特許 6704011 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6704011

(24)【登録日】2020年5月13日

(45)【発行日】2020年6月3日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20200525BHJP

   H01M 8/0662 20160101ALI20200525BHJP

   C01B 3/38 20060101ALI20200525BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20200525BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 Z

   H01M8/0662

   C01B3/38

   !H01M8/12 101

【請求項の数】10

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2018-77381(P2018-77381)

(22)【出願日】2018年4月13日

(65)【公開番号】特開2019-186111(P2019-186111A)

(43)【公開日】2019年10月24日

【審査請求日】2019年10月3日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】特許業務法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】赤羽 俊之輔

(72)【発明者】

【氏名】中村 和郎

(72)【発明者】

【氏名】中島 達哉

【審査官】 笹岡 友陽

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１４６２２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１０５６１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−１８３２６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−１６２５６１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｃ０１Ｂ ３／３８

Ｈ０１Ｍ ８／０６６２

Ｈ０１Ｍ ８／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

炭化水素系の原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、
前記燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックのアノードから排出されるアノードオフガスから、少なくとも水を分離して再生燃料ガスを生成する燃料再生部と、
前記燃料再生部で分離された水を前記改質部へ供給する第１改質水供給路と、
前記燃料再生部で分離された水と異なる水源から前記改質部へ水を供給する第２改質水供給路と、
前記第１改質水供給路からの水供給が、前記第２改質水供給路からの水供給よりも優先されるように制御する水供給制御部と、
を備え、
前記第２改質水供給路は、前記アノードオフガスを直接または間接的に燃焼させる燃焼部から排出される燃焼排ガスから分離された水を水源とする排ガス水供給路、及び、上水を水源とする上水供給路を含み、
前記水供給制御部は、前記排ガス水供給路からの水供給が、前記上水供給路からの水供給よりも優先されるように制御する、
燃料電池システム。

【請求項2】

炭化水素系の原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、
前記燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックのアノードから排出されるアノードオフガスから、少なくとも水を分離して再生燃料ガスを生成する燃料再生部と、
前記燃料再生部で分離された水を前記改質部へ供給する第１改質水供給路と、
前記燃料再生部で分離された水と異なる水源から前記改質部へ水を供給する第２改質水供給路と、
前記第１改質水供給路からの水供給が、前記第２改質水供給路からの水供給よりも優先されるように制御する水供給制御部と、
を備え、
前記第２改質水供給路は前記第１改質水供給路と合流部で合流され、前記第２改質水供給路には前記合流部よりも上流側に個別イオン交換樹脂が配置されている、
燃料電池システム。

【請求項3】

前記第２改質水供給路は、前記アノードオフガスを直接または間接的に燃焼させる燃焼部から排出される燃焼排ガスから分離された水を水源とする排ガス水供給路、及び、上水を水源とする上水供給路を含み、
前記水供給制御部は、前記排ガス水供給路からの水供給が、前記上水供給路からの水供給よりも優先されるように制御する、請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記合流部よりも下流側に共通イオン交換樹脂が配置されている、請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記第２改質水供給路は、直接または間接的に供給された前記アノードオフガスを燃焼させる燃焼部から排出される燃焼排ガスから分離された水、及び、上水の少なくとも一方を水源としている、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。

【請求項6】

前記上水供給路は第１合流部で前記第１改質水供給路と合流されると共に、前記排ガス水供給路は第２合流部で前記第１改質水供給路と合流され、前記上水供給路には前記第１合流部よりも上流側に上水用イオン交換樹脂が配置され、前記排ガス水供給路には前記第２合流部よりも上流側に排ガス水用イオン交換樹脂が配置されている、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

前記第１合流部及び前記第２合流部よりも下流側に共通イオン交換樹脂が配置されている、請求項６に記載の燃料電池システム。

【請求項8】

前記再生燃料ガスを前記燃料電池セルスタックへ再供給する再生燃料供給管を備えた、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

【請求項9】

前記再生燃料ガスが供給され、該再生燃料ガスと空気とを反応させて発電する第２燃料電池セルスタックを備えた、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

【請求項10】

炭化水素系の原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、
前記燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックのアノードから排出されるアノードオフガスから、少なくとも水を分離して再生燃料ガスを生成する燃料再生部と、
前記燃料再生部で分離された水を前記改質部へ供給する第１改質水供給路と、
前記燃料再生部で分離された水と異なる水源から前記改質部へ水を供給する第２改質水供給路と、
前記第１改質水供給路及び前記第２改質水供給路の内、不純物含有率の低い水を供給する側からの水供給が優先されるように制御する水供給制御部と、
を備え、
前記第２改質水供給路は、前記アノードオフガスを直接または間接的に燃焼させる燃焼部から排出される燃焼排ガスから分離された水を水源とする排ガス水供給路、及び、上水を水源とする上水供給路を含み、
前記水供給制御部は、前記排ガス水供給路からの水供給が、前記上水供給路からの水供給よりも優先されるように制御する、
燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムにおいて、炭化水素系の原料を燃料電池システム内の改質部で水蒸気改質して水素や一酸化炭素などを含む改質ガスを得ることがある。この場合、改質部へ改質用の水を供給する必要がある。一方、燃料電池セルでは、アノードにおいて酸素イオンと燃料ガス中の水素とが反応し、水（水蒸気）が生成される。この水を改質用に使用することにより、燃料電池システム内において水を再利用して循環させることができ、外部からの水の供給をなくしたり（水自立）、外部水の供給量を少量に抑えたりすることができる（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６−１１５４９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、改質用に用いる水に不純物が多く混在すると、改質触媒の劣化が促進されたり、系内に不純物が析出することによる破損が起こったりするなど、燃料電池システムに悪影響を及ぼすため、不純物は少ない方がよい。そこで、燃料電池システム内で生成された水を改質水として再利用する場合にも、純度の高い水を得ることが求められる。

【0005】

本発明は上記事実を考慮して成されたものであり、燃料電池システム内の水を改質水として再利用する場合において、純度の高い改質水を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、炭化水素系の原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、前記燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックのアノードから排出されるアノードオフガスから、少なくとも水を分離して再生燃料ガスを生成する燃料再生部と、前記燃料再生部で分離された水を前記改質部へ供給する第１改質水供給路と、前記燃料再生部で分離された水と異なる水源から前記改質部へ水を供給する第２改質水供給路と、前記第１改質水供給路からの水供給が、前記第２改質水供給路からの水供給よりも優先されるように制御する水供給制御部と、を備え、前記第２改質水供給路は、前記アノードオフガスを直接または間接的に燃焼させる燃焼部から排出される燃焼排ガスから分離された水を水源とする排ガス水供給路、及び、上水を水源とする上水供給路を含み、前記水供給制御部は、前記排ガス水供給路からの水供給が、前記上水供給路からの水供給よりも優先されるように制御する。

【0007】

請求項１に係る燃料電池システムでは、燃料再生部でアノードオフガスから分離された水が、他の水源からの水よりも優先して改質部へ供給される。ここで、「第１改質水供給路からの水供給が、第２改質水供給路からの水供給よりも優先される」とは、アノードオフガスから分離された水の量が、改質水として必要とされる水の量に対して十分な場合には、第１改質水供給路からのみ水供給を行う、又は、第１改質水供給路からの水供給を第２改質水供給路からの水供給よりも多い量で行うことをいう。また、ここで「不純物」とは、水以外の成分のことであり、有機物、無機物などの固形状の物質だけでなく、液相に溶解したイオンや気体の成分をいう。気体としては、一例として空気を想定している。

【0008】

請求項１に係る燃料電池システムによれば、相対的に不純物の混入が少ないアノードオフガスから分離された水を優先して改質水として用いるので、純度の高い改質水を得ることができる。

【0009】

請求項５記載の発明に係る燃料電池システムは、前記第２改質水供給路は、直接または間接的に供給された前記アノードオフガスを燃焼させる燃焼部から排出される燃焼排ガスから分離された水、及び、上水の少なくとも一方を水源としている。

【0010】

請求項５に係る燃料電池システムによれば、直接または間接的に燃焼部へアノードオフガスが供給され、当該アノードオフガスが燃焼部で燃焼する。そして、燃焼部から排出された燃焼排ガスから分離された水、又は上水を、改質水として改質部へ供給し、アノードオフガスから分離された水の不足分を補うことができる。

【0011】

請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、炭化水素系の原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、前記燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックのアノードから排出されるアノードオフガスから、少なくとも水を分離して再生燃料ガスを生成する燃料再生部と、前記燃料再生部で分離された水を前記改質部へ供給する第１改質水供給路と、前記燃料再生部で分離された水と異なる水源から前記改質部へ水を供給する第２改質水供給路と、前記第１改質水供給路からの水供給が、前記第２改質水供給路からの水供給よりも優先されるように制御する水供給制御部と、を備え、前記第２改質水供給路は前記第１改質水供給路と合流部で合流され、前記第２改質水供給路には前記合流部よりも上流側に個別イオン交換樹脂が配置されている。

【0012】

請求項２に係る燃料電池システムによれば、個別イオン交換樹脂により、燃料再生部で分離された水と異なる水源からの水から不純物を除去することができる。

【0013】

請求項４記載の発明に係る燃料電池システムは、前記合流部よりも下流側に共通イオン交換樹脂が配置されている。

【0014】

請求項４に係る燃料電池システムによれば、個別イオン交換樹脂により燃料再生部で分離された水と異なる水源からの水から不純物を除去した後に、共通イオン交換樹脂により第１改質水供給路からの水及び第２改質水供給路からの水から不純物が除去される。したがって、共通イオン交換樹脂では、不純物の少ない水を除去すればよいので、共通イオン交換樹脂の充填量を少なく抑えることができる。

【0015】

請求項１及び請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、前記第２改質水供給路は、前記アノードオフガスを直接または間接的に燃焼させる燃焼部から排出される燃焼排ガスから分離された水を水源とする排ガス水供給路、及び、上水を水源とする上水供給路を含み、前記水供給制御部は、前記排ガス水供給路からの水供給が、前記上水供給路からの水供給よりも優先されるように制御する。

【0016】

請求項１及び請求項３に係る燃料電池システムでは、第２改質水供給路が、燃焼排ガスから分離された水を水源とする排ガス水供給路、及び、上水を水源とする上水供給路を含んでいる。そして、水供給制御部によって、排ガス水供給路からの水供給が、上水供給路からの水供給よりも優先されるように制御される。上水は空気と多く接触していることに加え、ケイ素成分や水道管から溶出した成分、また、洗浄処理などの塩化物イオンが投入されているため、不純物を多く含んでいる。一方で、燃焼排ガス中の水は化学反応による生成物であり、一部空気を含んでいるのみであるため、優先して改質水として用いることにより、簡易に純度の比較的高い改質水を得ることができる。

【0017】

請求項６記載の発明に係る燃料電池システムは、前記上水供給路は第１合流部で前記第１改質水供給路と合流されると共に、前記排ガス水供給路は第２合流部で前記第１改質水供給路と合流され、前記上水供給路には前記第１合流部よりも上流側に上水用イオン交換樹脂が配置され、前記排ガス水供給路には前記第２合流部よりも上流側に排ガス水用イオン交換樹脂が配置されている。

【0018】

請求項６に係る燃料電池システムによれば、排ガス水用イオン交換樹脂により燃焼排ガスから分離された水から不純物を除去することができ、上水用イオン交換樹脂により上水から不純物を除去することができる。このように、水源毎に異なるイオン交換樹脂を設けることにより、水の純度や不純物に応じたイオン交換樹脂を使用して、効率よく不純物を除去することができる。

【0019】

請求項７記載の発明に係る燃料電池システムは、前記第１合流部及び前記第２合流部よりも下流側に共通イオン交換樹脂が配置されている。

【0020】

請求項７に係る燃料電池システムによれば、排ガス水用イオン交換樹脂により燃焼排ガスから分離された水から不純物を除去し、上水用イオン交換樹脂により上水から不純物を除去した後に、共通イオン交換樹脂により第１改質水供給路からの水及び排ガス水供給路及び上水の水から不純物が除去される。したがって、共通イオン交換樹脂では、比較的不純物の少ない水を除去すればよいので、共通イオン交換樹脂の充填量を少なく抑えることができる。

【0021】

請求項８記載の発明に係る燃料電池システムは、前記再生燃料ガスを前記燃料電池セルスタックへ再供給する再生燃料供給管を備えている。

【0022】

請求項８に係る燃料電池システムによれば、再生燃料ガスを燃料電池セルスタックへ供給して発電に供する、いわゆる循環式の燃料電池システムとして、発電効率を高くすることができる。

【0023】

請求項９記載の発明に係る燃料電池システムは、前記再生燃料ガスが供給され、該再生燃料ガスと空気とを反応させて発電する第２燃料電池セルスタックを備える。

【0024】

請求項９に係る燃料電池システムによれば、再生燃料ガスを後段の第２燃料電池セルスタックへ供給して発電に供する、いわゆる多段式の燃料電池システムとして、発電効率を高くすることができる。

【0025】

請求項１０記載の発明に係る燃料電池システムは、炭化水素系の原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、前記燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックのアノードから排出されるアノードオフガスから、少なくとも水を分離して再生燃料ガスを生成する燃料再生部と、前記燃料再生部で分離された水を前記改質部へ供給する第１改質水供給路と、前記燃料再生部で分離された水と異なる水源から前記改質部へ水を供給する第２改質水供給路と、前記第１改質水供給路及び前記第２改質水供給路の内、不純物含有率の低い水を供給する側からの水供給が優先されるように制御する水供給制御部と、を備え、前記第２改質水供給路は、前記アノードオフガスを直接または間接的に燃焼させる燃焼部から排出される燃焼排ガスから分離された水を水源とする排ガス水供給路、及び、上水を水源とする上水供給路を含み、前記水供給制御部は、前記排ガス水供給路からの水供給が、前記上水供給路からの水供給よりも優先されるように制御する。

【0026】

請求項１０に係る燃料電池システムでは、燃料再生部でアノードオフガスから分離された水と、他の水源からの水の内、不純物含有率の低い水を供給する側からの水供給が優先して改質部へ供給される。ここで、「不純物含有率の低い側からの水供給が優先して改質部へ供給される」とは、不純物含有率の低い側の水の量が、改質水として必要とされる水の量よりも十分に多い場合には、不純物含有率の低い側からのみ水供給を行う、又は、不純物含有率の低い側からの水供給を他方からの水供給よりも多い量で行うことをいう。

【0027】

請求項１０に係る燃料電池システムによれば、不純物含有率の低い側からの水を優先して改質水として用いるので、不純物含有率が低く純度の高い改質水を得ることができる。

【発明の効果】

【0028】

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池システム内の水を改質水として再利用する場合において、純度の高い改質水を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】第１実施形態に係る燃料電池システムの主要部の構成図である。

【図2】第１実施形態に係る燃料電池システムの制御系のブロック図である。

【図3】第１実施形態に係る燃料電池システムの第１水供給処理を示すフローチャートである。

【図4】第１実施形態の変形例に係る燃料電池システムの主要部の構成図である。

【図5】第２実施形態に係る燃料電池システムの主要部の構成図である。

【図6】第２実施形態に係る燃料電池システムの第２水供給処理を示すフローチャートである。

【図7】第２実施形態の変形例に係る燃料電池システムの主要部の構成図である。

【図8】第３実施形態に係る燃料電池システムの主要部の構成図である。

【図9】第３実施形態に係る燃料電池システムの第３水供給処理を示すフローチャートである。

【図10】第３実施形態の変形例に係る燃料電池システムの主要部の構成図である。

【図11】第４実施形態に係る燃料電池システムの主要部の構成図である。

【図12】第４実施形態に係る燃料電池システムの制御系のブロック図である。

【図13】第４実施形態に係る燃料電池システムの第４水供給処理を示すフローチャートである。

【図14】第４実施形態の変形例に係る燃料電池システムの主要部の構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について詳細に説明する。図１には、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの主要構成の概略が示されている。本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、気化器１２、改質部１４、第１燃料電池セルスタック１６、第２燃料電池セルスタック１８、燃焼部２０、凝縮タンク２２、原料供給ブロワ２４、水供給ポンプ２６、空気供給ブロワ２８、及び排ガス水タンク３６を備えている。また、図２に示されるように、燃料電池システム１０Ａにおける水供給を制御する水供給制御部４０を備えている。

【0031】

気化器１２には、原料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス管Ｐ１の他端は図示しないガス源に接続されている。ガス源からは、原料供給ブロワ２４によりメタンが気化器１２へ送出される。また、気化器１２には、水供給管Ｐ２が接続されており、水供給ポンプ２６により、水（液相）が気化器１２へ送出される。気化器１２では、水が気化される。気化には、後述する燃焼部２０の熱が用いられる。

【0032】

なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、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、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、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く、上述した低級炭化水素ガスは天然ガス、都市ガス、ＬＰガス等のガスであってもよい。また、バイオガスを用いてもよい。

【0033】

メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質部１４へ送出される。改質部１４は、燃焼部２０と隣接されており、燃焼部２０との間で熱交換を行うことで加熱される。

【0034】

改質部１４は、第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード（燃料極）１６Ａと接続されている。改質部１４では、メタンを改質し、水素を含む燃料ガスが生成される。改質部１４で生成された燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ４を介して第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａに供給される。

【0035】

第１燃料電池セルスタック１６は固体酸化物形の燃料電池セルスタックであり、積層された複数の燃料電池セルを有している。第１燃料電池セルスタック１６は本発明における燃料電池（第１燃料電池）の一例である。個々の燃料電池セルは、電解質層と、当該電解質層の表裏面にそれぞれ積層された第１アノード１６Ａ、及び第１カソード（空気極）１６Ｂと、を有している。

【0036】

なお、第２燃料電池セルスタック１８についての基本構成は、第１燃料電池セルスタック１６と同様であり、第１アノード１６Ａに対応する第２アノード１８Ａ、及び第１カソード１６Ｂに対応する第２カソード１８Ｂを有している。

【0037】

第１燃料電池セルスタック１６の第１カソード１６Ｂには、酸化ガス管Ｐ５の一端が接続されており、酸化ガス管Ｐ５の他端に接続された空気供給ブロワ２８により空気が供給される。第１カソード１６Ｂでは、下記（１）式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層を通って第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａに到達する。

【0038】

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ →Ｏ^２− …（１）

【0039】

第１カソード１６Ｂには、第１カソード１６Ｂから排出されるカソードオフガスを第２燃料電池セルスタック１８の第２カソード１８Ｂへ案内するカソードオフガス管Ｐ６が接続されている。
なお、本実施形態では、空気の供給を第１カソード１６Ｂから第２カソード１８Ｂへ直列的に供給したが、酸化ガス管Ｐ５を第１カソード１６Ｂと第２カソード１８Ｂに分岐して接続し、空気の供給を並列的に行ってもよい。

【0040】

一方、第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質層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。第１アノード１６Ａで生成された電子が第１アノード１６Ａから外部回路を通って第１カソード１６Ｂに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。また、各燃料電池セルは、発電時に発熱する。

【0041】

（燃料極反応）
Ｈ_２ ＋Ｏ^２− →Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …(２)
ＣＯ＋Ｏ^２− →ＣＯ_２＋２ｅ⁻ …(３)

【0042】

第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａにはアノードオフガス管Ｐ７の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ７には、第１アノード１６Ａからアノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。

【0043】

なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、アノードオフガスに少なくとも水が含まれる他の燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。

【0044】

アノードオフガス管Ｐ７の他端は、燃料再生部としての凝縮タンク２２と接続されている。凝縮タンク２２は、不図示の熱交換部を含んでおり、アノードオフガスから少なくとも水の一部を凝縮させて除去する機能を有している。アノードオフガスから分離された水を、以下「オフガス水」と称する。アノードオフガスは、空気をほとんど含まないため、オフガス水の不純物含有率も低い。したがって、オフガス水の純度は、後述する排ガス水と比較して高い。凝縮タンク２２には、凝縮してアノードオフガスから分離されたオフガス水が貯留される。凝縮タンク２２には、水位センサ２２Ａが設けられており、貯留されたオフガス水の水位２２ＬＶを検知する。水位センサ２２Ａは、水供給制御部４０と接続されており、検知したオフガス水の水位２２ＬＶを水供給制御部４０へ送信する。

【0045】

凝縮タンク２２の上部出口側には、再生燃料ガス管Ｐ９の一端が接続されている。再生燃料ガス管Ｐ９の他端は、第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａと接続されている。少なくとも水が除去されたアノードオフガスは、再生燃料ガスとなって、第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａに供給される。

【0046】

凝縮タンク２２の下部には、凝縮タンク２２に貯留されたオフガス水を流出させる第１改質水供給路Ｐ２０の一端が接続されている。第１改質水供給路Ｐ２０の他端は、水供給管Ｐ２と接続されている。第１改質水供給路Ｐ２０には、バルブＶ１が設けられている。バルブＶ１は開閉バルブであり、水供給制御部４０と接続されている。バルブＶ１は、水供給制御部４０によって開閉が制御される。なお、凝縮タンク２２の下部には、排水管Ｐ２１が接続されており、必要に応じて（例えば、水量がタンクの容量を超える場合）オフガス水が外部へ排出される。

【0047】

第１改質水供給路Ｐ２０には、バルブＶ１よりも下流側の第１合流部Ｊ１で、上水供給路Ｐ２２が合流されている。以下、第１合流部Ｊ１から後述する第２合流部Ｊ２までの流路を「第１改質水供給路Ｐ２０Ｂ」とし、第１合流部Ｊ１よりも上流側の第１改質水供給路Ｐ２０を「第１改質水供給路Ｐ２０Ａ」として区別する。なお、本実施形態では、第１改質水供給路Ｐ２０において、第１合流部Ｊ１を第２合流部Ｊ２よりも上流側に配置したが、第１合流部Ｊ１を第２合流部Ｊ２よりも下流側に配置してもよい。上水供給路Ｐ２２は、上水を水源とするタンクと接続されており、改質部１４へ上水を供給する。上水供給路Ｐ２２の第１合流部Ｊ１よりも上流側には、バルブＶ３が設けられている。バルブＶ３は開閉バルブであり、水供給制御部４０と接続されている。バルブＶ３は、水供給制御部４０によって開閉が制御される。また、上水供給路P２２には、バルブＶ３よりも上流側に上水用イオン交換樹脂３４が設けられている。上水用イオン交換樹脂３４は、イオン交換により上水中の不純物を除去する。また、上水用イオン交換樹脂の前段にフィルターなどを用い、有機物、無機物などの固形物を除去することも上記の上水用イオン交換樹脂３４に含まれる。

【0048】

第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａ及び第２カソード１８Ｂでは、第１燃料電池セルスタック１６と同様の反応により発電が行われる。第２アノード１８Ａ及び第２カソード１８Ｂから排出された使用済のオフガスは、配管Ｐ１１、カソードオフガス燃焼導入管Ｐ１２により燃焼部２０へ送出され、燃焼部２０で焼却に供される。なお、燃焼部２０においてアノードガスラインとカソードガスラインが合流するため、燃焼部２０より下流側は空気が混入したガスとなる。本実施形態の燃料電池システム１０Ａは、第１燃料電池セルスタック１６で使用された燃料であるアノードオフガスが再生されて、燃料ガスとして第２燃料電池セルスタック１８で再利用される多段式の燃料電池システムとなっている。

【0049】

燃焼部２０には、燃焼排ガス管Ｐ１０の一端が接続されている。燃焼排ガス管Ｐ１０は、気化器１２内を経て熱交換を行い、他端が排ガス水タンク３６と接続されている。燃焼排ガスは、燃焼部２０から燃焼排ガス管Ｐ１０を通って排ガス水タンク３６へ送出される。

【0050】

排ガス水タンク３６は、凝縮器を含んで構成されており、燃焼排ガスから少なくとも水の一部を凝縮させて除去する機能を有している。燃焼排ガスから分離された水を、以下「排ガス水」と称する。燃焼排ガスには、カソード１８Ｂから燃焼部２０へ供給された空気で燃焼に使用されていない空気が混入しており、排ガス水の不純物含有率はオフガス水と比較して高い。一方、上水よりも不純物含有率は低い。したがって、排ガス水の純度は、オフガス水よりも低く、上水よりも高い。排ガス水タンク３６には、凝縮して燃焼排ガスから分離された排ガス水が貯留される。排ガス水タンク３６には、水位センサ３６Ａが設けられており、貯留された排ガス水の水位３６ＬＶを検知する。水位センサ３６Ａは、水供給制御部４０と接続されており、検知した排ガス水の水位３６ＬＶを水供給制御部４０へ送信する。なお、排ガス水タンク３６の下部には、排水管Ｐ１０Ｂが接続されており、必要に応じて（例えば、水量がタンクの容量を超える場合）排ガス水が外部へ排出される。

【0051】

排ガス水タンク３６の上部出口側には、外部排出管Ｐ１０Ａが接続されており、少なくとも水の一部が除去された燃焼排ガスは、外部排出管Ｐ１０Ａから外部に排出される。

【0052】

排ガス水タンク３６の下部には、排ガス水タンク３６に貯留された排ガス水を流出させる排ガス水供給路Ｐ２４の一端が接続されている。排ガス水供給路Ｐ２４の他端は、第２合流部Ｊ２で第１改質水供給路Ｐ２０Ｂと接続されている。第２合流部Ｊ２よりも下流側を水供給管Ｐ２とする。水供給管Ｐ２には、水供給ポンプ２６よりも上流側に共通イオン交換樹脂３０が設けられている。なお、共通イオン交換樹脂３０は、水供給ポンプ２６よりも下流側に設けてもよい。排ガス水供給路Ｐ２４には、第２合流部Ｊ２よりも上流側に排ガス水用イオン交換樹脂３２が設けられ、排ガス水用イオン交換樹脂３２よりも下流側にバルブＶ２が設けられている。排ガス水用イオン交換樹脂３２は、イオン交換により排ガス水中の不純物を除去する。バルブＶ２は開閉バルブであり、水供給制御部４０と接続されている。バルブＶ２は、水供給制御部４０によって開閉が制御される。

【0053】

水供給制御部４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、メモリ等を含んで構成されている。メモリには、後述する第１水供給処理等の処理手順や、燃料電池システム１０Ａの運転時に必要な他のデータや手順等が記憶されている。図２に示されるように、水供給制御部４０は、排ガス水タンク３６、水位センサ２２Ａ、３６Ａ、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３と接続されている。

【0054】

次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの動作について説明する。

【0055】

燃料電池システム１０Ａでは、原料であるメタン及び改質水が、気化器１２へ供給される。気化器１２では、供給されたメタン及び改質水が混合されると共に、燃焼排ガス管Ｐ１０を流通する燃焼排ガスから熱を得て加熱され、水が気化され水蒸気となる。

【0056】

メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質部１４へ送出される。改質部１４では、水蒸気改質反応により、水素を含む燃料ガスが生成される。燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ４を介して第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａに供給される。

【0057】

第１燃料電池セルスタック１６の第１カソード１６Ｂには、空気が酸化ガス管Ｐ５や図示しない熱交換器を経て供給される。これにより、第１燃料電池セルスタック１６では、前述の反応により発電が行われる。この発電に伴い燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａからは、アノードオフガスが排出される。また、第１カソード１６Ｂからは、カソードオフガスが排出される。カソードオフガスは、カソードオフガス管Ｐ６を通って第２燃料電池セルスタック１８の第２カソード１８Ｂへ供給される。

【0058】

第１アノード１６Ａから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス管Ｐ７に導かれ、図示しない熱交換器を経て凝縮タンク２２へ流入され、アノードオフガス中の水蒸気が凝縮し、オフガス水が貯留される。通常時において、バルブＶ１は開放されており、オフガス水は、第１改質水供給路Ｐ２０を流れ、共通イオン交換樹脂３０を通って気化器１２へ供給される。

【0059】

水の一部が除去されたアノードオフガスは、再生燃料ガス管Ｐ９により第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａへ供給される。

【0060】

第２燃料電池セルスタック１８では、前述の反応により発電が行われ、第２アノード１８Ａ、第２カソード１８Ｂでの使用済ガスは、配管Ｐ１１、Ｐ１２により各々燃焼部２０へ送出され、燃焼部２０で焼却に供される。

【0061】

燃焼部２０からの燃焼排ガスは、燃焼排ガス管Ｐ１０へ送出され、気化器１２での熱交換を経て排ガス水タンク３６へ流入され、燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮し、排ガス水が貯留される。通常時において、バルブＶ２は閉鎖されている。

【0062】

凝縮タンク２２に設けられた水位センサ２２Ａ、及び、排ガス水タンク３６に設けられた水位センサ３６Ａからは、水供給制御部４０へ各々が検知した水位２２ＬＶ、３６ＬＶが出力される。水位センサ２２Ａで検知された水位２２ＬＶが、Ｌ１以下であった場合には、水供給制御部４０により、図３に示す第１水供給処理が実行される。

【0063】

第１水供給処理では、凝縮タンク２２に貯留されたオフガス水の水量が改質部１４への改質水の供給に必要とされる量に対して十分でない場合に、他の水源からの水が改質水として改質部１４へ供給される。凝縮タンク２２に貯留された水量が改質部１４への供給に必要とされる量に対して十分かどうかの基準値であるＬ１は、必要とされている改質水量、発電により生成される水量、凝縮タンク２２での凝縮により得られる水量等により設定される。

【0064】

まず、ステップＳ１０で、水位センサ３６Ａで検知された水位３６ＬＶが、Ｌ２を超えているかどうかを判断する。Ｌ２は、排ガス水タンク３６で貯留された水量が改質部１４への供給に必要とされる量に対して十分かどうかを判断するための基準値であり、必要とされている改質水量、排ガス水タンク３６での凝縮により得られる水量等により設定される。

【0065】

ステップＳ１０での判断が肯定された場合には、ステップＳ１２でバルブＶ２を開放すると共に、バルブＶ１を閉鎖する。これにより、凝縮タンク２２からの改質水供給が停止され、排ガス水タンク３６から改質水の供給が開始される。排ガス水タンク３６からの排ガス水は、排ガス水用イオン交換樹脂３２を通り、さらに共通イオン交換樹脂３０を通り、気化器１２で気化され、改質部１４へ供給される。

【0066】

その後、ステップＳ１４で、水位センサ２２Ａで検知された水位２２ＬＶが、Ｌ１を超えているかどうかを判断する。判断が否定された場合には、判断が肯定されるまでステップＳ１４を繰り返す。ステップＳ１４での判断が肯定された場合には、ステップＳ１６で、バルブＶ１を開放すると共に、バルブＶ２を閉鎖し、第１水供給処理を終了する。

【0067】

ステップＳ１０での判断が否定された場合には、ステップＳ１８でバルブＶ３を開放すると共に、バルブＶ１を閉鎖する。これにより、凝縮タンク２２からの改質水供給が停止され、上水での改質水の供給が開始される。上水は、上水用イオン交換樹脂３４を通り、さらに共通イオン交換樹脂３０を通り、気化器１２で気化され、改質部１４へ供給される。

【0068】

その後、ステップＳ２０で、水位センサ２２Ａで検知された水位２２ＬＶが、Ｌ１を超えているかどうかを判断する。判断が否定された場合には、ステップＳ２４へ進み、水位センサ３６Ａで検知された水位３６ＬＶが、Ｌ２を超えているかどうかを判断する。ステップＳ２４での判断が肯定された場合には、ステップＳ２６で、バルブＶ２を開放すると共に、バルブＶ３を閉鎖する。ステップＳ２４で判断が否定された場合、及び、ステップＳ２６の処理終了後、ステップＳ２０へ戻る。ステップＳ２０での判断が肯定された場合には、ステップＳ２２で、バルブＶ１を開放すると共に、バルブＶ２、バルブＶ３を閉鎖し、第１水供給処理を終了する。これにより、再度、凝縮タンク２２に貯留されたオフガス水が改質水として供給される。

【0069】

本実施形態では、凝縮タンク２２の水位２２ＬＶがＬ１を超えている場合、すなわち凝縮タンク２２に改質水として十分な水が貯留されている場合には、凝縮タンク２２から改質水が供給され、排ガス水タンク３６からの排ガス水や上水での改質水の供給を行わない。したがって、燃料電池システム１０Ａにおいて、不純物が少ないオフガス水を優先的に改質水として利用することができる。オフガス水を改質水として利用することにより、不純物を除去するためのイオン交換樹脂の充填量を少なくすることができる。したがって、共通イオン交換樹脂３０におけるイオン交換樹脂の充填量を少なくすることができる。

【0070】

また、本実施形態では、凝縮タンク２２の水位２２ＬＶがＬ１以下の場合、排ガス水タンク３６の水位３６ＬＶがＬ２を超えている場合、すなわち排ガス水タンク３６に改質水として十分な水が貯留されている場合には、排ガス水タンク３６から改質水が供給され、上水での改質水の供給を行わない。したがって、燃料電池システム１０Ａにおいて、オフガス水の不足分を排ガス水で補うことができる。上水は空気以外に含まれる不純物の種類が多く、その不純物の一部を除去するために、多量の上水用イオン交換樹脂３４が必要とされる。一方で、排ガス水は、化学反応による生成物であり、一部空気などの不純物を含むので、排ガス水用イオン交換樹脂３２の充填量は、上水用イオン交換樹脂３４よりも少なくすることができる。また、排ガス水用イオン交換樹脂３２、上水用イオン交換樹脂３４で各々特定の不純物を除去し、その後、各々の水は、水供給管へと送出され、共通イオン交換樹脂３０で残りの不純物を除去し、気化器１２へ供給される。したがって、共通イオン交換樹脂３０へのイオン交換樹脂の充填量を少なくすることができる。また、それぞれの水供給路に応じて、不純物の種類が異なるので、最適なイオン交換樹脂を適量充填することで、各イオン交換樹脂の負担を軽減し、メンテナンスサイクルも長くすることができる。

【0071】

さらに、本実施形態では、凝縮タンク２２の水位２２ＬＶがＬ１以下の場合、且つ排ガス水タンク３６の水位３６ＬＶがＬ２以下の場合、上水から改質水が供給される。これにより、燃料電池システム１０Ａにおける、内部の改質水の不足分を外部水で補うことができる。また、上水は、上水用イオン交換樹脂３４を経て不純物が除去された後に、水供給管Ｐ２へと送出され、共通イオン交換樹脂３０を通って気化器１２へ供給される。したがって、共通イオン交換樹脂３０へのイオン交換樹脂の充填量を少なくすることができる。

【0072】

また、排ガス水用イオン交換樹脂３２、上水用イオン交換樹脂３４を別々に有しているので、各々の水（排ガス水、上水）に含まれる不純物の量や成分に応じてイオン交換樹脂の量や種類を設定することができる。このように、水源毎に異なるイオン交換樹脂を設けることにより、効果的に不純物を除去することができる。

【0073】

なお、本実施形態では、第１燃料電池セルスタック１６と第２燃料電池セルスタック１８を有する多段式の燃料電池システムを例に説明したが、本発明は、図４に示されるように、循環式の燃料電池システム１０Ｂに適用してもよい。

【0074】

燃料電池システム１０Ｂでは、第２燃料電池セルスタック１８を有しておらず、再生燃料ガス管Ｐ９から送出された再生燃料ガスは２分岐され、一方の再生燃料ガス管Ｐ９−１は燃料ガス管Ｐ４と接続され、第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａへ再生燃料ガスを供給する。また、他方の再生燃料ガス管Ｐ９−２は、燃焼部２０と接続され、燃焼部２０へ再生燃料ガスを供給し、燃焼させる。カソードオフガス管Ｐ６は、燃焼部２０と接続され、燃焼部２０へカソードオフガスを供給し、燃焼を補助する。なお、再生燃料ガス管Ｐ９−１は、改質部１４と接続して改質部１４へ再生燃料ガスを戻し、改質部１４を経由して第１アノード１６Ａへ再生燃料ガスを供給してもよい。

【0075】

燃料電池システム１０Ｂにおいても、燃料電池システム１０Ａと同様の第１水供給処理を行うことにより、燃料電池システム１０Ａと同様の効果を奏することができる。

【0076】

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【0077】

本実施形態の燃料電池システム１０Ｃは、図５に示すように、上水の供給が行われず、上水供給路Ｐ２２、上水用イオン交換樹脂３４、及びバルブＶ３を有していない。その他の構成は、第１実施形態の燃料電池システム１０Ａと同一である。

【0078】

本実施形態でも、通常時において、バルブＶ１が開放されており、オフガス水は、第１改質水供給路Ｐ２０を流れ、共通イオン交換樹脂３０を通って気化器１２へ供給される。また、バルブＶ２は閉鎖されている。

【0079】

水位センサ２２Ａで検知された水位２２ＬＶが、Ｌ１以下であった場合には、水供給制御部４０により、図６に示す第２水供給処理が実行される。

【0080】

第２水供給処理では、凝縮タンク２２に貯留された水量が改質部１４への供給に必要とされる量に対して十分でない場合に、排ガス水タンク３６からの水が改質水として改質部１４へ供給される。

【0081】

まず、ステップＳ１２でバルブＶ２を開放すると共に、バルブＶ１を閉鎖する。これにより、凝縮タンク２２からの改質水供給が停止され、排ガス水タンク３６から改質水の供給が開始される。排ガス水タンク３６からの排ガス水は、排ガス水用イオン交換樹脂３２を通り、さらに共通イオン交換樹脂３０を通り、気化器１２で気化され、改質部１４へ供給される。

【0082】

その後、ステップＳ１４で、水位センサ２２Ａで検知された水位２２ＬＶが、Ｌ１を超えているかどうかを判断する。判断が否定された場合には、判断が肯定されるまでステップＳ１４を繰り返す。ステップＳ１４での判断が肯定された場合には、ステップＳ１６で、バルブＶ１を開放すると共に、バルブＶ２を閉鎖し、第２水供給処理を終了する。

【0083】

本実施形態でも、凝縮タンク２２の水位２２ＬＶがＬ１を超えている場合、すなわち凝縮タンク２２に改質水として十分な水が貯留されている場合には、凝縮タンク２２から改質水が供給され、排ガス水タンク３６からの排ガス水での改質水の供給を行わない。したがって、燃料電池システム１０Ｃにおいて、不純物が少ないオフガス水を優先的に改質水として利用することができ、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0084】

なお、本発明は、本実施形態においても、第１実施形態の燃料電池システム１０Ｂと同様に、図７に示される、循環式の燃料電池システム１０Ｄに適用してもよい。

【0085】

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１、第２実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【0086】

本実施形態の燃料電池システム１０Ｅは、図８に示すように、排ガス水タンク３６を有しておらず、水位センサ３６Ａ、排ガス水供給路Ｐ２４、排ガス水用イオン交換樹脂３２、及びバルブＶ２についても有していない。気化器１２で熱交換された燃焼排ガスは、気化器１２に接続された外部排出管Ｐ１０Ａから外部へ排出される。その他の構成は、第１実施形態の燃料電池システム１０Ａと同一である。

【0087】

本実施形態でも、通常時において、バルブＶ１が開放されており、オフガス水は、第１改質水供給路Ｐ２０を流れ、共通イオン交換樹脂３０を通って気化器１２へ供給される。また、バルブＶ３は閉鎖されている。

【0088】

水位センサ２２Ａで検知された水位２２ＬＶが、Ｌ１以下であった場合には、水供給制御部４０により、図９に示す第３水供給処理が実行される。

【0089】

第３水供給処理では、凝縮タンク２２に貯留された水量が改質部１４への供給に必要とされる量に対して十分でない場合に、排ガス水タンク３６からの水が改質水として改質部１４へ供給される。

【0090】

まず、ステップＳ１８でバルブＶ３を開放すると共に、バルブＶ１を閉鎖する。これにより、凝縮タンク２２からの改質水供給が停止され、上水から改質水の供給が開始される。上水は、上水用イオン交換樹脂３４を通り、さらに共通イオン交換樹脂３０を通り、気化器１２で気化され、改質部１４へ供給される。

【0091】

その後、ステップＳ２０で、水位センサ２２Ａで検知された水位２２ＬＶが、Ｌ１を超えているかどうかを判断する。判断が否定された場合には、判断が肯定されるまでステップＳ２０を繰り返す。ステップＳ２０での判断が肯定された場合には、ステップＳ２２で、バルブＶ１を開放すると共に、バルブＶ３を閉鎖し、第３水供給処理を終了する。

【0092】

本実施形態でも、凝縮タンク２２の水位２２ＬＶがＬ１を超えている場合、すなわち凝縮タンク２２に改質水として十分な水が貯留されている場合には、凝縮タンク２２から改質水が供給され、上水での改質水の供給を行わない。したがって、燃料電池システム１０Ｅにおいて、不純物が少ないオフガス水を優先的に改質水として利用することができ、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0093】

なお、本発明は、本実施形態においても、第１実施形態の燃料電池システム１０Ｂと同様に、図１０に示される、循環式の燃料電池システム１０Ｆに適用してもよい。

【0094】

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜第３実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【0095】

本実施形態の燃料電池システム１０Ｇは、図１１に示すように、分離部５０を備えている。分離部５０は、分離膜５２により、流入室５４と透過室５６に区画されている。分離膜５２は、少なくとも水（気相）を透過可能な材料で形成されている。分離膜５２としては、特に限定されないが、例えば、有機高分子膜、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜、液体膜などが挙げられる。また、分離膜は、ガラス状高分子膜、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜、アルミナ膜、シリカ膜、炭素膜、ゼオライト膜、セラミック膜、アミン水溶液膜又はイオン液体膜であることがより好ましい。

【0096】

流入室５４の入口側には、アノードオフガス管Ｐ７の下流端が接続され、流入室５４の出口側には、再生燃料ガス管Ｐ９の上流端が接続されている。分離膜５２で水が分離されたアノードオフガスは、再生燃料ガスとして、再生燃料ガス管Ｐ９へ送出される。

【0097】

透過室５６の入口側には、空気をスイープガスとして流入させるスイープ管Ｐ２６が接続されている。スイープ管Ｐ２６には、空気供給ブロワ２８が接続されており、空気供給ブロワ２８により空気が送出されている。スイープ管Ｐ２６には、透過室５６へ流入させる空気の質量流量を計測可能な流量計５８が設けられている。流量計５８としては、マスフロメーターを用いることができる。流量計５８は、図１２に示すように、水供給制御部４０と接続されており、計測された空気の質量流量が水供給制御部４０へ送られる。

【0098】

透過室５６の出口側には、分離ガス管Ｐ２８の一端が接続されており、分離ガス管Ｐ２８の他端は、図示しない熱交換器を経て凝縮タンク２２と接続されている。分離ガス管Ｐ２８から、スイープガスとしての空気、及び分離膜５２を透過した水、その他のアノードオフガス中の成分が送出され凝縮タンク２２へ送られる。凝縮タンク２２では、水が凝縮され、オフガス水が貯留される。凝縮タンク２２の上部には、排気管Ｐ２３が接続されている。

【0099】

燃料電池システム１０Ｇでは、オフガス水に含まれる不純物含有率が排ガス水に含まれる不純物含有率以下の場合には、第１実施形態と同様に、凝縮タンク２２の水位２２ＬＶがＬ１を超えていれば、改質水の供給は、オフガス水のみで行われる。水位２２ＬＶが、Ｌ１以下であった場合には、水供給制御部４０により、図３に示す第１水供給処理が実行される。

【0100】

本実施形態では、流量計５８により計測された空気の質量流量から、オフガス水の不純物含有率を推測する。また、流量計５８により計測された空気の質量流量から、第１カソード１６Ｂへ送出される空気の質量流量も推測し、当該空気の質量流量に基づいて排ガス水の不純物含有率を推測する。これにより、オフガス水の不純物含有率が排ガス水の不純物含有率を超えたかどうかを判断することができる。本実施形態では、オフガス水の不純物含有率（ＡＩＲ２２）が排ガス水の不純物含有率（ＡＩＲ３６）を超えた場合に、改質水として使用する水をオフガス水から排ガス水へ切り換える、図１３に示される第４水供給処理が実行される。

【0101】

第４水供給処理では、まず、ステップＳ１０で、水位センサ３６Ａで検知された水位３６ＬＶが、Ｌ２を超えているかどうかを判断する。すなわち、排ガス水タンク３６で貯留された水量が改質部１４への供給に必要とされる量に対して十分かどうかを判断する。ステップＳ１０での判断が否定された場合には、ステップＳ１６へ進む。ステップＳ１０での判断が肯定された場合には、ステップＳ１２でバルブＶ２を開放すると共に、バルブＶ１を閉鎖する。これにより、凝縮タンク２２からの改質水供給が停止され、排ガス水タンク３６から改質水の供給が開始される。排ガス水タンク３６からの排ガス水は、排ガス水用イオン交換樹脂３２を通り、さらに共通イオン交換樹脂３０を通り、気化器１２で気化され、改質部１４へ供給される。

【0102】

その後、ステップＳ３０で、オフガス水の不純物含有率（ＡＩＲ２２）が排ガス水の不純物含有率（ＡＩＲ３６）を超えているかどうかを判断する。判断が肯定された場合には、ステップＳ１０へ戻る。判断が否定された場合には、ステップＳ１６で、バルブＶ１を開放すると共に、バルブＶ２を閉鎖し、第４水供給処理を終了する。ステップＳ１０の判断が否定された場合には、排ガス水タンク３６からの改質水供給を行わず、凝縮タンク２２からの改質水供給を行うため、ステップＳ１６へ進み、バルブＶ１を開放すると共に、バルブＶ２を閉鎖して、第４水供給処理を終了する。

【0103】

第４水供給処理は、凝縮タンク２２の水位２２ＬＶがＬ１を超えている場合にのみ実行され、水位２２ＬＶがＬ１以下となった場合には、第４水供給処理は実行されず第１水供給処理が優先的に実行される。

【0104】

本実施形態によれば、オフガス水の不純物含有率が排ガス水の不純物含有率を超えた場合に、排ガス水を優先して改質水として用いるので、簡易に純度の高い改質水を得ることができる。
また、本実施形態では、アノードオフガス中の水蒸気を気相のまま分離膜５２を用いて分離できるので、第２燃料電池セルスタック１８へ送出する再生燃料ガスの温度を高く維持することができる。

【0105】

なお、本実施形態では、流量計５８により計測された空気の質量流量からオフガス水及び排ガス水の不純物含有率を推測したが、オフガス水タンク２２、及び排ガス水タンク３６に、電気伝導度計を設けて不純物の濃度を測定し、不純物含有率を特定してもよい。この場合には、空気伝導度計での測定データを水供給制御部４０へ出力し、不純物含有率の低い水を貯留するタンクからの水が改質水として用いられるように、各バルブの制御を行う。

【0106】

なお、本発明は、本実施形態においても、第１実施形態の燃料電池システム１０Ｂと同様に、図１４に示される、循環式の燃料電池システム１０Ｈに適用してもよい。

【0107】

また、上記の第１〜第４実施形態では、イオン交換樹脂を用いてオフガス水、排ガス水、上水から不純物を除去したが、イオン交換樹脂（共通イオン交換樹脂３０、排ガス水用イオン交換樹脂３２、上水用イオン交換樹脂３４）は、必ずしも必要ではない。すべてのイオン交換樹脂をなくしてもよいし、例えば、共通イオン交換樹脂３０のみをなくす構成としてもよい。
さらに、燃料電池システムは、２段以上の多段式のものであってもよい。

【符号の説明】

【0108】

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ｇ、１０Ｈ 燃料電池システム
１４ 改質部
１６ 第１燃料電池セルスタック、 １６Ａ 第１アノード（アノード）
１８ 第２燃料電池セルスタック
２０ 燃焼部、 ２２ 凝縮タンク（燃料再生部）
３０ 共通イオン交換樹脂
３２ 排ガス水用イオン交換樹脂、 ３４ 上水用イオン交換樹脂
４０ 水供給制御部、 ５０ 分離部（燃料再生部）
Ｊ１ 第１合流部、 Ｊ２ 第２合流部
Ｐ９−１ 再生燃料ガス管（再生燃料供給管）
Ｐ２０ 第１改質水供給路
Ｐ２２ 上水供給路（第２改質水供給路）
Ｐ２４ 排ガス水供給路（第２改質水供給路）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】