JP6447014B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

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、冷却水循環系５に連結されて冷却水７の排熱を回収するステンレス合金製の排熱回収用熱交換器２１と、その二次熱媒体としての低イオン濃度の中間熱媒水２５の循環通路２２と、この循環通路に連結されて中間熱媒水の回収熱をイオン濃度の高い（特に残留塩素濃度の高い）外部熱媒水１２に伝達する炭素鋼製の供給側熱交換器２３と、を備えている。これにより、外部熱媒水に水道水を用いても、供給側熱交換器２３は応力腐食割れを起こさない。

特開平０６−０２９０３６号公報

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において、残留塩素濃度が高い水道水が流通する熱交換器は、残留塩素によって腐食が生じない。しかし、燃料電池システムは、構造の複雑化、高コスト化となるという問題があった。

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、複雑化・高コスト化を招くことなく、水道水が流通する熱交換器が残留塩素によって腐食するのを抑制することを目的とする。

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、貯湯水を貯水する貯湯槽と、燃料電池の排熱と貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器と、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、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、熱交換器から導出される貯湯水の第二目標温度より低い第一目標温度に対応する第一温度の貯湯水によって貯湯槽を満水にするように送出装置を制御する第一温度満水制御部と、第一温度満水制御部によって貯湯槽を第一温度の貯湯水で満水にした後に、熱交換器から導出される貯湯水の第二目標温度に対応する第二温度の貯湯水によって貯湯槽を満水にするように送出装置を制御する第二温度満水制御部と、を備え、第二温度満水制御部は、第一温度満水制御部によって貯湯槽を第一温度の貯湯水で満水にした時点から所定時間経過した後に、熱交換器から導出される貯湯水の第二目標温度に対応する第二温度の貯湯水によって貯湯槽を満水にするように送出装置を制御する。

これによれば、貯湯槽は、第一温度満水制御部によって第一温度の貯湯水で満水にされた後に、第二温度満水制御部によって第一温度より高温である第二温度の貯湯水で満水にされる。その結果、貯湯槽に供給される水道水に含有される残留塩素濃度は第一温度に上昇された貯湯槽内において低下されるため、複雑化・高コスト化を招くことなく、水道水が循環する熱交換器が残留塩素によって腐食するのを抑制することができる。さらに、第一温度の貯湯水で満水にされた貯湯槽から供給される貯湯水は、残留塩素濃度が低下された上で熱交換器に供給されて昇温されるため、高温環境下においてより強く作用する残留塩素による腐食作用が抑制される。よって、熱交換器における腐食を抑制するとともに排熱回収効率を向上させることができる。
さらに、貯湯槽に供給される水道水に含有される残留塩素濃度は、第一温度に上昇された貯湯槽内において所定時間経過すると、確実に低下されるため、複雑化・高コスト化を招くことなく、水道水が循環する熱交換器が残留塩素によって腐食するのをより確実に抑制することができる。

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１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。 図１および図２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。 残留塩素が含有されている液体を放置した場合の水温と残留塩素濃度との関係を示すマップである。

以下、本発明による燃料電池システムの一実施形態について説明する。燃料電池システムは、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。

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。

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。具体的には、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、熱交換器貯湯水導入温度センサ２２ｃ、熱交換器１２、および熱交換器貯湯水導出温度センサ２２ｄが配設されている。熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続（貫設）されている。熱交換器１２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。

熱交換器１２において、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って熱交換器１２内に導入され、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。凝縮後の燃焼排ガスは排気管１１ｄ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。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。
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、圧力逃がし弁２１ｄを備えている。圧力逃がし弁２１ｄは、貯湯槽２１内の圧力が所定圧力以上となった場合、その圧力（内部の気体）を外部に逃がすために開状態となる。貯湯槽２１は、耐圧式の容器である。貯湯槽２１は、少なくとも水道水の圧力に耐えることができる。
貯湯槽２１内には、貯湯槽２１内の貯湯水の温度状態を検出する貯湯槽内温度状態検出装置２１ｂが設けられている。貯湯槽内温度状態検出装置２１ｂは、複数（本実施形態においては５個）の温度センサ２１ｂ１，２１ｂ２，２１ｂ３，２１ｂ４，２１ｂ５から構成されており、上下方向（鉛直方向）に沿って等間隔（貯湯槽２１内の上下方向高さの４分の一の距離）にて配設されている。温度センサ２１ｂ１は貯湯槽２１の内部下面位置（２１ａ付近）に配置されている。各温度センサ２１ｂ１，２１ｂ２，２１ｂ３，２１ｂ４，２１ｂ５はその位置の貯湯槽２１内の液体（温水または水）の温度をそれぞれ検出するものである。この温度センサ群による各位置での湯温の検出結果に基づいて貯湯槽２１内の残湯量すなわち貯湯槽２１内の貯湯水の温度状態が検出されるようになっている。残湯量は、貯湯槽２１内に蓄えられた熱量を表している。なお、貯湯槽内温度状態検出装置２１ｂは、最下部に設けられている温度センサ２１ｂ１のみによって構成されるようにしてもよい。
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。

貯湯槽２１は、貯湯槽２１から貯湯水を調整可能に導出する導出装置２３と、給水源２４からの給水を貯湯槽２１に導入する導入装置２５と、を備えている。
導出装置２３は、貯湯水が使用される湯水使用機器４１に接続され、湯水使用機器４１に貯湯水を供給する貯湯水供給管４２と、貯湯水供給管４２に接続され貯湯水を外部に排出する排水管４３と、排水管４３に設けられ排水管４３を制御装置１５の開閉指令に応じて開閉する開閉弁４４と、から構成されている。また、導出装置２３は、湯水使用機器４１および貯湯水供給管４２から構成するようにしてもよい。なお、湯水使用機器４１は、例えば複数の湯利用機器および熱利用機器から構成されている。湯利用機器としては、浴槽、シャワ、キッチン（キッチンの蛇口）、洗面所（洗面所の蛇口）などがある。熱利用機器としては、浴室暖房、床暖房、浴槽の湯を追い炊き機構などがある。熱利用機器は、貯湯水を循環させるタイプや貯湯水を熱交換後に排出するタイプのものがある。
貯湯水供給管４２は、通過する貯湯水の供給量（単位時間あたりの通水量）を検出する流量計４２ａが設けられている。流量計４２ａの検出結果は、制御装置１５に送信されている。

導入装置２５は、給水源２４と貯湯槽２１とを接続する給水管５１から構成されている。給水源２４は、例えば水道管である。給水管５１は、供給されている給水の圧力を所定圧力に減圧する減圧装置５２を設けている。なお、導入装置２５は、給水源２４が圧力が比較的高い水道管ではなく圧力の比較的低い供給源である場合、給水管５１と給水管５１に設けられたポンプなどの圧送装置とから構成するようにしてもよい。

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。

熱交換器貯湯水導入温度センサ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１２ｂとの間に設けられている。熱交換器貯湯水導入温度センサ２２ｃは、熱交換器１２に導入される貯湯水の温度を検出して、制御装置１５に送信している。
熱交換器貯湯水導出温度センサ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１２ｃと貯湯槽２１の貯湯水導入口２１ｃとの間に設けられている。熱交換器貯湯水導出温度センサ２２ｄは、熱交換器１２の貯湯水導出口１２ｃ付近に設けられるのが望ましい。熱交換器貯湯水導出温度センサ２２ｄは、熱交換器１２から導出される貯湯水の温度Ｔ１を検出して、制御装置１５に送信している。なお、熱交換器貯湯水導出温度センサ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１２ｃ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。

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。なお、制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システムの運転を制御する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。
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カソードガスによって発電が行われる。

燃焼部３６は、燃料電池３４と蒸発部３２および改質部３３との間に設けられている。燃焼部３６は、燃料電池３４からのアノードオフガス（燃料オフガス）と燃料電池３４からのカソードオフガス（酸化剤オフガス）とが燃焼されて改質部３３を加熱する。

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では、アノードオフガスが燃焼されてその燃焼排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。

制御装置１５は、燃料電池システム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。

制御装置１５は、図２に示すように、第一温度満水制御部６１と、第二温度満水制御部６２と、を備えている。
第一温度満水制御部６１は、熱交換器１２から導出される貯湯水の第二目標温度Ｔ１ｂより低い第一目標温度Ｔ１ａに対応する第一温度Ｔ２ａ（貯湯槽水温）の貯湯水によって貯湯槽２１を満水にするように貯湯水循環ポンプ２２ｂを制御する（貯湯水循環ポンプ２２ｂの吐出量を制御する）。第二温度満水制御部６２は、第一温度満水制御部６１によって貯湯槽２１を第一温度Ｔ２ａの貯湯水で満水にした後に、熱交換器１２から導出される貯湯水の第二目標温度Ｔ１ｂに対応する第二温度Ｔ２ｂ（貯湯槽水温）の貯湯水によって貯湯槽２１を満水にするように貯湯水循環ポンプ２２ｂを制御する（貯湯水循環ポンプ２２ｂの吐出量を制御する）。

例えば、第一温度Ｔ２ａ（貯湯槽水温）は５０〜７０℃の範囲に好ましくは６０〜６５℃の範囲に設定されるのが望ましい。第一目標温度Ｔ１ａは６０〜８０℃の範囲に、好ましくは７０〜７５℃の範囲に設定されるのが望ましい。また、第二温度Ｔ２ｂ（貯湯槽水温）は６０〜８０℃の範囲に好ましくは７０〜７５℃の範囲に設定されるのが望ましい。第二目標温度Ｔ１ｂは７０〜９０℃の範囲に、好ましくは８０〜８５℃の範囲に設定されるのが望ましい。

第一目標温度Ｔ１ａは、貯湯槽２１内の貯湯水の残留塩素濃度（例えば２ｐｐｍ）が一定時間放置した後に所定濃度（例えば０．５ｐｐｍ）以下となる第一温度（貯湯槽水温）に相当する温度に設定されている。第一温度は、残留塩素濃度が各温度において減衰（減少）するマップに基づいて導出される。このマップは、図４に示すように、水温が高いほど、残留塩素濃度が所定濃度まで減少するのにかかる時間が短くなっている。特に水温が７０℃以上では、残留塩素濃度は急速に減少している。そこで、水温７０℃について残留塩素濃度が０．１ｐｐｍ以下となるのに必要かつ十分な時間を一定時間に設定し、一定時間放置した後に残留塩素濃度が所定濃度（例えば０．５ｐｐｍ）以下に減少する水温を選定する。例えば、７０℃、８０℃の水温が選定される。最終的に、７０℃の水温が選定された場合、第一目標温度Ｔ１ａは、選定された水温から所定温度（例えば１０℃）だけ小さい値（６０℃）に設定される。

なお、残留塩素は、水道水の中に存在させることが必要な遊離残留塩素と結合残留塩素とを合わせたもので、水道水に含まれる物質に対する殺菌や酸化反応に有効に作用し得る塩素化合物のことをいう。遊離残留塩素は、例えば次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）であり、結合残留塩素は、例えばモノクロラミン（ＮＨＣｌ）とジクロラミン（ＮＨＣｌ_２）である。

さらに、第二目標温度Ｔ１ｂは、改質部３３にて必要な改質水を熱交換器１２にて導出され凝縮水で賄う水自立が、成立可能な最高温度に設定されている。第二目標温度Ｔ１ｂが最高温度を越えた値に設定された場合、凝縮水が生成され難く、水自立が成立しなくなるからである。

第一温度満水制御部６１は、第一熱交換器導出温度制御部６１ａと、第一制御停止部６１ｂと、を備えている。第一熱交換器導出温度制御部６１ａは、熱交換器貯湯水導出温度センサ２２ｄによって検出される貯湯水の温度Ｔ１が第一目標温度Ｔ１ａとなるように貯湯水循環ポンプ２２ｂを制御する。貯湯水循環ポンプ２２ｂの吐出量が小さくなり、熱交換器１２を流通（通過）する貯湯水の流量（単位時間当たり）が小さくなると、貯湯水の温度Ｔ１は上がる。一方、貯湯水循環ポンプ２２ｂの吐出量が大きくなり、熱交換器１２を流通（通過）する貯湯水の流量（単位時間当たり）が大きくなると、貯湯水の温度Ｔ１は下がる。
このように、貯湯水循環ポンプ２２ｂが制御され、第一目標温度Ｔ１ａの貯湯水が熱交換器１２から導出され貯湯槽２１に導入される。
第一制御停止部６１ｂは、貯湯槽内温度状態検出装置２１ｂによって検出される貯湯水の温度状態が、貯湯槽２１が第一温度Ｔ２ａの貯湯水によって満水となる第一満水状態となった場合、貯湯水循環ポンプ２２ｂの駆動を停止する。

また、第二温度満水制御部６２は、第二熱交換器導出温度制御部６２ａと、第二制御停止部６２ｂと、を備えている。第二熱交換器導出温度制御部６２ａは、熱交換器貯湯水導出温度センサ２２ｄによって検出される貯湯水の温度Ｔ１が第二目標温度Ｔ１ｂとなるように貯湯水循環ポンプ２２ｂを制御する。貯湯水循環ポンプ２２ｂが制御され、第二目標温度Ｔ１ｂの貯湯水が熱交換器１２から導出され貯湯槽２１に導入される。
第二制御停止部６２ｂは、貯湯槽内温度状態検出装置２１ｂによって検出される貯湯水の温度状態が、貯湯槽２１が第二温度Ｔ２ｂの貯湯水によって満水となる第二満水状態となった場合、貯湯水循環ポンプ２２ｂの駆動を停止する。

また、第二温度満水制御部６２は、第一温度満水制御部によって貯湯槽２１を第一温度Ｔ２ａの貯湯水で満水にした時点から所定時間経過した後に、熱交換器１２から導出される貯湯水の第二目標温度Ｔ１ｂに対応する第二温度Ｔ２ｂの貯湯水によって貯湯槽２１を満水にするように貯湯水循環ポンプ２２ｂを制御する。

また、制御装置１５は、図１に示すように。表示部１５ｂが有線または無線にて通信可能に接続されている。表示部１５ｂは、制御装置１５からの表示信号を受けて、燃料電池システムの運転状態（運転状況）をユーザに対して表示するものである。表示部１５ｂは、例えば液晶パネルにより構成されている。表示部１５ｂは、ユーザから燃料電池システムに対する指示を入力する操作部を備えるようにしてもよい。

次に、上述した燃料電池システムの作動について図３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、フラグＦが１であるか否かを判定する。フラグＦは、貯湯槽２１が第一満水状態未満であるか以上であるかを示すフラグである。フラグＦが０である場合、貯湯槽２１が第一満水状態未満であることを示し、フラグＦが１である場合、貯湯槽２１が第一満水状態以上であることを示す。貯湯槽２１が第一満水状態であるとは、貯湯槽２１が第一温度Ｔ２ａの貯湯水で満水となっている状態である。例えば、貯湯槽２１が第一満水状態未満であるとは、貯湯槽２１の下層の貯湯水の温度が第一温度Ｔ２ａ未満である状態である。貯湯槽２１が第一満水状態未満である場合には、貯湯槽２１の上層の貯湯水の温度が第一温度Ｔ２ａ以上であり、かつ、貯湯槽２１の下層の貯湯水の温度が第一温度Ｔ２ａ未満である状態も含む。また、貯湯槽２１が第一満水状態以上であるとは、貯湯槽２１が第一温度Ｔ２ａ以上の貯湯水で満水となっている状態である。

フラグＦが０である場合、制御装置１５は、ステップＳ１０２にて「ＮＯ」と判定し、プログラムをステップＳ１０４に進める。一方、フラグＦが１である場合、制御装置１５は、ステップＳ１０２にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップＳ１１６に進める。

制御装置１５は、ステップＳ１０４において、貯湯槽２１が第一満水状態以上であるか否かを判定する。具体的には、制御装置１５は、貯湯槽内温度状態検出装置２１ｂによって検出される貯湯槽２１内の貯湯水の温度状態が、貯湯槽２１が第一温度Ｔ２ａの貯湯水によって満水となる温度状態である場合には、貯湯槽２１が第一満水状態であると判定する。一方、制御装置１５は、貯湯槽内温度状態検出装置２１ｂによって検出される貯湯槽２１内の貯湯水の温度状態が、貯湯槽２１上層の貯湯水温度は第一温度Ｔ２ａであり、かつ貯湯槽２１下層の貯湯水温度は第一温度Ｔ２ａ未満である温度状態である場合には、貯湯槽２１が第一満水状態未満であると判定する。また、貯湯槽２１が第一温度Ｔ２ａ以上の貯湯水で満水となっている状態は、貯湯槽２１が第一満水状態以上であると判定する。

制御装置１５は、貯湯槽２１が第一満水状態未満である場合、ステップＳ１０４にて「ＮＯ」と判定し、プログラムをステップＳ１０６以降に進める。すなわち、制御装置１５は、上述した第一温度満水制御部６１と同様に、熱交換器１２から導出される貯湯水の第一目標温度Ｔ１ａに対応する第一温度Ｔ２ａの貯湯水によって貯湯槽２１を満水にするように貯湯水循環ポンプ２２ｂを制御する。

制御装置１５は、ステップＳ１０６において、熱交換器１２から導出される貯湯水（熱交換器出口貯湯水温度）の目標温度を第一目標温度Ｔ１ａに設定する。制御装置１５は、ステップＳ１０８において、上述した第一熱交換器導出温度制御部６１ａと同様に、熱交換器貯湯水導出温度センサ２２ｄによって検出される貯湯水の温度Ｔ１が第一目標温度Ｔ１ａとなるように貯湯水循環ポンプ２２ｂを制御して貯湯水循環ポンプ２２ｂの吐出量を調整する。

このように、貯湯水循環ポンプ２２ｂが制御されると、第一目標温度Ｔ１ａの貯湯水が熱交換器１２から導出され貯湯槽２１に導入される。その結果、貯湯槽２１が第一満水状態以上となった場合、制御装置１５は、ステップＳ１０４にて「ＹＥＳ」と判定し、貯湯水循環ポンプ２２ｂの駆動を停止する（ステップＳ１１２）。すなわち、制御装置１５は、ステップＳ１０４，１１２において、上述した第一制御停止部６１ｂと同様に、貯湯槽内温度状態検出装置２１ｂによって検出される貯湯水の温度状態が、貯湯槽２１が第一温度Ｔ２ａの貯湯水によって満水となる第一満水状態となった場合、貯湯水循環ポンプ２２ｂの駆動を停止する。
そして、制御装置１５は、ステップＳ１１４において、フラグＦを１に設定する。

貯湯槽２１が第一満水状態となった後、フラグＦは１に設定されているため、制御装置１５は、ステップＳ１０２にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップＳ１１６に進める。
制御装置１５は、貯湯槽２１が第一満水状態となった時点から所定時間が経過していない場合には、ステップＳ１１６にて「ＮＯ」と判定し、プログラムをステップＳ１１０に進め本プログラムを一旦終了する。制御装置１５は、貯湯槽２１が第一満水状態となった時点から所定時間が経過した場合には、ステップＳ１１６にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップＳ１１８以降に進める。なお、所定時間は、貯湯槽２１内の貯湯水が放置された場合、貯湯槽２１内の貯湯水の残留塩素濃度が、熱交換器１２を腐食しない程度である所定濃度以下となる時間に設定されている。

制御装置１５は、ステップＳ１１８において、貯湯槽２１が第二満水状態以上であるか否かを判定する。具体的には、制御装置１５は、貯湯槽内温度状態検出装置２１ｂによって検出される貯湯槽２１内の貯湯水の温度状態が、貯湯槽２１が第二温度Ｔ２ｂの貯湯水によって満水となる温度状態である場合には、貯湯槽２１が第二満水状態であると判定する。一方、制御装置１５は、貯湯槽内温度状態検出装置２１ｂによって検出される貯湯槽２１内の貯湯水の温度状態が、貯湯槽２１上層の貯湯水温度は第二温度Ｔ２ｂであり、かつ貯湯槽２１下層の貯湯水温度は第二温度Ｔ２ｂ未満である温度状態である場合には、貯湯槽２１が第二満水状態未満であると判定する。また、貯湯槽２１が第二温度Ｔ２ｂ以上の貯湯水で満水となっている状態は、貯湯槽２１が第二満水状態以上であると判定する。

制御装置１５は、貯湯槽２１が第二満水状態未満である場合、ステップＳ１１８にて「ＮＯ」と判定し、プログラムをステップＳ１２０以降に進める。すなわち、制御装置１５は、上述した第二温度満水制御部６２と同様に、熱交換器１２から導出される貯湯水の第二目標温度Ｔ１ｂに対応する第二温度Ｔ２ｂの貯湯水によって貯湯槽２１を満水にするように貯湯水循環ポンプ２２ｂを制御する。

制御装置１５は、ステップＳ１２０において、熱交換器１２から導出される貯湯水（熱交換器出口貯湯水温度）の目標温度を第二目標温度Ｔ１ｂに設定する。制御装置１５は、ステップＳ１２２において、上述した第二熱交換器導出温度制御部６２ａと同様に、熱交換器貯湯水導出温度センサ２２ｄによって検出される貯湯水の温度Ｔ１が第二目標温度Ｔ１ｂとなるように貯湯水循環ポンプ２２ｂを制御して貯湯水循環ポンプ２２ｂの吐出量を調整する。

このように、貯湯水循環ポンプ２２ｂが制御されると、第二目標温度Ｔ１ｂの貯湯水が熱交換器１２から導出され貯湯槽２１に導入される。その結果、貯湯槽２１が第二満水状態以上となった場合、制御装置１５は、ステップＳ１１８にて「ＹＥＳ」と判定し、貯湯水循環ポンプ２２ｂの駆動を停止する（ステップＳ１２４）。すなわち、制御装置１５は、ステップＳ１１８，１２４において、上述した第二制御停止部６２ｂと同様に、貯湯槽内温度状態検出装置２１ｂによって検出される貯湯水の温度状態が、貯湯槽２１が第二温度Ｔ２ｂの貯湯水によって満水となる第二満水状態となった場合、貯湯水循環ポンプ２２ｂの駆動を停止する。
そして、制御装置１５は、ステップＳ１２６において、フラグＦを０に設定する。なお、制御装置１５は、通常の排熱回収制御を行う。通常の排熱回収制御は、貯湯槽２１内の貯湯水の温度状況、熱交換器１２の貯湯水出口温度に基づいて貯湯水循環ポンプ２２ｂの送出量（貯湯水の循環流量）を制御することにより、排熱回収を制御することである。

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は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池３４と、貯湯水を貯水する貯湯槽２１と、燃料電池３４の排熱と貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器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貯湯水循環ポンプ２２ｂ（送出装置）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１２から導出される貯湯水の第二目標温度Ｔ１ｂより低い第一目標温度Ｔ１ａに対応する第一温度Ｔ２ａの貯湯水によって貯湯槽２１を満水にするように貯湯水循環ポンプ２２ｂを制御する第一温度満水制御部６１と、第一温度満水制御部６１によって貯湯槽２１を第一温度Ｔ２ａの貯湯水で満水にした後に、熱交換器１２から導出される貯湯水の第二目標温度Ｔ１ｂに対応する第二温度Ｔ２ｂの貯湯水によって貯湯槽２１を満水にするように貯湯水循環ポンプ２２ｂを制御する第二温度満水制御部６２と、を備えている。

これによれば、貯湯槽２１は、第一温度満水制御部６１によって第一温度Ｔ２ａの貯湯水で満水にされた後に、第二温度満水制御部６２によって第一温度Ｔ２ａより高温である第二温度Ｔ２ｂの貯湯水で満水にされる。その結果、貯湯槽２１に供給される水道水に含有される残留塩素濃度は第一温度Ｔ２ａに上昇された貯湯槽２１内において低下されるため、複雑化・高コスト化を招くことなく、水道水が循環する熱交換器１２が残留塩素によって腐食するのを抑制することができる。さらに、第一温度Ｔ２ａの貯湯水で満水にされた貯湯槽２１から供給される貯湯水は、残留塩素濃度が低下された上で熱交換器１２に供給されて昇温されるため、高温環境下においてより強く作用する残留塩素による腐食作用が抑制される。よって、熱交換器１２における腐食を抑制するとともに排熱回収効率を向上させることができる。

また本実施形態の燃料電池システムは、貯湯槽２１内に設けられ、貯湯槽２１内の貯湯水の温度状態を検出する貯湯槽内温度状態検出装置２１ｂ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１２ｃ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Ｔ１を検出する熱交換器貯湯水導出温度センサ２２ｄと、をさらに備えている。第一温度満水制御部６１は、熱交換器貯湯水導出温度センサ２２ｄによって検出される貯湯水の温度が第一目標温度Ｔ１ａとなるように貯湯水循環ポンプ２２ｂを制御する第一熱交換器導出温度制御部６１ａと、貯湯槽内温度状態検出装置２１ｂによって検出される貯湯水の温度状態が、貯湯槽２１が第一温度Ｔ２ａの貯湯水によって満水となる第一満水状態となった場合、貯湯水循環ポンプ２２ｂの駆動を停止する第一制御停止部６１ｂと、を備えている。第二温度満水制御部６２は、熱交換器貯湯水導出温度センサ２２ｄによって検出される貯湯水の温度が、貯湯槽２１が第二目標温度Ｔ１ｂとなるように貯湯水循環ポンプ２２ｂを制御する第二熱交換器導出温度制御部６２ａと、貯湯槽内温度状態検出装置２１ｂによって検出される貯湯水の温度状態が第二温度Ｔ２ｂの貯湯水によって満水となる第二満水状態なった場合、貯湯水循環ポンプ２２ｂの駆動を停止する第二制御停止部６２ｂと、を備えている。
これによれば、貯湯槽２１が第一温度Ｔ２ａの貯湯水で満水にされる際に、熱交換器貯湯水導出温度センサ２２ｄの検出結果に基づいて第一温度Ｔ２ａの貯湯水で確実に満水にされるとともに、貯湯槽内温度状態検出装置２１ｂの検出結果に基づいて貯湯槽２１を第一満水状態とすることができる。また、貯湯槽２１が第二温度Ｔ２ｂの貯湯水で満水にされる際に、熱交換器貯湯水導出温度センサ２２ｄの検出結果に基づいて第二温度Ｔ２ｂの貯湯水で確実に満水にされるとともに、貯湯槽内温度状態検出装置２１ｂの検出結果に基づいて貯湯槽２１を第二満水状態とすることができる。

また本実施形態の燃料電池システムは、改質用原料および改質水から燃料を生成して燃料電池３４に導出する改質部３３と、改質水を貯水する水タンク１４と、燃料のオフガスである燃料オフガスを酸化剤ガスで燃焼して改質部３３を加熱する燃焼部３６と、をさらに備え、熱交換器１２は、燃料電池３４の排熱を含む燃焼部３６からの燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換を行い、燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮して凝縮水として水タンク１４に導出し、第二目標温度Ｔ１ｂは、改質部３３にて必要な改質水を熱交換器１２にて導出される凝縮水で賄う水自立が、成立可能な最高温度に設定されている。
これによれば、燃料電池システムは、水道水が循環する熱交換器１２が残留塩素によって腐食するのを抑制することができるとともに、水自立を確実に成立させることができる。

また本実施形態の燃料電池システムにおいては、第一目標温度Ｔ１ａは、貯湯槽２１内の貯湯水の残留塩素濃度が一定時間放置した後に所定濃度以下となる温度に設定されている。
これによれば、貯湯槽２１に供給される水道水に含有される残留塩素濃度は、第一温度Ｔ２ａに上昇された貯湯槽２１内において一定時間放置されると、所定濃度以下に確実に低下されるため、複雑化・高コスト化を招くことなく、水道水が循環する熱交換器１２が残留塩素によって腐食するのをより確実に抑制することができる。さらに、第一温度Ｔ２ａの貯湯水で満水にされた貯湯槽２１から供給される貯湯水は、残留塩素濃度がより確実に低下された上で熱交換器１２に供給されて昇温されるため、高温環境下においてより強く作用する残留塩素による腐食作用がより確実に抑制される。

また本実施形態の燃料電池システムにおいては、第二温度満水制御部６２は、第一温度満水制御部６１によって貯湯槽２１を第一温度Ｔ２ａの貯湯水で満水にした時点から所定時間経過した後に、熱交換器１２から導出される貯湯水の第二目標温度Ｔ１ｂに対応する第二温度Ｔ２ｂの貯湯水によって貯湯槽２１を満水にするように貯湯水循環ポンプ２２ｂを制御する。
これによれば、貯湯槽２１に供給される水道水に含有される残留塩素濃度は、第一温度Ｔ２ａに上昇された貯湯槽２１内において所定時間経過すると、確実に低下されるため、複雑化・高コスト化を招くことなく、水道水が循環する熱交換器１２が残留塩素によって腐食するのをより確実に抑制することができる。

１０…発電ユニット、１１…燃料電池モジュール、１２…熱交換器、１５…制御装置（第一温度満水制御部、第二温度満水制御部）、２１…貯湯槽、２１ｂ…貯湯槽内温度状態検出装置、２２…貯湯水循環ライン、２２ｂ…貯湯水循環ポンプ（送出装置）、２２ｄ…熱交換器貯湯水導出温度センサ、２３…導出装置、２４…給水源、２５…導入装置、３４…燃料電池、４２ａ…流量計、４４…開閉弁、６１…第一温度満水制御部、６１ａ…第一熱交換器導出温度制御部、６１ｂ…第一制御停止部、６２…第二温度満水制御部、６２ａ…第二熱交換器導出温度制御部、６２ｂ…第二制御停止部。

Claims (4)

1. 燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
   貯湯水を貯水する貯湯槽と、
   前記燃料電池の排熱と前記貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器と、
   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、
   前記熱交換器から導出される貯湯水の第二目標温度より低い第一目標温度に対応する第一温度の貯湯水によって前記貯湯槽を満水にするように前記送出装置を制御する第一温度満水制御部と、
   前記第一温度満水制御部によって前記貯湯槽を前記第一温度の貯湯水で満水にした後に、前記熱交換器から導出される貯湯水の前記第二目標温度に対応する第二温度の貯湯水によって前記貯湯槽を満水にするように前記送出装置を制御する第二温度満水制御部と、
   を備え、
   前記第二温度満水制御部は、前記第一温度満水制御部によって前記貯湯槽を前記第一温度の貯湯水で満水にした時点から所定時間経過した後に、前記熱交換器から導出される貯湯水の前記第二目標温度に対応する前記第二温度の貯湯水によって前記貯湯槽を満水にするように前記送出装置を制御する燃料電池システム。
2. 前記貯湯槽内に設けられ、前記貯湯槽内の貯湯水の温度状態を検出する貯湯槽内温度状態検出装置と、
   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を検出する熱交換器貯湯水導出温度センサと、をさらに備え、
   前記第一温度満水制御部は、
   前記熱交換器貯湯水導出温度センサによって検出される前記貯湯水の温度が前記第一目標温度となるように前記送出装置を制御する第一熱交換器導出温度制御部と、
   前記貯湯槽内温度状態検出装置によって検出される前記貯湯水の温度状態が、前記貯湯槽が前記第一温度の貯湯水によって満水となる第一満水状態となった場合、前記送出装置の駆動を停止する第一制御停止部と、を備え、
   前記第二温度満水制御部は、
   前記熱交換器貯湯水導出温度センサによって検出される前記貯湯水の温度が、前記貯湯槽が前記第二目標温度となるように前記送出装置を制御する第二熱交換器導出温度制御部と、
   前記貯湯槽内温度状態検出装置によって検出される前記貯湯水の温度状態が前記第二温度の貯湯水によって満水となる第二満水状態なった場合、前記送出装置の駆動を停止する第二制御停止部と、を備えている請求項１記載の燃料電池システム。
3. 改質用原料および改質水から前記燃料を生成して前記燃料電池に導出する改質部と、
   前記改質水を貯水する水タンクと、
   前記燃料のオフガスである燃料オフガスを酸化剤ガスで燃焼して前記改質部を加熱する燃焼部と、をさらに備え、
   前記熱交換器は、前記燃料電池の排熱を含む前記燃焼部からの燃焼排ガスと前記貯湯水との間で前記熱交換を行い、前記燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮して凝縮水として前記水タンクに導出し、
   前記第二目標温度は、前記改質部にて必要な前記改質水を前記熱交換器にて導出される前記凝縮水で賄う水自立が、成立可能な最高温度に設定されている請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記第一目標温度は、前記貯湯槽内の前記貯湯水の残留塩素濃度が一定時間放置した後に所定濃度以下となる温度に設定されている請求項１乃至請求項３のいずれか一項記載の燃料電池システム。

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