(57)【要約】【課題】排ガスの流路を確保しつつ、排ガスの流路の閉塞を正確に検出するための技術を提供する。【解決手段】本開示の燃料電池システム（１００）は、燃料電池（２）、改質器（１）、バーナ（４）、アノードオフガス経路（１２）、排ガス経路（１３）、水タンク（３０）及び水トラップ（４０）を備えている。水タンク（３０）は、第１貯水部（３１）と、第２貯水部（３２）と、第１貯水部（３１）と第２貯水部（３２）とを連通している連通路（３３）と、第２貯水部（３２）に設けられた排水口（３０ｄ）とを有する。排ガス経路（１３）は、第１流路（１３ａ）と、第１流路（１３ａ）から分岐して下方に延び水タンク（３０）の第１貯水部（３１）に接続されている第２流路（１３ｂ）と、第２流路（１３ｂ）に設けられた縮径部（１７）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、
改質器と、
前記改質器を加熱するバーナと、
前記燃料電池のアノード出口から前記バーナまで延びているアノードオフガス経路と、
前記バーナの燃焼排ガスを外部に排出するための排ガス経路と、
前記燃焼排ガスから生じた凝縮水を貯留する水タンクと、
前記アノードオフガス経路及び前記水タンクの下方に位置している部分を含み、前記アノードオフガス経路から分岐して前記水タンクに接続されている水トラップと、
を備え、
前記水タンクは、第１貯水部と、第２貯水部と、前記水タンクの下部において前記第１貯水部と前記第２貯水部とを連通している連通路と、前記連通路よりも上方において前記第２貯水部に設けられた排水口とを有し、
前記排ガス経路は、前記バーナに接続された一端と前記外部に開放している他端とを有する第１流路と、前記第１流路から分岐して下方に延び前記水タンクの前記第１貯水部に接続されている第２流路と、前記第２流路に設けられた縮径部とを有する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記縮径部がオリフィスを含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水タンクは、前記水タンクの内部に配置された隔壁を有し、
前記隔壁によって前記水タンクの内部空間が前記第１貯水部と前記第２貯水部とに仕切られており、
前記連通路は、前記隔壁の下端と前記水タンクの底面との間の隙間、及び、前記隔壁に設けられた貫通孔の少なくとも１つを含む、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記バーナに設けられた火炎検出器をさらに備えた、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】
前記火炎検出器によって前記バーナの失火が検出された場合に前記燃料電池の運転が停止する、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記排ガス経路が閉塞した場合に前記燃料電池の運転を停止させる制御器をさらに備えた、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】
前記バーナに空気を供給する空気供給器をさらに備え、
前記制御器は、前記空気供給器の動作特性が設計上の動作特性から乖離している場合、前記燃料電池の発電量を増加させる処理を実行する、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記水トラップは、所定の第１分岐位置において前記アノードオフガス経路から分岐しており、
前記水トラップ及び前記水タンクによって水封構造が形成されるように、前記第１分岐位置と前記水タンクとの位置関係が定められている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記排ガス経路の前記第２流路は、所定の第２分岐位置において前記第１流路から分岐しており、
前記排ガス経路の前記第１流路は、前記第２分岐位置よりも下流側に位置している出口部分を含み、
前記第１流路の前記出口部分が閉塞された場合、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスは、前記水トラップの水位を押し下げて前記水封構造を突破し、前記水トラップを通じて前記水タンクに流れ込み、前記排水口から前記水タンクの外部に排出される、請求項８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】
水素生成装置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。水素生成装置において、都市ガスなどの原料ガスから水素ガスが生成される。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８は、特許文献１に記載された燃料電池システムを示している。燃料電池システム３００は、燃料電池１０２及び水素生成装置１０３を備えている。燃料電池１０２のアノードから排出されたガス（アノードオフガス）は、流路１２７を通じて、燃焼器１０３ａに供給され、燃焼器１０３ａで燃やされる。燃焼器１０３ａの燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路１０８を通じて、筐体１２３の排気口１０７に導かれる。燃焼排ガスから生成した凝縮水は、凝縮水流路１０９を通じて、水タンク１０６に導かれる。燃料電池１０２のカソードから排出されたガス（カソードオフガス）は、酸化剤排ガス流路１１２を通じて、筐体１２３の排気口１０７に導かれる。カソードオフガスから生成した凝縮水も水タンク１０６に回収される。
【０００４】
水タンク１０６の内部には、隔壁１１６が設けられている。水タンク１０６の内部空間は、隔壁１１６によって、第１貯水部１１７と第２貯水部１１８とに仕切られている。隔壁１１６の下端と水タンク１０６の底面との間には隙間がある。排気口１０７が塞がれると、燃焼排ガス流路１０８及び酸化剤排ガス流路１１２の圧力が上昇し、水タンク１０６の水位が下がる。隔壁１１６の下端まで水位が下がると、燃焼排ガス及び酸化剤排ガスが第１貯水部１１７から第２貯水部１１８に移動する。さらに、これらの排ガスは、第２貯水部１１８に接続された排水流路１３１を通じて、筐体１２３の外部に排出される。
【０００５】
水タンク１０６の第１貯水部１１７には、水位センサ１１９が設けられている。水位センサ１１９によって水位の低下が検出された場合、燃料電池システム３００の運転が停止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５０４８８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般に、水位センサとして、フロート式水位センサ、光学界面式水位センサ、超音波式水位センサ、電極式水位センサ、圧力式水位センサなどの様々なタイプの水位センサが知られている。ただし、いくつかの水位センサは、値段が高すぎたり、精度が低かったり、長期信頼性が低かったりする。
【０００８】
本開示の目的の１つは、排ガスの流路を確保しつつ、排ガスの流路の閉塞を正確に検出するための技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本開示は、
燃料電池と、
改質器と、
前記改質器を加熱するバーナと、
前記燃料電池のアノード出口から前記バーナまで延びているアノードオフガス経路と、
前記バーナの燃焼排ガスを外部に排出するための排ガス経路と、
前記燃焼排ガスから生じた凝縮水を貯留する水タンクと、
前記アノードオフガス経路及び前記水タンクの下方に位置している部分を含み、前記アノードオフガス経路から分岐して前記水タンクに接続されている水トラップと、
を備え、
前記水タンクは、第１貯水部と、第２貯水部と、前記水タンクの下部において前記第１貯水部と前記第２貯水部とを連通している連通路と、前記連通路よりも上方において前記第２貯水部に設けられた排水口とを有し、
前記排ガス経路は、前記バーナに接続された一端と前記外部に開放している他端とを有する第１流路と、前記第１流路から分岐して下方に延び前記水タンクの前記第１貯水部に接続されている第２流路と、前記第２流路に設けられた縮径部とを有する、燃料電池システムを提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の技術によれば、排ガスの流路を確保しつつ、排ガスの流路の閉塞を正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【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、縮径部の他の構造を示す図である。
【図３】図３は、水タンクの変形例を示す図である。
【図４】図４は、排ガス経路の第１流路の出口部分が閉塞したときの燃料電池システムの挙動を示す図である。
【図５】図５は、排ガス経路の第１流路の出口部分が閉塞したときの変形例の水タンクの状態を示す図である。
【図６】図６は、閉塞判定処理のフローチャートである。
【図７】図７は、空気の流量とファンの操作量との関係を示すグラフである。
【図８】図８は、特許文献１に記載された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】
【００１２】
（本開示の基礎となった知見）
特許文献１によれば、水位が隔壁１１６の下端まで下がったときに燃料電池２の運転が停止される。したがって、図８に示す燃料電池システム３００の水タンク１０６には、フロート式水位センサの使用が適しているように見える。ただし、フロート式水位センサは安価である反面、その精度と長期にわたる信頼性に課題が残る。
【００１３】
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、
改質器と、
前記改質器を加熱するバーナと、
前記燃料電池のアノード出口から前記バーナまで延びているアノードオフガス経路と、
前記バーナの燃焼排ガスを外部に排出するための排ガス経路と、
前記燃焼排ガスから生じた凝縮水を貯留する水タンクと、
前記アノードオフガス経路及び前記水タンクの下方に位置している部分を含み、前記アノードオフガス経路から分岐して前記水タンクに接続されている水トラップと、
を備え、
前記水タンクは、第１貯水部と、第２貯水部と、前記水タンクの下部において前記第１貯水部と前記第２貯水部とを連通している連通路と、前記連通路よりも上方において前記第２貯水部に設けられた排水口とを有し、
前記排ガス経路は、前記バーナに接続された一端と前記外部に開放している他端とを有する第１流路と、前記第１流路から分岐して下方に延び前記水タンクの前記第１貯水部に接続されている第２流路と、前記第２流路に設けられた縮径部とを有するものである。
【００１４】
第１態様によれば、排ガス経路が閉塞されると、排ガス経路の圧力が上昇する。排ガス経路の圧力が上昇すると、アノードオフガス経路の圧力も上昇する。アノードオフガスは、水トラップの水位を押し下げ、水トラップを通じて水タンクに流れ込む。その後、アノードオフガスは、排水口から水タンクの外部に排出される。アノードオフガスの一部又は全部が水トラップを通じて水タンクに流れ込むと、バーナは、燃料不足の状態に陥り、失火する。このように、第１態様によれば、簡易な構成で排ガス経路の閉塞を検出できる。アノードオフガスなどの排ガスを一時的に水タンクに逃がすことができるので、改質器及び燃料電池の破損も防止できる。さらに、水タンクに水位センサが設けられていない場合でも、バーナの失火によって、排ガス経路の閉塞を検出できる。
【００１５】
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縮径部がオリフィスを含む。オリフィスによれば、凝縮水の通過を許容しつつ、第２流路の圧力損失を十分かつ容易に増加させることができる。
【００１６】
本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様にかかる燃料電池システムの前記水タンクは、前記水タンクの内部に配置された隔壁を有し、前記隔壁によって前記水タンクの内部空間が前記第１貯水部と前記第２貯水部とに仕切られており、前記連通路は、前記隔壁の下端と前記水タンクの底面との間の隙間、及び、前記隔壁に設けられた貫通孔の少なくとも１つを含む。隔壁により、凝縮水が第１貯水部から第２貯水部に流れ込むこと許容しつつ、燃焼排ガスが第１貯水部から第２貯水部に流れ込むことを禁止できる。
【００１７】
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、前記バーナに設けられた火炎検出器をさらに備えている。火炎検出器によって、バーナの燃焼状態を検出することができる。詳細には、バーナに火が付いているかどうかを検出することができる。
【００１８】
本開示の第５態様において、例えば、第４態様にかかる燃料電池システムの前記火炎検出器によって前記バーナの失火が検出された場合に前記燃料電池の運転が停止する。第５態様によれば、可燃性のガスが外部に排出されることを防止できる。
【００１９】
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、前記排ガス経路が閉塞した場合に前記燃料電池の運転を停止させる制御器をさらに備えている。第６態様によれば、可燃性のガスが外部に排出されることを防止できる。
【００２０】
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は、前記バーナに空気を供給する空気供給器をさらに備え、前記制御器は、前記空気供給器の動作特性が設計上の動作特性から乖離している場合、前記燃料電池の発電量を増加させる処理を実行する。第７態様によれば、バーナを失火に導き、燃料電池システムの運転を停止させることができる。
【００２１】
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の前記水トラップは、所定の第１分岐位置において前記アノードオフガス経路から分岐しており、前記水トラップ及び前記水タンクによって水封構造が形成されるように、前記第１分岐位置と前記水タンクとの位置関係が定められている。第８態様によれば、燃料電池システムが正常に運転されている限り、アノードオフガスが水トラップを通じて水タンクに進むことを阻止できる。アノードオフガスから生じた凝縮水のみを水トラップで回収することができる。
【００２２】
本開示の第９態様において、例えば、第８態様にかかる燃料電池システムの前記排ガス経路の前記第２流路は、所定の第２分岐位置において前記第１流路から分岐しており、前記排ガス経路の前記第１流路は、前記第２分岐位置よりも下流側に位置している出口部分を含み、前記第１流路の前記出口部分が閉塞された場合、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスは、前記水トラップの水位を押し下げて前記水封構造を突破し、前記水トラップを通じて前記水タンクに流れ込み、前記排水口から前記水タンクの外部に排出される。第９態様によれば、第１態様で説明した効果が確実に得られる。
【００２３】
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。
【００２４】
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、燃料電池２及び筐体３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機器である。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で生成された水素ガスが燃料電池２に供給される。燃料電池２は、酸化剤ガスと水素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。
【００２５】
改質器１、燃料電池２、その他の機器は、筐体３に収められている。筐体３には、排気口３ａ及び吸気口３ｂが設けられている。排気口３ａは、例えば、吸気口３ｂよりも上方に位置している。排気口３ａを通じて、燃焼排ガス、カソードオフガスなどの排ガスが筐体３の外部に排出される。吸気口３ｂを通じて、筐体３の内部に空気が取り込まれる。
【００２６】
燃料電池システム１００は、さらに、バーナ４、空気供給器２１、火炎検出器２２及び流量計２３を備えている。バーナ４は、燃料を燃焼させることによって改質器１を加熱するための機器である。バーナ４は、改質器１に隣接して設けられている。空気供給器２１は、バーナ４に空気を供給するための機器である。空気供給器２１の例には、ファン及びブロワが含まれる。空気供給器２１からバーナ４への空気の供給経路に流量計２３が配置されている。流量計２３により、空気の供給流量が検出される。火炎検出器２２は、バーナ４に設けられている。火炎検出器２２によって、バーナ４の燃焼状態を検出することができる。詳細には、バーナ４に火が付いているかどうかを検出することができる。火炎検出器２２は、典型的には、フレームロッドである。フレームロッドに流れる電流を検出することによって、火炎の存在を確かめることができる。
【００２７】
燃料電池システム１００は、さらに、原料ガス供給経路６、燃料ガス供給経路１１、アノードオフガス経路１２、排ガス経路１３及び水タンク３０を備えている。
【００２８】
原料ガス供給経路６は、改質器１の原料ガス入口に接続されている。ガス供給経路６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６には、ポンプ９が配置されている。ポンプ９は、原料ガスを昇圧するためのポンプである。ポンプ９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。ガス供給経路６には、脱硫器、弁などの他の機器が配置されていてもよい。改質器１には、貯水タンクなどの水源から改質器１に水を供給するための給水経路が接続されていてもよい。
【００２９】
燃料ガス供給経路１１は、改質器１の燃料ガス出口と燃料電池２のアノード入口とを接続している。改質器１で生成された水素ガスは、燃料ガス供給経路１１を通じて燃料電池２に供給される。
【００３０】
アノードオフガス経路１２は、燃料電池２のアノード出口からバーナ４まで延びている。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は、アノードオフガス経路１２を通じてバーナ４に供給され、バーナ４で燃やされる。アノードオフガス経路１２には、アノードオフガスを冷却するための熱交換器２５が配置されている。熱交換器２５は、水などの冷媒でアノードオフガスを冷却する熱交換器である。熱交換器２５は、例えば、プレート式熱交換器又はシェルチューブ式熱交換器である。アノードオフガスを冷却するとアノードオフガスから凝縮水が生じる。熱交換器２５によれば、アノードオフガスから効率的に水分を取り除くことができる。アノードオフガスの熱を回収することもできる。
【００３１】
排ガス経路１３は、バーナ４から筐体３の排気口３ａまで延びている。排ガス経路１３は、バーナ４の燃焼排ガスを外部に排出するための経路である。具体的には、排ガス経路１３は、第１流路１３ａ、第２流路１３ｂ及び縮径部１７を有する。第１流路１３ａは、バーナ４に接続された一端と燃料電池システム１００の外部に向かって開放している他端とを有する。詳細には、第１流路１３ａの他端は、排気口３ａに接続されて外部に向かって開放している。第２流路１３ｂは、第１流路１３ａから分岐して下方に延び、水タンク３０に接続されている。第２流路１３ｂは、所定の分岐位置Ｐ２（第２分岐位置）において、第１流路１３ａから分岐している。第１流路１３ａは、分岐位置Ｐ２よりも下流側に位置している出口部分１１３ａを含む。バーナ４の燃焼排ガスは、第１流路１３ａを通じて、筐体３の外部に排出される。燃焼排ガスから生じた凝縮水は、第２流路１３ｂを通じて、水タンク３０に導かれる。
【００３２】
排ガス経路１３の第１流路１３ａには、燃焼排ガスを冷却するための熱交換器２４が配置されている。熱交換器２４は、水などの冷媒で燃焼排ガスを冷却する熱交換器である。熱交換器２４は、例えば、プレート式熱交換器又はシェルチューブ式熱交換器である。燃焼排ガスを冷却すると燃焼排ガスから凝縮水が生じる。熱交換器２４によれば、燃焼排ガスから効率的に水分を取り除くことができる。燃焼排ガスの熱を回収することもできる。第１流路１３ａにおいて、分岐位置Ｐ２は、熱交換器２４よりも燃焼排ガスの流れ方向の下流側にある。そのため、熱交換器２４で生じた凝縮水が第２流路１３ｂにスムーズに流れ込む。
【００３３】
縮径部１７は、第２流路１３ｂに設けられている。本実施形態において、縮径部１７は、第２流路１３ｂの端部に設けられている。縮径部１７は、水タンク３０に一体的に設けられていてもよいし、水タンク３０に取り付けられていてもよい。縮径部１７の流路断面積は、縮径部１７以外の位置における第２流路１３ｂの流路断面積よりも十分に小さい。縮径部１７の役割は、第２流路１３ｂを通じて凝縮水が水タンク３０に流れ込むことを許容しつつ、第２流路１３ｂの圧力損失を増加させることにある。
【００３４】
図１に示す例において、縮径部１７は、オリフィスである。オリフィスによれば、凝縮水の通過を許容しつつ、第２流路１３ｂの圧力損失を十分かつ容易に増加させることができる。図２に示す例において、縮径部１９は、小径の配管で構成された蛇行管である。図２に示す縮径部１９によっても、図１に示す縮径部１７と同じ効果が得られる。
【００３５】
水タンク３０は、金属製又は樹脂製の容器で構成されている。水タンク３０は、燃焼排ガス、アノードオフガス、カソードオフガスなどの排ガスから生じた凝縮水を貯留する役割を担っている。水タンク３０は、第１貯水部３１、第２貯水部３２、連通路３３及び排水口３０ｄを有する。第１貯水部３１には、排ガス経路１３の第２流路１３ｂが接続されている。第２流路１３ｂは、第１貯水部３１の水面よりも上の空間に向かって開口している。連通路３３は、水タンク３０の下部において第１貯水部３１と第２貯水部３２とを連通している。連通路３３を通じて、第１貯水部３１と第２貯水部３２との間で凝縮水が往来できる。排水口３０ｄは、連通路３３よりも上方において第２貯水部３２に設けられている。詳細には、排水口３０ｄは、第２貯水部３２を構成する側壁に設けられている。排水口３０ｄは、筐体３の外部まで延びている。
【００３６】
水タンク３０は、さらに、水タンク３０の内部に配置された隔壁３５を有する。水タンク３０の内部において、隔壁３５は、天井面から底面に向かって鉛直方向に延びている。隔壁３５によって水タンク３０の内部空間が第１貯水部３１と第２貯水部３２とに仕切られている。連通路３３は、隔壁３５の下端と水タンク３０の底面との間の隙間であってもよいし、隔壁３５に設けられた貫通孔であってもよい。隔壁３５によって、水面よりも上の第１貯水部３１の空間は、水面よりも上の第２貯水部３２の空間から完全に隔離されている。これにより、凝縮水が第１貯水部３１から第２貯水部３２に流れ込むこと許容しつつ、燃焼排ガスが第１貯水部３１から第２貯水部３２に流れ込むことを禁止できる。凝縮水のみを選択的に排水口３０ｄに導くことができる。
【００３７】
排水口３０ｄの位置（排水口３０ｄの下端の位置）まで水が貯まると、第２貯水部３２から水が溢れて排水口３０ｄから水タンク３０の外部に排出される。したがって、第２貯水部３２の水位は、排水口３０ｄの位置に一致する。燃料電池システム１００の通常運転時において、第１貯水部３１の水位は、第２貯水部３２の水位に概ね一致する。第１貯水部３１の容積は、第２貯水部３２の容積よりも大きくてもよいし、小さくてもよい。排水口３０ｄの位置は、連通路３３よりも十分に上にあることが望ましい。隔壁３５の下端から排水口３０ｄまでの鉛直方向の距離Ｄは特に限定されず、水タンク３０の容積、燃焼排ガスの圧力などの様々な条件に応じて適切に定められるべきである。
【００３８】
本実施形態において、水タンク３０には水位センサが設けられていない。したがって、水位センサに由来する信頼性の課題が生じにくい。水位センサのコストも削減されうる。後述するように、本実施形態では、水位センサを使用しない方法によって、第１流路１３ａの閉塞を検出することができる。もちろん、水タンク３０に水位センサが設けられていてもよい。
【００３９】
燃料電池システム１００は、さらに、水トラップ４０を備えている。水トラップ４０は、アノードオフガス経路１２から分岐して水タンク３０に接続された流路で構成されている。水トラップ４０は、アノードオフガス経路１２及び水タンク３０の下方に位置している部分を含む。水トラップ４０には、アノードオフガスから生じた凝縮水が流れ込む。燃料電池システム１００の通常運転時において、水トラップ４０の水位は、例えば、位置Ａにある。
【００４０】
詳細には、水トラップ４０は、所定の第１分岐位置Ｐ１においてアノードオフガス経路１２から分岐している。水トラップ４０の一端は、例えば、Ｔ字管１２ａを用いて、アノードオフガス経路１２に接続されている。水トラップ４０の他端は、例えば、水タンク３０の底部に接続されている。水トラップ４０及び水タンク３０によって水封構造が形成されるように、第１分岐位置Ｐ１と水タンク３０との位置関係が定められている。水封構造によれば、燃料電池システム１００が正常に運転されている限り、アノードオフガスが水トラップ４０を通じて水タンク３０に進むことを阻止できる。アノードオフガスから生じた凝縮水のみを水トラップ４０で回収することができる。また、本実施形態では、水トラップ４０に弁が設けられていない。水封構造によれば、弁を省略することが可能である。もちろん、水トラップ４０に開閉弁などの弁が設けられていてもよい。
【００４１】
本実施形態では、第１分岐位置Ｐ１と水タンク３０との位置関係は、以下のように定められている。まず、筐体３の底面３ｆを基準面ＢＬと定義する。基準面ＢＬから水タンク３０の排水口３０ｄの下端までの鉛直方向の高さがＨ１であり、基準面ＢＬから第１分岐位置Ｐ１までの鉛直方向の高さがＨ２であるとする。本実施形態では、高さＨ１が高さＨ２を下回るように、第１分岐位置Ｐ１と水タンク３０との位置関係が定められている。このようにすれば、燃料電池システム１００の運転停止時においても、水トラップ４０の水位が第１分岐位置Ｐ１に達しない。
【００４２】
水タンク３０の水面よりも上の空間の圧力は、通常、大気圧である。燃料電池システム１００が正常に運転されているとき、アノードオフガス経路１２の圧力は、大気圧よりもやや高い。水トラップ４０の水位は、水タンク３０の水位をやや下回る位置Ａにある。位置Ａは、第１分岐位置Ｐ１よりも下の位置であって、水トラップ４０の最下部よりも上にある。
【００４３】
図１に示す例において、水トラップ４０は、水タンク３０の第２貯水部３２に向かって開口している。図３に示すように、水トラップ４０は、水タンク３０の第１貯水部３１に向かって開口していてもよい。
【００４４】
燃料電池システム１００は、さらに、酸化剤ガス供給経路１４及びカソードオフガス経路１５を備えている。
【００４５】
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（本実施形態では空気）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１８が配置されている。ブロワ１８を制御することによって酸化剤ガスの流量を調節することができる。酸化剤ガス供給経路１４には、加湿器、弁などの他の機器が配置されていてもよい。
【００４６】
カソードオフガス経路１５は、燃料電池２のカソード出口から排ガス経路１３まで延びている。燃料電池２で消費されなかった酸化剤ガスは、カソードオフガス経路１５を通じて排ガス経路１３に流入し、排ガス経路１３を通じて、筐体３の外部に排出される。本実施形態では、カソードオフガス経路１５は、熱交換器２４において排ガス経路１３に合流している。燃料電池２で消費されなかった酸化剤ガスは熱交換器２４で冷却され、酸化剤ガスから水分が除去される。カソードオフガス経路１５は、分岐位置Ｐ２よりも上流側において、排ガス経路１３に合流していてもよいし、熱交換器２４よりも上流側において、排ガス経路１３に合流していてもよいし、排気口３ａに直接接続されていてもよい。
【００４７】
ガス供給経路６などの各経路は、金属配管、樹脂配管などの配管によって構成されうる。
【００４８】
燃料電池システム１００は、さらに、制御器７を備えている。制御器７は、ポンプ９、ブロワ１８、空気供給器２１などの制御対象を制御する。制御器７には、火炎検出器２２、流量計２３などの機器から検出信号が入力される。制御器７として、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）を使用できる。制御器７には、燃料電池システム１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。
【００４９】
次に、燃料電池システム１００の運転について説明する。
【００５０】
図１に示すように、燃料電池システム１００の通常運転時において、第１貯水部３１の水位は、第２貯水部３２の水位に概ね一致する。水トラップ４０の水位は、第１分岐位置Ｐ１よりも下方の位置Ａにある。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１２を通じてバーナ４に供給され、燃やされる。バーナ４の燃焼排ガスは、排ガス経路１３の第１流路１３ａを通じて、排気口３ａから筐体３の外部に排出される。燃料電池２から排出されたカソードオフガスも燃焼排ガスとともに排気口３ａから筐体３の外部に排出される。アノードオフガス、カソードオフガス及び燃焼排ガスのそれぞれから生じた凝縮水は、水タンク３０及び水トラップ４０に一時的に貯められ、水タンク３０の排水口３０ｄから筐体３の外部に排出される。
【００５１】
次に、排ガス経路１３の第１流路１３ａの出口部分１１３ａに異物が入り込んだり、排気口３ａが障害物で塞がれたりしたときの燃料電池システム１００の挙動について説明する。本明細書において、「排ガス経路１３の第１流路１３ａの出口部分１１３ａが閉塞されている状態」には、出口部分１１３ａが直接閉塞されている状態だけでなく、排気口３ａが閉塞されて第１流路１３ａの出口部分１１３ａを排ガスが流れにくくなった状態も含まれる。
【００５２】
図４に示すように、排ガス経路１３の第１流路１３ａの出口部分１１３ａが閉塞されると、排ガス経路１３の圧力が上昇する。排ガス経路１３の圧力が上昇すると、アノードオフガス経路１２の圧力も上昇する。アノードオフガスＧは、水トラップ４０の水位を位置Ｂまで押し下げて水封構造を突破し、水トラップ４０を通じて水タンク３０の第２貯水部３２に流れ込む。その後、アノードオフガスＧは、排水口３０ｄから水タンク３０の外部に排出される。アノードオフガスＧの一部又は全部が水トラップ４０を通じて水タンク３０に流れ込むと、バーナ４は、燃料不足の状態に陥り、失火する。バーナ４の失火は、火炎検出器２２によって検出される。火炎検出器２２によってバーナ４の失火が検出されると、制御器７は、燃料電池システム１００の運転を直ちに停止させる。その結果、排水口３０ｄからのアノードオフガスＧの排出も直ちに停止するので、燃料電池システム１００の安全性が確保される。
【００５３】
なお、図３を参照して説明した水タンク３０の場合、図５に示すように、アノードオフガスＧは、水タンク３０の第１貯水部３１に流れ込む。第１貯水部３１にアノードオフガスＧが流れ込むと、第１貯水部３１の水位が徐々に下がる。第１貯水部３１の水位が連通路３３まで下がると、アノードオフガスＧは、第２貯水部３２にも流れ込み、排水口３０ｄから水タンク３０の外部に排出される。最終的にバーナ４が失火し、燃料電池システム１００の運転が停止する点において、図４に示す構造も図５に示す構造も大きな差は無い。
【００５４】
本実施形態において、水トラップ４０は、鉛直部分４０ａ及び水平部分４０ｂを有する。鉛直部分４０ａは、第１分岐位置Ｐ１の下方に延びている部分である。水平部分４０ｂは、鉛直部分４０ａの下部から水平方向に延びて水タンク３０に接続されている部分である鉛直方向に関する鉛直部分４０ａの長さは、次の要件（i）及び（ii）を満たすように調整されている。要件（i）は、第１流路１３ａの出口部分１１３ａが閉塞されていない通常運転時に水トラップ４０の水位が水封構造を維持できる位置Ａにある、というものである。要件（ii）は、第１流路１３ａの出口部分１１３ａが閉塞されたときにアノードオフガスが水トラップ４０の水位を押し下げて水封構造を突破する、というものである。
【００５５】
制御器７は、図６に示す閉塞判定処理を定期的（例えば、数秒〜数１０秒ごと）に実行することによって、第１流路１３ａの出口部分１１３ａが閉塞しているかどうかを判断する。図６に示す閉塞判定処理によれば、第１流路１３ａの出口部分１１３ａが完全に閉塞している場合だけでなく、バーナ４が失火しない程度に第１流路１３ａの出口部分１１３ａが中途半端に閉塞しているときにも燃料電池システム１００を安全に停止させることができる。
【００５６】
ステップＳ１において、バーナ４が失火しているかどうかを判断する。バーナ４が失火しているかどうかは、火炎検出器２２の検出結果から判断できる。火炎検出器２２によってバーナ４の失火が検出された場合、ステップＳ７において、燃料電池２の運転を停止させる。つまり、制御器７は、排ガス経路１３の第１流路１３ａの出口部分１１３ａが閉塞した場合に燃料電池２の運転を停止させる。これにより、可燃性のガスが外部に排出されることを防止できる。
【００５７】
バーナ４が失火していない場合、制御器７は、空気供給器２１の操作量とバーナ４への空気の供給流量を取得する（ステップＳ２）。空気供給器２１は、例えば、所望の供給流量でバーナ４に空気が供給されるように制御器７によってフィードバック制御される。そのため、空気供給器２１の操作量は、制御器７に常に把握されている値である。「操作量」は、空気供給器２１の最大能力に対して実際に発揮している能力の割合（％）であり、空気供給器２１への現在の供給電力量に置き換えることができる。バーナ４への空気の供給流量は、流量計２３の検出値である。次に、ステップＳ３において、空気供給器２１の操作量と空気の供給流量との関係が正常であるかどうかを判断する。具体的には、空気供給器２１が設計上の動作特性に従って動作しているかどうかを判断する。
【００５８】
図７に示すように、空気供給器２１は、設計上、実線及び破線のような動作特性を持っている。詳細には、第１流路１３ａの出口部分１１３ａが閉塞していない通常運転では、空気供給器２１の操作量と実際の空気の供給流量との関係は、破線のような特性を示す。第１流路１３ａの出口部分１１３ａが閉塞しているとき、空気供給器２１の操作量と実際の空気の供給流量との関係は、実線のような特性を示す。第１流路１３ａの出口部分１１３ａが閉塞すると、同じ流量の空気を供給するために、より大きい操作量が必要である。図７において、網掛けの領域は、バーナ４の失火が予測される領域である。
【００５９】
空気供給器２１の操作量と実際の空気の供給流量との関係が破線から乖離していない場合、操作量と供給流量との関係は正常である。空気供給器２１の操作量と実際の空気の供給流量との関係が破線から乖離している場合、言い換えれば、空気供給器２１の動作特性が設計上の動作特性から乖離している場合、何らかの異常が生じていることが予測される。したがって、ステップＳ４に進み、燃料電池２の発電量を増加させる処理を実行する。具体的には、燃料電池２の発電量を増加させるために、発電量増加モードをオンにする。発電量増加モードでは、改質器１への原料ガスの供給流量を所定値まで増加させて、燃料電池２への燃料ガスの供給流量を増加させる。具体的には、原料ガスの供給流量を燃料電池２の定格運転時の流量まで増加させる。さらに、燃料電池２への酸化剤ガスの供給流量も所定値まで増加させる。具体的には、酸化剤ガスの供給流量を燃料電池２の定格運転時の流量まで増加させる。発電量増加モードでは、各種ガスの流量が定格運転時の流量まで増加する。各種ガスの流量が増加すると、アノードオフガス経路１２の圧力が大幅に上昇し、水トラップ４０の水封構造が破られ、バーナ４が失火に至る。バーナ４の失火は、任意の制御周期において、ステップＳ１の処理で検出される。その結果、燃料電池システム１００の運転が停止される。
【００６０】
例えば、排気口３ａから第１流路１３ａに強い風が吹き込んだ場合にも操作量と空気の供給流量との関係が設計上の動作特性から大きく乖離する可能性がある。このような場合には燃料電池システム１００の運転を停止させる必要がない。ステップＳ３において、操作量と空気の供給流量との関係が正常であると判断した場合、ステップＳ８に進み、発電量増加モードがオンであるかどうかを判断する。発電量増加モードがオンであれば、ステップＳ９において、発電量増加モードをオフにする。また、ステップＳ５において、発電量増加モードで一定時間（例えば、数１０分）が経過したかどうかを判断する。発電量増加モードが一定時間継続してもバーナ４の失火が検出されない場合にも発電量増加モードをオフにする（ステップＳ６）。これにより、燃料ガスの供給流量及び酸化剤ガスの供給流量が発電量増加モードをオンにする前の状態に戻るので、燃料電池２の発電量も発電量増加モードをオンにする前の状態に戻る。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本明細書に開示された技術は、アノードオフガスをバーナで燃焼させることによって改質器の温度を上昇させるように構成された燃料電池システムに特に有用である。
【符号の説明】
【００６２】
１  改質器
２  燃料電池
４  バーナ
７  制御器
１２  アノードオフガス経路
１３  排ガス経路
１３ａ  第１流路
１１３ａ  第１流路の出口部分
１３ｂ  第２流路
１７  オリフィス（縮径部）
１９  蛇行管（縮径部）
２１  空気供給器
２２  火炎検出器
３０  水タンク
３１  第１貯水部
３２  第２貯水部
３３  連通路
３５  隔壁
３０ｄ  排水口
４０  水トラップ
１００  燃料電池システム
Ｐ１  第１分岐位置
Ｐ２  第２分岐位置
【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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【図７】
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【図８】
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