(57)【要約】【課題】  システムの発電開始から停止までを通して熱回収効率を高く維持して運転を行うことができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  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８０と、燃料電池１０との間で熱交換をするＦＣ冷却水が循環する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熱交換器７４が設けられているバイパス路７５とが備えられている。貯湯水循環回路８０は、排熱回収手段（凝縮器３０）を設けた流路７２と第１熱交換器７４を設けたバイパス路７５が並列に設けられている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記燃料電池で発生する熱により加熱される貯湯水を貯湯する貯湯槽と、
前記貯湯槽を含み前記貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、
前記燃料電池との間で熱交換をする燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路と、
前記貯湯水と前記燃料電池熱媒体との間で熱交換が行われる第１熱交換器と、
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か一方を回収して前記貯湯水を昇温する排熱回収手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記貯湯水循環回路は、前記排熱回収手段を設けた流路と、前記第１熱交換器を設けた流路が並列に設けられてい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において、前記排熱回収手段は、前記燃料電池から排出されるオフガスの排熱を前記貯湯水に回収するオフガス排熱回収器、前記改質器にて発生する排熱を前記貯湯水に回収する改質器排熱回収器の少なくとも何れか一方から構成されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１において、前記排熱回収手段は、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一方を回収した排熱回収熱媒体が循環する排熱回収熱媒体循環回路と、
前記貯湯水と前記排熱回収熱媒体との間で熱交換が行われる第２熱交換器と、から構成されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項において、前記排熱回収手段を設けた流路および前記第１熱交換器を設けた流路の各流量をそれぞれ調整する流量調整手段をさらに備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４において、前記流量調整手段は前記第１熱交換器を設けた流路の流体が両方向流通可能な構成とし、かつ前記前記第１熱交換器を設けた流路と前記貯湯槽の入口の間の前記排熱回収手段を設けた流路に開閉弁を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項３において、前記貯湯水循環回路および前記排熱回収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。
【請求項７】
請求項３において、前記排熱回収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、前記排熱回収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。
【発明の詳細な説明】
【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、燃料電池との間で熱交換をする燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路と、貯湯水と燃料電池熱媒体との間で熱交換が行われる第１熱交換器と、を備え、貯湯水循環回路を循環する貯湯水が燃料電池か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一方を回収して昇温するものはよく知られている。
【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；貯湯水）が循環する熱交換媒体循環経路５０（貯湯水循環回路）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５４がこの貯湯槽５２からアノードオフガス熱交換器４２、カソードオフガス熱交換器４４、燃焼排ガス熱交換器４５、冷却水熱交換器４６（第１熱交換器）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換器４２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、カソードオフガス熱交換器４４はカソードから排出されたカ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（燃料電池熱媒体循環回路）を流れる冷却水（燃料電池熱媒体）の熱を熱交換媒体５４により回収するものである。燃料電池発電システム１０は、定常運転中において、燃料電池４０すなわち燃料電池４０を流れる冷却水の温度を規定の温度範囲に維持するように熱交換媒体５４（貯湯水）の流量を制御している。
【０００４】
また、他の形式として、特許文献２「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２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から排出されたガスの熱交換器７１の後に、さらに熱交換器ＨＥＸを設置し、貯湯タンク５０中の水をポンプＰによりこの熱交換器ＨＥＸを経て、熱交換器７１、３２、４６に送って熱交換して排熱回収した温水Ａ（貯湯水）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（貯湯水循環回路）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（燃料電池熱媒体）が水管７３（燃料電池熱媒体循環回路）を経て流入する。これにより、水タンク２１中の水と温水Ａとが熱交換をするようになっている。
【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２００２−２１６８１９号公報（第２−６頁、図１−３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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いては、定常運転中において、燃料電池４０を流れる冷却水すなわち燃料電池４０の温度を規定の温度範囲に維持するように熱交換媒体５４（貯湯水）の流量を制御しており、また熱交換媒体循環経路５０には、アノードオフガス熱交換器４２、カソードオフガス熱交換器４４、燃焼排ガス熱交換器４５、および冷却水熱交換器４６が直列に配置されている。したがって、熱交換媒体５４（貯湯水）は、その流量と同一流量で、アノードオフガス熱交換器４２、カソードオフガス熱交換器４４、燃焼排ガス熱交換器４５を通過している。これら各熱交換器４２，４４，４５においては、その流量で、アノードオフガス、カソードオフガス、燃焼排ガスの顕熱、潜熱を十分に回収できる場合もあるが、燃料電池からの回収熱量の、アノードオフガス、カソードオフガス、燃焼排ガスからの回収熱量に対する比率が低い場合、例えば、低負荷での発電の場合や冬場などの放熱の影響が大きい場合など、回収しきれない場合があった。この結果、システム全体として熱回収効率が低下する場合があるという問題があった。上述した特許文献２に記載の固体高分子形燃料電池発電装置においても、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。
【０００６】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、システムの発電開始から停止までを通して熱回収効率を高く維持して運転を行うことができ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】
【０００７】
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、燃料電池で発生する熱により加熱される貯湯水を貯湯する貯湯槽と、貯湯槽を含み貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、燃料電池との間で熱交換をする燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路と、貯湯水と燃料電池熱媒体との間で熱交換が行われる第１熱交換器と、燃料電池か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一方を回収して貯湯水を昇温する排熱回収手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、貯湯水循環回路は、排熱回収手段を設けた流路と、第1熱交換器を設けた流路が並列に設けられていることである。
【０００８】
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、排熱回収手段は、燃料電池から排出されるオフガスの排熱を貯湯水に回収するオフガス排熱回収器、改質器にて発生する排熱を貯湯水に回収する改質器排熱回収器の少なくとも何れか一方から構成されたことである。
【０００９】
また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、排熱回収手段は、貯湯水循環回路とは独立して設けられ、燃料電池か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一方を回収した排熱回収熱媒体が循環する排熱回収熱媒体循環回路と、貯湯水と排熱回収熱媒体との間で熱交換が行われる第２熱交換器と、から構成されたことである。
【００１０】
また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、排熱回収手段を設けた流路および第1熱交換器を設けた流路の各流量をそれぞれ調整する流量調整手段をさらに備えたことである。
【００１１】
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、流量調整手段は第1熱交換器を設けた流路の流体が両方向流通可能な構成とし、かつ第1熱交換器を設けた流路と貯湯槽の入口の間の排熱回収手段を設けた流路に開閉弁を設けたことである。
【００１２】
また請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項３において、貯湯水循環回路および排熱回収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。
【００１３】
また請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項３において、排熱回収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、排熱回収熱媒体は凝縮器を流通する凝縮冷媒であることである。
【発明の効果】
【００１４】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、貯湯水循環回路は、排熱回収手段を設けた流路と、第1熱交換器を設けた流路が並列に設けられていることにより、システムの定常運転中においては、第1熱交換器を設けた流路を流通する貯湯水が燃料電池の発電で発生する排熱を回収する。一方、排熱回収手段を設けた流路を循環する貯湯水が燃料電池か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一方を回収する。これにより、燃料電池の発電で発生する排熱と、燃料電池か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一方とを直列に回収するのではなく、並列に独立して回収することができるので、それぞれ最も効率のよい貯湯水流量で熱を回収することが可能となる。したがって、燃料電池からの回収熱量の、アノードオフガス、カソードオフガス、燃焼排ガスからの回収熱量に対する比率が低い場合、例えば、低負荷での発電の場合や冬場などの放熱の影響が大きい場合などでも、それら各ガスから十分に熱を回収することができるので、システムの発電開始から停止までを通して熱回収効率を高く維持して運転を行うことができる燃料電池システムを提供することができる。
【００１５】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、排熱回収手段は、燃料電池から排出されるオフガスの排熱を貯湯水に回収するオフガス排熱回収器、改質器にて発生する排熱を貯湯水に回収する改質器排熱回収器の少なくとも何れか一方から構成されたので、貯湯水循環回路のうちこれら排熱回収器を設けた流路を循環する貯湯水が燃料電池か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一方を確実に回収することができる。
【００１６】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、排熱回収熱媒体循環回路は、燃料電池か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排熱回収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熱交換器を介して貯湯水と排熱回収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、燃料ガス（改質ガス）と直接熱交換をしておらず、第２熱交換器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かかるが、排熱回収循環回路は貯湯水循環回路から独立しているため、排熱回収熱媒体循環回路上に配設されるアノードオフガス、カソードオフガス、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かからないので、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ことができる。
【００１７】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１乃至請求項３の何れか一項に係る発明において、排熱回収手段を設けた流路および第1熱交換器を設けた流路の各流量をそれぞれ調整する流量調整手段をさらに備えたので、排熱回収手段を設けた流路および第1熱交換器を設けた流路を流れる貯湯水の流量を確実に調整することができ、最適な熱回収効率および回収湯温を実現することができる。
【００１８】
上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項４に係る発明において、流量調整手段は第1熱交換器を設けた流路の流体が両方向流通可能な構成とし、かつ第1熱交換器を設けた流路と貯湯槽の入口の間の排熱回収手段を設けた流路に開閉弁を設けたので、起動運転時において、貯湯水が低温である場合、貯湯水は貯湯槽に戻らないで第1熱交換器を設けた流路を流れて第１熱交換器を流通する。すなわち、排熱回収手段を設けた流路にて燃料電池か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一方を回収して昇温した貯湯水が第１熱交換器にて燃料電池熱媒体と熱交換するので、燃料電池熱媒体ひいては燃料電池が昇温する。したがって、起動運転時には改質器暖機中の排熱により燃料電池を暖機することが可能であり、起動エネルギーの低減ひいては総合的な効率の向上を図ることができる。また、貯湯水は貯湯槽に戻らないので、貯湯槽の湯層が崩れるのを確実に防止することができる。
【００１９】
上記のように構成した請求項６に係る発明においては、請求項３に係る発明において、貯湯水循環回路および排熱回収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排熱回収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／および排熱回収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。
【００２０】
上記のように構成した請求項７に係る発明においては、請求項３に係る発明において、排熱回収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、排熱回収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排熱回収熱媒体を昇温することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
１）第1の実施の形態
以下、本発明による燃料電池システムの第１の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。
【００２２】
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（カソードエア）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およびカ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が設けられている。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もよい。
【００２３】
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、バーナ２１、改質部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）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。
【００２４】
バーナ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、または一酸化炭素濃度が高く燃料電池１０に供給されない改質ガス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Ｐ１および燃焼用空気ポンプＰ２によってバーナ２１に供給されるようになっている。両ポンプＰ１，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いる。
【００２５】
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化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化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化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いる。
【００２６】
ＣＯシフト部２３は、この改質ガスに含まれる一酸化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化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。
【００２７】
ＣＯ選択酸化部２４は、改質ガスに残留している一酸化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、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ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（エア）はＣＯ酸化用エア供給手段であるＣＯ酸化用エアポンプＰ４によってＣＯ選択酸化部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いる。
【００２８】
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。
【００２９】
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は改質ガス用凝縮器３１、アノードオフガス用凝縮器３２、カソードオフガス用凝縮器３３および燃焼ガス用凝縮器３４が一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のバーナ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。カ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から排出されるカ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はバーナ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。
【００３０】
また、配管６４には、燃料電池１０の燃料極１１の入口付近に第７温度センサ６４ａが配設されており、第７温度センサ６４ａは、改質ガスの燃料電池１０の燃料極１１の入口温度Ｔ７を検出し、その検出結果を制御装置９０に出力するものである。
【００３１】
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３１〜３４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樹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いる。
【００３２】
燃料電池システムは、燃料電池１０で発生する熱により加熱される貯湯水を貯湯する貯湯槽７１と、貯湯槽７１を含み貯湯水が循環する貯湯水循環回路８０と、燃料電池１０との間で熱交換をする燃料電池熱媒体であるＦＣ冷却水が循環する燃料電池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熱交換器７４とが備えられている。また、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いる。
【００３３】
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っている。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７１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８０にかかる形式のものである。
【００３４】
貯湯水循環回路８０は、排熱回収手段（凝縮器３０）を設けた流路７２と、第１熱交換器７４を設けた流路であるバイパス路７５が並列に設けられている。  流路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。流路７２上には、一端から他端に順番に、第４温度センサ７２ａ、貯湯水循環手段である貯湯水循環第1ポンプＰ５、ラジエータ７６、アノードオフガス用凝縮器３２、燃焼ガス用凝縮器３４、カソードオフガス用凝縮器３３、改質ガス用凝縮器３１、第３温度センサ７２ｂ、および第１バルブ７７が配設されている。
【００３５】
第４および第３温度センサ７２ａ，７２ｂは、それぞれ貯湯水の貯湯槽７１の出口温度Ｔ４、改質ガス用凝縮器３１の出口温度Ｔ３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。貯湯水循環第１ポンプＰ５は、貯湯槽７１の下部の貯湯水を吸い込んで流路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。
【００３６】
ラジエータ７６は、流体（貯湯水）を冷却する冷却手段であり、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流体を冷却し、オフ状態のときには冷却しない。このラジエータ７６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Ｔｍａｘ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Ｈ１である。なお、貯湯水の最高温度Ｔｍａｘは、燃料電池１０の最大発熱温度（例えば６０〜７０℃）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。
【００３７】
アノードオフガス用凝縮器３２、燃焼ガス用凝縮器３４、カソードオフガス用凝縮器３３および改質ガス用凝縮器３１は、貯湯水が、アノードオフガス、燃焼ガス、カソードオフガスおよび改質ガスの各顕熱とともに水蒸気を凝縮させた各潜熱をそれぞれ回収して昇温するようになっている。すなわち、アノードオフガス用凝縮器３２およびカソードオフガス用凝縮器３３は、燃料電池１０から排出されるオフガスの排熱を貯湯水に回収するものであり、すなわちオフガス排熱回収器である。また、燃焼ガス用凝縮器３４および改質ガス用凝縮器３１は、改質器２０にて発生する排熱を貯湯水に回収するものであり、すなわち改質器排熱回収器である。また、本第１の実施の形態においては、排熱回収手段は、前述したオフガス排熱回収器および改質器排熱回収器から構成されている。なお、排熱回収手段は、オフガス排熱回収器または改質器排熱回収器のいずれか一方から構成するようにしてもよい。
【００３８】
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、流路７２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、流路７２上には少なくとも改質ガス用凝縮器３１が配置されるのが好ましい。さらに、オフガス排熱回収器と改質器排熱回収器の少なくとも何れか一方を流路７２に設けるのが好ましい。これにより、流路７２を循環する貯湯水が燃料電池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か一方を回収して昇温することができる。
【００３９】
第１バルブ７７は、バイパス路７５と貯湯槽７１の入口の間の流路７２に設けられ同流路７２を開閉する開閉弁であり、制御装置９０の指令によって開閉制御されるものである。この第１バルブ７７は、起動運転時で燃料電池１０が所定温度となるまでは閉状態とされ、それ以降は基本的には開状態とされる。
【００４０】
また、バイパス路７５には、貯湯槽７１の出口側に近い分岐点から貯湯槽７１の入口側に近い合流点に向けて順番に、貯湯水循環手段である貯湯水循環第２ポンプＰ６および第１熱交換器７４が配設されている。貯湯水循環第２ポンプＰ６は、貯湯槽７１の下部の貯湯水を吸い込んでバイパス路７５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。
【００４１】
上述した貯湯水循環第１ポンプＰ５および貯湯水循環第２ポンプＰ６の流量制御によって、流路７２およびバイパス路７５の各流量をそれぞれ調整することができる。すなわち、貯湯水循環第１ポンプＰ５および貯湯水循環第２ポンプＰ６は流量調整手段である。
【００４２】
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Ｐ７が配設されており、このＦＣ冷却水循環ポンプ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、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熱交換器７４が配設されている。
【００４３】
さらに、燃料電池システムは、インバータ（電力変換器）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１６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。
【００４４】
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〜Ｐ５，５３、各バルブ（図示省略）、バーナ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。
【００４５】
また、上述した各温度センサ７３ａ，７３ｂ，７２ａ，７２ｂ，６４ａ、各ポンプＰ１〜Ｐ７，５３、第１バルブ７７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、バ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、燃料電池システムの運転を全体的に制御しており、特に、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，７２ａ，７２ｂ，６４ａ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いて燃料電池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。
【００４６】
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から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。
【００４７】
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、ラジエータ７６の冷却能力と、に基づいて、貯湯水の各温度におけるラジエータ７６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、流路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Ｔｍａｘ、Ｔｍａｘから所定温度ずつ低い温度Ｔｍａｘ−１〜Ｔｍａｘ−４の各温度にて、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、ラジエータ７６の冷却能力は、上述したように、貯湯水の最高温度Ｔｍａｘ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Ｈ１として規定されている。
【００４８】
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、ラジエータ７６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Ｔｍａｘ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であり、Ｔｍａｘ−１である場合にはＦＣ発電出力制限値ＥＬはＥ２であり、Ｔｍａｘ−２である場合にはＦＣ発電出力制限値ＥＬはＥ３であり、Ｔｍａｘ−３である場合にはＦＣ発電出力制限値ＥＬはＥ４であり、Ｔｍａｘ−４である場合にはＦＣ発電出力制限値ＥＬはＥｍａｘである。なお、所定の温度レンジは貯湯槽の最高温度ＴｍａｘからＦＣ発電出力制限値ＥＬが燃料電池１０の最大発電出力Ｅｍａｘとなる温度（本実施の形態においてはＴｍａｘ−４）までの範囲である。
【００４９】
ラジエータ７６の能力は外気温度（ラジエータ冷却媒体温度）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／演算することでさらに効率化を図れる。ラジエータ７６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。
【００５０】
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、貯湯水循環第２ポンプＰ６は、ＦＣ冷却水ＦＣ入口温度Ｔ１（またはＦＣ冷却水ＦＣ出口温度Ｔ２）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Ｐ７は、ＦＣ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ΔＴが目標温度差ΔＴ＊（例えば３〜５℃）となるように流量制御されている。目標温度差ΔＴ＊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、貯湯水循環第１ポンプＰ５は、改質ガスの燃料電池入口温度Ｔ７が目標温度Ｔ７＊（例えば５５〜６５℃）となるように流量制御されている。目標温度Ｔ７＊はフラッディングが発生しない最適加湿条件となるように設定されるとともに、回収した貯湯水中で菌の繁殖を抑制できるような温度となるように設定されている。また、貯湯水循環第１ポンプＰ５は、凝縮冷媒のアノードオフガス（ＡＯＧ）凝縮器出口温度Ｔ３が目標温度Ｔ３＊（例えば５５〜６５℃）となるように流量制御されている。目標温度Ｔ３＊はフラッディングが発生しない最適加湿条件となるように設定されるとともに、回収した貯湯水中で菌の繁殖を抑制できるような温度となるように設定されている。
【００５１】
これにより、システムの定常運転中においては、バイパス路７５を適切な流量で流通する貯湯水が燃料電池の発電で発生する排熱を最も効率よく回収する。一方、バイパス路７５を適切な流量で流通する貯湯水とは別に、かつその流量に制約されることのない、流路７２を適切な流量で循環する貯湯水が、燃料電池から排出されるオフガスの排熱、改質器にて発生する排熱を最も効率よく回収する。その後、両貯湯水が合流して貯湯槽７１に流入する。
【００５２】
１ａ）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、図示しない起動スイ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、ステップ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）。
【００５３】
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（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、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Ｐ１、燃焼用空気ポンプＰ２およびＣＯ酸化用ポンプＰ４の流量が制御装置９０によって制御されている。
【００５４】
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ｔ１１〜ｔ１２および時刻ｔ１３〜ｔ１４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６の下段）。
【００５５】
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。
【００５６】
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において、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。
【００５７】
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エータ７６の冷却能力と、に基づいて、貯湯水の各温度におけるラジエータ７６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ＥＬは貯湯槽出口温度Ｔ４およびラジエータ７６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エータ７６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。
【００５８】
また、ラジエータ７６の冷却能力は、貯湯水の最高温度Ｔｍａｘ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マッ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エータ７６を使用することができるので、ラジエータ７６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化を達成することができる。
【００５９】
１ｂ）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、図示しない起動スイ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貯湯水の改質ガス用凝縮器３１の出口温度（貯湯水改質ガス用凝縮器出口温度）Ｔ３を第３温度センサ７２ｂ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よい。
【００６０】
そして、ステップ２０４において、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ΔＥ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ΔＥだけ加算して今回の発電出力制限値ＥＬ＋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において、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を比較しているが、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。
【００６１】
所定温度Ｔａは、燃料電池１０の燃料極１１がフラッディングとならない温度に規定されているので、フラッディ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。
【００６２】
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（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）。
【００６３】
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に進めて一旦終了する。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。
【００６４】
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におい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ＦＣ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。
【００６５】
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ＥＬは徐々に小さくなる（ステップ２０２、２０４、３０２、３０４、３１０、２０６〜２１８）。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、ラジエータ７６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、ひいては改質ガスＦＣ入口温度Ｔ７を小さくすることができる。
【００６６】
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において、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）。
【００６７】
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、ひいては改質ガスＦＣ入口温度Ｔ７を昇温することができる。
【００６８】
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において、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）。
【００６９】
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。
【００７０】
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ΔＥだけ減算して今回の発電出力制限値ＥＬ−ΔＥ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ΔＥだけ加算して今回の発電出力制限値ＥＬ＋ΔＥ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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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、貯湯水循環回路８０は、排熱回収手段（凝縮器３０）を設けた流路７２と、第１熱交換器７４を設けた流路であるバイパス路７５が並列に設けられていることにより、システムの定常運転中においては、燃料電池１０の発電で発生する排熱は、ＦＣ冷却水に回収され、バイパス路７５を流通する貯湯水に第１熱交換器７４を介して回収されて、この結果貯湯水を加熱（昇温）する。燃料電池１０から排出されるオフガスの排熱および改質器２０にて発生する排熱は、凝縮器３２，３３および凝縮器３１，３４を介して直接貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱（昇温）する。これにより、燃料電池１０の発電で発生する排熱と、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か一方とを直列に回収するのではなく、並列に独立して回収することができるので、それぞれ最も効率のよい貯湯水流量で熱を回収することが可能となる。したがって、燃料電池からの回収熱量の、アノードオフガス、カソードオフガス、燃焼排ガスからの回収熱量に対する比率が低い場合、例えば、低負荷での発電の場合や冬場などの放熱の影響が大きい場合などでも、それら各ガスから十分に熱を回収することができるので、システムの発電開始から停止までを通して熱回収効率を高く維持して運転を行うことができる燃料電池システムを提供することができる。
【００７４】
また、燃料電池１０から排出されるオフガスの排熱を貯湯水に回収するオフガス排熱回収器（凝縮器３２，３３）、改質器２０にて発生する排熱を貯湯水に回収する改質器排熱回収器（凝縮器３１，３４）の少なくとも何れか一方を流路７２に設けたので、流路７２を循環する貯湯水が燃料電池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か一方を確実に回収することができる。
【００７５】
また、バイパス路７５および流路７２の各流量をそれぞれ調整する流量調整手段（貯湯水循環第１ポンプＰ５および貯湯水循環第２ポンプＰ６）をさらに備えたので、バイパス路７５および流路７２を流れる貯湯水の流量を確実に調整することができ、最適な熱回収効率および回収湯温を実現することができる。
【００７６】
２）第２の実施の形態
次に、本発明による燃料電池システムの第２の実施の形態について説明する。図１０は第２の実施の形態にかかる燃料電池システムのうち貯湯水循環回路８０、ＦＣ冷却水循環回路７３および凝縮冷媒循環回路７５の周辺の概要を示す概要図である。上述した第１の実施の形態においては、流路７２上に各凝縮器３１〜３４を設け、燃料電池１０から排出されるオフガスの排熱および改質器２０にて発生する排熱は、凝縮器３２，３３および凝縮器３１，３４を介して直接貯湯水に回収するようにしたが、図１０に示すように、間接的に貯湯水に回収するようにしてもよい。なお、第１の実施の形態と同一の構成部材については同一符号を付してその説明を省略する。
【００７７】
本第２の実施の形態においては、排熱回収手段は、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かを回収した排熱回収熱媒体である凝縮冷媒（凝縮器熱媒体）が循環する排熱回収熱媒体循環回路である凝縮冷媒循環回路７８と、貯湯水と凝縮冷媒との間で熱交換が行われる第２熱交換器７９とから構成されている。これにより、燃料電池１０から排出されるオフガスの排熱および改質器２０にて発生する排熱の少なくとも何れかは、凝縮器３０を介して凝縮冷媒に回収され、第２熱交換器７９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。
【００７８】
凝縮冷媒循環回路７８上には、第２熱交換器７９が配設されている。また、凝縮冷媒循環回路７８上には、第２熱交換器７９の出口から順番に、凝縮冷媒循環ポンプＰ８、ラジエータ７６、アノードオフガス用凝縮器３２、燃焼ガス用凝縮器３４、カソードオフガス用凝縮器３３、改質ガス用凝縮器３１、および第５温度センサ７８ａが配設されている。凝縮冷媒循環ポンプＰ８は、凝縮冷媒循環手段であり、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５温度センサ７８ａは、凝縮冷媒の改質ガス用凝縮器３１の出口温度Ｔ５を検出し、その検出結果を制御装置９０に出力するものである。なお、流路７２からは、アノードオフガス用凝縮器３２、燃焼ガス用凝縮器３４、カソードオフガス用凝縮器３３、改質ガス用凝縮器３１、およびラジエータ７６が削除されて、凝縮冷媒循環回路７８に移設されている。
【００７９】
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、貯湯水循環第２ポンプＰ６は、ＦＣ冷却水ＦＣ入口温度Ｔ１（またはＦＣ冷却水ＦＣ出口温度Ｔ２）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Ｐ７は、ＦＣ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ΔＴが目標温度差ΔＴ＊（例えば３〜５℃）となるように流量制御されている。目標温度差ΔＴ＊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Ｐ８は、凝縮冷媒のアノードオフガス（ＡＯＧ）凝縮器出口温度Ｔ５が目標温度Ｔ５＊（例えば５５〜６０℃）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Ｔ５が高いほど第２熱交換７９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Ｔ５＊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Ｔ５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がフラッディングを発生する。したがって、目標温度Ｔ５＊はフラッディ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。
【００８０】
これにより、システムの定常運転中においては、バイパス路７５を適切な流量で流通する貯湯水が燃料電池の発電で発生する排熱を最も効率よく回収する。一方、第２熱交換器７９において、バイパス路７５を適切な流量で流通する貯湯水とは別に、かつその流量に制約されることのない、流路７２を適切な流量で循環する貯湯水が、燃料電池１０から排出されるオフガスの排熱、改質器２０にて発生する排熱を最も効率よく回収する。その後、両貯湯水が合流して貯湯槽７１に流入する。
【００８１】
なお、この第２の実施の形態においても、上述した第１および第２制御例の制御が実施されている。第２制御例では、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）Ｔ５を第５温度センサ７８ａによって検出するようにすればよい。
【００８２】
本第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の作用・効果に加えて、さらに次のように作用・効果を得ることができる。凝縮冷媒循環回路７８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かを回収した凝縮冷媒が循環するものであり、貯湯水循環回路８０とは独立して設けられるとともに、第２熱交換器７９を介して貯湯水と凝縮熱媒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、燃料ガス（改質ガス）と直接熱交換をしておらず、第２熱交換器７９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８０には高圧の水道水圧がかかるが、凝縮冷媒循環回路７８は貯湯水循環回路８０から独立しているため、凝縮冷媒循環回路７８上に配設されるアノードオフガス、カソードオフガス、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（凝縮器３０）には直接水道水圧がかからないので、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ことができる。
【００８３】
また、凝縮冷媒循環回路７８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３０が備えられ、凝縮熱媒は凝縮器３０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凝縮熱媒を昇温することができる。
【００８４】
なお、上述した第２の実施の形態においては、ラジエータ７６は、貯湯水循環回路８０またはＦＣ冷却水循環回路７３に配置してもよく、少なくとも凝縮冷媒循環回路７８、貯湯水循環回路８０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いようにするため、貯湯水または／およびＦＣ冷却水および凝縮熱媒の温度を冷却手段であるラジエータ７６によって効率よく冷却することができる。
【００８５】
また、上述した各実施の形態においては、流量調整手段は２つの貯湯水循環手段である貯湯水循環第１ポンプＰ５および貯湯水循環第２ポンプＰ６によって構成するようにしたが、図１１に示すように、１つの貯湯水循環手段と１セット（１つ）の流量比調整手段によって構成するようにしてもよい。具体的には、貯湯水循環第３ポンプＰ９、第２および第３バルブ８１，８２から構成すればよい。貯湯水循環第３ポンプＰ９は、バイパス路７５と貯湯槽７１の出口の間の流路７２に設けられており、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２バルブ８１は、バイパス路７５との分岐点より凝縮器３０（第２熱交換器７９）側の流路７２に設けられ同流路７２を開閉するとともに開度調整可能な開閉弁であり、制御装置９０の指令によって開閉制御されるとともに開度調整されるものである。第３バルブ８２は、バイパス路７５に設けられ同バイパス路７５を開閉するとともに開度調整可能な開閉弁であり、制御装置９０の指令によって開閉制御されるとともに開度調整されるものである。これによれば、貯湯水循環第３ポンプＰ９によって貯湯水の全体流量を制御し、第２および第３バルブ８１，８２の各開度によって流路７２およびバイパス路７５の流量比を制御することにより、流路７２およびバイパス路７５の各流量をそれぞれ調整することができる。なお、第２および第３バルブ８１，８２に代えて、他の形式の流量比調整手段例えば分岐点に流量比調整器を設けるようにしてもよい。
【００８６】
また、上述した各実施の形態においては、流量調整手段はバイパス路７５の流体が両方向流通可能な構成とし、かつバイパス路７５と貯湯槽７１の入口の間の流路７２に開閉弁（第１バルブ７７）を設けるようにするのが望ましい。具体的には、図１１に示すように、前述した１つの貯湯水循環手段と１セット（１つ）の流量比調整手段によって構成した流量調整手段に、さらに、貯湯水循環第1ポンプＰ５を追加すればよい。
【００８７】
このように構成した燃料電池システムによれば、起動運転時において、貯湯水が低温である場合、制御装置９０は、第１〜第３バルブ７７，８１，８２をそれぞれ閉、開、開状態とし、貯湯水循環第1ポンプＰ５を駆動し、貯湯水循環第３ポンプＰ９を駆動しないので、貯湯水は貯湯槽７１に戻らないで流路７２およびバイパス路７５を循環し、バイパス路７５に設けた第１熱交換器７４を流通する。すなわち、流路７２にて燃料電池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か一方を回収して昇温した貯湯水が第１熱交換器７４にて燃料電池熱媒体と熱交換するので、燃料電池熱媒体ひいては燃料電池１０が昇温する。そして、燃料電池１０（燃料電池熱媒体）の温度が所定温度以上になると、制御装置９０は、第１〜第３バルブ７７，８１，８２を全て開状態とし、貯湯水循環第1ポンプＰ５を駆動し、貯湯水循環第３ポンプＰ９を駆動する。したがって、起動運転時には改質器暖機中の排熱により燃料電池を暖機することが可能であり、起動エネルギーの低減ひいては総合的な効率の向上を図ることができる。また、貯湯水は貯湯槽に戻らないので、貯湯槽の湯層が崩れるのを確実に防止することができる。
【００８８】
なお、上述した各実施の形態において、ポンプのうち気体を送出するポンプはブロワに置き換え可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】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】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】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】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ャートである。
【図７】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ルーチンのフローチャートである。
【図９】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ャートである。
【図１０】本発明による燃料電池システムの第２の実施の形態の概要を示す概要図である。
【図１１】本発明による燃料電池システムの流量調整手段の変形例を示す概要図である。
【符号の説明】
【００９０】
１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質器、２１…バーナ、２２…改質部、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２４…一酸化炭素選択酸化反応部（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…カ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…送電線、４７…電力使用場所、４７ａ…電力計、４８…系統電源、４７…電源ライン、５０…貯水器、５３…改質水ポンプ、６１〜６６…配管、６８…改質水供給管、７１…貯湯槽、７２…流路、７３…ＦＣ冷却水循環回路、７４…第１熱交換器、７５…バイパス路、７６…ラジエータ、７７…第１バルブ、７８…凝縮冷媒循環回路、７９…第２熱交換器、８０…貯湯水循環回路、８１，８２…第２および第３バルブ、Ｐ１〜Ｐ９，５３…ポンプ、７３ａ，７３ｂ，７２ｂ，７２ａ，７８ａ，６４ａ…第１〜第５，第７温度センサ、９０…制御装置。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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