JP2014007001A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】排ガスを外部に排出する排気経路に詰まりが生じた場合においても、排ガスが水回収部の排水経路から屋外へ流れ出すことを防止すること。
【解決手段】排ガス排出路２８内の凝縮水を回収する水回収部１０５に水封構造と、排ガス排出路２８内の圧力を測定する圧力検出器３１を設けることで、排ガス排出路２８内の圧力が水封構造の水封高さに対応する水圧差より小さくなるように、ガス供給路を制御することで、排ガスが水回収部の排水経路から屋外へ流れ出すことを防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素と酸素を反応させ発電する燃料電池システムに関するものである。

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含有ガス生成器と、水素含有ガス生成器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。

水素含有ガス生成器で水素を生成するための水蒸気改質反応では、水蒸気を用いて化石燃料を改質することにより、その化石燃料から水素が生成される。そのため、燃料電池システムの発電運転の際、水素含有ガス生成器には、水蒸気を発生させるための水が供給される。つまり、燃料電池システムを用いて所定の電力を得るためには、その燃料電池システムの設置場所において水の供給源を確保することが必要不可欠となる。

通常、燃料電池システムへ水を供給するための水の供給手段としては、水道が好適に用いられる。ただし、水道水中のカルシウムの堆積や塩素による配管の腐食等により、燃料電池システムの性能が経時的に劣化するため、これらの成分を除去する必要がある。そのため、従来の燃料電池システムには、イオン交換樹脂等を備える浄水器が設けられている。

しかしながら、イオン交換樹脂等を備える浄水器によれば、水に含まれるカルシウムや塩素等の成分を十分に除去することが可能であるが、使用時間に応じてイオン交換樹脂等の浄水性能が劣化する。つまり、このイオン交換樹脂等を用いる構成では、浄水器を頻繁にメンテナンスする必要がある。これは、燃料電池システムのランニングコストを悪化させる要因となる。そのため、従来の燃料電池システムでは、燃料電池で発電に伴って生成する水や、燃料電池や水素含有ガス生成器の加熱に利用される燃焼器から排出される水分を含んだガス（燃焼排ガス）を冷却して得られる凝縮水等を回収して利用する、水の自立供給形態が採られることが多い。

ところで、燃焼器から排出される水分を含んだガス（燃焼排ガス）を冷却して回収した凝縮水のうち、余分な水は燃焼電池システムの外部へ排水されるように構成されるが、同時に燃焼排ガスが外部へ排出される恐れがある。燃料電池システムが屋外に設置されていれば、大気中の空気に希釈される。これにより、不安全にはなりにくいが、屋内設置の場合は非常に危険である。

そこで、燃焼器から排出される水分を含んだガス（燃焼排ガス）を冷却して回収した凝縮水を燃焼電池システムの外部へ排水する際に、燃焼排ガスが外部へ排出させないようにするため、凝縮水を回収するタンクに水位検知器を設け、燃焼排ガスが外部へ排出されるような水位を検知した場合に、燃料電池システムの運転を停止することが提案されている。（例えば、特許文献１参照）。図６は、特許文献１に開示されている燃料電池システムの構成図である。

図６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、原料供給器３０４、燃料電池３０２と水素生成器３０３を有する燃料電池装置３２４、酸化剤ガス供給路３１０、燃焼排ガス熱交換器３０５、酸化剤排ガス熱交換器３１１、水タンク３０６、貯湯タンク３１４、制御器３２２、及び筐体３２３を備えている。筐体３２３には排気口３
０７が設けられている。さらに、水タンク３０６の第１貯水部３１７内に水位検知器３１９が設けられている。

そして、制御器３２２は、水位検知器３１９が検知する第１貯水部３１７の水位に基づいて、燃料電池システム３０１の制御を行う。具体的には、制御器３２２は、水位検知器３１９が第１水位を検知すると、燃料電池装置３２４（燃料電池システム３０１）の運転を停止させる。ここで、第１水位は、燃焼排ガス流路３０８の水タンク３０６よりも下流側の流路及び第２酸化剤排ガス流路３１２の少なくとも一方の流路が閉塞され、排ガスが水タンク３０６の排水口３２０を介して大気中に排出されるときの水位である。

国際公開第２０１１／０９３０６６号

しかしながら、前記従来（特許文献１）の構成では、燃焼排ガス中の水分を回収した水タンクに水位検知器を設け、一定の水位を検知すると燃料電池システムの運転を停止させる構成としているが、屋外に通じているダクトを通じて汚れた凝縮水や雨水が水タンクに流れ込む為、水位検知器では検知が困難であるという課題を有していた。

本発明は、上記課題を鑑みて、燃料電池システムを屋内に配置する場合に、屋内に排ガスが流れ出すことなく、安全に運転できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、アノード及びカソードを有し、水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池を備える燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールを収納する筺体と、前記燃料電池モジュールから排出された排ガスを前記筺体の外側へ排出する排気経路と、前記燃料電池モジュールにガスを供給するガス供給路と、前記排気経路に接続され、前記排ガス中に含まれる水分が凝縮して発生する凝縮水を排出する凝縮水経路と、前記凝縮水経路に接続され、凝縮水を回収する水回収部と、前記水回収部から凝縮水を排出する排水経路と、前記ガス供給路と前記燃料電池モジュールとを接続する経路、及び、前記排気経路のうちの少なくとも１つの経路内の圧力を測定する圧力検出器と、制御器と、を備えている。そして、前記水回収部は、前記排ガスが前記排水経路に流れないように水封する水封構造を有し、前記制御器は、前記圧力検出器で測定される圧力が、前記水封構造の水封高さに対応する水圧差より小さくなるように、制御することを特徴とするものである。

これによって、排ガスを燃料電池システムの外部に排出する排気経路に詰まりが生じた場合、各経路内の圧力を検出し、水封構造の水封高さに対応する水圧差より小さくなるように制御することで、排ガスが屋外へ流れ出すことを抑制することができる。

本発明の燃料電池システムは、排ガスを外部に排出する排気路内に詰まりが生じた場合においても、排気経路内の凝縮水を回収する水回収部に水封構造を設け、排気経路内の圧力が水封構造の水封高さに対応する水圧差より小さくなるように制御することで、排ガスが水回収部の排水経路から屋外へ流れ出すことを抑制することができる。

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封構成図 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図 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図 本発明の実施の形態４における燃料電池システムの構成図 特許文献１の燃料電池システムの構成図

第１の発明は、アノード及びカソードを有し、水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池を備える燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールを収納する筺体と、前記燃料電池モジュールから排出された排ガスを前記筺体の外側へ排出する排気経路と、前記燃料電池モジュールにガスを供給するガス供給路と、前記排気経路に接続され、前記排ガス中に含まれる水分が凝縮して発生する凝縮水を排出する凝縮水経路と、前記凝縮水経路に接続され、凝縮水を回収する水回収部と、前記水回収部から凝縮水を排出する排水経路と、前記ガス供給路と前記燃料電池モジュールとを接続する経路、及び、前記排気経路のうちの少なくとも１つの経路内の圧力を測定する圧力検出器と、制御器と、を備えている。そして、前記水回収部は、前記排ガスが前記排水経路に流れないように水封する水封構造を有し、前記制御器は、前記圧力検出器で測定される圧力が、前記水封構造の水封高さに対応する水圧差より小さくなるように、制御することを特徴とするものである。これによって、排ガスを燃料電池システムの外部に排出する排気経路に詰まりが生じた場合、排気経路内の圧力を検出し、水封構造の水封高さに対応する水圧差より小さくなるように制御することで、排ガスが屋外へ流れ出すことを防止できる。

第２の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムにおいて、前記制御器は、前記圧力検出器で測定される圧力が、前記水封構造の水封高さに対応する水圧差より小さくなるように、前記ガス供給路を制御する。これにより、排ガスを燃料電池システムの外部に排出する排気経路に詰まりが生じた場合においても、水封構造の水封高さに対応する水圧差より小さくなるようにガス供給量を減らすことが出来るので、排ガスが屋外へ流れ出すことを防止できる。

第３の発明は、特に、第２の発明の燃料電池システムにおいて、前記制御器は、前記圧力検出器で測定される圧力が、前記水封構造の水封高さに対応する水圧差より小さくなるように、前記ガス供給量に合わせて、発電量を変化させる。これにより、排ガスを燃料電池システムの外部に排出する排気経路に詰まりが生じた場合においても、水封構造の水封高さに対応する水圧差より小さくなるようにガス供給量を減らして発電量を低下させることが出来るので、排ガスが屋外へ流れ出すことを防止できる。

第４の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムにおいて、前記制御器は、前記圧力検出器で測定される圧力が、前記水封構造の水封高さに対応する水圧差よりも小さい所定の圧力以上となった場合に、運転を停止するよう制御する。これにより、排ガスを燃料電池システムの外部に排出する排気経路に詰まりが生じた場合、排気経路内の圧力を検出し、水封構造の水封高さに対応する水圧差よりも小さい所定の圧力以上となった場合に、運転を停止することできる。

第５の発明は、第１〜第４のいずれかの発明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、前記燃料電池のアノード側に水素含有ガスを供給する水素生成器を備え、前記ガス供給路は、前記水素生成器に原料ガスを供給する原料ガス供給路を含み、かつ、前記排気経路は、前記燃料電池のアノード側から排出されるアノード排ガスを排出する排気経路を含む。これにより、排ガスを燃料電池システムの外部に排出する排気経路に詰まりが生じた場合、排気経路内の圧力を検出し、水封構造の水封高さに対応する水圧差よ
り小さくなるようにガス供給路を制御することで、アノード排ガスを含む排ガスが屋外へ流れ出すことを防止できる。

第６の発明は、第１〜第４のいずれかの発明の燃料電池システムにおいて、前記ガス供給路は、前記燃料電池のアノード側に水素含有ガスを供給する水素含有ガス生成器を含み、かつ、前記排気経路は、前記燃料電池のアノード側から排出されるアノード排ガスを排出する排気経路を含む。これにより、排ガスを燃料電池システムの外部に排出する排気経路に詰まりが生じた場合、排気経路内の圧力を検出し、水封構造の水封高さに対応する水圧差より小さくなるようにガス供給路を制御することで、アノード排ガスを含む排ガスが屋外へ流れ出すことを防止できる。

第７の発明は、第１〜第６のいずれかの発明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、可燃性ガス及び燃焼用空気を燃焼する燃焼器を備え、前記ガス供給路は、前記燃焼器に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給器を含み、かつ、前記排気経路は、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスを排出する排気経路を含む。これにより、排ガスを燃料電池システムの外部に排出する排気経路に詰まりが生じた場合、排気経路内の圧力を検出し、水封構造の水封高さに対応する水圧差より小さくなるようにガス供給路を制御することで、燃焼排ガスを含む排ガスが屋外へ流れ出すことを防止できる。

第８の発明は、特に、第７の発明の燃料電池システムにおいて、前記制御器は、前記燃焼器に供給される前記可燃性ガスが理論的に完全燃焼する空気の流量に対する前記燃焼用空気の流量の比である空燃比が１以上かつ所定の範囲内となるように、前記ガス供給路及び前記燃焼用空気供給器のうちの少なくとも１つを制御する。これにより、不完全燃焼を防止することが出来る。

第９の発明は、特に、第７の発明の燃料電池システムにおいて、前記制御器は、前記空燃比が１より大きい所定値未満となった場合に、運転を停止するよう制御する。これにより、完全燃焼が起こる前に運転を停止させることができる。

第１０の発明は、第１〜第９のいずれかの発明の燃料電池システムにおいて、前記ガス供給路は、前記筺体の内側のガスを前記筺体の外側に排出する換気器を含み、かつ、前記排気経路は、前記換気器から排出されるガスを排出する排気経路を含む。これにより、排ガスを燃料電池システムの外部に排出する排気経路に詰まりが生じた場合、排気経路内の圧力を検出し、水封構造の水封高さに対応する水圧差より小さくなるようにガス供給路を制御することで、排ガスが屋外へ流れ出すことを防止できる。

第１１の発明は、第１〜第１０のいずれかの発明の燃料電池システムにおいて、前記ガス供給路は、前記燃料電池のカソード側に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路を含み、かつ、前記排気経路は、前記燃料電池のカソード側から排出されるカソード排ガスを排出する排気経路を含む。これにより、排ガスを燃料電池システムの外部に排出する排気経路に詰まりが生じた場合、排気経路内の圧力を検出し、水封構造の水封高さに対応する水圧差より小さくなるようにガス供給路を制御することで、カソード排ガスが屋外へ流れ出すことを防止できる。

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に係る燃料電池システムの構成図を示すものである。

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、水素含有ガス生成器から成る燃料電池モジュール１０４、酸化剤ガス供給路１０３、水回収部１０５、及び制御器１１０を備える。

水素含有ガス生成器１０２には、ガス供給路１０６がガス供給路２０を介して接続されている。ガス供給路１０６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、ガス供給路１０６は、ガス供給路２０を介して水素含有ガス生成器に原料ガス（例えば、メタンを主成分とする都市ガス）を供給する。

水素含有ガス生成器では、ガス供給路１０６から供給されたガスから水素を含む水素含有ガスが生成される。

また、水素含有ガス生成器には、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、酸化剤ガス供給路１０３が、酸化剤ガス供給路２４を介して接続されている。酸化剤ガス供給路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、水素含有ガス生成器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、酸化剤ガス供給路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えて加湿してもよい。

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では、カソードで使用されなかった酸化剤ガス（以下、カソード排ガスという）は、排気口に接続された酸化剤ガス排出路２５を介して、燃料電池システム１００外に排出される。アノードで使用されなかった燃料ガス（以下、アノード排ガスという）は、排気口に接続された燃料ガス排出路２７を介して、燃料電池システム１００外に排出される。

カソード排ガス及びアノード排ガスが排出される排ガス排出路２８は、凝縮水経路３３と排気口に繋がる経路に分岐される。排ガス中に含まれる水分は凝縮によって、排ガス排出路２８から凝縮水経路３３を経て、水回収部１０５に貯えられる。一方、凝縮された水蒸気以外の排ガスは、排ガス排出路２８を介して排気口から燃料電池システム１００外に排出される。

水回収部１０５は、余った水を排出する排水経路３０が上部に接続されており、水回収部１０５の下部には、排ガス排出路２８に接続された凝縮水経路３３が接続されている。

燃料電池システム１００が停止中で、排ガス排出路２８に排ガスが通流していない場合には、凝縮水経路３３には、水回収部１０５の水面と同じ高さまで水が蓄えられている。一方、燃料電池システム１００の動作中で、排ガス排出路２８に排ガスが通流しているときには、排ガス排出路２８の圧力が凝縮水経路３３を介して凝縮水経路３３中の水面を押し下げるが、水回収部１０５に接続される凝縮水経路３３と排水経路３０との高低差で生じる水位分の水圧が排ガス排出路２８の圧力より大きければ、排ガスが凝縮水経路３３を経て水回収部１０５に通流してくることが無い。すなわち排ガスが排水経路３０に流れないような水封構造を備えていることになる。

また、燃料電池システム１００には、燃料電池１０１から発生したカソード排ガスとアノード排ガスを排出する排ガス排出路２８内の圧力を測定する圧力検出器３１を有している。

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。

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。

実際の動作ではまず、水素含有ガス生成器１０２に、ガス供給路１０６から原料ガスが供給され、水素を含有する水素含有ガスが生成される。

次に、水素含有ガス生成器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、酸化剤ガス供給路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、カソード排ガスとして、酸化剤ガス排出路２５に排出され、排ガス排出路２８を介して排気口から燃料電池システム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、アノード排ガスとして、燃料ガス排出路２７に排出され、排ガス排出路２８を介して排気口から燃料電池システム１００外に排出される。排ガス中に含まれる水分は凝縮によって、排ガス排出路２８から凝縮水経路３３を経て水回収部１０５に貯えられ、凝縮された水蒸気以外の燃焼排ガスは、排ガス排出路２８を介して排気口から燃料電池システム１００外に排出される。

水回収部１０５には、余った水を排出する排水経路３０が上部に接続されており、水回収部１０５の下部には、排ガス排出路２８に接続された凝縮水経路３３が接続されている。燃料電池システム１００が停止中で、排ガス排出路２８に排ガスが通流していない場合には、凝縮水経路３３には、水回収部１０５の水面と同じ高さまで水が蓄えられている。一方、燃料電池システム１００の動作中で、排ガス排出路２８に排ガスが通流しているときには、排ガス排出路２８の圧力が凝縮水経路３３を介して凝縮水経路３３中の水面を押し下げるが、水回収部１０５に接続される凝縮水経路３３と排水経路３０との高低差で生じる水位分の水圧差が排ガス排出路２８の圧力より大きければ、排ガスが凝縮水経路３３を経て水回収部１０５に通流してくることが無い。

燃料電池システム１００には、排ガス排出路２８内の圧力を測定する圧力検出器３１を有しており、圧力を測定している。排ガスを外部に排出する排ガス経路に詰まりが生じた場合、排ガス排出路２８内が高まり、水回収部１０５に接続される凝縮水経路３３と排水経路３０との高低差で生じる水位分の水圧差による水封構造が保てなくなる恐れがある。そこで、水封高さに対応する水圧差より小さくなるになるように、制御器１１０は水素含
有ガス供給量と酸化剤ガス供給量の両方もしくは少なくとも１つの供給量を減らすよう制御する。これによって、排ガスが水回収部１０５の排水経路３０から屋外へ流れ出すことを抑制することができる。なお、前記制御器１１０は、排ガス排出路２８内の圧力を測定する圧力検出器３１の圧力が、水封構造の水封高さに対応する水圧差よりも小さい所定の圧力以上となった場合に、運転を停止するよう制御しても良い。これによって、排ガスが水回収部の排水経路から屋外へ流れ出すことがなく、燃料電池システムを安全な状態のうちに停止させることができる。

また、本実施の形態では排ガス排出路２８内の圧力を測定する圧力検出器３１を設けたが、酸化剤ガス供給路２４内、酸化剤ガス排出路２５内、燃料ガス供給路２３内、燃料ガス排出路２７内のいずれの位置に設けても良い。

また、水封構造として図１では、水回収部１０５の下部に回収水の入水口を、上部に排水口を設けたが、図２（ａ）に示すように、水回収部の上蓋に下箱の底面部近傍までの長さの円筒管を有し、下箱上部に排水口を設ける構成としても良い。また、図２（ｂ）に示すように、Ｕ字構造の水封構造としても良く、水回収部としての構造体を設けることなく、ダクトの配管によってより簡単に水封構造を設けることが出来る。

なお、本実施の形態内では言及しなかったが、経路内の圧力を測定するための圧力検出器として差圧計を用いる場合には、経路内と燃料電池システム外との差圧を計測する方式とする方が望ましい。燃料電池システムを屋内設置すると、燃料電池システム内のガスが屋内に漏れ出さないようにするため、燃料電池システム筐体内に気密性を持たせ、燃料電池システム内部が負圧となるように設計する。経路内の圧力を測定するには、上記構成が望ましいが、困難な場合は事前に燃料電池システム内部の圧力を測定しておき、経路内と燃料電池システム内との差圧を計測し、補正する方法とすることも可能である。

（変形例１）
本実施の形態１の変形例１に係る燃料電池システム１００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。

制御器１１０では、外部から要求される負荷電力に対して、燃料電池１０１で発電する発電量（電流量）が算出され、この発電量を発電するために必要な燃料ガス量（水素含有ガス量）が算出される。そして、この燃料ガス量を生成するために、必要な原料ガス量と水量が算出される。制御器１１０は、算出した原料ガス量となるようにガス供給路１０６を制御する。

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。家庭の負荷電力に応じて発電量を変化させる場合があるが、その際は燃料電池１０１が発生する電流を検知して、燃料電池１０１に供給される燃料ガスに対する燃料電池１０１が消費する燃料ガスの割合、すなわち燃料ガス利用率（Ｕｆ）が適正な値（およそ７０〜８５％）となるように原料ガス供給量を制御する。このとき、燃料ガス利用率が高くなると、燃料電池１０１の発電効率は向上するが、燃料電池１０１内でフラッディングと呼ばれる凝縮水による流路閉塞が発生し、運転が継続できない恐れがある。一方、燃料ガス利用率が低くなると、フラッディングなどの問題は生じないが、燃料電池発電装置の発電効率が低下する。

変形例１では、排ガス排出路２８内の圧力を圧力検出器３１にて測定し、水封構造の水
封高さに対応する水圧差よりも小さくなるように、制御器１１０はガス供給路１０６を制御する。つまり、制御器１１０は燃料ガス供給量を減らすように制御する。その際、発電量がある一定値のままだと、燃料電池１０１が消費する燃料ガス量が変わらずに供給される燃料ガスが減少することから、燃料ガス利用率（Ｕｆ）が７０〜８５％を超えてしまい、燃料電池１０１内でフラッディングが発生し、運転が継続できない恐れがある。そこで、燃料ガス量の減少にあわせて、発電量を低下させることで、燃料電池１０１が消費する燃料ガス量と供給される燃料ガスが共に減少し、燃料ガス利用率（Ｕｆ）が７０〜８５％となるように燃料ガス供給量を制御することができる。すなわち、発電量を低下させることで燃料ガス量の不足を防止できるので、燃料電池１０１の発電運転を継続することができる。

なお、酸化剤ガス供給量の減少に合わせて発電量を低下させることで、酸素利用率（Ｕｏ）が適正な値（例えば３０〜６０％）となるように酸化剤ガス供給量を制御しても良い。さらに、燃料ガス供給量と酸化剤ガス供給量の両方を減少させて、発電量を低下させても良い。この時、燃料ガスもしくは酸化剤ガスの不足を防止するため、燃料ガス利用率（Ｕｆ）と燃料ガス供給量から求められる発電量と酸素利用率（Ｕｏ）と酸化剤ガス供給量から求められる発電量のうち、低い方の発電量とする方が望ましい。

（実施の形態２）
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構成図を示すものである。なお、第１の実施の形態と同様の構成要素については、図１と同一番号を付して説明を省略する。

図３に示すように、本実施の形態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と基本的な構成は同じであるが、燃料電池１０１から成る燃料電池モジュール１０４と水素含有ガス生成器１１１を備え、水素含有ガス生成器１１１からの燃料ガスが燃料電池１０１に直接供給される点が異なる。

以上のように構成された燃料電池システム１００の動作について、以下に説明する。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。

水素含有ガス生成器１１１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、酸化剤ガス供給路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、カソード排ガスとして、酸化剤ガス排出路２５に排出され、排ガス排出路２８を介して排気口から燃料電池システム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、アノード排ガスとして、燃料ガス排出路２７に排出され、排ガス排出路２８を介して排気口から燃料電池システム１００外に排出される。排ガス中に含まれる水分は凝縮によって、排ガス排出路２８から凝縮水経路３３を経て水回収部１０５に貯えられ、凝縮された水蒸気以外の燃焼排ガスは、排ガス排出路２８を介して排気口から燃料電池システム１００外に排出される。
水回収部１０５には、余った水を排出する排水経路３０が上部に接続されており、水回収部１０５の下部には、排ガス排出路２８に接続された凝縮水経路３３が接続されている。
燃料電池システム１００が停止中で、排ガス排出路２８に排ガスが通流していない場合には、凝縮水経路３３には、水回収部１０５の水面と同じ高さまで水が蓄えられている。一方、燃料電池システム１００の動作中で、排ガス排出路２８に排ガスが通流しているときには、排ガス排出路２８の圧力が凝縮水経路３３を介して凝縮水経路３３中の水面を押し下げるが、水回収部１０５に接続される凝縮水経路３３と排水経路３０との高低差で生じる水位分の水圧差が排ガス排出路２８の圧力より大きければ、排ガスが凝縮水経路３３を経て水回収部１０５に通流してくることが無い。

燃料電池システム１００には、排ガス排出路２８内の圧力を測定する圧力検出器３１を有しており、圧力を測定している。排ガスを外部に排出する排ガス経路に詰まりが生じた場合、排ガス排出路２８内が高まり、水回収部１０５に接続される凝縮水経路３３と排水経路３０との高低差で生じる水位分の水圧差による水封構造が保てなくなる恐れがある。そこで、水封高さに対応する水圧差より小さくなるように、制御器１１０は水素含有ガス供給量と酸化剤ガス供給量の両方もしくは少なくとも１つの供給量を減らすよう制御する。これによって、排ガスが水回収部１０５の排水経路３０から屋外へ流れ出すことを抑制することができる。

（実施の形態３）
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構成図を示すものである。なお、第１の実施の形態と同様の構成要素については、図１と同一番号を付して説明を省略する。

図４に示すように、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１０１、燃焼器１０２Ａを有する水素含有ガス生成器１０２から成る燃料電池モジュール１０４、酸化剤ガス供給路１０３、水回収部１０５、及び制御器１１０を備える。

水素含有ガス生成器１０２には、原料ガス供給路１０７及び水蒸気供給器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。原料ガス供給路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、原料ガス供給路１０７は、原料ガス供給路２１を介して水素含有ガス生成器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、水蒸気供給器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、水蒸気供給器１０８は、水供給路２２を介して水素含有ガス生成器１０２に水（ここでは、水道水）を供給する。

水道水を供給する場合、水道水中に含まれるカルシウムの堆積や塩素による配管の腐食等により、燃料電池システムの性能が経時的に劣化する為、これらの成分を除去する必要がある。このため、従来の燃料電池システムには、イオン交換樹脂等を備える浄水器（図示せず）が設けられている。

ところで、イオン交換樹脂等を備える浄水器によれば、水に含まれるカルシウムや塩素等の成分を十分に除去することが可能であるが、使用時間に応じてイオン交換樹脂等の浄水性能が劣化する。つまり、このイオン交換樹脂等を用いる構成では、浄水器を頻繁にメンテナンスする必要がある。これは、燃料電池システムのランニングコストを悪化させる要因となるため、燃料電池で発電に伴って生成する水や、燃料電池から排出される水分を含んだガスを冷却して得られる凝縮水等を回収して利用しても良い。

水素含有ガス生成器１０２では、原料ガス供給路１０７から供給された原料ガスと、水蒸気供給器１０８から供給された水蒸気と、を改質器（図示せず）で燃焼器１０２Ａの熱により改質反応させて、水素を含む水素含有ガスが生成される。そして、水素含有ガス生
成器１０２の変成器及び浄化器（共に図示せず）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、水素含有ガス生成器１０２で生成される燃料ガスには、水蒸気供給器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、水素含有ガス生成器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、酸化剤ガス供給路１０３が、酸化剤ガス供給路２４を介して接続されている。酸化剤ガス供給路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、水素含有ガス生成器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、酸化剤ガス供給路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えて加湿してもよい。

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では、カソードで使用されなかった酸化剤ガス（以下、カソード排ガスという）は、排気口に接続された酸化剤ガス排出路２５を介して、燃料電池システム１００外に排出される。

また、燃料電池１０１は、燃料ガス排出路２７を介して燃焼器１０２Ａと接続されている。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、アノード排ガスという）が排出される。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、アノード排ガスが、アノード排ガス排出路を介して供給され、空気が燃焼空気供給路２９を介して供給される。燃焼器１０２Ａでは、アノード排ガスと空気が燃焼され、燃焼排ガスが生成される。

なお、燃焼器１０２Ａは燃料電池１０１からアノード排ガスが燃焼用ガスとして供給されるように構成したが、これに限定されず、燃焼器１０２Ａに燃焼用ガスが原料ガス供給路から別途供給されるように構成しても良い。その際、アノード排ガスは燃焼排ガス排出路２６に直接排出されても良い。

燃焼排ガスが排出される燃焼排ガス排出路２６は、凝縮水経路３３と排気口に繋がる経路に分岐される。燃焼排ガス中に含まれる水分は凝縮によって、燃焼排ガス排出路２６から凝縮水経路３３を経て、水回収部１０５に貯えられる。一方、凝縮された水蒸気以外の燃焼排ガスは、排ガス排出路２８を介して排気口から燃料電池システム１００外に排出される。

水回収部１０５は、余った水を排出する排水経路３０が上部に接続されており、水回収部１０５の下部には、燃焼排ガス排出路２６に接続された凝縮水経路３３が接続されてい
る。
燃料電池システム１００が停止中で、燃焼排ガス排出路２６に燃焼排ガスが通流していない場合には、凝縮水経路３３には、水回収部１０５の水面と同じ高さまで水が蓄えられている。一方、燃料電池システム１００の動作中で、燃焼排ガス排出路２６に燃焼排ガスが通流しているときには、燃焼排ガス排出路２６の圧力が凝縮水経路３３を介して凝縮水経路３３中の水面を押し下げるが、水回収部１０５に接続される凝縮水経路３３と排水経路３０との高低差で生じる水位分の水圧が燃焼排ガス排出路２６の圧力より大きければ、燃焼排ガスが凝縮水経路３３を経て水回収部１０５に通流してくることが無い。すなわち燃焼外ガスが排水経路３０に流れないような水封構造を備えていることになる。

また、燃料電池システム１００には、燃焼器１０２Ａで発生した燃焼排ガスと燃料電池１０１から発生したカソード排ガスを排出する排ガス排出路２８内の圧力を測定する圧力検出器３１を有している。

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。

次に、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００の動作について、図４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、水素含有ガス生成器１０２に、原料ガス供給路１０７から原料ガスが供給され、また、水蒸気供給器１０８から水蒸気が供給される。水素含有ガス生成器１０２の改質器（図示せず）では、原料ガスと水蒸気とが改質反応して、水素を含有する水素含有ガスが生成される。そして、水素含有ガス生成器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、水素含有ガス生成器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、酸化剤ガス供給路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、カソード排ガスとして、酸化剤ガス排出路２５に排出され、排ガス排出路２８を介して排気口から燃料電池システム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、アノード排ガスとして、燃料ガス排出路２７に排出される。燃料ガス排出路２７に排出されたアノード排ガスは、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、アノード排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、燃焼排ガス中に含まれる水分は凝縮によって、燃焼排ガス排出路２６から凝縮水経路３３を経て水回収部１０５に貯えられ、凝縮された水蒸気以外の燃焼排ガスは、排ガス排出路２８を
介して排気口から燃料電池システム１００外に排出される。よって燃料電池システム１００の発電動作中には、カソード排ガス、燃焼排ガス及び本体内のガスが排ガス排出路２８を介して排気口に排出される。

この時、燃焼器１０２Ａに供給される可燃性ガス（アノード排ガス）が理論的に完全燃焼する空気の流量に対する燃焼空気の流量の比である空燃比は、１以上かつ所定の範囲内となるように、アノード排ガス量及び燃焼空気量を制御し、適切な燃焼範囲で設定する。例えば、空燃比は１〜２．５の範囲で設定することが望ましい。

なお、前記空燃比は１より大きい所定値未満（例えば、１．２）となった場合に運転を停止しても良い。しかしながら、過渡的に空燃比が１を下回った場合においても、即座に排ガス中に一酸化炭素が多量に発生することは無い為、空燃比が数分間所定値未満となった場合に運転を停止しても良い。

水回収部１０５には、余った水を排出する排水経路３０が上部に接続されており、水回収部１０５の下部には、燃焼排ガス排出路２６に接続された凝縮水経路３３が接続されている。燃料電池システム１００が停止中で、燃焼排ガス排出路２６に燃焼排ガスが通流していない場合には、凝縮水経路３３には、水回収部１０５の水面と同じ高さまで水が蓄えられている。一方、燃料電池システム１００の動作中で、燃焼排ガス排出路２６に燃焼排ガスが通流しているときには、燃焼排ガス排出路２６の圧力が凝縮水経路３３を介して凝縮水経路３３中の水面を押し下げるが、水回収部１０５に接続される凝縮水経路３３と排水経路３０との高低差で生じる水位分の水圧差が燃焼排ガス排出路２６の圧力より大きければ、燃焼排ガスが凝縮水経路３３を経て水回収部１０５に通流してくることが無い。

燃料電池システム１００には、排ガス排出路２８内の圧力を測定する圧力検出器３１を有しており、圧力を測定している。燃焼排ガスを外部に排出する燃焼排ガス経路に詰まりが生じた場合、排ガス排出路２８内が高まり、水回収部１０５に接続される凝縮水経路３３と排水経路３０との高低差で生じる水位分の水圧差による水封構造が保てなくなる恐れがある。そこで、水封高さに対応する水圧差より小さくなるように、制御器１１０は水素含有ガス供給量、酸化剤ガス供給量及び燃焼用空気供給量のうちの少なくとも１つの供給量を減らすよう制御する。これによって、燃焼排ガスが水回収部の排水経路から屋外へ流れ出すことを抑制することができる。なお、本実施の形態では、酸化剤ガス排出路２５と燃焼排ガス排出路２６が合流して排ガス排出路２８となり、排ガス排出路２８が排気口に接続される構成としたが、各排出路が排気口に接続される構成であれば良く、例えば酸化剤ガス排出路２５と燃焼排ガス排出路２６がそれぞれ排気口に接続される構成としても良い。

また、本実施の形態では排ガス排出路２８内の圧力を測定する圧力検出器３１を設けたが、燃焼空気供給路２９内、燃焼排ガス排出路２６内、酸化剤ガス供給路２４内、酸化剤ガス排出路２５内、燃料ガス供給路２３内、燃料ガス排出路２７内、換気空気供給路３７内のいずれの位置に設けても良い。

（実施の形態４）
図５は本発明の第４の実施の形態における燃料電池システムの構成図を示すものである。
なお、第１の実施の形態と同様の構成要素については、図１と同一番号を付して説明を省略する。図５に示すように、本実施の形態４に係る燃料電池システム１００は、実施の形態３に係る燃料電池システムと基本的な構成は同じであるが、換気空気供給路３６及び換気空気供給路３７を備えている点が異なる。

以上のように構成された燃料電池システム１００の動作について、以下に説明する。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。

換気空気供給路３６は、換気空気供給路３７を介して、排ガス排出路２８と接続されている。これによって、燃料電池システム１００内のガス（主に空気）が、換気空気供給路３７及び排ガス排出路２８を介して、排気口に排出され、燃料電池システム１００内が換気される。
燃料電池システム１００には、排ガス排出路２８内の圧力を測定する圧力検出器３１を有しており、圧力を測定している。燃焼排ガスを外部に排出する燃焼排ガス経路に詰まりが生じた場合、排ガス排出路２８内が高まり、水回収部１０５に接続される凝縮水経路３３と排水経路３０との高低差で生じる水位分の水圧差による水封構造が保てなくなる恐れがある。そこで、水封高さに対応する水圧差より小さくなるように、制御器１１０は水素含有ガス供給量、酸化剤ガス供給量及び燃焼用空気供給量のうちの少なくとも１つの供給量を減らすよう制御する。これによって、燃焼排ガスが水回収部の排水経路から屋外へ流れ出すことを抑制することができる。

なお、本実施の形態では、換気空気供給路３６は、換気空気供給路３７を介して、排ガス排出路２８と接続する構成としたが、換気空気供給路３６は、燃料電池システム１００内を換気することが出来ればどのような構成であっても良く、例えば排気口に直接接続されるように構成しても良い。

以上のように、本発明の燃料電池システムは、排ガス経路内の凝縮水を回収する水回収部に水封構造を設けることで、排ガスを外部に排出する排出路に詰まりが生じた場合においても、排ガス経路内の圧力が水封構造の水封高さに対応する水圧差より小さくなるように運転を制御することで、排ガスが水回収部の排水経路から屋外へ流れ出すことを抑制することができる為、屋内設置を含めた様々な形態の燃料電池システムに適用できる。

２０ ガス供給路
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 燃焼排ガス排出路
２７ 燃料ガス排出路
２８ 排ガス排出路
２９ 燃焼空気供給路
３０ 排水経路
３１ 圧力検出器
３２ 圧力検出器
３３ 凝縮水経路
３４ 圧力検出器
３５ 圧力検出器
３６ 換気空気供給路
３７ 換気空気供給路
１００ 燃料電池システム
１０１ 燃料電池
１０２ 水素含有ガス生成器
１０２Ａ 燃焼器
１０３ 酸化剤ガス供給路
１０４ 燃料電池モジュール
１０５ 水回収部
１０６ ガス供給路
１０７ 原料ガス供給路
１０８ 水蒸気供給器
１０９ 燃焼空気供給器
１１０ 制御器
１１１ 水素含有ガス生成器

Claims (11)

1. アノード及びカソードを有し、水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池を備える燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールを収納する筺体と、
   前記燃料電池モジュールから排出された排ガスを前記筺体の外側へ排出する排気経路と、
   前記燃料電池モジュールにガスを供給するガス供給路と、
   前記排気経路に接続され、前記排ガスの中に含まれる水分が凝縮して発生する凝縮水を排出する凝縮水経路と、
   前記凝縮水経路に接続され、凝縮水を回収する水回収部と、
   前記水回収部から凝縮水を排出する排水経路と、
   前記ガス供給路と前記燃料電池モジュールとを接続する経路、及び、前記排気経路のうちの少なくとも１つの経路内の圧力を測定する圧力検出器と、
   制御器と、
   を備え、
   前記水回収部は、前記排ガスが前記排水経路に流れないように水封する水封構造を有し、
   前記制御器は、前記圧力検出器で測定される圧力が、前記水封構造の水封高さに対応する水圧差より小さくなるように、制御する、
   燃料電池システム。
2. 前記制御器は、前記圧力検出器で測定される圧力が、前記水封構造の水封高さに対応する水圧差より小さくなるように、前記ガス供給路を制御する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御器は、前記圧力検出器で測定される圧力が、前記水封構造の水封高さに対応する水圧差より小さくなるように、前記ガス供給路の供給ガス量に合わせて、発電量を変化させる、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御器は、前記圧力検出器で測定される圧力が、前記水封構造の水封高さに対応する水圧差よりも小さい所定の圧力以上となった場合に、運転を停止するよう制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池モジュールは、前記燃料電池のアノード側に水素含有ガスを供給する水素生成器を備え、
   前記ガス供給路は、前記水素生成器に原料ガスを供給する原料ガス供給路を含み、かつ、前記排気経路は、前記燃料電池のアノード側から排出されるアノード排ガスを排出する排気経路を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記ガス供給路は、前記燃料電池のアノード側に水素含有ガスを供給する水素含有ガス生成器を含み、かつ、前記排気経路は、前記燃料電池のアノード側から排出されるアノード排ガスを排出する排気経路を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池モジュールは、可燃性ガス及び燃焼用空気を燃焼する燃焼器を備え、
   前記ガス供給路は、前記燃焼器に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給器を含み、かつ、前記排気経路は、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスを排出する排気経路を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記制御器は、前記燃焼器に供給される前記可燃性ガスが理論的に完全燃焼する空気の流量に対する前記燃焼用空気の流量の比である空燃比が１以上かつ所定の範囲内となるように、前記ガス供給路及び前記燃焼用空気供給器のうちの少なくとも１つを制御する、
   請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記制御器は、前記空燃比が１より大きい所定値未満となった場合に、運転を停止するよう制御する、
   請求項７に記載の燃料電池システム。
10. 前記ガス供給路は、前記筺体の内側のガスを前記筺体の外側に排出する換気器を含み、かつ、前記排気経路は、前記換気器から排出されるガスを排出する排気経路を含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
11. 前記ガス供給路は、前記燃料電池のカソード側に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路を含み、かつ、前記排気経路は、前記燃料電池のカソード側から排出されるカソード排ガスを排出する排気経路を含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。