(57)【要約】      （修正有）【課題】安定的に発電を継続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１００は、原料を改質して得た水素含有ガスを用いて発電する燃料電池１と、燃料電池１から排出される排ガスの温度を低下させ、原料を改質するために利用する改質水を回収する改質水回収部２と、排ガスから改質水を回収するために用いる冷媒として、貯湯槽６内の水を、改質水回収部２を通じて循環させる循環流路９と、改質水回収部２による改質水の回収時に、排ガスから得られる熱により加温された循環流路９を流通した水を貯める貯湯槽６と、貯湯槽６内において所定温度以上となる水量を示す貯湯量を検知する検知部７と、制御部２０と、を備える。制御部２０は、検知部７の検知結果に基づき、貯湯量が燃料電池１の運転状態を規定する運転計画１１により設定された第１貯湯量以下となるように、改質水回収部２を制御させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を改質して得た水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出される排ガスの温度を低下させ、前記原料を改質するために利用する改質水を回収する改質水回収部と、
前記排ガスから前記改質水を回収するために用いる冷媒として、前記貯湯槽内の水を、前記改質水回収部を通じて循環させる循環流路と、
前記改質水回収部による前記改質水の回収時に、前記排ガスから得られる熱により加温された前記循環流路を流通した水を貯める貯湯槽と、
前記貯湯槽内において所定温度以上となる水量を示す貯湯量を検知する検知部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記検知部の検知結果に基づき、前記貯湯量が前記燃料電池の運転状態を規定する運転計画により設定された第１貯湯量以下となるように、前記改質水回収部を制御させる燃料電池システム。
【請求項２】
前記改質水回収部は、
前記循環流路を流通する水の有する熱を放熱させる放熱部と、
前記循環流路を流通する前記水と前記排ガスとを熱交換させ、該排ガスに含まれる水分を凝縮させて前記改質水を得る熱交換部と、を有し、
前記制御部は、前記検知部の検知結果に基づき、前記貯湯量が前記第１貯湯量以下となるように前記水から放熱させる熱量を前記放熱部によって制御させる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記循環流路において、前記放熱部は前記熱交換部よりも上流側に配置される請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記改質水回収部は、
前記排ガスの有する熱を放熱させる放熱部と、
前記循環流路を流通する前記水と前記排ガスとを熱交換させ、該排ガスに含まれる水分を凝縮させて前記改質水を得る熱交換部と、を有し、
前記制御部は、前記検知部の検知結果に基づき、前記貯湯量が前記第１貯湯量以下となるように、前記排ガスから放熱させる熱量を前記放熱部によって制御させる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池から排出された前記排ガスが流通する排ガス流路を備え、
前記排ガス流路において前記放熱部は前記熱交換部よりも上流側に配置される請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記放熱部は空冷により放熱させる請求項２から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第１貯湯量は、
前記燃料電池の発電を継続させるために必要とする量の改質水を前記改質水回収部によって回収することを可能とする貯湯槽における貯湯量である請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池の運転計画は、
前記燃料電池の前日の運転状態、設置場所における気温の変化が対応づけられた暦、外部から受け付けた設置場所における現時点での温度に基づいて設定される１から７のいずれか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、燃料電池から排出される排ガスから、発電原料を改質するために利用する改質水を回収する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、高い発電効率と高品位な排熱の二次利用とを可能とするため、分散電源としての利用が期待されている。燃料電池の排熱を二次利用したシステムの例としては、発電時に発生する熱をお湯として貯める貯湯槽を備えた燃料電池システムが挙げられる。
【０００３】
さて、燃料電池を分散電源として利用する分散型発電システムを有効に機能させるためには、発電時に原料を安定的に供給する必要がある。なお、一般的に、燃料電池の原料は、既存のインフラストラクチャーから供給される、例えば、天然ガスを主成分とする天然ガス（都市ガス）、ＬＰＧ、ガソリン、灯油等が利用される。
【０００４】
ところで、燃料電池は、水素含有ガス（改質ガス）と、空気等の酸化剤ガスとを電気化学反応（発電反応）させることにより、電力と熱とを同時に発生させる。ここで、供給された原料に対する代表的な改質方法としては、空気の共存下で改質を行う部分酸化改質と、水蒸気の共存下で改質を行う水蒸気改質が挙げられる。前者よりも後者の方が、高効率であり、同量の原料消費における稼動時間が後者の方が長くなり、燃費が節約できる。このため燃料電池を分散電源として利用する場合、水蒸気改質により原料を改質する構成の方が有利である。
【０００５】
しかしながら、水蒸気改質により改質ガスを生成し、燃料電池を分散電源として利用する分散型発電システムを機能させるためには、上記した原料に加えて、水を安定的に該分散型発電システムに供給する必要がある。ここで、燃料電池から排出された排ガスには水分が含まれている。そこで、排ガス中の水を回収して発電に利用することで安定的な水の供給を図ることができる。このような水回収構成としては、例えば、特許文献１、２に示す燃料電池発電システムが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２１８８８２号公報
【特許文献２】特開２００３−３３１９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、安定的に発電を継続することができる燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムは、上記した課題を解決するために、原料を改質して得た水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排ガスの温度を低下させ、前記原料を改質するために利用する改質水を回収する改質水回収部と、前記排ガスから前記改質水を回収するために用いる冷媒として、前記貯湯槽内の水を、前記改質水回収部を通じて循環させる循環流路と、前記改質水回収部による前記改質水の回収時に、前記排ガスから得られる熱により加温された前記循環流路を流通した水を貯める貯湯槽と、前記貯湯槽内において所定温度以上となる水量を示す貯湯量を検知する検知部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記検知部の検知結果に基づき、前記貯湯量が前記燃料電池の運転状態を規定する運転計画により設定された第１貯湯量以下となるように、前記改質水回収部を制御させる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムは、以上に説明したように構成され、安定的に発電を継続することができるという効果を奏する。
【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概略構成の一例を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの改質水回収処理の一例を示すフローチャートである。
【図４】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改質水回収処理の一例を示すフローチャートである。
【図５】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概略構成の一例を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの改質水回収処理の一例を示すフローチャートである。
【図８】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改質水回収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】
【００１１】
（本発明の一形態を得るに至った経緯）
本発明者らは「背景技術」にて記載した従来の燃料電池システムに関して鋭意研究したところ、以下の知見を得た。
【００１２】
例えば、燃料電池の発電時に排出された排ガスの熱を利用して加温した水を貯湯槽に貯める燃料電池システムでは、設置場所での消費電力と加温した水（湯）の使用量との情報に基づき、発電量と、排ガスからの熱回収量とのバランスを考慮して運転する必要がある。
【００１３】
また、燃料電池から排出された排ガスから改質水を回収し、該改質水を利用して原料の改質を行う構成を有した燃料電池システムの場合、燃料電池の発電を継続的に安定して行うためには、改質水を継続的に排ガスから回収する必要がある。特に、燃料電池が固体酸化物型燃料電池の場合は、作動温度が高く起動および停止に長時間を要するため、原則、継続的な運転が求められる。しかしながら燃料電池システムの設置場所の周囲温度、気温、さらには高い気温となる期間の長さの影響により、排ガスからの改質水の回収量が不十分となるケースがある。
【００１４】
例えば、空気を冷媒として排ガスから改質水を回収する構成を有した燃料電池システムでは、設置場所の周囲温度または気温が高い場合、排ガスを十分に冷却させることができないため改質水の回収量が低下する可能性がある。特に、設置場所の周囲温度または気温が高い期間では、ユーザがエアコン等を稼働させるため電力負荷が高くなり、これに追随して燃料電池の発電量を多くする必要がある。発電量が多くなると、発電に、より多くの水素が必要となる。また、多くの水素を得るためには、多くの改質水が必要となる。そして、多くの改質水を排ガスから得るためには、排ガスから回収すべき熱量が多くなる。
【００１５】
このように、発電量と排ガスからの熱回収量とのバランスをとって、改質水を継続的に回収するためには、燃料電池システムに対して改善の余地があることを見出し、本発明に至った。そして、本発明では具体的には以下に示す態様を提供する。
【００１６】
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、原料を改質して得た水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排ガスの温度を低下させ、前記原料を改質するために利用する改質水を回収する改質水回収部と、前記排ガスから前記改質水を回収するために用いる冷媒として、前記貯湯槽内の水を、前記改質水回収部を通じて循環させる循環流路と、前記改質水回収部による前記改質水の回収時に、前記排ガスから得られる熱により加温された前記循環流路を流通した水を貯める貯湯槽と、前記貯湯槽内において所定温度以上となる水量を示す貯湯量を検知する検知部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記検知部の検知結果に基づき、前記貯湯量が前記燃料電池の運転状態を規定する運転計画により設定された第１貯湯量以下となるように、前記改質水回収部を制御させる。
【００１７】
上記構成によると、改質水回収部を備えるため、循環流路を流通する水を冷媒として、排ガスから改質水を得ることができる。このため、燃料電池システムにおいて原料を改質するために外部より水を供給する必要なく、改質水を得ることができる。
【００１８】
また、改質水回収部による改質水の回収時に、排ガスから得られる熱を利用して加温された水を貯湯槽内に貯めることができる。このため、燃料電池システムで発生した熱の利用効率を高めることができる。さらに、検知部を備えているため、排ガスから改質水を得るための冷媒に用いる貯湯槽内の水の温度状況を検知し、貯湯量を把握することができる。
【００１９】
特に、検知部の検知結果に応じて、制御部が、貯湯量が燃料電池の運転状態を規定する運転計画に基づき設定された第１貯湯量以下となるように改質水回収部を制御させることができる。このため、燃料電池の運転状態に応じて改質水の回収を安定的に行うことができる。それゆえ、燃料電池システムは、安定的に発電を継続することができるという効果を奏する。
【００２０】
本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１の態様において、前記改質水回収部は、前記循環流路を流通する水の有する熱を放熱させる放熱部と、前記循環流路を流通する前記水と前記排ガスとを熱交換させ、該排ガスに含まれる水分を凝縮させて前記改質水を得る熱交換部と、を有し、前記制御部は、前記検知部の検知結果に基づき、前記貯湯量が前記第１貯湯量以下となるように前記水から放熱させる熱量を前記放熱部によって制御させるように構成されていてもよい。
【００２１】
上記構成によると、改質水回収部が熱交換部を有するため、排ガスの有する熱を利用して循環流路を流通する水を加温させることができるとともに、排ガスの温度を低下させることで排ガス中の水分を凝縮させて改質水を得ることができる。このため、燃料電池システムで発生した熱の利用効率を高めるとともに、改質水を得ることができる。
【００２２】
さらに、改質水回収部が放熱部を備えるため、排ガスとの熱交換において冷媒となる循環流路を流通する水の温度を低下させることができる。このため、例えば、貯湯槽内が満蓄状態となったとしても、熱交換部における熱交換によって、燃料電池を動作させるために必要な改質水を得ることができる程度まで水の温度を低下させることができる。
【００２３】
特に制御部が、検知部の検知結果に基づき、貯湯量が第１貯湯量以下となるように水から放熱させる熱量を放熱部により制御させることができる。このため、燃料電池の運転状態に応じて改質水の回収を安定的に行うことができる。それゆえ、燃料電池システムは、安定的に発電を継続することができる。
【００２４】
本発明の第３の態様に係る燃料電池システムは、上記した第２の態様において、前記循環流路において、前記放熱部は前記熱交換部よりも上流側に配置されるように構成されていてもよい。
【００２５】
上記構成によると、循環流路において放熱部の方が熱交換部よりも上流側に配置されるため、この放熱部で放熱させ十分に温度低下させた水を熱交換部に導くことができる。このため、循環流路を流通する水の温度が高く熱交換部において排ガスから必要な量の改質水を得ることができないといった事態が生じることを防ぐことができる。
【００２６】
本発明の第４の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１の態様において、前記改質水回収部は、前記排ガスの有する熱を放熱させる放熱部と、前記循環流路を流通する前記水と前記排ガスとを熱交換させ、該排ガスに含まれる水分を凝縮させて前記改質水を得る熱交換部と、を有し、前記制御部は、前記検知部の検知結果に基づき、前記貯湯量が前記第１貯湯量以下となるように、前記排ガスから放熱させる熱量を前記放熱部によって制御させるように構成されていてもよい。
【００２７】
上記構成によると、改質水回収部が熱交換部を有するため、排ガスの有する熱を利用して循環流路を流通する水を加温させることができるとともに、排ガスの温度を低下させることで排ガス中の水分を凝縮させて改質水を得ることができる。このため、燃料電池システムで発生した熱の利用効率を高めるとともに、改質水を得ることができる。
【００２８】
さらに、改質水回収部が放熱部を備えるため、排ガスの温度を低下させ、排ガスから改質水を得ることができる。このように、放熱部によって排ガスの有する熱の一部を放熱させることができるため、熱交換部での排ガスからの放熱負荷を小さくできる。そして、放熱部において排ガスから回収した改質水と熱交換部において排ガスから回収した改質水とをあわせて、改質水の回収を効果的に実施でき、トータルでの改質水の回収性を向上させることができる。
【００２９】
特に制御部が、検知部の検知結果に基づき、貯湯量が第１貯湯量以下となるようにガスから放熱させる熱量を放熱部により制御させることができる。このため、燃料電池の運転状態に応じて改質水の回収を安定的に行うことができる。それゆえ、燃料電池システムは、安定的に発電を継続することができる。
【００３０】
本発明の第５の態様に係る燃料電池システムは、上記した第４の態様において、前記燃料電池から排出された前記排ガスが流通する排ガス流路を備え、前記排ガス流路において前記放熱部は前記熱交換部よりも上流側に配置されるように構成してもよい。
【００３１】
本発明の第６の態様に係る燃料電池システムは、上記した第２の態様から第５の態様のいずれか１つにおいて、前記放熱部は空冷により放熱させるように構成されていてもよい。
【００３２】
本発明の第７の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１の態様から第６の態様のいずれか１つにおいて、前記第１貯湯量は、前記燃料電池の発電を継続させるために必要とする量の改質水を前記改質水回収部によって回収することを可能とする貯湯槽における貯湯量であってもよい。
【００３３】
本発明の第８の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１の態様から第７の態様のいずれか１つにおいて、前記燃料電池の運転計画は、前記燃料電池の前日の運転状態、設置場所における気温の変化が対応づけられた暦、外部から受け付けた設置場所における現時点での温度に基づいて設定されるように構成されていてもよい。
【００３４】
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。
【００３５】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態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、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の概略構成の一例を示すブロック図である。
【００３６】
図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、改質水回収部２と、貯湯槽６と、検知部７と、制御部２０とを備える。また、改質水回収部２は、放熱部３と熱交換部４とを有している。
【００３７】
燃料電池１は、原料を改質して得た水素含有ガスを用いて発電する。燃料電池１は、例えば、供給された原料に含まれる硫黄化合物を除去する脱硫器、水（改質水）を利用して原料を改質する改質部、改質部により原料が改質され、得られた水素含有ガスを用いて発電を行う固体電解質型の燃料電池スタック、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼部等を備えてなる構成である。脱硫器、改質部、燃料電池スタック、および燃焼部等はホットモジュール内に組み込まれた構成であってもよい。
【００３８】
燃料電池１には、改質水回収部２により回収された水を供給するための改質水回収流路１０、該燃料電池１から排出された排ガス（排ガス）を排気するための排気流路８が設けられている。図１では特に図示していないが、燃料電池１には酸化剤ガス供給流路および原料供給流路も設けられている。酸化剤ガス供給流路は、外部から発電に用いるための酸化剤ガスを燃料電池１に供給するための流路である。また、原料供給流路は、外部から原料を燃料電池１に供給するための流路である。燃料電池１は、一般的な構成を有するものであるため詳細な説明は省略する。
【００３９】
改質水回収部２は、燃料電池１から排出される排ガスから、原料を改質するために利用する水である改質水を回収する。改質水回収部２には、上記した排気流路８および改質水回収流路１０に加えて、循環流路９が接続されている。循環流路９は、貯湯槽６内の水を、改質水回収部２を通じて循環させる流路である。改質水回収部２は、循環流路９を流通する水の有する熱を放熱させる放熱部３と、循環流路９を流通する水と、排ガスとを熱交換させ、排ガスに含まれる水分を凝縮させて改質水を得る熱交換部４と、を有している。改質水回収部２の詳細な構成については後述する。
【００４０】
貯湯槽６は、改質水回収部２による改質水の回収時に、排ガスから得られる熱により加温された水を貯めるタンクである。貯湯槽６は、上記したように循環流路９が設けられており、貯湯槽６内の水が該循環流路９を流通して加温され戻ってくるように構成されている。また、特に図示していないが、貯湯槽６は、例えば市水を給水するための給水流路と、貯湯槽６内に貯留された湯を設備内に給湯するための給湯流路とを備えている。そして、給湯流路を通じて貯湯槽６内の湯が消費された場合、その消費した分を賄うように給水流路を通じて水が供給される。
【００４１】
検知部７は、貯湯槽６内において所定温度以上となる水量を示す貯湯量を検知する。ここで所定温度とは、貯湯槽６内に湯として貯留される際に設定されている温度であり、貯湯量はこの所定温度以上となる水（湯）の流量を示す。検知部７は、貯湯槽６内に貯留されている水（湯）の温度を測定する複数の温度センサーであって、貯湯槽６において鉛直方向に所定間隔で設けられている。検知部７は、検知結果を制御部２０に送信する。
【００４２】
制御部２０は、燃料電池システム１００の各部の各種動作を制御するものであり、不図示の演算処理部およびメモリを備えてなる構成である。演算処理部としては、ＭＰＵ、またはＣＰＵが例示される。また、メモリとしては、例えば不揮発性メモリ等が例示される。より具体的には、例えば、検知部７から受け付けた検知結果、及び制御部２０が備える不図示のメモリ等に記録されている運転計画１１に基づき、燃料電池１の運転および改質水回収部２の動作を制御する。
【００４３】
なお、運転計画１１とは、燃料電池１の運転状態を規定する情報であり、例えば、電力と熱（湯）を効果的に供給するため、過去の電力消費と熱消費の情報に基づき、予め発電量の時系列変化（あるいは排ガスと貯湯槽６内の水との熱交換量の時系列変化）を設定し、それを実現するように燃料電池１の運転状態を規定した計画である。運転計画１１は、制御部２０により作成され、メモリに記憶される。さらに制御部２０は、作成した運転計画１１に基づき、継続して必要な流量の改質水を確保するように、第１の貯湯量を設定することができる。なお、燃料電池１の運転状態とは、燃料電池１でどれだけ発電するのか、また原料、改質水の供給量はどれだけかといった燃料電池１の発電に関わる動作全体の動きを示すものである。
【００４４】
（改質水回収部の構成）
次に、図２を参照して改質水回収部の構成についてより詳細に説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の概略構成の一例を示すブロック図である。
【００４５】
まず図２に示すように、循環流路９において、放熱部３は熱交換部４よりも上流側に配置されている。そして、貯湯槽６から送られる水は、放熱部３と熱交換部４の順で流れ、貯湯槽６に戻される構成となっている。
【００４６】
熱交換部４は、循環流路９を流通する水と、排ガスとを熱交換させ、排ガスに含まれる水分を凝縮させて改質水を得る。熱交換部４は、上記した循環流路９および改質水回収流路１０に加え、排ガスが流通する排気流路８とも接続されおり、排気流路８を流通する排ガスと循環流路９を流通する水とが熱交換するように構成されている。そして、この排ガスと水との熱交換により、排ガスの温度が低下すると、排ガス中の水分が凝縮され、改質水が生成される。生成された改質水は改質水回収流路１０を通じて燃料電池１に供給される。
【００４７】
なお、図２に示すように、改質水回収流路１０には改質水タンク５が設けられており、排ガスから得られた改質水がこの改質水タンク５に一時、貯留されるように構成されている。そして、貯留された改質水が必要な流量だけ燃料電池１に供給される。また、循環流路９を流通する水は、排ガスとの熱交換により加温され貯湯槽６に戻る。
【００４８】
放熱部３は、循環流路９を流通する水の有する熱を放熱させるものであり、例えば、ラジエータとファンとを備えた空冷構成とすることができる。
【００４９】
本実施形態に係る燃料電池システム１００では、貯湯槽６内の水は循環流路９を流通し、まず、放熱部３により該水は放熱させられ温度が低下する。放熱させられる熱量は、制御部２０によって放熱部３のファンの回転数等を制御することで調整することができる。制御部２０は、循環流路９において放熱部３の後段に設けられた熱交換部４における熱交換で排ガスから必要な流量の改質水が得られるように、放熱部３を制御して水の温度を低下させる。
【００５０】
（燃料電池システムの動作）
次に、上記した構成を有する燃料電池システム１００の動作について説明する。
【００５１】
まず、発電を開始する際、燃料電池スタックのカソードに対して、発電に用いる例えば空気等の酸化剤ガスが、不図示の酸化剤ガス供給流路を通じて供給される。なお、供給される酸化剤ガスは、燃料電池１内部に設けられた不図示の熱交換器で燃料電池１を動作させるのに必要な温度まで予熱され、燃料電池スタックに送られる構成であってもよい。
【００５２】
また、燃料電池１の改質器に例えば天然ガス等の原料が不図示の原料供給流路を通じて供給される。さらにこの原料供給流路の途中において改質水回収流路１０が接続されており、この改質水回収流路１０を通じて改質水が燃料電池１に供給される。なお、改質水回収流路１０には蒸発器が設けられており、改質水が気化された状態で原料供給流路において原料と混合される構成であってもよい。
【００５３】
燃料電池１内に設けられた改質器は、供給された原料と改質水とを用いて水蒸気改質反応を進行させ、水素含有ガス（改質ガス）を生成する。そして生成した水素含有ガスを、燃料電池１内に設けられた燃料電池スタックに供給する。
【００５４】
燃料電池スタックでは、改質ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する。発電で余剰となる、未利用の水素含有ガスと酸化剤ガスとを燃焼部にて燃焼させて排ガスを発生させる。排ガスが有する熱は、発電時に燃料電池から発生する排熱とともに、水蒸気改質反応に利用される。さらにまた、これらの熱は上記したように、カソードに供給する酸化剤ガスの予熱にも利用してもよい。
【００５５】
燃料電池１から排出された排ガスは、水蒸気改質反応や酸化剤ガスの予熱に利用されると、排気流路８を通して改質水回収部２に送られる。改質水回収部２の熱交換部４では、この排ガスと、循環流路９を流通する水との間で熱交換し、排ガスが有する熱により循環流路９を流通する水は加温される。そして、加温された水は、貯湯槽６に湯(高温)として戻される。
【００５６】
一方、水との熱交換により保有する熱の一部を失った排ガスでは、該排ガスに含まれる水分が凝縮して水（改質水）が得られる。すなわち、燃料電池１の発電後に排出された水素含有ガスを燃焼させて生成しているため、燃料電池１から排気される排ガス中には多量に水分を含んでいる。そこで、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、改質水回収部２の熱交換部４によって排ガス中の水を凝縮させて改質水タンク５に貯留するように構成されている。そして、改質水タンク５に貯められた水は、燃料電池１に戻され、再度、改質部にて水蒸気改質に利用される。
【００５７】
なお、上記した一連の燃料電池システム１００における運転は、制御部２０からの制御指示により補機類等を動作させて行っている。
【００５８】
（改質水回収処理）
以下において、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００が有する改質水回収処理に関する特徴的な動作を説明する。
【００５９】
燃料電池システム１００は、該システムの設置場所の周囲の温度や気温が高い期間では、これらの温度の影響を受けて、改質水回収部２により回収される改質水の流量が低下するケースがある。改質水の回収量が少ないと、燃料電池１に供給する改質水が不足して、燃料電池１の運転継続が困難になる。
【００６０】
そこで、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、燃料電池１の運転計画１１に基づいて予め設定される第１の貯湯量となるように放熱部３で循環流路９を流通する水の保有する熱を放熱させるように動作する。
【００６１】
具体的には、図３に示すように、燃料電池システム１００は改質水回収処理を実施する。図３は本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の改質水回収処理の一例を示すフローチャートである。
【００６２】
まず、燃料電池システム１００では、検知部７からの検知結果を制御部２０が受け付け、貯湯槽６における貯湯量を求める（ステップＳ１１）。すなわち、検知部７として貯湯槽６には鉛直方向に所定間隔で複数の温度センサーが設けられており、これらの検知結果から制御部２０が所定温度以上となる水の量（高温部の量）である貯湯量を求める。
【００６３】
ここで、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、予め燃料電池１の運転計画１１に基づいて第１貯湯量が求められている。そこで、制御部２０は、求めた貯湯量が第１貯湯量以下か否か判定する（ステップＳ１２）。なお、第１貯湯量以下である場合とは、現状の貯湯槽６内の水の状態(高温部と低温部との割合)で、燃料電池１を継続的に動作させるにあたり必要な量の改質水が得られる場合である。予め設定される第１の貯湯量は、改質水回収部２によって排ガスからの改質水の継続的な回収を可能とさせ、かつ燃料電池１の発電に必要な量の改質水を得られるように設定されており、貯湯槽６の大きさや、改質水回収部２による改質水の回収能力、つまり熱交換部４による熱交換能力を考慮して設定することができる。
【００６４】
ここで、制御部２０が求めた貯湯量が第１貯湯量以下であると判定した場合（ステップＳ１２において「ＹＥＳ」）、燃料電池システム１００は運転そのまま継続する（ステップＳ１３）。
【００６５】
一方、ステップＳ１２において「ＮＯ」の場合、制御部２０は、放熱部３を動作させて循環流路９を流通する水の放熱量を制御する（ステップＳ１４）。具体的には、制御部２０は放熱部３のファンを回転させる、もしくは回転数を上げる等して、循環流路９を流通する水の放熱量を制御し、該水の温度を低下させる。そして、ステップＳ１１に戻り、処理を繰りかえす。
【００６６】
なお、貯湯槽６内から循環流路９を流通する水の温度が高温になればなるほど、熱交換部４において排ガスからこの水に与える熱量が少なくなり、その結果、排ガスから得られる改質水の水量が小さくなる。また、貯湯槽６内において貯湯量が多い場合（高温部が大きくなる場合）、燃料電池１の発電を継続させつつ、熱交換部４での排ガスと水との熱交換を継続させると、貯湯槽６内における貯湯量がますます多くなる。そして、貯湯槽６内の湯を外部に供給して消費させ、外部から給水させないと、貯湯槽６内全体が高温部となり、その結果、排ガスから得られる改質水の量が小さくなる。
【００６７】
しかしながら、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、貯湯槽６内の貯湯量を第１の貯湯量以下となるように、放熱部３により循環流路９を流通する水の放熱量を制御することで、熱交換部４での改質水の回収能力を維持することができる。このため、燃料電池１の発電に必要な量の改質水を安定的に排ガスから回収することができる。
【００６８】
（実施の形態１の変形例１）
なお、上記では、運転計画１１は、電力と熱（湯）を効果的に提供するため、過去の電力消費と熱消費の情報に基づき、予め発電量の時系列変化（あるいは排ガスと貯湯槽６内の水との熱交換量の時系列変化）を設定し、それを実現するように燃料電池１の運転状態を規定するものであった。しかしながら、運転計画１１として考慮する情報はこれに限定されるものではない。例えば、制御部２０は、燃料電池１の過去の運転状態（発電量の変化）に加えて、設置場所における気温の変化が対応づけられた暦といった事前に設定された情報を利用し運転計画１１を作成してもよい。さらには、例えば外部から受け付けた燃料電池システム１００の設置場所における現時点での燃料電池システム１００に関する情報も利用して運転計画１１を作成してもよい。外部から受け付けた現時点での燃料電池システム１００に関する情報としては、例えば、燃料電池システム１００の設置場所における気温を計測する温度計から受けけた温度情報などが挙げられる。
【００６９】
特に、直近の過去（例えば前日）の運転状態は、現在の運転状態にかなり近似されるものとなるという想定から、現在の運転計画１１を作成するにあたり大きく反映される。例えば、暦の上で同じ季節に属する前日の運転状態は、１日の中で外気温が高くなる期間において、どのくらいの電力量や貯湯量が必要となるのか予想するのに有効な情報である。このように、例えば、前日の運転状態を示す情報および現在の設置場所における気温等も参照して、制御部２０は運転計画１１を作成し、メモリに記録する。
【００７０】
以下、図４を参照して変形例１に係る燃料電池システム１００の改質水回収処理について説明する。なお、変形例１に係る燃料電池システム１００は、上記した本実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様な構成を有するため、その構成についての説明は省略する。図４は、本発明の実施の形態１の変形例１に係る改質水回収処理の一例を示すフローチャートである。
【００７１】
図４に示すように、改質水回収処理を実施するにあたり、制御部２０は、まず運転計画１１を設定する（ステップＳ２１）。ここでは、制御部２０は、燃料電池１の前日の運転状態、予め設定されている設置場所における気温の変化が対応づけられた暦といった、事前に収集できる情報に加え、外部から受け付けた燃料電池システム１００の設置場所における気温等の現時点の情報も参照して燃料電池１の運転計画１１を設定してもよい。
【００７２】
次に、制御部２０は、検知部７からの検知結果を受け付け、貯湯槽６における貯湯量を求める（ステップＳ２２）。ここで、本実施の形態１の変形例１に係る燃料電池システム１００では、ステップＳ２１において設定した運転計画１１に基づいて第１貯湯量が規定されている。そこで、制御部２０は、求めた貯湯量が第１貯湯量以下か否か判定する（ステップＳ２３）。
【００７３】
ここで、制御部２０が求めた貯湯量が第１貯湯量以下であると判定した場合（ステップＳ２３において「ＹＥＳ」）、燃料電池システム１００はステップＳ２１で作成した運転計画１１を参照して燃料電池１の運転を継続させる（ステップＳ２４）。さらに、制御部２０は、運転計画１１を参照して改質水回収部２の動作を制御する（ステップＳ２５）。すなわち、制御部２０は、運転計画１１で策定した貯湯量となるように改質水回収部２を動作させる。つまり、制御部２０は、放熱部３を動作させて循環流路９を流通する水の放熱量を制御しつつ、熱交換部４において排気流路８を流通する排ガスと循環流路９を流通する水との熱交換を行う。そして、制御部２０は、運転計画１１で策定した貯湯量となるように循環流路９を流通する水を加温するとともに、排ガスから水（改質水）を回収する。これにより、改質水の回収量を確保しつつ、貯湯槽６内において給湯するために必要となる貯湯量を確保できる。
【００７４】
一方、ステップＳ２３において「ＮＯ」の場合、制御部２０は、放熱部３を動作させて循環流路９を流通する水の放熱量を制御する（ステップＳ２６）。具体的には、制御部２０は放熱部３のファンを回転させる、もしくは回転数を上げる等して、循環流路９を流通する水の放熱量を制御し、該水の温度を低下させる。そして、ステップＳ２２に戻り、処理を繰りかえす。なお、放熱部３の放熱構成を、ファンを用いた空冷構成としたが、他の放熱構成をとってもよく、貯湯槽６内の水以外の流体を冷媒として用いる構成であってもよい。
【００７５】
（実施の形態１の変形例２）
なお、上記した本発明の実施の形態１もしくは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１００では、循環流路９において放熱部３の方が熱交換部４よりも上流側に配置される構成であった。しかしながら、図５に示すように、これらの各部の配置が逆となるように構成されていてもよい。図５は、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概略構成の一例を示すブロック図である。
【００７６】
図５に示すように改質水回収部２では、貯湯槽６から送出された水が、熱交換部４、放熱部３の順番で循環流路９を流通し、貯湯槽６に戻る。変形例２に係る燃料電池システム１００では、まず、熱交換部４において貯湯槽６から送出された水と排ガスとの熱交換が行われ、貯湯槽６の水は排ガスの有する熱により加温される。一方、排ガスは、水との熱交換により有する熱の一部を失い、温度が低下することで、凝縮された水が改質水として改質水タンク５に貯留する。
【００７７】
熱交換部４において加温された水は、該水の有する熱の一部が、放熱部３により放熱され、その結果、所望の温度となって貯湯槽６に戻される。したがって、変形例２に係る燃料電池システム１００では、貯湯槽６に戻す水の温度を調整して戻すことができる。
【００７８】
（実施の形態２）
上記した実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、改質水回収部２の放熱部３によって放熱される対象は、循環流路９を流通する水であったが、これに限定されるものではない。以下、実施の形態２に係る燃料電池システム１５０として、循環流路９を流通する水の代わりに、排気流路８を流れる排ガスが有する熱の一部を放熱させる構成について図６を参照して説明する。図６は本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１５０の概略構成の一例を示すブロック図である。
【００７９】
実施の形態２に係る燃料電池システム１５０は、実施の形態１と改質水回収部２の構成を除き同一の構成となるため、同一部材には同じ符号を付しその説明は省略する。
【００８０】
実施の形態２に係る燃料電池システム１５０では、改質水回収部２は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様に放熱部３および熱交換部４を備えてなる構成である。しかしながら、実施の形態２に係る燃料電池システム１５０では、放熱部３により放熱させられる対象が実施の形態１に係る燃料電池システム１００とは異なる。すなわち、実施の形態２に係る燃料電池システム１５０では、放熱部３は、排気流路８に接続されており、この排気流路８を、排ガスが放熱部３、熱交換部４の順で流通する。
【００８１】
放熱部３は、ファンを用いて排ガスの有する熱の一部を放熱させる構成となっており、この放熱に伴う排ガスの温度低下により生じた水を改質水タンク５に導くために、改質水回収流路１０に接続されている。放熱部３により保有する熱の一部を失った排ガスは、熱交換部４における、循環流路９を流通する水との熱交換により、さらに、保有する熱が奪われる。このとき排ガスから生じた凝縮水は、熱交換部４と接続された改質水回収流路１０を通じて改質水タンク５に導かれる。一方、熱交換部４における排ガスとの熱交換により加温された水は、貯湯槽６に戻される。
【００８２】
（改質水回収処理）
次に、本実施の形態２の燃料電池システム１５０における改質水回収処理について図７を参照して説明する。図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１５０の改質水回収処理の一例を示すフローチャートである。
【００８３】
実施の形態２での燃料電池システム１５０の改質水回収処理は、図３に示す実施の形態１の燃料電池システム１００の改質水回収処理と比較して以下の点で異なる。すなわち、図７に示すステップＳ３２において、貯湯槽６における貯湯量が第１の貯湯量以下ではないと判定した場合（ステップＳ３２において「ＮＯ」）、制御部２０が放熱部３を制御して排ガスの放熱量を制御する点で異なる。つまり、実施の形態２に係る燃料電池システム１５０では、ステップＳ３４において、制御部２０が放熱部３を動作させて、貯湯槽６内の貯湯量が第１の貯湯量以下となるように、排ガスの熱を放熱させ、排ガスに含まれる水分を凝縮させて水を回収する。なお、それ以外のステップについては、ほぼ同じ動作となるため、詳細な説明は省略する。
【００８４】
例えば、燃料電池システム１５０では、その設置場所の温度が高い場合、この温度の影響を受けて、循環流路９を流通する水の温度が通常より高くなり、必要な量の改質水を得ることが困難となる場合がある。そこで、本実施の形態２に係る燃料電池システム１５０では、上記のように、まず、放熱部３で排ガスの有する熱の一部を放熱させ、熱交換部４における水との熱交換により、さらに排ガスが有する熱の一部を放熱させる。
【００８５】
このように、予め放熱部３によって排ガスの保有熱の一部を放熱させることで、放熱部３の後段に位置する熱交換部４での放熱負荷を小さくできる。そして、放熱部３において排ガスから回収した改質水と熱交換部４において排ガスから回収した改質水とをあわせて、改質水の回収を効果的に実施でき、トータルでの改質水の回収性を向上させることができる。このため、燃料電池システム１５０において燃料電池１を安定して継続的に動作させることができる。
【００８６】
なお、実施の形態２に係る燃料電池システム１５０が備える改質水回収部２は、排ガスに対してファン等を用いた空冷構成（放熱部３）による放熱と、循環流路９を流通する水を用いた水冷構成（熱交換部４）による２種類の放熱が実施されているといえる。ここで、水冷構成による放熱は、燃料電池１の設置位置の周囲温度や気温から与えられる影響が、空冷構成よる放熱よりも小さくなる。
【００８７】
また、循環流路９を流通する水を冷媒とする排ガスの放熱は、この水温に依存しており、貯湯槽６における貯湯量が少なく、循環流路９に送出される水温が低いとき、排ガスから、該排ガスが有する熱をより多く奪うことができる。
【００８８】
従って、燃料電池システム１５０において、改質水の回収を優先する場合、もしくは一日の中で気温の低い期間（夜間等）では、放熱部３を動作させて排ガスから改質水の回収を行う。一方、１日の中で気温の高い期間では、放熱部３および熱交換部４を動作させて改質水の回収を実施させるように構成してもよい。さらにその時、貯湯量を優先する場合は、放熱部３の動作を制御して、熱交換部４での水との熱交換量を多くするように動作させることもできる。
【００８９】
（実施の形態２の変形例１）
なお、上記した改質水回収処理では、運転計画１１は、電力と熱（湯）を効果的に提供するため、過去の電力消費と熱消費の情報に基づき、予め発電量の時系列変化（あるいは排ガスと貯湯槽６内の水との熱交換量の時系列変化）を設定し、それを実現するように燃料電池１の運転状態を規定するものであった。実施の形態２の変形例１に係る燃料電池システム１５０では、制御部２０が、燃料電池１の過去の運転状態（発電量の変化）に加えて、上記した暦などの事前に設定された情報や、外部から受け付けた燃料電池システム１００の設置場所における現時点での気温等の情報も参照して運転計画１１を作成する。以下において図８を参照して説明する。図８は、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１５０の改質水回収処理の一例を示すフローチャートである。
【００９０】
具体的には、図４に示す実施の形態１の変形例１に係る燃料電池システム１００の改質水回収処理と以下の点で異なる。すなわち、図８に示すステップＳ４３において、貯湯槽６における貯槽量が第１の貯湯量以下であると判定し（ステップＳ４３において「ＹＥＳ」）、運転計画１１を参照して運転を継続（ステップＳ４４）した後に行う、ステップＳ４５の改質水回収部２の動作が異なる。ステップＳ４５において制御部２０は、放熱部３を動作させて排気流路８を流通する排ガスの放熱量を制御しつつ、熱交換部４において排気流路８を流通する排ガスと循環流路９を流通する水との熱交換を行う。そして、制御部２０は、運転計画１１で策定した貯湯量となるように循環流路９を流通する水を加温するとともに、排ガスから水（改質水）を回収する。これにより、改質水の回収量を確保しつつ、貯湯槽６内において給湯するために必要となる貯湯量を確保できる。
【００９１】
また、図８において、貯湯槽６における貯槽量が第１の貯湯量以下ではないと判定した場合（ステップＳ４３において「ＮＯ」）、制御部２０が放熱部３を制御して排ガスの放熱量を制御する点でも異なる。つまり、実施の形態２の変形例１に係る燃料電池システム１５０では、ステップＳ４６において、制御部２０が放熱部３を動作させて、貯湯槽６内の貯湯量が第１の貯湯量以下となるように、排ガスの熱を放熱させ、排ガスに含まれる水を凝縮させて水を回収する。なお、それ以外のステップについては、図４に示す実施の形態１の変形例１に係る燃料電池システム１００の改質水回収処理とほぼ同じ動作となるため、詳細な説明は省略する。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明の燃料電池システムは、発電に必要な改質水を自立して回収することで、電力供給と熱供給運転を行う燃料電池システムに幅広く適用できる。
【符号の説明】
【００９３】
１    燃料電池
２    改質水回収部
３    放熱部
４    熱交換部
５    改質水タンク
６    貯湯槽
７    検知部
８    排気流路
９    循環流路
１０    改質水回収流路
１１    運転計画
２０    制御部
１００    燃料電池システム
１５０    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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