WO2013150799A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2013150799A1
WO2013150799A1 PCT/JP2013/002344 JP2013002344W WO2013150799A1 WO 2013150799 A1 WO2013150799 A1 WO 2013150799A1 JP 2013002344 W JP2013002344 W JP 2013002344W WO 2013150799 A1 WO2013150799 A1 WO 2013150799A1
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WO
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water
cooling water
water tank
fuel cell
tank
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PCT/JP2013/002344
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Inventor
松本　聡
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パナソニック株式会社
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system that generates electrical energy by a direct reaction between hydrogen and oxygen.
  • Fuel cell systems have been expected in recent years as energy-saving and clean power generation devices because they have high power generation efficiency and emit almost no air pollutants.
  • a fuel cell system that recovers and uses heat generated during power generation for hot water supply, heating, and the like has high overall energy efficiency, and it is desired to spread as a household energy device (see, for example, Patent Document 1).
  • Such a conventional fuel cell system includes, for example, a fuel processor, a cooling water tank, a hot water storage tank, and a recovered water tank.
  • a fuel processor produces
  • the fuel cell generates power by causing hydrogen generated by the fuel processing apparatus to flow through the anode and air as an oxidant gas supplied from an air blower or the like to the cathode and react electrochemically.
  • the cooling water circulation passage including the cooling water tank by circulating the cooling water through the cooling water circulation passage including the cooling water tank, the fuel cell is cooled, and at the same time, the exhaust heat is recovered from the fuel cell, and the cooling water from which the exhaust heat is recovered is exchanged with the hot water.
  • the recovered exhaust heat is stored as hot water storage in a hot water storage tank.
  • these water is condensed and recovered from unused fuel gas (anode offgas) and oxidant gas (cathode offgas) discharged from the fuel cell, and this recovered water (recovered water) is stored in a recovered water tank. To do. Then, the recovered water stored in the recovered water tank is supplied to the cooling water tank via the cooling water supply channel. A filter is disposed in the cooling water supply flow path, and the recovered water is purified by the filter and supplied as pure water to the cooling water tank.
  • Automatic water supply is a method conceived to realize a simple water supply method.
  • this method connects the water supply flow path from the hot water circulation flow path to the recovered water tank via the water supply valve, and first opens the water supply valve when the fuel cell system is installed.
  • the recovered water tank is filled with tap water
  • the cooling water tank is filled with pure water through a filter with a cooling water supply pump
  • the cooling water circulation path is filled with a cooling water circulation pump.
  • Patent Document 1 there is still room for improvement in the prior art including the above-mentioned Patent Document 1 from the viewpoint of ensuring more efficient use of water.
  • an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can realize more efficient use of water.
  • the conventional fuel cell system including the above-mentioned Patent Document 1 includes the following from the viewpoint of further efficient use of water. I found that there is a problem.
  • the conventional fuel cell system supplies water to the recovered water tank from the hot water storage tank, and supplies the cooling water when the water level detector of the recovered water tank detects an increase in the water level.
  • the pump was operated.
  • the cooling water supply pump operates with a reduced amount of water supplied for reasons such as achieving reliable ion exchange in a filter made of an ion exchange resin, so the amount of water supplied from the hot water storage tank is large.
  • the water is drained from the drain port formed in the recovered water tank.
  • manual water supply a method of manually supplying pure water using a water cartridge or the like
  • the present invention provides a fuel cell that reacts a fuel gas and an oxidant gas to supply electric power and heat, a cooling water circulation passage through which cooling water that absorbs heat generated in the fuel cell circulates, and a cooling water circulation flow
  • a cooling water tank arranged on the road, a cooling water circulation pump arranged on the cooling water circulation passage, a first drain outlet formed in the cooling water tank, and a water level in the cooling water tank are detected.
  • a first water level detector a water replenishment unit that is formed in the cooling water tank and is replenished with water from outside the fuel cell system; and a control device, wherein the first water level detector is the first drainage In the fuel cell system, the cooling water circulation pump is operated so that the water level is equal to or lower than the first drainage port when a water level equal to or higher than the first water level lower than the mouth is detected.
  • the cooling water circulation pump when the water level in the cooling water tank is equal to or higher than the first water level lower than the first drain port, the cooling water circulation pump is operated so that the water level in the cooling water tank is equal to or lower than the first drain port.
  • the supplied water can be prevented from being drained. Therefore, for example, even with a manual water supply system that supplies pure water from a pure water cartridge to a cooling water tank, it is possible to suppress the drainage of pure water, which has a limited amount, and to use pure water to the maximum extent. In addition, notification of abnormality of the fuel cell system can be suppressed.
  • the fuel cell system of the present invention can realize efficient use of water by suppressing drainage of supplied water.
  • Embodiment 1 of this invention It is a block diagram of the fuel cell system in Embodiment 1 of this invention.
  • 2 is a flowchart showing an example of an operation of a control device when the fuel cell system of FIG. 1 is installed. It is a block diagram of the fuel cell system in Embodiment 2 of this invention. It is a flowchart which shows an example of operation
  • the fuel cell system includes a fuel cell that reacts a fuel gas and an oxidant gas to supply electric power and heat, and a cooling water circulation passage through which cooling water that absorbs heat generated by the fuel cell circulates.
  • a cooling water tank disposed on the cooling water circulation channel, a cooling water circulation pump disposed on the cooling water circulation channel, a first drain outlet formed in the cooling water tank, and water in the cooling water tank
  • a first water level detector for detecting the water level of the fuel cell, a water replenishment unit formed in the cooling water tank and replenished with water from the outside of the fuel cell system, and a control device.
  • the cooling water circulation pump is operated so that the water level is equal to or lower than the first drainage port when the water level is detected to be equal to or higher than the first water level lower than the first drainage port.
  • the cooling water circulation pump when the water level in the cooling water tank is equal to or higher than the first water level lower than the first drain port, the cooling water circulation pump is operated so that the water level in the cooling water tank is equal to or lower than the first drain port.
  • the supplied water can be prevented from being drained. Therefore, for example, even with a manual water supply system that supplies pure water from a pure water cartridge to a cooling water tank, it is possible to suppress the drainage of pure water, which has a limited amount, and to use pure water to the maximum extent.
  • notification of abnormality of the fuel cell system can be suppressed. In other words, it is possible to efficiently supply water with a minimum amount of pure water supplied, and by suppressing the amount of pure water required at the time of installation, it is possible to suppress initial costs and improve economic efficiency at the time of installation.
  • the cooling water circulation pump can be operated so that pure water is not drained from the cooling water tank and the cooling water circulation pump is not air-engaged (idling), water can be supplied efficiently.
  • the water replenishment section in the first invention is a water inlet section in which a drain section of a pure water cartridge filled with pure water is detachably mounted.
  • a pure water replenishment operation to the cooling water tank can be easily performed by attaching (connecting) the draining portion on the pure water cartridge side to the water inlet portion (water replenishing portion) on the cooling water tank side.
  • the water level in the cooling water tank may be increased by supplying water to the cooling water tank by supplying water from the water supply unit. According to this, water filling by the cooling water circulation pump can be reliably performed while securing the water level in the cooling water tank at the time of water supply, and the reliability of the system at the time of initial installation can be improved.
  • control device may operate the cooling water circulation pump so that the first water level detector detects the first water level when the water replenishment unit continues to supply water to the cooling water tank.
  • the fuel cell system according to the first or second invention is a condensed water tank for storing condensed water generated by condensing water vapor in exhaust gas discharged from the fuel cell, and the first waste water.
  • a first water supply channel connected to a first water inlet formed in the condensed water tank and a second water supply channel communicating the condensed water tank and the cooling water tank
  • a cooling water supply pump disposed in the second water supply flow path, and a second drainage port formed in the condensed water tank for discharging water in the condensed water tank,
  • the cooling water tank is disposed at a height equal to or higher than the condensate water tank, and the control device determines that the water level in the condensate water tank is equal to or higher than a second water level lower than the second drainage port.
  • the cooling water supply pump is operated.
  • pure water can be replenished to the cooling water tank, the cooling water supply flow path, and the condensed water tank without overflowing at least from the condensed water tank to the second drain port. Therefore, it is possible to efficiently replenish pure water into the system with the minimum supply amount, and by suppressing the amount of pure water required at the time of installation, the initial cost can be suppressed and the economic efficiency at the time of installation can be improved. Can do.
  • the fuel cell system further comprises a second water level detector for detecting the water level in the condensed water tank in the third invention, and the control device receives the cooling water tank and the condensing from the water replenishment unit.
  • the water supply pump is operated so that when the second water level detector detects the second water level or higher when the water tank is continuously supplied with water, the water level is lower than the second drainage port. is there. According to this, replenishment of pure water to the cooling water tank and supply of pure water by the cooling water supply pump can be performed without delay, and water can be efficiently replenished. Moreover, drainage of water from the condensed water tank can be suppressed.
  • the fuel cell system is connected to the fuel processing device that generates the fuel gas supplied to the fuel cell, the cooling water tank, and the fuel processing device.
  • the controller is configured to generate fuel gas, and the control device operates the reforming water pump when the water level in the cooling water tank becomes equal to or higher than the third water level lower than the first drain port. .
  • the fuel cell system has a simple configuration and can easily and quickly supply reforming water to the fuel processing apparatus even in the initial stage of installation. Can be provided.
  • the first water level and the third water level may be the same or different.
  • a simplified water level sensor can also be used to reduce costs.
  • either water level may be on.
  • the cooling water tank in the first invention may also store condensed water generated by condensing water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell. According to this, high-purity water generated from the fuel cell during system operation can always be secured in the cooling water tank, and stable system operation can be realized over a long period of time.
  • the cooling water tank and the condensed water tank may be configured as a single unit, that is, may be configured by a single common tank.
  • the number of water storage sections in the tank may be one, or the water storage section for the cooling water tank and the water storage section for the condensed water tank may be separated from each other by a partition wall or the like.
  • the first drain port and the second drain port may serve as one drain port or may form two drain ports.
  • the first water level and the second water level may be a common water level.
  • the condensate water tank is configured to be supplied with water from the cooling water tank” means that water is supplied into the condensate water tank by supplying water into the cooling water tank. Therefore, the same phenomenon occurs when water is supplied into the cooling water tank.
  • Embodiment 1 The fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to FIG.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the fuel cell system of the first embodiment includes a fuel cell 1 that supplies a power and heat by reacting a fuel gas such as hydrogen with an oxidant gas such as oxygen in the air, and a fuel. And a fuel processing device 2 that generates a fuel gas such as hydrogen supplied to the battery 1.
  • the fuel cell system also includes a condensed water tank 25 that stores condensed water generated by condensing water vapor in the cathode off-gas discharged from the fuel cell 1 and water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel processing device 2, and a fuel cell. 1 is provided with a cooling water circulation passage 8 through which cooling water for recovering heat generated in 1 circulates, and a cooling water tank 23 disposed on the cooling water circulation passage 8.
  • the fuel cell system includes a cooling water circulation pump 10 disposed on the cooling water circulation passage 8, a first drain port 35 formed in the cooling water tank 23, and a first water tank formed in the condensed water tank 25.
  • the first water supply channel 31 connected to the water inlet 36, the first water level detector 33 for detecting the water level in the cooling water tank 23, and the cooling water tank 23 are formed in the fuel cell system.
  • a water replenishing unit for replenishing water from the outside and a control device 11 are provided.
  • the cooling water tank 23 is disposed at a height higher than the condensate water tank 25, preferably higher than the condensate water tank, and, for example, a connection part (drainage part) 30 of the water cartridge 28 is attached / detached as a water supply part.
  • a connecting portion (water entering portion) 29 (water replenishing portion) that is freely mounted is formed.
  • the second drain outlet 37 for discharging the water in the condensed water tank 25 is formed in the condensed water tank 25.
  • the condensed water tank 25 is provided with a second water level detector 34 that detects the water level in the condensed water tank 25.
  • the fuel cell system includes a second water supply passage 27 connected to the condensed water tank 25 and the cooling water tank 23, a cooling water supply pump 24 disposed in the second water supply passage 27, And an ion exchange resin 26.
  • the fuel cell 1 uses a fuel gas (for example, hydrogen) generated by the fuel processing device 2 and oxygen in the air as an oxidant gas sent from an air blower or the like, as an anode 12 and oxygen as fuel electrodes. Electric power is generated by electrochemical reaction at the cathode 13 which is a pole. At the same time, the fuel cell 1 generates water by the reaction between the fuel gas and oxygen, and therefore, the cathode 13 of the fuel cell 1 discharges off gas containing a large amount of water vapor components.
  • the cooling water 14 stored in the cooling water tank 23 is supplied to the cooling unit 14 of the fuel cell 1 by the cooling water circulation pump 10, and circulates between the cooling water heat exchanger 7 through the cooling water circulation passage 8. .
  • the fuel processing device 2 generates hydrogen from a raw material gas containing a hydrocarbon gas such as methane or propane by a reforming reaction using a catalyst (for example, a steam reforming reaction), and sends the hydrogen to the anode 12 of the fuel cell 1. And since the fuel processing apparatus 2 generally accelerates
  • the hot water stored in the hot water storage tank 3 includes, for example, an exhaust gas heat exchanger 5 that recovers exhaust heat of exhaust gas from the fuel processing device 2 and a cathode off gas heat that recovers exhaust heat of the cathode off gas of the fuel cell 1 by a hot water storage pump 4.
  • a hot water storage circulation path 9 is provided that returns to the hot water storage tank 3 via the exchanger 6 and a cooling water heat exchanger 7 that recovers exhaust heat of the cooling water of the fuel cell 1.
  • the exhaust gas heat exchanger 5 collects exhaust heat of the exhaust gas from the fuel processing device 2 by heat exchange with the hot water circulating in the hot water circulation passage 9, and generates condensed water from the exhaust gas.
  • the cathode offgas heat exchanger 6 collects exhaust heat of the cathode offgas discharged from the fuel cell 1 by heat exchange with the hot water circulating through the hot water circulation passage 9 and generates condensed water from the cathode offgas.
  • the cooling water heat exchanger 7 collects the exhaust heat of the cooling water of the fuel cell 1.
  • the exhaust gas and its condensed water from the exhaust gas heat exchanger 5 and the cathode off gas and its condensed water from the cathode off gas heat exchanger 6 are separated into a condensed water component and a gas component in the gas-liquid separator 20, Cathode off gas and exhaust gas, which are gas components, are exhausted to the outside, and condensed water is stored in the condensed water tank 25.
  • heat exchangers for example, heat exchangers such as a double tube type, a shell and tube type, and a plate type are used.
  • the cooling water tank 23 stores cooling water for recovering heat generated by the fuel cell 1 during power generation and maintaining the fuel cell at a predetermined temperature.
  • the second water supply channel 27 supplies the cooling water tank 23 with the condensed water in the condensed water tank 25 as cooling water.
  • the cooling water supply pump 24 is a pump disposed below the condensed water tank 25 and sends the condensed water in the condensed water tank 25 to the cooling water tank 23 through the second water supply channel 27.
  • the ion exchange resin 26 is provided in the middle of the second water supply channel 27 to treat the condensed water from the condensed water tank 25 into pure water.
  • the cooling water tank 23 is provided with, for example, a connecting portion (water entering portion) 29 for connecting a water cartridge 28 holding pure water therein. Further, the cooling water tank 23 has a first drain port 35 for discharging the overflow amount to the condensed water tank 25 through the first water supply flow path 31, and further a first water level detector for detecting the water level at a lower position. 33.
  • the first water level detector 33 includes, for example, a float switch. In the present embodiment, the first water level detector 33 detects whether or not the water level in the cooling water tank 23 is equal to or higher than the first water level (L1) lower than the position (P1) of the first drain port 35. Is configured to do.
  • the condensed water tank 25 has a second drainage port 37 for discharging the overflow portion to the outside through the drainage flow path 32, and further has a second water level detector 34 for detecting the water level at a lower position.
  • the second water level detector 34 includes, for example, a float switch. In the present embodiment, the second water level detector 34 detects whether or not the water level in the condensed water tank 25 is equal to or higher than the second water level (L2) lower than the position (P2) of the second drainage port 37. Is configured to do.
  • the water cartridge 28 includes, for example, a cooling water tank 23, a cooling water circulation channel 8 including the cooling unit 14 of the fuel cell 1 and the cooling water heat exchanger 7, a first water supply channel 31, and a condensed water tank 25. It can hold a sufficient amount of water to fill. Further, the water cartridge 28 has a cartridge side connection part (drainage part) 30 and is configured to be detachable from the connection part (water entry part) 29 of the cooling water tank 23. Accordingly, the pure water supply operation to the cooling water tank 23 can be easily performed by connecting the connection portion 29 (water supply portion) on the cooling water tank 23 side and the connection portion 30 on the water cartridge 28 side. .
  • the cartridge-side connecting portion 30 is normally in a state in which the valve is mechanically closed by a spring force, and the spring force is released and the valve is opened by being attached to the connecting portion 29.
  • the cooling water tank 23 communicate with each other.
  • the connection part 29 and the cartridge side connection part 30 maintain the sealing property at the time of mounting, it is possible to prevent unexpected water leakage to the surroundings when water is replenished.
  • the water cartridge 28 is held on the cooling water tank 23, the water cartridge 28 having a predetermined weight can be replenished without being restrained while the operator holds the water cartridge 28. It can also be done.
  • the inside of the cooling water tank 23 is empty, and it is necessary to fill the cooling water tank 23 with cooling water in order to operate the system.
  • cooling water in order to suppress deterioration of the fuel cell 1, water with high purity and low conductivity, such as pure water, ion exchange water, and distilled water, is desirable.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating an example of the operation of the control device 11.
  • the supply of pure water from the water cartridge 28 to the cooling water tank 23 is started (step 1).
  • a water cartridge 28 that holds pure water therein is used, and the cartridge side connection portion 30 is mechanically connected to the connection portion 29 of the cooling water tank 23, and the water cartridge is connected to the cooling water tank 23.
  • the pure water in 28 is replenished.
  • the control device 11 detects the cooling water tank 23. You may comprise so that the start of supply of the pure water to may be detected.
  • the control apparatus 11 is the 1st water level detector 33 installed in the position lower than the 1st drain outlet 35, and the water level in the cooling water tank 23 is lower than the height position (P1) of the 1st drain outlet 35.
  • the cooling water circulation pump 10 is activated (steps 2 and 3).
  • the control device 11 controls the discharge amount of the cooling water circulation pump 10 so that the water level in the cooling water tank 23 is equal to or lower than the first drain port 35 (P1).
  • water is successively applied to the cooling water circulation passage 8, the fuel cell cooling section 14, and the cooling water heat exchanger 7.
  • the cooling water circulation pump 10 Since air is initially present in the cooling water circulation channel 8, the fuel cell cooling unit 14, and the cooling water heat exchanger 7, for example, if the water is only stretched by its own weight, There are cases where the air layer cannot be sufficiently removed to the outside. Therefore, by forcibly sending water using the cooling water circulation pump 10, the air inside the cooling water circulation flow path 8 or the like is excluded from the cooling water tank 23 to the outside, for example, and sufficient pure water is contained in the flow path. Can be satisfied. In this manner, the cooling water circulation pump 10 is operated without causing air engagement (idling).
  • the control device 11 switches the cooling water circulation pump 10 so that the first water level detector detects the first water level while continuing to supply water from the connecting portion 29 to the cooling water tank. It may be operated.
  • the first water level may be set to have a predetermined water level width.
  • the control device 11 turns the cooling water circulation pump 10 on. It may be configured to start and stop after a predetermined time. Thereby, the water level of the cooling water tank 23 is substantially maintained at a predetermined water level width in the vicinity of the first water level.
  • the control device 11 is a second water level detector 34 installed at a position lower than the second drainage port 37, and the second water level in the condensed water tank is lower than the second drainage port (P2).
  • the operation of the cooling water supply pump 24 is started (steps 4 and 5).
  • the control device 11 controls the discharge amount of the cooling water circulation pump 10 so that the water level in the condensed water tank 25 is equal to or lower than the height position (P2) of the second drainage port 37. Thereby, water filling in the cooling water supply flow path 27 including the ion exchange resin 26 is performed.
  • the control device 11 supplies the cooling water so that the second water level detector 34 detects the second water level while continuing to supply water from the connecting portion 29 to the cooling water tank 23 and the condensed water tank 25.
  • the pump may be operated.
  • the second water level may be set to have a predetermined water level width.
  • the control device 11 detects the cooling water supply pump. 24 may be started and stopped after a predetermined time. Thereby, the water level of the condensed water tank 25 is substantially maintained at a predetermined water level width in the vicinity of the second water level.
  • step 6 the supply of pure water from the water cartridge 28 is stopped (step 6).
  • the supply of pure water from the water cartridge 28 is stopped by confirming the drainage of the overflow water from the second drain port 37 of the condensed water tank 25 or the remaining water amount of the water cartridge 28 containing the pure water being a predetermined amount.
  • the process may be ended below or when the water cartridge 28 becomes empty. Further, for example, using a proximity switch or the like, it is detected that the connection portion of the water cartridge 28 has been detached from the connection portion 29 of the cooling water tank 23, and the control device 11 detects the cooling water tank 23 based on this detection output. You may comprise so that the stop of supply of the pure water to may be detected.
  • pure water can be supplied to the cooling water tank 23 and the condensed water tank 25 with a simple configuration in which the water cartridge 28 is simply connected to the cooling water tank 23.
  • the load on the ion exchange resin 26 can be reduced, and the reliability of the system can be improved.
  • the pure water can be replenished to the cooling water tank 23, the cooling water circulation passage 8 and the condensed water tank 25 without overflowing from the condensed water tank 25 to the second drain port 37, and the efficiency can be reduced with the minimum supply amount.
  • the cooling water circulation pump 10 is started after the first water level detector 33 of the cooling water tank 23 detects the water level. However, the cooling water tank 23 overflows and the condensed water tank 25
  • the cooling water circulation pump 10 may be started after the second water level detector 34 detects the water level. In this case, the overflow to the condensate water tank 25 is stopped by the start of water filling to the cooling water circulation channel 8 and the water level of the cooling water tank 23 is lowered, but the water level is restored when the water filling to the cooling water circulation channel 8 is completed. Then, the cooling water circulation pump 10 may be stopped when the first water level detector 33 has confirmed a sufficient water level again.
  • the replenishment amount is directly detected by detecting the water level using the water level sensor.
  • the control device 11 calculates the replenishment amount based on the elapsed time from the start of the water replenishment operation, The start timing of the water circulation pump 10 may be determined.
  • connection portion 29 for connecting the water cartridge 28 to the cooling water tank 23 is provided.
  • a hose is connected to the cooling water tank 23 and a funnel with a lid is provided at the tip.
  • the water cartridge 28 may be poured with water.
  • the cooling water tank 23 is disposed above the condensate water tank 25.
  • the cooling water tank 23 may be disposed at substantially the same height, for example, in the same casing.
  • the two chambers may be provided, and each may be configured as a tank for storing cooling water and condensed water.
  • the 1st water supply flow path 31 can be set as the part which a cooling water flows out into the chamber by the side of a condensed water beyond the partition which divides the inside of a housing
  • Embodiment 2 a fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart showing an example of the operation of the control device when the fuel cell system according to the second embodiment is installed. Note that the configuration and operation of the fuel cell system according to the present embodiment are substantially the same as those described in the first embodiment, and thus detailed description thereof is omitted.
  • the fuel cell system includes a third water supply channel 38 connected to the cooling water tank 23 and the fuel processing device 2, and a modification disposed on the third water supply channel 38.
  • the fuel processing apparatus 2 includes a quality water pump 39 and is configured to generate a fuel gas by performing a reforming reaction between the raw material gas and water supplied from the reforming water pump 39.
  • the first water level detector 33 is configured to detect a third water level (L3) in which the water level in the cooling water tank 23 is lower than the height position (P1) of the first drain port 35.
  • the first water level (L1) and the third water level (L3) are set to be the same. Thereby, for example, since a single water level sensor can be used in combination, the cost can be suppressed.
  • the control device 11 turns on the reforming water pump 39. Operate (Step 6 and Step 7). According to this, the reforming water can be easily and quickly supplied to the fuel processing device 2 with a simple configuration even at the initial stage of installation.
  • the first water level (L1) and the third water level (L3) are set to be the same, but may be different. In this case, either water level may be set above.
  • the cooling water tank and the condensed water tank are configured separately, but the present invention is not limited to this.
  • the cooling water tank may store condensed water generated by condensing water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell. According to this, high-purity water generated from the fuel cell during system operation can always be secured in the cooling water tank, and stable system operation can be realized over a long period of time.
  • cooling water tank 23 and the condensed water tank 25 may be configured as a single unit, that is, may be configured as a single common tank.
  • the number of water storage sections in the tank may be one, or the water storage section for cooling water and the water storage section for condensed water may be separated from each other by a partition wall or the like.
  • the first drain port 35 and the second drain port 37 may serve as one drain port or may form two drain ports.
  • the first water level and the second water level may be a common water level.
  • the fuel cell system according to the present invention can achieve efficient use of water, various types such as a polymer electrolyte fuel cell system and a polymer electrolyte fuel cell system for home use and business use are available. Applicable to various fuel cell systems.

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Abstract

　燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて電力および熱を供給する燃料電池（１）と、燃料電池（１）で発生する熱を吸収する冷却水が循環する冷却水循環流路（８）と、冷却水循環流路（８）に配置されている冷却水タンク（２３）と、冷却水循環流路（８）に配置されている冷却水循環ポンプ（１０）と、冷却水タンク（２３）に形成されている第１排水口（３５）と、冷却水タンク（２３）内の水の水位を検知する第１水位検知器（３３）と、冷却水タンク（２３）に形成され、燃料電池システムの外部から水が補給される水補給部（２９）と、制御装置（１１）とを備える。制御装置（１１）は、第１水位検知器（３３）が第１排水口（３５）より低い第１水位（Ｌ１）以上の水位を検知した場合に、水位が第１排水口（３５）以下になるように、冷却水循環ポンプ（１０）を動作させる。

Description

燃料電池システム
　本発明は、水素と酸素の直接反応により電気エネルギーを生成する燃料電池システムに関する。
　燃料電池システムは、発電効率が高く、大気汚染物質もほとんど排出しないため、省エネかつクリーンな発電装置として近年期待されている。特に、発電時に発生する熱を給湯や暖房等に回収利用する燃料電池システムは、総合的なエネルギー効率が高く、家庭用のエネルギー機器としての普及が望まれている（例えば特許文献１参照）。
　このような従来の燃料電池システムは、例えば、燃料処理器、冷却水タンク、貯湯タンク、及び回収水タンクを備える。燃料処理器は、例えば、原料ガスを水蒸気で改質することにより、燃料電池の燃料ガスとなる水素を生成する。そして、燃料電池は、燃料処理装置で生成された水素をアノードに、空気ブロワなどにより供給された酸化剤ガスとしての空気をカソードに流通させ、電気化学的に反応させることで発電を行う。
　また、冷却水タンクを含む冷却水循環流路に冷却水を循環させることによって、燃料電池を冷却すると同時に燃料電池から排熱を回収し、この排熱を回収した冷却水を貯湯水と熱交換させることによって、回収した排熱を貯湯タンクに貯湯水として蓄える。
　さらに、燃料電池から排出された未利用の燃料ガス（アノードオフガス）及び酸化剤ガス（カソードオフガス）からこれらの水分を凝縮させて回収し、この回収した水（回収水）を回収水タンクに貯留する。そして、この回収水タンクに貯留された回収水を、冷却水供給流路を介して冷却水タンクに供給する。冷却水供給流路にはフィルタが配置されていて、回収水はフィルタで浄化されて純水として冷却水タンクに供給される。
　このような燃料電池システムを初めて運転する場合は、あらかじめ冷却水循環流路を純水で満たしておく必要がある。その方法として、ポンプや弁などの動作により外部から水道水などを自動的に給水する方法がある（以下、「自動給水」という）。自動給水は、簡便化な給水方法を実現するために考えられた方式である。例えば、上述の特許文献１の燃料電池システムでは、この方式は、貯湯水循環流路から給水流路を給水弁を介して回収水タンクに接続し、燃料電池システムの設置時に、まず給水弁を開放して回収水タンクを水道水で満たし、次に冷却水供給ポンプでフィルタを介して冷却水タンクを純水で満たし、冷却水循環ポンプで冷却水循環流路を満たすように構成されている。
特開２００６－１０７８９３号公報
　しかしながら、上記特許文献１をはじめとする従来技術には、更なる効率的な水の利用を確保するという観点からは、いまだ改善の余地があった。
　そこで、本発明は、より効率的な水の利用を実現することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
　上記従来技術の課題を鑑みて本発明者らが鋭意検討をした結果、本発明者らは、更なる水の効率利用の観点から上記特許文献１をはじめとする従来の燃料電池システムには以下の課題があることを見出した。
　すなわち、従来の燃料電池システムは、上記特許文献１に代表されるように、貯湯タンクから回収水タンクに水を供給し、回収水タンクの水位検出器が水位上昇を検知した場合に冷却水供給ポンプを動作させるものであった。冷却水供給ポンプは、イオン交換樹脂で構成されるフィルタにおける確実なイオン交換を実現するなどの理由から水の供給量を抑えて動作させるものであるため、貯湯タンクからの水の供給量が多い場合には回収水タンクに形成されている排水口から排水されてしまうことがあった。特に、このような課題は、水カートリッジなどを用いて手動で純水を給水する方法（以下、「手動給水」という）の場合に大きな問題となる。つまり、施工者が純水カートリッジを用いて給水している場合に、純水が供給される回収水タンクなどから純水が排水されてしまうと、燃料電池システムを動作させるための水が足りなくなるおそれがあった。この場合、燃料電池システムが異常を報知して、施工者が再び水を追加で給水することになり、施工の手間が大きくなり、結果として施工費用が上昇してしまうおそれがあった。
　そこで、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて電力および熱を供給する燃料電池と、燃料電池で発生する熱を吸収する冷却水が循環する冷却水循環流路と、冷却水循環流路上に配置されている冷却水タンクと、冷却水循環流路上に配置されている冷却水循環ポンプと、冷却水タンクに形成されている第１排水口と、冷却水タンク内の水の水位を検知する第１水位検知器と、冷却水タンクに形成され、燃料電池システムの外部から水が補給される水補給部と、制御装置と、を備え、制御装置は、第１水位検知器が第１排水口より低い第１水位以上の水位を検知した場合に、水位が第１排水口以下になるように、冷却水循環ポンプを動作させる燃料電池システムである。
　この構成において、冷却水タンク内の水の水位が第１排水口より低い第１水位以上になった場合に、冷却水タンク内の水位が第１排水口以下になるように冷却水循環ポンプを動作させることで、供給された水が排水されないようにすることができる。そのため、例えば、冷却水タンクに純水カートリッジの純水を供給するような手動給水の方式でも、量が限られている純水の排水を抑制して、純水を最大限利用することができ、燃料電池システムの異常の報知も抑制することができる。
　本発明の燃料電池システムは、供給される水の排水を抑制することで、効率的な水の利用を実現することができる。
本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図である。 図１の燃料電池システム設置時の制御装置の動作の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成図である。 図３の燃料電池システム設置時の制御装置の動作の一例を示すフローチャートである。
　第１の発明では、燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて電力および熱を供給する燃料電池と、燃料電池で発生する熱を吸収する冷却水が循環する冷却水循環流路と、冷却水循環流路上に配置されている冷却水タンクと、冷却水循環流路上に配置されている冷却水循環ポンプと、冷却水タンクに形成されている第１排水口と、冷却水タンク内の水の水位を検知する第１水位検知器と、冷却水タンクに形成され、燃料電池システムの外部から水が補給される水補給部と、制御装置と、を備え、制御装置は、第１水位検知器が第１排水口より低い第１水位以上の水位を検知した場合に、水位が第１排水口以下になるように、冷却水循環ポンプを動作させるものである。
　この構成において、冷却水タンク内の水の水位が第１排水口より低い第１水位以上になった場合に、冷却水タンク内の水位が第１排水口以下になるように冷却水循環ポンプを動作させることで、供給された水が排水されないようにすることができる。そのため、例えば、冷却水タンクに純水カートリッジの純水を供給するような手動給水の方式でも、量が限られている純水の排水を抑制して、純水を最大限利用することができ、燃料電池システムの異常の報知も抑制することができる。つまり、最小限の純水の供給量で効率よく給水することが可能となり、設置時に必要な純水量を抑制することで、初期費用を抑制し設置時の経済性の向上を図ることができる。
　言い換えれば、冷却水タンクから純水が排水されないように、かつ、冷却水循環ポンプがエア噛み（空転）しないように、冷却水循環ポンプを動作させることができるので、効率良く給水を行うことができる。
　第２の発明では、燃料電池システムは、第１の発明における水補給部は、純水を充填した純水カートリッジの排水部が着脱自在に装着される入水部である。
　この構成において、冷却水タンク側の入水部（水補給部）に純水カートリッジ側の排水部を装着（接続）することで、冷却水タンクへの純水の補給作業を簡単に行うことができる。
　また、水補給部からの給水により冷却水タンクに水が供給されることで冷却水タンク内の水位が上昇するように構成されていてもよい。これによれば、水補給時に冷却水タンク内の水位を確保しながら、冷却水循環ポンプによる水張りを確実に行うことができ、初期設置時のシステムの信頼性を向上させることができる。
　また、制御装置は、水補給部から冷却水タンクに水の補給を継続している時、第１水位検知器が第１水位を検知するように冷却水循環ポンプを動作させてもよい。この構成によれば、冷却水タンクへの純水の補給と冷却水循環流路への純水の供給とを、遅滞することなく行うことができ、効率よく水補給を実施することができる。また、冷却水タンク内からの水の排水を抑制することができる。
　第３の発明では、燃料電池システムは、第１または第２の発明において、前記燃料電池から排出される排ガス中の水蒸気を凝縮させて発生する凝縮水を貯める凝縮水タンクと、前記第１排水口と前記凝縮水タンクに形成されている第１入水口とに接続している第１水供給流路と、前記凝縮水タンクと前記冷却水タンクとを連通している第２水供給流路と、前記第２水供給流路に配置されている冷却水供給ポンプと、前記凝縮水タンクに形成され、前記凝縮水タンク内の水を排出するための第２排水口と、を備え、前記冷却水タンクは、前記凝縮水タンクの高さ以上に配置されており、前記制御装置は、前記凝縮水タンク内の水の水位が前記第２排水口より低い第２水位以上になった場合に、前記冷却水供給ポンプを動作させるものである。
　この構成によれば、少なくとも凝縮水タンクから第２排水口へのオーバーフローさせることなく、純水を冷却水タンク、冷却水供給流路、凝縮水タンクに補給することができる。そのため、最小限の供給量で効率よく純水をシステム内に補給することが可能となり、設置時に必要な純水量を抑制することで、初期費用を抑制し設置時の経済性の向上を図ることができる。
　第４の発明では、燃料電池システムは、第３の発明において、凝縮水タンク内の水の水位を検知する第２水位検知器を更に備え、制御装置は、水補給部から冷却水タンクおよび凝縮水タンクに水の補給を継続している時に、第２水位検知器が第２水位以上を検知した場合に、水位が第２排水口以下になるように、冷却水供給ポンプを動作させるものである。これによれば、冷却水タンクへの純水の補給と冷却水供給ポンプによる純水の供給とを、遅滞することなく行うことができ、効率よく水補給を実施することができる。また、凝縮水タンク内からの水の排水を抑制することができる。
　第５の発明では、燃料電池システムは、第３又は第４の発明において、燃料電池に供給される燃料ガスを生成する燃料処理装置と、冷却水タンクと燃料処理装置とに接続している第３水供給流路と、第３水供給流路上に配置されている改質水ポンプとを備え、燃料処理装置は、原料ガスと改質水ポンプから供給される水とを改質反応させて燃料ガスを生成するように構成されており、制御装置は、冷却水タンク内の水の水位が第１排水口より低い第３水位以上になった場合、改質水ポンプを動作させるものである。
　この構成によれば、簡単な構成で、設置初期においても燃料処理装置に容易かつ速やかに改質水を供給することができ、設置時の試運転時間を短縮でき、設置性に優れた燃料電池システムを提供することができる。
　尚、第１水位と第３水位とは同じでもよいし、異なってもよい。第１水位と第３水位が同じ場合は例えば水位センサを簡素化したものを兼用して用いることで、コストを抑えることができる。第１水位と第３水位が異なる場合は、どちらの水位が上でもよい。
　第６の発明では、燃料電池システムは、第１の発明における冷却水タンクが、燃料電池から排出される排ガス中の水蒸気を凝縮させて発生する凝縮水も貯めていてもよい。これによれば、システム運転時に燃料電池から発生する純度の高い水を、冷却水タンクに常に確保することができ、長期にわたって安定したシステム運転を実現することができる。
　なお、冷却水タンクと凝縮水タンクとは一体としても構成してもよい、つまり共通の一つのタンクで構成されていてもよい。この場合、タンク内の貯水部を一つとしてもよいし、冷却水タンク用の貯水部と凝縮水タンク用の貯水部とを隔壁などで隔てて形成してもよい。この場合、第１排水口と第２排水口とは一つの排水口を兼用してもよいし、二つの排水口を形成してもよい。さらに、第１水位と第２水位とは共通の水位としてもよい。また、「凝縮水タンクには、冷却水タンクから水が供給されるように構成されている」とは、冷却水タンク内に水が供給されることにより凝縮水タンク内に水が供給されるので、冷却水タンク内に水が供給されると同じ現象となる。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
　（実施の形態１）
　以下に、本発明の実施の形態１の燃料電池システムについて、図１を用いて説明する。
　図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図である。
　図１に示すように、本実施の形態１の燃料電池システムは、水素等の燃料ガスと空気中の酸素等の酸化剤ガスとを反応させて電力および熱を供給する燃料電池１と、燃料電池１に供給される水素等の燃料ガスを生成する燃料処理装置２と、を備えている。また、燃料電池システムは、燃料電池１から排出されるカソードオフガス中の水蒸気および燃料処理装置２から排出される排ガス中の水蒸気を凝縮させて発生する凝縮水を貯める凝縮水タンク２５と、燃料電池１で発生する熱を回収する冷却水が循環する冷却水循環流路８と、冷却水循環流路８上に配置されている冷却水タンク２３と、を備えている。さらに、燃料電池システムは、冷却水循環流路８上に配置されている冷却水循環ポンプ１０と、冷却水タンク２３に形成されている第１排水口３５と凝縮水タンク２５に形成されている第１入水口３６とに接続している第１水供給流路３１と、冷却水タンク２３内の水の水位を検知する第１水位検知器３３と、冷却水タンク２３に形成され、燃料電池システムの外部から水が補給される水補給部と、制御装置１１を備えている。
　冷却水タンク２３は、凝縮水タンク２５以上の高さ、好ましくは凝縮水タンクより高い位置に配置されているとともに、水補給部として、例えば、水カートリッジ２８の接続部（排水部）３０が着脱自在に装着される接続部（入水部）２９（水補給部）が形成されている。
　凝縮水タンク２５には、凝縮水タンク２５内の水を排出するための第２排水口３７が形成されている。また、凝縮水タンク２５には、凝縮水タンク２５内の水の水位を検知する第２水位検知器３４が設けられている。さらに、燃料電池システムは、凝縮水タンク２５と冷却水タンク２３とに接続している第２水供給流路２７と、第２水供給流路２７に配置されている冷却水供給ポンプ２４と、イオン交換樹脂２６とを備えている。
　燃料電池１は、燃料処理装置２で生成された燃料ガス（例えば、水素）と、空気ブロワなどから送られた酸化剤ガスとしての空気の中の酸素とを、燃料極であるアノード１２および酸素極であるカソード１３において電気化学的に反応させて発電を行う。燃料電池１は、同時に、燃料ガスと酸素との反応により水を生成するため、燃料電池１のカソード１３からは水蒸気成分を多く含んだオフガスを排出する。また、燃料電池１の冷却部１４には、冷却水循環ポンプ１０により、冷却水タンク２３に貯蔵された冷却水が供給され、冷却水循環流路８によって冷却水熱交換器７との間を循環する。
　燃料処理装置２は、メタンやプロパンなどの炭化水素ガスを含む原料ガスから、触媒による改質反応（例えば水蒸気改質反応）により水素を生成し、燃料電池１のアノード１２に送出する。そして、燃料処理装置２は、一般に、原料ガスの燃焼熱を用いて改質反応を促進するため、水蒸気成分を多く含んだ燃焼排ガスを排出する。
　貯湯タンク３からの貯湯水は、例えば、貯湯ポンプ４により、燃料処理装置２の排ガスの排熱を回収する排ガス熱交換器５と、燃料電池１のカソードオフガスの排熱を回収するカソードオフガス熱交換器６と、燃料電池１の冷却水の排熱を回収する冷却水熱交換器７とを介して貯湯タンク３に戻る貯湯水循環流路９を備える。
　排ガス熱交換器５は、貯湯水循環流路９を循環する貯湯水との熱交換により燃料処理装置２からの排ガスの排熱を回収するとともに、排ガスから凝縮水を生成する。カソードオフガス熱交換器６は貯湯水循環流路９を循環する貯湯水との熱交換により燃料電池１から排出されるカソードオフガスの排熱を回収するとともに、カソードオフガスから凝縮水を生成する。
　冷却水熱交換器７は燃料電池１の冷却水の排熱を回収する。なお、排ガス熱交換器５からの排ガスおよびその凝縮水と、カソードオフガス熱交換器６からのカソードオフガスおよびその凝縮水は、気液分離器２０において、凝縮水成分とガス成分とに分離され、ガス成分であるカソードオフガスと排ガスは外部に排気され、凝縮水は凝縮水タンク２５に貯留される。なお、これら熱交換器としては、例えば二重管式やシェルアンドチューブ式、プレート式などの熱交換器が用いられる。
　なお、冷却水タンク２３は、燃料電池１で発電に伴って発生する熱を回収して燃料電池を所定温度に保つための冷却水を貯留する。第２水供給流路２７は、凝縮水タンク２５内の凝縮水を冷却水として冷却水タンク２３に補給する。冷却水供給ポンプ２４は、凝縮水タンク２５より下方に配置されたポンプであり、凝縮水タンク２５内の凝縮水を第２水供給流路２７を通して冷却水タンク２３に送る。イオン交換樹脂２６は、第２水供給流路２７の途中に設けられ凝縮水タンク２５からの凝縮水を純水に処理する。
　冷却水タンク２３には、例えば、内部に純水を保持した水カートリッジ２８を接続するための接続部（入水部）２９が設けられている。また、冷却水タンク２３はオーバーフロー分を第１水供給流路３１を通じて凝縮水タンク２５に排出する第１排水口３５を有し、さらに、それより低い位置で水位を検出する第１水位検知器３３を有する。第１水位検知器３３は、例えばフロートスイッチを備えている。本実施の形態では、第１水位検知器３３は、冷却水タンク２３内の水の水位が第１排水口３５の位置（Ｐ１）より低い第１水位（Ｌ１）以上であるか否かを検知するように構成されている。
　凝縮水タンク２５はオーバーフロー分を排水流路３２を通じて外部に排出する第２排水口３７を有し、さらに、それより低い位置で水位を検出する第２水位検知器３４を有する。第２水位検知器３４は、例えばフロートスイッチを備えている。本実施の形態では、第２水位検知器３４は、凝縮水タンク２５内の水の水位が第２排水口３７の位置（Ｐ２）より低い第２水位（Ｌ２）以上であるか否かを検知するように構成されている。
　ここで、水カートリッジ２８は、例えば、冷却水タンク２３、燃料電池１の冷却部１４および冷却水熱交換器７を含む冷却水循環流路８、第１水供給流路３１、凝縮水タンク２５を満たすのに十分な量の水を保持することができるものである。また、水カートリッジ２８はカートリッジ側接続部（排水部）３０を有し、冷却水タンク２３の接続部（入水部）２９と着脱自在な構成を有している。これにより、冷却水タンク２３側の接続部２９（水補給部）と水カートリッジ２８側の接続部３０を接続することで、冷却水タンク２３への純水の補給作業を簡単に行うことができる。
　このカートリッジ側接続部３０は、例えば、通常はバネ力により弁が機械的に閉止された状態にあり、接続部２９への装着により、バネ力が解除され弁が開放され、水カートリッジ２８の内部と冷却水タンク２３とが連通するように構成されている。さらに、装着時に接続部２９およびカートリッジ側接続部３０がシール性を保持するものであれば、水補給時の周囲への不測の水漏れを防止することができる。また、水カートリッジ２８が冷却水タンク２３上に保持されるような構成であれば、所定の重量を有する水カートリッジ２８を作業者が持ったままの状態で拘束されることなく、水の補給を行うこともできる。
　このような燃料電池システムを初めて設置する際は、冷却水タンク２３内部は空の状態であり、システムを運転するためには、冷却水タンク２３を冷却用の水で満たす必要がある。このような冷却水としては、燃料電池１の劣化を抑制するために、純水やイオン交換水、蒸留水等の純度が高く導電率の低い水が望ましい。
　以下では、本実施の形態１の燃料電池システム設置時において水カートリッジを用いて手動で純水を給水する方法（以下、「手動給水」という）について説明する。図２は、制御装置１１の動作の一例を示すフローチャートである。
　まず、水カートリッジ２８から冷却水タンク２３に純水の供給が開始される（ステップ１）。本実施の形態１では、例えば純水を内部に保持した水カートリッジ２８を用い、そのカートリッジ側接続部３０を冷却水タンク２３の接続部２９に機械的に接続し、冷却水タンク２３に水カートリッジ２８内の純水を補給する。なお、例えば、近接スイッチ等を用いて、冷却水タンク２３の接続部２９へ水カートリッジ２８の接続部が装着されたことを検知し、この検知出力に基づいて、制御装置１１が冷却水タンク２３への純水の供給の開始を検知するように構成してもよい。
　冷却水タンク２３に純水が供給され続けると、徐々に水面は上昇する。そして、制御装置１１は、第１排水口３５より低い位置に設置した第１水位検知器３３で、冷却水タンク２３内の水の水位が第１排水口３５の高さ位置（Ｐ１）より低い第１水位（Ｌ１）以上を検出したときに、冷却水循環ポンプ１０を起動させる（ステップ２及び３）。制御装置１１は、冷却水タンク２３内の水の水位が第１排水口３５（Ｐ１）以下になるように冷却水循環ポンプ１０の吐出量を制御する。これにより、冷却水循環流路８、燃料電池の冷却部１４および冷却水熱交換器７に順次水が張られていく。冷却水循環流路８や燃料電池の冷却部１４、冷却水熱交換器７の内部には、初期には空気が存在するため、例えば、水の自重だけで水を張るだけでは、流路内の空気層を十分外部に排除できない場合がある。そこで、冷却水循環ポンプ１０を用いて強制的に水を送ることで、冷却水循環流路８等の内部の空気を、例えば、冷却水タンク２３から外部に排除し、流路内を十分な純水で満たすことが可能となる。このように、冷却水循環ポンプ１０をエア噛み（空転）することなく、動作させる。
　このとき、制御装置１１は、冷却水循環ポンプ１０を、接続部２９から冷却水タンクに水の補給を継続している時に、第１水位検知器が第１水位を検知するように冷却水循環ポンプを動作させてもよい。ここで、第１水位は、所定の水位幅になるように設定してもよい。具体的には、例えば、冷却水循環ポンプ１０の吐出量を水カートリッジ２８からの水供給量より大きく設定し、第１水位検知器が第１水位以上を検知すると制御装置１１が冷却水循環ポンプ１０を起動し、且つ所定時間後に停止させるよう構成してもよい。これより、冷却水タンク２３の水位が第１水位近傍の所定の水位幅に略維持される。
　このとき、冷却水タンク２３の水位上昇は一旦は鈍化ないしは水位低下に転じるものの、さらに、水カートリッジ２８より冷却水タンク２３に純水が供給され続けるとともに冷却水循環流路８内が純水で満たされてくると、第１排水口３５から水が溢れはじめ、このオーバーフロー分は第１水供給流路３１を通じて凝縮水タンク２５に排出される。凝縮水タンク２５にオーバーフローとしての純水が供給され続けると、徐々に水面が上昇する。本実施の形態では、制御装置１１は、第２排水口３７より低い位置に設置した第２水位検知器３４で、凝縮水タンク内の水の水位が第２排水口（Ｐ２）より低い第２水位以上（Ｌ２）になったことを検知した場合、冷却水供給ポンプ２４の動作を開始させる（ステップ４及び５）。制御装置１１は、凝縮水タンク２５内の水の水位が第２排水口３７の高さ位置（Ｐ２）以下になるように冷却水循環ポンプ１０の吐出量を制御する。これにより、イオン交換樹脂２６を含む冷却水供給流路２７の中の水張りが行われる。
　さらに、制御装置１１は、接続部２９から冷却水タンク２３および凝縮水タンク２５に水の補給を継続している時に、第２水位検知器３４が第２水位を検知するように、冷却水供給ポンプを動作させてもよい。ここで、第２水位は、所定の水位幅になるように設定してもよい。具体的には、例えば、冷却水供給ポンプ２４の吐出量を水カートリッジ２８からの水供給量より大きく設定し、第２水位検知器が第２水位以上を検知すると制御装置１１が冷却水供給ポンプ２４を起動し、且つ所定時間後に停止させるよう構成してもよい。これより、凝縮水タンク２５の水位が第２水位近傍の所定の水位幅に略維持される。
　最後に、水カートリッジ２８からの純水の供給が停止される（ステップ６）。なお、水カートリッジ２８からの純水の供給の停止は、凝縮水タンク２５の第２排水口３７からのオーバーフロー水の排水の確認、もしくは、純水を収納した水カートリッジ２８の残水量が所定量以下もしくは水カートリッジ２８が空になった時点で終了とすればよい。また、例えば、近接スイッチ等を用いて、冷却水タンク２３の接続部２９から水カートリッジ２８の接続部が離脱されたことを検知し、この検知出力に基づいて、制御装置１１が冷却水タンク２３への純水の供給の停止を検知するように構成してもよい。
　本実施の形態によれば、水カートリッジ２８を冷却水タンク２３に接続するだけの簡単な構成で、冷却水タンク２３および凝縮水タンク２５への純水の供給を可能とすることができる。また、初期設置時に、凝縮水タンク２５に純水を供給することで、イオン交換樹脂２６への負荷を減らすことができ、システムの信頼性の向上を図ることができる。さらに、凝縮水タンク２５から第２排水口３７へオーバーフローさせることなく、純水を冷却水タンク２３、冷却水循環流路８、凝縮水タンク２５に補給することができ、最小限の供給量で効率よく純水をシステム内に補給することが可能となり、設置時に必要な純水量を抑制することで、初期費用を抑制し設置時の経済性の向上を図ることができる。また、凝縮水タンク２５の水位を十分確保しておくことで、イオン交換樹脂２６を含む冷却水供給流路２７の中の水張りを行うことも容易に実現できる。
　したがって、本実施の形態によれば、簡単な構成で、システム内への純水供給を可能とし、かつ、最小限の供給量で効率よく純水をシステム内に補給することを可能とすることで、信頼性と設置時の経済性に優れた燃料電池システムを提供することができる。
　なお、本実施の形態では、冷却水タンク２３の第１水位検知器３３が水位を検出した後に、冷却水循環ポンプ１０を起動するものとしたが、冷却水タンク２３をオーバーフローさせ凝縮水タンク２５の第２水位検知器３４が水位を検出した後に、冷却水循環ポンプ１０を起動するものとしてもよい。この場合、冷却水循環流路８への水張り開始により、凝縮水タンク２５へのオーバーフローは停止され、冷却水タンク２３の水位も低下するが、冷却水循環流路８への水張りが完了すると水位は回復し、再度第１水位検知器３３が十分な水位を確認できた時点で、冷却水循環ポンプ１０を停止させればよい。
　また、本実施の形態では、水位センサを用いて水位検出により直接補給量を検出するものとしたが、制御装置１１により、水補給操作の開始時点からの経過時間により補給量を算出し、冷却水循環ポンプ１０の起動タイミングを決定するものとしても構わない。
　さらに、本実施の形態では、冷却水タンク２３に水カートリッジ２８が接続される接続部２９が設けられるものとしたが、冷却水タンク２３に例えばホースが接続され、その先端に蓋つきの漏斗を設けられ、そこに水カートリッジ２８より水を注ぎ込むような構成としても構わない。
　また、本実施の形態では、冷却水タンク２３は、凝縮水タンク２５より上方に配置されているものとしたが、略同等の高さに配置するものでもよく、例えば、同一の筐体内に区画された２室を設け、それぞれを冷却水および凝縮水を収納するタンクとするような構成としてもよい。このとき、第１水供給流路３１は、筐体内を区画する隔壁を越えて、冷却水が凝縮水側の室に流出する部分と設定することができる。
　（実施の形態２）
　以下に、本発明の実施の形態２の燃料電池システムについて、図３及び図４を用いて説明する。
　図３は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成図である。図４は、本実施の形態２の燃料電池システム設置時の制御装置の動作の一例を示すフローチャートである。なお、本実施の形態の燃料電池システムの構成およびその作用は、実施の形態１で説明したものと略同一であるので、詳細な説明は省略する。
　本実施の形態２が実施の形態１と異なる点について説明する。図３に示すように、燃料電池システムは、冷却水タンク２３と燃料処理装置２とに接続している第３水供給流路３８と、第３水供給流路３８上に配置されている改質水ポンプ３９とを備え、燃料処理装置２は、原料ガスと改質水ポンプ３９から供給される水とを改質反応させて燃料ガスを生成するように構成されている。
　また、第１水位検知器３３は、冷却水タンク２３内の水の水位が第１排水口３５の高さ位置（Ｐ１）より低い第３水位（Ｌ３）を検知するように構成されている。本実施の形態では、第１水位（Ｌ１）と第３水位（Ｌ３）は同じに設定している。これにより、例えば単一の水位センサを兼用して用いることができるので、コストを抑えることができる。
　更に、図４に示すように、制御装置１１は、冷却水タンク２３内の水の水位が第１排水口３５の高さ位置より低い第３水位以上になった場合、改質水ポンプ３９を動作させる（ステップ６及びステップ７）。これによれば、簡単な構成で、設置初期においても燃料処理装置２に容易かつ速やかに改質水を供給することができる。
　したがって、設置時の試運転時間を短縮でき、設置性に優れた燃料電池システムを提供することができる。
　尚、実施の形態２では、第１水位（Ｌ１）と第３水位（Ｌ３）は同じに設定したが、異なってもよい。この場合はどちらの水位が上に設定してもよい。
　なお、実施の形態１および２において、冷却水タンクと凝縮水タンクは別々に構成したが、これに限定されるものではない。例えば冷却水タンクは、燃料電池から排出される排ガス中の水蒸気を凝縮させて発生する凝縮水も貯めていてもよい。これによれば、システム運転時に燃料電池から発生する純度の高い水を、冷却水タンクに常に確保することができ、長期にわたって安定したシステム運転を実現することができる。
　更に、冷却水タンク２３と凝縮水タンク２５とは一体としても構成してもよい、つまり共通の一つのタンクで構成されていてもよい。この場合、タンク内の貯水部を一つとしてもよいし、冷却水用の貯水部と凝縮水用の貯水部とを隔壁などで隔てて形成してもよい。この場合、第１排水口３５と第２排水口３７とは一つの排水口を兼用してもよいし、二つの排水口を形成してもよい。さらに、第１水位と第２水位とは共通の水位としてもよい。
　上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
　以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、水の効率的な利用を実現することができるので、家庭用および業務用の、固体高分子形および固体高分子形燃料電池システムなどの様々な燃料電池システムに適用できる。
　１　燃料電池
　２　燃料処理装置
　３　貯湯タンク
　４　貯湯ポンプ
　５　排ガス熱交換器
　６　カソードオフガス熱交換器
　７　冷却水熱交換器
　８　冷却水循環流路
　９　貯湯水循環流路
　１０　冷却水循環ポンプ
　１１　制御装置
　２３　冷却水タンク
　２５　凝縮水タンク
　２８　水カートリッジ
　２９　接続部（水補給部）
　３０　カートリッジ側接続部
　３１　第１水供給流路
　３３　第１水位検知器
　３４　第２水位検知器
　３５　第１排水口
　３６　第１入水口
　３７　第２排水口

Claims (6)

  1. 　燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて電力および熱を供給する燃料電池と、
    　前記燃料電池で発生する熱を吸収する冷却水が循環する冷却水循環流路と、
    　前記冷却水循環流路に配置されている冷却水タンクと、
    　前記冷却水循環流路に配置されている冷却水循環ポンプと、
    　前記冷却水タンクに形成されている第１排水口と、
    　前記冷却水タンク内の水の水位を検知する第１水位検知器と、
    　前記冷却水タンクに形成され、前記燃料電池システムの外部から水が補給される水補給部と、
    　制御装置と、
    を備え、
    　前記制御装置は、前記第１水位検知器が前記第１排水口より低い第１水位以上の水位を検知した場合に、前記水位が前記第１排水口以下になるように、前記冷却水循環ポンプを動作させる燃料電池システム。
  2. 　前記水補給部は、純水を充填した純水カートリッジの排水部が着脱自在に装着される入水部である、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　前記燃料電池から排出される排ガス中の水蒸気を凝縮させて発生する凝縮水を貯める凝縮水タンクと、
    　前記第１排水口と前記凝縮水タンクに形成されている第１入水口とに接続している第１水供給流路と、
    　前記凝縮水タンクと前記冷却水タンクとを連通している第２水供給流路と、
    　前記第２水供給流路に配置されている冷却水供給ポンプと、
    　前記凝縮水タンクに形成され、前記凝縮水タンク内の水を排出するための第２排水口と、
    を備え、
    　前記冷却水タンクは、前記凝縮水タンクの高さ以上に配置されており、
    　前記制御装置は、前記凝縮水タンク内の水の水位が前記第２排水口より低い第２水位以上になった場合に、前記冷却水供給ポンプを動作させる、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記凝縮水タンク内の水の水位を検知する第２水位検知器を更に備え、
    　前記制御装置は、前記水補給部から前記冷却水タンクおよび前記凝縮水タンクに水の補給を継続している時に、前記第２水位検知器が前記第２水位以上を検知した場合に、前記水位が前記第２排水口以下になるように、前記冷却水供給ポンプを動作させる、請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 　前記燃料電池に供給される燃料ガスを生成する燃料処理装置と、
    　前記冷却水タンクと前記燃料処理装置とに接続している第３水供給流路と、
    　前記第３水供給流路上に配置されている改質水ポンプと、
    を備え、
    　前記燃料処理装置は、原料ガスと前記改質水ポンプから供給される水とを改質反応させて燃料ガスを生成するように構成されており、
    　前記制御装置は、前記冷却水タンク内の水の水位が前記第１排水口より低い第３水位以上になった場合、前記改質水ポンプを動作させる、請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
  6. 　前記冷却水タンクは、前記燃料電池から排出される排ガス中の水蒸気を凝縮させて発生する凝縮水も貯めている、請求項１に記載の燃料電池システム。
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