(57)【要約】【課題】燃料電池システムの水路管のつまりを引き起こすものは雑菌によって生成された固形物が原因であるので、殺菌だけでは水路管の詰まりを抑制することは困難となる。【解決手段】雑菌によって生成された固形物を燃料電池システム１００外へ排出する構成であって、貯水部９の底部最深部近傍に設けられた排水口９ｄから所定の時期に前記排水装置１２により前記貯水部９の水をすべて排水した後、前記水道水供給装置１３により前記貯水部９に水道水を供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と空気を用いて発電する燃料電池と、燃焼の熱を利用して水と燃料から前記燃料電池に供給する水素を製造する改質器と、前記燃料電池の排ガスまたは前記改質器の燃焼排ガス中の水分を凝縮させて回収した凝縮水を貯留する貯水部と、前記貯水部の底部最深部近傍に設けられた排水口から前記貯水部の水を排水するための排水装置と、前記貯水部に水道水を供給するための水道水供給装置と、前記排水装置と前記水道水供給装置を制御する制御手段とを備え、前記貯水部の凝縮水を浄化して前記燃料電池の冷却水と前記改質器で使う水に利用する燃料電池システムであって、前記制御手段は、所定の時期に前記排水装置により前記貯水部の水をすべて排水した後、前記水道水供給装置により前記貯水部に水道水を供給し、前記貯水部に所定の水道水をためる燃料電池システム。
【請求項２】
前記貯水部において排水と貯水を複数回繰り返す請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水道水供給装置からの水道水を噴射させて前記貯水部の中を洗浄した後、前記貯水部に所定量の水道水をためる請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記貯水部において排水と洗浄と貯水を複数回繰り返す請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記貯水部の凝縮水を浄化する前に通過させる菌フィルターを前記貯水部の内に備え、水道水の一部が前記菌フィルターに噴射される請求項３または請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記菌フィルターに近接した前記貯水部の底面が前記排水口に向って傾斜している請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記菌フィルターを振動させる振動手段を備えた請求項５または請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
一時的に、前記貯水部の水の代わりに、前記燃料電池の冷却水の一部を浄化して前記燃料電池の冷却水と前記改質器で使う水に利用できるよう構成した請求項１から７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、一般家庭や事業所などの敷地に設置する定置用コージェネレーションシステムに使用される燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、少なくとも炭素及び水素で構成される有機化合物と水とを利用して発電する燃料電池システムに関し、特に、水の腐敗の進行を効果的に抑制することが可能な燃料電池システムに関する。
【０００３】
従来から、高効率な小規模発電が可能である燃料電池システムは、発電の際に発生する熱エネルギーを利用するためのシステムの構築が容易であるため、高いエネルギー利用効率を実現可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。
【０００４】
燃料電池システムは、その発電部の本体として、燃料電池を備えている。この燃料電池では、発電のための燃料として、通常、水素（水素ガス）が用いられる。
【０００５】
燃料電池システムには、発電に必要となる水素を生成するための改質器が設けられている。この改質器では、所定の改質反応によって天然ガス等の化石燃料が改質され、これにより、化石燃料から水素が生成され、この水素が発電のための燃料として燃料電池に供給される。
【０００６】
改質器で水素を生成するために用いられる改質反応としては、一般的に、水蒸気改質反応が用いられている。この水蒸気改質反応では、水蒸気を用いて化石燃料を改質することにより、その化石燃料から水素が生成される。そのため、燃料電池システムの発電運転の際、改質器には、水蒸気を発生させるための水が供給される。つまり、燃料電池システムを用いて所定の電力を得るためには、その燃料電池システムの設置場所において水の供給源を確保することが必要不可欠となる。
【０００７】
通常、燃料電池システムへ水を供給するための水の供給手段としては、水道が好適に用いられる。ここで、水の供給手段として水道が用いられる場合には、その水道により供給される水からカルシウムや塩素等の成分を十分に除去する必要がある。その理由は、カルシウムや塩素等の成分を含む水を供給すると、カルシウムの堆積や塩素による配管の腐食等により、燃料電池システムの性能が経時的に劣化するからである。そのため、水道により供給される水からカルシウムや塩素等の成分を除去するために、イオン交換樹脂等を備えるイオン交換樹脂フィルターが設けられている。
【０００８】
ところで、イオン交換樹脂等を備えるイオン交換樹脂フィルターによれば、水に含まれるカルシウムや塩素等の成分を十分に除去でき、使用時間に応じて、イオン交換樹脂フィルターを交換するメンテナンスを行う。
【０００９】
そのため、従来の燃料電池システムでは、燃料電池で発電に伴って生成する水等を回収して利用する水の自立供給によりメンテナンス間隔の長期化をはかっている。
【００１０】
しかしながら、燃料電池システムの内部で回収した水は、塩素等の殺菌成分を含まない一方で、雑菌とそれらが必要とする養分（例えば、有機物等）を含んだ状態で回収されるため、経時的に水の腐敗が進行する可能性が高い。そして、水の腐敗が進行した場合には、水を回収するための水回収装置や、水を供給するための配管の内部に流路閉塞の障害が
発生し、水の供給に支障が発生することがある。
【００１１】
そこで、燃料電池システムの内部の水の腐敗を抑制するための手段として、様々な提案なされている。
【００１２】
例えば、燃料電池の燃料極または空気極から送出される排出ガス中の水蒸気を少なくとも凝縮して回収水として回収する凝縮器と、凝縮器から供給される回収水を導入する導入口を設けた導入部と、この導入部に一端が接続され内部に回収水を純水化するイオン交換樹脂が充填される充填部を有する通路と、この通路の他端に接続され同通路を通過して純水化された回収水を導出する導出口を設けた導出部とからなる純水器とを少なくとも有する回収水系を備えた燃料電池システムにおいて、回収水系に水道水を定期的に供給する水道水供給手段をさらに備え、燃料電池システムの稼動中においては、回収水系上であって目詰まりが生じて液体の流れが遅くなる部位に雑菌が繁殖するおそれがあるが、水道水供給手段によって水道水が定期的に供給されるので、水道水中の塩素によって繁殖した雑菌を定期的に殺菌することができる（例えば、特許文献１参照）。
【００１３】
また、特許文献１と同様な燃料電池システムとして、燃料電池および燃料改質装置の排ガス中の水蒸気を凝縮して回収し，これに水道水を添加した混合水として貯留する生成水回収系統と、生成水回収系統の混合水を循環させる混合水循環系と、混合水を純水に変換して冷却水循環系統に供給する水処理系統とを備えたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【００１４】
このシステムにおいては、混合水循環系に抗菌性フィルターを設けるとともに、水処理系統の純水装置の上流側にも抗菌性フィルターを設けた。したがって、抗菌性フィルターを通過した混合水はその雑菌量が徐々に低減され、雑菌量が低減された混合水が水処理系統に安定して供給される。また、水処理系統に供給された混合水は抗菌性フィルターにより再び微生物がろ過されるとともに、混合水に含まれる他の不純物の吸着ろ過も行われるので、イオン交換式純水装置に供給される混合水はその微生物量および不純物量が大幅に低減された状態となり、高度に浄化された純水が冷却水循環系に補給される。
【００１５】
叉、特許文献２に記載されている水処理系統の純水装置の上流側に設けられた抗菌性フィルターの代わりに紫外線殺菌装置が設けられているものも知られている（例えば、特許文献３参照）。
【００１６】
このシステムによっても、混合水中の微生物を紫外線の照射により殺菌するので、混合水中に残存する雑菌が紫外線によって殺菌され、殆ど無菌状態に近い混合水がイオン交換式純水装置に供給される。なお、上述した各特許文献においては、いずれの場合も生成水回収塔内の回収水が所定量より減った場合に水道水の供給によって補給されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００５−２７６６２１号公報
【特許文献２】特開平０９−０６３６１１号公報
【特許文献３】特開平０９−０６３６１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
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は、回収水タンクに貯水されている回収水中の雑菌の繁殖を抑制するために、回収水系に水道水を定期的に供給
する水道水供給手段をさらに備え、燃料電池システムの稼動中においては、回収水系上であって目詰まりが生じて液体の流れが遅くなる部位に雑菌が繁殖するおそれがあるが、水道水供給手段によって水道水が定期的に供給されるので、水道水中の残留塩素分によって繁殖した雑菌を定期的に殺菌するがいったん雑菌によって固形物が生成されると配管の詰まりを引き起こす懸念がある。
【００１９】
また、上述した特許文献２に記載されている燃料電池システムにおいても、生成水回収系統の混合水を循環させる混合水循環系を設け、混合水循環系に抗菌性フィルターを設けるとともに、水処理系統の純水装置の上流側にも抗菌性フィルターを設けることにより、微生物の繁殖を抑えることはできるが、前述と同様に雑菌によって生成された固形物が残る問題があった。
【００２０】
また、上述した特許文献３に記載されている燃料電池システムにおいても、生成水回収系統の混合水を循環させる混合水循環系を設け、混合水循環系に抗菌性フィルターを設けるとともに、水処理系統の純水装置の上流側にも紫外線殺菌装置を設けて雑菌の繁殖を抑えることはできる。しかし前述と同様に雑菌によって生成された固形物が配管を詰まらす問題があった。
【００２１】
いずれの従来例においても殺菌作用により雑菌の増殖を抑えるものである。
【００２２】
しかし、水路管のつまりを引き起こすものは雑菌によって生成された固形物が原因であるので燃料電池システム設置後は継続的殺菌効果が要求される。たとえば運転が長期で中断した場合は雑菌による固形物の生成後に殺菌しても配管の詰まりを抑制することは困難となる。
【００２３】
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、回収水中の雑菌及び雑菌によって生成された固形物を燃料電池システム外へ排出するもので、貯水部の底部最深部近傍に設けられた排水口から所定の時期に前記排水装置により前記貯水部の水をすべて排水した後、前記水道水供給装置により前記凝貯水部に水道水を供給し、前記貯水部に所定の水道水をため、殺菌が完全に行われなくとも貯水部には雑菌のいない水で満たされるので長期運転が実現できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、貯水部の底部最深部近傍に設けられた排水口から所定の時期に前記排水装置により前記貯水部の水をすべて排水した後、前記水道水供給装置により前記貯水部に水道水を供給し、前記貯水部に所定の水道水をためることにより、貯水部内の雑菌とともに雑菌によって発生した水路管のつまりの原因となる固形物を燃料電池システムの外に排出することによりシステムの安定した運転を行うことが出来る。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の燃料電池システムは、貯水部内の雑菌とともに雑菌によって発生した水路管のつまりの原因となる固形物を燃料電池システムの外に排出することによりシステムの安定した運転を行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの貯水部を示す縦断面図
【図３】本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの貯水部を示す縦断面図
【図４】本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの貯水部を示す縦断面図
【図５】本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの貯水部を示す縦断面図
【図６】本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
第１の発明は、水素と空気を用いて発電する燃料電池と、燃焼の熱を利用して水と燃料から前記燃料電池に供給する水素を製造する改質器と、前記燃料電池の排ガスまたは前記改質器の燃焼排ガス中の水分を凝縮させて回収した凝縮水を貯留する貯水部と、前記貯水部の底部最深部近傍に設けられた排水口から前記貯水部の水を排水するための排水装置と、前記貯水部に水道水を供給するための水道水供給装置と、前記排水装置と前記水道水供給装置を制御する制御手段とを備え、前記貯水部の凝縮水を浄化して前記燃料電池の冷却水と前記改質器で使う水に利用する燃料電池システムであって、前記制御手段は、所定の時期に前記排水装置により前記貯水部の水をすべて排水した後、前記水道水供給装置により前記貯水部に水道水を供給し、前記貯水部に所定の水道水をためるものである。
【００２８】
第２の発明は、特に、第１の発明において、貯水部の水を排水と水道水の供給を繰り返すことによって雑菌によって発生した固形物の排出をより確実に行える。
【００２９】
第３の発明は、特に、第１の発明において、貯水部に水道水を噴射させることにより貯水部内を洗浄することが出来雑菌及び雑菌によって生成された固形物の排出をより確実に行える。
【００３０】
第４の発明は、特に、第１の発明において、貯水部に水道水を噴射させ貯水部の洗浄と洗浄水の排水を繰り返すことにより貯水部内を洗浄効果を高め貯水部の壁面に付着した雑菌及び雑菌によって生成された固形物の排出をより確実に行える。
【００３１】
第５の発明は、特に、第３または４の発明において、貯水部内の凝縮水を浄化する前に通過させる菌フィルターを前記貯水部内に備え水道水の一部が噴射され貯水部から供給される水中の固形物などをろ過する菌フィルターの洗浄を行い目詰まりを防ぐ。
【００３２】
第６の発明は、特に、第５の発明において、貯水部の底面が排水口に向って傾斜しているので雑菌や雑菌によって生成された固形物は前記傾斜に沿って排水口に向かって流れ、排出が容易となり貯水部内に雑菌、雑菌によって生成された固形物が残らない。
【００３３】
第７の発明は、特に、第５または６の発明において、前記菌フィルターを振動させる振動手段を設け、貯水部内の水の排水、注水と合わせて菌フィルターを振動させれば菌フィルターにこびりついた菌、及び雑菌によって生成された固形物を振り落とすことが出来るので貯水部の洗浄効果をあげることが出来る。
【００３４】
第８の発明は、特に、第１〜７のいずれか１つの発明の、貯水部の水の代わりに、燃料電池の冷却水の一部を前記燃料電池の冷却水を浄化して前記燃料電池の冷却水と前記水素製造装置で使う水に利用できる構成にしているので、塩素を含まない冷却水の利用でイオン交換樹脂フィルターへの負荷が低減できてメンテナンスの間隔を長く出来る。
【００３５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３６】
（実施の形態１）
先ず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しな
がら詳細に説明する。
【００３７】
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図１において、燃料電池システムを構成する各構成要素の間の実線は配管を示しており、それらの実線上に記される矢印は、配管内に流れる水や改質ガス等の通常時における流動方向を示している。
【００３８】
図１に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、改質器１を備えている。この改質器１は、天然ガス、ＬＰＧ等の炭化水素系成分、メタノール等のアルコール、或いは、ナフサ成分等に例示される少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料と水蒸気とが用いられる改質反応を主に進行させ、この改質反応により水素を豊富に含む改質ガスを生成する。ここで、この改質器１は、図１では特に図示しないが、上述した改質反応を進行させるための改質部と、この改質部から排出される改質ガス中の一酸化炭素を低減するための一酸化炭素変成部（以下、単に変成部という）及び一酸化炭素除去部（以下、単に浄化部という）とを備えている。尚、改質部は、改質反応を進行させるための改質触媒と、改質反応を進行させるために必要な熱を供給するための、原料の一部を燃焼させる、或いは改質ガスの供給先（即ち、燃料電池）から戻されるオフガス（余剰の改質ガス、又はオフ水素ガス）を燃焼させる火炎バーナーと、燃焼空気供給用のシロッコファン２ａとを備えている。又、変成部は、改質部から排出される改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを反応させるための変成触媒を備えている。又、浄化部は、変成部から排出される改質ガス中の一酸化炭素を酸化或いはメタン化させるためのＣＯ除去触媒を備えている。これらの変成部及び浄化部は、改質ガスに含まれる一酸化炭素を効果的に低減するために、それぞれの化学反応に適した温度条件の下、各々運転される。尚、ここでは、改質器１の内部における上述した改質部及び変成部及び浄化部以外の構成に関する詳細な説明は省略する。
【００３９】
又、図１に示すように、この燃料電池システム１００は、原料供給装置２を備えている。この原料供給装置２は、上述した改質器１に向けて、水素を生成するために用いる天然ガス等の原料を供給する。本実施の形態では、この原料供給装置２を、原料としての天然ガスを天然ガスのインフラストラクチャーから供給する構成としている。尚、本実施の形態では、水素を生成するための原料として天然ガスを用いる形態について説明しているが、この形態に限定されることはなく、上述したように、ＬＰＧ等の炭化水素系成分、メタノール等のアルコール、或いは、ナフサ成分等に例示される少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料であれば、如何なる原料を用いてもよい。例えば、原料としてＬＰＧが用いられる場合には、原料供給装置２にはＬＰＧタンクが配設される。
【００４０】
又、この燃料電池システム１００は、水供給装置３を備えている。この水供給装置３は、上述した改質器１や後述する冷却装置７に向けて、改質反応に用いられる水蒸気を生成するための水や、後述する燃料電池５を冷却するための水を供給する。ここで、本実施の形態では、この水供給装置３はプランジャーポンプを備えている。そして、このプランジャーポンプの動作により、改質器１及び冷却装置７に向けて水を送出する。又、この水供給装置３から送出される水は、図１に示すように、イオン交換樹脂フィルター１１によって浄化された後、水供給弁３ａを経由して、水素生成水供給経路３ｂ及び冷却水補給経路３ｃを介して改質器１及び冷却装置７に各々供給される。ここで、イオン交換樹脂フィルター１１は活性炭とイオン交換樹脂とを備えている。尚、イオン交換樹脂フィルター１１に用いる不純物除去部材としては、活性炭及びイオン交換樹脂に限定されることはなく、水中のイオンや有機物等の不純物が除去可能な不純物除去部材であれば、ゼオライト、セラミック等の如何なる不純物除去部材を用いても構わない。
【００４１】
尚、水供給装置３は、例えば、小型の貯水タンクと給水ポンプとを備えている。本実施
の形態では、水供給弁３ａで改質器１と冷却装置７とに向けて水を分配しかつ供給するため、の給水ポンプが小型の貯水タンクに設けられている。そして、水供給装置３から供給される水が水供給弁３ａの動作が適宜制御されることにより、改質器１及び冷却装置７の各々に適切に供給される。
【００４２】
又、この燃料電池システム１００は、その発電部の本体としての燃料電池５を備えている。この燃料電池５は、改質器１から排出されて燃料電池５のアノード側（燃料極側）に供給される水素を豊富に含む改質ガスと、後述するブロアー６によって吸入されて燃料電池５のカソード側（空気極側）に供給される空気とを用いて、所定の電力を出力するべく発電を行う。ここで、本実施の形態では、燃料電池５は、固体高分子型の燃料電池発電部を備えている。そして、燃料電池５は、そのカソード側に供給される空気が、燃料電池５の内部で発電のために使用した後の排気空気等が有する水分を利用して加湿される構成とされている。更に、この燃料電池５では、そのカソード側に供給される空気の加湿度が不足する場合には、冷却装置７に貯えられている冷却水の一部を燃料電池５の内部で蒸発させることにより、前記加湿度が適切な加湿度になるように調整される。
【００４３】
尚、図１に示すように、改質器１において生成される改質ガスは、水素供給経路４ａを介して燃料電池５のアノード側に供給される。又、燃料電池５から排出される、発電に用いられなかった余剰の改質ガスは、オフ水素ガス経路４ｂを介して改質器１に戻される。このオフ水素ガス経路４ｂを介して改質器１に戻される余剰の改質ガスは、改質部における火炎バーナーに供給され、この火炎バーナーにおいて改質反応を進行させるために燃焼される。又、この燃料電池５の構成は、一般的な燃料電池発電部の構成と同様であるため、ここでは更なる内部構成に関する詳細な説明は省略する。
【００４４】
又、この燃料電池システム１００は、ブロアー６を備えている。このブロアー６は、大気を吸入することにより、燃料電池５のカソード側に空気を供給する。
【００４５】
又、この燃料電池システム１００は、冷却装置７を備えている。この冷却装置７は、本実施の形態では、冷却水を貯えるための小型の貯水タンクと、冷却水を循環させるための給水ポンプとを備えている。この冷却装置７は、発電中に発熱する燃料電池５を冷却するために、燃料電池５の内部に形成されている図１では特に図示しない冷却水用流路に貯水タンク内の冷却水を給水ポンプにより循環させる。この冷却水の循環により、冷却装置７は、燃料電池５において発電時に発生する熱を回収して、これにより燃料電池５を冷却する。又、冷却装置７は、その回収する熱を用いて外部から供給される水を加熱することにより、給湯等の目的のためにも利用できるように構成されている。尚、本実施の形態では、上述したように、水供給弁３ａからは水素生成水供給経路３ｂとは別に冷却水補給経路３ｃが冷却装置７に向けて延出しており、この冷却水補給経路３ｃによって水供給装置３から冷却装置７に向けて冷却水の補充が行える構成とされている。
【００４６】
又、この燃料電池システム１００は、水回収部８を備えている。この水回収部８は、燃料電池５のカソード側及び水素生成部１から排出される排空気、及び改質器１の内部の改質加熱部における燃焼排ガスの各々から、凝縮によって水分を回収する。この水回収部８は、本実施の形態では、凝縮器を備えている。この凝縮器では空冷ファンを用いる凝縮機構が構成されており、この凝縮機構によって排空気及び燃焼排ガスの各々から水分が回収される。尚、この水回収部８の構成は、燃料電池システムで一般的に用いられる水回収部の構成と同様であるため、ここではその内部構成に関する更なる詳細な説明は省略する。
【００４７】
又、この燃料電池システム１００は、貯水部９を備えている。この貯水部９には、水回収部８において回収された水が供給される。そして、この貯水部９は、その水回収部８から供給される水を貯える。そのため、この貯水部９は、貯水タンクを備えている。そして
、図１に示すように、この貯水タンクの上部には貯水量を検出するための例えばフロート式の水位センサー９ａが設けられており、この水位センサー９ａの出力信号に基づいて、貯水部９における貯水量が制御される。又、図１に示すように、この貯水部９と水回収部８及び水供給装置３とが所定の配管により各々接続されている。これにより、燃料電池システム１００において、水の自立供給形態が構築されている。この水の自立供給形態により、燃料電池システム１００では、貯水部９に貯えられた水が水供給装置３により取り出され、その取り出された水が、水を使用する箇所の各々に供給される。ここで、水を使用する箇所としては、上述した改質器１及び冷却装置７のみならず、燃料電池５に供給される改質ガス又は空気を加湿するための図１では特に図示しない加湿手段等も挙げられる。
【００４８】
尚、図１に示すように、所定の配管を介して、貯水部９と水道水供給装置１３とが接続されている。本実施の形態では、水道水供給装置１３は、所定の配管を介して水道に接続されている。又、図１に示すように、所定の配管を介して、貯水部９と排出装置１２とが接続されている。この排出装置１２は、例えば、電磁弁等の開閉弁によって構成されている。この排出装置１２を介して、貯水部９に貯えられている水が必要に応じて燃料電池システム１００の外部に廃棄される。
【００４９】
又、本実施の形態では、貯水部９にのみ水位センサー９ａが設けられているが、冷却装置７等の、水量の管理が必要となり得る構成要素に対しても、必要に応じて水位センサーが設けられる。そして、必要に応じて、冷却装置７等においても、水位センサーによって水位を管理することにより、それらに貯えられる水の量を管理する。
【００５０】
又、この燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００を構成する各構成要素の動作を適宜制御するための制御部１０１を備えている。この制御部１０１は、例えば、図１では特に図示しないが、記憶部、中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を備えている。尚、燃料電池システム１００の各構成要素の動作に係るプログラムは予め制御部１０１の記憶部に記憶されており、この記憶部に記憶されているプログラムに基づいて、制御部１０１が燃料電池システム１００の動作を適宜制御する。
【００５１】
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００５２】
燃料電池システム１００は、制御部１０１の制御によって以下の動作を行う。ここで、本明細書において、燃料電池システム１００の発電運転とは、発電運転の開始動作（起動モード）と、これに続く定常的な発電運転（発電モード）と、これに続く発電運転の終了動作（停止モード）とを含む動作をいう。そして、発電運転の開始動作（起動モード）とは、燃料電池システム１００を発電運転のために安定して立ち上げるための動作をいう。又、発電運転の終了動作とは、燃料電池システム１００を発電運転から安定して停止させるための動作をいう。
【００５３】
先ず、図１に示す燃料電池システム１００の発電運転を開始する際には、燃料電池５の発電運転に必要となる水素を豊富に含む改質ガスを生成するために、改質器１を作動させる。具体的には、水素を生成するための原料となる天然ガスを、原料供給装置２から改質器１の改質部に供給する。又、改質反応を進行させるための水蒸気を生成するために、水供給装置３を作動させて、貯水部９から改質器１に水を供給する。この際、貯水部９に貯えられている水は、水供給装置３の動作によりイオン交換樹脂フィルター１１を通過して水供給弁３ａに供給され、この水供給弁３ａにおいて供給量が制御され改質器１に供給される。
【００５４】
又、この際、改質反応を進行させるために、改質器１に設けられている改質触媒を、火
炎バーナーにおいてオフ水素ガスを燃焼させて発生する熱により加熱する。又、このオフ水素ガスの燃焼のために、燃焼空気供給用のシロッコファンから火炎バーナーに空気を供給する。これにより、改質器１の改質部は、水蒸気改質反応によって水素を豊富に含む改質ガスを生成する。尚、この改質器１の改質部で生成される改質ガスは、その後、変成部及び浄化部に供給される。そして、この変成部及び浄化部において、改質ガスに含まれる一酸化炭素が効果的に低減及び除去される。そして、変成部及び浄化部において一酸化炭素が効果的に低減及び除去された改質ガスは、燃料電池５が有するアノード側に供給される。
【００５５】
水素生成部１から燃料電池発電部５の燃料電池のアノード側に水素を豊富に含む改質ガスが供給されると共に、ブロアー６からそのカソード側に空気が供給されると、燃料電池５では、そのアノード側及びカソード側に供給される改質ガス及び空気が用いられて、所定の電力を出力するべく発電が行われる。尚、発電に用いられなかった余剰の改質ガスは、燃料電池５のアノード側から排出された後、改質器１に戻される。そして、この改質器１が有する火炎バーナーに供給され、この火炎バーナーにおいて改質反応を進行させるために燃焼される。又、後述するように、燃料電池５のカソード側から排出される排空気は、その水分を回収するために水回収部８に供給される。
【００５６】
この発電運転の際、燃料電池５は、発電のための電気化学反応によって発熱する。この燃料電池５で発生する熱は、冷却装置７が有する貯水タンク内の冷却水が燃料電池５の内部に形成されている冷却水用配管に循環されることにより回収される。尚、この冷却装置７により回収された熱は、例えば、給湯等の目的のために利用される。又、本実施の形態では、上述したように、水供給制御部３ａから冷却水補給経路３ｃが冷却装置７に向けて延出しており、この冷却水補給経路３ｃによって水供給装置３から冷却水の補充が行われる。
【００５７】
又、この発電運転の際、燃料電池５からは、発電に伴って生成した水を含む排空気が排出される。又、改質器１からは、水分を含む燃焼排ガスが排出される。これらの排空気及び燃焼排ガスは水回収部８に供給され、この水回収部８においてその水分が回収される。つまり、水回収部８は、排空気及び燃焼排ガスに含まれる水を凝縮することにより回収する。そして、この水回収部８は、排空気及び燃焼排ガスから回収した水を、貯水部９に送出する。
【００５８】
水回収部８から貯水部９に送出された水は、水供給装置３の動作によってイオン交換樹脂フィルター１１に供給される。そして、イオン交換樹脂フィルター１１の活性炭及びイオン交換樹脂が有する浄水機能によって、水中の不純物が除去される。不純物が除去された水は、その後、水供給弁３ａにおいて供給量が制御され、改質器１及び冷却装置７に供給される。このように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、上述した水回収部８によって回収した水を貯水部９に貯えることにより、通常は、改質器１や冷却装置７で使用する水を外部より補充することなく、連続して発電動作が行われる。尚、何らかの原因により燃料電池システム１００において水位センサー９ａにより水の過不足が検出された場合には、水道水供給装置１３からの市水の取り入れ、又は、排出装置１２からの水の廃棄が行われる。これにより、貯水部９における貯水量が適切に制御される。
【００５９】
上述したように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００の基本的な発電動作は、従来の燃料電池システムの発電動作と同様である。即ち、従来の燃料電池システムの場合と同様にして、本実施の形態に示す燃料電池システム１００においても、その内部で回収した水を利用する水の自立供給形態において発電運転が行われる。
【００６０】
このように、水の自立供給形態が採られる燃料電池システム１００では、その内部で回
収した回収水はカルシウムや金属イオン等の不純物が殆ど含まないため、水浄化部１１で用いられる活性炭１１ａ及びイオン交換樹脂１１ｂ等の構成部材の使用寿命が比較的長寿命になることが見込まれる。しかしながら、水回収部８により回収した水は塩素成分等の殺菌成分を含まず、その一方で、カソード側から排出される排空気は雑菌及びそれらが必要とする養分（有機物）を含んでいるので、回収した水は後に腐敗する可能性が高い。ここで、回収した水の腐敗が進行した場合には、水を回収又は供給するための配管等の内部に流路閉塞又は流路狭窄等が生じて水の回収又は供給に支障が生じ、これにより燃料電池システム１００を正常に発電運転させることが困難になる場合がある。尚、この回収した水の腐敗が進行することを防止するための方法としては、水道水の塩素や紫外線を用いて回収した水に含まれる雑菌等を殺菌する方法が提案されているが、この提案は雑菌等を１００％殺菌できる提案ではなく、水中には必ず雑菌が存在する。又、水を大量に貯える貯水部９は雑菌の繁殖場所となり易く、特に、発電運転の停止時には水の動きがないため、雑菌の繁殖が非常に進行し易くなる場合が多い。この場合、水を供給する水供装置３に流路閉塞による供給圧損等の問題が生じ、これにより改質器１及び燃料電池５等に対して必要な量の水が供給できなくなる場合がある。これは、燃料電池システム１００の正常動作に対して大きな支障をきたすことになる。
【００６１】
そこで、本実施の形態では、制御部１０１が燃料電池システム１００の発電運転の停止時に、排出装置１２を構成する電磁弁等を制御してこれを所定時間開放することにより、貯水部９に貯えられている水（即ち、雑菌と雑菌が繁殖するに有用の養分を含む腐敗が進行する可能性の高い水及び雑菌により生成された固形物を含む水）を排水口１２から廃棄する。廃棄した水の量に相当する量の水を補充するために、制御部１０１が水道水供給装置１３を制御することにより、水道水を貯水部９に供給する。このように、本実施の形態では、貯水部９からの水の廃棄と水道水供給装置１３から貯水部９への水の補充とを行うことにより、燃料電池システム１００において水の腐敗が進行し雑菌によって生成される固形物の堆積を効果的に抑制する。さらに貯水部９からの排水と貯水部９への水道水の供給を繰り返すことにより貯水部９を洗浄し、雑菌の繁殖と雑菌によって生成される固形物の堆積をさらに効果的に防ぐことが出来る。
【００６２】
本実施の形態に係る燃料電池システム１００における雑菌の抑制作用及び効果は、以下の如く説明される。
【００６３】
本実施の形態では、上述したように、雑菌の繁殖確率が高い水、即ち貯水部９の内部の水を発電運転の停止時に廃棄した後、その廃棄した水の量に相当する量の水を雑菌のいない水道水から補給し、その後、燃料電池システム１００の発電運転を開始する。ここで、燃料電池システム１００の発電運転の停止時において貯水部９から水の廃棄を行う理由は、この発電運転の停止時は水の供給不足に関して運転上一番問題のないタイミングであり、かつ水が流動しない発電運転の停止時において水の腐敗の進行を効果的に防ぐ観点に因るためである。このように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、雑菌のいない水道水を利用し、発電運転の停止時における水の廃棄によって空になった貯水部９に、補充する。これにより、貯水部９に貯えられている水の、雑菌の含有量を低減するとともに配管のつまりの原因となる雑菌によって生成された固形物を排出することができるので、燃料電池システム１００における水の腐敗の進行および配管の詰まりを、簡便な構成により容易にかつ効果的に抑制することが可能になる。そして、本発明により、水の供給機能及び浄化機能に障害が発生し難い、信頼性の高い燃料電池システム１００を提供することが可能になる。
【００６４】
又、本実施の形態では、雑菌の繁殖しやすい貯水部９洗浄を水道水を利用して行うため、貯水部９内部が完全に洗浄されるまで排水と給水を繰り返すことが出来るので効果的に貯水部９を浄化できる。つまり、安定した長期運転を可能にする燃料電池システム１００
を提供することが可能になる。
【００６５】
又、本実施の形態では、燃料電池システム１００の発電運転の開始時に、水補給部１０によって冷却装置７から第１貯水部９に水を補充する。この形態によれば、発電運転の開始時には冷却装置７が有する水は比較的低い温度にまで冷却されていることが多く、従って冷却装置７から低温状態の水を補充することにより貯水部９における水の温度上昇を防止することができるので、イオン交換樹脂フィルター１１における活性炭及びイオン交換樹脂の熱劣化を防止することが可能になる。例えば、７０℃の水がイオン交換樹脂フィルター１１に供給された場合には、活性炭の有機成分の吸着特性が低下する。又、この場合には、イオン交換樹脂の耐熱温度を越すので、イオン交換樹脂が熱劣化する。しかし、冷却装置７から貯水部９に低温状態の水を補充する形態によれば、上述した活性炭の吸着特性の低下やイオン交換樹脂の熱劣化等の問題を未然に回避することが可能になる。つまり、イオン交換樹脂フィルター１１の水浄化特性が比較的安定している燃料電池システム１００を提供することが可能なる。
【００６６】
ここで、上述した、貯水部９からの水の排出のタイミングは、本実施の形態では燃料電池システム１００の発電運転の停止時としているが、この発電運転の停止時に限るものではない。又、この貯水部９からの水の排出は、毎回の発電運転の停止時に行う必要はない。つまり、貯水部９からの水の排出は、燃料電池システム１００の発電運転に支障を与えないタイミングであれば、如何なるタイミングであってもよい。又、水の腐敗の進行具合は、水温によっても変化する。例えば、水温が低くなる冬季においては、水中の雑菌の繁殖速度は遅い。又、燃料電池システム１００の発電運転を開始した後、比較的短期間でその発電運転を停止した場合においても、雑菌が繁殖する確率は小さくなる。従って、毎回の発電運転の停止時に水の排出を行う必要はなく、燃料電池システム１００の運転状況を鑑みてその排出のタイミングを設定すればよい。
【００６７】
又、貯水部９から排出装置１２を介して水を排出した後の、水補装置１０による貯水部９への水の補充のタイミングは、水の排出が燃料電池システム１００の発電運転の停止時に行われるのであれば、その直後としてもよいが、燃料電池システム１００の発電運転の開始直前とすることが好ましい。その理由は、発電運転の停止直後に水補給装置１０によって貯水部９へ水を補充した場合には、その後の発電運転の停止期間において水の腐敗が進行する可能性が高いからである。燃料電池システム１００の発電運転の開始直前に水補給装置１０により貯水部９へ水を補充することにより、不要な水の腐敗を防止することが可能になる。
【００６８】
又、水補給装置１０による貯水部９への水の補充のタイミングは、発電運転時に水の排出が行われるのであれば、その発電運転時とすることが好ましい。その理由は、貯水部９の貯水量が不足している状態で発電運転を行う場合には、貯水部９からの改質器１への水の供給量が不足して、燃料電池５の発電動作が不安定になるからである。燃料電池システム１００の発電運転時に水の排出と補充とを行うことにより、燃料電池５の発電動作が不安定になることを防止することが可能になる。
【００６９】
又、本実施の形態に係る燃料電池システム１００を含め、一般的な燃料電池システムでは、発電に伴ってその内部で水が生成する。これは、燃料としての天然ガス等と水とを利用して改質反応によって改質ガスが生成され、この改質ガスに含まれる水素が燃料電池５において空気中の酸素によって酸化されて水に変換されるためである。例えば、発電効率が約３０％である燃料電池システムを用い、原料としてメタンを用いる場合には、１ｋＷの発電量において、１時間当たり約４００ｇの水が生成される。従って、発電運転の停止時に水を廃棄し、発電運転の起動持に冷却装置７が有する水の一部を貯水部９に補充しても、発電運転に伴って水が新たに生成されるため、燃料電池システム１００において水の
不足は発生しない。本実施の形態では、図１に示すように、冷却装置７と水供給装置３とが冷却水補給経路３ｃによって接続されており、この冷却水補給経路３ｃを介して水の補充が適宜行われる。これにより、水道水供給装置１３を介する水道から貯水部９への市水の導入を基本的に行うことなく、燃料電池システム１００は安定した発電動作を継続する。
【００７０】
尚、本実施の形態では、燃料電池５は固体高分子型である形態について説明しているが、この形態に限定されることはなく、発電運転中に６０℃以上の温度で発熱する燃料電池を配設する形態であれば、如何なる形態としてもよい。かかる構成としても、本実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。尚、固体高分子型の燃料電池以外の燃料電池としては、発電中の動作温度が約２００℃であるリン酸型燃料電池や、動作温度が６０〜８０℃であるアルカリ型燃料電池等が挙げられる。
【００７１】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成の貯水部９を示す断面図である。
【００７２】
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２００は、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の構成と同一の構成を備えている。そして、本実施の形態に係る貯水部９の構成は、貯水部９への水道水を注入する注入口をシャワーヘッド状に構成されており貯水部９の内壁に水道水を噴射させ貯水部９の内壁面の雑菌や雑菌によって生成された固形物を洗い落とす。このとき排出装置１２は貯水部９の中の水を排出させる状態となっており雑菌と雑菌によって生成された固形物は燃料電池システムの外に排出される。
【００７３】
さらに、本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、貯水部９への水道水供給装置１３からの給水と排出装置１２からの貯水部９内の水の排水を繰り返すことにより貯水部９の雑菌と雑菌によって生成された固形物の排出が促進される。
【００７４】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成の貯水部９を示す断面図である。
【００７５】
図３に示すように、本実施の形態３に係る燃料電池システム２００は、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の構成と同一の構成を備えている。そして、本実施の形態に係る貯水部９の構成は、貯水部９からイオン交換樹脂フィルター１１へ水路９ａを経由して水が送られる。そして貯水部９の水路９ａに通じる出口には菌フィルター９ｂが設置してあり貯水部９で雑菌による固形物が生成されてもイオン交換樹脂フィルター１１以降の水路には固形物が流れなくなっている。前記の菌フィルター９ｂは２００から４００メッシュ程度の網が用いられる。そして水道水供給装置１３から貯水部９に給水される水の一部が菌フィルター９ｂに向けて噴射される。排出装置１２は貯水部９の中の水を排出させる状態となっており菌フィルター９ｂに堆積した雑菌と雑菌によって生成された固形物は燃料電池システムの外に排出される。
【００７６】
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成の貯水部９を示す断面図である。
【００７７】
図４に示すように、本実施の形態４に係る燃料電池システム２００は、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の構成と同一の構成を備えている。そして、本実施の形態
に係る貯水部９の構成は、貯水部９からイオン交換樹脂フィルター１１へ水路９ａを経由して水が送られる。そして貯水部９の水路９ａに通じる出口には菌フィルター９ｂが設置してあり貯水部９で雑菌による固形物が生成されてもイオン交換樹脂フィルター１１以降の水路には固形物が流れなくなっている。前記の菌フィルター９ｂは２００から４００メッシュ程度の網が用いられる。菌フィルター９ｂに近接した貯水部９の底面９ｇが排水口９ｄに向って傾斜している。貯水部９の底面９ｇが排水口９ｄに向って傾斜しているので雑菌や雑菌によって生成された固形物は傾斜に沿って排水口９ｄに向かって流れ、排出が容易となり貯水部９内に雑菌、雑菌によって生成された固形物が残らない。
【００７８】
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの構成の貯水部９を示す断面図である。
【００７９】
図５に示すように、本実施の形態５に係る燃料電池システム２００は、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の構成と同一の構成を備えている。そして、本実施の形態に係る貯水部９の構成は、貯水部９からイオン交換樹脂フィルター１１へ水路９ａを経由して水が送られる。そして貯水部９の水路９ａに通じる出口には菌フィルター９ｂが設置してあり貯水部９で雑菌による固形物が生成されてもイオン交換樹脂フィルター１１以降の水路には固形物が流れなくなっている。前記の菌フィルター９ｂは２００から４００メッシュ程度の網が用いられる。菌フィルター９ｂの近傍には振動手段９ｃが設置されており菌フィルター９ｂを振動させながら水道水供給装置１３から貯水部９に給水される水の一部が菌フィルター９ｂに向けて噴射される。排出装置１２は貯水部９の中の水を排出させる状態となっており菌フィルター９ｂに堆積した雑菌と雑菌によって生成された固形物は振るい落とされ燃料電池システムの外に排出される。
【００８０】
（実施の形態６）
そして、図６に示すように、本実施の形態６に係る燃料電池システム２００では、貯水部９と冷却装置７（具体的には、冷却水を貯えるための貯水タンク、又は、冷却水の循環経路）とが水補給経路１０ａによって接続されており、この水補給経路１０ａにおける所定の位置に水補給装置１０が配設されている。この水補給装置１０は、本実施の形態では、給水ポンプを備えている。そして、この水補給装置１０は、冷却装置７から水補給経路１０ａを介して冷却水を取り出し、その取り出した冷却水を、水補給経路１０ａを介して貯水部９に供給する。つまり、本実施の形態に係る燃料電池システム２００は、冷却装置７から貯水部９に水を補充できる構成を有している。これは上記実施の形態の説明にあるように貯水部９の洗浄には水道水を用いて、発電用には殺菌され塩素の無い冷却装置７からの冷却水を用いればイオン交換樹脂フィルター１１への負荷を軽減できより長期間の運転継続が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明に係る燃料電池システムは、水路の雑菌及びその生成物による詰まりを簡易な構成により効果的に抑制する、水の供給機能及び浄化機能に障害が発生し難い燃料電池システムとして利用することが可能である。
【符号の説明】
【００８２】
１  改質器
３  水供給装置
５  燃料電池
７  冷却装置
９  貯水部
９ｂ  菌フィルター
９ｃ  振動手段
９ｄ  排水口
１２  排水装置
１３  水道水供給装置
１００、２００  燃料電池システム
【図１】
2011003374.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2011003374.tif 000007
【図６】
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