WO2006057223A9

WO2006057223A9 - 燃料電池システム

Info

Publication number: WO2006057223A9
Application number: PCT/JP2005/021374
Authority: WO
Inventors: Hiroki Ohkawara
Original assignee: Aisin Seiki; Toyota Motor Co Ltd; Hiroki Ohkawara
Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2005-11-21
Publication date: 2006-09-21
Also published as: WO2006057223A1; US20090226779A1; JP5418529B2; JP4887158B2; CN100499229C; JPWO2006057223A1; CN101103477A; JP2011151033A

Abstract

　コスト高、大型化を招くことなく、高圧水源から貯湯水を補給可能である燃料電池システムを提供する。　燃料電池システムにおいては、ＦＣ冷却水循環回路７３は、貯湯水循環回路７２とは独立して設けられるとともに、第１熱交換器７４を介して貯湯水と第１熱媒体との間で熱交換が行われる。また、凝縮冷媒循環回路７５も、貯湯水循環回路７２とは独立して設けられるとともに、第２熱交換器７６を介して貯湯水と第２熱媒体との間で熱交換が行われる。すなわち、貯湯水は、アノードオフガス、カソードオフガス、燃焼排ガス、改質ガスと直接熱交換をしておらず、第２熱交換器７６を介して間接的に熱交換をすることになる。

Description

明細書

燃料電池システム

技術分野

[0001] 本発明は、燃料電池と、この燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質器と、貯湯水を貯湯する貯湯槽と、貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、を備えた燃料電池システムに関する。

背景技術

[0002] この燃料電池システムとして、燃料電池と、この燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質器と、貯湯水を貯湯する貯湯槽と、貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、を備え、貯湯水循環回路上において燃料電池および改質器にて発生する排熱を回収して貯湯水を加熱するものはよく知られて、る。

[0003] このような燃料電池システムの一形式として、特許文献 1「燃料電池発電システム」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、燃料電池発電システム 10は熱交換媒体 54 (水または湯)が循環する熱交換媒体循環経路 50を備えている。熱交換媒体循環経路 50は、貯湯槽 52に貯留された熱交換媒体 5 4がこの貯湯槽 52からアノードオフガス熱交 42、力ソードオフガス熱交 44、燃焼排ガス熱交換器 45、冷却水熱交換器 46をこの順に経たのち再び貯湯槽 52に戻るという循環経路である。アノードオフガス熱交は、アノードから排出されたアノードオフガスの熱を熱交換媒体 54により回収するものであり、力ソードオフガス熱交 44は力ソードから排出された力ソードオフガスの熱を熱交換媒体 54により回収するものであり、燃焼排ガス熱交換器 45は燃焼排ガスの熱を熱交換媒体 54により回収するものであり、冷却水熱交換器 46は燃料電池 40、初期オフガス熱交換器 58 及び初期オフガス燃焼器 57を通過する冷却水循環経路 43を流れる冷却水の熱を熱交換媒体 54により回収するものである。

[0004] また、他の形式として、特許文献 2「燃料電池発電システム」に示されて、るものが知られている。特許文献 2の図 1に示されているように、燃料電池発電システム 20は、貯湯タンク 52の底部に接続された冷水管 54からの水をラジェータ 42,インバータ 48 aを冷却する冷却器 48b,凝縮器 38,熱交 36,温水管 56を経由して貯湯タンク 52の頂部に戻す系統が配置されている。熱交翻36は、燃料電池スタック 34の冷却媒体 (冷却水など)の循環流路（図中、破線で示す循環流路）に組み込まれて冷却媒体を冷却する。

[0005] また、他の形式として、特許文献 3「固体高分子形燃料電池発電装置」に示されているものが知られている。特許文献 3の図 1〜図 3に示されているように、固体高分子形燃料電池発電装置 GS1は、排気系 31の熱交換器 32、排気系 45の熱交換器 46 および燃料電池 6の空気極 kカゝら排出されたガスの熱交の後に、さらに熱交翻 HEXを設置し、貯湯タンク 50中の水をポンプ Ρによりこの熱交^^ HEXを経て、熱交^^ 71、 32、 46に送って熱交換して排熱回収した温水 Aを、直接水タンク 21 へ熱交換可能に循環して送るライン L1を設けてある。そして、前記温水 Aをライン L1 を経て水タンク 21へ送らなくてもよい場合に温水 Aを貯湯タンク 50へ送るライン L2が併設されている。水タンク 21には、ポンプ 48によって燃料電池 6の冷却部 6cを循環する冷却水が水管 73を経て流入する。

特許文献 1：特開 2003— 257457号公報 (第 4 7頁、図 1)

特許文献 2 :特開 2004— 111209号公報 (第 4— 6頁、図 1)

特許文献 3 :特開 2002— 216819号公報 (第 2— 6頁、図 1— 3)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] 上述した特許文献 1に記載の燃料電池発電システムにおヽては、貯湯槽 52が水道水が直接補給される密閉式である場合、貯湯槽 52、熱交換媒体循環経路 50には高圧の水道水圧がかかり、アノードオフガス熱交換器 42、力ソードオフガス熱交換器 44、燃焼排ガス熱交 45、冷却水熱交にもこの水道水圧が力かることになる。これを受けて、特にアノードオフガス熱交換器 42、力ソードオフガス熱交換器 4 4、燃焼排ガス熱交 45を耐圧構造とするのが望ましいが、コスト高、大型化という問題がある。

[0007] 上述した特許文献 2に記載の燃料電池発電システムおよび特許文献 3に記載の固体高分子形燃料電池発電装置にぉ、ても、前述したように特許文献 1に記載の燃料電池発電システムと同様な問題がある。

[0008] 本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、コスト高、大型化を招くことなぐ高圧水源力ゝら貯湯水を補給可能である燃料電池システムを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0009] 上記の課題を解決するため、請求項 1に係る発明の構成上の特徴は、燃料電池と、この燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質器と、貯湯水を貯湯する貯湯槽と、貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、を備え、貯湯水循環回路上において燃料電池および改質器にて発生する排熱を回収して貯湯水を加熱する燃料電池システムにおいて、貯湯水循環回路とは独立して設けられ、燃料電池力排出されるオフガスの排熱、改質器にて発生する排熱の少なくとも何れかと、および燃料電池の発電で発生する排熱を回収した熱媒体が循環する熱媒体循環回路と、貯湯水と熱媒体との間で熱交換が行われる熱交^^と、を備えたことである。

[0010] また請求項 2に係る発明の構成上の特徴は、請求項 1において、貯湯水循環回路および熱媒体循環回路の少なくとも何れか一方に流体を冷却する冷却手段を備えたことである。

[0011] また請求項 3に係る発明の構成上の特徴は、請求項 1または請求項 2において、貯湯水循環回路および熱媒体循環回路の少なくとも何れか一方に熱交換器をバイパスするバイパス路を設けたことである。

[0012] また請求項 4に係る発明の構成上の特徴は、請求項 1において、熱媒体循環回路は、燃料電池の発電で発生する排熱を回収した第 1熱媒体が循環する第 1熱媒体循環回路と、燃料電池カゝら排出されるオフガスの排熱、改質器にて発生する排熱の少なくとも何れかを回収した第 2熱媒体が循環する第 2熱媒体循環回路とのうち少なくとも何れか一方から構成され、熱交換器は、貯湯水と第 1熱媒体との間で熱交換が行われる第 1熱交^^と、貯湯水と第 2熱媒体との間で熱交換が行われる第 2熱交とのうち少なくとも何れか一方力も構成されていることである。

[0013] また請求項 5に係る発明の構成上の特徴は、請求項 4において、第 2熱媒体循環回路上には改質器および燃料電池を流通する高温かつ蒸気を含んだ気体力熱量を回収して同気体を凝縮する凝縮器が備えられ、第 2熱媒体は凝縮器を流通する凝縮冷媒であることである。

[0014] また請求項 6に係る発明の構成上の特徴は、請求項 4において、貯湯水循環回路および第 1および第 2熱媒体循環回路の少なくとも何れか一つに流体を冷却する冷却手段を備えたことである。

[0015] また請求項 7に係る発明の構成上の特徴は、請求項 4から請求項 6の何れか一項において、貯湯水循環回路および第 2熱媒体循環回路の少なくとも何れか一方に第

2熱交翻をバイパスするバイパス路を設けたことである。

[0016] また請求項 8に係る発明の構成上の特徴は、請求項 4から請求項 6の何れか一項において、貯湯水循環回路および第 1熱媒体循環回路の少なくとも何れか一方に第

1熱交翻をバイパスするバイパス路を設けたことである。

[0017] また請求項 9に係る発明の構成上の特徴は、請求項 1において、熱媒体循環回路は、燃料電池の発電で発生する排熱を回収するとともに、燃料電池から排出されるォフガスの排熱、改質器にて発生する排熱の少なくとも何れかを回収する熱媒体が循環する一つの循環回路であり、熱交換器は、貯湯水と熱媒体との間で熱交換を行うことである。

[0018] また請求項 10に係る発明の構成上の特徴は、請求項 9において、貯湯水循環回路および熱媒体循環回路の少なくとも何れか一方に流体を冷却する冷却手段を備えたことである。

[0019] また請求項 11に係る発明の構成上の特徴は、請求項 9または請求項 10において、貯湯水循環回路および熱媒体循環回路の少なくとも何れか一方に熱交換器をバイパスするバイノス路を設けたことである。

[0020] また請求項 12に係る発明の構成上の特徴は、請求項 1乃至請求項 11の何れか一項において、貯湯水循環回路上に設けられ貯湯槽の出口力流出する貯湯水の温度を検出する貯湯槽出口温度検出手段と、該貯湯槽出口温度検出手段によって検出された貯湯槽出口温度と、該貯湯槽出口温度と燃料電池の発電出力制限値との相関関係を示す第 1マップまたは演算式とに基づいて発電出力制限値を導出する第 1発電出力制限値導出手段と、該第 1発電出力制限値導出手段によって導出された発電出力制限値に基づいて燃料電池の発電出力を制御する第 1発電制御手段を備えたことである。

[0021] また請求項 13に係る発明の構成上の特徴は、請求項 12において、第 1発電制御手段は、ユーザ負荷電力を検出するユーザ負荷電力検出手段と、該ユーザ負荷電力検出手段によって検出されたユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力を導出する発電出力導出手段と、第 1発電出力制限値導出手段によって導出された発電出力制限値が、発電出力導出手段によって導出された発電出力以上である力否かを判定する判定手段と、判定手段によって発電出力制限値が発電出力未満であると判定された場合には、燃料電池の発電出力を発電出力制限値に制限するように制御する制限制御手段と、を備えたことである。

[0022] また請求項 14に係る発明の構成上の特徴は、請求項 12または請求項 13において、燃料電池の排熱を回収した第 1熱媒体が循環する第 1熱媒体循環回路と、改質器の排熱を回収した第 2熱媒体が循環する第 2熱媒体循環回路と、貯湯水と第 1熱媒体との間で熱交換が行われる第 1熱交^^と、貯湯水と第 2熱媒体との間で熱交換が行われる第 2熱交換器と、第 2熱媒体循環回路に設けられて第 2熱媒体を冷却する冷却手段と、をさらに備え、第 1マップまたは演算式は、貯湯水の温度毎の燃料電池の発電出力に対する当該燃料電池システムの必要冷却能力の相関関係を示す第 2マップまたは演算式と、冷却手段の冷却能力と、に基づいて、貯湯水の各温度における冷却手段の冷却能力に相当する燃料電池の発電出力を導出することにより作成されることである。

[0023] また請求項 15に係る発明の構成上の特徴は、請求項 14において、冷却手段の冷却能力は、第 2マップまたは演算式による貯湯水の最高温度における燃料電池の発電出力に対する当該燃料電池システムの必要冷却能力の相関関係に基づいて、貯湯槽の湯満水時の燃料電池の最低発電出力に相当する当該燃料電池システムの必要冷却能力であることである。

[0024] また請求項 16に係る発明の構成上の特徴は、請求項 1乃至請求項 11の何れか一項において、燃料電池の入口に流入する燃料ガスの温度または該燃料ガスの温度に相関するものの温度を検出する燃料ガス燃料電池入口温度検出手段と、該燃料ガス燃料電池入口温度検出手段によって検出された温度と所定温度とを比較し、その比較結果に基づいて燃料電池の発電出力制限値を導出する第 2発電出力制限値導出手段と、該第 2発電出力制限値導出手段によって導出された発電出力制限値に基づいて燃料電池の発電出力を制御する第 2発電制御手段を備えたことである

[0025] また請求項 17に係る発明の構成上の特徴は、請求項 16において、第 2発電出力制限値導出手段は、温度が所定温度より大きい場合には、前回の発電出力制限値力所定量だけ減算して今回の発電出力制限値を算出し、温度が所定温度より小さい場合には、前回の発電出力制限値力所定量だけ加算して今回の発電出力制限値を算出することである。

[0026] また請求項 18に係る発明の構成上の特徴は、請求項 16または請求項 17において、第 2発電制御手段は、ユーザ負荷電力を検出するユーザ負荷電力検出手段と、該ユーザ負荷電力検出手段によって検出されたユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力を導出する発電出力導出手段と、第 2発電出力制限値導出手段によって導出された発電出力制限値が、発電出力導出手段によって導出された発電出力以上であるか否かを判定する判定手段と、判定手段によって発電出力制限値が発電出力未満であると判定された場合には、燃料電池の発電出力を発電出力制限値に制限するように制御する制限制御手段と、を備えたことである。

発明の効果

[0027] 上記のように構成した請求項 1に係る発明におヽては、熱媒体循環回路は、燃料電池カゝら排出されるオフガスの排熱、改質器にて発生する排熱の少なくとも何れかと、および燃料電池の発電で発生する排熱を回収した熱媒体が循環するものであり、貯湯水循環回路とは独立して設けられるとともに、熱交を介して貯湯水と熱媒体との間で熱交換が行われる。すなわち、貯湯水は、アノードオフガス、力ソードオフガス、燃焼排ガス、燃料ガス (改質ガス)と直接熱交換をしておらず、熱交翻を介して間接的に熱交換をすることになる。したがって、貯湯槽が水道水が直接補給される密閉式である場合、貯湯槽、貯湯水循環回路には高圧の水道水圧が力かるが、熱媒体循環回路は貯湯水循環回路から独立しているため、熱媒体循環回路上に配設されるアノードオフガス、力ソードオフガス、燃焼排ガス、燃料ガス（改質ガス）との熱交換するための熱交換器には直接水道水圧が力からないので、その熱交換器を過剰な耐圧構造としなくてもすむので、コスト高、大型化を招くことなぐ高圧水源カも貯湯水を補給可能である燃料電池システムを提供することができる。

[0028] 上記のように構成した請求項 2に係る発明にお、ては、請求項 1に係る発明にお!/ヽて、貯湯水循環回路および熱媒体循環回路の少なくとも何れか一方に流体を冷却する冷却手段を備えたので、貯湯水の温度が燃料電池で必要な温度に到達した場合、もしくは改質器の排熱を回収した熱媒体で必要な温度に到達した場合、貯湯水力 s排熱を回収してそれ以上昇温しな、ようにするため、貯湯水または Zおよび熱媒体の温度を冷却手段によって効率よく冷却することができる。

[0029] 上記のように構成した請求項 3に係る発明にお、ては、請求項 1または請求項 2に係る発明におヽて、貯湯水循環回路および熱媒体循環回路の少なくとも何れか一方に熱交翻をバイパスするバイパス路を設けたので、貯湯水および熱媒体のうち少なくとも何れか一方を熱交換器に流通することにより、貯湯水の温度などに応じて的確に熱交^^にて熱交換を実施することができる。

[0030] 上記のように構成した請求項 4に係る発明におヽては、請求項 1に係る発明にお!/ヽて、第 1熱媒体循環回路は、燃料電池の発電で発生する排熱を回収した第 1熱媒体が循環するものであり、貯湯水循環回路とは独立して設けられるとともに、第 1熱交換器を介して貯湯水と第 1熱媒体との間で熱交換が行われる。また、第 2熱媒体循環回路は、燃料電池カゝら排出されるオフガスの排熱、改質器にて発生する排熱の少なくとも何れ力を回収した第 2熱媒体が循環するものであり、貯湯水循環回路とは独立して設けられるとともに、第 2熱交を介して貯湯水と第 2熱媒体との間で熱交換が行われる。すなわち、貯湯水は、アノードオフガス、力ソードオフガス、燃焼排ガス、燃料ガス (改質ガス)と直接熱交換をしておらず、第 2熱交を介して間接的に熱交換をすること〖こなる。したがって、貯湯槽が水道水が直接補給される密閉式である場合、貯湯槽、貯湯水循環回路には高圧の水道水圧が力かるが、第 2熱媒体循環回路は貯湯水循環回路から独立しているため、第 2熱媒体循環回路上に配設される熱交換器には直接水道水圧がカゝからないので、その熱交換器を過剰な耐圧構造としなくてもすむので、コスト高、大型化を招くことなぐ高圧水源から貯湯水を補給可能である燃料電池システムを提供することができる。

[0031] 上記のように構成した請求項 5に係る発明におヽては、請求項 4に係る発明におヽて、第 2熱媒体循環回路上には改質器および燃料電池を流通する高温かつ蒸気を含んだ気体から熱量を回収して同気体を凝縮する凝縮器が備えられ、第 2熱媒体は凝縮器を流通する凝縮冷媒であるので、従来の構成を有効利用することにより大型化することなく簡単な構成で確実に第 2熱媒体を昇温することができる。

[0032] 上記のように構成した請求項 6に係る発明におヽては、請求項 4にお、て、貯湯水循環回路および第 1および第 2熱媒体循環回路の少なくとも何れか一つに流体を冷却する冷却手段を備えたので、貯湯水の温度が燃料電池で必要な温度に到達した場合、もしくは改質器の排熱を回収した熱媒体で必要な温度に到達した場合、貯湯水が排熱を回収してそれ以上昇温しないようにするため、貯湯水または Zおよび第 1 および第 2熱媒体の温度を冷却手段によって効率よく冷却することができる。

[0033] 上記のように構成した請求項 7に係る発明におヽては、請求項 4から請求項 6の何れか一項に係る発明において、貯湯水循環回路および第 2熱媒体循環回路の少なくとも何れか一方に第 2熱交翻をバイパスするバイパス路を設けたので、貯湯水および第 2熱媒体のうち少なくとも何れか一方を第 2熱交^^に流通することにより、貯湯水の温度などに応じて的確に第 2熱交^^にて熱交換を実施することができる。

[0034] 上記のように構成した請求項 8に係る発明におヽては、請求項 4から請求項 6の何れか一項に係る発明において、貯湯水循環回路および第 1熱媒体循環回路の少なくとも何れか一方に第 1熱交翻をバイパスするバイパス路を設けたので、貯湯水および第 1熱媒体のうち少なくとも何れか一方を第 1熱交^^に流通することにより、貯湯水の温度などに応じて的確に第 1熱交^^にて熱交換を実施することができる。

[0035] 上記のように構成した請求項 9に係る発明にお、ては、請求項 1に係る発明にお!/ヽて、熱媒体循環回路は、燃料電池の発電で発生する排熱を回収するとともに、燃料電池カゝら排出されるオフガスの排熱、改質器にて発生する排熱の少なくとも何れかを回収する熱媒体が循環する一つの循環回路である場合でも、貯湯水循環回路とは独立して設けられるとともに、熱交を介して貯湯水と熱媒体との間で熱交換が行われる。すなわち、貯湯水は、アノードオフガス、力ソードオフガス、燃焼排ガス、燃料ガス (改質ガス)と直接熱交換をしておらず、熱交を介して間接的に熱交換をすること〖こなる。したがって、貯湯槽が水道水が直接補給される密閉式である場合、貯湯槽、貯湯水循環回路には高圧の水道水圧が力かるが、熱媒体循環回路は貯湯水循環回路力も独立しているため、熱媒体循環回路上に配設されるアノードオフガス、力ソードオフガス、燃焼排ガス、燃料ガス (改質ガス）との熱交換するための熱交翻には直接水道水圧が力からないので、その熱交を過剰な耐圧構造としなくてもすむので、コスト高、大型化を招くことなぐ高圧水源力貯湯水を補給可能である燃料電池システムを提供することができる。

[0036] 上記のように構成した請求項 10に係る発明にお、ては、請求項 9に係る発明において、貯湯水循環回路および熱媒体循環回路の少なくとも何れか一方に流体を冷却する冷却手段を備えたので、貯湯水の温度が燃料電池で必要な温度に到達した場合、もしくは改質器の排熱を回収した熱媒体で必要な温度に到達した場合、貯湯水が排熱を回収してそれ以上昇温しないようにするため、貯湯水または Zおよび熱媒体の温度を冷却手段によって効率よく冷却することができる。

[0037] 上記のように構成した請求項 11に係る発明にお、ては、請求項 9または請求項 10 において、貯湯水循環回路および熱媒体循環回路の少なくとも何れか一方に熱交翻をバイパスするバイパス路を設けたので、貯湯水および熱媒体のうち少なくとも何れか一方を熱交^^に流通することにより、貯湯水の温度などに応じて的確に熱交翻にて熱交換を実施することができる。

[0038] 上記のように構成した請求項 12に係る発明においては、第 1発電出力制限値導出手段が、貯湯槽出口温度検出手段によって検出された貯湯槽出口温度と、この貯湯槽出口温度と燃料電池の発電出力制限値との相関関係を示す第 1マップまたは演算式とに基づいて発電出力制限値を導出し、第 1発電制御手段が、第 1発電出力制限値導出手段によって導出された発電出力制限値に基づいて燃料電池の発電出力を制御する。これにより、燃料電池の発電中においては、その発電に伴って発生する燃料電池および改質器の排熱を回収して貯湯水が加熱されるが、貯湯槽が温度的に満水となった場合、貯湯槽出口温度に応じて燃料電池の発電出力が制限されるので、燃料電池からの発熱をできるだけ抑制して、発電出力、排熱利用のバランスを保ち、熱余り状態をできるだけ回避して燃料電池システムの運転を効率よく実施することができる。

[0039] 上記のように構成した請求項 13に係る発明においては、第 1発電制御手段において、発電出力導出手段が、ユーザ負荷電力検出手段によって検出されたユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力を導出し、判定手段が、第 1発電出力制限値導出手段によって導出された発電出力制限値が発電出力導出手段によって導出された発電出力以上である力否かを判定し、制限制御手段が、判定手段によって発電出力制限値が発電出力未満であると判定された場合には、燃料電池の発電出力を発電出力制限値に制限するように制御する。これにより、ユーザ負荷電力検出手段によって検出されたユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力と発電出力制限値とに基づいて簡単かつ確実に燃料電池システムを安定運転することができる。

[0040] 上記のように構成した請求項 14に係る発明においては、第 1マップまたは演算式は、貯湯水の温度毎の燃料電池の発電出力に対する当該燃料電池システムの必要冷却能力の相関関係を示す第 2マップまたは演算式と、改質器の排熱を回収した第 2熱媒体が循環する第 2熱媒体循環回路に設けられて第 2熱媒体を冷却する冷却手段の冷却能力と、に基づいて、貯湯水の各温度における冷却手段の冷却能力に相当する燃料電池の発電出力を導出することにより作成されている。したがって、発電出力制限値は貯湯槽出口温度および冷却手段の冷却能力に基づ!、て導出されるため、燃料電池の発電出力は冷却手段の冷却能力も考慮されて決定されるので、発電出力、排熱利用のバランスをよりよく保ち、熱余り状態をできるだけ回避して燃料電池システムの運転を効率よく実施することができる。

[0041] 上記のように構成した請求項 15に係る発明においては、冷却手段の冷却能力は、第 2マップまたは演算式による貯湯水の最高温度における燃料電池の発電出力に対する当該燃料電池システムの必要冷却能力の相関関係に基づヽて、貯湯槽の湯満水時の燃料電池の最低発電出力に相当する当該燃料電池システムの必要冷却能力であるため、冷却能力を低く抑えた冷却手段を使用することができるので、冷却手段のコンパクト化、ひいては燃料電池システム全体のコンパクトィ匕を達成することができる。

[0042] 上記のように構成した請求項 16に係る発明においては、第 2発電出力制限値導出手段が、燃料ガス燃料電池入口温度検出手段によって検出された燃料ガス燃料電池入口温度またはこの燃料ガスの温度に相関するものの温度と所定温度とを比較し、その比較結果に基づいて燃料電池の発電出力制限値を導出し、第 2発電制御手段が、第 2発電出力制限値導出手段によって導出された発電出力制限値に基づいて燃料電池の発電出力を制御する。これにより、燃料電池の発電中においては、その発電に伴って発生する燃料電池および改質器の排熱を回収して貯湯水が加熱されるが、貯湯槽が温度的に満水となった場合、燃料ガス燃料電池入口温度またはこの燃料ガスの温度に相関するものの温度に応じて燃料電池の発電出力が制限されるので、燃料電池力もの発熱をできるだけ抑制して、発電出力、排熱利用のバランスを保ち、熱余り状態をできるだけ回避して燃料電池システムの運転を効率よく実施することがでさる。

[0043] 上記のように構成した請求項 17に係る発明においては、第 2発電出力制限値導出手段は、燃料ガス燃料電池入口温度検出手段によって検出された温度が所定温度より大きい場合には、前回の発電出力制限値力所定量だけ減算して今回の発電出力制限値を算出し、所定温度より小さい場合には、前回の発電出力制限値から所定量だけ加算して今回の発電出力制限値を算出する。これにより、燃料ガス燃料電池入口温度またはこの燃料ガスの温度に相関するものの温度に基づいて容易かつ的確に発電出力制限値を算出することができる。

[0044] 上記のように構成した請求項 18に係る発明においては、第 2発電制御手段において、発電出力導出手段が、ユーザ負荷電力検出手段によって検出されたユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力を導出し、判定手段が、第 2発電出力制限値導出手段によって導出された発電出力制限値が、発電出力導出手段によって導出された発電出力以上である力否かを判定し、制限制御手段が、判定手段によって発電出力制限値が発電出力未満であると判定された場合には、燃料電池の発電出力を発電出力制限値に制限するように制御する。これにより、ユーザ負荷電力検出手段によって検出されたユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力と発電出力制限値とに基づいて簡単かつ確実に燃料電池システムを安定運転することができる。図面の簡単な説明

[0045] [図 1]図 1は、本発明による燃料電池システムの第 1の実施の形態の概要を示す概要図である。

[図 2]図 2は、図 1に示す燃料電池システムを示すブロック図である。

[図 3]図 3は、貯湯槽出口温度と FC発電出力制限値との相関関係を示す第 1マップである。

[図 4]図 4は、貯湯水の温度毎の燃料電池の発電出力に対する当該燃料電池システムの必要冷却能力の相関関係を示す第 2マップである。

[図 5]図 5は、図 2に示した制御装置にて実行される第 1制御例の制御プログラムのフローチャートである。

[図 6]図 6は、本発明による燃料電池システムの第 1制御例の動作を示すタイムチヤートである。

[図 7]図 7は、図 2に示した制御装置にて実行される第 2制御例の制御プログラムのフローチャートである。

[図 8]図 8は、図 2に示した制御装置にて実行される第 2制御例の制御プログラムのサブノレーチンのフローチャートである。

[図 9]図 9は、本発明による燃料電池システムの第 2制御例の動作を示すタイムチヤートである。

符号の説明

[0046] 10· ··燃料電池、 11· ··燃料極、 12· ··空気極、 20· ··改質器、 21· ··ノーナ、 22· ··改質部、 23· ··—酸ィ匕炭素シフト反応部 (COシフト部）、 24· ··—酸ィ匕炭素選択酸ィ匕反応部 (CO選択酸化部）、 25· ··蒸発器、 30…凝縮器、 31· ··改質ガス用凝縮器、 32 …アノードオフガス用凝縮器、 33· ··力ソードオフガス用凝縮器、 34…燃焼ガス用凝縮器、 40…純水器、 45· ··インバータ、 46…電源ライン、 47· ··電力使用場所、 47a〜電力計、 50…貯水器、 53· ··改質水ポンプ、 61…供給管、 62…排出管、 64-66· ·· 配管、 68· ··改質水供給管、 71· ··貯湯槽、 72…貯湯水循環回路、 73 FC冷却水循環回路、 74…第 1熱交換器、 75…凝縮冷媒循環回路、 76…第 2熱交換器、 ΊΊ· ·· ラジェ一夕、 81, 84· ··ノイノス路、 82, 83, 85, 86, ,-第1〜第4ノノレブ、 P1〜P7, 53· ··ポンプ、 73a, 73b, 75a, 72a, 72b, 72c, 64a…第 1〜第 7温度センサ、 47a …電力計、 90· ··制御装置、 91· ··記憶装置。

発明を実施するための最良の形態

[0047] 以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。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燃料電池 10とこの燃料電池 10に必要な水素ガスを含む改質ガス (燃料ガス)を生成する改質器 20を備えている。

[0048] 燃料電池 10は、燃料極 11と酸化剤極である空気極 12と両極 11, 12間に介在された電解質 13を備えており、燃料極 11に供給された改質ガスおよび空気極 12に供給された酸化剤ガスである空気 (力ソードエア）を用いて発電するものである。なお、燃料電池 10の空気極 12には、空気を供給する供給管 61および力ソードオフガスを排出する排出管 62が接続されており、これら供給管 61および排出管 62の途中には、空気を加湿するための加湿器 14が設けられて、る。この加湿器 14は水蒸気交換型であり、排出管 62中すなわち空気極 12から排出される気体中の水蒸気を除湿してその水蒸気を供給管 61中すなわち空気極 12へ供給される空気中に供給して加湿するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてちょい。

[0049] 改質器 20は、燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池 10に供給するものであり、パーナ 21、改質部 22、一酸ィヒ炭素シフト反応部（以下、 COシフト部と Vヽぅ） 23および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、 CO選択酸化部と、う） 24から構成されている。燃料としては天然ガス、 LPG、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。

[0050] パーナ 21は、起動時に外部から燃焼用燃料および燃焼用空気が供給され、または定常運転時に燃料電池 10の燃料極 11からアノードオフガス (燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス)が供給され、供給された各ガスを燃焼して燃焼ガスを改質部 22に導出するものである。この燃焼ガスは改質部 22を（同改質部 22の触媒の活性温度域となるように)加熱し、その後燃焼ガス用凝縮器 34を通ってその燃焼ガスに含まれている水蒸気が凝縮されて外部に排気される。なお、燃焼用燃料および燃焼用空気は、それぞれ燃焼用燃料供給手段および燃焼用空気供給手段である燃焼用燃料ポンプ P 1および燃焼用空気ポンプ P2によってパーナ 21に供給されるようになっている。両ポンプ PI, P2は制御装置 90によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになって!/、る。

[0051] 改質部 22は、外部から供給された燃料に蒸発器 25からの水蒸気 (改質水)を混合した混合ガスを改質部 22に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸ィ匕炭素ガスを生成している（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ィ匕炭素と水蒸気を水素ガスと二酸ィ匕炭素とに変成している（いわゆる一酸化炭素シフト反応)。これら生成されたガス (いわゆる改質ガス）は COシフト部 23 に導出される。なお、燃料は燃料供給手段である燃料ポンプ P3によって改質部 22 に供給されるようになっている。このポンプ P3は制御装置 90によって制御されてその流量 (送出量）が制御されるようになって!/、る。

[0052] COシフト部 23は、この改質ガスに含まれる一酸ィ匕炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸ィ匕炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されて CO選択酸化部 24に導出される。

[0053] CO選択酸ィ匕部 24は、改質ガスに残留している一酸ィ匕炭素と外部からさらに供給された CO酸化用の空気 (エア）とをその内部に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸ィ匕炭素濃度がさらに低減されて

(lOppm以下)燃料電池 10の燃料極 11に導出される。なお、 CO酸化用の空気 (ェァ）は CO酸化用エア供給手段である CO酸ィ匕用エアポンプ P4によって CO選択酸ィ匕部 24に供給されるようになっている。このポンプ P4は制御装置 90によって制御されてその流量 (送出量）が制御されるようになって!/、る。

[0054] 蒸発器 25は、一端が貯水器 50内に配置され他端が改質部 22に接続された改質水供給管 68の途中に配設されている。改質水供給管 68には改質水ポンプ 53が設けられている。このポンプ 53は制御装置 90によって制御されており、貯水器 50内の改質水として使用する回収水を蒸発器 25に圧送している。蒸発器 25は例えばバーナ 21から排出される燃焼ガス、改質部 22、 COシフト部 23などの熱によって加熱されており、これにより圧送された改質水を水蒸気化する。

[0055] 改質器 20の CO選択酸化部 24と燃料電池 10の燃料極 11とを連通する配管 64の途中には、凝縮器 30が設けられている。この凝縮器 30 (図面上は分離しているが）は改質ガス用凝縮器 31、アノードオフガス用凝縮器 32、力ソードオフガス用凝縮器 3 3および燃焼ガス用凝縮器 34がー体的に接続された一体構造体である。改質ガス用凝縮器 31は配管 64中を流れる燃料電池 10の燃料極 11に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器 32は、燃料電池 10の燃料極 11と改質器 20のパーナ 21とを連通する配管 65の途中に設けられており、その配管 65中を流れる燃料電池 10の燃料極 11から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。力ソードオフガス用凝縮器 33は、排出管 62の加湿器 14の下流に設けられており、その排出管 62中を流れる燃料電池 10の空気極 12から排出される力ソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。燃焼ガス用凝縮器 34はパーナ 21の下流に設けられており、燃焼排ガスの顕熱とともに水蒸気を凝縮させた潜熱を回収する。

[0056] 上述した凝縮器 31〜34は配管 66を介して純水器 40に連通しており、各凝縮器 3 1〜34にて凝縮された凝縮水は、純水器 40に導出され回収されるようになっている。純水器 40は、凝縮器 30から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換榭脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を貯水器 50に導出するものである。なお、貯水器 50は純水器 40から導出された回収水を改質水として一時的に溜めておくものである。また、純水器 40には水道水供給源 (例えば水道管)から供給される補給水 (水道水）を導入する配管が接続されており、純水器 40内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになって、る。

[0057] 燃料電池システムは、貯湯水を貯湯する貯湯槽 71と、貯湯水が循環する貯湯水循環回路 72と、燃料電池 10の発電で発生する排熱を回収した第 1熱媒体である FC冷却水が循環する第 1熱媒体循環回路である FC冷却水循環回路 73と、貯湯水と FC 冷却水との間で熱交換が行われる第 1熱交と、燃料電池 10から排出されるォフガスの排熱、改質器 20にて発生する排熱の少なくとも何れかを回収した第 2熱媒体である凝縮冷媒 (凝縮器熱媒体)が循環する第 2熱媒体循環回路である凝縮冷媒循環回路 75と、貯湯水と凝縮冷媒との間で熱交換が行われる第 2熱交翻76とが備えられている。これにより、燃料電池 10にて発生した排熱 (熱エネルギー）は、 FC 冷却水に回収され、第 1熱交 74を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱 (昇温)する。また、改質器 20にて発生した排熱 (熱エネルギー）は、凝縮器 3 0を介して凝縮冷媒に回収され、第 2熱交 76を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱 (昇温)する。なお、本明細書中および添付の図面中の「FC」は「燃料電池」の省略形として記載して、る。

[0058] 貯湯槽 71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つている。貯湯槽 71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 71に貯留された高温の温水が貯湯槽 7 1の柱状容器の上部から導出されるようになっている。また、貯湯槽 71は密閉式であり、水道水の圧力がそのまま内部、ひいては貯湯水循環回路 72にかかる形式のものである。

[0059] 貯湯水循環回路 72の一端および他端は貯湯槽 71の下部および上部に接続されている。貯湯水循環回路 72上には、一端力も他端に順番に貯湯水循環手段である貯湯水循環ポンプ P5、第 4温度センサ 72a、第 2熱交換器 76、第 5温度センサ 72b、第 1熱交換器 74および第 6温度センサ 72cが配設されている。貯湯水循環ポンプ P5 は、貯湯槽 71の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環回路 72を通水させて貯湯槽 71の上部に吐出するものであり、制御装置 90によって制御されてその流量 (送出量）が制御されるようになっている。第 4〜第 6温度センサ 72a〜72cは、それぞれ貯湯水の貯湯槽 71の出口温度、貯湯水の第 1熱交換器 74の入口温度、および貯湯水の第 1熱交換器 74の出口温度を検出し、それら検出結果を制御装置 90に出力するものである。

[0060] 貯湯水循環回路 72には、第 2熱交翻 76をバイパスするバイパス路 81が設けられている。バイパス路 81には制御装置 90の指令によって同バイパス路 81を開閉制御する第 1バルブ 82が設けられている。ノィパス路 81の分岐元と第 2熱交翻 76との間の貯湯水循環回路 72には制御装置 90の指令によって同貯湯水循環回路 72を開閉制御する第 2バルブ 83が設けられている。第 1および第 2バルブ 82, 83を閉、開状態とすると、貯湯水は第 2熱交換器 76を流通し、開、閉状態とすると、貯湯水は第 2熱交翻76を流通しないでバイパス路 81を流通する。これにより、貯湯水の流路を第 2熱交翻76およびバイパス路 81から選択できる。

[0061] FC冷却水循環回路 73上には、 FC冷却水循環手段である FC冷却水循環ポンプ P 6が配設されており、この FC冷却水循環ポンプ P6は、制御装置 90によって制御されてその流量 (送出量）が制御されるようになっている。また、 FC冷却水循環回路 73上には、第 1および第 2温度センサ 73a, 73bが配設されており、第 1および第 2温度センサ 73a, 73bは、それぞれ FC冷却水の燃料電池 10の入口温度および出口温度を検出し、それら検出結果を制御装置 90に出力するものである。さらに、 FC冷却水循環回路 73上には第 1熱交翻74が配設されている。

[0062] 凝縮冷媒循環回路 75上には、凝縮冷媒循環手段である凝縮冷媒循環ポンプ P7 が配設されており、この凝縮冷媒循環ポンプ P7は、制御装置 90によって制御されてその流量 (送出量）が制御されるようになっている。また、凝縮冷媒循環回路 75上には、上流カゝら順番にアノードオフガス用凝縮器 32、燃焼ガス用凝縮器 34、力ソードォフガス用凝縮器 33および改質ガス用凝縮器 31が配設されている。また、凝縮冷媒循環回路 75上には、第 3温度センサ 75aが配設されており、第 3温度センサ 75aは、凝縮冷媒の改質ガス用凝縮器 31の出口温度を検出し、その検出結果を制御装置 9 0に出力するものである。さらに、凝縮冷媒循環回路 75上には第 2熱交翻76が配設されている。なお、各凝縮器 31〜34の配置は上述した順番に限らないし、また、各凝縮器 31〜34は一本の配管に直列に配置する場合に限らず、凝縮冷媒循環回路 75を複数に分岐して各分岐路に並列に配置するようにしてもよい。また、凝縮冷媒循環回路 75上には少なくとも改質ガス用凝縮器 31が配置されるようになっている

[0063] また、凝縮冷媒循環回路 75には、第 2熱交換器 76の直下流に凝縮冷媒を冷却する冷却手段であるラジェータ 77が配置されている。ラジェータ 77は、制御装置 90の指令によってオン'オフ制御されており、オン状態のときには凝縮冷媒を冷却し、オフ状態のときには冷却しない。このラジェータ 77の冷却能力は、後述する第 2マップに示す貯湯水の最高温度 T における燃料電池 10の発電出力に対する当該燃料電池システムの必要冷却能力の相関関係を示すグラフまたは演算式にて、貯湯槽 71 の湯満水時の燃料電池 10の最低発電出力 E1に相当する当該燃料電池システムの必要冷却能力 HIである。なお、貯湯水の最高温度 T は、燃料電池 10の最大発

max

熱温度 (例えば 60〜70°C)によって規定されるので、貯湯水温度はそれ以上となることはない。なお、ラジェータ 77は、貯湯水循環回路 72または FC冷却水循環回路 7 3に配置してもよぐ少なくとも凝縮冷媒循環回路 75、貯湯水循環回路 72および FC 冷却水循環回路 73の何れか一つに配置するようにすればよい。これによれば、貯湯水の温度が燃料電池で必要な温度に到達した場合、もしくは改質器 20の排熱を回収した凝縮冷媒で必要な温度に到達した場合、貯湯水が排熱を回収してそれ以上昇温しな!、ようにするため、貯湯水または Zおよび第 1および第 2熱媒体の温度を冷却手段であるラジェータ 77によって効率よく冷却することができる。

[0064] さらに、凝縮冷媒循環回路 75には、第 2熱交翻 76をバイパスするバイパス路 84 が設けられて、る。バイパス路 84には制御装置 90の指令によって同バイパス路 84を開閉制御する第 3バルブ 85が設けられて、る。バイパス路 84の分岐元と第 2熱交換器 76との間の凝縮冷媒循環回路 75には制御装置 90の指令によって同凝縮冷媒循環回路 75を開閉制御する第 4バルブ 86が設けられている。第 3および第 4バルブ 85 , 86を閉、開状態とすると、凝縮冷媒は第 2熱交換器 76を流通し、開、閉状態とすると、凝縮冷媒は第 2熱交翻 76を流通しないでバイノス路 84を流通する。これにより、凝縮冷媒の流路を第 2熱交翻76およびバイパス路 84から選択でき、上述した貯湯水の流路選択と合わせて、凝縮冷媒および貯湯水がそれぞれ第 2熱交換器 76を流通する場合、バイパス路 84, 81を流通する場合、および凝縮冷媒および貯湯水がそれぞれ第 2熱交翻 76およびバイノス路 84 (または 81)を流通する場合を実現できる。なお、バイパス路 81および 84の何れか一方を設けるようにしてもよい。

[0065] さらに、燃料電池システムは、インバータ (電力変翻) 45を備えている。インバータ 45は、燃料電池 10の発電出力を交流電力に変換して送電線 46を介してユーザ先である電力使用場所 47に供給するものである。電力使用場所 47には、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負荷装置（図示省略)が設置されており、インバータ 45から供給される交流電力が必要に応じて負荷装置に供給されている。なお、インバータ 45と電力使用場所 47とを接続する送電線 46には電力会社の系統電源 48も接続されており（系統連系）、燃料電池 10の発電出力より負荷装置の総消費電力が上回った場合、その不足電力を系統電源 48から受電して補うようになっている。電力計 47aは、ユーザ負荷電力 (ユーザ消費電力）を検出するユーザ負荷電力検出手段であり、電力使用場所 47で使用される全ての負荷装置の合計消費電力を検出して、制御装置 90に送信するようになっている。

[0066] また、インバータ 45は、発電出力を降圧または昇圧して、その直流電力を燃料電池システムの構成部材である各ポンプ P1〜P7, 53、各バルブ（図示省略）、パーナ 21 の着火装置などの電気部品いわゆる補機に供給するようになっている。また、インバータ 45は凝縮冷媒循環回路 75に配置されており、インバータ 45が凝縮冷媒によつて冷却されている。

[0067] また、上述した各温度センサ 73a, 73b, 75a, 72a, 72b, 72c, 64a、各ポンプ PI 〜P7, 53および電力計 47aは制御装置 90に接続されている（図 2参照)。制御装置 90はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、ノスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、 CPU、 RAMおよび ROM (いずれも図示省略）を備えている。 CPUは、図 5または図 7および図 8のフローチャートに対応したプログラムを実行して、各温度センサ 73a, 73b, 75a, 72a, 72b, 72c, 64 aが検出した何れかの温度、電力計 47aが検出したユーザ負荷電力に基づ、て燃料電池 10の発電出力を制御している。 RAMは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、 ROMは前記プログラムを記憶するものである。

[0068] さらに、制御装置 90には記憶装置 91が接続されており、この記憶装置 91は、図 3 に示す第 1マップまたは演算式を記憶するものである。この第 1マップまたは演算式は、貯湯槽出口温度検出手段である第 4温度センサ 72aによって検出された貯湯槽出口温度 T4と、この貯湯槽出口温度 T4と燃料電池 10の発電出力制限値 ELとの相関関係を示すものである。この第 1マップまたは演算式力も明らかなように貯湯槽出口温度 T4と燃料電池 10の発電出力制限値 ELとは逆比例の関係にある。

[0069] この第 1マップまたは演算式は、貯湯水の温度毎の燃料電池 10の発電出力に対する当該燃料電池システムの必要冷却能力の相関関係を示す第 2マップまたは演算式と、ラジェータ 77の冷却能力と、に基づいて、貯湯水の各温度におけるラジェータ 77の冷却能力に相当する燃料電池 10の発電出力を導出することにより作成することができる。まず、第 2マップまたは演算式を次のようにして作成する。図 4に示すように、貯湯水循環回路 72を循環する貯湯水の温度を一定にして FC発電出力に対する燃料電池システムの必要冷却能力を計算あるいは計測して求める。これを所定の温度レンジにて変化させた場合、例えば貯湯槽 71の最高温度である T 、 T 力も所 max max 定温度ずつ低い温度 T 〜Τ の各温度にて、 FC発電出力に対する燃料電 max— 1 max—

池システムの必要冷却能力のグラフ（関数)を計算あるいは計測してそれぞれ求める。このようにして第 2マップまたは演算式を作成することができる。一方、ラジェータ 77 の冷却能力は、上述したように、貯湯水の最高温度 T における燃料電池 10の発電 max

出力に対する当該燃料電池システムの必要冷却能力の相関関係を示すグラフまたは演算式にて、貯湯槽 71の湯満水時の燃料電池 10の最低発電出力 E1に相当する当該燃料電池システムの必要冷却能力 HIとして規定されている。

[0070] したがって、先に算出した貯湯水の温度毎の燃料電池 10の発電出力に対する当該燃料電池システムの必要冷却能力の相関関係を示すグラフまたは演算式における、ラジェータ 77の冷却能力 E1に相当する燃料電池 10の発電出力が FC発電出力制限値 ELとして導出される。具体的には、例えば貯湯水の温度 (すなわち貯湯槽の出口温度 T4)が T である場合には上述したように FC発電出力制限値 ELは E1で max

あり、 T である場合には FC発電出力制限値 ELは E2であり、 T である場合 max— 1 max— 2

には FC発電出力制限値 ELは E3であり、 T である場合には FC発電出力制限 max— 3

値 ELは E4であり、 T である場合には FC発電出力制限値 ELは E である。な max— 4 max

お、所定の温度レンジは貯湯槽の最高温度 T カゝら FC発電出力制限値 ELが燃料 max

電池 10の最大発電出力 E となる温度 (本実施の形態においては T )までの範 max max— 4 囲である。

[0071] ラジェータ 77の能力は外気温度 (ラジェータ冷却媒体温度)で変わるため各外気温度により図 3、図 4のマップを持つ Z演算することでさらに効率ィ匕を図れる。ラジェータ 77の能力の決定の際は夏場の外気温度の一番厳しい条件で行う。 [0072] 次に、上述した燃料電池システムにおいて熱回収効率の最適化の制御について説明する。まず、貯湯水循環ポンプ P5は、 FC冷却水 FC入口温度 T1が燃料電池の最適運転温度となるように流量制御されている。さらに、 FC冷却水循環ポンプ P6は、 F C冷却水 FC入口温度 T1と FC冷却水 FC出口温度 T2との温度差 Δ Tが目標温度差 ΔΤ* (例えば 3〜5°C)となるように流量制御されている。目標温度差 ΔΤ*は、燃料電池 10の改質ガス流路または空気流路内の水蒸気を最適加湿条件に維持することができるように設定されている。そして、凝縮冷媒循環ポンプ P7は、凝縮冷媒のァノードオフガス (AOG)凝縮器出口温度 T3が目標温度 T3 * (例えば 50〜60°C)となるように流量制御されている。凝縮冷媒の改質ガス用凝縮器出口温度 T3が高いほど第 2熱交換 76における貯湯水の凝縮回収熱量の回収効率がよいので、目標温度 T3 *は高く設定するのが望ましい。一方、凝縮冷媒の改質ガス用凝縮器出口温度 T3が高くなると、改質ガス用凝縮器 31にて凝縮冷媒と熱交換する改質ガスの温度すなわち改質ガス FC入口温度 T7の温度が高くなり、燃料電池 10の燃料極 11がフラッデイングを発生する。したがって、目標温度 T3 *はフラッデイングが発生しない範囲内で、凝縮回収熱量の回収効率ができるだけよい温度に設定されている。

[0073] la)第 1制御例

以下、上述した燃料電池システムの第 1制御例について図 5および図 6を参照して説明する。制御装置 90は、図示しない起動スィッチがオンされて燃料電池システムを起動して起動運転が完了し発電可能な定常運転となると、図 5に示すプログラムを所定の短時間毎に実行する。制御装置 90は、ステップ 102において、第 4温度センサ 72aによって貯湯水貯湯槽出口温度 (貯湯槽出口温度) T4を検出する。そして、ステツプ 104において、ステップ 102にて検出された貯湯槽出口温度 T4と、この貯湯槽出口温度 T4と燃料電池 10の発電出力制限値 ELとの相関関係を示す第 1マップまたは演算式とに基づいて発電出力制限値 ELを導出する (第 1発電出力制限値導出手段)。

[0074] 制御装置 90は、ステップ 106〜114において、第 1発電出力制限値導出手段によつて導出された発電出力制限値 ELに基づいて燃料電池 10の発電出力を制御する（第 1発電制御手段)。具体的には、ステップ 106において、電力計 47aによってユーザ負荷電力を検出する（ユーザ負荷電力検出手段)。ステップ 108において、ステツプ 106にて検出されたユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力 EUを、ユーザ負荷電力と発電出力の相関を示すマップまたは演算式に基づいて導出する (発電出力導出手段)。ステップ 110において、ステップ 104にて導出された発電出力制限値 ELがステップ 108にて導出された発電出力 EU以上であるか否かを判定する（判定手段)。ステップ 112において、発電出力制限値 ELが発電出力 EU以上であると判定された場合には、燃料電池 10の発電出力をユーザ負荷電力に追従するように制御する（追従制御手段)。また、ステップ 114において、発電出力制限値 ELが発電出力 EU未満であると判定された場合には、燃料電池 10の発電出力を発電出力制限値 ELに制限するように制御する（制限制御手段)。なお、前述した追従制御および制限制御のいずれの制御においても、燃焼効率等が考慮されて燃料電池 10の発電出力となるように燃料供給量、改質水供給量、燃焼用燃料供給量、燃焼用空気供給量および CO酸化用空気供給量が導出され、これら導出された供給量となるように燃料ポンプ P3、改質水ポンプ 53、燃焼用燃料ポンプ Pl、燃焼用空気ポンプ P2および CO酸ィ匕用ポンプ P4の流量が制御装置 90によって制御されている。

[0075] このような制御によれば、貯湯槽出口温度 T4が図 6の上段に示すように変化した場合、発電出力制限値 ELは上述したステップ 104の処理によって図 6の中段に示すように貯湯槽出口温度 T4と逆に変化する。一方、ユーザ負荷に基づく発電出力 EUが図 6の中段に示すように変化した場合、時刻 tl l〜tl2および時刻 tl3〜tl4においては発電出力制限値 ELが発電出力 EU未満であるので、発電出力が発電出力制限値 ELに制限され、それ以外の時間帯においては発電出力制限値 ELが発電出力 E U以上であるので、発電出力が制限されることなくユーザ負荷電力に追従する追従制御が行われる（図 6の下段)。

[0076] したがって、本第 1制御例によれば、第 1発電出力制限値導出手段が、第 4温度センサ 72aによって検出された貯湯槽出口温度 T4と、この貯湯槽出口温度 T4と燃料電池 10の発電出力制限値 ELとの相関関係を示す第 1マップまたは演算式とに基づいて発電出力制限値 ELを導出し、第 1発電制御手段が、第 1発電出力制限値導出手段によって導出された発電出力制限値 ELに基づいて燃料電池 10の発電出力を制御する。これにより、燃料電池 10の発電中においては、その発電に伴って発生する燃料電池 10および改質器 20の排熱を回収して貯湯水が加熱されるが、貯湯槽 71 が温度的に満水となった場合、貯湯槽出口温度 T4に応じて燃料電池 10の発電出力が制限されるので、燃料電池 10からの発熱をできるだけ抑制して、発電出力、排熱利用のノランスを保ち、熱余り状態をできるだけ回避して燃料電池システムの運転を効率よく実施することができる。

[0077] また、第 1発電制御手段において、ステップ 108において、ステップ 106にて検出されたユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力 EUを導出し、ステップ 110において、ステップ 104にて導出された発電出力制限値 ELがステップ 108にて導出された発電出力 EU以上であるか否かを判定し、ステップ 112において、ステップ 110にて発電出力制限値 ELが発電出力 EU以上であると判定された場合には、燃料電池 10の発電出力をユーザ負荷電力に追従するように制御し、ステップ 114にお、て、ステップ 110にて発電出力制限値 ELが発電出力 EU未満であると判定された場合には、燃料電池 10の発電出力を発電出力制限値に制限するように制御する。これにより、ユーザ負荷電力検出手段によって検出されたユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力 EUと発電出力制限値 ELとに基づいて簡単かつ確実に燃料電池システムを安定運転することができる。

[0078] また、第 1マップまたは演算式は、貯湯水の温度毎の燃料電池の発電出力に対する当該燃料電池システムの必要冷却能力の相関関係を示す第 2マップまたは演算式と、改質器 20の排熱を回収した第 2熱媒体が循環する第 2熱媒体循環回路 75に設けられて第 2熱媒体を冷却するラジェータ 77の冷却能力と、に基づいて、貯湯水の各温度におけるラジェータ 77の冷却能力に相当する燃料電池の発電出力を導出すること〖こより作成されている。したがって、発電出力制限値 ELは貯湯槽出口温度 T4 およびラジェータ 77の冷却能力に基づいて導出されるため、燃料電池の発電出力はラジェータ 77の冷却能力も考慮されて決定されるので、発電出力、排熱利用のバランスをよりよく保ち、熱余り状態をできるだけ回避して燃料電池システムの運転を効率よく実施することができる。

[0079] また、ラジェータ 77の冷却能力は、貯湯水の最高温度 T における燃料電池の発電出力に対する当該燃料電池システムの必要冷却能力の相関関係を示す第 2マツプまたは演算式にて、貯湯槽 71の湯満水時の燃料電池の最低発電出力に相当する当該燃料電池システムの必要冷却能力であるため、冷却能力を低く抑えたラジェータ 77を使用することができるので、ラジェータ 77のコンパクト化、ひいては燃料電池システム全体のコンパクトィ匕を達成することができる。

[0080] lb)第 2制御例

以下、上述した燃料電池システムの第 2制御例について図 7〜図 9を参照して説明する。制御装置 90は、図示しない起動スィッチがオンされて燃料電池システムを起動して起動運転が完了し発電可能な定常運転となり、燃料ガス FC入口温度 T7が所定温度 Taを超えると、図 7に示すプログラムを所定時間 TMa毎に実行する。制御装置 90は、ステップ 202において、第 7温度センサ 64aによって燃料電池 10の燃料極入口に流入する燃料ガスの温度 (燃料ガス FC入口温度) T7を検出する。なお、燃料ガス FC入口温度 T7の代わりにこの燃料ガスの温度 T7に相関するものの温度例えば凝縮冷媒の改質ガス用凝縮器 31の出口温度 (凝縮冷媒改質ガス用凝縮器出口温度) T3を第 3温度センサ 75aによって検出するようにしてもよい。そして、その検出値を使用して以降の処理を実行するようにしてもょ、。

[0081] そして、ステップ 204にお!/、て、ステップ 202にて検出された燃料ガス FC入口温度 T7と、所定温度 Taとを比較し、その比較結果に基づいて燃料電池 10の発電出力制限値 ELを導出する (第 2発電出力制限値導出手段)。具体的には、制御装置 90は、図 8に示すサブルーチンを実行する。すなわち制御装置 90は、ステップ 202にて検出された温度 T7が所定温度 Taより大きい場合には、前回の発電出力制限値 ELから所定量 Δ Εだけ減算して今回の発電出力制限値 EL—Δを算出し (ステップ 302, 304)、所定温度 Taと同じである場合には、前回の発電出力制限値 ELを今回の発電出力制限値 ELとして算出し (ステップ 302, 306)、所定温度 Taより小さい場合には、前回の発電出力制限値 ELに所定量 Δ Εだけ加算して今回の発電出力制限値 E L+ Δを算出する（ステップ 302, 308)。そして、プログラムをステップ 310に進めてサブルーチンの処理を終了し、ステップ 206以降に進める。なお、ステップ 302にお V、て、ステップ 202にて検出された燃料ガス FC入口温度 T7と所定温度 Taを比較して、るが、燃料ガス FC入口温度 T7と所定の温度範囲 (不感帯)を比較するようにしてもよい。

[0082] 所定温度 Taは、燃料電池 10の燃料極 11がフラッデイングとならな、温度に規定されているので、フラッデイングによって燃料電池の発電低下、停止を確実に防止して燃料電池システムを安定運転することができる。

[0083] 制御装置 90は、ステップ 206〜214において、第 2発電出力制限値導出手段によつて導出された発電出力制限値 ELに基づいて燃料電池 10の発電出力を制御する（第 2発電制御手段)。具体的には、ステップ 206において、電力計 47aによってユーザ負荷電力を検出する（ユーザ負荷電力検出手段)。ステップ 208において、ステツプ 206にて検出されたユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力 EUを、ユーザ負荷電力と発電出力の相関を示すマップまたは演算式に基づいて導出する (発電出力導出手段)。ステップ 210において、ステップ 204にて導出された発電出力制限値 ELがステップ 208にて導出された発電出力 EU以上であるか否かを判定する（判定手段)。ステップ 212において、発電出力制限値 ELが発電出力 EU以上であると判定された場合には、燃料電池 10の発電出力をユーザ負荷電力に追従するように制御する（追従制御手段)。また、ステップ 214において、発電出力制限値 ELが発電出力 EU未満であると判定された場合には、燃料電池 10の発電出力を発電出力制限値 ELに制限するように制御する（制限制御手段)。

[0084] そして、制御装置 90は、追従制御または制限制御を行いながらステップ 216にて所定時間 TMaが経過するのを待ってプログラムをステップ 218に進めてー且終了する。これにより、ステップ 212または 214にて決定した制御を所定時間 TMaだけ実行した後、再びステップ 202以降の処理を実行することになる。

[0085] このような制御によれば、貯湯槽出口温度 T4がユーザ要求による燃料電池 10の発電に伴う熱エネルギーよって図 9の上段に示すように上昇した場合、第 2熱交換器 76 にお、て凝縮冷媒が冷却できなくなり凝縮冷媒温度が上昇する。これに伴って改質ガス FC入口温度 T7も上昇を開始する（時刻 t21)。なお、時刻 t21までの改質ガス F C入口温度 T7は所定温度 Taに維持されているものとする。また、時刻 t21までは燃料電池 10の発電出力は制限されておらず最大発電出力まで発電可能であるとする [0086] 時刻 t21にて改質ガス FC入口温度 T7が所定温度 Taより大となると、図 9の中段に示すように、再び改質ガス FC入口温度 T7が所定温度 Ta以下となるまで（時刻 t25) 、発電出力制限値 EUま徐々に/ J、さくなる（ステップ 202、 204、 302、 304、 310、 20 6〜218)。これと同時に、発電出力制限値 ELとユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力 EUとを比較して追従制御とするか制限制御とするかが決定されその制御が実行される。発電出力制限値 ELが徐々に小さくなる範囲内で追従制御も実行されるので、いずれにしても燃料電池 10の発電出力（発電出力最大値）は抑制され、燃料電池 10からの発熱が抑制され、ラジェータ 77の負荷が小さくなり冷却能力に余裕ができれば凝縮冷媒を冷却でき、ひヽては改質ガス FC入口温度 T7を小さくすることがでさる。

[0087] これにより、改質ガス FC入口温度 T7は t25にて所定温度 Taに到達する。時刻 t21 〜t25にお、て、ユーザ負荷に基づく発電出力 EUが図 9の中段に示すように変化した場合、時刻 t21〜t22および時刻 t23〜t24においては発電出力制限値 ELが発電出力 EU未満であるので、発電出力が発電出力制限値 ELに制限され、それ以外の時間帯においては発電出力制限値 ELが発電出力 EU以上であるので、発電出力が制限されることなくユーザ負荷電力に追従する追従制御が行われる（図 9の下段）

[0088] また、貯湯水が使用されるなどして時刻 t29にて改質ガス FC入口温度 T7が所定温度 Taより小さくなると、図 9の中段に示すように、再び改質ガス FC入口温度 T7が所定温度 Ta以上となるまで（時刻 t31)、発電出力制限値 ELは徐々に大きくなる (ステップ 202、 204、 302、 308、 310、 206〜218)。これと同時に、発電出力帘 U限値 EL とユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力 EUとを比較して追従制御とするか制限制御とするかが決定されその制御が実行される。発電出力制限値 ELが徐々に大きくなる範囲内で追従制御も実行されるので、いずれにしても燃料電池 10の発電出力（発電出力最大値）は増加され、燃料電池 10からの発熱が増大し、凝縮冷媒を昇温し、ひ、ては改質ガス FC入口温度 T7を昇温することができる。

[0089] これにより、改質ガス FC入口温度 T7は t31にて所定温度 Taに到達する。時刻 t29 〜t31にお、て、ユーザ負荷に基づく発電出力 EUが図 9の中段に示すように変化した場合、時刻 t29〜t30においては発電出力制限値 ELが発電出力 EU未満であるので、発電出力が発電出力制限値 ELに制限され、それ以外の時間帯においては発電出力制限値 ELが発電出力 EU以上であるので、発電出力が制限されることなくュ一ザ負荷電力に追従する追従制御が行われる（図 9の下段)。

[0090] したがって、本第 2制御例によれば、第 2発電出力制限値導出手段が、第 7温度センサ 64aによって検出された燃料ガス燃料電池入口温度 T7またはこの燃料ガスの温度に相関するものの温度と所定温度 Taとを比較し、その比較結果に基づいて燃料電池の発電出力制限値を導出し、第 2発電制御手段が、第 2発電出力制限値導出手段によって導出された発電出力制限値 ELに基づいて燃料電池 10の発電出力を制御する。これにより、燃料電池 10の発電中においては、その発電に伴って発生する燃料電池 10および改質器 20の排熱を回収して貯湯水が加熱されるが、貯湯槽 71 が温度的に満水となった場合、燃料ガス燃料電池入口温度 T7またはこの燃料ガスの温度に相関するものの温度 T3に応じて燃料電池 10の発電出力が制限されるので、燃料電池 10からの発熱をできるだけ抑制して、発電出力、排熱利用のバランスを保ち、熱余り状態をできるだけ回避して燃料電池システムの運転を効率よく実施することができる。

[0091] また、第 2発電出力制限値導出手段は、第 7温度センサ 64aによって検出された燃料ガス燃料電池入口温度 T7が所定温度 Taより大きい場合には、前回の発電出力制限値 ELから所定量 Δ Εだけ減算して今回の発電出力制限値 EL—Δ Εを算出し、所定温度 Taより小さい場合には、前回の発電出力制限値 ELから所定量 Δ Εだけカロ算して今回の発電出力制限値 EL+ Δ Εを算出する。これにより、燃料ガス燃料電池入口温度 T7またはこの燃料ガスの温度に相関するものの温度に基づいて容易かつ的確に発電出力制限値 ELを算出することができる。

[0092] また、第 2発電制御手段において、ステップ 208において、ステップ 206にて検出されたユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力を導出し、ステップ 210において、ステップ 204にて導出された発電出力制限値 EL力ステップ 208にて導出された発電出力 EU以上であるか否かを判定し、ステップ 212において、ステップ 210にて発電出力制限値 ELが発電出力 EU以上であると判定された場合には、燃料電池 10 の発電出力をユーザ負荷電力に追従するように制御し、ステップ 214において、ステップ 210にて発電出力制限値 ELが発電出力 EU未満であると判定された場合には、燃料電池 10の発電出力を発電出力制限値 ELに制限するように制御する。これにより、ユーザ負荷電力検出手段によって検出されたユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力 EUと発電出力制限値 ELとに基づいて簡単かつ確実に燃料電池システムを安定運転することができる。

[0093] また、燃料ガス燃料電池入口温度検出手段、第 2発電出力制限値導出手段、および第 2発電制御手段による各処理は、燃料ガスの応答性を考慮して設定された所定時間 TMa毎に繰り返し実行されるので、的確な時間に制御処理を実行することができる。また、より緻密に制御処理を実行することができる。

[0094] 上述の説明から明らかなように、この実施の形態においては、第 1熱媒体循環回路である FC冷却水循環回路 73は、燃料電池 10の発電で発生する排熱を回収した第 1熱媒体である FC冷却水が循環するものであり、貯湯水循環回路 72とは独立して設けられるとともに、第 1熱交を介して貯湯水と第 1熱媒体との間で熱交換が行われる。また、第 2熱媒体循環回路である凝縮冷媒循環回路 75は、燃料電池 10から排出されるオフガスの排熱、改質器 20にて発生する排熱の少なくとも何れ力を回収した第 2熱媒体である凝縮冷媒が循環するものであり、貯湯水循環回路 72とは独立して設けられるとともに、第 2熱交を介して貯湯水と第 2熱媒体との間で熱交換が行われる。すなわち、貯湯水は、アノードオフガス、力ソードオフガス、燃焼排ガス、改質ガスと直接熱交換をしておらず、第 2熱交翻76を介して間接的に熱交換をすること〖こなる。したがって、貯湯槽 71が水道水が直接補給される密閉式である場合、貯湯槽 71、貯湯水循環回路 72には高圧の水道水圧が力かるが、第 2熱媒体循環回路 75は貯湯水循環回路 72から独立しているため、第 2熱媒体循環回路 75上に配設される熱交^^である各凝縮器 31〜34には直接水道水圧がカゝからないので、それら熱交 31〜34を過剰な耐圧構造としなくてもすむので、コスト高、大型化を招くことなぐ高圧水源力ゝら貯湯水を補給可能である燃料電池システムを提供することがでさる。 [0095] また、たとえ改質ガス、アノードオフガス、力ソードオフガス、燃焼排ガスが各凝縮器 31, 32, 33, 34を介して第 2熱媒体である凝縮媒体に混入することがあっても、貯湯水循環回路 72は第 2熱媒体循環回路 75から独立しているため、直接貯湯水に混入することを防止することができる。また、たとえ改質ガスが燃料電池 10を介して第 1熱媒体である FC冷却水に混入することがあっても、貯湯水循環回路 72は第 1熱媒体循環回路 73から独立しているため、直接貯湯水に混入することを防止することができる。

[0096] また、第 2熱媒体循環回路上 75には改質器 20および燃料電池 10を流通する高温かつ蒸気を含んだ気体カゝら熱量を回収して同気体を凝縮する各凝縮器 31〜34が備えられ、第 2熱媒体は凝縮器を流通する凝縮冷媒であるので、従来の構成を有効利用することにより大型化することなく簡単な構成で確実に第 2熱媒体を昇温することができる。

[0097] また、貯湯水循環回路 72および第 2熱媒体循環回路 75に第 2熱交換器 76をバイノスするバイパス路 81, 84をそれぞれ設け、凝縮冷媒の流路を第 2熱交翻 76およびバイパス路 84から選択するようにし、貯湯水の流路を第 2熱交翻76およびバィパス路 81から選択するようにした。これにより、凝縮冷媒および貯湯水がそれぞれ第 2熱交翻 76を流通する場合、バイパス路 84, 81を流通する場合、および凝縮冷媒および貯湯水がそれぞれ第 2熱交翻76およびバイパス路 84 (または 81)を流通する場合を選択的に実現できる。したがって、貯湯水の温度などに応じて流体の流路を選択することにより的確に第 2熱交にて熱交換を実施することができる。なお、バイパス路 81およびバイノス路 84の何れか一方を設けて第 2熱交翻 76 およびバイパス路のどちらかに流体を流通させるようにしてもよい。これによつても貯湯水の温度などに応じて的確に第 2熱交にて熱交換を実施することができる

[0098] なお、上述した実施の形態において、貯湯水循環回路 72および第 2熱媒体循環回路 75のうち何れか一方に第 2熱交翻 76をバイノスするバイパス路を設けるようにしたのと同様に、貯湯水循環回路 72および第 1熱媒体循環回路 73のうち少なくとも何れか一方に第 1熱交翻 74をバイパスするバイパス路を設けるのが好ましい。これによっても、貯湯水の温度などに応じて流体の流路を選択することにより的確に第

1熱交^^にて熱交換を実施することができる。

[0099] また、上述した実施の形態において、 FC冷却水循環回路 73と凝縮冷媒循環回路 75を独立して設けるようにした力両回路 73, 75を一つの循環回路 (熱媒体循環回路)としてもよい。この場合、熱媒体循環回路は、貯湯水循環回路 72とは独立して設けられ 10燃料電池および 20改質器の排熱を回収した熱媒体が循環するものである。そして、貯湯水と熱媒体との間で熱交換が行われる熱交^^が熱媒体循環回路と貯湯水循環回路 72に跨って設けられている。すなわち、熱媒体循環回路上には、燃料電池 10、各凝縮器 31〜34が配置されている。

[0100] これによつても、熱媒体循環回路は、燃料電池 10および改質器 20の排熱を回収した熱媒体が循環するものであり、貯湯水循環回路 72とは独立して設けられるとともに、熱交を介して貯湯水と熱媒体との間で熱交換が行われる。すなわち、貯湯水は、アノードオフガス、力ソードオフガス、燃焼排ガス、改質ガスと直接熱交換をしておらず、熱交を介して間接的に熱交換をすることになる。したがって、貯湯槽が水道水が直接補給される密閉式である場合、貯湯槽 71、貯湯水循環回路 72には高圧の水道水圧が力かるが、熱媒体循環回路は貯湯水循環回路 72から独立しているため、熱媒体循環回路上に配設されるアノードオフガス、力ソードオフガス、燃焼排ガス、改質ガスとの熱交換するための熱交^^には直接水道水圧が力からなヽので、その熱交を過剰な耐圧構造としなくてもすむので、コスト高、大型化を招くことなく、高圧水源力ゝら貯湯水を補給可能である燃料電池システムを提供することができる

[0101] また、この場合において、少なくとも貯湯水循環回路 72および熱媒体循環回路の何れか一方に流体を冷却する冷却手段であるラジェータ 77を備えることが好ましい。これによれば、貯湯水の温度が燃料電池で必要な温度に到達した場合、もしくは改質器 20の排熱を回収した凝縮冷媒で必要な温度に到達した場合、貯湯水力 S排熱を回収してそれ以上昇温しないようにするため、貯湯水または Zおよび熱媒体の温度を冷却手段によって効率よく冷却することができる。

[0102] さらに、この場合において、貯湯水循環回路 72および第 2熱媒体循環回路 75のうち何れか一方に第 2熱交翻 76をバイパスするバイパス路を設けるようにしたのと同様に、貯湯水循環回路 72および熱媒体循環回路のうち何れか一方に熱交翻をバィパスするバイパス路を設けるのが好ましい。これによれば、貯湯水の温度などに応じて流体の流路を選択することにより的確に熱交^^にて熱交換を実施することができる。

産業上の利用可能性

以上のように、本発明にカゝかる燃料電池システムは、コスト高、大型化を招くことなく、高圧水源から貯湯水を補給可能とする場合に適して！/ヽる。

Claims

請求の範囲

[1] 燃料電池と、該燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質器と、

貯湯水を貯湯する貯湯槽と、前記貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、を備え、前記貯湯水循環回路上において前記燃料電池および改質器にて発生する排熱を回収して前記貯湯水を加熱する燃料電池システムにおいて、

前記貯湯水循環回路とは独立して設けられ、前記燃料電池から排出されるオフガスの排熱、前記改質器にて発生する排熱の少なくとも何れかと、および前記燃料電池の発電で発生する排熱を回収した熱媒体が循環する熱媒体循環回路と、前記貯湯水と前記熱媒体との間で熱交換が行われる熱交^^と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

[2] 請求項 1において、前記貯湯水循環回路および前記熱媒体循環回路の少なくとも何れか一方に流体を冷却する冷却手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム

[3] 請求項 1または請求項 2において、前記貯湯水循環回路および前記熱媒体循環回路の少なくとも何れか一方に前記熱交翻をバイパスするバイパス路を設けたことを特徴とする燃料電池システム。

[4] 請求項 1にお!ヽて、前記熱媒体循環回路は、前記燃料電池の発電で発生する排熱を回収した第 1熱媒体が循環する第 1熱媒体循環回路と、前記燃料電池から排出されるオフガスの排熱、前記改質器にて発生する排熱の少なくとも何れカゝを回収した第 2熱媒体が循環する第 2熱媒体循環回路とのうち少なくとも何れか一方力構成され、

前記熱交は、前記貯湯水と前記第 1熱媒体との間で熱交換が行われる第 1熱交換器と、前記貯湯水と前記第 2熱媒体との間で熱交換が行われる第 2熱交換器とのうち少なくとも何れか一方カゝら構成されていることを特徴とする燃料電池システム。

[5] 請求項 4において、前記第 2熱媒体循環回路上には前記改質器および燃料電池を流通する高温かつ蒸気を含んだ気体力熱量を回収して同気体を凝縮する凝縮器が備えられ、前記第 2熱媒体は前記凝縮器を流通する凝縮冷媒であることを特徴とする燃料電池システム。

[6] 請求項 4において、前記貯湯水循環回路および前記第 1および第 2熱媒体循環回路の少なくとも何れか一つに流体を冷却する冷却手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

[7] 請求項 4力請求項 6の何れか一項において、前記貯湯水循環回路および前記第

2熱媒体循環回路の少なくとも何れか一方に前記第 2熱交換器をバイパスするバイノス路を設けたことを特徴とする燃料電池システム。

[8] 請求項 4力請求項 6の何れか一項において、前記貯湯水循環回路および前記第

1熱媒体循環回路の少なくとも何れか一方に前記第 1熱交換器をバイパスするバイノス路を設けたことを特徴とする燃料電池システム。

[9] 請求項 1にお!、て、前記熱媒体循環回路は、前記燃料電池の発電で発生する排熱を回収するとともに、前記燃料電池カゝら排出されるオフガスの排熱、前記改質器にて発生する排熱の少なくとも何れかを回収する熱媒体が循環する一つの循環回路であり、

前記熱交は、前記貯湯水と前記熱媒体との間で熱交換を行うことを特徴とする燃料電池システム。

[10] 請求項 9において、前記貯湯水循環回路および前記熱媒体循環回路の少なくとも何れか一方に流体を冷却する冷却手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム

[11] 請求項 9または請求項 10において、前記貯湯水循環回路および前記熱媒体循環回路の少なくとも何れか一方に前記熱交翻をバイパスするバイパス路を設けたことを特徴とする燃料電池システム。

[12] 請求項 1乃至請求項 11の何れか一項において、

前記貯湯水循環回路上に設けられ前記貯湯槽の出口から流出する貯湯水の温度を検出する貯湯槽出口温度検出手段と、

該貯湯槽出口温度検出手段によって検出された貯湯槽出口温度と、該貯湯槽出口温度と前記燃料電池の発電出力制限値との相関関係を示す第 1マップまたは演算式とに基づいて前記発電出力制限値を導出する第 1発電出力制限値導出手段と該第 1発電出力制限値導出手段によって導出された発電出力制限値に基づいて前記燃料電池の発電出力を制御する第 1発電制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

[13] 請求項 12において、前記第 1発電制御手段は、

ユーザ負荷電力を検出するユーザ負荷電力検出手段と、

該ユーザ負荷電力検出手段によって検出されたユーザ負荷電力に応じた前記燃料電池の発電出力を導出する発電出力導出手段と、

前記第 1発電出力制限値導出手段によって導出された発電出力制限値が、前記発電出力導出手段によって導出された発電出力以上である力否かを判定する判定手段と、

前記判定手段によって前記発電出力制限値が前記発電出力未満であると判定された場合には、前記燃料電池の発電出力を前記発電出力制限値に制限するように制御する制限制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

[14] 請求項 12または請求項 13において、

前記燃料電池の排熱を回収した第 1熱媒体が循環する第 1熱媒体循環回路と、前記改質器の排熱を回収した第 2熱媒体が循環する第 2熱媒体循環回路と、前記貯湯水と前記第 1熱媒体との間で熱交換が行われる第 1熱交換器と、前記貯湯水と前記第 2熱媒体との間で熱交換が行われる第 2熱交換器と、前記第 2熱媒体循環回路に設けられて前記第 2熱媒体を冷却する冷却手段と、をさらに備え、

前記第 1マップまたは演算式は、貯湯水の温度毎の燃料電池の発電出力に対する当該燃料電池システムの必要冷却能力の相関関係を示す第 2マップまたは演算式と、前記冷却手段の冷却能力と、に基づいて、前記貯湯水の各温度における前記冷却手段の冷却能力に相当する前記燃料電池の発電出力を導出することにより作成されることを特徴とする燃料電池システム。

[15] 請求項 14において、前記冷却手段の冷却能力は、前記第 2マップまたは演算式による前記貯湯水の最高温度における前記燃料電池の発電出力に対する当該燃料電池システムの必要冷却能力の相関関係に基づいて、前記貯湯槽の湯満水時の前記燃料電池の最低発電出力に相当する当該燃料電池システムの必要冷却能力であることを特徴とする燃料電池システム。

[16] 請求項 1乃至請求項 11の何れか一項において、

前記燃料電池の入口に流入する燃料ガスの温度または該燃料ガスの温度に相関するものの温度を検出する燃料ガス燃料電池入口温度検出手段と、

該燃料ガス燃料電池入口温度検出手段によって検出された温度と所定温度とを比較し、その比較結果に基づいて前記燃料電池の発電出力制限値を導出する第 2発電出力制限値導出手段と、

該第 2発電出力制限値導出手段によって導出された発電出力制限値に基づいて前記燃料電池の発電出力を制御する第 2発電制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

[17] 請求項 16において、前記第 2発電出力制限値導出手段は、前記温度が前記所定温度より大きい場合には、前回の発電出力制限値力所定量だけ減算して今回の発電出力制限値を算出し、前記温度が前記所定温度より小さい場合には、前回の発電出力制限値力も所定量だけ加算して今回の発電出力制限値を算出することを特徴とする燃料電池システム。

[18] 請求項 16または請求項 17において、前記第 2発電制御手段は、

ユーザ負荷電力を検出するユーザ負荷電力検出手段と、

前記第 2発電出力制限値導出手段によって導出された発電出力制限値が、前記発電出力導出手段によって導出された発電出力以上である力否かを判定する判定手段と、