JP2019067712A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】浄化器の凍結による課題を解決するための技術を提供する。【解決手段】本開示の燃料電池システム（１００）は、燃料電池（１３）と、燃料電池（１３）の運転に使用される水を貯留するタンク（１５，８０）と、水を浄化する浄化器（５０，７０）と、を備えている。浄化器（５０）がタンク（１５）の内部に配置されている又は浄化器（７０）がタンク（８０）に接している。燃料電池システム（１００）の設置時に浄化器（５０）が凍結していたとしても、外部からタンク（１５，８０）に水が供給されてタンク（１５，８０）に水が貯留された時点で、水の熱が浄化器（５０）に効率的に伝わり、浄化器（５０）の凍結を速やかに解消することができる。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって電力と熱とを生成するシステムである。一般的な燃料電池システムにおいて、生成された電力は、電力負荷に供給される。電力負荷の例は、照明、空調装置などの電化製品である。生成された熱は、温水として貯湯タンクに貯えられる。温水は、貯湯タンクから熱負荷に供給される。熱負荷の例は、給湯機器、床暖房などの熱利用機器である。

水素ガスを供給するためのインフラストラクチャーが整備されていないため、燃料電池システムは、通常、改質器を備えている。改質器は、改質触媒を用いた水蒸気改質反応によって、原料ガス及び水から水素含有ガスを生成する。原料ガスは、有機化合物を含むガスであり、典型的には、都市ガス又は液化石油ガスである。

改質器の劣化を抑制するために、燃料電池システムは、改質器に供給されるべき水を浄化するための浄化器を備えていることがある。例えば、Ｎａ⁺、Ｃａ²⁺、Ｍｇ²⁺などの金属イオンを多く含む水が改質器に供給され続けると、改質器の内部にスケールが堆積して流路が閉塞するおそれがある。

特許文献１には、活性炭フィルタ、逆浸透膜及びイオン交換樹脂を備えた燃料電池装置が記載されている。水道水などの水は、活性炭フィルタ及び逆浸透膜において浄化され、水タンクに貯えられる。水蒸気改質反応に必要な量に応じて、イオン交換樹脂を経由して、水タンクから改質器に水が供給される。

特開２００８−１３５２７１号公報

燃料電池システムを家庭、公共施設又は商業施設に設置する際、周囲温度が０℃を下回り、浄化器が凍結していることがある。浄化器が凍結していると、改質器に水を供給することができず、燃料電池システムを運転することができない。周囲温度が所定温度を下回った場合を想定して、燃料電池システムがヒータを備えていることがある。ヒータによって浄化器の周囲を加熱すれば、凍結を解消することができる。しかし、ヒータは、燃料電池システムの消費電力及びコストを増加させる。あるいは、作業者がドライヤなどの加熱手段で浄化器を加熱して凍結を解消させることもある。このことは、燃料電池システムの設置の際の作業効率を大幅に低下させる。

本開示の目的は、浄化器の凍結による課題を解決するための技術を提供することにある。

本開示は、
燃料電池と、
前記燃料電池の運転に使用される水を貯留するタンクと、
前記水を浄化する浄化器と、
を備え、
前記浄化器が前記タンクの内部に配置されている又は前記浄化器が前記タンクに接している、燃料電池システムを提供する。

本開示の技術によれば、浄化器の凍結による課題を解決できる。

図１は、本開示の一実施形態にかかる燃料電池システムの構成図である。 図２は、第１タンクの断面図である。 図３は、変形例１にかかる第１タンク及び浄化器の断面図である。 図４は、変形例２にかかる第２タンクの構成図である。 図５は、変形例３にかかる燃料電池システムの構成図である。 図６は、変形例４にかかる燃料電池システムの構成図である。 図７は、変形例５にかかる燃料電池システムの構成図である。

（本開示の基礎となった知見）
燃料電池システムの出荷前において、燃料電池システムを正常に運転できるかどうかを確かめるための検査が工場で行われる。検査後、燃料電池システムは、家庭、公共施設、商業施設などの所定の設置場所へと運搬される。このとき、浄化器に水が残存し、凍結の原因となる。短時間で浄化器から水を完全に除去することは難しい。

燃料電池システムにおいて、水の用途は様々である。水は、例えば、水素ガスの原料として改質器に供給されたり、燃料電池の冷却に使用されたり、酸化剤ガスの加湿に使用されたり、燃料ガスの加湿に使用されたりする。

本開示の第１態様にかかる燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池の運転に使用される水を貯留するタンクと、
前記水を浄化する浄化器と、
を備え、
前記浄化器が前記タンクの内部に配置されている又は前記浄化器が前記タンクに接している。

第１態様によれば、燃料電池システムの設置時に浄化器が凍結していたとしても、外部からタンクに水が供給されてタンクに水が貯留された時点で、水の熱が浄化器に効率的に伝わり、浄化器の凍結を速やかに解消することができる。これにより、必要な場所に水を供給することが可能となり、燃料電池システムを運転することが可能となる。タンクに供給された水の温度は０℃よりも高いので、周囲温度が０℃未満であったとしても、上記の効果が得られる。ドライヤなどの加熱手段で浄化器を加熱して凍結を解消させる必要がないので、燃料電池システムの設置の際の作業効率が向上する。凍結を解消するためのヒータが必須とされないので、燃料電池システムのコストを低減することができる。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかる燃料電池システムの前記浄化器が前記タンクの内部に配置されており、前記タンクは、前記水を貯留する部分である本体部と、前記浄化器を収容する部分である収容部と、前記本体部と前記収容部とを仕切る隔壁と、を有する。このような構成によれば、浄化器が凍結して水が収容部に流入できない場合においても、隔壁を通じて、本体部に貯留された水から収容部に配置された浄化器に水の持つ熱が伝わる。これにより、浄化器の凍結を速やかに解消することができる。

本開示の第３態様において、例えば、第２態様にかかる燃料電池システムでは、前記隔壁の下端と前記タンクの底面との間に隙間が存在し、前記本体部の一部が前記収容部の下方まで延びている。このような構成によれば、本体部に貯留された水が本体部から収容部にスムーズに移動できる。また、本体部から収容部への水経路の断面積を十分に確保することができる。水の熱が外気に奪われにくく、水経路の水の熱を収容部に効率的に与えることができる。

本開示の第４態様において、例えば、第１〜第３態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムの前記タンクは、前記タンクにおける水位が規定の水位を超えたときに余剰の前記水を前記燃料電池システムの外部に排出するための排出口を有し、前記規定の水位が前記浄化器の上端よりも上に位置している。このような構成によれば、浄化器のどの部分が凍結していたとしても、水の熱を凍結した部分に効率的に与えることができる。

本開示の第５態様において、例えば、第１態様にかかる燃料電池システムの前記浄化器は、容器と、前記容器に収容された浄化エレメントとを含み、前記容器の外周面が前記タンクの外周面に接している。このような構成によれば、タンクに貯留された水の熱が浄化器に効率的に伝わり、浄化器の凍結を速やかに解消することができる。

本開示の第６態様において、例えば、第５態様にかかる燃料電池システムでは、前記容器の前記外周面が前記タンクの前記外周面に沿っている。このような構成によれば、伝熱面積を十分に確保することができるので、タンクに貯留された水の熱が浄化器に効率的に伝わり、浄化器の凍結を速やかに解消することができる。

本開示の第７態様において、例えば、第５又は第６態様にかかる燃料電池システムの前記タンクは、前記タンクにおける水位が規定の水位を超えたときに余剰の前記水を前記燃料電池システムの外部に排出するための排出口を有し、前記規定の水位が前記浄化エレメントの上端よりも上に位置している。このような構成によれば、浄化エレメントのどの部分が凍結していたとしても、水の熱を凍結した部分に効率的に与えることができる。

本開示の第８態様において、例えば、第１〜第７態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムは、前記燃料電池のカソードに接続されたカソードオフガス経路と、前記カソードオフガス経路から分岐して前記タンクに接続された凝縮水経路と、をさらに備え、前記タンクは、カソードオフガスから生成した凝縮水を貯留する凝縮水タンクである。このような構成によれば、外部から水を補給することなく、必要な場所に水を供給し続けることが可能である。燃料電池から排出された凝縮水に不純物は殆ど含まれていないので、浄化器の寿命も延びる。

本開示の第９態様において、例えば、第１〜第８態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムは、前記燃料電池に供給されるべき水素ガスを生成する改質器をさらに備え、前記水は、前記浄化器を通って前記タンクから前記改質器に供給され、前記改質器において前記水素ガスの生成に使用される。このような構成によれば、浄化された水を改質器に供給できるので、スケールが改質器に堆積することを防止できる。

本開示の第１０態様において、例えば、第１〜第９態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムでは、前記水は、前記燃料電池の冷却水である。浄化された水によって燃料電池を冷却できるので、燃料電池の内部にスケールが堆積することを防止できる。

本開示の第１１態様において、例えば、第１〜第１０態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムは、前記燃料電池に供給されるべき燃料ガスを加湿する加湿器をさらに備え、前記水は、前記浄化器を通って前記タンクから前記加湿器に供給される。第１１態様によれば、加湿器の内部にスケールが堆積することを防止できる。

本開示の第１２態様において、例えば、第１〜第１１態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムは、前記燃料電池に供給されるべき酸化剤ガスを加湿する加湿器をさらに備え、前記水は、前記浄化器を通って前記タンクから前記加湿器に供給される。第１１態様によれば、加湿器の内部にスケールが堆積することを防止できる。

本開示の第１３態様において、例えば、第１〜第１２態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムは、前記浄化器を通じて、前記タンクに貯留された前記水を汲み上げるポンプをさらに備え、前記燃料電池システムの設置時において、前記タンクに所定量の前記水が貯留されたのちに前記ポンプが起動される。第１３態様によれば、燃料電池システムを速やかに起動することが可能となる。

本開示の第１４態様において、例えば、第１〜第１２態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムは、前記浄化器を通じて、前記タンクに貯留された前記水を汲み上げるポンプをさらに備え、前記燃料電池システムの設置時において、前記タンクへの前記水の供給が開始された時点から所定時間経過後、前記ポンプが起動される。第１４態様によれば、燃料電池システムを速やかに起動することが可能となる。

本開示の第１５態様において、例えば、第１３又は第１４態様にかかる燃料電池システムは、前記タンクに貯留された前記水の温度を検出する温度センサをさらに備え、前記温度センサによって検出された前記水の温度に基づいて前記ポンプが起動される。水の温度が低いと、浄化器の解凍に時間がかかる。そのため、ポンプによって水の流れを作り、解凍を促進することが有効である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

図１に示すように、本開示の一実施形態にかかる燃料電池システム１００は、改質器１１及び燃料電池１３を備えている。改質器１１は、例えば、水蒸気改質反応（CH₄+H₂O→CO+3H₂）などの改質反応によって水素ガスを生成するための機器である。改質器１１には、改質反応を進行させるための改質触媒が収められている。改質器１１には、一酸化炭素を除去するための触媒も収められている。一酸化炭素を除去するための触媒には、ＣＯ変成触媒及びＣＯ選択酸化除去触媒が含まれる。改質器１１は、水及び原料ガスを用いて、水素ガスを生成する。原料ガスは、例えば、都市ガス、液化石油ガスなどの炭化水素ガスである。改質器１１で生成された水素ガスが燃料電池１３に供給される。燃料電池１３は、酸化剤ガスと水素ガスとを用いて電力を生成する。燃料電池１３は、例えば、固体高分子形燃料電池又は固体酸化物形燃料電池である。燃料電池１３の排熱によって湯が生成される。生成された湯は貯湯タンクに貯められる。

燃料電池システム１００は、さらに、燃料ガス供給経路１２、酸化剤ガス供給経路１４、アノードオフガス経路１６及びカソードオフガス経路１８を備えている。燃料ガス供給経路１２は、改質器１１から燃料電池１３に水素ガスを供給するための流路である。燃料ガス供給経路１２は、改質器１１と燃料電池１３のアノードガス入口とを接続している。酸化剤ガス供給経路１４は、燃料電池１３のカソードに酸化剤ガスとしての空気を供給するための流路である。酸化剤ガス供給経路１４には、空気供給器２０が設けられている。空気供給器２０は、燃料電池１３に空気を供給するためのデバイスである。空気供給器２０の例として、ファン、ブロワなどが挙げられる。酸化剤ガス供給経路１４には、加湿器、弁などの他の機器が配置されていてもよい。アノードオフガス経路１６は、未反応の水素ガス及び未反応の原料ガスを燃料電池１３のアノードから排出するための流路である。アノードオフガス経路１６は、燃料電池１３のアノードガス出口と改質器１１の内部に配置された燃焼器２２とを接続している。未反応の水素ガス及び未反応の原料ガスは、アノードオフガス経路１６を通じて、燃焼器２２に供給される。カソードオフガス経路１８は、未反応の酸化剤ガスを燃料電池１３のカソードから排出するための流路である。カソードオフガス経路１８は、燃料電池１３のカソードガス出口に接続されており、例えば、燃料電池システム１００の筐体の外部まで延びている。

燃料電池システム１００は、さらに、第１タンク１５及び浄化器５０を備えている。第１タンク１５は、燃料電池１３の運転に使用される水を貯留するタンクである。本実施形態において、第１タンク１５は、改質器１１に供給されるべき水を貯留するタンクである。浄化器５０は、水を浄化するための部材である。水は、浄化器５０を通って第１タンク１５から改質器１１に供給され、改質器１１において水素ガスの生成に使用される。このような構成によれば、浄化された水を改質器１１に供給できるので、スケールが改質器１１に堆積することを防止できる。

燃料電池システム１００は、さらに、第１水経路１７及び第２水経路１９を備えている。第１水経路１７は、第１タンク１５から改質器１１まで延びている流路である。第２水経路１９は、所定の分岐位置ＢＰにおいて第１水経路１７から分岐し、第１タンク１５まで延びている流路である。

第１タンク１５には、温度センサ２１（第１温度センサ）が設けられている。温度センサ２１は、第１タンク１５の内部に配置されており、第１タンク１５に貯留された水の温度を検出する。温度センサ２１は、例えば、サーミスタを利用した温度センサ又は熱電対を利用した温度センサである。第１タンク１５には、カソードオフガスから生じた凝縮水及び燃焼排ガスから生じた凝縮水が集められ、貯留される。余分な水は、第１タンク１５から溢れ、例えば、燃料電池システム１００の筐体の外部に排出される。

浄化器５０は、第１タンク１５の内部に配置されている。浄化器５０において浄化された水（純水）が第１水経路１７を通じて改質器１１に供給される。浄化器５０は、イオン交換樹脂、活性炭、抗菌材及び浸透膜から選ばれる少なくとも１つを含む。浄化器５０は、典型的には、イオン交換樹脂を含む。イオン交換樹脂は、陽イオン交換樹脂、陰イオン交換樹脂又はその両方である。イオン交換樹脂の形状は、粒子状であってもよく、繊維状であってもよい。繊維状のイオン交換樹脂は、薄膜の形状に成形されていてもよい。

第１水経路１７には、ポンプ２５及び第１開閉弁２７が設けられている。ポンプ２５は、第１タンク１５と分岐位置ＢＰとの間に位置している。ポンプ２５は、浄化器５０を通じて、第１タンク１５に貯留された水を汲み上げる。ポンプ２５は、第１タンク１５の水を改質器１１に供給する役割を担っている。第１開閉弁２７は、分岐位置ＢＰと改質器１１との間に位置している。第１開閉弁２７を開くと改質器１１への水の供給が許可され、第１開閉弁２７を閉じると改質器１１への水の供給が禁止される。ポンプ２５は、例えば、ピストンポンプ、プランジャポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプなどの容積式ポンプである。第１開閉弁２７は、例えば、電磁弁である。

第２水経路１９は、上流部分１９１、下流部分１９３及び第２タンク１９５を有する。上流部分１９１は、分岐位置ＢＰに接続された一端と第２タンク１９５に接続された他端とを有する。下流部分１９３は、第２タンク１９５に接続された一端と第１タンク１５に接続された他端とを有する。第２タンク１９５には、燃料電池１３を冷却するための水が貯留されている。第２タンク１９５における水位が規定の水位を超えると、第２タンク１９５から水が溢れ、下流部分１９３を通じて第１タンク１５に移動する。

第２タンク１９５には、ヒータ２９が設けられている。ヒータ２９は、第２タンク１９５の内部に配置されており、第２タンク１９５に貯留された水を必要に応じて加熱する。ヒータ２９によって第２タンク１９５の水温を速やかに上昇させることができる。ヒータ２９は、例えば、抵抗加熱式の電気ヒータである。本実施形態において、第２タンク１９５は第２水経路１９の一部である。したがって、ヒータ２９は、第２水経路１９に設けられている。

第２タンク１９５には、さらに、温度センサ２３が設けられている。温度センサ２３は、第２タンク１９５の内部に配置されており、第２タンク１９５に貯留された水の温度を検出する。温度センサ２３も、例えば、サーミスタを利用した温度センサ又は熱電対を利用した温度センサである。ヒータ２９は、例えば、第２タンク１９５の水温が所定の温度範囲に収まるようにオンオフ制御される。「所定の温度範囲」は特に限定されず、燃料電池１３の能力、第２タンク１９５の容量などに応じて決められる。

第２水経路１９には、第２開閉弁２８が設けられている。第２開閉弁２８は、詳細には、第２水経路１９の上流部分１９１に設けられており、分岐位置ＢＰとヒータ２９を内蔵した第２タンク１９５との間に位置している。第２開閉弁２８も、例えば、電磁弁である。

本実施形態において、第１タンク１５、第１水経路１７の一部及び第２水経路１９は、循環回路を形成している。第１開閉弁２７を閉じ、第２開閉弁２８を開き、ポンプ２５を作動させると、第１タンク１５の水が循環回路を循環する。第１開閉弁２７を開き、第２開閉弁２８を閉じ、ポンプ２５を作動させると、第１タンク１５の水が改質器１１に供給される。

燃料電池システム１００は、凝縮水経路２４をさらに備えている。凝縮水経路２４は、カソードオフガス経路１８から分岐して第１タンク１５に接続されている。本実施形態において、凝縮水経路２４は、第２水経路１９の下流部分１９３を介して、第１タンク１５に接続されている。カソードオフガスから生成した凝縮水は、凝縮水経路２４及び第２水経路１９の下流部分１９３を通じて、第１タンク１５に導かれる。凝縮水経路２４は、第１タンク１５に直接接続されていてもよい。第１タンク１５は、凝縮水を貯留する凝縮水タンクである。このような構成によれば、外部から水を補給することなく、改質器１１に水を供給し続けることが可能である。燃料電池１３から排出された凝縮水に不純物は殆ど含まれていないので、浄化器５０の寿命も延びる。

燃料電池システム１００は、さらに、冷却水回路３１、熱交換器３３及び熱回収水路３５を備えている。冷却水回路３１は、第２タンク１９５と燃料電池１３との間で水を循環させるための流路である。冷却水回路３１によって、燃料電池１３を効率的に冷却できるとともに、燃料電池１３の排熱を温水の形で燃料電池１３の外部に取り出すことができる。冷却水回路３１は、送り経路３１１及び戻し経路３１２を有する。送り経路３１１及び戻し経路３１２は、それぞれ、燃料電池１３と第２タンク１９５とを接続している。送り経路３１１を通じて、第２タンク１９５の水が冷却水として燃料電池１３に供給される。戻し経路３１２を通じて、燃料電池１３から第２タンク１９５に水が戻される。

冷却水回路３１には、ポンプ３７が設けられている。本実施形態では、ポンプ３７は、冷却水回路３１の送り経路３１１に配置されている。ポンプ３７は、戻し経路３１２に配置されていてもよい。先に説明した容積式ポンプの１つをポンプ３７として使用できる。

熱交換器３３は、冷却水回路３１に配置されている。本実施形態では、熱交換器３３は、冷却水回路３１の送り経路３１１に配置されている。熱交換器３３は、例えば、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器などの液−液熱交換器である。

熱回収水路３５は、燃料電池１３の排熱を回収するための流路である。熱回収水路３５は、送り経路３５１及び戻し経路３５２を含む。送り経路３５１及び戻し経路３５２は、それぞれ、熱交換器３３に接続されている。送り経路３５１は、熱回収水路３５の上流部分を構成している。戻し経路３５２は、熱回収水路３５の下流部分を構成している。戻し経路３５２は、熱交換器３３において加熱された水を貯湯タンク（図示せず）に導くための流路である。送り経路３５１は、熱交換器３３において加熱されるべき水を熱交換器３３に導くための流路である。熱交換器３３は、熱回収水路３５を流れる水と冷却水回路３１を流れる水とを熱交換させるように構成されている。つまり、熱交換器３３は、冷却水回路３１の冷却水の熱によって貯湯タンク（図示省略）に貯められるべき水を加熱する役割を担っている。

熱回収水路３５には、ポンプ３９が設けられている。本実施形態では、ポンプ３９は、熱回収水路３５の送り経路３５１に配置されている。ポンプ３９は、戻し経路３５２に配置されていてもよい。先に説明した容積式ポンプの１つをポンプ３９として使用できる。

燃料電池システム１００は、さらに、給水路３６及び開閉弁３８を備えている。開閉弁３８は、給水路３６に配置されている。給水路３６は、第２タンク１９５に水を供給するための経路である。本実施形態において、給水路３６は、熱回収水路３５から分岐して第２タンク１９５に接続されている。詳細には、給水路３６は、ポンプ３９と熱交換器３３との間において熱回収水路３５の送り経路３５１から分岐している。開閉弁３８を開き、熱回収水路３５に水を流すと、給水路３６を通じて第２タンク１９５に水が供給される。開閉弁３８を閉じると、第２タンク１９５への水の供給が遮断される。第２タンク１９５に供給される水は、例えば市水である。市水の供給圧力又はポンプ３９の働きによって、水が第２タンク１９５に供給される。

燃料電池システム１００は、さらに、温度センサ４５（第２温度センサ）を備えている。温度センサ４５は、燃料電池システム１００の周囲温度を検出する。温度センサ４５は、例えば、燃料電池システム１００の筐体の内部に配置されている。温度センサ４５によって検出された周囲温度に応じて、各経路における水の凍結を防止するための処理が実行される。例えば、燃料電池１３で発電が行われていない期間において、温度センサ４５によって検出された周囲温度が所定温度を下回った場合、ヒータ２９で水を加熱しながら循環回路に水を循環させる。

燃料電池システム１００は、さらに、制御器４１を備えている。制御器４１は、例えば、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。温度センサ２１，２３及び４５の検出信号が制御器４１に入力される。制御器４１には、流量計、ガスセンサなどの他の計測機器（図示省略）からも検出信号が入力される。制御器４１は、温度センサ、流量計、ガスセンサなどの計測機器の計測結果に基づき、ポンプ２５、第１開閉弁２７、ヒータ２９、第２開閉弁２８、ポンプ３７などの制御対象を制御する。制御器４１には、燃料電池システム１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。

本実施形態において、各流路は、少なくとも１つの配管によって構成されている。配管は、ステンレス管などの金属配管であってもよいし、樹脂配管であってもよい。

次に、第１タンク１５の構造を詳しく説明する。

本実施形態において、浄化器５０は、第１タンク１５の内部に配置されている。燃料電池システム１００の設置時に浄化器５０が凍結していたとしても、外部から第１タンク１５に水が供給されて第１タンク１５に水が貯留された時点で、水の熱が浄化器５０に効率的に伝わり、浄化器５０の凍結を速やかに解消することができる。これにより、改質器１１に水を供給することが可能となり、燃料電池システム１００を運転することが可能となる。第１タンク１５に供給された水の温度は０℃よりも高いので、周囲温度が０℃未満であったとしても、上記の効果が得られる。ドライヤなどの加熱手段で浄化器５０を加熱して凍結を解消させる必要がないので、燃料電池システム１００の設置の際の作業効率が向上する。凍結を解消するためのヒータが必須とされないので、燃料電池システム１００のコストを低減することができる。

浄化器５０の凍結が完全に解消する前においても、第１開閉弁２７を閉じ、第２開閉弁２８を開いてポンプ２５を動かせば、氷の融解によって生じた僅かな隙間を通じて、水が流れてポンプ２５に吸い込まれる。ポンプ２５の働きによって、水は、第１水経路１７及び第２水経路１９を経由して、第１タンク１５に戻される。循環回路に水を循環させることによって、浄化器５０の凍結が短い時間で解消されうる。このとき、第２タンク１９５のヒータ２９がオンであってもよい。

図２に示すように、第１タンク１５は、本体部６１、収容部６３及び隔壁６５を有する。本体部６１は、水を貯留する部分であって、第１タンク１５の入口１５ａを有する部分である。収容部６３は、浄化器５０を収容する部分であって、第１タンク１５の出口１５ｂを有する部分である。隔壁６５は、本体部６１と収容部６３とを仕切っている。言い換えれば、本体部６１と収容部６３とが隔壁６５を共有している。収容部６３は開口６３ｐを有する。開口６３ｐを通じて、本体部６１の内部空間と収容部６３の内部空間とが連通している。このような構成によれば、浄化器５０が凍結して水が収容部６３に流入できない場合においても、隔壁６５を通じて、本体部６１に貯留された水から収容部６３に配置された浄化器５０に水の持つ熱が伝わる。これにより、浄化器５０の凍結を速やかに解消することができる。本体部６１と収容部６３とを接続する配管が存在しないので、簡素な構造でありながら、配管の凍結も回避できる。

第１タンク１５の入口１５ａには、第２水経路１９の下流部分１９３が接続されている。第１タンク１５の出口１５ｂには、第１水経路１７が接続されている。水は、入口１５ａから第１タンク１５の本体部６１に供給され、収容部６３を通って、出口１５ｂから第１タンク１５の外部に排出される。

第１タンク１５は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートなどの樹脂によって作られている。本体部６１を構成する外壁部分、収容部６３を構成する外壁部分及び隔壁６５は、例えば、樹脂で作られている。隔壁６５の厚さは、水の熱が浄化器５０に十分に伝わるように適切に調整されている。収容部６３には、浄化器５０が配置されている。収容部６３から浄化器５０が脱落することを防止するために、収容部６３の開口６３ｐには、樹脂製又は金属製のメッシュ部材５２が取り付けられている。収容部６３から浄化器５０が水とともに流出することを防止するために、出口１５ｂと浄化器５０との間には、樹脂製又は金属製のメッシュ部材５２が配置されている。メッシュ部材５２は、例えば、溶着によって第１タンク１５に固定されている。

第１タンク１５において、本体部６１の容積は、例えば、収容部６３の容積よりも大きい。これにより、十分な量の水を本体部６１に貯めることができる。十分な量の水は、大きい熱容量を有する。このことは、浄化器５０の凍結を確実に解消することに有利に働く。

隔壁６５の下端６５ｅと第１タンク１５の内部底面１５ｐとの間に隙間１５ｈが存在する。この隙間１５ｈは、本体部６１の内部空間の一部である。本体部６１の一部が収容部６３の下方まで延びている。このような構成によれば、本体部６１に貯留された水が本体部６１から収容部６３にスムーズに移動できる。収容部６３が第１タンク１５の内部底面１５ｐに向かって開口している。出口１５ｂが収容部６３の上部に位置している。開口６３ｐから出口１５ｂに向かって水が浄化器５０を通過するとき、水は重力に逆らって進む。このような構成によれば、浄化器５０の全体に水を均一に流すことができる。

第１タンク１５は、第１タンク１５における水位が規定の水位Ｌを超えたときに余剰の水を燃料電池システム１００の外部に排出するための排出口１５ｃを有する。本実施形態において、排出口１５ｃは、本体部６１に設けられている。排出口１５ｃには、排水経路６７が接続されている。排水経路６７は、例えば、燃料電池システム１００の筐体の外部まで延びている。規定の水位Ｌは、浄化器５０の上端５０ｔよりも上に位置している。このような構成によれば、浄化器５０のどの部分が凍結していたとしても、水の熱を凍結した部分に効率的に与えることができる。

本体部６１は、さらに、水抜き口１５ｄを有する。水抜き口１５ｄには、栓（図示せず）が取り付けられている。栓を水抜き口１５ｄから外すことによって、燃料電池システム１００から水を抜き取ることができる。なお、第１タンク１５の入口１５ａが省略され、水抜き口１５ｄから第１タンク１５に水が補給されてもよい。

次に、燃料電池システム１００の設置方法について説明する。

燃料電池システム１００の出荷前において、燃料電池システム１００を正常に運転できるかどうかを確かめるための検査が工場で行われる。検査後、燃料電池システム１００は、家庭、公共施設、商業施設などの所定の設置場所へと運搬される。水は、第１タンク１５の水抜き口１５ｄを通じて抜き取られる。このとき、浄化器５０に水が残存する。燃料電池システム１００を所定の設置場所で組み立てたのち、開閉弁３８を開き、第２タンク１９５に水を補給する。第２タンク１９５の水位が規定の水位を超えると、水は、第２タンク１９５から溢れ、第２水経路１９の下流部分１９３を通じて第１タンク１５に供給され、貯留される。このとき、浄化器５０が凍結していたとしても、第１タンク１５に水が貯留された時点で、水の熱が浄化器５０に効率的に伝わり、浄化器５０の凍結を解消することができる。

浄化器５０の凍結が完全に解消する前においても、第１開閉弁２７を閉じ、第２開閉弁２８を開いてポンプ２５を動かすことができる。燃料電池システム１００の設置時において、第１タンク１５には、空の状態から徐々に水が貯められる。第１タンク１５に所定量の水が貯留されたのちにポンプ２５を起動させる。ポンプ２５を起動させるタイミングは特に限定されない。例えば、第１タンク１５の水位が規定の水位Ｌに達した場合にポンプ２５を起動させる。あるいは、第１タンク１５への水の供給が開始された時点から所定時間経過後にポンプ２５を起動してもよい。「所定時間」は、例えば、第１タンク１５に十分な量の水が貯留されると推測される時間であって、実験によって予め調べられた時間である。「第１タンク１５への水の供給が開始された時点」は、第１タンク１５に水が実際に貯まり始めた時点であってもよいし、第２タンク１９５への水の供給が始まった時点であってもよい。前者の時点は、例えば、温度センサ２１の検出結果から判断することが可能である。後者の時点は、例えば、温度センサ２３の検出結果から判断することが可能である。

ポンプ２５を起動すると、氷の融解によって生じた僅かな隙間を通じて、水が流れてポンプ２５に吸い込まれる。ポンプ２５の働きによって、水は、第１水経路１７及び第２水経路１９を経由して、第１タンク１５に戻される。水を循環させることによって、浄化器５０の凍結が短い時間で解消されうる。その結果、燃料電池システム１００を速やかに起動することが可能となる。このような制御は、外気温度が低いとき（例えば、０℃未満のとき）に特に有効である。

なお、燃料電池システム１００の設置時において、第１タンク１５に貯留された水の温度から浄化器５０の解凍状況を推定し、推定結果に応じてポンプ２５を起動してもよい。例えば、第１タンク１５に貯留された水の温度に基づいて、ポンプ２５を起動してもよい。第１タンク１５に供給されて第１タンク１５に貯留された水は、浄化器５０に顕熱を与え、浄化器５０の一部を解凍する。この過程で第１タンク１５に貯留された水の温度が低下する。第１タンク１５に貯留された水の温度を検出してポンプ２５を動作させて水の流れを作り、解凍を促進することが有効である。例えば、水の温度が初期温度から数度低下した場合にポンプ２５を起動してもよい。

本実施形態において、温度センサ２１は、浄化器５０の近傍に配置されている。温度センサ２１は、例えば、浄化器５０の下方に配置されている。このような位置に温度センサ２１が配置されていると、温度センサ２１の検出結果から浄化器５０の解凍状況を把握することができる。ただし、温度センサ２１の位置は特に限定されない。

浄化器５０の解凍を促進するための上記の制御は、制御器４１によって実行されうる。

図２を参照して説明した第１タンク１５は、浄水ユニットとして、水を貯留すること及び浄化された水が必要とされる様々なシステムに適用可能である。すなわち、浄水ユニットは、本体部６１、収容部６３及び隔壁６５を有する。本体部６１は、入口１５ａを有し、水を貯留する部分である。収容部６３は、出口１５ｂを有し、浄化器５０を収容する部分である。隔壁６５は、本体部６１と収容部６３とを仕切っている。収容部６３は、さらに、開口６３ｐを有する。開口６３ｐを通じて、本体部６１の内部空間と収容部６３の内部空間とが連通している。このような構成によれば、浄化器５０が凍結して水が収容部６３に流入できない場合においても、隔壁６５を通じて、本体部６１に貯留された水から収容部６３に配置された浄化器５０に水の持つ熱が伝わる。これにより、浄化器５０の凍結を速やかに解消することができる。浄水ユニットの他の詳細な構造は、第１タンク１５について説明した通りである。

以下、いくつかの変形例について説明する。図１及び図２を参照して説明した実施形態と各変形例との間の共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略することがある。技術的に矛盾しない限り、実施形態及び変形例は、相互に組み合わされてもよい。

（変形例１）
燃料電池システム１００は、図２を参照して説明した第１タンク１５に代えて、図３に示す構造を備えていてもよい。

図３に示すように、本変形例において、浄化器７０が第１タンク８０に接している。本変形例においても、図２を参照して説明した効果が得られる。すなわち、燃料電池システム１００の設置時に浄化器７０が凍結していたとしても、外部から第１タンク８０に水が供給されて第１タンク８０に水が貯留された時点で、水の熱が浄化器７０に効率的に伝わり、浄化器７０の凍結を速やかに解消することができる。これにより、改質器１１に水を供給することが可能となり、燃料電池システム１００を運転することが可能となる。

浄化器７０は、第１タンク８０の外部に配置されている。浄化器７０は、容器７２と、容器７２に収容された浄化エレメント６０とを含む。浄化エレメント６０は、図２に示す浄化器５０そのものでありうる。つまり、浄化器７０が専用の容器７２を有している点において、図３に示す構造は、図２に示す構造と異なる。容器７２の内部において、浄化エレメント６０の上方にメッシュ部材５２が配置されている。容器７２の内部において、浄化エレメント６０の下方にメッシュ部材５２が配置されている。

第１タンク８０は、入口８０ａ及び出口８０ｂを有する。浄化器７０は、入口７２ａ及び出口７２ｂを有する。第１タンク８０は、連絡路７４（第３水経路）によって浄化器７０に接続されている。詳細には、連絡路７４は、第１タンク８０の出口８０ｂと浄化器７０の入口７２ａとを接続している。入口８０ａから第１タンク８０に水が補給される。出口８０ｂから第１タンク８０の外部に水が排出される。第１タンク８０から排出された水は、連絡路７４を流れ、入口７２ａから浄化器７０の内部に導かれる。水は、浄化エレメント６０を通過し、出口７２ｂから浄化器７０の外部に排出される。

本変形例において、容器７２の外周面７２ｐが第１タンク８０の外周面８０ｐに接している。詳細には、外周面７２ｐが外周面８０ｐに直接接している。言い換えれば、浄化器７０が第１タンク８０に面接触している。このような構成によれば、第１タンク８０に貯留された水の熱が浄化器７０に効率的に伝わり、浄化器７０の凍結を速やかに解消することができる。なお、外周面７２ｐと外周面８０ｐとの間に金属箔などの伝熱部材が配置されていてもよい。この場合、伝熱部材は、浄化器７０の一部又は第１タンク８０の一部とみなされる。浄化器７０の容器７２が第１タンク８０と一体化されていてもよい。浄化器７０は、ねじ、ボルトなどの締結部材によって第１タンク８０に固定されていてもよい。

本変形例において、第１タンク８０の形状及び浄化器７０の容器７２の形状は特に限定されない。第１タンク８０の外周面８０ｐは、曲面であってもよく、平面であってもよい。浄化器７０の容器７２の外周面７２ｐは、曲面であってもよく、平面であってもよい。本変形例では、浄化器７０の容器７２の外周面７２ｐが第１タンク８０の外周面８０ｐに沿っている。このような構成によれば、伝熱面積を十分に確保することができるので、第１タンク８０に貯留された水の熱が浄化器７０に効率的に伝わり、浄化器７０の凍結を速やかに解消することができる。

本変形例の第１タンク８０も第１タンク８０の水位が規定の水位Ｌを超えたときに余分な水を燃料電池システム１００の外部に排出するための排出口８０ｃを有する。規定の水位Ｌは、浄化エレメント６０の上端６０ｔよりも上に位置している。このような構成によれば、浄化エレメント６０のどの部分が凍結していたとしても、水の熱を凍結した部分に効率的に与えることができる。

（変形例２）
図４に示すように、本変形例においては、第２タンク１９５の内部に浄化器５０が配置されている。第２タンク１９５には、燃料電池１３の冷却水が貯留されている。水は、浄化器５０を通って、燃料電池１３に供給される。浄化された水によって燃料電池１３を冷却できるので、燃料電池１３の内部にスケールが堆積することを防止できる。水から金属イオンを取り除くことによって、水の導電率を下げることができる。低い導電率を有する水で燃料電池１３を冷却することによって、リーク電流を減らすことができる。

本変形例においても、温度センサ２３は、浄化器５０の近傍に配置されている。温度センサ２３は、例えば、浄化器５０の下方に配置されている。このような位置に温度センサ２３が配置されていると、温度センサ２３の検出結果から浄化器５０の解凍状況を把握することができる。ただし、温度センサ２３の位置は特に限定されない。

図２を参照して説明した構造だけでなく、図３を参照して説明した構造も第２タンク１９５に適用されうる。つまり、浄化器７０が第２タンク１９５に接していてもよい。

（変形例３）
図５に示すように、本変形例の燃料電池システム１０２において、給水路３６は、第１タンク１５に接続されている。給水路３６は、第１タンク１５に接続されていてもよく、第２タンク１９５に接続されていてもよい。

（変形例４）
図６に示すように、本変形例の燃料電池システム１０４は、加湿器４６及び加湿器４７から選ばれる少なくとも１つを備えている。加湿器４６は、燃料電池１３に供給されるべき酸化剤ガス（空気）を加湿するためのデバイスである。加湿器４７は、燃料電池１３に供給されるべき燃料ガス（水素ガス）を加湿するためのデバイスである。加湿器４６及び４７の型式は特に限定されず、例えば、バブラー式、インジェクション式又はシャワー式である。加湿器４６及び４７は、加湿水経路４８によって第１水経路１７に接続されている。加湿水経路４８は、例えば、開閉弁２７と改質器１１との間において、第１水経路１７から分岐している。ただし、加湿水経路４８の分岐位置は特に限定されない。加湿水経路４８は第２水経路１９から分岐していてもよい。加湿水経路４８に開閉弁又は流量調整弁が設けられていてもよい。本変形例によれば、第１水経路１７及び加湿水経路４８を通じて、第１タンク１５から加湿器４６及び４７のそれぞれに浄化された水が供給される。これにより、加湿器４６及び４７の内部にスケールが堆積することを防止できる。

（変形例５）
本開示の技術は、改質器を備えていない燃料電池システムにも適用されうる。図７に示すように、本変形例の燃料電池システム１０６は、燃料電池１３、燃料供給源９１及びタンク９３を備えている。燃料供給源９１は、例えば、液化水素の貯蔵タンク又は水素ガスのパイプラインである。燃料ガス供給経路９２を通じて、燃料供給源９１から燃料電池１３に水素ガスが供給される。タンク９３には、燃料電池１３の冷却水が貯留される。タンク９３は、冷却水回路３１によって燃料電池１３に接続されている。冷却水回路３１の構成及び役割は、図１を参照して説明した通りである。

図２及び図３を参照して説明した構造がタンク９３に適用されうる。浄化された水によって燃料電池１３を冷却できるので、燃料電池１３の内部にスケールが堆積することを防止できる。水から金属イオンを取り除くことによって、水の導電率を下げることができる。低い導電率を有する水で燃料電池１３を冷却することによって、リーク電流を減らすことができる。

本開示の技術は、燃料電池システムなどのコジェネレーションシステムに有用である。本開示の技術は、水を貯留すること及び浄化された水が必要とされる様々なシステムにも適用可能である。

１１ 改質器
１３ 燃料電池
１５ 第１タンク（凝縮水タンク）
１５ｈ 隙間
１７ 第１水経路
１９ 第２水経路
２１ 温度センサ
２４ 凝縮水経路
２５ ポンプ
２７ 第１開閉弁
２８ 第２開閉弁
２９ ヒータ
３１ 冷却水回路
３６ 給水路
３８ 開閉弁
４１ 制御器
４５ 温度センサ
４６ 加湿器
４７ 加湿器
４８ 加湿水経路
５０ 浄化器
５０ｔ 浄化器の上端
６０ 浄化エレメント
６０ｔ 浄化エレメントの上端
６１ 本体部
６３ 収容部
６５ 隔壁
６５ｅ 隔壁の下端
７０ 浄化器
７２ 容器
７２ｐ 外周面
８０ 第１タンク（凝縮水タンク）
８０ｐ 外周面
１００，１０２，１０４，１０６ 燃料電池システム
１９５ 第２タンク（冷却水タンク）
ＢＰ 分岐位置

Claims (15)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池の運転に使用される水を貯留するタンクと、
   前記水を浄化する浄化器と、
   を備え、
   前記浄化器が前記タンクの内部に配置されている又は前記浄化器が前記タンクに接している、燃料電池システム。
2. 前記浄化器が前記タンクの内部に配置されており、
   前記タンクは、前記水を貯留する部分である本体部と、前記浄化器を収容する部分である収容部と、前記本体部と前記収容部とを仕切る隔壁と、を有する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記隔壁の下端と前記タンクの内部底面との間に隙間が存在し、
   前記本体部の一部が前記収容部の下方まで延びている、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記タンクは、前記タンクにおける水位が規定の水位を超えたときに余剰の前記水を前記燃料電池システムの外部に排出するための排出口を有し、
   前記規定の水位が前記浄化器の上端よりも上に位置している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記浄化器は、容器と、前記容器に収容された浄化エレメントとを含み、
   前記容器の外周面が前記タンクの外周面に接している、請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記容器の前記外周面が前記タンクの前記外周面に沿っている、請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記タンクは、前記水の水位が規定の水位を超えたときに余剰の前記水を前記燃料電池システムの外部に排出するための排出口を有し、
   前記規定の水位が前記浄化エレメントの上端よりも上に位置している、請求項５又は６に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池のカソードに接続されたカソードオフガス経路と、
   前記カソードオフガス経路から分岐して前記タンクに接続された凝縮水経路と、
   をさらに備え、
   前記タンクは、カソードオフガスから生成した凝縮水を貯留する凝縮水タンクである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池に供給されるべき水素ガスを生成する改質器をさらに備え、
   前記水は、前記浄化器を通って前記タンクから前記改質器に供給され、前記改質器において前記水素ガスの生成に使用される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記水は、前記燃料電池の冷却水である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
11. 前記燃料電池に供給されるべき燃料ガスを加湿する加湿器をさらに備え、
    前記水は、前記浄化器を通って前記タンクから前記加湿器に供給される、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
12. 前記燃料電池に供給されるべき酸化剤ガスを加湿する加湿器をさらに備え、
    前記水は、前記浄化器を通って前記タンクから前記加湿器に供給される、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
13. 前記浄化器を通じて、前記タンクに貯留された前記水を汲み上げるポンプをさらに備え、
    前記燃料電池システムの設置時において、前記タンクに所定量の前記水が貯留されたのちに前記ポンプが起動される、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
14. 前記浄化器を通じて、前記タンクに貯留された前記水を汲み上げるポンプをさらに備え、
    前記燃料電池システムの設置時において、前記タンクへの前記水の供給が開始された時点から所定時間経過後、前記ポンプが起動される、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
15. 前記タンクに貯留された前記水の温度を検出する温度センサをさらに備え、
    前記温度センサによって検出された前記水の温度に基づいて前記ポンプが起動される、請求項１３又は１４に記載の燃料電池システム。

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