(57)【要約】【課題】冷媒タンクに収容された冷媒の蓄熱状態に応じて排気熱交換器から流出する冷媒の流出温度を変化させない場合と比べ、排ガスの熱を効率的に回収することができる燃料電池システム、制御装置、及びプログラムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１８、排気熱交換器３１、冷媒タンク３０、第１循環経路１１８、熱回収ポンプ４０、上水熱交換器４４、第２循環経路１２０、給湯経路１２１、及び制御装置７０を備える。制御装置７０は、排気熱交換器３１から流出する冷媒Ｗ２の流出温度Ｔ２が第１目標温度であり、かつ、排気熱交換器３１に流入する冷媒Ｗ２の流入温度Ｔ１が第１目標温度よりも低い第１設定温度以上の場合に、熱回収ポンプ４０の冷媒Ｗ２の送出量を制御することにより、流出温度Ｔ２を第１目標温度よりも高い第２目標温度にする制御部を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと改質水とが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の排気と冷媒との間で熱交換を行う排気熱交換器と、
前記排気熱交換器へ供給する前記冷媒を貯留する冷媒タンクと、
前記冷媒タンクと前記排気熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第１循環経路と、
前記第１循環経路の前記排気熱交換器の前段に設けられ、前記第１循環経路に前記冷媒を送出する第１ポンプと、
前記冷媒タンクから供給される前記冷媒と外部より供給された上水との間で熱交換を行う上水熱交換器と、
前記冷媒タンクと前記上水熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第２循環経路と、
前記上水熱交換器で加熱された前記上水を排出する排出経路と、
前記排気熱交換器から流出する前記冷媒の流出温度が第１目標温度であり、かつ、前記排気熱交換器に流入する前記冷媒の流入温度が前記第１目標温度よりも低い第１設定温度以上の場合に、前記第１ポンプの前記冷媒の送出量を制御することにより、前記流出温度を前記第１目標温度よりも高い第２目標温度にする制御部を含む制御装置と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記流出温度が前記第２目標温度であり、かつ、前記流入温度が前記第１設定温度よりも高く前記第２目標温度よりも低い第２設定温度以上の場合に、前記第１ポンプの前記冷媒の送出量を制御することにより、前記流出温度を前記第２目標温度よりも高い第３目標温度にする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２循環経路に設けられ、前記第２循環経路に前記冷媒を送出する第２ポンプを更に備え、
前記制御部は、外部機器からの給湯指令に応じて、前記第２ポンプを動作させる制御を行う請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１循環経路に設けられたラジエータと、
前記制御部からの制御に従って、前記ラジエータへの送風を行うラジエータファンと、
を更に備えた請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料ガスと改質水とが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の排気と冷媒との間で熱交換を行う排気熱交換器と、
前記排気熱交換器へ供給する前記冷媒を貯留する冷媒タンクと、
前記冷媒タンクと前記排気熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第１循環経路と、
前記第１循環経路の前記排気熱交換器の前段に設けられ、前記第１循環経路に前記冷媒を送出する第１ポンプと、
前記冷媒タンクから供給される前記冷媒と外部より供給された上水との間で熱交換を行う上水熱交換器と、
前記冷媒タンクと前記上水熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第２循環経路と、
前記上水熱交換器で加熱された前記上水を排出する排出経路と、
を備えた燃料電池システムの運転を制御する制御装置であって、
前記排気熱交換器から流出する前記冷媒の流出温度が第１目標温度であり、かつ、前記排気熱交換器に流入する前記冷媒の流入温度が前記第１目標温度よりも低い第１設定温度以上の場合に、前記第１ポンプの前記冷媒の送出量を制御することにより、前記流出温度を前記第１目標温度よりも高い第２目標温度にする制御部を含む制御装置。
【請求項６】
コンピュータを、請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御装置が備える制御部として機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、制御装置、及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
住宅等に設置され、電力と湯を供給する燃料電池システムがある。この燃料電池システムでは、発電に用いる水を排ガスから回収するため、排ガスを冷却し水蒸気を凝縮させている。この場合、十分な量の水を回収するために、排ガスを一定温度以下に冷却する必要がある。
【０００３】
排ガスの冷却方法としては、上水等の冷媒との間で熱交換する方法が一般的である。しかし、冷媒タンク（貯湯タンク）に収容された冷媒が満蓄状態（蓄熱量が最大の状態）になる等の要因で冷媒の温度が上昇してくると、排ガスの冷却効率が低下し、凝縮水量が減少する。そこで、冷媒の温度を一定温度以下に保つために、配管経路上にラジエータを配置し、余分な熱を放出する技術が提案されている（例えば、特許文献１、２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−００２０９３号公報
【特許文献２】特開２０１６−０９００８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、排ガスから回収した熱の一部をラジエータから放出する場合、排ガスの熱が無駄になり、効率的な熱回収が行えない。このため、排ガスの熱を効率的に回収することが望まれている。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであって、冷媒タンクに収容された冷媒の蓄熱状態に応じて排気熱交換器から流出する冷媒の流出温度を変化させない場合と比べ、排ガスの熱を効率的に回収することができる燃料電池システム、制御装置、及びプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の燃料電池システムは、燃料ガスと改質水とが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の排気と冷媒との間で熱交換を行う排気熱交換器と、前記排気熱交換器へ供給する前記冷媒を貯留する冷媒タンクと、前記冷媒タンクと前記排気熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第１循環経路と、前記第１循環経路の前記排気熱交換器の前段に設けられ、前記第１循環経路に前記冷媒を送出する第１ポンプと、前記冷媒タンクから供給される前記冷媒と外部より供給された上水との間で熱交換を行う上水熱交換器と、前記冷媒タンクと前記上水熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第２循環経路と、前記上水熱交換器で加熱された前記上水を排出する排出経路と、前記排気熱交換器から流出する前記冷媒の流出温度が第１目標温度であり、かつ、前記排気熱交換器に流入する前記冷媒の流入温度が前記第１目標温度よりも低い第１設定温度以上の場合に、前記第１ポンプの前記冷媒の送出量を制御することにより、前記流出温度を前記第１目標温度よりも高い第２目標温度にする制御部を含む制御装置と、を備えたものである。
【０００８】
この燃料電池システムによれば、冷媒タンクに収容された冷媒の蓄熱状態に応じて排気熱交換器から流出する冷媒の流出温度を変化させない場合と比べ、排ガスの熱を効率的に回収することができる。
【０００９】
また、請求項２に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部が、前記流出温度が前記第２目標温度であり、かつ、前記流入温度が前記第１設定温度よりも高く前記第２目標温度よりも低い第２設定温度以上の場合に、前記第１ポンプの前記冷媒の送出量を制御することにより、前記流出温度を前記第２目標温度よりも高い第３目標温度にするものである。
【００１０】
この燃料電池システムによれば、流出温度の目標温度を段階的に設定することで、排ガスの熱をより効率的に回収することができる。
【００１１】
また、請求項３に記載の燃料電池システムは、請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、前記第２循環経路に設けられ、前記第２循環経路に前記冷媒を送出する第２ポンプを更に備え、前記制御部が、外部機器からの給湯指令に応じて、前記第２ポンプを動作させる制御を行うものである。
【００１２】
この燃料電池システムによれば、外部機器からの給湯指令に応じて第２ポンプを動作させることで、冷媒タンク内の冷媒の温度上昇を抑制することができる。
【００１３】
また、請求項４に記載の燃料電池システムは、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、前記第１循環経路に設けられたラジエータと、前記制御部からの制御に従って、前記ラジエータへの送風を行うラジエータファンと、を更に備えたものである。
【００１４】
この燃料電池システムによれば、ラジエータ及びラジエータファンを用いることで、冷媒の温度上昇を抑制し、冷媒が満蓄状態になった場合でも凝縮水の不足を解消することができる。
【００１５】
一方、上記目的を達成するために、請求項５に記載の制御装置は、燃料ガスと改質水とが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の排気と冷媒との間で熱交換を行う排気熱交換器と、前記排気熱交換器へ供給する前記冷媒を貯留する冷媒タンクと、前記冷媒タンクと前記排気熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第１循環経路と、前記第１循環経路の前記排気熱交換器の前段に設けられ、前記第１循環経路に前記冷媒を送出する第１ポンプと、前記冷媒タンクから供給される前記冷媒と外部より供給された上水との間で熱交換を行う上水熱交換器と、前記冷媒タンクと前記上水熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第２循環経路と、前記上水熱交換器で加熱された前記上水を排出する排出経路と、を備えた燃料電池システムの運転を制御する制御装置であって、前記排気熱交換器から流出する前記冷媒の流出温度が第１目標温度であり、かつ、前記排気熱交換器に流入する前記冷媒の流入温度が前記第１目標温度よりも低い第１設定温度以上の場合に、前記第１ポンプの前記冷媒の送出量を制御することにより、前記流出温度を前記第１目標温度よりも高い第２目標温度にする制御部を含むものである。
【００１６】
さらに、上記目的を達成するために、請求項６に記載のプログラムは、コンピュータを、請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御装置が備える制御部として機能させるものである。
【００１７】
上記の制御装置及びプログラムの各々によれば、冷媒タンクに収容された冷媒の蓄熱状態に応じて排気熱交換器から流出する冷媒の流出温度を変化させない場合と比べ、排ガスの熱を効率的に回収することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上詳述したように、本発明によれば、冷媒タンクに収容された冷媒の蓄熱状態に応じて排気熱交換器から流出する冷媒の流出温度を変化させない場合と比べ、排ガスの熱を効率的に回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態に係る燃料電池システムの全体構成の一例を示す図である。
【図２】実施形態に係る燃料電池モジュールの構成の一例を示す図である。
【図３】実施形態に係る制御装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図４】実施形態に係る冷媒タンク内の冷媒に形成される温度層の一例を示す図である。
【図５】実施形態に係るプログラムによるポンプ制御処理の一例を示すフローチャートである。
【図６】実施形態に係るプログラムによるポンプ制御処理の割込処理の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の一例について詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１０の全体構成の一例を示す図である。
図２は、本実施形態に係る燃料電池モジュール１８の構成の一例を示す図である。
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、一例として住宅に適用されるものである。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２と、バックアップ熱源機ユニット１４との２つのユニットで構成されている。バックアップ熱源機ユニット１４は、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２とは別体とされる。冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２及びバックアップ熱源機ユニット１４の各々は、一例として、屋外のコンクリート等で形成された基礎の上や、ベランダ等に設置される。
【００２３】
冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２は、筐体１６の内部に、発電を行うと共に排ガスを排出する発電部１７、排ガスによって冷媒Ｗ２を加熱する冷媒加熱部１９、及び冷媒Ｗ２によって上水を加熱する上水加熱部２１が設けられている。
【００２４】
冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２は、筐体１６の内部に、燃料電池モジュール１８、燃料ガス管２０、脱硫器２２、改質水タンク２４、液面レベルセンサ２４Ａ、改質水供給管２６、改質水ポンプ２８、及び酸化ガス管８８等が収容されている。
【００２５】
燃料電池モジュール１８は、都市ガス、空気（酸素）、及び改質水Ｗ１が供給されて発電を行う。燃料ガス管２０は、都市ガスを燃料電池モジュール１８に供給する。脱硫器２２は、燃料ガス管２０の中間部に設けられ、都市ガス中に含まれる硫黄化合物を除去する。改質水タンク２４は、燃料電池モジュール１８に供給する改質水Ｗ１を貯留する。液面レベルセンサ２４Ａは、改質水タンク２４の改質水Ｗ１の液面レベルを測定する。改質水供給管２６は、改質水タンク２４と燃料電池モジュール１８とを連結する。改質水ポンプ２８は、改質水タンク２４の改質水Ｗ１を燃料電池モジュール１８に供給する。酸化ガス管８８には、空気ブロワ８６が設けられている。発電部１７は、これらの構成要素を含んで構成されている。
【００２６】
また、筐体１６の内部には、冷媒タンク３０、排気熱交換器３１、第１排ガス管３２、第２排ガス管３４、排水管３５、第１送出し側配管３６、第１戻し側配管３８、熱回収ポンプ４０、ラジエータ４２、及びラジエータファン４３が収容されている。なお、熱回収ポンプ４０は、第１ポンプの一例である。
【００２７】
冷媒タンク３０は、水や不凍液等の冷媒Ｗ２を貯留する。なお、不凍液とは、低温でも液体の状態を保つ凝固点の低い液体のことである。不凍液としては、燃料電池システム１０の設置環境における最低気温よりも低い凝固点を持つものを使用することが望ましい。排気熱交換器３１は、燃料電池モジュール１８から排出された排ガスと冷媒Ｗ２との間で熱交換を行う。第１排ガス管３２は、燃料電池モジュール１８と排気熱交換器３１とを接続する。第２排ガス管３４は、排気熱交換器３１を通過した排ガスを筐体１６の外部へ排出する。排水管３５は、排気熱交換器３１の内部で生成された水分（排気熱交換器３１の内部で凝集された排ガス中の水分）を改質水タンク２４へ排出する。第１送出し側配管３６は、冷媒タンク３０の底部と排気熱交換器３１とを連結し、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２を排気熱交換器３１へ供給する。第１戻し側配管３８は、冷媒タンク３０の天井壁３０Ａと排気熱交換器３１とを連結し、排気熱交換器３１を通過した冷媒Ｗ２を冷媒タンク３０へ戻す。熱回収ポンプ４０は、第１送出し側配管３６に設けられ、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２を排気熱交換器３１側へ送り出す。ラジエータ４２は、第１送出し側配管３６の熱回収ポンプ４０と冷媒タンク３０との間に設けられ、冷媒Ｗ２の熱を外部に放出可能とする。ラジエータファン４３は、ラジエータ４２への送風を行う。冷媒加熱部１９は、これらの構成要素を含んで構成されている。
【００２８】
また、筐体１６の内部には、上水熱交換器４４、第２送出し側配管４６、第２戻し側配管４８、予熱ポンプ５０、上水供給配管５２、上水分岐配管５４、給湯配管５６、給湯分岐配管５８、補水弁６０、混合弁６２、及び上水排出配管６４等が収容されている。なお、予熱ポンプ５０は、第２ポンプの一例である。
【００２９】
上水熱交換器４４は、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２と外部から供給された上水との間で熱交換を行う。第２送出し側配管４６は、冷媒タンク３０の上部に連結され、冷媒タンク３０と上水熱交換器４４とを連結する。第２戻し側配管４８は、上水熱交換器４４を通過した冷媒Ｗ２を冷媒タンク３０へ戻す。予熱ポンプ５０は、第２戻し側配管４８に設けられ、冷媒Ｗ２を冷媒タンク３０側へ送り出す。上水供給配管５２は、外部（上水道）から供給された上水を上水熱交換器４４に供給する。上水分岐配管５４は、上水供給配管５２の中間部から分岐された配管である。給湯配管５６は、上水熱交換器４４を通過した上水を排出する。給湯分岐配管５８は、給湯配管５６の中間部から分岐され、上水熱交換器４４を通過した上水を冷媒タンク３０へ供給する。補水弁６０は、給湯分岐配管５８に設けられ、冷媒タンク３０へ供給する上水の量を調整する。混合弁６２は、給湯配管５６から供給された暖められた上水と上水分岐配管５４から供給された上水（冷水）とを混合する。上水排出配管６４は、混合弁６２から筐体１６の外部へ上水を排出する。上水加熱部２１は、これらの構成要素を含んで構成されている。
【００３０】
さらに、筐体１６の内部には、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２に設けられた各種電装部品の制御を行う制御装置７０が収容されている。
【００３１】
ここで、筐体１６の内部には、冷媒タンク３０と排気熱交換器３１との間で冷媒Ｗ２が循環する経路、すなわち、第１送出し側配管３６及び第１戻し側配管３８で第１循環経路１１８が形成されている。筐体１６の内部には、冷媒タンク３０と上水熱交換器４４との間で冷媒Ｗ２が循環する経路、すなわち、第２送出し側配管４６及び第２戻し側配管４８で第２循環経路１２０が形成されている。また、筐体１６の内部には、給湯配管５６及び上水排出配管６４で給湯経路１２１が形成されている。なお、給湯経路１２１は、排出経路の一例である。
【００３２】
なお、筐体１６の外部には、制御装置７０に接続され、外気温を測定する温度センサ６５が設けられている。また、第１送出し側配管３６の排気熱交換器３１の近傍には第１温度センサ１３１が設けられている。第１温度センサ１３１は、冷媒Ｗ２の排気熱交換器３１への流入温度Ｔ１を測定する。第１戻し側配管３８の排気熱交換器３１の近傍には第２温度センサ１３２が設けられている。第２温度センサ１３２は、冷媒Ｗ２の排気熱交換器３１からの流出温度Ｔ２（熱回収温度）を測定する。
【００３３】
本実施形態では、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２として水（一例として水道水等）が用いられている。冷媒タンク３０の天井壁３０Ａには、冷媒タンク３０の内外を貫通し、空気の出入を可能とする開口部３３が形成されている。また、冷媒タンク３０には、上部に空間が設けられるように冷媒Ｗ２が貯留されており、タンク内の冷媒Ｗ２が熱膨張して体積が増加した場合においても、開口部３３から冷媒Ｗ２が溢れ出ないように、冷媒タンク３０に注入する冷媒Ｗ２の体積が決められている。
【００３４】
図２に示すように、燃料電池モジュール１８は、筐体７１の内部に、改質触媒７２、バーナ７４、及び燃料電池スタック７６を主要な構成として備えている。
【００３５】
改質触媒７２は、燃料ガス管２０と接続されている。この改質触媒７２には、脱硫器２２にて硫黄化合物が吸着除去された都市ガスが燃料ガス管２０を通じて供給される。この改質触媒７２は、供給された都市ガス（原料ガス）を、改質水供給管２６を通じて供給された改質水（凝縮水）Ｗ１を利用して水蒸気改質する。
【００３６】
バーナ７４には、後述するスタック排ガス管８０が接続されている。このバーナ７４は、スタック排ガス管８０を通じて供給されたバーナガス（すなわち、未反応の水素ガスを含むスタック排ガス）を燃焼し、改質触媒７２を加熱する。そして、この改質触媒７２では、脱硫器２２から供給された都市ガスから、水素ガスを含む改質ガスが生成される。この改質ガスは、燃料ガス管７５を通じて後述する燃料電池スタック７６の燃料極７８に供給される。
【００３７】
燃料電池スタック７６は、固体酸化物形の燃料電池スタックであり、積層された複数の燃料電池セル８１（図２では１つのみ図示）を有している。各燃料電池セル８１は、電解質層８２と、この電解質層８２の表裏面にそれぞれ積層された燃料極７８及び空気極８４とを有している。
【００３８】
空気極８４（カソード極）には、空気ブロワ８６が設けられた酸化ガス管８８を通じて酸化ガス（筐体１６の外部の空気）が供給される。この空気極８４では、下記式（１）で示されるように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、電解質層８２を通って燃料極７８に到達する。
【００３９】
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− → Ｏ２−  …（１）
【００４０】
一方、燃料極７８では、下記式（２）及び式（３）で示されるように、電解質層８２を通ってきた酸素イオンが改質ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水（水蒸気）及び二酸化炭素と、電子が生成される。燃料極７８で生成された電子は、外部回路を通って空気極８４に到達する。そして、このようにして電子が燃料極７８から空気極８４に移動することにより、各燃料電池セル８１において発電される。また、各燃料電池セル８１は、発電時に以上の化学反応に伴って発熱する。
【００４１】
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２− → Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  …（２）
ＣＯ＋Ｏ２− → ＣＯ２＋２ｅ−  …（３）
【００４２】
燃料電池スタック７６に接続されたスタック排ガス管８０の上流側は、燃料極排ガス管９０及び空気極排ガス管９２に分岐されており、この燃料極排ガス管９０及び空気極排ガス管９２は、燃料極７８及び空気極８４にそれぞれ接続されている。燃料極７８から排出された燃料極排ガスと、空気極８４から排出された空気極排ガスとは、燃料極排ガス管９０及び空気極排ガス管９２を通じて排出されると共に、スタック排ガス管８０内にて混合されてスタック排ガスとされる。このスタック排ガスは、燃料極排ガスに含まれる未反応の水素ガスを含んでおり、上述の通り、バーナ７４にバーナガスとして供給される。なお、このバーナ７４に、バーナ排ガスを排気熱交換器３１へ排出する第１排ガス管３２が接続されている。
【００４３】
なお、図１に示す制御装置７０は、インバータ６８より電力が供給され、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２の電装部品、例えば、改質水ポンプ２８、熱回収ポンプ４０、ラジエータファン４３、予熱ポンプ５０、補水弁６０、及び混合弁６２等の制御を行う。
【００４４】
図１に示すバックアップ熱源機ユニット１４は、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２から供給された湯を更に加熱して排出可能となっており、筐体９３の内部は一般的な瞬間湯沸し器と同様の構成とされる。すなわち、バックアップ熱源機ユニット１４の内部には、熱交換器９４、配管９６、配管９８、バーナ１００、燃料ガス管１０２、分岐管１０４、混合弁１０６、配管１０８、温度センサ１０９、及び制御装置１１０等が設けられている。
【００４５】
配管９６は、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２からの湯を熱交換器９４に供給する。バーナ１００は、熱交換器９４を加熱する加熱装置の一例である。燃料ガス管１０２は、バーナ１００に燃料ガスを供給する。配管９８は、熱交換器９４を通った湯を排出する。混合弁１０６は、配管９６の途中に接続された分岐管１０４と配管９８とに接続される。配管１０８は、混合弁１０６から湯を排出する。温度センサ１０９は、排出される湯の温度を計測する。制御装置１１０は、混合弁１０６及びバーナ１００等を制御する。
【００４６】
なお、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２の燃料ガス管２０、及び、バックアップ熱源機ユニット１４の燃料ガス管１０２には、都市ガスのガス供給管１１２が接続されている。また、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２の上水排出配管６４とバックアップ熱源機ユニット１４の配管９６とは、接続配管１１４で接続されている。さらに、バックアップ熱源機ユニット１４の配管１０８には、住宅の水機器に向けて湯を送る配管１１６が接続されている。
【００４７】
次に、本実施形態の燃料電池システム１０の動作について説明する。
本実施形態に係る燃料電池システム１０では、改質触媒７２から燃料ガスが燃料電池スタック７６の燃料極７８に供給されると共に、空気ブロワ８６が作動して酸化ガス管８８から酸化ガスとしての空気が燃料電池スタック７６の空気極８４に供給される。この燃料電池スタック７６において燃料ガス及び酸化ガスが反応し発電する。
【００４８】
この発電に伴い燃料電池スタック７６からは、未反応の水素ガスを含むスタック排ガスが排出され、このスタック排ガスは、バーナガスとしてバーナ７４にて燃焼され、このバーナ７４からは、バーナ排ガスが排出される。このバーナ排ガスは、水蒸気を含んでおり、第１排ガス管３２を通じて排気熱交換器３１に供給される。
【００４９】
この排気熱交換器３１では、バーナ排ガスと冷媒タンク３０から供給された冷媒Ｗ２との間で熱交換がなされ、冷媒Ｗ２が加熱されると共に、バーナ排ガスに含まれる水蒸気が凝縮される。排気熱交換器３１で生成された凝縮水（蒸留水）は、改質水Ｗ１として改質水タンク２４に回収される。改質水タンク２４に回収された改質水は、改質水供給管２６を通じて改質触媒７２に供給され、この改質触媒７２にて水蒸気改質用の水蒸気として利用される。なお、水分の除去されたバーナ排ガスは、第２排ガス管３４を介して外部に排出される。
【００５０】
図３は、本実施形態に係る制御装置７０の構成の一例を示すブロック図である。
図３に示すように、制御装置７０は、制御部１４２及び記憶部１４４を含む電子回路によって構成されている。
【００５１】
記憶部１４４には、熱回収ポンプ４０、予熱ポンプ５０、及びラジエータファン４３の各々の動作を制御するためのプログラム１４４Ａが予め記憶されている。プログラム１４４Ａは、例えば、制御装置７０に予めインストールされていてもよい。プログラム１４４Ａは、不揮発性の記憶媒体に記憶して、又は、ネットワークを介して配布して、制御装置７０に適宜インストールすることで実現してもよい。なお、不揮発性の記憶媒体の例としては、ＣＤ-ＲＯＭ(Compact Disc Read Only Memory)、光磁気ディスク、ＨＤＤ(Hard Disk Drive)、ＤＶＤ-ＲＯＭ(Digital Versatile Disc Read Only Memory)、フラッシュメモリ、メモリカード等が挙げられる。
【００５２】
制御部１４２は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)を含み、記憶部１４４に記憶されているプログラム１４４Ａを読み出して実行することにより、判定部１４２Ａ及び運転制御部１４２Ｂとして機能する。
【００５３】
本実施形態に係る判定部１４２Ａは、排気熱交換器３１から流出する冷媒Ｗ２の流出温度Ｔ２が第１目標温度であり、かつ、排気熱交換器３１に流入する冷媒Ｗ２の流入温度Ｔ１が第１目標温度よりも低い第１設定温度以上であるか否かを判定する。目標温度とは、冷媒タンク３０中の冷媒Ｗ２が蓄熱量の少ない状態（冷水）から蓄熱量が最大の満蓄状態になる前までに蓄熱を行うときに流出温度Ｔ２（熱回収温度）の目標となる温度であり、一例として、５０℃以上７０℃以下の範囲で設定される。蓄熱量が少ない状態では、流出温度Ｔ２を第１目標温度にして冷媒Ｗ２が蓄熱される。そして、満蓄状態に近づくと、流入温度Ｔ１が高くなり第１設定温度以上となる。つまり、第１設定温度は、冷媒Ｗ２が満蓄状態に近いか否かを判定するための閾値となる温度である。例えば、第１目標温度を６０℃とした場合、第１設定温度は、（６０-α）℃とされる。なお、満蓄状態とは、目標温度毎に、蓄熱量が最大となる状態を意味する。
【００５４】
運転制御部１４２Ｂは、判定部１４２Ａにより、流出温度Ｔ２が第１目標温度であり、かつ、流入温度Ｔ１が第１設定温度以上であると判定された場合に、熱回収ポンプ４０の冷媒Ｗ２の送出量を制御する。この送出量の制御により、冷媒Ｗ２の流出温度Ｔ２を第１目標温度よりも高い第２目標温度とする。第１目標温度を一例として６０℃とした場合、第２目標温度は一例として６５℃とされる。なお、これらの第１目標温度、第２目標温度、及び第１設定温度の情報は、予め記憶部１４４に記憶されている。
【００５５】
ここで、熱回収ポンプ４０の冷媒Ｗ２の送出量を少なくする制御を行うと、排気熱交換器３１を流れる冷媒Ｗ２の単位時間当たりの流量が減少し、冷媒Ｗ２の流出温度Ｔ２は上昇する。一方、熱回収ポンプ４０の冷媒Ｗ２の送出量を多くする制御を行うと、排気熱交換器３１を流れる冷媒Ｗ２の単位時間当たりの流量が増加し、冷媒Ｗ２の流出温度Ｔ２は低下する。つまり、運転制御部１４２Ｂは、熱回収ポンプ４０の冷媒Ｗ２の送出量を少なくする制御を行い、流出温度Ｔ２を高めて第２目標温度にする。
【００５６】
さらに、運転制御部１４２Ｂは、流出温度Ｔ２が第２目標温度であり、かつ、流入温度Ｔ１が第２設定温度以上の場合に、熱回収ポンプ４０の冷媒Ｗ２の送出量を制御することにより、流出温度Ｔ２を第２目標温度よりも高い第３目標温度にする。なお、第２設定温度は、第１設定温度よりも高く、第２目標温度よりも低い。例えば、第１設定温度を（６０-α）℃、第２目標温度を６５℃とした場合、第２設定温度は、（６５-β）℃とされる。なお、αとβは、同じでもよいし、異なっていてもよい。第２目標温度を一例として６５℃とした場合、第３目標温度は一例として７０℃とされる。これらの第３目標温度及び第２設定温度の情報は、予め記憶部１４４に記憶されている。
【００５７】
本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、熱回収ポンプ４０を制御することで、冷媒タンク３０に収容された冷媒Ｗ２の蓄熱状態に応じて排気熱交換器３１から流出する冷媒の流出温度Ｔ２を変化させない場合と比べ、効率の良い熱回収が行える。熱回収温度、すなわち、排気熱交換器３１から排出される冷媒Ｗ２の流出温度Ｔ２が高いほど、多くの熱を冷媒タンク３０に蓄えることができる。しかし一方で、排気熱交換器３１において冷媒Ｗ２とバーナ排ガスとの温度差が小さくなるため、単位時間当たりの熱回収量（熱回収速度）は減少する。
【００５８】
逆に、冷媒Ｗ２の流出温度Ｔ２を低くすると、冷媒タンク３０に蓄える熱は少なくなるが、排気熱交換器３１において冷媒Ｗ２とバーナ排ガスとの温度差が大きくなるため、単位時間当たりに多くの熱を回収することができる。
【００５９】
よって、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２の蓄熱量が少ないときには流出温度Ｔ２を低めに制御し、素早くバーナ排ガスの熱を回収する。一方、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２が満蓄に近づいてきたら流出温度Ｔ２を上昇させて冷媒タンク３０の蓄熱量を増やすことで、バーナ排ガスからの熱をより多く利用することが可能となる。
【００６０】
例えば、給湯経路１２１から排出される上水（湯）は、バックアップ熱源機ユニット１４を介して外部機器で利用される。ここでいう外部機器としては、住宅に設置され、湯を利用する水機器全般が含まれる。外部機器で湯を利用する場合、外部機器から制御装置７０に給湯指令が送られる。制御装置７０の運転制御部１４２Ｂは、外部機器からの給湯指令に応じて、予熱ポンプ５０を動作させる制御を行う。給湯指令に応じて予熱ポンプ５０を動作させることで、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２の温度上昇を抑制することができる。すなわち、冷媒Ｗ２の流入温度Ｔ１の上昇を抑制することができる。このため、例えば、第２設定温度になるまでの時間を長く取ることが可能となる。これにより、冷媒Ｗ２の流出温度Ｔ２が比較的低い状態で、素早くバーナ排ガスの熱を回収することができる。
【００６１】
図４は、本実施形態に係る冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２に形成される温度層の一例を示す図である。なお、実際には温度層間に温度勾配が存在するが、説明の便宜上、温度勾配は無視するものとする。
【００６２】
図４の（Ｓ１）に示すように、冷媒タンク３０に収容された冷媒Ｗ２は、流出温度Ｔ２（熱回収温度）を第１目標温度Ｔａ（例えば６０℃）にして蓄熱が開始される。（Ｓ１）では、冷媒タンク３０に収容された冷媒Ｗ２には、冷水からなる第１温度層３０Ｐが形成されている。
【００６３】
（Ｓ２）に示すように、第１目標温度Ｔａでの冷媒Ｗ２の蓄熱が進むと、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２には２つの温度層が形成される。つまり、冷媒タンク３０の下側の冷媒Ｗ２には冷水からなる第１温度層３０Ｐが形成され、冷媒タンク３０の上側の冷媒Ｗ２には第１目標温度Ｔａに加熱された水からなる第２温度層３０Ｑが形成される。
【００６４】
（Ｓ３）に示すように、第１目標温度Ｔａでの冷媒Ｗ２の蓄熱が更に進むと、冷媒タンク３０内での冷媒Ｗ２は、第１目標温度Ｔａに加熱された水からなる第２温度層３０Ｑのみで形成される。第１目標温度Ｔａでの冷媒Ｗ２の満蓄が近づくと、冷媒Ｗ２の流入温度Ｔ１が上昇し、第１設定温度（例えば（６０-α）℃）以上となる。この場合、熱回収温度を第１目標温度Ｔａから第２目標温度Ｔｂ（例えば６５℃）に昇温させる。
【００６５】
（Ｓ４）に示すように、第２目標温度Ｔｂでの冷媒Ｗ２の蓄熱が進むと、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２には２つの温度層が形成される。つまり、冷媒タンク３０の下側の冷媒Ｗ２には第１目標温度Ｔａに加熱された水からなる第２温度層３０Ｑが形成され、冷媒タンク３０の上側の冷媒Ｗ２には第２目標温度Ｔｂに加熱された水からなる第３温度層３０Ｒが形成される。
【００６６】
（Ｓ５）に示すように、第２目標温度Ｔｂでの冷媒Ｗ２の蓄熱が更に進むと、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２は、第２目標温度Ｔｂに加熱された水からなる第３温度層３０Ｒのみで形成される。第２目標温度Ｔｂでの冷媒Ｗ２の満蓄が近づくと、冷媒Ｗ２の流入温度Ｔ１が上昇し、第２設定温度（例えば（６５-α）℃）以上となる。この場合、熱回収温度を第２目標温度Ｔｂから第３目標温度Ｔｃ（例えば７０℃）に昇温させる。
【００６７】
（Ｓ６）に示すように、第３目標温度Ｔｃでの冷媒Ｗ２の蓄熱が進むと、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２には２つの温度層が形成される。つまり、冷媒タンク３０の下側の冷媒Ｗ２には第２目標温度Ｔｂに加熱された水からなる第３温度層３０Ｒが形成され、冷媒タンク３０の上側の冷媒Ｗ２には第３目標温度Ｔｃに加熱された水からなる第４温度層３０Ｓが形成される。
【００６８】
（Ｓ７）に示すように、第３目標温度Ｔｃでの冷媒Ｗ２の蓄熱が更に進むと、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２は、第３目標温度Ｔｃに加熱された水からなる第４温度層３０Ｓのみで形成される。第３目標温度Ｔｃでの冷媒Ｗ２の満蓄が近づくと、冷媒Ｗ２の流入温度Ｔ１が上昇し、第３設定温度（例えば（７０-γ）℃）以上となる。この場合、例えば、ラジエータファン４３を作動させ、ラジエータ４２から放熱を行うことで、冷媒Ｗ２の温度を所定の温度まで低下させる。
【００６９】
上記の例では、流出温度Ｔ２を６０℃以上７０℃以下の範囲で５℃の間隔で制御した場合について示したが、流出温度Ｔ２の範囲や制御の間隔は、これに限定されるものではない。
【００７０】
ここで、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２の蓄熱の途中で、外部機器からの給湯指令が有り、少量の熱が利用された場合を想定する。このとき、冷媒タンク３０の上部に所定割合以上の高温層（例えば第３温度層３０Ｒ）が残っていれば、図４の（Ｓ８）〜（Ｓ１０）に示すように、温度層の状態を保持しながら、高温層の温度（例えば第２目標温度Ｔｂ）から冷媒Ｗ２の蓄熱処理を継続して行う。
【００７１】
一方、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２の蓄熱の途中で、外部機器から給湯指令が有り、多くの熱が利用された場合を想定する。このとき、冷媒タンク３０に所定割合以上の高温層が残っていなければ、図４の（Ｓ１１）〜（Ｓ１３）に示すように、再度、流出温度Ｔ２を第１目標温度Ｔａにして蓄熱を開始する。
【００７２】
次に、図５及び図６を参照して、本実施形態に係る制御装置７０の作用を説明する。なお、図５は、本実施形態に係るプログラム１４４Ａによるポンプ制御処理の一例を示すフローチャートである。図６は、本実施形態に係るプログラム１４４Ａによるポンプ制御処理の割込処理の一例を示すフローチャートである。
【００７３】
制御部１４２は、例えば、利用者により燃料電池システム１０の運転開始が指示された場合に、記憶部１４４に記憶されているプログラム１４４Ａを読み出して実行する。
【００７４】
まず、図５のステップ２００では、運転制御部１４２Ｂが、熱回収ポンプ４０の冷媒Ｗ２の送出量を制御することにより、流出温度Ｔ２（熱回収温度）を第１目標温度Ｔａにして冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２に蓄熱を開始させる。
【００７５】
ステップ２０２では、判定部１４２Ａが、流出温度Ｔ２の更新指示（割込み指示）が有ったか否かを判定する。流出温度Ｔ２の更新指示が有ったと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ２０４に移行し、流出温度Ｔ２の更新指示が無いと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ２０８に移行する。
【００７６】
ステップ２０４では、判定部１４２Ａが、流出温度Ｔ２が第１目標温度Ｔａであるか否かを判定する。流出温度Ｔ２が第１目標温度Ｔａであると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ２０８に移行し、流出温度Ｔ２が第１目標温度Ｔａではないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ２０６に移行する。
【００７７】
ステップ２０６では、運転制御部１４２Ｂが、流出温度Ｔ２を第１目標温度Ｔａに更新し、流出温度Ｔ２が第１目標温度Ｔａとなるように熱回収ポンプ４０の冷媒Ｗ２の送出量を制御する。
【００７８】
ステップ２０８では、判定部１４２Ａが、流出温度Ｔ２が第３目標温度Ｔｃ（本実施形態での上限温度）であるか否かを判定する。流出温度Ｔ２が第３目標温度Ｔｃではないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ２１０に移行し、流出温度Ｔ２が第３目標温度Ｔｃであると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ２２２に移行する。
【００７９】
ステップ２１０では、判定部１４２Ａが、ラジエータファン４３が作動中であるか否かを判定する。ラジエータファン４３が作動中と判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ２１２に移行し、ラジエータファン４３が作動中でない、つまり、停止中と判定した場合（否定判定の場合）、ステップ２１４に移行する。
【００８０】
ステップ２１２では、運転制御部１４２Ｂが、ラジエータファン４３を停止させる。
【００８１】
ステップ２１４では、判定部１４２Ａが、流入温度Ｔ１が第１設定温度以上であるか否かを判定する。流入温度Ｔ１が第１設定温度以上であると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ２１６に移行し、流入温度Ｔ１が第１設定温度未満であると判定した場合（否定判定の場合）、ステップ２０２に戻り処理を繰り返す。
【００８２】
ステップ２１６では、判定部１４２Ａが、流入温度Ｔ１が第２設定温度以上であるか否かを判定する。流入温度Ｔ１が第２設定温度未満であると判定した場合（否定判定の場合）、ステップ２１８に移行し、流入温度Ｔ１が第１設定温度以上であると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ２２０に移行する。
【００８３】
ステップ２１８では、運転制御部１４２Ｂが、流出温度Ｔ２が第１目標温度Ｔａよりも高い第２目標温度Ｔｂとなるように熱回収ポンプ４０の冷媒Ｗ２の送出量を制御し、ステップ２０２に戻り処理を繰り返す。
【００８４】
一方、ステップ２２０では、運転制御部１４２Ｂが、流出温度Ｔ２が第２目標温度Ｔｂよりも高い第３目標温度Ｔｃとなるように熱回収ポンプ４０の冷媒Ｗ２の送出量を制御し、ステップ２０２に戻り処理を繰り返す。
【００８５】
また、ステップ２２２では、判定部１４２Ａが、流入温度Ｔ１が第３設定温度以上であるか否かを判定する。流入温度Ｔ１が第３設定温度以上であると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ２２４に移行し、流入温度Ｔ１が第３設定温度未満であると判定した場合（否定判定の場合）、ステップ２２６に移行する。
【００８６】
ステップ２２４では、運転制御部１４２Ｂが、ラジエータファン４３を作動させ、ラジエータ４２から放熱を行い、冷媒Ｗ２の温度を所定の温度まで低下させる。その後、ステップ２０２に戻り処理を繰り返す。
【００８７】
一方、ステップ２２６では、判定部１４２Ａが、ラジエータファン４３が作動中であるか否かを判定する。ラジエータファン４３が作動中と判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ２２８に移行し、ラジエータファン４３が作動中でない、つまり、停止中と判定した場合（否定判定の場合）、ステップ２０２に戻り処理を繰り返す。
【００８８】
ステップ２２８では、運転制御部１４２Ｂが、ラジエータファン４３を停止させ、ステップ２０２に戻り処理を繰り返す。
【００８９】
なお、本実施形態に係る制御装置７０は、利用者による運転終了の指示を受け付けるまで、上記の一連の処理を繰り返し実行するものとする。
【００９０】
次に、図６のステップ３００では、制御部１４２が、図５のステップ２００〜ステップ２２８までの処理中に、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２に蓄積された熱の利用が有ったか否かを判定する。熱の利用が有ったと判定した場合（肯定判定の場合）ステップ３０２に移行し、熱の利用が無いと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ３００で待機となる。なお、熱の利用が有ったか否かの判定は、例えば、外部機器からの給湯指令を受け付けたか否かで判定される。
【００９１】
ステップ３０２では、制御部１４２が、冷媒タンク３０のタンク蓄熱残量を計算する。
【００９２】
ステップ３０４では、制御部１４２が、ステップ３０２で計算したタンク蓄熱残量が予め定められた設定値Ｑ０よりも小さいか否かを判定する。タンク蓄熱残量が予め定められた設定値Ｑ０よりも小さいと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ３０６に移行し、タンク蓄熱残量が予め定められた設定値Ｑ０以上であると判定した場合（否定判定の場合）、ステップ３００に戻り処理を繰り返す。
【００９３】
ステップ３０６では、制御部１４２が、判定部１４２Ａに対して、流出温度Ｔ２を第１目標温度Ｔａに更新する指示（割込み指示）を行い、ステップ３００に戻り処理を繰り返す。本実施形態においては、この割込み指示が、上述のステップ２０２での処理で検知される。
【００９４】
なお、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、上述のように、冷媒Ｗ２の流入温度Ｔ１がある程度の高温となり、低下させる必要がある場合にはラジエータファン４３を作動させる。なお、運転制御部１４２Ｂは、流入温度Ｔ１の他に、温度センサ６５からの外気温の測定データや、液面レベルセンサ２４Ａからの改質水タンク２４の改質水Ｗ１の液面レベルの測定データに基づいて、ラジエータファン４３の動作を制御してもよい。ラジエータファン４３の動作を制御することで、排気熱交換器３１に流入させる冷媒Ｗ２の温度を低下させることができ、これにより、排気熱交換器３１で生成される改質水Ｗ１の量を増加させることができる。
【００９５】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２を給湯に用いておらず、冷媒Ｗ２と、給湯に用いる上水とを分離している。このため、湯の使用によって冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２の量が変化することが無く、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２の量を制御する必要が無い。また、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２が外部と分離されているため、冷媒Ｗ２の選択肢が広がり、温度帯に応じて冷媒Ｗ２を選択することができる。この場合、例えば、潜熱蓄熱材の使用も可能となる。更には、排気熱交換器３１に上水による水圧がかからないため、排気熱交換器３１の薄肉化が可能となり、性能向上、軽量化、低コスト化することが可能となる。
【００９６】
また、冷媒タンク３０の天井壁３０Ａには、内部と外部とを連通する開口部３３が設けられている。このため、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２が温度上昇に伴って膨張しても、冷媒Ｗ２の上の空気は開口部３３から外部へ排出されるので、タンク内の圧力上昇を抑制することができる。
【００９７】
したがって、冷媒タンク３０内の圧力上昇を抑えるために、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２を外部へ排出する必要が無い。すなわち、冷媒タンク３０から外部への排水が無いため、冷媒Ｗ２を外部へ排水するための経路を必要とせず、燃料電池システム１０のコンパクト化を図ることができる。また、冷媒Ｗ２を外部へ排水するための経路を排水配管（下水）に繋ぐ現場工事も必要としない。
【００９８】
また、暖められた冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２は、上水熱交換器４４で、外部より供給された上水との間で熱交換を行うことができる。予熱ポンプ５０を動作させることで、第２循環経路１２０は、冷媒タンク３０と上水熱交換器４４との間で冷媒Ｗ２を循環させるため、外部の上水道から供給された上水は、上水熱交換器４４で加熱されて暖められる。
【００９９】
混合弁６２は、上水熱交換器４４で加熱された上水に、外部の上水道から供給された冷たい上水を混合して排出することができ、また、上水熱交換器４４で加熱された上水をそのまま排出することもできる。混合弁６２は、制御部１４２からの制御信号に基づいて、上水熱交換器４４で加熱された上水と、外部の上水道から供給された冷たい上水との混合比を調整して排出することができる。
【０１００】
バックアップ熱源機ユニット１４は、例えば、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２の温度が低く、上水熱交換器４４から排出される上水の温度が低い場合等に、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２から供給される上水を更に加熱することができる。また、バックアップ熱源機ユニット１４は、図示しない住宅の風呂の追い炊きをする場合に使用することもできる。
【０１０１】
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２と、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２とは別体のバックアップ熱源機ユニット１４の２つのユニットで構成されている。このため、燃料電池ユニットとバックアップ熱源機ユニットとを一体化した１つのユニット構成のものと比較して、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２及びバックアップ熱源機ユニット１４の各々の質量が軽量化され、サイズも小さくなる。すなわち、各ユニットを小型化及び軽量化することができ、運搬性を向上させることができる。また、ユニット１個当たりの設置面積を小さくできるので、設置の自由度が向上する。
【０１０２】
冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２においては、冷媒タンク３０と上水熱交換器４４とが、同じ筐体１６の内部に配置されている。このため、冷媒タンク３０と上水熱交換器４４とを別体の筐体に配置した場合に比較して、上水熱交換器４４を冷媒タンク３０の近くに配置できる。さらに、上水熱交換器４４と冷媒タンク３０とを連結する第２送出し側配管４６及び第２戻し側配管４８からの熱の放出、すなわち、熱ロスを抑制することができる。
【０１０３】
本実施形態に係る燃料電池システム１０では、冷媒タンク３０が、住宅に供給される上水と独立した系に設けられており、上述したように、住宅への給湯の有無により冷媒Ｗ２の量が変わらない。すなわち、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２を住宅の水機器に供給しないので、タンク内の冷媒Ｗ２が空になる事は無く、また、上水熱交換器４４で暖めた新鮮な上水を住宅の水機器に供給することが出来る。
【０１０４】
以上、実施形態として燃料電池システム及びその制御装置を例示して説明した。実施形態は、制御装置が備える各部の機能をコンピュータに実行させるためのプログラムの形態としてもよい。実施形態は、このプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体の形態としてもよい。
【０１０５】
その他、上記実施形態で説明した制御装置の構成は、一例であり、主旨を逸脱しない範囲内において状況に応じて変更してもよい。
【０１０６】
また、上記実施形態で説明したプログラムの処理の流れも、一例であり、主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。
【０１０７】
また、上記実施形態では、プログラムを実行することにより、実施形態に係る処理がコンピュータを利用してソフトウェア構成により実現される場合について説明したが、これに限らない。実施形態は、例えば、ハードウェア構成や、ハードウェア構成とソフトウェア構成との組み合わせによって実現してもよい。
【符号の説明】
【０１０８】
１０   燃料電池システム
１２   冷媒タンク付き燃料電池ユニット
１４   バックアップ熱源機ユニット
１６   筐体
１７   発電部
１８   燃料電池モジュール
１９   冷媒加熱部
２０   燃料ガス管
２１   上水加熱部
２２   脱硫器
２４   改質水タンク
２４Ａ 液面レベルセンサ
２６   改質水供給管
２８   改質水ポンプ
３０   冷媒タンク
３０Ａ 天井壁
３０Ｐ、３０Ｑ、３０Ｒ、３０Ｓ  第１〜第４温度層
３１   排気熱交換器
３２   第１排ガス管
３３   開口部
３４   第２排ガス管
３５   排水管
３６   第１送出し側配管
３８   第１戻し側配管
４０   熱回収ポンプ
４２   ラジエータ
４３   ラジエータファン
４４   上水熱交換器
４６   第２送出し側配管
４８   第２戻し側配管
５０   予熱ポンプ
５２   上水供給配管
５４   上水分岐配管
５６   給湯配管
５８   給湯分岐配管
６０   補水弁
６２   混合弁
６４   上水排出配管
６５   温度センサ
６８   インバータ
７０   制御装置
７１   筐体
７２   改質触媒
７４   バーナ
７５   燃料ガス管
７６   燃料電池スタック
７８   燃料極
８０   スタック排ガス管
８１   燃料電池セル
８２   電解質層
８４   空気極
８６   空気ブロワ
８８   酸化ガス管
９０   燃料極排ガス管
９２   空気極排ガス管
１１８ 第１循環経路
１２０ 第２循環経路
１２１ 給湯経路
１３１ 第１温度センサ
１３２ 第２温度センサ
１４２ 制御部
１４２Ａ      判定部
１４２Ｂ      運転制御部
１４４ 記憶部
１４４Ａ      プログラム
【図１】
2018165585.tif 000003
【図２】
2018165585.tif 000004
【図３】
2018165585.tif 000005
【図４】
2018165585.tif 000006
【図５】
2018165585.tif 000007
【図６】
2018165585.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成29年7月6日(2017.7.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと改質水とが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の排気と冷媒との間で熱交換を行う排気熱交換器と、
前記排気熱交換器へ供給する前記冷媒を貯留する冷媒タンクと、
前記冷媒タンクと前記排気熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第１循環経路と、
前記第１循環経路の前記排気熱交換器の前段に設けられ、前記第１循環経路に前記冷媒を送出する第１ポンプと、
前記冷媒タンクから供給される前記冷媒と外部より供給された上水との間で熱交換を行う上水熱交換器と、
前記冷媒タンクと前記上水熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第２循環経路と、
前記上水熱交換器で加熱された前記上水を排出する排出経路と、
前記排気熱交換器から流出する前記冷媒の流出温度が第１目標温度であり、かつ、前記排気熱交換器に流入する前記冷媒の流入温度が前記第１目標温度よりも低い第１設定温度以上の場合に、前記第１ポンプの前記冷媒の送出量を減少させる制御を行うことにより、前記流出温度を前記第１目標温度よりも高い第２目標温度にする制御部を含む制御装置と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記流出温度が前記第２目標温度であり、かつ、前記流入温度が前記第１設定温度よりも高く前記第２目標温度よりも低い第２設定温度以上の場合に、前記第１ポンプの前記冷媒の送出量を減少させる制御を行うことにより、前記流出温度を前記第２目標温度よりも高い第３目標温度にする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２循環経路に設けられ、前記第２循環経路に前記冷媒を送出する第２ポンプを更に備え、
前記制御部は、外部機器からの給湯指令に応じて、前記第２ポンプを動作させる制御を行う請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１循環経路に設けられたラジエータと、
前記制御部からの制御に従って、前記ラジエータへの送風を行うラジエータファンと、
を更に備えた請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料ガスと改質水とが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の排気と冷媒との間で熱交換を行う排気熱交換器と、
前記排気熱交換器へ供給する前記冷媒を貯留する冷媒タンクと、
前記冷媒タンクと前記排気熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第１循環経路と、
前記第１循環経路の前記排気熱交換器の前段に設けられ、前記第１循環経路に前記冷媒を送出する第１ポンプと、
前記冷媒タンクから供給される前記冷媒と外部より供給された上水との間で熱交換を行う上水熱交換器と、
前記冷媒タンクと前記上水熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第２循環経路と、
前記上水熱交換器で加熱された前記上水を排出する排出経路と、
を備えた燃料電池システムの運転を制御する制御装置であって、
前記排気熱交換器から流出する前記冷媒の流出温度が第１目標温度であり、かつ、前記排気熱交換器に流入する前記冷媒の流入温度が前記第１目標温度よりも低い第１設定温度以上の場合に、前記第１ポンプの前記冷媒の送出量を減少させる制御を行うことにより、前記流出温度を前記第１目標温度よりも高い第２目標温度にする制御部を含む制御装置。
【請求項６】
コンピュータを、請求項１〜５のいずれか１項に記載の制御装置が備える制御部として機能させるためのプログラム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の燃料電池システムは、燃料ガスと改質水とが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の排気と冷媒との間で熱交換を行う排気熱交換器と、前記排気熱交換器へ供給する前記冷媒を貯留する冷媒タンクと、前記冷媒タンクと前記排気熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第１循環経路と、前記第１循環経路の前記排気熱交換器の前段に設けられ、前記第１循環経路に前記冷媒を送出する第１ポンプと、前記冷媒タンクから供給される前記冷媒と外部より供給された上水との間で熱交換を行う上水熱交換器と、前記冷媒タンクと前記上水熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第２循環経路と、前記上水熱交換器で加熱された前記上水を排出する排出経路と、前記排気熱交換器から流出する前記冷媒の流出温度が第１目標温度であり、かつ、前記排気熱交換器に流入する前記冷媒の流入温度が前記第１目標温度よりも低い第１設定温度以上の場合に、前記第１ポンプの前記冷媒の送出量を減少させる制御を行うことにより、前記流出温度を前記第１目標温度よりも高い第２目標温度にする制御部を含む制御装置と、を備えたものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
また、請求項２に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部が、前記流出温度が前記第２目標温度であり、かつ、前記流入温度が前記第１設定温度よりも高く前記第２目標温度よりも低い第２設定温度以上の場合に、前記第１ポンプの前記冷媒の送出量を減少させる制御を行うことにより、前記流出温度を前記第２目標温度よりも高い第３目標温度にするものである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
一方、上記目的を達成するために、請求項５に記載の制御装置は、燃料ガスと改質水とが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の排気と冷媒との間で熱交換を行う排気熱交換器と、前記排気熱交換器へ供給する前記冷媒を貯留する冷媒タンクと、前記冷媒タンクと前記排気熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第１循環経路と、前記第１循環経路の前記排気熱交換器の前段に設けられ、前記第１循環経路に前記冷媒を送出する第１ポンプと、前記冷媒タンクから供給される前記冷媒と外部より供給された上水との間で熱交換を行う上水熱交換器と、前記冷媒タンクと前記上水熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第２循環経路と、前記上水熱交換器で加熱された前記上水を排出する排出経路と、を備えた燃料電池システムの運転を制御する制御装置であって、前記排気熱交換器から流出する前記冷媒の流出温度が第１目標温度であり、かつ、前記排気熱交換器に流入する前記冷媒の流入温度が前記第１目標温度よりも低い第１設定温度以上の場合に、前記第１ポンプの前記冷媒の送出量を減少させる制御を行うことにより、前記流出温度を前記第１目標温度よりも高い第２目標温度にする制御部を含むものである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
さらに、上記目的を達成するために、請求項６に記載のプログラムは、コンピュータを、請求項１〜５のいずれか１項に記載の制御装置が備える制御部として機能させるものである。