JP5611712B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水蒸気含有ガスを凝縮器において冷却させて凝縮水を形成し、その凝縮水を改質水として改質水タンクに溜める燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、改質水で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、アノードガスおよびカソードガスにより発電する燃料電池と、システムの排熱で加熱された温水を貯留する貯湯槽と、システムの運転に伴い発生する水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させる凝縮器と、貯湯槽の水を凝縮器に冷却水として供給する貯湯通路と、貯湯槽の水を貯湯通路に冷却水として供給して凝縮器の水蒸気含有ガスを冷却させる貯湯水搬送源と、凝縮器で生成された凝縮水を回収して液相状の改質水として溜める改質水タンクとを有する（特許文献１，２）。

特開２００８-２３４８６９号公報 特開２００７-２８０９７０号公報

上記した特許文献は、システムが改質水の不足で停止した後の起動方法を言及しているものではない。従って、システムが改質水の不足で停止した後に、システムを起動させるとき、起動して発電運転を短時間実行させるものの、水不足によりシステムの発電運転が再び停止してしまうおそれがある。本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、システムを起動したとしても、改質水が不足するおそれがないため、水枯れを要因としてシステムの運転が起動後に短時間で停止するといった不具合を抑えることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。

請求項１に係る本発明は、改質水で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、アノードガスおよびカソードガスにより発電する燃料電池と、システムの排熱で加熱された温水を貯留する貯湯槽と、システムの運転に伴い発生する水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させる凝縮器と、貯湯槽の水を凝縮器に冷却水として供給する貯湯通路と、貯湯槽の水を貯湯通路に冷却水として供給して凝縮器の水蒸気含有ガスを冷却させる貯湯水搬送源と、凝縮器で生成された凝縮水を回収して液相状の改質水として溜める改質水タンクと、改質水タンクに溜められている改質水の水位を検知するセンサと、改質水タンクに溜められている改質水を改質器に供給する改質水搬送源と、システムを起動させるにあたり、改質水タンクの水位が所定水位以上であるという第１条件、貯湯槽のうち第１所定温度以下の水の量が所定量以上であるという第２条件のうち少なくともいずれかの条件が満足されるとき、システムを起動許可させる制御部とを具備する燃料電池システムである。この場合、システムを起動したとしても、改質水が不足するおそれがないと推定されるためである。

請求項２に係る本発明は、改質水で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、前記アノードガスおよびカソードガスにより発電する燃料電池と、システムの排熱で加熱された温水を貯留する貯湯槽と、システムの運転に伴い発生する水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させる凝縮器と、貯湯槽の水を凝縮器に冷却水として供給する貯湯通路と、貯湯槽の水を貯湯通路に冷却水として供給して凝縮器の水蒸気含有ガスを冷却させる貯湯水搬送源と、貯湯通路のうち凝縮器よりも上流の通路部分の水を外気を用いて冷却作用を発揮するラジエータ装置と、凝縮器で生成された凝縮水を回収して液相状の改質水として溜める改質水タンクと、改質水タンクに溜められている改質水の水位を検知するセンサと、改質水タンクに溜められている改質水を改質器に供給する改質水搬送源と、システムを起動させるにあたり、改質水タンクの水位が所定水位以上であるという第１条件、貯湯槽のうち第１所定温度以下の水の量が所定量以上であるという第２条件、外気の温度が第２所定温度以下であるという第３条件のうち少なくともいずれか一つの条件が満足されるとき、システムを起動許可させる制御部とを具備する燃料電池システムである。この場合、システムを起動したとしても、改質水が不足するおそれがないと推定されるためである。

好ましくは、システムを起動させるにあたり、改質水タンクの水位が所定水位未満である場合、凝縮器における凝縮水生成能力が確保されると判定されるときには、第１条件を緩和した緩和第１条件を前記改質水タンクの水位が満足するとき、制御部はシステムを起動許可させる。システムを起動したとしても、改質水が不足するおそれがないと推定されるためである。

請求項４に係る本発明は、改質水で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、アノードガスおよびカソードガスにより発電する燃料電池と、システムの排熱で加熱された温水を貯留する貯湯槽と、システムの運転に伴い発生する水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させる凝縮器と、貯湯槽の水を凝縮器に冷却水として供給する貯湯通路と、貯湯槽の水を貯湯通路に冷却水として供給して凝縮器の水蒸気含有ガスを冷却させる貯湯水搬送源と、凝縮器で生成された凝縮水を回収して液相状の改質水として溜める改質水タンクと、改質水タンクに溜められている改質水の水位を検知するセンサと、改質水タンクに溜められている改質水を改質器に供給する改質水搬送源と、システムを起動させるにあたり、改質水タンクの水量、貯湯槽のうち第１所定温度以下の水の量に基づいてシステムを起動許可させる制御部とを具備する燃料電池システムである。この場合、システムを起動したとしても、改質水が不足するおそれがないと推定されるためである。

請求項５に係る本発明は、改質水で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、前記アノードガスおよびカソードガスにより発電する燃料電池と、システムの排熱で加熱された温水を貯留する貯湯槽と、システムの運転に伴い発生する水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させる凝縮器と、貯湯槽の水を凝縮器に冷却水として供給する貯湯通路と、貯湯槽の水を貯湯通路に冷却水として供給して凝縮器の水蒸気含有ガスを冷却させる貯湯水搬送源と、貯湯通路のうち凝縮器よりも上流の通路部分の水を外気を用いて冷却作用を発揮するラジエータ装置と、凝縮器で生成された凝縮水を回収して液相状の改質水として溜める改質水タンクと、改質水タンクに溜められている改質水の水位を検知するセンサと、前記改質水タンクに溜められている改質水を改質器に供給する改質水搬送源と、システムを起動させるにあたり、改質水タンクの水量、貯湯槽のうち第１所定温度以下の水の量、外気の温度に基づいてシステムを起動許可させる制御部とを具備する燃料電池システムである。この場合、システムを起動したとしても、改質水が不足するおそれがないと推定されるためである。

好ましくは、制御部は、システムを起動させるにあたり、システムの起動に使用される起動エネルギーとシステムの停止に使用される停止エネルギーとを加えた起動停止エネルギーよりも、システムを発電運転するときのエネルギー節約量が上回る発電運転時間が得られるときにシステムを起動許可させる。

改質器は、燃料原料を改質水（気相および／または液相の改質水）で改質させてアノードガスを生成させる。燃料電池は、アノードガスおよびカソードガスにより発電する。貯湯槽は、システムの排熱で加熱された温水を貯留する。凝縮器は、システムの運転に伴い発生する水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させる。このような水蒸気含有ガスとしては、アノードガス、アノードオフガス、カソードガス、カソードオフガス、燃焼排気ガスのうちの少なくとも１種が例示される。凝縮器で生成された凝縮水は、改質水タンクに液相の改質水として溜められる。センサは、改質水タンクに溜められている改質水の水位を直接的または間接的に検知する。間接的に検知とは、改質水の貯留量に関する物理量を検知することにより水位を検知する場合も含む意味である。改質水搬送源が駆動すると、改質水タンクに溜められている改質水は改質器に供給され、改質反応に使用される。

制御部は、システムを起動させるにあたり、改質水タンクの水位が所定水位以上であるという第１条件が満足されるとき、システムを起動許可させる信号を出力する。この場合、改質水タンク（以下、タンクともいう）の水量が確保されているため、システムが起動した直後に停止することが抑えられる。所定水位は、システムが起動した直後にタンクの水枯れでシステムが停止しないようなタンクの水位を意味し、システムの種類、システムの設置環境などに応じて、更に、システムが水自立タイプであるか否かなどに応じて適宜設定される。タンクの水位が所定水位以上であるという第１条件が満足されないときには、システムの起動に制限がかかる。更に、仮にシステムを起動させたとしても、改質水不足により、システムの発電が直ぐに停止されるおそれがある。このため制御部は、システムを起動許可させない。

システムを起動させた後に、水枯れを要因として短時間でシステム停止することは、エネルギ的に不利である。すなわち、システムのランニングコスト、燃料コストを増加させる要因となり、好ましくない。そこで、本発明に係る燃料電池システムによれば、制御部は、システムを起動させたとしても改質水の不足がないときには、システムを起動許可させる信号を出力する。この場合、起動後、短時間のうちにシステムが停止してしまうことが抑えられる。殊に、水を改質水として補給する操作を長期にわたり抑制または廃止する水自立運転タイプのシステムの場合には、タンクに溜められる改質水が制限される可能性があるため、本発明は有効である。なお、水を改質水として補給する操作を実施するタイプのシステムの場合にも、本発明は有効である。

本発明によれば、システムを起動したとしても、改質水が不足するおそれがないと推定されるため、水枯れを要因としてシステムの運転が起動後に短時間で停止するといった不具合を抑えることができる燃料電池システムを提供することができる。

システムの概要を示す図である。 システムに搭載されているタンクの概要を示す図である。 制御部が実行するフローチャートである。 図３に示す制御を実施した場合の特性例を模式的に示す。 別の実施形態に係り、制御部が実行するフローチャートである。 更に別の実施形態に係り、制御部が実行するフローチャートである。 基準日における気温の変化を示すグラフである。 基準日において燃料電池を発電電力Ｗ１で発電しているときにおけるタンクの水収支の変動を示すグラフである。 燃料電池を発電電力Ｗ１で発電しているときにおけるタンクの水収支の変動を示すグラフである。 燃料電池を発電電力Ｗ１で発電しているときにおけるタンクの水収支の変動を示すグラフである。 システムを発電停止モードで運転しているときにおけるタンクの水収支の変動を示すグラフである。 システムを起動運転しているときにおけるタンクの水収支の関係を示すグラフである。 適用形態の一例に係り、発電モジュールの内部を示す概要図である。

本発明の一視点によれば、システムを起動させるにあたり、貯湯槽から貯湯通路を介して凝縮器に送られる水が凝縮器において凝縮作用を発揮できるように、貯湯槽のうち第１所定温度以下の水の量が所定量以上であるという第２条件が更に満足されるとき、制御部は、システムを起動許可させることが好ましい。第１条件および第２条件の双方が満足されるとき、凝縮器における凝縮水の生成量が一層増加し、タンクにおける水位が一層確保され易いためである。第１所定温度は、水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮器において水蒸気含有ガスから凝縮水を生成できる温度が好ましく、水蒸気含有ガスの温度よりも低い温度である。例えば３５、３０℃または２５℃が例示される。

本発明の一視点によれば、貯湯通路のうち凝縮器よりも上流の通路部分の水を外気を用いて冷却作用を発揮するラジエータ装置が設けられている。この場合、システムを起動させるにあたり、ラジエータ装置が当該通路部分の水を冷却する冷却作用を発揮できるように外気が第２所定温度以下であるという第３条件が更に満足されるとき、制御部は、システムを起動許可させることが好ましい。第１条件及び第３条件が満足されるとき、凝縮器における凝縮水の生成量が一層増加し、タンクにおける水位が一層確保されやすいためである。第２所定温度は、貯湯通路のうち凝縮器よりも上流の通路部分の水を外気で冷却できる温度を意味し、当該通路部分の水よりも低温である。例えば３８、３５℃、３０℃または２５℃が例示される。

本発明の一視点によれば、システムを起動させるにあたり、改質水タンクの水位が所定水位未満である場合であっても、凝縮器における凝縮水生成能力が確保されると判定されるときには、第１条件を緩和した緩和第１条件を改質水タンクの水位が満足するとき、制御部はシステムを起動許可させる。また、凝縮器における凝縮水生成能力が確保されないと判定されるときには、緩和第１条件の満足に拘わらず、制御部はシステムを起動許可させない。その理由としては、凝縮器における凝縮水生成能力が確保されると判定されるときには、改質水タンクの水位が所定水位未満であっても、システムの運転停止が抑えられるためである。

本発明の一視点によれば、センサは、タンクにおいてこれの重力方向における上部から下部に向けて位置する高水位、中水位を検知することが好ましい。この場合、制御部は、タンクの水位が高水位以上であるときにおいて通常の発電モードを実行することが好ましい。タンクの水位が高水位未満であり且つ中水位以上であるときにおいて燃料電池の最高発電出力に出力制限をかける出力制限モードを実行することが好ましい。システムを起動させるにあたり、タンクの水位が中水位以上であるときにおいてシステムを起動許可させると共に、改質水タンクの水位が中水位未満であるときにおいてシステムを起動許可させないことが好ましい。タンクの水位が中水位以上であれば、システムを起動させたとしても、タンクの水不足が原因でシステムの発電運転が停止することは抑えられるためである。本発明の一視点によれば、制御部は、システムを起動許可させた後に、燃料原料を改質器に供給させ、且つ、改質水搬送源を駆動させてタンクの改質水を改質器に供給させることが好ましい。これによりシステムの起動が進行する。

（実施形態１）
図１はシステムの概要を示す。これは固体酸化物形の燃料電池に適用している。システムは、基本的には、固体酸化物形の燃料電池１と、改質器２と、制御部１００と、筐体９とを有する。更に、燃料電池システムは、筐体９の内部において、改質水系４と、燃料原料供給系５、カソードガス供給糸６、貯湯系７とを有する。なお図１では、燃料電池１は模式化されて図示されている。システムは、タンク４４に水を長期間にわたりまたは半永久的に補給せずに発電運転する水自立タイプである。図１に示すように、改質器２は、蒸発部２０と、燃料原料が供給される改質部２２とを備えている。蒸発部２０は、改質水系４から蒸発部２０に供給される液相状の改質水を水蒸気化させる。改質部２２は蒸発部２０の下流に設けられており、蒸発部２０で生成された水蒸気で燃料原料を水蒸気改質させてアノードガスを生成させる。アノードガスは水素ガスまたは水素含有ガスである。筐体９は、筐体９の収容室９１と外気とを連通させる外気取込口９２および排出口９３をもつ。発電モジュール３は筐体９の内部に収容されており、発電室３２を形成する断熱材で形成された容器状の断熱部３０を有しており、断熱部３０の内部に燃料電池１および改質器２を燃焼用空間２３を介して収容して形成されている。発電モジュール３では、燃料電池１の上側には改質器２（改質部２２および蒸発部２０）が配置されている。発電モジュール３では、燃料電池１と改質器２（改質部２２および蒸発部２０）との間には、燃焼用空間２３が形成されている。殊に、燃料電池１の上部と改質器２（改質部２２および蒸発部２０）の下部との間には、燃焼用空間２３が形成されている。燃料電池１のアノードから吐出されたアノードオフガスが燃焼用空間２３に排出される。アノードオフガスは、燃料電池１のアノードから排出されるガスを意味し、未反応の水素（可燃成分）を含有して燃焼可能である。カソードオフガスは未反応の酸素を含有している。燃焼用空間２３に排出されたアノードオフガスは、酸素を含むカソードガスまたはカソードオフガス（燃焼用空気に相当）により燃焼され、燃焼炎２４を燃焼用空間２３において形成する。燃焼用空間２３において燃焼炎２４を形成したガスは、燃焼排気ガスとなる。燃焼用空間２３における燃焼炎２４は改質部２２および蒸発部２０の双方を加熱させ、改質部２２の温度を改質反応温度領域に維持させる。

図１に示すように、改質水系４は、改質部２２における水蒸気改質において水蒸気として消費される改質水を改質部２２に供給するものであり、水精製器４０と改質器２とを結ぶ改質水通路４１と、改質水ポンプ４２（改質水搬送源）と、給水バルブ４３とを有する。水精製器４０は、水を浄化させ得るイオン交換樹脂等の水精製材４０ａを有する。改質水通路４１には、タンク４４、改質水ポンプ４２、給水バルブ４３が設けられている。

図１に示すように、燃料原料供給系５は、炭化水素系等の燃料原料を改質器２に供給させるために燃料源５０に繋がる燃料原料供給通路５１と、入口バルブ５２と、流量計５３、脱硫器５４と、燃料原料ポンプ５５（燃料原料搬送源）とを有する。燃料原料供給通路５１には、入口バルブ５２、流量計５３、脱硫器５４および燃料原料ポンプ５５がこの順番に設けられているが、順番はこれに限定されるものではない。カソードガス供給糸６は、空気であるカソードガスを燃料電池１のカソード１２に供給するカソードガス供給通路６０と、除塵フィルタ６１と、カソードガスポンプ６２（カソードガス搬送源）と、流量計６３とを有する。カソードガス供給通路６０には、除塵フィルタ６１、カソードガスポンプ６２および流量計６３がこの順番に配置されているが、この順番に限定されるものではない。除塵フィルタ６１は、筐体９の収容室９１に配置されている。カソードガスポンプ６２が駆動すると、外気は外気取込口９２から収容室９１に流入し、除塵フィルタ６１およびカソードガス供給通路６０を介してカソードガスとして燃料電池１の入口からカソード１２に供給される。

図１に示すように、貯湯系７は、貯湯槽７０と、凝縮器７４および貯湯槽７０を循環する貯湯通路７１と、貯湯通路７１に設けられた貯湯ポンプ７２（貯湯水搬送源）と、凝縮器７４とを有する。貯湯槽７０の下部には出水口７０ｐが設けられている。貯湯槽７０の上部には入水口７０ｉが設けられている。貯湯通路７１は、出水口７０ｐから凝縮器７４までの往路７１ａと、凝縮器７４から入水口７０ｉまでの復路７１ｃとを有する。貯湯ポンプ７２が作動すると、貯湯槽７２の底部付近の水は出水口７０ｐから吐出され、貯湯通路７１の往路７１ａから凝縮器７４に供給され、凝縮器７４における排気ガスとの熱交換により加熱される。加熱された水は復路７１ｃを介して入水口７０ｉから貯湯槽７０に戻る。これにより貯湯槽７０は温水を貯留させる。貯湯槽７０には高さ方向に沿って複数個の温度センサ７０ｔが配置されている。貯湯槽７０の温水が給湯通路７０ｈから温水消費部７０ｋに取り出されると、補給通路７０ｗから水道水等の補給水が補給される。よって貯湯槽７０は常に満水状態となるように設定されている。

発電モジュール３の近傍には凝縮器７４（熱交換器に相当）が設けられている。凝縮器７４は、発電モジュール３から排出される燃焼排気ガスが通過するガス通路７４ｇと、貯湯系７の貯湯通路７１の水が通過する水通路７４ｗとをもつ。凝縮器７４のガス通路７４ｇを流れる排気ガスの熱は、熱交換により水通路７４ｗに伝達され、更に貯湯系７の貯湯通路７１の水に伝達される。凝縮器７４のガス通路７４ｇから排気通路７５が筐体９の排気口７６に向けて延設されている。発電モジュール３の発電室３２の排気ガスは、凝縮器７４のガス通路７４ｇおよび排気通路７５を介して、排気口７６から排出される。凝縮器７４のガス通路７４ｇから凝縮水通路７７が水精製器４０に向けて延設されている。この排気ガスは水蒸気含有ガスである。従って排気ガスに含まれている気相状の水分は、凝縮器７４のガス通路７４ｇにおいて水通路７４ｗにより冷却されて凝縮水を生成する。凝縮水は凝縮水通路７７から水精製器４０を介してタンク４４に貯留される。貯湯通路７１の往路７１ａには、往路７１ａの水を強制的に冷却させ得る冷却装置として機能するラジエータ装置７９が設けられている。ラジエータ装置７９は、冷却フィンをもつと共に往路７１ａに連通する放熱通路をもつラジエータ７９ａと、ラジエータ７９ａに送風してこれを積極的に冷却させる冷却ファン７９ｃとをもつ。冷却ファン７９ｃの回転数は固定でも可変でも良い。なおラジエータ装置７９は筐体９の外側でも良いし筐体９の内部でも良いし、あるいは、貯湯槽７０を収容する図略の筐体の内部でも良い。

さて、システムが起動するときには、燃料原料ポンプ５５が駆動し、燃料原料が脱硫器５４、燃料原料供給通路５１、蒸発部２０および改質部２２を経て燃料電池１に供給され、燃料電池１を介して燃焼用空間２３に供給される。またカソードガスポンプ６２が駆動するため、カソードガス（空気）が燃焼用空気として燃焼用空間２３に供給される。これにより可燃性の燃料原料が燃焼用空間２３においてカソードガス（燃焼用空気）により燃焼され、燃焼炎２４を燃焼用空間２３において形成する。燃焼炎２４は改質部２２および蒸発部２０を高温に加熱させ、改質反応可能とさせるとともに燃料電池を暖機する。

次に、燃料電池１の発電運転時には、燃料原料ポンプ５５が駆動し、燃料原料が燃料原料供給通路５１を介して改質器２の蒸発部２０に供給される。また改質水ポンプ４２が駆動し、タンク４４の液相状の改質水が改質水通路４１を介して蒸発部２０に供給される。ここで、蒸発部２０は加熱されているため、蒸発部２０は改質水を水蒸気化させる。水蒸気は改質部２２に供給される。改質部２２は燃料原料を水蒸気改質させ、アノードガスを生成させる。

燃料原料がメタン系である場合には、水蒸気改質ではアノードガスの生成は、次の（１）式に基づくと考えられている。固体酸化物形の燃料電池１では、Ｈ_２他にＣＯも燃料となりうる。
（１）…ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
生成されたアノードガスは、アノードガス通路１４およびアノードガスマニホルド１３を介して、燃料電池１のアノード１１の入口に供給されて発電に使用される。またカソードガスポンプ６２が駆動しているため、筐体９の外部の外気がカソードガスとして除塵フィルタ６１およびカソードガス供給通路６０を介して燃料電池１のカソード１２の入口に供給される。これにより燃料電池１は発電する。発電反応においては、水素含有ガスで供給されるアノード１１では基本的には（２）の反応が発生すると考えられている。酸素が供給されるカソード１２では基本的には（３）の反応が発生すると考えられている。カソード１２において発生した酸素イオン（Ｏ^２−）がカソード１２からアノード１１に向けて電解質を伝導する。
（２）…Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
ＣＯが含まれている場合には、ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（３）…１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−
発電反応後のアノードオフガスは、発電反応しなかった水素や未反応の燃料原料（メタン）を含む。カソードオフガスは発電反応に未反応な酸素を含む。アノードオフガスおよびカソードオフガスは、燃料電池１の上方の燃焼用空間２３に排出され、燃焼炎２４を燃焼用空間２３において形成する。燃焼炎２４における燃焼反応において水素やメタンが酸素と反応するため、燃焼反応によりＨ_２Ｏが生成される。燃焼した後の燃焼排気ガスは、凝縮器７４のガス通路７４ｇ、ガス出口７８を経て排気通路７５を流れ、更に、排気通路７５の先端の排気口７６から筐体９の外部に放出される。ここで、凝縮器７４のガス通路７４ｇを流れる排気ガスは、水分を含む。この水分は、改質反応に必要な改質水量に対して余剰に投入した水（通常、改質触媒，燃料電池触媒のコーキング良くしのために必要な水量に対して２．５以上（Ｓ／Ｃ）を投入する。）、上記した（２）におけるＨ_２Ｏ、燃焼炎２４の燃焼反応により生成されたＨ_２Ｏを含む。排気ガスに含まれている水分は、凝縮器７４のガス通路７４ｇにおいて水通路７４ｗにより冷却されて凝縮し、凝縮水を生成させる。凝縮器７４のガス通路７４ｇで生成された凝縮水は凝縮水通路７７から水精製器４０に供給され、水精製器４０で精製される。精製された水は、タンク４４に改質水４４ｗとして貯留される。凝縮水を改質水として再利用することにより、システムが水自立可能となる。水自立とは、長期にわたりあるいは半永久的に改質水をシステムに補給せずに済む状態を意味する。上記したように燃料電池１のアノード１１の上部からアノードオフガスが燃焼用空間２３に吐出され、カソード１２から吐出されたカソードオフガスが燃焼用空間２３に吐出され、アノードオフガスがカソードオフガスにより燃焼されて燃焼炎２４を形成し、改質部２２および蒸発部２０を加熱させる。なお、固体酸化物形の燃料電池１を搭載するシステムによれば、定常運転における燃料電池１の作動温度は４００〜１１００℃の範囲内、５００〜８００℃の範囲内が例示される。

排気通路７５のうち凝縮器７４のガス通路７４ｇの下流の部位の排気ガスの温度Ｔ２を検知するガス温度センサ２０１が設けられている。貯湯通路７１の往路７１ａのうち凝縮器７４の水通路７４ｗよりも上流の水の温度Ｔ１を検知する水温センサ２０２が設けられている。外気温度Ｔ３を検知する外気温度センサ２０５が外気取込口９２付近に設けられている。但し、センサ２０５は筐体９の外方に配置されていても良い。センサ２０１，２０２，２０５，７０ｔの温度信号は制御部１００に入力される。制御部１００は、入力処理回路と、出力処理回路と、ＣＰＵと、メモリとを有する。制御部１００は、ポンプ６２，５５，７２，４２，バルブ５２，４３、ファン７９ｃ等の補機を制御する。

燃料電池１はインバータ５０１およびスイッチング素子５０２を介して電力負荷５０４および商用電源５０５に系統連系されている。電力負荷５０４はブレーカ５０６を介して商用電源５０５に接続されている。燃料電池１の発電出力が不足するとき、スイッチング素子５０２がオンしている状態において、商用電源５０５から電力負荷５０４に給電される。スイッチング素子５０２が断電されると、燃料電池１と商用電源５０５とは断電される。ここで、貯湯通路７１のうち凝縮器７４よりも上流の往路７１ａの水の温度Ｔ１が既定温度以上である場合には、凝縮器７４における冷却能力が低下し、凝縮器７４における凝縮生成量が低下する。このためタンク４４に貯留される改質水の水位が過剰に低下するおそれがある場合、制御部１００は、ラジエータ装置７９のファン７９ｃを作動させるかあるいはファン７９ｃの単位時間あたりの出力（回転数）を増加させることにより、貯湯通路７１のうち凝縮器７４よりも上流の往路７１ａ（凝縮器７４の入口側）の水の温度Ｔ１を低下させる。これにより凝縮器７４の水通路７４ｗにおける冷却能力が増加し、凝縮器７４のガス通路７４ｇにおいて凝縮される凝縮水の生成量が増加する。凝縮水は凝縮器７４から凝縮水通路７７を介してタンク４４に重力で流下する。こうして凝縮水がタンク４４に供給され改質水として利用される。なお本実施形態によれば、システムが停止しているときには、貯湯ポンプ７２および冷却ファン７９ｃは停止している。システムが起動すれば、貯湯ポンプ７２および冷却ファン７９ｃは必要に応じて駆動する。

図２はタンク４４を示す。タンク４４には、これの上部から下部に向けて、オーバフロー水位Over、第１水位としての高水位High，第２水位としての中水位Mid，第３水位としての低水位Lowの３水準の水位が設定されている。高水位Highを検知できる高水位センサ３０１（第１水位センサ）、中水位Midを検知できる中水位センサ３０２（第２水位センサ）、低水位Lowを検知できる低水位センサ３０３（第３水位センサ）がそれぞれタンク４４に設けられている。高水位センサ３０１、中水位センサ３０２および低水位センサ３０３といった各センサは、導電率センサでも良いしフロートセンサでも良い。導電率センサについては、水が存在すれば水の導電率２〜１０μS/cmを示すのに対し、水がない場合は電極間が空気となるため、０μS/cmとなり、導電率とともに純水の有無、不純物の混在の有無を検知可能である。センサ３０１，３０２，３０３のうち最も下部に配置されている低水位センサ３０３については、導電率センサが好ましい。その理由としては、タンク４４の水量が低下したとしても、タンク４４の底部に水は存在する。このためタンク４４に不純物が混在すれば、導電率の変化により不純物の混在の有無、純水の有無を検知できる確率が高くなるためである。タンク４４に貯留されている過剰の水をオーバフローさせるオーバフロー部４４ｐが、タンク４４の上部に設けられている。よって、高水位Highよりも上方にオーバフロー水位Overが設けられている。通常の発電モードであれば、タンク４４の水位は高水位High以上に維持されるようにシステムは設定されており、タンク４４において水が増加しても、オーバフロー部４４ｐから水がオーバフローし、システム外に排水される。本実施形態によれば、システムは、タンク４４に水を長期間にわたりまたは半永久的に補給せずに発電運転する水自立タイプである。このため水道水等の補給水を水精製器４０またはタンク４４に補給させる補給配管が基本的には配置されていない。

本実施形態における起動許可についての基本的な考え方について下記に示す。凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量が少なくなると、タンク４４に回収される改質水が少なくなる。例えば、貯湯槽７０が温水で満水状態（満蓄状態）であり、貯通通路７１の水温が高く、且つ、外気温度Ｔ３が高温といった場合（例えば夏季）には、凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量が少なくなり、タンク４４に回収される改質水も少なくなる傾向がある。このような改質水貯留にとって厳しい条件においても、システムの省エネルギ性，CO2削減率，経済性等においてメリットが充分に発揮されるように、システムの起動に要するエネルギ，システムの停止に要するエネルギを考慮し、起動させたシステムを時間ＴＭ３ぶんは最低限発電させることが好ましい。システムを起動させたとしても、システムの発電運転が短時間継続するものの、改質水の不足のためシステムが短時間のうちに再び停止すると、充分な省エネルギ性が得られず、システムのランニングコストが増加するためである。

省エネルギ性について検討した例を下記に示す。すなわち、システムの起動エネルギーをＪ１［ｋＷｈ］とし，システムの停止エネルギーをＪ２［ｋＷｈ］とするシステムの場合、システムの起動および停止の１回で、Ｊ１２のエネルギーが使用される。Ｊ１２＝Ｊ１＋Ｊ２
一方、システムが規定発電量および規定効率で発電した場合において、ΔＪ３ｋＷのエネルギーの低減があると仮定する。システムが時間ＴＭ３発電するとき、ΔＪ３×ＴＭ３［ｋＷｈ］のエネルギーが低減できる。

（ΔＪ３×ＴＭ３）≧（Ｊ１２＋α）の関係式が満たされるように、時間ＴＭ３が決定される。なお、αに関しては、システムのコストおよび償却期間等を含めて優位性が出るように適宜設定される。従って、システムを起動させた後に時間ＴＭ３以上の発電が可能な条件がそろった場合には、制御部１００は、システムに起動許可を与え、システムを起動させることが好ましい。

制御部１００は、システムの起動許可を与える第１条件〜第３条件を考慮する。
（ｉ）タンク４４の水位に関する第１条件
（ｉｉ）貯湯槽７０に溜められている第１所定温度以下の冷水の量（水位）に関する第２条件
（ｉｉｉ）外気温度Ｔ３の温度に関する第３条件
ここで、外気温度Ｔ３は、貯湯通路７１のうち凝縮器７４よりも上流に位置する往路７１ａの貯湯水をラジエータ装置７９の冷却ファン７９ｃで冷却する場合には、凝縮器７４を冷却させるための往路７１ｃの水を積極的に冷却できる温度に相当する
本実施形態によれば、起動前では、ポンプ６２，５５，４２，７２，ファン７９ｃは停止されている。システムを起動させるにあたり、まず、制御部１００は、タンク４４の水位が所定の中水位Mid以上という第１条件を満たすか否かを判定する。更に、貯湯槽７０のうち第１所定温度以下の冷水の量が所定量以上であるという第２条件を満たすか否かを判定する。ここで、貯湯槽７０の上部には温水が存在する。水の比重差のため、貯湯槽７０の下部には、温水よりも温度が低い水がほぼ分離して存在する。これを本実施形態では温水に対する用語として、冷水という。冷水は第１所定温度（例えば３０℃または３５℃）以下の温度とする。冷水の量は冷水の水位に相当する。貯湯槽７０の高さ方向には複数の温度センサ７０ｔが設けられており、各温度センサ７０ｔからの温度信号により制御部１００は冷水の水位を認識できる。冷水の水位を図１においてＡ１，Ａ２（Ａ１＜Ａ２）と仮定する。第１所定温度は、貯湯槽７０から貯湯通路７１の往路７１ａ（凝縮器７４よりも上流の通路部分）を介して凝縮器７４の水通路７４ｗに送られる水が凝縮器７４において凝縮作用を発揮できるように設定される。更に、外気温度Ｔ３が第２所定温度（例えば２０〜３５℃のうちの任意温度）以下であるという第３条件を満たすか否かを判定する。第２所定温度は、ラジエータ装置７９の冷却ファン７９ｃの作動により外気が往路７１ａ（凝縮器７４よりも上流の通路部分）の水を冷却する冷却作用を発揮できるように設定される。

そして、第１条件、第２条件および第３条件のうちのいずれかの条件が満たされるとき、システムに水を補給せずに水自立タイプのシステムであっても、システムを起動させたとしても改質水不足のおそれがないと推定されるため、システムを起動許可させる信号が制御部１００により出力される。制御部１００は、システムを起動許可させた後に、燃料原料を発電モジュール３に供給させると共にカソードガスポンプ６２の駆動によりカソードガスを燃焼用空気として発電モジュール３に供給させる。これにより燃焼炎２４を形成し、燃焼炎２４で蒸発部２０および改質部２２を加熱させる。制御部１００は、改質部２２が改質反応に適する温度領域まで昇温させ、その後、ポンプ４２（改質水搬送源）を駆動させてタンク４４の改質水を改質部２２に供給させて改質反応によりアノードガスを生成させる。アノードガスは発電モジュール３の燃料電池１のアノード１１に供給される。発電モジュール３に供給されたアノードガスおよびカソードガスにより燃料電池１は発電する。改質水の不足が抑えられるため、起動後に短時間での短時間にシステムの運転が停止するといった不具合が未然に防止される。よってシステムの省エネルギ性が確保され、システムのランニングコストの増加が抑えられる。

（実施形態２）
本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１および図２を準用する。本実施形態においても、システムは、タンク４４に水を長期間にわたりまたは半永久的に補給せずに発電運転する水自立タイプである。システムを起動させるにあたり、タンク４４に溜められている水が中水位Mid以上であるという第１条件が満足されると、制御部１００はシステムに起動許可を与える。

更に、システムの発電運転中において、制御部１００が実行する制御について以下に説明する。

（１）システムが電力負荷５０４の負荷に応じて通常の発電モードを実行しているときには、凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量が良好であり、タンク４４の水量が良好である。このため、高水位センサ３０１がONして高水位を検知する。中水位センサ３０２がONして中水位を検知する。更に低い水位センサ３０３がONして低水位を検知する。この場合、システムの通常の発電モード（電力負荷等に基づき発電）を実行させる。燃料電池１の発電電力が不足しており連系が必要であれば、系統連系している商用電源５０５の電力が電力負荷５０４に供給される。

（２）発電運転において、タンク４４の水位が低下している場合には、高水位センサ３０１がOFFで水位を検知せず、中水位センサ３０２がONで中水位を検知し、低水位センサ３０３がONで低水位を検知する場合がある。この場合には、タンク４４の水位は、高水位Highと中水位Midとの間に位置しており、タンク４４の水位はやや低下している。そこで発電運転中において、制御部１００は、電力負荷５０４の要請に拘わらず、燃料電池１の最高発電出力を、これの定格電力Ｗset未満である電力Ｗ１に出力制限させる制御を実行する。電力Ｗ１としては、定格電力Ｗsetの９５％〜４０％の範囲、特に９０〜５０％のうちの任意値が例示される。このようにタンク４４の水位が高水位High未満になると、燃料電池１の発電出力が出力制限されるため、改質器２における改質水の消費量が低下し、タンク４４から改質器２に供給される単位時間あたりの改質水の量が低減される。

更に発電運転において、タンク４４の水位が高水位High未満になると、場合によっては、冷却ファン７９ｃをオンさせるかその回転数を（高水位High以上の水位の場合よりも）増加させる第１操作、ポンプ７２の出力を（高水位High以上の水位の場合よりも）増加させる第２操作のうちの少なくとも一つを実行し、凝縮器７４の水通路７４ｗの入口の水の温度Ｔ１を低下させ、凝縮器７４において凝縮する凝縮水の生成量を増加させる増水操作を実行することもできる。その場合、上記で発電出力制限をすることで、ラジエータ装置７９の熱負荷を低減しＴ１温度をより良く低下させることが可能で凝縮水の増水を向上できる。なお、電力負荷５０４の電力が不足するときには、燃料電池１と系統連系している商用電源５０５の電力を電力負荷５０４に給電させる。

（３）発電運転において、高水位センサ３０１がOFFで水位を検知せず、中水位センサ３０２がOFFで水位を検知せず、低水位センサ３０３がONで低水位を検知する場合がある。この場合には、タンク４４の水位は中水位Mid未満となり、中水位Midと低水位Lowとの間に位置しており、タンク４４の水位はかなり低下している。この場合、制御部１００はシステムの発電運転を停止させる発電停止モードを実行する。この場合、制御部１００の記憶部に予め格納されている発電停止シーケンスに基づいて停止させることが好ましい。更に、場合によっては、中水位High以上の水位の場合よりも冷却ファン７９ｃの回転数（出力）を更に増加させる第１操作、ポンプ７２の出力を更に増加させる第２操作のうちの少なくとも一つを実行し、凝縮器７４の水通路７４ｗの入口の水の温度Ｔ１を低下させ、凝縮器７４において凝縮する凝縮水の生成量を増加させる増水操作を実行することができる。但し増水操作を実行せず、発電停止モードを実行しても良い。なお燃料電池１の発電電力が不足するときには、商用電源５０５から電力負荷５０４に供給される。

（４）発電運転において、高水位センサ３０１がOFFで水位を検知せず、中水位センサ３０２がOFFで水位を検知せず、低水位センサ３０３がOFFで水位を検知しない場合がある。この場合には、タンク４４の水位は低水位Low未満に位置しており、かなり低下している。この場合には、制御部１００は、システムを緊急停止させる。電力負荷５０４に商用電源５０５からの電力が供給される。この場合、燃料電池１の発電を停止させてタンク４４の水が改質器２に供給されることを停止させる。この場合、タンク４４の水位がかなり不足しているため、ポンプ４２を停止させ、改質水を改質器２に供給させない。これにより、改質水不足による改質触媒，燃料電池触媒のコーキングによる劣化や故障を抑止することができる。

（５）各水位センサ３０１，３０２，３０３のON,OFFが論理的に整合するか否かについて判定することが好ましい。論理的に整合しないときには、制御部１００は、水位センサの張り付き等の異常で発生していると判定し、システムを緊急停止させる。ここで、各水位センサはONであれば、水ありを検知し、OFFであれば、水無しを検知する。例えば、高水位センサ３０１がONであり、高水位を検知しているにも拘わらず、中水位センサ３０２がOFFで中水位を検知していない場合には、論理的にあり得ないため、水位センサの故障と推定される。また、中水位センサ３０２がONで中水位を検知しているにもかかわらず、低水位センサ３０３がOFFで低水位を検知しない場合には、論理的にあり得ないため、水位センサの故障と推定される。

以上説明したように本実施形態によれば、発電運転している場合において、タンク４４の水位が高水位High以上であることがセンサ３０１により検知されるとき、制御部１００は、電力負荷５０４の大きさに応じて通常の発電モードで運転する。しかしながらタンク４４の水位が高水位High未満であり且つ中水位Mid以上であることがセンサ３０１，３０２により検知されるとき、制御部１００は、電力負荷５０４の大きさに拘わらず、燃料電池１の最高発電出力を、これの定格電力Ｗset未満の発電電力Ｗ１に出力制限させ、タンク４４の水量の減少速度を抑制させる。これによりシステムの水自立運転を実行することができる。なお、水自立運転であれば、水道水などの補給水が存在しない環境でもシステムを設置できる。更に、水道水などの補給水がシステムに補給されることが長期にわたり抑えられるため、水精製器４０のイオン交換樹脂等の水精製材４０ａの劣化が抑えられる利点が得られる。なおシステムは水自立運転が前提であるため、水道水等の補給水を水精製器４０またはタンク４４に補給させる補給配管が基本的には配置されていない。タンク４４の水位が低下しても、システムに出力制限をかけつつ、タンク４４の水量を増加させる増水操作を実行すれば、水自立運転が更に容易である。

上記したように本実施形態によれば、タンク４４には３水準の水位センサ、すなわち、高水位センサ３０１、中水位センサ３０２、低水位センサ３０３が設けられている。このため、貯湯槽７０が温水で満水とされ、かつ、夏季のように気温が高い場合には、凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量が不足しがちとなるものの、外部の水（例えば水道水）をシステムに補給させることなく、水自立運転が可能となる。すなわち、猛暑日を除く一年間のうちのほとんどの日において、システムの通常の発電モードによれば（水自立時）、タンク４４の水は高水位Highとオーバフロー水位overとの間における水位で運転され、タンク４４の水量は充分である。

本実施形態によれば、前述したようにタンク４４の水位が高水位Highよりも低下し、高水位センサ３０１がOFFとなって水を検知しなくなると、システムの最高発電電力が、システムの定格電力Ｗsetよりも低い規定発電電力Ｗ１となるように、制御部１００は、電力負荷５０４の消費電力に拘わらず、システムの発電運転に出力制限をかける。出力制限により、改質器２において消費される改質水量を低下させる。また、燃料電池１の発電出力が低下するときには、ラジエータ装置７９における熱負荷が低減する。これにより貯湯通路７１を流れる水の温度が低下し、発電モジュール３の発電室３２から排気通路７５に向けて排出される排気ガスの温度の低下が可能となり、水収支量（水収支量＝凝縮器７４において生成された凝縮水の量−改質器２に供給された改質水の量）を増大させることができる。上記した本実施形態によれば、基本的には、貯湯槽７０が温水で満水であり、かつ、夏季のように外気温度が高いときであっても、タンク４４の水位が高水位High未満であり且つ中水位Mid以上であれば、システムの発電電力に出力制限をかけることで、システムの運転継続が可能となる。しかしながら、予想以上の条件（設置環境等により予想以上に高温の時間帯が長い場合、貯湯ポンプ７２の故障で規定流量ぶん、貯湯通路７１に水を流せない場合等）で万一発生するおそれがある。この場合には、タンク４４の水位がかなり下がり、高水位センサ３０１および中水位センサ３０２の双方がOFFになるおそれがある。この場合には、中水位センサ３０２がOFFになり水を検知できない場合には、タンク４４の水は中水位Mid未満であり且つ低水位Low以上であるため、システムを発電停止モード゛に移行させる。

以上説明したように本実施形態によれば、システムを起動させるにあたり、タンク４４の水位が中水位Midである第２水位以上であるとき、改質水の不足のおそれがないと推定されるため、制御部１００は、システムを起動許可させる信号を出力する。タンク４４の水位が中水位Midである第２水位未満であるとき、制御部１００は、システムを起動許可させない。更に、システムの発電運転中についてみると、水タンク４４の水位が高水位Highである第１水位未満に低下するときには、制御部１００は、システムの最高発電出力を定格電力未満のＷ１に制限させる。また、タンク４４の水位が高水位Highである第１水位以上のときには、タンク４４の水は充分であるため、制御部１００は、システムの最高発電出力を定格電力未満のＷ１に制限させない。

（実施形態３）
本実施形態は前記した実施形態１，２と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１および図２を準用する。本実施形態によれば、システムを起動させるにあたり、制御部１００は、タンク４４の水位が所定の高水位High以上という第１条件を満たすか否かを判定する。そして第１条件が満たされるとき、改質水の不足のおそれがないと推定されるため、制御部１００はシステムを起動許可させた後、前述同様にシステムを起動させて発電運転する。

（実施形態４）
本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１および図２を準用する。システムを起動させるにあたり、制御部１００は、タンク４４の水位が低水位Low（第１条件を緩和した緩和第１条件に相当）を満たすか否かを判定する。更に、貯湯槽７０のうち第１所定温度以下の冷水の水量が所定量以上（すなわち、冷水が水位Ａ２（Ａ２＞Ａ１）以上であること）であるという第２条件を満たすか否かを判定する。更に、外気温度Ｔ３が第２所定温度（例えば２０℃）以下と低温であるという第３条件を満たすか否かを判定する。そして、緩和第１条件、第２条件および第３条件が満たされるとき、システムの運転中における改質水不足のおそれがないと推定されるため、制御部１００はシステムを起動許可させる信号を出力する。

（実施形態５）
図３は実施形態５を示す。本実施形態は前記した前記した各実施形態と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１および図２を準用する。システムは、タンク４４に水を長期間にわたりまたは半永久的に補給せずに発電運転する水自立タイプである。システムが起動許可される前には、ポンプ４２，５５，６２，７２，冷却ファン７９ｃは停止されている。本実施形態においても、システムを起動させるにあたり、タンク４４に溜められている水が中水位Mid以上であるという第１条件が満足されると、改質水の不足のおそれがないと推定されるため、制御部１００はシステムに起動許可を与える。但し、タンク４４に溜められている水が中水位Mid未満であっても、凝縮器７４における凝縮水生成量が期待できる場合には、第１条件を緩和した緩和第１条件を設定する。そして緩和第１条件が満足されると、制御部１００はシステムに起動許可を与える確率を高める。

図３に示すフローチャートは、システムが起動前において待機しているとき、周期的（例えば２０ミリ秒ごとに）に実行される。まず、システムを起動させて発電運転させる起動運転指示があるか否かを判定する（ステップＳ２）。システムの起動運転指示は、学習制御，タイマー運転，ユーザーによる起動スイッチ１０２の操作等によりシステムに発信される。起動運転指示がない場合には（ステップＳ２のＮＯ）、システムの待機は継続される（ステップＳ１０）。システムの起動運転指示があるとき（ステップＳ２のＹＥＳ）、制御部１００は、まず、タンク４４の水位が中水位Mid（所定水位）以上である第１条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ４）。水位が中水位Mid以上であり、第１条件が満足されるとき（ステップＳ４のＹＥＳ）、時間ＴＭ３以上の運転が可能と判断される。このため、制御部１００はシステム起動許可を出力し（ステップＳ６）、更に、システムを起動させる（ステップＳ８）。この場合、制御部１００は、燃料原料およびカソードガスを発電モジュール３内に供給させて燃焼炎２４を形成、燃焼炎２４により蒸発部２０を昇温させると共に改質部２２を改質反応に適する温度領域に昇温させる。燃焼炎２４は同時に燃料電池１を昇温させる。改質部２２が昇温したら、ポンプ４２を駆動させてタンクの改質水を蒸発部２０を介して改質部２２に供給させる。これにより改質部２２において改質反応が発生し、アノード活物質である水素を含有するアノードガスが生成される。アノードガス及びカソードガスにより燃料電池１は発電する。

しかしタンク４４の水位が中水位Mid未満であり、第１条件が満足されないときであっても（ステップＳ４のＮＯ）、制御部１００は、タンク４４の水位が低水位Low（所定水位）以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。タンク４４の水位が低水位Low未満である場合には（ステップＳ１２のＮＯ）、タンク４４内の水がかなり少ないため、制御部１００はアラーム１０４を発報して起動禁止処理をする（ステップＳ１６）。この場合、水補給ラインがないため、ユーザーもしくはメンテナンス者が水の補給を実施する。具体的には筐体９のパネルを外し、収容室９１内のタンク４４または水精製器４０に水を補給し、補給後にパネルを取り付ける。

タンク４４の水位が低水位Low以上である場合には（ステップＳ１２のＹＥＳ）、制御部１００は、貯湯槽７０の冷水が水位Ａ２（高水位）以上であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。このようにタンク４４の水位が中水位Mid未満であり、第１条件が満足されないときであっても、低水位Low以上である場合には、第１条件を緩和した緩和第１条件が満足される。この場合、貯湯槽７０の冷水の水位がＡ２以上であれば（ステップＳ１４のＹＥＳ）、第２条件が満足されている。この場合、起動後のポンプ７２が駆動すれば、凝縮器７４においてガス通路７４ｇを流れる排気ガス（水蒸気含有ガス）は、水通路７４ｗにより冷却されて凝縮され、凝縮水の生成量が良好に確保される。すなわち、システムが起動すれば、ポンプ７２が駆動するため、凝縮器７４における凝縮水生成能力が確保されると判定される。このため制御部１００は、時間ＴＭ３以上の発電可能と判断し、システムの起動許可を出力し（ステップＳ６）、更に、システムを起動させる（ステップＳ８）。

ところで、外気温度Ｔ３が高温であると、ラジエータ装置７９の冷却ファン７９ｃで往路７１ａの水を充分に冷却できない。この場合、タンク４４の改質水が不足するおそれがある。このような厳しい環境においても、貯湯槽７０の底部の冷水が水位Ａ２以上であり、貯湯槽７０の冷水の量が確保されている場合には、システムが起動してポンプ７２が駆動すれば、凝縮器７４の凝縮水生成能力を確保でき、システムを起動させたとしても時間ＴＭ以上運転できる。このような観点から、貯湯槽７０における冷水の水位Ａ２の高さは、設定されている。一例を示すと、システムの起動における貯湯水の使用量をQ1［リットル］とし，発電で使用する貯湯水の使用量をQ2［リットル］（＝ｑ２［リットル/min］×ＴM３）とする。この場合、貯湯槽７０における冷水の水位Ａ２の高さは、Q1＋Q2以上の水量を確保できるように設定されている。

また、貯湯槽７０の底部の冷水が水位Ａ２未満である場合には（ステップＳ１４のＮＯ）、冷水は少な目であり、凝縮器７４における凝縮水の生成量をあまり期待できないおそれがある。そこで制御部１００は外気温度Ｔ３が閾値Ｔ３-aより低いかどうかを判定する（ステップＳ２０）。外気温度Ｔ３が閾値Ｔ３-aよりも高い（Ｔ３＞Ｔ３-a）場合には（ステップＳ２０のＮＯ）、第３条件が満足されず、ラジエータ装置７９の冷却能力が低下するため、往路７１ａの水を充分に冷却できず、凝縮器７４における凝縮水の生成量が必ずしも充分ではないおそれがある。そこで、貯湯槽７０の冷水が水位Ａ２未満の場合には、時間ＴＭ３以上の発電が困難であると判断されるため、起動許可は抑えられる。ここで、閾値Ｔ３-aは、基本的には、ラジエータ装置７９における冷却能力に基づいて決定される温度（第２所定温度に相当）である。1日の気温変化等を考慮し、時間ＴＭ３内においてタンク４４が水枯れ状態となり、システムが停止に至らないような温度が、閾値Ｔ３-aとして設定されている。なお、閾値Ｔ３-aは時刻に対してマップとして設定されてもよい。例えば、システムの起動運転指示が出力された時刻がＡＭ6:00のときには、Ｔ３-a＝３0℃にできる。システムの起動運転指示が出力された時刻が12:00のときには、Ｔ３-a＝３5℃などが例示される。前述したように、タンク４４の水位が中水位Mid未満（第１条件が満足されない場合）であっても、低水位Low以上である場合には（ステップＳ１２のＹＥＳ）、緩和第１条件が満足される。この場合、ユーザーが貯湯槽７０の温水を消費するときには、貯湯槽７０の底部の冷水の水位の高さが水位Ａ２以上に増加し、第２条件が満足される（ステップＳ１４のＹＥＳ）。このためステップＳ１４からステップＳ６に進み、制御部１００はシステム起動許可を出力し（ステップＳ６）、システムを起動させる（ステップＳ８）。

また、タンク４４の水位が中水位Mid未満であっても水位Low以上である場合には（ステップＳ１２のＹＥＳ）、緩和第１条件は満足される。この場合、貯湯槽７０の冷水が水位Ａ２よりも低いとき（第２条件が満足されないとき）であっても（ステップＳ１４のＮＯ）、外気温度Ｔ３が閾値Ｔ３-a以下と低いため第３条件が満足される（Ｔ３≦Ｔ３-a）。この場合、貯湯槽７０の冷水の水位がＡ１（Ａ１＜Ａ２）以上である場合（第２条件を緩和した緩和第２条件が満足される場合）には（ステップＳ２２のＹＥＳ）、起動によりラジエータ装置７９のファン７９ｃが駆動すれば、貯湯通路７１の往路７１ａの水を効果的に冷却でき、凝縮器７４における凝縮水の生成量を確保でき、タンク４４の水を増加できる。すなわち、システムが起動すれば、凝縮器７４における凝縮水生成能力が確保されると判定される。よって、時間ＴＭ３以上の発電が可能と判断され、制御部１００は、システム起動許可を出力し（ステップＳ６）、システムを起動させる（ステップＳ８）。システムが起動すれば、ポンプ７２、ファン７９ｃが駆動するため、凝縮器７４の凝縮水生成能力が高まる。

更に、タンク４４の水位が中水位Mid未満であっても低水位Low以上である場合には（ステップＳ１２のＹＥＳ，緩和第１条件が満足される場合）、貯湯槽７０の冷水が水位Ａ１未満とかなり少ないとき（ステップＳ２２のＮＯ，緩和第２条件が満足されないとき）であっても、外気温度Ｔ３が閾値Ｔ３-ｂ（例えば１０℃）よりも低温であれば（Ｔ３≦Ｔ３-ｂ，ステップＳ２４のＹＥＳ）、起動によりポンプ７２，ラジエータ装置７９のファン７９ｃが駆動すれば、ラジエータ装置７９の冷却能力が確保され、貯湯通路７１の往路７１ａの水の冷却を期待できる。ひいては、凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量を増加でき、タンク４４の水位が上昇する。すなわち、システムが起動すれば、凝縮器７４における凝縮水生成能力が確保されると判定される。この場合、時間ＴＭ３以上の発電が可能と判断される。従って、制御部１００はステップＳ２４からステップＳ６に進み、システム起動許可を出力し、システムを起動させる（ステップＳ８）。ここで、Ｔ３-bは、Ｔ３-aよりも低温である。

貯湯槽７０の冷水の水位Ａ１の高さについては、外気温度Ｔ３が閾値Ｔ３-a（例えば２０℃）以下である（Ｔ３≦Ｔ３-a）場合において、発電が時間ＴＭ３以上の継続できるような水量が設定されている。ここで、貯湯槽７０内の冷水がなくなった場合（すなわち、貯湯槽７０が温水で満水状態）にラジエータ装置７９による水冷却効果が低下し、凝縮器７４における凝縮水生成能力が低下し、水枯れが発生するおそれがある。このため、水枯れなくシステムを運転可能な時間の和が時間ＴＭ３以上となるように、貯湯槽７０の冷水の水位Ａ１の高さが設定されている。

貯湯槽７０の冷水が水位Ａ１未満と少なく（ステップＳ２２のＮＯ、第２条件を緩和した緩和第２条件が満足されないとき）、且つ、外気温度Ｔ３が閾値温度Ｔ３-bよりも高温であるときには（ステップＳ２４のＮＯ）、凝縮器７４における凝縮水生成能力が良好に確保されないおそれがある。よってシステムを起動させたとしても、直ぐに停止するおそれが高いため、制御部１００はステップＳ２４からステップＳ２に戻る。ここで、閾値Ｔ３-bは、貯湯槽７０が温水で満水状態が続いたとしても、つまり、貯湯槽７０の冷水が存在しないときであっても、ラジエータ装置７９による冷却のみで時間ＴＭ３以上発電可能となる温度である。閾値Ｔ３-bの考え方は、閾値Ｔ３-aと同様である。

貯湯槽７０の冷水が水位Ａ１未満と少ないときであっても（ステップＳ２２のＮＯ，緩和第２条件が満足されないとき）、外気温度Ｔ３が閾値Ｔ３-b以下と低温であるとき（ステップＳ２４のＹＥＳ，Ｔ３≦Ｔ３-b）には、ラジエータ装置７９のファン７９ｃの駆動で貯湯通路７１の往路７１ａの水が効果的に冷却され、凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量が増加され、水枯れのおそれは解消される。すなわち、システムが起動すれば、凝縮器７４における凝縮水生成能力が確保されると判定される。従って、制御部１００は、システム起動許可を出力し（ステップＳ６）、システムを起動させる（ステップＳ８）。システムが起動すれば、ポンプ７２、ファン７９ｃが駆動するため、凝縮器７４の凝縮水生成能力が高まり、タンク４４が増水される。上記したようにユーザーが貯湯槽７０の温水を使用せず貯湯槽７０の温水が満水である状態が続いても、冬場や寒冷地等のように、外気温度Ｔ３が温度Ｔ３−ａ，または、温度Ｔ３−ｂよりも低い場合には、ファン７９ｃが回転すれば、ラジエータ装置７９の冷却能力が確保され、凝縮器７４における凝縮水生成能力が確保されるため、制御部１００はシステムを起動させることができる。このように本実施形態によれば、システムに水を補給せずに、水自立を行うことができる。更に、システムにおいて、年間等を通してのトータル効率，省エネルギー性，経済性等の向上を図ることが可能となる。

図４は、図３に示す制御を実施した場合の特性例の概念を模式的に示す。特性線Ｍ１はタンク４４の水位の変化を示す。特性線Ｍ２はユーザの発電要求を示す。特性線Ｍ３は燃料電池１の発電出力の変化を示す。特性線Ｍ４は貯湯槽７０の冷水の水位の変化示す。ｔ_０で起動許可の指示が来たとする。その場合、改質水タンクはＭｉｄ以下（Ｓｔｅｐ４ ＮＯ）であるが、Ｌｏｗ以上（Ｓｔｅｐ１２ ＹＥＳ）、貯湯槽 冷水水位Ａ２以上（Ｓｔｅｐ１４ ＹＥＳ）のため、緩和条件１を満足するため、制御部１００はｔ_０において起動許可を与え起動を開始する。その後、改質部、燃料電池の暖機が完了した時刻ｔｕで燃料電池１の発電が開始される。但し、時刻ｔｕでは、タンク４４の水が高水位High未満であるため、発電出力に制限がかかる。よって時刻ｔｕ以降では、ユーザの発電要求が出力Ｗ２であるにも拘わらず、燃料電池１の最高発電出力は、Ｗ２よりも低いＷ１に抑えられている。タンク４４の水が高水位High以上となった時刻ｔｗ以降では、上記した制限が解除される。このため燃料電池１の発電出力は、ユーザの発電要求とほぼ同じとなり、Ｗ１よりも高いＷ２に増加される。発電時間が経過するにつれて、凝縮器７４における熱交換で加熱された温水が貯湯槽７０に帰還する流量が増加するため、特性線Ｍ４に示すように貯湯槽７０の冷水の水位は次第に低下する。しかし特性線Ｍ１に示すように、タンクの水位は冷水による凝縮器での凝縮量増大で水位が上昇し、ユーザが湯を全く使用せずタンクの冷水水位がゼロになった（温水で満水になった）としても既定時間ＴＭ３以上の発電が可能となる。

（実施形態６）
図５は実施形態６を示す。本実施形態は前記した各実施形態と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１および図２を準用する。システムは水自立タイプである。図５に示すフローチャートは、システムが待機しているとき、周期的に実行される。まず、システムを起動させて発電運転させる起動運転指示があるか否かを判定する（ステップＳＢ２）。システムの起動運転指示は、学習制御，タイマー運転，ユーザーによる起動スイッチ１０２の操作等によりシステムに発信される。起動運転指示がない場合には（ステップＳＢ２のＮＯ）、システムの待機は継続される（ステップＳＢ１０）。システムの起動運転指示があるとき（ステップＳＢ２のＹＥＳ）、制御部１００は、まず、タンク４４の水位が中水位Mid以上か否かを判定する（ステップＳＢ４）。中水位Mid以上であるとき（ステップＳＢ４のＹＥＳ）、第１条件が満足され、タンク４４の水量が十分にあり、改質水の不足のおそれがないと推定されるため、時間ＴＭ３以上の運転が可能と判断される。このため、制御部１００はシステム起動許可を出力し（ステップＳＢ６）、更に、システムを起動させる（ステップＳＢ８）。これにより改質部２２において改質反応が発生し、アノード活物質である水素を含有するアノードガスが生成される。

タンク４４の水位が中水位Mid未満であるとき（ステップＳＢ４のＮＯ）、第１条件が満足されない。そこで、制御部１００は、タンク４４の水位が低水位Low以上であるか否かを判定する（ステップＳＢ１２）。タンク４４の水位が低水位Low未満である場合には（ステップＳＢ１２のＮＯ）、緩和第１条件すらも満足されず、タンク４４内の水が少ないため、制御部１００はシステム起動許可を出力することなく、アラーム１０４を発報して起動禁止処理をする（ステップＳＢ１６）。タンク４４の水位が中水位Mid未満で且つ低水位Low以上である場合には（ステップＳＢ１２のＹＥＳ）、緩和第１条件が満足される。そこで、制御部１００は、貯湯槽７０の冷水が水位Ａ２（高水位）以上であるか否かを判定する（ステップＳＢ１４）。貯湯槽７０の冷水が水位Ａ２（高水位）以上である場合には（ステップＳＢ１４のＹＥＳ）、第２条件が満足される。よって、タンク４４の水位が低い場合であっても、外気温度Ｔ３の如何に関わらず、ポンプ７２が駆動して貯湯槽７０の冷水を貯湯通路７１の往路７１ａに多量に供給できる。この場合、凝縮器７４において貯湯通路７１の水通路７４ｗによりガス通路７４ｇにおいて凝縮される凝縮水の生成量が確保される。すなわち、システムが起動すれば、凝縮器７４における凝縮水生成能力が確保されると判定される。このため、タンク４４の水位が中水位Mid未満で且つ低水位Low以上であるにも拘わらず、つまり、タンク４４の水量が少ないにも拘わらず、制御部１００は、時間ＴＭ３以上の発電可能と判断し、システムの起動許可を出力し（ステップＳＢ６）、更に、システムを起動させる（ステップＳＢ８）。貯湯槽７０の冷水が水位Ａ２（高水位）未満である場合には（ステップＳＢ１４のＮＯ）、緩和第１条件が満足されるものの第２条件が満足されないため、制御部１００は、システム起動許可を出力することなく、ステップＳＢ２に戻る。

（実施形態７）
図６は実施形態７を示す。本実施形態は前記した前記した各実施形態と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１および図２を準用する。本実施形態においても、システムは水自立タイプである。システムを起動させるにあたり、タンク４４に溜められている水が中水位Mid以上であるという第１条件が満足されると、制御部１００はシステムに起動許可を与える。但し、タンク４４に溜められている水が中水位Mid未満であり、第１条件が満足されないであっても、第３条件が満足されると、制御部１００はシステムに起動許可を与える。

図６に示すフローチャートは、システムが待機しているとき、周期的に実行される。まず、システムを起動させて発電運転させる起動運転指示があるか否かを判定する（ステップＳＣ２）。システムの起動運転指示は、学習制御，タイマー運転，ユーザーによる起動スイッチ１０２の操作等によりシステムに発信される。起動運転指示がない場合には（ステップＳＣ２のＮＯ）、システムの待機は継続される（ステップＳＣ１０）。システムの起動運転指示があるとき（ステップＳＣ２のＹＥＳ）、制御部１００は、まず、タンク４４の水位が中水位Mid以上か否かを判定する（ステップＳＣ４）。中水位Mid以上であるとき（ステップＳＣ４のＹＥＳ）、第１条件が満足され、タンク４４の水量が充分にあり、時間ＴＭ３以上の運転が可能と判断される。このため、制御部１００はシステム起動許可を出力し（ステップＳＣ６）、更に、システムを起動させる（ステップＳＣ８）。タンク４４の水位が中水位Mid未満であるとき（ステップＳＣ４のＮＯ）、第１条件が満足されない。そこで制御部１００は、タンク４４の水位が低水位Low以上であるか否かを判定する（ステップＳＣ１２）。タンク４４の水位が低水位Low未満である場合には（ステップＳＣ１２のＮＯ）、緩和第１条件すら満足されず、タンク４４内の水が少ないため、制御部１００はシステム起動許可を出力することなく、アラーム１０４を発報して起動禁止処理をする（ステップＳＣ１６）。タンク４４の水位が中水位Mid未満で且つ低水位Low以上ある場合には（ステップＳＣ１２のＹＥＳ）、緩和第１条件が満足される。そこで制御部１００は、外気温度Ｔ３が閾値Ｔ３−ａ以下であるか否かを判定する（ステップＳＣ１４）。外気温度Ｔ３が閾値Ｔ３−ａ以下と低い場合には（ステップＳＣ１４のＹＥＳ）、第３条件が満足されるため、タンク４４の水位が低い場合であっても、ラジエータ装置７９が往路７１ａの水を効果的に冷却でき、凝縮器７４において凝縮する凝縮水の生成量を確保でき、タンク４４の水位を高めることができる。すなわち、システムが起動すれば、凝縮器７４における凝縮水生成能力が確保されると判定される。このため、タンク４４の水位が低水位Low以上であれば、中水位Mid未満と低いにも拘わらず、つまり、タンク４４の水量が少ないにも拘わらず、制御部１００は、時間ＴＭ３以上の発電可能と判断し、システムの起動許可を出力し（ステップＳＣ６）、更に、システムを起動させる（ステップＳＣ８）。外気温度Ｔ３が閾値Ｔ３−ａよりも高温である場合には（ステップＳＣ１４のＮＯ）、制御部１００は、システム起動許可を出力することなく、ステップＳＣ２に戻る。ステップＳＣ１４おける閾値は、閾値Ｔ３−ａではなく、閾値Ｔ３−ｂとしても良い。

（実施形態８）
本実施形態は前記した各実施形態と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１〜図６を準用する。システムは水自立タイプである。貯湯通路７１の往路７１ａの水の温度Ｔ１もしくは排気通路７５の排気ガス温度Ｔ２に基づいて、ラジエータ装置７９の冷却ファン７９ｃはON,OFF制御され、貯湯通路７１の往路７１ａの水を冷却する。例えば、Ｔ１≧３８℃で冷却ファン７９ｃはONされ、Ｔ１≦４０℃で冷却ファン７９ｃはOFFとされる。もしくは、排気ガス温度Ｔ２≧４３℃で冷却フアン７９ｃはONとされ，排気ガス温度Ｔ２≦４５℃で冷却ファン７９ｃはOFFとされる。

凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量は、排気ガスの飽和水蒸気曲線に基づき排気ガスの温度Ｔ２で決定される。排気ガスの温度Ｔ２は貯湯通路７１の往路７１ａの水の温度Ｔ１に基づいて決定される。このため凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量は、貯湯通路７１の水の温度Ｔ１，排気ガスの温度Ｔ２で制御可能である。応答性を考えると、ラジエータ装置７９の冷却能力が早期に現れる貯湯通路７１の水の温度Ｔ１で制御した方が好ましい。タンク４４の水位センサに基づく制御を下記に記す。通常時には、タンク４４の水位は高水位Highとオーバフロー水位overとの間になるようにシステムが運転される。貯湯槽７０が温水で満水ではない場合には、貯湯槽７０の底部付近には低温の水が存在する。この低温の水が凝縮器７４の水通路７４ｗに供給される。排気通路７５の排気ガスの温度Ｔ２を凝縮器７４のガス通路７４ｇにおいて４２〜４５℃以下まで冷却できれば、凝縮器７４において凝縮する凝縮水の生成量が増加し、ひいてはタンク４４に溜められる改質水の量が増加する。このため、システムにおける改質水の収支がプラスとなり、水道水等の補給水を改質水としてシステムに長期にわたり補給せずとも良く、システムは水自立可能となる。ここで、凝縮器７４におけるガス通路７４ｇの排気ガスと水通路７４ｗの水との温度差を２℃と仮定すると、貯湯通路７１の水が４０〜４３℃以下の温度域になるように、ラジエータ装置７９により貯湯通路７１のうち凝縮器７４の水通路７４ｗの入口温度を冷却できれば、システムは水自立が可能である。タンク４４の水位が高水位Highとオーバフロー水位overとの間に存在する場合には、タンク４４に溜められている水量は、システムの定格運転が継続したとしても、充分である。このため、制御部１００は、電力負荷５０４が消費する消費電力の大きさに基づき燃料電池１の発電電力を制御することができる。ここで定格とは、システムに対して指定された条件の下でも製造者が保証する使用上の限界を意味する。

これに対して、貯湯槽７０が温水で満水状態であり、かつ、外気温度が高い場合（例えば夏季の猛暑日または熱帯地方等）においては、貯湯通路７１の往路７１ａ（凝縮器７４の入口側）の水の温度Ｔ１が高くなるため、凝縮器７４における冷却能が不足し、ひいては凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量が不足するおそれがある。このように外気温度が高い場合には、ラジエータ装置７９により貯湯通路７１の往路７１ａの水を冷却しても、水の温度Ｔ１は４０〜４３℃を高温側に超える温度域となる。このため、仮に定格発電運転を継続させると、凝縮器７４における冷却能が不足し、凝縮器７４において生成される凝縮水の生成量が不足となる。この場合、タンク４４の水位が低下するおそれがある。そこで、制御部１００は、高水位センサ３０１がOFFである（水がない）ことを検知した場合には、電力負荷５０４が消費する消費電力の大小に関わらず、制御部１００は、システムの最高発電電力をＷ１（定格電力Ｗset未満）となるように出力制限をかける。一般的には、発電電力が低い方が、改質燃料量を低減、ひいては改質水量を低減できタンク４４の水位の低下を抑制できるとともに、冷却装置の熱負荷を低減することでＴ１温度の低下、ひいては凝縮器７４の凝縮能力の向上により凝縮水の増大を図ることができる。上記により、タンク４４内に溜められている改質水の水量の減少を抑制することが可能となる。

ところで、タンク４４のうち高水位High以上でオーバフロー水位over以下に溜められる水のタンク容量をＨ１（図２参照）とする。タンク４４のうちこれの高水位High未満で且つ中水位Mid以上に溜められる水のタンク容量をＨ２（図２参照）とする。

タンク容量Ｈ１，Ｈ２の決定について以下に説明を加える。図７の特性線ＷＡは、ある年の夏季の特定の基準日において実際に測定した気温変化を示す。この基準日は、凝縮水の生成にとって１年間におけるほぼ最悪条件となるように、システムが設置される所定国（日本国）における年間最高気温を示した猛暑日を示す。図７の特性線ＷＡに示すように、昼間において、７時（午前７時）から１５時（午後３時）にかけて外気温度が上昇している。２時（午前２時）から７時（午前７時）には、外気温度が相対的に低い。２０時（午後８時）から２４時（午前０時）には、外気温度が相対的に低い。外気温度が高い場合には、凝縮器７４における凝縮が制限され、凝縮器７４において生成される凝縮水の生成量が低下し、タンク４４の水位が低下する傾向がある。このため、タンク４４のタンク容量Ｈ１，Ｈ２の決定にあたり、凝縮水の生成量の減少が激しい年間最高気温を示す猛暑日を基準とする。よって猛暑日を基準日として設定している。

図８は、ラジエータ装置７９で貯湯通路７１の水を冷却しつつ、燃料電池１の発電電力Ｗ１にて、１日中発電運転を継続させている状態におけるタンク４４の水収支のシミレーション結果を示す。この場合、外気温度に対して＋４℃まで、ラジエータ装置７９の能力，凝縮器７４の能力で排気ガスを冷却可能であった場合においての規定時間（１分当り）の水収支を示す。図８の横軸は時間を示し、縦軸はタンク４４の水収支（相対表示）を示す。ここで、昼間には外気温度が上昇しているため、図８の特性線ＷＢに示すように、凝縮器７４において凝縮される生成水量が低下し、９時（午前９時）〜１９時（午後７時）にかけて、外気温度の影響を受けて水収支がマイナスとなる。しかし夜間には、外気温度が低下しているため、凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量が増加し、図７および図８の特性線ＷＢに示すように、水収支がプラスとなる。

図９および図１０の特性線ＷＣは、上記した基準日における一日あたりのタンク４４における水収支のシミレーション結果を示す。この場合、燃料電池１は連続して発電しており、その発電出力はＷ１である。図９の横軸は時間を示し、縦軸はタンク４４の水収支（相対表示）を示す。各時間での累積をみていくと、1日運転において水収支がゼロとなるように、基準日における所定の基準時刻（図９および図１０では２４時＝午前０時）を設定し、この基準時刻（２４時）におけるタンク４４の水の貯留量を相対０値と相対表示する。

図９及び図１０の特性線ＷＣによれば、タンク４４に貯留される水貯留量は、基準日の一日における気温の変化に応じてプラス側およびマイナス側に交互に曲線（例えばサインカーブ）状に変化する。すなわち、特性線ＷＣによれば、１時から８時にかけて水収支プラスが維持されつつ、水は増加し続けている。更に、９時から１４時にかけて、水収支プラスはプラスが維持されつつも水は減少し続ける。１４時から１８時にかけて、水収支マイナスが維持されつつ、水は減少し続ける。１９時〜２４時にかけて、水収支マイナスが維持されつつ、水は増加し続ける。ここで、基準日（猛暑日）における気温に応じて変化するタンク４４における改質水貯留量について、相対０値に対する最高ピーク値をＶｍａｘとする。また、改質水貯留量の相対０値に対する最小ピーク値をＶｍｉｎとする。

本実施形態によれば、タンク４４のうちこれの高水位High以上でオーバフロー水位over以下に改質水を貯留可能なタンク容量をＨ１とすると、タンク容量Ｈ１は、凝縮水の生成量が低下するため、タンク４４の水枯れが発生する傾向がある猛暑日における最高ピーク値Ｖｍａｘに基づいて設定されている。具体的には、タンク容量Ｈ１は、最高ピーク値Ｖｍａｘと第１マージン容量Ｖαとの合計和に基づいて設定されている。第１マージン容量Ｖαは、安全率を考慮したタンク４４における余裕水量を意味し、システムの種類、システムの設置環境等に応じて適宜設定される。ＶｍａｘおよびＶαの量が同一単位であれば、Ｖｍａｘ＞Ｖαとすることができる。

また、タンク４４のうちこれの高水位High未満で且つ中水位Mmid以上に改質水を貯留可能なタンク容量をＨ２とすると、タンク容量Ｈ２は、凝縮水の生成量が低下する傾向がある猛暑日における最小ピーク値Ｖｍｉｎに基づいて設定されている。具体的には、タンク容量Ｈ２は、最小ピーク値Ｖｍｉｎと第２マージン容量Ｖβとの合計和に基づいて設定されている。第２マージン容量Ｖβは、安全率を考慮したタンク４４における余裕水量を意味し、システム、システムの設置環境等に応じて適宜設定される。ＶｍｉｎおよびＶβの量が同一単位であれば、Ｖｍｉｎ＞Ｖβとすることができる。なおＶα＝Ｖβ，Ｖα＞Ｖβ、Ｖα＜Ｖβにできる。Ｖα＞Ｖβであれば、高水位High以上の水量を増加できる利点があり、出力制限を抑制できる。なおＶα＝Ｖβ≒０でも良い。

このような本実施形態によれば、タンク４４の容量の大型化を抑えつつ、システムの水自立が可能であり、水道水等の補給水を改質水としてシステムに長期にわたり補給せずともよいことが理解できる。つまり、図１０の特性線ＷＣによれば、０時〜１４時（午後２時）までは、余剰の凝縮水をタンク４４に貯蓄することができる。これに対して１４時（午後２時）〜２４時（午前０時）では、タンク４４の水位が低下するが、１４時〜２４時までのほぼ１０時間相当分における不足水の容量は、タンク容量Ｈ２として、タンク４４に確保することができる。従って、タンク１における貯留水量が低下しつつも、システムを発電停止させることなく、燃料電池１を継続的に発電運転させることが可能となる。本実施形態によれば、上記観点に基づき、タンク４４のタンク容量Ｈ１，タンク容量Ｈ２は決定されている。上記したようにタンク４４のタンク容量Ｈ１，Ｈ２が決定されている。このため、凝縮水の生成量が低下する猛暑日であっても、タンク４４は水不足になることはない。

しかしながら想定外の環境状態、貯湯ポンプ７２の故障等で、凝縮器７４が冷却されない場合等には、異常等の諸要因によりタンク４４の水位が更に低下するおそれがある。そこで、中水位センサ３０２がOFF（水がない）である検出した場合には、制御部１００はシステムを発電モードから発電停止モード゛に移行する。発電停止モードは、システムが正常に停止するときにおける発電停止手段である。

発電停止モードについて、次のI〜IIIにおいて説明を加える。

I．発電停止指示により、制御部１００は、ポンプ５５，４２の出力を低下させ、改質器２に供給される燃料原料および改質水を最低流量とさせる。更に、制御部１００は、カソードガスポンプ６２の出力を増加させてカソードガスを増加させる。これにより、燃焼用空間２３における燃焼炎２４の燃焼を継続しながら、発電モジュール３の内部を冷却させる。この場合、改質器２もしくは燃料電池１の温度が既定温度Ｔｃ以下になるまで、燃料電池１のアノード等のアノード系を還元雰囲気にするため、燃料原料および改質水を改質器２に供給させ、還元性をもつ水素含有ガスを生成させながら、発電モジュール３を冷却させる。

II．改質器２もしくは燃料電池１の温度が既定温度Ｔｃ以下に低下したら、ポンプ５５，４２を停止させ、燃料原料および改質水を改質器２に供給させる操作を遮断させる。この場合、発電モジュール３の発電室３２に残留している水素をカソードガスで排気通路７５に排出させてパージさせる。

III．改質器２もしくは燃料電池１の温度がIIより低い既定温度Ｔｅ以下に冷却されたら、システムを完全停止させ、システムの補機類（例えばバルブやポンプ）も完全停止させる。

さて、タンク４４のうち中水位Mid未満で且つ低水位Low以上のタンク容量をＨ３とする。タンク容量Ｈ３の設定方法について説明する。すなわち、図１０１１はシステムの発電停止モードにおけるタンク４４の水収支例を示す。発電停止モードでは、前述したように、改質器２に供給される燃料原料の燃焼量および改質水量が少ないのに対し、発電モジュール３の内部を冷却させるため発電モジュール３内に供給されるカソードガス量が多くなる。このため、排気通路７５を流れる排気ガスに含まれる水蒸気分率が低くなるため、排気ガスの温度が１０℃以下に冷却されないと、凝縮器７４において凝縮される凝縮水の生成量が不足することになる。しかし実際には、排気ガスの温度を１０℃以下に冷却することは困難であるため、発電停止モードでは、最悪の場合には改質水がＶshortageぶん不足するおそれがある。そこで、タンク４４のうち、中水位Mid未満で且つ低水位Low以上のタンク容量Ｈ３については、発電停止モード゛で不足する不足値Ｖshortageと、次回の起動で必要な分の水量Ｖstartとを確保することが好ましい。ここで、図１２は起動モード゛における水収支を示すが、発電運転時とほぼ同等の水収支特性を示すため、図１２の特性に拘わらず、水量Ｖstartとしては実質的に５０〜１００cc程度であれば良いと考えられる。タンク４４の中水位Midが検知されると、システムは発電モードから発電停止モードに移行する。同様に、予想外の諸要因等にて、タンク４４の水位が更に低下し、水位が低水位Low未満となった場合には、制御部１００は緊急停止を行う。ここで、緊急停止とは、改質水を改質器２に供給を停止することを前提とした停止方法であり、更に改質器２に収容されている改質触媒および燃料電池が劣化しないように、燃料原料等を改質器に供給することも止める。貯湯水，換気空気等のように、発電と直接的に関係なき部位は稼動してもよいし、あるいは、全補機を停止しても良い。これにより、タンク４４の改質水が完全になくなった場合において、改質器２に供給する改質水が不足して改質触媒および燃料電池１が劣化することが抑止され、改質器２および燃料電池１の劣化が抑止される。この場合には、制御部１００は、異常であると判定し、貯湯ポンプ７２の点検等をメンテナンスするとともに、改質水の補給を実施する。

以上説明したように本実施形態においても、前記した実施形態と同様に、タンク４４の水位が高水位High以上であることがセンサ３０１，３０２により検知されるとき、制御部１００は、電力負荷５０４の大きさに応じて燃料電池１の発電出力を制御する。タンク４４の水位が高水位High未満であることをセンサにより検知されるとき、制御部１００は、電力負荷５０４の大きさに拘わらず、燃料電池１の発電出力をこれの定格電力未満に出力制限することにより、タンク４４の改質水の減少を抑制させる。これによりシステムの水自立運転を実行することができる。すなわち、一連の制御、およびタンク４４の構成により、新しい水を改質水としてシステムに補給することなく、水自立の発電運転が可能となる。タンク４４の改質水の水位が過剰に低下する場合のような異常時には、改質器２および燃料電池１が劣化するに至る前にシステム停止することが可能となる。純水は高い電気絶縁性をもつ。改質水の品質が劣化すれば、水の電気伝導率が高くなる。このため、低水位センサ３０３として導電率計を用いた場合には、水精製器４０のイオン交換樹脂の劣化、水精製能力の劣化、燃料電池の劣化等に起因してタンク４４の水質が悪化（つまり、導電率が上昇）していることが、水の導電率の異常として検知が可能となる。殊に、低水位センサ３０３はタンク４４に設けられている水位センサのうち最も下方に配置されている。このため、タンク４４の水位の変動に拘わらず、タンク４４に溜められている水の品質を検知できる効果が得られる。

（他の実施形態）
（１）第２条件のみが成立するときでも起動許可。
タンク４４の水量が緩和第１条件を満足しなくても、仮にタンク４４の水量がほとんど存在しなくても、燃料原料とカソードガスを供給し燃焼空間で燃焼させた燃焼排気ガスを凝縮器７４により凝縮水としてタンク４４に回収し、タンク４４の水量がある程度確保できたら改質水の供給を開始すれば起動できる。ただし緩和第１条件を満足したときに起動許可する方が改質器２内におけるコーキングを低減できるため好ましい。

（２）第３条件のみ成立するときでも起動許可。
説明は上記と同じである。

（３）改質水タンク４の水量、貯湯槽７０のうち第１所定温度以下の水の量に基づいて起動許可される。決められた所定水位、所定量によって起動許可判断するのではなく、改質水タンク４４の水量、貯湯槽７０のうち第１所定温度以下の水の量を用いてシステム起動後の改質水の水量の収支を演算し、時間ＴＭ３以上の発電が可能な条件が成立する場合に起動許可する。この場合には、貯湯水の冷水温度も演算ファクターに加えてもよい。また学習制御により起動する場合には、運転計画を考慮して演算することが好ましい。あらかじめ装置の性能ファクターなどを考慮して、改質水タンク４４の水量、貯湯槽７０のうち第１所定温度以下の水の量と起動許可との関係を決めたマップを使用して起動許可判断しても良い。なお、貯湯槽７０の冷水の水量は、温度センサ７０ｔの中間にあっても複数の温度センサ７０ｔの値を使用して演算することにより算出できる。また改質水タンク４４の水量は、例えば、タンク４４の底に設けた圧力センサで検出した圧力から算出できる。

（４）制御部１００は、改質水タンク４４の水量、貯湯槽７０のうち第１所定温度以下の水の量、外気の温度に基づいて起動許可する。この場合、決められた所定水位、所定量、所定温度によって起動許可判断するではなく、制御部１００は、改質水タンク４４の水量、貯湯槽７０のうち第１所定温度以下の水の量、外気の温度を用いてシステム起動後の改質水の水量の収支を演算し、時間ＴＭ３以上の発電が可能な条件が成立する場合に起動許可する。この場合、貯湯水の冷水温度も演算ファクターに加えてもよい。学習制御により起動する場合には、運転計画を考慮して演算する。あらかじめ装置の性能ファクターなどを考慮して、改質水タンク４４の水量、貯湯槽７０のうち第１所定温度以下の水の量、外気の温度と起動許可との関係を決めたマップを使用して起動許可判断しても良い。

（適用形態）
図１３は適用形態の一例を示す。本形態は前記した実施形態と同様な構成および作用効果を示すため、他の図を準用できる。図１３に示すように、複数の燃料電池１は、カソードガスが供給される通路３２ｒを介して並設されてスタックを形成している。燃料電池１同士は図略の集電体により電気的に接続されている。燃料電池１は、アノードガスが流れる通路１１ｒをもつ多孔質導電部１１ｗと、燃料極として機能するアノード１１と、カソードガスが供給される通路３２ｒに対面する酸化剤極として機能するカソード１２と、アノード１１およびカソード１２で挟まれた固体酸化物を母材とする電解質膜１５と、緻密質のコネクタ１０ｘとを有する。固体酸化物は、酸素イオン（Ｏ^２−）を伝導させる性質性をもつものであり、ＹＳＺ等のジルコニア系、ランタンガレート系が例示される。アノード１１は、ニッケル−セリア系サーメットが例示される。カソード１２は、サマリウムコバルタイト、ランタンマンガナイトが例示される。材質は上記に限定されるものではない。なお、燃料電池１の下部には、アノードガスを燃料電池１の入口に案内するアノードガスマニホルド１３が配置されている。

（その他）
上記した実施形態によれば、タンク４４には高水位センサ３０１、中水位センサ３０２、低水位センサ３０３が設けられているが、単一のセンサで高水位、中水位、低水位を検知することにしても良い。高水位センサ３０１、中水位センサ３０２、低水位センサ３０３が設けられているが、高水位センサ３０１および中水位センサ３０２だけでも良い。要するにタンク４４における複数段階の水位を検知できれば良い。凝縮器７４で生成された凝縮水を、水精製機能をもつ水精製器４０に溜めて精製させた後にタンク４４に貯留させているが、これに限らず、凝縮器７４で生成された凝縮水をタンク４４に貯留させた後、水精製器４０から改質器２に向けて搬送させても良い。

上記した実施形態は、水自立タイプのシステムに適用しているが、これに限らず、水道水等の補給水を水精製器４０またはタンク４４に補給する水補給タイプのシステムに適用しても良い。上記した実施形態は固体酸化物形の燃料電池システムに適用しているが、これに限らず、アノードガス、アノードオフガス、カソードオフガスのうちの１種または２種以上の水蒸気含有ガスを凝縮させて凝縮水を生成させる凝縮器を有する燃料電池システムであれば良く、固体高分子形、溶融炭酸塩形またはリン酸形の燃料電池システムに適用することもできる。本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。

上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
［付記項１］改質水で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、アノードガスおよびカソードガスにより発電する燃料電池と、システムの排熱で加熱された温水を貯留する貯湯槽と、システムの運転に伴い発生する水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させる凝縮器と、貯湯槽の水を凝縮器に冷却水として供給する貯湯通路と、貯湯槽の水を貯湯通路に冷却水として供給して凝縮器の水蒸気含有ガスを冷却させる貯湯水搬送源と、凝縮器で生成された凝縮水を回収して液相状の改質水として溜める改質水タンクと、改質水タンクに溜められている改質水を改質器に供給する改質水搬送源とを具備する燃料電池システム。改質水タンクに溜められている改質水を改質器に供給することができる。
［付記項２］付記項１において、制御部はシステムを起動させるにあたり、貯湯槽のうち所定温度以下の水量が所定量以上であるという条件が満足されるとき、システムを起動許可させる信号を出力する燃料電池システム。
［付記項３］付記項１または２において、制御部はシステムを起動させるにあたり、外気温度が所定温度以下であるという条件が満足されるとき、システムを起動許可させる信号を出力する燃料電池システム。
［付記項４］付記項１〜３において、制御部はシステムを起動させるにあたり、改質水タンクの水位が所定水位（例えば中水位Mid等の第２水位）以上であるという条件が満足されるとき、システムを起動許可させる信号を出力する燃料電池システム。
［付記項５］付記項１〜4において、制御部はシステムを発電運転しているとき、改質水タンクの水位が所定水位（例えば高水位High等の第１水位）未満のとき、システムの最高発電出力を定格電力未満のＷ１に制限させ、改質水タンクの水位が所定水位（例えば高水位High等の第１水位）以上のとき、システムの最高発電出力を定格電力未満のＷ１に制限させない燃料電池システム。

本発明は例えば定置用、車両用、電気機器用、電子機器用、可搬用の燃料電池システムに適用できる。

図中、１は燃料電池、２は改質器、２０は蒸発部、２２は改質部、３は発電モジュール、３２は発電室、４は改質水系、４０は水精製器、４１は改質水通路、４２は改質水ポンプ（改質水搬送源）、４３は給水バルブ、４４は改質水タンク、５は燃料原料供給系、５０は燃料源、５１は燃料原料供給通路、６はカソードガス供給系、６０はカソードガス供給通路、７は貯湯系、７０は貯湯槽、７０ｔは温度センサ、７０ｉは入水口、７０ｐは出水口、７１は貯湯通路、７２は貯湯ポンプ（貯湯水搬送源）、７４は凝縮器、７５は排気通路、７６は排気口江、７７は凝縮水通路、７９はラジエータ装置、７９ａはラジエータ、７９ｃは冷却ファン、１００は制御部、１０２は起動スイッチ、２０１はガス温度センサ、２０２は水温センサ、２０５は外気温度センサ、３０１は高水位センサ、３０２は中水位センサ、３０３は低水位センサを示す。

Claims (4)

1. 改質水で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、前記アノードガスおよびカソードガスにより発電する燃料電池と、システムの排熱で加熱された温水を貯留する貯湯槽と、システムの運転に伴い発生する水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させる凝縮器と、前記貯湯槽の水を前記凝縮器に冷却水として供給する貯湯通路と、前記貯湯槽の水を前記貯湯通路に冷却水として供給して前記凝縮器の水蒸気含有ガスを冷却させる貯湯水搬送源と、前記凝縮器で生成された凝縮水を回収して液相状の改質水として溜める改質水タンクと、前記改質水タンクに溜められている前記改質水の水位を検知するセンサと、前記改質水タンクに溜められている前記改質水を前記改質器に供給する改質水搬送源と、システムを起動させるにあたり、前記改質水タンクの水位が所定水位以上であるという第１条件、前記貯湯槽のうち第１所定温度以下の水の量が所定量以上であるという第２条件のうち少なくともいずれかの条件が満足されるとき、システムを起動許可させる制御部とを具備し、システムを起動させるにあたり、前記改質水タンクの水位が前記所定水位未満である場合、システムが起動すれば、前記凝縮器における凝縮水生成能力が確保されると判定されるときには、前記第１条件を緩和した緩和第１条件を前記改質水タンクの水位が満足するとき、前記制御部は前記システムを起動許可させる燃料電池システム。
2. 改質水で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、前記アノードガスおよびカソードガスにより発電する燃料電池と、システムの排熱で加熱された温水を貯留する貯湯槽と、システムの運転に伴い発生する水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させる凝縮器と、前記貯湯槽の水を前記凝縮器に冷却水として供給する貯湯通路と、前記貯湯槽の水を前記貯湯通路に冷却水として供給して前記凝縮器の水蒸気含有ガスを冷却させる貯湯水搬送源と、前記貯湯通路のうち前記凝縮器よりも上流の通路部分の水を外気を用いて冷却作用を発揮するラジエータ装置と、前記凝縮器で生成された凝縮水を回収して液相状の改質水として溜める改質水タンクと、前記改質水タンクに溜められている前記改質水の水位を検知するセンサと、前記改質水タンクに溜められている前記改質水を前記改質器に供給する改質水搬送源と、システムを起動させるにあたり、前記改質水タンクの水位が所定水位以上であるという第１条件、前記貯湯槽のうち第１所定温度以下の水の量が所定量以上であるという第２条件、前記外気の温度が第２所定温度以下であるという第３条件のうち少なくともいずれか一つの条件が満足されるとき、システムを起動許可させる制御部とを具備し、システムを起動させるにあたり、前記改質水タンクの水位が前記所定水位未満である場合、システムが起動すれば、前記凝縮器における凝縮水生成能力が確保されると判定されるときには、前記第１条件を緩和した緩和第１条件を前記改質水タンクの水位が満足するとき、前記制御部は前記システムを起動許可させる燃料電池システム。
3. 改質水で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、前記アノードガスおよびカソードガスにより発電する燃料電池と、システムの排熱で加熱された温水を貯留する貯湯槽と、システムの運転に伴い発生する水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させる凝縮器と、前記貯湯槽の水を前記凝縮器に冷却水として供給する貯湯通路と、前記貯湯槽の水を前記貯湯通路に冷却水として供給して前記凝縮器の水蒸気含有ガスを冷却させる貯湯水搬送源と、前記凝縮器で生成された凝縮水を回収して液相状の改質水として溜める改質水タンクと、前記改質水タンクに溜められている前記改質水の水位を検知するセンサと、前記改質水タンクに溜められている前記改質水を前記改質器に供給する改質水搬送源と、システムを起動させるにあたり、前記改質水タンクの水量、前記貯湯槽のうち第１所定温度以下の水の量を用いてシステム起動後の改質水の水量の収支を演算し、システムの起動に使用される起動エネルギーとシステムの停止に使用される停止エネルギーとを加えた起動停止エネルギーよりもシステムを発電運転するときのエネルギー節約量が上回る発電運転時間が前記演算の結果から得られるときにシステムを起動許可させる制御部とを具備する燃料電池システム。
4. 改質水で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、前記アノードガスおよびカソードガスにより発電する燃料電池と、システムの排熱で加熱された温水を貯留する貯湯槽と、システムの運転に伴い発生する水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させる凝縮器と、前記貯湯槽の水を前記凝縮器に冷却水として供給する貯湯通路と、前記貯湯槽の水を前記貯湯通路に冷却水として供給して前記凝縮器の水蒸気含有ガスを冷却させる貯湯水搬送源と、前記貯湯通路のうち前記凝縮器よりも上流の通路部分の水を外気を用いて冷却作用を発揮するラジエータ装置と、前記凝縮器で生成された凝縮水を回収して液相状の改質水として溜める改質水タンクと、前記改質水タンクに溜められている前記改質水の水位を検知するセンサと、前記改質水タンクに溜められている前記改質水を前記改質器に供給する改質水搬送源と、システムを起動させるにあたり、前記改質水タンクの水量、前記貯湯槽のうち第１所定温度以下の水の量、前記外気の温度を用いてシステム起動後の改質水の水量の収支を演算し、システムの起動に使用される起動エネルギーとシステムの停止に使用される停止エネルギーとを加えた起動停止エネルギーよりもシステムを発電運転するときのエネルギー節約量が上回る発電運転時間が前記演算の結果から得られるときにシステムを起動許可させる制御部とを具備する燃料電池システム。