JP6111855B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来から、燃料電池システムは、燃料と酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を備えており、この燃料電池からの電力と系統電源から供給される電力とを組み合わせて、家庭用機器等の負荷装置に電力を供給している。このように構成された燃料電池システムにおいては、系統電源からの送電が停止（以下、停電とする）した場合、系統電源と燃料電池とを切り離し、燃料電池が発電する電力のみを負荷装置に供給する運転（以下、自立発電運転とする）をさせることもできるようになっている。

さらに、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。燃料電池システムにおいては、特許文献１の図１に示されているように、制御手段５では電力系統の停電や外部負荷の切断を検知したら発電条件を略一定に維持したまま出力を第２の経路に切り替えて電力消費手段１３で燃料電池スタック３の電力を熱などに変換して消費し、電力系統の停電の復旧や外部負荷の切断の復旧を検知したら出力を第１の経路に切り替えるようになっている。これにより、燃料電池モジュール２内の温度変化を抑制し発電セルの破損を防止することができる。

特開２００８−１３５２０４号公報

しかしながら、上述した燃料電池システムにおいては、自立発電運転中において、燃料電池の急激な温度上昇を抑制することができるものの、燃料電池の出力電力を消費するための電力消費手段１３を設けるためコストアップとなるという問題があった。
さらに、燃料電池システムが、システム自身内において燃料改質器４に供給する水蒸気（改質用水蒸気）を自給する形式である場合には、その水蒸気が不足しないようにする要請があった。

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、改質用水蒸気の不足およびコストアップを招くことなく、自立発電運転中において燃料電池の急激な温度上昇を抑制することができる燃料電池システムを提供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、改質用原料および改質水から燃料を生成して燃料電池に導出する改質部と、改質水を貯水する水タンクと、貯湯水を貯水する貯湯槽と、貯湯水を循環させる貯湯水循環回路と、貯湯水循環回路に設けられて、燃料電池から導出される燃料オフガスを燃料電池から導出される酸化剤オフガスで燃焼して生成される燃焼排ガスと、貯湯水との間で熱交換が行われて、燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮し改質水を生成して水タンクに導出する凝縮器と、系統電源からの送電が停止された場合に、燃料電池を一定出力電力となるように発電させてその電力のみを供給するとともに、系統電源からの送電がある場合に燃料電池を発電させる通常発電運転中に一定出力電力で通常発電運転をする場合と比較して多い供給量にて燃料が供給される自立発電運転中において、前記燃料電池からの電力のみが供給される負荷装置と、燃料電池の制御を少なくとも行う制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、制御装置は、自立発電運転中において、燃料電池の温度が所定温度より高い場合には、酸化剤ガスの供給量を増大する供給量増大部と、供給量増大部によって酸化剤ガスの供給量を増大させているときに、水タンク内の改質水の残量が所定量以下である場合には、通常発電運転中より低温である貯湯水を凝縮器に通水させ燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮させることで凝縮器にて改質水を生成する改質水生成部と、を備えている。

また請求項２に係る発明は、請求項１に係る燃料電池システムにおいて、改質水生成部は、供給量増大部によって酸化剤ガスの供給量が増大しているときに、水タンク内の改質水の残量が所定量以下である場合には、貯湯水を使用する旨の通知を行う通知部を備えている。

また請求項３に係る発明は、請求項１に係る燃料電池システムにおいて、改質水生成部は、供給量増大部によって酸化剤ガスの供給量が増大しているときに、水タンク内の改質水の残量が所定量以下である場合には、貯湯水を自動的に排出する排水部を備えている。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、系統電源からの送電が停止（以下、停電とする）したことによる燃料電池システムの自立発電運転中において、供給量増大部によって燃料電池の温度が所定温度より高い場合には、酸化剤ガスの供給量を増大する。これにより、従来のように別な装置を設けることなくすなわちコストアップを招くことなく、燃料電池の急激な温度上昇を抑制することができる。さらに、供給量増大部によって酸化剤ガスの供給量を増大させているときに、水タンク内の改質水の残量が所定量以下である場合には、改質水生成部によって通常発電運転中より低温である貯湯水を凝縮器に通水させ燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮させることで凝縮器にて改質水を生成する。これにより、酸化剤ガスの供給量を増大させることに伴う凝縮器における改質水の生成し難さを抑制することができる。このように、改質水を自給する燃料電池システムにおいて、改質水（改質用水蒸気）の不足およびコストアップを招くことなく、自立発電運転中において燃料電池の急激な温度上昇を抑制することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１において、供給量増大部によって酸化剤ガスの供給量が増大しているときに、水タンク内の改質水の残量が所定量以下である場合には、通知部によって貯湯水を使用する旨の通知が行なわれる。これにより、その通知によってユーザが貯湯水を使用するので、凝縮器に貯湯水を通水することで改質水を生成することを的確に行うことができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１において、供給量増大部によって酸化剤ガスの供給量が増大しているときに、水タンク内の改質水の残量が所定量以下である場合には、排水部によって貯湯水を自動的に排出する。これにより、凝縮器に貯湯水を通水することで改質水を生成することを的確に行うことができる。

本発明による燃料電池システムの実施形態を示す概要図である。 図１に示す発電機の概要図である。 本発明による燃料電池システムの停電が発生した場合における動作のフローチャートである。 本発明による燃料電池システムの停電が発生した場合における動作のフローチャートである。 本発明による燃料電池システムの停電が発生した場合における動作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の実施形態の一つである実施例について説明する。図１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、発電ユニット１０および貯湯ユニット２０を備えている。

発電ユニット１０は、直流電力を発電する発電機１１、電力変換装置１２、電源基板１３および燃料電池制御装置１９（以下、制御装置１９という。）を備えている。図２に示すように、発電機１１は、燃料電池モジュール４０を含んで構成されている。

燃料電池モジュール４０は、ケーシング４１、蒸発部４２、改質部４３および燃料電池４４を備えている。ケーシング４１は、断熱性材料で箱状に形成されている。ケーシング４１内には、蒸発部４２、改質部４３、燃料電池４４および第１燃焼部４６である燃焼空間Ｒ３が配設されている。

蒸発部４２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４２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混合ガスを改質部４３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る。

この蒸発部４２には、一端（下端）が水タンク６１内に配設された給水管５１の他端が接続されている。給水管５１には、改質水ポンプ５１ａが設けられている。改質水ポンプ５１ａは、蒸発部４２に改質水を供給するとともにその改質水供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整するものである。

また、蒸発部４２には、改質用原料の供給源（以下、供給源という。）Ｇｓからの改質用原料が改質用原料供給管５２を介して供給されている。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。改質用原料供給管５２には、原料ポンプ５２ａが設けられている。

原料ポンプ５２ａは、燃料電池４４に燃料を供給する供給装置（すなわち燃料電池システムに燃料の原料となる原燃料（改質用原料）を供給する原燃料供給装置）であり、制御装置１９からの制御指令値にしたがって供給源Ｇｓからの燃料供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整するものである。この原料ポンプ５２ａは、改質用原料を吸入し改質部４３に圧送する圧送装置である。

改質部４３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４２から供給された混合ガス（改質用原料および水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。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素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４４の燃料極に導出されるようになっている。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４３は改質用原料と改質水とから燃料である改質ガスを生成して燃料電池４４に供給する。

燃料電池４４は、燃料と酸化剤ガスとにより発電するものである。燃料電池４４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４４ａが図２の左右方向に積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池４４は、固体酸化物燃料電池であり、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４４の燃料極には、燃料としての水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。セル４４ａ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４４ｂが形成されている。セル４４ａの空気極側には、燃焼用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４４ｃが形成されている。空気流路４４ｃには、カソードエアがカソードエアブロワ５４ａ（またはカソードエアポンプ）によって供給されている。燃料電池４４内は、その内部の温度を検出する温度センサ４４ｄが設けられており、その検出結果が制御装置１９に出力されるようになっている。

燃料電池４４は、図２に示すように、マニホールド４５上に設けられている。マニホールド４５には、改質部４３からの改質ガスが改質ガス供給管５３を介して供給される。燃料流路４４ｂは、その下端（一端）がマニホールド４５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４４ｃの下端には、一端がカソードエアブロワ５４ａに接続されたカソードエア供給流路５４が連通されており、カソードエアが空気流路４４ｃ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４４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−）が電解質を通過し、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４４ｂおよび空気流路４４ｃ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４４ｂおよび空気流路４４ｃから導出した、発電に使用されなかった改質ガス（アノードオフガス：燃料オフガス）は、燃料電池４４と蒸発部４２（改質部４３）の間の燃焼空間Ｒ３にて、発電に使用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス：酸化剤オフガス）によって燃焼され、その燃焼ガス（火炎４７）によって蒸発部４２および改質部４３が加熱される。さらには、燃料電池モジュール４０内を動作温度に加熱している。

このように、燃焼空間Ｒ３が、燃料電池４４からのアノードオフガスと燃料電池４４からのカソードオフガスとが燃焼されて改質部４３を加熱する第１燃焼部４６である。すなわち、第１燃焼部４６は、燃料電池４４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ガスを導出する燃焼部である。

第１燃焼部４６（燃焼空間Ｒ３）では、アノードオフガスが燃焼されて火炎４７が発生している。燃焼空間Ｒ３で生じた燃焼ガスは、その後は導出口４１ａから燃料電池モジュール４０の外に排気される。
第１燃焼部４６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４６ａ１，４６ａ２が設けられている。この着火ヒータ４６ａ１，４６ａ２は交流電源の負荷装置である。着火ヒータ４６ａ１，４６ａ２の総消費電力は、合わせて１００Ｗである。

排熱回収システムは、燃料電池モジュール４０の排熱と貯湯水との間で熱交換することで排熱を貯湯水に回収して蓄える排熱回収系である。排熱回収システムは、貯湯水を貯湯する貯湯槽２１と、貯湯水が循環する貯湯水循環回路２４と、燃料電池モジュール４０からの燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われる凝縮器２５と、が備えられている。

貯湯槽２１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２１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２１に貯留された高温の温水が貯湯槽２１の柱状容器の上部から導出されるようになっている。

貯湯水循環回路２４の一端は貯湯槽２１の下部に、他端は貯湯槽２１の上部に接続されている。貯湯水循環回路２４上には、一端から他端に向かって順番にラジエータ２４ａ、貯湯水循環手段である貯湯水循環ポンプ２４ｂ、凝縮器２５、温度センサ２４ｃおよび排水装置２４ｄが配設されている。

ラジエータ２４ａは、貯湯水循環回路２４を流れる貯湯水と空気との間で熱交換を行うことにより、貯湯水を冷却するもの（空冷式ラジエータ）である。ラジエータ２４ａは送風装置（例えばファン）を有するように構成するのが好ましい。

貯湯水循環ポンプ２４ｂは、貯湯槽２１の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環回路２４を図示矢印方向へ通水させて貯湯槽２１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。貯湯水循環ポンプ２４ｂは、図示しない温度センサの検出温度（貯湯水の貯湯槽２１の入口温度）が所定の温度または温度範囲となるように、送出量が制御されるようになっている。

温度センサ２４ｃは、貯湯水循環回路２４上であって貯湯槽２１の貯湯水の導出口と凝縮器２５の貯湯水の導入口との間に配設されて貯湯水の温度を検出するものである。温度センサ２４ｃは、その検出結果を制御装置１９に送信するようになっている。
排水装置２４ｄは、貯湯水循環回路２４の貯湯水を外部に排出するものであり、例えば電磁バルブで構成されている。排水装置２４ｄは、制御装置１９からの指示によって貯湯水を排出する。

凝縮器２５は、燃料電池モジュール４０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と貯湯水が熱交換する熱交換器である。凝縮器２５は、ケーシング２５ａを備えている。ケーシング２５ａの上部には、燃料電池モジュール４０のケーシング４１の下部に設けられ燃焼排ガスが導出される導出口４１ａに連通している。ケーシング２５ａの下部には、排気管５５が接続されている。ケーシング２５ａの底部には、純水器６２に接続されている凝縮水供給管５６が接続されている。ケーシング２５ａ内には、貯湯水循環回路２４に接続されている熱交換部２５ｂが配設されている。

このように構成された凝縮器２５においては、燃料電池モジュール４０からの燃焼排ガスは、導出口４１ａを通ってケーシング２５ａ内に導入され、貯湯水が流通する熱交換部２５ｂ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排気管５５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５６を通って純水器６２に供給される（自重で落水する）。すなわち、燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮されて改質水が生成される。一方、熱交換部２５ｂに流入した貯湯水は、加熱されて流出される。

ケーシング４１の導出口４１ａには、第２燃焼部４８が設けられている。第２燃焼部４８は、第１燃焼部４６から排気されるガスである第１燃焼部オフガス、すなわち、第１燃焼部４６から排気される未使用の可燃性ガス（例えば、水素、メタンガス、一酸化炭素など）を導入し燃焼して導出するものである。第２燃焼部４８は、可燃性ガスを燃焼する触媒である燃焼触媒（例えばセラミックハニカムまたは、メタルハニカムと貴金属の触媒である。）で構成されている。

第２燃焼部４８には、燃焼触媒を触媒の活性温度まで加熱して可燃性ガスを燃焼させるための燃焼触媒ヒータ４８ａが設けられている。この燃焼触媒ヒータ４８ａは交流電源の負荷装置である。燃焼触媒ヒータ４８ａは消費電力が可変に制御できるものであり、その最大消費電力は２００Ｗである。燃焼触媒ヒータ４８ａは制御装置１９の指示によって制御されるものである。

また、燃料電池システムは、水タンク６１および純水器６２を備えている。水タンク６１は、純水器６２から導出された純水（改質水）を貯水するものである。水タンク６１内には、水タンク６１内の改質水の残量を検出する水量センサ６１ａが設けられている。例えば、水量センサ６１ａはフロートスイッチが好ましく、半導体式水位センサでもよい。水量センサ６１ａの検出結果は制御装置１９に出力されている。

純水器６２は、活性炭とイオン交換樹脂を内蔵しており、例えばフレーク状の活性炭と粒状のイオン交換樹脂を充填している。また被処理水の状態によっては、中空糸フィルタを設置しても良い。純水器６２は、凝縮器２５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６２は、配管５７を介して水タンク６１に連通しており、純水器６２内の純水は配管５７を通って水タンク６１に導出される。

電力変換装置１２は、燃料電池４４から供給された直流電流を交流電流に変換するものである。また、電力変換装置１２は、変換した交流電流を出力する機能を備えている。電力変換装置１２には、送電線１４の一端が接続されており、電力変換装置１２の交流電力が送電線１４に出力されるようになっている。送電線１４の他端には、第１負荷装置１５が接続されている。電力変換装置１２が出力する電力は、必要に応じて送電線１４を介して第１負荷装置１５に供給されるようになっている。第１負荷装置１５は、電灯、アイロン、テレビ、洗濯機、電気コタツ、電気カーペット、エアコン、冷蔵庫などの電気器具である。

電力変換装置１２の交流電力の出力部には、センサ１２ａが設けられている。センサ１２ａは、電力変換装置１２（燃料電池４４）から出力される電流または電圧の少なくともいずれか一つを検出するものである。センサ１２ａが電圧と電流の両方を検出していれば、それらの値を乗じることにより、接続されている負荷装置、例えば着火ヒータ４６ａ１，４６ａ２、燃焼触媒ヒータ４８ａ、排水装置２４ｄ、第２負荷装置１８などの消費電力は算出される。また、センサ１２ａが電圧または電流のいずれか１つを検出している場合は、制御装置１９はいずれか一つの検出値から上記負荷装置の消費電力を算出する。

また、電力変換装置１２は、電源ライン３１および送電線１４を介して供給される系統電源３０からの交流電力を直流電力に変換して出力する機能も備えている。電力変換装置１２が出力する直流電力は、電源基板１３に出力される。電源基板１３は、供給された直流電力を所定の直流電力に変換して制御装置１９、補機１０ｂなどに供給している。補機１０ｂは、改質水ポンプ５１ａ、原料ポンプ５２ａや各部位の温度センサなどの発電ユニット１０を作動させるのに必要であって直流電流で作動するものから構成されている。

送電線１４上であって電力変換装置１２と第１負荷装置１５の間には、一端が系統電源３０に接続された電源ライン３１の他端が接続部１４ａで接続されている。また、電源ライン３１上には、配電盤３２が配設されている。発電ユニット１０が発電する電力より第１負荷装置１５の消費電力が上回った場合、その不足電力は、電源ライン３１から配電盤３２を介して系統電源３０からの電力が供給されるようになっている。このように、第１負荷装置１５は、系統電源３０からの電力および電力変換装置１２からの電力が供給されるようになっている。

また、電源ライン３１上であって系統電源３０と配電盤３２の間には、電流センサ３１ａが配設されている。電流センサ３１ａは、系統電源３０から電力変換装置１２へ供給される電力の電流を検出するものである。なお、本実施形態においては、系統電源３０の電流を検出するために電流センサ３１ａを配設しているが、系統電源３０から電力変換装置１２へ供給される電力を検出する電力センサを配設するようにしても良い。

また、送電線１４上であって電力変換装置１２と接続部１４ａの間には、ブレーカ１４ｄが配設されている。系統電源３０からの送電が行われている場合であって、何らかの原因により送電線１４に異常な電流（例えば過電流）が流れたときに、ブレーカ１４ｄは自動で送電線１４を開路とするようになっている。

また、送電線１４上であって電力変換装置１２とブレーカ１４ｄとの間に第１開閉器１４ｃが設けられている。第１開閉器１４ｃは、開路または閉路することにより電力変換装置１２と系統電源３０とを電気的に遮断または接続するものである。

また、送電線１４上であって電力変換装置１２と第１開閉器１４ｃとの間の接続部１４ｂにおいては、一端が自立用出力端子１６に接続された送電線１７の他端が接続されている。送電線１７には、第２開閉器１７ａが設けられている。第２開閉器１７ａは、電力変換装置１２と自立用出力端子１６（ひいては第２負荷装置１８）との間に配設され、開路または閉路することにより、電力変換装置１２と第２負荷装置１８とを電気的に遮断または接続する開閉装置である。

自立用出力端子１６は、系統電源３０からの電力供給が停止（以下、停電とする）された場合に燃料電池４４を発電させて電力変換装置１２からの電力のみを第２負荷装置１８に供給する発電運転中のみに使用されるものである。系統電源３０からの送電が停止された場合に、燃料電池４４を発電させてその電力のみを第２負荷装置１８に供給する発電運転を自立発電運転という。第２負荷装置１８は、自立用出力端子１６に着脱可能に接続されるものである。第２負荷装置１８は、第１負荷装置１５と同様の電気器具であるが、停電の場合における自立発電運転中のみに、使用者が使用したい電気器具について、自立用出力端子１６に接続して使用されるものである。第２負荷装置１８は、自立発電運転中にのみ燃料電池４４からの出力電力が供給される。

制御装置１９は、燃料電池４４の制御を少なくとも行うもの（燃料電池システムを制御するもの）である。具体的には、系統電源３０から電力供給があるときは、第１負荷装置１５の消費電力となるように燃料電池４４の発電量の制御を行う。このとき、燃料電池４４の発電する電力が第１負荷装置１５の消費電力を下回る場合は、その不足電力を系統電源３０から受電して補うようになっている。停電の場合は、燃料電池４４の発電量が一定の出力電力（例えば定格の半分（３５０Ｗ））となるように制御している。なお、第２負荷装置１８の消費電力となるように燃料電池４４の発電量の制御を行ってもよい。
また、第１および第２開閉器１４ｃ，１７ａは、制御装置１９からの指示に従って、開閉制御されるようになっている。

制御装置１９は、センサ１２ａの検出信号が入力されるようになっている。制御装置１９はセンサ１２ａの検出信号に基づいて、系統電源３０の停電を検出することができる。また、制御装置１９は、電流センサ３１ａの検出信号が入力されるようになっている。制御装置１９は、入力された電流センサ３１ａの信号に基づいて、系統電源３０の停電を検出するようにしてもよい。具体的には、センサ１２ａ（または電流センサ３１ａ）によって検出された系統電源３０の電流が所定電流以下（例えば定格の１／１０以下）である場合は、系統電源３０は停電であると検出される。

貯湯ユニット２０は、図１に示すように、上述した貯湯槽２１、貯湯槽制御装置２２および電源基板２３を備えている。
貯湯槽２１の内部には残湯量検出センサである温度センサ群２１ａが設けられている。この温度センサ群２１ａによる各位置での湯温の検出結果に基づいて貯湯槽２１内の残湯量が、この温度センサ群２１ａの検出結果が送信される貯湯槽制御装置２２によって導出されるようになっている。残湯量は、貯湯槽２１内に蓄えられた熱量を表している。

貯湯槽２１には、給湯管２６が接続されている。給湯管２６には、上流から順番に補助加熱装置であるガス湯沸かし器（図示省略）、温度センサ２６ａおよび流量センサ２６ｂが配設されている。ガス湯沸かし器は、給湯管２６を通過する貯湯槽２１からの湯水を加熱して給湯するようになっている。温度センサ２６ａはガス湯沸かし器を通過した後の湯水の温度を検出するものであり、その検出信号は貯湯槽制御装置２２に送信されるようになっている。また、流量センサ２６ｂは、貯湯槽２１から供給されている単位時間あたりの湯水消費量（給湯量）を検出するものである。

給湯管２６には、貯湯槽２１に貯留している湯水を給湯として利用する湯水使用場所Ａ２に設置されている複数の湯利用機器Ａ２ａが接続されている。この湯利用機器としては、浴槽、シャワ、キッチン（キッチンの蛇口）、洗面所（洗面所の蛇口）などがある。また、給湯管２６には、貯湯槽２１の湯水を熱源として利用する湯水使用場所Ａ２に設置されている熱利用機器Ａ２ｂが接続されている。この熱利用機器としては、浴室暖房、床暖房、浴槽の湯の追い炊き機構などがある。

貯湯槽制御装置２２は、制御装置１９と互いに通信可能に接続されている。貯湯槽制御装置２２は、温度センサ群２１ａの検出結果に基づいて、貯湯水循環ポンプ２４ｂを作動させて湯水を循環させ加熱することにより貯湯槽２１の残湯量の制御をする。電源基板２３は、系統電源３０からの交流電力を所定の直流電力に変換して貯湯槽制御装置２２へ供給している。

さらに、貯湯ユニット２０は、貯湯槽制御リモコン２７を備えている。貯湯槽制御リモコン２７は、貯湯ユニット２０を遠隔から操作するものであり、発電ユニット１０も操作できる。貯湯槽制御リモコン２７は、貯湯槽制御装置２２と互いに通信可能に接続されて、貯湯槽２１内の湯水の残湯量、給湯温度および湯水消費量などの貯湯槽２１の貯湯状況や、発電機１１（発電ユニット１０）の発電する電力や使用電力量などの発電ユニット１０の運転状況が表示される。また、貯湯槽制御リモコン２７は、前述した運転状況が音声で出力されるように構成されている。

次に、上述した燃料電池システムの系統電源３０から送電がある場合の基本的動作の一例について説明する。制御装置１９は、図示しないスタートスイッチが押されて運転が開始される場合、または計画運転にしたがって運転が開始される場合には、起動運転を開始する。ここで、系統電源３０から電力の供給がある場合は、第１開閉器１４ｃは閉路に、第２開閉器１７ａは開路となるように制御装置１９によって制御されている。このように、系統電源３０からの電力供給が正常である場合、すなわち発電機１１が系統電源３０と系統連系されている場合、発電機１１が発電を行うことを系統連系発電という。

起動運転が開始されるときは、制御装置１９は、モータ駆動のポンプなどの補機１０ｂを作動させ、発電機１１の蒸発部４２に燃料および改質水の供給を開始する。上述したように、蒸発部４２では混合ガスが生成されて、混合ガスは改質部４３に供給される。改質部４３では、供給された混合ガスから改質ガスが生成されて、改質ガスが燃料電池４４に供給される。改質部４３が所定温度以上となれば、起動運転は終了し、定常運転（通常発電運転）が開始される。

通常発電運転中では、制御装置１９は、発電機１１の発電する電力が、センサ１２ａからの検出信号に基づいて算出される第１負荷装置１５の電力となるように補機１０ｂを制御して、改質ガスおよびカソードエアを発電機１１に供給する。すなわち、制御装置１９は、改質水ポンプ５１ａの駆動を制御して改質水の供給量（単位時間あたり）を調整し、原料ポンプ５２ａの駆動を制御して原燃料ひいては燃料の供給量（単位時間あたり）を調整し、カソードエアブロワ５４ａの駆動を制御してカソードエアの供給量（単位時間あたり）を調整する。

このような発電運転中に、図示しないストップスイッチが押されて発電運転が停止される場合、または運転計画にしたがって運転が停止される場合には、制御装置１９は、燃料電池システムの停止運転（停止処理）を実施する。
制御装置１９は、燃料電池４４から電力を引くのを停止し、蒸発部４２へ供給する原燃料および水（改質用蒸気）、ならびに空気極へ供給する空気（反応用空気）の量を燃料電池モジュール４０の温度に合わせて変更し、燃料電池モジュール４０の温度が一定温度以下まで下がると停止する。

このような停止運転が終了すると、燃料電池システムは待機状態（待機時）となる。待機時は、燃料電池システムの発電停止状態（すなわち、起動運転、発電運転、停止運転のいずれの運転中でない状態である。）のことであり、発電指示（スタートスイッチのオンなど）を待っている状態のことである。すなわち、停止運転状態終了時点の状態が維持される。

次に、系統電源３０が停電した場合の燃料電池システムの基本的動作の一例について説明する。
系統電源３０からの電力供給が正常である場合に、すなわち第１開閉器１４ｃが閉路され第２開閉器１７ａが開路されて発電機１１（燃料電池４４）が系統電源３０と系統連系されている場合に、系統電源３０が停電すると、制御装置１９は、第１開閉器１４ｃが開路されて燃料電池４４が系統電源３０と解列し、運転に必要な補機の電力分のみの発電を行う。

なお、系統電源３０の停電判定は、上述したように、センサ１２ａ（または電流センサ３１ａ）によって検出された系統電源３０の電流が所定電流以下（例えば定格の１／１０以下）である場合は、系統電源３０は停電であると判定される。また、出力電力は、内部負荷装置である着火ヒータ４６ａ１，４６ａ２や燃焼触媒ヒータ４８ａで消費するようにすればよい。

制御装置１９は、停電判定時点から所定時間（例えば５分）が経過すると、第２開閉器１７ａが閉路されて、自立発電運転を開始する。自立発電運転中においては、制御装置１９は、燃料電池４４の出力電力が一定（例えば３５０Ｗ）となるように制御する。制御装置１９は、その出力電力（３５０Ｗ）相当の出力電流となるように原燃料、改質水およびカソードエアの投入量を調整する。

制御装置１９は、自立発電運転中において、系統電源３０の復電を検出すると、自立発電運転を終了し、第１開閉器１４ｃを閉路し第２開閉器１７ａを開路して系統連系した上で上述した通常発電運転を開始する。なお、系統電源３０の電圧が所定電圧以上（例えば定格の９／１０以上）である場合は、系統電源３０は復電したと判定される。

さらに、系統電源３０が停電した場合の燃料電池システムの動作の一例について、図３に示すフローチャートに沿って説明する。制御装置１９は、そのフローチャートに沿ったプログラムを所定の短時間毎に繰り返し実行する。

制御装置１９は、ステップＳ１０２において、自立発電運転中であるか否かを判定する。上述したように、第１開閉器１４ｃが開路され第２開閉器１７ａが閉路されて燃料電池４４と自立用出力端子１６とが接続され、燃料電池４４の出力電力が第２負荷装置１８に供給されている場合には、自立発電運転中であると判定される。

制御装置１９は、自立発電運転中である場合には、ステップＳ１０２にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップＳ１０４に進め、自立発電運転中でない場合には、ステップＳ１０２にて「ＮＯ」と判定し、プログラムを一旦終了する。

制御装置１９は、ステップＳ１０４において、温度センサ４４ｄによって取得した燃料電池温度が所定温度より高いか否かを判定する。なお、所定温度は、例えば７００度である。
自立発電運転中においては、一定出力電力（３５０Ｗ）となるように燃料が供給されるが、３５０Ｗにて通常発電運転する場合と比較して多い供給量にて燃料が供給される。この場合、燃料が比較的過多に投入されるため、燃料電池温度が上昇する。この燃料電池温度の上昇を抑制するために、カソードエアの供給量が増大される。これにより、燃料電池４４においては、カソードエアの通過によって降温される。

このように、燃料電池温度が所定温度より高い場合には、制御装置１９は、ステップＳ１０４にて「ＹＥＳ」と判定し、ステップＳ１０６において、カソードエアブロワ５４ａを制御してカソードエアの供給量を増大する（供給量増大部）。一方、燃料電池温度が所定温度以下である場合には、制御装置１９は、ステップＳ１０４にて「ＮＯ」と判定し、プログラムを一旦終了する。制御装置１９は、カソードエアの供給量の増大制御を中止する。

制御装置１９は、ステップＳ１０８において、水量センサ６１ａによって検出された改質水の残量が所定量以下であるか否かを判定する。なお、所定量は、燃料電池システムの停止運転（上述した通常の停止運転）に際して、その停止運転中に必要となる改質水の水量に設定されている。

改質水の残量が所定量以下である場合には、制御装置１９は、ステップＳ１０８にて「ＹＥＳ」と判定し、ステップＳ１１０において、貯湯水の使用をユーザに対して勧告する（改質水生成部、通知部）。具体的には、制御装置１９は、貯湯槽制御リモコン２７の表示部に「貯湯水の使用を勧告する」旨を表示する。この表示を見たユーザは、湯利用機器Ａ２ａである浴槽、シャワ、キッチン、洗面所でお湯を使用する。お湯の使用に伴って、貯湯槽２１の上部に接続された給湯管２６から貯湯水が導出されるとともに、貯湯槽２１の下部に接続されている水道水供給管から水道水が貯湯槽２１の下部に導入される。

このとき、貯湯槽２１の上部から給湯管２６へ貯湯水の導出にあわせて、制御装置１９は、貯湯水循環ポンプ２４ｂを駆動させて、貯湯槽２１の下部の貯湯水を貯湯水循環回路２４に導出する。貯湯槽２１の下部に導入された比較的低温である水道水は、貯湯槽２１の下部の貯湯水と混ざりながら貯湯槽２１から貯湯水循環回路２４に導出される。これにより、凝縮器２５においては、比較的低温の貯湯水が供給されることで、生成される凝縮水の量を増大させることができる。この結果最終的に、改質水の残量が所定量より多くなった場合には、制御装置１９は、ステップＳ１０８にて「ＮＯ」と判定し、ステップＳ１１２において、ユーザに対する貯湯水の使用の勧告を中止する。

ステップＳ１０６にて、カソードエアの供給量を増大させると、凝縮器２５において、燃焼排ガスの通過する量も増大されるため、凝縮水の生成能力が減少する。そこで、カソードエアの供給量を増大させても、凝縮水の生成能力を高く維持するために、お湯を使用させることで凝縮用冷媒である貯湯水の温度を低く抑制するようにした。

本実施形態によれば、系統電源３０からの送電が停止したことによる燃料電池システムの自立発電運転中において、制御装置１９（供給量増大部：ステップＳ１０６）によって燃料電池４４の温度が所定温度より高い場合には、燃焼用酸化剤ガス（カソードエア）の供給量を増大する。これにより、従来のように別な装置を設けることなくすなわちコストアップを招くことなく、燃料電池４４の急激な温度上昇を抑制することができる。さらに、制御装置１９（供給量増大部：ステップＳ１０６）によって燃焼用酸化剤ガスの供給量を増大させているときに、水タンク６１内の改質水の残量が所定量以下である場合には、制御装置１９（改質水生成部：ステップＳ１１０，２０２）によって凝縮器２５に貯湯水を通水することで改質水を生成する。これにより、燃焼用酸化剤ガス（カソードエア）の供給量を増大させることに伴う凝縮器２５における改質水の生成し難さを抑制することができる。このように、改質水を自給する燃料電池システムにおいて、改質水（改質用水蒸気）の不足およびコストアップを招くことなく、自立発電運転中において燃料電池４４の急激な温度上昇を抑制することができる。

また、制御装置１９（供給量増大部：ステップＳ１０６）によって燃焼用酸化剤ガス（カソードエア）の供給量が増大しているときに、水タンク６１内の改質水の残量が所定量以下である場合には、制御装置１９（通知部：ステップＳ１１０）によって貯湯水を使用する旨の通知が行なわれる。これにより、その通知によってユーザが貯湯水を使用するので、凝縮器２５に貯湯水を通水することで改質水を生成することを的確に行うことができる。

次に、系統電源３０が停電した場合の燃料電池システムの動作の他の一例について、図４に示すフローチャートに沿って説明する。図３に示すフローチャートと同一内容については同一符号を付してその説明を省略する。図３に示すフローチャートと異なる点は、貯湯水の使用の勧告を中止する条件である。

制御装置１９は、改質水の残量が所定量より多い場合には、ステップＳ１０８にて「ＮＯ」と判定し、プログラムを一旦終了する。一方、制御装置１９は、改質水の残量が所定量以下である場合には、ステップＳ１１０と同様に貯湯水の使用をユーザに対して勧告する。

この勧告によりユーザが、湯利用機器Ａ２ａである浴槽、シャワ、キッチン、洗面所でお湯を使用する。上述したように、貯湯槽２１の上部から給湯管２６へ貯湯水の導出にあわせて、制御装置１９は、貯湯水循環ポンプ２４ｂを駆動させて、貯湯槽２１の下部の貯湯水を貯湯水循環回路２４に導出する。貯湯槽２１の下部に導入された比較的低温である水道水は、貯湯槽２１の下部の貯湯水と混ざりながら貯湯槽２１から貯湯水循環回路２４に導出される。これにより、凝縮器２５においては、比較的低温の貯湯水が供給される。

そして、制御装置１９は、ステップＳ１２０において、温度センサ２４ｃによって取得した貯湯水の凝縮器２５の入口温度が所定温度以下であるか否かを判定する。所定温度は、例えば２２℃に設定されている。この所定温度は、通常運転時において水収支が０である温度（例えば３８℃：外気温度が３３℃である）より低い温度に設定されるのが好ましい。所定温度は、出力電力が３５０Ｗでありかつカソードエアの供給量が８０ＮＬ（ノルマルリットル）である場合、外気温度が２２℃で水収支が０となるように設定されている。なお、このときのカソードエアの供給量は通常発電運転時（例えば２５ＮＬ）に比べて増大されている。

したがって、貯湯水の凝縮器２５の入口温度が所定温度以下となることで、生成される凝縮水（改質水）の量を増大させることができる。よって、制御装置１９は、貯湯水の凝縮器２５の入口温度が所定温度以下となった場合には、改質水の生成量を増大させることができるので、上述したステップＳ１１２と同様にステップＳ１２２にてユーザに対する貯湯水の使用の勧告を中止する。
前述した実施形態によれば、上述した実施形態の作用効果に加えて、貯湯水の使用の勧告を比較的早期に中止することができる。したがって、貯湯水を無駄に排出することなく、必要な改質水を得ることができる。

さらに、系統電源３０が停電した場合の燃料電池システムの動作の他の一例について、図５に示すフローチャートに沿って説明する。図３に示すフローチャートと同一内容については同一符号を付してその説明を省略する。図３に示すフローチャートと異なる点は、貯湯水の使用の勧告するのではなく、自動的に貯湯水を排水することである。

制御装置１９は、図３に示すステップＳ１１０の処理に代えて、図５に示すステップＳ２０２において排水装置２４ｄを制御して貯湯水を自動的に排水する（改質水生成部、排水部）。一方、制御装置１９は、図３に示すステップＳ１１２の処理に代えて、図５に示すステップＳ２０４において排水装置２４ｄを制御して貯湯水の排水を自動的に停止する。また、制御装置１９は、湯利用機器Ａ２ａの浴槽において自動湯張りをさせて貯湯水を自動的に排水したり排水停止したりするようにしてもよい。

前述した実施形態によれば、制御装置１９（供給量増大部：ステップＳ１０６）によって燃焼用酸化剤ガス（カソードエア）の供給量が増大しているときに、水タンク６１内の改質水の残量が所定量以下である場合には、制御装置１９（排水部：ステップＳ２０２）によって貯湯水を自動的に排出する。これにより、凝縮器２５に貯湯水を通水することで改質水を生成することを的確に行うことができる。

１０…発電ユニット、１１…発電機、４１…筺体、４３…改質部、４４…燃料電池、４４ａ…温度センサ、１２…電力変換装置、１２ａ…電流センサ、１４…送電線、１４ｃ…第１開閉器、１５…第１負荷装置、１７…送電線、１７ａ…第２開閉器、１８…第２負荷装置、１９…燃料電池制御装置（供給量増大部、改質水生成部）、２０…貯湯ユニット、２１…貯湯槽、２２…貯湯槽制御装置、２４…湯水循環回路、２４ｃ…温度センサ、２４ｄ…排水装置、２５…凝縮器、２５ａ…ケーシング、２７…貯湯槽制御リモコン、３０…系統電源、３１…電源ライン、３１ａ…電流センサ、４６ａ１，４６ａ２…着火ヒータ、４８ｂ…燃焼触媒ヒータ。

Claims (3)

1. 燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
   改質用原料および改質水から前記燃料を生成して前記燃料電池に導出する改質部と、
   前記改質水を貯水する水タンクと、
   貯湯水を貯水する貯湯槽と、
   前記貯湯水を循環させる貯湯水循環回路と、
   前記貯湯水循環回路に設けられて、前記燃料電池から導出される燃料オフガスを前記燃料電池から導出される酸化剤オフガスで燃焼して生成される燃焼排ガスと、前記貯湯水との間で熱交換が行われて、前記燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮し前記改質水を生成して前記水タンクに導出する凝縮器と、
   系統電源からの送電が停止された場合に、前記燃料電池を一定出力電力となるように発電させてその電力のみを供給するとともに、前記系統電源からの送電がある場合に前記燃料電池を発電させる通常発電運転中に前記一定出力電力で前記通常発電運転をする場合と比較して多い供給量にて前記燃料が供給される自立発電運転中において、前記燃料電池からの電力のみが供給される負荷装置と、
   前記燃料電池の制御を少なくとも行う制御装置と、
   を備えた燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、
   前記自立発電運転中において、前記燃料電池の温度が所定温度より高い場合には、前記酸化剤ガスの供給量を増大する供給量増大部と、
   前記供給量増大部によって前記酸化剤ガスの供給量を増大させているときに、前記水タンク内の前記改質水の残量が所定量以下である場合には、前記通常発電運転中より低温である前記貯湯水を前記凝縮器に通水させ前記燃焼排ガス中の前記水蒸気を凝縮させることで前記凝縮器にて前記改質水を生成する改質水生成部と、
   を備えた燃料電池システム。
2. 前記改質水生成部は、前記供給量増大部によって前記酸化剤ガスの供給量が増大しているときに、前記水タンク内の前記改質水の残量が前記所定量以下である場合には、前記貯湯水を使用する旨の通知を行う通知部を備えている請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記改質水生成部は、前記供給量増大部によって前記酸化剤ガスの供給量が増大しているときに、前記水タンク内の前記改質水の残量が前記所定量以下である場合には、前記貯湯水を自動的に排出する排水部を備えている請求項１記載の燃料電池システム。

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