JP6650592B2

JP6650592B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP6650592B2
Application number: JP2016211610A
Authority: JP
Inventors: 龍介三原; 耕平露口; 直久田邉
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2020-02-19
Anticipated expiration: 2036-10-28
Also published as: JP2018073607A

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。 The present disclosure relates to a fuel cell system.

水素生成装置及び燃料電池を備えた燃料電池システムはよく知られている。水素生成装置において、都市ガスなどの原料ガスから水素ガスが生成される。水素ガスは、酸化剤ガスとしての酸素（空気）とともに燃料電池に供給される。燃料電池において、水素と酸素との電気化学反応によって電力が生成される。 Fuel cell systems including a hydrogen generator and a fuel cell are well known. In the hydrogen generator, hydrogen gas is generated from a source gas such as city gas. Hydrogen gas is supplied to the fuel cell together with oxygen (air) as an oxidizing gas. In a fuel cell, electric power is generated by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.

図８は、特許文献１に記載された燃料電池システムを示している。燃料電池システム３００は、燃料電池１０２及び水素生成装置１０３を備えている。燃料電池１０２のアノードから排出されたガス（アノードオフガス）は、流路１２７を通じて、燃焼器１０３ａに供給され、燃焼器１０３ａで燃やされる。燃焼器１０３ａの燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路１０８を通じて、筐体１２３の排気口１０７に導かれる。燃焼排ガスから生成した凝縮水は、凝縮水流路１０９を通じて、水タンク１０６に導かれる。燃料電池１０２のカソードから排出されたガス（カソードオフガス）は、酸化剤排ガス流路１１２を通じて、筐体１２３の排気口１０７に導かれる。カソードオフガスから生成した凝縮水も水タンク１０６に回収される。 FIG. 8 shows a fuel cell system described in Patent Document 1. The fuel cell system 300 includes a fuel cell 102 and a hydrogen generator 103. The gas (anode off-gas) discharged from the anode of the fuel cell 102 is supplied to the combustor 103a through the channel 127, and is burned in the combustor 103a. The combustion exhaust gas of the combustor 103a is guided to the exhaust port 107 of the housing 123 through the combustion exhaust gas channel 108. The condensed water generated from the combustion exhaust gas is guided to the water tank 106 through the condensed water channel 109. The gas (cathode off-gas) discharged from the cathode of the fuel cell 102 is guided to the exhaust port 107 of the housing 123 through the oxidant exhaust gas channel 112. Condensed water generated from the cathode offgas is also collected in the water tank 106.

水タンク１０６の内部には、隔壁１１６が設けられている。水タンク１０６の内部空間は、隔壁１１６によって、第１貯水部１１７と第２貯水部１１８とに仕切られている。隔壁１１６の下端と水タンク１０６の底面との間には隙間がある。排気口１０７が塞がれると、燃焼排ガス流路１０８及び酸化剤排ガス流路１１２の圧力が上昇し、水タンク１０６の水位が下がる。隔壁１１６の下端まで水位が下がると、燃焼排ガス及び酸化剤排ガスが第１貯水部１１７から第２貯水部１１８に移動する。さらに、これらの排ガスは、第２貯水部１１８に接続された排水流路１３１を通じて、筐体１２３の外部に排出される。 A partition 116 is provided inside the water tank 106. The internal space of the water tank 106 is partitioned by a partition 116 into a first water storage 117 and a second water storage 118. There is a gap between the lower end of the partition 116 and the bottom of the water tank 106. When the exhaust port 107 is closed, the pressure in the combustion exhaust gas passage 108 and the oxidizing exhaust gas passage 112 increases, and the water level in the water tank 106 decreases. When the water level drops to the lower end of the partition 116, the combustion exhaust gas and the oxidant exhaust gas move from the first water storage 117 to the second water storage 118. Further, these exhaust gases are discharged to the outside of the casing 123 through a drain passage 131 connected to the second water storage section 118.

水タンク１０６の第１貯水部１１７には、水位センサ１１９が設けられている。水位センサ１１９によって水位の低下が検出された場合、燃料電池システム３００の運転が停止される。 The first water storage section 117 of the water tank 106 is provided with a water level sensor 119. When the water level sensor 119 detects a decrease in the water level, the operation of the fuel cell system 300 is stopped.

特許第５０４８８７０号公報Japanese Patent No. 5048870

一般に、水位センサとして、フロート式水位センサ、光学界面式水位センサ、超音波式水位センサ、電極式水位センサ、圧力式水位センサなどの様々なタイプの水位センサが知られている。ただし、いくつかの水位センサは、値段が高すぎたり、精度が低かったり、長期信頼性が低かったりする。 In general, various types of water level sensors such as a float water level sensor, an optical interface water level sensor, an ultrasonic water level sensor, an electrode water level sensor, and a pressure water level sensor are known as water level sensors. However, some water level sensors are too expensive, have low accuracy, or have low long-term reliability.

本開示の目的の１つは、排ガスの流路を確保しつつ、排ガスの流路の閉塞を正確に検出するための技術を提供することにある。 An object of the present disclosure is to provide a technique for accurately detecting blockage of an exhaust gas flow path while securing a flow path of exhaust gas.

すなわち、本開示は、
燃料電池と、
改質器と、
前記改質器を加熱するバーナと、
前記燃料電池のアノード出口から前記バーナまで延びているアノードオフガス経路と、
前記バーナの燃焼排ガスを外部に排出するための排ガス経路と、
前記燃焼排ガスから生じた凝縮水を貯留する水タンクと、
前記アノードオフガス経路及び前記水タンクの下方に位置している部分を含み、前記アノードオフガス経路から分岐して前記水タンクに接続されている水トラップと、
を備え、
前記水タンクは、第１貯水部と、第２貯水部と、前記水タンクの下部において前記第１貯水部と前記第２貯水部とを連通している連通路と、前記連通路よりも上方において前記第２貯水部に設けられた排水口とを有し、
前記排ガス経路は、前記バーナに接続された一端と前記外部に開放している他端とを有する第１流路と、前記第１流路から分岐して下方に延び前記水タンクの前記第１貯水部に接続されている第２流路と、前記第２流路に設けられた縮径部とを有する、燃料電池システムを提供する。 That is, the present disclosure
A fuel cell,
A reformer,
A burner for heating the reformer;
An anode offgas path extending from the anode outlet of the fuel cell to the burner;
An exhaust gas path for discharging the combustion exhaust gas of the burner to the outside,
A water tank for storing condensed water generated from the combustion exhaust gas,
A water trap that includes a portion located below the anode offgas path and the water tank, and is branched from the anode offgas path and connected to the water tank;
With
The water tank includes a first water storage section, a second water storage section, a communication path communicating the first water storage section and the second water storage section at a lower portion of the water tank, and an upper part than the communication path. Having a drain port provided in the second water storage section,
The exhaust gas path has a first flow path having one end connected to the burner and the other end open to the outside, and a first flow path that branches downward from the first flow path and extends downward. Provided is a fuel cell system having a second flow path connected to a water storage section, and a reduced diameter portion provided in the second flow path.

本開示の技術によれば、排ガスの流路を確保しつつ、排ガスの流路の閉塞を正確に検出することができる。 According to the technology of the present disclosure, it is possible to accurately detect the blockage of the exhaust gas flow path while securing the flow path of the exhaust gas.

図１は、本開示の一実施形態にかかる燃料電池システムの構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present disclosure. 図２は、縮径部の他の構造を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing another structure of the reduced diameter portion. 図３は、水タンクの変形例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a modification of the water tank. 図４は、排ガス経路の第１流路の出口部分が閉塞したときの燃料電池システムの挙動を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating the behavior of the fuel cell system when the outlet of the first flow path of the exhaust gas path is closed. 図５は、排ガス経路の第１流路の出口部分が閉塞したときの変形例の水タンクの状態を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a state of a water tank according to a modification when the outlet of the first flow path of the exhaust gas path is closed. 図６は、閉塞判定処理のフローチャートである。FIG. 6 is a flowchart of the blockage determination process. 図７は、空気の流量とファンの操作量との関係を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the flow rate of air and the operation amount of the fan. 図８は、特許文献１に記載された燃料電池システムの構成図である。FIG. 8 is a configuration diagram of the fuel cell system described in Patent Document 1.

（本開示の基礎となった知見）
特許文献１によれば、水位が隔壁１１６の下端まで下がったときに燃料電池２の運転が停止される。したがって、図８に示す燃料電池システム３００の水タンク１０６には、フロート式水位センサの使用が適しているように見える。ただし、フロート式水位センサは安価である反面、その精度と長期にわたる信頼性に課題が残る。 (Knowledge underlying the present disclosure)
According to Patent Document 1, the operation of the fuel cell 2 is stopped when the water level falls to the lower end of the partition 116. Therefore, it seems that the use of the float type water level sensor is suitable for the water tank 106 of the fuel cell system 300 shown in FIG. However, while the float type water level sensor is inexpensive, problems remain in its accuracy and long-term reliability.

本開示の第１態様にかかる燃料電池システムは、
燃料電池と、
改質器と、
前記改質器を加熱するバーナと、
前記燃料電池のアノード出口から前記バーナまで延びているアノードオフガス経路と、
前記バーナの燃焼排ガスを外部に排出するための排ガス経路と、
前記燃焼排ガスから生じた凝縮水を貯留する水タンクと、
前記アノードオフガス経路及び前記水タンクの下方に位置している部分を含み、前記アノードオフガス経路から分岐して前記水タンクに接続されている水トラップと、
を備え、
前記水タンクは、第１貯水部と、第２貯水部と、前記水タンクの下部において前記第１貯水部と前記第２貯水部とを連通している連通路と、前記連通路よりも上方において前記第２貯水部に設けられた排水口とを有し、
前記排ガス経路は、前記バーナに接続された一端と前記外部に開放している他端とを有する第１流路と、前記第１流路から分岐して下方に延び前記水タンクの前記第１貯水部に接続されている第２流路と、前記第２流路に設けられた縮径部とを有するものである。 The fuel cell system according to the first aspect of the present disclosure includes:
A fuel cell,
A reformer,
A burner for heating the reformer;
An anode offgas path extending from the anode outlet of the fuel cell to the burner;
An exhaust gas path for discharging the combustion exhaust gas of the burner to the outside,
A water tank for storing condensed water generated from the combustion exhaust gas,
A water trap that includes a portion located below the anode offgas path and the water tank, and is branched from the anode offgas path and connected to the water tank;
With
The water tank includes a first water storage section, a second water storage section, a communication path communicating the first water storage section and the second water storage section at a lower portion of the water tank, and an upper part than the communication path. Having a drain port provided in the second water storage section,
The exhaust gas path has a first flow path having one end connected to the burner and the other end open to the outside, and a first flow path that branches downward from the first flow path and extends downward. It has a second flow path connected to the water storage section, and a reduced diameter portion provided in the second flow path.

第１態様によれば、排ガス経路が閉塞されると、排ガス経路の圧力が上昇する。排ガス経路の圧力が上昇すると、アノードオフガス経路の圧力も上昇する。アノードオフガスは、水トラップの水位を押し下げ、水トラップを通じて水タンクに流れ込む。その後、アノードオフガスは、排水口から水タンクの外部に排出される。アノードオフガスの一部又は全部が水トラップを通じて水タンクに流れ込むと、バーナは、燃料不足の状態に陥り、失火する。このように、第１態様によれば、簡易な構成で排ガス経路の閉塞を検出できる。アノードオフガスなどの排ガスを一時的に水タンクに逃がすことができるので、改質器及び燃料電池の破損も防止できる。さらに、水タンクに水位センサが設けられていない場合でも、バーナの失火によって、排ガス経路の閉塞を検出できる。 According to the first aspect, when the exhaust gas path is closed, the pressure in the exhaust gas path increases. As the pressure in the exhaust gas path increases, the pressure in the anode offgas path also increases. The anode offgas depresses the water level in the water trap and flows into the water tank through the water trap. Thereafter, the anode off-gas is discharged from the water outlet to the outside of the water tank. If some or all of the anode offgas flows into the water tank through the water trap, the burner will run out of fuel and misfire. Thus, according to the first aspect, the blockage of the exhaust gas path can be detected with a simple configuration. Since exhaust gas such as anode off-gas can be temporarily released to the water tank, damage to the reformer and the fuel cell can also be prevented. Further, even when the water level sensor is not provided in the water tank, the blockage of the exhaust gas path can be detected by the misfire of the burner.

本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかる燃料電池システムの前記縮径部がオリフィスを含む。オリフィスによれば、凝縮水の通過を許容しつつ、第２流路の圧力損失を十分かつ容易に増加させることができる。 In a second aspect of the present disclosure, for example, the reduced diameter portion of the fuel cell system according to the first aspect includes an orifice. According to the orifice, the pressure loss in the second flow path can be sufficiently and easily increased while allowing the passage of the condensed water.

本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様にかかる燃料電池システムの前記水タンクは、前記水タンクの内部に配置された隔壁を有し、前記隔壁によって前記水タンクの内部空間が前記第１貯水部と前記第２貯水部とに仕切られており、前記連通路は、前記隔壁の下端と前記水タンクの底面との間の隙間、及び、前記隔壁に設けられた貫通孔の少なくとも１つを含む。隔壁により、凝縮水が第１貯水部から第２貯水部に流れ込むこと許容しつつ、燃焼排ガスが第１貯水部から第２貯水部に流れ込むことを禁止できる。 In a third aspect of the present disclosure, for example, the water tank of the fuel cell system according to the first or second aspect has a partition disposed inside the water tank, and the partition defines an internal space of the water tank. Is partitioned into the first water storage portion and the second water storage portion, and the communication path is a gap between a lower end of the partition and a bottom surface of the water tank, and a through hole provided in the partition. At least one of The partition walls allow condensed water to flow from the first water storage section to the second water storage section, while prohibiting the combustion exhaust gas from flowing from the first water storage section to the second water storage section.

本開示の第４態様において、例えば、第１〜第３態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムは、前記バーナに設けられた火炎検出器をさらに備えている。火炎検出器によって、バーナの燃焼状態を検出することができる。詳細には、バーナに火が付いているかどうかを検出することができる。 In a fourth aspect of the present disclosure, for example, the fuel cell system according to any one of the first to third aspects further includes a flame detector provided in the burner. The combustion state of the burner can be detected by the flame detector. In particular, it is possible to detect whether the burner is on fire.

本開示の第５態様において、例えば、第４態様にかかる燃料電池システムの前記火炎検出器によって前記バーナの失火が検出された場合に前記燃料電池の運転が停止する。第５態様によれば、可燃性のガスが外部に排出されることを防止できる。 In a fifth aspect of the present disclosure, for example, when the misfire of the burner is detected by the flame detector of the fuel cell system according to the fourth aspect, the operation of the fuel cell is stopped. According to the fifth aspect, it is possible to prevent the combustible gas from being discharged to the outside.

本開示の第６態様において、例えば、第１〜第５態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムは、前記排ガス経路が閉塞した場合に前記燃料電池の運転を停止させる制御器をさらに備えている。第６態様によれば、可燃性のガスが外部に排出されることを防止できる。 In a sixth aspect of the present disclosure, for example, the fuel cell system according to any one of the first to fifth aspects further includes a controller that stops operation of the fuel cell when the exhaust gas path is blocked. I have. According to the sixth aspect, it is possible to prevent the combustible gas from being discharged to the outside.

本開示の第７態様において、例えば、第６態様にかかる燃料電池システムは、前記バーナに空気を供給する空気供給器をさらに備え、前記制御器は、前記空気供給器の動作特性が設計上の動作特性から乖離している場合、前記燃料電池の発電量を増加させる処理を実行する。第７態様によれば、バーナを失火に導き、燃料電池システムの運転を停止させることができる。 According to a seventh aspect of the present disclosure, for example, the fuel cell system according to the sixth aspect further includes an air supply device that supplies air to the burner, and the controller is configured such that an operation characteristic of the air supply device is determined by design. If it deviates from the operating characteristic, a process for increasing the power generation amount of the fuel cell is executed. According to the seventh aspect, it is possible to guide the burner to misfire and stop the operation of the fuel cell system.

本開示の第８態様において、例えば、第１〜第７態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムの前記水トラップは、所定の第１分岐位置において前記アノードオフガス経路から分岐しており、前記水トラップ及び前記水タンクによって水封構造が形成されるように、前記第１分岐位置と前記水タンクとの位置関係が定められている。第８態様によれば、燃料電池システムが正常に運転されている限り、アノードオフガスが水トラップを通じて水タンクに進むことを阻止できる。アノードオフガスから生じた凝縮水のみを水トラップで回収することができる。 In an eighth aspect of the present disclosure, for example, the water trap of the fuel cell system according to any one of the first to seventh aspects branches from the anode off-gas path at a predetermined first branch position, The positional relationship between the first branch position and the water tank is determined so that a water seal structure is formed by the water trap and the water tank. According to the eighth aspect, as long as the fuel cell system is operating normally, the anode off-gas can be prevented from proceeding to the water tank through the water trap. Only the condensed water generated from the anode off-gas can be collected by the water trap.

本開示の第９態様において、例えば、第８態様にかかる燃料電池システムの前記排ガス経路の前記第２流路は、所定の第２分岐位置において前記第１流路から分岐しており、前記排ガス経路の前記第１流路は、前記第２分岐位置よりも下流側に位置している出口部分を含み、前記第１流路の前記出口部分が閉塞された場合、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスは、前記水トラップの水位を押し下げて前記水封構造を突破し、前記水トラップを通じて前記水タンクに流れ込み、前記排水口から前記水タンクの外部に排出される。第９態様によれば、第１態様で説明した効果が確実に得られる。 In a ninth aspect of the present disclosure, for example, the second flow path of the exhaust gas path of the fuel cell system according to the eighth aspect is branched from the first flow path at a predetermined second branch position, The first flow path of the path includes an outlet portion located downstream of the second branch position, and is discharged from the fuel cell when the outlet portion of the first flow path is closed. The anode off-gas pushes down the water level of the water trap, breaks through the water seal structure, flows into the water tank through the water trap, and is discharged from the water outlet to the outside of the water tank. According to the ninth aspect, the effects described in the first aspect are reliably obtained.

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. The present disclosure is not limited to the following embodiments.

図１に示すように、本開示の一実施形態にかかる燃料電池システム１００は、改質器１、燃料電池２及び筐体３を備えている。改質器１は、例えば、水蒸気改質反応（CH₄+H₂O→CO+3H₂）などの改質反応によって水素ガスを生成するための機器である。改質器１には、改質反応を進行させるための改質触媒が収められている。改質器１には、一酸化炭素を除去するための触媒（ＣＯ変成触媒及びＣＯ選択酸化除去触媒）も収められている。改質器１は、水及び原料ガスを用いて、水素ガスを生成する。原料ガスは、例えば、都市ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）などの炭化水素ガスである。改質器１で生成された水素ガスが燃料電池２に供給される。燃料電池２は、酸化剤ガスと水素ガスとを用いて電力を生成する。燃料電池２は、例えば、固体高分子形燃料電池又は固体酸化物形燃料電池である。燃料電池２の排熱によって湯が生成される。生成された湯は貯湯タンク（図示省略）に貯められる。 As shown in FIG. 1, a fuel cell system 100 according to an embodiment of the present disclosure includes a reformer 1, a fuel cell 2, and a housing 3. The reformer 1 is a device for generating hydrogen gas by a reforming reaction such as a steam reforming reaction (CH ₄ + H ₂ O → CO + 3H ₂ ). The reformer 1 contains a reforming catalyst for making the reforming reaction proceed. The reformer 1 also contains a catalyst (a CO shift catalyst and a CO selective oxidation removal catalyst) for removing carbon monoxide. The reformer 1 generates hydrogen gas using water and a raw material gas. The source gas is, for example, a hydrocarbon gas such as a city gas or a LP gas (liquefied petroleum gas). The hydrogen gas generated in the reformer 1 is supplied to the fuel cell 2. The fuel cell 2 generates electric power using the oxidizing gas and the hydrogen gas. The fuel cell 2 is, for example, a polymer electrolyte fuel cell or a solid oxide fuel cell. Hot water is generated by the exhaust heat of the fuel cell 2. The generated hot water is stored in a hot water storage tank (not shown).

改質器１、燃料電池２、その他の機器は、筐体３に収められている。筐体３には、排気口３ａ及び吸気口３ｂが設けられている。排気口３ａは、例えば、吸気口３ｂよりも上方に位置している。排気口３ａを通じて、燃焼排ガス、カソードオフガスなどの排ガスが筐体３の外部に排出される。吸気口３ｂを通じて、筐体３の内部に空気が取り込まれる。 The reformer 1, the fuel cell 2, and other devices are housed in a housing 3. The housing 3 is provided with an exhaust port 3a and an intake port 3b. The exhaust port 3a is located, for example, above the intake port 3b. Exhaust gas such as combustion exhaust gas and cathode off-gas is discharged to the outside of the housing 3 through the exhaust port 3a. Air is taken into the housing 3 through the intake port 3b.

燃料電池システム１００は、さらに、バーナ４、空気供給器２１、火炎検出器２２及び流量計２３を備えている。バーナ４は、燃料を燃焼させることによって改質器１を加熱するための機器である。バーナ４は、改質器１に隣接して設けられている。空気供給器２１は、バーナ４に空気を供給するための機器である。空気供給器２１の例には、ファン及びブロワが含まれる。空気供給器２１からバーナ４への空気の供給経路に流量計２３が配置されている。流量計２３により、空気の供給流量が検出される。火炎検出器２２は、バーナ４に設けられている。火炎検出器２２によって、バーナ４の燃焼状態を検出することができる。詳細には、バーナ４に火が付いているかどうかを検出することができる。火炎検出器２２は、典型的には、フレームロッドである。フレームロッドに流れる電流を検出することによって、火炎の存在を確かめることができる。 The fuel cell system 100 further includes a burner 4, an air supply 21, a flame detector 22, and a flow meter 23. The burner 4 is a device for heating the reformer 1 by burning fuel. The burner 4 is provided adjacent to the reformer 1. The air supply device 21 is a device for supplying air to the burner 4. Examples of the air supply device 21 include a fan and a blower. A flow meter 23 is disposed on a supply path of air from the air supply device 21 to the burner 4. The flow rate of air is detected by the flow meter 23. The flame detector 22 is provided on the burner 4. The combustion state of the burner 4 can be detected by the flame detector 22. Specifically, it is possible to detect whether or not the burner 4 is lit. The flame detector 22 is typically a frame rod. By detecting the current flowing through the flame rod, the presence of the flame can be ascertained.

燃料電池システム１００は、さらに、原料ガス供給経路６、燃料ガス供給経路１１、アノードオフガス経路１２、排ガス経路１３及び水タンク３０を備えている。 The fuel cell system 100 further includes a source gas supply path 6, a fuel gas supply path 11, an anode off-gas path 12, an exhaust gas path 13, and a water tank 30.

原料ガス供給経路６は、改質器１の原料ガス入口に接続されている。ガス供給経路６は、都市ガスインフラ、ガスボンベなどの原料ガス源から改質器１に原料ガスを供給するための経路である。ガス供給経路６には、ポンプ９が配置されている。ポンプ９は、原料ガスを昇圧するためのポンプである。ポンプ９を制御することによって原料ガスの流量を調節することができる。ガス供給経路６には、脱硫器、弁などの他の機器が配置されていてもよい。改質器１には、貯水タンクなどの水源から改質器１に水を供給するための給水経路が接続されていてもよい。 The source gas supply path 6 is connected to a source gas inlet of the reformer 1. The gas supply path 6 is a path for supplying a raw material gas to the reformer 1 from a raw gas source such as a city gas infrastructure and a gas cylinder. A pump 9 is arranged in the gas supply path 6. The pump 9 is a pump for increasing the pressure of the source gas. By controlling the pump 9, the flow rate of the source gas can be adjusted. Other devices such as a desulfurizer and a valve may be arranged in the gas supply path 6. A water supply path for supplying water to the reformer 1 from a water source such as a water storage tank may be connected to the reformer 1.

燃料ガス供給経路１１は、改質器１の燃料ガス出口と燃料電池２のアノード入口とを接続している。改質器１で生成された水素ガスは、燃料ガス供給経路１１を通じて燃料電池２に供給される。 The fuel gas supply path 11 connects the fuel gas outlet of the reformer 1 and the anode inlet of the fuel cell 2. The hydrogen gas generated by the reformer 1 is supplied to the fuel cell 2 through the fuel gas supply path 11.

アノードオフガス経路１２は、燃料電池２のアノード出口からバーナ４まで延びている。燃料電池２で消費されなかった水素ガス及び未反応の原料ガスは、アノードオフガス経路１２を通じてバーナ４に供給され、バーナ４で燃やされる。アノードオフガス経路１２には、アノードオフガスを冷却するための熱交換器２５が配置されている。熱交換器２５は、水などの冷媒でアノードオフガスを冷却する熱交換器である。熱交換器２５は、例えば、プレート式熱交換器又はシェルチューブ式熱交換器である。アノードオフガスを冷却するとアノードオフガスから凝縮水が生じる。熱交換器２５によれば、アノードオフガスから効率的に水分を取り除くことができる。アノードオフガスの熱を回収することもできる。 The anode off-gas path 12 extends from the anode outlet of the fuel cell 2 to the burner 4. The hydrogen gas not consumed in the fuel cell 2 and the unreacted raw material gas are supplied to the burner 4 through the anode off-gas path 12 and burned by the burner 4. A heat exchanger 25 for cooling the anode off-gas is disposed in the anode off-gas path 12. The heat exchanger 25 is a heat exchanger that cools the anode off-gas with a coolant such as water. The heat exchanger 25 is, for example, a plate heat exchanger or a shell tube heat exchanger. When the anode off-gas is cooled, condensed water is generated from the anode off-gas. According to the heat exchanger 25, moisture can be efficiently removed from the anode off-gas. The heat of the anode off-gas can also be recovered.

排ガス経路１３は、バーナ４から筐体３の排気口３ａまで延びている。排ガス経路１３は、バーナ４の燃焼排ガスを外部に排出するための経路である。具体的には、排ガス経路１３は、第１流路１３ａ、第２流路１３ｂ及び縮径部１７を有する。第１流路１３ａは、バーナ４に接続された一端と燃料電池システム１００の外部に向かって開放している他端とを有する。詳細には、第１流路１３ａの他端は、排気口３ａに接続されて外部に向かって開放している。第２流路１３ｂは、第１流路１３ａから分岐して下方に延び、水タンク３０に接続されている。第２流路１３ｂは、所定の分岐位置Ｐ２（第２分岐位置）において、第１流路１３ａから分岐している。第１流路１３ａは、分岐位置Ｐ２よりも下流側に位置している出口部分１１３ａを含む。バーナ４の燃焼排ガスは、第１流路１３ａを通じて、筐体３の外部に排出される。燃焼排ガスから生じた凝縮水は、第２流路１３ｂを通じて、水タンク３０に導かれる。 The exhaust gas path 13 extends from the burner 4 to the exhaust port 3 a of the housing 3. The exhaust gas path 13 is a path for discharging the combustion exhaust gas of the burner 4 to the outside. Specifically, the exhaust gas path 13 has a first flow path 13a, a second flow path 13b, and a reduced diameter portion 17. The first flow path 13a has one end connected to the burner 4 and the other end open to the outside of the fuel cell system 100. Specifically, the other end of the first flow path 13a is connected to the exhaust port 3a and is open to the outside. The second flow path 13b branches off from the first flow path 13a and extends downward, and is connected to the water tank 30. The second flow path 13b branches from the first flow path 13a at a predetermined branch position P2 (second branch position). The first flow path 13a includes an outlet portion 113a located downstream of the branch position P2. The combustion exhaust gas from the burner 4 is discharged outside the housing 3 through the first flow path 13a. Condensed water generated from the combustion exhaust gas is guided to the water tank 30 through the second flow path 13b.

排ガス経路１３の第１流路１３ａには、燃焼排ガスを冷却するための熱交換器２４が配置されている。熱交換器２４は、水などの冷媒で燃焼排ガスを冷却する熱交換器である。熱交換器２４は、例えば、プレート式熱交換器又はシェルチューブ式熱交換器である。燃焼排ガスを冷却すると燃焼排ガスから凝縮水が生じる。熱交換器２４によれば、燃焼排ガスから効率的に水分を取り除くことができる。燃焼排ガスの熱を回収することもできる。第１流路１３ａにおいて、分岐位置Ｐ２は、熱交換器２４よりも燃焼排ガスの流れ方向の下流側にある。そのため、熱交換器２４で生じた凝縮水が第２流路１３ｂにスムーズに流れ込む。 A heat exchanger 24 for cooling the combustion exhaust gas is disposed in the first flow path 13 a of the exhaust gas path 13. The heat exchanger 24 is a heat exchanger that cools the combustion exhaust gas with a refrigerant such as water. The heat exchanger 24 is, for example, a plate heat exchanger or a shell tube heat exchanger. When the flue gas is cooled, condensed water is generated from the flue gas. According to the heat exchanger 24, moisture can be efficiently removed from the combustion exhaust gas. The heat of the flue gas can also be recovered. In the first flow path 13a, the branch position P2 is located downstream of the heat exchanger 24 in the flow direction of the combustion exhaust gas. Therefore, the condensed water generated in the heat exchanger 24 smoothly flows into the second flow path 13b.

縮径部１７は、第２流路１３ｂに設けられている。本実施形態において、縮径部１７は、第２流路１３ｂの端部に設けられている。縮径部１７は、水タンク３０に一体的に設けられていてもよいし、水タンク３０に取り付けられていてもよい。縮径部１７の流路断面積は、縮径部１７以外の位置における第２流路１３ｂの流路断面積よりも十分に小さい。縮径部１７の役割は、第２流路１３ｂを通じて凝縮水が水タンク３０に流れ込むことを許容しつつ、第２流路１３ｂの圧力損失を増加させることにある。 The reduced diameter portion 17 is provided in the second flow path 13b. In the present embodiment, the reduced diameter portion 17 is provided at an end of the second flow path 13b. The reduced diameter portion 17 may be provided integrally with the water tank 30 or may be attached to the water tank 30. The flow path cross-sectional area of the reduced diameter portion 17 is sufficiently smaller than the flow path cross-sectional area of the second flow path 13b at a position other than the reduced diameter portion 17. The role of the reduced diameter portion 17 is to increase the pressure loss of the second flow path 13b while allowing the condensed water to flow into the water tank 30 through the second flow path 13b.

図１に示す例において、縮径部１７は、オリフィスである。オリフィスによれば、凝縮水の通過を許容しつつ、第２流路１３ｂの圧力損失を十分かつ容易に増加させることができる。図２に示す例において、縮径部１９は、小径の配管で構成された蛇行管である。図２に示す縮径部１９によっても、図１に示す縮径部１７と同じ効果が得られる。 In the example shown in FIG. 1, the reduced diameter portion 17 is an orifice. According to the orifice, the pressure loss in the second flow passage 13b can be sufficiently and easily increased while allowing the condensed water to pass. In the example shown in FIG. 2, the reduced diameter portion 19 is a meandering pipe configured by a small-diameter pipe. The same effect as the reduced diameter portion 17 shown in FIG. 1 can be obtained by the reduced diameter portion 19 shown in FIG.

水タンク３０は、金属製又は樹脂製の容器で構成されている。水タンク３０は、燃焼排ガス、アノードオフガス、カソードオフガスなどの排ガスから生じた凝縮水を貯留する役割を担っている。水タンク３０は、第１貯水部３１、第２貯水部３２、連通路３３及び排水口３０ｄを有する。第１貯水部３１には、排ガス経路１３の第２流路１３ｂが接続されている。第２流路１３ｂは、第１貯水部３１の水面よりも上の空間に向かって開口している。連通路３３は、水タンク３０の下部において第１貯水部３１と第２貯水部３２とを連通している。連通路３３を通じて、第１貯水部３１と第２貯水部３２との間で凝縮水が往来できる。排水口３０ｄは、連通路３３よりも上方において第２貯水部３２に設けられている。詳細には、排水口３０ｄは、第２貯水部３２を構成する側壁に設けられている。排水口３０ｄは、筐体３の外部まで延びている。 The water tank 30 is constituted by a metal or resin container. The water tank 30 has a role of storing condensed water generated from exhaust gas such as combustion exhaust gas, anode off gas, and cathode off gas. The water tank 30 has a first water storage part 31, a second water storage part 32, a communication passage 33, and a drain port 30d. The second water flow path 13 b of the exhaust gas path 13 is connected to the first water storage section 31. The second flow path 13b opens toward a space above the water surface of the first water storage section 31. The communication passage 33 communicates the first water storage part 31 and the second water storage part 32 at the lower part of the water tank 30. Condensed water can flow between the first water reservoir 31 and the second water reservoir 32 through the communication passage 33. The drain port 30 d is provided in the second water storage section 32 above the communication passage 33. Specifically, the drainage port 30d is provided on a side wall of the second water storage section 32. The drain port 30 d extends to the outside of the housing 3.

水タンク３０は、さらに、水タンク３０の内部に配置された隔壁３５を有する。水タンク３０の内部において、隔壁３５は、天井面から底面に向かって鉛直方向に延びている。隔壁３５によって水タンク３０の内部空間が第１貯水部３１と第２貯水部３２とに仕切られている。連通路３３は、隔壁３５の下端と水タンク３０の底面との間の隙間であってもよいし、隔壁３５に設けられた貫通孔であってもよい。隔壁３５によって、水面よりも上の第１貯水部３１の空間は、水面よりも上の第２貯水部３２の空間から完全に隔離されている。これにより、凝縮水が第１貯水部３１から第２貯水部３２に流れ込むこと許容しつつ、燃焼排ガスが第１貯水部３１から第２貯水部３２に流れ込むことを禁止できる。凝縮水のみを選択的に排水口３０ｄに導くことができる。 The water tank 30 further has a partition 35 disposed inside the water tank 30. Inside the water tank 30, the partition wall 35 extends vertically from the ceiling surface to the bottom surface. The internal space of the water tank 30 is partitioned into a first water storage part 31 and a second water storage part 32 by the partition wall 35. The communication passage 33 may be a gap between the lower end of the partition wall 35 and the bottom surface of the water tank 30, or may be a through hole provided in the partition wall 35. The space of the first water storage section 31 above the water surface is completely isolated from the space of the second water storage section 32 above the water surface by the partition wall 35. Thereby, while allowing the condensed water to flow from the first water storage unit 31 to the second water storage unit 32, it is possible to prohibit the combustion exhaust gas from flowing from the first water storage unit 31 to the second water storage unit 32. Only the condensed water can be selectively guided to the drain 30d.

排水口３０ｄの位置（排水口３０ｄの下端の位置）まで水が貯まると、第２貯水部３２から水が溢れて排水口３０ｄから水タンク３０の外部に排出される。したがって、第２貯水部３２の水位は、排水口３０ｄの位置に一致する。燃料電池システム１００の通常運転時において、第１貯水部３１の水位は、第２貯水部３２の水位に概ね一致する。第１貯水部３１の容積は、第２貯水部３２の容積よりも大きくてもよいし、小さくてもよい。排水口３０ｄの位置は、連通路３３よりも十分に上にあることが望ましい。隔壁３５の下端から排水口３０ｄまでの鉛直方向の距離Ｄは特に限定されず、水タンク３０の容積、燃焼排ガスの圧力などの様々な条件に応じて適切に定められるべきである。 When the water is stored up to the position of the drain 30d (the lower end of the drain 30d), the water overflows from the second water storage part 32 and is discharged from the drain 30d to the outside of the water tank 30. Therefore, the water level of the second water storage section 32 matches the position of the drain port 30d. During normal operation of the fuel cell system 100, the water level of the first water storage section 31 substantially matches the water level of the second water storage section 32. The capacity of the first water storage section 31 may be larger or smaller than the capacity of the second water storage section 32. It is desirable that the position of the drain 30d be sufficiently above the communication path 33. The vertical distance D from the lower end of the partition wall 35 to the drain port 30d is not particularly limited, and should be appropriately determined according to various conditions such as the volume of the water tank 30, the pressure of the combustion exhaust gas, and the like.

本実施形態において、水タンク３０には水位センサが設けられていない。したがって、水位センサに由来する信頼性の課題が生じにくい。水位センサのコストも削減されうる。後述するように、本実施形態では、水位センサを使用しない方法によって、第１流路１３ａの閉塞を検出することができる。もちろん、水タンク３０に水位センサが設けられていてもよい。 In the present embodiment, the water tank 30 is not provided with a water level sensor. Therefore, the problem of reliability derived from the water level sensor hardly occurs. The cost of the water level sensor can also be reduced. As described below, in the present embodiment, the blockage of the first flow path 13a can be detected by a method that does not use a water level sensor. Of course, the water tank 30 may be provided with a water level sensor.

燃料電池システム１００は、さらに、水トラップ４０を備えている。水トラップ４０は、アノードオフガス経路１２から分岐して水タンク３０に接続された流路で構成されている。水トラップ４０は、アノードオフガス経路１２及び水タンク３０の下方に位置している部分を含む。水トラップ４０には、アノードオフガスから生じた凝縮水が流れ込む。燃料電池システム１００の通常運転時において、水トラップ４０の水位は、例えば、位置Ａにある。 The fuel cell system 100 further includes a water trap 40. The water trap 40 is configured by a flow path branched from the anode off-gas path 12 and connected to the water tank 30. The water trap 40 includes a portion located below the anode off-gas path 12 and the water tank 30. Condensed water generated from the anode off-gas flows into the water trap 40. During normal operation of the fuel cell system 100, the water level of the water trap 40 is, for example, at the position A.

詳細には、水トラップ４０は、所定の第１分岐位置Ｐ１においてアノードオフガス経路１２から分岐している。水トラップ４０の一端は、例えば、Ｔ字管１２ａを用いて、アノードオフガス経路１２に接続されている。水トラップ４０の他端は、例えば、水タンク３０の底部に接続されている。水トラップ４０及び水タンク３０によって水封構造が形成されるように、第１分岐位置Ｐ１と水タンク３０との位置関係が定められている。水封構造によれば、燃料電池システム１００が正常に運転されている限り、アノードオフガスが水トラップ４０を通じて水タンク３０に進むことを阻止できる。アノードオフガスから生じた凝縮水のみを水トラップ４０で回収することができる。また、本実施形態では、水トラップ４０に弁が設けられていない。水封構造によれば、弁を省略することが可能である。もちろん、水トラップ４０に開閉弁などの弁が設けられていてもよい。 Specifically, the water trap 40 branches from the anode off-gas path 12 at a predetermined first branch position P1. One end of the water trap 40 is connected to the anode off-gas path 12 using, for example, a T-tube 12a. The other end of the water trap 40 is connected to, for example, the bottom of the water tank 30. The positional relationship between the first branch position P1 and the water tank 30 is determined so that a water seal structure is formed by the water trap 40 and the water tank 30. According to the water seal structure, as long as the fuel cell system 100 operates normally, the anode off-gas can be prevented from proceeding to the water tank 30 through the water trap 40. Only the condensed water generated from the anode off-gas can be collected by the water trap 40. In the present embodiment, the water trap 40 is not provided with a valve. According to the water seal structure, the valve can be omitted. Of course, the water trap 40 may be provided with a valve such as an on-off valve.

本実施形態では、第１分岐位置Ｐ１と水タンク３０との位置関係は、以下のように定められている。まず、筐体３の底面３ｆを基準面ＢＬと定義する。基準面ＢＬから水タンク３０の排水口３０ｄの下端までの鉛直方向の高さがＨ１であり、基準面ＢＬから第１分岐位置Ｐ１までの鉛直方向の高さがＨ２であるとする。本実施形態では、高さＨ１が高さＨ２を下回るように、第１分岐位置Ｐ１と水タンク３０との位置関係が定められている。このようにすれば、燃料電池システム１００の運転停止時においても、水トラップ４０の水位が第１分岐位置Ｐ１に達しない。 In the present embodiment, the positional relationship between the first branch position P1 and the water tank 30 is determined as follows. First, the bottom surface 3f of the housing 3 is defined as a reference plane BL. It is assumed that the vertical height from the reference plane BL to the lower end of the drain port 30d of the water tank 30 is H1, and the vertical height from the reference plane BL to the first branch position P1 is H2. In the present embodiment, the positional relationship between the first branch position P1 and the water tank 30 is determined so that the height H1 is lower than the height H2. By doing so, even when the operation of the fuel cell system 100 is stopped, the water level of the water trap 40 does not reach the first branch position P1.

水タンク３０の水面よりも上の空間の圧力は、通常、大気圧である。燃料電池システム１００が正常に運転されているとき、アノードオフガス経路１２の圧力は、大気圧よりもやや高い。水トラップ４０の水位は、水タンク３０の水位をやや下回る位置Ａにある。位置Ａは、第１分岐位置Ｐ１よりも下の位置であって、水トラップ４０の最下部よりも上にある。 The pressure in the space above the water surface of the water tank 30 is usually atmospheric pressure. When the fuel cell system 100 is operating normally, the pressure in the anode off-gas path 12 is slightly higher than the atmospheric pressure. The water level of the water trap 40 is at a position A slightly lower than the water level of the water tank 30. The position A is a position below the first branch position P <b> 1 and above the lowermost part of the water trap 40.

図１に示す例において、水トラップ４０は、水タンク３０の第２貯水部３２に向かって開口している。図３に示すように、水トラップ４０は、水タンク３０の第１貯水部３１に向かって開口していてもよい。 In the example shown in FIG. 1, the water trap 40 opens toward the second water storage portion 32 of the water tank 30. As shown in FIG. 3, the water trap 40 may open toward the first water storage portion 31 of the water tank 30.

燃料電池システム１００は、さらに、酸化剤ガス供給経路１４及びカソードオフガス経路１５を備えている。 The fuel cell system 100 further includes an oxidizing gas supply path 14 and a cathode off-gas path 15.

酸化剤ガス供給経路１４は、燃料電池２のカソード入口に接続されている。酸化剤ガス供給経路１４は、酸素（本実施形態では空気）などの酸化剤ガスを燃料電池２に供給するための経路である。酸化剤ガス供給経路１４には、ブロワ１８が配置されている。ブロワ１８を制御することによって酸化剤ガスの流量を調節することができる。酸化剤ガス供給経路１４には、加湿器、弁などの他の機器が配置されていてもよい。 The oxidizing gas supply path 14 is connected to a cathode inlet of the fuel cell 2. The oxidizing gas supply path 14 is a path for supplying an oxidizing gas such as oxygen (air in the present embodiment) to the fuel cell 2. A blower 18 is disposed in the oxidant gas supply path 14. By controlling the blower 18, the flow rate of the oxidizing gas can be adjusted. Other devices such as a humidifier and a valve may be arranged in the oxidant gas supply path 14.

カソードオフガス経路１５は、燃料電池２のカソード出口から排ガス経路１３まで延びている。燃料電池２で消費されなかった酸化剤ガスは、カソードオフガス経路１５を通じて排ガス経路１３に流入し、排ガス経路１３を通じて、筐体３の外部に排出される。本実施形態では、カソードオフガス経路１５は、熱交換器２４において排ガス経路１３に合流している。燃料電池２で消費されなかった酸化剤ガスは熱交換器２４で冷却され、酸化剤ガスから水分が除去される。カソードオフガス経路１５は、分岐位置Ｐ２よりも上流側において、排ガス経路１３に合流していてもよいし、熱交換器２４よりも上流側において、排ガス経路１３に合流していてもよいし、排気口３ａに直接接続されていてもよい。 The cathode off-gas path 15 extends from the cathode outlet of the fuel cell 2 to the exhaust gas path 13. The oxidant gas not consumed in the fuel cell 2 flows into the exhaust gas path 13 through the cathode off-gas path 15, and is discharged to the outside of the housing 3 through the exhaust gas path 13. In the present embodiment, the cathode offgas path 15 joins the exhaust gas path 13 in the heat exchanger 24. The oxidant gas not consumed by the fuel cell 2 is cooled by the heat exchanger 24, and moisture is removed from the oxidant gas. The cathode off-gas path 15 may be joined to the exhaust gas path 13 upstream of the branch position P2, may be joined to the exhaust gas path 13 upstream of the heat exchanger 24, and may be exhausted. It may be directly connected to the port 3a.

ガス供給経路６などの各経路は、金属配管、樹脂配管などの配管によって構成されうる。 Each path such as the gas supply path 6 can be configured by a pipe such as a metal pipe or a resin pipe.

燃料電池システム１００は、さらに、制御器７を備えている。制御器７は、ポンプ９、ブロワ１８、空気供給器２１などの制御対象を制御する。制御器７には、火炎検出器２２、流量計２３などの機器から検出信号が入力される。制御器７として、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）を使用できる。制御器７には、燃料電池システム１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。 The fuel cell system 100 further includes a controller 7. The controller 7 controls a control target such as the pump 9, the blower 18, and the air supply 21. The controller 7 receives detection signals from devices such as the flame detector 22 and the flow meter 23. As the controller 7, a DSP (Digital Signal Processor) including an A / D conversion circuit, an input / output circuit, an arithmetic circuit, a storage device, and the like can be used. The controller 7 stores a program for appropriately operating the fuel cell system 100.

次に、燃料電池システム１００の運転について説明する。 Next, the operation of the fuel cell system 100 will be described.

図１に示すように、燃料電池システム１００の通常運転時において、第１貯水部３１の水位は、第２貯水部３２の水位に概ね一致する。水トラップ４０の水位は、第１分岐位置Ｐ１よりも下方の位置Ａにある。燃料電池２から排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス経路１２を通じてバーナ４に供給され、燃やされる。バーナ４の燃焼排ガスは、排ガス経路１３の第１流路１３ａを通じて、排気口３ａから筐体３の外部に排出される。燃料電池２から排出されたカソードオフガスも燃焼排ガスとともに排気口３ａから筐体３の外部に排出される。アノードオフガス、カソードオフガス及び燃焼排ガスのそれぞれから生じた凝縮水は、水タンク３０及び水トラップ４０に一時的に貯められ、水タンク３０の排水口３０ｄから筐体３の外部に排出される。 As shown in FIG. 1, during normal operation of the fuel cell system 100, the water level of the first water storage section 31 substantially matches the water level of the second water storage section 32. The water level of the water trap 40 is at a position A below the first branch position P1. The anode off-gas discharged from the fuel cell 2 is supplied to the burner 4 through the anode off-gas path 12 and burned. The combustion exhaust gas of the burner 4 is discharged to the outside of the housing 3 from the exhaust port 3a through the first flow path 13a of the exhaust gas path 13. The cathode off-gas discharged from the fuel cell 2 is also discharged to the outside of the housing 3 from the exhaust port 3a together with the combustion exhaust gas. Condensed water generated from each of the anode off-gas, the cathode off-gas, and the combustion exhaust gas is temporarily stored in the water tank 30 and the water trap 40, and is discharged from the water outlet 30d of the water tank 30 to the outside of the housing 3.

次に、排ガス経路１３の第１流路１３ａの出口部分１１３ａに異物が入り込んだり、排気口３ａが障害物で塞がれたりしたときの燃料電池システム１００の挙動について説明する。本明細書において、「排ガス経路１３の第１流路１３ａの出口部分１１３ａが閉塞されている状態」には、出口部分１１３ａが直接閉塞されている状態だけでなく、排気口３ａが閉塞されて第１流路１３ａの出口部分１１３ａを排ガスが流れにくくなった状態も含まれる。 Next, the behavior of the fuel cell system 100 when foreign matter enters the outlet portion 113a of the first flow path 13a of the exhaust gas path 13 or when the exhaust port 3a is blocked by an obstacle will be described. In the present specification, “the state where the outlet portion 113a of the first flow path 13a of the exhaust gas path 13 is closed” means not only the state where the outlet portion 113a is directly closed but also the case where the exhaust port 3a is closed. This also includes a state in which the exhaust gas hardly flows through the outlet portion 113a of the first flow path 13a.

図４に示すように、排ガス経路１３の第１流路１３ａの出口部分１１３ａが閉塞されると、排ガス経路１３の圧力が上昇する。排ガス経路１３の圧力が上昇すると、アノードオフガス経路１２の圧力も上昇する。アノードオフガスＧは、水トラップ４０の水位を位置Ｂまで押し下げて水封構造を突破し、水トラップ４０を通じて水タンク３０の第２貯水部３２に流れ込む。その後、アノードオフガスＧは、排水口３０ｄから水タンク３０の外部に排出される。アノードオフガスＧの一部又は全部が水トラップ４０を通じて水タンク３０に流れ込むと、バーナ４は、燃料不足の状態に陥り、失火する。バーナ４の失火は、火炎検出器２２によって検出される。火炎検出器２２によってバーナ４の失火が検出されると、制御器７は、燃料電池システム１００の運転を直ちに停止させる。その結果、排水口３０ｄからのアノードオフガスＧの排出も直ちに停止するので、燃料電池システム１００の安全性が確保される。 As shown in FIG. 4, when the outlet portion 113a of the first flow path 13a of the exhaust gas path 13 is closed, the pressure of the exhaust gas path 13 increases. When the pressure in the exhaust gas passage 13 increases, the pressure in the anode offgas passage 12 also increases. The anode off-gas G pushes down the water level of the water trap 40 to the position B, breaks through the water seal structure, and flows into the second water storage portion 32 of the water tank 30 through the water trap 40. Thereafter, the anode off-gas G is discharged from the water outlet 30d to the outside of the water tank 30. When a part or all of the anode off-gas G flows into the water tank 30 through the water trap 40, the burner 4 falls into a fuel-deficient state and misfires. The misfire of the burner 4 is detected by the flame detector 22. When the misfire of the burner 4 is detected by the flame detector 22, the controller 7 immediately stops the operation of the fuel cell system 100. As a result, the discharge of the anode off-gas G from the drain port 30d is immediately stopped, so that the safety of the fuel cell system 100 is ensured.

なお、図３を参照して説明した水タンク３０の場合、図５に示すように、アノードオフガスＧは、水タンク３０の第１貯水部３１に流れ込む。第１貯水部３１にアノードオフガスＧが流れ込むと、第１貯水部３１の水位が徐々に下がる。第１貯水部３１の水位が連通路３３まで下がると、アノードオフガスＧは、第２貯水部３２にも流れ込み、排水口３０ｄから水タンク３０の外部に排出される。最終的にバーナ４が失火し、燃料電池システム１００の運転が停止する点において、図４に示す構造も図５に示す構造も大きな差は無い。 In the case of the water tank 30 described with reference to FIG. 3, the anode off-gas G flows into the first water storage section 31 of the water tank 30, as shown in FIG. When the anode off-gas G flows into the first water storage section 31, the water level of the first water storage section 31 gradually decreases. When the water level of the first water storage section 31 drops to the communication path 33, the anode off-gas G also flows into the second water storage section 32 and is discharged from the water outlet 30d to the outside of the water tank 30. There is no significant difference between the structure shown in FIG. 4 and the structure shown in FIG. 5 in that the burner 4 eventually fails and the operation of the fuel cell system 100 stops.

本実施形態において、水トラップ４０は、鉛直部分４０ａ及び水平部分４０ｂを有する。鉛直部分４０ａは、第１分岐位置Ｐ１の下方に延びている部分である。水平部分４０ｂは、鉛直部分４０ａの下部から水平方向に延びて水タンク３０に接続されている部分である鉛直方向に関する鉛直部分４０ａの長さは、次の要件（i）及び（ii）を満たすように調整されている。要件（i）は、第１流路１３ａの出口部分１１３ａが閉塞されていない通常運転時に水トラップ４０の水位が水封構造を維持できる位置Ａにある、というものである。要件（ii）は、第１流路１３ａの出口部分１１３ａが閉塞されたときにアノードオフガスが水トラップ４０の水位を押し下げて水封構造を突破する、というものである。 In the present embodiment, the water trap 40 has a vertical portion 40a and a horizontal portion 40b. The vertical portion 40a is a portion extending below the first branch position P1. The length of the horizontal portion 40b extends in the horizontal direction from the lower portion of the vertical portion 40a and is connected to the water tank 30, and the length of the vertical portion 40a in the vertical direction satisfies the following requirements (i) and (ii). Has been adjusted as follows. The requirement (i) is that the water level of the water trap 40 is at the position A where the water seal structure can be maintained during the normal operation in which the outlet portion 113a of the first flow path 13a is not closed. The requirement (ii) is that the anode offgas pushes down the water level of the water trap 40 and breaks through the water seal structure when the outlet portion 113a of the first flow path 13a is closed.

制御器７は、図６に示す閉塞判定処理を定期的（例えば、数秒〜数１０秒ごと）に実行することによって、第１流路１３ａの出口部分１１３ａが閉塞しているかどうかを判断する。図６に示す閉塞判定処理によれば、第１流路１３ａの出口部分１１３ａが完全に閉塞している場合だけでなく、バーナ４が失火しない程度に第１流路１３ａの出口部分１１３ａが中途半端に閉塞しているときにも燃料電池システム１００を安全に停止させることができる。 The controller 7 determines whether or not the outlet portion 113a of the first flow path 13a is closed by executing the closing determination process illustrated in FIG. 6 periodically (for example, every several seconds to several tens of seconds). According to the blockage determination process shown in FIG. 6, not only when the outlet portion 113a of the first flow passage 13a is completely closed, but also the outlet portion 113a of the first flow passage 13a is halfway so that the burner 4 does not misfire. Even when the fuel cell system 100 is partially closed, the fuel cell system 100 can be safely stopped.

ステップＳ１において、バーナ４が失火しているかどうかを判断する。バーナ４が失火しているかどうかは、火炎検出器２２の検出結果から判断できる。火炎検出器２２によってバーナ４の失火が検出された場合、ステップＳ７において、燃料電池２の運転を停止させる。つまり、制御器７は、排ガス経路１３の第１流路１３ａの出口部分１１３ａが閉塞した場合に燃料電池２の運転を停止させる。これにより、可燃性のガスが外部に排出されることを防止できる。 In step S1, it is determined whether or not the burner 4 has misfired. Whether or not the burner 4 has misfired can be determined from the detection result of the flame detector 22. If the misfire of the burner 4 is detected by the flame detector 22, the operation of the fuel cell 2 is stopped in step S7. That is, the controller 7 stops the operation of the fuel cell 2 when the outlet 113a of the first flow path 13a of the exhaust gas path 13 is closed. This can prevent the combustible gas from being discharged to the outside.

バーナ４が失火していない場合、制御器７は、空気供給器２１の操作量とバーナ４への空気の供給流量を取得する（ステップＳ２）。空気供給器２１は、例えば、所望の供給流量でバーナ４に空気が供給されるように制御器７によってフィードバック制御される。そのため、空気供給器２１の操作量は、制御器７に常に把握されている値である。「操作量」は、空気供給器２１の最大能力に対して実際に発揮している能力の割合（％）であり、空気供給器２１への現在の供給電力量に置き換えることができる。バーナ４への空気の供給流量は、流量計２３の検出値である。次に、ステップＳ３において、空気供給器２１の操作量と空気の供給流量との関係が正常であるかどうかを判断する。具体的には、空気供給器２１が設計上の動作特性に従って動作しているかどうかを判断する。 If the burner 4 has not misfired, the controller 7 acquires the operation amount of the air supply device 21 and the flow rate of air supplied to the burner 4 (step S2). The air supply device 21 is feedback-controlled by the controller 7 so that air is supplied to the burner 4 at a desired supply flow rate, for example. Therefore, the operation amount of the air supply device 21 is a value that is always grasped by the controller 7. The “operation amount” is a ratio (%) of the capacity actually exerted to the maximum capacity of the air supply device 21, and can be replaced with the current supply power amount to the air supply device 21. The supply flow rate of air to the burner 4 is a detection value of the flow meter 23. Next, in step S3, it is determined whether the relationship between the operation amount of the air supply device 21 and the air supply flow rate is normal. Specifically, it is determined whether or not the air supply device 21 is operating in accordance with the design operation characteristics.

図７に示すように、空気供給器２１は、設計上、実線及び破線のような動作特性を持っている。詳細には、第１流路１３ａの出口部分１１３ａが閉塞していない通常運転では、空気供給器２１の操作量と実際の空気の供給流量との関係は、破線のような特性を示す。第１流路１３ａの出口部分１１３ａが閉塞しているとき、空気供給器２１の操作量と実際の空気の供給流量との関係は、実線のような特性を示す。第１流路１３ａの出口部分１１３ａが閉塞すると、同じ流量の空気を供給するために、より大きい操作量が必要である。図７において、網掛けの領域は、バーナ４の失火が予測される領域である。 As shown in FIG. 7, the air supply device 21 has operating characteristics such as a solid line and a broken line in design. Specifically, in the normal operation in which the outlet portion 113a of the first flow path 13a is not closed, the relationship between the operation amount of the air supply device 21 and the actual air supply flow rate shows a characteristic as indicated by a broken line. When the outlet portion 113a of the first flow path 13a is closed, the relationship between the operation amount of the air supply device 21 and the actual air supply flow rate shows a characteristic shown by a solid line. When the outlet portion 113a of the first flow path 13a is closed, a larger operation amount is required to supply the same flow rate of air. In FIG. 7, the hatched area is an area where misfire of the burner 4 is predicted.

空気供給器２１の操作量と実際の空気の供給流量との関係が破線から乖離していない場合、操作量と供給流量との関係は正常である。空気供給器２１の操作量と実際の空気の供給流量との関係が破線から乖離している場合、言い換えれば、空気供給器２１の動作特性が設計上の動作特性から乖離している場合、何らかの異常が生じていることが予測される。したがって、ステップＳ４に進み、燃料電池２の発電量を増加させる処理を実行する。具体的には、燃料電池２の発電量を増加させるために、発電量増加モードをオンにする。発電量増加モードでは、改質器１への原料ガスの供給流量を所定値まで増加させて、燃料電池２への燃料ガスの供給流量を増加させる。具体的には、原料ガスの供給流量を燃料電池２の定格運転時の流量まで増加させる。さらに、燃料電池２への酸化剤ガスの供給流量も所定値まで増加させる。具体的には、酸化剤ガスの供給流量を燃料電池２の定格運転時の流量まで増加させる。発電量増加モードでは、各種ガスの流量が定格運転時の流量まで増加する。各種ガスの流量が増加すると、アノードオフガス経路１２の圧力が大幅に上昇し、水トラップ４０の水封構造が破られ、バーナ４が失火に至る。バーナ４の失火は、任意の制御周期において、ステップＳ１の処理で検出される。その結果、燃料電池システム１００の運転が停止される。 When the relationship between the operation amount of the air supply device 21 and the actual air supply flow rate does not deviate from the broken line, the relationship between the operation amount and the supply flow rate is normal. If the relationship between the operation amount of the air supply device 21 and the actual air supply flow rate deviates from the broken line, in other words, if the operation characteristic of the air supply device 21 deviates from the design operation characteristic, It is predicted that an abnormality has occurred. Therefore, the process proceeds to step S4, and a process for increasing the amount of power generated by the fuel cell 2 is executed. Specifically, in order to increase the power generation amount of the fuel cell 2, the power generation amount increase mode is turned on. In the power generation increasing mode, the supply flow rate of the raw material gas to the reformer 1 is increased to a predetermined value, and the supply flow rate of the fuel gas to the fuel cell 2 is increased. Specifically, the supply flow rate of the source gas is increased to the flow rate during the rated operation of the fuel cell 2. Further, the supply flow rate of the oxidizing gas to the fuel cell 2 is also increased to a predetermined value. Specifically, the supply flow rate of the oxidizing gas is increased to the flow rate during the rated operation of the fuel cell 2. In the power generation increase mode, the flow rates of various gases increase to the flow rates during rated operation. When the flow rates of the various gases increase, the pressure in the anode off-gas path 12 increases significantly, breaking the water seal structure of the water trap 40 and causing the burner 4 to misfire. The misfire of the burner 4 is detected in the process of step S1 in an arbitrary control cycle. As a result, the operation of the fuel cell system 100 is stopped.

例えば、排気口３ａから第１流路１３ａに強い風が吹き込んだ場合にも操作量と空気の供給流量との関係が設計上の動作特性から大きく乖離する可能性がある。このような場合には燃料電池システム１００の運転を停止させる必要がない。ステップＳ３において、操作量と空気の供給流量との関係が正常であると判断した場合、ステップＳ８に進み、発電量増加モードがオンであるかどうかを判断する。発電量増加モードがオンであれば、ステップＳ９において、発電量増加モードをオフにする。また、ステップＳ５において、発電量増加モードで一定時間（例えば、数１０分）が経過したかどうかを判断する。発電量増加モードが一定時間継続してもバーナ４の失火が検出されない場合にも発電量増加モードをオフにする（ステップＳ６）。これにより、燃料ガスの供給流量及び酸化剤ガスの供給流量が発電量増加モードをオンにする前の状態に戻るので、燃料電池２の発電量も発電量増加モードをオンにする前の状態に戻る。 For example, even when a strong wind blows into the first flow path 13a from the exhaust port 3a, the relationship between the operation amount and the supply flow rate of the air may greatly deviate from the design operation characteristics. In such a case, it is not necessary to stop the operation of the fuel cell system 100. If it is determined in step S3 that the relationship between the operation amount and the air supply flow rate is normal, the process proceeds to step S8, and it is determined whether the power generation amount increasing mode is on. If the power generation amount increasing mode is on, in step S9, the power generation amount increasing mode is turned off. In step S5, it is determined whether or not a predetermined time (for example, several tens of minutes) has elapsed in the power generation amount increasing mode. Even if the misfire of the burner 4 is not detected even if the power generation mode is continued for a certain period of time, the power generation mode is turned off (step S6). As a result, the supply flow rate of the fuel gas and the supply flow rate of the oxidizing gas return to the state before turning on the power generation amount increasing mode. Return.

本明細書に開示された技術は、アノードオフガスをバーナで燃焼させることによって改質器の温度を上昇させるように構成された燃料電池システムに特に有用である。 The technology disclosed herein is particularly useful for fuel cell systems configured to raise the temperature of the reformer by burning the anode off-gas with a burner.

１改質器
２燃料電池
４バーナ
７制御器
１２アノードオフガス経路
１３排ガス経路
１３ａ第１流路
１１３ａ第１流路の出口部分
１３ｂ第２流路
１７オリフィス（縮径部）
１９蛇行管（縮径部）
２１空気供給器
２２火炎検出器
３０水タンク
３１第１貯水部
３２第２貯水部
３３連通路
３５隔壁
３０ｄ排水口
４０水トラップ
１００燃料電池システム
Ｐ１第１分岐位置
Ｐ２第２分岐位置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reformer 2 Fuel cell 4 Burner 7 Controller 12 Anode off gas path 13 Exhaust gas path 13a First flow path 113a First flow path exit part 13b Second flow path 17 Orifice (reduced diameter portion)
19 meandering pipe (reduced diameter part)
Reference Signs List 21 Air supply device 22 Flame detector 30 Water tank 31 First water storage section 32 Second water storage section 33 Communication passage 35 Partition wall 30d Drain port 40 Water trap 100 Fuel cell system P1 First branch position P2 Second branch position

Claims

A fuel cell,
A reformer,
A burner for heating the reformer;
An anode offgas path extending from the anode outlet of the fuel cell to the burner;
An exhaust gas path for discharging the combustion exhaust gas of the burner to the outside,
A water tank for storing condensed water generated from the combustion exhaust gas,
A water trap that includes a portion located below the anode offgas path and the water tank, and is branched from the anode offgas path and connected to the water tank;
With
The water tank includes a first water storage section, a second water storage section, a communication path communicating the first water storage section and the second water storage section at a lower portion of the water tank, and an upper part than the communication path. Having a drain port provided in the second water storage section,
The exhaust gas path has a first flow path having one end connected to the burner and the other end open to the outside, and a first flow path that branches downward from the first flow path and extends downward. A fuel cell system, comprising: a second flow path connected to a water storage section; and a reduced diameter portion provided in the second flow path.

The fuel cell system according to claim 1, wherein the reduced diameter portion includes an orifice.

The water tank has a partition disposed inside the water tank,
The inner space of the water tank is partitioned by the partition into the first water storage part and the second water storage part,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the communication path includes at least one of a gap between a lower end of the partition and a bottom surface of the water tank, and at least one of a through hole provided in the partition.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, further comprising a flame detector provided in the burner.

The fuel cell system according to claim 4, wherein the operation of the fuel cell is stopped when the misfire of the burner is detected by the flame detector.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, further comprising a controller that stops operation of the fuel cell when the exhaust gas path is blocked.

Further comprising an air supply device for supplying air to the burner,
The fuel cell system according to claim 6, wherein the controller executes a process of increasing the amount of power generated by the fuel cell when an operation characteristic of the air supply device deviates from a design operation characteristic.

The water trap branches from the anode off-gas path at a predetermined first branch position,
The positional relationship between the first branch position and the water tank is determined so that a water seal structure is formed by the water trap and the water tank, according to any one of claims 1 to 7. Fuel cell system.

The second flow path of the exhaust gas path is branched from the first flow path at a predetermined second branch position,
The first flow path of the exhaust gas path includes an outlet portion located downstream of the second branch position,
When the outlet portion of the first flow path is closed, the anode offgas discharged from the fuel cell pushes down the water level of the water trap, breaks through the water seal structure, and passes through the water trap to the water tank. The fuel cell system according to claim 8, wherein the fuel cell system flows into and is discharged from the water outlet to the outside of the water tank.