JP2017062973A - 燃料電池システム - Google Patents

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潤 岩見
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Toshiya Mido
俊哉 御堂
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Abstract

【課題】改質部にて改質された改質ガスの一部をリサイクルする燃料電池システムの低コスト化を図ることを目的とする。【解決手段】燃料電池システム１は、水タンク１４と、改質ガスの一部をリサイクルするためのリサイクルガス管３９と、リサイクルガス管３９に生じるドレイン水を改質水として水タンク１４に導出するドレイン管４０と、を備えている。水タンク１４は、その水位が所定水位Ｌｓ以上となるように調整可能に構成されている。所定水位Ｌｓは、ドレイン管４０内における改質ガスと改質水との境界面Ｓｋに最大圧力に係る所定圧力Ｐｓの改質ガスを作用させ、かつ、改質ガスが水タンク１４内に流出する限界面である封水限界面Ｓｈと同一高さに境界面Ｓｋを位置させた場合における、水タンク１４の水位である。【選択図】 図３

Description

本発明は、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、改質用原料供給流路１４を通して供給される改質用原料中の硫黄成分を除去するための脱硫器２２と、脱硫された改質用原料を改質するための改質器４と、改質用原料及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタック６とを備えている。この燃料電池システムは、脱硫器２２による改質用原料の脱硫反応を水素が含まれる条件下で行うため、改質器４で改質された改質改質用原料である改質ガスの一部を脱硫器２２に戻すためのリサイクル流路４８が設けられている。このリサイクル流路４８にはリキッドドレイナ６０が配設されている。リキッドドレイナ６０は、改質ガスが冷却されることにより凝縮された改質ガス中の水分（ドレイン水）を留めるスチームトラップである。ドレイン水は、リキッドドレイナ６０から排水流路（図示なし）を介して外部に排出される。
特開２０１１−１５９４８５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、リキッドドレイナ６０の故障を考慮して、リサイクル流路４８を流通する改質ガスが排水流路を介して外部に排出されないために、例えばＵ字管等の水封構造を設ける場合がある。この場合、部品点数が多くなることにより、燃料電池システムが高コスト化する。一方、燃料電池システムにおいては、普及率向上等のため、低コスト化の要請がある。
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、改質部にて改質された改質ガスの一部をリサイクルする燃料電池システムの低コスト化を図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に係る燃料電池システムは、水素を含む改質ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、改質水から水蒸気を生成する蒸発部と、改質用原料と水蒸気とから改質ガスを生成し、かつ、燃料電池に供給する改質部と、改質用原料に含まれる硫黄成分を水素によって除去し、かつ、改質用原料を改質部に供給する脱硫器と、改質部から燃料電池に改質ガスを供給する改質ガス供給管と、脱硫器に改質用原料を供給する改質用原料供給管とを接続し、改質ガスの一部をリサイクル燃料として脱硫器に戻すリサイクルガス管と、一端にリサイクルガス管に生じるドレイン水を導入するドレイン水導入口を有するとともに、他端にドレイン水を導出するドレイン水導出口を有するドレイン管と、改質水を内部に貯留するとともに、ドレイン水導入口より下方にてドレイン水導出口に接続され、かつ、ドレイン水を改質水として内部に導入する改質水導入口を有する水タンクと、を備えた燃料電池システムであって、水タンクは、その水位が所定水位以上となるように調整可能に構成され、所定水位は、ドレイン管内の改質ガスと改質水との境界面に最大圧力に係る所定圧力の改質ガスを作用させ、かつ、改質ガスが水タンク内に流出する限界面である封水限界面と同一高さに境界面を位置させた場合における、水タンクの水位である。
これによれば、水タンクの水位が所定水位以上となるように調整されることにより、水タンクに貯留されている改質水によって、改質ガスが水タンクを通って外部に流出することが抑制される。すなわち、水タンクおよびドレイン管によって改質ガスに対する水封構造を構成することができる。よって、従来技術のようなスチームトラップやＵ字管等の水封部材が不要となる。したがって、部品点数を低減することができるため、燃料電池システムの低コスト化を図ることができる。
本発明による燃料電池システムの第一実施形態の概要を示す概略図である。 図１に示す水タンク、ドレイン管およびリサイクルガス管の断面図であり、タンク内の水量が限界水量である場合に、改質ガスが境界面に作用していない状態を表している。 図１に示す水タンクおよびドレイン管を示す断面図であり、タンク内の水量が限界水量である場合に、所定圧力の改質ガスが境界面に作用している状態を表している。 図１に示す水タンクおよびドレイン管を示す断面図であり、タンク内の水量が所定水量である場合に、正常圧力範囲内における最小圧力の改質ガスが境界面に作用している状態を表している。 図１に示す水タンク、ドレイン管およびリサイクルガス管を示す断面図であり、タンク内の水量が所定水量である場合に、所定圧力の改質ガスが境界面に作用している状態を表している。 図１に示す燃料電池システムのブロック図である。 本発明による燃料電池システムの第二実施形態の概要を示す概略図である。 本発明による燃料電池システムの第三実施形態の概要を示す概略図である。 本発明による燃料電池システムの各実施形態のドレイン管の変形例を示す断面図である。
以下、本発明による燃料電池システムの第一実施形態について説明する。図１に示すように、燃料電池システム１は、発電ユニット１０および貯湯槽２１を備えている。発電ユニット１０は、筐体１０ａ、燃料電池モジュール１１、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、および制御装置１５を備えている。
燃料電池モジュール１１は、後述するように燃料電池３４を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール１１は、改質用原料、改質水およびカソードエアが供給されている。具体的には、燃料電池モジュール１１は、一端が供給源Ｇｓに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端が水タンク１４に接続されて改質水が供給される水供給管１１ｂの他端が接続されている。水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。
熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１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２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。具体的には、貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。貯湯水循環ライン２２上には、貯湯槽２１の下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ２２ａおよび熱交換器１２が配設されている。熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続（貫設）されている。熱交換器１２には、凝縮水供給管１２ａの一端が接続されている。
熱交換器１２において、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って熱交換器１２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われ冷却されるとともに燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮される。冷却後の燃焼排ガスは排気管１１ｄを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される。なお、水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。
上述した熱交換器１２、貯湯槽２１および貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。
さらに、インバータ装置１３は、燃料電池３４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１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。また、インバータ装置１３は、系統電源１６ａからの交流電圧を電源ライン１６ｂを介して入力し所定の直流電圧に変換して補機（各ポンプ、ブロワなど）や制御装置１５に出力する。なお、制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システム１の運転を制御する。
次に、改質用原料供給管１１ａに関して詳述する。改質用原料供給管１１ａには、上流から順番に遮断弁１１ａ１（本発明の遮断装置に相当）、圧力センサ１１ａ２、流量センサ１１ａ３、圧力調整装置１１ａ４、原料ポンプ１１ａ５および脱硫器１１ａ６が設けられている。遮断弁１１ａ１、圧力センサ１１ａ２、流量センサ１１ａ３、圧力調整装置１１ａ４、原料ポンプ１１ａ５および脱硫器１１ａ６は、筐体１０ａ内に収納されている。
遮断弁１１ａ１は、改質用原料の供給を遮断可能とするものである。遮断弁１１ａ１は、制御装置１５の指令によって改質用原料供給管１１ａを開閉自在に遮断する弁（２連弁）である。圧力センサ１１ａ２は、燃料電池３４に供給されている燃料（改質用原料）の圧力（特に圧力センサ１１ａ２の設置場所の圧力）を検出するものであり、その検出結果を制御装置１５に送信している。流量センサ１１ａ３は、燃料電池３４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１５に送信している。
圧力調整装置１１ａ４は、入力した改質用原料の圧力を所定の圧力に調整して出力する。例えば、圧力調整装置１１ａ４は、入力した改質用原料の圧力を大気圧にて出力するゼロガバナで構成されている。圧力調整装置１１ａ４は、改質用原料供給管１１ａの原料ポンプ１１ａ５より１次側を後述するリサイクルガス管３９に対して圧力を低くするためのものである。圧力調整装置１１ａ４が、改質用原料供給管１１ａをリサイクルガス管３９より低圧とすることにより、改質ガスがリサイクルガス管３９を流通する。
原料ポンプ１１ａ５は、燃料電池３４に改質用原料を供給する原料供給装置であり、制御装置１５からの制御指令値にしたがって供給源Ｇｓからの改質用原料の供給量（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１１ａ５は、改質用原料を吸入し改質部３３に圧送する圧送装置である。
脱硫器１１ａ６は、改質用原料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を水素によって除去し、かつ、改質用原料を改質部３３に供給するものである。脱硫器１１ａ６内には、触媒および超高次脱硫剤が収容されている。触媒においては、硫黄化合物と水素とが反応して硫化水素が発生する。例えば、触媒は、ニッケル−モリブデン系、コバルト−モリブデン系である。超高次脱硫剤としては、例えば銅−亜鉛系脱硫剤、銅−亜鉛−アルミニウム系脱硫剤などを用いることができる。超高次脱硫剤は、触媒にて硫黄化合物から変換された硫化水素を取り込んで除去する。このような超高次脱硫剤は、２００〜３００℃（例えば２５０〜３００℃）の高温状態で優れた脱硫作用を発揮する。したがって、脱硫器１１ａ６は、内部が２００〜３００℃（例えば２５０〜３００℃）の高温状態となる箇所に配置されている。例えば、脱硫器１１ａ６は、後述する燃焼部３６によって高温状態となる燃料電池モジュール１１のケーシング３１内、またはケーシング３１外面に配置されている。
燃料電池システム１は、脱硫剤として超高次脱硫剤を用いることに関連して、改質部３３にて改質された改質ガスの一部が改質用原料供給管１１ａに戻されるように構成されている。具体的には、改質ガスを戻すためのリサイクルガス管３９が設けられている。リサイクルガス管３９の一端は、改質部３３から燃料電池３４に改質ガスを供給する改質ガス供給管３８に接続されている。リサイクルガス管３９の他端は、改質用原料供給管１１ａの脱硫器１１ａ６の上流位置、さらに具体的には、改質用原料供給管１１ａの原料ポンプ１１ａ５の配設部位と圧力調整装置１１ａ４の配設部位との間にて接続されている。これにより、改質部３３から改質ガス供給管３８を通して流れる改質ガスの一部がリサイクル燃料としてリサイクルガス管３９を通して改質用原料供給管１１ａに戻される。後述するように改質ガスには水素が含まれている。
このように、改質ガスの一部が改質用原料供給管１１ａに戻されることにより、改質ガス中の水素が改質用原料に混合されて改質用原料供給管１１ａを通して脱硫器１１ａ６内の超高次脱硫剤に送給される。その結果、改質用原料中の硫黄化合物が水素と反応して硫化水素が発生し、その硫化水素が超高次脱硫剤によって除去される。
リサイクルガス管３９には、オリフィス３９ａが設けられている。オリフィス３９ａには流路孔が設けられ、流路孔によってリサイクルガス管３９を通して戻される改質ガスの流量を所定流量に調整する。
また、リサイクルガス管３９は、後述する燃焼部３６によって高温状態となる燃料電池モジュール１１内から、燃料電池モジュール１１内より低温の燃料電池モジュール１１外にかけて配設されている。これにより、燃料電池モジュール１１内において比較的高温であった改質ガスの温度は、燃料電池モジュール１１外を通るときに低下するため、改質ガスに含まれる水蒸気が凝縮されて、ドレイン水（凝縮水）が生成される。このドレイン水が改質用原料供給管１１ａに流入しないように、オリフィス３９ａおよびオリフィス３９ａよりも上流側にてドレイン管４０の一端がリサイクルガス管３９に配設されている。リサイクルガス管３９においては、オリフィス３９ａより上流側が正圧となるため、ドレイン水がオリフィス３９ａを通らずにドレイン管４０に流入する。
ドレイン管４０は、図２に示すように、一端にリサイクルガス管３９に生じるドレイン水を導入するドレイン水導入口４０ａを有するとともに、他端にドレイン水を導出するドレイン水導出口４０ｂを有するものである。ドレイン管４０は、ドレイン水導入口４０ａがリサイクルガス管３９の導出口３９ｂに接続されている。また、ドレイン管４０は、一端（ドレイン水導入口４０ａ）から垂下するように配設されている。さらに、ドレイン管４０は、他端部が屈曲されて、ドレイン水導出口４０ｂが水タンクに接続されている。これにより、リサイクルガス管３９からのドレイン水は、ドレイン管４０を通って水タンク１４に導出される。
次に、水タンク１４の詳細について説明する。水タンク１４は、改質水を貯留するものである。水タンク１４は、熱交換器１２からの凝縮水およびドレイン管４０からのドレイン水を改質水として貯留する。水タンク１４は、上方を開口する有底筒状に形成されている。水タンク１４には、改質水導入口１４ａ、改質水排出口１４ｂおよび改質水導出口１４ｃが形成されている。
改質水導入口１４ａは、ドレイン水導入口４０ａより下方にてドレイン水導出口４０ｂに接続され、ドレイン管４０からのドレイン水を改質水として水タンク１４の内部に導入するものである。改質水導入口１４ａは、水タンク１４の側壁の下端部に、水平方向に沿って延びるように形成されている。
改質水排出口１４ｂは、水タンク１４に貯留されている改質水を外部に排出するものである。改質水排出口１４ｂは、水タンク１４の側壁の上端部にドレイン水導入口４０ａより下方に位置するように形成されている。
改質水導出口１４ｃは、水供給管１１ｂが接続され、水タンク１４の改質水を水供給管１１ｂに導出するものである。改質水導出口１４ｃは、水タンク１４の側壁の下端部に形成されている。これにより、水タンク１４の底部における改質水の滞留を抑制できるため、改質水の水質の低下を抑制することができる。
また、水タンク１４は、その水位が所定水位Ｌｓ以上となるように調整可能に構成されている。なお、本明細書において、水位は、水タンク１４の底面１４ｄから水タンク１４の水面Ｓｍまでの高さとする。所定水位Ｌｓは、リサイクルガス管３９からドレイン管４０に流入した改質ガスが、水タンク１４の内部を通って外部に流出しないように調整されている。すなわち、所定水位Ｌｓが改質水導入口１４ａより上方となるように調整され、ドレイン管４０内にも改質水が貯められることにより、改質ガスに対する水封構造が構成される（図３乃至図５参照）。
所定水位Ｌｓは、具体的には、ドレイン管４０内の改質ガスと改質水との境界面Ｓｋに所定圧力Ｐｓの改質ガスを作用させ、かつ、封水限界面Ｓｈと同一高さに境界面Ｓｋを位置させた場合における、水タンク１４の水位である。所定圧力Ｐｓは、最大圧力に係る改質ガスの圧力Ｐｋである。所定圧力Ｐｓは、具体的には、改質ガスの最大圧力に安全率を乗じたものである。すなわち、所定圧力Ｐｓは、改質ガスの最大圧力以上の改質ガスの圧力Ｐｋである。最大圧力は、燃料電池システム１の運転中における改質ガスの圧力Ｐｋの正常圧力範囲内における最大の圧力である。また、封水限界面Ｓｈは、改質ガスが水タンク１４内に流出する限界面である。すなわち、境界面Ｓｋが、封水限界面Ｓｈより下方に位置した場合、改質ガスがドレイン管４０から水タンク１４内を通って外部に流出する。本実施形態においては、改質水導入口１４ａの上端と同一高さの水平面である。
まず、水タンク１４に貯留されている改質水の量である改質水量Ｑが限界水量Ｑ０である場合に、境界面Ｓｋに改質ガスが作用していないときについて説明する。限界水量Ｑ０は、所定圧力Ｐｓの改質ガスが境界面Ｓｋに作用した場合に、改質ガスが水タンク１４に流出しない最小の改質水量Ｑである。境界面Ｓｋに改質ガスが作用していないとき、水タンク１４の水面Ｓｍおよび境界面Ｓｋには、大気圧のみが作用しているため、水タンク１４の水位および境界面Ｓｋは、限界水量Ｑ０における初期水位Ｌ０にて同一高さとなる。そして、この状態において、境界面Ｓｋに所定圧力Ｐｓの改質ガスが作用した場合、図３に示すように、境界面Ｓｋが封水限界面Ｓｈと同一高さに位置し、かつ、水タンク１４の水位が所定水位Ｌｓとなった状態にて、改質水が静止する。この場合、水タンク１４の改質水が、所定圧力Ｐｓの改質ガスを遮断して、改質ガスの外部への流出を防いでいる。
また、この場合、境界面Ｓｋ（封水限界面Ｓｈ）に作用する力が釣り合っている。すなわち、この場合、改質ガスの所定圧力Ｐｓと、水タンク１４に貯留されている改質水による封水限界面Ｓｈに生じる圧力（＝大気圧Ｐ０＋改質水の密度ρ×所定圧力換算高さＨｓ×重力加速度ｇ）とが釣り合っているため、式（１）が成立する。所定圧力換算高さＨｓは、境界面Ｓｋから水面Ｓｍまでの高さであり、所定圧力Ｐｓが水タンク１４に貯留されている改質水の高さに置き換えられた（換算された）ものである。所定圧力Ｐｓが予め導出されている場合、式（１）により所定圧力換算高さＨｓを導出することができるため、式（２）によって所定水位Ｌｓを算出することができる。封水限界面高さＨｈは、封水限界面Ｓｈの水位である。
（数１）
所定圧力Ｐｓ＝大気圧Ｐ０＋改質水の密度ρ×所定圧力換算高さＨｓ×重力加速度ｇ
（数２）
所定水位Ｌｓ＝所定圧力換算高さＨｓ＋封水限界面高さＨｈ
また、水タンク１４には、水位センサ４１（本発明中の水位検出装置に相当）が配設されている。水位センサ４１は、水タンク１４の水位を検出するものである。水位センサ４１は、例えば、フロート４１ａを有するリードスイッチ式の水位センサ４１である。水位センサ４１は、水タンク１４の水位が所定水位Ｌｓ以上である場合にオン信号を、水タンク１４の水位が所定水位Ｌｓより低い場合にオフ信号を制御装置１５に出力する。後述するように、水位センサ４１によって検出された水位が所定水位Ｌｓより低下した場合（水位センサ４１の検出信号がオフ信号である場合）、改質ガスの流出を防止できない場合があるため、燃料電池システム１の運転が停止される。
一方、改質ガスの圧力Ｐｋは、改質用原料の流量の変化等によって変動する。よって、図３に示す状態において、改質ガスの圧力Ｐｋが所定圧力Ｐｓより低下した場合、水タンク１４の水位が所定水位Ｌｓより低下する。この場合、改質ガスの圧力Ｐｋが正常圧力範囲であるにもかかわらず、燃料電池システム１の運転が停止されるときがある。これを防ぐために、改質ガスの圧力Ｐｋが正常圧力範囲内にて変動した場合、水タンク１４の水位が所定水位Ｌｓより高い位置に位置するように、燃料電池システム１の運転が開始される前に水タンク１４に貯留される改質水量Ｑが調整される。すなわち、図４に示すように、改質ガスの圧力Ｐｋの正常圧力範囲内における最小圧力Ｐｍｉｎの改質ガスが境界面Ｓｋに作用した場合、水タンク１４の水位が所定水位Ｌｓより高くなるように、改質水量Ｑが限界水量Ｑ０より多い所定水量Ｑｓに調整される。なお、所定圧力Ｐｓよい小さい最小圧力Ｐｍｉｎの改質水が境界面Ｓｋに作用した場合における境界面Ｓｋと水タンク１４の水面Ｓｍとの高さの差である最小圧力換算高さＨｍは、所定圧力換算高さＨｓより低くなる。
また、図４に示す状態において、所定圧力Ｐｓの改質水が境界面Ｓｋに作用した場合、図５に示すように、境界面Ｓｋが低下して、水タンク１４の水位が上昇する。この場合、境界面Ｓｋから水タンク１４の水面Ｓｍまで高さが所定圧力換算高さＨｓに相当するが、改質水量Ｑが限界水量Ｑ０より多い所定水量Ｑｓであるため、境界面Ｓｋが封水限界面Ｓｈより上方に位置するとともに、水タンク１４の水面Ｓｍが所定水位Ｌｓより上方に位置する。
また、図５に示すように、所定水量Ｑｓである場合において、所定圧力Ｐｓの改質水が境界面Ｓｋに作用したときにおける水タンク１４の水位よりも上方に、改質水排出口１４ｂが設けられている。リサイクルガス管３９からのドレイン水の量や熱交換器１２からの凝縮水の量の増加によって改質水量Ｑが増加することにより、水タンク１４の水位が上昇して改質水排出口１４ｂに達した場合、改質水が改質水排出口１４ｂより外部に排出される。よって、水タンク１４の水位は、改質水排出口１４ｂより上昇することが抑制される。一方、境界面Ｓｋは、水タンク１４の水位の変位に合わせて水タンク１４の水位以下で変位するため（図２乃至図５参照）、改質水排出口１４ｂの位置より上昇することが抑制される。上述したように、改質水排出口１４ｂがドレイン管４０のドレイン水導入口４０ａより下方に位置する。よって、境界面Ｓｋがドレイン水導入口４０ａに到達しないため、改質水は、リサイクルガス管３９に流入しない。
燃料電池モジュール１１（３０）は、図１に示すように、ケーシング３１、蒸発部３２、改質部３３および燃料電池３４を備えている。ケーシング３１は、断熱性材料で箱状に形成されている。
蒸発部３２は、改質水から水蒸気を生成するものである。蒸発部３２は、具体的には、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。また、蒸発部３２は、供給された改質用原料を予熱する。蒸発部３２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とを混合して改質部３３に供給する。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。
蒸発部３２には、一端（下端）が水タンク１４の改質水導出口１４ｃに接続された水供給管１１ｂの他端が接続されている。また、蒸発部３２には、一端が供給源Ｇｓに接続された改質用原料供給管１１ａが接続されている。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。
改質部３３は、改質用原料と水蒸気とから改質ガスを生成し、かつ、燃料電池３４に供給するものである。改質部３３は、具体的には、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３２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。改質部３３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などを含んだガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。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。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。
燃料電池３４は、改質ガスと酸化剤ガスにより発電するものである。燃料電池３４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３４ａが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３４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。
セル３４ａ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３４ｂが形成されている。セル３４ａ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３４ｃが形成されている。燃料電池３４は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する。
燃料電池３４は、マニホールド３５上に設けられている。マニホールド３５には、改質部３３からの改質ガスが改質ガス供給管３８を介して供給される。燃料流路３４ｂは、その下端（一端）がマニホールド３５の燃料導出口（図示なし）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。カソードエアブロワ１１ｃ１によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管１１ｃを介して供給され、空気流路３４ｃ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。
燃焼部３６は、燃料電池３４と蒸発部３２および改質部３３との間に設けられている。燃焼部３６は、燃料電池３４からのアノードオフガス（燃料オフガス）と燃料電池３４からのカソードオフガス（酸化剤オフガス）とが燃焼されて改質部３３を加熱する。燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されて火炎３７が発生している。燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されてその燃焼排ガスが発生している。また、燃焼部３６は、燃料電池モジュール１１内の温度を燃料電池３４の動作温度にする。
制御装置１５は、遮断弁１１ａ１を少なくとも制御するものである。また、制御装置１５は、図６に示すように、遮断制御部１５ａを有している。
遮断制御部１５ａは、ドレイン管４０にリサイクルガス管３９からの改質ガスが導入されているときにおいて、水位センサ４１によって検出された水タンク１４の水位が所定水位Ｌｓより低くなった場合、遮断弁１１ａ１によって改質用原料の供給を遮断する。燃料電池システム１が例えば起動運転中や発電運転中であるとき、ドレイン管４０にリサイクルガス管３９からの改質ガスが導入される。水タンク１４の水位が所定水位Ｌｓより低くなった場合において、所定圧力Ｐｓの改質ガスが境界面Ｓｋに作用したとき、改質ガスが水タンク１４を通って外部に流出する。これを防ぐために、水タンク１４の水位が所定水位Ｌｓより低くなった場合、遮断制御部１５ａが遮断弁１１ａ１によって改質用原料の供給を遮断する。遮断弁１１ａ１によって改質用原料の供給が遮断された場合、改質部３３にて改質ガスが生成されないことにより、リサイクルガス管３９に改質ガスが供給されないため、ドレイン管４０に改質ガスが導入されない。よって、改質ガスが水タンク１４を通って外部に流出しない。
本第一実施形態によれば、燃料電池システム１は、水素を含む改質ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池３４と、改質水から水蒸気を生成する蒸発部３２と、改質用原料と水蒸気とから改質ガスを生成し、かつ、燃料電池３４に供給する改質部３３と、改質用原料に含まれる硫黄成分を水素によって除去し、かつ、改質用原料を改質部３３に供給する脱硫器１１ａ６と、改質部３３から燃料電池３４に改質ガスを供給する改質ガス供給管３８と、脱硫器１１ａ６に改質用原料を供給する改質用原料供給管１１ａとを接続し、改質ガスの一部をリサイクル燃料として脱硫器１１ａ６に戻すリサイクルガス管３９と、一端にリサイクルガス管３９に生じるドレイン水を導入するドレイン水導入口４０ａを有するとともに、他端にドレイン水を導出するドレイン水導出口４０ｂを有するドレイン管４０と、改質水を内部に貯留するとともに、ドレイン水導入口４０ａより下方にてドレイン水導出口４０ｂに接続され、かつ、ドレイン水を改質水として内部に導入する改質水導入口１４ａを有する水タンク１４と、を備えている。水タンク１４は、その水位が所定水位Ｌｓ以上となるように調整可能に構成されている。所定水位Ｌｓは、ドレイン管４０内の改質ガスと改質水との境界面Ｓｋに最大圧力に係る所定圧力Ｐｓの改質ガスを作用させ、かつ、改質ガスが水タンク１４内に流出する限界面である封水限界面Ｓｈと同一高さに境界面Ｓｋを位置させた場合における、水タンク１４の水位である。
これによれば、水タンク１４の水位が所定水位Ｌｓ以上となるように調整されることにより、水タンク１４に貯留されている改質水によって、改質ガスが水タンク１４を通って外部に流出することが抑制される。すなわち、水タンク１４およびドレイン管４０によって改質ガスに対する水封構造を構成することができる。よって、従来技術のようなスチームトラップやＵ字管等の水封部材が不要となる。したがって、部品点数を低減することができるため、燃料電池システム１の低コスト化を図ることができる。
また、ドレイン管４０からのドレイン水が、従来技術のように外部に排出されずに水タンク１４に回収されるため、燃料電池システム１の水自立運転を可能とすることができる。水自立運転は、改質部３３にて必要な水蒸気量を、外部からの補給なしで水タンク１４の改質水の量、すなわち熱交換器１２からの凝縮水の量およびリサイクルガス管３９からのドレイン水の量、のみにより確保することができる燃料電池システム１の運転である。換言すれば、水自立運転は、水タンク１４への外部からの給水なしで発電運転可能である燃料電池システム１の運転である。
また、燃料電池システム１は、水タンク１４の水位を検出する水位センサ４１と、改質用原料供給管１１ａに配設され、改質用原料の供給を遮断可能とする遮断弁１１ａ１と、遮断弁１１ａ１を少なくとも制御する制御装置１５と、をさらに備え、制御装置１５は、ドレイン管４０にリサイクルガス管３９からの改質ガスが導入されているときにおいて、水位センサ４１によって検出された水タンク１４の水位が所定水位Ｌｓより低くなった場合、遮断弁１１ａ１によって改質用原料の供給を遮断する遮断制御部１５ａを備えている。
これによれば、リサイクルガス管３９からの改質ガスがドレイン管４０に導入されているときにおいて、水タンク１４の水位が所定水位Ｌｓより低くなった場合、改質用原料の供給が遮断弁１１ａ１によって遮断されるため、リサイクルガス管３９内の改質ガスが外部へ流出することを抑制することができる。
また、水タンク１４は、内部に貯留されている改質水を外部に排出する改質水排出口１４ｂをさらに有し、改質水排出口１４ｂは、ドレイン水導入口４０ａより下方に位置するように設けられている。
これによれば、改質水の量が増加して、ドレイン管４０内の境界面Ｓｋが上昇する場合においても、上述したように、境界面Ｓｋが改質水排出口１４ｂ以下の位置に位置する。また、改質水排出口１４ｂがドレイン水導入口４０ａより下方に位置する。よって、改質水がドレイン水導入口４０ａからリサイクルガス管３９ひいては改質用原料供給管１１ａに流入しないため、改質用原料供給管１１ａに配設された原料ポンプ１１ａ５等の補機類への改質水による影響を抑制することができる。
次に、本発明による燃料電池システムの第二実施形態について、主に第一実施形態と異なる部分について説明する。上述した第一実施形態においては、リサイクルガス管３９に改質ガスを流通させるために改質用原料供給管１１ａに圧力調整装置１１ａ４が配設されているが、本第二実施形態においては、図７に示すように、燃料電池システム１は、圧力調整装置１１ａ４を備えずに、改質ガスポンプ１３９ｃを備えている。改質ガスポンプ１３９ｃは、リサイクルガス管３９にオリフィス３９ａの上流側に配設されている。改質ガスポンプ１３９ｃは、改質ガス供給管３８の改質ガスを吸入しリサイクルガス管３９を介して改質用原料供給管１１ａに圧送する圧送装置である。なお、この場合、燃料電池システム１は、オリフィス３９ａを備えないようにしても良い。
本第二実施形態によれば、上述した第一実施形態と比べて、リサイクルガス管３９に流通する改質ガスの流量を精度よく制御することができる。よって、リサイクルガス管３９を流通する改質ガスの圧力Ｐｋの変動を抑制することができるため、水タンク１４からの改質ガスの流出をより確実に抑制することができる。
次に、本発明による燃料電池システムの第三実施形態について、主に第一実施形態と異なる部分について説明する。本第三実施形態の燃料電池システム１は、図８に示すように、熱交換器２３９ｄをさらに備えている。熱交換器２３９ｄは、リサイクルガス管３９に配設され、リサイクルガス管３９に流通する改質ガスと貯湯槽からの貯湯水とが熱交換する熱交換器である。この熱交換器２３９ｄにより改質ガス中の水蒸気が凝縮されてドレイン水が生成される。本第三実施形態において、ドレイン管４０は、熱交換器２３９ｄに接続され、熱交換器２３９ｄからのドレイン水を導入する。
本第三実施形態によれば、上述した第一実施形態に比べて、冷媒の温度を低くすることができるため、ドレイン水の量を増加させることができる。よって、燃料電池システム１の水自立運転をより確実に行うことができる。
なお、上述した各実施形態において、燃料電池システムの一例を示したが、本発明はこれに限定されず、他の構成を採用することもできる。例えば、ドレイン管４０に水精製器を配設し、ドレイン水をイオン交換樹脂によって純水化するようにしても良い。
また、上述した各実施形態において、水位センサ４１は、リードスイッチ式の水位センサであるが、静電容量式の水位センサとしても良い。
また、上述した各実施形態において、封水限界面Ｓｈは、改質水導入口１４ａの上端に位置するように構成されているが、これに代えて、封水限界面Ｓｈを、ドレイン管４０の内周面に位置するように構成するようにしても良い。本変形例においては、上述した各実施形態におけるドレイン管４０に代えて、図９に示すドレイン管３４０を備えている。ドレイン管３４０は、具体的には、改質水導入口１４ａから図９における右下方に延びるように、かつ、屈曲部３４０ｃにおける内周面の上端部の最下点Ａが、改質水導入口１４ａの上端より下方に位置するように設けられている。この場合、最下点Ａを含む水平面が封水限界面Ｓｈとなる。なお、本変形例における所定水位Ｌｓは、上述した各実施形態における所定水位Ｌｓより下方に位置する。
また、上述した第三実施形態において、熱交換器２３９ｄは、改質ガスと貯湯水とが熱交換するように構成されているが、これに代えて、改質ガスと水供給管１１ｂを流通する改質水、または、改質ガスとカソードエア供給管を流通するカソードエアと熱交換するように構成するようにしても良い。
また、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、水タンク１４およびドレイン管４０等の形状、各導入口１４ａ，４０ａ、各導出口１４ｃ，３９ｂ，４０ｂ、改質水排出口１４ｂの形状や位置等を変更しても良い。
１…燃料電池システム、１１…燃料電池モジュール、１１ａ…改質用原料供給管、１１ａ１…遮断弁（遮断装置）、１１ａ４…圧力調整装置、１１ａ６…脱硫器、１４…水タンク、１４ａ…改質水導入口、１４ｂ…改質水排出口、１４ｃ…改質水導出口、１５…制御装置、１５ａ…遮断制御部、３２…蒸発部、３３…改質部、３４…燃料電池、３８…改質ガス供給管、３９…リサイクルガス管、３９ａ…オリフィス、４０…ドレイン管、４０ａ…ドレイン水導入口、４０ｂ…ドレイン水導出口、４１…水位センサ（水位検出装置）、Ｌｓ…所定水位、Ｐｓ…所定圧力、Ｓｈ…封水限界面、Ｓｋ…境界面。

Claims (3)

  1. 水素を含む改質ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
    改質水から水蒸気を生成する蒸発部と、
    改質用原料と前記水蒸気とから前記改質ガスを生成し、かつ、前記燃料電池に供給する改質部と、
    前記改質用原料に含まれる硫黄成分を前記水素によって除去し、かつ、前記改質用原料を前記改質部に供給する脱硫器と、
    前記改質部から前記燃料電池に前記改質ガスを供給する改質ガス供給管と、前記脱硫器に前記改質用原料を供給する改質用原料供給管とを接続し、前記改質ガスの一部をリサイクル燃料として前記脱硫器に戻すリサイクルガス管と、
    一端に前記リサイクルガス管に生じるドレイン水を導入するドレイン水導入口を有するとともに、他端に前記ドレイン水を導出するドレイン水導出口を有するドレイン管と、
    前記改質水を内部に貯留するとともに、前記ドレイン水導入口より下方にて前記ドレイン水導出口に接続され、かつ、前記ドレイン水を前記改質水として内部に導入する改質水導入口を有する水タンクと、を備えた燃料電池システムであって、
    前記水タンクは、その水位が所定水位以上となるように調整可能に構成され、
    前記所定水位は、前記ドレイン管内の前記改質ガスと前記改質水との境界面に最大圧力に係る所定圧力の前記改質ガスを作用させ、かつ、前記改質ガスが前記水タンク内に流出する限界面である封水限界面と同一高さに前記境界面を位置させた場合における、前記水タンクの水位である燃料電池システム。
  2. 前記燃料電池システムは、
    前記水タンクの水位を検出する水位検出装置と、
    前記改質用原料供給管に配設され、前記改質用原料の供給を遮断可能とする遮断装置と、
    前記遮断装置を少なくとも制御する制御装置と、をさらに備え、
    前記制御装置は、前記ドレイン管に前記リサイクルガス管からの前記改質ガスが導入されているときにおいて、前記水位検出装置によって検出された前記水タンクの水位が前記所定水位より低くなった場合、前記遮断装置によって前記改質用原料の供給を遮断する遮断制御部を備えている請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記水タンクは、内部に貯留されている前記改質水を外部に排出する改質水排出口をさらに有し、
    前記改質水排出口は、前記ドレイン水導入口より下方に位置するように設けられている請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
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