JP2013191316A - 酸化剤ガス供給用管部材およびそれを備えた燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの酸化剤ガス供給用管部材において、システムの大型化・高コスト化を招くことなく、燃料電池への酸化剤ガス供給流路が溜まった水によって閉塞することを抑制する。
【解決手段】燃料電池システムの酸化剤ガス供給用管部材４４ｂ（７０）は、酸化剤ガスが流通する第１酸化剤ガス流路部７１と、第１酸化剤ガス流路部７１の一端側に設けられて、該第１酸化剤ガス流路部７１の一端と燃料電池２４に酸化剤ガスを供給する第２酸化剤ガス流路部４４ａとを直結する第１連結部７２と、第１酸化剤ガス流路部７１の他端側に設けられて、該第１酸化剤ガス流路部７１の他端と流量計４４ｅとを直結する第２連結部７３と、第１酸化剤ガス流路部７１の途中に凹設されて、第１連結部７２側から流入する流体を溜めるトラップ部７４と、を設け、第１酸化剤ガス流路部７１、第１連結部７２、第２連結部７３およびトラップ部７４を一体化して構成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、酸化剤ガス供給用管部材およびそれを備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、燃料電池システムは、燃料ガスと空気を用いて発電を行なう燃料電池と、原料と水とから水素リッチな燃料ガスを生成する改質部を有する水素生成器と、前記水素生成器で生成した燃料ガスを前記燃料電池に流通させる燃料ガス経路と、空気を供給する空気供給手段と、前記空気供給手段から供給された空気を前記燃料電池に流通させるカソード空気経路と、を備えている。

このように構成された燃料電池システムにおいては、燃料電池システムの再起動時、停止中に空気流通経路に溜まった凝縮水によって流路が閉塞する場合があった。

しかし、特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、燃料電池に空気の供給を開始する際に、開閉弁を開放して燃料電池への空気の供給を行なうよう制御すると共に、所定流量以上の空気で空気流通流路に溜まった凝縮水をシステム系外に排出することで流路の圧力損失を正常に戻した後、燃料電池に供給する空気量を所定量になるように調整するようになっている。これによって、燃料電池システムの再起動時、停止中に空気流通経路に溜まった凝縮水による流路閉塞を回避することができた。

特開２０１１−２０４４３０号公報

上述した特許文献１に記載されている燃料電池システムにおいては、所定流量以上の空気で空気流通流路に溜まった凝縮水をシステム系外に排出することができる。しかし、配管系統内部の凝縮水を所定流量以上で押し流そうとする場合、極めて高い排圧をもったブロワを搭載する必要があり、ブロワ機器のサイズや重量、コストが増大するという問題があった。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、システムの大型化・高コスト化を招くことなく、燃料電池への酸化剤ガス供給流路が溜まった水によって閉塞することを抑制することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る酸化剤ガス供給用管部材の発明は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、酸化剤ガスを供給する供給装置とを連通して酸化剤ガスを燃焼電池に供給する酸化剤ガス供給用管部材であって、酸化剤ガスが流通する第１酸化剤ガス流路部と、第１酸化剤ガス流路部の一端側に設けられて、該第１酸化剤ガス流路部の一端と燃料電池に酸化剤ガスを供給する第２酸化剤ガス流路部とを直結する第１連結部と、第１酸化剤ガス流路部の他端側に設けられて、該第１酸化剤ガス流路部の他端と供給装置から供給される酸化剤ガスの流量を検出する流量計とを直結する第２連結部と、第１酸化剤ガス流路部の途中に凹設されて、第１連結部側から流入する流体を溜めるトラップ部と、を設け、第１酸化剤ガス流路部、第１連結部、第２連結部およびトラップ部を一体化して構成されている。

また請求項２に係る発明は、請求項１において、第１酸化剤ガス流路部は、管部材と、管部材の一端が接続される第１接続部と、管部材の他端が接続される第２接続部と、第１接続部と第１連結部とを連通する第１連通部と、第２接続部と第２連結部とを連通する第２連通部と、から構成されている。

また請求項３に係る発明は、請求項２において、第１連結部、第１連通部、第１接続部、トラップ部、第２接続部、第２連通部および第２連結部は一体的に形成されている。

また請求項４に係る発明は、請求項３において、第１連結部、第１連通部、トラップ部および第２連通部は鉛直方向に沿って並べて配設されている。

また請求項５に係る発明は、請求項３において、第１連結部、第１連通部、トラップ部は鉛直方向に沿って並べて配設されており、第２連通部は第１連通部またはトラップ部の横に配置されている。

また請求項６に係る発明は、請求項１乃至請求項５の何れか一項において、第２酸化剤ガス流路部は、燃料電池を囲むように配設されている。

また請求項７に係る燃料電池システムの発明は、請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載した酸化剤ガス供給用管部材を備えている。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、酸化剤ガスを供給する供給装置とを連通して酸化剤ガスを燃焼電池に供給する酸化剤ガス供給用管部材は、第１酸化剤ガス流路部の途中に凹設されて、第１連結部側から流入する流体を溜めるトラップ部が設けられている。これにより、第１連結部側すなわち燃料電池側から液体（例えば凝縮水）が流入しても、流入した液体はトラップ部に溜められる。よって、大型化・高コスト化を招くことなく、酸化剤ガス供給流路が閉塞することを抑制することができる。また、流入した液体が流量計に到達することを抑制することができる。さらに、酸化剤ガスが流通する第１酸化剤ガス流路部が設けられていることで、第１連結部から流量計までの距離を稼ぐことができるため、第１連結部から水蒸気が流入してもその水蒸気が流量計に到達することを抑制することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１において、第１酸化剤ガス流路部は、管部材と、管部材の一端が接続される第１接続部と、管部材の他端が接続される第２接続部と、第１接続部と第１連結部とを連通する第１連通部と、第２接続部と第２連結部とを連通する第２連通部と、から構成されている。これにより、管部材の長さを変更するだけで第１酸化剤ガス流路部の長さを簡単に変更することができ、設計の自由度を向上させることができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項２において、第１連結部、第１連通部、第１接続部、トラップ部、第２接続部、第２連通部および第２連結部は一体的に形成されている。これにより、管部材を除いた第１酸化剤ガス流路部の部分は、一体成型することが可能となり、軽量化・低コストを図り、組立性を向上させることができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項３において、第１連結部、第１連通部、トラップ部および第２連通部は鉛直方向に沿って並べて配設されている。これにより、酸化剤ガスを供給する供給装置が燃料電池の下方に配置されている場合において、配管の取り回し性を向上させることができる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項３において、第１連結部、第１連通部、トラップ部は鉛直方向に沿って並べて配設されており、第２連通部は第１連通部またはトラップ部の横に配置されている。これにより、酸化剤ガス供給用管部材の上下方向（鉛直方向）を短縮することができるので、上下方向の省スペース化を図ることができる。

上記のように構成した請求項６に係る発明においては、請求項１乃至請求項５の何れか一項において、第２酸化剤ガス流路部は、燃料電池を囲むように配設されている。これにより、第２酸化剤ガス流路部が燃料電池を囲むように配設されているタイプの燃料電池システムにおいて、第２酸化剤ガス流路部で凝縮水が発生する場合に、その発生した凝縮水を酸化剤ガス供給用管部材に設けたトラップ部に溜めることができる。

上記のように構成した請求項７に係る発明においては、上述した請求項１乃至請求項６の作用効果を発揮できる燃料電池システムを提供することができる。

本発明による燃料電池システムの一実施形態の概要を示す概要図である。 図１に示す燃料電池モジュールおよびカソードエア供給流路を示す断面概要図である。 図２に示すカソードエア供給用管部材を示す拡大断面図である。 （ａ）は図３に示す固定金具を示す正面図であり、（ｂ）は図３に示す固定金具を示す断面図である。 （ａ）は図２に示すカソードエア供給用管部材の一の変形例を示す拡大断面図であり、（ｂ）は図２に示すカソードエア供給用管部材の一の変形例を示す上面図である。 （ａ）は図２に示すカソードエア供給用管部材の他の変形例を示す拡大断面図であり、（ｂ）は図２に示すカソードエア供給用管部材の他の変形例を示す上面図である。

以下、本発明による燃料電池システムの実施形態の一つである第１実施例について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、箱状の筐体１１、燃料電池モジュール２０、排熱回収システム３０、インバータ装置５０および制御装置６０を備えている。

筐体１１は、筐体１１内を区画して第１室Ｒ１および第２室Ｒ２を形成する仕切部材１２を備えている。第１室Ｒ１は第１空間を形成し、第２室Ｒ２は第２空間を形成する。仕切部材１２は筐体１１を上下に区画する部材であり、第１室Ｒ１および第２室Ｒ２は連通するようになっている。

燃料電池モジュール２０は、第１室Ｒ１内に該第１室Ｒ１の内壁面から空間をおいて収納されている。燃料電池モジュール２０は、ケーシング２１、燃料電池２４を少なくとも含んで構成されるものである。本実施形態では、燃料電池モジュール２０は、ケーシング２１、蒸発部２２、改質部２３および燃料電池２４を備えている。

ケーシング２１は、断熱性材料で箱状に形成されている。ケーシング２１は、第１室Ｒ１内に該第１室Ｒ１の内壁面から空間をおいて図示しない支持構造を介して仕切部材１２に設置されている。ケーシング２１内には、蒸発部２２、改質部２３、燃料電池２４および第１燃焼部２６である燃焼空間Ｒ３が配設されている。このとき、蒸発部２２、改質部２３が燃料電池２４の上方に位置するように配設されている。

蒸発部２２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部２２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部２３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰガスなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

この蒸発部２２には、一端（下端）が水タンク１３内に配設された給水管４１の他端が接続されている。給水管４１には、改質水ポンプ４１ａが設けられている。改質水ポンプ４１ａは、蒸発部２２に改質水を供給するとともにその改質水供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整するものである。

また、蒸発部２２には、改質用原料の供給源（以下、供給源という。）Ｇｓからの改質用原料が改質用原料供給管４２を介して供給されている。供給源Ｇｓは、例えば都市ガスのガス供給管、ＬＰガスのガスボンベである。改質用原料供給管４２には、上流から順番に遮断弁４２ａ、脱硫器４２ｂ、流量センサ４２ｃ、バッファタンク４２ｄ、原料ポンプ４２ｅおよび逆止弁４２ｆが設けられている。遮断弁４２ａ、脱硫器４２ｂ、流量センサ４２ｃ、バッファタンク４２ｄ、原料ポンプ４２ｅおよび逆止弁４２ｆは、筺体１１内に収納されている。

遮断弁４２ａは改質用原料供給管４２を制御装置６０の指令によって開閉自在に遮断する弁（２連弁）である。脱硫器４２ｂは改質用原料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。流量センサ４２ｃは、燃料電池２４に供給されている燃料（改質用原料）の流量すなわち単位時間あたりの流量を検出するものであり、その検出結果を制御装置６０に送信している。バッファタンク４２ｄは、原料ポンプ４２ｅの気体流れを整流するものである。原料ポンプ４２ｅは、燃料電池２４に燃料（改質用原料）を供給する供給装置であり、制御装置６０からの制御指令値にしたがって供給源Ｇｓからの燃料供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整するものである。この原料ポンプ４２ｅは、改質用原料を吸入し改質部２３に圧送する圧送装置である。逆止弁４２ｆは、原料ポンプ４２ｅと燃料電池モジュール２０（蒸発部２２）との間に配設されており、原料ポンプ４２ｅから燃料電池モジュール２０への流れを許容するがその反対方向の流れを禁止するものである。

改質部２３は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部２２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部２３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は燃料電池２４の燃料極に導出されるようになっている。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。このように、改質部２３は改質用原料と改質水とから燃料である改質ガスを生成して燃料電池２４に供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

燃料電池２４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル２４ａが図１の左右方向（図２の鉛直方向）に積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池２４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は４００〜１０００℃程度である。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。この場合、改質部２３は省略することができる。

セル２４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路２４ｂが形成されている。セル２４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路２４ｃが形成されている。

燃料電池２４は、図２にも示すように、マニホールド２５上に設けられている。マニホールド２５には、改質部２３からの改質ガスが改質ガス供給管４３を介して供給される。燃料流路２４ｂは、その下端（一端）がマニホールド２５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。空気流路２４ｃの下端には、カソードエア供給流路４４を構成するモジュール内カソードエア流路４４ａが連通されており、モジュール内カソードエア流路４４ａから供給されたカソードエアが空気流路２４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。

カソードエア供給流路４４は、図２に示すように、モジュール内カソードエア流路４４ａ（第２酸化剤ガス流路部）、カソードエア供給用管部材４４ｂおよびカソードエア供給管４４ｃから構成されている。カソードエア供給流路４４は、一端がカソードエアブロワ４４ｄに接続されており、カソードエアブロワ４４ｄ（カソードエア供給装置）によって送出されたカソードエアはカソードエア供給流路４４を介して空気流路２４ｃに供給されるようになっている。

モジュール内カソードエア流路４４ａは、ケーシング２１の内周壁に沿って設けられている外周流路４４ａ１と、カソードエアを燃料電池２４の空気流路２４ｃに導入する導入流路４４ａ２とから構成されている。
外周流路４４ａ１は、上壁流路４４ａ１ａ、左側壁流路４４ａ１ｂ、右側壁流路４４ａ１ｃ、接続流路４４ａ１ｄ、および導入口４４ａ１ｅから構成されている。

上壁流路４４ａ１ａは、ケーシング２１の上壁の内壁面に沿って設けられている。本実施形態では、上壁流路４４ａ１ａは、ケーシング２１の上壁の内壁面全面とほぼ等しい面積を有しており、流路内は仕切りで仕切られていない構造となっている。

左側壁流路４４ａ１ｂは、ケーシング２１の左壁の内壁面に沿って設けられて上壁流路４４ａ１ａの左端と上端にて接続する。本実施形態では、左側壁流路４４ａ１ｂは、ケーシング２１の左壁の内壁面全面とほぼ等しい面積を有しており、流路内は水平方向に折り返す折り返し構造となっている。

右側壁流路４４ａ１ｃは、ケーシング２１の右壁の内壁面に沿って設けられて上壁流路４４ａ１ａの右端と上端にて接続する。本実施形態では、右側壁流路４４ａ１ｃは、ケーシング２１の右壁の内壁面全面とほぼ等しい面積を有しており、流路内は水平方向に折り返す折り返し構造となっている。

導入口４４ａ１ｅは、左右側壁流路４４ａ１ｂ，４４ａ１ｃの各下端が接続流路４４ａ１ｄ，４４ａ１ｄを介して接続されている。導入口４４ａ１ｅの開口端には、連結部４４ａ１ｆが形成されている。

導入流路４４ａ２は、上壁流路４４ａ１ａの左右方向中央位置から垂下して設けられている。導入流路４４ａ２は、燃料電池２４を構成する一対の電池ユニットの間に挿入されて配置されている。導入流路４４ａ２の下端部には、導出部４４ａ２ａが燃料電池２４に向けて延設されており、一対の導出部４４ａ２ａから空気流路２４ｃの下端にカソードエアが導入されるようになっている。

なお、上述したモジュール内カソードエア流路４４ａは、蒸発部２２、改質部２３、燃料電池２４および第１燃焼部２６を囲むように配設されている。燃料電池モジュール２０内部、すなわちモジュール内カソードエア流路４４ａで囲まれる空間は、導入流路４４ａ２によって左右に分けられている。左半分には蒸発部２２および燃料電池２４を構成する一対の電池ユニットの一方が配置されるとともに右半分には改質部２３および燃料電池２４を構成する一対の電池ユニットの他方が配置されている。

カソードエア供給用管部材４４ｂは、燃料電池２４とカソードエアブロワ４４ｄ（カソードエア供給装置）とを連通してカソードエアを燃焼電池２４に供給するカソードエア供給用管部材（酸化剤ガス供給用管部材である）７０である。

カソードエア供給用管部材７０は、第１酸化剤ガス流路部７１、第１連結部７２、第２連結部７３およびトラップ部７４を一体化して構成されている。
第１酸化剤ガス流路部７１は、カソードエアが流通するものである。第１酸化剤ガス流路部７１は、本実施形態においては、管部材７１ａと、管部材７１ａの一端が接続される第１接続部７１ｂと、管部材７１ａの他端が接続される第２接続部７１ｃと、第１接続部７１ｂと第１連結部７２とを連通する第１連通部７１ｄと、第２接続部７１ｃと第２連結部７３とを連通する第２連通部７１ｅと、から構成されている。なお、第１酸化剤ガス流路部７１は、一体的に成形されるものでもよい。

また、管部材７１ａはＵ字状に形成されている。管部材７１ａは金属、樹脂、ゴム等で管状に形成された部材である。管部材７１ａの一端はバンド７５によって第１接続部７１ｂに締め付け固定されている。管部材７１ａの他端はバンド７５によって第２接続部７１ｃに締め付け固定されている。

第１酸化剤ガス流路部７１の流路長は、燃料電池システムを停電などにより緊急停止する際であって燃料電池モジュール２０内に存在する蒸気がカソードエア供給用管部材４４ｂに逆流した場合に、その蒸気が流量計４４ｅまで到達しない距離に設定されるのが好ましい。これにより、蒸気により流量計４４ｅの故障を抑制することができる。また、第１酸化剤ガス流路部７１の配管温度が第１酸化剤ガス流路部７１の管内結露温度より大きくなるように、第１酸化剤ガス流路部７１の流路長を設定するのが好ましい。これにより、流量計４４ｅの流路４４ｅ２内ひいてはセンサ部４４ｅ５が結露するのを抑制し、流量計４４ｅの故障を抑制することができる。

第１連結部７２は、第１酸化剤ガス流路部７１の一端側に設けられて、該第１酸化剤ガス流路部７１の一端と燃料電池２４にカソードエアを供給するモジュール内カソードエア流路４４ａとを直結（固定）する。第１連結部７２は、モジュール内カソードエア流路４４ａの導入口４４ａ１ｅに形成された連結部４４ａ１ｆと連結されている。第１連結部７２と連結部４４ａ１ｆとの間には、Ｏリング７２ａが介装されており、第１連結部７２と連結部４４ａ１ｆとの間の気密性が確保されている。

第１連結部７２と連結部４４ａ１ｆとは、固定金具８０によって固定されている。固定金具８０は、図４に示すように、断面Ｃ字状に形成されており、第１連結部７２と連結部４４ａ１ｆとを同時に挟持する一対の挟持部８１，８１、両挟持部８１の一端（基端）を接続する接続部８２、および両挟持部８１の他端（自由端）にそれぞれ設けられて外側に向けて拡開する拡開部８３が一体的に形成されている。

固定金具８０は、金属製の細長い板部材を曲げて形成されている。非装着時には、固定金具８０の内径は、第１連結部７２と連結部４４ａ１ｆの外径より小さくなっている。装着時には、可逆的に弾性変形し挟持部８１が互いに接近する方向に付勢されて第１連結部７２と連結部４４ａ１ｆに密着している。

各挟持部８１には周方向に沿って長孔８１ａが形成されている。長孔８１ａは、第１連結部７２のフランジ７２ｂと連結部４４ａ１ｆのフランジ４４ａ１ｇとが当接した状態で両フランジ７２ｂ，４４ａ１ｇと係合するようになっている。

第２連結部７３は、第１酸化剤ガス流路部７１の他端側に設けられて、該第１酸化剤ガス流路部７１の他端と流量計４４ｅとを直結（固定）する。第２連結部７３は、流量計４４ｅの連結部４４ｅ３と連結されている。第２連結部７３と連結部４４ｅ３との間には、Ｏリング７３ａが介装されており、第２連結部７３と連結部４４ｅ３との間の気密性が確保されている。第２連結部７３と連結部４４ｅ３とは、第１連結部７２と連結部４４ａ１ｆとの固定と同様に固定金具８０によって固定されている。

また、第２連結部７３は、水平方向に延在するように設けられている。よって、流量計４４ｅが第２連結部７３に取り付けられると、流量計４４ｅの流量を検出するセンサ部４４ｅ５が水平となる。

トラップ部７４は、第１酸化剤ガス流路部７１の途中に下方に向けて凹設されて、第１連結部７２側から流入する流体を溜めるものである。本実施形態では、トラップ部７４は、第１連通部７１ｄに設けられている。トラップ部７４の容積は、燃料電池システムの停止運転時に燃料電池モジュール２０で生じる凝縮水を収容できる値に設定されている。トラップ部７４の内径はカソードエア供給流路４４の内径とほぼ同じ値に設定されるのが好ましい。起動運転時または定常運転時にカソードエアが供給される際に、トラップ部７４に溜まっている凝縮水を気化（蒸発）させるためである。

なお、上述した第１連結部７２、第１連通部７１ｄ、第１接続部７１ｂ、トラップ部７４、第２接続部７１ｃ、第２連通部７１ｅおよび第２連結部７３は成形などによって一体的に形成されている。この一体成型体は、合成樹脂で形成するようにすればよい。

また、第１連結部７２、第１連通部７１ｄ、トラップ部７４および第２連通部７１ｅは鉛直方向に沿って並べて配設されている。第１連結部７２、第１連通部７１ｄ、およびトラップ部７４は直線状（円筒状）に形成され、鉛直方向に沿って延設されている。この第１直線状体の途中から第１接続部７１ｂが垂直方向（水平方向）に延設されている。第２接続部７１ｃ、第２連通部７１ｅおよび第２連結部７３も直線状（円筒状）に形成され、水平方向に沿って延設されている。この第２直線状体は、前述した第１直線状体の下端に一体的に接続されている。

流量計４４ｅは、カソードエアブロワ４４ｄから供給されるカソードエアの流量を検出するものである。流量計４４ｅは、本実施形態では、いわゆる熱式質量流量計である。流量計４４ｅは合成樹脂製の本体４４ｅ１を備えており、本体４４ｅ１内に流路４４ｅ２が形成されている。流路４４ｅ２の一端（カソードエア供給用管部材７０側端）には連結部４４ｅ３が本体４４ｅ１と一体的に形成されている。流路４４ｅ２の他端（カソードエアブロワ４４ｄ側端）には連結部４４ｅ４が本体４４ｅ１と一体的に形成されている。流路４４ｅ２の内周上壁面には、流路４４ｅ２を流れる流体の流量を検出するセンサ部４４ｅ５が設けられている。

センサ部４４ｅ５は、ガスが流れる方向（流路が延在する方向）に沿って２つの温度センサが配置され、それら温度センサの間にヒータが配置されている。このセンサ部４４ｅ５は、検出対象ガスが流れると、２つの温度センサの間に質量流量に対応した温度差が生じることを利用して、温度センサによって検出された温度に基づいて流量を検出するものである。

このように構成されているセンサ部４４ｅ５は水平に配設されるのが好ましい。水平に配置することで、検出精度を高く維持することができる。また、センサ部４４ｅ５は流路４４ｅ２の内周上壁面に配設されているため、万一第１酸化剤ガス流路部７１が結露して発生した凝縮水またはトラップ部７４から溢れた凝縮水が流量計４４ｅに流入してもセンサ４４ｅ５が浸水することを抑制することができる。

カソードエア供給管４４ｃは、一端が流量計４４ｅの連結部４４ｅ４に接続されるとともに他端がカソードエアブロワ４４ｄに接続されている。カソードエア供給管４４ｃは、金属、樹脂、ゴム等で形成されている。

カソードエアブロワ４４ｄ（カソードエア供給装置）は、図１に示すように、第２室Ｒ２内に配設されている。カソードエアブロワ４４ｄは、第２室Ｒ２内の空気を吸入し燃料電池２４の空気極に吐出するものであり、その吐出量は調整制御（例えば燃料電池２４の負荷電力量（消費電力量）に応じて制御）されるものである。

燃料電池２４においては、燃料極に供給された燃料と空気極に供給された酸化剤ガスによって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化１および化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ^２−）が電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路２４ｂおよび空気流路２４ｃからは、発電に使用されなかった改質ガスおよび酸化剤ガス（空気）が導出する。
（化１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
（化２）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（化３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−

そして、燃料流路２４ｂおよび空気流路２４ｃから導出した、発電に使用されなかった改質ガス（アノードオフガス）は、燃料電池２４と蒸発部２２（改質部２３）の間の燃焼空間Ｒ３にて、発電に使用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）によって燃焼され、その燃焼ガス（火炎２７）によって蒸発部２２および改質部２３が加熱される。さらには、燃料電池モジュール２０内を動作温度に加熱している。

このように、燃焼空間Ｒ３が、燃料電池２４からのアノードオフガスと燃料電池２４からのカソードオフガスとが燃焼されて改質部２３を加熱する第１燃焼部２６である。すなわち、第１燃焼部２６は、燃料電池２４からの未使用の燃料を含む可燃性ガスを導入し酸化剤ガスで燃焼して燃焼ガスを導出する燃焼部である。

第１燃焼部２６（燃焼空間Ｒ３）では、アノードオフガスが燃焼されて火炎２７が発生している。第１燃焼部２６には、アノードオフガスを着火させるための一対の着火ヒータ２６ａ１，２６ａ２が設けられている。

燃焼空間Ｒ３で生じた燃焼ガスは、その後は排気口２１ａから燃料電池モジュール２０の外に排気される。具体的には、図２に示すように、燃料電池モジュール２０内には、モジュール内排気流路４６ａが設けられている。
モジュール内排気流路４６ａは、左側壁流路４６ａ１、右側壁流路４６ａ２、接続流路４６ａ３、および排気口２１ａから構成されている。

左側壁流路４６ａ１は、左側壁流路４４ａ１ｂの内壁面に沿って設けられており、左側壁流路４６ａ１の上端は燃料電池モジュール２０の内側空間の上部に開口している（開口は蒸発部２２の上方位置であるのが好ましい）。本実施形態では、左側壁流路４６ａ１は、左側壁流路４４ａ１ｂの内壁面全面とほぼ等しい面積を有しており、流路内は水平方向に折り返す折り返し構造となっている。左側壁流路４６ａ１の折り返し流路は、左側壁流路４４ａ１ｂの折り返し流路と対向して配設され流れる流体が互いに反対方向に流れるようになっている（対向流式）。これにより、カソードエアと燃焼排ガスとが効率よく熱交換する。

右側壁流路４６ａ２は、右側壁流路４４ａ１ｃの内壁面に沿って設けられており、右側壁流路４６ａ２の上端は燃料電池モジュール２０の内側空間の上部に開口している（開口は改質部２３の上方位置であるのが好ましい）。本実施形態では、右側壁流路４６ａ２は、右側壁流路４４ａ１ｃの内壁面全面とほぼ等しい面積を有しており、左側壁流路４６ａ１と同様に流路内は水平方向に折り返す折り返し構造となっている。

排気口２１ａは、左右側壁流路４６ａ１，４６ａ２の各下端が接続流路４６ａ３，４６ａ３を介して接続されている。なお、上述したモジュール内排気流路４６ａは、蒸発部２２、改質部２３、燃料電池２４および第１燃焼部２６を囲むように配設されている。

排熱回収システム３０は、燃料電池２４の排熱と貯湯水との間で熱交換することで排熱を貯湯水に回収して蓄える排熱回収系である。排熱回収システム３０は、貯湯水を貯湯する貯湯槽３１と、貯湯水が循環する貯湯水循環ライン３２と、燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器３３と、が備えられている。

貯湯槽３１は、１つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽３１の柱状容器の下部には水道水などの水（低温の水）が補給され、貯湯槽３１に貯留された高温の温水が貯湯槽３１の柱状容器の上部から導出されるようになっている。

貯湯水循環ライン３２の一端は貯湯槽３１の下部に、他端は貯湯槽３１の上部に接続されている。貯湯水循環ライン３２上には、一端から他端に向かって順番に貯湯水循環手段である貯湯水循環ポンプ３２ａ、第１温度センサ３２ｂ、熱交換器３３、および第２温度センサ３２ｃが配設されている。貯湯水循環ポンプ３２ａは、貯湯槽３１の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環ライン３２を図示矢印方向へ通水させて貯湯槽３１の上部に吐出するものであり、その流量（送出量）が制御されるようになっている。貯湯水循環ポンプ３２ａは、第２温度センサ３２ｃの検出温度（貯湯水の貯湯槽３１の入口温度）が所定の温度または温度範囲となるように、送出量が制御されるようになっている。

第１温度センサ３２ｂは、熱交換器３３の貯湯水導入側の貯湯水循環ライン３２であって熱交換器３３と貯湯槽３１との間に配設されている。第１温度センサ３２ｂは、貯湯水の熱交換器３３の入口温度すなわち貯湯水の貯湯槽３１の出口温度を検出するものであり、その検出結果を制御装置６０に送信するようになっている。

第２温度センサ３２ｃは、熱交換器３３の貯湯水導出側の貯湯水循環ライン３２に配設されている。第２温度センサ３２ｃは、貯湯水の熱交換器３３の出口温度すなわち貯湯水の貯湯槽３１の入口温度を検出するものであり、その検出結果を制御装置６０に送信するようになっている。

熱交換器３３は、燃料電池モジュール２０から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽３１からの貯湯水が供給され燃焼排ガスと貯湯水が熱交換する熱交換器である。この熱交換器３３は、筐体１１内に配設されている。本実施形態では、熱交換器３３は、燃料電池モジュール２０の下部に設けられており、少なくとも熱交換器３３の下部は仕切部材１２を貫通して第２室Ｒ２に突出されて配設されている。

熱交換器３３は、ケーシング３３ａを備えている。ケーシング３３ａの上部には、燃料電池モジュール２０のケーシング２１の下部に設けられ燃焼排ガスが導出される導出口２１ａに連通しいている。ケーシング３３ａの下部には、第１排気口１１ａに接続されている排気管４６ｂが接続されている。ケーシング３３ａの底部には、純水器１４に接続されている凝縮水供給管４７が接続されている。ケーシング３３ａ内には、貯湯水循環ライン３２に接続されている熱交換部（凝縮部）３３ｂが配設されている。

このように構成された熱交換器３３においては、燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスは、導出口２１ａを通ってケーシング３３ａ内に導入され、貯湯水が流通する熱交換部３３ｂを通る際に貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは排気管４６ｂを通って第１排気口１１ａから外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管４７を通って純水器１４に供給される（自重で落水する）。一方、熱交換部３３ｂに流入した貯湯水は、加熱されて流出される。

ケーシング２１の導出口２１ａには、第２燃焼部２８が設けられている。第２燃焼部２８は、第１燃焼部２６から排気されるガスである第１燃焼部オフガス、すなわち、第１燃焼部２６から排気される未使用の可燃性ガス（例えば、水素、メタンガス、一酸化炭素など）を導入し燃焼して導出するものである。第２燃焼部２８は、可燃性ガスを燃焼する触媒である燃焼触媒（例えばセラミックハニカムまたは、メタルハニカムと貴金属の触媒である。）で構成されている。第２燃焼部２８には、燃焼触媒を触媒の活性温度まで加熱して可燃性ガスを燃焼させるための燃焼触媒ヒータ２８ａが設けられている。燃焼触媒ヒータ２８ａは制御装置６０の指示によって加熱されるものである。

また、燃料電池システムは、水タンク１３および純水器１４を備えている。水タンク１３および純水器１４は第２室Ｒ２内に配設されている。水タンク１３は、純水器１４から導出された純水を貯めておくものである。純水タンク１３には、純水タンク１３内の純水量を検出する図示しない水量センサ（水位センサ）が設けられている。水量センサは例えばフロート式、静電容量式などの水位計である。水量センサは制御装置６０に検出信号を送信するようになっている。

純水器１４は、活性炭とイオン交換樹脂を内蔵しており、例えばフレーク状の活性炭と粒状のイオン交換樹脂を充填している。また被処理水の状態によっては、中空糸フィルタを設置しても良い。純水器１４は、熱交換器３３からの凝縮水を活性炭とイオン交換樹脂によって純水化するものである。純水器１４は、配管４８を介して純水タンク１３に連通しており、純水器１４内の純水は配管４８を通って純水タンク１３に導出される。

また、燃料電池システムは、第２室Ｒ２を形成する筐体１１に形成された空気導入口１１ｂと、第１室Ｒ１を形成する筐体１１に形成された空気導出口１１ｃと、空気導入口１１ｂに設けられた換気用空気ブロワ１５と、を備えている。換気用空気ブロワ１５は、筐体１１内を換気する換気装置である。この換気用空気ブロワ１５が作動すると、外気が空気導入口１１ｂを介して換気用空気ブロワ１５に吸い込まれ、第２室Ｒ２に送出される。さらに、第２室Ｒ２内の気体（主として空気）は仕切部材１２を通って第１室Ｒ１に流れ、第１室Ｒ１内の気体は空気導出口１１ｃを介して外部に排出される。

さらに、燃料電池システムは、インバータ装置５０を備えている。インバータ装置５０は、燃料電池２４から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して交流の系統電源５１および外部電力負荷５３に接続されている電源ライン５２に出力する第１機能と、系統電源５１からの交流電圧を電源ライン５２を介して入力し所定の直流電圧に変換して補機や制御装置６０に出力する第２機能と、を有している。

系統電源（または商用電源）５１は、該系統電源５１に接続された電源ライン５２を介して電力負荷５３に電力を供給するものである。燃料電池２４はインバータ装置５０を介して電源ライン５２に接続されている。電力負荷５３は、交流電源で駆動される負荷であり、例えばドライヤ、冷蔵庫、テレビなどの電化製品である。

補機は、燃料電池モジュール２０に改質用原料、水、空気を供給するためのモータ駆動のポンプ４１ａ，４２ｅ、換気用空気ブロワ１５およびカソードエアブロワ４４ｄなどから構成されている。この補機は直流電圧にて駆動されるものである。

さらに、燃料電池システムは、制御装置６０を備えている。制御装置６０には、上述した温度センサ３２ａ，３２ｃ、流量センサ４２ｃ、流量計４４ｅ、各ポンプ３２ａ，４１ａ，４２ｅ、および各ブロワ１５，４４ｄが接続されている。

次に、上述した燃料電池システムの作動について説明する。停電などによって燃料電池システムが緊急停止する際においては、改質用燃料、改質水およびカソードエアの供給は停止され、第１燃焼部２６での燃焼は停止される。停止後しばらくの間、燃料電池モジュール２０内は高温状態でありかつ改質部２３で水蒸気生成は継続しているため、内部に存在する水蒸気を含む気体は燃料電池モジュール２０の外部に流出する。このとき、流出経路は、排気経路（モジュール内排気流路４６ａ、第２燃焼部２８、熱交換器３３および排気管４６ｂから構成されている。）とカソードエア供給経路（モジュール内カソードエア流路４４ａ、カソードエア供給用管部材４４ｂおよびカソードエア供給管４４ｃから構成されている。）である。

このとき、カソードエア供給経路を水蒸気が逆流しても、その水蒸気は流量計４４ｅまで到達しない。カソードエア供給用管部材４４ｂの第１酸化剤ガス流路部７１の流路長は、燃料電池システムを停電などにより緊急停止する際であって燃料電池モジュール２０内に存在する蒸気がカソードエア供給用管部材４４ｂに逆流した場合に、その蒸気が流量計４４ｅまで到達しない距離に設定されているからである。

すなわち、カソードエア（酸化剤ガス）が流通する第１酸化剤ガス流路部７１が設けられていることで、第１連結部７２から流量計４４ｅまでの距離を稼ぐことができるため、第１連結部７２から水蒸気が流入してもその水蒸気が流量計４４ｅに到達することを抑制することができる。これにより、蒸気により流量計４４ｅの故障を抑制することができる。

停止後しばらくすると、燃料電池モジュール２０ひいては内部の気体の温度は低下する。モジュール内カソードエア流路４４ａ内の温度も低下して、特に外周流路４４ａ１の外側壁面はケーシング２１に接触しているため、外周流路４４ａ１の温度は低下する。このため、外周流路４４ａ１では外周流路４４ａ１中の水蒸気が結露する。この結露によって発生した凝縮水は、上壁流路４４ａ１ａ、左壁流路４４ａ１ｂまたは右壁流路４４ａ１ｃ、接続流路４４ａ１ｄを経て導入口４４ａ１ｅから流出する。

本実施形態によれば、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池２４と、酸化剤ガスを供給するカソードエアブロワ４４ｄとを連通して酸化剤ガスを燃焼電池２４に供給するカソードエア供給用管部材４４ｂは、第１酸化剤ガス流路部７１の途中に凹設されて、第１連結部７２側から流入する液体を溜めるトラップ部が設けられている。これにより、第１連結部７２側すなわち燃料電池２４側から液体（例えば凝縮水）が流入しても、流入した液体はトラップ部に溜められる。よって、大型化・高コスト化を招くことなく、カソードエア供給流路（酸化剤ガス供給流路）４４が閉塞することを抑制することができる。また、流入した液体が流量計４４ｅに到達することを抑制することができる。

また、第１酸化剤ガス流路部７１は、管部材７１ａと、管部材７１ａの一端が接続される第１接続部７１ｂと、管部材７１ａの他端が接続される第２接続部７１ｃと、第１接続部７１ｂと第１連結部７２とを連通する第１連通部７１ｄと、第２接続部７１ｃと第２連結部７３とを連通する第２連通部７１ｅと、から構成されている。これにより、管部材７１ａの長さを変更するだけで第１酸化剤ガス流路部７１の長さを簡単に変更することができ、設計の自由度を向上させることができる。

また、第１連結部７２、第１連通部７１ｄ、第１接続部７１ｂ、トラップ部７４、第２接続部７１ｃ、第２連通部７１ｅおよび第２連結部７３は一体的に形成されている。これにより、管部材７１ａを除いた第１酸化剤ガス流路部７１の部分は、一体成型することが可能となり、軽量化・低コストを図り、組立性を向上させることができる。

また、第１連結部７２、第１連通部７１ｄ、トラップ部７４および第２連通部７１ｅは鉛直方向に沿って並べて配設されている。これにより、カソードエア（酸化剤ガス）を供給するカソードエアブロワ４４ｄが燃料電池２４の下方に配置されている場合において、配管の取り回し性を向上させることができる。

また、流量計４４ｅは熱式質量流量計であり、流量を検出するセンサ部４４ｅ５が水平となるように流量計４４ｅが配置されている。これにより、流量計４４ｅの検出精度を高く維持することができる。

また、モジュール内カソードエア流路４４ａ（第２酸化剤ガス流路部）は、燃料電池２４を囲むように配設されている。これにより、モジュール内カソードエア流路４４ａが燃料電池２４を囲むように配設されているタイプの燃料電池システムにおいて、モジュール内カソードエア流路４４ａで凝縮水が発生する場合に、その発生した凝縮水をカソードエア供給用管部材４４ｂに設けたトラップ部７４に溜めることができる。

また、上述したカソードエア供給用管部材４４ｂの作用効果を発揮できる燃料電池システムを提供することができる。

なお、上述した燃料電池システムにおいては、カソードエア供給用管部材４４ｂを、図５に示すように、第１連結部７２、第１連通部７１ｄ、トラップ部７４を鉛直方向に沿って並べて配設するとともに、第２連通部７１ｅを第１連通部７１ｄ（またはトラップ部７４）の横に配置するようにしてもよい。このとき、第２連通部７１ｅは接続部７１ｆを介して第１連通部７１ｄに一体的に接続されている。これにより、カソードエア供給用管部材４４ｂの上下方向（鉛直方向）を短縮することができるので、上下方向の省スペース化を図ることができる。

また、上述した燃料電池システムにおいては、図６に示すように、第１連結部７２および第１連通部７１ｄを鉛直方向に沿って並べて配設し、第２連通部７１ｅを第１連通部７１ｄの横に配置するとともに、トラップ部７４を第２連通部７１ｅの下に配置するようにしてもよい。このとき、第２連通部７１ｅは接続部７１ｆを介して第１連通部７１ｄに一体的に接続されるとともに、トラップ部７４は第２連通部７１ｅの下部に一体的に接続されている。これにより、前述したように上下方向の省スペース化を図ることができるのに加えて、万一第１酸化剤ガス流路部７１内で結露が発生しても、その凝縮水はトラップ部７４にて溜まるため流量計４４ｅに到達するのを抑制でき、流量計４４ｅをより確実に凝縮水から保護することができる。
なお、流量計４４ｅは熱式質量流量計以外の流量計を採用するようにしてもよい。

１１…筐体、１１ａ…第１排気口、１１ｂ…空気導入口、１１ｃ…空気導出口、１２…仕切部材、１３…水タンク、１４…純水器、１５…換気用空気ブロワ、２０…燃料電池モジュール、２１…ケーシング、２１ａ…導出口、２２…蒸発部、２３…改質部、２４…燃料電池、２４ａ…セル、２４ｂ…燃料流路、２４ｃ…空気流路、２５…マニホールド、２６…燃焼空間（第１燃焼部）、２７…火炎、２８…第２燃焼部（燃焼触媒）、２８ｂ…燃焼触媒ヒータ、３０…排熱回収システム、３１…貯湯槽、３２…貯湯水循環ライン、３２ａ…貯湯水循環ポンプ、３２ｂ，３２ｃ…温度センサ、３３…熱交換器、４２ａ…遮断弁、４２ｂ…脱硫器、４２ｃ…流量センサ、４２ｄ…バッファタンク、４２ｅ…原料ポンプ、４２ｆ…逆止弁、４４…カソードエア供給流路、４４ａ…モジュール内カソードエア流路（第２酸化剤ガス流路部）、４４ａ１…外周流路、４４ａ２…導入流路、４４ａ１ａ…上壁流路、４４ａ１ｂ…左側壁流路、４４ａ１ｃ…右側壁流路、４４ａ１ｄ…接続流路、４４ａ１ｅ…導入口、４４ａ２ａ…一対の導出部、４４ｂ…カソードエア供給用管部材（酸化剤ガス供給用管部材）、４４ｃ…カソードエア供給管、４４ｄ…カソードエアブロワ（供給装置）、４４ｅ…流量計、４４ｅ５…センサ部、４６ａ…モジュール内排気流路、５０…インバータ装置、５１…系統電源、５２…電源ライン、５３…外部電力負荷、６０…制御装置、７１…第１酸化剤ガス流路部、７２…第１連結部、７３…第２連結部、７４…トラップ部、７１ａ…管部材、７１ｂ…第１接続部、７１ｃ…第２接続部、７１ｄ…第１連通部、７１ｅ…第２連通部、８０…固定金具、Ｒ１…第１室、Ｒ２…第２室、Ｒ３…燃焼空間。

Claims (7)

1. 燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、前記酸化剤ガスを供給する供給装置とを連通して前記酸化剤ガスを前記燃焼電池に供給する酸化剤ガス供給用管部材であって、
   前記酸化剤ガスが流通する第１酸化剤ガス流路部と、
   前記第１酸化剤ガス流路部の一端側に設けられて、該第１酸化剤ガス流路部の一端と前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する第２酸化剤ガス流路部とを直結する第１連結部と、
   前記第１酸化剤ガス流路部の他端側に設けられて、該前記第１酸化剤ガス流路部の他端と前記供給装置から供給される前記酸化剤ガスの流量を検出する流量計とを直結する第２連結部と、
   前記第１酸化剤ガス流路部の途中に凹設されて、前記第１連結部側から流入する流体を溜めるトラップ部と、を設け、
   前記第１酸化剤ガス流路部、前記第１連結部、前記第２連結部およびトラップ部を一体化して構成されている酸化剤ガス供給用管部材。
2. 請求項１において、前記第１酸化剤ガス流路部は、
   管部材と、
   前記管部材の一端が接続される第１接続部と、
   前記管部材の他端が接続される第２接続部と、
   前記第１接続部と前記第１連結部とを連通する第１連通部と、
   前記第２接続部と前記第２連結部とを連通する第２連通部と、
   から構成されている酸化剤ガス供給用管部材。
3. 請求項２において、前記第１連結部、前記第１連通部、前記第１接続部、前記トラップ部、前記第２接続部、前記第２連通部および第２連結部は一体的に形成されている酸化剤ガス供給用管部材。
4. 請求項３において、前記第１連結部、前記第１連通部、前記トラップ部および前記第２連通部は鉛直方向に沿って並べて配設されている酸化剤ガス供給用管部材。
5. 請求項３において、前記第１連結部、前記第１連通部、前記トラップ部は鉛直方向に沿って並べて配設されており、前記第２連通部は前記第１連通部または前記トラップ部の横に配置されている酸化剤ガス供給用管部材。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか一項において、前記第２酸化剤ガス流路部は、前記燃料電池を囲むように配設されている酸化剤ガス供給用管部材。
7. 請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載した酸化剤ガス供給用管部材を備えている燃料電池システム。
   
   

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