(57)【要約】【課題】改質水の不足に伴って、発電効率の低下を生じさせることなく発電運転を継続することが可能な燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システム１は、貯湯水供給管２２ｅの熱交換器１２とラジエータ２２ｂとの間に設けられて、熱交換器１２に流れる循環水供給量と循環水から分離されて改質水タンク１５に流れる補給水供給量とを調整可能な三方弁２２ｄと、三方弁２２ｄとラジエータ２２ｂとの間に設けられてラジエータ２２ｂを通過した循環水の第一温度Ｔ１を検出して制御装置１６に出力する第一温度センサ２２ｃと、三方弁２２ｄから水精製器１４に補給水を供給する補給水供給管２２ｆと、水精製器１４によって凝縮水及び補給水から生成された改質水が改質水タンク１５に貯水された水位を検出して制御装置１６に出力する水位センサ１５ｄと、を含む補給水調整部７０を備える。【選択図】図１
2019057438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
改質用原料と改質水を蒸発させた水蒸気とから前記燃料を生成して前記燃料電池に前記燃料を供給する改質部と、
前記改質用原料の供給源に接続された改質用原料供給管に設けられて前記供給源から前記改質部に前記改質用原料を圧送する改質用原料供給装置と、
前記改質部に改質水供給管を介して供給する前記改質水を貯水する改質水タンクと、
前記燃料電池からの燃料オフガス及び酸化剤ガスを燃焼させて発生する燃焼排ガスと貯湯槽から貯湯水供給管を介して供給される循環水との間で熱交換して前記燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器と、
前記改質水タンクと前記凝縮器とを接続する凝縮水供給管に設けられて前記凝縮水を精製して前記改質水を前記改質水タンクに供給する水精製器と、
前記貯湯水供給管に設けられて前記貯湯槽から供給される前記循環水を冷却するラジエータと、
前記燃料電池の発電を統括して制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
前記貯湯水供給管の前記凝縮器と前記ラジエータとの間に設けられて、前記凝縮器の側に流れる前記循環水の循環水供給量と、前記循環水から分離されて前記改質水タンクの側に流れる補給水の補給水供給量と、を前記制御装置による制御に従って調整可能な調整弁と、
前記貯湯水供給管の前記調整弁と前記ラジエータとの間に設けられて前記ラジエータを通過した前記循環水の第一温度を検出し、前記第一温度を前記制御装置に出力する第一温度センサと、
前記調整弁と前記水精製器とを接続して前記調整弁から前記水精製器に前記補給水を供給する補給水供給管と、
前記水精製器によって前記凝縮水及び前記補給水から生成された前記改質水が前記改質水タンクに貯水された水位を検出し、前記水位を前記制御装置に出力する水位センサと、を含んで前記貯湯槽から前記補給水の前記改質水タンクへの供給を調整する補給水調整部を備え、
前記制御装置は、
前記水位センサによって検出された前記水位が予め設定された補給水供給開始水位になった場合において、
前記第一温度センサによって検出された前記循環水の前記第一温度が予め設定された第一所定温度未満となった場合に、前記調整弁による前記補給水供給量をゼロから増大させて前記補給水供給管及び前記水精製器を介して前記改質水タンクに向けて前記補給水を供給し、
前記水位センサによって検出された前記水位が予め設定された補給水供給停止水位になったときに前記調整弁による前記補給水供給量をゼロに戻す、ように構成された、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、
前記第一温度が前記第一所定温度未満となった状態で予め設定された第一所定時間以上継続した場合、
前記調整弁による前記補給水供給量をゼロから増大させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御装置は、
前記第一温度が前記第一所定温度以上の場合、
前記ラジエータの前記循環水を冷却する冷却効率が大きくなるように、前記ラジエータを作動させる、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記補給水調整部は、
前記補給水供給管に設けられて前記補給水供給管を流れる前記補給水の第二温度を検出し、前記第二温度を前記制御装置に出力する第二温度センサと、
前記補給水供給管の前記水精製器と前記第二温度センサとの間に設けられて前記補給水の前記補給水供給管から前記水精製器への流れの許可する開又は前記流れを遮断する閉を前記制御装置による制御に従って切り替える給水弁と、を備え、
前記制御装置は、
前記第二温度センサによって検出された前記第二温度が予め設定された第二所定温度未満となった状態で予め設定された第二所定時間以上継続した場合、
前記給水弁を開に切り替えて前記補給水供給管から前記水精製器を介して前記改質水タンクに向けて前記補給水の供給を許容し、
前記水位センサによって検出された前記水位が前記補給水供給停止水位になったときに前記給水弁を閉に切り替えて前記補給水供給管から前記水精製器を介して前記改質水タンクに向けて前記補給水を遮断するように構成された、請求項１乃至請求項３のうちの何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記補給水供給管は、
前記調整弁から前記水精製器に向けて流れる前記補給水に圧損を生じさせる圧損部を有する、請求項１乃至請求項４のうちの何れか一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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば、下記特許文献１に開示された燃料電池装置が知られている。この従来の燃料電池装置は、燃料電池からの排ガスと貯湯槽の水とを熱交換器により熱交換して、排ガスの冷却に伴って生じる凝縮水を凝縮水タンクに回収するとともに貯湯槽に湯を貯蔵するようになっている。そして、貯湯槽から熱交換器に供給される湯の温度が高いときには、循環流路のラジエータにより湯を冷却するようになっている。
【０００３】
又、従来から、例えば、下記特許文献２に開示された燃料電池システムも知られている。この従来の燃料電池システムは、貯水器に貯えられた改質水の水位が、ポンプによる改質部への汲み上げが困難になる異常レベルと、オーバーフローレベルと異常レベルとの間の正常レベルと、の間にある場合、燃料電池の出力を低下させるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３２５９８２号公報
【特許文献２】特開２０１６−１７７９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、燃料電池システムにおいては、改質用原料及び水蒸気とされた改質水を混合した混合ガスが供給される改質部が設けられ、改質部の内部にて生じる水蒸気改質反応により混合ガスが改質されて改質ガス（燃料）が生成される。そして、生成された改質ガス（燃料）が燃料電池に供給されることによって発電が行われる。
【０００６】
ところで、上記従来の燃料電池装置（燃料電池システム）においては、熱交換器で凝縮された凝縮水を改質水として回収する。この場合、ラジエータで貯湯槽から供給される湯を冷却することによって熱交換器における凝縮水の生成を促して改質水の利用効率を向上させることは可能である。しかしながら、排ガス中の全水蒸気成分を回収することは困難であり、改質水タンクに貯められた改質水が不足して改質部への水蒸気の供給が不能となった場合には、燃料電池システムを停止させる必要がある。
【０００７】
一方、上記従来の燃料電池システムにおいては、貯水器（改質水タンク）に貯えられた改質水の水位が低下した場合には、出力制限を行うことによって改質水の回収量を増加させ、燃料電池システムを停止させることを回避する。しかしながら、出力制限を行った場合、燃料電池システムの発電効率が低下してエネルギー利用効率が低下する虞がある。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。即ち、本発明の目的は、改質水の不足に伴って、発電効率の低下を生じさせることなく発電運転を継続することが可能な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】
【０００９】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池システムの発明は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、改質用原料と改質水を蒸発させた水蒸気とから燃料を生成して燃料電池に燃料を供給する改質部と、改質用原料の供給源に接続された改質用原料供給管に設けられて供給源から改質部に改質用原料を圧送する改質用原料供給装置と、改質部に改質水供給管を介して供給する改質水を貯水する改質水タンクと、燃料電池からの燃料オフガス及び酸化剤ガスを燃焼させて発生する燃焼排ガスと貯湯槽から貯湯水供給管を介して供給される循環水との間で熱交換して燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器と、改質水タンクと凝縮器とを接続する凝縮水供給管に設けられて凝縮水を精製して改質水を改質水タンクに供給する水精製器と、貯湯水供給管に設けられて貯湯槽から供給される循環水を冷却するラジエータと、燃料電池の発電を統括して制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、貯湯水供給管の凝縮器とラジエータとの間に設けられて、凝縮器の側に流れる循環水の循環水供給量と、循環水から分離されて改質水タンクの側に流れる補給水の補給水供給量と、を制御装置による制御に従って調整可能な調整弁と、貯湯水供給管の調整弁とラジエータとの間に設けられてラジエータを通過した循環水の第一温度を検出し、第一温度を制御装置に出力する第一温度センサと、調整弁と水精製器とを接続して調整弁から水精製器に補給水を供給する補給水供給管と、水精製器によって凝縮水及び補給水から生成された改質水の改質水タンクに貯水された水位を検出し、水位を制御装置に出力する水位センサと、を含んで貯湯槽から補給水の改質水タンクへの供給を調整する補給水調整部を備え、制御装置は、水位センサによって検出された水位が予め設定された補給水供給開始水位になった場合において、第一温度センサによって検出された循環水の第一温度が予め設定された第一所定温度未満となった場合に、調整弁による補給水供給量をゼロから増大させて補給水供給管及び水精製器を介して改質水タンクに向けて補給水を供給し、水位センサによって検出された水位が予め設定された補給水供給停止水位になったときに調整弁による補給水供給量をゼロに戻す、ように構成される。
【発明の効果】
【００１０】
これによれば、制御装置は、改質水タンクの水位が補給水供給開始水位になった場合、即ち、改質水タンクから改質部に供給される水蒸気（改質水）が不足する可能性がある場合において、補給水調整部を作動させることができる。補給水調整部が作動することにより、調整弁は、貯湯槽から供給されて第一温度が第一所定温度未満になった循環水から補給水を分離し、分離した補給水を水精製器に供給することができる。そして、水精製器は、分離された補給水を精製した改質水を改質水タンクに供給することができる。これにより、燃料電池システムの発電運転中において、常に、改質水タンクに必要十分な量の改質水を貯めておくことができる。その結果、改質水タンクから改質部に必要十分な量の改質水（水蒸気）を供給することができ、改質部が燃料電池で消費される燃料を生成して燃料電池の発電を継続させることができる。従って、改質水の不足に伴って、発電効率の低下を生じさせることなく燃料電池システムの発電運転を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概要を示す概略図である。
【図２】図１の水位センサの構成を示す図である。
【図３】図１の制御装置によって実行される補給水供給制御プログラムを示すフローチャートである。
【図４】実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概要を示す概略図である。
【図５】変形例に係り、図４の制御装置によって実行される補給水供給制御プログラムを示すフローチャートである。
【図６】実施形態のその他の変形例に係る燃料電池システムの概要を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて図面を参照しながら説明する。尚、以下の実施形態及び各変形例の相互において、互いに同一又は均等である部分には、同一の符号を付してある。又、説明に用いる各図は、概念図であり、各部の形状は必ずしも厳密なものではない場合がある。
【００１３】
燃料電池システム１は、図１に示すように、発電ユニット１０及び貯湯槽２１を備えている。発電ユニット１０は、筐体１０ａ、燃料電池モジュール１１、熱交換器１２、インバータ装置１３、水精製器１４、改質水タンク１５、制御装置１６及び補給水調整部７０を備えている。
【００１４】
貯湯槽２１は、密封式且つ耐圧式の容器である。貯湯槽２１内の温度分布は、基本的には、温度の異なる二層に分かれている。上層は比較的温度が高い層（例えば、５０度以上）であり、下層は比較的温度が低い層（例えば、２０度〜４０度）である。上下各層は、それぞれほぼ同一温度である。貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。
【００１５】
燃料電池モジュール１１、熱交換器１２、インバータ装置１３、水精製器１４、改質水タンク１５、制御装置１６、補給水調整部７０及び貯湯槽２１は、筐体１０ａ内に収容されている。尚、貯湯槽２１は、発電ユニット１０と別体、即ち、筐体１０ａの外に設けるようにしても良い。
【００１６】
燃料電池モジュール１１は、後述するように、燃料電池３４を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール１１は、改質用原料、改質水及び酸化剤ガス（カソードガス）としての空気（カソードエア）が供給されている。改質用原料としては、天然ガス、ＬＰガス等の改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノール等の改質用液体燃料である。尚、本実施形態においては、改質用原料として、天然ガスを用いる場合を例示する。具体的には、燃料電池モジュール１１は、一端が供給源Ｇｓ（例えば、都市ガス（天然ガス）のガス供給管）に接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１ａの他端が、後述する蒸発部３２に接続されている。改質用原料供給管１１ａは、改質用原料を蒸発部３２に圧送する原料ポンプ１１ａ１（改質用原料供給装置）が設けられている。
【００１７】
又、燃料電池モジュール１１は、一端が改質水タンク１５に接続されて改質水が供給される改質水供給管１１ｂの他端が蒸発部３２に接続されている。改質水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ２が設けられている。更に、燃料電池モジュール１１は、一端がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。カソードエアブロワ１１ｃ１は、カソードエアを燃料電池３４に供給する酸化ガス供給装置である。
【００１８】
熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１から排気される燃焼排ガス（後述する改質部３３及び燃料電池３４の各排熱を含んでいる）が供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器である。又、熱交換器１２は、燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われ、燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器でもある。ここで、貯湯水は、熱交換器１２を経ることで燃焼排ガスの排熱を回収する熱媒体（排熱回収水）である。
【００１９】
熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続（貫設）されている。熱交換器１２の底部には、水精製器１４を介して改質水タンク１５に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。
【００２０】
このように構成された熱交換器１２においては、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って熱交換器１２内に導入され、流通する貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。その後、燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って燃焼排ガス用排気口１０ｄから筐体１０ａの外部に排出される。又、凝縮された凝縮水は、自重で落水し、凝縮水供給管１２ａを通って水精製器１４から改質水タンク１５に供給される。一方、熱交換器１２に流入した貯湯水は、加熱され、貯湯槽２１に向けて流出される。排気管１１ｄには、熱交換器１２の下流側から分岐して改質水タンク１５の水受け部材１５ｂに連通するドレン管路１２ｂが設けられている。
【００２１】
ここで、上述した熱交換器１２、貯湯槽２１及び貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。貯湯水循環ライン２２上には、貯湯槽２１の下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ２２ａ、ラジエータ２２ｂ、第一温度センサ２２ｃ、調整弁としての三方弁２２ｄ及び熱交換器１２が配設されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。
【００２２】
貯湯水循環ポンプ２２ａは、貯湯槽２１の下層から貯湯水を汲み出し、貯湯水循環ライン２２を構成する貯湯水供給管２２ｅを介して熱交換器１２に供給する。ラジエータ２２ｂは、モータ及びファンを有する空冷式のラジエータであり、貯湯水供給管２２ｅに設けられている。ラジエータ２２ｂは、貯湯水循環ポンプ２２ａから熱交換器１２に向けて供給される貯湯水を、後述するように制御装置１６により作動が制御されて冷却する。
【００２３】
第一温度センサ２２ｃは、ラジエータ２２ｂと熱交換器１２との間に配置されて、ラジエータ２２ｂを通過して貯湯水供給管２２ｅを流れる循環水としての貯湯水の温度Ｔ１（以下、「第一温度Ｔ１」と称呼する。）を検出し、制御装置１６に送信している。三方弁２２ｄは、第一温度センサ２２ｃと熱交換器１２との間に配置されている。三方弁２２ｄは、ラジエータ２２ｂによって冷却された貯湯水を熱交換器１２に供給するとともに、貯湯水供給管２２ｅを流れる貯湯水（循環水）から分離された補給水を補給水供給管２２ｆを介して水精製器１４ひいては改質水タンク１５に供給する。
【００２４】
三方弁２２ｄは、制御装置１６により弁開度が調整されて、ラジエータ２２ｂによって冷却された貯湯水の熱交換器１２への給水量、換言すれば、ラジエータ２２ｂによって冷却された貯湯水の改質水タンク１５への給水量を調整するようになっている。即ち、三方弁２２ｄは、弁開度の変更が可能な比例弁であり、冷却された貯湯水を、熱交換器１２に供給される貯湯水（循環水）の循環水供給量と改質水タンク１５に供給される補給水の補給水供給量との比率を調整可能になっている。
【００２５】
補給水供給管２２ｆは、三方弁２２ｄから供給される補給水を水精製器１４に供給する。補給水供給管２２ｆは、Ｕ字状に屈曲された圧損部２２ｆ１を有しており、補給水供給管２２ｆを流れる補給水に圧損を生じさせて、補給水の水圧を下げるようになっている。補給水供給管２２ｆには、水精製器１４に補給水を供給するための給水弁２２ｇが設けられている。給水弁２２ｇは、制御装置１６により、補給水の水精製器１４への供給を許容する開と補給水の水精製器１４への供給を遮断する閉とに切り替えられるようになっている。尚、本実施形態において、給水弁２２ｇは、三方弁２２ｄが補給水を改質水タンク１５に供給する際に開に切り替えられ、三方弁２２ｄが補給水を改質水タンク１５に供給しない際に閉に切り替えられるようになっている。ここで、第一温度センサ２２ｃ、三方弁２２ｄ、補給水供給管２２ｆ、圧損部２２ｆ１、及び、給水弁２２ｇは、補給水調整部７０を構成する。
【００２６】
インバータ装置１３は、燃料電池３４から出力される直流電力（電圧）を入力し所定の交流電力（電圧）に変換して、交流の系統電源１７ａ及び外部電力負荷１７ｃ（例えば、電化製品）に接続されている電源ライン１７ｂに出力する。インバータ装置１３は、燃料電池３４から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置である。外部電力負荷１７ｃは、系統電源１７ａからの電力及びインバータ装置１３からの電力が供給される負荷装置である。又、インバータ装置１３は、系統電源１７ａからの交流電力（電圧）を、電源ライン１７ｂを介して入力し所定の直流電力（電圧）に変換して補機（各ポンプ、ブロワ等）や制御装置１６に出力する。
【００２７】
水精製器１４は、凝縮水及び補給水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。水精製器１４は、改質水タンク１５と連通しており、純水化された凝縮水及び補給水が改質水タンク１５に供給されるようになっている。
【００２８】
改質水タンク１５は、水精製器１４から供給される凝縮水及び補給水を改質水として貯水し、蒸発部３２介して改質部３３に改質水を供給するものである。尚、改質水タンク１５は、供給された凝縮水及び補給水が溢れ出た場合、オーバーフローライン１５ａを介して水受け部材１５ｂによって受け止められ、排水管１５ｃから、筐体１０ａの外部に排水される。
【００２９】
改質水タンク１５内には、図２に示すように、改質水タンク１５内に貯水された改質水の水量（水位：以下、「タンク水量」とも称呼する。）を検出する水位センサ１５ｄが配設されている。ここで、水位センサ１５ｄは、補給水調整部７０に含まれる。水位センサ１５ｄは、例えば、フロート式のセンサであり、フロートの上下量を可変抵抗（ポテンショメータ）により抵抗値に変換し、抵抗値の上下動によって水位（残水量）を表示する方式のセンサである。水位センサ１５ｄは、残水量を、第一管理水位Ｌ１、第二管理水位Ｌ２、第三管理水位Ｌ３、及び、第四管理水位Ｌ４として検出する。第一管理水位Ｌ１は、改質水タンク１５が満水となる水位である。第二管理水位Ｌ２は、後述するように給水される補給水の給水を停止する補給水供給停止水位である。第三管理水位Ｌ３は、補給水の給水を開始する補給水供給開始水位である。第四管理水位Ｌ４は、改質水ポンプ１１ｂ２による改質水の汲み上げが困難になる水位である。
【００３０】
制御装置１６は、上述したラジエータ２２ｂ、三方弁２２ｄ、給水弁２２ｇを含む補機を駆動して燃料電池システム１の運転を統括して制御する。制御装置１６は、マイクロコンピュータ（図示省略）を有している。マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及びタイマ（何れも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、燃料電池システム１の統括運転を実施している。ＲＡＭは後述する補給水供給制御プログラムを含む各種プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは後述する補給水供給制御プログラムを含む各種プログラムを記憶するものである。
【００３１】
又、燃料電池モジュール１１は、ケーシング３１、蒸発部３２、改質部３３及び燃料電池３４を備えている。ケーシング３１は、断熱性材料で箱状に形成されている。蒸発部３２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部３２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部３３に供給するものである。
【００３２】
蒸発部３２には、一端（下端）が改質水タンク１５に接続された改質水供給管１１ｂの他端が接続されている。又、蒸発部３２には、一端が供給源Ｇｓに接続された改質用原料供給管１１ａが接続されている。
【００３３】
改質部３３は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部３２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から水蒸気を含む改質ガス（アノードガス）を生成して改質ガス送出管３８から導出するものである。改質部３３内には、触媒（例えば、Ｒｕ又はＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素等を含んだガスが生成される（水蒸気改質反応）。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。このように、改質部３３は改質用原料（原燃料）と改質水とから改質ガス（燃料）を生成して燃料電池３４に改質ガスを供給する。尚、水蒸気改質反応は吸熱反応である。
【００３４】
燃料電池３４は、燃料極、空気極（酸化剤極）及び両極の間に介装された電解質からなる複数のセル３４ａが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池３４は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池３４の燃料極には、燃料としての改質ガス、即ち、水素、一酸化炭素、メタンガス等が供給される。動作温度は４００〜１０００℃程度である。尚、４００℃以下でも定格以下の発電量の発電は可能である。又、６００℃で発電開始を許可している。水素だけではなく天然ガスや石炭ガス等も直接燃料として用いることが可能である。この場合、改質部３３は省略することができる。
【００３５】
セル３４ａの燃料極側には、燃料である改質ガス（アノードガス）が流通する燃料流路３４ｂが形成されている。セル３４ａの空気極側には、酸化剤ガス（カソードガス）である空気（カソードエア）が流通する空気流路３４ｃが形成されている。
【００３６】
燃料電池３４は、マニホールド３５上に設けられている。マニホールド３５には、改質部３３からの改質ガス（アノードガス）が改質ガス送出管３８を介して供給される。燃料流路３４ｂは、その下端（一端）がマニホールド３５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ１１ｃ１によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管１１ｃを介して供給され、空気流路３４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。
【００３７】
カソードエアブロワ１１ｃ１は、電気モータ１１ｃ２により駆動されるもので、電気モータ１１ｃ２の駆動デューティは、制御装置１６によって演算される。カソードエア供給管１１ｃのカソードエアブロワ１１ｃ１の下流側に設けられた流量センサ１１ｃ３は、カソードエアブロワ１１ｃ１が吐出するカソードエア流量を検出する。流量センサ１１ｃ３は、検出結果を制御装置１６に送信するようになっている。
【００３８】
燃料電池３４においては、燃料極に供給された燃料である改質ガス（アノードガス）と空気極に供給された酸化剤ガス（カソードガス）によって発電が行われる。即ち、燃料極では、下記化１及び化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。具体的には、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ２−）が電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。そして、燃料流路３４ｂ及び空気流路３４ｃからは、発電に使用されなかった改質ガス及び酸化剤ガスが導出する。尚、反応によって燃料電池３４内に生じた水（Ｈ２Ｏ）は、水精製器１４を介して改質水タンク１５に送出される。
（化１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
（化２）
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−
（化３）
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
【００３９】
発電に使用されなかった改質ガス（燃料オフガスとしてのアノードオフガス）は、燃料流路３４ｂから燃焼部３６（燃料電池３４と改質部３３との間に形成された空間）に導出される。同様に、発電に使用されなかった酸化剤ガス（空気：カソードオフガス）は、空気流路３４ｃから燃焼部３６に導出される。燃焼部３６は、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、燃焼ガス（火炎３７）にて蒸発部３２及び改質部３３を加熱する。更には、燃料電池モジュール１１内を動作温度に加熱している。
【００４０】
燃焼部３６には、アノードオフガスを着火させるための一対の着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２が設けられている。燃焼部３６で生じた燃焼排ガスは、電気化学反応によって燃料電池３４内に生じた水とともに燃料電池モジュール１１から排気管１１ｄを通って熱交換器１２に至る。
【００４１】
燃料電池システム１を起動させるときには、制御装置１６は、発電モードに先立って暖気モードを実行する。暖気モードでは、制御装置１６は、原料ポンプ１１ａ１を駆動させて改質用原料を改質用原料供給管１１ａを介して燃料電池モジュール１１の蒸発部３２、改質部３３及び燃料電池３４を介して燃焼部３６に供給させる。制御装置１６は、カソードエアブロワ１１ｃ１も駆動させ、空気流路３４ｃを介して酸化剤ガスである空気（カソードガス）を燃料電池モジュール１１のセル３４ａの空気極を介して燃焼部３６に供給させる。そして、着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２が着火すると、燃焼部３６において改質用原料が空気により燃焼する。燃焼部３６における燃焼熱により、蒸発部３２、改質部３３及び燃料電池３４が加熱される。蒸発部３２、改質部３３及び燃料電池３４が所定の温度域に加熱されると、制御装置１６は、改質水ポンプ１１ｂ２を駆動して改質部３３での改質反応を開始し、暖気モードを終了して発電モードに移行させる。
【００４２】
制御装置１６が改質水ポンプ１１ｂ２を駆動させると、改質水タンク１５内の改質水は、改質水供給管１１ｂを介して蒸発部３２に供給される。改質水は、蒸発部３２で加熱されて水蒸気となる。水蒸気は、改質用原料供給管１１ａから供給される改質用原料とともに改質部３３に移動する。改質部３３において改質用原料は、水蒸気で改質されて水蒸気を含む改質ガスであるアノードガス（水素含有ガス）となる（吸熱反応）。アノードガスは、燃料流路３４ｂを介して燃料電池３４のセル３４ａの燃料極に供給される。又、カソードエアブロワ１１ｃ１が駆動して、カソードガス（空気）が空気流路３４ｃを介してセル３４ａの電気極に供給される。これにより、燃料電池３４（燃料電池モジュール１１）が発電する。
【００４３】
暖気モード及び発電モードにおいて、燃料電池モジュール１１で発生した高温の燃焼排ガスは、電気化学反応にて燃料電池３４内に生じた水とともに排気管１１ｄを介して凝縮機能を有する熱交換器１２に排出される。高温の燃焼排ガスに含まれていた水蒸気は、熱交換器１２で冷却されるため、凝縮されて凝縮水となり、電気化学反応にて燃料電池３４内に生じた水とともに凝縮水供給管１２ａを介して改質水タンク１５に供給される。
【００４４】
筐体１０ａには、外気を吸い込むための吸気口１０ｂ、筐体１０ａ内の空気を外部に排出するための換気用排気口１０ｃ、及び、熱交換器１２からの燃焼排ガスを外部に排出するための燃焼排ガス用排気口１０ｄが形成されている。吸気口１０ｂには、逆止弁５４が設けられている。逆止弁５４は、外部から筐体１０ａ内への空気の流れは許容するが、逆方向の流れを規制するものである。
【００４５】
換気用排気口１０ｃには、換気ファン５５が設けられている。換気ファン５５は、筐体１０ａ内の空気（換気排気）を外部に送出するものである。
【００４６】
貯湯槽２１には、図１に示すように、高圧給水原Ｓｗ（例えば、水道管）に減圧弁４１を介して接続された給水管４２から水道水が給水される。給水管４２に設けられた水温計測装置６７、例えば、サーミスタ等によって水道水の温度が計測され、制御装置１６に出力される。貯湯槽２１は、上述した貯湯水循環ライン２２による排熱回収によって温められて生成した、例えば、７０℃に調整された湯を貯める。
【００４７】
貯湯槽２１の湯は、湯供給管６１から混合弁６２に流入する。混合弁６２は、給水管４２と水供給管４２ａを介して接続されている。混合弁６２は、貯湯槽２１から湯供給管６１を介して流入する湯と高圧給水原Ｓｗから給水管４２、水供給管４２ａを介して流入する水との湯／水混合比を調整して、貯湯槽２１の湯の温度よりも低い設定温度、例えば、３０℃に調整された混合湯を生成する。混合湯は、混合湯供給管６３を介して給湯器Ｗｈの吸水側に接続される。給湯器Ｗｈは、混合湯供給管６３から給水された混合湯を直接又は加熱して、給湯栓６９から給湯するものである。
【００４８】
図１に示すように、給水管４２を混合湯供給管６３に接続するバイパス通路６４には、非通電時に開状態となるノーマルオープンの電磁開閉弁６５が設けられている。電磁開閉弁６５は、例えば、混合弁６２又は混合弁６２の制御系の故障によって湯と水の混合（制御）ができなくなり、混合湯供給管６３の混合湯の温度が上昇して予め設定された混合湯上限温度（例えば、５０℃）を超えた場合に、制御装置１６によって開状態に切り替えられる。電磁開閉弁６５が開状態とされて給水管４２から水を混合湯供給管６３に導くことにより、混合湯供給管６３における混合湯の温度を下げて、異常高温出湯を防止する。混合湯の温度は、混合湯供給管６３のバイパス通路６４との合流部よりも下流側に設けられた湯温計測装置６６、例えば、サーミスタ等により計測され、制御装置１６に出力される。
【００４９】
ところで、上述したように、燃料電池モジュール１１が発電を行う場合、改質部３３にて改質ガス（アノードガス）を生成するために改質水は必要不可欠である。従って、改質部３３に改質水を供給できるように、改質水タンク１５に適切量の改質水が貯められていることが必要である。このため、制御装置１６（より詳しくは、ＣＰＵ）は、図２に示す補給水供給制御プログラムを実行し、改質水タンク１５に貯められている改質水の量に応じて、改質水の供給に支障を来す虞がある場合に改質水タンク１５に循環水を供給する。以下、この補給水供給制御プログラムを詳細に説明する。
【００５０】
制御装置１６は、所定の短い時間が経過する毎に、ステップＳ１００にて補給水供給制御プログラムの実行を開始し、続くステップＳ１０１にて水位センサ１５ｄから補給水供給開始水位である第三管理水位Ｌ３を表す信号Ｓｓを所定時間ｔ１以上継続して取得しているか否かを判定する。具体的に、制御装置１６は、信号Ｓｓを所定時間ｔ１以上継続して取得した場合、即ち、改質水タンク１５の水位低下が確定して補給水の給水を開始する必要がある場合には、ステップＳ１０１にて「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ１０２に進む。一方、制御装置１６は、信号Ｓｓを所定時間ｔ１以上継続して取得していない場合には、「Ｎｏ」と判定してステップＳ１１３に進み、補給水供給制御プログラムの実行を一旦終了する。そして、所定の短い時間が経過すると、再び、ステップＳ１００にて補給水供給制御プログラムの実行を開始する。
【００５１】
ステップＳ１０２においては、制御装置１６は、ラジエータ２２ｂを通常の冷却能力により作動させる状態、又は、ラジエータ２２ｂを通常の冷却能力よりも高い冷却能力により作動させる状態を表す作動フラグＰの値を、ラジエータ２２ｂを通常の冷却能力により作動させる状態を表す「０」に設定し、ステップＳ１０３に進む。
【００５２】
ステップＳ１０３においては、制御装置１６は、第一温度センサ２２ｃから貯湯水供給管２２ｅを流れている貯湯水の第一温度Ｔ１が第一所定温度Ｔｄ１未満（第一所定温度未満）であり、且つ、この状態が第一所定時間ｔ２以上継続（第一所定時間以上継続）しているか否かを判定する。ここで、第一所定温度Ｔｄ１は、例えば、水精製器１４を構成するイオン交換樹脂に熱劣化を生じさせない温度に設定される。又、第一所定時間ｔ２は所定時間ｔ１よりも長く設定される。
【００５３】
制御装置１６は、第一温度Ｔ１が第一所定温度Ｔｄ１未満であり、且つ、この状態が第一所定時間ｔ２以上継続していれば、ステップＳ１０３にて「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ１０４に進む。一方、制御装置１６は、第一温度Ｔ１が第一所定温度Ｔｄ１以上である場合、又は、ラジエータ２２ｂによる冷却中であって第一温度Ｔ１が第一所定温度Ｔｄ１未満となっている時間が第一所定時間ｔ２未満である場合、即ち、ラジエータ２２ｂを通常の冷却能力よりも高い冷却能力で作動させて貯湯水の第一温度Ｔ１を冷却する必要があれば、ステップＳ１０３にて「Ｎｏ」と判定してステップＳ１０７に進む。
【００５４】
ステップＳ１０４においては、制御装置１６は、貯湯水供給管２２ｅを流れる貯湯水の全量を熱交換器１２に供給する状態から貯湯水の一部（数％程度）を補給水として改質水タンク１５に供給するように、三方弁２２ｄの弁開度を調整（変更）する。制御装置１６は、三方弁２２ｄを開状態とすると、ステップＳ１０５に進む。ここで、以下の説明において、貯湯水の全量を熱交換器１２に供給する三方弁２２ｄの弁開度の状態を「全閉状態」と称呼し、貯湯水の一部を補給水として改質水タンク１５に供給する三方弁２２ｄの弁開度の状態を「開状態」と称呼する。
【００５５】
このように、三方弁２２ｄが開状態になると、第一温度Ｔ１が第一所定温度Ｔｄ１未満になった補給水が補給水供給管２２ｆに向けて流れる。補給水供給管２２ｆは、圧損部２２ｆ１（Ｕ字状部分）によって流入（落水）した補給水の水圧を下げて調整し、水圧を調整した補給水を給水弁２２ｇに流す。本実施形態においては、給水弁２２ｇは、三方弁２２ｄの全閉状態から開状態への移行（切り替え）に伴い、制御装置１６によって閉から開に切り替えられる。これにより、補給水は水精製器１４に供給され、水精製器１４は補給水を純水化して改質水タンク１５に供給する。
【００５６】
ステップＳ１０５においては、制御装置１６は、上述したように補給水が供給されている改質水タンク１５の水位について、水位センサ１５ｄから補給水供給停止水位である第二管理水位Ｌ２を表す信号Ｓｆを取得しているか否かを判定する。即ち、制御装置１６は、補給水が供給されている改質水タンク１５の水位に基づいて、補給水の供給を止めるか否かを判定する。具体的に、制御装置１６は、水位センサ１５ｄから信号Ｓｆを取得するまでステップＳ１０５にて「Ｎｏ」と判定し続け、水位センサ１５ｄから信号Ｓｆを取得すると、換言すると、改質水タンク１５の水位が補給水の供給を止める第二管理水位Ｌ２になると、ステップＳ１０５にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップＳ１０６に進む。
【００５７】
ステップＳ１０６においては、制御装置１６は、前記ステップＳ１０４にて開状態にした三方弁２２ｄを全閉状態に制御する。これにより、貯湯水供給管２２ｅから補給水供給管２２ｆを介した補給水の供給が止まり、貯湯水供給管２２ｅを流れる貯湯水の全量が熱交換器１２に供給される。制御装置１６は、三方弁２２ｄを全閉状態に制御すると、ステップＳ１１０に進む。尚、本実施形態においては、制御装置１６は、三方弁２２ｄを全閉状態に制御することに伴って、給水弁２２ｇを開から閉に切り替える。
【００５８】
一方、制御装置１６は、前記ステップＳ１０３にて「Ｎｏ」と判定すると、即ち、貯湯水供給管２２ｅを流れる貯湯水をより冷却する必要がある場合には、ステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７においては、制御装置１６は、作動フラグＰの値を、ラジエータ２２ｂを通常の冷却能力よりも高い冷却能力により作動させる状態を表す「１」に設定する。これにより、制御装置１６は、ラジエータ２２ｂを通常よりも高い冷却能力で作動させて、ステップＳ１０８に進む。
【００５９】
ステップＳ１０８においては、制御装置１６は、ラジエータ２２ｂのファンを回転させるモータに供給する電力（電流）を通常作動時に比べて増大し、貯湯水供給管２２ｅを流れる貯湯水を冷却するラジエータ２２ｂの冷却能力を高める。具体的に、制御装置１６は、ラジエータ２２ｂのモータに電力（電流）を供給する電力制御において、例えば、電力供給のデューティ比Ｄｒを通常作動時のデューティ比Ｄｒ１に対して所定値αだけ増加させる。即ち、制御装置１６は、モータに対して、デューティ比Ｄｒ（＝Ｄｒ１＋α）となる電力（電流）を供給する。これにより、ラジエータ２２ｂは、ファンの回転数増加に伴って冷却能力を高め、貯湯水供給管２２ｅを流れる貯湯水を冷却する。このように、制御装置１６は、ラジエータ２２ｂの冷却能力を高めるとステップＳ１０９に進む。
【００６０】
ステップＳ１０９においては、制御装置１６は、前記ステップＳ１０３と同様に、第一温度センサ２２ｃから貯湯水供給管２２ｅを流れている貯湯水の第一温度Ｔ１が第一所定温度Ｔｄ１未満であり、且つ、この状態が第一所定時間ｔ２以上継続しているか否かを判定する。具体的に、制御装置１６は、ステップＳ１０９において、第一温度Ｔ１が第一所定温度Ｔｄ１未満であり、且つ、この状態が第一所定時間ｔ２以上継続するまで「Ｎｏ」と判定し続ける。
【００６１】
そして、制御装置１６は、第一温度Ｔ１が第一所定温度Ｔｄ１未満であり、且つ、この状態が第一所定時間ｔ２以上継続した場合、即ち、ラジエータ２２ｂを作動させて貯湯水の第一温度Ｔ１を冷却する必要がなくなれば、ステップＳ１０９にて「Ｙｅｓ」と判定して、前記ステップＳ１０４に進む。このように、貯湯水供給管２２ｅを流れる貯湯水が冷却されると、制御装置１６は、上述したように、前記ステップＳ１０４〜前記ステップＳ１０６の各ステップ処理を実行し、ステップＳ１１０に進む。
【００６２】
ステップＳ１１０においては、制御装置１６は、作動フラグＰの値が「０」即ちラジエータ２２ｂが非作動であるか否かを判定する。制御装置１６は、作動フラグＰの値が「０」であれば、「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ１１３に進み、補給水供給制御プログラムの実行を一旦終了する。この場合には、ラジエータ２２ｂは、通常の冷却能力により作動しているため、制御装置１６は、そのままラジエータ２２ｂを作動させる。そして、制御装置１６は、所定の短い時間が経過すると、再びステップＳ１００にて補給水供給制御プログラムの実行を開始する。
【００６３】
一方、制御装置１６は、作動フラグＰの値が「１」であれば、「Ｎｏ」と判定してステップＳ１１１に進む。この場合には、前記ステップＳ１０８のステップ処理により、制御装置１６は、ラジエータ２２ｂを通常の冷却能力よりも高い冷却能力で作動させている。このため、制御装置１６は、ステップＳ１１１以降の各ステップ処理を実行して、ラジエータ２２ｂを通常の冷却能力により作動させる。
【００６４】
ステップＳ１１１においては、制御装置１６は、作動フラグＰが「１」であることに従って、ラジエータ２２ｂのモータに供給している電力（電流）のデューティ比Ｄｒ（＝Ｄｒ１＋α）を、通常作動時のデューティ比Ｄｒ１に変更する（戻す）。具体的に、制御装置１６は、デューティ比Ｄｒから所定値αを減じて、通常作動時のデューティ比Ｄｒ１に変更し、ステップＳ１１２に進む。これにより、ラジエータ２２ｂは、通常の冷却能力により作動する。
【００６５】
ステップＳ１１２においては、制御装置１６は、「１」に設定されている作動フラグＰの値を「０」に設定してステップＳ１１３に進み、補給水供給制御プログラムの実行を一旦終了する。そして、制御装置１６は、所定の短い時間が経過すると、再びステップＳ１００にて補給水供給制御プログラムの実行を開始する。
【００６６】
以上の説明からも理解できるように、上記実施形態の燃料電池システム１によれば、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池３４と、改質用原料と改質水を蒸発させた水蒸気とから燃料を生成して燃料電池３４に燃料を供給する改質部３３と、改質用原料の供給源Ｇｓに接続された改質用原料供給管１１ａに設けられて供給源Ｇｓから改質部３３に改質用原料を圧送する改質用原料供給装置としての原料ポンプ１１ａ１と、改質部３３に改質水供給管１１ｂを介して供給する改質水を貯水する改質水タンク１５と、燃料電池３４からの燃料オフガス（アノードオフガス）及び酸化剤ガス（カソードオフガス）を燃焼させて発生する燃焼排ガスと貯湯槽２１から貯湯水供給管２２ｅを介して供給される循環水との間で熱交換して燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器としての熱交換器１２と、改質水タンク１５と熱交換器１２とを接続する凝縮水供給管１２ａに設けられて凝縮水を精製して改質水を改質水タンク１５に供給する水精製器１４と、貯湯水供給管２２ｅに設けられて貯湯槽２１から供給される循環水を冷却するラジエータ２２ｂと、燃料電池３４の発電を統括して制御する制御装置１６と、を備えた燃料電池システムであって、貯湯水供給管２２ｅの熱交換器１２とラジエータ２２ｂとの間に設けられて、熱交換器１２の側に流れる循環水の循環水供給量と、循環水から分離されて改質水タンク１５の側に流れる補給水の補給水供給量と、を制御装置１６による制御に従って調整可能な調整弁としての三方弁２２ｄと、貯湯水供給管２２ｅの三方弁２２ｄとラジエータ２２ｂとの間に設けられてラジエータ２２ｂを通過した循環水の第一温度Ｔ１を検出し、第一温度Ｔ１を制御装置１６に出力する第一温度センサ２２ｃと、三方弁２２ｄと水精製器１４とを接続して三方弁２２ｄから水精製器１４に補給水を供給する補給水供給管２２ｆと、水精製器１４によって凝縮水及び補給水から生成された改質水が改質水タンク１５に貯水された水位として第一管理水位Ｌ１、第二管理水位Ｌ２、第三管理水位Ｌ３及び第四管理水位Ｌ４を検出し、第一管理水位Ｌ１、第二管理水位Ｌ２、第三管理水位Ｌ３及び第四管理水位Ｌ４を制御装置１６に出力する水位センサ１５ｄと、を含んで貯湯槽２１から補給水の改質水タンク１５への供給を調整する補給水調整部７０を備える。そして、制御装置１６は、水位センサ１５ｄによって検出された水位が予め設定された補給水供給開始水位である第三管理水位Ｌ３になった場合において、第一温度センサ２２ｃによって検出された循環水の第一温度Ｔ１が予め設定された第一所定温度Ｔｄ１未満（第一所定温度未満）となった場合に、三方弁２２ｄによる補給水供給量をゼロから増大させて補給水供給管２２ｆ及び水精製器１４を介して改質水タンク１５に向けて補給水を供給し、水位センサ１５ｄによって検出された水位が予め設定された補給水供給停止水位である第二管理水位Ｌ２になったときに三方弁２２ｄによる補給水供給量をゼロに戻す、ように構成される。
【００６７】
これによれば、制御装置１６は、改質水タンク１５の水位が第三管理水位Ｌ３になった場合、即ち、改質水タンク１５から改質部３３に供給される水蒸気（改質水）が不足する可能性がある場合において、補給水調整部７０を作動させることができる。補給水調整部７０が作動することにより、三方弁２２ｄは、貯湯槽２１から供給されて第一温度Ｔ１が第一所定温度Ｔｄ１未満になった循環水から補給水を分離し、分離した補給水を水精製器１４に供給することができる。そして、水精製器１４は、分離された補給水を精製した改質水を改質水タンク１５に供給することができる。これにより、燃料電池システム１の発電運転中において、常に、改質水タンク１５に必要十分な量の改質水を貯めておくことができる。その結果、改質水タンク１５から改質部３３に必要十分な量の改質水（水蒸気）を供給することができ、改質部３３が燃料電池３４で消費される燃料を生成して燃料電池３４の発電を継続することができる。従って、改質水の不足が懸念される状況であっても、発電効率を低下させることなく燃料電池システム１の発電運転を継続することができる。
【００６８】
又、補給水調整部７０は、貯湯槽２１から熱交換器１２に循環水を供給する貯湯水供給管２２ｅに設けられた三方弁２２ｄによって、貯湯水供給管２２ｅを流れる貯湯水（循環水）の一部を補給水として分離し、水精製器１４によって補給水から精製された改質水を改質水タンク１５に供給することができる。これにより、例えば、燃料電池システム１の外部から改質水タンク１５に水を供給するための専用供給管を設ける必要がなく、燃料電池システム１を簡素な構成とすることができるとともに専用供給管を設けるためのコストを低減することができる。
【００６９】
又、補給水調整部７０は、貯湯槽２１から供給される貯湯水（循環水）の一部を補給水として利用することができる。この場合、貯湯槽２１に貯められた貯湯水（循環水）は、ストレーナ等により不純物が除去されるとともに、熱交換器１２との熱交換によって一時比較的高温になる。これにより、貯湯水（循環水）は、簡易的な脱塩素処理がなされており、貯湯水（循環水）から分離された補給水が水精製器１４に供給された場合であっても、イオン交換樹脂が補給水を純水化する際の負荷を小さくすることができる。その結果、高価な水精製器１４（イオン交換樹脂）の小型化が可能となり、燃料電池システム１全体の小型化が達成できるとともに低コスト化をも達成することができる。
【００７０】
この場合、制御装置１６は、第一温度Ｔ１が第一所定温度Ｔｄ１未満（第一所定温度未満）となった状態で予め設定された第一所定時間ｔ２以上継続（第一所定時間以上継続）した場合、三方弁２２ｄによる補給水供給量をゼロから増大させる。
【００７１】
これによれば、貯湯水（循環水）の第一温度Ｔ１、即ち、補給水の第一温度Ｔ１が確実に第一所定温度Ｔｄ１未満となった場合に、三方弁２２ｄから水精製器１４に補給水を供給することができる。これにより、水精製器１４のイオン交換樹脂が補給水によって熱劣化することを効果的に抑制することができる。従って、高価なイオン交換樹脂の交換頻度を大幅に低減することができ、燃料電池システム１の発電運転に伴うランニングコストを低減することができる。
【００７２】
又、これらの場合、制御装置１６は、第一温度Ｔ１が第一所定温度Ｔｄ１以上（第一所定温度以上）の場合、ラジエータ２２ｂの循環水を冷却する冷却効率が大きくなるように、ラジエータ２２ｂを作動させる。
【００７３】
これによれば、第一温度Ｔ１が第一所定温度Ｔｄ１以上（第一所定温度以上）の場合において、制御装置１６は、ラジエータ２２ｂの冷却効率を高めて、貯湯槽２１から熱交換器１２に向けて貯湯水供給管２２ｅを流れる貯湯水（循環水）即ち補給水の第一温度Ｔ１を速やかに低下させることができる。これにより、水精製器１４のイオン交換樹脂が補給水によって熱劣化することを効果的に抑制することができる。
【００７４】
更に、これらの場合、補給水供給管２２ｆは、三方弁２２ｄから水精製器１４に向けて流れる補給水に圧損を生じさせるＵ字状に屈曲された圧損部２２ｆ１を有する。
【００７５】
これによれば、圧損部２２ｆ１は、補給水供給管２２ｆを介して三方弁２２ｄから水精製器１４に供給される補給水の水圧を低減することができる。これにより、補給水の水圧が水精製器１４のイオン交換樹脂に、例えば、変形を生じるような機械的な負荷を与えることが効果的に抑制される。従って、高価なイオン交換樹脂の交換頻度を大幅に低減することができ、燃料電池システム１の発電運転に伴うランニングコストを低減することができる。
【００７６】
（変形例）
上記実施形態においては、制御装置１６は、貯湯水供給管２２ｅを流れる貯湯水の第一温度Ｔ１が第一所定温度Ｔｄ１未満、即ち、第一温度Ｔ１が水精製器１４のイオン交換樹脂に熱劣化が生じない温度になった場合に、三方弁２２ｄを開状態として補給水を改質水タンク１５に供給（補給）するようにした。この場合、より確実に水精製器１４の熱劣化を生じさせないようにすることも可能である。以下、この変形例を説明するが、上記実施形態と異なる部分を中心に詳細に説明する。
【００７７】
この変形例においては、構成上、図４に示すように、補給水供給管２２ｆと給水弁２２ｇとの間に第二温度センサ２２ｈが配置される点で、上記実施形態と異なる。即ち、この変形例においては、第二温度センサ２２ｈが補給水調整部７０に含まれる。第二温度センサ２２ｈは、三方弁２２ｄから供給されて補給水供給管２２ｆを流れる補給水の温度Ｔ２（以下、「第二温度Ｔ２」と称呼する。）を検出し、制御装置１６に送信している。又、この変形例においては、制御装置１６は、第二温度センサ２２ｈから取得した第二温度Ｔ２に基づいて、給水弁２２ｇの開又は閉を制御する。
【００７８】
そして、この変形例においては、制御装置１６は、図５に示す補給水供給制御プログラムを実行する。この変形例に係る補給水供給制御プログラムにおいては、上記実施形態の図３に示す補給水供給制御プログラムに比べて、前記ステップＳ１０４と前記ステップＳ１０５との間に新たにステップＳ１２０及びステップＳ１２１が追加され、前記ステップＳ１０５と前記ステップＳ１０６との間に新たにステップＳ１２２が追加される点で異なる。
【００７９】
この変形例において、制御装置１６は、前記ステップＳ１０４にて三方弁２２ｄを開状態に制御すると、ステップＳ１２０に進む。ステップＳ１２０においては、制御装置１６は、第二温度センサ２２ｈから補給水供給管２２ｆに供給された補給水の第二温度Ｔ２が第二所定温度Ｔｄ２未満で（第二所定温度未満）あり、且つ、この状態が第二所定時間ｔ３以上継続（第二所定時間以上継続）しているか否かを判定する。ここで、第二所定温度Ｔｄ２は、例えば、水精製器１４を構成するイオン交換樹脂に熱劣化を生じさせない温度に設定される。又、第二所定時間ｔ３は所定時間ｔ１よりも長く設定される。
【００８０】
具体的に、制御装置１６は、ステップＳ１２０において、第二温度Ｔ２が第二所定温度Ｔｄ２未満であり、且つ、この状態が第二所定時間ｔ３以上継続するまで「Ｎｏ」と判定し続ける。そして、制御装置１６は、第二温度Ｔ２が第二所定温度Ｔｄ２未満であり、且つ、この状態が第二所定時間ｔ３以上継続していれば、ステップＳ１２０にて「Ｙｅｓ」と判定して、ステップＳ１２１に進む。即ち、第二温度Ｔ２が第二所定温度Ｔｄ２未満であり、且つ、この状態が第二所定時間ｔ３以上継続する場合には、補給水供給管２２ｆに供給された補給水の第二温度Ｔ２が確実に第二所定温度Ｔｄ２未満になっている。従って、給水弁２２ｇから水精製器１４に補給水が供給されても、水精製器１４のイオン交換樹脂に熱劣化が生じることが抑制される。
【００８１】
ステップＳ１２１においては、制御装置１６は、給水弁２２ｇを閉から開に切り替える。これにより、補給水供給管２２ｆに供給された補給水は、給水弁２２ｇを介して水精製器１４に供給される。従って、水精製器１４は、補給水を純水化して改質水タンク１５に供給する。
【００８２】
このように、制御装置１６は、前記ステップＳ１２１にて給水弁２２ｇを開に切り替えた後、前記ステップＳ１０５にて上述したように補給水が供給されている改質水タンク１５の水位について、水位センサ１５ｄから第二管理水位Ｌ２を表す信号Ｓｆを取得しているか否かを判定する。そして、制御装置１６は、水位センサ１５ｄから信号Ｓｆを取得すると、換言すると、改質水タンク１５の水位が補給水の供給を止める補給水供給停止水位である第二管理水位Ｌ２になると、ステップＳ１０５にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップＳ１２２に進む。
【００８３】
ステップＳ１２２においては、制御装置１６は、前記ステップＳ１２１にて開に切り替えた給水弁２２ｇを閉に切り替えて、前記ステップＳ１０６に進む。これにより、三方弁２２ｄが開状態であって補給水供給管２２ｆに補給水が供給されていても、給水弁２２ｇが閉に切り替えられることにより、補給水の水精製器１４及び改質水タンク１５への供給が止まる。そして、制御装置１６は、前記ステップＳ１０６において、前記ステップＳ１０４にて開状態にした三方弁２２ｄを全閉状態に制御する。これにより、貯湯水供給管２２ｅからの補給水の供給が止まり、貯湯水供給管２２ｅを流れる貯湯水の全量が熱交換器１２に供給される。
【００８４】
以上の説明からも理解できるように、上記変形例の燃料電池システム１によれば、上記実施形態の場合に加えて、補給水調整部７０は、補給水供給管２２ｆに設けられて補給水供給管２２ｆを流れる補給水の第二温度Ｔ２を検出し、第二温度Ｔ２を制御装置１６に出力する第二温度センサ２２ｈと、補給水供給管２２ｆの水精製器１４と第二温度センサ２２ｈとの間に設けられて補給水の補給水供給管２２ｆから水精製器１４への流れの許可する開又は流れを遮断する閉を制御装置１６による制御に従って切り替える給水弁２２ｇと、を備え、制御装置１６は、第二温度センサ２２ｈによって検出された第二温度Ｔ２が予め設定された第二所定温度Ｔｄ２未満（第二所定温度未満）となった状態で予め設定された第二所定時間ｔ３以上継続（第二所定時間以上継続）した場合、給水弁２２ｇを開に切り替えて補給水供給管２２ｆから水精製器１４を介して改質水タンク１５に向けて補給水の供給を許容し、水位センサ１５ｄによって検出された水位が第三管理水位Ｌ３になったときに給水弁２２ｇを閉に切り替えて補給水供給管２２ｆから水精製器１４を介して改質水タンク１５に向けて補給水を遮断するように構成される。
【００８５】
これによれば、第二温度センサ２２ｈによって検出された第二温度Ｔ２が第二所定温度Ｔｄ２未満となってから給水弁２２ｇが閉から開に切り替えられる。従って、例えば、第一温度センサ２２ｃが検出する第一温度Ｔ１に誤差が生じた場合であっても、三方弁２２ｄよりも下流側の補給水供給管２２ｆを流れる補給水の第二温度Ｔ２を第二温度センサ２２ｈが検出し、第二温度Ｔ２に応じて給水弁２２ｇの開閉を制御することができる。従って、水精製器１４のイオン交換樹脂に熱劣化を生じさせるような高温の補給水が誤って供給されることを確実に防止することができる。その他の効果については、上記実施形態と同様の効果が得られる。
【００８６】
本発明の実施にあたっては、上記実施形態及び上記変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて、種々の変形が可能である。
【００８７】
例えば、上記実施形態及び上記変形例においては、補給水調整部７０が、開状態の三方弁２２ｄから供給される補給水に圧損を生じさせて水圧を下げるために補給水供給管２２ｆにＵ字状に屈曲された圧損部２２ｆ１を有するようにした。これに代えて、図６に示すように、三方弁２２ｄと給水弁２２ｇとの間に絞り（オリフィス）からなる圧損部２２ｆ２を設けることも可能である。圧損部２２ｆ２を設けた場合においても、三方弁２２ｄから供給される補給水に圧損を生じさせて補給水の水圧を下げることができるため、給水弁２２ｇを介して水精製器１４に供給される補給水の水圧を下げることができる。従って、高い水圧によって水精製器１４のイオン交換樹脂が損傷することを防止することができ、その結果、高価な水精製器１４の交換頻度を抑えて燃料電池システム１のランニングコストを低減することができる。
【００８８】
又、上記実施形態及び変形例においては、水位センサ１５ｄがフロート式のセンサとした。これに代えて、水位センサ１５ｄが、広く知られている静電容量式や圧力方式のセンサであっても良い。この場合においても、水位センサ１５ｄは、改質水タンク１５に貯水された改質水の水位として第一管理水位Ｌ１〜第四管理水位Ｌ４を検出し、制御装置１６に送信することができる。従って、上記実施形態及び上記変形例と同様の効果が得られる。
【００８９】
又、上記実施形態及び上記変形においては、ラジエータ２２ｂが空冷式であるとした。これに代えて、ラジエータ２２ｂとして水冷式のラジエータや、他の放熱装置や伝熱装置を用いることも可能である。
【００９０】
又、上記実施形態及び上記変形においては、図３及び図５に示す補給水供給制御プログラムにおける前記ステップＳ１０８にて、制御装置１６はラジエータ２２ｂの冷却能力を高めるためにモータ及びファンの回転数を増大させるようにした。この場合、モータ及びファンの回転数を段階的に増大させてラジエータ２２ｂの作動音が筐体１０ａの外部に漏れ難くすることも可能である。
【００９１】
更に、上記実施形態及び上記変形においては、制御装置１６は、燃料電池システム１の発電運転中に、改質水タンク１５内の改質水の水位が第二管理水位Ｌ２になると補給水を供給し、改質水の水位が第三管理水位Ｌ３になると補給水の供給を止めるようにした。即ち、上記実施形態及び上記変形では、燃料電池システム１の発電運転中において、制御装置１６は、改質水の水位が改質水タンク１５の第二管理水位Ｌ２と第三管理水位Ｌ３との間に存在するように、補給水の供給を制御するようにした。
【００９２】
ところで、燃料電池システム１が発電運転停止中であり、改質水の水位が改質水タンク１５の第二管理水位Ｌ２と第三管理水位Ｌ３との間に存在する場合には、次回の燃料電池システム１の発電運転に備えて、制御装置１６は、改質水タンク１５内の改質水の水位が第一管理水位Ｌ１となるように、予め貯湯水（補給水）を改質水タンク１５に供給することも可能である。これにより、次回の燃料電池システム１の発電運転に際して、例えば、暖気モードから速やかに発電モードに移行させて、燃料電池システム１を迅速に起動させることができる。但し、この場合においては、貯湯槽２１に貯められた貯湯水の第一温度Ｔ１が第一所定温度Ｔｄ１（又は／及び第二温度Ｔ２が第二所定温度Ｔｄ２）未満であることを条件に、制御装置１６は貯湯水（補給水）を改質水タンク１５に供給（補給）する。
【符号の説明】
【００９３】
１…燃料電池システム、１０…発電ユニット、１０ａ…筐体、１０ｂ…吸気口、１０ｃ…換気用排気口、１０ｄ…燃焼排ガス用排気口、１１…燃料電池モジュール、１１ａ…改質用原料供給管、１１ａ１…原料ポンプ、１１ｂ…改質水供給管、１１ｂ２…改質水ポンプ、１１ｃ…カソードエア供給管、１１ｃ１…カソードエアブロワ、１１ｃ２…電気モータ、１１ｃ３…流量センサ、１１ｄ…排気管、１２…熱交換器（凝縮器）、１２ａ…凝縮水供給管、１２ｂ…ドレン管路、１３…インバータ装置、１４…水精製器、１５…改質水タンク、１５ａ…オーバーフローライン、１５ｂ…水受け部材、１５ｃ…排水管、１５ｄ…水位センサ、１６…制御装置、１７ａ…系統電源、１７ｂ…電源ライン、１７ｃ…外部電力負荷、２０…排熱回収システム、２１…貯湯槽、２２…貯湯水循環ライン、２２ａ…貯湯水循環ポンプ、２２ｂ…ラジエータ、２２ｃ…第一温度センサ、２２ｄ…三方弁（調整弁）、２２ｅ…貯湯水供給管、２２ｆ…補給水供給管、２２ｆ１…圧損部、２２ｆ２…圧損部、２２ｇ…給水弁、２２ｈ…第二温度センサ、３１…ケーシング、３２…蒸発部、３３…改質部、３４…燃料電池、３４ａ…セル、３４ｂ…燃料流路、３４ｃ…空気流路、３５…マニホールド、３６…燃焼部、３６ａ１，３６ａ２…着火ヒータ、３７…火炎、３８…改質ガス送出管、４１…減圧弁、４２…給水管、４２ａ…水供給管、５４…逆止弁、５５…換気ファン、６１…湯供給管、６２…混合弁、６３…混合湯供給管、６４…バイパス通路、６５…電磁開閉弁、６６…湯温計測装置、６７…水温計測装置、６９…給湯栓、７０…補給水調整部、Ｄｒ…デューティ比、Ｄｒ１…デューティ比、Ｇｓ…供給源、Ｌ１…第一管理水位、Ｌ２…第二管理水位（補給水供給停止水位）、Ｌ３…第三管理水位（補給水供給停止水位）、Ｌ４…第四管理水位、Ｐ…作動フラグ、Ｓｗ…高圧給水原、Ｔ１…第一温度、Ｔｄ１…第一所定温度、Ｔ２…第二温度、Ｔｄ２…第二所定温度、ｔ１…所定時間、ｔ２…第一所定時間、ｔ３…第二所定時間、Ｗｈ…給湯器、α…所定値
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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