JP6508450B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池から排出された排ガスから発電に必要となる水を回収することができる燃料電池システムに関する。

燃料電池で発電するにあたり、例えば、原料を水蒸気改質するときなどに水が必要となる。そこで、このような発電に必要とされる水を燃料電池から排出された排ガスから回収することができる燃料電池発電装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載された燃料電池発電装置は、燃料電池から排出される酸化剤ガスを凝縮する凝縮器を備え、凝縮器から排出される凝縮水を燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一方の加湿に利用する。

特開２００３−４５４７１号公報

本発明は、発電に用いるための水を外部から供給することなく得ることができるとともに、発電量の低下を抑制する燃料電池システムを提供する。

本発明に係る燃料電池システムの一態様（ａｓｐｅｃｔ）は、上記した課題を解決するために、燃料電池と、前記燃料電池から排出される排ガスと熱媒体との間で熱交換し、該排ガスの温度を低下させ、該燃料電池の発電に利用する水を回収する熱交換部と、前記熱交換部における前記排ガスとの熱交換により加熱された前記熱媒体を貯蔵する貯蔵タンクと、前記貯蔵タンク内の前記熱媒体の温度状態を検知する検知部と、前記貯蔵タンク内の前記熱媒体を、前記熱交換部を通じて循環させる循環流路と、前記循環流路を流通する前記熱媒体を放熱させる放熱部と、前記循環流路を流通する前記熱媒体を加熱するヒータと、前記放熱部により前記熱媒体から放熱させることが可能な最大放熱量から、前記熱交換部および前記ヒータにおいて該熱媒体に伝熱させた熱量を差し引くことで求められる値である、前記放熱部の放熱余裕度を算出する算出部と、前記燃料電池の発電出力を制御する出力制御部と、を備え、前記出力制御部は、前記検知部の検知結果に基づき前記貯蔵タンク内の前記熱媒体が満蓄状態に達したと判定した場合、前記算出部により算出される前記放熱余裕度が正の値となる範囲内で、予め設定されている前記燃料電池の発電量の下限値である最低発電出力よりも大きくなるように前記燃料電池の発電出力を制御する。

本発明の一態様によれば、発電に用いるための水を外部から供給することなく得ることができるとともに、発電量の低下を抑制することができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。 図２に示す燃料電池システムの実施例１に関する概略構成の一例を示すブロック図である。 図２に示す燃料電池システムの実施例２に関する概略構成の一例を示すブロック図である。 図４に示す実施例２の燃料電池システムの変形例に関する概略構成の一例を示すブロック図である。

（本発明の一形態を得るに至った経緯）
本発明者らは、発電時に発生する排ガスから熱を回収し、回収した熱により加熱された水を貯留する貯湯タンクを備えた燃料電池システムに関して鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。

まず、燃料電池は、高い発電効率と高品位な排熱の二次利用とを可能とするため、分散電源としての利用が期待されている。燃料電池を分散電源として利用する分散型発電システムを有効に機能させるためには、発電時に原料を安定的に供給する必要がある。なお、一般的に、燃料電池の原料は、既存のインフラストラクチャーから供給される、例えば、天然ガスを主成分とする天然ガス（都市ガス）、ＬＰＧ、ガソリン、灯油等が利用される。

ところで、燃料電池は、水素含有ガス（改質ガス）と、空気等の酸化剤ガスとを電気化学反応（発電反応）させることにより、電力と熱とを同時に発生させる。ここで、供給された原料に対する代表的な改質方法としては、空気の共存下で改質を行う部分酸化改質と、水蒸気の共存下で改質を行う水蒸気改質が挙げられる。前者よりも後者の方が、発電効率が高くなるため、同量の原料消費における稼動時間が後者の方が長くなり、燃費が節約できる。このため燃料電池を分散電源として利用する場合、水蒸気改質により原料を改質する構成の方が有利である。

しかしながら、水蒸気改質により改質ガスを生成し、燃料電池を分散電源として利用する分散型発電システムを機能させるためには、上記した原料に加えて、水を安定的に該分散型発電システムに供給する必要がある。ここで、燃料電池から排出された排ガスには水分が含まれている。そこで、発電に利用する水を排ガス中から回収することで安定的な水の供給を図ることができる。なお、このように外部の水源から水を供給させることなく、系内で水を回収し、この水の供給を行うことができることを水自立できると称する。

ここで、本発明者らが、このように排ガス中の水を回収して安定的に水の供給を図る構成を有しつつ、発電時に発生する熱を湯として貯める貯湯タンクを備えた燃料電池システムの動作を検討したところ以下の問題が生じることに気がついた。

すなわち、貯湯タンク内が満蓄状態となった場合であって、貯湯タンク内の湯を外部に排出させることができない構成のとき、燃料電池は貯湯タンクの上限蓄熱量を超えないようにするために、発電出力を下げ、排出ガスから回収される熱量を下げる必要がある。このとき、発電出力を予め設定された下限値まで下げると発電量が低下し、例えば、家庭などで消費する電力量のうち、燃料電池の発電により賄える電力量が小さくなってしまい、経済性が低下する場合があった。なお、これ以降では、燃料電池において予め設定された発電出力の下限値を、最低発電出力Ｑ４と称する。

例えば、背景技術で提示した特許文献１の燃料電池発電装置は、排ガスと循環水との熱交換で凝縮を行う凝縮器の熱交換能力を基に、燃料電池の発電出力を制御する構成となっている。このような構成で貯湯タンクが満蓄状態となった場合、燃料電池における水自立は維持できるが、発電により賄える電力量の低下を防ぐ事ができない場合があることを見出し、本発明に至った。そして、本発明では具体的には以下に示す態様を提供する。

本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池から排出される排ガスと熱媒体との間で熱交換し、該排ガスの温度を低下させ、該燃料電池の発電に利用する水を回収する熱交換部と、前記熱交換部における前記排ガスとの熱交換により加熱された前記熱媒体を貯蔵する貯蔵タンクと、前記貯蔵タンク内の前記熱媒体の温度状態を検知する検知部と、前記貯蔵タンク内の前記熱媒体を、前記熱交換部を通じて循環させる循環流路と、前記循環流路を流通する前記熱媒体を放熱させる放熱部と、前記循環流路を流通する前記熱媒体を加熱するヒータと、前記放熱部により前記熱媒体から放熱させることが可能な最大放熱量から、前記熱交換部および前記ヒータにおいて該熱媒体に伝熱させた熱量を差し引くことで求められる値である、前記放熱部の放熱余裕度を算出する算出部と、前記燃料電池の発電出力を制御する出力制御部と、を備え、前記出力制御部は、前記検知部の検知結果に基づき前記貯蔵タンク内の前記熱媒体が満蓄状態に達したと判定した場合、前記算出部により算出される前記放熱余裕度が正の値となる範囲内で、予め設定されている前記燃料電池の発電量の下限値である最低発電出力よりも大きくなるように前記燃料電池の発電出力を制御する。

上記構成によると、熱交換部を備えるため、排ガスと熱媒体との間における熱交換により排ガスから燃料電池の発電に利用する水を回収することができる。すなわち、外部の水源から水を供給することなく系内にて発電に利用する水を回収することができる。

また、放熱部、熱交換部、ヒータを備えるため、循環流路を流通する熱媒体の温度を調整することができる。さらに、算出部を備えるため、放熱部における放熱余裕度を求めることができる。このため、貯蔵タンク内の熱媒体が満蓄状態に達したときに、熱媒体放熱部で放熱させ、熱媒体の温度を低下させることができるか否か把握することができる。また、出力制御部を備えるため、放熱余裕度が正の値となる範囲内で、つまり、放熱部において熱媒体を放熱することができる範囲内で、最低発電出力よりも大きい発電出力となるように燃料電池の発電出力を制御することができる。

したがって、本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、満蓄状態に達したと判定された場合に最低発電出力で燃料電池が発電を行う構成と比較して、燃料電池の発電により賄える発電量の低下を抑制することができる。

よって、発電に用いるための水を外部から供給することなく得ることができるとともに、発電量の低下を抑制することができるという効果を奏する。

本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１の態様において、前記算出部は、前記放熱部における熱交換量を算出することで、前記熱媒体の放熱量の最大値を求める第１熱交換量算出部と、前記熱交換部における熱交換量を算出することで、前記排ガスから前記熱媒体に伝熱した熱量を求める第２熱交換量算出部と、前記ヒータにより出力される熱量を検知することで、該ヒータから前記熱媒体に伝熱した熱量を求めるヒータ出力検知部と、前記第１熱交換量算出部によって求めた前記熱媒体からの放熱量の最大値から、前記第２熱交換量算出部および前記ヒータ出力検知部により求めた、前記熱媒体に伝熱した熱量を差し引いて前記放熱部の前記放熱余裕度を算出する放熱余裕度算出部と、を備えるように構成されていてもよい。

本発明の第３の態様に係る燃料電池システムは、上記した第２の態様において、前記循環流路を流通する前記熱媒体の流量を検知する熱媒体流量検知部と、前記放熱部に流入する前記熱媒体の温度である放熱部入口温度を測定する放熱部入口温度センサと、前記放熱部から流出する前記熱媒体の温度である放熱部出口温度を測定する放熱部出口温度センサと、をさらに備え、前記第１熱交換量算出部は、前記放熱部入口温度センサによって測定された放熱部入口温度と、前記放熱部出口温度センサによって測定された放熱部出口温度と、前記熱媒体流量検知部により検知された前記循環流路を流通する熱媒体の流量とから、前記放熱部における熱交換量を算出するように構成されていてもよい。

本発明の第４の態様に係る燃料電池システムは、上記した第２の態様において、前記循環流路を流通する前記熱媒体の流量を検知する熱媒体流量検知部と、前記熱交換部に流入する前記熱媒体の温度である熱交換部入口温度を測定する第１熱交換部入口温度センサと、前記熱交換部から流出する前記熱媒体の温度である熱交換部出口温度を測定する第１熱交換部出口温度センサと、をさらに備え、前記第２熱交換量算出部は、前記第１熱交換部入口温度センサによって測定された熱交換部入口温度と、前記第１熱交換部出口温度センサによって測定された熱交換部出口温度と、前記熱媒体流量検知部により検知された前記循環流路を流通する前記熱媒体の流量とから、前記熱交換部における熱交換量を算出するように構成されていてもよい。

本発明の第５の態様に係る燃料電池システムは、上記した第２の態様において、前記燃料電池から排出される前記排ガスが流通する排ガス流路と、前記排ガス流路を流通する前記排ガスの流量を検知する排ガス流量検知部と、前記熱交換部に流入する前記排ガスの温度である熱交換部入口温度を測定する第２熱交換部入口温度センサと、前記熱交換部から流出する前記排ガスの温度である熱交換部出口温度を測定する第２熱交換部出口温度センサと、をさらに備え、前記第２熱交換量算出部は、前記第２熱交換部入口温度センサによって測定された前記熱交換部入口温度と、前記第２熱交換部出口温度センサによって測定された前記熱交換部出口温度と、前記排ガス流量検知部により検知された前記循環流路を流通する前記排ガスの流量とから、前記熱交換部における熱交換量を算出するように構成されていてもよい。

以下、各実施の形態の具体例について図面を参照しながら説明する。

なお、以下では、全ての図面を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する場合がある。

（実施の形態）
（燃料電池システムの構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。

図１に示すように、燃料電池システムは、燃料電池１と、熱交換部２と、放熱部３と、貯蔵タンク４と、検知部４１と、循環流路８と、ヒータ５と、算出部６と、出力制御部７と、を備えてなる構成である。

燃料電池１は、燃料と空気（発電用空気）との反応により発電を行うものであり、例えば、高温動作可能なＳＯＦＣ等を例示することができる。燃料は、例えば、天然ガスを主成分とする天然ガス（都市ガス）等の原料を改質して得られた水素含有ガスを利用することができる。また、燃料電池１は定格時の発電出力および最低発電出力Ｑ４が予め設定されており、最低発電出力Ｑ４を下限値として何段階かに発電出力を切り替えることができるように構成されている。

熱交換部２は、燃料電池１から排出される排ガスと熱媒体との間で熱交換し、この排ガスの温度を低下させ、燃料電池１の発電に利用する水を回収する。つまり、熱交換部２は、燃料電池１から排出される排ガスと熱媒体との熱交換により、排熱を熱媒体によって回収することができる。また、熱媒体によって排熱が回収されることで排ガスの温度が降下される。このため、排ガス中に含まれる水分を凝縮させ、水を得ることができる。なお、熱交換部２としては、例えば、プレート型熱交換器が例示することができるが、これに限定されない。なお、本実施の形態１に係る燃料電池システムでは熱媒体として水を例示できる。また、発電に利用する水とは、例えば、燃料電池１が水蒸気改質反応によって原料を改質する構成の場合、この水蒸気改質反応で利用するための改質水とすることができる。熱交換部２は、特に図示していないが、排ガス中から得た水を貯留する凝縮水タンクと配管を通じて接続された構成であってもよい。

貯蔵タンク４は、熱交換部２における排ガスとの熱交換により加熱された熱媒体を貯蔵する。本実施の形態１に係る燃料電池システムにおいて、熱媒体を水としたとき、貯蔵タンク４は、貯湯タンクを例示することができる。貯蔵タンク４には、図１に示すように循環流路８が接続されており、貯蔵タンク４内の熱媒体が該循環流路８を流通して、熱交換部２およびヒータ５で加熱され戻ってくるように構成されている。また、貯蔵タンク４を貯湯タンクとする場合、特に図示していないが、貯湯タンクは例えば市水を給水するための給水流路と、貯湯タンク内に貯留された湯を設備内に給湯するための給湯流路とが設けられた構成となっていてもよい。そして、給湯流路を通じて貯湯タンク内の湯が消費された場合、その消費した分を賄うように給水流路を通じて水が供給される。なお、この貯蔵タンク４には検知部４１が設けられている。

検知部４１は、貯蔵タンク４内の熱媒体の温度状態を検知する。検知部４１は、貯蔵タンク４内において所定温度以上となる熱媒体の量を検知する。ここで所定温度とは、熱交換部２およびヒータ５により加熱された熱媒体が貯蔵タンク４内に貯留される際に設定されている温度である。検知部４１は、例えば、円筒形の貯蔵タンク４において鉛直方向に所定間隔で設けられ、この貯蔵タンク４内に貯留されている熱媒体の温度を測定する複数の温度センサによって実現できる。検知部４１は、検知結果を主制御部に送信する。

なお、検知部４１により貯蔵タンク４内のすべての位置で、熱媒体の温度がこの所定温度以上となったと検知された場合、これ以上、燃料電池システムにおいて蓄熱運転が不可能となる。燃料電池システムでは、このように蓄熱運転が不可能になった状態となったとき、主制御部が貯蔵タンク４は満蓄と判定する。

循環流路８は、貯蔵タンク４内の熱媒体を、熱交換部２を通じて循環させる流路である。循環流路８は、例えば、この循環流路８中に設けられる機器とこれらの機器を接続する配管またはホース等で構成される。

放熱部３は、循環流路８を流通する熱媒体を放熱させる。放熱部３は、例えば、熱媒体と空気との間で熱交換を行う熱交換器と該熱交換器に空気を供給するファンとから構成することができる。例えば、主制御部が、ファンの回転数を制御して単位時間当たりに移動させる空気量を調整したり、循環流路８を流通させる熱媒体の単位時間あたりの流量を調整したりすることで、放熱部３による熱媒体の放熱量を制御することができる。

なお、放熱部３を熱交換器とファンとから構成する場合、熱交換器は、主にプレートフィン型熱交換器を用いることができるが、これに限定されるものではない。また、ファンは、外部から熱交換器に空気を供給し、該空気と熱媒体との間で熱交換させることにより、熱媒体を放熱させるものであればよい。ファンとしては、例えば、軸流ファンを用いることができるが、これに限定されるものではない。

ヒータ５は、循環流路８を流通する熱媒体を加熱する。本実施の形態に係る燃料電池システムでは、運転中、電力負荷に対して燃料電池１の発電出力が大きくなってしまう場合がある。このような場合では、燃料電池１の発電で得られた電力が余ってしまう。そこで、その余剰分の電力を利用してヒータ５を稼働させる。また、ヒータ５は、燃料電池１以外の別の電力供給源にも接続されていてもよい。このように別の電力供給源と接続されている構成の場合、上記した余剰分の電力がないときであっても、必要に応じて該ヒータ５を稼働させることができる点で有利である。ヒータ５は、主として循環流路８の一部を構成する配管と一体になったヒータが用いられるが、これに限定されるものではない。

算出部６は、放熱部３により熱媒体から放熱させることが可能な最大放熱量から、熱交換部２およびヒータ５により熱媒体に伝熱させた熱量を差し引くことで求められる値である、放熱部３の放熱余裕度を算出する。ここで、熱媒体の放熱量は、該熱媒体の保有する熱量と循環流路８を流通する熱媒体の流量に起因して変動する。このため、最大放熱量とは、放熱余裕度を算出する際の熱媒体を、最大流量で循環流路８を流通させ、放熱部３の放熱能力を最大限に発揮させたときに求められる放熱量（熱交換量）の値である。

出力制御部７は、燃料電池１の発電出力を制御する。より具体的には出力制御部７は、検知部４１の検知結果に基づき貯蔵タンク４内の熱媒体が満蓄状態に達したと判定した場合、算出部６により算出される放熱余裕度が正の値となる範囲内で、予め設定されている燃料電池１の発電量の下限値である最低発電出力よりも大きくなるように燃料電池１の発電出力を制御する。出力制御部７は、例えば、燃料電池１に燃料を供給する燃料供給ポンプおよび発電用空気を供給する空気ブロワの流量をそれぞれ調節する事によって、燃料電池１の発電出力を制御することができる。

なお、算出部６と出力制御部７とは、例えば、主制御部が不図示のメモリから読み出したプログラムを実行することで、実現することができる。主制御部は、燃料電池システムが備える各部の各種動作を制御するものであり、不図示の演算処理部およびメモリを備えてなる構成である。演算処理部としては、ＭＰＵ、またはＣＰＵが例示され、メモリとしては、例えば不揮発性メモリ等が例示されるがこれに限定されるものではない。また、本実施の形態に係る燃料電池システムでは、１つの主制御部により算出部６と出力制御部７とを実現させる構成としたが、それぞれが別々の制御部によって実現される構成としてもよい。

ここで、図２を参照して、算出部６の構成についてより詳細に説明する。図２は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。図２に示すように算出部６は、第１熱交換量算出部６１と、第２熱交換量算出部６２と、ヒータ出力検知部６３と、放熱余裕度算出部６４を備える。

第１熱交換量算出部６１は、放熱部３における熱交換量を算出することで、熱媒体の放熱量の最大値を求める。すなわち、貯蔵タンク４内が満蓄状態に達したと判定した際、その時点の熱媒体を、最大流量で循環流路８を流通させたときの、放熱部３における熱交換量を第１熱交換量算出部６１は算出し、熱媒体の放熱量の最大値である最大放熱量（最大熱交換量）Ｑ２を求める。

第２熱交換量算出部６２は、熱交換部２における熱交換量を算出することで、熱交換部２において排ガスから熱媒体に伝熱した熱量（熱交換量Ｑ１）を求める。

ヒータ出力検知部６３は、ヒータ５により出力される熱量を検知することで、ヒータ５から熱媒体に伝熱した熱量を求める。ヒータ出力検知部６３は、例えば、電力負荷と燃料電池１の出力との差から余剰の電力を求め、該電力からヒータ５により熱媒体に伝熱させた熱量（伝熱量Ｑ３）を求める構成としてもよい。

放熱余裕度算出部６４は、第１熱交換量算出部６１によって求めた放熱部３の最大放熱量Ｑ２から、第２熱交換量算出部６２およびヒータ出力検知部６３により求めた、これらから熱媒体に伝熱させた熱量（Ｑ１＋Ｑ３）を差し引いて放熱部３の放熱余裕度を算出する。放熱余裕度算出部６４は、算出した結果を出力制御部７に出力する。

（燃料電池の出力制御）
次に、上述した図２を参照して、燃料電池システムにおける燃料電池１の出力制御について説明する。より具体的には、貯蔵タンク４が満蓄状態となったと判定された時における燃料電池１の出力制御について説明する。

まず、主制御部の出力制御部７は、検知部４１による検知結果に基づき、貯蔵タンク４内が満蓄状態に達したか否か判定する。ここである時刻ｔ０において、出力制御部７が満蓄状態に達したと判定した場合、放熱余裕度を算出するように算出部６に指示する。この出力制御部７からの指示に応じて、算出部６では、第１熱交換量算出部６１が満蓄状態に達したと判定した時点（時刻ｔ０）における放熱部３による最大放熱量（最大熱交換量）Ｑ２を算出する。つまり、第１熱交換量算出部６１は、時刻ｔ０のときの、放熱部３における熱媒体の入出温度と、循環流路８を流通する熱媒体の流量の最大値とから最大放熱量Ｑ２を計算する。また、第２熱交換量算出部６２が、熱交換部２における排ガスと熱媒体との間の熱交換量Ｑ１を算出する。さらに、ヒータ出力検知部６３が、ヒータ５により出力される熱量を示す伝熱量Ｑ３を算出する。そして、算出部６では、放熱余裕度算出部６４が、算出された最大放熱量Ｑ２から算出された熱交換量Ｑ１および伝熱量Ｑ３を差し引き、放熱部３の放熱余裕度を算出する。

ここで、算出部６により算出された放熱余裕度が０以上の場合（Ｑ２−Ｑ１−Ｑ３≧０の場合）、出力制御部７は、次の時刻ｔ１において、最低発電出力Ｑ４よりも放熱余裕度分だけ発電出力を大きくした発電量（Ｑ４＋Ｑ２−Ｑ１−Ｑ３）で出力するように燃料電池１を制御する。なお、ｔ０は満蓄状態に達したと判定したときの時刻である。一方、ｔ１は、出力制御部７からの指示に応じた発電出力を、燃料電池１が出力する時刻であり、ｔ１は、ｔ０に出力制御部７からの制御指示に燃料電池１が応答するために必要な時間Δｔを加えた時刻となる。

ところで、満蓄状態に達したと判定された場合、燃料電池１は停止させられるか、もしくは予め設定されている最低発電出力Ｑ４にて発電が継続される。燃料電池１がＳＯＦＣの場合は、再起動までに時間がかかったり、スタックが破損したりする等の理由から燃料電池１を停止させることを選択できないため、最低発電出力Ｑ４で発電することとなる
また、放熱余裕度が０以上の場合とは、放熱部３において熱媒体をさらに放熱させる余力があるということであり、満蓄状態に達したと判定された時点（ｔ０）において、燃料電池１は、最低発電出力Ｑ４で発電するよりも、より大きな発電出力で発電させることができる。本実施の形態に係る燃料電池システムでは、燃料電池１は、上記したように最低発電出力Ｑ４よりも放熱余裕度の分だけ発電出力をあげて発電する構成であるがこれに限定されるものではない。燃料電池１は、少なくとも放熱余裕度が正の値となる範囲内で、最低発電出力Ｑ４よりも大きな発電出力となるように構成されていればよい。

以上のように、放熱余裕度が０以上の場合（Ｑ２−Ｑ１−Ｑ３≧０の場合）、燃料電池１の発電出力を、あらかじめ設定された最低発電出力Ｑ４よりも高くできる。このため、満蓄状態に達したと判定された場合に最低発電出力Ｑ４で燃料電池１が発電を行う構成と比較して、燃料電池１の発電により賄える発電量の低下を抑制することができる。

一方、算出部６により算出された放熱余裕度が０未満の場合（Ｑ２−Ｑ１−Ｑ３＜０の場合）、出力制御部７は、時刻ｔ１において、最低発電出力Ｑ４で出力するように燃料電池１を制御する。

（実施例１）
次に、本実施の形態に係る燃料電池システムの実施例１について図３を参照して説明する。実施例１では、第１熱交換量算出部６１による放熱部３における熱交換量の算出方法の一例について説明する。図３は、図２に示す燃料電池システムの実施例１に関する概略構成の一例を示すブロック図である。

図３に示すように、実施例１に係る燃料電池システムは、図２に示す実施の形態に係る燃料電池システムの構成において、さらに、熱媒体流量検知部９と、放熱部入口温度センサ３３と、放熱部出口温度センサ３４とを備える点で異なる。それ以外の点については同一となるため、同一部材には同じ符号を付し、それら部材の説明については省略する。

熱媒体流量検知部９は、循環流路８を流通する熱媒体の流量を検知する。例えば、特に図示していないが、循環流路８には、貯蔵タンク４に貯留された熱媒体を循環させるための循環ポンプが設けられている。そこで、熱媒体流量検知部９は、この循環ポンプへの入力電流と電圧および該循環ポンプの操作量から、循環流路８を流通する熱媒体の単位時間あたりの流量を検知する構成であってもよい。あるいは、熱媒体流量検知部９は、循環流路８に直接設けられ、この循環流路８を流通する熱媒体の単位時間あたりの流量を計測する流量計測装置であってもよい。なお、循環流路８を流通する熱媒体が水の場合、上記した循環ポンプは、主にブランジャー式やマグネット式などの水ポンプが用いることができる。

放熱部入口温度センサ３３は、放熱部３に流入する熱媒体の温度である放熱部入口温度を測定する。例えば、放熱部入口温度センサ３３は、循環流路８において貯蔵タンク４と放熱部３とをつなぐ配管内や継手内、または放熱部３の入口側の流路内に設置することができる。放熱部入口温度センサ３３は、主にサーミスタを用いることができるが、これに限定されるものではない。

一方、放熱部出口温度センサ３４は、放熱部３から流出する熱媒体の温度である放熱部出口温度を測定する。例えば、放熱部出口温度センサ３４は、循環流路８において放熱部３と熱交換部２とをつなぐ配管内や継手内、または放熱部３の出口側の流路内に設置することができる。放熱部出口温度センサ３４は、主にサーミスタを用いることができるが、これに限定されるものではない。

上記した構成において、第１熱交換量算出部６１は、放熱部３における熱交換量を以下の式（１）、（２）を用いて求めることができる。
Ｑ＝Ｈ２−Ｈ１ ・・・（１）
ここでＱは、放熱部３における熱交換量[Ｗ]、Ｈ１は熱媒体の放熱部入口エンタルピー[Ｗ]、Ｈ２は、熱媒体の放熱部出口エンタルピー[Ｗ]をそれぞれ示す。なお、各エンタルピーＨ[Ｗ]は、以下の式（２）に示す関係から求めることができる。
Ｈ ∝ ｍ×Ｆ ・・・（２）
（Ｆ：熱媒体の温度のｎ次関数、ｍ：熱媒体の流量[mol/s]）
つまり、放熱部入口温度センサ３３および放熱部出口温度センサ３４の検知結果を用いて、式（２）により放熱部入口エンタルピー[Ｗ]と放熱部出口エンタルピー[Ｗ]とを求める。そして、これら求めたエンタルピーの値を用いて式（１）により放熱部３における熱交換量を求めることができる。

なお、本実施の形態に係る燃料電池システムでは、放熱部３における熱媒体の最大放熱量Ｑ２を求める構成である。このため、熱媒体流量検知部９により検知される熱媒体の流量は、循環流路８を流通する熱媒体の流量の最大値となる。

（実施例２）
次に、本実施の形態に係る燃料電池システムの実施例２について図４を参照して説明する。実施例２では、第２熱交換量算出部６２による熱交換部２における熱交換量の算出方法の一例について説明する。図４は、図２に示す燃料電池システムの実施例２に関する概略構成の一例を示すブロック図である。

図４に示すように、実施例２に係る燃料電池システムは、図２に示す実施の形態に係る燃料電池システムの構成において、さらに、熱媒体流量検知部９と、第１熱交換部入口温度センサ２１と、第１熱交換部出口温度センサ２２とを備える。それ以外の点については同一となるため、同一部材には同じ符号を付し、それら部材の説明については省略する。また、熱媒体流量検知部９は、実施例１に係る燃料電池システムが備える熱媒体流量検知部９と同様であるため説明は省略する。

第１熱交換部入口温度センサ２１は、熱交換部２に流入する熱媒体の温度である熱交換部入口温度を測定する。例えば、第１熱交換部入口温度センサ２１は、循環流路８において放熱部３と熱交換部２とをつなぐ配管内や継手内、または熱交換部２の入口側の流路内に設置することができる。第１熱交換部入口温度センサ２１は、主にサーミスタを用いることができるが、これに限定されるものではない。

一方、第１熱交換部出口温度センサ２２は、熱交換部２から流出する熱媒体の温度である熱交換部出口温度を測定する。例えば、第１熱交換部出口温度センサ２２は、循環流路８において熱交換部２とヒータ５とをつなぐ配管内や継手内、または熱交換部２の出口側の流路内に設置することができる。第１熱交換部出口温度センサ２２は、主にサーミスタを用いることができるが、これに限定されるものではない。

上記した構成において、第２熱交換量算出部６２は、熱交換部２における熱交換量を上記した式（１）、（２）を用いて求めることができる。ただし、式（１）においてＱは、熱交換部２における熱交換量[Ｗ]、Ｈ１は熱媒体の熱交換部入口エンタルピー[Ｗ]、Ｈ２は、熱媒体の熱交換部出口エンタルピー[Ｗ]となる。また、式（２）において、Ｆは、熱媒体の温度のｎ次関数、ｍは熱媒体の流量[mol/s]となる。

以上のように、第２熱交換量算出部６２は、上記の式（１）、（２）を用いることで、第１熱交換部入口温度センサ２１で計測した温度と第１熱交換部出口温度センサ２２で計測した温度、および熱媒体流量検知部９によって検知された熱媒体の流量から、熱交換部２における排ガスと熱媒体との間の熱交換量Ｑ１を算出できる。

なお、熱交換部２における熱交換量を算出する構成は上記した実施例２の構成に限定されるものではない。以下において熱交換部２における熱交換量を算出する別の構成を、実施例２の変形例として説明する。

（実施例２の変形例）
実施例２の変形例を、図５を参照して説明する。図５は、図４に示す実施例２の燃料電池システムの変形例に関する概略構成の一例を示すブロック図である。

図５に示すように、実施例２の変形例に係る燃料電池システムは、図４に示す実施例２に係る燃料電池システムの構成と比べて以下の点で異なる。すなわち、実施例２の変形例に係る燃料電池システムでは、排ガス流路１０を流通する排ガスの流量を検知する排ガス流量検知部１１をさらに備え、第１熱交換部入口温度センサ２１および第１熱交換部出口温度センサ２２の代わりに、第２熱交換部入口温度センサ２３および第２熱交換部出口温度センサ２４を有する。これ以外は、実施例２の変形例に係る燃料電池システムは、実施例２の燃料電池システムと同様の構成となるため、同一の部材には同じ符号を付し、その説明は省略する。

排ガス流量検知部１１は、例えば、排ガス流路１０における熱交換部２と排気口(不図示)との間に設けられ、この排ガス流路１０を流通する排ガスの単位時間あたりの流量を計測する流量計測装置であってもよい。あるいは、主制御部が、予め、燃料電池１の燃料利用率と空気利用率と排出ガス流量との対応関係を示したテーブルを不図示のメモリに保持し、排ガス流量検知部１１は、該テーブルを参照して、燃料電池１の燃料利用率と空気利用率とから排ガス流量を推定する構成であってもよい。

第２熱交換部入口温度センサ２３は、熱交換部２に流入する排ガスの温度である熱交換部入口温度を測定する。例えば、第２熱交換部入口温度センサ２３は、排ガスが流通する排ガス流路１０において、燃料電池１と熱交換部２とをつなぐ配管内や継手内、または熱交換部２の入口側の流路内に設置することができる。第２熱交換部入口温度センサ２３は、主にサーミスタを用いることができるが、これに限定されるものではない。

一方、第２熱交換部出口温度センサ２４は、熱交換部２から流出する排ガスの温度である熱交換部出口温度を測定する。例えば、第１熱交換部出口温度センサ２２は、排ガス流路１０において、熱交換部２と排ガスが排気される排気口（不図示）との間における配管内や継手内、または熱交換部２の出口側の流路内に設置することができる。第１熱交換部出口温度センサ２２は、主にサーミスタを用いることができるが、これに限定されるものではない。

上記した構成において、第２熱交換量算出部６２は、熱交換部２における熱交換量を上記した式（１）、（２）を用いて求めることができる。ただし、式（１）においてＱは、熱交換部２における熱交換量[Ｗ]、Ｈ１は排ガスの熱交換部入口エンタルピー[Ｗ]、Ｈ２は、排ガスの熱交換部出口エンタルピー[Ｗ]となる。また、式（２）において、Ｆは、排ガスの温度のｎ次関数、ｍは排ガスの流量[mol/s]となる。

以上のように、第２熱交換量算出部６２は、上記の式（１）、（２）を用いることで、第２熱交換部入口温度センサ２３で計測した温度と第２熱交換部出口温度センサ２４で計測した温度、および排ガス流量検知部１１によって検知された排ガスの流量から、熱交換部２における排ガスと熱媒体との間の熱交換量Ｑ１を算出できる。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明の燃料電池システムは、水自立と高い経済性が共に要求される燃料電池システムにおいて有用である。

１ 燃料電池
２ 熱交換部
３ 放熱部
４ 貯蔵タンク
５ ヒータ
６ 算出部
７ 出力制御部
８ 循環流路
９ 熱媒体流量検知部
１０ 排ガス流路
１１ 排ガス流量検知部
２１ 第１熱交換部入口温度センサ
２２ 第１熱交換部出口温度センサ
２３ 第２熱交換部入口温度センサ
２４ 第２熱交換部出口温度センサ
３３ 放熱部入口温度センサ
３４ 放熱部出口温度センサ
４１ 検知部
６１ 第１熱交換量算出部
６２ 第２熱交換量算出部
６３ ヒータ出力検知部
６４ 放熱余裕度算出部

Claims (5)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池から排出される排ガスと熱媒体との間で熱交換し、該排ガスの温度を低下させ、該燃料電池の発電に利用する水を回収する熱交換部と、
   前記熱交換部における前記排ガスとの熱交換により加熱された前記熱媒体を貯蔵する貯蔵タンクと、
   前記貯蔵タンク内の前記熱媒体の温度状態を検知する検知部と、
   前記貯蔵タンク内の前記熱媒体を、前記熱交換部を通じて循環させる循環流路と、
   前記循環流路を流通する前記熱媒体を放熱させる放熱部と、
   前記燃料電池の発電における余剰分の電力を利用して稼働し、前記循環流路を流通する前記熱媒体を加熱するヒータと、
   前記放熱部により前記熱媒体から放熱させることが可能な最大放熱量から、前記熱交換部および前記ヒータにおいて該熱媒体に伝熱させた熱量を差し引くことで求められる値である、前記放熱部の放熱余裕度を算出する算出部と、
   前記燃料電池の発電出力を制御する出力制御部と、を備え、
   前記出力制御部は、前記検知部の検知結果に基づき前記貯蔵タンク内の前記熱媒体が満蓄状態に達したと判定した場合、前記算出部により算出される前記放熱余裕度が正の値となる範囲内で、予め設定されている前記燃料電池の発電量の下限値である最低発電出力よりも大きくなるように前記燃料電池の発電出力を制御する燃料電池システム。
2. 前記算出部は、
   前記放熱部における熱交換量を算出することで、前記熱媒体の放熱量の最大値を求める第１熱交換量算出部と、
   前記熱交換部における熱交換量を算出することで、前記排ガスから前記熱媒体に伝熱した熱量を求める第２熱交換量算出部と、
   前記ヒータにより出力される熱量を検知することで、該ヒータから前記熱媒体に伝熱した熱量を求めるヒータ出力検知部と、
   前記第１熱交換量算出部によって求めた前記熱媒体からの放熱量の最大値から、前記第２熱交換量算出部および前記ヒータ出力検知部により求めた、前記熱媒体に伝熱した熱量を差し引いて前記放熱部の前記放熱余裕度を算出する放熱余裕度算出部と、を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記循環流路を流通する前記熱媒体の流量を検知する熱媒体流量検知部と、
   前記放熱部に流入する前記熱媒体の温度である放熱部入口温度を測定する放熱部入口温度センサと、
   前記放熱部から流出する前記熱媒体の温度である放熱部出口温度を測定する放熱部出口温度センサと、をさらに備え、
   前記第１熱交換量算出部は、
   前記放熱部入口温度センサによって測定された放熱部入口温度と、前記放熱部出口温度センサによって測定された放熱部出口温度と、前記熱媒体流量検知部により検知された前記循環流路を流通する熱媒体の流量とから、前記放熱部における熱交換量を算出する請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記循環流路を流通する前記熱媒体の流量を検知する熱媒体流量検知部と、
   前記熱交換部に流入する前記熱媒体の温度である熱交換部入口温度を測定する第１熱交換部入口温度センサと、
   前記熱交換部から流出する前記熱媒体の温度である熱交換部出口温度を測定する第１熱交換部出口温度センサと、をさらに備え、
   前記第２熱交換量算出部は、
   前記第１熱交換部入口温度センサによって測定された熱交換部入口温度と、前記第１熱交換部出口温度センサによって測定された熱交換部出口温度と、前記熱媒体流量検知部により検知された前記循環流路を流通する前記熱媒体の流量とから、前記熱交換部における熱交換量を算出する請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池から排出される前記排ガスが流通する排ガス流路と、
   前記排ガス流路を流通する前記排ガスの流量を検知する排ガス流量検知部と、
   前記熱交換部に流入する前記排ガスの温度である熱交換部入口温度を測定する第２熱交換部入口温度センサと、
   前記熱交換部から流出する前記排ガスの温度である熱交換部出口温度を測定する第２熱交換部出口温度センサと、をさらに備え、
   前記第２熱交換量算出部は、
   前記第２熱交換部入口温度センサによって測定された前記熱交換部入口温度と、前記第２熱交換部出口温度センサによって測定された前記熱交換部出口温度と、前記排ガス流量検知部により検知された前記循環流路を流通する前記排ガスの流量とから、前記熱交換部における熱交換量を算出する請求項２に記載の燃料電池システム。

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