(57)【要約】【課題】装置の外部から給水せずに、また、装置の外部に排水せずに、水の貯留量を調整できるようにする。【解決手段】水を含む高温の排ガスを排出する上流側装置９の排気口に接続され、前記排ガスの熱を低温の外部媒体に放出する熱交換手段１１と、  前記熱交換手段１１の交換熱量を調節する交換熱量調節手段１２，１３と、を備える。【選択図】図１
2010080319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を含む高温の排ガスを排出する上流側装置の排気口に接続され、前記排ガスの熱を低温の外部媒体に放出する熱交換手段と、
前記熱交換手段の交換熱量を調節する交換熱量調節手段と、を備えることを特徴とする凝縮装置。
【請求項２】
前記熱交換手段が、前記上流側装置の排気口に接続された複数の熱交換器を有し、
前記交換熱量調節手段が、前記上流側装置の排気口と前記複数の熱交換器との間又は前記複数の熱交換器の下流に設けられ、前記複数の熱交換器のうち、前記上流側装置の排気口から排出された排ガスの送り先の数を切り替える切替部を有することを特徴とする請求項１に記載の凝縮装置。
【請求項３】
前記複数の熱交換器の下流に接続され、水を貯留する水回収器と、
前記水回収器に設けられ、前記水回収器に貯留された水の貯留量を検出する貯水量検出部と、
前記貯水量検出部による検出貯水量と上限値及びその上限値よりも低い下限値とを比較し、その比較の結果、前記貯水量検出部による検出貯水量が前記上限値以上である場合に、前記上流側装置から排出された排ガスの送り先の数を前記切替部によって減らし、前記貯水量検出部による検貯水量が前記下限値以下である場合に、前記上流側装置から排出された排ガスの送り先の数を前記切替部によって増やす制御部と、を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の凝縮装置。
【請求項４】
前記熱交換手段が、前記上流側装置の排気口に接続された第１及び第２の熱交換器を有し、
前記交換熱量調節手段は、前記上流側装置の排気口と前記第１の熱交換器との間又は前記第１熱交換器の下流に設けられた開閉バルブを有することを特徴とする請求項１に記載の凝縮装置。
【請求項５】
前記熱交換手段が、前記上流側装置の排気口に接続された第１、第２及び第３の熱交換器を有し、
前記交換熱量調節手段は、前記上流側装置の排気口と前記第１の熱交換器との間又は前記第１の熱交換器の下流に設けられた第１の開閉バルブと、前記上流側装置の排気口と前記第３の熱交換器との間又は前記第３の熱交換器の下流に設けられた第２の開閉バルブと、を有することを特徴とする請求項１に記載の凝縮装置。
【請求項６】
前記第１の開閉バルブがノーマリーオープン型の開閉バルブであり、前記第２の開閉バルブがノーマリークローズ型の開閉バルブであることを特徴とする請求項５に記載の凝縮装置。
【請求項７】
前記第１、第２及び第３の熱交換器の下流に接続され、水を貯留する水回収器と、
前記水回収器に設けられ、前記水回収器に貯留された水の貯留量を検出する貯水量検出部と、
前記貯水量検出部による検出貯水量と上限値及びその上限値よりも低い下限値とを比較し、その比較の結果、前記貯水量検出部による検出貯水量が前記上限値以上である場合に、前記第１のバルブ及び前記第２のバルブを閉じ、前記貯水量検出部による検貯水量が前記下限値以下である場合に、前記第１のバルブ及び前記第２のバルブを開き、前記貯水量検出部による検出貯水量が前記上限値と前記下限値との間である場合、前記第１のバルブ及び前記第２のバルブのどちらか一方を開き他方を閉じる制御部と、を更に備えることを特徴とする請求項５又は６に記載の凝縮装置。
【請求項８】
前記交換熱量調節手段は、前記熱交換手段の周囲に外部媒体の強制対流を起こすとともに、その強制対流の強さを調節する強制対流手段を有することを特徴とする請求項１に記載の凝縮装置。
【請求項９】
前記熱交換手段の下流に接続され、水を貯留する水回収器と、
前記水回収器に設けられ、前記水回収器に貯留された水の貯留量を検出する貯水量検出部と、
前記貯水量検出部による検出貯水量と上限値及びその上限値よりも低い下限値とを比較し、その比較の結果、前記貯水量検出部による検出貯水量が前記上限値以上である場合に、前記強制対流手段による外部媒体の強制対流を弱め、前記貯水量検出部による検貯水量が前記下限値以下である場合に、前記強制対流手段による外部媒体の強制対流を強め制御部と、を更に備えることを特徴とする請求項８に記載の凝縮装置。
【請求項１０】
前記強制対流手段が、外部媒体として空気を前記熱交換手段に送風する送風機であることを特徴とする請求項８又は９に記載の凝縮装置。
【請求項１１】
前記空気は、前記熱交換手段に接続される他の装置を冷却した後に、前記熱交換手段に供給される事を特徴とする請求項１０に記載の凝縮装置。
【請求項１２】
前記熱交換手段の下流側に設けられた水回収器を更に備え、
前記上流側装置と前記熱交換手段との間で二手に分岐した２つの分岐路のうち一方が前記水回収器に接続され、他方が前記熱交換手段を介して前記水回収器に接続され、
前記交換熱量調節手段が、前記一方の分岐路又は前記他方の分岐路に設けられ、前記上流側装置から前記一方の分岐路を流れる排ガスの割合と前記上流側装置から前記他方の分岐路に流れる排ガスの割合を調整する流量制御弁を有することを特徴とする請求項１に記載の凝縮装置。
【請求項１３】
前記水回収器に設けられ、前記水回収器に貯留された水の貯留量を検出する貯水量検出部と、
前記貯水量検出部による検出貯水量と上限値及びその上限値よりも低い下限値とを比較し、その比較の結果、前記貯水量検出部による検出貯水量が前記上限値以上である場合に、前記一方の分岐路に流れる排ガスの割合を前記流量制御弁によって増やし、前記貯水量検出部による検貯水量が前記下限値以下である場合に、前記他方の分岐路に流れる排ガスの割合を前記流量制御弁によって増やす制御部と、を更に備える請求項１２に記載の凝縮装置。
【請求項１４】
前記熱交換手段の下流に接続され、水を貯留する水回収器と、
前記水回収器に設けられ、前記水回収器に貯留された水の貯留量を検出する貯水量検出部と、
前記貯水量検出部による検出貯水量に基づいて前記交換熱量調節手段の制御を行う制御部と、を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の凝縮装置。
【請求項１５】
前記制御部は、前記貯水量検出部による検出貯水量と上限値及びその上限値よりも低い下限値とを比較し、その比較の結果、前記貯水量検出部による検出貯水量が前記上限値以上である場合に、前記交換熱量調節手段によって前記熱交換手段の交換熱量を減少させ、前記貯水量検出部による検貯水量が前記下限値以下である場合に、前記交換熱量調節手段によって前記熱交換手段の交換熱量を増加させることを特徴とする請求項１４に記載の凝縮装置。
【請求項１６】
請求項１から１５の何れか一項に記載の凝縮装置を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気を凝縮して液体を得るための凝縮装置及びその凝縮装置を備える燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質を挟んだ二つの電極のうち一方の電極に水素を、他方の電極に酸素を供給して電気化学反応を起こすことによりエネルギーを発生させる装置である。この電気化学反応の際に水素と酸素が化合して水が生成する。生成した生成水は水蒸気となって排出される。
水蒸気を含む排気ガスは更に熱エネルギーとしても利用される。従来の定置型燃料電池の場合、排気ガスを熱交換器に通して冷却水と熱交換を行い、温められた冷却水は貯湯タンクに貯めて温水として利用している。また、排気ガスに含有される生成水は熱交換時に凝縮して液体となる。この生成水を装置内に一定量貯留し、燃料電池の加湿や燃料の改質反応の際に必要な水分として再利用している。
また、定置型燃料電池であれば、回収された生成水を外部に排水することで貯水量を調節できる。（特許文献段落００２５参照）
【特許文献１】特開２００４−３４２４４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、電子機器等に内蔵する形で用いられる小型燃料電池においては、装置の外部に排水したり、装置の外部から給水したりすることができないため、その対策が必要である。
【０００４】
本発明の課題は、装置の外部から給水せずに、また、装置の外部に排水せずに、水の貯留量を調整できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上の課題を解決するため、本発明によれば、水を含む高温の排ガスを排出する上流側装置の排気口に接続され、前記排ガスの熱を低温の外部媒体に放出する熱交換手段と、前記熱交換手段の交換熱量を調節する交換熱量調節手段と、を備えることを特徴とする凝縮装置が提供される。
【０００６】
好ましくは、前記熱交換手段が、前記上流側装置の排気口に接続された複数の熱交換器を有し、前記交換熱量調節手段が、前記上流側装置の排気口と前記複数の熱交換器との間又は前記複数の熱交換器の下流に設けられ、前記複数の熱交換器のうち、前記上流側装置の排気口から排出された排ガスの送り先の数を切り替える切替部を有する。
好ましくは、前記複数の熱交換器の下流に接続され、水を貯留する水回収器と、前記水回収器に設けられ、前記水回収器に貯留された水の貯留量を検出する貯水量検出部と、前記貯水量検出部による検出貯水量と上限値及びその上限値よりも低い下限値とを比較し、その比較の結果、前記貯水量検出部による検出貯水量が前記上限値以上である場合に、前記上流側装置から排出された排ガスの送り先の数を前記切替部によって減らし、前記貯水量検出部による検貯水量が前記下限値以下である場合に、前記上流側装置から排出された排ガスの送り先の数を前記切替部によって増やす制御部と、を更に備える。
好ましくは、前記熱交換手段が、前記上流側装置の排気口に接続された第１及び第２の熱交換器を有し、前記交換熱量調節手段は、前記上流側装置の排気口と前記第１の熱交換器との間又は前記第１熱交換器の下流に設けられた開閉バルブを有する。
好ましくは、前記熱交換手段が、前記上流側装置の排気口に接続された第１、第２及び第３の熱交換器を有し、前記交換熱量調節手段は、前記上流側装置の排気口と前記第１の熱交換器との間又は前記第１の熱交換器の下流に設けられた第１の開閉バルブと、前記上流側装置の排気口と前記第３の熱交換器との間又は前記第３の熱交換器の下流に設けられた第２の開閉バルブと、を有する。
好ましくは、前記第１の開閉バルブがノーマリーオープン型の開閉バルブであり、前記第２の開閉バルブがノーマリークローズ型の開閉バルブである。
好ましくは、前記第１、第２及び第３の熱交換器の下流に接続され、水を貯留する水回収器と、前記水回収器に設けられ、前記水回収器に貯留された水の貯留量を検出する貯水量検出部と、前記貯水量検出部による検出貯水量と上限値及びその上限値よりも低い下限値とを比較し、その比較の結果、前記貯水量検出部による検出貯水量が前記上限値以上である場合に、前記第１のバルブ及び前記第２のバルブを閉じ、前記貯水量検出部による検貯水量が前記下限値以下である場合に、前記第１のバルブ及び前記第２のバルブを開き、前記貯水量検出部による検出貯水量が前記上限値と前記下限値との間である場合、前記第１のバルブ及び前記第２のバルブのどちらか一方を開き他方を閉じる制御部と、を更に備える。
好ましくは、前記交換熱量調節手段は、前記熱交換手段の周囲に外部媒体の強制対流を起こすとともに、その強制対流の強さを調節する強制対流手段を有する。
好ましくは、前記熱交換手段の下流に接続され、水を貯留する水回収器と、前記水回収器に設けられ、前記水回収器に貯留された水の貯留量を検出する貯水量検出部と、前記貯水量検出部による検出貯水量と上限値及びその上限値よりも低い下限値とを比較し、その比較の結果、前記貯水量検出部による検出貯水量が前記上限値以上である場合に、前記強制対流手段による外部媒体の強制対流を弱め、前記貯水量検出部による検貯水量が前記下限値以下である場合に、前記強制対流手段による外部媒体の強制対流を強め制御部と、を更に備える。
好ましくは、前記強制対流手段が、外部媒体として空気を前記熱交換手段に送風する送風機である。
好ましくは。前記空気は、前記熱交換手段に接続される他の装置を冷却した後に、前記熱交換手段に供給される。
好ましくは、前記熱交換手段の下流側に設けられた水回収器を更に備え、前記上流側装置と前記熱交換手段との間で二手に分岐した２つの分岐路のうち一方が前記水回収器に接続され、他方が前記熱交換手段を介して前記水回収器に接続され、前記交換熱量調節手段が、前記一方の分岐路又は前記他方の分岐路に設けられ、前記上流側装置から前記一方の分岐路を流れる排ガスの割合と前記上流側装置から前記他方の分岐路に流れる排ガスの割合を調整する流量制御弁を有する。
好ましくは、前記水回収器に設けられ、前記水回収器に貯留された水の貯留量を検出する貯水量検出部と、前記貯水量検出部による検出貯水量と上限値及びその上限値よりも低い下限値とを比較し、その比較の結果、前記貯水量検出部による検出貯水量が前記上限値以上である場合に、前記一方の分岐路に流れる排ガスの割合を前記流量制御弁によって増やし、前記貯水量検出部による検貯水量が前記下限値以下である場合に、前記他方の分岐路に流れる排ガスの割合を前記流量制御弁によって増やす制御部と、を更に備える。
好ましくは、前記熱交換手段の下流に接続され、水を貯留する水回収器と、前記水回収器に設けられ、前記水回収器に貯留された水の貯留量を検出する貯水量検出部と、前記貯水量検出部による検出貯水量に基づいて前記交換熱量調節手段の制御を行う制御部と、を更に備える。
好ましくは、前記制御部は、前記貯水量検出部による検出貯水量と上限値及びその上限値よりも低い下限値とを比較し、その比較の結果、前記貯水量検出部による検出貯水量が前記上限値以上である場合に、前記交換熱量調節手段によって前記熱交換手段の交換熱量を減少させ、前記貯水量検出部による検貯水量が前記下限値以下である場合に、前記交換熱量調節手段によって前記熱交換手段の交換熱量を増加させる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、熱交換器の交換熱量を調節することにより、生成水の回収量を増減させることができる。すなわち、貯留している生成水が過剰なときには、交換熱量を減少させて水分の回収量を減らすことができる。反対に、生成水が不足するときには、交換熱量を増加させて水分の回収量を増やすことができる。従って、装置内部に水分を過不足無く貯留しておくことができ、過剰な生成水が生じなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
【０００９】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電装置１００を示すブロック図である。この燃料電池発電装置１００は、ノート型ＰＣ、ＰＤＡ、電子手帳、デジタルカメラ、携帯電話機、腕時計、ゲーム機器等といった携帯型の電子機器に搭載されている。図１に示された構成要素のうち燃料カートリッジ１が電子機器に対して着脱可能とされ、他の構成要素は電子機器に内蔵される。燃料カートリッジ１が電子機器に装着されると燃料カートリッジ１と燃料供給ポンプ２が接続される。
【００１０】
燃料電池発電装置１００は、燃料カートリッジ１、燃料供給ポンプ２、水供給ポンプ３、空気供給ポンプ４、蒸発器５、反応装置６、加湿器７ａ、７ｂ、燃料電池８、排ガス用触媒燃焼器９及び凝縮装置１０等を備えている。
【００１１】
燃料カートリッジ１には、液体燃料（例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル）が貯留されている。
【００１２】
燃料供給ポンプ２は、燃料カートリッジ１から液体燃料を吸い上げて蒸発器５へ送液するものである。燃料供給ポンプ２は、電気駆動式ポンプである。
【００１３】
水供給ポンプ３は、水回収器１５に貯留された水を吸い上げて、蒸発器５及び加湿器７ａ、７ｂへと送液するものである。水供給ポンプ３も、燃料供給ポンプ２と同様の電気駆動式ポンプである。燃料供給ポンプ２から送出されてきた液体燃料は、水供給ポンプ３から送出された水と混合されて蒸発器５へと供給される。
【００１４】
空気供給ポンプ４は、外部の空気を取り込んで一酸化炭素除去器６２、熱供給用触媒燃焼器６４、加湿器７ｂ、排ガス用触媒燃焼器９に供給するものである。空気供給ポンプ４は、電気駆動式ポンプである。
【００１５】
蒸発器５は、燃料供給ポンプ２から送出されてきた液体燃料と水の混合液を気化させるものである。蒸発器５には、電熱材からなり、温度センサも兼ねたヒータ５１が設けられ、燃料供給ポンプ２及び水供給ポンプ３から蒸発器５に送られた混合液はヒータ５１の熱により蒸発する。蒸発器５で気化した水と燃料の混合気は反応装置６へと送出される。
【００１６】
反応装置６は、燃料改質器６１と、一酸化炭素除去器６２と、ヒータ６３と、熱供給用触媒燃焼器６４とから概略構成される。燃料改質器６１、一酸化炭素除去器６２、ヒータ６３及び熱供給用触媒燃焼器６４は断熱容器内に収容されている。断熱容器内は真空状態となっており、断熱容器内の熱が外部に放散し難くなっている。
【００１７】
反応装置６の構成要素について具体的に説明していく。燃料改質器６１は、蒸発器５から送出されてきた混合気を改質して水素や一酸化炭素を含む生成ガスを生成するものである。燃料改質器６１の内部には微細な反応流路が形成され、反応流路の壁面には改質触媒（例えば、Ｃｕ／ＺｎＯ触媒やＰｄ／ＺｎＯ触媒）が担持されている。蒸発器５から送出されてきた混合気は、空気供給ポンプ４より供給される外部の空気と混合された状態で燃料改質器６１の反応流路を流れる。そして、改質触媒によって燃料と水が改質反応を起こす。燃料カートリッジ１内の燃料がメタノールである場合には、反応流路内で（１）、（２）のような化学反応が起こる。これにより水素、一酸化炭素及び二酸化炭素等を含む生成ガスが生成する。生成ガスは一酸化炭素除去器へと送出される。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2  …（１）
Ｈ2＋ＣＯ2→Ｈ2Ｏ＋ＣＯ  …（２）
【００１８】
一酸化炭素除去器６２は、燃料改質器６１で生成した生成ガスに含まれる一酸化炭素を選択的に除去するものである。一酸化炭素除去器６２の内部にも微細な反応流路が形成され、反応流路の壁面には選択酸化触媒（例えば、Ｐｔ触媒）が担持されている。燃料改質器６１から送出されてきた生成ガスは、空気供給ポンプ４より供給される外部の空気と混合された状態で一酸化炭素除去器６２の反応流路を流れる。そして選択酸化触媒によって生成ガスに含まれる一酸化炭素は反応流路内で次式（３）のように優先的に酸化される。これにより二酸化炭素が生成され、一酸化炭素が除去される。なお、このとき空気供給ポンプ４から供給される空気中の酸素により、改質器で生成した水素が（４）のように僅かに酸化され水を生成する。生成した水は、一酸化炭素が除去された生成ガスと共に加湿器７ａへと送出される。
２ＣＯ＋Ｏ2→２ＣＯ2  …（３）
２Ｈ2＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ  …（４）
【００１９】
ヒータ６３は、燃料改質器６１、一酸化炭素除去器６２及び熱供給用触媒燃焼器６４を加熱するものである。ヒータ６３は薄膜状の電熱材からなり、温度センサも兼ねている。ヒータ６３の加熱によって燃料改質器６１、一酸化炭素除去器６２及び熱供給用触媒燃焼器６４は各々での反応に必要な熱を得ることができる。
【００２０】
熱供給用触媒燃焼器６４は、水素を燃焼させて、燃料改質器６１及び一酸化炭素除去器６２を加熱するものである。燃焼に用いられる水素は、燃料電池８のアノード８１で電気化学反応せずに残ったものを用いる。熱供給用触媒燃焼器６４の内部には反応流路が形成され、その反応流路の壁面に燃焼触媒（例えば、Ｐｔ触媒）が担持されている。アノード８１から送出されてきた水素ガス等は、空気供給ポンプ４より供給される外部の空気と混合された状態で熱供給用触媒燃焼器６４の反応流路を流れる。そして、混合気がヒータ６３により加熱され、混合気のうち水素が燃焼触媒により燃焼する。水素の燃焼により燃焼熱が発生し、この燃焼熱は燃料改質器６１における改質反応や一酸化炭素除去器６２における一酸化炭素酸化反応を促進するための反応熱として用いられる。また、水素の燃焼に伴い生成した水は、燃焼せずに僅かに残った水素等と共に排ガス用触媒燃焼器９へと送出される。
【００２１】
加湿器７ａは、水供給ポンプ３より供給される水を用いて、一酸化炭素除去器６２から送出されてきた生成ガスを加湿するものである。加湿された生成ガスは燃料電池８のアノード８１に送出される。また、加湿器７ｂは、水供給ポンプ３より供給される水を用いて空気供給ポンプから送出されてきた空気を加湿するものである。加湿された空気は燃料電池のカソード８２へと送出される。加湿器７ａ，７ｂに送られた水が水回収器１５に戻り、これにより水が加湿器７ａ，７ｂと水回収器１５との間を循環する。
【００２２】
燃料電池８は、アノード８１と、カソード８２と、アノード８１とカソード８２の間に挟まれた電解質膜８３とを有する。加湿器７ａから送出されてきた生成ガスはアノード８１に導入され、加湿器７ｂから送出されてきた空気はカソード８２に導入される。アノード８１に導入された生成ガス中の水素が、電解質膜８３を介して、カソード８２に導入された空気中の酸素と電気化学反応することによって、アノード８１とカソード８２との間で電力が生じる。
【００２３】
電解質膜８３は固体高分子電解質膜である。そのため、アノード８１では次式（５）のような反応が起き、アノード８１で生成された水素イオンが電解質膜８３を透過し、カソード８２では次式（６）のような反応が起こり、水が生成する。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-  …（５）
２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ  …（６）
なお、電解質膜８３が固体酸化物電解質膜であり、燃料電池８が固体酸化物型燃料電池であってもよい。
【００２４】
アノード８１とカソード８２との間で生じた電力はＤＣ／ＤＣコンバータ２０に供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は燃料電池８により生成された電気を適切な電圧に変換したのちに電子機器の内部回路に供給するためのものである。反応に寄与しなかった水素等はアノード８１から熱供給用触媒燃焼器６４へと送出され、反応により生成した水は空気とともにカソード８２から排ガス用触媒燃焼器９へと送出される。
【００２５】
熱供給用触媒燃焼器６４では、前述したように燃料電池８のアノード８１で反応せずに残った水素が燃焼して水が生成される。生成した水は、燃焼せずに僅かに残った水素等と共に排ガス用触媒燃焼器９へと送出される。
【００２６】
排ガス用触媒燃焼器９は、熱供給用触媒燃焼器６４の燃焼を経ても僅かに残る水素を除去するものである。排ガス用触媒燃焼器９の内部にも反応流路が形成され、その反応流路の壁面に燃焼触媒（例えば、Ｐｔ触媒）が担持されている。触媒燃焼器６４から送出されてきた水素を含む混合気は、燃料電池８のカソード８２から供給される空気と混合された状態で排ガス用触媒燃焼器９の反応流路を流れる。そして、混合気中に含まれる微量な水素が燃焼し、水となって除去される。生成した水は、二酸化炭素などの排ガスと共に凝縮装置１０へと送出される。
【００２７】
なお、排ガス用触媒燃焼器９から凝縮装置１０へと送出される水には、一酸化炭素除去器６２、カソード８２及び熱供給用触媒燃焼器６４で生成した水も含まれている。すなわち、燃料電池発電装置１００の稼動により生成する全ての水が排ガス用触媒燃焼器９で集められ、水蒸気として凝縮装置１０へと送出される。
【００２８】
凝縮装置１０は、排ガス用触媒燃焼器９から送出されてきた水蒸気を含む排ガスから燃料電池発電装置１００の稼動に必要な水分を得るためのものである。凝縮装置１０は、熱交換器集合体１１、第１バルブ１２、第２バルブ１３、送風機１４、水回収器１５等から概略構成される。
【００２９】
熱交換器集合体１１は、排ガス用触媒燃焼器９から送出されてきた水蒸気を含む排ガスと、送風機１５から送られてくる排ガスよりも低温の空気とを熱交換させることで、排ガス中の水蒸気を凝縮させるものである。本実施形態においては、熱交換器集合体１１が熱交換手段に相当する。
【００３０】
送風機１４は、熱交換集合体１１の周囲の外部媒体の強制対流を起こす強制対流手段である。すなわち、送風機１４は、熱交換器集合体１１に向けて外部媒体となる空気を送るものである。送風機１４は電動式のファンである。送風機１４から送られる空気は熱交換器集合体１１に接触し、熱交換器集合体１１内を流れる排ガスと空気との間で熱交換が行われる。送風機１４からの空気は、熱交換器集合体１１に直接接触させるようにしてもよいし、装置内に流路を設けて他の構成装置を冷却した後に熱交換器集合体１１に送るようにしてもよい。他の構成装置も共に冷却するようにすれば送風機を複数設ける必要が無くなる。
【００３１】
水回収器１５は、熱交換器集合体１１で熱交換により凝縮した水を貯留しておくものである。熱交換器集合体１１から送出されてきた排ガス及び水のうち、液状の水は水回収器１５に集められ、排ガスは気液分離膜１５ａを通って外部へと放出される。また、水回収器１５には貯水量検出部である水面検出センサ１５ａが取り付けられている。水面検出センサ１５ａは光センサであり、水面の高さによって水回収器１５内の貯水量を検知することができる。
【００３２】
熱交換器集合体１１は複数の熱交換器を一体化したものである。以下、熱交換器集合体１１についてより具体的に説明する。図２は熱交換器集合体１１の断面図である。熱交換器集合体１１は、分岐部である入口側マニホールド１１ａ及び合流部である出口側マニホールド１１ｂと、熱交換部である複数のフィン１１ｃとを有する。入口側マニホールド１１ａは側部に複数の孔が設けられた中空の部材で、端部に排ガスの流入口１１ｄが設けられ、側部の孔には複数のフィン１１ｃの一端が取り付けられている。出口側マニホールド１１ｂも入口側マニホールド１１ａと同様の中空部材で、端部に排ガスの流出口１１ｅが設けられ、側部の孔にはフィン１１ｃの他端が取り付けられている。フィン１１ｃは管状の部材であり、入口側マニホールド１１ａと出口側マニホールド１１ｂは複数のフィン１１ｃによって連通した状態となっている。また、フィン１１ｃは一定間隔を空けて並べて取り付けられているので、フィン１１ｃとフィン１１ｃの間にスリット１１ｆができ、熱交換を行うための空気や液体が通り抜けできるようになっている。流入口１１ｄは排ガス用触媒燃焼器９に接続され、流出口１１ｅは水回収器１５へと接続されている。従って、排ガス用触媒燃焼器９から流入口１１ｄを通って入口側マニホールド１１ａに流入した排ガスは、矢印で示すように入口側マニホールド１１ａ内で分岐して各フィン１１ｃを通り抜けながら熱交換を行う。熱交換後の排ガス及びフィン１１ｃ内で凝縮した水は出口側マニホールド１１ｂで合流し、流出口１１ｅを通って水回収器１５へと送出される。
【００３３】
また、入口側マニホールド１１ａには、二つのバルブが取り付けられている。第１バルブ１２は、入口側マニホールド１１ａの流入口１１ｄ側に取り付けられ、第２バルブ１３は、流入口１１ｄよりも奥側に取り付けられている。第１バルブ１２及び第２バルブ１３の取り付け位置は、入口側マニホールド１１ａ内の流路をほぼ３等分する箇所である。即ち、図２において、第１バルブ１２よりも流入口１１ｄ寄りにあるフィン１１ｃの数と、第１バルブ１２と第２バルブ１３の間にあるフィン１１ｃの数と、第２バルブ１２よりも奥側にあるフィン１１ｃの数とが等しい。
【００３４】
図３及び図４は第１バルブ１２を示す拡大断面図である。図３及び図４に示される第１バルブ１２は、ノーマリーオープン型の開閉バルブである。第１バルブ１２は、入口側マニホールド１１ａの上部に設けられた中空部材の筒部１２ａ、筒部１２ａの内壁に沿って上下動可能に取り付けられた鉄製のプランジャー１２ｂ及び弁体１２ｃ、プランジャー１２ｂと弁体１２ｃを連結するロッド１２ｄ、ロッド１２ｄに巻きつけるように取り付けられたスプリング１２ｅ、筒部１２ａの周面を囲むように設けられたコイル１２ｆ等から構成されている。筒部１２ａの下端は開口しており、入口側マニホールド１１ａの流路と連通している。また、筒部１２ａ内には仕切り１２ｇが設けられていて、仕切り１２ｇとプランジャー１２ｂの間にスプリング１２ｅを取り付けることで、プランジャー１２ｂ及び弁体１２ｃはスプリング１２ｅによって上方向に付勢されている。このため、コイル１２ｆに通電していない状態では、図３に示すようにプランジャー１２ｂ及び弁体１２ｃが上に持ち上げられた状態となり、弁体１２ｃの下面と入口側マニホールド１１ａの内壁とがほぼ面一となる。そのため、入口側マニホールド１１ａの流路が開放されている。
【００３５】
コイル１２ｆに通電されると、コイル１２ｆ内に磁界が生じ、プランジャー１２ｂに下向きの磁力がかかる。するとプランジャー１２ｂはスプリング１２ｅを収縮させながら下方向に移動する。弁体１２ｃもプランジャー１２ｂの動きに合わせて下方向へ移動し、図４に示す状態となる。このとき、弁体１２ｃによって入口側マニホールド１１ａ内の流路が遮断される。
【００３６】
なお、第１バルブ１２がノーマリーオープン型の開閉バルブであってもよい。弁体１２ｃは、非通電時に開放状態であるが、逆に非通電時に閉鎖状態のバルブを用いることもできる。すなわち、プランジャー１２ｂ及び弁体１２ｃを下向きに付勢すべく、コイル１２ｄの取り付け位置を仕切り１２ｇと弁体１２ｃとの間に変更するか、コイル１２ｄを引張バネに変更する。こうすることで、非通電時は弁が下に下がった状態で流路を遮断し、通電時に弁体１２ｃが上がって流路を開放するようにすることもできる。
【００３７】
第２バルブ１３は、取付位置を除いて、第１バルブ１２と同様に設けられている。
【００３８】
このようにバルブ１２，１３が熱交換器集合体１１に取り付けられることで、熱交換器集合体１１が、第１バルブ１２よりも流入口１１ｄ寄りにあるフィン１１ｃを有する熱交換器１１ｐと、第１バルブ１２と第２バルブ１３の間にあるフィン１１ｃを有する熱交換器１１ｑと、第２バルブ１２よりも奥側にあるフィン１１ｃを有する熱交換器１１ｒとに分けられる。従って、熱交換器１１ｐが排ガス用触媒燃焼器９の排気口に通じ、熱交換器１１ｑが第１バルブ１２を介して排ガス用燃焼器９の排気口に通じ、熱交換器１１ｒがバルブ１２，１３を介して排ガス用燃焼器９の排気口に通じている。
【００３９】
第１バルブ１２及び第２バルブ１３の組合せが、熱交換器集合体１１の交換熱量を調節する交換熱量調節手段に相当する。具体的には、排ガス用燃焼器９の排気口から排出された排ガスの送り先が、バルブ１１，１２の開閉によって、複数の熱交換器１１ｐ，１１ｑ，１１ｒの中から定まる。すなわち、第１バルブ１２及び第２バルブ１３の組合せが、複数の熱交換器１１ｐ，１１ｑ，１１ｒのうち、排ガス用燃焼器９の排気口から排出された排ガスの送り先の数を切り替える切替部に相当する。
【００４０】
ここで、図２に示すように第１バルブ１２が開かれ、第２バルブ１３が閉じた状態では、排ガス用燃焼器９の排気口から排出された排ガスが矢印で示すように第２バルブ１３によって堰き止められることで、第２バルブ１３よりも流入口１１ｄ側に位置する２つの熱交換器１１ｐ及び熱交換器１１ｑに排ガスが流れ込む。
【００４１】
また、第１バルブ１２及び第２バルブ１３が開いた状態では、図５に示すように、第１バルブ１２、第２バルブ１３が共に入口側マニホールド１１ａの流路を遮断した状態となる。そのため、排ガス用燃焼器９の排気口から排出された排ガスが矢印で示すように第１バルブ１２によって堰き止められ、第１バルブ１２よりも流入口１１ｄ側に位置する１つの熱交換器１１ｐに排ガスが流れ込む。
また、図６に示すように第１バルブ１２、第２バルブ１３が共に開かれた状態では、排ガス用燃焼器９の排気口から排出された排ガスは堰き止められることなく３つの熱交換器１１ｐ，１１ｑ、１１ｒに流れ込む。
以上のように第１バルブ１２及び第２バルブ１３の開閉によって、排ガス用燃焼器９の排気口から排出された排ガスの送り先の数が切り替わる。
【００４２】
第１バルブ１２がノーマリーオープン型の開閉バルブであり、第２バルブ１３がノーマリークローズ型の開閉バルブであると、稼働電力の節約を図ることができる。即ち、第１バルブ１２及び第２バルブ１３の両方が通電状態でなければ、図２のような状態になり、第１バルブ１２と第２バルブ１３のどちらか一方が通電状態であれば、図５又は図６のような状態になる。そのため、図２、図５、図６の３つの流れパターンを作り出すのに、第１バルブ１２と第２バルブ１３の両方を通電状態とすることがないため、稼動電力の節約を図ることができる。なお、バルブ１２，１３がともにノーマリーオープン型の開閉バルブであってもよいし、バルブ１２，１３がともにノーマリークローズ型の開閉バルブであってもよいし、バルブ１２，１３のうち一方がノーマリーオープン型の開閉バルブであって、他方がノーマリークローズ型の開閉バルブであってもよい。
【００４３】
図７は、燃料電池発電装置１００の回路構成を示したブロック図である。制御部３０はマイクロコンピュータである。即ち、制御部３０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を有する。そして、制御部３０は、ＲＯＭに格納されたプログラムに従って燃料供給ポンプ２、水供給ポンプ３、空気供給ポンプ４、蒸発器５のヒータ５１、反応装置６のヒータ６３、加湿器７ａ、７ｂ、排ガス用触媒燃焼器のヒータ９１、第１バルブ１２、第２バルブ１３、送風機１４等を制御する。水面検出センサ１５ａによって検知された水面高さは制御部３０へと出力される。
【００４４】
制御部３０は、ＲＯＭに格納されたプログラムによって、水面検出センサ１５ａによる検出水面高さが、ＲＯＭに記録されている所定の上限値または下限値に達したか否かを判定する判定機能を有する。ここで、所定の上限値とは、水回収器１５内に存する水が満たされた状態におけるその水の水面高さに相当するものであり、所定の下限値とは、水回収器１５内に存する水が不足した状態におけるその水の水面高さに相当するものである。
また、制御部３０は、水面検出センサ１５ａによる検出水面高さに基づき第１バルブ１２、第２バルブ１３の開閉を制御する機能を有する。具体的には、制御部３０は検出水面高さが上限値に達したと判定したら、第１バルブ１２及び第２バルブ１３を閉じる。制御部３０は検出水面高さが下限値に達していないと判定したら、第１バルブ１２及び第２バルブ１３を開く。制御部３０は検出水面高さが上限値と下限値の間にあると判定したら、第１バルブ１２を開くと共に第２バルブ１３を閉じる。なお、これらの機能は、プログラムによって実現されるのではなく、２つのコンパレータ等を有する論理回路によって実現されてもよい。
【００４５】
続いて、制御部３０による処理の流れ及び、それに伴う凝縮装置１０及び燃料電池発電装置１００の動作について説明する。まず、制御部３０が蒸発器５のヒータ５１、反応装置６のヒータ６３及び排ガス用触媒燃焼器９のヒータ９１に電力を供給して、ヒータ３１、ヒータ６３及びヒータ９１を発熱させる。これにより、蒸発器５、反応装置６、排ガス用触媒燃焼器９が昇温する。
【００４６】
次に、制御部３０が空気供給ポンプ４を作動させる。これにより、空気が一酸化炭素除去器６２、加湿器７ｂ、カソード８２、熱供給用触媒燃焼器６４及び排ガス用触媒燃焼器９等に供給される。
【００４７】
次に、制御部３０が水供給ポンプ３を作動させる。これにより、水が水回収器１５から吸い上げられ、蒸発器５及び加湿器７ａ、７ｂに供給される。
【００４８】
次に、制御部３０が加湿器７ａ、７ｂを作動させる。これにより、空気供給ポンプ４から送出されてくる空気が加湿される。また、この後一酸化炭素除去器６２より送出されてくる生成ガスを加湿する準備ができる。
次に、制御部３０は、送風機１４を作動させる。これにより、熱交換器集合体１１が送風され、熱交換器集合体１１の周囲に強制対流が生じる。
【００４９】
次に、制御部３０が燃料供給ポンプ２を作動させる。これにより、燃料カートリッジ１内の燃料が、水供給ポンプ３より供給される水と混合されて蒸発器５へと送出される。燃料と水の混合液はヒータ５１によって加熱されて気化する。気化した燃料と水の混合気は燃料改質器６１へ導入されて改質触媒により水素を含む生成ガスを生成する。
【００５０】
一酸化炭素除去器６２に導入された生成ガスのうち一酸化炭素が選択酸化反応により除去される。そして、燃料電池８では水素と酸素の電気化学反応が起こり、熱供給用触媒燃焼器６４では未反応水素が燃焼し、排ガス用触媒燃焼器９では残留水素が燃焼して除去される。こうして、排ガス用触媒燃焼器９から水蒸気を含む排ガスが排出される。熱交換器集合体１１では、導入された水蒸気を含む排ガスが送風機１４からの空気と熱交換される。熱交換された排ガス中の水蒸気の一部は凝縮して水となり、水回収器１５に集められる。水回収器１５に貯留された水は水供給ポンプ３により吸い上げられて、燃料電池発電装置１００の稼動に用いられる。
【００５１】
燃料電池発電装置１００が稼動すると、制御部３０は一定時間毎に図８に示すルーチンを実行する。ルーチンが開始されると、制御部３０は、水面検出センサ１５ａにより検出された水面高さを入力する（ステップＳ１）。制御部３０は、検出した水面高さを所定の上限値と比較する。（ステップＳ２）。比較の結果、検出水面高さが上限値以上になると制御部３０によって認定されると（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、制御部３０が第１バルブ１２及び第２バルブ１３を閉じる（ステップＳ４）。反対に、検出水面高さが上限値未満になると制御部３０によって認定されると（ステップＳ２：Ｎｏ）、制御部３０は、検出した水面高さを所定の下限値と比較する（ステップＳ３）。比較の結果、検出水面高さが下限値以下になると制御部３０によって認定されると（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、制御部３０が第１バルブ１２、第２バルブ１３を開く（ステップＳ５）。検出水面高さが下限値を超えていると制御部３０によって認定されると（ステップＳ３：Ｎｏ）、制御部３０が第１バルブ１２を開き、第２バルブ１３は閉じる（ステップＳ６）。
【００５２】
以上の制御の結果、制御部３０によって水回収器１５内の水面が上限値と下限値の間であると認定され、第１バルブ１２が開かれると共に第２バルブ１３が閉じられると、図２に示すように、排ガスは第２バルブ１３より流入口１１ｄ側のフィン１１ｃ（熱交換器１１ｐ及び熱交換器１１ｒ）にのみ流れる。このとき、熱交換器集合体１１の通常時の稼動状態であり、熱交換器集合体１１において凝縮される水の量と、燃料電池発電装置１００の稼動に使用される水の量がほぼ等しくなっている。従って、水回収器１５内の貯水量は現状に維持される。
【００５３】
制御部３０によって水回収器１５内の水が上限値に達していると認定され、第１バルブ１２及び第２バルブが閉じられると、図５に示すように、入口側マニホールド１１ａ内の流路が遮断されて排ガスの流れが第１バルブ１２によって堰き止められる。その結果、排ガスは全て第１バルブ１２より流入口１１ｄ側のフィン１１ｃにのみ流れる。発電量を途中で変更しない限り、排ガス用触媒燃焼器９から送り込まれてくる排ガスの量はほぼ一定である。従って、排ガスを流すことのできるフィン１１ｃの数が図２に示す通常時よりも減少して、フィン１１ｃ内を通る排ガスの流速が通常時よりも速くなる。従って、排ガスはフィン１１ｃで十分な熱交換を行わないまま熱交換器集合体１１から送出されていくので、単位時間当たりに排ガスから空気へと移動する熱量、すなわち交換熱量は減少し水の凝縮量も少なくなる。その結果、熱交換器集合体１１において凝縮される水の量が、燃料電池発電装置１００の稼動に使用される水の量を下回り、水回収器１５内の水の量が減少していく。やがて、水回収器１５の貯水量は上限値を下回る。
【００５４】
制御部３０によって水回収器１５内の水が下限値に達していないと認定され、第１バルブ１２及び第２バルブ１３が開かれると、図６に示すように、排ガスは全てのフィンに均等に流れる。従って、排ガスを流すことのできるフィン１１ｃの数が通常時よりも増加して、フィン１１ｃ内の排ガスの流速が通常時よりも遅くなる。従って、排ガスはフィン１１ｃで十分な熱交換を行った後に熱交換器から送出されていくので、交換熱量は増加し水の凝縮量も多くなる。その結果、熱交換器集合体１１において凝縮される水の量が、燃料電池発電装置１００の稼動に使用される水の量を上回り、水回収器１５内の水の量が増加していく。やがて、水回収器１５の貯水量は下限値を上回る。
【００５５】
このように、熱交換器集合体１１に設けた第１バルブ１２、第２バルブ１３によって、熱交換器集合体１１による排ガスと空気の交換熱量を調節することにより、水回収器１５内の貯水量を常に適正量に維持することができる。
【００５６】
なお、バルブ１２，１３を出口側マニホールド１１ｂに設けても、同様の効果が得られる。すなわち、第１バルブ１２を熱交換器１１ｐの下流と熱交換器１１ｑの下流との間に設け、第２バルブ１３を熱交換器１１ｑの下流と熱交換器１１ｒの下流との間の設けてもよい。
また、入口側マニホールド１１ａ又は出口側マニホールド１１ｂに設ける開閉バルブの数は２つに限定するものではなく、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。開閉バルブの数をｎ（ｎは正数）としたら、熱交換器集合体１１が（ｎ−１）の熱交換器にわけられることになる。
また、バルブ１２，１３が電磁式以外のバルブを用いてもよい。
また、光式以外のセンサによって水回収器１５内の貯水量を検出するようにしてもよい。
【００５７】
〔第２実施形態〕
図９は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池発電装置２００を示すブロック図である。以下、第１実施形態における燃料電池発電装置１００と第２の実施形態における燃料電池発電装置２００との間で相違する点を主に説明する。
【００５８】
第１実施形態では燃料電池発電装置１００が凝縮装置１０を有するのに対し、第２実施形態では燃料電池発電装置２００が凝縮装置１１０を有する。そして、これら凝縮装置１０，１１０が相違する。すなわち、第１実施形態における凝縮装置１０では、熱交換器１１ｐ，１１ｑ，１１ｒが一体化されていたのに対し、第２実施形態における凝縮装置１１０では、熱交換器１１１ｐ，１１１ｑ，１１１ｒが一体化されずに離れている。本実施形態においては、熱交換器１１１ｐ，１１１ｑ，１１１ｒの組合せが熱交換手段に相当する。
【００５９】
熱交換器１１１ｐ，１１１ｑ，１１１ｒが別体となったことに伴い、本実施形態では、入口側マニホールド１１１ａが排ガス用触媒燃焼器１０９の出口に接続されている。そして、入口側マニホールド１１１ａが３つの流路Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３に枝分かれして、流路Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３が熱交換器１１１ｐ，１１１ｑ，１１１ｒの入口にそれぞれ接続されている。また、熱交換器１１１ｐ，１１１ｑ，１１１ｒの出口が出口側マニホールド１１１ｂによって一本に合流して水回収器１１５に接続されている。
【００６０】
また、第１バルブ１１２が流路Ｒ２又は熱交換器１１１ｑの入口に第１バルブ１１１が設けられている。第２バルブ１１３が流路Ｒ３又は熱交換器１１１ｒの入口に設けられている。バルブ１１２，１１３自体の構造は第１実施形態におけるバルブ１２，１３と同様であり、取付位置が第１実施形態と異なる。なお、バルブ１１２，１１３がともにノーマリーオープン型の開閉バルブであってもよいし、バルブ１１２，１１３がともにノーマリークローズ型の開閉バルブであってもよいし、バルブ１１２，１１３のうち一方がノーマリーオープン型の開閉バルブであって、他方がノーマリークローズ型の開閉バルブであってもよい。
【００６１】
第１バルブ１１２及び第２バルブ１１３の組合せが、複数の熱交換器１１１ｐ，１１１ｑ，１１１ｒのうち、排ガス用燃焼器１０９の排気口から排出された排ガスの送り先の数を切り替える切替部に相当する。すなわち、バルブ１１２，１１３がともに閉じた状態では、排ガス用燃焼器１０９の排気口から排出された排ガスが１つの熱交換器１１ｐに流れ込む。バルブ１１２が開き、バルブ１１３が閉じた状態では、排ガス用燃焼器１０９の排気口から排出された排ガスが２つの熱交換器１１１ｐ、１１１ｑに流れ込む。バルブ１１２が閉じ、バルブ１１３が開いた状態では、排ガス用燃焼器１０９の排気口から排出された排ガスが２つの熱交換器１１１ｐ、１１１ｒに流れ込む。バルブ１１２，１１３がともに開いた状態では、排ガス用燃焼器１０９の排気口から排出された排ガスが３つの熱交換器１１１ｐ、１１１ｑ、１１１ｒに流れ込む。
【００６２】
以上に説明したことを除いて第１実施形態における燃料電池発電装置１００と第２の実施形態における燃料電池発電装置２００との間で互いに対応する部分は同様に設けられている。
【００６３】
本実施形態における制御部による制御方法と第１実施形態と同様である。
すなわち、燃料電池発電装置２００が稼動し、制御部によるルーチンが実行された結果、制御部によって水回収器１１５内の水面が上限値と下限値との間にあると認定されると、第１バルブ１１２が開かれると共に第２バルブ１１３が閉じられる。そうすると、排ガスは熱交換器１１１ｐ及び熱交換器１１１ｑにのみ流れる。この状態は、凝縮装置１１０の通常時の稼動状態であり、熱交換器１１１において凝縮される水の量と、燃料電池発電装置２００の稼動に使用される水の量がほぼ等しくなる。従って、水回収器１１５内の貯水量は現状に維持される。
【００６４】
制御部によって水回収器１１５内の水が上限値に達していると認定されると、第１バルブ１１２及び第２バルブ１１３が閉じられる。そうすると、排ガスは１つの熱交換器１１１ｐに流れる。発電量を途中で変更しない限り、排ガス用触媒燃焼器１０９から送り込まれてくる排ガスの量はほぼ一定である。従って、１つのみの熱交換器１１１ｐ内の排ガスの流速は、２つの熱交換器１１１ｐ，１１１ｑに流れている場合の流速よりも速くなる。従って、排ガスは十分な熱交換を行わないまま熱交換器１１１ｐから送出されていくので、交換熱量は通常時よりも減少し水の凝縮量も少なくなる。その結果、熱交換器１１１ｐにおいて凝縮される水の量が、燃料電池発電装置２００の稼動に使用される水の量を下回り、水回収器１１５内の水の量が減少していく。やがて、水回収器１１５の貯水量は上限値を下回る。
【００６５】
制御部によって水回収器１１５内の水が下限値に達していないと認定され、第１バルブ１１２及び第２バルブ１１３が開かれると、排ガスは３つ全ての熱交換器１１１ｐ、１１１ｑ、１１１ｒに均等に流れる。従って、３つの熱交換器１１１ｐ、１１１ｑ、１１１ｒ内の排ガスの流速は、２つの熱交換器１１１ｐ，１１１ｑにのみ流れている場合よりも遅くなる。その結果、排ガスは十分な熱交換を行った後に熱交換器１１１から送出されていくので、交換熱量は通常時よりも増加し水の凝縮量も多くなる。その結果、熱交換器１１１において凝縮される水の量が、燃料電池発電装置２００の稼動に使用される水の量を上回り、水回収器１１５内の水の量が増加していく。やがて、水回収器１１５の貯水量は下限値を上回る。
【００６６】
このように、第１バルブ１１２及び第２バルブ１１３の開閉動作によって、排ガスと空気の交換熱量を調節することにより、水回収器内の水の貯水量を常に適正量に維持することができる。
【００６７】
なお、第１バルブ１１２を熱交換器１１１ｑと水回収器１１５の間に設け、第２バルブ１１３を熱交換器１１１ｒと水回収器１１５との間に設けても、同様の効果が得られる。また、熱交換器及びバルブの数を増減させてもよい。
【００６８】
〔第３実施形態〕
図１０は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池発電装置３００を示すブロック図である。以下、第１実施形態における燃料電池発電装置１００と第３の実施形態における燃料電池発電装置３００との間で相違する点を主に説明する。
【００６９】
第１実施形態では燃料電池発電装置１００が凝縮装置１０を有するのに対し、第３実施形態では燃料電池発電装置３００が凝縮装置２１０を有する。そして、これら凝縮装置１０，２１０が相違する。すなわち、第１実施形態における凝縮装置１０が３つの熱交換器１１ｐ，１１ｑ，１１ｒを有していたのに対し、第３実施形態における凝縮装置２１０は１つの熱交換器２１１を有するが、バルブを有さない。そして、熱交換器２１１の入口が排ガス用触媒燃焼器２０９の出口に接続され、熱交換器２１１の出口が水回収器２１５の入口に接続されている。本実施形態においては、熱交換器２１１が熱交換手段に相当する。
【００７０】
また、第１実施形態では交換熱量調節手段がバルブ１２，１３の組合せであったのに対し、第３実施形態では送風機２１４が交換熱量調節手段に相当する。すなわち、送風機２１４は、熱交換器２１１に送る送風の強さ、すなわち空気の強制対流の強さを調節するように設けられている。
【００７１】
これに伴い、制御部２３０の機能も異なる。すなわち、第１実施形態では、制御部３０がバルブ１２，１３を開閉することによって、熱交換器集合体１１の交換熱量が調節されていたが、第３実施形態では、制御部２３０が送風機２１４の出力を制御することによって、熱交換器２１１の交換熱量が調節される。
【００７２】
具体的には、本実施形態では、制御部２３０は、ＲＯＭに格納されたプログラムによって、水面検出センサ２１５ａによる検出水面高さが、ＲＯＭに記録されている所定の上限値または下限値に達したか否かを判定する判定機能を有する。これに加えて、本実施形態の制御部２３０は、水面検出センサ２１５ａによる検出水面高さが上限値と下限値の間にあると判定したら、送風機２１４の動作速度をＲＯＭに記録されている所定の速度（以下、標準速度という。）に調節する機能を有する。また、制御部２３０は、水面検出センサ２１５ａによる検出水面高さが上限値に達したと判定したら、送風機２１４の動作速度を標準速度よりも低い速度（以下、低速度という。）に低下させる機能を有する。一方、制御部２３０は、水面検出センサ２１５ａによる検出水面高さが下限値に達していないと判定したら、送風機２１４の速度を標準速度よりも高い速度（以下、高速度という。）に上昇させる機能を有する。
【００７３】
以上に説明したことを除いて、第１実施形態における燃料電池発電装置１００と第３の実施形態における燃料電池発電装置３００との間で互いに対応する部分は同様に設けられ、制御部２３０の機能も第１実施形態における制御部３０の機能と同様である。
【００７４】
続いて、制御部２３０による処理の流れについて説明する。
燃料電池発電装置３００の稼働の際には、第１実施形態の場合と同様に、制御部２３０がヒータ２５１、ヒータ２６３、ヒータ２９１、空気供給ポンプ２０４、水供給ポンプ２０３、送風機２１４及び燃料供給ポンプ２０２等を駆動する。ここで、制御部２３０は、標準速度で送付機２１４を作動させる。
【００７５】
燃料電池発電装置３００が稼動すると、制御部２３０は一定時間毎に図１１に示すルーチンを実行する。ルーチンが開始されると、制御部２３０は、水面検出センサ１５ａによる検出水面高さを入力する（ステップＳ２０１）。制御部２３０は、検出した水面高さを所定の上限値と比較する。（ステップＳ２０２）。比較の結果、検出水面高さが上限値以上であると制御部２３０によって認定されると（ステップＳ２０２：Ｙｅｓ）、制御部２３０が送風機２１４の速度を低速度に低下させ（ステップＳ２０４）、処理を終了する。そのため、送風機２１４による送風の強さが減少する。反対に、検出水面高さが上限値に達していないと制御部２３０によって認定されると（ステップＳ２０２：Ｎｏ）、制御部２３０は、検出した水面高さを所定の下限値と比較する（ステップＳ２０３）。比較の結果、検出水面高さが下限値以下になったと制御部２３０によって認定されると（ステップＳ２０３：Ｙｅｓ）、制御部２３０が送風機２１４の速度を高速度に上昇させて（ステップＳ２０５）、処理を終了する。そのため、送風機２１４による送風の強さが増加する。検出水面高さが上限値と下限値の間である制御部２３０によって認定されると（ステップＳ２０３：Ｎｏ）、制御部２３０は送風機２１４の速度を標準速度にして（ステップＳ２０６）、処理を終了する。
【００７６】
以上の制御の結果、制御部２３０によって水回収器２１５内の水が上限値と下限値の間にあると認定されると、送風機２１４は標準速度で運転される。この状態は、凝縮装置２１０の通常時の稼動状態であり、熱交換器２１１において凝縮される水の量と、燃料電池発電装置３００の稼動に使用される水の量がほぼ等しくなる。従って、水回収器２１５内の貯水量は現状に維持される。
【００７７】
制御部２３０によって水回収器２１５内の水が上限値に達していると認定され、送風機２１４の出力が標準出力値よりも低下すると、熱交換器２１１への送風量が減少する。従って、熱交換器２１１における交換熱量は減少し水の凝縮量も少なくなる。その結果、熱交換器２１１において凝縮される水の量が、燃料電池発電装置３００の稼動に使用される水の量を下回り、水回収器２１５内の水の量が減少していく。やがて、水回収器２１５の貯水量は上限値を下回る。
【００７８】
制御部２３０によって水回収器１１５内の水が下限値に達していないと認定され、送風機２１４の出力が標準出力値よりも上昇すると、熱交換器２１１への送風量が増加する。従って、熱交換器２１１による交換熱量は増加し水の凝縮量も多くなる。その結果、熱交換器２１１において凝縮される水の量が、燃料電池発電装置３００の稼動に使用される水の量を上回り、水回収器２１５内の水の量が増加していく。やがて、水回収器１５の貯水量は下限値を上回る。
【００７９】
このように、送風機２１４による送風量の加減によって、排ガスと空気の交換熱量を調節することにより、水回収器内２１５の水の貯水量を常に適正量に維持することができる。
【００８０】
なお、排ガスの冷却には空気以外の媒体を用いてもよいし、送風機以外の強制対流手段を用いてもよい。例えば、液体循環装置によって液体を循環させて、流動する循環液が直接又は間接的に熱交換器２１１に接するようにしてもよい。
また、制御部２３０によって送風機２１４の速度が３段階に制御されたが、２段階に制御されてもよいし、４段階以上に制御されてもよい。
【００８１】
〔第４実施形態〕
図１２は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池発電装置４００を示すブロック図である。以下、第１実施形態における燃料電池発電装置１００と第４の実施形態における燃料電池発電装置４００との間で相違する点を主に説明する。
【００８２】
第１実施形態では燃料電池発電装置１００が凝縮装置１０を有するのに対し、第２実施形態では燃料電池発電装置４００が凝縮装置３１０を有する。そして、これら凝縮装置１０，３１０が相違する。すなわち、第１実施形態における凝縮装置１０が３つの熱交換器１１ｐ，１１ｑ，１１ｒを有していたのに対し、第４実施形態における凝縮装置３１０は１つの熱交換器４１１を有する。本実施形態においては、熱交換器３１１が熱交換手段に相当する。なお、熱交換器３１１にバルブは設けられていない。
【００８３】
また、この凝縮装置３１０は、交換熱量調節手段としての流量制御弁３１２を有する。ここで、排ガス用触媒燃焼器３０９と熱交換器３１１との間では流路が分岐点３１３ａで二手に分岐し、一方の分岐路３１３ｂが水回収器３１５に接続され、他方の分岐路３１３ｃが流量制御弁３１２及び熱交換器３１１を介して水回収器３１５に接続されている。流量制御弁３１２は、その弁開度を調整することで、排ガス用燃焼器３０９から熱交換器３１１に流れる排ガスの割合と排ガス用燃焼器３０９から水回収器３１５に流れる排ガスの割合とを調整する。なお、流量制御弁３１２は、分岐点３１３ａから水回収路３１５までの分岐路３１３ｃであれば、熱交換器３１１と水回収器３１５との間に設けられていてもよい。
【００８４】
流量制御弁３１２が設けられたことに伴い、制御部３３０の機能も異なる。すなわち、第１実施形態では、制御部３０がバルブ１２，１３を開閉することによって、熱交換器集合体１１の交換熱量が調節されていたが、第４実施形態では、制御部３３０が流量制御弁３１２を制御することによって、熱交換器３１１の交換熱量が調節される。
【００８５】
具体的には、本実施形態では、制御部３３０は、ＲＯＭに格納されたプログラムによって、水面検出センサ３１５ａによる検出水面高さが、ＲＯＭに記録されている所定の上限値または下限値に達したか否かを判定する判定機能を有する。具体的には、制御部３３０は、水面検出センサ３１５ｂによって検出された水面高さが上限値と下限値との間にあると判定したら、流量制御弁３１２の弁開度をＲＯＭに記録されている所定の開度（以下、標準開度という。）に調節する機能を有する。また、制御部３３０は、水面検出センサ３１５ｂによって検出された水面高さが上限値に達したと判定したら、流量制御弁３１２の開度を標準開度よりも低い開度（以下、低開度という。）にする。一方、制御部３３０は、水面検出センサ３１５ｂによる検出水面高さが下限値に達していないと判定したら、流量制御弁３１２の開度を標準開度よりも高い開度（以下、高開度という。）にする。
【００８６】
以上に説明したことを除いて、第１実施形態における燃料電池発電装置１００と第４の実施形態における燃料電池発電装置４００との間で互いに対応する部分は同様に設けられ、制御部３３０の機能も第１実施形態における制御部３０の機能と同様である。
【００８７】
続いて、制御部３３０による処理の流れについて説明する。
【００８８】
燃料電池発電装置４００の稼働の際には、第１実施形態の場合と同様に、制御部３３０がヒータ３５１、ヒータ３６３、ヒータ３９１、空気供給ポンプ３０４、水供給ポンプ３０３、送風機３１４及び燃料供給ポンプ３０２等を駆動する。ここで、制御部３３０は、流量制御弁３１２の開度を標準開度にする。
【００８９】
燃料電池発電装置４００が稼動すると、制御部３３０は一定時間経過する毎に図１３に示すルーチンを実行する。ルーチンが開始されると、制御部３３０は、水面検出センサ３１５ｂによる検出水面高さを入力する（ステップＳ３０１）。制御部３３０は、検出した水面高さを所定の上限値及び下限値と比較する（ステップＳ３０２、Ｓ３０３）。比較の結果、検出水面高さが上限値と下限値の間にあると制御部３３０によって認定されると（ステップＳ３０２：Ｙｅｓ、ステップＳ３０３：Ｙｅｓ）、制御部３３０は流量制御弁３１２の開度を標準開度にする（ステップＳ３０６）。反対に、検出水面高さが上限値に達したと制御部３３０によって認定されると（ステップＳ３０２：Ｎｏ）、制御部３３０は流量制御弁３１２の開度を低開度にする（ステップＳ３０５）。また、検出水面高さが下限値に達していないと制御部３３０によって認定されると（ステップＳ３０３：Ｙｅｓ）、制御部３３０は流量制御弁３１２を高開度にする（ステップＳ３０４）。そして、制御部が処理を終了する。
【００９０】
以上の制御の結果、制御部３３０によって水回収器３１５内の水が上限値と下限値の間にあると認定され、流量制御弁３１２が標準開度になる。この状態は、凝縮装置３１０の通常時の稼動状態であり、熱交換器３１１において凝縮される水の量と、燃料電池発電装置４００の稼動に使用される水の量がほぼ等しくなり、水回収器３１５内の貯水量は適正範囲内で維持される。
【００９１】
制御部３３０によって水回収器３１５内の水が上限値に達していると認定され、流量制御弁３１２が低開度になると、熱交換器３１１に流れ込む排ガスの量が減り、熱交換器３１１を経ずに水回収器３１５に流れ込む排ガスの量が増える。従って、熱交換器３１１における交換熱量は、流量制御弁３１２が標準開度の場合よりも低くなる。その結果、水回収器３１５の水は、燃料電池発電装置３００の稼動に使用される一方となり、水回収器３１５内の水の量が減少していく。やがて水の量は上限値を下回る。
【００９２】
制御部３３０によって水回収器３１５内の水が下限値に達していないと認定され、方向切替弁３１２が高開度になると、熱交換器３１１に流れ込む排ガスの量が増える。従って、熱交換器３１１における交換熱量は通常時（流量制御弁３１２が標準開度の場合）より増加し、水の凝縮量も多くなる。その結果、熱交換器３１１において凝縮される水の量が、燃料電池発電装置３００の稼動に使用される水の量を上回り、水回収器３１５内の水の量が増加していく。やがて水回収器３１５内の水の量は下限値を上回る。
【００９３】
このように、流量制御弁３１２によって、熱交換器３１２に流れる排ガスの流量を調節することにより、水回収器３１５内の水の貯水量を常に適正量に維持することができる。
【００９４】
なお、流量制御弁３１２が分岐点３１３ａと熱交換器３１１との間に設けられているのではなく、分岐点３１３ａと水回収器３１５との間に設けられていてもよい。この場合、流量制御弁３１２が高開度になれば、熱交換器３１１を経ずに水回収器３１５に流れ込む排ガスの流量が増え、熱交換器３１２における交換熱量が減る一方、流量制御弁３１２が低開度になれば、熱交換器３１１に流れ込む排ガスの流量が増え、熱交換器３１２における交換熱量が増える。従って、制御部３３０はステップＳ３０５において流量制御弁３１２の開度を高開度にし、ステップＳ３０４において流量制御弁３１２を低開度にする。
【００９５】
〔変形例〕
以下、変形例について説明する。
この変形例は、第１〜第４実施形態のいずれも採用する事が出来る。
図４は、第１〜第４実施形態に対して追加となる構成を示したブロック図である。ここで、制御部４３０は制御部３０と、制御部１３０と、制御部２３０と、制御部３３０とのうちの何れかであり、交換熱量調節手段４８０はバルブ１１，１２と、バルブ１１１，１１２と、送風機２１４と、流量制御弁３１２とのうちの何れかである。以下、変形例を第１実施形態に採用した場合について説明する。
【００９６】
外気温度センサ４０４ａは、空気供給ポンプ４が取り込む外部の空気の温度を検知するものである。外気温度センサ４０４による検知温度は制御部４３０に出力される。
また、外気湿度センサ４０４ｂは、空気供給ポンプ４が取り込む外部の空気の湿度を検知するものである。外気湿度センサ４０４ｂによる検知湿度は制御部４３０に出力される。
また、排ガス温度センサ４１５ｂは、水回収器１５内において熱交換器集合体１１から送出されてきた排ガスの温度を検知するものである。排ガス温度センサ４１５ｂによる検知温度は制御部４３０に出力される。
【００９７】
また、電力検出部４２０は、燃料電池８の出力電力を検出する。電力検出部４２０による検出電力は、制御部４３０に出力される。
【００９８】
制御部４３０は、排ガス温度センサ４１５ａによる検出温度に基づき交換熱量調節手段４８０をフィードバック制御する。これは、制御部３０が水面検出センサ１５ｂによる検出水面高さに基づきバルブ１１，１２を制御していたこと（図８）の代わりに行われるものである。
【００９９】
以下、図１５を用いて具体的に説明する。
燃料電池発電装置１００が稼動すると、制御部４３０は一定時間経過する毎に図１５に示すルーチンを実行する。ルーチンが開始されると、制御部４３０は、電力検出部４２０による検出電力から、装置の稼動に必要な水量（１）を算出する（ステップＳ４０１）。
次に、制御部４３０が、外気温度センサ４０４ａ、外気湿度センサ４０４ｂによる検出温度、検出湿度を入力する（ステップＳ４０２）。
次に、制御部４３０が、検出温度及び検出湿度から導入水量（２）を算出する（ステップＳ４０３）。導入水量（２）は、空気供給ポンプ４が取り込む外部の空気中に含まれる水の量を推量したものである。
次に、制御部４３０が、生成水量（３）を算出する（ステップＳ４０４）。生成水量（３）は、一酸化炭素除去器６２及び燃料電池８で生成される水の量を推量したものである。
次に、制御部４３０が、生成水量（４）を算出する（ステップＳ４０５）。生成水量（４）は、熱供給用触媒燃焼器６４及び排ガス用触媒燃焼器９で生成される水の量を推量したものである。
次に、制御部４３０が、水量（２）〜（４）の和から水量（１）を減じて得た量（以下、過剰水量Ａという。）を算出する（ステップＳ４０６）。
次に、制御部４３０は、過剰水量Ａが飽和水蒸気量となる温度を以下の式から求める（ステップＳ４０７）。以下の式で、Ｗに過剰水量Ａを代入し、温度Ｔを求める。
ew=exp｛-6096.9385×T-1+21.2409642-2.711193×10-2×T+1.673952×10-5×T2+2.433502×ln(T)｝  …（７）
nw=fw/(R×T)   …（８）
W=nw×ew/(101325-ew)×18.016×60  …（９）
ew：飽和水蒸気圧(Pa)、T：温度(K)、nw：排気ガスモル流量(mol/min)、fw：排気ガス（ドライ）、流量(ml/min)、R：気体定数、W：排出水分量（ｇ／ｈ）
ここで求めた温度が設定温度になる。
【０１００】
次に、制御部４３０は、排ガス温度センサ４１５ａによる検出温度をフィードバックして交換熱量調節手段４８０による交換熱量を調節するフィードバック制御を行う（ステップＳ４０８）。このようなフィードバック制御が行われることで、ステップＳ４０７で求めた温度が設定温度となって、排ガスの温度が設定温度に保たれる。
【０１０１】
このような制御が行われることで、より正確に水回収器１５内の水を適正量に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電装置の構成を示すブロック図である。
【図２】同実施形態で使用する熱交換器を示す断面図である。
【図３】同実施形態で使用する熱交換器を示す断面図である。
【図４】同実施形態で使用する熱交換器を示す断面図である。
【図５】同実施形態で使用する熱交換器を示す断面図である。
【図６】同実施形態で使用する熱交換器を示す断面図である。
【図７】同実施形態における燃料電池発電装置の回路構成を示すブロック図である。
【図８】同実施形態における燃料電池発電装置の制御部による処理の流れを示すフローチャートである。
【図９】本発明の第２実施形態に係る燃料電池発電装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る燃料電池発電装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】同実施形態における燃料電池発電装置の制御部による処理の流れを示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第４実施形態に係る燃料電池発電装置の構成を示すブロック図である。
【図１３】同実施形態における燃料電池発電装置の制御部による処理の流れを示すフローチャートである。
【図１４】変形例における構成を示したブロック図である。
【図１５】変形例における制御部による処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０３】
１００〜５００燃料電池発電装置
１〜４０１    燃料カートリッジ
２〜４０２    燃料供給ポンプ
３〜４０３    水供給ポンプ
４〜４０４    空気供給ポンプ
５〜４０５    蒸発器
６〜４０６    反応装置
６１〜４６１  燃料改質器
６２〜４６２  一酸化炭素除去器
６４〜４６４  熱供給用触媒燃焼器
７ａ〜４０７ａ、７ｂ〜４０７ｂ     加湿器
８〜４０８    燃料電池
８１〜４８１  アノード
８２〜４８２  カソード
９〜４０９    排ガス用触媒燃焼器
１０〜４１０  凝縮装置
１１〜４１１  熱交換器
１２〜４１２  第１バルブ
１３〜４１３  第２バルブ
１４〜４１４  送風機
１５〜４１５  水回収器
１５ａ〜４１５ａ     水面検出センサ
２０〜４２０  ＤＣ／ＤＣコンバータ
３０〜４３０  制御部
Ｒ１〜Ｒ３    流路
【図１】
2010080319.tif 000003
【図２】
2010080319.tif 000004
【図３】
2010080319.tif 000005
【図４】
2010080319.tif 000006
【図５】
2010080319.tif 000007
【図６】
2010080319.tif 000008
【図７】
2010080319.tif 000009
【図８】
2010080319.tif 000010
【図９】
2010080319.tif 000011
【図１０】
2010080319.tif 000012
【図１１】
2010080319.tif 000013
【図１２】
2010080319.tif 000014
【図１３】
2010080319.tif 000015
【図１４】
2010080319.tif 000016
【図１５】
2010080319.tif 000017