JP2018060775A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、改質水ポンプを省略してコストを低減させる。【解決手段】燃料電池システム１は、燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する熱交換器１２（凝縮器）と、改質部３３の上方かつ熱交換器１２の下方に配置され、熱交換器１２から供給された凝縮水を改質水として貯水するとともに改質部３３に改質水を供給する改質水タンク１５と、改質水タンク１５と改質部３３とを接続するとともに、改質水タンク１５内の改質水を自重により落水させて改質部３３に供給する改質水供給管１１ｂと、改質水供給管１１ｂに設けられ、改質水の供給流量を調節する供給流量調節装置１８と、を備えている。【選択図】図１

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４に示されているように、炭化水素ガスの水蒸気改質器は、該水蒸気改質器に付設して、その上方位置に給水ポンプに連なる緊急注水タンクを配置している。この水蒸気改質器において、通常運転時には、モータで駆動される給水ポンプＰにより水を緊急注水タンクを経由して水混合器に供給する。この時、開閉弁は開で、バルブＶ１、Ｖ２は共に閉である。水は導管８、緊急注水タンク、導管９を経て水混合器に供給されるようになっている。
一方、停電等の緊急時には、その時点で直ちに開閉弁を閉に切り換え、同時にバルブＶ１、Ｖ２を共に開に切り換える。これにより、緊急注水タンク中の水は共用導管１１、導管１０を経て水混合器へ供給される。この時、緊急注水タンクは水混合器及び水蒸気改質器の上方位置に設けてあり、均圧管は緊急注水タンク及び水混合器間で連通しているので、緊急注水タンク中の水はヘッド圧及び均圧管から供給される圧力により水混合器から、蒸発器を経て一定時間水蒸気改質器へ供給されるようになっている。

特開２００２−１３７９０４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、通常時において、給水ポンプＰは必須である。また、緊急時において、直接的に給水ポンプＰの駆動は不要であるが、緊急注水タンクに水を供給するためには、給水ポンプＰは必須となる。このように、燃料電池システムに対して給水ポンプＰ（改質水タンクに改質水を送出するための送出装置である改質水ポンプ）は必須であるため、燃料電池システムがコスト高であ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、改質水ポンプを省略してコストを低減させ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、改質用原料と改質水とから燃料を生成して燃料電池に燃料を供給する改質部と、燃料電池からの燃料オフガスと燃料電池からの酸化剤ガスオフガスとを燃焼させて燃焼排ガスを導出する燃焼部と、燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器と、改質部の上方かつ凝縮器の下方に配置され、凝縮器から供給された凝縮水を改質水として貯水するとともに改質部に改質水を供給する改質水タンクと、改質水タンクと改質部とを接続するとともに、改質水タンク内の改質水を自重により落水させて改質部に供給する改質水供給管と、改質水供給管に設けられ、改質水の供給流量を調節する供給流量調節装置と、を備えている。

これによれば、燃料電池システムにおいては、改質水タンクは、改質部の上方かつ凝縮器の下方に配置される。換言すると、上から順番に凝縮器、改質水タンク、改質部が配置されることとなる。その結果、凝縮器で生成された凝縮水は、自重によって改質水タンクに改質水として貯水され、さらに、改質水タンク内の改質水は、自重によって改質部に供給される。このように、ポンプなどの供給装置を設けなくても、改質水タンク内の改質水は改質部に供給することができる。よって、改質水ポンプを省略してコストを低減させることが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第１実施形態の概要を示す概要図である。 図１に示す改質水タンクから蒸発部までの改質水の供給経路、特に供給流量調節装置（電磁弁）および流量センサを含めた状態を示す図である。 図１に示す改質水タンクから蒸発部までの改質水の供給経路、特に供給流量調節装置（点滴型調節装置）および滴下センサを含めた状態を示す図である。 図１に示す改質水タンクから蒸発部までの改質水の供給経路、特に供給流量調節装置（絞り弁）および流量センサを含めた状態を示す図である。 本発明による燃料電池システムの第２実施形態の概要を示す概要図である。 改質用原料混合部の温度（貯水部の水温）と改質水水蒸気の露点温度との相関関係（第１相関関係）を示す図である。 露点温度と飽和水蒸気圧（飽和水蒸気量）との相関関係（第２相関関係）を示す図である。 図５に示す燃料電池システムの第２実施形態の第１変形例（改質水タンクレス）を示す概念図である。 図５に示す燃料電池システムの第２実施形態の第２変形例（燃焼排ガスによって加熱）を示す概念図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明による燃料電池システム１の第１実施形態について説明する。燃料電池システム１は、図１に示すように、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（３０）、熱交換器１２、インバータ装置１３、水精製器１４、改質水タンク１５、制御装置１６、および供給流量調節装置１８を備えている。燃料電池モジュール１１（３０）、熱交換器１２、インバータ装置１３、水精製器１４、改質水タンク１５、制御装置１６、供給流量調節装置１８および貯湯槽２１は、筐体１０ａ内に収容されている。なお、貯湯槽２１は、発電ユニット１０と別体すなわち筐体１０ａの外に設けるようにしてもよい。

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。改質用原料供給管１１ａは、改質用原料を改質部３３に供給する原料ポンプ１１ａ１（改質用原料供給装置）が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端が改質水タンク１５に接続されて改質水が供給される改質水供給管１１ｂの他端が接続されている。改質水供給管１１ｂは、改質水タンク１５と改質部３３とを接続するとともに、改質水タンク１５内の改質水を自重により落水させて改質部３３に供給する。改質水供給管１１ｂには、後述する供給流量調節装置１８および流量センサ１９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。カソードエアブロワ１１ｃ１は、酸化剤ガス（例えば、空気、酸素）を燃料電池３４に供給する酸化剤ガス供給装置である。

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（燃料電池３４および改質部３３の各排熱を含んでいる）と貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器である。また、熱交換器１２は、燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われ、燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器である。貯湯水は、燃焼排ガスの排熱を回収する熱媒体（排熱回収水）である。

熱交換器１２は、ケーシング１２ｂを備えている。ケーシング１２ｂの上部には、燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続されている。ケーシング１２ｂの下部には、外部（大気）に接続されている排気管１１ｅが接続されている。ケーシング１２ｂの底部には、水精製器１４ひいては改質水タンク１５に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。ケーシング１２ｂ内には、燃焼排ガスが通過する燃焼排ガス流路が形成されている。この燃焼排ガス流路に、貯湯水循環ライン２２に接続されている熱交換部（凝縮部）１２ｃが配設されている。熱交換部１２ｃ内には、貯湯水が流れ、熱交換部１２ｃの外側には、燃焼排ガスが流れている。なお、貯湯水と燃焼排ガスとは互いに反対向きに流れるように構成されるのが好ましい。

このように構成された熱交換器１２においては、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通ってケーシング１２ｂ内に導入され、貯湯水が流通する熱交換部１２ｃ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。その後、燃焼排ガスは、排気管１１ｅを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、自重で落水し、凝縮水供給管１２ａを通って水精製器１４ひいては改質水タンク１５に供給される。一方、熱交換部１２ｃに流入した貯湯水は、加熱されて流出される。

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。

貯湯槽２１は、密封式かつ耐圧式の容器である。貯湯槽２１内の温度分布は、基本的には、温度の異なる二層に分かれている。上層は比較的温度が高い層（例えば５０度以上）であり、下層は比較的温度が低い層（例えば２０度以下（水道水の温度））である。上下各層は、それぞれほぼ同一温度である。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、下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ２２ａ、熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｂ、熱交換器１２、および熱交換器貯湯水出口温度センサ２２ｃが配設されている。

熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｂは、貯湯水循環ライン２２であって貯湯槽２１の貯湯水導出口と熱交換器１２の貯湯水導入口との間に設けられている。熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｂは、熱交換器１２の貯湯水導入口付近に設けられるのが望ましい。熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｂは、熱交換器１２に導入される貯湯水の温度（以下、貯湯水温度ともいう。）を検出して、制御装置１６に送信している。

熱交換器貯湯水出口温度センサ２２ｃは、貯湯水循環ライン２２であって熱交換器１２の貯湯水導出口と貯湯槽２１の貯湯水導入口との間に設けられている。熱交換器貯湯水出口温度センサ２２ｃは、熱交換器１２の貯湯水導出口付近に設けられるのが望ましい。熱交換器貯湯水出口温度センサ２２ｃは、熱交換器１２から導出される貯湯水の温度を検出して、制御装置１６に送信している。

インバータ装置１３は、燃料電池３４から出力される直流電力（電圧）を入力し所定の交流電力（電圧）に変換して、交流の系統電源１７ａおよび外部電力負荷１７ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１７ｂに出力する。インバータ装置１３は、燃料電池３４から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置である。
外部電力負荷１７ｃは、系統電源１７ａからの電力およびインバータ装置１３からの電力が供給される負荷装置である。また、インバータ装置１３は、系統電源１７ａからの交流電力（電圧）を電源ライン１７ｂを介して入力し所定の直流電力（電圧）に変換して補機（各ポンプ、ブロワなど）や制御装置１６に出力する。

水精製器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。水精製器１４は、改質水タンク１５と連通しており、純水化された凝縮水が改質水タンク１５に供給されるようになっている。
水精製器１４は、改質水タンク１５と同一高さに配置してもよく、上方に配置するようにしてもよい。水精製器１４は、上下方向に延在する直線状に形成し、凝縮水を上方から流入し純水を下方から流出するようにしてもよい。水精製器１４は、Ｕ字状に形成し、凝縮水を一方の上方から流入し純水を他方の上方から流出するようにしてもよい。

改質水タンク１５は、熱交換器１２ひいては水精製器１４から供給される凝縮水を改質水として貯水し、改質部３３に改質水を供給するものである。改質水タンク１５は、改質部３３の上方かつ熱交換器１２（凝縮器）の下方に配置されている。換言すると、改質水タンク１５は、熱交換器１２より下方に、かつ、改質部３３より上方に配置されている。改質水タンク１５内には、改質水タンク１５内の水量（水位：以下、タンク水量ともいう。）を検出する水量センサ１５ａが配設されている。水量センサ１５ａの検出結果は、制御装置１６に出力されるようになっている。水量センサ１５ａは、例えば、フロート式のセンサであり、フロートの上下量を可変抵抗（ポテンショメータ）により抵抗値に変換し、抵抗値の上下動によって水量（残水量）を表示する方式のセンサである。

制御装置１６は、補機を駆動して燃料電池システム１の運転を統括して制御する。制御装置１６は、マイクロコンピュータ（図示省略）を有している。マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、燃料電池システム１の統括運転を実施している。ＲＡＭは制御プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは制御プログラムを記憶するものである。

改質水供給管１１ｂについて詳述する。図２に示すように、改質水供給管１１ｂは、第一部１１ｂ１、トラップ部１１ｂ２および第二部１１ｂ３を備えている。第一部１１ｂ１は、改質水タンク１５の底（下面）から下方に向けて延設されている。下方は、鉛直下方だけでなく、斜め下方も含む。第一部１１ｂ１は、改質水タンク１５の底の近傍における側面（改質水タンク１５の側面下部も含む。）から延設されていてもよい。第一部１１ｂ１の上端は、改質水タンク１５の底（下面）に接続されており、第一部１１ｂ１の下端は、トラップ部１１ｂ２の一端（左端）に接続されている。トラップ部１１ｂ２は、ほぼＵ字状に形成されており、上側に開放するように配置されている。トラップ部１１ｂ２は、改質水が常に貯留するようになっている。第二部１１ｂ３は、蒸発部３２の側面（上面でもよい）から側方に向けて延設されている。側方は、水平方向だけなく斜め上方や斜め下方も含む。第二部１１ｂ３の一端（左端）は、トラップ部１１ｂ２の他端（右端）に接続されており、第二部１１ｂ３の他端（右端）は、蒸発部３２に接続されている。
なお、改質水供給管１１ｂは、トラップ部１１ｂ２を省略したものでもよい。

供給流量調節装置１８は、改質水供給管１１ｂに設けられ、改質水の供給流量を調節する。供給流量は、供給される改質水の流量であり、単位時間あたりの流量である。本実施形態では、供給流量調節装置１８は、電磁弁１８ａである。電磁弁１８ａは、ソレノイドを備え、ソレノイドへの通電・非通電を切り替えることで、バルブを開閉するものである。電磁弁１８ａは、開状態と閉状態とを切り替えるオン・オフ弁でもよく、流量（流路断面積）を調整できるリニア弁でもよい。

電磁弁１８ａは、制御装置１６に電気的に接続されており、制御装置１６からの指令に基づいて作動され、改質水の供給流量を調節する。電磁弁１８ａがオン・オフ弁である場合には、電磁弁１８ａは、制御装置１６からのＰＷＭ信号に基づいて作動され、改質水の供給流量を調節する。電磁弁１８ａがオン・オフ弁である場合には、電磁弁１８ａは、制御装置１６からの指示電流値（例えば、指示流量に応じた電流値）に基づいて作動され、改質水の供給流量を調節する。

電磁弁１８ａは、本実施形態では、改質水供給管１１ｂのトラップ部１１ｂ２の一端部または他端部、すなわちトラップ部１１ｂ２にて貯留している改質水の水面高さ（水位）より低い場所に設けるのが好ましい。例えば、電磁弁１８ａとトラップ部１１ｂ２の水位との間が離れた場合に、電磁弁１８ａが開状態から閉状態となると、電磁弁１８ａより下方の改質水は自重によって落水し、電磁弁１８ａとトラップ部１１ｂ２の水位との間には、空気が流入することでその空間に空気が溜まる。このように電磁弁１８ａが開状態から閉状態となっても、電磁弁１８ａとトラップ部１１ｂ２の水位との間に空気が溜まるのを防止するため、電磁弁１８ａは、トラップ部１１ｂ２にて貯留している改質水の水面高さ（水位）より低い場所に設けられている。

流量センサ１９は、改質水供給管１１ｂに設けられ、改質水供給管１１ｂを流通する改質水の供給流量を検知する。流量センサ１９は、検知した供給流量を制御装置１６に送信している。流量センサ１９は、例えば、いわゆる電磁式流量センサ、カルマン渦式流量センサ、羽根車式流量センサなどである。流量センサ１９は、本実施形態では、改質水供給管１１ｂの第一部１１ｂ１のうち電磁弁１８ａより上方に設けられている。流量センサ１９は、改質水供給管１１ｂのトラップ部１１ｂ２や第二部１１ｂ３に設けるようにしてもよい。いずれの場合でも、流量センサ１９は、改質水に常時浸る箇所に配置されるのが好ましい。

上述した電磁弁１８ａ（供給流量調節装置１８）の作動について説明する。電磁弁１８ａは、流量センサ１９によって検知された改質水の供給流量（検知供給流量）を使用して改質水の供給流量（実際の供給流量である実供給流量）を調節する。例えば、電磁弁１８ａは、フィードバック制御などによって、検知供給流量が目標供給流量と一致するように制御される。目標供給流量は、外部電力負荷１７ｃの消費電力または／および燃料の供給流量から算出される。

さらに、電磁弁１８ａは、水量センサ１５ａによって検知された改質水タンクの水量（検知水量）を使用して改質水の供給流量（実供給流量）を調節する。例えば、検知水量に基づいて目標供給流量を補正することができる。具体的には、検知水量が少ないほど補正量が多くなるように目標供給流量を補正すればよい。補正量は、予め実験等によって算出され記憶されている検知水量と補正量との関係を示すマップまたは数式を使用して、検知水量に対応した値として算出することができる。なお、タンク水量が少ないほど改質水タンク１５から落水する水量が少ないため、検知水量と補正量との関係は、検知水量が多いほど補正量は小さくなる関係となる。

また、流量センサ１９を設けないで、水量センサ１５ａのみを設けることも可能である。この場合、水量センサ１５ａによって検知されたタンク水量（検知水量）に基づいて、改質水タンク１５からの流出流量を算出し、算出された流出流量を供給流量として得ることができる。例えば、流出流量は、所定時間をおいてそれぞれ検知されたタンク水量の差分を、所定時間で除算することで算出することができる。この場合にも、目標供給流量を検知水量に基づいて補正することが好ましい。

燃料電池モジュール１１（３０）は、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、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を混合して改質部３３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス（メタンガスを主成分とする）、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）が改質水タンク１５に接続された改質水供給管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、上述した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ものである。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。このように、改質部３３は改質用原料（原燃料）と改質水とから改質ガス（燃料）を生成して燃料電池３４に改質ガスを供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。

改質部３３には、改質部３３の温度を検出する温度センサ３３ａが設けられている。温度センサ３３ａの検出結果は、制御装置１６に出力されている。温度センサ３３ａは、改質部３３のうち混合気体供給管１１ｆとの接続点の近傍に設けられるのが好ましい。

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。動作温度は４００〜１０００℃程度である。

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、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（アノードガス）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。

燃料電池３４においては、燃料極に供給されたアノードガスと空気極に供給された酸化剤ガス（カソードガス）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３４ｂおよび空気流路３４ｃ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、発電に使用されなかった改質ガス（アノードオフガス）は、燃料流路３４ｂから燃焼空間３６（燃料電池３４と蒸発部３２（改質部３３）の間に形成された）に導出される。発電に使用されなかった酸化剤ガス（空気：カソードオフガス）は、空気流路３４ｃから燃焼空間３６に導出される。燃焼空間３６にてアノードオフガスはカソードオフガスによって燃焼され、その燃焼ガスによって蒸発部３２および改質部３３が加熱される。さらには、燃料電池モジュール１１内を動作温度に加熱している。その後、燃焼ガスは、ケーシング１２ｂの下部に設けられた排気管１１ｅから燃料電池モジュール１１の外に燃焼排ガスとして排気される。このように、燃焼空間３６が、燃料電池３４からの未使用の燃料（改質ガス）である燃料オフガス（アノードオフガス）を導入し酸化剤ガスで燃焼して燃焼排ガス（水蒸気を含む）を導出する燃焼部である。すなわち、燃焼空間３６は、燃料電池３４からの燃料オフガスと酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼排ガスを導出する燃焼部である。

燃焼空間３６では、アノードオフガスが燃焼されて火炎３７（燃焼ガス）が発生している。燃焼空間３６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３６ａ１，３６ａ２が設けられている。

上述した説明から明らかなように、本第１実施形態の燃料電池システム１は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池３４と、改質用原料と改質水とから燃料を生成して燃料電池３４に供給する改質部３３と、燃料電池３４からの燃料オフガスと燃料電池３４からの酸化剤ガスオフガスとを燃焼させて燃焼排ガスを導出する燃焼空間３６（燃焼部）と、燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する熱交換器１２（凝縮器）と、改質部３３の上方かつ熱交換器１２の下方に配置され、熱交換器１２から供給された凝縮水を改質水として貯水するとともに改質部３３に供給する改質水タンク１５と、改質水タンク１５と改質部３３とを接続するとともに、改質水タンク１５内の改質水を自重により落水させて改質部３３に供給する改質水供給管１１ｂと、改質水供給管１１ｂに設けられ、改質水の供給流量を調節する供給流量調節装置１８と、を備えている。

これによれば、燃料電池システム１においては、改質水タンク１５は、改質部３３の上方かつ熱交換器１２の下方に配置される。換言すると、上から順番に熱交換器１２、改質水タンク１５、改質部３３が配置されることとなる。その結果、熱交換器１２で生成された凝縮水は、自重によって改質水タンク１５に改質水として貯水され、さらに、改質水タンク１５内の改質水は、自重によって（蒸発部３２を経由して）改質部３３に供給される。このように、ポンプなどの供給装置（例えば改質水ポンプ）を設けなくても、改質水タンク１５内の改質水は改質部３３に供給することができる。よって、改質水ポンプを省略してコストを低減させることができる燃料電池システム１を提供することができる。

また、燃料電池システム１は、改質水供給管１１ｂに設けられ、改質水の供給流量を検知する流量センサ１９をさらに備え、供給流量調節装置１８は、流量センサ１９によって検知された供給流量を使用して改質水の供給流量を調節する。
これによれば、流量センサ１９を設けることにより、改質水の供給流量を適切に調節することができる。

また、燃料電池システム１は、改質水タンク１５の水量を検出する水量センサ１５ａをさらに備え、供給流量調節装置１８は、水量センサ１５ａによって検知された改質水タンク１５の水量を使用して改質水の供給流量を調節する。
これによれば、水量センサ１５ａを設けることにより、改質水の供給流量を適切に調節することができる。

なお、上述した第１実施形態においては、供給流量調節装置１８は電磁弁１８ａであったが、これに代えて、点滴型調節装置１８ｂを採用するようにしてもよい。点滴型調節装置１８ｂは、図３に示すように、弾性材製の部材であるチューブ１８ｂ１と、チューブ１８ｂ１を押し潰し可能な押し潰し部１８ｂ２と、押し潰し部１８ｂ２を駆動させるモータを有する駆動部１８ｂ３と、貯留部１８ｂ４と、を備えている。
チューブ１８ｂ１は、ポリ塩化ビニル、ポリブタジエン、シリコーンゴムなどの弾性材で管状に形成されている。チューブ１８ｂ１は、改質水供給管１１ｂのいずれの部位に配置可能である。この場合、チューブ１８ｂ１は、チューブ１８ｂ１の配置場所に対応する改質水供給管１１ｂと交換されている。
押し潰し部１８ｂ２は、チューブ１８ｂ１を直径方向から挟むことにより押し潰すように構成されている。具体的には、押し潰し部１８ｂ２は、全開状態時にチューブ１８ｂ１を潰さないため、チューブ１８ｂ１の流路断面積は最大（＝π×半径^２）である。押し潰し部１８ｂ２がチューブ１８ｂ１を押し潰すにつれて、チューブ１８ｂ１の流路断面積は小さくなる。押し潰し部１８ｂ２は、全閉状態時にチューブ１８ｂ１を潰すため、チューブ１８ｂ１の流路断面積は最小（＝０）である。

駆動部１８ｂ３は、押し潰し部１８ｂ２を全開状態時と全閉状態時との間で駆動させる。駆動部１８ｂ３は、フィードバック制御などによって、滴下センサ１９ｂによって検知される検知供給流量が目標供給流量と一致するように制御される。
貯留部１８ｂ４は、改質水供給管１１ｂのいずれの部位であって、チューブ１８ｂ１より上流側に配置可能である。この場合、貯留部１８ｂ４は、貯留部１８ｂ４の配置場所に対応する改質水供給管１１ｂと交換されている。貯留部１８ｂ４は、改質水タンク１５から供給される改質水が水滴となって滴下し、その水滴を貯水可能に構成されている。貯留部１８ｂ４内の水位は、改質水供給管１１ｂのトラップ部１１ｂ２内の最低位置（改質水が供給されていない場合における、トラップ部１１ｂ２内の水位の最高位置）と同じ高さとなるようになっている。

貯留部１８ｂ４は、貯留部１８ｂ４の内部に滴下する水滴を検知する滴下センサ１９ｂを備えている。この滴下センサ１９ｂは、例えば赤外線センサで構成されており、水滴の数を検知することで、供給流量を検知することができる。滴下センサ１９ｂは、検知した水滴の数（供給流量）を制御装置１６に送信している。

また、供給流量調節装置１８は、図４に示すように、ある温度(変態点)以下で変形しても、その温度以上に加熱すると、元の形状に回復する形状記憶効果を有する形状記憶部材（例えば形状記憶合金）を使用して、流路断面積を調整できる絞り弁１８ｃで構成するようにしてもよい。この場合、絞り弁１８ｃは、形状記憶部材により形成されている絞り部と、絞り部を加熱するため通電可能であるコイルと、を備えている。

＜第２実施形態＞
次に、本発明による燃料電池システムの第２実施形態について説明する。第２実施形態に係る燃料電池システム１０１は、改質水タンク１５の下方であってケーシング３１外に配置され、改質水が供給されるとともに改質水を蒸発させて改質部３３に供給する蒸発部１３２をさらに備えている点において、上述した第１実施形態と異なる。なお、第２実施形態に係る燃料電池システム１０１において、第１実施形態に係る蒸発部３２は省略されている。また、燃料電池システム１０１において、第１実施形態に係る燃料電池システム１と同一構成については同一符号を付してその説明を省略する。

燃料電池システム１０１は、図５に示すように、蒸発部１３２を備えている。燃料電池システム１０１においては、改質部３３、燃料電池３４および燃焼部３６は、断熱されたケーシング３１内に収容されている。また、熱交換器１２（凝縮器）および改質水タンク１５は、ケーシング３１外に配置されている。

蒸発部１３２は、改質水タンク１５から自重によって落水した改質水を貯水する貯水部１３２ａと、貯水部１３２ａを加熱する加熱部１３２ｂと、改質用原料が供給されるとともに、加熱部１３２ｂの加熱によって蒸発した改質水（改質水水蒸気）に改質用原料を混合させる改質用原料混合部１３２ｃと、を備えている。

蒸発部１３２は、改質水供給管１１ｂの他端が接続されており、改質水タンク１５からの改質水が改質水供給管１１ｂを介して供給される。改質水供給管１１ｂには、制御装置１６からの指示に応じて改質水供給管１１ｂを開閉する開閉弁１１ｂ４が設けられている。開閉弁１１ｂ４が開状態である場合、改質水タンク１５と蒸発部１３２との間が連通される。これにより、改質水タンク１５の改質水が蒸発部１３２に落水する。一方、開閉弁１１ｂ４が閉状態である場合、改質水タンク１５と蒸発部１３２との間が遮断される。これにより、蒸発部１３２の混合気体（改質水水蒸気と改質用原料との混合気体）が改質水タンク１５に流出するのを防止する。なお、開閉弁１１ｂ４は、逆止弁（改質水タンク１５から蒸発部１３２への流れは許容するが、その逆方向の流れは規制する）などで代用可能である。

蒸発部１３２は、改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。改質用原料供給管１１ａの他端は、貯水部１３２ａに接続されている。この場合、改質用原料は、改質水内に吐出された後（バブリングされた後）、改質用原料混合部１３２ｃ内に導出されて改質水水蒸気と混合される。なお、改質用原料供給管１１ａの他端は、改質用原料混合部１３２ｃに接続されていてもよい。この場合、改質用原料は、改質用原料混合部１３２ｃ内に直接供給されて改質水水蒸気と混合される。
なお、改質用原料供給管１１ａであって原料ポンプ１１ａ１と蒸発部１３２との間に、開閉弁または逆止弁を設けるようにしてもよい。開閉弁は、改質用原料供給管１１ａを開閉するものである。逆止弁は、原料ポンプ１１ａ１から蒸発部１３２への流れは許容するがその逆方向の流れは規制するものである。

蒸発部１３２は、混合気体供給管１１ｆが接続されている。混合気体供給管１１ｆの一端は、蒸発部１３２の改質用原料混合部１３２ｃに臨んで接続され、混合気体供給管１１ｆの他端は、改質部３３に接続されている。混合気体供給管１１ｆは、蒸発部１３２の改質用原料混合部１３２ｃで混合された混合気体を改質部３３に供給する。混合気体供給管１１ｆは、改質水を改質部３３に供給する改質水供給管１１ｂとしても機能する。

貯水部１３２ａは、蒸発部１３２の容器１３２ｄ内の下方であって改質水が溜まる部分である。
加熱部１３２ｂは、蒸発部１３２の容器１３２ｄに設けられ、貯水部１３２ａひいては貯水部１３２ａに溜まっている改質水を加熱する。加熱部１３２ｂは、例えば、電気ヒータで構成されている。具体的には、加熱部１３２ｂは、蒸発部１３２の容器１３２ｄの外周に巻き付けられているヒータ線（特に好ましくは、外周全面に巻き付けられているヒータ線）を備えている。加熱部１３２ｂは、制御装置１６からの指示に応じてヒータ線の温度を調整するように構成されている。
改質用原料混合部１３２ｃは、蒸発部１３２の容器１３２ｄ内のうち貯水部１３２ａの上方の空間であって、蒸発した改質水（改質水水蒸気）と改質用原料とが混合される部分である。

蒸発部１３２は、加熱部１３２ｂによって調整された温度に応じて改質水（改質水水蒸気）の供給流量を調節する供給流量調節装置である。
詳述すると、改質用原料混合部１３２ｃの温度（貯水部１３２ａの水温）と改質水水蒸気の露点温度とは相関関係（第１相関関係）がある。この第１相関関係を図６に示す。図６に示すように、第１相関関係は、改質用原料混合部１３２ｃの温度（貯水部１３２ａの水温）が高くなるほど、露点温度が高くなる、関係である。また、露点温度と飽和水蒸気圧（飽和水蒸気量）とは相関関係（第２相関関係）がある。この第２相関関係を図７に示す。第２相関関係は、露点温度が高くなるほど、改質用原料混合部１３２ｃ内の飽和水蒸気圧が高くなる（飽和水蒸気量が多くなる）、関係である。よって、改質用原料混合部１３２ｃの温度（貯水部１３２ａの水温）と飽和水蒸気圧（飽和水蒸気量）とも相関関係（第３相関関係）がある。すなわち、第３相関関係は、改質用原料混合部１３２ｃの温度（貯水部１３２ａの水温）が高くなるほど、改質用原料混合部１３２ｃ内の飽和水蒸気圧が高くなる（飽和水蒸気量が多くなる）、関係である。

これを利用することにより、貯水部１３２ａの温度（水温）を調節すれば、改質水水蒸気量ひいては改質水の供給流量を調節することができる。具体的には、制御装置１６は、温度センサ３３ａから入力した改質部３３の温度が、所望の改質水供給流量に応じた所望の温度となるように、加熱部１３２ｂの温度を調節する（例えばフィードバック制御）。これにより、制御装置１６は、所望の改質水供給流量を改質部３３に供給することができる。
なお、制御装置１６は、改質部３３の温度でなく、改質用原料混合部１３２ｃの温度、貯水部１３２ａの水温、混合気体供給管１１ｆの温度を用いて上述した調節を行ってもよい。このとき、それぞれの温度を検出する温度センサを設けることが好ましい。

上述した説明から明らかなように、本第２実施形態の燃料電池システム１０１においては、燃料電池３４、改質部３３および燃焼部３６は、断熱されたケーシング３１内に収容され、熱交換器１２（凝縮器）および改質水タンク１５は、ケーシング３１外に配置されている。燃料電池システム１０１は、改質水タンク１５の下方であってケーシング３１外に配置され、改質水が供給されるとともに改質水を蒸発させて改質部３３に供給する蒸発部１３２をさらに備えている。蒸発部１３２は、改質水タンク１５から自重によって落水した改質水を貯水する貯水部１３２ａと、貯水部１３２ａを加熱する加熱部１３２ｂと、改質用原料が供給されるとともに、加熱部１３２ｂの加熱によって蒸発した改質水に改質用原料を混合させる改質用原料混合部１３２ｃと、を備えている。蒸発部１３２は、加熱部１３２ｂによって調整された温度に応じて改質水の供給流量を調節する供給流量調節装置である。

これによれば、供給流量調節装置である蒸発部１３２は、加熱部１３２ｂによって貯水部１３２ａひいては改質水の温度を調節することにより、改質水の供給流量を所望の供給流量に調節することができる。このように、ポンプなどの供給装置を設けなくても、改質水タンク１５内の改質水は改質部３３に供給することができる。よって、改質水ポンプを省略してコストを低減させることができる燃料電池システム１０１を提供することができる。

また、部分負荷時（負荷変動時）に改質用原料の供給量が負荷変動前と比較して多くなった場合であっても、改質水水蒸気は安定的に供給することができる。貯水部１３２ａの温度を一定に維持することにより所望の改質水を供給することができるため、ｓ／ｃを一定にすることができるからである。
さらには、ｓ／ｃを一定にすることができるため、改質部３３の改質触媒の劣化を抑制することができる。

また、燃料電池モジュール１１（３０）内に蒸発部を配置する場合には、その蒸発部において蒸発に伴う吸熱反応によって燃料電池モジュール１１（３０）の温度が低下するおそれがあった。これに対して、本第２実施形態においては、蒸発部１３２は、燃料電池モジュール１１（３０）内でなく、燃料電池モジュール１１（３０）の外に配置することができる。よって、蒸発に伴う吸熱反応によって燃料電池モジュール１１（３０）の温度が低下することを抑制することができる。

さらに、前述した燃料電池システム１０１の第２実施形態の第１変形例（改質水タンクレス）について、図８を参照して説明する。本第１変形例に係る燃料電池システム１０１は、改質水タンク１５が省略されている点で、前述した第２実施形態と異なる。燃料電池システム１０１において、第２実施形態に係る燃料電池システム１０１と同一構成については同一符号を付してその説明を省略する。

改質水供給管１１ｂの一端は、改質水タンク１５ではなく、水精製器１４に接続されている。図８においては、改質水供給管１１ｂの一端は、凝縮水を上方から流入し純水を下方から流出する水精製器１４の下部に接続されている。なお、凝縮水を一方の上方から流入し純水を他方の上方から流出する水精製器１４の場合には、改質水供給管１１ｂの一端は、水精製器１４の上部に接続されている。

この本第１変形例による燃料電池システム１０１は、改質部３３の上方かつ熱交換器１２（凝縮器）の下方に配置され、熱交換器１２から供給された凝縮水を精製して導出する水精製器１４をさらに備えている。燃料電池３４、改質部３３および燃焼部３６は、断熱されたケーシング３１内に収容され、熱交換器１２および水精製器１４は、ケーシング３１外に配置されている。燃料電池システム１０１は、ケーシング３１外に配置され、水精製器１４から凝縮水が供給されるとともに供給された凝縮水を蒸発させて改質部３３に供給する蒸発部１３２をさらに備えている。蒸発部１３２は、水精製器１４から供給された凝縮水（純水化された凝縮水が好ましい。）を改質水として貯水する（改質水タンクである）貯水部１３２ａと、貯水部１３２ａを加熱する加熱部１３２ｂと、改質用原料が供給されるとともに、加熱部１３２ｂの加熱によって蒸発した改質水に改質用原料を混合させる改質用原料混合部１３２ｃと、を備えている。蒸発部１３２は、加熱部１３２ｂによって調整された温度に応じて改質水の供給流量を調節する供給流量調節装置である。なお、貯水部１３２ａは、上述した改質水タンク１５と同様に機能するタンクである。

これによれば、燃料電池システム１０１においては、水精製器１４は、改質部３３の上方かつ熱交換器１２の下方に配置される。換言すると、上から順番に熱交換器１２、水精製器１４、改質部３３が配置されることとなる。その結果、熱交換器１２で生成された凝縮水は、自重によって水精製器１４に供給される。さらに、蒸発部１３２は、水精製器１４から凝縮水が供給されるとともに供給された凝縮水を蒸発させて改質部３３に供給する。このとき、蒸発部１３２は、加熱部１３２ｂによって調整された温度に応じて改質水の供給流量を調節する。このように、ポンプなどの供給装置を設けなくても、さらには専用の改質水タンクを設けなくても、熱交換器１２にて生成された凝縮水は改質部３３に供給することができる。よって、専用の改質水タンクおよび改質水ポンプを省略してコストを低減させることができる燃料電池システム１０１を提供することができる。
なお、蒸発部１３２は、水精製器１４と同じ高さに設置するようにしてもよい（図９参照）。この場合、水精製器１４は、U字状に形成され、凝縮水を一方の上方から流入し純水を他方の上方から流出するように構成されている。熱交換器１２から自重によって凝縮水が落水して一方の上方から流入すると、水精製器１４内の純水が他方の上方から流出する。

さらに、前述した燃料電池システム１０１の第２実施形態の第２変形例（加熱部の変形例）について、図９を参照して説明する。本第２変形例に係る燃料電池システム１０２は、加熱部１３２ｅが燃焼排ガスを利用するように構成されている点で、上述した第２実施形態の加熱部１３２ｂ（電気ヒータで構成されている。）と異なる。燃料電池システム１０２において、第２実施形態に係る燃料電池システム１０１と同一構成については同一符号を付してその説明を省略する。

加熱部１３２ｅは、蒸発部１３２の容器１３２ｄに設けられている。加熱部１３２ｅは、蒸発部１３２の容器１３２ｄの外周に巻き付けられている排気管１１ｄの一部（熱交換部：燃焼排ガスと貯水部（改質水）との間で熱交換する部分）から構成されている。加熱部１３２ｅは、蒸発部１３２の容器１３２ｄ内に配設されている排気管１１ｄの一部（熱交換部）から構成されるようにしてもよい。加熱部１３２ｅは、制御装置１６からの指示に応じて排気管１１ｄを流れる燃焼排ガスの流量を調整するように構成されている。例えば、加熱部１３２ｅは、前述した熱交換部をバイパスするバイパス部（非熱交換部）と、熱交換部と非熱交換部とを流れる燃焼排ガスの流量比を制御装置１６からの指示に応じて調節する流量比調節部と、をさらに備えている。
これによれば、加熱部として電気ヒータなどを別途設けなくても、改質水を調節可能に加熱することができる。また、燃焼排ガスの熱を効率的に利用することができ、高い省エネ性を図ることができる。

１，１０１，１０２…燃料電池システム、１０…発電ユニット、１１…燃料電池モジュール、１１ａ１…原料ポンプ、１１ｃ１…カソードエアブロワ、１１ｆ…、混合気体供給管、１２…熱交換器（凝縮器）、１３…インバータ装置、１５…改質水タンク、１５ａ…水量センサ、１６…制御装置、１７ｃ…外部電力負荷、１８…供給流量調節装置、１８ａ…電磁弁、１８ｂ…点滴型調節装置、１８ｃ…絞り弁、２１…貯湯槽、２２…貯湯水循環ライン、３２…蒸発部、３３…改質部、３３ａ…温度センサ、３４…燃料電池、３６…燃焼空間（燃焼部）、１３２…蒸発部（供給流量調節装置）、１３２ａ…貯水部、１３２ｂ，１３２ｅ…加熱部、１３２ｃ…改質用原料混合部。

Claims (5)

1. 燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
   改質用原料と改質水とから前記燃料を生成して前記燃料電池に前記燃料を供給する改質部と、
   前記燃料電池からの燃料オフガスと酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼排ガスを導出する燃焼部と、
   前記燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器と、
   前記改質部の上方かつ前記凝縮器の下方に配置され、前記凝縮器から供給された凝縮水を前記改質水として貯水するとともに前記改質部に前記改質水を供給する改質水タンクと、
   前記改質水タンクと前記改質部とを接続するとともに、前記改質水タンク内の前記改質水を自重により落水させて前記改質部に供給する改質水供給管と、
   前記改質水供給管に設けられ、前記改質水の供給流量を調節する供給流量調節装置と、
   を備えている燃料電池システム。
2. 前記改質水供給管に設けられ、前記改質水の供給流量を検知する流量センサをさらに備え、
   前記供給流量調節装置は、前記流量センサによって検知された前記改質水の供給流量を使用して前記改質水の供給流量を調節する請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記改質水タンクの水量を検出する水量センサをさらに備え、
   前記供給流量調節装置は、前記水量センサによって検知された前記改質水タンクの水量を使用して前記改質水の供給流量を調節する請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池、前記改質部および前記燃焼部は、断熱されたケーシング内に収容され、
   前記凝縮器および前記改質水タンクは、前記ケーシング外に配置され、
   前記燃料電池システムは、前記改質水タンクの下方であって前記ケーシング外に配置され、前記改質水が供給されるとともに前記改質水を蒸発させて前記改質部に供給する蒸発部をさらに備え、
   前記蒸発部は、
   前記改質水タンクから自重によって落水した前記改質水を貯水する貯水部と、
   前記貯水部を加熱する加熱部と、
   前記改質用原料が供給されるとともに、前記加熱部の加熱によって蒸発した前記改質水に前記改質用原料を混合させる改質用原料混合部と、
   を備え、
   前記蒸発部は、前記加熱部によって調整された温度に応じて前記改質水の供給流量を調節する前記供給流量調節装置である請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池システムは、前記改質部の上方かつ前記凝縮器の下方に配置され、前記凝縮器から供給された凝縮水を精製して導出する水精製器をさらに備え、
   前記燃料電池、前記改質部および前記燃焼部は、断熱されたケーシング内に収容され、
   前記凝縮器および前記水精製器は、前記ケーシング外に配置され、
   前記燃料電池システムは、前記ケーシング外に配置され、前記水精製器から前記凝縮水が供給されるとともに供給された前記凝縮水を蒸発させて前記改質部に供給する蒸発部をさらに備え、
   前記蒸発部は、
   前記水精製器から供給された前記凝縮水を前記改質水として貯水する、前記改質水タンクである貯水部と、
   前記貯水部を加熱する加熱部と、
   前記改質用原料が供給されるとともに、前記加熱部の加熱によって蒸発した前記改質水に前記改質用原料を混合させる改質用原料混合部と、
   を備え、
   前記蒸発部は、前記加熱部によって調整された温度に応じて前記改質水の供給流量を調節する前記供給流量調節装置である請求項１記載の燃料電池システム。

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