(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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から排出される排ガスと冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮して回収するとともに、凝縮水を前記燃料電池モジュールに供給する凝縮装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記凝縮装置は、前記冷媒体として前記酸化剤ガスが使用される第１凝縮部と、
前記冷媒体として貯湯部に貯えられる貯湯水が使用される第２凝縮部と、
を備えるとともに、
前記燃料電池システムは、前記貯湯部内の貯湯水水位が予め設定された貯湯水水位範囲内で、且つ、前記貯湯部内の貯湯水温度が予め設定された貯湯水温度範囲以下である際、前記第２凝縮部に供給される前記排ガスの流量を、前記第１凝縮部に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整する制御装置を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、少なくとも前記貯湯水水位と予め設定された貯湯水水位範囲とを比較する貯湯水水位比較部と、
前記貯湯水温度と予め設定された貯湯水温度範囲とを比較する貯湯水温度比較部と、
前記凝縮装置内の凝縮水水位と予め設定された凝縮水水位範囲とを比較する凝縮水水位比較部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記貯湯部は、前記貯湯水水位を検出する貯湯水水位検出器と、
前記貯湯水温度を検出する貯湯水温度検出器と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記凝縮装置は、前記凝縮水を貯留する水容器と、
前記水容器内の凝縮水水位を検出する凝縮水水位検出器と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１凝縮部に供給される前記排ガスの流量、及び前記第２凝縮部に供給される前記排ガスの流量を調整する調整弁を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、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、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。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、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。
【請求項８】
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から排出される排ガスと冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮して回収するとともに、凝縮水を前記燃料電池モジュールに供給する凝縮装置と、
を備え、
前記凝縮装置は、前記冷媒体として前記酸化剤ガスが使用される第１凝縮部と、
前記冷媒体として貯湯部に貯えられる貯湯水が使用される第２凝縮部と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
少なくとも前記貯湯部内の貯湯水水位及び前記貯湯部内の貯湯水温度を検出する工程と、
検出された前記貯湯水水位、前記貯湯水温度及び凝縮水水位に基づいて、少なくとも前記第１凝縮部に供給される前記排ガスの流量及び前記第２凝縮部に供給される前記排ガスの流量のいずれかを調整する工程と、
を有し、
前記貯湯水水位が予め設定された貯湯水水位範囲内で、且つ、前記貯湯水温度が予め設定された貯湯水温度範囲以下である際、前記第２凝縮部に供給される前記排ガスの流量を、前記第１凝縮部に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項９】
請求項８記載の制御方法において、前記貯湯水水位と予め設定された貯湯水水位範囲とを比較する工程と、
前記貯湯水温度と予め設定された貯湯水温度範囲とを比較する工程と、
前記凝縮装置内の凝縮水水位と予め設定された凝縮水水位範囲とを比較する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１０】
請求項９記載の制御方法において、前記貯湯水水位が予め設定された前記貯湯水水位範囲内で、前記貯湯水温度が予め設定された前記貯湯水温度範囲超過で、且つ、前記凝縮水水位が予め設定された前記凝縮水水位範囲以上である際、前記第１凝縮部に供給される前記排ガスの流量を、前記第２凝縮部に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１１】
請求項９又は１０記載の制御方法において、前記貯湯水水位が予め設定された前記貯湯水水位範囲内で、前記貯湯水温度が予め設定された前記貯湯水温度範囲超過で、且つ、前記凝縮水水位が予め設定された前記凝縮水水位範囲未満である際、前記第２凝縮部に供給される前記排ガスの流量を、前記第１凝縮部に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１２】
請求項８〜１１のいずれか１項に記載の制御方法において、前記貯湯水水位が予め設定された前記貯湯水水位範囲未満である際、前記第２凝縮部に供給される前記排ガスの流量を、前記第１凝縮部に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１３】
請求項９〜１２のいずれか１項に記載の制御方法において、前記貯湯水水位が予め設定された前記貯湯水水位範囲超過で、前記貯湯水温度が予め設定された前記貯湯水温度範囲内で、且つ、前記凝縮水水位が予め設定された前記凝縮水水位範囲以上である際、前記第１凝縮部に供給される前記排ガスの流量を、前記第２凝縮部に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１４】
請求項９〜１３のいずれか１項に記載の制御方法において、前記貯湯水水位が予め設定された前記貯湯水水位範囲超過で、前記貯湯水温度が予め設定された前記貯湯水温度範囲内で、且つ、前記凝縮水水位が予め設定された前記凝縮水水位範囲未満である際、前記第２凝縮部に供給される前記排ガスの流量を、前記第１凝縮部に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１５】
請求項８〜１４のいずれか１項に記載の制御方法において、前記貯湯水水位が予め設定された前記貯湯水水位範囲超過で、且つ、前記貯湯水温度が予め設定された前記貯湯水温度範囲未満である際、前記第２凝縮部に供給される前記排ガスの流量を、前記第１凝縮部に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１６】
請求項９〜１５のいずれか１項に記載の制御方法において、前記貯湯水水位が予め設定された前記貯湯水水位範囲超過で、前記貯湯水温度が予め設定された前記貯湯水温度範囲超過で、且つ、前記凝縮水水位が予め設定された前記凝縮水水位範囲以上である際、前記第１凝縮部に供給される前記排ガスの流量を、前記第２凝縮部に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１７】
請求項９〜１６のいずれか１項に記載の制御方法において、前記貯湯水水位が予め設定された前記貯湯水水位範囲超過で、前記貯湯水温度が予め設定された前記貯湯水温度範囲超過で、且つ、前記凝縮水水位が予め設定された前記凝縮水水位範囲未満である際、前記第２凝縮部に供給される前記排ガスの流量を、前記第１凝縮部に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１８】
請求項８〜１７のいずれか１項に記載の制御方法において、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、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方法。
【請求項１９】
請求項８〜１８のいずれか１項に記載の制御方法において、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方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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から排出される排ガスと冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮して回収するとともに、凝縮水を前記燃料電池モジュールに供給する凝縮装置とを備える燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【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】
この種の燃料電池では、運転温度が比較的高温であり、発電反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを含む排ガスも高温になっている。このため、排ガスの有効利用を図ることが望まれており、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。
【０００５】
この燃料電池システムは、図７に示すように、固体電解質形燃料電池１ａと、前記固体電解質形燃料電池１ａからの排ガスと水とを熱交換する熱交換器２ａと、水を貯える貯湯タンク３ａと、前記貯湯タンク３ａの底部と熱交換器２ａとの間、及び前記貯湯タンク３ａの上部と前記熱交換器２ａとの間をそれぞれ連結し、該貯湯タンク３ａと該熱交換器２ａとの間で水を循環させる循環配管４ａと、前記循環配管４ａに設けられ、水を強制的に循環させる循環ポンプ５ａと、前記熱交換器２ａの入口水温及び出口水温を検出する温度検出器６ａ、７ａと、前記熱交換器２ａの出口水温が入口水温よりも所定温度以上になるように前記循環ポンプ５ａの出力を制御する制御装置８ａとを具備している。
【０００６】
また、特許文献２に開示されている燃料電池システムは、図８に示すように、固体電解質形燃料電池１ｂと、前記固体電解質形燃料電池１ｂからの排ガスと水を熱交換する熱交換器２ｂと、水を貯える貯湯タンク３ｂと、前記貯湯タンク３ｂと前記熱交換器２ｂとの間で水を循環させる循環配管４ｂと、前記循環配管４ｂに設けられた循環ポンプ５ｂと、使用する貯湯量に応じて前記固体電解質形燃料電池１ｂの発電中の燃料利用率を制御する制御装置６ｂとを具備している。
【０００７】
さらにまた、特許文献３に開示されている燃料電池システム及びコジェネレーションシステムは、燃料電池部、排ガス燃焼部及び第１熱交換部を具備するとともに、前記燃料電池部は、電気負荷に接続され、燃料ガス及び酸化剤ガスにより電力としての燃料電池電力を発電し、前記電気負荷に供給している。排ガス燃焼部は、燃料電池部において使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼し、燃焼排ガスを生成している。第１熱交換部は、燃焼排ガスの熱量を熱媒体で回収している。
【０００８】
そして、燃料電池部は、電気負荷の大きさがゼロの場合においても、燃料電池電力を前記電気負荷に供給することが可能なように、予め設定された温度以上で継続的に運転されている。その熱量は、その熱媒体を利用する熱利用設備に供給されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−２４４３０号公報
【特許文献２】国際公開第２００７／０５２６３３号
【特許文献３】特開２００３−１８７８４３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、貯湯タンク３ａ内の水が高温になった際には、貯湯水の供給を停止させる、又は、排ガスの供給を停止させており、高温の排ガスが無駄に排出されてしまう。しかも、排ガス中の水分を凝縮して改質に必要な水を完全循環（水自立）させることが困難になるという問題がある。
【００１１】
また、上記の特許文献２では、発電中の燃料利用率を制御するものである。このため、貯湯タンク３ｂの貯湯水が満水の場合や、高温になった場合において、水自立運転や、要求電力負荷の供給及び貯湯水の維持を図るものではない。
【００１２】
さらにまた、特許文献３では、電力負荷や熱負荷が少ない時間帯でも、エネルギー効率を向上させようとするものである。従って、貯湯水が満水又は高温の場合において、水自立運転や、要求電力負荷の供給及び貯湯水の維持について対応することはできない。
【００１３】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、貯湯タンクの容量に依存することがなく、また、貯湯水の状況に影響されることがなく、運転に必要な水の全量を賄うことができ、しかも要求電力負荷を確実に供給することが可能な燃料電池システム及びその制御方法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】
【００１４】
本発明は、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から排出される排ガスと冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮して回収するとともに、凝縮水を前記燃料電池モジュールに供給する凝縮装置とを備える燃料電池システムに関するものである。
【００１５】
凝縮装置は、冷媒体として前記酸化剤ガスが使用される第１凝縮部と、前記冷媒体として貯湯部に貯えられる貯湯水が使用される第２凝縮部とを備えるとともに、燃料電池システムは、前記貯湯部内の貯湯水水位が予め設定された貯湯水水位範囲内で、且つ、前記貯湯部内の貯湯水温度が予め設定された貯湯水温度範囲以下である際、前記第２凝縮部に供給される前記排ガスの流量を、前記第１凝縮部に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整する制御装置を備えている。
【００１６】
また、制御装置は、少なくとも貯湯水水位と予め設定された貯湯水水位範囲とを比較する貯湯水水位比較部と、貯湯水温度と予め設定された貯湯水温度範囲とを比較する貯湯水温度比較部と、凝縮装置内の凝縮水水位と予め設定された凝縮水水位範囲とを比較する凝縮水水位比較部とを備えることが好ましい。
【００１７】
このように、貯湯水水位、貯湯水温度又は凝縮水水位の比較結果に基づいて、空冷である第１凝縮部と水冷である第２凝縮部とにより、排ガスから熱エネルギを回収することができる。このため、水自立が図られるとともに、排ガス温度の低減が可能になる。
【００１８】
しかも、貯湯水の状態、すなわち、貯湯水の温度や貯湯水の量によって発電出力が影響されることがなく、要求電力負荷を確実に供給することができる。その上、燃料電池モジュールの起動及び停止が最小限に抑制されて連続的な発電を行うことができ、発電効率の向上が容易に遂行される。
【００１９】
そして、貯湯水の状態又は凝縮水の状態（凝縮水量）によって、第１凝縮部と第２凝縮部とに供給される各排ガス流量を調整することによって、貯湯水の温度を良好に維持することが可能になる。
【００２０】
さらに、貯湯部は、貯湯水水位を検出する貯湯水水位検出器と、貯湯水温度を検出する貯湯水温度検出器とを備えることが好ましい。従って、貯湯水の状態、すなわち、貯湯水の量（水位）及び貯湯水の温度を確実に検出することができる。しかも、第１凝縮部と第２凝縮部とに供給される各排ガス量を良好に調整することにより、水自立及び要求電力負荷の供給が可能になるとともに、貯湯水の温度維持が遂行される。
【００２１】
さらにまた、凝縮装置は、凝縮水を貯留する水容器と、前記水容器内の凝縮水水位を検出する凝縮水水位検出器とを備えることが好ましい。これにより、凝縮水の状態、すなわち、凝縮水の量を確実に検出することができる。しかも、第１凝縮部と第２凝縮部とに供給される各排ガス量を良好に調整することにより、水自立及び要求電力負荷の供給が可能になるとともに、貯湯水の温度維持が遂行される。
【００２２】
また、燃料電池システムは、第１凝縮部に供給される排ガスの流量、及び第２凝縮部に供給される前記排ガスの流量を調整する調整弁を備えることが好ましい。このため、第１凝縮部と第２凝縮部とに供給される各排ガス量を良好に調整することができ、水自立及び要求電力負荷の供給が可能になるとともに、貯湯水の温度維持が遂行される。
【００２３】
さらに、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が好ましい。
【００２４】
従って、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。
【００２５】
さらにまた、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。これにより、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。
【００２６】
また、本発明は、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から排出される排ガスと冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮して回収するとともに、凝縮水を前記燃料電池モジュールに供給する凝縮装置とを備え、前記凝縮装置は、前記冷媒体として前記酸化剤ガスが使用される第１凝縮部と、前記冷媒体として貯湯部に貯えられる貯湯水が使用される第２凝縮部とを備える燃料電池システムの制御方法に関するものである。
【００２７】
この制御方法は、少なくとも貯湯部内の貯湯水水位及び前記貯湯部内の貯湯水温度を検出する工程と、検出された前記貯湯水水位、前記貯湯水温度及び前記凝縮水水位に基づいて、少なくとも第１凝縮部に供給される排ガスの流量及び第２凝縮部に供給される前記排ガスの流量のいずれかを調整する工程とを有し、前記貯湯水水位が予め設定された貯湯水水位範囲内で、且つ、前記貯湯水温度が予め設定された貯湯水温度範囲以下である際、前記第２凝縮部に供給される前記排ガスの流量を、前記第１凝縮部に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整している。
【００２８】
さらに、この制御方法は、貯湯水水位と予め設定された貯湯水水位範囲とを比較する工程と、貯湯水温度と予め設定された貯湯水温度範囲とを比較する工程と、凝縮装置内の凝縮水水位と予め設定された凝縮水水位範囲とを比較する工程とを有することが好ましい。
【００２９】
このように、貯湯水水位、貯湯水温度又は凝縮水水位の比較結果に基づいて、空冷である第１凝縮部と水冷である第２凝縮部とにより、排ガスから熱エネルギを回収することができる。このため、水自立が図られるとともに、排ガス温度の低減が可能になる。
【００３０】
しかも、貯湯水の状態、すなわち、貯湯水の温度や貯湯水の量によって発電出力が影響されることがなく、要求電力負荷を確実に供給することができる。その上、燃料電池モジュールの起動及び停止が最小限に抑制されて連続的な発電を行うことができ、発電効率の向上が容易に遂行される。
【００３１】
そして、貯湯水の状態又は凝縮水の状態（凝縮水量）によって、第１凝縮部と第２凝縮部とに供給される各排ガス流量を調整することによって、貯湯水の温度を良好に維持することが可能になる。
【００３４】
また、この制御方法は、貯湯水水位が予め設定された貯湯水水位範囲内で、貯湯水温度が予め設定された貯湯水温度範囲超過で、且つ、凝縮水水位が予め設定された凝縮水水位範囲以上である際、第１凝縮部に供給される排ガスの流量を、第２凝縮部に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整することが好ましい。
【００３５】
このため、第１凝縮部により酸化剤ガスと排ガスとの熱交換（空冷）が主に行われ、要求電力負荷の供給が可能になる。しかも、排ガスから熱エネルギを回収することができ、水自立及び排ガス温度低減が可能になる。その上、起動及び停止が最小限に抑制され、発電効率の向上が図られる。
【００３６】
さらに、この制御方法は、貯湯水水位が予め設定された貯湯水水位範囲内で、貯湯水温度が予め設定された貯湯水温度範囲超過で、且つ、凝縮水水位が予め設定された凝縮水水位範囲未満である際、第２凝縮部に供給される排ガスの流量を、第１凝縮部に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整することが好ましい。
【００３７】
従って、第２凝縮部により貯湯水と排ガスとの熱交換（水冷）が主に行われるため、熱回収効率が向上し、凝縮水を確実に回収することができる。これにより、要求電力負荷を供給することが可能になるとともに、起動及び停止が最小限に抑制され、発電効率の向上が図られ、しかも貯湯水温度の維持が図られる。
【００３８】
さらにまた、この制御方法は、貯湯水水位が予め設定された貯湯水水位範囲未満である際、第２凝縮部に供給される排ガスの流量を、第１凝縮部に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整することが好ましい。
【００３９】
このため、第２凝縮部により貯湯水と排ガスとの熱交換（水冷）が主に行われるため、熱回収効率が向上し、凝縮水を確実に回収することができる。従って、要求電力負荷を供給することが可能になるとともに、起動及び停止が最小限に抑制されて発電効率の向上が図られ、しかも貯湯水温度の維持が図られる。
【００４０】
また、この制御方法は、貯湯水水位が予め設定された貯湯水水位範囲超過で、貯湯水温度が予め設定された貯湯水温度範囲内で、且つ、凝縮水水位が予め設定された凝縮水水位範囲以上である際、第１凝縮部に供給される排ガスの流量を、第２凝縮部に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整することが好ましい。
【００４１】
これにより、第１凝縮部により酸化剤ガスと排ガスとの熱交換（空冷）が主に行われ、要求電力負荷の供給が可能になる。しかも、排ガスから熱エネルギを回収することができ、水自立及び排ガス温度低減が可能になる。その上、起動及び停止が最小限に抑制され、発電効率の向上が図られる。
【００４２】
さらに、この制御方法は、貯湯水水位が予め設定された貯湯水水位範囲超過で、貯湯水温度が予め設定された貯湯水温度範囲内で、且つ、凝縮水水位が予め設定された凝縮水水位範囲未満である際、第２凝縮部に供給される排ガスの流量を、第１凝縮部に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整することが好ましい。
【００４３】
このため、第２凝縮部により貯湯水と排ガスとの熱交換（水冷）が主に行われるため、熱回収効率が向上し、凝縮水を確実に回収することができる。従って、要求電力負荷を供給することが可能になるとともに、起動及び停止が最小限に抑制されて発電効率の向上が図られ、しかも貯湯水温度の維持が図られる。
【００４４】
さらにまた、この制御方法は、貯湯水水位が予め設定された貯湯水水位範囲超過で、且つ、貯湯水温度が予め設定された貯湯水温度範囲未満である際、第２凝縮部に供給される排ガスの流量を、第１凝縮部に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整することが好ましい。
【００４５】
これにより、第２凝縮部により貯湯水と排ガスとの熱交換（水冷）が主に行われるため、熱回収効率が向上し、凝縮水を確実に回収することができる。このため、要求電力負荷を供給することが可能になるとともに、起動及び停止が最小限に抑制されて発電効率の向上が図られ、しかも貯湯水温度の維持が図られる。
【００４６】
また、この制御方法は、貯湯水水位が予め設定された貯湯水水位範囲超過で、貯湯水温度が予め設定された貯湯水温度範囲超過で、且つ、凝縮水水位が予め設定された凝縮水水位範囲以上である際、第１凝縮部に供給される排ガスの流量を、第２凝縮部に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整することが好ましい。
【００４７】
従って、第１凝縮部により酸化剤ガスと排ガスとの熱交換（空冷）が主に行われ、要求電力負荷の供給が可能になる。しかも、排ガスから熱エネルギを回収することができ、水自立及び排ガス温度低減が可能になる。その上、起動及び停止が最小限に抑制されて発電効率の向上が図られる。
【００４８】
さらに、この制御方法は、貯湯水水位が予め設定された貯湯水水位範囲超過で、貯湯水温度が予め設定された貯湯水温度範囲超過で、且つ、凝縮水水位が予め設定された凝縮水水位範囲未満である際、第２凝縮部に供給される排ガスの流量を、第１凝縮部に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整することが好ましい。
【００４９】
これにより、第２凝縮部により貯湯水と排ガスとの熱交換（水冷）が主に行われるため、熱回収効率が向上し、凝縮水を確実に回収することができる。このため、要求電力負荷を供給することが可能になるとともに、起動及び停止が最小限に抑制されて、発電効率の向上が図られ、しかも貯湯水温度の維持が図られる。
【００５０】
さらにまた、この制御方法では、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、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が好ましい。従って、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。
【００５１】
また、この制御方法では、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。これにより、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】
【００５２】
本発明によれば、冷媒体として酸化剤ガスが使用される空冷凝縮器である第１凝縮部と、前記冷媒体として貯湯水が使用される水冷凝縮器である第２凝縮部とが、選択的に又は同時に用いられることにより、排ガスから熱エネルギを良好に回収することができる。このため、水自立及び排ガス温度の低減が可能になる。
【００５３】
しかも、貯湯水の状態、すなわち、貯湯水の温度や貯湯水の量によって発電出力が影響されることがなく、要求電力負荷を確実に供給することができる。
【００５４】
さらに、燃料電池モジュールは、貯湯タンクの容量に依存することがなく、起動及び停止を最小限に抑制することができ、発電効率の向上が容易に図られる。
【００５５】
さらにまた、貯湯水の状態や凝縮水の状態（凝縮水量）によって、第１凝縮部と第２凝縮部とに供給される排ガスの流量が調整されることにより、貯湯水温度を確実に維持することが可能になる。
【００５６】
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】
【００５７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】第１の実施形態に係る制御方法を説明するフローチャートである。
【図３】前記制御方法の制御マップの説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る制御方法を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【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の燃料電池システムの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
本発明の第１の実施形態に係る制御方法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。
【００５９】
燃料電池システム１０は、図１に概略的に示すように、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１２と、前記燃料電池モジュール１２から排出される排ガスと冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮して回収するとともに、凝縮水を前記燃料電池モジュール１２に供給する凝縮装置１４と、前記冷媒体として貯留水が貯えられる貯湯タンク（貯留部）１８とを備える。
【００６０】
燃料電池モジュール１２には、前記燃料電池モジュール１２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）２０と、前記燃料電池モジュール１２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）２２と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）２４とが接続される。
【００６１】
燃料電池モジュール１２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２６とセパレータ２８とが積層される固体酸化物形の燃料電池３０を設けるとともに、複数の前記燃料電池３０が鉛直方向（又は水平方向）に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック３２を備える。
【００６２】
燃料電池スタック３２の積層方向下端側（又は上端側）には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック３２に供給する前に加熱する熱交換器３４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３６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３８とが配設される。
【００６３】
改質器３８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。
【００６４】
燃料電池３０は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体２６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。
【００６５】
熱交換器３４は、燃料電池スタック３２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４０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３２に供給される。
【００６６】
蒸発器３６の出口は、改質器３８の入口に連結されるとともに、前記改質器３８の出口は、燃料電池スタック３２の燃料ガス供給連通孔（図示せず）に連通する。蒸発器３６に供給された排ガスを排出するために、主排気管４２が設けられる。主排気管４２は、排気管４０に一体化される。
【００６７】
凝縮装置１４は、冷媒体として酸化剤ガスが使用される第１凝縮器（凝縮部）４４と、前記冷媒体として貯湯タンク１８に貯えられる貯湯水が使用される第２凝縮器（凝縮部）４６とを備える。燃料電池モジュール１２から延在する排気管４０には、調整弁４８が配設され、前記調整弁４８の出口側には、排ガス通路５０ａ、５０ｂが分岐する。排ガス通路５０ａには、第１凝縮器４４が接続される一方、排ガス通路５０ｂには、第２凝縮器４６が接続される。
【００６８】
調整弁４８は、第１凝縮器４４に供給される排ガスの流量、及び第２凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量を調整する。排ガスは、第１凝縮器４４のみに供給される場合、第２凝縮器４６のみに供給される場合、及び前記第１凝縮器４４と前記第２凝縮器４６とにそれぞれ所定の割合（可変）で供給される場合がある。
【００６９】
第１凝縮器４４及び第２凝縮器４６の出口側には、排ガスを排出するための排気ガス流路５２ａ、５２ｂが設けられるとともに、凝縮した凝縮水を水容器５４に供給するための凝縮水流路５６ａ、５６ｂが設けられる。水容器５４は、凝縮水を貯留するとともに、水流路５８を介して水供給装置２４に接続される。
【００７０】
第１凝縮器４４には、酸化剤ガス供給装置２２に接続された空気供給管６０が接続される。空気供給管６０は、第１凝縮器４４内に冷媒体として酸化剤ガスを通し、排ガスと熱交換させることにより昇温された前記酸化剤ガスを燃料電池スタック３２に供給する。
【００７１】
第２凝縮器４６には、貯湯タンク１８に接続された循環配管６２が配設される。循環配管６２は、第２凝縮器４６内に冷媒体として貯湯タンク１８内の貯湯水を通して排ガスと熱交換させ、昇温された貯湯水を前記貯湯タンク１８に戻す。
【００７２】
制御装置１６は、少なくとも貯湯タンク１８内の貯湯水水位、前記貯湯タンク１８内の貯湯水温度、及び凝縮装置１４内の凝縮水水位（水容器５４内の凝縮水水位）のいずれかに基づいて、少なくとも第１凝縮器４４内に供給される排ガスの流量、及び第２凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量のいずれかを調整する。
【００７３】
制御装置１６は、貯湯水水位と予め設定された貯湯水水位範囲とを比較する貯湯水水位比較部６４と、貯湯水温度と予め設定された貯湯水温度範囲とを比較する貯湯水温度比較部６６と、凝縮水水位と予め設定された凝縮水水位範囲とを比較する凝縮水水位比較部６８とを備える。なお、これらの内、少なくともいずれかを備えていてもよい。
【００７４】
貯湯タンク１８は、貯湯水水位を検出する水位計（貯湯水水位検出器）７０と、貯湯水温度を検出する温度計（貯湯水温度検出器）７２とを備える。水容器５４は、前記水容器５４内の凝縮水水位を検出する水位計（凝縮水水位検出器）７４を備える。
【００７５】
貯湯タンク１８には、外部から市水を供給するための給水管７６と、排水を行う排水管７８と、所望の温度の貯湯水を給湯する給湯管８０とが接続される。給水管７６、排水管７８及び給湯管８０には、それぞれ弁８２、８４及び８６が配設される。
【００７６】
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。
【００７７】
燃料ガス供給装置２０の駆動作用下に、蒸発器３６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２４の駆動作用下に、蒸発器３６には、水が供給されるとともに、熱交換器３４には、酸化剤ガス供給装置２２を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が第１凝縮器４４を通って供給される。
【００７８】
蒸発器３６では、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３８の入口に供給される。混合燃料は、改質器３８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３８の出口から燃料電池スタック３２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。
【００７９】
一方、熱交換器３４に供給される空気は、この熱交換器３４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３４で加温された空気は、燃料電池スタック３２に導入され、図示しないカソード電極に供給される。
【００８０】
従って、電解質・電極接合体２６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２６の外周部に排出される高温（数百℃）の排ガスは、熱交換器３４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。排ガスは、蒸発器３６に供給されて水を蒸発させる。蒸発器３６を通過した排ガスは、主排気管４２から排気管４０を介して凝縮装置１４に送られる。
【００８１】
次いで、凝縮装置１４における第１の実施形態に係る制御方法について、図２に示すフローチャート及び図３に示す制御マップに沿って、以下に説明する。
【００８２】
先ず、貯湯タンク１８内の貯湯水水位Ｑの範囲として、貯湯水水位下限値Ｑｍｉｎと貯湯水水位上限値Ｑｍａｘとが設定される。水位下限値Ｑｍｉｎは、凝縮装置１４への循環配管６２への導出口よりも上方に設定される一方、水位上限値Ｑｍａｘは、前記貯湯タンク１８の満水状態から９５％の貯湯量に対応する高さ位置に設定される。
【００８３】
貯湯タンク１８内の貯湯水温度Ｔは、貯湯水温度下限値Ｔｍｉｎとして、例えば、６０℃が設定されるとともに、貯湯水温度上限値Ｔｍａｘとして、例えば、８０℃が設定される。なお、下限値Ｔｍｉｎ及び上限値Ｔｍａｘは、必要に応じて設定可能である。
【００８４】
水容器５４内の凝縮水水位Ｗとして、凝縮水水位下限値Ｗｍｉｎが設定される。このＷｍｉｎは、燃料電池システム１０が停止される際に、燃料電池モジュール１２の運転停止処理に使用される凝縮水を確保するために必要な量に相当する高さである。
【００８５】
そこで、制御装置１６では、貯湯水水位比較部６４を介して、水位計７０により検出される貯湯タンク１８内の貯湯水水位と、予め設定された貯湯水水位範囲とが比較される。検出された貯湯水水位Ｑが、上限値Ｑｍａｘ以下であると判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。
【００８６】
ステップＳ２では、貯湯水水位Ｑが下限値Ｑｍｉｎ以上であるか否かが判断され、この下限値Ｑｍｉｎ以上であると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進む。ステップＳ３では、貯湯水温度比較部６６介して、温度計７２により検出された貯湯水温度Ｔが、予め設定された貯湯水温度範囲、ここでは、上限値Ｔｍａｘと比較される。そして、貯湯水温度Ｔが上限値Ｔｍａｘ以下であると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、水冷処理が行われる（図３中、Ｂ、Ｅ参照）。
【００８７】
この水冷処理は、図１に示すように、調整弁４８が制御されることにより、第２凝縮器４６に供給される排ガスの流量が、第１凝縮器４４に供給される排ガスの流量よりも多くなるように調整される。なお、第２凝縮器４６に供給される排ガス流量の割合が、第１凝縮器４４に供給される排ガス流量の割合よりも多くなればよく、この第１凝縮器４４に前記排ガスを流さない場合も含む。
【００８８】
これにより、第２凝縮器４６に対して比較的多量の排ガスが供給されるため、貯湯タンク１８の貯湯水量の増加及び貯湯水温度の上昇が図られる。
【００８９】
また、ステップＳ３において、貯湯水温度Ｔが上限値Ｔｍａｘを超えていると判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、凝縮水水位比較部６８を介して、水位計７４により検出される水容器５４内の凝縮水水位Ｗと予め設定された凝縮水水位範囲、すなわち、下限値Ｗｍｉｎとが比較される。
【００９０】
凝縮水水位Ｗが、下限値Ｗｍｉｎ以上であると判断されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進んで、空冷処理が施される（図３中、Ｈ参照）。この空冷処理では、第１凝縮器４４に供給される排ガスの流量が、第２凝縮器４６に供給される排ガスの流量よりも多くなるように調整弁４８が調整される。
【００９１】
一方、凝縮水水位Ｗが、下限値Ｗｍｉｎ未満であると判断されると（ステップＳ５中、ＮＯ）、ステップＳ７に進んで、水冷処理が施される（図３中、Ｈａ参照）。このステップＳ７では、第２凝縮器４６に供給される排ガスの流量が、第１凝縮器４４に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整される。
【００９２】
また、貯湯タンク１８内の貯湯水水位Ｑが、下限値Ｑｍｉｎ未満であると判断されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、ステップＳ８に進んで、水冷処理が施される（図３中、Ａ、Ｄ、Ｇ参照）。このステップＳ８では、第２凝縮器４６に供給される排ガスの流量が、第１凝縮器４４に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整する。
【００９３】
さらにまた、ステップＳ１において、貯湯タンク１８内の貯湯水水位Ｑが上限値Ｑｍａｘを超えていると判断されると（ステップＳ１中、ＮＯ）、ステップＳ９に進んで、貯湯水温度Ｔが予め設定された貯湯水温度範囲と比較される。そして、貯湯水温度Ｔが上限値Ｔｍａｘ以下で、且つ、下限値Ｔｍｉｎ以上であると判断されると（ステップＳ９中、ＹＥＳ及びステップＳ１０中、ＹＥＳ）、ステップＳ１１に進む。
【００９４】
ステップＳ１１では、水容器５４内の凝縮水水位Ｗが、下限値Ｗｍｉｎ以上であると判断されると（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）、ステップＳ１２に進んで、空冷処理（図３中、Ｆ参照）が施される。一方、凝縮水水位Ｗが、下限値であるＷｍｉｎ未満であると判断されると（ステップＳ１１中、ＮＯ）、ステップＳ１３に進んで、水冷処理（図３中、Ｆａ参照）が施される。
【００９５】
さらに、ステップＳ１０において、貯湯水温度Ｔが、下限値Ｔｍｉｎ未満であると判断されると（ステップＳ１０中、ＮＯ）、ステップＳ１４に進んで、水冷処理が施される（図３中、Ｃ参照）。
【００９６】
また、ステップＳ９において、貯湯水温度Ｔが、上限値Ｔｍａｘを超えていると判断されると（ステップＳ９中、ＮＯ）、ステップＳ１５に進んで、水容器５４内の凝縮水水位Ｗが、予め設定された凝縮水水位と比較される。凝縮水水位Ｗが、下限値Ｗｍｉｎ以上であると判断されると（ステップＳ１５中、ＹＥＳ）、ステップＳ１６に進んで、空冷処理が施される（図３中、Ｉ参照）。一方、凝縮水水位Ｗが、下限値Ｗｍｉｎ未満であると判断されると（ステップＳ１５中、ＮＯ）、ステップＳ１７に進んで、水冷処理が施される（図３中、Ｉａ参照）。
【００９７】
この場合、第１の実施形態では、凝縮装置１４は、冷媒体として酸化剤ガスが使用される第１凝縮器４４と、前記冷媒体として貯湯タンク１８に貯えられる貯湯水が使用される第２凝縮器４６とを備えている。そして、燃料電池システム１０は、少なくとも貯湯タンク１８内の貯湯水水位Ｑ、前記貯湯タンク１８内の貯湯水温度Ｔ、及び水容器５４内の凝縮水水位Ｗのいずれかに基づいて、少なくとも第１凝縮器４４に供給される排ガスの流量、及び第２凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量のいずれかを調整する制御装置１６を備えている。
【００９８】
このため、空冷凝縮器である第１凝縮器４４と、水冷凝縮器である第２凝縮器４６とを選択的に、又は、所定の排ガス流量比で併用することが可能になる。従って、排ガスから熱エネルギを回収することができ、水自立が図られるとともに、排ガス温度の低減が可能になる。
【００９９】
また、貯湯タンク１８の状態、すなわち、前記貯湯タンク１８内の貯湯水温度Ｔや貯湯水水量（貯湯水水位Ｑ）によって、燃料電池スタック３２の運転を停止する必要がなく、発電出力に影響を与えることがない。これにより、常に要求電力負荷を容易且つ確実に供給することができるという効果が得られる。
【０１００】
さらに、燃料電池システム１０は、貯湯タンク１８の容量に依存することがなく、起動及び停止を最小限に抑制することが可能になり、発電効率の向上が容易に図られる。
【０１０１】
さらにまた、貯湯タンク１８内の貯湯水の状態（貯湯水温度及び貯湯水水量）や水容器５４内の凝縮水の状態（凝縮水水量）によって、第１凝縮器４４と第２凝縮器４６とが選択的に使用されたり、併用されたりすることができ、貯湯水温度Ｔを良好に維持することが可能になる。
【０１０２】
また、制御装置１６は、貯湯水水位Ｑと予め設定された貯湯水水位範囲とを比較する貯湯水水位比較部６４と、貯湯水温度Ｔと予め設定された貯湯水温度範囲とを比較する貯湯水温度比較部６６と、凝縮水水位Ｗと予め設定された凝縮水水位範囲とを比較する凝縮水水位比較部６８とを備えている。
【０１０３】
このように、少なくとも貯湯水水位Ｑ、貯湯水温度Ｔ又は凝縮水水位Ｗの比較結果に基づいて、空冷である第１凝縮器４４と、水冷である第２凝縮器４６とにより排ガスから熱エネルギを回収することができる。このため、水自立が図られるとともに、排ガス温度の低減が可能になる。
【０１０４】
しかも、貯湯水の状態によって、発電出力が影響されることがなく、要求電力負荷を確実に供給することができる。さらに、起動及び停止が最小限に抑制されるため、発電効率の向上が図られる。その上、貯湯水の状態及び凝縮水の状態によって、第１凝縮器４４と第２凝縮器４６とを使い分けることにより、貯湯水温度Ｔの維持が容易に可能になる。
【０１０５】
さらに、貯湯タンク１８は、貯湯水水位Ｑを検出する水位計７０と、貯湯水温度Ｔを検出する温度計７２とを備えている。従って、貯湯水の状態、すなわち、貯湯水の量（水位）及び貯湯水の温度を確実に検出することができる。しかも、第１凝縮器４４と第２凝縮器４６とに供給される各排ガス量を良好に調整することにより、水自立及び要求電力負荷の供給が可能になるとともに、貯湯水の温度維持が容易に遂行される。
【０１０６】
さらにまた、凝縮装置１４は、凝縮水を貯留する水容器５４と、前記水容器５４内の凝縮水水位Ｗを検出する水位計７４とを備えている。これにより、凝縮水の状態、すなわち、凝縮水の量を確実に検出することができる。しかも、第１凝縮器４４と第２凝縮器４６とに供給される各排ガス量を良好に調整することにより、水自立及び要求電力負荷の供給が可能になるとともに、貯湯水の温度維持が容易に遂行される。
【０１０７】
また、燃料電池システム１０は、第１凝縮器４４に供給される排ガスの流量、及び第２凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量を調整する調整弁４８を備えている。このため、第１凝縮器４４と第２凝縮器４６とに供給される各排ガス量を良好に調整することができ、水自立及び要求電力負荷の供給が可能になるとともに、貯湯水の温度維持が容易に遂行される。
【０１０８】
さらに、燃料電池モジュール１２は、燃料電池スタック３２と、熱交換器３４と、蒸発器３６と、改質器３８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１２に最適に用いることができ、良好な効果が得られる。
【０１０９】
さらにまた、燃料電池モジュール１２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。
【０１１０】
また、この制御方法は、少なくとも貯湯水水位Ｑと予め設定された貯湯水水位範囲とを比較する工程と、貯湯水温度Ｔと予め設定された貯湯水温度範囲とを比較する工程と、凝縮水水位Ｗと予め設定された凝縮水水位範囲とを比較する工程とのいずれかを有している。
【０１１１】
このように、貯湯水水位Ｑ、貯湯水温度Ｔ又は凝縮水水位Ｗの比較結果に基づいて、空冷である第１凝縮部と、水冷である第２凝縮部とにより排ガスから熱エネルギを回収することができる。このため、水自立が図られるとともに、排ガス温度の低減が可能になる。
【０１１２】
しかも、貯湯水の状態によって、発電出力が影響されることがなく、要求電力負荷を確実に供給することができる。さらに、起動及び停止が最小限に抑制されるため、発電効率の向上が図られる。その上、貯湯水の状態及び凝縮水の状態によって、第１凝縮器４４と第２凝縮器４６とを使い分けることにより、貯湯水温度Ｔの維持が容易に可能になる。
【０１１３】
さらに、この制御方法は、貯湯水水位Ｑが予め設定された貯湯水水位範囲内で、且つ、貯湯水温度Ｔが予め設定された貯湯水温度範囲以下である際、第２凝縮器４６に供給される排ガスの流量を、第１凝縮器４４に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整している（図２及び図３中、Ｂ、Ｅ参照）。
【０１１４】
従って、第２凝縮器４６により貯湯水と排ガスとの熱交換（水冷）が主に行われるため、熱回収効率が向上し、凝縮水を確実に回収することができる。これにより、要求電力負荷を供給することが可能になるとともに、起動及び停止が最小限に抑制されて発電効率の向上が図られ、しかも貯湯水温度Ｔの維持が容易に図られる。
【０１１５】
また、この制御方法は、貯湯水水位Ｑが予め設定された貯湯水水位範囲内で、貯湯水温度Ｔが予め設定された貯湯水温度範囲超過で、且つ、凝縮水水位Ｗが予め設定された凝縮水水位範囲以上である際、第１凝縮器４４に供給される排ガスの流量を、第２凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整している（図２及び図３中、Ｈ参照）。
【０１１６】
このため、第１凝縮器４４により酸化剤ガスと排ガスとの熱交換（空冷）が主に行われ、要求電力負荷の供給が可能になる。しかも、排ガスから熱エネルギを回収することができ、水自立及び排ガス温度低減が可能になる。その上、起動及び停止が最小限に抑制され、発電効率の向上が図られる。
【０１１７】
さらに、この制御方法は、貯湯水水位Ｑが予め設定された貯湯水水位範囲内で、貯湯水温度Ｔが予め設定された貯湯水温度範囲超過で、且つ、凝縮水水位Ｗが予め設定された凝縮水水位範囲未満である際、第２凝縮器４６に供給される排ガスの流量を、第１凝縮器４４に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整している（図２及び図３中、Ｈａ参照）。
【０１１８】
従って、第２凝縮器４６により貯湯水と排ガスとの熱交換（水冷）が主に行われるため、熱回収効率が向上し、凝縮水を確実に回収することができる。これにより、要求電力負荷を供給することが可能になるとともに、起動及び停止が最小限に抑制されて発電効率の向上が図られ、しかも貯湯水温度Ｔの維持が容易に図られる。
【０１１９】
さらにまた、この制御方法は、貯湯水水位Ｑが予め設定された貯湯水水位範囲未満である際、第２凝縮器４６に供給される排ガスの流量を、第１凝縮器４４に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整している（図２及び図３中、Ａ、Ｄ、Ｇ参照）。
【０１２０】
このため、第２凝縮器４６により貯湯水と排ガスとの熱交換（水冷）が主に行われるため、熱回収効率が向上し、凝縮水を確実に回収することができる。従って、要求電力負荷を供給することが可能になるとともに、起動及び停止が最小限に抑制されて発電効率の向上が図られ、しかも貯湯水温度Ｔの維持が容易に図られる。
【０１２１】
また、この制御方法は、貯湯水水位Ｑが予め設定された貯湯水水位範囲超過で、貯湯水温度Ｔが予め設定された貯湯水温度範囲内で、且つ、凝縮水水位Ｗが予め設定された凝縮水水位範囲以上である際、第１凝縮器４４に供給される排ガスの流量を、第２凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整している（図２及び図３中、Ｆ参照）。
【０１２２】
これにより、第１凝縮器４４により酸化剤ガスと排ガスとの熱交換（空冷）が主に行われ、要求電力負荷の供給が可能になる。しかも、排ガスから熱エネルギを回収することができ、水自立及び排ガス温度低減が可能になる。その上、起動及び停止が最小限に抑制されて発電効率の向上が図られる。
【０１２３】
さらに、この制御方法は、貯湯水水位Ｑが予め設定された貯湯水水位範囲超過で、貯湯水温度Ｔが予め設定された貯湯水温度範囲内で、且つ、凝縮水水位Ｗが予め設定された凝縮水水位範囲未満である際、第２凝縮器４６に供給される排ガスの流量を、第１凝縮器４４に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整している（図２及び図３中、Ｆａ参照）。
【０１２４】
このため、第２凝縮器４６により貯湯水と排ガスとの熱交換（水冷）が主に行われるため、熱回収効率が向上し、凝縮水を確実に回収することができる。従って、要求電力負荷を供給することが可能になるとともに、起動及び停止が最小限に抑制されて発電効率の向上が図られ、しかも貯湯水温度Ｔの維持が容易に図られる。
【０１２５】
さらにまた、この制御方法は、貯湯水水位Ｑが予め設定された貯湯水水位範囲超過で、且つ、貯湯水温度が予め設定された貯湯水温度範囲未満である際、第２凝縮器４６に供給される排ガスの流量を、第１凝縮器４４に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整している（図２及び図３中、Ｃ参照）。
【０１２６】
これにより、第２凝縮器４６により貯湯水と排ガスとの熱交換（水冷）が主に行われるため、熱回収効率が向上し、凝縮水を確実に回収することができる。このため、要求電力負荷を供給することが可能になるとともに、起動及び停止が最小限に抑制されて発電効率の向上が図られ、しかも貯湯水温度Ｔの維持が図られる。
【０１２７】
また、この制御方法は、貯湯水水位Ｑが予め設定された貯湯水水位範囲超過で、貯湯水温度Ｔが予め設定された貯湯水温度範囲超過で、且つ、凝縮水水位Ｗが予め設定された凝縮水水位範囲以上である際、第１凝縮器４４に供給される排ガスの流量を、第２凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整している（図２及び図３中、Ｉ参照）。
【０１２８】
従って、第１凝縮器４４により酸化剤ガスと排ガスとの熱交換（空冷）が主に行われ、要求電力負荷の供給が可能になる。しかも、排ガスから熱エネルギを回収することができ、水自立及び排ガス温度低減が可能になる。その上、起動及び停止が最小限に抑制されて発電効率の向上が図られる。
【０１２９】
さらに、この制御方法は、貯湯水水位Ｑが予め設定された貯湯水水位範囲超過で、貯湯水温度Ｔが予め設定された貯湯水温度範囲超過で、且つ、凝縮水水位Ｗが予め設定された凝縮水水位範囲未満である際、第２凝縮器４６に供給される排ガスの流量を、第１凝縮器４４に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整している（図２及び図３中、Ｉａ参照）。
【０１３０】
これにより、第２凝縮器４６により貯湯水と排ガスとの熱交換（水冷）が主に行われるため、熱回収効率が向上し、凝縮水を確実に回収することができる。このため、要求電力負荷を供給することが可能になるとともに、起動及び停止が最小限に抑制されて発電効率の向上が容易に図られ、しかも貯湯水温度の維持が図られる。
【０１３１】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る制御方法を説明するフローチャートである。なお、第１の実施形態に係る制御方法と同一の工程については、その詳細な説明は省略する。
【０１３２】
この制御方法は、貯湯水水位Ｑが予め設定された貯湯水水位範囲内で、貯湯水温度Ｔが予め設定された貯湯水温度範囲超過で、且つ凝縮水水位Ｗが予め設定された凝縮水水位範囲以上である際（ステップＳ１０１〜Ｓ１０３及びＳ１０５）、ステップＳ１０６に進む。このステップＳ１０６では、第１凝縮器４４に供給される排ガスの流量を第２凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整する。
【０１３３】
次いで、ステップＳ１０７に進んで、貯湯タンク１８に給水処理が施される。従って、貯湯水温度Ｔが貯湯水温度範囲超過であるため、弁８２の開放作用下に給水管７６から貯湯タンク１８に市水が供給されることにより、前記貯湯水温度Ｔを下げることができる。
【０１３４】
また、ステップＳ１０５で、凝縮水水位Ｗが予め設定された凝縮水水位範囲未満であると判断された際（ステップＳ１０５中、ＮＯ）、ステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、第２凝縮器４６に供給される排ガスの流量を、第１凝縮器４４に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整し、水容器５４に貯えられる凝縮水量を増加させている。さらに、ステップＳ１０７に進み、貯湯タンク１８内に給水が行われ、貯湯水水温の低下を図っている。
【０１３５】
さらにまた、貯湯水水位Ｑが予め設定された貯湯水水位範囲未満である際（ステップＳ１０２中、ＮＯ）、ステップＳ１０９に進んで、第２凝縮器４６に供給される排ガスの流量を、第１凝縮器４４に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整している。そして、ステップＳ１１０に進んで、貯湯タンク１８に給水を行って前記貯湯タンク１８内の貯湯水水位Ｑを上昇させている。
【０１３６】
また、貯湯水水位Ｑが予め設定された貯湯水水位範囲超過で、貯湯水温度Ｔが予め設定された貯湯水温度範囲内で、且つ凝縮水水位Ｗが予め設定された凝縮水水位範囲以上である際、ステップＳ１１４に進む。このステップＳ１１４では、第１凝縮器４４に供給される排ガスの流量を、第２凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整した後、ステップＳ１１５に進む。ステップＳ１１５では、貯湯タンク１８内の貯湯水を弁８４の開放作用下に排水管７８に排水している。貯湯水水位Ｑが、予め設定された貯湯水水位範囲超過であるからである。
【０１３７】
さらに、ステップＳ１１３で、凝縮水水位Ｗが予め設定された凝縮水水位範囲未満である際（ステップＳ１１３中、ＮＯ）、ステップＳ１１６に進む。このステップＳ１１６では、第２凝縮器４６に供給される排ガスの流量を、第１凝縮器４４に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整した後、ステップＳ１１５に進み、貯湯タンク１８内の貯湯水の排水処理を行う。
【０１３８】
さらにまた、貯湯水水位Ｑが予め設定された貯湯水水位範囲超過で、且つ貯湯水温度Ｔが予め設定された貯湯水温度範囲未満である際（ステップＳ１１２中、ＮＯ）、ステップＳ１１７に進む。ステップＳ１１７では、第２凝縮器４６に供給される排ガスの流量を、第１凝縮器４４に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整している。次に、ステップＳ１１８に進み、貯湯タンク１８内の過剰な貯湯水が排水管７８から排水される。
【０１３９】
また、貯湯水水位Ｑが予め設定された貯湯水水位範囲超過で、貯湯水温度Ｔが予め設定された貯湯水温度範囲超過で、且つ凝縮水水位Ｗが予め設定された凝縮水水位範囲以上である際、ステップＳ１２０に進む。このステップＳ１２０では、第１凝縮器４４に供給される排ガスの流量を、第２凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整した後、ステップＳ１２１に進んで、貯湯タンク１８に給水及び排水処理が行われる。貯湯タンク１８内では、貯湯水が貯湯水水位範囲超過で且つ貯湯水温度範囲超過であるため、給水及び排水が行われている。
【０１４０】
さらに、貯湯水水位範囲超過で、貯湯水温度範囲超過で、且つ凝縮水水位範囲未満である際には、ステップＳ１２２に進む。ステップＳ１２２では、第２凝縮器４６に供給される排ガスの流量を、第１凝縮器４４に供給される前記排ガスの流量よりも多くなるように調整した後、ステップＳ１２１に進む。貯湯タンク１８内では、貯湯水水位範囲超過で且つ貯湯水温度範囲超過であるからである。
【０１４１】
このように、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる他、貯湯タンク１８に対して給水及び／又は排水を行うことにより、この貯湯タンク１８内に所定温度で且つ所定量の貯湯水が、常時、貯湯されるという利点が得られる。
【０１４２】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム９０の概略構成説明図である。
【０１４３】
なお、第１の実施形態に係る燃料電池システムと同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【０１４４】
燃料電池システム９０は、第１凝縮器４４に近接して空冷ファン９２を備えている。従って、第１凝縮器４４では、空冷ファン９２から強制的に供給される外気により、燃料電池スタック３２から排出される排ガスを冷却することができる。
【０１４５】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成説明図である。
【０１４６】
燃料電池システム１００は、凝縮装置１０２を備えるとともに、この凝縮装置１０２は、空冷凝縮器である第１凝縮部１０４と、水冷凝縮器である第２凝縮部１０６とを一体に組み込んで構成されている。これにより、第３の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる他、凝縮装置１０２が一層コンパクト化されるという利点が得られる。
【符号の説明】
【０１４７】
１０、９０、１００…燃料電池システム    １２…燃料電池モジュール
１４、１０２…凝縮装置                  １８…貯湯タンク
２０…燃料ガス供給装置                  ２２…酸化剤ガス供給装置
２４…水供給装置                        ２６…電解質・電極接合体
２８…セパレータ                        ３０…燃料電池
３２…燃料電池スタック                  ３４…熱交換器
３６…蒸発器                            ３８…改質器
４０…排気管                            ４４、４６…凝縮器
４８…調整弁                            ５４…水容器
６０…空気供給管                        ６４…貯湯水水位比較部
６６…貯湯水温度比較部                  ６８…凝縮水水位比較部
７０、７４…水位計                      ７２…温度計
７６…給水管                            ７８…排水管
９２…空冷ファン                        １０４、１０６…凝縮部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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