JP2010146778A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】排ガスから回収した回収水を水利用機器において再利用する形態において、水利用機器への水供給流路に大気から混入した不純物により経路閉塞する可能性がある。
【解決手段】燃料電池１と、燃料電池１から排出された排気ガス中の水分、または該排ガスを用いて燃焼した燃焼排ガス中の水分を分離するとともに該分離された水を貯える貯水部（容器４）を有する汽水分離器（分岐路６Ｂと容器４）と、貯水部（容器４）内の水を利用する冷却水循環系と、貯水部（容器４）から冷却水循環系へ水を供給する水補給経路１３と、排気ガスが流れる排気ガス流路（６、７）とを備え、汽水分離器を通過した排気ガスが流れる排気ガス流路（６、７）は、該排気ガス流路（６、７）の下流端に設けられた排気口迄の間において下り勾配の下降部（６Ａ、７Ａ）を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

従来から、高効率で小規模発電が可能である燃料電池システムは、発電の際に発生する熱エネルギーを利用するためのシステムの構築が容易であるため、高いエネルギー利用効率を実現することが可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。

燃料電池システムは、その発電部の本体として、燃料電池を備えている。この燃料電池は、燃料ガス及び酸化ガスが有する化学エネルギーを、所定の電気化学反応により、電気エネルギーに直接変換する。

従って、燃料電池システムでは、発電運転の際、燃料電池に向けて燃料ガスと酸化剤ガスとが各々供給される。すると、燃料電池では、その供給される燃料ガス及び酸化剤ガスが用いられる所定の電気化学反応が進行して、電気エネルギーが生成される。この燃料電池で生成される電気エネルギーが、燃料電池システムから負荷に向けて供給される。

ここで、燃料電池システムは、通常、改質器及びブロワを備えている。改質器では、天然ガス等の原料と水とが用いられる水蒸気改質反応により、水素を豊富に含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスが、発電のための燃料として、燃料電池に供給される。燃料電池において発電に使用されなかった燃料ガスを、例えばバーナにて燃焼し、燃焼改質器が有する改質触媒を加熱することで、水蒸気改質反応を継続する。一方、ブロワは、大気中から空気を吸入する。この空気が発電のための酸化剤ガスとして、燃料電池に供給される。

ここで、水蒸気改質反応は、用いられる水中に、塩素などの被毒物質が含まれると改質触媒が劣化する恐れがある。また金属イオンなども改質器内部への付着により性能低下の恐れがあるため、改質器に供給される水はこれらの不純物が除去されていなければならない。

このため、発電に使用されなかった燃料ガスをバーナにて燃焼した後の排気ガスや、発電に使用されなかった排空気から回収した水（以下、回収水）を、一時的に保持しておく貯蔵部（以下、回収水タンク）に貯蔵し、水供給ポンプによってイオン交換樹脂などに供給して浄化した後で、改質器に供給する（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−１３８７１４号公報

しかし、上記回収水タンクにて水が回収されることで内部に含まれる水分が低減された排気ガスや排空気は、通常、大気中に開放されるが、一方では、このことが、大気から埃やちり等の大気中の不純物が回収水タンクに混入する要因となる。これらの不純物は、回収水を水利用機器（例えば、冷却水タンク等）で再利用する場合に、水利用機器への水供給路の閉塞を招く可能性がある。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、排ガスから回収した回収水を水利用機器において再利用する形態において、水利用機器への水供給路に大気から混入した不純物により流路が閉塞する可能性が低減される燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明に係る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を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出された排気ガス中の水分、または該排気ガスを用いて燃焼した燃焼排ガス中の水分を分離するとともに該分離された水を貯える貯水部を有する汽水分離器と、前記貯水部内の水を利用する水利用機器と、前記貯水部から前記水利用機器へ水を供給する水供給路と、排気ガスまたは燃焼排ガスが流れる排気ガス流路とを備え、前記汽水分離器を通過した排気ガスまたは燃焼排ガスが流れる前記排気ガス流路は、該排気ガス流路の下流端に設けられた排気口迄の間において下り勾配の下降部を有することを特徴とする。

かかる構成とすると、大気中の不純物が、貯水部に混入し、水利用機器への水供給路の閉塞を招く可能性を従来よりも低減することが可能になる。

本発明の燃料電池システムによれば、排ガス経路の排気口を通じて大気から回収水の貯水部に混入した不純物により水利用機器への水供給路が流路閉塞する可能性が低減される。

本発明に係る燃料電池システムは、燃燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出された排気ガス中の水分、または該排気ガスを用いて燃焼した燃焼排ガス中の水分を分離するとともに該分離された水を貯える貯水部を有する汽水分離器と、前記貯水部内の水を利用する水利用機器と、前記貯水部から前記水利用機器へ水を供給する水供給路と、排気ガスまたは燃焼排ガスが流れる排気ガス流路とを備え、前記汽水分離器を通過した排気ガスまたは燃焼排ガスが流れる前記排気ガス流路は、該排気ガス流路の下流端に設けられた排気口迄の間において下り勾配の下降部を有する。

汽水分離器としては、燃料電池の排気ガスまたはこれを燃焼して得られる燃焼排ガスとこれらのガス中に含まれる水分を分離可能な構成であれば、どのような形態であっても構わないが、例えば、凝縮水量を増加させるために、排気ガスまたは燃焼排ガスを冷却する冷却器（凝縮器）を設けずに排ガスから分離された水を貯える貯水部を有する容器のみを備える形態や、排気ガスまたは燃焼排ガスを冷却する冷却器、及びこの冷却器で凝縮された凝縮水も含めた水を貯える貯水部を備える容器とを備える形態が挙げられる。

水利用機器としては、燃料電池を冷却する冷却水が流れる冷却水循環系、燃料電池に供給される反応ガスを加湿する加湿器、原燃料を用いて水蒸気改質反応により燃料ガスを生成する燃料処理器等が挙げられる。なお、上記冷却水循環系は、例えば、冷却水が流れる冷却水経路、該冷却水経路内の冷却水を送出するためのポンプ、冷却水を貯える冷却水タンクを含み構成されている。

又、「汽水分離器を通過した排気ガスまたは燃焼排ガス」とは、貯水部に導入される水の流れの向きと排ガス流路の下流端の開口（排出口）に向かい流れる排気ガスの流れの向きとが分離する箇所を通過した排気ガスとして定義される。例えば、汽水分離器を構成する貯水部を有する容器に排ガスの入口と出口を有する場合、本容器が上記分離箇所となる。又、排気ガス流路の途中で上記容器の入口に向かい分岐する分岐経路を備える場合、この分岐箇所が上記分離箇所となる。

又、「排気ガス流路の下流端に設けられた排気口迄の間において下り勾配の下降部を有する」とは、汽水分離器を通過した排気ガスまたは燃焼排ガスが流れる排気ガス流路において排気口までの少なくとも一部において下り勾配となる下降部を有することを示す。

上記下降部を有することにより、大気中の不純物が、排気ガス流路または燃焼排ガス流路の排気口より侵入しても上記下降部を上昇しなければならないため、この不純物が貯水部に混入することが抑制され、水利用機器への水供給路の閉塞を招く可能性を従来よりも低減することが可能になる。

又、本発明に係る燃料電池システムによれば、排気ガスが、燃料電池より排出された燃料排ガス及び前記燃料電池より排出された酸化剤排ガス少なくともいずれか一方である形態を採用することができる。

又、本発明に係る燃料電池システムによれば、燃焼排ガスが、前記燃料電池より排出された燃料排ガスを燃焼した、燃焼排ガスである形態を採用することができる。

又、本発明に係る燃料電池システムによれば、原燃料を用いて改質反応により燃料ガスを生成する水素生成装置と、燃料排ガスを燃焼して、水素生成装置を加熱する燃焼器とを備え、燃焼排ガスは、燃焼器から排出される形態を採用することができる。

又、本発明に係る燃料電池システムによれば、排気ガス流路は、下降部より上流において上がり勾配の上昇部を有する形態を採用することができる。かかる構成とすると、汽水分離器を通過した排気ガスまたは燃焼排ガスが流れる排ガス経路内の液水が貯水部に戻り水の自給率が従来よりも向上する可能性がある。

又、本発明に係る燃料電池システムによれば、前記排気ガス流路は、前記燃料電池の最大発電量時において前記排気ガス流路の前記上昇部において液滴が下降するガス流速になるよう構成されていることを特徴とする。

又、本発明の燃料電池システムは、前記排気ガス流路の前記上昇部は、前記上昇部を流れる排気ガスの流速が３．０［ｍ／ｓ］以下となるように構成されていることを特徴とする。かかる構成とすると、汽水分離器を通過した排気ガスまたは燃焼排ガスが流れる排ガス経路内の液滴が貯水部に戻り水の自給率が従来よりもより向上する可能性がある。

又、本発明に係る燃料電池システムによれば、下降部は、大気中の不純物が貯水部に混入することを抑制可能な高低差を有する形態を採用することができる。

又、本発明に係る燃料電池システムによれば、高低差が８［cm］以上である形態を採用することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムについて、図面を参照しながら説明する。

［燃料電池システム構成の概略］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施の形態の燃料電池システム２０１は、アノードとカソードを備え、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとしての空気とを反応させて電力と熱を発生させる燃料電池１と、燃料電池１のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器２と、燃料電池１のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給器３と、燃料電池１のカソードより排出された酸化剤排ガス中の水分と酸化剤排ガスとを分離する第１汽水分離器と、燃料電池１のアノードより排出された燃料排ガス中の水分と燃料排ガスとを分離する第２汽水分離器と、燃料電池１のカソードより排出される酸化剤排ガスが流れる酸化剤排ガス流路６、燃料電池１のアノードより排出される燃料排ガスが流れる燃料排ガス流路７と、第２汽水分離器を通過した燃料排ガス経路７上に設けられ、燃料排ガス中の可燃性ガス濃度を低減させる可燃ガス低減器８とを備える。なお、燃料ガス供給器２としては、例えば、水素タンク及び水素タンクから供給される水素ガスの流量を調整する流量調整弁を含む構成が挙げられる。又、酸化剤ガス供給器３としては、例えば、酸化剤ガスとしての空気を供給する空気ブロアが挙げられる。可燃ガス低減器８としては、燃料排ガス経路７内を流れる燃料排ガスに不燃性の希釈ガス（例えば、空気）を加え、可燃性ガス濃度を低減する希釈器、または、可燃性ガスを燃焼して可燃性ガス濃度を低減する燃焼器等が挙げられる。

ここで、第１汽水分離器は、酸化剤ガスから分離された水分を貯える容器４と、酸化剤ガス流路６より分岐し、容器４と接続する分岐路６Ｂとを含み構成される。又、第２汽水分離器は、燃料排ガスの入口と出口を有し、内部を流れる燃料排ガスから分離された水分を貯える容器５を含み構成される。また、第１汽水分離器と第２汽水分離器との間には、容器４及び容器５に貯えられた回収水が互いの容器を移動可能な連通路９を備える。なお、上記第１汽水分離器及び第２汽水分離器の構成については、上記に限定されず、第１汽水分離器及び第２汽水分離器のそれぞれが、分岐路と容器を含み構成される形態及び容器に直接排気ガスが導入される形態のいずれを採用しても構わない。又、第１汽水分離器及び第２汽水分離器についてはいずれか一方のみを備える形態を採用しても構わない。又、第１汽水分離器及び第２汽水分離器は、容器４または容器５の上流において燃料排ガスや酸化剤排ガス中に含まれる水分の凝縮量を増加させための冷却器を設ける形態を採用しても構わない。

さらに、上記燃料電池システムは、燃料電池１を冷却するための冷却水が循環する冷却水循環系を備え、冷却水循環系は、冷却水が流れる冷却水経路１０、冷却水経路１０中に設けられ、冷却水を貯える冷却水タンク１１、冷却水経路１０中の冷却水を送出する冷却水ポンプ１２、及び図示されない冷却器を含み構成される。そして、第１汽水分離器の容器４に貯えられた回収水を、水利用機器の一例である冷却水循環系内の冷却水タンク１１に補給するための水補給経路１３と、水補給経路１３に設けられ、容器４から冷却水タンク１１に供給される回収水を浄化するための浄化器１４と、水補給経路１２内の水を冷却水タンク１１に向けて送出するための水補給ポンプ１５と、冷却水タンク１１よりオーバーフローした水が容器４に戻るためのオーバーフロー経路１６とを備える。なお、浄化器１４としては、活性炭及びイオン交換樹脂が充填されたイオン交換器の少なくともいずれか一方を備える形態を採用することが好ましい。又、浄化器１４については、水利用機器の種類によっては省略しても構わない。

さらに、本実施の形態の燃料電池システムの上記機器を内部に収納する筐体２００を備え、筐体２００には外気を筐体内部に導入する吸気口と、筐体内部のガスを外気に排出するための排気口１７とを有する。なお、酸化剤排ガス流路６の下流端の排気口及び燃料排ガス流路７の下流端の排気口は、排気口１７の近くに設けられてはいるが、外気からの風雨等の影響を低減するため排気口１７から一定の距離を置くよう構成されている。

[燃料電池システムの動作]
次に、本実施の形態の燃料電池システム２０１の動作について、その概略を述べる。

燃料電池システム２０１の発電運転時においては、燃料電池１のアノードに燃料ガス供給器３より供給される燃料ガスが供給されるとともに、燃料電池１のカソードに酸化剤ガス供給器２より酸化剤ガスが供給される。そして、燃料電池１は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により発電する。燃料電池１の発電時においては、冷却水ポンプ１２を動作させることで、冷却水経路１０内の冷却水を循環させ、燃料電池１の排熱を冷却水により回収させる。冷却水により回収された熱は、冷却水経路１０に設けられた冷却器（図示せず）により放熱される。

又、燃料電池１のアノードから排出された燃料排ガスは、第２汽水分離器において燃料排ガス中に含まれる水分が分離され、第２汽水分離器を通過した燃料排ガスは、燃料排ガス経路７の下流端の開口部である排気口より排出され、筐体２００に設けられた排気口１７を介して筐体２００の外部に排出される。一方、分離された水分は回収水として、容器４に貯えられる。同様に、燃料電池１のカソードから排出された酸化剤排ガスは、第１汽水分離器において酸化剤排ガス中に含まれる水分が分離され、第１汽水分離器を通過した酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス経路６の下流端の開口部である排気口より排出され、排気口１７を介して筐体２００の外部に排出される。分離された水分は回収水として容器５に貯えられる。容器４及び容器５に貯えられる回収水は、開放された連通路９を介して互いに移動可能であり、互いの容器内の水位が同等に保たれる。

冷却水タンク１１には図示しない水位検知器が設けられ、水位検知器（図示せず）により検知される水位が低下すると水補給ポンプ１５を動作させ、浄化器１４で浄化された水が冷却水タンク１１に供給される。

［燃料電池システムの特徴となる構成］
次に、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの特徴となる構成について図１に基づき説明する。なお、図１においては、図の上方が鉛直上向きを示す。

本実施の形態の燃料電池システムは、酸化剤排ガス流路６のうち第１汽水分離器を通過した（分岐路６Ｂとの分岐点を通過した）酸化剤ガスが流れる酸化剤排ガス流路６の少なくともその一部において下り勾配となる下降部（本例の場合、酸化剤ガス流路６Ａ）を有することを特徴とする。又、燃料排ガス流路７のうち第２汽水分離器を通過した（容器５を通過した）燃料排ガスが流れる燃料排ガス流路７の少なくとも一部において下り勾配となる下降部（本例の場合、燃料ガス流路７Ａ）を有することを特徴とする。

上記特徴により、大気中の不純物が、排気ガス流路または燃焼排ガス流路の排気口より侵入しても上記下降部を上昇しなければならないため、この不純物が貯水部に混入することが抑制され、水利用機器への水供給路の閉塞を招く可能性を従来よりも低減することが可能になる。

又、本実施の形態の燃料電池システムにおいては、汽水分離器で回収した水を水利用機器へ供給する前に浄化器１４で浄化する形態を採用しているため、貯水部への不純物の混入が抑制されることで、浄化器１４の寿命向上も見込まれる。

（実施の形態２）
以下、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムについて、図面を参照しながら説明する。

[システム構成の概略]
図２は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。以下、図２を参照しながら、本実施の形態に係る燃料電池システムの概略について実施の形態１の燃料電池システムと異なる特徴を中心に説明する。図２に示す通り、本実施の形態の燃料電池システム２０１は、燃料ガス供給器として、図示されない原料ガス供給器から供給された原料と水から改質反応により水素リッチな燃料ガスを生成して燃料電池１０１に供給する水素生成装置１０２と、水素生成装置１０２に水蒸気改質反応に用いられる改質水を供給する改質水ポンプ１１３、燃料電池１０１のアノードより発電で用いられずに排出される燃料排ガスを燃焼させて水素生成装置１０１を加熱する燃焼器としてのバーナ１０３と、バーナ１０３にて燃焼されて排出された燃焼排ガス中の水分を凝縮させて凝縮水を生成する冷却器としての燃焼排ガス凝縮器１０４と、酸化剤ガス供給器２から供給される空気を加湿して燃料電池１０１に供給する酸化剤側加湿器１０５と、燃料電池１０１のカソードより発電で用いられずに排出される酸化剤排ガス中の水分を凝縮させて凝縮水を生成する冷却器としての酸化剤側凝縮器１０６と、燃焼排ガス凝縮器１０６または酸化剤側凝縮器１０６で凝縮された凝縮水を貯える回収水タンク１０８と、燃料電池１０１を通過した冷却水を放熱するための冷却水熱交換器１１４とを備える。冷却水タンク１１１及び回収水タンク１０８には、それぞれ内部の水位を検知する水位検知器として、冷却水レベルセンサ１１５、回収水タンクレベルセンサ１１６がそれぞれ設けられている。

ここで、酸化剤排ガスから水分を分離する第１汽水分離器は、酸化剤側凝縮器１０５、酸化剤側凝縮器１０５を通過した酸化剤排ガス流路１２０から分岐して回収水タンク１０８に接続する分岐路１２０Ｄ、及び回収水タンク１０８を含み構成される。又、燃焼排ガスから水分を分離する第３汽水分離器は、燃焼排ガス凝縮器１０４、燃焼排ガス凝縮器１０４を通過した燃焼排ガス流路１２１から分岐して回収水タンク１０８に接続する分岐路１２１Ｄ、及び回収水タンク１０８を含み構成される。なお、本実施の形態においては、第１汽水分離器及び第３汽水分離器共に、冷却器としての凝縮器を備える形態であるが、上記汽水分離器の少なくともいずれか一方が、これを備えない形態を採用しても構わない。又、上記汽水分離器は共に、分岐路を備える形態であるが、両汽水分離器の少なくともいずれか一方が、これを備えず、回収水タンク１０８内を直接排気ガスが通過する形態を採用しても構わない。又、第１汽水分離器及び第３汽水分離器についてはいずれか一方のみを備える形態を採用しても構わないし、第１汽水分離器及び第２汽水分離器に加え、実施の形態１の第２汽水分離器を備える形態を採用しても構わない。

又、水利用機器は、回収水を直接的に再利用している冷却水循環系（冷却水経路、冷却水タンク１１１、冷却水ポンプ１１２を含む構成）と、回収水を冷却水タンク１１１を介して間接的に再利用している水素生成装置１０２となる。又、本実施の形態では、明示していないが、酸化剤側加湿器１０５が、水利用機器となる形態を採用しても構わない。具体的には、回収水タンク１０８内の回収水を酸化剤側加湿器１０５に供給することで回収水を直接的に再利用する形態や酸化剤側加湿器１０５に冷却水を供給することで間接的に回収水を再利用する形態が挙げられる。

[燃料電池システムの動作]
次に、本実施の形態の燃料電池システム２０１の動作について、実施の形態１の燃料電池システムと相違する点を中心にその概略を述べる。

まず、燃料電池システムの発電運転中において、水素生成装置１０２は、改質水ポンプ１１３を動作させることで、浄化器１１０を通過した浄化水（例えば、脱イオン水）と原料とを用いて、水蒸気改質反応によって水素リッチなガスである燃料ガスを生成し、生成された燃料ガスは、燃料ガス経路を通じて燃料電池１０１のアノードに供給される。燃料電池１０１は、燃料ガスと、酸化剤ガス供給器２から酸化剤側加湿器１０５により加湿され、酸化剤ガス供給路を通じて供給された酸化剤ガス（空気）とを反応させることにより、電力と熱を発生させる。燃料電池１０１の発電中における排熱は、実施の形態１と同様に冷却水循環系により回収する。

又、燃料電池１０１のアノードから排出された燃料排ガスは、バーナ１０３に供給され燃焼される。この燃焼により生じた燃焼排ガスにより水素生成装置１０２内に設けられた改質器（図示せず）が加熱され、改質反応の反応熱として利用される。水素生成装置１０２から排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス凝縮器１０４に導入されて燃焼排ガス中に含まれる水分が凝縮され、生成した凝縮水は分岐路１２１Ｄを通じて回収水タンク１０８に貯えられる。第３汽水分離器を通過後（分岐路１２１Ｄとの分岐点を通過後）の燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路１２１の下流端は、筐体２００に設けられた外気に臨む排気口１０７と接続するよう構成されている。同様に、第１汽水分離器を通過後（分岐路１２０Ｄとの分岐点を通過後）の酸化剤排ガスが流れる燃焼排ガス流路１２０の下流端は、筐体２００に設けられた外気に臨む排気口１０７と接続するよう構成されている。

[燃料電池システムの特徴となる構成]
次に、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの特徴となる構成について説明する。

図３は、本実施の形態１の燃料電池システムの特徴部である排気ガス経路（燃焼排ガス経路、酸化剤排ガス経路）の構成の概略を示した図である。図の上方が鉛直上向きを示す。従来例と同じ構成要素については同じ番号を付与している。

図３において、燃焼排ガス凝縮器１０４にて凝縮水が生成された燃焼排ガスは、燃焼排ガス凝縮器１０４を通過した後、上がり勾配である燃焼排ガス流路１２１Ａを流れ、水平構造の燃焼排ガス流路１２１Ｂにて最高地点を経た後、下り勾配の燃焼排ガス配管Ｃを流れて、排気口１０７から大気開放される。同様に、酸化剤側凝縮器１０６にて凝縮水が生成された酸化剤排ガスは、酸化剤側凝縮器１０６を通過した後、上がり勾配である酸化剤排ガス流路１２０Ａを流れ、水平構造の酸化剤排ガス流路１２０Ｂにて最高地点を経た後、下り勾配の酸化剤排ガス流路１２０Ｃを流れ、排気口１０７から大気開放される。酸化剤排ガス分岐路１２０Ｄ、燃焼排ガス分岐路１２１Ｄはそれぞれ燃焼排ガス凝縮器１０４を通過した燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路１２１、酸化剤側凝縮器１０６を通過した酸化剤排ガスが流れる酸化剤排ガス流路１２０より分岐し、各凝縮器にて得られた凝縮水が回収水タンク１０８へ流入する流路である。

次に、下り勾配である燃焼排ガス流路１２１Ｃと酸化剤排ガス流路１２０Ｃについて詳細に説明する。燃焼排ガス流路１２１及び酸化剤排ガス流路１２０が、それぞれ下流端の排気口までの間において下降部となる燃焼排ガス流路１２１Ｃと、酸化剤排ガス流路１２０Ｃとを有することで、実施の形態１の燃料電池システムと同様に、大気中の不純物が、貯水部である回収水タンク１０８に混入することが抑制され、水利用機器への水供給路の閉塞を招く可能性を従来よりも低減することが可能になる。

また、図３に示す、燃焼排ガス流路１２１Ｃの高低差Ｄfと、酸化剤排ガス流路１２０Ｃの高低差Ｄoは、大気中の不純物が前記回収水タンクに混入することを抑制可能な高低差となることが好ましい。具体的には、例えば、それぞれの排ガス流路の下降部の高低差を８［ｃｍ］以上とすることが好ましい。

この時、燃料電池システム２０１の筐体２００外部での風雨により排気口１０７から浸入した雨や埃、ちり等が、燃焼排ガス流路１２１Ｂと酸化剤排ガス流路１２１Ｂを超えて回収水タンク１０８に混入することが抑制される。

次に、上がり勾配である燃焼排ガス流路１２０Ａと酸化剤排ガス流路１２１Ａについて詳細に説明する。燃焼排ガス流路１２１及び酸化剤排ガス流路１２０が、上記下降部よりも上流に上がり勾配である上昇部となる燃焼排ガス流路１２１Ａと、酸化剤排ガス流路１２０Ａとを有することで、第１汽水分離器または第３汽水分離器を通過した排気ガスまたは燃焼排ガスが流れる排ガス経路内の液水が回収水タンク８に戻り水の自給率が従来よりも向上する可能性がある。

ここで、燃料電池１０１の最大発電量時において、通常、燃料電池１０１の排ガス流路（例えば、酸化剤排ガス流路１２０）、水素生成装置に設けられた燃焼器からの燃焼排ガス流路（燃焼排ガス流路１２１）をそれぞれ流れる酸化剤排ガス及び燃焼排ガスの流速は最大になるが、この場合において、各排ガス流路の上昇部（１２０Ａ、１２１Ａ）を流れるガス流速が、液滴が下降するガス流速になるよう構成されている。具体的には、酸化剤側凝縮器１０６を通過後の酸化剤ガスが流れる酸化剤排ガス流路１２０の断面積（配管径）及び燃焼排ガス凝縮器１０４を通過後の燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路１２１の断面積（配管径）を適切に設定することで、排ガスの流れ方向に逆らって液滴が下降するガス流速になる。

ここで、図４は排ガス流路の上がり勾配の角度と排ガス流路内のガス流速とに対する流路内の液滴の挙動を示した図である。ガス流速は、標準状態（温度０℃、気圧１ａｔｍ）で換算した値である。本図より、最も排ガス流路内の液滴がガス流れに逆らい下降しやすい上がり勾配の角度が９０℃の場合、ガス流速が３．０［ｍ／ｓ］以下であれば、排ガス流路内の液滴は流路内を上昇して流れる排ガスに伴って上昇せず、下降する。従って、燃料電池の排ガス流路または水素生成装置に設けられた燃焼器からの燃焼排ガス流路は、汽水分離器を通過後の各排ガス流路の上昇部において、燃料電池１０１の最大発電時のガス流速が３．０［ｍ／ｓ］以下になるよう構成されていることが好ましい。具体的には、酸化剤側凝縮器１０６を通過後の酸化剤ガスが流れる酸化剤排ガス流路１２０の断面積（配管径）及び燃焼排ガス凝縮器１０４を通過後の燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路１２１の断面積（配管径）を適切に設定することで、燃料電池１０１の最大発電時の上記上昇部におけるガス流速が３．０［ｍ／ｓ］以下になるよう構成される。

又、燃料電池の排ガス流路または水素生成装置に設けられた燃焼器からの燃焼排ガス流路の上昇部の上がり勾配の角度が９０℃未満である場合、上がり勾配の角度の９０℃からの低下の大きさに応じて燃料電池１０１の最大発電時の上記上昇部におけるガス流速が低下するよう構成されることが好ましい。例えば、上がり勾配の角度が９０℃未満の場合、図３に示す、燃料電池１０１の最大発電時の燃料電池１０１の排ガス流路または燃焼排ガス流路１２１Ａ内を流れる燃焼排ガスのガス流速と、酸化剤排ガス流路１２０Ａを流れる酸化剤排ガスのガス流速が、それぞれ３．０［ｍ／ｓ］未満の所定値になるよう排ガス流路または燃焼排ガスの断面積（配管径）を設定することで、燃焼排ガス凝縮器１０４と酸化剤側凝縮器１０６で得た凝縮水が燃焼排ガス流路１２０Ｂと酸化剤排ガス流路１２１Ｂを超えて排気口１０７へ到達することが抑制され、排ガス経路内の液滴が回収水タンク８に回収され、水の回収率が従来よりもより向上する可能性がある。

本発明にかかる燃料電池システムは、排ガス経路の排気口を通じて大気から回収水の貯水部に混入した不純物により水利用機器への水供給路が流路閉塞する可能性が低減されるもので、家庭用燃料電池システム等として有用である。

本発明の実施の形態１の燃料電池システムの概略構成を示すブロック図 本実施の形態２の燃料電池システムの概略構成を示すブロック図 本実施の形態２の燃料電池システムの排ガス経路の概略構成を示した構成図 排ガス流路の流路勾配の角度と排ガス流路内のガス流速に対する流路内液滴挙動を示した図

符号の説明

２０１ 燃料電池システム
２ 酸化剤ガス供給器
３ 燃料ガス供給器
４，５ 容器
６，１２０ 酸化剤排ガス流路
７ 燃料排ガス流路
８ 可燃ガス低減器
９ 連通路
１０ 冷却水流路
１３ 水補給経路
１５ 水補給ポンプ
１６ オーバーフロー経路
１０１ 燃料電池
１０２ 水素生成装置
１０３ バーナ
１０４ 燃焼排ガス凝縮器
１０５ 酸化剤側加湿器
１０６ 酸化剤側凝縮器
１７，１０７ 排気口
１０８ 回収水タンク
１０９ 冷却水供給ポンプ
１４，１１０ 浄化器
１１，１１１ 冷却水タンク
１２，１１２ 冷却水ポンプ
１１３ 改質水ポンプ
１１４ 冷却水熱交換器
１１５ 冷却水レベルセンサ
１１６ 回収水レベルセンサ
１２１ 燃焼排ガス流路
２００ 筐体
Ｄf 燃焼排ガス経路の下降部１２１Ｃの高低差
Ｄo 酸化剤排ガス経路の下降部１２０Ｃの高低差

Claims (9)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出された排気ガス中の水分、または該排気ガスを用いて燃焼した燃焼排ガス中の水分を分離するとともに該分離された水を貯える貯水部を有する汽水分離器と、前記貯水部内の水を利用する水利用機器と、前記貯水部から前記水利用機器へ水を供給する水供給路と、排気ガスまたは燃焼排ガスが流れる排気ガス流路とを備え、前記汽水分離器を通過した排気ガスまたは燃焼排ガスが流れる前記排気ガス流路は、該排気ガス流路の下流端に設けられた排気口迄の間において下り勾配の下降部を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記排気ガスとは、前記燃料電池より排出された燃料排ガス及び前記燃料電池より排出された酸化剤排ガス少なくともいずれか一方である、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃焼排ガスとは、前記燃料電池より排出された燃料排ガスを燃焼した、燃焼排ガスである、請求項１記載の燃料電池システム。
4. 原燃料を用いて改質反応により前記燃料ガスを生成する水素生成装置と、前記燃料排ガスを燃焼して、前記水素生成装置を加熱する燃焼器とを備え、前記燃焼排ガスは、前記燃焼器から排出される請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記排気ガス流路は、前記下降部より上流において上がり勾配の上昇部を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
6. 前記排気ガス流路は、前記燃料電池の最大発電量時において前記排気ガス流路の前記上昇部において液滴が流下するガス流速になるよう構成されていることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
7. 前記排気ガス流路は、前記燃料電池の最大発電量時において前記排気ガス流路の前記上昇部においてガス流速が、３．０［ｍ／ｓ］以下になるよう構成されていることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
8. 前記下降部は、前記大気中の不純物が前記回収水タンクに混入することを抑制可能な高低差を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
9. 前記高低差が８［ｃｍ］以上であることを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。

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