JP5248176B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に不純物が含まれた水の外部からの導入を抑制しつつ稼働率を向上させた燃料電池システムに関する。

水素と酸素とを使用して、これらの電気化学的反応により発電する燃料電池は、環境に優しい発電装置として注目されている。燃料電池は発電に水素を必要とするが、水素自体を供給するインフラが普及していないことから入手が比較的困難であるため、都市ガスや灯油等の炭化水素系の原料を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器を燃料電池に併設した燃料電池システムを構築することが多い。燃料電池システムは、大局的に見ると、炭化水素系の原料と酸素とを系外から導入して二酸化炭素を排出するため、電気化学的反応の際に生成される水分等から改質器における水蒸気改質等の燃料電池システムの運転に必要な分の水分を回収することができれば、系外から水分を導入しなくても運転の継続が可能となる。特に、改質器における水蒸気改質のために改質器に導入する水分は、燃料電池システム自体から回収した水分を利用することが好ましい。改質器に導入する水として系外から導入したシリカ等の不純物が含まれる市水（水道水）を用いると、改質器での不純物の析出を防ぐために水を改質器に導入する前に水に含まれる不純物を除去する水処理装置（典型的にはイオン交換樹脂塔）における処理負荷が増大してしまうからである（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−０３２１５３号公報（段落０００２−０００４等）

現存のイオン交換樹脂塔は、カルシウムイオンやマグネシウムイオンは除去しやすいが、シリカイオンは除去しにくい。小型化が進む燃料電池システムでは改質器内の水配管の径が細くなる傾向にあるため、シリカイオンがイオン交換樹脂塔で除去されずに改質器内に流入してそこで析出すると、水配管の閉塞が生じて水素ガスの生成ができなくなり、水配管の閉塞を解消する対策を施すまでは改質ガスの生成ができないため、燃料電池で発電することもできなくなってしまう。このような不都合が生じるのを回避するため、外部（系外）からシリカ等の不純物が含まれる市水（水道水）を導入する前に余裕を持って（例えば燃料電池システムで使用される水分量よりも回収される水分量の方が少なくなったら）燃料電池システムを停止することが考えられる。しかし、余裕を持って燃料電池システムを停止すると、改質器内の水配管の閉塞は生じないものの、燃料電池の稼働率が落ちることとなる。

本発明は上述の課題に鑑み、不純物が含まれた水の外部からの導入を抑制しつつ稼働率を向上させた燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、水素を含む改質ガスｇと酸素を含む酸化剤ガスｔとを導入して改質ガスｇ中の水素と酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池３０であって、発生した熱を奪う冷却水ｃを導入する冷却部３３を有する燃料電池３０と；燃料電池３０における電気化学的反応で利用されなかった水素を含むアノードオフガスｐを導入して燃焼させる燃焼部２３と、炭化水素系の原料ｍ１と水ｓとを導入し燃焼部２３における燃焼で発生した改質熱により原料ｍ１を水蒸気改質して改質ガスｇを生成する改質部２５とを有する改質器２０と；冷却水ｃが燃料電池３０から奪った熱を蓄える蓄熱槽８０と；蓄熱槽８０から導出されて再び蓄熱槽８０に導入される排熱回収水ｈと冷却水ｃとの間で熱交換を行わせる冷却水熱交換器７１と；燃料電池３０及び燃焼部２３の少なくとも一方から排出された排ガスｒと排熱回収水ｈとの間で熱交換を行わせる排ガス熱交換器８１と；排ガス熱交換器８１から導出された排ガスｒに含まれる水分を回収する排ガス水回収手段９３であって、排ガス熱交換器８１に導入される排熱回収水ｈの温度に応じて回収可能な水分の量が変動する排ガス水回収手段９３と；排ガス水回収手段９３で回収した回収水ｗ３を含む、燃料電池３０に導出入されるガスｇ、ｐ、ｒから回収した回収水ｗを貯える回収水タンク９６と；回収水タンク９６に回収された回収水を改質部２５に送る回収水ポンプ２６と；回収水タンク９６に貯えられている回収水ｗが所定の低水位まで低下したとき又は所定の低水位まで低下したと推定されるときに燃料電池３０における発電を停止する制御装置３６とを備える。ここで「所定の低水位」は、典型的には、改質部を含む燃料電池システム内で水を必要とする部分に水を継続供給できる最低水位に余裕分を加えた水位である。

このように構成すると、回収水タンクに貯えられている回収水が所定の低水位まで低下したとき又は所定の低水位まで低下したと推定されるときに燃料電池における発電を停止するので、不純物が含まれた水が外部から導入される前に燃料電池を停止することが可能となって不純物が含まれた水の外部からの導入を抑制することができ、回収水タンクに貯えられている回収水が所定の低水位まで低下する（低下したと推定される）までは燃料電池の発電を継続することが可能となって燃料電池の稼働率を向上させることができる。

また、本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様に係る燃料電池システム１０において、排ガス熱交換器８１に導入される排熱回収水ｈの温度と相関関係を有する温度を検出する温度検出器８８を備え；制御装置３６が、回収水タンク９６に回収された水分ｗ１、ｗ２、ｗ３、・・・の流量が回収水タンク９６から導出される回収水ｗの流量よりも少なくなる温度検出器８８で検出された温度を所定の高温度とし、所定の高温度よりも低い温度検出器８８で検出された温度を所定の低温度としたときに、温度検出器８８で検出された温度が所定の低温度を超えてから第１の所定の時間が経過したとき又は温度検出器で検出された温度が所定の高温度になったときに、回収水タンク９６に貯えられている回収水ｗが所定の低水位まで低下したと推定して、燃料電池３０における発電を停止するように構成されている。

ここで「所定の低温度」は、典型的には、回収水タンク９６に回収された水分の流量が回収水タンク９６から導出される回収水の流量よりも確実に多くなる温度検出器８８で検出された温度である。典型的には、所定の低温度以上かつ所定の高温度未満の温度では、回収水タンク９６に回収された水分の流量が回収水タンク９６から導出される回収水の流量よりも多くなる場合もあり、少なくなる場合もある。

このように構成すると、比較的構成が単純な温度検出器を用いて不純物が含まれた水の外部からの導入を抑制しつつ稼働率を向上させた燃料電池システムを構築することができる。また、比較的構成が単純な温度検出器は一般に安価であり、燃料電池システムをより安価に製造することが可能となって、燃料電池システムの普及に寄与することができる。

また、本発明の第３の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様又は第２の態様に係る燃料電池システム１０において、回収水タンク９６に貯えられている回収水ｗが所定の高水位まで上昇したことを検出する高水位検出手段９７ｔを備え；制御装置３６が、高水位検出手段９７ｔが所定の高水位を検出してから第２の所定の時間が経過したときに回収水タンク９６に貯えられている回収水ｗが所定の低水位まで低下したと推定して、燃料電池３０における発電を停止するように構成されている。

高水位検出手段９７ｔが定期的に所定の高水位まで上昇したことを検出しているときは、一般に、回収水タンク９６に回収された水分ｗ１、ｗ２、ｗ３、・・・の流量が回収水タンク９６から導出される回収水ｗの流量よりも多い。他方、予想される時間が経過しても所定の高水位が検出されないときは、回収水タンク９６に回収された水分ｗ１、ｗ２、ｗ３、・・・の流量が回収水タンク９６から導出される回収水の流量よりも少なくなっている可能性がある。

このように構成すると、比較的構成が単純な製品を採用することが可能な高水位検出手段を用いて不純物が含まれた水の外部からの導入を抑制しつつ稼働率を向上させた燃料電池システムを構築することができる。また、比較的構成が単純な製品を採用することが可能な高水位検出手段は一般に安価であり、燃料電池システムをより安価に製造することが可能となって、燃料電池システムの普及に寄与することができる。

また、本発明の第４の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様乃至第３の態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池システム１０において、回収水タンク９６ヘ系外から上水を補給したことを検出する補給水検出手段９５を備え；制御装置３６が、補給水検出手段９５が回収水タンク９６に上水を補給したことを検出したときに燃料電池３０における発電を停止するように構成されている。「上水」は、典型的には市水（水道水）である。

このように構成すると、補給水検出手段が回収水タンクに上水を補給したことを検出したときに燃料電池における発電を停止するので、上水の導入を最小限度に抑制することができる。

また、本発明の第５の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様乃至第４の態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池システム１０において、回収水タンク９６ヘ系外から補給した上水の水量を検出する水量検出手段９５を備え；制御装置３６が、所定の期間内に回収水タンク９６ヘ系外から補給した上水の水量が所定の水量を超えているときに燃料電池３０における発電を停止するように構成されている。

このように構成すると、燃料電池システムが通常備える水処理装置（例えばイオン交換樹脂塔）の処理能力の許容範囲の上水が導入されるまでは燃料電池の発電を継続することが可能となって燃料電池の稼働率を向上させることができる。

また、本発明の第６の態様に係る燃料電池システムは、上記本発明の第１の態様に係る燃料電池システム１０（例えば図１参照）において、所定の低水位を検出する低水位検出器を備え；制御装置３６（例えば図１参照）が、低水位検出器が所定の低水位を検出したときに燃料電池３０（例えば図１参照）における発電を停止するように構成されている。

このように構成すると、所定の低水位を検出したときに燃料電池における発電を停止することを可能にする低水位検出器を備えるので、外部からの不純物が含まれた水の導入を確実に防ぐことができると共に、所定の低水位を検出するまでは燃料電池の発電を継続することが可能となって燃料電池の稼働率を向上させることができる。

本発明によれば、回収水タンクに貯えられている回収水が所定の低水位まで低下したとき又は所定の低水位まで低下したと推定されるときに燃料電池における発電を停止するので、不純物が含まれた水が外部から導入される前に燃料電池を停止することが可能となって不純物が含まれた水の外部からの導入を抑制することができ、回収水タンクに貯えられている回収水が所定の低水位まで低下する（低下したと推定される）までは燃料電池の発電を継続することが可能となって燃料電池の稼働率を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。

まず図１を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１０を説明する。図１は、燃料電池システム１０の模式的系統図である。燃料電池システム１０は、改質ガスｇを生成する改質器２０と、改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔを導入して水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池３０と、発熱した燃料電池３０から熱を奪った冷却水ｃと排熱回収水ｈとの間で熱交換を行わせる冷却水熱交換器７１と、燃料電池３０及び改質器２０から排出された排ガスを含む混合排ガスｒと排熱回収水ｈとの間で熱交換を行わせる排ガス熱交換器８１と、燃料電池３０から奪った熱を排熱回収水ｈを媒体として蓄える蓄熱槽としての貯湯槽８０と、混合排ガスｒに含まれる水分を回収する排ガス水回収手段としての排ガス気液分離器９３と、回収水ｗを貯える回収水タンク９６と、回収水ｗを改質用水ｓとして改質器２０に送る回収水ポンプ２６と、燃料電池システム１０を制御する制御装置３６とを備えている。

改質器２０は、原料ｍ１と改質用水ｓとを導入し水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスｇを生成する改質部２５と、原料ｍ１の水蒸気改質反応に用いる改質熱を発生する燃焼部２３とを備えている。原料ｍ１は、典型的には、メタン、エタン等の鎖式炭化水素（天然ガスも含む）、又はメタノール、石油製品（灯油、ガソリン、ナフサ、ＬＰＧ等）等の炭化水素を主成分とする混合物等の炭化水素系の燃料であり、加熱用の燃焼に適するものが用いられる。改質部２５に導入する改質用水ｓは水蒸気であってもよい。また、水素に富む改質ガスｇとは、水素を主成分とするガスであり、水素を４０体積％以上、典型的には７０〜８０体積％程度含んだ、燃料電池３０に供給するガスである。改質ガスｇ中の水素濃度は８０体積％以上でもよく、すなわち燃料電池３０に供給したときに酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。

改質部２５には、改質触媒が充填されており、水蒸気改質反応を促進させるように構成されている。改質触媒としては、典型的には、ニッケル系改質触媒やルテニウム系改質触媒が用いられる。改質触媒の作用により原料ｍ１が改質され、生成された水素に富むガスに所定量以上の一酸化炭素が含まれていると、燃料電池３０の電極触媒が被毒する。そのため、改質部２５は、変成触媒が充填された変成部（不図示）、及び選択酸化触媒が充填された選択酸化部（不図示）を有し、改質器２０から導出される改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度が約１０体積ｐｐｍ以下、好適には１体積ｐｐｍ程度となるようにするのが好ましい。変成触媒には、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。選択酸化触媒には、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。なお、改質触媒における反応は吸熱反応であるが、変成触媒を有する変成部及び選択酸化触媒を有する選択酸化部における反応は発熱反応となる。

改質部２５には、原料ｍ１を導入するための原料管５５と、改質用水ｓを導入するための改質用水管２８とが接続されている。改質用水管２８は、改質部２５直近の原料管５５に接続されていると、原料ｍ１と改質用水ｓとが混合された状態で改質部２５に導入されて好適である。しかしながら、改質用水管２８が改質部２５に直接接続されていてもよい。原料管５５には、原料ｍ１の流れを遮断可能な原料弁６５が設けられている。また、改質部２５（改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる部位を有する場合は当該部位）には改質ガスｇを導出する改質ガス管５１が接続されている。さらに改質部２５には、原料ｍ１の水蒸気改質を行う部分の温度を検出する温度検出器（不図示）が設けられている。

燃焼部２３は、改質部２５の改質触媒が設けられている位置に隣接するように、改質器２０内に配設されており、改質熱を発生するための装置として、バーナー（不図示）が設けられている。燃焼部２３は、炭化水素系燃料である燃焼用燃料ｍ２、並びに、共に水素を含むアノードオフガスｐ及び改質ガスｇを導入すると共に、燃焼用空気ａを導入し、バーナー（不図示）でこれらを燃焼させて水蒸気改質反応に用いる改質熱を得ることができるように構成されている。燃焼部２３は、燃料電池システム１０の状態に応じて、燃焼用燃料ｍ２、アノードオフガスｐ、改質ガスｇのいずれか１種類あるいは２種類以上を導入して燃焼させる。燃焼用燃料ｍ２は、本実施の形態では、原料ｍ１と同じものが使用される。すなわち、原料ｍ１及び燃焼用燃料ｍ２は、原料供給ラインとしての燃料管５７を流れる燃料ｍが分流したものを用途に応じて呼称を変えたものであり、成分は同じものである。アノードオフガスｐの成分は、典型的には、約半分が水素、残りの半分に二酸化炭素、窒素、原料あるいはその化合物（例えばメタン等）が含まれている。燃料管５７には、気体の燃料ｍを送る燃料ブロワ（不図示）が配設されている。燃料ブロワ（不図示）は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調節することができ、燃料ｍの流量を増減することができる。なお、燃料ｍが液体の場合は燃料ブロワ（不図示）に代えて燃料ポンプが配設される。

燃焼部２３には、アノードオフガスｐ及び改質ガスｇを導入可能なアノードオフガス管５２と、燃焼用燃料ｍ２を導入する燃焼燃料管５６とが接続されている。燃焼燃料管５６には、燃焼用燃料ｍ２の流れを遮断可能な燃焼燃料弁６６が設けられており、燃焼燃料弁６６の下流には燃焼用空気ａを流す燃焼空気管５８が接続されている。また、燃焼部２３には、バーナー（不図示）で燃焼した後の燃焼排ガスｅを排出する排ガス管５９が接続されている。

燃料電池３０は、典型的には固体高分子形燃料電池である。燃料電池３０は、改質ガスｇを導入するアノード３１と、酸化剤ガスｔを導入するカソード３２と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部３３とを含んで構成されている。カソード３２に導入される酸化剤ガスｔは、典型的には空気である。燃料電池３０は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜（電解質膜）をアノード３１とカソード３２とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部３３を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池３０では、アノード３１に供給された改質ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過してカソード３２に移動すると共に電子がアノード３１とカソード３２とを結ぶ導線を通ってカソード３２に移動して、カソード３２に供給された酸化剤ガスｔ中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。

アノード３１と改質部２５とは、改質ガス管５１を介して接続されている。改質ガス管５１には改質ガスｇの流れを遮断可能な改質ガス弁６１が設けられている。また、アノード３１と燃焼部２３とは、アノードオフガス管５２を介して接続され、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスｐを燃焼部２３に導入することができるようになっている。アノードオフガス管５２には、アノードオフガスｐの流れを遮断可能なアノードオフガス弁６２が配設されている。また、改質ガス弁６１の上流側の改質ガス管５１と、アノードオフガス弁６２よりも下流のアノードオフガス管５２とが、バイパス管５３で接続されている。バイパス管５３にはバイパス弁６３が設けられている。改質ガス弁６１とアノード３１との間の改質ガス管５１には、改質ガスｇから余剰の水分を分離する改質ガス気液分離器９１が配設されている。改質ガス気液分離器９１で回収された回収水ｗ１は、回収水管９１Ａを介して回収水タンク９６に導かれるように構成されている。また、バイパス管５３との接続点と燃焼部２３との間のアノードオフガス管５２には、アノードオフガスｐから余剰の水分を分離するアノードオフガス気液分離器９２が配設されている。アノードオフガス気液分離器９２で回収された回収水ｗ２は、回収水管９２Ａを介して回収水タンク９６に導かれるように構成されている。

カソード３２には、酸化剤ガスｔを導入する酸化剤ガス管５４と、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった酸素を含むカソードオフガスｑを排出するカソードオフガス管５４Ｑとが接続されている。酸化剤ガス管５４には、酸化剤ガスｔを所定の絶対湿度に加湿する加湿器３８と、酸化剤ガスｔをカソード３２に送る空気ブロワ２９と、流路を遮断する酸化剤ガス弁６４とが酸化剤ガスｔの流れの上流から下流に向かってこの順に配設されている。加湿器３８には、加湿に用いられる水を導入し加湿されなかった水を導出する加湿用水管３８Ａが接続されている。上流側の加湿用水管３８Ａは改質用水管２８に接続されており、改質用水ｓの一部を加湿器３８に導くことができるように構成されている。下流側の加湿用水管３８Ａは回収水タンク９６に接続されており、加湿されなかった水を回収水タンク９６に戻すことができるように構成されている。空気ブロワ２９は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調節することができ、これにより圧送する空気の流量を増減することができるように構成されている。カソードオフガス管５４Ｑには、流路を遮断するカソードオフガス弁６７が配設されている。カソードオフガス管５４Ｑは、排ガス管５９に接続されている。

燃料電池３０の冷却部３３の冷却水導入口には冷却水管７５が、冷却水導出口には冷却水管７４が、それぞれ接続されている。冷却水管７４、７５により、燃料電池３０から導出された冷却水ｃが冷却水熱交換器７１を通過し、冷却水熱交換器７１を通過して温度が下がった冷却水ｃが燃料電池３０に導入されるように循環流路が形成されている。冷却水管７５には内部を流れる冷却水ｃを循環させる冷却水ポンプ７３が配置されている。冷却水ポンプ７３は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調整し、燃料電池３０の発熱量に応じて冷却水ｃの流量を調整することができるように構成されている。冷却水ポンプ７３のインバータと制御装置３６とは信号ケーブルで接続されている。

冷却水熱交換器７１は、冷却水ｃと排熱回収水ｈとの間で熱交換を行う機器であり、典型的にはプレート型熱交換器が用いられる。冷却水熱交換器７１は、燃料電池３０から受熱して温度が上昇した冷却水ｃと冷却水ｃよりも温度が低い排熱回収水ｈとがカウンターフローにより熱交換し、燃料電池３０の排熱を冷却水ｃから排熱回収水ｈに伝達するように構成されている。冷却水熱交換器７１は、燃料電池３０から受熱して温度が上昇した冷却水ｃを導入する冷却水導入口と排熱回収水ｈとの熱交換により温度が下がった冷却水ｃを導出する冷却水導出口と、温度が低い排熱回収水ｈを導入する排熱回収水導入口と冷却水ｃとの熱交換により温度が上昇した排熱回収水ｈを導出する排熱回収水導出口とを有している。冷却水熱交換器７１の冷却水導入口には冷却水管７４が、冷却水導出口には冷却水管７５が、それぞれ接続されている。

冷却水熱交換器７１の排熱回収水導出口には排熱回収水管８４が、排熱回収水導入口には排熱回収水管８５が、それぞれ接続されている。排熱回収水管８４は、冷却水熱交換器７１から導出された排熱回収水ｈが貯湯槽８０の上部に流入するように貯湯槽８０の上部に接続されており、好適には頂部に接続される。排熱回収水管８５は、冷却水熱交換器７１に導入される排熱回収水ｈが貯湯槽８０の下部から採水されるように貯湯槽８０の下部に接続されており、好適には底部に接続される。排熱回収水管８４、８５は冷却水熱交換器７１及び貯湯槽８０と接続されて循環流路を形成している。排熱回収水管８５には、内部を流れる排熱回収水ｈを循環する排熱回収水ポンプ８３が配置されている。排熱回収水ポンプ８３は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調整し、冷却水熱交換器７１での交換熱量に応じて排熱回収水ｈの流量を調整することができるように構成されている。また、冷却水熱交換器７１と排熱回収水ポンプ８３との間の排熱回収水管８５には、排ガス熱交換器８１が配設されている。貯湯槽８０近傍の排熱回収管８５には、貯湯槽８０から導出された排熱回収水ｈの温度を検出する温度検出器としての温度センサ８８が設けられている。排熱回収水ポンプ８３のインバータ及び温度センサ８８は、それぞれ制御装置３６と信号ケーブルで接続されている。

排ガス熱交換器８１は、貯湯槽８０から導出された排熱回収水ｈと混合排ガスｒとの間で熱交換を行わせる機器であり、典型的にはプレート型熱交換器が用いられる。混合排ガスｒは、燃焼部２３から導出された燃焼排ガスｅとカソードオフガスｑとが混合したガスである。燃焼排ガスｅは、燃料電池３０から排出されたアノードオフガスｐが燃焼部２３で燃焼して生じたガスである場合があり、この場合の燃焼排ガスｅは燃料電池３０から排出された排ガス由来のガスである。排ガス熱交換器８１には排ガス管５９が接続されており、混合排ガスｒを導出入することができるように構成されている。排ガス熱交換器８１は、典型的には混合排ガスｒと排熱回収水ｈとがカウンターフローにより熱交換して混合排ガスｒの熱が排熱回収水ｈに伝達され、混合排ガスｒの温度が低下し排熱回収水ｈの温度が上昇するように構成されている。換言すれば、混合排ガスｒは、排ガス熱交換器８１において排熱回収水ｈによって冷やされる。このとき、混合排ガスｒの比熱は排熱回収水ｈの比熱よりも小さいため、排熱回収水ｈの温度が上昇する幅よりも混合排ガスｒの温度が低下する幅の方が大きくなる。

排ガス気液分離器９３は、排ガス熱交換器８１よりも下流側の排ガス管５９に配設されている。排ガス気液分離器９３は、混合排ガスｒから、排ガス熱交換器８１で冷やされて凝縮した水分を分離する機器である。排ガス気液分離器９３で回収された回収水ｗ３は、回収水管９３Ａを介して回収水タンク９６に導かれるように構成されている。

回収水タンク９６は、各気液分離器９１、９２、９３で分離した回収水ｗ１、ｗ２、ｗ３及び加湿器３８において酸化剤ガスｔに乗らなかった水分を回収して貯留するタンクである。これら以外の燃料電池システム１０内で回収された水を貯留してもよい。以下では、回収水タンク９６内で混合して貯留する水を単に「回収水ｗ」ということとする。回収水タンク９６には、回収水管９１Ａ、９２Ａ、９３Ａ及び加湿用水管３８Ａが接続されている。また、回収水タンク９６には、上水としての市水（水道水）ｗｍを導入する市水導入管９４が設けられている。市水ｗｍには、一般に、菌繁殖抑制のために塩素分が含まれているほか、カルシウム分、マグネシウム分、シリカ分等の不純物が含まれている。回収水タンク９６内の市水導入管９４の先端には、ボールタップ９４Ｂが取り付けられている。ボールタップ９４Ｂが取り付けられていることにより、回収水タンク９６内の水位がボールタップ９４Ｂの給水開始水位（典型的には所定の低水位よりも低い水位）まで下がると、回収水タンク９６内の水位が所定の水位（ボールタップ９４Ｂからの流入水の停止水位）になるまで市水ｗｍが回収水タンク９６内に流入するようになっている。なお、ボールタップ９４Ｂの頻繁な開閉動作を回避するために、ボールタップの開閉に水位差が取れるタイプのものを用いるとよい。市水導入管９４には、導入した市水ｗｍの流量を検出する水量検出手段としての流量計９５が配設されている。流量計９５は、流量の有無をも検出できるので、補給水検出手段としての機能も兼ね備える。流量計９５は制御装置３６と信号ケーブルで接続されており、検出した流量を信号として制御装置３６に送信することができるように構成されている。

回収水タンク９６には、貯留している回収水ｗの水位を検出する水位検出器９７が設けられている。水位検出器９７は、所定の高水位を検出する高水位検出手段としての高水位検出フロート９７ｔを有している。すなわち、水位検出器９７は、フロートスイッチを含んで構成されている。ここで「所定の高水位」は、典型的には、回収水タンク９６からの回収水ｗの溢水を回避するために回収水タンク９６からの回収水ｗの排出を強制的に開始する水位である。回収水タンク９６は、図１においては説明の便宜上、高水位検出フロート９７ｔに対して十分大きく示されているが、燃料電池システム１０の小型化の要請に伴ってフロートスイッチを複数設けることが困難な大きさに決定されることが多い。また、回収水タンク９６内の回収水ｗは、典型的には不純物の含有量が少なく電気伝導率小さいため、電極棒による水位検出が困難な場合が多い。回収水タンク９６の下部には、改質用水管２８が接続されている。加湿用水管３８Ａとの接続部分よりも上流側の改質用水管２８には、回収水ポンプ２６が配設されている。回収水ポンプ２６の起動により、回収水タンク９６に貯留されている回収水ｗを、改質用水ｓとして改質部２５に供給することができると共に、加湿器３８に供給することができるように構成されている。加湿用水管３８Ａとの接続部分と回収水ポンプ２６との間の改質用水管２８には、回収水ｗから不純物を除去するイオン交換樹脂塔２７が配設されている。また、回収水タンク９６の下部には、内部に貯留されている回収水ｗを系外（燃料電池システム１０外）に排出する排水管９８が接続されている。排水管９８には、流路を遮断する排水遮断弁９９が配設されている。また、所定の高水位よりも上部に、回収水タンク９６からの回収水ｗの溢水を防ぐオーバーフロー管９６ｆが接続されている。

制御装置３６は、燃料電池システム１０の運転を制御する。制御装置３６は、燃料ブロワ（不図示）及び空気ブロワ２９に信号を送信して発停を制御すると共に、燃料ブロワ（不図示）及び空気ブロワ２９から吐出される流体の流量を制御する。また、制御装置３６は、回収水ポンプ２６、冷却水ポンプ７３及び排熱回収水ポンプ８３に信号を送信して発停を制御すると共に、回収水ポンプ２６、冷却水ポンプ７３及び排熱回収水ポンプ８３から吐出される流体の流量を制御する。なお、燃料ブロワ（不図示）、空気ブロワ２９及び各ポンプ２６、７３、８３に信号を送信することには、これらに送電する動力盤（不図示）に信号を送信することも含む。また、制御装置３６は、各弁６１〜６７、９９とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、開閉信号を送信して弁の開閉動作をさせることができるように構成されている。また、制御装置３６は、温度センサ８８及び改質部２５の温度を検出する温度検出器（不図示）とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、温度信号を受信することができるように構成されている。また、制御装置３６は、流量計９５と信号ケーブルで接続されており、流量信号を受信することができるように構成されている。また、制御装置３６は、水位検出器９７と信号ケーブルで接続されており、水位信号を受信することができるように構成されている。また、制御装置３６は、時間の計測を行う計時手段としてのタイマー（不図示）を有している。

引き続き図１を参照して、燃料電池システム１０の作用を説明する。停止している燃料電池システム１０の運転を開始するには、燃料ブロワ（不図示）を起動して燃焼部２３に燃焼用燃料ｍ２を供給すると共に不図示のブロワ（空気ブロワ２９が兼ねてもよい）を起動して燃焼部２３に燃焼用空気ａを供給する。このとき、燃焼燃料弁６６は開、その他の弁６１〜６５、６７、９９は閉となっている。燃焼部２３で燃焼用燃料ｍ２が燃焼して改質熱が発生し、改質部２５が昇温したら、原料弁６５を開にして原料ｍ１を改質部２５に導入する。改質部２５の温度は温度検出器（不図示）で検出する。また、回収水ポンプ２６を起動して改質部２５に改質用水ｓを供給する。なお、回収水ポンプ２６の起動により、加湿器３８にも加湿用水が供給される。加湿器３８において加湿に用いられなかった加湿用水は、加湿用水管３８Ａを介して回収水タンク９６に戻される。原料ｍ１及び改質用水ｓが導入された改質部２５では、燃焼部２３から改質熱を得て原料ｍ１が水蒸気改質反応を起こし、改質ガスｇが生成される。なお、運転開始当初の改質ガスｇの組成が安定していないときは、改質ガス弁６１及びアノードオフガス弁６２を閉にし、バイパス弁６３を開にして、組成が安定していない改質ガスｇを燃料電池３０に供給せずに燃焼部２３に導いて燃焼させてもよい。燃焼部２３における燃焼によって生じた燃焼排ガスｅは、排ガス管５９に導出され、排ガス管５９内を系外に向かって流れる。

改質器２０で生成される改質ガスｇの組成が安定し、改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度が所定の値まで低減するようになると、制御装置３６が改質ガス弁６１及びアノードオフガス弁６２を開に、バイパス弁６３を閉にして、改質ガスｇが燃料電池３０に導入されるようにする。これにより、燃料電池３０のアノード３１に改質ガスｇが導入される。改質ガスｇは、アノード３１に至る途中の改質ガス気液分離器９１で水分が除去される。改質ガス気液分離器９１で除去された水分は、回収水ｗ１として回収水タンク９６に導かれる。他方、制御装置３６は、酸化剤ガス弁６４及びカソードオフガス弁６７を開にする。これによって燃料電池３０のカソード３２に加湿器３８で加湿された酸化剤ガスｔが導入される。燃料電池３０ではアノード３１に導入された改質ガスｇ中の水素と、カソード３２に導入された酸化剤ガスｔ中の酸素とによる電気化学的反応が行われる。電気化学的反応は、アノード３１側では以下の（１）式に示す反応が行われ、カソード３２側では以下の（２）式に示す反応が行われる。
２Ｈ_２ → ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ ・・・（１）
Ｏ_２ ＋ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ ・・・（２）
この電気化学的反応によって発電し、発熱すると共に水分が生成される。さらに説明を加えると、アノード３１側の電子が外部電気回路を通ってカソード３２側に移動する際に電力を得ることができる。アノード３１側の水素イオンは固体高分子膜を通過してカソード３２側に移動し、酸素と結合して水分が発生する。この電気化学的反応は発熱反応である。燃料電池３０は、作動中は温度が高温（例えば８０℃）になっているため、カソード３２で生成された水分の多くは水蒸気としてカソードオフガスｑに含まれる。

燃料電池３０によって得られる電力は直流電力であるため、パワーコンディショナ（不図示）で交流電力に変換されて電力負荷（不図示）に送電されるほか、空気ブロワ２９、各ポンプ２６、７３、８３、各弁６１〜６７、９９等の燃料電池システム１０内の電気機器に送電される。燃料電池３０で発電される電力は、電力負荷（不図示）及び燃料電池システム１０内の電気機器の消費電力の合計に対して所定の値（例えば合計消費電力の９０％）となるように、パワーコンディショナ（不図示）で設定される。この設定値に対して適切な供給量となるように、制御装置３６により燃料電池３０に供給される改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔの量が調節される。不足分の電力は、商用電源（不図示）から交流電力の供給を受ける。

燃料電池３０の作動中、アノード３１からはアノードオフガスｐが排出される。排出されたアノードオフガスｐは、アノードオフガス管５２を介して改質器２０の燃焼部２３に導かれて燃焼される。アノードオフガスｐは、燃焼部２３に至る途中のアノードオフガス気液分離器９２で、燃焼部２３での燃焼に適するように水分が除去される。アノードオフガス気液分離器９２で除去された水分は、回収水ｗ２として回収水タンク９６に導かれる。燃焼部２３におけるアノードオフガスｐの燃焼により、改質部２５における改質に用いる改質熱を発生させることができる。燃焼部２３へ導入されるアノードオフガスｐの燃焼だけでは発生する改質熱が不足する場合は、燃焼燃料弁６６の開度を調節して燃焼用燃料ｍ２を燃焼部２３に導入する。燃焼部２３における燃焼によって生じた燃焼排ガスｅは、上述のように、排ガス管５９に導出される。他方、カソード３２からはカソードオフガスｑが排出される。カソード３２から排出されたカソードオフガスｑは、カソードオフガス管５４Ｑを介して排ガス管５９に流入する。排ガス管５９に流入したカソードオフガスｑは、燃焼排ガスｅと混ざり混合排ガスｒとなって系外に向かって排ガス管５９を流れる。つまり、混合排ガスｒは、燃料電池３０から導出されたガスであるカソードオフガスｑを含んでいる。排ガス管５９を流れる混合排ガスｒは、排ガス熱交換器８１に流入する。

上述のように、燃料電池３０における電気化学的反応は発熱反応であるため、燃料電池３０の運転を継続するために発生した熱を冷却水ｃで除去する。燃料電池３０に改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔが導入されて発電が行われるようになると、制御装置３６は、冷却水ポンプ７３及び排熱回収水ポンプ８３を起動して冷却水ｃ及び排熱回収水ｈを循環させる。冷却部３３に導入された冷却水ｃは、燃料電池３０における電気化学的反応で発生した熱によって温度が上昇する。燃料電池３０は冷却水ｃによって発熱が除去されて、運転に適した温度に維持される。冷却部３３から導出された冷却水ｃは冷却水熱交換器７１に向かって流れ、冷却水熱交換器７１に導入される。冷却水熱交換器７１に導入された冷却水ｃは、排熱回収水ｈと熱交換して温度が低下し、再び冷却部３３に導入され、以降は上述のサイクルを続ける。

他方、冷却水熱交換器７１に導入された排熱回収水ｈは、冷却水ｃと熱交換して温度が上昇する。排熱回収水ｈは、冷却水熱交換器７１に導入される前に排ガス熱交換器８１に導入される。排ガス熱交換器８１に導入された排熱回収水ｈは、別途排ガス熱交換器８１に導入された混合排ガスｒと熱交換して温度が上昇する。他方、混合排ガスｒは、排ガス熱交換器８１において排熱回収水ｈと熱交換して温度が低下する。排ガス熱交換器８１から導出された混合排ガスｒには温度の低下により凝縮した水分が含まれている。排ガス熱交換器８１から導出された混合排ガスｒは、排ガス気液分離器９３で水分が除去された後に系外（燃料電池システム１０外）に排出される。排ガス気液分離器９３で分離された水分は、回収水ｗ３として回収水タンク９６に導かれる。排ガス気液分離器９３で分離される水分は、混合排ガスｒ中の凝縮水量と相関関係がある排ガス熱交換器８１における混合排ガスｒの冷却量により増減する。排ガス熱交換器８１における混合排ガスｒの冷却量は、排ガス熱交換器８１に導入される排熱回収水ｈの温度、換言すれば貯湯槽８０から導出される排熱回収水ｈの温度が低いほど多くなる。本実施の形態では、冷却水熱交換器７１で冷却水ｃと熱交換を行う前の排熱回収水ｈを排ガス熱交換器８１に導入して混合排ガスｒと熱交換させているので、排熱回収水ｈの温度が比較的低い状態で混合排ガスｒと熱交換させることができ、混合排ガスｒを効果的に冷却することができる。つまり、排ガス熱交換器８１に導入される排熱回収水ｈの温度が低いほど、排ガス気液分離器９３で回収できる回収水ｗ３の量は多くなる。

排ガス熱交換器８１で混合排ガスｒと熱交換した後に冷却水熱交換器７１で冷却水ｃと熱交換して冷却水熱交換器７１から導出された排熱回収水ｈは、貯湯槽８０に向かって流れ、典型的には上部から貯湯槽８０に流入する。貯湯槽８０に流入した排熱回収水ｈは、給湯や暖房等の熱需要（不図示）で使用することができる程度の温度になっている。貯湯槽８０内は、排熱回収水ｈの密度差により、上部に温度が高い水が、下部に温度が低い水が貯留されて温度成層が形成される。貯湯槽８０内に貯留された排熱回収水ｈは、上部の温度の高い水が熱需要（不図示）に供給されて蓄えた熱が消費される。このように燃料電池３０で発生した熱を有効利用することにより、燃料電池システム１０の効率が向上することとなる。熱需要（不図示）に供給された排熱回収水ｈは、熱が利用されて温度が低下した後に貯湯槽８０の下部に戻される。あるいは、排熱回収水ｈの熱だけでなく排熱回収水ｈ自体が消費される場合は、減少した分の水を補給水（不図示）として外部（例えば市水等）から貯湯槽８０の下部に導入する。このとき貯湯槽８０に導入される補給水は、回収水タンク９６につながる系統とは別の系統であるため、改質器２０の不具合を誘発することはない。これにより、貯湯槽８０の下部に温度が低い水が貯留される。貯湯槽８０下部の温度が低い排熱回収水ｈは、排熱回収水管８５を流れて排ガス熱交換器８１に導入され、上述のように、冷却水熱交換器７１に導入された後、再び貯湯槽８０に導入される。

各気液分離器９１〜９３から回収された回収水ｗ１〜ｗ３、加湿器３８から戻された加湿用水、及び燃料電池システム１０内で回収された水分（不図示）は、回収水タンク９６に収集され混合されて回収水ｗとなる。回収水タンク９６の回収水ｗは、回収水ポンプ２６により、イオン交換樹脂塔２７を経て改質部２５及び加湿器３８に供給される。回収水タンク９６から回収水ｗが導出された分よりも少ない水分しか回収水タンク９６に導入されないと回収水タンク９６内の回収水ｗの水位が下がり、水位がボールタップ９４Ｂの給水開始水位まで低下すると回収水タンク９６内に市水ｗｍが導入される。市水ｗｍが市水導入管９４を流れると、流量計９５から制御装置３６に市水ｗｍの流量に関する流量信号が送信される。回収水タンク９６内の水位がボールタップ９４Ｂの給水停止水位まで上昇すると、回収水タンク９６への市水ｗｍの導入が停止される。回収水タンク９６内に市水ｗｍが導入されると回収水ｗ中にシリカ等の不純物が含まれることとなり、イオン交換樹脂塔２７の負荷が増大する。イオン交換樹脂塔２７の処理能力が許容範囲を超えると不純物が除去されずに改質部２５に導入されることとなり、改質部２５内の改質用水ｓの流路が閉塞して改質ガスｇの生成ができなくなり、ひいては燃料電池３０の運転ができなくなるため、回収水タンク９６には極力市水ｗｍを導入させないことが好ましい。

ただし、貯湯槽８０内に蓄えられる熱が消費され、貯湯槽８０から導出され排ガス熱交換器８１に導入される排熱回収水ｈの温度が所定の低温度以下の場合は、排ガス気液分離器９３で回収される回収水ｗ３を含む回収水タンク９６に回収される水分の流量が燃料電池システム１０の運転継続に十分な量となり、回収水タンク９６に回収される水分（回収水ｗ１〜ｗ３、加湿用水等）の流量が回収水タンク９６から導出される回収水ｗの流量よりも多い水余りの状態となる。燃料電池システム１０は、大局的に見ると、水素原子を含む炭化水素系の原料ｍ１と酸素を含む酸化剤ガスｔとを系外から導入し、二酸化炭素及び水分を含む混合排ガスｒを系外に排出しているので、系外に導出される混合排ガスｒから適切に水分を回収することができれば水余りの状態となる。回収水タンク９６内の水位が所定の高水位（典型的にはボールタップ９４Ｂの給水停止水位よりも高い）まで上昇すると、制御装置３６は水位検出器９７から所定の高水位を検出した信号を受信した後に排水遮断弁９９に信号を送信して排水遮断弁９９をあらかじめ決められた時間だけ開にして、排水遮断弁９９が開となっている時間に排水管９８を流れる流量分の回収水ｗが燃料電池システム１０外に排出される。しかし、排ガス熱交換器８１に導入される排熱回収水ｈの温度が所定の低温度を超える場合は、排ガス気液分離器９３で回収される回収水ｗ３を含む回収水タンク９６に回収される水分の流量が燃料電池システム１０の運転継続に必要な量よりも少なくなる場合があり、ひいては回収水タンク９６に回収される水分（回収水ｗ１〜ｗ３、加湿用水等）の流量が回収水タンク９６から導出される回収水ｗの流量よりも少なくなる場合がある。

図２に、冷却水熱交換器７１に導入される排熱回収水ｈの温度と回収水タンク９６に回収される水分の流量との関係を示す。図２に示された、排ガス熱交換器８１に導入される排熱回収水ｈの温度が所定の低温度以下となる「安全領域」では、回収水タンク９６に回収される水分の流量が回収水タンク９６から導出される回収水ｗの流量よりも多い水余りの状態となる。他方、排ガス熱交換器８１に導入される排熱回収水ｈの温度が所定の高温度以上となる「危険領域」では、回収水タンク９６に回収される水分の流量が回収水タンク９６から導出される回収水ｗの流量よりも少なくなる。「安全領域」と「危険領域」との間の、排ガス熱交換器８１に導入される排熱回収水ｈの温度が所定の低温度を超え所定の高温度未満となる「やや危険領域」では、諸因子により、回収水タンク９６に回収される水分の流量が回収水タンク９６から導出される回収水ｗの流量よりも多くなる場合と少なくなる場合とがある。イオン交換樹脂塔２７の頻繁なメンテナンスを行わずに燃料電池システム１０を運転させる観点から、市水ｗｍが回収水タンク９６に導入されるのを確実に回避するためには、排ガス熱交換器８１に導入される排熱回収水ｈの温度が所定の低温度を超える場合（安全領域を逸脱する場合）は燃料電池システム１０を停止させることも一策である。しかし、排ガス熱交換器８１に導入される排熱回収水ｈの温度が所定の低温度を超えたら燃料電池システム１０を停止させることとすると、燃料電池３０の稼働率が低下してしまい、燃料電池システム１０を導入したメリットを十分に享受できるとは言い難くなってしまう。本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１０では、燃料電池３０の稼働率を向上させるため、以下のような運転を行う。

燃料電池システム１０は、イオン交換樹脂塔２７の不純物除去性能をあらかじめ予定されている期間中で発揮できる程度の市水ｗｍの導入量に抑制する範囲で、図２に示す「やや危険領域」においても運転を継続することを基本構成とする。このとき、回収水タンク９６内への市水ｗｍの導入が開始される一歩手前の水位（所定の低水位）を正確に検出できる高精度水位検出器を用いることができれば回収水タンク９６内への市水ｗｍの導入を回避しつつ燃料電池３０の稼働率を高めることができるが、このような高精度水位検出器が高価な場合は燃料電池システム１０の価格が上昇し、燃料電池システム１０の普及の弊害となることが考えられる。

燃料電池システム１０は、温度センサ８８で排熱回収水ｈの温度を検出し、温度センサ８８で検出した排熱回収水ｈの温度が所定の低温度を超えてから第１の所定の時間が経過したとき又は所定の高温度になったときに、燃料電池システム１０を停止して、燃料電池システム１０内に市水ｗｍが導入されることを回避している。このようにすると、高価な水位検出器を用いる場合よりも燃料電池システム１０を安価に構成しつつ、冷却水熱交換器７１に導入される排熱回収水ｈの温度が所定の低温度を超えたときに燃料電池３０の運転を停止する場合よりも燃料電池３０の運転時間を長くすることができ、燃料電池３０の稼働率を向上させることができる。

また、上記の温度センサ８８を利用した制御に代えて、水位検出器９７が所定の高水位を検出してから第２の所定の時間が経過したときに、燃料電池システム１０を停止して、燃料電池システム１０内に市水ｗｍが導入されることを回避してもよい。この高水位検出による制御は、上述のように、燃料電池システム１０が水余り状態にあるときは定期的に所定の高水位が検出されて排水遮断弁９９が開にされて回収水ｗが系外に排出されるところ、第２の所定の時間にわたって所定の高水位が検出されない場合は燃料電池システム１０が水余り状態になく、回収水タンク９６内の水位が低下している可能性があると考えられることに基づくものである。なお、この高水位検出による制御と前述の温度センサ８８を利用した制御とを重畳的に適用して、早く条件を満たした方の制御に基づいて燃料電池システム１０を停止させるように構成してもよい。

また、上記の温度センサ８８を利用した制御及び／又は高水位検出による制御に代えて、流量計９５が回収水タンク９６への市水ｗｍの流入を検出したときに燃料電池システム１０を停止することとしてもよい。この市水流入検出による制御は、厳密にいえば回収水タンク９６内の水位が所定の低水位よりも低下していることとなり、わずかな市水ｗｍが回収水タンク９６に導入されることとなるが、市水ｗｍの導入量を最小限に止めてイオン交換樹脂塔２７への負荷を最小限に抑制している一方、回収水タンク９６内の水位がボールタップ９４Ｂの給水開始水位に低下するまで燃料電池３０の運転時間を延ばすことができる。なお、この市水流入検出による制御と、前述の温度センサ８８を利用した制御及び／又は高水位検出による制御とを重畳的に適用して、早く条件を満たした制御に基づいて燃料電池システム１０を停止させるように構成してもよい。

また、上記の温度センサ８８を利用した制御及び／又は高水位検出による制御及び／又は市水流入検出による制御に代えて、流量計９５が回収水タンク９６へ流入される市水ｗｍの量が所定の水量を超えたことを検出したときに燃料電池システム１０を停止することとしてもよい。ここで「所定の水量」は、典型的には、イオン交換樹脂塔２７の不純物除去性能を発揮できる水量である。この市水流入量制限による制御も、厳密にいえば回収水タンク９６内の水位が所定の低水位よりも低下している。しかし、イオン交換樹脂塔２７の不純物除去性能を予定されている期間（交換予定時までの間）中で発揮できる程度の量の市水ｗｍを回収水タンク９６に導入することを許容しているため、イオン交換樹脂塔２７の不純物除去性能が許容範囲を超えた場合はイオン交換樹脂塔２７のメンテナンスを行うまで燃料電池システム１０を運転できなくなるが、所定の水量の市水ｗｍが導入されるまでの間、燃料電池３０の運転時間を延ばすことができる。なお、「所定の水量」をイオン交換樹脂塔２７の不純物除去性能を発揮できる水量よりも少ない流量（すなわち余裕を持った流量）に設定し、回収水タンク９６へ流入される市水ｗｍの量が所定の水量に達した後は、温度センサ８８で検出した排熱回収水ｈの温度が所定の低温度を超えたときに（図２に示す「やや危険領域」に入ったときに）燃料電池システム１０を停止するようにしてもよい。この場合は、回収水タンク９６へ流入される市水ｗｍの量が所定の水量に達するまでは燃料電池の稼働率を向上させることに重点を置きつつ、所定の水量に達した後は系（燃料電池システム１０）内への市水ｗｍの導入を回避することができ、メンテナンスを行うまで燃料電池システム１０が運転できなくなることを回避することができる。これらの市水流入量制限による制御と、前述の温度センサ８８を利用した制御及び／又は高水位検出による制御及び／又は市水流入検出による制御とを重畳的に適用して、早く条件を満たした制御に基づいて燃料電池システム１０を停止させるように構成してもよい。

なお、回収水タンク９６内への市水ｗｍの導入が開始される一歩手前の水位（所定の低水位）を正確に検出できる高精度水位検出器を用いることができる場合は、高精度水位検出器が所定の低水位を検出したときに燃料電池システム１０を停止させればよい。この場合、回収水タンク９６内への市水ｗｍの導入を確実に回避しつつ、燃料電池３０の運転を延ばすことができる。あるいは、回収水タンク９６内に、高水位検出フロート９７ｔが設けられている状況で、市水ｗｍの導入が開始される一歩手前の水位（所定の低水位）を検出する所定の低水位検出用フロートスイッチを設置するスペースがある場合は、所定の低水位検出用フロートスイッチが所定の低水位を検出したときに燃料電池システム１０を停止させるように構成してもよい。

上述の各制御により燃料電池システム１０が停止した後、貯湯槽８０に蓄えられた熱が消費されて排ガス熱交換器８１に導入される排熱回収水ｈの温度が所定の低温度以下となる状態となった場合は、燃料電池システム１０が再び水余り状態となっている可能性が高いため、燃料電池システム１０を再起動するように構成してもよい。

以上の説明では、回収水タンク９６に貯えられている回収水ｗが所定の低水位まで低下したとき（高精度水位検出器を用いた場合）又は所定の低水位まで低下したと推定されるとき（温度センサ８８を利用した制御、高水位検出による制御、市水流入検出による制御、市水流入量制限による制御の少なくとも１つによる場合）に燃料電池システム１０を停止させることとしたが、所定の低水位まで低下した（又は低下したと推定される）ときに加え、貯湯槽８０から冷却水熱交換器７１に向けて導出される排熱回収水ｈの温度が所定の低温度を超えたときの両方の条件を満たしたときに、燃料電池システム１０を停止するように構成してもよい。このようにすると、燃料電池システム１０が水余り状態にあるにもかかわらず一時的な制御バランスの崩れ等に起因する回収水タンク９６の水位の一時的な低下により燃料電池システム１０が停止されることを回避することができ、燃料電池システム１０の稼働率を向上させることができる。なお、燃料電池システム１０が水余り状態にある場合は、一時的な制御バランスの崩れ等に起因して回収水タンク９６の水位が一時的に低下しても、制御バランスの崩れが解消されることにより、その後回収水タンク９６内の水位が所定の低水位以上に回復することが多い。

以上の説明では、高水位検出手段が水位検出器９７であるとしたが、オーバーフロー管９６ｆに流水検知器（不図示）を設け、流水検知器（不図示）が流水を検知したことで高水位を検出するように構成してもよい。

以上の説明では、水量検出手段として流量計９５を設けることとしたが、流量計９５に代えて制御装置３６と信号ケーブルで接続された電磁弁を市水導入管９４に設け、電磁弁を開にしたときに市水導入管９４を流れる市水ｗｍの流量をあらかじめ測定しておき、電磁弁を開にした延べ時間から回収水タンク９６に導入された市水ｗｍの流量を推定してもよい。このとき、１度につき電磁弁を開ける開時間を定めておいて電磁弁を開けた回数と開時間との積から電磁弁を開にした延べ時間を演算してもよい。地域における水道水の圧力は一般にほぼ一定の範囲内にあるため、市水ｗｍを導入する際の電磁弁が開になっている時間を把握することができれば市水ｗｍの導入量を推定することができる。このようにすると、所定の誤差の範囲内で市水ｗｍの導入量を把握できる燃料電池システム１０を、流量計９５を用いるよりも安価に製造することが可能になる。

以上の説明では、燃料電池３０が固体高分子形燃料電池であるとして説明したが、りん酸形燃料電池等の固体高分子形燃料電池以外の燃料電池であってもよい。しかしながら、固体高分子形燃料電池とすると、比較的低温で運転することができ、装置を小型化できるので、一般家庭等に設置するのに適している。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの模式的系統図である。 冷却水熱交換器に導入される排熱回収水の温度と回収水タンクに回収される水分の流量との関係を示す概念図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
２５ 改質部
２６ 回収水ポンプ
３０ 燃料電池
３３ 冷却部
３６ 制御装置
７１ 冷却水熱交換器
８０ 貯湯槽
８１ 排ガス熱交換器
８８ 温度センサ
９３ 排ガス気液分離器
９５ 流量計
９６ 回収水タンク
９７ 水位検出器
ｃ 冷却水
ｅ 燃焼排ガス
ｇ 改質ガス
ｈ 排熱回収水
ｍ１ 原料
ｐ アノードオフガス
ｑ カソードオフガス
ｒ 混合排ガス
ｓ 改質用水
ｔ 酸化剤ガス

Claims (5)

1. 水素を含む改質ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを導入して前記改質ガス中の水素と前記酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池であって、発生した熱を奪う冷却水を導入する冷却部を有する燃料電池と；
   前記燃料電池における電気化学的反応で利用されなかった水素を含むアノードオフガスを導入して燃焼させる燃焼部と、炭化水素系の原料と水とを導入し前記燃焼部における燃焼で発生した改質熱により前記原料を水蒸気改質して前記改質ガスを生成する改質部とを有する改質器と；
   前記冷却水が前記燃料電池から奪った熱を蓄える蓄熱槽と；
   前記蓄熱槽から導出されて再び前記蓄熱槽に導入される排熱回収水と前記冷却水との間で熱交換を行わせる冷却水熱交換器と；
   前記燃料電池及び前記燃焼部の少なくとも一方から排出された排ガスと前記排熱回収水との間で熱交換を行わせる排ガス熱交換器と；
   前記排ガス熱交換器から導出された前記排ガスに含まれる水分を回収する排ガス水回収手段であって、前記排ガス熱交換器に導入される前記排熱回収水の温度に応じて回収可能な水分の量が変動する排ガス水回収手段と；
   前記排ガス水回収手段で回収した回収水を含む、前記燃料電池に導出入されるガスから回収した回収水を貯える回収水タンクと；
   前記回収水タンクに回収された回収水を前記改質部に送る回収水ポンプと；
   前記回収水タンクに貯えられている回収水が所定の低水位まで低下したとき又は所定の低水位まで低下したと推定されるときに前記燃料電池における発電を停止する制御装置と；
   前記回収水タンクに貯えられている回収水が所定の高水位まで上昇したことを検出する高水位検出手段とを備え；
   前記制御装置が、前記高水位検出手段が前記所定の高水位を検出してから第２の所定の時間が経過したときに前記回収水タンクに貯えられている回収水が前記所定の低水位まで低下したと推定して、前記燃料電池における発電を停止するように構成された；
   燃料電池システム。
2. 前記回収水タンクヘ系外から上水を補給したことを検出する補給水検出手段を備え；
   前記制御装置が、前記補給水検出手段が前記回収水タンクに上水を補給したことを検出したときに前記燃料電池における発電を停止するように構成された；
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 水素を含む改質ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを導入して前記改質ガス中の水素と前記酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池であって、発生した熱を奪う冷却水を導入する冷却部を有する燃料電池と；
   前記燃料電池における電気化学的反応で利用されなかった水素を含むアノードオフガスを導入して燃焼させる燃焼部と、炭化水素系の原料と水とを導入し前記燃焼部における燃焼で発生した改質熱により前記原料を水蒸気改質して前記改質ガスを生成する改質部とを有する改質器と；
   前記冷却水が前記燃料電池から奪った熱を蓄える蓄熱槽と；
   前記蓄熱槽から導出されて再び前記蓄熱槽に導入される排熱回収水と前記冷却水との間で熱交換を行わせる冷却水熱交換器と；
   前記燃料電池及び前記燃焼部の少なくとも一方から排出された排ガスと前記排熱回収水との間で熱交換を行わせる排ガス熱交換器と；
   前記排ガス熱交換器から導出された前記排ガスに含まれる水分を回収する排ガス水回収手段であって、前記排ガス熱交換器に導入される前記排熱回収水の温度に応じて回収可能な水分の量が変動する排ガス水回収手段と；
   前記排ガス水回収手段で回収した回収水を含む、前記燃料電池に導出入されるガスから回収した回収水を貯える回収水タンクと；
   前記回収水タンクに回収された回収水を前記改質部に送る回収水ポンプと；
   前記回収水タンクに貯えられている回収水が所定の低水位まで低下したとき又は所定の低水位まで低下したと推定されるときに前記燃料電池における発電を停止する制御装置と；
   前記回収水タンクヘ系外から上水を補給したことを検出する補給水検出手段とを備え；
   前記制御装置が、前記補給水検出手段が前記回収水タンクに上水を補給したことを検出したときに前記燃料電池における発電を停止するように構成された；
   燃料電池システム。
4. 前記排ガス熱交換器に導入される前記排熱回収水の温度と相関関係を有する温度を検出する温度検出器を備え；
   前記制御装置が、前記回収水タンクに回収された水分の流量が前記回収水タンクから導出される回収水の流量よりも少なくなる前記温度検出器で検出された温度を所定の高温度とし、前記所定の高温度よりも低い前記温度検出器で検出された温度を所定の低温度としたときに、前記温度検出器で検出された温度が前記所定の低温度を超えてから第１の所定の時間が経過したとき又は前記温度検出器で検出された温度が前記所定の高温度になったときに、前記回収水タンクに貯えられている回収水が前記所定の低水位まで低下したと推定して、前記燃料電池における発電を停止するように構成された；
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記回収水タンクヘ系外から補給した上水の水量を検出する水量検出手段を備え；
   前記制御装置が、所定の期間内に前記回収水タンクヘ系外から補給した上水の水量が所定の水量を超えているときに前記燃料電池における発電を停止するように構成された；
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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