JP2010238651A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成で、水供給装置のエア噛みを可及的に阻止し、しかも前記水供給装置の脈動及び燃料電池モジュールの圧力変動を吸収することを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１２と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置１４と、前記水供給装置１４に水を供給する水容器１６と、前記燃料電池モジュール１２から排出される排ガス中の水蒸気を凝縮するとともに、凝縮された水を前記水容器１６に供給する凝縮器１８とを備える。水容器１６は、凝縮器１８から供給される水に含まれる不純物を除去するイオン交換装置２０を収容するとともに、水供給装置１４は、前記水容器１６よりも下方に且つ下流に配置され、前記水供給装置１４と燃料電池モジュール１２との間には、前記水供給装置１４の脈動を吸収し且つ前記燃料電池モジュール１２の圧力変動を吸収する調圧装置２２が配設される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池モジュール、水供給装置、水容器及び凝縮器を備える燃料電池システムに関する。

通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。この固体電解質の両側に、アノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定の数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに、例えば、水蒸気改質を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。

上記の水蒸気改質では、改質反応に使用される水蒸気量に対応した水を補給する必要がある。このため、外部から必要な水量の水を供給する方式に代えて、燃料電池の発電により発生した排ガスを凝縮させることにより、改質に必要な水を完全循環（水自立）させる水回収方式が注目されている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池発電装置の水回収装置は、図９に示すように、燃料電池スタック１ａ及び燃料改質器２ａを収容した燃料電池モジュール３ａを備えている。この燃料電池モジュール３ａから排出される排ガス中の水蒸気は、熱回収装置４ａ及び自然冷却部５ａを含む凝縮器により液化されるとともに、この液化した水は、前記燃料電池モジュール３ａに供給されている。

その際、凝縮器の下流部には、水を回収するための水タンク６ａが配設されている。この水タンク６ａは、内部の水圧を利用して水を燃料電池モジュール３ａに供給している。

また、特許文献２に開示されている燃料電池装置は、図１０に示すように、熱交換器（図示せず）での熱交換により生成される凝縮水を貯留するために、凝縮水タンク１ｂを備えている。この凝縮水タンク１ｂの下端部には、熱交換器に接続された凝縮水供給管２ｂの端部が接続されるとともに、前記凝縮水タンク１ｂの上端部には、タンク連結管３ｂを介して水タンク４ｂが接続されている。凝縮水タンク１ｂ内には、凝縮水処理手段として、例えば、イオン交換樹脂５ｂが収容されている。

さらに、特許文献３に開示されている固体酸化物形燃料電池における排熱回収システムは、図１１に示すように、固体酸化物形燃料電池セル１ｃ及び改質器２ｃが発電室３ｃに配置された発電モジュール４ｃと、前記発電室３ｃから排出された排ガスを、内部空間５ｃに流通させるとともに、前記内部空間５ｃに循環水配管６ｃを挿通させた排熱回収用熱交換器７ｃとを有している。

排熱回収用熱交換器７ｃの下面には、凝縮水の出口が設けられ、この出口に水貯留タンク８ｃが配置されている。水貯留タンク８ｃに貯留される水は、水ポンプ９ｃを介して発電モジュール４ｃの改質器２ｃに供給されている。

特開２００６−２３６５９８号公報 特開２００８−３０００５８号公報 特開２００７−２３４３７４号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、水タンク６ａの水圧（水頭圧）のみで、燃料電池モジュール３ａに供給する水の流量が制御されている。このため、例えば、始動時、部分負荷時、負荷追従時又は停止時等の応答性が低下するという問題がある。

しかも、長期の発電等によってシステム内に圧力損失の差が惹起されると、燃料電池モジュール３ａに供給される水の流量が変化してしまう。これにより、最適なＳ／Ｃ（スチーム／カーボン）に維持することが困難になるという問題がある。

その上、水タンク６ａは、水頭圧を利用するために、燃料電池モジュール３ａの側部側又は上部側に配置しなければならない。このため、システム全体のレイアウトの自由度が低下するとともに、水タンク６ａから水漏れが発生した際に、他の設備への影響が懸念される。

また、上記の特許文献２では、凝縮水タンク１ｂと水タンク４ｂとの２つのタンクが用いられているため、部品点数が増大するとともに、製造コストが高騰するという問題がある。

しかも、イオン交換樹脂５ｂが収容されている凝縮水タンク１ｂでは、処理された水がこの凝縮水タンク１ｂの上部側に設けられるタンク連結管３ｂを介して水タンク４ｂに送られている。従って、例えば、凝縮水タンク１ｂ内に浮遊する塵埃等が水タンク４ｂに送られるおそれがある。

その上、イオン交換樹脂５ｂにより処理された水は、水タンク４ｂに貯留されている。このため、特に、貯留時間が長期化すると、この水タンク４ｂ内の水に不純物が混在し易くなって、この不純物が改質器に導入されるおそれがある。このため、実際上、不純物の溶出を回避する必要があり、水タンク４ｂを構成する材料が限定されるという問題がある。

さらにまた、上記の特許文献３では、水貯留タンク８ｃに貯留されている水は、水ポンプ９ｃを介して、直接、改質器２ｃに送られている。従って、例えば、水ポンプ９ｃに脈動が発生すると、発電モジュール４ｃへの水の供給が安定して行われないというおそれがある。特に、水ポンプ９ｃが、プランジャ式ポンプ（又は、ピストン式ポンプ）である際、この種の脈動による影響が大きくなってしまう。

しかも、発電モジュール４ｃの圧力増加時や水ポンプ９ｃの故障時に、前記発電モジュール４ｃから燃料ガスが逆流するおそれがある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、水供給装置のエア噛みを可及的に阻止し、しかも前記水供給装置の脈動及び燃料電池モジュールの圧力変動を吸収することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、前記水供給装置に水を供給する水容器と、前記燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気を凝縮するとともに、凝縮された水を前記水容器に供給する凝縮器とを備える燃料電池システムに関するものである。

水容器は、凝縮器から供給される水に含まれる不純物を除去するイオン交換装置を収容するとともに、水供給装置は、前記水容器よりも下方に且つ下流に配置され、前記水供給装置と燃料電池モジュールとの間には、前記水供給装置の脈動を吸収し且つ前記燃料電池モジュールの圧力変動を吸収する調圧装置が配設されている。

また、調圧装置は、水及び水以外の流体が収納されるとともに、前記水と前記流体との境界面が、前記水と前記流体との圧力差により内壁に沿って移動する調圧室を備えることが好ましい。このため、調圧装置は、簡単且つ経済的な構成で、所望の調圧機能を有することが可能になる。

さらに、調圧装置は、調圧室に配設されるとともに、水と流体とを仕切り、且つ、前記水と前記流体との圧力差により内壁に沿って摺動する仕切り壁部材を備えることが好ましい。従って、調圧室の向きを任意に設定することができ、調圧装置は、設置箇所のレイアウトの自由度が向上する。

さらにまた、調圧装置は、水供給装置と燃料電池モジュールとを連通する水配管の最下部よりも上方に配置されることが好ましい。これにより、簡単な構成で、調圧装置内の流体が外部に流出（漏出）することを良好に抑制することが可能になる。

また、流体は、水よりも上方に配置されることが好ましい。このため、特に水よりも軽い流体が使用される際に、前記流体による調圧効果を一層高めることができる。

さらに、水容器は、縦方向の寸法が横方向の寸法よりも大きく設定されることが好ましい。従って、水容器から下流の水供給装置に対する水頭圧を一層高めることが可能になり、前記水供給装置のエア噛みの発生を可及的に防止することができる。これにより、水供給装置の性能低下、改質器へのエア混入、電極への炭素付着（コーキング）及び燃料電池モジュールの発電電圧の不安定化を有効に回避することができる。

さらにまた、イオン交換装置は、水容器内の下端側に配置されることが好ましい。このため、水頭圧を利用してイオン交換装置への気泡の混入を抑制することが可能になる。また、水容器内にシリカ等の異物が混入しても、イオン交換装置により燃料電池モジュールへの前記異物の混入を抑制することができる。

しかも、イオン交換装置は、水供給装置よりも上流に配置されるため、前記水供給装置による高圧力（水圧）が前記イオン交換装置に付与されることがない。これにより、イオン交換装置の耐久性、寿命を向上させることが可能になる。

さらに、燃料電池モジュールは、少なくとも電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器とを備えることが好ましい。従って、特に水蒸気改質を行う燃料電池モジュールに最適に用いることができ、良好な効果が得られる。

さらにまた、燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることが好ましい。このため、高温型燃料電池システムに最適に用いることが可能になり、良好な効果が得られる。

本発明によれば、水容器内には、イオン交換装置が収容されており、前記水容器と前記イオン交換装置とが一体化されている。このため、水容器及びイオン交換装置全体を簡単且つコンパクトに構成することができる。その上、水容器内にイオン交換装置が収容されるため、前記水容器の材料が制限されることはなく、材料選択の自由度が向上する。

また、水供給装置は、水容器よりも下方に且つ下流に配置されている。従って、水容器から水供給装置に対して水頭圧により水が供給されるため、前記水供給装置のエア噛みの発生を可及的に防止することが可能になる。これにより、水供給装置の性能低下、改質器へのエア混入、電極への炭素付着（コーキング）及び燃料電池モジュールの発電電圧の不安定化を有効に回避することができる。

しかも、水容器内のイオン交換装置は、水供給装置よりも上流に配置されるため、前記水供給装置による高圧力（水圧）が前記イオン交換装置に付与されることがない。このため、イオン交換装置の耐久性、寿命を向上させることが可能になる。

さらに、水供給装置と燃料電池モジュールとの間には、調圧装置が配設されている。従って、調圧装置により水供給装置の脈動が吸収されるため、脈動の大きい水供給装置に適用することが望ましい。特に前記水供給装置としてプランジャ式ポンプ（又は、ピストン式ポンプ）が使用される際、水の押し出しがなされない時点でも、前記調圧装置内の水を下流に供給することができる。

これにより、燃料電池モジュールに水を安定して供給することが可能になり、改質器への水蒸気不足、電極への炭素付着（コーキング）及び燃料電池モジュールの発電出力の不安定化を有効に回避することができる。

さらにまた、調圧装置は、燃料電池モジュールの圧力変動を吸収している。このため、水供給装置に過度の圧力が付与されることがなく、耐久性が向上する。しかも、燃料電池モジュールの圧力増加時や水供給装置の故障時に、前記燃料電池モジュールから燃料ガスが逆流することによる影響、例えば、ガス漏れを抑制することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記燃料電池システムの機械系回路を示す概略構成説明図である。 前記燃料電池システムの回路図である。 前記燃料電池システムの斜視説明図である。 前記燃料電池システムの正面説明図である。 前記燃料電池システムを構成する調圧装置の断面説明図である。 調圧装置の有無による時間別流量の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する調圧装置の断面説明図である。 特許文献１の燃料電池発電装置の水回収装置の説明図である。 特許文献２の燃料電池装置の説明図である。 特許文献３の排熱回収システムの説明図である。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。

燃料電池システム１０は、図１に概略的に示すように、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール１２と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）１４と、前記水供給装置１４に水を供給する水容器１６と、前記燃料電池モジュール１２から排出される排ガス中の水蒸気を凝縮し、凝縮された水を前記水容器１６に供給する凝縮器（熱交換器）１８とを備える。

水容器１６は、凝縮器１８から供給される水に含まれる不純物を除去するイオン交換装置（例えば、イオンフィルタ）２０を収容するとともに、水供給装置１４は、前記水容器１６よりも下方に且つ下流に配置される。水容器１６は、縦方向の寸法（容器長Ｈ）が横方向の寸法（容器直径Ｄ）よりも大きく設定される（Ｈ＞Ｄ）。なお、容器直径Ｄは、容器断面積と同じ面積をもつ円の直径である。イオン交換装置２０は、水容器１６内の下端側に配置される。

水供給装置１４と燃料電池モジュール１２との間には、前記水供給装置１４の脈動を吸収し且つ前記燃料電池モジュール１２の圧力変動を吸収するために、調圧装置２２が配設される。水容器１６と水供給装置１４との間、又は、調圧装置２２と燃料電池モジュール１２との間には、導電率計２４及び流量計２６が配設される。

燃料電池システム１０は、より具体的には、図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール１２と、前記燃料電池モジュール１２を昇温させる燃焼器（例えば、トーチヒータ）３０と、前記燃料電池モジュール１２に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する燃料ガス供給装置（燃料ガスポンプを含む）３２と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（エアポンプを含む）３４と、水供給装置１４と、水容器１６と、凝縮器１８と、前記燃料電池モジュール１２で発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置３６と、前記燃料電池モジュール１２の発電量を制御する制御装置３８とを備え、これらが単一（又は複数）の筐体４０に収容される（図４及び図５参照）。

燃料電池モジュール１２は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質（固体酸化物）をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体４２とセパレータ４４とが積層される固体酸化物形の燃料電池４６を設けるとともに、複数の前記燃料電池４６が鉛直方向に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック４８を備える（図３参照）。

図５に示すように、燃料電池スタック４８の積層方向上端側（又は下端側）には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック４８に供給する前に加熱する熱交換器５０と、改質原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器５２と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器５４とが配設される。

燃料電池スタック４８の積層方向下端側（又は上端側）には、前記燃料電池スタック４８を構成する燃料電池４６に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って締め付け荷重を付与するための荷重付与機構５６が配設される（図３参照）。荷重付与機構５６の下方には、燃焼器３０が配設される。

改質器５４は、都市ガス（燃料ガス）中に含まれるエタン（Ｃ₂Ｈ₆）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）及びブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）等の高級炭化水素（Ｃ₂₊）を、主としてメタン（ＣＨ₄）を含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。

燃料電池４６は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体４２では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素が得られ、この水素がアノード電極に供給される。

熱交換器５０は、図３に示すように、燃料電池スタック４８から排出される使用済み反応ガス（以下、排ガス又は燃焼排ガスともいう）と、被加熱流体である空気とを、互いに対向流に流して熱交換を行う。熱交換後の排ガスは、排気管６０に排出される一方、熱交換後の空気は、酸化剤ガスとして燃料電池スタック４８に供給される。

蒸発器５２には、２重管が接続されるとともに、この２重管には、原燃料通路６２と水通路（水配管）６４とが形成される。蒸発器５２の出口は、改質器５４の入口に連結されるとともに、前記改質器５４の出口は、燃料電池スタック４８の燃料ガス供給連通孔（図示せず）に連通する。蒸発器５２に供給された排ガスを排出するために、主排気管６５が設けられる。燃料電池モジュール１２及び燃焼器３０は、断熱材６７に囲繞される。

燃料ガス供給装置３２は、原燃料通路６２に接続される。酸化剤ガス供給装置３４は、空気供給管６６に接続されるとともに、前記空気供給管６６の途上に設けられた切換弁６８には、空気分岐通路７０が接続される。この空気分岐通路７０は、燃焼器３０に接続される。燃焼器３０は、例えば、トーチヒータを備えており、空気及び電流が供給される。

図２及び図３に示すように、凝縮器１８には、排気管６０及び主排気管６５が接続されるとともに、前記排気管６０の前記凝縮器１８からの出口側には、改質器５４に供給される排ガスの流量を調整する流量調整弁７２が配置される。流量調整弁７２としては、開閉バルブや開度調整可能な可変絞りバルブ等が採用される。

凝縮器１８には、温水機構７４が接続される。この温水機構７４は、排気管６０及び／又は主排気管６５を介して供給される排ガスを熱媒体として、加熱する水（冷媒体）を循環させる水循環路７６を備える。この水循環路７６には、貯湯タンク７８及びポンプ８０が配設される。

調圧装置２２は、図６に示すように、水通路６４に接続されるジョイント部８２を備える。ジョイント部８２から上方に延在して筒状部８４が設けられるとともに、この筒状部８４の上端が閉塞される。筒状部８４の内壁８４ａにより調圧室８６が形成される。この調圧室８６には、水以外の流体、例えば、圧縮性及び不溶性を有し、水よりも軽くて温度の影響をあまり受けない気体又は液体であればよく、例えば、空気や窒素等が収容される。

水と空気との境界面である水面ＷＳは、前記水と前記空気との圧力差によって内壁８４ａに沿って上下方向（矢印Ａ方向）に移動する。調圧装置２２は、水通路６４の最下部よりも上方に配置されるとともに、調圧室８６内では、空気が水よりも上方に配置される。

図３に示すように、燃料ガス供給装置３２、酸化剤ガス供給装置３４及び水供給装置１４は、制御装置３８により制御されるとともに、前記制御装置３８には、燃料ガスを検知する検知器８８が電気的に接続される。電力変換装置３６には、例えば、商用電源９０（又は、負荷や２次電池等）が接続される。

図４及び図５に示すように、筐体４０は、全体として矩形状を有する。この筐体４０内には、室内を矢印Ｂ方向（水平方向）に分割するための第１縦仕切り板９４と、矢印Ｃ方向（矢印Ｂ方向に交差する水平方向）に分割するための第２縦仕切り板９６とが設けられる。

平面視四角形状（多角形状）を有するモジュール部９８は、一の角部を挟んで第１の側面である第１縦仕切り板９４及び第２の側面である第２縦仕切り板９６を有する。第１縦仕切り板９４側には、流体供給部１００が配置される一方、第２縦仕切り板９６側には、電装部１０２が配置されることにより、前記流体供給部１００及び前記電装部１０２は、それぞれ筐体４０の外壁部を構成する。

モジュール部９８には、燃料電池モジュール１２及び燃焼器３０が収容されるとともに、前記燃料電池モジュール１２は、前記燃焼器３０の上方に配置される。燃料電池モジュール１２及び燃焼器３０は、断熱材６７内に収容されている。電装部１０２には、電力変換装置３６及び制御装置３８が配置される。なお、電装部１０２は、流体供給部１００よりも大きな容積に設定されているが、前記流体供給部１００を前記電装部１０２よりも大きな容積に設定してもよい。

図５に示すように、流体供給部１００は、横仕切り板１０４を介して第１供給部１０６と第２供給部１０８とに、上下に２分割される。第１供給部１０６には、燃料ガス供給装置３２及び検知器８８が収容されるとともに、前記検知器８８は、前記燃料ガス供給装置３２の上方に配置される。

第２供給部１０８には、酸化剤ガス供給装置３４、凝縮器１８、水容器１６、水供給装置１４及び調圧装置２２が配置される。水供給装置１４及び調圧装置２２は、流体供給部１００の最下位置に配置される。凝縮器１８の下方且つ下流に水容器１６が配置され、前記水容器１６の下方且つ下流に水供給装置１４が配置される。水供給装置１４の下流には、調圧装置２２が配置される。

酸化剤ガス供給装置３４及び凝縮器１８は、第２供給部１０８内で載置台１１０ａを介して保持される一方、水容器１６は、載置台１１０ｂを介して保持される。なお、凝縮器１８は、水容器１６よりも上方に且つ上流に配置される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

図３に示すように、燃料ガス供給装置３２の駆動作用下に、原燃料通路６２には、例えば、都市ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₄Ｈ₁₀を含む）等の原燃料が供給される。一方、水供給装置１４の駆動作用下に、水通路６４には、水が供給されるとともに、空気供給管６６には、酸化剤ガス供給装置３４を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。

蒸発器５２では、原燃料通路６２を流れる原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、改質器５４の入口に供給される。混合燃料は、改質器５４内で水蒸気改質され、Ｃ₂₊の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。この改質ガスは、改質器５４の出口から燃料電池スタック４８に導入される。このため、改質ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする燃料ガスは、アノード電極（図示せず）に供給される。

一方、空気供給管６６から熱交換器５０に供給される空気は、この熱交換器５０に沿って移動する際、後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器５０で加温された空気は、燃料電池スタック４８に導入され、図示しないカソード電極に供給される。

従って、電解質・電極接合体４２では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体４２の外周部に排出される高温（数百℃）の排ガスは、熱交換器５０を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。

この排ガスは、水通路６４を通過する水を蒸発させる。蒸発器５２を通過した排ガスは、主排気管６５を介して凝縮器１８に送られて水蒸気が凝縮される一方、排ガス成分が外部に排出される。なお、温水機構７４では、温水の需要が少ないときには、ポンプ８０を停止させる一方、この温水により凝縮器１８に供給される酸化剤ガスの加熱を行うこともできる。

凝縮器１８では、水蒸気が凝縮されることにより水が得られ、この水が前記凝縮器１８の下流に配置される水容器１６に導入される。水容器１６内には、イオン交換装置２０が収容されており、前記水容器１６に導入された水に含まれる不純物が前記イオン交換装置２０で除去される。

さらに、水容器１６の下流に配置されている水供給装置１４が駆動されることにより、水容器１６内に貯留されている水は、調圧装置２２に導入される。図６に示すように、調圧装置２２を構成する調圧室８６内には、空気が収納されており、この空気の圧力と導入される水の圧力とによって水面ＷＳが内壁８４ａに沿って移動することにより、調圧が行われる。調圧された水は、水通路６４を介して燃料電池モジュール１２に供給される。

この場合、第１の実施形態では、水容器１６内には、イオン交換装置２０が収容されており、前記水容器１６と前記イオン交換装置２０とが一体化されている。このため、水容器１６及びイオン交換装置２０全体を簡単且つコンパクトに構成することができる。

その上、水容器１６内にイオン交換装置２０が収容されるため、前記水容器１６自体の材料が制限されることはない。この結果、水容器１６の材料選択の自由度が有効に向上する。

また、水供給装置１４は、水容器１６よりも下方に且つ下流に配置されている。従って、水容器１６から水供給装置１４に対して水頭圧により水が供給されるため、前記水供給装置１４のエア噛みの発生を可及的に阻止することが可能になる。

これにより、水供給装置１４の性能低下、改質器５４へのエア混入、電極への炭素付着（コーキング）及び燃料電池モジュール１２の発電電圧の不安定化を有効に回避することができるという効果が得られる。

しかも、水容器１６内のイオン交換装置２０は、水供給装置１４よりも上流に配置されるため、前記水供給装置１４による高圧力（水圧）が前記イオン交換装置２０に付与されることがない。このため、イオン交換装置２０の耐久性、寿命を向上させることが可能になる。

さらに、水供給装置１４と燃料電池モジュール１２との間には、調圧装置２２が配設されている。従って、調圧装置２２により水供給装置１４の脈動が吸収されるため、脈動の大きい水供給装置１４に適用することが望ましい。特に、前記水供給装置１４としてプランジャ式ポンプ（又は、ピストン式ポンプ）が使用される際、水の押し出しがなされない時点でも、前記調圧装置２２内の水を下流に供給することができる。

すなわち、図７に示すように、調圧装置を用いない比較例では、ポンプの吸入及び排出によって、このポンプから導出される水量が大きく変動している。これに対し、第１の実施形態では、調圧装置２２を設けることにより、水量の変動が良好に抑制され、燃料電池モジュール１２に対して水を安定して供給することができる。これにより、改質器５４への水蒸気不足、電極への炭素付着（コーキング）及び燃料電池モジュール１２の発電出力の不安定化を有効に回避することができる。

さらにまた、調圧装置２２は、燃料電池モジュール１２の圧力変動を吸収している。このため、水供給装置１４に過度の圧力が付与されることがなく、耐久性が向上する。しかも、燃料電池モジュール１２の圧力増加時や水供給装置１４の故障時に、前記燃料電池モジュール１２から燃料ガスが逆流することによる影響、例えば、ガス漏れを抑制することが可能になる。

また、調圧装置２２は、図６に示すように、水及び水以外の流体、例えば、空気が調圧室８６に収納されるとともに、前記水と前記空気との境界面である水面ＷＳが、前記水と前記空気との圧力差により内壁８４ａに沿って移動している。従って、調圧装置２２は、簡単且つ経済的な構成で、所望の調圧機能を有することが可能になる。

さらに、調圧装置２２は、水供給装置１４と燃料電池モジュール１２とを連通する水通路６４の最下部よりも上方に配置されている（図２及び図６参照）。これにより、簡単な構成で、調圧装置２２内の空気が外部に流出（漏出）することを良好に抑制することができる。その際、空気は、水よりも上方に配置されるため、前記空気による調圧効果を一層高めることが可能になる。

さらにまた、水容器１６は、図２に示すように、縦方向の寸法（容器長Ｈ）が横方向の寸法（容器直径Ｄ）よりも大きく設定されている。このため、水容器１６から下流の水供給装置１４に対する水頭圧を一層高めることが可能になり、前記水供給装置１４のエア噛みの発生を可及的に阻止することができる。従って、水供給装置１４の性能低下、改質器５４へのエア混入、電極への炭素付着（コーキング）及び燃料電池モジュール１２の発電電圧の不安定化を有効に回避することができる。

さらにまた、イオン交換装置２０は、水容器１６内の下端側に配置されている。これにより、水頭圧を利用してイオン交換装置２０への気泡の混入を抑制することが可能になる。

また、水容器１６内に、シリカ等の異物が混入しても、イオン交換装置２０により燃料電池モジュール１２への混入を抑制することができる。

さらに、燃料電池モジュール１２は、燃料電池スタック４８と、熱交換器５０と、蒸発器５２と、改質器５４とを備えている。このため、特に、水蒸気改質を行う燃料電池モジュール１２に最適に用いることが可能になり、良好な効果が得られる。

さらにまた、燃料電池モジュール１２では、高温型燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュールにより構成されることにより、良好な効果が得られている。その上、固体酸化物形燃料電池モジュールに代えて、他の高温型燃料電池モジュールや中温型燃料電池モジュールにも、好適に用いることができる。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）及び水素分離膜形燃料電池（ＨＭＦＣ）等が良好に採用可能である。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する調圧装置１２０の断面説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０を構成する調圧装置２２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

調圧装置１２０は、調圧室８６に配設されるとともに、水と空気とを仕切り、前記水と前記空気との圧力差により内壁８４ａに沿って摺動する仕切り壁部材１２２を備える。

従って、第２の実施形態では、調圧室８６の向きを任意に設定することができ、調圧装置１２０は、設置箇所のレイアウトの自由度が向上するという効果が得られる。しかも、調圧室８６に収納される流体は、水不溶性や水よりも軽いという制限がなく、選択の自由度が向上する。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池モジュール
１４…水供給装置 １６…水容器
１８…凝縮器 ２０…イオン交換装置
２２、１２０…調圧装置 ３２…燃料ガス供給装置
３４…酸化剤ガス供給装置 ３６…電力変換装置
３８…制御装置 ４６…燃料電池
４８…燃料電池スタック ５０…熱交換器
５２…蒸発器 ５４…改質器
５６…荷重付与機構 ６４…水通路
８２…ジョイント部 ８４…筒状部
８４ａ…内壁 ８６…調圧室
１２２…仕切り壁部材

Claims (9)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、
   前記水供給装置に水を供給する水容器と、
   前記燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気を凝縮するとともに、凝縮された水を前記水容器に供給する凝縮器と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記水容器は、前記凝縮器から供給される前記水に含まれる不純物を除去するイオン交換装置を収容するとともに、
   前記水供給装置は、前記水容器よりも下方に且つ下流に配置され、
   前記水供給装置と前記燃料電池モジュールとの間には、前記水供給装置の脈動を吸収し且つ前記燃料電池モジュールの圧力変動を吸収する調圧装置が配設されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記調圧装置は、前記水及び水以外の流体が収納されるとともに、前記水と前記流体との境界面が、前記水と前記流体との圧力差により内壁に沿って移動する調圧室を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記調圧装置は、前記調圧室に配設されるとともに、前記水と前記流体とを仕切り、且つ、前記水と前記流体との圧力差により前記内壁に沿って摺動する仕切り壁部材を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記調圧装置は、前記水供給装置と前記燃料電池モジュールとを連通する水配管の最下部よりも上方に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記流体は、前記水よりも上方に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記水容器は、縦方向の寸法が横方向の寸法よりも大きく設定されることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記イオン交換装置は、前記水容器内の下端側に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池モジュールは、少なくとも電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、
   前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、
   炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、前記水を蒸発させる蒸発器と、
   前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることを特徴とする燃料電池システム。

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