(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素および酸素の反応によって電気を発生する燃料電池と、
前記燃料電池から排出される排ガスと冷却水との間で熱交換させる熱交換器と、
前記冷却水を放熱させる放熱器と、
前記熱交換器と前記放熱器との間で前記冷却水が循環する循環経路と、
前記循環経路に前記冷却水を循環させる循環ポンプと、
前記熱交換器に流入する前記冷却水の温度を検知する第一の温度検知器と、
前記熱交換器から流出する前記冷却水の温度を検知する第二の温度検知器と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、
前記第一の温度検知器により検知された温度が閾値未満の場合、前記第二の温度検知器により検知された温度が第一所定温度になるように前記循環ポンプの出力を調整し、
前記第一の温度検知器により検知された温度が前記閾値以上の場合に、前記第二の温度検知器により検知された温度が前記第一所定温度より高い第二所定温度になるように前記循環ポンプの出力を調整するように構成されている、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池から排出される排ガスを前記熱交換器で冷却して生じる凝縮水を貯める凝縮水タンクをさらに備えている、請求項１の燃料電池システム。
【請求項３】
前記凝縮水を前記凝縮水タンクから前記燃料電池へ供給する供給ポンプをさらに備えている、請求項２の燃料電池システム。
【請求項４】
前記放熱器に送風する放熱ファンをさらに備えている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御器は、前記第一の温度検知器により検知された温度が閾値以上の場合に、前記第二の温度検知器により検知された温度が前記第二所定温度になるように前記循環ポンプの出力を調整する前に、前記第一の温度検知器により検知された温度が閾値未満になるように前記放熱ファンの出力を調整するように構成されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記循環経路に設けられ、かつ、前記熱交換器から回収した熱を貯める貯湯タンクをさらに備えている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
水素および酸素の反応によって電気を発生する燃料電池と、
前記燃料電池から排出される排ガスと冷却水との間で熱交換させる熱交換器と、
前記冷却水を放熱させる放熱器と、
前記熱交換器と前記放熱器との間で前記冷却水が循環する循環経路と、
前記循環経路に前記冷却水を循環させる循環ポンプと、
前記熱交換器に流入する前記冷却水の温度を検知する第一の温度検知器と、
前記熱交換器から流出する前記冷却水の温度を検知する第二の温度検知器と、
前記放熱器に送風する放熱ファンと、
制御器と、を備え、
前記制御器は、
前記第二の温度検知器により検知された温度が第一所定温度になるように前記循環ポンプの出力を調整し、
前記第一の温度検知器により検知された温度が閾値以上の場合に、前記第一の温度検知器により検知された温度が閾値未満になるように前記放熱ファンの出力を調整した後、前記第二の温度検知器により検知された温度が前記第一所定温度より高い第二所定温度になるように前記循環ポンプの出力を調整するように構成されている、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
原料ガスとして炭化水素を用いた燃料電池システムでは、燃料電池のスタックおよび改質器から排出される排ガスは水分を含んでいる。水自立（外部からの補給水を受けいれることなく運転を継続する状態）する燃料電池システムでは、この水分を凝縮して回収し、再利用することが一般的に行われている。
【０００３】
たとえば、特許文献１の燃料電池システムには、純水を生成して改質器に供給する水供給手段である水流量調整ユニットが設けられている。このユニットには、凝縮器、第１の貯水タンク、凝縮水タンクおよびパルスポンプが備えられている。この凝縮器で燃料電池モジュールからの排気中の水分を凝縮し、この凝縮水を第１の貯水タンクに貯留し、さらに凝縮水が浄化された純水を凝縮水タンクで貯留した上で、純水をパルスポンプにより改質器に供給している。
【０００４】
また、特許文献２の固体酸化物形燃料電池システムには、貯湯タンクと熱交換器との間に水を循環させる循環流路、および、循環流路に配設された放熱手段が備えられている。そして、放熱手段により循環水を放熱することにより、熱交換器の熱交換効率を上げて、排気ガス中の水蒸気の回収を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３-７３９０３公報
【特許文献２】特開２０１０-２７７９７３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、上記特許文献１および２に記載された従来技術について、利便性、コストおよび水自立の観点から未だ改善の余地がある。本発明は、このような問題を解決するもので、利便性の低下の抑制およびコストの上昇の抑制を図り、水自立可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様に係る燃料電池システムは、水素および酸素の反応によって電気を発生する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排ガスと冷却水との間で熱交換させる熱交換器と、前記冷却水を放熱させる放熱器と、前記熱交換器と前記放熱器との間で前記冷却水が循環する循環経路と、前記循環経路に前記冷却水を循環させる循環ポンプと、前記熱交換器に流入する前記冷却水の温度を検知する第一の温度検知器と、前記熱交換器から流出する前記冷却水の温度を検知する第二の温度検知器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記第二の温度検知器により検知された温度が第一所定温度になるように前記循環ポンプの出力を調整し、前記第一の温度検知器により検知された温度が閾値以上の場合に、前記第二の温度検知器により検知された温度が前記第一所定温度より高い第二所定温度になるように前記循環ポンプの出力を調整するように構成されている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、燃料電池システムにおいて従来の利便性の低下の抑制およびコストの上昇の抑制を図り、水自立可能であるという効果を奏する。
【０００９】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、および利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成の一例を概略的に示すブロック図である。
【図２】図１の燃料電池システムの運転方法の一例を示すフロー図である。
【図３】本発明の実施の形態１の変形例１に係る燃料電池システムの構成の一例を概略的に示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態１の変形例２に係る燃料電池システムの構成の一例を概略的に示すブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成の一例を概略的に示すブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態２の変形例１に係る燃料電池システムの運転方法の一例を示すフロー図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成の一例を概略的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本発明の基礎となる知見）
本発明者等は燃料電池システムについて利便性の低下の抑制およびコストの上昇の抑制を図り、水自立可能にするために鋭意検討をした。この結果、本発明者等は従来技術には下記のような問題があることを見出した。
【００１２】
すなわち、水自立するには、燃料電池からの排ガスから熱を受け取った冷却水を、水自立に必要な量の凝縮水を回収できる温度まで冷却する必要がある。しかしながら、たとえば、夏季の猛暑の際、排ガスを冷やす冷却水の温度が高くなることがある。この場合、排ガスの熱量に対する冷却水による冷却能力が低下するため、排ガスが十分に冷えず、排ガス中の水分が凝縮される量が少なく、水の回収率が低くなる。
【００１３】
また、たとえば、燃料電池が劣化すると、燃料電池から排出される熱量が多くなる。この場合、冷却水による冷却能力に対し排ガスの熱量が増加するため、排ガスが十分に冷えず、排ガス中の水分が凝縮される量が少なく、水の回収率が低くなる。このように、水回収率が低下すると、燃料電池システムの水自立が困難になる。
【００１４】
これに対し、特許文献１の従来技術では、燃料電池の発電電力を低下させている。これにより、燃料電池の発熱量を低下させることで、酸化剤ガス／燃料の比を減少させ、凝縮水の生成を促進している。しかしながら、需要に関係なく発電電力を低下させることは利便性に劣る。
【００１５】
また、特許文献２などの従来技術では、大型化および空気の流量増加などにより放熱手段を高機能化して、冷却水の温度を低下させることが考えられる。これにより、排ガスの熱量に対する冷却水の放熱能力が向上し、水の回収率の低下を抑制することができる。ただし、放熱手段の高機能化によりコストが上昇してしまう。
【００１６】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、熱交換器の入口における冷却水の温度が所定の温度以上になると、熱交換器の出口における冷却水の温度が高くなるように循環ポンプの出力を調整する。これにより、燃料電池システムについて利便性の低下の抑制およびコストの上昇の抑制を図り、水自立可能にすることが可能になる。
【００１７】
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、水素および酸素の反応によって電気を発生する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排ガスと冷却水との間で熱交換させる熱交換器と、前記冷却水を放熱させる放熱器と、前記熱交換器と前記放熱器との間で前記冷却水が循環する循環経路と、前記循環経路に前記冷却水を循環させる循環ポンプと、前記熱交換器に流入する前記冷却水の温度を検知する第一の温度検知器と、前記熱交換器から流出する前記冷却水の温度を検知する第二の温度検知器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記第二の温度検知器により検知された温度が第一所定温度になるように前記循環ポンプの出力を調整し、前記第一の温度検知器により検知された温度が閾値以上の場合に、前記第二の温度検知器により検知された温度が前記第一所定温度より高い第二所定温度になるように前記循環ポンプの出力を調整するように構成されている。
【００１８】
これにより、第一の温度検知器により検知された温度が閾値以上になっても、第二の温度検知器により検知された温度を第二所定温度になるようにする。これにより、循環経路を流れる冷却水と放熱器の冷却媒体との温度差が大きくなり、放熱器の放熱能力が向上する。このため、熱交換器に流入する冷却水の温度上昇が放熱器により抑えられる。よって、熱交換器において冷却水は燃料電池からの排ガスを水自立に必要な温度まで冷却し、排ガス中の水分を凝縮させて、水自立に必要な凝縮水を回収することができる。また、燃料電池の発電電力の低下および放熱器の高機能化することがないため、利便性の低下およびコストの上昇を抑制することができる。
【００１９】
本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、第１の態様において、前記燃料電池から排出される排ガスを前記熱交換器で冷却して生じる凝縮水を貯める凝縮水タンクをさらに備えていてもよい。これにより、排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を凝縮水タンクに回収することができる。この回収した凝縮水を燃料電池の改質器における改質水として用いることにより、燃料電池システムは水自立が可能になる。
【００２０】
本発明の第３の態様に係る燃料電池システムは、第２の態様において、前記凝縮水を前記凝縮水タンクから前記燃料電池へ供給する供給ポンプをさらに備えていてもよい。これによれば、凝縮水タンクに貯められた凝縮水を供給ポンプにより燃料電池へ供給し、凝縮水を燃料電池の改質器における改質水として用いることにより、燃料電池システムは水自立が可能になる。
【００２１】
本発明の第４の態様に係る燃料電池システムは、第１〜第３のいずれかの態様において、前記放熱器に送風する放熱ファンをさらに備えていてもよい。これにより、放熱ファンが放熱器に送風し、放熱器の放熱効果を促進することができる。
【００２２】
本発明の第５の態様に係る燃料電池システムは、第４の態様において、前記制御器は、前記第一の温度検知器により検知された温度が閾値以上の場合に、前記第二の温度検知器により検知された温度が前記第二所定温度になるように前記循環ポンプの出力を調整する前に、前記第一の温度検知器により検知された温度が閾値未満になるように前記放熱ファンの出力を調整するように構成されていてもよい。
【００２３】
このように、第一の温度検知器により検知された温度が閾値以上の場合に、第一の温度検知器により検知された温度が閾値未満になるように放熱ファンの出力を調整してから、第二の温度検知器により検知された温度が第二所定温度になるように循環ポンプの出力を調整する。これにより、放熱ファンによる放熱器の放熱効率促進を最大限に活用することができる。
【００２４】
本発明の第６の態様に係る燃料電池システムは、第１〜第５のいずれかの態様において、前記循環経路に設けられ、かつ、前記熱交換器から回収した熱を貯める貯湯タンクをさらに備えていてもよい。これにより、燃料電池からの排熱を湯として貯湯タンクに貯めることができ、燃料電池システムの経済効率の向上を図ることができる。
【００２５】
（実施の形態１）
＜燃料電池システム構成＞
まず、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成について、図１を参照して説明する。図１は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成の一例を概略的に示すブロック図である。燃料電池システム１００は、燃料電池１、熱交換器２、循環経路４ 、循環ポンプ５、放熱器６、第一の温度検知器８、第二の温度検知器９および制御器１１を備えている。なお、循環経路４における冷却水の流れる方向に沿って上流側および下流側と称する。
【００２６】
燃料電池１は、水素および酸素の反応によって電気を発生する装置である。燃料電池１は、電解質、および、これを挟む一対の電極を有するスタック（図示せず）を備えている。燃料電池１は、その電解質の種類によって、たとえば、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および固体高分子形燃料電池に分類されている。燃料電池１に、このいずれの種類を用いることができる。燃料電池１には改質器（図示せず）が設けられている。
【００２７】
改質器は、燃料電池１の発電に必要な水素を改質反応により生成する反応器である。改質反応としては、たとえば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応および部分酸化反応が挙げられる。このうち、水蒸気改質反応は、他の反応に比べて高い水素生成効率を有しているため、改質反応として好ましい。この水蒸気改質反応では、水蒸気を用いて原料ガスを改質して、水素を生成する。原料ガスは、少なくとも炭素および水素から構成されている有機化合物を含むガスである。原料ガスとして、たとえば、メタンを主成分とする都市ガスおよび天然ガス、ならびに、ＬＰＧなどが挙げられる。
【００２８】
なお、燃料電池１には、改質器に加えて、改質反応に必要な機器が適宜設けられていてもよい。たとえば、水蒸気改質反応を用いた改質器の場合、改質反応に必要な熱を供給する燃焼器（図示せず）、水蒸気を生成する蒸発器（図示せず）、および、蒸発器に水（改質水）を供給する水供給器（図示せず）などが燃料電池１に設けられる。また、燃料電池１には、排ガス経路１ａが接続されている。
【００２９】
排ガス経路１ａは、燃料電池１から排出されたガス（排ガス）が流通する経路である。排ガス経路１ａは、燃料電池１、および、燃料電池システム１００の排出口（図示せず） などに接続されている。たとえば、燃料電池１からの排ガスが排ガス経路１ａを介して燃料電池システム１００の外部へ排出される。
【００３０】
熱交換器２は、燃料電池１からの排ガスと循環経路４を流れる冷却水との間で熱交換させる機器である。熱交換器２には排ガス経路１ａおよび循環経路４が貫通する。熱交換器２では、排ガス経路１ａを流れる高温の排ガスが、循環経路４を流れる低温の冷却水により冷却される。この排ガスは、燃料電池１の発電により生成した水分を水蒸気の形で含んでいる。このため、排ガスが露点まで冷却されると、排ガスに含まれている水蒸気が凝縮して、水（凝縮水）が生成する。この凝縮水は燃料電池１の改質器に供給されて、改質器において改質水として利用される。一方、冷却水は排ガスにより加熱されて、熱交換器２より下流側の循環経路４へ流出する。
【００３１】
循環経路４は、熱交換器２と放熱器６との間で冷却水が循環する経路である。たとえば、循環経路４上には、熱交換器２、第二の温度検知器９、放熱器６、および、第一の温度検知器８がこの順（正順）で配置されている。また、循環経路４上の任意の場所に配置された循環ポンプ５によって、冷却水が、これらの機器を正順に通過するよう循環させられる。
【００３２】
循環ポンプ５は、循環経路４に冷却水を循環させるポンプである。循環ポンプ５は、循環経路４に設けられ、たとえば、循環経路４を循環する冷却水の流量を調整できる機能（流量調整機能）を有している。循環ポンプ５は、制御器１１からの制御信号に応じて循環経路４を循環する冷却水の流量を調整する。なお、流量調整機能は循環ポンプ５に内蔵されていてもよいし、流量調整機能を有する部品として循環ポンプ５とは別に設けられていてもよい。
【００３３】
放熱器６は、冷却水を放熱させる機器である。放熱器６は、循環経路４に設けられ、循環経路４を流れる冷却水と冷却媒体とを熱交換させる熱交換器である。たとえば、放熱器６としては、冷却媒体が空気であるラジエータが挙げられる。ただし、冷却媒体は空気に限定されず、空気以外の気体、および、液体などが用いられる。放熱器６がラジエータの場合には、熱交換器２から排出された冷却水の熱は大気に放出され、冷却水が冷却される。
【００３４】
第一の温度検知器８は、熱交換器２に流入する冷却水の温度（流入温度）を検知する温度検知器である。第一の温度検知器８は、検知した温度（第一検知温度）を冷却水の流入温度として制御器１１に出力する。ここでは、第一の温度検知器８は、熱交換器２より上流側であって放熱器６より下流側の循環経路４に設けられている。ただし、第一の温度検知器８は、冷却水の流入温度を検知できる位置であればよく、たとえば、熱交換器２における冷却水の入口に対応する循環経路４の位置に配置されていてもよい。第一の温度検知器８としては、熱電対およびサーミスタ測温体などが挙げられる。
【００３５】
第二の温度検知器９は、熱交換器２から流出する冷却水の温度（流出温度）を検知する温度検知器である。第二の温度検知器９は、検知した温度（第二検知温度）を冷却水の流出温度として制御器１１に出力する。ここでは、第二の温度検知器９は、熱交換器２より下流側の循環経路４に設けられている。ただし、第二の温度検知器９は、冷却水の流出温度を検知できる位置であればよく、たとえば、熱交換器２における冷却水の出口に対応する循環経路４の位置に配置されていてもよい。第二の温度検知器９としては、熱電対およびサーミスタ測温体などが挙げられる。
【００３６】
制御器１１は、燃料電池システム１００の各構成を制御する。たとえば、制御器１１は、第二検知温度に基づいて循環ポンプ５の出力（吐出量）を制御する。制御器１１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。
【００３７】
＜燃料電池システムの運転方法＞
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の運転方法について、図２を参照しながら説明する。図２は実施の形態１に係る燃料電池システム１００の運転方法の一例を示すフロー図である。この燃料電池システム１００の運転方法は制御器１１により制御される。
【００３８】
まず、制御器１１は、第二の温度検知器９により検知された温度（第二検知温度Ｔ２）
が第一所定温度Ｘになるように循環ポンプ５の出力を調整する(Ｓｔｅｐ１)。ただし、「第二検知温度Ｔ２が第一所定温度Ｘになるように」とは、第二検知温度Ｔ２と第一所定温度Ｘとが完全に一致する場合だけでなく、第二検知温度Ｔ２が第一所定温度Ｘに近づく場合も含む。
【００３９】
第一所定温度Ｘは、所定の温度であって、たとえば、７０℃である。第一所定温度Ｘとして、たとえば、循環経路４を流れる冷却水が沸騰しない温度、冷却水の溶解物により循環経路４にスケールが発生しにくい温度、または、循環経路４およびこれに設けられた機器が冷却水の熱により損傷しにくい温度が挙げられる。
【００４０】
具体的には、制御器１１は、第二の温度検知器９から第二検知温度Ｔ２を取得し、第二検知温度Ｔ２と第一所定温度Ｘを比較し、この比較結果に基づいて循環ポンプ５の出力をフィードバック制御で調整する。
【００４１】
Ｑ１  ＝  ΣCp  ×  ｍ  ×  ΔＴ                        （式１）
ΔＴ  ＝  Ｔ２  −  Ｔ１                                （式２）
Ｑ１：排ガスから冷却水が受ける熱量（W）
Cp：比熱（J/(kg・K)）
ｍ：冷却水の流量（kg/s）
Ｔ１：冷却水の流入温度（第一検知温度）（K）
Ｔ２：冷却水の流出温度（第二検知温度）（K）
たとえば、熱交換器２に流入する冷却水の温度（流入温度）Ｔ１および冷却水流量ｍが一定とする。この場合、燃料電池１からの排ガスの熱量（排熱量）Ｑ１が増えると、冷却水の出入り温度差ΔＴが増加する（上記（式１））。これにより、上記（式２）に示すように、熱交換器２から流出する冷却水の温度（流出温度）Ｔ２が上昇し、第二検知温度Ｔ２が第一所定温度Ｘより高くなる。これに対し、制御器１１は、第二検知温度Ｔ２が第一所定温度Ｘになるように、つまり、ΔＴが規定値になるように、冷却水流量ｍが増加するよう循環ポンプ５を制御する。
【００４２】
一方、燃料電池１の排熱量Ｑ１が減ると、冷却水の出入り温度差ΔＴが減少し、第二検知温度Ｔ２が第一所定温度Ｘより低くなる（上記（式１）、（式２））。これに対し、制御器１１は、第二検知温度Ｔ２が第一所定温度Ｘになるように、つまり、ΔＴが規定値になるように、冷却水流量ｍを減少させるよう循環ポンプ５を制御する。
【００４３】
続いて、制御器１１は、第一の温度検知器８により検知された温度（第一検知温度Ｔ１）が閾値Ｙ以上の場合に（Ｓｔｅｐ２：Ｙｅｓ）、第二検知温度Ｔ２が第二所定温度Ｚになるように循環ポンプ５の出力を調整する（Ｓｔｅｐ３）。なお、「第二検知温度Ｔ２が第二所定温度Ｚになるように」とは、第二検知温度Ｔ２と第二所定温度Ｚとが完全に一致する場合だけでなく、第二検知温度Ｔ２が第二所定温度Ｚに近づく場合も含む。
【００４４】
閾値Ｙは、所定の温度であって、たとえば、熱交換器２において排ガスを水自立可能な温度まで冷却することができる冷却水の流入温度である。また、第二所定温度Ｚは、所定の温度であって、第一所定温度Ｘより高い温度である。第二所定温度Ｚとしては、冷却水が沸騰しない温度、たとえば、９０℃、または、循環経路４に設けられた機器の耐熱温度より低い温度、たとえば、８０℃である。
【００４５】
具体的には、制御器１１は、第一の温度検知器８から第一検知温度Ｔ１を取得し、第一検知温度Ｔ１が閾値Ｙ以上であるか否かを判定する（Ｓｔｅｐ２）。第一検知温度Ｔ１が閾値Ｙ未満であれば（Ｓｔｅｐ２：Ｎｏ）、冷却水は排ガスを水自立可能な温度まで十分に冷却し、水自立に必要な量の凝縮水を得ることができる。このため、制御器１１は、Ｓｔｅｐ１の処理に戻り、Ｓｔｅｐ１および２の処理を繰り返す。
【００４６】
一方、第一検知温度Ｔ１が閾値Ｙ以上であれば（Ｓｔｅｐ２：Ｙｅｓ）、冷却水は排ガスを水自立可能な温度まで冷却することができず、凝縮水が減少する。このため、制御器１１は、第二の温度検知器９から第二検知温度Ｔ２を取得し、第二検知温度Ｔ２が第二所定温度Ｚになるように、循環ポンプ５の出力をフィードバック制御で調整する。これにより、放熱器６の放熱能力を高めることより、放熱器６から流出して熱交換器２に流入する冷却水の温度を低下させ、第一検知温度Ｔ１が閾値Ｙ未満に抑える。この放熱器６の放熱能力を表す、冷却水と空気との熱交換量Ｑ２は下記（式３）に示される。
【００４７】
Ｑ２  ＝  Ｋ  ×  Ａ  ×  ΔＴx （式３）
Ｑ２：冷却水と空気との熱交換量（W）
Ｋ：総括熱伝達率（W/(ｍ2・K)）
Ａ：伝熱面積（ｍ2）
ΔＴx：対数平均温度差（K）
すなわち、第一所定温度Ｘから第二所定温度Ｚに第二検知温度Ｔ２を上昇させると、放熱器６では流入する冷却水の温度が上昇し、これに伴い、上記（式３）における対数平均温度差ΔＴｘが増加する。対数平均温度差ΔＴｘは、冷却水の出入温度差および空気の出入温度差を考慮した温度差であって、（ΔＴｉ−ΔＴｏ）／ｌｎ（ΔＴｉ／ΔＴｏ）で表される。ΔＴｉは、放熱器６における冷却水の流入口側での冷却水と空気との温度差である。ΔＴｏは、放熱器６における冷却水の流出口側での冷却水と空気との温度差である。
【００４８】
また、第一所定温度Ｘから第二所定温度Ｚに第二検知温度Ｔ２を上昇させると、熱交換器２では上記（式２）から温度差ΔＴが増加する。これに対し、上記（式１）に示す冷却水の熱量Ｑ１は一定であるため、温度差ΔＴの増加に応じて、循環経路４における冷却水の流量ｍが減少する。この冷却水の流量ｍに上記（式３）における総括熱伝達率Ｋが依存し、流量ｍの減少に伴って総括熱伝達率Ｋが低下する。
【００４９】
このように、第二検知温度Ｔ２を上昇させると、対数平均温度差ΔＴｘが増加するのに対し、総括熱伝達率Ｋが低下する。ただし、対数平均温度差ΔＴｘの増加量は総括熱伝達率Ｋの低下量より大きいため、上記（式３）の放熱器６における熱交換量Ｑ２は増加する。これにより、放熱器６の放熱能力が上昇し、放熱器６により冷却水の温度が低下し、第一検知温度Ｔ１が閾値Ｙ未満に抑えられる。
【００５０】
そして、制御器１１はＳｔｅｐ２の処理に戻り、Ｓｔｅｐ１〜３の処理を所定または任意のタイミングで繰り返す。
【００５１】
上記構成によれば、第一検知温度Ｔ１が閾値Ｙ以上の場合に、第二検知温度Ｔ２が第一所定温度Ｘより高い第二所定温度Ｚになるように循環ポンプ５の出力を調整している。これにより、放熱器６の対数平均温度差ΔＴｘを大きくして、放熱器６における冷却水と空気との伝熱量を大きくしている。これにより、放熱器６の放熱能力を向上させて、第一検知温度Ｔ１を閾値Ｙ未満に抑えることができる。この結果、熱交換器２において排ガスを水自立可能な温度まで冷却し、水自立に必要な量の凝縮水を回収し、燃料電池システム１００の水自立を可能にする。
【００５２】
また、第一検知温度Ｔ１が閾値Ｙ以上になっても、燃料電池１の発電電力を低下させていない。このため、ユーザの需要に応じた出力で発電することができるため、発電電力を下げることによる利便性の低下を抑制することができる。
【００５３】
さらに、大型化および空気の流量増加など放熱器６の高機能化により、放熱器６の放熱能力を向上させていない。このため、放熱器６の高機能化による燃料電池システム１００のコスト上昇を抑制することができる。
【００５４】
また、放熱器６において高い放熱能力を得るため、対数平均温度差ΔＴｘを常に最大にして燃料電池システム１００を運転することも考えられる。この場合、第二検知温度Ｔ２が第二所定温度Ｚになるように循環ポンプ５が制御されるため、熱交換器２から流出する冷却水の温度が高くなる。このため、長期間、高温の冷却水が循環経路４およびこれに設けられた循環ポンプ５および弁（図示せず）などの機器を流れると、機器の熱劣化、および、循環経路４におけるスケールの発生などの問題が生じる。これに対し、第一検知温度Ｔ１が閾値Ｙ未満では、第二検知温度Ｔ２が第一所定温度Ｘになるように循環ポンプ５が制御されるため、循環経路４における冷却水の温度を低く抑えられ、これらの問題を回避することができる。
【００５５】
（実施の形態１の変形例１）
実施の形態１の変形例１に係る燃料電池システム１００の構成について図３を参照して説明する。実施の形態１の変形例１に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１の構成に加えて、凝縮水タンク１０をさらに備えている。
【００５６】
凝縮水タンク１０は、燃料電池１から排出される排ガスを熱交換器２で冷却して生じる凝縮水を貯めるタンクである。凝縮水タンク１０は、排ガス経路１ａから分岐した凝縮水経路１ｂに接続されている。
【００５７】
熱交換器２において排ガスが冷却水により水自立可能な温度まで冷却されると、冷却水中の水分が凝縮する。この凝縮水は凝縮水経路１ｂにより凝縮水タンク１０に流入して貯められる。よって、凝縮水を外界に放出することなく適切な用途に使用することができる。
【００５８】
（実施の形態１の変形例２）
実施の形態１の変形例２に係る燃料電池システム１００の構成について図４を参照して説明する。実施の形態１の変形例２に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１の変形例１の構成に加えて、供給ポンプ１２をさらに備えている。
【００５９】
供給ポンプ１２は、凝縮水を凝縮水タンク１０から燃料電池１へ供給するポンプである。供給ポンプ１２は供給経路１ｃに設けられており、供給経路１ｃは燃料電池１および凝縮水タンク１０に接続されている。
【００６０】
凝縮水タンク１０に貯められた凝縮水は供給ポンプ１２により供給経路１ｃを介して燃料電池１に供給される。そして、凝縮水は、燃料電池１の改質器において原料を改質するための改質水として利用される。これにより、外部からの水供給なく、水自立運転が可能となる。
【００６１】
なお、実施の形態１の燃料電池システム１００に供給ポンプ１２を設けてもよい。この場合、供給ポンプ１２が設けられた供給経路１ｃは、排ガス経路１ａから分岐し、燃料電池１に接続される。
【００６２】
（実施の形態２）
実施の形態２に係る燃料電池システム１００の構成について図５を参照して説明する。図５は、実施の形態２に係る燃料電池システム１００の構成の一例を概略的に示すブロック図である。実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１の構成に加えて、放熱ファン７をさらに備えている。なお、燃料電池システム１００の運転方法としては、図２に示す運転方法を用いることができる。
【００６３】
放熱ファン７は、放熱器６に送風するファンである。放熱ファン７は、放熱器６側に向かって空気を引き入れる吸い込み型であってもよいし、放熱器６側に向かって空気を送る吹きつけ型であってもよい。放熱ファン７により空気が放熱器６に導入されて、放熱器６における放熱効果が促進される。これにより、放熱器６のサイズを維持または小さくすることができる。
【００６４】
（実施の形態２の変形例１）
実施の形態２の変形例１に係る燃料電池システム１００では、制御器１１は、第一検知温度Ｔ１が閾値Ｙ以上の場合に、第二検知温度Ｔ２が第二所定温度Ｚになるように循環ポンプ５の出力を調整する前に、第一検知温度Ｔ１が閾値Ｙ未満になるように放熱ファン７の出力を調整するように構成されている。燃料電池システム１００は、図５に示す構成を備える。放熱ファン７の出力は、可変であって、制御器１１により制御される。
【００６５】
また、燃料電池システム１００は、図６に示す運転方法を用いることができる。この運転方法では、図２の運転方法のＳｔｅｐ２とＳｔｅｐ３との間にＳｔｅｐ４およびＳｔｅｐ５の処理をさらに実行する。
【００６６】
具体的には、制御器１１は、第二検知温度Ｔ２が第一所定温度Ｘになるように循環ポンプ５の出力を調整する(Ｓｔｅｐ１)。この間に、制御器１１は、第一検知温度Ｔ１が閾値Ｙ以上か否かを監視する（Ｓｔｅｐ２）。ここで、第一検知温度Ｔ１が閾値Ｙ未満であれば（Ｓｔｅｐ２：Ｎｏ）、制御器１１はＳｔｅｐ１の処理を繰り返す。
【００６７】
一方、第一検知温度Ｔ１が閾値Ｙ以上になれば（Ｓｔｅｐ２：Ｙｅｓ）、制御器１１は、第一検知温度Ｔ１が閾値Ｙ未満になるように放熱ファン７の出力を調整する。このため、制御器１１は、第一の温度検知器８から第一検知温度Ｔ１を取得し、第一検知温度Ｔ１が閾値Ｙ未満になるまで放熱ファン７の出力を上げるように調整する（Ｓｔｅｐ４）。
【００６８】
ただし、放熱ファン７の出力が最大出力であれば、これ以上に放熱ファン７の出力を上げることはできない。このため、制御器１１は放熱ファン７の出力を取得し、この出力が最大出力であるか否かを判定する（Ｓｔｅｐ５）。放熱ファン７の出力が最大出力未満であれば（Ｓｔｅｐ５：Ｎｏ）、Ｓｔｅｐ１の処理に戻る。一方、放熱ファン７の出力が最大出力に達していれば（Ｓｔｅｐ５：Ｙｅｓ）、第二検知温度Ｔ２が第二所定温度Ｚになるように循環ポンプ５の出力を調整する（Ｓｔｅｐ３）。そして、Ｓｔｅｐ１の処理に戻る。このようなＳｔｅｐ１〜５の処理を所定または任意のタイミングで繰り返す。
【００６９】
上記構成によれば、第一検知温度Ｔ１が閾値Ｙ以上の場合に、第一検知温度Ｔ１が閾値Ｙ未満になるように放熱ファン７の出力を調整してから、第二検知温度Ｔ２が第二所定温度Ｚになるように循環ポンプ５の出力を調整している。これにより、放熱ファン７の放熱促進機能を最大限に活用してから、循環経路４に流れる冷却水の温度を上げている。このため、循環経路４に高温の冷却水が流れることを抑制することができる。
【００７０】
（実施の形態３）
実施の形態３に係る燃料電池システム１００の構成について図７を参照して説明する。図７は、実施の形態３に係る燃料電池システム１００の構成の一例を概略的に示すブロック図である。実施の形態３に係る燃料電池システム１００は、実施の形態２の変形例１の構成に加えて、貯湯タンク３をさらに備えている。なお、燃料電池システム１００の運転方法としては、図６に示す運転方法を用いることができる。
【００７１】
貯湯タンク３は、循環経路４に設けられ、かつ、熱交換器２から回収した熱を貯めるタンクである。貯湯タンク３は、たとえば、循環ポンプ５の下流側であって放熱器６の上流側に配置され、循環経路４に接続されている。貯湯タンク３としては、たとえば、温度の高い冷却水が上から順番に貯まっていく積層型タンクが用いられる。この貯湯タンク３では、上部が温度の高い冷却水の層になり、下部が温度の低い冷却水の層になる。よって、熱交換器２により加熱された高温の冷却水が貯湯タンク３の上部に流入し、貯湯タンク３の下部の低温の冷却水が貯湯タンク３から循環経路４に流れるように、貯湯タンク３に循環経路４が接続されている。なお、貯湯タンク３は、この積層型タンクに限らず、冷却水の温度が均一になるタンクであってもよい。
【００７２】
また、貯湯タンク３は、循環経路４の冷却水が貯められるタンクではなく、循環経路４の冷却水が通過するタンクであってもよい。この場合、循環経路４は貯湯タンク３を貫通する。そして、循環経路４を流れる冷却水は、貯湯タンク３を通過し、この間に貯湯タンク３に貯められた水と熱交換する。これにより、貯湯タンク３の水は加熱され、循環経路４の冷却水は冷却されて放熱器６へ流れる。
【００７３】
上記構成によれば、燃料電池システム１００に貯湯タンク３が設けられている。このため、燃料電池１からの排熱をお湯として貯湯タンク３に蓄熱することができ、燃料電池システム１００の経済効率が向上する。
【００７４】
なお、図７に示す実施の形態３に係る燃料電池システム１００は、実施の形態２の変形例１の構成に、貯湯タンク３をさらに備えたが、これに限定されない。たとえば、実施の形態３に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１、この変形例１および２、ならびに、実施の形態２の各構成に、貯湯タンク３をさらに備えてもよい。
【００７５】
なお、上記全実施の形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。
【００７６】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の燃料電池システムは、利便性の低下の抑制およびコストの上昇の抑制を図り、水自立可能な燃料電池システムなどとして有用である。
【符号の説明】
【００７８】
１      燃料電池
２      熱交換器
３      貯湯タンク
４      循環経路
５      循環ポンプ
６      放熱器
７      放熱ファン
８      第一の温度検知器
９      第二の温度検知器
１０    凝縮水タンク
１１    制御器
１２    供給ポンプ
１００  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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