JP2016152191A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】運転制御の簡素化と省エネ化が可能となる燃料電池システムを供給する。【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循環する冷却水循環経路９と、冷却水循環経路９に設けられ冷却水を貯える冷却水タンク１１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タンク１２と、凝縮水を冷却水循環経路９に供給する凝縮水供給経路１４と、を備えた燃料電池システム１００であって、凝縮水供給経路１４の他に凝縮水タンク１２の水を排出する経路がなく、冷却水タンク１１は、冷却水の余剰分を排水口から外部に排出できるように構成されている、燃料電池システム１００を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に冷却水タンク及び凝縮水タンクを備える燃料電池システムの構成に関するものである。

燃料電池は、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。一般的な家庭用燃料電池システムでは、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。

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は、現状ではインフラの整備が十分にされていないため、燃料電池システムには、通常、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。

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する。すなわち、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。

しかしながら、燃料電池システム内で、凝縮、回収された水（以下、凝縮水と呼ぶ）には、塩素成分等の殺菌成分が含まれていない。また、凝縮水は、回収される際に、燃料電池システム内の色々な部品や配管を通過するため、有機成分（ＴＯＣ：Total Organic Carbon）等の不純物が若干量含まれ、菌類や細菌といった微生物の増殖に好適な状態となっている。

このため、水を回収した後の酸化剤ガスを排気する排気口や、凝縮水の余剰分を排水する排水口等から菌類や細菌の微生物が侵入し、凝縮水が通流する流路で微生物が増殖することにより流路閉塞又は流路狭窄等が発生し、水の供給機能や浄化機能に障害が生じる場合がある。

このような問題を解決するために、燃料電池の冷却水により回収された冷却水の熱を利用して、凝縮水の加熱を行い、水温を一時的に加熱殺菌に必要な所定の温度（例えば４０℃以上５０℃未満）にすることで、凝縮水を加熱殺菌しながらも、凝縮水を浄化する水浄化器が熱劣化するよりも低い温度に抑え、水浄化器の長寿命化を図り、水浄化器のメンテナンス頻度を抑制する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）。

特許第４９２６２９８号公報

しかしながら、上記従来の構成では、凝縮水の水温を一時的に加熱殺菌に必要な所定の温度にするために、燃料電池を冷却して得られた高温の冷却水を用いて凝縮水の加熱殺菌するための運転制御が必要なこと、また、高温の冷却水を用いて凝縮水の加熱を行うために、凝縮水に供給した冷却水の熱を補うために燃料電池で発生した熱を使用しなければならないことから、燃料電池システムの運転制御の簡素化と、省エネ化に課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、運転制御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。

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、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、燃料電池の熱を回収する冷却水が循環する冷却水循環経路と、冷却水循環経路に設けられ冷却水を貯える冷却水タンクと、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タンクと、凝縮水を冷却水循環経路に供給する凝縮水供給経路とを備えた燃料電池システムであって、凝縮水供給経路の他に凝縮水タンクの水を排出する経路がなく、冷却水タンクは、冷却水の余剰分を排水口から外部に排出できるように構成される、燃料電池システムである。

この構成とすることにより、菌類や細菌といった微生物の発生の主要因であった排水口から侵入する外気に凝縮水が触れ続けることがなくなる。また、発電運転時は常に排気口からの排ガスが、燃料電池外部に排出されるため、凝縮水に触れる頻度が少なく、微生物の発生の懸念がない。

さらに、冷却水は燃料電池の発電運転中は常に微生物が発生しない温度に保たれる。そのため、従来必要であった微生物を加熱殺菌するための運転制御が不要となる。また、凝縮水の加熱が不要となるため、冷却水の熱を凝縮水に供給することが不要となる。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池に冷却水タンク及び凝縮水タンクを備える燃料電池システムにおいて、凝縮水供給経路の他に凝縮水タンクの水を排出する経路がなく、冷却水タンクは、冷却水の余剰分を排水口から外部に排出できるように構成することで、凝縮水を加熱殺菌するための運転制御が不要となる。

また、凝縮水の加熱が不要となるため、冷却水の熱を凝縮水に供給することが不要となる。そのため、燃料電池システムの運転制御の簡素化と省エネ化が可能となる。

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１におけるＡ部の給水時及び運転時の凝縮水タンク内の水位と構成部品の高さを示す概略図 図１におけるＡ部の水位上昇時の凝縮水タンク内の水位と構成部品の高さを示す概略図 図１におけるＡ部の水位低下時の凝縮水タンク内の水位と構成部品の高さを示す概略図 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 本発明の実施の形態３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

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、燃料電池の熱を回収する冷却水が循環する冷却水循環経路と、冷却水循環経路に設けられ冷却水を貯える冷却水タンクと、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タンクと、凝縮水を冷却水循環経路に供給する凝縮水供給経路とを備えた燃料電池システムであって、凝縮水供給経路の他に凝縮水タンクの水を排出する経路がなく、冷却水タンクは、冷却水の余剰分を排水口から外部に排出できるように構成される、燃料電池システムである。

この構成とすることで、菌類や細菌といった微生物の発生の主要因であった排水口から侵入する外気に凝縮水が触れ続けることがなくなる。また、発電運転時は常に排気口からの排ガスが、燃料電池外部に排出されるため、凝縮水に触れる頻度が少なく、微生物の発生の懸念がない。

さらに、冷却水は燃料電池の発電運転中は常に微生物が発生しない温度に保たれる。そのため、従来必要であった微生物を加熱殺菌するための運転制御が不要となる。さらに、凝縮水の加熱が不要となるため、冷却水の熱を凝縮水に供給することが不要となる。

第２の発明は、特に、第１の発明における凝縮水供給経路に、凝縮水タンクの凝縮水を浄化する浄化器を設けた燃料電池システムである。

この構成とすることにより、加熱されていない凝縮水のみが浄化器に供給されるため、浄化器の熱劣化を最小限に抑え、水浄化器の長寿命化を図ることが可能となり、水浄化器のメンテナンス頻度を抑制することが可能となる。

第３の発明は、特に、第１または第２に発明において、凝縮水供給経路から冷却水循環経路に供給される水の流量を調整できる水量調整器と、凝縮水タンクの内部の凝縮水の水位を検知する水位センサと、水位センサの検知結果に基づいて水量調整器を制御する前記制御器と、をさらに備えた、燃料電池システムである。

この構成とすることにより、凝縮水タンク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タンクの水位を調整することが可能となる。

第４の発明は、特に、第３の発明における制御器が、凝縮水の水位が予め定められた第１水位以上になったことを水位センサによって検知すると、第１水位以上になったことを水位センサによって検知する前よりも、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ように水量調整器を制御する、燃料電池システムである。

この構成とすることにより、凝縮水の水位が予め定められた第１水位以上になったことを検知すると、凝縮水供給経路から冷却水循環経路への給水量が増えなくなるので、凝縮水タンクが満水となるのを抑制することが可能となる。そのため、凝縮水タンクを通流する排ガスが凝縮水タンクの閉塞により、排気不良となるのを抑制することが可能となる。

第５の発明は、特に、第３または第４の発明における制御器が、凝縮水の水位が予め定められた第２水位以下になったことを水位センサによって検知すると、凝縮水供給経路から冷却水循環経路に給水しないように水量調整器を制御する、燃料電池システムである。

この構成とすることにより、凝縮水の水位が予め定められた第２水位以下になったこと
を検知すると、浄化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抑制と、水量調整器の空転による温度上昇に伴う故障を抑制することが可能となる。

第６の発明は、特に、第１から第５の発明のいずれか１つの発明に、燃料電池の発電に用いる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、原料ガスまたは水素含有ガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼器と、をさらに備え、凝縮水タンクは、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、燃料電池システムである。

この構成とすることにより、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が発生する燃料電池システムにおいても、菌類や細菌といった微生物の発生の主要因であった排水口から侵入する外気に凝縮水が触れ続けることがなくなる。また、発電運転時は常に排気口からの排ガスが、燃料電池外部に排出されるため、凝縮水に触れる頻度が少なく、微生物の発生の懸念がない。

さらに、冷却水は燃料電池の発電運転中は常に微生物が発生しない温度に保たれる。そのため、従来必要であった微生物を加熱殺菌するための運転制御が不要となる。さらに、凝縮水の加熱が不要となるため、冷却水の熱を凝縮水に供給することが不要となる。

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。

（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に冷却水タンク１１及び凝縮水タンク１２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。

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９、冷却水タンク１１、凝縮水タンク１２、凝縮水供給経路１４を備えている。

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。

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。

燃料電池５で使用されなかった酸化剤ガスは、排空気凝縮水経路２１、凝縮水タンク１２、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。

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。

冷却水熱交換器１８は、熱回収水経路２５と冷却水循環経路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熱媒体と冷却水循環経路９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９には、冷却水を循環するように冷却水循環ポンプ１０が設けられている。

冷却水循環ポンプ１０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されていてもよく、流量調整可能なポンプで構成されていてもよい。

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。

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。生成された凝縮水は、排空気凝縮水経路２１を介して凝縮水タンク１２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。

熱回収水経路２５は、本実施の形態１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。

次に、本発明の実施の形態１の特徴部分である冷却水タンク１１及び凝縮水タンク１２の構成について説明する。

冷却水タンク１１は、冷却水循環経路９を介して冷却水が供給されるように構成されており、冷却水タンク１１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。

凝縮水タンク１２は、排空気凝縮水経路２１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、凝縮水タンク１２内の凝縮水の余剰分は、凝縮水供給経路１４を介して冷却水循環経路９に供給されるように構成されている。

この構成とすることで、菌類や細菌といった微生物の発生の主要因であった排水口から侵入する外気に凝縮水が触れ続けることがなくなる。また、排気口からの外気は、発電運転時は常に燃料電池外部に排出されるため、凝縮水に触れる頻度が少なく、微生物の発生の懸念がない。

さらに、冷却水は燃料電池の発電運転中は常に微生物が発生しない温度（例えば４０℃以上）に保たれる。そのため、従来必要であった微生物を加熱殺菌するための運転制御が不要となる。さらに、凝縮水の加熱が不要となるため、冷却水の熱を凝縮水に供給することが不要となる。

凝縮水タンク１２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１５を介して純水化され、凝縮水供給経路１４から冷却水循環経路９に供給される。この構成とすることで、加熱されていない凝縮水のみが浄化器に供給されるため、浄化器の熱劣化を最小限に抑え、水浄化器の長寿命化を図ることが可能となり、水浄化器のメンテナンス頻度を抑制することが可能となる。

凝縮水タンク１２内には、凝縮水タンク１２の内部の凝縮水の水位を検知する水位センサ１３を備えるように構成されており、凝縮水タンク１２の水位は、凝縮水供給経路１４から冷却水循環経路９に供給される水の流量を調整できる凝縮水供給ポンプ１６と、水位センサ１３の検知結果に基づいて凝縮水供給ポンプ１６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。

この構成とすることで、凝縮水タンク１２の内部の凝縮水の水位を検知し、水位センサ１３の検知結果に基づいて凝縮水タンク１２の水位を調整することが可能となる。水位センサ１３としては、フロートスイッチを例示するが、水位が検知できればどのような態様であってもよい。

凝縮水供給ポンプ１６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、流量調整弁とポンプで構成されていてもよく、流量調整可能なポンプで構成されていてもよい。

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、どのような形態であってもよい。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。

なお、制御器１０１は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、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形態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。

［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。

図２Ａは、給水時及び運転時、図２Ｂは水位上昇時、図２Ｃは水位低下時の凝縮水タンク内の水位と構成部品の高さを示す概略図である。

図２Ａに示すように、燃料電池システム１００の凝縮水タンク１２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、凝縮水タンク１２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。また、燃料電池システム１００の発電運転時は凝縮水タンク１２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１４から冷却水循環経路９への給水量を制御器１０１により制御している。

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以上になったことを水位センサ１３によって検知すると、制御
器１０１は、水位がＨ２以上になったことを水位センサ１３によって検知する前よりも、凝縮水供給経路１４から冷却水循環経路９への給水量が増えるように凝縮水供給ポンプ１６を制御するように構成されている。

ここで、「第１水位」は、水位センサ１３が高さＨ２以上となる水位を示す。この制御とすることにより、凝縮水の水位がＨ２以上になったことを検知すると、凝縮水供給経路１４から冷却水循環経路９への給水量が増えるようにすることで、凝縮水タンク１２が満水となるのを抑制することが可能となる。そのため、凝縮水タンク１２を通流する排ガスが凝縮水タンク１２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。

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以下になったことを水位センサ１３によって検知すると、制御器１０１は、凝縮水供給経路１４から冷却水循環経路９に凝縮水を給水しないように凝縮水供給ポンプ１６を制御するように構成されている。ここで、「第２水位」は、水位センサ１３が高さＨ１以下となる水位を示す。

これにより、凝縮水の水位が、予め定められたＨ１以下になったことを検知すると、凝縮水が冷却水循環経路９に給水されなくなることで、凝縮水供給経路１４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が劣化する浄化器１５の劣化抑制と、凝縮水供給ポンプ１６の空転による温度上昇に伴う故障を抑制することが可能となる。

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に冷却水タンク１１及び凝縮水タンク１２を備える燃料電池システム１００において、凝縮水供給経路１４の他に凝縮水タンク１２の水を排出する経路がなく、冷却水タンク１１は、冷却水の余剰分を排水口から外部に排出できるように構成することで、凝縮水を加熱殺菌するための運転制御が不要となる。

また、凝縮水の加熱が不要となるため、冷却水の熱を凝縮水に供給することが不要となる。そのため、燃料電池システム１００の運転制御の簡素化と省エネ化が可能となる。

（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に冷却水タンク１１及び凝縮水タンク１２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。

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、凝縮水タンク１２の配置構成が異なる。

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。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、例えば、流量調整弁とポンプで構成されていてもよく、流量調整可能なポンプで構成されていてもよい。

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。

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。

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８に排出され、排気経路２３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。

水供給器３は、凝縮水タンク１２で貯えられている凝縮水を改質器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、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、流量調整弁とポンプで構成されていてもよく、流量調整可能なポンプで構成されていてもよい。

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。

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。

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熱媒体とオフ燃焼ガス経路８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。

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２２を介して凝縮水タンク１２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。

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。

次に本発明の実施の形態２の特徴部分である冷却水タンク１１及び凝縮水タンク１２の構成について説明する。

冷却水タンク１１は、冷却水循環経路９を介して冷却水が供給されるように構成されて
おり、冷却水タンク１１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。

凝縮水タンク１２は、冷却水タンク１１の鉛直方向上方に配置されており、排空気凝縮水経路２１、排ガス凝縮水経路２２を介して、オフ酸化剤ガス及びオフ燃焼ガス中の凝縮水を貯められるように構成されており、凝縮水タンク１２内の凝縮水の余剰分は、凝縮水供給経路１４を介して冷却水循環経路９に供給されるように構成されている。

この構成とすることで、凝縮水供給経路１４を介して冷却水循環経路９に供給される凝縮水の余剰分を、凝縮水タンク１２の鉛直方向下方に配置されている冷却水タンク１１に重力を利用した自然落下で供給することが可能となる。

凝縮水タンク１２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１５を介して純水化され、冷却水循環経路９に供給される。

凝縮水タンク１２内には、凝縮水タンク１２の内部の凝縮水の水位を検知する水位センサ１３を備えるように構成されており、凝縮水タンク１２の水位は、凝縮水供給経路１４から冷却水循環経路９に供給される水の水位を調整できる凝縮水供給弁１７と、水位センサ１３の検知結果に基づいて凝縮水供給弁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。

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を具体的に構成し、実施の形態１と同様に、凝縮水を加熱殺菌するための運転制御が不要となる。また、凝縮水の加熱が不要となるため、冷却水の熱を凝縮水に供給することが不要となる。

そのため、燃料電池システム１００の運転制御の簡素化と、省エネ化が可能となる効果を奏功しつつも、凝縮水供給ポンプ１６を凝縮水供給弁１７に置き換えることが可能となり、流量調整器使用時の消費電力を抑え、より一層の省エネ化を図ることが可能となる。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池５に冷却水タンク１１及び凝縮水タンク１２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。

図４に示すように、本発明の実施の形態３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、冷却水タンク１１及び凝縮水タンク１２の配置が異なる。

本発明の実施の形態３の特徴部分である冷却水タンク１１及び凝縮水タンク１２の構成について説明する。

冷却水タンク１１は、冷却水循環経路９を介して冷却水が供給されるように構成されており、冷却水タンク１１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。

また、冷却水タンク１１は、凝縮水タンク１２の鉛直方向下方に配置されており、冷却水タンク１１に接続される凝縮水供給経路１４の下端は、冷却水タンク１１に予め設定されている最低水位よりも鉛直方向の下方の冷却水タンク内部に配置されるように構成されている。

凝縮水タンク１２は、下部に水連通部を有する隔壁により内部が重力方向に垂直な方向に仕切られ、排空気凝縮水経路２１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、凝縮水タンク１２内の凝縮水の余剰分のみが冷却水タンク１１に供給されるように構成されている。

この構成とすることで、凝縮水タンク１２に貯えられた凝縮水の余剰分のみが鉛直方向下方に配置されている冷却水タンク１１に重力を利用した自然落下で供給することが可能となる。また、凝縮水供給経路１４の下端は、冷却水タンク１１の水の中に配置されているため、排気口からの外気に凝縮水が触れることがない。

凝縮水タンク１２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１５を介して純水化され、凝縮水供給ポンプ１６で凝縮水タンク１２に循環するように構成されている。

このように構成された本発明の実施の形態３の燃料電池システム１００であれば、実施の形態１と同様に、凝縮水を加熱殺菌するための運転制御が不要となる。また、凝縮水の加熱が不要となるため、冷却水の熱を凝縮水に供給することが不要となる。

そのため、燃料電池システム１００の運転制御の簡素化と省エネ化が可能となる効果を奏功しつつも、水位センサ１３を廃止することが可能となり、水位センサ使用時の消費電力を抑え、より一層の省エネ化を図ると共に、燃料電池システムの簡素化を図ることが可能となる。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池に冷却水タンク及び凝縮水タンクを備える燃料電池システムにおいて、凝縮水供給経路の他に凝縮水タンクの水を排出する経路がなく、冷却水タンクは、冷却水の余剰分を排水口から外部に排出できるように構成することで、凝縮水を加熱殺菌するための運転制御が不要となる。また、凝縮水の加熱が不要となるため、冷却水の熱を凝縮水に供給することが不要となる。そのため、燃料電池システムの運転制御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。

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 オフ燃焼ガス経路
９ 冷却水循環経路
１０ 冷却水循環ポンプ
１１ 冷却水タンク
１２ 凝縮水タンク
１３ 水位センサ
１４ 凝縮水供給経路
１５ 浄化器
１６ 凝縮水供給ポンプ
１７ 凝縮水供給弁
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 排空気凝縮水経路
２２ 排ガス凝縮水経路
２３ 排気経路
２４ 排気部
２５ 熱回収水経路
２６ 排水経路
１００ 燃料電池システム
１０１ 制御器

Claims (6)

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前記冷却水を貯える冷却水タンクと、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タンクと、前記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、を備えた燃料電池システムであって、前記凝縮水供給経路の他に前記凝縮水タンクの水を排出する経路がなく、前記冷却水タンクは、前記冷却水の余剰分を排水口から外部に排出できるように構成される、燃料電池システム。
2. 前記凝縮水供給経路に、前記凝縮水タンク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。
3. 前記凝縮水供給経路から前記冷却水循環経路に供給される水の流量を調整できる水量調整器と、前記凝縮水タンクの内部の前記凝縮水の水位を検知する水位センサと、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制御器と、
   をさらに備えた、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
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水位以上になったことを前記水位センサによって検知すると、前記第１水位以上になったことを前記水位センサによって検知する前よりも、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。
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水位以下になっ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。
6. 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、
   前記凝縮水タンクは、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５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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