JP6480298B2 - 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。

燃料電池を備える燃料電池のシステムでは、効率化を図る点から、燃料電池システムの排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収し、回収された凝縮水を気化した水蒸気が原料ガスの水蒸気改質に用いられることがある。

さらに、燃料電池システムでは、廃熱利用の点から、発電時に発生した熱を回収することが好ましく、例えば、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮する際、熱交換器を用いて排ガスの熱を温水として回収して貯湯タンクに貯留し、必要に応じて貯留する温水を給湯や暖房等に利用できることが好ましい。

ここで、貯湯タンクに貯留されている水の温度が上昇し、貯湯タンクにおいて、熱的に充満した状態（満蓄状態）になると、熱交換による排ガスの冷却ができなくなる。その結果、排ガスから凝縮水を回収できなくなってしまう。

そこで、排ガス中の水蒸気を有効利用する点から、満蓄時は燃料電池システムでの発電を停止させ、満蓄を解消した後に発電を再開する必要がある。しかし、６００℃以上の温度で作動する固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池などの高温作動形燃料電池では、起動停止及び起動再開において多大なエネルギー、動作時間等を必要とするため、長時間の連続運転が要請されており、満蓄になるたびに起動停止とすることは現実的ではない。

燃料電池システムの連続運転を長時間可能とするため、例えば、貯湯タンクの湯水を循環させる貯湯循環経路を放熱器（ラジエータ）により冷却し、排ガスの冷却に用いる熱交換器に供給される湯水の温度を下げることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、ラジエータを設けることなく、満蓄時においてもシステムの連続運転が可能となる技術も提案されている。例えば、貯湯槽から熱回収用熱交換器に至る熱回収水回路に放熱管を配設して放熱することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１５−２０９３号公報 特許第４４９７３９６号公報

しかし、特許文献１の技術では、ラジエータを使用するため、システムが大型化する、騒音が発生するなどの問題が生じる。また、特許文献２の技術では、放熱管の設置スペースを確保する必要があり、また、気温の影響を受けるという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、システムサイズを大型化することなく、満蓄時においても連続運転可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題は、例えば以下の手段により解決される。
＜１＞ 燃料電池を備える燃料電池モジュールと、湯水を貯める貯湯槽と、前記貯湯槽内の湯水を循環させる貯湯循環経路と、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと前記貯湯循環経路を流通する湯水との間で熱交換を行ない、前記排ガスを冷却する第１熱交換器と、前記第１熱交換器にて冷却された前記排ガス中の水蒸気が凝縮されて得られる水を回収して貯留する水回収槽と、前記水回収槽に貯留されている水を前記燃料電池モジュールに供給する水供給経路と、逆浸透膜が設けられており、前記逆浸透膜を透過した水を前記水回収槽に供給する給水経路と、前記第１熱交換器の上流に設けられており、前記貯湯循環経路を流通する湯水と前記逆浸透膜を透過せずに前記給水経路から排出された排水との間で熱交換を行ない、前記貯湯循環経路を流通する湯水を冷却する第２熱交換器と、前記水回収槽に貯留されている水の量が不足しているか否かを判定する判定手段と、を備え、前記判定手段が、前記水回収槽に貯留されている水の量が不足していると判定した際、前記給水経路に水を供給し、前記逆浸透膜を透過した水を前記水回収槽に供給する燃料電池システム。

本形態に係る燃料電池システムは、燃料電池モジュールから排出される排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させて回収し、回収した水を燃料電池モジュールに供給するシステムである。ここで、本形態に係る燃料電池システムは、第１熱交換器を用いることで、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させると共に、貯湯循環経路を循環する湯水に排ガスの熱を回収させており、熱を回収した湯水は貯湯槽に貯留される。

通常、燃料電池システムを連続運転させると、貯湯循環経路を循環する湯水が排ガスより継続的に熱を回収するため、貯湯槽に貯留されている湯水の温度が上昇し、出湯が一定量行われなければ、熱的に充満した状態（満蓄状態）になる。その結果、排ガスの冷却ができなくなることで、排ガスから凝縮水を回収できなくなってしまい、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題が生じる。

一方、本形態に係る燃料電池システムは、逆浸透膜が設けられており、逆浸透膜を透過した水を水回収槽に供給する給水経路と、水回収槽に貯留されている水の量が不足しているか否かを判定する判定手段と、を備えている。そして、判定手段が、水回収槽に貯留されている水の量が不足していると判定した際、給水経路に水を供給し、逆浸透膜を透過した水を水回収槽に供給する。

以上により、満蓄となり、排ガスから凝縮水を回収できなくなった場合であっても逆浸透膜を透過した水が水回収槽に供給される。そのため、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題が解消され、システムの連続運転が可能となる。

また、貯湯循環経路を流通する湯水は、第１熱交換器にて排ガスより継続的に熱を回収するため、給水経路から排出された排水よりも高温である。ここで、本形態に係る燃料電池システムは、貯湯循環経路を流通する湯水と逆浸透膜を透過せずに給水経路から排出された排水との間で熱交換を行なう第２熱交換器を有している。第２熱交換器により、貯湯循環経路を流通する湯水は冷却され、冷却された湯水が第１熱交換器に供給されるため、第１熱交換器にて排ガスの冷却が可能となり、排ガスから凝縮水を回収することができるようになる。

したがって、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題がより好適に解消されると共に、逆浸透膜を透過しなかった排水を有効利用することで逆浸透膜の負担が軽減される。

さらに、本形態に係る燃料電池システムでは、貯湯循環経路を冷却するラジエータや放熱管を設けることなく、貯湯循環経路を流通する湯水を冷却することができると共に、満蓄時においても、燃料電池システムの連続運転が可能である。さらに、ラジエータや放熱管を設ける必要がないため、システムサイズの大型化も抑制することができる。

＜２＞ 前記水回収槽の水位を検出する水位検出手段をさらに備え、前記判定手段は、前記水回収槽に貯留されている水の量が不足しているか否かを、前記水位検出手段により検出された前記水回収槽の水位により判定し、前記水位検出手段により検出された前記水回収槽の水位が閾値以下になった際、前記給水経路に水を供給する＜１＞に記載の燃料電池システム。

本形態に係る燃料電池システムでは、判定手段が、水位検出手段により検出された水回収槽の水位が閾値以下であると判定した際、給水経路に水を供給し、逆浸透膜を透過した水を水回収槽に供給する。そのため、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題が抑制され、満蓄時においてもシステムの連続運転が可能となる。

＜３＞ 前記貯湯循環経路における前記第１熱交換器よりも上流の所定の位置及び前記貯湯槽の所定の位置の少なくとも一方に温度検出手段をさらに備え、前記判定手段は、前記水回収槽に貯留されている水の量が不足しているか否かを、前記温度検出手段により検出された湯水の温度により判定し、前記温度検出手段により検出された湯水の温度が閾値以上になった際、前記給水経路に水を供給する＜１＞又は＜２＞に記載の燃料電池システム。

本形態に係る燃料電池システムでは、判定手段が、温度検出手段により検出された湯水の温度が閾値以上であると判定した際、給水経路に水を供給し、逆浸透膜を透過した水を水回収槽に供給するようにしている。そのため、検出された湯水の温度が閾値以上となることで、排ガスの冷却効率が低下し、排ガスから凝縮水を好適に回収できなくなった場合であっても、給水経路から水が供給されることで、十分な量の水を水回収槽に貯留することができる。よって、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題が抑制され、満蓄時においてもシステムの連続運転が可能となる。

＜４＞ 前記水回収槽の下流であり、かつ前記水回収槽と前記燃料電池モジュールとの間に配置されている水処理装置をさらに備える＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

逆浸透膜を透過した水は純度が高められるが、その純度が水蒸気改質用の水として求められている水準に達していない場合や、当該水準を達成可能な逆浸透膜を採用することが合理的でない場合がある。このような場合に、例えば、水処理装置が、第１熱交換器と水回収槽との間に配置されていると、逆浸透膜を透過した水が、水処理されることなく、燃料電池モジュールに供給されることになり、モジュール内の各構成に悪影響を及ぼす。

一方、本形態に係る燃料電池システムでは、水回収槽と燃料電池モジュールとの間に水処理装置が設けられているため、逆浸透膜を透過した水が、水処理装置にて処理される。したがって、高純度の水が燃料電池モジュールに供給され、モジュール内の各構成に悪影響を及ぼすことが抑制される。

＜５＞ 前記逆浸透膜の上流に前記給水経路を流通する水中の塩素を除去する脱塩素部をさらに備える＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
＜６＞ 前記貯湯槽の上流に前記貯湯槽に供給される水中の塩素を除去する脱塩素部をさらに備える＜１＞〜＜５＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

前述のように脱塩素部を配置することで、給水経路を流通する水中の塩素又は貯湯槽に供給される水中の塩素が除去されるため、耐塩素性でない逆浸透膜も好適に用いることができる。

本発明によれば、システムサイズを大型化することなく、満蓄時においても連続運転可能な燃料電池システムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける給水の制御処理１を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける給水の制御処理２を示すフローチャートである。 本発明の比較対象となる燃料電池システムを示す概略構成図である。

本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。

まず、本発明の燃料電池システムの比較対象となる燃料電池システムについて、図４を用いて説明する。図４は、本発明の比較対象となる燃料電池システムを示す概略構成図である。

図４において、比較対象となる燃料電池システム１００は、燃料電池モジュール１０１と、熱交換器１０２と、水処理装置１０３、１０８と、水回収タンク１０４と、貯湯タンク１０６と、ラジエータ１０９と、を備える。さらに、燃料電池システム１００は、水回収タンク１０４に貯留されている水を燃料電池モジュール１０１に供給する改質水供給経路１１４と、水処理装置１０８で処理した水を水回収タンク４に供給する給水経路１１５と、貯湯タンク１０６に貯留される湯水を循環させる貯湯循環経路１１６と、をさらに備える。

また、燃料電池システム１００は、燃料電池モジュール１０１から排出される排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させて回収し、回収した水を改質水として燃料電池モジュール１０１に供給することで、燃料電池にて必要な改質水を賄うシステムである。ここで、燃料電池システム１００は、熱交換器１０２を用いることで、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させると共に、貯湯循環経路１１６を循環する湯水に排ガスの熱を回収させている。

燃料電池システムを連続運転させると、貯湯循環経路を循環する湯水が排ガスより継続的に熱を回収するため、貯湯槽に貯留されている湯水の温度が上昇し、出湯が一定量行われなければ、熱的に充満した状態（満蓄状態）になる。その結果、排ガスの冷却ができなくなることで、排ガスから凝縮水を回収できなくなってしまい、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題が生じる。

そのため、燃料電池システム１００は、貯湯循環経路１１６を流通する湯水を冷却するためのラジエータ１０９を備え、ラジエータ１０９に空気供給経路１１９を通じて空気を供給することで貯湯循環経路１１６を流通する湯水を冷却する構成となっている。これにより、満蓄時であっても、排ガスの冷却が可能となり、排ガスから凝縮水を回収できるため、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題が解消され、システムの連続運転が可能となる。

しかしながら、燃料電池システム１００では、ラジエータ１０９を設けているため、システムサイズが大型化してしまい、騒音が発生するという問題がある。そのため、システムサイズの大型化及び騒音の発生を抑制でき、満蓄時においても連続運転可能な燃料電池システムとすることが望ましい。

一方、以下にて説明する本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０は、システムサイズを大型化及び騒音の発生を抑制しつつ、満蓄時においても連続運転可能なシステムである。以下、本発明の燃料電池システムの一実施形態について図１を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。

〔燃料電池システム〕
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１と、第１熱交換器２と、水処理装置３と、水回収タンク４（水回収槽）と、逆浸透膜５と、貯湯タンク６と、第２熱交換器７と、を備える。本実施形態に係る燃料電池システム１０は、水回収タンク４に貯留されている水を燃料電池モジュール１に供給する改質水供給経路１４（水供給経路）と、逆浸透膜５を透過した水を水回収タンク４に供給する給水経路１５と、貯湯タンク６に貯留される湯水を循環させる貯湯循環経路１６と、をさらに備える。

また、燃料電池システム１０は、水回収タンク４に貯留されている水が不足しているか否かを判定する判定手段４０を備え、判定手段４０が、水回収タンク４に貯留されている水の量が不足していると判定した際、給水経路１５に水を供給し、逆浸透膜５を透過した水を水回収タンク４に供給するシステムである。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１から排出される排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させて回収し、回収した水を改質水として燃料電池モジュール１に供給することで、燃料電池にて必要な改質水を賄うシステムである。ここで、燃料電池システム１０は、第１熱交換器２を用いることで、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させると共に、貯湯循環経路１６を循環する湯水に排ガスの熱を回収させており、熱を回収した湯水は貯湯タンク６に貯留される。

前述のように、燃料電池システムを連続運転させると、貯湯循環経路を循環する湯水が排ガスより継続的に熱を回収するため、貯湯槽に貯留されている湯水の温度が上昇し、熱的に充満した状態（満蓄状態）になる。その結果、排ガスの冷却ができなくなることで、排ガスから凝縮水を回収できなくなってしまい、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題が生じる。

一方、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、判定手段４０が水回収タンク４に貯留されている水の量が不足していると判定した際、給水経路１５に水を供給し、逆浸透膜５を透過した水を水回収タンク４に供給する。

以上により、満蓄となり、排ガスから凝縮水を回収できなくなった場合であっても、逆浸透膜５を透過した水が水回収タンク４に供給されるため、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題が解消され、システムの連続運転が可能となる。さらに、逆浸透膜５を透過した水は純度が高められているため、例えば、湯水や上水を水蒸気改質用として凝縮水に直接混合した場合よりも水処理の負担が軽減される。

また、貯湯循環経路１６を流通する湯水は、第１熱交換器２にて排ガスより継続的に熱を回収するため、給水経路１５から排出された排水よりも高温である。ここで、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、貯湯循環経路１６を流通する湯水と逆浸透膜５を透過せずに給水経路１５から排出された排水との間で熱交換を行なう第２熱交換器７により、貯湯循環経路１６を流通する湯水は冷却され、冷却された湯水が第１熱交換器２に供給されるため、第１熱交換器２にて排ガスの冷却が可能となり、排ガスから凝縮水を回収することができるようになる。

したがって、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題がより好適に解消されると共に、逆浸透膜５を透過しなかった排水を有効利用することで逆浸透膜５の負担が軽減される。

さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、貯湯循環経路１６を冷却するラジエータや放熱管を設けることなく、燃料電池システム１０の連続運転が可能である。さらに、燃料電池システム１０では、ラジエータや放熱管を設ける必要がないため、システムサイズの大型化も抑制することができ、ラジエータを設けたことによる騒音も発生しないため、有用である。

以下、本実施形態に係る燃料電池システム１０の各構成について詳細に説明する。

本実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池（図示せず）を備える燃料電池モジュール１を有する。燃料電池モジュール１は、燃料を供給することで発電する機能を有するものであり、燃料電池以外に、後述する気化器、改質器をさらに備えている。

燃料電池モジュール１は、原料ガス供給経路１１、酸素供給経路１２及び改質水供給経路１４と接続しており、それぞれの経路から原料ガス、酸素及び改質水が燃料電池モジュール１に供給される。原料ガス供給経路１１には、原料ガスを流通させるブロワ２１が設置されており、酸素供給経路１２には、酸素を流通させるブロワ２２が設置されており、改質水供給経路１４には、改質水を流通させるポンプ２３が設置されている。

原料ガス供給経路１１を流通する原料ガスとしては、水蒸気改質が可能な炭化水素ガスを含むものであれば特に限定されず、例えば、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、特にメタンが好ましい。なお、炭化水素ガスとしては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよい。

改質水供給経路１４を流通する改質水は、燃料電池モジュール１に設けられた気化器（図示せず）によって気化され、気化されて生じた水蒸気は、水蒸気供給経路（図示せず）を通じて改質器（図示せず）に供給される。

燃料電池システム１０は、燃料電池の外部に原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器を有している。改質器は、例えば、バーナ又は燃焼触媒を配置した燃焼部と、改質用触媒を備える改質部と、を備え、改質部の上流側にて原料ガス供給経路１１及び水蒸気供給経路と接続しており、改質部の下流側にて改質ガス供給経路（図示せず）を介して燃料電池と接続している。

原料ガス供給経路１１を通じてメタンなどの炭化水素ガスを含む原料ガスが改質部に供給され、水蒸気供給経路を通じて水蒸気が改質部に供給される。そして、改質部にて炭化水素ガスを水蒸気改質した後に、生成された改質ガスが改質ガス供給経路を通じて燃料電池に供給される。

燃焼部は、燃焼熱により改質部を加熱するものであり、例えば、酸素と、炭化水素ガスを含む原料ガスと、を燃焼反応させたり、燃料電池から排出されるカソードオフガス中の未反応の酸素と、アノードオフガス中の未反応の水素と、を燃焼反応させたりして改質部を加熱する。燃焼反応により生じた排ガスは、排気経路１３に供給され、燃料電池モジュール１の外部に排出される。

炭化水素ガスの一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、改質部にて、以下の式（ａ）の反応により一酸化炭素および水素が生成される。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２・・・・（ａ）

改質部内に設置される改質用触媒としては、水蒸気改質反応の触媒となるものであれば特に限定されないが、Ｎｉ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｅ，Ｃｏ，Ｆｅ及びＭｏの少なくとも一つを触媒金属として含む水蒸気改質用触媒が好ましい。

改質部に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Ｓと、改質部に供給される単位時間当たりの炭化水素ガスの炭素原子数Ｃとの比であるスチームカーボン比Ｓ／Ｃは、１．５〜３．５であることが好ましく、２．０〜３．０であることがより好ましく、２．０〜２．５であることがさらに好ましい。スチームカーボン比Ｓ／Ｃがこの範囲にあることにより、炭化水素ガスが効率よく水蒸気改質され、水素および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。さらに、燃料電池モジュール１内での炭素析出を抑制することができ、燃料電池モジュール１の信頼性を高めることができる。

また、燃焼部は、水蒸気改質を効率よく行なう観点から、改質部を、６００℃〜８００℃に加熱することが好ましく、６００℃〜７００℃に加熱することがより好ましい。

本実施形態に係る燃料電池システム１０は、改質ガス供給経路を通じて改質器から供給された改質ガスを用いて発電を行なう燃料電池を備えている。燃料電池としては、例えば、空気極（カソード）、電解質及び燃料極（アノード）を備える燃料電池セルであってもよく、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。また、燃料電池としては、２００℃以下の温度で作動する低温型の燃料電池、例えば、６０℃〜１００℃程度で作動する固体高分子形燃料電池、１５０℃〜２００℃程度で作動するリン酸形燃料電池や、６００℃〜８００℃程度で作動する高温型の燃料電池、例えば、７００℃〜８００℃程度で作動する固体酸化物形燃料電池、６００℃〜７００℃程度で作動する溶融炭酸塩形燃料電池が挙げられる。

燃料電池のアノードには、改質ガス供給経路を通じて改質ガスが供給され、燃料電池のカソードには、酸素供給経路１２を通じて酸素を含むガスが供給される。そして、改質ガスと酸素との電気化学的な反応により、主に水蒸気（溶融炭酸塩形燃料電池では主に水蒸気及び二酸化炭素）が生成される。また、アノードで生成された電子は、外部回路を通じてカソードに移動する。このようにして電子がアノードからカソードに移動することにより、燃料電池にて発電が行なわれる。

ここで、アノード及びカソードから排出されたオフガスは、前述のように改質器の燃焼部に供給され、未反応の水素及び酸素が燃焼反応に用いられた後、排気経路１３を通じて燃料電池モジュール１から排出されてもよく、燃焼部に供給されずに排気経路１３を通じて直接燃料電池モジュール１から排出されてもよい。

なお、高温型の燃料電池を備える燃料電池システムでは、改質器が燃料電池の外部に取り付けられている必要はなく、燃料電池に直接原料ガス及び水蒸気を供給し、燃料電池の内部で水蒸気改質（内部改質）を行なう構成であってもよい。燃料電池スタック内部での反応温度は６００℃〜８００℃と高温であるため、燃料電池スタック内で水蒸気改質を行なうことが可能である。

燃料電池モジュール１から排出され、排気経路１３を流通する排ガスは、第１熱交換器２にて、貯湯循環経路１６を流通する湯水と熱交換を行なう。これにより、排気経路１３を流通する排ガスは冷却され、排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮されると共に、貯湯循環経路１６を循環する湯水が排ガスの熱を回収する。水蒸気が凝縮されて得られた凝縮水は、水回収タンク４に供給され、排ガスの熱を回収した湯水は、貯湯タンク６に供給される。また、排気経路１３を流通する排ガスは、外部に排気される。

水回収タンク４は、排気経路１３を流通する排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して得られた水を回収して貯留する容器である。水回収タンク４では、所定量以上の水が貯留された際には、例えばオーバーフローによりドレン排水される。

水回収タンク４は、改質水供給経路１４と接続しており、改質水供給経路１４には、水処理装置３及びポンプ２３が設けられている。ポンプ２３を駆動させることで、水回収タンク４に貯留された水は、水処理装置３にて処理された後、改質水供給経路１４を通じて燃料電池モジュール１に供給される。

水処理装置３は、水回収タンク４の下流であり、かつ水回収タンク４と燃料電池モジュール１との間に配置されており、第１熱交換器２にて水蒸気が凝縮されて得られた凝縮水に含まれる不純物及び逆浸透膜５を透過した水に含まれている不純物を除去する装置である。水処理装置としては、例えば、交換や薬品による再生処理が必要なイオン交換樹脂を有する水処理装置、イオン交換樹脂を電気的に再生可能な電気脱イオン式の水処理装置などが挙げられる。

また、水回収タンク４は、給水経路１５と接続されており、給水経路１５には、上流から順に、開閉弁２７、ポンプ２４及び逆浸透膜５が設けられている。給水経路１５は、貯湯タンク６に給水を行なうための経路である第１給水経路１７と接続しているため、開閉弁２７を開き、ポンプ２４を駆動させることによって、水が給水経路１５を流通し、逆浸透膜５に水が供給される。なお、開閉弁２７としては、例えば、電磁弁、電動弁などが挙げられる。

逆浸透膜５は、不純物を含む水に圧力をかけることで、水を選択的に透過させ、イオンや塩類など水以外の不純物を透過しない（不純物の透過を抑制する）膜である。そのため、ポンプ２４を駆動させて逆浸透膜５に水を供給することで、逆浸透膜５を透過した純度の高い水が得られる。そして、純度の高い水は、給水経路１５を通じて水回収タンク４に供給される。

また、逆浸透膜５に水を供給することで、逆浸透膜５を透過した純度の高い水と共に、逆浸透膜５を透過しなかった不純物の多い水が得られる。不純物の多い水は、給水経路１５から排出され、排水経路１９を通じて第２熱交換器７に供給される。

逆浸透膜５としては、水を選択的に透過させ、イオンや塩類など水以外の不純物を透過しない膜であれば特に限定されず、市販のものを用いることができる。また、逆浸透膜の構造としては、例えば、中空糸膜、スパイラル膜、チューブラー膜が挙げられ、逆浸透膜の材質としては、例えば、酢酸セルロース、芳香族ポリアミド、ポリビニルアルコール、ポリスルホンが挙げられる。

ところで、逆浸透膜５を透過した水は純度が高められるが、その純度が水蒸気改質用の水として求められている水準に達していない場合や、当該水準を達成可能な逆浸透膜を採用することが合理的でない場合がある。このような場合に、例えば、水処理装置３が、第１熱交換器２と水回収タンク４との間に配置されていると、逆浸透膜５を透過した水が、水処理されることなく、燃料電池モジュール１に供給されることになり、モジュール内の各構成（例えば、改質部）に悪影響を及ぼすおそれがある。

一方、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、水回収タンク４と燃料電池モジュール１との間の改質水供給経路１４に水処理装置３が設けられているため、逆浸透膜５を透過した水が、水処理装置３にて処理される。したがって、高純度の水が燃料電池モジュール１に供給され、モジュール内の各構成に悪影響を及ぼすことが抑制される。

次に、貯湯タンク６は、燃料電池モジュール１から排出される排ガスの熱を第１熱交換器２にて回収した湯水を貯留する容器である。また、第１給水経路１７を通じて貯湯タンク６に水が供給され、出湯経路３１を通じて貯湯タンク６から湯水がシステム外に供給される。出湯経路３１を通じてシステム外に供給される湯水は、第２給水経路１８を通じて供給された水と混合弁２６で適温に混合され、例えば、給湯や暖房に使用される。

貯湯タンク６は、貯湯循環経路１６と接続しており、貯湯循環経路１６には、上流から順に、第２熱交換器７、ポンプ２５及び第１熱交換器２が設けられている。ポンプ２５を駆動させることで、貯湯タンク６に貯留された湯水は、貯湯循環経路１６を流通する。

第２熱交換器７は、貯湯循環経路１６を流通する湯水と排水経路１９を流通する排水との間で熱交換を行ない、貯湯循環経路１６を流通する湯水を冷却するためのものである。そのため、排水が排水経路１９を流通している場合、熱交換は行なわれるが、排水が排水経路１９を流通していない場合、熱交換は行なわれない。

貯湯循環経路１６を流通する湯水は、第１熱交換器２にて排ガスより継続的に熱を回収するため、給水経路１５から排出された排水よりも高温である。そのため、第２熱交換器７にて、貯湯循環経路１６を流通する湯水と排水経路１９を流通する排水との間で熱交換が行なわれることで、貯湯循環経路１６を流通する湯水が冷却され、冷却された湯水は第１熱交換器２に供給されることになる。そして、第１熱交換器２にて排ガスの冷却が可能となり、排ガスから凝縮水を回収することができるようになるため、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題がより好適に解消されると共に、逆浸透膜５を透過しなかった排水を有効利用することで逆浸透膜５の負担が軽減される。さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、ラジエータを設けることなく、貯湯循環経路１６を流通する湯水を冷却することができ、省スペース化及び騒音発生の抑制の点から有用である。

なお、給水経路１５に水が供給されていなければ、逆浸透膜５を透過しなかった不純物の多い水が給水経路１５から排出されないため、排水が排水経路１９を流通しておらず、第２熱交換器７での熱交換は行なわれない。

第２熱交換器７を通過した後の湯水は、第１熱交換器２にて、排気経路１３を流通する排ガスと熱交換を行ない、排ガスの熱を回収した湯水は、貯湯循環経路１６を流通し、貯湯タンク６に貯留される。

ここで、第１熱交換器２よりも下流の貯湯循環経路１６を流通する湯水は、排水経路１９を流通する排水よりも高温であるため、第１熱交換器２よりも下流に第２熱交換器７を設置した場合には、貯湯タンク６に供給される湯水が冷却されることになり、貯湯タンク６の温度成層に影響を与える。一方、本実施形態に係る燃料電池システム１０のように、第１熱交換器２よりも上流に第２熱交換器７を設置した場合には、貯湯タンク６の温度成層に影響を与えない。そのため、第２熱交換器７を設置する場所は、第１熱交換器２よりも上流であることが好ましい。

貯湯タンク６は、第１給水経路１７と接続している供給口付近である下部から貯湯循環経路１６に湯水を供給し、出湯経路３１と接続している出湯口付近である上部にて貯湯循環経路１６を流通した湯水を回収する。そのため、貯湯タンク６に貯留されている湯水では、温度勾配が生じており、下部から上部に向かって貯留されている湯水の温度が上昇する。

ここで、燃料電池システム１０の起動中には、排気経路１３を流通する排ガスを冷却して水蒸気を凝縮させるため、貯湯循環経路１６に継続的に湯水を循環させる。そのため、燃料電池システム１０を長時間連続運転させると、貯湯タンク６に貯留されている温水の温度が上昇し、その際出湯が一定量行われなければ、熱的に充満した状態（満蓄状態）になる。満蓄になると、貯湯タンク６に貯留されている温水に温度勾配はほとんどなくなり、貯湯タンク６に貯留されている湯水の上側と下側との温度差はほとんどなくなる。そのため、満蓄時には、排気経路１３を流通する排ガスからの熱回収による排ガスの冷却ができなくなり、その結果、排ガスから凝縮水の回収ができなくなってしまい、水回収タンク４に貯留されている水が不足するおそれがある。

しかし、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、判定手段４０が、水回収タンク４に貯留されている水の量が不足していると判定した際、給水経路１５に水を供給し、逆浸透膜５を透過した水を水回収タンク４に供給する。そのため、満蓄時であっても、水回収タンク４にて水が不足するという問題が解消され、システムの連続運転が可能となる。

さらに、前述のように、給水経路１５に水を供給することで、第２熱交換器７にて、貯湯循環経路１６を流通する湯水と排水経路１９を流通する排水との間で熱交換が行なわれるため、貯湯循環経路１６を流通する湯水が冷却される。これにより、冷却された湯水が第１熱交換器２に供給されて排ガスの冷却が可能となり、排ガスから凝縮水を回収することができるようになるため、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題がより好適に解消され、さらに、逆浸透膜５の負担が軽減される。

以下、判定手段４０が、水回収タンク４に貯留されている水の量が不足していると判定する場合の具体例１について説明する。まず、判定手段４０は、水回収タンク４に貯留されている水の量が不足しているか否かを、水位検出手段により検出された水回収タンク４の水位により判定してもよい。

このとき、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、水回収タンク４の水位を検出する水位検出手段である水位センサー４１をさらに備えている。水位センサー４１としては、フロートセンサーや電極センサー等の従来公知のものを適宜選択して使用することができる。

本実施形態に係る燃料電池システム１０では、判定手段４０が、水位センサー４１により検出された水回収タンク４の水位が閾値（第１の閾値）以下であると判定した際、開閉弁２７を開き、かつポンプ２４を駆動させることによって、給水経路１５に水を供給する。これにより、逆浸透膜５を透過した水が水回収タンク４に供給されると共に、第２熱交換器７にて湯水が冷却されるため、第１熱交換器２にて排ガス中の水蒸気が凝縮されて得られる凝縮水が水回収タンク４にて回収される。そのため、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題が抑制され、満蓄時においてもシステムの連続運転が可能となる。なお、閾値（第１の閾値）となる水回収タンク４の水位としては、例えば、給水経路１５から水が供給されるまでの間、燃料電池モジュール１への改質水の供給が可能な量以上であればよい。

ここで、逆浸透膜５を透過し、水回収タンク４に供給された水と、第１熱交換器２にて排ガス中の水蒸気が凝縮され、水回収タンク４にて回収される凝縮水と、の合計量（ｍｌ／分）が、水蒸気改質に必要な水の量（ｍｌ／分）よりも多い場合、水回収タンク４の水位が徐々に増加する。そのため、判定手段４０が、水位センサー４１により検出された水回収タンク４の水位が閾値（第２の閾値）以上であると判定した際、開閉弁２７を閉め、かつポンプ２４を停止させることによって、給水経路１５への水の供給を停止させてもよい。これにより、逆浸透膜５の負担が軽減され、また、水回収タンク４からオーバーフローにより、水がドレン排水されないように調整できる。

以下、水回収タンク４の水位に応じて、給水経路１５への水の供給を制御することについて、図２を用いて説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける給水の制御処理１を示すフローチャートである。

図２に示すように、ステップ２００にて、燃料電池システム１０を起動する。このとき、水回収タンク４には、燃料電池モジュール１に供給される水が貯留されており、この水が原料ガスの水蒸気改質に用いられる。

燃料電池システム１０を起動して連続運転させると、前述のように、貯湯タンク６に貯留されている温水の温度が上昇し、熱的に充満した状態（満蓄状態）になる。満蓄時には、排ガスから凝縮水の回収ができなくなってしまうため、水回収タンク４の水位が徐々に低下する。

ステップ２０１にて、水位センサー４１にて検出された水回収タンク４の水位が第１の閾値以下であるか否かを判定する。水位センサー４１にて検出された水回収タンク４の水位が第１の閾値以下であれば、ステップ２０２にて、開閉弁２７を開き、かつポンプ２４を駆動させ、給水経路１５に水を供給する。このとき、逆浸透膜５を透過し、水回収タンク４に供給された水と、第１熱交換器２にて排ガス中の水蒸気が凝縮され、水回収タンク４にて回収される凝縮水と、の合計量（ｍｌ／分）が、水蒸気改質に必要な水の量（ｍｌ／分）よりも多い場合、水回収タンク４の水位が徐々に増加する。

次に、ステップ２０３にて、水位センサー４１にて検出された水回収タンク４の水位が第２の閾値以上であるか判定する。水位センサー４１にて検出された水回収タンク４の水位が第２の閾値以上でなければ、給水経路１５への水の供給を継続し、水位センサー４１にて検出された水回収タンク４の水位が第２の閾値以上であれば、ステップ２０４にて、開閉弁２７を閉め、かつポンプ２４を停止させて給水経路１５への水の供給を停止する。

そして、給水経路１５への水の供給を停止した場合、満蓄状態が維持されたままである、あるいは、一度満蓄状態が解消したが再度満蓄になると、水位センサー４１にて検出された水回収タンク４の水位が再び低下する。

そこで、ステップ２０５にてシステムの運転停止要求がなければ、ステップ２０１〜２０４を繰り返し行なってもよい。また、ステップ２０５にてシステムの運転停止要求があれば、燃料電池システム１０の運転を停止する。なお、システムの運転停止は、ステップ２００〜２０５の間の任意のタイミングで行なってもよい。

以下、判定手段４０が、水回収タンク４に貯留されている水の量が不足していると判定する場合の具体例２について説明する。判定手段４０は、水回収タンク４に貯留されている水の量が不足しているか否かを、燃料電池システムの起動時間により判定してもよい。

燃料電池システム１０を起動させてから時間が経過すると、貯湯タンク６に貯留されている温水が満蓄となり、排ガスから凝縮水の回収ができなくなってしまうため、システム起動から時間が経過するにつれて水回収タンク４に貯留されている水が不足することになる。そこで、判定手段４０が、システム起動から所定の時間が経過したことを判定した際、開閉弁２７を開き、かつポンプ２４を駆動させることによって、給水経路１５に水を供給する。これにより、逆浸透膜５を透過した水が水回収タンク４に供給されると共に、第２熱交換器７にて湯水が冷却されるため、第１熱交換器２にて排ガス中の水蒸気が凝縮されて得られる凝縮水が水回収タンク４にて回収される。そのため、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題が抑制され、満蓄時においてもシステムの連続運転が可能となる。

また、前述のように、逆浸透膜５を透過し、水回収タンク４に供給された水と、第１熱交換器２にて排ガス中の水蒸気が凝縮され、水回収タンク４にて回収される凝縮水と、の合計量（ｍｌ／分）が、水蒸気改質に必要な水の量（ｍｌ／分）よりも多い場合、水回収タンク４の水位が一定の割合で徐々に増加する。そのため、判定手段４０が、給水経路１５に水を供給してから所定の時間が経過したことを判定した際、開閉弁２７を閉め、かつポンプ２４を停止させることによって、給水経路１５への水の供給を停止してもよい。

さらに、給水経路１５への水の供給を停止させた場合、満蓄状態が維持されたままであると、水回収タンク４の水位が一定の割合で再び低下する。そのため、判定手段４０が、給水経路１５への水の供給を停止させてから所定の時間経過したことを判定した際、給水経路１５へ再度水を供給してもよい。

また、判定手段４０が、給水経路１５に水を供給してから所定の時間が経過したことを判定した際、給水経路１５への水の供給を停止する手順と、判定手段４０が、給水経路１５への水の供給を停止してから所定の時間が経過したことを判定した際、給水経路１５へ水を供給する手順と、を順番に繰り返してもよい。

以下、燃料電池システムの起動時間、給水時間及び給水の停止時間に応じて、給水経路１５への水の供給を制御することについて、図３を用いて説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける給水の制御処理２を示すフローチャートである。

図３に示すように、ステップ３００にて、燃料電池システム１０を起動する。このとき、水回収タンク４には、燃料電池モジュール１に供給される水が貯留されており、この水が原料ガスの水蒸気改質に用いられる。

燃料電池システム１０を起動して連続運転させて満蓄状態となると、排ガスから凝縮水の回収ができなくなってしまうため、水回収タンク４の水位が徐々に低下する。

ステップ３０１にて、燃料電池システム１０の起動から所定時間が経過したか判定する。システムの起動から所定時間が経過していれば、ステップ３０２にて、開閉弁２７を開き、かつポンプ２４を駆動させ、給水経路１５に水を供給する。このとき、逆浸透膜５を透過し、水回収タンク４に供給された水と、第１熱交換器２にて排ガス中の水蒸気が凝縮され、水回収タンク４にて回収される凝縮水と、の合計量（ｍｌ／分）が、水蒸気改質に必要な水の量（ｍｌ／分）よりも多い場合、水回収タンク４の水位が徐々に増加する。

次に、ステップ３０３にて、給水から所定時間が経過したか判定する。給水から所定時間が経過してなければ、給水経路１５への水の供給を継続し、給水から所定時間が経過していれば、ステップ３０４にて、開閉弁２７を閉め、かつポンプ２４を停止させて給水経路１５への水の供給を停止する。

そして、給水経路１５への水の供給を停止した場合、満蓄状態が維持されたままであると、水回収タンク４の水位が一定の割合で再び低下する。

次に、ステップ３０５にて、水の供給停止から所定時間が経過したか判定する。水の供給停止から所定時間が経過していれば、ステップ３０６にて、開閉弁２７を開き、かつポンプ２４を駆動させ、給水経路１５に水を再度供給する。このとき、ステップ３０２と同様、満蓄時であっても、水回収タンク４の水位が一定の割合で徐々に増加する。

そして、ステップ３０７にて、水の供給から所定時間が経過したか判定する。水の供給から所定時間が経過してなければ、給水経路１５への水の供給を継続し、水の供給から所定時間が経過していれば、ステップ３０８にて、開閉弁２７を閉め、かつポンプ２４を停止させて給水経路１５への水の供給を停止する。

ステップ３０９にてシステムの運転停止要求がなければ、ステップ３０５〜３０８を繰り返し行なってもよい。また、ステップ３０９にてシステムの運転停止要求があれば、燃料電池システム１０の運転を停止する。なお、システムの運転停止は、ステップ３００〜２０９の間の任意のタイミングで行なってもよい。

以下、判定手段４０が、水回収タンク４に貯留されている水の量が不足していると判定する場合の具体例３について説明する。判定手段４０は、水回収タンク４に貯留されている水の量が不足しているか否かを、温度検出手段により検出された湯水の温度により判定してもよい。

このとき、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、貯湯循環経路１６における第１熱交換器２よりも上流の所定の位置及び貯湯タンク６の所定の位置の少なくとも一方に温度検出手段（図示せず）をさらに備えている。温度検出手段は、貯湯循環経路１６における第１熱交換器２よりも上流の位置であれば、任意の場所に設けることができ、例えば、貯湯循環経路１６において、貯湯タンク６の供給口付近、貯湯タンク６と第２熱交換器７との間、第２熱交換器７と第１熱交換器２との間などが挙げられる。また、温度検出手段は、貯湯タンク６の任意の場所に設けることができ、例えば、貯湯循環経路１６と接続している供給口付近、貯湯循環経路１６における任意の箇所などが挙げられる。

本実施形態に係る燃料電池システム１０では、判定手段４０が、温度検出手段により検出された湯水の温度が閾値以上であると判定した際、開閉弁２７を開き、かつポンプ２４を駆動させることによって、給水経路１５に水を供給する。これにより、排ガスの冷却効率が低下し、排ガスから凝縮水を好適に回収できなくなった場合であっても、逆浸透膜５を透過した水が水回収タンク４に供給されると共に、第２熱交換器７にて湯水が冷却されるため、第１熱交換器２にて排ガス中の水蒸気が凝縮されて得られる凝縮水が水回収タンク４にて回収される。そのため、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題が抑制され、満蓄時においてもシステムの連続運転が可能となる。

給水経路１５に水を供給するか否かを判定する対象となる閾値としては、特に限定されないが、例えば、満蓄時の湯水の温度（例えば、９０℃）、満蓄時の湯水の温度よりも低い温度（例えば、６０℃以上９０℃未満）が挙げられる。すなわち、所定の箇所における湯水の温度が満蓄時の湯水の温度又は満蓄時の湯水の温度よりも低い温度であることを示す場合に、給水経路１５に水を供給してもよい。特に、満蓄時の湯水の温度よりも低い温度であることを示した場合に、給水経路１５に水を供給する構成とすることで、より十分な量の水を水回収タンク４に貯留することができるため好ましい。

また、温度検出手段は、貯湯タンク６の任意の場所に設けることができる。貯湯タンク６において、満蓄状態では貯湯タンク６に貯留されている湯水は全域でほぼ同じ温度であるが、満蓄状態でない場合、貯湯タンク６に貯留されている湯水は高さ方向に沿って温度が上昇するようになっている。そこで、温度検出手段を、貯湯循環経路１６の下部であり、かつ貯湯循環経路１６と接続している供給口付近よりも上部に設けることが好ましい。このとき、温度検出手段が満蓄時の湯水の温度を示したとすると、貯湯タンク６に貯留されている湯水は満蓄直前であることが分かる。そのため、満蓄となる直前で、給水経路１５に水を供給することができ、より十分な量の水を水回収タンク４に貯留することができるため好ましい。

温度検出手段は、複数設けられていてもよく、例えば、貯湯循環経路１６における第１熱交換器２よりも上流の所定の位置及び貯湯タンク６の所定の位置の両方に設けてもよく、貯湯タンク６の高さの異なる位置に温度検出手段をそれぞれ設けてもよい。

なお、温度検出手段を設ける具体例３の構成は、前述の具体例１、２の構成と組み合わせてもよい。

本実施形態に係る燃料電池システム１０は、逆浸透膜５の上流に給水経路１５を流通する水中の塩素を除去する脱塩素部（図示せず）及び第１給水経路１７に貯湯タンク６に供給される水中の塩素を除去する脱塩素部（図示せず）の少なくとも一方をさらに備えることが好ましい。

前述のように脱塩素部を配置することで、給水経路１５を流通する水中の塩素又は貯湯タンク６に供給される水中の塩素が除去されるため、耐塩素性でない逆浸透膜５も好適に用いることができ、逆浸透膜５の選択肢を広げることができる。

実施形態を挙げて本発明の実施の形態を説明したが、これらの実施形態は一例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。また、本発明の権利範囲がこれらの実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは言うまでもない。

１０、１００…燃料電池システム、１、１０１…燃料電池モジュール、２…第１熱交換器、３、１０３、１０８…水処理装置、４、１０４…水回収タンク、５…逆浸透膜、６、１０６…貯湯タンク、７…第２熱交換器、１１、１１１…原料ガス供給経路、１２、１１２…酸素供給経路、１３、１１３…排気経路、１４、１１４…改質水供給経路、１５、１１５…給水経路、１６、１１６…貯湯循環経路、１７、１１７…第１給水経路、１８、１１８…第２給水経路、１９…排水経路、２１、２２、１２１、１２２、１２４…ブロワ、２３、２４、２５、１２３、１２５…ポンプ、２６、１２６…混合弁、２７、１２７…開閉弁、３１、１３１…出湯経路、４０…判定手段、４１…水位センサー、１０２…熱交換器、１０９…ラジエータ、１１９…空気供給経路

Claims (6)

1. 燃料電池を備える燃料電池モジュールと、
   湯水を貯める貯湯槽と、
   前記貯湯槽内の湯水を循環させる貯湯循環経路と、
   前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと前記貯湯循環経路を流通する湯水との間で熱交換を行ない、前記排ガスを冷却する第１熱交換器と、
   前記第１熱交換器にて冷却された前記排ガス中の水蒸気が凝縮されて得られる水を回収して貯留する水回収槽と、
   前記水回収槽に貯留されている水を前記燃料電池モジュールに供給する水供給経路と、
   逆浸透膜が設けられており、前記逆浸透膜を透過した水を前記水回収槽に供給する給水経路と、
   前記第１熱交換器の上流に設けられており、前記貯湯循環経路を流通する湯水と前記逆浸透膜を透過せずに前記給水経路から排出された排水との間で熱交換を行ない、前記貯湯循環経路を流通する湯水を冷却する第２熱交換器と、
   前記水回収槽に貯留されている水の量が不足しているか否かを判定する判定手段と、
   を備え、
   前記判定手段が、前記水回収槽に貯留されている水の量が不足していると判定した際、前記給水経路に水を供給し、前記逆浸透膜を透過した水を前記水回収槽に供給する燃料電池システム。
2. 前記水回収槽の水位を検出する水位検出手段をさらに備え、
   前記判定手段は、前記水回収槽に貯留されている水の量が不足しているか否かを、前記水位検出手段により検出された前記水回収槽の水位により判定し、前記水位検出手段により検出された前記水回収槽の水位が閾値以下になった際、前記給水経路に水を供給する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記貯湯循環経路における前記第１熱交換器よりも上流の所定の位置及び前記貯湯槽の所定の位置の少なくとも一方に温度検出手段をさらに備え、
   前記判定手段は、前記水回収槽に貯留されている水の量が不足しているか否かを、前記温度検出手段により検出された湯水の温度により判定し、
   前記温度検出手段により検出された湯水の温度が閾値以上になった際、前記給水経路に水を供給する請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記水回収槽の下流であり、かつ前記水回収槽と前記燃料電池モジュールとの間に配置されている水処理装置をさらに備える請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記逆浸透膜の上流に前記給水経路を流通する水中の塩素を除去する脱塩素部をさらに備える請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記貯湯槽の上流に前記貯湯槽に供給される水中の塩素を除去する脱塩素部をさらに備える請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。