(57)【要約】【課題】純水経路の流量を計測し、流量計を用いた流量制御が必要であり、燃料電池システムの簡素化が困難であるという課題があった。【解決手段】水素を含有する還元剤ガスと、空気などの酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池１と、水回収を行う凝縮器および凝縮水タンク９と、凝縮水を脱イオン処理し際利用するための凝縮水供給ポンプ１１および純水器１０、純水タンク１３と、純水タンク１３の水位を検知する純水水位センサ１５と、制御器１４とを備え、前記制御器１４は、凝縮水供給ポンプ１１の動作時に純水水位センサ１５の変化に要した時間に応じて、凝縮水供給ポンプ１１の出力を変化させるとしたものである。【選択図】図１
2015022865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスと水とから水蒸気改質反応により水素を含む還元剤ガスを生成する水素生成装置と、燃焼により前記水蒸気改質反応に必要な熱を発生するバーナと、酸化剤ガスを供給する空気供給装置と、前記水素生成装置で生成された還元剤ガスと前記空気供給装置から供給された酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される反応後の還元剤排ガス、酸化剤排ガス、または、前記バーナの燃焼排ガスの少なくともひとつの排ガス成分中の水分を凝縮させて凝縮水として回収する凝縮器と、前記凝縮水を貯める凝縮水タンクと、前記凝縮水を脱イオン処理するための純水器へと送る凝縮水供給装置と、前記純水器で生成された純水を貯える純水タンクと、前記純水タンクの水位を検知する純水水位検知手段と、各装置を制御する制御器とを有し、前記制御器は、前記凝縮水供給装置を動作させた際の前記純水水位検知手段の検知水位の変化に要する時間が、所定時間よりも短い場合には、前記凝縮水供給装置の動作出力を低減し、所定時間よりも長い場合には、動作出力を増加させる燃料電池システム。
【請求項２】
原料ガスと水とから水蒸気改質反応により水素を含む還元剤ガスを生成する水素生成装置と、燃焼により前記水蒸気改質反応に必要な熱を発生するバーナと、酸化剤ガスを供給する空気供給装置と、前記水素生成装置で生成された還元剤ガスと前記空気供給装置から供給された酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される反応後の還元剤排ガスまたは酸化剤排ガス、前記バーナの燃焼排ガスの少なくともひとつの排ガス成分中の水分を凝縮させて回収する凝縮器と、前記凝縮水を貯める凝縮水タンクと、前記凝縮水を脱イオン処理するための純水器へと送る凝縮水供給装置と、前記純水器で生成された純水を貯える純水タンクと、前記凝縮水タンクの水位を検知する凝縮水水位検知手段と、各装置を制御する制御器とを有し、前記制御器は、前記凝縮水供給装置を動作させた際の前記凝縮水水位検知手段の検知水位の変化に要する時間が、所定時間よりも短い場合には、前記凝縮水供給装置の動作出力を低減し、所定時間よりも長い場合には、動作出力を増加させる燃料電池システム。
【請求項３】
前記凝縮水タンクに水道水を給水する給水弁とをさらに備え、燃料電池システムの設置時には前記給水弁から給水した水道水を前記純水器に送る請求項２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、固体高分子形やリン酸形、固体電解質形などの燃料電池を備え、電気の供給を行なう燃料電池システムおよびその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素の反応により発電する固体高分子形やリン酸形などの燃料電池を用いた従来の燃料電池システムは、図７に示すように、還元剤ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１と、都市ガスやプロパン、灯油などの炭化水素原料と水を用いた水蒸気改質反応により水素を多く含んだ還元剤ガスを生成する水素生成装置４と、酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給装置５と、燃料電池で反応に使用した後の還元剤ガスや酸化剤ガスから凝縮水として水分を回収する凝縮器８と、凝縮器で回収された凝縮水を貯える凝縮水タンク９と、回収された凝縮水の不純物を取り除き、脱イオン処理を実施して凝縮水を再利用するための純水器１０と、凝縮水タンク９から凝縮水を純水器１０に送り純水タンク１３に蓄える凝縮水供給ポンプ１１とで構成されている。脱イオン処理された凝縮水（以後、純水と表現する）は、水素生成装置４に供給され水蒸気改質反応などに利用される。このように、燃料電池システムにおいては、一般的に水の利用・回収において、自立した系で運転が行われる。
【０００３】
このように従来の燃料電池システムでは、システム内において水の利用・回収を循環して繰り返しているが、凝縮水の貯えられる凝縮水タンクは大気とつながっており、ゴミなどの異物の侵入や内部での発生を防止できない。そのため、凝縮水を利用する際には異物を除去するためのフィルタ等が利用される。燃料電池システムを長期間運転することでフィルタ等の詰まりとなって凝縮水タンク９から純水器１０を経て、純水タンク１３に至る経路（以後、純水経路と表現する）の圧力損失が増大し、各種異常を引き起こす課題があった。このような課題に対して、発明者らは圧力損失の増大にあわせた凝縮水供給ポンプ１１の動作方法について提案している。（特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２４４９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記従来の燃料電池システムにおいて、脱イオン処理を実施する純水器１０は、性能を発揮するために所定の流速（もしくは流量）範囲で使用する必要があり、圧力損失の増大にあわせた凝縮水供給ポンプ１１の動作や、凝縮水供給ポンプなどの固体バラツキを考慮すると純水経路の流量を計測し、流量計を用いた流量制御が必要であり、燃料電池システムの簡素化や低コスト化が困難であるという課題があった。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、純水経路に流量計を設けることなく、純水経路の圧力損失の径時変化や、固体バラツキに対応して純水経路の流量を適正範囲に維持することが可能な燃料電池システムを供給することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上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、水素を含有する還元剤ガスと、空気などの酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池と、水回収を行う凝縮器および凝縮水タンクと、凝縮水を脱イオン処理し際利用するための凝縮水供給
ポンプおよび純水器、純水タンクと、純水タンクの水位を検知する純水水位センサと、制御器とを備え、前記制御器は、凝縮水供給ポンプの動作時に純水水位センサの変化に要した時間に応じて、凝縮水供給ポンプの出力を変化させるとしたものである。
【０００８】
これによって、純水経路に流量計を設けることなく凝縮水供給ポンプの流量（つまりは、純水器における流速）を純水器の適正流速範囲に制御することができる。
【０００９】
また、本発明の燃料電池システムは、凝縮水タンクの水位を検知する凝縮水水位センサを備え、前記制御器は、凝縮水供給ポンプの動作時に凝縮水水位センサの変化に要した時間に応じて、凝縮水供給ポンプの出力を変化させるとしたものである。
【００１０】
これによって、純水水位センサおよび純水経路に流量計を設けることなく、設置時やメンテナンス時および通常運転時において凝縮水供給ポンプの流量（つまりは、純水器における流速）を純水器の適正流速範囲に制御することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池システムおよびその運転方法において、凝縮水供給ポンプの流量を適正範囲に制御することができ、簡素化および低コスト化することが可能な燃料電池システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムのブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの動作フローチャート
【図３】本発明の実施の形態２における燃料電池システムのブロック図
【図４】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの動作フローチャート
【図５】本発明の実施の形態３における燃料電池システムのブロック図
【図６】本発明の実施の形態３における燃料電池システムの動作フローチャート
【図７】従来の燃料電池システムのブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
第１の発明は、原料ガスと水とから水蒸気改質反応により水素を含む還元剤ガスを生成する水素生成装置と、燃焼により前記水蒸気改質反応に必要な熱を発生するバーナと、酸化剤ガスを供給する空気供給装置と、前記水素生成装置で生成された還元剤ガスと前記空気供給装置から供給された酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される反応後の還元剤排ガスまたは酸化剤排ガス、前記バーナの燃焼排ガスの少なくともひとつの排ガス成分中の水分を凝縮させて回収する凝縮器と、前記凝縮水を貯める凝縮水タンクと、前記凝縮水を脱イオン処理するための純水器へと送る凝縮水供給装置と、前記純水器で生成された純水を貯える純水タンクと、前記純水タンクの水位を検知する純水水位検知手段と、各装置を制御する制御器とを備える。
前記制御器は、前記凝縮水供給装置を動作させた際の前記純水水位検知手段の検知水位の変化に要する時間が、所定時間よりも短い場合には、前記凝縮水供給装置の動作出力を低減し、所定時間よりも長い場合には、動作出力を増加させることにより、流量計を設けることなく純水経路を適正流量範囲に制御することができ、燃料電池システムの簡素化と低コスト化を実現することができる。
【００１４】
第２の発明は、原料ガスと水とから水蒸気改質反応により水素を含む還元剤ガスを生成する水素生成装置と、燃焼により前記水蒸気改質反応に必要な熱を発生するバーナと、酸化剤ガスを供給する空気供給装置と、前記水素生成装置で生成された還元剤ガスと前記空気供給装置から供給された酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される反応後の還元剤排ガスまたは酸化剤排ガス、前記バーナの燃焼排
ガスの少なくともひとつの排ガス成分中の水分を凝縮させて回収する凝縮器と、前記凝縮水を貯める凝縮水タンクと、前記凝縮水を脱イオン処理するための純水器へと送る凝縮水供給装置と、前記純水器で生成された純水を貯える純水タンクと、前記凝縮水タンクの水位を検知する凝縮水水位検知手段と、各装置を制御する制御器とを備える。
前記制御器は、前記凝縮水供給装置を動作させた際の前記凝縮水水位検知手段の検知水位の変化に要する時間が、所定時間よりも短い場合には、前記凝縮水供給装置の動作出力を低減し、所定時間よりも長い場合には、動作出力を増加させることにより、純水水位検知手段および流量計を設けることなく純水経路を適正流量範囲に制御することができ、燃料電池システムの簡素化と低コスト化を実現することができる。
【００１５】
第３の発明は、前記凝縮水タンクに水道水を給水する給水弁とを備える。
前記制御器は燃料電池システムの設置時には前記給水弁から給水した水道水を前記純水器に送り、前記凝縮水供給装置を動作させた際の前記凝縮水水位検知手段の検知水位の変化に要する時間が、所定時間よりも短い場合には、前記凝縮水供給装置の動作出力を低減し、所定時間よりも長い場合には、動作出力を増加させることにより、システム設置時やメンテナンス時の運転において、純水水位検知手段および流量計を設けることなく純水経路を適正流量範囲に制御することができ、燃料電池システムの簡素化と低コスト化を実現することができる。
【００１６】
以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。なお、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。なお、凝縮器および凝縮水タンクとして、本実施の形態では、酸化剤ガスから水を回収する方式について例示しているが、この水回収は酸化剤ガスに限らず、還元剤ガスやバーナからの燃焼排ガスからの水回収を採用した装置であっても良く、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。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけ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。
図１に示すように、本実施の形態における燃料電池システムの主な構成要素として、燃料電池１と、水素生成装置４、空気供給装置５、凝縮器８、凝縮水タンク９、純水器１０、凝縮水供給ポンプ１１、純水タンク１３、制御器１４、純水水位センサ１５、純水供給ポンプ１６、バーナ１８とで構成される。
【００１８】
燃料電池１は、水素を含有する還元剤ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる。燃料電池１は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわち燃料極（アノード）と空気極（カソード）を複数積層し構成される。アノード及びカソードは、例えば、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の両面に形成される触媒層、および前記触媒層の外面に形成される、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層から構成される。燃料電池１としては、例えば、固体高分子形やリン酸形、固体酸化物形などが用いられる。
【００１９】
燃料電池１のアノードには、還元剤ガス供給経路２の下流端が接続されている。還元剤ガス供給経路２の上流端は、水素生成装置４に接続されている。これにより、水素生成装置４で生成された水素を多く含む還元剤ガスがアノードに供給される。
【００２０】
水素生成装置４には原料ガス供給経路の下流端が接続されている。原料ガス供給経路の上流端は、天然ガス（都市ガス）のインフラストラクチャ等の原料供給源（図示せず）に
接続されている。水素生成装置４は、燃料電池の発電に必要な水素を多く含む還元剤ガスを、都市ガスなどの炭化水素系原料に水蒸気を添加し、改質反応させて生成する。水素生成装置４は、例えば、原料を化学反応させて還元剤ガスを生成する反応器（図示せず）と、化学反応に必要な水蒸気を供給する蒸気発生器（図示せず）と、反応器を加熱して当該反応器の温度を調節するバーナ１８とを含む構成を有する。水素生成装置４は、水素を生成するものであれば特に限定されない。メタンを主成分とする天然ガスや都市ガス、ブタン、プロパンなどを主成分とするＬＰＧ、灯油、アルコール（メタノール）、ジメチルエーテル）といった原料を改質することにより水素を生成してもよい。なお、バーナ１８や蒸気発生器は、水素生成装置４に組み込まれて構成されていてもよいし、水素生成装置４と別の構成要素として構成されていてもよい。
【００２１】
更にアノードには、還元剤ガス排出経路６の上流端が接続さている。還元剤ガス排出経路６の下流端は、バーナ１８に接続されている。バーナ１８には、燃焼用の燃料として、原料ガス、又は燃料電池のアノードから排出された未反応の還元剤オフガスが供給される。バーナ１８は、これら燃焼用の燃料を燃焼させて、この熱を反応器に供給する。
【００２２】
燃料電池１のカソードには、酸化剤ガス供給経路３の下流端が接続されている。酸化剤ガス供給経路３の上流端は、空気供給装置５に接続されている。これにより、空気供給装置５からカソードに酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスとしては、主に空気が用いられる。空気供給装置５としては、例えば、遠心ポンプや往復ポンプ、スクロールポンプなどが用いられる。
【００２３】
更にカソードには、酸化剤ガス排出経路７の上流端が接続されている。酸化剤ガス排出経路７の下流端は、凝縮器８に接続されている。燃料電池１で反応に利用された後の酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出経路７に設置された凝縮器８においてガス中の蒸気が凝縮されることで気液分離され、凝縮水タンク９には凝縮水が貯えられる。凝縮器８としては、主にプレート式熱交換器や二重管式熱交換器、フィンチューブ式熱交換器などが用いられる。
【００２４】
凝縮水タンク９には、純水経路１２の上流端が、純水経路１２の下流端には純水タンク１３が接続されている。純水経路１２の途中には、凝縮水供給ポンプ１１および純水器１０が設置されている。凝縮水タンク９に貯えられた凝縮水は、凝縮水供給装置としての凝縮水供給ポンプ１１にて純水器１０に送られ、各種イオンなどが除去されて純水タンク１３に貯えられる。凝縮水供給ポンプ１１としては、主に遠心ポンプや斜流ポンプ、往復ポンプなどが用いられ、純水器１０としては、主にイオン交換樹脂や逆浸透膜などが用いられる。純水としては、蒸気発生器や反応器（図示せず）で要求される純度があればよい。純水経路１２の接続は前述の順番に限るものではなく、凝縮水供給ポンプ１１と純水器１０の位置が逆に設置されても良い。
【００２５】
純水タンク１３には、純水供給経路１７の上流端が、純水供給経路１７の下流端には水素生成装置４に接続されている。純水供給経路１７の途中には、純水供給ポンプ１６が設置されている。純水タンク１３に貯えられた純水は、純水供給ポンプ１６により純水供給経路１７を経て水素生成装置４中の蒸気発生器に供給され、水蒸気改質反応に利用される。純水供給ポンプ１６としては、主に遠心ポンプや斜流ポンプ、往復ポンプなどが用いられる。
【００２６】
制御器１４は、燃料電池システム内の各機器と信号線により接続されており、各機器からの情報に応じて、水素生成装置４や空気供給装置５、各種センサ（図示せず）などを含む燃料電池システム全体の動作を制御する。制御器１４は、単独の制御器で集中制御を行うよう構成されてもよく、複数の制御器で分散制御を行うよう構成されてもよい。制御器
１４は、制御機能を有すればよく、例えば、マイクロコンピュータ、プロセッサ、論理回路等で構成される。
【００２７】
以上のように構成された燃料電池システムの運転時の動作（燃料電池システムの運転方法）を、図１および図２を参照しながら説明する。この運転制御は、通常の運転時に、制御器１４によって遂行される。
【００２８】
図２は図１の燃料電池システムの運転制御の一例を示すフローチャートである。
【００２９】
発電運転やその準備（燃料電池システムの起動と言う）を実施する際、発電に必要な所定量の原料ガスおよび純水を水素生成装置４に供給する。
制御器１４は、純水水位検知手段としての純水水位センサ１５により純水タンク１３の水位を監視し、水素生成装置４での利用による純水の水位低下を検知して（図２ステップＳ１１）、凝縮水供給ポンプ１１を前回動作時に決定された出力（Ｘ）で動作させ（図２ステップＳ１２）純水タンク１３の水位を所定内に維持する。純水水位センサ１５としては、主にフロート式センサや光学界面式センサ、超音波式センサなどが用いられる。
【００３０】
凝縮水供給ポンプ１１を動作させてから（タイマ２）第一の所定時間（Ｔ１）内に純水タンク１３の水位が回復しない場合（図２ステップＳ１３）には、凝縮水供給ポンプ１１の能力ばらつきや、凝縮水中のゴミなどの異物による純水器１０やフィルタ（図示せず）の詰まりによる純水経路１２の圧力損失の増大の可能性があるため、凝縮水供給ポンプ１１の供給能力が増加するように凝縮水供給ポンプ１１に制御電圧や、制御周波数などの出力指示を第一の所定量（α）だけ増加した指示（Ｘ＝Ｘ＋α）を実施する（図２ステップＳ１４）。ステップＳ１３に戻り、さらに第一の所定時間内に純水タンク１３の水位が回復するか否かを判断し、ステップＳ１３、Ｓ１４を繰り返す。第一の所定時間としては、純水器１０の適正流速範囲の下限において凝縮水供給ポンプ１１を動作させた場合に、純水水位センサ１５における凝縮水供給ポンプ１１の動作開始水位から停止水位までの変化に要する時間を設定し、第一の所定量としては、純水器１０の適正流速範囲の下限から上限の流量増加に必要な出力値の増加分を設定すると好ましい。
ステップＳ１３において第一の所定時間（Ｔ１）内に純水タンク１３の水位が回復した場合には、凝縮水供給ポンプ１１の動作を停止する（図２ステップＳ１５）。このとき、最初に凝縮水供給ポンプ１１を動作させてから純水タンク１３の水位が回復するまでの経過時間（タイマ１）が第一の所定時間より短い第二の所定時間（Ｔ２）内である場合（図２ステップＳ１６）、凝縮水供給ポンプ１１の次回動作時の出力を第二の所定量（β）だけ減少した指示（Ｘ＝Ｘ−β）とする（図２ステップＳ１８）。ステップＳ１６において、第二の所定時間内でなかった場合、現在の出力（Ｘ）を凝縮水供給ポンプ１１の次回動作時の出力として決定する（図２ステップＳ１９）。第二の所定時間としては、純水器１０の適正流速範囲の上限において凝縮水供給ポンプ１１を動作させた場合に、純水水位センサ１５における凝縮水供給ポンプ１１の動作開始水位から停止水位までの変化に要する時間を設定し、第二の所定量としては、純水器１０の適正流速範囲の上限から中間の流量減少に必要な出力値の減少分を設定すると好ましい。
【００３１】
さらに、純水タンク１３の水位が回復するまでの経過時間（タイマ１）が第二の所定時間より短い第三の所定時間（Ｔ３）内である場合（図２ステップＳ１７）、凝縮水供給ポンプ１１の次回動作時の出力をステップＳ１８における第二の所定量より多い第三の所定量（γ）だけ減少した指示（Ｘ＝Ｘ−γ）とする（図２ステップＳ２０）。第三の所定時間としては、純水器１０の適正流速範囲の上限以上（例えば、上限流速の１．５から３倍程度の流速）において凝縮水供給ポンプ１１を動作させた場合に、純水水位センサ１５における凝縮水供給ポンプ１１の動作開始水位から停止水位までの変化に要する時間を設定し、第三の所定量としては、第三の所定時間設定時の流速から純水器１０の適正流速範囲
の中間の流量減少に必要な出力値の減少分を設定すると好ましい（凝縮水供給ポンプ１１の初期動作出力値としても良い）。
【００３２】
本実施の燃料電池システムの構成およびその動作において、制御器１４は、凝縮水供給ポンプ１１の動作時の純水水位センサ１５の変化に要した時間に応じて、凝縮水供給ポンプ１１の出力を変化させることにより、純水経路１２に流量計を設けることなく凝縮水供給ポンプ１１の流量（つまりは、純水器１０における流速）を純水器１０の適正流速範囲に制御することができ、燃料電池システムの簡素化および低コスト化が実現できる。
また、本実施の形態では凝縮水供給ポンプ１１の動作時の純水水位センサ１５の変化に要した時間が第三の所定時間内である場合において、次回動作時の凝縮水供給ポンプ１１の操作量を、通常減少する所定量（＝第二の所定量）より多い第三の所定量とすることで、凝縮水供給ポンプ１１の能力ばらつきや、凝縮水中のゴミなどの異物による純水器１０やフィルタ（図示せず）の詰まりによる純水経路１２の圧力損失の増大ではなく、純水経路１２に生じた空気による凝縮水供給ポンプ１１の吐出量の減少時においても、凝縮水供給ポンプ１１の流量を適正に制御することができる。空気によるポンプ吐出量の減少は、ポンプ出力を増加させていく過程で、原因となっていた空気が取り除かれ、急激に吐出量が回復することがあり、その際に適正範囲を大幅に超えて凝縮水を供給することを防止することができる。
【００３３】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２におけ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。
【００３４】
図３に示すように、本実施の形態２の燃料電池システムは、凝縮水タンク９の水位を検知する凝縮水水位検知手段として凝縮水水位センサ１９を備える点が実施の形態１の燃料電池システムと相違し、その他の点は実施の形態１の燃料電池システムと同じである。
【００３５】
以上のように構成された燃料電池システムの運転時の動作（燃料電池システムの運転方法）を、図３および図４を参照しながら説明する。この運転制御は、通常の運転時に、制御器１４によって遂行される。
【００３６】
図４は図３の燃料電池システムの運転制御の一例を示すフローチャートである。
制御器１４は、凝縮水水位センサ１９により凝縮水タンク９の水位を監視し、凝縮器８における水回収による凝縮水の水位増加を検知して（図４ステップＳ３１）、凝縮水供給ポンプ１１を前回動作時に決定された出力（Ｘ）で動作させ（図４ステップＳ３２）凝縮水タンク９の水位を所定内に維持する。凝縮水水位センサ１９としては、主にフロート式センサや光学界面式センサ、超音波式センサなどが用いられる。
【００３７】
凝縮水供給ポンプ１１を動作させてから（タイマ２）第一の所定時間（Ｔ１）内に凝縮水タンク９の水位が低下しない場合（図４ステップＳ３３）には、凝縮水供給ポンプ１１の能力ばらつきや、凝縮水中のゴミなどの異物による純水器１０やフィルタ（図示せず）の詰まりによる純水経路１２の圧力損失の増大の可能性があるため、凝縮水供給ポンプ１１の供給能力が増加するように凝縮水供給ポンプ１１に制御電圧や、制御周波数などの出力指示を第一の所定量（α）だけ増加した指示（Ｘ＝Ｘ＋α）を実施する（図４ステップＳ３４）。ステップＳ３３に戻り、さらに第一の所定時間内に凝縮水タンク９の水位が低下するか否かを判断し、ステップＳ３３、Ｓ３４を繰り返す。第一の所定時間としては、純水器１０の適正流速範囲の下限において凝縮水供給ポンプ１１を動作させた場合に、凝縮水水位センサ１９における凝縮水供給ポンプ１１の動作開始水位から停止水位までの変化に要する時間を設定し、第一の所定量としては、純水器１０の適正流速範囲の下限から上限の流量増加に必要な出力値の増加分を設定すると好ましい。
ステップＳ３３において第一の所定時間（Ｔ１）内に凝縮水タンク９の水位が低下した場合には、凝縮水供給ポンプ１１の動作を停止する（図４ステップＳ３５）。このとき、最初に凝縮水供給ポンプ１１を動作させてから凝縮水タンク９の水位が低下するまでの経過時間（タイマ１）が第一の所定時間より短い第二の所定時間（Ｔ２）内である場合（図４ステップＳ３６）、凝縮水供給ポンプ１１の次回動作時の出力を第二の所定量（β）だけ減少した指示（Ｘ＝Ｘ−β）とする（図４ステップＳ３８）。ステップＳ３６において、第二の所定時間内でなかった場合、現在の出力（Ｘ）を凝縮水供給ポンプ１１の次回動作時の出力として決定する（図４ステップＳ３９）。第二の所定時間としては、純水器１０の適正流速範囲の上限において凝縮水供給ポンプ１１を動作させた場合に、凝縮水水位センサ１９における凝縮水供給ポンプ１１の動作開始水位から停止水位までの変化に要する時間を設定し、第二の所定量としては、純水器１０の適正流速範囲の上限から中間の流量減少に必要な出力値の減少分を設定すると好ましい。
【００３８】
さらに、凝縮水タンク９の水位が低下するまでの経過時間（タイマ１）が第二の所定時間より短い第三の所定時間（Ｔ３）内である場合（図４ステップＳ３７）、凝縮水供給ポンプ１１の次回動作時の出力をステップＳ３８における第二の所定量より多い第三の所定量（γ）だけ減少した指示（Ｘ＝Ｘ−γ）とする（図４ステップＳ４０）。第三の所定時間としては、純水器１０の適正流速範囲の上限以上（例えば、上限流速の１．５から３倍程度の流速）において凝縮水供給ポンプ１１を動作させた場合に、凝縮水水位センサ１９における凝縮水供給ポンプ１１の動作開始水位から停止水位までの変化に要する時間を設定し、第三の所定量としては、第三の所定時間設定時の流速から純水器１０の適正流速範囲の中間の流量減少に必要な出力値の減少分を設定すると好ましい（凝縮水供給ポンプ１１の初期動作出力値としても良い）。
【００３９】
本実施の燃料電池システムの構成およびその動作において、制御器１４は、凝縮水水位センサ１９を用いて、凝縮水供給ポンプ１１の出力を変化させることにより、純水水位センサ１５および純水経路１２に流量計を設けることなく凝縮水供給ポンプ１１の流量（つまりは、純水器１０における流速）を純水器１０の適正流速範囲に制御することができ、燃料電池システムの簡素化および低コスト化が実現できる。
【００４０】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３におけ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。
【００４１】
図５に示すように、本実施の形態３の燃料電池システムは、凝縮水タンク９に水道水を供給する給水弁２０と、入力装置２１を備える点が実施の形態１の燃料電池システムと相違し、その他の点は実施の形態２の燃料電池システムと同じである。
【００４２】
以上のように構成された燃料電池システムの運転時の動作（燃料電池システムの運転方法）を、図５および図６を参照しながら説明する。この運転制御は、主に燃料電池システムの設置やメンテナンス時の運転において、制御器１４によって遂行される。
【００４３】
図６は図５の燃料電池システムの運転制御の一例を示すフローチャートである。
燃料電池システムにおいては、一般的に水の利用・回収において、自立した系で運転が行われるが、燃料電池システムの設置時やメンテナンス実施後においては、システム内に水がない状態であり、外部からの水の供給が必要となる。制御器１４は、入力装置２１により設置やメンテナンス時の運転であることが選択・入力された場合、凝縮水供給ポンプ１１の出力をあらかじめ設定された初期動作出力値（Ｘ＝Ｙ）とする（図６ステップＳ５０）。次に、給水弁２０を開け水道水を凝縮水タンク９に供給する（図６ステップＳ５１）。凝縮水水位センサ１９により凝縮水タンク９の水位が所定の水位に到達した時点（図６
ステップＳ５２）で給水弁２０を閉じる（図６ステップＳ５３）。次に、凝縮水供給ポンプ１１をあらかじめ設定された初期動作出力値、または前回動作時の出力（Ｘ）で動作させ（図６ステップＳ５４）凝縮水タンク９の水位を所定内に維持する。給水弁２０としては、主に直動式やパイロット式などの電磁弁が用いられ、入力装置２１としては、燃料電池システム筐体に設けられた表示器と入力器や、リモコンなどが用いられる。
【００４４】
凝縮水供給ポンプ１１を動作させてから（タイマ２）第一の所定時間（Ｔ１）内に凝縮水タンク９の水位が低下しない場合（図６ステップＳ５５）には、凝縮水供給ポンプ１１の能力ばらつきや、凝縮水中のゴミなどの異物による純水器１０やフィルタ（図示せず）の詰まりによる純水経路１２の圧力損失の増大の可能性があるため、凝縮水供給ポンプ１１の供給能力が増加するように凝縮水供給ポンプ１１に制御電圧や、制御周波数などの出力指示を第一の所定量（α）だけ増加した指示（Ｘ＝Ｘ＋α）を実施する（図６ステップＳ５６）。ステップＳ５５に戻り、さらに第一の所定時間内に凝縮水タンク９の水位が低下するか否かを判断し、ステップＳ５５、Ｓ５６を繰り返す。第一の所定時間としては、純水器１０の適正流速範囲の下限において凝縮水供給ポンプ１１を動作させた場合に、凝縮水水位センサ１９における凝縮水供給ポンプ１１の動作開始水位から停止水位までの変化に要する時間を設定し、第一の所定量としては、純水器１０の適正流速範囲の下限から上限の流量増加に必要な出力値の増加分を設定すると好ましい。
ステップＳ５５において第一の所定時間（Ｔ１）内に凝縮水タンク９の水位が低下した場合には、凝縮水供給ポンプ１１の動作を停止する（図６ステップＳ５７）。このとき、最初に凝縮水供給ポンプ１１を動作させてから凝縮水タンク９の水位が低下するまでの経過時間（タイマ１）が第一の所定時間より短い第二の所定時間（Ｔ２）内である場合（図６ステップＳ５８）、凝縮水供給ポンプ１１の次回動作時の出力を第二の所定量（β）だけ減少した指示（Ｘ＝Ｘ−β）とする（図６ステップＳ６０）。ステップＳ５８において、第二の所定時間（Ｔ２）内でなかった場合、現在の出力（Ｘ）を凝縮水供給ポンプ１１の次回動作時の出力として決定する（図６ステップＳ６１）。第二の所定時間としては、純水器１０の適正流速範囲の上限において凝縮水供給ポンプ１１を動作させた場合に、凝縮水水位センサ１９における凝縮水供給ポンプ１１の動作開始水位から停止水位までの変化に要する時間を設定し、第二の所定量としては、純水器１０の適正流速範囲の上限から中間の流量減少に必要な出力値の減少分を設定すると好ましい。
【００４５】
さらに、凝縮水タンク９の水位が低下するまでの経過時間（タイマ１）が第二の所定時間より短い第三の所定時間（Ｔ３）内である場合（図６ステップＳ５９）、凝縮水供給ポンプ１１の次回動作時の出力をステップＳ６０における第二の所定量より多い第三の所定量（γ）だけ減少した指示（Ｘ＝Ｘ−γ）とする（図６ステップＳ６２）。第三の所定時間としては、純水器１０の適正流速範囲の上限以上（例えば、上限流速の１．５から３倍程度の流速）において凝縮水供給ポンプ１１を動作させた場合に、凝縮水水位センサ１９における凝縮水供給ポンプ１１の動作開始水位から停止水位までの変化に要する時間を設定し、第三の所定量としては、第三の所定時間設定時の流速から純水器１０の適正流速範囲の中間の流量減少に必要な出力値の減少分を設定すると好ましい（凝縮水供給ポンプ１１の初期動作出力値としても良い）。
【００４６】
次に、再び給水弁２０を開け（図６ステップＳ５１）一連の動作を純水水位センサ１５が所定の水位を検知するまで繰り返す（図６ステップＳ６３）。
【００４７】
本実施の燃料電池システムの構成およびその動作において、凝縮水水位センサ１９を用いることで、燃料電池システム内に水が存在しない設置時やメンテナンス時の運転において、純水経路１２に流量計を設けることなく凝縮水供給ポンプ１１の流量（つまりは、純水器１０における流速）を純水器１０の適正流速範囲に制御することができ、燃料電池システムの簡素化および低コスト化が実現できる。
また、本実施の形態ではステップＳ６３において純水水位センサ１５が所定の水位を検知した時点で終了するとして説明したが、凝縮水供給ポンプ１１の動作時に純水タンク１３に供給される純水の水量を把握し、設置時やメンテナンス時に純水タンク１３に蓄える必要がある水量が賄える回数だけ一連の動作を繰り返す動作としても良い。このように動作させることで、純水水位センサ１５を用いることなく設置時やメンテナンス時の運転ができ、燃料電池システムの更なる低コスト化が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の燃料電池システムおよびその動作によれば、流量計を設けることなく純水経路を適正流量範囲に制御することができ、例えば家庭用の燃料電池コージェネレーションシステム等として有用である。
【符号の説明】
【００４９】
１  燃料電池
２  還元剤ガス供給経路
３  酸化剤ガス供給経路
４  水素生成装置
５  空気供給装置
６  還元剤ガス排出経路
７  酸化剤ガス排出経路
８  凝縮器
９  凝縮水タンク
１０  純水器
１１  凝縮水供給ポンプ
１２  純水経路
１３  純水タンク
１４  制御器
１５  純水水位センサ
１６  純水供給ポンプ
１７  純水供給経路
１８  バーナ
１９  凝縮水水位センサ
２０  給水弁
２１  入力装置
【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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【図７】
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