(57)【要約】  燃料電池システム（１００）は、燃料電池（１）と、燃焼器（２）と、排熱回収経路（３）と、燃料電池（１）から燃焼器（２）へアノード排ガスを供給するアノード排ガス経路（４）と、アノード排ガス経路（４）の途中に配置され、アノード排ガスと排熱回収媒体との間で熱交換させることにより、アノード排ガスを冷却し、アノード排ガスに含まれる水分を凝縮させるアノード排ガス熱交換器（５）と、アノード排ガス熱交換器（５）で冷却されたアノード排ガスを、凝縮水成分とガス成分とに分離する気液分離部（６）と、燃料電池（１）よりも下流側でアノード排ガス熱交換器（５）よりも上流側に位置するアノード排ガス経路（４）を流れるアノード排ガスと、気液分離部（６）よりも下流側で燃焼器（２）よりも上流側に位置するアノード排ガス経路（４）を流れるアノード排ガスとを熱交換させる熱交換部（９）とを備えている。
2017110090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出されるアノード排ガスを燃焼させる燃焼器と、
排熱を回収する排熱回収媒体が通流する排熱回収経路と、
前記燃料電池から前記燃焼器へ前記アノード排ガスを供給するアノード排ガス経路と、
前記アノード排ガス経路の途中に配置され、前記アノード排ガスと前記排熱回収媒体との間で熱交換させることにより、前記アノード排ガスを冷却し、前記アノード排ガスに含まれる水分を凝縮させるアノード排ガス熱交換器と、
前記アノード排ガス熱交換器で冷却された前記アノード排ガスを、凝縮水成分とガス成分とに分離する気液分離部と、
前記気液分離部で分離された前記凝縮水成分を貯留する凝縮水タンクと、
前記燃焼器で発生した燃焼排ガスと前記排熱回収媒体との間で熱交換させることにより、前記燃焼排ガスから排熱を回収する燃焼排ガス熱交換器と、
前記燃料電池よりも下流側で前記アノード排ガス熱交換器よりも上流側に位置する前記アノード排ガス経路を流れる前記アノード排ガスと、前記気液分離部よりも下流側で前記燃焼器よりも上流側に位置する前記アノード排ガス経路を流れる前記アノード排ガスとを熱交換させる熱交換部と、
を備えた、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記熱交換部は、前記燃料電池よりも下流側で前記アノード排ガス熱交換器よりも上流側に位置する前記アノード排ガス経路を構成する第１配管と、前記気液分離部よりも下流側で前記燃焼器よりも上流側に位置する前記アノード排ガス経路を構成する第２配管とを有し、
前記第１配管と前記第２配管とが接触するように構成された、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記熱交換部は、前記第１配管と前記第２配管とを一緒に覆う断熱材を有する、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記熱交換部は、前記熱交換部における前記第１配管内の前記アノード排ガスが下方に向かって流れ、前記熱交換部における前記第２配管内の前記アノード排ガスが上方に向かって流れるように構成されている、
請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池および前記燃焼器は、前記気液分離部の上方に位置し、
前記熱交換部は前記気液分離部の上方に位置し、
前記アノード排ガス熱交換器は、前記熱交換部の下方で、かつ、前記気液分離部の上方に位置する、
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記排熱回収経路は、前記アノード排ガス熱交換器および前記燃焼排ガス熱交換器のうち、少なくともいずれかと、貯湯槽とを、前記排熱回収媒体が循環するように構成され、
前記排熱回収経路において、前記アノード排ガス熱交換器と前記燃焼排ガス熱交換器とが並列に接続されている、
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃焼器で発生する熱で加熱され、原料および水を反応させて前記水素含有ガスを生成する改質器をさらに備えた、
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、この燃料電池から排出されるアノード排ガスを燃焼させる燃焼器とを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子形燃料電池は、発電運転の際に水素を燃料として用いている。発電運転に必要な水素の供給手段は、インフラストラクチャとして整備されていないので、燃料電池システムには、通常、水素生成装置が併設される。【０００３】
水素生成装置は、原料ガス（炭化水素）および水から、水蒸気改質反応によって、水素を含む改質ガスを生成するための改質触媒が充填された改質器と、この改質触媒を、水蒸気改質反応に適した温度に加熱するための燃焼排ガスを生成する燃焼器とを備えている。【０００４】
燃焼排ガスを生成する燃焼器の燃料としては、燃料電池の内部で消費されずに燃料電池から排出された、水素を含むアノード排ガスが使用されている。【０００５】
アノード排ガスには、通常、水素の他に、飽和状態にある水蒸気が含まれている。このため、燃料電池と燃焼器との間の、アノード排ガスを流すアノード排ガス経路を断熱する等して、アノード排ガス中の水蒸気が凝縮することを極力防止している。【０００６】
しかしながら、たとえ、このような断熱処理がアノード排ガス経路に施されたとしても、アノード排ガスの温度（約７０〜８０℃）は、雰囲気温度よりも高温なため、アノード排ガスの外部雰囲気中への放熱は避け難い。これにより、飽和状態にある水蒸気の一部が、必然的に凝縮してしまう。そして、水蒸気の凝縮によって発生した微細な水滴は、アノード排ガス中を浮遊しつつ、アノード排ガスの流れに伴って燃焼器に導かれる。【０００７】
燃焼器に水滴が混入すると、水滴を蒸発させるための蒸発潜熱分の熱量が燃焼器において消費されるため、水素生成装置の熱効率が低下する。加えて、燃焼器における燃料ガスの燃焼状態は、水滴の存在に起因して不安定になり易く、燃焼器の火炎が失火する可能性もある。【０００８】
そこで、アノード排ガスを冷却し、アノード排ガスに含まれる水分を凝縮させて、アノード排ガスから凝縮水成分を分離除去した後に、燃焼器で発生した燃焼排ガスと熱交換させることにより、アノード排ガスを加熱して燃焼器に供給することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。【０００９】
しかしながら、このような従来の構成では、燃焼器に供給されるアノード排ガスを、燃焼器で発生した燃焼排ガスとの熱交換によって加熱するので、燃焼器に導かれたアノード排ガスに水滴が発生するのを防止するには十分過ぎるほどに、アノード排ガスが加熱されすぎる可能性がある。この場合、アノード排ガスとの熱交換によって、燃焼排ガスの温度は大きく低下するので、燃焼排ガスの排熱を排熱回収媒体で回収して給湯等に利用する場合には、燃焼排ガスから排熱回収媒体を介して回収できる熱量が少なくなるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−５０７９８号公報
【発明の概要】
【００１１】
本開示は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、排熱回収媒体による排熱回収の効率を低下させることなく、燃焼器に導かれたアノード排ガスに水滴が発生する可能性を低減して、燃焼器でのアノード排ガスの燃焼安定性を向上させることのできる燃料電池システムを提供するものである。
【００１２】
本開示の燃料電池システムは、水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池から排出されるアノード排ガスを燃焼する燃焼器と、排熱を回収する排熱回収媒体が通流する排熱回収経路と、燃料電池から燃焼器へアノード排ガスを供給するアノード排ガス経路とを備えている。そして、アノード排ガス経路の途中に配置され、アノード排ガスと排熱回収媒体との間で熱交換させることにより、アノード排ガスを冷却し、アノード排ガスに含まれる水分を凝縮させるアノード排ガス熱交換器と、アノード排ガス熱交換器で冷却されたアノード排ガスを、凝縮水成分とガス成分とに分離する気液分離部とを備えている。さらに、気液分離部で分離された凝縮水成分を貯留する凝縮水タンクと、燃焼器で発生した燃焼排ガスと排熱回収媒体との間で熱交換させることにより、燃焼排ガスから排熱を回収する燃焼排ガス熱交換器を備えている。さらに、燃料電池よりも下流側でアノード排ガス熱交換器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を流れるアノード排ガスと、気液分離部よりも下流側で燃焼器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を流れるアノード排ガスとを熱交換させる熱交換部を備えている。
【００１３】
このような構成により、燃料電池から排出されたアノード排ガスは、まず、熱交換部において、気液分離部よりも下流側で燃焼器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を流れるアノード排ガスとの熱交換によって冷却された後に、アノード排ガス熱交換器において、排熱回収媒体との熱交換によって更に冷却される。よって、アノード排ガスに含まれる水分が凝縮され、気液分離部でアノード排ガスから凝縮水成分が分離除去され、気液分離部でアノード排ガスのガス成分と分離された凝縮水成分が凝縮水タンクに貯留される。
【００１４】
一方、気液分離部で凝縮水成分が除去されたアノード排ガスは、熱交換部において燃料電池よりも下流側でアノード排ガス熱交換器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を流れるアノード排ガスとの熱交換によって加熱されることになる。これにより、アノード排ガスに同伴する微細な水滴が、確実に取り除かれた状態で、アノード排ガスが燃焼器に供給される。
【００１５】
よって、本開示の燃料電池システムは、アノード排ガスに同伴する水滴により燃焼器の燃焼状態を不安定にするという従来の問題に適切に対処でき、燃焼器に導かれたアノード排ガスに水滴が発生する可能性を低減し、燃焼器でのアノード排ガスの燃焼安定性を向上させることができる。
【００１６】
また、排熱回収媒体は、燃焼排ガス熱交換器において、燃焼排ガスから排熱を回収するとともに、アノード排ガス熱交換器において、アノード排ガスから排熱を回収することができる。
【００１７】
なお、アノード排ガス熱交換器において、アノード排ガスから回収できる熱量は、燃料電池よりも下流側でアノード排ガス熱交換器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路に熱交換部を設けたことによって、熱交換部を設けなかった場合よりも少し減る。しかしながら、気液分離部よりも下流側で燃焼器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路に熱交換部が設けられたことによって、熱交換部を設けなかった場合よりも、燃焼器に供給されるアノード排ガスの温度が高くなる。また、燃焼器で発生した燃焼排ガスの排熱は、燃焼排ガス熱交換器において排熱回収媒体に回収されるので、アノード排ガス熱交換器でアノード排ガスから回収できる熱量の減少は問題にならない。
【００１８】
一般的に、燃料電池から排出されるアノード排ガスの温度は、燃焼器から排出される燃焼排ガスの温度よりも低い。しかしながら、アノード排ガスに同伴する水滴により燃焼器の燃焼状態を不安定にするという従来の問題に適切に対処するには、アノード排ガス中の水蒸気が凝縮する温度よりも高い温度にアノード排ガスを加熱して燃焼器に供給すればよい。よって、仮に、アノード排ガス経路の途中で水分を分離除去しない場合であっても、燃料電池から排出されるアノード排ガスの温度以上に加熱する必要はない。
【００１９】
燃料電池から排出されたアノード排ガスは、熱交換部およびアノード排ガス熱交換器で冷却されたときに、アノード排ガスに含まれる水分が凝縮し、気液分離部でアノード排ガスから凝縮水成分が分離除去される。また、アノード排ガス熱交換器でアノード排ガスが冷却されることにより、燃料電池よりも下流側でアノード排ガス熱交換器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を流れるアノード排ガスと、気液分離部よりも下流側で燃焼器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を流れるアノード排ガスとの間に充分な温度差が発生する。このため、燃料電池から排出されるアノード排ガスとの熱交換によって、燃焼器に供給されるアノード排ガスを加熱する構成であっても、燃焼器に供給されるアノード排ガスの温度を、アノード排ガス中の水蒸気が凝縮する温度よりも高い温度にすることができる。
【００２０】
燃料電池から排出されるアノード排ガスとの熱交換によって、燃焼器に供給されるアノード排ガスを加熱する場合には、燃焼器から排出される燃焼排ガスとの熱交換で燃焼器に供給されるアノード排ガスを加熱する場合よりも、排熱回収媒体で燃料電池システムの排熱を回収する効率が良く、また、熱交換部を低コストで簡単に構成することができる。
【００２１】
したがって、排熱回収媒体による排熱回収の効率を低下させることなく、燃焼器に導かれたアノード排ガスに水滴が発生する可能性を低減して、燃焼器でのアノード排ガスの燃焼安定性を向上させることができる。
【００２２】
以上述べたように、本開示の燃料電池システムは、排熱回収媒体による排熱回収の効率を低下させることなく、燃焼器に導いたアノード排ガスに水滴が発生する可能性を低減して、燃焼器でのアノード排ガスの燃焼安定性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本開示の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】本開示の第１の実施の形態に係る燃料電池システムにおける熱交換部の構成の一例を示す概略図である。
【図３】本開示の第１の実施の形態に係る燃料電池システムにおける気液分離部の構成の一例を示す概略図である。
【図４】本開示の第１の実施の形態に係る燃料電池システムにおける気液分離部の構成の別の例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本開示の第１の態様の燃料電池システムは、水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池から排出されるアノード排ガスを燃焼させる燃焼器と、排熱を回収する排熱回収媒体が通流する排熱回収経路と、燃料電池から燃焼器へアノード排ガスを供給するアノード排ガス経路とを備えている。この燃料電池システムは、また、アノード排ガス経路の途中に配置され、アノード排ガスと排熱回収媒体との間で熱交換させることにより、アノード排ガスを冷却し、アノード排ガスに含まれる水分を凝縮させるアノード排ガス熱交換器と、アノード排ガス熱交換器で冷却されたアノード排ガスを、凝縮水成分とガス成分とに分離する気液分離部とを備えている。この燃料電池システムは、また、気液分離部で分離された凝縮水成分を貯留する凝縮水タンクと、燃焼器で発生した燃焼排ガスと排熱回収媒体との間で熱交換させることにより、燃焼排ガスから排熱を回収する燃焼排ガス熱交換器を備えている。この燃料電池システムは、また、燃料電池よりも下流側でアノード排ガス熱交換器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を流れるアノード排ガスと、気液分離部よりも下流側で燃焼器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を流れるアノード排ガスとを熱交換させる熱交換部とを備えている。
【００２５】
このような構成において、燃料電池から排出されたアノード排ガスは、まず、熱交換部において、気液分離部よりも下流側で燃焼器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を流れるアノード排ガスとの熱交換によって冷却された後に、アノード排ガス熱交換器で排熱回収媒体との熱交換によって更に冷却される。そして、アノード排ガスに含まれる水分が凝縮し、気液分離部でアノード排ガスから凝縮水成分が分離除去され、気液分離部でアノード排ガスのガス成分と分離された凝縮水成分が凝縮水タンクに貯留される。
【００２６】
一方、気液分離部で凝縮水成分が除去されたアノード排ガスは、熱交換部において燃料電池よりも下流側でアノード排ガス熱交換器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を流れるアノード排ガスとの熱交換によって加熱される。これにより、アノード排ガスに同伴する微細な水滴が確実に取り除かれた状態で、アノード排ガスが燃焼器に供給される。
【００２７】
よって、本開示の燃料電池システムは、アノード排ガスに同伴する水滴により燃焼器の燃焼状態を不安定にするという従来の問題に適切に対処でき、燃焼器に導かれたアノード排ガスに水滴が発生する可能性を低減し、燃焼器でのアノード排ガスの燃焼安定性を向上させることができる。
【００２８】
また、排熱回収媒体は、燃焼排ガス熱交換器において燃焼排ガスから排熱を回収し、アノード排ガス熱交換器においてアノード排ガスから排熱を回収することができる。
【００２９】
なお、アノード排ガス熱交換器でアノード排ガスから回収できる熱量は、燃料電池よりも下流側でアノード排ガス熱交換器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路に熱交換部が設けられたことによって、熱交換部が設けられなかった場合よりも少し減る。しかしながら、気液分離部よりも下流側で燃焼器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路に熱交換部が設けられたことによって、熱交換部が設けられなかった場合よりも、燃焼器に供給されるアノード排ガスの温度が高くなる。そのため、燃焼器で発生した燃焼排ガスの排熱は、燃焼排ガス熱交換器において排熱回収媒体に回収される。したがって、アノード排ガス熱交換器でアノード排ガスから回収できる熱量の減少は問題にならない。
【００３０】
また、一般的に、燃料電池から排出されるアノード排ガスの温度は、燃焼器から排出される燃焼排ガスの温度よりも低い。アノード排ガスに同伴する水滴により燃焼器の燃焼状態が不安定になるという従来の問題に適切に対処するには、アノード排ガス中の水蒸気が凝縮する温度よりも高い温度にアノード排ガスを加熱して燃焼器に供給すれば良い。仮に、アノード排ガス経路の途中で水分を分離除去しない場合であっても、燃料電池から排出されるアノード排ガスの温度以上に加熱する必要はない。
【００３１】
そして、燃料電池から排出されたアノード排ガスは、熱交換部およびアノード排ガス熱交換器で冷却された時に、アノード排ガスに含まれる水分が凝縮し、気液分離部でアノード排ガスから凝縮水成分が分離除去されている。また、アノード排ガス熱交換器でアノード排ガスが冷却されることにより、燃料電池よりも下流側でアノード排ガス熱交換器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を流れるアノード排ガスと、気液分離部よりも下流側で燃焼器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を流れるアノード排ガスとの間に充分な温度差が発生する。よって、燃料電池から排出されるアノード排ガスとの熱交換で燃焼器に供給されるアノード排ガスを加熱する構成であっても、燃焼器に供給されるアノード排ガスの温度をアノード排ガス中の水蒸気が凝縮する温度よりも高い温度にすることができる。
【００３２】
このため、燃料電池から排出されるアノード排ガスとの熱交換で燃焼器に供給されるアノード排ガスを加熱する場合は、燃焼器から排出される燃焼排ガスとの熱交換で燃焼器に供給されるアノード排ガスを加熱する場合よりも、排熱回収媒体で燃料電池システムの排熱を回収する効率が良く、熱交換部を低コストで簡単に構成することができる。
【００３３】
したがって、排熱回収媒体による排熱回収の効率を低下させることなく、燃焼器に導かれたアノード排ガスに水滴が発生する可能性を低減して、燃焼器でのアノード排ガスの燃焼安定性を向上させることができる。
【００３４】
本開示の第２の態様は、第１の態様において、熱交換部は、燃料電池よりも下流側でアノード排ガス熱交換器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を構成する第１配管と、気液分離部よりも下流側で燃焼器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を構成する第２配管とを有し、第１配管と第２配管とが接触するように構成されていてもよい。
【００３５】
このような構成によれば、さらに、熱交換部では、燃料電池よりも下流側でアノード排ガス熱交換器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を構成する第１配管と、気液分離部よりも下流側で燃焼器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を構成する第２配管とが接触している。これにより、熱交換部の第１配管と第２配管とを、直接的熱伝導によって熱交換させることができ、結束バンド等の結束部品を用いれば、第１配管と第２配管とが接触する状態を維持させることが可能である。よって、熱交換部の第１配管と第２配管とを熱交換させるための構成が簡単になり、燃料電池システムのコスト低減に寄与できる。
【００３６】
第３の態様は、第２の態様において、熱交換部は、第１配管と第２配管とを一緒に覆う断熱材を有する構成であってもよい。
【００３７】
このような構成により、断熱材によって、熱交換部の第１配管と第２配管とが接触する状態を維持したままで、熱交換部の第１配管（を流れるアノード排ガス）と第２配管（を流れるアノード排ガス）の熱が外気に放熱される。よって、熱交換部の第１配管（を流れるアノード排ガス）と第２配管（を流れるアノード排ガス）が外気によって冷えることを抑制できる。したがって、低コストで、より確実に無駄なく熱交換部の第１配管（を流れるアノード排ガス）の熱を第２配管（を流れるアノード排ガス）に伝え、第２配管を流れるアノード排ガスを加熱して、燃焼器に供給されるアノード排ガスに微細な水滴が発生することを抑制することができる。
【００３８】
また、熱交換部の第１配管と第２配管とが接触した状態で、熱交換部の第１配管と第２配管とを一緒に断熱材で覆うことにより、結束バンド等の結束部品による結束を省略したり、結束バンド等の結束部品による結束を一時的な仮結束にした場合であっても、断熱材によって熱交換部の第１配管と第２配管とが接触する状態を維持させることができる。
【００３９】
第４の態様は、第２の態様または第３の態様において、熱交換部は、熱交換部における第１配管内のアノード排ガスが下方に向かって流れ、熱交換部における第２配管内のアノード排ガスが上方に向かって流れるように構成されていてもよい。
【００４０】
このような構成により、熱交換部の第１配管内で凝縮水が発生した場合であっても、その凝縮水を、重力および第１配管内のアノード排ガスの流れによって下方に移動させることができ、凝縮水が第１配管内のアノード排ガスの流れを妨害することを防止できる。また、熱交換部の第２配管に凝縮水が流入する場合であっても、重力によって、その凝縮水が燃焼器に流入することを抑制でき、熱交換部の第２配管に留まった凝縮水を、熱交換部の第１配管からの伝熱で消滅させることができる。
【００４１】
また、熱交換部の第１配管と第２配管とを略平行（平行を含む）にして、熱交換部の第１配管と第２配管とが接触する長さを長くすることができる。よって、熱交換部の第１配管と第２配管とが接触している部分の長さを適切に調節することにより、熱交換部において第１配管と第２配管とを充分に熱交換させることができる。
【００４２】
第５の態様は、第１の態様から第４の態様までのいずれかの態様において、燃料電池および燃焼器は、気液分離部の上方に位置し、熱交換部は気液分離部の上方に位置し、アノード排ガス熱交換器は、熱交換部の下方で、かつ、気液分離部の上方に位置する構成であってもよい。
【００４３】
このような構成により、アノード排ガス経路で凝縮した凝縮水を、重力を利用して気液分離部に導いて、凝縮水がアノード排ガスの流れを妨害することを防止することができる。また、燃料電池よりも下流側でアノード排ガス熱交換器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を構成する第１配管と、気液分離部よりも下流側で燃焼器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を構成する第２配管とを、略鉛直方向（鉛直方向を含む）になる部分同士で容易に近接させることができるので、熱交換部を容易に構成することができる。
【００４４】
第６の態様は、特に第１の態様から第５の態様までのいずれかの態様において、排熱回収経路は、アノード排ガス熱交換器および燃焼排ガス熱交換器のうち、少なくともいずれかと、貯湯槽とを、排熱回収媒体が循環するように構成され、排熱回収経路において、アノード排ガス熱交換器と燃焼排ガス熱交換器とが並列に接続されている構成であってもよい。
【００４５】
このような構成により、アノード排ガス熱交換器に流入する排熱回収媒体の温度と、燃焼排ガス熱交換器に流入する排熱回収媒体の温度とを、略同じ温度（同じ温度を含む）にして、アノード排ガス熱交換器によるアノード排ガスの冷却、および、燃焼排ガス熱交換器による燃焼排ガスからの排熱回収の両方を効率よく行うことができる。
【００４６】
第７の態様は、第１の態様から第６の態様までのいずれかの態様において、燃焼器で発生する熱で加熱され、原料および水を反応させて水素含有ガスを生成する改質器を備えた構成であってもよい。
【００４７】
このような構成によれば、燃焼器で発生する熱で加熱される改質器によって、燃料電池の発電に用いる水素含有ガスを生成させることができる。
【００４８】
以下、本開示の燃料電池システムの実施の形態を、図面を参照しながら説明するが、本開示は、これらの実施の形態によって限定されるものではない。
【００４９】
（第１の実施の形態）
まず、本開示の第１の実施の形態について説明する。
【００５０】
図１は、本開示の第１の実施の形態に係る燃料電池システム１００の概略構成を模式的に示すブロック図である。図２は、本開示の第１の実施の形態に係る燃料電池システム１００における熱交換部９の構成の一例を示す概略図である。図３は、本開示の第１の実施の形態に係る燃料電池システム１００における気液分離部６の構成の一例を示す概略図であり、図４は、本開示の第１の実施の形態に係る燃料電池システム１００における気液分離部６の構成の別の例を示す概略図である。
【００５１】
図１に示されるように、第１の実施の形態に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１と、燃焼器２と、排熱回収経路３と、アノード排ガス経路４と、アノード排ガス熱交換器５と、気液分離部６と、凝縮水タンク７と、燃焼排ガス熱交換器８と、熱交換部９とを備えている。
【００５２】
燃料電池１は、水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する。燃焼器２は、燃料電池１のアノードから排出されるアノード排ガスを燃焼させる。排熱回収経路３は、排熱を回収する排熱回収媒体（貯湯槽の湯水）が通流する。アノード排ガス経路４は、燃料電池１から燃焼器２へアノード排ガスを供給する。アノード排ガス熱交換器５は、アノード排ガス経路４の途中に配置され、アノード排ガスと排熱回収媒体との間で熱交換させることにより、アノード排ガスを冷却し、アノード排ガスに含まれる水分を凝縮させる。
【００５３】
また、気液分離部６は、アノード排ガス熱交換器５で冷却されたアノード排ガスを、凝縮水成分とガス成分とに分離する。凝縮水タンク７は、気液分離部６でアノード排ガスのガス成分と分離された凝縮水成分を貯留する。燃焼排ガス熱交換器８は、燃焼器２で発生した燃焼排ガスと排熱回収媒体との間で熱交換させることにより、燃焼排ガスから排熱を回収する。
【００５４】
また、熱交換部９は、燃料電池１よりも下流側でアノード排ガス熱交換器５よりも上流側に位置するアノード排ガス経路４を流れるアノード排ガスと、気液分離部６よりも下流側で燃焼器２よりも上流側に位置するアノード排ガス経路４を流れるアノード排ガスとを熱交換させる。
【００５５】
熱交換部９では、燃料電池１よりも下流側でアノード排ガス熱交換器５よりも上流側に位置するアノード排ガス経路４を構成する第１配管４ａと、気液分離部６よりも下流側で燃焼器２よりも上流側に位置するアノード排ガス経路４を構成する第２配管４ｂとが接触している。また、熱交換部９は、熱交換部９の第１配管４ａと第２配管４ｂとを一緒に覆う断熱材１０を有している。
【００５６】
図２に示されるように、熱交換部９は、熱交換部９における第１配管４ａ内のアノード排ガスが下方に向かって流れ、熱交換部９における第２配管４ｂ内のアノード排ガスが上方に向かって流れるように構成されている。
【００５７】
図１に戻って、燃料電池１および燃焼器２は、気液分離部６の上方に位置し、熱交換部９は気液分離部６の上方に位置し、アノード排ガス熱交換器５は熱交換部９の下方で気液分離部６の上方に位置する。
【００５８】
また、排熱回収経路３は、アノード排ガス熱交換器５および燃焼排ガス熱交換器８と、貯湯槽とを、排熱回収媒体が循環するように構成され、排熱回収経路３において、アノード排ガス熱交換器５は、燃焼排ガス熱交換器８と並列に接続されている。
【００５９】
また、燃料電池システム１００は、燃焼器２で発生する熱で加熱されるとともに、原料および水を反応させて生成された水素含有ガスを燃料電池に１に供給する改質器１１を備えている。
【００６０】
凝縮水タンク７は気液分離部６の下方に位置し、気液分離部６と凝縮水タンク７とは、凝縮水経路１２で接続されている。
【００６１】
気液分離部６は、図３に示されるように、アノード排ガス経路４から分岐されるドレン配管によって、ガス中の水分を凝縮水タンク７へ排出する構成であってもよい。また、図４に示されるように、アノード排ガス経路４の途中に設けられたタンクにおいて、ガス中の水分が分離される構成であってもよい。
【００６２】
図１に戻って、排熱回収経路３の排熱回収媒体は、排熱回収経路３に設けられた排熱回収媒体循環器１３によって排熱回収経路３を循環する。
【００６３】
凝縮水タンク７に貯留された凝縮水は、浄化器１４で浄化された後、水循環器１５によって、改質器１１および冷却水タンク１６に供給される。冷却水タンク１６に貯留された冷却水は、冷却水循環器１７によって、冷却水タンク１６、冷却水循環器１７、燃料電池１、冷却水熱交換器１８が順次環状に連接された冷却水循環経路１９を循環する。
【００６４】
燃料電池１のカソードから排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス熱交換器２０でアノード排ガス熱交換器５から流出した排熱回収媒体と熱交換した後、凝縮水タンク７に送られる。カソード排ガスに含まれる水分は、カソード排ガス熱交換器２０で凝縮水となって、凝縮水タンク７に貯留される。
【００６５】
燃焼器２で発生した燃焼排ガスに含まれる水分は、燃焼排ガス経路２７を通じて燃焼排ガス熱交換器８で凝縮され、気液分離部２１で燃焼排ガスのガス成分と分離されて凝縮水タンク７に貯留される。また、気液分離部２１で凝縮水成分と分離された燃焼排ガスのガス成分は、燃料電池システム１００の構成要素を収納する筐体２３の外部に排出される。また、燃料電池システム１００は制御器２２によって制御される。
【００６６】
改質器１１は、メタンまたはプロパン等の炭化水素系の原料と水（水蒸気）とを、アノード排ガスを燃焼させる燃焼器２の燃焼排ガスの熱で６００℃〜７００℃程度の温度に加熱された改質触媒によって水蒸気改質反応させて、燃料ガス（水素含有ガス）を生成する。
【００６７】
本実施の形態における燃料電池１は、改質器１１で生成されてアノードに供給された燃料ガス（水素含有ガス）、および、カソードに供給された酸化剤ガス（空気）を電気化学的に反応（発熱反応）させて、発電および発熱する固体高分子形の燃料電池である。
【００６８】
本実施の形態では、改質器１１で生成される水素含有ガスが、そのまま燃料電池１に供給されるよう構成されているが、改質器１１の下流に、改質器１１で生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減させる変成器、または、酸化反応により低減させるＣＯ除去器を備えた形態を採用してもよい。
【００６９】
固体高分子形の燃料電池１は、燃料電池１の発電中の運転温度が、その反応に適した温度（例えば、７０℃〜８０℃程度）に維持されるように、燃料電池１の内部を冷却水循環経路１９の冷却水が循環するように構成されている。
【００７０】
貯湯槽（図示せず）からの湯水は、排熱回収媒体循環器１３により、排熱回収経路３を循環し、燃焼排ガス熱交換器８、アノード排ガス熱交換器５、カソード排ガス熱交換器２０、および、冷却水熱交換器１８において、燃料電池１からの排熱、および、燃焼器２から排出される燃焼排ガスの排熱を回収して、貯湯槽（図示せず）に戻る。
【００７１】
冷却水循環経路１９の冷却水は、自給能力を持たない遠心式ポンプで構成された冷却水循環器１７により、燃料電池１の冷却部、冷却水熱交換器１８、浄化器１４で浄化された凝縮水タンク７の水を冷却水循環経路１９の冷却水として貯留する冷却水タンク１６、および、冷却水循環器１７の順に、冷却水循環経路１９を流れる。冷却水タンク１６は、冷却水循環経路１９に溜まっていた空気が冷却水タンク１６の上部に抜けるように冷却水循環経路１９の最も高い部分に設置されている。
【００７２】
本実施の形態では、冷却水タンク１６の流出口と燃料電池１の流入口との間の冷却水循環経路１９に冷却水循環器１７が配置されているが、燃料電池１の流出口と冷却水タンク１６の流入口との間の冷却水循環経路１９に冷却水循環器１７が配置されてもよい。その場合は、冷却水循環器１７に溜まった空気が冷却水タンク１６に抜けるように、冷却水循環器１７の流出口を上向きに設置することが好ましい。
【００７３】
燃焼器２から排気された燃焼排ガスは、燃焼排ガス熱交換器８において、排熱回収経路３を流れる排熱回収媒体との間で熱交換する。燃焼排ガスに含まれる水分は、燃焼排ガス熱交換器８で凝縮される。燃焼排ガス熱交換器８からの燃焼排ガスおよびその凝縮水は、気液分離部２１において、凝縮水成分とガス成分とに分離され、ガス成分である燃焼排ガスは筐体２３の外部に排気され、凝縮水は凝縮水タンク７に貯留される。
【００７４】
燃料電池１のアノードに供給された燃料ガス（水素含有ガス）の内で、発電に使用されずにアノードから排出されるアノード排ガス（水素含有ガス）は、アノード排ガス熱交換器５において、排熱回収経路３を流れる排熱回収媒体との間で熱交換する。アノード排ガスに含まれる水分は、アノード排ガス熱交換器５で凝縮される。
【００７５】
アノード排ガス熱交換器５からのアノード排ガスおよびその凝縮水は、気液分離部６において、凝縮水成分とガス成分とに分離され、ガス成分であるアノード排ガスは燃焼器２で燃焼され、凝縮水は凝縮水タンク７に貯留される。
【００７６】
燃料電池１のカソードから排出されたカソード排ガスは、カソード排ガス熱交換器２０において、排熱回収経路３を流れる排熱回収媒体との間で熱交換し、カソード排ガスに含まれる水分は、カソード排ガス熱交換器２０で凝縮される。
【００７７】
カソード排ガス熱交換器２０からのカソード排ガスおよびその凝縮水は、凝縮水タンク７に送られ、ガス成分であるカソード排ガスは凝縮水タンク７から排出され、凝縮水は凝縮水タンク７に貯留される。
【００７８】
凝縮水タンク７に貯留された凝縮水は、水循環器１５によって浄化器１４を通流して、冷却水タンク１６に汲み上げられる。
【００７９】
このとき、凝縮水は、浄化器１４を通流する際に、金属イオン等の不純物が浄化され、燃料電池１の冷却部を循環させるのに好適な水質へと浄化される。冷却水タンク１６は、凝縮水タンク７および燃料電池１よりも高い位置に配置されており、冷却水タンク１６の上限水位を超えた水は、循環経路２４を通じて凝縮水タンク７に戻される。
【００８０】
これらの動作を繰り返すことによって、凝縮水タンク７に貯留された水（冷却水タンク１６に市水が給水される場合は、冷却水タンク１６と凝縮水タンク７に貯留された水）が順次浄化される。なお、凝縮水タンク７、浄化器１４、水循環器１５、および冷却水タンク１６は、順次環状に接続されて、循環経路２４が構成されている。
【００８１】
改質器１１で燃料ガス（水素含有ガス）が生成される時には、改質水電磁弁（図示せず）が開いて、浄化器１４で浄化された水が、改質水電磁弁を備え循環経路２４から分岐点２６において分岐した水供給経路２５から改質器１１に供給される。
【００８２】
改質器１１では、メタンまたはプロパン等の炭化水素系の原料と水（水蒸気）とを、アノード排ガスを燃焼させる燃焼器２の燃焼排ガスの熱で６００℃〜７００℃程度の温度に加熱された改質触媒によって水蒸気改質反応させて、燃料ガス（水素含有ガス）が生成される。
【００８３】
このとき、冷却水循環経路１９の冷却水循環器１７を動作させることにより、冷却水タンク１６の内部を撹拌しながら、浄化を行うことができるので、浄化済の水と未浄化の水とが特定の場所、例えば冷却水タンク１６の底部に偏ることを防止することができる。
【００８４】
改質器１１への水供給経路２５が循環経路２４から分岐する分岐点２６よりも下流側で冷却水タンク１６よりも上流側の循環経路２４には、循環電磁弁（図示せず）が備えられ、分岐点２６と改質器１１との間の水供給経路２５には、改質水電磁弁が備えられている。
【００８５】
循環電磁弁は、水供給経路２５を用いて改質器１１に水を供給する時に閉じられ、水供給経路２５を用いて改質器１１に水を供給せずに循環経路２４で水を循環させる時に開かれる電磁弁である。
【００８６】
また、改質水電磁弁は、水供給経路２５を用いて改質器１１に水を供給する時に開かれ、水供給経路２５を用いて改質器１１に水を供給せずに循環経路２４で水を循環させる時に閉じられる電磁弁である。
【００８７】
凝縮水タンク７は、凝縮水タンク７内に貯まっている水（凝縮水）の温度を検出する水温検出器（図示せず）と、凝縮水タンク７内に貯まっている水の水位を検出する水位検出器（図示せず）と、凝縮水タンク７の水位が所定の高さを超えないように、所定の高さを超える水を凝縮水タンク７から排出するオーバーフロー経路（図示せず）とを備えている。
【００８８】
冷却水タンク１６は、電気ヒータ等で構成され、冷却水タンク１６内に貯まっている水を加熱する発熱装置（図示せず）と、冷却水タンク１６内に貯まっている水の水位を検出する水位検出器（図示せず）とを備えている。冷却水タンク１６において所定の高さを超える水（冷却水）は、冷却水タンク１６のオーバーフロー経路として機能する循環経路２４を介して凝縮水タンク７に排出される。
【００８９】
さらに、筐体２３内には、筐体２３内の気温を検出する気温検出器（図示せず）と、制御器２２とが設けられている。なお、気温検出器は外気温を検出するものであってもよい。
【００９０】
凝縮水タンク７内の水位が下限水位以下になると、水位検出器が減水を検出して、制御器２２が、図示しない給水手段により、貯湯槽の貯湯水または水道水を、凝縮水タンク７または冷却水タンク１６に給水する。また、水循環器１５は、凝縮水タンク７の水位検出器が下限水位より高い水位を検出している場合に、制御器２２によって運転される。
【００９１】
図２に示されるように、熱交換部９では、燃料電池１よりも下流側でアノード排ガス熱交換器５よりも上流側に位置するアノード排ガス経路４を構成する第１配管４ａと、気液分離部６よりも下流側で燃焼器２よりも上流側に位置するアノード排ガス経路４を構成する第２配管４ｂとが接触している。また、熱交換部９は、熱交換部９の第１配管４ａと第２配管４ｂとを一緒に覆う断熱材１０を備えている。
【００９２】
熱交換部９の第１配管４ａおよび第２配管４ｂとしては、熱伝導率の高い材料で構成された配管（例えば、金属製配管）を用いることが望ましい。また、熱交換部９の第１配管４ａと第２配管４ｂとは、できるだけ広い面積で接触するように構成することが望ましい。
【００９３】
なお、本実施の形態では、熱交換部９の第１配管４ａと第２配管４ｂとを接触させることにより熱交換部９を構成したが、本開示はこれに限らず、熱交換部９を、熱交換器で構成してもよい。
【００９４】
改質器１１は、原料および水（改質水）を用いて水素含有ガスを生成する反応器である。改質器１１では、触媒の存在下で、原料と水蒸気とが改質反応して水素含有ガスが生成される。改質器１１は、その触媒の適温、例えば、６００〜７００℃に加熱される。また、改質器１１には蒸発器（図示せず）が設けられており、ここで、水供給経路２５を介して供給された水（改質水）から水蒸気が生成される。
【００９５】
原料は、原料供給器（図示せず）から原料供給経路を介して改質器１１に供給される。原料は、例えば、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、またはＬＰＧ（液化石油ガス）等の、少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含むガスである。原料供給器は、原料ガスの流量を調整する機能を有する機器であり、例えば、昇圧器および流量調整弁の少なくともいずれか、または、定容積型ポンプが例示される。
【００９６】
燃料電池１は、水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する固体高分子形の燃料電池である。燃料電池１は、触媒の存在下で水素含有ガスが酸化剤ガスと電気化学反応して、電気および水を生成する。
【００９７】
燃料電池１には、セル（図示せず）、カソード流路（図示せず）およびアノード流路（図示せず）が設けられている。アノード流路には、改質器１１で生成され水素含有ガス供給経路を介して供給された水素含有ガスが流通する。カソード流路には、空気供給器（図示せず）から酸化剤ガス供給経路を介して供給された空気が酸化剤ガスとして流通する。
【００９８】
燃料電池１のアノードに供給された燃料ガス（水素含有ガス）の内で、発電に使用されずにアノードから排出されるアノード排ガス（水素含有ガス）は、燃焼器２で燃焼され、燃焼器２の燃焼排ガスの熱により、改質器１１の改質触媒は６００℃〜７００℃程度の温度に加熱される。
【００９９】
循環経路２４は、燃料電池１および燃焼器２から排気される排ガス（燃焼器２から排出される燃焼排ガス、燃料電池１のアノードから排出されるアノード排ガス、および燃料電池１のカソードから排出されるカソード排ガス）中の水分が凝縮した凝縮水が循環する経路である。
【０１００】
循環経路２４上には、凝縮水タンク７、浄化器１４、水循環器１５、循環電磁弁、および、冷却水タンク１６が、この順で環状に接続されている。水循環器１５によって、凝縮水タンク７の凝縮水が、浄化器１４、水循環器１５、分岐点２６、循環電磁弁、および、冷却水タンク１６を順に通過して、凝縮水タンク７に戻るように循環する。
【０１０１】
また、浄化器１４で浄化された凝縮水は、分岐点２６から改質水電磁弁を備えた水供給経路２５を介して改質器１１に供給される改質水としても機能する。
【０１０２】
燃焼排ガス熱交換器８は、燃焼排ガス経路２７および排熱回収経路３の間に設けられ、燃焼器２から排気される燃焼排ガスと、排熱回収経路３を循環する貯湯槽の貯湯水（排熱回収媒体）との間で熱交換する熱交換器である。燃焼排ガス熱交換器８には、公知の熱交換器を用いることができる。高温の燃焼排ガスにより低温の貯湯水が加熱されて、貯湯水が昇温される。一方、貯湯水により燃焼排ガスが冷却される。
【０１０３】
アノード排ガス熱交換器５は、アノード排ガス経路４および排熱回収経路３の間に設けられ、燃料電池１のアノードから排気されるアノード排ガスと、排熱回収経路３を循環する貯湯槽の貯湯水（排熱回収媒体）との間で熱交換する熱交換器である。アノード排ガス熱交換器５としては、公知の熱交換器を用いることができる。高温のアノード排ガスにより貯湯水が加熱され、貯湯水によりアノード排ガスが冷却される。
【０１０４】
カソード排ガス熱交換器２０は、カソード排ガス経路２８および排熱回収経路３の間に設けられ、燃料電池１のカソードから排気されるカソード排ガスと、排熱回収経路３を循環する貯湯槽の貯湯水（排熱回収媒体）との間で熱交換する熱交換器である。カソード排ガス熱交換器２０としては、公知の熱交換器を用いることができる。高温のカソード排ガスにより貯湯水が加熱され、貯湯水によりカソード排ガスが冷却される。
【０１０５】
燃料電池１および燃焼器２の排ガス（燃焼器２から排出される燃焼排ガス、燃料電池１のアノードから排出されるアノード排ガス、および、燃料電池１のカソードから排出されるカソード排ガス）は、水分を含んでいるため、貯湯水との熱交換で、排ガスに含まれている水蒸気が凝縮して、水（凝縮水）が生成する。
【０１０６】
そして、この凝縮水は、循環経路２４を構成する凝縮水タンク７に流入して循環経路２４を循環し、冷却水タンク１６を介して冷却水循環経路１９を循環するものは、燃料電池１を所定温度に冷却する冷却水として機能する一方で、水供給経路２５に流れたものは、改質水として機能する。
【０１０７】
凝縮水タンク７は、循環経路２４に設けられ、燃料電池１および燃焼器２の排ガス（燃焼排ガス、アノード排ガス、およびカソード排ガス）が貯湯水により冷却されて生成した凝縮水を貯留するタンクである。凝縮水タンク７は、循環経路２４の一部を構成し、燃焼排ガス経路２７、凝縮水経路１２、およびカソード排ガス経路の各配管が接続されている。
【０１０８】
凝縮水タンク７の凝縮水の流出口は、循環経路２４を循環して凝縮水タンク７に戻ってきた水の流入口、ならびに、燃焼排ガス経路２７、凝縮水経路１２、およびカソード排ガス経路の各配管の接続位置より下方に設けられている。本実施の形態では、凝縮水の流出口は、凝縮水タンク７の底に設けられている。なお、水の流入口および流出口の位置は特にこれらの例に限定されない。
【０１０９】
凝縮水タンク７のオーバーフロー経路（図示せず）の上流端は、凝縮水タンク７の所定の高さに接続されている。このオーバーフロー経路が接続される流出口は、凝縮水タンク７の所定の高さに設けられる。このため、凝縮水タンク７の水（凝縮水）は、所定の高さまで達すると、オーバーフロー経路への流出口からオーバーフロー経路へ流れる。
【０１１０】
よって、凝縮水タンク７には、所定の高さ（所定の体積）以下の水（凝縮水）が貯留され、それを超える水（凝縮水）は凝縮水タンク７からオーバーフロー経路を介して排出される。
【０１１１】
水循環器１５は、循環経路２４に設けられ、凝縮水タンク７の水（凝縮水）を循環させるポンプである。この実施の形態では、水循環器１５は、凝縮水タンク７および浄化器１４よりも下流かつ分岐点２６よりも上流の循環経路２４に設けられている。凝縮水タンク７から流出した水（凝縮水）は、水循環器１５により汲み上げられて、循環経路２４を循環する。
【０１１２】
浄化器１４は、イオン交換樹脂フィルタで構成され、凝縮水からイオンを除去する（脱イオン化する）機器である。この除去されるイオンとしては、主に改質器１１および燃料電池１の触媒を被毒するイオンが挙げられる。浄化器１４は、分岐点２６よりも上流かつ凝縮水タンク７よりも下流の循環経路２４に設けられている。さらに、浄化器１４は、凝縮水タンク７のオーバーフロー経路が接続される流出口よりも高い位置に配置されている。
【０１１３】
冷却水タンク１６は、循環経路２４に設けられ、浄化器１４で浄化された循環経路２４の水を燃料電池１の冷却水として貯留する。冷却水タンク１６の冷却水は、冷却水循環器１７によって、冷却水タンク１６から、冷却水循環器１７、燃料電池１、および冷却水熱交換器１８の順に流れた後で、冷却水タンク１６に戻るように、冷却水循環経路１９を循環する。そして、燃料電池１の温度は、発電の反応に適した温度（例えば、７０℃〜８０℃程度）に維持される。
【０１１４】
制御器２２は、燃料電池１から流出する冷却水の温度が、例えば７０℃になるように、冷却水循環器１７の能力を制御する。
【０１１５】
冷却水タンク１６から出た冷却水は、燃料電池１を通流して、その間に燃料電池１から排熱を回収して昇温され、その昇温された冷却水が冷却水熱交換器１８で貯湯水に排熱を伝達し、冷却されて冷却水タンク１６に戻る。燃料電池１の発電中、冷却水タンク１６内の水（冷却水）の温度は、５０℃〜６０℃になる。
【０１１６】
排熱を伝達された貯湯水は昇温して貯湯槽に貯えられる。その結果、燃料電池１は冷却水で冷却され、燃料電池１から回収された排熱が、貯湯槽に高温の貯湯水として蓄えられ、給湯等によりユーザに利用される。
【０１１７】
排熱回収経路３の貯湯槽（図示せず）は、水（貯湯水）を貯えるタンクである。貯湯槽は、給水設備（例えば、水道）に接続されており、給水設備から貯湯槽へ水道水が貯湯水として供給される。
【０１１８】
また、貯湯槽は、給湯設備（図示せず）にも接続されており、貯湯槽から給湯設備に、貯湯水が湯として供給される。また、貯湯槽は、循環経路２４とは分離して（連通しないように）設けられ、貯湯槽の貯湯水と循環経路２４の水（凝縮水）とは、それぞれ異なる系統の水となっている。
【０１１９】
水供給経路２５は、循環経路２４から分岐点２６で分岐し、循環経路２４の水（浄化器１４で浄化された凝縮水）を改質水として改質器１１へ流通する経路であり、分岐点２６に近接する位置に改質水電磁弁が備えられている。改質水電磁弁は、水供給経路２５を用いて改質器１１に水を供給する時に開かれ、水供給経路２５を用いて改質器１１に水を供給せずに循環経路２４で水を循環させる時に閉じられるように、制御器２２によって開閉制御される電磁弁である。
【０１２０】
分岐点２６は、浄化器１４および水循環器１５よりも下流、かつ、循環電磁弁、冷却水タンク１６および凝縮水タンク７よりも上流の循環経路２４に設けられている。また、水供給経路２５の下流端は、改質器１１に接続している。循環電磁弁は、水供給経路２５を用いて改質器１１に水を供給する時に閉じられ、水供給経路２５を用いて改質器１１に水を供給せずに循環経路２４で水を循環させる時に開かれるように、制御器２２によって開閉制御される電磁弁である。
【０１２１】
よって、循環電磁弁が閉鎖状態で、かつ、改質水電磁弁が開放状態で、凝縮水タンク７に水（凝縮器）が貯まっているときに、制御器２２によって水循環器１５が動作すると、凝縮水タンク７の水（凝縮器）は、浄化器１４で浄化された後、分岐点２６で水供給経路２５に流入して、改質器１１に改質水として供給される。
【０１２２】
このとき、改質器１１における改質水と原料中の炭素とのモル比（Ｓ／Ｃ比）が、例えば２．５〜３．５になるように、水循環器１５は、水供給経路２５を流通する改質水の流量を調整する。
【０１２３】
次に、上述した構成の本実施の形態の燃料電池システム１００の動作について説明する。
【０１２４】
燃料電池システム１００において、制御器２２は、改質器１１への給水を開始する前に、水位検出器によって凝縮水タンク７の水位を確認する。凝縮水タンク７内の水位が下限水位以下であれば、制御器２２は、図示しない給水手段により、貯湯槽の貯湯水または水道水を、凝縮水タンク７に給水する。そして、水位検出器が下限水位より高い水位を検出すると、水循環器１５が、制御器２２によって運転される。
【０１２５】
水循環器１５の運転開始時には、循環電磁弁が開放状態で、かつ、改質水電磁弁が閉鎖状態であるので、凝縮水タンク７の水（凝縮水）は、水循環器１５により汲み上げられて、浄化器１４に流入する。この浄化器１４を通流する際に、凝縮水または水道水に含まれる金属イオン等の不純物が除去される。
【０１２６】
浄化器１４を通過した水は、分岐点２６から開放状態の循環電磁弁を通って冷却水タンク１６に貯められる。冷却水タンク１６において所定の高さを超えた水が、冷却水タンク１６のオーバーフロー経路として機能する循環経路２４を介して凝縮水タンク７に排出される。
【０１２７】
水循環器１５によって、凝縮水タンク７の凝縮水が、浄化器１４、水循環器１５、分岐点２６、循環電磁弁、および冷却水タンク１６を順に通過して、凝縮水タンク７に戻される。これが繰り返されることにより、凝縮水タンク７に貯留された水が順次浄化される。
【０１２８】
そして、改質器１１で水素含有ガスの生成を開始するために、改質器１１への給水を開始するときには、制御器２２は、循環電磁弁を閉鎖すると共に、改質水電磁弁を開放する。
【０１２９】
この場合、凝縮水タンク７の水（凝縮水）は、水循環器１５により汲み上げられ、浄化器１４で凝縮水タンク７の水（凝縮水）に含まれる金属イオン等の不純物が除去されて、分岐点２６から水供給経路２５を通流して改質器１１に供給される。
【０１３０】
改質器１１では、燃焼器２の燃焼排ガスの熱を利用して、水供給経路２５を介して供給された水（改質水）から水蒸気が生成される。そして、原料供給器（図示せず）から原料供給経路を介して改質器１１に供給される原料（例えば、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、またはＬＰＧ等の炭化水素を含むガス）が、触媒の存在下で水蒸気と改質反応して、水素含有ガスが生成される。また、改質器１１は、燃焼器２の燃焼排ガスの熱によって、その触媒の適温、例えば、６００〜７００℃に加熱される。
【０１３１】
燃焼器２から排気された燃焼排ガスは、燃焼排ガス熱交換器８において、排熱回収経路３を流れる排熱回収水（貯湯水）との間で熱交換する。燃焼排ガスに含まれる水分は、燃焼排ガス熱交換器８で凝縮される。
【０１３２】
燃焼排ガス熱交換器８からの燃焼排ガスおよびその凝縮水は、気液分離部２１において、凝縮水成分とガス成分とに分離され、ガス成分である燃焼排ガスは筐体２３の外部に排気され、凝縮水は凝縮水タンク７に貯留される。
【０１３３】
燃料電池１のアノード流路には、改質器１１で生成されて水素含有ガス供給経路を介して供給された水素含有ガスが流通し、燃料電池１のカソード流路には、空気供給器（図示せず）から酸化剤ガス供給経路を介して供給された空気が酸化剤ガスとして流通する。この水素含有ガスおよび酸化剤ガスが、燃料電池１のセルにおいて電気化学反応する。
【０１３４】
燃料電池１のアノードに供給された燃料ガス（水素含有ガス）の内で、発電に使用されずにアノードから排出されるアノード排ガス（水素含有ガス）は、まず、熱交換部９の第１配管４ａにおいて、気液分離部６よりも下流側で燃焼器２よりも上流側に位置するアノード排ガス経路４の第２配管４ｂを流れるアノード排ガスとの熱交換によって冷却される。その後、アノード排ガスは、アノード排ガス熱交換器５での排熱回収経路３を流れる排熱回収媒体との熱交換によってさらに冷却されて、アノード排ガスに含まれる水分が凝縮する。
【０１３５】
アノード排ガス熱交換器５からのアノード排ガスおよびその凝縮水は、気液分離部６において、凝縮水成分とガス成分とに分離され、気液分離部６でアノード排ガスのガス成分と分離された凝縮水成分が、凝縮水タンク７に貯留される。
【０１３６】
一方、気液分離部６で凝縮水成分が除去されたアノード排ガスは、熱交換部９の第２配管４ｂにおいて、燃料電池１よりも下流側でアノード排ガス熱交換器５よりも上流側に位置するアノード排ガス経路４の第１配管４ａを流れるアノード排ガスとの熱交換によって加熱される。これにより、アノード排ガスは、同伴する微細な水滴が確実に取り除かれた状態で燃焼器２に供給され、燃焼される。
【０１３７】
燃料電池１のカソードから排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス熱交換器２０で、排熱回収経路３を流れる排熱回収水との間で熱交換し、カソード排ガスに含まれる水分が、カソード排ガス熱交換器２０で凝縮される。カソード排ガス熱交換器２０からのカソード排ガスおよびその凝縮水は、凝縮水タンク７に送られ、ガス成分であるカソード排ガスは凝縮水タンク７から排出され、凝縮水が凝縮水タンク７に貯留される。
【０１３８】
一方、貯湯槽（図示せず）からの貯湯水（排熱回収媒体）は、排熱回収媒体循環器１３により排熱回収経路３を循環するが、排熱回収媒体循環器１３から流出した貯湯水（排熱回収媒体）は二方向に分かれる。一方の貯湯水（排熱回収媒体）は、燃焼排ガス熱交換器８を経由して冷却水熱交換器１８に流れ、他方の貯湯水（排熱回収媒体）はアノード排ガス熱交換器５とカソード排ガス熱交換器２０とを経由して冷却水熱交換器１８に流れる。
【０１３９】
そして、貯湯水は、燃焼排ガス熱交換器８、アノード排ガス熱交換器５、カソード排ガス熱交換器２０、および、冷却水熱交換器１８において、燃料電池１および燃焼器２の排熱を回収し、７０℃程度の温度になって、貯湯槽（図示せず）に戻る。
【０１４０】
このように、凝縮水タンク７には、燃焼排ガス熱交換器８、アノード排ガス熱交換器５、およびカソード排ガス熱交換器２０において生成された凝縮水が流入する。凝縮水が貯留されて、その水位が凝縮水タンク７の所定の高さに達すると、オーバーフロー経路（図示せず）から水が排出される。
【０１４１】
また、凝縮水タンク７の水（凝縮水）は、水循環器１５により汲み上げられて、浄化器１４に流入する。この浄化器１４で、凝縮水タンク７の水（凝縮水）は、イオンが除去されて、分岐点２６から水供給経路２５を通流して改質器１１に供給される。この改質器１１に供給される水（改質水）の流量は、水循環器１５によりＳ／Ｃ比に応じて調整される。
【０１４２】
貯湯槽に蓄えられた貯湯水は、必要に応じて給湯設備に供給される。これにより、貯湯槽の貯湯水が減少すると、給水設備から水（水道水）が貯湯槽に供給される。
【０１４３】
冷却水タンク１６の冷却水は、冷却水循環器１７によって、冷却水循環経路１９を循環し、燃料電池１の温度を、発電の反応に適した温度（例えば、７０℃〜８０℃程度）に維持する。
【０１４４】
以上説明したように本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池１と、燃料電池１のアノードから排出されるアノード排ガスを燃焼する燃焼器２と、排熱を回収する排熱回収媒体（貯湯槽の湯水）が通流する排熱回収経路３と、燃料電池１から燃焼器２へアノード排ガスを供給するアノード排ガス経路４とを備えている。燃料電池システム１００は、また、アノード排ガス経路４の途中に配置され、アノード排ガスと排熱回収媒体との間で熱交換させることにより、アノード排ガスを冷却し、アノード排ガスに含まれる水分を凝縮させるアノード排ガス熱交換器５と、アノード排ガス熱交換器５で冷却されたアノード排ガスを、凝縮水成分とガス成分とに分離する気液分離部６とを備えている。
【０１４５】
燃料電池システム１００は、さらに、気液分離部６でアノード排ガスのガス成分と分離された凝縮水成分を貯留する凝縮水タンク７と、燃焼器２で発生した燃焼排ガスと排熱回収媒体との間で熱交換させることにより、燃焼排ガスから排熱を回収する燃焼排ガス熱交換器８を備えている。燃料電池システム１００は、さらに、燃料電池１よりも下流側でアノード排ガス熱交換器５よりも上流側に位置するアノード排ガス経路４を流れるアノード排ガスと、気液分離部６よりも下流側で燃焼器２よりも上流側に位置するアノード排ガス経路４を流れるアノード排ガスとを熱交換させる熱交換部９と、を備えている。
【０１４６】
このような構成により、燃料電池１から排出されたアノード排ガスは、まず、熱交換部９において、気液分離部６よりも下流側で燃焼器２よりも上流側に位置するアノード排ガス経路４を流れるアノード排ガスとの熱交換によって冷却された後に、アノード排ガス熱交換器５において、排熱回収媒体との熱交換によって更に冷却される。よって、アノード排ガスに含まれる水分が凝縮され、気液分離部６でアノード排ガスから凝縮水成分が分離除去され、気液分離部６でアノード排ガスのガス成分と分離された凝縮水成分が凝縮水タンク７に貯留される。
【０１４７】
一方、気液分離部６で凝縮水成分が除去されたアノード排ガスは、熱交換部９において燃料電池１よりも下流側でアノード排ガス熱交換器５よりも上流側に位置するアノード排ガス経路４を流れるアノード排ガスとの熱交換によって加熱されることになる。これにより、アノード排ガスに同伴する微細な水滴が、確実に取り除かれた状態で、アノード排ガスが燃焼器２に供給される。
【０１４８】
よって、本実施の形態の燃料電池システムは、アノード排ガスに同伴する水滴により燃焼器の燃焼状態を不安定にするという従来の問題に適切に対処でき、燃焼器２に導かれたアノード排ガスに水滴が発生する可能性を低減し、燃焼器２でのアノード排ガスの燃焼安定性を向上させることができる。
【０１４９】
また、排熱回収媒体は、燃焼排ガス熱交換器８において、燃焼排ガスから排熱を回収するとともに、アノード排ガス熱交換器５において、アノード排ガスから排熱を回収することができる。
【０１５０】
なお、アノード排ガス熱交換器５において、アノード排ガスから回収できる熱量は、燃料電池１よりも下流側でアノード排ガス熱交換器５よりも上流側に位置するアノード排ガス経路４に熱交換部９を設けたことによって、熱交換部９を設けなかった場合よりも少し減る。しかしながら、気液分離部６よりも下流側で燃焼器２よりも上流側に位置するアノード排ガス経路４に熱交換部９が設けられたことによって、熱交換部９が設けられなかった場合よりも、燃焼器２に供給されるアノード排ガスの温度が高くなる。また、燃焼器２で発生した燃焼排ガスの排熱は、燃焼排ガス熱交換器８において排熱回収媒体に回収されるので、アノード排ガス熱交換器５でアノード排ガスから回収できる熱量の減少は問題にならない。
【０１５１】
また、一般的に、燃料電池１から排出されるアノード排ガスの温度は、燃焼器２から排出される燃焼排ガスの温度よりも低い。しかしながら、アノード排ガスに同伴する水滴により燃焼器２の燃焼状態を不安定にするという従来の問題に適切に対処するには、アノード排ガス中の水蒸気が凝縮する温度よりも高い温度にアノード排ガスを加熱して燃焼器２に供給すればよい。よって、仮に、アノード排ガス経路４の途中で水分を分離除去しない場合であっても、燃料電池１から排出されるアノード排ガスの温度以上に加熱する必要はない。
【０１５２】
燃料電池１から排出されたアノード排ガスは、熱交換部９およびアノード排ガス熱交換器５で冷却されたときに、アノード排ガスに含まれる水分が凝縮し、気液分離部６でアノード排ガスから凝縮水成分が分離除去される。また、アノード排ガス熱交換器５でアノード排ガスが冷却されることにより、燃料電池１よりも下流側でアノード排ガス熱交換器５よりも上流側に位置するアノード排ガス経路４を流れるアノード排ガスと、気液分離部６よりも下流側で燃焼器２よりも上流側に位置するアノード排ガス経路４を流れるアノード排ガスとの間に充分な温度差が発生する。このため、燃料電池１から排出されるアノード排ガスとの熱交換によって、燃焼器２に供給されるアノード排ガスを加熱する構成であっても、燃焼器２に供給されるアノード排ガスの温度を、アノード排ガス中の水蒸気が凝縮する温度よりも高い温度にすることができる。
【０１５３】
燃料電池１から排出されるアノード排ガスとの熱交換によって、燃焼器２に供給されるアノード排ガスを加熱する場合は、燃焼器２から排出される燃焼排ガスとの熱交換で燃焼器２に供給されるアノード排ガスを加熱する場合よりも、排熱回収媒体で燃料電池システムの排熱を回収する効率が良く、また、熱交換部９を低コストで簡単に構成することができる。
【０１５４】
したがって、排熱回収媒体による排熱回収の効率を低下させることなく、燃焼器２に導かれたアノード排ガスに水滴が発生する可能性を低減して、燃焼器２でのアノード排ガスの燃焼安定性を向上させることができる。
【０１５５】
また、本実施の形態の燃料電池システムでは、熱交換部９は、燃料電池１よりも下流側でアノード排ガス熱交換器５よりも上流側に位置するアノード排ガス経路４を構成する第１配管４ａと、気液分離部６よりも下流側で燃焼器２よりも上流側に位置するアノード排ガス経路４を構成する第２配管４ｂとを有し、第１配管４ａと第２配管４ｂとが接触するように構成されていてもよい。
【０１５６】
これにより、熱交換部９の第１配管４ａと第２配管４ｂとを、直接的熱伝導によって、熱交換させることができ、結束バンド等の結束部品を用いて第１配管４ａと第２配管４ｂとが接触する状態を維持させることが可能である。よって、熱交換部９の第１配管４ａと第２配管４ｂとを熱交換させるための構成が簡単であるため、燃料電池システムのコスト低減に寄与できる。
【０１５７】
また、本実施の形態の燃料電池システム１００では、熱交換部９は、第１配管４ａと第２配管４ｂとを一緒に覆う断熱材１０を有する構成であってもよい。
【０１５８】
このような構成によれば、さらに、断熱材１０によって、熱交換部９の第１配管４ａと第２配管４ｂとが接触する状態を維持したままで、熱交換部９の第１配管４ａ（を流れるアノード排ガス）と第２配管４ｂ（を流れるアノード排ガス）の熱が外気に放熱される。よって、熱交換部９の第１配管４ａ（を流れるアノード排ガス）と第２配管４ｂ（を流れるアノード排ガス）が外気によって冷えるのを抑制できる。したがって、低コストで、より確実に無駄なく熱交換部９の第１配管４ａ（を流れるアノード排ガス）の熱を第２配管４ｂ（を流れるアノード排ガス）に伝え、第２配管４ｂを流れるアノード排ガスを加熱して、燃焼器２に供給されるアノード排ガスに微細な水滴が発生することを抑制することができる。
【０１５９】
また、熱交換部９の第１配管４ａと第２配管４ｂとが接触した状態で、熱交換部９の第１配管４ａと第２配管４ｂとを一緒に断熱材１０で覆うことにより、結束バンド等の結束部品による結束を省略できる。また、結束バンド等の結束部品による結束を一時的な仮結束にした場合であっても、断熱材１０によって熱交換部９の第１配管４ａと第２配管４ｂとが接触する状態を維持させることができる。
【０１６０】
また、本実施の形態の燃料電池システム１００では、熱交換部９は、熱交換部９における第１配管４ａ内のアノード排ガスが下方に向かって流れ、熱交換部９における第２配管４ｂ内のアノード排ガスが上方に向かって流れるように構成されていてもよい。
【０１６１】
このような構成によれば、さらに、熱交換部９の第１配管４ａ内で凝縮水が発生した場合であっても、その凝縮水を、重力および第１配管４ａ内のアノード排ガスの流れによって下方に移動させることができ、凝縮水が第１配管４ａ内のアノード排ガスの流れを妨害することを防止できる。また、熱交換部９の第２配管４ｂに凝縮水が流入する場合であっても、重力によって、その凝縮水が燃焼器２に流入することを抑制でき、熱交換部９の第２配管４ｂに留まった凝縮水を、熱交換部９の第１配管４ａからの伝熱で消滅させることができる。
【０１６２】
また、熱交換部９の第１配管４ａと第２配管４ｂとを略平行（平行を含む）にして、熱交換部９の第１配管４ａと第２配管４ｂとが接触する長さを長くすることができる。よって、熱交換部９の第１配管４ａと第２配管４ｂとが接触している部分の長さを適切に調節することにより、熱交換部９において第１配管４ａと第２配管４ｂとを充分に熱交換させることができる。
【０１６３】
また、本実施の形態の燃料電池システム１００では、燃料電池１および燃焼器２は、気液分離部６の上方に位置し、熱交換部９は気液分離部６の上方に位置し、アノード排ガス熱交換器５は、熱交換部９の下方で、かつ、気液分離部６の上方に位置するような構成であってもよい。
【０１６４】
このような構成によれば、さらに、アノード排ガス経路４で凝縮した凝縮水を、重力を利用して気液分離部６に導いて、凝縮水がアノード排ガスの流れを妨害することを防止することができる。また、燃料電池１よりも下流側でアノード排ガス熱交換器５よりも上流側に位置するアノード排ガス経路４を構成する第１配管４ａと、気液分離部６よりも下流側で燃焼器２よりも上流側に位置するアノード排ガス経路４を構成する第２配管４ｂとを、略鉛直方向（鉛直方向）になる部分同士で容易に近接させることができるので、熱交換部９を容易に構成することができる。
【０１６５】
なお、図１では、アノード排ガス熱交換器５と、燃焼排ガス熱交換器８と、カソード排ガス熱交換器２０とが、それぞれ横倒し状態で示されている。しかしながら、実際には、ガスが上から下へと流れて凝縮水がガスの流れを妨害しないように、アノード排ガス熱交換器５、燃焼排ガス熱交換器８、およびカソード排ガス熱交換器２０は、適宜、配置、構成されている。
【０１６６】
また、本実施の形態の燃料電池システム１００では、排熱回収経路３は、アノード排ガス熱交換器５および燃焼排ガス熱交換器８のうち、少なくともいずれかと、貯湯槽とを、排熱回収媒体が循環するように構成され、排熱回収経路３において、アノード排ガス熱交換器５と燃焼排ガス熱交換器８とが並列に接続されている構成であってもよい。
【０１６７】
このような構成によれば、さらに、アノード排ガス熱交換器５に流入する排熱回収媒体の温度と、燃焼排ガス熱交換器８に流入する排熱回収媒体の温度とを、略同じ温度（同じ温度も含む）にして、アノード排ガス熱交換器５によるアノード排ガスの冷却、および、燃焼排ガス熱交換器８による燃焼排ガスからの排熱回収の両方を効率よく行うことができる。
【０１６８】
また、本実施の形態の燃料電池システム１００では、燃焼器２で発生する熱で加熱され、原料および水を反応させて生成した水素含有ガスを燃料電池に１に供給する改質器１１を備えていてもよい。
【０１６９】
このような構成によれば、さらに、燃焼器２で発生する熱で加熱される改質器１１によって、燃料電池１の発電に用いる水素含有ガスを生成させることができる。
【０１７０】
上記の説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良、および、他の実施の形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示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。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および機能の少なくともいずれかの詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１７１】
以上述べたように、本開示の燃料電池システムは、排熱回収媒体による排熱回収の効率を低下させることなく、燃焼器に導いたアノード排ガスに水滴が発生する可能性を低減して、燃焼器でのアノード排ガスの燃焼安定性を向上できるという格別な効果を奏することができる。よって、家庭用コージェネレーションシステム等の、水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、この燃料電池から排出されるアノード排ガスを燃焼する燃焼器とを備えた燃料電池システム等に適用でき、有用である。
【符号の説明】
【０１７２】
１    燃料電池
２    燃焼器
３    排熱回収経路
４    アノード排ガス経路
４ａ    第１配管
４ｂ    第２配管
５    アノード排ガス熱交換器
６    気液分離部
７    凝縮水タンク
８    燃焼排ガス熱交換器
９    熱交換部
１０    断熱材
１１    改質器
１２    凝縮水経路
１３    排熱回収媒体循環器
１４    浄化器
１５    水循環器
１６    冷却水タンク
１７    冷却水循環器
１８    冷却水熱交換器
１９    冷却水循環経路
２０    カソード排ガス熱交換器
２１    気液分離部
２２    制御器
２３    筐体
２４    循環経路
２５    水供給経路
２６    分岐点
２７    燃焼排ガス経路
２８    カソード排ガス経路
１００    燃料電池システム
【図１】
2017110090.tif 000003
【図２】
2017110090.tif 000004
【図３】
2017110090.tif 000005
【図４】
2017110090.tif 000006
【国際調査報告】
2017110090.tif 000007
2017110090.tif 000008
2017110090.tif 000009
2017110090.tif 000010