JP6355478B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスに変化させる改質部と、前記改質部からの燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池発電装置と、前記改質部から前記燃料電池発電装置へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路とを備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいては、原燃料ガスが水蒸気改質されて水素を含む燃料ガスに変化され、燃料電池発電装置に送られるので、燃料ガスには反応に使われなかった水蒸気が含まれることになる。また、特に固体高分子形燃料電池では、固体高分子電解質膜およびそれを両側から挟む燃料極と空気極とが湿潤することによりプロトン導電性が高められ、これによって発電が可能となる。そのため、水蒸気添加やバブリングにより燃料電池発電装置に送られる燃料ガスを加湿し、運転を行っている。

特開２０１３−１１４９５８号公報 特開２００９−８７５６８号公報

燃料電池発電装置に送られる燃料ガスは室温よりも温度が高いため、燃料ガス供給路を通過中に冷却され、燃料ガスに含まれる水蒸気の一部が凝縮して水滴となる場合がある。燃料ガス供給路で発生した水滴が燃料電池発電装置の燃料極に流入すると、燃料極内のガス流路が水で閉塞されてしまう場合があり、水素ガスの不足による発電電圧の低下や、燃料電池セルの劣化が発生する虞がある。

特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池スタック２０の燃料流路における水閉塞状態を検出した場合には、反応物質の流れる燃料流路のうち燃料電池スタック２０の出口から大気への排出口までの間で圧力損失を下げることにより、燃料電池スタック２０内から出口に向かって水を排出する力を大きくして、速やかに水が排出される。

特許文献２の燃料電池システムでは、検出したセル電圧が低い場合に燃料電池システム１０の運転が停止され、アノード５２からのガスの排出を一旦遮断してガス圧を高めた後、ガスを排出することによりアノード５２のガス流路内の凝縮水が排出される。

しかしこれらの燃料電池システムでは、特別な動作により燃料極に溜まった凝縮水が排出されるものの、排出が完了するまでの間は凝縮水による燃料電池セルへの悪影響は避けられない。また燃料電池システムの運転を停止して凝縮水の排出動作を行う場合は、その間は電力の供給が停止し、使用者に不便をもたらす。このように、凝縮水が流入した後の対策ではなく、凝縮水の流入を事前に防止する対策が、燃料電池システムには望ましい。

燃料ガス供給路での水蒸気の凝縮を避けるため、燃料ガス供給路をヒーター等で加熱することも考えられる。しかし、ヒーター自体の設置コストに加え、加熱によるエネルギー消費も発生するため、燃料電池システム全体のコストが上昇してしまう。また、燃料ガス供給路の長さを短くすることも考えられるが、改質部と燃料電池発電装置とのレイアウト自由度に制限が生じ、燃料電池システム全体のサイズが大きくなる可能性もあり、妥当ではない。熱交換器やドレンポットなどの部品で対処する場合も、燃料電池システム全体のコストが上昇してしまう。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池システムにおいて、燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮して生じる凝縮水が燃料電池発電装置へ流入することを低コストかつ効果的に抑止できる燃料電池システムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムの特徴構成は、原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスに変化させる改質部と、前記改質部からの燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池発電装置と、前記改質部から前記燃料電池発電装置へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路とを備えた燃料電池システムであって、前記燃料ガス供給路は、燃料ガスを上方向へ送る上行部と、前記上行部の下流側に接続され燃料ガスを横方向へ送る横行部とを有し、前記燃料ガス供給路の前記横行部は、燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮して生じる凝縮水の下流側への流入を抑止する流入抑止部を有し、前記燃料ガス供給路の前記流入抑止部は、燃料ガスが通流する第１通流管と、前記第１通流管の下流に設けられた第２通流管とを有し、前記第２通流管の底面は前記第１通流管の底面より高い位置に配置され、
前記燃料ガス供給路からの空気中への放熱を抑制する保温材が前記横行部に設けられ、前記上行部からの空気中への放熱が前記横行部からの空気中への放熱よりも相対的に促進されるよう構成される点にある。

上記特徴構成によれば、流入抑止部に設けられる第２通流管の底面は第１通流管の底面より高い位置に配置されているので、凝縮水の下流側への流入を効果的に抑止することができる。すなわち、上流側の第１通流管で凝縮水が発生し、第１通流管の底面に滞留して大きな水滴へ成長したとしても、第１通流管の底面と第２通流管の底面との高低差を水滴高さが超過しない限り、凝縮水が高低差を超えて下流側へ流入する事態は発生し難く、したがって燃料電池発電装置への凝縮水の流入を簡便な構成で効果的に抑制することができる。

また、流入抑止部に第１通流管の底面と第２通流管の底面との高低差が存在することにより、上流側から送られてくる燃料ガスの一部が流入抑止部の上流側に滞留する。燃料ガスに含まれる過剰な水蒸気が滞留の間に凝縮すれば、発生した凝縮水は流入抑止部の上流側に留まることになる。すなわち、下流側に流れる燃料ガスに含まれる過剰な水分を流入抑止部により減少させるので、燃料電池発電装置への凝縮水の流入を簡便な構成で効果的に抑制することができる。
又、上記特徴構成によれば、保温材が横行部に設けられることで上行部からの空気中への放熱が横行部からの空気中への放熱よりも相対的に促進されるから、上行部における凝縮水の凝縮が横行部よりも相対的に促進される。すると、上行部で凝縮がより多く発生し、発生した凝縮水は下方へ落下するので、横行部へ到達する水分が少なくなる。加えて、保温材により横行部での空気中への放熱が抑制されているので、横行部での凝縮水の発生を少なくすることができ、燃料電池発電装置への凝縮水の流入をさらに少なくすることができる。
本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記改質部が前記燃料電池発電装置の下方に配置され、前記燃料ガス供給路における前記上行部が前記改質部と接続される部位に、前記燃料ガス供給路からの空気中への放熱を抑制する保温材が設けられる点にある。
上記特徴構成によれば、改質部が燃料電池発電装置の下方に配置され、燃料ガス供給路における上行部が改質部と接続される部位に、燃料ガス供給路からの空気中への放熱を抑制する保温材が設けられるから、上行部と改質部との接続部位が比較的高温に保たれる。そうすると、横行部や上行部で発生した凝縮水が上行部を通って上述の接続部位に到達すると、凝縮水が再び気化されて水蒸気となる。これにより、燃料ガスに含まれる水蒸気の量を減らしすぎる事態を回避して、水蒸気を多く含んだ燃料ガスを燃料電池発電装置に供給でき、燃料電池システムを高い効率で運転することができる。
上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムの特徴構成は、原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスに変化させる改質部と、前記改質部からの燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池発電装置と、前記改質部から前記燃料電池発電装置へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路とを備えた燃料電池システムであって、前記燃料ガス供給路は、燃料ガスを上方向へ送る上行部と、前記上行部の下流側に接続され燃料ガスを横方向へ送る横行部とを有し、前記燃料ガス供給路の前記横行部は、燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮して生じる凝縮水の下流側への流入を抑止する流入抑止部を有し、前記燃料ガス供給路の前記流入抑止部は、燃料ガスが通流する第１通流管と、前記第１通流管の下流に設けられた第２通流管とを有し、前記第２通流管の底面は前記第１通流管の底面より高い位置に配置され、
前記改質部が前記燃料電池発電装置の下方に配置され、前記燃料ガス供給路における前記上行部が前記改質部と接続される部位に、前記燃料ガス供給路からの空気中への放熱を抑制する保温材が設けられる点にある。
上記特徴構成によれば、流入抑止部に設けられる第２通流管の底面は第１通流管の底面より高い位置に配置されているので、凝縮水の下流側への流入を効果的に抑止することができる。すなわち、上流側の第１通流管で凝縮水が発生し、第１通流管の底面に滞留して大きな水滴へ成長したとしても、第１通流管の底面と第２通流管の底面との高低差を水滴高さが超過しない限り、凝縮水が高低差を超えて下流側へ流入する事態は発生し難く、したがって燃料電池発電装置への凝縮水の流入を簡便な構成で効果的に抑制することができる。
また、流入抑止部に第１通流管の底面と第２通流管の底面との高低差が存在することにより、上流側から送られてくる燃料ガスの一部が流入抑止部の上流側に滞留する。燃料ガスに含まれる過剰な水蒸気が滞留の間に凝縮すれば、発生した凝縮水は流入抑止部の上流側に留まることになる。すなわち、下流側に流れる燃料ガスに含まれる過剰な水分を流入抑止部により減少させるので、燃料電池発電装置への凝縮水の流入を簡便な構成で効果的に抑制することができる。
又、上記特徴構成によれば、改質部が燃料電池発電装置の下方に配置され、燃料ガス供給路における上行部が改質部と接続される部位に、燃料ガス供給路からの空気中への放熱を抑制する保温材が設けられるから、上行部と改質部との接続部位が比較的高温に保たれる。そうすると、横行部や上行部で発生した凝縮水が上行部を通って上述の接続部位に到達すると、凝縮水が再び気化されて水蒸気となる。これにより、燃料ガスに含まれる水蒸気の量を減らしすぎる事態を回避して、水蒸気を多く含んだ燃料ガスを燃料電池発電装置に供給でき、燃料電池システムを高い効率で運転することができる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記流入抑止部は、前記第１通流管と前記第２通流管とを着脱自在に接続する接続部を有する点にある。

上記特徴構成によれば、流入抑止部は、第１通流管と第２通流管とを着脱自在に接続する接続部を有するので、メンテナンス性の高い燃料電池システムを実現することができる。
また、接続部において第１通流管と第２通流管の位置関係を適切な位置関係とすることで、第１通流管の底面と第２通流管の底面とを、高低差をもって配置することが比較的容易に実現できる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記第２通流管の上流側の終端部が、前記第１通流管の下流側の終端部よりも上流側に位置する点にある。

上記特徴構成によれば、第２通流管の上流側の終端部が、第１通流管の下流側の終端部よりも上流側に位置するので、多量の凝縮水が発生したとしても、第１通流管の下流側終端部から第２通流管の上流側終端部までの空間に凝縮水を滞留させることができる。また、燃料ガスが上流側から下流側へ流れる環境下では、第１通流管の下流側終端部に滞留した凝縮水が燃料ガスの流れに逆らって、それよりも上流側にある第２通流管の上流側終端部に到達する可能性は低いので、上記特徴構成により凝縮水の第２通流管への流入をより強く抑止することができる。
なお、第１通流管の下流側の終端部とは、管の内部空間における燃料ガスの流れ方向の下流側の端の部位を指すものとし、接続のための部材等に管の先端が埋め込まれている場合における、部材としての管の先端を指すものではない。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記燃料ガス供給路の前記横行部は、燃料ガスが流れる方向に向かって上方に傾斜する第１傾斜部を有し、前記第１傾斜部は前記流入抑止部の上流側に配置される点にある。

上記特徴構成によれば、燃料ガス供給管の横行部は、燃料ガスが流れる方向に向かって上方に傾斜する第１傾斜部を有し、第１傾斜部は流入抑止部の上流側に配置されるので、流入抑止部の上流側に滞留した凝縮水を第１傾斜部により上流側へ送ることができる。これにより、流入抑止部に到達する凝縮水を少なくすることができ、凝縮水の燃料電池発電装置への流入をさらに抑制することができる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記第２通流管の底面が、前記第１通流管の底面よりも３．５ｍｍ以上高く配置されている点にある。

上記特徴構成によれば、第２通流管の底面が、第１通流管の底面よりも３．５ｍｍ以上高く配置されているので、第１通流管で発生した凝縮水の下流側への流入を流入抑止部で効果的に抑止することができ、燃料電池発電装置への凝縮水の流入を抑制することができる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記第１通流管の断面形状が円形または楕円形であり、前記第２通流管の断面形状が円形または楕円形であり、前記第１通流管の中心線と前記第２通流管の中心線とが同一直線上となるように配置され、前記第２通流管の断面積が前記第１通流管の断面積よりも小さい点にある。

上記特徴構成によれば、両通流管の断面形状が円形または楕円形であり、第１通流管の中心線と第２通流管の中心線とが同一直線上となるように配置され、第２通流管の断面積が第１通流管の断面積よりも小さいので、流入抑止部の製造を容易に行うことができる。加えて、第１通流管の底面だけでなく終端部の全周にわたって第２通流管の終端部との間に段差が生じるので、第１通流管での燃料ガスの滞留量・時間とも大きくなり、流入抑止部の手前での過剰な水分の凝集がより効果的に行われる。よって、簡易な構成で効果的に燃料電池発電装置への凝縮水の流入を抑制することができる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記第２通流管の断面積が前記第１通流管の断面積の０．１倍〜０．７倍である点にある。

上記特徴構成によれば、第２通流管の断面積を第１通流管の断面積の０．１倍〜０．７倍としたから、第１通流管と第２通流管の中心線を合わせることで、第１通流管の底面と第２通流管の底面との高さの差を、簡易に適切な大きさにすることができる。また、第１通流管での燃料ガスの滞留を適当な量・長さとすることができ、流入抑止部の手前での過剰な水分の凝集がさらに効果的に行われる。よって、簡易な構成で効果的に燃料電池発電装置への凝縮水の流入をさらに抑制することができる。

燃料電池システムの構造の概略を示す側面図 流入抑止部の構造を示す断面図 流入抑止部に凝縮水が滞留した状態を示す断面図 流入抑止部の構造の別の例を示す断面図 流入抑止部の構造の別の例を示す断面図 燃料電池システムの別の例を示す側面図

＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して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造の概略を示す側面図である。図示するように、燃料電池システムは、原燃料ガス供給路２を介して供給される原燃料ガスを改質して、水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置Ｒと、その燃料ガス生成装置Ｒで生成された燃料ガスを用いて発電する燃料電池発電装置ＦＣと、運転を制御する運転制御装置Ｃとを備える。

燃料電池発電装置ＦＣは、例えば固体高分子形燃料電池などを用いて構成でき、電解質２２を燃料極２０及び空気極２１で挟んで構成される。燃料極２０には燃料ガス供給路４を通して燃料ガス（例えば、水素）が供給される。この燃料ガスは後述するように、燃料ガス生成装置Ｒで生成される。燃料極２０で発電反応に用いられた後のオフガス中には少量の燃料ガス成分が残留しており、そのオフガスはオフガス供給路５を通して燃料ガス生成装置Ｒの燃焼部３２に供給される。運転制御装置Ｃが燃料ガス生成装置Ｒの動作を制御することで、燃料極２０へ供給される燃料ガス量が調節される。燃料ガス生成装置Ｒから燃料極２０への燃料ガス供給路４の途中には、燃料ガス供給路４におけるガスの流通を遮断又は許容する弁Ｖ４が設けられている。オフガス供給路５の途中には、オフガス供給路５におけるガスの流通を遮断又は許容する弁Ｖ５が設けられている。

空気極２１には酸化剤ガス供給路７を通して酸化剤ガスとしての空気（酸素）が供給される。酸化剤ガス供給路７の、空気極２１よりも上流側にはブロア１４及び弁Ｖ６が設けられている。これらブロア１４及び弁Ｖ６の動作は運転制御装置Ｃが制御する。そして、運転制御装置Ｃが弁Ｖ６の開閉及びブロア１４の動作を制御することで、空気極２１へ供給される空気量（酸化剤ガス量）を調節することができる。空気極２１で発電反応に用いられた後の排空気は、排気路８を通して排気される。

燃料ガス生成装置Ｒは、蒸気発生部３１、燃焼部３２、改質部３３、ＣＯ変成部３４、およびＣＯ除去部３５を備える。

燃焼部３２には、上述したように燃料極２０で発電反応に用いられた後のオフガスが供給される。加えて、オフガス供給路５には、空気供給路１６が接続され、オフガス供給路５を流れるオフガスに空気（酸素）が添加されるように構成されている。空気供給路１６には、流量調節弁Ｖ３とブロア１３とが設けられている。これら流量調節弁Ｖ３及びブロア１３の動作は運転制御装置Ｃが制御する。そして、運転制御装置Ｃが流量調節弁Ｖ３の開度及びブロア１３の動作を制御することで、オフガス供給路５を流れるオフガスに添加される空気量、即ち、燃焼部３２に流入させる空気量を調節することができる。このようにして、燃焼部３２に対してオフガスと空気との混合ガスが供給されることで、オフガス中に含まれる少量の燃料ガス成分が燃焼され、その燃焼熱は、後述するように蒸気発生部３１及び改質部３３に伝達される。オフガスを燃焼部３２で燃焼した後の排ガスは、排ガス路６を通して排気される。

蒸気発生部３１は、水供給路９を通して水の供給を受けて水蒸気を発生させ、その水蒸気を水蒸気供給路１０を通して原燃料ガス供給路２へ添加させる。蒸気発生部３１は、燃焼部３２から放出される熱を受けるように配置されており、その熱を用いて水蒸気を発生させる。水供給路９の途中には蒸気発生部３１へ供給される水量を調節できる水供給ポンプ１１及び水供給路９を開閉する弁Ｖ１が設けられている。そして、運転制御装置Ｃが弁Ｖ１を開放させ且つその水供給ポンプ１１の動作を制御することで、蒸気発生部３１へ供給される水量、即ち、原燃料ガスへ添加される水量が調節される。

改質部３３には、原燃料ガス供給路２を通してメタンなどの炭化水素を含む原燃料ガスが供給される。また、上述したように、改質部３３に供給される原燃料ガスには、蒸気発生部３１で生成された水蒸気も添加されている。改質部３３は、燃焼部３２から放出された熱を受けるように配置されており、その熱を用いて原燃料ガスの水蒸気改質反応が行われる。例えば、改質部３３には、ルテニウム、ニッケル、白金などの改質触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数が通気可能な状態で充填される。そして、改質部３３に被改質ガス（後述する原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）を通流させて、原燃料ガスを水素と一酸化炭素と二酸化炭素とを含む改質ガスに改質する。原燃料ガスが、メタンを主成分とする天然ガス（都市ガス）である場合、改質部３３では、燃焼部３２から伝達される熱による例えば７００℃程度の温度下でメタンと水蒸気とが改質反応して、水素と一酸化炭素と二酸化炭素を含むガスに改質処理される。

原燃料ガス供給路２の途中の、改質部３３よりも上流側には、ブロア１２及び弁Ｖ２が設けられている。これらブロア１２及び弁Ｖ２の動作は運転制御装置Ｃが制御する。そして、運転制御装置Ｃが弁Ｖ２の開閉及びブロア１２の動作を制御することで、改質部３３へ供給される原燃料ガス量を調節することができる。

ＣＯ変成部３４は、改質部３３にて生成された水素を主成分とする燃料ガスに含まれる一酸化炭素を低減するように処理する。具体的には、ＣＯ変成部３４において、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気とが、例えば２００℃〜３００℃程度の反応温度で変成反応して、一酸化炭素が二酸化炭素に変成処理される。

ＣＯ除去部３５は、ＣＯ変成部３４から排出される変成処理ガス中に残留している一酸化炭素を除去する。具体的には、一酸化炭素の酸化除去の場合、ＣＯ除去部３５において、ルテニウムや白金、パラジウム、ロジウム等の触媒作用によって、１００℃〜２００℃程度の反応温度で変成処理ガス中に残っている一酸化炭素が、添加された空気中の酸素によって酸化される。その結果、一酸化炭素濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）、水素リッチな燃料ガスが生成される。そして、生成された燃料ガスは、燃料ガス供給路４を通じて燃料電池発電装置ＦＣに供給される。

本実施形態では、原燃料ガス供給路２の途中の、燃料ガス生成装置Ｒよりも上流側の所定の流量検出部位１には、ガス漏洩検出装置３が設けられている。このガス漏洩検出装置３は、その流量検出部位１を流れる原燃料ガスの流量が設定下限流量未満である期間が設定判定期間以上継続すれば、流量検出部位１よりも下流側でのガス漏れの存在を否定する判定を行う。例えば、ガス漏洩検出装置３はガスメータ等に併設されており、ガス漏れの存在を肯定する判定を行った場合（即ち、ガス漏れの存在を否定する判定が一定期間の間に為されない場合）には、ガスメータにおいてガスの流通を遮断させるように動作する。

加えて、本実施形態では、燃料電池システムの使用者やメンテナンス者が運転制御装置Ｃに対して情報入力を行うこと、及び、運転制御装置Ｃからの情報出力を行うための情報入出力装置１５が運転制御装置Ｃに対して情報通信可能に接続されている。例えば、情報入出力装置１５は、家庭などの台所や浴室などに設置されている。そして、燃料電池システムのメンテナンス時にメンテナンス作業者が情報入出力装置１５を用いて燃料電池システムの運転停止を指示することがある。他にも、燃料電池システムの使用者が長期外出するとき、その使用者が情報入出力装置１５を用いて燃料電池システムの運転停止を指示することがある。

加えて本実施形態では、燃料ガス供給路４の上流部に加湿装置Ｈを備えている。加湿装置Ｈは、例えば加温した純水中に燃料ガスを通過させることで加湿するバブリング装置など、既知の加湿手段を備え、燃料電池発電装置ＦＣに供給される燃料ガスに水蒸気を添加する。

次に、燃料ガス供給路４の構造について、図１および図２を参照して説明する。なお、燃料ガスが燃料ガス供給路４を流れる方向を、図中の矢印Ａで示している。

燃料ガス供給路４は、改質部３３から燃料電池発電装置ＦＣへ燃料ガスを供給する供給路であって、燃料ガスを上方向へ送る上行部４１と、燃料ガスを横方向へ送る横行部４２を有している。横行部４２は、上行部４１の下流側に接続されている。上行部４１は、例えば断面形状が円形のステンレス合金製パイプが鉛直方向に配置されることで構成される。

横行部４２は、上流側からエルボ管４５（第１傾斜部）、流入抑止部４３を備えており、これらが連結されて燃料ガスを横方向へ送る経路を構成している。

エルボ管４５は、Ｌ字型の配管継ぎ手であって、上流側が上行部４１に接続され、下流側が流入抑止部４３の第１横行管４３１に接続されている。エルボ管４５の内部において流体の経路は９０°曲げられており、これにより燃料ガス供給路４は９０°曲げられて、燃料ガスを上方向に送る上行部４１と横方向に送る横行部４２とに区分されている。エルボ管４５の底面Ｂ３は、その断面がＲ状に湾曲して形成されている。

流入抑止部４３は、第１横行管４３１（第１通流管）と、接続管４３２（第２通流管）と、第２横行管４３３とを備えており、これら３つの管が接続部４３４により着脱自在に接続されている。すなわち接続部４３４は、第１横行管４３１（第１通流管）と接続管４３２（第２通流管）とを着脱自在に接続する。また接続部４３４は、第１接続部材Ｃ１と、第２接続部材Ｃ２と、ＯリングＣ３を備える。

第１横行管４３１は、断面形状が円形のステンレス合金製のパイプであって、上流側がエルボ管４５に接続され、下流側が第１接続部材Ｃ１に接続されている。

第１接続部材Ｃ１および第２接続部材Ｃ２は、２本のパイプを着脱自在に接続する既知のステンレス合金製の管継ぎ手であり、第１接続部材Ｃ１の下流側の凸部が第２接続部材Ｃ２の上流側の凹部に挿入されることで両者が接続される。第１接続部材Ｃ１の外周部にはＯリングＣ３が配置され、第１接続部材Ｃ１が第２接続部材Ｃ２と接続された際に燃料ガスが接続部分から漏洩するのを防止する。

第１接続部材Ｃ１の上流側に第１横行管４３１が接続され、第２接続部材Ｃ２の下流側に第２横行管４３３が接続される。第１接続部材Ｃ１の中央の穴には、接続管４３２が挿入され、その状態で第１接続部材Ｃ１と第２接続部材Ｃ２が接続される。本実施形態では、第１横行管４３１と接続管４３２と第２横行管４３３とは同軸の位置関係に配置される。

接続管４３２は、断面形状が円形のステンレス合金製のパイプであって、一端にフランジが設けられ、フランジと反対側の管状部分が第１接続部材Ｃ１の中央の穴に挿入される。その状態のまま、第１接続部材Ｃ１が第２接続部材Ｃ２に接続されることで、接続管４３２のフランジが第１接続部材Ｃ１と第２接続部材Ｃ２との間に挟まれ、接続管４３２の位置が固定される。

第２横行管４３３は、断面形状が円形のステンレス合金製のパイプであって、上流側が第２接続部材Ｃ２に接続され、下流側が燃料電池発電装置ＦＣの燃料極２０に接続されている。なお、第２横行管４３３を可及的に短くして、流入抑止部４３を燃料極２０の直近に設けると、流入抑止部２０の下流側での凝縮水の発生を少なくできるため好ましい。

本実施形態では、接続管４３２および第２横行管４３３の内径（直径）を５ｍｍ、第１横行管４３１の内径（直径）を１２ｍｍとした。上述の通り第１横行管４３１と接続管４３２と第２横行管４３３とは同軸の位置関係に配置されるから、接続管４３２の底面Ｂ２は、第１横行管４３１の底面Ｂ１よりも３．５ｍｍ高く配置される。また、接続管４３２および第１横行管４３１は断面形状が円形のパイプであることから、第１横行管４３１の終端部Ｅ１の側面・上面を含め全周にわたって接続管４３２の終端部Ｅ２との間に、底面と同様の高さの差（段差）が生じる。

接続管４３２の長さ（燃料ガスの流れ方向に沿った長さ、以下同じ）は、第１接続部材Ｃ１の長さよりも大きい。このため、接続管４３２の上流側の終端部Ｅ２は第１横行管４３１の下流側の終端部Ｅ１よりも上流側に位置する。なお、第１横行管４３１の終端部Ｅ１とは、第１横行管４３１の部品としての端部（第１接続部材Ｃ１に埋め込まれた部分）ではなく、燃料ガスが流れる流路としての第１横行管４３１の下流側の端部を指す。

図３は、流入抑止部４３に凝縮水Ｗが滞留した状態を示している。燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮し、第１横行管４３１に凝縮水Ｗが図３のように滞留したとしても、第１横行管４３１の底面Ｂ１よりも接続管４３２の底面Ｂ２が３．５ｍｍ高い位置に配置されているので、凝縮水Ｗが接続管４３２に流れ込むことが効果的に抑止される。

また、第１横行管４３１の上流側に接続されたエルボ管４５は、上述のとおりその底面Ｂ３が断面Ｒ状に形成されていて、下流側からみると底面Ｂ３は下方に傾斜（燃料ガスが流れる方向に向かって上方に傾斜）している。よって、第１横行管４３１に滞留した凝縮水Ｗが増加し、その端部がエルボ管４５のＲ状の底面Ｂ３に達すると、凝縮水Ｗは底面Ｂ３の傾斜に向かって上流側へ流され、上行部４１へと送られる。すなわち、流入抑止部４３の上流側にエルボ管４５が配置されることで、滞留した凝縮水Ｗが増加して接続管４３２の底面Ｂ２を超える前に凝縮水Ｗを上流側へ送ることができ、燃料電池発電装置ＦＣへの凝縮水Ｗの流入を効果的に抑止することができる。

第２横行管４３３の周囲には、第２横行管４３３からの空気中への放熱を抑制する保温材４４が設けられる。保温材４４は、例えば既知の発泡ポリウレタンシートやゴムチューブであり、第２横行管４３３に巻き付けることで設けられる。上述の上行部４１のパイプには保温のための部材は特に設けられていないので、上行部４１からの空気中への放熱は、第２横行管４３３からの空気中への放熱よりも相対的に促進される。なお「空気中への放熱」とは、第２横行管４３３や上行部４１のパイプ等から、その周囲にある空気に熱が移動することを意味し、第２横行管４３３や上行部４１のパイプが燃料電池システムのパッケージ内部（筐体の内部）に配置される場合には、そのパッケージ内部の空気に熱が移動することを意味する。

なお、本実施形態ではステンレス合金製のパイプの断面形状を円形としたが、楕円形であってもよいし、正方形や長方形であってもよい。

燃料電池システムが高い出力にて長時間連続で運転されると、燃料ガスの流速が大きく、かつ燃料ガスへの水蒸気の添加が多い状態が長く続くため、流入抑止部４３の上流側に多量の凝縮水が溜まり、燃料電池発電装置ＦＣへの凝縮水の流入が多発する虞がある。本実施形態の運転制御装置Ｃは、例えば定格出力７００Ｗ、最低出力２５０Ｗの燃料電池システムであれば、５００Ｗ以上の出力での運転が２０分以上継続して行われると、自動的に出力を２５０Ｗまで低下させる。出力を低下させると、燃料ガスの流速が小さくなるため、流入抑止部４３の上流側に吹き寄せられていた凝縮水の水位が低下し、流入抑止部４３を超える可能性を小さくすることができる。特に、燃料ガス流速の低下により、凝縮水がエルボ管４５の底面Ｂ３の傾斜によって上行部４１へと流され易くなり、長時間の高出力運転により凝縮水流入のリスクが高まった状態を解消することができる。

＜第２実施形態＞
上述の第１実施形態では、接続管４３２の終端部Ｅ２が第１横行管４３１の終端部Ｅ１よりも上流側に位置していたが、図４に示すように、接続管４３２を短くして、接続管４３２の終端部Ｅ２と第１横行管４３１の終端部Ｅ１とが燃料ガスの流れる方向に沿って位置が揃うように配置してもよい。また、第１実施形態に比べて第１横行管４３１の長さが短く構成されており、終端部Ｅ１と底面Ｂ３の距離が小さくなっている。これにより凝縮水Ｗが底面Ｂ３によって上流側へ流され易くなり、第１横行管４３１から接続管４３２への凝縮水の流入が抑制される。なお、各部材のその他の寸法は第１実施形態と同じであり、接続管４３２および第２横行管４３３の内径（直径）は５ｍｍ、第１横行管４３１の内径（直径）は１２ｍｍであり、第１横行管４３１と接続管４３２と第２横行管４３３とは同軸の位置関係に配置されている。

本実施形態においても、接続管４３２（第２通流管）の底面Ｂ２は、第１横行管４３１（第１通流管）の底面Ｂ１よりも３．５ｍｍ高く配置されており、第１横行管４３１から接続管４３２への凝縮水の流入が抑止される。従って、燃料電池発電装置ＦＣへの凝縮水の流入を抑制することができる。

＜第３実施形態＞
上述の第１および第２実施形態では、接続管４３２が第１横行管４３１と第２横行管４３３の間に配置されていたが、図５に示すように、接続管４３２を用いず、第１横行管４３１と第２横行管４３３とを接続部４３４によって接続するよう構成してもよい。この場合、第１接続部材Ｃ１の中央の貫通穴が燃料ガスの流通経路（第２通流管）として機能する。また、第１実施形態に比べて第１横行管４３１の長さが短く構成されており、終端部Ｅ１と底面Ｂ３の距離が小さくなっている。これにより凝縮水Ｗが底面Ｂ３によって上流側へ流され易くなり、第１横行管４３１から貫通穴への凝縮水の流入が抑制される。

本実施形態では、第１接続部材Ｃ１の中央の貫通穴および第２横行管４３３の内径（直径）は５ｍｍ、第１横行管４３１の内径（直径）は１２ｍｍであり、第１横行管４３１と貫通穴と第２横行管４３３とは同軸の位置関係に配置されている。よって、貫通穴（第２通流管）の底面Ｂ２は、第１横行管４３１（第１通流管）の底面Ｂ１よりも３．５ｍｍ高く配置されており、第１横行管４３１から貫通穴への凝縮水の流入が抑止される。従って、燃料電池発電装置ＦＣへの凝縮水の流入を抑制することができる。

＜第４実施形態＞
上述の第１〜第３実施形態では、燃料ガス生成装置Ｒを燃料電池発電装置ＦＣの左側に配置し、燃料ガス供給路４に加湿装置Ｈを備えていた。第４実施形態では、図６に示すように、燃料ガス生成装置Ｒを燃料電池発電装置ＦＣの下側に配置し、燃料ガス供給路４に保温材４７が設けられる。

燃料ガス供給路４は、上行部４１の上流側にて燃料ガス生成装置Ｒとの接続のため横方向に曲げられており、その部位に保温材４７が設けられる。保温材４７は、燃料ガス供給路４からの空気中への放熱を抑制する部材であって、既知の発泡ポリウレタンシートやゴムチューブを燃料ガス供給路４を形成するパイプに巻き付けることで設けられる。なお、保温材４７は上行部４１の下部にまで及んで設けられてもよい。

改質部３３で生成されて燃料ガス供給路４へ送られる燃料ガスの温度は約８０℃であるから、保温材４７を燃料ガス供給路４の上行部４１と燃料ガス生成装置Ｒとの接続箇所に設けることにより、保温材４７の設置箇所は比較的高温に保たれる。これにより、燃料ガス供給路４の上行部４１にて発生した凝縮水が保温材４７の設置箇所に到達すると、凝縮水が気化されて再び水蒸気となり、燃料ガスと共に燃料極へ送られる。

なお第４実施形態では燃料ガス供給路４に加湿装置Ｈが設けられず、水蒸気改質と燃料電池発電装置ＦＣの加湿のための水蒸気が蒸気発生部３１にて原燃料ガスに十分に添加される構成となっている。そのため、上述の保温材４７設置箇所での凝縮水の再水蒸気化は、燃料ガスの湿度を保つ上で有用である。

＜その他の実施形態＞
上述の実施形態では、エルボ管４５により上行部４１と第１横行管４３１とを接続したが、エルボ管４５を設けずに、上行部４１と第１横行管４３１とを一本のステンレス管を曲げて一体に形成してもよい。

上述の実施形態では、第１横行管４３１（第１通流管）の底面Ｂ１と接続管４３２（第２通流管）の底面Ｂ２との高さの差を３．５ｍｍとしたが、燃料ガスの通流を妨げない範囲で高さの差を３．５ｍｍよりも大きくしてもよい。

上述の実施形態では、第１横行管４３１（第１通流管）の内径（直径）を５ｍｍ、接続管４３２（第２通流管）の内径（直径）を１２ｍｍとしたので、接続管４３２の断面積は第１横行管４３１の断面積の０．１７倍であった。第１横行管４３１の断面積に対する接続管４３２の断面積の比率を小さくすれば、底面の高さの差は大きくなるが、小さくしすぎると燃料ガスの通流を阻害してしまう。接続管４３２の断面積は第１横行管４３１の断面積の０．１倍〜０．７倍の範囲であることが好ましい。

上述の実施形態では、第２横行管４３３の内径と接続管４３２の内径を等しくしたが、第２横行管４３３の内径は、第１横行管４３１の内径と等しくしてもよいし、第１横行管４３１の内径よりも小さくかつ接続管４３２の内径よりも大きくしてもよいし、第１横行管４３１の内径よりも大きくしてもよい。また、第２横行管を設けずに、接続管４３２と燃料電池発電装置ＦＣの燃料極２０とを直接接続してもよい。いずれの場合であっても、接続管４３２（第２通流管）の底面は第１横行管４３１（第１通流管）の底面より高い位置に配置され、これにより凝縮水Ｗの接続管４３２への流入を効果的に抑止することができる。

上述の実施形態では第１横行管４３１が水平となるよう配置したが、第１横行管４３１を燃料ガスが流れる方向に向かって上方に傾斜させて配置してもよい。この場合、第１横行管４３１の底面Ｂ１が第１傾斜部に対応する。また、第１横行管４３１の一部を燃料ガスが流れる方向に向かって上方に傾斜させて配置してもよい。

なお、上記実施形態（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。

４ ：燃料ガス供給路
３３ ：改質部
４１ ：上行部
４２ ：横行部
４３ ：流入抑止部
４３１ ：第１横行管（第１通流管）
Ｂ１ ：底面
Ｅ１ ：終端部
４３２ ：接続管（第２通流管）
Ｂ２ ：底面
Ｅ２ ：終端部
４３３ ：第２横行管（第２通流管）
４３４ ：接続部
４４ ：保温材
４５ ：エルボ管（第１傾斜部）
Ｂ３ ：底面
４７ ：保温材
ＦＣ ：燃料電池発電装置

Claims (9)

1. 原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスに変化させる改質部と、前記改質部からの燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池発電装置と、前記改質部から前記燃料電池発電装置へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路とを備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料ガス供給路は、燃料ガスを上方向へ送る上行部と、前記上行部の下流側に接続され燃料ガスを横方向へ送る横行部とを有し、
   前記燃料ガス供給路の前記横行部は、燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮して生じる凝縮水の下流側への流入を抑止する流入抑止部を有し、
   前記燃料ガス供給路の前記流入抑止部は、燃料ガスが通流する第１通流管と、前記第１通流管の下流に設けられた第２通流管とを有し、前記第２通流管の底面は前記第１通流管の底面より高い位置に配置され、
   前記燃料ガス供給路からの空気中への放熱を抑制する保温材が前記横行部に設けられ、前記上行部からの空気中への放熱が前記横行部からの空気中への放熱よりも相対的に促進されるよう構成される燃料電池システム。
2. 前記改質部が前記燃料電池発電装置の下方に配置され、前記燃料ガス供給路における前記上行部が前記改質部と接続される部位に、前記燃料ガス供給路からの空気中への放熱を抑制する保温材が設けられる、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスに変化させる改質部と、前記改質部からの燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池発電装置と、前記改質部から前記燃料電池発電装置へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路とを備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料ガス供給路は、燃料ガスを上方向へ送る上行部と、前記上行部の下流側に接続され燃料ガスを横方向へ送る横行部とを有し、
   前記燃料ガス供給路の前記横行部は、燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮して生じる凝縮水の下流側への流入を抑止する流入抑止部を有し、
   前記燃料ガス供給路の前記流入抑止部は、燃料ガスが通流する第１通流管と、前記第１通流管の下流に設けられた第２通流管とを有し、前記第２通流管の底面は前記第１通流管の底面より高い位置に配置され、
   前記改質部が前記燃料電池発電装置の下方に配置され、前記燃料ガス供給路における前記上行部が前記改質部と接続される部位に、前記燃料ガス供給路からの空気中への放熱を抑制する保温材が設けられる燃料電池システム。
4. 前記流入抑止部は、前記第１通流管と前記第２通流管とを着脱自在に接続する接続部を有する、請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料電池システム。
5. 前記第２通流管の上流側の終端部が、前記第１通流管の下流側の終端部よりも上流側に位置する、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料ガス供給路の前記横行部は、燃料ガスが流れる方向に向かって上方に傾斜する第１傾斜部を有し、前記第１傾斜部は前記流入抑止部の上流側に配置される、請求項１〜５のいずれか１項記載の燃料電池システム。
7. 前記第２通流管の底面が、前記第１通流管の底面よりも３．５ｍｍ以上高く配置されている、請求項１〜６のいずれか１項記載の燃料電池システム。
8. 前記第１通流管の断面形状が円形または楕円形であり、前記第２通流管の断面形状が円形または楕円形であり、前記第１通流管の中心線と前記第２通流管の中心線とが同一直線上となるように配置され、前記第２通流管の断面積が前記第１通流管の断面積よりも小さい、請求項１〜７のいずれか１項記載の燃料電池システム。
9. 前記第２通流管の断面積が前記第１通流管の断面積の０．１倍〜０．７倍である、請求項８に記載の燃料電池システム。

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