JP5763481B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する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排ガスと冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮して回収するとともに、凝縮水を前記燃料電池モジュールに供給する凝縮装置とを備える燃料電池システムに関する。

通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。この固体電解質の両側に、アノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定の数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに、例えば、水蒸気改質を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。

この種の燃料電池では、運転温度が比較的高温であり、発電反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを含む排ガスも高温になっている。このため、排ガスの有効利用を図ることが望まれており、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。

この燃料電池システムは、図９に示すように、固体電解質形燃料電池１ａと、前記固体電解質形燃料電池１ａからの排ガスと水とを熱交換する熱交換器２ａと、水を貯える貯湯タンク３ａと、前記貯湯タンク３ａの底部と熱交換器２ａとの間、及び前記貯湯タンク３ａの上部と前記熱交換器２ａとの間をそれぞれ連結し、該貯湯タンク３ａと該熱交換器２ａとの間で水を循環させる循環配管４ａと、前記循環配管４ａに設けられ、水を強制的に循環させる循環ポンプ５ａと、前記熱交換器２ａの入口水温及び出口水温を検出する温度検出器６ａ、７ａと、前記熱交換器２ａの出口水温が入口水温よりも所定温度以上になるように前記循環ポンプ５ａの出力を制御する制御装置８ａとを具備している。

また、特許文献２に開示されている燃料電池システムは、図１０に示すように、固体電解質形燃料電池１ｂと、前記固体電解質形燃料電池１ｂからの排ガスと水を熱交換する熱交換器２ｂと、水を貯える貯湯タンク３ｂと、前記貯湯タンク３ｂと前記熱交換器２ｂとの間で水を循環させる循環配管４ｂと、前記循環配管４ｂに設けられた循環ポンプ５ｂと、使用する貯湯量に応じて前記固体電解質形燃料電池１ｂの発電中の燃料利用率を制御する制御装置６ｂとを具備している。

さらにまた、特許文献３に開示されている燃料電池システム及びコジェネレーションシステムは、燃料電池部、排ガス燃焼部及び第１熱交換部を具備するとともに、前記燃料電池部は、電気負荷に接続され、燃料ガス及び酸化剤ガスにより電力としての燃料電池電力を発電し、前記電気負荷に供給している。排ガス燃焼部は、燃料電池部において使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼し、燃焼排ガスを生成している。第１熱交換部は、燃焼排ガスの熱量を熱媒体で回収している。

そして、燃料電池部は、電気負荷の大きさがゼロの場合においても、燃料電池電力を前記電気負荷に供給することが可能なように、予め設定された温度以上で継続的に運転されている。その熱量は、その熱媒体を利用する熱利用設備に供給されている。

また、特許文献４に開示されている熱電併給装置は、図１１に示すように、熱電発生装置１ｃ、蓄電装置２ｃ、蓄熱装置３ｃ及び制御装置４ｃを備えている。熱電発生装置１ｃにより発生されて出力された電力は、蓄電装置２ｃに与えられて蓄電されている。同様に、熱電発生装置１ｃにより発生されて出力された熱は、蓄熱装置３ｃに与えられて蓄熱されている。そこで、エネルギを必要とする負荷５ｃには、蓄電装置２ｃから電力が供給されるとともに、蓄熱装置３ｃから熱が供給されている。

特開２００６−２４４３０号公報 国際公開第２００７／０５２６３３号パンフレット 特開２００３−１８７８４３号公報 特開２００２−４８００４号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、貯湯タンク３ａ内の水が高温になった際には、貯湯水の供給を停止させる、又は、排ガスの供給を停止させており、高温の排ガスが無駄に排出されてしまう。しかも、排ガス中の水分を凝縮して改質に必要な水を完全循環（水自立）させることが困難になるという問題がある。

また、上記の特許文献２では、発電中の燃料利用率を制御するものである。このため、貯湯タンク３ｂの貯湯水が満水の場合や、高温になった場合において、水自立運転や、要求電力負荷の供給及び貯湯水の維持を図るものではない。

さらにまた、特許文献３では、電力負荷や熱負荷が少ない時間帯でも、エネルギ効率を向上させようとするものである。従って、貯湯水が満水又は高温の場合において、水自立運転や、要求電力負荷の供給及び貯湯水の維持について対応することはできない。

また、特許文献４では、蓄電装置２ｃ及び蓄熱装置３ｃを備えており、熱電併給装置全体が大型化するという問題がある。しかも、水自立を達成することや、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持する（熱自立）ことが困難である。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、水自立及び熱自立を促進させることができ、発電効率の向上を図ることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する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排ガスと冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮して回収するとともに、凝縮水を前記燃料電池モジュールに供給する凝縮装置とを備える燃料電池システムに関するものである。

この燃料電池システムでは、凝縮装置は、冷媒体として酸化剤ガスが使用される空冷凝縮機構と、前記冷媒体として貯湯部に貯えられる貯湯水が使用される水冷凝縮機構とを備えている。そして、空冷凝縮機構と水冷凝縮機構との間には、排ガスと酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換機構が配設されている。

また、この燃料電池システムでは、熱電変換機構は、空冷凝縮機構側に設けられる第１熱電変換部と、水冷凝縮機構側に設けられる第２熱電変換部とを備えることが好ましい。このため、空冷凝縮機構に導入される排ガスの熱エネルギは、第１熱電変換部により電気エネルギとして回収するとともに、水冷凝縮機構に導入される排ガスの熱エネルギは、第２熱電変換部により電気エネルギとして回収することができる。従って、発電効率が良好に向上する。

しかも、排ガス温度が低下されるとともに、排ガス中の水蒸気を凝縮して回収することが可能になる。これにより、廃熱の抑制と水自立の促進が図られる。その上、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が容易に図られる。

さらに、この燃料電池システムでは、第１熱電変換部の熱電変換素子が排ガス及び酸化剤ガスと接触する接触面積は、第２熱電変換部の熱電変換素子が排ガス及び酸化剤ガスと接触する接触面積よりも大きく設定されることが好ましい。第２熱電変換部では、排ガスと貯湯水との熱交換が行われた後、熱電変換が行われるため、前記排ガスと直接熱電変換が行われる第１熱電変換部よりも小さく設定することができる。

さらにまた、この燃料電池システムでは、第１熱電変換部の熱電変換素子の材料は、第２熱電変換部の熱電変換素子の材料よりも高い温度範囲で熱電変換効率が高くなるように設定されることが好ましい。第２熱電変換部では、排ガスと貯湯水との熱交換後に熱電変換が行われるため、第１熱電変換部よりも低温で作動する材料を使用することが可能になる。このため、第１熱電変換部は、比較的高温域で熱電変換効率の高い材料を使用する一方、第２熱電変換部は、比較的低温域で熱電変換効率の高い材料を使用することにより、熱電変換効率の向上が図られる。

また、この燃料電池システムでは、制御装置を備え、前記制御装置は、少なくとも供給電力と予め設定された需要電力範囲とを比較する電力比較部と、供給熱量と予め設定された需要熱量範囲とを比較する熱量比較部とを有する。

従って、空冷凝縮機構と水冷凝縮機構とにより、排ガスから熱エネルギを回収することができ、水自立及び排ガス温度の低減が図られる。しかも、貯湯水の状態、すなわち、貯湯水の量によって発電出力が影響されることがなく、需要電力を確実に供給することが可能になる。

さらに、この燃料電池システムでは、貯湯部は、貯湯水水位を検出する貯湯水水位検出器と、貯湯水温度を検出する貯湯水温度検出器とを備えることが好ましい。これにより、貯湯水の状態、すなわち、貯湯水の量（水位）及び貯湯水の温度を確実に検出することができる。

さらにまた、この燃料電池システムでは、凝縮装置は、凝縮水を貯留する水容器と、前記水容器内の凝縮水水位を検出する凝縮水水位検出器とを備えることが好ましい。このため、凝縮水の状態、すなわち、凝縮水の量を確実に検出することが可能になる。

また、この燃料電池システムでは、空冷凝縮機構に供給される排ガスの流量、及び水冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量を調整する調整弁を備える。従って、空冷凝縮機構に供給される排ガスの流量と、水冷凝縮機構に供給される排ガスの流量とを、良好に調整することができる。これにより、水自立及び需要電力の供給が可能になるとともに、貯湯水の温度維持が遂行される。

さらに、この燃料電池システムでは、燃料電池モジュールは、少なくとも電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、前記混合燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器とを備えることが好ましい。

このため、特に水蒸気改質を行う燃料電池モジュールに最適に適用することができ、良好な効果が得られる。

さらにまた、この燃料電池システムでは、燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることが好ましい。従って、高温型燃料電池システムに最適に用いることが可能になり、良好な効果が得られる。

本発明によれば、空冷凝縮機構と水冷凝縮機構との間に、排ガスと酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換部が配設されている。このため、燃料電池システム全体の構成が、容易にコンパクト化される。しかも、排ガスと酸化剤ガスとの温度差（熱エネルギ）を、電気エネルギとして回収することができるため、発電効率が有効に向上する。

さらに、排ガス温度が低減されるとともに、排ガス中の水蒸気を凝縮して回収することが可能になり、廃熱の抑制と水自立の促進が図られる。さらに、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が容易に遂行可能になる。

ここで、水自立とは、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を外部から供給することなく、前記燃料電池システム内で賄うことをいう。また、熱自立とは、燃料電池システムの運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池システムの動作温度を維持することをいう。

本発明の第１の実施形態に係る制御方法を実施するための燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記燃料電池システムを構成する凝縮装置の説明図である。 前記燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャートである。 前記制御方法の制御マップである。 熱電変換素子の温度差と出力との関係説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記燃料電池システムを構成する凝縮装置の正面説明図である。 前記凝縮装置の、図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面斜視図である。 特許文献１の燃料電池システムの説明図である。 特許文献２の燃料電池システムの説明図である。 特許文献４の熱電併給装置の説明図である。

本発明の第１の実施形態に係る制御方法を実施するための燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。

燃料電池システム１０は、図１に概略的に示すように、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール１２と、前記燃料電池モジュール１２から排出される排ガスと冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮して回収するとともに、凝縮水を前記燃料電池モジュール１２に供給する凝縮装置１４と、制御装置１６と、前記冷媒体として貯留水が貯えられる貯湯タンク（貯留部）１８とを備える。

燃料電池モジュール１２には、前記燃料電池モジュール１２に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する燃料ガス供給装置（燃料ガスポンプを含む）２０と、前記燃料電池モジュール１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（エアポンプを含む）２２と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）２４とが接続される。

燃料電池モジュール１２は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質（固体酸化物）をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体２６とセパレータ２８とが積層される固体酸化物形の燃料電池３０を設けるとともに、複数の前記燃料電池３０が鉛直方向（又は水平方向）に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック３２を備える。

燃料電池スタック３２の積層方向下端側（又は上端側）には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック３２に供給する前に加熱する熱交換器３４と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、前記水を蒸発させる蒸発器３６と、前記混合燃料を改質して燃料ガス（改質ガス）を生成する改質器３８とが配設される。

改質器３８は、都市ガス（燃料ガス）中に含まれるエタン（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）及びブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）等の高級炭化水素（Ｃ_２＋）を、主としてメタン（ＣＨ_４）を含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。

燃料電池３０は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体２６では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素が得られ、この水素がアノード電極に供給される。

熱交換器３４は、燃料電池スタック３２から排出される使用済み反応ガス（以下、排ガス又は燃焼排ガスともいう）と、被加熱流体である空気とを、互いに対向流に流して熱交換を行う。熱交換後の排ガスは、排気管４０に排出される一方、熱交換後の空気は、酸化剤ガスとして燃料電池スタック３２に供給される。

蒸発器３６の出口は、改質器３８の入口に連結されるとともに、前記改質器３８の出口は、燃料電池スタック３２の燃料ガス供給連通孔（図示せず）に連通する。蒸発器３６に供給された排ガスを排出するために、主排気管４２が設けられる。主排気管４２は、排気管４０に一体化される。

凝縮装置１４は、冷媒体として酸化剤ガスが使用される空冷凝縮器（空冷凝縮機構）４４と、前記冷媒体として貯湯タンク１８に貯えられる貯湯水が使用される水冷凝縮器（水冷凝縮機構）４６とを備える。空冷凝縮器４４及び水冷凝縮器４６は、例えば、断面四角形状の角筒形状を有する。

燃料電池モジュール１２から延在する排気管４０には、調整弁４８が配設され、前記調整弁４８の出口側には、排ガス通路５０ａ、５０ｂが分岐する。排ガス通路５０ａには、空冷凝縮器４４が接続される一方、排ガス通路５０ｂには、水冷凝縮器４６が接続される。

調整弁４８は、空冷凝縮器４４に供給される排ガスの流量、及び水冷凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量を個別に調整可能である。排ガスは、空冷凝縮器４４のみに供給される場合、水冷凝縮器４６のみに供給される場合、及び前記空冷凝縮器４４と前記水冷凝縮器４６とにそれぞれ所定の流量で供給される場合がある。

なお、調整弁４８は、排ガス通路５０ａと５０ｂとに対する排ガスの分配流量を変更させることにより、前記排ガス通路５０ａ、５０ｂに供給される排ガス流量を調整することもできる。その際、後述する制御では、燃料電池モジュール１２の出力を増減させて排ガス供給量を増減させることにより、排ガス通路５０ａ、５０ｂに分配される排ガス流量を増減させる必要がある。

空冷凝縮器４４及び水冷凝縮器４６の出口側には、排ガスを排出するための排気ガス流路５２ａ、５２ｂが設けられるとともに、凝縮した凝縮水を水容器５４に供給するための凝縮水流路５６ａ、５６ｂが設けられる。水容器５４は、凝縮水を貯留するとともに、水流路５８を介して水供給装置２４に接続される。排気ガス流路５２ａ、５２ｂは、合流した後、凝縮装置１４の外部に排ガスを排出自在である。

図１及び図２に示すように、空冷凝縮器４４と水冷凝縮器４６との間には、排ガスと酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換機構６０が配設される。熱電変換機構６０は、空冷凝縮器４４側に設けられる第１熱電変換部６０ａと、水冷凝縮器４６側に設けられる第２熱電変換部６０ｂとを備える。

図２に示すように、第１熱電変換部６０ａは、空冷凝縮器４４の１つの平坦状外面（高温側）４４ａと、空気（酸化剤ガス）が流通される角筒状の空気流通配管（低温側）６２との間に取り付けられる複数の熱電変換素子６４ａを備える。第２熱電変換部６０ｂは、水冷凝縮器４６の１つの平坦状外面（高温側）４６ａと、空気流通配管（低温側）６２との間に取り付けられる複数の熱電変換素子６４ｂを備える。熱電変換素子６４ａ、６４ｂは、両端に温度差を生じさせることにより起電力を発生させる機能を有する（後述する）。

第１熱電変換部６０ａを構成する複数の熱電変換素子６４ａの体積は、第２熱電変換部６０ｂを構成する複数の熱電変換素子６４ｂの体積よりも大きく設定される。熱電変換素子６４ａの熱電変換温度は、熱電変換素子６４ｂの熱電変換温度よりも高く設定される。

具体的には、熱電変換素子６４ａは、比較的高温域で熱電変換効率の高い材料を使用する一方、熱電変換素子６４ｂは、比較的低温域で熱電変換効率の高い材料を使用する。例えば、常温〜５００Ｋの温度範囲では、ビスマス・テルル系（Ｂｉ-Ｔｅ系）、常温〜８００Ｋの温度範囲では、鉛・テルル系（Ｐｂ-Ｔｅ系）、常温〜１０００Ｋの温度範囲では、シリコン・ゲルマニウム系（Ｓｉ-Ｇｅ系）が使用可能である。

図１に示すように、空気流通配管６２には、酸化剤ガス供給装置２２が配設された空気供給管６６が接続される。空気供給管６６は、空気流通配管６２内に冷媒体として酸化剤ガスを通し、排ガスと熱交換させることにより昇温された前記酸化剤ガスを燃料電池スタック３２に供給する。

水冷凝縮器４６には、貯湯タンク１８に接続された循環配管６８が配設される。循環配管６８は、水冷凝縮器４６内に冷媒体として貯湯タンク１８内の貯湯水を通して排ガスと熱交換させ、昇温された貯湯水を前記貯湯タンク１８に戻す。

制御装置１６は、少なくとも供給電力と予め設定された需要電力範囲とを比較する電力比較部７０と、供給熱量と予め設定された需要熱量範囲とを比較する熱量比較部７２とを備える。

貯湯タンク１８は、貯湯水水位を検出する水位計（貯湯水水位検出器）８０と、貯湯水温度を検出する温度計（貯湯水温度検出器）８２とを備える。水容器５４は、前記水容器５４内の凝縮水水位を検出する水位計（凝縮水水位検出器）８４を備える。

貯湯タンク１８には、外部から市水を供給するための給水管８６と、排水を行う排水管８８と、所望の温度の貯湯水を給湯する給湯管９０とが接続される。給水管８６、排水管８８及び給湯管９０には、それぞれ弁９２、９４及び９６が配設される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

燃料ガス供給装置２０の駆動作用下に、蒸発器３６には、例えば、都市ガス（ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_４Ｈ_１０を含む）等の原燃料が供給される。一方、水供給装置２４の駆動作用下に、蒸発器３６には、水が供給されるとともに、熱交換器３４には、酸化剤ガス供給装置２２を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が熱電変換機構６０を通って供給される。

蒸発器３６では、原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、改質器３８の入口に供給される。混合燃料は、改質器３８内で水蒸気改質され、Ｃ_２＋の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする燃料ガスが得られる。この燃料ガスは、改質器３８の出口から燃料電池スタック３２に導入される。このため、燃料ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする燃料ガスは、アノード電極（図示せず）に供給される。

一方、熱交換器３４に供給される空気は、この熱交換器３４に沿って移動する際、後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器３４で加温された空気は、燃料電池スタック３２に導入され、図示しないカソード電極に供給される。

従って、電解質・電極接合体２６では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体２６の外周部に排出される高温（数百℃）の排ガスは、熱交換器３４を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。排ガスは、蒸発器３６に供給されて水を蒸発させる。蒸発器３６を通過した排ガスは、主排気管４２から排気管４０を介して凝縮装置１４に送られる。

次いで、凝縮装置１４における第１の実施形態に係る制御方法について、図３に示すフローチャート及び図４に示す制御マップに沿って、以下に説明する。

先ず、燃料電池モジュール１２の供給電力Ｗに対する需要電力範囲として、需要電力上限値Ｗｍａｘと需要電力下限値Ｗｍｉｎとが設定される。さらに、供給熱量Ｑに対する需要熱量範囲として、需要熱量上限値Ｑｍａｘと需要熱量下限値Ｑｍｉｎとが設定される。

図４中、電気モードとは、熱電変換機構６０により熱エネルギを電気エネルギとして回収する量を増減させるモードであり、具体的には、空冷凝縮器４４内に供給される排ガスの流量を増減させる。一方、熱モードとは、排ガスの熱エネルギを温水の熱エネルギとして回収する量を増減させるモードであり、具体的には、水冷凝縮器４６内に供給される排ガスの流量を増減させる。

図４中、その他とあるのは、供給電力Ｗが需要電力範囲超過であり、且つ、供給熱量Ｑが需要熱量範囲超過である際、出力を低下させたり、電力系統に送電させたりする制御である。

そこで、制御装置１６では、電力比較部７０を介して、供給電力Ｗと予め設定された需要電力範囲とが比較される。供給電力Ｗが、需要電力上限値Ｗｍａｘ以下であると判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２では、供給電力Ｗが、需要電力下限値Ｗｍｉｎ以上であると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、熱量比較部７２を介して、燃料電池モジュール１２の供給熱量Ｑと予め設定された需要熱量範囲とが比較される。供給熱量Ｑが、需要熱量上限値Ｑｍａｘ以下であると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、供給熱量Ｑが、需要熱量下限値Ｑｍｉｎ以上であると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、処理Ｅが行われる。すなわち、燃料電池モジュール１２の供給電力Ｗが、需要電力範囲内であり、且つ、前記燃料電池モジュール１２の供給熱量Ｑが、需要熱量範囲内である。その際、空冷凝縮器４４内に供給される排ガスの流量が維持されるとともに、水冷凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量が維持される。このため、供給電力Ｗ及び供給熱量Ｑは、維持される。

また、ステップＳ４において、供給熱量Ｑが、需要熱量下限値Ｑｍｉｎ未満であると判断されると（ステップＳ４中、ＮＯ）、ステップＳ６に進んで、処理Ｄが行われる。この処理Ｄでは、空冷凝縮器４４内に供給される排ガスの流量が維持される一方、水冷凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量が増加される。従って、供給電力Ｗが維持される一方、排ガスの熱エネルギが温水の熱エネルギとして回収される量が増加するため、供給熱量Ｑが増加される。

その際、水冷凝縮器４６側には、第２熱電変換部６０ｂが設けられており、前記水冷凝縮器４６に供給される排ガスの流量が増加されている。水冷凝縮器４６では、排ガスと貯湯水との熱交換が行われた後、熱電変換が行われるため、熱電変換素子６４ｂにより回収される電気エネルギは、必要以上に増加することがない。なお、以下に説明する他の処理においても、同様である。

さらにまた、ステップＳ３において、供給熱量Ｑが、需要熱量上限値Ｑｍａｘ超過であると判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ７に進んで、処理Ｆが行われる。この処理Ｆでは、空冷凝縮器４４内に供給される排ガスの流量が維持される一方、水冷凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量が減少される。これにより、供給電力Ｗが維持される一方、排ガスの熱エネルギが温水の熱エネルギとして回収される量が減少するため、供給熱量Ｑが減少される。

ステップＳ２において、供給電力Ｗが、需要電力下限値Ｗｍｉｎ未満であると判断されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、ステップＳ８に進んで、供給熱量Ｑが、需要熱量上限値Ｑｍａｘ以下であるか否かが判断される。供給熱量Ｑが、需要熱量上限値Ｑｍａｘ以下であると判断されると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進む。

ステップＳ９では、供給熱量Ｑが、需要熱量下限値Ｑｍｉｎ以上であると判断されると（ステップＳ９中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０に進んで、処理Ｂが行われる。この処理Ｂでは、空冷凝縮器４４内に供給される排ガスの流量が増加される一方、水冷凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量が維持される。

このため、図２に示すように、第１熱電変換部６０ａでは、空冷凝縮器４４の外面４４ａと空気流通配管６２との間に取り付けられる複数の熱電変換素子６４ａは、高温側である前記空冷凝縮器４４内を流通する排ガス流量の増加に伴って両端の温度差が大きくなる。熱電変換素子６４ａは、図５に示すように、両端の温度差が大きくなる程、出力電力が大きくなり、排ガスの熱エネルギが電気エネルギとして回収される量が増加する。このため、供給電力Ｗが増加される一方、供給熱量Ｑが維持される。

ステップＳ９において、供給熱量Ｑが、需要熱量下限値Ｑｍｉｎ未満であると判断されると（ステップＳ９中、ＮＯ）、ステップＳ１１に進んで、処理Ａが行われる。この処理Ａでは、空冷凝縮器４４内に供給される排ガスの流量が増加されるとともに、水冷凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量が増加される。従って、供給電力Ｗ及び供給熱量Ｑは、それぞれ増加される。

また、ステップＳ８において、供給熱量Ｑが、需要熱量上限値Ｑｍａｘ超過であると判断されると（ステップＳ８中、ＮＯ）、ステップＳ１２に進んで、処理Ｃが行われる。この処理Ｃでは、空冷凝縮器４４内に供給される排ガスの流量が増加される一方、水冷凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量が減少される。これにより、供給電力Ｗが増加される一方、供給熱量Ｑが減少される。

さらにまた、ステップＳ１において、供給電力Ｗが、需要電力上限値Ｗｍａｘ超過であると判断されると（ステップＳ１中、ＮＯ）、ステップＳ１３に進む。このステップＳ１３では、供給熱量Ｑが、需要熱量上限値Ｑｍａｘ以下であると判断されると（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１４に進む。このステップＳ１４では、供給熱量Ｑが、需要熱量下限値Ｑｍｉｎ以上であると判断されると（ステップＳ１４中、ＹＥＳ）、ステップＳ１５に進んで、処理Ｈが行われる。

この処理Ｈでは、燃料電池モジュール１２の供給電力Ｗが、需要電力上限値Ｗｍａｘ超過であり、且つ、前記燃料電池モジュール１２の供給熱量Ｑが、需要熱量範囲内である。その際、空冷凝縮器４４内に供給される排ガスの流量が減少される一方、水冷凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量が維持される。このため、供給電力Ｗが減少される一方、供給熱量Ｑが維持される。

ステップＳ１４において、供給熱量Ｑが、需要熱量下限値Ｑｍｉｎ未満であると判断されると（ステップＳ１４中、ＮＯ）、ステップＳ１６に進んで、処理Ｇが行われる。この処理Ｇでは、空冷凝縮器４４内に供給される排ガスの流量が減少される一方、水冷凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量が増加される。このため、供給電力Ｗが減少される一方、供給熱量Ｑが増加される。

また、ステップＳ１３において、供給熱量Ｑが、需要熱量上限値Ｑｍａｘ超過であると判断されると（ステップＳ１３中、ＮＯ）、ステップＳ１７に進んで、処理Ｉが行われる。すなわち、燃料電池モジュール１２の供給電力Ｗが、需要電力上限値Ｗｍａｘ超過であり、且つ、前記燃料電池モジュール１２の供給熱量Ｑが、需要熱量上限値Ｑｍａｘ超過である。

従って、処理Ｉでは、出力を低下させたり、電力系統に送電させたりする制御が行われる。出力低下は、燃料電池モジュール１２に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれの流量を減少させることにより遂行される。一方、電力系統を介して電力が必要とされる箇所に該電力を供給することにより、供給電力Ｗを消費させることができる。

この場合、第１の実施形態では、凝縮装置１４は、冷媒体として酸化剤ガスが使用される空冷凝縮器４４と、前記冷媒体として貯湯タンク１８に貯えられる貯湯水が使用される水冷凝縮器４６とを備えている。そして、空冷凝縮器４４と水冷凝縮器４６との間には、排ガスと酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換機構６０が配設されている。

このため、燃料電池システム１０全体の構成が、容易にコンパクト化される。しかも、図２に示すように、空冷凝縮器４４内を流通する排ガス及び水冷凝縮器４６内を流通する排ガスと、酸化剤ガスとの温度差（熱エネルギ）を、電気エネルギとして回収することができるため、発電効率が有効に向上するという効果が得られる。

しかも、排ガス温度が低減されるとともに、排ガス中の水蒸気を凝縮して回収することが可能になり、廃熱の抑制と水自立の促進が図られる。さらに、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が容易に遂行可能になる。

ここで、水自立とは、燃料電池システム１０の運転に必要な水の全量を外部から供給することなく、前記燃料電池システム１０内で賄うことをいう。また、熱自立とは、燃料電池システム１０の運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池システム１０の動作温度を維持することをいう。

また、熱電変換機構６０は、空冷凝縮器４４側に設けられる第１熱電変換部６０ａと、水冷凝縮器４６側に設けられる第２熱電変換部６０ｂとを備えている。このため、空冷凝縮器４４に導入される排ガスの熱エネルギは、第１熱電変換部６０ａにより電気エネルギとして回収するとともに、水冷凝縮器４６に導入される排ガスの熱エネルギは、第２熱電変換部６０ｂにより電気エネルギとして回収することができる。従って、発電効率が良好に向上する。

しかも、排ガス温度が低下されるとともに、排ガス中の水蒸気を凝縮して回収することが可能になる。これにより、廃熱の抑制と水自立の促進が図られる。その上、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が容易に図られる。

さらに、熱電変換機構６０では、第１熱電変換部６０ａを構成する複数の熱電変換素子６４ａの体積は、第２熱電変換部６０ｂを構成する複数の熱電変換素子６４ｂの体積よりも大きく設定されている。第２熱電変換部６０ｂでは、排ガスと貯湯水との熱交換が行われた後、熱電変換が行われるため、前記排ガスと直接熱電変換が行われる第１熱電変換部６０ａよりも小さく設定することができる。

さらにまた、熱電変換素子６４ａの熱電変換温度は、熱電変換素子６４ｂの熱電変換温度よりも高く設定されている。第２熱電変換部６０ｂでは、排ガスと貯湯水との熱交換後に熱電変換が行われるため、第１熱電変換部６０ａよりも低温で作動する材料を使用することが可能になる。このため、第１熱電変換部６０ａは、比較的高温域で熱電変換効率の高い材料を使用する一方、第２熱電変換部６０ｂは、比較的低温域で熱電変換効率の高い材料を使用することにより、熱電変換効率の向上が図られる。

また、制御装置１６は、少なくとも供給電力と予め設定された需要電力範囲とを比較する電力比較部７０と、供給熱量と予め設定された需要熱量範囲とを比較する熱量比較部７２とを備えている。

従って、空冷凝縮器４４と水冷凝縮器４６とにより、排ガスから熱エネルギを回収することができ、水自立及び排ガス温度の低減が図られる。しかも、貯湯水の状態、すなわち、貯湯水の量によって発電出力が影響されることがなく、需要電力を確実に供給することが可能になる。

その上、燃料電池モジュール１２は、貯湯タンク１８の容量に依存することがなく、起動及び停止を最小限に抑制することが可能になり、発電効率の向上が容易に図られる。

さらに、貯湯タンク１８は、貯湯水水位を検出する水位計８０と、貯湯水温度を検出する温度計８２とを備えている。これにより、貯湯水の状態、すなわち、貯湯水の量（水位）及び貯湯水の温度を確実に検出することができる。

さらにまた、凝縮装置１４は、凝縮水を貯留する水容器５４と、前記水容器５４内の凝縮水水位を検出する水位計８４とを備えている。このため、凝縮水の状態、すなわち、凝縮水の量を確実に検出することができる。

また、燃料電池システム１０は、空冷凝縮器４４に供給される排ガスの流量、及び水冷凝縮器４６に供給される前記排ガスの流量を調整する調整弁４８を備えている。従って、空冷凝縮器４４に供給される排ガスの流量と、水冷凝縮器４６に供給される排ガスの流量とを、良好に調整することができる。これにより、水自立及び需要電力の供給が可能になるとともに、貯湯水の温度維持が遂行される。

さらに、燃料電池モジュール１２は、燃料電池スタック３２と、熱交換器３４と、蒸発器３６と、改質器３８とを備えている。これにより、特に水蒸気改質を行う燃料電池モジュール１２に最適に適用することができ、良好な効果が得られる。

さらにまた、燃料電池モジュール１２は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュールにより構成されている。このため、高温型燃料電池システムに最適に用いることが可能になり、良好な効果が得られる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム１００は、図７及び図８に示すように、空冷凝縮器４４と水冷凝縮器４６とに跨って取り付けられる１以上、例えば、２つの空冷ファン１０２を備える。空冷ファン１０２は、空冷凝縮器４４の外面４４ａに装着される複数の熱電変換素子６４ａと、水冷凝縮器４６の外面４６ａに装着される複数の熱電変換素子６４ｂとに冷却風を一体に供給する。

従って、空冷凝縮器４４及び水冷凝縮器４６では、空冷ファン１０２から強制的に供給される外気（酸化剤ガス）により、燃料電池スタック３２から排出される排ガスを冷却するとともに、複数の熱電変換素子６４ａ、６４ｂに温度差を発生させることができる。

これにより、第２の実施形態では、空冷凝縮器４４内を流通する排ガス及び水冷凝縮器４６内を流通する排ガスの熱エネルギを電気エネルギとして良好に回収することができ、発電効率が向上する等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１００…燃料電池システム １２…燃料電池モジュール
１４…凝縮装置 １６…制御装置
１８…貯湯タンク ２０…燃料ガス供給装置
２２…酸化剤ガス供給装置 ２４…水供給装置
２６…電解質・電極接合体 ２８…セパレータ
３０…燃料電池 ３２…燃料電池スタック
３４…熱交換器 ３６…蒸発器
３８…改質器 ４０…排気管
４４…空冷凝縮器 ４６…水冷凝縮器
４８…調整弁 ５４…水容器
６０…熱電変換機構 ６０ａ、６０ｂ…熱電変換部
６２…空気流通配管 ６４ａ、６４ｂ…熱電変換素子
６６…空気供給管 ７０…電力比較部
７２…熱量比較部 ８０、８４…水位計
８２…温度計 １０２…空冷ファン

Claims (8)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する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排ガスと冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮して回収するとともに、凝縮水を前記燃料電池モジュールに供給する凝縮装置と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記凝縮装置は、前記冷媒体として前記酸化剤ガスが使用される空冷凝縮機構と、
   前記冷媒体として貯湯部に貯えられる貯湯水が使用される水冷凝縮機構と、
   を備えるとともに、
   前記空冷凝縮機構と前記水冷凝縮機構との間には、前記排ガスと前記酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換機構が配設され、
   前記空冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量、及び前記水冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量を個別に調整可能である調整弁と、
   少なくとも供給電力と予め設定された需要電力範囲とを比較する電力比較部と、供給熱量と予め設定された需要熱量範囲とを比較する熱量比較部とを有し、前記電力比較部及び前記熱量比較部による比較結果に基づいて、前記調整弁を制御する制御装置と、
   をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記熱電変換機構は、前記空冷凝縮機構側に設けられる第１熱電変換部と、
   前記水冷凝縮機構側に設けられる第２熱電変換部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記第１熱電変換部の熱電変換素子が前記排ガス及び前記酸化剤ガスと接触する接触面積は、前記第２熱電変換部の熱電変換素子が前記排ガス及び前記酸化剤ガスと接触する接触面積よりも大きく設定されることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２又は３記載の燃料電池システムにおいて、前記第１熱電変換部の熱電変換素子の材料は、前記第２熱電変換部の熱電変換素子の材料よりも高い温度範囲で熱電変換効率が高くなるように設定されることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記貯湯部は、貯湯水水位を検出する貯湯水水位検出器と、
   貯湯水温度を検出する貯湯水温度検出器と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記凝縮装置は、前記凝縮水を貯留する水容器と、
   前記水容器内の凝縮水水位を検出する凝縮水水位検出器と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池モジュールは、少なくとも電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、
   前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、
   炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、
   前記混合燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることを特徴とする燃料電池システム。

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