(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単且つコンパクトな構成で、採水効率を向上させることができ、運転に必要な水の全量を賄うことを可能にする。【解決手段】制御プログラムは、制御装置１８に、水容器２２内の貯水量を検出する第１のステップと、燃料電池モジュール１６に供給される水の量、及び酸化剤ガスの流量、温度、湿度又は燃料ガスの流量のいずれかを検出する第２のステップと、燃料電池モジュール１６に供給される全水量を算出する第３のステップと、前記燃料電池モジュール１６から排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量を算出する第４のステップと、少なくとも凝縮器２４から排出される熱交換後の前記排ガスの温度、又は前記凝縮器２４から排出される熱交換後の前記冷媒体の温度のいずれかを算出する第５のステップと、前記凝縮器２４に供給される前記冷媒体の流量を調整する第６のステップとを実行させるためのプログラムである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータによって、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、
前記水供給装置に水を供給する水容器と、
前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと外部から供給される冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮するとともに、凝縮された水を前記水容器に供給する凝縮器と、
を備える燃料電池システムを制御するための燃料電池システムの制御プログラムであって、
前記水容器内の貯水量を検出する第１のステップと、
前記燃料電池モジュールに供給される水の量、及び少なくとも前記燃料電池モジュールに供給される前記酸化剤ガスの流量、温度、湿度又は前記燃料電池モジュールに供給される前記燃料ガスの流量のいずれかを検出する第２のステップと、
前記第２のステップの検出結果に基づき、前記燃料電池モジュールに供給される全水量を算出する第３のステップと、
前記第１のステップの検出結果に基づき、前記第３のステップで算出された前記全水量を上限として、前記燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量を算出する第４のステップと、
前記第４のステップの算出結果に基づき、少なくとも前記凝縮器から排出される熱交換後の前記排ガスの温度、又は前記凝縮器から排出される熱交換後の前記冷媒体の温度のいずれかを算出する第５のステップと、
前記第５のステップの算出結果に基づき、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を調整する第６のステップと、
を実行させることを特徴とする燃料電池システムの制御プログラム。
【請求項２】
請求項１記載の制御プログラムにおいて、前記第４のステップは、前記水容器内の前記貯水量と、予め設定された前記貯水量の範囲とを比較して実行させることを特徴とする燃料電池システムの制御プログラム。
【請求項３】
請求項２記載の制御プログラムにおいて、前記第４のステップは、前記水容器内の前記貯水量が、前記貯水量の範囲未満であると判断された際、前記燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量は、前記第２のステップにおける前記燃料電池モジュールに供給される水の量を超過する量に設定されることを特徴とする燃料電池システムの制御プログラム。
【請求項４】
請求項２又は３記載の制御プログラムにおいて、前記第４のステップは、前記水容器内の前記貯水量が、前記貯水量の範囲超過であると判断された際、前記燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量は、前記第２のステップにおける前記燃料電池モジュールに供給される水の量未満の量に設定されることを特徴とする燃料電池システムの制御プログラム。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか１項に記載の制御プログラムにおいて、前記第４のステップは、前記水容器内の前記貯水量が、前記貯水量の範囲内であると判断された際、前記燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量は、前記第２のステップにおける前記燃料電池モジュールに供給される水の量と同量に設定されることを特徴とする燃料電池システムの制御プログラム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の制御プログラムにおいて、前記第６のステップは、少なくとも前記凝縮器から排出される熱交換後の前記排ガスの温度と、前記第５のステップで算出された前記排ガスの温度、又は前記凝縮器から排出される熱交換後の前記冷媒体の温度と、前記第５のステップで算出された前記冷媒体の温度とのいずれかを比較して実行させることを特徴とする燃料電池システムの制御プログラム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の制御プログラムにおいて、前記第６のステップは、前記凝縮器から排出される熱交換後の前記排ガスの温度が、前記第５のステップで算出された前記排ガスの温度の設定範囲を超過していると判断された際、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を増加させることを特徴とする燃料電池システムの制御プログラム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の制御プログラムにおいて、前記第６のステップは、前記凝縮器から排出される熱交換後の前記排ガスの温度が、前記第５のステップで算出された前記排ガスの温度の設定範囲以下であると判断された際、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を減少又は維持させることを特徴とする燃料電池システムの制御プログラム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の制御プログラムにおいて、前記第６のステップは、前記凝縮器から排出される熱交換後の前記冷媒体の温度が、前記第５のステップで算出された前記冷媒体の温度の設定範囲を超過していると判断された際、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を増加させることを特徴とする燃料電池システムの制御プログラム。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の制御プログラムにおいて、前記第６のステップは、前記凝縮器から排出される熱交換後の前記冷媒体の温度が、前記第５のステップで算出された前記冷媒体の温度の設定範囲未満であると判断された際、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を減少させることを特徴とする燃料電池システムの制御プログラム。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の制御プログラムにおいて、前記第６のステップは、前記凝縮器から排出される熱交換後の前記冷媒体の温度が、前記第５のステップで算出された前記冷媒体の温度の設定範囲内であると判断された際、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を維持させることを特徴とする燃料電池システムの制御プログラム。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の制御プログラムにおいて、前記燃料電池モジュールは、少なくとも電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、
炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、前記水を蒸発させる蒸発器と、
前記混合燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御プログラム。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の制御プログラムにおいて、前記燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることを特徴とする燃料電池システムの制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンピュータによって、燃料電池モジュール、制御装置、水供給装置、水容器及び凝縮器を備える燃料電池システムを制御するための燃料電池システムの制御プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。この固体電解質の両側に、アノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定の数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに、例えば、水蒸気改質を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。
【０００４】
上記の水蒸気改質では、改質反応に使用される水蒸気量に対応した水を補給する必要がある。このため、外部から必要な水量の水を供給する方式に代えて、燃料電池の発電により発生した排ガスを凝縮させることにより、改質に必要な水を完全循環（水自立）させる水回収方式が注目されている。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システム及び燃料ガス供給方法が知られている。この特許文献１では、図７に示すように、固体酸化物形燃料電池１ａの空気極２ａには、熱交換器４ａを通って加熱された空気が供給されるとともに、燃料極３ａには、熱交換器５ａ及び改質器６ａを通って改質された燃料が供給されている。
【０００６】
燃料極３ａからの燃料排ガスは、排ガス流路７ａに排出されるとともに、前記排ガス流路７ａには、分配弁８ａを設けて分配管路９ａが分配されている。この分配管路９ａは、分配された燃料排ガスを改質器６ａ、熱交換器４ａ及び熱交換器５ａに供給している。
【０００７】
また、特許文献２に開示されている固体酸化物形燃料電池における排熱回収システムは、図８に示すように、固体酸化物形燃料電池セル１ｂ及び改質器２ｂが発電室３ｂに配置された発電モジュール４ｂと、前記発電室３ｂから排出された排ガスを、内部空間５ｂに流通させるとともに、前記内部空間５ｂに循環水配管６ｂを挿通させた排熱回収用熱交換器７ｂとを有している。
【０００８】
排熱回収用熱交換器７ｂの下面には、凝縮水の出口が設けられ、この出口に水貯留タンク８ｂが配置されている。水貯留タンク８ｂに貯留されている水は、水ポンプ９ｂを介して発電モジュール４ｂの改質器２ｂに供給されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１５６０１５号公報
【特許文献２】特開２００７−２３４３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記の特許文献１では、排ガス流路７ａから分配管路９ａが分岐されるため、システム全体が大型化するとともに、放熱量が増加するという問題がある。しかも、部品点数が増加し、製造コストが高騰するおそれがある。しかも、分配弁８ａは、発電直後の高温の燃料排ガスに曝されるため、前記分配弁８ａの耐熱性及び耐久性が求められている。これにより、分配弁８ａのコストが高騰するという問題がある。
【００１１】
また、上記の特許文献２では、排熱回収用熱交換器７ｂにより排ガス中の水分を凝縮水として水貯留タンク８ｂに取り出しているが、この凝縮水の回収量を調整することができない。従って、水貯留タンク８ｂに貯留される水が大幅に減少したり、この水貯留タンク８ｂから水が溢れ出すおそれがある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、採水効率を向上させることができ、運転に必要な水の全量を賄うことが可能な燃料電池システムの制御プログラ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】
【００１３】
本発明は、コンピュータによって、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、前記水供給装置に水を供給する水容器と、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと外部から供給される冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮するとともに、凝縮された水を前記水容器に供給する凝縮器とを備える燃料電池システムを制御するための燃料電池システムの制御プログラムに関するものである。
【００１４】
この制御プログラムは、水容器内の貯水量を検出する第１のステップと、燃料電池モジュールに供給される水の量、及び少なくとも前記燃料電池モジュールに供給される酸化剤ガスの流量、温度、湿度又は前記燃料電池モジュールに供給される燃料ガスの流量のいずれかを検出する第２のステップと、前記第２のステップの検出結果に基づき、前記燃料電池モジュールに供給される全水量を算出する第３のステップと、前記第１のステップの検出結果に基づき、前記第３のステップで算出された前記全水量を上限として、前記燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量を算出する第４のステップと、前記第４のステップの算出結果に基づき、少なくとも前記凝縮器から排出される熱交換後の前記排ガスの温度、又は前記凝縮器から排出される熱交換後の前記冷媒体の温度のいずれかを算出する第５のステップと、前記第５のステップの算出結果に基づき、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を調整する第６のステップとを実行させている。
【００１５】
また、この制御プログラムでは、第４のステップは、水容器内の貯水量と、予め設定された前記貯水量の範囲とを比較して実行させることが好ましい。このため、水容器内に最適な水量を確保することができ、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム内で賄うことが可能になる。
【００１６】
従って、外部からの水の供給を不要にし、燃料電池システムの水自立運転が遂行される。ここで、水自立とは、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を外部から供給することなく、前記燃料電池システム内で賄うことをいう。
【００１７】
さらに、この制御プログラムでは、第４のステップは、水容器内の貯水量が、前記貯水量の範囲未満であると判断された際、燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量は、第２のステップにおける前記燃料電池モジュールに供給される水の量を超過する量に設定されることが好ましい。
【００１８】
これにより、水容器内の貯水量が少ない場合に、採水効率（燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水量／燃料電池モジュールに供給される水量）＞１００％となり、凝縮水量が燃料電池モジュールへの供給水量を上回るため、前記水容器内には、最適な水量が確保される。このため、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム内で賄うことができ、外部からの水の供給を不要にして前記燃料電池システムの水自立運転が遂行される。
【００１９】
さらにまた、この制御プログラムでは、第４のステップは、水容器内の貯水量が、前記貯水量の範囲超過であると判断された際、燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量は、第２のステップにおける前記燃料電池モジュールに供給される水の量未満の量に設定されることが好ましい。従って、水容器内の貯水量が多い場合に、採水効率＜１００％にすることにより、凝縮水量が燃料電池モジュールへの供給水量を下回るため、前記水容器内には、最適な水量が確保される。これにより、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム内で賄うことができ、外部からの水の供給を不要にして前記燃料電池システムの水自立運転が遂行される。
【００２０】
また、この制御プログラムでは、第４のステップは、水容器内の貯水量が、前記貯水量の範囲内であると判断された際、燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量は、第２のステップにおける前記燃料電池モジュールに供給される水の量と同量に設定されることが好ましい。このため、採水効率＝１００％にすることにより、水容器内には、最適な水量が確保され、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム内で賄うことができる。従って、外部からの水の供給を不要にし、燃料電池システムの水自立運転が遂行される。
【００２１】
さらに、この制御プログラムでは、第６のステップは、少なくとも凝縮器から排出される熱交換後の排ガスの温度と、第５のステップで算出された前記排ガスの温度、又は凝縮器から排出される熱交換後の冷媒体の温度と、第５のステップで算出された前記冷媒体の温度とのいずれかを比較して実行させることが好ましい。これにより、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュールから排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システムの外部に排出される。このため、燃料電池システムの熱効率の向上が容易に図られる。
【００２２】
さらにまた、この制御プログラムでは、第６のステップは、凝縮器から排出される熱交換後の排ガスの温度が、第５のステップで算出された前記排ガスの温度の設定範囲を超過していると判断された際、前記凝縮器に供給される冷媒体の流量を増加させることが好ましい。従って、排ガスの温度が高い場合に、凝縮器に供給される冷媒体の流量が増加されて前記排ガスの温度を低下させる。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量は、常に、最適な水量に維持されて水不足が確実に抑制される。
【００２３】
しかも、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュールから排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システムの外部に排出される。このため、燃料電池システムの熱効率の向上が容易に図られる。
【００２４】
また、この制御プログラムでは、第６のステップは、凝縮器から排出される熱交換後の排ガスの温度が、前記第５のステップで算出された前記排ガスの温度の設定範囲以下であると判断された際、凝縮器に供給される冷媒体の流量を減少又は維持させることが好ましい。従って、排ガスの温度が低い場合に、凝縮器に供給される冷媒体の流量が減少又は維持されて前記排ガスの温度を高く又は維持させる。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量は、常に、最適な水量に維持されて水余りが確実に抑制される。
【００２５】
しかも、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュールから排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システムの外部に排出される。このため、燃料電池システムの熱効率の向上が容易に図られる。
【００２６】
さらに、この制御プログラムでは、第６のステップは、凝縮器から排出される熱交換後の冷媒体の温度が、第５のステップで算出された前記冷媒体の温度の設定範囲を超過していると判断された際、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を増加させることが好ましい。従って、冷媒体の温度が高い場合に、凝縮器に供給される前記冷媒体の流量が増加されて排ガスの温度を低くさせる。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量は、常に、最適な水量に維持されて水不足が確実に抑制される。
【００２７】
しかも、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュールから排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システムの外部に排出される。このため、燃料電池システムの熱効率の向上が容易に図られる。
【００２８】
さらにまた、この制御プログラムでは、第６のステップは、凝縮器から排出される熱交換後の冷媒体の温度が、第５のステップで算出された前記冷媒体の温度の設定範囲未満であると判断された際、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を減少させることが好ましい。従って、冷媒体の温度が低い場合に、凝縮器に供給される前記冷媒体の流量が減少されて排ガスの温度を高くさせる。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量は、常に、最適な水量に維持されて水余りが確実に抑制される。
【００２９】
しかも、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュールから排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システムの外部に排出される。このため、燃料電池システムの熱効率の向上が容易に図られる。
【００３０】
また、この制御プログラムでは、第６のステップは、凝縮器から排出される熱交換後の冷媒体の温度が、第５のステップで算出された前記冷媒体の温度の設定範囲内であると判断された際、前記凝縮器に供給される前記冷媒体の流量を維持させることが好ましい。従って、冷媒体の温度が最適であるため、凝縮器に供給される前記冷媒体の流量が維持され、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量を、常に、最適に確保することができる。
【００３１】
しかも、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュールから排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システムの外部に排出される。これにより、燃料電池システムの熱効率の向上が容易に図られる。
【００３２】
さらに、この制御プログラムでは、燃料電池モジュールは、少なくとも電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、前記混合燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器とを備えることが好ましい。
【００３３】
このため、特に水蒸気改質を行う燃料電池モジュールに最適に適用することができ、良好な効果が得られる。
【００３４】
さらにまた、この制御プログラムでは、燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることが好ましい。従って、高温型燃料電池システムに最適に用いることが可能になり、良好な効果が得られる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、水容器内の貯水量の検出結果に基づき、燃料電池モジュールに供給される全水量を算出し、この全水量を上限として、前記燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量が算出されている。これにより、水容器内は、常に、最適な水量を確保することができ、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池システムの採水効率（燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水量／燃料電池モジュールに供給される水量）を向上させることが可能になる。
【００３６】
このため、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム内で賄うことができ、外部からの水の供給を不要にして前記燃料電池システムの水自立運転が遂行される。ここで、水自立とは、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を外部から供給することなく、前記燃料電池システム内で賄うことをいう。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る制御プログラムを実施するための燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池システムの回路図である。
【図３】前記第１の実施形態に係る制御プログラムを説明するフローチャートである。
【図４】水容器の水位と係数αとの説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る制御プログラムを説明するフローチャートである。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る制御プログラムを説明するフローチャートである。
【図７】特許文献１の燃料電池システムの説明図である。
【図８】特許文献２の排熱回収システムの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明の第１の実施形態に係る制御プログラムを実施するための燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。
【００３９】
燃料電池システム１０は、図１に概略的に示すように、発電ユニット１２と貯湯ユニット１４とを備える。発電ユニット１２は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール１６と、前記燃料電池システム１０を制御する制御プログラムが記録された制御装置（コンピュータ）１８と、前記燃料電池モジュール１６に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）２０と、前記水供給装置２０に水を供給する水容器２２と、前記燃料電池モジュール１６から排出される排ガスと外部から供給される冷媒体（例えば、水）との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮するとともに、凝縮された水を前記水容器２２に供給する凝縮器２４とを備える。
【００４０】
貯湯ユニット１４は、貯湯タンク２６を備える。この貯湯タンク２６内には、冷媒体が貯湯されており、ポンプ２８を介して凝縮器２４に前記冷媒体を循環させる。貯湯タンク２６には、市水が供給される一方、前記貯湯タンク２６から家庭内等に温水が給湯される。
【００４１】
発電ユニット１２は、より具体的には、図１及び図２に示すように、燃料電池モジュール１６と、前記燃料電池モジュール１６に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する燃料ガス供給装置（燃料ガスポンプを含む）３２と、前記燃料電池モジュール１６に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（エアポンプを含む）３４と、水供給装置２０と、水容器２２と、凝縮器２４と、前記燃料電池モジュール１６で発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置３６とを備える。電力変換装置３６には、例えば、商用電源３８（又は、負荷や２次電池等）が接続される（図２参照）。
【００４２】
燃料電池モジュール１６は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質（固体酸化物）をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体４２とセパレータ４４とが積層される固体酸化物形の燃料電池４６を設けるとともに、複数の前記燃料電池４６が鉛直方向に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック４８を備える（図２参照）。
【００４３】
燃料電池スタック４８の積層方向上端側（又は下端側）には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック４８に供給する前に加熱する熱交換器５０と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、前記水を蒸発させる蒸発器５２と、前記混合燃料を改質して燃料ガス（改質ガス）を生成する改質器５４とが配設される。
【００４４】
燃料電池スタック４８の積層方向下端側（又は上端側）には、前記燃料電池スタック４８を構成する燃料電池４６に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って締め付け荷重を付与するための荷重付与機構５６が配設される。
【００４５】
改質器５４は、都市ガス（燃料ガス）中に含まれるエタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）及びブタン（Ｃ4Ｈ10）等の高級炭化水素（Ｃ2+）を、主としてメタン（ＣＨ4）を含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。
【００４６】
燃料電池４６は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体４２では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素が得られ、この水素がアノード電極に供給される。
【００４７】
熱交換器５０は、燃料電池スタック４８から排出される使用済み反応ガス（以下、排ガス又は燃焼排ガスともいう）と、被加熱流体である空気とを、互いに対向流に流して熱交換を行う。熱交換後の排ガスは、排気管６０に排出される一方、熱交換後の空気は、酸化剤ガスとして燃料電池スタック４８に供給される。
【００４８】
蒸発器５２には、２重管が接続されるとともに、この２重管には、原燃料通路６２と水通路（水配管）６４とが形成される。蒸発器５２の出口は、改質器５４の入口に連結されるとともに、前記改質器５４の出口は、燃料電池スタック４８の燃料ガス供給連通孔（図示せず）に連通する。蒸発器５２に供給された排ガスを排出するために、主排気管６５が設けられる。
【００４９】
燃料ガス供給装置３２には、原燃料通路６２が接続される。酸化剤ガス供給装置３４には、空気供給管６６が接続されるとともに、前記空気供給管６６は、熱交換器５０に接続される。
【００５０】
図１及び図２に示すように、凝縮器２４には、排気管６０及び主排気管６５が接続されるとともに、前記排気管６０及び前記主排気管６５の前記凝縮器２４からの出口側には、排気管６８が接続される。
【００５１】
貯湯タンク２６には、ポンプ２８に接続される循環配管７０が設けられる。この循環配管７０は、凝縮器２４内に冷媒体を通して排ガスと熱交換させ、昇温された冷媒体（温水）を貯湯タンク２６の上部側に戻す。
【００５２】
図１に示すように、水通路６４には、水供給装置２０の下流に位置して流量計７４ａが配設される。原燃料通路６２には、燃料ガス供給装置３２の下流に位置して流量計７４ｂが配設され、空気供給管６６には、酸化剤ガス供給装置３４の下流に位置して流量計７４ｃが配設される。
【００５３】
酸化剤ガス供給装置３４の入口側には、温湿度計７６が配設される。水容器２２には、この水容器２２内の貯留水の水位を検出するための水位計７８が所定の高さ位置に配置される。
【００５４】
凝縮器２４では、排気管６８に排気温度を検出するための熱電対８０ａが配設されるとともに、循環配管７０の前記凝縮器２４からの出口側には、昇温された冷媒体の温度を検出するための熱電対８０ｂが配設される。
【００５５】
制御装置１８は、水供給装置２０、燃料ガス供給装置３２、酸化剤ガス供給装置３４及びポンプ２８を制御するとともに、前記制御装置１８には、流量計７４ａ〜７４ｃ、温湿度計７６、水位計７８及び熱電対８０ａ、８０ｂからそれぞれの検出信号が入力される。
【００５６】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００５７】
燃料ガス供給装置３２の駆動作用下に、原燃料通路６２には、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料が供給される。一方、水供給装置２０の駆動作用下に、水通路６４には、水が供給されるとともに、空気供給管６６には、酸化剤ガス供給装置３４を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。
【００５８】
蒸発器５２では、原燃料通路６２を流れる原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、改質器５４の入口に供給される。混合燃料は、改質器５４内で水蒸気改質され、Ｃ2+の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする燃料ガスが得られる。この燃料ガスは、改質器５４の出口から燃料電池スタック４８に導入される。このため、燃料ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする燃料ガスは、アノード電極（図示せず）に供給される。
【００５９】
一方、空気供給管６６から熱交換器５０に供給される空気は、この熱交換器５０に沿って移動する際、後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器５０で加温された空気は、燃料電池スタック４８に導入され、図示しないカソード電極に供給される。
【００６０】
従って、電解質・電極接合体４２では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体４２の外周部に排出される高温（数百℃）の排ガスは、熱交換器５０を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。
【００６１】
この排ガスは、水通路６４を通過する水を蒸発させる。蒸発器５２を通過した排ガスは、主排気管６５を介して凝縮器２４に送られて水蒸気が凝縮される一方、排ガス成分が排気管６８を介して外部に排出される。この凝縮器２４には、貯湯タンク２６から冷媒体が供給されており、この冷媒体と排ガスとが熱交換を行い、前記排ガス中の水蒸気が凝縮されて水が得られる。
【００６２】
この水は、凝縮器２４の下流に配置される水容器２２に導入される。そして、水容器２２の下流に配置されている水供給装置２０が駆動されることにより、水容器２２内に貯留されている水は、水通路６４を介して燃料電池モジュール１６に供給される。
【００６３】
次いで、制御装置１８によって、燃料電池システム１０を制御するための第１の実施形態に係る制御プログラムについて、図３に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００６４】
この制御プログラムは、先ず、水位計７８により、水容器２２内に貯留されている貯留水量を検出するステップ（第１のステップ）を有する（ステップＳ１）。
【００６５】
制御装置１８では、検出された水容器２２内の貯留水量、すなわち、水位に基づいて、係数αを設定する。この係数αは、後述するように、目標凝縮水量を演算するための係数であり、前記水容器２２の水位によって、図４に示す値に設定される。
【００６６】
例えば、検出水位が設定範囲内であれば、係数αは、０．９５≦α≦１．０５に設定される一方、設定範囲未満であると、前記係数αは、α＞１．０５に設定され、さらに、設定範囲超過であると、前記係数αは、α＜０．９５に設定される。なお、水容器２２内の貯留水を多めに維持する際には、係数αを大きな数値に選択すればよい。
【００６７】
ステップＳ２（第２のステップ）では、燃料電池モジュール１６に供給される各水分量の算出が実行される。
【００６８】
具体的には、水供給装置２０を介して燃料電池モジュール１６に供給される水の量は、流量計７４ａにより検出される。酸化剤ガス供給装置３４を介して燃料電池モジュール１６に供給される酸化剤ガスの流量は、流量計７４ｃにより検出されるとともに、前記酸化剤ガスの温度や湿度が温湿度計７６により検出される。燃料ガス供給装置３２を介して燃料電池モジュール１６に供給される燃料ガスの流量は、流量計７４ｂを介して検出される。なお、ステップＳ１（第１のステップ）とステップＳ２（第２のステップ）とは、逆の順序で行ってもよい。
【００６９】
そして、ステップＳ３（第３のステップ）では、上記の第２のステップにより検出された燃料電池モジュール１６に供給される水量、及び、少なくとも前記燃料電池モジュール１６に供給される酸化剤ガスの流量、温度、湿度又は燃料ガスの流量のいずれかに基づいて、前記燃料電池モジュール１６に供給される全水量が算出される。
【００７０】
制御装置１８では、ステップＳ１で決定された係数αに基づき、ステップＳ３のステップで算出された全水量を上限として、燃料電池モジュール１６から排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水量を算出するステップ（第４のステップ）が実行される（ステップＳ４）。
【００７１】
このステップＳ４では、排ガス中の水蒸気から凝縮される水量を目標凝縮水量とし、目標凝縮水量＝投入水量×αにより算出される。なお、投入水量とは、水供給装置２０を介して水容器２２から燃料電池モジュール１６に供給される水量をいう。
【００７２】
次に、ステップＳ５（第５のステップ）に進んで、ステップＳ４の算出結果に基づき、凝縮器２４から排出される熱交換後の排ガス温度、すなわち、目標排ガス温度Ｔが設定される。そして、この目標排ガス温度Ｔに基づいて、凝縮器２４に供給される冷媒体の流量を調整する第６のステップが実行される。
【００７３】
この第６のステップでは、凝縮器２４から排気管６８に排気される排ガスの温度が、熱電対８０ａを介して検出される（ステップＳ６）。ここで、検出された排ガス温度が、目標排ガス温度Ｔ以下であると判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで、凝縮器２４による凝縮水量の減少・維持制御が実行される。一方、検出された排ガス温度が、目標排ガス温度Ｔを超過していると判断されると（ステップＳ６中、ＮＯ）、ステップＳ８に進んで、凝縮器２４による凝縮水量の増加制御が実行される。
【００７４】
この場合、第１の実施形態では、水容器２２内の貯水量の検出結果に基づき、燃料電池モジュール１６に供給される全水量を算出し、この全水量を上限として、前記燃料電池モジュール１６から排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量、すなわち、目標凝縮水量が算出されている。これにより、水容器２２内は、常に、最適な水量を確保することができ、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池システム１０の採水効率を向上させることが可能になる。
【００７５】
このため、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム１０内で賄うことができ、外部からの水の供給を不要にして、前記燃料電池システム１０の水自立運転が遂行されるという効果が得られる。
【００７６】
また、ステップＳ４（第４のステップ）は、水容器２２内の貯水量と、予め設定された前記貯水量の範囲とを比較して目標凝縮水量の算出が実行されている。このため、水容器２２内に最適な水量を確保することができ、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム１０内で賄うことが可能になる。従って、外部からの水の供給を不要にし、燃料電池システム１０の水自立運転が遂行される。
【００７７】
その際、水容器２２内の貯水量が、設定範囲未満であると判断された際、係数αが、例えば、１．０５超過に決定されている（図４参照）。すなわち、燃料電池モジュール１６から排出される排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量（目標凝縮水量）は、水供給装置２０を介して水容器２２から燃料電池モジュール１６に供給される水の量を超過する量に設定されている。
【００７８】
これにより、水容器２２内の貯水量が少ない場合に、採水効率＞１００％となって目標凝縮水量が燃料電池モジュール１６への供給水量を上回るため、前記水容器２２内には、最適な水量が確保される。このため、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム１０内で賄うことができ、外部からの水の供給を不要にして、前記燃料電池システム１０の水自立運転が遂行される。
【００７９】
一方、ステップＳ４で、水容器２２内の貯水量が、設定範囲超過であると判断された際、目標凝縮水量は、水供給装置２０を介して燃料電池モジュール１６に供給される水の量未満の量に設定されている。従って、水容器２２内の貯留水が多い場合に、採水効率＜１００％とすることにより、目標凝縮水量が燃料電池モジュール１６への供給水量を下回るため、前記水容器２２内には最適な水量が確保される。これにより、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム１０内で賄うことができ、外部からの水の供給を不要にして、前記燃料電池システム１０の水自立運転が遂行される。
【００８０】
また、ステップＳ４において、水容器２２内の貯水量が設定範囲内であると判断された際、目標凝縮水量は、燃料電池モジュール１６に供給される水の量と同量に設定される。このため、採水効率＝１００％にすることにより、水容器２２内には、最適な水量が確保され、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を前記燃料電池システム１０内で賄うことができる。従って、外部からの水の供給を不要にし、燃料電池システム１０の水自立運転が遂行される。
【００８１】
さらに、第６のステップでは、凝縮器２４から排出される熱交換後の排ガスの温度と目標排ガス温度Ｔとが比較され、凝縮水量の増減が実行されている。これにより、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュール１６から排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システム１０の外部に排出される。このため、燃料電池システム１０の熱効率の向上が容易に図られる。
【００８２】
その際、凝縮器２４から排出される熱交換後の排ガスの温度が、目標排ガス温度Ｔ以下であると判断された際（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、凝縮器２４に供給される冷媒体の流量を減少又は維持させている。従って、排ガスの温度が低い場合に、凝縮器２４に供給される冷媒体の流量が減少又は維持されて、前記排ガスの温度を高く又は維持させている。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量は、常に、最適な水量に維持されて、水余りが確実に抑制される。
【００８３】
しかも、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュール１６から排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システム１０の外部に排出される。このため、燃料電池システム１０の熱効率の向上が容易に図られる。
【００８４】
一方、凝縮器２４から排出される熱交換後の排ガスの温度が、目標排ガス温度Ｔを超過していると判断された際（ステップＳ６中、ＮＯ）、前記凝縮器２４に供給される冷媒体の流量が増加されている。従って、排ガスの温度が高い場合に、凝縮器２４に供給される冷媒体の流量が増加されて、前記排ガスの温度を低下させることができる。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量は、常に、最適な水量に維持されて水不足が確実に抑制される。
【００８５】
しかも、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュール１６から排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システム１０の外部に排出される。このため、燃料電池システム１０の熱効率の向上が容易に図られる。
【００８６】
さらに、燃料電池モジュール１６は、燃料電池スタック４８と、熱交換器５０と、蒸発器５２と、改質器５４とを備えている。このため、特に、水蒸気改質を行う燃料電池モジュール１６に最適に用いることができ、良好な効果が得られる。
【００８７】
さらにまた、燃料電池モジュール１６では、高温型燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュールにより構成されることにより、良好な効果が得られている。その上、固体酸化物形燃料電池モジュールに代えて、他の高温型燃料電池モジュールや中温型燃料電池モジュールにも、好適に用いることができる。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）及び水素分離膜形燃料電池（ＨＭＦＣ）等が良好に採用可能である。
【００８８】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る制御プログラムを実施するためのフローチャートである。
【００８９】
なお、図３に示す第１の実施形態に係る制御プログラムと同一のステップについては、その詳細な説明は省略する。
【００９０】
この第２の実施形態では、先ず、ステップＳ１１〜ステップＳ１４（第１のステップ〜第４のステップ）が、第１の実施形態のステップＳ１〜ステップＳ４と同様に実行される。
【００９１】
次に、ステップＳ１５（第５のステップ）に進んで、目標凝縮水量に基づき、凝縮器２４から排出される熱交換後の冷媒体の温度、すなわち、目標冷媒体上限温度（ＭＡＸ）及び下限温度（ＭＩＮ）が設定される。そして、この目標冷媒体上限温度（ＭＡＸ）及び下限温度（ＭＩＮ）に基づき、凝縮器２４に供給される前記冷媒体の流量が調整される（第６のステップ）。
【００９２】
具体的には、ステップＳ１６において、凝縮器２４から排出される熱交換後の冷媒体の温度が熱電対８０ｂにより検出され、この熱交換後の冷媒体温度と目標冷媒体上限温度（ＭＡＸ）とが比較される。熱交換後の冷媒体温度が、目標冷媒体上限温度（ＭＡＸ）以下であると判断されると（ステップＳ１６中、ＹＥＳ）、ステップＳ１７に進んで、前記熱交換後の冷媒体温度と目標冷媒体下限温度（ＭＩＮ）とが比較される。
【００９３】
熱交換後の冷媒体温度が、目標冷媒体下限温度（ＭＩＮ）以上であると判断されると（ステップＳ１７中、ＹＥＳ）、すなわち、前記熱交換後の冷媒体温度が設定範囲内であると判断されると、ステップＳ１８に進み、凝縮器２４に供給される冷媒体の流量が維持される。
【００９４】
一方、熱交換後の冷媒体温度が、目標冷媒体下限温度（ＭＩＮ）未満であると判断されると（ステップＳ１７中、ＮＯ）、ステップＳ１９に進み、凝縮器２４に供給される冷媒体の流量が減少される。また、ステップＳ１６において、熱交換後の冷媒体温度が、目標冷媒体上限温度（ＭＡＸ）を超過していると判断されると（ステップＳ１６中、ＮＯ）、ステップＳ２０に進み、凝縮器２４に供給される冷媒体の流量が増加される。
【００９５】
この場合、第２の実施形態では、凝縮器２４から排出される熱交換後の冷媒体の温度が、冷媒体の目標温度範囲内（下限温度（ＭＩＮ）以上で、且つ上限温度（ＭＡＸ）以下）であると判断されると、凝縮器２４に供給される前記冷媒体の流量が維持されている。従って、冷媒体の温度が最適であるため、凝縮器２４に供給される前記冷媒体の流量が維持され、排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量を、常に、最適に確保することができる。
【００９６】
しかも、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュール１６から排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システム１０の外部に排出される。これにより、燃料電池システム１０の熱効率の向上が容易に図られる。
【００９７】
また、熱交換後の冷媒体温度が目標冷媒体下限温度（ＭＩＮ）、例えば、６０℃未満であると判断された際、凝縮器２４に供給される前記冷媒体の流量が減少される。従って、冷媒体の温度が低い場合に、凝縮器２４に供給される前記冷媒体の流量が減少されて、排ガスの温度が高く設定される。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮する水の量は、常に、最適な水量に維持されて水余りが確実に抑制される。
【００９８】
しかも、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュール１６から排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システム１０の外部に排出される。このため、燃料電池システム１０の熱効率の向上が容易に図られる。
【００９９】
さらにまた、凝縮器２４から排出される熱交換後の冷媒体の温度が、目標冷媒体上限温度（ＭＡＸ）、例えば、８０℃を超過していると判断された際、前記凝縮器２４に供給される前記冷媒体の流量が増加される。従って、冷媒体の温度が高い場合に、凝縮器２４に供給される前記冷媒体の流量が増加されて、排ガスの温度が低く設定される。これにより、排ガス中の水蒸気から凝縮される水の量は、常に、最適な水の量に維持されて水不足が確実に抑制される。
【０１００】
しかも、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を賄うとともに、燃料電池モジュール１６から排出される排ガスに含まれる熱が良好に回収された後、前記排ガスが前記燃料電池システム１０の外部に排出される。このため、燃料電池システム１０の熱効率の向上が容易に図られる。
【０１０１】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る制御プログラムを実施するためのフローチャートである。
【０１０２】
なお、上記の第１及び第２の実施形態に係る制御プログラムと同一のステップについては、その詳細な説明は省略する。
【０１０３】
この第３の実施形態では、先ず、ステップＳ３１〜ステップＳ３５（第１のステップ〜第５のステップ）が、第１の実施形態のステップＳ１〜ステップＳ５と同様に実行される。次いで、ステップＳ３６において、検出された排ガス温度が、目標排ガス温度Ｔ以下であると判断されると（ステップＳ３６中、ＹＥＳ）、ステップＳ３７に進んで、凝縮器２４から排出される熱交換後の冷媒体の温度が熱電対８０ｂにより検出され、この熱交換後の冷媒体温度と目標冷媒体上限温度（ＭＡＸ）とが比較される。そして、第２の実施形態のステップＳ１６〜ステップＳ２０と同様に、ステップＳ３７〜ステップＳ４１が実行される。
【０１０４】
一方、ステップＳ３６において、凝縮器２４から排出される熱交換後の排ガスの温度が、目標排ガス温度Ｔを超過していると判断された際（ステップＳ３６中、ＮＯ）、ステップＳ４１に進んで、前記凝縮器２４に供給される冷媒体の流量が増加されている。
【０１０５】
これにより、第３の実施形態では、水容器２２内は、常に、最適な水量を確保することができ、燃料電池システム１０の採水効率を向上させて前記燃料電池システム１０の水自立運転が遂行されるという効果が得られる。しかも、熱回収が良好に遂行され、燃料電池システム１０の熱効率の向上が容易に図られるという利点がある。
【符号の説明】
【０１０６】
１０…燃料電池システム              １２…発電ユニット
１４…貯湯ユニット                  １６…燃料電池モジュール
１８…制御装置                      ２０…水供給装置
２２…水容器                        ２４…凝縮器
２６…貯湯タンク                    ３２…燃料ガス供給装置
３４…酸化剤ガス供給装置            ３６…電力変換装置
４６…燃料電池                      ４８…燃料電池スタック
５０…熱交換器                      ５２…蒸発器
５４…改質器                        ６８…排気管
７０…循環配管                      ７４ａ〜７４ｃ…流量計
７６…温湿度計                      ７８…水位計
８０ａ、８０ｂ…熱電対
【図１】
2010257645.tif 000003
【図２】
2010257645.tif 000004
【図３】
2010257645.tif 000005
【図４】
2010257645.tif 000006
【図５】
2010257645.tif 000007
【図６】
2010257645.tif 000008
【図７】
2010257645.tif 000009
【図８】
2010257645.tif 000010