(57)【要約】【課題】加湿槽を小形化し、かつ、発電性能を含むシステム全体の性能の向上を図ることができる燃料電池システムおよびその運転制御方法を提供することにある。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池本体２５の酸化剤極２５ｃを通じて酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給流路４０と、空気供給流路４０に介挿され、空気を加湿する初期加湿槽４５と、空気供給流路４０に初期加湿槽４５よりも下流に位置して介挿され、酸化剤極２５ｃに向かう空気と酸化剤極２５ｃを通過した後の空気との間にて蒸気交換および熱交換を行う膜式全熱交換器４９と、酸化剤極２５ｃに向かう空気の流れを初期加湿槽４５および膜式全熱交換器４９の一方に切り換える電磁遮断弁４３とを備える。【選択図】図１Ｂ
2007242491.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料供給流路と、
前記燃料電池本体内を通じて前記燃料ガスに対する酸化剤ガスを供給し、前記燃料電池本体の上流および下流にそれぞれ位置した上流および下流部位を有する酸化剤供給流路と、
前記燃料電池本体内を通じて冷却液を供給する冷却液供給流路と、
前記酸化剤供給流路の上流部位および下流部位をそれぞれ流れる酸化剤ガスの間にて熱および蒸気の交換を行う膜式全熱交換器と、
前記酸化剤供給流路の上流部位に介挿され、前記酸化剤ガスを液中に散気させ、加湿後の酸化剤ガスを前記燃料電池本体に向けて送出させる加湿槽と、
前記酸化剤供給流路の上流部位に設けられ、この上流部位から前記加湿槽を選択的に分離可能な分離手段と
を具備したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記加湿槽は、前記全膜式熱交換器の上流に配置されていることを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項３】
前記加湿槽は、
密閉型の槽本体と、
前記槽本体内に設けられ、前記液を蓄えるとともに前記液中に位置付けられた前記酸化剤ガスの散気位置を有する散気液室と、
前記槽本体内に前記散気液室に隣接した排液室を区画し、前記散気液室内の余剰の液を前記排液室に逃がすことで、前記散気液室の液面から前記散気位置までの液深を決定するオーバーフロー堰と、
前記排液室内の液を排出する浮子式ドレイナと
を含むことを特徴とする請求項１または２の燃料電池システム。
【請求項４】
前記冷却液供給流路はその一部に密閉式の冷却液循環流路を含むことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記冷却液供給流路はその一部に前記加湿槽の前記散気液室を含むことを特徴とする請求項４の燃料電池システム。
【請求項６】
前記散気液室は、前記冷却液供給流路との接続のために前記液中の散気位置よりも下方に位置付けられた入口および出口を有することを特徴とする請求項５の燃料電池システム。
【請求項７】
前記冷却液供給流路は、
前記散気液室を含む冷却流路部分と、
前記冷却流路部分と並列に延びる冷却バイパス流路と、
前記冷却液供給流路中、前記冷却バイパス流路以外に介挿されたヒータと、
前記冷却流路部分および前記冷却バイパス流路のうちの一方を開き、その他方を閉じる冷却切換手段と
をさらに具備したことを特徴とする請求項４〜６の何れかの燃料電池システム。
【請求項８】
前記分離手段は、
前記酸化剤供給流路の上流部位に設けられ、前記散気液室を含んだ加湿流路部分と並列に延びる加湿バイパス流路と、
前記加湿流路部分および前記加湿バイパス流路のうちの一方を開き、その他方を閉じる加湿切換手段と
を含むことを特徴とする請求項１〜７の何れかの燃料電池システム。
【請求項９】
前記加湿切換手段は、前記加湿バイパス流路に介挿された開閉可能な遮断弁を含み、
前記遮断弁は開弁時、前記散気液室側の流路抵抗に比べて小さく、前記酸化剤ガスの全流量を通過させる流路抵抗を有する
ことを特徴とする請求項８の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池本体の酸化剤極を通過した後の加湿酸化剤ガスから凝縮した液を回収する回収槽と、
前記回収槽から改質液を供給する改質液供給流路と、
前記改質液供給流路から改質液の供給を受け、原燃料を改質して生成した前記燃料ガスを前記燃料供給流路に送出する燃料改質装置と
をさらに具備したことを特徴とする請求項４〜９の何れかの燃料電池システム。
【請求項１１】
前記冷却液循環流路中に介挿され、冷却液を循環させるポンプと、
前記改質液供給流路から分岐するとともに前記ポンプの直上流にて前記冷却液循環流路に接続され、前記改質液供給流路内の改質液を前記冷却液として補給する補給流路と、
前記補給流路の分岐位置と前記回収槽との間にて前記改質液供給経路に介挿され、前記回収槽からの改質液を純水に処理する処理器と
をさらに含むことを特徴とする請求項１０の燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料電池本体に燃料ガスが供給されるとともに、前記燃料ガスに対する酸化剤ガスおよび冷却液が前記燃料電池本体内を通じてそれぞれ供給される燃料電池システムにおいて、
膜式全熱交換器により前記燃料電池本体の上流側および下流側を流れる酸化剤ガスの間にて、前記燃料電池本体に向かう酸化剤ガスの加湿を行う工程と、加湿槽内の液中に前記酸化剤ガスを散気させて、前記燃料電池本体に向かう酸化剤ガスの加湿を行う工程とを備え、
前記工程を切り換えて実施することを特徴する燃料電池システムの運転制御方法。
【請求項１３】
前記冷却液は、前記加湿槽を含む流路および前記加湿槽をバイパスする流路の一方を経て、前記燃料電池本体を通じて循環され、前記燃料電池本体に向かう前記冷却液が前記加湿槽外のヒータにより昇温されることを特徴とする請求項１２の燃料電池システムの運転制御方法。
【請求項１４】
前記燃料ガスは原燃料を改質する燃料改質装置により生成され、前記原燃料の改質に使用される改質液は燃料改質装置に供給される直前に純水に処理され、一部が前記冷却液として補給されることを特徴とする請求項１２または１３の燃料電池システムの運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般家庭での電気および熱エネルギの供給に好適した燃料電池システムおよびその運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、都市ガス等の炭化水素系燃料を水素に改質し、水素主体の燃料ガスを生成する改質装置と、燃料電池本体とを組み合わせた燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような燃料電池システムは、燃料電池本体が発生する電気エネルギに加え、燃料電池本体からの排ガスや冷却水等から熱エネルギを回収すれば、この回収した熱エネルギを給湯に使用できるという大きな利点を有する。
【０００３】
この種の燃料電池システムに使用される燃料電池本体の場合、燃料極と酸化剤極との間に挟み込まれた有機または無機の電解質膜は含水していることでで、その本来の機能を発揮するものであるため、酸化剤極に供給される酸化剤としての空気は一般的にその供給過程にて加湿され、このため、特許文献１のシステムは、温水等の液を蓄えた加湿槽（図１中の水タンク２１）を備え、この加湿槽の液中に、焼結金属等の多孔板からなる散気管から空気を散気させて、空気の加湿を行うようにしている。
【特許文献１】特開2003-217629号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池システムの定常運転中、加湿槽が十分な加湿性能を発揮するには、加湿槽にて、液面から散気管の散気位置までの液深を十分に深く確保する必要があり、このため、特許文献１の加湿槽の容量は大きくならざるを得ない。なお、燃料電池システムが１ｋｗの発電能力を有する場合、定常運転にて、加湿槽は数十リットル／分（例えば約７０〜８０ｌ／min）の空気を加湿する必要がある。
【０００５】
また、加湿性能の安定化を図るには、前述した液深を一定に維持する必要があり、このため、特許文献１のシステムにあっては、加湿槽内の液面レベルを水位計により常時監視し、この水位計からの信号に基づき、加湿槽への液の補給を補給ポンプおよび電磁弁を使用して制御し、加湿槽内の液面レベルを一定に維持している。このため、特許文献１の加湿槽は大形であることに加え、その液面レベルの制御構成が複雑なものとなっている。
【０００６】
なお、酸化剤である空気への加湿効率、つまり、空気の散気効率を高めるため、散気管の散気開口を縮径してしまえば、散気管での空気の圧力損失が増加し、加湿槽に向けて空気を供給する空気ポンプの消費電力が大となる。
また、散気開口の縮径に加えて、加湿槽の容量をも小さくすれば、散気した気泡の弾けにより加湿槽内の液面が上下に激しく波打ち、たとえ消波板を使用したとして液面、すなわち、液深を一定に維持することは困難である。
【０００７】
一方、特許文献１のシステムの場合、加湿槽内の液が燃料電池本体の冷却部に冷却液として供給されているため、冷却液中に多量の気泡が含まれてしまう虞がある。このため、燃料電池本体の冷却効果が十分に発揮されなくなるばかりでなく、冷却液の供給に使用される冷却液ポンプ自体の吸い込みが困難になる可能性もある。
また、燃料電池本体の冷却部を通過した後の冷却液が加湿槽を通じて液中に戻されるために、この冷却液の戻りが液面レベルを乱すことに加えて、加湿槽内にて冷却液の循環運動エネルギが失われる結果、冷却液ポンプの消費電力の増大を招く。
【０００８】
さらに、特許文献１のシステムの場合、加湿槽内の液が燃料改質装置にも改質液として供給されているため、冷却液ポンプでの場合と同様に、改質液の供給に使用される改質液ポンプ自体の吸い込みが困難になり、定量性が要求される改質液の供給が不安定になってしまう。
さらにまた、燃料電池本体の酸化剤極を通過した後の加湿空気は熱交換器を通過し、熱交換器にて加湿空気から熱エネルギが回収されているが、この際に発生した凝縮液は回収槽に一旦戻され、そして、この回収槽内の液が前述した補給ポンプおよび電磁弁を通じて加湿槽に供給されている。酸化剤極を通過した後の加湿空気中には、ＳＯxやＮＯxの不純物質が含まれていることから、この不純物質が凝縮液とともに回収槽を経て加湿槽に蓄積し、燃料電池本体の冷却部に供給される冷却液を汚染してしまう。このような汚染冷却液はその電気伝導度が高くなってしまうので、燃料電池本体の発電性能を大きく低下させる要因となる。
【０００９】
本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、大形の加湿槽を使用することなく、簡単な加湿槽により酸化剤ガスの加湿などを効果的に行え、そして、システム全体の性能を向上させることができる燃料電池システムおよびその運転制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池本体と、この燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料供給流路と、燃料電池本体内を通じて燃料ガスに対する酸化剤ガスを供給し、燃料電池本体の上流および下流にそれぞれ位置した上流および下流部位を有する酸化剤供給流路と、燃料電池本体内を通じて冷却液を供給する冷却液供給流路と、酸化剤供給流路の上流部位および下流部位をそれぞれ流れる酸化剤ガスの間にて熱および蒸気の交換を行う膜式全熱交換器と、酸化剤供給流路の上流部位に介挿され、酸化剤ガスを液中に散気させ、加湿後の酸化剤ガスを燃料電池本体に向けて送出させる加湿槽と、酸化剤供給流路の上流部位に設けられ、この上流部位から加湿槽を選択的に分離可能な分離手段とを備えている（請求項１）。
【００１１】
上述の燃料電池システムによれば、燃料電池本体の発電前や発電初期にあるとき、酸化剤ガスの加湿に加湿槽が使用されるが、燃料電池本体が定常発電に移行した後、酸化剤ガスの加湿には膜式全熱交換器が使用される。この膜式全熱交換器は、燃料電池本体の酸化剤極を通過した後の酸化剤ガスの熱及び蒸気が酸化剤極に向かう酸化剤ガスに移行し、酸化剤ガスの加湿及び昇温を行う。
【００１２】
加湿槽は膜式全熱交換器の上流に配置されているのが好ましく（請求項２）、この場合、膜式全熱交換器の膜の加湿が加湿槽にて加湿された酸化剤ガスにより行われる。
また、加湿槽は、密閉型の槽本体と、この槽本体内に設けられ、液を蓄えるとともに液中に位置付けられた酸化剤ガスの散気位置を有する散気液室と、槽本体内に散気液室に隣接した排液室を区画し、散気液室内の余剰の液を排液室に逃がすことで、散気液室の液面から散気位置までの液深を決定するオーバーフロー堰と、排液室内の液を排出する浮子式ドレイナとを含むことができる（請求項３）。
【００１３】
請求項３の加湿槽によれば、散気液室内に液を連続的に供給するだけで、液面から散気位置までの液深が一定に維持される。
冷却液供給流路はその一部に密閉式の冷却液循環流路を含むことができ（請求項４）、この場合の冷却液循環流路は冷却液の循環運動エネルギを保存する。また、冷却液供給流路はその一部に加湿槽の散気液室を含むことができる（請求項５）。
【００１４】
請求項５の冷却液循環流路の場合、散気液室は、冷却液循環流路との接続のために液中の散気位置よりも下方に位置付けられた入口および出口を有しているのが好ましく（請求項６）、この構成によれば、冷却液中への気泡の混入が防止される。
具体的には、冷却液供給流路は、散気液室を含む冷却流路部分と、この冷却液流路部分と並列に延びる冷却バイパス流路と、冷却液供給流路中、冷却バイパス流路以外に介挿されたヒータと、冷却流路部分および冷却バイパス流路のうちの一方を開き、その他方を閉じる冷却切換手段とをさらに具備することができる（請求項７）。
【００１５】
請求項７の冷却液供給流路によれば、冷却液がヒータにより昇温されたとき、燃料電池本体の昇温と同時に、加湿槽における散気液室の液の昇温が達成される。
前述した請求項１の分離手段は、酸化剤供給流路の上流部位に設けられ、散気液室を含んだ加湿流路部分は並列に延びる加湿バイパス流路と、加湿流路部分および加湿バイパス流路のうちの一方を開き、その他方を閉じる加湿切換手段と含むことができる（請求項８）。より具体的には、加湿切換手段は、加湿バイパス流路に介挿された開閉可能な遮断弁を含み、遮断弁は開弁時、散気液室側の流路抵抗に比べて小さく、酸化剤ガスの全流量を通過させる流路抵抗を有している（請求項９）。この場合、遮断弁が閉弁されたとき、参加剤ガスは散気液室を含んだ加湿流路部分のみを流れ、散気液室内にて加湿された後、燃料電池本体の酸化剤極に供給される。これに対し、遮断弁が開弁されたとき、酸化剤ガスは遮断弁を通じて加湿バイパス流路内をその全流量が流れ、酸化剤極に向けて供給される。
【００１６】
ここで、散気液室側の流路抵抗は液中に散気させる際の散気抵抗および散気位置の液深により決定され、遮断弁の流路抵抗を散気液室の流路抵抗によりも十分に小さくすることは容易である。
燃料電池システムは、燃料電池本体の酸化剤極を通過した後の加湿酸化剤ガスから凝縮した液を回収する回収槽と、この回収槽から改質液を供給する改質液供給流路と、改質液供給流路から改質液の供給を受け、原燃料を改質して生成した燃料ガスを燃料供給流路に送出する燃料改質装置とさらに具備することができ（請求項１０）、この場合、燃料電池システムは、冷却液循環流路中に介挿され、冷却液を循環させるポンプと、改質液供給流路から分岐するとともにポンプの直上流にて冷却液循環流路に接続され、改質液供給流路内の改質液を冷却液として補給する補給流路と、この補給流路の分岐位置と回収槽との間にて改質液供給経路に介挿され、回収槽からの改質液を純水に処理する処理器とをさらに含むことができる（請求項１１）。
【００１７】
請求項１１の燃料電池システムによれば、原燃料の改質に要求される改質液の流量よりも多い流量にて、改質液供給流路に改質液が連続的に供給される。この場合、余分の改質液が冷却液として補給流路から冷却液循環流路に供給される。そして、冷却液循環流路に加湿槽の散気液室が含まれている場合、冷却液循環流路から散気液室に改質液が酸化剤ガスの加湿用液として補給される。このようにして散気液室に補給された改質液のうち、酸化剤ガスの加湿に消費された残りに相当する液分がオーバーフロー堰を越え、排液室に排出される。
【００１８】
ここで、改質液供給流路は回収槽からの改質液を純水に処理する処理器が介挿されているので、純水は要求する純水度の高い順、つまり、燃料改質装置、冷却液循環流路および加湿槽の散気液室の順に供給される。
なお、排液室もまた浮子式ドレイナを介して改質液供給流路の回収槽に接続することができる。
【００１９】
本発明は、上述した燃料電池システムの運転制御方法をも提供し、本発明の運転制御方法は、膜式全熱交換器により燃料電池本体の上流側および下流側を流れる酸化剤ガスの間にて、燃料電池本体に向かう酸化剤ガスの加湿を行う工程と、加湿槽内の液中に酸化剤ガスを散気させて、燃料電池本体に向かう酸化剤ガスの加湿を行う工程とを備え、これら工程を切り換えて実施する（請求項１２）。
【００２０】
また、燃料電池本体に供給される冷却液は、加湿槽を含む流路および加湿槽をバイパスする流路の一方を経て、燃料電池本体を通じて循環され、そして、燃料電池本体に向かう冷却液が加湿槽外のヒータにより昇温されるのが好ましい（請求項１３）。
燃料ガスは原燃料を改質する燃料改質装置により生成され、原燃料の改質に使用される改質液は燃料改質装置に供給される直前に純水に処理され、一部が冷却液として補給されるのが望ましい（請求項１４）。
【００２１】
上述した請求項１２、１３，１４の運転制御方法は、請求項１，７，１１のシステムと同様な作用をそれぞれ発揮する。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１，２，８，１２の燃料電池システム及びその運転制御方法は、加湿槽と膜式全熱交換器を選択的に使用することで、加湿槽に小形のものを使用してシステム全体のコンパクト化に大きく貢献でき、また、酸化剤ガスの供給に使用されるポンプの消費電力もまた低減可能となる。
請求項３の燃料電池システムは加湿槽の散気液室の液面レベルを簡単に制御することができる。
【００２３】
請求項４の燃料電池システムは冷却液供給流路の一部に密閉式の冷却液循環流路を備えているので、冷却液が冷却液循環流路内を循環することで、冷却液の運動エネルギは保存され、冷却液を循環させる冷却液ポンプの消費電力を低減させることができる。
請求項５，６の燃料電池システムは、冷却液供給流路の一部に加湿槽の散気液室を含んでいるので、散気液室内の液を冷却液として補給でき、しかも、補給の際、冷却液中に気泡を混入させることがないので、冷却液ポンプの吸い込み能が低下することはない。
【００２４】
請求項７，１３の燃料電池システムおよびその運転制御方法は、燃料電池本体および加湿槽内の液の昇温を同時に行うことができる。
請求項９の燃料電池システムは、単一の遮断弁を使用するだけで酸化剤供給流路中、加湿流路部分と加湿バイパス流路との間にて切り換えを行うことができる。
請求項１０，１１，１４の燃料電池システムおよびその運転制御方法は、燃料電池本体に供給される冷却液の純水度を高く維持でき、燃料電池本体の発電性能の劣化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の運転制御方法を実施する燃料電池システムの全体を概略的に示す。
［燃料改質装置］
図１Ａは前記システム中の燃料改質装置１１を示し、この燃料改質装置１１について以下に説明する。
【００２６】
燃料改質装置１１は脱硫器１１ａ、改質器１１ｂ、ＣＯ変成器１１ｃおよびＣＯ選択酸化器１１ｄを備え、これらは図１Ａでみて左側から順次に配置されている。また、脱硫器および改質器１１ａ，１１ｂは専用または共用の燃焼バーナ１１ｅを有する。
脱硫器１１ａからは原燃料経路１が延び、この原燃料経路１に脱硫器１１ａ側から燃料ポンプ５および電磁燃料弁２が介挿されている。原燃料経路１は都市ガス等の炭化水素系ガスの原燃料を電磁燃料弁２および燃料ポンプ５を通じて脱硫器１１ａに供給する。
【００２７】
原燃料経路１において、電磁燃料弁２と燃料ポンプ５との間の部位から分岐経路４が延び、この分岐経路４は燃焼燃料ポンプ６を介して燃焼バーナ１１ｅに接続されている。それゆえ、原燃料は燃焼バーナ１１ｅにも供給される。さらに、燃焼バーナ１１ｅには空気経路８が接続され、この空気経路８に燃焼空気ポンプ９が介挿されている。燃焼空気ポンプ９は燃焼バーナ１１ｅに空気を供給する。それゆえ、燃焼バーナ１１ｅは原燃料および空気の供給を受けて原燃料を燃焼し、その熱エネルギを脱硫器１１ａおよび改質器１１ｂに供給する。原燃料の燃焼により生じた燃焼排ガスは燃焼バーナ１１ｅから排ガス経路３３を通じて排出される。
【００２８】
また、原燃料経路１にあっては、分岐経路４の分岐位置と燃料ポンプ５との間の部位から脱硫用の水素供給経路７がさらに分岐されており、この水素供給経路７はＣＯ変成器１１ｃに接続されている。後述するようにＣＯ変成器１１ｃは水素ガスを含んだ中間ガスを生成し、生成した中間ガスの一部が水素供給経路７を通じて燃料ポンプ５の吸い込み側に戻される。ここでの中間ガスの戻りには燃料ポンプ５の吸い込み側とＣＯ変成器１１ｃとの間の差圧が利用され、この差圧は中間ガスの戻り量を決定する。なお、中間ガスの戻り量は水素供給経路７にオリフィスまたは絞り弁を挿入し、その開度を可変することにより調整可能である。
【００２９】
さらに、水素供給経路７の分岐部１３から分岐経路１６が分岐され、この分岐経路１６はＣＯ選択酸化部１１ｄに接続されている。分岐部１３からは凝縮経路１２が延びており、この凝縮経路１２にドレイナ１７が介挿されている。なお、凝縮経路１２は後述する回収経路９６（図１Ｂ参照）に接続されている。
分岐経路１６には逆止弁１４が介挿され、この逆止弁１４はＣＯ選択酸化部１１ｄに向かう流れのみを許容する。また、分岐経路１６は逆止弁１４の下流に合流部１５を有し、この合流部１５から空気経路２０が延びている。この空気経路２０には空気ポンプ１８および逆止弁１９がそれぞれ介挿され、空気ポンプ１８はＣＯ選択酸化部１１ｄに向けて空気を供給する。
【００３０】
さらに、改質器１１ｂからは改質液供給流路７３が延びており、この改質液供給流路７３は後述する改質液供給装置に接続され、改質液として純水からなる改質水を改質器１１ｂに供給する。
前述の説明から明らかなように、燃料ポンプ５はその吸い込み側に供給された原燃料および中間ガスを混合かつ昇圧し、これらの混合物を脱硫器１１ａに供給する。脱硫器１１ａ内にて、燃焼バーナ１１ｅからの熱エネルギと中間ガスに含まれる水素により、原燃料から硫黄成分が除去され、脱硫した原燃料が脱硫器１１ａから次の改質器１１ｂに送り込まれる。改質器１１ｂ内には、改質液供給流路７３から供給された改質水が燃焼バーナ１１ｅからの熱エネルギを受けて蒸発した水蒸気が生成されているので、改質器１１ｂに供給された脱硫燃料つまり炭化水素は水蒸気と反応して、水素、二酸化炭素および一酸化炭素の成分に分解、つまり、改質される。それゆえ、改質器１１ｂ内には上述の分解成分と、残留炭化水素および残留水蒸気が同時に存在し、そして、これらは次のＣＯ変成器１１ｃ内に送り込まれる。ＣＯ変成器１１ｃ内において、一酸化炭素は残留水蒸気と反応し、一酸化炭素に対する二酸化炭素および水素への分解が促進された前述の中間ガス、つまり、一酸化炭素の成分濃度が低い中間ガスが生成される。
【００３１】
中間ガスはＣＯ変成器１１ｃから水素供給経路７を通じて排出され、その一部が前述したように燃料ポンプ５の吸い込み側に戻されるとともに、その残部が逆止弁１４を備えた分岐経路１６を通じてＣＯ選択酸化器１１ｄに供給される。この際、中間ガスから凝縮した改質液はドレイナ１７により分離され、凝縮経路１２から回収経路９６に戻される。
さらに、分岐経路１６の合流部１５には空気経路２０が接続されていることから、ＣＯ選択酸化器１１ｄには前述の中間ガスに加え、空気ポンプ１８により空気が供給される。ＣＯ選択酸化器１１ｄ内にて、中間ガス中の一酸化炭素は供給空気中の酸素と反応して二酸化炭素となり、ＣＯ選択酸化器１１ｄ内の中間ガスは一酸化炭素の濃度がさらに低減され、通常１０ppmを越えることのない燃料ガスに生成される。
【００３２】
ＣＯ選択酸化器１１ｄからは燃料供給流路２１が延びており、この燃料供給経路２１は図１Ｂに示す燃料電池本体２５に接続され、この燃料電池本体２５に燃料ガスを供給する。
［燃料電池本体］
図１Ｂ中、燃料電池本体２５は単一のセル構造として示され、燃料極（アノード）２５ａ、電解質膜２５ｂ、酸化剤極（カソード）２５ｃおよび冷却部２５ｄ等を含む。電解質膜２５ｂは燃料極２５ａと酸化剤極２５ｃとの間に挟み込まれた固定高分子（PEFC）からなり、燃料電池本体２５はいわゆる固体高分子形セルスタックである。
【００３３】
前述した燃料改質装置１１の燃料供給流路２１は燃料極２５ａを通過して延び、そして、燃料改質装置１１の燃焼バーナ１１ｅに接続されている。燃料供給流路２１には燃料極２５ａの上流および下流に電磁遮断弁２３および逆止弁２６が介挿され、この逆止弁２６は燃焼バーナ１１ｅ側に向けてのみ燃料供給流路２１を開いている。また、燃料供給流路２１は電磁遮断弁２３の上流に分岐部２２を有し、この分岐部２２からバイパス流路２７が分岐され、このバイパス流路２７は逆止弁２６の下流に位置した合流部２８にて燃料供給流路２１に接続されている。さらに、バイパス流路２７にも電磁遮断弁２４が介挿されている。
【００３４】
燃料電池本体２５が通常の発電を行うとき、電磁遮断弁２３は開かれ、これに対して電磁遮断弁２４は閉じられた状態にある。この場合、燃料供給流路２１は燃料電池本体２５の燃料極２５ａに水素を含む燃料ガスを供給することができる。しかしながら、燃料ガス中の一酸化炭素の濃度が１０ppm以上にあるとき、電磁遮断弁２３は閉じられ、電磁遮断弁２４が開かれる。この場合、燃料供給流路２１内の燃料ガスは燃料極２５ａに供給されることなく、バイパス流路２７を通じて流れる。それゆえ、燃焼ガスは燃料バーナ１１ｅに供給され、前述した原燃料の改質のための熱エネルギを得るべく燃焼バーナ１１ｅにより原燃料とともに燃焼される。
【００３５】
通常の発電時において、燃料極２５ａに供給された燃料ガス中の水素は、燃料極２５ａの触媒の働きにより水素イオンとなり、この水素イオンは電解質膜２５ｂを通過し、酸化剤極２５ｃまで移動する。そして、酸化剤極２５ｃに到達した水素イオンは、酸化剤極２５ｃの触媒の働きにより、酸化剤極２５ｃに供給されている酸化剤としての空気中の酸素と反応し、水を生成する。
【００３６】
なお、電解質膜２５ｂを加湿するため、通常、燃料ガスに加湿が要求されるが、前述の説明から明らかように燃焼ガスは未反応の水蒸気を含んでいることから、本実施例の場合には、水蒸気を凝縮させることなく燃焼ガスを燃料極２５ａまで導くことで燃焼ガスの加湿を達成しており、これにより、燃料供給流路２１中に燃焼ガスの加湿装置を別途介挿する必要はない。
【００３７】
なお、酸化剤極２５ｃへの酸化剤、つまり、空気の供給については後述する。
上述した燃料電池本体２５内での反応に伴い、燃料極２５ａから外部負荷としてパワーコンディショナ（図示しない）を通じて酸化剤極２５ｃに向けて電流が流れることから、燃料電池本体２５は発電し、燃料電池本体２５から電力を取り出すことができる。また、燃料電池本体２５内での電気化学反応はその発電量に比例する発熱を伴い、発熱量は通常、発電量に匹敵する程度に大きい。
【００３８】
一方、燃料供給流路２１は合流部２８の下流に分岐部３０をさらに有し、この分岐部３０から前述した回収経路９６が延びている。この回収経路９６は回収水層７５に接続され、分岐部３０の近傍にドレイナ３２を有する。それゆえ、ドレイナ３２は、燃料極２５ａを通過した後の燃焼ガスやバイパス流路２７を流れる燃料ガスが燃焼バーナ１１ｅに導かれる前に、燃料ガス中の凝縮した水を除去し、このような凝縮水はドレイナ３２から回収経路９６を通じて回収水槽７５に回収される。なお、回収水槽７５についてはさらに後述する。
[酸化剤供給]
図１Ｂに示されるように、燃料電池本体２５の酸化剤極２５ｃは酸化剤供給流路としての空気供給流路４０の途中に介挿されている。この空気供給流路４０は、酸化剤極２５ｃの上流に位置した上流空気流路４２と、酸化剤極２５ｃの下流に位置した下流空気流路５０とを含み、この下流空気流路５０は前述した回収水槽７５に接続されている。
【００３９】
上流空気流路４２には上流に空気ポンプ４１が介挿され、この空気ポンプ４１は酸化剤極２５ｃに向けて空気を供給する。また、上流空気流路４２には空気ポンプ４１の下流に初期加湿槽４５が介挿されている。
初期加湿槽４５の詳細
詳しくは、初期加湿槽４５は密閉型の槽本体４４を備え、この槽本体４４内にオーバーフロー堰４５ａが配置されている。オーバーフロー堰４５ａは槽本体４４内を散気液室４７と、排液室４５ｃとに区画する。散気液室４７には改質液としての水が蓄えられ、この液中に散気プレート４５ｂが水平に配置されている。この散気プレート４５ｂは多孔板から形成され、散気管４５ｇの下端に接続されている。散気管４５ｇは散気プレート４５ｂから上方に延び、槽本体４４の天井壁を気密に貫通した後、空気ポンプ４１側の上流空気流路４２の部位、つまり、空気導入部分４２ａに接続されている。
【００４０】
したがって、空気ポンプ４１により上流空気流路４２を通じて供給される空気は初期加湿槽４５の散気管４５ｇに供給され、そして、散気プレート４５ｂから散気液室４７の液中に気泡として散気され、この散気により加湿される。この後、気泡は液中を上昇し、散気液室４７の気相部分に流入する。
一方、散気液室４７の気相部分には、初期加湿槽４５の下流に位置した上流空気流路４２の空気導出部分４２ｂが接続されており、この空気導出部分４２ｂは気相部分に連通した開口端を有する。したがって、槽本体４４は密閉構造を有するので、加湿された空気は散気液室４７の気相部分から空気導出部分４２ｂを通じて流出する。
【００４１】
ここで、後述の説明から明らかとなるように、散気液室４７は水の供給を連続的に受け、散気液室４７内の液はオーバーフロー堰４５ａを越え、排液室４５ｃに常時排出されている状態にある。このことは、散気液室４７内の液面レベルがオーバーフロー堰４５ａの上縁に常時一致し、液面から散気プレート４５ｂまでの液深が一定に維持されていることを意味し、これを換言すれば、初期加湿槽４５は安定した加湿性能を発揮する。
【００４２】
また、散気液室４７の気相部分には破泡板４５ｆが配置され、この破泡板４５ｆは空気導出部分４２ｂの開口端と散気液室４７の液面との間に介在した状態で、散気管４５ｇに取り付けられている。このような破泡板４５ｆは、散気液室４７の液面から空気導出部分４２ｂの開口端に向けて水滴が飛散していても、空気導出部分４２ｂを通じて流出される加湿空気への水滴の混入を確実に阻止する。
【００４３】
さらに、散気液室４７には消波プレート４５ｅが設けられているのが望ましく、この消波プレート４５ｅは散気管４５ｇとオーバーフロー堰４５ａとの間に配置されている。また、槽本体４７の外側には必要に応じて液面計４５ｄが取り付けられており、この液面計４５ｄの上端及び下端は散気液室４７の気相部分および液部分にそれぞれ接続管を通じて連通している。
【００４４】
前述した排液室４５ｃの底からは排液経路５１が延び、この排液経路５１は前述した回収経路９６に接続されている。排液経路５１には浮子式ドレイナ４６が介挿されており、このドレイナ４６の詳細は図２に示されている。
ドレイナ４６はそのケーシング内に浮子４６ａと、この浮子４６ａの昇降により開閉される排出弁４６ｂとを有する。排液室４５ｃからドレイナ４６内に導かれた水が一定量溜まると、浮子４６ａが浮いて排出弁４６ｂを開き、この時点で、ドレイナ４６内の液が排出弁４６ｂを通じて一時的に排出される。この後、浮子４６ａが降下し、排出弁４６ｂが再び閉じられたとき、水の排出は停止される。このような浮子式ドレイナ４６はその内部に常時水を蓄えた状態にあるので、初期加湿槽４５内の空気がドレイナ４６を通じて外部に逃がされることはない。
【００４５】
さらにまた、散気液室４７の底からはドレイン経路５２が延び、このドレイン経路５２には手動式のボール弁５２ａが介挿されている。
一方、空気供給流路４０の上流空気流路４２中、前述した空気導出部分４２ｂよりも下流の部位４２ｃおよび下流空気流路５０は膜式全熱交換器（膜式蒸気交換器）４９を通過して延びている。この膜式全熱交換器４９は、酸化剤極２５ｃに向かう空気と酸化剤極２５ｃを通過した後の空気との間にて熱および蒸気を交換することができる。
【００４６】
膜式全熱交換器に関して
具体的には、膜式全熱交換器４９に使用される膜は、テフロン（商標名）骨格の主鎖にスルフォン基を側鎖として備えた構造を有する。ここで、主鎖は撥水性を示し、これに対し、側鎖であるスルフォン基は親水性を示すことから、膜は撥水部と親水部とが独立した凝集構造を有し、親水部に取り込まれた水を自由に移動させることができる。
【００４７】
膜式全熱交換器４９は上述の膜の機能を利用し、膜を挟んで一方の側に高湿度の水蒸気または液体である水を流し、そして、他方の側に乾燥した空気または酸化剤を流すことで、水蒸気の分圧差に基づき、膜を介して水の移動が生起される。それゆえ、乾燥した空気または酸化剤の水分量が増加するのに対し、高湿度の水蒸気または液体である水の水分量は減少し、膜を挟んで熱および蒸気の交換がなされる。
【００４８】
具体的には、膜式全熱交換器４９は膜として中空糸を使用し、中空糸の内側を通じて酸化剤極２５ｃに向かう空気を流し、中空糸の外側を通じて酸化剤極２５ｃを通過した後の空気を流すように構成されている。
さらに、空気供給流路４０の上流空気流路４２からは、初期加湿槽４５を含む部位（加湿流路部分）をバイパスする加湿バイパス流路４８が分岐され、この加湿バイパス流路４８に電磁遮断弁４３が介挿されている。電磁遮断弁４３の閉弁時、空気ポンプ４１から供給される空気は加湿バイパス流路４８を経ることなく初期加湿槽４５を通じて流れる。これに対し、電磁遮断弁４３の開弁時、電磁遮断弁４３を含む加湿バイパス流路４８の流路抵抗は、初期加湿槽４５の散気液室４７側の流路抵抗よりも十分に小さく、空気ポンプ４１から供給される空気は初期加湿槽４５に向かうことなく、その全量が加湿バイパス流路４８、つまり、電磁遮断弁４３を通じて膜式全熱交換器４９を経て燃料電池本体２５の酸化剤極２５ｃに供給される。それゆえ、電磁遮断弁４３および加湿バイパス流路４８は空気供給流路４０から初期加湿槽４５を選択的に分離する分離手段を構成し、電磁遮断弁４３は加湿流路部分および加湿バイパス流路４８の一方を開く加湿切換手段となる。
【００４９】
散気液室４７側の流路抵抗について具体的に説明すると、この流路抵抗は散気プレート４５ｂから空気が散気される際の散気抵抗と、散気プレート４５ｂから液面までの液深により決定される気泡の液中通過抵抗との合計で表される。なお、初期加湿槽４５の小形化を図るために液深が十分に確保されていない場合にあっては、上流空気流路４２の部位４２ａまたは散気管４５ｇにオリフィスや絞りなどを挿入し、散気液室４７側の流路抵抗を電磁遮断弁４３の流路抵抗よりも大きくするようにすればよい。
【００５０】
初期加湿に関して
前述した空気供給流路４０の空気ポンプ４１は、燃料電池本体２５での発電開始時点よりも所定時間前から燃料電池本体２５の酸化剤極２５ｃに向けて供給され、このとき、電磁遮断弁４３は閉じられている。このため、空気供給流路４０内の空気は全て、初期加湿槽４５における散気液室４７の液中に散気されて散気液室４７を通過し、この際に加湿される。
【００５１】
このようにして加湿された空気は膜式全熱交換器４９を経て燃料電池本体２５の酸化剤極２５ｃを通過し、酸化剤極２５ｃ、すなわち、電解質膜２５ｂを加湿する。この後、酸化剤極２５ｃを通過した通過空気は、空気供給流路４０の下流空気流路５０および膜式全熱交換器４９を経て回収水槽７５に排出されるが、この際、膜式全熱交換器４９は、酸化剤極２５ｃに向かう加湿空気と酸化剤極２５ｃからの通過空気との間にて蒸気交換を実施する。電解質膜２５ｂ（酸化剤極２５ｃ）の初期加湿が定常状態に達した後、加湿空気と通過空気との間の露点差は僅かとなる。
【００５２】
上述した初期加湿の主要な役割は、電解質膜２５ｂおよび膜式全熱交換器４９の膜を予備的に加湿することにあるから、空気に対する加湿に高い効率は要求されず、それゆえ、初期加湿槽４５の小形化を図ることができる。
なお、下流空気流路５０に膜式全熱交換器４９をバイパスするバイパス流路をさらに設け、初期加湿時には、酸化剤極２５ｃからの通過空気がバイパス流路を通じて流れるようにすることもできる。
【００５３】
発電時加湿に関し
この後、前述した所定時間の経過後、つまり、電解質膜２５ｂおよび膜式全熱交換器４９に対する予備加湿が完了すると、電磁遮断弁４３は閉じられ、そして、燃料電池本体２５の燃料極２５ａに燃料ガスが供給され、燃料電池本体２５は発電を開始する。
燃料電池本体２５の発電後にあっては、空気ポンプ４１からの空気は全て、初期加湿槽４５をバイパスして膜式全熱交換器４９を通じて酸化剤極２５ｃに供給され、そして、酸化剤極２５ｃを通過した後、膜式全熱交換器４９を再び通じて回収水槽７５に向かう。
【００５４】
発電の開始後、酸化剤極２５ｃには発電に伴って生成された水および熱が発生していることから、酸化剤極２５ｃを通過する通過空気は生成水により十分に加湿され、かつ、昇温された状態となっている。それゆえ、膜式全熱交換器４９内では、酸化剤極２５ｃに向かう供給空気と通過空気との間にて蒸気交換および熱交換が行われ、供給空気の加湿および昇温が良好に実施される。
［冷却水供給］
図１Ｂに示されるように、燃料電池本体２５の冷却部２５ｄは冷却液供給流路６０内に配置されている。この冷却液供給流路６０は冷却液ポンプ６２を有し、この冷却液ポンプ６２は冷却液供給流路６０内を通じて冷却水を循環させる。冷却液供給流路６０には、冷却液ポンプ６２の吐出側と冷却部２５ｄとの間に逆止弁６４およびヒータ６３が介挿され、これら逆止弁６４およびヒータ６３は冷却液ポンプ６２側から順次配置されている。そして、冷却液供給流路６０には冷却部２５ｄと冷却液ポンプ６２の吸い込み側との間に、空気抜弁６５、電磁遮断弁６６および初期加湿槽４５の散気液室４７が介挿され、これら空気抜弁６５、電磁遮断弁６６および散気液室４７は冷却部２５ｄ側から順次配置されている。ここで、空気抜弁６５が冷却液供給流路６０の最上位に位置付けられていることは言うまでもない。
【００５５】
それゆえ、冷却液供給流路６０はその一部に散気液室４７を含み、詳しくは、散気液室４７は冷却液供給流路６０に対する入口６０ａおよび出口６０ｂをそれぞれ有し、これら入口６０ａ，出口６０ｂは散気プレート４５ｂよりも下方に位置付けられている。
さらに、冷却液供給流路６０は、冷却液の流れ方向でみて空気抜弁６５と電磁遮断弁６６との間に分岐部６９ａを有し、この分岐部６９ａから冷却バイパス流路６０ｃが分岐されている。この冷却バイパス流路６０ｃは冷却液ポンプ６２の吸い込み側と散気液室４７との間の合流部６９ｂにて、冷却液供給流路６０に接続され、その途中には電磁遮断弁６７が介挿されている。この電磁遮断弁６７および前述の電磁遮断弁６６は冷却液の流れを散気液室４７側または冷却バイパス流路６０ｃ側に切り換える冷却切換手段を構成する。
【００５６】
初期昇温に関して
冷却液ポンプ６２は燃料電池本体２５の発電に先立ち、前述した空気ポンプ４１と連動して駆動され、燃料電池本体２５の冷却部２５ｄを通じて冷却液を循環させる。このとき、ヒータ６３は通電されて冷却部２５ｄに向かう冷却液を昇温させ、これにより、冷却部２５ｄ、つまり、燃料電池本体２５（電解質膜２５ｂ）の初期昇温が実施される。
【００５７】
また、初期昇温中、電磁遮断弁６６，６７については電磁遮断弁６６のみが開かれている。それゆえ、昇温された冷却液は、冷却液供給流路６０中、初期加湿槽４５の散気液室４７を含む部位（冷却流路部分）を経て循環し、これにより、散気液室４７の水もまた昇温される。
それゆえ、前述した空気の初期加湿に関しては、散気液室４７内にて昇温された水が使用されることから、空気への加湿効果がより向上するばかりでなく、酸化剤極２５ｃに供給される空気の温度もまた昇温されることから、燃料電池本体２５（電解質膜２５ｂ）の初期昇温は効率良く実施される。
【００５８】
また、散気液室４７を通じて循環する冷却液は、散気液室４７の気相部分の圧力により加圧されるので、冷却液供給流路６０内に空気が混入していても、この混入空気は空気抜弁６５から容易に排気され、そして、この排気の分だけ散気液室４７内の水が冷却液供給循流路６０内に冷却水として補給される。
燃料電池本体の発電中に関して
燃料電池本体２５の発電が開始されたとき、ヒータ６３への通電は停止され、そして、電磁遮断弁６６を閉じる一方、電磁遮断弁６７が開かれる。この場合、冷却液は初期加湿槽４５の散気液室４７をバイパスし、冷却液供給流路６０中、冷却バイパス流路６０ｃを含んで形成される循環流路内にて循環し、冷却部２５ｄ、つまり、燃料電池本体２５を冷却する。
【００５９】
前述した昇温および冷却に関し、燃料電池本体２５の温度管理は、冷却部２５ｄに対する冷却液の入口温度および／または出口温度に基づいてヒータの通電を制御し、また、冷却液ポンプの吐出流量を可変することにより実施される。
上述したように燃料電池本体２５の発電中、冷却液供給流路６０は、初期加湿槽４５の散気液室４７を含まない完全に閉じた密閉式のループ管路（冷却液循環流路）を形成するので、冷却液供給流路６０内では、冷却液の循環運動エネルギが保存され、冷却液ポンプ６２の消費電力を大幅に低減することができる。
【００６０】
また、冷却液の初期昇温に使用されるヒータ６３は、初期加湿槽４５の散気液室４７の液中に配置することも可能であるが、前述したように冷却液供給流路６０に介挿することで、初期加湿槽４５のさらなる小形化が可能となる。
［改質液供給装置］
前述した改質液を供給する改質液供給装置は、図１Ｂから明らかなように改質液供給流路７３に接続された回収水槽７５を備えており、この回収水槽７５内の水が改質水として燃料改質装置１１の改質器１１ｂに向けて供給される。このため、改質液供給流路７３には、回収水槽７５の近傍に補給水ポンプ７６が介挿され、そして、補給水ポンプ７６よりも下流側、つまり、改質器１１ｂ側に改質水ポンプ７２が介挿されている。
【００６１】
また、改質液供給流路７３には、補給水ポンプ７６と改質水ポンプ７２との間に逆止弁７７および水処理器７８が介挿され、これら逆止弁７７および水処理器７８は補給水ポンプ７６側から順次配置されている。水処理器７８は補給水ポンプ７６から吐出された水を純水化処理し、その電気伝導度を低下させた純水の改質水として改質水ポンプ７２に向けて送出する。
【００６２】
さらに、改質液供給流路７３は水処理器７８と改質水ポンプ７２との間に分岐部７１を有し、この分岐部７１から補給流路７９が分岐されている。この補給流路７９は、前述した冷却液供給流路６０に対し、合流部分６９ｂと冷却液ポンプ６２との間に位置付けられた合流部６１に接続されている。
前述した補給水ポンプ７６は、改質器１１ｂが要求する改質水の要求量、つまり、改質水ポンプ７２の吐出流量よりも多い量の水を吐出する。それゆえ、改質水ポンプ７２には要求量よりも多い純水の改質水が供給されるから、余剰の改質水は補給流路７９を通じて冷却液供給流路６０に冷却液として補給される。また、このようにして補給された改質水は初期加湿槽４５の散気液室４７に流入することから、散気液室４７内の液量が増加する。
【００６３】
しかしながら、散気液室４７にはオーバーフロー堰４５ａが設けられているので、散気液室４７内の液量が増加した分だけ、オーバーフロー堰４５ａを越えて散気液室４７から排液室４５ｃに液が排出され、前述した散気液室４７の液深は一定に維持される。なお、前述したように、排液室４５ｃ内の排液は浮子式ドレイナ４６を経て回収水槽７５に回収される。
【００６４】
上述の説明から明らかなように水処理器７８により処理された純水は、純水度の要求が高い順序、つまり、改質器１１ｂのための改質水、冷却液供給流路６０の冷却液、そして、散気液室４７の加湿水の順序にて供給または補給されることになる。それゆえ、冷却液や酸化剤ガス中の水分の電気伝導度を小さく抑えることができ、燃料電池本体２５の発電効率の悪化を防止することができる。
【００６５】
なお、冷却液供給流路６０への改質液の補給量が冷却液の汚れ度合いに応じて増減されることは言うまでもない。
回収水槽の詳細
図１Ｂから明らかなように回収水槽７５は給水管路７０を介して公共の上水道（市水）系に接続され、給水管路７０には電磁遮断弁７４が介挿されている。回収水槽７５内には、前述した初期加湿槽４５の場合と同様にオーバーフロー堰７５ａが設けられており、このオーバーフロー堰７５ａは回収水槽７５内に排液室７５ｂを区画し、回収水槽７５内水量を一定に維持する。排液室７５ｂの底からは排出管７５ｃが延び、そして、回収水槽７５の気相部分は排気管７５ｅを通じて大気に開放されている。
【００６６】
また、回収水槽７５は液面計７５ｄを備えて、この液面計７５ｄは電磁遮断弁７４の開閉を制御するために使用される。具体的には、液面計７５ｄがオーバーフロー堰７５ａよりも低い高水位（Ｈ）を検出したとき、電磁遮断弁７４は閉じられ、これに対し、液面計７５ｄが低水位（Ｌ）を検出したとき、電磁遮断弁７４は開かれ、回収水槽７５内に市水が補給される。
【００６７】
前述したように回収水槽７５への回収経路９６は、燃料電池本体２５に対する燃料供給流路２１から分岐され、そして、回収経路９６に燃料改質装置１１の水素供給経路７から分岐した凝縮経路１２や初期加湿槽４５から延びる排液経路５１が接続されている。それゆえ、燃料供給流路２１内を流れる燃焼ガスから凝縮した水や、水素供給経路７を流れる中間ガスから凝縮した水、そして、初期加湿槽４５からの排出される水が回収水として回収水槽７５に回収される。このような回収水の量が多い場合、回収水槽７５内の余剰の水はオーバーフロー堰７５ａを越え、排液室７５ｂを経て排出される。
【００６８】
上述した回収水の純水度（電気伝導度）は市水よりも高いため、回収水を再利用することで水処理器７８の寿命を長くでき、しかも、市水料金の節約にも大きく貢献する。
［熱回収装置］
熱回収装置は、前述した空気供給流路４０の下流空気流路５０に膜式全熱交換器４９よりも下流に位置して介挿された熱交換器５３、燃料電池本体２５の燃料供給流路２１中、合流部２８と分岐部３０との間に介挿された熱交換器２９、燃料改質装置１１の燃焼バーナ１１ｅから延びる排ガス経路３３に介挿された熱交換器３４、そして、冷却液供給流路６０の冷却バイパス流路６０ｃに介挿された熱交換器６８を備えている。
【００６９】
一方、上述の熱交換器５３，２９，３４，６８を通じて熱回収経路８９が延びており、この熱回収経路８９は熱回収水の流路を形成し、給湯器１００を通過する。熱回収経路８９には熱交換器５３と給湯器１００との間に熱回収ポンプ８３が介挿され、熱回収ポンプ８３から吐出された熱回収水は、熱交換器５３，２９，３４，６８の順序にて、これら熱交換器を通過し、給湯器１００に至る。
【００７０】
それゆえ、前述した燃料電池本体２５の発電時、この発電に伴い発生した熱エネルギは、空気供給流路４０の下流空気流路５０を流れる加湿空気、燃料電池本体２５の燃料極２５ａおよび冷却部２５ｄをそれぞれ通過した燃料ガスおよび冷却液が熱交換器５３，２９，６８にて熱回収水と熱交換することにより回収され、また、燃料改質装置１１の燃焼バーナ１１ｅからの排ガスが熱交換器３４にて熱回収水と熱交換することにより回収され、これにより、熱回収水の昇温が達成される。
【００７１】
なお、熱回収経路８９内における熱交換器５３，２９，３４，６８の配置は図示のものに制約されず、熱回収水が通過する熱交換器の順序は熱回収効率が最も高くなるように選択される。
前述の説明から明らかなように、燃料電池本体２５の発電時には、冷却液供給流路６０が冷却バイパス流路６０ｃを含む密閉式の循環流路を形成するので、燃料電池本体２５から発生した熱エネルギが初期加湿槽４５内の液、つまり、加湿水の昇温に消費されず、熱エネルギは熱交換器６８により熱回収水に効率良く回収される。
【００７２】
また同様に、燃料電池本体２５の発電時、空気供給流路４０の下流空気流路５０を流れる加湿空気もまた初期加湿槽４５内の加湿水の昇温に消費されないので、燃料電池本体２５の熱エネルギは熱交換器５３に熱回収水に効率良く回収される。
熱回収経路８９には熱交換器６８と給湯器１００との間の部位に空気抜弁８８が介挿されている。この空気抜弁８８は熱回収経路８９の最上位に配置されていれば良く、その配置位置が上記の部位に制約されるものではない。
【００７３】
一方、給湯器１００と熱回収ポンプ８３の吸い込み側とを接続する熱回収経路８９の部位には給湯器１００側から常開の電磁遮断弁９２およびラジエータ９３が介挿されているとともに、これら電磁遮断弁９２およびラジエータ９３をバイパスするバイパス経路９４が設けられ、このバイパス経路９４に常閉の電磁遮断弁９５が介挿されている。
さらに、熱回収ポンプ８３の吸い込み側の熱回収経路８９の部位には合流部８１が設けられ、この合流部８１は前述した回収経路９６に接続経路を介して接続され、この接続経路に逆止弁８２が介挿されている。この逆止弁８２は熱回収経路８９に向けてのみ開くことができる。
【００７４】
図１Ｂから明らかなように、熱回収ポンプ８３および／または合流部８１から接続経路を介して回収水槽７５に至る回収経路９６の部位は回収水槽７５内の液面レベルよりも下方に配置され、これにより、熱回収経路８９内に混入した空気が空気抜弁８８を通じて排気されても、この排気に伴い、熱回収経路８９内に回収水槽７５側から水が自動的に補給されることになる。それゆえ、熱回収経路８９は密閉式の循環経路を形成するので、熱回収ポンプ８３の消費電力を低減することができる。
【００７５】
なお、熱回収ポンプ８３の吐出量、つまり、回収水の循環量は、たとえば燃料電池本体２５の冷却部２５ｄに流入する冷却液の入口温度により制御することができる。
また、熱交換器２９にて燃料ガスから凝縮した水分や、熱交換器５３にて加湿空気から凝縮した水分もまた前述の説明から明らかなように回収水槽７５に回収される。
給湯器の詳細
図３に示されるように給湯器１００は貯湯槽１０１を備え、この貯湯槽１０１内に熱回収経路８９に介挿された熱交換器１０１ａが配置されている。貯湯槽１０１の底からは給水管１０１ｃが延び、この給水管１０１ｃに手動のボール弁１０４が介挿されている。給水管１０１ｃには貯湯槽１０１とボール弁１０４との間の部位に接続管１０３を介して市水系に接続され、貯湯槽１０１は市水の供給を受けることができる。
【００７６】
一方、貯湯槽１０１の頂部には空気抜弁１０１ｂが取り付けられ、そして、頂部から給湯サービス配管１０５が延びている。この給湯サービス配管１０５には追い炊きバーナ１０２が必要に応じて介挿され、追い炊きバーナ１０２は都市ガスの供給を受けて点火可能である。
貯湯槽１０１内に供給された市水は熱交換器１０１ａにて熱回収水との熱交換により昇温された後、給湯サービス配管１０５を通じて給湯に供せられる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１Ａ】燃料電池システムの一部である燃料改質装置を示した図である。
【図１Ｂ】燃料電池システムの残部を示した図である。
【図２】図１Ｂ中の浮子式ドレイナを示した断面図である。
【図３】図１Ｂ中の給湯器の詳細を示した図である。
【符号の説明】
【００７８】
１１            燃料改質装置
２１            燃料供給流路
２５            燃料電池本体
２９，３４      熱交換器
４０            空気供給流路（酸化剤供給流路）
４３            電磁遮断弁
４４            槽本体
４５            初期加湿槽
４５ａ          オーバーフロー堰
４５ｂ          散気プレート（散気位置）
４５ｃ          排液室
４５ｇ          散気管
４６            浮子式ドレイナ
４７            散気液室
４８            加湿バイパス流路
４９            膜式全熱交換器
５３            熱交換器
６０            冷却液供給流路
６０ａ          入口
６０ｂ          出口
６０ｃ          冷却バイパス流路
６２            冷却液ポンプ
６３            ヒータ
６６，６７      電磁遮断弁（冷却切換手段）
６８            熱交換器
７２            改質水ポンプ
７３            改質液供給流路
７５            回収水槽
７６            補給水ポンプ
７８            水処理器
７９            補給流路
８９            熱回収経路
１００          給湯器
１０１          貯湯槽
１０１ａ        熱交換器
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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