JP6298923B1 - 燃料電池システム、制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電出力よりも静音を優先とした場合でも、所定の静音状態を維持しつつ、周囲環境に応じて発電出力を調整する。【解決手段】比較部１６４では、取込部１６２から受けた流入温度Ｔ１を、上限しきい値記憶部１６６に記憶された上限しきい値Ｔup、及び下限しきい値記憶部１６８に記憶された下限しきい値Ｔdownのそれぞれと比較し、比較結果を判定部１７０へ送出する。判定部１７０では、比較部１６４での比較結果に基づいて、静音モード時の最大発電出力を設定する。静音モード時の最大発電出力は、駆動モード及び停止モード時の定常発電出力よりも低い値となる。Ｔdown≦Ｔ１≦Ｔupの場合は通常の最大発電出力とする。Ｔdown＞Ｔ１の場合は流入温度が低い分、発電出力を高くする。Ｔ１＞Ｔupの場合は流入温度が高い分、発電出力を低くする。【選択図】図４

Description

本発明は、発電及び発電時の発熱によって温水を生成する燃料電池システム、発電時の排熱を放出する放熱部に設けられた送風機の駆動を制御する制御装置に関する。

住宅等に設置され、電力と湯を供給する燃料電池システムがある。この燃料電池システムでは、発電に用いる水を排ガスから回収するため、排ガスを冷却し水蒸気を凝縮させている。この場合、十分な量の水を回収するために、排ガスを一定温度以下に冷却する必要がある。

排ガスの冷却方法としては、上水等の冷媒との間で熱交換する方法が一般的である。しかし、冷媒タンク（貯湯タンク）に収容された冷媒が満蓄状態（蓄熱量が最大の状態）になる等の要因で冷媒の温度が上昇してくると、排ガスの冷却効率が低下し、改質水（凝縮水）量が減少する。そこで、冷媒の温度を一定温度以下に保つために、配管経路上にラジエータを配置し、余分な熱を放出する技術が提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１では、熱回収水の温度を一定温度以下に低下させる点で有効であるが、放熱部であるラジエータには送風機であるラジエータファンが装備されており、このラジエータファンの駆動が騒音源となる場合がある。

特許文献２及び特許文献３では、燃料電池システムにおいて、騒音源となるラジエータファンの回転数を低くして、騒音を抑制することがなされている(以下、静音モードという)。

特開２０１５−００２０９３号公報 特開２００８−３１１０８４号公報 特開平１０−３３４９３１号公報

しかしながら、排気熱交換器へ流入する熱回収水の温度（以下、流入温度という）に関係なく、静音モードによってラジエータファンの回転数を低くして騒音を抑制し、静音を優先する場合、発電出力の低下が想定される。この場合、特許文献２及び特許文献３を含む従来技術では、静音モードでは、周囲環境条件に関係なく、発電出力を一律に低下させている。

本発明は、発電出力よりも静音を優先とした場合でも、所定の静音状態を維持しつつ、周囲環境に応じて発電出力を調整することができる燃料電池システム、制御装置を得ることが目的である。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと改質水とが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の排気と冷媒との間で熱交換を行う排気熱交換器と、前記排気熱交換器を通過経路の一部とする前記冷媒の循環経路における、当該排気熱交換器の流入側に介在され、通過する冷媒から熱を放出する放熱部と、前記放熱部を通過する冷媒の放熱効果を高める送風機と、前記冷媒の温度又は当該冷媒の温度と相関のある温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出値が所定値以上の場合に、前記送風機を駆動させると共に、前記送風機の駆動中に静音モードへの移行の指示があった場合に、前記送風機を定常の駆動時の回転数よりも回転数を低くして駆動させる駆動制御手段と、前記駆動制御手段において前記静音モードの実行中の発電出力の定常値を、前記送風機の通常動作時の発電出力よりも低い値に設定すると共に、前記温度センサの検出値に基づいて、前記定常値を増減することで、前記燃料電池の発電出力を制御する発電出力制御手段と、を有している。

本発明によれば、駆動制御手段では、送風機を駆動させると共に、送風機の駆動中に静音モード移行の指示があった場合に、送風機を定常の駆動時の回転数よりも回転数を低くして駆動させる。

送風機は回転数が低くなった分、静音となる。一方、静音モードでは、送風機の回転数が低いと、冷媒の放熱効果が下がるため、通常時よりも発電出力を下げている。

発電出力制御手段では、静音モード実行中に、前記温度センサの検出値に基づいて、前記燃料電池の発電出力を制御する。すなわち、静音モード時の発電出力は一律ではなく、冷媒による熱交換能力を考慮して、調整することができる。

本発明において、前記温度センサが、前記排気熱交換器に流入する冷媒の温度を検出する流入温度センサである。

冷媒の温度又は当該冷媒の温度と相関のある温度として、排気との熱交換効率に最も敏感である排気熱交換器に流入する位置に温度センサを配置し、冷媒の温度を検出ことで、発電出力の制御を効率的に行うことができる。

本発明において、前記発電出力制御手段が、前記温度センサの検出値が所定範囲よりも高い場合に、発電出力を前記定常値よりも低く制御し、前記温度センサの検出値が所定範囲よりも低い場合に、発電出力を前記定常値よりも高く制御する。

発電出力制御手段は、静音モード時の発電出力の定常値として、送風機の通常動作時の発電出力よりも低い値に制御する。

ここで、温度センサの検出値が所定範囲よりも高い場合に、発電出力を前記定常値よりも低く制御し、温度センサの検出値が所定範囲よりも低い場合に、発電出力を前記定常値よりも高く制御する。

すなわち、静音モード時に最大限の発電出力とすることができる。

本発明の制御装置は、燃料ガスと改質水とが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の排気と冷媒との間で熱交換を行う排気熱交換器と、前記排気熱交換器を通過経路の一部とする前記冷媒の循環経路における、当該排気熱交換器の流入側に介在され、通過する冷媒から熱を放出する放熱部と、前記放熱部を通過する冷媒の放熱効果を高める送風機と、前記冷媒の温度又は当該冷媒の温度と相関のある温度を検出する温度センサと、を備えた燃料電池システムの運転を制御する制御装置であって、前記温度センサの検出値が所定値以上の場合に、前記送風機を駆動させると共に、前記送風機の駆動中に静音モードへの移行の指示があった場合に、前記送風機を定常の駆動時の回転数よりも回転数を低くして駆動させる駆動制御手段と、前記駆動制御手段において前記静音モードの実行中の発電出力の定常値を、前記送風機の通常動作時の発電出力よりも低い値に設定すると共に、前記温度センサの検出値に基づいて、前記定常値を増減することで、前記燃料電池の発電出力を制御する発電出力制御手段と、を有している。

本発明によれば、駆動制御手段では、送風機を駆動させると共に、送風機の駆動中に静音モード移行の指示があった場合に、送風機を定常の駆動時の回転数よりも回転数を低くして駆動させる。

送風機は回転数が低くなった分、静音となる。一方、静音モードでは、送風機の回転数が低いと、冷媒の放熱効果が下がるため、通常時よりも発電出力を下げている。

発電出力制御手段では、静音モード実行中に、前記温度センサの検出値に基づいて、前記燃料電池の発電出力を制御する。これにより、例えば、冷媒の温度が定常時よりも低い場合は、定常時で設定した発電出力よりも発電出力を上げることができる。

以上説明したように本発明では、発電出力よりも静音を優先とした場合でも、所定の静音状態を維持しつつ、周囲環境に応じて発電出力を調整することができる。

本実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成の一例を示す図である。 本実施の形態に係る燃料電池モジュールの構成の一例を示す図である。 本実施の形態に係る制御装置のハード構成の一例を示すブロック図である。 本実施の形態に係るラジエータファン駆動制御のための機能ブロック図である。 本実施の形態に係るラジエータファン動作モード制御のメインルーチンを示すフローチャートである。 本実施の形態に係る駆動モード時に、静音モードの指示があった時に実行される、静音モード処理サブルーチンの詳細を示す制御フローチャートである（図５のステップ２１２）。 本実施の形態に係るラジエータファンが、駆動モードから静音モードへ移行したときの、発電出力及び電力負荷の遷移状態の一例を示す特性図である。 本実施の形態に係る流入温度Ｔ１と比較する温度（Ｔ０、Ｔdown、Ｔup）との関係、並びにラジエータファンの動作モードとの関係を示す特性図である。

図１に示される如く、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、一例として住宅に適用されるものであり、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２と、バックアップ熱源機ユニット１４との２つのユニットで構成されている。バックアップ熱源機ユニット１４は、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２とは別体とされる。冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２及びバックアップ熱源機ユニット１４の各々は、一例として、屋外のコンクリート等で形成された基礎の上や、ベランダ等に設置される。

冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２には、筐体１６の内部に、発電を行うと共に排ガスを排出する発電部１７、排ガスによって冷媒Ｗ２を加熱する冷媒加熱部１９、及び冷媒Ｗ２によって上水を加熱する上水加熱部２１が設けられている。

冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２には、筐体１６の内部に、燃料電池モジュール１８、燃料ガス管２０、脱硫器２２、改質水タンク２４、液面レベルセンサ２４Ａ、改質水供給管２６、改質水ポンプ２８、及び酸化ガス管８８等が収容されている。

燃料電池モジュール１８は、都市ガス、空気（酸素）、及び改質水Ｗ１が供給されて発電を行い、発電した電力は配線６６を介してインバータ６８へ送出される。

燃料ガス管２０は、都市ガスを燃料電池モジュール１８に供給する。脱硫器２２は、燃料ガス管２０の中間部に設けられ、都市ガス中に含まれる硫黄化合物を除去する。改質水タンク２４は、燃料電池モジュール１８に供給する改質水Ｗ１を貯留する。液面レベルセンサ２４Ａは、改質水タンク２４の改質水Ｗ１の液面レベルを測定する。改質水供給管２６は、改質水タンク２４と燃料電池モジュール１８とを連結する。改質水ポンプ２８は、改質水タンク２４の改質水Ｗ１を燃料電池モジュール１８に供給する。酸化ガス管８８には、空気ブロワ８６が設けられている。発電部１７は、これらの構成要素を含んで構成されている。

また、筐体１６の内部には、冷媒タンク３０、排気熱交換器３１、第１排ガス管３２、第２排ガス管３４、排水管３５、第１送出し側配管３６、第１戻し側配管３８、熱回収ポンプ４０、放熱部としてのラジエータ４２、及び送風機としてのラジエータファン４３が収容されている。

冷媒タンク３０は、水や不凍液等の冷媒Ｗ２を貯留する。なお、不凍液とは、低温でも液体の状態を保つ凝固点の低い液体のことである。不凍液としては、燃料電池システム１０の設置環境における最低気温よりも低い凝固点を持つものを使用することが望ましい。

排気熱交換器３１は、燃料電池モジュール１８から排出された排ガスと冷媒Ｗ２との間で熱交換を行う。第１排ガス管３２は、燃料電池モジュール１８と排気熱交換器３１とを接続する。第２排ガス管３４は、排気熱交換器３１を通過した排ガスを筐体１６の外部へ排出する。排水管３５は、排気熱交換器３１の内部で生成された水分（排気熱交換器３１の内部で凝集された排ガス中の水分）を改質水タンク２４へ排出する。第１送出し側配管３６は、冷媒タンク３０の底部と排気熱交換器３１とを連結し、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２を排気熱交換器３１へ供給する。

第１戻し側配管３８は、冷媒タンク３０の天井壁３０Ａと排気熱交換器３１とを連結し、排気熱交換器３１を通過した冷媒Ｗ２を冷媒タンク３０へ戻す。熱回収ポンプ４０は、第１送出し側配管３６に設けられ、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２を排気熱交換器３１側へ送り出す。

ラジエータ４２は、第１送出し側配管３６の熱回収ポンプ４０と冷媒タンク３０との間に設けられ、冷媒Ｗ２の熱を外部に放出可能とする。ラジエータファン４３は、ラジエータ４２への送風を行う。

冷媒加熱部１９は、これらの構成要素を含んで構成されている。

また、筐体１６の内部には、上水熱交換器４４、第２送出し側配管４６、第２戻し側配管４８、予熱ポンプ５０、上水供給配管５２、上水分岐配管５４、給湯配管５６、給湯分岐配管５８、補水弁６０、混合弁６２、及び上水排出配管６４等が収容されている。なお、予熱ポンプ５０は、第２ポンプの一例である。

上水熱交換器４４は、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２と外部から供給された上水との間で熱交換を行う。

第２送出し側配管４６は、冷媒タンク３０の上部に連結され、冷媒タンク３０と上水熱交換器４４とを連結する。第２戻し側配管４８は、上水熱交換器４４を通過した冷媒Ｗ２を冷媒タンク３０へ戻す。

予熱ポンプ５０は、第２戻し側配管４８に設けられ、冷媒Ｗ２を冷媒タンク３０側へ送り出す。上水供給配管５２は、外部（上水道）から供給された上水を上水熱交換器４４に供給する。

上水分岐配管５４は、上水供給配管５２の中間部から分岐された配管である。給湯配管５６は、上水熱交換器４４を通過した上水を排出する。

給湯分岐配管５８は、給湯配管５６の中間部から分岐され、上水熱交換器４４を通過した上水を冷媒タンク３０へ供給する。

補水弁６０は、給湯分岐配管５８に設けられ、冷媒タンク３０へ供給する上水の量を調整する。

混合弁６２は、給湯配管５６から供給された温められた上水と上水分岐配管５４から供給された上水（冷水）とを混合する。

上水排出配管６４は、混合弁６２から筐体１６の外部へ上水を排出する。上水加熱部２１は、これらの構成要素を含んで構成されている。

さらに、筐体１６の内部には、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２に設けられた各種電装部品の制御を行う制御装置７０が収容されている。

ここで、筐体１６の内部には、冷媒タンク３０と排気熱交換器３１との間で冷媒Ｗ２が循環する経路、すなわち、第１送出し側配管３６及び第１戻し側配管３８で第１循環経路１１８が形成されている。筐体１６の内部には、冷媒タンク３０と上水熱交換器４４との間で冷媒Ｗ２が循環する経路、すなわち、第２送出し側配管４６及び第２戻し側配管４８で第２循環経路１２０が形成されている。

また、筐体１６の内部には、給湯配管５６及び上水排出配管６４で給湯経路１２１が形成されている。なお、給湯経路１２１は、排出経路の一例である。

筐体１６の外部には、制御装置７０に接続され、外気温を測定する外気温センサ６５が設けられている。

また、第１送出し側配管３６の排気熱交換器３１の近傍には流入温度センサ１３１が設けられている。流入温度センサ１３１は、冷媒の排気熱交換器３１への流入温度Ｔ１を測定する。

第１戻し側配管３８の排気熱交換器３１の近傍には流出温度センサ１３２が設けられている。流出温度センサ１３２は、冷媒Ｗ２の排気熱交換器３１からの流出温度Ｔ２（熱回収温度）を測定する。

本実施形態では、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２として水（一例として水道水等）が用いられている。冷媒タンク３０の天井壁３０Ａには、冷媒タンク３０の内外を貫通し、空気の出入を可能とする開口部３３が形成されている。また、冷媒タンク３０には、上部に空間が設けられるように冷媒Ｗ２が貯留されており、タンク内の冷媒Ｗ２が熱膨張して体積が増加した場合においても、開口部３３から冷媒Ｗ２が溢れ出ないように、冷媒タンク３０に注入する冷媒Ｗ２の体積が決められている。

図２に示される如く、燃料電池モジュール１８は、筐体７１の内部に、改質触媒７２、バーナ７４、及び燃料電池スタック７６を主要な構成として備えている。

改質触媒７２は、燃料ガス管２０と接続されている。この改質触媒７２には、脱硫器２２にて硫黄化合物が吸着除去された都市ガスが燃料ガス管２０を通じて供給される。この改質触媒７２は、供給された都市ガス（原料ガス）を、改質水供給管２６を通じて供給された改質水Ｗ１を利用して水蒸気改質する。

バーナ７４には、後述するスタック排ガス管８０が接続されている。このバーナ７４は、スタック排ガス管８０を通じて供給されたバーナガス（すなわち、未反応の水素ガスを含むスタック排ガス）を燃焼し、改質触媒７２を加熱する。そして、この改質触媒７２では、脱硫器２２から供給された都市ガスから、水素ガスを含む改質ガスが生成される。この改質ガスは、燃料ガス管７５を通じて後述する燃料電池スタック７６の燃料極７８に供給される。

燃料電池スタック７６は、固体酸化物形の燃料電池スタックであり、積層された複数の燃料電池セル８１（図２では１つのみ図示）を有している。各燃料電池セル８１は、電解質層８２と、この電解質層８２の表裏面にそれぞれ積層された燃料極７８及び空気極８４とを有している。

空気極８４（カソード極）には、空気ブロワ８６が設けられた酸化ガス管８８を通じて酸化ガス（筐体１６の外部の空気）が供給される。この空気極８４では、下記式（１）で示されるように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、電解質層８２を通って燃料極７８に到達する。

（空気極反応）

１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ → Ｏ^２− …（１）

一方、燃料極７８では、下記式（２）及び式（３）で示されるように、電解質層８２を通ってきた酸素イオンが改質ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水（水蒸気）及び二酸化炭素と、電子が生成される。燃料極７８で生成された電子は、外部回路を通って空気極８４に到達する。そして、このようにして電子が燃料極７８から空気極８４に移動することにより、各燃料電池セル８１において発電される。また、各燃料電池セル８１は、発電時に以上の化学反応に伴って発熱する。

（燃料極反応）

Ｈ_２ ＋Ｏ^２− → Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）

ＣＯ＋Ｏ^２− → ＣＯ_２＋２ｅ⁻ …（３）

燃料電池スタック７６に接続されたスタック排ガス管８０の上流側は、燃料極排ガス管９０及び空気極排ガス管９２に分岐されており、この燃料極排ガス管９０及び空気極排ガス管９２は、燃料極７８及び空気極８４にそれぞれ接続されている。燃料極７８から排出された燃料極排ガスと、空気極８４から排出された空気極排ガスとは、燃料極排ガス管９０及び空気極排ガス管９２を通じて排出されると共に、スタック排ガス管８０内にて混合されてスタック排ガスとされる。このスタック排ガスは、燃料極排ガスに含まれる未反応の水素ガスを含んでおり、上述の通り、バーナ７４にバーナガスとして供給される。なお、このバーナ７４に、バーナ排ガスを排気熱交換器３１へ排出する第１排ガス管３２が接続されている。

なお、図１に示す制御装置７０は、インバータ６８から電力が供給され、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２の電装部品、例えば、改質水ポンプ２８、熱回収ポンプ４０、ラジエータファン４３、予熱ポンプ５０、補水弁６０、及び混合弁６２等の制御を行う。

図１に示すバックアップ熱源機ユニット１４は、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２から供給された湯を更に加熱して排出可能となっており、筐体９３の内部は一般的な瞬間湯沸し器と同様の構成とされる。すなわち、バックアップ熱源機ユニット１４の内部には、熱交換器９４、配管９６、配管９８、バーナ１００、燃料ガス管１０２、分岐管１０４、混合弁１０６、配管１０８、排出湯温度センサ１０９、及び制御装置１１０等が設けられている。

配管９６は、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２からの湯を熱交換器９４に供給する。バーナ１００は、熱交換器９４を加熱する加熱装置の一例である。燃料ガス管１０２は、バーナ１００に燃料ガスを供給する。配管９８は、熱交換器９４を通った湯を排出する。混合弁１０６は、配管９６の途中に接続された分岐管１０４と配管９８とに接続される。配管１０８は、混合弁１０６から湯を排出する。排出湯温度センサ１０９は、排出される湯の温度を計測する。制御装置１１０は、混合弁１０６及びバーナ１００等を制御する。

なお、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２の燃料ガス管２０、及び、バックアップ熱源機ユニット１４の燃料ガス管１０２には、都市ガスのガス供給管１１２が接続されている。また、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２の上水排出配管６４とバックアップ熱源機ユニット１４の配管９６とは、接続配管１１４で接続されている。さらに、バックアップ熱源機ユニット１４の配管１０８には、住宅の水機器に向けて湯を送る配管１１６が接続されている。

次に、本実施形態の燃料電池システム１０の動作について説明する。

図２に示される如く、本実施形態に係る燃料電池システム１０の燃料電池モジュール１８では、改質触媒７２から燃料ガスが燃料電池スタック７６の燃料極７８に供給されると共に、空気ブロワ８６が作動して酸化ガス管８８から酸化ガスとしての空気が燃料電池スタック７６の空気極８４に供給される。この燃料電池スタック７６において燃料ガス及び酸化ガスが反応し発電する。

この発電に伴い燃料電池スタック７６からは、未反応の水素ガスを含むスタック排ガスが排出され、このスタック排ガスは、バーナガスとしてバーナ７４にて燃焼され、このバーナ７４からは、バーナ排ガスが排出される。このバーナ排ガスは、水蒸気を含んでおり、第１排ガス管３２を通じて排気熱交換器３１に供給される。

この排気熱交換器３１では、バーナ排ガスと冷媒タンク３０から供給された冷媒Ｗ２との間で熱交換がなされ、冷媒Ｗ２が加熱されると共に、バーナ排ガスに含まれる水蒸気が凝縮される。排気熱交換器３１で生成された凝縮水（蒸留水）は、改質水Ｗ１として改質水タンク２４に回収される。改質水タンク２４に回収された改質水は、改質水供給管２６を通じて改質触媒７２に供給され、この改質触媒７２にて水蒸気改質用の水蒸気として利用される。なお、水分の除去されたバーナ排ガスは、第２排ガス管３４を介して外部に排出される。

図３に示される如く、制御装置７０は、マイクロコンピュータ１５０を備える。マイクロコンピュータ１５０は、ＣＰＵ１５０Ａ、ＲＡＭ１５０Ｂ、ＲＯＭ１５０Ｃ、入出力ポート（Ｉ／Ｏ）１５０Ｄ、及びこれらを接続するデータバスやコントロールバス等のバス１５０Ｅを有している。

Ｉ／Ｏ１５０Ｄには、ハードディスク１５２及びユーザインターフェイス（ＵＩ）１５４が接続されている。ＵＩ１５４としては、ユーザからの操作を受け付ける操作部及びユーザへ動作状況等を報知する表示部が一体となったタッチパネルで構成されたタッチパネル部等が適用可能であるが、それぞれ別体（キーボード、マウス、モニタ等）の組み合わせであってもよい。

Ｉ／Ｏ１５０Ｄには、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２、及びバックアップ熱源機ユニット１４に用いられる、それぞれの入力系デバイス１２Ａ及び１４Ａ、出力系デバイス１２Ｂ、１４Ｂが接続されている。

マイクロコンピュータ１５０のＣＰＵ１５０Ａでは、予めＲＯＭ１５０Ｃに記憶された制御プログラムに従って、入力系デバイス１２Ａ（例えば、外気温センサ６５、流入温度センサ１３１、流出温度センサ１３２、排出湯温度センサ１０９）からの信号に基づいて、出力系デバイス１２Ｂ（例えば、改質水ポンプ２８、熱回収ポンプ４０、ラジエータファン４３、予熱ポンプ５０、補水弁６０、及び混合弁６２等）を駆動する。

ここで、本実施の形態では、ラジエータファン４３の駆動制御（動作モード）として、駆動モード及び停止モードに加え、静音モードを設定している。

駆動モードは、図８に示される如く、流入温度センサ１３１で検出した冷媒Ｗ２の流入温度Ｔ１が所定値Ｔ０を超える高温（Ｔ１＞Ｔ０）となり、低下させる必要がある場合にはラジエータファン４３を作動させるモードである。

停止モードは、図８に示される如く、流入温度センサ１３１で検出した冷媒Ｗ２の流入温度Ｔ１が所定値Ｔ０以下の温度（Ｔ１≦Ｔ０）の場合に、ラジエータファン４３の駆動を停止させるモードである。

静音モードは、図８に示される如く、駆動モード中の音を抑制するために、発電出力を通常よりも低下させ、ラジエータファン４３の駆動（回転数）を通常よりも低く制御して駆動するモードである。

この静音モードへの移行は、ユーザの操作により所望のタイミングで指示してもよいし、例えば、発電出力を低下させても支障のない時間帯（例えば、夜間等）で自動的に移行させるようにしてもよい。

ところで、静音モードでは、ラジエータファン４３の回転数を低下させるために、最大発電出力を、静音モード以外よりも低下させる必要がある。すなわち、冷媒Ｗ２の流入温度Ｔ１によって改質水となる凝縮水量が決まるため、ラジエータファン４３の駆動が低下すると、冷媒温度の温度を下げる能力が減り、その分、発電出力は低下する。

この場合、比較例として、定常的（又は平均的）な流入温度Ｔ０を前提として改質水となる凝縮水量を予想し、静音モード時の最大発電出力を設定しており、結果として、静音モードの最大発電出力は一定としていた。

しかしながら、静音モードの最大発電出力が一定の場合、当該静音モード中に、最大発電出力を超える負荷が発生する対応として、静音モードを解除する必要がある。また、突発的な負荷増加には、発電出力が不足する事態が発生する。

そこで、本実施の形態では、静音モードとしてのラジエータファン４３の駆動（回転数）は、静音が保たれる許容条件を維持しつつ、冷媒の温度又は当該冷媒の温度と相関のある温度に基づいて、最大発電出力を制御するようにした。

ここで、発電出力は以下の状況に依存する。

（状況１） 最大発電出力は、改質水となる凝縮水量に依存する。

（状況２） 改質水となる凝縮水量は、冷媒Ｗ２の流入温度Ｔ１が低ければ低いほど、多くなる。

（状況３） 冷媒Ｗ２は、環境条件（外気温）によって変動する。

以上の状況を踏まえ、本実施の形態では、流入温度センサ１３１（図１参照）で検出する冷媒Ｗ２の流入温度Ｔ１に基づいて、静音モードにおける最大発電出力を制御するようにした。

図４は、予めＲＯＭ１５０Ｃに記憶されたラジエータファン４３の動作を制御するためのプログラムに基づき、ＣＰＵ１５０Ａで実行されるラジエータファン駆動制御に特化した機能ブロック図である。なお、図４の各ブロックは制御装置７０のハード構成を限定するものではない。

ラジエータファン４３の動作を制御するためのプログラムは、ＲＯＭ１５０Ｃに代えて、不揮発性の記憶媒体に記憶したり、又は、ネットワークを介してインストールすることで実現してもよい。なお、不揮発性の記憶媒体の例としては、ハードディスク１５２に加え、ＣＤ-ＲＯＭ(Compact Disc Read Only Memory)、光磁気ディスク、ＤＶＤ-ＲＯＭ(Digital Versatile Disc Read Only Memory)、フラッシュメモリ、メモリカード等が挙げられる。

図４に示される如く、外気温センサ６５、流出温度センサ１３２、及び流入温度センサ１３１は、動作モード制御部１５６に接続されている。

動作モード制御部１５６には、所定値記憶部１５８が接続されている。所定値記憶部１５８には、ラジエータファン４３の動作モードを駆動モードとするか停止モードとするかのしきい値である所定値Ｔ０が記憶されている。

動作モード制御部１５６では、外気温センサ６５、流出温度センサ１３２、及び流入温度センサ１３１の少なくとも１つの検出信号に基づいて、ラジエータファン４３の動作モード（駆動モード又は停止モード）を設定し、ラジエータファン４３の駆動を制御する。

一例として、所定値記憶部１５８に記憶された所定値Ｔ０は流入温度センサ１３１と比較する温度であり、流入温度センサ１３１からの検出信号に基づく動作モード設定の場合、流入温度センサ１３１で検出した冷媒Ｗ２の流入温度Ｔ１が所定値Ｔ０を超える高温（Ｔ１＞Ｔ０）で駆動モードとし、流入温度センサ１３１で検出した冷媒Ｗ２の流入温度Ｔ１が所定値Ｔ０以下の温度（Ｔ１≦Ｔ０）で停止モードとする。

また、動作モード制御部１５６には、ＵＩ１５４が接続されており、例えば、ユーザからの静音モード移行指示があると、動作モード制御部１５６では、ラジエータファン４３の動作モードを静音モードに設定し、ラジエータファン４３の駆動を制御する。

静音モードでは、ラジエータファン４３の駆動（回転数）が通常よりも低く制御されるため、その分、静音となる。

動作モード制御部１５６には、動作モード認識部１６０が接続されている。動作モード認識部１６０では、動作モード制御部１５６で設定した動作モードが静音モードであることを認識すると、取込部１６２へ起動指示信号を出力する。

取込部１６２は、本実施の形態では、冷媒の温度又は当該冷媒の温度と相関のある温度を検出する温度センサとしての流入温度センサ１３１が接続されており、起動指示信号の受信を契機に、流入温度センサ１３１の検出信号を取り込む。

取込部１６２で取り込んだ流入温度Ｔ１は、比較部１６４へ送出される。比較部１６４には、上限しきい値（Ｔup）記憶部１６６、及び下限しきい値（Ｔdown）記憶部１６８が接続されている。

比較部１６４では、取込部１６２から受けた流入温度Ｔ１を、上限しきい値記憶部１６６に記憶された上限しきい値Ｔup、及び下限しきい値記憶部１６８に記憶された下限しきい値Ｔdownのそれぞれと比較し、比較結果を判定部１７０へ送出する。

判定部１７０では、比較部１６４での比較結果に基づいて、静音モード時の最大発電出力を設定する。

設定される静音モード時の下で制限される発電出力の最大値（最大発電出力）を、以下に示す。なお、静音モード時の定常の最大発電出力は、駆動モード及び停止モード時の発電出力よりも低い値となる。

流入温度Ｔ１が通常値の範囲内（Ｔdown≦Ｔ１≦Ｔup）の場合の最大発電出力は、静音モードとして設定した定常の最大発電出力とする。

流入温度Ｔ１が通常値よりも低い値（Ｔdown＞Ｔ１）の場合の最大発電出力は、流入温度が低い分、静音モードとして設定した定常の最大発電出力よりも増加させる。

流入温度Ｔ１が通常値よりも高い値（Ｔ１＞Ｔup）の場合の最大発電出力は、流入温度が高い分、静音モードとして設定した定常の最大発電出力よりも減少させる。

判定部１７０は、最大発電出力設定部１７２に接続されている。この最大発電出力設定部１７２には、動作モード認識部１６０から、静音モード以外のモード情報（駆動モード又は停止モード）が入力されており、駆動モード及び停止モード時の定常発電出力、静音モード時の最大発電出力が設定され、発電出力制御部１７４へ送出される。

発電出力制御部１７４では、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２の各部を、設定された発電出力に基づき制御する。

以下に、本実施形態の作用を、図５及び図６のフローチャートに従い説明する。

図５は、ラジエータファン動作モード制御のメインルーチンを示すフローチャートである。

ステップ２００では、流入温度センサ１３１で検出した流入温度Ｔ１を取り込み、次いでステップ２０２へ移行して予め記憶している所定値Ｔ０を読み出して、ステップ２０４へ移行する。

ステップ２０４では、検出した流入温度Ｔ１と、所定値Ｔ０とを比較する。

ステップ２０４での比較の結果、Ｔ１＞Ｔ０と判定された場合は、冷媒Ｗ２の温度が高く、強制的な冷却の必要があると判断し、ステップ２０６へ移行して、ラジエータファン４３の駆動を指示して、ステップ２１０へ移行する。

また、ステップ２０４での比較の結果、Ｔ１≦Ｔ０と判定された場合は、冷媒Ｗ２の温度が低く、強制的な冷却の必要がないと判断し、ステップ２０８へ移行して、ラジエータファン４３の停止を指示して、このルーチンは終了する。

ステップ２１０では、静音モード指示があったか否かを判断し、ステップ２１０で否定判定された場合は、このルーチンは終了する。

また、ステップ２１０で肯定判定された場合は、ステップ２１２へ移行して静音モード処理（図６参照）を実行し、このルーチンは終了する。本実施の形態では、駆動モード中に、ユーザからの指示、又は予め定めた時間帯になると、静音モードに移行し、発電出力よりも静音優先とすることができる。

図６は、駆動モード時に、静音モードの指示があった時に実行される、図５のステップ２１２の静音モード処理サブルーチンの詳細を示す制御フローチャートである。

ステップ２１４では、静音モードにおける定常の最大発電出力を設定する。この最大発電出力は、予め冷媒Ｗ２の流入温度Ｔ１が定常温度（後述するＴdown≦Ｔ１≦Ｔup）であることを前提に設定されるため、以下、定常の最大発電出力という。

次のステップ２１６では、予め定めた、静音時のラジエータファン４３の回転数の上限値を読み出し、次いでステップ２１８へ移行して、上限値の回転数で、ラジエータファン４３の駆動を指示する。

これにより、ラジエータファン４３は、駆動モード時の回転数よりも低い回転数で回転するため、静音状態となる。但し、そのデメリットとして、静音モード時の通常発電出力は、駆動モード時の発電出力よりも低くなる。

次のステップ２２０では、流入温度センサ１３１で検出した流入温度Ｔ１を取り込み、次いで、ステップ２２２へ移行して、予め記憶した下限しきい値温度Ｔdownを読み出して、ステップ２２４へ移行する。なお、下限しきい値温度Ｔdownは、駆動モードと停止モードとを切り替えるしきい値である所定値Ｔ０よりも大きい値である（Ｔdown＞Ｔ０、図８参照）。

ステップ２２４では、下限しきい値Ｔdownと流入温度Ｔ１とを比較する。

ステップ２２４での比較の結果、Ｔdown＞Ｔ１と判定された場合は、ステップ２２６へ移行して、検出した流入温度Ｔ１と、所定値Ｔ０とを比較する。このステップ２２６でＴ１＞Ｔ０と判定された場合は、駆動モードの範疇であり、かつ、冷媒Ｗ２の温度が通常時よりも低く、発電出力に余裕があると判断し、ステップ２２８へ移行して、最大発電出力を定常の最大発電出力よりも高い値に設定し、ステップ２３２へ移行する。

また、ステップ２２４での比較の結果、Ｔdown≦Ｔ１と判定された場合は、冷媒Ｗ２の温度が通常時の範囲であると判断し、ステップ２３０へ移行して、最大発電出力を定常の最大発電出力に設定し、ステップ２３２へ移行する。

ここで、ステップ２２６において、Ｔ１≦Ｔ０と判定された場合は、停止モードの範疇であるため、ステップ２４４へ移行して、定常発電出力に設定し、このルーチンは終了する。

一方、ステップ２３２では、予め記憶した上限しきい値温度Ｔupを読み出して、ステップ２３４へ移行する。なお、上限しきい値温度Ｔupは、駆動モードと停止モードとを切り替えるしきい値である所定値Ｔ０よりも大きく、かつ下限しきい値Ｔdownよりも大きい値である（Ｔup＞Ｔdown＞Ｔ０、図８参照）。

ステップ２３４では、上限しきい値Ｔupと流入温度Ｔ１とを比較する。

ステップ２３４での比較の結果、Ｔup＜Ｔ１と判定された場合は、冷媒Ｗ２の温度が通常時よりも高く、発電出力が能力以上であると判断し、ステップ２３６へ移行して、最大発電出力を定常の最大発電出力よりも低い値に設定し、ステップ２４０へ移行する。

また、ステップ２３４での比較の結果、Ｔup≧Ｔ１と判定された場合は、冷媒Ｗ２の温度が通常時の範囲であると判断し、ステップ２３８へ移行して、最大発電出力を定常の最大発電出力に設定し、ステップ２４０へ移行する。

ステップ２４０では、静音モードが終了したか否かを判断し、否定判定された場合は、ステップ２２０へ戻り、上記工程を繰り返す。

また、ステップ２４０で肯定判定されると、ステップ２４２へ移行して、通常（駆動モード時）の回転数でラジエータファン４３の駆動を指示し、次いで、ステップ２４４へ移行して、駆動モード時の発電出力に設定し、このルーチンは終了する。

図７は、ラジエータファン４３が、駆動モードから静音モードへ移行したとき、かつ、Ｔdown＞Ｔ１が成立したときの、発電出力及び電力負荷の遷移状態の一例を示す特性図である。

ラジエータファン４３が駆動モードで動作しているときは、電力負荷に見合った発電出力で発電される。

ラジエータファン４３が静音モードに移行すると、ラジエータファン４３の回転数が静音モードの上限値になり、その分、最大発電出力が制限されるため、電力負荷に追いつかない発電となる。

この場合、比較例では、最大発電出力が一定であったため、電力負荷との間に大きな差が発生していた(図７の実線と一点鎖線との差Δ１参照)。

しかしながら、本実施の形態では、流入温度Ｔ１に基づいて、最大発電出力を制御するようにしたため（ここでは、Ｔdown＞Ｔ１が成立しているため）、最大発電出力と電力負荷との差（図７の実線と点線との差Δ２参照）を軽減することができる（Δ２＜Δ１）。

なお、本実施の形態では、流入温度Ｔ１を比較するしきい値として、下限しきい値Ｔdown及び上限しきい値Ｔupを設定し、図６のステップ２３０、２３８に示される如く、流入温度Ｔ１がこの通常値の範囲内（Ｔdown≦Ｔ１、Ｔup≧Ｔ１）である場合は、基準となる定常の最大発電出力を維持するようにしたが、しきい値を単一としてもよい（実質、Ｔdown＝Ｔup）。

この場合、静音モードの最大発電電力は、流入温度Ｔ１がしきい値以上では、駆動モードの最大発電電力に対して減少させ、流入温度Ｔ１がしきい値未満では、駆動モードの最大発電電力に対して増加させればよい。しきい値を単一とすることで、制御が容易となるという効果がある。

また、本実施形態では、流入温度センサ１３１で検出した流入温度Ｔ１に基づいて、静音モード時の最大発電出力を制御するようにしたが、冷媒Ｗ２の温度と相関のある検出値であれば、流入温度センサ１３１に限定されず、外気温センサ６５又は流出温度センサ１３２の検出値を用いてもよい。また、冷媒Ｗ２の温度と相関のある検出値となり得る環境状況を検出するセンサを新たに設け、当該センサに基づいて、静音モード時の最大発電出力を制御するようにしてもよい。

さらに、本実施形態では、プログラムを実行することにより、本実施形態に係る処理がコンピュータを利用してソフトウェア構成により実現される場合について説明したが、これに限らない。本実施形態は、例えば、ハードウェア構成や、ハードウェア構成とソフトウェア構成との組み合わせによって実現してもよい。

１０ 燃料電池システム
１２ 冷媒タンク付き燃料電池ユニット
１２Ａ 入力系デバイス
１２Ｂ 出力系デバイス
１４ バックアップ熱源機ユニット
１４Ａ 入力系デバイス
１４Ｂ 出力系デバイス
１６ 筐体
１７ 発電部
１８ 燃料電池モジュール（燃料電池）
１９ 冷媒加熱部
２０ 燃料ガス管
２１ 上水加熱部
２２ 脱硫器
２４ 改質水タンク
２４Ａ 液面レベルセンサ
２６ 改質水供給管
２８ 改質水ポンプ
３０ 冷媒タンク
３０Ａ 天井壁
３１ 排気熱交換器
３２ 第１排ガス管
３３ 開口部
３４ 第２排ガス管
３５ 排水管
３６ 第１送出し側配管
３８ 第１戻し側配管
４０ 熱回収ポンプ
４２ ラジエータ（放熱部）
４３ ラジエータファン（送風機）
４４ 上水熱交換器
４６ 第２送出し側配管
４８ 第２戻し側配管
５０ 予熱ポンプ
５２ 上水供給配管
５４ 上水分岐配管
５６ 給湯配管
５８ 給湯分岐配管
６０ 補水弁
６２ 混合弁
６４ 上水排出配管
６５ 外気温センサ
６８ インバータ
７０ 制御装置（駆動制御手段、発電出力制御手段）
７１ 筐体
７２ 改質触媒
７４ バーナ
７５ 燃料ガス管
７６ 燃料電池スタック
７８ 燃料極
８０ スタック排ガス管
８１ 燃料電池セル
８２ 電解質層
８４ 空気極
８６ 空気ブロワ
８８ 酸化ガス管
９０ 燃料極排ガス管
９２ 空気極排ガス管
１１８ 第１循環経路
１２０ 第２循環経路
１２１ 給湯経路
１３１ 流入温度センサ（温度センサ）
１３２ 流出温度センサ
１５０ マイクロコンピュータ
１５０Ａ ＣＰＵ
１５０Ｂ ＲＡＭ
１５０Ｃ ＲＯＭ
１５０Ｄ 入出力ポート（Ｉ／Ｏ）
１５０Ｅ バス
１５２ ハードディスク
１５４ ユーザインターフェイス（ＵＩ）
１５６ 動作モード制御部
１５８ 所定値記憶部
１６０ 動作モード認識部
１６２ 取込部
１６４ 比較部
１６６ 上限しきい値（Ｔup）記憶部
１６８ 下限しきい値（Ｔdown）記憶部
１７０ 判定部
１７２ 最大発電出力設定部
１７４ 発電出力制御部

Claims (4)

1. 燃料ガスと改質水とが供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池の排気と冷媒との間で熱交換を行う排気熱交換器と、
   前記排気熱交換器を通過経路の一部とする前記冷媒の循環経路における、当該排気熱交換器の流入側に介在され、通過する冷媒から熱を放出する放熱部と、
   前記放熱部を通過する冷媒の放熱効果を高める送風機と、
   前記冷媒の温度又は当該冷媒の温度と相関のある温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサの検出値が所定値以上の場合に、前記送風機を駆動させると共に、前記送風機の駆動中に静音モードへの移行の指示があった場合に、前記送風機を定常の駆動時の回転数よりも回転数を低くして駆動させる駆動制御手段と、
   前記駆動制御手段において前記静音モードの実行中の発電出力の定常値を、前記送風機の通常動作時の発電出力よりも低い値に設定すると共に、前記温度センサの検出値に基づいて、前記定常値を増減することで、前記燃料電池の発電出力を制御する発電出力制御手段と、
   を有する
   燃料電池システム。
2. 前記温度センサが、前記排気熱交換器に流入する冷媒の温度を検出する流入温度センサである、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記発電出力制御手段が、
   前記温度センサの検出値が所定範囲よりも高い場合に、発電出力を前記定常値よりも低く制御し、
   前記温度センサの検出値が所定範囲よりも低い場合に、発電出力を前記定常値よりも高く制御する、請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
4. 燃料ガスと改質水とが供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池の排気と冷媒との間で熱交換を行う排気熱交換器と、
   前記排気熱交換器を通過経路の一部とする前記冷媒の循環経路における、当該排気熱交換器の流入側に介在され、通過する冷媒から熱を放出する放熱部と、
   前記放熱部を通過する冷媒の放熱効果を高める送風機と、
   前記冷媒の温度又は当該冷媒の温度と相関のある温度を検出する温度センサと、
   を備えた燃料電池システムの運転を制御する制御装置であって、
   前記温度センサの検出値が所定値以上の場合に、前記送風機を駆動させると共に、前記送風機の駆動中に静音モードへの移行の指示があった場合に、前記送風機を定常の駆動時の回転数よりも回転数を低くして駆動させる駆動制御手段と、
   前記駆動制御手段において前記静音モードの実行中の発電出力の定常値を、前記送風機の通常動作時の発電出力よりも低い値に設定すると共に、前記温度センサの検出値に基づいて、前記定常値を増減することで、前記燃料電池の発電出力を制御する発電出力制御手段と、
   を有する制御装置。