(57)【要約】【課題】  温水消費が電力消費より多い場合および少ない場合の何れの場合においても、その状況に応じた効率のよい運転を実施す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、温水消費装置８０ａでの温水使用量、および電力消費装置４７ａでの電力使用量を算出し（ステップ１０２）、電力使用量に対する温水使用量の比率を導出し（ステップ１０４）、この比率に基づいて目標ＦＣ冷却水温度を導出し（ステップ１０６）、ＦＣ冷却水温度を目標ＦＣ冷却水温度とするように貯湯水循環ポンプ７２ａを流量制御する。【選択図】  図４
2006294535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極および酸化剤極に供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電しその電力を電力消費装置に供給する燃料電池と、
貯湯水を貯湯する貯湯槽と、前記貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、を備え、
前記貯湯水循環回路上において前記燃料電池にて発生する排熱を少なくとも回収して前記貯湯水を加熱しその貯湯水を温水消費装置に供給する燃料電池システムにおいて、
前記温水消費装置での温水および前記電力消費装置での電力の使用状況に応じて設定される目標貯湯水温度となるように前記貯湯水の温度を調整す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、前記温水消費装置での温水使用量が前記電力消費装置での電力使用量に対して少なくなるほど、前記目標貯湯水温度は高い温度に設定されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２において、前記目標貯湯水温度は、所定の上限温度と所定の下限温度との範囲内に設定されてい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乃至請求項３の何れか一項において、前記目標貯湯水温度は、前記温水消費装置で使用された温水使用量と、前記電力消費装置で消費された電力使用量とを比較しその比較結果に基づいて設定され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乃至請求項４の何れか一項において、
前記貯湯水循環回路とは独立して設けられ、前記燃料電池の発電で発生する排熱を回収した燃料電池冷却媒体が循環する燃料電池冷却媒体循環回路と、前記貯湯水と前記燃料電池冷却媒体との間で熱交換が行われる第１熱交換器と、前記貯湯水循環回路上に設けられ前記貯湯水を循環する循環手段と、をさらに備え、
前記循環手段の送出量を制御して、前記燃料電池冷却媒体の温度を目標温度に調整することにより前記貯湯水を前記目標貯湯水温度に調整す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乃至請求項５の何れか一項において、
前記酸化剤ガスを加湿して前記酸化剤極に供給する加湿器をさらに備え、
前記加湿器は、前記燃料電池の温度に応じて前記酸化剤ガスの加湿量を調整可能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、燃料極および酸化剤極に供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電しその電力を電力消費装置に供給する燃料電池と、貯湯水を貯湯する貯湯槽と、貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、を備え、貯湯水循環回路上において燃料電池にて発生する排熱を少なくとも回収して貯湯水を加熱しその貯湯水を温水消費装置に供給する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、燃料極および酸化剤極に供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電しその電力を電力消費装置に供給する燃料電池と、貯湯水を貯湯する貯湯槽と、貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、を備え、貯湯水循環回路上において燃料電池にて発生する排熱を少なくとも回収して貯湯水を加熱しその貯湯水を温水消費装置に供給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２０は、貯湯タンク５２の底部に接続された冷水管５４からの水をラジエータ４２，凝縮器３８，熱交換器３６，温水管５６を経由して貯湯タンク５２の頂部に戻す系統が配置されている。熱交換器３６は、燃料電池スタック３４の冷却媒体（冷却水など）の循環流路（図中、破線で示す循環流路）に組み込まれて冷却媒体を冷却する。ラジエータ４２は、貯湯タンク５２の底部からの水をその温度により応じて冷却する冷却ファン４２ａが取り付けられている。これにより、凝縮器３８や熱交換器３６に供給する貯湯タンク５２の底部からの水はその温度により必要に応じてラジエータ４２で冷却されるから、凝縮器３８における燃料電池スタック３４からの排ガス中の水蒸気の凝縮や燃料電池スタック３４の冷却を適正に行なうことができる。
【０００４】
また、他の形式として、特許文献２「燃料電池発電システム」に示されているものが知られている。特許文献２の図１に示されているように、燃料電池発電システム２０は、特許文献１に示されている「燃料電池発電システム」にインバータ４８ａを冷却する冷却器４８ｂが追加されたものである。インバータ４８ａは、貯湯タンク５２の底部からの水により冷却されるから、燃料電池スタック３４の動作温度に拘わらず、効率よく冷却することができる。しかも、冷却器４８ｂに供給される水は冷却ファン４２ａ付きのラジエータ４２で冷却されるから、貯湯タンク５２の底部の水の温度が高いときでもインバータ４８ａを十分に冷却することができる。これによっても、凝縮器３８や熱交換器３６に供給する貯湯タンク５２の底部からの水はその温度により必要に応じてラジエータ４２で冷却されるから、凝縮器３８における燃料電池スタック３４からの排ガス中の水蒸気の凝縮や燃料電池スタック３４の冷却を適正に行なうことができる。
【特許文献１】特開２００４−１１１２０８号公報（第４−６頁、図１）
【特許文献２】特開２００４−１１１２０９号公報（第４−６頁、図１）
【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および特許文献２に記載の燃料電池発電システムにおいては、燃料電池３４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３４の排熱を回収して貯湯水が加熱されるが、貯湯タンク５２が高温の湯で満水となった場合、燃料電池３４の冷却が不十分となり発電効率が悪化するのを防ぐため、貯湯水循環回路に設けたラジエータ４２および電動冷却ファン４２ａによって排熱を捨てていた。これにより、燃料電池発電システムは発電出力範囲の全範囲において発電可能となるが、燃料電池３４の排熱が捨てられ、すなわち燃料電池発電システムで生成された熱エネルギーが利用されることなく捨てられるとともに、燃料電池発電システムで生成された電気エネルギーがユーザ負荷電力として使用されるのではなく冷却ファン４２ａを作動させて排熱を捨てるために無駄に使用されることとなる。このため、発電出力、排熱利用のバランスが崩れて、燃料電池システムの運転が効率的に実施されない場合があった。
【０００６】
また、燃料電池システムの使用季節、使用方法などの違いによって電力需要が大であり温水需要が小である場合、または電力需要が小であり温水需要が大である場合がある。前者の場合には、貯湯水の利用量が少ないため貯湯槽が温度的に満水になりやすく、また満水になると特許文献１および特許文献２に記載のように発電効率、熱回収効率が低下するという問題があった。また、後者の場合には、できるだけ多量の貯湯水を熱回収効率よく供給するという要請があった。そして、温水消費が電力消費より多い場合でも少ない場合でも、各問題点に対処して効率のよい運転を実施する燃料電池システムが望まれている。
【０００７】
本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、温水消費が電力消費より多い場合および少ない場合の何れの場合においても、その状況に応じた効率のよい運転を実施す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】
【０００８】
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、燃料極および酸化剤極に供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電しその電力を電力消費装置に供給する燃料電池と、貯湯水を貯湯する貯湯槽と、貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、を備え、貯湯水循環回路上において燃料電池にて発生する排熱を少なくとも回収して貯湯水を加熱しその貯湯水を温水消費装置に供給する燃料電池システムにおいて、温水消費装置での温水および電力消費装置での電力の使用状況に応じて設定される目標貯温水温度となるように貯湯水の温度を調整することである。
【０００９】
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、温水消費装置での温水使用量が電力消費装置での電力使用量に対して少なくなるほど、目標貯湯水温度は高い温度に設定されることである。
【００１０】
また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項２において、目標貯湯水温度は、所定の上限温度と所定の下限温度との範囲内に設定されていることである。
【００１１】
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、目標貯湯水温度は、温水消費装置で使用された温水使用量と、電力消費装置で消費された電力使用量とを比較しその比較結果に基づいて設定されることである。
【００１２】
また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項４の何れか一項において、貯湯水循環回路とは独立して設けられ、燃料電池の発電で発生する排熱を回収した燃料電池冷却媒体が循環する燃料電池冷却媒体循環回路と、貯湯水と燃料電池冷却媒体との間で熱交換が行われる第１熱交換器と、貯湯水循環回路上に設けられ貯湯水を循環する循環手段と、をさらに備え、循環手段の送出量を制御して、燃料電池冷却媒体の温度を目標温度に調整することにより貯湯水を目標貯湯水温度に調整することである。
【００１３】
また請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項５の何れか一項において、酸化剤ガスを加湿して酸化剤極に供給する加湿器をさらに備え、加湿器は、燃料電池の温度に応じて酸化剤ガスの加湿量を調整可能であることである。
【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、温水消費装置での温水および電力消費装置での電力の使用状況に応じて設定される目標貯湯水温度となるように貯湯水の温度を調整するので、温水消費と電力消費の状況に応じた適切な貯湯水温度に調整することができる。したがって、燃料電池システムの使用季節、使用方法などの違いによって同燃料電池システムが電力供給を主とし温水供給を従とする場合、または電力供給を従とし温水供給を主とする場合のいずれにおいても、燃料電池システムの運転をその状況に応じて効率よく実施することができる。
【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、温水消費装置での温水使用量が電力消費装置での電力使用量に対して少なくなるほど、目標貯湯水温度は高い温度に設定される。したがって、温水消費装置での温水使用量が電力消費装置での電力使用量に対して少ない場合（例えば燃料電池システムを夏期に運転する場合）、貯湯水が比較的高い温度となるように調節される。これにより、燃料電池システムの起動開始から貯湯槽が所定温度以上の貯湯水で満水となるまでにかかる時間は、目標貯湯水温度が低く設定された場合と比較して長くなる。すなわち、燃料電池システムは貯湯槽が温度的に満水となるとそれ以降発電効率、熱回収効率を合わせた総合効率が悪化するかあるいは停止するが、満水となるまでの時間を稼ぐことができ、すなわち効率のよい発電可能時間を長くすることができる。したがって、高温の貯湯水を利用できるとともに、燃料電池にて発生する排熱を無駄に捨てることなく効率よく発電できる時間を長くすることができる。
【００１６】
一方、温水消費装置での温水使用量が電力消費装置での電力使用量に対して多い場合（例えば燃料電池システムを冬期に運転する場合）、貯湯水が比較的低い温度となるように調節される。これにより、燃料電池システムの起動開始から貯湯槽が所定温度以上の貯湯水で満水となるまでにかかる時間は、目標貯湯水温度が高く設定された場合と比較して短くなる。したがって、貯湯水の温度は比較的低温であるが、比較的短い時間で貯湯槽を温度的に満水にすることができ、貯湯水を多量に供給することができる。また、貯湯水温度を比較的低温とすることにより、貯湯水からの放熱を低減することができ、熱回収効率を向上することができる。したがって、燃料電池システムを一年を通じて運転するにあたって、発電効率、熱回収効率を合わせた総合効率を向上することができる。
【００１７】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項２に係る発明において、目標貯湯水温度は、所定の上限温度と所定の下限温度との範囲内に設定されているので、燃料電池の劣化を抑制して長期間に渡って安定した発電を提供することができ、また、発電に適した温度に調整して効率よい発電を行うことができる。
【００１８】
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、目標貯湯水温度は、温水消費装置で使用された温水使用量と、電力消費装置で消費された電力使用量とを比較しその比較結果に基づいて設定されるので、容易かつ確実に温水消費と電力消費の状況を検出することができる。
【００１９】
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１乃至請求項４の何れか一項に係る発明において、貯湯水循環回路とは独立して設けられ、燃料電池の発電で発生する排熱を回収した燃料電池冷却媒体が循環する燃料電池冷却媒体循環回路と、貯湯水と燃料電池冷却媒体との間で熱交換が行われる第１熱交換器と、貯湯水循環回路上に設けられ貯湯水を循環する循環手段と、をさらに備え、循環手段の送出量を制御して、燃料電池冷却媒体の温度を目標温度に調整することにより貯湯水を目標貯湯水温度に調整するので、貯湯水と温度的に相関性の高い燃料電池冷却媒体の温度を調整することにより容易かつ確実に貯湯水を目標温度に調整することができる。
【００２０】
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１乃至請求項５の何れか一項に係る発明において、酸化剤ガスを加湿して酸化剤極に供給する加湿器をさらに備え、加湿器は、燃料電池の温度に応じて酸化剤ガスの加湿量を調整可能であるので、貯湯水温度を変動させて燃料電池冷却媒体温度ひいては燃料電池温度が変動しても酸化剤ガスをその変動温度に応じた最適な加湿量にて加湿することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
１）第1実施形態
以下、本発明による燃料電池システムの第1実施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（本実施形態では高分子電解質膜）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、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、燃焼器であるバーナ（燃焼部）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、改質部２２を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものである。このバーナ２１は、起動した後改質用燃料の供給開始までの間は、外部から供給される燃焼用燃料を燃焼用空気で燃焼し、改質用燃料の供給開始以降から定常運転開始までにおいては、ＣＯ選択酸化部２４から直接供給される改質ガスを燃焼用空気で燃焼し、そして、定常運転時に燃料電池１０の燃料極１１から供給されるアノードオフガス（燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス）を燃焼用空気で燃焼し、その燃焼ガスを改質部２２に導出するものである。なお、改質ガスまたはアノードオフガスの熱量不足は燃焼用燃料で補充するようになっている。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、その後排気管６３を通って外部に排出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改質用燃料に蒸発器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。
【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。
【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（または改質部２２、ＣＯシフト部２３などの排熱）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】
燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管６４を介してＣＯ選択酸化部２４が接続されており、燃料極１１に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極１１の導出口にはオフガス供給管６５を介してバーナ２１が接続されており、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスをバーナ２１に供給するようになっている。改質ガス供給管６４とオフガス供給管６５の間には燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管６４およびオフガス供給管６５を直結するバイパス管（図示省略）が設けられている。起動運転時には、改質器２０から一酸化炭素濃度の高い改質ガスが、燃料電池１０に供給されるのを回避するため、バイパス管を流通し、定常運転時には、ＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスが燃料電池１０に直接供給されるようになっている。
【００３０】
また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、空気供給管６１が接続されており、空気極１２内に空気が供給されるようになっている。空気供給管６１の途中には、空気を加湿するための加湿器１４（後述する）が設けられている。さらに、燃料電池１０の空気極１２の導出口には、排気管６２が接続されており、空気極１２からの空気（カソードオフガス）が外部に排出されるようになっている。
【００３１】
また、これら空気供給管６１および排気管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。加湿器１４は、空気極１２から排出されるカソードオフガスとカソードエアとの間で水蒸気交換することによりカソードエアを加湿する水蒸気交換型であり、排気管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空気供給管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。すなわち、加湿器１４は、水蒸気のみを透過する膜（例えば、中空糸膜、イオン交換膜などの水透過膜）を挟んで加湿元の気体（カソードオフガス）と加湿したい気体（カソードエア）を流通させ、加湿元の気体中の水蒸気が膜を透過して加湿したい気体を加湿する膜透過型加湿器である。
【００３２】
さらに、空気供給管６１には空気極１２の入口と加湿器１４の間にカソードエアの温度Ｔ５を検出する温度センサ６１ａが設けられており、その検出結果が制御装置９０に送信されるようになっている。空気供給管６１には加湿器１４の上流に流量計６１ｂおよびカソードエアポンプ６１ｃが設けられている。流量計６１ｂは加湿器１４に導入されるカソードエア（酸化剤ガス）の流量を検出する加湿器酸化剤ガス入口流量検出手段であり、その検出信号を制御装置９０に出力するようになっている。カソードエアポンプ６１ｃはカソードエアを燃料電池１０の空気極１２に供給するカソードエア（酸化剤ガス）供給手段であり、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。
【００３３】
また、排気管６２には加湿器１４をバイパスするバイパス路６２ａが設けられるとともに、バイパス路６２ａには加湿器１４を流れるカソードオフガスの流量と加湿器１４をバイパスしてバイパス路６２ａを流れるカソードオフガスの流量を調整する流量調整器６２ｂ（流量調整手段；例えば電磁バルブ）が設けられている。排気管６２には空気極１２の出口と加湿器１４との間にカソードオフガスの温度Ｔ６を検出する温度センサ６２ｃが設けられており、その検出結果が制御装置９０に送信されるようになっている。そして、制御装置９０は、温度センサ６１ａにより検出した空気極１２のカソードエア入口温度Ｔ５、温度センサ６２ｃにより検出した空気極１２のカソードオフガス出口温度Ｔ６、および流量計６１ｂにより検出したカソードエア流量に基づいて、流量調整器６２ｂおよび／またはカソードエアポンプ６１ｃを制御して、加湿器１４を流れるカソードオフガスの流量を調整することにより、燃料電池１０の温度に応じて空気極１２内の水分状態を良好な状態（適切な加湿状態）としている。
【００３４】
また、改質ガス供給管６４、オフガス供給管６５、排気管６２および排気管６３の途中には、それぞれ改質ガス用凝縮器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が設けられている。これら各凝縮器３１〜３４は、図面上は分離しているが、一体的に接続された一体構造体である凝縮器３０を構成している。改質ガス用凝縮器３１は改質ガス供給管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とを連通するオフガス供給管６５の途中に設けられており、そのオフガス供給管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、排気管６２に設けられており、その排気管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は排気管６３に設けられており、その排気管６３中を流れる改質部２２から排出される燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮する。
【００３５】
これら凝縮器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。
【００３６】
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を介して電力使用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電力消費装置４７ａ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送電線４６を介して必要に応じて電力消費装置４７ａ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の発電出力より電力消費装置４７ａの総消費電力が上回った場合、その不足電力を系統電源４８から受電して補うようになっている。電力計４７ｂ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電力消費装置４７ａ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。
【００３７】
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５３，６１ｃ，７２ａ，７３ａ，７５ａ、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。
【００３８】
さらに、燃料電池システムは、貯湯水を貯湯する貯湯槽７１と、凝縮冷媒循環回路７５とは独立して設けられ貯湯水が循環する貯湯水循環回路７２と、燃料電池１０と熱交換する燃料電池冷却媒体であるＦＣ冷却水が循環する燃料電池冷却媒体循環回路であるＦＣ冷却水循環回路７３と、貯湯水と燃料電池冷却媒体との間で熱交換が行われる第１熱交換器７４と、燃料電池１０から排出される排熱および／または改質器２０にて発生する排熱を少なくとも回収した液体である熱媒体（凝縮冷媒）が循環する熱媒体循環回路である凝縮冷媒循環回路７５と、貯湯水と凝縮冷媒との間で熱交換が行われる第２熱交換器７６と、が備えられている。これにより、燃料電池１０の発電にて発生した排熱（熱エネルギー）は、ＦＣ冷却水に回収され、第１熱交換器７４を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱（昇温）する。また、燃料電池１０から排出されるオフガス（アノードオフガスおよびカソードオフガス）の排熱（熱エネルギー）および改質器２０にて発生した排熱（熱エネルギー）は、凝縮器３０を介して凝縮冷媒に回収され、第２熱交換器７６を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱（昇温）する。改質器２０にて発生する排熱には、改質ガスの排熱、バーナ２１からの燃焼排ガスの排熱、および改質器２０と熱交換する排熱（改質器自身の排熱）が含まれている。なお、本明細書中および添付の図面中の「ＦＣ」は「燃料電池」の省略形として記載している。
【００３９】
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給湯管６７を介して温水使用先である温水使用場所８０に導出されるようになっている。温水使用場所８０には、給湯装置、暖房装置などの温水消費装置８０ａが設置されており、貯湯槽７１からの温水が給湯管６７を介して必要に応じて温水消費装置８０ａに供給されている。貯湯槽７１と温水消費装置８０ａとの間の給湯管６７には給湯器８１が設けられており、貯湯槽７１からの温水を必要に応じて追い炊きするようになっている。給湯管６７には、供給された温水量を検出する流量計６７ａが設けられており、その検出結果を制御装置９０に出力するようになっている。また、貯湯槽７１は密閉式であり、水道水の圧力がそのまま内部、ひいては貯湯水循環回路７２にかかる形式のものである。なお、貯湯槽７１からの温水が給湯器８１を通らないで給湯管６７を介して温水消費装置８０ａに供給される場合もある。
【００４０】
貯湯水循環回路７２の一端および他端は貯湯槽７１の下部および上部に接続されている。貯湯水循環回路７２上には、一端から他端に順番に貯湯水循環手段である貯湯水循環ポンプ７２ａ、第２熱交換器７６、および第１熱交換器７４が配設されている。貯湯水循環ポンプ７２ａは、貯湯槽７１の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環回路７２を通水させて貯湯槽７１の上部に吐出するものであり、制御装置９０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。
【００４１】
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７３ａが配設されており、このＦＣ冷却水循環ポンプ７３ａ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、温度センサ７３ｂ，７３ｃが配設されており、温度センサ７３ｂ，７３ｃは、それぞれＦＣ冷却水の燃料電池１０の入口温度Ｔ１および出口温度Ｔ２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。
【００４２】
凝縮冷媒循環回路７５上には、凝縮冷媒循環手段である凝縮冷媒循環ポンプ７５ａが配設されている。この凝縮冷媒循環ポンプ７５ａは、矢印方向へ凝縮冷媒を流すようになっており、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。また、凝縮冷媒循環回路７５上には、第２熱交換器７６が配設されている。さらに、凝縮冷媒循環回路７５上には、第２熱交換器７６から下流に順番にラジエータ７７、凝縮冷媒循環ポンプ７５ａ、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、および温度センサ７５ｂが配設されている。
【００４３】
なお、各凝縮器３１〜３４の配置は上述した順番に限らないし、また、各凝縮器３１〜３４は一本の配管に直列に配置する場合に限らず、凝縮冷媒循環回路７５を複数に分岐して各分岐路に並列に配置するようにしてもよい。また、凝縮冷媒循環回路７５上には少なくとも改質ガス用凝縮器３１が配置されるようになっている。
【００４４】
ラジエータ７７は、凝縮冷媒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凝縮冷媒を冷却し、オフ状態のときには冷却しないものである。温度センサ７５ｂは、改質ガス用凝縮器３１の凝縮冷媒出口温度Ｔ３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。
【００４５】
また、改質ガス供給管６４には改質ガス用凝縮器３１と燃料電池１０の燃料極１１との間に温度センサ６４ａが配設されている。温度センサ６４ａは、改質ガス用凝縮器３１の改質ガス出口温度Ｔ４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。
【００４６】
また、上述した各温度センサ６１ａ，６２ｃ，６４ａ，７３ｂ，７３ｃ，７５ｂ、各流量計６１ｂ，６７ａ、電力計４７ｂ、各ポンプ５３，６１ｃ，７２ａ，７３ａ，７５ａ、および流量調整器６２ｂ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、図４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６１ａ，６２ｃ，６４ａ，７３ｂ，７３ｃ，７５ｂが検出した各温度、各流量計６１ｂ，６７ａが検出した各流量、電力計４７ｂが検出した電力に基づいて各ポンプ６１ｃ，７２ａ，７３ａ，７５ａ、および流量調整器６２ｂを制御して燃料電池１０の温度・湿度を適切に制御している。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。
【００４７】
また、制御装置９０の記憶部には、図３に示すマップまたは演算式が記憶されている。このマップまたは演算式は、目標ＦＣ冷却水温度（目標貯湯水温度）と電力使用量に対する温水使用量の比率との相関関係を示すものである。目標ＦＣ冷却水温度は、燃料電池１０のＦＣ冷却水入口温度またはＦＣ冷却水出口温度などのＦＣ冷却水温度の制御目標値のことである。ＦＣ冷却水温度の代わりに燃料電池１０自身の温度でもよいし、これらの温度と相関性の高い他の温度でも代用可能である。目標貯湯水温度は、貯湯水温度の制御目標値のことである。貯湯水温度はＦＣ冷却水温度とよい相関関係にあり、目標ＦＣ冷却水温度は目標貯湯水温度に対応して設定されている。温水使用量は、貯湯槽７１から温水消費装置８０ａに供給される単位時間あたりの温水量である。例えば１日あたりの使用量で計算するものである。この温水使用量は、流量計６７ａからの検出結果に基づいて算出されるものである。なお、貯湯槽７１以外から温水が温水消費装置８０ａに供給される場合には、その使用量も考慮して温水使用量を算出する必要がある。また、電力使用量は、すべての電力消費装置４７ａで単位時間当たりに使用される合計消費電力量である。単位時間は温水使用量と同じ時間を使用する。この電力使用量は、電力計４７ｂからの検出結果に基づいて算出されるものである。
【００４８】
また、図３に示すマップまたは演算式から明らかなように、目標ＦＣ冷却水温度（ひいては目標貯湯水温度）と電力使用量に対する温水使用量の比率は、その比率が小さくなるにつれてＦＣ冷却水温度が高くなる関係にある。なお、この関係は比率が所定の範囲（所定の上限温度Ｔｂと所定の下限温度Ｔａとの範囲）内にあるときに成立し、比率がこの範囲より小さい場合には目標ＦＣ冷却水温度は上限温度Ｔｂで一定となり、比率がこの範囲より大きい場合には目標ＦＣ冷却水温度は下限温度Ｔａで一定となる関係が成立する。なお、目標貯湯水温度も同様に上限温度Ｔｂに対応した上限温度Ｔｂ−ｗおよび下限温度Ｔａに対応した下限温度Ｔａ−ｗを有する。
【００４９】
また、上限温度Ｔｂ−ｗおよび下限温度Ｔａ−ｗは、それぞれ上限温度Ｔｂおよび下限温度Ｔａにほぼ等しいかやや低い値であり、その対応関係は燃料電池システムによって適宜決められるものである。例えば、下限温度Ｔａとしては５０℃、６０℃があり、上限温度Ｔｂとしては９０℃、８０℃がある。所定の範囲は、これらを任意に組み合わせて決定することができる。例えば５０℃〜９０℃、６０℃〜８０℃などである。
【００５０】
さらに、上限温度Ｔｂ（上限温度Ｔｂ−ｗ）は、燃料電池１０の電極１１，１２、電解質１３、樹脂配管などへの劣化、燃料電池１０の発電効率を考慮して決定されるものである。下限温度Ｔａ（下限温度Ｔａ−ｗ）は、貯湯水７１内での細菌の繁殖の抑制、燃料電池１０の発電効率を考慮して決定されるものである。なお、燃料電池１０に水素ガスを供給する場合でなく本実施形態のように改質ガスを供給する場合には、下限温度Ｔａ（下限温度Ｔａ−ｗ）は、燃料電池１０の電極１１の一酸化炭素による被毒も考慮して決定されるのが好ましい。
【００５１】
上述した燃料電池システムの作動について説明する。制御装置９０は、時刻ｔ０にて図示しない起動スイッチがオンされると、燃料電池システムの起動運転を開始する。制御装置９０は、ＣＯ選択酸化部２４をバーナ２１に接続し、燃焼用燃料および燃焼用空気をバーナ２１に供給してバーナ２１を着火する。これにより、燃焼用燃料が燃焼され、燃焼ガスにより改質部２２内の改質触媒および蒸発器２５が加熱される。
【００５２】
制御装置９０は、温度センサにより蒸発器２５の温度を検出し、この検出した温度が第１の所定温度Ｔｈ１以上となれば（時刻ｔ１）、水バルブを開き、改質水ポンプ５３を駆動させ改質水を所定流量（所定供給量）だけ蒸発器２５を介して改質部２２に供給する。
【００５３】
制御装置９０は、蒸発器２５の温度が所定温度Ｔｈ１以上となった時点（時刻ｔ１）から第１所定時間Ｔ１（例えば１分）以上経過すれば、改質用燃料を所定流量（所定供給量）だけ改質部２２に供給するとともに、酸化用空気を所定流量（所定供給量）だけＣＯ選択酸化部２４に供給する。これにより、改質部２２に改質用燃料と水蒸気の混合ガスが供給され、改質部２２では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。そして、改質部２２から導出された改質ガスはＣＯシフト部２３およびＣＯ選択酸化部２４により一酸化炭素ガスを低減されてＣＯ選択酸化部２４から導出され、バーナ２１に供給され燃焼される。
【００５４】
このように改質ガスの生成中において、制御装置９０は、温度センサによりＣＯ選択酸化部２４の触媒の温度を検出し、この検出した温度が第２の所定温度Ｔｈ２以上となれば（時刻ｔ４）、ＣＯ選択酸化部２４を燃料電池１０の燃料極１１の導入口に接続するとともに燃料極１１の導出口をバーナ２１に接続する。これにより、燃料電池システムを暖機する起動運転が終了して続いて定常運転が開始される。
【００５５】
制御装置９０は、定常運転（燃料電池１０を発電させる運転モード）を開始する。このとき、所望の出力電流（電力消費装置４７ａで消費される電流・電力）となるように改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気、酸化用空気、カソードエアおよび改質水を供給するようになっている。制御装置９０は、所望の出力電流となるように改質用燃料の供給量を演算しその供給量となるように改質用燃料を供給し、演算した改質用燃料供給量およびＳ／Ｃ（スチームカーボン比）に基づいて改質水の供給量を演算しその供給量となるように改質水を供給し、アノードオフガスの燃焼熱だけではバーナ２１にて必要な熱エネルギーが不足する場合、起動運転時である場合などに、バーナ２１に供給する燃焼用燃料の供給量を演算しその供給量となるように燃焼用燃料を供給し、改質用燃料供給量などに基づいて燃焼用空気の供給量を演算しその供給量となるように燃焼用空気を供給し、一酸化炭素を所定量以下とするように酸化用空気の供給量を演算しその供給量となるように酸化用空気を供給し、そして、改質装置２０から燃料電池１０に供給される改質ガスの供給量に対応する適切なカソードエアの供給量を演算しその供給量となるようにカソードエアを供給している。そして、停止スイッチが押されると、燃料電池システムは停止する。
【００５６】
さらに上述した燃料電池システムにおいて排熱の熱回収効率を最適化とする制御が行われている。その排熱回収について図４に示したフローチャートを参照しながら説明する。制御装置９０は、図示しないスタートスイッチがオンされると、所定の短時間毎に、上記フローチャートに対応したプログラムを繰り返し実行する。制御装置９０は、図４のステップ１００にてプログラムの実行を開始する毎に、ステップ１０２において、電力計４７ｂから電力使用場所４７で使用される全ての電力消費装置４７ａの合計消費電力を入力し電力使用量を算出する。流量計６７ａから貯湯槽７１からの温水量を入力して温水消費装置８０ａで使用される温水の総使用量（温水使用量）を算出する。そして、算出結果を記憶する。なお、これら温水使用量および電力使用量は一日、一週間、一月単位の積算量であることが望ましい。例えば数時間単位である場合、温水主電力従であるか温水従電力主であるかの判別がつきにくいからである。
【００５７】
制御装置９０は、ステップ１０２にて算出した温水使用量および電力使用量に基づいて、電力使用量に対する温水使用量の比率（＝温水使用量÷電力使用量）を導出し（ステップ１０４）、図３に示すマップまたは演算式からその導出した比率に応じた目標ＦＣ冷却水温度を導出する（ステップ１０６）。すなわち、温水消費装置８０ａでの温水使用量が電力消費装置４７ａでの電力使用量に対して少ない場合（例えば燃料電池システムを夏期に運転する場合）、目標ＦＣ冷却水温度が比較的高く設定される。また、温水消費装置８０ａでの温水使用量が電力消費装置４７ａでの電力使用量に対して多い場合（例えば燃料電池システムを冬期に運転する場合）、目標ＦＣ冷却水温度が比較的低く設定される。
【００５８】
制御装置９０は、ステップ１０８にて導出した目標ＦＣ冷却水温度となるようにＦＣ冷却水温度を調整し、これにより貯湯水温度が目標貯湯水温度に調整される。具体的には、制御装置９０は、燃料電池１０のＦＣ冷却水入口温度Ｔ１およびＦＣ冷却水出口温度Ｔ２をそれぞれ温度センサ７３ｂ，７３ｃによって検出し（ステップ１０８）、検出した燃料電池１０のＦＣ冷却水出口温度Ｔ２（または燃料電池１０のＦＣ冷却水入口温度Ｔ１）が目標ＦＣ冷却水温度となるように貯湯水循環ポンプ７２ａを流量制御している（ステップ１１０）。なお、本実施の形態における目標ＦＣ冷却水温度は、ＦＣ冷却水出口温度Ｔ２で制御する場合に設定された目標値であり、ＦＣ冷却水入口温度Ｔ１で制御する場合には目標ＦＣ冷却水温度を低めに補正する必要がある。これにより、温水消費装置８０ａでの温水使用量が電力消費装置４７ａでの電力使用量に対して少ない場合（例えば燃料電池システムを夏期に運転する場合）、比較的高く設定された目標ＦＣ冷却水温度となるようにＦＣ冷却水温度が調整され、結果として貯湯水が比較的高い温度に調整される。また、温水消費装置８０ａでの温水使用量が電力消費装置４７ａでの電力使用量に対して多い場合（例えば燃料電池システムを冬期に運転する場合）、比較的低く設定された目標ＦＣ冷却水温度となるようにＦＣ冷却水温度が調整され、結果として貯湯水が比較的低い温度に調整される。
【００５９】
さらに、制御装置９０は、燃料電池１０のＦＣ冷却水入口温度Ｔ１およびＦＣ冷却水出口温度Ｔ２の差ΔＴを算出し（ステップ１１２）、その差ΔＴが所定温度差ΔＴ＊（例えば３〜５℃）となるようにＦＣ冷却水循環ポンプ７３ａを流量制御している（ステップ１１４）。所定温度差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。
【００６０】
そして、制御装置９０は、改質ガス用凝縮器３１の凝縮冷媒出口温度Ｔ３または改質ガス用凝縮器３１の改質ガス出口温度Ｔ４を温度センサ７５ｂまたは６４ａにより検出し（ステップ１１６）、検出した改質ガス用凝縮器３１の凝縮冷媒出口温度Ｔ３または改質ガス用凝縮器３１の改質ガス出口温度Ｔ４が目標温度Ｔ３＊またはＴ４＊（例えば５０〜６０℃）となるように凝縮冷媒循環ポンプ７５ａを流量制御している（ステップ１１８）。改質ガス用凝縮器３１の凝縮冷媒出口温度Ｔ３が高いほど第１熱交換７４における貯湯水の凝縮回収熱量の回収効率がよいので、目標温度Ｔ３＊（またはＴ４＊）は高く設定するのが望ましい。一方、改質ガス用凝縮器３１の凝縮冷媒出口温度Ｔ３が高くなると、改質ガス用凝縮器３１にて凝縮冷媒と熱交換する改質ガスの温度すなわち改質ガスのＦＣ入口温度が高くなり、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Ｔ３＊（またはＴ４＊）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。その後、制御装置９０はプログラムをステップ１２０に進めて一旦終了する。
【００６１】
上述した説明から明らかなように、本実施形態においては、温水消費装置８０ａでの温水および電力消費装置４７ａでの電力の使用状況に応じて設定される目標貯湯水温度となるように貯湯水の温度を調整するので、温水消費と電力消費の状況に応じた適切な貯湯水温度に調整することができる。したがって、燃料電池システムの使用季節、使用方法などの違いによって同燃料電池システムが電力供給を主とし温水供給を従とする場合、または電力供給を従とし温水供給を主とする場合のいずれにおいても、燃料電池システムの運転をその状況に応じて効率よく実施することができる。
【００６２】
また、温水消費装置８０ａでの温水使用量が電力消費装置４７ａでの電力使用量に対して少なくなるほど、目標貯湯水温度は高い温度に設定される。したがって、温水消費装置８０ａでの温水使用量が電力消費装置４７ａでの電力使用量に対して少ない場合（例えば燃料電池システムを夏期に運転する場合）、貯湯水が比較的高い温度となるように調節される。これにより、燃料電池システムの起動開始から貯湯槽７１が所定温度以上の貯湯水で満水となるまでにかかる時間は、目標貯湯水温度が低く設定された場合と比較して長くなる。すなわち、燃料電池システムは貯湯槽７１が温度的に満水となるとそれ以降発電効率、熱回収効率を合わせた総合効率が悪化するかあるいは停止するが、満水となるまでの時間を稼ぐことができ、すなわち効率のよい発電可能時間を長くすることができる。したがって、高温の貯湯水を利用できるとともに、燃料電池１０にて発生する排熱を無駄に捨てることなく効率よく発電できる時間を長くすることができる。
【００６３】
一方、温水消費装置８０ａでの温水使用量が電力消費装置４７ａでの電力使用量に対して多い場合（例えば燃料電池システムを冬期に運転する場合）、貯湯水が比較的低い温度となるように調節される。これにより、燃料電池システムの起動開始から貯湯槽７１が所定温度以上の貯湯水で満水となるまでにかかる時間は、目標貯湯水温度が高く設定された場合と比較して短くなる。したがって、貯湯水の温度は比較的低温であるが、比較的短い時間で貯湯槽７１を温度的に満水にすることができ、貯湯水を多量に供給することができる。また、貯湯水温度を比較的低温とすることにより、貯湯水からの放熱を低減することができ、熱回収効率を向上することができる。したがって、燃料電池システムを一年を通じて運転するにあたって、発電効率、熱回収効率を合わせた総合効率を向上することができる。
【００６４】
また、目標貯湯水温度は、所定の上限温度Ｔｂ−ｗと所定の下限温度Ｔａ−ｗとの範囲内に設定されているので、燃料電池１０の電極１１，１２、電解質１３、樹脂配管など燃料電池１０の劣化を抑制して長期間に渡って安定した発電を提供することができ、また、発電に適した温度に調整して効率よい発電を行うことができる。また、上限温度Ｔｂ−ｗおよび下限温度Ｔａ−ｗは、燃料電池１０の発電効率を考慮して決定されているので、効率よい発電を行うことができる。また、下限温度Ｔａ−ｗは、貯湯水７１内での細菌の繁殖の抑制を考慮して決定されているので、衛生的な貯湯水を提供することができる。さらに、下限温度Ｔａ−ｗは、燃料電池１０の電極１１の一酸化炭素による被毒も考慮して決定されているので、燃料電池１０の劣化を抑制して長期間に渡って安定した発電を提供することができる。
【００６５】
また、目標貯湯水温度は、温水消費装置８０ａで使用された温水使用量と、電力消費装置４７ａで消費された電力使用量とを比較しその比較結果に基づいて設定されるので、容易かつ確実に温水消費と電力消費の状況を検出することができる。
【００６６】
また、貯湯水循環回路７２とは独立して設けられ、燃料電池１０の発電で発生する排熱を回収した燃料電池冷却媒体が循環する燃料電池冷却媒体循環回路７３と、貯湯水と燃料電池冷却媒体との間で熱交換が行われる第１熱交換器７４と、貯湯水循環回路７２上に設けられ貯湯水を循環する循環手段である貯湯水循環ポンプ７２ａと、をさらに備え、循環手段の送出量を制御して、燃料電池冷却媒体の温度を目標温度（目標冷却水温度）に調整することにより貯湯水を目標貯湯水温度に調整するので、貯湯水と温度的に相関性の高い燃料電池冷却媒体の温度を調整することにより容易かつ確実に貯湯水を目標温度に調整することができる。
【００６７】
また、酸化剤ガスであるカソードエアを加湿して酸化剤極である空気極１２に供給する加湿器１４をさらに備え、加湿器１４は、燃料電池１０の温度に応じて酸化剤ガスの加湿量を調整可能であるので、貯湯水温度を変動させて燃料電池冷却媒体温度ひいては燃料電池温度が変動しても酸化剤ガスをその温度に応じた最適な加湿量にて加湿することができる。
【００６８】
２）第２実施形態
次に、本発明による燃料電池システムの第２実施形態について図５を参照して説明する。図５は第２実施形態にかかる燃料電池システムの概要を示す概要図である。上述した第１実施形態においては、貯湯水循環回路７２と凝縮冷媒循環回路７５とを独立して設けたが、図５に示すように本第２実施形態においては、これら循環回路７２，７５を一つの循環回路（貯湯水循環回路７２）としている。この場合、第２熱交換器７６、凝縮冷媒循環ポンプ７５ａは削除され、貯湯水循環回路７２上には、貯湯槽７１の出口から下流に順番に、貯湯水循環ポンプ７２ａ、ラジエータ７７、各凝縮器３２，３４，３３，３１、第３温度センサ７５ｂ、および第１熱交換器７４が配設されている。また、この場合、貯湯水循環回路７２に凝縮器３１をバイパスするバイパス路７２ｂを設けるとともに、凝縮器３１を流れる熱媒体の流量と凝縮器３１をバイパスしてバイパス路７２ｂを流れる熱媒体の流量を調整する流量調整器７２ｃを設けている。流量調整器７２ｃとして、電磁開閉弁が採用されている。なお、第１実施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。
【００６９】
この場合、制御装置９０は、温度センサ７３ｃ（または温度センサ７３ｂ）によって検出した燃料電池１０のＦＣ冷却水出口温度Ｔ２（または燃料電池１０のＦＣ冷却水入口温度Ｔ１）が目標ＦＣ冷却水温度となるように貯湯水循環ポンプ７２ａを流量制御する。また、制御装置９０は、燃料電池１０のＦＣ冷却水入口温度Ｔ１およびＦＣ冷却水出口温度Ｔ２の差ΔＴを算出し、その差ΔＴが所定温度差ΔＴ＊（例えば３〜５℃）となるようにＦＣ冷却水循環ポンプ７３ａを流量制御する。さらに、制御装置９０は、改質ガス用凝縮器３１の凝縮冷媒出口温度Ｔ３または改質ガス用凝縮器３１の改質ガス出口温度Ｔ４が目標温度Ｔ３＊またはＴ４＊（例えば５０〜６０℃）となるように流量調整器７２ｃを制御している。これによっても、上述した実施形態と同様な作用・効果を得ることができる。
【００７０】
３）第３実施形態
次に、本発明による燃料電池システムの第３実施形態について図６を参照して説明する。図６は第３実施形態にかかる燃料電池システムの概要を示す概要図である。上述した第１実施形態においては、燃料電池１０からの発電にて発生する熱の貯湯水への回収と、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の貯湯水への回収とが一本の貯湯水循環回路で順番に行われる構成であったが、図６に示すように本第３実施形態においては、両回収が２本の並列な流路で別々に行われる構成である。なお、第１実施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。
【００７１】
具体的には、貯湯水循環回路７２は、排熱回収手段（凝縮器３０）を設けた流路７２ｂと、第１熱交換器７４を設けた流路であるバイパス路７２ｃが並列に設けられている。流路７２ｂ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７２ｂ上には、一端から他端に順番に、温度センサ７２ｂ１、貯湯水循環手段である貯湯水循環第1ポンプ７２ｂ２、ラジエータ７７、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、温度センサ７５ｂ、および第１バルブ７２ｂ３が配設されている。
【００７２】
温度センサ７２ｂ１は、貯湯槽７１の貯湯水出口温度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。貯湯水循環第１ポンプ７２ｂ２は、貯湯槽７１の下部の貯湯水を吸い込んで流路７２ｂを通水させて貯湯槽７１の上部に吐出するものであり、制御装置９０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。第１バルブ７２ｂ３は、バイパス路７２ｃと貯湯槽７１の入口の間の流路７２ｂに設けられ同流路７２ｂ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７２ｂ３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。
【００７３】
また、バイパス路７２ｃ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７２ｃ１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７２ｃ１は、貯湯槽７１の下部の貯湯水を吸い込んでバイパス路７２ｃ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。上述した貯湯水循環第１ポンプ７２ｂ２および貯湯水循環第２ポンプ７２ｃ１の流量制御によって、流路７２ｂおよびバイパス路７２ｃの各流量をそれぞれ調整することができる。
【００７４】
この場合、制御装置９０は、温度センサ７３ｃ（または温度センサ７３ｂ）によって検出した燃料電池１０のＦＣ冷却水出口温度Ｔ２（または燃料電池１０のＦＣ冷却水入口温度Ｔ１）が目標ＦＣ冷却水温度となるように貯湯水循環第２ポンプ７２ｃ１を流量制御する。また、制御装置９０は、燃料電池１０のＦＣ冷却水入口温度Ｔ１およびＦＣ冷却水出口温度Ｔ２の差ΔＴを算出し、その差ΔＴが所定温度差ΔＴ＊（例えば３〜５℃）となるようにＦＣ冷却水循環ポンプ７３ａを流量制御する。さらに、改質ガス用凝縮器３１の凝縮冷媒出口温度Ｔ３または改質ガス用凝縮器３１の改質ガス出口温度Ｔ４が目標温度Ｔ３＊またはＴ４＊（例えば５０〜６０℃）となるように貯湯水循環第１ポンプ７２ｂ２を流量制御している。これによっても、上述した実施形態と同様な作用・効果を得ることができる。
【００７５】
４）第４実施形態
次に、本発明による燃料電池システムの第４実施形態について図７を参照して説明する。図７は第４実施形態にかかる燃料電池システムのうち貯湯水循環回路７２、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３実施形態においては、流路７２ｂ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７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または第３実施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。
【００７６】
本第４実施形態においては、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７５と、貯湯水と凝縮冷媒との間で熱交換が行われる第２熱交換器７６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７６を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱（昇温）する。
【００７７】
この場合、制御装置９０は、温度センサ７３ｃ（または温度センサ７３ｂ）によって検出した燃料電池１０のＦＣ冷却水出口温度Ｔ２（または燃料電池１０のＦＣ冷却水入口温度Ｔ１）が目標ＦＣ冷却水温度となるように貯湯水循環第２ポンプ７２ｃ１を流量制御する。また、制御装置９０は、燃料電池１０のＦＣ冷却水入口温度Ｔ１およびＦＣ冷却水出口温度Ｔ２の差ΔＴを算出し、その差ΔＴが所定温度差ΔＴ＊（例えば３〜５℃）となるようにＦＣ冷却水循環ポンプ７３ａを流量制御する。さらに、改質ガス用凝縮器３１の凝縮冷媒出口温度Ｔ３または改質ガス用凝縮器３１の改質ガス出口温度Ｔ４が目標温度Ｔ３＊またはＴ４＊（例えば５０〜６０℃）となるように凝縮冷媒循環ポンプ７５ａを流量制御している。これによっても、上述した実施形態と同様な作用・効果を得ることができる。
【００７８】
なお、上述した各実施形態において、本発明を、改質器２０にて燃料を改質ガス（燃料ガス）に改質して燃料電池１０に供給する構成の燃料電池システムに適用したが、水素ガスを燃料電池システムに直接供給する改質器２０のない燃料電池システムにも適用可能である。
【００７９】
また、上述した各実施形態において、制御装置９０は、温水使用量を流量計６７ａによる検出結果に基づいて算出するようにしたが、貯湯槽７１の残湯量を検出しその検出結果に基づいて算出するようにしてもよい。残湯量は、貯湯槽７１内に残っている所定温度（例えば６０℃）以上である温水の残量を表している。この場合、貯湯槽７１の内部には残湯量検出センサである温度センサ群が設けられている。温度センサ群は複数の温度センサから構成されており、上下方向（鉛直方向）に沿って等間隔にて配設され、その位置の湯温を検出している。この温度センサ群による各位置での湯温の検出結果に基づいて貯湯槽７１内の残湯量が検出されるようになっている。これによれば、温水の使用状況を把握することができ、高価な流量計を設ける必要がなく、既設の温度センサで対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明による燃料電池システムの第1実施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】ＦＣ冷却水温度もしくは貯湯水温度と温水使用量／電力使用量の比との相関関係を示すマップである。
【図４】図２に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。
【図５】本発明による燃料電池システムの第２実施形態の概要を示す概要図である。
【図６】本発明による燃料電池システムの第３実施形態の概要を示す概要図である。
【図７】本発明による燃料電池システムの第４実施形態の概要を主要部を示す部分拡大概要図である。
【符号の説明】
【００８１】
１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、１４…加湿器、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…電力消費装置、４７ｂ…電力計、４８…系統電源、５０…貯水器、５３…改質水ポンプ、６１…カソードエア供給管、６２，６３…排気管、６４…改質ガス供給管、６５…オフガス供給管、６６…配管、６７…給湯管、６７ａ…流量計、６８…改質水供給管、７１…貯湯槽、７２…貯湯水循環回路、７３…ＦＣ冷却水循環回路、７４…第１熱交換器、７５…凝縮冷媒循環回路、７６…第２熱交換器、７７…ラジエータ、８０…温水使用場所、８０ａ…温水消費装置、８１…給湯器、７２ａ，７３ａ，７５ａ…ポンプ、６１ａ，６２ｃ，７２ａ，７３ｂ，７３ｃ，７５ｂ…温度センサ、９０…制御装置。
【図１】
2006294535.tif 000003
【図２】
2006294535.tif 000004
【図３】
2006294535.tif 000005
【図４】
2006294535.tif 000006
【図５】
2006294535.tif 000007
【図６】
2006294535.tif 000008
【図７】
2006294535.tif 000009