(57)【要約】【課題】燃料電池システムから貯湯タンクまでの間での放熱による湯温の低下を減少させ、貯湯タンクの蓄熱量を上げることを目的とする。【解決手段】制御器７は、低温側温度が、燃料電池１００の運転可能な限界温度より低い第１閾値温度以下の時に、熱交換器２から高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体が第１設定温度となるように、第１循環器５で搬送する第１熱媒体の流量を制御し、低温側温度が第１閾値温度より高い時は、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度が第１設定温度より高い第２設定温度となるように第１循環器５を制御することにより、高温側熱回収配管４を流れタンク１へ搬送される間での第１熱媒体の温度低下を抑制することができ、タンク１の蓄熱量を上げることができる。【選択図】図１
2015115093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池を含む燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールから排出される熱を回収する第１熱媒体を貯めるためのタンクと、
前記燃料電池モジュールから排出される熱を第１熱媒体に回収する熱交換器と、
前記タンクから低温の第１熱媒体を前記熱交換器に導く低温側熱回収配管と、
前記熱交換器において加熱された高温の第１熱媒体を前記タンクに導く高温側熱回収配管と、
前記高温側熱回収配管または前記低温側熱回収配管に設けられ、前記タンク及び前記熱交換器の間で第１熱媒体を循環させる第１循環器と、
前記低温側熱回収配管を流れる第１熱媒体の温度である低温側温度を検出する低温温度検出器と、
前記低温側温度が前記燃料電池の運転可能な限界温度より低い第１閾値温度以下である場合に、前記熱交換器から前記高温側熱回収配管へ流れる第１熱媒体の温度が前記第１閾値温度より高い第１設定温度となるよう前記第１循環器を制御し、前記低温側温度が前記第１閾値温度より高い場合に、前記熱交換器から前記高温側熱回収配管へ流れる第１熱媒体の温度が前記第１設定温度よりも高い第２設定温度となるよう前記第１循環器を制御する制御器と、
を備えた、燃料電池システム。
【請求項２】
水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池を含む燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールから排出される熱を回収する第１熱媒体を貯めるためのタンクと、
前記燃料電池モジュールから排出される熱を第１熱媒体に回収する熱交換器と、
前記タンクから低温の第１熱媒体を前記熱交換器に導く低温側熱回収配管と、
前記熱交換器において加熱された高温の第１熱媒体を前記タンクに導く高温側熱回収配管と、
前記高温側熱回収配管又は前記低温側熱回収配管に設けられ、前記タンク及び前記熱交換器の間で第１熱媒体を循環させる第１循環器と、
前記第１循環器の能力が上限となった場合に、前記熱交換器から前記高温側熱回収配管へ流れる第１熱媒体の温度が、前記燃料電池の運転可能な限界温度に基づき定められた第１設定温度から、前記第１設定温度より高い第２設定温度となるよう前記第１循環器を制御する制御器と、
を備えた、燃料電池システム。
【請求項３】
水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池を含む燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールから排出される熱を回収する第１熱媒体を貯めるためのタンクと、
前記燃料電池モジュールから排出される熱を第１熱媒体に回収する熱交換器と、
前記タンクから低温の第１熱媒体を前記熱交換器に導く低温側熱回収配管と、
前記熱交換器において加熱された高温の第１熱媒体を前記タンクに導く高温側熱回収配管と、
前記高温側熱回収配管又は前記低温側熱回収配管に設けられ、前記タンク及び前記熱交換器の間で第１熱媒体を循環させる第１循環器と、
前記低温側熱回収配管を流れる第１熱媒体の温度である低温側温度を検出する低温温度検出器と、
前記高温側熱回収配管を流れる第１熱媒体の温度である高温側温度を検出する高温温度検出器と、
前記低温側温度および前記高温側温度の差が、第１温度差より小さい場合に、前記高温
側温度が、第１設定温度から、前記第１設定温度よりも高い前記第２設定温度となるよう前記第１循環器を制御する制御器と、
を備えた、燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１設定温度は、前記燃料電池の運転可能な限界温度よりも低い、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】
前記燃料電池の運転可能な限界温度は、前記燃料電池システムの内部で水を循環利用する水自立が可能な限界温度である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
水素含有ガスの生成に必要な熱を供給する燃焼器を備え、
前記燃料電池の運転可能な限界温度は、前記燃焼器で燃焼可能な限界温度である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池モジュールは、固体高分子形燃料電池である前記燃料電池と、前記燃料電池及び前記熱交換器の間で第２熱媒体を循環させる循環経路と、前記循環経路に設けられ、前記燃料電池及び前記熱交換器の間で第２熱媒体を循環させる第２循環器と、を備え、
前記制御器は、前記熱交換器から前記高温側熱回収配管へ流れる第１熱媒体の温度に基づき前記燃料電池が予め設定される燃料電池運転温度帯で運転されるよう前記第２循環器を制御する、請求項１〜６のいずれかに１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池の発電時の排熱を回収して湯水として貯湯タンクに貯める燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとしては、燃料電池の発電時に発生する熱を回収して湯水として貯湯タンクに貯めるシステムに関するものがあった（例えば、特許文献１参照）。図１２は、特許文献１に記載された従来のシステムを示すものである。ここでは、特許文献１で述べている外部熱源を燃料電池としている。
【０００３】
図１４は、特許文献１の燃料電池システムのシステム構成を示すブロック図である。燃料電池１００は発電時に発生する熱を熱交換器２で熱回収水に受け渡すことで排出している。この熱回収水は、第１循環器５によってタンク１の下部から低温側熱回収配管３を通じて搬送されたものである。熱交換器２で燃料電池１００の発電時の排熱で加熱された熱回収水は、高温側熱回収配管４によってタンク１の上部に搬送される。
【０００４】
ここで、貯湯タンクの湯水は給湯に使用されるため一般的な給湯の温度Ｔ１（６０℃）以上で貯湯される。そこで、熱交換器から出る熱回収水の貯湯タンクへの循環温度もＴ１（６０℃）以上の高温に制御されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３―１２１００１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、貯湯タンクから熱交換器に送られる熱回収水は一般家庭の水道水を貯湯タンクへ供給しているため、熱回収水の水温Ｔ２は変動する。燃料電池などの発電量で決まる燃料電池から発生する熱量が熱交換器を通して熱回収水を加熱する加熱量Ｑと同じとした場合、熱交換器を流れる熱回収水の流量Ｍ、熱交換器の加熱後の温度Ｔ１、加熱前の温度Ｔ２の関係は、加熱量Ｑ＝Ｍ×（Ｔ１−Ｔ２）となる。加熱量Ｑが一定の場合、加熱前の温度Ｔ２と加熱後の温度Ｔ１との温度差（Ｔ１−Ｔ２）が大きいほど、熱回収水の流量Ｍが減少する。熱回収配管を流れる熱回収水の流量が小さいと、燃料電池システムから貯湯タンクまでの間で、配管から大気への放熱により熱回収水の湯温が低下する。それにより、貯湯タンク内に貯えられる湯温が低下し、貯湯タンクでの湯水による蓄熱量が低下するという課題を有していた。
【０００７】
本発明は、上記従来の燃料電池システムの課題を解決するもので、燃料電池システムから貯湯タンクまでの間での放熱による湯温の低下を減少させ、貯湯タンクの蓄熱量を上げることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムの制御器は、低温側熱回収配管を流れる第１熱媒体の温度である低温側温度が燃料電池の運転可能な限界温度より低い第１閾値温度以下である場合に、熱交換器から高温側熱回収配管へ流れる第１熱媒体の温度が第１閾値温度より高い第１設定温度となるよう第１循環器を制御し、低温側温度が第１閾値温度より高い場合に、熱交換器から高温側熱回収配管へ流れる第１熱媒体の温
度が第１設定温度よりも高い第２設定温度となるよう第１循環器を制御したものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池システムにより、燃料電池システムから貯湯タンクまでの間の湯温の低下を減少させ、貯湯タンクの蓄熱量を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図２】実施の形態１における第１熱媒体の温度変化を示す図
【図３】実施の形態２における燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図４】実施の形態２における第１熱媒体の温度変化を示す図
【図５】実施の形態３における燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図６】実施の形態３における第１熱媒体の温度変化を示す図
【図７】実施の形態４における第１熱媒体の温度変化を示す図
【図８】実施の形態５における燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図９】変形例１における燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図１０】変形例２における燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図１１】実施の形態６における燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図１２】実施の形態７における燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図１３】実施の形態７における第１熱媒体と第２熱媒体の温度変化を示す図
【図１４】従来の燃料電池システムの構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
第１の発明の燃料電池システムは、水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池を含む燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールから排出される熱を回収する第１熱媒体を貯めるためのタンクと、燃料電池モジュールから排出される熱を第１熱媒体に回収する熱交換器と、タンクから低温の第１熱媒体を熱交換器に導く低温側熱回収配管と、熱交換器において加熱された高温の第１熱媒体をタンクに導く高温側熱回収配管と、高温側熱回収配管又は低温側熱回収配管に設けられ、タンク及び熱交換器の間で第１熱媒体を循環させる第１循環器と、低温側熱回収配管を流れる第１熱媒体の温度である低温側温度を検出する低温温度検出器と、第１循環器を制御する制御器を備えている。そして、制御器は、低温側温度が、燃料電池の運転可能な限界温度より低い第１閾値温度以下である場合に、熱交換器から高温側熱回収配管へ流れる第１熱媒体が第１設定温度となるように、第１循環器で搬送する第１熱媒体の流量を制御し、低温温度検出器の検知温度が第１閾値温度より高い場合は、高温側熱回収配管へ流れる第１熱媒体の温度が第１設定温度より高い第２設定温度となるように第１循環器で搬送する第１熱媒体の流量を制御する。これにより熱交換器において加熱された高温の第１熱媒体が、高温側熱回収配管を流れタンクへ搬送される間で温度低下することを抑制することができる。
【００１２】
さらにこの場合、熱交換器において加熱された高温の第１熱媒体がタンクへ搬送されるときの熱交換器の出口側温度を同じとして比較した場合、従来の燃料電池システムに比べ、高温側熱回収配管での温度低下が小さいため、タンクに貯めることのできる第１熱媒体の温度を高くすることができる。さらに、従来の燃料電池システムと同じ熱量の第１熱媒体をタンクに貯める場合、第１熱媒体の温度が高いため、必要なタンクの容量を減らすことができ、タンクを小型化することができる。
【００１３】
第２の発明の燃料電池システムは、水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールから排出される熱を回収する第１熱媒体を貯めるためのタンクと、前記燃料電池モジュールから排出される熱を第１熱媒体に回収する熱交換器と、前記タンクから低温の第１熱媒体を前記熱交換器に導く低温
側熱回収配管と、前記熱交換器において加熱された高温の第１熱媒体を前記タンクに導く高温側熱回収配管と、前記高温側熱回収配管又は前記低温側熱回収配管に設けられ、前記タンク及び前記熱交換器の間で第１熱媒体を循環させる第１循環器と、前記第１循環器の能力が上限となった場合に、前記熱交換器から前記高温側熱回収配管へ流れる第１熱媒体の温度が、前記燃料電池の運転可能な限界温度に基づき定められた第１設定温度から、前記第１設定温度より高い第２設定温度となるよう前記第１循環器を制御する制御器と、を備えている。これにより熱交換器において加熱された高温の第１熱媒体が、高温側熱回収配管を流れタンクへ搬送される間で温度低下することを抑制することができる。
【００１４】
さらにこの場合、熱交換器において加熱された高温の第１熱媒体がタンクへ搬送されるときの熱交換器の出口側温度を同じとして比較した場合、従来の燃料電池システムに比べ、高温側熱回収配管での温度低下が小さいため、タンクに貯めることのできる第１熱媒体の温度を高くすることができる。さらに、従来の燃料電池システムと同じ熱量の第１熱媒体をタンクに貯める場合、第１熱媒体の温度が高いため、必要なタンクの容量を減らすことができ、タンクを小型化することができる。
【００１５】
第３の発明の燃料電池システムは、前記燃料電池モジュールから排出される熱を回収する第１熱媒体を貯めるためのタンクと、前記燃料電池モジュールから排出される熱を第１熱媒体に回収する熱交換器と、前記タンクから低温の第１熱媒体を前記熱交換器に導く低温側熱回収配管と、前記熱交換器において加熱された高温の第１熱媒体を前記タンクに導く高温側熱回収配管と、前記高温側熱回収配管又は前記低温側熱回収配管に設けられ、前記タンク及び前記熱交換器の間で第１熱媒体を循環させる第１循環器と、前記低温側熱回収配管を流れる第１熱媒体の温度である低温側温度を検出する低温温度検出器と、前記高温側熱回収配管を流れる第１熱媒体の温度である高温側温度を検出する高温温度検出器と、前記低温側温度および前記高温側温度の差が、第１温度差より小さい場合に、前記高温側温度が、第１設定温度から、前記第１設定温度よりも高い前記第２設定温度となるよう前記第１循環器を制御する制御器と、を備えている。これにより熱交換器において加熱された高温の第１熱媒体が、高温側熱回収配管を流れタンクへ搬送される間で温度低下することを抑制することができる。
【００１６】
さらにこの場合、熱交換器において加熱された高温の第１熱媒体がタンクへ搬送されるときの熱交換器の出口側温度を同じとして比較した場合、従来の燃料電池システムに比べ、高温側熱回収配管での温度低下が小さいため、タンクに貯めることのできる第１熱媒体の温度を高くすることができる。さらに、従来の燃料電池システムと同じ熱量の第１熱媒体をタンクに貯める場合、第１熱媒体の温度が高いため、必要なタンクの容量を減らすことができ、タンクを小型化することができる。
【００１７】
第４の発明は、第１〜３の発明のいずれか１つの燃料電池システムにおいて、第１設定温度が、燃料電池の運転可能な限界温度より低いことを特徴としている。これにより、確実に、燃料電池が運転可能な限界温度より低い温度の第１熱媒体を熱交換器に供給することができるため、燃料電池を運転できる。
【００１８】
第５の発明は、第１〜４の発明のいずれか１つの燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転可能な限界温度は、燃料電池システムの内部で水を循環利用する水自立が可能である温度に基づき定められることを特徴としている。これにより、燃料電池システムの内部で水を循環利用することができる。
【００１９】
第６の発明は、第１〜５の発明のいずれか１つの燃料電池システムにおいて、燃焼器を備え、燃料電池の運転可能な限界温度は、燃焼器で燃料が可能である温度に基づき定められることを特徴としている。これにより、熱交換器において水素気含有ガスの温度は、燃
焼可能な露点に軽減できるため、燃焼器で燃焼を行うことができる。
【００２０】
第７の発明は、第１〜６の発明のいずれか１つの燃料電池システムにおいて、燃料電池モジュールは、固体高分子形燃料電池である燃料電池と、燃料電池及び熱交換器の間で第２熱媒体を循環させる循環経路と、循環経路に設けられ、燃料電池及び熱交換器の間で第２熱媒体を循環させる第２循環器とを備え、制御器は、熱交換器から高温側熱回収配管へ流れる第１熱媒体の温度に基づき燃料電池が予め設定される燃料電池運転温度帯で運転されるよう第２循環器を制御する。これにより、低温度帯で燃料電池の運転を行うことができるため、燃料電池の熱による劣化を低減し耐久時間を長くすることができる。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態は一例であり、この実施の形態にのみ本発明が限定されるものではない。
【００２２】
（実施の形態１）
実施の形態１における燃料電池システムの構成について、図１を用いて説明する。
【００２３】
図１は、実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム３００は水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池１００を含む燃料電池モジュール２００と、燃料電池モジュール２００から排出される熱を回収する第１熱媒体を貯めるためのタンク１と、燃料電池モジュール２００から排出される熱を第１熱媒体に回収する熱交換器２と、タンク１から低温の第１熱媒体を熱交換器２に導く低温側熱回収配管３と、熱交換器２において加熱された高温の第１熱媒体をタンク１に導く高温側熱回収配管４と、高温側熱回収配管４又は低温側熱回収配管３に設けられ、タンク１及び熱交換器２の間で第１熱媒体を循環させる第１循環器５と、低温側熱回収配管３を流れる第１熱媒体の温度である低温側温度を検出する低温温度検出器６と、第１循環器５を制御する制御器７とを備える。
【００２４】
タンク１は、第１熱媒体を貯めるもので、一般的にタンク１は、温度の高い第１熱媒体が上から順番に貯まっていく積層型タンクがあり、タンク１内の上部が温度の高い第１熱媒体の層、下部が温度の低い第１熱媒体の層となっている。ここでタンク１は積層型タンクに限るものではなく、タンク１内の第１熱媒体が均一の温度になるものでもかまわない。一般的に、タンク１内に貯められた高温の第１熱媒体は、湯水であり、給湯に使用されるため、一般的に、貯湯温度として６０℃以上の湯をタンク１内に貯める。また、一般的にタンク１の下部には市水をタンク１の下部に搬送する経路（図示せず）が設けられ、タンク１の上部にはタンク１に貯められている湯水を給湯として使用するためにタンク１の外へ湯水を搬送する経路（図示せず）が設けられる。湯水をタンク１の上部から搬送する場合、タンク１の下部へ市水が供給され、タンク１の上部の湯水は押し上げられ、タンク１の外へ搬送される。本実施の形態１では、タンク内に貯められる第１熱媒体を熱回収水として用いているが、第１熱媒体は水に限ることはない。
【００２５】
熱交換器２は、燃料電池モジュール２００から排出される熱を第１熱媒体に回収するものである。タンク１から低温の第１熱媒体を熱交換器２に導く低温側熱回収配管３と接続されている。
【００２６】
高温側熱回収配管４は、熱交換器２において加熱された高温の第１熱媒体をタンク１に導く経路である。
【００２７】
第１循環器５は、流量可変のために回転数を可変できる機能を持つ循環ポンプである。よって、流量調整機能を有する部品と循環ポンプという構成でもかまわない。また、第１循環器５は熱流体を搬送できる機能を有するものであればよく、プランジャーポンプや、
ウイングポンプでもよい。
【００２８】
低温温度検出器６は、低温側熱回収配管３を流れる第１熱媒体の温度である低温側温度を検出するものである。例えば、熱電対やサーミスター測温体などがあり、どの種類でも良い。
【００２９】
制御器７は、第１循環器５を制御する。制御器７は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
【００３０】
燃料電池１００は、一般的には燃料ガスと酸化剤ガスとを用い、電気化学的な反応により電気を発生させるものである。構成部材の一つである電解質の種類によって複数に分類されており、例えば、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及び固体高分子形燃料電池などがあり、いずれの種類でも良い。
【００３１】
燃料電池モジュール２００は、少なくとも燃料電池１００を含んでいればよい。燃料電池１００が固体高分子形燃料電池の場合には、燃料電池モジュール２００は、例えば、原料ガス及び水蒸気を用いた改質反応により水素含有ガスを生成する改質器を含む水素生成装置と燃料電池１００とを含むよう構成されていてもよい。ここで、「燃料電池モジュールから排出される熱」は、例えば、燃料電池１００の発電に伴う熱であってもよい。この場合、燃料電池１００を冷却するのに用いる冷却用熱媒体を循環させ、冷却用熱媒体に含まれる熱を回収する構成であってもよい。また、「燃料電池モジュールから排出される熱」は、例えば、燃料電池１００から排出されたアノードオフガスを燃焼した燃焼排ガス又は原燃料を燃焼した燃焼排ガスに含まれる熱であってもよく、燃料電池１００から排出されたアノードオフガス又はカソードオフガスに含まれる熱であってもよい。また、燃料電池１００が固体酸化物形燃料電池の場合には、燃料電池モジュール２００は、例えば、原料ガス及び水蒸気を用いた改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と燃料電池１００とを含むよう構成されていてもよい。ここで、「燃料電池モジュールから排出される熱」は、例えば、燃料電池１００から排出されたアノードオフガスを燃焼した燃焼排ガス又は原燃料を燃焼した燃焼排ガスに含まれる熱であってもよい。
【００３２】
次に、燃料電池システム３００が燃料電池１００の発電時に発生する熱を回収して第１熱媒体をタンク１に貯める動作について説明する。燃料電池１００が発電反応中に発生する熱を熱交換器２で第１熱媒体に受け渡すことにより、高温の第１熱媒体は高温側熱回収配管４内を通り、タンク１に貯められる。タンク１に積層型タンクを用いた場合、高温の第１熱媒体は、タンク１内の上部に貯まり、下部の温度の低い第１熱媒体が第１循環器５により低温側熱回収配管３内を搬送され、熱交換器２に導かれる。燃料電池１００が発電を継続すると、タンク１内の上部に貯められていた温度の高い第１熱媒体は徐々に下部に下がってくるため、低温温度検出器６の検出温度は時間の経過とともに上昇する。
【００３３】
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム３００における制御器７が第１熱媒体の温度を制御する方法について、図２を参照しながら説明する。図２は実施の形態１における第１熱媒体の温度変化を示す図である。
【００３４】
図２に示すように、縦軸を温度、横軸を時間とすると、低温側熱回収配管３を流れる第１熱媒体の温度である低温側温度は、燃料電池１００が発電反応中に発生する熱を熱交換器２で第１熱媒体に受け渡すことにより、時間の経過とともに上昇する。制御器７は、低温側温度が、燃料電池１００の運転可能な限界温度（例えば４５℃）より低い第１閾値温
度（例えば４０℃）以下である場合に、熱交換器２から高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体が第１設定温度（例えば５０℃）となるように、第１循環器５で搬送する第１熱媒体の流量を制御し、低温側温度が第１閾値温度（４０℃）より高い場合は、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度が第１設定温度（５０℃）より高い第２設定温度（例えば７０℃）となるように第１循環器５で搬送する第１熱媒体の流量を制御する。
【００３５】
第１設定温度で貯められた第１熱媒体がタンク１の下部へ徐々に下がり、低温側熱回収配管３に搬送されることを想定する場合、第１設定温度は、限界温度より高く設定しても、限界温度より低く設定してもよい。ただし、限定温度より第１設定温度が高い場合には、低温側温度が、限界温度を超えないように、第１熱媒体が熱交換器２からタンク１へ搬送されるときの高温側熱回収配管４での温度低下を予め見込み第１設定温度を設定する必要がある。このとき、タンク１は積層形タンクを想定しており、タンク１の上部にある第１熱媒体が下部に下がってくる時に、タンク１での放熱やタンク１から低温の第１熱媒体を熱交換器２に導く低温側熱回収配管３での配管放熱による温度低下を見込んでいる。
【００３６】
限界温度（４５℃）は、例えば、燃料電池モジュール２００に新たに水を投入せず、燃料電池モジュール２００内で水を循環利用する水自立が可能な温度のことを示す。例えば、燃料電池モジュール２００が、水蒸気改質反応により水素含有ガスを生成する改質器（図示せず）を有する場合、改質器（図示せず）は水蒸気を用いて反応し水素含有ガスを生成するため、水は消費される。また、燃料電池１００に固体高分子形燃料電池を用いる場合、燃料電池１００は加湿されていなければならないため、水が必要となる。改質器（図示せず）や燃料電池１００が運転するために必要な水を、燃料電池モジュール２００から排出される水蒸気含有ガスを低温側熱回収配管３を流通する冷媒により冷却し水蒸気を凝縮させることで回収する。ただし、水自立が可能な温度に限らず、燃料電池システム３００が運転可能な温度であればよい。
【００３７】
低温側温度が第１閾値温度（４０℃）より高い場合は、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度を第１設定温度から第２設定温度に段階を経て上昇させていく。本実施の形態１では、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度を第１設定温度から第２設定温度に徐々にリニアで上昇させているが、これに限らず、階段状に一気に上昇させてもよいし、低温側熱回収配管３を流れる第１熱媒体の温度変化に合わせ、曲線を描きながら上昇させてもよい。
【００３８】
燃料電池１００から発生する熱量が熱交換器２を通して第１熱媒体を加熱する加熱量Ｑと同じとすると、熱交換器２を流れタンク１へ搬送される第１熱媒体の流量Ｍ、熱交換器２から高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度Ｔ１、低温側温度Ｔ２の関係は、加熱量Ｑ＝Ｍ×（Ｔ１−Ｔ２）となる。仮に、低温側温度Ｔ２を２０℃とすると、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度Ｔ１が第１設定温度（５０℃）のとき、温度差（Ｔ１−Ｔ２）は３０となる。その後、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度Ｔ１が第２設定温度（７０℃）になるとき、低温側温度Ｔ２は、限界温度（４５℃）以下になっているため、温度差（Ｔ１−Ｔ２）は２５となる。
【００３９】
一方、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度Ｔ１を一気に第２設定温度に制御した場合、仮に、低温側温度Ｔ２を２０℃とすると、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度Ｔ１が第２設定温度（７０℃）となるため、温度差（Ｔ１−Ｔ２）は５０となる。
【００４０】
加熱量Ｑが一定の場合、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度Ｔ１を第１設定温度から第２設定温度に段階を経て上昇させていく場合と、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度Ｔ１を一気に第２設定温度に制御した場合を比較すると、高温側熱回収
配管４へ流れる第１熱媒体の温度Ｔ１を第１設定温度から第２設定温度に段階を経て上昇させていく場合は、温度差（Ｔ１−Ｔ２）が小さいため、第１循環器５が搬送する第１熱媒体の流量Ｍが大きくなり、熱交換器２において加熱された高温の第１熱媒体が高温側熱回収配管４を流れ、タンク１へ搬送される間の温度低下が小さくなる。なお、制御器７は、低温側温度が、第１閾値温度より高い場合に、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度を第１設定温度から第２設定温度となるよう設定温度を上げる場合に限らず、第１循環器５の能力の上限に到達した時には、設定温度を上げずに、第１循環器５の能力上限で搬送できる流量を保ちながら、成り行きで高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度が上昇する場合でもよい。
【００４１】
また、第１循環器５の能力上限は、第１循環器５が搬送できる最大流量の上限でもよいし、第１循環器５が駆動できる最大回転数の上限でもよい。さらに、第１循環器５の能力上限は、第１循環器５に印加できる最大電圧でもよい。
【００４２】
さらに、制御器７は、第１循環器５により第１熱媒体の流量を制御してもよいし、回転数や印加電圧を制御してもよい。
【００４３】
以上のように、本実施の形態における燃料電池システム３００の構成をとると、熱交換器２から高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度と、タンク１から低温側熱回収配管３を流れ熱交換器２へ搬送される第１熱媒体の温度の温度差を小さくすることができるため、第１循環器５が搬送する第１熱媒体の流量が大きくなり、熱交換器２において加熱された高温の第１熱媒体が、高温側熱回収配管４を流れタンク１へ搬送される間で温度低下することを抑制することができる。さらにこの場合、熱交換器２において加熱された高温の第１熱媒体がタンク１へ搬送されるときの熱交換器２の出口側温度を同じとして比較した場合、従来の燃料電池システムに比べ、高温側熱回収配管４での温度低下が小さいため、タンク１に貯めることのできる第１熱媒体の温度を高くすることができる。さらに、従来の燃料電池システムと同じ熱量の第１熱媒体をタンク１に貯める場合、第１熱媒体の温度が高いため、必要なタンク１の容量を減らすことができ、タンク１を小型化することができる。
【００４４】
（実施の形態２）
実施の形態２における燃料電池システムの構成について図３を用いて説明する。図３は、実施の形態２における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。なお、実施の形態１と同様の構成要素については同一符号を付与し、その説明はここでは省略する。
【００４５】
図３に示す燃料電池システム３００においては、制御器７が低温側熱回収配管３を流れる第１熱媒体の温度である低温側温度に基づき制御を行うのではなく、第１循環器５の能力に基づき温度制御を行う点で実施の形態１と異なっている。
【００４６】
図４は、実施の形態２における第１熱媒体の温度変化を示す図である。制御器７の第１熱媒体の温度制御を行う方法について、図４を参照しながら説明する。図４に示すように、縦軸を温度、横軸を時間とすると、低温側熱回収配管３を流れる第１熱媒体は、燃料電池１００が発電中に発生する熱を熱交換器２で第１熱媒体に受け渡すことにより、高温の第１熱媒体となり高温側熱回収配管４内を通り、タンク１に貯められる。タンク１に積層型タンクを用いた場合、高温の第１熱媒体は、タンク１内の上部に貯まり、下部の温度の低い第１熱媒体が第１循環器５により低温側熱回収配管３内を搬送され、熱交換器２に導かれる。燃料電池１００が発電を継続すると、タンク１内の上部に貯められていた温度の高い第１熱媒体は徐々に下部に下がってくるため、低温側熱回収配管３を流れる第１熱媒体の温度は時間の経過とともに上昇する。
【００４７】
制御器７は、高温側熱回収配管４を流れる第１熱媒体の温度が第１設定温度（例えば５０℃）となるように、第１循環器５で搬送する第１熱媒体の流量を制御し、第１循環器５の能力の上限に到達した時に、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度が第１設定温度より高い第２設定温度（例えば７０℃）となるように第１循環器５で搬送する第１熱媒体の流量を制御する。
【００４８】
第１設定温度は、限界温度より高く設定しても、限界温度より低く設定してもよい。ただし、限定温度より第１設定温度が高い場合には、低温側熱回収配管３を流れる第１熱媒体の温度が、限界温度を超えないように、第１熱媒体が熱交換器２からタンク１へ搬送されるときの高温側熱回収配管４での温度低下を予め見込み第１設定温度を設定する必要がある。このとき、タンク１は積層形タンクを想定しており、タンク１の上部にある第１熱媒体が下部に下がってくる時に、タンク１での放熱やタンク１から低温の第１熱媒体を熱交換器２に導く低温側熱回収配管３での配管放熱による温度低下を見込んでいる。
【００４９】
第１循環器５の能力の上限に到達した場合は、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度を第１設定温度から第２設定温度に段階を経て上昇させていく。本実施の形態２では、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度を第１設定温度から第２設定温度に徐々にリニアで上昇させているが、これに限らず、階段状に一気に上昇させてもよいし、低温側熱回収配管３を流れる第１熱媒体の温度変化に合わせ、曲線を描きながら上昇させてもよい。
【００５０】
また、第１循環器５の能力上限は、第１循環器５が搬送できる最大流量の上限でもよいし、第１循環器５が駆動できる最大回転数の上限でもよい。さらに、第１循環器５の能力上限は、第１循環器５に印加できる最大電圧でもよい。
【００５１】
以上のように、本実施の形態における燃料電池システム３００の構成をとると、熱交換器２から高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度と、タンク１から熱交換器２を流れる第１熱媒体の温度の温度差を小さくすることができるため、第１循環器５が搬送する第１熱媒体の流量が大きくなり、熱交換器２において加熱された高温の第１熱媒体が、高温側熱回収配管４を流れタンク１へ搬送される間で温度低下することを抑制することができる。さらにこの場合、熱交換器２において加熱された高温の第１熱媒体がタンク１へ搬送されるときの熱交換器２の出口側温度を同じとして比較した場合、従来の燃料電池システムに比べ、高温側熱回収配管４での温度低下が小さいため、タンク１に貯めることのできる第１熱媒体の温度を高くすることができる。さらに、従来の燃料電池システムと同じ熱量の第１熱媒体をタンク１に貯める場合、第１熱媒体の温度が高いため、必要なタンク１の容量を減らすことができ、タンク１を小型化することができる。
【００５２】
（実施の形態３）
実施の形態３における燃料電池システムの構成について図５を用いて説明する。図５は、実施の形態３における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。なお、実施の形態１〜２と同様の構成要素については同一符号を付与し、その説明はここでは省略する。
【００５３】
図５に示す燃料電池システム３００においては、高温側熱回収配管４を流れる第１熱媒体の温度である高温側温度を検出する高温温度検出器８をさらに備えている点で実施の形態１〜２と異なっている。
【００５４】
高温温度検出器８は、高温側熱回収配管４を流れる第１熱媒体の温度である高温側温度を検出するものである。例えば、熱電対やサーミスター測温体などがあり、どの種類でも良い。
【００５５】
図６は、実施の形態３における第１熱媒体の温度変化を示す図である。制御器７の第１熱媒体の温度制御を行う方法について、図６を参照しながら説明する。図６に示すように、縦軸を温度、横軸を時間とすると、低温側熱回収配管３を流れる第１熱媒体は、燃料電池１００が発電反応中に発生する熱を熱交換器２で第１熱媒体に受け渡すことにより、高温の第１熱媒体となり高温側熱回収配管４内を通り、タンク１に貯められる。タンク１に積層型タンクを用いた場合、高温の第１熱媒体は、タンク１内の上部に貯まり、下部の温度の低い第１熱媒体が第１循環器５により低温側熱回収配管３内を搬送され、熱交換器２に導かれる。燃料電池１００が発電を継続すると、タンク１内の上部に貯められていた温度の高い第１熱媒体は徐々に下部に下がってくるため、低温温度検出器６の検出温度は時間の経過とともに上昇する。
【００５６】
制御器７は、低温側熱回収配管３を流れる第１熱媒体の温度である低温側温度が、燃料電池１００の運転可能な限界温度（４５℃）より低い第１閾値温度（４０℃）以下である場合に、高温側熱回収配管４を流れる第１熱媒体の温度である高温側温度が第１設定温度（５０℃）となるように、第１循環器５で搬送する第１熱媒体の流量を制御する。また、制御器７は、低温側温度と高温側温度の差が、第１循環器５の能力の上限に基づいて予め設定される第１温度差より小さい場合に、高温側温度が第１設定温度（５０℃）より高い第２設定温度（７０℃）となるように第１循環器５で搬送する第１熱媒体の流量を制御する。
【００５７】
第１設定温度は、限界温度（４５℃）より高く設定しても、限界温度（４５℃）より低く設定してもよい。ただし、限定温度（４５℃）より第１設定温度（５０℃）が高い場合には、低温側温度が、限界温度（４５℃）を超えないように、第１熱媒体が熱交換器２からタンク１へ搬送されるときの高温側熱回収配管４での温度低下を予め見込み第１設定温度を設定する必要がある。このとき、タンク１は積層形タンクを想定しており、タンク１の上部にある第１熱媒体が下部に下がってくる時に、タンク１での放熱やタンク１から低温の第１熱媒体を熱交換器２に導く低温側熱回収配管３での配管放熱による温度低下を見込んでいる。
【００５８】
限界温度（４５℃）は、例えば、燃料電池モジュール２００に新たに水を投入せず、燃料電池モジュール２００内で水を循環利用する水自立が可能な温度のことを示す。例えば、燃料電池モジュール２００が、水蒸気改質反応により水素含有ガスを生成する改質器（図示せず）を有する場合、改質器（図示せず）は水蒸気を用いて反応し水素含有ガスを生成するため、水は消費される。また、燃料電池１００に固体高分子形燃料電池を用いる場合、燃料電池１００は加湿されていなければならないため、水が必要となる。改質器（図示せず）や燃料電池１００が運転するために必要な水を、燃料電池モジュール２００から排出される水蒸気含有ガスを低温側熱回収配管３を流通する冷媒により冷却し水蒸気を凝縮させることで回収する。ただし、水自立が可能な温度に限らず、燃料電池システム３００が運転可能な温度であればよい。
【００５９】
第１温度差は、低温側温度と高温側温度の差のことであり、第１循環器５が搬送できる流量の最大値から導かれる。燃料電池１００から発生する熱量が熱交換器２を通して第１熱媒体を加熱する加熱量Ｑと同じとすると、熱交換器２を流れタンク１へ搬送される第１熱媒体の流量Ｍ、低温側温度Ｔ２、高温側温度Ｔ１の関係は、加熱量Ｑ＝Ｍ×（Ｔ１−Ｔ２）となる。そのため、第１熱媒体の流量Ｍは温度差（Ｔ１−Ｔ２）により決定される。温度差（Ｔ１−Ｔ２）が小さすぎると、タンク１へ搬送される第１熱媒体の流量Ｍは大流量となり、第１循環器５が送ることができる最大流量を超え、燃料電池１００の温度制御を行うことができなくなる。
【００６０】
低温側温度と高温側温度の差が、第１循環器５の能力の上限に基づいて予め設定される第１温度差より小さい場合に、高温側温度を第１設定温度から第２設定温度に段階を経て上昇させていく。本実施の形態２では、高温側温度を第１設定温度から第２設定温度に徐々にリニアで上昇させているが、これに限らず、階段状に一気に上昇させてもよいし、低温側温度の温度変化に合わせ、曲線を描きながら上昇させてもよい。
【００６１】
燃料電池１００から発生する熱量が熱交換器２を通して第１熱媒体を加熱する加熱量Ｑと同じとすると、熱交換器２を流れタンク１へ搬送される第１熱媒体の流量Ｍ、高温側温度Ｔ１、低温側温度Ｔ２の関係は、加熱量Ｑ＝Ｍ×（Ｔ１−Ｔ２）となる。仮に、低温側温度Ｔ２を２０℃とすると、高温側温度Ｔ１が第１設定温度（５０℃）のとき、温度差（Ｔ１−Ｔ２）は３０となる。その後、高温側温度Ｔ１が第２設定温度（７０℃）になるとき、低温側温度Ｔ１は、限界温度（４５℃）以下になっているため、温度差（Ｔ１−Ｔ２）は２５となる。
【００６２】
一方、高温側温度Ｔ１を一気に第２設定温度に制御した場合、仮に、タンク１から熱交換器２を流れる第１熱媒体の温度Ｔ２を２０℃とすると、高温側温度Ｔ１が第２設定温度（７０℃）となるため、温度差（Ｔ１−Ｔ２）は５０となる。
【００６３】
加熱量Ｑが一定の場合、高温側温度を第１設定温度から第２設定温度に段階を経て上昇させていく場合と、高温側温度を一気に第２設定温度に制御した場合を比較すると、高温側温度を第１設定温度から第２設定温度に段階を経て上昇させていく場合は、温度差（Ｔ１−Ｔ２）が小さいため、第１循環器５が搬送する第１熱媒体の流量Ｍが大きくなる。なお、制御器７は、第１循環器５により第１熱媒体の流量を制御してもよいし、回転数や印加電圧を制御してもよい。また、第１循環器５の能力上限は、第１循環器５が搬送できる最大流量の上限でもよいし、第１循環器５が駆動できる最大回転数の上限でもよい。さらに、第１循環器５の能力上限は、第１循環器５に印加できる最大電圧でもよい。
【００６４】
以上のように、本実施の形態における燃料電池システム３００の構成をとると、熱交換器２から高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度と、タンク１から熱交換器２を流れる第１熱媒体の温度の温度差を小さくすることができるため、第１循環器５が搬送する第１熱媒体の流量が大きくなり、熱交換器２において加熱された高温の第１熱媒体が、高温側熱回収配管４を流れタンク１へ搬送される間で温度低下することを抑制することができる。さらにこの場合、熱交換器２において加熱された高温の第１熱媒体がタンク１へ搬送されるときの熱交換器２の出口側温度を同じとして比較した場合、従来の燃料電池システムに比べ、高温側熱回収配管４での温度低下が小さいため、タンク１に貯めることのできる第１熱媒体の温度を高くすることができる。さらに、従来の燃料電池システムと同じ熱量の第１熱媒体をタンク１に貯める場合、第１熱媒体の温度が高いため、必要なタンク１の容量を減らすことができ、タンク１を小型化することができる。
【００６５】
（実施の形態４）
実施の形態４における燃料電池システム３００を構成する各機器は、実施の形態１と同様であるため実施の形態１と同様の構成要素については同一符号を付与し、その説明はここでは省略する。図７は、実施の形態４における第１熱媒体の温度変化を示す図である。図７において、第１設定温度が、燃料電池１００の運転可能な限界温度より低いことを特徴とする点で実施の形態１〜３と異なっている。実施の形態４における制御器７の第１熱媒体の温度制御方法は、実施の形態１と同様であるため、その説明はここでは省略する。
【００６６】
限界温度（例えば４５℃）は、例えば、燃料電池モジュール２００に新たに水を投入せず、燃料電池モジュール２００内で水を循環利用する水自立が可能な温度のことを示す。例えば、燃料電池モジュール２００が、水蒸気改質反応により水素含有ガスを生成する改
質器（図示せず）を有する場合、改質器（図示せず）は水蒸気を用いて反応し水素含有ガスを生成するため、水は消費される。また、燃料電池１００に固体高分子形燃料電池を用いる場合、燃料電池１００は加湿されていなければならないため、水が必要となる。改質器（図示せず）や燃料電池１００に必要な水を燃料電池モジュール２００から排出される水蒸気含有ガスを低温側熱回収配管３を流通する冷媒により冷却し水蒸気を凝縮させることで回収する。ただし、限界温度は、水自立が可能な温度に限らず、燃料電池システム３００が運転可能な温度であればよい。
【００６７】
第１設定温度は、燃料電池１００が運転可能な限界温度よりも低く設定される。制御器７は、低温側熱回収配管３を流れる第１熱媒体の温度である低温側温度が、燃料電池１００の運転可能な限界温度（例えば４５℃）より低い第１閾値温度（例えば４０℃）以下である場合に、熱交換器２から高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体が第１設定温度（例えば４４℃）となるように、第１循環器５で搬送する第１熱媒体の流量を制御し、低温側温度が第１閾値温度（４０℃）より高い場合は、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度が第１設定温度（４４℃）より高い第２設定温度（例えば７０℃）となるように第１循環器５で搬送する第１熱媒体の流量を制御する。
【００６８】
以上のように、本実施の形態における燃料電池システム３００の構成をとると、確実に、燃料電池１００が運転可能な限界温度より低い温度の第１熱媒体を熱交換器２に供給することができるため、燃料電池１００を運転できる。
【００６９】
また、実施の形態１に与える効果を説明したが、実施の形態２または実施の形態３でも同じ効果が得られる。
【００７０】
（実施の形態５）
実施の形態５における燃料電池システムの構成について図８を用いて説明する。図８は、実施の形態５における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。なお、実施の形態１〜４と同様の構成要素については同一符号を付与し、その説明はここでは省略する。
【００７１】
図８は、実施の形態５における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図８において、燃料電池１００の運転可能な限界温度は、燃料電池システム３００の内部で水を循環利用する水自立が可能である温度に基づき定められることを特徴としている。実施の形態５における制御器７の第１熱媒体の温度制御方法は、実施の形態１と同様であるため、その説明はここでは省略する。
【００７２】
図８に示すように、熱交換器２には、水蒸気含有ガスが搬送され、水蒸気含有ガスは低温側熱回収配管３を流通する第１熱媒体により冷却され、水蒸気含有ガス中の水分が凝縮し、水が回収される。
【００７３】
水蒸気含有ガスは、燃料電池１００において電気化学反応に使用されなかった余剰のアノードオフガス、カソードオフガス、及び燃焼排ガスがあり、いずれの場合でも良い。燃焼排ガスは、燃料電池モジュール２００が水素含有ガスを生成する改質器（図示せず）を有する場合、改質器（図示せず）を熱するための燃焼器（図示せず）から排出されるガスのことである。
【００７４】
限界温度（例えば４５℃）は、燃料電池モジュール２００に新たに水を投入せず、燃料電池モジュール２００内で水を循環利用する水自立が可能な温度のことを示す。例えば、燃料電池モジュール２００が、水蒸気改質反応により水素含有ガスを生成する改質器（図示せず）を有する場合、改質器（図示せず）は水蒸気を用いて反応し水素含有ガスを生成
するため、水は消費される。また、燃料電池１００に固体高分子形燃料電池を用いる場合、燃料電池１００は加湿されていなければならないため、水が必要となる。改質器（図示せず）や燃料電池１００に必要な水を燃料電池モジュール２００から排出される水蒸気含有ガスを低温側熱回収配管３を流通する冷媒により冷却し水蒸気を凝縮させることで回収する。ただし、燃料電池１００は固体高分子形燃料電池に限らない。
【００７５】
低温側熱回収配管３を流れる第１熱媒体の温度である低温側温度が、燃料電池１００の運転可能な限界温度より高い場合、熱交換器２において第１熱媒体が受け取る熱量が減少し、燃料電池モジュール２００から排出される水蒸気含有ガスの温度は十分に下がらなくなる。このとき、水蒸気含有ガスの凝縮水の量は減少し、燃料電池モジュール２００の内部で運転に必要な水量を確保できなくなる。
【００７６】
低温側熱回収配管３を流れる第１熱媒体の温度である低温側温度が、燃料電池１００の運転可能な限界温度より低い場合、タンク１から低温側熱回収配管３を流通する第１熱媒体は、燃料電池１００の運転可能な限界温度以下となるため、熱交換器２において燃料電池モジュール２００から排出される水蒸気含有ガスの温度は十分に下がり、水蒸気含有ガスの凝縮水の量は燃料電池モジュール２００の内部で運転に必要な水量を確保することができる。
【００７７】
以上のように、本実施の形態における燃料電池システム３００の構成をとると、燃料電池システム３００の内部で水を循環利用することができる。
なお、実施の形態１に与える効果を説明したが、実施の形態２〜４いずれの形態でも同じ効果が得られる。
【００７８】
（変形例１）
実施の形態５における燃料電池システムの変形例１について図９を用いて説明する。図９は、変形例１における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図９に示す燃料電池システム３００は、凝縮水タンク９と改質器１０を備えている点で図８と異なっている。
【００７９】
図９に示す燃料電池１００は、後述する改質器１０で生成された水素含有ガスと、空気（酸化剤ガス）とを化学反応させることにより発電を行うものである。
【００８０】
改質器１０は、改質触媒部（図示せず）における改質反応により原料ガスから水素含有ガスを生成するものである。改質器１０の改質の方式としては、原料ガスを水蒸気と反応させて、一酸化炭素と水素を生成する水蒸気改質方式などがある。水蒸気改質方式を例に挙げると、図８には示されていないが、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器が設けられる。なお、原料ガスは、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガスである。また、酸素と原料ガスの一部を反応させて一酸化炭素と水素を得る部分酸化方式や水蒸気改質方式と部分酸化方式を組み合わせたオートサーマル方式の改質器１０などを用いても構わない。
【００８１】
凝縮水タンク９は、熱交換器２で、低温側熱回収配管を流れる第１熱媒体と水蒸気含有ガスが熱交換を行い、水蒸気が凝縮し生成された凝縮水を貯めるタンクである。
【００８２】
凝縮水タンク９は、改質器１０と燃料電池１００に接続され、凝縮水タンク９内に貯められた水は改質器１０と燃料電池１００にそれぞれ供給される。改質器１０に供給される水は、蒸発器（図示せず）により水蒸気となり、改質器１０に供給される原料ガスと改質器１０内で反応することで水素を生成する。生成された水素含有ガスは燃料電池１００に
供給され、発電に用いられる。燃料電池１００に供給される水は、燃料電池１００を加湿するために用いられる。発電に用いられる水素含有ガスを加湿することにより燃料電池１００を加湿してもよいし、空気（酸化剤ガス）を加湿することにより燃料電池１００を加湿してもよい。なお、燃料電池１００は、例えば、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及び固体高分子形燃料電池などがあり、いずれの種類でも良い。
【００８３】
以上のように、本実施の形態における燃料電池システム３００の構成をとると、熱交換器２で回収した水を改質器１０で利用することができる。
【００８４】
（変形例２）
実施の形態５における燃料電池システムの変形例２について図１０を用いて説明する。図１０は、変形例２における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１０に示す燃料電池システム３００は、加湿器１１を備え、燃料電池１００の運転温度を変化させることを特徴としている。
【００８５】
図１０に示す加湿器１１は、加湿させたい気体に水分を印加するものである。加湿器１１は、加湿方法により気化方式、蒸気方式、及び水噴射方式に分かれるが、いずれの方式を用いても良い。
【００８６】
熱交換器２において加熱された高温の第１熱媒体が、高温側熱回収配管４を流れタンク１へ搬送される間で温度低下することを抑制することができるため、従来の燃料電池システムと同じ温度の第１熱媒体をタンク１に貯める場合、熱交換器２からタンク１へ搬送される第１熱媒体の温度を下げることができる。このとき、燃料電池１００の運転温度を下げることができる。運転温度が低ければ、相対湿度が同じであると仮定した場合において、燃料電池１００の加湿量が減るため、より小さい加湿器を用いた場合であっても、燃料電池１００を十分に加湿することができる。
以上のように、本実施の形態における燃料電池システム３００の構成をとると、加湿器１１を小型化することができるため、加湿器１１のコスト削減をすることができる。
【００８７】
（実施の形態６）
実施の形態６における燃料電池システムの構成について図１１を用いて説明する。図１１は、実施の形態６における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１１に示す燃料電池システム３００は、燃焼器１２を備え、燃料電池１００の運転可能な限界温度は、燃焼器１２で燃料が可能である温度に基づき定められることを特徴としている。なお、実施の形態１〜５と同様の構成要素については同一符号を付与し、その説明はここでは省略する。
【００８８】
図１１において、燃焼器１２は、改質器（図示せず）を加熱する。燃焼器１２の燃料は、いずれの燃料であってもよいが、例えば、改質器（図示せず）より排出される水素含有ガスや、燃料電池１００で反応に用いられず燃料電池１００から排出される水素含有ガスが用いられる。ここでは、燃料電池１００から排出される水素含有ガスを例として説明する。排出された水素含有ガスは、熱交換器２へ搬送され、熱交換器２で低温側熱回収配管３を流れる第１熱媒体と熱交換を行い、水素含有ガス中に含まれる水蒸気は凝縮し、水素含有ガス中の水分が減らされ、燃焼器１２に供給される。熱交換器２により発生した凝縮水は図示していないが、燃焼器１２に供給される前に凝縮水タンクに貯めてもよい。
【００８９】
低温側熱回収配管３を流れる第１熱媒体の温度である低温側温度が、燃料電池１００の運転可能な限界温度より高い場合、熱交換器２において第１熱媒体が受け取る熱量が減少し、水素含有ガスの温度は十分に下がらなくなる。このとき、水素含有ガスの凝縮水の量
は減少し、水素含有ガス中に残る水分量は多くなるため、水素含有ガスのガス露点（例えば７０℃）は下がらず、燃焼器１２で燃焼できなくなる。
【００９０】
低温側熱回収配管３を流れる第１熱媒体の温度である低温側温度が、燃料電池１００の運転可能な限界温度より低い場合、熱交換器２において水素気含有ガスの温度は十分に下がり、水素含有ガス中の水分が凝縮することにより、水素含有ガスのガス露点を低くすることができる。
【００９１】
以上のように、本実施の形態における燃料電池システム３００の構成をとると、熱交換器２において水素気含有ガスの温度は、燃焼可能な露点に軽減できるため、燃焼器１２で燃焼を行うことができる。
なお、実施の形態１に与える効果を説明したが、実施の形態２〜５いずれの形態でも同じ効果が得られる。
【００９２】
（実施の形態７）
実施の形態７における燃料電池システムの構成について図１２を用いて説明する。図１２は、実施の形態７における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１２に示す燃料電池システム３００は、第２循環経路１３と第２循環器１４とを備え、制御器７は、熱交換器２から高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度に基づき燃料電池１００が予め定められる燃料電池運転温度帯で運転するよう第２循環器１４を制御することを特徴としている。なお、実施の形態１〜６と同様の構成要素については同一符号を付与し、その説明はここでは省略する。
【００９３】
図１２に示す燃料電池１００は、固体高分子形燃料電池であり、水素含有ガスと、空気（酸化剤ガス）とを化学反応させることにより電力エネルギーと熱エネルギーを生成するものである。
【００９４】
第２循環経路１３は、燃料電池１００と熱交換器２の間で第２熱媒体を循環させる経路である。第２熱媒体は、一般的に水が用いられ、第２熱媒体の熱は熱交換器２を通して第１熱媒体に受け渡される。なお、第２熱媒体は水に限ることはない。
【００９５】
第２循環器１４は、流量可変のために回転数を可変できる機能を持つ循環ポンプである。よって、流量調整機能を有する部品と循環ポンプという構成でもかまわない。また、第２循環器１４は第２熱流体を搬送できる機能を有するものであればよく、プランジャーポンプや、ウイングポンプでもよい。第２循環器１４は、制御器７により燃料電池１００が予め設定される燃料電池運転温度帯になるように制御される。
【００９６】
燃料電池運転温度帯は、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度が、設定温度になるように定められた燃料電池１００の制御温度帯のことであり、燃料電池１００へ流入する第２熱媒体の温度（Ｔｉｎ）から、燃料電池１００から熱交換器２へ流入する第２熱媒体の温度（Ｔｏｕｔ）までの温度帯を示す（Ｔｉｎ≦燃料電池運転温度帯≦Ｔｏｕｔ）。一般的に、燃料電池運転温度帯は６０℃から７０℃である。
【００９７】
図１３は、実施の形態７における高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度変化と第２熱媒体の温度変化の関係を示す図である。制御器７の第２熱媒体の温度制御を行う方法について、図１３を参照しながら説明する。図１３に示すように、縦軸を第１熱媒体および第２熱媒体の温度、横軸を時間とすると、制御器７は、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度が、設定温度となるように、第２熱媒体の温度を設定し、第２循環器１４を制御する。以下に詳細を示す。
【００９８】
まず制御器７は、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の設定温度を定める。次に制御器７は、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度が、設定温度となるように、燃料電池１００から熱交換器２へ流れる第２熱媒体の温度（Ｔｏｕｔ）を定め、第２循環器１４を制御する。さらに、制御器７は第１循環器５を用いて、燃料電池１００へ流入する第２熱媒体の温度（Ｔｉｎ）を制御する。Ｔｉｎは定められたＴｏｕｔからある定められた温度差（例えば１０℃）を保つように設定する。
【００９９】
高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度を第１設定温度（５０℃）より高い第２設定温度（例えば７０℃）となるように制御する場合、制御器７は、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度が、第２設定温度（７０℃）となるように燃料電池１００から熱交換器２へ流れる第２熱媒体の温度（Ｔｏｕｔ）を定め、定めた第２熱媒体の温度（例えば７０℃）になるように第２循環器１４を制御し、第２熱媒体の温度を上昇させる。さらに、制御器７は燃料電池１００へ流入する第２熱媒体の温度（Ｔｉｎ）を例えば５０℃に定め、第１循環器５を用いて第２熱媒体の温度（Ｔｉｎ）を制御する。
【０１００】
高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度を第２設定温度（７０℃）より低い第１設定温度（例えば５０℃）となるように制御する場合、制御器７は、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度が、第１設定温度（５０℃）となるように燃料電池１００から熱交換器２へ流れる第２熱媒体の温度（Ｔｏｕｔ）を定め、定められた第２熱媒体の温度（例えば５０℃）になるように第２循環器１４を制御し、第２熱媒体の温度を低下させる。さらに、制御器７は燃料電池１００へ流入する第２熱媒体の温度（Ｔｉｎ）を例えば４０℃に定め、第１循環器５を用いて第２熱媒体の温度（Ｔｉｎ）を制御する。
【０１０１】
燃料電池１００の燃料電池運転温度帯を固定する場合、一般的に燃料電池運転温度帯は６０℃から７０℃であり、燃料電池１００は６０℃から７０℃の高温度帯で常に運転する。一方、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度に基づき、燃料電池運転温度帯を可変にする場合、制御器７は、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度を設定し、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度が、設定温度となるように、燃料電池１００から熱交換器２へ流れる第２熱媒体の温度（Ｔｏｕｔ）を定め、第２循環器１４を制御する。さらに、制御器７は第１循環器５を用いて、燃料電池１００へ流入する第２熱媒体の温度（Ｔｉｎ）の温度を制御する。Ｔｉｎは定められたＴｏｕｔからある定められた温度差（例えば１０℃）を保つように設定される。
【０１０２】
高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度を第１設定温度（５０℃）となるように制御する場合は、燃料電池運転温度帯は、４０℃から５０℃となり、燃料電池１００の燃料電池運転温度帯が固定されている場合と比べ、燃料電池運転温度帯を低くすることができる。なお、一般的に熱交換器２での熱交換効率は１００％より低く、熱量の損失が生じるため、例えば、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度を第１設定温度（５０℃）に制御するには、熱量の損失を考慮する必要がある。そのため、制御器７は第２熱媒体の温度が第１設定温度より高くなるように燃料電池運転温度帯のＴｏｕｔを第２熱媒体の目標温度を上回るように（例えば５２℃）に設定する。
【０１０３】
同様に、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度を第２設定温度（７０℃）に制御するためには、熱量の損失を考慮する必要がある。そのため、制御器７は第２熱媒体の温度が第１設定温度より高くなるように燃料電池運転温度帯のＴｏｕｔを第２熱媒体の目標温度を上回るように（例えば７２℃）に設定する。なお、燃料電池運転温度帯は、２段階に変化する高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度に基づき、制御器７が高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度を２段階定め、燃料電池１００の燃料電池運転温度帯を２段階に変更しているが、これに限らず、燃料電池１００の燃料電池運転温度帯を数段階のステップ状に変えてもよいし、リニア状に変えてもよい。
【０１０４】
また、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度が、ステップ状に変わる場合を例として説明したが、高温側熱回収配管４へ流れる第１熱媒体の温度がリニア状に変わる場合も、高温側熱回収配管４へ流れる熱媒体の温度に基づき、燃料電池運転温度帯は、ステップ状に数段階に変えてもよいし、リニア状に変えてもよい。
【０１０５】
以上のように、本実施の形態における燃料電池システム３００の構成をとると、低温度帯で燃料電池１００の運転を行うことができるため、燃料電池１００の熱による劣化を低減し耐久時間を長くすることができる。なお、実施の形態１に与える効果を説明したが、実施の形態２〜６いずれの形態でも同じ効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池などの排熱を有効利用しようとするシステムで、燃料電池システムから貯湯タンクまでの間の湯温の低下を低減できるシステムを提供できるものとして有用である。
【符号の説明】
【０１０７】
１  タンク
２  熱交換器
３  低温側熱回収配管
４  高温側熱回収配管
５  第１循環器
６  低温温度検出器
７  制御器
８  高温温度検出器
９    凝縮水タンク
１０  改質器
１１  加湿器
１２  燃焼器
１３  循環経路
１４  第２循環器
１００  燃料電池
２００  燃料電池モジュール
３００  燃料電池システム
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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