(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備える燃料電池モジュールと、
湯水を貯める貯湯槽と、
前記貯湯槽内の湯水を循環させる貯湯循環経路と、
前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと前記貯湯循環経路を流通する湯水との間で熱交換を行ない、前記排ガスを冷却する熱交換器と、
前記熱交換器にて冷却された前記排ガス中の水蒸気が凝縮されて得られる凝縮水を貯留する凝縮水回収槽と、
前記凝縮水回収槽に貯留されている凝縮水を循環させる凝縮水循環経路と、
前記貯湯槽と前記熱交換器との間に設けられ、前記貯湯循環経路を流通する湯水の一部を水蒸気として前記凝縮水循環経路側に透過する疎水性多孔膜と、
前記凝縮水回収槽に貯留されている凝縮水を前記燃料電池モジュールに供給する凝縮水供給経路と、
前記凝縮水回収槽に貯留されている凝縮水の量が不足しているか否かを判定する判定手段と、
を備え、
前記判定手段が、凝縮水回収槽に貯留されている凝縮水の量が不足していると判定した際、前記凝縮水循環経路に凝縮水を供給して循環させることで、前記疎水性多孔膜を透過した水蒸気を凝縮水として回収する燃料電池システム。
【請求項２】
前記凝縮水回収槽に貯留されている凝縮水の水位を検出する水位検出手段をさらに備え、
前記判定手段は、前記凝縮水回収槽に貯留されている凝縮水の量が不足しているか否かを、前記水位検出手段により検出された凝縮水の水位により判定し、
前記水位検出手段により検出された凝縮水の水位が閾値以下になった際、前記凝縮水循環経路に凝縮水を供給して循環させる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記貯湯循環経路における前記熱交換器よりも上流の所定の位置及び前記貯湯槽の所定の位置の少なくとも一方に第１温度検出手段をさらに備え、
前記判定手段は、前記凝縮水回収槽に貯留されている凝縮水の量が不足しているか否かを、前記第１温度検出手段により検出された湯水の温度により判定し、
前記第１温度検出手段により検出された湯水の温度が閾値以上になった際、前記凝縮水循環経路に凝縮水を供給して循環させる請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記疎水性多孔膜は、前記熱交換器よりも上流に配置されている請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記貯湯循環経路の前記貯湯槽と前記熱交換器との間に、前記貯湯循環経路から分岐する第１分岐経路を有し、前記疎水性多孔膜は、前記第１分岐経路を流通する湯水の一部を水蒸気として前記凝縮水循環経路側に透過する請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記貯湯循環経路及び前記第１分岐経路における湯水の流量を調節する流量調節部をさらに備え、
前記流量調節部は、前記凝縮水循環経路に凝縮水を供給して循環させている際、前記第１分岐経路に湯水を流通させるように調節され、前記凝縮水循環経路に凝縮水を供給していない際、前記第１分岐経路に湯水を流通させないように調節される請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記凝縮水循環経路を流通する凝縮水を放熱させる放熱部をさらに備える請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記凝縮水回収槽の下流であり、かつ前記凝縮水回収槽と前記燃料電池モジュールとの間に配置されている水処理装置をさらに備える請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記疎水性多孔膜の上流に前記貯湯循環経路を循環する湯水中の塩素を除去する脱塩素部をさらに備える請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記貯湯槽の上流に前記貯湯槽に供給される水中の塩素を除去する脱塩素部をさらに備える請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記貯湯循環経路における所定の位置及び前記貯湯槽の所定の位置の少なくとも一方に配置された第２温度検出手段と、
前記貯湯循環経路における前記熱交換器の上流側と前記熱交換器の下流側とを接続するように設けられ、前記貯湯循環経路から分岐する第２分岐経路と、
前記第２温度検出手段により検出された湯水の温度が第１の閾値以上になった際、前記貯湯循環経路を流通する湯水が前記第２分岐経路に供給され、かつ前記貯湯循環経路を流通する湯水が前記熱交換器に供給されないように湯水が流通する経路を切り替える切り替え部と、
をさらに備え、
前記切り替え部により、前記貯湯循環経路を流通する湯水が前記第２分岐経路に供給され、かつ前記貯湯循環経路を流通する湯水が前記熱交換器に供給されないように湯水が流通する経路が切り替えられた際にも、前記貯湯循環経路を流通する湯水が前記疎水性多孔膜に供給される請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記第２温度検出手段は、前記貯湯循環経路における前記第２分岐経路の上流側又は下流側の所定の位置及び前記貯湯槽の所定の位置の少なくとも一方に配置され、
前記切り替え部は、前記第２温度検出手段により検出された湯水の温度が第２の閾値以下になった際、前記貯湯循環経路を流通する湯水が前記熱交換器に供給され、前記貯湯循環経路を流通する湯水が前記第２分岐経路に供給されないように湯水が流通する経路を切り替える請求項１１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】
燃料電池を備える燃料電池のシステムでは、効率化を図る点から、燃料電池システムの排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収し、回収された凝縮水を気化した水蒸気が原料ガスの水蒸気改質に用いられることがある。
【０００３】
さらに、燃料電池システムでは、廃熱利用の点から、発電時に発生した熱を回収することが好ましく、例えば、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮する際、熱交換器を用いて排ガスの熱を温水として回収して貯湯タンクに貯留し、必要に応じて貯留する温水を給湯や暖房等に利用できることが好ましい。
【０００４】
ここで、貯湯タンクに貯留されている水の温度が上昇し、貯湯タンクにおいて、熱的に充満した状態（満蓄状態）になると、熱交換による排ガスの冷却ができなくなる。その結果、排ガスから凝縮水を回収できなくなってしまう。
【０００５】
そこで、排ガス中の水蒸気を有効利用する点から、満蓄時は燃料電池システムでの発電を停止させ、満蓄を解消した後に発電を再開する必要がある。しかし、６００℃以上の温度で作動する固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池などの高温作動形燃料電池では、起動停止及び起動再開において多大なエネルギー、動作時間等を必要とするため、長時間の連続運転が要請されており、満蓄になるたびに起動停止とすることは現実的ではない。
【０００６】
燃料電池システムの連続運転を長時間可能とするため、例えば、貯湯タンクの湯水を循環させる貯湯循環経路を放熱器（ラジエータ）により冷却し、排ガスの冷却に用いる熱交換器に供給される湯水の温度を下げることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、ラジエータを設けることなく、満蓄時においてもシステムの連続運転が可能となる技術も提案されている。例えば、貯湯槽から熱回収用熱交換器に至る熱回収水回路に放熱管を配設して放熱することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１５−２０９３号公報
【特許文献２】特許第４４９７３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１の技術では、ラジエータを使用するため、システムが大型化する、騒音が発生するなどの問題が生じる。また、特許文献２の技術では、放熱管の設置スペースを確保する必要があり、また、気温の影響を受けるという問題がある。
【００１０】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、システムサイズを大型化することなく、満蓄時においても連続運転可能な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】
【００１１】
上記課題は、例えば以下の手段により解決される。
＜１＞  燃料電池を備える燃料電池モジュールと、湯水を貯める貯湯槽と、前記貯湯槽内の湯水を循環させる貯湯循環経路と、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと前記貯湯循環経路を流通する湯水との間で熱交換を行ない、前記排ガスを冷却する熱交換器と、前記熱交換器にて冷却された前記排ガス中の水蒸気が凝縮されて得られる凝縮水を貯留する凝縮水回収槽と、前記凝縮水回収槽に貯留されている凝縮水を循環させる凝縮水循環経路と、前記貯湯槽と前記熱交換器との間に設けられ、前記貯湯循環経路を流通する湯水の一部を水蒸気として前記凝縮水循環経路側に透過する疎水性多孔膜と、前記凝縮水回収槽に貯留されている凝縮水を前記燃料電池モジュールに供給する凝縮水供給経路と、前記凝縮水回収槽に貯留されている凝縮水の量が不足しているか否かを判定する判定手段と、を備え、前記判定手段が、凝縮水回収槽に貯留されている凝縮水の量が不足していると判定した際、前記凝縮水循環経路に凝縮水を供給して循環させることで、前記疎水性多孔膜を透過した水蒸気を凝縮水として回収する燃料電池システム。
【００１２】
本形態に係る燃料電池システムは、燃料電池モジュールから排出される排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させて回収し、回収した凝縮水を燃料電池モジュールに供給するシステムである。ここで、本形態に係る燃料電池システムは、熱交換器を用いることで、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させると共に、貯湯循環経路を循環する湯水に排ガスの熱を回収させており、熱を回収した湯水は貯湯槽に貯留される。
【００１３】
通常、燃料電池システムを連続運転させると、貯湯循環経路を循環する湯水が排ガスより継続的に熱を回収するため、貯湯槽に貯留されている湯水の温度が上昇し、出湯が一定量行われなければ、熱的に充満した状態（満蓄状態）になる。その結果、排ガスの冷却ができなくなることで、排ガスから凝縮水を回収できなくなってしまい、水蒸気改質に用いる凝縮水が不足するという問題が生じる。
【００１４】
一方、本形態に係る燃料電池システムは、凝縮水を循環させる凝縮水循環経路と、貯湯循環経路を流通する湯水の一部を水蒸気として凝縮水循環経路側に透過する疎水性多孔膜と、凝縮水回収槽に貯留されている凝縮水の量が不足しているか否かを判定する判定手段と、を備えている。そして、判定手段が、凝縮水回収槽に貯留されている凝縮水の量が不足していると判定した際、凝縮水循環経路に凝縮水を供給して循環させる。このとき、凝縮水回収槽に貯留されている凝縮水の量が不足していることから、貯湯循環経路を流通し、熱交換器に供給される湯水は比較的高温となっており、排ガスからほとんど熱を回収できなくなっている。一方、凝縮水循環経路を流通する凝縮水は、排ガスが冷却されることで水蒸気が凝縮されて得られたものであるため、熱交換器に供給される湯水よりも低温である。そのため、湯水が流通する貯湯循環経路と凝縮水が流通する凝縮水循環経路との間に蒸気圧差が生じ、疎水性多孔膜を介して貯湯循環経路を流通する湯水の一部が水蒸気として前記凝縮水循環経路側に透過する。透過した水蒸気は、凝縮水として凝縮水回収槽に回収される。
【００１５】
以上により、満蓄となり、排ガスから凝縮水を回収できなくなった場合であっても、疎水性多孔膜を透過した水蒸気を凝縮水として回収するため、水蒸気改質に用いる凝縮水が不足するという問題が解消され、システムの連続運転が可能となる。
【００１６】
また、本形態に係る燃料電池システムでは、貯湯循環経路を冷却するラジエータや放熱管を設けることなく、満蓄時においても、燃料電池システムの連続運転が可能である。さらに、ラジエータや放熱管を設ける必要がないため、システムサイズの大型化も抑制することができる。
【００１７】
＜２＞  前記凝縮水回収槽に貯留されている凝縮水の水位を検出する水位検出手段をさらに備え、前記判定手段は、前記凝縮水回収槽に貯留されている凝縮水の量が不足しているか否かを、前記水位検出手段により検出された凝縮水の水位により判定し、前記水位検出手段により検出された凝縮水の水位が閾値以下になった際、前記凝縮水循環経路に凝縮水を供給して循環させる＜１＞に記載の燃料電池システム。
【００１８】
本形態に係る燃料電池システムでは、判定手段が、水位検出手段により検出された凝縮水の水位が閾値以下であると判定した際、凝縮水循環経路に凝縮水を供給して循環させる。そのため、水蒸気改質に用いる凝縮水が不足するという問題が抑制され、満蓄時においてもシステムの連続運転が可能となる。
【００１９】
＜３＞  前記貯湯循環経路における前記熱交換器よりも上流の所定の位置及び前記貯湯槽の所定の位置の少なくとも一方に第１温度検出手段をさらに備え、前記判定手段は、前記凝縮水回収槽に貯留されている凝縮水の量が不足しているか否かを、前記第１温度検出手段により検出された湯水の温度により判定し、前記第１温度検出手段により検出された湯水の温度が閾値以上になった際、前記凝縮水循環経路に凝縮水を供給して循環させる＜１＞又は＜２＞に記載の燃料電池システム。
【００２０】
本形態に係る燃料電池システムでは、判定手段が、第１温度検出手段により検出された湯水の温度が閾値以上であると判定した際、凝縮水循環経路に凝縮水を供給して循環させる。そのため、検出された湯水の温度が閾値以上となることで、排ガスの冷却効率が低下し、排ガスから凝縮水を好適に回収できなくなった場合であっても、疎水性多孔膜を透過した水蒸気を凝縮水として回収することで、十分な量の凝縮水を凝縮水回収槽に貯留することができる。よって、水蒸気改質に用いる凝縮水が不足するという問題が抑制され、満蓄時においてもシステムの連続運転が可能となる。
【００２１】
＜４＞  前記疎水性多孔膜は、前記熱交換器よりも上流に配置されている＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【００２２】
本形態に係る燃料電池システムでは、熱交換器により、燃料電池から排出された排ガスを冷却すると共に、貯湯循環経路を循環する湯水に排ガスの熱を回収させているため、満蓄時以外では、熱交換器に供給される前の湯水は、熱交換器から排出された湯水よりも低温である。そのため、疎水性多孔膜を熱交換器よりも上流に配置することで、熱に起因する膜の劣化を抑制できる。
【００２３】
また、熱交換器よりも下流の貯湯循環経路を流通する湯水は、凝縮水循環経路を流通する凝縮水よりも高温であるため、熱交換器よりも下流に疎水性多孔膜を設置した場合には、貯湯槽に供給される湯水が冷却されることになり、貯湯槽の温度成層に影響を与える。一方、本形態に係る燃料電池システムのように、熱交換器よりも上流に疎水性多孔膜を設置した場合には、貯湯槽の温度成層に影響を与えない。
【００２４】
＜５＞  前記貯湯循環経路の前記貯湯槽と前記熱交換器との間に、前記貯湯循環経路から分岐する第１分岐経路を有し、前記疎水性多孔膜は、前記第１分岐経路を流通する湯水の一部を水蒸気として前記凝縮水循環経路側に透過する＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【００２５】
本形態に係る燃料電池システムでは、第１分岐経路を流通する湯水の一部を水蒸気として凝縮水循環経路側に透過する。疎水性多孔膜は、貯湯循環経路の面積と比較して非常に小さいサイズにできるため、例えば、疎水性多孔膜の大きさに応じた第１分岐経路を設けてもよい。
【００２６】
＜６＞  前記貯湯循環経路及び前記第１分岐経路における湯水の流量を調節する流量調節部をさらに備え、前記流量調節部は、前記凝縮水循環経路に凝縮水を供給して循環させている際、前記第１分岐経路に湯水を流通させるように調節され、前記凝縮水循環経路に凝縮水を供給していない際、前記第１分岐経路に湯水を流通させないように調節される＜５＞に記載の燃料電池システム。
【００２７】
本形態に係る燃料電池システムでは、凝縮水循環経路に凝縮水を供給して循環させているときには、湯水が第１分岐経路を流通し、凝縮水循環経路に凝縮水を供給していないときには、湯水が第１分岐経路を流通しないように流量調節部は調節される。そのため、凝縮水循環経路に凝縮水を供給していないときには、疎水性多孔膜に湯水が供給されず、細孔の詰りによる膜の劣化を抑制することができる。
【００２８】
＜７＞  前記凝縮水循環経路を流通する凝縮水を放熱させる放熱部をさらに備える＜１＞〜＜６＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【００２９】
貯湯循環経路を流通する湯水は、凝縮水循環経路を流通する凝縮水よりも高温であるため、凝縮水循環経路を流通する凝縮水は疎水性多孔膜を介して間接的に温められる。凝縮水循環経路を流通する凝縮水の温度が上昇すると、湯水が流通する貯湯循環経路と凝縮水が流通する凝縮水循環経路との間の蒸気圧差が低下し、疎水性多孔膜における水蒸気の透過流束が低下するおそれがある。
【００３０】
一方、本形態に係る燃料電池システムは、凝縮水循環経路を流通する凝縮水を放熱させる放熱部を有するため、温められた凝縮水が放熱により冷却される。その結果、疎水性多孔膜における水蒸気の透過流束が好適に維持される。
【００３１】
＜８＞  前記凝縮水回収槽の下流であり、かつ前記凝縮水回収槽と前記燃料電池モジュールとの間に配置されている水処理装置をさらに備える＜１＞〜＜７＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【００３２】
疎水性多孔膜が劣化により破損した場合、貯湯循環経路を流通する湯水が直接凝縮水循環経路に供給され、凝縮水回収槽に貯留される。例えば、水処理装置が、熱交換器と凝縮水回収槽との間に配置されていると、湯水中に含まれている不純物が除去されることなく、燃料電池モジュールに供給されることになり、モジュール内の各構成に悪影響を及ぼす。
【００３３】
一方、本形態に係る燃料電池システムは、凝縮水回収槽と燃料電池モジュールとの間に水処理装置が設けられているため、疎水性多孔膜が劣化により破損した場合であっても、湯水中に含まれている不純物が、水処理装置にて除去されるため、モジュール内の各構成に悪影響を及ぼすことが抑制される。
【００３４】
＜９＞  前記疎水性多孔膜の上流に前記貯湯循環経路を循環する湯水中の塩素を除去する脱塩素部をさらに備える＜１＞〜＜８＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
＜１０＞  前記貯湯槽の上流に前記貯湯槽に供給される水中の塩素を除去する脱塩素部をさらに備える＜１＞〜＜９＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【００３５】
前述のように脱塩素部を配置することで、貯湯循環経路を循環する湯水中の塩素又は貯湯槽に供給される水中の塩素が除去されるため、耐塩素性でない疎水性多孔膜も好適に用いることができる。
【００３６】
＜１１＞  前記貯湯循環経路における所定の位置及び前記貯湯槽の所定の位置の少なくとも一方に配置された第２温度検出手段と、前記貯湯循環経路における前記熱交換器の上流側と前記熱交換器の下流側とを接続するように設けられ、前記貯湯循環経路から分岐する第２分岐経路と、前記第２温度検出手段により検出された湯水の温度が第１の閾値以上になった際、前記貯湯循環経路を流通する湯水が前記第２分岐経路に供給され、かつ前記貯湯循環経路を流通する湯水が前記熱交換器に供給されないように湯水が流通する経路を切り替える切り替え部と、をさらに備え、前記切り替え部により、前記貯湯循環経路を流通する湯水が前記第２分岐経路に供給され、かつ前記貯湯循環経路を流通する湯水が前記熱交換器に供給されないように湯水が流通する経路が切り替えられた際にも、前記貯湯循環経路を流通する湯水が前記疎水性多孔膜に供給される＜１＞〜＜１０＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【００３７】
例えば、燃料電池モジュールから排出される排ガスの温度が１００℃以上のときに燃料電池システムを連続運転させると、貯湯循環経路を循環する湯水が排ガスより継続的に熱を回収するため、貯湯槽に貯留されている湯水の温度が上昇して１００℃以上となり、貯湯槽に貯留されている湯水が沸騰するおそれがある。本形態に係る燃料電池システムでは、第２温度検出手段にて検出された湯水の温度が第１の閾値以上となった際に、切り替え部により、貯湯循環経路を流通する湯水が第２分岐経路に供給され、かつ貯湯循環経路を流通する湯水が熱交換器に供給されないように湯水が流通する経路を切り替え可能となっている。そのため、貯湯循環経路を循環する湯水の温度又は貯湯槽に貯留されている湯水の温度が一定以上となった際に、熱交換器への湯水の供給が停止されて熱交換器にて排ガスからの熱回収が行われないように湯水が流通する経路を切り替え可能であり、貯湯槽に貯留されている湯水の沸騰を防止できる。
【００３８】
＜１２＞  前記第２温度検出手段は、前記貯湯循環経路における前記第２分岐経路の上流側又は下流側の所定の位置及び前記貯湯槽の所定の位置の少なくとも一方に配置され、前記切り替え部は、前記第２温度検出手段により検出された湯水の温度が第２の閾値以下になった際、前記貯湯循環経路を流通する湯水が前記熱交換器に供給され、前記貯湯循環経路を流通する湯水が前記第２分岐経路に供給されないように湯水が流通する経路を切り替える＜１１＞に記載の燃料電池システム。
【００３９】
本形態に係る燃料電池システムでは、貯湯循環経路を循環する湯水の温度又は貯湯槽に貯留されている湯水の温度が一定以下となった際に、切り替え部により、熱交換器にて排ガスからの熱回収が再度行われるように湯水が流通する経路を切り替え可能である。これにより、再度、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させると共に、貯湯循環経路を循環する湯水に排ガスの熱を回収させることができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、システムサイズを大型化することなく、満蓄時においても連続運転可能な燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る燃料電池システムにおける凝縮水循環の制御処理１を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第一実施形態に係る燃料電池システムにおける凝縮水循環の制御処理２を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第二実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図５】本発明の第三実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図６】本発明の第四実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図７】本発明の第五実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
【００４３】
＜第一実施形態＞
〔燃料電池システム〕
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図１は、第一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。本実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１と、熱交換器２と、水処理装置３と、凝縮水回収タンク４（凝縮水回収槽）と、疎水性多孔膜５と、貯湯タンク６（貯湯槽）と、を備える。さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、凝縮水回収タンク４に貯留されている凝縮水を燃料電池モジュール１に供給する改質水供給経路１４（凝縮水供給経路）と、凝縮水回収タンク４に貯留されている凝縮水を循環させることで疎水性多孔膜５を透過した水蒸気を凝縮水として回収する凝縮水循環経路１５と、貯湯タンク６に貯留される湯水を循環させる貯湯循環経路１６と、をさらに備える。
【００４４】
また、燃料電池システム１０は、凝縮水回収タンク４に貯留されている凝縮水が不足しているか否かを判定する判定手段４０を備え、判定手段４０が、凝縮水回収タンク４に貯留されている凝縮水の量が不足していると判定した際、凝縮水循環経路１５へ凝縮水を供給するシステムである。
【００４５】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１から排出される排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させて回収し、回収した凝縮水を改質水として燃料電池モジュール１に供給することで、燃料電池にて必要な改質水を賄うシステムである。ここで、燃料電池システム１０は、熱交換器２を用いることで、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させると共に、貯湯循環経路１６を循環する湯水に排ガスの熱を回収させており、熱を回収した湯水は貯湯タンク６に貯留される。
【００４６】
通常の燃料電池システムを連続運転させると、貯湯循環経路を循環する湯水が排ガスより継続的に熱を回収するため、貯湯槽に貯留されている湯水の温度が上昇し、出湯が一定量行われなければ、熱的に充満した状態（満蓄状態）になる。その結果、排ガスの冷却ができなくなることで、排ガスから凝縮水を回収できなくなってしまい、水蒸気改質に用いる凝縮水が不足するという問題が生じる。
【００４７】
一方、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、判定手段４０が凝縮水回収タンク４に貯留されている凝縮水の量が不足していると判定した際、凝縮水循環経路１５に凝縮水を供給して循環させることで、疎水性多孔膜５を透過した水蒸気を凝縮水として回収する。ここで、凝縮水循環経路１５を流通する凝縮水は、貯湯循環経路１６を流通し、熱交換器２に供給される湯水よりも低温であるため、湯水が流通する貯湯循環経路１６と凝縮水が流通する凝縮水循環経路１５との間に蒸気圧差が生じるため、疎水性多孔膜５を介して貯湯循環経路１６を流通する湯水の一部が水蒸気として凝縮水循環経路１５側に透過する。透過した水蒸気は、凝縮水として凝縮水回収タンク４に回収される。
【００４８】
以上により、満蓄となり、排ガスから凝縮水を回収できなくなった場合であっても、疎水性多孔膜５を透過した水蒸気を凝縮水として回収するため、水蒸気改質に用いる凝縮水が不足するという問題が解消され、システムの連続運転が可能となる。さらに、疎水性多孔膜５は水蒸気を選択的に透過させ、湯水中の不純物の透過が抑制されるため、例えば、湯水や上水を水蒸気改質用として凝縮水に直接混合した場合よりも水処理の負担が軽減される。
【００４９】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、貯湯循環経路１６を冷却するラジエータや放熱管を設けることなく、燃料電池システム１０の連続運転が可能である。さらに、燃料電池システム１０では、ラジエータや放熱管を設ける必要がないため、システムサイズの大型化も抑制することができ、ラジエータを設けたことによる騒音も発生しないため、有用である。
【００５０】
以下、本実施形態に係る燃料電池システム１０の各構成について詳細に説明する。
【００５１】
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池（図示せず）を備える燃料電池モジュール１を有する。燃料電池モジュール１は、燃料を供給することで発電する機能を有するものであり、燃料電池以外に、後述する気化器、改質器をさらに備えている。
【００５２】
燃料電池モジュール１は、原料ガス供給経路１１、酸素供給経路１２及び改質水供給経路１４と接続しており、それぞれの経路から原料ガス、酸素及び改質水が燃料電池モジュール１に供給される。原料ガス供給経路１１には、原料ガスを流通させるブロワ２１が設置されており、酸素供給経路１２には、酸素を流通させるブロワ２２が設置されており、改質水供給経路１４には、改質水（凝縮水）を流通させるポンプ２３が設置されている。
【００５３】
原料ガス供給経路１１を流通する原料ガスとしては、水蒸気改質が可能な炭化水素ガスを含むものであれば特に限定されず、例えば、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、特にメタンが好ましい。なお、炭化水素ガスとしては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよい。
【００５４】
改質水供給経路１４を流通する改質水は、燃料電池モジュール１に設けられた気化器（図示せず）によって気化され、気化されて生じた水蒸気は、水蒸気供給経路（図示せず）を通じて改質器（図示せず）に供給される。
【００５５】
燃料電池システム１０は、燃料電池の外部に原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器を有している。改質器は、例えば、バーナ又は燃焼触媒を配置した燃焼部と、改質用触媒を備える改質部と、を備え、改質部の上流側にて原料ガス供給経路１１及び水蒸気供給経路と接続しており、改質部の下流側にて改質ガス供給経路（図示せず）を介して燃料電池と接続している。
【００５６】
原料ガス供給経路１１を通じてメタンなどの炭化水素ガスを含む原料ガスが改質部に供給され、水蒸気供給経路を通じて水蒸気が改質部に供給される。そして、改質部にて炭化水素ガスを水蒸気改質した後に、生成された改質ガスが改質ガス供給経路を通じて燃料電池に供給される。
【００５７】
燃焼部は、燃焼熱により改質部を加熱するものであり、例えば、酸素と、炭化水素ガスを含む原料ガスと、を燃焼反応させたり、燃料電池から排出されるカソードオフガス中の未反応の酸素と、アノードオフガス中の未反応の水素と、を燃焼反応させたりして改質部を加熱する。燃焼反応により生じた排ガスは、排気経路１３に供給され、燃料電池モジュール１の外部に排出される。
【００５８】
炭化水素ガスの一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、改質部にて、以下の式（ａ）の反応により一酸化炭素および水素が生成される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２・・・・（ａ）
【００５９】
改質部内に設置される改質用触媒としては、水蒸気改質反応の触媒となるものであれば特に限定されないが、Ｎｉ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｅ，Ｃｏ，Ｆｅ及びＭｏの少なくとも一つを触媒金属として含む水蒸気改質用触媒が好ましい。
【００６０】
改質部に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Ｓと、改質部に供給される単位時間当たりの炭化水素ガスの炭素原子数Ｃとの比であるスチームカーボン比Ｓ／Ｃは、１．５〜３．５であることが好ましく、２．０〜３．０であることがより好ましく、２．０〜２．５であることがさらに好ましい。スチームカーボン比Ｓ／Ｃがこの範囲にあることにより、炭化水素ガスが効率よく水蒸気改質され、水素および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。さらに、燃料電池モジュール１内での炭素析出を抑制することができ、燃料電池モジュール１の信頼性を高めることができる。
【００６１】
また、燃焼部は、水蒸気改質を効率よく行なう観点から、改質部を、６００℃〜８００℃に加熱することが好ましく、６００℃〜７００℃に加熱することがより好ましい。
【００６２】
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、改質ガス供給経路を通じて改質器から供給された改質ガスを用いて発電を行なう燃料電池を備えている。燃料電池としては、例えば、空気極（カソード）、電解質及び燃料極（アノード）を備える燃料電池セルであってもよく、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。また、燃料電池としては、２００℃以下の温度で作動する低温型の燃料電池、例えば、６０℃〜１００℃程度で作動する固体高分子形燃料電池、１５０℃〜２００℃程度で作動するリン酸形燃料電池や、６００℃〜８００℃程度で作動する高温型の燃料電池、例えば、７００℃〜８００℃程度で作動する固体酸化物形燃料電池、６００℃〜７００℃程度で作動する溶融炭酸塩形燃料電池が挙げられる。
【００６３】
燃料電池のアノードには、改質ガス供給経路を通じて改質ガスが供給され、燃料電池のカソードには、酸素供給経路１２を通じて酸素を含むガスが供給される。そして、改質ガスと酸素との電気化学的な反応により、主に水蒸気（溶融炭酸塩形燃料電池では主に水蒸気及び二酸化炭素）が生成される。また、アノードで生成された電子は、外部回路を通じてカソードに移動する。このようにして電子がアノードからカソードに移動することにより、燃料電池にて発電が行なわれる。
【００６４】
ここで、アノード及びカソードから排出されたオフガスは、前述のように改質器の燃焼部に供給され、未反応の水素及び酸素が燃焼反応に用いられた後、排気経路１３を通じて燃料電池モジュール１から排出されてもよく、燃焼部に供給されずに排気経路１３を通じて直接燃料電池モジュール１から排出されてもよい。
【００６５】
なお、高温型の燃料電池を備える燃料電池システムでは、改質器が燃料電池の外部に取り付けられている必要はなく、燃料電池に直接原料ガス及び水蒸気を供給し、燃料電池の内部で水蒸気改質（内部改質）を行なう構成であってもよい。燃料電池スタック内部での反応温度は６００℃〜８００℃と高温であるため、燃料電池スタック内で水蒸気改質を行なうことが可能である。
【００６６】
燃料電池モジュール１から排出され、排気経路１３を流通する排ガスは、熱交換器２にて、貯湯循環経路１６を流通する湯水と熱交換を行なう。これにより、排気経路１３を流通する排ガスは冷却され、排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮されると共に、貯湯循環経路１６を循環する湯水が排ガスの熱を回収する。水蒸気が凝縮されて得られた凝縮水は、水処理装置３に供給され、排ガスの熱を回収した湯水は、貯湯タンク６に供給される。また、排気経路１３を流通する排ガスは、外部に排気される。
【００６７】
水処理装置３は、熱交換器２と凝縮水回収タンク４との間に設けられており、熱交換器２にて水蒸気が凝縮されて得られた凝縮水に含まれる不純物を除去する装置である。水処理装置としては、例えば、交換や薬品による再生処理が必要なイオン交換樹脂を有する水処理装置、イオン交換樹脂を電気的に再生可能な電気脱イオン式の水処理装置などが挙げられる。
【００６８】
凝縮水回収タンク４は、排気経路１３を流通する排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して得られた凝縮水を貯留する容器である。凝縮水回収タンク４では、所定量以上の水が貯留された際には、例えばオーバーフローによりドレン排水される。
【００６９】
凝縮水回収タンク４は、改質水供給経路１４と接続しており、改質水供給経路１４には、ポンプ２３が設けられている。ポンプ２３を駆動させることで、凝縮水回収タンク４に貯留された凝縮水は改質水として、改質水供給経路１４を通じて燃料電池モジュール１に供給される。
【００７０】
また、凝縮水回収タンク４は、凝縮水循環経路１５と接続しており、凝縮水循環経路１５には、ポンプ２４及び疎水性多孔膜５が設けられている。ポンプ２４を駆動させることで、凝縮水回収タンク４に貯留された凝縮水は、凝縮水循環経路１５を流通する。このとき、後述するように、疎水性多孔膜５を介して貯湯循環経路１６を流通する湯水の一部が水蒸気（図１中の矢印Ｘ）として凝縮水循環経路１５側に透過し、透過した水蒸気は、凝縮水として凝縮水回収タンク４に回収される。
【００７１】
貯湯タンク６は、燃料電池モジュール１から排出される排ガスの熱を熱交換器２にて回収した湯水を貯留する容器である。また、第１給水経路１７を通じて貯湯タンク６に水が供給され、出湯経路３１を通じて貯湯タンク６から湯水がシステム外に供給される。出湯経路３１を通じてシステム外に供給される湯水は、第２給水経路１８を通じて供給された水と混合弁２６で適温に混合され、例えば、給湯や暖房に使用される。
【００７２】
貯湯タンク６は、貯湯循環経路１６と接続しており、貯湯循環経路１６には、上流側から順に、ポンプ２５、疎水性多孔膜５及び熱交換器２が設けられている。ポンプ２５を駆動させることで、貯湯タンク６に貯留された湯水は、貯湯循環経路１６を流通する。このとき、疎水性多孔膜５を介して貯湯循環経路１６を流通する湯水の一部が水蒸気として凝縮水循環経路１５側に透過する。そして、疎水性多孔膜５を通過した後の湯水は、熱交換器２にて、排気経路１３を流通する排ガスと熱交換を行い、排ガスの熱を回収した湯水は、貯湯循環経路１６を流通し、貯湯タンク６に貯留される。
【００７３】
貯湯タンク６は、第１給水経路１７と接続している供給口付近である下部から貯湯循環経路１６に湯水を供給し、出湯経路３１と接続している出湯口付近である上部にて貯湯循環経路１６を流通した湯水を回収する。そのため、貯湯タンク６に貯留されている湯水では、温度勾配が生じており、下部から上部に向かって貯留されている湯水の温度が上昇する。
【００７４】
ここで、燃料電池システム１０の起動中には、排気経路１３を流通する排ガスを冷却して水蒸気を凝縮させるため、貯湯循環経路１６に継続的に湯水を循環させる。そのため、燃料電池システム１０を長時間連続運転させると、貯湯タンク６に貯留されている温水の温度が上昇し、その際出湯が一定量行われなければ、熱的に充満した状態（満蓄状態）になる。満蓄になると、貯湯タンク６に貯留されている温水に温度勾配はほとんどなくなり、貯湯タンク６に貯留されている湯水の上側と下側との温度差はほとんどなくなる。そのため、満蓄時には、排気経路１３を流通する排ガスからの熱回収による排ガスの冷却ができなくなり、その結果、排ガスから凝縮水の回収ができなくなってしまい、凝縮水回収タンク４に貯留されている凝縮水が不足するおそれがある。
【００７５】
しかし、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、判定手段４０が、凝縮水回収タンク４に貯留されている凝縮水の量が不足していると判定した際、凝縮水循環経路１５に凝縮水を供給して循環させることで、疎水性多孔膜５を透過した水蒸気を凝縮水として回収する。そのため、満蓄時であっても、凝縮水回収タンク４にて凝縮水が不足することが抑制され、システムの連続運転が可能となる。
【００７６】
以下、判定手段４０が、凝縮水回収タンク４に貯留されている凝縮水の量が不足していると判定する場合の具体例１について説明する。まず、判定手段４０は、凝縮水回収タンク４に貯留されている凝縮水の量が不足しているか否かを、水位検出手段により検出された凝縮水の水位により判定してもよい。
【００７７】
このとき、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、凝縮水回収タンク４に貯留されている凝縮水の水位を検出する水位検出手段である水位センサー４１をさらに備えている。水位センサー４１としては、フロートセンサーや電極センサー等の従来公知のものを適宜選択して使用することができる。
【００７８】
本実施形態に係る燃料電池システム１０では、判定手段４０が、水位センサー４１により検出された凝縮水の水位が閾値（第１の閾値）以下であると判定した際、ポンプ２４を駆動させ、凝縮水循環経路１５に凝縮水を供給して循環させる。これにより、疎水性多孔膜５を介して貯湯循環経路１６を流通する湯水の一部が水蒸気として凝縮水循環経路１５側に透過し、透過した水蒸気は、凝縮水として凝縮水回収タンク４に回収される。そのため、水蒸気改質に用いる凝縮水が不足するという問題が抑制され、満蓄時においてもシステムの連続運転が可能となる。なお、閾値（第１の閾値）となる凝縮水の水位としては、例えば、凝縮水循環経路１５に凝縮水を供給してから疎水性多孔膜５を透過した水蒸気が凝縮水として凝縮水回収タンク４に回収されるまでの間、燃料電池モジュール１への凝縮水の供給及び凝縮水循環経路１５への凝縮水の供給が可能な量以上であればよい。
【００７９】
ここで、疎水性多孔膜５を透過する水蒸気の量（ｍｌ／分）は、水蒸気改質に必要な改質水の量（ｍｌ／分）以上であることが好ましい。これにより、外部から水を供給せずとも、システムの連続運転が可能となる。
【００８０】
まず、疎水性多孔膜５を透過する水蒸気の量（ｍｌ／分）が、水蒸気改質に必要な改質水の量（ｍｌ／分）と同程度であれば、満蓄時であっても、凝縮水回収タンク４に貯留される凝縮水の水位が低下せず、一定に保たれる。そのため、外部から水を供給せずとも、システムの連続運転が可能となる。
【００８１】
また、疎水性多孔膜５を透過する水蒸気の量（ｍｌ／分）が、水蒸気改質に必要な改質水の量（ｍｌ／分）よりも多い場合、満蓄時であっても、凝縮水回収タンク４に貯留される凝縮水の水位が徐々に増加し、外部から水を供給せずとも、システムの連続運転が可能となる。
【００８２】
疎水性多孔膜５を透過する水蒸気の量（ｍｌ／分）は、疎水性多孔膜の種類、面積、貯湯循環経路を流通する湯水と凝縮水循環経路を流通する凝縮水との温度差など、種々の要因によって定まる。例えば、非特許文献（Samer Adham et. al., Application of Membrane Distillation for desalting brines from thermal desalination plants, Desalination, Volume 314(2), 2013, 101-108）では、高温側７０℃、低温側３０℃の条件で水を流通させた場合、３０ｋｇ／ｍ２／ｈ程度の高い透過流束が得られることが実証されている。
【００８３】
例えば、７００Ｗ級の家庭用固体酸化物形燃料電池システムにて水蒸気改質に必要な改質水の量を５ｍｌ／分とし、３０ｋｇ／ｍ２／ｈ（５００ｍｌ／分／ｍ２＝０．０５ｍｌ／分／ｃｍ２）の透過流束を有する疎水性多孔膜を用いたと仮定する。満蓄時であっても、外部から水を供給せずにシステムの連続運転を可能とするためには、疎水性多孔膜を透過する水蒸気の量が５ｍｌ／分以上であればよく、疎水性多孔膜の面積は１００ｃｍ２以上であればよいことが算出される。ここで、例えば、疎水性多孔膜の面積が１４０ｃｍ２であれば、疎水性多孔膜を透過する水蒸気の量が７ｍｌ／分と算出されるため、疎水性多孔膜を透過する水蒸気の量（ｍｌ／分）を、水蒸気改質に必要な改質水の量（ｍｌ／分）よりも多くすることができる。
【００８４】
疎水性多孔膜５としては、貯湯循環経路１６を流通する湯水の一部を水蒸気として透過させる膜、すなわち、膜蒸留が可能な膜であれば特に限定されない。疎水性多孔膜５としては、例えば、フッ素系樹脂製の膜を用いてもよく、好ましくは、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）などのフッ素系樹脂製の膜を用いてもよい。また、前述の非特許文献に記載の疎水性多孔膜を用いてもよい。なお、膜蒸留とは、疎水性多孔膜を介した際に生じる蒸気圧差を駆動力として水と溶質とを分離する技術のことである。
【００８５】
また、透過側の水蒸気分圧を下げる方法としては、（１）透過側に低温水を流す方法（ＤＣＭＤ；Direct Contact Membrane Distillation）、（２）透過側を間接的に冷却する（ＡＧＭＤ；Air Gap Membrane Distillation）、（３）透過側を真空にする（ＶＭＤ；Vacuum Membrane Distillation）、（４）透過側にスイープガスを流す（ＳＧＭＤ；Sweep Gas Membrane Distillation）が挙げられるが、本実施形態では（１）の方法を用いている。（１）の方法は、各種方法の中でも透過流束が高く、さらに、凝縮水回収タンク４に貯留された凝縮水を利用できるため、有用である。また、（１）の方法を採用する上では、凝縮水循環経路１５が主に必要となるだけであり、（２）〜（４）よりも必要な構成が少なく、システムを簡略化することができる。
【００８６】
本実施形態に係る燃料電池システム１０では、小サイズの疎水性多孔膜５と、小規模の凝縮水循環経路１５を設けることで、システムの連続運転が可能となり、従来の燃料電池システムのようにラジエータを設けた場合と比較して、コンパクトな設計が可能となる。
【００８７】
前述のように、疎水性多孔膜５を透過する水蒸気の量（ｍｌ／分）が、水蒸気改質に必要な改質水の量（ｍｌ／分）よりも多い場合、凝縮水回収タンク４に貯留される凝縮水の水位が徐々に増加する。そのため、判定手段４０が、水位センサー４１により検出された凝縮水の水位が閾値（第２の閾値）以上であると判定した際、ポンプ２４を停止させ、凝縮水循環経路１５への凝縮水の供給を停止させてもよい。これにより、必要以上の水蒸気が疎水性多孔膜５を透過することが抑制され、また、凝縮水回収タンク４からオーバーフローにより、凝縮水がドレン排水されないように調整できる。
【００８８】
以下、凝縮水回収タンク４に貯留されている凝縮水の水位に応じて、凝縮水循環経路１５での凝縮水の循環を制御することについて、図２を用いて説明する。図２は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池システムにおける凝縮水循環の制御処理１を示すフローチャートである。
【００８９】
図２に示すように、ステップ２００にて、燃料電池システム１０を起動する。このとき、凝縮水回収タンク４には、燃料電池モジュール１に供給される改質水が貯留されており、この改質水が原料ガスの水蒸気改質に用いられる。
【００９０】
燃料電池システム１０を起動して連続運転させると、前述のように、貯湯タンク６に貯留されている温水の温度が上昇し、熱的に充満した状態（満蓄状態）になる。満蓄時には、排ガスから凝縮水の回収ができなくなってしまうため、凝縮水回収タンク４に貯留されている凝縮水の水位が徐々に低下する。
【００９１】
ステップ２０１にて、水位センサー４１にて検出された凝縮水の水位が第１の閾値以下であるか否かを判定する。水位センサー４１にて検出された凝縮水の水位が第１の閾値以下であれば、ステップ２０２にて、ポンプ２４を駆動させ、凝縮水循環経路１５に凝縮水を供給して循環させる。このとき、疎水性多孔膜５を透過する水蒸気の量（ｍｌ／分）が、水蒸気改質に必要な改質水の量（ｍｌ／分）よりも多い場合、満蓄時であっても、凝縮水回収タンク４に貯留される凝縮水の水位が徐々に増加する。あるいは、貯湯タンク６から出湯経路３１を通じて湯水が外部へ排出され、第１給水経路１７を通じて水が貯湯タンク６に供給され満蓄状態が解消された場合、貯湯循環経路１６を流通する湯水が排ガスの熱を回収可能となるため、排ガスから凝縮水の回収が可能となり、凝縮水回収タンク４に貯留される凝縮水の水位が徐々に増加する。
【００９２】
次に、ステップ２０３にて、水位センサー４１にて検出された凝縮水の水位が第２の閾値以上であるか判定する。水位センサー４１にて検出された凝縮水の水位が第２の閾値以上でなければ、凝縮水循環経路１５への凝縮水の供給（循環）を継続し、水位センサー４１にて検出された凝縮水の水位が第２の閾値以上であれば、ステップ２０４にて、凝縮水循環経路１５への凝縮水の供給（循環）を停止する。
【００９３】
そして、凝縮水循環経路１５への凝縮水の供給を停止した場合、満蓄状態が維持されたままである、あるいは、一度満蓄状態が解消したが再度満蓄になると、水位センサー４１にて検出された凝縮水の水位が再び低下する。
【００９４】
そこで、ステップ２０５にてシステムの運転停止要求がなければ、ステップ２０１〜２０４を繰り返し行なってもよい。また、ステップ２０５にてシステムの運転停止要求があれば、燃料電池システム１０の運転を停止する。なお、システムの運転停止は、ステップ２００〜２０５の間の任意のタイミングで行なってもよい。
【００９５】
以下、判定手段４０が、凝縮水回収タンク４に貯留されている凝縮水の量が不足していると判定する場合の具体例２について説明する。判定手段４０は、凝縮水回収タンク４に貯留されている凝縮水の量が不足しているか否かを、燃料電池システムの起動時間により判定してもよい。
【００９６】
燃料電池システム１０を起動させてから時間が経過すると、貯湯タンク６に貯留されている温水が満蓄となり、排ガスから凝縮水の回収ができなくなってしまうため、システム起動から時間が経過するにつれて凝縮水回収タンク４に貯留されている凝縮水が不足することになる。そこで、判定手段４０が、システム起動から所定の時間が経過したことを判定した際、ポンプ２４を駆動させ、凝縮水循環経路１５に凝縮水を供給して循環させるようにしている。これにより、疎水性多孔膜５を介して貯湯循環経路１６を流通する湯水の一部が水蒸気として凝縮水循環経路１５側に透過し、透過した水蒸気は、凝縮水として凝縮水回収タンク４に回収される。そのため、水蒸気改質に用いる凝縮水が不足するという問題が抑制され、満蓄時においてもシステムの連続運転が可能となる。
【００９７】
また、前述のように、疎水性多孔膜５を透過する水蒸気の量（ｍｌ／分）が、水蒸気改質に必要な改質水の量（ｍｌ／分）よりも多い場合、凝縮水回収タンク４に貯留される凝縮水の水位が一定の割合で徐々に増加する。そのため、判定手段４０が、凝縮水循環経路１５に凝縮水を循環させてから所定の時間が経過したことを判定した際、ポンプ２４を停止させ、凝縮水循環経路１５への凝縮水の供給を停止してもよい。
【００９８】
さらに、凝縮水循環経路１５への凝縮水の供給を停止させた場合、満蓄状態が維持されたままであると、凝縮水回収タンク４の水位が一定の割合で再び低下する。そのため、判定手段４０が、凝縮水循環経路１５への凝縮水の供給を停止させてから所定の時間経過したことを判定した際、凝縮水循環経路１５へ再度凝縮水を供給してもよい。
【００９９】
また、判定手段４０が、凝縮水循環経路１５に凝縮水を循環させてから所定の時間が経過したことを判定した際、凝縮水循環経路１５への凝縮水の供給を停止する手順と、判定手段４０が、凝縮水循環経路１５に凝縮水の供給を停止させてから所定の時間が経過したことを判定した際、凝縮水循環経路１５へ凝縮水を供給する手順と、を順番に繰り返してもよい。
【０１００】
以下、燃料電池システムの起動時間、凝縮水の供給時間（循環時間）及び凝縮水供給の停止時間に応じて、凝縮水循環経路１５での凝縮水の循環を制御することについて、図３を用いて説明する。図３は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池システムにおける凝縮水循環の制御処理２を示すフローチャートである。
【０１０１】
図３に示すように、ステップ３００にて、燃料電池システム１０を起動する。このとき、凝縮水回収タンク４には、燃料電池モジュール１に供給される改質水が貯留されており、この改質水が原料ガスの水蒸気改質に用いられる。
【０１０２】
燃料電池システム１０を起動して連続運転させて満蓄状態となると、排ガスから凝縮水の回収ができなくなってしまうため、凝縮水回収タンク４に貯留されている凝縮水の水位が徐々に低下する。
【０１０３】
ステップ３０１にて、燃料電池システム１０の起動から所定時間が経過したか判定する。システムの起動から所定時間が経過していれば、ステップ３０２にて、ポンプ２４を駆動させ、凝縮水循環経路１５に凝縮水を供給し、凝縮水を循環させる。このとき、疎水性多孔膜５を透過する水蒸気の量（ｍｌ／分）が、水蒸気改質に必要な改質水の量（ｍｌ／分）よりも多い場合、満蓄時であっても、凝縮水回収タンク４に貯留される凝縮水の水位が一定の割合で徐々に増加する。
【０１０４】
次に、ステップ３０３にて、凝縮水の供給（循環）から所定時間が経過したか判定する。凝縮水の供給から所定時間が経過してなければ、凝縮水循環経路１５への凝縮水の供給を継続し、凝縮水の供給から所定時間が経過していれば、ステップ３０４にて、凝縮水循環経路１５への凝縮水の供給（循環）を停止する。
【０１０５】
そして、凝縮水循環経路１５への凝縮水の供給を停止した場合、満蓄状態が維持されたままであると、凝縮水回収タンク４の水位が一定の割合で再び低下する。
【０１０６】
次に、ステップ３０５にて、凝縮水の供給停止から所定時間が経過したか判定する。凝縮水の供給停止から所定時間が経過していれば、ステップ３０６にて、ポンプ２４を駆動させ、凝縮水循環経路１５に凝縮水を再度供給し、凝縮水を循環させる。このとき、ステップ３０２と同様、満蓄時であっても、凝縮水回収タンク４に貯留される凝縮水の水位が一定の割合で徐々に増加する。
【０１０７】
そして、ステップ３０７にて、凝縮水の供給（循環）から所定時間が経過したか判定する。凝縮水の供給から所定時間が経過してなければ、凝縮水循環経路１５への凝縮水の供給を継続し、凝縮水の供給から所定時間が経過していれば、ステップ３０８にて、凝縮水循環経路１５への凝縮水の供給（循環）を停止する。
【０１０８】
ステップ３０９にてシステムの運転停止要求がなければ、ステップ３０５〜３０８を繰り返し行なってもよい。また、ステップ３０９にてシステムの運転停止要求があれば、燃料電池システム１０の運転を停止する。なお、システムの運転停止は、ステップ３００〜２０９の間の任意のタイミングで行なってもよい。
【０１０９】
以下、判定手段４０が、凝縮水回収タンク４に貯留されている凝縮水の量が不足していると判定する場合の具体例３について説明する。判定手段４０は、凝縮水回収タンク４に貯留されている凝縮水の量が不足しているか否かを、第１温度検出手段により検出された湯水の温度により判定してもよい。
【０１１０】
このとき、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、貯湯循環経路１６における熱交換器２よりも上流の所定の位置及び貯湯タンク６の所定の位置の少なくとも一方に第１温度検出手段（図示せず）をさらに備えている。第１温度検出手段は、貯湯循環経路１６における熱交換器２よりも上流の位置であれば、任意の場所に設けることができ、例えば、貯湯循環経路１６において、貯湯タンク６の供給口付近、貯湯タンク６と疎水性多孔膜５との間、疎水性多孔膜５と熱交換器２との間などが挙げられる。また、第１温度検出手段は、貯湯タンク６の任意の場所に設けることができ、例えば、貯湯循環経路１６と接続している供給口付近が挙げられる。
【０１１１】
本実施形態に係る燃料電池システム１０では、判定手段４０が、第１温度検出手段により検出された湯水の温度が閾値以上であると判定した際、ポンプ２４を駆動させ、凝縮水循環経路１５に凝縮水を供給して循環させる。そのため、検出された湯水の温度が閾値以上となることで、排ガスの冷却効率が低下し、排ガスから凝縮水を好適に回収できなくなった場合であっても、疎水性多孔膜５を透過した水蒸気を凝縮水として回収することで、十分な量の凝縮水を凝縮水回収タンク４に貯留することができる。よって、水蒸気改質に用いる凝縮水が不足するという問題が抑制され、満蓄時においてもシステムの連続運転が可能となる。
【０１１２】
凝縮水循環経路１５に凝縮水を供給するか否かを判定する対象となる閾値としては、特に限定されないが、例えば、満蓄時の湯水の温度（例えば、９０℃）、満蓄時の湯水の温度よりも低い温度（例えば、６０℃以上９０℃未満）が挙げられる。すなわち、所定の箇所における湯水の温度が満蓄時の湯水の温度又は満蓄時の湯水の温度よりも低い温度であることを示す場合に、凝縮水循環経路１５に凝縮水を供給して循環させてもよい。特に、満蓄時の湯水の温度よりも低い温度であることを示した場合に、凝縮水循環経路１５に凝縮水を供給して循環させる構成とすることで、より十分な量の凝縮水を凝縮水回収タンク４に貯留することができるため好ましい。
【０１１３】
また、第１温度検出手段は、貯湯タンク６の任意の場所に設けることができる。貯湯タンク６において、満蓄状態では貯湯タンク６に貯留されている湯水の全域でほぼ同じ温度となっているが、満蓄状態でない場合、貯湯タンク６に貯留されている湯水は高さ方向に沿って下にいくほど温度が低下し、貯湯タンク６の上部よりも下部の方が湯水の温度が低くなっている。そこで、第１温度検出手段を、貯湯循環経路１６の下部であり、かつ貯湯循環経路１６と接続している供給口付近よりも上部に設けることが好ましい。このとき、第１温度検出手段が満蓄時の湯水の温度を示したとすると、貯湯タンク６に貯留されている湯水は満蓄直前であることが分かる。そのため、満蓄となる直前で、凝縮水循環経路１５に凝縮水を供給して循環させることができ、より十分な量の凝縮水を凝縮水回収タンク４に貯留することができるため好ましい。
【０１１４】
第１温度検出手段は、複数設けられていてもよく、例えば、貯湯循環経路１６における熱交換器２よりも上流の所定の位置及び貯湯タンク６の所定の位置の両方に設けてもよく、貯湯タンク６の高さの異なる位置に第１温度検出手段をそれぞれ設けてもよい。
【０１１５】
なお、第１温度検出手段を設ける具体例３の構成は、前述の具体例１、２の構成と組み合わせてもよい。
【０１１６】
ところで、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、疎水性多孔膜５は水蒸気を選択的に透過させ、湯水中の不純物の透過が抑制されるため、例えば、湯水や上水を水蒸気改質用として凝縮水に直接混合した場合よりも水処理装置の負担が軽減される。また、疎水性多孔膜５を透過した水蒸気が凝縮した凝縮水は、水処理装置による処理が特に不要であるため、燃料電池システム１０のように、熱交換器２と凝縮水回収タンク４との間に水処理装置３を設け、改質水供給経路１４に水処理装置が設けられていなくてもよい。
【０１１７】
また、疎水性多孔膜を用いた場合、逆浸透膜（ＲＯ膜）を用いた場合よりも透過側にて純度の高い水を得ることができ、逆浸透膜と同程度の透過流束が得られる。また、逆浸透膜を用いた場合、塩濃度（浸透圧）の増加に伴い、透過流束が低下するが、疎水性多孔膜を用いた場合、塩濃度が増加しても透過流束が低下しない点で有用である。さらに、逆浸透膜のように給水圧が駆動力ではないため、加圧の必要がなく、補機電力が低減できる。
【０１１８】
また、熱交換器よりも下流に疎水性多孔膜が設けられていてもよいが、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、熱交換器２よりも上流に疎水性多孔膜５が設けられている。ここで、満蓄時以外では、熱交換器２に供給される前の湯水は、熱交換器２から排出された湯水よりも低温であるため、疎水性多孔膜５を熱交換器２よりも上流に配置することで、熱に起因する膜の劣化を抑制できる。
【０１１９】
また、熱交換器２よりも下流の貯湯循環経路１６を流通する湯水は、凝縮水循環経路１５を流通する凝縮水よりも高温であるため、熱交換器２よりも下流に疎水性多孔膜５を設置した場合には、貯湯タンク６に供給される湯水が冷却されることになり、貯湯タンク６の温度成層に影響を与える。一方、本実施形態に係る燃料電池システム１０のように、熱交換器２よりも上流に疎水性多孔膜５を設置した場合には、貯湯タンク６の温度成層に影響を与えない。
【０１２０】
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、凝縮水循環経路１５を流通する凝縮水を放熱させる放熱部をさらに備えることが好ましい。凝縮水循環経路１５における放熱部の設置場所は特に限定されないが、例えば、疎水性多孔膜５の透過側の下流（図１中のＢ１）に放熱部を設けてもよい。
【０１２１】
貯湯循環経路１６を流通する湯水は、凝縮水循環経路１５を流通する凝縮水よりも高温であるため、凝縮水循環経路１５を流通する凝縮水は疎水性多孔膜５を介して間接的に温められる。凝縮水循環経路１５を流通する凝縮水の温度が上昇すると、湯水が流通する貯湯循環経路１６と凝縮水が流通する凝縮水循環経路１５との間の蒸気圧差が低下し、疎水性多孔膜５における水蒸気の透過流束が低下するおそれがある。
【０１２２】
一方、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、凝縮水循環経路１５を流通する凝縮水を放熱させる放熱部を有するため、温められた凝縮水が放熱により冷却される。その結果、疎水性多孔膜５における水蒸気の透過流束が好適に維持される。
【０１２３】
放熱部としては、凝縮水循環経路１５を流通する凝縮水を放熱させる構成であれば特に限定されないが、スパイラル管、金属配管、脱炭酸塔のように大気との接触面積を増やす構造、換気ファンに近接させた構造、筐体と接触させた構造などが挙げられる。貯湯循環経路１６を流通する湯水と比較して、凝縮水循環経路１５を流通する凝縮水は少量であるため、大型の放熱部とする必要はなく、放熱部を設けてもシステムの大型化は抑制される。
【０１２４】
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、疎水性多孔膜５の上流に貯湯循環経路１６を循環する湯水中の塩素を除去する脱塩素部（図示せず）及び第１給水経路１７に貯湯タンク６に供給される水中の塩素を除去する脱塩素部（図示せず）の少なくとも一方をさらに備えることが好ましい。
【０１２５】
前述のように脱塩素部を配置することで、貯湯循環経路１６を循環する湯水中の塩素又は貯湯タンク６に供給される水中の塩素が除去されるため、耐塩素性でない疎水性多孔膜５も好適に用いることができ、疎水性多孔膜５の選択肢を広げることができる。
【０１２６】
＜第二実施形態＞
以下、本発明の第二実施形態に係る燃料電池システムについて図４を用いて説明する。
図４は、本発明の第二実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。本実施形態に係る燃料電池システム２０は、熱交換器２の上流に、貯湯循環経路１６から分岐するバイパス経路１９（第１分岐経路）を有しており、疎水性多孔膜５は、バイパス経路１９を流通する湯水の一部を水蒸気として凝縮水循環経路１５側に透過する構成を有している点で、前述の第一実施形態に係る燃料電池システム１０と相違する。なお、本実施形態（以下の第三、第四実施形態でも同様）において、第一実施形態と同様の構成については、同じ番号を付し、その説明を省略する。
【０１２７】
本実施形態に係る燃料電池システム２０では、貯湯循環経路１６を流通する湯水の一部をバイパス経路１９に流通させ、バイパス経路１９に設けた疎水性多孔膜５により、バイパス経路１９を流通する湯水の一部を水蒸気として凝縮水循環経路１５側に透過する。疎水性多孔膜５は、貯湯循環経路１６の面積と比較して非常に小さいサイズにすることができるため、疎水性多孔膜５の大きさに応じたバイパス経路１９を設けてもよく、バイパス経路１９の面積は貯湯循環経路１６と比較して非常に小さくてもよい。
【０１２８】
また、バイパス経路１９には、開閉弁（流量調節部）が設けられていてもよく、凝縮水循環経路１５に凝縮水を供給して循環させているときには、湯水がバイパス経路１９を流通し、凝縮水循環経路１５に凝縮水を供給していないときには、湯水がバイパス経路１９を流通しないように開閉弁を調節してもよい。これにより、凝縮水循環経路１５に凝縮水を供給していないときには、疎水性多孔膜５に湯水が供給されず、細孔の詰りによる膜の劣化を抑制することができる。
【０１２９】
＜第三実施形態＞
以下、本発明の第三実施形態に係る燃料電池システムについて図５を用いて説明する。
図５は、本発明の第三実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。本実施形態に係る燃料電池システム３０は、熱交換器２の上流に、貯湯循環経路１６から分岐するバイパス経路３２を有しており、疎水性多孔膜５は、バイパス経路３２を流通する湯水の一部を水蒸気として凝縮水循環経路１５側に透過する構成を有し、かつ、バイパス経路３２に湯水の流量を調節する開閉弁Ａ、Ｂ（流量調節部）、貯湯循環経路１６に湯水の流量を調節する開閉弁Ｃ（流量調節部）が設けられている点で、前述の第一実施形態に係る燃料電池システム１０と相違する。
【０１３０】
本実施形態に係る燃料電池システム２０では、疎水性多孔膜５の上流に位置する開閉弁Ａ及び疎水性多孔膜５の下流に位置する開閉弁Ｂを閉じ、かつ、開閉弁Ｃを開くことで、バイパス経路３２に湯水が供給されず、バイパス経路３２と並列する貯湯循環経路１６のみに湯水が供給される。また、開閉弁Ａ、Ｂを開き、かつ開閉弁Ｃを閉じることで、バイパス経路３２と並列する貯湯循環経路１６に湯水が供給されず、バイパス経路３２のみに湯水が供給される。
【０１３１】
そのため、本実施形態に係る燃料電池システム３０は、判定手段４０が、凝縮水回収タンク４に貯留されている凝縮水の量が不足していると判定し、凝縮水循環経路１５に凝縮水を供給して循環させているときには、開閉弁Ａ、Ｂを開き、かつ開閉弁Ｃを閉じるように調節される。また、凝縮水循環経路１５に凝縮水を供給していないときには、開閉弁Ａ、Ｂを閉じ、かつ開閉弁Ｃを開くように調節される。このように、開閉弁Ａ〜Ｃを調節することで、凝縮水循環経路１５に凝縮水を供給していないときには、疎水性多孔膜５に湯水が供給されず、細孔の詰りによる膜の劣化を抑制することができる。
【０１３２】
なお、開閉弁Ａ〜Ｃとしては、電磁弁、電動弁などが挙げられる。また、開閉弁Ｂ、Ｃは設けられていなくてもよい。
【０１３３】
＜第四実施形態＞
以下、本発明の第四実施形態に係る燃料電池システムについて図６を用いて説明する。
図６は、本発明の第四実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。第一実施形態に係る燃料電池システム１０は、熱交換器２と凝縮水回収タンク４との間に水処理装置３を有しているが、本実施形態に係る燃料電池システム５０は、凝縮水回収タンク４と燃料電池モジュール１との間である改質水供給経路１４に水処理装置３を有している。
【０１３４】
例えば、疎水性多孔膜５が劣化により破損した場合、貯湯循環経路１６を流通する湯水が直接凝縮水循環経路１５に供給され、凝縮水回収タンク４に貯留される。このとき、水処理装置３が、熱交換器２と凝縮水回収タンク４との間に配置されていると、湯水中に含まれている不純物が除去されることなく、燃料電池モジュール１に供給されることになり、モジュール内の各構成（例えば改質器）に悪影響を及ぼす。
【０１３５】
一方、本実施形態に係る燃料電池システム５０は、凝縮水回収タンク４と燃料電池モジュール１との間に水処理装置３を有している。そのため、疎水性多孔膜５が劣化により破損した場合であっても、湯水中に含まれている不純物が、水処理装置３にて除去されるため、モジュール内の各構成に悪影響を及ぼすことが抑制される。
【０１３６】
＜第五実施形態＞
以下、本発明の第五実施形態に係る燃料電池システムについて図７を用いて説明する。図７は、本発明の第五実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。本実施形態に係る燃料電池システム６０は、貯湯循環経路１６における熱交換器２の上流側と熱交換器２の下流側とを接続するように設けられ、貯湯循環経路１６から分岐するバイパス経路３３（第２分岐経路）を有し、湯水が流通する経路を切り替える切り替え部として三方弁２７を有している。
【０１３７】
さらに、本実施形態に係る燃料電池システム６０は、貯湯循環経路１６における所定の位置及び貯湯タンク６の所定の位置の少なくとも一方に第２温度検出手段をさらに備えている。
【０１３８】
第２温度検出手段は、貯湯循環経路１６における任意の場所に設けることができ、例えば、貯湯循環経路１６において、貯湯タンク６の供給口付近、貯湯タンク６と疎水性多孔膜５との間、疎水性多孔膜５と熱交換器２との間、熱交換器２と貯湯タンク６との間などが挙げられる。また、第２温度検出手段は、貯湯タンク６の任意の場所に設けることができ、例えば、貯湯循環経路１６と接続している供給口付近が挙げられる。なお、以下では、貯湯タンク６と疎水性多孔膜５との間に第２温度検出手段２８を配置した構成について説明する。
【０１３９】
例えば、燃料電池モジュール１から排出される排ガスの温度が１００℃以上のときに燃料電池システム６０を連続運転させると、貯湯循環経路１６を循環する湯水が排ガスより継続的に熱を回収するため、貯湯タンク６に貯留されている湯水の温度が上昇して１００℃以上となり、貯湯タンク６に貯留されている湯水が沸騰するおそれがある。
【０１４０】
本実施形態に係る燃料電池システム６０では、第２温度検出手段２８にて検出された湯水の温度が第１の閾値（例えば、９０℃）以上となった際に、三方弁２７により、貯湯循環経路１６を流通する湯水がバイパス経路３３に供給され、かつ湯水が熱交換器２に供給されないように湯水が流通する経路を切り替え可能となっている。そのため、貯湯循環経路１６を循環する湯水の温度又は貯湯タンク６に貯留されている湯水の温度が一定以上となった際に、熱交換器２への湯水の供給が停止されて熱交換器２にて排ガスからの熱回収が行われないように湯水が流通する経路を切り替え可能であり、貯湯タンク６に貯留されている湯水の沸騰を防止できる。
【０１４１】
なお、切り替え部の構成は、三方弁に限定されず、例えば、２つの電磁弁を貯湯循環経路１６及びバイパス経路３３にそれぞれ配置し、電磁弁の開閉をそれぞれ調整することで熱交換器２に湯水を供給するか、バイパス経路３３に湯水を供給するかを切り替えてもよい。
【０１４２】
また、本実施形態に係る燃料電池システム６０では、疎水性多孔膜５が熱交換器２及び三方弁２７の上流に配置されているが、疎水性多孔膜は、熱交換器の下流における貯湯循環経路と第２分岐経路との接続箇所よりも下流に配置されていてもよい。この場合であっても、第２分岐経路に供給された湯水が疎水性多孔膜に供給され、湯水の一部が水蒸気として凝縮水循環経路側に透過する。
【０１４３】
第２温度検出手段２８は、貯湯タンク６と疎水性多孔膜５との間に配置されている。これにより、バイパス経路３３に湯水が供給され、熱交換器２に湯水が供給されていない場合であっても、第２温度検出手段２８は湯水の温度を測定することが可能である。なお、
第２温度検出手段２８は、貯湯循環経路１６におけるバイパス経路３３の上流側又は下流側の所定の位置及び貯湯タンク６の所定の位置の少なくとも一方に配置されていてもよい。
【０１４４】
このとき、切り替え部である三方弁２７は、第２温度検出手段２８により検出された湯水の温度が第２の閾値（例えば、６０〜７０℃）以下になった際、貯湯循環経路１６を流通する湯水が熱交換器２に供給され、貯湯循環経路１６を流通する湯水がバイパス経路３３に供給されないように湯水が流通する経路を切り替え可能となっていてもよい。これにより、再度、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させると共に、貯湯循環経路１６を循環する湯水に排ガスの熱を回収させることができる。
【０１４５】
実施形態を挙げて本発明の実施の形態を説明したが、これらの実施形態は一例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。また、本発明の権利範囲がこれらの実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１４６】
１０、２０、３０、５０…燃料電池システム、１…燃料電池モジュール、２…熱交換器、３…水処理装置、４…凝縮水回収タンク、５…疎水性多孔膜、６…貯湯タンク、１１…原料ガス供給経路、１２…酸素供給経路、１３…排気経路、１４…改質水供給経路、１５…凝縮水循環経路、１６…貯湯循環経路、１７…第１給水経路、１８…第２給水経路、１９、３２、３３…バイパス経路、２１、２２…ブロワ、２３、２４、２５…ポンプ、２６…混合弁、２７…三方弁、２８…第２温度検出手段、３１…出湯経路、４０…判定手段、４１…水位センサー
【図１】
0006556647.tif 000002
【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】
0006556647.tif 000008