JP6654463B2 - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスを燃料として発電を行う燃料電池セルスタックを備え、この燃料電池セルスタックからの燃焼排気ガスの排熱を温水として貯湯装置で貯湯するようにした固体酸化物形燃料電池システムに関する。

発電手段により発電された電力のうちその余剰電力を温水として蓄熱するようにしたコージェネレーションシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このコージェネレーションシステムでは、発電手段は、エンジンとこのエンジンにより作動される発電機から構成され、また排熱を温水として蓄熱するための貯湯槽が設けられている。エンジンからの排気ガスは貯湯槽内を通して流れるように構成され、この貯湯槽内にて排気ガスと貯湯槽内の貯湯水との間で熱交換が行われ、この熱交換により貯湯槽内の貯湯水が加温される。また、貯湯槽内には電気ヒータが配設され、発電機からの発電余剰電力がこの電気ヒータに送給され、電気ヒータにより貯湯槽内の貯湯水が加温される。

また、発電手段として固体酸化物形の燃料電池セルスタックを用い、この燃料電池セルスタックに貯湯装置を組み合わせた固体酸化物形燃料電池システムも提案されている（例えば、特許文献２参照）。この固体酸化物形燃料電池システムでは、燃料電池セルスタックからの燃焼排気ガスは燃焼排気ガス排出流路を通して排出され、この燃焼排気ガス排出流路に関連して、燃焼排気ガスの排熱を温水として蓄熱する貯湯装置が設けられている。貯湯装置は、温水を貯めるための貯湯タンクと、貯湯タンク内の貯湯水を循環させるための循環流路と、循環流路に配設された循環ポンプと、循環流路に配設された熱交換器とを備え、この熱交換器において燃焼排気ガス排出流路を通して流れる燃焼排気ガスと循環流路を通して流れる貯湯水との間で熱交換が行われ、この熱交換により排熱が回収されて貯湯タンクに温水のかたちで蓄熱される。

特開２０００−３２０４０１号公報 特開２０１２−２０２５７９号広報

このような固体酸化物形燃料電池システムでは、設置性の観点からすると貯湯タンクはコンパクトで小容量であるのが望ましいが、燃料電池システムから回収される熱の量、蓄熱される温水の温度、熱需要の量、製造コストなどを考慮して、適正なタンク容量に設定されている。この貯湯タンクにおいては、タンク容量が一定であれば、貯湯される温水の温度が高いほど蓄熱の面では望ましい。

しかし、貯湯タンクに蓄えられる温水の温度が高くなるほど、熱回収する熱交換器の出口温度（流出側温度）も高くなり、そのために熱交換器の内部、その周辺の配管部材及び継手部材などにおいて充分な耐久性、耐熱性が要求される。このようなことを考慮すると、例えば６５℃前後の温水を貯湯タンクで蓄えるようにするのが望ましいが、このような温度の温水では、貯湯タンクで蓄熱する熱量が不足するおそれがある。

本発明の目的は、熱交換器及びその周辺においては貯湯水の温度を抑える一方、貯湯タンク内においてはより高い温度で貯湯水を蓄えることができ、これによって、貯湯タンクでの蓄熱量を増やすことができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。

本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックからの燃焼排気ガスを排出するための燃焼排気ガス排出流路と、燃焼排気ガスの熱を温水として回収するための貯湯装置と、を含み、前記貯湯装置は、温水を貯めるための貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の貯湯水を循環させるための循環流路と、前記循環流路に配設された循環ポンプと、前記循環流路に配設されて燃焼排気ガスと前記循環流路を流れる貯湯水との間で熱交換を行う熱交換器と、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記貯湯装置の前記循環流路における前記熱交換器の配設部位より下流側には、前記燃料電池セルスタックの発電余剰電力によって作動される加熱ヒータが配設され、また前記循環流路における前記加熱ヒータの配設部位より下流側には、前記循環流路を流れる貯湯水の温度を検知するための温度検知手段が設けられ、更に前記加熱ヒータ及び前記循環ポンプを作動制御するための制御手段が設けられており、
前記制御手段は、前記燃料ガスの供給流量又は前記燃料電池セルスタックの発電出力に対応したヒータ電力により前記加熱ヒータを作動制御し、また前記温度検知手段の検知温度が目標温度となるように前記循環ポンプを作動制御することを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記加熱ヒータを作動させないで貯湯を行う第１蓄熱運転モードと前記加熱ヒータを作動させて前記第１蓄熱運転モードよりも高い温度で貯湯を行う第２蓄熱運転モードとに切り換える蓄熱運転切換手段が設けられ、前記蓄熱運転切換手段に関連して、更に、前記貯湯装置の前記貯湯タンクでの蓄熱状態を判定するための蓄熱判定手段が設けられており、前記蓄熱判定手段が蓄熱不足と判定すると、前記蓄熱運転切換手段は、前記第１蓄熱運転モードから前記第２蓄熱運転モードに切り換えることを特徴とする。

更に、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記第２蓄熱運転モードの稼働状態において前記蓄熱判定手段が蓄熱過剰と判定すると、前記蓄熱運転切換手段は、前記第２蓄熱運転モードから前記第１蓄熱運転モードに切り換えることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、燃料電池セルスタックからの燃焼排気ガスの熱を温水として回収するための貯湯装置を備え、この貯湯装置の循環流路における熱交換器の配設部位より下流側に加熱ヒータが配設され、更に加熱ヒータの下流側に温度検知手段が設けられ、制御手段は温度検知手段の検知温度が目標温度（例えば、７５℃前後）となるように循環ポンプを作動制御するので、貯湯タンクに貯えられる貯湯水の温度が目標温度となり、これによって、貯湯タンクに溜め込める蓄熱量が多くなり、蓄熱不足の発生を抑えることができる。また、燃料電池セルスタックの発電出力と熱交換器に流れる燃焼排気ガスの熱量とは略比例関係にあることから、燃料ガスの供給流量又は燃料電池セルスタックの発電出力に対応したヒータ電力を加熱ヒータに送給して作動させることにより、この熱交換器での熱交換により貯湯水をほぼ第１目標温度に加温することができる。

また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、加熱ヒータを作動させないで貯湯を行う第１蓄熱運転モードと加熱ヒータを作動させて貯湯を行う第２蓄熱運転モードとに運転モードを切り換えることができ、第２蓄熱運転モードの稼働状態においては、加熱ヒータによって貯湯水の温度が第２目標温度（例えば、７５℃前後）まで上昇するので、貯湯タンクに溜め込む熱量を大きくすることができる。また、蓄熱判定手段が蓄熱不足と判定すると、第１蓄熱運転モードから第２蓄熱運転モードに稼働状態が切り換わるので、貯湯タンクに溜め込める熱量が大きくなって蓄熱不足の発生を少なく抑えることができる。

更に、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、蓄熱判定手段が蓄熱過剰と判定すると、第２蓄熱運転モードから第１蓄熱運転モードに稼働状態が切り換わるので、貯湯タンクでの蓄熱量が少なくなって蓄熱過剰の発生を少なくして無駄な蓄熱を抑えることができる。

本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第１の実施形態を簡略的に示す全体図。 図１の固体酸化物形燃料電池システムにおける制御系を示すブロック図。 加熱ヒータを用いた場合と用いなかった場合におけるシステム全体の総合効率の変化を示す図。 本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第２の実施形態の制御系を示すブロック図。 本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第３の実施形態の制御系を示すブロック図。 本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第４の実施形態を簡略的に示す全体図。 図６の固体酸化物形燃料電池システムにおける制御系を示すブロック図。 図７の制御系による制御の流れを示すフローチャート。

以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの各種の実施形態について説明する。

〔第１の実施形態〕
まず、図１及び図２を参照して、固体酸化物形燃料電池システムの第１の実施形態について説明する。図１において、図示の固体酸化物形燃料電池システム２は、燃料ガス（例えば、都市ガス、ＬＰガスなど）を消費して発電を行うものであり、燃料ガスを改質するための改質器４と、改質器４にて改質された燃料ガス及び酸化材としての空気の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形の燃料電池セルスタック６と、を備えている。

燃料電池セルスタック６は、燃料電池反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形の燃料電池セルを集電部材を介して積層して構成されており、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質と、この固体電解質の一方側に設けられた燃料極と、固体電解質の他方側に設けられた空気極（酸素極）とを備え、固体電解質として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。

燃料電池セルスタック６の燃料極の導入側は、改質燃料ガス送給流路８を介して改質器４に接続され、この改質器４は、ガス・水蒸気送給流路１０を介して気化器１２に接続されている。気化器１２は、燃料ガス供給流路１４を介して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源１６（例えば、埋設管や貯蔵タンクなど）に接続され、燃料ガス供給源１６及び燃料ガス供給流路１４が、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段を構成する。また、この気化器１２は、水供給流路１８を介して改質水タンク２０に接続され、水供給流路１８及び改質水タンク２０が、改質水を供給するための水供給手段を構成する。

改質器４には改質触媒が収容され、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものが用いられ、この改質触媒によって燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガスが水蒸気改質される。尚、この実施形態では、改質器４と気化器１２とを別体に構成しているが、これらを一体的に構成するようにしてもよい。また、この実施形態では、燃料ガス供給手段からの燃料ガスを気化器１２に送給しているが、この気化器１２に代えて、改質器４に直接的に送給するようにしてもよい。

燃料ガス供給流路１４には、脱硫器２２、バッファタンク２４、昇圧ポンプ２６、ガス流量センサ２８、ガス圧力センサ３０及び遮断弁３１が配設されている。脱硫器２２は、燃料ガスに含まれる硫黄成分（付臭剤中の硫黄成分）を除去し、バッファタンク２４では、燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスの圧力の変動が緩和され、またその流量の制御が安定化される。昇圧ポンプ２６は、燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスを昇圧し、燃料ガス供給源１６からの燃料ガスを気化器１２に送給する。また、ガス流量センサ２８は、燃料ガス供給流路１４を通して送給される燃料ガスの流量を測定し、ガス圧力センサ３０は、燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスの圧力を計測し、遮断弁３１は、閉状態になると燃料ガス供給流路１４を遮断して燃料ガスの供給を停止する。更に、水供給流路１８には水ポンプ３２が配設され、この水ポンプ３２の作用によって、改質水タンク２０内の水（回収水）が水供給流路１８を通して気化器１２に供給される。

この燃料電池セルスタック６の空気極の導入側は、空気供給流路３４を介して送風手段３６に接続され、この空気供給流路３４に空気流量センサ３８が配設されている。送風手段３６は、例えば送風ブロアから構成され、この送風手段３６の作用によって空気（酸化材）が空気供給流路３４を通して燃料電池セルスタック６の空気極側に供給され、空気流量センサ３８は、空気供給流路３４を流れる空気の流量を計測する。尚、この空気供給流路３４及び送風手段３６は、発電用の空気を供給するための空気供給手段を構成する。

燃料電池セルスタック６の燃料極及び空気極の排出側には燃焼域４０が設けられ、燃料電池セルスタック６の燃料極側から排出される反応燃料ガス（余剰の燃料ガスを含んでいる）と空気極側から排出される空気（酸素を含んでいる）とがこの燃焼域４０にて燃焼され、この燃料ガスの燃焼熱を利用して気化器１２及び改質器４が加熱される。燃焼排気ガスはこの排気ガス排出流路４２を通して大気に排出される。尚、この燃焼排気ガスを利用して、空気供給流路３４を通して燃料電池セルスタック６の空気極側に供給される空気を加温するようにしてもよい。

この実施形態では、燃焼排気ガスの熱が温水として貯えられるように貯湯装置４４が設けられているとともに、燃焼排気ガスに含まれる水分を回収して改質水と利用するように凝縮水回収手段４６が設けられている。更に説明すると、排気ガス排出流路４０には排熱回収用の熱交換器４８が配設され、この熱交換器４８に関連して貯湯装置４４及び凝縮水回収手段４６が設けられている。

図示の貯湯装置４４は、温水を貯める貯湯タンク５０と、貯湯タンク５０の貯湯水（温度が低いと水であるが、温度が高くなると温水となる）を熱交換器４８を通して循環させるための循環流路５２とを備え、この循環流路５２には、貯湯タンク５０内の貯湯水を循環流路５２を通して循環させる循環ポンプ５４が配設されている。この貯湯装置４に関連する構成については、後述する。

また、図示の凝縮水回収手段４６は、熱交換器４８から改質水タンク２０に延びる凝縮水回収流路５６を備え、この凝縮水回収流路５６に水精製器５８が配設されている。このように構成されているので、熱交換器４８による熱交換により燃焼排気ガスが冷やされ、これによって、燃焼排気ガスに含まれた水分が凝縮されて回収され、回収された凝縮水は水精製器５８により純水に精製された後に改質水タンク２０に貯えられる。

次に、貯湯装置４４及びそれに関連する構成について説明すると、貯湯装置４４の循環ポンプ５４は循環流路５２の上流側部６０に配設され、この上流側部６０の一端側が貯湯タンク５０の底部に接続され、その他端側が熱交換器４８の流入側に接続されている。また、循環流路５０の下流側部６２の一端側は熱交換器４８の流出側に接続され、その他端側が貯湯タンク５０の上部に接続されている。

この循環流路５２の下流側部６２には、更に、貯湯タンク５０に送給する貯湯水（熱交換器４８にて加温された温水）を加熱するための加熱ヒータ６４が配設され、この加熱ヒータ６４は、後述するように、燃料電池セルスタック６の発電出力電力のうちの発電余剰電力（発電出力電力から電力負荷などで消費される発電消費電力を除いた後の余剰の電力）を用いて作動される。

この循環流路５２の下流側部６２には、更に、第１温度センサ６６（第１温度検知手段を構成する）及び第２温度センサ６８（第２温度検知手段を構成する）が設けられている。第１温度センサ６６は、この下流側部６２における熱交換器４８に接続された部位と加熱ヒータ６４の配設部位との間に配設され、熱交換器４８から流出して流れる貯湯水（熱交換器４８にて加温された温水）の温度を検知する。また、第２温度センサ６８は、この下流側部６２における加熱ヒータ６４の配設部位と貯湯タンク５０に接続された部位との間に配設され、加熱ヒータ６４にて加熱された後の貯湯水（換言すると、貯湯タンク５０に貯湯される温水）の温度を検知する。

この貯湯装置５０では、更に、貯湯タンク５０の底部には水流入流路７０が接続され、この水流入流路７０は、水道管などの水供給源７２に接続され、水供給源７２からの水が水流入流路７０を通して貯湯タンク５０に補給される。また、貯湯タンク５０の上部には出湯流路７４が接続され、貯湯タンク５０内に貯えられた温水（貯湯水）が出湯流路７４を通して出湯される。

この固体酸化物形燃料電池システム２は、図２に示す制御系によって制御される。図２において、固体酸化物形燃料電池システム２は、システム全体を作動制御するためのコントローラ７８を備え、第１及び第２温度センサ６６，６８からの検知信号はこのコントローラ７８に送給される。

図示のコントローラ７８は、第１温度比較手段８０、第２温度比較手段８２、制御手段８４及びメモリ手段８６を備え、この制御手段８４は、ヒータ制御手段８８及びポンプ制御手段９０を含んでいる。メモリ手段８６には、熱交換器４８の流出側の貯湯水（温水）の目標温度としての第１目標温度（例えば、６５℃前後に設定される）及び貯湯タンク５０に貯湯される貯湯水（温水）の目標温度としての第２目標温度（例えば、７５℃前後に設定される）が登録されている。第１温度比較手段８０は、メモリ手段８６に登録された第１目標温度と第１温度センサ６６の検知温度とを比較し、ポンプ制御手段９０は、第１温度比較手段８０の比較結果に基づいて循環ポンプ５４を後述するごとく作動制御する。また、第２温度比較手段８２は、メモリ手段８６に登録された第２目標温度と第２温度センサ６８の検知温度とを比較し、ヒータ制御手段８８は、第２温度比較手段８２の比較結果に基づいて加熱ヒータ６４を後述する如く作動制御し、加熱ヒータ６４のこの制御に関連して、制御手段８４は、昇圧ポンプ２６、水ポンプ３２及び送風手段３６を制御して燃料電池セルスタック６の発電出力を制御する。

次に、この固体酸化物形燃料電池システム２の発電運転について説明する。発電運転のときには、燃料ガス供給源１６からの燃料ガスは、昇圧ポンプ２６の作用によって燃料ガス供給流路１４を通して流れ、脱硫器２２にて脱硫された後に気化器１２に送給される。また、気化器１２には、水ポンプ３２の作用によって改質水タンク２０からの水（純水）が水供給流路１８を通して供給され、気化器１２にて気化されて水蒸気となり、発生した水蒸気及び燃料ガスがガス・水蒸気送給流路１０を通して改質器４に送給される。

改質器４においては、ガス・水蒸気送給流路１０を通して送給された水蒸気により燃料ガスが水蒸気改質され、水蒸気改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給流路８を通して燃料電池セルスタック６の燃料極側に送給される。また、燃料電池セルスタック６の空気極側には、送風手段３６からの空気が空気供給流路３２を通して送給される。

燃料電池セルスタック６においては、燃料極側を流れる改質燃料ガス及び空気極側を流れる空気（空気中の酸素）の酸化及び還元によって発電が行われ、発電により得られた直流電力は、インバータ（図示せず）により交流電力に変換された後に、電力負荷（図示せず）に送給される。

燃料電池セルスタック６の燃料極側から燃焼域４０に反応燃料ガス（余剰の燃料ガスを含んでいる）が排出されるともに、その空気極側から燃焼域４０に空気（酸素を含んでいる）が排出され、この燃焼域４０にて反応燃料ガスが燃焼され、燃焼域４０からの燃焼排気ガスが排気ガス排出流路４２を通して大気に排出される。

燃焼排気ガスが熱交換器４８を流れる際に、貯湯装置４４の循環流路５２を流れる貯湯水との間で熱交換が行われる。また、熱交換器４６における熱交換により燃焼排気ガスに含まれる水分が凝縮され、この凝縮水が凝縮水回収流路５６を通り、水精製器５８により精製された後に改質水タンク２０に貯まる。

この発電運転中においては、ポンプ制御手段９０は循環ポンプ５４を作動制御し、貯湯タンク５０の底部の貯湯水は、循環流路５０の上流側部６０を通して熱交換器４８に流れ、この熱交換器４８を通して流れる間に燃焼排気ガス排出流路４２を通して流れる燃焼排気ガスとの間の熱交換により加温される。そして、この加温された貯湯水（温水）は、循環流路５０の下流側部６２を通して流れ、加熱ヒータ６４で加熱された後に貯湯タンク５０の上部に送給され、この上部側から底部側に層状に貯まる。

循環流路５２を通しての貯湯水の循環時においては、ポンプ制御手段は９０は、熱交換器４８から流出して流れる貯湯水（温水）の温度が第１目標温度（例えば、６５℃）となるように循環ポンプ５４を作動制御する。即ち、第１温度比較手段８０は、第１温度センサ６６の検知温度と第１目標温度とを比較し、ポンプ制御手段９０は、検知温度が第１目標温度より低いときには循環ポンプ５４の回転数を下げ（これにより、貯湯水の流速が下がり、熱交換器４８を通して流れる時間が長くなって貯湯水の温度が上昇する）、またこの検知温度が第１目標温度より高いときには循環ポンプ５４の回転数を上げ（これにより、貯湯水の流速が上がり、熱交換器４８を通して流れる時間が短くなって貯湯水の温度が下がる）、このようにして熱交換器４８から循環流路５０の下流側部６２を流れる貯湯水の温度が第１目標温度（例えば、６５℃）に維持される。

また、この貯湯水の循環時においては、ヒータ制御手段８８は、貯湯タンク５０に貯まる貯湯水（温水）の温度が第２目標温度（例えば、７５℃）となるように加熱ヒータ６４を作動制御する。即ち、第２温度比較手段８２は、第２温度センサ６８の検知温度と第２目標温度とを比較し、ヒータ制御手段８８は、検知温度が第２目標温度より低いときには加熱ヒータ４４に供給するヒータ電力（即ち、ヒータ電流）を増やし（これにより、加熱ヒータ６４の発熱量が増えて貯湯水の温度が上昇する）、またこの検知温度が第２目標温度より高いときには加熱ヒータ４４に供給するヒータ電力（ヒータ電流）を減らし（これにより、加熱ヒータ６４の発熱量が少なくなって貯湯水の温度が低下する）、このようにして循環流路５０の下流側部６２を通して貯湯タンク５０に送給される貯湯水の温度が第２目標温度（例えば、７５℃）に維持される。

尚、加熱ヒータ６４へのヒータ電力が増えたときには、燃料電池セルスタック６の発電出力を増大させる（即ち、燃料ガスの供給量を増やす）ように制御し、このヒータ電力が減ったときには、燃料電池セルスタック６の発電出力を減少させる（即ち、燃料ガスの供給量を減らす）ように制御するのが望ましい。

この固体酸化物形燃料電池システム２においては、加熱ヒータ６４に供給される駆動電力として燃料電池設スタック６の発電出力電力のうち発電余剰電力を用いているので、次の通りの特徴がある。図３をも参照して、上述した加熱ヒータ６４を備えていない例えば定格７００Ｗの固体酸化物形燃料電池システム（即ち、従来の固体酸化物形燃料電池システム）の燃料電池セルスタック６の送電端ＡＣ効率は、燃料電池セルスタック６のＡＣ発電出力（直流の発電出力をインバータにより交流電力に変換した後の出力）が変動すると一点鎖線Ａで示すように変化し、ＡＣ発電出力が例えば７００Ｗのときには約４８％前後であるが、ＡＣ発電出力が例えば２００Ｗまで下がると約２６％前後まで低下する。このときの総合効率（貯湯タンク５０での蓄熱を含めた総合的な効率）は二点鎖線Ｂで示すように変化し、例えばＡＣ発電出力が例えば７００Ｗのときには約８６％前後であるが、このＡＣ発電電力が例えば２００Ｗまで下がると約６８％まで低下し、ＡＣ発電出力が低下するほど送電端ＡＣ効率及び総合効率も低下する。そして、燃料電池セルスタック６の発電出力（換言すると、ＡＣ発電出力）のある程度低い稼働範囲（例えば、発電出力が例えば５００Ｗより低い稼働範囲）においては固体酸化物形燃料電池システムの総合効率も低くなり、例えば２００Ｗより下がるとこの総合効率も大きく低下する。

このようなことから、燃料電池セルスタック６の発電出力のある程度低い稼働範囲（例えば、５００Ｗ以下の範囲）においては、従来のように運転する（加熱ヒータ６４を設けることなく電力負荷に追従させて運転する）のではなく、上述した実施形態のように構成することによって、固体酸化物形燃料電池システム２の総合効率を高めることができる。即ち、燃料電池セルスタック６の発電出力がある程度低い稼働範囲においては、電力負荷に追従する発電出力（例えば、３００ｗ）に対して、例えば１００〜２００Ｗ程度増やした電力を発電し、このように発電出力を増加させることによって、燃料電池セルスタック６から出力される発電効率を高める。そして、このように稼働運転したことにより生じる発電余剰電力（発電出力電力から電力負荷で消費される発電消費電力を除いた余剰の電力）を加熱ヒータ６４で消費することによって、発電余剰電力を熱として蓄熱する、即ち高い温度の温水でもって貯湯タンク５０で貯えることによって、燃料電池セルスタック６から出力される電力からヒータへの消費電力が差し引かれて送電端に供給される実効発電効率は、ＡＣ発電出力の変動に伴い図３に破線Ｃで示すように変化し、加熱ヒータ６４を備えていない燃料電池システムの送電端ＡＣ効率（一点鎖線Ａで示す効率）よりも低くなるが、固体酸化物形燃料電池システム２の総合効率は、ＡＣ発電出力の変動に伴い図３に実線Ｄで示すように変化し、加熱ヒータ６４を備えていない燃料電池システムの総合効率（二点鎖線Ｂで示す効率）よりも高くなる。

従って、燃料電池セルスタック６の発電出力電力がある程度低い範囲（例えば、４００〜５００Ｗ以下の範囲）においては、発電出力電力を１００〜２００Ｗ上昇させ、発電出力電力を上昇させたことにより生じる発電余剰電力を加熱ヒータ６４で消費し、温水でもって貯湯タンク５０で熱として蓄熱することによって、固体酸化物形燃料電池システム２の総合効率を高めることができ、またこの発電余剰電力をより高い温度（第２目標温度）の温水として貯えるので、蓄熱不足の発生を抑えることができる。

尚、上述した形態では、燃料電池セルスタック６の発電出力電力がある程度低い範囲においては、発電出力電力を１００〜２００Ｗ上昇させているが、このような構成に代えて、例えば発電出力電力が例えば４００Ｗ以下の範囲では、この発電出力電力を４００Ｗとなるように発電運転し、この発電運転において生じる発電余剰電力を加熱ヒータ６４で消費し、温水として貯湯タンク５０に蓄熱するようにしてもよい。

〔第２の実施形態〕
次に、図４を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態においては、その制御系に修正が施されている。尚、以下の実施形態において、上述の第１の実施形態と実質上同一のものには同一の参照番号を付し、その説明を省略する。

固体酸化物形燃料電池システムの制御系を示す図４において、この第２の実施形態では、温度センサ６６Ａ（第１の実施形態における第１温度センサ６６に相当する）は、貯湯装置の循環流路の下流側部に配設され、熱交換器から流出して流れる貯湯水（温水）の温度を検知する。一方、貯湯タンクに送給される貯湯水（温水）の温度を検知する温度センサ（第１の実施形態における第２温度センサ６８に相当する）は省略され、貯湯水の温度を直接的に検知して加熱ヒータ６４を作動制御することに代えて、貯湯水の流量を検知し、この貯湯水の流量と、第１目標温度（例えば、６５℃）と第２目標温度（例えば、７５℃）との温度差とに基づいて加熱ヒータ６４に供給するヒータ電力（ヒータ電流）を演算するようにしている。

更に説明すると、循環流路（例えば、その上流側部）に貯湯水流量センサ９２（貯湯水流量検知手段を構成する）が配設され、この貯湯水流量センサ９２は、循環流路を流れる貯湯水の流量を検知し、この検知信号はコントローラ７８Ａに送給される。また、コントローラ７８Ａは、第１温度比較手段８０に加えて、貯湯水流量演算手段９４、加熱量演算手段９６及びヒータ電力演算手段９８を備えている。

貯湯水流量演算手段９４は、貯湯水流量センサ９２からの検知信号に基づいて貯湯水の流量を演算し、加熱量演算手段９６は、循環流路を流れる貯湯水を第１目標温度から第２目標温度まで上昇させるに必要な熱量を演算し、またヒータ電力演算手段９８は、加熱量演算手段９６により演算された熱量を得るのに必要なヒータ電力を演算する。この第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムのその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一である。

この第２の実施形態においては、ポンプ制御手段は９０は、上述の第１の実施形態と同様に、熱交換器から流出して流れる貯湯水（温水）の温度が第１目標温度（例えば、６５℃）となるように循環ポンプを作動制御する。即ち、第１温度比較手段８０は、温度センサ６６Ａの検知温度と第１目標温度とを比較し、ポンプ制御手段９０は、検知温度が第１目標温度より低いときには循環ポンプ５４の回転数を下げ、またこの検知温度が第１目標温度より高いときには循環ポンプ５４の回転数を上げ、このようにして熱交換器から循環流路の下流側部を流れる貯湯水の温度が第１目標温度（例えば、６５℃）に維持される。

また、この貯湯水の循環時においては、ヒータ制御手段８８Ａは、貯湯タンクに貯まる貯湯水（温水）の温度が第２目標温度（例えば、７５℃）となるように加熱ヒータ６４を作動制御する。即ち、貯湯水演算手段９４は、貯湯水流量センサ９２の検知信号に基づいて循環流路を流れる貯湯水の流量を演算し、加熱量演算手段９６は、循環流路を流れる貯湯水を第２目標温度まで上昇する、この実施形態では第１目標温度から１０℃上昇させるのに必要な熱量を演算し、ヒータ電力演算手段９８は、この演算した熱量を上昇させるに必要なヒータ電力（ヒータ電流）を演算し、ヒータ制御手段８４Ａは、この演算したヒータ電力を加熱ヒータ６４に供給する。従って、循環流路の下流側部を流れる貯湯水（温水）は、このヒータ電力により制御される加熱ヒータ６４によって加熱され、これによって、貯湯タンクに送給される貯湯水の温度が第２目標温度（例えば、７５℃）に維持され、第１の実施形態と同様の作用効果を達成することができる。

尚、この実施形態においても、加熱ヒータ６４へのヒータ電力が増えたときには、燃料電池セルスタックの発電出力を増大させるように制御し、このヒータ電力が減ったときには、燃料電池セルスタックの発電出力を減少させるように制御するのが望ましい。

この実施形態では、循環流路に貯湯水流量センサ９２を配設し、その検知信号に基づいて貯湯水の流量を検知しているが、このような構成に限定されず、循環流路に配設された循環ポンプの回転数に基づいて貯湯水の流量を演算するようにしてもよい。

〔第３の実施形態〕
次に、図５を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第３の実施形態について説明する。この第３の実施形態においても、その制御系に修正が施されている。

固体酸化物形燃料電池システムの制御系を示す図５において、この第３の実施形態では、温度センサ６８Ｂ（第１の実施形態における第２温度センサ６８に相当する）は、貯湯装置の循環流路の下流側部に配設され、加熱ヒータ６４により加熱された後に貯湯タンクに流れる貯湯水（温水）の温度を検知する。また、この加熱ヒータ６４には、燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスの供給流量に対応するヒータ電力が供給され、この燃料ガスの供給流量を検知するのに、燃料ガス供給流路に配設されたガス流量センサ２８（燃料ガス流量検知手段を構成する）が利用される。そして、ポンプ制御手段９０Ｂは、温度センサ６８Ｂの検知温度が目標温度（第１の実施形態における第２目標温度に相当する）となるように循環ポンプ５４を作動制御する。

このことに関連して、コントローラ７８Ｂは、第２温度比較手段８２に加えて、燃料ガス流量演算手段１０２及びヒータ電力演算手段９８Ｂを備え、上述の第１の実施形態における第１温度センサ８６及び第１温度比較手段８６は省略されている。燃料ガス流量演算手段１０２は、ガス流量センサ２８からの検知信号に基づいて燃料ガス供給流路を流れる燃料ガスの供給流量を演算し、ヒータ電力演算手段９８Ｂは、この燃料ガスの供給流量に対応したヒータ電力を演算する。

固体酸化物形燃料電池システムでは、燃料電池セルスタックの発電出力の変動に応じて、燃料電池セルスタックから排出されて燃焼排気ガス排出流路を流れる燃焼排気ガスの熱量（即ち、熱交換器を流れる燃焼排気ガスの熱量）も変動し、この発電出力と燃焼排気ガスの熱量とは概ね比例関係にあり、このようなことから燃料ガスの供給流量に基づいてヒータ電力を演算する。例えば、燃料ガスの供給流量とヒータ電力との関係をマップ形式で表し、このマップ（図示せず）を用いてヒータ電力を演算することができ、この場合、このマップはメモリ手段８６Ｂに登録される。この第３の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムのその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一である。

この第３の実施形態においては、熱交換器では、燃焼排気ガス排出流路を流れる燃焼排気ガスと循環流路を流れる貯湯水との間で熱交換が行われ、熱交換により加温された貯湯水が循環流路の下流側部を流れる。このとき、燃料電池セルスタックの発電出力が大きい（又は小さい）と、燃焼排気ガス排出流路を流れる燃焼排気ガスの熱量も大きく（又は小さく）なり、またこの燃焼排気ガスの熱量が大きい（又は小さい）と加熱ヒータ６４に供給されるヒータ電力も大きく（又は小さく）なり、従って、循環流路を通して流れる貯湯水の流量も多く（又は少なく）なる。このようなことから、貯湯水は、熱交換器における熱交換によって第１目標温度（例えば、６５℃）に近い温度に加温される。

このように加温された貯湯水（温水）は、加熱ヒータ６４にて更に加熱される。即ち、ヒータ制御手段８８Ｂは、ガス流量センサ２８の検知流量に対応するヒータ電力でもって貯湯水を加熱し、またポンプ制御手段９０Ｂは、温度センサ６８Ｂの検知温度が目標温度（例えば、７５℃）となるように循環ポンプ５４を作動制御するので、循環流路の下流側部を流れる貯湯水（温水）（換言すると、貯湯タンクに流れる貯湯水）は、この加熱ヒータ６４によって、目標温度（例えば、７５℃）となるように加熱され、かくして、第１の実施形態と略同様の作用効果を達成することができる。

この第３の実施形態では、燃料ガス供給流路に配設されたガス流量センサ２８の検知信号（即ち、燃料ガスの供給流量）に基づいて加熱ヒータ６４に供給するヒータ電力を演算しているが、ガス流量センサ２８に代えて、昇圧ポンプ２６の回転数に基づいて燃料ガスの供給流量を演算し、演算した燃料ガスの供給流量に基づいてヒータ電力を演算するようにしてもよい。或いは、燃料電池セルスタックの発電出力側に設けられた発電出力センサ（図示せず）（発電出力検知手段を構成する）の検知電力に基づいてヒータ電力を演算するようにしてもよい。

〔第４の実施形態〕
次に、図６〜図８を参照して、固体酸化物形燃料電池システムの第４の実施形態について説明する。この第４の実施形態では、固体酸化物形燃料電池システムが、貯湯タンクの蓄熱状態に応じて、加熱ヒータを作動させないで貯湯を行う第１蓄熱運転モードと加熱ヒータを作動させて貯湯を行う第２蓄熱運転モードとに切り換えて稼働運転されるように構成されている。

図６及び図７において、この第４の実施形態では、貯湯タンク５０の蓄熱状態、例えば満蓄熱に対する蓄熱の比率）を検知するために、蓄熱温度検知手段１１２及び流入水温度センサ１１４（流入水温度検知手段を構成する）が設けられている。蓄熱温度検知手段１１２は、貯湯タンク５０内に（又はその外表面に）上下方向に実質上等間隔をおいて配設された５つの蓄熱温度センサ、即ち第１、第２、第３、第４及び第５蓄熱温度センサ１１６，１１８，１２０，１２２，１２４から構成され、例えば、第１蓄熱温度センサ１１６は貯湯タンク５０の上端部に、第５蓄熱温度センサ１２４は貯湯タンク５０の底部に、第３蓄熱温度センサ１２０は、第１及び第５蓄熱温度センサ１１６，１２４の中間に、また第２蓄熱温度センサ１１８は、第１及び第３蓄熱温度センサ１１６，１２０の中間に、更に第４蓄熱温度センサ１２２は、第３及び第５蓄熱温度センサ１２０，１２４の中間に配置され、これら第１〜第５蓄熱温度センサ１１６〜１２４は、貯湯タンク５０内の貯湯水の温度を検知する。また、流入水温度センサ１１４は水流入流路７０に配設され、水流入流路７０を通して貯湯タンク５０に流入する水の温度を検知する。

このことに関連して、コントローラ７８Ｃは、第１温度比較手段８６、第２温度比較手段８８、制御手段８４及びメモリ手段８６Ｃに加えて、蓄熱比演算手段１２６、最大蓄熱比抽出手段１２８、蓄熱判定手段１３０及び蓄熱運転切換手段１３２を含んでいる。蓄熱比演算手段１２６は、蓄熱温度検知手段１１２及び流入水温度センサ１１４の検知温度に基づいて次のようにして貯湯タンク５０の蓄熱比（満蓄熱に対する現蓄熱の比率）を演算する。

例えば、第１〜第５蓄熱温度センサ１１６〜１２４の検知温度をＴ１〜Ｔ５とし、流入水温度センサ１１４の検知温度をＴ０とすると、第１蓄熱温度センサの検知温度Ｔ１と流入水温度センサ１１４の検知温度Ｔ０との温度差ＴＸが満蓄熱までの温度となる（ＴＸ＝Ｔ１−Ｔ０）。また、第１〜第５蓄熱温度センサ１１６〜１２４の検知温度Ｔ１〜Ｔ５の平均温度ＴＡ〔ＴＡ＝（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４＋Ｔ５）／５〕と流入水温度センサ１１４の検知温度Ｔ０との温度差ＴＺが現時点の蓄熱の温度となり、従って、満蓄熱までの温度ＴＸに対する現時点の蓄熱の温度ＴＺの比率ＴＨ（ＴＨ＝ＴＺ／ＴＸ）を演算すると、この演算値が貯湯タンク５０の現時点の蓄熱比となる。かく演算された演算蓄熱比ＴＨは、メモリ手段８６Ｃに記憶される。

最大蓄熱比抽出手段１２８は、メモリ手段８６Ｃに記憶された演算蓄熱比ＴＨのうち最大蓄熱比を抽出し、蓄熱判定手段１３０は、抽出された最大蓄熱比とメモリ手段８６Ｃに登録された第１基準蓄熱比（例えば、５０％）とを対比し、最大蓄熱比が第１基準蓄熱比以下であると蓄熱不足と判定し、また抽出された最大蓄熱比とメモリ手段８６Ｃに登録された第２基準蓄熱比（第１基準蓄熱比よりも大きい値であって、例えば、８５％）とを対比し、最大蓄熱比が第２基準蓄熱比以上であると蓄熱過剰と判定する。

この固体酸化物形燃料電池システム２Ｃでは、加熱ヒータ６４を作動させない第１蓄熱運転モード（この第１蓄熱運転モードにおいては、貯湯タンク５０に貯えられる温水の温度は第１目標温度、例えば６５℃となる）と、加熱ヒータ６４を作動させる第２蓄熱運転モード（この第２蓄熱運転モードにおいては、貯湯タンク５０に貯えられる温水の温度は第２目標温度、例えば７５℃となる）との運転モードで稼働運転することができ、蓄熱運転切換手段１３２は、後述するように、蓄熱判定手段１３０が蓄熱不足と判定したときには第１蓄熱運転モードから第２蓄熱運転モードに切り換え、蓄熱判定手段１３０が蓄熱過剰と判定したときには第２蓄熱運転モードから第１蓄熱運転モードに切り換える。この第４の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム２Ｃのその他の構成は、上述の第１の実施形態のもと実質上同一である。

この固体酸化物形燃料電池システム２Ｃの稼働運転は、例えば、次のようにして行われる。主として図７及び図８を参照して、燃料電池システム２Ｃの稼働運転中においては、第１所定時間（例えば、１０〜１２０分の適宜の時間、例えば６０分に設定することができる）経過すると、ステップＳ１からステップＳ２に進み、貯湯タンク５０の蓄熱状態、例えば蓄熱比ＴＨの演算が行われる。即ち、蓄熱比演算手段１２６は、蓄熱温度検知手段１１２及び流入水温度センサ１１４の検知信号に基づいて上述したようにして蓄熱比ＴＨを演算し、この演算蓄熱比ＴＨがメモリ手段８６Ｃに記憶される（ステップＳ３）。

この貯湯タンク５０の蓄熱状態（蓄熱比ＴＨ）の演算は、第２所定時間（例えば、６〜２４時間の適宜の時間、例えば２４時間に設定することができる）が経過するまで、第１所定時間経過毎に行われる。そして、第２所定時間が経過すると、ステップＳ４を経てステップＳ５に進み、最大蓄熱比抽出手段１２８は、この第２の所定時間の間の演算蓄熱比（第１所定時間毎の演算蓄熱比）のうち最大蓄熱比を抽出する。

このように最大蓄熱比が抽出されると、蓄熱判定手段１３０は、この抽出最大蓄熱比とメモリ手段８６Ｃに登録された第１及び第２基準蓄熱比とを対比して、貯湯タンク５０での蓄熱状態の判定を行う（ステップＳ６）。

この蓄熱判定において、抽出最大蓄熱比が第１基準蓄熱比（例えば、５０％）以下であると、ステップＳ７からステップＳ８に進み、蓄熱判定手段１３０は蓄熱不足と判定する。そして、第１蓄熱運転モードで稼働運転していた場合、ステップＳ９からステップＳ１０に進み、蓄熱運転切換手段１３２は、第１蓄熱運転モードから第２蓄熱運転モードに切り換える。この第２蓄熱運転モードによる稼働運転においては、加熱ヒータ６４が作動されて貯湯タンク５０での貯湯水の温度が第２目標温度（例えば、７５℃）となり、貯湯タンク５０での蓄熱量が増えるために、蓄熱不足が解消される。

また、上述の蓄熱判定において、抽出最大蓄熱比が第２基準蓄熱比（例えば、８５％）以上であると、ステップＳ７からステップＳ１１を経てステップＳ１２に移り、蓄熱判定手段１３０は蓄熱過剰と判定する。そして、第２蓄熱運転モードで稼働運転していた場合、ステップＳ１３からステップＳ１４に進み、蓄熱運転切換手段１３２は、第２蓄熱運転モードから第１蓄熱運転モードに切り換える。この第１蓄熱運転モードによる稼働運転においては、加熱ヒータ６４は作動されず、貯湯タンク５０での貯湯水の温度が第１目標温度（例えば、６５℃）となり、貯湯タンク５０での蓄熱量が減少するために、蓄熱過剰が解消される。

尚、最大蓄熱比が第１基準蓄熱比と第２基準蓄熱比との間の範囲であるときには、貯湯タンク５０での蓄熱状態が過不足のない状態であり、このときには運転モードを切り換えることなくステップＳ１に戻り、そのままの運転モードでもって継続して運転される。

上述した第４の実施形態では、貯湯タンク５０内の貯湯水の温度分布状態を検知するための蓄熱温度検知手段１１２として、第１〜第５蓄熱温度センサ１１６〜１２４の５つの蓄熱温度センサから構成しているが、このような構成に限定されず、この蓄熱温度検知手段として１〜４つ又は６つ以上の蓄熱温度センサから構成するようにしてもよい。また、貯湯タンク５０の蓄熱状態（例えば、蓄熱比）を検知するのに蓄熱温度検知手段１１２及び流入水温度センサ１１４の検知信号を利用しているが、流入水温度センサ１１４を省略し、蓄熱温度検知手段１１２の検知信号のみを用いて貯湯タンク５０の蓄熱状態を検知するようにしてもよい。尚、一つの蓄熱温度センサから構成した場合、この蓄熱温度センサを貯湯タンク５０の上下方向中央部よりも少し下側に配置するのが望ましく、このように構成したときには、例えば蓄熱温度センサの検知温度が所定温度（例えば、４０℃前後に設定することができる）以上となる時間を累積し、この演算累積時間に基づいて蓄熱不足（この演算累積時間が第１所定時間以下であるとき）、蓄熱過剰（この演算累積時間が、第１所定時間よりも長い第２所定時間以上のとき）の判定を行うようにすることができる。

以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの各種実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されず、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。

第４の実施形態における第１蓄熱運転モードと第２蓄熱運転モードとの運転モードの切換えに関する技術は、上述した第２及び第３の実施形態のものにも同様に適用することができる。

２，２Ｃ 固体酸化物形燃料電池システム
４ 改質器
６ 燃料電池セルスタック
４４ 貯湯装置
５０ 貯湯タンク
５２ 循環流路
６４ 加熱ヒータ
６６，６６Ａ，６８，６８Ｂ 温度センサ（温度検知手段）
７８，７８Ａ，７８Ｂ，７８Ｃ コントローラ
８０，８２ 温度比較手段
８４，８４Ａ 制御手段
９８Ｂ ヒータ電力演算手段
１１２ 蓄熱温度検知手段
１２６ 蓄熱比演算手段
１３０ 蓄熱判定手段
１３２ 蓄熱運転切換手段

Claims (3)

1. 燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックからの燃焼排気ガスを排出するための燃焼排気ガス排出流路と、燃焼排気ガスの熱を温水として回収するための貯湯装置と、を含み、前記貯湯装置は、温水を貯めるための貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の貯湯水を循環させるための循環流路と、前記循環流路に配設された循環ポンプと、前記循環流路に配設されて燃焼排気ガスと前記循環流路を流れる貯湯水との間で熱交換を行う熱交換器と、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
   前記貯湯装置の前記循環流路における前記熱交換器の配設部位より下流側には、前記燃料電池セルスタックの発電余剰電力によって作動される加熱ヒータが配設され、また前記循環流路における前記加熱ヒータの配設部位より下流側には、前記循環流路を流れる貯湯水の温度を検知するための温度検知手段が設けられ、更に前記加熱ヒータ及び前記循環ポンプを作動制御するための制御手段が設けられており、
   前記制御手段は、前記燃料ガスの供給流量又は前記燃料電池セルスタックの発電出力に対応したヒータ電力により前記加熱ヒータを作動制御し、また前記温度検知手段の検知温度が目標貯湯温度となるように前記循環ポンプを作動制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
2. 前記加熱ヒータを作動させないで貯湯を行う第１蓄熱運転モードと前記加熱ヒータを作動させて前記第１蓄熱運転モードよりも高い温度で貯湯を行う第２蓄熱運転モードとに切り換える蓄熱運転切換手段が設けられ、前記蓄熱運転切換手段に関連して、更に、前記貯湯装置の前記貯湯タンクでの蓄熱状態を判定するための蓄熱判定手段が設けられており、前記蓄熱判定手段が蓄熱不足と判定すると、前記蓄熱運転切換手段は、前記第１蓄熱運転モードから前記第２蓄熱運転モードに切り換えることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
3. 前記第２蓄熱運転モードの稼働状態において前記蓄熱判定手段が蓄熱過剰と判定すると、前記蓄熱運転切換手段は、前記第２蓄熱運転モードから前記第１蓄熱運転モードに切り換えることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。

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