JPWO2012161217A1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを備える燃料電池システムであって、セルスタックのオフガスに含まれる水を回収し貯留する回収水タンクと、回収水タンクの水位が所定の水位であるか否かを検知する水位センサと、回収水タンク内の水を排水するための排水配管と、排水配管に設けられた電磁弁と、水位センサにより回収水タンクの水位が所定の水位であると検知された場合には電磁弁を所定期間のみ開とする制御部と、を有する。

Description

本発明の種々の側面及び実施形態は、燃料電池を用いて発電する燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池システムとして、水素含有燃料を用いて水素含有ガスを発生させ、当該水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１記載のシステムは、水素含有ガスを発生させる改質器、及び改質器に供給する水を貯留する回収水タンクを備えている。この回収水タンクには、上限水位及び下限水位が設定されており、それぞれ水位センサが配置されている。水位センサにより回収水タンク内の水位が上限水位を超えたと検知された場合には、回収水タンクへの水の供給が停止される。なお、このような回収水タンクは、上限水位より上にオーバーフローを防止するための配管が設けられていることが一般的である。すなわち、回収水タンクはオーバーフロー防止用の配管を通じて大気に開放されている。

また、燃料電池システムとして、燃料電池が発電することで発生する水を回収して回収水タンクに貯留するとともに回収水タンクに貯留された水を発電等に再利用し、燃料電池システムの系外から給水を不用とする水自立システムを備えるものが知られている。

特開２０１０−２３８５９０号公報

ところで、燃料電池システムは、近年急速に普及しており、ニーズに応じた利用形態を実現できることが望まれている。例えば、燃料電池システムを水自立させつつ、送風機によって屋外から強制的に取り入れた外気を燃料電池のオフガスと一緒に密閉容器内で燃焼させるとともに強制的に燃焼排ガスを屋外へ放出する強制給排気式（Forced Flue：ＦＦ式）とすることが望まれている。なお、密閉容器とは、給排気流路を除き外気に対して密閉された容器のことをいう。

ここで、特許文献１記載の燃料電池システムを水自立システムとした場合、燃料電池から発生したオフガスに含まれる水を回収して回収水タンクに貯留することとなる。しかしながら、一般的に回収水タンクはオーバーフロー防止用の排水用配管が装置外部に開放されているため、余剰水が廃棄される本来の機能とは別に、オフガス又は燃焼排ガスの一部も排水用の配管から装置外へ漏洩されるおそれがある。すなわち、特許文献１記載の燃料電池システムを水自立システムとする場合、燃焼系統と通ずる回収水タンクの気密性は、燃料電池システムが自然給吸排気であれば十分であるものの、ＦＦ式とするためには不足である。なお、ここでいう気密性とは、回収水の流入経路を除き外気に対して気密であることをいう。

本技術分野では、回収水タンクの気密性を確保しながら水自立し、ＦＦ式を採用可能な燃料電池システムが望まれている。

本発明の一側面に係る燃料電池システムは、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを備える燃料電池システムである。燃料電池システムは、回収水タンク、水位センサ、排水配管、弁及び制御部を有する。回収水タンクは、セルスタックのオフガスに含まれる水を回収し貯留する。水位センサは、回収水タンクの水位が所定の水位であるか否かを検知する。排水配管は、回収水タンク内の水を排水するための配管である。弁は、排水配管に設けられる。制御部は、水位センサにより回収水タンクの水位が所定の水位であると検知された場合には弁を所定期間のみ開とする。

本発明の一側面に係る燃料電池システムによれば、セルスタックのオフガスに含まれる水が回収されて回収水タンクに貯留され再利用されるため、無給水で発電することができる。また、回収水タンクの水位が所定の水位である場合には、回収水タンクに設けられた排水配管の弁が制御部により所定期間のみ開とされる。このように、オーバーフローを起こす前に回収水タンク内の水を排出することができるので、大気に常に開放されたオーバーフロー用の配管を設ける必要がない。よって、回収水タンクの気密性を確保しながら排水することができる。

一実施形態では、前記オフガスに含まれる水を回収する熱交換器を備え、前記回収水タンクは、前記熱交換器により回収された水を貯留してもよい。一実施形態では、前記オフガスを燃焼させる燃焼部と、前記燃焼部の燃焼排ガスに含まれる水を回収する熱交換器を備え、前記回収水タンクは、前記熱交換器により回収された水を貯留してもよい。一実施形態では、水素含有燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部を備え、前記回収水タンクは、前記水素発生部へ水を供給するために水を貯留してもよい。

一実施形態では、前記制御部は、前記弁の開制御指示の回数をカウントし、開制御指示の回数が所定期間連続して所定値以上である場合には、異常が発生したと判定してもよい。このように構成することで、制御内容から水位センサ又は弁の異常を検知することができる。

一実施形態では、前記水位センサは、前記回収水タンクの水位が所定の水位でない場合には信号を出力し、前記回収水タンクの水位が所定の水位である場合には信号を停止する又は電気的な接続を遮断してもよい。このように構成することで、水位センサが断線故障した場合においても異常が発生したと判定することができる。

前記セルスタックから前記回収水タンクへ至る流路内の流体の圧力を計測する圧力センサを備え、前記制御部は、前記圧力センサにより検知された圧力が所定値以上である場合には、前記弁を閉としてもよい。このように構成することで、セルスタックから改質用水タンクへ至る流路内の流体の圧力が急激に上昇した場合であっても、オフガス又は燃焼排ガスが改質用水タンクから大気へ放出されることを確実に防止することができる。

本発明によれば、回収水タンクの気密性を確保しながら排水することができる。

実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 図１の燃料電池システムの水自立機構を説明する概要図である。 図２に示す熱交換器の概要図である。 実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。 実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明する概要図である。 実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。 変形例に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 変形例に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

最初に燃料電池の基本構成について概説する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１に示されるように、燃料電池システム１は、脱硫部２と、水気化部３と、水素発生部４と、セルスタック５と、オフガス燃焼部６と、水素含有燃料供給部７と、水供給部８と、酸化剤供給部９と、パワーコンディショナー１０と、制御部１１と、を備えている。燃料電池システム１は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック５にて発電を行う。燃料電池システム１におけるセルスタック５の種類は特に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：Phosphoric Acid Fuel Cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten Carbonate Fuel Cell）、及び、その他の種類を採用することができる。なお、セルスタック５の種類、水素含有燃料の種類、及び改質方式等に応じて、図１に示す構成要素を適宜省略してもよい。また、燃料については、改質が必要な水素含有燃料以外であっても利用可能であり、純水素や有機ハイドライドの脱水素処理による水素ガスを用いてもよい。

水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。

酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。

脱硫部２は、水素発生部４に供給される水素含有燃料の脱硫を行う。脱硫部２は、水素含有燃料に含有される硫黄化合物を除去するための脱硫触媒を有している。脱硫部２の脱硫方式として、例えば、硫黄化合物を吸着して除去する吸着脱硫方式や、硫黄化合物を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式が採用される。脱硫部２は、脱硫した水素含有燃料を水素発生部４へ供給する。

水気化部３は、水を加熱し気化させることによって、水素発生部４に供給される水蒸気を生成する。水気化部３における水の加熱は、例えば、水素発生部４の熱、オフガス燃焼部６の熱、あるいは排ガスの熱を回収する等、燃料電池システム１内で発生した熱を用いてもよい。また、別途ヒータ、バーナ等の他熱源を用いて水を加熱してもよい。なお、図１では、一例としてオフガス燃焼部６から水素発生部４へ供給される熱のみ記載されているが、これに限定されない。水気化部３は、生成した水蒸気を水素発生部４へ供給する。

水素発生部４は、脱硫部２からの水素含有燃料を用いて水素リッチガス（水素含有ガス）を発生させる。水素発生部４は、水素含有燃料を改質触媒によって改質する改質器を有している。水素発生部４での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。なお、水素発生部４は、セルスタック５に要求される水素リッチガスの性状によって、改質触媒により改質する改質器の他に性状を調整するための構成を有する場合もある。例えば、セルスタック５のタイプが固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）であった場合、水素発生部４は、水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するための構成（例えば、シフト反応部、選択酸化反応部）を有する。水素発生部４は、水素リッチガスをセルスタック５のアノード１２へ供給する。

セルスタック５は、水素発生部４からの水素リッチガス及び酸化剤供給部９からの酸化剤を用いて発電を行う。セルスタック５は、水素リッチガスが供給されるアノード１２と、酸化剤が供給されるカソード１３と、アノード１２とカソード１３との間に配置される電解質１４と、を備えている。セルスタック５は、パワーコンディショナー１０を介して、電力を外部へ供給する。セルスタック５は、発電に用いられなかった水素リッチガス及び酸化剤をオフガスとして、オフガス燃焼部６へ供給する。なお、水素発生部４が備えている燃焼部（例えば、改質器を加熱する燃焼器など）をオフガス燃焼部６と共用してもよい。

オフガス燃焼部６は、セルスタック５から供給されるオフガスを燃焼させる。オフガス燃焼部６は、図示しない送風機によって強制的に取り入れた外気とオフガスとを混合させて密閉容器内で燃焼させるとともに強制的に燃焼排ガスを排ガスとして屋外へ放出する強制給排気式（Forced Flue：ＦＦ式）とされている。なお、密閉容器とは、給排気する外気以外の屋内に対して密閉された容器のことをいう。オフガス燃焼部６によって発生する熱は、水素発生部４へ供給され、水素発生部４での水素リッチガスの発生に用いられる。

水素含有燃料供給部７は、脱硫部２へ水素含有燃料を供給する。水供給部８は、水気化部３へ水を供給する。酸化剤供給部９は、セルスタック５のカソード１３へ酸化剤を供給する。水素含有燃料供給部７、水供給部８、及び酸化剤供給部９は、例えばポンプによって構成されており、制御部１１からの制御信号に基づいて駆動する。

パワーコンディショナー１０は、セルスタック５からの電力を、外部での電力使用状態に合わせて調整する。パワーコンディショナー１０は、例えば、電圧を変換する処理や、直流電力を交流電力へ変換する処理を行う。

制御部１１は、燃料電池システム１全体の制御処理を行う。制御部１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイスによって構成される。制御部１１は、水素含有燃料供給部７、水供給部８、酸化剤供給部９、パワーコンディショナー１０、その他、図示されないセンサや補機と電気的に接続されている。制御部１１は、燃料電池システム１内で発生する各種信号を取得すると共に、燃料電池システム１内の各機器へ制御信号を出力する。

ここで、燃料電池システム１は、セルスタック５が発電することで発生する水を回収して回収水タンクに貯留するとともに回収水タンクに貯留された水を発電等に再利用する水自立機構を備えている。水自立とは、外部から水の補給を受けずに燃料電池の運転継続が可能な状態に維持されることである。セルスタック５の反応で生成されるオフガス、又は、オフガス燃焼部６から排出される燃焼排ガスには、水分が含まれている。これらのガスから凝縮によって水を回収し、水処理装置で脱イオン等の処理をした後、改質器（水蒸気改質）で再利用することで、外部から水の補給を受けずに燃料電池の運転継続が可能な状態に維持する機構を水自立機構という。

以下、ＦＦ式の燃料電池システム１における水自立機構を概説する。図２は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図２では、図１の水供給部８を詳細に記載し、水自立機構に関係のない部分は一部省略した。図２に示されるように、燃料電池システム１は、熱交換器８１、水質処理部８２及び回収水タンク８３を備えている。熱交換器８１、水質処理部８２及び回収水タンク８３は、図１に示す水供給部８を構成する要素である。

熱交換器８１は、オフガス燃焼部６に接続されている。熱交換器８１には、オフガス燃焼部６の燃焼排ガスが供給される。熱交換器８１は、流入した燃焼排ガスを冷却し、排ガス及び水に分離させて流出する。

熱交換器８１の詳細な構成を図３に示す。図３に示されるように、熱交換器８１の筐体の内部は、フィン８１ａが設けられており、このフィン８１ａによって筐体の内部は２つの部屋に分割されている。筐体の下部側壁には、一方の部屋内部へ連通する冷却水用の入口部８１ｆが設けられている。筐体の上部側壁には、一方の部屋内部へ連通する冷却水用の出口部８１ｅが設けられている。このため、冷却水は筐体下部側の入口部８１ｆから一方の部屋へ流入し、筐体上部側の出口部８１ｅから外部へ流出する。さらに、筐体の上部には、他方の部屋内部へ連通する燃焼排ガス用の入口部８１ｂが設けられている。筐体の下部側壁及び下部には、他方の部屋内部へ連通する排ガス用の出口部８１ｃ及び水用の出口部８１ｄがそれぞれ設けられている。燃焼排ガスは、筐体上部の入口部８１ｂから他方の部屋へ流入し、筐体下部側へ向かう途中に、フィン８１ａを介して冷却水により冷却される。このため、燃焼排ガスに含まれる水分は凝縮して水となる。燃焼排ガスから分離された気体は、排ガスとして出口部８１ｃから流出し、例えば配管を通じて屋外（大気）へ放出される。一方、分離された水は、重力により出口部８１ｄから流出する。

図２に戻り、熱交換器８１の出口部８１ｄ側は、水質処理部８２に接続されている。水質処理部８２は、水に含まれる不純物を除去する。不純物が除去された水は、回収水タンク８３へ流れ込み貯留される。回収水タンク８３は、水ポンプ９２を介して水気化部３に接続されている。水気化部３は、回収水タンク８３に貯留された水を用いて、水素発生部４へ供給される水蒸気を生成する。

このように、セルスタック５の発電により発生した水は、熱交換器８１により回収され、水質処理部８２により不純物が取り除かれて回収水タンク８３に貯留され、発電に再利用される。水自立機構は、燃料電池システム１の運転状況に応じて時々刻々と増減する回収水タンク８３の水位を適切に管理し、水自立を実現させている。

回収水タンク８３には、水位センサ８４が設けられている。水位センサ８４は、回収水タンク８３の水位が所定の水位であるか否かを検知する。水位センサ８４は、回収水タンク８３の水位が限界水位（満水）であるか否かを検知するために、例えば、設定された上限水位付近に配置される。水位センサ８４としては、例えば電極式、フロートスイッチ、光学センサ、光電センサなどの各種レベルセンサ類を用いてもよく、圧力センサで代用してもよい。また、回収水タンク８３には、回収水タンク８３内の水を排水するための排水配管８７が接続されている。排水配管８７は、排水配管８７の接続口が常に水位よりも低い位置となるように、例えば回収水タンク８３の下部に接続されている。排水配管８７には、電磁弁８６が設けられている。回収水タンク８３の水は、電磁弁８６が開状態とされたときには放出され、電磁弁８６が閉状態とされたときには放出されない。回収水タンク８３は、排水配管８７のみを介して大気に連通されているため、回収水タンク８３は電磁弁８６が開状態となったときでも排水配管８７が水で満たされている限り大気に開放されていない状態となる。

セルスタック５から回収水タンク８３までの流路には、流体圧力を検出するための圧力センサが配置されている。第１の圧力センサ９０は、オフガス燃焼部６と熱交換器８１とを接続する流路内の流体圧力を検出する。第２の圧力センサ９１は、熱交換器８１と水質処理部８２とを接続する流路内の流体圧力を検出する。

上述した水位センサ８４、電磁弁８６、圧力センサ９０，９１は、上述の制御部１１と電気的又は制御可能に接続されている。

次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作について説明する。図４は、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作を示すフローチャートである。図４に示される制御処理は、制御部１１により実行される。例えば、電源ＯＮのタイミングから所定の間隔で繰り返し実行される。

図４に示されるように、最初に、制御部１１は、上限水位を検知したか否かを判定する（Ｓ１０）。制御部１１は、水位センサ８４によって回収水タンク８３の水位が上限水位に達したことを検知されたか否かを判定する。水位センサ８４は、図５の（ｂ）に示されるように、回収水タンク８３の水位が上限水位でない場合には信号を出力し、図５の（ａ）に示されるように、回収水タンク８３の水位が上限水位である場合には信号を停止、又は電気的な接続を遮断（断線）する。このため、制御部１１は、水位センサ８４から信号が出力されなくなった場合には、上限水位を検知したと判定する。Ｓ１０の処理において、制御部１１は、上限水位を検知していないと判定した場合には、カウンターをリセットする（Ｓ２２）。カウンターの詳細については後述する。そして、図４に示す制御処理を終了する。

一方、制御部１１は、上限水位を検知したと判定した場合には、一定期間電磁弁８６を開とする（Ｓ１２）。一定期間としては、水自立のための水を損失しないように長すぎない値が採用される。ここでは一例として２秒として説明する。一定期間経過後、制御部１１は、電磁弁８６を閉とする（Ｓ１４）。そして、制御部１１は、カウンターを１つ増加させる（Ｓ１６）。このカウンターは、電磁弁８６を開とする開制御指示の回数を示すものである。電磁弁８６の開制御はここでは２秒であるので、カウンター１つが２秒を意味することになる。すなわち、このカウンターはタイマーとしても機能し得る。そして、制御部１１は、カウンターが所定値より大きいか否かを判定する（Ｓ１８）。この所定値は、水位センサ８４の検知位置と回収水タンク８３の容量との余裕しろに基づいて予め定められ、ここでは１０が採用されている。なお、Ｓ１８の処理を言い換えれば、制御部１１は、カウンターを用いて電磁弁８６を開としてからの経過時間を判定しているといえる。例えば、開制御の時間が２秒、カウンターの判定閾値が１０回であるとすると、制御部１１は、電磁弁８６を最初に開としたタイミングから２０秒間水位が上限水位を超えているか否かを判定しているといえる。制御部１１は、カウンターが１０より大きくないと判定した場合には、Ｓ１０に示す処理に戻る。このため、カウンターが１０より大きくない場合には、制御部１１は、Ｓ１０の処理で上限水位を検知し続ける限り、Ｓ１２〜Ｓ１８に示す処理を繰り返し実行することとなる。

一方、制御部１１は、カウンターが１０より大きいと判定した場合には、燃料電池システム１に異常が発生したと判定し、アラームを出力する（Ｓ２０）。そして、図４に示す制御処理を終了する。

以上で図４に示す制御処理を終了する。図４に示す制御処理を実行することにより、回収水タンク８３内の水位が上限水位を超えた場合には、電磁弁８６が開とされ、上限水位を下回るまで回収水タンク８３に貯留された水が放出される。このため、回収水タンク８３は、大気開放を避けた状態で、水位が上限水位を下回るように制御される。このように、上限水位を超えるときのみ回収水タンク８３は水を放出するように制御されるため、セルスタック５から流出されたオフガス又はオフガス燃焼部６から流出された燃焼排ガスが熱交換器８１、水質処理部８２を経由して回収水タンク８３へ到達し、外気へ放出されることを回避することができる。従って、燃料電池システム１を例えば屋内に配置した場合であっても、燃焼系統と通ずる回収水タンク８３の気密性が確保されていることから有害なガスが屋内へ放出されることはない。よって、燃料電池システム１をＦＦ式とすることができる。なお、気密性とは、回収水の流入経路を除き外気に対して気密であることをいう。

また、一定期間、電磁弁８６を開制御しているにもかかわらず水位が低下しない場合には、逆流や排水配管８７のつまり等が考えられる。このため、電磁弁８６の開制御指示の回数がカウントされ、開制御指示の回数が所定期間連続して所定値以上となった場合には、燃料電池システム１に異常が発生したと判定される。なお、開制御の時間は一定とされているので、開制御指示の回数は時間に関連付けすることができる。すなわち、一定期間、水位センサ８４により回収水タンク８３の水位が連続して上限水位を超えていると検知された場合には、燃料電池システム１に異常が発生したと判定される。

次に、圧力センサの出力結果を用いた動作について説明する。図６は、本実施形態に係る燃料電池システム１の圧力センサの出力結果を用いた動作を説明するフローチャートである。図６に示される制御処理は、制御部１１により実行される。例えば、電源ＯＮのタイミングから所定の間隔で繰り返し実行される。なお、図６の制御処理内容が図４に示す制御処理内容に矛盾する場合には、図６に示す制御処理が優先されるものとする。

図６に示されるように、最初に、制御部１１は、圧力測定を行う（Ｓ３０）。制御部１１は、圧力センサ９０，９１からの出力によって流体圧力を計測する。そして、制御部１１は、流体圧力の大きさが所定値（閾値）以上であるか否かを判定する（Ｓ３２）。そして、制御部１１は、流体圧力の大きさが所定値以上でない場合には、図６に示す制御処理を終了する。一方、制御部１１は、流体圧力の大きさが所定値以上の場合には、電磁弁８６を閉とする（Ｓ３４）。そして、アラームを出力する（Ｓ３６）。そして、図４に示す制御処理を終了する。そして、図６に示す制御処理を終了する。

以上で図６に示す制御処理を終了する。図６に示す制御処理を実行することにより、流体圧力が所定値を超えた場合には、電磁弁８６が閉とされる。このため、流体圧力の増大によって、セルスタック５から流出されたオフガス又はオフガス燃焼部６から流出された燃焼排ガスが熱交換器８１、水質処理部８２を経由して回収水タンク８３へ到達し、外気へ放出されることを回避することができる。

上述の通り、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、オフガス又は燃焼排ガスに含まれる水が回収されて回収水タンク８３に貯留され再利用されるため、無給水で発電することができる。また、回収水タンク８３の水位が所定の水位である場合には、回収水タンク８３に設けられた排水配管８７の電磁弁８６が制御部１１により所定期間のみ開とされる。このように、オーバーフローを起こす前に回収水タンク８３内の水を排出することができるので、大気に常に開放されたオーバーフロー用の配管を設ける必要がない。よって、回収水タンク８３の気密性を確保しながら排水することができる。このため、燃料電池システム１をＦＦ式とすることが可能となる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、水位センサ８４若しくは電磁弁８６の異常又は配管のつまり等を制御内容から検知することができる。また、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、水位センサ８４が断線故障した場合においても、上限水位を検知したと判定されるので、図４に示す制御により異常が発生したと判定することができる。

さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、セルスタック５から回収水タンク８３へ至る流路内の流体の圧力が急激に上昇した場合であっても、オフガス又は燃焼排ガスが回収水タンク８３から大気へ放出されることを確実に防止することができる。

なお、上述した各実施形態は本発明に係る燃料電池システムの一例を示すものである。本発明に係る燃料電池システムは、実施形態に係る燃料電池システムに限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、実施形態に係る燃料電池システムを変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、上述した実施形態では、第１の圧力センサ９０及び第２の圧力センサ９１を備える例を説明したが、必ずしも備える必要はない。また、何れか一方のみ備える構成としてもよい。

また、上述した実施形態では、図４に示すＳ２０及び図６に示すＳ３６においてアラームを出力しているが、これに限られるものではない。例えば、燃料電池システム１の緊急停止であってもよいし、その他の処理を実行してもよい。

また、上述した実施形態では、図２に示す熱交換器８１がオフガス燃焼部６に接続される例を説明したが、水素発生部４に改質用燃焼部を備え、オフガス燃焼部６及び改質用燃焼部の何れか一方に接続される場合であってもよい。この場合、圧力センサ９０はオフガス燃焼部６及び改質用燃焼部の何れかに接続する流路の圧力のみを測定すればよい。さらに、オフガス燃焼部６及び改質用燃焼部を一つの燃焼部で共用し、共用した燃焼部と熱交換器８１とが接続されていてもよい。

また、上述した実施形態では、熱交換器８１と回収水タンク８３との間に水質処理部８２を配置し、熱交換器８１で回収された水が水質処理部８２を通過して回収水タンク８３に貯留される例を説明したが、これに限られるものではない。例えば、回収水タンク８３と水気化部３との間に水質処理部８２を配置し、回収水タンク８３に貯留した水が水質処理部８２を通過して水気化部３へ供給されてもよい。また、熱交換器８１と回収水タンク８３との間、及び、回収水タンク８３と水気化部３との間のいずれにも水質処理部８２を配置してもよい。

また、上述した実施形態では、セルスタック５のオフガスを燃焼させた燃焼排ガスに含まれる水分を回収する回収水タンク８３を説明したが、これに限られるのものではなく、カソードのオフガスに含まれる水分を直接回収する回収水タンクであってもよい。以下、詳細を説明する。

図７は、変形例に係る燃料システム１の構成を示すブロック図である。図７に示す燃料システム１は、図２に示す燃料システム１とほぼ同様に構成され、図２に示す燃料システム１と比べて、オフガス燃焼部６のガスの出力先、熱交換器８１で用いるガスの入力元と出力先とが異なる。さらに、図７に示す燃料システム１は、固体高分子形燃料電池を用いており、アノード加湿器９４及びカソード加湿器９５を備える点が図２に示す燃料システム１と相違する。以下は説明理解の容易性を考慮して、重複する説明は省略し、相違点を中心に説明する。

セルスタック５のアノード１２のオフガスは、アノード１２とオフガス燃焼部６とを接続する流路を通り、オフガス燃焼部６へ供給される。セルスタック５のカソード１３のオフガスは、カソード１３と熱交換器８１とを接続する流路を通り、熱交換器８１へ供給される。熱交換器８１を通過したカソードオフガスは、カソード１３とオフガス燃焼部６とを接続する流路を通り、オフガス燃焼部６へ供給される。

オフガス燃焼部６は、供給されたアノード１２及びカソード１３のオフガスと、供給された空気とを入力して燃焼し、燃焼排ガスを外部へ排気する。

カソード１３と熱交換器８１とを接続する流路には、第１の圧力センサ９０が設けられている。第1の圧力センサ９０は、カソード１３と熱交換器８１とを接続する流路内に流路内の流体圧力を検出する。

アノード１２に供給される水素リッチガスは、アノード加湿器９４によって加湿されてアノード１２へ供給される。カソード１３へ供給される酸化剤（空気）は、カソード加湿器９５によって加湿されてカソード１３へ供給される。回収水タンク８３に貯留された水は、改質以外の用途、例えば、アノード加湿器９４及びカソード加湿器９５へ供給する水として用いることができる。図７に示す例では、回収水タンク８３に貯留された水が水ポンプ９３によってアノード加湿器９４及びカソード加湿器９５へ供給される。

図７に示す燃料電池システム１であっても、回収水タンク８３の気密性を確保しながら排水することができる。

さらに、図７に示す燃料電池システム１を図８に示す燃料電池システム１へ変形してもよい。図８に示す燃料電池システム１は、図７に示す燃料電池システム１と比べて、脱硫部２、水気化部３、水素発生部４及び水ポンプ９２を備えておらず、これらの構成要素の替わりとして純水素を供給する水素ボンベ９６を備えている点が相違する。その他の構成は図７と同一である。図８に示す燃料電池システム１であっても、回収水タンク８３の気密性を確保しながら排水することができる。また、燃料ガスが純水素の場合には、回収水タンク８３に貯留された水はアノード加湿器９４及びカソード加湿器９５へ供給する水として用いることができる。

１…燃料電池システム、４…水素発生部、５…セルスタック、６…オフガス燃焼部、１１…制御部、８１…熱交換器、８３…回収水タンク、８４…水位センサ、８６…排水配管、８７…電磁弁、９０，９１…圧力センサ。

Claims (7)

1. 水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを備える燃料電池システムであって、
   前記セルスタックのオフガスに含まれる水を回収し貯留する回収水タンクと、
   前記回収水タンクの水位が所定の水位であるか否かを検知する水位センサと、
   前記回収水タンク内の水を排水するための排水配管と、
   前記排水配管に設けられた弁と、
   前記水位センサにより前記回収水タンクの水位が所定の水位であると検知された場合には前記弁を所定期間のみ開とする制御部と、
   を有する燃料電池システム。
2. 前記オフガスに含まれる水を回収する熱交換器を備え、
   前記回収水タンクは、前記熱交換器により回収された水を貯留する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記オフガスを燃焼させる燃焼部と、
   前記燃焼部の燃焼排ガスに含まれる水を回収する熱交換器を備え、
   前記回収水タンクは、前記熱交換器により回収された水を貯留する請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 水素含有燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部を備え、
   前記回収水タンクは、前記水素発生部へ水を供給するために水を貯留する請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御部は、前記弁の開制御指示の回数をカウントし、開制御指示の回数が所定期間連続して所定値以上である場合には、異常が発生したと判定する請求項１〜４の何れか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記水位センサは、前記回収水タンクの水位が所定の水位でない場合には信号を出力し、前記回収水タンクの水位が所定の水位である場合には信号を停止する又は電気的な接続を遮断する請求項１〜５の何れか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記セルスタックから前記回収水タンクへ至る流路内の流体の圧力を計測する圧力センサを備え、
   前記制御部は、前記圧力センサにより検知された圧力が所定値以上である場合には、前記弁を閉とする請求項１〜６の何れか一項に記載の燃料電池システム。

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