JP2017182908A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】貯湯槽から圧力逃がし弁を介してシステム外へ排水する排水経路を不要とする燃料電池システムを得る。【解決手段】燃料電池システム１０は、セルスタック１８を備える燃料電池ユニット１２と、湯水を貯める貯湯タンク１４と、貯湯タンク１４に接続されて貯湯タンク１４内の湯水を燃料電池ユニット１２との間で循環させる湯水循環経路１６と、セルスタック１８から排出されるオフガスと湯水循環経路１６を流通する湯水との間で熱交換を行う熱交換器２２と、を有する。湯水循環経路１６には、湯水を水蒸気及び液体の水の少なくとも一方として透過させる疎水性多孔膜を備え、該疎水性多孔膜が湯水の一部を透過させることで湯水循環経路１６と接続される貯湯タンク１４の圧力を低下させると共に、前記疎水性多孔膜を透過した水蒸気及び液体の水の少なくとも一方を大気中に放出又は再利用する構成とされた膜ユニット５０が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池コージェネレーションシステムでは、発電時に発生した熱を回収するために、オフガスの熱を熱交換器を用いて温水として回収して貯湯タンクに貯留し、必要に応じて貯留する温水を給湯や暖房等に利用することが行われている。その際、貯湯タンクの内圧の上昇を抑える必要がある。

下記特許文献１に記載のシステムでは、貯湯タンクの上部に接続される配管に圧力逃がし弁を配置し、貯湯タンクの内圧が上昇したときに、体積膨張分の水を圧力逃がし弁からシステム外へ排出している。

特開２００５−２９１６２６号公報

上記特許文献１に記載のシステムでは、貯湯タンク内の圧力の上昇を防ぐうえでは有効であるが、貯湯タンクから圧力逃がし弁を介してシステム外へ排水するための経路と、その経路を排水配管に繋ぐ現場工事が必要である。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、貯湯槽から圧力逃がし弁を介してシステム外へ排水する排水経路を不要とする燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料電池本体を備える燃料電池ユニットと、湯水を貯める貯湯槽と、前記貯湯槽に接続され、前記燃料電池ユニットとの間で前記貯湯槽内の湯水を循環させる湯水循環経路と、前記燃料電池ユニットに設けられ、前記燃料電池本体から排出されるオフガスと前記湯水循環経路を循環する湯水との間で熱交換を行う熱交換器と、前記湯水循環経路に設けられ、湯水を水蒸気及び液体の水の少なくとも一方として透過させる膜を備え、前記膜が湯水の一部を透過させることで前記湯水循環経路と接続される前記貯湯槽の圧力を低下させると共に、前記膜を透過した水蒸気及び液体の水の少なくとも一方を大気中に放出又は再利用する構成とされた圧力低下機構と、を有する。

請求項１に記載の発明によれば、湯水を貯める貯湯槽には、湯水循環経路が接続されており、貯湯槽内の湯水が燃料電池ユニットとの間で湯水循環経路を循環される。燃料電池ユニットには、熱交換器が設けられており、熱交換器により、燃料電池本体から排出されるオフガスと湯水循環経路を循環する湯水との間で熱交換を行うことで、熱が回収されて湯水が昇温される。また、湯水循環経路には、湯水を水蒸気及び液体の水の少なくとも一方として透過させる膜を備えた圧力低下機構が設けられており、湯水の一部が水蒸気及び液体の水の少なくとも一方として膜を透過することで、湯水循環経路と接続される貯湯槽の圧力を低下させる。さらに、圧力低下機構では、膜を透過した水蒸気及び液体の水の少なくとも一方を大気中に放出又は再利用する構成とされている。これにより、貯湯槽に接続される配管に、貯湯槽の内圧の上昇を防ぐために圧力逃がし弁を配置すると共に、貯湯槽から圧力逃がし弁を介してシステム外へ排水する排水経路を設けることが不要となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記膜は、前記湯水循環経路を循環する湯水の一部を水蒸気として透過させる疎水性多孔膜であり、前記疎水性多孔膜は、前記湯水循環経路における前記貯湯槽の上流側、かつ前記熱交換器の下流側に設けられている。

請求項２に記載の発明によれば、膜は、湯水循環経路を循環する湯水の一部を水蒸気として透過させる疎水性多孔膜であり、疎水性多孔膜は、湯水循環経路における貯湯槽の上流側、かつ熱交換器の下流側に設けられている。これにより、熱交換器で熱が回収された湯水が、湯水循環経路を循環して貯湯槽に導かれる途中で、疎水性多孔膜と接触する。その際、疎水性多孔膜の湯水の側と透過する側とで温度差が生じやすく、より多くの水蒸気が疎水性多孔膜を透過するため、貯湯槽の圧力を低下させる効果が向上する。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記圧力低下機構は、前記疎水性多孔膜を透過した前記水蒸気を含む空気が流通すると共に、前記水蒸気を含む空気が大気中に排出される排出管を備えた空気流通路と、前記空気流通路に空気を送る送風手段と、を備える。

請求項３に記載の発明によれば、送風手段により空気流通路に空気を送ることで、疎水性多孔膜を透過した水蒸気を含む空気が空気流通路を流通する。そして、空気流通路を流通する水蒸気を含む空気が、空気流通路に備えられた排出管から大気中に排出される。このため、簡易な構成により、貯湯槽の圧力を低下させることができると共に、排水配管が不要となる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記湯水循環経路の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段で検出された圧力に基づき、前記送風手段を駆動する制御部と、を有する。

請求項４に記載の発明によれば、圧力検出手段により湯水循環経路の圧力が検出され、圧力検出手段で検出された圧力に基づき、制御部で送風手段を駆動することにより、空気流通路に空気が送られる。これにより、疎水性多孔膜を透過した水蒸気を含む空気が、空気流通路を流通し、排気管から大気中に排出される。このため、例えば、湯水循環経路の圧力が所定の閾値よりも大きい場合に、湯水循環経路及び貯湯槽の圧力を効果的に低下させることができると共に、無駄に湯水（回収した熱）を捨てなくて済む。

請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記貯湯槽に設けられ、蓄熱量を検出する複数の蓄熱量検出手段と、前記複数の蓄熱量検出手段で検出された蓄熱量に基づき、前記送風手段を駆動する制御部と、を有する。

請求項５に記載の発明によれば、複数の蓄熱量検出手段により、貯湯槽の蓄熱量が検出される。さらに、複数の蓄熱量検出手段で検出された蓄熱量に基づき、制御部で送風手段を駆動することにより、空気流通路に空気が送られる。これにより、疎水性多孔膜を透過した水蒸気を含む空気が、空気流通路を流通し、排気管から大気中に排出される。例えば、蓄熱量が所定の閾値よりも上昇した場合には、圧力も上がっていると想定されるため、湯水循環経路及び貯湯槽の圧力を効果的に低下させることができると共に、無駄に湯水（回収した熱）を捨てなくて済む。

請求項６に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池ユニットに設けられ、原料ガスを水蒸気改質して前記燃料電池本体に供給するための改質ガスを生成する改質器と、改質水が貯留される改質水貯留槽と、前記改質水貯留槽に接続され、前記改質水貯留槽に貯留されている前記改質水を前記改質器に供給する供給経路と、を有すると共に、前記圧力低下機構は、前記疎水性多孔膜を前記水蒸気が透過する側に設けられ、前記改質水貯留槽内の前記改質水を循環させる改質水循環経路と、前記改質水循環経路に設けられ、前記改質水を循環するポンプと、を備える。

請求項６に記載の発明によれば、燃料電池ユニットには、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器が設けられており、改質器から改質ガスが燃料電池本体に供給される。また、燃料電池システムには、改質水が貯留される改質水貯留槽と、改質水貯留槽に接続される供給経路とが設けられており、改質水貯留槽の改質水が供給経路を介して燃料電池ユニットの改質器に供給される。さらに、圧力低下機構には、疎水性多孔膜を水蒸気が透過する側に、改質水貯留槽内の改質水を循環させる改質水循環経路が設けられおり、ポンプにより改質水循環経路の改質水を循環する。これにより、疎水性多孔膜を透過した水を含んだ改質水が改質水循環経路を循環され、改質水が改質水貯留槽に貯留される。このため、改質器で水蒸気改質に用いる改質水として、疎水性多孔膜を透過した水を利用することができ、排水配管が不要となる。また、疎水性多孔膜を透過した水蒸気は、不純物が除去された改質水となり、改質水貯留槽の改質水が燃料電池ユニットの改質器に供給されるため、イオン交換樹脂等の水処理装置を新たに設ける必要がない。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、前記熱交換器にて冷却された前記オフガス中の水蒸気が凝縮されて得られる凝縮水を前記改質水貯留槽に回収する凝縮水回収経路が設けられている。

請求項７に記載の発明によれば、燃料電池システムには、熱交換器にて冷却されたオフガス中の水蒸気が凝縮されて得られる凝縮水を改質水貯留槽に回収する凝縮水回収経路が設けられている。これにより、オフガス中の水蒸気が凝縮されて得られる凝縮水が、凝縮水回収経路を通じて改質水貯留槽に回収される。このため、オフガス中の水蒸気が凝縮されて得られる凝縮水と、疎水性多孔膜を透過した水を含んだ改質水が、燃料電池本体の発電に再利用される。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、前記湯水循環経路の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段で検出された圧力に基づき、前記ポンプを駆動する制御部と、を有する。

請求項８に記載の発明によれば、圧力検出手段により湯水循環経路の圧力が検出され、圧力検出手段で検出された圧力に基づき、制御部でポンプを駆動する。これにより、疎水性多孔膜を透過した水を含んだ改質水が改質水循環経路を循環される。このため、例えば、湯水循環経路の圧力が所定の閾値よりも大きい場合に、湯水循環経路及び貯湯槽の圧力を効果的に低下させることができると共に、常に疎水性多孔膜から水を回収しなくてもよい。

請求項９に記載の発明は、請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、前記貯湯槽に設けられ、蓄熱量を検出する複数の蓄熱量検出手段と、前記複数の蓄熱量検出手段で検出された蓄熱量に基づき、前記ポンプを駆動する制御部と、を有する。

請求項９に記載の発明によれば、複数の蓄熱量検出手段により、貯湯槽の蓄熱量が検出される。さらに、複数の蓄熱量検出手段で検出された蓄熱量に基づき、制御部でポンプを駆動する。これにより、疎水性多孔膜を透過した水を含んだ改質水が改質水循環経路を循環される。例えば、蓄熱量が所定の閾値よりも上昇した場合には、圧力も上がっていると想定されるため、ポンプを駆動することで、貯湯槽の圧力を効果的に低下させることができると共に、常に疎水性多孔膜から水を回収しなくてもよい。

請求項１０に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池ユニットに設けられ、原料ガスを水蒸気改質して前記燃料電池本体に供給するための改質ガスを生成する改質器と、前記熱交換器にて冷却された前記オフガス中の水蒸気が凝縮されて得られる凝縮水を回収して貯留する水貯留槽と、前記水貯留槽に接続され、前記水貯留槽に貯留されている水を前記改質器に供給する水供給経路と、を有し、前記膜は、前記湯水循環経路を循環する湯水の一部を少なくとも液体の水として透過させる逆浸透膜であり、前記圧力低下機構は、前記逆浸透膜を透過した水を前記水貯留槽に回収する回収経路を備える。

請求項１０に記載の発明によれば、燃料電池ユニットには、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器が設けられており、改質器から改質ガスが燃料電池本体に供給される。また、熱交換器にて冷却されたオフガス中の水蒸気が凝縮されて得られる凝縮水が、水貯留槽に回収されて貯留される。水貯留槽には、水貯留槽に貯留されている水を燃料電池ユニットの改質器に供給する水供給経路が接続されており、水貯留槽の水が水供給経路を介して改質器に供給される。さらに、膜は、湯水循環経路を循環する湯水の一部を少なくとも液体の水として透過させる逆浸透膜であり、圧力低下機構は、逆浸透膜を透過した水を水貯留槽に回収する回収経路を備えている。これにより、湯水循環経路を循環する湯水の一部が少なくとも液体の水として逆浸透膜を透過し、逆浸透膜を透過した水が回収経路により水貯留槽に回収され、水貯留槽の水が改質器に供給される。このため、改質器で水蒸気改質に用いる改質水として、逆浸透膜を透過した水を利用することができ、排水配管が不要となる。

請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の燃料電池システムにおいて、前記逆浸透膜は、前記湯水循環経路における前記熱交換器の上流側、かつ前記貯湯槽の下流側に設けられている。

請求項１１に記載の発明によれば、逆浸透膜は、湯水循環経路における熱交換器の上流側、かつ貯湯槽の下流側に設けられている。これにより、湯水循環経路を循環する水が熱交換器に導入される前に逆浸透膜と接触するため、逆浸透膜が高温となることが抑制され、逆浸透膜の耐久性を向上させることができる。

請求項１２に記載の発明は、請求項１０又は請求項１１に記載の燃料電池システムにおいて、前記水供給経路には、前記改質器に供給される水を浄化処理する水処理装置が設けられている。

請求項１２に記載の発明によれば、水供給経路には、燃料電池ユニットの改質器に供給される水を浄化処理する水処理装置が設けられている。このため、オフガス中の水蒸気が凝縮されて得られる凝縮水と、逆浸透膜を透過した水とで、水処理装置を共通化することができる。

本発明によれば、貯湯タンクから圧力逃がし弁を介してシステム外へ排水する排水経路を不要とする燃料電池システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 図１に示す燃料電池システムに用いられる膜ユニットを示す、一部を破断した斜視図である。 図１に示す燃料電池システムの第１変形例を示す概略構成図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 図４に示す燃料電池システムに用いられる膜ユニットを示す、一部を破断した斜視図である。 図４に示す燃料電池システムの第３変形例を示す概略構成図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲がある場合は、数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。

〔第１実施形態〕
図１及び図２を用いて、本発明の第１実施形態である燃料電池システムについて説明する。

図１には、本発明の第１実施形態である燃料電池システム１０が概略構成図にて示されている。図２には、図１に示す燃料電池システム１０に用いられる圧力低下機構としての膜ユニット５０が一部を破断した斜視図にて示されている。図１に示されるように、燃料電池システム１０は、燃料電池ユニット１２と、湯水を貯める貯湯槽としての貯湯タンク１４と、貯湯タンク１４に接続されると共に燃料電池ユニット１２の後述する熱交換器２２との間で貯湯タンク１４内の湯水を循環させる湯水循環経路１６と、を備えている。

燃料電池ユニット１２は、燃料電池本体としてのセルスタック（燃料電池スタック）１８と、原料ガスを水蒸気改質してセルスタック１８に供給するための改質ガスを生成する改質器２０と、を備えている。さらに、燃料電池ユニット１２は、セルスタック１８から排出されるオフガスと湯水循環経路１６を流通する湯水との間で熱交換を行う熱交換器２２を備えている。

セルスタック１８は、燃料及び酸素を供給することで発電する機能を有する。改質器２０には、原料ガスを供給する原料ガス供給経路２４が接続されており、原料ガス供給経路２４には、原料ガスを流通させるブロア２５が設けられている。また、改質器２０には、後述する改質水貯留タンク４０から改質水を供給する改質水供給経路（供給経路）３０が接続されており、改質水供給経路３０には、改質水（凝縮水）を流通させるポンプ３２が設けられている。改質水供給経路３０には、図示しない気化器が設けられており、気化器により気化された水蒸気が、改質器２０に供給されるようになっている。

改質器２０とセルスタック１８との間には、改質器２０から改質ガスをセルスタック１８に供給する改質ガス供給経路２６が接続されている。セルスタック１８には、酸素を供給する酸素供給経路２８が接続されており、酸素供給経路２８には、酸素を流通させるブロア２９が接続されている。

また、セルスタック１８には、セルスタック１８から排出されるオフガスを熱交換器２２に供給する排気経路３４が接続されている。熱交換器２２では、排気経路３４を流通するオフガスと湯水循環経路１６を流通する湯水との間で熱交換を行う。これにより、排気経路３４を流通するオフガスが冷却され、オフガス中に含まれる水蒸気が凝縮されると共に、湯水循環経路１６を循環する湯水が熱を回収するようになっている。熱交換器２２には、排気経路３４と繋がると共に、排気経路３４の水蒸気が凝縮されて得られる凝縮水を回収する凝縮水回収経路としての回収経路３６が接続されている。回収経路３６には、凝集水を浄化する、すなわち凝集水に含まれる不純物を除去する水処理装置３８が設けられている。水処理装置３８には、例えば、交換や薬品による再生処理が必要なイオン交換樹脂を有する水処理装置、又は、イオン交換樹脂を電気的に再生可能な電気脱イオン式の水処理装置などが用いられている。

さらに、回収経路３６の下流側には、水処理装置３８により不純物が除去された改質水が貯留される改質水貯留槽としての改質水貯留タンク４０が設けられている。

ここで、燃料電池ユニット１２について、より詳細に説明する。
原料ガス供給経路２４を通じて改質器２０に供給される原料ガスとしては、水蒸気改質が可能な炭化水素ガスを含むものであれば特に限定されず、例えば、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示され、特に、低級炭化水素ガスとしてのメタンが好ましい。

図示を省略するが、改質器２０は、バーナ又は燃焼触媒を配置した燃焼部と、改質用触媒を備える改質部と、を備えている。改質部にて炭化水素ガスを水蒸気改質した後に、生成された改質ガスが改質ガス供給経路２６を通じてセルスタック１８に供給される。燃焼部は、燃焼熱により改質部を加熱するものであり、例えば、酸素と、炭化水素ガスを含む原料ガスと、を燃焼反応させたり、セルスタック１８から排出されるカソードオフガス中の未反応の酸素と、アノードオフガス中の未反応の水素と、を燃焼反応させたりして改質部を加熱する。燃焼反応により生じた排ガスは、排気経路３４に供給され、さらに排気経路３４に回収経路３６を介して接続される排出路３７から燃料電池ユニット１２の外部に排出される。

炭化水素ガスの一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、改質器２０にて、以下の式（ａ）の反応により一酸化炭素および水素が生成される。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２・・・・（ａ）

セルスタック１８は、例えば、空気極（カソード）、電解質及び燃料極（アノード）を備える燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックで構成されている。燃料電池のアノードには、改質ガス供給経路２６を通じて改質ガスが供給され、燃料電池のカソードには、酸素供給経路２８を通じて酸素を含むガスが供給される。そして、改質ガスと酸素との電気化学的な反応により、主に水蒸気（溶融炭酸塩形燃料電池では主に水蒸気及び二酸化炭素）が生成される。また、アノードで生成された電子は、外部回路を通じてカソードに移動する。このようにして電子がアノードからカソードに移動することにより、燃料電池スタックにて発電が行なわれる。そして、アノード及びカソードから排出されたオフガスは、前述のように改質器２０の燃焼部に供給され、未反応の水素及び酸素が燃焼反応に用いられた後、排気経路３４を通じて排出されてもよく、燃焼部に供給されずに排気経路３４を通じて直接排出されてもよい。

また、燃料電池システム１０では、湯水循環経路１６は、貯湯タンク１４の上下方向の下部１４Ｂに接続されると共に貯湯タンク１４から熱交換器２２に湯水を供給する第１循環経路１６Ａを備えている。さらに、湯水循環経路１６は、熱交換器２２から貯湯タンク１４に湯水を回収すると共に貯湯タンク１４の上下方向の上部１４Ａに接続される第２循環経路１６Ｂを備えている。第１循環経路１６Ａには、貯湯タンク１４からの湯水を冷却するラジエータ４４と、湯水循環経路１６に湯水を循環させるポンプ４６とが設けられている。ラジエータ４４は、第１循環経路１６Ａにおけるポンプ４６よりも貯湯タンク１４側に配置されており、第１循環経路１６Ａを流通する湯水の温度を調整し（例えば約３０℃に冷却し）、熱交換器２２に供給するようになっている。

第２循環経路１６Ｂは、熱交換器２２の下流側に配置されており、第２循環経路１６Ｂには、熱交換器２２によりオフガスとの間で熱交換されることで、昇温された（温度が上昇した）湯水が流通するようになっている。第２循環経路１６Ｂには、例えば、約７５℃の湯水が流通する。第２循環経路１６Ｂには、第２循環経路１６Ｂを流通する湯水の一部を水蒸気及び液体の水の少なくとも一方として膜（本実施形態では、後述する疎水性多孔膜７４）を透過させることで、圧力を低下させる圧力低下機構としての膜ユニット５０が設けられている。膜ユニット５０は、湯水循環経路１６における熱交換器２２の下流側、かつ貯湯タンク１４の上流側の第２循環経路１６Ｂに配置されている。膜ユニット５０については、後に説明する。

第２循環経路１６Ｂにおける膜ユニット５０の下流側には、第２循環経路１６Ｂの圧力を検出する圧力検出手段としての圧力計（圧力センサ）５２が設けられている。本実施形態では、圧力計５２は、第２循環経路１６Ｂにおける膜ユニット５０と貯湯タンク１４との間に配置されている。圧力計５２は、電気回線５４を介して制御部５６に電気的に接続されている。制御部５６は、後述する送風手段としてのファン８２と電気回線５７を介して電気的に接続されており、圧力計５２で検出された圧力に基づき、ファン８２の駆動を制御する。圧力計５２による制御については、後に説明する。

貯湯タンク１４は、セルスタック１８から排出されるオフガスの熱を熱交換器２２にて回収した湯水を貯留する容器である。貯湯タンク１４の上下方向の下部１４Ｂには、第１給水経路６０が接続されており、第１給水経路６０を通じて貯湯タンク１４に水が供給されるようになっている。第１給水経路６０には、水の逆流を防止する給水逆止弁６２が設けられている。第１給水経路６０からの水の供給時の圧力は、例えば、０．２〜０．３７ＭＰａとされている。また、貯湯タンク１４の上下方向の上部１４Ａには、出湯経路６４が接続されており、出湯経路６４を通じて貯湯タンク１４から湯水がシステム外に供給されるようになっている。出湯経路６４には、出湯経路６４を開閉させる給湯栓６６が設けられている。第１給水経路６０と出湯経路６４との間には、第１給水経路６０から出湯経路６４に水を供給する第２給水経路６８が接続されており、第２給水経路６８と出湯経路６４との接続部には、混合弁７０が設けられている。これにより、出湯経路６４を通じてシステム外へ供給される湯水は、第２給水経路６８を通じて供給された水と混合弁７０で適温に混合され、例えば、給湯や暖房に使用される。

貯湯タンク１４は、第１給水経路６０と接続されている供給口付近である下部１４Ｂから第１循環経路１６Ａに湯水を供給し、出湯経路６４と接続されている出湯口付近である上部１４Ａから第２循環経路１６Ｂを流通した湯水を回収する。そのため、貯湯タンク１４に貯留されている湯水では、温度勾配が生じており、下部１４Ｂから上部１４Ａに向かって貯留されている湯水の温度が上昇する。

図２に示されるように、膜ユニット５０は、略円筒状の筒状部７２Ａを有する筐体７２と、筐体７２の内部に配置された略円筒状の膜としての疎水性多孔膜７４と、を備えている。筐体７２の軸方向の両端部には、筒状部７２Ａを塞ぐ壁部７２Ｂが設けられている。疎水性多孔膜７４は、その中心部が、筐体７２の筒状部７２Ａの中心部とほぼ一致するように配置されており、疎水性多孔膜７４の外径は、筒状部７２Ａの内径よりも小さい。すなわち、疎水性多孔膜７４は、筒状部７２Ａと間隔をおいて配置されている。

疎水性多孔膜７４の内側（半径方向内側）には、上流側と下流側で第２循環経路１６Ｂと繋がる湯水流通路７６が設けられている。これにより、湯水流通路７６に第２循環経路１６Ｂの湯水が流通するようになっている。疎水性多孔膜７４の外側（半径方向外側）には、筒状部７２Ａと疎水性多孔膜７４との間で空気が流れる空気流通路７８が設けられている。筐体７２の軸方向の一端部には、空気流通路７８と連通すると共に空気が送り込まれる空気供給路８０が接続されており、空気供給路８０の端部には、空気流通路７８に空気を吹き込む送風手段としてのファン８２が設けられている。筐体７２の軸方向の他端部には、空気流通路７８を通った空気が排出される排出管８４が設けられている。排出管８４は、大気開放されている。ファン８２の駆動により空気供給路８０に送り込まれた空気は、疎水性多孔膜７４が配置された空気流通路７８を通過する。さらに、空気流通路７８を通過した空気は、排出管８４から大気中に排出（放出）される。

疎水性多孔膜７４は、第２循環経路１６Ｂから湯水流通路７６を流通する湯水の一部を水蒸気として透過させる機能を有する。言い換えると、疎水性多孔膜７４は、膜蒸留が可能な膜であり、湯水流通路７６側と空気流通路７８側との分圧差などがあることで、湯水流通路７６の湯水の一部を水蒸気として空気流通路７８側に透過させるものである。図２では、疎水性多孔膜７４を模式的に示しているが、疎水性多孔膜７４は、水蒸気を透過する複数の微細な孔７４Ａを備えている。

疎水性多孔膜７４を透過する水蒸気の量（ｍｌ／分）は、疎水性多孔膜の種類、面積、湯水流通路７６を流通する湯水と空気流通路７８を流通する空気との分圧差など、種々の要因によって定まる。本実施形態では、湯水流通路７６を流通する湯水と空気流通路７８を流通する空気との分圧差を大きくするために、第２循環経路１６Ｂに膜ユニット５０を設けることで、湯水流通路７６を流通する湯水と空気流通路７８を流通する空気との温度差が大きくなるようにしている。

疎水性多孔膜７４としては、湯水流通路７６を流通する湯水の一部を水蒸気として透過させる膜、すなわち、膜蒸留が可能な膜であれば特に限定されない。疎水性多孔膜７４としては、例えば、フッ素系樹脂製の膜を用いてもよく、好ましくは、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）などのフッ素系樹脂製の膜を用いてもよい。なお、膜蒸留とは、疎水性多孔膜を介した際に生じる蒸気圧差を駆動力として水と溶質とを分離する技術のことである。

また、透過側の水蒸気分圧を下げる方法としては、（１）透過側に低温水を流す方法（ＤＣＭＤ；Direct Contact Membrane Distillation）、（２）透過側を間接的に冷却する（ＡＧＭＤ；Air Gap Membrane Distillation）、（３）透過側を真空にする（ＶＭＤ；Vacuum Membrane Distillation）、（４）透過側にスイープガスを流す（ＳＧＭＤ；Sweep Gas Membrane Distillation）が挙げられるが、本実施形態では、例えば（４）の方法を用いている。

制御部５６は、圧力計５２で検出された圧力が第１の閾値以上であるときに（圧力が第１の閾値以上に上昇したとき）、ファン８２を駆動する。これにより、空気供給路８０から空気が吹き込まれ、空気流通路７８を空気が通過し、排出管８４から排出されるようになっている。空気流通路７８を空気が通過することで、湯水流通路７６の湯水の一部が水蒸気として疎水性多孔膜７４を透過する。そして、透過された水蒸気を含む空気が空気流通路７８を通過し、排出管８４から排出される。また、制御部５６は、圧力計５２で検出された圧力が第１の閾値よりも小さい第２の閾値以下であるときに（圧力が第２の閾値以下まで低下したとき）、ファン８２の駆動を停止する。

次に、本実施形態の燃料電池システム１０の作用及び効果について説明する。

図１に示されるように、燃料電池システム１０を起動すると、ポンプ３２が駆動されることにより、改質水供給経路３０を通じて改質器２０に改質水が供給されると共に、原料ガス供給経路２４を通じて改質器２０に原料ガス（例えば、メタンガス）が供給される。改質器２０では、原料ガスが水蒸気改質されることで改質ガスが生成され、改質ガス供給経路２６を通じてセルスタック１８に改質ガスが供給される。セルスタック１８には、酸素供給経路２８を通じて酸素が供給される。セルスタック１８では、改質ガスと酸素との電気化学的な反応により発電が行われる。そして、セルスタック１８で生じたオフガスが、排気経路３４を通じて熱交換器２２に供給される。

また、燃料電池システム１０を起動すると、ポンプ４６が駆動され、貯湯タンク１４内の湯水が湯水循環経路１６を循環される。貯湯タンク１４内の湯水は、第１循環経路１６Ａを流通することで、ラジエータ４４により湯水の温度が調整され（例えば約３０℃に冷却され）、熱交換器２２に供給される。熱交換器２２では、セルスタック１８から排出されるオフガスと湯水循環経路１６を流通する湯水との間で熱交換が行われる。これにより、オフガス中に含まれる水蒸気が凝縮され、湯水循環経路１６を循環する湯水がオフガスの熱を回収する。オフガス中に含まれる水蒸気が凝縮されて得られる凝縮水は、回収経路３６を通じて水処理装置３８で凝縮水中に含まれる不純物が除去された後、改質水貯留タンク４０に回収される。

熱交換器２２から第２循環経路１６Ｂを流通する湯水は、オフガスの熱を回収することで、その温度が、例えば約７５℃に上昇している。第２循環経路１６Ｂを流通する湯水は、膜ユニット５０に供給され、膜ユニット５０を通過した湯水が貯湯タンク１４に回収される。湯水循環経路１６での湯水の循環により、例えば、貯湯タンク１４内の湯水の７５℃の範囲が上端側から下端側に向けて広がっていく。

第２循環経路１６Ｂでは、圧力計５２により第２循環経路１６Ｂの圧力が検出され、後述するように、検出された圧力が第１の閾値以上のときに、ファン８２が駆動される。図２に示されるように、ファン８２が駆動されることにより、空気供給路８０から空気流通路７８に空気が送り込まれ、さらに空気は、空気流通路７８から排出管８４を通じて排出される。膜ユニット５０では、湯水が第２循環経路１６Ｂと繋がる湯水流通路７６を通過することで、疎水性多孔膜７４と接触する。これにより、湯水流通路７６の湯水と空気流通路７８の空気との分圧差などにより、湯水流通路７６の湯水の一部が水蒸気として疎水性多孔膜７４を透過する。疎水性多孔膜７４を透過した水蒸気を含む空気は、空気流通路７８から排出管８４を通じて大気中に排出（放出）される。この膜ユニット５０では、湯水流通路７６の湯水の一部が水蒸気として疎水性多孔膜７４を透過することで、湯水流通路７６と繋がる第２循環経路１６Ｂ及び貯湯タンク１４の圧力を低下させることができる。

図１に示す第２循環経路１６Ｂでは、例えば、所定の時間を経過する毎に、圧力計５２により第２循環経路１６Ｂの圧力が検出される。制御部５６は、圧力計５２により検出された圧力が第１の閾値以上のときに、ファン８２を駆動する。ファン８２を駆動することで、湯水流通路７６の湯水と空気流通路７８の空気との分圧差が大きくなり、湯水流通路７６の湯水の一部が水蒸気として疎水性多孔膜７４を透過しやすくなる。制御部５６は、圧力計５２で検出された圧力が第１の閾値よりも小さい第２の閾値以下であるときに（圧力が第２の閾値以下まで低下したとき）、ファン８２の駆動を停止する。これにより、湯水（熱）を効率よく回収する。

このような燃料電池システム１０では、第２循環経路１６Ｂを流通する湯水の一部が水蒸気として膜ユニット５０の疎水性多孔膜７４を透過し、透過した水蒸気を含む空気が大気中に放出されることで、第２循環経路１６Ｂ及び第２循環経路１６Ｂと接続される貯湯タンク１４の圧力を低下させることができる。これにより、貯湯タンク１４に接続される配管に、貯湯タンク１４の内圧の上昇を防ぐために圧力逃がし弁を配置すると共に、貯湯タンク１４から圧力逃がし弁を介してシステム外へ排水する排水経路を設けることが不要となる。

また、膜ユニット５０の疎水性多孔膜７４は、湯水循環経路１６における貯湯タンク１４の上流側、かつ熱交換器２２の下流側の第２循環経路１６Ｂに設けられている。これにより、熱交換器２２により熱が回収された湯水が、湯水循環経路１６の第２循環経路１６Ｂを流通して貯湯タンク１４に導かれる途中で、疎水性多孔膜７４と接触する。その際、疎水性多孔膜７４の湯水側と透過側とで温度差（すなわち、分圧差）が生じやすく、より多くの水蒸気が疎水性多孔膜７４を透過するため、第２循環経路１６Ｂ及び貯湯タンク１４の圧力を低下させる効果が向上する。

また、膜ユニット５０は、疎水性多孔膜７４を透過した水蒸気を含む空気が流れる空気流通路７８を備えている。そして、ファン８２により、空気流通路７８に空気を吹き込むことで、疎水性多孔膜７４を透過した水蒸気を含む空気が、空気流通路７８に備えられた排出管８４から大気中に排出（放出）される。このため、簡易な構成により、第２循環経路１６Ｂ及び貯湯タンク１４の圧力を低下させることができると共に、システム外へ排水するための排水配管や排水配管に繋ぐための現場工事などが不要となる。

さらに、燃料電池システム１０では、圧力計５２により第２循環経路１６Ｂの圧力が検出され、圧力計５２で検出された圧力に基づき、制御部５６でファン８２の駆動が制御される。このため、貯湯タンク１４の圧力を効果的に低下させることができると共に、無駄に湯水（回収した熱）を捨てなくて済む。

〔第１変形例〕
次に、図３を用いて、図１に示す燃料電池システムの第１変形例について説明する。なお、前述した第１実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。

図３に示されるように、第１変形例の燃料電池システム１００では、図１に示す圧力計５２に代えて、貯湯タンク１４の内部に、蓄熱量を検出する蓄熱量検出手段としての複数のサーミスタ１０２が設けられている。複数（本実施形態では、３つ）のサーミスタ１０２は、貯湯タンク１４内の上下方向に間隔をおいて配置されている。複数のサーミスタ１０２は、それぞれ電気回線１０４を介して制御部５６に電気的に接続されている。貯湯タンク１４に貯留されている湯水では、温度勾配が生じており、下部１４Ｂから上部１４Ａに向かって貯留されている湯水の温度が上昇する。このため、貯湯タンク１４内の上下方向に間隔をおいて配置された複数のサーミスタ１０２により、貯湯タンク１４内の蓄熱量が検出される。

燃料電池システム１００では、例えば、所定の時間を経過する毎に、複数のサーミスタ１０２により、貯湯タンク１４の蓄熱量を検出する。制御部５６は、複数のサーミスタ１０２で検出された蓄熱量が第３の閾値以上であるときに（貯湯タンク１４の圧力も上昇していると想定されるので）、ファン８２を駆動する。また、制御部５６は、複数のサーミスタ１０２で検出された蓄熱量が第３の閾値よりも小さい第４の閾値以下となったときに（貯湯タンク１４の圧力も低下していると想定されるので）、ファン８２の駆動を停止する。これにより、貯湯タンク１４の圧力を効果的に低下させることができると共に、無駄に湯水（回収した熱）を捨てなくて済む。

〔第２変形例〕
次に、図１に示す燃料電池システムの第２変形例について説明する。なお、前述した第１実施形態及び第１変形例と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。

第２変形例の燃料電池システムでは、図示を省略するが、圧力計による圧力の検出、又は複数のサーミスタによる蓄熱量の検出に代えて、熱交換器２２による熱交換が行われている間に膜ユニット５０のファン８２を駆動させる構成とされている。第１循環経路１６Ａにおけるラジエータ４４の上流側には、蓄熱量を検出するサーミスタが設けられている。熱交換器２２による熱交換が行われている間（すなわち、ポンプ４６の駆動中）は、制御部５６は、膜ユニット５０のファン８２を駆動する。熱交換器２２による熱交換が行われている間は、貯湯タンク１４の圧力が上昇していると想定される。このため、膜ユニット５０のファン８２を駆動することで、第１循環経路１６Ａと接続される貯湯タンク１４の圧力を効果的に低下させることができる。制御部５６は、サーミスタにより検出される蓄熱量が、例えば、第５の閾値以上まで上昇したときに、ファン８２の駆動を停止すると共に、ポンプ４６の駆動を停止する。

〔第２実施形態〕
次に、図４及び図５を用いて、本発明の第２実施形態の燃料電池システムについて説明する。なお、前述した第１実施形態、及び第１〜第２変形例と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。

図４に示されるように、燃料電池システム１２０では、第２循環経路１６Ｂに、図１に示す膜ユニット５０に代えて、圧力低下機構としての膜ユニット１２２が設けられている。膜ユニット１２２には、改質水貯留タンク（改質水貯留槽）４０の改質水を循環させる改質水循環経路１２４が接続されている。より具体的には、改質水循環経路１２４は、改質水貯留タンク４０から膜ユニット１２２に改質水を供給する第１循環経路１２４Ａと、膜ユニット１２２から改質水を改質水貯留タンク４０に回収する第２循環経路１２４Ｂと、を備えている。第１循環経路１２４Ａには、改質水循環経路１２４に改質水を循環させるポンプ１２６が設けられている。

図５に示されるように、膜ユニット１２２は、筐体７２と、筐体７２の内部に配置された膜としての疎水性多孔膜７４と、を備えている。疎水性多孔膜７４の内側（半径方向内側）には、上流側と下流側で第２循環経路１６Ｂと繋がる湯水流通路７６が設けられている。湯水流通路７６には、第２循環経路１６Ｂの湯水が流通する。疎水性多孔膜７４の外側（半径方向外側）には、筐体７２の筒状部７２Ａと疎水性多孔膜７４との間に改質水が流通する水流通路１２８が設けられている。筐体７２の軸方向の一端部には、水流通路１２８の上流側と連通するように第１循環経路１２４Ａが接続されている。筐体７２の軸方向の他端部には、水流通路１２８の下流側と連通するように第２循環経路１２４Ｂが接続されている。改質水循環経路１２４における疎水性多孔膜７４の下流側には、改質水貯留タンク４０が設けられている。

この膜ユニット１２２では、湯水流通路７６の湯水と水流通路１２８の改質水とに分圧差などがあることで、湯水流通路７６を流通する湯水の一部が水蒸気として疎水性多孔膜７４を透過する。水流通路１２８では、疎水性多孔膜７４を透過した水蒸気が凝縮されて得られる凝縮水が改質水と共に流れることで、凝縮水を含んだ改質水が第２循環経路１６Ｂを介して改質水貯留タンク４０に回収される。本実施形態では、水流通路１２８を改質水が流通しており、透過側の水蒸気分圧を下げる方法としては、上記した（１）〜（４）のうち、（１）の透過側に低温水を流す方法を用いている。

図４に示されるように、ポンプ１２６は、電気回線１３０を介して制御部５６と電気的に接続されている。制御部５６は、圧力計５２で検出された圧力が第１の閾値以上であるときに（圧力が第１の閾値以上に上昇したとき）、ポンプ１２６を駆動する。これにより、改質水貯留タンク４０の改質水が改質水循環経路１２４を循環する。そして、膜ユニット１２２の水流通路１２８を改質水が流通することで、湯水流通路７６の湯水の一部が水蒸気として疎水性多孔膜７４を透過し、水蒸気が凝縮されて得られる凝縮水を含んだ改質水が水流通路１２８から改質水循環経路１２４の第２循環経路１２４Ｂを介して改質水貯留タンク４０に回収される。また、制御部５６は、圧力計５２で検出された圧力が第１の閾値よりも小さい第２の閾値以下であるときに（圧力が第２の閾値以下まで低下したとき）、ポンプ１２６の駆動を停止する。

このような燃料電池システム１２０では、改質水循環経路１２４を流通する湯水の一部が水蒸気として膜ユニット１２２の疎水性多孔膜７４を透過し、透過した水が燃料電池ユニット１２で再利用されることで、第２循環経路１６Ｂ及び貯湯タンク１４の圧力を低下させることができる。これにより、貯湯タンク１４に接続される配管に、貯湯タンク１４の内圧の上昇を防ぐために圧力逃がし弁を配置すると共に、貯湯タンク１４から圧力逃がし弁を介してシステム外へ排水する排水経路を設けることが不要となる。

また、改質水貯留タンク４０には、改質水貯留タンク４０に貯留されている改質水を燃料電池ユニット１２の改質器２０に供給する改質水供給経路（供給経路）３０が接続されている。このため、改質器２０で水蒸気改質に用いる改質水として、疎水性多孔膜７４を透過した水を利用することができ（疎水性多孔膜７４を透過した水を燃料電池ユニット１２で再利用することができ）、システム外へ排水するための排水配管や排水配管に繋ぐための現場工事などが不要となる。また、疎水性多孔膜７４を透過した水蒸気は、不純物が除去された改質水となり、改質水貯留タンク４０の改質水が燃料電池ユニット１２の改質器２０に供給されるため、改質水供給経路３０にイオン交換樹脂等の水処理装置を新たに設ける必要がない。

さらに、燃料電池システム１２０では、圧力計５２により第２循環経路１６Ｂの圧力が検出され、圧力計５２で検出された圧力に基づき、制御部５６でポンプ１２６の駆動が制御される。このため、貯湯タンク１４の圧力を効果的に低下させることができると共に、常に疎水性多孔膜７４から水を回収しなくてもよい。

〔第３変形例〕
次に、図６を用いて、図４に示す燃料電池システムの第３変形例について説明する。なお、前述した第１実施形態、第１〜第２変形例、及び第２実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。

図６に示されるように、第３変形例の燃料電池システム１４０では、図４に示す圧力計５２に代えて、貯湯タンク１４の内部に、蓄熱量を検出する蓄熱量検出手段としての複数のサーミスタ１０２が設けられている。複数（本実施形態では、３つ）のサーミスタ１０２は、貯湯タンク１４内の上下方向に間隔をおいて配置されている。複数のサーミスタ１０２は、それぞれ電気回線１０４を介して制御部５６に電気的に接続されている。

燃料電池システム１００では、例えば、所定の時間を経過する毎に、複数のサーミスタ１０２により、貯湯タンク１４の蓄熱量を検出する。制御部５６は、複数のサーミスタ１０２で検出された蓄熱量が第３の閾値以上であるときに（貯湯タンク１４の圧力も上昇していると想定されるので）、ポンプ１２６を駆動する。また、制御部５６は、複数のサーミスタ１０２で検出された蓄熱量が第３の閾値よりも小さい第４の閾値以下となったときに（貯湯タンク１４の圧力も低下していると想定されるので）、ポンプ１２６の駆動を停止する。これにより、貯湯タンク１４の圧力を効果的に低下させることができると共に、常に疎水性多孔膜７４から水を回収しなくてもよい。

〔第４変形例〕
次に、図４に示す燃料電池システムの第４変形例について説明する。なお、前述した第１実施形態、第１〜第２変形例、第２実施形態及び第３変形例と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。

第４変形例の燃料電池システムでは、図示を省略するが、圧力計による圧力の検出、又は複数のサーミスタによる蓄熱量の検出に代えて、熱交換器２２による熱交換が行われている間にポンプ１２６を駆動させる構成とされている。第１循環経路１６Ａにおけるラジエータ４４の上流側には、蓄熱量を検出するサーミスタが設けられている。熱交換器２２による熱交換が行われている間は、制御部５６は、ポンプ１２６を駆動する。熱交換器２２による熱交換が行われている間は、貯湯タンク１４の圧力が上昇していると想定される。このため、ポンプ１２６を駆動することで、第１循環経路１６Ａと接続される貯湯タンク１４の圧力を効果的に低下させることができる。制御部５６は、サーミスタにより検出される蓄熱量が、例えば、第５の閾値以上まで上昇したときに、ポンプ１２６及びポンプ４６の駆動を停止する。

なお、第２実施形態及び第３変形例の燃料電池システム１２０、１４０では、第２循環経路１６Ｂの圧力が上昇した場合にのみ、又は、貯湯タンク１４の蓄熱量が上昇した場合にのみ、ポンプ１２６を駆動する構成である。このため、第１循環経路１６Ａを流通する湯水の温度を調整するために、ラジエータ４４を設けることが好ましい。一方、第４変形例の燃料電池システムでは、熱交換器２２による熱交換が行われている間は、ポンプ１２６を駆動するため、ラジエータ４４を省略してもよい。また、第４変形例の燃料電池システムでは、燃料電池ユニット１２のオフガス中に含まれる水蒸気が凝縮されて得られる凝縮水を改質水貯留タンク４０に回収する回収経路３６が設けられているが、回収経路３６及び水処理装置３８を省略してもよい。

〔第３実施形態〕
次に、図７を用いて、本発明の第３実施形態の燃料電池システムについて説明する。なお、前述した第１実施形態、第１〜第２変形例、第２実施形態及び第３〜第４変形例と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。

図７に示されるように、燃料電池システム１６０では、図１に示す第２循環経路１６Ｂに設けられた膜ユニット５０に代えて、第１循環経路１６Ａに圧力低下機構としての膜ユニット１６２が設けられている。膜ユニット１６２は、筐体１６４の内部に、第１循環経路１６Ａを流通する湯水の一部を少なくとも液体の水として透過させる膜としての逆浸透膜１６６を備えている。筐体１６４内の逆浸透膜１６６を挟んで一方の側には、上流側と下流側で第１循環経路１６Ａと繋がる湯水流通路１６８が設けられている。湯水流通路１６８には、第１循環経路１６Ａの湯水が流通する。筐体１６４内の逆浸透膜１６６を挟んで他方の側には、逆浸透膜１６６を透過した水が流入する流入部１７０が設けられている。筐体１６４には、流入部１７０と連通されると共に、流入部１７０から水を水貯留槽としての水貯留タンク１７２に回収する回収経路１７４が接続されている。

逆浸透膜１６６を備えた膜ユニット１６２は、湯水循環経路１６における熱交換器２２の上流側、かつ貯湯タンク１４の下流側の第１循環経路１６Ａに設けられている。より具体的には、膜ユニット１６２は、第１循環経路１６Ａにおけるポンプ４６と熱交換器２２の間に配置されている。

熱交換器２２には、排気経路３４と繋がると共に、排気経路３４の水蒸気が凝縮されて得られる凝縮水を回収する凝縮水回収経路１７６が接続されている。凝縮水回収経路１７６の下流側には、水貯留タンク１７２が配置されており、凝縮水回収経路１７６からの凝縮水が水貯留タンク１７２に回収される。さらに、燃料電池ユニット１２の改質器２０には、水貯留タンク１７２から水を供給する水供給経路１７８が接続されている。水供給経路１７８には、ポンプ３２と、水供給経路１７８を流通する水を浄化する（水に含まれる不純物を除去する）水処理装置１８０とが設けられている。

逆浸透膜１６６は、不純物を含む水に圧力をかけることで、水を選択的に透過させ、イオンや塩類など水以外の不純物を透過しない（不純物の透過を抑制する）膜である。本実施形態では、第１循環経路１６Ａの内圧が上昇したときに、湯水流通路１６８を流通する湯水の一部が少なくとも液体の水として逆浸透膜１６６を透過する。逆浸透膜１６６を透過することで、流入部１７０には、純度の高い水が得られる。そして、純度の高い水は、回収経路１７４を通じて水貯留タンク１７２に回収される。

また、膜ユニット１６２に水を供給することで、逆浸透膜１６６を透過した純度の高い水と共に、逆浸透膜１６６を透過しなかった不純物の多い水が得られる。逆浸透膜１６６を透過した水は純度が高められているため、例えば、湯水や上水を水蒸気改質用として凝縮水に直接混合した場合よりも水処理の負担が軽減される。不純物の多い水は、膜ユニット１６２から第１循環経路１６Ａを通じて熱交換器２２に供給される。

逆浸透膜１６６としては、水を選択的に透過させる膜であれば特に限定されず、市販のものを用いることができる。また、逆浸透膜の構造としては、例えば、中空糸膜、スパイラル膜、チューブラー膜が挙げられ、逆浸透膜の材質としては、例えば、酢酸セルロース、芳香族ポリアミド、ポリビニルアルコール、ポリスルホンが挙げられる。

ところで、逆浸透膜１６６を透過した水は純度が高められるが、その純度が水蒸気改質用の水として求められている水準に達していない場合や、当該水準を達成可能な逆浸透膜を採用することが合理的でない場合がある。このため、水貯留タンク１７２から水を供給する水供給経路１７８に水処理装置１８０を設けることで、逆浸透膜１６６を透過した水が、水処理されることなく、燃料電池ユニット１２の改質器２０に供給されることがなくなる。

このような燃料電池システム１６０では、第１循環経路１６Ａに膜ユニット１６２が設けられており、第１循環経路１６Ａの内圧が上昇したときに、膜ユニット１６２の湯水流通路１６８を流通する湯水の一部が少なくとも液体の水として逆浸透膜１６６を透過する。逆浸透膜１６６を透過した水は、回収経路１７４を通じて水貯留タンク１７２に回収される。このため、第１循環経路１６Ａ及び貯湯タンク１４の圧力を低下させることができる。これにより、貯湯タンク１４に接続される配管に、貯湯タンク１４の内圧の上昇を防ぐために圧力逃がし弁を配置すると共に、貯湯タンク１４から圧力逃がし弁を介してシステム外へ排水する排水経路を設けることが不要となる。

また、水貯留タンク１７２には、水貯留タンク１７２に貯留されている水を燃料電池ユニット１２の改質器２０に供給する水供給経路１７８が接続されている。このため、改質器２０で水蒸気改質に用いる改質水として、逆浸透膜１６６を透過した水を利用することができ（逆浸透膜１６６を透過した水を燃料電池ユニット１２で再利用することができ）、システム外へ排水するための排水配管や排水配管に繋ぐための現場工事などが不要となる。

また、逆浸透膜１６６は、湯水循環経路１６における熱交換器２２の上流側、かつ貯湯タンク１４の下流側の第１循環経路１６Ａに設けられている。これにより、湯水循環経路１６を流通する水が熱交換器２２に導入される前に逆浸透膜１６６と接触するため、逆浸透膜１６６が高温となることが抑制される。このため、逆浸透膜１６６の耐久性を向上させることができ、逆浸透膜１６６の種類の選択の自由度が上がる。

なお、第１実施形態、第２実施形態の燃料電池システム１０、１２０では、第１循環経路１６Ｂにおける膜ユニット５０、１２２と貯湯タンク１４との間に圧力計５２が設けられているが、本発明はこの構成に限定されず、圧力計５２を設ける位置を変更してもよい。

また、第１実施形態、第１変形例、及び第２変形例の燃料電池システム１０、１００では、膜ユニット５０の空気流通路７８に空気を吹き込むファン８２が設けられているが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、膜ユニット５０の空気流通路７８に空気を送るブロアなど、ファン以外の送風手段を空気流通路７８と連通する配管に設ける構成でもよい。

また、第１変形例、第３変形例の燃料電池システム１００、１４０では、貯湯タンク１４の上下方向に３つのサーミスタ１０２が設けられているが、本発明はこの構成に限定されず、サーミスタの数や位置を変更してもよい。

また、第３実施形態の燃料電池システム１６０では、第１循環経路１６Ａに膜ユニット１６２が設けられているが、本発明はこの構成に限定されず、例えば、第２循環経路１６Ｂに膜ユニット１６２を設ける構成でもよい。

実施形態を挙げて本発明の実施の形態を説明したが、これらの実施形態は一例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。また、本発明の権利範囲がこれらの実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは言うまでもない。

１０…燃料電池システム、１２…燃料電池ユニット、１４…貯湯タンク（貯湯槽）、１６…湯水循環経路、１６Ａ…第１循環経路（湯水循環経路）、１６Ｂ…第２循環経路（湯水循環経路）、１８…セルスタック（燃料電池本体）、２０…改質器、２２…熱交換器、３０…改質水供給経路(供給経路）、３６…回収経路（凝縮水回収経路）、４０…改質水貯留タンク（改質水貯留槽）、５０…膜ユニット（圧力低下機構）、５２…圧力計（圧力検出手段）、５６…制御部、７４…疎水性多孔膜（膜）、７８…空気流通路、８２…ファン（送風手段）、８４…排出管、１００…燃料電池システム、１０２…サーミスタ（蓄熱量検出手段）、１２０…燃料電池システム、１２２…膜ユニット（圧力低下機構）、１２４…改質水循環経路、１２４Ａ…第１循環経路（改質水循環経路）、１２４Ｂ…第２循環経路（改質水循環経路）、１２６…ポンプ、１４０…燃料電池システム、１６０…燃料電池システム、１６２…膜ユニット（圧力低下機構）、１６６…逆浸透膜（膜）、１７２…水貯留タンク（水貯留槽）、１７４…回収経路、１７８…水供給経路、１８０…水処理装置

Claims (12)

1. 燃料電池本体を備える燃料電池ユニットと、
   湯水を貯める貯湯槽と、
   前記貯湯槽に接続され、前記燃料電池ユニットとの間で前記貯湯槽内の湯水を循環させる湯水循環経路と、
   前記燃料電池ユニットに設けられ、前記燃料電池本体から排出されるオフガスと前記湯水循環経路を循環する湯水との間で熱交換を行う熱交換器と、
   前記湯水循環経路に設けられ、湯水を水蒸気及び液体の水の少なくとも一方として透過させる膜を備え、前記膜が湯水の一部を透過させることで前記湯水循環経路と接続される前記貯湯槽の圧力を低下させると共に、前記膜を透過した水蒸気及び液体の水の少なくとも一方を大気中に放出又は再利用する構成とされた圧力低下機構と、
   を有する燃料電池システム。
2. 前記膜は、前記湯水循環経路を循環する湯水の一部を水蒸気として透過させる疎水性多孔膜であり、
   前記疎水性多孔膜は、前記湯水循環経路における前記貯湯槽の上流側、かつ前記熱交換器の下流側に設けられている請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記圧力低下機構は、
   前記疎水性多孔膜を透過した前記水蒸気を含む空気が流通すると共に、前記水蒸気を含む空気が大気中に排出される排出管を備えた空気流通路と、
   前記空気流通路に空気を送る送風手段と、
   を備える請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記湯水循環経路の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記圧力検出手段で検出された圧力に基づき、前記送風手段を駆動する制御部と、
   を有する請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記貯湯槽に設けられ、蓄熱量を検出する複数の蓄熱量検出手段と、
   前記複数の蓄熱量検出手段で検出された蓄熱量に基づき、前記送風手段を駆動する制御部と、
   を有する請求項３に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池ユニットに設けられ、原料ガスを水蒸気改質して前記燃料電池本体に供給するための改質ガスを生成する改質器と、
   改質水が貯留される改質水貯留槽と、
   前記改質水貯留槽に接続され、前記改質水貯留槽に貯留されている前記改質水を前記改質器に供給する供給経路と、
   を有すると共に、
   前記圧力低下機構は、
   前記疎水性多孔膜を前記水蒸気が透過する側に設けられ、前記改質水貯留槽内の前記改質水を循環させる改質水循環経路と、
   前記改質水循環経路に設けられ、前記改質水を循環するポンプと、を備える請求項２に記載の燃料電池システム。
7. 前記熱交換器にて冷却された前記オフガス中の水蒸気が凝縮されて得られる凝縮水を前記改質水貯留槽に回収する凝縮水回収経路が設けられている請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記湯水循環経路の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記圧力検出手段で検出された圧力に基づき、前記ポンプを駆動する制御部と、
   を有する請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記貯湯槽に設けられ、蓄熱量を検出する複数の蓄熱量検出手段と、
   前記複数の蓄熱量検出手段で検出された蓄熱量に基づき、前記ポンプを駆動する制御部と、
   を有する請求項７に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池ユニットに設けられ、原料ガスを水蒸気改質して前記燃料電池本体に供給するための改質ガスを生成する改質器と、
    前記熱交換器にて冷却された前記オフガス中の水蒸気が凝縮されて得られる凝縮水を回収して貯留する水貯留槽と、
    前記水貯留槽に接続され、前記水貯留槽に貯留されている水を前記改質器に供給する水供給経路と、を有し、
    前記膜は、前記湯水循環経路を循環する湯水の一部を少なくとも液体の水として透過させる逆浸透膜であり、
    前記圧力低下機構は、前記逆浸透膜を透過した水を前記水貯留槽に回収する回収経路を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
11. 前記逆浸透膜は、前記湯水循環経路における前記熱交換器の上流側、かつ前記貯湯槽の下流側に設けられている請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記水供給経路には、前記改質器に供給される水を浄化処理する水処理装置が設けられている請求項１０又は請求項１１に記載の燃料電池システム。