JP2022154173A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、容易に硫酸露点腐食を抑制することを目的とする。【解決手段】精製水を貯留する給水タンク３５と、精製水から水蒸気を生成して燃料改質部１３に供給する蒸気生成器４１と、燃料改質部１３に設けられ、水蒸気改質に利用される燃焼熱を発生させる燃焼室３１と、燃焼室３１に、燃焼に利用される空気を供給するブロアＢ１と、燃焼室３１に接続され、燃焼室３１で発生する燃焼排ガスを外部に排出する燃焼排ガス流路Ｌ４と、精製水を、給水タンク３５から蒸気生成器４１または燃焼排ガス流路Ｌ４に選択的に供給するための精製水流路Ｌ１３と、精製水流路Ｌ１３を、給水タンク３５から蒸気生成器４１に導通させる通常状態と、給水タンク３５から燃焼排ガス流路Ｌ４に導通させる洗浄状態とに切り替える切替具５４とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、原燃料ガスが水蒸気改質された燃料ガスを用いて発電する燃料電池システムに関する。

都市ガスには硫黄系の付臭材が使われており、都市ガスを燃焼させると燃焼排ガス中に硫酸ガス（ＳＯ_３）が発生する。燃料電池システムにおける燃料電池では、燃料改質部において、燃焼排ガス中に硫酸ガスが発生する。発生した硫酸ガスは、燃焼排ガス流路（排ガス処理パイプ）など低温の金属表面などに触れると凝縮して硫酸に変わり金属を腐食する硫酸露点腐食が生じる。

例えば、燃料電池システムにおいて、燃焼排ガス流路で硫酸ガスが発生し、硫酸ガスが結露すると、硫酸が燃焼排ガス流路に付着する。これが繰り返されることで燃焼排ガス流路の金属の腐食が進行すると、燃焼排ガス流路に孔が開き、燃焼排ガスが漏れる事態が生じる。また、硫酸はステンレス中の鉄と反応して硫酸鉄が生成され、硫酸鉄により燃焼排ガス流路が閉塞されることもある。また、硫酸鉄が燃焼排ガス中の蒸気に溶解し、燃料改質部外へ出ると回収水（ドレン水）内に硫酸イオンと鉄イオンが混入する。

燃料電池システムには、都市ガスの付臭材の硫黄分を十分に吸着できるだけの量のイオン交換樹脂が充填されているが、イオン交換樹脂は、鉄イオンを吸着することが想定されておらず、鉄イオンを十分に吸着することはできない。イオン交換樹脂が所定量以上の鉄イオンを吸着すると、イオン交換樹脂は分解して硫黄の吸着性能が低下し、その結果、精製水（回収水）が著しく汚染される。

硫酸露点腐食を抑制する方法として、特許文献１には、空気予熱器において、燃焼排ガスの温度を低減させるように制御する方法が開示されている。

国際公開第２０１９／５４１１７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法を実現するためには、燃焼排ガス流路（排ガスライン）の細かな温度制御が必要とされるため、装置構成が複雑かつ大規模となる。

本発明は、簡単な構成で、容易に硫酸露点腐食を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの特徴構成は、燃料ガスが供給される燃料極および酸素含有ガスが供給される空気極を有する燃料電池部と、炭化水素を含む原燃料ガスを水蒸気改質して、前記燃料ガスである水素を含む水素含有ガスを生成して前記燃料極に供給する燃料改質部と、精製水を貯留する給水タンクと、前記精製水から水蒸気を生成して前記燃料改質部に供給する蒸気生成器と、前記燃料改質部に設けられ、前記水蒸気改質に利用される燃焼熱を発生させる燃焼室と、前記燃焼室に、燃焼に利用される空気を供給するブロアと、前記燃焼室に接続され、前記燃焼室で発生する燃焼排ガスを外部に排出する燃焼排ガス流路と、前記精製水を、前記給水タンクから前記蒸気生成器または前記燃焼排ガス流路に選択的に供給するための精製水流路と、前記精製水流路を、前記給水タンクから前記蒸気生成器に導通させる通常状態と、前記給水タンクから前記燃焼排ガス流路に導通させる洗浄状態とに切り替える切替具とを備え、前記燃焼排ガス流路に供給された前記精製水は、前記ブロアから供給される前記空気によって外部に排出される点にある。

このような構成により、蒸気生成器に供給される精製水（洗浄用水）を燃焼排ガス流路に注入するという簡単な構成により、燃焼排ガス流路を洗浄することができる。その結果、燃焼排ガス流路が硫酸露点腐食することを容易に抑制することができ、燃焼排ガス流路に穴が開くことや、硫酸鉄が生成されて燃焼排ガス流路が閉塞すること、精製水に硫酸イオンや鉄イオンが混入することを抑制することができる。

また、前記蒸気生成器に供給される前記精製水を前記燃焼排ガスの熱で加熱する水予熱器をさらに備え、前記蒸気生成器および前記水予熱器が前記燃焼排ガス流路上に設けられても良い。

このような構成により、水予熱器により蒸気生成器に供給される精製水が加熱されると共に、蒸気生成器において燃焼排ガスの熱により効率的に精製水が加熱されて水蒸気の生成が促進されるため、蒸気の発生効率が向上する。

また、前記燃焼排ガス流路は、前記燃焼室から前記蒸気生成器または前記水予熱器の一方を介して他方を通るように設けられ、前記燃焼排ガス流路の前記燃焼室から前記蒸気生成器または前記水予熱器の一方までのうちの最も高い流路部分の下端は、前記燃焼排ガス流路の前記蒸気生成器または前記水予熱器の一方から他方までのうちの最も高い流路の部分の上端よりも高い位置に設けられ、前記精製水は、前記蒸気生成器と前記水予熱器との間の部分から供給されることが好ましい。

このような構成により、注入された精製水（洗浄用水）が燃焼室に侵入することが抑制され、燃焼排ガス流路の洗浄を行いながら、燃焼室内に精製水が侵入して、洗浄後に行われる燃焼の妨げとなることを抑制することができる。

また、前記燃焼排ガス流路の前記燃焼室と前記精製水流路との間に開閉弁が設けられ、前記開閉弁が開いている際に前記燃焼排ガスが前記燃焼排ガス流路から排出され、前記開閉弁が閉じている際に前記精製水が前記燃焼排ガス流路に供給されても良い。

このような構成により、より精度良く、注入された精製水（洗浄用水）が燃焼室に侵入することが抑制される。

また、前記燃料電池部で生じる熱および前記燃焼排ガスの熱の少なくとも一方を回収する排熱回収ユニットをさらに備えても良い。

このような構成により、燃料電池システムの発電により発生した熱を有効活用することができ、エネルギー効率を向上させることができる。

また、前記給水タンクから前記燃焼排ガス流路への前記精製水の注入は、前記燃料電池部が停止した後、前記燃焼室の温度が所定の温度以下になったときに行われることが好ましい。

燃料電池システム、例えば、燃焼室や燃焼室に接続される燃焼排ガス流路等が高温であるときに、燃焼排ガス流路に精製水が注入されると、燃焼排ガス流路や燃焼室等の燃料電池システムが急冷されて損傷する場合がある。上記構成により、燃料電池システムの急激な温度変化が抑制され、燃料電池システムが損傷することが抑制される。

燃料電池システムの構成を例示する図である。 発電ユニットおよび排熱回収ユニットの構成を例示する概略図である。 燃焼排ガス流路を洗浄する構成例を示す概略図である。 燃焼排ガス流路の配置構成を例示する図である。 燃焼排ガス流路に洗浄用水が注入された状態を例示する図である。 閉塞された燃焼排ガス流路の写真を示す図である。 洗浄された燃焼排ガス流路の写真を示す図である。 別実施形態における燃焼排ガス流路の配置構成を例示する図である。 別実施形態における燃焼排ガス流路に洗浄用水が注入された状態を例示する図である。

まず、図１，図２を参照して本実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図１は燃料電池システムの構成を例示する図である。図２は発電ユニットおよび排熱回収ユニットの構成を例示する図である。図１，図２に示すように、燃料電池システムは、燃料電池部１２と、燃料改質部１３と、複合熱交換器３９と、電池冷却水タンク３５（「給水タンク」に相当）と、制御装置Ｃとを備える。

〔発電ユニット〕
本実施形態において、熱と電気とを併せて発生する熱電併給部としての燃料電池部１２は、水素などの燃料ガスが供給される燃料極３３と酸素含有ガス（空気）が供給される空気極３２とを有するセルが複数個積層されたセルスタックを有して構成される。燃料電池部１２は、固体高分子形のセルや固体酸化物形のセルなど、様々なタイプのセルを用いて構成することができる。また、本実施形態の発電ユニット１０は、燃料電池部１２に対して、炭化水素等を水蒸気改質することによって生成した燃料ガス（水素等）を供給するための燃料改質部１３を併せて備える。

燃料電池部１２の発電電力は、インバータを有する、あるいは、コンバータおよびインバータ等を有する電力変換部１１を介して連系電力線４および自立電力線５のいずれか一方に出力される。なお、以下の説明では、燃料電池部１２から出力される電力のことが発電電力と記載され、発電ユニット１０から出力される電力のことが出力電力と記載される。電力変換部１１から連系電力線４に出力電力が供給される状態は、発電ユニット１０が電力系統１への連系運転を行っている状態であると言える。これに対して、電力変換部１１から自立電力線５に出力電力が供給される状態は、発電ユニット１０が自立運転を行っている状態であると言える。また、連系電力線４は、電力系統１に接続される交流線２に対して接続され、その交流線２は切替スイッチ６に接続される。自立電力線５は切替スイッチ６に対して上記交流線２とは別に接続される。切替スイッチ６は、排熱回収ユニット２０に対する電力供給元を、交流線２を介して供給される電力、および、自立電力線５を介して供給される電力のいずれかに切り替えるように動作する。この切替スイッチ６の動作は、制御装置Ｃによって制御されても良いし、発電ユニット１０から電力を供給する電力供給先の変更（即ち、自立電力線５を介した電力供給の有無）に応じて自動的に切替スイッチ６が動作するような構成であっても良い。

制御装置Ｃは、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われる正常状態になると交流線２に発電ユニット１０の出力電力を供給する連系運転を行い、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われない異常状態になると電力系統１から電気的に切り離された自立電力線５に発電ユニット１０の出力電力を供給する自立運転を行うように構成される。本実施形態では、制御装置Ｃは、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われる正常状態であるか、あるいは、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われない異常状態であるかを、例えば、計器用変圧器ＶＴで検出される交流線２の電圧を参照して判定する。つまり、制御装置Ｃは、検出された電圧値が設定下限電圧以上であれば電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われている正常状態であると判定し、検出された電圧値が設定下限電圧未満であれば電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われていない異常状態であると判定する。

このようにして、制御装置Ｃは、発電ユニット１０の電力系統１への連系運転時には電力消費装置に対して電力系統１および発電ユニット１０の少なくともいずれか一方から電力を供給し、発電ユニット１０の自立運転時には電力消費装置に対して発電ユニット１０から電力を供給する。連系運転時における上記電力消費装置には、交流線２に接続される一般電力負荷装置３と排熱回収ユニット２０とが含まれる。これに対して、自立運転時における上記電力消費装置には、自立負荷装置９と排熱回収ユニット２０とが含まれる。

なお、発電ユニット１０の出力電力が自立電力線５に供給される自立運転時において、自立運転の一形態としての発電ユニット１０のアイドリング運転が行われることもある。具体的には、制御装置Ｃは、発電ユニット１０の出力電力を自立電力線５に供給させている状態において、計器用変流器ＣＴ２で計測される電力消費装置（自立負荷装置９および排熱回収ユニット２０）の消費電力が、発電ユニット１０の出力電力よりも大きくなると、開閉器１６を一時的に開放させて、自立負荷装置９への電力供給を一時的に停止させるようなアイドリング運転を行うこともある。

〔排熱回収ユニット〕
排熱回収ユニット２０は、発電ユニット１０からの排熱を回収するように構成される。例えば、排熱回収ユニット２０は、発電ユニット１０の燃料電池部１２が運転しているとき、発電ユニット１０と貯湯タンク２１との間で熱媒としての湯水を循環させながら、発電ユニット１０で発生された熱の回収と、貯湯タンク２１への蓄熱とを行わせるように構成される。そのため、排熱回収ユニット２０は、熱を蓄えるための貯湯タンク２１、および、冷却水やその冷却水と熱交換する熱媒の循環路や、その熱媒の循環路の途中に設けられて熱媒を流動させるための電動式ポンプおよび電磁弁などの付属機器２３で構成される。従って、排熱回収ユニット２０では、燃料電池部１２のセルスタックを冷却するために、発電ユニット１０の連系運転が行われている間および自立運転が行なわれている間のいずれにおいても、排熱を回収する運転を行う必要があり、その結果として上記付属機器２３において電力が消費されることになる。排熱回収ユニット２０への電力供給は、切替スイッチ６に接続される内部電力線１７を介して行われる。

図１に示すシステムでは、一般電力負荷装置３および自立負荷装置９を記載している。一般電力負荷装置３は、電力系統１と接続される交流線２に対して電気的に接続される。従って、一般電力負荷装置３は、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われる正常状態においては電力の供給を受けることができるが、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われていない異常状態においては電力の供給を受けることができない。従って、本実施形態で言う一般電力負荷装置３は、異常状態において電力の供給を受ける必要性が低い装置（例えば、一部の照明装置など）である。

これに対して、自立負荷装置９は、後述するように、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われない異常状態において発電ユニット１０から電力の供給を受けることができる。自立負荷装置９に電力が供給されるのは、自立電力線５を経由して電気コンセント７に対して電力が供給され、かつ、電気コンセント７に対して電気プラグ８が接続されているときである。自立負荷装置９は、使用者が電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われない異常状態においても利用したいと考える重要度の高い装置（例えば、一部の照明機器、冷蔵庫など）である。

図２は発電ユニット１０および排熱回収ユニット２０の構成を示す図である。発電ユニット１０の主要な構成部分として、燃料改質部１３と燃料電池部１２とがある。

燃料改質部１３は、供給される蒸発用水（回収水）を蒸発させる蒸気生成器４１と、供給される炭化水素を含む原燃料ガスをその蒸気生成器４１から供給される水蒸気を用いて水蒸気改質して、燃料ガスとして、水素を含む水素含有ガスを生成する改質器３０とを有する。具体的には、燃料改質部１３では、原燃料流路Ｌ１を通って改質器３０へ原燃料が供給され、改質器３０で生成された改質ガスが改質ガス流路Ｌ２を通って燃料電池部１２の燃料極３３に供給される。燃料電池部１２の空気極３２には、発電用空気流路Ｌ８を通って酸素含有ガス（空気）が供給される。そして、燃料電池部１２で発電が行われる。空気極３２に供給される酸素含有ガス（空気）の量は、制御装置ＣがブロアＢ２の動作を制御することで調節される。

燃料電池部１２は電解質膜（図示せず）を燃料極３３および空気極３２で挟んで構成されるセルを複数積層して備える。なお、図２中では簡略化のため単一のセルのみを記載している。また、燃料電池部１２は、発電時に発生する熱を回収することで燃料電池部１２を冷却する冷却部３４を備える。本実施形態では水冷式の冷却部３４が設けられる。具体的には、この冷却部３４には電池冷却水流路Ｌ６を循環する精製水（以下、「回収水」と記載する）が供給されて、燃料電池部１２の冷却が行われる。冷却部３４を通過することで温度が上昇した回収水は、電池冷却水流路Ｌ６の途中に設けられた排熱回収用熱交換器３８に流入する。この排熱回収用熱交換器３８において、回収水は、排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水と熱交換して燃料電池部１２から回収した排熱をその湯水に渡す。冷却された回収水は、回収水タンク３６に回収される。湯水は、蓄熱装置としての貯湯タンク２１に貯えられ、そこで蓄熱が行われる。冷却部３４を流れる回収水の量は、制御装置ＣがポンプＰ４の動作を制御することで調節される。

改質器３０には、炭化水素を含む原燃料（例えば、メタンを含む都市ガスなど）が供給される。また、蒸気生成器４１には、電池冷却水タンク３５で貯えられる回収水が改質用水流路Ｌ１３（「精製水流路」に相当）を通ってポンプＰ６によって供給される。蒸気生成器４１に供給される回収水は、水予熱器５１によって加熱される。そして、改質器３０には、蒸気生成器４１で生成された水蒸気が改質用水流路Ｌ１３を通って供給される。改質器３０は、併設される燃焼室３１から与えられる燃焼熱を利用して、原燃料の水蒸気改質を行う。改質器３０での水蒸気改質により得られた水素を主成分とする燃料ガスは、改質ガス流路Ｌ２を介して燃料極３３に供給される。

改質器３０に供給される原燃料の量は、制御装置ＣがブロアＢ３の動作を制御することで調節され、また、改質器３０に供給される水蒸気の量は、制御装置ＣがポンプＰ６の動作を制御することで調節され、それにより燃料極３３に供給される改質ガスの量が調節される。

燃料極３３では、供給された全ての燃料ガスが発電反応で消費される訳ではない。そのため、燃料極３３から排出される燃料極排ガスの中には水素等の燃料ガスの成分が残存している。そこで、燃焼室３１での燃焼用ガス（燃料ガス）として、燃料極排ガスが用いられる。具体的には、原燃料が原燃料流路Ｌ１を介して燃焼室３１へ選択的に供給されると共に、燃料極３３から燃焼室３１へ、燃料極排ガス流路Ｌ３を介して燃料極排ガスが供給される。また、燃焼室３１での燃焼に利用される酸素含有ガス（空気）が、燃焼用空気流路Ｌ９を通って燃焼室３１に供給される。そして、燃焼室３１で燃焼された後の燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路Ｌ４を介して外部に排出される。空気極３２で利用された後の空気極排ガスは、空気極排ガス流路Ｌ５を通って排出される。燃焼室３１に供給される酸素含有ガス（空気）の量は、制御装置ＣがブロアＢ１の動作を制御することで調節される。

燃焼排ガス流路Ｌ４は、燃焼室３１から蒸気生成器４１および水予熱器５１を介して外部にわたる構成で設けられる。水予熱器５１は、燃焼排ガスの熱により蒸気生成器４１に供給される回収水（精製水）を加熱する。蒸気生成器４１は回収水（精製水）から水蒸気を生成するが、その際、燃焼排ガスの熱が利用される。

また、燃焼排ガスおよび空気極排ガスには水分が含まれている。そのため、その水分を回収する目的で、燃焼排ガス流路Ｌ４および空気極排ガス流路Ｌ５を複合熱交換器３９の部分で合流させ、かつ、燃焼排ガスおよび空気極排ガスを冷却するための排熱回収流路Ｌ１０が複合熱交換器３９に通される。つまり、燃焼排ガスおよび空気極排ガスに含まれる水分が、排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水によって複合熱交換器３９で冷却されて凝縮し、その複合熱交換器３９で得た回収水（凝縮水）が回収水タンク３６へと回収されて貯えられる。

回収水タンク３６に回収された回収水は、回収水流路Ｌ７を介して電池冷却水タンク３５に戻される。ここで、回収されて回収水タンク３６に貯えられている回収水は、燃料極排ガス中に含まれていた水分や、燃焼排ガス中に含まれていた水分が混入しているため、電解質や水に溶解しない不純物などを含んでいることが想定される。そのため、回収水流路Ｌ７の途中に設けられるイオン交換樹脂３７によって、回収水から不純物が除去される。イオン交換樹脂３７で処理された後の回収水は、電池冷却水タンク３５で貯えられる。そして、上述したように、電池冷却水タンク３５から電池冷却水流路Ｌ６へと流れ出した回収水が冷却部３４へと供給され、電池冷却水タンク３５から改質用水流路Ｌ１３へと流れ出した回収水が蒸気生成器４１へと供給される。つまり、回収水タンク３６で回収した水が蒸発用水として蒸気生成器４１に供給される構成である。回収水流路Ｌ７を流れる回収水の量、即ち、イオン交換樹脂３７で処理される回収水の量は、制御装置ＣがポンプＰ３の動作を制御することで調節される。

排熱回収ユニット２０は、貯湯タンク２１に貯えている湯水が貯湯タンク２１と排熱回収用熱交換器３８との間で循環する排熱回収流路Ｌ１０を有する。具体的には、湯水が、貯湯タンク２１から、複合熱交換器３９と、排熱回収用熱交換器３８と、余剰電力消費用ヒーター２２とを経由して貯湯タンク２１に帰還するように排熱回収流路Ｌ１０が設けられる。その結果、排熱回収用熱交換器３８において回収水から回収した排熱（即ち、発電ユニット１０から回収した排熱）は、排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水に与えられ、その湯水は貯湯タンク２１に貯えられる。また、発電ユニット１０の出力電力のうちの余剰電力を消費する余剰電力消費用ヒーター２２で発生した熱も排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水に与えられ、その湯水は貯湯タンク２１に蓄えられる。排熱回収流路Ｌ１０における湯水の流速はポンプＰ２によって調整される。排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水の量は、制御装置ＣがポンプＰ２の動作を制御することで調節される。

排熱回収ユニット２０が有する余剰電力消費用ヒーター２２の消費電力は、制御装置Ｃによって制御される。具体的には、制御装置Ｃは、発電ユニット１０の出力電力のうちの余剰電力を余剰電力消費用ヒーター２２で消費させて、余剰電力消費用ヒーター２２で発生する熱を、排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水に伝達して貯湯タンク２１に蓄えさせる。例えば、制御装置Ｃは、計器用変流器ＣＴ１の検出結果に基づいて導出できる電力系統１からの受電電力がゼロ以上になるように、余剰電力消費用ヒーター２２の消費電力を調節する。このような制御が行われることで、発電ユニット１０から電力系統１への電力の逆潮流が発生しないようにできる。

排熱回収ユニット２０は、貯湯タンク２１に蓄えている湯水が熱源機４０を経由して熱負荷装置２４に供給されるときに流れる給湯路Ｌ１２を有する。図示は省略するが、熱源機４０は、送風ファンなどによって供給される酸素含有ガス（空気）を用いて燃料を燃焼して熱を発生する装置である。また、排熱回収ユニット２０は、貯湯タンク２１に水を供給する給水路Ｌ１１を有する。このように、貯湯タンク２１から供給される湯および熱源機４０で加熱された後の湯に水を加えることができる構成を採用することで、熱負荷装置２４に対して適切な温度の湯水を供給できる。なお、熱負荷装置２４が、湯水の熱のみを利用する床暖房装置などの場合、熱負荷装置２４で熱が利用された後の湯水は貯湯タンク２１に帰還する。あるいは、熱負荷装置２４が、湯水自体を利用する給湯装置などの場合、貯湯タンク２１には湯水は帰還しない。熱源機４０は、熱負荷装置２４で要求される湯水を所定温度に昇温した上で熱負荷装置２４に供給する際に使用される。

以上のように、発電ユニット１０は、ブロアＢ１，Ｂ２，Ｂ３およびポンプＰ２，Ｐ３，Ｐ４などを付属機器１４として備える。また、排熱回収ユニット２０は、熱源機４０の送風ファンなどを付属機器２３として備える。

回収水タンク３６には、回収水タンク３６に貯えられている回収水の水量を検出する水量検出部４３が設けられる。水量検出部４３は、電極式やフロート式などの水位センサを用いて構成される。水量検出部４３の検出結果は制御装置Ｃに伝達される。また、回収水タンク３６には、回収水タンク３６へ水を補給するための水補給路Ｌ１４が接続される。水補給路Ｌ１４の途中にはバルブ４２が設けられており、このバルブ４２が開くと水が回収水タンク３６へと流入する。バルブ４２の開閉は制御装置Ｃが制御する。例えば、制御装置Ｃは、所定の給水タイミングになると、バルブ４２を開いて、水を回収水タンク３６へ補給する。

〔燃焼排ガス流路の洗浄〕
以下、図１，図２を参照しながら、図３～図７を用いて、燃焼排ガス流路Ｌ４を洗浄する構成について説明する。

上述のように、燃焼排ガス流路Ｌ４で発生した硫酸ガスは、燃焼排ガス流路Ｌ４中で低温の金属表面などに触れると凝縮して硫酸に変わり金属を腐食する硫酸露点腐食が生じる。また、硫酸露点腐食が進行すると、燃焼排ガス流路Ｌ４に孔が開き、燃焼排ガスが漏れる事態が生じる。また、硫酸はステンレス中の鉄と反応して硫酸鉄を生成し、硫酸鉄により燃焼排ガス流路Ｌ４が閉塞されることもある。また、硫酸鉄が燃焼排ガス中の蒸気に溶解し、回収水タンク３６に回収される回収水に硫酸イオンと鉄イオンが混入する場合もある。そのため、燃焼排ガス流路Ｌ４内を洗浄して、硫酸ガスや硫酸を除去する必要がある。

燃焼排ガス流路Ｌ４の洗浄は、蒸気生成器４１に供給される回収水を洗浄用水として燃焼排ガス流路Ｌ４内に流し込むことにより行われる。そのため、改質用水流路Ｌ１３が分岐されて、燃焼排ガス流路Ｌ４に至る洗浄用水流路Ｌ２３が設けられる。

図３に示すように、燃焼室３１には、燃料極３３から排出された燃料極排ガスおよびブロアＢ３により供給される都市ガス等の原燃料の少なくとも一方が、燃料ガスとして、原燃料流路Ｌ１または燃料極排ガス流路Ｌ３を介して供給される。燃料ガスが供給される、原燃料流路Ｌ１または燃料極排ガス流路Ｌ３には、電磁弁５６が設けられる。電磁弁５６は、燃料電池システムが発電状態である通常状態において、燃料ガスを燃焼室３１に供給する状態となり、燃焼排ガス流路Ｌ４を洗浄する洗浄状態において、燃焼室３１への燃料ガスの供給を停止する状態となる。

また、燃焼室３１には、燃焼用空気流路Ｌ９を介して、ブロアＢ１から空気が供給される。空気が供給される燃焼用空気流路Ｌ９には、電磁弁５７が設けられる。電磁弁５７は、通常状態において空気を燃焼室３１に供給する状態となり、洗浄状態において燃焼室３１への空気の供給を停止する状態となる。

水予熱器５１には、改質用水流路Ｌ１３を介してポンプＰ６から回収水が供給される。回収水が供給される改質用水流路Ｌ１３には切替具５４が設けられる。改質用水流路Ｌ１３は、水予熱器５１に回収水を供給する流路と、燃焼排ガス流路Ｌ４に洗浄用水として回収水を供給する洗浄用水流路Ｌ２３に枝分かれする。切替具５４は、改質用水流路Ｌ１３の分岐点に設けられる。切替具５４は、改質用水流路Ｌ１３に設けられる電磁弁５４ａと、洗浄用水流路Ｌ２３に設けられる電磁弁５４ｂとを有する。切替具５４は、電磁弁５４ａが開状態、電磁弁５４ｂが閉状態にされることにより、改質用水流路Ｌ１３から水予熱器５１に回収水を供給する。回収水は水予熱器５１から蒸気生成器４１に供給されて水蒸気が生成される。生成された水蒸気は原燃料と共に改質器３０に供給される。切替具５４は、電磁弁５４ａが閉状態、電磁弁５４ｂが開状態にされることにより、洗浄用水流路Ｌ２３から燃焼排ガス流路Ｌ４に回収水（洗浄用水）を注入する。

電磁弁５６、電磁弁５７、および切替具５４は、制御装置Ｃにより開閉操作される。

燃焼排ガス流路Ｌ４は、燃焼室３１から、蒸気生成器４１、水予熱器５１を通って、燃料電池システムの外部に至るように配置される。なお、燃焼排ガス流路Ｌ４は、蒸気生成器４１、水予熱器５１の順に設けられても良いが、水予熱器５１、蒸気生成器４１の順に設けられても良い。以下の説明では、燃焼排ガス流路Ｌ４が、蒸気生成器４１、水予熱器５１の順に設けられる構成を例に説明する。

燃焼排ガス流路Ｌ４のうち、燃焼室３１から蒸気生成器４１までの部分が燃焼排ガス流路Ｌ４Ａ、蒸気生成器４１から水予熱器５１までの部分が燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂとされる。洗浄用水流路Ｌ２３は、燃焼排ガス流路Ｌ４のうち燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂに接続される。そのため、洗浄状態において、洗浄用水は、燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂから注入される。

このような構成において、燃焼排ガス流路Ｌ４の洗浄を行う際（洗浄状態）には、まず、電磁弁５６および電磁弁５７が閉状態にされ、燃料ガスの燃焼室３１への供給、および空気の燃焼室３１への供給が停止される。この状態で、電磁弁５４ａが閉状態にされ、電磁弁５４ｂが開状態にされることにより、洗浄用水流路Ｌ２３から燃焼排ガス流路Ｌ４に洗浄用水が注入され、洗浄用水が所定量だけ供給されると電磁弁５４ｂが閉状態にされ、洗浄用水の供給が停止される。洗浄用水が所定量供給されることにより、燃焼排ガス流路Ｌ４の所定の領域が洗浄用水に満たされ、燃焼排ガス流路Ｌ４が洗浄される。その後、所定の時間が経過すると電磁弁５７が開状態にされ、ブロアＢ１から燃焼室３１に空気が供給されることにより、空気が燃焼室３１に流通し、さらに燃焼排ガス流路Ｌ４を流通することにより、洗浄用水が燃焼排ガス流路Ｌ４から外部に排出される。さらに、空気の流通を維持することにより、燃焼排ガス流路Ｌ４内が乾燥される。

また、万一排ガス配管（燃焼排ガス流路Ｌ４）が洗浄水で濡れていたり、デッドスペースに水滴が残存していた場合でも、運転時の排ガスの流れによって、排ガス配管内が乾燥されて正常な状態に戻すことができることから、排ガス配管内を完全に乾燥する必要はなく、乾燥時には、上記ブロアＢ１の開くことによる空気の流通によって、所定の洗浄用水（燃焼排ガス流路Ｌ４に残った水分）の９０％以上が排水（乾燥）できれば良い。

ここで、燃焼排ガス流路Ｌ４の所定の領域は、燃焼室３１に流入しない領域であり、所定量は洗浄用水が燃焼室３１に至らない量である。燃焼室３１に洗浄用水が流入されると、その後の通常状態において、燃焼室３１内が湿るため、適切に燃焼することが妨げられる。燃焼室３１への洗浄用水の流入を防止することにより、燃焼室３１における適切な燃焼を維持することができる。

このような洗浄は、燃料電池システムが停止されている際に行われる。例えば、燃焼排ガス流路Ｌ４内の乾燥を考慮して、１時間以上燃料電池システムが停止することが予測される際に行われる。より具体的には、夜間には燃料電池システムが停止している可能性が高いため、夜間に洗浄が行われる。当然に、洗浄中には、燃料電池システムによる発電が禁止される。

また、燃焼室３１や燃焼室３１に接続される燃焼排ガス流路Ｌ４等の燃料電池システムが高温となっている際に、燃焼排ガス流路Ｌ４に洗浄用水が注入されると、燃焼室３１等が急激に冷却され、燃焼室３１等の燃料電池システムに損傷が生じる場合がある。そのため、このような洗浄は、燃料電池システムの燃焼室３１等が所定の温度、例えば、１００℃以下になってから行われる。

また、夜間に限らず、定期的に洗浄が行われても良く、例えば、最後の洗浄から２４時間以上経過した際に、燃料電池システムが停止すると洗浄が行われる構成とされても良い。この際、燃料電池システムが停止してから、燃料電池システムの温度が所定の温度以下となった後、または、燃料電池システムの温度が所定の温度以下に低下することが考慮された所定時間を隔てて、洗浄が行われても良い。また、所定時間以上洗浄が行われないと、強制的に燃料電池システムが停止され、洗浄が行われても良い。また、燃料電池システムが停止するごとに毎回洗浄が行われても良く、所定の回数燃料電池システムが停止するごとに洗浄が行われても良い。

このように燃焼排ガス流路Ｌ４内が洗浄されることにより、燃焼排ガス流路Ｌ４内に硫酸が残留することが抑制され、硫酸露点腐食の進行が抑制される。その結果、燃焼排ガス流路Ｌ４内の閉塞が抑制され、燃焼排ガス流路Ｌ４の破損（孔が空くこと）が抑制され、また、回収水に硫酸イオンや鉄イオンが混入することが抑制される。

図４に示すように、燃焼排ガス流路Ｌ４Ａは、燃焼室３１の上部と蒸気生成器４１の上部とをつなぐ態様で設けられる。また、燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂは、蒸気生成器４１の下部と水予熱器５１の下部とをつなぐ態様で設けられる。燃焼排ガス流路Ｌ４の水予熱器５１と外部とをつなぐ部分は、水予熱器５１の上部に接続される。なお、燃焼排ガス流路Ｌ４Ａにおいて最も高くなる部分の下面の高さが、燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂにおいて最も高くなる部分の上面よりも高くなるように燃焼排ガス流路Ｌ４Ａおよび燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂが配置されることが好ましい。

このような構成により、通常状態において、燃焼室３１から排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路Ｌ４Ａを通って蒸気生成器４１の内部に流通される。蒸気生成器４１の内部に流通される燃焼排ガスの熱が、水蒸気の生成を促進する。

さらに、燃焼排ガスは、蒸気生成器４１から燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂを通って水予熱器５１の内部に流通される。水予熱器５１の内部に流通される燃焼排ガスの熱が、水予熱器５１の改質用水流路Ｌ１３を流れる回収水に熱伝導し、回収水が加熱される。

そして、燃焼排ガスは、水予熱器５１から燃焼排ガス流路Ｌ４を通って外部に排出される。

また、洗浄状態において、洗浄用水は、燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂから注入される。図５に示すように、洗浄用水は、燃焼排ガス流路Ｌ４Ａに至らない量だけ供給される。図５の例では、洗浄用水は、燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂに満たされ、蒸気生成器４１内、および水予熱器５１内に満たされる量だけ注入される。このように、供給される洗浄用水が燃焼排ガス流路Ｌ４Ａに至らないように供給されることにより、燃焼室３１に洗浄用水が流入することを精度良く抑制することができる。

なお、洗浄用水が燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂから注入される構成に限定されず、洗浄用水が燃焼室３１に流入しないように注入できれば、水予熱器５１、蒸気生成器４１、または燃焼排ガス流路Ｌ４の他の部分から洗浄用水が注入されても良い。

図６に示すように、燃焼排ガス流路Ｌ４を洗浄しないと、硫酸鉄が生成され、残留する硫酸鉄により、燃焼排ガス流路Ｌ４が閉塞する場合がある。ここで、図６は、上向きに屈曲する燃焼排ガス流路Ｌ４の断面を撮影した写真である。

これに対して、定期的に洗浄が行われた燃焼排ガス流路Ｌ４では、図７に示すように、図６に比べて、燃焼排ガス流路Ｌ４内に認められる異物が少ない。硫酸鉄の生成が抑制された結果、燃焼排ガス流路Ｌ４内の閉塞が抑制されることが分かる。

〔別実施形態〕
（１）燃焼排ガス流路Ｌ４の配置構成は、上記構成に限らず、燃焼室３１に洗浄用水が侵入することが抑制でき、適切に燃焼排ガス流路Ｌ４の洗浄を行うことができれば任意の構成とすることができる。例えば、図８に示すように燃焼排ガス流路Ｌ４が配置されても良い。

図８に示す例では、燃焼排ガス流路Ｌ４Ａは、燃焼室３１の上部と蒸気生成器４１の上部とをつなぐ態様で設けられる。また、燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂは、蒸気生成器４１の下部と水予熱器５１の上部とをつなぐ態様で設けられる。燃焼排ガス流路Ｌ４の水予熱器５１と外部とをつなぐ部分は、水予熱器５１の上部に接続される。

ここで、燃焼排ガス流路Ｌ４Ａは、燃焼室３１の上部と蒸気生成器４１の上部とをつなぐ態様で設けられるため、燃焼室３１から上方に向かう部分と、蒸気生成器４１へ下方に向かう部分と、燃焼室３１から上方に向かう部分の上端と蒸気生成器４１へ下方に向かう部分の上端とを結ぶ部分とを有する。そして、燃焼排ガス流路Ｌ４Ａの最も高い部分は、燃焼室３１から上方に向かう部分の上端と蒸気生成器４１へ下方に向かう部分の上端とを結ぶ部分内に位置することとなる。

同様に、燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂは、蒸気生成器４１の下部と水予熱器５１の上部とをつなぐ態様で設けられるため、蒸気生成器４１から下方に向かう部分と、水予熱器５１の上部へ下方に向かう部分と、蒸気生成器４１から下方に向かう部分の下端と水予熱器５１の上部へ下方に向かう部分の上端とを結ぶ部分とを有する。そして、燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂの最も高い部分は、蒸気生成器４１から下方に向かう部分の下端と水予熱器５１の上部へ下方に向かう部分の上端とを結ぶ部分内に位置することとなる。

このような、燃焼排ガス流路Ｌ４Ａおよび燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂの配置において、燃焼排ガス流路Ｌ４Ａの燃焼室３１から上方に向かう部分の上端と蒸気生成器４１へ下方に向かう部分の上端とを結ぶ部分の下端５８（下面）が、燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂの蒸気生成器４１から下方に向かう部分の下端と水予熱器５１の上部へ下方に向かう部分の上端とを結ぶ部分の上端５９（上面）よりも高くなるように燃焼排ガス流路Ｌ４Ａおよび燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂが配置される。

言い換えると、燃焼排ガス流路Ｌ４Ａにおいて最も高くなる部分の下面（下端５８）の高さが、燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂにおいて最も高くなる部分の上面（上端５９）よりも高くなるように燃焼排ガス流路Ｌ４Ａおよび燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂが配置される。

このような構成において、洗浄状態では、洗浄用水は、燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂから供給される。図９に示すように、洗浄用水は、燃焼排ガス流路Ｌ４Ａの、燃焼室３１から上方に向かう部分の上端と蒸気生成器４１へ可能に向かう部分の上端とを結ぶ部分に至らない量だけ供給される。図９の例では、洗浄用水は、燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂが満たされ、蒸気生成器４１内、および水予熱器５１内が満たされる量だけ注入される。この際、燃焼排ガス流路Ｌ４Ａにおいて最も高くなる部分の下面（下端５８）の高さが、燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂにおいて最も高くなる部分の上面（上端５９）よりも高いため、洗浄用水が燃焼室３１に流入することが精度良く抑制される。

（２）上記各実施形態において、燃焼排ガス流路Ｌ４は、蒸気生成器４１および水予熱器５１のいずれか、または両方を通らない構成とされても良い。さらに、燃料電池システムは、水予熱器５１を備えない構成であっても良い。

このような構成においても、燃焼室３１に洗浄用水が流入することを抑制しながら、燃焼排ガス流路Ｌ４に洗浄用水を注入することにより、燃焼排ガス流路Ｌ４を洗浄することができる。

（３）上記各実施形態において、燃焼排ガス流路Ｌ４Ａにおける燃焼室３１と接続する部分の近傍に開閉弁６０が設けられても良い。例えば、開閉弁６０は、燃焼室３１と洗浄用水流路Ｌ２３（改質用水流路Ｌ１３）との間に設けられる。

これにより、開閉弁６０を閉じることで、燃焼室３１に洗浄用水が流入することがより精度良く抑制され、燃焼排ガス流路Ｌ４Ａおよび燃焼排ガス流路Ｌ４Ｂの配置構成、および洗浄用水の供給位置を任意に設定しながら、燃焼排ガス流路Ｌ４を洗浄することができる。

（４）上記各実施形態において、燃料電池システムは、排熱回収ユニット２０を備えなくても良い。つまり、発電のみを行う燃料電池システムにおいても、本発明を適用することができる。

なお、上記の実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

本発明は、燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池システムに適用することができる。

１２ 燃料電池部
１３ 燃料改質部
３１ 燃焼室
３２ 空気極
３３ 燃料極
３５ 電池冷却水タンク（給水タンク）
４１ 蒸気生成器
５１ 水予熱器
５４ 切替具
５８ 下端
５９ 上端
６０ 開閉弁
Ｂ１ ブロア
Ｌ４ 燃焼排ガス流路
Ｌ４Ａ 燃焼排ガス流路
Ｌ４Ｂ 燃焼排ガス流路
Ｌ１３ 改質用水流路（精製水流路）
Ｌ２３ 洗浄用水流路

Claims (6)

1. 燃料ガスが供給される燃料極および酸素含有ガスが供給される空気極を有する燃料電池部と、
   炭化水素を含む原燃料ガスを水蒸気改質して、前記燃料ガスである水素を含む水素含有ガスを生成して前記燃料極に供給する燃料改質部と、
   精製水を貯留する給水タンクと、
   前記精製水から水蒸気を生成して前記燃料改質部に供給する蒸気生成器と、
   前記燃料改質部に設けられ、前記水蒸気改質に利用される燃焼熱を発生させる燃焼室と、
   前記燃焼室に、燃焼に利用される空気を供給するブロアと、
   前記燃焼室に接続され、前記燃焼室で発生する燃焼排ガスを外部に排出する燃焼排ガス流路と、
   前記精製水を、前記給水タンクから前記蒸気生成器または前記燃焼排ガス流路に選択的に供給するための精製水流路と、
   前記精製水流路を、前記給水タンクから前記蒸気生成器に導通させる通常状態と、前記給水タンクから前記燃焼排ガス流路に導通させる洗浄状態とに切り替える切替具とを備え、
   前記燃焼排ガス流路に供給された前記精製水は、前記ブロアから供給される前記空気によって外部に排出される燃料電池システム。
2. 前記蒸気生成器に供給される前記精製水を前記燃焼排ガスの熱で加熱する水予熱器をさらに備え、
   前記蒸気生成器および前記水予熱器が前記燃焼排ガス流路上に設けられる請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃焼排ガス流路は、前記燃焼室から前記蒸気生成器または前記水予熱器の一方を介して他方を通るように設けられ、
   前記燃焼排ガス流路の前記燃焼室から前記蒸気生成器または前記水予熱器の一方までのうちの最も高い流路部分の下端は、前記燃焼排ガス流路の前記蒸気生成器または前記水予熱器の一方から他方までのうちの最も高い流路の部分の上端よりも高い位置に設けられ、
   前記精製水は、前記蒸気生成器と前記水予熱器との間の部分から供給される請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃焼排ガス流路の前記燃焼室と前記精製水流路との間に開閉弁が設けられ、
   前記開閉弁が開いている際に前記燃焼排ガスが前記燃焼排ガス流路から排出され、
   前記開閉弁が閉じている際に前記精製水が前記燃焼排ガス流路に供給される請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池部で生じる熱および前記燃焼排ガスの熱の少なくとも一方を回収する排熱回収ユニットをさらに備える請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記給水タンクから前記燃焼排ガス流路への前記精製水の供給は、前記燃料電池部が停止した後、前記燃焼室の温度が所定の温度以下になったときに行われる請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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