(57)【要約】【課題】水タンクひいてはシステム全体の低コスト化を図ることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池システムの水タンク４０は、熱交換器１２からの凝縮水を精製する水精製材６０ｂが配設された水精製部６０と、水精製部６０からの凝縮水を貯留する貯留部６２と、水精製部６０と貯留部６２との間に配設され、水精製部６０から貯留部６２への凝縮水の流れを許容し、かつ、貯留部６２から水精製部６０への凝縮水の流れを防止する逆流防止部６１と、を有するとともに、水精製部６０、貯留部６２および逆流防止部６１が一体的に成型されたケーシング４１を備えている。【選択図】  図２
2016072056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガスとカソードガスとにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池からのアノードオフガスを燃焼させ、高温であり、かつ、水蒸気を含む燃焼排ガスを生成する燃焼部と、
前記燃焼部からの前記燃焼排ガスを冷却かつ凝縮することにより凝縮水を生成する熱交換器と、
前記熱交換器からの前記凝縮水を少なくとも貯留する水タンクと、を備えた燃料電池システムであって、
前記水タンクは、前記熱交換器からの前記凝縮水を精製する水精製材が配設された水精製部と、前記水精製部からの前記凝縮水を貯留する貯留部と、前記水精製部と前記貯留部との間に配設され、前記水精製部から前記貯留部への前記凝縮水の流れを許容し、かつ、前記貯留部から前記水精製部への前記凝縮水の流れを防止する逆流防止部と、を有するとともに、前記水精製部、前記貯留部および前記逆流防止部が一体的に成型されたケーシングを備えている燃料電池システム。
【請求項２】
前記ケーシングは、上方を開口する有底筒状に形成されるとともに、前記ケーシングの底部から上方に向かって延びるように形成され、前記ケーシングの内側を３つの部位に区画する複数の側壁を有し、
前記水精製部、前記貯留部および前記逆流防止部は、前記３つの部位にそれぞれ配設され、
前記水精製部と前記逆流防止部とを区画する側壁は、前記水精製部と前記逆流防止部とを連通する連通穴を有している請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記ケーシングは、上方を開口する有底筒状に形成されるとともに、前記ケーシングの底部から上方に向かって延びるように形成され、前記ケーシングの内側を３つの部位に区画する複数の側壁を有し、
前記水精製部、前記貯留部および前記逆流防止部は、前記３つの部位にそれぞれ配設され、
前記水タンクは、前記水精製部と前記逆流防止部とを、前記ケーシングの前記底部にて連通する連通管をさらに備えている請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池システムは、前記熱交換器からの凝縮水を前記水タンクに供給する給水路と、前記熱交換器からの凝縮水を前記水タンクの外部に排出する排水路と、前記熱交換器と前記給水路との連通と、前記熱交換器と前記排水路との連通とを切替える水路切替装置と、前記水タンクに貯留された前記凝縮水の水位を検出する水位検出装置と、前記水路切替装置を少なくとも制御する制御装置と、をさらに備え、
前記制御装置は、前記水路切替装置が前記熱交換器と前記給水路とを連通している状態において、前記水位検出装置によって検出された前記凝縮水の水位が所定水位以上である場合、前記水路切替装置によって前記熱交換器と前記給水路との連通から、前記熱交換器と前記排水路との連通に切り替える切替部を有している請求項１乃至請求項３の何れか一項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】
燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。燃料電池システムは、特許文献１の図３に示すように、水を精製する水精製材３８を収容する容器３９を有する水精製器３５および水精製器３５によって精製された水を貯留する水タンク３６を備えている。水精製器３５と水タンク３６とは、着脱自在に連結されている。これにより、水精製器３５の取り外しが容易になるため、水精製材３８のメンテナンス性が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１８２８３２号公報
【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、上述した特許文献１に記載の燃料電池システムにおいて、水精製材の寿命が比較的長期間（例えば１０年間）に亘って確保されている場合、水精製材のメンテナンスが不要となる。これにより、水精製器と水タンクとの着脱機能が不要となる。一方で、燃料電池システムの低コスト化の要請がある。
そこで、本発明は、上述した課題を解消するためになされたもので、水タンクひいてはシステム全体の低コスト化を図ることができる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】
【０００５】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスとにより発電する燃料電池と、燃料電池からのアノードオフガスを燃焼させ、高温であり、かつ、水蒸気を含む燃焼排ガスを生成する燃焼部と、燃焼部からの燃焼排ガスを冷却かつ凝縮することにより凝縮水を生成する熱交換器と、熱交換器からの凝縮水を少なくとも貯留する水タンクと、を備えた燃料電池システムであって、水タンクは、熱交換器からの凝縮水を精製する水精製材が配設された水精製部と、水精製部からの凝縮水を貯留する貯留部と、水精製部と貯留部との間に配設され、水精製部から貯留部への凝縮水の流れを許容し、かつ、貯留部から水精製部への凝縮水の流れを防止する逆流防止部と、を有するとともに、水精製部、貯留部および逆流防止部が一体的に成型されたケーシングを備えている。
【発明の効果】
【０００６】
これによれば、水タンクのケーシングは、３つの部位が一体的に成型されているため、従来技術のように水精製部を有する部位と他の部位とが着脱可能に連結されている場合に比べて、水タンクのケーシングを簡便に形成することができる。よって、水タンクひいてはシステム全体の低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第一実施形態における燃料電池システムの概要図である。
【図２】図１に示す水タンクの断面図である。
【図３】図２に示すケーシングの上面図である。
【図４】図１に示す制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。
【図５】本発明の第二実施形態における燃料電池システムの水タンクの断面図である。
【図６】本発明の各実施形態の第一変形例における燃料電池システムの水タンクの断面図である。
【図７】本発明の各実施形態の第二変形例における燃料電池システムの水タンクの断面図である。
【図８】図７に示すケーシングの上面図である。
【図９】本発明の各実施形態の第三変形例における燃料電池システムの水タンクの断面図である。
【図１０】図９に示すケーシングの上面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（第一実施形態）
以下、本発明による燃料電池システムの第一実施形態について説明する。なお、本明細書においては説明の便宜上、図１における上側および下側をそれぞれ燃料電池システムの上方および下方とし、同じく左側および右側をそれぞれ燃料電池システムの左側方および右側方とし、同じく紙面手前側および紙面奥側を、それぞれ燃料電池システムの後方および前方として説明する。図２および図３並びに図５乃至図１０には、各方向を示す矢印を示している。
図１に示すように、燃料電池システムは、発電ユニット１０および貯湯槽２１を備えている。発電ユニット１０は、燃料電池モジュール１１（３０）、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４（４０）、および制御装置１５を備えている。
【０００９】
燃料電池モジュール１１は、後述するように燃料電池３４を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール１１は、改質用原料、改質水およびカソードエアが供給されている。具体的には、燃料電池モジュール１１は、一端が供給源Ｇｓに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。改質用原料供給管１１ａは、原料ポンプ１１ａ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端が水タンク１４（４０）に接続されて改質水が供給される水供給管１１ｂの他端が接続されている。水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。
【００１０】
熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１から排気される高温であり、かつ、水蒸気を含む燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。具体的には、貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。貯湯水循環ライン２２上には、貯湯槽２１の下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ２２ａおよび熱交換器１２が配設されている。熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続（貫設）されている。また、熱交換器１２は、一端が水路切替装置１２ａに接続された凝縮水流通管１２ｂが接続されている。
【００１１】
熱交換器１２において、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って熱交換器１２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは排気管１１ｄを通り外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水流通管１２ｂを通り水路切替装置１２ａに導入される。
【００１２】
水路切替装置１２ａには、一端が水タンク１４に接続されて熱交換器１２からの凝縮水を水タンク１４に供給する凝縮水供給管１２ｃの他端、および一端が水タンク１４の外部に開口されて熱交換器１２からの凝縮水を水タンク１４の外部に排出する凝縮水排出管１２ｄの他端がさらに接続されている。水路切替装置１２ａに接続された凝縮水流通管１２ｂおよび凝縮水供給管１２ｃによって、熱交換器１２からの凝縮水を水タンク１４に供給する給水路ＳＬが構成されている。また、水路切替装置１２ａに接続された凝縮水流通管１２ｂおよび凝縮水排出管１２ｄによって、熱交換器１２からの凝縮水を水タンク１４の外部に排出する排水路ＤＬが構成されている。水路切替装置１２ａは、熱交換器１２と給水路ＳＬとの連通と、熱交換器１２と排水路ＤＬとの連通とを切替えるものである。水路切替装置１２ａは、例えば三方電磁弁である。水路切替装置１２ａは、制御装置１５と電気的に接続されている。
【００１３】
上述した熱交換器１２、貯湯槽２１および貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。
【００１４】
さらに、インバータ装置１３は、燃料電池３４から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。また、インバータ装置１３は、系統電源１６ａからの交流電圧を電源ライン１６ｂを介して入力し、所定の直流電圧に変換して補機（各ポンプ、ブロワなど）や制御装置１５に出力する。なお、制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システムの運転を制御する。
【００１５】
燃料電池モジュール１１（３０）は、ハウジング３１、蒸発部３２、改質部３３および燃料電池３４を備えている。ハウジング３１は、断熱性材料で箱状に形成されている。
【００１６】
蒸発部３２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部３２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部３３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰガスなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本第一実施形態においては天然ガスにて説明する。
蒸発部３２には、一端が供給源Ｇｓに接続された改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。供給源Ｇｓは、例えば都市ガスのガス供給管、ＬＰガスのガスボンベである。また、蒸発部３２には、一端が水タンク１４に接続された水供給管１１ｂの他端が接続されている。
【００１７】
改質部３３は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部３２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガス（特許請求の範囲のアノードガスに相当；以下、アノードガスとする。）を生成して導出するものである。改質部３３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素などを含んだガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。アノードガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。このように、改質部３３は改質用原料（原燃料）と改質水とからアノードガスを生成して燃料電池３４に供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。
【００１８】
燃料電池３４は、アノードガスとカソードガスとにより発電するものである。カソードガスは、酸化剤ガスである。酸化剤ガスは、本第一実施形態において、空気である。燃料電池３４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル３４ａが積層されて構成されている。本第一実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池３４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。
【００１９】
セル３４ａの燃料極側には、燃料であるアノードガスが流通する燃料流路３４ｂが形成されている。セル３４ａの空気極側には、カソードガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路３４ｃが形成されている。
【００２０】
燃料電池３４は、マニホールド３５上に設けられている。マニホールド３５には、改質部３３からのアノードガスが改質ガス供給管３８を介して供給される。燃料流路３４ｂは、その下端（一端）がマニホールド３５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出されるアノードガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ１１ｃ１によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管１１ｃを介して供給され、空気流路３４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。
【００２１】
燃料電池３４においては、燃料極に供給されたアノードガスと空気極に供給されたカソードガスによって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化１及び化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ２−）が、電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路及び空気流路からは、発電に使用されなかったアノードガス（アノードオフガス）及びカソードガス（カソードオフガス）が導出される。
（化１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
（化２）
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−
（化３）
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
【００２２】
燃焼部３６は、燃料電池３４と蒸発部３２および改質部３３との間に設けられている。燃焼部３６は、燃料電池３４からのアノードオフガスと、燃料電池３４からのカソードオフガスとが燃焼されて発生する燃焼ガス（火炎３７）により、蒸発部３２および改質部３３を加熱する。
また、燃焼部３６は、アノードオフガスを燃焼させ、高温であり、かつ、水蒸気を含む燃焼排ガスを生成している。この水蒸気は、アノードガスに含まれていた水蒸気および燃料電池３４にて生成された水蒸気（上記化１参照）である。燃焼部３６には、アノードオフガスを着火させるための一対の着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２が設けられている。
【００２３】
水タンク１４（４０）は、熱交換器１２からの凝縮水を少なくとも貯留するものである。水タンク４０は、図２に示すように、ケーシング４１、止水栓４２、第一蓋４３、第二蓋４４および水位検出装置４５を備えている。ケーシング４１は、図２および図３に示すように、上方を開口する有底筒状に形成されている。ケーシング４１は、平面方形状の底壁４１ａ、底壁４１ａの周縁全周から上方に向けて延びるように形成（立設）された周側壁４１ｂを備えている。周側壁４１ｂの左側壁の下端部には、ケーシング４１（後述する貯留部６２）内と水供給管１１ｂとを接続する第一ポート４１ｂ１が、左右方向に貫通するように配設されている。また、周側壁４１ｂの左側壁の上方部には、ケーシング４１（後述する貯留部６２）内とケーシング４１の外部とを接続する第二ポート４１ｂ２が、左右方向に貫通するように配設されている。
【００２４】
また、ケーシング４１は、ケーシング４１の内側に配設され、ケーシング４１の内側を３つの部位５０〜５２に区画する第一側壁４１ｃおよび第二側壁４１ｄを備えている。
第一側壁４１ｃは、底壁４１ａから上方に向けて延びるように筒状に形成（立設）されている。第一側壁４１ｃの上端面が、周側壁４１ｂの上端面と同じ高さになるように形成されている。第一側壁４１ｃは、第一側壁４１ｃの右側壁と、周側壁４１ｂの右側壁の一部とが一体となるように形成されている。
【００２５】
また、第一側壁４１ｃの内周面には、第一段部４１ｃ１および第二段部４１ｃ２が、上端側からこの順に形成されている。第一段部４１ｃ１および第二段部４１ｃ２は、第一側壁４１ｃの内周面に全周に亘って形成されている。第一段部４１ｃ１は、第二ポート４１ｂ２より下方に位置するように形成されている（図２参照）。また、第一段部４１ｃ１には、第一段部４１ｃ１の全周に亘って溝部４１ｃ１ａが形成されている。
さらに、第一側壁４１ｃの右側壁の下端部には、第一側壁４１ｃの内側（後述する水精製部６０）とケーシング４１の外部とを連通する第一連通穴４１ｃ３が形成されている。また、第一側壁４１ｃの左側壁には、第一側壁４１ｃの内側（後述する水精製部６０）と第二側壁４１ｄの内側（後述する逆流防止部６１）とを連通する第二連通穴（特許請求の範囲の連通穴に相当）４１ｃ４が形成されている。第一連通穴４１ｃ３および第二連通穴４１ｃ４は、底壁４１ａより上方かつ第二段部４１ｃ２より下方にて、左右方向に貫通するように形成されている。また、第一連通穴４１ｃ３と第二連通穴４１ｃ４とを後述する同一の金型（スライド型）にて作製することができるように、第一連通穴４１ｃ３は、第二連通穴４１ｃ４と同軸に、かつ、第二連通穴４１ｃ４の径方向長さ（穴径）より第一連通穴４１ｃ３の径方向長さ（穴径）が大きくなるように形成されている。
【００２６】
第二側壁４１ｄは、底壁４１ａから上方に向かって延びるように、右方を開放する水平方向断面Ｕ字状に形成（立設）されている。第二側壁４１ｄの両開放端は、第一側壁４１ｃの左側壁外面にそれぞれ接続されている（図３参照）。第二側壁４１ｄの上端面は、周側壁４１ｂの上端面より下方かつ第二ポート４１ｂ２より上方に位置するように形成されている（図２参照）。また、上述したように、第二ポート４１ｂ２が第一段部４１ｃ１より上方に位置するため、第二側壁４１ｄの上端面は、第一段部４１ｃ１より上方に位置するように形成されている。
【００２７】
このように、ケーシング４１の内側は、第一側壁４１ｃおよび第二側壁４１ｄによって区画され、３つの部位５０〜５２が形成されている。具体的には、第一側壁４１ｃの内側に第一の部位５０、第二側壁４１ｄの内側に第二の部位５１、および周側壁４１ｂと第一側壁４１ｃおよび第二側壁４１ｄとの間に第三の部位５２が形成されている。
【００２８】
第一の部位５０の第一段部４１ｃ１と第二段部４１ｃ２との間には、熱交換器１２からの凝縮水を精製する水精製部６０が配設されている。また、第二の部位５１には、逆流防止部６１が配設されている。第三の部位５２には、貯留部６２が配設されている。
水精製部６０は、熱交換器１２からの凝縮水を精製する部位である。水精製部６０は、メッシュ６０ａおよび複数の水精製材６０ｂを備えている。メッシュ６０ａは、第二段部４１ｃ２に配設され、凝縮水が通過可能に第一の部位５０を区画する網状に形成されたものである。メッシュ６０ａは、水精製材６０ｂの大きさより小さい網目に形成され、水精製材６０ｂを支持する。水精製材６０ｂは、メッシュ６０ａと第一蓋４３との間に複数配設され、凝縮水を精製するものである。水精製材６０ｂは、粒状の活性炭およびイオン交換樹脂によって構成されている。
【００２９】
逆流防止部６１は、水精製部６０と貯留部６２との間に配設され、水精製部６０からの凝縮水の貯留部６２への流れを許容し、かつ、貯留部６２に貯められた凝縮水の水精製部６０への流れを防止する部位である。水タンク４０内における凝縮水の流れについては後述する。
貯留部６２は、水精製部６０からの凝縮水を貯留する部位である。
このように、ケーシング４１には、水精製部６０、貯留部６２および逆流防止部６１が一体的に成型されている。
【００３０】
また、ケーシング４１は、樹脂材料（例えば、ポリプロピレン）を用いて、一つの金型にて射出成型可能に形成されている。金型（図示なし）は、例えば、周側壁４１ｂの上端面を基準として上下に分割されて形成されている。分割された上側の金型が可動型、下側の金型が固定型を構成する。さらに、金型において、周側壁４１ｂの左側の部位には、第一ポート４１ｂ１および第二ポート４１ｂ２をそれぞれ形成するための左右方向にスライドする第一スライド型（図示なし）が配設される。また、金型において、周側壁４１ｂ（第一側壁４１ｃ）の右側の部位には、第一連通穴４１ｃ３および第二連通穴４１ｃ４を形成するための左右方向にスライドする第二スライド型（図示なし）が配設される。第一スライド型は、一つまたは二つのスライド型によって構成されている。第二スライド型は、一つのスライド型にて構成されている。
【００３１】
止水栓４２は、図２に示すように、第一連通穴４１ｃ３の右端部に着脱可能に配設されている。止水栓４２は、第一連通穴４１ｃ３に取り付けられている場合、第一連通穴４１ｃ３を液密に塞ぐ栓であり、第一連通穴４１ｃ３からの凝縮水の流出を規制する。一方、例えば凍結防止の理由から、水タンク４０内の凝縮水を排出させる場合、止水栓４２を第一連通穴４１ｃ３から取り外す。これにより、第一連通穴４１ｃ３から凝縮水がケーシング４１の外部へ排出される。
【００３２】
第一蓋４３は、第一段部４１ｃ１に配設され、水精製部６０を覆う蓋である。第一蓋４３によって、水精製部６０への異物等の侵入が抑制される。第一蓋４３は、蓋部４３ａ、突出部４３ｂおよび導入管４３ｃを有している。蓋部４３ａは、平面方形状の板状に形成され、蓋部４３ａの下面が第一段部４１ｃ１に接触している。突出部４３ｂは、蓋部４３ａの下面の周縁全周から下方に突出するように形成されている。また、突出部４３ｂは、溝部４１ｃ１ａに嵌るように形成されている。導入管４３ｃは、熱交換器１２からの凝縮水を水精製部６０に導入するものである。導入管４３ｃは、蓋部４３ａを上下方向に貫通するとともに、蓋部４３ａの上面から上方に向かって延びるように配設されている。導入管４３ｃの上端は、一端が凝縮水供給管１２ｃに接続されて凝縮水が供給される接続管１２ｃ１の他端が接続されている。一方、導入管４３ｃの他端は、水精製部６０内に接続されている。
【００３３】
第二蓋４４は、周側壁４１ｂの上端面に配設され、ケーシング４１の開口全体を覆う蓋である。第二蓋４４によって、ケーシング４１内への異物等の侵入が抑制される。第二蓋４４は、蓋部４４ａ、突出部４４ｂおよび開口部４４ｃを有している。蓋部４４ａは、平面方形状の板状に形成され、蓋部４４ａの下面が周側壁４１ｂの上端面に接触している。突出部４４ｂは、蓋部４３ａの下面の周縁全周から下方に突出するように形成されている。また、突出部４４ｂの内側面は、周側壁４１ｂの外周面に接触可能に形成されている。開口部４４ｃは、接続管１２ｃ１が上下方向に貫通するように形成されている。
【００３４】
水位検出装置４５は、貯留部６２に貯留された凝縮水の水位Ｈを検出するものである。水位検出装置４５は、第二蓋４４に固定されている。水位検出装置４５は、例えば、フロート式や、静電容量式の水位計である。水位検出装置４５は、制御装置１５と電気的に接続され、検出結果が制御装置１５に送信されるようになっている。
【００３５】
次に、熱交換器１２からの凝縮水が、水精製部６０に導入されて貯留部６２に貯留されるまでの凝縮水の流れＦについて、図２に示す矢印に沿って説明する。
熱交換器１２からの凝縮水は、接続管１２ｃ１および第一蓋４３の導入管４３ｃを介して水精製部６０の上端から水精製部６０内に導入される。水精製部６０内に導入された凝縮水は、自重にて水精製部６０の上端から下方に向かって流れるとともに、水精製材６０ｂによって精製される。水精製材６０ｂによって精製された凝縮水は、水精製部６０の下端からメッシュ６０ａを通過して第二連通穴４１ｃ４に導出され、逆流防止部６１に導入される。
逆流防止部６１に導入された凝縮水は、逆流防止部６１を上方に向かって流れる。そして、この凝縮水は、逆流防止部６１の上端（第二側壁４１ｄの上端面）から溢れ出して、貯留部６２に導入される。
【００３６】
貯留部６２に導入された凝縮水は、貯留部６２内に貯留される。貯留部６２に貯留されている凝縮水の水位Ｈは、所定水位ＨＳより低くなるように制御されている（後述する）。所定水位ＨＳは、第二ポート４１ｂ２より下方に位置するように設定されている。また、所定水位ＨＳは、熱交換器１２から水タンク４０に供給される凝縮水の流量（単位時間あたりの流量）が、水タンク４０から蒸発部３２に改質水として導出される凝縮水の流量である導出流量（単位時間あたりの流量）が一時的に下回るような場合においても、導出流量が確保できる程度の量に相当する水位Ｈである。所定水位ＨＳは、水タンク４０に供給される凝縮水の流量等が、予め実験等により実測されることにより設定されている。
貯留部６２に貯留された凝縮水は、第一ポート４１ｂ１から水供給管１１ｂへ、改質水ポンプ１１ｂ１によって導出される。
【００３７】
また、貯留部６２内の凝縮水は、逆流防止部６１によって水精製部６０に流入（逆流）しないようになっている。すなわち、貯留部６２内の凝縮水の量が増加して、貯留部６２内の凝縮水の水位Ｈが、第二ポート４１ｂ２に到達した場合、貯留部６２内の凝縮水は、第二ポート４１ｂ２から外部に排出される。また、第二ポート４１ｂ２より上方に、第二側壁４１ｄの上端面が位置している。よって、貯留部６２内の凝縮水が逆流防止部６１ひいては水精製部６０に流入（逆流）しない。このように、第二ポート４１ｂ２（第二ポート４１ｂ２の内周面の下端）の位置が、貯留部６２内の凝縮水の水位Ｈの上限である上限水位ＨＬに相当する。
【００３８】
また、第二の部位５１（逆流防止部６１）と第一の部位５０（水精製部６０）とが第二連通穴４１ｃ４にて連通しているため、第二の部位５１および第一の部位５０の凝縮水の水位は同じである。これにより、凝縮水が水タンク４０に供給されている場合、第一の部位５０の凝縮水の水位が、第一段部４１ｃ１より高い位置に位置するため、水精製部６０内は、凝縮水が充満した状態にある。よって、水精製材６０ｂが乾燥せず、水精製材６０ｂの劣化が抑制される。
【００３９】
次に、上述した燃料電池システムにおいて、制御装置１５が、水路切替装置１２ａによって、熱交換器１２と給水路ＳＬとの連通と、熱交換器１２と排水路ＤＬとの連通（排水状態）とを切替える制御について、図４に示すフローチャートに沿って説明する。制御装置１５は、燃料電池システムの起動運転中、発電運転中および停止運転中において、図４に示すフローチャートを実行する。
【００４０】
制御装置１５は、ステップＳ１０２にて、水路切替装置１２ａを、熱交換器１２と給水路ＳＬとを連通状態にして、熱交換器１２からの凝縮水を水タンク４０に供給する。これにより、水タンク４０に導入された凝縮水は、上述したように、水精製部６０および逆流防止部６１を通り、貯留部６２内に流入するため、貯留部６２内の凝縮水の量が増加して、貯留部６２内の凝縮水の水位Ｈが上昇する。
【００４１】
制御装置１５は、ステップＳ１０４にて、水位検出装置４５の検出結果に基づいて、凝縮水の水位Ｈが所定水位ＨＳ以上であるか否かを判定する。凝縮水の水位Ｈが所定水位ＨＳより低い場合、制御装置１５は、ステップＳ１０４にて「ＮＯ」の判定を繰り返し実行する。これにより、熱交換器１２からの凝縮水が貯留部６２内に継続して流入するため、貯留部６２内の凝縮水の水位Ｈが上昇する。そして、凝縮水の水位Ｈが所定水位ＨＳ以上となった場合、制御装置１５は、ステップＳ１０４にて「ＹＥＳ」の判定し、プログラムをステップＳ１０６に進める。
【００４２】
制御装置１５は、ステップＳ１０６（切替部）にて、水路切替装置１２ａを、熱交換器１２と給水路ＳＬとの連通状態から、熱交換器１２と排水路ＤＬとの連通状態に切替えて、熱交換器１２からの凝縮水を水タンク４０の外部に排出する。これにより、熱交換器１２からの凝縮水は、水タンク４０ひいては水精製部６０に導入されずに、水タンク４０に外部へ排出される。そして、制御装置１５は、ステップＳ１０８にて、凝縮水の水位Ｈが所定水位ＨＳより低くなったか否かを判定する。凝縮水の水位Ｈが所定水位ＨＳ以上である場合、制御装置１５は、ステップＳ１０８にて「ＮＯ」の判定を繰り返し実行する。これにより、熱交換器１２からの凝縮水は、水タンク４０の外部へ継続して排出される。一方、例えば、貯留部６２内の凝縮水が改質水として蒸発部３２に供給されることにより、貯留部６２内の凝縮水の量が減少して、凝縮水の水位Ｈが所定水位ＨＳより低くなった場合、制御装置１５は、ステップＳ１０８にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップＳ１０２に戻して、凝縮水を水タンク４０に再度供給する。
【００４３】
次に、制御装置１５が、図４に示すフローチャートを実行せず、熱交換器１２からの凝縮水の全部が水タンク４０に供給される場合について説明する。この場合、熱交換器１２からの凝縮水の全部が水精製部６０内を流通することで精製されて、逆流防止部６１を通り、貯留部６２に導入される。貯留部６２内の凝縮水の量が増加して、貯留部６２内の凝縮水の水位Ｈが上限水位ＨＬ以上になった場合、凝縮水が第二ポート４１ｂ２から排出される。
【００４４】
本第一実施形態によれば、燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスとにより発電する燃料電池３４と、燃料電池３４からのアノードオフガスを燃焼させ、高温であり、かつ、水蒸気を含む燃焼排ガスを生成する燃焼部３６と、燃焼部３６からの燃焼排ガスを冷却かつ凝縮することにより凝縮水を生成する熱交換器１２と、熱交換器１２からの凝縮水を少なくとも貯留する水タンク１４（４０）と、を備えている。水タンク４０は、熱交換器１２からの凝縮水を精製する水精製材６０ｂが配設された水精製部６０と、水精製部６０からの凝縮水を貯留する貯留部６２と、水精製部６０と貯留部６２との間に配設され、水精製部６０から貯留部６２への凝縮水の流れを許容し、かつ、貯留部６２から水精製部６０への凝縮水の流れを防止する逆流防止部６１と、を有するとともに、水精製部６０、貯留部６２および逆流防止部６１が一体的に成型されたケーシング４１を備えている。
これによれば、水タンク４０のケーシング４１は、３つの部位５０〜５２（水精製部６０、貯留部６２および逆流防止部６１）が一体的に成型されているため、従来技術のように水精製部６０を有する部位と他の部位とが着脱可能に連結されている場合に比べて、水タンク４０のケーシング４１を簡便に形成することができる。よって、水タンク４０ひいてはシステム全体の低コスト化を図ることができる。
また、水精製部６０は、熱交換器１２からの凝縮水が自重にて水精製部６０の上端から下方に向かって流通するように形成されている。よって、水精製部６０内における凝縮水の流れを整流することができる。したがって、凝縮水の精製を効率良く行うことができる。
また、水精製部６０内において、凝縮水が水精製部６０の上端から下方に向かって流通するため、水精製材６０ｂの舞い上がりを抑制することができる。
【００４５】
また、ケーシング４１は、上方を開口する有底筒状に形成されるとともに、ケーシング４１の底部（底壁４１ａ）から上方に向かって延びるように形成され、ケーシング４１の内側を３つの部位５０〜５２に区画する二つの側壁４１ｃ，４１ｄを有している。水精製部６０、貯留部６２および逆流防止部６１は、３つの部位５０〜５２にそれぞれ配設されている。水精製部６０と逆流防止部６１とを区画する第一側壁４１ｃは、水精製部６０と逆流防止部６１とを連通する第二連通穴４１ｃ４を有している。 
これによれば、ケーシング４１に水精製部６０と逆流防止部６１とを連通する第二連通穴４１ｃ４が形成されているため、例えば、水タンク４０の構成に、水精製部６０と逆流防止部６１とを接続する連通管をさらに追加する場合に比べ、水タンク４０の組付工数を少なくすることができる。よって、水タンク４０ひいてはシステム全体のコストの低コスト化を図ることができる。
【００４６】
また、燃料電池システムは、熱交換器１２からの凝縮水を水タンク４０に供給する給水路ＳＬと、熱交換器１２からの凝縮水を水タンク４０の外部に排出する排水路ＤＬと、熱交換器１２と給水路ＳＬとの連通と、熱交換器１２と排水路ＤＬとの連通とを切替える水路切替装置１２ａと、水タンク４０に貯留された凝縮水の水位Ｈを検出する水位検出装置４５と、水路切替装置１２ａを少なくとも制御する制御装置１５と、をさらに備えている。制御装置１５は、水路切替装置１２ａが熱交換器１２と給水路ＳＬとを連通している状態において、水位検出装置４５によって検出された凝縮水の水位Ｈが所定水位ＨＳ以上である場合、水路切替装置１２ａによって熱交換器１２と給水路ＳＬとの連通から、熱交換器１２と排水路ＤＬとの連通に切り替える切替部（ステップＳ１０６）を有している。
これによれば、制御装置１５の切替部は、貯留部６２に貯留された凝縮水の水位Ｈが所定水位ＨＳ以上である場合、熱交換器１２からの凝縮水を水タンク４０に導入される前に水タンク４０の外部に排出するため、水精製部６０を流通する凝縮水の量を抑制することができる。よって、熱交換器１２からの凝縮水の全部を水タンク４０に導入されて水精製部６０に流通させる場合に比べ、水精製材６０ｂの寿命を長くすることができる。また、水精製材６０ｂの長寿命化に基づいて、水精製材６０ｂの量を低減する場合、水精製部６０ひいては水タンク４０のケーシング４１をコンパクトに形成することができる。さらにこの場合、水タンク４０ひいてはシステム全体の低コスト化を図ることができる。
【００４７】
（第二実施形態）
次に、本発明による燃料電池システムの第二実施形態について、主に第一実施形態と異なる部分について説明する。本第二実施形態の燃料電池システムは、図５に示す水タンク１４０を備えている。水タンク１４０は、第一実施形態の水タンク４０と比べて、止水栓４２に代えて連通管１４６を備える点が異なっている。
また、第二実施形態の第一側壁１４１ｃは、第一実施形態の第一側壁４１ｃと比べて、連通穴４１ｃ３，４１ｃ４に相当する連通穴が形成されていない点が異なっている。さらに、第二実施形態の底壁１４１ａは、第一実施形態の底壁４１ａと比べて、第一の部位５０内とケーシング４１の外部とを接続する第三ポート１４１ａ１、および第二の部位５１内とケーシング４１の外部とを接続する第四ポート１４１ａ２が、底壁１４１ａを上下方向に貫通するように配設されている点が異なっている。そして、連通管１４６の一端が第三ポート１４１ａ１に接続され、連通管１４６の他端が第四ポート１４１ａ２に接続されている。これにより、水精製部６０と逆流防止部６１とが連通管１４６を介して底部（底壁１４１ａ）にて連通するようになっている。よって、水精製部６０から導出される凝縮水は、連通管１４６を通って逆流防止部６１に導入される。
【００４８】
また、ケーシング４１を作製するための金型において、第三ポート１４１ａ１および第四ポート１４１ａ２は、底壁１４１ａに上下方向に貫通するように配設されているため、金型が周側壁１４１ｂの上端面を基準として上下に分割されて形成されている場合、第三ポート１４１ａ１および第四ポート１４１ａ２は、上側または下側の金型によって作製可能である。
【００４９】
本第二実施形態によれば、ケーシング４１は、上方を開口する有底筒状に形成されるとともに、ケーシング４１の底部（底壁１４１ａ）から上方に向かって延びるように形成され、ケーシング４１の内側を３つの部位５０〜５２に区画する二つの側壁１４１ｃ，４１ｄを有している。水精製部６０、貯留部６２および逆流防止部６１は、３つの部位５０〜５２にそれぞれ配設され、水タンク１４０は、水精製部６０と逆流防止部６１とをケーシング４１の底部（底壁１４１ａ）にて連通する連通管１４６をさらに備えている。
これによれば、本第二実施形態のケーシング４１は、第一実施形態のケーシング４１のように水精製部６０と逆流防止部６１とを連通する連通穴（第一実施形態における第二連通穴４１ｃ４）をケーシング４１に形成する場合に比べて、スライド型を少なくすることができる。よって、第一実施形態のケーシング４１の金型に比べて、本第二実施形態のケーシング４１の金型を簡便な構成にすることができる。したがって、水タンク４０ひいてはシステム全体の低コスト化を図ることができる。
【００５０】
（各実施形態の第一変形例）
次に、上述した各実施形態における第一変形例について、主に第一実施形態と異なる部分について説明する。上述した第一実施形態の水タンク４０は、二つの蓋４３，４４を備えているが、これに代えて、本第一変形例の水タンク２４０は、図６に示すように、一つの蓋２４７を備えている。蓋２４７は、３つの部位５０〜５２の上方の全部を覆う蓋である。蓋２４７は、第二蓋４４の蓋部４４ａに相当する蓋部２４７ａ、突出部４４ｂに相当する第一突出部２４７ｂ、第一蓋４３の突出部４３ｂに相当する第二突出部２４７ｃ、および導入管４３ｃに相当する導入管２４７ｄを備えている。また、ケーシング４１は、蓋部２４７ａによって水精製部６０が覆われるように、第一段部４１ｃ１を設けずに、第二突出部２４７ｃが嵌る溝２４１ｃ１ａが第一側壁２４１ｃの上端面に設けられている。なお、図６は、第一実施形態の変形例を示しているが、第二実施形態においても、同様の変形例を構成することができる。
これによれば、各実施形態における二つの蓋４３，４４を一つの蓋２４７にて構成することができるため、各実施形態と比べて、水タンク２４０の部品点数を低減することができる。よって、水タンク２４０ひいては、システム全体の低コスト化を図ることができる。
【００５１】
（各実施形態の第二変形例）
次に、上述した各実施形態における第二変形例について、主に第一実施形態と異なる部分について説明する。上述した第一実施形態の水タンク４０においては、ケーシング４１内が区画されることにより、３つの部位が形成されているが、本第二変形例の水タンク３４０においては、二つの周側壁を一体とし、さらに、一つの周側壁内が区画されることにより、３つの部位が形成されている。具体的には、本第二変形例のケーシング４１は、図７および図８に示すように、右周側壁３４１ｅおよび左周側壁３４１ｆによって形成されている。右周側壁３４１ｅの左側壁と左周側壁３４１ｆの右側壁の一部が一体となるように形成されている。右周側壁３４１ｅ内が第一の部位５０に相当し、第一の部位５０に水精製部６０が配設されている。第一連通穴３４１ｅ３が第一連通穴４１ｃ３に相当し、第二連通穴３４１ｅ４が第二連通穴４１ｃ４に相当する。また、左周側壁３４１ｆの内側を２つの部位に区画する第二側壁４１ｄが形成されている。第二側壁４１ｄの内側が第二の部位５１に相当し、第二の部位５１に逆流防止部６１が配設されている。第二側壁４１ｄの外周面と左周側壁３４１ｆの内周面との間の部位が第三の部位５２に相当し、第三の部位５２に貯留部６２が配設されている。また、第一蓋４３は、第一の部位５０を覆うように形成され、右周側壁３４１ｅの上端面に配設されている。第二蓋３４４は、第二の部位５１および第三の部位５２を覆うように形成され、左周側壁３４１ｆの上端面に配設されている。なお、図７および図８は、第一実施形態の第二変形例を示しているが、第二実施形態においても、同様の変形例を構成することができる。
【００５２】
（各実施形態の第三変形例）
次に、上述した各実施形態における第三変形例について、主に第一実施形態の第二変形例と異なる部分について説明する。上述した第二変形例の水タンク３４０のケーシング４１の内側は、第二側壁４１ｄによって区画されている。これに代えて、図９および図１０に示す本第三変形例の水タンク４４０のケーシング４１の左周側壁４４１ｆの内側は区画されていない。また、本第三変形例のケーシング４１は、上述した第二変形例のケーシング４１の連通穴３４１ｅ３，３４１ｅ４に相当する連通穴が形成されていない。そして、右周側壁４４１ｅの前側壁には、第一の部位５０内とケーシング４１の外部とを接続する第五ポート４４１ｅ５が形成されている。また、左周側壁４４１ｆの前側壁には、第三の部位５２内とケーシング４１の外部とを接続する第六ポート４４１ｆ３が形成されている。第五ポート４４１ｅ５の一端は、図９に示すように、第一の部位５０内に、底壁４１ａの上方かつメッシュ６０ａの下方にて接続されている。第六ポート４４１ｆ３の一端は、第三の部位５２内に、第二ポート４４１ｆ２（第一実施形態の第二ポート４１ｂ２に相当）の上方かつ左周側壁４４１ｆの上端面の下方にて接続されている。さらに、水タンク４４０は、一端が第五ポート４４１ｅ５の他端に接続され、他端が第六ポート４４１ｆ３の他端に接続された連通管４４８を備えている。右周側壁４４１ｅの内側が第一の部位５０に相当し、第一の部位５０に水精製部６０が配設されている。また、左周側壁４４１ｆの内側が第三の部位５２に相当し、第三の部位５２に貯留部６２が配設されている。
【００５３】
このように構成された本第三変形例の水タンク４４０において、熱交換器１２からの凝縮水は、水精製部６０に導入されて精製された後、連通管４４８を通り、貯留部６２に導入される。第二ポート４４１ｆ２ひいては貯留部６２の凝縮水の上限水位ＨＬより上方に第六ポート４４１ｆ３が位置しているため、貯留部６２に貯留された凝縮水が、連通管４４８へひいては水精製部６０へ流入（逆流）しない。すなわち、連通管４４８、第五ポート４４１ｅ５および第六ポート４４１ｆ３によって、逆流防止部が構成されている。なお、図９および図１０は、第一実施形態の第三変形例を示しているが、第二実施形態においても、同様の変形例を構成することができる。
【００５４】
なお、上述した実施形態において、燃料電池システムの一例を示したが、本発明はこれに限定されず、他の構成を採用することもできる。例えば、上述した各実施形態および第一変形例において、ケーシング４１の内側は、二つの側壁４１ｃ，４１ｄによって区画されているが、これに代えて、ケーシング４１の内側を三つ以上の側壁によって区画するようにしても良い。
【符号の説明】
【００５５】
１１（３０）…燃料電池モジュール、１１ｂ…水供給管、１２…熱交換器、１２ａ…水路切替装置、１２ｂ…凝縮水流通管、１２ｃ…凝縮水供給管、１２ｄ…凝縮水排出管、１４（４０）…水タンク、１５…制御装置、３４…燃料電池、３６…燃焼部、４１…ケーシング、４１ａ…底壁、４１ｂ…周側壁、４１ｃ…第一側壁、４１ｃ３…第一連通穴、４１ｃ４…第二連通穴（連通穴）、４１ｄ…第二側壁、４２…止水栓、４３…第一蓋、４４…第二蓋、４５…水位検出装置、５０…第一の部位、５１…第二の部位、５２…第三の部位、６０…水精製部、６０ｂ…水精製材、６１…逆流防止部、６２…貯留部、１４６…連通管、ＤＬ…排水路、ＨＬ…上限水位、ＨＳ…所定水位、ＳＬ…給水路。
【図１】
2016072056.tif 000003
【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】
2016072056.tif 000009
【図８】
2016072056.tif 000010
【図９】
2016072056.tif 000011
【図１０】
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