(57)【要約】【課題】ドレン水の生成量を制御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１０は、原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器１４と、改質器１４から供給された燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池（燃料電池セルスタック２２）と、燃料電池から排出されたオフガスからスイープガスへ水蒸気を移動させる分離膜２６Ｃと、スイープガスに移動した水蒸気又は水蒸気が凝縮した凝縮水が投入される水タンク３２と、水タンク３２へ投入される水蒸気量及び凝縮水量の少なくとも一方を調整して、水タンク内の水量を所定範囲に維持する制御装置６８と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成された前記燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、
前記燃料電池から排出されたオフガスからスイープガスへ水蒸気を移動させる分離膜と、
前記スイープガスに移動した前記水蒸気又は前記水蒸気が凝縮した凝縮水が投入され、システム内で利用する水として蓄えられる水タンクと、
前記水タンクへ投入される水蒸気量及び凝縮水量の少なくとも一方を調整して、前記水タンク内の水量を所定範囲に維持する制御装置と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成された前記燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、
前記燃料電池から排出されたオフガスからスイープガスへ水蒸気を移動させる分離膜と、
前記スイープガスに移動した前記水蒸気が凝縮した凝縮水がシステム内で利用する水として蓄えられる水タンクと、
前記水タンクに蓄えられた前記凝縮水を、気化器を介して前記改質部へ供給する水供給管と、
前記水タンクから前記水供給管へ排出される凝縮水量を調整して、前記水タンク内の水量を所定範囲に維持する制御装置と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項３】
前記水タンクの上流側で前記スイープガスから前記原料ガスへ前記水蒸気を移動させる再分離膜と、
前記原料ガスに移動した前記水蒸気を前記改質部へ供給する水蒸気供給経路と、
を備えた請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記分離膜へ供給される前記スイープガスの流量を調整するスイープガス流量調整機構を備え、
前記制御装置は、前記スイープガス流量調整機構を制御して前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記スイープガスを前記水タンクを経由せずに排出するためのバイパス弁を備え、
前記制御装置は、前記バイパス弁を制御して前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記スイープガスを前記水タンクの上流側又は前記水タンク内で冷却して前記水蒸気を凝縮する冷却機構を備え、
前記制御装置は、前記冷却機構を制御して、前記水タンクへ投入される凝縮水量を調整する、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記スイープガスは原料ガスとされ、
前記水タンクの上流側で前記原料ガスから再スイープガスへ前記水蒸気の一部を移動させる再分離膜と、
前記水蒸気の一部が前記再スイープガスへ移動した前記原料ガスを前記改質部へ供給する原料ガス供給経路と、
を備えた請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記再分離膜へ供給される前記再スイープガスの流量を調整する再スイープガス流量調整機構を備え、
前記制御装置は、前記再スイープガス流量調整機構を制御して前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記再スイープガスを前記水タンクを経由せずに排出するためのバイパス弁を備え、
前記制御装置は、前記バイパス弁を制御して前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する、請求項７又は請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記再スイープガスを前記水タンクの上流側又は前記水タンク内で冷却して前記水蒸気を凝縮する冷却機構を備え、
前記制御装置は、前記冷却機構を制御して、前記水タンクへ投入される凝縮水量を調整する、請求項７〜請求項９の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記水タンクには水位センサが設けられており、
前記制御装置は、前記水位センサからの情報に基づいて、前記水タンク内の水量を所定範囲に維持する、請求項１〜請求項１０の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記原料ガスの投入量を調整する原料ガス流量調整機構を備え、
前記制御装置は、前記原料ガス流量調整機構を制御して発電量を調整する、請求項１〜請求項１１の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記オフガスに含まれる未反応の燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう後段燃料電池を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池及び前記後段燃料電池の少なくとも一方の発電量を制御して、前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する、請求項１〜請求項１２の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記後段燃料電池は前記水タンクの下流側に配置されている、請求項１３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】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、原料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する多段式燃料電池システムが開示されている。この多段式燃料電池システムは、第１燃料電池から排出されたオフガスから水蒸気を分離する水蒸気分離膜を備えている。水蒸気分離膜で分離された水蒸気は、凝縮されて水タンクに溜められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１１５４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載された多段式燃料電池システムでは、水タンクに所定量以上の水が溜まった場合は、この水がドレン管から排水される。つまり、水タンクから水を排水するためには、排水用のドレン配管を設ける必要がある。
【０００５】
本発明は上記事実を考慮して、ドレン水の生成量を制御できる燃料電池システム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】
【０００６】
請求項１の燃料電池システムは、原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成された前記燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガスからスイープガスへ水蒸気を移動させる分離膜と、前記スイープガスに移動した前記水蒸気又は前記水蒸気が凝縮した凝縮水が投入され、システム内で利用する水として蓄えられる水タンクと、前記水タンクへ投入される水蒸気量及び凝縮水量の少なくとも一方を調整して、前記水タンク内の水量を所定範囲に維持する制御装置と、を備えている。
【０００７】
請求項１の燃料電池システムによると、制御装置が、水タンクへ投入される水蒸気量及び凝縮水量の少なくとも一方を調整する。例えば水タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、水タンクへ投入される水蒸気量又は凝縮水量を減らす。これにより水タンク内の水量を所定範囲内に維持して、水タンクからの排水を少なくすることができる。
【０００８】
なお「改質部」とは、燃料電池と別体に設けられた改質器のほか、燃料電池内で改質反応が行われる部分の双方を指すものとする。また、水タンクへ投入される「凝縮水」とは、例えば水タンクの上流側で水蒸気が冷却されて凝縮した水（液相）のことである。また、水タンクへ投入される「水蒸気」とは、水タンクの上流側で凝縮せず気体の状態を保った水（気層）のことである。
【０００９】
請求項２の燃料電池システムは、原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部から供給された前記燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガスからスイープガスへ水蒸気を移動させる分離膜と、前記スイープガスに移動した前記水蒸気が凝縮した凝縮水がシステム内で利用する水として蓄えられる水タンクと、前記水タンクに蓄えられた前記凝縮水を、気化器を介して前記改質部へ供給する水供給管と、前記水タンクから前記水供給管へ排出される凝縮水量を調整して、前記水タンク内の水量を所定範囲に維持する制御装置と、を備えている。
【００１０】
請求項２の燃料電池システムによると、制御装置が、水タンクから水供給管へ排出される凝縮水量を調整する。例えば水タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、水タンクから水供給管へ排出される凝縮水量を増やす。これにより水タンク内の水量を所定範囲内に維持して、水タンクからの排水を少なくすることができる。
【００１１】
請求項３の燃料電池システムは、請求項１又は２の燃料電池システムにおいて、前記水タンクの上流側で前記スイープガスから前記原料ガスへ前記水蒸気を移動させる再分離膜と、前記原料ガスに移動した前記水蒸気を前記改質部へ供給する水蒸気供給経路と、を備えている。
【００１２】
請求項３の燃料電池システムによると、再分離膜によって水蒸気がスイープガスから原料ガスへ移動する。また、水蒸気供給経路によって原料ガスと水蒸気が改質部へ供給される。これにより、水蒸気が凝縮しないまま改質部へ供給され、改質反応によって消費される。このため、水蒸気を凝縮させる場合と比較して、凝縮させた水を再度蒸発させるための熱量が不要でありエネルギー効率が高い。
【００１３】
請求項４の燃料電池システムは、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記分離膜へ供給される前記スイープガスの流量を調整するスイープガス流量調整機構を備え、前記制御装置は、前記スイープガス流量調整機構を制御して前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する。
【００１４】
請求項４の燃料電池システムによると、制御装置が、分離膜へ供給されるスイープガスの流量を調整する。例えば水タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、分離膜へ供給されるスイープガスの流量を少なくする。これによりオフガスからスイープガスへ移動する水蒸気量が少なくなり、水タンクへ投入される水蒸気量が少なくなる。このように、スイープガスの流量を調整するだけで水タンクへ投入される水蒸気量を簡単に調整できる。
【００１５】
請求項５の燃料電池システムは、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記スイープガスを前記水タンクを経由せずに排出するためのバイパス弁を備え、前記制御装置は、前記バイパス弁を制御して前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する。
【００１６】
請求項５の燃料電池システムによると、制御装置が、水タンクを経由せずにスイープガスを排出するためのバイパス弁を制御する。例えば水タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、バイパス弁を開放して水蒸気を含んだスイープガスをシステム外へ排出する。これにより水タンクへ投入される水蒸気量を少なくする。このように、バイパス弁を設ける簡易な構造で水タンクへ投入される水蒸気量を調整できる。
【００１７】
請求項６の燃料電池システムは、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記スイープガスを前記水タンクの上流側又は前記水タンク内で冷却して前記水蒸気を凝縮する冷却機構を備え、前記制御装置は、前記冷却機構を制御して、前記水タンクへ投入される凝縮水量を調整する。
【００１８】
請求項６の燃料電池システムによると、制御装置が、スイープガスを水タンクの上流側又は水タンク内で冷却して水蒸気を凝縮する冷却機構を制御する。例えば水タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、冷却機能を抑えてスイープガスに含まれる水蒸気の凝縮量を低減する。これにより水タンクへ投入される凝縮水量を少なくできる。
【００１９】
請求項７の燃料電池システムは、請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、前記スイープガスは原料ガスとされ、前記水タンクの上流側で前記原料ガスから再スイープガスへ前記水蒸気の一部を移動させる再分離膜と、前記水蒸気の一部が前記再スイープガスへ移動した前記原料ガスを前記改質部へ供給する原料ガス供給経路と、を備えている。
【００２０】
請求項７の燃料電池システムによると、燃料電池から排出されたオフガスからスイープガスとしての原料ガスへ移動した水蒸気の一部が、再分離膜によって再スイープガスへ移動する。これにより、改質反応に必要な水蒸気を残し、過剰な水蒸気を原料ガスから除去することができる。
【００２１】
請求項８の燃料電池システムは、請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、前記再分離膜へ供給される前記再スイープガスの流量を調整する再スイープガス流量調整機構を備え、前記制御装置は、前記再スイープガス流量調整機構を制御して前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する。
【００２２】
請求項８の燃料電池システムによると、制御装置が、分離膜へ供給される再スイープガスの流量を調整する。例えば水タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、分離膜へ供給される再スイープガスの流量を少なくする。これにより原料ガスから再スイープガスへ移動する水蒸気量が少なくなり、水タンクへ投入される水蒸気量が少なくなる。このように、再スイープガスの流量を調整するだけで水タンクへ投入される水蒸気量を簡単に調整できる。
【００２３】
請求項９の燃料電池システムは、請求項７又は８に記載の燃料電池システムにおいて、前記再スイープガスを前記水タンクを経由せずに排出するためのバイパス弁を備え、前記制御装置は、前記バイパス弁を制御して前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する。
【００２４】
請求項９の燃料電池システムによると、制御装置が、水タンクを経由せずに再スイープガスを排出するためのバイパス弁を制御する。例えば水タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、バイパス弁を開放して水蒸気を含んだ再スイープガスをシステム外へ排出する。これにより水タンクへ投入される水蒸気量を少なくする。このように、バイパス弁を設ける簡易な構造で水タンクへ投入される水蒸気量を調整できる。
【００２５】
請求項１０の燃料電池システムは、請求項７〜請求項９の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記再スイープガスを前記水タンクの上流側又は前記水タンク内で冷却して前記水蒸気を凝縮する冷却機構を備え、前記制御装置は、前記冷却機構を制御して、前記水タンクへ投入される凝縮水量を調整する。
【００２６】
請求項１０の燃料電池システムによると、制御装置が、再スイープガスを水タンクの上流側又は水タンク内で冷却して水蒸気を凝縮する冷却機構を制御する。例えば水タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、冷却機能を抑えて再スイープガスに含まれる水蒸気の凝縮量を低減する。これにより水タンクへ投入される凝縮水量を少なくできる。
【００２７】
請求項１１の燃料電池システムは、請求項１〜請求項１０の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記水タンクには水位センサが設けられており、前記制御装置は、前記水位センサからの情報に基づいて、前記水タンク内の水量を所定範囲に維持する。
【００２８】
請求項１１の燃料電池システムによると、水タンクに水位センサが設けられているため、水タンクの水位を正確に測定できる。この水集約タンク内の水量を所定範囲に維持し易い。
【００２９】
請求項１２の燃料電池システムは、請求項１〜請求項１１の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記原料ガスの投入量を調整する原料ガス流量調整機構を備え、前記制御装置は、前記原料ガス流量調整機構を制御して発電量を調整する。
【００３０】
請求項１２の燃料電池システムによると、制御装置が、原料ガス流量調整機構を制御して、原料ガスの投入量を制御できる。例えば水タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、原料ガスの投入量を減らして、発電量を減らす。これにより発電反応に伴う水蒸気の発生を抑制し、水タンクへ投入される水蒸気量を少なくする。
【００３１】
請求項１３の燃料電池システムは、請求項１〜請求項１２の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記オフガスに含まれる未反応の燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう後段燃料電池を備え、前記制御装置は、前記燃料電池及び前記後段燃料電池の少なくとも一方の発電量を制御して、前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する。
【００３２】
請求項１３の燃料電池システムによると、制御装置が、燃料電池及び後段燃料電池の少なくとも一方の発電量を制御する。例えば水タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、燃料電池における発電量を減らし、オフガス及びオフガスに含まれる水蒸気の発生量を低減する。また、後段燃料電池における発電量を増やし、燃料電池システム全体の発電量の低減を抑制する。これにより水タンクへ投入される水蒸気量を少なくできる。
【００３３】
請求項１４の燃料電池システムは、請求項１３の燃料電池システムにおいて、前記後段燃料電池は前記水タンクの下流側に配置されている。
【００３４】
請求項１４の燃料電池システムによると、制御装置は、燃料電池における発電量を減らすと同時に後段燃料電池の発電量を増やすことで、システム全体の発電量を維持できる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明に係る燃料電池システムによると、ドレン水の生成量を制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
［第１実施形態］
＜燃料電池システム＞
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１０は、気化器１２、改質器１４、燃焼器１６、第１燃料電池セルスタック２２、第２燃料電池セルスタック２４、燃料再生器２６、水タンク３２、３４、分流弁４２Ａ、４２Ｂ、４４Ａ、４４Ｂ、冷却機構５２、５４、ポンプ６２、６４、流量調整機構６６、６７及び制御装置６８を備えている。
【００３８】
（気化器）
気化器１２には、原料ガスが流れる管である原料ガス管Ｐ１の一端が接続されている。原料ガス管Ｐ１の途中箇所には、気化器１２へ供給する原料ガスの流量を調整する流量調整機構６７が設けられている。流量調整機構６７としては、一例として流量調整弁が用いられる。
【００３９】
また、気化器１２には、水が流れる管である水供給管Ｐ２の一端が接続されており、水供給管Ｐ２の他端側は、２つの流路Ｐ２Ａ、Ｐ２Ｂに分岐して、それぞれ水タンク３２、３４に接続されている。水タンク３２、３４には、水が貯留されている。
【００４０】
ポンプ６２、６４は、水供給管Ｐ２を介して水タンク３２、３４から水を汲み上げる。そして、ポンプ６２、６４は、汲み上げた水を水供給管Ｐ２を介して気化器１２に送出することで、気化器１２に水を供給する。
【００４１】
気化器１２は、水供給管Ｐ２から供給された水を気化させる。気化には、燃焼器１６等の熱が用いられる。
【００４２】
気化器１２は、配管Ｐ３を介して原料ガス及び水蒸気を改質器１４に送出することで、改質器１４に原料ガス及び水蒸気を供給する。
【００４３】
（改質器）
改質器１４は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する。改質器１４には、配管Ｐ３の一端が接続されている。これにより原料ガス及び水蒸気が配管Ｐ３を通じて改質器１４に供給される。
【００４４】
改質器１４において原料ガスの一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、以下の（１）式の反応により一酸化炭素及び水素が生成される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２  ・・・（１）
【００４５】
さらに、一酸化炭素をシフト改質させた場合、以下の（２）式の反応により水素及び二酸化炭素が生成される。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２  ・・・（２）
【００４６】
なお、本実施形態では、原料ガスの一例としてメタンが採用されているが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、又はブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは、天然ガス、都市ガス、又はＬＰガス、バイオガス等のガスであってもよい。さらに、原料ガスは、これらの混合ガスであってもよい。
【００４７】
改質器１４には、改質ガス供給管Ｐ４の一端が接続されている。改質ガス供給管Ｐ４の他端は、第１燃料電池セルスタック２２におけるアノード（不図示）に接続されている。これにより、改質器１４にて生成された改質ガスが、改質ガス供給管Ｐ４を通じて第１燃料電池セルスタック２２に供給される。改質ガスには、未反応のメタン、改質器１４で生成された二酸化炭素、水素、未反応の一酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。
【００４８】
（燃料電池セルスタック）
第１燃料電池セルスタック２２は例えば固体酸化物系の燃料電池セルスタックであり、積層された複数の燃料電池セル（不図示）を有している。個々の燃料電池セルは、電解質層と、電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたカソード及びアノードと、を有する。なお、第１燃料電池セルスタック２２は溶解炭酸塩型の燃料電池セルスタックとしてもよい。
【００４９】
第１燃料電池セルスタック２２のカソードには、酸化ガスが流れる管である酸化ガス管Ｐ５の一端が接続されている。カソードには、酸化ガス管Ｐ５を介して酸化ガス（例えば空気）が供給される。カソードでは、以下の（３）式に示すように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層を通ってアノードに到達する。
【００５０】
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−  ・・・（３）
【００５１】
一方、アノードでは、以下の（４）式及び（５）式に示すように、電解質層を通ってきた酸素イオンが改質ガス中の燃料ガスである水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)、二酸化炭素及び電子が生成される。アノードで生成された電子がアノードから外部回路を通ってカソードに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。なお、各燃料電池セルは、発電時に発熱する。
【００５２】
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  ・・・(４)
【００５３】
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−  ・・・(５)
【００５４】
第１燃料電池セルスタック２２のアノードには、アノードオフガスが流れる管であるアノードオフガス管Ｐ６の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ６にはアノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素、及び水蒸気等が含まれている。
【００５５】
第１燃料電池セルスタック２２のカソードには、カソードオフガスが流れる管であるカソードオフガス管Ｐ７の一端が接続されており、カソードオフガス管Ｐ７にはカソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、未反応の酸化ガスなどが含まれている。
【００５６】
アノードオフガス管Ｐ６の他端は、燃料再生器２６の流入部２６Ａに接続され、カソードオフガス管Ｐ７の他端は、第２燃料電池セルスタック２４のカソード（不図示）に接続されている。
【００５７】
第２燃料電池セルスタック２４の構成は第１燃料電池セルスタック２２と同様であり詳細の説明は省略するが、上述したように、第２燃料電池セルスタック２４のカソードには、カソードオフガス管Ｐ７の一端が接続されている。また、第２燃料電池セルスタック２４のアノードには、後述する再生ガス管Ｐ８の一端が接続されている。
【００５８】
さらに、第２燃料電池セルスタック２４のカソードには、カソードオフガスが流れる管であるカソードオフガス管Ｐ１１の一端が接続されており、カソードオフガス管Ｐ１１には、カソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、未反応の酸化ガスなどが含まれており、カソードオフガスは、カソードオフガス管Ｐ１１を介して燃焼器１６へ供給される。
【００５９】
第２燃料電池セルスタック２４のアノードには、アノードオフガスが流れる管であるアノードオフガス管Ｐ１３の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ１３には、アノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素、及び水蒸気等が含まれており、アノードオフガスはアノードオフガス管Ｐ１３を介して燃焼器１６へ供給される。
【００６０】
（燃料再生器）
燃料再生器２６は、流入部２６Ａと透過部２６Ｂとを備えており、流入部２６Ａ及び透過部２６Ｂは、分離膜２６Ｃにより区画されている。
【００６１】
第１燃料電池セルスタック２２のアノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス管Ｐ６を介して流入部２６Ａに流入する。
【００６２】
透過部２６Ｂには、酸化ガス管Ｐ５から分岐した酸化ガス管Ｐ９から供給された空気が、スイープガスとして流入する。これにより、透過部２６Ｂにおける水蒸気の分圧が下がり、流入部２６Ａから分離膜２６Ｃを透過して水蒸気が透過部２６Ｂへ移動し易くなる。透過部２６Ｂには配管Ｐ１０の一端が接続されている。スイープガスは、分離膜２６Ｃを透過した水蒸気と共に、透過部排出ガスとして透過部２６Ｂから配管Ｐ１０へ送出される。
【００６３】
酸化ガス管Ｐ９の途中箇所には、燃料再生器２６へ供給する空気の流量を調整する流量調整機構６６が設けられている。流量調整機構６６は、例えば流量調整弁を用いて構成される。
【００６４】
流入部２６Ａにおいて水蒸気等が除去されたガスは、再生ガスとして再生ガス管Ｐ８を介して第２燃料電池セルスタック２４のアノードへ流入する。
【００６５】
（燃焼器）
燃焼器１６は、第２燃料電池セルスタック２４のカソード及びアノードから供給された使用済みのガスを焼却に供する。燃焼器１６には、排気管Ｐ１２の一端が接続されており、燃焼後の排出ガスは、排気管Ｐ１２へ送出される。排気管Ｐ１２の途中箇所は気化器１２に配置されており、気化器１２では、排気管Ｐ１２の熱により水が気化される。
【００６６】
（水タンク）
水タンク３２には、燃料再生器２６の透過部２６Ｂから送出された透過部排出ガス（スイープガス）が、配管Ｐ１０を介して流入する。一端が透過部２６Ｂに接続された配管Ｐ１０の他端側は、２つの流路Ｐ１０Ａ、Ｐ１０Ｂに分岐している。流路Ｐ１０Ａには、分流弁４２Ａ及び冷却機構５２が設けられており、流路Ｐ１０Ａの端部は水タンク３２へ挿入されている。冷却機構５２は分流弁４２Ａより下流側に設けられている。また、流路Ｐ１０Ｂには、分流弁４２Ｂが設けられており、流路Ｐ１０Ｂの端部は、外気に開放されている。さらに、流路Ｐ１０Ｂには、一端が水タンク３２に挿入された流路Ｐ１０Ｃの他端が接続されている。なお、分流弁４２Ａ、４２Ｂは、本発明におけるバイパス弁の一例である。
【００６７】
水タンク３２の内部には水位センサ３２Ｓが設けられている。水位センサ３２Ｓは、水タンク３２内の水量を所定の上限値及び下限値の範囲内に維持するために、水タンク３２内の水位を検出できる。水タンク３２において、水位の下限位置より下方には水供給管Ｐ２における流路Ｐ２Ａの端部が接続されている。水供給管Ｐ２は、ポンプ６２が駆動することにより、水タンク３２内の水を気化器１２へ送出する。なお、流路Ｐ１０Ａ、Ｐ１０Ｃの下端部は、水位センサ３２Ｓの水位上限より上方に配置される。
【００６８】
水位センサ３２Ｓにおける所定の下限値は、例えば燃料電池システム１０の起動時に必要な改質水量や、発電量を大きくする際に必要な改質水量によって適宜定められる。
【００６９】
同様に、水タンク３４には、燃焼器１６から送出された排出ガスが、排気管Ｐ１２を介して流入する。一端が燃焼器１６に接続された排気管Ｐ１２の他端側は、２つの流路Ｐ１２Ａ、Ｐ１２Ｂに分岐している。流路Ｐ１２Ａには、分流弁４４Ａ及び冷却機構５４が設けられており、流路Ｐ１２Ａの端部は水タンク３４へ挿入されている。冷却機構５４は分流弁４４Ａより下流側に設けられている。また、流路Ｐ１２Ｂには、分流弁４４Ｂが設けられており、流路Ｐ１２Ｂの端部は外気に開放されている。さらに、流路Ｐ１２Ｂには、一端が水タンク３４に挿入された流路Ｐ１２Ｃの他端が接続されている。
【００７０】
水タンク３４の内部には水位センサ３４Ｓが設けられている。水位センサ３４Ｓは、水タンク３４内の水量を所定の上限値及び下限値の範囲内に維持するために、水タンク３４内の水位を検出できる。水タンク３４において、水位下限より下方には水供給管Ｐ２における流路Ｐ２Ｂの端部が接続されている。水供給管Ｐ２は、ポンプ６４が駆動することにより、水タンク３４内の水を気化器１２へ送出する。
【００７１】
（冷却機構）
冷却機構５２は、配管Ｐ１０における流路Ｐ１０Ａを流れる透過部排出ガス（スイープガス）を冷却する装置であり、一例として熱交換器とされている。水タンク３２には、冷却機構５２の駆動時の冷却動作によって凝縮されて得られた水が排出され溜められる。冷却機構５２は、例えば酸化ガス管Ｐ５を流れる酸化ガスと流路Ｐ１０Ａを流れる透過部排出ガスとを熱交換させて、透過部排出ガスを冷却する。
【００７２】
同様に冷却機構５４は、排気管Ｐ１２における流路Ｐ１２Ａを流れる排出ガスを冷却する熱交換器である。水タンク３４には、冷却機構５４の駆動時の冷却動作によって凝縮されて得られた水が排出され溜められる。冷却機構５４は、例えば原料ガス管Ｐ１を流れる原料ガスと流路Ｐ１２Ａを流れる排出ガスとを熱交換させて、排出ガスを冷却する。
【００７３】
（制御装置）
制御装置６８は、第１燃料電池セルスタック２２、第２燃料電池セルスタック２４、水位センサ３２Ｓ、３４Ｓ、分流弁４２Ａ、４２Ｂ、４４Ａ、４４Ｂ、冷却機構５２、５４、ポンプ６２、６４、流量調整機構６６、６７と電気的に接続されている。なお、制御装置６８と第１燃料電池セルスタック２２とは、電流などを制御するパワーコンディショナーを介して接続されている。制御装置６８と第２燃料電池セルスタック２４についても同様である。
【００７４】
制御装置６８は、水位センサ３２Ｓ、３４Ｓから受取る水タンク３２、３４の水位情報に基づいて流量調整機構６６を制御して、燃料再生器２６の透過部２６Ｂへ供給されるスイープガス量を調整することができる。
【００７５】
また、制御装置６８は、水位センサ３２Ｓ、３４Ｓから受取る水タンク３２、３４の水位情報に基づいて、冷却機構５２、５４の駆動状態を調整することができる。
【００７６】
また、制御装置６８は、水位センサ３２Ｓ、３４Ｓから受取る水タンク３２、３４の水位情報に基づいて、分流弁４２Ａ、４２Ｂ、４４Ａ、４４Ｂの開閉状態を調整することができる。
【００７７】
また、制御装置６８は、水位センサ３２Ｓ、３４Ｓから受取る水タンク３２、３４の水位情報に基づいて、ポンプ６２、６４の駆動状態を調整することができる。
【００７８】
また、制御装置６８は、水位センサ３２Ｓ、３４Ｓから受取る水タンク３２、３４の水位情報に基づいて、第１燃料電池セルスタック２２及び第２燃料電池セルスタック２４における発電量を調整することができる。
【００７９】
また、制御装置６８は、水位センサ３２Ｓ、３４Ｓから受取る水タンク３２、３４の水位情報に基づいて流量調整機構６７を制御して、気化器１２への原料ガスの投入量を調整することができる。
【００８０】
＜作用・効果＞
第１実施形態に係る燃料電池システム１０では、水供給管Ｐ２から供給された水が、改質器１４の改質反応によって消費される［（１）式及び（２）式］。また、第１燃料電池セルスタック２２、第２燃料電池セルスタック２４の発電によって水が生成される［（４）式］。電流値が高い場合、改質器１４において消費される水量と比較して、第１燃料電池セルスタック２２及び第２燃料電池セルスタック２４で生成される水量のほうが多い。このため、改質反応及び発電反応を通して、システム内の水は増加する。
【００８１】
発電反応によって生成された水は、システム内を循環する。その一部は分離膜２６Ｃを介して水タンク３２へ蓄えられて水供給管Ｐ２へ供給される。その他は水タンク３４へ蓄えられて水供給管Ｐ２へ供給される。水供給管Ｐ２へ供給された水は、再度改質反応によって消費される。
【００８２】
システム内の水（液相）を減らすためには、排気管Ｐ１２又は配管Ｐ１０から、水をシステム外へ水蒸気として排出する。燃料電池システム１０においては、制御装置６８が水の排出量と発電量とを制御して、システム内の水量を調整する。システム内の水量は、水タンク３２、３４の水量によって判断する。
【００８３】
システム内の水（液相）をシステム外に排出することなく減らすためには、排気管Ｐ１２又は配管Ｐ１０からシステム外へ、水を「水蒸気として」排出する。燃料電池システム１０においては、制御装置６８が、第１燃料電池セルスタック２２、第２燃料電池セルスタック２４、分流弁４２Ａ、４２Ｂ、４４Ａ、４４Ｂ、冷却機構５２、５４、ポンプ６２、流量調整機構６６、６７を適宜組合わせて制御することにより、システム外への水蒸気の排出量を調整する。これにより、システム内の水（液相）をシステム外に排出することなく減らすことができる。システム内の水量は、水タンク３２、３４の水量によって判断する。
【００８４】
具体的には、水タンク３２、３４の水量が少ない場合（水位が水位センサ３２Ｓ、３４Ｓの下限値に至った場合）、システム内には水が不足していると判断し、発電量を多くして水タンク３２、３４内の凝縮水量を増やす。又は、冷却機構５２、５４の冷却強度を強めて、水タンク３２、３４へ投入される凝縮水量を増やす。これにより、例えばシステムの起動時に必要な改質水を確保できる。
【００８５】
なお、冷却機構５２は、例えば酸化ガス管Ｐ５を流れる酸化ガスと流路Ｐ１０Ａを流れる透過部排出ガスとを熱交換させて、透過部排出ガスを冷却する。冷却機構５２の冷却強度を制御するためには、流路Ｐ１０Ａに図示しないバイパス経路及び制御弁を設けて、酸化ガス管Ｐ５を流れる酸化ガスと「熱交換させる」透過部排出ガス量と、「熱交換させない」透過部排出ガス量とを調整する。あるいは、酸化ガス管Ｐ５にバイパス経路を設け、透過部排出ガスと熱交換させる酸化ガス量を調整してもよい。
【００８６】
冷却機構５４においても、流路Ｐ１２Ａに図示しないバイパスを設ける。これにより、例えば原料ガス管Ｐ１を用いて冷却する場合は、原料ガスと「熱交換させる」排出ガス量と、「熱交換させない」排出ガス量とを調整する。
【００８７】
なお、冷却機構５２、５４としては、このようにシステム内の流体を利用する実施形態の他、冷却ファンや外部から引き込んだシステム外の冷却水を用いてもよい。冷却ファンや冷却水を用いる場合、バイパス経路を設ける必要はない。
【００８８】
また、水タンク３２、３４の水量が多い場合（水位が水位センサ３２Ｓ、３４Ｓの上限値に至った場合）、システム内には水が余っていると判断し、排気管Ｐ１２又は配管Ｐ１０からの水蒸気の排出量を多くして水タンク３２、３４内の凝縮水量を減らす。これにより、水タンク３２、３４に凝縮水を排出するドレン管を用いなくても、システムから水を減らすことができる。
【００８９】
以下の段落においては、水タンク３２、３４内の凝縮水量の調整方法について、制御装置６８による制御対象毎に説明する。
【００９０】
まずは、発電量を多くして水タンク３２、３４内の凝縮水量を増やす方法の一例について説明する。
【００９１】
（原料ガス投入量の調整）
制御装置６８は、水位センサ３２Ｓ、３４Ｓから受取る水タンク３２、３４の水位情報に基づいて流量調整機構６７を制御して、気化器１２への原料ガスの投入量を調整することができる。例えば原料ガスの投入量を増やすことで、発電量を多くできる。
【００９２】
制御装置６８は、水タンク３２の水位（水量）が所定の下限値に至ったという情報を水位センサ３２Ｓから得た場合、流量調整機構６７を制御して、気化器１２に対する原料ガスの投入量を調整する。具体的には、原料ガスの投入量を増やし、原料ガスの増加分に応じて、適宜、改質水の投入量、第１燃料電池セルスタック２２における発電量、第２燃料電池セルスタック２４における発電量及び第１燃料電池セルスタック２２に対する酸化ガス（空気）の投入量を増やす。これにより、第１燃料電池セルスタック２２におけるアノードオフガス量及びアノードオフガスに含まれる水蒸気の発生量を増やす。そして、水タンク３２へ投入される水蒸気量を増やすことができる。これにより、水タンク３２に蓄えられる水量を増やすことができる。
【００９３】
同様に、制御装置６８は、水タンク３４の水位（水量）が所定の下限値に至ったという情報を水位センサ３４Ｓから得た場合、流量調整機構６７を制御して、気化器１２に対する原料ガスの投入量を調整する。これにより、第２燃料電池セルスタック２４におけるアノードオフガス量及びアノードオフガスに含まれる水蒸気の発生量を増やす。そして、水タンク３４へ投入される水蒸気量を増やすことができる。これにより、水タンク３４に蓄えられる水量を増やすことができる。
【００９４】
次に、排気管Ｐ１２又は配管Ｐ１０からの水蒸気の排出量を多くして水タンク３２、３４内の凝縮水量を減らす方法の例について説明する。
【００９５】
（流量調整機構の制御）
制御装置６８は、水位センサ３２Ｓ、３４Ｓから受取る水タンク３２、３４の水位情報に基づいて流量調整機構６６を制御して、燃料再生器２６の透過部２６Ｂへ供給されるスイープガス量を調整することができる。
【００９６】
例えば制御装置６８は、水タンク３２の水位（水量）が所定の「上限値」に至ったという情報を水位センサ３２Ｓから受取った場合、流量調整機構６６を制御して、燃料再生器２６の透過部２６Ｂへ供給されるスイープガス量を減らす。又はスイープガスの供給を停止する。これにより、流入部２６Ａのアノードオフガスからスイープガスへ移動する水蒸気量が減少し、水タンク３２へ投入される水蒸気量が減少する。このため、水タンク３２の内部で凝縮する凝縮水量を低減することができる。
【００９７】
なお、制御装置６８は、水タンク３２の水位（水量）が所定の「下限値」に至ったという情報を水位センサ３２Ｓから得た場合、流量調整機構６６を制御して、燃料再生器２６の透過部２６Ｂへ供給されるスイープガス量を増やす。これにより、流入部２６Ａのアノードオフガスからスイープガスへ移動する水蒸気量が増え、水タンク３２へ投入される水蒸気量が増える。このため、水タンク３２の内部で凝縮する凝縮水量を増やすことができる。
【００９８】
このように、水タンク３２の内部で凝縮する凝縮水量は、制御装置６８による流量調整機構６６の制御によって、減らしたり増やしたりできる。これにより、水タンク３２内の水量を所定範囲内に維持することができる。したがって、水タンク３２からの排水を制御することができる。
【００９９】
また、制御装置６８は、水タンク３４の水位（水量）が所定の上限値に至ったという情報を水位センサ３４Ｓから得た場合、流量調整機構６６を制御して、燃料再生器２６の透過部２６Ｂへ供給されるスイープガス量を増やす。これにより、流入部２６Ａのアノードオフガスからスイープガスへ移動する水蒸気量が増え、水タンク３４へ投入される水蒸気量が減少する。このため、水タンク３４の内部で凝縮する凝縮水量を低減することができる。
【０１００】
（冷却機構の制御）
制御装置６８は、水位センサ３２Ｓ、３４Ｓから受取る水タンク３２、３４の水位情報に基づいて、冷却機構５２、５４の駆動状態を調整することができる。
【０１０１】
例えば制御装置６８は、水タンク３２の水位（水量）が所定の上限値に至ったという情報を水位センサ３２Ｓから受取った場合、冷却機構５２を制御して冷却強度を弱める。又は駆動を停止する。これにより、配管Ｐ１０における流路Ｐ１０Ａを流れる透過部排出ガス（スイープガス）に含まれる水蒸気が凝縮することが抑制される。このため、水タンク３２に投入される凝縮水量を低減することができる。
【０１０２】
なお、水タンク３２へ投入された未凝縮の水蒸気は、水タンク３２の内部で凝縮する一部を除き、流路Ｐ１０Ｃ、Ｐ１０Ｂを介してシステム外へ排出される。このため、水タンク３２に溜められる凝縮水量を低減することができる。
【０１０３】
同様に、制御装置６８は、水タンク３４の水位（水量）が所定の上限値に至ったという情報を水位センサ３４Ｓから受取った場合、冷却機構５４を制御して冷却強度を弱める。又は駆動を停止する。これにより、排気管Ｐ１２における流路Ｐ１２Ａを流れる排出ガスに含まれる水蒸気が凝縮することが抑制される。このため、水タンク３４に投入される凝縮水量を低減することができる。
【０１０４】
水タンク３４へ投入された未凝縮の水蒸気は、水タンク３４の内部で凝縮する一部を除き、流路Ｐ１２Ｃ、Ｐ１２Ｂを介してシステム外へ排出される。このため、水タンク３４の内部に溜められる凝縮水量を低減することができる。
【０１０５】
（分流弁の制御）
制御装置６８は、水位センサ３２Ｓ、３４Ｓから受取る水タンク３２、３４の水位情報に基づいて、分流弁４２Ａ、４２Ｂ、４４Ａ、４４Ｂの開閉状態を調整することができる。
【０１０６】
例えば制御装置６８は、水タンク３２の水位（水量）が所定の上限値に至ったという情報を水位センサ３２Ｓから得た場合、分流弁４２Ａ、４２Ｂを制御して、透過部排出ガスの水タンク３２への流入量を調整する。具体的には、例えば分流弁４２Ａを閉鎖し、分流弁４２Ｂを開放する。これにより、透過部排出ガス及び透過部排出ガスに含まれる水蒸気はシステム外に排気され、水タンク３２へ流入することが抑制される。このため、水タンク３２の内部で凝縮する凝縮水量を低減することができる。
【０１０７】
なお、制御装置６８は、分流弁４２Ａを完全に閉鎖し、かつ、分流弁４２Ｂを完全に開放する必要はない。例えば分流弁４２Ａ、分流弁４２Ｂの開き具合は、配管Ｐ１０を流れる透過部排出ガスの少なくとも一部が、水タンク３２に流入することなく流路Ｐ１０Ｂから直接排出されるように調整されればよい。以下に説明する分流弁４４Ａ、４４Ｂの制御についても同様である。
【０１０８】
また、制御装置６８は、水タンク３４の水位（水量）が所定の上限値に至ったという情報を水位センサ３４Ｓから得た場合、分流弁４４Ａ、４４Ｂを制御して、排出ガスの水タンク３４への流入量を調整する。具体的には、例えば分流弁４４Ａを閉鎖し、分流弁４４Ｂを開放する。これにより、排出ガス及び排出ガスに含まれる水蒸気はシステム外に排気され、水タンク３４へ流入することが抑制される。このため、水タンク３４の内部で凝縮する凝縮水量を低減することができる。
【０１０９】
（ポンプの制御）
制御装置６８は、水位センサ３２Ｓ、３４Ｓから受取る水タンク３２、３４の水位情報に基づいて、ポンプ６２、６４の駆動状態を調整することができる。
【０１１０】
例えば制御装置６８は、水タンク３２の水位（水量）が所定の上限値に至ったという情報を水位センサ３２Ｓから得た場合、ポンプ６２を制御して、水タンク３２から水供給管Ｐ２における流路Ｐ２Ａへの凝縮水の排出量を調整する。具体的には、ポンプ６２の駆動力を高め、水タンク３２からの凝縮水の排出量を多くする。これにより、水タンク３２の内部の凝縮水量を低減することができる。
【０１１１】
同様に、制御装置６８は、水タンク３４の水位（水量）が所定の上限値に至ったという情報を水位センサ３４Ｓから得た場合、ポンプ６４を制御して、水タンク３４から水供給管Ｐ２における流路Ｐ２Ｂへの凝縮水の排出量を調整する。具体的には、ポンプ６４の駆動力を高め、水タンク３４からの凝縮水の排出量を多くする。これにより、水タンク３４の内部の凝縮水量を低減することができる。
【０１１２】
（燃料電池スタックの制御）
制御装置６８は、水位センサ３２Ｓ、３４Ｓから受取る水タンク３２、３４の水位情報に基づいて、第１燃料電池セルスタック２２及び第２燃料電池セルスタック２４の少なくとも一方の発電量を調整することができる。
【０１１３】
一例として、制御装置６８は、水タンク３２の水位（水量）が所定の上限値に至ったという情報を水位センサ３２Ｓから得た場合、第１燃料電池セルスタック２２を制御して、第１燃料電池セルスタック２２の発電量を調整する。具体的には、第１燃料電池セルスタック２２の発電量を減らし、アノードオフガス量及びアノードオフガスに含まれる水蒸気の発生量を低減する。これにより、水タンク３２へ投入される水蒸気量を低減することができる。
【０１１４】
なお、この際、第２燃料電池セルスタック２４における発電量を増やすことで、燃料電池システム全体の発電量の低減を抑制することができる。
【０１１５】
別の一例として、制御装置６８は、水タンク３４の水位（水量）が所定の上限値に至ったという情報を水位センサ３２Ｓから得た場合、第２燃料電池セルスタック２４を制御して、第２燃料電池セルスタック２４の発電量を調整する。具体的には、第２燃料電池セルスタック２４の発電量を減らし、第２燃料電池セルスタック２４のアノードオフガス量及びこのアノードオフガスに含まれる水蒸気の発生量を低減する。これにより、水タンク３４へ投入される水蒸気量を低減することができる。
【０１１６】
なお、第２燃料電池セルスタック２４の発電量を減らした場合、第１燃料電池セルスタック２２の発電量を増やせば、燃料電池システム１０全体の発電量の低減を抑制することができる。但し、第１燃料電池セルスタック２２における発電量を増やした場合、第１燃料電池セルスタック２２から排出されるアノードオフガスの水蒸気量が増加する。そこで、第２燃料電池セルスタック２４へ流入する水蒸気量が増加することを抑制するために、例えば流量調整機構６６を制御して、燃料再生器２６の透過部２６Ｂへ供給されるスイープガス量を増やすことが好適である。これにより、第１燃料電池セルスタック２２から排出されるアノードオフガスから水蒸気を除去することができる。
【０１１７】
なお、制御装置６８は、流量調整機構６６、６７の制御、冷却機構５２、５４の制御、分流弁４２Ａ、４２Ｂ、４４Ａ、４４Ｂの制御、ポンプ６２、６４の制御、第１燃料電池セルスタック２２の制御、第２燃料電池セルスタック２４の制御を、適宜組合わせて実行することができる。これらの制御を組合わせることで、水タンク３２、３４へ投入される水蒸気量又は凝縮水量の調整効果を高めることができる。又は、制御装置６８は、何れかの制御を単独で行なうこともできる。
【０１１８】
以上説明したように、第１実施形態に係る燃料電池システム１０によると、流量調整機構６６、６７、冷却機構５２、５４、分流弁４２Ａ、４２Ｂ、４４Ａ、４４Ｂ、ポンプ６２、６４、第１燃料電池セルスタック２２及び第２燃料電池セルスタック２４を制御することで、システム内の水量を調整できる。
【０１１９】
また、燃料電池システム１０によると、制御装置６８が、水タンク３２、３４へ投入される水蒸気量又は凝縮水量を調整する。これにより水タンク３２、３４内の水量を所定範囲内に維持することができる。したがって、水タンク３２、３４からの排水を制御することができる。
【０１２０】
また、制御装置６８は、水タンク３２、３４から水供給管Ｐ２へ排出される凝縮水量を調整する。これにより水タンク３２、３４内の水量を所定範囲内に維持することができる。したがって、水タンク３２、３４からの排水を減らすことができる。さらに、水タンク３２、３４からの排水を無くし、排水のための設備や工事を省略できる。
【０１２１】
［第２実施形態］
＜燃料電池システム＞
図２に示す第２実施形態に係る燃料電池システム７０は、図１に示す気化器１２、水供給管Ｐ２、ポンプ６２、及びポンプ６４が設けられていない点で、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と異なる。さらに燃料電池システム７０は、図２に示す熱交換器７２、水蒸気分離器７４、集約タンク７６が設けられている点で、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と異なる。
【０１２２】
また、燃料電池システム７０は、燃料再生器２６に供給するスイープガスとして空気を用いる点で、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と一致している。なお、第２実施形態において、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成については同一の符号を用いてその説明を省略する。また、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成による同一の効果についても説明を省略する。
【０１２３】
（熱交換器）
熱交換器７２は、燃焼器１６から排気管Ｐ１２へ排出された高温の排出ガスと、後述する水蒸気分離器７４から水蒸気供給管Ｐ１４へ送出された水蒸気を含む原料ガスとを熱交換し、原料ガスの温度を昇温させる。熱交換器７２には水蒸気供給管Ｐ１７の一端が接続されており、水蒸気供給管Ｐ１７へ原料ガスが排出される。水蒸気供給管Ｐ１７の他端は改質器１４に接続されている。
【０１２４】
（水蒸気分離器）
水蒸気分離器７４は、燃料再生器２６と水タンク３２との間、すなわち、燃料再生器２６から排出される透過部排出ガス（スイープガス）の流路において水タンク３２の上流側に配置されている。
【０１２５】
水蒸気分離器７４は、燃料再生器２６と同様に、流入部７４Ａと透過部７４Ｂとを備えており、流入部７４Ａ及び透過部７４Ｂは、分離膜７４Ｃにより区画されている。なお、分離膜７４Ｃは、本発明における再分離膜の一例である。
【０１２６】
燃料再生器２６の透過部２６Ｂから排出された透過部排出ガス（スイープガス）は、配管Ｐ１６を介して水蒸気分離器７４の流入部７４Ａに流入する。また、水蒸気分離器７４の透過部７４Ｂには、原料ガス管Ｐ１５から供給された原料ガスが、スイープガスとして流入する。これにより、透過部７４Ｂにおける水蒸気の分圧が下がり、流入部７４Ａから分離膜７４Ｃを透過して水蒸気などが透過部７４Ｂへ移動し易くなる。なお、原料ガス管Ｐ１５の途中箇所には、水蒸気分離器７４へ供給する原料ガスの流量を調整する流量調整機構６７が設けられている。
【０１２７】
透過部７４Ｂには水蒸気供給管Ｐ１４の一端が接続されている。これにより、水蒸気を含んだ原料ガスが、水蒸気供給管Ｐ１４を介して熱交換器７２へ送出される。また、透過部排出ガス（燃料再生器２６におけるスイープガス）は、流入部７４Ａから配管Ｐ１０へ送出される。
【０１２８】
（集約タンク）
集約タンク７６は、水タンク３２、３４より低い位置に設けられ、水タンク３２に接続されたオーバーフロー管Ｐ２０と、水タンク３４に接続されたオーバーフロー管Ｐ２１とが挿入されている。オーバーフロー管Ｐ２０、２１は、水タンク３２、３４における凝縮水の水位が一定の高さになったところで、凝縮水を集約タンク７６へ送出する。このため、水タンク３２、３４には、図１に示す水位センサ３２Ｓ、３４Ｓが設けられていない。
【０１２９】
集約タンク７６の内部には仕切板７６Ａと、水位センサ７６Ｓとが設けられている。仕切板７６Ａは、集約タンク７６に、それぞれオーバーフロー管Ｐ２０、２１が挿入された２つの気室を構成するように、集約タンク７６の内部に接合されている。より具体的には、仕切板７６Ａの上端面、側端面が集約タンク７６の内側面に接合されており、仕切板７６Ａの下端面が、所定の水位下限値より下方に配置されている。これにより仕切板７６Ａの下端部が凝縮水に挿入され、２つの気室内の気体が混合し難くなっている。
【０１３０】
集約タンク７６に溜められた水は、例えば燃料電池システム７０の起動時に必要な改質水や発電量を大きくする際に必要な改質水として使用される。
【０１３１】
＜作用・効果＞
第２実施形態に係る燃料電池システム７０では、水蒸気分離器７４によって、水蒸気が透過部排出ガス（燃料再生器２６におけるスイープガス）から原料ガスへ移動する。また、水蒸気供給管Ｐ１４、Ｐ１７によって原料ガスと水蒸気が改質器１４へ供給される。これにより、水蒸気が凝縮しないまま改質器１４へ供給され、改質反応によって消費される。このため、水蒸気を凝縮させる場合と比較して、凝縮させた水を再度蒸発させるための熱量が不要でありエネルギー効率が高い。また、気化器を省略することができる。
【０１３２】
なお、制御装置６８は、水位センサ７６Ｓから受取る集約タンク７６の水位情報に基づいて、第１実施形態と同様、流量調整機構６６、６７、冷却機構５２、５４、分流弁４２Ａ、４２Ｂ、４４Ａ、４４Ｂ、第１燃料電池セルスタック２２及び第２燃料電池セルスタック２４を適宜組合わせて制御する。これにより、集約タンク７６からの排水を減らすことができる。
【０１３３】
［第３実施形態］
＜燃料電池システム＞
図３に示す第３実施形態に係る燃料電池システム８０は、図１に示す気化器１２、水供給管Ｐ２、ポンプ６２及びポンプ６４が設けられていない点で、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と異なる。また、燃料電池システム８０は、図３に示す熱交換器７２が設けられている点で、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と異なる。さらに、燃料電池システム８０は、燃料再生器２６に供給するスイープガスとして原料ガスを用いる点で、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と異なる。
【０１３４】
なお、第３実施形態において、第１、第２実施形態に係る燃料電池システム１０、７０と同一の構成については同一の符号を用いてその説明を省略する。また、第１、第２実施形態に係る燃料電池システム１０、７０と同一の構成による同一の効果についても説明を省略する。
【０１３５】
（燃料再生器）
第３実施形態に係る燃料電池システム８０においては、燃料再生器２６の透過部２６Ｂに、原料ガス管Ｐ２２から供給された原料ガスが、スイープガスとして供給される。これにより、透過部２６Ｂにおける水蒸気の分圧が下がり、流入部２６Ａから分離膜２６Ｃを透過して水蒸気などが透過部２６Ｂへ移動し易くなる。透過部２６Ｂには配管Ｐ１０の一端が接続されている。なお、原料ガス管Ｐ２２の途中箇所には、燃料再生器２６へ供給する原料ガスの流量を調整する流量調整機構６７が設けられている。
【０１３６】
（水タンク）
水タンク３２には、燃料再生器２６の透過部２６Ｂから送出された原料ガスが、配管Ｐ１０を介して流入する。一端が透過部２６Ｂに接続された配管Ｐ１０の他端側は、２つの流路Ｐ１０Ａ、Ｐ１０Ｂに分岐している。流路Ｐ１０Ａの端部は水タンク３２へ挿入されている。また、流路Ｐ１０Ｂは、一端が水タンク３２に挿入された水蒸気供給管Ｐ２３に接続されている。水蒸気供給管Ｐ２３の他端は、熱交換器７２に接続されている。
【０１３７】
＜作用・効果＞
第３実施形態に係る燃料電池システム８０では、燃料再生器２６の透過部２６Ｂに、原料ガスがスイープガスとして供給される。そして配管Ｐ１０によって、原料ガスと水蒸気が、水タンク３２又は水蒸気供給管Ｐ２３へ供給される。
【０１３８】
例えば制御装置６８が、分流弁４２Ａを閉鎖し分流弁４２Ｂを開放すると、水蒸気供給管Ｐ２３を介して原料ガスと水蒸気が改質器１４へ供給される。これにより、水蒸気が凝縮しないまま改質器１４へ供給され、改質反応によって消費される。このため、水蒸気を凝縮させる場合と比較して、凝縮させた水を再度蒸発させるための熱量が不要でありエネルギー効率が高い。また、気化器を省略することができる。
【０１３９】
なお、制御装置６８は、水位センサ３２Ｓ、３４Ｓから受取る水タンク３２、３４の水位情報に基づいて、第１、第２実施形態同様、流量調整機構６７、冷却機構５２、５４、分流弁４２Ａ、４２Ｂ、４４Ａ、４４Ｂ、第１燃料電池セルスタック２２及び第２燃料電池セルスタック２４を適宜組合わせて制御する。これにより、水タンク３２、３４からの排水を少なくすることができる。
【０１４０】
［第４実施形態］
＜燃料電池システム＞
図４に示す第４実施形態に係る燃料電池システム９０は、水蒸気分離器９２、集約タンク７６が設けられている点で、第３実施形態に係る燃料電池システム８０と異なる。また、燃料電池システム９０は、燃料再生器２６に供給するスイープガスとして、原料ガスを用いる点で、第３実施形態に係る燃料電池システム８０と一致する。
【０１４１】
なお、第４実施形態において、第１、第２、第３実施形態に係る燃料電池システム１０、７０、８０と同一の構成については同一の符号を用いてその説明を省略する。また、第１、第２、第３実施形態に係る燃料電池システム１０、７０、８０と同一の構成による同一の効果についても説明を省略する。
【０１４２】
（水蒸気分離器）
水蒸気分離器９２は、燃料再生器２６と水タンク３２との間に配置されている。水蒸気分離器９２は、燃料再生器２６と同様に、流入部９２Ａと透過部９２Ｂとを備えており、流入部９２Ａ及び透過部９２Ｂは、分離膜９２Ｃにより区画されている。なお、本実施形態における分離膜９２Ｃは、本発明における再分離膜の一例である。
【０１４３】
燃料再生器２６の透過部２６Ｂから排出された原料ガス（スイープガス）は、配管Ｐ２４を介して水蒸気分離器９２の流入部９２Ａに流入する。また、水蒸気分離器９２の透過部９２Ｂには、スイープガス管Ｐ２６から供給された空気が、スイープガスとして流入する。これにより、透過部９２Ｂにおける水蒸気の分圧が下がり、流入部９２Ａから分離膜９２Ｃを透過して水蒸気などが透過部９２Ｂへ移動し易くなる。なお、スイープガス管Ｐ２６から供給された空気は、本発明における再スイープガスの一例である。
【０１４４】
スイープガス管Ｐ２６の途中箇所には、水蒸気分離器９２へ供給する空気の流量を調整する流量調整機構６６が設けられている。なお、本実施形態における流量調整機構６６は、本発明における再スイープガス流量調整機構の一例である。
【０１４５】
流入部９２Ａには水蒸気供給管Ｐ２５の一端が接続されている。水蒸気供給管Ｐ２５の他端は、熱交換器７２に接続されている。これにより、水蒸気が除去された原料ガスが、水蒸気供給管Ｐ２５を介して熱交換器７２へ送出される。また、スイープガスとしての空気は、透過部９２Ｂから配管Ｐ１０へ送出される。
【０１４６】
＜作用・効果＞
第４実施形態に係る燃料電池システム９０では、燃料再生器２６の透過部２６Ｂから排出された水蒸気を含む原料ガス（スイープガス）が、水蒸気分離器９２の流入部９２Ａを経由して改質器１４へ流入する。
【０１４７】
このため、制御装置６８が流量調整機構６６を制御して、水蒸気分離器９２の透過部９２Ｂへ供給する空気量を少なくすれば、流入部９２Ａから透過部９２Ｂへ移動する水蒸気量が少なくなり、水タンク３２内へ投入される水蒸気量を低減することができる。このため、集約タンク７６へ投入される凝縮水量が低減される。したがって、集約タンク７６からの排水を減らすことができる。
【０１４８】
また、水蒸気分離器９２の透過部９２Ｂへ供給する空気量が少なくなれば、水蒸気供給管Ｐ２５を流れる原料ガスに含まれる水蒸気量が多くなる。そしてこの水蒸気は凝縮しないまま、改質反応によって消費される。このため、気化器を省略することができる。
【０１４９】
なお、制御装置６８は、水位センサ７６Ｓから受取る集約タンク７６の水位情報に基づいて、第１実施形態と同様、流量調整機構６６、６７、冷却機構５２、５４、分流弁４２Ａ、４２Ｂ、４４Ａ、４４Ｂ、第１燃料電池セルスタック２２及び第２燃料電池セルスタック２４を適宜組合わせて制御する。これにより、集約タンク７６からの排水を減らすことができる。
【０１５０】
［その他の実施形態］
上記各実施形態においては、排気管Ｐ１２には水タンク３４が接続されているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば水タンク３４を設けず、排気管Ｐ１２から水蒸気を直接排気する構成としてもよい。水タンク３４を設けなければ、分流弁４４Ａ、４４Ｂ及び冷却機構５４を設ける必要がないため、燃料電池システムの構成を簡略化できる。さらに、水タンク３４を設けなければ、第２、第４実施形態における集約タンク７６も省略できる。集約タンク７６を省略した場合、水タンク３２に水位センサを設ければよい。
【０１５１】
また、上記各実施形態においては、第１燃料電池セルスタック２２及び第２燃料電池セルスタック２４を備えた多段式の燃料電池システムとされているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば図１に示す第２燃料電池セルスタック２４、カソードオフガス管Ｐ１１及びアノードオフガス管Ｐ１３を省略し、再生ガス管Ｐ８を配管Ｐ３や改質ガス供給管Ｐ４へ接続し、再生ガス管Ｐ８を分岐させた分岐管を燃焼器１６に接続し、カソードオフガス管Ｐ７を燃焼器１６に接続した循環式の燃料電池システムとしてもよい。
【０１５２】
また、図１に示す第１実施形態に係る燃料電池システム１０において、制御装置６８が、水タンク３２、３４へ投入される水蒸気量又は凝縮水量を調整する場合、必ずしもポンプ６２、６４を設ける必要はない。この場合、水供給管Ｐ２は、必ずしも水タンク３２、３４に接続する必要はなく、改質水は燃料電池システム１０の外部から導入してもよい。水供給管Ｐ２を水タンク３２、３４に接続しなくても、水タンク３２、３４へ投入される水蒸気量又は凝縮水量を調整することで、これらの水タンク３２、３４からの排水を減らすことができる。
【０１５３】
また、燃料電池システム１０において、制御装置６８が、ポンプ６２、６４を制御して水タンク３２、３４から水供給管Ｐ２へ排出される凝縮水量を調整する場合、制御装置６８は、必ずしも水タンク３２、３４へ投入される水蒸気量又は凝縮水量を調整する必要はない。この場合、流量調整機構６６、６７、分流弁４２Ａ、４２Ｂ、４４Ａ、４４Ｂ及び冷却機構５２、５４は設けなくてもよい。制御装置６８が水タンク３２、３４へ投入される水蒸気量や凝縮水量を調整しなくても、水タンク３２、３４から水供給管Ｐ２へ排出される凝縮水量を調整することで、これらの水タンク３２、３４からの排水を減らすことができる。
【０１５４】
また、図２に示す第２実施形態に係る燃料電池システム７０においては、水タンク３２、３４の凝縮水を集約タンク７６へ集約しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば図１に示すように水タンク３２、３４に水位センサ３２Ｓ、３４Ｓを設け、さらに水供給管Ｐ２（流路Ｐ２Ａ、Ｐ２Ｂ）を接続し、気化器１２を介して改質器１４へ水を供給してもよい。この場合、流路Ｐ２Ａ、Ｐ２Ｂには、ポンプ６２、６４を設けて制御装置６８によって制御することが好適である。このように、集約タンク７６を設けるかどうかは任意であり、例えば図３に示す第３実施形態に係る燃料電池システム８０に集約タンク７６を設けてもよいし、図４に示す第４実施形態に係る燃料電池システム９０の集約タンク７６を省略してもよい。
【０１５５】
また、上記各実施形態において、冷却機構５２、５４は水タンク３２、３４の上流側に設けられているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば、冷却機構５２、５４は水タンク３２、３４の内部に設けてもよい。
【０１５６】
また、上記各実施形態において、燃料電池セルスタックを２段で構成しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば３段以上の任意の段数の燃料電池セルスタックを用いてもよい。
【０１５７】
また、上記各実施形態においては、燃料ガスを生成するための改質器１４を設けているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば改質器１４を設けず、第１燃料電池セルスタック２２へ水蒸気と原料ガスとを供給してもよい。この場合、第１燃料電池セルスタック２２において改質反応を行なう。このように、本発明における「改質部」とは、燃料電池と別体に設けられた改質器１４のほか、燃料電池内で改質反応が行われる部分の双方を指すものとする。このように、本発明は様々な態様で実施することができる。
【符号の説明】
【０１５８】
１０、７０、８０、９０  燃料電池システム
１２    気化器
１４    改質器（改質部）
２２    第１燃料電池セルスタック（燃料電池）
２４    第２燃料電池セルスタック（後段燃料電池）
２６Ｃ  分離膜
３２    水タンク
３２Ｓ  水位センサ
４２Ａ、４２Ｂ  分流弁（バイパス弁）
５２    冷却機構
６６    流量調整機構（スイープガス流量調整機構、再スイープガス流量調整機構）
６７    流量調整機構（原料ガス流量調整機構）
６８    制御装置
７４Ｃ  分離膜（再分離膜）
９２Ｃ  分離膜（再分離膜）
Ｐ２    水供給管（水供給管）
Ｐ１４  水蒸気供給管（水蒸気供給経路）
【図１】
2019169368.tif 000003
【図２】
2019169368.tif 000004
【図３】
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【図４】
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