JP2019179708A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】水位センサを用いなくてもオフガスがシステム外に排出されることを抑制でき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１０は、水蒸気を生成する気化器１２と、気化器１２で生成された水蒸気を用いて原料ガスを改質する改質部１４と、改質部１４で生成された燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池（第１燃料電池セルスタック２２）と、燃料電池の燃料極から排出されたオフガスに含まれる水蒸気が凝縮した凝縮水が蓄えられる水タンク（集約タンク７６）と、水タンクにおいてオフガスが流入する気室Ａ１と他の気室とを仕切る仕切板７６Ａと、他の気室に接続され、凝縮水をオーバーフローにより排出するオーバーフロー排水管Ｐ１７と、オーバーフロー排水管Ｐ１７より低い位置で、かつ、仕切板７６Ａの下端部より高い位置に接続され、凝縮水をシステム内へ供給する供給管（水供給管Ｐ２）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。

下記特許文献１には、原料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムには、燃料電池から排出されたオフガス中の水蒸気を凝縮させて回収する水タンク（第１水タンク）が設けられている。第１水タンクに蓄えられた凝縮水は、凝縮水供給経路を介して、排ガス中の水蒸気を凝縮させて回収する水タンク（第２水タンク）へ供給される。第２水タンクは大気に開放されており、第２水タンクから排ガスがシステム外へ排出される。

第１水タンクには水位センサが設けられており、第１水タンクの水位が所定の値よりも小さいときには、凝縮水供給経路の開閉弁が閉じられ、凝縮水は第２水タンクに供給されない。これにより、第１水タンクの内部のオフガスが凝縮水供給経路及び第２水タンクを介して外部に排出されることが抑制されている。

特開２０１７−６９１０３号公報

上記特許文献１に記載された燃料電池システムでは、オフガスを外部に排出させないために水位センサを用いて第１水タンクの水位を制御しているが、この場合、第１タンクの内部の構成が複雑になる。

本発明は上記事実を考慮して、水位センサを用いなくてもオフガスがシステム外に排出されることを抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１の燃料電池システムは、水供給管から供給された水を気化して水蒸気を生成する気化器と、前記気化器で生成された水蒸気を用いて原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成された前記燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池の燃料極から排出されたオフガスに含まれる水蒸気が凝縮した凝縮水が蓄えられる水タンクと、前記水タンクの内部において前記オフガスが流入する気室と他の気室とを仕切る仕切板と、前記他の気室に接続され、前記水タンクに蓄えられた凝縮水をオーバーフローにより排出するオーバーフロー排水管と、前記オーバーフロー排水管より低い位置で、かつ、前記仕切板の下端部より高い位置に接続され、前記水タンクに蓄えられた凝縮水をシステム内へ供給する供給管と、を備えている。

請求項１の燃料電池システムによると、水タンクには、燃料電池の燃料極から排出されたオフガスが流入し、オフガスに含まれる水蒸気が凝縮した凝縮水が蓄えられる。

水タンク内の凝縮水は、供給管からシステム内へ供給される。また、凝縮水の水量が多くなり、水位がオーバーフロー排水管の接続位置に達すると、オーバーフロー排水管からオーバーフローにより排出される。

水タンクには仕切板が設けられており、オフガスが流入する気室と他の気室とが仕切られている。この仕切板の下端部は、供給管の接続位置より下方に配置されている。このため、供給管から凝縮水が排出されても、仕切板の下端部が水タンク内の凝縮水に挿入された状態が維持される。これにより、オフガスが流入する気室と他の気室とが連通し難く、オフガスはオフガスが流入する気室から他の気室へ流入し難い。したがってオフガスは、他の気室に接続されたオーバーフロー排水管からシステム外へ排出され難い。

このように、請求項１の燃料電池システムによると、オーバーフロー排水管によって水タンク内の水位を制御し、仕切板によってオフガスの流れを制御できる。これにより、水位計を用いなくても、オフガスがシステム外へ排出されることを抑制できる。また、水タンクの水位を維持できる。

請求項２の燃料電池システムは、請求項１の燃料電池システムにおいて、前記供給管は前記水供給管とされている。

請求項２の燃料電池システムによると、水タンクに、水供給管が接続されている。このため、水タンクに蓄えられた凝縮水が気化器に供給される。これによりシステム内で水を循環することができる。

請求項３の燃料電池システムは、請求項１の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の空気極から排出された酸化オフガスで前記水タンクから排出された前記オフガスを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器から排出された排出ガスに含まれる水蒸気が凝縮した凝縮水が蓄えられる排ガス水タンクと、前記排ガス水タンクに蓄えられた凝縮水が供給され、前記水供給管が接続された集約タンクと、を備え、前記供給管は、前記水タンクに蓄えられた凝縮水を前記集約タンクへ供給する。

請求項３の燃料電池システムによると、水タンクに蓄えられた凝縮水が供給管から集約タンクへ供給される。また、集約タンクには、排ガス水タンクに蓄えられた凝縮水も供給される。さらに、集約タンクには水供給管が接続されている。このため、２つのタンクから凝縮水を集約して気化器に凝縮水を供給できる。このため、集約タンクを設けない構成と比較して水供給管を削減できる。

請求項４の燃料電池システムは、請求項３の燃料電池システムにおいて、前記水タンクに蓄えられた凝縮水及び前記排ガス水タンクに蓄えられた凝縮水の前記集約タンクへの供給量が電磁弁によって制御される。

請求項４の燃料電池システムによると、水タンクに蓄えられた凝縮水及び排ガス水タンクに蓄えられた凝縮水の集約タンクへの供給量が、電磁弁によって制御されている。このため、例えば水タンク及び排ガス水タンクの凝縮水の貯蓄量が多くなった際、電磁弁を開いて凝縮水を集約タンクへ排出できる。また、例えば集約タンクの凝縮水の貯蓄量が少なくなった際、電磁弁を開いて凝縮水を集約タンクへ供給できる。このため、気化器へ供給するために必要な凝縮水を、集約タンク内に維持することができる。

請求項５の燃料電池システムは、請求項４の燃料電池システムにおいて、前記集約タンクには水位センサが設けられ、前記電磁弁は前記水位センサが検出した水位に基づいて駆動する。

請求項５の燃料電池システムによると、水位センサが集約タンクの水位を測定する。このため、電磁弁の制御によって集約タンク内の凝縮水量を管理し易い。

請求項６の燃料電池システムは、請求項１の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の燃料極から排出されたオフガスが供給され、前記オフガスに含まれる水蒸気が凝縮した凝縮水が蓄えられる中間ガス水タンクと、前記燃料電池の空気極から排出された酸化オフガスで前記中間ガス水タンクから排出された前記オフガスを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器から排出された排出ガスに含まれる水蒸気が凝縮した凝縮水が蓄えられる排ガス水タンクと、を備え、前記水タンクは、前記中間ガス水タンクに蓄えられた凝縮水及び前記排ガス水タンクに蓄えられた凝縮水がオーバーフローによって供給される集約タンクとされ、前記供給管は、前記水供給管とされている。

請求項６の燃料電池システムによると、集約タンクである水タンクに、水供給管が接続されている。このため、水タンクに蓄えられた凝縮水が気化器に供給される。これによりシステム内で水を循環することができる。

また、中間ガス水タンクに蓄えられた凝縮水及び排ガス水タンクに蓄えられた凝縮水がオーバーフローによって水タンクへ供給される。このため、中間ガス水タンクに蓄えられた凝縮水及び排ガス水タンクに蓄えられた凝縮水の水量を一定量以下に維持できる。

なお、中間ガス水タンクに蓄えられた凝縮水の流入に伴って、中間ガス水タンク内のオフガスが水タンクへ流入する場合がある。しかし、水タンクに設けられた仕切板の下端部は、水供給管の接続位置より下方に配置されているため、オフガスはオーバーフロー排水管からシステム外へ排出され難い。

請求項７の燃料電池システムは、請求項６の燃料電池システムにおいて、前記水タンクの内部には、前記排出ガスが流入する気室と前記オーバーフロー排水管が接続された気室とを仕切る第２仕切板が設けられている。

請求項７の燃料電池システムによると、水タンクにおいて、オフガスが流入する気室と、排出ガスが流入する気室と、オーバーフロー排水管が接続された気室とが、それぞれ仕切られている。このため、集約タンクのオーバーフロー排水管から、オフガス及び排出ガスが排出され難い。

本発明に係る燃料電池システムによると、水位センサを用いなくてもオフガスがシステム外に排出され難い。

本発明の第１実施形態における燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態における燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態における燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態における燃料電池システムにおいて排気ガスに含まれる水蒸気を水タンクへ蓄える変形例を示したブロック図である。

［第１実施形態］
＜燃料電池システム＞
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１０は、気化器１２、改質器１４、燃焼器１６、第１燃料電池セルスタック２２、第２燃料電池セルスタック２４、第１水タンク３２、第２水タンク３４、ポンプ６２及び集約タンク７６を備えている。

（気化器）
気化器１２には、原料ガスが流れる管である原料ガス管Ｐ１の一端が接続されている。また、気化器１２には、水が流れる管である水供給管Ｐ２の一端が接続されており、水供給管Ｐ２の他端は、集約タンク７６に接続されている。集約タンク７６には、水が貯留されている。

ポンプ６２は、水供給管Ｐ２を介して集約タンク７６から水を汲み上げる。そして、ポンプ６２は、汲み上げた水を水供給管Ｐ２を介して気化器１２に送出することで、気化器１２に水を供給する。

気化器１２は、水供給管Ｐ２から供給された水を気化させる。気化には、燃焼器１６等の熱が用いられる。

気化器１２は、配管Ｐ３を介して原料ガス及び水蒸気を改質器１４に送出することで、改質器１４に原料ガス及び水蒸気を供給する。

（改質器）
改質器１４は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する。改質器１４には、配管Ｐ３の一端が接続されている。これにより原料ガス及び水蒸気が配管Ｐ３を通じて改質器１４に供給される。

改質器１４において原料ガスの一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、以下の（１）式の反応により一酸化炭素及び水素が生成される。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２ ・・・（１）

さらに、一酸化炭素をシフト改質させた場合、以下の（２）式の反応により水素及び二酸化炭素が生成される。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２ ・・・（２）

なお、本実施形態では、原料ガスの一例としてメタンが採用されているが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、又はブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは、天然ガス、都市ガス、又はＬＰガス、バイオガス等のガスであってもよい。さらに、原料ガスは、これらの混合ガスであってもよい。

改質器１４には、改質ガス供給管Ｐ４の一端が接続されている。改質ガス供給管Ｐ４の他端は、第１燃料電池セルスタック２２におけるアノード（燃料極、不図示）に接続されている。これにより、改質器１４にて生成された改質ガスが、改質ガス供給管Ｐ４を通じて第１燃料電池セルスタック２２に供給される。改質ガスには、未反応のメタン、改質器１４で生成された二酸化炭素、水素、一酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。

（燃料電池セルスタック）
第１燃料電池セルスタック２２は例えば固体酸化物系の燃料電池セルスタックであり、積層された複数の燃料電池セル（不図示）を有している。個々の燃料電池セルは、電解質層と、電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたカソード（空気極、不図示）及びアノードと、を有する。なお、第１燃料電池セルスタック２２は溶解炭酸塩型の燃料電池セルスタックとしてもよい。

第１燃料電池セルスタック２２のカソードには、酸化ガスが流れる管である酸化ガス管Ｐ５の一端が接続されている。カソードには、酸化ガス管Ｐ５を介して酸化ガス（例えば空気）が供給される。カソードでは、以下の（３）式に示すように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層を通ってアノードに到達する。

１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− ・・・（３）

一方、アノードでは、以下の（４）式及び（５）式に示すように、電解質層を通ってきた酸素イオンが改質ガス中の燃料ガスである水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)、二酸化炭素及び電子が生成される。アノードで生成された電子がアノードから外部回路を通ってカソードに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。なお、各燃料電池セルは、発電時に発熱する。

Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・(４)

ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻ ・・・(５)

第１燃料電池セルスタック２２のアノードには、アノードオフガスが流れる管であるアノードオフガス管Ｐ６の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ６にはアノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素、及び水蒸気等が含まれている。

第１燃料電池セルスタック２２のカソードには、カソードオフガスが流れる管であるカソードオフガス管Ｐ７の一端が接続されており、カソードオフガス管Ｐ７にはカソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、未反応の酸化ガスなどが含まれている。

アノードオフガス管Ｐ６の他端は、第１水タンク３２に挿入され、カソードオフガス管Ｐ７の他端は、第２燃料電池セルスタック２４のカソード（不図示）に接続されている。

第２燃料電池セルスタック２４の構成は第１燃料電池セルスタック２２と同様であり詳細の説明は省略するが、上述したように、第２燃料電池セルスタック２４のカソードには、カソードオフガス管Ｐ７の一端が接続されている。また、第２燃料電池セルスタック２４のアノードには、後述する再生ガス管Ｐ８の一端が接続されている。なお、カソードオフガス管Ｐ７は、第２燃料電池セルスタック２４のカソードではなく、燃焼器１６へ接続してもよい。この場合、第２燃料電池セルスタック２４のカソードには、例えば第１燃料電池セルスタック２２と並列して酸化ガスを供給するなど、別途酸化ガス管を接続して酸化ガスを供給する。

さらに、第２燃料電池セルスタック２４のカソードには、カソードオフガスが流れる管であるカソードオフガス管Ｐ１１の一端が接続されており、カソードオフガス管Ｐ１１には、カソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、未反応の酸化ガスなどが含まれており、カソードオフガスは、カソードオフガス管Ｐ１１を介して燃焼器１６へ供給される。

第２燃料電池セルスタック２４のアノードには、アノードオフガスが流れる管であるアノードオフガス管Ｐ１３の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ１３には、アノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素、及び水蒸気等が含まれており、アノードオフガスはアノードオフガス管Ｐ１３を介して燃焼器１６へ供給される。

（燃焼器）
燃焼器１６は、第２燃料電池セルスタック２４のカソード及びアノードから供給された使用済みのガスを焼却に供する。燃焼器１６には、配管Ｐ１２の一端が接続されており、燃焼後の排出ガスは、配管Ｐ１２へ送出される。配管Ｐ１２の途中箇所は気化器１２に配置されており、気化器１２では、配管Ｐ１２の熱により水が気化される。

（第１水タンク）
第１水タンク３２は、第１燃料電池セルスタック２２のアノードから排出されたアノードオフガスから水蒸気を除去して第２燃料電池セルスタック２４のアノードへ供給するための再生器である。なお、第１実施形態における第１水タンク３２は、本発明における中間ガス水タンクの一例である。

第１水タンク３２には、第１燃料電池セルスタック２２のアノードから排出されたアノードオフガスが、アノードオフガス管Ｐ６を介して流入する。第１水タンク３２の側面には、オーバーフロー管Ｐ１５が接続されている。オーバーフロー管Ｐ１５は、第１水タンク３２に蓄えられた凝縮水の水位が一定の高さになったところで、凝縮水を集約タンク７６へ送出する。

第１水タンク３２において水蒸気等が除去されたガスは、再生ガスとして再生ガス管Ｐ８を介して第２燃料電池セルスタック２４のアノードへ流入する。なお、アノードオフガス管Ｐ６、再生ガス管Ｐ８の下端部は、オーバーフロー管Ｐ１５の接続位置より上方に配置されている。

（第２水タンク）
第２水タンク３４には、燃焼器１６から送出された排出ガスが、配管Ｐ１２を介して流入する。一端が燃焼器１６に接続された配管Ｐ１２の他端は第２水タンク３４へ挿入されている。また、第２水タンク３４には、排気管Ｐ１６の一端が挿入されている。排気管Ｐ１６の他端は外気に開放されており、排出ガスをシステム外へ排出できる。なお、第２水タンク３４は、本発明における排ガス水タンクの一例である。

第２水タンク３４の側面には、オーバーフロー管Ｐ１４が接続されている。オーバーフロー管Ｐ１４は、第２水タンク３４に蓄えられた凝縮水の水位が一定の高さになったところで、凝縮水を集約タンク７６へ送出する。なお配管Ｐ１２、排気管Ｐ１６の下端部は、オーバーフロー管Ｐ１４の接続位置より上方に配置されている。

（集約タンク）
集約タンク７６は、第１水タンク３２及び第２水タンク３４より低い位置に設けられ、第１水タンク３２に接続されたオーバーフロー管Ｐ１５と、第２水タンク３４に接続されたオーバーフロー管Ｐ１４とが上部から挿入されている。また、集約タンク７６の内部には仕切板７６Ａ、７６Ｂが設けられている。さらに集約タンク７６には、側面にオーバーフロー排水管Ｐ１７及び水供給管Ｐ２が接続されている。オーバーフロー排水管Ｐ１７は、凝縮水をシステム外へ排出するドレン管である。なお、第１実施形態における集約タンク７６、オーバーフロー排水管Ｐ１７、水供給管Ｐ２、仕切板７６Ａは、それぞれ、本発明における水タンク、オーバーフロー排水管、供給管、仕切板の一例である。

なお、オーバーフロー排水管Ｐ１７の接続位置Ｈ１は水供給管Ｐ２の接続位置Ｈ２より上方に配置され、オーバーフロー管Ｐ１４、Ｐ１５の下端部の位置Ｈ３は、オーバーフロー排水管Ｐ１７の接続位置Ｈ１より上方に配置されている。

仕切板７６Ａは、集約タンク７６において気室Ａ１（オーバーフロー管Ｐ１５が挿入された気室）と「他の気室」とを仕切る仕切板である。仕切板７６Ｂは、仕切板７６Ａによって仕切られた「他の気室」を、さらに気室Ａ２（オーバーフロー管Ｐ１４が挿入された気室）と気室Ａ３（オーバーフロー排水管Ｐ１７が接続された気室）に仕切る仕切板である。すなわち、集約タンク７６の内部は、仕切板７６Ａ、７６Ｂによって、気室Ａ１、Ａ２、Ａ３に仕切られている。

なお、仕切板７６Ａ、７６Ｂの上端面及び側端面は集約タンク７６の内側面に接合されており、仕切板７６Ａ、７６Ｂの下端面の位置Ｈ４、Ｈ５は、水供給管Ｐ２の接続位置Ｈ２より低い位置とされている。これにより仕切板７６Ａの下端部が凝縮水に挿入され、３つの気室（気室Ａ１、Ａ２、Ａ３）内の気体が混合しないようになっている。

また、気室Ａ１の圧力は、大気圧と略平衡である気室Ａ２、Ａ３の圧力と比較して大きい。このため、気室Ａ１における水位は、気室Ａ２、Ａ３における水位より低くなる可能性がある。仕切板７６Ａの下端面の位置Ｈ４は、気室Ａ１の圧力によって押し下げられる水面位置より低い位置となるように設定されている。

＜作用・効果＞
第１実施形態に係る燃料電池システム１０では、第１水タンク３２内の凝縮水が、オーバーフロー管Ｐ１５を介して、第１水タンク３２の下方に設置された集約タンク７６へ供給される。このとき、第１水タンク３２内のオフガスが、凝縮水と共に集約タンク７６へ流入する場合がある。

しかし、集約タンク７６において、オフガスが流入する気室（気室Ａ１）と他の気室（気室Ａ２及び気室Ａ３）とが仕切板７６Ａによって仕切られている。さらに、仕切板７６Ａの下端面の位置Ｈ４は、水供給管Ｐ２の接続位置Ｈ２より低い位置とされている。このため、水供給管Ｐ２へ凝縮水が排出されても、仕切板７６Ａの下端部が、集約タンク７６内の凝縮水に挿入された状態が維持される。換言すると、集約タンク７６内の凝縮水の水位が仕切板７６Ａの下端部より低くなることが抑制されている。これにより、気室Ａ１のオフガスは、気室Ａ２及び気室Ａ３の何れにも流入し難い。

同様に、燃料電池システム１０では、第２水タンク３４内の凝縮水が、オーバーフロー管Ｐ１４を介して、第２水タンク３４の下方に設置された集約タンク７６へ供給される。このとき、第２水タンク３４内の排出ガスが、凝縮水と共に集約タンク７６へ流入する場合がある。

しかし、集約タンク７６において、排出ガス流入する気室（気室Ａ２）とオーバーフロー排水管Ｐ１７が接続された気室Ａ３とが仕切板７６Ｂによって仕切られている。さらに、仕切板７６Ｂの下端面の位置Ｈ５は、水供給管Ｐ２の接続位置Ｈ２より低い位置とされている。このため、仕切板７６Ｂの下端部が、集約タンク７６内の凝縮水に挿入された状態が維持される。換言すると、集約タンク７６内の凝縮水の水位が仕切板７６Ｂの下端部より低くなることが抑制されている。これにより、気室Ａ２の排出ガスは、気室Ａ１及び気室Ａ３の何れにも流入し難い。

このように、第１実施形態に係る燃料電池システム１０によると、オーバーフロー排水管Ｐ１７によって集約タンク７６内の水位を制御し、仕切板７６Ａによってオフガスの流れを制御できる。これにより、水位センサを用いなくても、オフガスが外部に排出されることを抑制できる。

また、燃料電池システム１０によると、仕切板７６Ｂによって排出ガスの流れを制御できる。つまり、オーバーフロー排水管Ｐ１７から排出ガスが外部に排出されることを抑制し、排出ガスの排出箇所を排気管Ｐ１６に集約できる。その結果、オーバーフロー排出管Ｐ１７は、集約タンク７６から排出される余剰のドレン水と大気のみが通る配管となるため、大流量の排出ガスを通す必要がなく、配管径を細くすることができる。

また、燃料電池システム１０では、２つの水タンク（第１水タンク３２、第２水タンク３４）を設けているが、これらの水タンクから排出された凝縮水は、集約タンク７６に収集されて一箇所（オーバーフロー排水管Ｐ１７）からシステム外へ排出される。このため、第１水タンク３２及び第２水タンク３４のそれぞれから凝縮水を排出する場合と比較して、凝縮水の排出箇所が集約される。さらに、気化器１２へ凝縮水を供給する経路も一箇所（水供給管Ｐ２）に集約できる。このため配管工事を削減し、システムの制御を簡略化できる。

また、燃料電池システム１０では、第１水タンク３２の凝縮水が、オーバーフロー管Ｐ１５から集約タンク７６へ排出される。このため、例えばポンプ等を用いて凝縮水を排出する場合と比較して、第１水タンク３２内の凝縮水は急激に減少しない。このため、第２燃料電池セルスタック２４に対して、再生ガスを安定して供給できる。

これに対して、ポンプ等を用いて凝縮水を排出した場合、第１水タンク３２内の凝縮水が急激に減少する。この場合、第１水タンク３２内の気積が増えるため、再生ガス管Ｐ８から第２燃料電池セルスタック２４へ供給されるオフガス（再生ガス）が一時的に減少し、第２燃料電池セルスタックの発電効率が低くなる可能性がある。

なお、本実施形態においては、集約タンク７６に仕切板７６Ｂを設けているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば仕切板７６Ａを設ければ仕切板７６Ｂは設けなくてもよい。仕切板７６Ｂを設けなくても、気室Ａ１のオフガスは空気及び排出ガスが流入する気室（気室Ａ１以外の気室）に流入し難い。これによりオフガスが外部に排出されにくい効果を維持することができる。

また、仕切板７６Ｂを設けない場合は、オーバーフロー管Ｐ１４から集約タンク７６に流入した排出ガスは、オーバーフロー排水管Ｐ１７から排出されるため、第２水タンク３４の排気管Ｐ１６を省略することもできる。

［第２実施形態］
＜燃料電池システム＞
図２に示す第２実施形態に係る燃料電池システム７０は、図１に示す第１実施形態に係る燃料電池システム１０のオーバーフロー管Ｐ１５に代えて、オーバーフロー排水管Ｐ２２と供給管Ｐ２３とが設けられている。また、オーバーフロー管Ｐ１４に代えて、オーバーフロー排水管Ｐ２０と供給管Ｐ２１とが設けられている。さらに、オーバーフロー排水管Ｐ１７が省略されており、仕切板３２Ａが設けられている。

なお、第２実施形態において、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成については同一の符号を用いてその説明を省略する。また、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成による同一の効果についても説明を省略する。

（第１水タンク）
第１水タンク３２の側面には、オーバーフロー排水管Ｐ２２と供給管Ｐ２３とが接続されている。オーバーフロー排水管Ｐ２２は、第１水タンク３２に蓄えられた凝縮水の水位が一定の高さになったところで、凝縮水をシステム外へ排出する。供給管Ｐ２３は、第１水タンク３２に蓄えられた凝縮水を、集約タンク７６へ送出する。また、供給管Ｐ２３の接続位置Ｈ７は、オーバーフロー排水管Ｐ２２の接続位置Ｈ６より低い位置とされている。なお、第２実施形態における第１水タンク３２、供給管Ｐ２３、オーバーフロー排水管Ｐ２２、仕切板３２Ａは、それぞれ、本発明における水タンク、供給管、オーバーフロー排水管、仕切板の一例である。

供給管Ｐ２３には電磁弁４４が設けられている。この電磁弁４４を操作することにより、集約タンク７６への凝縮水の送出を開始及び停止できる。

なお、再生ガス管Ｐ８の下端部の位置Ｈ８は、オーバーフロー排水管Ｐ２２の接続位置Ｈ６より上方とされている。

また、第１水タンク３２には仕切板３２Ａが設けられている。仕切板３２Ａは、第１水タンク３２において気室Ａ４（アノードオフガス管Ｐ６及び再生ガス管Ｐ８が挿入された気室）と「他の気室」とを仕切る仕切板である。ここで、「他の気室」とは、オーバーフロー排水管Ｐ２２が接続された気室Ａ５のことである。すなわち、第１水タンク３２の内部は、仕切板３２Ａによって、気室Ａ４、Ａ５に仕切られている。
なお、仕切板３２Ａの下端面の位置Ｈ９は、供給管Ｐ２３の接続位置Ｈ７より下方とされている。これにより仕切板３２Ａの下端部が凝縮水に挿入され、２つの気室（気室Ａ４、Ａ５）内の気体が混合しないようになっている。

（第２水タンク）

第２水タンク３４の側面には、オーバーフロー排水管Ｐ２０と供給管Ｐ２１とが接続されている。オーバーフロー排水管Ｐ２０は、第２水タンク３４に蓄えられた凝縮水の水位が一定の高さになったところで、凝縮水をシステム外へ排出する。また、供給管Ｐ２１は、オーバーフロー排水管Ｐ２０より低い位置に接続され、第２水タンク３４に蓄えられた凝縮水を、集約タンク７６へ送出する。

供給管Ｐ２１には電磁弁４２が設けられている。この電磁弁４２を操作することにより、集約タンク７６への凝縮水の送出を開始及び停止できる。

なお、排気管Ｐ１６の下端部は、オーバーフロー排水管Ｐ２０の接続位置より上方に配置されている。

（集約タンク）
集約タンク７６は、第１水タンク３２及び第２水タンク３４より低い位置に設けられ、第１水タンク３２に接続された供給管Ｐ２３と、第２水タンク３４に接続された供給管Ｐ２１とが上部から挿入されている。また、集約タンク７６の内部には仕切板７６Ａと水位センサ７６Ｓとが設けられている。さらに集約タンク７６には、側面に水供給管Ｐ２が接続されている。なお、水供給管Ｐ２の接続位置は側面に限らず、下面であってもよい。第２実施形態における集約タンク７６は、本発明における集約タンクの一例である。

仕切板７６Ａは、集約タンク７６において気室Ａ６（供給管Ｐ２３が挿入された気室）と気室Ａ７（供給管Ｐ２１が接続された気室）とを仕切る仕切板である。すなわち、集約タンク７６の内部は、仕切板７６Ａによって、気室Ａ６、Ａ７に仕切られている。

水位センサ７６Ｓは、集約タンク７６の内部の水位を測定し、水位が予め設定された上限値（水位Ｗ１）及び下限値（水位Ｗ２）に到達した際に、図示しない制御装置へその旨を伝達する。

制御装置は、水位が上限値（水位Ｗ１）に到達した旨の情報を水位センサ７６Ｓから受取った場合、電磁弁４２及び電磁弁４４を閉じて、集約タンク７６への凝縮水の供給を停止する。

制御装置は、水位が下限値（水位Ｗ２）に到達した旨の情報を水位センサ７６Ｓから受取った場合、電磁弁４２及び電磁弁４４の少なくとも一方を開いて、集約タンク７６へ凝縮水を供給する。これにより、集約タンク７６内の水位を一定範囲に維持することができる。

なお、供給管Ｐ２１、Ｐ２３の下端部の位置Ｈ１０は、上限水位Ｗ１より高い位置とされている。また、水供給管Ｐ２の接続位置Ｈ１１は、下限水位Ｗ２より低い位置とされている。

＜作用・効果＞
第２実施形態に係る燃料電池システム７０では、第１水タンク３２内の凝縮水は、水位がオーバーフロー排水管Ｐ２２の接続位置Ｈ６に達すると、オーバーフロー排水管Ｐ２２からオーバーフローにより排出される。又は、電磁弁４４を開放することにより、供給管Ｐ２３から集約タンク７６へ供給される。

第１水タンク３２には仕切板３２Ａが設けられており、オフガスが流入する気室Ａ４とオーバーフロー排水管Ｐ２２が接続された気室Ａ５とが仕切られている。この仕切板３２Ａの下端部の位置Ｈ９は、供給管Ｐ２３の接続位置Ｈ７より低い位置とされている。このため、仕切板３２Ａの下端部が第１水タンク３２内部の凝縮水に挿入された状態が維持され易い。これにより、オフガスが流入する気室Ａ４とオーバーフロー排水管Ｐ２２が接続された気室Ａ５とが連通し難く、オフガスは気室Ａ４から気室Ａ５へ流入し難い。したがって、気室Ａ５に接続されたオーバーフロー排水管Ｐ２２から、オフガスがシステム外へ排出され難い。

また、燃料電池システム７０では、集約タンク７６の内部の水位が、水位センサ７６Ｓ及び電磁弁４２、４４によって所定の範囲に維持される。これにより、集約タンク７６内の凝縮水量を、例えば燃料電池システム７０の起動時に必要な改質水量や、発電量を大きくする際に必要な改質水量に維持することができる。

また、水位センサ７６Ｓに設定された水位の下限水位Ｗ２は、仕切板７６Ａの下端面の位置Ｈ１２より高い位置とされている。このため、集約タンク７６の水位が下限水位Ｗ２に達した時点で適宜凝縮水を補給することで、仕切板７６Ａの下端部が、集約タンク７６内の凝縮水に挿入された状態が維持される。これにより、気室Ａ６にオフガスが流入することがあっても、そのオフガスと気室Ａ７の排ガスとが混合されることがない。このため、例えば気室Ａ６のオフガスが、気室Ａ７、供給管Ｐ２１、第２水タンク３４、排気管Ｐ１６を介してシステム外へ排出されることが抑制されている。

このように、第２実施形態に係る燃料電池システム７０によると、オーバーフロー排水管Ｐ２２によって第１水タンク３２内の水位を制御し、仕切板３２Ａによって第１水タンク３２内のオフガスの流れを制御できる。これにより、第１水タンク３２に水位センサを用いなくても、オフガスが外部に排出されることを抑制できる。

さらに、集約タンク７６にオフガスが流入した場合においても、水位センサ７６Ｓ及び電磁弁４２、４４によって集約タンク７６の水位を制御し、仕切板７６Ａによって集約タンク７６内のオフガスの流れを制御できる。これにより、オフガスの排出抑制効果が高められている。

なお、本実施形態においては、集約タンク７６に水位センサ７６Ｓを設けているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば水位センサ７６Ｓを設けなくても、仕切板７６Ａの下端面の位置Ｈ１２を水供給管Ｐ２の接続位置Ｈ１１より低い位置とすれば、集約タンク７６内の凝縮水の水位が仕切板７６Ａの下端部より低くなり難い。

なお、本実施形態においては、集約タンク７６に仕切板７６Ａを設けているが、本発明の実施形態はこれに限らない。仕切板７６Ａを設けない場合、例えば第１水タンク３２に水位センサを設けて、供給管Ｐ２３の接続位置Ｈ７が下限水位より下方に位置するように電磁弁４４を制御する。これにより第１水タンク３２の気室Ａ４内のオフガスが供給管Ｐ２３を通って集約タンク７６へ流入することが抑制される。これにより、オフガスが供給管Ｐ２１、第２水タンク３４、排気管Ｐ１６を介してシステム外へ排出されることを抑制できる。

また、仕切板７６Ａを設けない場合、第１水タンク３２の他、第２水タンク３４にも水位センサを設けて、供給管Ｐ２１の接続位置Ｈ１３が下限水位より下方に位置するように電磁弁４４を制御することが更に好適である。第２水タンク３４にも水位センサを設けることで、第１タンク３２の水位センサ、第２タンクの水位センサの何れか一方に不具合が生じた場合でも、他方をフェールセーフとして機能させられる。

［第３実施形態］
＜燃料電池システム＞
図３に示す第３実施形態に係る燃料電池システム８０は、図２に示す第２実施形態に係る燃料電池システム７０の第２水タンク３４及び集約タンク７６が省略されている。燃料電池システム８０においては、第１水タンク３２に水供給管Ｐ２が接続されている。水供給管Ｐ２の接続位置Ｈ７は、第２実施形態における供給管Ｐ２３の接続位置Ｈ７と同様である。なお、第３実施形態における第１水タンク３２、水供給管Ｐ２、オーバーフロー排水管Ｐ２２、仕切板３２Ａは、それぞれ、本発明における水タンク、供給管、オーバーフロー排水管、仕切板の一例である。

また、燃料電池システム８０においては第２水タンク３４が設けられていないため、配管Ｐ１２の端部が外気に開放されている。これにより、排出ガスは配管Ｐ１２の端部からシステム外へ排出される。

なお、第３実施形態において、第１実施形態に係る燃料電池システム１０又は第２実施形態に係る燃料電池システム７０と同一の構成については同一の符号を用いてその説明を省略する。また、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成による同一の効果についても説明を省略する。

＜作用・効果＞
第３実施形態に係る燃料電池システム８０では、第１水タンク３２内の凝縮水は、水位がオーバーフロー排水管Ｐ２２の接続位置Ｈ６に達すると、オーバーフロー排水管Ｐ２２からオーバーフローにより排出される。又は、ポンプ６２を駆動することで水供給管Ｐ２から気化器１２へ供給される。

第１水タンク３２には仕切板３２Ａが設けられており、オフガスが流入する気室Ａ４とオーバーフロー排水管Ｐ２２が接続された気室Ａ５とが仕切られている。この仕切板３２Ａの下端部の位置Ｈ９は、水供給管Ｐ２の接続位置Ｈ７より下方に配置されている。このため、仕切板３２Ａの下端部が第１水タンク３２内部の凝縮水に挿入された状態が維持され易い。これにより、オフガスが流入する気室Ａ４とオーバーフロー排水管Ｐ２２が接続された気室Ａ５とが連通し難く、オフガスは気室Ａ４から気室Ａ５へ流入し難い。したがって、気室Ａ５に接続されたオーバーフロー排水管Ｐ２２から、オフガスがシステム外へ排出され難い。

このように、第３実施形態に係る燃料電池システム８０によると、オーバーフロー排水管Ｐ２２によって第１水タンク３２内の水位を制御し、仕切板３２Ａによってオフガスの流れを制御できる。これにより、水位センサを用いなくても、オフガスがシステム外へ排出されることを抑制できる。

なお、本実施形態においては、排出ガスは配管Ｐ１２の端部からシステム外へ排出される構成としたが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば図４に示すようにオフガスが流入する気室Ａ４と大気が流入する気室Ａ５との間に気室Ａ８を設け、この気室Ａ８に排出ガスに配管Ｐ１２の端部を挿入してもよい。気室Ａ８には、排出管Ｐ１８を接続し、排出ガスは排出管Ｐ１８からシステム外へ排出される。これにより、排出ガスに含まれる水蒸気を第１水タンク３２へ蓄えることができる。

図４に示した実施形態においては、気室Ａ５と気室Ａ８との間に仕切板３２Ｂが設けられているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば仕切板３２Ｂは省略してもよい。この場合、排出ガスはオーバーフロー排水管Ｐ２２から排出できるので、排出管Ｐ１８を省略することができる。

なお、上記各実施形態においては、燃料電池セルスタックを２段で構成しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば３段以上の任意の段数の燃料電池セルスタックを用いてもよい。

また、上記各実施形態に係る燃料電池システムは、第１燃料電池セルスタック２２及び第２燃料電池セルスタック２４を備えた多段式の燃料電池システムとされているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば図１に示す第２燃料電池セルスタック２４、カソードオフガス管Ｐ１１及びアノードオフガス管Ｐ１３を省略し、再生ガス管Ｐ８を改質ガス供給管Ｐ４へ接続し、再生ガス管Ｐ８を分岐させた分岐管を燃焼器１６に接続し、カソードオフガス管Ｐ７を燃焼器１６に接続した循環式の燃料電池システムとしてもよい。

また、上記各実施形態においては、燃料ガスを生成するための改質器１４を設けているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば改質器１４を設けず、第１燃料電池セルスタック２２へ水蒸気と原料ガスとを供給してもよい。この場合、第１燃料電池セルスタック２２において改質反応を行なう。このように、本発明における「改質部」とは、燃料電池と別体に設けられた改質器１４のほか、燃料電池内で改質反応が行われる部分の双方を指すものとする。

また、上記各実施形態においては、第１水タンク３２を、第１燃料電池セルスタック２２のアノードから排出されたアノードオフガスから水蒸気を除去する再生器として利用しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば、分離膜を用いた分離膜再生器を再生器として使用してもよい。この場合、アノードオフガス管Ｐ６及び再生ガス管Ｐ８は、分離膜再生器に接続する。そして、アノードオフガスに含まれた水蒸気を、分離膜を介してスイープガスへ移動させる。水蒸気を含んだスイープガスを、第１水タンク３２へ供給する。このように、本発明は様々な態様で実施することができる。

１０、７０、８０ 燃料電池システム
１２ 気化器
１４ 改質器（改質部）
１６ 燃焼器
２２ 第１燃料電池セルスタック（燃料電池）
２４ 第２燃料電池セルスタック（燃料電池）
３２ 第１水タンク（中間ガス水タンク、水タンク）
３２Ａ 仕切板
３４ 第２水タンク（排ガス水タンク）
４２、４４ 電磁弁
７６ 集約タンク（水タンク）
７６Ａ 仕切板
７６Ｂ 仕切板（第２仕切板）
Ｐ２ 水供給管（供給管）
Ｐ１７ オーバーフロー排水管
Ｐ２２ オーバーフロー排水管
Ｐ２３ 供給管

Claims (7)

1. 水供給管から供給された水を気化して水蒸気を生成する気化器と、
   前記気化器で生成された水蒸気を用いて原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質部と、
   前記改質部で生成された前記燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、
   前記燃料電池の燃料極から排出されたオフガスに含まれる水蒸気が凝縮した凝縮水が蓄えられる水タンクと、
   前記水タンクの内部において前記オフガスが流入する気室と他の気室とを仕切る仕切板と、
   前記他の気室に接続され、前記水タンクに蓄えられた凝縮水をオーバーフローにより排出するオーバーフロー排水管と、
   前記オーバーフロー排水管より低い位置で、かつ、前記仕切板の下端部より高い位置に接続され、前記水タンクに蓄えられた凝縮水をシステム内へ供給する供給管と、
   を備えた燃料電池システム。
2. 前記供給管は前記水供給管とされた、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池の空気極から排出された酸化オフガスで前記水タンクから排出された前記オフガスを燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器から排出された排出ガスに含まれる水蒸気が凝縮した凝縮水が蓄えられる排ガス水タンクと、
   前記排ガス水タンクに蓄えられた凝縮水が供給され、前記水供給管が接続された集約タンクと、を備え、
   前記供給管は、前記水タンクに蓄えられた凝縮水を前記集約タンクへ供給する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
4. ）
   前記水タンクに蓄えられた凝縮水及び前記排ガス水タンクに蓄えられた凝縮水の前記集約タンクへの供給量が電磁弁によって制御される、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記集約タンクには水位センサが設けられ、前記電磁弁は前記水位センサが検出した水位に基づいて駆動する、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の燃料極から排出されたオフガスが供給され、前記オフガスに含まれる水蒸気が凝縮した凝縮水が蓄えられる中間ガス水タンクと、
   前記燃料電池の空気極から排出された酸化オフガスで前記中間ガス水タンクから排出された前記オフガスを燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器から排出された排出ガスに含まれる水蒸気が凝縮した凝縮水が蓄えられる排ガス水タンクと、を備え、
   前記水タンクは、前記中間ガス水タンクに蓄えられた凝縮水及び前記排ガス水タンクに蓄えられた凝縮水がオーバーフローによって供給される集約タンクとされ、
   前記供給管は、前記水供給管とされた、請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 前記水タンクの内部には、前記排出ガスが流入する気室と前記オーバーフロー排水管が接続された気室とを仕切る第２仕切板が設けられている、請求項６に記載の燃料電池システム。