(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を改質することで水素含有ガスを生成する改質器と、
前記水素含有ガスを燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器で生成された排ガスが流れる排ガス経路と、
冷却水が循環する冷却水経路と、
前記排ガス経路及び前記冷却水経路に設けられ、前記排ガスと前記冷却水とが熱交換することで前記排ガス中の水蒸気が凝縮する凝縮器と、
前記冷却水経路に配置された水タンク及び冷却水ポンプと、
貯湯水を貯留する貯湯タンクと、
前記冷却水経路を流れる冷却水を放熱する放熱器と、
前記貯湯タンクに外部の水を供給するための水経路と、
前記貯湯タンクから前記水タンクに水を供給するための給水経路と、
前記給水経路に配置された給水弁と、を備え、
前記水タンクは、前記凝縮器で発生する凝縮水を貯留するとともに、外部と連通している排水口を備え、
前記給水経路は前記貯湯タンクの上部に接続され、前記貯湯タンク、前記給水弁及び前記水タンクが、前記水タンクへの給水における水の流れ方向においてこの順に、前記給水経路に配置されている水素生成装置。
【請求項２】
前記給水弁の開閉を制御する制御器を備え、
前記制御器は、前記水素生成装置の水張り運転において、前記水経路から、前記貯湯タンク、前記給水経路、前記水タンクの順に給水が行われるように、前記給水弁を開放する請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記放熱器は、前記貯湯水と前記冷却水とが熱交換する熱交換器である請求項１又は２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記貯湯タンクの上部に接続され、前記貯湯タンクの温水を給湯するための給湯経路を備え、
前記給水経路は、前記給湯経路から分岐して前記水タンクへと至る第１経路と、前記貯湯タンクの上部と前記給湯経路の分岐部との間の第２経路とを備える請求項１から３のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記冷却水経路から分岐して前記改質器へと至る改質水経路を備え、
前記冷却水の一部が前記改質水経路を流通して改質水として前記改質器に供給される請求項１から４のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記改質水経路に配置された改質水ポンプを備える請求項５に記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記水タンク、前記放熱器、前記改質水経路への分岐部及び前記凝縮器は、前記冷却水の流れ方向においてこの順に、前記冷却水経路に配置されている請求項５又は６に記載の水素生成装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の水素生成装置と、
前記水素生成装置の改質器から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池は固体酸化物形燃料電池である請求項８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】
本開示は水素生成装置及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質形燃料電池システムの場合、燃料電池の発電を適切に行うのに、燃料電池を冷却し、燃料電池の温度を適温に維持する必要がある。また、高温動作の固体酸化物形燃料電池システムの場合、水自立運転を適切に行うのに、燃料電池システムからの排ガスを適温にまで冷却する必要がある。つまり、いずれの燃料電池システムも、冷却水が循環する冷却水経路を備える。
【０００３】
例えば、特許文献１には、高分子電解質形燃料電池システムにおいて、冷却水経路及び冷却水を溜める冷却タンクが記載されている。この特許文献１の燃料電池システムは、冷却水経路の冷却水が、冷却タンク、燃料電池及び熱交換器をこの順に通過するように構成されている。これにより、燃料電池の熱を冷却水が奪い、燃料電池を通過した冷却水の熱が、熱交換器において貯湯タンクに溜める水で回収されている。このようにして、燃料電池の温度が適温に維持されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３―００８７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池システムが、例えば、所定の設置場所に置かれる際に、上記の冷却タンク及び貯湯タンク等を所望量の水で満たす必要がある（以下、水張り運転という）。また、燃料電池システムを長期に使用しない場合にも、このような水張り運転を行う可能性がある。
【０００６】
しかし、特許文献１は、上記の水張り運転の簡易化については十分に検討されていない。詳細は実施形態において説明する。
【０００７】
本開示の一態様（aspect）は、このような事情に鑑みてなされたものであり、水張り運転を従来よりも簡易に行い得る水素生成装置及び燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の一態様の水素生成装置は、原料を改質することで水素含有ガスを生成する改質器と、前記水素含有ガスを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で生成された排ガスが流れる排ガス経路と、冷却水が循環する冷却水経路と、前記排ガス経路及び前記冷却水経路に設けられ、前記排ガスと前記冷却水とが熱交換することで前記排ガス中の水蒸気が凝縮する凝縮器と、前記冷却水経路に配置された水タンク及び冷却水ポンプと、貯湯水を貯留する貯湯タンクと、前記冷却水経路を流れる冷却水を放熱する放熱器と、前記貯湯タンクに外部の水を供給するための水経路と、前記貯湯タンクから前記水タンクに水を供給するための給水経路と、前記給水経路に配置された給水弁と、を備え、前記水タンクは、前記凝縮器で発生する凝縮水を貯留するとともに、外部と連通している排水口を備え、前記給水経路は前記貯湯タンクの上部に接続され、前記貯湯タンク、前記給水弁及び前記水タンクが、前記水タンクへの給水における水の流れ方向においてこの順に、前記給水経路に配置されている。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の一態様の水素生成装置は、水張り運転を従来よりも簡易に行い得る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第１実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。
【図２】図２は、第１実施形態の水素生成装置の動作（水張り運転）の一例を示すフローチャートである。
【図３】図３は、第１実施形態の変形例の水素生成装置の一例を示す図である。
【図４】図４は、第１実施形態の第１実施例の水素生成装置の一例を示す図である。
【図５】図５は、第１実施形態の第２実施例の水素生成装置の一例を示す図である。
【図６】図６は、第２実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
発明者らは、燃料電池システムの水張り運転の簡易化について鋭意検討し、以下の知見を得た。
【００１２】
上記のとおり、燃料電池システムの水張り運転では、冷却タンク内も貯湯タンク内も水で満たす必要がある。
【００１３】
ところが、燃料電池システムの水張り運転時には、貯湯タンク内に空気が存在するので、水張り運転に伴い貯湯タンクの内圧が上昇する場合がある。すると、貯湯タンクに連通する貯湯水循環経路に設けられたポンプ等の精密機器が破損する可能性がある。そこで、特許文献１では、このような可能性を低減すべく、貯湯タンク内の空気を外部へ逃がすための空気抜き弁２４が貯湯タンク１４の上部に設けられている。しかし、この空気抜き弁２４は、燃料電池システムの水張り運転のみに必要な部品であり、燃料電池システムの通常の運転では使用されないと考えられる。よって、空気抜き弁を廃止することで、水張り運転に必要な部品のコスト低減が図れ、これにより、水張り運転を従来よりも簡易に行い得る。
【００１４】
また、特許文献１の水張り運転では、貯湯タンク１４の水張りが完了した後、貯湯タンク１４の水を冷却タンク８へ送るためのポンプ３３、３４を作動させ、冷却タンク８の水張りが行われている。よって、このような水張り運転の操作を見直すことで、水張り運転の操作性の向上が図れ、これにより、水張り運転を従来よりも簡易に行い得る。
【００１５】
なお、水素生成装置でも、例えば、燃焼器、冷却水タンク、燃焼器の排ガスの熱を回収した貯湯水を貯留する貯湯タンク等を備える場合は、上記と同様の問題が発生すると考えられる。
【００１６】
このように、発明者らは、特許文献１に記載のような空気抜き弁を廃止すること、及び特許文献１に記載のような水張り運転の操作を見直すことが、水素生成装置及び燃料電池システムの水張り運転の簡易化にとって有効であることを見出し、以下の本開示の一態様に到達した。
【００１７】
すなわち、本開示の第１の態様の水素生成装置は、原料を改質することで水素含有ガスを生成する改質器と、水素含有ガスを燃焼する燃焼器と、燃焼器で生成された排ガスが流れる排ガス経路と、冷却水が循環する冷却水経路と、排ガス経路及び冷却水経路に設けられ、排ガスと冷却水とが熱交換することで排ガス中の水蒸気が凝縮する凝縮器と、冷却水経路に配置された水タンク及び冷却水ポンプと、貯湯水を貯留する貯湯タンクと、冷却水経路を流れる冷却水を放熱する放熱器と、貯湯タンクに外部の水を供給するための水経路と、貯湯タンクから水タンクに水を供給するための給水経路と、給水経路に配置された給水弁と、を備え、水タンクは、凝縮器で発生する凝縮水を貯留するとともに、外部と連通している排水口を備え、給水経路は貯湯タンクの上部に接続され、貯湯タンク、給水弁及び水タンクが、水タンクへの給水における水の流れ方向においてこの順に、給水経路に配置されている。
【００１８】
また、本開示の第２の態様の水素生成装置は、第１の態様の水素生成装置において、給水弁の開閉を制御する制御器を備え、制御器は、水素生成装置の水張り運転において、水経路から、貯湯タンク、給水経路、水タンクの順に給水が行われるように、給水弁を開放する。
【００１９】
かかる構成によると、水素生成装置の水張り運転を従来よりも簡易に行い得る。
【００２０】
具体的には、給水経路に配置された給水弁を開けて、貯湯タンクから水タンクに水を張る際に、水タンクに設けられた排水口を通じて貯湯タンク内及び水タンク内の空気を外部へ抜くことができる。よって、特許文献１に記載のような空気抜き弁が不要となり、水素生成装置の水張り運転に必要な部品のコスト低減が図れ、ひいては、水張り運転が簡易化する。
【００２１】
また、給水経路に配置された給水弁を開けるだけで、例えば、水インフラの供給圧により、貯湯タンクから水タンクに水を張ることができる。よって、特許文献１に記載のような水張り運転でのポンプ作動等の操作が不要となり、水張り運転の操作性の向上が図れ、ひいては、水張り運転が簡易化する。
【００２２】
また、本開示の第３の態様の水素生成装置は、第１又は第２の態様の水素生成装置において、放熱器は、貯湯水と冷却水とが熱交換する熱交換器である。
【００２３】
かかる構成によると、熱交換器において、凝縮器に流入する冷却水の温度を凝縮器で排ガスから適量の水を回収するのに必要な適温にまで低下できるとともに、冷却水の熱を貯湯タンクの貯湯水で適切に回収できる。
【００２４】
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の実施形態、実施例及び変形例について説明する。
【００２５】
なお、以下で説明する実施形態、実施例及び変形例は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。つまり、以下に示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序等は、いずれも一例であり、本開示を限定するものではない。また、以下に示される構成要素のうち、本開示の最上位概念を規定する独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、装置構成の図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状及び寸法比等については正確な表示ではない場合がある。また、フローチャートは、必要に応じて、ステップの順序等を変更でき、かつ、他の公知のステップを追加できる。
【００２６】
（第１実施形態）
［装置構成］
図１は、第１実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。なお、図面において、便宜上、「上」及び「下」が取られており、重力は上から下に作用するものとする。
【００２７】
図１に示す例では、水素生成装置１００は、改質器１と、燃焼器２と、排ガス経路３と、凝縮器４と、水タンク５と、冷却水経路６と、放熱器６Ａと、冷却水ポンプ７と、貯湯タンク８と、水経路９と、給水経路１０と、給水弁１１と、制御器３９と、を備える。
【００２８】
改質器１は、原料を改質することで水素含有ガスを生成する。具体的には、改質器１において、原料が改質反応して、水素含有ガスが生成される。改質反応は、いずれの形態であってもよい。改質反応として、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応等が挙げられる。図１には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器が設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、水素生成装置１００には、更に、改質反応用の空気を供給する空気供給器が設けられる。
【００２９】
原料は、図示しない原料供給器により改質器１に供給される。原料供給器は、改質器１へ供給する原料の流量を調整する機器であり、例えば、昇圧器と流量調整弁により構成されるが、これらのいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器として、例えば、ポンプを例示できる。ポンプとして、例えば、ブースタ式ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。原料は、原料供給源より供給される。原料供給源は、所定の供給圧を備える。原料供給源として、例えば、原料ボンベ、原料インフラ等が挙げられる。
【００３０】
なお、原料として、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の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燃料ガスを用いてもよいし、アルコール、バイオ燃料、軽油等の燃料を用いてもよい。
【００３１】
燃焼器２は、水素含有ガスを燃焼する。燃焼器２の燃焼熱により、改質器１は、その触媒の適温にまで加熱される。燃焼器２の燃料として、例えば、水素生成装置１００が燃料電池システムに組み込まれる場合、燃料電池のアノードオフガス（水素含有ガス）を用いてもよい。詳細は第２実施形態で説明する。
【００３２】
燃焼用の空気は、図示しない空気供給器により燃焼器２に供給される。空気供給器は、燃焼器２に空気を供給できれば、どのような構成であっても構わない。空気供給器として、例えば、ブロア等を例示できる。かかるブロアを用いることで、燃焼器２へ供給する空気の流量を適切に調整できる。
【００３３】
排ガス経路３は、燃焼器２で生成された排ガスが流れる流路である。なお、排ガス経路３を通過した排ガスは、外部へ放出される。冷却水経路６は、冷却水が循環する流路である。水タンク５及び冷却水ポンプ７は、冷却水経路６に配置されている。つまり、これらの水タンク５及び冷却水ポンプ７は、冷却水経路６と連通し、冷却水経路６とともに、冷却水を循環させる循環経路の一部を構成している。なお、冷却水ポンプ７は、冷却水経路６の冷却水を循環できれば、どのような構成であっても構わない。冷却水ポンプ７として、例えば、羽車式の軸流ポンプ、ブランジャーポンプ等を例示できる。
【００３４】
ここで、本実施形態では、凝縮器４は、排ガス経路３及び冷却水経路６に設けられ、排ガスと冷却水とが熱交換することで排ガス中の水蒸気が凝縮する。そして、水タンク５は、凝縮器４で発生する凝縮水を貯留するとともに、外部と連通している排水口５Ａを備える。なお、水タンク５の水量が所定量を超えると、この排水口５Ａから水がオーバーフローする。
【００３５】
凝縮器４において、排ガス経路３の排ガスが加熱流体として機能し、冷却水経路６の冷却水が受熱流体として機能し、両流体の熱交換が行われる。排ガスは、熱交換で冷却されることで排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮する。凝縮水は、排ガスが流れる排ガス経路３から分離し、適宜の配管を通じて水タンク５へ送られる。冷却水は、上記の熱交換で加熱されることで排ガスの熱を適切に回収できる。
【００３６】
放熱器６Ａは、冷却水経路６を流れる冷却水を放熱する機器である。放熱器６Ａは、冷却水経路６を流れる冷却水を放熱できれば、どのような構成であっても構わない。放熱器６Ａとして、例えば、空冷式の熱交換器を用いてもよいが、本実施形態では、水素生成装置１００が、貯湯水を貯留する貯湯タンク８を備え、放熱器６Ａは、冷却水経路６を流れる冷却水と貯湯水とが熱交換する熱交換器で構成されている。
【００３７】
以上により、本実施形態の放熱器６Ａ（熱交換器）において、凝縮器４に流入する冷却水の温度を凝縮器４で排ガスから適量の水を回収するのに必要な適温にまで低下できるとともに、冷却水の熱を貯湯タンク８の貯湯水で適切に回収できる。
【００３８】
水経路９は、貯湯タンク８に外部の水（以下、市水という場合がある）を供給するための流路である。水経路９の上流端は、例えば、図示しない水インフラに接続され、水経路９の下流端は、貯湯タンク８の下部に接続されている。なお、水経路９の下流端は、貯湯タンク８の下部以外に設けられていてもよい。
【００３９】
なお、図示を省略するが、水経路９の途中に、貯湯タンク８への市水供給の開始及び停止を行うための元栓バルブが設けられている。これにより、元栓バルブを開けると、貯湯タンク８の水を、水インフラの供給圧により、適宜の配管を通じて外部に送ることもできる。
【００４０】
給水経路１０は、貯湯タンク８から水タンク５に水を供給するための流路である。給水経路１０の下流端は、例えば、図１に示すように、水タンク５の適所に接続していてもよいし、図示を省略するが、貯湯タンク８から伸びる給水配管が、水タンク５と連通する他の配管に接続することで、これらの配管が、給水経路１０を構成してもよい。
【００４１】
給水弁１１は、給水経路１０に配置されている。給水弁１１は、給水経路１０を流れる水の流量を調整する。給水弁１１は、給水経路１０を流れる水の流量を調整できれば、どのような構成であっても構わない。給水弁１１として、例えば、電磁式のニードル弁等を例示できる。
【００４２】
これにより、貯湯タンク８から伸びる給水配管が、例えば、冷却水経路６を構成する冷却水配管に接続し、これらの配管が給水経路１０を構成する場合であっても、冷却水配管に適量の水が供給される。これは以下の理由による。
【００４３】
水素生成装置１００の運転時における冷却水配管内の水の循環流量は、通常、水素生成装置１００の水張り運転における水の供給流量よりも少ない。よって、冷却水配管の径を給水配管の径よりも小さくすることが多い。このため、仮に水張り運転における多量の水が、小径の冷却水配管に供給される場合、この冷却水配管に過度の負荷がかかる可能性があるが、給水弁１１により水流量を適切に調整することで、このような可能性を低減できる。
【００４４】
ここで、本実施形態では、給水経路１０は貯湯タンク８の上部に接続され、貯湯タンク８、給水弁１１及び水タンク５が、水タンク５への給水における水の流れ方向においてこの順に、給水経路１０に配置されている。このように、給水経路１０の上流端は、貯湯タンク８の上方の部分（上部）に接続される方がよい。本実施形態では、給水経路１０の上流端は、貯湯タンク８を構成する容器の上壁部に接続されている。
【００４５】
また、制御器３９は、給水弁１１の開閉を制御する。そして、制御器３９は、水素生成装置１００の水張り運転において、水経路９から、貯湯タンク８、給水経路１０、水タンク５の順に給水が行われるように、給水弁１１を開放する。
【００４６】
制御器３９は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であってもよい。制御器３９は、例えば、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備えてもよい。演算処理部として、例えば、一つ又は複数の演算回路（図示せず）等を例示できる。演算回路としては、例えば、ＭＰＵ（マイクロプロセッサ）、ＣＰＵ等を例示できる。記憶部として、例えば、一つ又は複数の記憶回路（図示せず）等を例示できる。記憶回路としては、例えば、半導体メモリー等を例示できる。制御器３９は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。制御器３９は、給水弁１１の他、水素生成装置１００の様々な機器（例えば、冷却水ポンプ７等）を制御しても構わない。
【００４７】
以上により、水素生成装置１００の水張り運転を従来よりも簡易に行い得る。
【００４８】
具体的には、水素生成装置１００の水張り運転において、給水経路１０に配置された給水弁１１を開けて、貯湯タンク８から水タンク５に水を張る際に、水タンク５に設けられた排水口５Ａを通じて貯湯タンク８内及び水タンク５内の空気を外部へ抜くことができる。よって、特許文献１に記載のような空気抜き弁が不要となり、水素生成装置１００の水張り運転に必要な部品のコスト低減が図れ、ひいては、水張り運転が簡易化する。なお、給水弁１１は、水素生成装置１００の水張り運転以外の通常の動作では、閉止されている。これにより、冷却水経路６を流れる冷却水に市水が混合することを適切に抑制できる。
【００４９】
また、給水経路１０に配置された給水弁１１を開けるだけで、例えば、水インフラの供給圧により、貯湯タンク８から水タンク５に水を張ることができる。よって、特許文献１に記載のような水張り運転でのポンプ作動等の操作が不要となり、水張り運転の操作性の向上が図れ、ひいては、水張り運転が簡易化する。
【００５０】
［動作］
図２は、第１実施形態の水素生成装置の動作（水張り運転）の一例を示すフローチャートである。
【００５１】
以下、水素生成装置１００の水張り運転について、図１及び図２を参照しながら説明する。以下の水張り運転は、制御器３９の演算処理部が、記憶部に記億された制御プログラムを読み出すことで、自動で行われる。なお、水素生成装置１００が、例えば、所定の設置場所に置かれる場合、水タンク５及び貯湯タンク８内は空の状態であるので、水張り運転を行う必要がある。また、水素生成装置１００を長期に使用しない場合にも、水タンク５及び貯湯タンク８内の水が不足する場合があるので、水張り運転を行う可能性がある。
【００５２】
まず、制御器３９による水張り運転の準備操作として、水経路９に設けられた元栓バルブが手動で開放される。
【００５３】
次に、ステップＳ１で、水素生成装置１００の電源スイッチ（図示せず）をオン（ＯＮ）したか否かが判定される。
【００５４】
そして、電源スイッチをオンしたと判定されると、ステップＳ２で、給水弁１１が開放される。すると、水インフラの供給圧により、貯湯タンク８に市水が給水され、貯湯タンク８に水が張られる。また、貯湯タンク８から給水経路１０を通じて水タンク５に給水される。このとき、水素生成装置１００内の空気（具体的には、貯湯タンク８内及び水タンク５内の空気）は、水タンク５に設けられた排水口５Ａから外部へ排気される。なお、電源スイッチをオンした後、水張りスイッチ（図示せず）をオン（ＯＮ）するステップを備える構成であってもよい。
【００５５】
次に、ステップＳ３で、水素生成装置１００の水張りが完了したか否かが判定される。
【００５６】
そして、水張りが完了したと判定されると、ステップＳ４で、給水弁１１が閉止され、水素生成装置１００の水張り運転が終了する。
【００５７】
なお、ステップＳ３の水張りの完了は、例えば、給水弁１１の開放からの時間経過に基づいて判定されてもよい。つまり、水インフラの供給圧、給水経路１０の流路抵抗、水張りが行われる部分の内容積等は、予め把握できるので、これらの値から、水素生成装置１００の水張りが完了するのに必要な時間を知ることができる。また、ステップＳ３の水張りの完了は、例えば、排水口５Ａから水がオーバーフローしたこと、あるいは水が所定時間以上オーバーフローしたことを検知することで判定されてもよい。また、水タンク５に接続する経路などに流量計を付けて水の流量を検知し、水の検知流量の変化が所定値以下になったときを水張り完了時として判定してもよい。例えば、排水口５Ａを栓などで閉止した状態で、冷却水経路６又は給水経路１０の適所に設けられた流量計の計測値の変化が所定値以下になったときを水張り完了時として判定してもよい。
【００５８】
このようにして、給水経路１０に配置された給水弁１１を開けるだけで、水インフラの供給圧により、貯湯タンク８から水タンク５に自動的に水を張ることができる。
【００５９】
（変形例）
図３は、第１実施形態の変形例の水素生成装置の一例を示す図である。
【００６０】
図３に示す例では、水素生成装置１００は、改質器１と、燃焼器２と、排ガス経路３と、凝縮器４と、水タンク５と、冷却水経路６と、放熱器６Ａと、冷却水ポンプ７と、貯湯タンク８と、水経路９と、給水経路１０Ａ、１０Ｂと、給水弁１１Ａと、給湯経路２０、制御器３９と、を備える。
【００６１】
改質器１、燃焼器２、排ガス経路３、凝縮器４、水タンク５、冷却水経路６、放熱器６Ａ，冷却水ポンプ７、貯湯タンク８、水経路９及び制御器３９については第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００６２】
本変形例の水素生成装置１００は、第１−第３の態様のいずれかの水素生成装置１００において、給湯経路２０は、貯湯タンク８の上部に接続され、貯湯タンクの温水を給湯するための流路であり、給水経路１０Ａ、１０Ｂは、給湯経路２０から分岐して水タンク５へと至る第１経路１０Ａと、貯湯タンク８の上部と給湯経路２０の分岐部との間の第２経路１０Ｂとを備える。給水弁１１Ａは、第１経路１０Ａに配置されている。
【００６３】
本変形例の水素生成装置１００は、上記の特徴点以外は、第１−第３の態様のいずれかの水素生成装置１００と同様に構成しても構わない。
【００６４】
なお、給湯経路２０の途中に、家庭で利用される温水を適温に調温するためのバックアップボイラー（図示せず）を設けても構わない。
【００６５】
かかる構成によると、給水経路１０Ａ、１０Ｂの一部と給湯経路２０の一部とが共用されているので、第１実施形態の水素生成装置１００に比べ水供給配管を簡易に構成できる。
【００６６】
（第１実施例）
図４は、第１実施形態の第１実施例の水素生成装置の一例を示す図である。
【００６７】
図４に示す例では、水素生成装置１００は、改質器１と、燃焼器２と、排ガス経路３と、凝縮器４と、水タンク５と、冷却水経路６と、放熱器６Ａと、冷却水ポンプ７と、貯湯タンク８と、水経路９と、給水経路１０と、給水弁１１と、改質水経路１３と、制御器３９と、を備える。
【００６８】
改質器１、燃焼器２、排ガス経路３、凝縮器４、水タンク５、冷却水経路６、放熱器６Ａ、冷却水ポンプ７、貯湯タンク８、水経路９、給水経路１０、給水弁１１及び制御器３９については第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００６９】
本実施例の水素生成装置１００は、第１−第３の態様及び第１実施形態の変形例のいずれかの水素生成装置１００において、改質水経路１３は、冷却水経路６から分岐して改質器１へと至る流路であり、冷却水の一部が改質水経路１３を流通して改質水として改質器１に供給される。これにより、改質器１において、原料の水蒸気改質、オートサーマル反応等を適切に行い得る。
【００７０】
本実施例の水素生成装置１００は、上記の特徴点以外は、第１−第３の態様及び第１実施形態の変形例のいずれかの水素生成装置１００と同様に構成しても構わない。
【００７１】
改質水経路１３の上流端は、冷却水が流れる冷却水経路６であれば、いずれの箇所に接続されていても構わない。本実施例では、改質水経路１３の上流端は、放熱器６Ａと凝縮器４との間の冷却水経路６に接続されている。つまり、水タンク５、放熱器６Ａ、改質水経路１３への分岐部及び凝縮器４は、冷却水の流れ方向においてこの順に、冷却水経路６に配置されている。
【００７２】
また、改質水経路１３に、例えば、イオン交換樹脂フィルタ等を設けてもよい。イオン交換樹脂フィルタは、改質水経路１３が分岐する分岐部より上流の冷却水経路６上に配置されていてもよい。
【００７３】
かかる構成によると、凝縮器４で回収した水を改質に用いることができるので、外部の水の消費によるコストアップを抑制できる。
【００７４】
（第２実施例）
図５は、第１実施形態の第２実施例の水素生成装置の一例を示す図である。
【００７５】
図５に示す例では、水素生成装置１００は、改質器１と、燃焼器２と、排ガス経路３と、凝縮器４と、水タンク５と、冷却水経路６と、放熱器６Ａと、冷却水ポンプ７と、貯湯タンク８と、水経路９と、給水経路１０と、給水弁１１と、改質水経路１３と、改質水ポンプ１５と、制御器３９と、を備える。
【００７６】
改質器１、燃焼器２、排ガス経路３、凝縮器４、水タンク５、冷却水経路６、放熱器６Ａ、冷却水ポンプ７、貯湯タンク８、水経路９、給水経路１０、給水弁１１、改質水経路１３及び制御器３９については第１実施形態の第１実施例と同様であるので説明を省略する。
【００７７】
本実施例の水素生成装置１００は、第１実施形態の第１実施例の水素生成装置１００において、改質水ポンプ１５が、改質水経路１３に配置されている。
【００７８】
本実施例の水素生成装置１００は、上記の特徴点以外は、第１実施形態の第１実施例の水素生成装置１００と同様に構成しても構わない。
【００７９】
改質水ポンプ１５は、改質器１へ供給する改質水の流量を調整する機器である。改質水ポンプ１５は、改質器１へ供給する改質水の流量を調整できれば、どのような構成であっても構わない。改質水ポンプ１５として、例えば、容積型ポンプ等を例示できる。容積型ポンプとして、例えば、ブランジャーポンプ等を例示できる。
【００８０】
かかる構成によると、改質水ポンプ１５の出力を制御することで、改質器１へ供給する改質水の量を改質反応に適した量に調整できる。
【００８１】
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
【００８２】
本実施形態の燃料電池システム２００は、第１−第３の態様、第１実施形態の変形例及び第１実施形態の第１−第２実施例のいずれかの水素生成装置１００と、水素生成装置１００の改質器１から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池１８と、を備える。
【００８３】
図６に示す例では、燃料電池システム２００は、改質器１と、燃焼器２Ａと、排ガス経路３と、凝縮器４と、水タンク５と、冷却水経路６と、放熱器６Ａと、冷却水ポンプ７と、貯湯タンク８と、水経路９と、給水経路１０と、給水弁１１と、燃料電池１８と、制御器３９と、を備える。
【００８４】
改質器１、排ガス経路３、凝縮器４、水タンク５、冷却水経路６、放熱器６Ａ、冷却水ポンプ７、貯湯タンク８、水経路９、給水経路１０、給水弁１１及び制御器３９については第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００８５】
燃料電池１８は、改質器１から供給される水素含有ガスを用いて発電する。具体的には、水素含有ガス中の水素と、図示しない空気供給器からの空気中の酸素とによって燃料電池１８の内部で発電反応が行われ、燃料電池１８から電流が取り出される。燃料電池１８としては、いずれの種類であってもよい。燃料電池１８として、例えば、固体酸化物形燃料電池が例示されるが、これに限らない。
【００８６】
本実施形態では、燃焼器２Ａは、燃料電池１８での発電反応に寄与しなかったアノードオフガス（水素含有ガス）及びカソードオフガス（空気）を燃焼する。燃焼器２Ａの燃焼熱により、改質器１及び燃料電池１８は、それらの触媒の適温（例えば、５００℃−１０００℃程度）にまで加熱される。
【００８７】
以上により、燃料電池システム２００の水張り運転を従来よりも簡易に行い得る。
【００８８】
具体的には、燃料電池システム２００の水張り運転において、給水経路１０に配置された給水弁１１を開けて、貯湯タンク８から水タンク５に水を張る際に、水タンク５に設けられた排水口５Ａを通じて貯湯タンク８内及び水タンク５内の空気を外部へ抜くことができる。よって、特許文献１に記載のような空気抜き弁が不要となり、燃料電池システム２００の水張り運転に必要な部品のコスト低減が図れ、ひいては、水張り運転が簡易化する。
【００８９】
また、給水経路１０に配置された給水弁１１を開けるだけで、例えば、水インフラの供給圧により、貯湯タンク８から水タンク５に水を張ることができる。よって、特許文献１に記載のような水張り運転でのポンプ作動等の操作が不要となり、水張り運転の操作性の向上が図れ、ひいては、水張り運転が簡易化する。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本開示の一態様は、水張り運転を従来よりも簡易に行い得る水素生成装置及び燃料電池システムに利用できる。
【符号の説明】
【００９１】
１      ：改質器
２      ：燃焼器
３      ：排ガス経路
４      ：凝縮器
５      ：水タンク
５Ａ    ：排水口
６      ：冷却水経路
６Ａ    ：放熱器
７      ：冷却水ポンプ
８      ：貯湯タンク
９      ：水経路
１０    ：給水経路
１１    ：給水弁
１１Ａ  ：給水弁
１３    ：改質水経路
１５    ：改質水ポンプ
１８    ：燃料電池
２０    ：給湯経路
３９    ：制御器
１００  ：水素生成装置
２００  ：燃料電池システム
【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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