JP6115230B2 - 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する。

燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。燃料電池システムは、改質部から水素を供給されて発電する燃料電池と、改質部から燃料電池までの流路を通過する気体を冷却する冷却熱交換器と、外部の水源から給水される貯湯タンクと、貯湯タンクの下部から冷却熱交換器の低温側を経由して前記貯湯タンクに戻る循環配管と、制御装置と、を備えている。

このように構成された燃料電池システムにおいては、冷却熱交換器における熱回収媒体として、貯湯タンクの下部にある貯湯水を用いている。しかし、貯湯タンクが満畜熱となると、貯湯水が燃料電池の発電停止後におけるクールダウン中における熱回収媒体として必要な所定温度を超えてしまい、貯湯水に必要な熱回収をすることができない場合があった。

そこで、特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、循環配管上において冷却熱交換器から貯湯タンクへ流入する間に貯湯水を排出する排水配管を設けている。そして、制御装置は、貯湯水の温度が所定温度以上となったときに排水配管から貯湯水を排出し、外部の水源から水を補給して、燃料電池の発電停止後におけるクールダウン中に熱回収媒体として必要な温度まで貯湯水を降温するように制御している。これにより、貯湯タンクが満畜熱となった場合でも、燃料電池の発電停止後におけるクールダウン中に貯湯水に必要な熱回収をすることを可能としている。

特開２０１０−１８２４８４号公報

しかしながら、このような燃料電池システムにおいては、外部の水源から貯湯タンクに補給される水の温度が所定温度以上である場合は、貯湯水を排出しても貯湯水を所定温度以下に降温することができない。よって、貯湯水を排水し続けることになり、貯湯水が無駄に排出される問題がある。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、外部の水源から補給される水の温度が所定温度以上となる場合であっても、貯湯水の頻繁な排水を抑制し、貯湯水を無駄に排出しないことを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池システムは、改質ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、改質用原料と改質用水蒸気とから改質ガスを生成する改質部と、貯湯水を貯湯する貯湯槽と、貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、貯湯水循環回路上に配設されて燃料電池および改質部の少なくともいずれか一方からの排熱を貯湯水に回収する熱交換器と、貯湯水循環回路上であって貯湯槽の貯湯水の導出口と熱交換器の貯湯水の導入口との間に配設されて貯湯水の温度を検出する温度センサと、貯湯槽に貯められた貯湯水を排出する排水装置と、排水装置の貯湯水の排出に応じて、貯湯槽に補給水を供給する給水装置と、燃料電池の発電を少なくとも制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、制御装置は、温度センサによって検出された貯湯水の温度がしきい値以上となった場合に、排水装置によって貯湯水を排出する排水制御部を備え、しきい値は、排水装置による貯湯水の排出が完了した後の時点に温度センサによって検出した貯湯水の温度に、第１の所定値を加えて得た値に設定される。

また請求項２に係る発明は、請求項１に係る燃料電池システムにおいて、熱交換器は、燃料電池および改質部の少なくともいずれか一方を流通する高温かつ水蒸気を含むガスから熱量を回収して水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器で構成され、燃料電池システムは、凝縮器で生成されて導出された凝縮水を貯める水タンクと、凝縮水を蒸発させて改質用水蒸気を生成して改質部へ導出する蒸発部と、をさらに備えている。

また請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に係る燃料電池システムにおいて、制御装置は、排水装置による貯湯水の排出が完了した後であって、その排出完了直後の貯湯水の温度が排出開始直前の貯湯水の温度に第２の所定値を加えた値よりも低くなった場合に、しきい値は、排水装置による貯湯水の排出が完了した後の時点に温度センサによって検出した貯湯水の温度に、第１の所定値を加えて得た値に設定される。

また請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３に係る何れか一つの燃料電池システムにおいて、制御装置は、排水装置による貯湯水の排出を開始して所定時間経過した後に、しきい値は、排水装置による貯湯水の排出が完了した後の時点に温度センサによって検出した貯湯水の温度に、第１の所定値を加えて得た値に設定される。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、温度センサが検出する貯湯水の温度がしきい値以上となると、排水制御部によって排水装置から貯湯水が排出されるとともに、貯湯槽に給水装置から補給水が供給される。そして、排水装置による貯湯水の排出が完了した後に制御装置が新たに設定するしきい値は、その排出が完了した後の時点に温度センサによって検出された温度に、第１の所定値を加えた値となる。すなわち、排水装置による貯湯水の排出が完了した後の時点の補給水の水温が更新前しきい値に相当する温度であったとしても、新たに設定されたしきい値は、排水装置による貯湯水の排出が完了した後の時点の補給水の水温に相当する値に所定値を加えた値に更新されており、更新前しきい値より所定値分は上昇させているため、しきい値を上昇させない場合と比較して、貯湯水の頻繁な排出が抑制され、貯湯水が無駄に排出されることを抑制することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１において、熱交換器は、燃料電池および改質部の少なくともいずれか一方を流通する高温かつ水蒸気を含むガスから熱量を回収して水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器で構成されている。そして、燃料電池システムは、凝縮器で生成されて導出された凝縮水を貯める水タンクと、凝縮水を蒸発させて改質用水蒸気を生成して改質部へ導出する蒸発部と、をさらに備えている。これにより、凝縮器において生成された凝縮水を改質水（改質用水蒸気）として利用して燃料電池の発電をする燃料電池システムにおいて、すなわち、改質水を外部から供給せずに自身内で生成する凝縮水のみを利用するように運転する水自立運転を行う燃料電池システムにおいても、貯湯水の無駄な排出を抑制することができる。すなわち、制御装置によって設定されているしきい値が水自立運転成立可能な範囲である場合は、水自立運転を成立させることができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１または請求項２の燃料電池システムにおいて、排水装置による貯湯水の排出が完了した後であって、その排出完了直後の貯湯水の温度が排出開始直前の貯湯水の温度に第２の所定値を加えた値よりも低くなった場合に、しきい値は、排水装置による貯湯水の排出が完了した後の時点に温度センサによって検出した貯湯水の温度に、第１の所定値を加えて得た値に設定される。ここで、その排出完了直後に温度センサの検出する温度が排出前の温度に第２の所定値を加えた値より低くなっていれば、排水装置によって貯湯水が正常に排出され、給水装置によって補給水が正常に供給されたことになる。よって、燃料電池システムが正常に作動していることを確認することができる。したがって、燃料電池システムが正常に作動している状態で、しきい値の変更を適切に行うことができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明については、請求項１乃至請求項３の何れか一つの燃料電池システムにおいて、排水装置による貯湯水の排出を開始して所定時間経過した後に、しきい値は、排水装置による貯湯水の排出が完了した後の時点に温度センサによって検出した貯湯水の温度に、第１の所定値を加えて得た値に設定される。すなわち、貯湯水を所定時間排出した後、つまり補給水を所定時間供給した後は、温度センサが検出する温度は、貯湯槽の下部にある貯湯水の影響を受けないため、所定時間経過する前より安定して温度を検出することができる。よって、燃料電池システムが正常に作動していることをより確実に確認することができる。したがって、しきい値の変更を適切に行うことができる。

本発明による燃料電池システムの一実施形態を示す概要図である。 図１に示す制御装置と補機との関係を示す図である。 図１に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。 本発明による燃料電池システムの制御例の動作を示すタイムチャートである。 本発明による燃料電池システムの他の実施形態における燃料電池の概要図である。

以下、図１を用いて、本発明による燃料電池システムの一実施形態ついて説明する。なお、図１に示す燃料電池システムは、固体酸化物形の燃料電池システムである。燃料電池システムは、箱状の筐体１１、燃料電池モジュール２０、排熱回収システム３０、電力変換装置５０、および制御装置６０を備えている。本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池モジュール２０から排出される排熱を排熱回収システム３０で回収して湯水を生成・貯湯する貯湯槽３１を有する。

筐体１１は、筐体１１内を区画して第１室Ｒ１及び第２室Ｒ２を形成する仕切部材１２を備えている。第１室Ｒ１は第１空間を形成し、第２室Ｒ２は第２空間を形成する。仕切部材１２は、筐体１１を上下に区画する（仕切る）板状部材である。筐体１１内には、仕切部材１２により上方及び下方に第１室Ｒ１及び第２室Ｒ２が形成される。

燃料電池モジュール２０は、第１室Ｒ１内に当該第１室Ｒ１の内壁面から空間をおいて収納されている。燃料電池モジュール２０は、モジュール用ケーシング２１（以下、ケーシング２１と略す）、燃料電池２４を少なくとも含んで構成されるものである。本実施形態では、燃料電池モジュール２０は、ケーシング２１、蒸発部２２、改質部２３及び燃料電池２４を備えている。

ケーシング２１は、断熱性材料で箱状に形成されている。ケーシング２１は、第１室Ｒ１内に該第１室Ｒ１の内壁面から空間をおいて図示しない支持構造により支持されている。ケーシング２１内には、蒸発部２２、改質部２３、燃料電池２４、および第１燃焼部２６（特許請求の範囲に記載の燃焼部）である燃焼空間Ｒ３が配設されている。このとき、蒸発部２２、改質部２３が燃料電池２４の上方に位置するように配設されている。

蒸発部２２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、後述する凝縮水を蒸発させて水蒸気（改質用水蒸気）を生成している。よって、蒸発部２２は凝縮水を蒸発させて水蒸気（改質用水蒸気）を生成して改質部２３へ導出するものである。また、蒸発部２２は、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部２２は、このように生成された水蒸気（改質用水蒸気）と予熱された改質用原料を混合して改質部２３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

この蒸発部２２には、一端（下端）が水タンク１３内に配設された給水管４１の他端が接続されている。給水管４１には、改質水ポンプ４１ａが設けられている。改質水ポンプ４１ａは、蒸発部２２に凝縮水を供給するとともに、制御装置６０からの制御指令値にしたがってその改質水供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整するものである。

また、蒸発部２２には、燃料供給源Ｇｓからの改質用原料が改質用原料供給管４２を介して供給されている。改質用原料供給管４２には、原料ポンプ４２ａが設けられている。原料ポンプ４２ａは、燃料電池２４に燃料（改質用原料）を供給する供給装置であり、制御装置６０からの制御指令値にしたがって燃料供給源Ｇｓからの燃料供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整するものである。

改質部２３は、改質用原料と水蒸気（改質用水蒸気）とから改質ガスを生成するものである。具体的には、改質部２３は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部２２から供給された混合ガス（改質用原料、改質用水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部２３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は燃料電池２４の燃料極に導出されるようになっている。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

燃料電池２４は、改質ガスと酸化剤ガスとにより発電するものである。燃料電池２４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、及び両極の間に介装された電解質からなる複数のセル２４ａが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池２４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は４００〜１０００℃程度である。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。この場合、改質部２３は省略することができる。

セル２４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路２４ｂが形成されている。セル２４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路２４ｃが形成されている。

燃料電池２４は、マニホールド２５上に設けられている。マニホールド２５には、改質部２３からの改質ガスが改質ガス供給管４３を介して供給される。燃料流路２４ｂは、その下端（一端）がマニホールド２５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ４４ａによって送出されたカソードエアはカソードエア供給管４４を介して供給され、空気流路２４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。

カソードエアブロワ４４ａは、第２室Ｒ２内に配設されている。カソードエアブロワ４４ａは、第２室Ｒ２内の空気を吸入し燃料電池２４の空気極に吐出するものであり、その吐出量は制御装置６０により調整制御（例えば燃料電池２４の負荷電力量（消費電力量）に応じて制御）されるものである。

燃料電池２４においては、燃料極に供給された燃料と空気極に供給された酸化剤ガスによって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化１及び化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ^２−）が電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路２４ｂ及び空気流路２４ｃからは、発電に使用されなかった改質ガス及び酸化剤ガス（空気）が導出する。
（化１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
（化２）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（化３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−

そして、燃料流路２４ｂ及び空気流路２４ｃから導出した、発電に使用されなかった改質ガス（アノードオフガス）は、燃料電池２４と蒸発部２２及び改質部２３との間の燃焼空間Ｒ３にて、発電に使用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）によって燃焼され、その燃焼ガス（火炎２７）によって蒸発部２２及び改質部２３が加熱される。さらには、燃料電池モジュール２０内を動作温度に加熱している。その後、燃焼ガスは排気口２１ａから燃料電池モジュール２０の外に燃焼排ガスとして排気される。このように、燃焼空間Ｒ３が、燃料電池２４からのアノードオフガスと燃料電池２４からのカソードオフガスとを燃焼して改質部２３を加熱する第１燃焼部２６である。第１燃焼部２６は、可燃性ガスと酸化剤ガスとを燃焼するものである。可燃性ガスは、燃えるガスであり、本実施形態では改質用燃料、アノードオフガスである。

第１燃焼部２６（燃焼空間Ｒ３）では、アノードオフガスが燃焼されて火炎２７が発生している。第１燃焼部２６には、一対の着火ヒータ２６ａ１，２６ａ２が設けられている。着火ヒータ２６ａ１，２６ａ２は、第１燃焼部２６を着火するものである。着火ヒータ２６ａ１，２６ａ２は、アノードオフガスを着火している。着火ヒータ２６ａ１，２６ａ２は、制御装置６０の指示によって交流電流により加熱する交流ヒータ（ＡＣヒータ：交流補機）である。

さらに、ケーシング２１は、導出口２１ａに第２燃焼部２８を備えている。第２燃焼部２８は、第１燃焼部２６で燃焼されなかった可燃性ガス（以下、未燃焼可燃性ガスとする）を導入し燃焼して導出するものである。未燃焼可燃性ガスは、例えば、水素、メタンガス、一酸化炭素などである。第２燃焼部２８は、可燃性ガスを燃焼する触媒である燃焼触媒（例えばセラミックハニカムまたは、メタルハニカムと貴金属の触媒である。）で構成されている。第２燃焼部２８には、燃焼触媒ヒータ２８ａが設けられている。燃焼触媒ヒータ２８ａは、未燃焼可燃性ガスを燃焼させる燃焼触媒を加熱するものである。燃焼触媒ヒータ２８ａは、燃焼触媒を触媒の活性温度まで加熱する。燃焼触媒ヒータ２８ａは、制御装置６０の指示によって交流電流により加熱する交流ヒータ（ＡＣヒータ：交流補機）である。

排熱回収システム３０は、燃料電池２４および改質部２３の少なくともいずれか一方の排熱と貯湯水との間で熱交換することで排熱を貯湯水に回収して蓄える排熱回収系である。排熱回収システム３０は、貯湯水を貯湯する貯湯槽３１と、貯湯槽３１に補給水を供給する給水装置３１ａと、貯湯槽３１に貯められた貯湯水を排出する排水装置３１ｂと、貯湯水が循環する貯湯水循環回路３２と、燃料電池モジュール２０からの排熱と貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器３３と、が備えられている。

貯湯槽３１は、１つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。排水装置３１ｂは、貯湯槽３１の上部に接続されており、例えば開閉バルブで構成されている。貯湯槽３１に貯留された高温の温水が貯湯槽３１の柱状容器の上部から排水装置３１ｂによって導出されるようになっている。導出された温水は、浴槽、シャワなどの湯利用機器や、浴室暖房、床暖房などの熱利用機器などに利用される。なお、排水装置３１ｂは、貯湯水循環回路３２上に設けるようにしてもよい。この場合、熱交換器３３の貯湯水の導出口側に設けることが望ましい。

給水装置３１ａは、貯湯槽３１の下部に接続されており、例えば外部の高圧の水源（例えば水道）とその外部の水源の水圧を導入して減圧し導出する減圧弁と、で構成されている。排水装置３１ｂによって温水が導出されると、給水装置３１ａは、外部の水源からの水（補給水）を減圧して貯湯槽３１に補給するようになっている。具体的には、補給水は、水道水や井戸水などの水（低温の水）である。なお、給水装置３１ａは、開閉バルブを追加して構成しても良い。また、給水装置３１ａは、外部の高圧の水源と減圧弁との構成に代えて、水タンクとポンプにより構成するようにしてもよい。

貯湯水循環回路３２の一端は貯湯槽３１の下部に、他端は貯湯槽３１の上部に接続されている。貯湯水循環回路３２上には、一端から他端に向かって順番にラジエータ３２ａ、貯湯水循環手段である貯湯水循環ポンプ３２ｂ、第１温度センサ３２ｃ、熱交換器３３、及び第２温度センサ３２ｄが配設されている。ラジエータ３２ａは、貯湯水循環回路３２に貯湯槽３１から導出された貯湯水を冷却するものである。ラジエータ３２ａは、制御装置６０の指令によってオン・オフ制御されており、オン状態のときには貯湯水を冷却し、オフ状態のときには貯湯水を冷却しない。また、本実施形態においては、ラジエータ３２ａは、空冷式のラジエータであり、その冷却能力は外気温度で変わるものである。ラジエータ３２ａは常にオン状態で制御されているものとする。貯湯水循環ポンプ３２ｂは、貯湯槽３１の下部にある貯湯水の導出口から貯湯水を吸い込んで貯湯水循環回路３２を図示矢印方向へ通水させて貯湯槽３１の上部に吐出するものであり、制御装置６０によって流量（送出量）が制御されるようになっている。貯湯水循環ポンプ３２ｂは、第２温度センサ３２ｄの検出温度（貯湯水の貯湯槽３１の入口温度）が所定の温度または温度範囲となるように、制御装置６０によって送出量が制御されるようになっている。

第１温度センサ３２ｃは、特許請求の範囲に記載された温度センサである。第１温度センサ３２ｃは、貯湯水循環回路３２上であって貯湯槽３１の貯湯水の導出口と熱交換器３３の貯湯水の導入口との間に配設されて貯湯水の温度を検出するものである。具体的には、第１温度センサ３２ｃが配設された位置の貯湯水の温度を検出している。第１温度センサ３２ｃは、その検出結果を制御装置６０に送信するようになっている。

第２温度センサ３２ｄは、貯湯水循環回路３２上であって熱交換器３３の貯湯水の導出口と貯湯槽３１と貯湯水の導入口との間に配設されて貯湯水の温度を検出するものである。具体的には、第２温度センサ３２ｄが配設された位置の貯湯水の温度を検出している。第２温度センサ３２ｄは、その検出結果を制御装置６０に送信するようになっている。

熱交換器３３は、貯湯水循環回路３２上に配設されて燃料電池２４および改質部２３の少なくともいずれか一方からの排熱を貯湯水に回収するものである。ここで本実施形態における排熱は、燃料電池モジュール２０から排出される燃焼排ガスに含まれる排熱である。この排熱は、燃料電池２４および改質部２３の排熱だけでなく、蒸発部２２、第１燃焼部２６および第２燃焼部２８の排熱も含まれる。すなわち、熱交換器３３は、燃料電池２４および改質部２３の排熱を含む燃料電池モジュール２０から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽３１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水が熱交換する熱交換器である。この熱交換器３３は、筐体１１内に配設されている。本実施形態では、熱交換器３３は、燃料電池モジュール２０の下部に設けられており、少なくとも熱交換器３３の下部は仕切部材１２を貫通して第２室Ｒ２に突出されて配設されている。

熱交換器３３は、ケーシング３３ａを備えている。ケーシング３３ａの上部には、燃料電池モジュール２０のケーシング２１の下部に設けられ燃焼排ガスが導出される排気口２１ａに連通している。ケーシング３３ａの下部には、第１排気口１１ａに接続されている排気管４５が接続されている。ケーシング３３ａの底部には、純水器１４に接続されている凝縮水供給管４６が接続されている。ケーシング３３ａ内には、貯湯水循環回路３２に接続されている熱交換部（凝縮器）３３ｂが配設されている。凝縮器３３ｂは、燃料電池２４および改質部２３の少なくともいずれか一方を流通する高温かつ水蒸気を含むガスから熱量を回収して水蒸気を凝縮して凝縮水を生成するものである。具体的には、高温かつ水蒸気を含むガスは、本実施形態においては、燃料電池モジュール２０から排出される燃焼排ガスである。

このように構成された熱交換器３３においては、燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスは、排気口２１ａを通ってケーシング３３ａ内に導入され、貯湯水が流通する熱交換部（凝縮器）３３ｂを通る際に貯湯水との間で熱交換が行われ冷却されるとともに凝縮される。凝縮後の燃焼排ガスは排気管４５を通って第１排気口１１ａから外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管４６を通って純水器１４に供給される（自重で落水する）。一方、熱交換部（凝縮器）３３ｂに流入した貯湯水は、加熱されて貯湯槽３１に流出される。

また、燃料電池システムは、水タンク１３及び純水器１４を備えている。水タンク１３及び純水器１４は第２室Ｒ２内に配設されている。水タンク１３は、純水器１４から導出された純水を貯めておくものである。

純水器１４は、活性炭とイオン交換樹脂を内蔵しており、例えばフレーク状の活性炭と粒状のイオン交換樹脂を充填している。また被処理水の状態によっては、中空糸フィルタを設置しても良い。純水器１４は、熱交換器３３からの凝縮水を活性炭とイオン交換樹脂によって純水化するものである。純水器１４は、配管４７を介して水タンク１３に連通しており、純水器１４内の純水は配管４７を通って水タンク１３に導出される。よって、水タンク１３は、凝縮器３３ｂで生成されて導出された凝縮水を貯めるものである。

電力変換装置５０は、燃料電池２４から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して交流の系統電源５１および負荷装置５３に接続されている電源ライン５２に電線５４を介して出力する第１機能を有している。また、電力変換装置５０は、系統電源５１からの交流電圧を電源ライン５２および電線５４を介して入力し所定の直流電圧に変換して制御装置６０および補機に出力する第２機能を有している。

系統電源（または商用電源）５１は、系統電源５１に接続された電線５２を介して負荷装置５３に電力を供給するものである。負荷装置５３は、交流電源で駆動される負荷であり、例えばドライヤ、冷蔵庫、テレビなどの電化製品である。
補機は、燃料電池モジュール２０に改質用原料、水、空気を供給するためのモータ駆動のポンプ４１ａ，４２ａ及びカソードエアブロワ４４ａなどから構成されている。この補機は直流電圧にて駆動されるものである。

制御装置６０は、燃料電池２４の発電を少なくとも制御するものである。図２に示すように、制御装置６０には、上述したラジエータ３２ａ、温度センサ３２ｃ，３２ｄが接続されている。また、制御装置６０には、上述した補機である各ポンプ３２ｂ，４１ａ，４２ａ、およびブロワ４４ａが接続されている。制御装置６０は、電力変換装置５０から直流電圧が供給されて駆動している。そして、制御装置６０は、それぞれの補機が必要に応じた出力となるように、電力変換装置５０から供給された直流電圧を所定の直流電圧に変換して、それぞれの補機に出力するように制御する。

図２に示すように、着火ヒータ２６ａ１、２６ａ２および燃焼触媒ヒータ２８ａには、系統電源５１から交流電圧を供給するため、それぞれ一端が電線５４に接続された交流用導線７１、７２の他端が接続されている。交流用導線７１、７２上には、それぞれ開閉器７１ａ、７２ａが配設されている。開閉器７１ａは、開路または閉路することにより、ヒータ２６ａ１、２６ａ２と系統電源５１とを電気的に遮断または接続するものである。開閉器７２ａは、開路または閉路することにより、ヒータ２８ａと系統電源５１とを電気的に遮断または接続するものである。開閉器７１ａ、７２ａは、制御装置６０と接続され、制御装置６０の制御信号にしたがって開路または閉路される。

次に、上述した燃料電池システムの系統電源５１から送電がある場合の基本的動作の一例について説明する。制御装置６０は、図示しないスタートスイッチが押されて運転が開始される場合、または計画運転にしたがって運転が開始される場合には、起動運転を開始する。

起動運転が開始されるときは、制御装置６０は、補機を作動させる。具体的には、ポンプ４１ａ、４２ａを作動させ、蒸発部２２に改質用原料および凝縮水（改質水）の供給を開始する。上述したように、蒸発部２２では混合ガスが生成されて、混合ガスは改質部２３に供給される。改質部２３では、供給された混合ガスから改質ガスが生成されて、改質ガスが燃料電池２４に供給される。また、制御装置６０は、開閉器７１ａ、７２ａをオン状態（閉じた状態）とする。そして、系統電源５１から交流電圧が着火ヒータ２６ａ１，２６ａ２に供給され、着火ヒータ２６ａ１，２６ａ２が加熱されて、第１燃焼部２６において、燃料電池２４から導出された改質用原料および改質ガスが着火される。また、系統電源５１から交流電圧が燃焼触媒ヒータ２８ａに供給され、第２燃焼部２８において、燃焼触媒が加熱される。改質部２３が所定温度以上となれば、起動運転は終了する。

発電運転中では、制御装置６０は、燃料電池２４の発電する電力が、負荷装置５３の消費電力となるように補機を制御して、改質ガスおよびカソードエアを燃料電池２４に供給する。燃料電池２４の発電する電力より負荷装置５３の消費電力が上回った場合、その不足電力を系統電源５１から受電して補うようになっている。

また、発電運転中は、熱交換器３３において、燃料電池２４および改質部２３の少なくともいずれか一方からの排熱を含む燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスが冷却されるとともに凝縮されて、その排熱が貯湯水に回収される。これにより貯湯水が加熱され、加熱された貯湯水は貯湯槽３１に貯められる。また、凝縮された凝縮水は水タンク１３に貯められ、蒸発部２２に供給される。

このような発電運転中に、図示しないストップスイッチが押されて発電運転が停止される場合、または運転計画にしたがって運転が停止される場合には、制御装置６０は、燃料電池システムの停止運転（停止処理）を実施する。制御装置６０は、改質用原料および凝縮水の蒸発部２２への供給を停止し、改質ガスおよび空気の燃料電池２４への供給を停止する。このとき、燃料電池２４が残原料によって発電している場合には、その出力電力は各ヒータ２６ａ１、２６ａ２および２８ａなどへ供給されて消費される。残原料による燃料電池２４の発電が終了すれば、停止運転は終了する。

このような停止運転が終了すると、燃料電池システムは待機状態（待機時）となる。待機時は、燃料電池システムの発電停止状態（すなわち、起動運転、発電運転、停止運転のいずれの運転中でない状態である。）のことであり、発電指示（スタートスイッチのオンなど）を待っている状態のことである。すなわち、停止運転状態終了時点の状態が維持される。

次に、系統電源５１からの送電が停止（以下、停電とする）した場合の燃料電池システムの動作の一例について説明する。停電の場合は、燃料電池システムは、燃料電池２４が発電する電力のみを負荷装置５３に供給するように運転（以下、自立発電運転とする）する。自立発電運転中においては、制御装置６０は、燃料電池２４が所定電力（例えば最大出力電力の半分）を維持して発電するように補機を制御する。この場合であって、負荷装置５３の消費電力が燃料電池２４の出力電力よりも小さいときは、制御装置６０は、燃料電池２４の出力電力の余剰電力を着火ヒータ２６ａ１，２６ａ２および燃焼触媒ヒータ２８ａの少なくともいずれか一方で消費するように制御する。このとき、燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスには、燃料電池２４の出力電力の余剰電力を消費するヒータの熱も反映される。

次に、上述した燃料電池システムにおける作動について、図３に示すフローチャートに沿って説明する。
制御装置６０は、基準値を初期値に設定する（ステップＳ１０２）。基準値は、しきい値Ｔｈを設定するために基準とする温度である。初期値は、燃料電池システムが改質水を外部から供給せずに自身内で生成する凝縮水のみを利用するように運転する水自立運転（以下、水自立運転とする）が成立するように設定するのが好ましい。水自立運転を成立させるには、燃料電池２４における発電に必要な改質水の量以上の凝縮水の量を自身内で生成すれば良い。すなわち、初期値は、発電に必要な改質水の量と同じ量の凝縮水を熱交換器３３で生成できるような貯湯水の温度に設定するのが好ましい。具体的には、初期値は２７度に設定するのが好ましい。この場合、貯湯水の温度が初期値以下であれば、水自立運転は成立する。一方、貯湯水の温度が初期値よりも大きい場合は、水自立は成立しないが、貯湯水の温度が初期値に近いほど凝縮水が生成される量は多くなる。

次に制御装置６０は、基準値に第１の所定値α（例えば５℃）を加えた値をしきい値Ｔｈとして、温度センサ３２ｃの検出する温度Ｔｂがしきい値Ｔｈ以上か否かを判定する（ステップＳ１０４）。制御装置６０がステップＳ１０４を初めて実行するときは、基準値は初期値に設定されているため（ステップＳ１０２）、しきい値Ｔｈは、初期値に第１の所定値αを加えた値となる。初期値は２７℃であるため、第１の所定値α（５℃）を加えるとしきい値Ｔｈは３２℃になる。

一方、制御装置６０が、ステップＳ１０４を２回目以降に実行するときは、基準値は、排水装置３１ｂによる貯湯水の排出が完了した後の時点に温度センサ３２ｃによって検出した貯湯水の温度Ｔｂに設定されているため（ステップＳ１１４）、新たなしきい値Ｔｈは、その時点の温度センサ３２ｃによって検出した貯湯水の温度Ｔｂに第１の所定値αを加えた値になる。

ここで、温度センサ３２ｃの検出する温度Ｔｂがしきい値Ｔｈよりも低い場合は、制御装置６０は、ステップＳ１０４にて「ＮＯ」と判定して、熱交換器３３による貯湯水への排熱の回収を継続する。一方、温度センサ３２ｃの検出する温度Ｔｂがしきい値Ｔｈ以上となった場合は、制御装置６０は、ステップＳ１０４にて「ＹＥＳ」と判定して、排水装置３１ｂにより貯湯水の排出を開始する（排水制御部：ステップＳ１０６）。また、制御装置６０は、ステップＳ１０６にて排水装置３１ｂによる貯湯水の排出を開始すると、貯湯槽３１の下部から給水装置３１ａによって補給水が給水される。

ここで、貯湯槽３１の上部から貯湯水が排出され、温度の低い補給水が貯湯槽３１の下部に供給されると、補給水と貯湯槽３１の下部に貯留している貯湯水とが混ざることになる。さらに補給水が給水され続けると、元々貯湯槽３１の下部に貯留していた貯湯水は少なくなっていくため、貯湯槽３１の下部の貯湯水の温度は補給水の温度相当に安定していく。よって、所定時間Ｔが経過すると、この貯湯水は貯湯槽３１から貯湯水循環回路３２へ導出されて貯湯水の温度が温度センサ３２ｃによって検出される。所定時間Ｔは、排水装置３１ｂにより貯湯水の排出を開始した時点から、温度センサ３２ｃの検出する温度Ｔｂが安定するまでにかかる時間である。すなわち、所定時間Ｔが経過すると貯湯槽３１の下部の貯湯水の温度は補給水の温度相当に安定する。ここで、補給水の温度に安定した貯湯水はラジエータ３２ａで冷却されずに温度センサ３２ｃまで導出されるため、温度センサ３２ｃが検出する温度Ｔｂは、補給水の温度を表すことになる。

次に制御装置６０は、排水装置３１ｂによる貯湯水排出開始から所定時間Ｔ（例えば５分）が経過したか否かを判定する（ステップＳ１０８）。所定時間Ｔが経過していない場合は、制御装置６０は、ステップＳ１０８にて「ＮＯ」と判定して、所定時間Ｔの経過までステップＳ１０８の判定を繰り返す。一方、所定時間Ｔが経過した場合は、制御装置６０は、ステップＳ１０８にて「ＹＥＳ」と判定して、貯湯水の排出を完了する（ステップＳ１１０）。

次に制御装置６０は、排水装置３１ｂによる排出完了直後の温度センサ３２ｃの検出する温度Ｔｂが、排出開始直前の温度Ｔｂに第２の所定値β（例えば１０℃）を加えた値よりも低くなったか否かを判定する（ステップＳ１１２）。このとき、排水装置３１ｂによる排出完了直後の温度センサ３２ｃの検出する温度Ｔｂが、排出開始直前の温度Ｔｂに第２の所定値βを加えた値よりも低くなっていない場合は、制御装置６０は、燃料電池システムが正常に作動していないと判断する。すなわち、排水装置３１ｂの排水状態に異常があることで補給水が十分に供給されない等により、温度センサ３２ｃの検出する温度Ｔｂが低くなっていないとして、燃料電池システムが正常に作動していないと判断している。そして、制御装置６０は、ステップＳ１１２にて「ＮＯ」と判定して、ステップＳ１０４に戻る。一方、排水装置３１ｂの排出完了直後の温度センサ３２ｃの検出する温度Ｔｂが、排出開始直前の温度Ｔｂに第２の所定値βを加えた値よりも低くなっている場合は、制御装置６０は、燃料電池システムは正常に作動していると判断して、ステップＳ１１２にて「ＹＥＳ」と判定する。

そして、制御装置６０は、基準値を、排水装置３１ｂによる貯湯水の排出が完了した後の時点に温度センサ３２ｃによって検出した貯湯水の温度Ｔｂに設定する（ステップＳ１１４）。なお、上述したように、しきい値Ｔｈが、水自立運転が成立する値以下に設定されている場合は、水自立運転が成立する。一方、しきい値Ｔｈが、水自立運転が成立する値よりも大きい値で設定されている場合は、水自立運転は成立しない。しかし、熱交換器３３に導入する貯湯水の温度はしきい値Ｔｈの温度よりも低く抑えられるため、熱交換器３３において可能な限り凝縮水が生成されるようにしつつ、貯湯水の無駄な排出を抑制することが可能となる。

次に、上述したフローチャートに沿って燃料電池システムが作動したときの貯湯水の温度変化を、図４に示すタイムチャートを用いて説明する。
図４は、本実施形態における燃料電池システムがフローチャートに沿って作動したときの貯湯水３１の下部に貯留する貯湯水の温度Ｔａと、温度センサ３２ｃが検出する温度Ｔｂの時間経過に伴う変化を示している。また、しきい値Ｔｈ１〜Ｔｈ３はしきい値Ｔｈを、時間Ｔは所定時間Ｔを、時刻ｔ１〜ｔ６、ｔ１１〜ｔ１４は時刻を示している。

時刻ｔ１は、燃料電池システムが発電運転を開始する時刻である。燃料電池システムが発電運転を開始すると、温度Ｔｂがしきい値Ｔｈ１（３２℃）になるまで貯湯水が加熱される。時刻ｔ２は、温度Ｔｂがしきい値Ｔｈ１に達したときの時刻である。このとき温度Ｔａは、ラジエータ３２ａがあるため、温度Ｔｂよりも高い温度である。仮に、このときの温度Ｔａは４０℃になっているとする。温度Ｔｂがしきい値Ｔｈ１に達すると、貯湯水の排出が開始される（ステップＳ１０６：排水制御部）。上述したように、貯湯水の排水を開始すると、補給水（仮に３１℃とする）が給水される。ここで、時刻ｔ２では温度Ｔａ（４０℃）および温度Ｔｂ（３２℃）は、補給水（３１℃）の温度よりも高いため、補給水の給水が開始されると、温度Ｔａおよび温度Ｔｂは下がり始める。補給水の給水が開始されてもしばらくすると、温度変化がほとんどなかった温度Ｔａおよび温度Ｔｂは、比較的急に下がり、所定時間Ｔ後には最終的に補給水温度に安定する。

時刻ｔ３は、時刻ｔ２から時間Ｔが経過し、貯湯水の排出を完了する時刻である（ステップＳ１１０）。補給水の供給が開始されて時間Ｔが経過したため、時刻ｔ３のときの温度Ｔａおよび温度Ｔｂは、補給水の温度（３１℃）で安定する。ここで、現在の温度Ｔｂ（３１℃）は、排出開始直前の温度（３２℃）に第２の所定値β（１０℃）を加えた値（４２℃）よりも低くなる。よって、基準値は、時刻ｔ３のときの温度Ｔｂ（３１℃）に設定される（ステップＳ１１２、Ｓ１１４）。そして、しきい値Ｔｈは、時刻ｔ３のときの温度Ｔｂ（３１℃）に第１の所定値α（５℃）を加えて得た新たなしきい値Ｔｈ２（３６℃）に更新される（ステップＳ１０４）。そして、貯湯水の排出が完了すると同時に、貯湯水の循環が開始され、貯湯水が加熱される。具体的には、貯湯水の排出が完了しても温度Ｔａおよび温度Ｔｂはほとんど温度変化しないが、しばらくすると、温度Ｔａおよび温度Ｔｂは、比較的急に上がる。温度上昇のタイミングは、貯湯槽３１内の層状（例えば補給水温度の層と６０〜７０℃の比較的に高温の層の二層からなる）に存在する貯湯水の温度分布による。

時刻ｔ４から時刻ｔ６までの間においては、上述した時刻ｔ２から時刻ｔ４までの間の作動が繰り返される。すなわち、温度Ｔｂがしきい値Ｔｈ２（３６℃）に達すると（時刻ｔ４）、貯湯水の排出が開始される（ステップＳ１０６）。このときの温度Ｔａは、ラジエータ３２ａがあるため、温度Ｔｂ（３６℃）よりも高い温度である。ここで、補給水は３１℃であるため、補給水の給水が開始されると、温度Ｔａおよび温度Ｔｂは下がり始める。

時刻ｔ５は、時刻ｔ４から時間Ｔが経過し、貯湯水の排出を完了する時刻である（ステップＳ１１０）。補給水の供給が開始されて時間Ｔが経過したため、時刻ｔ５のときの温度Ｔａおよび温度Ｔｂは、補給水の温度（３１℃）で安定する。ここで、現在の温度Ｔｂ（３１℃）は、排出開始直前の温度（３２℃）に第２の所定値β（１０℃）を加えた値（４２℃）よりも低くなる。よって、基準値は、時刻ｔ５のときの温度Ｔｂ（３１℃）に設定される（ステップＳ１１４）。そして、しきい値Ｔｈは、時刻ｔ５のときの温度Ｔｂ（３１℃）に第１の所定値α（５℃）を加えて得た新たなしきい値Ｔｈ３（３６℃）に更新される（ステップＳ１０４）。このように、補給水の温度が一定に保たれている場合は、排水終了時点の温度Ｔｂは一定となるため、しきい値Ｔｂも一定の値に保たれる。一方、補給水の温度が変化すれば、その変化に応じてしきい値Ｔｈも変更される。そして、貯湯水の排出が完了すると同時に、貯湯水の循環が開始され、貯湯水が加熱される。温度Ｔｂがしきい値Ｔｈ３（３６℃）に達すると（時刻ｔ６）、貯湯水の排出が開始される（ステップＳ１０６）。

次に、本実施形態において、しきい値Ｔｈ１を変更しない場合の温度Ｔｂの温度変化について説明する。経過時間が時刻ｔ３になるまでは、上述した温度変化と同じであるが、このときにしきい値Ｔｈは更新されない。よって、温度Ｔｂがしきい値Ｔｈ１になるまで貯湯水が加熱される。時刻ｔ１１は、温度Ｔｂがしきい値Ｔｈ１に再度到達した時刻である。ここで、温度Ｔｂがしきい値Ｔｈ１に到達したため、貯湯水の排出が開始され（ステップＳ１０６）、時間Ｔが経過すると、貯湯水の排出が停止される（ステップＳ１１０）。時刻ｔ１２は、時刻ｔ１１から時間Ｔが経過して貯湯水の排出が停止された時刻である。そして、しきい値Ｔｈは変更されずに、貯湯水が再度加熱され、温度Ｔｂがしきい値Ｔｈ１に到達し（時刻ｔ１３）、貯湯水が再度排出開始され（ステップＳ１０６）、時間Ｔ経過後に貯湯水の排出が停止される（時刻ｔ１４）。

ここで、しきい値Ｔｈを変更する場合は、しきい値Ｔｈを変更しない場合に比べて、貯湯水を排出するタイミングが遅くなる。すなわち、しきい値Ｔｈを変更する場合は、時刻ｔ３から見て次に貯湯水を排出するのは、時刻ｔ４となる。一方、しきい値Ｔｈを変更しない場合は、時刻ｔ３から見て次に貯湯水を排出するのは時刻ｔ１１となる。よって、本実施形態のようにしきい値Ｔｈを変更すると、時刻ｔ４から時刻ｔ１１までの時間だけ、制御装置６０が貯湯水を排出するタイミングが遅くなる。したがって、本実施形態のようにしきい値Ｔｈを変更する場合の方が、貯湯水の頻繁な排水を抑制し、貯湯水を無駄に排出しないことになる。

本実施形態によれば、温度センサ３２ｃが検出する貯湯水の温度Ｔｂがしきい値Ｔｈ以上となると、ステップＳ１０６（排水制御部）にて排水装置３１ｂから貯湯水が排水されるとともに、貯湯槽３１に給水装置３１ａから補給水が供給される。そして、排水装置３１ｂによる貯湯水の排出が完了した後に、ステップＳ１０４にて新たに設定するしきい値Ｔｈは、その排出が完了した後の時点に温度センサ３２ｃによって検出された温度Ｔｂに、第１の所定値αを加えた値となる。すなわち、排水装置３１ｂによる貯湯水の排出が完了した後の時点の補給水の水温が更新前しきい値Ｔｈに相当する温度であったとしても、新たに設定されたしきい値Ｔｈは、排水装置３１ｂによる貯湯水の排出が完了した後の時点の補給水の水温に相当する値に所定値αを加えた値に更新されており、更新前しきい値Ｔｈより所定値α分は上昇させているため、しきい値Ｔｈを上昇させない場合と比較して、貯湯水の頻繁な排出が抑制され、貯湯水が無駄に排出されることを抑制することができる。

また、熱交換器３３は、燃料電池２４および改質部２３の少なくともいずれか一方を流通する高温かつ水蒸気を含むガスから熱量を回収して水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器３３ｂで構成されている。そして、燃料電池システムは、凝縮器３３ｂで生成されて導出された凝縮水を貯める水タンク１３と、凝縮水を蒸発させて改質用水蒸気を生成して改質部２３へ導出する蒸発部２２と、をさらに備えている。これにより、凝縮器３３ｂにおいて生成された凝縮水を改質水（改質用水蒸気）として利用して燃料電池２４の発電をする燃料電池システムにおいて、すなわち、改質水を外部から供給せずに自身内で生成する凝縮水のみを利用するように運転する水自立運転を行う燃料電池システムにおいても、貯湯水の無駄な排出を抑制することができる。すなわち、ステップＳ１０４にて設定されているしきい値Ｔｈが水自立運転成立可能な範囲である場合は、水自立運転を成立させることができる。

また、排水装置３１ｂによる貯湯水の排出が完了した後であって、その排出完了直後の貯湯水の温度Ｔｂが排出開始直前の貯湯水の温度Ｔｂに第２の所定値βを加えた値よりも低くなった場合に、しきい値Ｔｈは、その完了した後の時点に温度センサ３２ｃによって検出した貯湯水の温度Ｔｂに、第１の所定値αを加えて得た値に設定される（ステップＳ１１０、１１２、１１４、１０４）。ここで、その排出完了直後に温度センサ３２ｃの検出する温度Ｔｂが排出前の温度に第２の所定値βを加えた値より低くなっていれば、排水装置によって貯湯水が正常に排出され、給水装置によって補給水が正常に供給されたことになる。よって、燃料電池システムが正常に作動していることを確認することができる。したがって、燃料電池システムが正常に作動している状態で、しきい値Ｔｈの変更を適切に行うことができる。

また、排水装置３１ｂによる貯湯水の排出を開始して所定時間Ｔが経過した後に、しきい値Ｔｈは、その完了した後の時点に温度センサ３２ｃによって検出した貯湯水の温度Ｔｂに、第１の所定値αを加えて得た値に設定される（ステップＳ１０８、１１４、１０４）。すなわち、貯湯水を所定時間Ｔだけ排出した後、つまり補給水を所定時間Ｔだけ供給した後は、貯湯水の温度は所定時間Ｔを経過する前より安定しているため、燃料電池システムが正常に作動していることをより確実に確認することができる。よって、しきい値Ｔｈの変更を適切に行うことができる。

なお、本発明による他の実施形態として、制御装置６０は、ステップＳ１１４にて、しきい値Ｔｈを、排水装置３１ｂによる貯湯水の排出が完了した時点に温度センサ３２ｃによって検出した貯湯水の温度Ｔｂに第１の所定値αを加えて得た新たなしきい値Ｔｈに設定しても良い。この場合、制御装置６０は、ステップＳ１１４にてしきい値Ｔｈを更新しているため、ステップＳ１０４では、第１の所定値αを加えないようにする。

また、本発明による燃料電池システムの他の実施形態として、本発明を水自立運転しない燃料電池システムに適用しても良い。この場合、改質水として補給水を外部の水源（例えば水道管）から水タンク１３または純水器１４へ供給されるようにすればよい。

また、上述した実施形態において、ラジエータ３２ａを水冷式としてもよい。水冷式ラジエータの場合、外気温より低く調整可能な冷媒を使用することで、空冷式ラジエータと比較して補給水を低い温度に冷却することができる。このとき、水冷式ラジエータをオフ状態とするように制御した場合、貯湯水はラジエータ３２ａで若干冷却されるものの、温度センサ３２ｃが検出する温度Ｔｂは、補給水の温度に近い温度を表すことになる。

また、本実施形態における燃料電池２４は固体酸化物燃料電池であったが、本発明を高分子電解質形燃料電池に適用するようにしてもよい。この場合、燃料電池モジュール２０に代えて、図５に示すように、燃料電池８１ａおよび改質部８１ｂを含んで構成されている。
燃料電池８１ａは、燃料ガス（水素ガス）および酸化剤ガス（酸素を含む空気）が供給されて水素と酸素の化学反応により発電して直流電流（例えば４０Ｖ）を出力するものである。
改質部８１ｂは、燃料（改質用燃料）を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池８１ａに供給するものであり、バーナ（燃焼部）８１ｂ１、改質部８１ｂ２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）８１ｂ３および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）８１ｂ４から構成されている。燃料としては、天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリンおよびメタノールなどがある。
バーナ８１ｂ１は、起動運転時に外部から燃焼用燃料および燃焼用空気が供給され、または定常運転時に燃料電池８１ａの燃料極からアノードオフガス（燃料電池８１ａに供給されずに排出された改質ガス）が供給され、供給された各可燃性ガスを燃焼して燃焼ガスを改質部８１ｂ２に導出するものである。

改質部８１ｂ２は、外部から供給された燃料に蒸発器からの水蒸気（改質水）を混合した混合ガスを改質部８１ｂ２に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している（いわゆる一酸化炭素シフト反応）。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）はＣＯシフト部８１ｂ３に導出される。
ＣＯシフト部８１ｂ３は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸化炭素とに変成している。これにより改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてＣＯ選択酸化部８１ｂ４に導出される。
ＣＯ選択酸化部８１ｂ４は、改質ガスに残留している一酸化炭素と外部からさらに供給されたＣＯ浄化用の空気とをその内部に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）燃料電池８１ａの燃料極に導出される。
この場合、熱交換器３３は、燃焼部８１ｂ１からの燃焼ガスの排熱、改質部８１ｂ２から燃料電池８１ａへの改質ガス（アノードガス）の排出、燃料電池８１ａから燃焼部へのアノードオフガスの排熱、燃料電池８１ａの酸化剤極からのカソードオフガスの排熱の少なくともいずれか一つを回収するように構成されている。

１３…水タンク、２０…燃料電池モジュール、２２…蒸発部、２３…改質部、２４…燃料電池、２６…第１燃焼部（燃焼部）、２６ａ１、２６ａ２…着火ヒータ、２８…第２燃焼部、２８ａ…燃焼触媒ヒータ、３１…貯湯槽、３１ａ…給水装置、３１ｂ…排水装置、３２…貯湯水循環回路、３２ｃ…第１温度センサ（温度センサ）、３３…熱交換器、３３ｂ…凝縮器、５０…電力変換装置、６０…制御装置。

Claims (4)

1. 改質ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
   改質用原料と改質用水蒸気とから前記改質ガスを生成する改質部と、
   貯湯水を貯湯する貯湯槽と、
   前記貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、
   前記貯湯水循環回路上に配設されて前記燃料電池および前記改質部の少なくともいずれか一方からの排熱を前記貯湯水に回収する熱交換器と、
   前記貯湯水循環回路上であって前記貯湯槽の前記貯湯水の導出口と前記熱交換器の前記貯湯水の導入口との間に配設されて前記貯湯水の温度を検出する温度センサと、
   前記貯湯槽に貯められた前記貯湯水を排出する排水装置と、
   前記排水装置の前記貯湯水の排出に応じて、前記貯湯槽に補給水を供給する給水装置と、
   前記燃料電池の発電を少なくとも制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記温度センサによって検出された前記貯湯水の温度がしきい値以上となった場合に、前記排水装置によって前記貯湯水を排出する排水制御部を備え、
   前記しきい値は、前記排水装置による前記貯湯水の排出が完了した後の時点に前記温度センサによって検出した前記貯湯水の温度に、第１の所定値を加えて得た値に設定される燃料電池システム。
2. 前記熱交換器は、前記燃料電池および前記改質部の少なくともいずれか一方を流通する高温かつ水蒸気を含むガスから熱量を回収して前記水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器で構成され、
   前記燃料電池システムは、
   前記凝縮器で生成されて導出された前記凝縮水を貯める水タンクと、
   前記凝縮水を蒸発させて前記改質用水蒸気を生成して前記改質部へ導出する蒸発部と、をさらに備えた請求項１の燃料電池システム。
3. 前記制御装置は、前記排水装置による前記貯湯水の排出が完了した後であって、その排出完了直後の前記貯湯水の温度が排出開始直前の前記貯湯水の温度に第２の所定値を加えた値よりも低くなった場合に、前記しきい値は、前記排水装置による前記貯湯水の排出が完了した後の時点に前記温度センサによって検出した前記貯湯水の温度に、前記第１の所定値を加えて得た値に設定される請求項１または請求項２の燃料電池システム。
4. 前記制御装置は、前記排水装置による前記貯湯水の排出を開始して所定時間経過した後に、前記しきい値は、前記排水装置による前記貯湯水の排出が完了した後の時点に前記温度センサによって検出した前記貯湯水の温度に、前記第１の所定値を加えて得た値に設定される請求項１乃至請求項３の何れか一つの燃料電池システム。

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