JP2018195451A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒タンクからの排水の削減、及びシステムのコンパクト化が可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料ガスと改質水とを供給して発電を行う燃料電池セル８１と、内部と外部とを連通可能な開口部３３を上部に備え、燃料電池セル８１の排気と熱交換を行った冷媒Ｗ２を貯留する冷媒タンク３０と、冷媒タンク３０から供給される冷媒Ｗ２と外部より供給された上水との間で熱交換を行い、加熱された上水を排出する上水熱交換器４４と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、電力と湯の供給が可能な燃料電池システムに関する。

住宅等に用いる従来の燃料電池システムとして以下のものが知られている（特許文献１参照）。

特開２０１５−００２０９３号公報

従来の燃料電池システムでは、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密閉式の冷媒タンクに貯留し、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。そして、冷媒タンクが水で満タン状態の場合にタンク内の水が加熱されると、水が膨張し、冷媒タンクの内圧が上昇する。

冷媒タンクの内圧の上昇を抑えるには、冷媒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、冷媒タンクの内圧が上昇したときに、タンク内の圧力を圧力逃がし弁からシステム外へ逃がす必要がある。タンク内の水を排出して圧力を逃がす場合は、圧力逃がし弁からシステム外へ水を排出するための排水経路と、その排水経路を下水の排水配管に繋ぐ現場工事が必要であり、排水の削減、及びシステムのコンパクト化に改善の余地がある。

本発明は、上記事実を考慮して、冷媒タンクからの排水の削減、及びシステムのコンパクト化が可能な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に記載の燃料電池システムは、燃料ガスと改質水とを供給して発電を行う燃料電池と、内部と外部とを連通可能な連通部を上部に備え、前記燃料電池の排気と熱交換を行った冷媒を貯留する冷媒タンクと、前記冷媒タンクから供給される冷媒と外部より供給された上水との間で熱交換を行い、加熱された前記上水を排出する上水熱交換器と、を有する。

請求項１に記載の燃料電池システムでは、燃料ガスと改質水とを燃料電池に供給することで、燃料電池は発電を行うと共に、高温の排ガスを排出する。高温の排ガスは、冷媒との間で熱交換が行われ、加熱された冷媒は、冷媒タンクに貯留される。

また、暖められた冷媒タンクの冷媒と、外部より供給された上水との間で熱交換が行われ、上水は加熱されて暖められる。

請求項１に記載の燃料電池システムでは、冷媒タンクの冷媒を給湯に用いておらず、冷媒と、給湯に用いる上水とを分離しているため、従来の燃料電池システムの様に湯の使用によってタンク内の冷媒の量が変化することは無く、冷媒タンク内の冷媒の量を制御する必要が無い。

冷媒タンクは、内部と外部とを連通可能な連通部が上部に備えられているため、冷媒の膨張分を見込んで、冷媒タンク内の冷媒の液面を、連通部よりも低い位置に設定しておけば、冷媒タンク内の冷媒が温度上昇に伴って膨張しても、冷媒の上の空気は連通部から外部へ排出されるので、冷媒タンク内の圧力上昇を抑制することができる。

請求項１に記載の燃料電池システムでは、冷媒タンク内の圧力上昇を抑制するために、冷媒タンク内の冷媒をシステムの外部へ排出しないので、冷媒タンクの冷媒を外へ排水するための配管や圧力逃がし弁等からなる排出経路を必要とせず、コンパクト化を図ることができる。また、その排出経路を排水配管（下水）に繋ぐ現場工事も必要無くなる。

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、上部の少なくとも一部が開放されたシスターンタンクと、前記シスターンタンクと前記連通部とを接続する配管と、を有する。

請求項２に記載の燃料電池システムでは、例えば、冷媒タンク内の冷媒が膨張して冷媒の体積が冷媒タンクの容積よりも大になった場合、膨張した冷媒を配管を介してシスターンタンクに排出することができ、冷媒タンク内の冷媒がシステム外に漏れ出ることを抑制することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、 前記上水熱交換器から排出された上水を加熱して排出する加熱装置を第１の筐体の内部に収容したバックアップ熱源機ユニットと、前記燃料電池、及び前記上水熱交換器を第２の筐体の内部に収容した冷媒タンク付き燃料電池ユニットと、を有する。

請求項３に記載の燃料電池システムでは、バックアップ熱源機ユニットを備えているので、上水熱交換器で暖められた湯を更に加熱することができ、燃料電池等の不具合が生じた場合においても、上水をバックアップ熱源機ユニットで加熱して湯を得ることができる。

また、請求項３に記載の燃料電池システムは、第１の筐体に加熱装置を収容したバックアップ熱源機ユニットと、燃料電池、及び上水熱交換器を第２の筐体に収容した冷媒タンク付き燃料電池ユニットの２つのユニットを備えている。このため、加熱装置、燃料電池、及び上水熱交換器を一つの筐体に収容したユニットに比較して、各ユニットを小型化、及び軽量化することができ、運搬性を向上することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記上水熱交換器から排出された上水を加熱して排出する加熱装置を第１の筐体の内部に収容したバックアップ熱源機ユニットと、前記燃料電池を第３の筐体の内部に収容した燃料電池ユニットと、前記冷媒タンク、及び前記上水熱交換器を第４の筐体の内部に収容したタンクユニットと、を有する。

請求項４に記載の燃料電池システムは、第１の筐体に加熱装置を収容したバックアップ熱源機ユニットと、燃料電池を、第３の筐体の内部に収容した燃料電池ユニットと、冷媒タンク、及び上水熱交換器を、第４の筐体の内部に収容したタンクユニットとの３つのユニットで構成されている。このため、加熱装置、燃料電池、冷媒タンク、及び上水熱交換器を一つの筐体に収容したユニットに比較して、各ユニットを小型化、及び軽量化することができ、運搬性を向上することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記冷媒は、不凍液である。

請求項５に記載の燃料電池システムでは、冷媒を不凍液としたので、冷媒の凍結を抑制することができる。本発明の燃料電池システムでは、冷媒と上水とを上水熱交換器を用いて熱交換しており、冷媒と上水とを分離しているため、冷媒を不凍液とした請求項５の燃料電池システムを実現できた。

以上説明したように、本発明の燃料電池システムによれば、冷媒タンクからの排水の削減、及びシステムのコンパクト化が可能となる、という優れた効果を有する。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。 燃料電池モジュールの構成を示す構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す構成図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す構成図である。

［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０を図１、及び図２にしたがって説明する。本実施形態の燃料電池システム１０は、一例として住宅に適用されるものである。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１０は、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２、及び冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２とは別体とれたバックアップ熱源機ユニット１４の２ユニットで構成されている。冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２、及びバックアップ熱源機ユニット１４は、一例として、屋外のコンクリート等で形成された基礎の上、ベランダ等に設置することができる。

（冷媒タンク付き燃料電池ユニットの構成）
冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２は、筐体１６の内部に、発電を行うと共に排ガスを排出する発電部１７、排ガスによって冷媒Ｗ２を加熱する冷媒加熱部１９、及び冷媒Ｗ２によって上水を加熱する上水加熱部２１が設けられている。

冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２は、第２の筐体としての筐体１６の内部に、都市ガス、空気（酸素）、及び改質水Ｗ１が供給されて発電を行う燃料電池モジュール１８、都市ガスを燃料電池モジュール１８に供給する燃料ガス管２０、燃料ガス管２０の中間部に設けられ都市ガス中に含まれる硫黄化合物を除去する脱硫器２２、燃料電池モジュール１８に供給する改質水Ｗ１を貯留する改質水タンク２４、改質水タンク２４の改質水Ｗ１の液面レベルを測定する液面レベルセンサ２４Ａ、改質水タンク２４と燃料電池モジュール１８とを連結する改質水供給管２６、改質水タンク２４の改質水Ｗ１を燃料電池モジュール１８に供給するための改質水ポンプ２８、空気ブロワ８６が設けられた酸化ガス管８８等が収容されており、発電部１７は、これらの構成要素を含んで構成されている。

また、筐体１６の内部には、冷媒Ｗ２を貯留する冷媒タンク３０、燃料電池モジュール１８から排出された排ガスと冷媒Ｗ２との間で熱交換を行う排気熱交換器３１、燃料電池モジュール１８と排気熱交換器３１とを接続する第１排ガス管３２、排気熱交換器３１を通過した排ガスを筐体１６の外部へ排出するための第２排ガス管３４、排気熱交換器３１の内部で生成された水分（排気熱交換器３１の内部で凝集された排ガス中の水分）を改質水タンク２４へ排出するための排水管３５、冷媒タンク３０の底部と排気熱交換器３１とを連結し冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２を排気熱交換器３１へ供給するための第１送出し側配管３６、冷媒タンク３０の天井壁３０Ａと排気熱交換器３１とを連結し、排気熱交換器３１を通過した冷媒Ｗ２を冷媒タンク３０へ戻すための第１戻し側配管３８、第１送出し側配管３６に設けられて冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２を排気熱交換器３１側へ送り出すための熱回収ポンプ４０、第１送出し側配管３６に設けられて冷媒Ｗ２の熱を外部に放出可能とするラジエータ４２、ラジエータ４２に送風を行うラジエータファン４３が収容されており、冷媒加熱部１９は、これらの構成要素を含んで構成されている。

また、筐体１６の内部には、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２と外部から供給された上水との間で熱交換を行う上水熱交換器４４、冷媒タンク３０の上部に連結され冷媒タンク３０と上水熱交換器４４とを連結する第２送出し側配管４６、上水熱交換器４４を通過した冷媒Ｗ２を冷媒タンク３０へ戻すための第２戻し側配管４８、第２戻し側配管４８に設けられて冷媒Ｗ２を冷媒タンク３０へ戻すための予熱ポンプ５０、外部（上水道）から供給された上水を上水熱交換器４４に供給する上水供給配管５２、上水供給配管５２の中間部から分岐された上水分岐配管５４、上水熱交換器４４を通過した上水を排出する給湯配管５６、給湯配管５６の中間部から分岐され、上水熱交換器４４を通過した上水を冷媒タンク３０へ供給する給湯分岐配管５８、給湯分岐配管５８に設けられ冷媒タンク３０へ供給する上水の量を調整する補水弁６０、給湯配管５６から供給された暖められた上水と上水分岐配管５４から供給された上水（冷たい）とを混合する混合弁６２、混合弁６２から筐体１６の外部へ上水を排出する上水排出配管６４等が収容されており、上水加熱部２１は、これらの構成要素を含んで構成されている。

さらに、筐体１６の内部には、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２に設けられた各種電装部品の制御を行う制御装置７０が収容されている。

ここで、筐体１６の内部には、冷媒タンク３０と排気熱交換器３１との間で冷媒Ｗ２が循環する経路、即ち、第１送出し側配管３６、及び第１戻し側配管３８で第１の循環経路１１８が形成されている。筐体１６の内部には、冷媒タンク３０と上水熱交換器４４との間で冷媒Ｗ２が循環する経路、即ち、第２送出し側配管４６、及び第２戻し側配管４８で第２の循環経路１２０が形成されている。また、筐体１６の内部には、給湯配管５６、及び上水排出配管６４で給湯経路１２１が形成されている。

なお、筐体１６の外部には、制御装置７０に接続されて、外気温を測定する温度センサ６５が設けられている。

本実施形態では、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２として水（一例として水道水等）が用いられている。冷媒タンク３０の天井壁３０Ａには、冷媒タンク３０の内外を貫通し、空気の出入を可能とする連通部としての開口部３３が形成されている。また、冷媒タンク３０には、上部に空間が設けられるように冷媒Ｗ２が貯留されており、タンク内の冷媒Ｗ２が熱膨張して体積が増加した場合においても、開口部３３から冷媒Ｗ２が溢れ出ないように、冷媒タンク３０に注入する冷媒Ｗ２の体積が決められている。

なお、本実施形態では、冷媒タンク３０と排気熱交換器３１との間で冷媒Ｗ２が循環する経路、即ち、第１送出し側配管３６、及び第１戻し側配管３８で第１の循環経路１１８が形成されている。冷媒タンク３０と上水熱交換器４４との間で冷媒Ｗ２する経路、即ち、第２送出し側配管４６、及び第２戻し側配管４８で第２の循環経路１２０が形成されている。また、給湯配管５６、及び上水排出配管６４で給湯経路１２１が形成されている。

図２に示すように、燃料電池モジュール１８は、筐体７１の内部に、改質触媒７２、バーナ７４、及び燃料電池スタック７６を主要な構成として備えている。

改質触媒７２は、燃料ガス管２０と接続されている。この改質触媒７２には、脱硫器２２にて硫黄化合物が吸着除去された都市ガスが燃料ガス管２０を通じて供給される。この改質触媒７２は、供給された都市ガス（原料ガス）を、改質水供給管２６を通じて供給された改質水（凝縮水）Ｗ１を利用して水蒸気改質する。

バーナ７４には、後述するスタック排ガス管８０が接続されている。このバーナ７４は、スタック排ガス管８０を通じて供給されたバーナガス（未反応の水素ガスを含むスタック排ガス）を燃焼し、改質触媒７２を加熱する。そして、この改質触媒７２では、脱硫器２２から供給された都市ガス（原料ガス）から、水素ガスを含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスは、燃料ガス管７５を通じて後述する燃料電池スタック７６の燃料極７８に供給される。

燃料電池スタック７６は、固体酸化物形の燃料電池スタックであり、積層された複数の燃料電池セル８１（図２では１つのみ図示）を有している。各燃料電池セル８１は、電解質層８２と、この電解質層８２の表裏面にそれぞれ積層された燃料極７８及び空気極８４とを有している。

空気極８４（カソード極）には、空気ブロワ８６が設けられた酸化ガス管８８を通じて酸化ガス（筐体１６の外部の空気）が供給される。この空気極８４では、下記式（１）で示されるように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、電解質層８２を通って燃料極７８に到達する。

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ →Ｏ^２− ・・・（１）

一方、燃料極７８では、下記式（２）及び式（３）で示されるように、電解質層８２を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水（水蒸気）及び二酸化炭素と、電子が生成される。燃料極７８で生成された電子は、外部回路を通って空気極８４に到達する。そして、このようにして電子が燃料極７８から空気極８４に移動することにより、各燃料電池セル８１において発電される。また、各燃料電池セル８１は、発電時に上記反応に伴って発熱する。

（燃料極反応）
Ｈ_２ ＋Ｏ^２− →Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・（２）
ＣＯ＋Ｏ^２− →ＣＯ_２＋２ｅ⁻ ・・・（３）

燃料電池スタック７６に接続されたスタック排ガス管８０の上流側は、燃料極排ガス管９０及び空気極排ガス管９２に分岐されており、この燃料極排ガス管９０及び空気極排ガス管９２は、燃料極７８及び空気極８４にそれぞれ接続されている。燃料極７８から排出された燃料極排ガスと、空気極８４から排出された空気極排ガスとは、燃料極排ガス管９０及び空気極排ガス管９２を通じて排出されると共に、スタック排ガス管８０内にて混合されてスタック排ガスとされる。このスタック排ガスは、燃料極排ガスに含まれる未反応の水素ガスを含んでおり、上述の通り、バーナ７４にバーナガスとして供給される。なお、このバーナ７４に、バーナ排ガスを排気熱交換器３１へ排出する第１排ガス管３２が接続されている。

なお、図１に示す制御装置７０は、インバーター６８より電力が供給され、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２の電装部品、例えば、改質水ポンプ２８、熱回収ポンプ４０、ラジエータファン４３、予熱ポンプ５０、補水弁６０、混合弁６２等の制御を行うことができる。

（バックアップ熱源機ユニットの構成）
本実施形態のバックアップ熱源機ユニット１４は、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２から供給された湯を更に加熱して排出可能とした潜熱回収型の熱源機（一般的に潜熱回収型ガス給湯器とも呼ばれる）である。潜熱回収型の熱源機は、バーナ１００の排気中の水蒸気を水（凝縮水）にすることにより、排気中の潜熱を回収して、熱効率を向上させたタイプの熱源機である。図１に示すように、バックアップ熱源機ユニット１４の第１の筐体９３の内部には、二次熱交換器９１、一次熱交換器９４、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２からの湯を二次熱交換器９１、一次熱交換器９４に供給する配管９６、一次熱交換器９４を加熱する加熱装置としてのバーナ１００、バーナ１００に燃料ガスを供給する燃料ガス管１０２、熱交換器９４を通った湯を排出する配管９８、配管９６の途中に接続された分岐管１０４と配管９８とに接続された混合弁１０６、混合弁１０６から湯を排出する配管１０８、排出される湯の温度を計測する温度センサ１０９、制御装置１１０等が設けられている。制御装置１１０は、混合弁１０６、バーナ１００等を制御する。

なお、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２の燃料ガス管２０、及びバックアップ熱源機ユニット１４の燃料ガス管１０２には、都市ガスのガス供給管１１２が接続されている。
また、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２の上水排出配管６４とバックアップ熱源機ユニット１４の配管９６とは、接続配管１１４で接続されている。さらに、バックアップ熱源機ユニット１４の配管１０８には、住宅の水機器に向けて湯を送る配管１１６が接続されている。

（作用、効果）
次に、本実施形態の燃料電池システム１０の動作について説明する。
第一実施形態に係る燃料電池システム１０では、改質触媒７２から燃料ガスが燃料電池スタック７６の燃料極７８に供給されると共に、空気ブロワ８６が作動して酸化ガス管８８から酸化ガスとしての空気が燃料電池スタック７６の空気極８４に供給されると、この燃料電池スタック７６において燃料ガス及び酸化ガスが反応し発電する。

この発電に伴い燃料電池スタック７６からは、未反応の水素ガスを含むスタック排ガスが排出され、このスタック排ガスは、バーナガスとしてバーナ７４にて燃焼され、このバーナ７４からは、バーナ排ガスが排出される。このバーナ排ガスは、水蒸気を含んでおり、第１排ガス管３２を通じて排気熱交換器３１に供給される。

この排気熱交換器３１では、バーナ排ガスと冷媒タンク３０から供給された冷媒Ｗ２との間で熱交換がなされ、冷媒Ｗ２が加熱されると共にバーナ排ガスに含まれる水蒸気が凝縮される。排気熱交換器３１で生成された凝縮水（蒸留水）は、改質水Ｗ１として改質水タンク２４に回収される。改質水タンク２４に回収された改質水は、改質水供給管２６を通じて改質触媒７２に供給され、この改質触媒７２にて水蒸気改質用の水蒸気として利用される。なお、水分の除去されたバーナ排ガスは、第２排ガス管３４を介して外部に排出される。

熱回収ポンプ４０を作動させることで、第１の循環経路１１８は、冷媒タンク３０と排気熱交換器３１との間で冷媒Ｗ２を循環させるため、冷媒タンク３０内の下側の冷媒Ｗ２は第１送出し側配管３６を介して排気熱交換器３１へ供給され、排気熱交換器３１で加熱された後、冷媒タンク３０の上側に戻り、これによって冷媒タンク内の冷媒Ｗ２の温度が上側から下側に向けて徐々に上昇する。

ここで、本実施形態の燃料電池システム１０では、発電に用いる改質水Ｗ１は、水蒸気を含んだバーナ排ガスから回収するため、バーナ排ガスを冷却する必要がある。その際、十分な量の水を回収するために、バーナ排ガスを一定温度（例えば、４７°Ｃ）以下まで冷却する必要がある。バーナ排ガスの冷却には、熱回収水（冷媒Ｗ２）と熱交換する方法をとるが、例えば、発電を行っており、かつ湯の使用利用が少ない場合などで、冷媒タンク３０が満蓄になる等の状況により熱回収水温が上昇してくると、バーナ排ガスを十分には冷却できなくなり、十分な量の改質水Ｗ１を確保できなくなる。そのため、熱回収水の温度は一定（例えば、４４°Ｃ）以下に保つ必要があり、第１送出し側配管３６に冷媒Ｗ２の熱を外部に放出可能とするラジエータ４２、及びラジエータ４２に送風を行うラジエータファン４３を配置し、必要に応じて冷媒Ｗ２の冷却を行う。

本実施形態の燃料電池システム１０では、外気温を測定する温度センサ６５からの温度測定データ、及び改質水タンク２４の改質水Ｗ１の液面レベルを測定する液面レベルセンサ２４Ａ等からの測定データに基づいて、制御装置７０は、外気温や、改質水Ｗ１の量に応じて熱回収ポンプ４０、及びラジエータファン４３を制御することができる。熱回収ポンプ４０、及びラジエータファン４３を作動させることで、排気熱交換器３１に流入させる冷媒Ｗ２の温度を低下させることができ、これにより、排気熱交換器３１で生成される改質水Ｗ１の量を増加させることができる。

本実施形態の燃料電池システム１０では、熱回収ポンプ４０、及びラジエータファン４３を制御することで、効率の良い熱回収を行うことができる。熱回収温度、即ち、排気熱交換器３１から排出される冷媒Ｗ２の温度が高いほど、多くの熱を冷媒タンク３０に蓄えることができるが、排気熱交換器３１とバーナ排ガスとの温度差が小さくなるため、単位時間当たりの熱回収量は低下する。

逆に、熱回収温度を低くすると、冷媒タンク３０に蓄える熱は少なくなるが、排気熱交換器３１においてバーナ排ガスと冷媒Ｗ２との温度差が大きくなるため、単位時間当たりに多くの熱を回収することができる。

よって、冷媒タンク３０の蓄熱量が少ないときには熱回収温度を低めに設定し、素早くバーナ排ガスの熱を回収し、冷媒タンク３０が満蓄に近づいてきたら熱回収温度を上げて冷媒タンク３０の蓄熱量を増やすことで、バーナ排ガスからの熱をより多く利用することが可能となる。

なお、冷媒タンク３０の天井壁３０Ａには、内部と外部とを連通する開口部３３が設けられているため、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２が温度上昇に伴って膨張しても、冷媒Ｗ２の上の空気は開口部３３から外部へ排出されるので、タンク内の圧力上昇を抑制することができる。

したがって、冷媒タンク３０内の圧力上昇を抑えるために、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２を外部へ排出する必要が無い。即ち、冷媒タンク３０から外部への排水が無いため、冷媒Ｗ２を外部へ排水するための経路を必要とせず、燃料電池システム１０のコンパクト化を図ることができる。また、冷媒Ｗ２を外部へ排水するための経路を排水配管（下水）に繋ぐ現場工事も必要としない。

また、暖められた冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２は、上水熱交換器４４で、外部より供給された上水との間で熱交換を行うことができる。予熱ポンプ５０を作動させることで、第２の循環経路１２０は、冷媒タンク３０と上水熱交換器４４との間で冷媒Ｗ２を循環させるため、外部の上水道から供給された上水は、上水熱交換器４４で加熱されて暖められる。

混合弁６２は、上水熱交換器４４で加熱された上水に、外部の上水道から供給された冷たい上水を混合して排出することができ、また、上水熱交換器４４で加熱された上水をそのまま排出することもできる。混合弁６２は、制御装置７０からの制御信号に基づいて、上水熱交換器４４で加熱された上水と、外部の上水道から供給された冷たい上水との混合比を調整して排出することができる。

なお、バックアップ熱源機ユニット１４は、例えば、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２の温度が低く、上水熱交換器４４から排出される上水の温度が低い場合等に、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２から供給される上水を更に加熱することができる。また、バックアップ熱源機ユニット１４は、図示しない住宅の風呂の追い炊きをする場合に使用することもできる。

本実施形態の燃料電池システム１０は、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２と、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２とは別体とれたバックアップ熱源機ユニット１４の２ユニットで構成しているため、燃料電池ユニットとバックアップ熱源機ユニットとを一体化した１ユニット構成のものと比較して、冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２、及びバックアップ熱源機ユニット１４の各々の重量、及びサイズが、燃料電池ユニットとバックアップ熱源機ユニットとを一体化したユニットと比較して小さくなる。即ち、各ユニットを小型化、及び軽量化することができ、運搬性を向上することができる。また、ユニット１個当たりの設置面積を小さくできるので、設置の自由度を向上することもできる。

冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２においては、冷媒タンク３０と上水熱交換器４４とが、同じ筐体１６の内部に配置されているので、冷媒タンク３０と上水熱交換器４４とを別体の筐体に配置した場合に比較して、上水熱交換器４４を冷媒タンク３０の近くに配置でき、上水熱交換器４４を冷媒タンク３０とを連結する第２送出し側配管４６、及び第２戻し側配管４８からの熱の放出、即ち、熱ロスを抑制することができる。

本実施形態の燃料電池システム１０では、冷媒タンク３０が、住宅に供給する上水と独立した系に設けられており、住宅への給湯の有無により冷媒Ｗ２の量が変わらない。即ち、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２を住宅の水機器に供給しないので、タンク内の冷媒Ｗ２が空になる事は無く、また、上水熱交換器４４で暖めた新鮮な上水を住宅の水機器に供給することが出来る。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１０を図３にしたがって説明する。なお、第１の実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

図３に示すように、本実施形態の燃料電池システム１０は、各々別体とされた燃料電池ユニット１２２、タンクユニット１２４、及びバックアップ熱源機ユニット１４の３ユニットで構成されている。

（燃料電池ユニット）
本実施形態では、燃料電池モジュール１８、脱硫器２２、改質水タンク２４、改質水ポンプ２８、排気熱交換器３１、熱回収ポンプ４０、ラジエータ４２、インバーター６８、後述する排水ポンプ１３２、燃料電池ユニット１２２に設けられた各種電装部品の制御を行う制御装置１２３等が第３の筐体としての筐体１２５の内部に収納されて燃料電池ユニット１２２を構成している。

（タンクユニット）
また、本実施形態では、冷媒タンク３０、上水熱交換器４４、予熱ポンプ５０、補水弁６０、混合弁６２、各種電装部品の制御を行う制御装置１２７等が第４の筐体としての筐体１２６の内部に収納されてタンクユニット１２４を構成している。

ここで、バックアップ熱源機ユニット１４の下方には、排水（凝縮水）を集めて下水等へ排水するための排水設備としての排水受け１２８が設けられている。排水受け１２８に流入した排水は、下水等に排出することができる。

本実施形態では、バックアップ熱源機ユニット１４から排水（凝縮水）が排出される場合、該排水は排水管１２９を介して排水受け１２８に排出することができる。

本実施形態の改質水タンク２４には、液面レベルセンサ２４Ａが設けられており、改質水タンク２４に貯留した改質水Ｗ１の液面が予め設定した上限値に達したことが液面レベルセンサ２４Ａで検出されると、制御装置１２３は、改質水タンク２４に貯留した改質水Ｗ１の液面が予め設定した上限値に達したことが分かるようになっている。

また、本実施形態の改質水タンク２４には、中間部に排水ポンプ１３２を備えた排水管１３０が接続されており、排水ポンプ１３２が駆動されると、改質水タンク２４の改質水Ｗ１が排水管１３０を通って排水受け１２８へ排出されるようになっている。一例として、制御装置１２３は、改質水Ｗ１の液面が予め設定した上限値に達したと判断すると、排水ポンプ１３２を駆動し、改質水タンク２４に貯留した改質水Ｗ１の液面が予め設定した下限値になると排水ポンプ１３２を停止するように排水ポンプ１３２を制御するようになっている。これにより、余剰の改質水Ｗ１が排水受け１２８に排出され、発電に必要な量の改質水Ｗ１が残る。

なお、制御装置１２３による排水ポンプ１３２の制御は、上記に記載した例に限らない。例えば、改質水タンク２４に貯留した改質水Ｗ１の液面が予め設定した上限値に達したことが液面レベルセンサ２４Ａで検出された場合、制御装置１２３は、排水ポンプ１３２を一定時間駆動して、一定量の改質水Ｗ１を排水受け１２８に排出するようにしてもよい。この場合、液面レベルセンサ２４Ａの代わりに、改質水Ｗ１の液面が予め設定した上限値に達した場合にスイッチが入る上限検知用のフロートスイッチを用いることができる。また、改質水Ｗ１の上限値を検出する上限検知用のフロートスイッチと、改質水Ｗ１の下限値を検出する下限検知用のフロートスイッチとを用い、改質水Ｗ１の液面が上限値に達したことが上限検知用のフロートスイッチで検出された場合、制御装置１２３は、改質水Ｗ１の液面が下限値に達したことが下限検知用のフロートスイッチで検出されるまで排水ポンプ１３２を駆動して、一定量の改質水Ｗ１を排水受け１２８に排出するようにしてもよい。

本実施形態の燃料電池システム１０では、改質水タンク２４からの排水と、バックアップ熱源機ユニット１４からの排水を、一つの排水受け１２８に排水しているため、改質水タンク２４からの排水用の排水設備と、バックアップ熱源機ユニット１４からの排水用の排水設備の両方を設ける場合に比較して排水設備を簡素化することができ、排水設備に関わる現場工事も削減することができる。

本実施形態の燃料電池システム１０は、第２実施形態の冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２を、各々別体とされた燃料電池ユニット１２２と、タンクユニット１２４との２ユニットに分割したので、燃料電池ユニット１２２、及びタンクユニット１２４は、第２実施形態の冷媒タンク付き燃料電池ユニット１２と比較して、各々の重量、及びサイズが小さくなる。即ち、燃料電池ユニット１２２、及びタンクユニット１２４は、小型化、及び軽量化され、運搬性を向上することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１０は、燃料電池ユニット１２２、及びタンクユニット１２４のユニット１個当たりの設置面積を小さくできるち共に、各々のユニットを離して設置することができるので、設置の自由度を更に向上することもできる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１０を図４にしたがって説明する。なお、前述した実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

第１の実施形態、及び第２の実施形態の燃料電池システム１０では、冷媒タンク３０の上部に開口部３３を設けることで、冷媒タンク３０の内部の圧力を外部に逃がしていたが、図４に示すように、本実施形態の燃料電池システム１０では、冷媒タンク３０の内部の圧力をシスターンタンク１３４を介して外部に逃がしている。

本実施形態の冷媒タンク３０は、開口部３３が設けられていない、いわゆる密閉型のタンクである。冷媒タンク３０の冷媒タンク３０の天井壁３０Ａには、配管１３６の一端が接続され、配管１３６の他端がシスターンタンク１３４に接続されている。シスターンタンク１３４の天井壁１３４Ａには、シスターンタンク１３４の内外を貫通し、シスターンタンク１３４の内部の空気を排出可能とする空気孔としての開口部１３８が形成されている。

本実施形態の燃料電池システム１０では、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２が温度上昇に伴って膨張し、冷媒Ｗ２の体積が冷媒タンク３０の容積を上回った場合、一部の冷媒Ｗ２を配管１３６を介して開口部１３８の形成されたシスターンタンク１３４へ排出される。これによって、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２が膨張した際の冷媒タンク３０内の圧力上昇を抑制することができる。これにより、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２がシステム外に漏れ出ることを抑制できる。

［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム１０を図５にしたがって説明する。なお、本実施形態は、前述した第３の実施形態の変形例であり、第３の実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

前述した第３の実施形態では、冷媒タンク３０の内部に貯留する冷媒Ｗ２が水であったが、第４の実施形態に係る燃料電池システム１０では、冷媒Ｗ２が、例えば、エチレングリコール等の含まれた不凍液とされている。本実施形態では、シスターンタンク１３４に、冷媒タンク３０の不凍液である冷媒Ｗ２が流入する。

本実施形態の燃料電池システム１０では、冷媒Ｗ２を不凍液としたので、例えば、寒冷地等において気温が低下した状態で、かつ燃料電池システム１０を稼動していない場合等において、冷媒Ｗ２の凍結を抑制することができる。なお、不凍液とは、低温でも液体の状態を保つような凝固点（凝固する温度）の低い液体のことであり、不凍液としては燃料電池システム１０の設置環境における最低気温よりも低い凝固点を有するものを使用することが好ましい。

本実施形態では、冷媒Ｗ２と上水とを上水熱交換器４４を用いて熱交換しており、冷媒Ｗ２と上水とを分離しているため、冷媒Ｗ２を不凍液とした燃料電池システム１０を実現できた。

［その他の実施形態］
以上、本発明の一例について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

第２の実施形態の燃料電池システム１０に設けられていた排水受け１２８、排水管１２９、排水管１３０、排水ポンプ１３２等の排水設備は、第１の実施形態に設けられていてもよい。

なお、上記実施形態では、燃料電池スタック７６に供給する燃料ガスに都市ガスを用いた例を示したが、燃料ガスとしてプロパンガス等、都市ガス以外の可燃性ガスを用いることもできる。

１０ 燃料電池システム
１２ 冷媒タンク付き燃料電池ユニット
１４ バックアップ熱源機ユニット
１６ 筐体（第２の筐体）
３０ 冷媒タンク
３３ 開口部（連通部）
４４ 上水熱交換器
６２ 混合弁
８１ 燃料電池セル（燃料電池）
９３ 筐体（第１の筐体）
１００ バーナ（加熱装置）
１２２ 燃料電池ユニット
１２４ タンクユニット
１２５ 筐体（第３の筐体）
１２６ 筐体（第４の筐体）
１３４ シスターンタンク

請求項１に記載の燃料電池システムは、燃料ガスと改質水とを供給して発電を行う燃料電池と、内部と外部とを連通可能な連通部を上部に備え、前記燃料電池の排気と熱交換を行った冷媒を貯留する冷媒タンクと、前記冷媒タンクから供給される冷媒と外部より供給された上水との間で熱交換を行い、加熱された前記上水を排出する上水熱交換器と、上部の少なくとも一部が開放されたシスターンタンクと、前記シスターンタンクと前記連通部とを接続する配管と、を有する。

また、請求項１に記載の燃料電池システムにおいては、上部の少なくとも一部が開放されたシスターンタンクと、前記シスターンタンクと前記連通部とを接続する配管と、を有する。

請求項１に記載の燃料電池システムでは、例えば、冷媒タンク内の冷媒が膨張して冷媒の体積が冷媒タンクの容積よりも大になった場合、膨張した冷媒を配管を介してシスターンタンクに排出することができ、冷媒タンク内の冷媒がシステム外に漏れ出ることを抑制することができる。

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、 前記上水熱交換器から排出された上水を加熱して排出する加熱装置を第１の筐体の内部に収容したバックアップ熱源機ユニットと、前記燃料電池、及び前記上水熱交換器を第２の筐体の内部に収容した冷媒タンク付き燃料電池ユニットと、を有する。

請求項２に記載の燃料電池システムでは、バックアップ熱源機ユニットを備えているので、上水熱交換器で暖められた湯を更に加熱することができ、燃料電池等の不具合が生じた場合においても、上水をバックアップ熱源機ユニットで加熱して湯を得ることができる。

また、請求項２に記載の燃料電池システムは、第１の筐体に加熱装置を収容したバックアップ熱源機ユニットと、燃料電池、及び上水熱交換器を第２の筐体に収容した冷媒タンク付き燃料電池ユニットの２つのユニットを備えている。このため、加熱装置、燃料電池、及び上水熱交換器を一つの筐体に収容したユニットに比較して、各ユニットを小型化、及び軽量化することができ、運搬性を向上することができる。

請求項３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、前記上水熱交換器から排出された上水を加熱して排出する加熱装置を第１の筐体の内部に収容したバックアップ熱源機ユニットと、前記燃料電池を第３の筐体の内部に収容した燃料電池ユニットと、前記冷媒タンク、及び前記上水熱交換器を第４の筐体の内部に収容したタンクユニットと、を有する。

請求項３に記載の燃料電池システムは、第１の筐体に加熱装置を収容したバックアップ熱源機ユニットと、燃料電池を、第３の筐体の内部に収容した燃料電池ユニットと、冷媒タンク、及び上水熱交換器を、第４の筐体の内部に収容したタンクユニットとの３つのユニットで構成されている。このため、加熱装置、燃料電池、冷媒タンク、及び上水熱交換器を一つの筐体に収容したユニットに比較して、各ユニットを小型化、及び軽量化することができ、運搬性を向上することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記冷媒は、不凍液である。

請求項４に記載の燃料電池システムでは、冷媒を不凍液としたので、冷媒の凍結を抑制することができる。本発明の燃料電池システムでは、冷媒と上水とを上水熱交換器を用いて熱交換しており、冷媒と上水とを分離しているため、冷媒を不凍液とした請求項４の燃料電池システムを実現できた。

Claims (5)

1. 燃料ガスと改質水とを供給して発電を行う燃料電池と、
   内部と外部とを連通可能な連通部を上部に備え、前記燃料電池の排気と熱交換を行った冷媒を貯留する冷媒タンクと、
   前記冷媒タンクから供給される冷媒と外部より供給された上水との間で熱交換を行い、加熱された前記上水を排出する上水熱交換器と、
   を有する燃料電池システム。
2. 上部の少なくとも一部が開放されたシスターンタンクと、
   前記シスターンタンクと前記連通部とを接続する配管と、
   を有する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記上水熱交換器から排出された上水を加熱して排出する加熱装置を第１の筐体の内部に収容したバックアップ熱源機ユニットと、
   前記燃料電池、及び前記上水熱交換器を第２の筐体の内部に収容した冷媒タンク付き燃料電池ユニットと、
   を有する請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記上水熱交換器から排出された上水を加熱して排出する加熱装置を第１の筐体の内部に収容したバックアップ熱源機ユニットと、
   前記燃料電池を第３の筐体の内部に収容した燃料電池ユニットと、
   前記冷媒タンク、及び前記上水熱交換器を第４の筐体の内部に収容したタンクユニットと、
   を有する、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記冷媒は、不凍液である、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。