(57)【要約】【課題】簡易な構造により、可燃性ガスが燃料電池システムの外部に流出することを防ぐことができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム（１００）は、燃料電池（２）、改質器（１）、燃焼器（４）、リサイクル経路（１２）、アノードオフガス経路（２０）及び凝縮水経路（３０）を備える。凝縮水経路（３０）は、リサイクル経路（１２）から分岐して下方に延びている第１水トラップ（３１）と、アノードオフガス経路（２０）から分岐して下方に延び、合流位置（３３）において第１水トラップ（３１）に合流している第２水トラップ（３２）と、合流位置（３３）の下方に位置している第１部分（３５）を含み、第１水トラップ（３１）及び第２水トラップ（３２）のそれぞれに連通している共用経路（３４）と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池に供給されるべき燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記改質器で生成された前記燃料ガスの一部を前記改質器よりも上流側に供給するためのリサイクル経路と、
前記燃料電池に接続された一端と前記燃焼器に接続された他端とを有し、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを前記燃焼器に供給するためのアノードオフガス経路と、
前記リサイクル経路及び前記アノードオフガス経路のそれぞれから分岐し、前記燃料ガス及び前記アノードオフガスから生じた凝縮水を貯留する凝縮水経路と、を備え、
前記凝縮水経路は、
前記リサイクル経路から分岐して下方に延びている第１水トラップと、
前記アノードオフガス経路から分岐して下方に延び、合流位置において前記第１水トラップに合流している第２水トラップと、
前記合流位置の下方に位置している第１部分を含み、前記第１水トラップ及び前記第２水トラップのそれぞれに連通している共用経路と、を有する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記共用経路の前記第１部分は、前記合流位置において前記第１水トラップ及び前記第２水トラップのそれぞれに連通しており、
前記共用経路は、前記第１部分よりも下流側に位置しているとともに前記合流位置よりも上方に延びている第２部分をさらに含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記共用経路の前記第２部分は、前記凝縮水経路から前記凝縮水を排出するための排水口を含む、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池に接続され、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスを燃料電池システムの外部に排出するための排気経路をさらに備え、
前記凝縮水経路は、前記排気経路から分岐して前記共用経路に接続された第３水トラップをさらに有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記改質器に設けられた又は前記改質器に接続された水素化脱硫装置をさらに備え、
前記水素化脱硫装置は、前記リサイクル経路を通じて供給された前記燃料ガスに含まれた水素ガスを用いて、前記改質器に供給されるべき原料ガスに含まれた硫黄成分を前記原料ガスから除去する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記共用経路に接続され、前記凝縮水を貯留する凝縮水タンクをさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記凝縮水タンクの少なくとも一部が前記合流位置よりも上方に位置している、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃焼器に接続され、前記燃焼器から排出された燃焼排ガスを燃料電池システムの外部に排出するための燃焼排ガス経路と、
前記燃焼排ガス経路に配置されたＣＯセンサと、
前記ＣＯセンサの検出値に基づいて、前記燃料電池の運転を停止させる制御部と、
をさらに備える、請求項１〜７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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
改質器及び燃料電池を備えた燃料電池システムはよく知られている。改質器において、改質反応によって都市ガスなどの原料ガスから水素ガスが生成される。生成された水素ガスは、酸化剤ガスとしての酸素（空気）とともに燃料電池に供給される。燃料電池において、水素と酸素との電気化学反応によって電力が生成される。
【０００３】
図６に示すように、特許文献１には、改質反応器２０１、燃料電池２０２、リサイクルガス経路２１２、排出ガス経路２２０及び排出水経路２３０を備えた燃料電池システム２００が記載されている。リサイクルガス経路２１２から凝縮水経路２３１が分岐している。凝縮水経路２３１は、凝縮水タンク２０５に接続されている。凝縮水タンク２０５には、排出水経路２３０が接続されている。排出ガス経路２２０は、燃料電池２０２及びバーナ２０４のそれぞれに接続されている。排出ガス経路２２０は、バーナ２０４の上流側において、凝縮水タンク２０５に接続されている。凝縮水経路２３１及び凝縮水タンク２０５は、水素含有ガス及び排出ガスから生じた凝縮水を貯留する。排出水経路２３０には、排出水弁２５６が設けられている。凝縮水タンク２０５は、水位検知器２５７を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−５８４２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術によれば、可燃性の水素含有ガス又は可燃性の排出ガスが排出水経路に流出することを防ぐために、排出水経路に設けられた排出水弁を制御する必要がある。
【０００６】
本開示は、簡易な構造により、可燃性ガスが燃料電池システムの外部に流出することを防ぐための技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本開示は、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給されるべき燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記改質器で生成された前記燃料ガスの一部を前記改質器よりも上流側に供給するためのリサイクル経路と、
前記燃料電池に接続された一端と前記燃焼器に接続された他端とを有し、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを前記燃焼器に供給するためのアノードオフガス経路と、
前記リサイクル経路及び前記アノードオフガス経路のそれぞれから分岐し、前記燃料ガス及び前記アノードオフガスから生じた凝縮水を貯留する凝縮水経路と、を備え、
前記凝縮水経路は、
前記リサイクル経路から分岐して下方に延びている第１水トラップと、
前記アノードオフガス経路から分岐して下方に延び、合流位置において前記第１水トラップに合流している第２水トラップと、
前記合流位置の下方に位置している第１部分を含み、前記第１水トラップ及び前記第２水トラップのそれぞれに連通している共用経路と、を有する、燃料電池システムを提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の燃料電池システムによれば、簡易な構造により、可燃性ガスが燃料電池システムの外部に流出することを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本開示の一実施形態にかかる燃料電池システムの構成図である。
【図２】図２は、凝縮水経路の部分拡大図である。
【図３】図３は、第１水トラップ及び第２水トラップに凝縮水が貯留されている様子を示す図である。
【図４】図４は、図３において、リサイクル経路で圧力が上昇したときの様子を示す図である。
【図５】図５は、図３において、アノードオフガス経路で圧力が上昇したときの様子を示す図である。
【図６】図６は、従来の燃料電池システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本開示の基礎となった知見）
改質器で生成された水素ガス、及び、燃料電池から排出されたアノードオフガスは、水蒸気を含む。水蒸気は、リサイクル経路及びアノードオフガス経路内で凝縮し、液相の水（凝縮水）になることがある。凝縮水が生じることによって経路が閉塞するおそれがある。経路の閉塞を防ぐため、リサイクル経路及びアノードオフガス経路のそれぞれから凝縮水経路が分岐している。凝縮水経路は排水口を有する。排水口は、凝縮水経路から凝縮水を排出するための開口である。また、凝縮水経路は、排気経路から分岐していることがある。排気経路は排気口を有する。排気口は、排気経路から酸化剤ガス（カソードオフガス）を排出するための開口である。可燃性の水素ガス又は可燃性のアノードオフガスが凝縮水経路に流れ込んだとき、排水口、排気口等を通じて、これらの可燃性ガスが燃料電池システムの外部に流出する可能性がある。
【００１１】
本開示の第１態様にかかる燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給されるべき燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記改質器で生成された前記燃料ガスの一部を前記改質器よりも上流側に供給するためのリサイクル経路と、
前記燃料電池に接続された一端と前記燃焼器に接続された他端とを有し、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを前記燃焼器に供給するためのアノードオフガス経路と、
前記リサイクル経路及び前記アノードオフガス経路のそれぞれから分岐し、前記燃料ガス及び前記アノードオフガスから生じた凝縮水を貯留する凝縮水経路と、を備え、
前記凝縮水経路は、
前記リサイクル経路から分岐して下方に延びている第１水トラップと、
前記アノードオフガス経路から分岐して下方に延び、合流位置において前記第１水トラップに合流している第２水トラップと、
前記合流位置の下方に位置している第１部分を含み、前記第１水トラップ及び前記第２水トラップのそれぞれに連通している共用経路と、を有するものである。
【００１２】
第１態様によれば、リサイクル経路又はアノードオフガス経路の内圧が上昇したときでも、共用経路の第１部分が凝縮水を貯留した状態に維持される。そのため、可燃性ガスが凝縮水経路を通じて、燃料電池システムの外部に流出することを防ぐことができる。
【００１３】
本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかる燃料電池システムの前記共用経路の前記第１部分は、前記合流位置において前記第１水トラップ及び前記第２水トラップのそれぞれに連通しており、前記共用経路は、前記第１部分よりも下流側に位置しているとともに前記合流位置よりも上方に延びている第２部分をさらに含む。第２態様によれば、共用経路の第１部分が合流位置の下方に位置し、第２部分が合流位置の上方に延びている。これにより、第１水トラップ及び第２水トラップのそれぞれにおける水位を定めることができる。
【００１４】
本開示の第３態様において、例えば、第２態様にかかる燃料電池システムの前記共用経路の前記第２部分は、前記凝縮水経路から前記凝縮水を排出するための排水口を含む。第３態様によれば、第１水トラップ及び第２水トラップのそれぞれにおける水位の上昇を防ぐことができる。
【００１５】
本開示の第４態様において、例えば、第１〜第３態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムは、前記燃料電池に接続され、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスを燃料電池システムの外部に排出するための排気経路をさらに備え、前記凝縮水経路は、前記排気経路から分岐して前記共用経路に接続された第３水トラップをさらに有する。第４態様によれば、排気経路において生じる凝縮水を貯留することができる。
【００１６】
本開示の第５態様において、例えば、第１〜第４態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムは、前記改質器に設けられた又は前記改質器に接続された水素化脱硫装置をさらに備え、前記水素化脱硫装置は、前記リサイクル経路を通じて供給された前記燃料ガスに含まれた水素ガスを用いて、前記改質器に供給されるべき原料ガスに含まれた硫黄成分を前記原料ガスから除去する。第５態様によれば、改質器が備える改質触媒の触媒活性が低下することを防ぐことができる。
【００１７】
本開示の第６態様において、例えば、第１〜第５態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムは、前記共用経路に接続され、前記凝縮水を貯留する凝縮水タンクをさらに備える。第６態様によれば、燃料電池システム内に生じる凝縮水を貯留することができる。
【００１８】
本開示の第７態様において、例えば、第６態様にかかる燃料電池システムの前記凝縮水タンクの少なくとも一部が前記合流位置よりも上方に位置している。第７態様によれば、燃料電池システム内に生じる凝縮水を貯留することができる。
【００１９】
本開示の第８態様において、例えば、第１〜第７態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムは、前記燃焼器に接続され、前記燃焼器から排出された燃焼排ガスを燃料電池システムの外部に排出するための燃焼排ガス経路と、前記燃焼排ガス経路に配置されたＣＯセンサと、前記ＣＯセンサの検出値に基づいて、前記燃料電池の運転を停止させる制御部と、をさらに備える。第８態様によれば、異常時に燃料電池の運転を停止することができる。
【００２０】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。
【００２１】
図１に示すように、本開示の一実施形態にかかる燃料電池システム１００は、改質器１及び燃料電池２を備えている。改質器１は、例えば、水蒸気改質反応（CH4+H2O→CO+3H2）などの改質反応によって水素ガスを生成するためのデバイスである。改質器１には、改質反応を進行させるための改質触媒が収められている。改質器１には、一酸化炭素を除去するための触媒（ＣＯ変成触媒及びＣＯ選択酸化除去触媒）も収められている。改質器１は、水及び原料ガスを用いて、水素ガスを含む燃料ガスを生成する。原料ガスは、例えば、都市ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）などの炭化水素ガスである。改質器１で生成された燃料ガスが燃料電池２に供給される。燃料電池２は、酸化剤ガスと燃料ガスとを用いて電力を生成する。燃料電池２は、例えば、固体高分子形燃料電池又は固体酸化物形燃料電池である。燃料電池２の排熱によって湯が生成される。生成された湯は貯湯タンク（図示省略）に貯められる。
【００２２】
燃料電池システム１００は、さらに、ガス供給経路１０を備えている。ガス供給経路１０は、改質器１に接続されている。ガス供給経路１０は、都市ガスインフラ、ガスボンベなどの原料ガス源から改質器１に原料ガスを供給するための経路である。ガス供給経路１０には、弁５０、弁５２及びポンプ６０が配置されている。弁５０は、例えば、開閉弁又は流量制御弁である。弁５２は、例えば、開閉弁である。ポンプ６０は、原料ガスを昇圧するためのポンプである。ポンプ６０を制御することによって原料ガスの流量を調節することができる。図１において、ガス供給経路１０には、バイパス経路１５が設けられている。バイパス経路１５には、弁５１及び脱硫装置８４が配置されている。弁５１は、例えば、開閉弁である。脱硫装置８４は、原料ガスに含まれた硫黄成分を原料ガスから除去する。
【００２３】
燃料電池システム１００は、さらに、給水経路１３を備えている。給水経路１３は、改質器１に接続されている。給水経路１３は、貯水タンク（図示省略）などの水源から改質器１に水を供給するための経路である。給水経路１３には、ポンプ６１が配置されている。改質器１に供給された水は、改質器１に設けられた蒸発器８５で加熱されて気化し、原料ガスとともに改質触媒層に導かれる。
【００２４】
燃料電池システム１００は、さらに、燃料ガス供給経路１１を備えている。燃料ガス供給経路１１は、改質器１の燃料ガス出口に接続された一端と燃料電池２のアノード入口に接続された他端とを有する。改質器１で生成された燃料ガスは、燃料ガス供給経路１１を通じて燃料電池２に供給される。
【００２５】
燃料電池システム１００は、さらに、リサイクル経路１２を備えている。リサイクル経路１２は、燃料ガス供給経路１１から分岐し、合流点６５においてガス供給経路１０に合流している。改質器１で生成された燃料ガスの一部は、リサイクル経路１２を通じて改質器１よりも上流側（改質器１の原料ガス入口）に供給される。具体的には、燃料ガスの一部は、改質器１に設けられた又は改質器１に接続された水素化脱硫装置３に供給される。弁５１を閉じ、弁５２を開くことによって、燃料ガス及び原料ガスがガス供給経路１０において混合される。原料ガスと燃料ガスとの混合ガスが水素化脱硫装置３に供給される。リサイクル経路１２は、改質器１の燃料ガス出口に直接接続されていてもよい。リサイクル経路１２は、水素化脱硫装置３の原料ガス入口に直接接続されていてもよい。
【００２６】
水素化脱硫装置３は、リサイクル経路１２を通じて供給された燃料ガスに含まれた水素ガスを用いて、改質器１に供給されるべき原料ガスに含まれた硫黄成分を原料ガスから除去する。水素化脱硫装置３は、水素化触媒及び吸着剤を備える。水素化触媒により、原料ガスに含まれた硫黄成分を水素化する反応が進行する。吸着剤は、水素化された硫黄成分を吸着する。水素化脱硫装置３が原料ガスから硫黄成分を除去することによって、改質器１の改質触媒の触媒活性が低下することを防ぐことができる。改質器１の起動時などには、水素化脱硫装置３への水素ガスの供給量が十分でないことがある。十分な量の水素ガスを水素化脱硫装置３に供給できないとき、バイパス経路１５に設けられた脱硫装置８４によって、原料ガスに含まれた硫黄成分を原料ガスから除去してもよい。脱硫装置８４は、例えば、硫黄成分を吸着することができる吸着剤を備えている。弁５２を閉じ、弁５１を開くことによって、脱硫装置８４に原料ガスを供給することができる。
【００２７】
燃料電池システム１００は、さらに、酸化剤ガス供給経路１４を備えている。酸化剤ガス供給経路１４は、燃料電池２のカソード入口に接続されている。酸化剤ガス供給経路１４は、酸素などの酸化剤ガスを燃料電池２に供給するための経路である。酸化剤ガス供給経路１４には、ブロワ６２、加湿器８６及び弁５４が配置されている。弁５４は、例えば、開閉弁である。
【００２８】
燃料電池システム１００は、さらに、アノードオフガス経路２０を備えている。アノードオフガス経路２０は、燃料電池２（詳細にはアノード出口）に接続された一端と燃焼器４に接続された他端とを有する。燃料電池２で消費されなかった水素ガス及び未反応の原料ガス（アノードオフガス）は、アノードオフガス経路２０を通じて燃焼器４に供給される。アノードオフガスは、燃焼器４で燃やされる。燃焼器４は、燃料を燃焼させることによって改質器１を加熱するためのデバイスである。燃焼器４は、改質器１に隣接している。
【００２９】
燃料電池システム１００は、さらに、凝縮水経路３０を備えている。凝縮水経路３０は、第１水トラップ３１、第２水トラップ３２及び共用経路３４を有する。第１水トラップ３１は、リサイクル経路１２から分岐して下方に延びている。第２水トラップ３２は、アノードオフガス経路２０から分岐して下方に延びている。第２水トラップ３２は、合流位置３３において第１水トラップ３１に合流している。第１水トラップ３１及び第２水トラップ３２のそれぞれには、共用経路３４が連通している。なお、本明細書において、「下方に」の語句は、鉛直方向に関する下方を意味する。
【００３０】
図２に示すとおり、共用経路３４は、第１部分３５、第２部分３６及び排水口３７を含む。共用経路３４は、合流位置３３との境界３８から排水口３７まで延びている。排水口３７は、凝縮水経路３０から凝縮水を排出するための開口である。
【００３１】
第１部分３５は、合流位置３３の下方に位置している部分である。図２において、第１部分３５は、境界３９から境界４０まで延びている。境界３９は、共用経路３４の境界３８と同じ高さに位置する。境界４０は、境界３９よりも下流側において、下方又は水平方向に延びている共用経路３４の部分と、上方に延びている共用経路３４の部分との境界に位置する。図２では、境界３９は、共用経路３４の境界３８と一致している。境界３９は、共用経路３４の境界３８と一致していなくてもよい。例えば、共用経路３４が合流位置３３から水平方向に延び、その後、下方に延びることにより、第１部分３５が合流位置３３に接していなくてもよい。第１部分３５において、鉛直方向について最も下方に位置している部分を底部４１とする。底部４１を通り、第１部分３５が延びている方向に垂直な面を基準面４２とする。基準面４２において、鉛直方向について最も上方に位置している部分を頂部４３とする。鉛直方向についての境界３９と頂部４３との間の距離Ｌ１は、特に限定されない。距離Ｌ１は、燃料ガス及びアノードオフガスの流量、共用経路３４を形成する配管の径、燃料電池の定格出力などに応じて定められる。なお、本明細書において、「上方に」の語句は、鉛直方向に関する上方を意味する。
【００３２】
第２部分３６は、合流位置３３の上方に延びている部分である。具体的には、第２部分３６は、境界４０から排水口３７まで延びている。すなわち、第２部分３６は、第１部分３５よりも下流側に位置している。第２部分３６において、鉛直方向について最も上方に位置している部分を頂部４４とする。頂部４４を通り、第２部分３６が延びている方向に垂直な面を基準面４５とする。基準面４５において、鉛直方向について最も下方に位置している部分を底部４６とする。鉛直方向についての合流位置３３と底部４６との間の距離Ｌ２は、特に限定されない。距離Ｌ２は、燃料ガス及びアノードオフガスの流量、共用経路３４を形成する配管の径、燃料電池の定格出力などに応じて定められる。距離Ｌ２は、改質器１及び燃料電池２の運転時に、第１水トラップ３１及び第２水トラップ３２が凝縮水を貯留する状態に維持できるように定められる。
【００３３】
燃料電池システム１００は、さらに、排気経路２１、燃焼排ガス経路２３及び筐体（図示省略）を備えている。筐体は、排気口２２を有する。排気口２２は、凝縮水経路３０の上方に位置する。排気経路２１は、燃料電池２のカソード出口及び排気口２２のそれぞれに接続されている。排気経路２１は、排気口２２を通じて、燃料電池２で消費されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）を燃料電池システム１００の外部に排出するための経路である。燃焼排ガス経路２３は、燃焼器４及び排気口２２のそれぞれに接続されている。燃焼排ガス経路２３は、排気口２２を通じて、燃焼器４から排出された燃焼排ガスを燃料電池システム１００の外部に排出するための経路である。図１では、排気経路２１及び燃焼排ガス経路２３が、合流点６６において合流している。
【００３４】
改質器１が運転しているとき、改質器１で生成された燃料ガスは、燃料ガス供給経路１１を通じて燃料電池２に供給される。また、燃料ガスの一部は、リサイクル経路１２を通じて、改質器１よりも上流側に供給される。そのため、改質器１が運転しているとき、燃料ガス供給経路１１及びリサイクル経路１２の圧力は、通常、一定に保たれる。
【００３５】
燃料ガスは、水蒸気を含む。そのため、リサイクル経路１２内で燃料ガスが冷却されたとき、凝縮水が生じる。凝縮水は、リサイクル経路１２から第１水トラップ３１に流れる。リサイクル経路１２には、弁５３及び熱交換器８０が配置されている。弁５３は、例えば、開閉弁である。熱交換器８０は、例えば、水などの冷媒と燃料ガスとの間で熱交換を生じさせる気−液熱交換器である。熱交換器８０の具体例は、シェルチューブ熱交換器又はプレート式熱交換器である。熱交換器８０は、改質器１と第１水トラップ３１との間に位置する。熱交換器８０は、燃料ガスを冷却し、燃料ガスに含まれた水蒸気を凝縮させる。熱交換器８０で生じた凝縮水は、リサイクル経路１２から第１水トラップ３１に流れる。
【００３６】
燃料電池２が運転しているとき、燃料電池２から排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス経路２０を通じて燃焼器４に供給される。そのため、燃料電池２が運転しているとき、アノードオフガス経路２０の圧力は、通常、一定に保たれる。
【００３７】
アノードオフガスは、水蒸気を含む。そのため、アノードオフガス経路２０内でアノードオフガスが冷却されたとき、凝縮水が生じる。凝縮水は、アノードオフガス経路２０から第２水トラップ３２に流れる。アノードオフガス経路２０には、熱交換器８１が配置されている。熱交換器８１は、例えば、水などの冷媒とアノードオフガスとの間で熱交換を生じさせる気−液熱交換器である。熱交換器８１の具体例は、シェルチューブ熱交換器又はプレート式熱交換器である。熱交換器８１は、燃料電池２と第２水トラップ３２との間に位置する。熱交換器８１は、アノードオフガスを冷却し、アノードオフガスに含まれた水蒸気を凝縮させる。熱交換器８１で生じた凝縮水は、アノードオフガス経路２０から第２水トラップ３２に流れる。熱交換器８１によりアノードオフガスから水蒸気をあらかじめ取り除いておくことによって、燃焼器４付近のアノードオフガス経路２０内で水蒸気が凝縮することを防ぐことができる。これにより、燃焼器４の失火を防ぐことができる。
【００３８】
燃料ガス及びアノードオフガスから生じた凝縮水は、凝縮水経路３０に貯留される。共用経路３４の第１部分３５が合流位置３３の下方に位置し、第２部分３６が合流位置３３の上方に延びていることにより、凝縮水経路３０内の水位は、第２部分３６の基準面４５の底部４６の高さに維持される。すなわち、共用経路３４の第１部分３５及び第２部分３６が、第１水トラップ３１及び第２水トラップ３２のそれぞれにおける水位を定めている。余剰の凝縮水が第１水トラップ３１又は第２水トラップ３２に供給されたとき、共用経路３４に貯留された凝縮水の一部が排水口３７を通じて燃料電池システム１００の外部に排出される。これにより、第１水トラップ３１及び第２水トラップ３２のそれぞれにおける水位の上昇を防ぐことができる。第２部分３６が排水口３７を含むことにより、共用経路３４は、共用経路３４から排出される凝縮水の流量を制御する弁などの手段を必要としない。本実施形態では、凝縮水経路３０に弁が設けられていない。ただし、凝縮水経路３０に開閉弁などの弁が設けられていてもよい。
【００３９】
図３に示すように、第１水トラップ３１及び第２水トラップ３２のそれぞれは、通常、凝縮水７０を貯留している。第１水トラップ３１が凝縮水７０を貯留することによって、リサイクル経路１２から共用経路３４に燃料ガス７１が流れ込むことを防ぐことができる。すなわち、リサイクル経路１２から共用経路３４に向かう経路が水封されている。また、第２水トラップ３２が凝縮水７０を貯留することによって、アノードオフガス経路２０から共用経路３４にアノードオフガス７２が流れ込むことを防ぐことができる。すなわち、アノードオフガス経路２０から共用経路３４に向かう経路が水封されている。
【００４０】
改質器１及び燃料電池２が運転しているとき、リサイクル経路１２又はアノードオフガス経路２０の内圧が上昇することがある。内圧の上昇は、例えば、経路の閉塞、熱交換器の目詰まり、経路内のガス流量の増加に起因する。経路の閉塞は、例えば、水によって生じる。
【００４１】
図４に示すように、リサイクル経路１２の内圧が上昇したとき、凝縮水７０の水位は、共用経路３４の第１部分３５の境界３９まで押し下げられる。これにより、燃料ガス７１は、リサイクル経路１２から、第１水トラップ３１、合流位置３３及び第２水トラップ３２を経由して、アノードオフガス経路２０に流れる。燃料ガス７１がアノードオフガス経路２０に流れることにより、リサイクル経路１２の内圧の上昇が抑制される。そのため、第１部分３５は、凝縮水７０を貯留した状態に維持される。これにより、燃料ガス７１が凝縮水経路３０を通じて、燃料電池システム１００の外部に流出することを防ぐことができる。
【００４２】
図５に示すように、アノードオフガス経路２０の内圧が上昇したときにも、凝縮水７０の水位が共用経路３４の第１部分３５の境界３９まで押し下げられる。これにより、アノードオフガス７２は、アノードオフガス経路２０から、第２水トラップ３２、合流位置３３及び第１水トラップ３１を経由して、リサイクル経路１２に流れる。アノードオフガス７２がリサイクル経路１２に流れることにより、アノードオフガス経路２０の内圧の上昇が抑制される。そのため、第１部分３５は、凝縮水７０を貯留した状態に維持される。これにより、アノードオフガス７２が凝縮水経路３０を通じて、燃料電池システム１００の外部に流出することを防ぐことができる。
【００４３】
このように、共用経路３４が第１部分３５を有することにより、可燃性の燃料ガス７１又は可燃性のアノードオフガス７２が燃料電池システム１００の外部に流出することを防ぐことができる。そのため、凝縮水経路３０は、第１水トラップ３１及び第２水トラップ３２のそれぞれにおける凝縮水７０の水位を調節する弁などの手段を必要としない。
【００４４】
共用経路３４には、凝縮水タンク５が接続されていてもよい。凝縮水タンク５は、凝縮水７０を貯留する。図１では、共用経路３４は、分岐部分４７を含む。分岐部分４７は、第１部分３５から分岐している。分岐部分４７が、凝縮水タンク５に接続されている。分岐部分４７は、凝縮水タンク５の底部又は側面部に接続されている。凝縮水タンク５の上部は、大気に開放されていてもよい。凝縮水タンク５の少なくとも一部は、合流位置３３よりも上方に位置している。本実施形態において、凝縮水タンク５の水位は、合流位置３３よりも上方に位置している。凝縮水タンク５には、凝縮水経路３０のほかに、燃料電池システム１００の外部に通じる経路が接続されていてもよい。
【００４５】
凝縮水経路３０は、さらに、第３水トラップ４８を有する。第３水トラップ４８は、排気経路２１から分岐して下方に延びている。詳細には、第３水トラップ４８は、合流点６６と排気口２２との間の位置において排気経路２１から分岐している。第３水トラップ４８は、共用経路３４に接続されている。図１では、第３水トラップ４８は、共用経路３４の第１部分３５に接続されている。
【００４６】
カソードオフガス及び燃焼排ガスは、水蒸気を含む。排気経路２１内でカソードオフガスが冷却されたとき、凝縮水が生じる。燃焼排ガス経路２３内で燃焼排ガスが冷却されたとき、凝縮水が生じる。凝縮水は、排気経路２１又は燃焼排ガス経路２３から第３水トラップ４８に流れる。排気経路２１には、熱交換器８２が配置されている。燃焼排ガス経路２３には、熱交換器８３が配置されている。熱交換器８２は、例えば、水などの冷媒とカソードオフガスとの間で熱交換を生じさせる気−液熱交換器である。熱交換器８３は、例えば、水などの冷媒と燃焼排ガスとの間で熱交換を生じさせる気−液熱交換器である。熱交換器８２及び熱交換器８３の具体例は、シェルチューブ熱交換器又はプレート式熱交換器である。熱交換器８２は、燃料電池２と合流点６６との間に位置する。熱交換器８２は、カソードオフガスを冷却し、カソードオフガスに含まれた水蒸気を凝縮させる。熱交換器８２で生じた凝縮水は、排気経路２１から第３水トラップ４８に流れる。熱交換器８３は、燃焼器４と合流点６６との間に位置する。熱交換器８３は、燃焼排ガスを冷却し、燃焼排ガスに含まれた水蒸気を凝縮させる。熱交換器８３で生じた凝縮水は、燃焼排ガス経路２３から第３水トラップ４８に流れる。このように、第３水トラップ４８は、排気経路２１又は燃焼排ガス経路２３において生じる凝縮水を貯留できる。なお、図１において、燃焼排ガス経路２３には、バイパス経路２４が設けられている。バイパス経路２４は、分岐点６７から分岐点６８まで延びている。分岐点６７は、合流点６６と第３水トラップ４８との間に位置する。分岐点６８は、第３水トラップ４８と排気口２２との間に位置する。熱交換器８３は、合流点６６と分岐点６７との間に位置していてもよい。このとき、排気経路２１には、熱交換器８２が配置されていなくてもよい。
【００４７】
バイパス経路２４には、ＣＯセンサ６及び弁５５が配置されている。ＣＯセンサ６は、燃焼排ガス中のＣＯ濃度を検出する役割を担っている。ＣＯセンサ６は、例えば、接触燃焼式のＣＯセンサ又は半導体式のＣＯセンサである。弁５５は、例えば、開閉弁である。
【００４８】
燃料電池システム１００は、さらに、空気供給経路（図示省略）を備えている。空気供給経路は、燃焼器４に接続されている。空気供給経路は、燃焼器４に空気を供給するための経路である。空気供給経路は、酸化剤ガス供給経路１４から分岐していてもよい。
【００４９】
リサイクル経路１２の内圧が上昇し、燃料ガス７１がリサイクル経路１２からアノードオフガス経路２０に流れ込んだとき、燃焼器４への燃料ガスの供給流量が増加する。空気供給経路から燃焼器４に供給された空気の量は一定である。そのため、燃焼器４における空気比が低下する。「空気比」とは、燃料を完全燃焼するのに必要な理論空気流量Ｍ１に対する実際の空気流量Ｍ２の比（Ｍ２／Ｍ１）を意味する。空気比が低下したとき、燃焼器４から排出された燃焼排ガス中のＣＯ濃度が上昇する。アノードオフガス経路２０の内圧が上昇し、アノードオフガス７２がアノードオフガス経路２０からリサイクル経路１２に流れ込んだとき、燃焼器４への燃料ガスの供給流量が減少する。このとき、燃焼器４における空気比が増加する。空気比が増加したときにも、燃焼排ガス中のＣＯ濃度が上昇する。そのため、燃焼排ガス経路２３に配置されたＣＯセンサ６の検出値により、異常を検知することができる。
【００５０】
燃料電池システム１００は、ＣＯセンサ６の検出値に基づいて、燃料電池２の運転を停止させる制御部７を備える。ＣＯ濃度が閾値濃度を越えたとき、制御部７が燃料電池２の運転を停止する。例えば、ＣＯセンサ６が６０００ｐｐｍ以上のＣＯ濃度を検出したとき、制御部７が燃料電池２の運転を停止する。制御部７は、報知器８を用いて、ＣＯ濃度が上昇したことを報知するための処理を実行してもよい。報知器８は、音声情報で異常を報知するものであってもよいし、視覚情報で異常を報知するものであってもよい。前者の例として、警報機が挙げられる。後者の例として、ランプ及び表示パネルが挙げられる。また、ＣＯ濃度が上昇すると、燃焼器４の失火が生じる。制御部７は、燃焼器４の失火を検知して、燃料電池２の運転を停止してもよい。
【００５１】
燃料電池システム１００の経路のそれぞれは、例えば、金属製又は樹脂製の配管で構成されている。各経路の分岐部分には、例えば、Ｔ字管が使用されている。水トラップ３１、３２及び４８も金属製又は樹脂製の配管で構成されうる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本明細書に開示された技術は、燃料電池システム、水素ステーション、水素製造プラントなどに有用である。
【符号の説明】
【００５３】
１              改質器
２              燃料電池
３              水素化脱硫装置
４              燃焼器
５              凝縮水タンク
６              ＣＯセンサ
７              制御部
８              報知器
１０            ガス供給経路
１１            燃料ガス供給経路
１２            リサイクル経路
２０            アノードオフガス経路
２１            排気経路
２２            排気口
２３            燃焼排ガス経路
３０            凝縮水経路
３１            第１水トラップ
３２            第２水トラップ
３３            合流位置
３４            共用経路
３５            第１部分
３６            第２部分
３７            排水口
４８            第３水トラップ
１００          燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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