(57)【要約】【課題】凝縮水供給経路のポンプを不要とし、燃料電池システムの構成の簡素化と省エネ化が可能となる燃料電池システムを提供する。【解決手段】酸化剤ガス及び水素含有ガスを用いて発電する燃料電池５と、燃料電池５の熱を回収する冷却水が冷却水循環ポンプ１１により循環する冷却水循環経路１０と、冷却水循環経路１０に設けられ冷却水を貯える冷却水貯水部１２ａと、燃料電池５から排出される排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して得られる凝縮水を貯える凝縮水貯水部１３ａと、凝縮水貯水部１３ａの凝縮水を冷却水循環経路１０に供給する凝縮水供給経路１５と、凝縮水供給経路１５を流れる凝縮水の流量を調整または凝縮水供給経路１５を開閉する水量調整器１７と、水量調整器１７を制御する制御器１０１と、を備え、凝縮水供給経路１５は、冷却水貯水部１２ａよりも下流側に接続される燃料電池システム１００である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガス及び水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池の熱を回収する冷却水がポンプにより循環する冷却水循環経路と、前記冷却水循環経路に設けられ冷却水を貯える冷却水貯水部と、前記燃料電池から排出される排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して得られる凝縮水を貯える凝縮水貯水部と、前記凝縮水貯水部の凝縮水を前記冷却水循環経路に供給する凝縮水供給経路と、前記凝縮水供給経路を流れる凝縮水の流量を調整または前記凝縮水供給経路を開閉する水量調整器と、前記水量調整器を制御する制御器と、を備え、
前記凝縮水供給経路は、前記冷却水貯水部よりも下流側に接続されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記凝縮水供給経路に、前記凝縮水貯水部の前記凝縮水を浄化する浄化器を設けた、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記凝縮水貯水部の内部の前記凝縮水の水位を検知する水位センサを備え、
前記制御器は、前記水位センサの検知結果に基づいて前記水量調整器を制御する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御器は、前記凝縮水の水位が予め定められた第１水位にまで上昇したことを前記水位センサによって検知すると、前記凝縮水供給経路から前記冷却水循環経路への給水量が増えるように前記水量調整器を制御する、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御器は、前記凝縮水の水位が予め定められた第２水位にまで下降したことを前記水位センサによって検知すると、前記凝縮水供給経路から前記冷却水循環経路に給水しないように前記水量調整器を制御する、請求項３または４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御器は、前記ポンプの停止時に前記凝縮水供給経路が前記水量調整器によって閉塞状態になるように前記水量調整器を制御する、請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水量調整器は開閉弁である、請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池の発電に用いる前記水素含有ガスを原料ガスの改質により生成する改質器と、前記原料ガスまたは前記水素含有ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼器と、をさらに備え、
前記凝縮水貯水部は、前記燃焼器のオフ燃焼ガスに含まれる水蒸気を凝縮して得られる凝縮水も貯えるように構成された、請求項１から７のいずれか１項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、燃料電池を冷却する冷却水を貯える冷却水貯水部と、燃料電池から排出される排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して得られる凝縮水を貯える凝縮水貯水部とを備える燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、水素を含む水素含有ガスと酸素を含む酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電して、電気と熱を同時に発生させる装置である。
【０００３】
燃料電池システムは、燃料の持つ化学エネルギーを力学的エネルギーに変換することなく直接電気エネルギーとして取り出せるので、発電効率が高いことで注目されているが、住宅用設備機器としては未だ高価であり、燃料電池システムの普及に当たってはコストダウンを進めることが大きな課題となっていた。
【０００４】
一般的な家庭用燃料電池システムで発生した電力は、家庭で使用する一部の電力負荷（例えば、照明や空調などの電化製品）に供給される。また、発電により生じる熱は、燃料電池の内部に供給された冷却水により回収される。この回収された熱は、例えば、熱交換器を介して、温水として回収され、家庭内の熱負荷（例えば、給湯機器や床暖房等の熱利用機器）で利用される。
【０００５】
燃料電池システムには、燃料電池システムの発電運転時に必要となる水素含有ガスを生成するための改質器が設けられている。改質器では、原料ガス（例えば、都市ガス（天然ガス）等）と水を、改質触媒において水蒸気改質反応させることにより、水素含有ガスが生成される。
【０００６】
このような燃料電池システムでは、改質器に供給される水や、蒸発で消失した冷却水の水供給源として、システムの内部で回収した水を利用し、水を自立供給する方法を採用することが多い。なお、燃料電池システム内部で水を回収する方法としては、例えば、燃料電池より排出される燃料ガス及び酸化剤ガス中に含まれる水蒸気を冷却することで、水を凝縮、回収する方法が挙げられる。
【０００７】
また、燃料電池を冷却する冷却水を貯える冷却水貯水部と、燃料電池から排出される排ガスから回収した凝縮水を貯える凝縮水貯水部とを備える燃料電池システムにおいて、水タンク内部に冷却水貯水部と凝縮水貯水部をそれぞれ設けることにより、冷却水を凝縮水から分離・独立して循環させる構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
特許文献１に開示された従来の燃料電池システムは、冷却水と凝縮水を分離・独立して循環させるため、分離せずに貯水した場合に比べて、冷却水の浄化処理が不要となり、冷却水の水浄化器の削減により、低コスト化が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−７６２１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来の構成では、冷却水と凝縮水を分離・独立して循環させるため
に、冷却水と凝縮水のそれぞれを循環させるためのポンプが必要となることから、燃料電池システムの構成の簡素化及び、省エネ化に課題があった。
【００１１】
本発明は、従来必要であった凝縮水供給経路のポンプを不要とし、燃料電池システムの構成の簡素化と省エネ化が可能とな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】
【００１２】
上記従来の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の排ガスから回収した凝縮水を貯える凝縮水貯水部の凝縮水を、燃料電池を冷却する冷却水が循環する冷却水循環経路に供給する凝縮水供給経路と、凝縮水供給経路を流れる凝縮水の流量を調整または凝縮水供給経路を開閉する水量調整器と、水量調整器を制御する制御器とを備え、凝縮水供給経路が冷却水貯水部よりも下流側に接続されているのである。
【００１３】
上記構成により、従来、凝縮水供給経路に設置されていたポンプが不要となり、燃料電池システムの構成の簡素化と省エネ化が可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池システムによれば、従来、凝縮水供給経路に設置されていたポンプが不要となるので、燃料電池システムの構成の簡素化と省エネ化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図
【図２Ａ】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの水位正常時の凝縮水貯水部内の水位と構成部品の高さを示す図１のＡ部の拡大図
【図２Ｂ】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの水位上昇時の凝縮水貯水部内の水位と構成部品の高さを示す図１のＡ部の拡大図
【図２Ｃ】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの水位低下時の凝縮水貯水部内の水位と構成部品の高さを示す図１のＡ部の拡大図
【図３】本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成概略を模式的に示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
第１の発明は、酸化剤ガス及び水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池の熱を回収する冷却水がポンプにより循環する冷却水循環経路と、前記冷却水循環経路に設けられ冷却水を貯える冷却水貯水部と、前記燃料電池から排出される排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して得られる凝縮水を貯える凝縮水貯水部と、前記凝縮水貯水部の凝縮水を前記冷却水循環経路に供給する凝縮水供給経路と、前記凝縮水供給経路を流れる凝縮水の流量を調整または前記凝縮水供給経路を開閉する水量調整器と、前記水量調整器を制御する制御器と、を備え、前記凝縮水供給経路が、前記冷却水貯水部よりも下流側に接続されることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１７】
上記構成により、燃料電池の運転中は凝縮水貯水部に貯まる凝縮水が多くなり、冷却水貯水部よりも高い水位となる凝縮水貯水部の凝縮水を、冷却水貯水部と凝縮水貯水部の水位差から発生する水頭圧で、凝縮水供給経路を介して冷却水循環経路に供給することが可能となる。または、冷却水循環経路のポンプが冷却水貯水部の冷却水を吸い込む作用で、凝縮水供給経路の凝縮水が冷却水循環経路に引き込まれる。
【００１８】
そして、冷却水と凝縮水を独立・分離して循環することが不要となることから、凝縮水供給経路のポンプが不要となる。そのため、燃料電池システムの構成の簡素化と省エネ化
が可能となる。
【００１９】
第２の発明は、特に、第１の発明における、前記凝縮水供給経路に、前記凝縮水貯水部の前記凝縮水を浄化する浄化器を設けたものであり、この構成とすることにより、浄化が必要な凝縮水のみを浄化することが可能となる。そのため、浄化器のサイズを必要最小限にすることが可能となる。
【００２０】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記凝縮水貯水部の内部の前記凝縮水の水位を検知する水位センサを備え、前記制御器が、前記水位センサの検知結果に基づいて前記水量調整器を制御するものであり、この構成とすることにより、凝縮水貯水部の内部の凝縮水の水位を検知し、水位センサの検知結果に基づいて凝縮水貯水部の水位を調整することが可能となる。
【００２１】
第４の発明は、特に、第３の発明における、前記制御器が、前記凝縮水の水位が予め定められた第１水位にまで上昇したことを前記水位センサによって検知すると、前記凝縮水供給経路から前記冷却水循環経路への給水量が増えるように前記水量調整器を制御するものである。
【００２２】
上記構成により、凝縮水貯水部の凝縮水の水位が上昇して凝縮水貯水部の満水よりも若干低く設定した上限水位に相当する第１水位に到達したことを、制御器が水位センサによって検知すると、水量調整器の制御で、凝縮水供給経路から冷却水循環経路への給水量が増えるので、凝縮水貯水部が満水となるのを抑制することが可能となる。
【００２３】
そのため、凝縮水貯水部を通流する排ガスが凝縮水貯水部の閉塞により、排気不良となるのを抑制することが可能となる。
【００２４】
第５の発明は、特に、第３または第４の発明における、前記制御器が、前記凝縮水の水位が予め定められた第２水位にまで下降したことを前記水位センサによって検知すると、前記凝縮水供給経路から前記冷却水循環経路に給水しないように前記水量調整器を制御するものである。
【００２５】
上記構成により、凝縮水貯水部の凝縮水の水位が下降して凝縮水供給経路が水枯れとなる水位より若干高く設定した下限水位に相当する第２水位に到達したことを、制御器が水位センサによって検知すると、水量調整器の制御で、凝縮水が冷却水循環経路に給水されなくなるので、凝縮水供給経路の水枯れを防止することが可能となる。そのため、乾燥すると著しく性能劣化する浄化器の劣化を抑制することが可能となる。
【００２６】
第６の発明は、特に、第１から第５のいずれか１つの発明における、前記制御器が、前記ポンプの停止時に前記凝縮水供給経路が前記水量調整器によって閉塞状態になるように前記水量調整器を制御するものである。
【００２７】
上記構成により、凝縮水貯水部の水位が冷却水貯水部の水位よりも低く、冷却水循環経路のポンプが冷却水貯水部の冷却水を吸い込む作用で、凝縮水供給経路の凝縮水が冷却水循環経路に引き込まれていた場合でも、ポンプの停止時に、冷却水循環経路の冷却水が凝縮水供給経路に流入することを抑制することが可能となる。そのため、浄化器が、冷却水の熱によって熱劣化することを防止することが可能となる。
【００２８】
第７の発明は、特に、第１から第６のいずれか１つの発明における、前記水量調整器に開閉弁を用いたものであり、全閉と全開の２つの状態のみで弁の開度調節ができない安価で構成が簡単な開閉弁であっても、開閉弁の開閉頻度及び開閉時間で冷却水循環経路に供
給される水の流量を調整することが可能となる。
【００２９】
第８の発明は、特に、第１から第７のいずれか１つの発明において、前記燃料電池の発電に用いる前記水素含有ガスを原料ガスの改質により生成する改質器と、前記原料ガスまたは前記水素含有ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼器と、をさらに備え、前記凝縮水貯水部が、前記燃焼器のオフ燃焼ガスに含まれる水蒸気を凝縮して得られる凝縮水も貯えるように構成されたものである。
【００３０】
上記構成により、オフ燃焼ガスに含まれる水蒸気を凝縮により回収する燃料電池システムにおいても、冷却水と凝縮水を独立・分離して循環することが不要となることから、凝縮水供給経路のポンプが不要となる。そのため、燃料電池システムの構成の簡素化と省エネ化が可能となる。
【００３１】
以下、本発明の実施の形態を具体的に例示する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は、以下の実施の形態に限定されない。
【００３２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池５に冷却水貯水部１２ａ及び凝縮水貯水部１３ａを備える燃料電池システム１００の概略構成を模式的に示すブロック図である。本発明の実施の形態１では、簡略のために本発明に必要な構成のみを記載している。
【００３３】
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、燃料電池５、冷却水循環経路１０、冷却水貯水部１２ａ、凝縮水貯水部１３ａ、凝縮水供給経路１５を備えている。
【００３４】
燃料電池５は、アノードとカソードを有している（図示せず）。なお、燃料電池５は、高分子電解質形燃料電池や直接内部改質型固体酸化物形燃料電池や間接内部改質型固体酸化物形燃料電池等の各種の燃料電池を用いることができる。また、燃料電池５の構成は、一般的な燃料電池と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
【００３５】
燃料電池５のカソードには、ブロアー６から酸化剤ガス供給経路７を介して酸素を含む酸化剤ガス（本実施の形態では、空気を用いている）が供給される。そして、燃料ガス供給経路４ａを介してアノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとが反応して、水が生成され、電気と熱が発生する。
【００３６】
燃料電池５で使用されなかった酸化剤ガスは、オフ酸化剤ガス経路８、排空気凝縮水経路２２、凝縮水貯水部１３ａ、排気経路２３及び排気部２４を介して、燃料電池システム１００外に排出される。
【００３７】
なお、発生した電気は、図示されない電力調整器により、外部電力負荷（例えば、家庭の電気機器）に供給される。また、発生した熱は、熱回収水経路２５を通流する冷却水が回収する。
【００３８】
冷却水熱交換器１８は、熱回収水経路２５と冷却水循環経路１０を接触するように設けられていて、熱回収水経路２５を通流する第１熱媒体と冷却水循環経路１０を通流する冷却水との間で熱交換するように構成されている。また、冷却水循環経路１０には、冷却水を循環するように冷却水循環ポンプ１１が設けられている。
【００３９】
冷却水循環ポンプ１１としては、冷却水の流量を調整しながら、冷却水を循環するように構成されていれば、どのような態様であってもよく、例えば、流量調整弁とポンプで構成することができる。また、流量調整可能なポンプで構成することもできる。
【００４０】
排空気熱交換器１９は、熱回収水経路２５とオフ酸化剤ガス経路８を接触するように設けられていて、熱回収水経路２５を通流する第１熱媒体と排空気流路を通流するオフ酸化剤ガスとの間で熱交換するように構成されている。
【００４１】
なお、排空気熱交換器１９で第１熱媒体と熱交換することにより、オフ酸化剤ガス中の水蒸気が凝縮して、凝縮水が発生する。凝縮水は、排空気凝縮水経路２２を介して凝縮水貯水部１３ａに回収される。凝縮水が回収された後のオフ酸化剤ガスは、排気経路２３、排気部２４を介して燃料電池システム１００外に排出される。
【００４２】
熱回収水経路２５は、本実施の形態においては、その一部が、燃料電池システム１００外に位置するように設けられている。熱回収水経路２５には、冷却水熱交換器１８及び排空気熱交換器１９が設けられている。そして、熱回収水経路２５内の熱媒体は、冷却水熱交換器１８及び排空気熱交換器１９で他の熱媒体と熱交換しながら通流する。なお、熱媒体としては、水又は不凍液（例えば、エチレングリーコール含有液）等を用いることができる。
【００４３】
次に本発明の実施の形態１の特徴部分である冷却水貯水部１２ａ及び凝縮水貯水部１３ａの構成について説明する。
【００４４】
冷却水貯水部１２ａは、冷却水循環経路１０を介して冷却水が供給されるように構成されており、冷却水貯水部１２ａ内の冷却水の余剰分は、排水経路２６を介して排水口から燃料電池システム１００外に排水できるよう構成されている。
【００４５】
凝縮水貯水部１３ａは、排空気凝縮水経路２２を介して、オフ酸化剤ガス中の凝縮水を貯められるように構成されており、凝縮水貯水部１３ａ内の凝縮水は、冷却水貯水部１２ａよりも下流側で冷却水循環ポンプ１１よりも上流側に接続される凝縮水供給経路１５を介して冷却水循環経路１０に供給されるように構成されている。
【００４６】
この構成とすることにより、燃料電池の運転中は凝縮水貯水部１３ａに貯まる凝縮水が多くなり、冷却水貯水部１２ａよりも高い水位となる凝縮水貯水部１３ａの凝縮水を、冷却水貯水部１２ａと凝縮水貯水部１３ａの水位差から発生する水頭圧で凝縮水供給経路１５を介して冷却水循環経路１０に供給することが可能となる。また、冷却水循環ポンプ１１が冷却水貯水部１２ａの冷却水を吸い込む作用で、凝縮水供給経路１５の凝縮水が冷却水循環経路１０に引き込まれる。そのため、凝縮水供給経路１５のポンプが不要となる。
【００４７】
凝縮水貯水部１３ａに貯えられている凝縮水は、若干の不純物を含むため、イオン交換樹脂等からなる浄化器１６を介して純水化され、凝縮水供給経路１５から冷却水循環経路１０に供給される。この構成とすることで、浄化が必要な凝縮水のみを浄化することが可能となる。そのため、浄化器１６のサイズを必要最小限にすることが可能となる。
【００４８】
凝縮水貯水部１３ａ内には、凝縮水貯水部１３ａの内部の凝縮水の水位を検知する水位センサ１４を備えるように構成されており、凝縮水貯水部１３ａの水位は、凝縮水供給経路１５から冷却水循環経路１０に供給される凝縮水の流量を調整、または凝縮水供給経路１５を開閉できる水量調整器１７と、水位センサ１４の検知結果に基づいて水量調整器１７を制御する制御器１０１によって調整されるように構成されている。
【００４９】
この構成とすることで、凝縮水貯水部１３ａの内部の凝縮水の水位を検知し、水位センサ１４の検知結果に基づいて凝縮水貯水部１３ａの水位を調整することが可能となる。水位センサ１４としては、フロートスイッチを用いることができ、この他、水位が検知できればどのような態様であってもよい。水量調整器１７としては、凝縮水の流量を調整しながら凝縮水を供給するように構成されていればどのような態様であってもよく、例えば、開閉弁で構成することができる。
【００５０】
制御器１０１は、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等に例示される演算処理部と、各制御動作を実行するためのプログラムを格納したメモリ等から構成される記憶部を備えている。そして、制御器１０１は、演算処理部が、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、これらの情報を処理し、かつ、これらの制御を含む燃料電池システム１００に関する各種の制御を行う。
【００５１】
この制御器１０１は、燃料電池システム１００を構成する各機器を制御する機器であれば、どのような態様であってもよい。なお、制御器１０１は、単独の制御器で構成される態様だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システム１００の制御を実行する制御器群で構成される態様であっても構わない。また、制御器１０１は、マイクロコンピュータで構成されていてもよく、ＭＰＵ、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）、論理回路等によって構成されていてもよい。
【００５２】
［燃料電池システムの作用と効果］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の作用と効果について、図１及び図２Ａ〜図２Ｃを参照しながら説明する。
【００５３】
図２Ａは、水位正常時の凝縮水貯水部１３ａ内の水位と構成部品の高さを示す概略図、図２Ｂは水位上昇時の凝縮水貯水部１３ａ内の水位と構成部品の高さを示す概略図、図２Ｃは水位低下時の凝縮水貯水部１３ａ内の水位と構成部品の高さを示す概略図である。
【００５４】
図２Ａに示すように、燃料電池システム１００の凝縮水貯水部１３ａに給水経路（図示せず）を介し、精製水等の水の給水が行われる場合、凝縮水貯水部１３ａ内の水の水位はＨ１からＨ２の間の水位となるように調整されて供給される。
【００５５】
また、燃料電池システム１００の発電運転時は凝縮水貯水部１３ａの水位がＨ１からＨ２の間の水位となるよう、凝縮水供給経路１５から冷却水循環経路１０への給水量を、制御器１０１による水量調整器１７の開閉頻度及び開閉時間の制御で調整している。
【００５６】
燃料電池システム１００の発電運転時に生成された凝縮水は、排空気凝縮水経路２２を介して凝縮水貯水部１３ａに回収される。凝縮水が回収された後のオフ酸化剤ガスは、排気経路２３、排気部２４を介して燃料電池システム１００外に排出される。
【００５７】
図２Ｂに示すように、燃料電池システム１００の発電運転中に発生した過多の凝縮水によって凝縮水の水位がＨ２になったことを制御器１０１が水位センサ１４によって検知すると、制御器１０１は、凝縮水供給経路１５から冷却水循環経路１０への給水量が増えるように水量調整器１７を制御するように構成されている。
【００５８】
ここで、「第１水位」を、水位センサ１４が高さＨ２となる上限水位と設定する。凝縮水の水位が「第１水位」になったことを制御器１０１が水位センサ１４によって検知すると、凝縮水供給経路１５から冷却水循環経路１０への給水量が増えるため、凝縮水貯水部１３ａが満水となるのを抑制することが可能となる。そのため、凝縮水貯水部１３ａを通
流する排ガスが凝縮水貯水部１３ａの閉塞により、排気不良となることを抑制することが可能となる。
【００５９】
図２Ｃに示すように、燃料電池システム１００の発電運転中に凝縮水の消費もしくは蒸発によって凝縮水の水位がＨ１になったことを制御器１０１が水位センサ１４によって検知すると、制御器１０１は、凝縮水供給経路１５から冷却水循環経路１０に凝縮水を給水しないように水量調整器１７を制御するように構成されている。
【００６０】
ここで、「第２水位」を、水位センサ１４が高さＨ１となる下限水位と設定する。凝縮水の水位が「第２水位」になったことを制御器１０１が水位センサ１４によって検知すると、凝縮水が冷却水循環経路１０に給水されなくなり、凝縮水供給経路１５の水枯れを防止することが可能となる。そのため、乾燥すると著しく性能劣化する浄化器１６の劣化抑制を抑制することが可能となる。
【００６１】
本発明の実施の形態１の燃料電池システム１００によれば、燃料電池５に冷却水貯水部１２ａ及び凝縮水貯水部１３ａを備える燃料電池システム１００において、冷却水と凝縮水を独立・分離して循環することが不要となることから、凝縮水供給経路１５のポンプが不要となる。そのため、燃料電池システム１００の構成の簡素化と、省エネ化が可能となる。
【００６２】
また、本実施の形態の制御器１０１は、冷却水循環ポンプ１１の停止時に凝縮水供給経路１５が水量調整器１７によって閉塞状態になるように水量調整器１７を制御するので、凝縮水貯水部１３ａの水位が冷却水貯水部１２ａの水位よりも低く、冷却水循環経路１０の冷却水循環ポンプ１１が冷却水貯水部１２ａの冷却水を吸い込む作用で、凝縮水供給経路１５の凝縮水が冷却水循環経路１０に引き込まれていた場合でも、冷却水循環ポンプ１１の停止時に、冷却水循環経路１０の冷却水が凝縮水供給経路１５に流入することを抑制することが可能となる。そのため、浄化器１６が、冷却水の熱によって熱劣化することを防止することが可能となる。
【００６３】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池５に冷却水貯水部１２ｂ及び凝縮水貯水部１３ｂを備える燃料電池システム１００の概略構成を模式的に示すブロック図である。
【００６４】
図３に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、水素生成器１の構成内容を具体的に例示し、冷却水貯水部１２ｂ及び凝縮水貯水部１３ｂの構成が異なる。
【００６５】
水素生成器１は、改質器１ａと該改質器を加熱するための燃焼器１ｂを有している。改質器１ａは、原料ガスと水を改質反応させて、水素を含む燃料ガスを生成するように構成されている。改質器１ａで生成された燃料ガスは、燃料ガス供給経路４ａを介して、燃料電池５のアノード（図示せず）に供給される。なお、水素生成器１の改質器１ａには、原料供給部２と水供給器３が接続されている。
【００６６】
原料供給部２は、その流量を調整しながら、改質器１ａに気体状態の原料である原料ガスを供給するように構成されている。原料供給部２としては、流量調整弁とポンプで構成することができる。また、これ以外にも流量調整可能なポンプで構成することもできる。
【００６７】
燃焼器１ｂは、燃料電池５と燃焼器１ｂとを連通させるオフ燃料ガス経路４ｂが接続されている。燃焼器１ｂは、オフ燃料ガス経路４ｂを介して、燃料電池５から排出される燃料ガスであるオフ燃料ガスを燃焼して、オフ燃焼ガスを生成する。なお、燃焼器１ｂには
別途原料を供給するための経路を直接形成してもよい。
【００６８】
ここで、原料とは、成分として少なくとも炭化水素を有する気体又は液体を意味し、例えば、天然ガス、石炭、石油、もしくはメタンハイドレートなどの化石燃料、都市ガスなどである。
【００６９】
ここで、水素生成器１の燃焼器１ｂで生成されたオフ燃焼ガスは、改質器１ａを加熱した後にオフ燃焼ガス経路９に排出され、排ガス熱交換器２０を介して排気部２４に集合した後、燃料電池システム１００外に排出される。なお、オフ燃焼ガスには、酸素、二酸化炭素、窒素、一酸化炭素、窒素酸化物が含まれている。
【００７０】
水供給器３は、冷却水貯水部１２ｂで貯えられている冷却水を改質器１ａに供給するものである。水供給器３としては、改質器１ａにその流量を調整しながら、冷却水を供給するように構成されていれば、どのような態様であってもよく、例えば、流量調整弁とポンプで構成することができる。また、これ以外にも流量調整可能なポンプで構成することもできる。
【００７１】
燃料電池５は、アノードとカソードを有している。なお、本実施の形態２においては、水素生成器１と燃料電池５とを別々に構成する態様を採用したが、これに限定されず、固体酸化物形燃料電池のように水素生成器１と燃料電池５が一体で構成されていてもよい。
【００７２】
この場合は、水素生成器１と燃料電池５とが共通の断熱材で覆われた一つのユニットとして構成され、水素生成器１の燃焼器１ｂは、改質器１ａだけでなく燃料電池５も加熱する。また、直接内部改質型固体酸化物形燃料電池においては、燃料電池５のアノードが改質器１ａの機能を有することから、燃料電池５のアノードと水素生成器１の改質器１ａとが一体で構成されていてもよい。
【００７３】
排ガス熱交換器２０は、熱回収水経路２５とオフ燃焼ガス経路９を接触するように設けられていて、熱回収水経路２５を通流する第１熱媒体とオフ燃焼ガス経路９を通流するオフ燃焼ガスとの間で熱交換するように構成されている。
【００７４】
なお、排ガス熱交換器２０で第１熱媒体と熱交換することにより、オフ燃焼ガス中の水蒸気が凝縮して、凝縮水が発生する。生成された凝縮水は、排ガス凝縮水経路２１を介して凝縮水貯水部１３ｂに回収される。凝縮水が回収された後のオフ燃焼ガスは、排気経路２３、排気部２４を介して燃料電池システム１００外に排出される。
【００７５】
熱回収水経路２５は、本実施の形態２においては、その一部が、燃料電池システム１００外に位置するように設けられている。熱回収水経路２５には、冷却水熱交換器１８、排空気熱交換器１９及び排ガス熱交換器２０が設けられている。そして、熱回収水経路２５内の熱媒体は、冷却水熱交換器１８、排空気熱交換器１９及び排ガス熱交換器２０で他の熱媒体と熱交換しながら通流する。なお、熱媒体としては、水又は不凍液（例えば、エチレングリーコール含有液）等を用いることができる。
【００７６】
次に本発明の実施の形態２の特徴部分である冷却水貯水部１２ｂ及び凝縮水貯水部１３ｂの構成について説明する。
【００７７】
冷却水貯水部１２ｂは、冷却水循環経路１０を介して冷却水が供給されるように構成されており、冷却水貯水部１２ｂ内の冷却水の余剰分は、排水経路２６を介して排水口から燃料電池システム１００外に排水できるよう構成されている。
【００７８】
凝縮水貯水部１３ｂは、排ガス凝縮水経路２１及び排空気凝縮水経路２２を介して、オフ燃焼ガス中及びオフ酸化剤ガス中の凝縮水を貯められるように構成されている。
【００７９】
さらに、冷却水貯水部１２ｂと凝縮水貯水部１３ｂとは、上部に空気連通部を有する第１隔壁２７と、下部に水連通部を有する第２隔壁２８により内部が重力方向に垂直な方向に仕切られ、冷却水の余剰分を外部に排出する排水経路２６が側壁に形成された容器によって一体に構成されている。
【００８０】
第１隔壁２７は、容器の内部を冷却水貯水部１２ｂと凝縮水貯水部１３ｂとに、第１隔壁２７の上端部よりも低水位の凝縮水貯水部１３ｂの凝縮水と冷却水貯水部１２ｂの冷却水とが混ざるのを防ぎながら凝縮水貯水部１３ｂの内部に流入した排ガスと冷却水貯水部１２ｂの内部の空気とが第１隔壁２７の上端部を介して混ざるように構成される。
【００８１】
凝縮水を回収した後のオフ燃焼ガス及びオフ酸化剤ガスは、冷却水貯水部１２ｂの鉛直方向上方に配置された排気経路２３、排気部２４を介して燃料電池システム１００外に排出される。第２隔壁２８の下端部よりも高水位に保たれた冷却水によって容器の内部の排ガスが排水口を通って外部に流出するのを防ぎながら第２隔壁２８の下端部によって冷却水の余剰分を排水経路２６から外部に排出できるように構成されている。
【００８２】
また、冷却水貯水部１２ｂ内の冷却水の余剰分は、排水経路２６を介して排水口から燃料電池システム１００外に排水できるよう構成されている。この構成とすることで、冷却水貯水部１２ｂと凝縮水貯水部１３ｂを一体に構成することが可能となる。
【００８３】
凝縮水貯水部１３ｂ内の凝縮水は、冷却水貯水部１２ｂよりも下流側に接続される凝縮水供給経路１５を介して冷却水循環経路１０に供給されるように構成されている。
【００８４】
この構成とすることにより、燃料電池５の運転中は凝縮水貯水部１３ｂに貯まる凝縮水が多くなり、冷却水貯水部１２ｂよりも高い水位となる凝縮水貯水部１３ｂの凝縮水を、冷却水貯水部１２ｂと凝縮水貯水部１３ｂの水位差から発生する水頭圧で凝縮水貯水部１３ｂの凝縮水を、凝縮水供給経路１５を介して冷却水循環経路１０に供給することが可能となる。また、冷却水循環ポンプ１１が冷却水貯水部１２ａの冷却水を吸い込む作用で、凝縮水供給経路１５の凝縮水が冷却水循環経路１０に引き込まれる。そのため、凝縮水供給経路１５のポンプが不要となる。
【００８５】
凝縮水貯水部１３ｂに貯えられている凝縮水は、若干の不純物を含むため、イオン交換樹脂等からなる浄化器１６を介して純水化され、凝縮水供給経路１５から冷却水循環経路１０に供給される。この構成とすることで、浄化が必要な凝縮水のみを浄化することが可能となる。そのため、浄化器１６のサイズを必要最小限にすることが可能となる。
【００８６】
凝縮水貯水部１３ｂ内には、凝縮水貯水部１３ｂの内部の凝縮水の水位を検知する水位センサ１４を備えるように構成されており、凝縮水貯水部１３ｂの水位は、凝縮水供給経路１５から冷却水循環経路１０に供給される凝縮水の流量を調整、または凝縮水供給経路１５を開閉できる水量調整器１７と、水位センサ１４の検知結果に基づいて水量調整器１７を制御する制御器１０１によって調整されるように構成されている。
【００８７】
この構成とすることで、凝縮水貯水部１３ｂの内部の凝縮水の水位を制御器１０１が水位センサ１４によって検知し、水位センサ１４の検知結果に基づいて凝縮水貯水部１３ｂの水位を調整することが可能となる。
【００８８】
このように構成された本発明の実施の形態２の燃料電池システム１００であれば、実施
の形態１の燃料電池システム１００と同様に、冷却水と凝縮水を独立・分離して循環することが不要となることから、凝縮水供給経路１５のポンプが不要となる。さらに、冷却水貯水部１２ｂと凝縮水貯水部１３ｂを一体に構成することが可能となるため、燃料電池システム１００の構成のより一層の簡素化と省エネ化が可能となる。
【００８９】
また、本実施の形態の制御器１０１は、冷却水循環ポンプ１１の停止時に凝縮水供給経路１５が水量調整器１７によって閉塞状態になるように水量調整器１７を制御するので、凝縮水貯水部１３ｂの水位が冷却水貯水部１２ｂの水位よりも低く、冷却水循環経路１０の冷却水循環ポンプ１１が冷却水貯水部１２ｂの冷却水を吸い込む作用で、凝縮水供給経路１５の凝縮水が冷却水循環経路１０に引き込まれていた場合でも、冷却水循環ポンプ１１の停止時に、冷却水循環経路１０の冷却水が凝縮水供給経路１５に流入することを抑制することが可能となる。そのため、浄化器１６が、冷却水の熱によって熱劣化することを防止することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池に冷却水貯水部及び凝縮水貯水部を備える燃料電池システムにおいて、凝縮水貯水部の凝縮水を冷却水循環経路に供給できるように構成することで、凝縮水供給経路のポンプが不要となる。そのため、燃料電池システムの構成の簡素化と省エネ化が可能となるため、例えば、家庭用燃料電池システムの分野で有用である。
【符号の説明】
【００９１】
１  水素生成器
１ａ  改質器
１ｂ  燃焼器
２  原料供給部
３  水供給器
４ａ  燃料ガス供給経路
４ｂ  オフ燃料ガス経路
５  燃料電池
６  ブロアー
７  酸化剤ガス供給経路
８  オフ酸化剤ガス経路
９  オフ燃焼ガス経路
１０  冷却水循環経路
１１  冷却水循環ポンプ
１２ａ，１２ｂ  冷却水貯水部
１３ａ，１３ｂ  凝縮水貯水部
１４  水位センサ
１５  凝縮水供給経路
１６  浄化器
１７  水量調整器
１８  冷却水熱交換器
１９  排空気熱交換器
２０  排ガス熱交換器
２１  排ガス凝縮水経路
２２  排空気凝縮水経路
２３  排気経路
２４  排気部
２５  熱回収水経路
２６  排水経路
２７  第１隔壁
２８  第２隔壁
１００  燃料電池システム
１０１  制御器
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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