JP2011090862A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの排気口が閉塞した場合、水素生成器、燃料電池の内圧が上昇し、破損するおそれがある。排気口が閉塞しても、燃料電池や水素生成器の破損を帽子する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１において、燃料電池２と、水素生成器３と、水タンク６と、排気口７とを備え、水タンク６の構成を第１貯水部１７と第２貯水部１８とに分割する隔壁１６と、第１貯水部１７と第２貯水部１８に貯水された水を連通可能な連通部と、第１貯水部１７の水位よりも高く、また連通部より高い位置に配される第２貯水部１８に形成された排水口２０を備えることで、排気口が閉塞した場合に、排ガスが第１流路８から第２流路１２と第１貯水部１７と第２貯水部１８とを介して、排水口２０から排出され、燃料電池２や水素生成器３の破損を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムの運転で発生する排ガスを排気させる排気路と排ガス中に含まれる水を貯水する貯水部を備えている燃料電池システムに関するものである。

燃料電池は水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電して水と熱を発生する装置である。燃料電池は燃料の持つ化学エネルギーを力学的エネルギーに変換することなく直接電気エネルギーとして取り出せるので発電効率が高い。

従来の一般的な燃料電池システムとして、特許文献１で表わされるものがある。

図７は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムを示すものである。図７に示すように、燃料電池システム２０１は燃料として燃料電池２０２に供給される水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器２０３と、燃料電池から排出された未反応の燃料ガスを燃焼して再利用する水素生成器２０３の燃焼器２０３ａと、原料を水素生成器に送出する原料送出器２０４と、燃焼器２０３ａから排出される燃焼排ガス中の水分を除去する燃焼排ガス熱交換器２０５と、燃焼排ガス熱交換器２０５等で凝縮された水を蓄える水タンク２０６と、燃焼排ガスを排気口２０７に導く第１排気路２０８と、第１排気路２０８から分岐され水タンク２０６と連通して燃焼排ガス熱交換器２０５で凝縮された水を導く第１凝縮水流路２０９が設けられ、また、燃料電池２０２に酸化剤を供給する空気ブロワ２１０と、燃料電池２から排出された未反応の酸化剤（以下酸化剤排ガスと呼ぶ）中の水分を除去する酸化剤排ガス熱交換器２１１と、酸化剤排ガスを排気口に導く第２排気路２１２と、第２排気路２１２から分岐され水タンク２０６と連通して酸化剤排ガス熱交換器２１１で凝縮された水を導く第２凝縮水流路２１３から構成されている。

特開２００８−１７６９９９号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池システムの構成では、排気口２０７が閉塞された場合に、燃焼器２０３ａでの燃焼の安定性が損なわれるおそれがあり、また、燃料電池２０２や水素生成器２０３の内圧が上昇し、燃料電池２０２や水素生成器２０３が破損するおそれがある。

そこで本発明は、前記従来の課題を解決するもので、排気口が閉塞された場合に、水タンクの排水口から排ガスを排出することで、水素生成器または燃料電池の内圧上昇を防止して、水素生成器や燃料電池の破損を防止する燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を達成するために、本発明の燃料電池システムは、原料と水から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器と、燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、水素生成器と燃料電池の少なくともいずれか一方から排気される排ガスを筐体外に排出する排気口と、排ガスを前記排気口に導く第１流路と、排ガスに含まれる水を蓄え、密閉された水タンクと、第１流路から分岐され、排ガスに含ま
れる水を前記水タンクに導く第２流路とを備え、水タンクは、第１貯水部と第２貯水部とに分割する隔壁と、第１貯水部と第２貯水部に蓄えられた水を連通する連通部とを設け、第１貯水部には第２流路が連通し、第２貯水部には、隔壁の最下部より高く、また連通部より高い位置に配される排水口を構成する。

これによって、排気口が閉塞しても、排ガスは第１流路から第２流路と前記第１貯水部と前記第２貯水部とを介して、排水口から排出されるのである。

本発明の燃料電池システムは、排気口が閉塞しても、排ガスは水タンクの排水口から排出できるため、水素生成器や燃料電池の内圧上昇を防止でき、水素生成器や燃料電池の破損を防止できるのである。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの概略図 本発明の実施の形態１における燃料電池システムの水タンクの構成を示す模式図 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの概略図 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの原料ガス送出量および規定値を示す特性図 本発明の実施の形態３における燃料電池システムの概略図 本発明の実施の形態３における燃料電池システムの空気送出量および規定値を示す特性図 従来の燃料電池システムの概略図

第１の本発明は、原料と水から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器と、燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、水素生成器と燃料電池の少なくともいずれか一方から排気される排ガスを筐体外に排出する排気口と、排ガスを排気口に導く第１流路と、排ガスに含まれる水を蓄え、密閉された筐体で形成された水タンクと、第１流路から分岐され、排ガスに含まれる水を水タンクに導く第２流路とを備え、水タンクは、第１貯水部と第２貯水部とに分割する隔壁と、第１貯水部と第２貯水部に貯水された水を連通する連通部とを設け、第１貯水部には第２流路が連通し、第２貯水部には、第１貯水部の水位よりも高く、また連通部より高い位置に配される排水口を構成することにより、排気口が閉塞した場合、第１流路の圧力が増加し、第１流路と第２流路と連通している水タンクの第１貯水部の圧力も増加することから、第１貯水部の水面は隔壁より低い位置まで押し下げられ、第２貯水部の水面は排水口以上まで上昇し、排水口から水が排出され、排ガスは第１流路から第２流路と第１貯水部と第２貯水部とを介して、排水口から排出でき、燃料電池や水素生成器の破損を防止できるのである。

第２の本発明は、特に、第１の本発明の水タンクには水位を検知する水位検知器を有することで、水位検知器が規定値よりも低い水位であることを検出したときには運転を停止させるように制御する制御部を備えることで、排気口が閉塞した場合に、第１貯水路の水位が低下するため、水位検知器により排気口の閉塞を検知することができ、燃料電池や水素生成器の破損を防止できるのである。

第３の本発明は、特に、第１の本発明の水素生成器へ原料を供給する原料供給部と、原料供給部から供給される原料供給量を測定する原料流量測定部とを備え、原料供給量が規定値より低下した場合に運転を停止させるように制御する制御部をさらに備えることで、排気口が閉塞した場合に、第１流路の圧力損失が増加して、第１流路の圧力損失増加によ
り原料供給量が低下するため、原料供給量の低下により排気口の閉塞を検知することができ、燃料電池や水素生成器の破損を防止できるのである。

第４の本発明は、特に、第１の本発明の水素生成器へ原料ガスを供給する原料供給部を有し、原料供給部の供給能力が規定値より高い供給能力であることを検知したときには運転を停止させるように制御する制御部をさらに備えることで、排気口が閉塞した場合に、第１流路の圧力損失が増加し、第１流路の圧力損失増加により原料供給部の供給能力が高くなることから排気口閉塞を検知することができ、燃料電池や水素生成器の破損を防止できるのである。

第５の本発明は、特に、第１の本発明の燃料電池へ空気を供給する空気供給部と、空気供給部から供給される空気供給量を測定する空気流量測定部とを備え、空気供給量が規定値より低下した場合に運転を停止させるように制御する制御部をさらに備えることで、排気口が閉塞した場合に、第１流路の圧力損失が増加し、第１流路の圧力損失増加により空気供給量が低下するため、空気供給量の低下により、排気口の閉塞を検知することができ、燃料電池の破損を防止できるのである。

第６の本発明は、特に、第１の本発明の燃料電池へ空気を供給する空気供給部を有し、空気供給部の供給能力が規定値より高い供給能力であることを検知したときには運転を停止させるように制御する制御部をさらに備えることで、第１流路の圧力損失が増加し、第１流路の圧力損失増加により空気供給部の供給能力が高くなることから、排気口閉塞を検知することができ、燃料電池の破損を防止できるのである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す概略図である。

図１において、本実施の形態における燃料電池システム１は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池２と、原料と水から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器３と、水素生成器３に原料を供給する原料供給部として原料ブロワ４と、燃料電池２から排出された未反応の燃料ガスを燃焼して再利用する水素生成器３の燃焼器３ａと、燃焼器３ａから排出される燃焼排ガス中の水分を除去する燃焼排ガス熱交換器５と、燃焼排ガス熱交換器５等で凝縮された水を蓄える水タンク６と、燃焼排ガスを筐体外に排出する排気口７に導く第１排気路８と、第１排気路８から分岐され水タンク６に連通し、燃焼排ガス熱交換器５で凝縮された水を導く第１凝縮水流路９が設けられている。また、燃料電池２に酸化剤ガスを供給する空気供給部として空気ブロワ１０と、燃料電池２から排出された未反応の酸化剤ガス（以下酸化剤排ガス）中の水分を除去する酸化剤排ガス熱交換器１１と、酸化剤排ガスを排気口７に導く第２排気路１２と、第２排気路１２から分岐され水タンク６に連通し酸化剤排ガス熱交換器１１で凝縮された水を導く第２凝縮水流路１３と、貯湯タンク１４の水を循環させて、燃焼排ガス熱交換器５や酸化剤排ガス熱交換器１１の凝縮熱や燃料電池２の冷却水熱（図示せず）を、貯湯タンク１４に回収するように構成された温水循環経路１５が設けられている。

なお本実施の形態における構成部材としての第１排気路８ならびに第２排気路１２は第１の本発明の第１流路の具体的一例であり、第１凝縮水流路９ならびに第２凝縮水流路１３は第１の本発明の第２流路の具体的一例である。

本実施の形態における燃料電池システム１の具体的動作を説明する。

燃料電池システム１は、水素生成器３に天然ガス、ＬＰＧ等の原料が原料ブロワ４により供給される。水素生成器３では、供給された原料が水蒸気雰囲気化で水蒸気改質され、水素を多く含む燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、燃料電池２の燃料極側に供給される。また、空気ブロワ１０によって、空気が酸化剤ガスとして燃料電池２の酸化剤極側に供給される。

燃料電池２では、このようにして、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて反応が行われ、それにより発電が行われるとともに熱が発生する。この熱は、燃料電池２を通流する冷却水に回収される。

ここで、反応に利用されずに燃料電池２から排出された未反応の燃料ガスは水素生成器３の燃焼器３ａに供給され、燃焼に用いられる。燃焼器３ａで生じる燃焼熱により水素生成器３の反応部（図示せず）が加熱され、それにより、反応部を所定の温度に保った状態で水蒸気改質反応が行われる。燃焼器３ａから排出された燃焼排ガスは燃焼排ガス熱交換器５に送られる。かかる構成では、温水循環経路１５の水によって、燃焼排ガスの熱が回収されて燃焼排ガスが露点温度以下まで冷却され、それにより、燃焼排ガスの水分が凝縮される。そして、この凝縮された水は、第１凝縮水流路９を通じて、水タンク６に蓄えられる。また、燃焼排ガスの気体成分は、第１排気路８を通じて排気口７から外部に放出される。

また、反応に利用されずに燃料電池２から排出された未反応の酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス熱交換器１１に送られる。かかる構成では、温水循環経路１５の水によって、酸化剤排ガスの熱が回収されて酸化剤排ガスが露点温度以下まで冷却され、それにより、酸化剤排ガスの水分が凝縮される。そして、この凝縮された水は、第２凝縮水流路１３を通じて、水タンク６に蓄えられる。また、酸化剤排ガスの気体成分は、第２排気路１２を通じて排気口７から外部に放出される。

次に本発明を特徴づける水タンク６の詳細構成について図２を用いて説明する。水タンクは密閉された構成になっており、図２に示すように、水タンク６内は、隔壁１６を設けることで、第１貯水部１７と第２貯水部１８に分割し、第１貯水部１７と第２貯水部１８に蓄えられた水を連通する連通部６Ａが形成されている。燃焼排ガス熱交換器５や酸化剤排ガス熱交換器１１で凝縮された水を第１凝縮水流路９および第２凝縮水流路１３を通じて導くことにより、第１貯水部１７に蓄えられる。また、水位検知器１９を第１貯水部１７の隔壁１６の最下部１６Ａより高い位置に備えた構成となっている。第２貯水部１８には、排水口２０を水位検知器１９より高い位置に備えることで、貯水された水を排出し、排水口２０の高さは、排気口７閉塞時に燃料電池２および水素生成器３の耐圧以下で、排水口２０から排ガスを排出できるように高さを設定する。隔壁１６の最下部１６Ａから排水口２０までの高さをＨｍｍ、水素生成器３の耐圧が燃料電池２の耐圧より低く、水素生成器３の耐圧をＡｋＰａとすると、隔壁１６の最下部１６Ａから排水口２０までの高さＨは、１０３×Ａｍｍ以下にする。燃料電池システム１の起動時には第１貯水部１７の水位検知器１９が水面低下を検知すれば、給水弁２１を開放して、市水を供給することから、運転時は常に、第１貯水部１７の水位は、水位検知器１９より高い位置にある。

なお、第１排気路８および第２排気路１２は圧力損失が大きくならないように内径が十分に大きい配管を用いる。

以上のように構成された燃料電池システム１について、以下その動作、作用を説明する。

図２（Ａ）に示す通常運転時の状態から、運転中に排気口７が次第に閉塞すると、図２（Ｂ）に示すように、排気口７での燃焼排ガスと酸化剤排ガスの圧力損失が増加し、第１排気路８および第２排気路１２の圧力が増加することから、水タンク６の第１貯水部１７の水位が低下する。第１貯水部１７に蓄えられた水は連通部６Ａを介して第２貯水部１８に移動することにより、第２貯水部１８の水位は、第１貯水部１７の水位が低下した分だけ上昇し、図２（Ｃ）に示すように、第２貯水部１８の水位が排水口２０より高くなると、水タンク６の水は排水口２０を通じて、排水される。さらに排気口７が閉塞すると、排気口７での燃焼排ガスと酸化剤排ガスの圧力損失はさらに増加して、第１排気路８および第２排気路１２の圧力がさらに増加することから、図２（Ｄ）に示すように、水タンク６の第１貯水部１７の水位はさらに低くなり、隔壁１６の最下部１６Ａより低くなる。すると、燃焼排ガスと酸化剤排ガスは、第１排気路８もしくは第２排気路１２から、第１凝縮水流路９もしくは第２凝縮水流路１３、第１貯水部１７、連通部６Ａ、第２貯水部１８を通じて、気泡となって、排水口２０から排出できることから、排気口７が閉塞しても、燃料電池２や水素生成器３の破損を防止できるのである。

排気口７が閉塞しても、排ガスを排水口２０から排出することができるが、排気口７が閉塞していることを検知するため、本実施の形態における燃料電池システム１の制御部２２は、第２の本発明における水位検知器１９が燃料電池２による発電運転中に水位低下を検知した場合に運転を停止させる機能をもつ。排気口７が閉塞した場合に、水素生成器３の耐圧ＡｋＰａ以下で、水位検知器１９で水位低下異常を検知できるように、本実施の形態では水位センサ１９の規定値を隔壁１６の最下部１６Ａと同等の高さである位置に設定する。例えば、水素生成器３の耐圧が燃料電池２の耐圧より低く、水素生成器３の耐圧をＡｋＰａとすると、水位検知器排水口２０から１０３×Ａｍｍ低い位置が水位センサ１９の規定値とする。このとき、図２（Ｂ）に示すように、排気口７が次第に閉塞すると、排気口７での燃焼排ガスと酸化剤排ガスの圧力損失が増加し、第１排気路８および第２排気路１２の圧力が増加することから、図２（Ｃ）に示すように、水タンク６の第１貯水部１７の水位が低下し、第２貯水部１８の水位が上昇する。排気口７がさらに閉塞すると、図２（Ｄ）に示すように、燃焼排ガスと酸化剤排ガスの排気口７での圧力損失はさらに増加し、第１排気路８および第２排気路１２の圧力がさらに増加することから、水タンク６の第１貯水部１７の水位が隔壁１６の最下部１６Ａ以下まで低下し、燃焼排ガスと酸化剤排ガスは、気泡となって、第２貯水部１８を通じて、排水口２０から排出され、一方で、制御部２２は水位センサ１９で第１貯水部１７の水位低下を検知し、燃料電池システム１の運転を停止することができ、排気口７が閉塞しても、燃料電池２や水素生成器３の破損を防止できるのである。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を示す概略図である。なお、図３において、図１と互いに同一あるいは、相当する部材には同じ符号を付し、重複した説明は省略する。

図３に示すように燃料電池システム３１は図１に示す燃料電池システム１と比較して、水タンク６に連通しているのは、燃焼排ガス熱交換器５で凝縮された水を導く第１凝縮水流路９のみであり、酸化剤排ガス熱交換器１１で凝縮された水を水タンク６に導かない点で異なっている。

排気口７は燃焼排ガスを排出する第１排気口７ａと酸化剤排ガスを排出する第２排気口７ｂに分かれている点でも異なる。

水タンク６の排水口２０の高さは、排気口７閉塞時に燃料電池２および水素生成器３の耐圧以下で、排ガスを排水口２０から排出できるように高さを設定する。隔壁１６の最下
部１６Ａから排水口２０までの高さをＨｍｍ、水素生成器３の耐圧が燃料電池２の耐圧より低く、水素生成器３の耐圧をＡｋＰａとすると、隔壁１６の最下部１６Ａから排水口２０までの高さＨは、１０３×Ａｍｍ以下にする。

制御部２２は、原料流量測定部として原料流量計３２が検知する原料供給量が図４に示すような発電電力に応じた原料供給量になるように、原料供給部として原料ブロワ４の供給能力を変化させることで原料供給量を制御する点で異なっている。たとえば、原料供給量は、最低発電電力２００Ｗでは１ＮＬＭ、最高発電電力１，０００Ｗでは４ＮＬＭとする。

また、本実施の形態における構成部材としての原料ブロワ４、原料流量計３２は、各々、第４および第５の本発明における原料供給部、原料流量測定部の具体的な実施の一例である。

以上のように構成された燃料電池システム３１について、以下その動作、作用を説明する。排気口７ａが次第に閉塞すると、燃焼排ガスの排気口７ａでの圧力損失が増加し、第１排気路８の圧力が増加することから、水タンク６の第１貯水部１７の水位が低下する。第２貯水部１８の水位は第１貯水部１７の水位が低下した分だけ上昇し、第２貯水部１８の水位が排水口２０より高くなると、排水口２０を通じて、排水される。さらに排気口７ａが閉塞すると、燃焼排ガスの排気口７ａでの圧力損失はさらに増加し、第１排気路８の圧力はさらに増加することから、水タンク６の第１貯水部１７の水位は隔壁１６の最下部１６Ａより低くなる。すると、図２で説明した作用と同様に、燃焼排ガスは、第１排気路８から、第１凝縮水流路９、第１貯水部１７、第２貯水部１８を通じて、気泡となって、排水口２０から排出でき、排気口７ａが閉塞しても、燃料電池２や水素生成器３の破損を防止できるのである。

なお、本実施の形態における燃料電池システム３１の制御部２２は、第３の本発明における原料流量計３２が検知する原料供給量が規定値より低下した場合に制御部２２が運転を停止する具体的な一例として、図４に示す発電電力に対応した規定値を設ける。燃料電池２の燃料利用率増加に伴う燃料電池２の劣化を防止するために、規定値は最低発電電力２００Ｗでの燃料利用率が９０％となる原料供給量０．８ＮＬＭ以下、最高発電電力１，０００Ｗでの燃料利用率が９０％となる原料供給量３．２ＮＬＭ以下に設定し、また、発電電力に対して一次直線になるように設定する。例えば、１，０００Ｗ運転時に原料流量計３２が検知する原料供給量が規定値である３．２以下に低下したことを検知すると、制御部２２は、燃料電池システム３１の運転を停止させる。

このとき、排気口７ａが次第に閉塞すると、排気口７ａでの燃焼排ガスの圧力損失は増加し、第１排気路８を含めた経路の圧力損失が増加し、原料供給量が低下する。このとき、原料流量計５が検知する原料供給量が規定値より低下した場合、制御部２２は燃料電池システムの運転を停止することができ、排気口７ａが閉塞しても、燃料電池２や水素生成器３の破損を防止できるのである。

また、第４の本発明における原料供給部としての原料ブロワ４の供給能力が規定値より高い供給能力であることを検知した場合に運転を停止する具体的な一例として、原料ブロワ４の供給能力が８０％以上では、水素生成器３の耐圧以上になり、水素生成器が破損する恐れがあることから、原料ブロワ４の供給能力の規定値を８０％から１０ポイント低い７０％とする。たとえば、１，０００Ｗ運転時に原料ブロワ４の供給能力が規定値である７０％以上に増加したことを検知すると、制御部２２は燃料電池システム３１の運転を停止させる。

排気口７ａが閉塞すると、排気口７ａでの燃焼排ガスの圧力損失が増加し、第１排気路８の圧力が増加することから、水タンク６の第１貯水部１７の水位が低下する。このとき、第１排気路８を含めた経路の圧力損失が増加することから、原料供給量が低下する。制御部２２は、原料流量計３２が検知する原料供給量が図４に示すような発電電力に応じた原料供給量になるように、原料ブロワ４の供給能力を増加させる。さらに排気口７が閉塞すると、第１排気路８を含めた経路の圧力損失はさらに増加し、原料ブロワ４の供給能力はさらに増加する。たとえば、１，０００Ｗ運転時に原料ブロワ４の供給能力が規定値である７０％以上に増加したことを検知すると、制御部２２は、燃料電池システム３１の運転を停止させる。このように原料ブロワ４の供給能力により、排気口７ａの閉塞を検知でき、排気口７ａが閉塞しても、燃料電池２や水素生成器３の破損を防止できるのである。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成を示す概略図である。なお、図５において、図１と互いに同一あるいは、相当する部材には同じ符号を付し、重複した説明は省略する。

図５に示すように燃料電池システム４１は図１に示す燃料電池システム１と比較して、水タンク６に連通しているのは、酸化剤排ガス熱交換器１１で凝縮した水を導く第２凝縮水流路１３のみであり、燃焼排ガス熱交換器５で凝縮した水を水タンク６に導かない点で異なっている。排気口７は燃焼排ガスを排出する第１排気口７ａと酸化剤排ガスを排出する第２排気口７ｂに分かれている点でも異なる。水タンク６の排水口２０の高さは、排気口７閉塞時に燃料電池２の耐圧以下で、排ガスを排水口２０から排出できるように高さを設定する。隔壁１６最下部から排水口２０までの高さをＨｍｍ、水素生成器３の耐圧が燃料電池２の耐圧より低く、燃料電池２の耐圧をＢｋＰａとすると、隔壁１６最下部から排水口２０までの高さＨは、１０３×Ｂｍｍ以下にする。

制御部２２は、空気流量測定部として空気流量計４２が検知する空気供給量が図６に示すような発電電力に応じた空気供給量になるように、空気供給部として空気ブロワ１０の供給能力を変化させることで空気供給量を制御する点で異なり、たとえば、空気供給量は、最低発電電力２００Ｗでは１０ＮＬＭ、最高発電電力１，０００Ｗでは４０ＮＬＭとする。

本実施の形態における構成部材としての空気ブロワ１０、空気流量計４２は、各々、第６および第７の本発明における空気供給部、空気流量測定部の具体的な実施の一例である。

以上のように構成された燃料電池システム４１について、以下その動作、作用を説明する。排気口７ｂが閉塞すると、排気口７ｂでの酸化剤排ガスの圧力損失が増加し、第２排気路１２の圧力が増加することから、水タンク６の第１貯水部１７の水位が低下する。第２貯水部１８の水位は、第１貯水部１７の水位が低下した分だけ上昇し、第２貯水部１８の水位が排水口２０より高くなると、水タンク６の水は排水口２０を通じて、排水される。さらに排気口７ｂが閉塞すると、排気口７ｂでの酸化剤排ガスの圧力損失はさらに増加し、水タンク６の第１貯水部１７の水位は隔壁１６より低くなる。そうすると、図２で説明した作用と同様に、酸化剤排ガスは、第２排気路１２から、第２凝縮水流路１３、第１貯水部１７、第２貯水部１８を通じて、気泡となって、排水口２０から排出でき、排気口７ｂが閉塞しても、燃料電池２の破損を防止できるのである。

なお、本実施の形態における燃料電池システム４１の制御部２２は、第５の本発明における空気流量計４２が検知する空気供給量が規定値より低下した場合に運転を停止する具体的な一例として、図６に示す発電電力に対応した規定値を設ける。燃料電池２の酸化剤
利用率増加に伴う燃料電池２の劣化を防止するために、規定値は最低発電電力２００Ｗでの酸化剤利用率が８０％となる空気供給量６ＮＬＭ以下、最高発電電力１，０００Ｗでの酸化剤利用率が８０％となる空気供給量２４ＮＬＭ以下に設定し、また、発電電力に対して一次直線になるように規定値を設定する。たとえば、２００Ｗ運転時に空気流量計４２が検知する空気供給量が規定値である６ＮＬＭ以下に低下したことを検知すると、制御部２２は燃料電池システム４１の運転を停止させる。

このとき、排気口７ｂが次第に閉塞すると、排気口７ｂでの酸化剤排ガスの圧力損失は増加し、第２排気路１２を含めた空気経路の圧力損失が増加し、空気供給量が低下する。例えば、制御部２２は２００Ｗ運転時に空気流量計４２が検知する空気供給量が規定値である６ＮＬＭ以下であることを検知すると、燃料電池システム４１の運転を停止させることができ、排気口７ｂが閉塞しても、燃料電池２の破損を防止できるのである。

また、第６の本発明における空気供給部として空気ブロワ１０の供給能力が規定値より高い供給能力であることを検知した場合に運転を停止する具体的な一例として、空気ブロワ１０の供給能力が７０％以上では、燃料電池３の圧力が耐圧以上になり、燃料電池２が破損する恐れがあることから、空気ブロワ１０の供給能力の規定値を７０％から５ポイント低い６５％とする。たとえば、２００Ｗ運転時に空気ブロワ１０の供給能力が規定値である６５％以上に増加したことを検知すると、制御部２２は燃料電池システム４１の運転を停止させる。

排気口７ｂが次第に閉塞すると、排気口７ｂでの酸化剤排ガスの圧力損失が増加し、第２排気路１２の圧力が増加することから、水タンク６の第１貯水部１７の水位が低下する。このとき、第２排気路１２を含めた空気経路の圧力損失は増加し、空気供給量は低下する。制御部２２は、空気流量計４２が検知する空気供給量が図７に示すような発電電力に応じた空気供給量になるように、空気ブロワ１０の供給能力を増加させる。さらに排気口７ｂが閉塞すると、空気経路の圧力損失はさらに増加する。例えば、１，０００Ｗ運転時に空気ブロワ４の供給能力が規定値である６５％以上に増加したことを検知すると、制御部２２は、燃料電池システム４１の運転を停止させることができ、排気口７ｂが閉塞しても、燃料電池２の破損を防止できるのである。

本発明の燃料電池システムは、たとえばコージェネレーション装置に利用される燃料電池システム等に有用である。

１、３１、４１、２０１ 燃料電池システム
２、２０２ 燃料電池
３、２０３ 水素生成器
３ａ、２０３ａ 燃焼器
４、２０４ 原料ブロワ
５、２０５ 燃焼排ガス熱交換器
６、２０６ 水タンク
７、２０７ 排気口
７ａ 燃焼排ガス排気口
７ｂ 酸化剤排ガス排気口
８、２０８ 第１排気路
９、２０９ 第１凝縮水路
１０、２１０ 空気ブロワ
１１、２１１ 酸化剤排ガス熱交換器
１２、２１２ 第２排気路
１３、２１３ 第２凝縮水路
１４ 貯湯タンク
１５ 温水循環経路
１６ 隔壁
１７ 第１貯水路
１８ 第２貯水路
１９ 水位検知器
２０ 排水口
２１ 給水弁
２２ 制御部
３２ 原料流量計
４２ 空気流量計

Claims (6)

1. 原料と水から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器と、前記燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記水素生成器と前記燃料電池の少なくともいずれか一方から排気される排ガスを筐体外に排出する排気口と、前記排ガスを前記排気口に導く第１流路と、排ガスに含まれる水を蓄え、密閉された筐体で形成された水タンクと、前記第１流路から分岐され、前記排ガスに含まれる前記水を前記水タンクに導く第２流路とを備え、前記水タンクは、第１貯水部と第２貯水部とに分割する隔壁と、前記第１貯水部と前記第２貯水部に貯水された水を連通する連通部とを設け、前記第１貯水部には前記第２流路が連通し、前記第２貯水部には前記隔壁の最下部よりも高く、また前記連通部より高い位置に配される排水口を構成することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記水タンクには水位を検知する水位検知器を有し、前記水位検知器が連通部より高い位置に設けられた規定値よりも低い水位であることを検出したときには運転を停止させるように制御する制御部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記水素生成器へ原料ガスを供給する原料供給部と、前記原料供給部から供給される原料供給量を測定する原料流量測定部とを備え、前記原料供給量が規定値より低下した場合に運転を停止させるように制御する制御部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記水素生成器へ原料ガスを供給する原料供給部を有し、前記原料供給部の供給能力が規定値より高い供給能力であることを検知したときには運転を停止させるように制御する制御部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池へ空気を供給する空気供給部と、前記空気供給部から供給される空気供給量を測定する空気流量測定部とを備え、前記空気供給量が規定値より低下した場合に運転を停止させるように制御する制御部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池へ空気を供給する空気供給部を有し、前記空気供給部の供給能力が規定値より高い供給能力であることを検知したときには運転を停止させるように制御する制御部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。