(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、顕熱／潜熱比が小さい場合であっても、熱回収効率を最適にする。【解決手段】燃料電池システムの制御装置１５は、熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｃによって検出された熱交換器貯湯水入口温度Ｔ１に応じて熱交換器貯湯水出口温度Ｔ２の目標温度Ｔ２＊（熱交換器貯湯水出口目標温度Ｔ２＊）を設定する目標温度設定部（ステップＳ１０８）と、熱交換器貯湯水出口温度Ｔ２が目標温度設定部（ステップＳ１０８）にて設定された目標温度（熱交換器貯湯水出口目標温度Ｔ２＊）となるように、貯湯水循環ポンプ２２ｂの送出量を制御する送出量制御部（ステップＳ１１２）と、を備えている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
改質用原料と改質水とから前記燃料を生成して前記燃料電池に供給する改質部と、
前記燃料電池からの未使用の前記燃料を含む可燃性ガスを導入し酸化剤ガスで燃焼して燃焼排ガスを導出する燃焼部と、
貯湯水を貯水する貯湯槽と、
前記燃焼排ガスと前記貯湯水との間で熱交換が行われ、前記燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する熱交換器と、
前記貯湯槽と前記熱交換器との間において前記貯湯水を循環させるように形成された貯湯水循環ラインと、
前記貯湯水循環ラインに設けられ、前記貯湯水を送出して循環させる送出装置と、
前記貯湯水循環ラインであって前記熱交換器の貯湯水導入口と前記貯湯槽の貯湯水導出口との間に設けられ、前記熱交換器に導入される前記貯湯水の温度である熱交換器貯湯水入口温度を検出する熱交換器貯湯水入口温度センサと、
前記貯湯水循環ラインであって前記熱交換器の貯湯水導出口と前記貯湯槽の貯湯水導入口との間に設けられ、前記熱交換器から導出される前記貯湯水の温度である熱交換器貯湯水出口温度を検出する熱交換器貯湯水出口温度センサと、
前記送出装置の送出量を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記熱交換器貯湯水入口温度センサによって検出された前記熱交換器貯湯水入口温度に応じて前記熱交換器貯湯水出口温度の目標温度を設定する目標温度設定部と、
前記熱交換器貯湯水出口温度が前記目標温度設定部にて設定された前記目標温度となるように、前記送出装置の送出量を制御する送出量制御部と、を備えている燃料電池システム。
【請求項２】
前記目標温度設定部は、前記熱交換器貯湯水入口温度が高くなるほど、前記目標温度が小さくなるように設定する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池システムは、前記熱交換器に導入された前記燃焼排ガスの温度である熱交換器燃焼排ガス入口温度を検出する熱交換器燃焼排ガス入口温度センサをさらに備え、
前記目標温度設定部は、前記熱交換器燃焼排ガス入口温度センサによって検出された前記熱交換器燃焼排ガス入口温度も考慮して、前記熱交換器貯湯水入口温度センサによって検出された前記熱交換器貯湯水入口温度に応じて前記熱交換器貯湯水出口温度の目標温度を設定する請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの一形式として、特許文献１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、燃料電池システムは、燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われ、燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する熱交換器を備えている。さらに、特許文献１の図２に示されているように、燃料電池システムの制御装置１５は、燃料電池３４の発電に必要な改質水量を熱交換器１２で生成される凝縮水のみで賄うことができる水自立が成立していないか否かを判定する水自立不成立判定部（ステップＳ１０２）と、水自立成立判定部（ステップＳ１０２）によって水自立が不成立である旨判定されている場合、熱交換器１２の貯湯水出口温度の目標温度を減少させる目標温度減少設定部（ステップＳ１０６）と、目標温度減少設定部（ステップＳ０６）にて設定された目標温度となるように、貯湯水循環ポンプ２２ｂの送出量を制御する送出量制御部（ステップＳ１０８）と、を備えている。
これによれば、燃料電池システムにおいて、凝縮水量を必要かつ十分に生成することができ、ひいては、水自立を成立させることは可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−２２５１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許文献１に記載されている燃料電池システムは、水自立が成立するものの、熱回収効率が低下するおそれがあった。その理由は、燃焼排ガスにおいて潜熱に対する顕熱の比率である顕熱／潜熱比が小さい場合であって、貯湯水温度が高温である場合（特に高発電効率の燃料電池システム）には、潜熱が回収され難いため、燃料電池システムの熱回収効率が低下するからである。
【０００５】
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、燃料電池システムにおいて、顕熱／潜熱比が小さい場合であっても、熱回収効率を最適にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池システムの発明は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、改質用原料と改質水とから燃料を生成して燃料電池に供給する改質部と、燃料電池からの未使用の燃料を含む可燃性ガスを導入し酸化剤ガスで燃焼して燃焼排ガスを導出する燃焼部と、貯湯水を貯水する貯湯槽と、燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われ、燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する熱交換器と、貯湯槽と熱交換器との間において貯湯水を循環させるように形成された貯湯水循環ラインと、貯湯水循環ラインに設けられ、貯湯水を送出して循環させる送出装置と、貯湯水循環ラインであって熱交換器の貯湯水導入口と貯湯槽の貯湯水導出口との間に設けられ、熱交換器に導入される貯湯水の温度である熱交換器貯湯水入口温度を検出する熱交換器貯湯水入口温度センサと、貯湯水循環ラインであって熱交換器の貯湯水導出口と貯湯槽の貯湯水導入口との間に設けられ、熱交換器から導出される貯湯水の温度である熱交換器貯湯水出口温度を検出する熱交換器貯湯水出口温度センサと、送出装置の送出量を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、熱交換器貯湯水入口温度センサによって検出された熱交換器貯湯水入口温度に応じて熱交換器貯湯水出口温度の目標温度を設定する目標温度設定部と、熱交換器貯湯水出口温度が目標温度設定部にて設定された目標温度となるように、送出装置の送出量を制御する送出量制御部と、を備えている。
【発明の効果】
【０００７】
これによれば、熱交換器貯湯水出口温度（熱交換器貯湯水出口温度の目標温度）が、熱交換器貯湯水入口温度に応じて調節可能となるため、貯湯水に回収される顕熱部分を小さく抑制することが可能となる。その結果、顕熱／潜熱比率が比較的小さい場合、すなわち顕熱が比較的少ない場合であっても、貯湯水に回収される顕熱部分を小さく抑制することにより、潜熱を効率よく回収することが可能となる。したがって、燃料電池システムにおいて、顕熱／潜熱比が小さい場合であっても、熱回収効率を最適にすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明による燃料電池システムの一実施形態の概要を示す概要図である。
【図２】図１に示す制御装置で実行される制御プログラムのフローチャートである。
【図３】貯湯水出口目標温度−貯湯水入口温度特性（Ｔ２＊−Ｔ１特性）を示す複数のマップを示す図である。
【図４】上段は、燃焼排ガス温度が温度Ｔ３ａである場合の貯湯水入口温度と熱回収効率との関係を、貯湯水出口温度を変更して示す図であり、下段は、燃焼排ガス温度が温度Ｔ３ａである場合の貯湯水入口温度と水収支との関係を、貯湯水出口温度を変更して示す図である。
【図５】上段は、燃焼排ガス温度を変更した場合の貯湯水入口温度と熱回収効率との関係を、貯湯水出口温度を変更して示す図であり、下段は、燃焼排ガス温度を変更した場合の貯湯水入口温度と水収支との関係を、貯湯水出口温度を変更して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明による燃料電池システム１の一実施形態について説明する。燃料電池システム１は、図１に示すように、発電ユニット１０および貯湯槽２１を備えている。発電ユニット１０は、筐体１０ａ、燃料電池モジュール１１（３０）、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、および制御装置１５を備えている。燃料電池モジュール１１（３０）、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、および制御装置１５は、筐体１０ａ内に収容されている。
【００１０】
燃料電池モジュール１１は、後述するように燃料電池３４を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール１１は、改質用原料、改質水およびカソードエアが供給されている。具体的には、燃料電池モジュール１１は、一端が供給源Ｇｓに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。改質用原料供給管１１ａは、原料ポンプ１１ａ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端が水タンク１４に接続されて改質水が供給される水供給管１１ｂの他端が接続されている。水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。
【００１１】
熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガス（燃料電池３４および改質部３３の各排熱を含んでいる）と貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器である。また、熱交換器１２は、燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われ、燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する。貯湯水は、燃焼排ガスの排熱を回収する熱媒体（排熱回収水）である。
【００１２】
貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。貯湯水循環ライン２２上には、下端から上端に向かって順番にラジエータ２２ａ、貯湯水循環ポンプ２２ｂ、熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｃ（以下、第１温度センサ２２ｃと称する場合もある。）、熱交換器１２、および熱交換器貯湯水出口温度センサ２２ｄ（以下、第２温度センサ２２ｄと称する場合もある。）が配設されている。
【００１３】
熱交換器１２は、ケーシング１２ｂを備えている。ケーシング１２ｂの上部には、燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続されている。ケーシング１２ｂの下部には、外部（大気）に接続されている排気管１１ｅが接続されている。ケーシング１２ｂの底部には、水タンク１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。ケーシング１２ｂ内には、燃焼排ガスが通過する燃焼排ガス流路（図示省略）が形成されている。この燃焼排ガス流路に、貯湯水循環ライン２２に接続されている熱交換部（凝縮部）１２ｃが配設されている。熱交換部１２ｃ内には、貯湯水が流れ、熱交換部１２ｃの外側には、燃焼排ガスが流れている。なお、貯湯水と燃焼排ガスとは互いに反対向きに流れるように構成されるのが好ましい。
【００１４】
このように構成された熱交換器１２においては、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通ってケーシング１２ｂ内に導入され、貯湯水が流通する熱交換部１２ｃを通る際に貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。その後、燃焼排ガスは排気管１１ｅを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される（自重で落水する）。一方、熱交換部１２ｃに流入した貯湯水は、加熱されて流出される。
【００１５】
また、熱交換器１２（ケーシング１２ｂ）内には、導入される燃焼排ガスの温度（熱交換器燃焼排ガス入口温度Ｔ３。以下、燃焼排ガス入口温度Ｔ３または第３温度Ｔ３と称する場合もある。）を検出する温度センサ１２ｄ（以下、第３温度センサ１２ｄと称する場合もある。）が設けられている。温度センサ１２ｄは、燃焼排ガス流路のうち燃焼排ガスの導入口付近（排気管１１ｄとの接続付近）に設けられるのが好ましい。温度センサ１２ｄの検出結果は、制御装置１５に送信されるようになっている。なお、温度センサ１２ｄは、排気管１１ｄに設けるようにしてもよい。
【００１６】
上述した熱交換器１２、貯湯槽２１および貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。
貯湯槽２１は、密封式の容器である。貯湯槽２１は、耐圧式の容器である。貯湯槽２１内の温度分布は、基本的には、温度の異なる二層に分かれている。上層は比較的温度が高い層（例えば５０度以上）であり、下層は比較的温度が低い層（例えば２０度以下（水道水の温度））である。上下各層は、それぞれほぼ同一温度である。
【００１７】
ラジエータ２２ａは、貯湯水循環ライン２２を循環する熱媒体（貯湯水）を冷却する冷却装置であり、制御装置１５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熱媒体を冷却し、オフ状態のときには冷却しないものである。なお、ラジエータ２２ａは、熱媒体と空気との間で熱交換が行われる熱交換部（図示省略）と、熱交換部を空冷する冷却ファン（図示省略）とを備えている。
貯湯水循環ポンプ２２ｂは、貯湯水循環ライン２２の熱媒体（貯湯水）を送出して図示矢印方向へ循環させる送出装置であり、制御装置１５によって制御されてその吐出量（送出量）が制御されるようになっている。
【００１８】
熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｃは、貯湯水循環ライン２２であって貯湯槽２１の貯湯水導出口２１ａと熱交換器１２の貯湯水導入口１２ｅとの間に設けられている。熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｃは、熱交換器１２に導入される貯湯水の温度（熱交換器貯湯水入口温度Ｔ１。以下、貯湯水入口温度Ｔ１または第１温度Ｔ１と称する場合もある。）を検出して、制御装置１５に送信している。
熱交換器貯湯水出口温度センサ２２ｄは、貯湯水循環ライン２２であって熱交換器１２の貯湯水導出口１２ｆと貯湯槽２１の貯湯水導入口２１ｃとの間に設けられている。熱交換器貯湯水出口温度センサ２２ｄは、熱交換器１２の貯湯水導出口１２ｆ付近に設けられるのが望ましい。熱交換器貯湯水出口温度センサ２２ｄは、熱交換器１２から導出される貯湯水の温度（熱交換器貯湯水出口温度Ｔ２。以下、貯湯水出口温度Ｔ２または第２温度Ｔ２と称する場合もある。）を検出して、制御装置１５に送信している。なお、熱交換器貯湯水出口温度センサ２２ｄの代わりに、熱交換器１２内に設けられ、熱交換器１２から導出される貯湯水の温度（特に熱交換器１２の貯湯水導出口１２ｆ側の温度）を検出する温度センサを使用するようにしてもよい。
【００１９】
インバータ装置１３は、燃料電池３４から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。また、インバータ装置１３は、系統電源１６ａからの交流電圧を電源ライン１６ｂを介して入力し所定の直流電圧に変換して補機（各ポンプ、ブロワなど）や制御装置１５に出力する。
【００２０】
水タンク１４は、熱交換器１２から供給される凝縮水を貯水し、改質部３３に改質水として供給するものである。なお、水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。
なお、制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システム１の運転を制御する。
【００２１】
燃料電池モジュール１１（３０）は、ケーシング３１、蒸発部３２、改質部３３および燃料電池３４を備えている。ケーシング３１は、断熱性材料で箱状に形成されている。
蒸発部３２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部３２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部３３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス（メタンガスを主成分とする）、ＬＰガスなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。
【００２２】
蒸発部３２には、一端（下端）が水タンク１４に接続された水供給管１１ｂの他端が接続されている。また、蒸発部３２には、一端が供給源Ｇｓに接続された改質用原料供給管１１ａが接続されている。供給源Ｇｓは、例えば都市ガスのガス供給管、ＬＰガスのガスボンベである。
【００２３】
改質部３３は、上述した燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部３２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部３３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素などを含んだガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。このように、改質部３３は改質用原料（原燃料）と改質水とから改質ガス（燃料）を生成して燃料電池３４に供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。
【００２４】
燃料電池３４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル３４ａが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池３４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は４００〜１０００℃程度である。
【００２５】
セル３４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路３４ｂが形成されている。セル３４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路３４ｃが形成されている。
【００２６】
燃料電池３４は、マニホールド３５上に設けられている。マニホールド３５には、改質部３３からの改質ガス（アノードガス）が改質ガス供給管３８を介して供給される。燃料流路３４ｂは、その下端（一端）がマニホールド３５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ１１ｃ１によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管１１ｃを介して供給され、空気流路３４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。
【００２７】
燃料電池３４においては、燃料極に供給されたアノードガスと空気極に供給された酸化剤ガス（カソードガス）によって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化１および化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ２−）が電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路３４ｂおよび空気流路３４ｃからは、発電に使用されなかった改質ガスおよび酸化剤ガス（空気）が導出する。
（化１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
（化２）
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−
（化３）
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
【００２８】
そして、発電に使用されなかった改質ガス（アノードオフガス）は、燃料流路３４ｂから燃焼空間３６（燃料電池３４と蒸発部３２（改質部３３）の間に形成された）に導出される。発電に使用されなかった酸化剤ガス（空気：カソードオフガス）は、空気流路３４ｃから燃焼空間３６に導出される。燃焼空間３６にてアノードオフガスはカソードオフガスによって燃焼され、その燃焼ガスによって蒸発部３２および改質部３３が加熱される。さらには、燃料電池モジュール１１内を動作温度に加熱している。その後、燃焼ガスは、ケーシング１２ｂの下部に設けられた排気管１１ｅから燃料電池モジュール１１の外に燃焼排ガスとして排気される。このように、燃焼空間３６が、燃料電池３４からの未使用の燃料（改質ガス）を含む可燃性ガス（アノードオフガス）を導入し酸化剤ガスで燃焼して燃焼排ガス（水蒸気を含む）を導出する燃焼部である。
【００２９】
燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されて火炎３７（燃焼ガス）が発生している。燃焼部３６には、アノードオフガスを着火させるための一対の着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２が設けられている。
【００３０】
制御装置１５は、燃料電池システム１の運転を統括して制御する。制御装置１５は、貯湯水循環ポンプ２２ｂの送出量を調整することができる。制御装置１５は、マイクロコンピュータ（図示省略）を有している。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１の統括運転を実施している。ＲＡＭは制御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は制御プログラムを記憶するものである。
【００３１】
次に、上述した燃料電池システム１の作動について図２に示すフローチャートに沿って説明する。制御装置１５は、そのフローチャートに沿ったプログラムを所定時間（短時間でも長時間でもよい）毎に繰り返し実行する。
制御装置１５は、ステップＳ１０２において、第３温度センサ１２ｄによって検出された第３温度（熱交換器燃焼排ガス入口温度）Ｔ３を取得する。
【００３２】
制御装置１５は、ステップＳ１０４において、取得した第３温度Ｔ３に応じた貯湯水出口目標温度−貯湯水入口温度特性（Ｔ２＊−Ｔ１特性）を複数のマップ（または関係式（近似式））のなかから選択（導出）する。貯湯水出口目標温度−貯湯水入口温度特性（Ｔ２＊−Ｔ１特性）は、貯湯水出口温度−貯湯水入口温度特性（Ｔ２−Ｔ１特性）とも言える。
【００３３】
貯湯水出口目標温度−貯湯水入口温度特性（Ｔ２＊−Ｔ１特性）は、貯湯水入口温度Ｔ１が高くなるほど貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が低くなるような関係がある（特性である）。本実施形態では、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊は、貯湯水入口温度Ｔ１が高くなるほど階段状に低くなる関係である。なお、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊は、貯湯水入口温度Ｔ１が高くなるほど直線状に（又は曲線状に）低くなる関係でもよい。
【００３４】
貯湯水出口目標温度−貯湯水入口温度特性（Ｔ２＊−Ｔ１特性）は、第３温度Ｔ３毎に設定されている。図３に、第３温度Ｔ３が温度Ｔ３ａ、温度Ｔ３ｂおよび温度Ｔ３ｃである場合における各特性を示すマップＭａ、マップＭｂおよびマップＭｃが示されている。温度Ｔ３ｂ＜温度Ｔ３ａ＜温度Ｔ３ｃなる関係である。マップＭａは太い実線で、マップＭｂは太い一点鎖線で、マップＭｃは太い破線で示されている。
【００３５】
マップＭａは次の関係を示す。すなわち、０＜貯湯水入口温度（第１温度）Ｔ１＜Ｔａ−ａである場合、第２目標温度Ｔ２が７５℃（第２目標温度の第１温度）に設定され、Ｔａ−ａ＜第１温度Ｔ１＜Ｔｂ−ａである場合、第２目標温度Ｔ２が７０℃（第２目標温度の第２温度）に設定され、Ｔｂ−ａ＜第１温度Ｔ１＜Ｔｃ−ａである場合、第２目標温度Ｔ２が６５℃（第２目標温度の第３温度）に設定され、Ｔｃ−ａ＜第１温度Ｔ１である場合、第２目標温度Ｔ２が６０℃（第２目標温度の第４温度）に設定される。第２目標温度の第１温度＞第２目標温度の第２温度＞第２目標温度の第３温度＞第２目標温度の第４温度なる関係である。
【００３６】
マップＭｂは次の関係を示す。すなわち、０＜貯湯水入口温度（第１温度）Ｔ１＜Ｔａ−ｂ（Ｔａ−ｂ＜Ｔａ−ａ）である場合、第２目標温度Ｔ２が７５℃（第２目標温度の第１温度）に設定され、Ｔａ−ｂ＜第１温度Ｔ１＜Ｔｂ−ｂ（Ｔｂ−ｂ＜Ｔｂ−ａ）である場合、第２目標温度Ｔ２が７０℃（第２目標温度の第２温度）に設定され、Ｔｂ−ｂ＜第１温度Ｔ１＜Ｔｃ−ｂ（Ｔｃ−ｂ＜Ｔｃ−ａ）である場合、第２目標温度Ｔ２が６５℃（第２目標温度の第３温度）に設定され、Ｔｃ−ｂ＜第１温度Ｔ１である場合、第２目標温度Ｔ２が６０℃（第２目標温度の第４温度）に設定される。
【００３７】
マップＭｃは次の関係を示す。すなわち、０＜貯湯水入口温度（第１温度）Ｔ１＜Ｔａ−ｃ（Ｔａ−ｃ＞Ｔａ−ａ）である場合、第２目標温度Ｔ２が７５℃（第２目標温度の第１温度）に設定され、Ｔａ−ｃ＜第１温度Ｔ１＜Ｔｂ−ｃ（Ｔｂ−ｃ＞Ｔｂ−ａ）である場合、第２目標温度Ｔ２が７０℃（第２目標温度の第２温度）に設定され、Ｔｂ−ｃ＜第１温度Ｔ１＜Ｔｃ−ｃ（Ｔｃ−ｃ＞Ｔｃ−ａ）である場合、第２目標温度Ｔ２が６５℃（第２目標温度の第３温度）に設定され、Ｔｃ−ｃ＜第１温度Ｔ１である場合、第２目標温度Ｔ２が６０℃（第２目標温度の第４温度）に設定される。なお、図３において、マップＭａ，Ｍｂ，Ｍｃは、重ならないように上下方向に多少ずらして表示されている。
【００３８】
次に、貯湯水出口目標温度−貯湯水入口温度特性の作成方法について説明する。最初に、マップＭａの作成方法について図４を参照して説明する。図４においては、第３温度Ｔ３が温度Ｔ３ａである場合の貯湯水入口温度Ｔ１と熱回収効率との関係、および貯湯水入口温度Ｔ１と水収支との関係を、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊を変更して示している。
【００３９】
図４の上段においては、太い実線にて貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６０℃（第２目標温度の第４温度）である場合における貯湯水入口温度Ｔ１と熱回収効率との関係を示している。この場合、顕熱律速は解除されている。さらに、図４の上段においては、細い実線にて貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６５℃（第２目標温度の第４温度より高温である第２目標温度の第３温度）である場合における貯湯水入口温度Ｔ１と熱回収効率との関係を示している。この場合、変曲点Ｐ１−１までは前述した貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６０℃である場合と同じであるものの、変曲点Ｐ１−１以降においては、前述した貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６０℃である場合と比較して、熱回収効率は低下する。変曲点Ｐ１−１の貯湯水入口温度Ｔ１は温度Ｔｃ−ａである。変曲点Ｐ１−１は、顕熱律速が解除されている状態が顕熱律速となっている状態に変化する点である。すなわち、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６０℃である太い実線と、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６５℃である細い実線とで囲まれる範囲Ａａが顕熱律速となっている状態である。
【００４０】
顕熱律速とは、顕熱／潜熱比率が小さい場合、貯湯水流量は、貯湯水出口温度Ｔ２を貯湯水出口目標温度Ｔ２＊に制御するための燃焼排ガスの顕熱熱量が律速となることをいう。この場合（顕熱律速となっている状態）、燃焼排ガスの潜熱熱量分が顕熱熱量に使用されるため、潜熱として回収できない。その結果、燃焼排ガスの温度は低下（冷却）されにくく、結果として、熱回収効率の低下、水収支の低下を招いていた。
【００４１】
さらに、図４の上段においては、細い破線にて貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が７０℃（第２目標温度の第３温度より高温である第２目標温度の第２温度）である場合における貯湯水入口温度Ｔ１と熱回収効率との関係を示している。この場合、変曲点Ｐ２−１までは前述した貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６０℃である場合と同じであるものの、変曲点Ｐ２−１以降においては、前述した貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６０℃である場合と比較して、熱回収効率は低下する。変曲点Ｐ２−１の貯湯水入口温度Ｔ１は温度Ｔｂ−ａである。変曲点Ｐ２−１は、顕熱律速が解除されている状態が顕熱律速となっている状態に変化する点である。すなわち、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６０℃である太い実線と、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が７０℃である細い破線とで囲まれる範囲Ａｂが顕熱律速となっている状態である。
【００４２】
さらに、図４の上段においては、細い一点鎖線にて貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が７５℃（第２目標温度の第２温度より高温である第２目標温度の第１温度）である場合における貯湯水入口温度Ｔ１と熱回収効率との関係を示している。この場合、変曲点Ｐ３−１までは前述した貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６０℃である場合と同じであるものの、変曲点Ｐ３−１以降においては、前述した貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６０℃である場合と比較して、熱回収効率は低下する。変曲点Ｐ３−１の貯湯水入口温度Ｔ１は温度Ｔａ−ａである。変曲点Ｐ３−１は、顕熱律速が解除されている状態が顕熱律速となっている状態に変化する点である。すなわち、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６０℃である太い実線と、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が７５℃である細い一点鎖線とで囲まれる範囲Ａｃが顕熱律速となっている状態である。
【００４３】
上述した貯湯水出口目標温度Ｔ２＊を変更して作製した貯湯水入口温度Ｔ１と熱回収効率との関係、すなわち、熱回収効率の観点において貯湯水入口温度Ｔ１と貯湯水出口目標温度Ｔ２＊との関係から、貯湯水入口温度Ｔ１に対応した、顕熱律速とならない範囲でより高温となる貯湯水出口目標温度Ｔ２＊を設定するのが好ましい。
【００４４】
例えば、貯湯水入口温度Ｔ１が変曲点Ｐ３−１に対応する温度Ｔａ−ａより低い場合には、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊は７５℃に設定される。貯湯水入口温度Ｔ１が変曲点Ｐ３−１に対応する温度Ｔａ−ａより高くかつ変曲点Ｐ２−１に対応する温度Ｔｂ−ａより低い場合には、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊は７０℃に設定される。貯湯水入口温度Ｔ１が変曲点Ｐ２−１に対応する温度Ｔｂ−ａより高くかつ変曲点Ｐ１−１に対応する温度Ｔｃ−ａより低い場合には、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊は６５℃に設定される。貯湯水入口温度Ｔ１が変曲点Ｐ１−１に対応する温度Ｔｃ−ａより高い場合には、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊は６０℃に設定される。
【００４５】
このように、貯湯水入口温度Ｔ１に対して顕熱律速とならない範囲でより高い貯湯水出口目標温度Ｔ２＊を設定できるため、熱回収効率の向上を図ることができる。また、同じ貯湯水入口温度Ｔ１であっても（例えば貯湯水入口温度Ｔ１が温度Ｔｃ−ａである場合）、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊を下げることにより、貯湯水出口温度Ｔ２を貯湯水出口目標温度Ｔ２＊に制御するために必要となる顕熱熱量を減少させることができる。すなわち、燃焼排ガスの顕熱熱量に余裕を持たせることができ、ひいては潜熱熱量を侵食することを抑制することができる。その結果、貯湯水流量を増大させることが可能となる。これにより、熱回収効率を改善させることが可能となる。さらに、顕熱律速が解除された状態となると、熱交換器１２の熱交換能力で決定される温度（例えば、貯湯水入口温度Ｔ１＋所定温度（例えば３℃））まで燃焼排ガスを冷却することが可能となり、貯湯水入口温度Ｔ１に基づく最大の熱回収効率が可能となる。
【００４６】
図４の下段においては、太い実線にて貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６０℃（第２目標温度の第４温度）である場合における貯湯水入口温度Ｔ１と水収支との関係を示している。この場合、顕熱律速は解除されている。さらに、図４の下段においては、細い実線にて貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６５℃（第２目標温度の第４温度より高温である第２目標温度の第３温度）である場合における貯湯水入口温度Ｔ１と水収支との関係を示している。この場合、変曲点Ｐ１−２までは前述した貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６０℃である場合と同じであるものの、変曲点Ｐ１−２以降においては、前述した貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６０℃である場合と比較して、水収支は低下する。変曲点Ｐ１−２の貯湯水入口温度Ｔ１は温度Ｔｃ−ａである。変曲点Ｐ１−２は、顕熱律速が解除されている状態が顕熱律速となっている状態に変化する点である。すなわち、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６０℃である太い実線と、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６５℃である細い実線とで囲まれる範囲Ｂａが顕熱律速となっている状態である。
【００４７】
さらに、図４の下段においては、細い破線にて貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が７０℃（第２目標温度の第３温度より高温である第２目標温度の第２温度）である場合における貯湯水入口温度Ｔ１と水収支との関係を示している。この場合、変曲点Ｐ２−２までは前述した貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６０℃である場合と同じであるものの、変曲点Ｐ２−２以降においては、前述した貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６０℃である場合と比較して、水収支は低下する。変曲点Ｐ２−２の貯湯水入口温度Ｔ１は温度Ｔｂ−ａである。変曲点Ｐ２−２は、顕熱律速が解除されている状態が顕熱律速となっている状態に変化する点である。すなわち、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６０℃である太い実線と、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が７０℃である細い破線とで囲まれる範囲Ｂｂが顕熱律速となっている状態である。
【００４８】
さらに、図４の下段においては、細い一点鎖線にて貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が７５℃（第２目標温度の第２温度より高温である第２目標温度の第１温度）である場合における貯湯水入口温度Ｔ１と水収支との関係を示している。この場合、変曲点Ｐ３−２までは前述した貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６０℃である場合と同じであるものの、変曲点Ｐ３−２以降においては、前述した貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６０℃である場合と比較して、水収支は低下する。変曲点Ｐ３−２の貯湯水入口温度Ｔ１は温度Ｔａ−ａである。変曲点Ｐ３−２は、顕熱律速が解除されている状態が顕熱律速となっている状態に変化する点である。すなわち、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が６０℃である太い実線と、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が７５℃である細い一点鎖線とで囲まれる範囲Ｂｃが顕熱律速となっている状態である。
【００４９】
上述した貯湯水出口目標温度Ｔ２＊を変更して作製した貯湯水入口温度Ｔ１と水収支との関係、すなわち、水収支の観点において貯湯水入口温度Ｔ１と貯湯水出口目標温度Ｔ２＊との関係から、貯湯水入口温度Ｔ１に対応した、顕熱律速とならない範囲でより高温となる貯湯水出口目標温度Ｔ２＊を設定するのが好ましい。
【００５０】
上述した熱回収効率との関係と同様に、貯湯水入口温度Ｔ１に対して顕熱律速とならない範囲でより高い貯湯水出口目標温度Ｔ２＊を設定できるため、水収支の向上を図ることができる。また、同じ貯湯水入口温度Ｔ１であっても（例えば貯湯水入口温度Ｔ１が温度Ｔｃ−ａである場合）、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊を下げることにより、貯湯水出口温度Ｔ２を貯湯水出口目標温度Ｔ２＊に制御するために必要となる顕熱熱量を減少させることができる。すなわち、燃焼排ガスの顕熱熱量に余裕を持たせることができ、ひいては潜熱熱量を侵食することを抑制することができる。その結果、貯湯水流量を増大させることが可能となる。これにより、水収支を改善させることが可能となる。さらに、顕熱律速が解除された状態となると、熱交換器１２の熱交換能力で決定される温度（例えば、貯湯水入口温度Ｔ１＋所定温度（例えば３℃））まで燃焼排ガスを冷却することが可能となり、貯湯水入口温度Ｔ１に基づく最大の水収支が可能となる。
【００５１】
次に、マップＭｂの作成方法について図５を参照して説明する。図５の一点鎖線にて、第３温度Ｔ３が温度Ｔ３ｂである場合の貯湯水入口温度Ｔ１と熱回収効率との関係（図５上段）、および貯湯水入口温度Ｔ１と水収支との関係（図５下段）を、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊を変更して示している。
【００５２】
マップＭｂにおいても、マップＭａと同様に、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊を変更して作製した貯湯水入口温度Ｔ１と熱回収効率との関係、すなわち、熱回収効率の観点において貯湯水入口温度Ｔ１と貯湯水出口目標温度Ｔ２＊との関係から、貯湯水入口温度Ｔ１に対応した、顕熱律速とならない範囲でより高温となる貯湯水出口目標温度Ｔ２＊を設定する。水収支についても、マップＭａと同様である。
第３温度Ｔ３が温度Ｔ３ｂである場合の貯湯水入口温度Ｔ１と熱回収効率との関係（および貯湯水入口温度Ｔ１と水収支との関係）は、図５に示すように、第３温度Ｔ３が温度Ｔ３ａである場合に対して左斜め下方に移動したものである。変曲点は、第３温度Ｔ３が温度Ｔ３ａである場合と比較して、小さいものである。熱回収効率（水収支）は、第３温度Ｔ３が温度Ｔ３ａである場合と比較して、小さいものである。
図３に示すように、マップＭｂは、マップＭａに対して左方向に移動したものである。なお、マップＭｂは、マップＭａに対して左斜め下方に移動する場合もある。
【００５３】
さらに、マップＭｃの作成方法について図５を参照して説明する。図５の破線にて、第３温度Ｔ３が温度Ｔ３ｃである場合の貯湯水入口温度Ｔ１と熱回収効率との関係（図５上段）、および貯湯水入口温度Ｔ１と水収支との関係（図５下段）を、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊を変更して示している。
【００５４】
マップＭｃにおいても、マップＭａと同様に、貯湯水出口目標温度Ｔ２＊を変更して作製した貯湯水入口温度Ｔ１と熱回収効率との関係、すなわち、熱回収効率の観点において貯湯水入口温度Ｔ１と貯湯水出口目標温度Ｔ２＊との関係から、貯湯水入口温度Ｔ１に対応した、顕熱律速とならない範囲でより高温となる貯湯水出口目標温度Ｔ２＊を設定する。水収支についても、マップＭａと同様である。
第３温度Ｔ３が温度Ｔ３ｃである場合の貯湯水入口温度Ｔ１と熱回収効率との関係（および貯湯水入口温度Ｔ１と水収支との関係）は、図５に示すように、第３温度Ｔ３が温度Ｔ３ａである場合に対して右斜め上方に移動したものである。変曲点は、第３温度Ｔ３が温度Ｔ３ａである場合と比較して、大きいものである。熱回収効率（水収支）は、第３温度Ｔ３が温度Ｔ３ａである場合と比較して、大きいものである。
図３に示すように、マップＭｂは、マップＭａに対して右方向に移動したものである。なお、マップＭｂは、マップＭａに対して右斜め上方に移動する場合もある。
【００５５】
説明をフローチャートに戻す。制御装置１５は、ステップＳ１０６において、第１温度センサ２２ｃによって検出された第１温度（熱交換器貯湯水入口温度）Ｔ１を取得する。
制御装置１５は、ステップＳ１０８において、取得した第１温度Ｔ１と先に選択した貯湯水出口目標温度−貯湯水入口温度特性（Ｔ２＊−Ｔ１特性）とから熱交換器貯湯水出口温度の目標温度である貯湯水出口目標温度Ｔ２＊を設定する。このように、制御装置１５は、第１温度センサ２２ｃによって検出された熱交換器貯湯水入口温度Ｔ１に応じて貯湯水出口目標温度Ｔ２＊を設定する（目標温度設定部）。
【００５６】
制御装置１５は、ステップＳ１１０において、第２温度センサ２２ｄによって検出された第２温度（熱交換器貯湯水出口温度）Ｔ２を取得する。
制御装置１５は、ステップＳ１１２において、ステップＳ１０８（目標温度設定部）にて設定された貯湯水出口目標温度Ｔ２＊となるように、貯湯水循環ポンプ２２ｂの送出量を制御する（送出量制御部）。
【００５７】
上述した説明から明らかなように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池３４と、改質用原料と改質水とから燃料を生成して燃料電池３４に供給する改質部３３と、燃料電池３４からの未使用の燃料を含む可燃性ガスを導入し酸化剤ガスで燃焼して燃焼排ガスを導出する燃焼部３６と、貯湯水を貯水する貯湯槽２１と、燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われ、燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する熱交換器１２と、貯湯槽２１と熱交換器１２との間において貯湯水を循環させるように形成された貯湯水循環ライン２２と、貯湯水循環ライン２２に設けられ、貯湯水を送出して循環させる送出装置（貯湯水循環ポンプ２２ｂ）と、貯湯水循環ライン２２であって熱交換器１２の貯湯水導入口１２ｅと貯湯槽２１の貯湯水導出口２１ａとの間に設けられ、熱交換器１２に導入される貯湯水の温度である熱交換器貯湯水入口温度Ｔ１を検出する熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｃと、貯湯水循環ライン２２であって熱交換器１２の貯湯水導出口１２ｆと貯湯槽２１の貯湯水導入口２１ｃとの間に設けられ、熱交換器１２から導出される貯湯水の温度である熱交換器貯湯水出口温度Ｔ２を検出する熱交換器貯湯水出口温度センサ２２ｄと、貯湯水循環ポンプ２２ｂの送出量を制御する制御装置１５と、を備えている。制御装置１５は、熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｃによって検出された熱交換器貯湯水入口温度Ｔ１に応じて熱交換器貯湯水出口温度Ｔ２の目標温度Ｔ２＊（熱交換器貯湯水出口目標温度Ｔ２＊）を設定する目標温度設定部（制御装置１５：ステップＳ１０８）と、熱交換器貯湯水出口温度Ｔ２が目標温度設定部（ステップＳ１０８）にて設定された目標温度（熱交換器貯湯水出口目標温度Ｔ２＊）となるように、貯湯水循環ポンプ２２ｂの送出量を制御する送出量制御部（制御装置１５：ステップＳ１１２）と、を備えている。
【００５８】
これによれば、熱交換器貯湯水出口温度Ｔ２の目標温度（熱交換器貯湯水出口目標温度）Ｔ２＊は、熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｃによって検出された熱交換器貯湯水入口温度Ｔ１に応じて設定される（目標温度設定部（制御装置１５：ステップＳ１０８））。さらに、熱交換器貯湯水出口温度Ｔ２が目標温度設定部にて設定された目標温度Ｔ２＊となるように、貯湯水循環ポンプ２２ｂの送出量が制御される（送出量制御部（制御装置１５：ステップＳ１１２））。したがって、熱交換器貯湯水出口温度Ｔ２（熱交換器貯湯水出口温度Ｔ２の目標温度Ｔ２＊）が、熱交換器貯湯水入口温度Ｔ１に応じて調節可能となるため、貯湯水に回収される顕熱部分を小さく抑制することが可能となる。その結果、顕熱／潜熱比率が比較的小さい場合、すなわち顕熱が比較的少ない場合であっても、貯湯水に回収される顕熱部分を小さく抑制することにより、潜熱を効率よく回収することが可能となる。したがって、燃料電池システム１において、顕熱／潜熱比が小さい場合であっても、熱回収効率を最適にすることが可能となる。
【００５９】
また、目標温度設定部（制御装置１５：ステップＳ１０８）は、熱交換器貯湯水入口温度Ｔ１が高くなるほど、熱交換器貯湯水出口目標温度Ｔ２＊が小さくなるように設定する。
これによれば、貯湯水に回収される顕熱部分を確実に小さく抑制することにより、潜熱を効率よく回収することが可能となる。
【００６０】
また、燃料電池システム１は、熱交換器１２に導入された燃焼排ガスの温度である熱交換器燃焼排ガス入口温度Ｔ３を検出する熱交換器燃焼排ガス入口温度センサ（温度センサ１２ｄ）をさらに備え、目標温度設定部（制御装置１５：ステップＳ１０８）は、温度センサ１２ｄによって検出された熱交換器燃焼排ガス入口温度Ｔ３も考慮して、熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｃによって検出された熱交換器貯湯水入口温度Ｔ１に応じて熱交換器貯湯水出口温度Ｔ２の目標温度を設定する。
これによれば、熱交換器貯湯水出口温度Ｔ２（熱交換器貯湯水出口目標温度Ｔ２＊）が、発電負荷に連動する燃焼排ガスの温度Ｔ３および熱交換器貯湯水入口温度Ｔ１に応じて調節可能となる。また、熱交換器貯湯水出口温度Ｔ２（熱交換器貯湯水出口目標温度Ｔ２＊）は、燃焼排ガスの温度Ｔ３も考慮して調節可能となる。
【符号の説明】
【００６１】
１…燃料電池システム、１２…熱交換器、１２ｄ…熱交換器燃焼排ガス入口温度センサ（温度センサ）、１５…制御装置（目標温度設定部（ステップＳ１０８）、送出量制御部（ステップＳ１１２））、２１…貯湯槽、２２…貯湯水循環ライン、２２ｂ…送出装置（貯湯水循環ポンプ）、２２ｃ…熱交換器貯湯水入口温度センサ、２２ｄ…熱交換器貯湯水出口温度センサ、３３…改質部、３４…燃料電池、３６…燃焼部、Ｔ１…熱交換器貯湯水入口温度、Ｔ２…熱交換器貯湯水出口温度、Ｔ２＊…熱交換器貯湯水出口目標温度、Ｔ３…熱交換器燃焼排ガス入口温度。
【図１】
2019021464.tif 000003
【図２】
2019021464.tif 000004
【図３】
2019021464.tif 000005
【図４】
2019021464.tif 000006
【図５】
2019021464.tif 000007