JP2010067494A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のアノードから排出されるオフガスから除去された水を貯える水タンクへ給水して所定水位までの水張りを速やかに行うための技術を提供する。
【解決手段】燃料電池１２からバーナー２０（燃焼器）へ燃料ガスを含むオフガスを供給するオフガス流路３９に第１水タンク１５を設け、オフガス流路３９の第１水タンク１５よりも下流側にオフガス流路３９を開閉可能とするガス流路弁１８（第１弁）を設け、第１水タンク１５の水張り時にガス流路弁１８を開放するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素を含む水素含有ガス及び酸素を含む酸化剤ガスを利用して発電する燃料電池を備えた燃料電池システム及びその運転方法に関する。

燃料電池システムの一つとして、高分子電解質形燃料電池を備え、この燃料電池の内部で、アノードに還元剤ガスとして供給された水素を含有する燃料ガスと、カソードに酸化剤ガスとして供給された空気とを、電気化学的に反応させることにより発電するものが知られている。このような燃料電池システムには、一般的に、燃料電池の他に、都市ガス等の原料と水蒸気とから水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置が備えられている。

燃料ガス生成装置には、水蒸気改質反応の熱源として燃焼器（バーナー）が備えられており、この燃焼器へは、燃料電池のアノードから排出された余剰の燃料ガスを含むガス（アノードオフガス）が、その含有する水分（微細な水滴や水蒸気）を除去するように適切に処理されたあとに供給される。こうしたアノードオフガスから除去された水分は、水タンクに貯えられる。このような水タンクは、通常、可燃性のアノードオフガスが、そのまま大気に漏洩することを防止するため、燃焼器の燃焼排ガス流路以外の部分では、大気と連通することのないよう構成されている。例えば、上記水タンクとして、排水経路が開閉弁による封止機構と水封止による封止機構とで二重にシールされた水タンクを備えた燃料電池システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、燃料電池システムの起動の際に、水タンクの内部が水涸れ状態で燃料電池の発電動作を開始すると、水タンクの排水経路の開閉弁の故障等による予期せぬ不具合があった場合に、燃料電池の発電で発生した可燃性のアノードオフガスが外部に漏洩するという事態が危惧される。そこで、特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池システムの起動の際に水タンクの水位を検出し、水タンク内の水量が水封可能な所定の下限値未満であれば、自動的に水タンクへの給水が開始されて所定水位まで水張りするように構成されている。
特開２００６−１４７２６４号公報

ところで、特許文献１記載の燃料電池システムは、水タンクへの給水時において、水タンクと燃焼器との間に設けられた開閉弁の動作について考慮されておらず、水タンクの水張りが完了したのち、オフガス流路を介した燃焼器へのガス供給が開始されるまでは、開閉弁は停止時と同じ閉止状態のままであると推定される。従って、密閉状態の水タンクへ水が供給されることとなり、水タンクの内圧の上昇により、所定水位まで水が張られるまでに時間がかかるという、課題が想定される。このような課題は、上記特許文献１に記載の燃料電池システムのように、停止時に、水タンクと連通されたオフガス流路が密閉状態（大気から遮断された状態）となるよう構成されているシステムの場合、水タンク内の水涸れ検知に基づく水タンクの水張り動作に限らず、燃料電池システムを設置したあと初めての運転開始時、或いは、メンテナンス等において水タンクを含むシステム内の水流路から水を排出したあとの運転開始時に実施される水タンクの水張り動作においても、同様に発生することが想定される。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、燃料電池のアノードから排出されるオフガスから除去された水を貯える水タンクへ給水して水張りを行う際に、水張りを速やかに完了することを可能とする燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードから排出されたオフガスが流れるオフガス流路を含み、大気と連通された流体流路と、前記オフガス流路と連通されて、前記オフガスより除去された水を貯える第１水タンクと、前記第１水タンクに給水する第１給水器と、前記流体流路に設けられて、開放時に前記流体流路と大気とを連通し、閉止時に前記ガス流路と大気とを遮断する第１弁と、制御器とを備え、前記制御器は、前記第１給水器にて前記第１水タンクへの水張り動作を実行する場合に、前記第１弁を開放するように構成されているものである。

同様に、本発明の燃料電池システムの運転方法は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードから排出されたオフガスが流れるオフガス流路を含み、大気と連通された流体流路と、前記流体流路と連通されて、前記オフガスより除去された水を貯える第１水タンクと、前記第１水タンクに給水する第１給水器と、前記流体流路に設けられて、開放時に前記ガス流路と大気とを連通し、閉止時に前記ガス流路と大気とを遮断する第１弁とを、備える燃料電池システムの運転方法であって、前記第１給水器にて前記第１水タンクへの水張り動作を実行する場合に、前記第１弁を開放するものである。

上記の燃料電池システム及びその運転方法によれば、第１水タンクに水張り動作を行う場合に、第１弁を開放することで、第１水タンクが第１流路を通じて大気と連通されるので、第１水タンク内の気体を大気に逃がすことができる。よって、第１水タンクの水位の上昇に伴う内圧の上昇が抑制されるので、第１水タンクに速やかに水を張ることができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記ガス流路に接続されて、前記第１水タンクにて水分が除去されたあとの前記オフガスを燃焼する燃焼器を更に備え、前記流体流路は、前記燃焼器と接続されており、前記第１弁は、その開放時に、前記燃焼器を介して前記第１水タンクと大気とが連通されるように配設されていることがよい。

前記燃料電池システムにおいて、前記燃焼器から排出された燃焼排ガスより除去された水を貯えるとともに大気開放された第２水タンクを更に備え、前記流体流路は、前記燃焼器よりも上流において前記第２水タンクと接続されており、前記第１弁は、その開放時に、前記第１水タンクが前記第２水タンクを介して大気と連通するように配設されていることが好ましい。

或いは、前記燃料電池システムにおいて、原料を用いて水素を含有する前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置を更に備え、前記流体経路は、前記燃料ガス生成装置の上流において、前記第２水タンクと接続しており、前記第１弁は、その開放時に、前記第１水タンクが、燃料ガス生成装置及び前記第２水タンクを介して大気とが連通されるように配設されていてもよい。

また、前記燃料電池システムにおいて、第３水タンクを更に備え、前記第１給水路は、前記第３水タンクから前記第１水タンクへ水を供給する給水路であり、前記第１給水器は、前記第１給水路を開閉する第２弁であり、前記制御器は、前記第３水タンク内に水が貯えられた状態で、前記第１弁を開放させるとともに前記第２弁を開放させて、前記第１水タンクへの水張り動作を行うように構成されていてもよい。

このとき、前記第３水タンクに水を供給する第２給水器を更に備え、前記第２弁が閉止した状態で、前記制御器は、前記第２給水器により前記第３水タンクに水を貯えたあと、前記第１弁及び前記第２弁を開放させるように構成されていてもよい。

また、前記燃料電池システムにおいて、本発明の燃料電池システムは、前記燃焼器に燃焼用の空気を供給する空気供給器を、更に備え、前記制御器は、前記第１弁の開放時に、前記空気供給器を動作させるように構成されていることがよい。これにより、水張り動作前に第１流路内に可燃性ガスが残留した状態で、第１流路が密閉されるよう構成されている場合、第１水タンクに水が供給されることによって第１水タンクから追い出された可燃性のガスが燃焼器又は第２水タンクに流入することになるが、これらの可燃性のガスは、燃焼器に供給された空気、又は燃焼排ガス流路を介して第２水タンクに供給された空気で希釈され、大気に排出することができる。

このとき、前記第１弁の開放時の前記空気供給器の操作量は、前記燃料電池の発電時の操作量よりも小さい操作量であることが望ましい。つまり、前記第１水タンクへの水張り動作を行うときの前記空気供給器の操作量は、前記燃料電池の発電時の操作量よりも小さい操作量とすることが望ましい。これにより、第１水タンクへの水張り動作時の空気供給器による燃焼器へ空気供給される空気により生じる背圧が、第１水タンクへの水の流入を阻害しないようにすることができる。

或いは、前記第１弁の開放時の前記空気供給器の操作量は、前記制御器が制御する前記空気供給器の操作量のうち最も小さい操作量であることが望ましい。つまり、前記第１水タンクに水張り動作を行うときの前記空気供給器の操作量は、前記空気供給器の固有の操作量のうち最も小さい操作量であることが望ましい。これにより、第１水タンクへの水張り動作時の空気供給器による燃焼器へ空気供給される空気により生じる背圧が、第１水タンクへの水の流入を阻害しないようにすることができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御器は、前記第１弁を閉止して、前記第１水タンクへの水張り動作を完了したあとも、前記空気供給器の動作を継続させるように構成されていることがよい。これにより、水張り動作完了時に燃焼器または第２水タンクに残留する可燃性ガスを大気に排出することが可能になる。

このとき、前記制御器は、前記空気供給器に動作を継続させる際に、前記空気供給器の操作量を前記第１弁を閉止する前よりも大きくするように構成されていることが好ましい。これにより、水張り動作完了時に燃焼器又は第２水タンクに残留する可燃性ガスを速やかに大気に排出することが可能になる。

本発明は、以下に示すような効果を奏する。

本発明によれば、燃料電池のアノードから排出されるオフガスから除去された水を貯える水タンク（第１水タンク）へ給水して水張りを行う際に、水タンクの水位の上昇に伴う内圧の上昇が抑制されるので、従来よりも速やかに水を張ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複説明を省略する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムについて説明する。図１は本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの全体的な構成を示したブロック図である。

〔燃料電池システム５０の構成〕
まず、燃料電池システム５０の概略構成から説明する。図１に示すように、燃料電池システム５０は主として、還元剤ガスとしての水素を含有する燃料ガスと酸化剤ガス（ここでは、空気）とを用いて発電する燃料電池１２と、燃料電池１２で発電した直流電力を取り出して交流電力に変換するインバータ１４と、燃料電池１２の内部燃料ガス流路１２ａに燃料ガスを供給する燃料ガス生成装置１１を含む燃料ガス供給器と、燃料電池１２の内部酸化剤ガス流路１２ｃに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器としての空気ブロア１３と、燃料電池システム５０の各構成要素の動作を制御する制御器１０とを備えている。

燃料電池１２の発電で消費されなかった余剰の酸化剤ガスは、燃料電池１２のカソードに供給される酸化剤ガスが流れる内部酸化剤ガス流路１２ｃから排出され、カソードオフガス流路３８を流れて、大気中に排出される。一方、燃料電池１２の発電で消費されなかった余剰の燃料ガスは、燃料電池１２のアノードに供給される燃料ガスが流れる内部燃料ガス流路１２ａから排出され、アノードオフガス流路３９を流れる。以下、このアノードオフガス流路３９を、単に「オフガス流路３９」といい、燃料電池１２の内部燃料ガス流路１２ａから排出されてオフガス流路３９を流れる余剰の燃料ガスを含むアノードオフガスを「オフガス」という。オフガスは、発電中に生じた水や燃料電池１２に供給される燃料ガスに含まれていた水分等に由来する水分を多く含んでいる。そこで、オフガス中に含まれる水分を除去するため、貯湯水と熱交換し、オフガス中の水分を凝縮させる第１熱交換器４０がオフガス流路３９に設けられている。そして、この第１熱交換器４０において凝縮したオフガス中の水分（凝縮水）は、オフガス流路３９に接続された第１水タンク１５に流入して貯えられる。そして、第１熱交換器４０及び第１水タンク１５により水分が分離されたオフガスは、後述するバーナー２０へ供給されて燃焼用燃料として利用される。第１水タンク１５の構成については、後ほど詳述する。

オフガス流路３９は、燃料電池１２と第１水タンク１５の入口とを接続する第１オフガス流路３９ａと、第１水タンク１５内のオフガスの流路である第２オフガス流路３９ｂと、第１水タンク１５の出口とバーナー２０の入口とを接続する第３オフガス流路３９ｃとで構成されている。第１オフガス流路３９ａと第３オフガス流路３９ｃは何れも配管で構成され、第２オフガス流路３９ｂは第１水タンク１５内の通路３０（空間）で形成されている。このオフガス流路３９の第１水タンク１５と接続された箇所よりも下流側、即ち、第３オフガス流路３９ｃには、その開閉によりオフガス流路３９を開放又は閉止する、ガス流路弁１８（第１弁）が設けられている。このガス流路弁１８の開放時には、オフガス流路３９は大気に開放され、閉止時には、オフガス流路３９は大気と遮断される。つまり、第１弁は、流体流路に設けられた弁のうち大気と流体流路内部とを隔離する位置に設けられた開閉弁である。

なお、ガス流路弁１８は、無通電時にオフガス流路３９（厳密には、第３オフガス流路３９ｃ）を閉じるように動作するノーマルクローズ型の開閉手段であることが好ましく、ここでは、通電時にオフガス流路３９を開け、且つ、通電停止時にオフガス流路３９を閉じる開閉用の電磁弁で構成されている。これによって、停電等の不測の事態において、ガス流路弁１８は、補助電源を必要とすることなく自動的に閉弁動作して、バーナー２０の近傍において第１水タンク１５とバーナー２０との間を接続している第３オフガス流路３９ｃを閉止することにより、バーナー２０に可燃性のオフガスが漏れることを未然に防止している。もちろん、ガス流路弁１８として、適宜の安全対策を講じたうえで、ノーマルオープン型の開閉手段を用いてもよい。

〔燃料供給系統〕
ここで、燃料電池システム５０の燃料ガス供給器について詳細に説明する。燃料ガス供給器は、少なくとも炭素及び水素を構成元素として含む有機化合物を含む原料から水素を含む燃料ガスを生成して燃料電池１２へ供給する燃料ガス生成装置１１と、燃料ガス生成装置１１に都市ガスや天然ガス等に例示される原料を供給する原料供給器１９と、燃料ガス生成装置１１に供給される水の水源としての浄化水タンク７１とを備えている。浄化水タンク７１に貯留されている水は、第１流路８１を通じて、この第１流路８１に設けた圧送機である第１ポンプ４２により燃料ガス生成装置１１へ圧送供給される。

燃料ガス生成装置１１は、原料と水蒸気から水蒸気改質反応によって改質ガスを生成する改質器（図示略）と、水蒸気と一酸化炭素ガスを水素ガスと二酸化炭素ガスにシフト反応させる変成器（図示略）と、一酸化炭素選択酸化で一酸化炭素濃度を約１０ｐｐｍ以下に低濃度化させる選択酸化器（図示略）とを、備えている。

改質器は、改質反応を促進する改質触媒体（図示略）を備えており、この改質触媒体への反応熱を供給するバーナー２０（燃焼器）を備えている。さらに、バーナー２０は、該バーナー２０に燃焼用の空気を供給する燃焼ファン２１（空気供給器）を備えている。バーナー２０では、燃焼ファン２１から送風される空気によって内部にある燃料ガスを可燃濃度範囲に希釈し混合したあと、この混合ガスをバーナー２０の内部で燃焼させて高温の燃焼排ガスを生成する。そして、改質器では、この高温の燃焼排ガスとの熱交換によって改質触媒体が加熱され、改質触媒体と熱交換したあとの燃焼排ガスは、凝縮水タンク７３内と連通された燃焼排ガス流路８７に排出される。燃焼排ガス流路８７に排出された燃焼排ガスは、貯湯水と熱交換する第２熱交換器４１においてガス中に含まれる水分が凝縮される。そして、第２熱交換器４１で生じた凝縮水は、凝縮水タンク７３（第２水タンク且つ第３水タンク）に流入し、水分が除去されたあとの燃焼排ガスは、凝縮水タンク７３に設けられた排気口から大気中に放出される。

〔通水系統〕
次に、第１水タンク１５とその周辺の通水系統の構成について、詳細に説明する。第１水タンク１５は、蓋と底を設けた両端閉塞の筒状の容器である。この容器の略上半分の内部空間は、オフガスが通過する通路３０に相当する領域であり、本実施の形態においては、第１熱交換器４０として機能する。また、容器の略下半分の内部空間は、第１熱交換器４０においてオフガス中に含まれた水分の凝集によって生成した凝縮水３１が一時的に貯留される水貯留部として機能する領域である。なお、第１水タンク１５に貯留された凝縮水３１には、オフガス中に含まれる水分の凝縮水だけでなく、後述するようにシステムの初運転時には浄化された市水が含まれることもある。

この第１熱交換器４０と第１水タンク１５とで、オフガスに含まれる水分を除去する水分除去器が構成されている。この水分除去器では、第１熱交換器４０によりオフガス中に含まれる水蒸気を凝縮させ、第１水タンク１５においてオフガスと凝縮水を分離させることで、バーナー２０でオフガスを燃焼する際に妨げとなり得る水分を適切に排除することができる。

また、第１水タンク１５には、第１水タンク１５からの余剰の水の排出のためと、水張りのために、第１水タンク１５の底部と凝縮水タンク７３とを接続する第２流路８２（第１給水路）が設けられている。この第２流路８２には、第２流路８２を開閉可能な水通路弁７５（第２弁）が設けられている。凝縮水タンク７３は第１水タンク１５とその底面が同じ高さになるように設けられている。なお、水通路弁７５は、無通電時に第２流路８２を閉じるように動作するノーマルクローズ型の開閉手段であることが好ましく、ここでは、通電時に第２流路８２を開き、且つ、通電停止時に第２流路８２を閉じる開閉用の電磁弁で構成されている。もちろん、水通路弁７５としてノーマルクローズ型の開閉手段を用いても良い。なお、本実施の形態では、第１水タンク１５へ水を供給する第１給水器の一例として、凝縮水タンク７３、第２流路８２、及び水通路弁７５から成る給水機構を挙げたが、これに限定されない。例えば、第１給水器を、所定の水タンクと、この水タンクと第１水タンク１５とを接続する給水路と、この給水路に設けたポンプとで構成することもできる。また、例えば、第１給水器を、第１水タンク１５と市水源とを接続する給水路と、この給水路に設けた弁とで構成することもできる。

また、第１水タンク１５には、第２流路８２の上端以上の高さに凝縮水３１の上限水位３１Ｕと下限水位３１Ｌとがそれぞれ設定されており、上限水位３１Ｕと下限水位３１Ｌとの間の所定の水位まで凝縮水３１が張られている。下限水位３１Ｌは、第１水タンク１５内に貯えられた水によって第２流路８２を封じることができる水位である。第１水タンク１５と第２流路８２との間が水封されると、万が一、水通路弁７５が故障して無通電時に閉じていない場合であっても、第１水タンク１５内の通路３０をオフガスが通流する際に、第２流路８２及び凝縮水タンク７３を介してこのオフガスが大気中への放出されることが防止される。このように、第１水タンク１５を介したオフガスの大気への漏洩に対して、凝縮水３１による水封と水通路弁７５による閉弁といった二重シールが施され、第１水タンク１５からオフガスの外部への漏洩を確実に防止できる。

第１水タンク１５は、凝縮水３１の水位３１ｆを検知する水位検知器３３を備えている。水位検知器３３は、本実施の形態において、フロート式のレベルスイッチで構成されている。第１水タンク１５の凝縮水３１の水位３１ｆが上昇して、所定の上限水位３１Ｕを超えたことが水位検知器３３により検知された場合には、第２流路８２が開放され、この結果、第１水タンク１５の凝縮水３１は第２流路８２を流れて凝縮水タンク７３に導かれる。一方、第１水タンク１５の水位３１ｆが下限水位３１Ｌ未満であることが水位検知器３３により検知された場合には、第２流路８２が開放され、この結果、凝縮水タンク７３の水は第２流路８２を流れて第１水タンク１５に導かれる。なお、凝縮水タンク７３から第１水タンク１５に水を供給する水張り動作を実行するには、凝縮水タンク７３には所定水位以上の水が貯えられていなければならないが、このとき凝縮水タンク７３に十分な水を貯えるために、市水給水弁４５（第２給水器）が開放されて凝縮水タンク７３に水が供給される。

次に、浄化水タンク７１の構成について説明する。浄化水タンク７１は、凝縮水タンク７３より高い位置に設けられており、壁部に開口部７２を有し、この開口部７２を介して浄化水タンク７１に貯留されている水を外部に排出（オーバーフロー）可能に構成されている。浄化水タンク７１の開口部７２には、第３流路８３が接続されている。この第３流路８３は、略上下方向に延びる配管で構成されており、第３流路８３の下流端は、凝縮水タンク７３に接続されている。これにより、浄化水タンク７１の内部から開口部７２を介してオーバーフローした水が、その自重により第３流路８３を通じて凝縮水タンク７３に流れ込むこととなる。

さらに、浄化水タンク７１には、凝縮水タンク７３と接続する第４流路８５が設けられている。この第４流路８５は、凝縮水タンク７３から浄化水タンク７１へ水を供給する第２給水路として機能する。第４流路８５には、凝縮水タンク７３に貯留されている凝縮水を圧送する第２ポンプ４３と、凝縮水を浄化する浄化器７４とが設けられている。本実施の形態において、浄化器７４は、凝縮水に含まれている不純物イオンを除去するイオン交換体としてのイオン交換樹脂で構成されている。

〔制御器１０〕
ここで、制御器１０について説明する。制御器１０は、例えば、ＭＰＵ（マイクロプロセッサ）及びメモリを備えており、予めメモリに記憶されるプログラム及びパラメータ等のデータに基づき、燃料電池システム５０を構成する各要素の動作を適宜制御する。ここで制御器１０とは、単独の制御器のみならず複数の制御器からなる制御器群をも意味する。従って、制御器１０は、単独の制御器で構成されていてもよく、分散配置され共働して燃料電池システム５０を制御する複数の制御器で構成されていてもよい。

本実施の形態において、制御器１０は、少なくとも市水給水弁４５、水通路弁７５、ガス流路弁１８、バーナー２０、及び燃焼ファン２１の動作を制御するように構成されている。そして、制御器１０がこれらの動作を適宜制御することにより、燃料電池システム５０における第１水タンク１５への水張り動作が行われる。

〔燃料電池システム５０の動作〕
次に、以上のように構成された燃料電池システム５０の動作について説明する。本実施の形態の燃料電池システム５０は、発電に直接関与する全ての構成要素が停止している「停止状態（待機状態）」と、発電を行う「発電運転」と、燃料電池システム５０を「停止状態」から「発電運転」に移行させるまでのシステムの立ち上げ動作である「起動動作」と、燃料電池システム５０を「発電運転」から「停止状態」に移行させるまでのシステムの立ち下げる動作である「停止動作」との４つの動作モードを有している。

はじめに、燃料電池システム５０の発電運転時の動作を説明する。

燃料電池システム５０の発電運転時には、燃料ガス生成装置１１の内部温度が約７００℃に維持された状態で、原料供給器１９から供給された原料と第１ポンプ４２の動作により浄化水タンク７１から供給された水（水蒸気）とを用いて、燃料ガス生成装置１１（改質器）の改質反応により水素を含む燃料ガスが生成される。燃料ガス生成装置１１から排出された燃料ガスは、燃料電池１２の内部燃料ガス流路１２ａに送り込まれる一方、空気ブロア１３から送出される空気は、燃料電池１２の内部酸化剤ガス流路１２ｃに送り込まれる。こうして燃料電池１２の内部において、燃料ガス（水素ガス）と空気（酸素ガス）を消費して発電が行われる。

発電に伴って、燃料電池１２の内部酸化剤ガス流路１２ｃからは、発電によって消費されなかった残余の空気が大気中に放出される。また、燃料電池１２の内部燃料ガス流路１２ａからは、発電によって消費されなかった残余の燃料ガスであるオフガスがオフガス流路３９に排出される。オフガス中に含まれる水分は、オフガス流路３９を通るうちに第１熱交換器４０にて凝縮されて、第１水タンク１５に回収される。一方、第１熱交換器４０及び第１水タンク１５により凝縮水と分離されて乾燥状態となったオフガスは、開放されたガス流路弁１８を通過し、燃焼用燃料ガスとしてバーナー２０に送られる。バーナー２０では、このオフガスと燃焼ファン２１から送風される空気とが混合され、この混合ガスが燃焼することによって高温の燃焼排ガスが発生する。この燃焼排ガスの熱は、燃料ガス生成装置１１において吸熱反応である水蒸気改質反応を進行させるための熱源として利用される。燃料ガス生成装置１１に熱を供与したあとの燃焼排ガスは燃焼排ガス流路８７へ排出され、第２熱交換器４１を通過して水分が分離されたあとで大気に放出される。第２熱交換器４１で凝縮した燃焼排ガス中に含まれる水分は、凝縮水タンク７３に回収される。

なお、燃料電池システム５０の発電運転時には、通常、水通路弁７５は閉止されており、第１水タンク１５の内部と第２流路８２とを連通する部分が、凝縮水３１による水封と水通路弁７５による閉弁とにより二重にシールされている。そして、燃料電池１２の発電に伴って第１水タンク１５に時々刻々と貯まり続ける凝縮水３１によって、第１水タンク１５の水位３１ｆが凝縮水タンク７３の水位よりも高い所定の上限水位３１Ｕになると、水通路弁７５が開放されて第１水タンク１５の凝縮水３１が凝縮水タンク７３に排出される。

続いて、燃料電池システム５０の第１水タンク１５への水張り動作について説明する。図２は燃料電池システムの第１水タンクの水張り動作に関する制御の流れ図である。

設置前の燃料電池システム５０においては、通常、第１水タンク１５を含む通水系統（水の流路）は空の状態である。第１水タンク１５に水が張られていないと、第１水タンク１５に流入したオフガスが、第２流路８２を介して外部に放出される可能性がある。よって、燃料電池システム５０を起動させる前の段階で、第１水タンク１５及びこれを含む通水系統に所定量の水を張っておく必要がある。第１水タンク１５への水張り動作は、主に、メンテナンス等において第１水タンク１５から水を全て排出したあとや、燃料電池システム５０を設置したあと等の、燃料電池システム５０の起動処理において行われる。

燃料電池システム５０を設置したあとに操作者が、操作器１００を介して制御器１０に水張り動作の要求信号を入力すると、制御器１０の指令により燃料電池システム５０において水張り動作が開始される。燃料電池システム５０の水張り動作を開始すると、図２に示すように、まず、制御器１０は、市水給水弁４５を開放させて凝縮水タンク７３へ市水を供給し（ステップＳ１）、凝縮水タンク７３への水張りを行う。続いて、制御器１０は、水位検知器３４により凝縮水タンク７３の水位が第２流路８２の下端よりも高い所定水位７３Ｌとなったことを検出すると（ステップＳ２でＹＥＳ）、水通路弁７５及びガス流路弁１８を開放させて（ステップＳ３）、凝縮水タンク７３から第１水タンク１５へ水の供給を開始する。

第１水タンク１５へ水が流入すると、その水の容積分のガスが第１水タンク１５と連通するオフガス流路３９に押し出されるが、ガス流路弁１８が開放されているので、第１水タンク１５から押し出されたガスはバーナー２０を介して大気に排出されることとなる。このように、第１水タンク１５に給水することによって第１水タンク１５の水位が上昇しても、第１水タンク１５がオフガス流路３９及びバーナー２０を通じて大気開放されているため、第１水タンク１５の内圧が上昇することなく、第１水タンク１５に速やかに水を張ることができる。

ところで、設置前の燃料電池システム５０では、通常、出荷前に運転検査をしたあと、燃料ガス生成装置１１内及び燃料電池１２内の可燃性ガスが流れるガス流路は、可燃性ガスが封入された状態で密閉されている。本実施の形態においては、可燃性ガスを封入したオフガス流路３９はガス流路弁１８が閉止されることによって閉じられている。よって、上述のようにガス流路弁１８を開放した状態で第１水タンク１５へ給水すると、オフガス流路３９内の可燃性ガスがバーナー２０を介して大気に排出される虞がある。そこで、制御器１０は、第１水タンク１５への給水時に、燃焼ファン２１を動作させて（ステップＳ４）、バーナー２０へ送られてきた可燃性ガスを空気で希釈しながら排出させるようにしている。これにより、燃焼ファン２１を動作させない場合と比べてより安全性が向上する。

なお、燃焼ファン２１によりバーナー２０へ送られる空気の流量が大きすぎると、燃焼排ガス流路における圧力損失の増大により背圧（バーナー２０内の圧力）が上昇して第１水タンク１５への水の流入が抑圧されてしまう。そこで、ガス流路弁１８及び水通路弁７５を開放させて第１水タンク１５に給水しているときの燃焼ファン２１の操作量は、燃料電池システム５０の発電中の燃焼ファン２１の操作量よりも小さくなるように制御される。より具体的には、燃料電池１２が最低出力で発電している際の燃焼ファン２１の操作量は通常最小となるが、この時の操作量よりも小さくなるように燃焼ファン２１の操作量が設定される。好ましくは、その燃焼ファン２１が安定して空気を供給することが可能な操作量（その燃焼ファン２１に固有の操作量）の下限値（つまり、燃焼ファン２１のメーカが保証する下限操作量）に、燃焼ファン２１の操作量が設定される。

そして、制御器１０は、水位検知器３３により第１水タンク１５の水位３１ｆが下限水位３１Ｌ以上になったことを検出すると（ステップＳ５でＹＥＳ）、ガス流路弁１８及び水通路弁７５を閉止させるとともに市水給水弁４５を閉止させて（ステップＳ６）、第１水タンク１５及び凝縮水タンク７３への給水を停止し、水張り動作を終了する。

制御器１０は、第１水タンク１５への給水を停止したあとも燃焼ファン２１の動作を継続させ、燃焼ファン２１の操作量を増大させる（ステップＳ７）。このとき、燃料電池１２が最大出力で発電している場合における燃焼ファン２１の操作量よりも大きい操作量まで、燃焼ファン２１の操作量を増大させることが好ましい。これにより、バーナー２０内に滞留している可燃性ガスを速やかに排出して、バーナー２０内を空気でパージする処理を早期に完了させることができる。

そして、制御器１０は、第１水タンク１５への水張り動作を終了してから時間計測を開始し（ステップＳ８）、所定時間が経過すると（ステップＳ９でＹＥＳ）、燃焼ファン２１の動作を停止させる（ステップＳ１０）。

なお、市水源から凝縮水タンク７３への水供給量、凝縮水タンク７３の所定水位７３Ｌまでの容積、第２流路８２の容積並びに流量、及び第１水タンク１５の下限水位３１Ｌまでの容積を事前に求めておけば、凝縮水タンク７３の水位が市水給水弁４５を開放してから第１水タンク１５へ水供給可能な所定水位７３Ｌ以上になるまでに必要な時間と、第１水タンク１５の水位が水通路弁７５を開放してから下限水位３１Ｌ以上になるまでに必要な時間とを、理論的に算定することができる。制御器１０は、水位検知器３３及び水位検知器３４に頼ることなく、上述のように算定された時間を用いて市水給水弁４５、水通路弁７５、ガス流路弁１８、バーナー２０、及び燃焼ファン２１の動作を制御して第１水タンク１５への水張りを行うこともできる。

また、以上では燃料電池システムの設置後における第１水タンク１５への水張り動作について説明したが、燃料電池システムのメンテナンスのために第１水タンク１５を含む水の流路の水抜き行ったあとに水張りを行う場合においても、上記と同様の水張り動作を行うことにより第１水タンク１５への水張りを速やかに進行させることが可能となる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムについて説明する。図３は本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの全体的な構成を示したブロック図、図４は実施の形態２に係る燃料電池システムの変形例１を示すブロック図、図５は実施の形態２に係る燃料電池システムの変形例２を示すブロック図である。

図３に示すように、実施の形態２に係る燃料電池システムは、実施の形態１に係る燃料電池システムの構成に加えて、浄化水タンク７１から燃料ガス生成装置１１へ水を供給する第１流路８１より分岐した第５流路８８と、この第５流路８８に設けられた開閉弁８９と、燃料電池１２をバイパスして燃料ガス生成装置１１とアノードオフガス流路３９と接続するバイパス流路９２と、バイパス流路９２上に設けられたバイパス弁９３と、バイパス流路９２が接続された箇所よりも上流側のアノードオフガス流路３９に設けられたアノード出口弁９４とを備えている。以下では、第５流路８８及び開閉弁８９について説明し、実施の形態１に係る燃料電池システムと重複する部分の説明は省略する。

浄化水タンク７１から燃料ガス生成装置１１へ水を供給する第１流路８１より分岐した第５流路８８は、凝縮水タンク７３内と連通されている。第５流路８８に設けられた開閉弁８９は、第１水タンク１５への水張り動作時に開放されるように制御器１０により開閉制御される。以下に説明する通り、開閉弁８９の解放時には、第１水タンク１５内が大気と連通され、閉止時には第１水タンク１５内が大気と遮断される。

上記構成の燃料電池システムにおいて、第１水タンク１５の水張り動作を行う際には、ガス流路弁１８及びアノード出口弁９４は閉止されたままの状態で、開閉弁８９及びバイパス弁９３が開放される。第１水タンク１５への給水が開始されると、その水の容積分のガスが第１水タンク１５と連通するオフガス流路３９へ押し出される。ここで、ガス流路弁１８が閉止されているので、第１水タンク１５から押し出されたガスはオフガス流路３９のうち第１オフガス流路３９ａへ押し出されることとなる。これにより、第１オフガス流路３９ａ、バイパス流路９２、バイパス流路９２と接続された箇所よりも上流側の燃料ガス供給路９１、及び燃料ガス生成装置１１内のガスが流動して、余剰のガスは第１流路８１から分岐された第５流路８８を通じて凝縮水タンク７３へ排出される。このようにして凝縮水タンク７３へ可燃性ガスが排出されるが、前述の通り第１水タンク１５への給水時には燃焼ファン２１が動作しているので、凝縮水タンク７３内の可燃性ガスは燃焼ファン２１からバーナー２０及び燃焼排ガス流路８７を通じて凝縮水タンク７３へ供給された空気により希釈されて、大気へ排出される。

上述の通り、第１水タンク１５への給水時には、第１水タンク１５が、第１オフガス流路３９ａ、バイパス流路９２、バイパス流路９２と接続された箇所よりも上流側の燃料ガス供給路９１、及び燃料ガス生成装置１１、第１流路８１、第５流路８８、及び凝縮水タンク７３を通じて大気開放されているため、第１水タンク１５の貯水量が増大しても第１水タンク１５の内圧が上昇することなく、第１水タンク１５に速やかに水を張ることができる。

なお、上記において、第１水タンク１５が連通されている閉じられたガス流路を大気開放させるための第５流路８８は、第１流路８１から分岐し、第１流路８１と凝縮水タンク７３内とを連通するように設けられているが、他の態様も考え得る。

例えば、図４に示すように、原料供給器１９から燃料ガス生成装置１１へ原料ガスを供給する原料ガス供給路９０から第５流路８８を分岐し、原料ガス供給路９０と凝縮水タンク７３内とを第５流路８８で連通するように構成し、第５流路８８に開閉弁８９を設けた燃料電池システムが挙げられる。この燃料電池システムにおいて、第１水タンク１５への水張り動作時に、ガス流路弁１８及びアノード出口弁９４は閉止されたままの状態で、制御器１０により開閉弁８９及びバイパス弁９３を開放するよう制御することで、第１水タンク１５が、第１オフガス流路３９ａ、バイパス流路９２、バイパス流路９２と接続された箇所よりも上流側の燃料ガス供給路９１、燃料ガス生成装置１１、原料ガス供給路９０、第５流路８８、及び凝縮水タンク７３を通じて大気開放されているため、第１水タンク１５の貯水量が増大しても第１水タンク１５の内圧が上昇することなく、第１水タンク１５に速やかに水を張ることができる。また、図４の構成に代えて、第５流路８８の一端を、第１オフガス流路３９ａ、第３オフガス流路３９ｃ、燃料ガス供給路９１、又は燃料ガス生成装置１１内のガス流路と接続し、他端を凝縮水タンク７３内に連通させ、第５流路８８に開閉弁８９を設けるように構成しても構わない。

この他、図５に示すように、開閉弁８９を備えた第５流路８８を第１オフガス流路３９ａと第３オフガス流路３９ｃとを接続するように設けることもできる。この場合も、第１水タンク１５への給水時に、ガス流路弁１８が閉止され且つ開閉弁８９が開放されると、第１水タンク１５は、第１オフガス流路３９ａ、第５流路８８、第３オフガス流路３９ｃ、バーナー２０、燃焼排ガス流路８７、及び凝縮水タンク７３を通じて大気と連通される。

つまり、第５流路８８は、第１水タンク１５が連通されているオフガス流路を含む閉じられた流体流路と、大気開放されているバーナー２０、燃焼排ガス流路８７、及び凝縮水タンク７３のうち少なくともいずれかとを接続するように設けられていればよい。このように設けられた第５流路８８が備える開閉弁８９を開放すれば、第１水タンク１５が連通されている閉じられた流体流路と、バーナー２０、燃焼排ガス流路８７、及び凝縮水タンク７３のいずれかとが連通されて、この結果、第１水タンク１５が大気開放されることとなる。

なお、本実施の形態の燃料電池システムにおいて、水張り動作時において開閉弁８９と共にバイパス弁９３が開放されるよう構成されているが、燃料電池システムの出荷時又は停止処理完了時に、バイパス弁９３が開放されるよう構成された燃料電池システムの場合は、水張り動作時に開閉弁８９を開放するだけでよい。つまり、水張り動作時には、第１の水タンク１５を大気と連通させるためには、少なくとも開閉弁８９（第１弁）を開放する必要がある。また、本実施の形態の燃料電池システムでは、水張り動作時において、バイパス経路９２を介して第１水タンク１５が大気開放されるよう構成されているが、バイパス弁９３を閉止した状態で、アノード出口弁９４を開放することにより、燃料電池１２の燃料ガス流路１２ａを介して第１水タンク１５が大気開放されるよう構成されていても構わない。

本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法は、燃料電池から排出されるオフ燃料ガスから除去された水を貯える水タンクに水張り動作を実行する場合に、水タンクに従来よりも速やかに水を張ることが可能になるので、家庭用コジェネレーションシステム等の用途において、産業上利用することが可能である。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの全体的な構成を示したブロック図である。 燃料電池システムの第１水タンクの水張り動作に関する制御の流れ図である。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの全体的な構成を示したブロック図である。 実施の形態２に係る燃料電池システムの変形例１を示すブロック図である。 実施の形態２に係る燃料電池システムの変形例２を示すブロック図である。

符号の説明

１０ 制御器
１１ 燃料ガス生成装置
１２ 燃料電池
１３ 空気ブロア
１４ インバータ
１５ 第１水タンク
１８ ガス流路弁（第１弁）
１９ 原料供給器
２０ バーナー（燃焼器）
２１ 燃焼ファン（空気供給器）
２２ 排気口
３０ 通路
３１ 凝縮水
３１ｆ 水位
３１Ｕ 上限水位
３１Ｌ 下限水位
３３ 水位検知器
３４ 水位検知器
３８ カソードオフガス流路
３９ アノードオフガス流路（オフガス流路）
４２ 第１ポンプ
４３ 第２ポンプ
５０ 燃料電池システム
７１ 浄化水タンク
７２ 開口部
７３ 凝縮水タンク（第２水タンク，第３水タンク）
７４ 浄化器
７５ 水通路弁（第２弁）
８１ 第１流路
８２ 第２流路
８３ 第３流路
８５ 第４流路
８７ 燃焼排ガス流路
８８ 第５流路
８９ 開閉弁（第１弁）
９０ 原料ガス供給路
９１ 燃料ガス供給路
９２ バイパス経路
９３ バイパス弁
９４ アノード出口弁

Claims (12)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池のアノードから排出されたオフガスが流れるオフガス流路を含み、大気と連通された流体流路と、
   前記オフガス流路と連通されて、前記オフガスより除去された水を貯える第１水タンクと、
   前記第１水タンクに給水する第１給水器と、
   前記流体流路に設けられて、開放時に前記流体流路と大気とを連通し、閉止時に前記ガス流路と大気とを遮断する第１弁と、
   制御器とを備え、
   前記制御器は、前記第１給水器にて前記第１水タンクへの水張り動作を実行する場合に、前記第１弁を開放するように構成されている、燃料電池システム。
2. 前記ガス流路に接続されて、前記第１水タンクにて水分が除去されたあとの前記オフガスを燃焼する燃焼器を更に備え、
   前記流体流路は、前記燃焼器と接続されており、
   前記第１弁は、その開放時に、前記燃焼器を介して前記第１水タンクと大気とが連通されるように配設されている、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃焼器から排出された燃焼排ガスより除去された水を貯えるとともに大気開放された第２水タンクを更に備え、前記流体流路は、前記燃焼器よりも上流において前記第２水タンクと接続されており、
   前記第１弁は、その開放時に、前記第１水タンクが前記第２水タンクを介して大気と連通するように配設されている、
   請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 原料を用いて水素を含有する前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置を更に備え、
   前記流体経路は、前記燃料ガス生成装置の上流において、前記第２水タンクと接続しており、前記第１弁は、その開放時に、前記第１水タンクが、燃料ガス生成装置及び前記第２水タンクを介して大気とが連通されるように配設されている、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 第３水タンクを更に備え、前記第１給水路は、前記第３水タンクから前記第１水タンクへ水を供給する給水路であり、前記第１給水器は、前記第１給水路を開閉する第２弁であり、
   前記制御器は、前記第３水タンク内に水が貯えられた状態で、前記第１弁を開放させるとともに前記第２弁を開放させて、前記第１水タンクへの水張り動作を行うように構成されている、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記第３水タンクに水を供給する第２給水器を更に備え、
   前記第２弁が閉止した状態で、前記制御器は、前記第２給水器により前記第３水タンクに水を貯えたあと、前記第１弁及び前記第２弁を開放させるように構成されている、
   請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃焼器に燃焼用の空気を供給する空気供給器を、更に備え、
   前記制御器は、前記第１弁の開放時に、前記空気供給器を動作させるように構成されている、
   請求項２〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
8. 前記第１弁の開放時の前記空気供給器の操作量は、前記燃料電池の発電時の操作量よりも小さい操作量である、
   請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記第１弁の開放時の前記空気供給器の操作量は、前記制御器が制御する前記空気供給器の操作量のうち最も小さい操作量である、
   請求項７に記載の燃料電池システム。
10. 前記制御器は、前記第１弁を閉止して、前記第１水タンクへの水張り動作を完了したあとも、前記空気供給器の動作を継続させるように構成されている、
    請求項７に記載の燃料電池システム。
11. 前記制御器は、前記空気供給器に動作を継続させる際に、前記空気供給器の操作量を前記第１弁を閉止する前よりも大きくするように構成されている、
    請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードから排出されたオフガスが流れるオフガス流路を含み、大気と連通された流体流路と、前記流体流路と連通されて、前記オフガスより除去された水を貯える第１水タンクと、前記第１水タンクに給水する第１給水器と、前記流体流路に設けられて、開放時に前記ガス流路と大気とを連通し、閉止時に前記ガス流路と大気とを遮断する第１弁とを、備える燃料電池システムの運転方法であって、
    前記第１給水器にて前記第１水タンクへの水張り動作を実行する場合に、前記第１弁を開放する、
    燃料電池システムの運転方法。

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