JP2011018534A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】可燃ガスが、気液分離器から水封経路を介して流れ出ていることを検知することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池１０１と、燃料電池１０１より排出されたオフ燃料ガスから分離された水を貯える貯水部１０４Ａを有する気液分離器１０４と、貯水部１０４Ａの排水口１１２に接続され、その途中に水封構造３０Ａを有する水封経路３０と、水封経路３０の開放端側に配設され、可燃ガスを検知する可燃ガス検知器１０６と、を備える、燃料電池システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムの構成に関する。

燃料電池システムは、都市ガスやＬＰガス等のインフラから供給される原料を水蒸気改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する水素生成装置と、水素生成装置で生成された水素を含む燃料ガスをアノードに、酸化剤ガスをカソードに供給し、電気化学反応により発電を行う燃料電池と、を備える。

燃料電池のアノードで消費されなかった水素を含むオフ燃料ガスは、オフ燃料ガス経路を介して燃焼器に供給され、水素生成装置の加熱に利用される。このオフ燃料ガス中には水分（水蒸気や微細な水滴）が含まれており、燃焼器にこの水分が混入した場合、燃焼状態は不安定になりやすく、失火する可能性もある。そこで、燃焼性を向上させる為、オフ燃料ガス経路中に、オフ燃料ガス中の水分を除去する水分除去器を備えた燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。図７は、特許文献１に開示されている燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。

図７に示すように、特許文献１に開示されている燃料電池システムは、改質器３０１と、燃料電池３０２と、該燃料電池３０２から排出されるアノード排ガスが通流するアノード排ガス管路３０３と、アノード排ガス管路３０３の途中に設けられた気水分離器３０４と、アノード排ガスを燃焼する燃焼器３０５と、を備えていて、気水分離器３０４の底部には、排水管３０６が設けられている。このように構成された特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、アノード排ガス管路３０３を通流するアノード排ガスは、気水分離器３０４で水分を分離（凝縮）した後、燃焼器３０５に供給される。また、気水分離器３０４に貯められた凝縮水は、排水管３０６から抜き出される。

ここで、排水管３０６は、気水分離器３０４の設定水面高さまで立ち上げてから下方に折り曲げて形成されているため、気水分離器３０４内の水面を設定水面高さに維持され、排水管３０６介してアノード排ガスが外部に漏れ出すのを水封することができる。

特開２００６−１２０５２２号公報

ところで、気水分離器３０４の水面が低下し、気水分離器３０４内の凝縮水にかかるアノード排ガスの背圧が、排水管３０６の水封構成による水頭圧より高くなった場合、排水管３０６における水封機能は働かなくなる。上記特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、気水分離器３０４内の凝縮水の有無を確認しておらず、排水管３０６で水封できない状態であることを検知することについて何ら考慮されていない。このため、気水分離器３０４の水面が低下した状態で、燃料電池システムの起動動作を開始、又は燃料電池システムの運転動作を継続すると、アノード排ガスが配水管３０６を介して外部に流れ出すおそれがあるという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、水封経路による水封機能が働かずに、オフ燃料ガス（可燃ガス）が、気液分離器から水封経路を介して流れ出ていることを検知することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記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、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池より排出されたオフ燃料ガスから分離された水を貯える貯水部を有する気液分離器と、前記貯水部の排水口に接続され、その途中に水封構造を有する水封経路と、前記水封経路の開放端側に配設され、可燃ガスを検知する可燃ガス検知器と、を備える。

また、本発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池より排出されたオフ酸化剤ガスから回収された回収水を貯える回収水タンクを備え、前記回収水タンクには、前記水封経路の前記開放端が接続され、前記可燃ガス検知器は、前記回収水タンクに設けられていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記気液分離器で水を分離した後の前記オフ燃料ガスを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器より排出される燃焼排ガスが通流する燃焼排ガス経路と、を備え、前記水封経路の開放端は前記燃焼排ガス経路に接続され、前記可燃ガス検知器は、前記燃焼排ガス経路の前記水封経路の接続部分より下流側に設けられていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記水封経路は、該水封経路から分岐された分岐経路を有し、前記分岐経路の開放端側に前記可燃ガス検知器が設けられていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記水封経路の前記開放端が接続され、前記水封経路を通流した前記水を貯える水タンクと、前記気液分離器で水を分離した後の前記オフ燃料ガスを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器と前記水タンクとを接続する燃焼排ガス経路と、を備え、前記可燃ガス検知器は、前記水タンクに設けられていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記水タンクは、前記燃料電池より排出されたオフ酸化剤ガスから回収された回収水を貯える回収水タンクであってもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記気液分離器で水を分離した後の前記オフ燃料ガスを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器より排出される燃焼排ガスが通流する燃焼排ガス経路と、を備え、前記水封経路は、該水封経路から分岐され、前記燃焼排ガス経路に接続された分岐経路を有し、前記可燃ガス検知器は、前記燃焼排ガス経路の前記分岐経路の接続部分より下流側に設けられていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記可燃ガス検知器は、一酸化炭素を検知する検知器を兼用するように構成されていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、制御器を備え、前記制御器は、前記可燃ガス検知器で可燃ガスが検知された場合、前記燃料電池システムの運転を停止するように構成されていてもよい。

さらに、本発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池と、前記気液分離器と、前記水封経路と、前記可燃ガス検知器と、を収納する筐体を備え、前記可燃ガス検知器は、前記筐体内部に漏洩した可燃ガスを検知する検知器を兼用するように構成されていてもよい。

本発明の燃料電池システムによれば、水封経路の水封構造による水封機能が働かずに、可燃ガスが、気液分離器から水封経路を介して流れ出ていることを検知することが可能となる。

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概略構成を示す模式図である。 図２は、本変形例の燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 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概略構成を示す模式図である。 図４は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図５は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図６は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図７は、特許文献１に開示されている燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池より排出されたオフ燃料ガスから分離された水を貯える貯水部を有する気液分離器と、貯水部の排水口に接続され、その途中に水封構造を有する水封経路と、水封経路の開放端側に配設され、可燃ガスを検知する可燃ガス検知器と、を備える。

「燃料電池」は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池であればよい。このような「燃料電池」として、例えば、固体高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池等を用いることができる。「燃料ガス」として、例えば、純水素、水素含有ガス（改質ガス）等を用いることができる。「酸化剤ガス」として、例えば、純酸素、空気等を用いることができる。

ここで、「水封構造を有する水封経路」とは、その途中に、水で常に遮断しておく構造が設けられている経路をいう。

また、「水封経路の開放端側に配設される」とは、水封経路の開放端（下流端）より流出する可燃ガスの流出方向に配設されることをいう。

可燃ガスとは、酸素と結合して、光及び熱を発生するガスをいい、本発明においては、水素ガス及びエタン、プロパンなどの炭化水素を含むガス、気体のアルコールを含むガス等に例示されるような少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料ガスである。

以上の構成によれば、水封経路の水封構造による水封機能が働かずに、可燃ガスが、気液分離器から水封経路を介して流れ出ていることを検知することができる。

以下、本発明の実施の形態を具体的に例示する。なお、以下では、燃料電池システムが燃料ガス供給装置と酸化剤ガス供給装置を備える構成を例示するが、燃料電池システムはこれらを必ずしも備える必要はない。また、以下では、燃料ガス供給装置が、水素生成装置である例を示すが、燃料ガス供給装置は、これには限定されず、例えば、水素ボンベ、水素吸蔵合金等を用いることができる。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１は、水封経路の開放端が、燃料電池より排出されたオフ酸化剤ガスから回収された回収水を貯える回収水タンクに接続され、可燃ガス検知器が、回収水タンクに設けられている形態の一例を示すものである。また、本実施の形態１は、可燃ガス検知器が可燃ガスを検知した場合に、制御器が、燃料電池システムの運転を停止させる形態の一例を示すものである。

本実施の形態１に係る燃料電池システムは、燃料電池より排出されたオフ酸化剤ガスから回収された回収水を貯える回収水タンクを備え、回収水タンクには、水封経路の開放端が接続され、可燃ガス検知器は、回収水タンクに設けられている。

また、本実施の形態１に係る燃料電池システムでは、制御器を備え、制御器は、可燃ガス検知器で可燃ガスが検知された場合、燃料電池システムの運転を停止するように構成されている。

ここで、「燃料電池システムの運転を停止する」とは、制御器が停止信号を出力してから、燃料電池システムがその停止処理を完了するまでの動作をいい、安全性及び聞き保護を確保することを目的とした一連の動作をいう。なお、燃料電池システムの停止処理の完了後は、制御器は動作していて、制御器以外の部分の動作は停止しており、起動要求が発生した場合には、制御器により起動指令が出力され、速やかに起動処理を開始可能な待機状態に移行する。

［燃料電池システムの構成］
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概略構成を示す模式図である。

図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１０１、燃焼器１０２Ａを有する水素生成装置１０２、酸化剤ガス供給器１０３、貯水部１０４Ａを有する気液分離器１０４、回収水タンク１０５、可燃ガス検知器１０６、及び制御器１１０を備える。

水素生成装置１０２には、原料ガス供給器１０７及び水供給器１０８が、それぞれ、原料ガス供給路２１及び水供給路２２を介して接続されている。原料ガス供給器１０７の入り口は、例えば、都市ガスの配管や元栓（図示せず）に接続されていて、原料ガス供給器１０７は、原料ガス供給路２１を介して水素生成装置１０２に原料ガス（例えば、メタンを主成分とする都市ガス）を供給する。また、水供給器１０８の入り口は、例えば、水道管や水道の元栓（図示せず）に接続されていて、水供給器１０８は、水供給路２２を介して水素生成装置１０２に水（ここでは、水道水）を供給する。

水素生成装置１０２では、原料ガス供給器１０７から供給された原料ガスと、水供給器１０８から供給された水と、を改質器（図示せず）で改質反応させて、水素を含む水素含有ガスが生成される。そして、水素生成装置１０２の変成器及び浄化器（図示せず）で、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を変成反応及び選択酸化反応により、低減し、一酸化炭素が所定濃度以下にまで除去された水素含有ガス（以下、燃料ガスという）を生成する。なお、改質器で生成される水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素を更に低減する必要のない場合は、変成器及び浄化器を設けない構成としてもよい。例えば、燃料電池１０１が、一酸化炭素に対して被毒しにくい、例えば、固体酸化物燃料電池である場合、変成器及び浄化器を設けない構成を採用してもよい。また、水素生成装置１０２で生成される燃料ガスには、水供給器１０８由来の水蒸気が含有されているが、さらに、一定量の水蒸気を加湿するようにしてもよい。

また、水素生成装置１０２には、燃料電池１０１が、燃料ガス供給路２３を介して接続されている。燃料電池１０１には、酸化剤ガス供給器１０３が、酸化剤ガス供給路２４を介して接続されている。酸化剤ガス供給器１０３は、例えば、ファンやブロワ等のファン類を使用することができる。これにより、水素生成装置１０２で生成された燃料ガスが燃料ガス供給路２３を介して燃料電池１０１に供給される。また、酸化剤ガス供給器１０３から酸化剤ガス（ここでは、空気）が、酸化剤ガス供給路２４を介して燃料電池１０１に供給される。なお、燃料電池１０１に供給される酸化剤ガスに、一定量の水蒸気を加湿してもよい。

燃料電池１０１では、燃料ガス供給路２３を介して供給された燃料ガスがアノード（図示せず）に供給され、酸化剤ガス供給路２４を介して供給された酸化剤ガスがカソード（図示せず）に供給される。そして、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、が、電気化学的に反応して、電気と熱が発生する。

また、燃料電池１０１には、酸化剤ガス排出路２５を介して凝縮器１１１が接続されている。凝縮器１１１には、回収水経路２６を介して回収水タンク１０５が接続されている。凝縮器１１１は、例えば、熱交換器等を使用することができ、カソードで使用されなかった酸化剤ガス（以下、オフ酸化剤ガスという）中に含まれる水蒸気が水に凝縮（回収）されるように構成されている。これにより、オフ酸化剤ガスが、燃料電池１０１から酸化剤ガス排出路２５を介して凝縮器１１１に排出され、凝縮器１１１で凝縮（回収）された水（以下、回収水という）は、回収水経路２６を通流して回収水タンク１０５に貯えられる。一方、凝縮された水蒸気以外のオフ酸化剤ガスは、燃料電池システム１００外に排出される。

また、燃料電池１０１には、燃料ガス排出路２７を介して貯水部１０４Ａが接続されている。具体的には、燃料ガス排出路２７の上流端は、燃料電池１０１に接続されていて、その下流端は、貯水部１０４Ａの上部（ここでは、上面）に接続されている。貯水部１０４Ａは、例えば、タンク等を使用することができる。これにより、燃料ガス排出路２７には、燃料電池１０１のアノードで使用されなかった燃料ガス（以下、オフ燃料ガスという）が排出される。オフ燃料ガス中に含まれる水蒸気は、燃料ガス排出路２７を通流する間に、外気によって冷却されて凝縮し、分離される。そして、分離された水は、貯水部１０４Ａに貯えられる。このように、本実施の形態１においては、燃料ガス排出路２７と貯水部１０４Ａから気液分離器１０４が構成される。なお、気液分離器１０４は、凝縮器を有する構成としてもよい。

また、貯水部１０４Ａの上部（ここでは、上面）には、オフ燃料ガス供給路２８を介して水素生成装置１０２の燃焼器１０２Ａが接続されている。燃焼器１０２Ａには、燃焼空気供給路２９を介して燃焼空気供給器１０９が接続されている。燃焼空気供給器１０９は、例えば、ファンやブロワ等のファン類を使用することができる。これにより、燃焼器１０２Ａには、水蒸気が分離されたオフ燃料ガスが、オフ燃料ガス供給路２８を介して供給され、空気が燃焼空気供給路２９を介して供給される。そして、燃焼器１０２Ａでは、オフ燃料ガスと空気が燃焼され、燃焼排ガスが生成される。なお、燃焼排ガスは、適宜な手段により、燃料電池システム１００外に排出される。

さらに、貯水部１０４Ａの水面位置より下部（ここでは、下面）に設けられた排水口１１２には、その途中に水封構造３０Ａを有する水封経路３０を介して回収水タンク１０５が接続されている。具体的には、水封経路３０は、その上流端が、貯水部１０４Ａの排水口１１２に接続されていて、その経路の一部が、貯水部１０４Ａにおける燃料ガス排出路２７及びオフ燃料ガス供給路２８のより鉛直方向下側に位置する接続端（ここでは、貯水部１０４Ａにおける燃料ガス排出路２７及びオフ燃料ガス供給路２８の接続端は、いずれも上面）よりも、鉛直方向下側の位置にまで延びるように形成された水封構造３０Ａを有する。すなわち、水封経路３０は、その上流端が、貯水部１０４Ａの水面位置より下部に接続され、かつ、経路の鉛直方向における最も高い位置Ｈが、貯水部１０４Ａにおける燃料ガス排出路２７及びオフ燃料ガス供給路２８のより鉛直方向下側に位置する接続端よりも、低い位置に位置すれば、水封構造３０Ａを有することとなる。また、水封経路３０の下流端は、回収水タンク１０５の上部（ここでは、上面）に接続されている。これにより、貯水部１０４Ａに貯えられた水の水面位置の上限は、水封経路３０の鉛直方向における最も高い位置Ｈと同じ高さとなり、過多の水は、水封経路３０を通流して回収水タンク１０５に排出される。

回収水タンク１０５の上部には、ガス経路３１が接続されている。ガス経路３１は、回収水タンク１０５内のガスが通流するように構成されている。また、回収水タンク１０５の内部には、可燃ガス検知器１０６が設けられている。具体的には、可燃ガス検知器１０６は、後述するように、水封経路３０の水封構造３０Ａによる水封が働かずに、可燃ガス（ここでは、水を分離されたオフ燃料ガス：水素）が、水封経路３０の下流端（開放端）より流出し、ガス経路３１に流入する方向（ここでは、水封経路３０と回収水タンク１０５との接続部と、ガス経路３１と、の間）に配設されている。ここで、「可燃ガス検知器１０６が、回収水タンク１０５に設けられている」とは、可燃ガス検知器１０６が、水封経路３０の下流端（開放端）より流出する可燃ガスを検知することができれば、回収水タンク１０５の内部に設けられていても、その外部に設けられていてもよいことをいう。

可燃ガス検知器１０６は、可燃ガスを検知すると、検知信号を制御器１１０に出力するように構成されている。可燃ガス検知器１０６として、例えば、触媒表面での可燃性ガスの接触燃焼による白金線コイルの温度上昇値から可燃性ガスを検知する接触燃焼式による可燃性ガスセンサを使用する構成としてもよく、また、金属酸化物半導体の表面で可燃性ガスが吸着、反応することにより生じる電気抵抗変化から可燃性ガスを検知する半導体式の可燃性ガスセンサを使用する構成としてもよい。なお、可燃ガス検知器１０６は、故障をより低減する観点から、水封経路３０の下流端から回収水タンク１０５に排出される水や、回収水タンク１０５に貯えられる水に濡れない位置に設けられることが好ましい。また、回収水タンク１０５に貯えられた水は、適宜、回収水排出経路３２に排出される。

制御器１１０は、例えば、マイクロコンピュータ、論理回路等で構成することができ、燃料電池システム１００の各種の制御を行う。ここで、本発明において、制御器は、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システム１００の制御を実行する制御器群をも意味する。このため、制御器１１０は、単独の制御器から構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置され、それらが協働して燃料電池システム１００を制御するように構成されていてもよい。

［燃料電池システムの動作］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の動作について、図１を参照しながら説明する。なお、以下の動作は、制御器１１０が燃料電池システム１００を制御することにより遂行される。

まず、水素生成装置１０２に、原料ガス供給器１０７から原料ガスが供給され、また、水供給器１０８から水が供給される。水素生成装置１０２の図示されない改質器では、原料ガスと水とが改質反応して、水素を含有する水素含有ガスが生成される。そして、水素生成装置１０２の変成器及び浄化器（図示せず）で、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素が変成反応及び選択酸化反応により、低減され、燃料ガスが生成される。

次に、水素生成装置１０２から燃料電池１０１のアノードに燃料ガスが供給される。また、酸化剤ガス供給器１０３から燃料電池１０１のカソードに酸化剤ガスが供給される。燃料電池１０１では、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、が、電気化学的に反応して、電気と熱が発生する。発生した電気は、家庭等への供給電力として利用され、発生した熱は、温水として貯えられ、給湯や床暖房等に利用される。

燃料電池１０１のカソードで使用されなかった酸化剤ガスは、オフ酸化剤ガスとして、凝縮器１１１に排出される。凝縮器１１１では、オフ酸化剤ガス中に含まれる水蒸気が、凝縮（回収）され、凝縮された水（回収水）は、回収水経路２６を通流して回収水タンク１０５に貯えられる。一方、凝縮された水蒸気以外のオフ酸化剤ガスは、燃料電池システム１００外に排出される。

また、燃料電池１０１のアノードで使用されなかった燃料ガスは、オフ燃料ガスとして、燃料ガス排出路２７に排出される。燃料ガス排出路２７に排出されたオフ燃料ガスは、燃料ガス排出路２７を通流する間に、外気によって冷却され、オフ燃料ガス中に含まれる水蒸気が凝縮して、オフ燃料ガスから分離される。オフ燃料ガスから分離された凝縮水は、貯水部１０４Ａに貯えられる。また、水が分離されたオフ燃料ガスは、貯水部１０４Ａの水面より上方の空間に供給される。なお、貯水部１０４Ａの水面より上方の空間に存在するオフ燃料ガスは、貯水部１０４Ａ内での放熱効果により、オフ燃料ガスの温度がその露点以下に下がることで、オフ燃料ガス中に含有された水分が水滴として結露し、この水滴が貯水部１０４Ａに凝縮水として、さらに貯められる。

そして、水分を除去されたオフ燃料ガスは、燃焼器１０２Ａに供給される。また、燃焼器１０２Ａには、燃焼空気供給器１０９から燃焼用の空気が供給される。燃焼器１０２Ａでは、オフ燃料ガスと燃焼用の空気とが燃焼され、燃焼排ガスが生成される。燃焼器１０２Ａで生成された燃焼排ガスは、水素生成装置１０２の改質器等を加熱して、燃料電池システム１００外に排出される。

このように、オフ燃料ガスは気液分離器１０４で水分を除去された後に、燃焼器１０２Ａに供給されることで、燃焼器１０２Ａでの燃焼状態を安定に保つことが可能となる。

一方、貯水部１０４Ａに貯えられた凝縮水は、燃料電池システム１００の運転中には、オフ燃料ガスによる背圧がかかり、貯水部１０４Ａ内の水面は下に押し下げられる。そして、オフ燃料ガスの背圧と水封経路３０の開放端（下流端）側にかかる圧力との差圧に応じて、水封経路３０から凝縮水が排水されて、回収水タンク１０５に貯えられる。これにより、貯水部１０４Ａ内の水面は水封経路３０の鉛直方向における最も高い位置Ｈより低くなる。このような貯水部１０４Ａ及び水封経路３０の構成により、水封機能を実現することができ、オフ燃料ガスが水封経路３０を介して流れ出すことを抑制することができる。

ところで、貯水部１０４Ａ内の水面が低下した状態で燃料電池システム１００が起動し、貯水部１０４Ａ内の凝縮水にかかるオフ燃料ガスの背圧が、水封経路３０の水封構造３０Ａによる水頭圧より高くなった場合、水封機能は働かず、オフ燃料ガスが水封経路３０を介して流れ出す。

ここで、貯水部１０４Ａ内の水面が低下し、オフ燃料ガスが水封経路３０を介して流れ出す要因として、例えば、（１）漏水、（２）蒸発、（３）貯水部１０４Ａ内の凝縮水にかかる背圧の上昇が考えられる。

（１）漏水でオフ燃料ガスが水封経路３０を介して流れ出す場合として、例えば、貯水部１０４Ａの水面位置より下部に漏水箇所がある状態、又は水封経路３０内の水を貯めている部分の下部に漏水箇所がある状態が考えられる。

また、（２）蒸発でオフ燃料ガスが水封経路３０を介して流れ出す場合として、例えば、燃料電池システム１００の運転が長期に亘って行われず、放置されている間に、貯水部１０４Ａや水封経路３０の凝縮水が蒸発して、貯水部１０４Ａの水面が低下している状態が考えられる。

さらに、（３）貯水部１０４Ａ内の凝縮水にかかる背圧の上昇する場合として、オフ燃料ガス供給路２８、燃焼器１０２Ａ、あるいは燃焼排ガスが通流する燃焼排ガス経路（図示せず）上で、異物（例えば、燃料電池システム１００の外部から混入した異物）が詰まり、貯水部１０４Ａ内の凝縮水にかかるオフ燃料ガスの背圧が上昇している状態が考えられる。

これらのような状態で、凝縮水にかかるオフ燃料ガスの背圧が、水封経路３０の水封構成による水頭圧より高くなると、水封機能は働かず、オフ燃料ガスが水封経路３０を介して流れ出す。その結果、燃焼器１０２Ａに供給されるオフ燃料ガス量が低下し、水素生成装置１０２が燃焼器１０２Ａから得られる燃焼による熱エネルギーが低下する。このため、水素生成装置１０２内部の温度が低下し、水素生成装置１０２は、燃料電池１０１での発電に必要な燃料ガスを生成することができなくなる。これにより、燃料電池１０１での発電量が低下し、発電効率が低下した状態で運転が継続され、燃料電池システムの省エネ性が低下するおそれがある。

しかしながら、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、水封経路３０の開放端側である回収水タンク１０５内に、可燃ガス検知器１０６が配設されている。これにより、水封経路３０の開放端より流出する可燃ガスを検知することができる。

また、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、制御器１１０に可燃ガス検知器１０６から可燃ガスを検知した検知信号が入力されると、制御器１１０は、燃料電池システム１００の運転停止信号を出力して、停止処理動作を行い、燃料電池システム１００を停止させる。

これにより、水封経路３０を介して可燃ガスであるオフ燃料ガスが流れ出した場合、燃料電池システム１００を停止させることで、省エネ性が低下した状態での運転継続を防止することが可能となる。なお、燃料電池システム１００に異常が生じたときに異常の旨を報知する表示器を備え、制御器１１０に可燃ガス検知器１０６から可燃ガスを検知した検知信号が入力された場合に、制御器１１０が表示器に異常表示指令信号を出し、表示器に燃料電池システム１００の異常内容が表示されるように構成してもよい。

［変形例］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の変形例について、図２を参照しながら説明する。図２は、本変形例の燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。

図２に示すように、本変形例の燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、貯水部１０４Ａの凝縮水の水面を検知する水位検知器１１３が設けられている点が異なる。

水位検知器１１３としては、例えば、フロート（浮き）が液体の浮力によって上下し、内部のマグネットにより、リードスイッチが作動して検知信号を出力するフロートスイッチや貯水部１０４Ａの底面に配置され、圧力（水圧）を検知することで水位を検知する方式を用いることができる。

上述したように、貯水部１０４Ａの水位が所定の閾値よりも低い場合に、オフ燃料ガスは水封経路３０を介して流れ出す。このため、水位検知器１１３の検知水位により、水封経路３０の開放端より流出する可燃ガスを検知することができる。

ところで、水位検知器１１３が故障した場合、水位検知器１１３が設けられた従来の燃料電池システムでは、水封経路３０の開放端より流出する可燃ガスを検知することができない。しかしながら、本発明のように、可燃ガス検知器１０６を水封経路３０の開放端より流出する可燃ガスを検知するように配設することで、水封経路３０の開放端より流出する可燃ガスを検知することが可能となる。

このように構成された本変形例の燃料電池システム１００においても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。また、本変形例の燃料電池システム１００では、水位検知器１１３と可燃ガス検知器１０６の２つの検知器により、水封経路３０の開放端より流出する可燃ガスを検知している。そして、水位検知器１１３が故障したような場合であっても、可燃ガス検知器１０６により、水封経路３０の開放端より流出する可燃ガスを検知することができる。このため、本変形例の燃料電池システム１００では、より確実に、また、より安全に燃料電池システム１００の運転を行うことが可能となる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、水封経路の開放端が、燃焼排ガス経路に接続され、可燃ガス検知器は、燃焼排ガス経路の水封経路の接続部分より下流側に設けられている形態の一例を示すものである。また、本発明の実施の形態２は、可燃ガス検知器が、一酸化炭素を検知する検知器を兼用する形態の一例を示すものである。

本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムは、気液分離器で水を分離した後のオフ燃料ガスを燃焼する燃焼器と、燃焼器より排出される燃焼排ガスが通流する燃焼排ガス経路と、を備え、水封経路の開放端は燃焼排ガス経路に接続され、可燃ガス検知器は、燃焼排ガス経路の水封経路の接続部分より下流側に設けられている。

また、本実施の形態２に係る燃料電池システムは、可燃ガス検知器は、一酸化炭素を検知する検知器を兼用するように構成されている。

これにより、１つのガス検知器により、水封経路の開放端を介して流れ出た可燃ガスの検知と、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度の検知と、が可能となり、燃料電池システムの低コスト化が図れる。

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概略構成を示す模式図である。

図３に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、燃焼排ガス経路３３を備え、酸化剤ガス排出路２５と水封経路３０の構成が異なり、また、可燃ガス検知器１０６が、燃焼排ガス経路３３の水封経路３０の接続部分より下流側に設けられている点が異なる。

具体的には、酸化剤ガス排出路２５には、凝縮器及び凝縮器で凝縮された回収水を貯える回収水タンクが設けられておらず、酸化剤ガス排出路２５は、燃料電池１０１のカソードから排出されたオフ酸化剤ガスを燃料電池システム１００外に排出するように構成されている。

燃焼器１０２Ａには、燃焼器１０２Ａで生成された燃焼排ガスが排出される燃焼排ガス経路３３が接続されている。燃焼排ガス経路３３に排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス経路３３を通流して、燃料電池システム１００外に排出される。また、燃焼排ガス経路３３の途中には、水封経路３０の下流端（開放端）が接続されていて、貯水部１０４Ａから水封経路３０に排出された凝縮水が、水封経路３０の下流端（開放端）から燃焼排ガス経路３３を通流して、燃料電池システム１００外に排出される。

さらに、燃焼排ガス経路３３の水封経路３０の下流端（開放端）が接続された部分の下流側には、可燃ガス検知器１０６が設けられている。なお、可燃ガス検知器１０６は、水封経路３０を介して流れ出す凝縮水に濡れて故障することを防止する観点から、燃焼排ガス経路３３を構成する配管内の上部に可燃ガス検知器１０６を配設し、配管内の下部を凝縮水が流れるようにすることが好ましい。

また、可燃ガス検知器１０６は、一酸化炭素を検知する検知器として機能するように構成されている。これにより、燃焼器１０２Ａで不完全燃焼が生じていることを検知することができる。なお、制御器１１０は、可燃ガス検知器１０６で一酸化炭素が検知された場合、燃焼器１０２Ａの燃焼動作を停止させて、着火動作を再度行うように構成されていてもよい。

このように構成された本実施の形態２に係る燃料電池システム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００では、可燃ガス検知器１０６が、一酸化炭素を検知する検知器を兼用するように構成されているため、燃焼器１０２Ａでの燃焼の安全性をより実現することができ、また、燃料電池システム１００の低コスト化を図ることができる。

なお、本実施の形態２においては、燃焼排ガス経路３３の途中に可燃ガス検知器１０６を配設したが、水封経路３０の開放端を介して燃焼排ガス経路３３に流れ出た可燃ガスを検知することができれば、その設置場所は限定されず、例えば、燃焼排ガス経路３３の開放端（下流端）側に配設してもよい。ここで、「燃焼排ガス経路３３の開放端側に配設する」とは、燃焼排ガス経路３３の下流端（開放端）より流出する可燃ガスの流出方向に配設されることをいう。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３は、水封経路から分岐された分岐経路の開放端側に可燃ガス検知器が設けられている形態の一例を示すものである。また、本発明の実施の形態３は、可燃ガス検知器は、筐体内部に漏洩した可燃ガスを検知する検知器を兼用する形態の一例を示すものである。

本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムは、水封経路は、該水封経路から分岐された分岐経路を有し、分岐経路の開放端側に可燃ガス検知器が設けられている。

また、本実施の形態３に係る燃料電池システムは、燃料電池と、気液分離器と、水封経路と、可燃ガス検知器と、を収納する筐体を備え、可燃ガス検知器は、筐体内部に漏洩した可燃ガスを検知する検知器を兼用するように構成されている。

これにより、１つのガス検知器により、水封経路（ここでは、分岐経路）の開放端を介して流れ出た可燃ガスの検知と、筐体内部に漏洩した可燃ガスの検知と、が可能となり、燃料電池システムの低コスト化が図れ、また、燃料電池システムの構成の簡素化を図ることができる。

図４は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。

図４に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、筐体１１４を備え、水封経路３０から分岐された分岐経路３０Ｂの開放端側に可燃ガス検知器１０６が配設されている点が異なる。

具体的には、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００では、筐体１１４を備え、該筐体１１４に燃料電池システム１００を構成する各機器（例えば、燃料電池１０１、気液分離器１０４、水封経路３０、及び可燃ガス検知器１０６等）が収容されている。また、筐体１１４の上部には、換気口１１５が設けられていて、換気口１１５近傍には、換気ファン１１６が配置されている。換気ファン１１６は、例えば、シロッコファン等のファン類を使用することができる。

また、水封経路３０から分岐された分岐経路３０Ｂは、その下流端（開放端）が換気ファン１１６近傍に位置するように形成されている。なお、ここでは、分岐経路３０Ｂは、水封構造３０Ａの上流側から分岐するように構成されているが、これに限定されず、分岐経路３０Ｂの上流端は、水封経路３０のいずれの場所であってもよい。また、分岐経路３０Ｂに気体が流れるように、分岐経路３０Ｂは、鉛直方向上方向に延びるように経路が形成されていることが好ましい。

そして、分岐経路３０Ｂの開放端と換気ファン１１６との間には、可燃ガス検知器１０６が配設されている。すなわち、本実施の形態３においては、可燃ガス検知器１０６は、水封経路３０の分岐経路３０Ｂの開放端から流れ出る可燃ガス（主として、オフ燃料ガス）を検知し、かつ、筐体１１４内部に漏洩し、換気口１１５に流れ出る可燃ガス（例えば、原料ガス供給器１０７等から漏洩した原料ガスや燃料電池１０１等から漏洩した燃料ガス）を検知することができるように配設されている。

これにより、燃料電池システム１００の低コスト化が図れ、また、燃料電池システム１００の構成の簡素化を図ることができる。

このように構成された本実施の形態３に係る燃料電池システム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００では、１つの可燃ガス検知器１０６により、水封経路３０（ここでは、分岐経路３０Ｂ）の開放端を介して流れ出た可燃ガスの検知と、筐体１１４内部に漏洩した可燃ガスの検知と、が可能となり、燃料電池システム１００の低コスト化が図れ、また、燃料電池システム１００の構成の簡素化を図ることができる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４は、水封経路の開放端と燃焼排ガス経路の開放端が、それぞれ、水タンクに接続され、可燃ガス検知器が、水タンクに設けられている形態の一例を示すものである。また、本発明の実施の形態４は、水タンクが、燃料電池より排出されたオフ酸化剤ガスから回収された回収水を貯える回収水タンクである形態の一例を示すものである。

本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムは、水封経路の開放端が接続され、水封経路を通流した水を貯える水タンクと、気液分離器で水を分離した後のオフ燃料ガスを燃焼する燃焼器と、燃焼器と水タンクとを接続する燃焼排ガス経路と、を備え、可燃ガス検知器は、水タンクに設けられている。

また、本実施の形態４に係る燃料電池システムでは、水タンクは、燃料電池より排出されたオフ酸化剤ガスから回収された回収水を貯える回収水タンクである。

これにより、燃料電池システムの構成の簡素化を図ることができる。

図５は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。

図５に示すように、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、燃焼器１０２Ａと回収水タンク１０５とを接続する燃焼排ガス経路３３を備える点と、可燃ガス検知器１０６が、一酸化炭素を検知する検知器として機能するように構成されている点が異なる。

これにより、燃焼器１０２Ａで生成された燃焼排ガスが、燃焼排ガス経路３３を通流して、回収水タンク１０５に排出される。また、燃焼器１０２Ａで不完全燃焼が生じていることを可燃ガス検知器１０６が検知することができる。なお、制御器１１０は、可燃ガス検知器１０６で一酸化炭素が検知された場合、燃焼器１０２Ａの燃焼動作を停止させて、着火動作を再度行うように構成されていてもよい。

このように構成された本実施の形態４に係る燃料電池システム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態４に係る燃料電池システム１００では、可燃ガス検知器１０６が、一酸化炭素を検知する検知器を兼用するように構成されているため、燃焼器１０２Ａでの燃焼の安全性をより実現することができ、また、燃料電池システム１００の低コスト化を図ることができる。

なお、本実施の形態４においては、回収水タンク１０５に水封経路３０の下流端（開放端）と燃焼排ガス経路３３の下流端（開放端）が接続される構成としたが、これに限定されず、回収水タンクとは別の水タンクを設け、該水タンクに水封経路３０の下流端（開放端）と燃焼排ガス経路３３の下流端（開放端）が接続される構成としてもよい。

（実施の形態５）
本発明の実施の形態５は、水封経路が分岐経路を有し、可燃ガス検知器が燃焼排ガス経路の分岐経路の接続部分より下流側に設けられている形態の一例を示すものである。

本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムは、気液分離器で水を分離した後のオフ燃料ガスを燃焼する燃焼器と、燃焼器より排出される燃焼排ガスが通流する燃焼排ガス経路と、を備え、水封経路は、該水封経路から分岐され、燃焼排ガス経路に接続された分岐経路を有し、可燃ガス検知器は、燃焼排ガス経路の分岐経路の接続部分より下流側に設けられている。

図６は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。

図６に示すように、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、筐体１１４、燃焼排ガス経路３３、及び水封経路３０から分岐された分岐経路３０Ｂを備える点と、可燃ガス検知器１０６が、燃焼排ガス経路３３の分岐経路３０Ｂの接続部分より下流側に設けられ、一酸化炭素を検知する検知器として機能するように構成されている点と、が異なる。

具体的には、本実施の形態５に係る燃料電池システム１００では、筐体１１４に燃料電池システム１００を構成する各機器（例えば、燃料電池１０１、気液分離器１０４、水封経路３０、及び可燃ガス検知器１０６等）が収容されている。また、筐体１１４の適所には、排気口１１７が設けられていて、燃焼器１０２Ａと排気口１１７とを接続するように燃焼排ガス経路３３が設けられている。

また、水封経路３０は、該水封経路３０から分岐され、燃焼排ガス経路３３に接続された分岐経路３０Ｂを有し、可燃ガス検知器１０６が、燃焼排ガス経路３３の分岐経路３０Ｂの接続部分より下流側に設けられている。さらに、可燃ガス検知器１０６は、一酸化炭素を検知する検知器として機能するように構成されている。

なお、ここでは、分岐経路３０Ｂは、水封構造３０Ａの上流側から分岐するように構成されているが、これに限定されず、分岐経路３０Ｂの上流端は、水封経路３０のいずれの場所であってもよい。また、分岐経路３０Ｂに気体が流れるように、分岐経路３０Ｂは、鉛直方向上方向に延びるように経路が形成されていることが好ましい。さらに、可燃ガス検知器１０６を燃焼排ガス経路３３の分岐経路３０Ｂの接続部分より下流側に設ける構成としたが、水封経路３０の開放端を介して燃焼排ガス経路３３に流れ出た可燃ガスを検知することができれば、その設置場所は限定されず、例えば、燃焼排ガス経路３３の開放端（下流端）側に配設してもよい。ここで、「燃焼排ガス経路３３の開放端側に配設する」とは、燃焼排ガス経路３３の下流端（開放端）より流出する可燃ガスの流出方向に配設されることをいう。

このように構成された本実施の形態５に係る燃料電池システム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態５に係る燃料電池システム１００では、可燃ガス検知器１０６が、一酸化炭素を検知する検知器を兼用するように構成されているため、燃焼器１０２Ａでの燃焼の安全性をより実現することができ、また、燃料電池システム１００の低コスト化を図ることができる。

本発明の燃料電池発電システムは、可燃ガスが、気液分離器から水封経路を介して流れ出ていることを検知することができるため、燃料電池の分野で有用である。

２１ 原料ガス供給路
２２ 水供給路
２３ 燃料ガス供給路
２４ 酸化剤ガス供給路
２５ 酸化剤ガス排出路
２６ 回収水経路
２７ 燃料ガス排出路
２８ オフ燃料ガス供給路
２９ 燃焼空気供給路
３０Ａ 水封構造
３０ 水封経路
３０Ｂ 分岐経路
３１ ガス経路
３２ 回収水排出経路
３３ 燃焼排ガス経路
１００ 燃料電池システム
１０１ 燃料電池
１０２Ａ 燃焼器
１０２ 水素生成装置
１０３ 酸化剤ガス供給器
１０４Ａ 貯水部
１０４ 気液分離器
１０５ 回収水タンク
１０６ 可燃ガス検知器
１０７ 原料ガス供給器
１０８ 水供給器
１０９ 燃焼空気供給器
１１０ 制御器
１１１ 凝縮器
１１２ 排水口
１１３ 水位検知器
１１４ 筐体
１１５ 換気口
１１６ 換気ファン
１１７ 排気口
３０１ 改質器
３０２ 燃料電池
３０３ アノード排ガス管路
３０４ 気水分離器
３０５ 燃焼器
３０６ 排水管

Claims (10)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池より排出されたオフ燃料ガスから分離された水を貯える貯水部を有する気液分離器と、
   前記貯水部の排水口に接続され、その途中に水封構造を有する水封経路と、
   前記水封経路の開放端側に配設され、可燃ガスを検知する可燃ガス検知器と、を備える、燃料電池システム。
2. 前記燃料電池より排出されたオフ酸化剤ガスから回収された回収水を貯える回収水タンクを備え、
   前記回収水タンクには、前記水封経路の前記開放端が接続され、
   前記可燃ガス検知器は、前記回収水タンクに設けられている、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記気液分離器で水を分離した後の前記オフ燃料ガスを燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器より排出される燃焼排ガスが通流する燃焼排ガス経路と、を備え、
   前記水封経路の開放端は前記燃焼排ガス経路に接続され、
   前記可燃ガス検知器は、前記燃焼排ガス経路の前記水封経路の接続部分より下流側に設けられている、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記水封経路は、該水封経路から分岐された分岐経路を有し、
   前記分岐経路の開放端側に前記可燃ガス検知器が設けられている、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記水封経路の前記開放端が接続され、前記水封経路を通流した前記水を貯える水タンクと、
   前記気液分離器で水を分離した後の前記オフ燃料ガスを燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器と前記水タンクとを接続する燃焼排ガス経路と、を備え、
   前記可燃ガス検知器は、前記水タンクに設けられている、請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記水タンクは、前記燃料電池より排出されたオフ酸化剤ガスから回収された回収水を貯える回収水タンクである、請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記気液分離器で水を分離した後の前記オフ燃料ガスを燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器より排出される燃焼排ガスが通流する燃焼排ガス経路と、を備え、
   前記水封経路は、該水封経路から分岐され、前記燃焼排ガス経路に接続された分岐経路を有し、
   前記可燃ガス検知器は、前記燃焼排ガス経路の前記分岐経路の接続部分より下流側に設けられている、請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記可燃ガス検知器は、一酸化炭素を検知する検知器を兼用するように構成されている、請求項３、５、又は７に記載の燃焼電池システム。
9. 制御器を備え、
   前記制御器は、前記可燃ガス検知器で可燃ガスが検知された場合、前記燃料電池システムの運転を停止するように構成されている、請求項１〜８に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池と、前記気液分離器と、前記水封経路と、前記可燃ガス検知器と、を収納する筐体を備え、
    前記可燃ガス検知器は、前記筐体内部に漏洩した可燃ガスを検知する検知器を兼用する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。

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