JP6637805B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池部、及び、燃料電池部に供給する水素含有ガスを生成する燃料改質部、及び、水を回収する水回収部、及び、水回収部で得た回収水を貯える回収水タンク、及び、制御装置を備える燃料電池システムに関する。

特許文献１には、水を回収して再利用する燃料電池システムが記載されている。例えば、燃料極排ガスの排出路の途中に水回収部（燃料側水凝縮器４）を設けて水を回収し、空気極排ガスの排出路の途中にも水回収部（酸化側水冷凝縮器など）を設けて水を回収することが記載されている。燃料極排ガス及び空気極排ガスから回収された水は回収水タンク（蓄水タンク８）に貯えられ、その後、燃料極へ供給される燃料ガスを加湿するために再利用される。

燃料電池部は、電力を発生させると共に熱も発生させる。そのため、燃料電池部と蓄熱装置との間で熱媒を循環させて、その熱媒によって燃料電池部から回収した熱を蓄熱装置で蓄えることが行われる。つまり、その場合の熱媒は、燃料電池部から熱を回収する役割と、燃料電池部を冷却する役割とを担っている。従って、蓄熱装置で既に蓄えられている熱量が多くなると、燃料電池部へと供給される熱媒の温度が高くなる。そして、燃料電池部へ供給する熱媒の温度が高くなると、燃料電池部を十分に冷却できないという問題が生じる。そのため、蓄熱装置の蓄熱量が多くなり過ぎると、燃料電池部の運転を停止しなければならないという問題が生じる。
また、燃料電池部の出力電力に余剰が発生するとその余剰電力を電気ヒーター装置で消費するタイプの燃料電池システムでは、電気ヒーター装置で生じた熱も蓄熱装置に蓄えることになる。その結果、余剰電力が発生すると、蓄熱装置に蓄えられている熱量が増え過ぎるという問題も生じる。

特許文献２には、燃料電池システムでの電気ヒーター装置の消費電力が大きくなると燃料電池発電システム内の熱バランスが崩れて安定運転ができなくなるという課題に鑑みて、燃料電池部の出力電力に余剰が発生するとき、燃料電池部の出力電力を利用して、燃料電池部の空気極に空気を供給するブロアなどの補機の消費電力を上昇させることが記載されている。つまり、電気ヒーター装置の使用を回避しようとしている。

特開２００２−０４２８４２号公報 特開２０１４−１９２００６号公報

特許文献２に記載の燃料電池システムのように、燃料電池部に空気を供給するブロアなどの補機の消費電力を上昇させると、空気極排ガスからの水の回収が十分に行えないこともある。例えば、燃料電池部の空気極に空気を供給するブロアなどの補機の消費電力を上昇させると、空気極から排出される空気極排ガスの単位時間当たりの流量も増加する。そのため、特許文献１に記載のシステムであれば、水回収部（凝縮器）での空気極排ガスに対する冷却が不十分になり、発生する凝縮水の量が減少する。このように、燃料電池システム内で余剰電力を消費するためのイレギュラーな運転が行われると、その影響で水の回収量が減少してしまうという問題が生じる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、回収水を適切に管理できる燃料電池システムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムの特徴構成は、燃料ガスが供給される燃料極と酸素が供給される空気極とを有する燃料電池部、及び、供給される蒸発用水を蒸発させる蒸気生成器と、供給される炭化水素を含む原燃料ガスを、前記蒸気生成器から供給される水蒸気を用いて水蒸気改質して、前記燃料ガスとしての水素を含む水素含有ガスを生成する改質器とを有する燃料改質部、及び、前記燃料極の下流側に繋がっている燃料極下流側ガス流路と、前記空気極の下流側に繋がっている空気極下流側ガス流路との少なくとも何れか一方から水を回収する水回収部、及び、前記水回収部で得た回収水を貯える回収水タンク、及び、制御装置を備え、前記回収水タンクで回収した水が前記蒸発用水として前記蒸気生成器に供給される燃料電池システムであって、
前記回収水タンクに貯えられている回収水の量を検出する水量検出部を備え、
前記制御装置は、前記回収水タンクへの単位時間当たりの水の回収量が減少する水量減少条件が満たされるとき、前記回収水タンクに貯えられている回収水の量の減少速度が相対的に大きいという前提で当該回収水の量を管理する特別管理処理を行い、前記水量減少条件が満たされないとき、前記回収水タンクに貯えられている回収水の量の減少速度が相対的に小さいという前提で当該回収水の量を管理する通常管理処理を行うように構成され、
前記制御装置は、前記水量減少条件が満たされないとき、前記水量検出部が検出した前記回収水タンクに貯えられている回収水の量が第１水量未満になると、水量減少エラーを報知する前記通常管理処理を行い、前記水量減少条件が満たされるとき、前記水量検出部が検出した前記回収水タンクに貯えられている回収水の量が前記第１水量よりも少ない第２水量未満になると、水量減少エラーを報知する前記特別管理処理を行う点にある。

上記特徴構成によれば、制御装置は、回収水タンクへの単位時間当たりの水の回収量が減少する水量減少条件が満たされるか否かに応じて、回収水の量を管理する処理の内容を通常管理処理と特別管理処理とで異ならせる。つまり、制御装置は、回収水タンクへの単位時間当たりの水の回収量が減少する水量減少条件が満たされるときには、回収水タンクに貯えられている回収水の量の減少速度が相対的に大きいという前提で当該回収水の量を管理する特別管理処理を行う。これに対して、制御装置は、水量減少条件が満たされないときには、回収水タンクに貯えられている回収水の量の減少速度が相対的に小さいという前提で当該回収水の量を管理する通常管理処理を行う。このように、水量減少条件が満たされるか否かに応じて特別管理処理及び通常管理処理が切り替えられることで、水の回収状態に見合った回収水の管理が行われることになる。その結果、従来システムのように余剰電力を消費するためのイレギュラーな運転が行われることで水の回収量が減少するとしても、その減少を前提とした特別管理処理による回収水の管理が行われる。
加えて、制御装置は、通常管理処理では、水量検出部が検出した回収水タンクに貯えられている回収水の量が第１水量未満になると水量減少エラーを報知する。その結果、回収水の量の低下を引き起こした原因を解消するためのメンテナンスなどを必要に応じて行うことができる。また、制御装置は、水量検出部が検出した回収水タンクに貯えられている回収水の量が上記第１水量未満になっただけでは水量減少エラーを報知せず、その第１水量よりも少ない第２水量未満になったときに水量減少エラーを報知する。これにより、水量減少エラーが頻発されることを回避できる。
従って、回収水を適切に管理できる燃料電池システムを提供できる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記制御装置は、前記水量減少条件が満たされないとき、通常給水タイミングになると前記回収水タンクへ外部から給水する前記通常管理処理を行い、前記水量減少条件が満たされるとき、前記通常管理処理よりも前記回収水タンクへの給水頻度及び前記回収水タンクへの一回の給水での給水量の少なくとも何れか一方が多くなる前記特別管理処理を行う点にある。

上記特徴構成によれば、制御装置は、通常管理処理では、通常給水タイミングになると回収水タンクへ外部から給水し、特別管理処理では、通常管理処理よりも回収水タンクへの給水頻度及び回収水タンクへの一回の給水での給水量の少なくとも何れか一方を多くする。つまり、回収水タンクへの単位時間当たりの水の回収量が減少する水量減少条件が満たされるとしても、特別管理処理が行われることで、回収水タンクの水量が少なくなり過ぎることが回避される。

本発明に係る燃料電池システムの更に別の特徴構成は、前記制御装置は、前記水量減少条件が満たされないとき、前記水回収部で前記燃料極下流側ガス流路及び前記空気極下流側ガス流路の少なくとも何れか一方を冷却するための冷却用熱媒の単位時間当たりの供給量を基準量に設定する前記通常管理処理を行い、前記水量減少条件が満たされるとき、前記冷却用熱媒の単位時間当たりの供給量を、前記基準量よりも多くする前記特別管理処理を行う点にある。

上記特徴構成によれば、制御装置は、通常管理処理では、水回収部で燃料極下流側ガス流路及び空気極下流側ガス流路の少なくとも何れか一方を冷却するための冷却用熱媒の単位時間当たりの供給量を基準量に設定し、特別管理処理では、冷却用熱媒の単位時間当たりの供給量を上記基準量よりも多くする。つまり、特別管理処理が行われたときの方が、水回収部での燃料極下流側ガス流路及び空気極下流側ガス流路の少なくとも何れか一方に対する冷却効果が高まり、水回収部で回収される水の量が増加する。その結果、水量減少条件が満たされた状況下（即ち、回収水タンクへの単位時間当たりの水の回収量が減少する状況下）であっても、水の回収量の減少を抑制できる。

本発明に係る燃料電池システムの更に別の特徴構成は、前記制御装置は、前記燃料電池部での酸素利用率が設定値未満になると、前記水量減少条件が満たされると判定する点にある。

燃料電池部での発電に利用される酸素よりも多くの酸素が空気極に供給されるほど、燃料電池部での酸素利用率は低くなる。つまり、酸素利用率が設定値未満にまで低下した状態というのは、燃料電池部の空気極に供給される空気が相対的に多く、そのため、空気極下流側ガス流路を流れる単位時間当たりの空気極排ガスの量が相対的に多い状態であると言える。つまり、水回収部でその空気極排ガスに対する冷却が十分に行われない可能性が高くなる。そして、水回収部で空気極排ガスに対する冷却が十分に行われないと、その空気極排ガスに含まれる水分の凝縮が十分に行われない。
そこで本特徴構成では、水回収部で空気極排ガスに対する冷却が十分に行われない状態を、回収水タンクへの単位時間当たりの水の回収量が減少する水量減少条件が満たされる状態と判定して特別管理処理を行う。

燃料電池システムの構成を示す図である。 発電ユニット及び排熱回収ユニットの構成を示す図である。

＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
図１は、燃料電池システムの構成を示す図である。図２は、発電ユニット及び排熱回収ユニットの構成を示す図である。図示するように、燃料電池システムは、燃料電池部１２と、燃料改質部１３と、複合熱交換器３９（本発明の水回収部の一例）と、回収水タンク３６と、制御装置Ｃとを備える。

〔発電ユニット〕
本実施形態において、熱と電気とを併せて発生する熱電併給部としての燃料電池部１２は、水素などの燃料ガスが供給される燃料極３３と酸素（空気）が供給される空気極３２とを有するセルが複数個積層されたセルスタックを有して構成される。燃料電池部１２は、固体高分子形のセルや固体酸化物形のセルなど、様々なタイプのセルを用いて構成することができる。また、本実施形態の発電ユニット１０は、燃料電池部１２に対して、炭化水素等の水蒸気改質によって生成した燃料ガス（水素等）を供給するための燃料改質部１３を併せて備えている。

燃料電池部１２の発電電力は、インバータを有する、或いは、コンバータ及びインバータ等を有する電力変換部１１を介して連系電力線４及び自立電力線５の何れか一方に出力される。尚、以下の説明では、燃料電池部１２から出力される電力のことを発電電力と記載し、発電ユニット１０から出力される電力のことを出力電力と記載する。電力変換部１１から連系電力線４に出力電力が供給されている状態は、発電ユニット１０が電力系統１への連系運転を行っている状態であると言える。これに対して、電力変換部１１から自立電力線５に出力電力が供給されている状態は、発電ユニット１０が自立運転を行っている状態であると言える。また、連系電力線４は、電力系統１に接続される交流線２に対して接続され、その交流線２は切替スイッチ６に接続されている。自立電力線５は切替スイッチ６に対して上記交流線２とは別に接続されている。切替スイッチ６は、排熱回収ユニット２０にとっての電力供給元を、交流線２を介して供給される電力、及び、自立電力線５を介して供給される電力の何れかに切り替えるように動作する。この切替スイッチ６の動作は、制御装置Ｃによって制御されてもよいし、発電ユニット１０からの電力供給先の変更（即ち、自立電力線５を介した電力供給の有無）に応じて自動的に切替スイッチ６が動作するような構成であってもよい。

制御装置Ｃは、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われる正常状態になると交流線２に発電ユニット１０の出力電力を供給する連系運転を行い、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われない異常状態になると電力系統１から電気的に切り離された自立電力線５に発電ユニット１０の出力電力を供給する自立運転を行うように構成されている。本実施形態では、制御装置Ｃは、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われる正常状態であるか、或いは、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われない異常状態であるかを、例えば、計器用変圧器ＶＴで検出される交流線２の電圧を参照して判定する。つまり、制御装置Ｃは、検出された電圧値が設定下限電圧以上であれば電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われている正常状態であると判定し、検出された電圧値が設定下限電圧未満であれば電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われていない異常状態であると判定する。

このようにして、制御装置Ｃは、発電ユニット１０の電力系統１への連系運転時には電力消費装置に対して電力系統１及び発電ユニット１０の少なくとも何れか一方から電力を供給し、発電ユニット１０の自立運転時には電力消費装置に対して発電ユニット１０から電力を供給する。連系運転時における上記電力消費装置には、交流線２に接続されている一般電力負荷装置３と排熱回収ユニット２０とが含まれる。これに対して、自立運転時における上記電力消費装置には、自立負荷装置９と排熱回収ユニット２０とが含まれる。

尚、発電ユニット１０の出力電力が自立電力線５に供給されている自立運転時において、自立運転の一形態としての発電ユニット１０のアイドリング運転が行われることもある。具体的には、制御装置Ｃは、発電ユニット１０の出力電力を自立電力線５に供給させている状態において、計器用変流器ＣＴ２で計測される電力消費装置（自立負荷装置９及び排熱回収ユニット２０）の消費電力が、発電ユニット１０の出力電力よりも大きくなると、開閉器１６を一時的に開放させて、自立負荷装置９への電力供給を一時的に停止させるようなアイドリング運転を行うこともある。

〔排熱回収ユニット〕
排熱回収ユニット２０は、発電ユニット１０からの排熱を回収するように構成されている。例えば、排熱回収ユニット２０は、発電ユニット１０の燃料電池部１２を運転しているとき、発電ユニット１０と貯湯タンク２１（蓄熱装置２１の一例）との間で熱媒としての湯水を循環させながら、発電ユニット１０で発生された熱の回収と、貯湯タンク２１への蓄熱とを行わせるように構成されている。そのため、排熱回収ユニット２０は、熱を蓄えるための貯湯タンク２１、及び、冷却水やその冷却水と熱交換する熱媒の循環路や、その熱媒の循環路の途中に設けられて熱媒を流動させるための電動式ポンプ及び電磁弁などの付属機器２３で構成される。従って、排熱回収ユニット２０では、燃料電池部１２のセルスタックを冷却するために、発電ユニット１０の連系運転が行われている間及び自立運転が行なわれている間の何れにおいても、排熱を回収する運転を行う必要があり、その結果として上記付属機器２３において電力が消費されることになる。排熱回収ユニット２０への電力供給は、切替スイッチ６に接続される内部電力線１７を介して行われる。

図１に示すシステムでは、一般電力負荷装置３及び自立負荷装置９を記載している。一般電力負荷装置３は、電力系統１と接続される交流線２に対して電気的に接続されている。従って、一般電力負荷装置３は、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われる正常状態においては電力の供給を受けることができるが、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われていない異常状態においては電力の供給を受けることができない。従って、本実施形態で言う一般電力負荷装置３は、異常状態において電力の供給を受ける必要性が低い装置（例えば、一部の照明装置など）である。

これに対して、自立負荷装置９は、後述するように、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われない異常状態において発電ユニット１０から電力の供給を受けることができる。自立負荷装置９に電力が供給されるのは、自立電力線５を経由して電気コンセント７に対して電力が供給され、且つ、電気コンセント７に対して電気プラグ８が接続されているときである。自立負荷装置９は、使用者が電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われない異常状態においても利用したいと考える重要度の高い装置（例えば、一部の照明機器、冷蔵庫など）である。

図２は、発電ユニット１０及び排熱回収ユニット２０の構成を示す図である。
発電ユニット１０の主要な構成部分として、燃料改質部１３と燃料電池部１２とがある。
燃料改質部１３は、供給される蒸発用水を蒸発させる蒸気生成器４１と、供給される炭化水素を含む原燃料ガスをその蒸気生成器４１から供給される水蒸気を用いて水蒸気改質して、燃料ガスとしての水素を含む水素含有ガスを生成する改質器３０とを有する。具体的には、燃料改質部１３では、原燃料流路Ｌ１を通って改質器３０へ原燃料が供給され、改質器３０で生成された改質ガスが改質ガス流路Ｌ２を通って燃料電池部１２の燃料極３３に供給される。燃料電池部１２の空気極３２には、発電用空気流路Ｌ８を通って酸素（空気）が供給される。そして、燃料電池部１２で発電が行われる。
空気極３２に供給する酸素の量は、制御装置ＣがブロアＢ２の動作を制御することで調節される。

燃料電池部１２は電解質膜（図示せず）を燃料極３３及び空気極３２で挟んで構成されるセルを複数積層して備える。尚、図２中では簡略化のため単一のセルのみを記載している。また、燃料電池部１２は、発電時に発生する熱を回収することで燃料電池部１２を冷却する冷却部３４を備える。本実施形態では水冷式の冷却部３４を設けている。具体的には、この冷却部３４には後述する電池冷却水流路Ｌ６を循環する水（以下、「回収水」と記載する）が供給されて、燃料電池部１２の冷却が行われる。冷却部３４を通過することで温度が上昇した回収水は、電池冷却水流路Ｌ６の途中に設けられた排熱回収用熱交換器３８に流入する。詳細は後述するが、この排熱回収用熱交換器３８において、回収水は、排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水と熱交換して燃料電池部１２から回収した排熱をその湯水に渡す。湯水は、蓄熱装置としての貯湯タンク２１に貯えられ、そこで蓄熱が行われる。
冷却部３４を流れる回収水の量は、制御装置ＣがポンプＰ４の動作を制御することで調節される。

改質器３０には、炭化水素を含む原燃料（例えば、メタンを含む都市ガスなど）が供給される。また、蒸気生成器４１には、後述する電池冷却水タンク３５で貯えられる回収水が改質用水流路Ｌ１３を通ってポンプＰ６によって供給される。そして、改質器３０には、蒸気生成器４１で生成された水蒸気が改質用水流路Ｌ１３を通って供給される。改質器３０は、併設される燃焼室３１から与えられる燃焼熱を利用して、原燃料の水蒸気改質を行う。改質器３０での水蒸気改質により得られた水素を主成分とする燃料ガスは、改質ガス流路Ｌ２を介して燃料極３３に供給される。
改質器３０に供給する原燃料の量は、制御装置ＣがブロアＢ３の動作を制御することで調節され、及び、改質器３０に供給する水蒸気の量は、制御装置ＣがポンプＰ６の動作を制御することで調節され、それにより燃料極３３に供給される改質ガスの量が調節される。

燃料極３３では、供給された全ての燃料ガスが発電反応で消費される訳ではない。そのため、燃料極３３から排出される燃料極排ガスの中には水素等の燃料ガスの成分が残存している。そこで、燃焼室３１での燃焼用ガスとして、燃料極排ガスを利用している。具体的には、燃料極３３から燃焼室３１へ、燃料極排ガス流路Ｌ３を介して燃料極排ガスを供給する。また、燃焼室３１での燃焼に利用される酸素が、燃焼用空気流路Ｌ９を通って燃焼室３１に供給される。そして、燃焼室３１で燃焼された後の燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路Ｌ４を介して外部に排出される。空気極３２で利用された後の空気極排ガスは、空気極排ガス流路Ｌ５を通って排出される。
燃焼室３１に供給する空気の量は、制御装置ＣがブロアＢ１の動作を制御することで調節される。また、上記説明において、燃料極排ガス流路Ｌ３及び燃焼排ガス流路Ｌ４は、本発明の「燃料極３３の下流側に繋がっている燃料極下流側ガス流路」に対応し、空気極排ガス流路Ｌ５は、本発明の「空気極３２の下流側に繋がっている空気極下流側ガス流路」に対応する。

燃焼排ガス及び空気極排ガスには水分が含まれている。そのため、その水分を回収する目的で、燃焼排ガス流路Ｌ４及び空気極排ガス流路Ｌ５を複合熱交換器３９の部分で合流させ、且つ、燃焼排ガス及び空気極排ガスを冷却するための排熱回収流路Ｌ１０を複合熱交換器３９に通している。つまり、燃焼排ガス及び空気極排ガスに含まれる水分が、排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水によって複合熱交換器３９で冷却されて凝縮し、その複合熱交換器３９で得た回収水（凝縮水）が回収水タンク３６へと回収されて貯えられる。
このように、複合熱交換器３９は、本発明の「燃料極３３の下流側に繋がっている燃料極下流側ガス流路、及び、空気極３２の下流側に繋がっている空気極下流側ガス流路の少なくとも何れか一方から水を回収する水回収部」として機能する。

このように、回収水タンク３６に貯えられている回収水は、燃料極排ガス中に含まれていた水分や、燃焼排ガス中に含まれていた水分が混入しているため、電解質や水に溶解しない不純物などを含んでいることが想定される。そのため、回収水が、回収水流路Ｌ７の途中に設けられるイオン交換樹脂３７によって処理されるように構成してある。イオン交換樹脂３７で処理された後の回収水は、電池冷却水タンク３５で貯えられる。そして、上述したように、電池冷却水タンク３５から電池冷却水流路Ｌ６へと流れ出した回収水が冷却部３４へと供給され、及び、電池冷却水タンク３５から改質用水流路Ｌ１３へと流れ出した回収水が蒸気生成器４１へと供給される。つまり、回収水タンク３６で回収した水が蒸発用水として蒸気生成器４１に供給される構成になっている。
回収水流路Ｌ７を流れる回収水の量、即ち、イオン交換樹脂３７で処理される回収水の量は、制御装置ＣがポンプＰ３の動作を制御することで調節される。

排熱回収ユニット２０は、貯湯タンク２１に貯えている湯水が貯湯タンク２１と排熱回収用熱交換器３８との間で循環する排熱回収流路Ｌ１０を有する。具体的には、湯水が、貯湯タンク２１から、複合熱交換器３９と、排熱回収用熱交換器３８と、余剰電力消費用ヒーター２２とを経由して貯湯タンク２１に帰還するように排熱回収流路Ｌ１０が設けられている。その結果、排熱回収用熱交換器３８において回収水から回収した排熱（即ち、発電ユニット１０から回収した排熱）は、排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水に与えられ、その湯水は貯湯タンク２１に貯えられる。また、発電ユニット１０の出力電力のうちの余剰電力を消費する余剰電力消費用ヒーター２２で発生した熱も排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水に与えられ、その湯水は貯湯タンク２１に蓄えられる。排熱回収流路Ｌ１０における湯水の流速はポンプＰ２によって調整される。
排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水の量は、制御装置ＣがポンプＰ２の動作を制御することで調節される。

排熱回収ユニット２０が有する余剰電力消費用ヒーター２２の消費電力は、制御装置Ｃによって制御される。具体的には、制御装置Ｃは、発電ユニット１０の出力電力のうちの余剰電力を余剰電力消費用ヒーター２２で消費させて、余剰電力消費用ヒーター２２で発生する熱を排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水に伝達して貯湯タンク２１に蓄えさせる。例えば、制御装置Ｃは、計器用変流器ＣＴ１の検出結果に基づいて導出できる電力系統１からの受電電力がゼロ以上になるように、余剰電力消費用ヒーター２２の消費電力を調節する。このような制御が行われることで、発電ユニット１０から電力系統１への電力の逆潮流が発生しないようにできる。

排熱回収ユニット２０は、貯湯タンク２１に蓄えている湯水が熱源機４０を経由して熱負荷装置２４に供給されるときに流れる給湯路Ｌ１２を有する。図示は省略するが、熱源機４０は、送風ファンなどによって供給される酸素（空気）を用いて燃料を燃焼して熱を発生する装置である。また、排熱回収ユニット２０は、貯湯タンク２１に水を供給する給水路Ｌ１１を有する。給水路Ｌ１１は、分岐部２５で、貯湯タンク２１に接続される給水路Ｌ１１ａと貯湯タンク２１には接続されない給水路Ｌ１１ｂとに分岐する。給水路Ｌ１１ｂは、熱源機４０の上流側の合流部２７で給湯路Ｌ１２に接続される。更に、給水路Ｌ１１ｂの途中の分岐部２６で、熱源機４０の下流側に接続される給水路Ｌ１１ｃが分岐する。給水路Ｌ１１ｃは、熱源機４０の下流側の合流部２８で給湯路Ｌ１２に接続される。このように、貯湯タンク２１から供給される湯及び熱源機４０で加熱された後の湯に水を加えることができる構成を採用することで、熱負荷装置２４に対して適切な温度の湯水を供給できる。尚、熱負荷装置２４が、湯水の熱のみを利用する床暖房装置などの場合、熱負荷装置２４で熱が利用された後の湯水は貯湯タンク２１に帰還する。或いは、熱負荷装置２４が、湯水自体を利用する給湯装置などの場合、貯湯タンク２１には湯水は帰還しない。熱源機４０は、熱負荷装置２４で要求される湯水を所定温度に昇温した上で熱負荷装置２４に供給する際に使用される。

以上のように、発電ユニット１０は、ブロアＢ１，Ｂ２，Ｂ３及びポンプＰ２，Ｐ３，Ｐ４などを付属機器１４として備えている。また、排熱回収ユニット２０は、熱源機４０の送風ファンなどを付属機器２３として備えている。

発電用空気を供給するためのブロアＢ２の消費電力を必要以上に増加させるなどして空気極３２への単位時間当たりの供給空気量を増加させた場合には、燃料電池部１２での発電に利用される酸素よりも多くの酸素が空気極に供給される。その結果、燃料電池部１２での酸素利用率が通常よりも低下する。つまり、酸素利用率が通常よりも低い状態というのは、燃料電池部１２の空気極３２に供給された後で空気極下流側ガス流路（空気極排ガス流路Ｌ５）を流れる単位時間当たりの空気極排ガスの量が相対的に多いため、水回収部としての複合熱交換器３９においてその空気極排ガスに対する冷却が十分に行われない状態であると言える。そして、複合熱交換器３９で空気極排ガスに対する冷却が十分に行われないと、その空気極排ガスに含まれる水分の凝縮が十分に行われず、回収水タンク３６に貯えられている水が減少する。

回収水タンク３６には、回収水タンク３６に貯えられている回収水の水量を検出する水量検出部４３が設けられている。水量検出部４３は、電極式やフロート式などの水位センサを用いて構成される。水量検出部４３の検出結果は制御装置Ｃに伝達される。また、回収水タンク３６には、回収水タンク３６へ水を補給するための水補給路Ｌ１４が接続されている。水補給路Ｌ１４の途中にはバルブ４２が設けられており、このバルブ４２が開くと水が回収水タンク３６へと流入する。バルブ４２の開閉は制御装置Ｃが制御する。例えば、制御装置Ｃは、所定の給水タイミングになると、バルブ４２を開いて、水を回収水タンク３６へ補給する。

〔回収水タンク３６での水量の管理処理〕
制御装置Ｃは、回収水タンク３６への単位時間当たりの水の回収量が減少する水量減少条件が満たされるとき、回収水タンク３６に貯えられている回収水の量の減少速度が相対的に大きいという前提で当該回収水の量を管理する特別管理処理を行い、水量減少条件が満たされないとき、回収水タンク３６に貯えられている回収水の量の減少速度が相対的に小さいという前提で当該回収水の量を管理する通常管理処理を行う。

本実施形態では、制御装置Ｃは、水量減少条件が満たされないとき、通常給水タイミングになると回収水タンク３６へ外部から給水する通常管理処理を行い、水量減少条件が満たされるとき、通常管理処理よりも回収水タンク３６への一回の給水での給水量が多くなる特別管理処理を行う。
具体例を挙げると、通常管理処理では、制御装置Ｃは、水量検出部４３の検出結果に基づいて、回収水タンク３６に貯えられている回収水の量が所定量未満になったと判定すると、水補給路Ｌ１４に設けられているバルブ４２を所定の通常開弁期間だけ開くことで、回収水タンク３６への給水を行う。
これに対して、特別管理処理では、制御装置Ｃは、水量検出部４３の検出結果に基づいて、回収水タンク３６に貯えられている回収水の量が上記所定量未満になったと判定すると、水補給路Ｌ１４に設けられているバルブ４２を、上記通常開弁期間よりも長い特別開弁期間だけ開くことで、回収水タンク３６への給水を行う。つまり、特別管理処理では、回収水タンク３６に貯えられている回収水の量の減少速度が相対的に大きいという前提で、１回の給水により通常管理処理よりも多い水が回収水タンク３６に供給される。

〔水量減少条件〕
本実施形態では、制御装置Ｃは、燃料電池部１２での酸素利用率が設定値未満になると、回収水タンク３６への単位時間当たりの水の回収量が減少する水量減少条件が満たされると判定する。例えば、制御装置Ｃは、燃料電池部１２から出力される電流値と空気極３２への酸素供給量とから、燃料電池部１２での酸素利用率を導出できる。そして、燃料電池部１２での酸素利用率が低くなって設定値未満になっていれば、複合熱交換器３９での凝縮水発生量が減少し、その結果、回収水タンク３６へ回収される水の量が減少する。従って、通常管理処理を行って水の補給を行っていたとしても、回収水タンク３６に貯えられる回収水の水量減少が進行すると考えられる。ここで、制御装置Ｃは、空気極３２への酸素供給量を、制御装置Ｃ自身が動作制御を行っている発電用空気を供給するためのブロアＢ２の動作状態、或いは、発電用空気流路Ｌ８の途中に設けた流量計（図示せず）の検出値などから知ることができる。

尚、制御装置Ｃが、発電用空気を供給するためのブロアＢ２の消費電力を必要以上に増加させる制御を行う目的としては、発電ユニット１０の出力電力のうちの余剰電力をブロアＢ２で消費させることなどがある。例えば、制御装置Ｃは、発電ユニット１０の出力電力が電力消費装置（一般電力負荷装置３又は自立負荷装置９、及び、排熱回収ユニット２０）の消費電力よりも大きくなるときに上記余剰電力が発生すると判定し、発電ユニット１０の出力電力が上記電力消費装置の消費電力以下のときに余剰電力が発生しないと判定する。或いは、制御装置Ｃは、発電ユニット１０の出力電力が上記電力消費装置の消費電力よりも大きく且つその差が所定値以上であるときに余剰電力が発生すると判定し、発電ユニット１０の出力電力が上記電力消費装置の消費電力よりも大きいが、その差が所定値未満であるとき、又は、発電ユニット１０の出力電力が上記電力消費装置の消費電力以下のときに余剰電力が発生しないと判定する。そして、発生した余剰電力を消費させるために、発電用空気を供給するためのブロアＢ２の消費電力を上昇させる。

以上のように、制御装置Ｃは、回収水タンク３６への単位時間当たりの水の回収量が減少する水量減少条件が満たされるか否かに応じて、回収水の量を管理する処理の内容を通常管理処理と特別管理処理とで異ならせる。つまり、制御装置Ｃは、回収水タンク３６への単位時間当たりの水の回収量が減少する水量減少条件が満たされるときには、回収水タンク３６に貯えられている回収水の量の減少速度が相対的に大きいという前提でその回収水の量を管理する特別管理処理を行う。これに対して、制御装置Ｃは、水量減少条件が満たされないときには、回収水タンク３６に貯えられている回収水の量の減少速度が相対的に小さいという前提でその回収水の量を管理する通常管理処理を行う。このように、水量減少条件が満たされるか否かに応じて特別管理処理及び通常管理処理が切り替えられることで、水の回収状態に見合った回収水の管理が行われることになる。その結果、従来システムのように余剰電力を消費するためのイレギュラーな運転が行われることで水の回収量が減少するとしても、その減少を前提とした特別管理処理による回収水の管理が行われる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の燃料電池システムは、通常管理処理及び特別管理処理の内容が上記実施形態と異なっている。以下に第２実施形態の燃料電池システムについて説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。

本実施形態では、制御装置Ｃは、水量減少条件が満たされないとき、通常給水タイミングになると回収水タンク３６へ外部から給水する通常管理処理を行い、水量減少条件が満たされるとき、通常管理処理よりも回収水タンク３６への給水頻度が多くなる特別管理処理を行う。
具体例を挙げると、通常管理処理では、制御装置Ｃは、前回の給水から所定期間が経過すると通常給水タイミングになったと判定して給水を行う。例えば、通常管理処理では、制御装置Ｃは、１時間に１回などの所定の通常給水タイミングになると、水補給路Ｌ１４に設けられているバルブ４２を所定の開弁期間だけ開くことで、回収水タンク３６への給水を行う。
これに対して、特別管理処理では、制御装置Ｃは、３０分に１回などの所定の特別給水タイミングになると、水補給路Ｌ１４に設けられているバルブ４２を所定の開弁期間だけ開くことで、回収水タンク３６への給水を行う。つまり、１回の給水での給水量は、通常管理処理と特別管理処理とでは同じであるが、特別管理処理の方が給水頻度が高くなるため、特別管理処理では、単位時間当たりに通常管理処理よりも多い水が回収水タンク３６に供給される。

＜第３実施形態＞
第３実施形態の燃料電池システムは、通常管理処理及び特別管理処理の内容が上記実施形態と異なっている。以下に第３実施形態の燃料電池システムについて説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。

本実施形態では、制御装置Ｃは、水量減少条件が満たされないとき、水量検出部４３が検出した回収水タンク３６に貯えられている回収水の量が第１水量未満になると、報知装置１８を用いて水量減少エラーを報知する通常管理処理を行い、水量減少条件が満たされるとき、水量検出部４３が検出した回収水タンク３６に貯えられている回収水の量が第１水量よりも少ない第２水量未満になると、水量減少エラーを報知する特別管理処理を行う。

報知装置１８は、例えば、発電ユニット１０、排熱回収ユニット２０、住宅内の台所リモコンなどに設置されている、音によりエラーを報知できる装置、光の点灯や点滅などによりエラーを報知できる装置、文字情報によりエラーを報知できる装置を用いて実現できる。或いは、報知装置１８は、インターネットなどの通信ネットワークを介して外部のコンピュータ装置にエラーを報知できる装置であってもよい。

このように、制御装置Ｃは、通常管理処理では、水量検出部４３が検出した回収水タンク３６に貯えられている回収水の量が第１水量未満になると水量減少エラーを報知する。その結果、回収水の量の低下を引き起こした原因を解消するためのメンテナンスなどを必要に応じて行うことができる。また、制御装置Ｃは、水量検出部４３が検出した回収水タンク３６に貯えられている回収水の量が上記第１水量未満になっただけでは水量減少エラーを報知せず、その第１水量よりも少ない第２水量未満になったときに水量減少エラーを報知する。これにより、水量減少エラーが頻発されることを回避できる。

＜第４実施形態＞
第４実施形態の燃料電池システムは、通常管理処理及び特別管理処理の内容が上記実施形態と異なっている。以下に第４実施形態の燃料電池システムについて説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。

制御装置Ｃは、水量減少条件が満たされるとき、燃料極下流側ガス流路としての燃料極排ガス流路Ｌ３及び燃焼排ガス流路Ｌ４、並びに、空気極下流側ガス流路としての空気極排ガス流路Ｌ５の少なくとも何れか一方を冷却する熱媒（冷却用熱媒）の単位時間当たりの流量を多くして複合熱交換器３９（水回収部）によって回収水タンク３６への単位時間当たりの水の回収水を増加させる特別管理処理を行う。具体的には、制御装置Ｃは、排熱回収流路Ｌ１０における湯水の流速を調節するポンプＰ２の動作を制御して、複合熱交換器３９で燃焼排ガス及び空気極排ガスを冷却するための熱媒の単位時間当たりの流量を調節すればよい。

このように、制御装置Ｃは、通常管理処理では、複合熱交換器３９で燃料極下流側ガス流路（燃料極排ガス流路Ｌ３及び燃焼排ガス流路Ｌ４）及び空気極下流側ガス流路（空気極排ガス流路Ｌ５）の少なくとも何れか一方を冷却するための熱媒の単位時間当たりの供給量を所定の基準量に設定し、特別管理処理では、熱媒の単位時間当たりの供給量を上記基準量よりも多くする。つまり、特別管理処理が行われたときの方が、複合熱交換器３９での燃料極排ガス及び空気極排ガスの少なくとも何れか一方に対する冷却効果が高まり、複合熱交換器３９で回収される水の量が増加する。その結果、水量減少条件が満たされた状況下（即ち、回収水タンク３６への単位時間当たりの水の回収量が減少する状況下）であっても、水の回収量の減少を抑制できる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、本発明の燃料電池システムの構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態では、燃料極下流側ガス流路（燃料極排ガス流路Ｌ３及び燃焼排ガス流路Ｌ４）及び空気極下流側ガス流路（空気極排ガス流路Ｌ５）の少なくとも何れか一方から水を回収する水回収部の例として複合熱交換器３９を挙げたが、他の装置によって水を回収してもよい。
また、上記実施形態では、回収水タンク３６への単位時間当たりの水の回収水を増加させる特別管理処理を行うために、制御装置Ｃは、排熱回収流路Ｌ１０における湯水の流速を調節するポンプＰ２の動作を制御する例を記載したが、他の装置の動作を制御して、回収水タンク３６への単位時間当たりの水の回収水を増加させる特別管理処理を行ってもよい。

＜２＞
上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用でき、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変できる。

本発明は、回収水を適切に管理できる燃料電池システムに利用できる。

１２ 燃料電池部
１３ 燃料改質部
１８ 報知装置
３２ 空気極
３３ 燃料極
３６ 回収水タンク
３９ 複合熱交換器（水回収部）
４３ 水量検出部
Ｃ 制御装置
Ｌ３ 燃料極排ガス流路（燃料極下流側ガス流路）
Ｌ４ 燃焼排ガス流路（燃料極下流側ガス流路）
Ｌ５ 空気極排ガス流路（空気極下流側ガス流路）

Claims (4)

1. 燃料ガスが供給される燃料極と酸素が供給される空気極とを有する燃料電池部、及び、
   供給される蒸発用水を蒸発させる蒸気生成器と、供給される炭化水素を含む原燃料ガスを、前記蒸気生成器から供給される水蒸気を用いて水蒸気改質して、前記燃料ガスとしての水素を含む水素含有ガスを生成する改質器とを有する燃料改質部、及び、
   前記燃料極の下流側に繋がっている燃料極下流側ガス流路と、前記空気極の下流側に繋がっている空気極下流側ガス流路との少なくとも何れか一方から水を回収する水回収部、及び、
   前記水回収部で得た回収水を貯える回収水タンク、及び、
   制御装置を備え、
   前記回収水タンクで回収した水が前記蒸発用水として前記蒸気生成器に供給される燃料電池システムであって、
   前記回収水タンクに貯えられている回収水の量を検出する水量検出部を備え、
   前記制御装置は、
   前記回収水タンクへの単位時間当たりの水の回収量が減少する水量減少条件が満たされるとき、前記回収水タンクに貯えられている回収水の量の減少速度が相対的に大きいという前提で当該回収水の量を管理する特別管理処理を行い、
   前記水量減少条件が満たされないとき、前記回収水タンクに貯えられている回収水の量の減少速度が相対的に小さいという前提で当該回収水の量を管理する通常管理処理を行うように構成され、
   前記制御装置は、前記水量減少条件が満たされないとき、前記水量検出部が検出した前記回収水タンクに貯えられている回収水の量が第１水量未満になると、水量減少エラーを報知する前記通常管理処理を行い、前記水量減少条件が満たされるとき、前記水量検出部が検出した前記回収水タンクに貯えられている回収水の量が前記第１水量よりも少ない第２水量未満になると、水量減少エラーを報知する前記特別管理処理を行う燃料電池システム。
2. 前記制御装置は、
   前記水量減少条件が満たされないとき、通常給水タイミングになると前記回収水タンクへ外部から給水する前記通常管理処理を行い、
   前記水量減少条件が満たされるとき、前記通常管理処理よりも前記回収水タンクへの給水頻度及び前記回収水タンクへの一回の給水での給水量の少なくとも何れか一方が多くなる前記特別管理処理を行う請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御装置は、
   前記水量減少条件が満たされないとき、前記水回収部で前記燃料極下流側ガス流路及び前記空気極下流側ガス流路の少なくとも何れか一方を冷却するための冷却用熱媒の単位時間当たりの供給量を基準量に設定する前記通常管理処理を行い、
   前記水量減少条件が満たされるとき、前記冷却用熱媒の単位時間当たりの供給量を、前記基準量よりも多くする前記特別管理処理を行う請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御装置は、前記燃料電池部での酸素利用率が設定値未満になると、前記水量減少条件が満たされると判定する請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池システム。

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