JP6765240B2

JP6765240B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6765240B2
Application number: JP2016137401A
Authority: JP
Inventors: 拓人櫛
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2016-07-12
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2020-10-07
Anticipated expiration: 2036-07-12
Also published as: JP2018010749A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

固体酸化物形燃料電池を備えた燃料電池システムとしては、例えば、水蒸気供給装置により外部から水蒸気改質器に水蒸気を供給し、炭化水素燃料を水蒸気改質するものがある。しかしながら、水蒸気供給装置を用いると、システムの複雑化によるコストアップと、水トラブルによる信頼性低下を招く虞がある。そこで、燃料電池の発電により発生する水蒸気を高温用ブロワにより水蒸気改質器にリサイクルし、水蒸気供給装置を不要とする燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところが、高温用ブロワを適用した場合、システムの簡素化が可能であるが、高温用ブロワ自体のコストが高く、却って外部から水蒸気を供給するシステムよりも高コストとなる虞がある。

そこで、燃料電池から水蒸気と共に発生する二酸化炭素を二酸化炭素改質器にリサイクルし、炭化水素燃料を二酸化炭素改質する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。このシステムであれば、低温部（例えば１００℃以下）でブロワを適用することができるため、高価な高温用ブロワを適用する必要が無く、低コスト化が可能である。

特開２００７−３１１０７２号公報特開２０１４−１０７０５６号公報

しかしながら、発明者は、例えば特許文献２のような二酸化炭素改質器を備えた燃料電池システムについて鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得るに到った。

すなわち、固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気を気水分離し、二酸化炭素を含むリサイクルガスをリサイクルさせる構成を模擬した試験において、燃料電池の運転パラメータの一つである燃料利用率を下げた場合に、４００〜７００℃の温度域において、リサイクルガスが流れるリサイクル経路の内部にて炭素が析出し、リサイクル経路を閉塞させるという課題があることが分かった。これは、燃料利用率を下げた場合には、燃料電池の未利用燃料である一酸化炭素の濃度が増えて二酸化炭素の濃度が減るため、ブドワール反応（２ＣＯ⇔Ｃ＋ＣＯ_２）が４００〜７００℃の中温域で進み、炭素が析出したと考えられる。

なお、上述のような特有の条件下にて炭素が析出することは、発明者独自の知見であり、本願の出願時において公に知られていないと確信する。

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであって、低コスト化を実現することができると共に、リサイクル経路における炭素の析出を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に記載に記載の燃料電池システムは、一酸化炭素及び水蒸気を含むアノードオフガスを発生する燃料電池と、前記アノードオフガスに含まれる水蒸気を凝縮し、前記アノードオフガスを、一酸化炭素を含むリサイクルガスと水とに分離させる気水分離部と、前記気水分離部と前記燃料電池との間のリサイクル経路に設けられ、前記リサイクル経路を通じて前記リサイクルガスを送るブロワと、前記気水分離部にて得られた水から水蒸気を発生させ、前記リサイクルガスに水蒸気を混合させる水蒸気発生部と、前記リサイクルガスに含まれる一酸化炭素と空気中の酸素とを反応させて二酸化炭素を生成する選択酸化触媒と、前記気水分離部の水位に応じた水位検出信号を出力する水位計、及び、前記リサイクル経路の内部の圧力に応じた圧力検出信号を出力する圧力計の少なくとも一方を有する検出部と、前記選択酸化触媒に空気を供給する空気供給部と、前記検出部から出力された検出信号に基づいて前記空気供給部及び前記水蒸気発生部を制御する制御部と、を備える。

この燃料電池システムによれば、高温のアノードオフガスに含まれる水蒸気は、気水分離部で凝縮され、気水分離部では、水と分離されたリサイクルガスが生成される。そして、このリサイクルガスは、気水分離部と燃料電池との間に設けられたブロワを経由する。

ここで、ブロワを経由するリサイクルガスは、気水分離部にて予め水凝縮されているため、アノードオフガスよりも低温である。したがって、リサイクルガスがブロワを経由する場合でも、ブロワとして高温用ブロワよりも安価な低温用ブロワを適用することができるので、低コスト化を実現することができる。

また、気水分離部にて得られた水から水蒸気発生部が水蒸気を発生させることで、この水蒸気がリサイクルガスと混合される。したがって、リサイクルガス中の水蒸気濃度が確保されることにより、リサイクルガスが流れるリサイクル経路では、以下の式に示されるシフト反応が進むため、炭素の析出を抑制することができる。

ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２

なお、リサイクルガスは、水蒸気と混合された状態でブロワを経由しても良いし、リサイクル経路におけるブロワよりも下流側において水蒸気と混合されても良い。ただし、リサイクルガスが水蒸気と混合された状態でブロワを経由する場合、リサイクルガスの温度が低温用ブロワの許容温度以下になるように、リサイクルガスに混合される水蒸気の温度が設定されることが望ましい。

また、この燃料電池システムによれば、選択酸化触媒において、リサイクルガスに含まれる一酸化炭素と空気中の酸素とが反応して二酸化炭素が生成される。したがって、リサイクルガスに含まれる二酸化炭素の濃度が上昇することにより、炭素の析出が起こり得ないか又は起こりにくい雰囲気を実現することができるので、炭素の析出をより一層効果的に抑制することができる。

さらに、この燃料電池システムによれば、リサイクルガスに含まれる一酸化炭素の濃度に基づいて、空気供給部及び水蒸気発生部を制御するのではなく、気水分離部の水位、及び、リサイクル経路の内部の圧力に基づいて、空気供給部及び水蒸気発生部を制御する。したがって、一般に高価とされる一酸化炭素濃度センサや二酸化炭素濃度センサに比して安価である水位計及び圧力計を用いる分、より一層の低コスト化を実現することができる。

なお、請求項２に記載のように、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記気水分離部は、前記アノードオフガスを前記リサイクルガスと水とに分離させるドレンタンク本体であり、前記水蒸気発生部は、前記ドレンタンク本体に一体に設けられ、前記ドレンタンク本体と共にヒータ付ドレンタンクを構成するヒータであっても良い。

この燃料電池システムによれば、気水分離部としてのドレンタンク本体に、水蒸気発生部としてのヒータが一体に設けられたヒータ付ドレンタンクを適用しているので、例えば気水分離部と水蒸気発生部とが別々に設けられる場合に比して、システムの小型化と、より一層の低コスト化を実現することができる。

また、請求項２に記載のように、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記水蒸気発生部は、前記リサイクル経路における前記ブロワよりも下流側において水蒸気を発生させても良い。

この燃料電池システムによれば、水蒸気発生部は、リサイクル経路におけるブロワよりも下流側において水蒸気を発生させるので、ブロワの水耐性が不要になる。これにより、ブロワに安価なものを適用することができるので、より一層の低コスト化を実現することができる。

以上詳述したように、本発明によれば、低コスト化を実現することができると共に、炭素の析出を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。図１に示される制御部の処理の流れを示すフローチャートである。本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの第一変形例を示す全体構成図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの第二変形例を示す全体構成図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの第三変形例を示す全体構成図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの第四変形例を示す全体構成図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０は、二酸化炭素改質器１２と、燃料電池１４（スタック）と、燃焼器１６と、ヒータ付ドレンタンク１８と、ブロワ２０と、選択酸化触媒２２と、水位計２４と、圧力計２６と、空気供給バルブ２８と、制御部３０とを備える。

二酸化炭素改質器１２、燃料電池１４、及び、燃焼器１６は、ホットボックス３２に収容されている。この二酸化炭素改質器１２、燃料電池１４、及び、燃焼器１６は、ホットボックス３２と共にホットモジュールを構成している。

二酸化炭素改質器１２は、燃料電池１４の前段に配置されている。この二酸化炭素改質器１２には、炭化水素燃料及び空気が供給される。炭化水素燃料としては、例えば、都市ガス、液化石油ガス、バイオガスなどのメタンを含む炭化水素系のガスが使用可能である。また、この二酸化炭素改質器１２には、後述する選択酸化触媒２２にて生成された二酸化炭素が供給される。この二酸化炭素改質器１２は、二酸化炭素を利用して炭化水素燃料を二酸化炭素改質し、一酸化炭素と水素とを含む改質ガスを生成する。この二酸化炭素改質器１２における二酸化炭素改質反応は、下記式（１）の通りである。

ＣＨ_４＋ＣＯ_２→２Ｈ_２＋２ＣＯ・・・（１）

燃料電池１４は、一例として、固体酸化物形燃料電池である。この燃料電池１４は、積層された複数のセルを有している。各セルは、燃料極、電解質層、空気極を有している。各セルの燃料極には、二酸化炭素改質器１２にて生成された改質ガスが供給され、各セルの空気極には、空気（酸化剤ガス）が供給される。

空気極では、下記式（２）で示されるように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、電解質層を通って燃料極に到達する。

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−・・・（２）

一方、燃料極では、下記式（３）及び式（４）で示されるように、電解質層を通ってきた酸素イオンが改質ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水及び二酸化炭素と、電子が生成される。燃料極で生成された電子は、外部回路を通って空気極に到達する。そして、このようにして電子が燃料極から空気極に移動することにより、各セルにおいて発電される。また、各セルは、発電時に上記電気化学反応に伴って発熱する。この発熱により、燃料極で生成された水は、水蒸気となる。

（燃料極反応）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻・・・（３）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻・・・（４）

この燃料極にて発生するアノードオフガスには、燃料極反応にて生成された水蒸気及び二酸化炭素の他に、二酸化炭素改質器１２にて生成され燃料電池１４の燃料極にて未反応の水素及び一酸化炭素が含まれる。ホットボックス３２内を流通するアノードオフガスの温度は、例えば、約２００〜８００℃である。

燃焼器１６は、燃料電池１４の後段に配置されている。この燃焼器１６には、燃料電池１４の空気極から排出されたカソードオフガスが供給されると共に、燃料電池１４の燃料極から排出されたアノードオフガスの一部が供給される。アノードオフガスには、上述の通り、燃料電池１４の燃料極にて未反応の水素及び一酸化炭素が含まれており、燃焼器１６は、酸素を含むカソードオフガスを利用してアノードオフガスを燃焼する。この燃焼器１６の燃焼に伴い生成された燃焼排ガスは、ホットボックス３２の外部に排出される。

ヒータ付ドレンタンク１８は、ドレンタンク本体３４と、ヒータ３６とを有する。ドレンタンク本体３４は、本発明における「気水分離部」の一例である。このドレンタンク本体３４には、アノードオフガスが供給される。ドレンタンク本体３４では、アノードオフガスに含まれる水蒸気が凝縮され、アノードオフガスが気体と水に分離される。ドレンタンク本体３４で水と分離された気体には、水蒸気、二酸化炭素、水素、及び、一酸化炭素が含まれる。このドレンタンク本体３４で水と分離された気体は、リサイクルガスとして燃料電池１４の発電に再利用される。ドレンタンク本体３４の余剰水は、外部に排出される。

ヒータ３６は、本発明における「水蒸気発生部」の一例である。このヒータ３６は、ドレンタンク本体３４に一体に設けられている。ヒータ３６がオンになると、ドレンタンク本体３４の水が加熱されて水蒸気が発生する。そして、この水蒸気は、リサイクルガスに混合される。このリサイクルガスは、後述するブロワ２０を経由する。したがって、このリサイクルガスに混合される水蒸気の温度は、この水蒸気が混合されたリサイクルガスの温度がブロワ２０として適用される低温用ブロワの許容温度以下になるように設定されることが望ましい。この温度は、上述のホットボックス３２内を流通するアノードオフガスの温度よりも低い温度であり、例えば、約６０〜８０℃に設定される。

ブロワ２０は、ドレンタンク本体３４と二酸化炭素改質器１２との間のリサイクル経路３８に設けられている。ブロワ２０が作動すると、リサイクルガスが選択酸化触媒２２を経由して二酸化炭素改質器１２に送られる。このブロワ２０には、高温の水蒸気を含むガスの送出に適した高温用ブロワでは無い通常のもの、すなわち、高温用ブロワよりも低価格の低温用ブロワが適用されている。

選択酸化触媒２２は、リサイクル経路３８に設けられている。この選択酸化触媒２２は、リサイクルガスに含まれる一酸化炭素と空気中の酸素とを反応させて二酸化炭素を生成する。この選択酸化触媒２２における反応は、下記式（５）の通りである。

ＣＯ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ_２・・・（５）

水位計２４及び圧力計２６は、本発明における「検出部」の一例である。水位計２４は、ドレンタンク本体３４の水位を検出し、この水位に応じた水位検出信号を出力する。圧力計２６は、リサイクル経路３８の内部の圧力を検出し、この圧力に応じた圧力検出信号を出力する。

空気供給バルブ２８は、本発明における「空気供給部」の一例である。この空気供給バルブ２８は、選択酸化触媒２２に接続された空気供給経路に設けられており、この空気供給経路を開放する状態と閉止する状態とに切り替えるように開閉動作する。

制御部３０は、例えば演算装置や記憶装置等を有する電子回路によって構成されている。この制御部３０は、水位計２４から出力された水位検出信号、及び、圧力計２６から出力された圧力検出信号に基づいてバルブ制御信号及びヒータ制御信号を出力し、空気供給バルブ２８及びヒータ３６を制御する。

この制御部３０の記憶装置には、リサイクル経路３８の内部にて炭素が析出することを抑制するためのプログラムが格納されている。制御部３０の演算装置は、そのプログラムを実行し、リサイクル経路３８の内部にて炭素が析出することを抑制させる。

次に、リサイクル経路３８の内部にて炭素が析出することを抑制するための制御部３０の動作について説明する。

制御部３０は、上述のプログラムを実行することで、具体的には、以下のステップＳ１〜ステップＳ７を実行する。

ステップＳ１では、制御部３０が、燃料電池１４の各種状態を検出するセンサの出力信号に基づいて、燃料電池１４の運転条件が一定であるか判断する。この場合の運転条件は、例えば、燃料電池１４の温度、燃料利用率、電流値である。制御部３０は、燃料電池１４の運転条件が一定になるまでステップＳ１を繰り返し実行し、燃料電池１４の運転条件が一定になると、ステップＳ２に移行する。

ステップＳ２では、制御部３０が、水位計２４から出力された水位検出信号に基づいて、水位計２４の水位変化量が閾値を超えたか、又は、圧力計２６から出力された圧力検出信号に基づいて、圧力計２６の圧力が上限値を超えたか判断する。

水位計２４の水位変化量の閾値は、例えば、以下の理由及び要領で設定される。すなわち、固体酸化物形燃料電池の運転条件に対応するリサイクル経路３８に必要な水蒸気量は、実験により求めることができる。炭素析出をモニターした結果、例えば、システムの燃料利用率が８０％、燃料電池１４の実質燃料利用率が６５％（リサイクル率６４％）の場合には、最低限必要な水蒸気量はX(mol/min)であることが分かった。

上述の最低限必要な水蒸気量に、例えば安全係数１．３を掛けた値を固体酸化物形燃料電池のある運転条件における運用水蒸気量とすることができる。水位計２４の水位が増加した場合、何らかの理由で水凝縮量がドレンタンク本体３４で大きくなり、これは、リサイクル経路３８に供給される水蒸気量の減少を意味している。したがって、下記計算式より、リサイクル経路３８に供給されなくなった分の0.3X(mol/min)の水蒸気量を早急に供給する必要がある。

X(mol/min)×（1.3-1.0）=0.3X(mol/min)

水位計２４の水位変化量（閾値）は、ドレンタンク本体３４の容量によって変化する。例えば、リサイクル経路３８に供給されなくなった分の0.3X(mol/min)の水蒸気量を補うには、例えば、高さ25cm×横10cm×縦20cmの容量のドレンタンク本体３４を使用した場合、下記計算式より、5.4X(mol/min)で、0.027X(cc／min)の速さで水位量が変化したときに、ヒータ３６をオンにしてヒータ３６の温度を上げることになる。この場合、水位計２４の水位変化量に関する閾値は、0.027X(cc／min)に設定される。

18（cc／mol）×0.3x(mol／min)＝5.4X（cc／min）
5.4X÷10÷20＝0.027X（cm／min）

なお、ヒータ３６の温度ｔ(℃)とリサイクル経路３８に供給する水蒸気量α(cc/min)の関係は、以下の式で示される。

Tenesの式：飽和水蒸気圧E(hPa)=6.11×10^(7.5t/(t+237.3))
水蒸気濃度H(%)=E/1013.25(hPa) ×100
リサイクルガスのボリュームZ(cc/min)
供給する水蒸気量α(cc/min)=Z(cc/min)×H×(100-H)

一方、圧力計２６の圧力の上限値は、例えば、以下の理由及び要領で設定される。一般的にＳＯＦＣシステムにおける圧力の上限値は、本システムを実現させるようなアノードオフガス回収構造の平板型燃料電池スタックの許容圧力に因るところが大きく、上限値は、燃料電池スタックが許容できる圧力がλ（kPa）とした場合、例えば安全係数１．３を割り返した値である０．７７λ（kPa）に設定される。

ステップＳ２において、制御部３０は、水位計２４の水位変化量が上述の閾値を超えるか、又は、圧力計２６の圧力が上述の上限値を超えるまでステップＳ２を繰り返し実行する。そして、水位計２４の水位変化量が閾値を超えたか、又は、圧力計２６の圧力が上限値を超えると、制御部３０は、ステップＳ３に移行する。

ステップＳ３では、制御部３０が、ヒータ制御信号としてヒータオン信号を出力すると共に、バルブ制御信号としてバルブ開信号を出力する。制御部３０からヒータオン信号が出力されると、ヒータ３６がオンになり、ドレンタンク本体３４の水が加熱されて水蒸気が発生し、リサイクルガスに水蒸気が混合される。そして、これにより、リサイクルガス中の水蒸気濃度が増加する。リサイクルガス中の水蒸気濃度が増加すると、以下の式に示されるシフト反応が進み、炭素の析出が抑制される。

ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２

また、制御部３０からバルブ開信号が出力されると、空気供給バルブ２８が開き、空気供給経路を通じて選択酸化触媒２２に空気が供給される。選択酸化触媒２２では、リサイクルガスに含まれる一酸化炭素と空気中の酸素とが反応し二酸化炭素が生成される。そして、これにより、リサイクルガスに含まれる二酸化炭素の濃度が増加する。リサイクルガスに含まれる二酸化炭素の濃度が上昇することにより、炭素の析出が起こり得ないか又は起こりにくい雰囲気が実現され、炭素の析出がより一層効果的に抑制される。

ステップＳ４では、制御部３０が、水位計２４から出力された水位検出信号及び圧力計２６から出力された圧力検出信号に基づいて、水位計２４の水位変化量が閾値以下で、かつ、圧力計２６の圧力が上限値以下であるか判断する。制御部３０は、水位計２４の水位変化量が閾値以下で、かつ、圧力計２６の圧力が上限値以下になるまでステップＳ４を繰り返し実行する。そして、水位計２４の水位変化量が閾値以下で、かつ、圧力計２６の圧力が上限値以下になると、制御部３０は、ステップＳ５に移行する。

ステップＳ５では、制御部３０が、バルブ制御信号としてバルブ閉信号を出力する。制御部３０からバルブ閉信号が出力されると、空気供給バルブ２８が閉じ、空気供給経路を通じた選択酸化触媒２２への空気の供給が停止される。選択酸化触媒２２では、空気の供給が停止されると、二酸化炭素の生成が停止する。

ステップＳ６では、制御部３０が、水位計２４から出力された水位検出信号及び圧力計２６から出力された圧力検出信号に基づいて、再度、水位計２４の水位変化量が閾値以下で、かつ、圧力計２６の圧力が上限値以下であるか判断する。制御部３０は、水位計２４の水位変化量が閾値以下で、かつ、圧力計２６の圧力が上限値以下になるまでステップＳ６を繰り返し実行する。そして、水位計２４の水位変化量が閾値以下で、かつ、圧力計２６の圧力が上限値以下になると、制御部３０は、ステップＳ７に移行する。

ステップＳ７では、制御部３０が、ヒータ制御信号としてヒータオフ信号を出力する。制御部３０からヒータオフ信号が出力されると、ヒータ３６がオフになり、ドレンタンク本体３４に貯留された水の加熱が停止され、水蒸気の発生が停止する。本実施形態では、以上の要領で、リサイクル経路３８の内部にて炭素が析出することが抑制される。

次に、本発明の一実施形態の作用及び効果について説明する。

以上詳述したように、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、高温のアノードオフガスに含まれる水蒸気は、ドレンタンク本体３４で凝縮され、ドレンタンク本体３４では、水と分離されたリサイクルガスが生成される。そして、このリサイクルガスは、ドレンタンク本体３４と二酸化炭素改質器１２との間に設けられたブロワ２０を経由して二酸化炭素改質器１２に送られる。

ここで、ブロワ２０を経由するリサイクルガスは、ドレンタンク本体３４にて予め水凝縮されているため、アノードオフガスよりも低温である。したがって、リサイクルガスがブロワ２０を経由する場合でも、ブロワ２０として高温用ブロワよりも安価な低温用ブロワを適用することができるので、低コスト化を実現することができる。

また、ドレンタンク本体３４にて得られた水をヒータ３６により加熱して水蒸気を発生させることで、この水蒸気がリサイクルガスと混合される。したがって、リサイクルガス中の水蒸気濃度が確保されることにより、リサイクルガスが流れるリサイクル経路３８では、以下の式に示されるシフト反応が進むため、炭素の析出を抑制することができる。

ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２

また、燃料電池システム１０によれば、選択酸化触媒２２において、リサイクルガスに含まれる一酸化炭素と空気中の酸素とが反応して二酸化炭素が生成される。したがって、リサイクルガスに含まれる二酸化炭素の濃度が上昇することにより、炭素の析出が起こり得ないか又は起こりにくい雰囲気を実現することができるので、炭素の析出をより一層効果的に抑制することができる。

また、燃料電池システム１０によれば、リサイクルガスに含まれる一酸化炭素の濃度に基づいて、空気供給バルブ２８及びヒータ３６を制御するのではなく、水位計２４の水位、及び、圧力計２６の圧力に基づいて、空気供給バルブ２８及びヒータ３６を制御する。したがって、一般に高価とされる一酸化炭素濃度センサや二酸化炭素濃度センサに比して安価である水位計２４及び圧力計２６を用いる分、より一層の低コスト化を実現することができる。

また、燃料電池システム１０によれば、ドレンタンク本体３４にヒータ３６が一体に設けられたヒータ付ドレンタンク１８を適用している。したがって、例えば、アノードオフガスを気水分離する気水分離部と、リサイクルガスに水蒸気を混合させる水蒸気発生部とが別々に設けられる場合に比して、システムの小型化と、より一層の低コスト化を実現することができる。

次に、本発明の一実施形態の変形例について説明する。

（第一変形例）
図３に示される第一変形例では、本発明における「気水分離部」の一例として、ドレンタンク５４が用いられると共に、本発明における「水蒸気発生部」の一例として、バブラー５６が用いられている。

ドレンタンク５４は、アノードオフガスに含まれる水蒸気を凝縮し、アノードオフガスを気体と水とに分離させる。バブラー５６は、リサイクル経路３８におけるドレンタンク５４とブロワ２０との間に設けられている。このバブラー５６は、水蒸気発生器であり、ドレンタンク５４にて得られた水から水蒸気を発生させ、リサイクルガスに水蒸気を混合させる。バブラー５６の余剰水は、外部に排出される。ブロワ２０は、バブラー５６と選択酸化触媒２２との間に設けられている。水位計２４は、バブラー５６の水位に応じた水位検出信号を出力し、制御部３０は、バブラー制御信号を出力し、バブラー５６を制御する。

このように構成されていても、ブロワ２０を経由するリサイクルガスは、ドレンタンク５４にて予め水凝縮されているため、アノードオフガスよりも低温である。したがって、リサイクルガスがブロワ２０を経由する場合でも、ブロワ２０として高温用ブロワよりも安価な低温用ブロワを適用することができるので、低コスト化を実現することができる。

また、ドレンタンク５４にて得られた水からバブラー５６により水蒸気を発生させることで、この水蒸気がリサイクルガスと混合される。したがって、リサイクルガス中の水蒸気濃度が確保されることにより、リサイクルガスが流れるリサイクル経路３８では、シフト反応が進むため、炭素の析出を抑制することができる。

（第二変形例）
図４に示される第二変形例では、上述の第一変形例に対し、ブロワ２０の配置位置が変更されている。つまり、第二変形例において、ブロワ２０は、ドレンタンク５４とバブラー５６との間に設けられている。そして、バブラー５６は、リサイクル経路３８におけるブロワ２０よりも下流側において水蒸気を発生させる。

このように構成されていると、ブロワ２０の水耐性が不要になる。これにより、ブロワ２０に水耐性が低い安価なものを適用することができるので、より一層の低コスト化を実現することができる。

（第三変形例）
図５に示される第三変形例では、本発明における「気水分離部」の一例として、ドレンタンク５４が用いられると共に、本発明における「水蒸気発生部」の一例として、水タンク６６及び水ポンプ６８が用いられている。

水タンク６６は、ドレンタンク５４から供給された水を貯留する。ブロワ２０は、ドレンタンク５４と選択酸化触媒２２との間に設けられている。水ポンプ６８は、水タンク６６に貯留された水を、リサイクル経路３８におけるブロワ２０よりも下流側に供給する。リサイクル経路３８におけるブロワ２０よりも下流側に水が供給されると、この水がリサイクルガスによって加熱されて水蒸気となり、この水蒸気がリサイクルガスと混合される。水位計２４は、ドレンタンク５４の水位に応じた水位検出信号を出力し、制御部３０は、水ポンプ制御信号を出力し、水ポンプ６８を制御する。

また、水ポンプ６８からリサイクル経路３８に供給された水がリサイクルガスによって加熱されて水蒸気となり、この水蒸気がリサイクルガスと混合される。したがって、リサイクルガス中の水蒸気濃度が確保されることにより、リサイクルガスが流れるリサイクル経路３８では、シフト反応が進むため、炭素の析出を抑制することができる。

さらに、水ポンプ６８がリサイクル経路３８におけるブロワ２０よりも下流側に水を供給することにより、リサイクル経路３８におけるブロワ２０よりも下流側において水蒸気が発生するので、ブロワ２０の水耐性が不要になる。これにより、ブロワ２０に水耐性が低い安価なものを適用することができるので、より一層の低コスト化を実現することができる。

（第四変形例）
図６に示される第四変形例では、上記実施形態に対し、二酸化炭素改質器１２が省かれている。この第四変形例のように、ヒータ付ドレンタンク１８や選択酸化触媒２２を付与し、炭素析出に十分なケアができている場合には、一般的に二酸化炭素改質器１２に搭載されている触媒よりも炭素析出耐性の弱い燃料電池１４の燃料極（例えば、Ni-YSZ）に直接ガス供給することが可能となるので、二酸化炭素改質器１２が省かれても良い。

（その他の変形例）

上記第一乃至第三変形例には、本発明における「水蒸気発生部」の変形例が示されているが、気水分離部にて得られた水から水蒸気を発生させ、リサイクルガスに水蒸気を混合し得る水蒸気発生部であれば、どのような構成でも良い。

また、上記実施形態において、燃料電池１４は、一例として、固体酸化物形燃料電池であるが、一酸化炭素、二酸化炭素、及び、水蒸気を含むアノードオフガスを発生し得る燃料電池であれば、固体酸化物形燃料電池以外でも良い。

また、上記実施形態では、選択酸化触媒２２が用いられているが、選択酸化触媒２２が省かれても良い。

また、上記実施形態において、制御部３０は、水位計２４から出力された水位検出信号、及び、圧力計２６から出力された圧力検出信号に基づいて、空気供給バルブ２８及びヒータ３６を制御するが、水位検出信号及び圧力検出信号のどちらか一方の検出信号に基づいて、空気供給バルブ２８及びヒータ３６を制御しても良い。

また、上記実施形態では、本発明における「空気供給部」の一例として、空気供給バルブ２８が用いられているが、空気供給ポンプが用いられても良い。

なお、上記その他の変形例のうち組み合わせ可能な変形例は、適宜、組み合わされて実施されても良い。

また、上記その他の変形例は、上記第一乃至第四変形例と適宜組み合わされて実施されても良い。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

１０燃料電池システム
１２二酸化炭素改質器
１４燃料電池
１６燃焼器
１８ヒータ付ドレンタンク
２０ブロワ
２２選択酸化触媒
２４水位計（「検出部」の一例）
２６圧力計（「検出部」の一例）
２８空気供給バルブ（「空気供給部」の一例）
３０制御部
３２ホットボックス
３４ドレンタンク本体（「気水分離部」の一例）
３６ヒータ（「水蒸気発生部」の一例）
３８リサイクル経路
５４ドレンタンク（「気水分離部」の一例）
５６バブラー（「水蒸気発生部」の一例）
６６水タンク（「水蒸気発生部」の一例）
６８水ポンプ（「水蒸気発生部」の一例）

Claims

一酸化炭素及び水蒸気を含むアノードオフガスを発生する燃料電池と、
前記アノードオフガスに含まれる水蒸気を凝縮し、前記アノードオフガスを、一酸化炭素を含むリサイクルガスと水とに分離させる気水分離部と、
前記気水分離部と前記燃料電池との間のリサイクル経路に設けられ、前記リサイクル経路を通じて前記リサイクルガスを送るブロワと、
前記気水分離部にて得られた水から水蒸気を発生させ、前記リサイクルガスに水蒸気を混合させる水蒸気発生部と、
前記リサイクルガスに含まれる一酸化炭素と空気中の酸素とを反応させて二酸化炭素を生成する選択酸化触媒と、
前記気水分離部の水位に応じた水位検出信号を出力する水位計、及び、前記リサイクル経路の内部の圧力に応じた圧力検出信号を出力する圧力計の少なくとも一方を有する検出部と、
前記選択酸化触媒に空気を供給する空気供給部と、
前記検出部から出力された検出信号に基づいて前記空気供給部及び前記水蒸気発生部を制御する制御部と、
を備える燃料電池システム。
前記気水分離部は、前記アノードオフガスを前記リサイクルガスと水とに分離させるドレンタンク本体であり、
前記水蒸気発生部は、前記ドレンタンク本体に一体に設けられ、前記ドレンタンク本体と共にヒータ付ドレンタンクを構成するヒータである、
請求項１に記載の燃料電池システム。
前記水蒸気発生部は、前記リサイクル経路における前記ブロワよりも下流側において水蒸気を発生させる、
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。