(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質水で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、
アノードガスおよびカソードガスにより発電する燃料電池と、
システムの運転に伴い発生する水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させる凝縮器と、
前記凝縮器で生成された凝縮水を回収して液相状の改質水として溜めるタンクと、
前記タンクに溜められている改質水を前記改質器に供給する改質水搬送源と、
前記タンクにおける水位を検知する単数または複数の水位センサと、
前記タンクの水位が所定の高水位以上であることが前記水位センサにより検知されるとき、最高発電出力を出力制限せずに前記燃料電池の発電出力を制御し、前記タンクの水位が前記高水位よりも低い水位であることが前記水位センサにより検知されるとき、電力負荷の大きさに拘わらず、前記燃料電池の最高発電出力をこれの定格電力未満に出力制限する制御部とを具備し、
所定の基準日において前記システムが発電運転されるときにおいて、前記基準日の所定の基準時刻の前記タンクにおける改質水貯留量が相対０値と相対表示されるとき、前記タンクに貯留される改質水貯留量は、前記基準日における気温の変化に応じてプラス側およびマイナス側に変化し、
前記基準日における気温に応じて変化する改質水貯留量の相対０値に対する最高ピーク値をＶｍａｘとするとき、前記タンクのうちこれの高水位以上に改質水を貯留可能なタンク容量をＨ１とするとき、前記タンク容量Ｈ１は、前記最高ピーク値Ｖｍａｘに基づいて設定されている燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記システムの排熱で加熱された温水を溜めると共に出水口および入水口をもつ貯湯槽と、前記貯湯槽の前記出水口から前記入水口まで延設された貯湯通路と、前記貯湯通路において前記凝縮器の上流に設けられ前記貯湯通路の水を冷却させて前記貯湯通路の水の温度を低下させる冷却装置と、前記貯湯槽に溜められている水を前記出水口から前記冷却装置および前記凝縮器を経て前記入水口に帰還させる貯湯水搬送源とを具備しており、
前記タンクの水位が前記高水位未満であることが前記水位センサにより検知されるとき、前記制御部は、前記出力制限をかけつつ、前記冷却装置の冷却作動または前記貯湯水搬送源の高出力化により、前記凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量を増加させる増水操作を実行し、前記タンクの水位を前記高水位以上にする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２において、前記タンクの水位が前記高水位よりも低い中水位未満であるとき、前記制御部は、前記燃料電池の発電運転を停止させる発電停止モードを実行する燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のうち一項において、気温に応じて変化する改質水貯留量の相対０値に対する最小ピーク値をＶｍｉｎとし、前記タンクのうちこれの前記高水位未満で且つ前記高水位よりも低い中水位以上に改質水を貯留可能なタンク容量をＨ２とするとき、前記タンク容量Ｈ２は前記最小ピーク値Ｖｍｉｎに基づいて設定されている燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のうち一項において、前記水位センサは、前記タンクの水の前記高水位よりも低い中水位より更に低い低水位を検知可能であり、
前記タンクのうちこれの前記中水位未満で且つ前記低水位以上に改質水を貯留可能なタンク容量をＨ３とするとき、前記タンク容量Ｈ３は、前記燃料電池の発電運転を停止させる発電停止モード、および、前記燃料電池を起動させる起動モードにおいて消費される改質水の量を含む燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、システム外の水を改質水として補給する操作を長期にわたり抑制または廃止できる水自立運転を実行させるのに適する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水自立運転をさせるための固体高分子型の燃料電池システムが提供されている（特許文献１）。このものによれば、タンクの水位センサが既定水位より低いことを検出すると、燃料電池のカソードに供給されるカソードガスの供給量を相対的に減少させ、燃料電池のカソードガスの空気利用率を増大（空気量を低減）させ、凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量を増大させる制御を行うことにしている。またタンクの水位センサが既定水位より高いことを検出すると、燃料電池のカソードに供給されるカソードガスの供給量を相対的に増加させ、燃料電池のカソードガスの空気利用率を減少（空気量を増加）させ、凝縮水において凝縮される凝縮水の生成量を減少させる制御を行うことにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８-２３４８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したシステムによれば、システム外の水を改質水として補給する操作を抑制または廃止できる水自立運転を実行することを目的とする。しかしながら、カソードガスの供給量を変化させるだけでは、タンクの改質水の貯留には限界があり、水自立運転には限界があるものと考えられる。
【０００５】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、システム外の水を改質水としてシステムに補給する操作を長期にわたり抑制または廃止できる水自立運転を実行する燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池システムは、（ｉ）改質水で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、（ｉｉ）アノードガスおよびカソードガスにより発電する燃料電池と、（ｉｉｉ）システムの運転に伴い発生する水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させる凝縮器と、（ｉｖ）凝縮器で生成された凝縮水を回収して改質水として溜めるタンクと、（ｖ）タンクに溜められている改質水を改質器に供給する改質水搬送源と、（ｖｉ）タンクにおける水位を検知する単数または複数の水位センサと、（ｖｉｉ）タンクの水位が所定の高水位以上であることが水位センサにより検知されるとき、最高発電出力を出力制限せずに燃料電池の発電出力を制御し、タンクの水位が高水位よりも低い水位であることが水位センサにより検知されるとき、電力負荷の大きさに拘わらず、燃料電池の最高発電出力をこれの定格電力未満に出力制限する制御部とを具備し、（ｖｉｉｉ）所定の基準日においてシステムが発電運転されるときにおいて、基準日の所定の基準時刻のタンクにおける改質水貯留量が相対０値と相対表示されるとき、タンクに貯留される改質水貯留量は、基準日における気温の変化に応じてプラス側およびマイナス側に変化し、（ｉｘ）基準日における気温に応じて変化する改質水貯留量の相対０値に対する最高ピーク値をＶｍａｘとするとき、タンクのうちこれの高水位以上に改質水を貯留可能なタンク容量をＨ１とするとき、タンク容量Ｈ１は、最高ピーク値Ｖｍａｘに基づいて設定されている。
【０００７】
改質器は、燃料原料を改質水（気相および／または液相の改質水）で改質させてアノードガスを生成させる。燃料電池は、アノードガスおよびカソードガスにより発電する。凝縮器は、システムの運転に伴い発生する水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させる。このような水蒸気含有ガスとしては、アノードガス、アノードオフガス、カソードガス、カソードオフガス、改質器から排出されるガスが例示される。凝縮器で生成された凝縮水は、タンクに液相の改質水として溜められる。タンクに溜められている改質水は、改質水搬送源により改質器に供給される。単数または複数の水位センサはタンクにおける水位を検知することができる。
【０００８】
水位センサによりタンクの水位が所定の高水位以上であることが検知されるとき、制御部は、最高発電出力を出力制限せずに燃料電池の発電出力を制御する。水位センサによりタンクの水位が、高水位よりも低い中水位以下であることが検知されるとき、制御部は、電力負荷の大きさに拘わらず、燃料電池の発電出力をこれの定格電力未満に出力制限する。これにより、タンクの改質水の減少を抑制させる水自立運転を実行する。タンクの水の高水位はシステムに応じて設定され、通常の発電モードを良好に実行できる相対的に高い水位である。最高発電出力は、その時点において燃料電池の発電出力として許容される最大の出力をいう。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池を発電運転しつつも、システム外の水を改質水として補給する操作を抑制または廃止できる水自立運転を実行することができる。殊に、水自立性を高めて、長期にわたり、あるいは、半永久的に改質水を補給する補給操作を抑制または廃止させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】システムの概要を示す図である。
【図２】システムに搭載されているタンクの概要を示す図である。
【図３】制御部が実行するフローチャートである。
【図４】排気通路の排ガスの温度と水収支との関係を示すグラフである。
【図５】基準日における気温の変化を示すグラフである。
【図６】基準日において燃料電池を発電電力Ｗ１で発電しているときにおけるタンクの水収支の変動を示すグラフである。
【図７】燃料電池を発電電力Ｗ１で発電しているときにおけるタンクの水収支の変動を示すグラフである。
【図８】燃料電池を発電電力Ｗ１で発電しているときにおけるタンクの水収支の変動を示すグラフである。
【図９】システムを発電停止モードで運転しているときにおけるタンクの水収支の変動を示すグラフである。
【図１０】システムを起動運転しているときにおけるタンクの水収支の関係を示すグラフである。
【図１１】実施形態５に係り、システムに搭載されているタンクの概要を示す図である。
【図１２】実施形態６に係り、発電モジュールの内部を示す概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一視点によれば、システムは、システムの排熱で加熱された温水を溜めると共に出水口および入水口をもつ貯湯槽と、貯湯槽の出水口から入水口まで延設された貯湯通路と、貯湯通路において凝縮器の上流に設けられ貯湯通路の水を冷却させて貯湯通路の水の温度を低下させる冷却装置と、貯湯槽に溜められている水を出水口から冷却装置および凝縮器を経て入水口に帰還させる貯湯水搬送源とを備えていることが好ましい。冷却装置が作動すると、貯湯通路のうち凝縮器よりも上流の水の温度が低下するため、凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量が増加し、タンクの水位が高くなる。
【００１２】
本発明の一視点によれば、タンクの水位が、高水位よりも低い水位であることが水位センサにより検知されるとき、制御部は、出力制限をかけつつ、冷却装置の冷却作動または貯湯水搬送源の高出力化により、凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量を増加させる増水操作を実行し、タンクの水を高水位以上することが好ましい。この場合、燃料電池の出力制限によりタンクの水の消費量が低下するため、タンクの水位の低下が抑制される。更に冷却装置の冷却作動による貯湯通路の水（凝縮器の入口側の水）の温度を低下させることにより、凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量を増加させることができる。燃料電池に出力制限をかけることで、冷却装置での冷却能力に対する負荷を下げることでさらに貯湯水温度を低下させ、ひいては凝縮水の生成量を増加させることで、タンクの水位を再び高水位以上に戻すことが可能となる。
【００１３】
本発明の一視点によれば、タンクの水位が、高水位よりも低い中水位未満であるとき、制御部は、燃料電池の発電運転を停止させる発電停止モードを実行することが好ましい。この場合、タンクの水の消費量が低減されるため、タンクにおける水位の低下が抑えられる。発電停止モードは、燃料電池の発電を停止するためのモーであり、燃料電池の発電を直ちに停止してから実施される場合と、燃料電池の発電出力を低下させつつ停止させる場合とを含む。
【００１４】
本発明の一視点によれば、所定の基準日においてシステムが発電運転されるときにおいて、基準日の所定の基準時刻のタンクにおける改質水貯留量が相対０値と相対表示されるとき、タンクに貯留される改質水貯留量は、基準日における気温の変化に応じてプラス側およびマイナス側に変化し、基準日における気温に応じて変化する改質水貯留量の相対０値に対する最高ピーク値をＶｍａｘとし、タンクのうちこれの高水位以上に改質水を貯留可能なタンク容量をＨ１とするとき、タンク容量Ｈ１は、最高ピーク値Ｖｍａｘに基づいて設定されていることが好ましい。この場合、タンクのタンク容量Ｈ１は、燃料電池の通常の発電モードに対応でき、改質水不足が抑えられる。
【００１５】
本発明の一視点によれば、気温に応じて変化する改質水貯留量の相対０値に対する最小ピーク値をＶｍｉｎとし、タンクのうちこれの高水位未満で且つ中水位以上に改質水を貯留可能なタンク容量をＨ２とするとき、タンク容量Ｈ２は最小ピーク値Ｖｍｉｎに基づいて設定されていることが好ましい。この場合、タンクのタンク容量Ｈ２は、出力制限されている燃料電池の発電運転に対応でき、改質水不足が抑制される。
【００１６】
本発明の一視点によれば、水位センサは、タンクのうち高水位よりも水位が低い中水位に対して水位が低い低水位であること検知することが好ましい。この場合、タンクのうちこれの中水位未満で且つ低水位以上に改質水を貯留可能なタンク容量をＨ３とするとき、タンク容量Ｈ３は、システムの発電停止モードにおいて消費される改質水の量を含むことができる。タンクのタンク容量Ｈ３は、発電停止モードに対応でき、改質水不足が抑えられる。
【００１７】
（実施形態１）
図１は燃料電池システム（以下、システムともいう）の概要を示す。これは固体酸化物形の燃料電池に適用している。システムは、基本的には、固体酸化物形の燃料電池１と、改質器２と、制御部１００と、筐体９とを有する。更に、燃料電池システムは、筐体９の内部において、改質水系４と、燃料原料供給系５、カソードガス供給糸６、貯湯系７とを有する。なお図１では、燃料電池１は模式化されて図示されている。
【００１８】
図１に示すように、改質器２は、蒸発部２０と、燃料原料が供給される改質部２２とを備えている。蒸発部２０は、改質水系４から蒸発部２０に供給される液相状の改質水を水蒸気化させる。改質部２２は蒸発部２０の下流に設けられており、蒸発部２０で生成された水蒸気で燃料原料を水蒸気改質させてアノードガスを生成させる。アノードガスは水素ガスまたは水素含有ガスである。筐体９は、筐体９の収容室９１と外気とを連通させる外気取込口９２および排出口９３をもつ。発電モジュール３は筐体９の内部に収容されており、発電室３２を形成する断熱材で形成された容器状の断熱部３０を有しており、断熱部３０の内部に燃料電池１および改質器２を燃焼用空間２３を介して収容して形成されている。発電モジュール３では、燃料電池１の上側には改質器２（改質部２２および蒸発部２０）が配置されている。発電モジュール３では、燃料電池１と改質器２（改質部２２および蒸発部２０）との間には、燃焼用空間２３が形成されている。殊に、燃料電池１の上部と改質器２（改質部２２および蒸発部２０）の下部との間には、燃焼用空間２３が形成されている。燃料電池１のアノードから吐出されたアノードオフガスが燃焼用空間２３に排出される。アノードオフガスは、燃料電池１のアノードから排出されるガスを意味し、未反応の水素（可燃成分）を含有して燃焼可能である。カソードオフガスは未反応の酸素を含有している。燃焼用空間２３に排出されたアノードオフガスは、酸素を含むカソードガスまたはカソードオフガス（燃焼用空気に相当）により燃焼され、燃焼炎２４を燃焼用空間２３において形成する。燃焼用空間２３において燃焼炎２４を形成したガスは、燃焼排気ガスとなる。燃焼用空間２３における燃焼炎２４は改質部２２および蒸発部２０の双方を加熱させ、改質部２２の温度を改質反応温度領域に維持させる。
【００１９】
図１に示すように、改質水系４は、改質部２２における水蒸気改質において水蒸気として消費される改質水を改質部２２に供給するものであり、水精製器４０と改質器２とを結ぶ改質水通路４１と、改質水ポンプ４２（改質水搬送源）と、給水バルブ４３とを有する。水精製器４０は、水を浄化させ得るイオン交換樹脂等の水精製材４０ａを有する。改質水通路４１には、タンク４４、改質水ポンプ４２、給水バルブ４３が設けられている。
【００２０】
図１に示すように、燃料原料供給系５は、炭化水素系等の燃料原料を改質器２に供給させるために燃料源５０に繋がる燃料原料供給通路５１と、入口バルブ５２と、流量計５３、脱硫器５４と、燃料原料ポンプ５５（燃料原料搬送源）とを有する。燃料原料供給通路５１には、入口バルブ５２、流量計５３、脱硫器５４および燃料原料ポンプ５５がこの順番に設けられているが、順番はこれに限定されるものではない。カソードガス供給糸６は、空気であるカソードガスを燃料電池１のカソードに供給するカソードガス供給通路６０と、除塵フィルタ６１と、カソードガスポンプ６２（カソードガス搬送源）と、流量計６３とを有する。カソードガス供給通路６０には、除塵フィルタ６１、カソードガスポンプ６２および流量計６３がこの順番に配置されているが、この順番に限定されるものではない。除塵フィルタ６１は、筐体９の収容室９１に配置されている。カソードガスポンプ６２が駆動すると、外気は外気取込口９２から収容室９１に流入し、除塵フィルタ６１およびカソードガス供給通路６０を介してカソードガスとして燃料電池１の入口からカソードに供給される。
【００２１】
図１に示すように、貯湯系７は、凝縮器７４および貯湯槽７０を循環する貯湯通路７１と、貯湯通路７１に設けられた貯湯ポンプ７２（貯湯水搬送源）と、凝縮器７４とを有する。貯湯通路７１は、出水口７０ｐから凝縮器７４までの往路７１ａと、凝縮器７４から入水口７０ｉまでの復路７１ｃとを有する。貯湯ポンプ７２が作動すると、貯湯槽７０の水は出水口７０ｐから吐出され、貯湯通路７１の往路７１ａから凝縮器７４に供給され、凝縮器７４における排気ガスとの熱交換により加熱される。加熱された水は復路７１ｃを介して入水口７０ｉから貯湯槽７０に戻る。これにより貯湯槽７０は温水を貯留させる。貯湯槽７０には高さ方向に沿って複数個の温度センサ７０ｔが配置されている。
【００２２】
発電モジュール３の近傍には凝縮器７４が設けられている。凝縮器７４は、発電モジュール３から排出される燃焼排気ガスが通過するガス通路７４ｇと、貯湯系７の貯湯通路７１の水が通過する水通路７４ｗとをもつ。凝縮器７４のガス通路７４ｇを流れる排気ガスの熱は、水通路７４ｗに伝達され、更に貯湯系７の貯湯通路７１の水に伝達される。凝縮器７４のガス通路７４ｇから排気通路７５が筐体９の排気口７６に向けて延設されている。発電モジュール３の発電室３２の排気ガスは、排気通路７５を介して排気口７６から排出される。凝縮器７４のガス通路７４ｇから凝縮水通路７７が水精製器４０に向けて延設されている。この排気ガスは、アノードオフガスを燃焼させた燃焼ガスである。
従って排気ガスに含まれている気相状の水分は、凝縮器７４のガス通路７４ｇにおいて水通路７４ｗにより冷却されて凝縮水を生成する。凝縮水は凝縮水通路７７から水精製器４０を介して改質水タンク４４に貯留される。貯湯通路７１の往路７１ａには、これの水を冷却させ得る冷却装置７９が設けられている。冷却装置７９は、冷却フィンをもつラジエータ７９ａと、ラジエータ７９ａに送風してこれを冷却させる冷却ファン７９ｃとをもつ。
【００２３】
さて、燃料電池１の発電運転の開始前には、燃料原料ポンプ５５が駆動し、燃料原料が脱硫器５４、燃料原料供給通路５１、蒸発部２０および改質部２２を経て燃料電池１に供給され、燃料電池１を介して燃焼用空間２３に供給される。またカソードガスポンプ６２が駆動するため、カソードガス（空気）が燃焼用空気として燃焼用空間２３に供給される。これにより可燃性の燃料原料が燃焼用空間２３においてカソードガス（燃焼用空気）により燃焼され、燃焼炎２４を燃焼用空間２３において形成する。燃焼炎２４は改質部２２および蒸発部２０を高温に加熱させ、改質反応可能とさせる。
【００２４】
次に、燃料電池１の発電運転時には、燃料原料ポンプ５５が駆動し、燃料原料が燃料原料供給通路５１を介して改質器２の蒸発部２０に供給される。また改質水ポンプ４２が駆動し、タンク４４の液相状の改質水が改質水通路４１を介して蒸発部２０に供給される。ここで、蒸発部２０は加熱されているため、蒸発部２０は改質水を水蒸気化させる。水蒸気は改質部２２に供給される。改質部２２は燃料原料を水蒸気改質させ、アノードガスを生成させる。
【００２５】
燃料原料がメタン系である場合には、水蒸気改質ではアノードガスの生成は、次の（１）式に基づくと考えられている。固体酸化物形の燃料電池１では、Ｈ２他にＣＯも燃料となりうる。
（１）…ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→４Ｈ２＋ＣＯ２
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ
生成されたアノードガスは、アノードガス通路１４およびアノードガスマニホルド１３を介して、燃料電池１のアノードに供給されて発電に使用される。またカソードガスポンプ６２が駆動しているため、筐体９の外部の外気がカソードガスとして除塵フィルタ６１およびカソードガス供給通路６０を介して燃料電池１のカソードに供給される。これにより燃料電池１は発電する。
【００２６】
発電反応においては、アノードガスで供給されるアノードでは基本的には（２）の反応が発生すると考えられている。酸素が供給されるカソードでは基本的には（３）の反応が発生すると考えられている。カソードにおいて発生した酸素イオン（Ｏ２−）がカソードからアノードに向けて電解質を伝導する。
（２）…Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
ＣＯが含まれている場合には、ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−
（３）…１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
発電反応後のアノードオフガスは、発電反応しなかった水素を含む。カソードオフガスは発電反応に未反応な酸素を含む。アノードオフガスおよびカソードオフガスは、燃料電池１の上方の燃焼用空間２３に排出され、燃焼炎２４を燃焼用空間２３において形成する。燃焼炎２４における燃焼反応において水素および酸素が反応するため、燃焼反応によりＨ２Ｏが生成される。燃焼した後のアノードオフガスおよびカソードオフガスは、排気ガスとなり、凝縮器７４のガス通路７４ｇ、ガス出口７８を経て排気通路７５を流れ、更に、排気通路７５の先端の排気口７６から筐体９の外部に放出される。ここで、凝縮器７４を流れる排気ガスは、水分を含む。この水分は、改質反応用に投入した改質水の反応余剰分、および上記（２）における発電時に生成するＨ２Ｏ、燃焼炎２４の燃焼反応により生成するＨ２Ｏが含まれる。排気ガスに含まれている水分は、凝縮器７４のガス通路７４ｇにおいて水通路７４により冷却されて凝縮し、凝縮水を生成させる。凝縮器７４のガス通路７４ｇで生成された凝縮水は凝縮水通路７７から水精製器４０に供給され、水精製器４０で精製される。精製された水は、タンク４４に改質水４４ｗとして貯留される。
【００２７】
上記したように燃料電池１のアノードの上部からアノードオフガスが燃焼用空間２３に吐出され、カソードから吐出されたカソードオフガスが燃焼用空間２３に吐出され、アノードオフガスがカソードオフガスにより燃焼されて燃焼炎２４を形成し、改質部２２および蒸発部２０を加熱させる。なお、固体酸化物形の燃料電池１を搭載するシステムによれば、定常運転における燃料電池１の作動温度は４００〜１１００℃の範囲内、５００〜８００℃の範囲内が例示される。
【００２８】
排気通路７５のうち凝縮器７４のガス通路７４ｇの下流の部位の排気ガスの温度Ｔ２を検知するガス温度センサ２０１が設けられている。貯湯通路７１のうち凝縮器７４の水通路７４ｗの上流の水の温度Ｔ１を検知する水温センサ２０２が設けられている。具体的には、貯湯通路７１の往路７１ａのうち冷却装置７９と凝縮器７４との間に水温センサ２０２が設けられている。水温センサ２０２は貯湯ポンプ７２と凝縮器７４との間に設けることが望ましい。センサ２０１，２０２の温度信号は制御部１００に入力される。制御部１００は、入力処理回路と、出力処理回路と、ＣＰＵと、メモリとを有する。制御部１００は、ポンプ６２，５５，７２，４２，バルブ５２，４３、ファン７９ｃ等を制御する。
【００２９】
燃料電池１はインバータ５０１およびスイッチング素子５０２を介して電力負荷５０４および商用電源５０５に系統連系されている。電力負荷５０４はブレーカ５０６を介して商用電源５０５に接続されている。燃料電池１の発電出力が不足するとき、商用電源５０５から電力負荷５０４に給電される。
【００３０】
ここで、貯湯通路７１の貯湯水の温度Ｔ１が既定温度以上である場合には、凝縮器７４における冷却能力が低下し、凝縮器７４における凝縮生成量が低下する。このためタンク４４に貯留される改質水の水位が過剰に低下するおそれがある場合には、制御部１００は、冷却装置７９のファン７９ｃを作動させ、貯湯通路７１のうち凝縮器７４の上流の往路７１ａ（凝縮器７４の入口側）の水温を低下させる。これにより凝縮器７４における冷却能力が増加し、凝縮器７４における凝縮生成量が増加する。このためタンク４４に貯留される改質水の水位が高くなる。
【００３１】
図２はタンク４４を示す。タンク４４には、これの高さ方向において、高水位High，高水位Highよりも低い中水位Mid，中水位Midよりも低い低水位Lowの３水準の水位が設定されている。そして各水位を検知できる高水位センサ３０１、中水位センサ３０２、低水位センサ３０３がそれぞれ設けられている。タンク４４に貯留されている過剰の水をオーバフローさせるオーバフロー部４４ｐが、タンク４４の上部に設けられている。よって、高水位Highよりも上方にオーバフローラインOverが設けられている。外気温度が特に高温でない限り、通常の発電モードであれば、システムはオーバフローさせつつ発電する。
【００３２】
各水位センサ３０１，３０２，３０３が水位低下を検出したときにおいて、制御部１００が実行する制御の一例について、図３を参照しつつ説明する。
【００３３】
（１）システムが電力負荷５０４の負荷に応じて通常の発電モードを実行しているときには、凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量が良好であり、タンク４４の水量が良好である。このため、高水位センサ３０１がONして高水位を検知する（ステップＳ１０２のＹＥＳ）。中水位センサ３０２がONして中水位を検知する（ステップＳ１０４のＹＥＳ）。更に低い水位センサ３０３がONして低水位を検知する（ステップＳ１０６のＹＥＳ）。この場合、制御部１００は、タンク４４の水位４４ｘがオーバフロー水位overと高水位Highとの間に位置するように、燃料電池１の最高発電出力に制限をかけることなく、システムの通常の発電モードを実行させる（ステップＳ１０８）。この場合、オーバフロー部４４ｐからオーバフローすることも含んでいる。燃料電池１の発電電力が不足していれば、系統連系している商用電源５０５の電力が電力負荷５０４に供給される。
【００３４】
（２）タンク４４の水位が低下している場合には、高水位センサ３０１がOFFで水位を検知せず（ステップＳ１０２のＮＯ）、中水位センサ３０２がONで中水位を検知し（ステップＳ１１２のＹＥＳ）、低水位センサ３０３がONで低水位を検知する（ステップＳ１１４のＹＥＳ）場合がある。この場合には、タンク４４の水位は、高水位Highと中水位Midとの間に位置しており、タンク４４の水位はやや低下している。そこで制御部１００は、電力負荷５０４の要請に拘わらず、燃料電池１の最高発電出力を、これの定格電力Ｗset未満である電力Ｗ１に出力制限させる制御を実行する（ステップＳ１１６）。定格電力Ｗset未満である電力Ｗ１は、定格電力Ｗsetの８０％以下、７０％以下または５０％以下が好ましく、２０％以上または３０％以上が好ましい。このように燃料電池１の発電出力が出力制限されるため、改質器２における改質水の消費量が低下する。このため、タンク４４から改質器２に供給される改質水の量が低減される。更に、冷却ファン７９ｃをオンさせるかその回転数を（高水位High以上の水位の場合よりも）増加させる第１操作、ポンプ７２の出力を（高水位High以上の水位の場合よりも）増加させる第２操作のうちの少なくとも一つを実行し、凝縮器７４の水通路７４ｗの入口の水の温度Ｔ１を低下させ、凝縮器７４において凝縮する凝縮水の生成量を増加させる増水操作を実行する（ステップＳ１１８）。なお、電力負荷５０４の電力が不足するときには、燃料電池１と系統連系している商用電源５０５の電力を電力負荷５０４に給電させる。
【００３５】
（３）高水位センサ３０１がOFFで水位を検知せず（ステップＳ１０２のＮＯ）、中水位センサ３０２がOFFで水位を検知せず（ステップＳ１１２のＮＯ）、低水位センサ３０３がONで低水位を検知する（ステップＳ１２２のＹＥＳ）場合がある。この場合には、タンク４４の水位は、中水位Midと低水位Lowとの間に位置しており、タンク４４の水位はかなり低下している。この場合、制御部１００の記憶部に予め収納されている発電停止シーケンスに基づいて発電停止モードを実行する（ステップＳ１２４）。発電停止モードでは、停止指示が入力されると、改質用の燃料および改質水を改質部２２に最低量投入して改質部２２での改質反応を継続させ、還元性を有する水素を生成させる。カソードガスも発電モジュール３内に投入する。これにより燃料電池１の内部，改質部２２の内部を還元雰囲気を維持しながら、最低の燃焼量で燃料電池１自体の温度を低下させる。既定温度まで低下後に、改質用燃料および改質水を遮断しカソードガスのみで燃料電池１を冷却し、さらに低い既定温度まで低下した後にカソードエガスを含めて全遮断させて停止させる。
【００３６】
更に、中水位High以上の水位の場合よりも、冷却ファン７９ｃの回転数を更に増加させる第１操作、ポンプ７２の出力を更に増加させる第２操作のうちの少なくとも一つを実行し、凝縮器７４の水通路７４ｗの入口の水の温度Ｔ１を低下させ、凝縮器７４において凝縮する凝縮水の生成量を増加させる増水操作を実行する（ステップＳ１２６）。但しステップＳ１２６を実行せず、発電停止モードを実行しても良い。なお燃料電池１の発電電力が不足するときには、商用電源５０５から電力負荷５０４に供給される。
【００３７】
（４）高水位センサ３０１がOFFで水位を検知せず（ステップＳ１０２のＮＯ）、中水位センサ３０２がOFFで水位を検知せず（ステップＳ１１２のＮＯ）、低水位センサ３０３がOFFで水位を検知しない（ステップＳ１２２のＮＯ）場合がある。この場合には、タンク４４の水位は、低水位Low未満に位置しており、かなり低下している。この場合には、制御部１００は、システムを緊急停止させる（ステップＳ１３０）。ここで緊急停止とは、ポンプ４２を停止させ改質水の供給を停止するとともに改質器，燃焼電池の劣化を抑止するため、改質燃料，カソードエア等の反応に関わる流体の供給を停止する停止方法をいう。反応に関わらない貯湯水，換気ファン等に関してはシステム内温度に基づき作動しても構わない。緊急停止することで、発電停止モード等で改質水が無い状態で運転することによる改質部，燃料電池のコーキング等の故障を抑止することが可能となる。
【００３８】
（５）各水位センサ３０１，３０２，３０３のON,OFFが論理的に整合するか判定する（ステップＳ１００）。論理的に整合するときにはステップＳ１０２に進む。論理的に整合しないとき（ステップＳ１００のＮＯ）には、制御部１００は、水位センサの張り付き等の異常で発生していると判定し、システムを緊急停止させる（ステップＳ１３０）。ここで、各水位センサはONであれば、水ありを検知し、OFFであれば、水無しを検知する。例えば、高水位センサ３０１がONであり、高水位を検知しているにも拘わらず、中水位センサ３０２がOFFで中水位を検知していない場合には、論理的にあり得ないため、水位センサの故障と推定される。また、中水位センサ３０２がONで中水位を検知しているにもかかわらず、低水位センサ３０３がOFFで低水位を検知しない場合には、論理的にあり得ないため、水位センサの故障と推定される。
【００３９】
以上説明したように本実施形態によれば、タンク４４の水位が高水位High以上であることがセンサ３０１により検知されるとき、制御部１００は、燃料電池１の最高発電出力を制限させることなく、電力負荷５０４の大きさに応じて通常の発電モードで運転する。しかしながらタンク４４の水位が高水位High未満であることをセンサ３０１，３０２により検知されるとき、制御部１００は、電力負荷５０４の大きさに拘わらず、燃料電池１の最高発電出力を、これの定格電力Ｗset未満の発電電力Ｗ１に出力制限する。これによりタンク４４の水量の減少を抑制させる。これによりシステムの水自立運転を実行することができる。なお、水自立運転であれば、水道水などの補給水が存在しない環境でもシステムを設置できる。更に、水道水などの補給水が存在する場合でも、水道水などの補給水がシステムに補給されることが長期にわたり抑えられるため、水精製器４０のイオン交換樹脂等の水精製材４０ａの劣化が抑えられる。
【００４０】
なお本実施形態のシステムは水自立運転が前提であるため、水道水等の補給水を水精製器４０に補給させる補給配管が基本的には配置されていない。タンク４４の水位が低下しても、システムに出力制限をかけつつ、タンク４４の水量を増加させる増水操作を実行すれば、水自立運転が更に容易である。
【００４１】
上記したように本実施形態によれば、タンク４４には３水準の水位センサ、すなわち、高水位センサ３０１、中水位センサ３０２、低水位センサ３０３が設けられている。このため、貯湯槽７０が温水で満水（満蓄）とされ、かつ、夏季のように気温が高い場合には、凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量が不足しがちとなるものの、システムの外部の水（例えば水道水）をシステムに補給させることなく、水自立運転が可能となる。すなわち、猛暑日を除く一年間のうちのほとんどの日において、システムの通常の発電モードによれば（水自立時）、タンク４４の水は高水位Highとオーバフロー水位overとの間における水位で運転され、タンク４４の水量は充分である。
【００４２】
本実施形態によれば、前述したようにタンク４４の水位が高水位Highよりも低下し、高水位センサ３０１がOFFとなって水を検知しなくなると、システムの最高発電電力が、システムの定格電力Ｗsetよりも低い規定発電電力Ｗ１となるように、制御部１００は、電力負荷５０４の消費電力に拘わらず、システムの発電運転に出力制限をかける。出力制限により、改質器２において消費される改質水量を低下させる。このためシステムにおける水収支量（水収支量＝凝縮器７４において生成された凝縮水の量−改質器２に供給された改質水の量）を調整することができる。また、燃料電池１の発電出力が低下するときには、冷却装置７９における熱負荷が低減する。これにより貯湯通路７１を流れる水の温度が低下し、発電モジュール３の発電室３２から排気通路７５に向けて排出される排気ガスの温度の低下が可能となり、ひいては水自立運転に対して有利となる。
【００４３】
本実施形態によれば、最高発電電力を既定の発電電力Ｗ１に設定した状態でシステムが発電するとき、タンク４４には、所定時間で不足する水量分以上の容量が確保されている。このため、システムを停止させることなく、システムの運転継続が可能である。ここで、所定時間で不足する水量は、下記考え方で決定されている。
【００４４】
すなわち、貯湯槽７０の温水消費量が多く、貯湯槽７０の内部に冷水が充分に存在する場合には、貯湯槽７０の溜められている冷水で凝縮器７４を冷却可能であり、凝縮器７４における冷却能が確保され、凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量が充分に確保される。このためシステムの水自立が可能であり、水道水等の補給水を改質水としてシステムに補給せずとも良い。これに対して、夏季等のように、貯湯槽７０の温水消費量が少なく、貯湯槽７０が温水で満水となっている状態のときには、貯湯通路７１の往路７１ａから凝縮器７４の水通路７４ｗに向かう水の温度Ｔ１は高くなるため、凝縮器７４が既定熱量冷却ができず、凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量が不足するおそれがある。このように水の温度Ｔ１が所定温度よりも高い場合には、制御部１００は、冷却装置７９の冷却ファン７９ｃを積極的に作動させるか、その出力を増加させることにより貯湯通路７１の往路７１ａの水を積極的に冷却し、凝縮器７４に供給する。この場合、凝縮器７４における冷却能を高めることができ、凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量を増加させることができる。
【００４５】
換言すれば、外気温度が低く、かつ、冷却装置７９で貯湯通路７１の水の温度Ｔ１を既定温度以下に冷却可能であれば、凝縮器７４における冷却能力を確保でき、凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量が確保され、タンク４４の水位が高くなる。故に、システムの水自立が可能であり、水道水等の補給水を改質水としてシステムに補給せずとも良い。
【００４６】
これに対して、夏季や熱帯地方等のように、外気温度がかなり高く、冷却装置７９が作動したとしても、貯湯通路７１の水の温度Ｔ１を規定温度以下に冷却できない場合には、凝縮器７４における冷却能力を確保できず、凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量が良好に確保されず、タンク４４において改質水の水位不足が生じるおそれがある。但し、気温が高い夏季や熱帯地方であっても、一日の中で気温変化があり、気温が低下した朝、夕方、夜間などにおいては、凝縮器７４における冷却能力が確保され、凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量が確保される。なお貯湯槽７０の温水が消費されると、水道水等の補給水が貯湯槽７０に補給され、貯湯槽７０は基本的には満タンとされる。
【００４７】
上記した本実施形態によれば、基本的には、貯湯槽７０が満水であり、かつ、夏季のように外気温度が高いときであっても、タンク４４の水位が高水位High未満となれば、システムの発電電力に出力制限をかけることで、システムの運転継続が可能となる。しかしながら、予想以上の条件（設置環境等により予想以上に高温の時間帯が長い場合、貯湯ポンプ７２の故障で規定流量ぶん、貯湯通路７１に水を流せない場合等）で万一発生するおそれがある。この場合には、タンク４４の水位がかなり下がり、高水位センサ３０１および中水位センサ３０２の双方がOFFになるおそれがある。この場合には、中水位センサ３０２がOFFになり、水を検知できない場合には、システムを発電停止モードに移行させる。発電停止モードで必要な水，次回の起動モードで必要な水分を中水位センサ以下の水タンク容量あることで、次回の起動に関しても外部から水補給することなく自動で起動・発電が可能となる。
【００４８】
ここで、システムの発電停止モード，起動モードにおいて必要な水は、下記の内容であることが好ましい。
【００４９】
システムの発電停止モード
発電停止モードはシステムの発電を停止させるための運転モードである。システムにおいては、システムの発電停止モードにおいても、次の（１），（２）の場合には、改質水を改質器２に供給する。
【００５０】
（１）システムの発電停止モードでは、制御部１００は、タンク４４の改質水を改質器２に供給して、改質器２で水蒸気を生成させる。生成された水蒸気を排気通路７５から排出させることにより、発電モジュール３の発電室３２内に残留している可燃ガスを発電室３２から追い出す。
【００５１】
（２）システムの発電停止モードでは、燃料電池１および改質器２が既定温度以下に冷えるまで、燃料電池１および改質器２における触媒雰囲気を還元性雰囲気に保つことが好ましい。このため、制御部１００は、発電停止モードでは、燃料電池１の発電を停止させているものの、改質器２に対する燃料原料および改質水の双方の供給を既定時間継続させる制御を行う。これにより改質器２の残熱を利用し、改質器２において還元性をもつ水素を生成させる。これにより燃料電池１および改質器２における触媒雰囲気を水素雰囲気に保持し、触媒の劣化を抑える。
【００５２】
上記したいずれの場合においても、発電モードから発電停止モードに移行すると、燃料電池１および改質器２を冷却するために、燃焼用空気，カソードガス等を発電モジュール３の発電室３２に大量に供給させて冷却を行うことが好ましい。そのため、排気通路７５から排出される排ガス中に含まれる空気に対する水蒸気量の比率が相対的に低くなる。この場合、凝縮器７４における凝縮水の回収は非常に少なくなり、タンク４４に溜められる水の量は減少する。なお、起動モードはシステムの運転指示により燃料電池が発電開始する間でのモードである。起動モードにおいて必要な水は、燃料電池に供給されるアノードガスを生成させて燃料電池が発電できるようにするために、改質部２２に供給される改質水である。
【００５３】
（実施形態２）
本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１〜図３を準用する。貯湯通路７１の往路７１ａの水の温度Ｔ１もしくは排気通路７５の排気ガス温度Ｔ２に基づいて、冷却装置７９の冷却ファン７９ｃはON,OFF制御され、貯湯通路７１の往路７１ａの水を冷却する。例えば、Ｔ１≧４０℃で冷却ファン７９ｃはONされ、Ｔ１≦４２℃で冷却ファン７９ｃはOFFとされる。もしくは、排気ガス温度Ｔ２≧４３℃で冷却フアン７９ｃはONとされ，排気ガス温度Ｔ２≦４５℃で冷却ファン７９ｃはOFFとされる。
【００５４】
凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量は、排気ガスの飽和水蒸気曲線に基づき排気ガスの温度Ｔ２で決定される。排気ガスの温度Ｔ２は貯湯通路７１の水の温度Ｔ１に基づいて決定される。このため凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量は、貯湯通路７１の水の温度Ｔ１，排気ガスの温度Ｔ２で制御可能である。応答性を考えると、冷却装置７９の冷却能力が早期に現れる貯湯通路７１の水の温度Ｔ１で制御した方が好ましい。
【００５５】
図２に示すように、タンク４４には、高さ方向の上から、オーバフローする水位，高水位センサ３０１，中水位センサ３０２，低水位センサ３０３が設けられている。
【００５６】
本実施形態に関しては、高水位センサ３０１は高水位Highを検知する。中水位センサ３０２は、中水位Midを検知する。低水位センサ３０３は導電率センサで形成されている。導電率センサについては、水が存在すれば水の導電率２〜１０μS/cmを示すのに対し、水がない場合は電極間が空気となるため、０μS/cmとなり、導電率とともに純水の有無、不純物の混在の有無を検知可能である。なお、高水位センサ３０１、中水位センサ３０２および低水位センサ３０３といった各センサは、導電率センサでも良いしフロートセンサでも良い。
【００５７】
次に制御部１００が実行する制御方法について説明する。冷却ファン７９ｃは上記のように、タンク４４の水位の高さに関係なく、貯湯通路７１の水の温度Ｔ１（もしくはガス温度Ｔ２）によりＯＮ，ＯＦＦされ、水の温度Ｔ１が既定温度Ｔ１−ａ以上の場合には、作動してオンとなり、貯湯通路７１の往路７１ａの水を積極的に冷却させる。これにより、貯湯槽７０が温水で満水（満蓄状態）である場合には、冷却装置７９で冷却した貯湯水を凝縮器７４の水通路７４ｗに投入することで、凝縮器７４における冷却能力を高め、凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量を増加させている。
【００５８】
タンク４４の水位センサに基づく制御を下記に記す。通常時には、タンク４４の水位は高水位Highとオーバフロー水位overとの間になるようにシステムが運転される。貯湯槽７０が温水で満水ではない場合には、貯湯槽７０の底部付近には低温の水が存在する。この低温の水が凝縮器７４の水通路７４ｗに供給される。
【００５９】
図４は、排気通路７５を流れる排気ガスの排気温度Ｔ２とタンク４４の改質水との特性を示す。この特性は、温度と飽和水蒸気圧との関係に基づいて求められる。図４によれば、排気通路７５の排気ガスの温度Ｔ２を凝縮器７４のガス通路７４ｇにおいて４２〜４５℃以下まで冷却できれば、凝縮器７４において凝縮する凝縮水の生成量が増加し、ひいてはタンク４４に溜められる改質水の量が増加する。このため、システムにおける改質水の収支がプラスとなり、水道水等の補給水を改質水としてシステムに長期にわたり補給せずとも良く、システムは水自立可能となる。ここで、凝縮器７４におけるガス通路７４ｇの排気ガスと水通路７４ｗの水との温度差を２℃と仮定すると、貯湯通路７１の水が４０〜４３℃以下の温度域になるように、冷却装置７９により貯湯通路７１のうち凝縮器７４の水通路７４ｗの入口温度を冷却できれば、システムは水自立が可能である。
【００６０】
タンク４４の水位が高水位Highとオーバフロー水位overとの間に存在する場合には、タンク４４に溜められている水量は、システムの定格運転が継続したとしても、充分である。このため、制御部１００は、電力負荷５０４が消費する消費電力の大きさに基づき燃料電池１の発電電力を制御することができる。ここで定格電力とは、システムに対して指定された条件の下でも製造者が保証する使用上の限界の発電電力を意味する。また定格運転とは定格電力で発電する運転を意味する。
【００６１】
これに対して、貯湯槽７０が温水で満水状態であり、かつ、外気温度が高い場合（例えば夏季の猛暑日または熱帯地方等）においては、貯湯通路７１の往路７１ａ（凝縮器７４の入口側）の水の温度Ｔ１が高くなるため、凝縮器７４における冷却能が不足し、ひいては凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量が不足するおそれがある。このように外気温度が高い場合には、冷却装置７９により貯湯通路７１の往路７１ａの水を冷却しても、水の温度Ｔ１は４０〜４３℃を高温側に超える温度域となる。このため、仮に定格発電運転を継続させると、凝縮器７４における冷却能力が不足し、凝縮器７４において生成される凝縮水の生成量が不足となる。この場合、タンク４４の水位が低下するおそれがある。
【００６２】
出力制限をかけることで、高温側のガス通路から低温側への伝熱量が抑制され、ひいては同温度の貯湯水が供給されたとしても冷却装置７９での熱負荷が低減することができ、往路７１ａの水の温度Ｔ１を低温側に冷却することが可能となる。また、排気ガス温度Ｔ２が同一としても回収水（＝凝縮水−改質水）の絶対量の不足分を減少させることができる。タンク４４のうち高水位High以上でオーバフロー水位over以下に溜められる水のタンク容量をＨ１とする。タンク４４のうちこれの高水位High未満で且つ中水位Mid以上に溜められる水のタンク容量をＨ２とする。
【００６３】
タンク容量Ｈ１，Ｈ２の決定について以下に説明を加える。図５の特性線ＷＡは、ある年の夏季の特定の基準日において実際に測定した気温変化を示す。この基準日は、凝縮水の生成にとって１年間におけるほぼ最悪条件となるように、システムが設置される所定国（日本国）における年間最高気温を示した猛暑日を示す。図５の特性線ＷＡに示すように、昼間において、７時（午前７時）から１５時（午後３時）にかけて外気温度が上昇している。２時（午前２時）から７時（午前７時）には、外気温度が相対的に低い。２０時（午後８時）から２４時（午前０時）には、外気温度が相対的に低い。貯湯槽が温水で満蓄状態の場合、貯湯水の冷却装置の冷却能力が外気温度で左右されるため、外気温度が高い場合には、凝縮器７４における凝縮が制限され、凝縮器７４において生成される凝縮水の生成量が低下し、タンク４４の水位が低下する傾向がある。このため、タンク４４のタンク容量Ｈ１，Ｈ２の決定にあたり、凝縮水の生成量の減少が激しい年間最高気温を示す猛暑日を基準とする。よって猛暑日を基準日として設定している。
【００６４】
図６は、冷却装置７９で貯湯通路７１の水を冷却しつつ、燃料電池１の発電電力Ｗ１（定格電力の８０％）にて、１日中発電運転を継続させている状態における単位時間当たりの水収支のシミレーション結果を示す。この場合、外気温度に対して＋４℃まで、冷却装置７９の能力，凝縮器７４の能力で排気ガスを冷却可能であった場合においての規定時間（１分当り）の水収支を示す。図６の横軸は時間を示し、縦軸はタンク４４の水収支（相対表示）を示す。ここで、昼間には外気温度が上昇しているため、図６の特性線ＷＢに示すように、凝縮器７４において凝縮される生成水量が低下し、９時（午前９時）〜１９時（午後７時）にかけて、外気温度の影響を受けて水収支がマイナスとなる。しかし夜間には、外気温度が低下しているため、凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量が増加し、図６の特性線ＷＢに示すように、水収支がプラスとなる。
【００６５】
図７および図８の特性線ＷＣは、上記した基準日における一日あたりのタンク４４における水収支のシミレーション結果を示す。この場合、燃料電池１は連続して発電しており、その発電出力はＷ１（定格電力の８０％）である。図７の横軸は時間を示し、縦軸はタンク４４の水収支（相対表示）を示す。各時間での累積をみていくと、1日運転において水収支がゼロとなるように、基準日における所定の基準時刻（図７および図８では２４時＝午前０時）を設定し、この基準時刻（２４時）におけるタンク４４の水の貯留量を相対０値と相対表示する。
【００６６】
図７及び図８の特性線ＷＣによれば、タンク４４に貯留される水貯留量は、基準日の一日における気温の変化に応じてプラス側およびマイナス側に交互に曲線（例えばサインカーブ）状に変化する。すなわち、特性線ＷＣによれば、１時から８時にかけて水収支プラスが維持されつつ、水は増加し続けている。更に、９時から１４時にかけて、水収支プラスはプラスが維持されつつも水は減少し続ける。１４時から１８時にかけて、水収支マイナスが維持されつつ、水は減少し続ける。１９時〜２４時にかけて、水収支マイナスが維持されつつ、水は増加し続ける。
【００６７】
ここで、基準日（猛暑日）における気温に応じて変化するタンク４４における改質水貯留量について、相対０値に対する最高ピーク値をＶｍａｘとする。また、改質水貯留量の相対０値に対する最小ピーク値をＶｍｉｎとする。
【００６８】
本実施形態によれば、タンク４４のうちこれの高水位High以上でオーバフロー水位over以下に改質水を貯留可能なタンク容量をＨ１とすると、タンク容量Ｈ１は、凝縮水の生成量が低下する傾向がある猛暑日における最高ピーク値Ｖｍａｘに基づいて設定されている。具体的には、タンク容量Ｈ１は、最高ピーク値Ｖｍａｘと第１マージン容量Ｖαとの合計和に基づいて設定されている。第１マージン容量Ｖαは、安全率を考慮したタンク４４における余裕水量を意味し、システムの種類、システムの設置環境等に応じて適宜設定される。ＶｍａｘおよびＶαの量が同一単位であれば、Ｖｍａｘ＞Ｖαとすることができる。
【００６９】
また、タンク４４のうちこれの高水位High未満で且つ中水位Mmid以上に改質水を貯留可能なタンク容量をＨ２とすると、タンク容量Ｈ２は、凝縮水の生成量が低下する傾向がある猛暑日における最小ピーク値Ｖｍｉｎに基づいて設定されている。具体的には、タンク容量Ｈ２は、最小ピーク値Ｖｍｉｎと第２マージン容量Ｖβとの合計和に基づいて設定されている。第２マージン容量Ｖβは、安全率を考慮したタンク４４における余裕水量を意味し、システム、システムの設置環境等に応じて適宜設定される。ＶｍｉｎおよびＶβの量が同一単位であれば、Ｖｍｉｎ＞Ｖβとすることができる。なおＶα＝Ｖβ，Ｖα＞Ｖβ、Ｖα＜Ｖβにできる。Ｖα＞Ｖβであれば、高水位High以上の水量を増加できる利点があり、出力制限を抑制できる。なおＶα＝Ｖβ≒０でも良い。
【００７０】
このような本実施形態によれば、タンク４４の容量の大型化を抑えつつ、システムの水自立が可能であり、水道水等の補給水を改質水としてシステムに長期にわたり補給せずともよいことが理解できる。つまり、図８の特性線ＷＣによれば、０時〜１４時（午後２時）までは、余剰の凝縮水をタンク４４に貯蓄することができる。これに対して１４時（午後２時）〜２４時（午前０時）では、タンク４４の水位が低下するが、１４時〜２４時までのほぼ１０時間相当分における不足水の容量は、タンク容量Ｈ２として、タンク４４に確保することができる。従って、タンク１における貯留水量が低下しつつも、システムを発電停止させることなく、燃料電池１を継続的に発電運転させることが可能となる。本実施形態によれば、上記観点に基づき、タンク４４のタンク容量Ｈ１，タンク容量Ｈ２は決定されている。上記したようにタンク４４のタンク容量Ｈ１，Ｈ２が決定されている。このため、凝縮水の生成量が低下する猛暑日であっても、タンク４４は水不足になることはない。
【００７１】
しかしながら想定外の環境状態、貯湯ポンプ７２の故障等で、凝縮器７４が冷却されない場合等には、異常等の諸要因によりタンク４４の水位が更に低下するおそれがある。そこで、中水位センサ３０２がOFF（水がない）である検出した場合には、制御部１００はシステムを発電モードから発電停止モード゛に移行する。発電停止モードは、システムが正常に停止するときにおける発電停止手段である。
【００７２】
発電停止モードについて、次のｉ〜ｉｉｉにおいて説明を加える。
【００７３】
i．発電停止指示により、制御部１００は、ポンプ５５，４２の出力を低下させ、改質器２に供給される燃料原料および改質水を最低流量とさせる。更に、制御部１００は、カソードガスポンプ６２の出力を増加させてカソードガスを増加させる。これにより、燃焼用空間２３における燃焼炎２４の燃焼を継続しながら、発電モジュール３の内部を冷却させる。この場合、改質器２もしくは燃料電池１の温度が既定温度Ｔｃ以下になるまで、燃料電池１のアノード等のアノード系を還元雰囲気にするため、燃料原料および改質水を改質器２に供給させ、還元性をもつ水素含有ガスを生成させながら、発電モジュール３を冷却させる。
【００７４】
ii．改質器２もしくは燃料電池１の温度が既定温度Ｔｃ以下に低下したら、ポンプ５５，４２を停止させ、燃料原料および改質水を改質器２に供給させる操作を遮断させる。この場合、発電モジュール３の発電室３２に残留している水素をカソードガスで排気通路７５に排出させてパージさせる。
【００７５】
iii．改質器２もしくは燃料電池１の温度がiiより低い既定温度Ｔｅ以下に冷却されたら、システムを完全停止させ、システムの補機類（例えばバルブやポンプ）も完全停止させる。
【００７６】
タンク４４のうち中水位Mid未満で且つ低水位Low以上のタンク容量をＨ３とする。タンク容量Ｈ３の設定方法について説明する。すなわち、図９はシステムの発電停止モードにおけるタンク４４の水収支例を示す。発電停止モードでは、前述したように、改質器２に供給される燃料原料の燃焼量および改質水量が少ないのに対し、発電モジュール３の内部を冷却させるため発電モジュール３内に供給されるカソードガス量が多くなる。このため、排気通路７５を流れる排気ガスに含まれる水蒸気分率が低くなるため、排気ガスの温度が１０℃以下に冷却されないと、凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量が不足することになる。しかし実際には、排気ガスの温度を１０℃以下に冷却することは困難であるため、発電停止モードでは、最悪の場合には改質水がＶshortageぶん不足するおそれがある。そこで、タンク４４のうち、中水位Mid未満で且つ低水位Low以上のタンク容量Ｈ３については、発電停止モード゛で不足する不足値Ｖshortageと、次回の起動で必要な分の水量Ｖstartとを確保することが好ましい。ここで、図１０は起動モード゛における水収支を示すが、発電運転時とほぼ同等の水収支特性を示すため、図１０の特性に拘わらず、水量Ｖstartとしては実質的に数１０cc程度であれば良いと考えられる。
【００７７】
以上説明したように本実施形態によれば、タンク４４の中水位センサ３０２がOFFを検知したため、システム停止が発生した場合であっても、次回の燃料電池１の起動は自動で可能であり、新しい水を改質水としてシステムに補給をすることなく、燃料電池１を起動させることが可能となる。
【００７８】
タンク４４の中水位Midが検知されると、システムは発電モードから発電停止モードに移行する。同様に、予想外の諸要因等にて、タンク４４の水位が更に低下し、水位が低水位Low未満となった場合には、制御部１００は緊急停止を行う。ここで、緊急停止とは、改質水を改質器２に供給を停止することを前提とした停止方法であり、更に改質器２に収容されている改質触媒および燃料電池が劣化しないように、燃料原料等を改質器に供給することも止める。貯湯水，換気空気等のように、発電と直接的に関係なき部位は稼動してもよいし、あるいは、全補機を停止しても良い。これにより、タンク４４の改質水が完全になくなった場合において、改質器２に供給する改質水が不足して改質触媒および燃料電池１が劣化することが抑止され、改質器２および燃料電池１の劣化が抑止される。この場合には、制御部１００は、異常である判定し、貯湯ホ゜ンフ゜の点検等をメンテナンスするとともに、改質水の補給を実施する。
【００７９】
以上説明したように本実施形態においても、前記した実施形態と同様に、タンク４４の水位が高水位High以上であることがセンサにより検知されるとき、制御部１００は、電力負荷５０４の大きさに応じて燃料電池１の発電出力を制御する。タンク４４の水位が高水位High未満であることをセンサにより検知されるとき、制御部１００は、電力負荷５０４の大きさに拘わらず、燃料電池１の発電出力をこれの定格電力未満に出力制限することにより、タンク４４の改質水の減少を抑制させる。これによりシステムの水自立運転を実行することができる。
【００８０】
すなわち、一連の制御、およびタンク４４の構成により、新しい水を改質水としてシステムに補給することなく、水自立の発電運転が可能となる。タンク４４の改質水の水位が過剰に低下する場合のような異常時には、改質器２および燃料電池１が劣化するに至る前にシステム停止することが可能となる。
【００８１】
純水は高い電気絶縁性をもつ。改質水の品質が劣化すれば、水の電気伝導率が高くなる。このため、低水位センサ３０３として導電率計を用いた場合には、水精製器４０のイオン交換樹脂の劣化、水精製能力の劣化、燃料電池の劣化等に起因してタンク４４の水質が悪化（つまり、導電率が上昇）していることが、水の導電率の異常として検知が可能となる。殊に、低水位センサ３０３はタンク４４に設けられている水位センサのうち最も下方に配置されている。このため、タンク４４の水位の変動に拘わらず、タンク４４に溜められている水の品質を検知できる効果が得られる。
【００８２】
（実施形態３）
本実施形態は前記した実施形態１，２と同様な構成および作用効果を示すため、図１〜図１０を準用できる。前述したように、夏季の猛暑日などのように、外気温度が極めて高いときには、貯湯通路７１の水の温度Ｔ１が高くなり、凝縮器７４における凝縮水の生成量が低下し、タンク４４の水量が低下する。そこで制御部１００は、タンク４４の水位が高水位High未満になったら、冷却装置７９の冷却ファン７９ｃの出力を、通常の発電モードの場合（水位が高水位High以上の場合）よりも増加させる。更に、必要に応じて、貯湯ポンプ７２の単位時間あたりの出力（回転数）を、通常の発電モードの場合（水位が高水位High以上の場合）よりも増加させる。これにより貯湯通路７１のうち凝縮器７４の水通路７４ｗの入口の水の温度Ｔ１が更に低下する。よって、凝縮器７４における熱交換量を増加できる。ひいては凝縮器７４において生成される凝縮水の生成量を増加でき、タンク４４の水位を更に高めて高水位High以上にできる。
【００８３】
（実施形態４）
本実施形態は前記した実施形態１，２と同様な構成および作用効果を示すため、図１〜図１０を準用できる。前述したように、夏季の猛暑日などのように、外気温度が極めて高いときには、貯湯通路７１の水の温度Ｔ１が高くなり、凝縮器７４における凝縮水の生成量が低下し、タンク４４の水量が低下する。そこで制御部１００は、タンク４４の水位が中位Mid未満になったら、冷却装置７９の冷却ファン７９ｃの出力を通常の発電モードの場合（水位が中水位Mid以上の場合）よりも増加させる。更に、必要に応じて、貯湯ポンプ７２の単位時間あたりの出力（回転数）を、通常の発電モードの場合（水位が中水位Mid以上の場合）よりも増加させる。これにより貯湯通路７１のうち凝縮器７４の水通路７４ｗの入口の水の温度Ｔ１が更に低下し、凝縮器７４における熱交換量を増加できる。ひいては凝縮器７４において生成される凝縮水の生成量を増加でき、タンク４４の水の水位を高めて高水位High以上にできる。
【００８４】
（実施形態５）
図１１は実施形態５を示す。本実施形態は前記した実施形態と同様な構成および作用効果を示すため、他の図を準用できる。図１１に示すように、タンク４４には、タンク４４の高さ方向において、高水位High，中水位Midの２水準の水位をそれぞれ検知できる高水位センサ３０１、中水位センサ３０２がそれぞれ設けられている。タンク４４に貯留されている過剰の水をオーバフローさせるオーバフロー部４４ｐが設けられている。よって、高水位Highよりも上方にオーバフローラインOverが設けられている。各水位センサが水位低下を検出したときにおいて、制御部１００が実行する制御について説明する。
【００８５】
（１）システムが正常に発電運転しているときには、凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量が良好であり、タンク４４の水量が良好であるため、中水位センサ３０２および高水位センHighが全てONして水位を検知する。この場合、タンク４４の水を常にオーバフロー部４４ｐからオーバフローさせながら、制御部１００は、オーバフロー水位overと高水位Highとの間の水位で、システムを通常の発電モードで運転させることができる。この場合、定格電力Ｗsetに設定した状態で、燃料電池１を発電しても、タンク４４における水不足は発生しない。
【００８６】
（２）高水位センサ３０１がOFFで水位を検知せず、中水位センサ３０２がONで水位を検知する場合がある。この場合には、タンク４４の水位は、高水位Highと中水位Midとの間に位置する。この場合、タンク４４の水位はやや低下している。そこで制御部１００は、電力負荷５０４の要請に拘わらず、燃料電池１の最高発電出力を、システムの定格電力Ｗset未満である電力Ｗ１に出力制限させる。このように燃料電池１の発電出力が定格電力Ｗset未満に出力制限されるため、改質器２における改質水の消費量が低下する。このため、タンク４４から改質器２に供給される改質水の量が低減される。燃料電池１の発電電力が不足するときには、商用電源５０５から電力負荷５０４に供給される。
【００８７】
（３）高水位センサ３０１がOFFで水位を検知せず、中水位センサ３０２がOFFで水位を検知しない場合がある。この場合には、タンク４４の水位は、中水位Midよりも低い位置となる。この場合、タンク４４の水位はかなり低下している。この場合、制御部１００は、発電モードから、システムの発電運転を停止させて発電停止モードに移行させ、タンク４４から改質器２に供給する改質水を低減または０とする。必要に応じて、発電停止モードを所定時間実行した後に、緊急停止モードに移行させることができる。
【００８８】
（実施形態６）
図１２は実施形態６を示す。本実施形態は前記した実施形態と同様な構成および作用効果を示すため、他の図を準用できる。図１２に示すように、複数の燃料電池１は、カソードガスが供給される通路３２ｒを介して並設されてスタックを形成している。燃料電池１同士は図略の集電体により電気的に接続されている。燃料電池１は、アノードガスが流れる通路１１ｒをもつ多孔質導電部１１ｗと、燃料極として機能するアノード１１と、カソードガスが供給される通路３２ｒに対面する酸化剤極として機能するカソード１２と、アノード１１およびカソード１２で挟まれた固体酸化物を母材とする電解質膜１５と、緻密質のコネクタ１０ｘとを有する。固体酸化物は、酸素イオン（Ｏ２−）を伝導させる性質性をもつものであり、ＹＳＺ等のジルコニア系、ランタンガレート系が例示される。アノード１１は、ニッケル−セリア系サーメットが例示される。カソード１２は、サマリウムコバルタイト、ランタンマンガナイトが例示される。材質は上記に限定されるものではない。なお、燃料電池１の下部には、アノードガスを燃料電池１の入口に案内するアノードガスマニホルド１３が配置されている。
【００８９】
（その他）
上記した実施形態によれば、タンク４４の高水位を検知する水位センサ３０１、中水位を検知する３０２が設けられているが、単一のセンサで高水位、中水位、低水位を検知することにしても良い。低水位センサ３０３を水位センサ３０１，３０２と一体化させても良い。要するにタンク４４における複数段階の水位を検知できれば良い。凝縮器７４で生成された凝縮水を、水精製機能をもつ水精製器４０に溜めて精製させた後にタンク４４に貯留させているが、これに限らず、凝縮器７４で生成された凝縮水をタンク４４に貯留させた後、水精製器４０から改質器２に向けて搬送させても良い。
【００９０】
上記した実施形態は固体酸化物形の燃料電池システムに適用しているが、これに限らず、アノードガス、アノードオフガス、カソードオフガスといった水蒸気含有ガスを凝縮させて凝縮水を生成させる凝縮器を有する燃料電池システムであれば良く、固体高分子形、溶融炭酸塩形またはリン酸形の燃料電池システムに適用することもできる。本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。
【００９１】
上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
［付記項１］改質水で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、アノードガスおよびカソードガスにより発電する燃料電池と、システムの運転に伴い発生する水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させる凝縮器と、凝縮器で生成された凝縮水を回収して液相状の改質水として溜めるタンクと、タンクに溜められている改質水を改質器に供給する改質水搬送源と、タンクにおける水位を検知する単数または複数の水位センサと、水位センサの検知結果に応じて燃料電池の発電を制御する制御部とを具備する燃料電池システム。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明は例えば定置用、車両用、電気機器用、電子機器用、可搬用の燃料電池システムに適用できる。
【符号の説明】
【００９３】
図中、１は燃料電池、２は改質器、２０は蒸発部、２２は改質部、３は発電モジュール、３２は発電室、４は改質水系、４０は水精製器、４１は改質水通路、４２は改質水ポンプ（改質水搬送源）、４３は給水バルブ、４４はタンク、５は燃料原料供給系、５０は燃料源、５１は燃料原料供給通路、６はカソードガス供給系、６０はカソードガス供給通路、７は貯湯系、７０は貯湯槽、７０ｉは入水口、７０ｐは出水口、７１は貯湯通路、７２は貯湯ポンプ（貯湯水搬送源）、７４は凝縮器、７５は排気通路、７６は排気口江、７７は凝縮水通路、７９は冷却装置、７９ａはラジエータ、７９ｃは冷却ファン、３０１は高水位センサ（水位センサ）、３０２は中水位センサ（水位センサ）、３０３は低水位センサ（水位センサ）を示す。
【図１】
0005438420.tif 000002
【図２】
0005438420.tif 000003
【図３】
0005438420.tif 000004
【図４】
0005438420.tif 000005
【図５】
0005438420.tif 000006
【図６】
0005438420.tif 000007
【図７】
0005438420.tif 000008
【図８】
0005438420.tif 000009
【図９】
0005438420.tif 000010
【図１０】
0005438420.tif 000011
【図１１】
0005438420.tif 000012
【図１２】
0005438420.tif 000013