JP6000920B2 - ドレイナ、ドレン排水装置、ドレン排水方法、ドレン排水プログラム、燃料電池ユニットおよび燃料電池コジェネレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池ユニットから排出される改質オフガスなどの燃焼用ガスから分離されるドレンの排水技術に関する。

燃料電池コジェネレーションシステム〔Fuel cell Co-generation system（以下、「ＦＣシステム」と称する）〕では、燃料電池スタック、燃料処理装置の他、ポンプ、ブロワ、センサーなどの補機類を備える。

燃料処理装置は、都市ガス、ＬＰＧ、灯油などの原料を改質して水素を取り出す。この改質に必要な熱量を確保するため燃焼を行う。この燃料には、システムの起動時、原料が用いられ、発電時、燃料電池スタックのアノードオフガス（改質オフガス）が用いられることが多い。

起動時、原料ガスを使用し、発電時、改質オフガスを用いた場合、原料ガスには水分が含まれず、その燃焼が安定するのに対し、改質オフガスは原料ガスと異なり、水蒸気、凝縮水などの水分を多量に含んでいるため、燃焼が不安定になる。つまり、改質オフガスをそのまま燃焼部に供給すると、燃焼状態が不安定化し、場合によっては失火する。この場合、燃料処理装置での改質処理が停止し、発電が停止することとなる。このため、改質オフガスを燃焼に用いる場合には、改質オフガス中のドレン排水が不可欠である。

斯かるドレンの排水処理に関し、燃料電池発電ユニットにおけるドレンの排水処理が知られている（たとえば、特許文献１）。

特開２００８−３００１６１号公報

ところで、改質オフガスのドレン排水には、改質オフガスの燃焼部の上流側にドレイナが設置され、燃焼前の改質オフガスからドレン排水が行われる。このドレイナには経時的にドレンが蓄積する。このドレイナは、ドレン蓄積量が有限であるため、定期的にドレン排水が必要である。

ドレン排水経路に設置されたドレイナでは、蓄積されたドレンを改質オフガスの放出阻止に用いている。つまり、蓄積されるドレンが排水経路を封ずる弁機能を果たしている。このため、ドレイナからドレンを排水し切ってしまうと、改質オフガスの遮断機能が失われ、ドレイナからドレン排水経路側に改質オフガスが放出されるという不都合がある。

そこで、改質オフガスが排水経路を通じて放出されないドレン排水制御が必要であり、従来、ドレン排水制御にはドレイナ中のドレンレベルの監視を不可欠としたドレン排水設備を必要とするなど、ドレン排水およびその制御が複雑化するという課題がある。

図１７は、従来のドレン排水装置を示している。このドレン排水装置２００ではドレイナ２０２を改質オフガスＧｘの排出経路２０４に備え、改質オフガスＧｘがドレイナ２０２を通過し、ＦＣシステムの燃焼部側に流れる。ドレイナ２０２に溜まるドレンＤは、ドレン排水路２０６の電磁弁２０８を開くことにより、ドレイナ２０２からドレン排水路２０６に排水される。ドレンＤを排水し切ってしまうと、改質オフガスＧｘがドレイナ２０２からドレン排水路２０６に流れ込み、放出される。このようなリスクを回避するため、ドレイナ２０２にはドレンＤの水位を検出するため、水位計２１０が設置され、この水位計２１０によりドレイナ２０２内のドレンＤの水位を検出する。この水位監視に基づき、電磁弁２０８を断続的に開閉してドレンＤを排水し、ドレンＤの水位が不足していれば、注水ポンプ２１２を駆動してドレン排水路２０６からドレイナ２０２内に注水し、ドレイナ２０２の水位を維持する。つまり、改質オフガスＧｘのドレン排水路２０６側への流出を阻止するとともに水位を維持しつつ、ドレンＤの排水を行う。

このようなドレン排水およびその制御は水位計２１０の検出水位に依存しており、水位計２１０の検出水位や制御に誤動作を生じると、ドレンＤを排水し切ってしまうというリスクを回避できない。この場合、改質オフガスＧｘがドレン排水路２０６側に放出されたり、燃焼が不安定になるという不都合がある。

このような水位計２１０を備えるドレン排水制御では、ドレンＤの水位検知、電磁弁２０８または注水ポンプ２１２による注水制御が可能である。しかし、水位計２１０などの計測器を必要とするなどの設備の複雑化や、水位計２１０などの計測器に起因した誤動作が燃焼の不安定化をもたらすなど、信頼性が低下するという課題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題に鑑み、ドレン排水およびその制御の簡素化を実現することにある。

また、本発明の他の目的は、ドレン排水処理のコストダウンや、信頼性の向上を図ることにある。

上記目的を達成するため、本発明のドレイナは、制御部を有する燃料電池ユニットに備えられ、燃焼用ガスからドレンを分離して排水するドレイナであって、燃焼用ガス導入部側に形成されてドレンを貯留する第１の貯留部と、ドレン排水部側に形成され、前記第１の貯留部から溢水した前記ドレンを貯留する第２の貯留部と、前記第２の貯留部に設けられて、該第２の貯留部に注水する注水部と、前記第１の貯留部側の前記ドレンに没することにより前記燃焼用ガスを遮断する遮断壁とを備え、前記制御部の制御により、前記ドレン排水部が、前記燃料電池ユニットの起動開始から前記燃料電池ユニットの発電前に所定の排水時間だけドレン排水状態に維持され、前記排水時間の経過の後、前記ドレン排水状態からドレン排水停止状態に切り替えられ、前記注水部が所定の注水時間だけ前記第２の貯留部に注水し、前記注水時間の経過の後、前記ドレン排水部がドレン排水状態に切り替えられて、所定の排水時間だけ前記第２の貯留部から前記ドレンを排水する。

上記目的を達成するため、本発明のドレン排水装置は、制御部を有する燃料電池ユニットに備えられ、燃料電池スタックから排出される改質オフガスを含む燃焼用ガスのガス経路にドレイナを備えてドレンを排水するドレン排水装置であって、前記ドレイナの燃焼用ガス導入部側に形成されてドレンを貯留する第１の貯留部と、前記ドレイナのドレン排水部側に形成され、前記第１の貯留部から溢水した前記ドレンを貯留する第２の貯留部と、前記第２の貯留部に設けられて、該第２の貯留部に注水する注水部と、前記第１の貯留部側の前記ドレンに没することにより前記燃焼用ガスを遮断する遮断壁とを備え、前記制御部の制御により、前記ドレン排水部が、前記燃料電池ユニットの起動開始から前記燃料電池ユニットの発電前に、所定の排水時間だけドレン排水状態に維持され、前記排水時間の経過の後、前記ドレン排水状態からドレン排水停止状態に切り替えられ、前記注水部が所定の注水時間だけ前記第２の貯留部に注水し、前記注水時間の経過の後、前記ドレン排水部がドレン排水状態に切り替えられて、所定の排水時間だけ前記第２の貯留部から前記ドレンを排水する。

上記ドレン排水装置において、前記第１の貯留部と前記第２の貯留部とを分離する分離壁を備え、この分離壁を超えて前記第１の貯留部のドレンが前記第２の貯留部に溢水可能にしてもよい。

上記ドレン排水装置において、前記ドレン排水部を開閉する開閉手段を備えてもよい。

上記ドレン排水装置において、前記制御部が、前記燃料電池ユニットの発電開始前に前記ドレイナの排水または注水を制御し、前記燃料電池ユニットの発電開始からドレン量を積算し、前記ドレン量の積算値が所定量に到達しまたは所定量を超えたとき、前記ドレイナをドレン排水状態に制御してもよい。

上記目的を達成するため、本発明のドレン排水方法は、燃料電池ユニットに備えられた燃料電池スタックから排出される改質オフガスを含む燃焼用ガスのガス経路にドレイナを備えてドレンを排水するドレン排水方法であって、前記ドレイナの燃焼用ガス導入部側に形成された第１の貯留部にドレンを貯留し、前記ドレイナのドレン排水部側に形成され、前記第１の貯留部から溢水した前記ドレンを前記第２の貯留部に貯留し、前記第１の貯留部側のドレンに遮断壁が没することにより前記燃焼用ガスを遮断し、前記燃料電池ユニットの起動開始から前記燃料電池ユニットの発電前に、所定の排水時間だけ前記ドレイナをドレン排水状態に維持し、前記排水時間の経過の後、前記ドレン排水状態からドレン排水停止状態に切り替え、所定の注水時間だけ前記第２の貯留部に注水し、前記注水時間の経過の後、前記ドレイナをドレン排水状態に切り替え、所定の排水時間だけ前記第２の貯留部にある前記ドレンを前記ドレン排水部より排水させる。

上記ドレン排水方法において、前記燃料電池ユニットの発電開始に基づき、前記ドレイナをドレン排水停止状態に切り替え、前記燃料電池ユニットの発電に基づき、生成されるドレン量または発電時間に応じて前記ドレイナをドレン排水状態に切り替え、前記第２の貯留部から前記ドレンを排水させ、前記燃料電池ユニットの発電停止またはエラー検知に基づき、前記ドレン排水状態からドレン排水停止状態に切り替えてもよい。

上記ドレン排水方法において、前記燃料電池ユニットの発電開始によりドレン量を積算し、前記ドレン量の積算値が所定量に到達または超えた場合、所定時間だけ前記ドレイナをドレン排水状態に切り替えてもよい。

上記目的を達成するため、本発明のドレン排水プログラムは、燃料電池スタックから排出される改質オフガスを含む燃焼用ガスのガス経路にドレイナを備えてドレンを排水する燃料電池ユニットに搭載されたコンピュータに実行させるドレン排水プログラムであって、前記ドレイナの燃焼用ガス導入部側に形成された第１の貯留部にドレンを貯留し、前記ドレイナのドレン排水部側に形成され、前記第１の貯留部から溢水した前記ドレンを前記第２の貯留部に貯留し、前記燃料電池ユニットの起動開始から発電開始前に、所定の排水時間だけ前記ドレイナをドレン排水状態に維持し、前記排水時間の経過の後前記ドレン排水状態からドレン排水停止状態に切り替え、所定の注水時間だけ前記第２の貯留部に注水し、前記注水時間の経過の後前記ドレイナをドレン排水状態に切り替え、所定の排水時間だけ前記第２の貯留部にある前記ドレンを前記ドレン排水部より排水させ、前記燃料電池ユニットの発電開始からドレン量を積算し、前記ドレン量の積算値が所定量に到達しまたは所定量を超えたとき、前記ドレイナをドレン排水状態に制御する処理を前記コンピュータに実行させる。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池ユニットは、発電により排出される改質オフガスを含む燃焼用ガスのガス経路にドレイナを備えてドレンを排水する燃料電池ユニットであって、前記ドレイナの燃焼用ガス導入部側に形成されてドレンを貯留する第１の貯留部と、前記ドレイナのドレン排水部側に形成され、前記第１の貯留部から溢水した前記ドレンを貯留する第２の貯留部と、前記第２の貯留部に設けられて、該第２の貯留部に注水する注水部と、前記ドレイナの燃焼用ガス導入部の空間部に設置され、前記第１の貯留部側の前記ドレンに没して前記燃焼用ガスを遮断する遮断壁と、前記ドレン排水部を、前記燃料電池ユニットの起動開始から前記燃料電池ユニットの発電前に所定の排水時間だけドレン排水状態に維持し、前記排水時間の経過の後、前記ドレン排水状態からドレン排水停止状態に切り替え、前記注水部に所定の注水時間だけ前記第２の貯留部に注水させ、前記注水時間の経過の後、前記ドレン排水部をドレン排水状態に切り替えて、所定の排水時間だけ前記第２の貯留部から前記ドレンを排水させる制御部とを備える。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池コジェネレーションシステムは、発電により排出される改質オフガスを含む燃焼用ガスのガス経路にドレイナを備えてドレンを排水する燃料電池コジェネレーションシステムであって、上記記載のドレイナ、ドレン排水装置または燃料電池ユニットを備える。

本発明によれば、次のような効果が得られる。

(1) 水位計を用いずにドレン排水を制御することができ、コストダウンと信頼性向上を図ることができる。

(2) 燃料処理装置の燃焼部へのガス経路に設置されるドレイナの構成を簡素化し、コストダウンと信頼性向上を図ることができる。

そして、本発明の他の目的、特徴および利点は、添付図面および各実施の形態を参照することにより、一層明確になるであろう。

一実施の形態に係るＦＣシステムの一例を示す図である。 ドレン排水処理部の一例を示す図である。 ＦＣシステムのドレン排水機能および制御部の一例を示す図である。 ドレイナの一例を示す図である。 ＦＣシステムの発電開始前の注排水制御の処理手順の一例を示すフローチャートである。 ドレイナのドレンレベルの変化を示す図である。 ドレイナのドレンレベルの変化を示す図である。 ＦＣシステムの発電開始前の他の注排水制御の処理手順の一例を示すフローチャートである。 ドレイナの注水レベルの変化を示す図である。 ドレイナの注水レベルの変化を示す図である。 ドレイナの注水レベルの変化を示す図である。 発電時のドレンの注排水制御の一例を示すフローチャートである。 発電時の排水制御の処理手順の一例を示すフローチャートである。 発電開始時のドレイナの水位を示す図である。 他の排水制御の処理手順の一例を示すフローチャートである。 他の実施の形態に係るドレイナを示す図である。 従来のドレン排水装置を示す図である。

＜システム構成＞

図１は、一実施の形態に係るＦＣシステム（燃料電池コジェネレーションシステム）の一例を示している。

このＦＣシステム２には燃料電池ユニット４と、一例として貯湯ユニット６が含まれている。燃料電池ユニット４には燃料電池スタック８、燃料処理装置１０、水タンク１２、ドレン排水処理部１４、熱交換器１６および制御部１８が含まれている。貯湯ユニット６には貯湯タンク２０が備えられる。

燃料電池スタック８にはたとえば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）が備えられる。この燃料電池スタック８には燃料処理装置１０から水素リッチな改質ガスＧ１が供給され、改質ガスＧ１の水素Ｈが水素イオンＨ＋と電子ｅ−に分離される。水素イオンＨ＋は電解質を通過することにより空気極側の酸素と結びついて水（Ｈ₂ Ｏ）が生成される。電子ｅ−は導線を通して空気極側に移動し、発電エネルギとして取り出される。燃料電池ユニット４の生成水は水タンク１２に溜められる。

燃料処理装置１０は燃料処理部２２および燃焼部２４を備える。燃料処理部２２は、都市ガスなどの燃料Ｆ、選択酸化空気Ａｉおよび水タンク１２から水Ｗ１の供給により、燃料Ｆから水素リッチな改質ガスＧ１を生成する。燃焼部２４は、燃料電池スタック８から供給される水素リッチな改質オフガスＧ２を燃焼し、燃料処理装置１０の改質反応に熱量を供給する。つまり、燃焼は燃料処理装置１０の改質反応の熱量供給のためである。燃料処理装置１０が生成した改質ガスＧ１は燃料電池スタック８に供給される。

ドレン排水処理部１４は本発明のドレン排水装置の一例である。このドレン排水処理部１４は、改質オフガスＧ２からドレンＤを凝縮させ、このドレンＤを排水する。この実施の形態では、燃料電池スタック８と燃焼部２４との間に設置されたガス経路２６にドレン排水処理部１４が設置され、改質オフガスＧ２が燃料電池スタック８からドレン排水処理部１４を通して燃焼部２４に流れる。この改質オフガスＧ２には多量のドレンＤが含まれている。このドレンＤは燃料処理部２２での改質反応のために過剰に供給される水Ｗ１のうち未反応分として残った水や、発電反応で生成する水（Ｈ₂ Ｏ）である。このガス経路２６にはドレン排水処理部１４のドレイナ２８が備えられる。このドレイナ２８で改質オフガスＧ２とドレンＤが分離され、改質オフガスＧ２が燃焼部２４側に流れ、ドレンＤがドレイナ２８から排水される。この場合、ドレイナ２８は燃料電池スタック８の燃料極側の経路に設置され、その空気極側で生成される水の大部分が空気極側の経路から排出される。対象のドレンＤは、燃料処理部２２の改質反応に用いる水の余剰分が大半を占める。この余剰分が後述のマテリアルバランスの計算根拠となる。

燃焼部２４には排気経路３０が備えられ、この排気経路３０にはドレイナ２９が備えられている。このドレイナ２９では燃焼部２４で生じた燃焼排ガスＧ３から得られる凝縮水を分離し、この凝縮水を除いた燃焼排ガスＧ３が外気に放出され、凝縮水が水経路３２を通して水タンク１２に導かれる。

排気経路３０には熱交換器１６が設置され、燃焼排ガスＧ３の熱が貯湯ユニット６側の水Ｗ２に熱交換される。これにより、燃焼排ガスＧ３の熱が水Ｗ２に回収されて利用される。高温水として貯湯タンク２０に貯湯される。

制御部１８はＦＣシステム２の制御手段の一例である。この制御部１８はたとえば、コンピュータで構成される。この制御部１８の制御には、ＦＣシステム２の制御およびドレン排水制御が含まれる。

＜ドレン排水処理部１４＞

図２は、ドレン排水処理部１４の一例を示している。このドレン排水処理部１４にはガス経路２６に既述のドレイナ２８が備えられ、このドレイナ２８は改質オフガスＧ２を含む燃焼用ガスＧｍを取り込み、この改質オフガスＧ２からドレンＤを凝縮させ、このドレンＤが除かれた燃焼用ガスＧｍの排気や、ドレンＤを貯留し且つ排水する容器である。

このドレイナ２８には燃焼用ガスＧｍの導入ポート３４、排気ポート３６、注排水ポート３８が備えられている。導入ポート３４および排気ポート３６にガス経路２６が接続されている。導入ポート３４は燃焼用ガス導入部の一例である。排気ポート３６は燃焼用ガス排気部の一例である。また、注排水ポート３８はドレン排水部または注水部の一例である。したがって、ガス経路２６に流れる改質オフガスＧ２を含む燃焼用ガスＧｍが導入ポート３４からドレイナ２８に流入する。ドレイナ２８では燃焼用ガスＧｍからドレンＤが凝縮し、ドレンＤが除かれた燃焼用ガスＧｍが排気ポート３６からガス経路２６に排出され、燃焼部２４に導かれる。

注排水ポート３８に排水経路４０および注水経路４２が接続されている。排水経路４０には電磁弁４４が設置され、この電磁弁４４の開閉が制御部１８によって制御される。電磁弁４４は開閉手段の一例であり、この電磁弁４４により注排水ポート３８が開閉される。注水経路４２には注水ポンプ４６が接続され、この注水ポンプ４６の駆動が制御部１８によって制御される。注水経路４２および注水ポンプ４６は注水手段の一例である。注水の必要時、排水経路４０を電磁弁４４によって閉じ、注水ポンプ４６の駆動により注水が行われる。

このドレイナ２８には第１の貯留部４８−１および第２の貯留部４８−２が備えられる。貯留部４８−１、４８−２は仕切り壁５０によって仕切られている。この仕切り壁５０は分離壁の一例である。貯留部４８−１は導入ポート３４側に区画され、燃焼用ガスＧｍから凝縮するドレンＤを貯留する。

貯留部４８−２は、注排水ポート３８側に区画され、貯留部４８−１から仕切り壁５０を超えて溢水したドレンＤを貯留する。

貯留部４８−１側には遮断壁５２が設置されている。この遮断壁５２はドレイナ２８の空間を第１の空間部５４−１と第２の空間部５４−２に仕切る。この遮断壁５２が貯留部４８−１内のドレンＤに没することにより、貯留部４８−２側への燃焼用ガスＧｍの流出が遮断される。

＜ＦＣシステム２のドレン排水機能＞

図３のＡは、ＦＣシステム２のドレン排水機能の一例を示している。このＦＣシステム２には以下のドレン排水機能５６を備えている。

このドレン排水機能５６は、燃料電池ユニット４の発電制御機能と密接に関連し、ドレン排水制御機能５８、注水制御機能６０、ドレン量積算機能６２などが含まれる。

ドレン排水制御機能５８は発電制御機能に連動し、ドレン排水の可否の判断、電磁弁４４の開閉などの制御を行う。

注水制御機能６０はドレン排水制御機能５８に連動し、注水の可否の判断、注水ポンプ４６の駆動などの制御を行う。

ドレン量積算機能６２は発電制御機能に連動し、燃料電池スタック８の発電反応に基づくドレン量を積算する。このドレン量の積算値は、ドレン排水制御機能５８の排水の可否の判断に用いられる。

＜制御部１８のハードウェア＞

図３のＢは、制御部１８のハードウェアの一例を示している。この制御部１８はこの実施の形態の場合、ＦＣシステム２の燃料電池ユニット４側に設置されたコンピュータシステムである。

この制御部１８には、ＦＣシステム２の発電制御とともに、既述のドレン排水機能５６を実現する構成として、プロセッサ６４、ＲＯＭ（Read-Only Memory）６６、データ記憶部６８、ＲＡＭ（Random-Access Memory）７０および入出力（Ｉ／Ｏ）部７２が含まれ、これら機能部はバス７４で連係されている。

プロセッサ６４は、ＲＯＭ６６に格納されているＯＳ（Operating System）や、ドレン排水制御プログラムなどの各種のアプリケーションプログラムを実行する。この実行処理には、各種検出情報を受けて制御情報を生成し、ドレン排水ではドレン量の積算や演算、既述の電磁弁４４の開閉、注水ポンプ４６の駆動またはその解除を行う。

ＲＯＭ６６はハードディスクなどの記録媒体で構成し、既述のＯＳやドレン排水制御プログラムなどの各種のアプリケーションプログラムを格納している。

データ記憶部６８は、プロセッサ６４にデータの読み書きが制御され、各種データが格納される。ＲＡＭ７０は、情報処理のワークエリアを構成する。

また、Ｉ／Ｏ部７２は、検出情報の取込みや既述の電磁弁４４の開閉駆動信号、注水ポンプ４６の駆動信号の出力を行う。

＜ドレイナ２８の構成および機能＞

図４は、ドレイナ２８の一例を示している。このドレイナ２８では、全空間の容積Ｖｏに対し、貯留部４８−２に容積Ｖａが設定され、貯留部４８−１には容積Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄが設定されている。

容積Ｖａは、仕切り壁５０の高さを基準とした貯留部４８−２側に貯留し得るドレンＤの体積である。

これに対し、容積Ｖｂ＋Ｖｃ＋Ｖｄは仕切り壁５０の高さを基準面Ｓref1とした貯留部４８−１側に貯留し得るドレンＤの体積である。容積Ｖｂは、貯留部４８−１にある遮断壁５２の下端を基準面Ｓref2とし、この基準面Ｓref2に接触し得る貯留部４８−１側のドレンＤの体積である。

容積Ｖｃは、基準面Ｓref1および基準面Ｓref2に挟まれ、且つ仕切り壁５０および遮断壁５２に挟まれた空間部の容積であり、この空間容積内に貯留可能なドレンＤの体積である。

容積Ｖｄは、基準面Ｓref1および基準面Ｓref2に挟まれ、且つ遮断壁５２およびドレイナ２８の内側壁面に挟まれた空間容積であり、この空間容積内に貯留可能なドレンＤの体積である。

この実施の形態では、一例としてＶａ＝３００〔ｃｃ〕、Ｖｂ＝５０〔ｃｃ〕、Ｖｃ＝３０〔ｃｃ〕、Ｖｄ＝１００〔ｃｃ〕である。

そして、容積Ｖａ側からドレンＤが排水され、必要に応じて容積Ｖａに対し注水が行われる。

＜ドレイナ２８の注排水制御＞

図５は、ＦＣシステム２の発電開始前の注排水制御の処理手順のフローチャートを示している。図６および図７は、この注排水制御によるドレイナ２８中のドレンＤのレベル変化を示している。この処理手順は、システム起動時のドレン注排水制御であり、このドレン注排水制御ではシステム起動時のドレンＤの水位確保の処理を含んでいる。

この処理手順では、ＦＣシステム２の起動（Ｓ１０１）を契機に、電磁弁４４を開に制御し（Ｓ１０２）、ドレンＤを排水状態にする。このドレン排水状態を一定時間Ｔ１たとえば、Ｔ１＝２分間だけ保持する（Ｓ１０３）。

ドレイナ２８中のドレンＤが図６のＡに示すように、通常水位である場合、また、図７のＡに示すように、ドレイナ２８の全容積を満たす最高水位である場合のいずれの場合も、図６のＢまたは図７のＢに示すように、ドレンＤが排水されることにより、貯留部４８−２が空状態になる。

このドレンＤの排水開始から時間Ｔ１が経過した後、電磁弁４４を閉に制御し（Ｓ１０４）、排水停止状態に移る。つまり、図６のＢまたは図７のＢに示す状態で、電磁弁４４が閉に制御される。

この時点で注水ポンプ４６を駆動し、ドレイナ２８の貯留部４８−２に対する注水を開始する（Ｓ１０５）。この注水は、注排水ポート３８に接続された注水経路４２から行う。この注水流量は一定流量たとえば、２０〔ｃｃ／ｍｉｎ〕で行えばよい。この注水を一定時間Ｔ２たとえば、Ｔ２＝２０分間だけ保持し（Ｓ１０６）、注水量Ｖｅをたとえば、４００〔ｃｃ〕とする。この注水量を注水した後、注水ポンプ４６の駆動を解除し、注水を停止する（Ｓ１０７）。

このような注水量を注水すれば、図６のＣまたは図７のＣに示すように、ドレイナ２８内のレベルに制御される。

注水停止の後、電磁弁４４を開に制御し（Ｓ１０８）、排水を開始する。電磁弁４４を一定時間Ｔ３たとえば、Ｔ３＝２分間だけ保持する（Ｓ１０９）。この時間Ｔ３の経過の後、電磁弁４４を閉に制御し（Ｓ１１０）、排水停止とし、発電準備完了（Ｓ１１１）とする。

このように排水を行い、排水を停止すれば、図６のＤまたは図７のＤに示すように、ドレイナ２８内のレベルに制御される。

このようにドレイナ２８を排水状態に制御すれば、図６のＤまたは図７のＤに示すように、ドレイナ２８の貯留部４８−２内は空状態になり、水位が仕切り壁５０の上端レベルである基準面Ｓref1に維持されることになる。

この注排水制御において、既述の容積Ｖａを３００〔ｃｃ〕とすれば、Ｖｅ＞Ｖａであり、Ｖｅ−Ｖａ＝１００〔ｃｃ〕であるから、この１００〔ｃｃ〕分を仕切り壁５０を超えて貯留部４８−１側に溢水する。この場合、容積Ｖｂ＝５０〔ｃｃ〕とすれば、１００〔ｃｃ〕＞Ｖｂである。この結果、貯留部４８−１側にドレンＤが全く無い場合であっても、貯留部４８−１側への１００〔ｃｃ〕分の注水の結果、ドレンＤ中に遮断壁５２が没することになる。これにより、空間部５４−１と空間部５４−２とが遮断壁５２およびドレンＤによって遮断され、燃焼用ガスＧｍの空間部５４−２側への流出を防止することができる。

このように排水状態に制御すれば、起動時の水位条件が通常水位（図６のＡ）または最高水位（図７のＡ）のように異なっても、水位を適正な状態に確保しつつ発電開始が可能となる。

図８は、ＦＣシステム２の発電開始前の他の注排水制御の処理手順のフローチャートを示している。図９、図１０および図１１は、この注排水制御によるドレイナ２８中の注水レベルの変化を示している。

この処理手順では、ＦＣシステム２の起動（Ｓ２０１）を契機に、電磁弁４４を開に制御し（Ｓ２０２）、ドレンＤを排出状態にする。このドレン排水状態を一定時間Ｔ１たとえば、Ｔ１＝２分間だけ保持する（Ｓ２０３）。ドレンＤがあれば、これによりドレンＤが排水する。

ドレイナ２８中のドレンＤが図９のＡに示すように、通常水位である場合、図１０のＡに示すように、ドレイナ２８の全容積を満たす最高水位である場合、または図１１に示すように、ドレンＤが最低水位（空状態を含む）の場合、図９のＢ、図１０のＢまたは図１１のＢに示すように、ドレンＤが排水されることにより、貯留部４８−２が空状態になる。

このドレン排水開始から時間Ｔ１が経過した後、電磁弁４４を閉に制御し（Ｓ２０４）、ドレン排水停止状態に移る。つまり、図９のＢ、図１０のＢまたは図１１のＢに示す状態で、電磁弁４４が閉に制御される。つまり、ドレンＤが排水停止状態となる。

この時点で注水ポンプ４６を駆動し、ドレイナ２８の貯留部４８−２に対する注水を開始する（Ｓ２０５）。この注水は、注排水ポート３８に接続された注水経路４２から行う。この注水流量は既述のように一定流量たとえば、２０〔ｃｃ／ｍｉｎ〕で行えばよい。この注水を一定時間Ｔ２たとえば、Ｔ２＝２０分間だけ保持し（Ｓ２０６）、注水量Ｖｅをたとえば、４００〔ｃｃ〕とする。この注水量を注水した後、注水ポンプ４６の駆動を解除し、注水を停止する（Ｓ２０７）。

このような注水量を注水すれば、図９のＣ、図１０のＣまたは図１１のＣに示すように、ドレイナ２８内のレベルに制御される。この状態で、ＦＣシステム２ではドレイナ２８に対し、可燃性ガスである燃焼用ガスＧｍの通流を許可する（Ｓ２０８）。つまり、起動時のドレンＤの水位によらず、上記工程まで水封処理が行われるので、ドレイナ２８に燃焼用ガスＧｍを通流させても排水経路４０に燃焼用ガスＧｍが放出されることはない。

注水停止の後、電磁弁４４を開に制御し（Ｓ２０９）、排水を開始する。電磁弁４４を一定時間Ｔ３たとえば、Ｔ３＝２分間だけ保持する（Ｓ２１０）。この時間Ｔ３の経過の後、電磁弁４４を閉に制御し（Ｓ２１１）、ドレンＤの排水停止とする。

このように排水を行い、排水を停止すれば、図９のＤ、図１０のＤまたは図１１のＤに示すように、ドレイナ２８内のレベルに制御される。

これにより、ＦＣシステム２のドレイナ２８側の発電準備が完了する（Ｓ２１２）。

このようにドレン排水状態に制御すれば、起動時の水位条件が通常水位（図９のＡ）、最高水位（図１０のＡ）または最低水位（図１１のＡ）のように異なっても、水位を適正な状態に確保しつつ発電開始が可能である。

＜発電時のドレンＤの排水制御＞

図１２は、発電時のドレンＤの排水制御の処理手順（メインフロー）を示している。この処理手順では、ＦＣシステム２の発電開始（Ｓ３０１）を契機に電磁弁４４を閉に制御する（Ｓ３０２）。この電磁弁４４を閉に制御した後、発電時排水制御に移行する（Ｓ３０３）。この発電時排水制御（Ｓ３０３）では、電磁弁４４の開閉により、ドレンＤが排水状態または排水停止状態に制御される。

この発電時排水制御において、発電停止またはエラー検知（Ｓ３０４）を生じると、電磁弁４４を閉に制御し（Ｓ３０５）、発電時排水制御を停止する（Ｓ３０６）。

図１３は、一つの発電時排水制御（制御Ａ）の処理手順を示している。図１４は、制御Ａによるドレイナ２８の水位を示している。

この制御Ａにおける、発電時排水制御の開始（Ｓ４０１）では想定ドレン量＝０〔ｃｃ〕とし（Ｓ４０２）、この想定ドレン量＝０〔ｃｃ〕を積算開始点として積算を行う（Ｓ４０３）。図１４のＡは、発電開始時のドレイナ２８の水位を示している。

この想定ドレン量およびその積算には、マテリアルバランス、時間、発電出力を積算すればよい。マテリアルバランスは、燃料処理部２２での改質反応のＳ（＝スチーム）／Ｃ（＝カーボン）比の余剰分からドレイナ２８に流入するドレンＤ＝水（Ｈ₂ Ｏ）を算出し、想定ドレイナ温度から凝縮水量を算出すればよい。Ｓ／Ｃ比は、燃料Ｆの炭化水素に含まれるカーボンＣと、反応の際に添加する水Ｗ１が蒸発した水蒸気（スチーム）のモル比である。時間は発電の積算時間、発電出力は発電積算値を用いればよい。

このような積算により得られた想定ドレン量の積算値に所定量を表す閾値を設定し、想定ドレン量の積算値が閾値に到達したか（積算値＝閾値）または積算値が閾値を超えたか（積算値＞閾値）を判定する（Ｓ４０４）。閾値は前記第２の貯留部の容積より小さい値を設定する。想定ドレン量の積算値＝閾値でないまたは想定ドレン量の積算値＞閾値でなければ（Ｓ４０４のＮＯ）、積算ドレン量の積算を継続する。図１４のＢに示すように、発電により生成されるドレンＤが貯留部４８−１から溢水し、貯留部４８−２に貯留される。

想定ドレン量の積算値が閾値に到達し（積算値＝閾値）または積算値が閾値を超え（積算値＞閾値）ていれば（Ｓ４０４のＹＥＳ）、積算ドレン量の積算を停止し、電磁弁４４を開に制御し、排水を開始する（Ｓ４０５）。この排水を一定時間Ｔ４たとえば、Ｔ４＝２〔分〕だけ保持し、排水を継続する（Ｓ４０６）。これにより、図１４のＣに示すように、貯留部４８−２が空状態となる。

この排水の後、電磁弁４４を閉に制御し、排水を停止する（Ｓ４０７）。そして、想定ドレン量の積算値をクリアする（Ｓ４０８）。

この発電時排水制御において、発電停止またはエラー検知かを判断する（Ｓ４０９）。発電停止またはエラー検知がなければ（Ｓ４０９のＮＯ）、Ｓ４０２に戻り、排水制御を継続する。

発電停止またはエラー検知であれば（Ｓ４０９のＹＥＳ）、メイン制御フロー（図１２）のＳ３０４にリターンする。

図１５のＡは、他の排水制御（制御Ｂ）の処理手順を示している。図１５のＢは、制御Ｂによるドレイナ２８の水位を示している。

この制御Ｂでは、発電時排水制御を実行する（Ｓ５０１）。この発電時排水制御では電磁弁４４を開き（Ｓ５０２）、ドレンＤの排水を行う。

この発電時排水制御において、発電停止またはエラー検知かを判断する（Ｓ５０３）。発電停止またはエラー検知がなければ（Ｓ５０３のＮＯ）、Ｓ５０１に戻り、排水制御を継続する。図１５のＢに示すように、排水により貯留部４８−２が空状態に維持されることとなる。

そして、発電停止またはエラー検知であれば（Ｓ５０３のＹＥＳ）、メイン制御フロー（図１２）のＳ３０４にリターンする。

なお、この制御Ｂは、既述の制御Ａに代えて行えばよい。制御Ａと制御Ｂとを交互に行う制御形態でもよい。

＜上記実施の形態の特徴事項および効果＞

(1) 既述のとおり、ドレンＤの水位が起動時に確保できる制御（起動時水位確保制御）およびドレンＤを排出する発電時排水制御を行うので、ドレイナ２８は適正な水位に維持されるので、燃焼用ガスＧｍの放出を封じることができ、排水経路４０に放出するリスクが低減される。

(2) また、ドレイナ２８は満水状態または枯渇状態になることはなく、適正なドレン水位に維持される。

(3) ドレンＤの排水制御や、改質オフガスなどの燃焼用ガスＧｍの放出リスクを払拭するための水位計が不要であり、水位計設置のためのコストアップが生じることがない。また、水位計に起因した不具合（たとえば、水位検知不良）を回避できる。

(4) ドレンＤの水位を機械的な構造設備によって把握する必要がなく、斯かる設備による故障などの不具合を防止できる。

(5) 水位計に依存することなく、ドレンＤの排水制御を行うことができ、排水処理のコストダウンや信頼性向上を図ることができる。

〔他の実施の形態〕

(1) 図１６は、他の実施の形態に係るドレイナ２８を示している。上記実施の形態では、貯留部４８−２にある注排水ポート３８に注水する場合について説明したが、図１６に示すように、貯留部４８−２側に排水ポート３８−１、貯留部４８−１に注水ポート３８−２を別個に設けてもよく、この注水ポート３８−２に注水経路４２を接続してもよい。この注水経路４２に設けた注水ポンプ４６を駆動し、注水ポンプ４６から注水経路４２に注水してもよい。

(2) 上記実施の形態では、ドレン排水処理部１４およびドレイナ２８を燃料電池ユニット４に設置したが、燃料電池ユニット４以外の燃焼手段などの燃焼用ガスのガス経路に設置し、ドレン排水を行う構成としてもよい。

以上説明したように、本発明の最も好ましい実施の形態等について説明した。本発明は、上記記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され、又は発明を実施するための形態に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能である。斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

本発明は、燃料電池ユニットや、燃料電池ユニットを含む燃料電池コジェネレーションシステムに生じるドレン排水を効率的に行うことができ、ドレン水位の計測やその計測に基づく制御の簡略化を実現し、信頼性のある水位制御を実現するので、広くドレン排水制御に利用することが可能である。

２ ＦＣシステム
４ 燃料電池ユニット
６ 貯湯ユニット
８ 燃料電池スタック
１０ 燃料処理装置
１２ 水タンク
１４ ドレン排水処理部
１６ 熱交換器
１８ 制御部
２０ 貯湯タンク
２２ 燃料処理部
２４ 燃焼部
２６ ガス経路
２８ ドレイナ
２９ ドレイナ
３０ 排気経路
３２ 水経路
３４ 導入ポート
３６ 排気ポート
３８ 注排水ポート
３８−１ 排水ポート
３８−２ 注水ポート
４０ 排水経路
４２ 注水経路
４４ 電磁弁
４６ 注水ポンプ
４８−１ 第１の貯留部
４８−２ 第２の貯留部
５０ 仕切り壁
５２ 遮断壁
５４−１ 第１の空間部
５４−２ 第２の空間部
Ｗ１ 水
Ｇ１ 改質ガス
Ｇ２ 改質オフガス
Ｇｍ 燃焼用ガス
Ｄ ドレン
５６ ドレン排水機能
５８ ドレン排水制御機能
６０ 注水制御機能
６２ ドレン量積算機能
６４ プロセッサ
６６ ＲＯＭ
６８ データ記憶部
７０ ＲＡＭ
７２ 入出力（Ｉ／Ｏ）部
７４ バス
２００ ドレン排水装置
２０２ ドレイナ
２０４ 排出経路
２０６ ドレン排水路
２０８ 電磁弁
２１０ 水位計
２１２ 注水ポンプ

Claims (11)

1. 制御部を有する燃料電池ユニットに備えられ、燃焼用ガスからドレンを分離して排水するドレイナであって、
   燃焼用ガス導入部側に形成されてドレンを貯留する第１の貯留部と、
   ドレン排水部側に形成され、前記第１の貯留部から溢水した前記ドレンを貯留する第２の貯留部と、
   前記第２の貯留部に設けられて、該第２の貯留部に注水する注水部と、
   前記第１の貯留部側の前記ドレンに没することにより前記燃焼用ガスを遮断する遮断壁とを備え、
   前記制御部の制御により、前記ドレン排水部が、前記燃料電池ユニットの起動開始から前記燃料電池ユニットの発電前に所定の排水時間だけドレン排水状態に維持され、前記排水時間の経過の後、前記ドレン排水状態からドレン排水停止状態に切り替えられ、前記注水部が所定の注水時間だけ前記第２の貯留部に注水し、前記注水時間の経過の後、前記ドレン排水部がドレン排水状態に切り替えられて、所定の排水時間だけ前記第２の貯留部から前記ドレンを排水することを特徴とするドレイナ。
2. 制御部を有する燃料電池ユニットに備えられ、燃料電池スタックから排出される改質オフガスを含む燃焼用ガスのガス経路にドレイナを備えてドレンを排水するドレン排水装置であって、
   前記ドレイナの燃焼用ガス導入部側に形成されてドレンを貯留する第１の貯留部と、
   前記ドレイナのドレン排水部側に形成され、前記第１の貯留部から溢水した前記ドレンを貯留する第２の貯留部と、
   前記第２の貯留部に設けられて、該第２の貯留部に注水する注水部と、
   前記第１の貯留部側の前記ドレンに没することにより前記燃焼用ガスを遮断する遮断壁とを備え、
   前記制御部の制御により、前記ドレン排水部が、前記燃料電池ユニットの起動開始から前記燃料電池ユニットの発電前に、所定の排水時間だけドレン排水状態に維持され、前記排水時間の経過の後、前記ドレン排水状態からドレン排水停止状態に切り替えられ、前記注水部が所定の注水時間だけ前記第２の貯留部に注水し、前記注水時間の経過の後、前記ドレン排水部がドレン排水状態に切り替えられて、所定の排水時間だけ前記第２の貯留部から前記ドレンを排水することを特徴とするドレン排水装置。
3. 前記第１の貯留部と前記第２の貯留部とを分離する分離壁を備え、この分離壁を超えて前記第１の貯留部のドレンが前記第２の貯留部に溢水可能にしたことを特徴とする請求項２に記載のドレン排水装置。
4. 前記ドレン排水部を開閉する開閉手段を備えることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のドレン排水装置。
5. 前記制御部が、前記燃料電池ユニットの発電開始前に前記ドレイナの排水または注水を制御し、前記燃料電池ユニットの発電開始からドレン量を積算し、前記ドレン量の積算値が所定量に到達しまたは所定量を超えたとき、前記ドレイナをドレン排水状態に制御することを特徴とする請求項２、請求項３または請求項４のいずれかに記載のドレン排水装置。
6. 燃料電池ユニットに備えられた燃料電池スタックから排出される改質オフガスを含む燃焼用ガスのガス経路にドレイナを備えてドレンを排水するドレン排水方法であって、
   前記ドレイナの燃焼用ガス導入部側に形成された第１の貯留部にドレンを貯留し、
   前記ドレイナのドレン排水部側に形成され、前記第１の貯留部から溢水した前記ドレンを前記第２の貯留部に貯留し、
   前記第１の貯留部側のドレンに遮断壁が没することにより前記燃焼用ガスを遮断し、
   前記燃料電池ユニットの起動開始から前記燃料電池ユニットの発電前に、所定の排水時間だけ前記ドレイナをドレン排水状態に維持し、
   前記排水時間の経過の後、前記ドレン排水状態からドレン排水停止状態に切り替え、所定の注水時間だけ前記第２の貯留部に注水し、
   前記注水時間の経過の後、前記ドレイナをドレン排水状態に切り替え、所定の排水時間だけ前記第２の貯留部にある前記ドレンを前記ドレン排水部より排水させることを特徴とするドレン排水方法。
7. 前記燃料電池ユニットの発電開始に基づき、前記ドレイナをドレン排水停止状態に切り替え、
   前記燃料電池ユニットの発電に基づき、生成されるドレン量または発電時間に応じて前記ドレイナをドレン排水状態に切り替え、前記第２の貯留部から前記ドレンを排水させ、
   前記燃料電池ユニットの発電停止またはエラー検知に基づき、前記ドレン排水状態からドレン排水停止状態に切り替えることを特徴とする請求項６に記載のドレン排水方法。
8. 前記燃料電池ユニットの発電開始によりドレン量を積算し、前記ドレン量の積算値が所定量に到達または超えた場合、所定時間だけ前記ドレイナをドレン排水状態に切り替えることを特徴とする請求項７に記載のドレン排水方法。
9. 燃料電池スタックから排出される改質オフガスを含む燃焼用ガスのガス経路にドレイナを備えてドレンを排水する燃料電池ユニットに搭載されたコンピュータに実行させるドレン排水プログラムであって、
   前記ドレイナの燃焼用ガス導入部側に形成された第１の貯留部にドレンを貯留し、
   前記ドレイナのドレン排水部側に形成され、前記第１の貯留部から溢水した前記ドレンを前記第２の貯留部に貯留し、
   前記燃料電池ユニットの起動開始から発電開始前に、所定の排水時間だけ前記ドレイナをドレン排水状態に維持し、前記排水時間の経過の後前記ドレン排水状態からドレン排水停止状態に切り替え、所定の注水時間だけ前記第２の貯留部に注水し、前記注水時間の経過の後前記ドレイナをドレン排水状態に切り替え、所定の排水時間だけ前記第２の貯留部にある前記ドレンを前記ドレン排水部より排水させ、
   前記燃料電池ユニットの発電開始からドレン量を積算し、
   前記ドレン量の積算値が所定量に到達しまたは所定量を超えたとき、前記ドレイナをドレン排水状態に制御する処理を前記コンピュータに実行させるためのドレン排水プログラム。
10. 発電により排出される改質オフガスを含む燃焼用ガスのガス経路にドレイナを備えてドレンを排水する燃料電池ユニットであって、
    前記ドレイナの燃焼用ガス導入部側に形成されてドレンを貯留する第１の貯留部と、
    前記ドレイナのドレン排水部側に形成され、前記第１の貯留部から溢水した前記ドレンを貯留する第２の貯留部と、
    前記第２の貯留部に設けられて、該第２の貯留部に注水する注水部と、
    前記ドレイナの燃焼用ガス導入部の空間部に設置され、前記第１の貯留部側の前記ドレンに没して前記燃焼用ガスを遮断する遮断壁と、
    前記ドレン排水部を、前記燃料電池ユニットの起動開始から前記燃料電池ユニットの発電前に所定の排水時間だけドレン排水状態に維持し、前記排水時間の経過の後、前記ドレン排水状態からドレン排水停止状態に切り替え、前記注水部に所定の注水時間だけ前記第２の貯留部に注水させ、前記注水時間の経過の後、前記ドレン排水部をドレン排水状態に切り替えて、所定の排水時間だけ前記第２の貯留部から前記ドレンを排水させる制御部と、
    を備えることを特徴とする燃料電池ユニット。
11. 発電により排出される改質オフガスを含む燃焼用ガスのガス経路にドレイナを備えてドレンを排水する燃料電池コジェネレーションシステムであって、
    前記請求項１に記載のドレイナ、前記請求項２、前記請求項３、前記請求項４または前記請求項５に記載のドレン排水装置または前記請求項１０に記載の燃料電池ユニットを備える燃料電池コジェネレーションシステム。

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