JP2006302792A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムにおいて、高温である気体がその気体より低温であるバルブに流入する場合に、簡単かつ小型な構成の冷却器により冷却した気体をバルブに流入させることにより、バルブが結露して異物が付着するのを防止する。
【解決手段】 燃料電池システムは、燃料供給源Ｓｆと改質部２１を連通する改質用燃料供給管３１と、改質用燃料供給管３１に接続され改質部２１に改質水を供給する水蒸気供給管４１との合流点と燃料供給源Ｓｆとの間の改質用燃料供給管３１に設けられた第２改質用燃料バルブ３５と、合流点と第２改質用燃料バルブ３５との間の改質用燃料供給管３１に設けられて、当該燃料電池システムで利用する低温の流体と改質用燃料供給管３１を流通する気体とが伝熱部材（改質用燃料供給管３１および給水管４２）を隔てて流通するように構成され、該低温流体と気体との間で伝熱部材を介して熱交換が行われる冷却器３６を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、気体が流通する管とその管を開閉するバルブとを備えた燃料電池システムに関し、特にその管を流通する気体によるバルブの結露を防止できるようにしたものに関する。

このような燃料電池システムの一形式として、特許文献１「燃料電池システムとその運転方法」に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、燃料電池システムにおいては、改質器１で改質された改質ガスは、加湿器６内に流入し、ノズル等の加湿促進手段７から液体中にバブリング放出される。そして、バブリングにより粉体が除去された改質ガスは、水中から出て加湿器６の上部に設けられた吐出口６ａからバーナー燃料供給弁４に流入する。この燃料電池システムは、起動時に給水弁８を介して加湿器６に室温以下の冷却水を供給して水温を下げるようになっている。これにより、加湿器６内で改質ガスの露点を下げ、バーナー３に通じる配管内での結露を防ぐことで脈動や失火を防止することができるようになっている。
特開２００２−０６３９２２号公報（第２−５頁、図１，２）

上述した特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、起動時に高温である改質ガスがそれより低温であるバーナー燃料供給弁４に流入する際に、加湿器６を冷却手段としても機能させることにより改質ガスを冷却してバルブであるバーナー燃料供給弁４に流入させており、この方法は加湿を必要とする気体に対してはバルブが結露して異物が付着するのを抑制するには有効であるが、加湿を必要としない気体に対してこのような大掛かりな装置を必要とする方法を適用すると、燃料電池システムが高コスト化・大型化となるという問題があった。また、加湿器６の水面（水量）を管理する水面管理手段が必要となり、燃料電池システムが高コスト化となりまた構造が複雑化するという問題があった。さらに、改質ガスを冷却水に直接接触させることにより冷却しているので、改質ガス中の水素ガスが冷却水に溶出してその結果燃料電池の発電出力が低下するという問題があり、また水素ガスが溶出した冷却水を外部に排出するため環境が悪化するという問題があった。

本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、高温である気体がその気体より低温であるバルブに流入する場合に、簡単かつ小型な構成の冷却器により冷却した気体をバルブに流入させることにより、バルブが結露して異物が付着するのを防止することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、気体が流通する管とその管を開閉するバルブとを備えた燃料電池システムにおいて、管のバルブより上流位置に設けられて、当該燃料電池システムで利用する低温の流体と気体とが伝熱部材を隔てて流通するように構成され、該低温流体と気体との間で伝熱部材を介して熱交換が行われる冷却器を備えたことである。

また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、燃料供給源から供給される改質用燃料を改質して改質ガスを生成して燃料電池に供給する改質部と、燃料供給源と改質部を連通する改質用燃料供給管と、改質用燃料供給管に接続され改質部に改質水を供給する改質水供給管と、改質水供給管との合流点と燃料供給源との間の改質用燃料供給管に設けられた電磁開閉弁と、合流点と電磁開閉弁との間の改質用燃料供給管に設けられて、当該燃料電池システムで利用する低温の流体と改質用燃料供給管を流通する気体とが伝熱部材を隔てて流通するように構成され、該低温流体と気体との間で伝熱部材を介して熱交換が行われる冷却器を備えたことである。

また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項２において、冷却器は、低温流体が流通する管路が改質用燃料供給管の外周壁にらせん状に当接して巻き付けられて構成されていることである。

また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項２または請求項３において、冷却器に流通する低温流体は、改質部に供給される前の改質水であることである。

また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項４において、冷却器を通った後の改質水は、蒸発部で加熱された後に改質部に供給されることである。

また請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項２または請求項３において、燃料電池から排出される排熱および／または改質器にて発生する排熱を熱媒体に回収して利用する排熱回収システムをさらに備え、冷却器に流通する低温流体は、熱媒体であることである。

また請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項６において、排熱回収システムは熱媒体を冷却する熱媒体冷却器を備え、冷却器に流通する低温流体は、熱媒体冷却器を通った後の冷却された熱媒体であることである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、水蒸気を含む高温である気体がその気体より低温であるバルブに流入する場合に、バルブの上流に設けられた簡単な構成の冷却器を通過する際に、気体が冷却されバルブとの温度差が小さくなることにより、気体の流入にともなってバルブ内に結露が発生するのを防止することができる。したがって、気体に含まれる異物がバルブ内に付着することを防止し、バルブの開閉に支障をきたすことを防止することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、燃料電池システムが停止するにあたってパージ処理する際に、改質部から改質ガス、水蒸気などを含む高温である気体が改質用燃料供給管を通ってその気体より低温である電磁開閉弁に逆流する場合に、電磁開閉弁の上流に設けられた簡単な構成の冷却器を通過する際に、気体が冷却され電磁開閉弁との温度差が小さくなることにより、気体の流入にともなって電磁開閉弁内に結露が発生するのを防止することができる。したがって、気体に含まれる異物が電磁開閉弁内に付着することを防止し、電磁開閉弁の開閉に支障をきたすことを防止することができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項２に係る発明において、冷却器は、低温流体が流通する管路が改質用燃料供給管の外周壁にらせん状に当接して巻き付けられて構成されているので、容易に製造可能であり、また簡単かつ小型な構成とすることができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項２または請求項３に係る発明において、冷却器に流通する低温流体は、改質部に供給される前の改質水であるので、燃料電池システムに既に利用している液体を有効利用して高い冷却効果を達成することができる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項４に係る発明において、冷却器を通った後の改質水は、蒸発部で加熱された後に改質部に供給されるので、燃料電池システムの運転中には改質水は蒸発部で加熱されて改質部に供給され、一方、燃料電池システムの停止にあたっては改質部から逆流する高温の気体を冷却するという２つの機能を簡単な構成にて達成することができる。

上記のように構成した請求項６に係る発明においては、請求項２または請求項３に係る発明において、燃料電池から排出される排熱および／または改質器にて発生する排熱を熱媒体に回収して利用する排熱回収システムをさらに備え、冷却器に流通する低温流体は熱媒体であるので、燃料電池システムに既に利用している液体を有効利用して高い冷却効果を達成することができる。

上記のように構成した請求項７に係る発明においては、請求項６に係る発明において、排熱回収システムは熱媒体を冷却する熱媒体冷却器を備え、冷却器に流通する低温流体は、熱媒体冷却器を通った後の冷却された熱媒体であるので、より高い冷却効果を達成することができる。

１）第１実施形態
以下、本発明による燃料電池システムの第１実施形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池１０とこの燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガス（燃料ガス）を生成する改質器２０を備えている。

燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２と両極１１，１２間に介在された電解質１３を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された酸化剤ガスである空気（カソードエア）を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。

改質器２０は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０に供給するものであり、改質部２１、蒸発部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４およびバーナ（燃焼部）２５から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

改質部２１は、外部から供給された改質用燃料に蒸発部２２からの水蒸気（改質水）を混合した混合ガスを改質部２１に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している（いわゆる一酸化炭素シフト反応）。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）はＣＯシフト部２３に導出される。

ＣＯシフト部２３は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてＣＯ選択酸化部２４に導出される。

ＣＯ選択酸化部２４は、改質ガスに残留している一酸化炭素と外部からさらに供給されたＣＯ酸化用の空気（エア）とをその内部に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）燃料電池１０の燃料極１１に導出される。

改質部２１には燃料供給源Ｓｆ（例えば都市ガス管）に接続された改質用燃料供給管３１が接続されており、燃料供給源Ｓｆから改質用燃料が供給されている。改質用燃料供給管３１には、上流から順番に一対の第１改質用燃料バルブ３２，３２、改質用燃料ポンプ３３、脱硫器３４、第２改質用燃料バルブ３５および後述する冷却器３６が設けられている。第１および第２改質用燃料バルブ３２，３５は制御装置の指令によって改質用燃料供給管３１を開閉する電磁開閉弁である。なお、第２改質用燃料バルブ３５は、改質水供給管を構成する水蒸気供給管４１との合流点と燃料供給源Ｓｆとの間の改質用燃料供給管３１に設けられるのが好ましい。改質用燃料ポンプ３３は燃料供給源Ｓｆから供給される改質用燃料を吸い込み改質部２１に吐出するものであり、制御装置の指令に応じて改質用燃料供給量を調整するものである。脱硫器３４は改質用燃料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。これにより、改質用燃料は硫黄分が除去されて改質部２１に供給される。

また、改質用燃料供給管３１の冷却器３６と改質部２１との間には蒸発部２２に接続された水蒸気供給管４１が接続され、蒸発部２２から供給された水蒸気が改質用燃料に混合されて改質部２１に供給されている。蒸発部２２には改質水供給源である水タンクＳｗに接続された給水管４２が接続されている。給水管４２には、上流から順番に改質水ポンプ４３、改質水バルブ４４および冷却器３６が設けられている。改質水ポンプ４３は水タンクＳｗから供給される改質水を吸い込み蒸発部２２に吐出するものであり、制御装置の指令に応じて改質水供給量を調整するものである。改質水バルブ４４は制御装置の指令によって給水管４２を開閉する電磁開閉弁である。蒸発部２２は例えばバーナ２５から排出される燃焼ガス（または、改質部２１、ＣＯシフト部２３などの排熱）によって加熱されており、これにより圧送された改質水を水蒸気化する。なお、改質用燃料供給管３１および給水管４２は耐水性、伝熱性のある金属製（例えば防錆鋼管製）である。なお、水蒸気供給管４１および給水管４２により改質水供給管が構成されている。

冷却器３６は、第２改質用燃料バルブ３５と改質部２１との間の改質用燃料供給管３１に設けられている。冷却器３６は、第２改質用燃料バルブ３５と改質水供給管を構成する水蒸気供給管４１との合流点との間の改質用燃料供給管３１に設けられるのが好ましい。したがって、燃料電池システムの起動運転および定常運転時においては、燃料供給源Ｓｆからの改質用燃料が改質用燃料供給管３１を通って改質部２１に供給される。燃料電池システムの停止運転時（パージ処理）においては、改質部２１からの改質ガス、水蒸気、改質用燃料が改質用燃料供給管３１を起動運転および定常運転時と逆向きに流れて冷却器３６を通ってバーナ２５に供給されて外部に排出される。

この冷却器３６は、低温流体（例えば室温以下）である改質水が流通する管路である給水管４２が改質用燃料供給管３１の外周壁にらせん状に当接して巻き付けられて構成されている。これにより、冷却器３６は、改質水と改質用燃料供給管３１を流通する気体とが伝熱部材であるそれぞれの管３１，４２を隔てて流通するように構成されるとともに、改質水と前記気体との間で伝熱部材である給水管４２および改質用燃料供給管３１の管壁を介して熱交換が行われるようになっている。

なお、冷却器３６は、このような構成に限られず、簡単な構成で、かつ、改質水が改質用燃料供給管を流通する気体と伝熱部材を隔てて流通するように構成されるものであれば、他の形式の熱交換器例えばプレート式熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器などの形式で構成するようにしてもよい。プレート式熱交換器は、流路が形成され、かつ伝熱材で形成されたプレートを複数積層して構成され熱交換する２つの流体をプレートを隔てて流通させるものである。プレート式熱交換器の伝熱部材はプレートである。シェルアンドチューブ式熱交換器は、シェルとシェル内に配設され、かつ伝熱材で形成された複数の伝熱管から構成され熱交換する２つの流体の一方を伝熱管内に流通させ他方を伝熱管外のシェル内に流通させるものである。シェルアンドチューブ式熱交換器の伝熱部材は伝熱管である。

バーナ（燃焼部）２５は、改質部２１を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものである。このバーナ２５は、システム起動した後改質用燃料の供給開始までの間は、燃料供給源Ｓｆから供給される燃焼用燃料を外部から供給される燃焼用空気で燃焼し、改質用燃料の供給開始以降から定常運転開始までにおいては、ＣＯ選択酸化部２４から直接供給される改質ガスを燃焼用空気で燃焼し、そして、定常運転時に燃料電池１０の燃料極１１から供給されるアノードオフガス（燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス）を燃焼用空気で燃焼し、その燃焼ガスを改質部２１に導出するものである。なお、改質ガスまたはアノードオフガスの熱量不足は燃焼用燃料を追加してその燃焼熱で補充するようになっている。この燃焼ガスは改質部２１を（同改質部２１の触媒の活性温度域となるように）加熱し、その後排気管５６を通って外部に排出されるようになっている。

このバーナ２５には、第１改質用燃料バルブ３２と改質用燃料ポンプ３３の間の改質用燃料供給管３１から分岐した燃焼用燃料供給管３７が接続されており、燃焼用燃料が供給されるようになっている。燃焼用燃料供給管３７には、上流から順番に燃焼用燃料ポンプ３８および燃焼用燃料バルブ３９が設けられている。燃焼用燃料ポンプ３８は燃料供給源Ｓｆから供給される燃焼用燃料を吸い込みバーナ２５に吐出するものであり、制御装置の指令に応じて燃焼用燃料供給量を調整するものである。燃焼用燃料バルブ３９は制御装置の指令によって燃焼用燃料供給管３７を開閉する電磁開閉弁である。また、バーナ２５には燃料極１１の導出口に一端が接続されているオフガス供給管５２の他端が接続されており、燃料電池１０の起動運転時にＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスが改質ガス供給管５１、バイパス管５３およびオフガス供給管５２を通って供給され、燃料電池１０の定常運転時に燃料電池１０から排出されるアノードオフガス（燃料極１１にて未使用な水素を含んだ改質ガス）が供給されるようになっている。

また、改質用燃料供給管３１の脱硫器３４と第２改質用燃料バルブ３５との間には、窒素供給管４５を介して窒素供給源Ｓｎが接続されている。窒素供給管４５には、制御装置の指令によって窒素供給管４５を開閉する窒素バルブ４６が設けられている。これにより、窒素バルブ４６が開かれると、改質器２０、燃料電池１０に窒素が供給される。

燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管５１を介してＣＯ選択酸化部２４が接続されており、燃料極１１に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極１１の導出口にはオフガス供給管５２を介してバーナ２５が接続されており、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスをバーナ２５に供給するようになっている。バイパス管５３は燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管５１およびオフガス供給管５２を直結するものである。改質ガス供給管５１にはバイパス管５３との分岐点と燃料極１１の導入口との間に第１改質ガスバルブ５１ａが設けられている。オフガス供給管５２にはバイパス管５３との合流点と燃料極１１の導出口との間にオフガスバルブ５２ａが設けられている。バイパス管５３には第２改質ガスバルブ５３ａが設けられている。第１および第２改質ガスバルブ５１ａ，５３ａおよびオフガスバルブ５２ａはそれぞれの管５１，５３，５２を開閉するものであり、制御装置により制御されている。起動運転時には、改質器２０から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池１０に供給するのを回避するため、第１改質ガスバルブ５１ａおよびオフガスバルブ５２ａを閉じ第２改質ガスバルブ５３ａを開き、定常運転時には、ＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスを燃料電池１０に供給するため、第１改質ガスバルブ５１ａおよびオフガスバルブ５２ａを開き第２改質ガスバルブ５３ａを閉じている。

また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、カソード用空気供給管５４が接続されており、空気極１２内に空気が供給されるようになっている。さらに、燃料電池１０の空気極１２の導出口には、排気管５５が接続されており、空気極１２からの空気（カソードオフガス）が外部に排出されるようになっている。

また、改質ガス供給管５１、オフガス供給管５２、排気管５５および排気管５６の途中には、それぞれ改質ガス用凝縮器６１、アノードオフガス用凝縮器６２、カソードオフガス用凝縮器６３および燃焼ガス用凝縮器６４が設けられている。改質ガス用凝縮器６１は改質ガス供給管５１中を流れる燃料電池１０の燃料極１１に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器６２はオフガス供給管５２中を流れる燃料電池１０の燃料極１１から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器６３は排気管５５中を流れる燃料電池１０の空気極１２から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。燃焼ガス用凝縮器６４は排気管５６中を流れる改質部２１から排出される燃焼ガス（燃焼排ガス）中の水蒸気を凝縮する。なお、各凝縮器６１〜６４は、凝縮冷媒が循環する凝縮冷媒循環回路７５上に配設されており、凝縮冷媒との熱交換によって各ガス中の水蒸気を凝縮している。

これら凝縮器６１〜６４は配管６５を介して純水器６６に連通しており、各凝縮器６１〜６４にて凝縮された凝縮水は、純水器６６に導出され回収されるようになっている。純水器６６は、各凝縮器６１〜６４から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を水タンクＳｗに導出するものである。なお、純水器６６には水道水供給源（例えば水道管）から供給される補給水（水道水）を導入する給水管が接続されており、純水器６６内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになっている。

さらに、燃料電池システムは、燃料電池１０から排出される排熱および／または改質器２０にて発生する排熱を熱媒体に回収して利用する排熱回収システム７０を備えている。この排熱回収システム７０は、貯湯水を貯湯する貯湯槽７１と、凝縮冷媒循環回路７５とは独立して設けられ貯湯水が循環する貯湯水循環回路７２と、燃料電池１０と熱交換する燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路であるＦＣ冷却水循環回路７３と、貯湯水と燃料電池熱媒体との間で熱交換が行われる第１熱交換器７４と、燃料電池１０から排出される排熱および／または改質器２０にて発生する排熱を少なくとも回収した液体である熱媒体（凝縮冷媒）が循環する熱媒体循環回路である凝縮冷媒循環回路７５と、貯湯水と凝縮冷媒との間で熱交換が行われる第２熱交換器７６と、が備えられている。これにより、燃料電池１０の発電にて発生した排熱（熱エネルギー）は、ＦＣ冷却水に回収され、第１熱交換器７４を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱（昇温）する。また、燃料電池１０から排出されるオフガスの排熱（熱エネルギー）および改質器２０にて発生した排熱（熱エネルギー）は、各凝縮器６１〜６４を介して凝縮冷媒に回収され、第２熱交換器７６を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱（昇温）する。なお、本明細書中および添付の図面中の「ＦＣ」は「燃料電池」の省略形として記載している。

燃料電池１０から排出される排熱には、燃料電池１０から排出されるオフガス（アノードおよびカソードオフガス）の排熱だけでなく、燃料電池１０の発電で発生する排熱が含まれている。燃料電池１０の発電で発生する排熱は、燃料電池１０のＦＣ冷却水を介する排熱であり、ＦＣ冷却水、第１熱交換器７４、貯湯水および第２熱交換器７６を介して凝縮冷媒に熱を与えている（凝縮冷媒に回収されている）。また、改質器２０にて発生する排熱には、改質ガスの排熱、バーナ２５からの燃焼排ガスの排熱、および改質器２０と熱交換する排熱（改質器自身の排熱）が含まれている。

貯湯槽７１は、１つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽７１の柱状容器の下部には水道水などの水（低温の水）が補給され、貯湯槽７１に貯留された高温の温水が貯湯槽７１の柱状容器の上部から導出されるようになっている。

貯湯水循環回路７２の一端および他端は貯湯槽７１の下部および上部に接続されている。貯湯水循環回路７２上には、一端から他端に向かって順番に貯湯水循環手段である貯湯水循環ポンプ７２ａ、第２熱交換器７６、および第１熱交換器７４が配設されている。貯湯水循環ポンプ７２ａは、貯湯槽７１の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環回路７２を通水させて貯湯槽７１の上部に吐出するものであり、制御装置によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。

ＦＣ冷却水循環回路７３上には、ＦＣ冷却水循環手段であるＦＣ冷却水循環ポンプ７３ａが配設されており、このＦＣ冷却水循環ポンプ７３ａは、制御装置によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。また、ＦＣ冷却水循環回路７３上には第１熱交換器７４が配設されている。

凝縮冷媒循環回路７５上には、凝縮冷媒循環手段である凝縮冷媒循環ポンプ７５ａが配設されている。この凝縮冷媒循環ポンプ７５ａは、矢印方向へ凝縮冷媒を流すようになっており、制御装置によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。また、凝縮冷媒循環回路７５上には、第２熱交換器７６が配設されている。さらに、凝縮冷媒循環回路７５上には、第２熱交換器７６から下流に向かって順番にラジエータ７７、凝縮冷媒循環ポンプ７５ａ、アノードオフガス用凝縮器６２、燃焼ガス用凝縮器６４、カソードオフガス用凝縮器６３および改質ガス用凝縮器６１が配設されている。なお、各凝縮器６１〜６４の配置は上述した順番に限らないし、また、各凝縮器６１〜６４は一本の配管に直列に配置する場合に限らず、凝縮冷媒循環回路７５を複数に分岐して各分岐路に並列に配置するようにしてもよい。また、凝縮冷媒循環回路７５上には少なくとも改質ガス用凝縮器６１が配置されるようになっている。

ラジエータ７７は、凝縮冷媒を冷却する冷却手段であり、制御装置の指令によってオン・オフ制御されており、オン状態のときには凝縮冷媒を冷却し、オフ状態のときには冷却しないものである。

なお、上述した各循環回路７２，７３，７５は、貯湯水、ＦＣ冷却水、凝縮冷媒が流通する管から構成されており、各管は耐水性、伝熱性のある金属製（例えば防錆鋼管製）である。

次に、上述した燃料電池システムの作動について説明する。制御装置は、時刻ｔ０にて図示しない起動スイッチがオンされると、燃料電池システムを暖機する起動運転を開始する。制御装置は、第１改質用燃料バルブ３２，３２および燃焼用燃料バルブ３９を開いて燃料供給源Ｓｆをバーナ２５に接続し、燃焼用燃料ポンプ３８および燃焼用空気ポンプ（図示省略）を駆動して燃焼用燃料および燃焼用空気をバーナ２５に供給してバーナ２５を着火する。これにより、燃焼用燃料が燃焼され、燃焼ガスにより改質部２１内の改質触媒および蒸発部２２が加熱される。このとき、第１改質ガスバルブ５１ａおよびオフガスバルブ５２ａを閉じ第２改質ガスバルブ５３ａを開いてＣＯ選択酸化部２４がバーナ２５に接続するようになっている。

制御装置は、蒸発部２２の温度が第１の所定温度Ｔｈ１以上となれば（時刻ｔ１）、改質水バルブ４４を開き、改質水ポンプ４３を駆動させ改質水を所定流量（所定供給量）だけ蒸発部２２を介して改質部２１に供給する。そして、蒸発部２２の温度が所定温度Ｔｈ１以上となった時点（時刻ｔ１）から第１所定時間Ｔ１（例えば１分）以上となれば、第２改質用燃料バルブ３５を開き、改質用燃料ポンプ３３を駆動させ改質用燃料を所定流量（所定供給量）だけ改質部２１に供給するとともに、酸化用空気（酸化用エア）を所定流量（所定供給量）だけＣＯ選択酸化部２４に供給する。これにより、改質部２１に改質用燃料と水蒸気の混合ガスが供給され、改質部２１では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。そして、改質部２１から導出された改質ガスはＣＯシフト部２３およびＣＯ選択酸化部２４により一酸化炭素ガスを低減されてＣＯ選択酸化部２４から導出され、燃料電池１０を通らないでバイパス管５３を通って直接バーナ２５に供給されて燃焼される。なお、燃焼用燃料は改質ガスの燃焼で不足する熱量を補うように供給される。

このような改質ガスの生成中において、制御装置は、ＣＯ選択酸化部２４の触媒の温度が第２の所定温度Ｔｈ２以上となれば（時刻ｔ４）、第１改質ガスバルブ５１ａおよびオフガスバルブ５２ａを開き第２改質ガスバルブ５３ａを閉じてＣＯ選択酸化部２４を燃料電池１０の燃料極１１の導入口に接続するとともに燃料極１１の導出口をバーナ２５に接続する。すなわち、起動運転を終了し続いて定常運転を開始する。これにより、ＣＯ選択酸化部２４から導出された改質ガスは燃料極１１に供給され発電に使用される。燃料極１１からのアノードオフガスはバーナ２５に供給されて燃焼される。なお、燃焼用燃料はアノードオフガスの燃焼で不足する熱量を補うように供給される。定常運転中には、所望の出力電流（負荷装置で消費される電流・電力）となるように改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気、酸化用空気、カソードエアおよび改質水を供給するようになっている。

このような定常運転中に停止スイッチが押されるなどして燃料電池システムの運転を停止する場合には、改質装置２０、燃料電池１０など燃料電池システム内に留めておくとシステムに有害である気体（例えば、改質用燃料、燃焼用燃料、改質ガス）を外部に排出するためのパージ処理が実行される。具体的には、制御装置は、改質用燃料ポンプ３３および燃焼用燃料ポンプ３８の駆動を停止し第１改質用燃料バルブ３２，３２を閉じて改質部２１およびバーナ２５への各燃料の供給を停止するとともに、改質水ポンプ４３の駆動を停止し改質水バルブ４４を閉じて改質部２１への水蒸気の供給を停止する。また、第２改質用燃料バルブ３５および燃焼用燃料バルブ３９を開いて、改質部２１は改質用燃料供給管３１および燃焼用燃料供給管３７を介してバーナ２５と連通し、さらに排気管５６を介して外部と連通する。さらに、第１改質ガスバルブ５１ａおよびオフガスバルブ５２ａが開かれ第２改質ガスバルブ５３ａが閉じられて、ＣＯ選択酸化部２４は燃料電池１０を介してバーナ２５と連通し、さらに排気管５６を介して外部と連通する。これにより、改質部２１内に残留している改質用燃料、水蒸気、改質ガスなどが、改質用燃料供給管３１、燃焼用燃料供給管３７および排気管５６を通る第１経路Ｌ１、または改質ガス供給管５１、オフガス供給管５２および排気管５６を通る第２経路Ｌ２を通って外部に排出されるようになっている。このとき、改質用燃料供給管３１、燃焼用燃料供給管３７、脱硫器３４、改質用燃料ポンプ３３および燃焼用燃料ポンプ３８内に残留している各燃料、水蒸気などが排出されるとともに、ＣＯシフト部２３、ＣＯ選択酸化部２４、改質ガス供給管５１、燃料電池１０の燃料極１１およびオフガス供給管５２内に残留している改質用燃料、水蒸気、改質ガスなどが排出される。

引き続いて、窒素バルブ４６を開いて、窒素供給源Ｓｎが改質用燃料供給管３１と連通し、改質用燃料供給管３１に窒素ガスが供給される。これにより、窒素ガスは、窒素供給管４５および第１経路Ｌ１を通って外部に排出される。この窒素ガスの排出とともに、第１経路Ｌ１の各配管内、およびこれら配管途中に設けられた部品（脱硫器３４、ポンプ３３，３８）内に残留する燃料などが排出される。また、窒素供給源Ｓｎから供給される窒素ガスは、窒素供給管４５および第２経路Ｌ２を通って外部に排出される。この窒素ガスの排出とともに、第２経路Ｌ２の各配管内、およびこれら配管途中に設けられた部品（改質部２１、ＣＯシフト部２３、ＣＯ選択酸化部２４、燃料極１１）内に残留する燃料、水蒸気、改質ガスが排出される。

そして、第１および第２経路Ｌ１，Ｌ２が窒素ガスで充たされるのに十分な所定時間が経過すると、窒素バルブ４６を閉じて窒素ガスの供給を停止する。その直後、第１経路Ｌ１上の第２改質用燃料バルブ３５および燃焼用燃料バルブ３９を閉じ、第２経路Ｌ２上の第１改質ガスバルブ５１ａおよびオフガスバルブ５２ａを閉じるので、全てのバルブ３２，３５，３９，４４，４６，５１ａ，５２ａ，５３ａが閉じられて、燃料電池システムの燃料電池１０、改質器２０は閉塞される。

さらに、上述した燃料電池システムの起動から停止までの第２改質用燃料バルブ３５の状態を詳述する。起動運転時において、第１改質用燃料バルブ３２が開状態となった後で第２改質用燃料バルブ３５が開状態となると、燃料供給源Ｓｆからの改質用燃料が第２改質用燃料バルブ３５を通って改質部２１に流入する。このとき、流入する改質用燃料は室温以下の低温であり、そのため第２改質用燃料バルブ３５の温度は、流入する改質用燃料とほぼ同一の温度となっている。定常運転時においても、起動運転時と同様に燃料供給源Ｓｆからの改質用燃料が第２改質用燃料バルブ３５を通って改質部２１に流入しており、そのため第２改質用燃料バルブ３５の温度は流入する改質用燃料とほぼ同一の温度となっている。

燃料電池システムの停止時において、第１改質用燃料バルブ３２が閉状態となった後で第２改質用燃料バルブ３５および燃焼用燃料バルブ３９が開状態となると、改質部２１に残留している気体である改質用燃料、水蒸気、改質ガスなどが第２改質用燃料バルブ３５を通ってバーナ２５に流入し外部に排出する。このとき、改質部２１内に残留している気体は室温より非常に高温（例えば６００℃）であり、また改質用燃料供給管３１の水蒸気供給管４１との合流点と改質部２１との間に残留している水蒸気は室温より高温（例えば１００℃）である。しかし、これら高温の気体が、第２改質用燃料バルブ３５の手前に配置されている冷却器３６を通過する際に、給水管４２内にある燃料電池システム内温度以下である改質水と熱交換することにより冷却されて（例えば約４０℃）第２改質用燃料バルブ３５に流入するようになっている。したがって、改質部２１側からの高温の気体が、停止時前に室温以下の低温であった第２改質用燃料バルブ３５に直接流入するのではなく、第２改質用燃料バルブ３５の手前に配設された冷却器３６によって冷却されて第２改質用燃料バルブ３５との温度差が少なくなった状態で流入している。

上述の説明から明らかなように、この実施形態においては、燃料電池システムが停止するにあたってパージ処理する際に、改質部２１から改質ガス、水蒸気などを含む高温である気体が改質用燃料供給管３１を通ってその気体より低温である第２改質用燃料バルブ（電磁開閉弁）３５に逆流する場合に、第２改質用燃料バルブ３５の上流に設けられた簡単な構成の冷却器３６を通過する際に、その気体が冷却され第２改質用燃料バルブ３５との温度差が小さくなることにより、気体の流入にともなって第２改質用燃料バルブ３５内に結露が発生するのを防止することができる。したがって、水蒸気が第２改質用燃料バルブ３５に付着することを防止しひいては水蒸気に含まれる異物（例えば、改質触媒から発生する粉体）が第２改質用燃料バルブ３５内に付着することを防止し、第２改質用燃料バルブ３５の開閉に支障をきたすことを防止することができる。また、冷却器３６において、改質部２１から改質ガス、水蒸気などを含む高温である気体と低温流体である改質水とが、伝熱部材である給水管４２および改質用燃料供給管３１を隔てて流通するように構成されているので、改質ガスなどに含まれる有害成分が改質水に溶出するのを防止することができ、また例え溶出してもその改質水は改質部２１に供給されるので、有害成分が外部に排出されることはない。

また、冷却器３６は、低温流体である改質水が流通する管路である給水管４２が改質用燃料供給管３１の外周壁にらせん状に当接して巻き付けられて構成されているので、容易に製造可能であり、また簡単かつ小型な構成とすることができる。

また、冷却器３６に流通する低温流体（改質水）は、改質部２１に供給される前の改質水であるので、燃料電池システムに既に利用している低温の液体を有効利用して高い冷却効果を達成することができる。

また、冷却器３６を通った後の改質水は、蒸発部２２で加熱された後に改質部２１に供給されるので、燃料電池システムの運転中には改質水は蒸発部２２で加熱されて改質部２１に供給され、一方、燃料電池システムの停止にあたっては改質部２１から逆流する高温の気体を冷却するという２つの機能を簡単な構成にて達成することができる。

なお、上述した実施形態においては、燃料電池システムの停止にあたって第２改質用燃料バルブ３５の上流に冷却器３６を配設するようにしたが、この場合に限らず、水蒸気を含む高温である気体がその気体より低温であるバルブ（例えば電磁開閉弁）に流入する場合に、そのバルブの上流に冷却器３６を配設するようにしてもよい。これによっても、バルブの上流に設けられた簡単な構成の冷却器３６を通過する際に、気体が冷却されバルブとの温度差が小さくなることにより、気体の流入にともなってバルブ内に結露が発生するのを防止することができる。したがって、気体に含まれる異物がバルブ内に付着することを防止し、バルブの開閉に支障をきたすことを防止することができる。

２）第２実施形態
次に、本発明による燃料電池システムの第２実施形態について説明する。図２は第２実施形態にかかる燃料電池システムの概要を示す概要図である。上述した第１実施形態においては、冷却器３６に流通する低温流体が改質部２１に供給される前の改質水であったが、これに代えて、燃料電池１０から排出される排熱および／または改質器２０にて発生する排熱を回収して利用する排熱回収システム７０に流通する熱媒体であってもよい。なお、第１実施形態と同一の構成部材については同一符号を付してその説明を省略する。

具体的には、冷却器３６は、低温流体である凝縮冷媒が流通する管路である凝縮冷媒循環回路７５が改質用燃料供給管３１の外周壁にらせん状に当接して巻き付けられて構成されている。この冷却器３６は、凝縮冷媒と改質用燃料供給管３１を流通する気体とが伝熱部材であるそれぞれの管３１と凝縮冷媒循環回路７５の管を隔てて流通するように構成され、凝縮冷媒と前記気体との間で伝熱部材である凝縮冷媒循環回路７５の管および改質用燃料供給管３１の管壁を介して熱交換が行われるようになっている。この冷却器３６は、他の熱交換器（各凝縮器６２，６４，６３，６１、第２熱交換器７６）の上流であり、かつラジエータ７７の直下流に配設されるのが好ましい。凝縮冷媒循環回路７５中、最も温度（例えば約４０℃）が低いからである。なお、改質水を供給する給水管４２は冷却水３６を経ないで直接蒸発部２２に接続されるようになっている。

この場合においても、燃料電池システムが停止するにあたってパージ処理する際に、改質部２１から改質ガス、水蒸気などを含む高温である気体がその気体より低温である第２改質用燃料バルブ（電磁開閉弁）３５に逆流する場合に、第２改質用燃料バルブ３５の上流に設けられた簡単な構成の冷却器３６を通過する際に、その気体が冷却され第２改質用燃料バルブ３５との温度差が小さくなることにより、気体の流入にともなって第２改質用燃料バルブ３５内に結露が発生するのを防止することができる。したがって、水蒸気が第２改質用燃料バルブ３５に付着することを防止しひいては水蒸気に含まれる異物（例えば、改質触媒から発生する粉体）が第２改質用燃料バルブ３５内に付着することを防止し、第２改質用燃料バルブ３５の開閉に支障をきたすことを防止することができる。また、冷却器３６において、改質部２１から改質ガス、水蒸気などを含む高温である気体と低温流体である凝縮冷媒とが、伝熱部材である凝縮冷媒循環回路７５の管および改質用燃料供給管３１を隔てて流通するように構成されているので、改質ガスなどに含まれる有害成分が凝縮冷媒に溶出するのを防止することができるので、有害成分が外部に排出されることはない。

なお、本第２実施形態においては、凝縮冷媒循環ポンプ７５ａを駆動させて低温流体である凝縮冷媒を凝縮冷媒循環回路７５で循環させるようにしてもよい。これによれば、冷却器３６での上述した熱交換により、改質部２１からの改質ガス、水蒸気などを含む高温である気体の排熱を凝縮冷媒に回収しひいては貯湯水に回収することができる。したがって、熱回収効率を向上させることができる。

また、燃料電池１０から排出される排熱および／または改質器２０にて発生する排熱を熱媒体に回収して利用する排熱回収システム７０をさらに備え、冷却器３６に流通する低温流体は熱媒体であるので、燃料電池システムに既に利用している液体を有効利用して高い冷却効果を達成することができる。

また、排熱回収システム７０は熱媒体を冷却する熱媒体冷却器であるラジエータ７７を備え、冷却器３６に流通する低温流体は、熱媒体冷却器７７を通った後の冷却された熱媒体であるので、より高い冷却効果を達成することができる。

なお、上述した第２実施形態においては、排熱回収システム７０の熱媒体として、凝縮冷媒循環回路７５を循環する凝縮冷媒を使用したが、これに限らず、貯湯水循環回路７２を循環する貯湯水、ＦＣ冷却水循環回路７３を循環するＦＣ冷却水を使用するようにしてもよい。

また、冷却器３６に流通させる低温流体として、燃料電池システムに既に利用している他の低温液体（例えば、貯湯槽７１、純水器６６に供給される水道水）を使用するようにしてもよい。
また、冷却器３６として凝縮器を使用してもよい。この凝縮器は、例えば上述した各凝縮器６１〜６４と同様な構成とするようにすればよい。

また、上述した排熱回収システム７０は、貯湯水循環回路７２と凝縮冷媒循環回路７５とは独立して設けていたが、両回路７２，７５を一つの循環回路にして、第２熱交換器７６を削除するようにしてもよい。

なお、本発明は、上述した水蒸気改質方式だけでなく、部分酸化改質方式にも適用できる。この場合、改質水を供給しないので、それに関する構成部材、水タンクＳｗ、水蒸気供給管４１、給水管４２、蒸発部２２は削除されている。冷却器３６に流通させる低温流体としては、燃料電池システムに既に利用している低温液体（例えば、凝縮冷媒循環回路７５を循環する凝縮冷媒、貯湯水循環回路７２を循環する貯湯水、ＦＣ冷却水循環回路７３を循環するＦＣ冷却水、貯湯槽７１、純水器６６に供給される水道水）を使用するようにしてもよい。

本発明による燃料電池システムの第１実施形態の概要を示す概要図である。 本発明による燃料電池システムの第２実施形態の概要を示す概要図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質器、２１…改質部、２２…蒸発部、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２４…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、２５…バーナ、３１…改質用燃料供給管、３２…第１改質用燃料バルブ、３３…改質用燃料ポンプ、３４…脱硫器、３５…第２改質用燃料バルブ（電磁開閉弁）、３６…冷却器、３７…燃焼用燃料供給管、３８…燃焼用燃料ポンプ、３９…燃焼用燃料バルブ、４１…水蒸気供給管、４２…給水管、４３…改質水ポンプ、４４…改質水バルブ、５１…改質ガス供給管、５２…オフガス供給管、５３…バイパス管、５４…カソード用空気供給管、５５，５６…排気管、６１〜６４…各凝縮器、７０…排熱回収システム、７１…貯湯槽、７２…貯湯水循環回路、７３…ＦＣ冷却水循環回路、７４…第１熱交換器、７５…凝縮冷媒循環回路、７６…第２熱交換器、７７…ラジエータ。

Claims (7)

1. 気体が流通する管とその管を開閉するバルブとを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記管の前記バルブより上流位置に設けられて、当該燃料電池システムで利用する低温の流体と前記気体とが伝熱部材を隔てて流通するように構成され、該低温流体と前記気体との間で前記伝熱部材を介して熱交換が行われる冷却器を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料供給源から供給される改質用燃料を改質して改質ガスを生成して燃料電池に供給する改質部と、
   前記燃料供給源と前記改質部を連通する改質用燃料供給管と、
   前記改質用燃料供給管に接続され前記改質部に改質水を供給する改質水供給管と、
   前記改質水供給管との合流点と前記燃料供給源との間の前記改質用燃料供給管に設けられた電磁開閉弁と、
   前記合流点と前記電磁開閉弁との間の前記改質用燃料供給管に設けられて、当該燃料電池システムで利用する低温の流体と前記改質用燃料供給管を流通する気体とが伝熱部材を隔てて流通するように構成され、該低温流体と前記気体との間で前記伝熱部材を介して熱交換が行われる冷却器を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２において、前記冷却器は、前記低温流体が流通する管路が前記改質用燃料供給管の外周壁にらせん状に当接して巻き付けられて構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２または請求項３において、前記冷却器に流通する低温流体は、前記改質部に供給される前の改質水であることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４において、前記冷却器を通った後の改質水は、蒸発部で加熱された後に前記改質部に供給されることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項２または請求項３において、
   前記燃料電池から排出される排熱および／または前記改質器にて発生する排熱を熱媒体に回収して利用する排熱回収システムをさらに備え、
   前記冷却器に流通する低温流体は、前記熱媒体であることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項６において、前記排熱回収システムは前記熱媒体を冷却する熱媒体冷却器を備え、
   前記冷却器に流通する低温流体は、前記熱媒体冷却器を通った後の冷却された熱媒体であることを特徴とする燃料電池システム。

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