JP6413398B2 - 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。

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、燃料電池システムにおいては、燃料電池（１）と、燃料電池の発電によって生じる排気ガスと水とで熱交換を行う熱交換器と、熱交換器で熱交換された貯湯水を貯湯するための貯湯槽（１８）と、熱交換器と貯湯槽との間で貯湯水を循環させる循環配管（１７）を備えている。

特許文献１に示された燃料電池システムでは、熱交換器内を流れる貯湯水の温度が、設定温度以上となった場合に、循環配管を流れる貯湯水の流量を増大させることにより、熱交換器内を流れる貯湯水の温度を第１の設定温度まで下げて、熱交換器内を流れる貯湯水の蒸発を抑制している。これにより、貯湯水に含まれるカルシウム等のミネラルの析出を抑制し、析出物（スケール）が熱交換器に付着することを防止し、熱交換器の腐食を抑制している。

熱交換器内の貯湯水の温度が上昇した場合には、貯湯水に溶存可能な空気量が減少するため、熱交換器内において貯湯水に溶存していた空気が気泡となって熱交換器内で滞留してしまう。熱交換器内で気泡が滞留してしまうと、熱交換器内において排気ガスと貯湯水とを熱交換させることができなくなってしまう。このような場合であっても、特許文献１に示される燃料電池システムの技術を用いれば、熱交換器内で気泡が発生するような温度以上となった場合に、循環配管を流れる貯湯水の流量を増大させることにより（以下、適宜気泡排出制御と略す）、熱交換器内に滞留した気泡を熱交換器外に排出することができる。

特開２０１０−３３８８０号公報

しかしながら、特許文献１に示される燃料電池システムでは、貯湯槽には水道が接続されているため、温度が低い水道水、つまり、空気の溶存量が多い水が貯湯槽に供給される。水道水の温度よりも第１の設定温度のほうがより高温であるため、貯湯槽に供給された溶存量が多い水が熱交換器に供給されると、この空気の溶存量が多い水が熱交換器において加温されることによって、熱交換器内において気泡が発生し続けてしまう。すると、上述した気泡排出制御が頻繁に実行され、貯湯槽の上部に高温の貯湯水が滞留した高温層が形成され、貯湯槽の下部に低温の貯湯水が滞留した低温層が形成された温度成層が崩壊してしまう。

このように、貯湯槽内の貯湯水の温度成層が崩壊してしまうと、貯湯槽下部の低温の貯湯水と貯湯槽上部の高温の貯湯水が混ざるため、貯湯槽の内部において温度形成層が形成されている時と比較して、貯湯槽上部の貯湯水の温度が低下してしまうとともに、貯湯槽下部の貯湯水の温度が上昇してしまう。すると、貯湯槽上部から貯湯水使用場所に供給される貯湯水の温度が、温度形成層が形成されている場合と比較して低下してしまう。また、貯湯槽下部から熱交換器に供給される貯湯水の温度が、温度形成層が形成されている場合と比較して上昇して、熱交換器において排気ガスに含まれる水蒸気を凝縮させることができなくなり、水蒸気を凝縮させた水を燃料電池システムに再使用できなくなってしまう。また、熱交換器に供給される貯湯水の温度が、温度形成層が崩壊しない場合と比較して上昇するので、熱交換器において熱回収効率が低下してしまう。すると、燃料電池システムの運転効率が低下してしまう。

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、貯湯槽を備えた燃料電池システムにおいて、貯湯槽内の貯湯水の温度成層の崩壊を抑制し、運転効率を向上させ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によれば、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、貯湯水が貯湯される密閉空間である貯湯槽と、前記燃料電池から排気された排気ガスと前記貯湯水とを熱交換させる熱交換器と、前記貯湯槽と前記熱交換器との間で前記貯湯水が循環する第一貯湯水循環ラインと、前記第一貯湯水循環ラインに設けられ、前記貯湯水を前記貯湯槽と前記熱交換器との間で循環させるポンプと、前記貯湯水が使用される貯湯水使用機器と前記貯湯槽との間で前記貯湯水が循環するクローズド型の第二貯湯水循環ラインと、前記ポンプが吐出する前記貯湯水の流量を調整して、前記熱交換器から流出する前記貯湯水の温度である回収温度を定常温度にして定常運転を実行する定常運転部と、前記熱交換器内において気泡が発生したか否かを判定する気泡発生判定部と、前記気泡発生判定部によって前記熱交換器内において前記気泡が発生したと判定された場合に、前記ポンプが吐出する前記貯湯水の流量を、前記定常運転が実行されている時と比べて増大させて、前記気泡を前記熱交換器から排出する気泡排出制御を実行する気泡排出部と、前記気泡排出制御の実行後の度に、前記ポンプが吐出する前記貯湯水の流量を、前回実行された前記気泡排出制御の実行前であって前記気泡が前回発生した時の前記貯湯水の流量より増大させることにより、前記熱交換器から流出する前記貯湯水の温度である回収温度を、前回前記気泡が発生する前と比べて低下させる温度低下制御を実行する温度低下部と、を有する。

このように、気泡排出制御の実行後の度に、ポンプが吐出する貯湯水の流量を、前回実行された気泡排出制御の実行前であって気泡が前回発生した時の貯湯水の流量より増大させることにより、熱交換器から流出する貯湯水の温度である回収温度を、前回気泡が発生する前と比べて低下させる温度低下制御が実行される。これによれば、貯湯水に溶存可能な空気量は貯湯水の温度が低くなるに従って多くなることから、回収温度が低下されることによって、熱交換器内において貯湯水から排出される空気量を低減させることができる。このため、熱交換器内における気泡の発生を抑制させることができ、気泡排出制御の頻繁な実行が抑制される。よって、貯湯槽内の貯湯水の温度成層の崩壊を抑制することができ、燃料電池システムの運転効率を向上させることができる。

また、貯湯槽と貯湯水使用機器との間で貯湯水が循環する第二貯湯水循環ラインはクローズド型であるので、貯湯槽、第一貯湯水循環ライン、及び第二貯湯水循環ラインに、空気が溶存した水が継続して流入することが無い。このため、温度低下制御が実行されれば、熱交換器内における気泡の発生が抑制された状態を維持させることができる。また、温度低下処理の実行後において、再び熱交換器内において気泡の発生が判定されると、再び温度低下処理が実行されて、回収温度が低下される。これにより、より貯湯水に溶存可能な空気量が増大し、より熱交換器内における気泡の発生を抑制させることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記温度低下制御の実行後に、前記気泡発生判定部によって前記気泡の発生が判定されなかった時間が規定時間を越える度に、前記ポンプが吐出する前記貯湯水の流量を減少させることにより、前記回収温度を、前記定常温度を上限として上昇させる温度上昇制御を実行する温度上昇部を有する。

これにより、熱交換器内において気泡の発生が判定されなかった時間が規定時間を越えた場合に、ポンプが吐出する貯湯水の流量が減少されて、定常温度を上限として回収温度が上昇される。このため、熱交換器内において気泡の発生が判定されなかった時間が規定時間を越えた場合に、つまり、熱交換器内において貯湯水から気泡が発生する可能性が低い状態において、回収温度を定常温度に復帰させることができる。また、ポンプが吐出する貯湯水の流量が減少されるので、同じ熱量でも高温の湯を少量、貯湯槽にためることで貯湯槽内において貯湯水が高温の温水で満水となる時間を延長させることができる。このため、熱交換器における熱回収効率の低下が抑制され、燃料電池システムの運転効率を向上させることができる。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記回収温度を検出する温度検出部を有し、前記温度低下部は、前記気泡発生判定部によって前記気泡の発生が判定された回数に規定温度を乗算した値を前記定常温度から減算して、制御温度を演算し、前記温度検出部による検出結果に基づいて、前記回収温度が前記制御温度となるように、前記ポンプを制御する。これにより、熱交換器内において気泡が発生する度に、制御温度が確実に低下して、回収温度が確実に低下される。このため、確実に熱交換器内での気泡の発生を抑制することができ、気泡排出制御の頻繁な実行がより抑制される。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の発明において、制御温度が、第一異常温度以下となった場合に、異常と判定する異常判定部を有する。貯湯水の水圧が低下するにつれて、貯湯水の溶存空気の割合は低下する。つまり、第一貯湯水循環ライン内の貯湯水の水圧が低下するにつれて、熱交換器内において気泡が発生し易くなる。このため、第一貯湯水循環ライン内の貯湯水の水圧の低下に伴い、熱交換器内で気泡が発生して、気泡排出制御が実行され、その度に、制御温度が低下される。そこで、異常判定部は、制御温度が第一異常温度以下となった場合に、第一貯湯水循環ライン内の貯湯水の水圧が相当低下している異常が発生していると判定する。これより、第一貯湯水循環ライン内の貯湯水の水圧の低下の異常が検出可能となる。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の発明において、前記制御温度が、前記第一異常温度よりも低い第二異常温度以下となった場合に、前記燃料電池及び前記ポンプを停止させる運転停止部を有する。熱交換器が異物によって殆ど閉塞され、第一貯湯水循環ライン内を貯湯水が殆ど流通しない場合には、熱交換器内において気泡が発生し続ける。すると、温度低下制御が実行され続け、制御温度が低下され続けてしまう。そこで、運転停止部は、制御温度が第二異常温度以下となった場合に、燃料電池及びポンプを停止させる。これにより、熱交換器の閉塞に伴う燃料電池システムの他の装置の二次故障が防止される。

請求項６に係る発明は、請求項１〜請求項５に記載の発明において、前記貯湯槽には、前記貯湯槽の内部から前記貯湯槽の外部への空気の流出は許容するが、前記貯湯槽の外部から前記貯湯槽の内部への空気の流入は許容しないエア抜き弁が設けられている。これにより、貯湯水に溶存していた空気が、エア抜き弁を介して貯湯槽の外部に排出される。また、貯湯槽の外部から貯湯槽の内部への空気の侵入が防止されるので、貯湯水に再び空気が溶存してしまうことを防止することができる。

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。 貯湯水の温度と貯湯水の溶存空気の割合の関係を表したグラフである。 図１に示す制御装置で実行される「循環ポンプ制御処理」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１００の一実施形態について説明する。図１に示すように、燃料電池システム１００は、発電ユニット１０及び貯湯槽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、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、制御装置１５、及び報知部１７を備えている。

燃料電池モジュール１１は、ケーシング３１、蒸発部３２、改質部３３、及び燃料電池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。

蒸発部３２には、改質用原料供給管１１ａの一端が接続されている。改質用原料供給管１１ａの他端には、供給源Ｇｓが接続されている。供給源Ｇｓは、改質用原料を供給するものである。改質用原料としては天然ガス、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る。改質用原料として天然ガスを用いた実施形態について、本実施形態の燃料電池システム１００を説明する。

改質用原料供給管１１ａには、原料供給ポンプ１１ａ１が設けられている。原料供給ポンプ１１ａ１は、燃料電池３４に燃料（改質用原料）を供給する供給装置であり、制御装置１５から供給される制御電流によって供給源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。この原料供給ポンプ１１ａ１は、改質用原料を吸入し蒸発部３２に圧送する圧送装置である。

蒸発部３２には、水供給管１１ｂの一端が接続されている。水供給管１１ｂの他端には、水タンク１４に接続されている。水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。このような構成によって、水タンク１４から改質水が蒸発部３２に供給される。燃料電池モジュール１１の燃料電池３４には、カソードエア供給管１１ｃの一端が接続されている。カソードエア供給管１１ｃの他端には、カソードエアブロワ１１ｃ１が接続されている。このような構成によって、カソードエアが燃料電池３４に供給される。

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、改質部３３によって生成された燃料とカソードエアブロワ１１ｃ１によって供給されたカソードエア（酸化剤ガス）によって発電するものである。燃料電池３４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、及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。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３３は省略することができる。

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。

第一燃焼部３６は、燃料電池３４と蒸発部３２及び改質部３３との間に設けられている。第一燃焼部３６は、燃料電池３４からのアノードオフガス（燃料オフガス）と燃料電池３４からのカソードオフガス（酸化剤オフガス）とが燃焼されて蒸発部３２及び改質部３３を加熱する。

第一燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されて火炎３７が発生している。第一燃焼部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。

貯湯槽２１は、貯湯槽２１は、縦長の密閉容器であり、内部に貯湯水が貯留される密閉空間が形成されている。貯湯槽２１は、その内部に貯湯水のよる温度成層が形成されている。すなわち、貯湯槽２１上部の貯湯水の温度が最も高温であり、貯湯槽２１の上部から下部に位置するに従って貯湯水の温度が低温となり、貯湯槽２１下部の貯湯水の温度が最も低温であるように、貯湯水が貯湯槽２１の内部で貯留されるようになっている。

貯湯槽２１の上部には、エア抜き弁２５が設けられている。このエア抜き弁２５は、貯湯槽２１内の気圧が所定以上となった場合に開弁して、貯湯槽２１内の空気を貯湯槽２１の外部に排出する。つまり、エア抜き弁２５は、貯湯槽２１の内部から貯湯槽２１の外部への空気の流出は許容する。また、エア抜き弁２５は、貯湯槽２１の外部から貯湯槽２１の内部への空気の流入は許容しない逆止弁である。

貯湯槽２１と熱交換器１２との間で貯湯水が循環する（図１において矢印の方向に循環する）第一貯湯水循環ライン２２が設けられている。第一貯湯水循環ライン２２の始端は、貯湯槽２１の下部に接続されている。第一貯湯水循環ライン２２の終端は、貯湯槽２１の上部に接続されている。第一貯湯水循環ライン２２上には、その始端側から終端側に向かって順番に、循環ポンプ２２ａ、熱交換器１２が配設されている。熱交換器１２には、凝縮水供給管１２ａの始端が接続されている。凝縮水供給管１２ａの終端は、水タンク１４に接続されている。

熱交換器１２は、第一燃焼部３６（燃料電池３４）から排気される排気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、排気ガスと貯湯水とを熱交換させる装置である。熱交換器１２において、燃料電池モジュール１１からの排気ガスは、排気ガス導入部１２ｂを通って熱交換器１２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われて冷却される。熱交換後の排気ガスは排気管１２ｃを通り、筐体１０ａに設けられた第一排気口１０ｂを通って、筐体１０ａの外部に排出される。また、排気ガスに含まれる水蒸気が冷却されて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。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。

循環ポンプ２２ａは、貯湯水を貯湯槽２１と熱交換器１２の間で循環させるものである。制御装置１５は、循環ポンプ２２ａに供給する電流量をリニア電流制御によって制御して、循環ポンプ２２ａの吐出流量を制御する。なお、ここでいうリニア電流制御とは、循環ポンプ２２ａを駆動する電圧ＤＵＴＹ比を変更し、実効電流を除変させるＰＷＭ制御が含まれる。

上述した熱交換器１２、貯湯槽２１及び第一貯湯水循環ライン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。第一貯湯水循環ライン２２の熱交換器１２の内部には、熱交換器１２内における貯湯水の温度Ｔ１を検出し、その検出信号を制御装置１５に出力する第一温度センサ１２ｄが設けられている。また、第一貯湯水循環ライン２２の熱交換器１２の出口付近には、熱交換器１２から流出する貯湯水の温度Ｔ２（以下、適宜、回収温度Ｔ２とする）を検出し、その検出信号を制御装置１５に出力する第二温度センサ１２ｅが設けられている。

貯湯槽２１と、貯湯水が使用される貯湯水使用機器９１０との間で貯湯水が循環する（図１において矢印の方向に循環する）第二貯湯水循環ライン９３０が設けられている。第二貯湯水循環ライン９３０の始端は、貯湯槽２１の上部に接続されている。第二貯湯水循環ライン９３０の終端は、貯湯槽２１の下部に接続されている。第二貯湯水循環ライン９３０には、給湯ポンプ９２０が設けられている。給湯ポンプ９２０は、高温の貯湯水を貯湯水使用機器９１０に供給して、貯湯水使用機器９１０から流出する低温の貯湯水を貯湯槽２１に戻す。このように、貯湯槽２１から貯湯水使用機器９１０に供給された貯湯水は、再び貯湯槽２１に戻される。つまり、第二貯湯水循環ライン９３０はクローズド型である。言い換えると、燃料電池システム１００は、常時は外部から水道水が供給されないクローズド型である。貯湯水使用機器９１０には、室内暖房機器、床暖房機器が含まれる。

熱交換器１２の排気ガス導入部１２ｂの入口がケーシング３１に接続されている部分、すなわちケーシング３１の導出口３１ａには、第二燃焼部２８が設けられている。第二燃焼部２８は、第一燃焼部３６から排気されるガスである第一燃焼部オフガス、すなわち、第一燃焼部３６から排気される未使用の可燃ガス（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。第二燃焼部２８は、可燃ガスを燃焼する触媒である燃焼触媒で構成されている。燃焼触媒には、プラチナやパラジウムなどの貴金属がセラミックの単体などに担持させたものが含まれる。

なお、燃焼触媒は、水素、メタンガス、一酸化炭素などの可燃ガスを火炎燃焼でなく触媒によって燃焼するため、燃焼速度が大きく、大量の可燃ガスを燃焼することができ、かつ、燃焼効率も高いため未燃焼ガスの排出を抑制することができる。

第二燃焼部２８には、燃焼触媒を触媒の活性温度まで加熱して可燃ガスを燃焼させるための燃焼触媒ヒータ２８ａが設けられている。燃焼触媒ヒータ２８ａは制御装置１５の指示によって加熱されるものである。

インバータ装置１３には、燃料電池３４から出力される直流電圧が入力される。そして、インバータ装置１３は、入力された直流電圧を所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源１６ａ及び外部電力負荷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。インバータ装置１３には、系統電源１６ａからの交流電圧が電源ライン１６ｂを介して入力される。そして、インバータ装置１３は、入力された交流電圧を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。制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システム１００の運転を制御する。

制御装置１５は、燃料電池システム１００を統括制御するものである。制御装置１５は、原料供給ポンプ１１ａ１が蒸発部３２に供給する改質用原料の流量を調整するとともに、改質水ポンプ１１ｂ１が蒸発部３２に供給する改質水の流量を調整し、更に、カソードエアブロワ１１ｃ１が燃料電池３４に供給するカソードエアの流量を調整することによって、燃料電池３４で発電される発電電力を調整する。制御装置１５は、後述の「循環ポンプ制御処理」において、熱交換器１２内において気泡が発生したと判定された時刻を記憶する記憶部１５ａを備えている。

報知部１７は、第一貯湯水循環ライン２２内を流通する貯湯水の水圧低下、及び第一貯湯水循環ライン２２内の貯湯水の水圧を上げなければならいとの指示を、作業者に報知する装置である。また、報知部１７は、熱交換器１２が閉塞されている旨の異常を、作業者に報知する装置である。報知部１７には、スピーカー、ディスプレイが含まれる。

（気泡排出制御及び温度低下制御の説明）
以下に、図２に示すグラフを用いて、燃料電池システム１００で実行される「気泡排出制御」及び「温度上昇制御」について説明する。図２に示すように、貯湯水の温度が高くなるに従って、貯湯水の溶存空気の割合は低下する。Ｔ０は水道水の温度である。Ｔ２ａは、燃料電池システム１００が「定常運転」されている場合において、熱交換器１２から流出する貯湯水の定常温度である。つまり、燃料電池システム１００が「定常運転」されている場合には、熱交換器１２から流出する貯湯水の温度である回収温度Ｔ２は、定常温度Ｔ２ａに制御される。

燃料電池システム１００が設置されてから最初に運転される場合には、水道水の温度Ｔ０における貯湯水の溶存空気の割合Ａ１から定常温度Ｔ２ａにおける貯湯水の溶存空気の割合Ａａを減算した差分ΔＡに相当する空気が貯湯水から排出され、熱交換器１２において気泡が発生する。

熱交換器１２内において気泡の発生が判定されると、循環ポンプ２２ａが熱交換器１２に吐出する貯湯水の流量を、気泡が発生した時点と比べて増大させて、気泡を熱交換器１２から排出する「気泡排出制御」が実行される。そして、この気泡は、第一貯湯水循環ライン２２を通って貯湯槽２１に移動し、貯湯槽２１の上部に設けられたエア抜き弁２５から貯湯槽２１の外部に排出される。

「気泡排出制御」の実行後の度に、循環ポンプ２２ａの吐出流量を調整することによって、回収温度Ｔ２が、熱交換器１２内で気泡が前回発生した時に比べて、第一規定温度Δａ（例えば５℃）だけ低下される「温度低下制御」が実行される。すると、前回、熱交換器１２内で気泡が発生した時に比べて、熱交換器１２内の貯湯水の溶存可能な空気量が増加する。このため、熱交換器１２内において貯湯水からの気泡の発生が抑制される。

第二貯湯水循環ライン９３０はクローズド型であるので、燃料電池システム１００の設置時以外には、基本的に、水道水は、貯湯槽２１、第一貯湯水循環ライン２２、及び第二貯湯水循環ライン９３０のいずれにも導入されない。つまり、溶存空気の割合が高い水道水が貯湯水に混入しない。このため、熱交換器１２内において貯湯水からの気泡の発生が抑制される状態が維持される。

「温度低下制御」が実行された後において、熱交換器１２内において気泡の発生が判定されると、「気泡排出制御」が実行され、この「気泡排出制御」の実行後に「温度低下制御」が実行される。すると、回収温度Ｔ２が、第一規定温度Δａだけ更に低下され、より一層、熱交換器１２内の貯湯水の溶存可能な空気量が増加する。このため、熱交換器１２内において貯湯水からの気泡の発生がより一層抑制されることとなる。以下に、図３に示すフローチャートを用いて、「気泡排出制御」及び「温度低下制御」が実行される「循環ポンプ制御処理」について詳細に説明する。

（循環ポンプ制御処理）
以下に図３に示すフローチャートを用いて、燃料電池システム１００で実行される「循環ポンプ制御処理」について説明する。燃料電池システム１００が起動すると、プログラムはステップＳ１１に進む。
ステップＳ１１において、制御装置１５（定常運転部）は、第二温度センサ１２ｅからの検出信号に基づいて、フィードバック制御によって、熱交換器１２から流出する貯湯水の温度である回収温度Ｔ２が、定常温度Ｔ２ａ（例えば７５℃）となるように、循環ポンプ２２ａの吐出流量を調整する「定常運転」を実行する。なお、循環ポンプ２２ａの吐出流量が増大するに従って、回収温度Ｔ２は低下する。また、循環ポンプ２２ａの吐出流量が減少するに従って、回収温度Ｔ２は上昇する。このステップＳ１１の処理によって、貯湯槽２１内には、貯湯水による温度成層が形成される。ステップＳ１１が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ１２に進める。

ステップＳ１２において、制御装置１５（気泡発生判定部）は、熱交換器１２内において気泡が発生したと判定した場合には（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、プログラムをステップＳ１３に進める。一方で、制御装置１５（気泡発生判定部）は、熱交換器１２内において気泡が発生していないと判定した場合には（ステップＳ１２：ＮＯ）、プログラムをステップＳ２１に進める。

なお、熱交換器１２内において気泡が発生すると、当該気泡が熱交換器１２内を流通する排気ガスによって熱せられて、高温の気泡となる。この高温の気泡が、第一温度センサ１２ｄや第二温度センサ１２ｅが温度を検出する部分に接触すると、第一温度センサ１２ｄや第二温度センサ１２ｅで検出される温度Ｔ１や温度Ｔ２の温度が高くなる。この原理を利用して、制御装置１５は、熱交換器１２内における貯湯水の温度Ｔ１（以下、適宜、温度Ｔ１と略す）が第一規定閾値Ｔａ（例えば９０℃）以上である場合、或いは、熱交換器１２から流出する貯湯水の温度Ｔ２が第二規定閾値Ｔｂ（例えば９０℃）以上であると判断した場合には、熱交換器１２内に気泡が発生したと判定する。また、制御装置１５は、温度Ｔ１が第一規定閾値Ｔａより低く、且つ、温度Ｔ２が第二規定閾値Ｔｂより低いと判断した場合には、熱交換器１２内に気泡が発生していないと判定する。

なお、制御装置１５が、温度Ｔ１の温度Ｔ２一方のみに基づいて、熱交換器１２内において気泡が発生したか否かを判断することにしても差し支え無い。また、制御装置１５が、温度Ｔ１が第一規定閾値Ｔａ以上となり、且つ温度Ｔ２が第二規定閾値Ｔｂ以上となった場合に、熱交換器１２内において気泡が発生したと判断することにしても差し支え無い。

ステップＳ１３において、制御装置１５（気泡排出部）は、循環ポンプ２２ａの吐出流量を、ステップＳ１２において熱交換器１２内に気泡が発生した判定された時点と比べて増大させて、気泡を熱交換器１２から排出する「気泡排出制御」を実行する。この「気泡排出制御」は、「気泡排出制御」の実行が開始されてから気泡排出規定時間ｔｄが経過するまで実行される。或いは、温度Ｔ１や温度Ｔ２が規定温度Ｔｄに低下した際に、制御装置１５が、「気泡排出制御」を停止することにしても差し支え無い。この「気泡排出制御」によって、熱交換器１２内の気泡は、貯湯槽２１の上部に移動し、エア抜き弁２５を介して、貯湯槽２１の外部に排出される。このように、「気泡排出制御」によって、貯湯水に溶存している空気が貯湯槽２１の外部に排出される。第二貯湯水循環ライン９３０はクローズド型であり、溶存空気の割合が高い水が貯湯水に混入しないので、貯湯水中の溶存空気の割合が徐々に低下する。ステップＳ１３が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ１４に進める。

ステップＳ１４において、制御装置１５（温度低下部）は、第二温度センサ１２ｅからの検出信号（検出結果）に基づいて、熱交換器１２から流出する貯湯水の回収温度Ｔ２を、下式（１）によって演算された制御温度Ｔ２ｂｎとなるように、循環ポンプ２２ａをフィードバック制御する。なお、ステップＳ１４において、循環ポンプ２２ａが吐出する貯湯水の流量は、ステップＳ１４が実行される前と比べて増大する。
Ｔ２ｂｎ＝Ｔ２ａ−ｎ・Δａ…（１）
Ｔ２ｂｎ：制御温度
Ｔ２ａ：定常温度
ｎ：貯湯水が定常温度Ｔ２ａとなるように制御されている状態から、ステップＳ１２において気泡が発生したと判定された回数
Δａ：第一規定温度（例えば５℃）
このステップＳ１４が実行される度に、つまり、ステップＳ１３において、「気泡排出制御」が実行後の度に、回収温度Ｔ２が、前回気泡が発生する前と比べて第一規定温度Δａだけ低下される。
ステップＳ１４が終了すると、制御装置１５はプログラムをステップＳ３１に進める。

ステップＳ２１において、制御装置１５（温度上昇部）は、ステップＳ１２において、熱交換器内において気泡が発生していないと判定された時間が規定時間ｔｒを経過したと判断した場合には（Ｓ２１：ＹＥＳ）、プログラムをＳ２２に進める。一方で、制御装置１５（温度上昇部）は、ステップＳ１２において、熱交換器内において気泡が発生していないと判定された時間がｔｒを経過していないと判断した場合には（Ｓ２１：ＮＯ）、プログラムをＳ１２に戻す。

ステップＳ２２において、制御装置１５（温度上昇部）は、下式（２）に基づいて、制御温度Ｔ２ｂｎを演算する。
Ｔ２ｂｎ＝Ｔ２ｂ（ｎ−１）＋Δｂ…（２）
Ｔ２ｂｎ：制御温度
Ｔ２ｂ（ｎ−１）：前回ステップＳ２２又は前回Ｓ１４で演算された制御温度 初めてＳ２２が実行される場合には、定常温度Ｔ２ａ
Δｂ：第二規定温度（例えば５℃）
但し、制御温度Ｔ２ｂｎは、定常温度Ｔ２ａが上限値であり、定常温度Ｔ２ａを越えないように演算される。

次に、制御装置１５は（温度上昇部）は、第二温度センサ１２ｅからの検出信号（検出結果）に基づいて、熱交換器１２から流出する貯湯水の回収温度Ｔ２を、上式（２）によって演算された制御温度Ｔ２ｂｎとなるように、循環ポンプ２２ａをフィードバック制御する。なお、ステップＳ２２において、循環ポンプ２２ａが吐出する貯湯水の流量は、このステップＳ２２が実行される前と比べて減少する。
このように、「温度低下制御」の実行後に、熱交換器１２内において気泡の発生が判定されなかった時間が、規定時間ｔｒを越える度に（ステップＳ２１でＹＥＳと判断）、回収温度Ｔ２が、定常温度Ｔ２ａを上限として、第二規定温度Δｂだけ上昇される。
ステップＳ２２が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ１２に戻す。

ステップＳ３１において、制御装置１５（異常判定部）は、制御温度Ｔ２ｂｎが第一異常温度Ｔ２ｘよりも高いと判断した場合には（ステップＳ３１：ＹＥＳ）、プログラムをＳ１２に戻す。一方で、制御装置１５（異常判定部）は、制御温度Ｔ２ｂｎが第一異常温度Ｔ２ｘ以下であると判断した場合には（ステップＳ３１：ＮＯ）、プログラムをＳ３２に進める。第一異常温度Ｔ２ｘは、第一貯湯水循環ライン２２内における貯湯水の水圧の低下を判定するための温度閾値であり、例えば５０℃である。図２に示すように、貯湯水の水圧が低下するにつれて、貯湯水の溶存空気の割合は低下する。つまり、第一貯湯水循環ライン２２内の貯湯水の水圧が低下すると、熱交換器１２内において気泡が発生し易くなる。第一貯湯水循環ライン２２内の貯湯水の水圧の低下に伴い、ステップＳ１２において、熱交換器１２内での気泡が発生したと判定される度に、ステップＳ１４において、制御温度Ｔ２ｂｎが第一規定温度Δａだけ低下される。そして制御温度Ｔ２ｂｎが、第一異常温度Ｔ２ｘまで低下している場合には、第一貯湯水循環ライン２２内の貯湯水の水圧が相当低下している。ステップＳ３１が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ３２に進める。

ステップＳ３２において、制御装置１５（異常判定部）は、第一貯湯水循環ライン２２内において貯湯水の水圧が相当に低下している「水圧異常」と判定する。ステップＳ３２が終了すると、制御装置１５は、プログラムをＳ３３に進める。
ステップＳ３３において、制御装置１５は、「水圧異常」である旨及び、第一貯湯水循環ライン２２内の貯湯水の水圧を上げなければならいとの指示を報知部１７で報知させる。ステップＳ３３が終了すると、制御装置１５は、プログラムをＳ３４に進める。

ステップＳ３４において、制御装置１５（運転停止部）は、制御温度Ｔ２ｂｎが、第二異常温度Ｔ２ｙよりも高いと判断した場合には（ステップＳ３４：ＹＥＳ）、プログラムをＳ１２に戻す。一方で、制御装置１５（運転停止部）は、制御温度Ｔ２ｂｎが第二異常温度Ｔ２ｙ以下であると判断した場合には（ステップＳ３４：ＮＯ）、プログラムをＳ３５に進める。第二異常温度Ｔ２ｙは、熱交換器１２がスケール等の異物によって殆ど閉塞されたか否かを判定するための温度閾値であり、例えば３０℃である。熱交換器１２がスケール等の異物によって殆ど閉塞され、第一貯湯水循環ライン２２内を貯湯水が殆ど流通していない場合には、熱交換器１２内において気泡が発生し続ける。すると、ステップＳ１２の処理で熱交換器１２において気泡が発生したと判断され、ステップＳ１４の処理において、制御温度Ｔ２ｂｎが第一規定温度Δａずつ低下されることが繰り返され、制御温度Ｔ２ｂｎが第二異常温度Ｔ２ｙ以下となってしまう。

ステップＳ３５において、制御装置１５（運転停止部）は、熱交換器１２が殆ど閉塞されている旨の異常を報知部１７で報知させる。ステップＳ３５が終了すると、制御装置１５は、プログラムをＳ３６に進める。
ステップＳ３６において、制御装置１５（運転停止部）は、「異常停止処理」を実行する。具体的には、制御装置１５は、原料供給ポンプ１１ａ１、改質水ポンプ１１ｂ１、及びカソードエアブロワ１１ｃ１の駆動を停止して、燃料電池３４への改質用原料、改質水、及びカソードエアの供給を停止させて、燃料電池３４での発電を停止させる。また、制御装置１５は、循環ポンプ２２ａを停止させて、第一貯湯水循環ライン２２内における貯湯水の流通を停止させる。ステップ３６が終了すると、「循環ポンプ制御処理」が終了する。

（本実施形態の効果）
以上の説明から明らかなように、「気泡排出制御」の実行後の度に、循環ポンプ２２ａが吐出する貯湯水の流量を増大させることにより、熱交換器１２から流出する貯湯水の温度である回収温度Ｔ２を、前回気泡が発生する前と比べて低下させる「温度低下制御」が実行される（図３のステップＳ１４）。これによれば、貯湯水に溶存可能な空気量は貯湯水の温度が低くなるに従って多くなることから、回収温度Ｔ２が低下されることによって、熱交換器１２内において貯湯水から排出される空気量を低減させることができる。このため、熱交換器１２内における気泡の発生を抑制させることができ、「気泡排出制御」の頻繁な実行が抑制される。よって、貯湯槽２１内の貯湯水の温度成層の崩壊を抑制することができ、燃料電池システム１００の運転効率を向上させることができる。

また、貯湯槽２１と貯湯水使用機器９１０との間で貯湯水が循環する第二貯湯水循環ライン９３０はクローズド型であるので、貯湯槽２１、第一貯湯水循環ライン２２、及び第二貯湯水循環ライン９３０に、空気が溶存した水が継続して流入することが無い。このため、「温度低下制御」が実行されれば、熱交換器１２内における気泡の発生が抑制された状態を維持させることができる。また、「温度低下処理」の実行後において、再び熱交換器１２内において気泡の発生が判定されると、再び「温度低下処理」が実行されて、回収温度Ｔ２が低下される。これにより、より貯湯水に溶存可能な空気量が増大し、より熱交換器１２内における気泡の発生を抑制させることができる。

図２に示すように、貯湯水の水圧が低下すると、貯湯水の溶存空気の割合は低下する。第一貯湯水循環ライン２２内の貯湯水の水圧が低下し、この貯湯水に溶存している空気が排出され、熱交換器１２内で気泡が発生した場合であっても（ステップＳ１２でＹＥＳと判断）、「温度低下制御」が実行されることにより（ステップＳ１４）、熱交換器１２内において貯湯水から排出される空気量を低減させることができる。このため、貯湯水の水圧の低下に伴う熱交換器１２内における気泡の発生を抑制させることができ、「気泡排出制御」の頻繁な実行が抑制される。

また、制御装置１５（温度上昇部）は、熱交換器１２内において気泡の発生が判定されなかった時間が規定時間ｔｒを越えた場合に（ステップＳ２１でＹＥＳと判断）、循環ポンプ２２ａが吐出する貯湯水の流量が減少されて、定常温度Ｔ２ａを上限として回収温度Ｔ２が上昇される（ステップＳ２２）。このため、気泡の発生が判定されなかった時間が規定時間ｔｒを越えた場合に、つまり、熱交換器１２内において貯湯水から気泡が発生する可能性が低い状態において、回収温度Ｔ２を定常温度Ｔ２ａに復帰させることができる。また、循環ポンプ２２ａが吐出する貯湯水の流量が減少されるので、同じ熱量でも高温の湯を少量ためることで、貯湯槽２１内が高温の湯で満水となる時間を延長させることができる。このため、熱交換器１２内の流入側の貯湯水の温度と、熱交換器１２内の流出側の貯湯水の温度との間の温度差が小さくなってしまうことに起因する熱交換器１２における熱回収効率の低下が抑制され、燃料電池システム１００の運転効率を向上させることができる。

貯湯槽２１が温度的に満水になった場合には、ラジエータ（不図示）によって貯湯槽２１の下部から熱交換器１２に供給される貯湯水を冷却させなければ、熱交換器１２において排気ガスに含まれる水蒸気を水に凝縮させて改質水に再利用させることができない。本実施形態では、上述したように、貯湯槽２１内において貯湯水が温度的に満水となる時間を延長させることができるので、ラジエータによって冷却される貯湯水の熱量を低減させることができ、燃料電池システム１００の運転効率を向上させることができる。

また、ステップＳ１４において、制御装置１５（温度低下部）は、上式（１）に基づいて、制御温度Ｔ２ｂｎを演算する。つまり、制御装置１５（温度低下部）は、熱交換器１２内において気泡の発生が判定された回数ｎに第一規定温度Δａを乗算した値を定常温度Ｔ２ａから減算して、制御温度Ｔ２ｂｎを演算する。そして、制御装置１５（温度低下部）は、第二温度センサ１２ｅによる検出結果に基づいて、回収温度Ｔ２が制御温度Ｔ２ｂｎとなるように、循環ポンプ２２ａをフィードバック制御する。これにより、熱交換器１２内において気泡が発生する度に、制御温度Ｔ２ｂｎが確実に低下して、回収温度Ｔ２が確実に低下される。このため、確実に熱交換器１２内での気泡の発生を抑制することができ、「気泡排出制御」の頻繁な実行がより抑制される。

制御装置１５（異常判定部）は、制御温度Ｔ２ｂｎが、第一異常温度Ｔ２ｘ以下となった場合に、異常と判定する（ステップＳ３１でＮＯと判断）。貯湯水の水圧が低下するにつれて、貯湯水の溶存空気の割合は低下する。つまり、第一貯湯水循環ライン２２内の貯湯水の水圧が低下するにつれて、熱交換器１２内において気泡が発生し易くなる。このため、第一貯湯水循環ライン２２内の貯湯水の水圧の低下に伴い、熱交換器１２内で気泡が発生して、「気泡排出制御」が実行され、その度に、制御温度Ｔ２ｂｎが低下される。そこで、制御装置１５（異常判定部）は、制御温度Ｔ２ｂｎが第一異常温度Ｔ２ｘ以下となった場合に、第一貯湯水循環ライン２２内の貯湯水の水圧が相当低下している異常が発生していると判定する（ステップＳ３２）。これより、第一貯湯水循環ライン２２内の貯湯水の水圧の低下の異常が検出可能となる。

制御装置１５（運転停止部）は、制御温度Ｔ２ｂｎが、第一異常温度Ｔ２ｘよりも低い第二異常温度Ｔ２ｙ以下となった場合に（ステップＳ３４でＮＯと判断）、燃料電池３４及び循環ポンプ２２ａを停止させる（ステップＳ３６）。熱交換器１２が異物によって殆ど閉塞され、第一貯湯水循環ライン２２内を貯湯水が殆ど流通しない場合には、熱交換器１２内において気泡が発生し続ける。すると、ステップＳ１４において、「温度低下制御」が実行され続け、制御温度Ｔ２ｂｎが低下され続けてしまう。そこで、制御装置１５（運転停止部）は、制御温度Ｔ２ｂｎが第二異常温度Ｔ２ｙ以下となった場合に、燃料電池３４及び循環ポンプ２２ａを停止させる。これにより、熱交換器１２の閉塞に伴う燃料電池システム１００の他の装置の二次故障が防止される。

また、貯湯槽２１には、貯湯槽２１の内部から貯湯槽２１の外部への空気の流出は許容するが、貯湯槽２１の外部から貯湯槽２１の内部への空気の流入は許容しないエア抜き弁２５が設けられている。これにより、貯湯水に溶存していた空気が、エア抜き弁２５を介して貯湯槽２１の外部に排出される。また、貯湯槽２１の外部から貯湯槽２１の内部への空気の侵入が防止されるので、貯湯水に再び空気が溶存してしまうことを防止することができる。このため、貯湯水の溶存空気量を低い状態に維持することができる。

（別の実施形態）
以上説明した実施形態では、ステップＳ１４において、制御装置１５（温度低下部）は、上式（１）に基づいて、制御温度Ｔ２ｂｎを演算している。そして、制御装置１５（温度低下部）は、第二温度センサ１２ｅからの検出信号に基づいて、フィードバック制御によって、熱交換器１２から流出する貯湯水の回収温度Ｔ２が制御温度Ｔ２ｂｎとなるように、循環ポンプ２２ａを制御する。しかし、制御装置１５（温度低下部）が、循環ポンプ２２ａが吐出する貯湯水の流量を所定流量増大させることにより、回収温度Ｔ２を所定温度低下させる実施形態であっても差し支え無い。

同様に、ステップＳ２２において、制御装置１５（温度上昇部）が、循環ポンプ２２ａが吐出する貯湯水の流量を所定流量低下させることにより、回収温度Ｔ２を所定温度上昇させる実施形態であっても差し支え無い。

図３のステップＳ１２やステップＳ３１において、制御装置１５は、熱交換器１２内における貯湯水の温度Ｔ１が第一規定閾値Ｔａ以上であると複数回以上判断した場合に、或いは、熱交換器１２から流出する貯湯水の温度Ｔ２が第二規定閾値Ｔｂ以上であると複数回以上判断した場合に、熱交換器１２内において気泡が発生したと判断する実施形態であっても差し支え無い。

１２…熱交換器、１２ｄ…第一温度センサ（温度検出部）、１２ｅ…第二温度センサ（温度検出部）、１５…制御装置（気泡発生判定部、気泡排出部、温度低下部、温度上昇部、水圧低下判定部、運転停止部）、１５ａ…記憶部、２１…貯湯槽、２２…第一貯湯水循環ライン、２５…エア抜き弁、３４…燃料電池、２２ａ…循環ポンプ（ポンプ）、１００…燃料電池システム、９１０…貯湯水使用機器、９３０…第二貯湯水循環ライン

Claims (6)

1. 燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
   貯湯水が貯湯される密閉空間である貯湯槽と、
   前記燃料電池から排気された排気ガスと前記貯湯水とを熱交換させる熱交換器と、
   前記貯湯槽と前記熱交換器との間で前記貯湯水が循環する第一貯湯水循環ラインと、
   前記第一貯湯水循環ラインに設けられ、前記貯湯水を前記貯湯槽と前記熱交換器との間で循環させるポンプと、
   前記貯湯水が使用される貯湯水使用機器と前記貯湯槽との間で前記貯湯水が循環するクローズド型の第二貯湯水循環ラインと、
   前記ポンプが吐出する前記貯湯水の流量を調整して、前記熱交換器から流出する前記貯湯水の温度である回収温度を定常温度にして定常運転を実行する定常運転部と、
   前記熱交換器内において気泡が発生したか否かを判定する気泡発生判定部と、
   前記気泡発生判定部によって前記熱交換器内において前記気泡が発生したと判定された場合に、前記ポンプが吐出する前記貯湯水の流量を、前記定常運転が実行されている時と比べて増大させて、前記気泡を前記熱交換器から排出する気泡排出制御を実行する気泡排出部と、
   前記気泡排出制御の実行後の度に、前記ポンプが吐出する前記貯湯水の流量を、前回実行された前記気泡排出制御の実行前であって前記気泡が前回発生した時の前記貯湯水の流量より増大させることにより、前記熱交換器から流出する前記貯湯水の温度である回収温度を、前回前記気泡が発生する前と比べて低下させる温度低下制御を実行する温度低下部と、
   を有する燃料電池システム。
2. 前記温度低下制御の実行後に、前記気泡発生判定部によって前記気泡の発生が判定されなかった時間が規定時間を越える度に、前記ポンプが吐出する前記貯湯水の流量を減少させることにより、前記回収温度を、前記定常温度を上限として上昇させる温度上昇制御を実行する温度上昇部を有する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記回収温度を検出する温度検出部を有し、
   前記温度低下部は、
   前記気泡発生判定部によって前記気泡の発生が判定された回数に規定温度を乗算した値を前記定常温度から減算して、制御温度を演算し、
   前記温度検出部による検出結果に基づいて、前記回収温度が前記制御温度となるように、前記ポンプを制御する請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御温度が、第一異常温度以下となった場合に、異常と判定する異常判定部を有する請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御温度が、前記第一異常温度よりも低い第二異常温度以下となった場合に、前記燃料電池及び前記ポンプを停止させる運転停止部を有する請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記貯湯槽には、前記貯湯槽の内部から前記貯湯槽の外部への空気の流出は許容するが、前記貯湯槽の外部から前記貯湯槽の内部への空気の流入は許容しないエア抜き弁が設けられている請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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