(57)【要約】【課題】耐久性を向上し得る燃料電池システムを提供する。【解決手段】異物除去対象流路Ｌに、当該異物除去対象流路Ｌを通流する水中の異物を除去する異物除去部Ｕ４が設けられ、異物除去部Ｕ４が、異物除去対象流路Ｌを通流する水中の異物を検出する異物検出手段５１と、異物除去対象流路Ｌにおける異物検出手段５１の下流側の流路部分に両端が連通接続された迂回流路５２と、当該迂回流路５２に設けられて、当該迂回流路５２を通流する水中の異物を除去する異物除去手段Ｒと、水を迂回流路５２を通さずに通流させる通常通流状態と、水の全量を迂回流路５２を通して通流させる異物除去用通流状態とに切り換え自在な通流状態切換手段５３とを備えて構成され、異物検出手段５１により異物が検出されると、通流状態切換手段５３を異物除去用通流状態に切り換える異物除去用制御手段５４が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガスが燃料極に供給され、酸素含有ガスが酸素極に供給されて発電する燃料電池と、
供給される改質用水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部と、
改質用バーナによる加熱により前記水蒸気生成部にて生成された水蒸気と炭化水素系の原燃料とを改質反応させて、前記燃料電池の燃料極に供給する水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質用バーナの燃焼排ガス及び前記燃料電池の酸素極から排出された酸素極排ガスのうちの少なくとも一方と排熱回収用熱媒とを熱交換させる水回収用熱交換器と、
前記水回収用熱交換器で発生した凝縮水が水回収路を通して供給される回収水貯留槽と、
通流する水を浄化処理する水浄化部が設けられた浄化用循環路を通して前記回収水貯留槽の水を循環させる浄化用ポンプとが設けられ、
前記回収水貯留槽の水が、前記改質用水、前記酸素極に供給される酸素含有ガスを加湿するための加湿用水及び前記燃料極に供給される水素含有ガスを加湿するための加湿用水のうちの少なくとも一つとして再利用するように構成された燃料電池システムであって、
前記水回収路及び前記浄化用循環路の少なくとも一方を異物除去対象流路として、当該異物除去対象流路に、当該異物除去対象流路を通流する水中の異物を除去する異物除去部が設けられ、
前記異物除去部が、前記異物除去対象流路を通流する水中の異物を検出する異物検出手段と、前記異物除去対象流路における前記異物検出手段の下流側の流路部分に両端が連通接続された迂回流路と、当該迂回流路に設けられて、当該迂回流路を通流する水中の異物を除去する異物除去手段と、水を前記迂回流路を通さずに通流させる通常通流状態と、水の全量を前記迂回流路を通して通流させる異物除去用通流状態とに切り換え自在な通流状態切換手段とを備えて構成され、
前記異物検出手段により異物が検出されると、前記通流状態切換手段を前記異物除去用通流状態に切り換える異物除去用制御手段が設けられている燃料電池システム。
【請求項２】
前記浄化用循環路が、前記異物除去対象流路とされ、
前記異物除去部が、前記浄化用循環路における水通流方向において前記回収水貯留槽よりも下流側で前記水浄化部よりも上流側の流路部分に設けられている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記迂回流路における前記異物除去手段よりも下流側の流路部分に、通流する水中の異物を検出する第２異物検出手段が設けられ、
前記異物除去用制御手段が、前記異物除去対象流路に設けられた前記異物検出手段である第１異物検出手段により異物が検出された場合に、その異物検出時点から所定の異物除去判定時間範囲の間に、前記第２異物検出手段により異物が検出されなければ、前記通流状態切換手段を前記通常通流状態に切り換えるように構成され、
前記異物除去判定時間範囲が、異物が前記異物除去手段にて除去されずに流動すると仮定したときに、異物が前記異物除去対象流路における前記第１異物検出手段の設置個所から前記迂回流路における前記第２異物検出手段の設置個所にまで流動するのに要する時間を含む時間範囲に設定されている請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１異物検出手段による異物の検出時期を含む異物検出情報、及び、前記第２異物検出手段による異物の検出時期を含む異物検出情報のうち、少なくとも前記第２異物検出手段による異物検出情報を記憶する記憶手段が設けられ、
前記異物除去用制御手段が、指令に基づいて、前記記憶手段に記憶されている異物検出情報を出力手段に出力するように構成されている請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記異物除去用制御手段が、前記第２異物検出手段により異物が検出された場合は、異常出力手段に異常情報を出力するように構成されている請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記異物除去手段として、水を流入させる流入口及び流入した水を流出させる流出口を介して前記迂回流路に介装されて、内部空間で水を旋回させて遠心力により異物を分離するサイクロンセパレータが設けられている請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素含有ガスが燃料極に供給され、酸素含有ガスが酸素極に供給されて発電する燃料電池と、供給される改質用水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部と、改質用バーナによる加熱により水蒸気生成部にて生成された水蒸気と炭化水素系の原燃料とを改質反応させて、燃料電池の燃料極に供給する水素含有ガスを生成する改質器と、改質用バーナの燃焼排ガス及び燃料電池の酸素極から排出された酸素極排ガスのうちの少なくとも一方と排熱回収用熱媒とを熱交換させる水回収用熱交換器と、水回収用熱交換器で発生した凝縮水が水回収路を通して供給される回収水貯留槽と、通流する水を浄化処理する水浄化部が設けられた浄化用循環路を通して回収水貯留槽の水を循環させる浄化用ポンプとが設けられ、回収水貯留槽の水が、改質用水、酸素極に供給される酸素含有ガスを加湿するための加湿用水及び燃料極に供給される水素含有ガスを加湿するための加湿用水のうちの少なくとも一つとして再利用するように構成された燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
かかる燃料電池システムは、改質用バーナの燃焼排ガス及び燃料電池の酸素極から排出された酸素極排ガスのうちの少なくとも一方から水を回収して、回収水貯留槽に貯留し、その回収水貯留槽の水を水浄化部が設けられた浄化用循環路を通して循環させることにより浄化して、改質用水、酸素極に供給される酸素含有ガスを加湿するための加湿用水及び燃料極に供給される水素含有ガスを加湿するための加湿用水のうちの少なくとも一つとして再利用するように構成されたものである（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１８１４１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような燃料電池システムにおいて、従来、浄化用ポンプにおける水の圧送能力が低下する不具合や、水浄化部に備えられているイオン交換樹脂等の水浄化処理材の処理能力が低下するといった不具合が発生する場合があった。このような浄化用ポンプの水圧送能力低下や、水浄化部の水浄化処理能力低下といった不具合が発生すると、燃料電池システムの耐久性が低下することになり、改善が望まれていた。
【０００５】
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐久性を向上し得る燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムは、水素含有ガスが燃料極に供給され、酸素含有ガスが酸素極に供給されて発電する燃料電池と、
供給される改質用水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部と、
改質用バーナによる加熱により前記水蒸気生成部にて生成された水蒸気と炭化水素系の原燃料とを改質反応させて、前記燃料電池の燃料極に供給する水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質用バーナの燃焼排ガス及び前記燃料電池の酸素極から排出された酸素極排ガスのうちの少なくとも一方と排熱回収用熱媒とを熱交換させる水回収用熱交換器と、
前記水回収用熱交換器で発生した凝縮水が水回収路を通して供給される回収水貯留槽と、
通流する水を浄化処理する水浄化部が設けられた浄化用循環路を通して前記回収水貯留槽の水を循環させる浄化用ポンプとが設けられ、
前記回収水貯留槽の水が、前記改質用水、前記酸素極に供給される酸素含有ガスを加湿するための加湿用水及び前記燃料極に供給される水素含有ガスを加湿するための加湿用水のうちの少なくとも一つとして再利用するように構成された燃料電池システムであって、その特徴構成は、
前記水回収路及び前記浄化用循環路の少なくとも一方を異物除去対象流路として、当該異物除去対象流路に、当該異物除去対象流路を通流する水中の異物を除去する異物除去部が設けられ、
前記異物除去部が、前記異物除去対象流路を通流する水中の異物を検出する異物検出手段と、前記異物除去対象流路における前記異物検出手段の下流側の流路部分に両端が連通接続された迂回流路と、当該迂回流路に設けられて、当該迂回流路を通流する水中の異物を除去する異物除去手段と、水を前記迂回流路を通さずに通流させる通常通流状態と、水の全量を前記迂回流路を通して通流させる異物除去用通流状態とに切り換え自在な通流状態切換手段とを備えて構成され、
前記異物検出手段により異物が検出されると、前記通流状態切換手段を前記異物除去用通流状態に切り換える異物除去用制御手段が設けられている点にある。
【０００７】
上記特徴構成によれば、異物検出手段により、異物除去対象流路を通流する水中の異物が検出されると、通流状態切換手段が異物除去用通流状態に切り換えられて、水が迂回流路を通って通流するようになるので、水に混入している異物が異物除去部で除去される。尚、異物検出手段により異物が検出されると、その異物が水と共に異物除去対象流路を流動して通流状態切換手段に達するよりも前に、通流状態切換手段が異物除去用通流状態に切り換え可能に構成されていることは勿論である。
そして、このように通流状態切換手段を異物除去用通流状態に切り換える時間は、例えば、異物が異物除去対象流路における異物検出手段の設置個所から異物除去部にまで流動するのに要する時間程度で十分であり、短時間で良い。
【０００８】
本発明の発明者らは、浄化用ポンプの水圧送能力低下や水浄化部の水浄化処理能力低下の原因を特定すべく鋭意研究し、その原因が浄化用循環路を通流する水に異物が混入していることであり、その異物の発生源が水回収用熱交換器であることを特定した。
つまり、燃焼排ガスや酸素極排ガスの通流により水回収用熱交換器を構成する部材が腐食して、その水回収用熱交換器由来の鉄イオンが凝縮水に流出することにより、浄化用循環路を通流する水に、鉄錆等の微細な（例えば数十μｍの粒径）腐食生成物が異物として混入すると考えられる。
そこで、上記特徴構成のように、水回収路及び浄化用循環路の少なくとも一方を異物除去対象流路として、当該異物除去対象流路に異物除去部を設けることにより、浄化用循環路を通流する水に異物が混入するのを防止することができるのである。
【０００９】
ところで、浄化用循環路を通流する水に混入している異物を除去するために、浄化用循環路にストレーナを設けることが想定される。
しかしながら、ストレーナで微細な腐食成生物を除去するには、ストレーナの網目を細かくする（即ち、メッシュ数を大きくする）必要がある。
一方、ストレーナの網目を細かくするほど、浄化用ポンプの圧力損失が大きくなり、又、ストレーナが目詰まりを起こし易くなる。そして、浄化用ポンプの圧力損失が大きくなり過ぎると、水の循環量が低下するので、所望の循環量を確保するためには、浄化用ポンプの出力を大きくする必要があるが、浄化用ポンプの出力を大きくすると、浄化用ポンプの消費エネルギーが大きくなるので、ランニングコストが高くなる。又、ストレーナの目詰まりを起こし易くなると、メンテナンスが要求される回数が増加するので、メンテナンス性が低下する。
【００１０】
これに対して、上記の特徴構成によれば、水中の異物の除去のために、水を異物除去部を通過させて通流させる時間は短くて済むので、粒径が十分に小さい異物を除去すべく、異物除去部として、浄化用ポンプの圧力損失を大きくしたり、目詰まりを起こし易いようなもの、例えば、網目の細かいストレーナを設けたとしても、浄化用ポンプの圧力損失が大きくなることや目詰まりを起こし易いといった不都合による悪影響を十分に抑制することができる。
従って、耐久性を向上することができ、しかも、ランニングコストの上昇及びメンテナンス性の低下を抑制することもできる燃料電池システムを提供することができる。
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムの更なる特徴構成は、前記浄化用循環路が、前記異物除去対象流路とされ、
前記異物除去部が、前記浄化用循環路における水通流方向において前記回収水貯留槽よりも下流側で前記水浄化部よりも上流側の流路部分に設けられている点にある。
【００１２】
上記特徴構成によれば、浄化用循環路における水浄化部よりも上流側で、異物除去部により異物が除去されるので、異物が水浄化部に流入するのが防止される。
つまり、水浄化部には、イオン交換樹脂等、水の通流経路が微細な水処理材が備えられているので、通流する水に異物が混入していると劣化し易い。
そこで、浄化用循環路における水浄化部よりも上流側に異物除去部を設けることにより、水に混入した異物に起因する水浄化部の劣化を十分に抑制することができる。
従って、燃料電池システムの耐久性をより一層向上することができる。
【００１３】
本発明に係る燃料電池システムの更なる特徴構成は、前記迂回流路における前記異物除去手段よりも下流側の流路部分に、通流する水中の異物を検出する第２異物検出手段が設けられ、
前記異物除去用制御手段が、前記異物除去対象流路に設けられた前記異物検出手段である第１異物検出手段により異物が検出された場合に、その異物検出時点から所定の異物除去判定時間範囲の間に、前記第２異物検出手段により異物が検出されなければ、前記通流状態切換手段を前記通常通流状態に切り換えるように構成され、
前記異物除去判定時間範囲が、異物が前記異物除去手段にて除去されずに流動すると仮定したときに、異物が前記異物除去対象流路における前記第１異物検出手段の設置個所から前記迂回流路における前記第２異物検出手段の設置個所にまで流動するのに要する時間を含む時間範囲に設定されている点にある。
【００１４】
上記特徴構成によれば、第１異物検出手段により浄化用循環路を通流する水中の異物が検出されて、通流状態切換手段が異物除去用通流状態に切り換えられても、異物除去部で異物が除去されることにより、第２異物検出手段により異物が検出されなければ、通流状態切換手段が通常通流状態に戻される。
つまり、水に異物が混入していて、通流状態切換手段が異物除去用通流状態に切り換えられたとしても、異物除去部で異物が除去されれば、通流状態切換手段が速やかに通常通流状態に戻されるのである。
従って、ランニングコストの上昇及びメンテナンス性の低下を一層抑制することができる。
【００１５】
本発明に係る燃料電池システムの更なる特徴構成は、前記第１異物検出手段による異物の検出時期を含む異物検出情報、及び、前記第２異物検出手段による異物の検出時期を含む異物検出情報のうち、少なくとも前記第２異物検出手段による異物検出情報を記憶する記憶手段が設けられ、
前記異物除去用制御手段が、指令に基づいて、前記記憶手段に記憶されている異物検出情報を出力手段に出力するように構成されている点にある。
【００１６】
上記特徴構成によれば、第１異物検出手段による異物検出情報、及び、第２異物検出手段による異物検出情報のうち、少なくとも第２異物検出手段による異物検出情報が記憶手段に記憶される。そして、指令により、その記憶手段の記憶情報を出力手段に出力させることができる。
第２異物検出手段による異物検出情報が出力手段に出力されると、水に混入した異物が異物除去部で除去されなかったことが分る。つまり、何らかの故障が生じて、使用者からメンテナンスの要求があったときに、派遣されたメンテナンス要員は、出力手段に第２異物検出手段による異物検出情報が出力されると、故障の原因が水に混入した異物であると予想できる。
そして、故障の原因が水に混入した異物であると予想すると、異物の混入に影響を受ける部材、例えば、浄化用ポンプや水浄化部を点検したり交換したりする等により、短時間で、しかも、少ない交換部品で故障に対応することが可能となる。
【００１７】
又、第１異物検出手段による異物検出情報も記憶手段に記憶される場合は、出力手段に第１異物検出手段による異物検出情報が出力されると、浄化用循環路を循環する水における異物混入の程度（例えば、混入頻度）が分る。そして、第１異物検出手段による異物検出情報が出力手段に出力されたときに、その出力された異物検出情報が、異物混入の程度が比較的大きいことを示す情報である場合は、多くの異物が異物除去部に残留している可能性があるので、異物除去部に残留している異物を除去して、異物除去部のメンテナンスを行うことができる。
要するに、燃料電池システムが故障した場合に、その故障の原因が水に混入した異物にある場合は、その原因を容易に特定して、低メンテナンス費用で故障に対応することができる。
【００１８】
本発明に係る燃料電池システムの更なる特徴構成は、前記異物除去用制御手段が、前記第２異物検出手段により異物が検出された場合は、異常出力手段に異常情報を出力するように構成されている点にある。
【００１９】
上記特徴構成によれば、水に混入した異物が異物除去部で除去されなかったために、第２異物検出手段により異物が検出されると、異常出力手段に異常情報が出力されるので、使用者等は、異常が発生したことが迅速に分かるので、メンテナンスの依頼を迅速に行うことができる。
派遣されたメンテナンス要員は、異物が除去されなかった異常が発生したと分るので、燃料電池システムが故障している場合は、迅速且つ少ない交換部品で修理することができ、燃料電池システムが故障していない場合は、浄化用循環ポンプを点検する等して、水に混入した異物による故障を起こり難くすることができる。
従って、水に混入した異物に起因するトラブルに関するメンテナンス費用を、極力抑えることができる。
【００２０】
本発明に係る燃料電池システムの更なる特徴構成は、前記異物除去手段として、水を流入させる流入口及び流入した水を流出させる流出口を介して前記迂回流路に介装されて、内部空間で水を旋回させて遠心力により異物を分離するサイクロンセパレータが設けられている点にある。
【００２１】
上記特徴構成によれば、流入口から水が流入することにより、内部空間に旋回流が形成され、水に異物が混入していると、異物は水よりも大きな遠心力を受けるので、遠心力の差により、遠心力の小さい水は浄化用循環ポンプによる吸引力により流出口から流出し、遠心力の大きい異物は円筒状部材の内周面に沿って流動することにより、水から異物が除去される。
そして、サイクロンセパレータは、ストレーナ等のように、細かい網目等の部材を通して水を通過させることがないので、圧力損失が大きくなる及び目詰まりを起こし易くなるといった不都合を十分に抑制することができる。
従って、ランニングコストの上昇及びメンテナンス性の低下を一層抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】燃料電池システムの全体構成を示すブロック図
【図２】サイクロンセパレータの異物除去作用を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を説明する。
図１に示すように、燃料電池システムは、電力と熱を発生する燃料電池ユニットＵ１、その燃料電池ユニットＵ１から発生する熱を回収する排熱回収ユニットＵ２、その燃料電池ユニットＵ１で発生する水分を回収して回収水貯留槽１に貯留すると共に、回収水貯留槽１の水を浄化する水回収浄化ユニットＵ３、この燃料電池システムの運転を制御する制御部２、各種情報を表示する表示部３、及び、制御部２に各種制御情報を送信する操作部４等を備えて構成されている。
【００２４】
燃料電池ユニットＵ１は、水素を含有する水素含有ガスが燃料極５ａに供給され、空気（酸素含有ガスの一例）が酸素極５ｃに供給されて発電する燃料電池５と、供給される改質用水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部６と、改質用バーナ７による加熱により水蒸気生成部６にて生成された水蒸気と炭化水素系の原燃料ガス（例えば、１３Ａ等の天然ガスベースの都市ガス）とを改質反応させて、燃料電池５の燃料極５ａに供給する水素含有ガスを生成する改質器８等を備えて構成されている。
【００２５】
排熱回収ユニットＵ２は、給水路９を通して給水され且つ給湯路１０を通して湯水が送出される貯湯槽１１と、当該貯湯槽１１の湯水を排熱回収用循環路１２を通して循環させる湯水循環ポンプ１３と、改質用バーナ７の燃焼排ガス及び燃料電池５の酸素極５ｃから排出された酸素極排ガスのうちの少なくとも一方と貯湯用循環路１２を通流する湯水（排熱回収用熱媒の一例）とを熱交換させる水回収用熱交換器１４等を備えて構成されている。
水回収浄化ユニットＵ３は、水回収用熱交換器１４で発生した凝縮水が水回収路１５を通して供給される前述の回収水貯留槽１と、その回収水貯留槽１の水を浄化用循環路１６を通して循環させる浄化用ポンプ１７と、浄化用循環路１６を通流する水を浄化する水浄化部１８等を備えて構成されている。
【００２６】
そして、回収水貯留槽１の水が、改質用水、酸素極５ｃに供給される空気を加湿するための加湿用水及び燃料極５ａに供給される水素含有ガスを加湿するための加湿用水のうちの少なくとも一つとして再利用されるように構成されている。
【００２７】
本発明では、水回収路１５及び浄化用循環路１６の少なくとも一方を異物除去対象流路Ｌとして、当該異物除去対象流路Ｌに、当該異物除去対象流路Ｌを通流する水中の異物を除去する異物除去ユニットＵ４（異物除去部の一例）が設けられている。
そして、その異物除去ユニットＵ４が、異物除去対象流路Ｌを通流する水中の異物を検出する第１異物センサ５１（異物検出手段、第１異物検出手段の一例）と、異物除去対象流路Ｌにおける第１異物センサ５１の下流側の流路部分に両端が連通接続された迂回流路５２と、当該迂回流路５２に設けられて、当該迂回流路５２を通流する水中の異物を除去する異物除去手段Ｒと、水を迂回流路５２を通さずに通流させる通常通流状態と、水の全量を迂回流路５２を通して通流させる異物除去用通流状態とに切り換え自在な流路切換用四方弁５３（通流状態切換手段の一例）とを備えて構成されている。
そして、第１異物センサ５１により異物が検出されると、流路切換用四方弁５３を異物除去用通流状態に切り換える異物除去用制御手段５４が設けられている。
【００２８】
次に、燃料電池システムの各部について、説明を加える。
先ず、燃料電池ユニットＵ１について、説明を加える。燃料電池５は、周知であるので、詳細な説明及び図示を省略して簡単に説明すると、固体高分子膜を電解質層とするセルの複数が積層状態に設けられた固体高分子型のセルスタックを備え、各セルの燃料極５ａに改質器８から燃料ガス供給路１９を通して水素含有ガスが供給され、各セルの酸素極５ｃに反応用空気ブロア２０から空気供給路２１を通して空気が供給されて、水素と酸素との電気化学反応により発電を行うように構成されている。
【００２９】
セルスタックには、各セルを冷却するように冷却水流路５ｐが備えられ、回収水貯留槽１の水を冷却水として各冷却水流路５ｐを通して循環可能に、冷却水循環路２２が配管されている。
冷却水循環路２２における回収水貯留槽１から燃料電池５に至る送り流路部分２２ｆには、回収水貯留槽１に貯留されている水をセルスタックの各冷却水流路に圧送可能に冷却水循環ポンプ２３が設けられている。
又、冷却水循環路２２における燃料電池５から回収水貯留槽１に至る戻り流路部分２２ｒには、冷却水循環路２２を通流する冷却水から排熱を回収する排熱回収熱交換器２４が設けられている。
【００３０】
改質器８へ原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給路２５には、供給される原燃料ガスを脱硫処理する脱硫器２６が設けられ、更に、その脱硫器２６にて脱硫された脱硫原燃料ガスに水蒸気を混合可能に、水蒸気生成部６にて生成された水蒸気を送出する水蒸気供給路２７がエジェクタ（図示省略）等を介して接続される。そして、改質器８には、脱硫器２６にて脱硫された脱硫原燃料ガスに水蒸気が混合された状態で供給され、改質器８にて、水素を主成分とする水素含有ガスとしての改質ガスが生成される。
更に、改質器８から供給される改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気にて二酸化炭素に変成処理する変成器２８、その変成器２８から供給される改質ガス中の一酸化炭素を別途供給される選択酸化用空気にて選択酸化する一酸化炭素除去器２９が設けられ、一酸化炭素濃度の低い水素含有ガスが、燃料ガス供給路１９を通して燃料電池５の各燃料極５ａに供給されるように構成されている。
【００３１】
燃料電池５の各燃料極５ａから水素が残存した状態で排出される燃料極排ガスが、燃料極排ガス路３０を通してガス燃料として改質用バーナ７に供給される。
図示を省略するが、改質用バーナ７には、燃焼用空気ブロアにより燃焼用空気が供給され、その改質用バーナ７の燃焼排ガスが燃焼排ガス路３１を通して排出される。
水蒸気生成部６は燃焼排ガス路３１に設けられて、その水蒸気生成部６には、回収水貯留槽１に貯留されている水（純水）が改質用水として改質用水ポンプ３２により改質用水供給路３３を通して供給される。そして、水蒸気生成部６は、その改質用水供給路３３を通して供給される改質用水を燃焼排ガス路３１を通流する燃焼排ガスを熱源として加熱して蒸発させるように構成されている。
【００３２】
燃料電池５の電力の出力側には、系統連系用のインバータ３４が設けられ、そのインバータ３４は、発電電力供給ライン３５を介して分電盤３６に接続されている。そして、燃料電池５からの発電電力がインバータ３４により商用電源３７と同じ電圧、周波数に変換されて、分電盤３６を介してテレビ、冷蔵庫、洗濯機などの電力負荷３８に供給される。
【００３３】
次に、排熱回収ユニットＵ２について説明を加える。
貯湯槽１１の槽下部には、水道等の給水源からの水を供給する給水路９が接続され、槽上部には、台所や浴槽等の湯水消費部（図示省略）に湯水を送出する給湯路１０が接続されている。
排熱回収用循環路１２は、貯湯槽１１の槽下部と槽上部とに接続されるように配管され、その排熱回収用循環路１２に、槽下部側から順に水回収用熱交換器１４、排熱回収熱交換器２４が設けられている。
そして、湯水循環ポンプ１３の通流作用により、槽下部から取り出された湯水が、水回収用熱交換器１４、排熱回収用熱交換器２４の順に通流して加熱されながら貯湯槽１１の槽上部に戻される形態で、貯湯槽１１の湯水が排熱回収用循環路１２を通して循環されることになり、貯湯槽１１には温度成層が形成される状態で湯水が貯留される。
【００３４】
次に、水回収浄化ユニットＵ３について説明を加える。
燃焼排ガス路３１を通して改質用バーナ７の燃焼排ガスが水回収用熱交換器１４に供給され、燃料電池５の各空気極５ｃから排出される空気極排ガスも、空気極排ガス路３９を通して水回収用熱交換器１４に供給される。
つまり、この実施形態では、水回収用熱交換器１４において、改質用バーナ７の燃焼排ガス及び燃料電池５の酸素極５ｃから排出された酸素極排ガスの両方と、排熱回収用循環路１２を通流する湯水とを熱交換させて、排熱回収用循環路１２を通流する湯水を加熱すると共に、燃焼排ガスに含まれる水分及び酸素極排ガスに含まれる水分を凝縮させて回収するように構成されている。
【００３５】
浄化用循環路１６は、両端が回収水貯留槽１の底部と回収水貯留槽１の上部に接続される形態で配管され、浄化用ポンプ１７は、回収水貯留槽１から水を取り出して、取り出した水を圧送して回収水貯留槽１に戻すように、浄化用循環路１６に設けられる。
浄化用循環路１６における浄化用ポンプ１７よりも下流側の流路部分に、空気供給路２１を通流する空気を浄化用循環路１６を通流する水により加湿すると共に加熱する空気加湿器４０、及び、前述の水浄化部１８が上流側から順に設けられている。ちなみに、水浄化部１８は、供給される水をイオン交換樹脂により浄化するように構成されている。
【００３６】
つまり、浄化用ポンプ１７により、回収水貯留槽１から取り出された水が圧送されて回収水貯留槽１に戻される形態で、回収水貯留槽１の水が浄化用循環路１６を通して循環されることになる。
又、空気供給路２１を通して、空気が空気加湿器４０により浄化用循環路１６を通流する水（回収水貯留槽１の水）により加湿されると共に加熱されながら、燃料電池５の酸素極５ｃに反応用空気として供給されることになる。
【００３７】
つまり、この実施形態では、回収水貯留槽１の水が、改質用水及び酸素極５ｃに供給される空気を加湿するための加湿用水として再利用されるように構成されていることになる。
【００３８】
次に、異物除去ユニットＵ４について説明を加える。
この実施形態では、浄化用循環路１６が、異物除去対象流路Ｌとされ、異物除去ユニットＵ４が、浄化用循環路１６における水通流方向において回収水貯留槽１よりも下流側で浄化用ポンプ１７よりも上流側（即ち、水浄化部１８よりも上流側の一例）の流路部分に設けられている。
又、迂回流路５２における異物除去手段Ｒよりも下流側の流路部分に、通流する水中の異物を検出する第２異物センサ５５（第２異物検出手段の一例）が設けられている。
【００３９】
流路切換用四方弁５３は、第１〜第４の４個のポートＰ１〜Ｐ４を有し、第１ポートＰ１に浄化用循環路１６における回収水貯留槽１の側（上流側）が接続され、第２ポートＰ２に迂回流路５２の上流端が接続され、第３ポートＰ３に迂回流路５２の下流端が接続され、第４ポートＰ４に浄化用循環路１６における浄化用ポンプ１７の側（下流側）が接続される。
そして、流路切換用四方弁５３は、図１において破線で示すように、第１ポートＰ１と第４ポートＰ４とが連通し且つ第２ポートＰ２と第３ポートＰ３とが連通する状態、即ち、通常通流状態と、図１において実線で示すように、第１ポートＰ１と第２ポートＰ２とが連通し且つ第３ポートＰ３と第４ポートＰ４とが連通する状態、即ち、異物除去用通流状態とに切り換え自在である。
【００４０】
第１異物センサ５１、第２異物センサ５５としては、夫々、投光部（図示省略）と受光部（図示省略）とを備えた透過型光センサが用いられる。つまり、第１異物センサ５１や第２異物センサ５５は、水に異物が混入されていると、異物により投光部からの光が遮光されて、受光部の受光量が変化することに基づいて、異物を検出するように構成されている。
第１異物センサ５１や第２異物センサ５５として用いる透過型光センサとしては、検出可能な異物の最小粒径が例えば１０μｍ程度の性能を有するセンサが用いられる。
【００４１】
図示を省略するが、浄化用循環路１６や迂回流路５２において、第１異物センサ５１や第２異物センサ５５により異物を検出する流路部分は、透明アクリル樹脂等による透明配管が用いられる。そして、透過型光センサで構成される第１異物センサ５１や第２異物センサ５５は、浄化用循環路１６や迂回流路５２の透明配管部分に、流路横断面の略全域を検出可能範囲とするように設けられる。
【００４２】
つまり、浄化用循環路１６を通流する水に異物が混入していても、粒径が１０μｍ程度以上であれば、第１異物センサ５１により検出可能であり、迂回流路５２を通流する水に異物が混入していても、粒径が１０μｍ程度以上であれば、第２異物センサ５５により検出可能である。
【００４３】
ところで、第１異物センサ５１により異物が検出されると、その検出時点から、検出された異物が水と共に浄化用循環路１６を流動して流路切換用四方弁５３に到達するよりも前に、流路切換用四方弁５３が通常通流状態から異物除去用通流状態に切り換えられるようにする必要がある。
そこで、そのように流路切換用四方弁５３が通常通流状態から異物除去用通流状態に切り換えられるようにするために、流路切換用四方弁５３が通常通流状態から異物除去用通流状態に切り換えられるのに要する時間を考慮して、第１異物センサ５１から流路切換用四方弁５３までの流路の長さが設定されている。
【００４４】
図２にも示すように、この実施形態では、異物除去部Ｒとして、水を流入させる流入口５６ｉ及び流入した水を流出させる流出口５６ｅを介して迂回流路５２に介装されて、内部空間で水を旋回させて遠心力により異物を分離するサイクロンセパレータ５６が設けられている。
【００４５】
図１及び図２に基づいて、サイクロンセパレータ５６について説明を加えると、サイクロンセパレータ５６は、一端側が閉塞板５６ｓにて閉じられ、他端側に軸心方向端部側ほど縮径する漏斗状筒部５６ｒを有する円筒状部材５６ｐを備えて構成され、この円筒状部材５６ｐが軸心方向を鉛直方向に沿わせた姿勢で設けられる。
流入口５６ｉは、円筒状部材５６ｐの周壁における閉塞板５６ｓの側の端部に、水の流入方向が接線方向を向くように設けられ、この流入口５６ｉに、迂回流路５２の上流側部分が接続される。又、流出口５６ｅは、閉塞板５６ｓの中心に、水の流出方向が軸心方向に沿うように設けられ、この流出口５６ｅに、迂回流路５２の下流側部分が接続される。
尚、サイクロンセパレータ５６としては、例えば、給水源が水道である場合、一般的な水道圧（例えば、０．２ＭＰａ）の元で、２５μｍの粒径の異物を９９％以上除去可能な性能のものが用いられる。
【００４６】
更に、円筒状部材５６ｐの漏斗状筒部５６ｒの端部には、水から除去された異物を流下させる異物流下路５７が接続され、その異物流下路５７には、流路を開閉自在な手動式の開閉弁５８が設けられ、異物流下路５７の下端には、異物流下路５７を流下した異物を溜める異物溜め部５９が接続されている。
【００４７】
図２に基づいて、サイクロンセパレータ４の異物除去作用について説明する。
流入口５６ｉから接線方向に向けて水Ｗが流入することにより、円筒状部材５６ｐ内に旋回流Ｓが形成される。そして、水Ｗに異物Ｃが混入していると、異物Ｃは水Ｗよりも大きな遠心力を受けるので、遠心力の差により、遠心力の小さい水Ｗは浄化用ポンプ１７による吸引力により流出口５６ｅから流出し、遠心力の大きい異物Ｃは円筒状部材５６ｐの内周面に沿って落下し、異物流下路５７を流下して異物溜め部５９に溜まる。
【００４８】
次に、異物除去用制御手段５４の制御動作について説明する。
図１に示すように、この実施形態では、異物除去用制御手段５４が、制御部２を用いて構成されている。
尚、制御部２は、異物除去用制御手段５４が司る水中の異物を除去するための制御動作の他に、燃料電池ユニットＵ１、排熱回収ユニットＵ２及び水回収浄化ユニットＵ３等の制御を実行するが、これらの制御動作は、公知の制御動作が用いられるので、説明を省略する。
【００４９】
操作部４に備えられた表示部３には、各種情報を文字情報等で表示するディスプレイ３ｄ（出力手段の一例であり、ＬＣＤ等で構成される）、点灯により異常情報を出力する異常ランプ３ｒ（異常出力手段の一例）等が備えられている。
又、操作部４には、燃料電池システムの運転の開始及び停止を指令する運転スイッチ（図示省略）等の操作スイッチ類（図示書略）の他に、制御部２の記憶部２ｍ（記憶手段の一例）に記憶されているメンテナンス情報等を表示部３のディスプレイ３ｄに表示させるのを指令するメンテナンス情報表示スイッチ４ｓが備えられている。ちなみに、メンテナンス情報表示スイッチ４ｓは、メンテナンス要員が操作するものであるので、一般の使用者には操作できない状態で、操作部４に備えられている。
【００５０】
異物除去用制御手段５４は、第１異物センサ５１により異物が検出されない間は、流路切換用四方弁５３を通常通流状態（図１において破線で図示）に維持し、第１異物センサ５１により異物が検出されると、流路切換用四方弁５３を異物除去用通流状態（図１において実線で図示）に切り換えるように構成されている。
更に、異物除去用制御手段５４が、第１異物センサ５１により異物が検出された場合に、その異物検出時点から所定の異物除去判定時間範囲の間に、第２異物センサ５５により異物が検出されなければ、流路切換用四方弁５３を通常通流状態に切り換えるように構成されている。
【００５１】
異物除去判定時間範囲は、異物がサイクロンセパレータ５６にて除去されずに流動すると仮定したときに、異物が浄化用循環路１６における第１異物センサ５１の設置個所から、流路切換用四方弁５３及びサイクロンセパレータ５６を通過して、迂回流路５２における第２異物センサ５５の設置個所にまで流動するのに要する時間を含む時間範囲に設定されている。
【００５２】
異物除去判定時間範囲は、例えば２〜１０秒程度の時間範囲のように、極めて短い時間の範囲に設定される。
つまり、異物除去部Ｒ（本実施形態ではサイクロンセパレータ５６）には、圧力損失を大きくするものや、目詰まりを起こし易いようなものもあるが、そのような異物除去部Ｒを通過させて水を通流させる時間は、十分に短くて済む。従って、圧力損失が大きくなることや目詰まりが起こり易いことに起因するランニングコストの上昇やメンテナンス性の低下を抑制しながら、浄化用循環路１６を通流する水に混入した異物に起因する浄化用ポンプ１７や水浄化部１８のトラブルを十分に防止することができる。
しかも、本実施形態では、異物除去部Ｒとして、圧力損失が大きくなることや、目詰まりを起こし易くなるのを十分に抑制し得るサイクロンセパレータ５６を用いるので、ランニングコストの上昇及びメンテナンス性の低下を更に抑制することができる。
【００５３】
又、異物除去用制御手段５４は、第２異物センサ５５により異物が検出されると、その検出時期を含む異物検出情報を記憶部２ｍに記憶させるように構成されている。
又、異物除去用制御手段５４は、第２異物センサ５５により異物が検出された場合は、異常ランプ３ｒを点灯させることにより、異常情報を出力するように構成されている。
更に、異物除去用制御手段５４は、メンテナンス情報表示スイッチ４５ｓが操作されて、メンテナンス情報の表示が指令されると、記憶部２ｍに記憶している異物検出情報をディスプレイ３ｄに表示するように構成されている。
【００５４】
使用者は、異常ランプ３ｒが点灯すると、燃料電池システムのメーカーや販売店等に、メンテナンスを依頼することになる。
派遣されたメンテナンス要員は、メンテナンス情報表示スイッチ４ｓを操作することになる。そして、ディスプレイ３ｄに異物検出情報が表示されると、水に混入した異物がサイクロンセパレータ５６で除去されなかったことが分り、異常の原因が水に混入した異物であると推定することができる。そこで、メンテナンス要員は、浄化用循環ポンプ１７等、水に混入した異物が影響を与えると考えられる部材の点検、修理を行うことができる。
又、その際、開閉弁５８を閉じて、異物溜め部５９の蓋（図示省略）を開けて、異物溜め部５９に溜まっている異物を廃棄することができる。
【００５５】
〔別実施形態〕
（Ａ）異物除去ユニットＵ４の設置位置は、上記の実施形態で例示した位置に限定されるものではない。
例えば、上記の実施形態のように、浄化用循環路１６を異物除去対象流路Ｌとする場合、異物除去ユニットＵ４の設置位置は、浄化用循環路１６における水通流方向において、浄化用ポンプ１７と水浄化部１８との間の流路部分（水浄化部１８よりも上流側の一例）や、水浄化部１８と回収水貯留槽１との間の流路部分でも良い。
又、水回収路１５を異物除去対象流路Ｌとして、この水回収路１５に異物除去ユニットＵ４を設けても良い。又、水回収路１５及び浄化用循環路１６の両方を異物除去対象流路Ｌとして、水回収路１５及び浄化用循環路１６の夫々に異物除去ユニットＵ４を設けても良い。
【００５６】
（Ｂ）上記の実施形態では、回収水貯留槽１の水を、改質用水及び酸素極５ｃに供給される空気を加湿するための加湿用水として再利用されるように構成したが、改質用水及び酸素極５ｃに供給される空気を加湿するための加湿用水のうちのいずれか一方として再利用するように構成しても良い。
又、回収水貯留槽１の水を、改質用水及び酸素極５ｃに供給される空気を加湿するための加湿用水に加えて、燃料極５ａに供給される水素含有ガスを加湿するための加湿用水としても再利用するように構成しても良い。
この場合は、例えば、浄化用循環路１６における浄化用ポンプ１７よりも下流側の流路部分に、燃料ガス供給路１９を通流する水素含有ガスを浄化用循環路１６を通流する水により加湿すると共に加熱する燃料ガス加湿器を設ける。
【００５７】
（Ｃ）上記の実施形態では、水回収用熱交換器１４に改質用バーナ７の燃焼排ガス及び酸素極５ｃから排出された酸素極排ガスの両方を加熱源として供給して、両方から水分を回収するように構成したが、改質用バーナ７の燃焼排ガス及び酸素極５ｃからの酸素極排ガスのいずれか一方を供給して、いずれか一方から水分を回収するように構成しても良い。
【００５８】
（Ｄ）第１異物センサ５１の異物検出情報も制御部２の記憶部２ｍに記憶させるように構成し、メンテナンス情報表示スイッチ４ｓが操作されると、記憶部２ｍに記憶されている第１異物センサ５１の異物検出情報もディスプレイ３ｄに表示するように構成しても良い。
【００５９】
（Ｅ）異物除去部Ｒの具体例としては、上記の実施形態で例示したサイクロンセパレータ５６に限定されるものではない。例えば、ストレーナでも良い。ちなみに、異物除去部Ｒとして設けるストレーナは、除去可能な異物の最小粒径が、例えば２５μｍ程度のものを用いる。
【００６０】
尚、上記の実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、又、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
以上説明したように、耐久性を向上し得る燃料電池システムを提供することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１      回収水貯留槽
２ｍ    記憶部（記憶手段）
３ｄ    ディスプレイ（出力手段）
３ｒ    異常ランプ（異常出力手段）
５      燃料電池
５ａ    燃料極
５ｃ    酸素極
６      水蒸気生成部
７      改質用バーナ
８      改質器
１４    水回収用熱交換器
１５    水回収路
１６    浄化用循環路
１７    浄化用ポンプ
１８    水浄化部
５１    第１異物センサ（異物検出手段、第１異物検出手段）
５２    迂回流路
５３    流路切換用四方弁（通流状態切換手段）
５４    異物除去用制御手段
５５    第２異物センサ（第２異物検出手段）
５６    サイクロンセパレータ
５６ｅ  流出口
５６ｉ  流入口
Ｌ      異物除去対象流路
Ｒ      異物除去手段
Ｕ４    異物除去ユニット（異物除去部）
【図１】
2018170225.tif 000003
【図２】
2018170225.tif 000004