燃焼排ガスの順番に熱交換するようになっている。なお、凝縮器の配列順は、本実施形態の順番と異なる順番でもよい。また、第２凝縮器３７ｂを燃料電池熱媒体循環ライン３４でなく凝縮用冷媒循環ライン３３に設けるようにしてもよい。

燃料電池熱媒体循環ライン３４は、燃料電池１０と熱交換する燃料電池熱媒体が循環するライン（配管系）である。貯湯水循環ライン３２、凝縮用冷媒循環ライン３３および燃料電池熱媒体循環ライン３４は互いに独立して設けられている。燃料電池熱媒体循環ライン３４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、燃料電池１０、第２熱交換器３６、燃料電池熱媒体循環ポンプ３４ａおよび第２凝縮器３７ｂが配設されている。

燃料電池熱媒体循環ポンプ（燃料電池熱媒体循環装置）３４ａは、燃料電池熱媒体循環ライン３４上に設けられ燃料電池熱媒体を循環させるポンプである。燃料電池熱媒体循環ポンプ３４ａは、燃料電池熱媒体循環ライン３４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４０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。

第２凝縮器（アノードガス凝縮器）３７ｂは、燃料電池熱媒体が供給されるとともに改質器２０から燃料電池１０の燃料極に供給されるアノードガス（改質ガス）が供給され、燃料電池熱媒体とアノードガスが熱交換するように構成されている。第２凝縮器３７ｂは、燃料電池熱媒体とアノードガスとの熱交換によりアノードガス中の水蒸気を凝縮する凝縮器である。第２凝縮器３７ｂは、改質器２０のアノードガスの排熱を燃料電池熱媒体に回収する。

第１熱交換器３５は、貯湯水循環ライン３２と凝縮用冷媒循環ライン３３とが熱交換可能な構成とされており、貯湯水循環ライン３２を循環する貯湯水と凝縮用冷媒循環ライン３３を循環する凝縮用冷媒とが熱交換する熱交換器である。

第２熱交換器３６は、貯湯水循環ライン３２上であって第１熱交換器３５に対して貯湯水の下流側でかつ第１熱交換器３５と貯湯槽３１との間に設けられている。第２熱交換器３６は、貯湯水循環ライン３２と燃料電池熱媒体循環ライン３４とが熱交換可能な構成とされており、貯湯水循環ライン３２を循環する貯湯水と燃料電池熱媒体循環ライン３４を循環する燃料電池熱媒体とが熱交換する熱交換器である。

このように構成された排熱回収装置３０によれば、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燃料電池熱媒体を昇温する。これに伴って燃料電池１０が昇温される。具体的には、燃料電池１０は例えば７０℃に維持されるようになっている。さらに、燃料電池熱媒体に回収された熱は、第２熱交換器３６を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水が加熱（昇温）される（例えば６０℃）とともに燃料電池熱媒体が降温される（例えば７２℃から７０℃に降温される）。

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２凝縮器３７ｂを介して燃料電池熱媒体に回収され、アノードガスが降温され（例えば１００℃から８０℃に）燃料電池熱媒体が昇温される（例えば６０℃から６５℃に）。さらに、燃料電池熱媒体に回収された熱は、第２熱交換器３６を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水が加熱（昇温）されるとともに燃料電池熱媒体が降温される（例えば７２℃から７０℃に降温される）。

燃料電池１０から排出されるアノードオフガスの排熱は、第３凝縮器３７ｃを介して凝縮用冷媒に回収され、アノードオフガスが降温され（例えば７０℃から４０℃に）凝縮用冷媒が昇温される（例えば３０℃から３５℃に）。さらに、凝縮用冷媒に回収された熱は、第１熱交換器３５を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水が加熱（昇温）される（例えば２０℃から４０℃に）とともに凝縮用冷媒が降温される（例えば５０℃から３０℃に）。

さらに、燃料電池１０から排出されるカソードオフガスの排熱も、第４凝縮器３７ｄを介して凝縮用冷媒に回収され、カソードオフガスが降温され（例えば７０℃から４５℃に）凝縮用冷媒が昇温される（例えば３５℃から４０℃に）。さらに、凝縮用冷媒に回収された熱は、第１熱交換器３５を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水が加熱（昇温）されるとともに凝縮用冷媒が降温される。

さらに、バーナ２１からの燃焼排ガスの排熱も、第１凝縮器３７ａを介して凝縮用冷媒に回収され、燃焼排ガスが降温され（例えば２００℃から１００℃に）凝縮用冷媒が昇温される（例えば４０℃から５０℃に）。さらに、凝縮用冷媒に回収された熱は、第１熱交換器３５を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水が加熱（昇温）される（例えば２０℃から４０℃に）とともに凝縮用冷媒が降温される（例えば５０℃から３０℃に）。

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や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。

なお、上述した循環ポンプ３２ｂ，３３ａ，３４ａは、ターボ型ポンプである。ターボ型ポンプは、回転する羽根車の中を液体が連続的に通り抜ける間に、羽根に作用する力を媒介として液体にエネルギーを与える装置である。液体が羽根車内を通り抜けるときの流れの方向と回転軸との関連から、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプに分けられる。循環ポンプ３２ｂ，３３ａ，３４ａは、羽根車から吐き出される流れが回転軸に垂直な面内にあるポンプである遠心ポンプが望ましく、さらに羽根車の吐出し側に直接渦巻形ケーシングをもつ渦巻きポンプが望ましい。キャンド型の渦巻きポンプがさらに望ましい。
また、上述した第１〜第４凝縮器３７ａ〜３７ｄは凝縮器３７である。

燃料電池１０から出力される電力はインバータ１１で電源ライン１４に出力され、電力負荷１３に供給される。

さらに、燃料電池システムは、制御装置４０を備えている。制御装置４０には、上述した各温度センサ３２ａ，３３ｂ，５１、各ポンプ３２ｂ，３３ａ，３４ａが接続されている（図１参照）。制御装置４０は、図４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。

燃料電池システムは、図２に示す制御システムにより凝縮用冷媒循環ライン３３の温度、特に凝縮用冷媒の第１凝縮器出口温度をフィードバック制御（ＰＩＤ制御）により調整している。図２には、制御装置４０、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａ、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａの電動モータ（図示省略）のドライバ回路３３ａ１、凝縮用冷媒循環ライン３３、および温度センサ３３ｂが示されている。

制御装置４０は、制御信号（本実施形態ではデューティ比ｄｕｔｙ［％］）をアクチュエータである凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａに出力する。凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａは、制御信号であるデューティ比ｄｕｔｙを操作量である凝縮用冷媒循環ライン３３の流量（単位時間あたり流量：ｍＬ／ｍｉｎ）に変換するものである。凝縮用冷媒循環ライン３３は制御対象である。温度センサ３３ｂの検出値（凝縮用冷媒の第１凝縮器３７ａの出口温度の実測温度）は、ＰＩＤ制御器４４に出力されるようになっている。

制御装置４０は、図２に示すように、第２温度判定部４１、ガード下限値変更部４２、減算器４３、ＰＩＤ制御器４４、ガード処理部４５を有している。
第２温度判定部４１は、第２温度センサ５１によって検出された燃焼排ガスの第１凝縮器の出口温度（第２温度）が所定値以上であるか否かを判定するものである。ひいては、第２温度判定部４１は、凝縮用冷媒循環ライン３３の流量に異常の有無を判定し、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａのエア噛みの有無を判定するものである。

このような判定ができる理由を説明する。凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａでエア噛みが発生すると、凝縮用冷媒の流量が減少する。またエア噛みが発生すると、凝縮用冷媒中にエアが含まれるため熱交換効率が低下するので、凝縮用冷媒の第１凝縮器３７ａの出口温度（第１温度）は低下する。制御装置４０は凝縮用冷媒の第１凝縮器３７ａの出口温度を目標温度とするため凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａの送出量をさらに減少させるように調整する。この結果、第１凝縮器３７ａにおいて、燃焼排ガスから凝縮用冷媒への熱回収が減少し、燃焼排ガスの第１凝縮器３７ａの出口温度（第２温度）は上昇する。このことを利用すれば、燃焼排ガスの第１凝縮器３７ａの出口温度が所定値以上となった場合、凝縮用冷媒循環ライン３３の流量に異常が発生したこと、例えば凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａでエア噛みが発生したことを確実に検知することができる。

このとき、第２温度判定部４１は、第２温度だけでなく、第３温度センサ３２ａによって検出された貯湯水の第１熱交換器３５の出口温度である第３温度も使用して第２温度が所定値以上であるか否かを判定している。具体的には、第２温度、第３温度、図３に示すマップを使用して、同時に検出された第２温度と第３温度の組合せがマップ以上であれば（マップより上の領域であれば）、第２温度が第３温度に対応した所定値以上であると判定する。すなわち、凝縮用冷媒循環ライン３３の流量に異常があると判定する。例えば、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａのエア噛みが有りと判定する。一方、第２温度と第３温度の組合せがマップ未満であれば（マップより下の領域であれば）、第２温度が第３温度に対応した所定値未満であると判定する。すなわち、凝縮用冷媒循環ライン３３の流量に異常がない（正常である）と判定する。例えば、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａのエア噛みは無いと判定する。

例えば、第３温度が３５℃から６０℃の間であれば、第２温度の所定値はマップから５５℃となるので、第２温度が５５℃以上であれば所定値以上（エア噛み有り）と判定し、第２温度が５５℃未満であれば所定値未満（エア噛み無し）と判定する。

図３に示すマップは、第２温度の所定値と第３温度との相関関係を示すものである。図３は異常状態から正常状態への移行または正常状態から異常状態への移行条件にヒステリシスを考慮したマップである。実線は、異常状態を判定するための第２温度の所定値と第３温度との相関関係を示すものである。破線は、異常状態判定後に正常状態を判定するための第２温度の所定値と第３温度との相関関係を示すものである。凝縮用冷媒循環ライン３３の流量が正常であった場合に、第２温度と第３温度の組合せが実線以上になったら同流量が異常になったと判定する。凝縮用冷媒循環ライン３３の流量が異常状態であった場合に、第２温度と第３温度の組合せが破線より下になったときに正常に復帰したと判定する。このマップは、第３温度が高くなると第２温度の所定値が高くなるようになっている。凝縮用冷媒循環ライン３３を流れる凝縮用冷媒は、第１熱交換器３５にて貯湯水循環ライン３２を流れる貯湯水と熱交換されるので、凝縮用冷媒の温度は貯湯水から強い影響を受けるからである。なお、本実施形態では、マップはステップ状に設定されているが、線形、非線形に設定されてもよい。また、マップに代えて演算式を使用するようにしてもよい。

なお、図３ではヒステリシスを考慮したマップを使用したが、ヒステリシスが無視できる場合には第２温度の所定値と第３温度との相関関係を単一の線によって示したマップを使用してもよい。

ガード下限値変更部４２は、第２温度判定部４１の判定結果を受けて、その判定結果に基づいてガード下限値を変更するものである。検出された第２温度が所定値以上であると判定された場合（すなわち、凝縮用冷媒循環ライン３３の流量が異常（例えば、流量が減少する異常、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａのエア噛み）であると判定された場合）、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａの送出量（凝縮用冷媒循環ライン３３の流量）を増大させるべく、ガード下限値を所定量（例えば、デューティ比で２％）ずつ増加させる。なお、ガード下限値は例えば１０％を超えることはない。また、検出された第２温度が所定値以上であると判定された状態が所定時間（例えば２分）継続した場合に、ガード下限値を変更するのが望ましい。誤判定を抑制するためである。

さらに、検出された第２温度が所定値未満であると判定された場合（すなわち、凝縮用冷媒循環ライン３３の流量が正常であると判定された場合）、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａの送出量（凝縮用冷媒循環ライン３３の流量）を減少させるべく、ガード下限値を所定量（例えば、ｄｕｔｙ比で２％）ずつ減少させる。なお、ガード下限値は当初設定値より小さくなることはない。また、検出された第２温度が所定値未満であると判定された状態が所定時間（例えば２分）継続した場合に、ガード下限値を変更するのが望ましい。誤判定を抑制するためである。

減算器４３は、温度センサ３３ｂから取得した、凝縮用冷媒の第１凝縮器３７ａの出口温度の実測温度を入力するとともに、制御装置４０の記憶装置（図示しない）に予め記憶されている、凝縮用冷媒循環ライン３３を流通する凝縮用冷媒の第１凝縮器３７ａの出口温度の目標温度を入力する。減算器４３は、読み込んだ目標温度から読み込んだ実測温度を減算して偏差ｅを算出してＰＩＤ制御器４４に出力する。

ＰＩＤ制御器４４は、凝縮用冷媒循環ライン３３を流通する凝縮用冷媒の第１凝縮器３７ａの出口温度の目標温度と、凝縮用冷媒の第１凝縮器３７ａの出口温度の実測温度とから、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａの制御信号値をＰＩＤ制御により演算する。ＰＩＤ制御器４４は、減算器４３で算出した偏差ｅを入力し、その偏差ｅに基づいて凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａの回転数（ポンプの吐出量（流量））である制御信号値を算出する。この場合、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａがＰＷＭ制御されていれば、制御信号値はＰＷＭ制御のデューティ比（ｄｕｔｙ）である。

ＰＩＤ制御器４４は、ＰＩＤ制御（速度形）を行うものである。ＰＩＤ制御器４４は、偏差ｅに比例した出力値を出力する比例動作器、偏差ｅの時間積分に比例した出力値を出力する積分動作器、および偏差ｅの時間変化率に比例した出力値を出力する微分動作器（それぞれ図示省略）を有している。ＰＩＤ制御器４４は、比例動作器、積分動作器および微分動作器による各出力値を加算した値を、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａのフィードバック制御信号値ｄｕｔｙとして算出する。このように、ＰＩＤ制御器４４は、凝縮用冷媒循環ライン３３を流通する凝縮用冷媒の第１凝縮器３７ａの出口温度の目標温度と、凝縮用冷媒の第１凝縮器３７ａの出口温度の実測温度とに基づいてフィードバック制御信号値ｄｕｔｙを算出するものである。

ＰＩＤ制御器４４で行われるＰＩＤ制御は、比例動作器、積分動作器および微分動作器のすべての機能を発揮するものだけでなく、比例動作器および積分動作器の機能のみを発揮するＰＩ制御、比例動作器の機能のみを発揮するＰ制御も含むものとする。Ｐ制御もＰＩ制御もいずれもフィードバック制御信号値を算出するものである。

ガード処理部４５は、ＰＩＤ制御器４４からフィードバック制御信号値ｄｕｔｙを入力しガード処理して出力するものである。すなわち、ガード処理部４５は上限値（ガード上限値）と下限値（ガード下限値）を有しており、フィードバック制御信号値が上限値と下限値の間であればそのままの値を、フィードバック制御信号値が上限値以上であれば上限値を、フィードバック制御信号値が下限値以下であれば下限値を、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａの電動モータ（図示省略）のドライバ回路３３ａ１に出力するようになっている。

また、ガード処理部４５は、ガード下限値変更部４２で算出された下限値を入力し、その下限値を使用してガード処理している。したがって、下限値を第２温度に基づいて増大させたり減少させたりすることができる。

次に、上述した燃料電池システムの作動について図４のフローチャートに沿って説明する。制御装置４０は、図示しない主電源がオン状態にあるとき、上記フローチャートに対応したプログラムを所定時間毎に実行する。制御装置４０は、ステップ１０２において、第１温度を制御中であるかを判定し、制御中であれば（「ＹＥＳ」と判定し）プログラムをステップ１０４に進め、制御中でなければ（「ＮＯ」と判定し）ステップ１０２の処理を繰り返す。

制御装置４０は、ステップ１０４〜１１０の処理により、第２温度の判定結果（第２温度と所定値との比較結果）に応じて凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａのガード下限値を調整（変更、増減）する。すなわち、制御装置４０は、ステップ１０４，１０６の処理にて上述した第２温度判定部４１と同様な処理を行い、ステップ１０８，１１０の処理にて上述したガード下限値変更部４２と同様な処理を行う。

具体的には、第２温度が異常領域にあり、かつその状態が所定時間継続した場合、制御装置４０は、ステップ１０４で「ＹＥＳ」と判定し、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａのガード下限値を＋２％切り上げる（ステップ１０８）。なお、ガード下限値の上限は１０％であるので、１０％となった時点で切り上げを中止する。

第２温度が正常領域にあり、かつその状態が所定時間（例えば２分）継続した場合、制御装置４０は、ステップ１０４，１０６で「ＮＯ」、「ＹＥＳ」と判定し、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａのガード下限値を−２％切り下げる（ステップ１１０）。なお、ガード下限値の下限は当初設定値（例えば２％）であるので、当初設定値となった時点で切り下げを中止する。

第２温度が正常領域にあり、かつその状態が所定時間継続していない場合、制御装置４０は、ステップ１０４，１０６でそれぞれ「ＮＯ」と判定し、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａのガード下限値を変更しないでプログラムをステップ１１２に進める。

第２温度が異常領域にあり、かつその状態が所定時間継続していない場合、制御装置４０は、ステップ１０４，１０６でそれぞれ「ＮＯ」と判定し、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａのガード下限値を変更しないでプログラムをステップ１１２に進める。

ステップ１０４において、制御装置４０は、第３温度センサ３２ａが測定した第３温度と図３のマップから第２温度の所定値を算出し、第２温度センサ５１が測定した第２温度がその算出した所定値以上であり（第２温度が異常領域であり）、その状態が所定時間継続していれば（「ＹＥＳ」と判定し）、凝縮用冷媒循環ライン３３の流量に異常があると判定し、そうでなければ（「ＮＯ」と判定する）凝縮用冷媒循環ライン３３の流量に異常がない（正常である）と判定する。

ステップ１０６において、制御装置４０は、第３温度センサ３２ａが測定した第３温度と図３のマップから第２温度の所定値を算出し、第２温度センサ５１が測定した第２温度がその算出した所定値未満であり（第２温度が正常領域であり）、その状態が所定時間継続していれば（「ＹＥＳ」と判定し）、凝縮用冷媒循環ライン３３の流量に異常がない（正常である）と判定する。

さらに、制御装置４０は、ステップ１１２において、上述した減算器４３とＰＩＤ制御器４４と同様にフィードバック制御のデューティ比（ｄｕｔｙ）を算出する。すなわち、制御装置４０は、凝縮用冷媒の第１凝縮器３７ａの出口温度の目標温度と、第１温度センサ３３ｂから取得した凝縮用冷媒の第１凝縮器３７ａの出口温度の実測温度との偏差ｅに基づいて凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａの回転数（ポンプの吐出量（流量））である制御信号値を算出する。この場合、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａがＰＷＭ制御されていれば、制御信号値はＰＷＭ制御のデューティ比（ｄｕｔｙ）である。

そして、制御装置４０は、ステップ１１４において、ステップ１１２で算出したフィードバック制御のデューティ比をガード処理し、処理後のデューティ比をドライバ回路３３ａ１に出力する。具体的には、制御装置４０は、ステップ１１２で算出したフィードバック制御のデューティ比をガード下限値と比較する。そして、制御装置４０は、そのデューティ比がガード下限値より大きい場合には（ステップ１１４で「ＹＥＳ」と判定し）、そのデューティ比をそのままドライバ回路３３ａ１に出力し（ステップ１１６）、デューティ比がガード下限値以下である場合には（ステップ１１４で「ＮＯ」と判定し）、ガード下限値をドライバ回路３３ａ１に出力する（ステップ１１８）。

これにより、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａのエア噛みなどに起因して凝縮用冷媒循環ライン３３の流量が小さくなった場合、ガード下限値を増大ことで凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａの吐出量の最低値（ガード下限値に相当する）を増大させることにより凝縮用冷媒循環ライン３３の流量を増大させるように制御を行うことができる。

さらに、図５を参照して本実施形態の作用・効果について説明する。図５には、第１温度の実測温度、第２温度の実測温度、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａの制御量の時間変化を示している。

最初に、第２温度の判定結果に応じてガード下限値を変更させない場合（すなわち第２温度が所定温度以上となっても凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａの制御量を増大させない場合）について説明する。燃料電池システムが正常に稼動されているなかで、時刻ｔ１に凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａにエア噛みが発生すると、凝縮用冷媒循環ライン３３の流量が減少する。またエア噛みによって凝縮用冷媒中にエアが含まれるため、凝縮用冷媒の第１凝縮器３７ａの出口温度（第１温度）は低下する。制御装置４０は凝縮用冷媒の第１凝縮器３７ａの出口温度を目標温度とするため凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａの送出量をさらに減少させるように調整する。この結果、第１凝縮器３７ａにおいて、燃焼排ガスから凝縮用冷媒への熱回収が減少し、燃焼排ガスの第１凝縮器３７ａの出口温度（第２温度）は上昇する。これに対して何ら処理を行わなければ、第１温度は破線で示すように下がり続けるとともに凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａの制御量も破線で示すように下がり続け、第２温度は破線で示すように上がり続ける。

これに対して、本実施形態によれば、時刻ｔ２に第２温度が所定値以上になると、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａの制御量が徐々に増大される。これにより、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａの吐出量が増大される。この結果、時刻ｔ３に凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａのエア噛みが解除されると、凝縮用冷媒循環ライン３３の流量が増大する。そうすると、凝縮用冷媒の第１凝縮器３７ａの出口温度（第１温度）は上昇する。制御装置４０は凝縮用冷媒の第１凝縮器３７ａの出口温度を目標温度とするため凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａの送出量をさらに増大させるように調整する。この結果、第１凝縮器３７ａにおいて、燃焼排ガスから凝縮用冷媒への熱回収が増大し、燃焼排ガスの第１凝縮器３７ａの出口温度（第２温度）は低下する。なお、本実施形態による作用効果は実線で示している。

上述した説明から明らかなように、本実施形態に係る排熱回収装置の発明においては、制御装置４０は、第２温度センサ５１によって検出された被凝縮ガス（燃焼排ガス）の凝縮器出口温度が所定値以上となった場合、循環ライン（凝縮用冷媒循環ライン３３）で熱回収熱媒体（凝縮用冷媒）を循環させる循環装置（凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａ）の送出量を増大させる。ところで、循環装置（凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａ）でエア噛みが発生すると、熱回収熱媒体（凝縮用冷媒）の流量が減少する。またエア噛みが発生すると、凝縮用冷媒中にエアが含まれるため熱交換効率が低下するので、熱回収熱媒体（凝縮用冷媒）の凝縮器出口温度は低下する。制御装置４０は熱回収熱媒体（凝縮用冷媒）の凝縮器出口温度を目標温度とするため循環装置（凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａ）の送出量をさらに減少させるように調整する。この結果、第１凝縮器３７ａにおいて、被凝縮ガス（燃焼排ガス）から熱回収熱媒体（凝縮用冷媒）への熱回収が減少し、被凝縮ガス（燃焼排ガス）の凝縮器出口温度は上昇する。このことを利用すれば、被凝縮ガス（燃焼排ガス）の凝縮器出口温度（第２温度）が所定値以上となった場合、循環装置（凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａ）でエア噛みが発生したこと、すなわち凝縮用冷媒循環ライン３３の流量の異常が発生したことを検知することができる。ひいては、熱回収熱媒体（凝縮用冷媒）を循環させる循環装置（凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａ）におけるエア噛みを検知し、エア噛みを解消する制御を適切なタイミングで行うことができる。

また、制御装置４０は、第２温度センサ５１によって検出された被凝縮ガス（燃焼排ガス）の凝縮器出口温度が所定値以上となった状態が所定時間継続した場合、循環装置（凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａ）の送出量を増大させる。これにより、循環装置（凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａ）でエア噛みが発生したことを誤って検知するのを抑制することができ、ひいてはエア噛みを解消する制御を適切に行うことができる。

また、循環ライン（凝縮用冷媒循環ライン３３）上に設けられ、熱媒体（貯湯水）が供給され、熱回収熱媒体（凝縮用冷媒）と熱媒体（貯湯水）とが熱交換する熱交換器（第１熱交換器３５）と、熱媒体（貯湯水）の熱交換器入口温度を検出する第３温度センサ３２ａと、をさらに備え、制御装置４０は、第２温度センサ５１によって検出された被凝縮ガス（燃焼排ガス）の凝縮器出口温度と、第３温度センサ３２ａによって検出された熱媒体（貯湯水）の熱交換器入口温度との組合せが所定領域（図３の異常領域）内となった場合、循環装置（凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａ）の送出量を増大させる。これにより、熱回収熱媒体（凝縮用冷媒）を循環させる循環装置（凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａ）におけるエア噛みをより精度よく検知し、エア噛みを解消する制御を適切なタイミングで行うことができる。

また、制御装置４０は、前記組合せが所定領域（図３の異常領域）となった状態が所定時間継続した場合、循環装置（凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａ）の送出量を増大させる。これにより、循環装置（凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａ）でエア噛みが発生したことを誤って検知するのを抑制することができ、ひいてはエア噛みを解消する制御を適切に行うことができる。

また、制御装置４０は、循環装置（凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａ）の送出量の下限値（ガード下限値に相当する）を増加させることで循環装置（凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａ）の送出量を増大させる。これにより、循環装置の送出量を極端に増大させることを抑制することで、エア噛みを解消する制御を適切に行うことができる。

また、凝縮器（第１凝縮器３７ａ）は、被凝縮ガス（燃焼排ガス）としてバーナ２１からの燃焼排ガスが供給され熱回収熱媒体（凝縮用冷媒）と燃焼排ガスとが熱交換する第１凝縮器３７ａである。これにより、排熱回収装置のなかで最も温度の高い被凝縮ガスを利用することで、循環装置（凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａ）でエア噛みが発生したことを誤って検知するのを抑制することができ、ひいてはエア噛みを解消する制御を適切に行うことができる。

また、凝縮器３７は、被凝縮ガスとして改質器２０のバーナ２１からの燃焼排ガスが供給され熱回収熱媒体（凝縮用冷媒）と燃焼排ガスとが熱交換する第１凝縮器３７ａ、改質器２０の改質部２２から燃料電池１０の燃料極に供給されるアノードガスが被凝縮ガスとして供給され熱回収熱媒体（凝縮用冷媒）とアノードガスとが熱交換する第２凝縮器３７ｂ、燃料極からバーナ２１に供給されるアノードオフガスが被凝縮ガスとして供給され熱回収熱媒体（凝縮用冷媒）とアノードオフガスとが熱交換する第３凝縮器３７ｃ、燃料電池１０の酸化剤極からのカソードオフガスが被凝縮ガスとして供給され熱回収熱媒体（凝縮用冷媒）とカソードオフガスとが熱交換する第４凝縮器３７ｄのうちの少なくとも何れか一つによって構成され、改質器２０の排熱および／または燃料電池１０の排熱を熱回収熱媒体（凝縮用冷媒）に回収する。これにより、改質器２０の排熱および／または燃料電池１０の排熱を熱回収熱媒体（凝縮用冷媒）に確実に回収することができる。

また、上記燃料電池システムの発明においては、上述した排熱回収装置を備えている。これにより、上述した排熱回収装置の作用効果のある燃料電池システムを提供することができる。

なお、上述した実施形態においては、第１凝縮器３７ａの被凝縮ガスである燃焼排ガスの出口温度に基づいて、循環ライン（凝縮用冷媒循環ライン３３）で熱回収熱媒体（凝縮用冷媒）を循環させる循環装置（凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａ）の送出量を増大させるようにしたが、第３凝縮器３７ｃの被凝縮ガスであるアノードオフガスの出口温度や第４凝縮器３７ｄの被凝縮ガスであるカソードオフガスの出口温度に基づいて凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａの送出量を増大させるようにしてもよい。また、第２凝縮器３７ｂの被凝縮ガスであるアノードガスの出口温度に基づいて燃料電池熱媒体循環ポンプ３４ａの送出量を増大させるようにしてもよい。

また、上述した実施形態においては、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａのガード下限値を増加させることで送出量を増大させるようにしたが、ガード下限値に関係なく、エア噛みを検出した時点の制御量を基準に増大させるようにしてもよく、その他の方法で送出量を増大させるようにしてもよい。

また、上述した実施形態において、貯湯水循環ライン３２と凝縮用冷媒循環ライン３３とを一つにした循環ラインを設け、このライン上に第１，３，４凝縮器３７ａ，３７ｃ，３７ｄを設けるようにしてもよい。この場合、凝縮用冷媒循環ポンプ３３ａまたは燃料電池熱媒体循環ポンプ３４ａを残すようにすればよく、第１熱交換器３５は省略することができる。

２）第２の実施形態
以下、本発明による排熱回収装置を備えた燃料電池システムの第２の実施形態について図６を参照して説明する。図６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、箱状の筐体１１、燃料電池モジュール１２０、排熱回収システム１３０を備えている。

筐体１１は、筐体１１内を区画して第１室Ｒ１および第２室Ｒ２を形成する仕切部材１１２を備えている。仕切部材１１２は、筐体１１を上下に区画する（仕切る）板状部材である。

燃料電池モジュール１２０は、第１室Ｒ１内に収納されている。燃料電池モジュール１２０は、ケーシング１２１、蒸発部１２２、改質部１２３および燃料電池１２４を備えている。ケーシング１２１内には、蒸発部１２２、改質部１２３および燃料電池１２４が配設されている。このとき、蒸発部１２２、改質部１２３が燃料電池１２４の上方に位置するように配設されている。

蒸発部１２２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１２２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１２３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰＧ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。

この蒸発部１２２には、一端（下端）が純水タンク１１３内に配設された給水管１４１の他端が接続されている。給水管１４１には、改質水ポンプ１４１ａが設けられている。改質水ポンプ１４１ａは、蒸発部１２２に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。

また、蒸発部１２２には、燃料供給源（図示省略）からの改質用原料が改質用原料供給管１４２を介して供給されている。改質用原料供給管１４２には、上流から順番に一対の原料バルブ（図示省略）、脱硫器１４２ａ、および原料ポンプ１４２ｂが設けられている。原料バルブは改質用原料供給管１４２を開閉する電磁開閉弁である。脱硫器１４２ａは改質用原料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。原料ポンプ１４２ｂは、燃料供給源からの燃料供給量を調整するものであり、その吐出量は調整制御（例えば燃料電池１２４の負荷電力量（消費電力量）に応じて制御）されるものである。

改質部１２３は、後述する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１２２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１２３内には、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ガスが生成されている（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が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は燃料電池１２４の燃料極に導出されるようになっている。

燃料電池１２４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１２４ａが積層されて構成されている。本実施の形態の燃料電池は、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１２４の燃料極には、改質ガスが供給される。動作温度は７００〜１０００℃程度である。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。この場合、改質部１２３は省略することができる。

セル１２４ａ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１２４ｂが形成されている。セル１２４ａ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１２４ｃが形成されている。

燃料電池１２４は、マニホールド１２５上に設けられている。マニホールド１２５には、改質部１２３からの改質ガスが改質ガス供給管１４３を介して供給されている。燃料流路１２４ｂは、その下端（一端）がマニホールド１２５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。空気流路１２４ｃは、その下端（一端）がエア用マニホールドを介してカソードエア供給管１４４に接続されており、カソードエア供給管１４４から導出されるカソード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。

なお、カソードエア供給管１４４の一端はエア用マニホールド（図示しない）に接続され、他端はカソードエアブロワ１４４ａ（カソードエア送出（送風）手段）に接続されている。カソードエアブロワ１４４ａは、第２室Ｒ２内に配設されている。カソードエアブロワ１４４ａは、第２室Ｒ２内の空気を吸入し燃料電池１２４の空気極に吐出するものであり、その吐出量は調整制御（例えば燃料電池１２４の負荷電力量（消費電力量）に応じて制御）されるものである。

燃料電池１２４においては、燃料極に供給された燃料と空気極に供給された酸化剤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１２４ｂおよび空気流路１２４ｃ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、燃料流路１２４ｂから導出した発電に使用されなかった改質ガスは、燃料電池１２４と蒸発部１２２（改質部１２３）の間の燃焼空間Ｒ３にて、空気流路１２４ｃから導出した発電に使用されなかった酸化剤ガス（空気）によって燃焼され、その燃焼ガスによって蒸発部１２２および改質部１２３が加熱される。さらには、燃料電池モジュール１２０内を動作温度に加熱している。その後、燃焼ガスは導出口１２１ａから燃料電池モジュール１２０の外に排気される。

排熱回収システム１３０は、貯湯水を貯湯する貯湯槽１３１と、貯湯水が循環する貯湯水循環ライン１３２と、燃料電池モジュール１２０からの燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われる第１熱交換器１３３と、が備えられている。

貯湯槽１３１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１３１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１３１に貯留された高温の温水が貯湯槽１３１の柱状容器の上部から導出されるようになっている。

貯湯水循環ライン１３２の一端は貯湯槽１３１の下部に、他端は貯湯槽１３１の上部に接続されている。貯湯水循環ライン１３２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１３２ａ、第１熱交換器１３３、および温度センサ１３２ｂが配設されている。貯湯水循環ポンプ１３２ａは、貯湯槽１３１の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環ライン１３２を図示矢印方向へ通水させて貯湯槽１３１の上部に吐出するものであり、その流量（送出量）が制御されるようになっている。温度センサ１３２ｂは、貯湯水の貯湯槽１３１の入口温度を検出するものであり（貯湯水の第１熱交換器１３３の出口温度を検出するものであり）、その検出結果を制御装置（図示省略）に送信するようになっている。この温度センサ１３２ｂは、第１温度センサである。

貯湯水循環ポンプ１３２ａは、温度センサ１３２ｂの検出温度（貯湯水の第１熱交換器１３３の出口温度）が目標温度となるように、フィードバック制御により送出量が制御されるようになっている。

第１熱交換器１３３は、燃料電池モジュール１２０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１３１からの貯湯水が供給され燃焼排ガスと貯湯水が熱交換する熱交換器である。この第１熱交換器１３３は、筐体１１内に配設されている。本実施の形態では、第１熱交換器１３３は、燃料電池モジュール１２０の下部に設けられており、少なくとも第１熱交換器１３３の下部は仕切部材１１２を貫通して第２室Ｒ２に突出されて配設されている。

第１熱交換器（凝縮器）１３３は、ケーシング１３３ａを備えている。ケーシング１３３ａには、燃焼排ガスが導入される導入口１３３ｂ、燃焼排ガスが導出される導出口１３３ｃ、および凝縮された凝縮水が導出される導出口１３３ｄが設けられている。ケーシング１３３ａ内には、貯湯水循環ライン１３２に接続されている熱交換部（凝縮部）１３３ｅが配設されている。導入口１３３ｂは、燃料電池モジュール１２０のケーシング１２１の下部に設けられ燃焼排ガスが導出される導出口１２１ａに連通するようになっている。燃焼排ガスの導出口１３３ｃは、排気管１４５を介して第１排気口１１１ａに接続されている。凝縮水の導出口１３３ｄは、ケーシング１３３ａの底部に形成されている。燃焼排ガスの導出口１３３ｃは、凝縮水が燃焼排ガスの導出口１３３ｃから導出するのを防止するため、凝縮水の導出口１３３ｄより上方に形成されている。

排気管１４５には、温度センサ１４５ａが設けられている。第２温度センサである温度センサ１４５ａは、燃焼排ガスの第１熱交換器１３３の出口温度（第２温度）を検出し、制御装置に送信するようになっている。

このように構成された第１熱交換器１３３においては、燃料電池モジュール１２０からの燃焼排ガスは、導入口１３３ｂからケーシング１３３ａ内に導入され、貯湯水が流通する熱交換部１３３ｅ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。凝縮後の燃焼排ガスは導出口１３３ｃおよび排気管１４５を通って第１排気口１１１ａから外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水の導出口１３３ｄおよび凝縮水供給管１４６を通って純水器１１４に供給される（自重で落水する）。一方、熱交換部１３３ｅに流入した貯湯水は、加熱されて流出される。

また、燃料電池システムは、純水タンク１１３および純水器１１４を備えている。純水タンク１１３および純水器１１４は第２室Ｒ２内に配設されている。純水器１１４は、第１熱交換器１３３からの凝縮水を活性炭とイオン交換樹脂によって純水化するものである。純水器１１４は、配管１４７を介して純水タンク１１３に連通しており、純水器１１４内の純水は配管１４７を通って純水タンク１１３に導出される。

このように構成された第２の実施形態においても、上述した第１の実施形態と同様な作用効果を得ることができる。

１０…燃料電池、２０…改質器、２１…バーナ、２２…改質部、３１…貯湯槽、３２…貯湯水循環ライン、３２ａ…温度センサ（第３温度センサ）、３２ｂ…貯湯水循環ポンプ、３３…凝縮用冷媒循環ライン（熱回収熱媒体循環ライン）、３３ａ…凝縮用冷媒循環ポンプ（熱回収熱媒体循環装置）、３３ｂ，１３２ｂ…温度センサ（第１温度センサ）、３４…燃料電池熱媒体循環ライン、３４ａ…燃料電池熱媒体循環ポンプ、３５…第１熱交換器、３６…第２熱交換器、３７…凝縮器、３７ａ…第１凝縮器（凝縮器）、３７ｂ…第２凝縮器、３７ｃ…第３凝縮器、３７ｄ…第４凝縮器、４０…制御装置、４１…第２温度判定部、４２…ガード下限値変更部、４３…減算器、４４…ＰＩＤ制御器、４５…ガード処理部、５１，１４５ａ…温度センサ（第２温度センサ）、１３２ａ…貯湯水循環ポンプ（熱回収熱媒体循環装置）。

Claims (6)

1. 熱回収熱媒体が循環する循環ラインと、
   前記循環ライン上に設けられ、被凝縮ガスが供給され、前記熱回収熱媒体と前記被凝縮ガスとが熱交換する凝縮器と、
   前記熱回収熱媒体を循環させる循環装置と、
   前記熱回収熱媒体の凝縮器出口温度を検出する第１温度センサと、
   前記第１温度センサによって検出された前記熱回収熱媒体の凝縮器出口温度が目標温度となるように前記循環装置の送出量を調整する制御装置と、を備えた排熱回収装置において、
   前記被凝縮ガスの凝縮器出口温度を検出する第２温度センサと、
   前記循環ライン上に設けられ、熱媒体が供給され、前記熱回収熱媒体と前記熱媒体とが熱交換する熱交換器と、
   前記熱媒体の熱交換器入口温度を検出する第３温度センサと、をさらに備え、
   前記制御装置は、前記第２温度センサによって検出された前記被凝縮ガスの凝縮器出口温度が所定値以上となり、前記第２温度センサによって検出された前記被凝縮ガスの凝縮器出口温度と、前記第３温度センサによって検出された前記熱媒体の熱交換器入口温度との組合せが所定領域内となった場合、前記循環装置の送出量を増大させることを特徴とする排熱回収装置。
2. 請求項１において、前記制御装置は、前記組合せが前記所定領域となった状態が所定時間継続した場合、前記循環装置の送出量を増大させることを特徴とする排熱回収装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記制御装置は、前記循環装置の送出量の下限値を増加させることで前記循環装置の送出量を増大させることを特徴とする排熱回収装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項において、前記凝縮器は、前記被凝縮ガスとしてバーナからの燃焼排ガスが供給され前記熱回収熱媒体と前記燃焼排ガスとが熱交換する第１凝縮器であることを特徴とする排熱回収装置。
5. 請求項１乃至請求項３の何れか一項において、前記凝縮器は、前記被凝縮ガスとして改質器のバーナからの燃焼排ガスが供給され前記熱回収熱媒体と前記燃焼排ガスとが熱交換する第１凝縮器、前記改質器の改質部から燃料電池の燃料極に供給されるアノードガスが前記被凝縮ガスとして供給され前記熱回収熱媒体と前記アノードガスとが熱交換する第２凝縮器、前記燃料極から前記バーナに供給されるアノードオフガスが前記被凝縮ガスとして供給され前記熱回収熱媒体と前記アノードオフガスとが熱交換する第３凝縮器、前記燃料電池の酸化剤極からのカソードオフガスが前記被凝縮ガスとして供給され前記熱回収熱媒体と前記カソードオフガスとが熱交換する第４凝縮器のうちの少なくとも何れか一つによって構成され、前記改質器の排熱および／または前記燃料電池の排熱を前記熱回収熱媒体に回収することを特徴とする排熱回収装置。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の排熱回収装置を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

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