JP6316485B1

JP6316485B1 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6316485B1
Application number: JP2017098309A
Authority: JP
Inventors: 大樹安藤; 健太郎伊東; 吉田　英樹; 英樹吉田; 俊哉平子
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2017-05-17
Filing date: 2017-05-17
Publication date: 2018-04-25
Anticipated expiration: 2037-05-17
Also published as: JP2018195454A

Abstract

【課題】上水を用いずに、開放型の冷媒タンクの水量を確保可能な燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池セル８１、燃料電池セル８１の排気と冷媒Ｗ２との間で熱交換を行う排気熱交換器３１、冷媒Ｗ２を貯留する冷媒タンク３０、排気熱交換器３１から排出される凝縮水を改質水Ｗ１として貯留する改質水タンク２４、改質水タンク２４の改質水Ｗ１を冷媒Ｗ２の一部として冷媒タンク３０に補充する冷媒補充装置１６４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、冷媒タンクの湯は、混合弁で上水と混合され、外部に供給されるようになっているため、外部で湯を使用すると、冷媒タンクの湯量が使用した分減るため、冷媒タンクへ上水を補充する必要がある。冷媒タンクの湯を外部に供給しない方法として、開放型の冷媒タンクを用い、熱交換器を用いて冷媒タンクの湯と上水との間で熱交換を行い、上水を温めて使用することが考えられる。

しかしながら、冷媒タンクが開放型の場合においては、冷媒タンクの湯が蒸発し、蒸気が冷媒タンクの開口部から外気に放出され、冷媒タンク内の水量が徐々に減少して行く問題があり、冷媒タンクに水を補充する必要がある。

本発明は、上記事実を考慮して、上水を用いずに、開放型の冷媒タンクの水量を確保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、前記燃料電池の排気と前記燃料電池へ導入されない冷媒との間で熱交換を行う排気熱交換器と、内部と外部とを連通可能な連通部を上部に備え、前記排気熱交換器との間で循環する前記冷媒を貯留する冷媒タンクと、前記排気熱交換器から排出される凝縮水を改質水として貯留する改質水タンクと、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う上水熱交換器と、前記改質水タンクの前記改質水を前記冷媒の一部として前記冷媒タンクに補充する冷媒補充装置と、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、排気熱交換器で燃料電池へ導入されない冷媒との間で熱交換を行う。なお、熱交換を行う冷媒は、冷媒タンクに貯留される。

冷媒は冷媒タンクと排気熱交換器との間で循環し、暖められた冷媒タンクの冷媒は、上水熱交換器で、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。外部より供給された上水は、上水熱交換器で加熱されて暖められる。

また、排気熱交換器では、冷媒が加熱されると共に排ガスに含まれる水蒸気が凝縮される。排気熱交換器で生成された凝縮水（蒸留水）は、改質水として改質水タンクに貯留される。燃料電池は、改質水タンクに貯留された改質水を用いて発電を行うことができる。

冷媒タンクは、内部と外部とを連通可能な連通部を上部に備えた、いわゆる開放型のタンクであるため、例えば、内部の冷媒の温度上昇に伴って冷媒の体積が増加した場合においても、冷媒の上側の空気をタンク外に排出し、タンク内の圧力上昇を抑制することができる。

ところで、冷媒タンクの冷媒は冷媒タンク内で蒸発するため、蒸気が冷媒タンクの開口部から外気に放出され、冷媒タンク内の水量が徐々に減少するが、請求項１の燃料電池システムでは、改質水タンクに貯留された改質水を冷媒補充装置で冷媒タンクに供給することができ、外部から上水を供給せずとも冷媒タンクの冷媒の水量を確保することができる。

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、前記冷媒補充装置は、前記改質水タンクから前記冷媒タンクに向けて延びる排水管と、前記改質水を送液する補充ポンプと、前記冷媒タンクに設けられ冷媒タンク内の前記冷媒の液面レベルを検知可能な冷媒液面検出装置と、前記冷媒液面検出装置からの液面レベル検知信号に基づいて前記補充ポンプを制御する制御装置とを含んで構成されている。

請求項２に記載の燃料電池システムでは、冷媒液面検出装置で、冷媒タンク内の冷媒の液面レベルを検知することができる。制御装置は、冷媒液面検出装置からの液面レベル検知信号に基づいて補充ポンプを制御することができる。例えば、冷媒タンクの冷媒の量が減って、冷媒の液面が予め設定した液面レベルの下限値に達した場合、補充ポンプを作動させて冷媒として用いる改質水を冷媒タンクに補充することができる。

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、前記冷媒補充装置は、前記改質水タンクから前記冷媒タンクに向けて延びる排水管と、前記改質水を送液する補充ポンプと、前記改質水タンクに設けられ予め設定した前記改質水の液面レベルを検知可能な改質水液面検出装置と、前記改質水液面検出装置からの液面レベル検知信号に基づいて前記補充ポンプを制御する制御装置とを含んで構成されている。

請求項３に記載の燃料電池システムでは、制御装置は、改質水液面検出装置からの液面レベル検知信号に基づいて補充ポンプを制御することができる。例えば、改質水タンクの改質水の量が増えて、改質水の液面が予め設定した液面レベルの上限値に達した場合、言い換えれば、改質水が必要以上に溜まった場合には、補充ポンプを作動させて余剰の改質水を冷媒として冷媒タンクに補充することができる。

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、上水を用いずに、開放型の冷媒タンクの水量を確保できる、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。

以下、本発明の一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、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２の液面レベルを検知するための液面レベルセンサ３７、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、改質水タンク２４と冷媒タンク３０とを連結する改質水補充管１６０、改質水タンク２４の改質水Ｗ１を冷媒タンク３０に補充するための補充ポンプ１６２等が収容されており、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。

なお、本実施形態では、液面レベルセンサ２４Ａ、後述する制御装置７０、改質水供給管２６、及び改質水ポンプ２８によって、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供給装置２９が構成されている。このため、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、また、改質水Ｗ１の液面が予め設定した下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７０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、または下限値に達したことが分かるようになっている。

また、本実施形態では、液面レベルセンサ２４Ａ、液面レベルセンサ３７、後述する制御装置７０、改質水補充管１６０、補充ポンプ１６２によって、改質水タンク２４の改質水Ｗ１を冷媒タンク３０に補充するための冷媒補充装置１６４が構成されている。このため、冷媒タンク３０に貯留した冷媒Ｗ２の液面が予め設定した上限値に達したこと、また、冷媒Ｗ２の液面が予め設定した下限値に達したことが液面レベルセンサ３７で検出されると、制御装置７０は、冷媒タンク３０に貯留した冷媒Ｗ２の液面が予め設定した上限値、または下限値に達したことが分かるようになっている。

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に設けられ燃料電池システム１０を設置した際に空の冷媒タンク３０へ上水を注水する際に用いる開閉弁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。

筐体１６の内部に、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の上限が決められている。

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、混合弁６２、補充ポンプ１６２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へ送る燃料ガスの流量調整弁（図示せず）等の電装部品を制御する。

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）
先ず、本実施形態の燃料電池システム１０では、設置時には冷媒タンク３０が空であるため、発電をする前に開閉弁６０を開いて冷媒タンク３０の上限値まで上水を注水しておく。また、改質水タンク２４にも改質水Ｗ１として使用する水を発電前に注水しておく。

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温度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。

本実施形態の燃料電池システム１０では、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２を給湯に用いておらず、冷媒Ｗ２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冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２の量が変化することは無く、冷媒タンク３０内の冷媒Ｗ２の量を制御する必要が無い。

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。

ところで、本実施形態の冷媒タンク３０には、天井壁３０Ａに開口部３３が形成されているため、タンク内で蒸発した冷媒Ｗ２この開口部３３を介して外部へ放出される。このため、長期に渡ってシステムを使用すると、タンク内の冷媒Ｗが開口部３３から外部に放出され、タンク内の水量が徐々に減少して行く。

冷媒タンク３０においては、液面レベルセンサ３７が冷媒タンク３０内に貯留した冷媒Ｗ２液面レベルを検知しており、蒸発等により冷媒Ｗ２の液面が下がり、冷媒Ｗ２の液面が予め設定しておいた下限値になると、制御装置７０は補充ポンプ１６２を駆動して、改質水タンク２４に貯留されている改質水Ｗ１を冷媒タンク３０に補充する。そして、冷媒Ｗ２の液面が上昇して、冷媒Ｗ２の液面が予め設定しておいた上限値になると、制御装置７０は補充ポンプ１６２の駆動を停止し、改質水Ｗ１の補充を停止する。

このように、本実施形態の燃料電池システム１０では、発電で生成される改質水Ｗ１を、冷媒Ｗ２として冷媒タンク３０に補充することができるので、外部から上水を供給せずとも冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２の水量を確保することができる。即ち、本実施形態の燃料電池システム１０では、冷媒タンク３０に上水を補充する構成を必要としない。

なお、改質水タンク２４には、発電に必要な最低限の改質水Ｗ１を貯留しておく必要がある。このため、改質水タンク２４に貯留する改質水Ｗ１の下限値を予め設定しておき、改質水タンク２４に貯留されている改質水Ｗ１を冷媒タンク３０に補充している際に改質水Ｗ１の液面レベルを液面レベルセンサ２４Ａで測定し、改質水タンク２４の改質水Ｗ１の液面が下限値に到達したときには、制御装置７０は補充ポンプ１６２を一時的に停止し、発電に必要な改質水Ｗ１を改質水タンク２４に確保することができる。なお、改質水タンク２４の改質水Ｗ１の液面レベルを液面レベルセンサ２４Ａで常に測定し、その後、液面レベルが下限値よりも増えた場合に、補充ポンプ１６２の運転を再開し、改質水Ｗ１を冷媒タンク３０に補充すればよい。例えば、改質水タンク２４において、改質水Ｗ１の液面レベルが下限値に達した場合には、熱回収ポンプ４０、及びラジエータファン４３を作動させて排気熱交換器３１に流入させる冷媒Ｗ２の温度を低下させ、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。これにより、改質水タンク２４において発電に必要な量の改質水Ｗ１を確保することができる。

本実施形態の燃料電池システム１０において、給湯分岐配管５８、及び開閉弁６０は、空の冷媒タンク３０に注水を行う際に用いており、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２が不足した際に用いて上水を補充するものではない。したがって、燃料電池システム１０を設置する際に、例えば、冷媒タンク３０の開口部３３からホース等で注水を行うようにすれば、給湯分岐配管５８、及び開閉弁６０は設置時の注水に必要なくなる。このため、給湯分岐配管５８、及び開閉弁６０を取り除いて燃料電池システム１０の構成をシンプル化することもできる。

［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。

上記実施形態では、冷媒タンク３０の冷媒Ｗ２の液面が予め設定しておいた下限値になった場合に、改質水タンク２４に貯留されている改質水Ｗ１を冷媒タンク３０に補充したが、冷媒Ｗ２の液面が予め設定しておいた下限値にならない状態において、改質水タンク２４に貯留されている改質水Ｗ１を冷媒タンク３０に補充してもよい。例えば、改質水タンク２４において、改質水Ｗ１の液面レベルが予め設定した上限値に達した場合、言い換えれば、改質水タンク２４に改質水Ｗ１が必要以上に溜まった場合には、補充ポンプ１６２を作動させて余剰の改質水Ｗ１を冷媒として冷媒タンク３０に補充してもよい。

上記実施形態では、液面レベルセンサ２４Ａを用いて改質水タンク２４に貯留されている改質水Ｗ１の液面レベルが上限値、または下限値に達したかを検出したが、液面レベルセンサ２４Ａに代えて、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て、改質水タンク２４に貯留されている改質水Ｗ１の液面レベルが上限値、または下限値に達したかを検出してもよい。

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
２４改質水タンク
２４Ａ液面レベルセンサ（改質水液面検出装置）
３０冷媒タンク
３１排気熱交換器
３３開口部（連通部）
３７液面レベルセンサ（冷媒液面検出装置）
４４上水熱交換器
Ｗ１改質水
Ｗ２冷媒
７０制御装置
８１燃料電池セル（燃料電池）
１６０改質水補充管（排水管）
１６２補充ポンプ
１６４冷媒補充装置

Claims

燃料ガスと改質水とを供給して発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の排気と前記燃料電池へ導入されない冷媒との間で熱交換を行う排気熱交換器と、
内部と外部とを連通可能な連通部を上部に備え、前記排気熱交換器との間で循環する前記冷媒を貯留する冷媒タンクと、
前記排気熱交換器から排出される凝縮水を改質水として貯留する改質水タンクと、
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う上水熱交換器と、
前記改質水タンクの前記改質水を前記冷媒の一部として前記冷媒タンクに補充する冷媒補充装置と、
を有する燃料電池システム。
前記冷媒補充装置は、前記改質水タンクから前記冷媒タンクに向けて延びる排水管と、前記改質水を送液する補充ポンプと、前記冷媒タンクに設けられ冷媒タンク内の前記冷媒の液面レベルを検知可能な冷媒液面検出装置と、前記冷媒液面検出装置からの液面レベル検知信号に基づいて前記補充ポンプを制御する制御装置とを含んで構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記冷媒補充装置は、前記改質水タンクから前記冷媒タンクに向けて延びる排水管と、前記改質水を送液する補充ポンプと、前記改質水タンクに設けられ予め設定した前記改質水の液面レベルを検知可能な改質水液面検出装置と、前記改質水液面検出装置からの液面レベル検知信号に基づいて前記補充ポンプを制御する制御装置とを含んで構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。