(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料と改質水から燃料を生成する改質器と、
前記改質器からの燃料を用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池からの排気ガスを冷却し前記排気ガス中の水蒸気を凝縮する凝縮器と、
前記凝縮器で生成した凝縮水を回収する凝縮水タンクと、
前記凝縮水タンクの凝縮水を前記改質水として前記改質器へ供給する改質水供給器と、
前記凝縮水タンクの凝縮水の水位を検知する水位検知器と、
前記凝縮器に前記排気ガスを冷却する冷却媒体を供給する排気ガス冷却器と、
前記冷却媒体による前記凝縮器での排気ガス冷却能力の判断に用いる冷却判断器と、
前記水位検知器を用いて、凝縮水タンクの水不足に対応する第１水位が検知された場合、外部の電力負荷に寄らずに前記燃料電池の出力を下げ、前記改質水の使用量を低減させる節水モードを実行し、前記節水モード中に、前記冷却判断器を用いて、前記冷却媒体による前記凝縮器での排気ガス冷却能力が所定値以上と判断された場合、外部の電力負荷に寄らずに前記燃料電池の出力を上げ、凝縮水の回収量を増加させる水回収モードを実行する制御器と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御器は、前記水回収モード中に、前記水位検知器を用いて、前記凝縮水タンクの満水状態に対応する第２水位が検知された場合、前記水回収モードを停止する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記冷却媒体は外気であり、前記排気ガス冷却器は、前記凝縮器に外気を送る送風器を備える請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記冷却判断器は、前記凝縮器に送る外気の温度及び前記凝縮器を通過した排気ガスの温度のいずれか一方、又は、その両方を検知する温度検知器であり、
前記制御器は、前記温度検知器による検知温度が所定温度以下である場合、前記水回収モードを実行する請求項１−３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記冷却判断器は、前記燃料電池システムの外部からの情報を受信する情報受信部であり、前記情報受信部が受信した情報に基づき前記水回収モードを実行する請求項１−４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記排気ガス冷却器として、貯水タンクと、前記貯水タンクの循環水出口と前記凝縮器とを接続する冷水経路と、前記凝縮器と前記貯水タンクの循環水入口とを接続する温水経路と、前記貯水タンクの水を循環する水循環器と、前記冷水経路上に配されて前記循環水を冷却する循環水冷却器と、を備え、
前記冷却判断器として、前記貯水タンクの温水量を検知する温水量検知器と、前記循環水冷却器よりも下流の冷水経路を流れる循環水の温度を検知する水温検知器と、を備え、
前記制御器は、前記温水量検知器による検知温水量が所定量以下である場合、又は、前記水温検知器による検知温度が所定温度以下である場合、前記水回収モードを実行する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水回収モードにおいては、定格出力で発電を行う請求項１−６いずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池システムは、前記燃料電池システムの運転状態を知らせる表示器をさらに備え、前記表示器は、通常発電、前記節水モード又は前記水回収モードが実施されていることを表示する請求項１−７いずれか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】
燃料電池システムは、天然ガスやＬＰＧなどの原料を水蒸気とともに改質反応させることで水素含有の燃料ガスとする改質器と、本改質器で生成した燃料ガスと酸化剤ガス中の酸素とを用いて発電をする燃料電池とを備える。
【０００３】
燃料電池で発電に用いられなかった燃料ガスと酸化剤ガスは燃焼されて、排気ガスとなり、排気ガスの熱は、改質器や燃料電池の加熱に使用される。排気ガスは、さらに熱交換器などにより冷却されて、排気ガス中の水蒸気が凝縮水として回収される。
回収された凝縮水はイオン交換樹脂などにより浄化処理され、再び改質反応のための改質水に利用される。
このように、改質水を外部から供給せずに、排気ガス中の水蒸気を凝縮水として回収することで水自立運転を行い得る燃料電池システムが知られている。
【０００４】
熱交換器による排気ガスを冷却する方法としては、熱交換器の受熱流体に水を用いる方法が一般的である。よって、熱交換器から出た温水を貯める貯水タンクと、水が貯水タンク及び熱交換器を循環する熱回収経路とを備える燃料電池システムが知られている。しかし、この燃料電池システムでは、貯水タンクが高温の温水で満たされると、温水がそのまま熱交換器へ流れ、排気ガスが冷却できない。よって、この場合、凝縮水の回収が困難となる恐れがある。
【０００５】
そこで、水自立運転の成否を判断する手段として、凝縮水タンクの水位を検知する水位検知器を備え、凝縮水の水位が低いことを検知された場合、電力需要に寄らずに、燃料電池システムの出力を下げて、排気ガスの熱量を下げるとともに循環水量を増加させる方法が提案されている（例えば、特許文献１）。これにより、凝縮水の回収量が確保できることが特許文献１に記載されている。
【０００６】
また、水自立運転が不成立の場合、電力需要に加え、燃料電池システム内の補機を動作させることで燃料電池システムの出力を増大させる方法も提案されている（例えば、特許文献２）。これにより、凝縮水の量を増加し得ることが特許文献２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２７７９７３号公報
【特許文献２】特開２０１３−２２２５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来例は、環境条件及び運転条件などによって燃料電池システムの水自立運転が困難な場合の対応について十分に検討されていない。
【０００９】
本発明の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みてなされたものであり、環境条件及び運転条件などによって燃料電池システムの水自立運転が困難な場合において、従来に比べ、継続的な運転を適切に行い得る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】
【００１０】
本発明の一態様の燃料電池システムは、原料と改質水から燃料を生成する改質器と、前記改質器からの燃料を用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池からの排気ガスを冷却し前記排気ガス中の水蒸気を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器で生成した凝縮水を回収する凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクの凝縮水を前記改質水として前記改質器へ供給する改質水供給器と、前記凝縮水タンクの凝縮水の水位を検知する水位検知器と、前記凝縮器に前記排気ガスを冷却する冷却媒体を供給する排気ガス冷却器と、前記冷却媒体による前記凝縮器での排気ガス冷却能力の判断に用いる冷却判断器と、前記水位検知器を用いて、凝縮水タンクの水不足に対応する第１水位が検知された場合、外部の電力負荷に寄らずに前記燃料電池の出力を下げ、前記改質水の使用量を低減させる節水モードを実行し、前記節水モード中に、前記冷却判断器を用いて、前記冷却媒体による前記凝縮器での排気ガス冷却能力が所定値以上と判断された場合、外部の電力負荷に寄らずに前記燃料電池の出力を上げ、凝縮水の回収量を増加させる水回収モードを実行する制御器と、を備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一態様の燃料電池システムは、環境条件及び運転条件などによって燃料電池システムの水自立運転が困難な場合において、従来に比べ、継続的な運転を適切に行い得る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、第１実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図２】図２は、第１実施形態の燃料電池システムの動作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１の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図４】図４は、第１実施形態の変形例１の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図５】図５は、第１実施形態の変形例２の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図６】図６は、第１実施形態の変形例２の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図７】図７は、第１実施形態の第１実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図８】図８は、第１実施形態の第２実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図９】図９は、第１実施形態の第２実施例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、第１実施形態の第３実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図１１】図１１は、第１実施形態の第３実施例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図１２】図１２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。
【図１３】図１３は、第２実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図１４】図１４は、第２実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１実施形態）
発明者らは、従来例の方法を用いても、環境条件及び運転条件などによっては、凝縮水を十分に確保できない場合があり得ることを見出した。
【００１４】
例えば、特許文献１の燃料電池システムでは、改質器及び燃料電池の温度制御を空気で行う場合、夏場などの外気温度が高いと、燃料電池の温度制御のための空気流量が増加する傾向にある。このため、排気ガスの水蒸気圧が低くなり、外気温度によっては凝縮水回収を十分に確保できない場合がある。
【００１５】
また、特許文献２の燃料電池システムでは、燃料電池システムの出力を上げると、燃焼器の燃焼量も増加する。すると、燃料電池の温度制御のため、空気流量が増加する。このため、排気ガスの水蒸気圧が低くなり、外気温度によっては凝縮水回収を十分に確保できない場合がある。
【００１６】
なお、熱回収経路を流れる温水を空冷する冷却器を備える燃料電池システムも提案されているが、夏場などの外気温度が高い状態では熱回収経路を流れる温水の冷却にも限界がある。よって、この場合も、熱交換器で回収される凝縮水量が不足して水自立運転が困難となる恐れがある。
【００１７】
そこで、発明者らは、環境条件及び運転条件などによって燃料電池システムの水自立運転が困難な場合の対応について鋭意検討し、以下の着想に到達した。
【００１８】
水自立運転が不成立となった場合、その時点において、水回収量を増加させる方法は、上記のとおり、常時有効とは限らない。よって、水自立運転が不成立の場合、改質水の使用量を極限まで下げる運転を行う。具体的には、外部の電力負荷に寄らずに、燃料電池システムの出力を最低出力まで下げる。しかし、このままの状態では、水を消費するだけなので、燃料電池システムの継続的な水自立運転が困難となる。よって、凝縮器での排気ガス冷却能力が、排気ガス中の水蒸気凝縮に十分であると判断できた場合、燃料電池システムの出力を上げ、凝縮水の回収量を増加させる。例えば、燃料電池システムの出力を最高出力に上げる。
【００１９】
すなわち、第１実施形態の燃料電池システムは、原料と改質水から燃料を生成する改質器と、改質器からの燃料を用いて発電する燃料電池と、燃料電池からの排気ガスを冷却し排気ガス中の水蒸気を凝縮する凝縮器と、凝縮器で生成した凝縮水を回収する凝縮水タンクと、凝縮水タンクの凝縮水を改質水として改質器へ供給する改質水供給器と、凝縮水タンクの凝縮水の水位を検知する水位検知器と、凝縮器に排気ガスを冷却する冷却媒体を供給する排気ガス冷却器と、冷却媒体による凝縮器での排気ガス冷却能力の判断に用いる冷却判断器と、水位検知器を用いて、凝縮水タンクの水不足に対応する第１水位が検知された場合、外部の電力負荷に寄らずに燃料電池の出力を下げ、改質水の使用量を低減させる節水モードを実行し、節水モード中に、冷却判断器を用いて、上記排気ガス冷却能力が所定値以上と判断された場合、外部の電力負荷に寄らずに燃料電池の出力を上げ、凝縮水の回収量を増加させる水回収モードを実行する制御器と、を備える。
【００２０】
かかる構成により、環境条件及び運転条件などによって燃料電池システムの水自立運転が困難な場合において、従来に比べ、燃料電池システムの継続的な運転を適切に行い得る。例えば、排気ガスを冷却する冷却媒体に外気を用い、夏場などの外気温度が高い場合において、燃料電池の出力の変更により凝縮水を回収する場合に比べ、節水モードを実行することで凝縮水タンクから消費される水量を最小限に抑えることができる。よって、環境条件及び運転条件などにより燃料電池システムの運転を行えない状況になる可能性を低減できる。また、水回収モードを実行することで、凝縮水タンクの水量を迅速に補うことができる。よって、例えば、夏場などの外気温度が高い日が連日続く場合においても、燃料電池システムの水自立運転を適切に継続できる。
【００２１】
［装置構成］
図１は、第１実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
図１に示すように、燃料電池システム１００は、改質器１０１と、燃料電池１０２と、凝縮器１０３と、凝縮水タンク１０４と、改質水供給器１０５と、水位検知器１０６と、排気ガス冷却器１０７と、冷却判断器１０８と、制御器１０９と、を備える。
【００２２】
改質器１０１は、原料と改質水から燃料を生成する。具体的には、改質器１０１において、原料が改質反応して、水素ガス含有の燃料が生成される。改質反応は、例えば、水蒸気改質反応又はオートサーマル反応などが挙げられる。図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、改質器１０１を加熱する燃焼器、改質水から水蒸気を生成する蒸発器が設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、燃料電池システム１００には、さらに、改質器１０１に空気を供給する空気供給器が設けられる。なお、原料は、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧなど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。
【００２３】
また、改質器１０１より上流の原料供給経路上に、原料供給器を設けても構わない。原料供給器は、改質器１０１へ供給する原料の流量を調整する機器である。例えば、原料供給器は、昇圧器と流量調整弁とにより構成されてもいいし、これらのいずれか一方により構成されてもいい。昇圧器は、例えば、ポンプなどを例示できる。ポンプとして、例えば、モータ駆動による定容積型ポンプなどを例示できる。原料は、原料供給源より供給される。原料供給源は、所定の供給圧を有している。原料供給源として、例えば、原料ガスボンベ、原料ガスインフラなどを例示できる。
【００２４】
また、原料中に硫黄化合物を含む場合がある。この場合、改質器１０１よりも上流の原料供給経路上に、脱硫器を設けても構わない。
【００２５】
燃料電池１０２は、改質器１０１からの燃料を用いて発電する。例えば、燃料電池１０２は、電解質をアノード電極とカソード電極で挟むセル構造を備え、改質器１０１からの燃料（水素含有ガス）がアノードに、空気（酸素含有ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電をする。そして、燃料電池１０２は、このようなセル構造を複数、電気的に直列に連結し、数Ｖ−数百Ｖの電圧を発生するスタックを構成する。また、燃料電池１０２は、各セルに空気及び燃料ガスを分配し供給するマニホールドと、集電部とを備える。なお、図には示されていないが、燃料電池システム１００は、燃料電池１０２のカソードに空気を供給する空気供給器を備える。空気供給器は、燃料電池１０２の発電に用いる空気の流量を調整する機器である。空気供給器は、例えば、昇圧器と流量計などから構成されていても構わない。昇圧器として、例えば、ポンプなどを例示できる。ポンプとして、例えば、電磁駆動式のダイアフラムポンプなどを例示できる。また、流量計として、例えば、熱量式センサなどを例示できる。
【００２６】
燃料電池１０２は、セル構造の電解質の種類により、固体高分子形、固体酸化物形、溶融炭酸塩形、リン酸形、アルカリ形などに分類される。燃料電池１０２としては、いずれの種類であっても良い。例えば、燃料電池１０２が、固体酸化物形燃料電池の場合、電解質に、例えば、イットリウム（Ｙ）酸化物（Ｙ２Ｏ３）を添加したジルコニア（ＺｒＯ２）であるイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、あるいはイッテルビウム（Ｙｂ）やスカンジウム（Ｓｃ）をドープしたジルコニア系の固体電解質が用いられる。ＹＳＺを用いた燃料電池単セルでは、電解質の厚みにも依存するが、例えば、５００℃−１０００℃程度の温度範囲で発電反応が行われる。アノードの材料としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）とＹＳＺの混合物、又は、ニッケルとセリウム（Ｃｅ）の酸化物（ＣｅＯ２）にガドリニウム（Ｇｄ）を添加した混合物などが用いられる。一方、カソードの材料としては、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガンを含有する酸化物や、ランタン、ストロンチウム、コバルト、鉄を含有する酸化物などが用いられる。また、このような固体酸化物形燃料電池では、改質器１０１と燃料電池１０２とを一つのユニットとして扱い、燃料電池モジュールと呼ぶ場合がある。
【００２７】
燃料電池１０２を構成するセルの構造は、いわゆる平板型、円筒型、円筒平板型などのいずれでもよい。なお、燃料電池１０２からアノードオフガスとカソードオフガスとが排出されて燃料電池１０２の出口で合流する。すると、これらのガスが燃焼することで排気ガスが生成される。
【００２８】
凝縮器１０３は、燃料電池１０２からの排気ガスを冷却し排気ガス中の水蒸気を凝縮する。凝縮器１０３は、排気ガス中の水蒸気を凝縮できれば、どのような構成であっても構わない。凝縮器１０３として、例えば、燃料電池１０２からの排気ガスを、適宜の冷媒との熱交換により冷却する熱交換器であっても構わない。熱交換器は、例えば、空冷に用いる放熱フィンを備えてもよい。また、排気ガス温度が、１５０℃−３５０℃程度の高温であるので、熱交換器の流路部材は、例えば、ＳＵＳなどの金属で構成される。
【００２９】
凝縮水タンク１０４は、凝縮器１０３で生成した凝縮水を回収する。上記のとおり、凝縮器１０３において、排気ガス中の水蒸気が冷却され、水蒸気が凝縮される。よって、凝縮水タンク１０４は、適宜の配管などを用いて凝縮器１０３と連通することで、凝縮器１０３からの凝縮水を蓄え得る容器である。凝縮水タンク１０４の部材は、例えば、金属又は樹脂などから構成される。
【００３０】
また、凝縮水タンク１０４の容量は、例えば、排気ガスから凝縮水が回収できない、燃料電池システム１００の起動や停止時に消費される水量から決定される。本実施形態では、起動や停止時に消費される水量に加え、後述の節水モードで消費される水量を確保できる容量に設定されている。例えば、燃料電池システム１００の８時間程度の最低出力運転で必要な改質水量を確保できる容量などに設定してもよい。なお、凝縮水タンク１０４の容量は例示であって、本例に限定されない。
【００３１】
改質水供給器１０５は、凝縮水タンク１０４の凝縮水を改質水として改質器１０１へ供給する。具体的には、改質水供給器１０５は、改質器１０１に設けられた蒸発器へ供給する改質水の流量を調整する機器である。改質水供給器１０５は、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。改質水供給器１０５として、例えば、ポンプなどを例示できる。ポンプとして、例えば、モータ回転数により改質水の流量を調整し得るシリンダ式の自給式ポンプなどを例示できる。
【００３２】
水位検知器１０６は、凝縮水タンク１０４の凝縮水の水位を検知する。水位検知器１０６は、凝縮水タンク１０４の凝縮水の水位を検知できれば、どのような構成であっても構わない。水位検知器１０６として、例えば、フロートスイッチなどを例示できる。本実施形態では、フロートスイッチとして、凝縮水タンク１０４の水不足に対応する第１水位ＷＬを検知するフロート式リードスイッチが示されているが、これに限らない。
【００３３】
排気ガス冷却器１０７は、凝縮器１０３に排気ガスを冷却する冷却媒体を供給する。排気ガス冷却器１０７は、凝縮器１０３に排気ガスを冷却する冷却媒体を供給できれば、どのような構成であっても構わない。排気ガス冷却器１０７の具体例は、第１実施例及び第２実施形態で説明する。なお、冷却媒体として、例えば、空気（外気）、水などを例示できる。
【００３４】
冷却判断器１０８は、冷却媒体による凝縮器１０３での排気ガス冷却能力の判断に用いる。冷却判断器１０８は、冷却媒体による凝縮器１０３での排気ガス冷却能力の判断に用いることができれば、どのような構成であっても構わない。冷却判断器１０８の具体例は、第２実施例及び第２実施形態で説明する。
【００３５】
制御器１０９は、水位検知器１０６を用いて、凝縮水タンク１０４の水不足に対応する第１水位ＷＬが検知された場合、外部の電力負荷に寄らずに燃料電池１０２の出力を下げ、改質水の使用量を低減させる節水モードを実行し、節水モード中に、冷却判断器１０８を用いて、上記排気ガス冷却能力が所定値以上と判断された場合、外部の電力負荷に寄らずに燃料電池１０２の出力を上げ、凝縮水の回収量を増加させる水回収モードを実行する。
【００３６】
制御器１０９は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部と、制御プログラムを記憶する記憶部とを備える。演算処理部としては、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを例示できる。記憶部としては、例えば、メモリなどを例示できる。制御器１０９は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもいいし、互いに協同して分散制御を行う制御器で構成されていてもいい。
【００３７】
［動作］
図２は、第１実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、制御器１０９の制御プログラムにより行われる。
まず、燃料電池システム１００は、通常運転時は、外部の電力負荷（例えば、家庭の電力需要）に応じて、出力を変更しながら運転が行われる（ステップＳ１０１）。なお、ステップＳ１０１では、以下の節水モードと水回収モードのいずれもＯＦＦ状態である。
【００３８】
このとき、水位検知器１０６を用いて、凝縮水タンク１０４の水不足に対応する第１水位ＷＬが検知されたか否かが判断される（ステップＳ１０２）。第１水位ＷＬが検知されない場合、ステップＳ１０１の動作が継続される。一方、第１水位ＷＬが検知された場合、次のステップＳ１０３へ進む。
【００３９】
ステップＳ１０３では、節水モードＯＮのフラグを立てる。つまり、ステップＳ１０２で、凝縮水タンク１０４の水不足が検知されたので、制御器１０９は、燃料電池システム１００が、通常運転から節水モードへ移行するよう、指令を出す。
【００４０】
次に、節水モードへの移行の指令が出されると、外部の電力負荷に寄らずに燃料電池１０２の出力を下げ、改質水の使用量を低減させる。本例では、外部の電力負荷に寄らずに、燃料電池１０２の出力を最低にする（ステップＳ１０４）。つまり、燃料電池１０２の出力が最低出力となるよう、改質水供給器１０５、原料供給器などが制御される。例えば、燃料電池１０２の最低出力として、外部に電力を供給せずに、燃料電池システム１００の動作のみに必要な出力電力となるよう、燃料電池システム１００を制御しても構わない。
【００４１】
次に、節水モード中に、冷却判断器１０８を用いて、冷却媒体による凝縮器１０３での排気ガス冷却能力が所定値以上であるか否かが判断される（ステップＳ１０５）。
【００４２】
ステップＳ１０５で、冷却媒体による凝縮器１０３での排気ガス冷却能力が所定値を下回る場合、冷却媒体による凝縮器１０３での排気ガスの冷却能力が、排気ガス中の水蒸気凝縮に不十分であると判断される。この場合、ステップＳ１０４の動作が継続される。一方、冷却媒体による凝縮器１０３での排気ガス冷却能力が所定値以上の場合、冷却媒体による凝縮器１０３での排気ガスの冷却能力が、排気ガス中の水蒸気凝縮に十分であると判断され、次のステップＳ１０６に進む。
【００４３】
このように、節水モード（ステップＳ１０３、ステップＳ１０４）は、凝縮水タンク１０４の凝縮水が水不足になったことに対応して（つまり、水自立運転が困難な状況であることに対応して）、燃料電池システム１００の運転が継続するよう、凝縮水タンク１０４の凝縮水が消費される水量を最小限に抑える運転モードである。
【００４４】
ステップＳ１０６では、水回収モードＯＮのフラグを立てる。同時に、節水モードは不要となるので、節水モードはフラグＯＦＦとなる。つまり、ステップＳ１０５で、冷却媒体による凝縮器１０３での排気ガスの冷却能力が、排気ガス中の水蒸気凝縮に十分であると判断されたので、制御器１０９は、燃料電池システム１００が、節水モードから水回収モードへ移行するよう、指令を出す。
【００４５】
次に、水回収モードへの移行の指令が出されると、外部の電力負荷に寄らずに燃料電池１０２の出力を上げ、凝縮水の回収量を増加させる。本例では、外部の電力負荷に寄らずに、燃料電池１０２の出力を最大にする（ステップＳ１０７）。つまり、燃料電池１０２の出力が最大出力となるよう、改質水供給器１０５、原料供給器などが制御される。
【００４６】
このように、水回収モード（ステップＳ１０６、ステップＳ１０７）は、凝縮水タンク１０４に凝縮水が回収しやすい条件であることに対応して、排気ガスから凝縮水の積極的な回収を行い、凝縮水タンク１０４の満水を目指すことで、次の日の運転状況に寄らずに、燃料電池システム１００の水自立運転を可能にする運転モードである。
【００４７】
以上により、本実施形態の燃料電池システム１００では、環境条件及び運転条件などによって燃料電池システム１００の水自立運転が困難な場合において、従来に比べ、燃料電池システム１００の継続的な運転を適切に行い得る。例えば、排気ガスを冷却する冷却媒体に外気を用い、夏場などの外気温度が高い場合において、燃料電池１０２の出力の変更により凝縮水を回収する場合に比べ、節水モードを実行することで凝縮水タンク１０４から消費される水量を最小限に抑えることができる。よって、環境条件及び運転条件などにより燃料電池システム１００の運転を行えない状況になる可能性を低減できる。また、水回収モードを実行することで、凝縮水タンク１０４の水量を迅速に補うことができる。よって、例えば、夏場などの外気温度が高い日が連日続く場合においても、燃料電池システム１００の水自立運転を適切に継続できる。
【００４８】
（変形例１）
第１実施形態の変形例１の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおいて、制御器は、上記の水回収モード中に、水位検知器を用いて、凝縮水タンクの満水状態に対応する第２水位が検知された場合、この水回収モードを停止する。
【００４９】
かかる構成により、凝縮水タンクの満水状態に対応する第２水位の検知で水回収モードを停止するので、水回収モードをタイマーなどの時間制御で停止する場合に比べ、凝縮水タンクの水量を適量にまで回収できる。よって、例えば、排気ガスを冷却する冷却媒体に外気を用い、夏場などの外気温度が高い日が連日続く場合においても、燃料電池システムの水自立運転を適切に継続できる。
【００５０】
本変形例１の発電システムは、上記の特徴以外は、第１実施形態の発電システムと同様に構成してもよい。
【００５１】
［装置構成］
図３は、第１実施形態の変形例１の燃料電池システムの一例を示す図である。
図３に示すように、燃料電池システム１００は、改質器１０１と、燃料電池１０２と、凝縮器１０３と、凝縮水タンク１０４と、改質水供給器１０５と、水位検知器１０６Ａと、排気ガス冷却器１０７と、冷却判断器１０８と、制御器１０９と、を備える。
【００５２】
改質器１０１、燃料電池１０２、凝縮器１０３、凝縮水タンク１０４、改質水供給器１０５、排気ガス冷却器１０７及び冷却判断器１０８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。
【００５３】
本変形例１では、水位検知器１０６Ａとして、凝縮水タンク１０４の水不足に対応する第１水位ＷＬ及び凝縮水タンク１０４の満水状態に対応する第２水位ＷＨの両方を検知する２接点式のフロート式リードスイッチが例示されている。
【００５４】
制御器１０９は、上記の水回収モード中に、水位検知器１０６Ａを用いて、凝縮水タンクの満水状態に対応する第２水位ＷＨが検知された場合、この水回収モードを停止する。
【００５５】
［動作］
図４は、第１実施形態の変形例１の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、制御器１０９の制御プログラムにより行われる。
図４のステップＳ１０１−ステップＳ１０７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。
【００５６】
図４に示すように、ステップＳ１０６の水回収モード中に、水位検知器１０６を用いて、凝縮水タンク１０４の満水状態に対応する第２水位ＷＨが検知されたか否かが判断される（ステップＳ１０８）。第２水位ＷＨが検知されない場合、燃料電池システム１００の水回収モードが継続される。一方、第２水位ＷＨが検知された場合、次のステップＳ１０９へ進む。
【００５７】
第２水位ＷＨが検知された場合、凝縮水タンク１０４の内部が凝縮水で満たされ、水回収モードは不要となる。よって、ステップＳ１０９で、水回収モードはフラグＯＦＦとなる。これにより、水回収モードが停止する。そして、ステップＳ１０１に戻り、燃料電池システム１００の通常運転が行われる。
【００５８】
以上により、本変形例１の燃料電池システム１００では、凝縮水タンク１０４の満水状態に対応する第２水位ＷＨの検知で水回収モードを停止するので、水回収モードをタイマーなどの時間制御で停止する場合に比べ、凝縮水タンク１０４の水量を適量にまで回収できる。よって、例えば、排気ガスを冷却する冷却媒体に外気を用い、夏場などの外気温度が高い日が連日続く場合においても、燃料電池システム１００の水自立運転を適切に継続できる。
【００５９】
（変形例２）
第１実施形態の変形例２の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおいて、運転状態を知らせる表示器を備え、制御器により選択された各運転モードを表示する。
【００６０】
かかる構成とすることで、燃料電池システムが「節水モード」や「水回収モード」の特殊な運転モードが実行されていることを表示器でユーザーが認知することができる。よって、例えば燃料電池システムが電力需要とは反する発電状態を示した場合、ユーザーは特殊モード運転中と認識し、燃料電池システムに対する信頼を保つことができる。
本変形例２の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第１実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。
【００６１】
[装置構成]
図５は、第１実施形態の変形例２の燃料電池システムの一例を示す図である。
図５に示すように、燃料電池システム１００は、改質器１０１と燃料電池１０２と、凝縮器１０３と、凝縮水タンク１０４と、改質水供給器１０５と、水位検知器１０６Ａと、排気ガス冷却器１０７と、冷却判断器１０８と、制御器１０９と、表示器１２０と、を備える。
【００６２】
改質器１０１と燃料電池１０２と、凝縮器１０３と、凝縮水タンク１０４と、改質水供給器１０５と、水位検知器１０６Ａと、排気ガス冷却器１０７と、冷却判断器１０８については第１実施形態の変形例１と同様であるので説明を省略する。
本変形例２では、表示器１２０が例示されている。
【００６３】
表示器１２０は、制御器１０９から各運転モードの信号を受け取り、その信号に応じた運転モードを表示する。例えば、マイコンと液晶画面を備えたリモコンであっても構わない。
【００６４】
制御器１０９は、水位検知器１０６Ａにより水不足を判断した場合に、燃料電池システムの運転を通常運転から節水モードに運転を切り替え、その情報を表示器１２０へ送信する。冷却判断器１０８により排ガス冷却能力が所定値以上を判断した場合、節水モードから水回収モードに運転を切り替え、その情報を表示器１２０へ送信する。また、水位検知器１０６Ａが満水と判断した場合、水回収モードから通常運転に運転を切り替え、その情報を表示器１２０へ送信する。
【００６５】
[動作]
図６は、第１実施形態の変形例２の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお以下の動作は、制御器１０９の制御プログラムにより行われる。
【００６６】
まず、燃料電池システム１００は、通常運転時は、外部負荷（例えば、家庭の電力需要）に応じて、出力を変更しながら運転が行われる（ステップＳ３０１）。このとき制御器１０９から表示器１２０に通常運転の情報が送信される。なお、ステップＳ３０１では、以下の節水モードと水回収モードはいずれもＯＦＦ状態である。
表示器１２０は受信した情報に基づき表示器上に「通常発電中」の表示をする（ステップＳ３０２）。
【００６７】
このとき、水位検知器１０６Ａを用いて、凝縮水タンク１０４の水不足に対応する第１水位ＷＬが検知されたか否かが判断される（ステップＳ３０３）。第１水位ＷＬが検知されない場合、ステップＳ３０１の動作が継続される。一方、第１水位ＷＬが検知された場合、次のステップＳ３０４へ進む。
【００６８】
ステップＳ３０４では、節水モードＯＮのフラグを立てる。つまり、ステップＳ３０３で、凝縮水タンク１０４の水不足が検知されたので、制御器１０９は、燃料電池システム１００が、通常運転から節水モードへ移行するよう、指令を出す。これと同時に制御器１０９は表示器１２０に節水モードＯＮの情報を送信する。
表示器１２０は受信した情報に基づき表示器上に「節水モード中」の表示をする（ステップＳ３０５）。
【００６９】
次に、節水モードへの移行の指令が出されると、燃料電池１０２の出力を下げ、改質水の使用量を低減させる。本例では、燃料電池１０２の出力を最低にする（ステップＳ３０６）。つまり、燃料電池１０２の出力が最低出力となるよう、改質水供給器１０５、原料供給器などが制御される。例えば、燃料電池１０２の最低出力として、外部に電力を供給せずに、燃料電池システム１００の動作のみに必要な出力電力となるよう、燃料電池システム１００を制御しても構わない。
【００７０】
次に、節水モード中に、冷却判断器１０８を用いて、冷却媒体による凝縮器１０３での排気ガス冷却能力が所定値以上であるか否かが判断される（ステップＳ３０７）。
【００７１】
ステップＳ３０７で、冷却媒体による凝縮器１０３での排気ガス冷却能力が所定値を下回る場合、冷却媒体による凝縮器１０３での排気ガスの冷却能力が、排気ガス中の水蒸気凝縮に不十分であると判断される。この場合、ステップＳ３０４の動作が継続される。一方、冷却媒体による凝縮器１０３での排気ガス冷却能力が所定値以上の場合、冷却媒体による凝縮器１０３での排気ガスの冷却能力が、排気ガス中の水蒸気凝縮に十分であると判断され、次のステップＳ３０８に進む。
【００７２】
ステップＳ３０８では、水回収モードＯＮのフラグを立てる。同時に、節水モードは不要となるので、節水モードはフラグＯＦＦとなる。つまり、ステップＳ３０７で、冷却媒体による凝縮器１０３での排気ガスの冷却能力が、排気ガス中の水蒸気凝縮に十分であると判断されたので、制御器１０９は、燃料電池システム１００が、節水モードから水回収モードへ移行するよう、指令を出す。これと同時に制御器１０９は表示器１２０に水回収モードＯＮの情報を送信する。
表示器１２０は受信した情報に基づき表示器上に「水回収モード中」の表示をする（ステップＳ３０９）。
【００７３】
次に、水回収モードへの移行の指令が出されると、燃料電池１０２の出力を上げ、凝縮水の回収量を増加させる。本例では、燃料電池１０２の出力を最大にする（ステップＳ３１０）。つまり、燃料電池１０２の出力が最大出力となるよう、改質水供給器１０５、原料供給器などが制御される。
【００７４】
続いてステップＳ３０８の水回収モード中に、水位検知器１０６を用いて、凝縮水タンク１０４の満水状態に対応する第２水位ＷＨが検知されたか否かが判断される（ステップＳ３１１）。第２水位ＷＨが検知されない場合、燃料電池システム１００の水回収モードが継続される。一方、第２水位ＷＨが検知された場合、次のステップＳ３１２へ進む。
【００７５】
第２水位ＷＨが検知された場合、凝縮水タンク１０４の内部が凝縮水で満たされ、水回収モードは不要となる。よって、ステップＳ３１２で、水回収モードはフラグＯＦＦとなる。これにより、水回収モードが停止する。これと同時に制御器１０９は表示器１２０に水回収モードＯＦＦの情報を送信する。そして、ステップＳ３０１に戻り、燃料電池システム１００の通常運転が行われる。
【００７６】
以上のように、表示器に各運転モードを表示することで、燃料電池システムが電力需要とは反する発電状態を示した場合でもユーザーは特殊モード運転中と認識し、燃料電池システムの運転を把握することができる。
【００７７】
（第１実施例）
第１実施形態の第１実施例の燃料電池システムは、第１実施形態又は第１実施形態の変形例１の燃料電池システムにおいて、排気ガスを冷却する冷却媒体は外気であり、排気ガス冷却器は、凝縮器に外気を送る送風器を備える。
【００７８】
かかる構成により、例えば、夜間などの外気温度が低い条件を利用して、水回収モードを容易に行うことができる。よって、夏場などの外気温度が高い日が連日続く場合においても、燃料電池システムの水自立運転を適切に継続できる。
本実施例の発電システムは、上記の特徴以外は、第１実施形態又は第１実施形態の変形例１の発電システムと同様に構成してもよい。
【００７９】
［装置構成］
図７は、第１実施形態の第１実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
図７に示すように、燃料電池システム１００は、改質器１０１と、燃料電池１０２と、凝縮器１０３と、凝縮水タンク１０４と、改質水供給器１０５と、水位検知器１０６と、排気ガス冷却器１０７Ａと、冷却判断器１０８と、制御器１０９と、を備える。
【００８０】
改質器１０１、燃料電池１０２、凝縮器１０３、凝縮水タンク１０４、改質水供給器１０５、水位検知器１０６、冷却判断器１０８及び制御器１０９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。
【００８１】
排気ガス冷却器１０７Ａは、凝縮器１０３に外気を送る送風器を備える。つまり、本実施例では、排気ガスを冷却する冷却媒体として、空気（外気）が用いられている。送風器は、凝縮器１０３に外気を送ることができれば、どのような構成であっても構わない。送風器として、例えば、ターボファンなどを例示できる。
【００８２】
なお、図７では、図１の排気ガス冷却器１０７が送風器を備える例を示しているが、これに限らない。図３の排気ガス冷却器１０７が送風器を備えても構わない。
【００８３】
以上により、例えば、夜間などの外気温度が低い条件を利用して、水回収モードを容易に行うことができる。よって、夏場などの外気温度が高い日が連日続く場合においても、燃料電池システム１００の水自立運転を適切に継続できる。
【００８４】
（第２実施例）
第１実施形態の第２実施例の燃料電池システムは、第１実施形態、第１実施形態の変形例１及び第１実施形態の第１実施例のいずれかの燃料電池システムにおいて、冷却判断器は、凝縮器に送る外気の温度及び凝縮器を通過した排気ガスの温度のいずれか一方、又は、その両方を検知する温度検知器であり、制御器は、温度検知器による検知温度が所定温度以下である場合、上記の水回収モードを実行する。
【００８５】
かかる構成により、温度検知器を用いて、凝縮水の回収が行われる水回収モード実行のための条件を適切かつ容易に設定できる。よって、夏場などの外気温度が高い日が連日続く場合においても、燃料電池システムの水自立運転を適切に継続できる。
【００８６】
本実施例の発電システムは、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の変形例１及び第１実施形態の第１実施例のいずれかの燃料電池システムと同様に構成してもよい。
【００８７】
［装置構成］
図８は、第１実施形態の第２実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
図８に示すように、燃料電池システム１００は、改質器１０１と、燃料電池１０２と、凝縮器１０３と、凝縮水タンク１０４と、改質水供給器１０５と、水位検知器１０６と、排気ガス冷却器１０７と、冷却判断器と、制御器１０９と、を備える。
【００８８】
改質器１０１、燃料電池１０２、凝縮器１０３、凝縮水タンク１０４、改質水供給器１０５、水位検知器１０６及び排気ガス冷却器１０７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。
【００８９】
冷却判断器は、凝縮器１０３に送る外気の温度及び凝縮器１０３を通過した排気ガスの温度のいずれか一方、又は、その両方を検知する温度検知器１０８Ａである。温度検知器１０８Ａは、凝縮器１０３に送る外気の温度及び凝縮器１０３を通過した排気ガスの温度のいずれか一方、又は、その両方を直接的又は間接的に検知できれば、どのような構成であっても構わない。
【００９０】
例えば、凝縮器１０３の下流の排気ガス温度を直接的に検知してもいいし、排気ガス温度と相関する所定の箇所（例えば、排気ガス流路を形成する配管の表面など）に温度検知器１０８Ａを設け、排気ガスの温度を間接的に検知してもいい。凝縮器１０３を通過した排気ガスの温度を検知することで、凝縮器１０３において、排気ガスが、外気との熱交換により十分に冷却されたか否かが分かる。よって、凝縮器１０３での排気ガス冷却能力を判断できる。
【００９１】
また、凝縮器１０３に流入する外気温度を直接的に検知してもいいし、外気温度と相関する所定の箇所に温度検知器１０８Ａを設け、外気温度を間接的に検知してもいい。凝縮器１０３に流入する外気温度を検知することで、凝縮器１０３において、排気ガスを、外気との熱交換により十分に冷却し得るか否かが分かる。よって、凝縮器１０３での排気ガス冷却能力を判断できる。
なお、温度検知器１０８Ａとして、例えば、熱電対、サーミスタなどを例示できる。
制御器１０９は、温度検知器１０８Ａによる検知温度が所定温度以下である場合、上記の水回収モードを実行する。
【００９２】
なお、図８では、図１の冷却判断器１０８を、温度検知器１０８Ａとする例を示しているが、これに限らない。図３又は図５の冷却判断器１０８を、温度検知器１０８Ａとしても構わない。
【００９３】
［動作］
図９は、第１実施形態の第２実施例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、制御器１０９の制御プログラムにより行われる。
図９のステップＳ１０１−ステップＳ１０４、ステップＳ１０６及びステップＳ１０７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。
【００９４】
図９に示すように、温度検知器１０８Ａによる検知温度が所定温度以下であるか否かが判定される（ステップＳ１０５Ａ）。温度検知器１０８Ａによる検知温度が所定温度を超える場合、冷却媒体による凝縮器１０３での排気ガスの冷却能力が、排気ガス中の水蒸気凝縮に不十分であると判断される。この場合、ステップＳ１０４の動作が継続される。一方、温度検知器１０８Ａによる検知温度が所定温度以下の場合、冷却媒体による凝縮器１０３での排気ガスの冷却能力が、排気ガス中の水蒸気凝縮に十分であると判断される。この場合、制御器１０９は、燃料電池システム１００が、節水モードから水回収モードへ移行するよう、指令を出し、燃料電池システム１００の水回収モードが行われる。ステップＳ１０５Ａの所定温度は、冷却媒体による凝縮器１０３での排気ガスの冷却能力が、排気ガス中の水蒸気凝縮に十分であるか否かの基準値として設定され、温度検知器１０８Ａの配置、冷却媒体の選択などにより適宜設定される。
【００９５】
なお、図９では、図２のフローチャートのステップＳ１０５を上記のステップＳ１０５Ａに変更する例を示しているが、これに限らない。図４のフローチャートのステップＳ１０５を上記のステップＳ１０５Ａに変更しても構わない。
【００９６】
以上により、本実施例の燃料電池システム１００では、温度検知器１０８Ａを用いて、凝縮水の回収が行われる水回収モード実行ための条件を適切かつ容易に設定できる。よって、夏場などの外気温度が高い日が連日続く場合においても、燃料電池システム１００の水自立運転を適切に継続できる。
【００９７】
（第３実施例）
第１実施形態の第３実施例の燃料電池システムは、第１実施形態、第１実施形態の変形例及び第１実施形態の第１実施例のいずれかの燃料電池システムにおいて、外部からの情報を受信する情報受信部を備え、冷却判断器は、情報受信部であり、制御器は、情報受信器で受信した情報を元に排ガス冷却能力が所定値以上である場合、上記の水回収モードを実行する。
【００９８】
かかる構成により、外部の情報を元に水回収モード実行の設定ができる。外部情報の利用の仕方によっては冷却能力が所定値能力以上となることを予測することができ節水モード期間を短縮することで凝縮水消費量を低減でき、夏場などの外気温度が高い日が連日続く場合においても、燃料電池システムの水自立運転を適切に継続できる。
【００９９】
本実施例の発電システムは、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の変形例及び第１実施形態の第１実施例のいずれかの燃料電池システムと同様に構成してもよい。
【０１００】
[装置構成]
図１０は、第１実施形態の第３実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
図１０に示すように、燃料電池システム１００は、改質器１０１と燃料電池１０２と、凝縮器１０３と、凝縮水タンク１０４と、改質水供給器１０５と、水位検知器１０６と、排気ガス冷却器１０７と、冷却判断器１０８と、制御器１０９と、情報受信部１３０と、を備える。
【０１０１】
改質器１０１と燃料電池１０２と、凝縮器１０３と、凝縮水タンク１０４と、改質水供給器１０５と、水位検知器１０６と、排気ガス冷却器１０７と、冷却判断器１０８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。
本第１実施形態の第３実施例では、情報受信部１３０が例示されている。
【０１０２】
情報受信部１３０は、燃料電池システムとは別に独立設置された機器から無線あるいは有線により外気温の情報などを受信する。例えば、外気温度をＨＥＭＳ（Ｈｏｍｅ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｓｙｓｔｅｍ）を通じて受信するマイコンを備えた無線受信機であっても構わない。
情報受信部１３０を持つことで、例えば、クラウドデータから、外気温の変化を予測した運転モードの切り替えができる。
【０１０３】
[動作]
図１１は、第１実施形態の第３実施例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお以下の動作は、制御器１０９の制御プログラムにより行われる。
図１１のステップＳ４０１−ステップＳ４０４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。
図１１に示すように、ステップＳ４０５で外部から情報（予測情報など）を受信する。
受信した情報を元にステップＳ４０６で排ガス冷却能力が所定値以上であるかの判定を実施する。
以後のステップＳ４０６―ステップＳ４０８は第１実施形態のステップＳ１０５−ステップＳ１０７に相当するので説明は省略する。
【０１０４】
（第２実施形態）
第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態又は第１実施形態の変形例１の燃料電池システムにおいて、排気ガス冷却器として、貯水タンクと、貯水タンクの循環水出口と凝縮器とを接続する冷水経路と、凝縮器と貯水タンクの循環水入口とを接続する温水経路と、貯水タンクの水を循環する水循環器と、冷水経路上に配されて循環水を冷却する循環水冷却器と、を備え、冷却判断器として、貯水タンクの温水量を検知する温水量検知器と、循環水冷却器よりも下流の冷水経路を流れる循環水の温度を検知する水温検知器と、を備え、制御器は、温水量検知器による検知温水量が所定量以下である場合、又は、水温検知器による検知温度が所定温度以下である場合、上記の水回収モードを実行する。
【０１０５】
かかる構成により、環境条件及び運転条件などによって燃料電池システムの水自立運転が困難な場合において、従来に比べ、燃料電池システムの継続的な運転を適切に行い得る。具体的には、排気ガスを冷却する冷却媒体に外気を用いる場合に比べ、冷却媒体として貯水タンクの水を用いることで、外気温度が高い条件でも水回収モードへ移行できる。例えば、給湯需要により貯水タンクの温水が消費され、外部から補充された適量の冷水が貯水タンク中にある場合に、水回収モードへの移行を適切に行い得る。また、冷却媒体に冷水を用いることにより、水回収モードを実行することで、凝縮水タンクの水量を更に迅速に補うことができる。よって、例えば、夏場などの外気温度が高い日が連日続く場合においても、燃料電池システムの水自立運転を適切に継続できる。
本実施形態の発電システムは、上記の特徴以外は、第１実施形態又は第１実施形態の変形例１の燃料電池システムと同様に構成してもよい。
【０１０６】
［装置構成］
図１２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。
図１２に示すように、燃料電池システム１００は、改質器１０１と、燃料電池１０２と、凝縮器１０３と、凝縮水タンク１０４と、改質水供給器１０５と、水位検知器１０６と、制御器１０９と、貯水タンク２０１と、冷水経路２０２と、温水経路２０３と、水循環器２０４と、第１温水量検知器と、第２温水量検知器と、循環水冷却器２０６と、水温検知器２０７と、を備える。
【０１０７】
また、燃料電池システム１００は、凝縮器１０３に排気ガスを冷却する冷却媒体を供給する排気ガス冷却器として、貯水タンク２０１と、冷水経路２０２と、温水経路２０３と、水循環器２０４と、循環水冷却器２０６と、を備える。また、冷却媒体による凝縮器１０３での排気ガス冷却能力の判断に用いる冷却判断器として、第１温水量検知器と、第２温水量検知器と、水温検知器２０７と、を備える。
【０１０８】
改質器１０１、燃料電池１０２、凝縮器１０３、凝縮水タンク１０４、改質水供給器１０５及び水位検知器１０６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。
【０１０９】
貯水タンク２０１は水を貯える。本実施形態では、凝縮器１０３において排気ガスの熱の回収を行い、凝縮器１０３を通過した温水が、貯水タンク２０１で貯えられる。貯水タンク２０１は、このような温水を貯えることができれば、どのような構成であっても構わない。貯水タンク２０１として、例えば、金属製（ＳＵＳ製）の円柱状に構成されていて、温水を貯水タンク２０１の上部から取出すことで、タンク内部温度を積層状態とする積層型貯湯タンクなどを例示できる。この場合、貯水タンク２０１の上部に貯まった温水は、給湯需要に合わせて排出される。そして、貯水タンク２０１の下部から市水などの冷水が、排出された温水量分、供給される。
【０１１０】
冷水経路２０２は、貯水タンク２０１の循環水出口と凝縮器１０３とを接続する流路である。例えば、冷水経路２０２を構成する配管が、貯水タンク２０１の循環水出口から凝縮器１０３に至るように延びていてもよい。これにより、貯水タンク２０１からの冷水が、本配管を通って凝縮器１０３へと供給され、この冷水を、凝縮器１０３の受熱流体である冷却媒体に用いることができる。
【０１１１】
温水経路２０３は、凝縮器１０３と貯水タンク２０１の循環水入口とを接続する流路である。例えば、温水経路２０３を構成する配管が、凝縮器１０３から貯水タンク２０１の循環水入口に至るように延びていてもよい。これにより、凝縮器１０３からの温水が、本配管と通って貯水タンク２０１の上部へと供給され、この温水を、給湯用のお湯として貯水タンク２０１に貯えることができる。
【０１１２】
水循環器２０４は、貯水タンク２０１の水を循環する。水循環器２０４は、貯水タンク２０１の水を循環できれば、どのような構成であっても構わない。例えば、水循環器２０４を冷水経路２０２上に配置し、これにより、貯水タンク２０１の水を、冷水経路２０２及び温水経路２０３を通過させ、再び貯水タンク２０１に戻すように循環させ得る。水循環器２０４として、例えば、ポンプなどを例示できる。ポンプとして、例えば、回転式の循環ポンプなどを例示できる。
【０１１３】
循環水冷却器２０６は、冷水経路２０２上に配されて循環水を冷却する。循環水冷却器２０６は、循環水を冷却できれば、どのような構成であっても構わない。循環水冷却器２０６として、例えば、ラジエータなどを例示できる。ラジエータとして、例えば、空冷のラジエータ及びラジエータファンを備えるものなどを例示できる。
【０１１４】
温水量検知器は、貯水タンク２０１の温水量を検知する。本実施形態では、第１温水量検知器及び第２温水量検知器がそれぞれ、貯水タンク２０１の適所に設けられている。第１温水量検知器及び第２温水量検知器は、貯水タンク２０１の温水量を直接的又は間接的に検知できれば、どのような構成であっても構わない。第１温水量検知器及び第２温水量検知器として、例えば、貯水タンク２０１の外殻表面に設けられ、貯水タンク２０１の水の温度を検知できる温度検知器などを例示できる。また、かかる検知器としては、例えば、熱電対、サーミスタなどを例示できる。
【０１１５】
よって、第１温水量検知器は、貯水タンク２０１の全域を温水で満たしている否かの判断に用いる第１温度検知器２０５Ａであってもよい。例えば、この第１温度検知器２０５Ａを、貯水タンク２０１の重力が作用する上下方向における下端部近傍に配置してもよい。そして、第１温度検知器２０５Ａによる検知温度が所定温度（例えば、７０℃）以上である場合、貯水タンク２０１の内容積に相当する量の温水が、貯水タンク２０１に存在すると判断される。つまり、貯水タンク２０１の全域を温水で満たしていると判断できる。
【０１１６】
また、第２温水量検知器は、貯水タンク２０１内の温水と冷水の境界位置を知るための第２温度検知器２０５Ｂであってもよい。この第２温度検知器２０５Ｂにより、貯水タンク２０１内の温水と冷水の境界位置を間接的に検知できるので、第２温度検知器２０５Ｂは、節水モードから水回収モードへの移行の可否判断に用いることができる。例えば、第２温度検知器２０５Ｂを、貯水タンク２０１の上下方向における中央部近傍（貯水タンク２０１の内容積の約半分に対応する位置）に配置する。すると、第２温度検知器２０５Ｂによる検知温度が所定温度（例えば、３５℃）以下である場合、貯水タンク２０１の内容積の約５０％以下の温水及び本内容積の約５０％以上の冷水がそれぞれ、貯水タンク２０１に存在すると判断し、水回収モードへの移行が可能であると判断できる。つまり、第２温度検知器２０５Ｂの配置位置は、燃料電池システム１００の構成に基づいて適宜設定される。例えば、第２温度検知器２０５Ｂの配置位置は、冷水経路２０２を構成する配管及び温水経路２０３を構成する配管の内容積などに基づいて設定しても構わない。
【０１１７】
水温検知器２０７は、循環水冷却器２０６よりも下流の冷水経路２０２を流れる循環水の温度を検知する。水温検知器２０７は、循環水冷却器２０６よりも下流の冷水経路２０２を流れる循環水の温度を直接的又は間接的に検知できれば、どのような構成であっても構わない。例えば、冷水経路２０２中に水温検知器２０７を設け、循環水の温度を直接的に検知してもいいし、循環水の温度と相関する所定の箇所（例えば、冷水経路２０２を構成する配管の表面など）に水温検知器２０７を設け、循環水の温度を間接的に検知してもいい。水温検知器２０７として、例えば、熱電対、サーミスタなどを例示できる。
【０１１８】
水温検知器２０７は、貯水タンク２０１を温水で満たしている状態で、冷水経路２０２を温水が流れている場合、空冷による循環水冷却器２０６での循環水の冷却能力の判断に用いることができる。よって、水温検知器２０７は、節水モードから水回収モードへの移行の可否判断に用いることができる。例えば、上記の第１温度検知器２０５Ａを用いて、貯水タンク２０１の全域を温水で満たしていると判断した場合、空冷による循環水冷却器２０６での循環水の冷却能力が、凝縮器１０３での排気ガス中の水蒸気凝縮に十分であると、水回収モードへ移行できる。そこで、水温検知器２０７による検知温度が、所定温度（例えば、３０℃）以下である場合、水回収モードへの移行が可能であると判断できる。
【０１１９】
以上により、制御器１０９は、温水量検知器による検知温水量が所定量以下である場合、又は、水温検知器２０７による検知温度が所定温度以下である場合、上記の水回収モードを実行する。
【０１２０】
なお、図１２では、図１の燃料電池システム１００の排気ガス冷却器１０７及び冷却判断器１０８を、上記各機器で構成する例を説明したが、これに限らない。図３の燃料電池システム１００の排気ガス冷却器１０７及び冷却判断器１０８を、上記各機器で構成しても構わない。
【０１２１】
［動作］
図１３及び図１４は、第２実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、制御器１０９の制御プログラムにより行われる。
【０１２２】
燃料電池システム１００は、通常運転時は、外部の電力負荷（例えば、家庭の電力需要）に応じて、出力を変更しながら運転が行われる（ステップＳ２０１）。なお、ステップＳ２０１では、以下の節水モードと水回収モードのいずれもＯＦＦ状態である。
【０１２３】
このとき、第１温水量検知器を用いて、貯水タンク２０１の温水が満水であるか否かが判断される（ステップＳ２０２）。例えば、第１温水量検知器の一例である第１温度検知器２０５Ａによる検知温度が所定温度（例えば、７０℃）以上である場合、貯水タンク２０１の温水が満水であると判断してもよい。なお、ステップＳ２０２の所定温度は例示であって、本例に限定されない。
【０１２４】
貯水タンク２０１の温水が満水でない場合、貯水タンク２０１に冷水が存在するので、燃料電池システム１００の通常運転が継続される。つまり、この場合、循環水冷却器２０６の動作をＯＮからＯＦＦに切り替え（ステップＳ２０３）、ステップＳ２０１の動作が継続される。なお、ステップＳ２０３で、循環水冷却器２０６の動作をＯＦＦにする理由は、ステップＳ２０４以降、循環水冷却器２０６の動作がＯＮ状態のままであるので、循環水冷却器２０６のＯＦＦ動作を行うステップを確保する必要があるからである。
【０１２５】
一方、貯水タンク２０１の温水が満水である場合、このままでは、凝縮器１０３において、排気ガスの冷却が行えない可能性が高い。また、循環水の水温も過剰に上昇する可能性が高い。
【０１２６】
そこで、次のステップＳ２０４に進み、循環水冷却器２０６の動作をＯＦＦからＯＮに切り替える。例えば、循環水冷却器２０６が、空冷のラジエータ及びラジエータファンを備える冷却器の場合、ラジエータファンの回転をＯＮにしてもよい。
【０１２７】
次に、この状態で、水位検知器１０６を用いて、凝縮水タンク１０４の水不足に対応する第１水位ＷＬが検知されたか否かが判断される（ステップＳ２０５）。第１水位ＷＬが検知されない場合、ステップＳ２０１に戻り、ステップＳ２０１以降の動作が継続される。一方、第１水位ＷＬが検知された場合、次のステップＳ２０６へ進む。
【０１２８】
ステップＳ２０６では、節水モードＯＮのフラグを立てる。つまり、ステップＳ２０５で、凝縮水タンク１０４の水不足が検知されたので、制御器１０９は、燃料電池システム１００が、通常運転から節水モードへ移行するよう、指令を出す。
【０１２９】
次に、節水モードへの移行の指令が出されると、外部の電力負荷に寄らずに燃料電池１０２の出力を下げ、改質水の使用量を低減させる。本例では、外部の電力負荷に寄らずに、燃料電池１０２の出力を最低にする（ステップＳ２０７）。つまり、燃料電池１０２の出力が最低出力となるよう、改質水供給器１０５、原料供給器などが制御される。例えば、燃料電池１０２の最低出力として、外部に電力を供給せずに、燃料電池システム１００の動作のみに必要な出力電力となるよう、燃料電池システム１００を制御しても構わない。
【０１３０】
次に、本実施形態の燃料電池システム１００の運転において、節水モードから水回収モードへの移行の判断のためのステップについて説明する。
まず、第１温水量検知器を用いて、貯水タンク２０１の温水が満水であるか否かが、再び判断される（ステップＳ２０８）。
【０１３１】
貯水タンク２０１の温水が満水である場合、このままでは、凝縮器１０３において、排気ガスの冷却が行えない可能性が高い。また、循環水の水温も過剰に上昇する可能性が高い。そこで、次のステップＳ２０９に進み、水温検知器２０７による検知温度が、所定温度以下であるか否かが判断される。例えば、水温検知器２０７による検知温度が、所定温度（例えば、３０℃）以下である場合、節水モードから水回収モードへの移行が可能であると判断され、次のステップＳ２１１に進む。一方、水温検知器２０７による検知温度が、所定温度（例えば、３０℃）を超える場合、ステップＳ２０８に戻り、ステップＳ２０８以降の動作が継続される。なお、ステップＳ２０９の所定温度は例示であって、本例に限定されない。
【０１３２】
また、ステップＳ２０８において、貯水タンク２０１の温水が満水でない場合、ステップＳ２１０に進み、第２温水量検知器を用いて、貯水タンク２０１の温水量が所定量以下であるか否かが判断される。例えば、第２温水量検知器の一例である第２温度検知器２０５Ｂによる検知温度が所定温度（例えば、３５℃）以下である場合、貯水タンク２０１の内容積の約５０％以下の温水及び本内容積の約５０％以上の冷水がそれぞれ、貯水タンク２０１に存在すると判断できる。これにより、水回収モードへの移行が可能であると判断される。つまり、貯水タンク２０１の温水量が所定量以下である場合、次のステップＳ２１１に進む。一方、貯水タンク２０１の温水量が所定量を超える場合、このままでは、凝縮器１０３において、排気ガスの冷却が行えない可能性が高い。また、循環水の水温も過剰に上昇する可能性が高い。そこで、ステップＳ２０８に戻り、ステップＳ２０８以降の動作が継続される。なお、ステップＳ２１０の所定温度は例示であって、本例に限定されない。
【０１３３】
ステップＳ２１１では、水回収モードＯＮのフラグを立てる。同時に、節水モードは不要となるので、節水モードはフラグＯＦＦとなる。つまり、ステップＳ２０８−ステップＳ２１０で、循環水による凝縮器１０３での排気ガスの冷却能力が、排気ガス中の水蒸気凝縮に十分であると判断されたので、制御器１０９は、燃料電池システム１００が、節水モードから水回収モードへ移行するよう、指令を出す。
【０１３４】
次に、水回収モードへの移行の指令が出されると、外部の電力負荷に寄らずに燃料電池１０２の出力を上げ、凝縮水の回収量を増加させる。本例では、外部の電力負荷に寄らずに、燃料電池１０２の出力を最大にする（ステップＳ２１２）。つまり、燃料電池１０２の出力が最大出力となるよう、改質水供給器１０５、原料供給器などが制御される。
【０１３５】
なお、図示を省略するが、ステップＳ２１２の後に、図４のステップＳ１０８及びステップＳ１０９と同様のステップを追加し、その後、ステップＳ２０１に戻るようにしても構わない。
【０１３６】
以上により、本実施形態では、環境条件及び運転条件などによって燃料電池システム１００の水自立運転が困難な場合において、従来に比べ、燃料電池システム１００の継続的な運転を適切に行い得る。具体的には、排気ガスを冷却する冷却媒体に外気を用いる場合に比べ、冷却媒体として貯水タンク２０１の水を用いることで、外気温度が高い条件でも水回収モードへ移行できる。例えば、給湯需要により貯水タンク２０１の温水が消費され、外部から補充された適量の冷水が貯水タンク２０１中にある場合に、水回収モードへの移行を適切に行い得る。また、冷却媒体に冷水を用いることにより、水回収モードを実行することで、凝縮水タンク１０４の水量を更に迅速に補うことができる。よって、例えば、夏場などの外気温度が高い日が連日続く場合においても、燃料電池システム１００の水自立運転を適切に継続できる。
【産業上の利用可能性】
【０１３７】
本発明の一態様の燃料電池システムは、環境条件及び運転条件などによって燃料電池システムの水自立運転が困難な場合において、従来に比べ、継続的な運転を適切に行い得る。よって、本発明の一態様は、例えば、燃料電池システムに利用できる。
【符号の説明】
【０１３８】
１００  燃料電池システム
１０１  改質器
１０２  燃料電池
１０３  凝縮器
１０４  凝縮水タンク
１０５  改質水供給器
１０６  水位検知器
１０７  排気ガス冷却器
１０８  冷却判断器
１０９  制御器
１２０  表示器
１３０  情報受信部
２０１  貯水タンク
２０２  冷水経路
２０３  温水経路
２０４  水循環器
２０５Ａ  第１温度検知器
２０５Ｂ  第２温度検知器
２０６  循環水冷却器
２０７  水温検知器
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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