(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池から排出された排ガスが流通する排ガス経路と、
冷却水が循環する循環経路と、
前記排ガス経路および前記循環経路に設けられ、前記排ガスと前記冷却水との間で熱交換する第１熱交換器と、
前記循環経路に設けられ、前記第１熱交換器において前記排ガスが前記冷却水により冷却されて生成した凝縮水を前記冷却水として貯留する第１タンクと、
前記冷却水が貯湯水と熱交換するように設けられた第２熱交換器と、
を備えており、
前記循環経路上には、前記冷却水の流れに対して、前記第１熱交換器、前記第１タンクおよび前記第２熱交換器がこの順で配置されている、固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
原料および改質水を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、
前記循環経路から分岐点で分岐し、前記冷却水を前記改質水として前記改質器へ流通する第１経路と、
を備えている、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
前記循環経路に設けられた、前記冷却水を循環させる第１ポンプと、
前記第１経路に設けられ、前記改質水の流量を調整して当該改質水を前記改質器へ流通させる第２ポンプと、をさらに備えている、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
前記分岐点は、前記第１熱交換器より上流かつ前記第２熱交換器より下流の前記循環経路に設けられている、請求項２または３に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項５】
前記循環経路には、前記第１熱交換器、前記第１タンク、前記第２熱交換器、および前記分岐点がこの順に配置されており、ポンプによって、前記冷却水がこれらをこの順に経由して循環させられる、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項６】
前記循環経路において、前記冷却水を脱イオン化するイオン交換樹脂フィルタが、前記分岐点より上流かつ前記第２熱交換器より下流に位置するように設けられている、請求項２〜５のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項７】
上流端が前記イオン交換樹脂フィルタより上流の前記循環経路に接続し、下流端が前記分岐点より下流の前記循環経路に接続しているバイパス経路をさらに備えている、請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項８】
前記貯湯水を貯留する第２タンクをさらに備え、
前記第２熱交換器は、前記冷却水が当該第２タンクに貯留された貯湯水と熱交換するように前記第２タンク内に設けられている、請求項２〜７のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、たとえば、特許文献１に示す燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、第１熱交換器において、燃料電池モジュールからの燃焼排ガスと、貯湯槽からの貯湯水とが熱交換する。これにより、貯湯水は、燃焼排ガスにより加熱されて、循環ラインおよび排湯管を介して排水装置に供給される。一方、燃焼排ガスは貯湯水により冷却されて、燃焼排ガスに含まれていた水蒸気が凝縮する。この凝縮水は、供給管を介して純水器に供給され、さらに、改質水として燃料電池モジュールに供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５３８１２３９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に示す燃料電池システムでは、熱交換効率、コストおよびサイズの観点から、未だ改善の余地があった。本発明は、熱交換効率の低下を防止しつつ、コストおよびサイズの低減を図った固体酸化物形燃料電池システムの運転方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のある態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、前記水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池から排出された排ガスが流通する排ガス経路と、冷却水が循環する循環経路と、前記排ガス経路および前記循環経路に設けられ、前記排ガスと前記冷却水との間で熱交換する第１熱交換器と、前記循環経路に設けられ、前記第１熱交換器において前記排ガスが前記冷却水により冷却されて生成した凝縮水を前記冷却水として貯留する第１タンクと、前記冷却水が貯湯水と熱交換するように設けられた第２熱交換器と、を備えている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、固体酸化物形燃料電池システムにおいて、熱交換効率の低下を防止しつつ、コストおよびサイズの低減を図ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。
【図２】第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。
【図３】第３実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。
【図４】第４実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（本発明の基礎となる知見）
本発明者等は、固体酸化物形燃料電池システムにおいて、熱交換効率の低下を防止しつつ、コストおよびサイズの低減を図ることについて検討を重ねた。その結果、本発明者らは従来技術には下記のような問題があることを見出した。
【０００９】
特許文献１の燃料電池システムでは、貯湯水に水道水が用いられ、この水道水が燃焼排ガスとの熱交換により加熱されている。水道水は、一般的に、カルシウムやマグネシウムなどの金属イオンを含んでいる。固体酸化物形燃料電池システムからの燃焼排ガスの温度は非常に高いため、燃焼排ガスにより水道水が加熱されると、水道水中の金属イオンが金属酸化物（スケール）になり易い。このスケールが熱交換器および循環ラインに堆積すれば、熱交換効率の低下などの問題が生じる。これに対して、たとえば、スケールが付着しにくい配管を用いると、システムのコストアップに繋がる。
【００１０】
また、貯湯水が流通する循環ラインと、改質水が流通する供給管とが別途設けられている。このため、配管をそれぞれ用意する必要があり、システムの大型化およびコストの上昇を招いてしまう。
【００１１】
そこで、鋭意検討した結果、冷却水を熱媒体として循環させる循環経路を設けている。この循環経路では、第１熱交換器を介して燃焼排ガスから排熱を回収して昇温すると同時に燃焼排ガスを冷却し、第２熱交換器を介して排熱を貯湯水に伝達すると同時に貯湯水により冷却されて降温している。そして、この熱媒体として、上記冷却された燃焼排ガスから分離される凝縮水を用いる。これにより、熱交換効率の低下の抑制、ならびに、コストおよびサイズの低減が図られることを見出した。本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、熱交換効率の低下を防止しつつ、コストおよびサイズの低減を図ることができる固体酸化物形燃料電池システムである。
【００１２】
（実施形態）
本発明の実施の第１態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、前記水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池から排出された排ガスが流通する排ガス経路と、冷却水が循環する循環経路と、前記排ガス経路および前記循環経路に設けられ、前記排ガスと前記冷却水との間で熱交換する第１熱交換器と、前記循環経路に設けられ、前記第１熱交換器において前記排ガスが前記冷却水により冷却されて生成した凝縮水を前記冷却水として貯留する第１タンクと、前記冷却水が貯湯水と熱交換するように設けられた第２熱交換器と、を備えている。
【００１３】
この構成によれば、第１熱交換器において排ガスと熱交換する冷却水に、主に水道水で構成される貯湯水が用いられない。このため、冷却水が熱交換により加熱されても、水道水に含まれる金属イオンによるスケールが発生することがない。よって、スケールによる第１熱交換器における熱交換効率の低下を防止すると共に、スケールの付着を防ぐ高価な部材を用いる必要がなく、コストの上昇を抑えることができる。
【００１４】
本発明の実施の第２態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、第２の態様において、原料および改質水を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記循環経路から分岐点で分岐し、前記冷却水を前記改質水として前記改質器へ流通する第１経路とを備えていてもよい。
【００１５】
この構成によれば、第１タンクから分岐点までの冷却水の経路を、循環経路と第１経路とが共有することにより、サイズおよびコストの低減を図ることができる。
【００１６】
本発明の実施の第３態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、第２の態様において、前記循環経路に設けられた、前記冷却水を循環させる第１ポンプと、前記第１経路に設けられ、前記改質水の流量を調整して当該改質水を前記改質器へ流通させる第２ポンプと、をさらに備えていてもよい。この構成によれば、第２ポンプにより第１経路を介して改質器に供給される改質水の流量を、たとえば、Ｓ／Ｃ比などに適切に調整することができる。
【００１７】
本発明の実施の第４態様に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、第２または第３の態様において、前記分岐点は、前記第１熱交換器より上流かつ前記第２熱交換器より下流の前記循環経路に設けられていてもよい。この構成によれば、第２熱交換器で冷却された後であって、第１熱交換器で加熱される前の低温の冷却水が、分岐点から第１経路に流れる。よって、第２ポンプなどに耐熱性を有する高価な製品を用いる必要がなく、コストの上昇を防止することができる。
【００１８】
本発明の実施の第５態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、第２の態様において、前記循環経路には、前記第１熱交換器、前記第１タンク、前記第２熱交換器、および前記分岐点がこの順に配置されており、ポンプによって、前記冷却水がこれらをこの順に経由して循環させられてもよい。この構成によれば、分岐点を、第１熱交換器より上流かつ第２熱交換器より下流の循環経路に設けることができる。
【００１９】
本発明の実施の第６態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、第２〜５のいずれかの態様において、前記循環経路において、前記冷却水を脱イオン化するイオン交換樹脂フィルタが、前記分岐点より上流かつ前記第２熱交換器より下流に位置するように設けられていてもよい。この構成によれば、冷却水は、そのイオンがイオン交換樹脂フィルタにより除去されて、循環経路から第１経路を介して改質水として改質器に供給される。よって、冷却水のイオンにより改質器の触媒が被毒されることを防止することができる。また、循環経路の冷却水の流量は第１経路の改質水の流量より多い。このため、処理に所定流量以上の流量を必要とするイオン交換樹脂フィルタであっても、このようなイオン交換樹脂フィルタにより改質水として用いられる冷却水を適切に処理することができる。
【００２０】
本発明の実施の第７態様に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、第６態様において、上流端が前記イオン交換樹脂フィルタより上流の前記循環経路に接続し、下流端が前記分岐点より下流の前記循環経路に接続しているバイパス経路をさらに備えていてもよい。この構成によれば、冷却水は、循環経路とバイパス経路に分かれて流通する。よって、循環経路に設けられたイオン交換樹脂フィルタに流入する冷却水の流量が低減されるため、処理負荷を抑制することができる。
【００２１】
本発明の実施の第８態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、第２〜７のいずれかの態様において、前記貯湯水を貯留する第２タンクをさらに備え、前記第２熱交換器は、前記冷却水が当該第２タンクに貯留された貯湯水と熱交換するように前記第２タンク内に設けられていてもよい。この構成によれば、冷却水と貯湯水とを効率的に熱交換することができる。
【００２２】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００２３】
（第１実施形態）
第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム（ＳＯＦＣシステム）１００について、図１を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００の機能的な構成の一例を示すブロック図である。ＳＯＦＣシステム１００は、固体酸化物形燃料電池システムであって、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）１１、排ガス経路１２、循環経路１３、第１熱交換器１４、第１タンク２１、および第２熱交換器１７を備えている。また、ＳＯＦＣシステム１００は、第１ポンプ１９および第２ポンプ２０を備えていてもよい。さらに、ＳＯＦＣシステム１００は、第２タンク１６、第２経路１５、およびオーバーフロー経路２２を備えていてもよい。
【００２４】
ＳＯＦＣ１１は、水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池である。ＳＯＦＣ１１は、触媒の存在下で水素含有ガスが酸化剤ガスと電気化学反応して、電気および水を生成する。ＳＯＦＣ１１は、セル（図示せず）、カソード流路（図示せず）およびアノード流路（図示せず）が設けられている。アノード流路には、水素含有ガスが流通する。カソード流路には、空気供給器（図示せず）からの空気が酸化剤ガスとして流通する。この水素含有ガスおよび空気がセルにおいて電気化学反応し、空気がセルを冷却する。そして、これらのガスは、セルから排出されて、たとえば、燃焼器（図示せず）に供給される。たとえば、セルは、その触媒の適温、５００℃〜１０００℃に加熱される。
【００２５】
排ガス経路１２は、ＳＯＦＣ１１から排出された排ガスが流通する経路である。排ガス経路１２は、その上流端がＳＯＦＣ１１に接続され、下流端がＳＯＦＣシステム１００の排出口（図示せず）などに接続されている。たとえば、ＳＯＦＣ１１の燃焼器から排出されたガス（排ガス）が排ガス経路１２を介してＳＯＦＣシステム１００の外部へ排出される。排ガス経路１２を流れる排ガスの温度は、たとえば、２００℃である。
【００２６】
循環経路１３は、冷却水が循環する経路である。たとえば、循環経路１３上には、第１熱交換器１４、第１タンク２１、および、第２タンク１６内の第２熱交換器１７がこの順（以下、正順という）で配置されていて、第１ポンプ１９によって、冷却水が、これらの機器１４、２１、１７を上記正順に通過するよう循環させられる。第１タンク２１は、循環経路１３と連通し、循環経路１３の一部を構成している。一方、第２タンク１６は、循環経路１３と連通せず、互いに別々に設けられている。循環経路１３には、第１熱交換器１４において高温の排ガスを冷却する水（冷却水）が流通する。ただし、後述するように、この冷却水は、第１熱交換器１４において排ガス中の水蒸気が冷却されて凝縮した水（凝縮水）から成り、第２熱交換器１７において貯湯水を加熱する熱媒体としても機能する。
【００２７】
第２経路１５は、第１熱交換器１４において排ガスが冷却されて生成した凝縮水が流通する経路である。第２経路１５は、第１熱交換器１４またはその下流において排ガス経路１２（正確には排ガス経路１２のドレイン排出口）に上流端が接続し、この接続第２経路位置から下方に延びる。また、第２経路１５の下流端は、循環経路１３の一部を構成する第１タンク２１に接続している。これにより、第２経路１５を流通する凝縮水は、循環経路１３に流入して冷却水として機能する。
【００２８】
第１タンク２１は、循環経路１３に設けられ、第１熱交換器１４において排ガスが冷却水により冷却されて生成した凝縮水を冷却水として貯留するタンクである。第１タンク２１は、循環経路１３の一部を構成し、第２経路１５が接続している。冷却水の流入口および第２経路１５の接続位置は、オーバーフロー経路２２の流入口より下方の第１タンク２１に設けられている。また、冷却水の流出口は、冷却水の流入口および第２経路１５の接続位置より下方の第１タンク２１に設けられている。この実施形態では、冷却水の流出口は、第１タンク２１の底に設けられている。なお、冷却水の流入口および流出口の位置は特に限定されない。
【００２９】
オーバーフロー経路２２の上流端は、第１タンク２１の所定の高さに接続している。このオーバーフロー経路２２が接続する流出口は、第１タンク２１の所定の高さに設けられる。このため、第１タンク２１の冷却水は、所定の高さまで達すると、オーバーフロー経路２２への流出口からオーバーフロー経路２２へ流れる。よって、第１タンク２１には所定の高さ（所定の体積）以下の冷却水が貯留され、それを超える冷却水は第１タンク２１からオーバーフロー経路２２を介して排出される。
【００３０】
第１ポンプ１９は、循環経路１３に設けられ、冷却水を循環させるポンプである。第１ポンプ１９には、高圧移送に適しているポンプ、たとえば、プランジャーポンプなどが用いられる。この実施形態では、第１タンク２１より下流かつ第２熱交換器１７より上流の循環経路１３に設けられている。第１タンク２１から流出した冷却水は、第１ポンプ１９により圧送されて、循環経路１３を循環する。
【００３１】
第２タンク１６は、水（貯湯水）を貯えるタンクである。第２タンク１６は、給水経路２６ａを介して給水設備（たとえば、水道）に接続している。この給水経路２６ａを介して給水設備から第２タンク１６へ水道水が貯湯水として供給される。また、第２タンク１６は、給湯経路２６ｂを介して給湯設備（図示せず）に接続している。この給湯経路２６ｂを介して第２タンク１６から給湯設備に貯湯水が湯として供給される。また、第２タンク１６は、循環経路１３とは分離して（連通しないようにして）設けられ、第２タンク１６の貯湯水と循環経路１３の冷却水とはそれぞれ異なる水である。
【００３２】
第２熱交換器１７は、第２タンク１６および循環経路１３に設けられ、貯湯水と冷却水との間で熱交換する熱交換器である。第２熱交換器１７は、冷却水が第２タンク１６に貯留された貯湯水と熱交換するように第２タンク１６内に設けられている。第２熱交換器１７では、循環経路１３の一部を成す冷却水パイプ１３ａが螺旋状に延び、第２タンク１６の中を貫通している。たとえば、７０℃の高温の冷却水により２０℃の低温の貯湯水が加熱されて、貯湯水が４０℃に昇温される。このように、第２熱交換器１７において冷却水パイプ１７ａ（循環経路１３）を流通する冷却水は、第２タンク１６内の貯湯水を加熱する媒体として機能する。一方、貯湯水により冷却水は、たとえば、４０℃に冷却される。
【００３３】
次に、上記構成のＳＯＦＣシステム１００における水の流れについて、図１を参照して説明する。ＳＯＦＣシステム１００において、ＳＯＦＣ１１が発電すると、発電により生成した水分を含む排ガスが排ガス経路１２を介して排出される。第１熱交換器１４において、排ガス経路１２の排ガスが循環経路１３の冷却水により冷却されて、排ガス中の水分が凝縮して、凝縮水が生成する。凝縮水は、排ガス経路１２および第２経路１５を介して循環経路１３の第１タンク２１に流入する。一方、第１熱交換器１４において、排ガスにより冷却水が加熱され、昇温した冷却水は第１タンク２１に流入する。
【００３４】
このように、第１タンク２１には、第１熱交換器１４において加熱された冷却水が流入すると共に、第１熱交換器１４において生成した凝縮水が冷却水として流入する。ここで、冷却水が貯留されて、その高さは第１タンク２１の所定の高さに達すると、オーバーフロー経路２２から排出される。また、第１タンク２１の冷却水は、第１ポンプ１９により圧送されて、循環経路１３を介して第２熱交換器１７に送られる。
【００３５】
第２熱交換器１７では、循環経路１３の冷却水により第２タンク１６の貯湯水が加熱される。これにより、昇温された貯湯水は、第２タンク１６に蓄えられ、必要に応じて給湯経路２６ｂを介して給湯設備に供給される。これにより、第２タンク１６の貯湯水が減少すると、給水経路２６ａを介して給水設備から水（水道水）が第２タンク１６に供給される。一方、第２熱交換器１７において、貯湯水により冷却水が冷却されて、この冷却された冷却水が循環経路１３へ流出する。
【００３６】
上記構成のＳＯＦＣシステム１００によれば、第１熱交換器１４において循環経路１３の冷却水と排ガス経路１２の排ガスが熱交換している。この循環経路１３は、貯湯水が蓄えられる第２タンク１６とは分離して（連通しないようにして）設けられている。このため、冷却水には、主に水道水で構成される貯湯水が用いられない。このため、水道水を冷却水として用いる従来例のように、水道水に含まれる金属イオンが高温の排ガスにより加熱されることがない。よって、金属イオンによるスケールの発生を防ぎ、スケールによる第１熱交換器１４における熱交換効率の低下を防止することができる。また、スケールの付着を防ぐ高価な部材を用いる必要がなく、コストの上昇を抑えることができる。
【００３７】
さらに、循環経路１３に、第１熱交換器１４および第２熱交換器１７が設けられている。よって、第２熱交換器１７において貯湯水により冷却された後の低温の冷却水が、第１熱交換器１４における排ガスの冷却に用いられる。よって、低温の冷却水により排ガスを十分に冷却して、排ガス中の水蒸気を凝縮させることができる。
【００３８】
また、凝縮水が流通する第２経路１５を、循環経路１３に接続している。これにより、凝縮水が冷却水として第２経路１５を介して循環経路１３に供給される。よって、循環経路１３の冷却水が不足する事態を回避することができる。さらに、水道水などを冷却水として補充する必要がなく、水道水中の金属イオンによるスケールの発生を防止することができる。
【００３９】
さらに、第１タンク２１にオーバーフロー経路２２を接続している。これにより、オーバーフロー経路２２の流入口を超える冷却水はオーバーフロー経路２２を介して第１タンク２１から排出される。このため、冷却水が第１タンク２１から溢れて排ガス経路１２などに逆流することを防止することができる。
【００４０】
（第２実施形態）
第２実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００について、図２を参照して説明する。図２は、第２実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００の機能的な構成の一例を示すブロック図である。ＳＯＦＣシステム１００は、図１の構成に加えて、改質器１０と第１経路１８をさらに備えている。
【００４１】
改質器１０は、原料および水（改質水）を用いて水素含有ガスを生成する反応器である。改質器１０では、触媒の存在下で原料が水蒸気と改質反応して、水素含有ガスを生成する。改質器１０は、その触媒の適温、たとえば、６００〜７００℃に加熱される。また、改質器１０には蒸発器（図示せず）が設けられており、ここで、第１経路１８を介して供給された改質水から水蒸気を生成する。また、原料は、原料供給器（図示せず）から供給経路２３を介して改質器１０に供給される。原料は、たとえば、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および水素から構成される有機化合物を含むガスである。原料供給器は、原料ガスの流量を調整する機能を有する機器であり、たとえば、昇圧器および／または流量調整弁、または、定容積型ポンプが例示される。
【００４２】
ＳＯＦＣ１１は、触媒の存在下で水素含有ガスが酸化剤ガスと電気化学反応して、電気および水を生成する。アノード流路には、改質器１０からの水素含有ガスが流通する。アノード流路およびカソード流路に流通したガスは、セルから排出されて、たとえば、燃焼器（図示せず）に供給される。この燃焼器により、セルおよび改質器１０が加熱される。たとえば、セルは、その触媒の適温、５００℃〜１０００℃に加熱される。
【００４３】
第１経路１８は、循環経路１３から分岐点１８ａで分岐し、冷却水を改質水として改質器１０へ流通する経路である。この分岐点１８ａは、第１熱交換器１４より上流かつ第２熱交換器１７より下流の循環経路１３に設けられている。また、第１経路１８の下流端は改質器１０に接続している。よって、冷却水の一部は、第２熱交換器１７を通過した後、分岐点１８ａで第１経路１８に流入する。残る冷却水は、第２熱交換器１７および分岐点１８ａを通過し、第１熱交換器１４に流入する。
【００４４】
第２ポンプ２０は、第１経路１８に設けられ、改質水の流量を調整して改質水を改質器へ流通させるポンプである。第２ポンプ２０には、たとえば、プランジャーポンプなど定容積型ポンプが用いられる。改質器１０における改質水と原料中の炭素とのモル比（Ｓ／Ｃ比）がたとえば２．５〜３．５になるように、第２ポンプ２０は第１経路１８を流通する改質水の流量を調整する。この改質水の流量は、分岐点１８ａより上流の循環経路１３を流通する冷却水の流量の、たとえば、５％と、冷却水の流量に比べて微量である。
【００４５】
そして、この冷却水の一部は、分岐点１８ａから第１経路１８へ流れ、改質器１０に供給される。この改質器１０に供給される冷却水の流量は、第２ポンプ２０によりＳ／Ｃ比に応じて調整される。残る冷却水は、分岐点１８ａを通過して、第１熱交換器１４に流入し、ここで、上述のように排ガスと熱交換を行う。
【００４６】
第１経路１８を、循環経路１３から分岐して、改質器１０に接続している。このため、冷却水が流通する循環経路１３の一部を、改質水が流通する経路として用いている。このように、これらの経路を共有することにより、サイズおよびコストの低減を図ることができる。
【００４７】
第１経路１８の分岐点１８ａを第２熱交換器１７より下流かつ第１熱交換器１４より上流に設けている。これにより、第２熱交換器１７で貯湯水により冷却された後であって、第１熱交換器１４で排ガスにより加熱される前の冷却水が、分岐点１８ａから第１経路１８に流れる。よって、第１経路１８の第２ポンプ２０などに耐熱性の高い高価な製品を用いる必要がなく、コストの上昇を抑えられる。
【００４８】
凝縮水が流通する第２経路１５を、循環経路１３に接続している。これにより、凝縮水が冷却水として第２経路１５を介して循環経路１３に供給される。よって、循環経路１３の冷却水、および、循環経路１３から分岐する第１経路１８の改質水が不足する事態を回避することができる。さらに、水道水などを冷却水および改質水として補充する必要がなく、水道水中の金属イオンによるスケールの発生を防止することができる。
【００４９】
（第３実施形態）
第３実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００について、図２を参照して説明する。図２は、第３実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００の機能的な構成の一例を示すブロック図である。ＳＯＦＣシステム１００は、図２の構成に加えて、イオン交換樹脂フィルタ２４をさらに備えている。
【００５０】
イオン交換樹脂フィルタ２４は、冷却水からイオンを除去する（脱イオン化する）機器である。この除去するイオンとしては、主に改質器１０およびＳＯＦＣ１１の触媒を被毒するイオンが挙げられる。イオン交換樹脂フィルタ２４は、第１経路１８の分岐点１８ａより上流かつ第２熱交換器１７より下流の循環経路１３に設けられている。さらに、イオン交換樹脂フィルタ２４の位置は、第１経路１８の分岐点１８ａに近いほど好ましい。
【００５１】
上記構成のＳＯＦＣシステム１００における水の流れでは、水分を含む排ガスが第１熱交換器１４で循環経路１３の冷却水により冷却される。これにより、排ガス中の水分が凝縮して、凝縮水が生成し、排ガス経路１２および第２経路１５を介して循環経路１３の第１タンク２１に冷却水として流入する。また、第１熱交換で排ガスにより加熱された冷却水も第１タンク２１に流入する。そして、第１タンク２１の冷却水は、第１ポンプ１９により圧送されて、循環経路１３を介して第２熱交換器１７に送られる。第２熱交換器１７において冷却水は第２タンク１６の貯湯水により冷却されて低温になってから、イオン交換樹脂フィルタ２４に流入する。このイオン交換樹脂フィルタ２４で冷却水のイオンが除去されて、冷却水の一部は第１経路１８を介して改質器１０に供給され、残る冷却水は循環経路１３を介して第１熱交換器１４に流入する。
【００５２】
上記構成のＳＯＦＣシステム１００によれば、イオン交換樹脂フィルタ２４は循環経路１３に設けられている。この循環経路１３では、改質水として用いられる冷却水だけでなく、第１熱交換器１４および第２熱交換器１７で熱媒体として用いられる冷却水も流通している。このため、第１経路１８の改質水の流量は非常に少ないが、この改質水の流量に比べて循環経路１３の冷却水の流量は多い。よって、処理に所定の流量を必要とするイオン交換樹脂フィルタ２４であっても、より確実に冷却水を処理することができる。
【００５３】
さらに、イオン交換樹脂フィルタ２４は、第２熱交換器１７より下流の循環経路１３に設けられている。よって、第２熱交換器１７において貯湯水により冷却された後の低温の冷却水が、イオン交換樹脂フィルタ２４に流入する。よって、冷却水の熱によりイオン交換樹脂フィルタ２４が劣化することを防止でき、また、耐熱性の高い高価なイオン交換樹脂フィルタ２４を用いる必要がなく、コストの上昇を抑えることができる。
なお、貯湯水の温度が高い場合など、貯湯水によって冷却水が十分に冷却されない場合においては、冷却水を冷却する手段として、放熱器（図示しない）を構成することができる。放熱器にはラジエータなどを用いることができ、イオン交換樹脂フィルタ２４の上流の、循環経路１３上に設けられる。
【００５４】
また、イオン交換樹脂フィルタ２４は、第１経路１８の分岐点１８ａより上流の循環経路１３に設けられている。よって、イオン交換樹脂フィルタ２４によりイオンが除去された後の冷却水が分岐点１８ａから第１経路１８を介して改質器１０に供給される。よって、冷却水のイオンにより改質器１０およびこれに繋がるＳＯＦＣ１１の触媒が被毒されることを防止することができる。
【００５５】
さらに、イオン交換樹脂フィルタ２４は、第１経路１８の分岐点１８ａに近いほど好ましい。つまり、イオン交換樹脂フィルタ２４が分岐点１８ａに近いほど、イオン交換樹脂フィルタ２４と分岐点１８ａとの間隔が短くなり、この間隔で混入するイオンの量を少なく抑えることができる。この結果、イオンの少ない冷却水を改質水として改質器１０に供給することができる。
【００５６】
また、仮に、大気開放されているオーバーフロー経路２２の下流端から冷却水が汚染されても、冷却水はイオン交換樹脂フィルタ２４により処理されてから第１経路１８を介して改質器１０に供給される。よって、汚染された冷却水により改質器１０が劣化することをより確実に防止することができる。
【００５７】
（第４実施形態）
第４実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００について、図４を参照して説明する。図３は、第４実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００の機能的な構成の一例を示すブロック図である。ＳＯＦＣシステム１００は、図３の構成に加えて、バイパス経路２５をさらに備えている。
【００５８】
バイパス経路２５は、イオン交換樹脂フィルタ２４および第１経路１８の分岐点１８ａを迂回する経路である。バイパス経路２５は、上流端がイオン交換樹脂フィルタ２４より上流の循環経路１３に接続し、下流端が分岐点１８ａより下流の循環経路１３に接続している。バイパス経路２５の上流端は、イオン交換樹脂フィルタ２４より上流の循環経路１３のうち、第２熱交換器１７より下流に設けられることが好ましい。また、バイパス経路２５の下流端は、第１経路１８の分岐点１８ａより下流の循環経路１３のうち、第１熱交換器１４より上流に設けられることが好ましい。バイパス経路２５の径は、Ｓ／Ｃ比など改質反応に必要な改質水の流量、および、イオン交換樹脂フィルタ２４が処理に必要な流量を確保するように設定される。
【００５９】
上記構成のＳＯＦＣシステム１００における水の流れでは、水分を含む排ガスが第１熱交換器１４で循環経路１３の冷却水により冷却される。これにより、排ガス中の水分から生成された凝縮水は、排ガス経路１２および第２経路１５を介して循環経路１３の第１タンク２１に冷却水として流入する。また、第１熱交換で排ガスにより加熱された冷却水も第１タンク２１に流入する。そして、冷却水は、第１ポンプ１９により第１タンク２１から循環経路１３を介して第２熱交換器１７に送られ、ここで第２タンク１６の貯湯水により冷却されて低温になる。この冷却水の一部は、循環経路１３を介してイオン交換樹脂フィルタ２４に流入し、ここで冷却水のイオンが除去されてから、分岐点１８ａから第１経路１８を介して改質器１０に供給される。残る冷却水は、イオン交換樹脂フィルタ２４より上流の循環経路１３からバイパス経路２５を通り、バイパス経路２５から第１経路１８の分岐点１８ａより下流の循環経路１３に戻り、第１熱交換器１４に流入する。
【００６０】
上記構成のＳＯＦＣシステム１００によれば、イオン交換樹脂フィルタ２４および第１経路１８の分岐点１８ａを迂回するバイパス経路２５が設けられている。よって、イオン交換樹脂フィルタ２４より上流においてバイパス経路２５を流通する冷却水と、循環経路１３を介してイオン交換樹脂フィルタ２４に流入する冷却水とに分かれる。よって、イオン交換樹脂フィルタ２４で処理される冷却水の流量を減少させ、処理負荷を低減させることができる。
【００６１】
なお、バイパス経路２５の上流端と循環経路１３との接続位置に弁を設けてもよい。この弁は、その開度に応じてバイパス経路２５に流通する冷却水の流量を調整する機能を有している。また、バイパス経路２５の径は、バイパス経路２５の上流端との接続位置より上流の循環経路１３の径と同じであってもよい。たとえば、発電停止直後では、排ガスの温度が高く、排ガスをＳＯＦＣシステム１００の外に排出するために排ガスを冷却水により冷却する必要があるが、改質水の供給は不要である。このような場合、第１経路１８へ冷却水を流す必要がない。このため、弁の開度を広げ、バイパス経路２５の上流端との接続位置より上流の循環経路１３を流通する冷却水の全てを、バイパス経路２５に流れるようにする。これにより、不要な処理をイオン交換樹脂フィルタ２４がする必要がなく、処理負担を低減することができる。また、循環経路１３から第１経路１８へ冷却水が流れないため、排ガスを効率的に冷却することができる。
【００６２】
（その他の実施の形態）
上記全ての実施形態では、第２熱交換器１７において、循環経路１３が螺旋状に延び、第２タンク１６の中を貫通していた。しかし、第２熱交換器１７は、第２タンク貯湯水と、第２タンク循環経路１３の冷却水とが熱交換することができる構成であれば、これに限定されない。たとえば、循環経路１３が第２タンク１６の周りに巻き付けられて第２タンク１６の周囲を覆うように構成されていてもよい。また、第２タンク１６を通る貯湯水経路が形成されていて、冷却水がこの貯湯水経路を流れる貯湯水と熱交換するよう構成されていてもよい。
【００６３】
上記全ての実施形態では、第２経路１５の下流端は、第１タンク２１に接続している。ただし、第２経路１５を流通する凝縮水が循環経路１３に流入すれば、この構成に限定されない。たとえば、第２経路１５の下流端が循環経路１３に接続してもよい。
【００６４】
上記全ての実施形態では、イオン交換樹脂フィルタ２４は、第１経路１８の分岐点１８ａより上流かつ第２熱交換器１７より下流の循環経路１３に設けられていた。ただし、イオン交換樹脂フィルタ２４の位置は、改質水として供給される冷却水のイオンを除去することができれば、この位置に限定されない。たとえば、第２経路１５、第１タンク２１、第１経路１８の分岐点１８ａより上流かつ第２熱交換器１７より下流の循環経路１３以外の循環経路１３、および、第１経路１８のいずれかにイオン交換樹脂フィルタ２４が設けられてもよい。たとえば、第１経路１８にイオン交換樹脂フィルタ２４を設けると、イオン交換樹脂フィルタ２４と改質器１０との間隔が短縮化される。このため、この間隔で混入されるイオンが減り、イオンがより少ない改質水を改質器１０に供給することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、たとえば、熱交換効率の低下を防止しつつ、コストおよびサイズの低減を図った固体酸化物形燃料電池システムなどに利用できる。
【符号の説明】
【００６６】
１０    ：改質器
１１    ：固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
１２    ：排ガス経路
１３    ：循環経路
１４    ：第１熱交換器
１５    ：第２経路
１６    ：第２タンク
１７    ：第２熱交換器
１８    ：第１経路
１９    ：第１ポンプ
２０    ：第２ポンプ
２１    ：第１タンク
２２    ：オーバーフロー経路
２４    ：イオン交換樹脂フィルタ
２５    ：バイパス経路
１００  ：固体酸化物形燃料電池システム（ＳＯＦＣ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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