WO2006013917A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2006013917A1
WO2006013917A1 PCT/JP2005/014281 JP2005014281W WO2006013917A1 WO 2006013917 A1 WO2006013917 A1 WO 2006013917A1 JP 2005014281 W JP2005014281 W JP 2005014281W WO 2006013917 A1 WO2006013917 A1 WO 2006013917A1
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gas
pipe
fuel cell
fuel
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PCT/JP2005/014281
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Hideo Ohara
Masataka Ozeki
Akinari Nakamura
Yoshikazu Tanaka
Shigeki Yasuda
Takashi Nishikawa
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to an emergency stop technology such as a power failure of the fuel cell system.
  • a fuel cell system causes a hydrogen-rich fuel gas supplied as a reducing agent gas to an anode of a fuel cell to react with air supplied as an oxidant gas to a power sword of the fuel cell inside the fuel cell.
  • This fuel gas is generally generated from a raw material gas such as city gas and steam by a steam reforming reaction inside a fuel processor called a reformer.
  • Patent Document 1 when the power generation of the fuel cell is stopped, the water supply means force is supplied to the fuel processor, and the hydrogen gas remaining in the fuel gas path is generated by water vapor generated by supplying water. A method of finally purging air inside the fuel gas path by introducing air for the purge air supply means after removing the fuel gas is shown.
  • this fuel cell system after the hydrogen gas of the fuel cell is discharged with water vapor, air is supplied to the inside of the fuel cell, thereby preventing water droplet corrosion due to water vapor.
  • the power generation of the fuel cell system is stopped.
  • an inert gas nitrogen gas
  • the gas (fuel gas, etc.) remaining inside these devices is introduced to the burner via the fuel processor and the fuel cell.
  • the nitrogen gas storage device can be eliminated and the cost can be reduced.
  • Patent document 1 International publication 01Z97312 pamphlet
  • Patent Document 1 The fuel cell system described in Patent Document 1 can smoothly execute a normal stop operation by appropriately controlling the entire system such as a fuel processor and a burner while surely reducing the purge processing cost. There remains a question as to whether or not it is capable of performing an appropriate and quick stop operation in the event of an emergency stop in an unforeseen situation such as power S or power failure.
  • the fuel gas cylinder filled in the pipe connecting the fuel cell and the burner For example, at the time of an emergency stop, the fuel gas cylinder filled in the pipe connecting the fuel cell and the burner. Based on the considerations shown below, the burner maintained at a high temperature (for example, about 600 ° C) If the fuel gas that has diffused and diffused and leaked into the burner is mixed with air mixed with the burner exhaust port force and diluted to the flammable concentration range, the mixed gas is abnormally burned near the burner. There is a concern to cause.
  • the steam reforming reaction proceeds by the unreacted raw material gas remaining in the fuel processor and the heat of the fuel generator kept at a high temperature. To do. Since the steam reforming reaction in the fuel processor is expressed by the following equation (1), as the reforming reaction proceeds, the volume of gas existing inside the fuel cell system increases, It is thought that the fuel gas that fills the piping and the like is pushed to the downstream side by such an increase in gas volume, and the fuel gas diffuses to the burner.
  • the present invention has been made in view of the circumstances as described above, and its purpose is at the time of an emergency stop due to an unexpected situation such as a power failure without using an auxiliary power source or an inert gas (nitrogen gas).
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell system that enables an appropriate and quick stop operation.
  • the pipe led from the anode of the fuel cell to the burner (in short, it corresponds to the fuel gas recirculation pipe 105 and the combustion fuel gas pipe 106 described in the description of the embodiment below)
  • the present inventors thought that it would be useful to install a gas piping on-off valve that would close in the event of an unforeseen event such as a power outage at an appropriate location.
  • hydrogen gas containing water vapor (hereinafter referred to as the following) is generated by the fuel processor and supplied to the anode.
  • hydrogen gas or the off-gas containing steam after being generated by the fuel processor and supplied to the anode is supplied as fuel gas to the burner.
  • components that do not contribute to fuel gas combustion, such as water (water vapor or water droplets), in hydrogen gas or off-gas require extra energy to raise the temperature, thereby reducing the energy efficiency of the fuel cell system.
  • water water vapor or water droplets
  • a fuel removal system that removes moisture in hydrogen gas or off-gas and collects it as condensed water is standardly provided in the fuel cell system in the middle of the above-mentioned piping through which the fuel gas flows through the burner. ing.
  • upstream pipe located upstream in the fuel gas flow direction of the moisture removing device, problem It turned out to be.
  • the gas-powered water vapor containing a large amount of water vapor condenses. Condensed water droplets will adhere to the inner surface of the pipe and the interior of the burner. If this happens, at the start of the next burner combustion, the condensed water may cause a flame misfire or incomplete combustion of the burner, which may cause the generation of incomplete combustion gases such as CO gas.
  • the gas existing inside the moisture removing apparatus also contains a combustible gas such as hydrogen gas, and this gas flows into the burner kept at a high temperature, and is discharged from the exhaust port of the burner. If mixed with leaked air, there is a possibility of abnormal combustion in the burner due to such mixed gas.
  • a combustible gas such as hydrogen gas
  • the fuel cell system includes a fuel cell having an outlet port through which fuel gas is consumed and power is generated, and the powerful fuel gas that is not consumed by the power generation is discharged, and the outlet port.
  • a water removal device that removes water contained in the fuel gas sent through, a burner that is disposed downstream of the water removal device and burns the fuel gas, and the water removal device and the burner communicate with each other
  • a gas pipe on-off valve for opening and closing the pipe, and the gas pipe on-off valve is closed when the power generation is stopped.
  • the gas pipe on-off valve is disposed in the pipe that connects the moisture removing device and the burner, the flammable gas inside the moisture removing device does not diffuse into the burner.
  • the gas pipe on-off valve is arranged in the pipe that connects the moisture removing device and the burner, the water vapor force contained in the internal gas of the moisture removing device does not flow along with the gas along with the gas. Therefore, it is possible to appropriately deal with such problems as flame misfire and incomplete combustion in the next combustion of the burner due to condensation of water vapor.
  • the fuel processor is provided that generates the fuel gas from raw material gas and water vapor, and the heat generated by burning the fuel gas in the burner is supplied to the fuel processor. OK.
  • the gas pipe on-off valve is preferably a normally closed type on-off valve that operates to close the pipe in a normal state.
  • the gas pipe on-off valve is configured by an electromagnetic valve that closes the pipe when energization is stopped.
  • a gas pressure relief mechanism may be provided upstream of the gas pipe on / off valve for the gas whose flow is blocked by closing the gas pipe on / off valve when the power generation is stopped.
  • the pressure relief mechanism there is a first water passage pipe described later.
  • a heat exchanging portion having a region through which the fuel gas flows and a water receiving portion for storing condensed water generated by the moisture force contained in the fuel gas are provided.
  • the fuel gas is cooled by heat exchange in the heat exchange section.
  • the moisture contained in the fuel gas includes both fine water droplets and water vapor in the fuel gas. In short, this is a component of water-related components that hinders combustion of the fuel gas. That means.
  • the baffle plate may be arranged in a region through which the fuel gas flows, and the fuel gas may be decelerated by the baffle plate.
  • the control device includes a water level detector that detects the water level of the condensed water accumulated in the water receiving portion, and a control device, and the control device is configured to perform the control based on a detection signal output from the water level detector.
  • the water level of the condensed water may be controlled.
  • an open end that communicates with the water receiving portion and is opened to the atmosphere above the water level of the condensed water when the internal pressure of the moisture removing device is positive with respect to atmospheric pressure is formed.
  • a first water passage pipe extending in such a manner that a part of the condensed water is led as pipe water into the first water passage pipe by the differential pressure between the internal pressure and the atmospheric pressure.
  • the first water passage pipe may be arranged so that the water level of the pipe water existing in one water passage pipe rises with respect to the water level of the condensed water.
  • the piping water (condensed water) contained in the first water passage piping has a function as a gas sealing portion, and the fuel gas is sealed inside the moisture removing device without using a solenoid valve. Can be stopped.
  • the first water passage piping can be given a function as a gas pressure relief mechanism. Even if abnormal combustion occurs in the fuel cell system due to unforeseen circumstances during a power failure, Piping water (condensed water) contained in the first water passage pipe is ejected, and the combustion gas can be discharged to the outside through the first water passage pipe, so that a rapid pressure inside the fuel cell system can be discharged. Can prevent the rise.
  • the water level of the condensed water may be controlled to be maintained above the lower limit of the water level derived from the internal volume force of the first water passage pipe.
  • the volume corresponding to the total amount of water of the condensed water and the amount of water of the pipe water may be larger than the internal volume of the first water passage pipe.
  • a water storage tank that stores water
  • a second water passage pipe that communicates the water receiving portion and the water storage tank
  • a water pipe opening and closing that opens and closes the second water passage pipe
  • a water level stored in the water storage tank and stored in the water storage tank so that water flows from the water storage tank toward the water reception section by opening the water pipe opening / closing valve.
  • the water level can be controlled! ,.
  • the water receiving tank can quickly supply water to the water receiving portion.
  • the water pipe on-off valve is desirably a normally open type on-off valve that operates to open the second water passage pipe in a normal state.
  • the water pipe on-off valve is configured by an electromagnetic valve that opens the second water passage pipe when energization is stopped.
  • a fuel processor that generates fuel gas from the raw material gas and water vapor, a raw material gas supplier that supplies the raw material gas to the fuel processor, and moisture contained in the fuel gas that is sent through the outlet port
  • a water removal device having a water receiving portion for storing the generated condensed water, a water level detector for detecting the water level of the condensed water, and a control device, wherein the water level detector includes the condensed water.
  • the lower limit of the water level is detected and output as a detection signal to the control device, and the control device determines whether or not to supply the raw material gas using the raw material gas supply device based on the detection signal. Judgment.
  • the control device stops the supply of the source gas using the source gas supply unit.
  • control device determines whether or not the raw material gas is supplied while monitoring the water level of the condensed water with reference to the lower limit, it is possible to reliably prevent the condensed water from being drained and drought.
  • an open end that communicates with the water receiving portion and that is open to the atmosphere above the water level of the condensed water when the internal pressure of the water removing device is positive with respect to atmospheric pressure.
  • the lower limit detected by the water level detector is derived from the internal volume force of the first water passage pipe.
  • a water storage tank that stores water
  • a second water passage pipe that communicates the water receiving portion and the water storage tank
  • a water pipe on-off valve that opens and closes the second water passage pipe
  • the control device opens the water pipe on / off valve at least until the water level exceeds the lower limit, and replenishes the water receiving part with water stored in the water storage tank through the second water passage pipe. May be configured to do so.
  • control device may close the water pipe on-off valve and supply the source gas using the source gas supplier.
  • the control device monitors the water level of the aggregated water based on the lower limit, and judges whether or not the raw material gas is supplied to prevent the aggregated water from draining.
  • Water storage tank power in the event of a shortage It is possible to quickly replenish water, and the operation of the fuel cell system can be made more efficient.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the internal configuration of the moisture removing apparatus.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating the configuration of a fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating the configuration of a fuel cell system according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 1.
  • the fuel cell system 100 mainly uses a fuel cell 12 that generates power by consuming a reducing agent gas (hydrogen-rich fuel gas) and an oxidant gas (air), and a direct current generated by the fuel cell 12 is converted into an alternating current.
  • a reducing agent gas hydrogen-rich fuel gas
  • an oxidant gas air
  • a fuel processor 11 that supplies fuel gas to the anode 12a of the fuel cell 12, an air blower 13 that supplies air to the power sword 12c of the fuel cell 12, and an outlet port 104 of the anode 12a Not consumed inside the fuel cell 12
  • a moisture removing device 15 for removing moisture contained in the remaining fuel gas (off-gas), and taking in air from the air intake port, mixing this air and the fuel gas, and combusting them to heat the fuel processor 11
  • a raw material gas supply device 19 for supplying a raw material gas such as city gas to the fuel processor 11.
  • the fuel processor 11 usually includes a reforming section (not shown) that generates a reformed gas from a raw material gas and steam by a steam reforming reaction, and steam and carbon monoxide gas and hydrogen gas. It has a built-in shift section (not shown) that shifts to oxidized carbon gas and a purification section (not shown) that reduces the carbon monoxide concentration to about 10 ppm or less by CO selective oxidation. Therefore, the reforming section has a reforming catalyst body (not shown) that promotes the reforming reaction, and the burner 16 is installed as a heat supply means for supplying reaction heat to the reforming catalyst body.
  • the piping system and piping valve of the fuel cell system 100 lead the air from the air blower 13 to the power sword 12c of the fuel cell 12, and release the remaining air flowing out from the power sword 12c to the atmosphere.
  • the air pipe 110 as a flow path, the raw material gas supply pipe 101 that leads the power generation raw material gas from the raw material gas supply 19 to the fuel processor 11, and the fuel gas that flows out of the fuel processor 11 to the anode 12 a of the fuel cell 12
  • the fuel gas supply pipe 102 for guiding the fuel gas, the fuel gas return pipe 105 for flowing the remaining fuel gas from the outlet port 104 of the anode 12 a toward the moisture removing device 15, and the fuel gas from which moisture has been removed by the moisture removing device 15 are burners.
  • the combustion fuel gas pipe 106 leading to 16 and the combustion fuel gas pipe 106 communicating with the burner 16 and the moisture removing device 15 are arranged in the middle of the gas pipe on-off valve 18 for opening and closing this, and the burner 16
  • a water discharge pipe 112 that flows to the outside for example, a condensed water tank
  • a water discharge that is arranged in the middle of the water discharge pipe 112 and periodically opens and closes the water discharge pipe 112 to discharge the condensed water 31 to the outside.
  • an electromagnetic valve 20 for use.
  • the gas pipe on-off valve 18 may be a normally closed type on-off valve that normally operates to close the combustion fuel gas pipe 106. More specifically, the gas pipe on-off valve 106 is connected to the combustion fuel gas pipe 106 when energized. It consists of an open / close solenoid valve that closes the combustion fuel gas pipe 106 when it is open and energized. As a result, in an unforeseen situation such as a power failure, the gas pipe opening / closing valve 18 automatically closes without requiring an auxiliary power supply, and appropriately performs an emergency stop operation of the fuel cell system 100. be able to.
  • the gas pipe on-off valve 18 is arranged in the middle of the combustion fuel gas pipe 106 that communicates the moisture removing device 15 and the burner 16, and as close as possible to the burner 16. Thereby, the diffusion of the fuel gas to the burner 16 can be kept to a minimum when the fuel cell system 100 is in an emergency stop. In short, by cutting off the gas communication between the moisture removal device 15 and the burner 16 in the vicinity of the burner 16, it is possible to prevent the combustible gas from leaking into the burner 16 as an abnormal combustion source of fuel gas. .
  • the control device 10 controls the air blower 13 and the combustion fan 21 to adjust the amount of air sent to the force sword 12c and the burner 16, and at the same time, adjusts the flow rate adjusting valve incorporated in the raw material gas supply device 19. And the supply amount of the raw material gas sent to the fuel processor 11 is appropriately adjusted by controlling the solenoid valve for opening and closing (not shown).
  • the control device 10 also controls the opening / closing operations of the gas pipe opening / closing valve 18 and the water discharge electromagnetic valve 20. In the figure, an output signal transmitted from the control device 10 to the controlled object is shown with a thin dotted line.
  • the force control device 10 receives detection signals from various sensors (such as a temperature sensor and a flow meter), and appropriately controls the operation of the fuel cell system 100 based on the detection signals. .
  • FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the internal configuration of the moisture removing device 15.
  • the moisture removing device 15 is formed on the bottomed cylindrical frame 45, the lid portion 48 that closes the upper surface of the frame 45, and the outer peripheral surface near the upper end of the frame 15.
  • a plurality of radiating fins 43 a cylindrical fuel gas inlet 40 that is connected to the fuel gas recirculation pipe 105 and is provided in the lid 48 and guides the fuel gas into the frame 45, and a combustion fuel Connected to the gas pipe 106 and provided in the lid 48, the cylindrical fuel gas outlet 41 for guiding the combustion gas that has passed through the inside of the frame 45 to the outside, and the vicinity of the fuel gas inlet / outlet 40, 41
  • the fuel gas is arranged inside the frame 45
  • a plurality of flat baffle plates 44 that make it easier to drip water droplets contained in the fuel gas by blocking the flow of the fuel gas and reducing the flow rate of the fuel gas, and the bottom of the frame 45 connected to the water discharge pipe 112 49, and a water outlet portion 42 for regularly guiding the condensed water 31 accumulated inside the frame
  • a substantially upper half of the frame 45 of the moisture removing device 15 forms a passage region 30 (fuel gas passage) through which the fuel gas (off gas) passes, and the fuel gas passes therethrough. It functions as a heat exchanging section 47 that efficiently releases the heat of the fuel gas by exchanging heat with air sent from the air blower fan (not shown) to the radiating fin 43 when passing through the region 30. is there.
  • the substantially lower half of the frame 45 of the moisture removing device 15 functions as a water receiving portion 46 for temporarily storing the condensed water 31 collected by the aggregation of the moisture contained in the fuel gas.
  • the air cooling effect of the fuel gas by the heat dissipating fins 43 existing in the passage region 30 and the fuel gas decelerating effect by the baffle plate 44 are combined to remove water contained in the fuel gas.
  • the moisture contained in the fuel gas in the present specification includes both fine water droplets and water vapor in the fuel gas. In short, this moisture is water that hinders combustion of the fuel gas. It refers to related ingredients.
  • the water level 31f of the condensed water 31 is excessively increased to prevent the problem of blocking the fuel gas inlet / outlet ports 40, 41 so that the fuel gas can pass through the moisture removing device 15 appropriately.
  • the upper limit 31u of the water level 31f of the condensed water 31 has been determined.
  • the distance from the upper limit 3 lu of the water level 31f of the condensed water 31 to the lid 48 is set to about 50 mm, so that the volume of the passage region 30 can be sufficiently reduced so that the fluid resistance of the fuel gas can be sufficiently reduced.
  • the water level 31f of the condensed water 31 is controlled by the control device 10 based on a detection signal output from a water level detector 33 (see FIG.
  • the burner 16 appropriately removes moisture contained in the fuel gas while ensuring the passage region 30 of the fuel gas corresponding to the fuel gas passage.
  • the water receiving portion 46 can reliably accumulate the condensed water 31 that functions as a gas sealing portion that prevents the release of fuel gas into the atmosphere.
  • the raw material gas is supplied while the temperature of the fuel processor 11 is maintained at about 700 ° C.
  • Hydrogen-rich fuel gas is generated by reforming the source gas supplied from the vessel 19 through the source gas supply pipe 101 and the water supplied from the water supply means (not shown) in the fuel processor 11 To do.
  • the fuel gas flowing out from the fuel processor 11 passes through the fuel gas supply pipe 102 and is sent to the anode 12a of the fuel cell 12.
  • the air sent from the air blower 5 is sent to the power sword 12 c of the fuel cell 1 through the air pipe 110.
  • the fuel cell 1 power is generated by consuming fuel gas (hydrogen gas) and air (oxygen gas).
  • the remaining fuel gas that is not consumed by the power generation of the fuel cell 12 is sent to the moisture removing device 15 through the fuel gas recirculation pipe 105, and then the moisture contained in the fuel gas is reduced by the moisture removing device 15.
  • the condensed water 31 is stored in the water receiving portion 46.
  • the fuel gas from which moisture has been removed after passing through the moisture removing device 15 passes through the gas pipe opening / closing valve 18 in the open state via the combustion fuel gas pipe 106 as the combustion fuel gas, and is sent to the burner 16. .
  • the fuel gas is mixed with the air blown from the combustion fan 21 and diluted inside the burner 16, and the heat of the combustion gas generated by burning the mixed gas is used to maintain the temperature of the fuel processor 11.
  • the condensed water 31 collected in the water receiving section 46 is discharged to the outside by periodically repeating the opening and closing operation of the water discharge electromagnetic valve 20, and this causes the condensed water 31 to accumulate too much.
  • the condensed water 31 from blocking the passage region 30 of the fuel gas, it is also possible to prevent the fuel gas from being discharged to the outside through the water outlet portion 42 when the condensed water 31 is eliminated.
  • the combustion gas that has provided heat to the fuel processor 11 is released to the atmosphere through the combustion gas passage 111, and the remaining air that has not been consumed by the power generation of the fuel cell 12 also passes through the air pipe 110. Released into the atmosphere.
  • the control device 10 may be supplied with power from some auxiliary power source to quickly close the open / close solenoid valve and the gas pipe on / off valve 18 of the raw material gas supply 19.
  • the on-off valve 18 is preferably configured to automatically close without using an auxiliary power source. For example, if the gas pipe open / close valve 18 is a normally closed solenoid valve that normally operates to close the combustion fuel gas pipe 106, the gas pipe open / close valve 18 will automatically be turned on in the event of a power failure. It does not require a separate auxiliary power supply for operation of the gas piping on-off valve 18 because of the clogging operation.
  • the fuel gas filled in the fuel cell system 100 diffuses toward the burner 16 without using an auxiliary power source or an inert gas, By closing the gas piping on-off valve 18, the leaked fuel gas is mixed with the air mixed from the exhaust port 17 toward the burner 16 and abnormal combustion occurs near the burner 16. The cause of abnormal combustion near the burner 16 can be fundamentally eliminated.
  • the gas pipe opening / closing valve 18 is disposed in the middle of the combustion fuel gas pipe 106 communicating with the moisture removing device 15 and the burner 16, the combustible gas inside the moisture removing device 15 is provided. However, when the fuel ionization power generation system 100 is stopped, it does not spread to the burner 16.
  • the gas pipe opening / closing valve 18 is disposed in the middle of the combustion fuel gas pipe 106 communicating with the moisture removing device 15 and the burner 16, the water vapor contained in the internal gas of the moisture removing device 15 is reduced. As a result, the gas does not flow in the direction of the burner 16, and problems such as flame misfire and incomplete combustion of the burner 16 due to the condensation of water vapor can be prevented.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the peripheral structure of the water removing device 15 is mainly connected to the water receiving portion 46, and the water level of the condensed water 31 in the water receiving portion 46 when the internal pressure of the water removing device 15 is positive with respect to atmospheric pressure. Detects the first water passage pipe 32 that also has a water pipe force that extends to form an open end 32u that is open to the atmosphere above 3 mm, and the water level 31f of the condensed water 31 accumulated in the water receiving part 46 And a water level detector 33.
  • a float type level switch is used as the water level detector 33, and the water level 31f of the condensed water 31 is detected by a signal of an electromagnetic on / off switch.
  • the first water passage pipe 32 has a mechanism as a gas sealing part that seals the fuel gas inside the moisture removing device 15, and one end of the first water passage pipe 32 is connected to the water via the water outlet part 42.
  • the first water passage pipe 32 is formed in a substantially L shape (a U-shaped pipe with one arm shortened) so as to communicate with the receiving portion 46 and have the other end thereof as the open end 32u as described above.
  • a part of the condensed water 31 collected in the water receiving portion 46 is used as the piping water 34 that fills the inside of the first water passage piping 32, and the fuel gas can be easily supplied to the piping water 34 without using the solenoid valve. It is possible to provide a sealing function.
  • the first water passage pipe 32 is parallel to the direction of the vertical movement of the water level 31f of the condensed water 31. It has a vertical part 35 that extends above the water level of 3 mm of the brackets. Even when the inside of the water removing means 15 shows the maximum pressure, the water level differential pressure between the water level 34f of the piping water 34 and the water level 31f of the condensed water 31 existing in the first water passage piping 32 is The length of the vertical portion 35 of the first water passage pipe 32 is designed so that the pipe water 34 is stabilized inside the first water passage pipe 32 in proportion to the maximum internal pressure.
  • the length of the vertical portion 35 of the first water passage pipe 32 from O) is determined so as to extend in the vertical direction by at least 200 mm from the water level 3 If of the condensed water 31 remaining in the water receiving portion 46.
  • this is only an example of a standard for the length of the vertical portion 35, and a different standard may be adopted.
  • the lower limit 31d of the water level 31f of the condensed water 31 (this is the first water passage pipe 32 described below)
  • the vertical portion 35 may be extended in the vertical direction by at least 200 mm from the content.
  • the water level 31f of the condensed water 31 is kept above its lower limit 31d, and the pipe water 34 existing in the first water passage pipe 32 is also contained in the water removal device 15 at the maximum value of the internal pressure. Therefore, the first water passage pipe 32 effectively functions as a gas sealing portion for all the pressures assumed in the moisture removing device 15.
  • the upper limit 31u of the water level 31f of the condensed water 31 is determined so that the fuel gas can appropriately pass through the moisture removing device 15 while preventing the defects.
  • the open end 32u of the first water passage pipe 32 is aggregated. It is located below the position assumed as the upper limit 31u of water 31.
  • the moisture contained in the fuel gas is continuously removed by the moisture removing device 15, so that moisture continuously accumulates in the water receiving portion 46.
  • the internal pressure of the water removal device 15 is in an atmospheric pressure state, the water level 31f of the condensed water 31 and the water level 34f of the piping water 34 rise while the water removal device 15 replenishes water while being kept horizontal.
  • the piping water 34 is automatically discharged to the outside, so that the water level 3 If, 34f exceeds this point. Will not rise.
  • the condensed water 31 is discharged from the water receiving part 46 within the range of the assumed internal pressure (2 kPa or less) of the water removing device 15. It becomes possible to prevent 31 water withering.
  • the volume corresponding to the total water volume (V2) the volume of the first water passage pipe 32 (VI), and this total water capacity is also estimated by subtracting the amount of water used as the pipe water 34
  • the position of the lower limit 31 d may be determined based on the volume corresponding to the estimated water amount of the flocculated water 31.
  • the viewpoint of allowing the water amount of the flocculated water 31 to have a margin and simply obtaining the lower limit 31d. From (volume corresponding to the amount of water at the lower limit 31d of the condensed water 31) volume (VI) of the first water passage pipe 32, the position of the lower limit 31d of the condensed water 31 may be determined based on this volume. .
  • the second embodiment it is possible to secure at least 120cc as the amount of the condensed water 31 accumulated in the water receiving portion 46, with respect to the internal volume (VI) of the first water passage pipe 32 being 80cc.
  • the position of the lower limit 31d of the water level 31 is determined, this position is detected by the water level detector 33, and based on the detection signal output from the water level detector 33, the control device 10 determines the fuel as described later. The operation of the battery system 100 is controlled.
  • the internal pressure of the water removal device is a constant pressure (P1) during normal operation of the fuel cell system 100
  • P1 a constant pressure
  • the water level 34f of the pipe water 34 existing in the first water passage pipe 32 is shown in FIG.
  • the inside of the first water passage pipe rises toward the open end 32u by the differential pressure between the internal pressure (P1) and the atmospheric pressure (P0) of the moisture removing device 15, and stops at a fixed position.
  • the water level 34f of the piping water 34 continues to rise in conjunction with the rise of the water level 31f of the condensed water 31 by sequentially removing the water contained in the fuel gas by the water removal device 15. 1S
  • the influence of such a rise in the water level is ignored, and the explanation will be simplified.
  • the water level 34f of the pipe water 34 existing in the first water passage pipe 32 extends above the water level 3 ⁇ of the coagulated water 31 remaining in the water receiving part 46.
  • the pressure caused by the water level difference between the water level 31f and the water level 34f of the pipe water 34 and the above differential pressure (PI-P2) balance, and the water level 34f of the pipe water 34 can be kept stationary.
  • the water level position where the water level 31f of the flocculated water 31 is lowered by the internal pressure of the moisture removing device 15 is a force that changes depending on the amount of water of the flocculated water 31 originally. You may control so that a water level position may be kept above the lower limit 31d of the water level 31f of the already described condensed water 31. FIG. In this way, the gas sealing function of the first water passage pipe 32 can be reliably ensured.
  • the controller 10 in order to maintain the water level 31f of the condensed water 31 above the lower limit 31d throughout the entire period of operation of the fuel cell system 100 (during supply of raw material gas), the controller 10 Therefore, the operation of the fuel cell system 100 is controlled as described below.
  • the control device 10 monitors the lower limit 31d of the water level 31f of the condensed water 31 derived based on the internal volume (VI) of the first water passage pipe 32 based on the presence or absence of the detection signal of the water level detector 33. . That is, the water level detector 33 outputs a detection signal to the control device 10 when the water level 31f of the condensed water 31 reaches the lower limit 31d, while the control device 10 outputs the raw material based on this detection signal. It is determined whether or not the supply of the raw material gas by the gas supply device 19 is continued.
  • the control device 10 determines that the lower limit 31b The supply solenoid gas valve 19 is once closed and the supply of the source gas is stopped. Thereafter, when the amount of the condensed water 31 increases and the water level 31f exceeds the lower limit 31d, the control device 10 opens the electromagnetic valve for opening and closing the raw material gas supply device 19 and resumes the supply of the raw material gas.
  • the solenoid valve for opening and closing the raw material gas supply 19 is opened to continue the supply of the raw material gas. If the water level 31f is maintained below the lower limit, the open / close solenoid valve of the raw material gas supply device 19 is closed to stop the supply of the raw material gas. In this way, if the raw material gas is supplied and power generation is continued in the state of water depletion inside the moisture removing device 15, it is possible to prevent the situation from occurring!
  • the first water passage pipe that functioned as the gas sealing portion during normal operation 32 On the other hand, the flow was blocked by closing the gas piping on-off valve 18. It will serve as a safety valve (gas pressure relief mechanism) that releases gas (eg, the pressure caused by the combustion gas) to the outside (in the atmosphere).
  • the condensed water 31 accumulated in the water receiving section 46 and the pipe water 34 existing in the first water passage pipe 32 are ejected to the outside due to a rapid pressure rise caused by such combustion gas. .
  • the inside of the moisture removing device 15 communicates with the atmosphere via the first water passage pipe 32, and thereby the first water passage pipe 32 functions as a gas pressure relief passage. Therefore, for example, abnormal combustion gas inside the fuel cell 12 once flows into the moisture removing device 15 via the fuel gas recirculation pipe 105, and then the combustion gas passes through the first water passage pipe 32. To be released into the atmosphere. In this way, the high pressure state in the fuel cell system 100 can be quickly eliminated, and the internal pressure can be quickly reduced to the atmospheric pressure level.
  • the fuel cell system is sealed (specifically, the open / close solenoid valve of the source gas supplier 19 and When the gas piping on-off valve 18 is closed), an abnormal combustion occurrence test is performed in which the fuel gas is intentionally burned inside the fuel cell system 100, and each joint and each seal portion of the fuel cell system 100 are The power to confirm the damage condition of the power of these was the power without any abnormality.
  • control device 10 controls the operation of the fuel cell system 100 while keeping the water level 31f of the condensed water 31 above the lower limit 31d
  • the controller 10 aggregates during the operation period (during the supply of raw material gas). This prevents the situation where water 31 is drained, thereby reliably preventing the release of fuel gas into the atmosphere.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 3.
  • the fuel cell system 100 mainly includes a water storage tank 122 that stores a predetermined amount or more of water in advance, and a communication that connects the inside of the water receiving section 46 and the inside of the water storage tank 122.
  • a second water passage pipe 120 made of a water pipe and a water pipe on-off valve 121 arranged in the middle of the second water passage pipe 120 are provided.
  • stored water 123 is appropriately supplied to the inside of the water storage tank 122 from an external water supply means (not shown), whereby the water level 123f of the stored water 123 is always received by water.
  • the lower limit 31d of the water level 31f of the condensed water 31 collected in the section 46 (the water level in which the internal volume (VI) force of the first water passage pipe 32 is also derived in the second embodiment) is maintained above the lower limit 31d.
  • the water pipe on-off valve 121 is opened. Water is supplied from the water storage tank 122 to the water receiver 46 until the water level 31f of the condensed water 31 exceeds the lower limit 31d.
  • control device 10 controls the water level 123f of the stored water 123 so that the water level 123f of the stored water 123 is kept 220 mm above the lower limit 31d of the water level 31f of the condensed water 31. Yes.
  • the water pipe on / off valve 121 may be a normally open type on / off valve that normally operates to open the second water passage pipe 120. More specifically, the second water passage on energization is acceptable. Open / close power supply that closes pipe 120 and opens second water passage pipe 120 when energization is stopped. It consists of a magnetic valve.
  • the water piping on / off valve 121 automatically opens without requiring an auxiliary power supply, and water is discharged when the condensed water 31 is insufficient. Water can be supplied from the storage tank 122 to the water receiving section 46 without delay.
  • the control device 10 In normal operation (power generation operation) of the fuel cell system 100, the control device 10 aggregates the water level 31f of the condensed water 31 in the water receiving part 46 based on the detection signal output from the water level detector 33. The force (force) above the lower limit 31d from which the inner volume (VI) force of the first water passage pipe 32 already described as the threshold value of the water 31 is derived is monitored.
  • the control device 10 keeps the water piping on-off valve 121 in a closed state and stores the stored water 123 in the water storage tank 122 in the water receiving section 4 Continue the operation of the fuel cell system 100 without replenishing to 6.
  • the control device 10 temporarily stops the supply of the raw material gas (stops the operation of the fuel cell system 100) using the raw material gas supply device 19. Thereafter, the water pipe opening / closing valve 121 is opened, and a part of the stored water 123 in the water storage tank 122 is caused to flow into the water receiving portion 46 to replenish the water, thereby effectively increasing the amount of the condensed water 31.
  • the control device 10 closes the water pipe on-off valve 121 to stop the water supply to the condensed water 31 and supply the raw material gas.
  • the supply of the raw material gas is resumed using the vessel 19, and the fuel cell system 100 is returned to the normal operation (power generation operation).
  • the control device 10 monitors the water level 31f of the flocculated water 31 and determines whether or not the raw material gas is supplied.
  • the controller 10 quickly replenishes water from the water storage tank 122. As a result, the efficiency of the operation of the fuel cell system 100 can be improved.
  • control device 10 may operate to stop the supply of the raw material gas using the raw material gas supply device 19.
  • an appropriate and quick stop operation can be performed in response to an emergency stop due to an unexpected situation such as a power failure of the fuel cell system.
  • an unexpected situation such as a power failure of the fuel cell system.
  • a power generation system for home use Useful for example, as a power generation system for home use Useful.

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Abstract

　本発明の目的は、補助電源や不活性ガス（窒素ガス）を使用することなく、停電等の不測の事態による緊急停止時に対して適切かつ迅速な停止動作を可能にする燃料電池システムを提供することにある。 　燃料電池システム（１００）は、燃料ガスを消費して発電すると供に燃料ガスを流出する出口ポート（１０４）を有する燃料電池（１２）と、出口ポート（１０４）を通して送られる燃料ガス中に含有する水分を除去する水分除去装置（１５）と、水分除去装置（１５）の下流側に配置され、燃料ガスを燃焼するバーナー（１６）と、水分除去装置（１５）とバーナー（１６）とを連通する配管（１０６）を開閉するガス配管開閉弁（１８）とを備え、発電の停止時にガス配管開閉弁（１８）が閉まるシステムである。

Description

明 細 書
燃料電池システム
技術分野
[0001] 本発明は、燃料電池システムに係り、更に詳しくは、燃料電池システムの停電等の 緊急停止技術に関する。
背景技術
[0002] 燃料電池システムは、燃料電池のアノードに還元剤ガスとして供給される水素リッチ な燃料ガスと、それの力ソードに酸化剤ガスとして供給される空気とを燃料電池の内 部で反応させることにより発電するものである。そして、この燃料ガスは一般的には、 改質器と称される燃料処理器の内部の水蒸気改質反応によって都市ガス等の原料 ガスと水蒸気から生成されて!、る。
[0003] 更に、燃料電池システムの稼働時には、燃料電池のアノードに供給された燃料ガス の一部をオフガスとして、バーナーに還流してこれをバーナーにおいて燃焼させて燃 料処理器の熱源として利用しており、燃料処理器および燃料電池並びに各種の配 管には可燃性燃料ガスが満たされている。
[0004] そこで、このような燃料電池システムの停止時に、燃料電池システムの内部に充満 した燃料ガスの適切な後処理法 (パージ処理法）が提案されており、その一例として 、最終的に空気によって燃料ガスパージを実施するといつた空気パージ技術が紹介 されている（例えば、特許文献 1参照)。
[0005] すなわち、この特許文献 1によれば、燃料電池の発電の停止時、燃料処理器に水 供給手段力 水を供給することにより生成した水蒸気によって燃料ガス経路の内部 に残留する水素ガス含有の燃料ガスを排除した後、パージ用空気供給手段力 空 気を流入せしめて燃料ガス経路の内部を最終的に空気パージする方法が示されて いる。こうして、この燃料電池システムでは、燃料電池の水素ガスを水蒸気によって排 除させた後、燃料電池の内部に空気を供給することで、水蒸気に起因する経路の水 滴腐食の防止が図られる。
[0006] し力も、このような空気パージ処理技術によれば、燃料電池システムの発電を停止 させる際に、不活性ガス (窒素ガス)を流入せしめ、燃料処理器および燃料電池を経 由してこれらの機器の内部に残留するガス (燃料ガス等）をパーナ一に導 ヽてこのバ ーナ一で処理させると 、う従来の窒素ガスパージ処理法に比べて、窒素ガスの貯蔵 装置を廃止できてコスト低減を図ることが可能である。
特許文献 1：国際公開 01Z97312号パンフレット
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] 特許文献 1に記載の燃料電池システムは、確かにパージ処理コストの低減を図りな がら、通常の停止動作を燃料処理器やバーナー等のシステム全体を適切に制御し てスムーズに実行できるものである力 S、停電等の不測の事態における緊急停止時に 対して適切かつ迅速な停止動作を行い得る力否か疑問が残る。
[0008] 例えば、緊急停止時には、燃料電池とバーナーとを繋ぐ配管に充満された燃料ガ スカ 下記に示すような考察に基づいて高温 (例えば、 600°C程度）に保たれたバー ナ一に拡散して、バーナーに拡散し漏洩した燃料ガスが、バーナーの排気口力も混 入する空気と混合し可燃濃度範囲まで希釈されれば、バーナー近傍にぉ ヽて混合 ガスの異常燃焼と 、う状況を生じる懸念がある。
[0009] すなわち、燃料電池システムの緊急停止時カゝら暫くの間は、燃料処理器に残存す る未反応原料ガスと高温に保たれた燃料生成器の熱によって水蒸気改質反応が進 行する。そして、燃料処理器における水蒸気改質反応は、下記（1)式のように表され るため、この改質反応の進行に伴って燃料電池システムの内部に存在するガスの体 積が増えて、こうしたガス体積増大により配管等に充満する燃料ガスがその下流側に 押し出されて、燃料ガスがバーナーへ拡散するものと考えられる。
[0010] よって、特許文献 1に記載のように燃料処理器の内部において意図的に水蒸気を 生成することは (但し、停電の際には補助電源を使用することを要する。）、むしろ燃 料ガスのバーナーへの拡散を助長することにもなりかねず望ましくないと言える。
[0011] CH + 2H O → CO + 4H · · · (1)
4 2 2 2
もちろん、こういった停電等の不測の事態に起因する緊急停止時に、補助電源から 給電を受けて窒素ガス等の不活性ガスを燃料電池システムに迅速に導入し得る構成 を採用することによって燃料ガス（可燃ガス）を一気に不活性ガスによって置換すると いう措置をとることも可能ではあるが、このような構成をそのまま採用することは、補助 電源や不活性ガスの使用を無くして配管構成の簡素化や燃料電池システムの低コス ト化を図りたいという期待に反するものである。
[0012] 本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、補助電源 や不活性ガス (窒素ガス)を使用することなぐ停電等の不測の事態による緊急停止 時に対して適切かつ迅速な停止動作を可能にする燃料電池システムを提供すること にある。
課題を解決するための手段
[0013] 上記目的を達成するために、燃料電池のアノードからバーナーに導かれる配管 (端 的には、後記の実施形態説明欄で述べる燃料ガス還流配管 105および燃焼用燃料 ガス配管 106に対応する配管）の適所に、停電等の不測の事態において閉まるガス 配管開閉弁を設けることが有用であると、本件発明者等は考えた。
[0014] ところで、燃料電池システムでは一般的に、燃料処理器の改質反応に必要な熱を 確保するため、燃料処理器により生成されアノードに供給される前の水蒸気含有の 水素ガス（以下、ここでは単に「水素ガス」という。）または燃料処理器により生成され アノードに供給された後の水蒸気含有のオフガスが、燃料ガスとしてバーナーに供給 される。そして、水素ガスやオフガス中の、水分 (水蒸気や水滴)等の燃料ガス燃焼 に寄与しない成分は、それの昇温に余分なエネルギーを必要とすることから、燃料電 池システムのエネルギー効率を下げる一要因となる。このため、バーナーに導かれて 燃料ガスを流す上記配管の途中には、水素ガスやオフガス中の水分を除去してこれ を凝縮水として溜める水分除去装置が、燃料電池システムに標準的に装備されてい る。
[0015] ここで、このような水分除去装置を上記配管に配設することを前提にして、停電等の 不測の事態において閉まるガス配管開閉弁を配設する配管位置について以下の知 見が得られた。
[0016] 即ち、斯カるガス配管開閉弁を、水分除去装置の燃料ガス流れ方向の上流側に位 置する配管 (以下、単に「上流側配管」という）の途中に配置した場合、以下の問題が あることが判明した。
[0017] 燃料電池の発電時には、水分除去装置内が昇温することにより、水分除去装置に 溜まった凝縮した水の温度も上昇する。そしてこの状態で、燃料電池の発電停止の 際には、仮に上流側配管をガス配管開閉弁により閉じるとすれば、高温 (発電停止時 直後では、例えば 70〜80°C程度）の凝縮水の蒸発により、水分除去装置の内部に 存在する多量の水蒸気を含んだガスが、水分除去装置の燃料ガス流れ方向の下流 側に位置する配管（以下、単に「下流側配管」という。）を通ってバーナーに送られる 。その後、燃料電池システムの各種の機器や配管が徐々に冷えるに連れて、多量の 水蒸気を含んだガス力 水蒸気が結露する。結露した水滴は、配管の内面やパーナ 一の内部に付着することになる。こうなると、次回のバーナー燃焼開始時に、結露し た水によりバーナーの火炎失火や不完全燃焼に陥る可能性があり、これによつて、 C Oガス等の不完全燃焼ガス発生が懸念される。
[0018] また、水分除去装置の内部に存在する上記ガス中には、水素ガス等の可燃性ガス も含有されており、このガスが高温に保たれたバーナーに流れ込み、バーナーの排 気口から漏洩した空気と混合すれば、このような混合ガスによるバーナー内の異常燃 焼発生の可能性もある。
[0019] このような燃料電池システムに絡む問題点に鑑みて、停電等の不測の事態におい て閉まるガス配管開閉弁を、水分除去装置とバーナーとの間の上流側配管に配設 することが、肝要であるとの結論に至った。
[0020] 即ち、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスを消費して発電すると供に、前 記発電により消費されな力つた燃料ガスを流出する出口ポートを有する燃料電池と、 前記出口ポートを通して送られる燃料ガス中に含有する水分を除去する水分除去装 置と、前記水分除去装置の下流側に配置され、前記燃料ガスを燃焼するバーナーと 、前記水分除去装置と前記バーナーとを連通する配管を開閉するガス配管開閉弁と を備えており、前記発電の停止時に前記ガス配管開閉弁が閉まるものである。
[0021] これにより、停電等の不測の事態による緊急停止時にガス配管開閉弁を迅速に閉 めて、燃料電池システムの内部に充満する可燃性の燃料ガスがバーナーに漏れるこ とを防ぐことができ、燃料電池システムの緊急停止動作を適切に行うことが可能にな る。
[0022] また、ガス配管開閉弁を水分除去装置とバーナーとを連通する配管に配設したこと から、水分除去装置の内部の可燃性のガスについても、バーナーに拡散しない。
[0023] 更には、ガス配管開閉弁を水分除去装置とバーナーとを連通する配管に配設した ことから、水分除去装置の内部ガスに含まれる水蒸気力 このガスに同伴してパーナ 一に流れなくなり、このような水蒸気の結露によるバーナーの、次回燃焼時の火炎の 失火や不完全燃焼といった問題に適切に対応できる。
[0024] なお、原料ガスと水蒸気から前記燃料ガスを生成する燃料処理器を備え、前記バ ーナ一において前記燃料ガスを燃焼することによって生成した熱を前記燃料処理器 に供給する構成であっても良 、。
[0025] ここで、前記ガス配管開閉弁は望ましくは、常態において前記配管を閉じるように動 作するノーマルクローズ型の開閉弁である。例えば、前記ガス配管開閉弁は、通電 停止時に前記配管を閉める電磁弁により構成されている。
これにより、停電時に補助電源が無くともガス配管開閉弁を自動的に閉めることを 可能にして好適である。
[0026] また、前記ガス配管開閉弁よりも上流に、前記発電の停止時に、前記ガス配管開閉 弁の閉栓により流れを遮られたガスのガス圧逃がし機構を有して構成されも良い。な お、圧力逃がし機構の具体例として、後記の第一の水通路配管がある。
また、前記水分除去装置の一例としては、前記燃料ガスを通流する領域を有する 熱交換部と、前記燃料ガス中に含有する水分力 生成される凝集水を溜める水受け 部とを備えており、前記熱交換部における熱交換により前記燃料ガスが冷却されるよ うに構成されている。なおここで、燃料ガス中に含有する水分には、燃料ガス中の微 細な水滴および水蒸気の何れも含まれるものであり、要するにこれは、燃料ガスの燃 焼を妨げる水に関連した成分のことをいう。
[0027] また、前記燃料ガスを通流する領域に邪魔板が配置され、前記邪魔板によって前 記燃料ガスが減速されるような構成であっても良 、。
[0028] このような構成により、燃料ガスの通路を確保しながら燃料ガス中に含有する水分 の除去を促進してこれをバーナーにおいて燃焼可能な状態にすると共に、水受け部 において燃料ガスの大気中への放出を防ぐ凝集水を溜めることを可能にしている。
[0029] なおここで、前記水受け部に溜まった凝集水の水位を検知する水位検知器と、制 御装置とを備え、前記水位検知器により出力される検知信号に基づき前記制御装置 は前記凝集水の水位を制御しても良 、。
[0030] これにより、凝集水の水位が適切に検知されかつ維持される。
[0031] また、前記水受け部に連通すると共に、前記水分除去装置の内圧が大気圧に対し て正圧の状態において前記凝集水の水位よりも上方で大気に開放される開放端を 形成するように延びる第一の水通路配管を備え、前記内圧と大気圧との差圧によつ て、前記凝集水の一部を配管水として前記第一の水通路配管の内部に導きながら 前記第一の水通路配管に内在する配管水の水位を、前記凝集水の水位に対して上 昇させるように前記第一の水通路配管が配置されるように構成しても良 、。
[0032] これにより、第一の水通路配管に内包する配管水 (凝縮水）にガス封止部としての 機能を持たせ、電磁弁を使用することなく燃料ガスを水分除去装置の内部に封止す ることができる。併せて、第一の水通路配管にガス圧逃がし機構としての機能を持た せることも可能であり、仮に停電停止時において、燃料電池システムの内部において 不測の事態により異常燃焼が発生しても、この第一の水通路配管に内包する配管水 (凝縮水)を噴出させて、この第一の水通路配管を介して燃焼ガスを外部に排出でき 、これにより燃料電池システムの内部の急激な圧力上昇を阻止できる。
[0033] このような水封によるガス圧逃がし機構を採用すれば、既存のゴムシールによるガ ス圧逃がし弁に比較して、吹き出し圧力（設定値）が低めであっても安定にガスシー ルが図れて好適である。
[0034] 前記凝集水の水位が、前記第一の水通路配管の内容積力 導出される前記水位 の下限よりも上方に保たれるように制御しても良い。
[0035] 例えば、前記凝集水の水量と前記配管水の水量とを合算した水量に相当する容積 を、前記第一の水通路配管の内容積よりも大きくしても良い。
[0036] これにより、凝集水の水位がその下限よりも上方に保たれながら、燃料電池システ ムの運転が制御されるため、水受け部の凝集水が水枯れするという状況を確実に防 止できる。 [0037] ここで、水を貯蔵した水貯蔵タンクと、前記水受け部と前記水貯蔵タンクとを連通す る第二の水通路配管と、前記第二の水通路配管を開閉する水配管開閉弁とを備え、 前記水配管開閉弁を開けることによって前記水貯蔵タンクから前記水受け部に向け て水を流すように前記水受け部に溜まった凝集水の水位と前記水貯蔵タンクに貯蔵 した水の水位が制御されても良！、。
[0038] これにより、仮に水受け部の凝集水が不足していても、水貯蔵タンク力 速やかに 水受け部に水を補給できる。
[0039] なお、前記水配管開閉弁は望ましくは、常態において前記第二の水通路配管を開 くように動作するノーマルオープン型の開閉弁である。例えば、前記水配管開閉弁は 、通電停止時に前記第二の水通路配管を開ける電磁弁により構成されている。
[0040] これにより、停電時に補助電源が無くともガス配管開閉弁を自動的に開くことを可能 にして好適である。
[0041] また、原料ガスと水蒸気から燃料ガスを生成する燃料処理器と、前記燃料処理器に 前記原料ガスを供給する原料ガス供給器と、前記出口ポートを通して送られる燃料 ガス中に含有する水分力 生成される凝集水を溜める水受け部を有する水分除去装 置と、前記凝集水の水位を検知する水位検知器と、制御装置とを備えており、前記 水位検知器は、前記凝集水の水位の下限を検知してこれを検知信号として前記制 御装置に出力して、前記制御装置は、前記検知信号に基づいて前記原料ガス供給 器を用いて原料ガスを供給するカゝ否かを判断するものである。
[0042] より詳しくは、前記水位が前記下限以下の状態において、前記制御装置は、前記 原料ガス供給器を用いて原料ガスの供給を停止するものである。
[0043] これにより、制御装置が、凝集水の水位をその下限を基準にして監視しながら原料 ガスの供給の有無を判断するため、凝集水の水枯れと ヽぅ状況を確実に防止できる
[0044] ここで、前記水受け部に連通すると共に、前記水分除去装置の内圧が大気圧に対 して正圧の状態において前記凝集水の水位よりも上方で大気に開放される開放端を 形成するように延びる第一の水通路配管を備える場合、前記水位検知器によって検 知される前記下限は、前記第一の水通路配管の内容積力 導出されるものである。 [0045] また、水を貯蔵した水貯蔵タンクと、前記水受け部と前記水貯蔵タンクとを連通する 第二の水通路配管と、前記第二の水通路配管を開閉する水配管開閉弁とを備え、 前記制御装置は、少なくとも前記水位が前記下限を超えるまで前記水配管開閉弁を 開けて、前記第二の水通路配管を通して前記水貯蔵タンクに貯蔵した水を前記水受 け部に補給するように構成しても良 、。
[0046] そして、前記水位が前記下限を超えた時点で、前記制御装置は、前記水配管開閉 弁を閉じると共に、前記原料ガス供給器を用いて原料ガスを供給しても良い。
[0047] これにより、制御装置が、凝集水の水位をその下限を基準にして監視しながら原料 ガスの供給の有無を判断して凝集水の水枯れを確実に防止すると共に、仮に凝集 水が不足する場合に水貯蔵タンク力 速やかに水の補給を可能にすることができて 燃料電池システムの運転の効率化を図れる。
[0048] 本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好 適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
発明の効果
[0049] 本発明によれば、補助電源や不活性ガスを使用することなぐ停電等の不測の事 態による緊急停止時に対して適切かつ迅速な停止動作を行い得る燃料電池システ ムが得られる。
図面の簡単な説明
[0050] [図 1]図 1は、本発明の実施の形態 1に係る燃料電池システムの構成を説明するプロ ック図である。
[図 2]図 2は、水分除去装置の内部の構成を説明する断面図である。
[図 3]図 3は、本発明の実施の形態 2に係る燃料電池システムの構成を説明するプロ ック図である。
[図 4]図 4は、本発明の実施の形態 3に係る燃料電池システムの構成を説明するプロ ック図である。
符号の説明
[0051] 10 制御装置
11 燃料処理器 燃料電池
a 燃料電池のアノードc 燃料電池の力ソード
空気ブロア
インノ ータ
水分除去装置
バーナー
排気口
ガス配管開閉弁
原料ガス供給器
水排出用電磁弁
燃焼ファン
燃料ガス (オフガス）の通過領域 凝集水
u 凝集水の水位の上限d 凝集水の水位の下限f 凝集水の水位
第一の水通路配管
u 開放端
水位検知器
配管水
f 配管水の水位
垂直部
燃料ガス入口部
燃料ガス出口部
水出口部
放熱フィン
邪魔板 45 枠体
46 水受け部
47 熱交換部
48 蓋部
49 底部
100 燃料電池システム
101 原料ガス供給配管
102 燃料ガス供給配管
104 出口ポート
105 燃料ガス還流配管
106 燃焼用燃料ガス配管
110 空気配管
111 燃焼ガス通路
112 水排出配管
120 第二の水通路配管
121 水配管開閉弁
122 水貯蔵タンク
123 貯蔵水
123f 貯蔵水の水位
発明を実施するための最良の形態
[0052] 以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
[0053] (実施の形態 1)
図 1は、実施の形態 1に係る燃料電池システムの構成を説明するブロック図である。
[0054] 燃料電池システム 100は主として、還元剤ガス (水素リッチな燃料ガス）と酸化剤ガ ス (空気）とを消費して発電する燃料電池 12と、燃料電池 12によって発電した直流電 力を交流電力に変換するインバータ 14と、燃料電池 12のアノード 12aに燃料ガスを 供給する燃料処理器 11と、燃料電池 12の力ソード 12cに空気を供給する空気ブロア 13と、アノード 12aの出口ポート 104から燃料電池 12の内部において消費されなか つた残余の燃料ガス (オフガス）中に含有する水分を除去する水分除去装置 15と、 空気取入口カゝら空気を取り込むと共にこの空気と燃料ガスとを混合し燃焼して燃料 処理器 11に熱を供給するバーナー 16と、燃料処理器 11に都市ガス等の原料ガスを 供給する原料ガス供給器 19と、により構成されている。
[0055] ここで、燃料処理器 11は通常、原料ガスと水蒸気から水蒸気改質反応によって改 質ガスを生成する改質部（図示せず)と、水蒸気と一酸化炭素ガスを水素ガスと二酸 化炭素ガスにシフト反応させる変成部（図示せず)と、 CO選択酸化で一酸化炭素濃 度を約 lOppm以下に低濃度化させる浄ィ匕部（図示せず)を内蔵している。このため、 改質部には改質反応を促進する改質触媒体 (図示せず)があり、この改質触媒体へ の反応熱供給用の熱供給手段として、上記のバーナー 16が設置され、バーナー 16 の内部の燃料ガスを燃焼ファン 21から送風される空気によって可燃濃度範囲に希釈 し混合した後、この混合ガスをバーナー 16の内部で燃焼させて生成した高温の燃焼 ガスとの熱交換によって改質触媒体は加熱される。なお、改質触媒体と熱交換した 燃焼ガスは排気口 17から大気中に放出される。
[0056] また、燃料電池システム 100の配管系統および配管弁は、空気ブロア 13から燃料 電池 12の力ソード 12cに空気を導き、力ソード 12cから流出する残余の空気を大気に 放出する酸化剤ガス流路としての空気配管 110と、原料ガス供給器 19から発電原料 ガスを燃料処理器 11に導く原料ガス供給配管 101と、燃料処理器 11から流出する 燃料ガスを、燃料電池 12のアノード 12aに導く燃料ガス供給配管 102と、アノード 12 aの出口ポート 104から残余の燃料ガスを水分除去装置 15に向けて流す燃料ガス還 流配管 105と、水分除去装置 15によって水分除去された燃料ガスをバーナー 16に 導く燃焼用燃料ガス配管 106と、バーナー 16と水分除去装置 15とを連通する燃焼 用燃料ガス配管 106の途中に配置され、これを開閉するガス配管開閉弁 18と、バー ナー 16の内部にお 、て生成した燃焼ガスを排気口 17に導く燃焼ガス通路 111と、 水分除去装置 15の底部 49 (図 2参照）に配置され、水分除去装置 15の内部に溜ま つた凝集水 31を外部（例えば、凝縮水タンク）に通流する水排出配管 112と、この水 排出配管 112の途中に配置されて水排出配管 112を定期的に開閉して凝集水 31を 外部に排出させる水排出用電磁弁 20と、により構成されている。 [0057] ここでガス配管開閉弁 18は、常態において燃焼用燃料ガス配管 106を閉じるように 動作するノーマルクローズ型の開閉弁であればよぐより詳しくは、通電時に燃焼用 燃料ガス配管 106を開けかつ通電停止時に燃焼用燃料ガス配管 106を閉める開閉 用の電磁弁で構成されている。これによつて、停電等の不測の事態において、ガス配 管開閉弁 18は、補助電源を必要とすることなく自動的に閉栓動作して、燃料電池シ ステム 100の緊急停止動作を適切に行うことができる。
[0058] また、ガス配管開閉弁 18は、水分除去装置 15とバーナー 16とを連通する燃焼用 燃料ガス配管 106の途中であって、可能な限りバーナー 16に近接する位置に配置 されており、これにより燃料電池システム 100の緊急停止時に燃料ガスのバーナー 1 6への拡散を最小限に留めることができる。要は、バーナー 16の近傍において水分 除去装置 15とバーナー 16との間のガス連通を切断することにより、燃料ガスの異常 燃焼源としてのバーナー 16に可燃ガスが漏れることを未然に防止している。
[0059] なお、制御装置 10は、空気ブロア 13や燃焼ファン 21を制御して力ソード 12cゃバ ーナー 16に送る空気量を調整すると共に、原料ガス供給器 19に内蔵される流量調 整弁と開閉用電磁弁（図示せず)を制御して燃料処理器 11に送る原料ガスの供給量 を適切に調整している。また、制御装置 10は、ガス配管開閉弁 18および水排出用電 磁弁 20の開閉動作も制御している。なお、図中には、細い点線を付して制御装置 10 から制御対象に送信される出力信号を示している。またここでは図示を省略している 力 制御装置 10は、各種センサ (温度センサや流量計等)から検知信号を受け取り、 この検知信号に基づいて適切に燃料電池システム 100の動作を制御している。
[0060] 次に、水分除去装置 15の構成を詳しく説明する。
[0061] 図 2は、水分除去装置 15の内部構成を説明する断面図である。
[0062] 図 1および図 2において、水分除去装置 15は、有底の筒状の枠体 45と、枠体 45の 上面を塞ぐ蓋部 48と、枠体 15の上端近傍の外周面に形成された複数の放熱フィン 4 3と、燃料ガス還流配管 105に接続して蓋部 48に設けられ、枠体 45の内部に燃料ガ スを導く筒状の燃料ガス入口部 40と、燃焼用燃料ガス配管 106に接続して蓋部 48 に設けられ、枠体 45の内部を通過した燃焼ガスをその外部に導く筒状の燃料ガス出 口部 41と、燃料ガス出入口部 40、 41の近傍の枠体 45の内部に配置され、燃料ガス の流れを遮って燃料ガスの流速を減速させることによって燃料ガス中に含有する水 滴を滴下させ易くする複数の平板状の邪魔板 44と、水排出配管 112に接続して枠 体 45の底部 49に設けられ、水分除去により枠体 45の内部に溜まった凝集水 31を定 期的に外部に導くための水出口部 42と、により構成されている。
[0063] ここで、水分除去装置 15の枠体 45の略上半分は、その内部に燃料ガス (オフガス） が通過する通過領域 30 (燃料ガスの通路）を形成すると共に、燃料ガスがこの通過 領域 30を通過する際に、空気送風ファン（図示せず)から放熱フィン 43に送られる空 気との熱交換によって燃料ガスの熱を効率的に放出させる熱交換部 47として機能す るものである。
[0064] また、水分除去装置 15の枠体 45の略下半分は、燃料ガス中に含有する水分の凝 集によって集まった凝集水 31を一時的に貯蔵する水受け部 46として機能する。
[0065] そして、この熱交換部 47の燃料ガス放熱効果により、燃料ガスの温度をその露点 以下に下げて、燃料ガス中に含有する水蒸気が水滴として燃料ガス中に凝縮し、こ の水滴が集まって水受け部 46に凝集水 31が生成される。
[0066] こうして、上記の通過領域 30に存在する放熱フィン 43による燃料ガスの空冷効果と 上記の邪魔板 44による燃料ガスの減速効果が相俟って、燃料ガス中に含有する水 分の除去が促進されて、水分除去装置 15の下流側のバーナー 16において燃料ガ ス燃焼の妨げとなり得る水分を適切に排除できる。なおここで、本願明細書における 燃料ガス中に含有する水分には、燃料ガス中の微細な水滴および水蒸気の何れも 含まれるものであり、要するにこの水分とは、燃料ガスの燃焼を妨げる水に関連した 成分のことをいう。
[0067] また、凝集水 31の水位 31fが上昇し過ぎて、燃料ガス出入口 40、 41を塞ぐという不 具合を防止して、水分除去装置 15の内部に適切に燃料ガスを通過できるように、凝 集水 31の水位 31fの上限 31uは決定されている。ここでは、凝集水 31の水位 31fの 上限 3 luから蓋部 48までの距離を約 50mmに設定して、これにより、燃料ガスの流 体抵抗を充分に低減できるような通過領域 30のボリュームが確保されて 、る。なお、 凝集水 31の水位 31fは、後ほど詳しく説明する水位検知器 33 (図 3参照)から出力さ れる検知信号に基づき制御装置 10によりコントロールされている。 [0068] またここでは、空気送風ファンと放熱フィン 43を使用して燃料ガスを空冷する例を 示したが、例えば、枠体 45の外周面に冷却水を流す可とう性の配管を配置して巻き 付け、燃料ガスを水冷によって放熱させても良い。
[0069] 以上に説明した水分除去装置 15によれば、燃料ガス通路に相当する燃料ガスの 通過領域 30を確保しながら燃料ガス中に含有する水分を適切に除去してこれをバ ーナー 16において燃焼可能な状態にすると共に、水受け部 46において燃料ガスの 大気中への放出を防ぐというガス封止部として機能する凝集水 31を確実に溜めるこ とを可能にしている。
[0070] 次に、このように構成された燃料電池システム 100の動作を以下に説明する。
[0071] 最初に、燃料電池システム 100の通常運転動作の概略を述べて、この通常運転動 作から燃料電池システム 100が不測の事態 (ここでは、停電時を想定）により緊急停 止した際の停止動作を説明する。
[0072] 図 1および図 2において、燃料電池システム 100の通常運転中（発電期間中）にお いては、燃料処理器 11の温度を約 700°C程度に維持させた状態で、原料ガス供給 器 19から原料ガス供給配管 101を通って供給された原料ガスと水供給手段（図示せ ず)から供給された水を燃料処理器 11の内部において改質反応させて水素リッチな 燃料ガスを生成する。そして、燃料処理器 11から流出した燃料ガスは、燃料ガス供 給配管 102を通過して、燃料電池 12のアノード 12aに送り込まれる。一方、空気ブロ ァ 5から送出される空気は、空気配管 110を通って燃料電池 1の力ソード 12cに送り 込まれる。こうして燃料電池 1の内部において、燃料ガス (水素ガス）と空気 (酸素ガス )を消費して発電が行われる。燃料電池 12の発電によって消費されな力つた残余の 燃料ガスは、燃料ガス還流配管 105を通って水分除去装置 15へ送られた後、この水 分除去装置 15によって燃料ガス中に含有する水分が除去される一方、水受け部 46 に凝集水 31が溜められる。そして、水分除去装置 15を通過し水分除去された燃料 ガスは、燃焼用燃料ガスとして燃焼用燃料ガス配管 106を介して開栓状態のガス配 管開閉弁 18を通過してバーナー 16に送られる。そして、バーナー 16の内部におい てこの燃料ガスを燃焼ファン 21から送風される空気と混合し希釈して、この混合ガス を燃焼させることによって発生する燃焼ガスの熱を燃料処理器 11の温度維持の熱源 として利用する。
[0073] また、水受け部 46に溜まった凝集水 31は、水排出用電磁弁 20の開閉動作を定期 的に反復することによって外部に排出され、これによつて凝集水 31が溜まり過ぎて、 凝集水 31が燃料ガスの通過領域 30を塞ぐことを防止すると共に、凝集水 31が無くな つて、燃料ガスが水出口部 42を介して外部に放出されることも防止する。
[0074] なお、燃料処理器 11に熱を供与した燃焼ガスは、燃焼ガス通路 111を通って大気 に放出され、燃料電池 12の発電によって消費されなかった残余の空気も空気配管 1 10を通って大気中に放出される。
[0075] 次に、燃料電池システム 100の停電時の緊急停止動作を説明する。
[0076] 停電時には、燃料電池 12から得られる直流電力を交流電力に変換するインバータ 14の電力負荷系統に対する出力が自動的に停止すると共に、空気ブロア 13および 燃焼ファン 21の動作も停止する。同時に、制御装置 10が、何らかの補助電源から給 電を受けて原料ガス供給器 19の開閉用電磁弁およびガス配管開閉弁 18を速やか に閉栓させてもよいが、このような電磁弁やガス配管開閉弁 18は、補助電源を用いる ことなく自動的に閉栓するように構成されていることが望ましい。例えば、ガス配管開 閉弁 18は、常態において燃焼用燃料ガス配管 106を閉じるように動作するノーマル クローズ型の開閉用電磁弁であれば、停電時にお 、てガス配管開閉弁 18は自動的 に閉栓動作して、別途、ガス配管開閉弁 18の動作用の補助電源を必要としない。
[0077] こうすることで、原料ガス供給配管 101および燃料処理器 11並びに燃料ガス供給 配管 102並びに燃料電池 12のアノード 12a並びに燃料ガス還流配管 105並びに水 分除去装置 15の内部に充満する可燃性の燃料ガスは、原料ガス供給器 19とガス配 管開閉弁 18の閉栓によって確実にそれらの機器の内部に密閉され、この燃料ガスの バーナー 16への拡散を効果的に阻止できる。
[0078] ここで、このようなガス配管開閉弁 18によってもたらされる効果を確認するために意 図的に停電テストを行って燃料ガスの漏れの計測を試みた。その結果、燃料電池シ ステム 100の停止後から燃料電池システム 100 (例えば、燃料処理器 11および燃料 電池 12並びにバーナー 16)が室温に至るまでの間、排気口 17の他、燃料電池シス テム 100の 、ずれの部位にぉ 、て燃料ガス（可燃ガス）の漏れは検知されず燃料電 池システム 100の異常は観察されな力つた。
[0079] なお併せて、停止時に水排出用電磁弁 20も閉めることによって、燃料処理器 11お よび燃料電池 12並びに水分除去装置 15等の各種機器の温度低下によってこれら の機器の内圧減少に起因した負圧化カゝらもたらされる空気混入を阻止できると共に、 水分除去装置 15に残留する凝集水 31が蒸発することによりこの負圧化を抑制すると V、う副次的な効果も期待できる。
[0080] このような燃料電池システム 100の緊急停止動作によれば、補助電源や不活性ガ スを使用することなく、その内部に充満した燃料ガスがバーナー 16に向かって拡散し 、バーナー 16に漏洩した燃料ガスが排気口 17からバーナー 16に向けて混入する空 気と混ざり合ってバーナー 16の近傍において異常燃焼を発生するという事態を、ガ ス配管開閉弁 18を閉じることにより簡便かつ確実に防止してバーナー 16の近傍の 異常燃焼の要因を根本的に解消できる。
[0081] また、ガス配管開閉弁 18を水分除去装置 15とバーナー 16とを連通する燃焼用燃 料ガス配管 106の途中に配設したことから、水分除去装置 15の内部の可燃性ガスに ついても、燃料電離発電システム 100の停止時にバーナー 16に拡散することが無く なる。
[0082] 更に、ガス配管開閉弁 18を水分除去装置 15とバーナー 16とを連通する燃焼用燃 料ガス配管 106の途中に配設したことから、水分除去装置 15の内部ガスに含まれる 水蒸気が、このガスに同伴してバーナー 16の方向に流れなくなり、このような水蒸気 の結露によるバーナー 16の、次回燃焼時の火炎失火や不完全燃焼といった問題を 未然に防ぐことができる。
[0083] (実施の形態 2)
図 3は、本発明の実施の形態 2に係る燃料電池システムの構成を説明するブロック 図である。
[0084] 実施の形態 1では、緊急停止時に速やかにガス配管開閉弁 18を閉じることによつ て燃料電池システム 100の内部に充満した燃料ガスのバーナー 16への拡散を未然 に防止し、バーナー 16の近傍における燃料ガスの異常燃焼を回避できることを説明 した力 燃料電池システム 100の内部において想定外の要因に起因して燃料ガスに よる異常燃焼が発生するという事態も考慮して、それに対する事後的な対応策が求 められている。
[0085] そこで、実施の形態 2においては、万一、燃料電池システム 100の何れかの箇所に お!、て、その停止時に燃料ガスの異常燃焼が発生してもこれに起因する燃焼ガス ( 燃焼エネルギー）を適切に外部に放出することを可能にする燃料電池システム 100 の構成を説明する。
[0086] 燃料ガスの異常燃焼に伴って発生する燃焼ガスを適切に外部に逃がすため、図 3 に示すように、水排出用電磁弁 20および水排出配管 112 (図 1)を取り除くと共に、水 分除去装置 15の底部 49から延びた第一の水通路配管 32が配置される。
[0087] なお、水分除去装置 15の周辺構造を除いた構成は、実施の形態 1と同じであるた め、このような実施の形態 1と同じ構成の説明は省略する。
[0088] 以下、水分除去装置 15の周辺構造を、図 2および図 3を参照して詳細に説明する
[0089] 水分除去装置 15の周辺構造は主として、水受け部 46に連結すると共に、水分除 去装置 15の内圧が大気圧に対し正圧の状態において水受け部 46の凝集水 31の水 位 3Πよりも上方で大気に開放された開放端 32uを形成するように延びる通水パイプ 力もなる第一の水通路配管 32と、水受け部 46に溜まった凝集水 31の水位 31fを検 知する水位検知器 33と、によって構成されている。
[0090] 水位検知器 33として、フロート式のレベルスィッチが使用され、電磁式オンオフスィ ツチの信号によって凝集水 31の水位 31fが検知される。
[0091] 第一の水通路配管 32は水分除去装置 15の内部の燃料ガスを封止するガス封止 部としての機構を有しており、その一方端が、水出口部 42を介して水受け部 46に連 通し、その他方端が上記のような開放端 32uとさせるよう、第一の水通路配管 32は略 L字状 (片腕を短くした U字管）に形成されている。こうして、水受け部 46に溜まった 凝集水 31の一部が第一の水通路配管 32の内部を満たす配管水 34として使用され 、電磁弁を用いることなぐ簡易的に配管水 34に燃料ガスを封止する機能を持たせ ることがでさる。
[0092] また、第一の水通路配管 32は、凝集水 31の水位 31fの上下運動の方向と並行に かっこの水位 3Πよりも上方に延びる垂直部 35を有している。そして、水除去手段 15 の内部が最大圧力を示した場合であっても、第一の水通路配管 32に内在する配管 水 34の水位 34fと凝集水 31の水位 31fとの水位差圧がこの最大内圧に釣り合って、 配管水 34を第一の水通路配管 32の内部において安定するように、第一の水通路配 管 32の垂直部 35の長さは設計されて!、る。
[0093] なおここでは、燃料電池システム 100の通常運転時における水分除去装置 15の最 大内圧を 2kPaと想定して、この最大内圧による差圧と釣り合う水位差圧 (200mmH
2
O)から第一の水通路配管 32の垂直部 35の長さは、水受け部 46に残った凝集水 31 の水位 3 Ifから少なくとも 200mmほど垂直方向に延在するように決定されて 、る。も ちろんこれは、垂直部 35の長さの基準の一例に過ぎず、これと異なるような基準を採 用しても構わない。
[0094] 例えば、水分除去装置 15の内部の圧力変動等の不確定な要因を考慮して、凝集 水 31の水位 31fの下限 31d (これは、以下に説明する第一の水通路配管 32の内容 積に基づいて導出されるものである。）から少なくとも 200mmほど垂直方向に垂直部 35を延在しても良い。このようにすれば、凝集水 31の水位 31fをその下限 31dよりも 上方に保ちながら水分除去装置 15の内圧の最大値においても第一の水通路配管 3 2に内在する配管水 34をその内部に留めることが可能になって、水分除去装置 15に ぉ 、て想定される全ての圧力につ 、て第一の水通路配管 32はガス封止部として有 効に機能する。
[0095] ここで、実施の形態 2における水分除去装置 15の水受け部 46に溜まった凝集水 3 1の水位 31fにっき、その上限 31uおよびその下限 31dの設定の意味合いを説明す る。
[0096] (凝集水 31の水位 31fの上限 31uについて）
実施の形態 1と同様、水位 31fが上昇し過ぎて、燃料ガス出入口 40、 41 (図 2参照) を塞ぐと！ヽぅ不具合を防止して、水分除去装置 15の内部に適切に燃料ガスが通過で きるように、凝集水 31の水位 31fの上限 31uは決定されている。
[0097] 具体的には、凝集水 31の水位 31fが、水分除去装置 15の内部を流れる燃料ガス の通過領域 30に達することを防ぐため、第一の水通路配管 32の開放端 32uが凝集 水 31の上限 31uとして想定される位置よりも下方に配置されている。
[0098] これにより開放端 32uより上方にまで溜ろうとする凝集水 31を開放端 32uから自動 的に外部（例えば、別体の凝集水タンク）に排出するように設計されている。
[0099] より詳しくは、燃料電池システム 100の運転中、水分除去装置 15によって燃料ガス 中に含有する水分は持続的に除去されるため、水受け部 46に水分が逐次溜まり続 ける。そして、力りに水分除去装置 15の内圧が大気圧の状態にあれば、凝集水 31の 水位 31fと配管水 34の水位 34fは水平に保たれながら水分除去装置 15の水分補給 によって上昇し、配管水 34の水位 34fが第一の水通路配管 32の開放端 32uに到達 した地点で配管水 34が自動的に外部に排出され、これによりこの地点を超えてこれ らの水位 3 If、 34fが上昇することはない。
[0100] もちろん、水分除去装置 15の内圧が大気圧に対して正圧の状態にあれば、この内 圧によって第一の水通路配管 32の配管水 34の水位 34fが凝集水 31の水位 31fに 対し押し上げられており、これにより凝集水 31の水位 31fが開放端 32uよりも充分に 下方位置にあっても、配管水 34が開放端 32uを介して外部に排出されることは有り 得る。
[0101] (凝集水 31の水位 31fの下限 31dについて）
水受け部 46に溜まった凝集水 31の水量と第一の水通路配管 32に内在する配管 水 34の水量とを合算したトータル水量に相当する容積 (V2)を、第一の水通路配管 32の容積 (VI)よりも大きくして、これにより、上記の水分除去装置 15の想定される 内圧の範囲内（2kPa以下)で凝集水 31が水受け部 46から全て排出されるという凝 集水 31の水枯れを防止することが可能になる。
[0102] すなわち、トータル水量に相当する容積 (V2) >第一の水通路配管 32の容積 (VI )という状況を維持することによって、第一の水通路配管 32の内部全域を配管水 34 で満たしても、凝集水 31を水受け部 46に残留させ得る状況にあるため、水分除去装 置 15の内部の燃料ガスに対して凝集水 31のガス封止機能が損なわれない。
[0103] 力りに水受け部 46において凝集水 31の水枯れをきたせば、水分除去装置 15の内 部の燃料ガスの圧力により第一の水通路配管 32に内在する配管水 34が押し出され 、第一の水通路配管 32を介して水分除去装置 15の内部は大気に連通してしまう。 [0104] ここで、水除去手段 15の水受け部 46の内部構造および第一の水通路配管 32の 構造が確定したら、第一の水通路配管 32の容積 (VI)が求まり、この VIに等しい最 低限の容積に対応するトータル水量を溜めるに必要な凝集水 31の水位 31fの下限 3 Idの位置が一意に決定される。
[0105] もちろんこの場合、トータル水量に相当する容積 (V2) =第一の水通路配管 32の 容積 (VI)として、このトータル水量力も配管水 34として使われる水量分を減じること によって推定される凝集水 31の推定水量に相当する容積に基づいて上記の下限 31 dの位置を決定しても構わないが、凝集水 31の水量に余裕を持たせ、かつ簡易的に 下限 31dを求めるという観点から、（凝集水 31の下限 31dの水量に相当する容積） = 第一の水通路配管 32の容積 (VI)として、この容積に基づいて凝集水 31の下限 31 dの位置を決めても良い。
[0106] なお、本実施の形態 2において、第一の水通路配管 32の内容積 (VI)を 80ccに対 して、水受け部 46に溜まった凝集水 31の水量として少なくとも 120ccを確保できるよ うにその水位 31の下限 31dの位置を決定して、この位置を水位検知器 33により検知 し、水位検知器 33から出力される検知信号に基づき制御装置 10は、後ほど説明す るような燃料電池システム 100の動作を制御している。
[0107] なお、水分除去装置 15の内部構成および放熱フィン 43並びに燃料ガス出入口 40 、 41は、図 2に示した構成を同じであるため、これらの説明は省略する。
[0108] 次に、第一の水通路配管 32と水位検知器 33に関連する燃料電池システム 100の 動作を説明する。
[0109] 最初に、燃料電池システム 100の通常運転中（発電中）の動作を説明するが、既に 実施の形態 1において説明したものと重複する動作の説明は省略する。
[0110] 燃料電池システム 100の通常運転中に水分除去装置の内圧が一定圧力（P1)であ れば、第一の水通路配管 32に内在する配管水 34の水位 34fは、図 3に示すように、 水分除去装置 15の内圧 (P1)と大気圧 (P0)との差圧により開放端 32uに向けて第 一の水通路配管の内部を上昇して一定位置で静止する。
[0111] もっとも、水分除去装置 15によって燃料ガス中に含有する水分が逐次除去されるこ とにより凝集水 31の水位 31fの上昇と連動して配管水 34の水位 34fが上昇し続ける 1S ここでは、このような水位上昇の影響を無視して説明の簡素化を図るものとする。
[0112] こうして水分除去装置 15の内圧 (P1)が大気圧 (PO)に対して正圧の状態において 、内圧 (P1)と大気圧 (PO)との差圧によって、凝集水 31の一部を配管水 34として第 一の水通路配管 32の内部に導きながら第一の水通路配管 32に内在する配管水 34 の水位 34fを、凝集水 31の水位 31fに対して上昇させる。より詳しくは、上記差圧 (P 1 -P0)により水受け部 46から第一の水通路配管 32に向力つて圧送された配管水 3 4の水量に相当する分、凝集水 31の水量は減少する一方、第一の水通路配管 32に 内在する配管水 34の水位 34fは、水受け部 46に残った凝集水 31の水位 3Πよりも 上方に延びて、これによつて凝集水 31の水位 31fと配管水 34の水位 34fとの水位差 に起因する圧力と上記差圧 (PI— P2)が釣り合って、配管水 34の水位 34fを一定位 置で静止させることができる。
[0113] なお、水分除去装置 15の内圧 (P1)が想定された最大値 (2kPa)を示す場合にお いては、配管水 34の水位 34fと凝集水 31の水位 31fとの水位差力 約 200mmに保 たれた状態になり、水分除去装置 15の内圧 (P1)が最大値を示した際、凝集水 31の 水位 31fが最も下がって所定の水位位置で静止する。
[0114] ここで、このような水分除去装置 15の内圧により凝集水 31の水位 31fが最も下がつ た水位位置は、元々ある凝集水 31の水量に依存して変化するものである力 この水 位位置を、既に説明した凝集水 31の水位 31fの下限 31dよりも上方に保つように制 御しても構わない。こうすることで、第一の水通路配管 32のガス封止機能を確実に確 保できる。
[0115] 具体的には、燃料電池システム 100の運転中（原料ガス供給中）の全期間に亘つて 、凝集水 31の水位 31fをその下限 31dよりも上方に維持するため、制御装置 10によ つて以下に示すように燃料電池システム 100の動作が制御されている。
[0116] 制御装置 10は、第一の水通路配管 32の内容積 (VI)に基づいて導出される凝集 水 31の水位 31fの下限 31dを、水位検知器 33の検知信号の有無により監視する。 すなわち、水位検知器 33は、凝集水 31の水位 31fがその下限 31dに達した際に、 制御装置 10に向けて検知信号を出力する一方、制御装置 10は、この検知信号に基 づいて原料ガス供給器 19による原料ガスの供給を継続するカゝ否かを判断する。 [0117] より詳しくは、水位検知器 33が凝集水 31の水位 31fの下限 31dを検知してこれを 検知信号として制御装置 10に出力した際、この時点において、制御装置 10は、その 下限 31bに達したものと判断して一旦、原料ガス供給器 19の開閉用電磁弁を閉じて 原料ガスの供給を停止させる。その後、凝集水 31の水量が増してその水位 31fがそ の下限 31dを超えた時点において、制御装置 10は、原料ガス供給器 19の開閉用電 磁弁を開 、て原料ガスの供給を再開させる。
[0118] すなわち、凝集水 31の水位 31fの下限 31dよりも上方に凝集水 31の水位 31fが保 たれれば、原料ガス供給器 19の開閉用電磁弁を開いて原料ガスの供給を継続し、 その下限以下に水位 31fが保たれれば、原料ガス供給器 19の開閉用電磁弁を閉じ て原料ガスの供給を停止する。こうすることで、水分除去装置 15の内部の水枯れ状 態にお 、て原料ガスを供給して発電を継続すると!/、う事態を未然に防ぐことができる
[0119] 次に、停電停止時において、不測の事態により燃料電池システム 100の内部の何 れかの箇所において異常燃焼が発生した場合の燃料電池システム 100の動作を説 明する。
[0120] 燃料電池システム 100の停電時には、実施の形態 1と同様に、燃料電池 12から得 られる直流電力を交流電力に変換するインバータ 14の電力負荷系統に対する出力 が自動的に停止すると共に、空気ブロア 13および燃焼ファン 21の動作も停止する。 同時に、既に説明したように原料ガス供給器 19の開閉用電磁弁およびガス配管開 閉弁 18を速やかに閉栓することにより、バーナー 16の近傍における燃料ガス異常燃 焼の発生を適切に抑制し、異常燃焼の拡大を阻止できる。
[0121] このため、このような燃料電池システム 100の内部は密閉した状態に保持されてお り、これにより、万一燃料電池システム 100の内部の何れかの箇所において燃料ガス の異常燃焼が発生すると、燃料電池システム 100の内部に急激な圧力上昇を引き起 こす可能性がある。
[0122] そこで、このような異常燃焼ガスによってもたらされる燃料電池システム 100の急激 な内圧上昇に適切に対応するため、通常運転時においてガス封止部として機能して いた第一の水通路配管 32が、逆にガス配管開閉弁 18の閉栓により流れを遮られた ガス、例えば上記燃焼ガスに起因する圧力を外部（大気中）に逃がす安全弁 (ガス圧 逃がし機構)としての役割を果たすことになる。
[0123] より具体的には、こうした燃焼ガスに起因する急激な圧力上昇によって水受け部 46 に溜まった凝集水 31および第一の水通路配管 32に内在する配管水 34は、外部に 噴出する。そうするとその後は、第一の水通路配管 32を介して水分除去装置 15の内 部は大気に連通することになり、これにより第一の水通路配管 32はガス圧力逃がし 通路として機能する。従って、例えば、燃料電池 12の内部の異常燃焼ガスは、燃料 ガス還流配管 105を経由して一旦、水分除去装置 15の内部に流れ、その後、燃焼 ガスは、第一の水通路配管 32を通って大気中に放出させられる。こうして、燃料電池 システム 100の内部の高圧状態が速やかに解消し、その内圧を大気圧レベルにまで 迅速に低下させ得る。
[0124] なお、このような第一の水通路配管 32のガス圧力逃がし効果を確認するために、 燃料電池システムを密閉した状態 (具体的には、原料ガス供給器 19の開閉用電磁 弁とガス配管開閉弁 18とを閉じた状態）において、燃料電池システム 100の内部に 意図的に燃料ガスを燃焼させるという異常燃焼発生テストを行って、燃料電池システ ム 100の各継ぎ手並びに各シール部等の破損状況を確認した力 これらに箇所に何 らの異常も見られな力つた。
[0125] 以上に説明した燃料電池システム 100の動作によれば、水分除去装置 15の燃料 ガス内圧が変動しても、その内圧変動を第一の水通路配管 32に存在する配管水 34 の上下運動で相殺しながら、第一の水通路配管 32によって燃料ガスを水分除去装 置 15の内部に適切に封止できる。
[0126] 特に、制御装置 10によって凝集水 31の水位 31fをその下限 31dよりも上方に保ち ながら燃料電池システム 100の運転制御を行っているため、その運転期間中（原料 ガス供給中）に凝集水 31の水枯れが発生するという状況を阻止して、これにより燃料 ガスの大気中への放出を確実に防止している。
[0127] また、停電等の緊急停止時にお!、て、燃料電池システム 100の内部の燃料ガスが 異常燃焼することによって、その内圧が上記の最大圧力（2kPa)を遥かに超えて急 激に上昇したとしても、この第一の水通路配管 32を通して燃料ガス燃焼で発生した 燃焼ガスを、凝集水 31 (配管水 34)と共に速やかに大気中に放出することが可能で あり、第一の水通路配管 32が、停電時に補助電力が無くても機能する、ガス圧力逃 がし機構の役割を適切に果たし得る。特に、斯かる水封によるガス圧逃がし機構を採 用すれば、既存のゴムシールによるガス圧逃がし弁に比較して、吹き出し圧力（設定 値）が低めであっても安定にガスシールが図れて好適である。
[0128] (実施の形態 3)
図 4は、実施の形態 3に係る燃料電池システムの構成を説明するブロック図である。
[0129] 水受け部 46に溜まった凝集水 31の水位 31fの下限 31dについて実施の形態 2で 説明したが、実施の形態 3においては、この下限 31dよりも下方に凝集水 31の水位 3 Ifが位置する際に、それに対する迅速な対応策（回復策）を述べる。
[0130] 実施の形態 3に係る燃料電池システム 100は主として、予め所定量以上の水を貯 蔵する水貯蔵タンク 122と、水受け部 46の内部と水貯蔵タンク 122の内部とを連通 する通水パイプからなる第二の水通路配管 120と、第二の水通路配管 120の途中に 配置された水配管開閉弁 121と、によって構成されて!ヽる。
[0131] また、水貯蔵タンク 122の内部には、外部の水供給手段（図示せず)から適宜、貯 蔵水 123が供給され、これによつて貯蔵水 123の水位 123fは、常に水受け部 46に 溜まった凝集水 31の水位 31fの下限 31d (実施の形態 2において、第一の水通路配 管 32の内容積 (VI)力も導出した水位)よりも上方に位置するように保たれて 、る。
[0132] これによつて、例えば燃料電池システム 100の長期保管により凝集水 31の減少等 によって、凝集水 31の水位 31fがその下限 31d以下にあれば、水配管開閉弁 121が 開栓されて、凝集水 31の水位 31fがその下限 31dを超えるまで水貯蔵タンク 122か ら水受け部 46に水が補給される。
[0133] この実施の形態 3では、貯蔵水 123の水位 123fを凝集水 31の水位 31fの下限 31 dよりも 220mm上方に保つように、制御装置 10により貯蔵水 123の水位 123fが制御 されている。
[0134] また、水配管開閉弁 121は、常態において第二の水通路配管 120を開くように動 作するノーマルオープン型の開閉弁であれば良ぐより詳しくは、通電時に第二の水 通路配管 120を閉じてかつ通電停止時に第二の水通路配管 120を開く開閉用の電 磁弁で構成されている。
[0135] これによつて、停電等の不測の事態においても、水配管開閉弁 121は、補助電源 を必要とすることなく自動的に開栓動作して、凝集水 31が不足する場合に水貯蔵タ ンク 122から水受け部 46への水の補給を滞ることなく実行することができる。
[0136] なお、第二の水通路配管 120および水配管開閉弁 121並びに水貯蔵タンク 122を 除いた構成は、実施の形態 1および実施の形態 2において説明したものと同じである ため、これらに関連する説明は省略する。
[0137] 次に、水配管開閉弁 121と水貯蔵タンク 122に関する燃料電池システム 100の動 作を述べる。
[0138] 燃料電池システム 100の通常運転 (発電動作）において、制御装置 10は、水位検 知器 33から出力される検知信号に基づいて、水受け部 46の凝集水 31の水位 31fを 、凝集水 31の閾値として既に説明した第一の水通路配管 32の内容積 (VI)力も導 出される下限 31dよりも上方力否力を監視する。
[0139] そして、凝集水 31の水位 31fがその下限 31dより上方にあれば、制御装置 10は、 水配管開閉弁 121を閉栓状態に保って水貯蔵タンク 122の貯蔵水 123を水受け部 4 6に補給することなぐ燃料電池システム 100の運転をそのまま継続させる。
[0140] 一方、凝集水 31の水位 31fがその下限以下にあれば、制御装置 10は、原料ガス 供給器 19を用いて原料ガスの供給を一旦停止 (燃料電池システム 100の運転停止） して、その後、水配管開閉弁 121を開栓して水貯蔵タンク 122の貯蔵水 123の一部 を水受け部 46に流して水を補給し凝集水 31の水量を効率的に増加させる。
[0141] そして、凝集水 31の水位 31fがその下限 31dを超えた時点で、制御装置 10は、水 配管開閉弁 121を閉栓して凝集水 31への水補給を停止すると共に、原料ガス供給 器 19を用いて原料ガスの供給を再開して、燃料電池システム 100を通常の運転動 作 (発電動作)に戻す。
[0142] このようにして燃料電池システム 100を運転期間中（原料ガス供給中）に、水受け部 46の凝集水 31の水位 31fをその下限 31dを超えるように適切に保つことを可能にし 、水分除去装置 15の水枯れに対して充分な余裕を持つような凝集水 31の水量を確 保して、水分除去装置 15の水出口部 42を介して燃料ガスが外部に漏れることを確 実に防止している。
[0143] 同時に、制御装置 10が、凝集水 31の水位 31fを監視しながら原料ガスの供給の有 無を判断すると共に、凝集水 31が不足する場合に水貯蔵タンク 122から速やかに水 の補給を可能にして、これにより燃料電池システム 100の運転の効率ィ匕が図られる。
[0144] なおここまで、凝集水 31の水位 31fに基づいて制御装置 10により燃料電池システ ム 100の運転制御を行うような形態を説明した力 このような動作に付随して、例えば 、水位検知器 33のショートや断線等の故障を制御装置 10が検知した際にも、制御 装置 10が原料ガス供給器 19を用いて原料ガスの供給を停止するように動作しても 構わない。
[0145] 上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らか である。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行 する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を 逸脱することなぐその構造及び Z又は機能の詳細を実質的に変更できる。
産業上の利用可能性
[0146] 本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池システムの停電等の不測の事 態による緊急停止に対して適切かつ迅速な停止動作が行えて、例えば、家庭用の発 電システムとして有用である。

Claims

請求の範囲
[1] 燃料ガスを消費して発電すると供に、前記発電により消費されな力つた燃料ガスを 流出する出口ポートを有する燃料電池と、前記出口ポートを通して送られる燃料ガス 中に含有する水分を除去する水分除去装置と、前記水分除去装置の下流側に配置 され、前記燃料ガスを燃焼するバーナーと、前記水分除去装置と前記バーナーとを 連通する配管を開閉するガス配管開閉弁とを備え、前記発電の停止時に前記ガス配 管開閉弁が閉まる燃料電池システム。
[2] 原料ガスと水蒸気から前記燃料ガスを生成する燃料処理器を備え、前記バーナー において前記燃料ガスを燃焼することによって生成した熱を前記燃料処理器に供給 する請求項 1記載の燃料電池システム。
[3] 前記ガス配管開閉弁は、常態において前記配管を閉じるように動作するノーマルク ローズ型の開閉弁である請求項 1記載の燃料電池システム。
[4] 前記ガス配管開閉弁は、通電停止時に前記配管を閉める電磁弁である請求項 3記 載の燃料電池システム。
[5] 前記ガス配管開閉弁よりも上流に、前記発電の停止時に、前記ガス配管開閉弁の 閉栓により流れを遮られたガスのガス圧逃がし機構を有して構成される請求項 1記載 の燃料電池システム。
[6] 前記水分除去装置は、前記燃料ガスを通流する領域を有する熱交換部と、前記燃 料ガス中に含有する水分力 生成される凝集水を溜める水受け部とを備え、前記熱 交換部における熱交換により前記燃料ガスが冷却される請求項 1または 5記載の燃 料電池システム。
[7] 前記燃料ガスを通流する領域に邪魔板が配置され、前記邪魔板によって前記燃料 ガスが減速される請求項 6記載の燃料電池システム。
[8] 前記水受け部に溜まった凝集水の水位を検知する水位検知器と、制御装置とを備 え、前記水位検知器により出力される検知信号に基づき前記制御装置は前記凝集 水の水位を制御する請求項 6記載の燃料電池システム。
[9] 前記水受け部に連通すると共に、前記水分除去装置の内圧が大気圧に対して正 圧の状態において前記凝集水の水位よりも上方で大気に開放される開放端を形成 するように延びる第一の水通路配管を備え、
前記内圧と大気圧との差圧によって、前記凝集水の一部を配管水として前記第一 の水通路配管の内部に導きながら前記第一の水通路配管に内在する配管水の水位 力 前記凝集水の水位に対して上昇する請求項 6記載の燃料電池システム。
[10] 前記水分除去装置は、前記燃料ガスを通流する領域を有する熱交換部と、前記燃 料ガス中に含有する水分力 生成される凝集水を溜める水受け部と、前記水受け部 に連通すると共に、前記水分除去装置の内圧が大気圧に対して正圧の状態におい て前記凝集水の水位よりも上方で大気に開放される開放端を形成するように延びる 第一の水通路配管と、を備え、
前記第一の水通路配管が、前記ガス圧逃がし機構として機能する請求項 5記載の 燃料電池システム。
[11] 前記凝集水の水位は、前記第一の水通路配管の内容積力 導出される前記水位 の下限よりも上方に保たれる請求項 9記載の燃料電池システム。
[12] 前記凝集水の水量と前記配管水の水量とを合算した水量に相当する容積が、前記 第一の水通路配管の内容積よりも大き!/、請求項 11記載の燃料電池システム。
[13] 水を貯蔵した水貯蔵タンクと、前記水受け部と前記水貯蔵タンクとを連通する第二 の水通路配管と、前記第二の水通路配管を開閉する水配管開閉弁とを備え、 前記水配管開閉弁を開けることによって前記水貯蔵タンクから前記水受け部に向 けて水を流すように前記水受け部に溜まった凝集水の水位と前記水貯蔵タンクに貯 蔵した水の水位が制御される請求項 6記載の燃料電池システム。
[14] 前記水配管開閉弁は、常態において前記第二の水通路配管を開くように動作する ノーマルオープン型の開閉弁である請求項 13記載の燃料電池システム。
[15] 前記水配管開閉弁は、通電停止時に前記第二の水通路配管を開ける電磁弁であ る請求項 14記載の燃料電池システム。
[16] 原料ガスと水蒸気から燃料ガスを生成する燃料処理器と、前記燃料処理器に前記 原料ガスを供給する原料ガス供給器と、前記出口ポートを通して送られる燃料ガス中 に含有する水分力 生成される凝集水を溜める水受け部を有する水分除去装置と、 前記凝集水の水位を検知する水位検知器と、制御装置とを備え、 前記水位検知器は、前記凝集水の水位の下限を検知してこれを検知信号として前 記制御装置に出力して、前記制御装置は、前記検知信号に基づいて前記原料ガス 供給器を用いて原料ガスを供給するカゝ否かを判断する請求項 1記載の燃料電池シス テム。
[17] 前記水受け部に連通すると共に、前記水分除去装置の内圧が大気圧に対して正 圧の状態において前記凝集水の水位よりも上方で大気に開放される開放端を形成 するように延びる第一の水通路配管を備え、前記水位検知器によって検知される前 記下限は、前記第一の水通路配管の内容積から導出される請求項 16記載の燃料電 池システム。
[18] 前記水位が前記下限以下の状態において、前記制御装置は、前記原料ガス供給 器を用いて原料ガスの供給を停止する請求項 17記載の燃料電池システム。
[19] 水を貯蔵した水貯蔵タンクと、前記水受け部と前記水貯蔵タンクとを連通する第二 の水通路配管と、前記第二の水通路配管を開閉する水配管開閉弁とを備え、前記 制御装置は、少なくとも前記水位が前記下限を超えるまで前記水配管開閉弁を開け て、前記第二の水通路配管を通して前記水貯蔵タンクに貯蔵した水を前記水受け部 に補給する請求項 18記載の燃料電池システム。
[20] 前記水位が前記下限を超えた時点で、前記制御装置は、前記水配管開閉弁を閉 じると共に、前記原料ガス供給器を用いて原料ガスを供給する請求項 19記載の燃料 電池システム。
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