以下に、本発明の実施の形態を、図面を� ��照して説明する。

 (実施の形態1)
 図1は、本発明の実施の形態1に係る燃料電� �システムにおける排熱回収構成を示すブロ� �ク図である。

 図1に示すように、本発明の実施の形態1� �係る燃料電池システムは、水素を含む燃料� �スを生成する水素生成装置1を備えている。� ��素生成装置1は、メタン、プロパン、都市ガ ス等の炭化水素や、メタノール、エタノール 等のアルコールに例示される含水素有機化合 物を含む原料を供給する原料供給器2から原� �が供給されるとともに、第1凝縮器3で凝縮さ れた凝縮水を貯える凝縮水タンク4から水供� �器5を介して水が供給されるように構成され� ��いる。また、水素生成装置1は、原料供給器 2から供給された原料と水供給器5から供給さ� ��た水を用いて改質反応により水素を含む燃� ��ガスを生成する改質器(図示せず)と、第1凝� ��器3からのアノードオフガスを燃焼させて改 質器を加熱する燃焼器6とを備えている。そ� �て、本実施の形態1に係る燃料電池システム� ��、水素生成装置1から供給される燃料ガスと 酸化剤ガス供給器7からの酸化剤ガスとを用� �て発電を行う燃料電池8と、燃料電池8で発電 した直流電力を交流電力に変換する直交変換 器(インバータ)9とを備える。ここで、酸化剤 ガス供給器7は、例えば、酸化剤ガスとして� �空気を供給するブロアファンが用いられる� �

 また、少なくとも燃料電池8のアノードオ フガス中の排熱と直交変換器9の排熱とを回� �した熱媒体を貯える蓄熱器の一例である、� �湯タンク14を備える。貯湯タンク14から熱媒� ��として取り出された水は、本発明の熱媒体� ��路としての貯湯水経路15を流れ、上記燃料� �池8のアノードオフガス中の排熱と、直交変� ��器9の排熱を回収する各機器を通過し、加熱 された後、貯湯タンク14に戻るよう構成され� ��いる。

 ここで、燃料電池のアノードオフガス中� ��排熱を回収する機器は、第1凝縮器3であり� �第1凝縮器3は、燃料電池8のアノードオフガ� �が流れるアノードオフガス経路101内のアノ� �ドオフガスと貯湯水経路15内の貯湯水との間 で熱交換し、アノードオフガス中の水分が凝 縮するよう構成されている。なお、ここでは 、熱媒体として、水(貯湯水)を使用したが、� ��れに限定されず、例えば、不凍液(例:エチ� �ングリーコール含有液)等に例示される他の� ��媒体を使用してもよい。

 また、直交変換器9の排熱を回収する機器 は、冷却器10であり、これは、直交変換器9を 構成する電力変換素子であるパワー半導体(IG BT、MOSFET等)部品等などが取り付けられた基板 上に設けられた放熱ブロック(図示せず)によ� ��構成されている。この放熱ブロックは、基� ��上に設けられた貫通路部とこの貫通路部内� ��通過するよう構成された貯湯水経路15とに� �り構成される。なお、上記第1凝縮器3及び冷 却器10は、貯湯水経路15内の貯湯水の流れに� �して第1凝縮器3及び冷却器10の順になるよう� ��設されている。

 また、本実施の形態における燃料電池シ� ��テムにおいて、貯湯水経路15を、第1凝縮器3 、冷却器10だけでなく、その他にも排熱を回� ��する機器と接続され、システム内の各機器� ��排熱を回収している。具体的には、冷却器1 0の下流の貯湯水経路15には、燃料電池8の発� �に伴う排熱を回収する第1熱交換器13が設け� �れ、貯湯水経路15内の貯湯水と燃料電池8を� �却する冷却水が流れる冷却水経路11内の冷却 水との間で熱交換可能なように構成されてい る。そして、第1熱交換器13で加熱された貯湯 水は高温の温水として貯湯タンク14上部に戻� ��よう貯湯水経路15と貯湯タンク14の上部が接 続されている。また、制御器17は、原料供給� ��2、水供給器5、酸化剤ガス供給器7、冷却水� ��出器12及び貯湯ポンプ16のそれぞれについて 、燃料電池システムの運転において、安定し た運転が可能になるよう適宜操作量を制御す るように構成されている。

 以上のように構成された燃料電池システ� ��の排熱構成について、以下その動作、作用� ��説明する。

 まず、上記特許文献1に開示されているよ うな従来の燃料電池発電システムでは、図3� �示すように、貯湯タンクからの水は、イン� �ータ48aを冷却する冷却器48bに供給される。� �のとき、冷却器48bは、インバータ48aのパワ� �半導体等の発熱を吸収し冷却するが、イン� �ータ48a内の発熱ロスとしては、燃料電池ス� �ック34の出力にほぼ比例して、燃料電池の出 力が1kWでは数十W(50~100W)程度、4~5kWでは、数百 W(200~500W)程度となる。例えば、燃料電池の出� ��が1kWで冷水管54を流れる水の流量が約1.0L/分 程度の場合に、インバータ48aの発熱を冷却器 48bで熱交換すると、水の温度は、数K(約1~5K)� �昇する。ついで、冷却器48bで温度が上昇し� �水は、凝縮器38に供給され、燃料電池スタッ ク34からの排ガス(アノードオフガス)の熱を� �収し、排ガス中の水蒸気を凝縮する。

 ところで、貯湯タンクに貯えられた水は� ��外気の温度変動(例えば、昼夜の温度差や季 節等)によって、25~30℃程度になる場合がある 。このような温度の水が、冷却器48bで熱交換 すると、最悪の場合、26~35℃にまで上昇する� ��このような温度の高い水を凝縮器38に供給� �ても、排ガスの露点を充分に下げることが� �きず、その結果、水分を過剰に含む排ガス� �改質器を加熱するためのバーナに供給され� �。このため、バーナでは、排ガス中に含ま� �る水分によって、燃焼状態が不安定となり� �最悪の場合には、失火が発生することとな� �。

 一方、本実施の形態1に係る燃料電池シス テムの運転時において、制御器17により、水� ��生成装置1に原料を原料供給器2を介して供� �する。この原料は、水素生成装置1の改質器( 図示せず)に供給され、最終的に水素を含む� �料ガスとして、燃料電池8に供給される。燃� ��電池8で発電に用いられなかったアノードオ フガスは、第1凝縮器3に供給される。第1凝縮 器3には、貯湯タンク14から供給された貯湯水 が、冷却器10よりも先に供給されるので、ア� ��ードオフガスは、上記従来の燃料電池シス� ��ムに比べて、第1凝縮器3においてガス中の� �分がより多く凝縮され、生成した凝縮水が� �縮水タンク4に貯えられる。このため、従来� ��燃料電池システムに比して、より多くの水� ��が低減されたアノードオフガスがバーナに� ��給されるので、バーナの燃焼安定性が向上� ��るとともに、失火が発生するおそれが低減� ��れる。

 そして、第1凝縮器3を通過したアノード� �フガスは燃焼器6に供給され、燃焼すること� ��なる。ここで、制御器17は、貯湯ポンプ16の 操作量を制御して、貯湯タンク14下部から貯� ��水を取り出し、第1凝縮器3に送り熱交換さ� �るが、例えば、燃料電池8の発電出力が1kWで� ��湯水の流量が約1.0L/分程度の場合、第1凝縮� ��3を通過した貯湯水の温度は約15~20K程度上昇 する。

 次に、第1凝縮器3で昇温した貯湯水は、� �却器10(具体的には、上述の直交変換器(イン� ��ータ)9を構成する電力変換素子が取り付け� �れた基板上に設けられた放熱ブロック内の� �通路部内)を流通する。これにより、動作中� ��インバータの排熱回収が行われる。ここで� ��例えば、貯湯水の流量が約1.0L/分程度の場� �、冷却器10を通過した貯湯水の温度は、約1~5 K程度上昇する。

 ここで、上述したように、第1凝縮器3を� �過した貯湯水の温度は、約15~20K程度上昇す� �ため、外気の温度変動によっては、最悪の� �合、40~50℃にまで上昇する。しかしながら、 直交変換器(インバータ)9におけるパワー半導 体等の発熱する部品は、表面温度として70~90� ��まで上昇しているため、第1凝縮器3を通過� �た貯湯水の温度が40~50℃であっても、直交変 換器(インバータ)9を充分に冷却することが可 能であり、冷却器10において、直交変換器9の 温度上昇を抑制することができる。

 次に、冷却器10で昇温した貯湯水は、第1� ��交換器13に供給され、燃料電池8の冷却水と� ��交換し、燃料電池8の発電に伴う排熱が貯湯 水により回収される。ここで、貯湯水の流量 が約1.0L/分程度の場合、第1熱交換器13を通過� ��た貯湯水の温度は、燃料電池8の発電時の冷 却水温度(約60~80℃)程度の温度まで温度上昇� �ることとなる。そして、第1熱交換器13で昇� �した貯湯水は、貯湯タンク14の上層部から貯 湯される。

 以上のように、本実施の形態の燃料電池� ��ステムにおいて、燃料電池システム内の各� ��器の排熱を回収する熱媒体は、冷却器10よ� �も前に第1凝縮器3において熱交換を行うこと で、温度差の大きい段階で、液体と気体の熱 交換を行われるため、従来の燃料電池に比べ 、アノードオフガスの水分除去量が向上し、 第1凝縮器3から排出されたアノードオフガス� ��燃焼させる燃焼器6での燃焼安定性が向上す る。

 また、冷却器10による直交変換器9の冷却� ��、第1熱交換器13で貯湯水が、さらに昇温さ� ��る前に行うよう構成されているため、直交� ��換器9を構成する電力パワー素子の動作時の 半導体接合部などの発熱部の冷却が良好に行 われる。また、熱伝達係数が大きい液体同士 の熱交換である第1熱交換器13を冷却器10より� ��下流側に配設することで、貯湯水による排� ��回収の効率が向上する。

 なお、本実施の形態の燃料電池システム� ��おいて、本発明の燃焼器の一例として水素� ��成装置に内蔵された改質器を加熱する燃焼� ��6を挙げたが、本発明の燃焼器は、本例に限 定されるものでなく、第1凝縮器を通過した� �ノードオフガスを燃焼する燃焼器(例えば、� ��湯タンクから熱負荷に供給される貯湯水を� ��熱する補助燃焼器)であれば、上述の燃焼安 定性の向上の効果が得られることは明らかで あり、その構成は限定されるものではない。

 (実施の形態2)
 本発明の実施の形態2に係る燃料電池システ ムは、基本的構成は、実施の形態1に係る燃� �電池システムと同じであるが、以下の点で� �なる。

 図2は、実施の形態2に係る燃料電池シス� �ムにおける排熱回収構成を模式的に示すブ� �ック図である。

 図2に示すように、本実施の形態に係る燃 料電池システムでは、冷却器10と第1熱交換器 13との間の貯湯水経路15に、燃料電池8で発電� ��用いられなかったカソードオフガス中の水� ��を貯湯水との熱交換により凝縮するための� ��2凝縮器18と、その下流に、燃焼器6から排出 された燃焼排ガス中の熱を貯湯水との熱交換 により回収するための第2熱交換器19とを備え ることをその特徴としている。

 以上のように構成された燃料電池システ� ��の排熱回収構成について、以下その動作、� ��用を説明する。上記実施の形態1と同様の構 成及び動作により、第1凝縮器3及び冷却器10� �排熱回収した貯湯水は第2凝縮器18に導入さ� �、ここで、燃料電池8のカソードオフガスと� ��交換しカソードオフガスの排熱を回収する� ��この熱交換により、カソードオフガス中の� ��分が凝縮し、生成した凝縮水は、凝縮水タ� ��ク4に貯えられ、燃料電池システムの運転時 に図2に示すように水素生成装置での改質反� �時に用いられる改質水として再利用される� �

 次に、第2凝縮器18を通過した貯湯水は、� ��焼器6から排出される燃焼排ガスと熱交換す る第2熱交換器19に導入され、燃焼排ガスの排 熱を回収するよう構成されており、燃料電池 システムの排熱回収効率がさらに向上する。

 そして、実施の形態1の燃料電池システム と同様に、貯湯水は、最後に、燃料電池8に� �けられた冷却水経路11の冷却水と熱交換する 第1熱交換器13に導入され、燃料電池8の発電� �伴う排熱を回収する。これにより、貯湯水� �より排熱回収系において、熱伝達係数が大� �い液体同士の熱交換である第1熱交換器13を� �複数の熱交換器の中で最下流に配設するこ� �で、上記排熱回収系における排熱回収効率� �向上する。

 上記説明から、当業者にとっては、本発� ��の多くの改良や他の実施形態が明らかであ� ��。従って、上記説明は、例示としてのみ解� ��されるべきであり、本発明を実行する最良� ��態様を当業者に教示する目的で提供された� ��のである。本発明の精神を逸脱することな� ��、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に 変更できる。