(57)【要約】【課題】フィルタの目詰まりを抑制してフィルタの小型化を図る改質システム及び燃料電池システムを提供する。【解決手段】改質システム１０は、炭化水素系の原料Ｄと改質水Ｗとを導入して原料Ｄを燃料ガスＥに改質する改質部１１と、改質部１１に供給される改質水Ｗを貯留する改質水タンク１２と、改質水タンク１２内の改質水Ｗを改質部１１に導く改質水ライン５１と、改質水ライン５１を流れる改質水Ｗが改質部１１に向かう方向である順方向Ｐに見て、改質部１１よりも上流側で改質水ライン５１に設けられたフィルタ１５と、フィルタ１５よりも順方向Ｐの下流側にある改質水Ｗを、フィルタ１５を通して逆方向Ｑに流動させる逆流手段と、逆方向Ｑに流れる改質水Ｗを改質水ライン５１から排出する排出ライン５９とを備える。燃料電池システム１は、改質システム１０と、燃料ガスＥと酸化剤ガスＡ２とを導入して発電する燃料電池２０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系の原料と、改質水とを導入し、前記原料を、水素を含有する燃料ガスに改質する改質部と；
前記改質部に供給される前記改質水を貯留する改質水タンクと；
前記改質水タンク内の改質水を前記改質部に導く改質水ラインと；
前記改質水ラインを流れる前記改質水が前記改質部に向かう方向である順方向に見て、前記改質部よりも上流側で前記改質水ラインに設けられたフィルタと；
前記フィルタよりも前記順方向の下流側にある前記改質水を、前記フィルタを通して前記順方向とは反対の逆方向に流動させる逆流手段と；
前記逆方向に流れる改質水を前記改質水ラインから排出する排出ラインとを備える；
改質システム。
【請求項２】
前記排出ラインの一端が前記改質水タンクと前記フィルタとの間の前記改質水ラインに接続され；
前記排出ラインが、前記改質水タンクの最高水位よりも高い水頭圧がかかったときに、前記逆流した改質水が排出される排出圧調節機構を有する；
請求項１に記載の改質システム。
【請求項３】
前記排出ラインが、前記改質水ラインとの接続部から少なくとも一旦は下がる配管で構成された；
請求項１又は請求項２に記載の改質システム。
【請求項４】
前記フィルタの最下部が、前記改質水タンクの最高水位よりも上方になるように、前記フィルタが配置された；
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の改質システム。
【請求項５】
前記逆流手段が、前記改質部の内圧を上昇させる改質部内圧上昇手段を含んで構成された；
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の改質システム。
【請求項６】
前記改質水タンクの最高水位、前記フィルタ及び前記排出ラインが前記改質部よりも下方に配置され；
前記逆流手段が、前記改質部への前記改質水の供給を停止することにより、前記フィルタよりも前記順方向で下流側の改質水を落水させることで構成された；
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の改質システム。
【請求項７】
前記改質水ラインに設けられた、前記改質水を前記順方向及び前記逆方向に送る改質水ポンプを備え；
前記逆流手段が、前記改質水が前記逆方向に流れるように前記改質水ポンプを運転させることで構成された；
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の改質システム。
【請求項８】
前記改質水タンクと前記排出ラインとの間の前記改質水ラインに設けられた、前記逆方向に流れる前記改質水が前記改質水タンクに流入するのを抑止する逆止弁を備える；
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の改質システム。
【請求項９】
前記改質部への前記改質水の供給が停止しているときに、前記逆流手段が作動するように構成された；
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の改質システム。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の改質システムと；
前記改質部で生成された前記燃料ガスと、酸素を含有する酸化剤ガスとを導入して発電する燃料電池とを備える；
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は改質システム及び燃料電池システムに関し、特に改質水をろ過するフィルタの目詰まりを抑制する改質システム及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素含有ガスと酸素含有ガスとを導入して発電する燃料電池を設置する際、水素含有ガスを入手するためのインフラ整備が十分でないことに鑑み、炭化水素系原料を改質して水素含有ガスとする改質器が併設された燃料電池装置を構成することが多い。炭化水素系原料を水蒸気改質する構成として、水タンク内の水を水供給ライン及び水ポンプを用いて水蒸発器に供給し、水蒸発器にて水を水蒸気へ気化させて改質器に供給するものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−００９２７５号公報（段落００３１、図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
水タンク内の水に異物が混入している場合に異物が水ポンプや改質器へ入り込むことを回避するため、水供給ラインにフィルタを設置する場合がある。しかしながら、フィルタが捕集する異物が微小であることから、フィルタの目が細かくなり、目詰まりしやすくなる。すると、フィルタの一部が目詰まりしても残りの部分で水をろ過させるために面積を大きくすることとなり、フィルタを大型にすることとなる。
【０００５】
本発明は上述の課題に鑑み、フィルタの目詰まりを抑制してフィルタの小型化を図る改質システム及び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】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る改質システムは、例えば図１に示すように、炭化水素系の原料Ｄと、改質水Ｗとを導入し、原料Ｄを、水素を含有する燃料ガスＥに改質する改質部１１と；改質部１１に供給される改質水Ｗを貯留する改質水タンク１２と；改質水タンク１２内の改質水Ｗを改質部１１に導く改質水ライン５１と；改質水ライン５１を流れる改質水Ｗが改質部１１に向かう方向である順方向Ｐに見て、改質部１１よりも上流側で改質水ライン５１に設けられたフィルタ１５と；フィルタ１５よりも順方向Ｐの下流側にある改質水Ｗを、フィルタ１５を通して順方向Ｐとは反対の逆方向Ｑに流動させる逆流手段と；逆方向Ｑに流れる改質水Ｗを改質水ライン５１から排出する排出ライン５９とを備える。
【０００７】
このように構成すると、逆流手段で逆流させた改質水を排出ラインに排出させることにより、フィルタの洗浄を行うことができる。フィルタの洗浄を行うことで目詰まりを抑制することができるので、フィルタに繰り返し改質水を通過させることができ、フィルタの小型化を図ることができる。
【０００８】
また、本発明の第２の態様に係る改質システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様に係る改質システム１０において、排出ライン５９の一端が改質水タンク１２とフィルタ１５との間の改質水ライン５１に接続され；排出ライン５９が、改質水タンク１２の最高水位Ｌｈよりも高い水頭圧がかかったときに、逆流した改質水Ｗが排出される排出圧調節機構５９ｈを有する。
【０００９】
このように構成すると、改質水が逆流した際に最高水位を超える分の改質水を排出ラインから排出させてフィルタを洗浄することが可能となる。
【００１０】
また、本発明の第３の態様に係る改質システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様又は第２の態様に係る改質システム１０において、排出ライン５９が、改質水ライン５１との接続部から少なくとも一旦は下がる配管で構成されている。
【００１１】
このように構成すると、改質水の逆流によりフィルタから離脱した捕集物が排出ラインに入った後、改質水が順方向に流れた場合に捕集物が再度フィルタに戻ることを抑制することができる。
【００１２】
また、本発明の第４の態様に係る改質システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様乃至第３の態様のいずれか１つの態様に係る改質システム１０において、フィルタ１５の最下部１５ｓが、改質水タンク１２の最高水位Ｌｈよりも上方になるように、フィルタ１５が配置されている。
【００１３】
このように構成すると、改質部への改質水の供給を停止して改質水が逆流したときに改質水をフィルタから完全に抜くことができ、フィルタ内で改質水が凍結することを回避することができる。
【００１４】
また、本発明の第５の態様に係る改質システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様乃至第４の態様のいずれか１つの態様に係る改質システム１０において、逆流手段が、改質部１１の内圧を上昇させる改質部内圧上昇手段１８を含んで構成されている。
【００１５】
このように構成すると、改質水タンクの水頭圧以上に改質水を逆方向に押し返すことが可能となり、フィルタの逆洗を効率的かつ確実に行うことが可能となる。
【００１６】
また、本発明の第６の態様に係る改質システムは、例えば図１を参照して示すと、上記本発明の第１の態様乃至第５の態様のいずれか１つの態様に係る改質システム１０において、改質水タンク１２の最高水位Ｌｈ、フィルタ１５及び排出ライン５９が改質部１１よりも下方に配置され；逆流手段が、改質部１１への改質水Ｗの供給を停止することにより、フィルタ１５よりも順方向Ｐで下流側の改質水Ｗを落水させることで構成されている。
【００１７】
このように構成すると、改質水の自重でフィルタを逆洗することができる。
【００１８】
また、本発明の第７の態様に係る改質システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様乃至第６の態様のいずれか１つの態様に係る改質システム１０において、改質水ライン５１に設けられた、改質水Ｗを順方向Ｐ及び逆方向Ｑに送る改質水ポンプ１３を備え；逆流手段が、改質水Ｗが逆方向Ｑに流れるように改質水ポンプ１３を運転させることで構成されている。
【００１９】
このように構成すると、フィルタの逆洗を確実に行うことができる。
【００２０】
また、本発明の第８の態様に係る改質システムは、例えば図２に示すように、上記本発明の第１の態様乃至第７の態様のいずれか１つの態様に係る改質システムにおいて、改質水タンク１２と排出ライン５９Ａとの間の改質水ライン５１に設けられた、逆方向Ｑに流れる改質水Ｗが改質水タンク１２に流入するのを抑止する逆止弁４１を備える。
【００２１】
このように構成すると、フィルタから離脱した捕集物が改質水タンクに流入するのを阻止することができ、捕集物を排出ラインを介して排出することができる。
【００２２】
また、本発明の第９の態様に係る改質システムは、例えば図１を参照して示すと、上記本発明の第１の態様乃至第８の態様のいずれか１つの態様に係る改質システム１０において、改質部１１への改質水Ｗの供給が停止しているときに、逆流手段が作動するように構成されている。
【００２３】
このように構成すると、フィルタの逆洗を定期的に（改質部への改質水の供給が停止する度に）行うことが可能となる。
【００２４】
また、本発明の第１０の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様乃至第９の態様のいずれか１つの態様に係る改質システム１０と；改質部１１で生成された燃料ガスＥと、酸素を含有する酸化剤ガスＡ２とを導入して発電する燃料電池２０とを備える。
【００２５】
このように構成すると、改質システムの改質水のフィルタの洗浄を行うことができるので、安定した燃料ガスの生成が可能となり、安定した発電を行うことができる燃料電池システムとなる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、逆流手段で逆流させた改質水を排出ラインに排出させることにより、フィルタの洗浄を行うことができ、フィルタの目詰まりを抑制することが可能となって、フィルタに繰り返し改質水を通過させることができるので、フィルタの小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態に係る改質システムを備える燃料電池システムの模式的系統図である。
【図２】本発明の実施の形態の変形例に係る改質システムの水タンク及び排出管まわりを示す部分系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２９】
まず図１を参照して、本発明の実施の形態に係る改質システム１０及び燃料電池システム１を説明する。図１は、燃料電池システム１の模式的系統図である。燃料電池システム１は、改質システム１０と、燃料電池２０と、燃料電池２０から排出されたオフガスの一種である燃料オフガスＦｅを燃焼させるオフガス燃焼部としての燃焼部３５と、熱交換部３６と、制御装置９０とを備えている。制御装置９０は、改質システム１０を制御する改質制御部９１と、燃料電池システム１を制御する燃料電池制御部９２とを有している。
【００３０】
改質システム１０は、原料Ｄを水素に富む燃料ガスＥに改質する改質部としての改質器１１と、改質器１１における原料Ｄの改質に用いられる改質水Ｗを貯留する改質水タンクとしての水タンク１２と、改質水Ｗを水タンク１２から改質器１１に導く改質水ラインとしての改質水管５１と、改質水Ｗを搬送する改質水ポンプ１３と、改質水Ｗ中の異物を除去するフィルタ１５と、改質水Ｗの一部を改質システム１０外へ排出する排出ラインとしての排出管５９と、改質制御部９１とを備えている。なお、「・・・ライン」とは、流体の流路であり、典型的には専ら流体を案内する管であるが、他の用途に用いられる物と物との間に形成された空間であってもよい。
【００３１】
原料Ｄは、改質することで燃料電池２０における発電に利用可能となる程度に水素に富むガス（水素リッチガス）にできるものであり、典型的には炭化水素系燃料が用いられる。具体例として、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は、石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のもの等を適宜用いることができる。炭化水素類としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。
【００３２】
改質器１１は、原料Ｄの改質を促進させる改質触媒を内部に有している。本実施の形態では、少なくとも水蒸気改質触媒が改質器１１に収容されている。水蒸気改質触媒は吸熱反応が優勢となる改質触媒であるので、本実施の形態では、水蒸気改質触媒が、吸熱反応に必要な熱を燃焼部３５からも得ることができるように構成されている。改質器１１には、前述の改質水管５１と、原料Ｄを導入する原料ラインとしての原料管５６と、原料Ｄを改質する際の酸化反応に用いられる酸化剤ラインとしての空気管５８とが接続されている。一端が改質器１１に接続された改質水管５１の他端は、水タンク１２の下部に接続されている。改質水管５１には、改質水Ｗを気化する気化器１４が配置されている。改質器１１と気化器１４とは、典型的には隣接して設けられているが、配管で連結されていてもよい。原料管５６には、原料Ｄを改質器１１に向けて圧送する原料供給装置としての原料ブロワ１６が挿入配置されている。空気管５８には、酸化剤としての空気Ａ１を改質器１１に向けて圧送する酸化剤供給装置としての空気ブロワ１８が挿入配置されている。図１では、原料管５６を改質器１１に直接連結した例を示しているが、原料管５６を気化器１４に連結し、原料Ｄ及び改質水Ｗを同時に気化器１４に導入して両者を気化及び混合させる構成としてもよい。改質器１１は、原料Ｄ及び気化した改質水Ｗ並びに空気Ａ１を導入して燃料ガスＥを生成するように構成されている。改質器１１には、また、生成された燃料ガスＥを導出する燃料ガスラインとしての燃料ガス管６１が接続されている。
【００３３】
水タンク１２は、改質器１１における原料Ｄの改質を連続して行うことができるのに足りる量の改質水Ｗを蓄えることができる有効容量を有している。有効容量の改質水Ｗが貯留されたときの液位が、水タンク１２の最高水位Ｌｈとなる。水タンク１２は、最高水位Ｌｈが改質器１１よりも下になるように設置されている。
【００３４】
改質水ポンプ１３は、主として水タンク１２に貯留されている改質水Ｗを改質器１１に圧送する機器である。改質水ポンプ１３は、改質水管５１に挿入配置されている。本明細書では、改質器１１において燃料ガスＥが生成されているとき（改質システム１０の定常運転時）のように、改質水管５１内を水タンク１２から改質器１１に向かう改質水Ｗの流れ方向を「順方向Ｐ」ということとする。また、順方向Ｐに対して逆向きに改質水Ｗが流れる方向を「逆方向Ｑ」ということとする。改質水ポンプ１３は、順方向Ｐに見て、気化器１４の上流側に配置されている。改質水ポンプ１３は、停止したときに、改質水Ｗの流れを遮ることなく、改質水Ｗを逆方向Ｑに流すことができるように構成されている。改質水ポンプ１３は、停止して改質水Ｗが逆方向Ｑに流れて落水した場合でも、次に起動したときに改質水Ｗを吐出することができるように、自吸式ポンプが用いられている。
【００３５】
フィルタ１５は、改質器１１及び改質水ポンプ１３への異物の侵入を防ぐために、順方向Ｐに見て、改質水ポンプ１３の上流側の改質水管５１に挿入配置されている。フィルタ１５は、改質器１１の位置よりも下方に配置されている。また、順方向Ｐに見て、フィルタ１５よりも上流側の改質水管５１は、フィルタ１５よりも下方に配設されている。このように配置されていることで、改質水ポンプ１３が停止したときに、順方向Ｐで見て、フィルタ１５よりも下流側にある改質水Ｗを、フィルタ１５を通して逆方向Ｑに流動させることができる。本実施の形態では、順方向Ｐで見て、フィルタ１５より下流側の改質水管５１を最高水位Ｌｈよりも上方に配置してフィルタ１５より下流側の改質水Ｗの落水を可能にした構成が、逆流手段に相当する。また、フィルタ１５は、フィルタ最下部１５ｓが、最高水位Ｌｈよりも上方になるように配置されている。
【００３６】
排出管５９は、一端が、水タンク１２とフィルタ１５との間の改質水管５１に接続されており、典型的には改質水管５１の最下部に接続されている。排出管５９は、本実施の形態では、最高水位Ｌｈまで上方に延びた後に折り返して改質水管５１との接続点よりも下方に延びる逆Ｕ字状に配設されている。つまり、排出管５９の最も高い部位である排出管最高点５９ｈは、最高水位Ｌｈと同じ高さに位置している。このような構成により、排出管５９にかかる水頭圧が最高水位Ｌｈ以下のときは改質水Ｗが排出管５９から排出されず、最高水位Ｌｈよりも高い水頭圧がかかったっときに、逆方向Ｑに流れる改質水Ｗが排出管５９を介して改質システム１０外に排出されることとなる。このように、本実施の形態では、排出管最高点５９ｈが最高水位Ｌｈと同じ高さに位置する構成が、排出圧調節機構に相当する。また、排出管最高点５９ｈは、典型的にはフィルタ最下部１５ｓよりも下方（ひいては改質器１１よりも下方）に位置している。本実施の形態では、排出管５９が、改質水管５１との接続部から一旦下がった後に排出管最高点５９ｈに向かうように形成されている。これにより、改質水Ｗが逆方向Ｑに流れて異物と共に排出管５９に流入した後、改質水Ｗの流れが順方向Ｐとなったときに、排出管５９に流入した異物が再び改質水管５１に戻ることを抑制することができる。
【００３７】
改質制御部９１は、改質器１１における燃料ガスＥの生成流量を制御する部位である。改質制御部９１は、改質水ポンプ１３、原料ブロワ１６、空気ブロワ１８と、それぞれ信号ケーブルで接続されており、改質水ポンプ１３、原料ブロワ１６、空気ブロワ１８の吐出流量及び発停を制御することができるように構成されている。改質制御部９１は、改質水ポンプ１３、原料ブロワ１６、空気ブロワ１８の吐出流量を調節することにより、改質器１１で生成される燃料ガスＥの流量を調節することができるように構成されている。また、改質制御部９１は、原料ブロワ１６、空気ブロワ１８の吐出流量を調節することにより、改質器１１の内圧を調節することができるように構成されている。
【００３８】
引き続き図１を参照して、燃料電池システム１の構成の説明に戻る。燃料電池２０は、アノード２１と、カソード２２と、電解質２３とを有している。アノード２１は、燃料ガス管６１を介して改質器１１と接続されている。カソード２２には、酸素を含む酸化剤ガスＡ２を導入する酸化剤ガスラインとしての酸化剤ガス管６２が接続されている。酸化剤ガスＡ２は、典型的には空気である。酸化剤ガス管６２には、酸化剤ガスＡ２をカソード２２に向けて圧送する酸化剤ガス供給装置としての酸化剤ガスブロワ２８が挿入配置されている。燃料電池２０は、燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡ２を導入し、燃料ガスＥ中の水素等と酸化剤ガスＡ２中の酸素との電気化学的反応により直流の電力を発生するように構成されている。燃料電池２０で発生した直流電力は、パワーコンディショナ（不図示）で昇圧及び交流に変換され、家電機器等の外部負荷（不図示）に供給される。
【００３９】
燃料電池２０としては、本実施の形態では円筒型（平板円筒型を含む）の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が用いられている。燃料電池２０における発電のために燃料電池２０に供給された燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡ２は、そのすべてが発電に利用されるのではなく、燃料電池２０の発電電流に応じた分が利用される。燃料電池２０における発電のために燃料電池２０に供給された燃料ガスＥのうち、発電に利用されなかった分は、燃料オフガスＦｅとして排出される。また、燃料電池２０における発電のために燃料電池２０に供給された酸化剤ガスＡ２のうち、発電に利用されなかった分は、酸化剤オフガスＦａとして排出される。
【００４０】
燃焼部３５は、燃料オフガスライン６３を介してアノード２１と連絡している。燃焼部３５は、また、酸化剤オフガスライン６４を介してカソード２２と連絡している。燃焼部３５は、燃料オフガスライン６３を介して導入した燃料オフガスＦｅを燃焼させるように構成されている。燃料オフガスＦｅの燃焼に必要な酸化剤は、酸化剤オフガスライン６４を介して導入した酸化剤オフガスＦａが用いられる。燃焼部３５は、改質器１１内の改質触媒に熱を与えることができるように、改質器１１に隣接して配置されている。例えば、改質器１１及び燃料電池２０が収容された筐体（不図示）内において、燃料オフガスＦｅ及び酸化剤オフガスＦａが排出される部分の上部に改質器１１を配置し、改質器１１と燃料電池２０との間の空間で燃料オフガスＦｅを燃焼させる構造としてもよい。この場合、改質器１１と燃料電池２０との間の空間が燃焼部３５に相当し、燃料オフガスライン６３及び酸化剤オフガスライン６４と、燃焼部３５とが極めて近接した構造となる。燃焼部３５は、燃料オフガスＦｅの燃焼で生じる排ガスＧを排出するように構成されている。燃焼部３５には、排ガスＧを流す排ガスラインとしての排ガス管６５が接続されている。
【００４１】
熱交換部３６は、排ガスＧが保有する熱を回収する部位である。熱交換部３６は、熱回収流体Ｃを流す熱回収流体流路３６ｘを有している。熱交換部３６は、排ガスＧを導入し、導入した排ガスＧと熱回収流体流路３６ｘ内を流れる熱回収流体Ｃとの間で熱交換を行わせることで、熱回収流体Ｃのエンタルピを増加させ、排ガスＧのエンタルピを減少させるように構成されている。また、熱交換部３６は、排ガスＧのエンタルピを減少させることにより、排ガスＧ中に含まれていた水分が凝縮した凝縮水Ｗｃが生じるように構成されている。熱交換部３６は、凝縮水Ｗｃを排出する凝縮水ラインとしての凝縮水管６６の一端が接続されている。凝縮水管６６の他端は、水タンク１２内で開口している。凝縮水管６６は、熱交換部３６で生じた凝縮水Ｗｃを水タンク１２に導くように配設されている。水タンク１２に導かれた凝縮水Ｗｃは、水処理装置（不図示）を経て、改質水Ｗとして利用される。
【００４２】
燃料電池制御部９２は、燃料電池システム１の運転を制御する部位である。燃料電池制御部９２は、改質制御部９１を介して改質システム１０の運転を制御することができるように構成されている。また、燃料電池制御部９２は、酸化剤ガスブロワ２８と信号ケーブルで接続されており、酸化剤ガスブロワ２８の吐出流量及び発停を制御することができるように構成されている。燃料電池制御部９２は、酸化剤ガスブロワ２８の吐出流量を調節することにより、改質器１１の内圧を調節することができるように構成されている。なお、図１では、改質制御部９１及び燃料電池制御部９２が別々に構成されているように示しているが、これは機能の観点から概念的に別々に表現したものであり、物理的には一部又は全部が渾然一体に構成されていてもよい。また、図１では、改質制御部９１及び燃料電池制御部９２が１つの筐体に収容されて制御装置９０を構成しているように示されているが、これは概念を示しているものであって、物理的にはこれらが分離して配設されていてもよい。
【００４３】
引き続き図１を参照して、改質システム１０及び燃料電池システム１の作用を説明する。改質システム１０の作用は、燃料電池システム１の作用の一環として説明する。燃料電池システム１を起動する指令を燃料電池制御部９２が受けると、燃料電池制御部９２は、燃料電池２０における発電に必要な燃料ガスＥの生成を開始するべく、改質制御部９１を介して改質システム１０の運転を開始させる。改質制御部９１は、原料ブロワ１６及び空気ブロワ１８を起動して原料Ｄ及び空気Ａ１を改質器１１に供給する。すると、所定の部分酸化反応が行われ、燃料ガスＥが生成される。次に、空気ブロワ１８に代えて改質水ポンプ１３を起動し、改質水Ｗを改質器１１に供給する。改質水ポンプ１３が起動すると、水タンク１２内に貯留されている改質水Ｗが改質水管５１を流れ、途中、フィルタ１５で異物が取り除かれ、気化器１４で気化されたうえで、改質器１１に流入する。原料Ｄ及び気化した改質水Ｗが導入された改質器１１では、原料Ｄの水蒸気改質反応が行われ、燃料ガスＥの生成が継続される。なお、原料Ｄに加えて空気Ａ１と改質水Ｗとを改質器１１に供給し、自己熱改質反応が行われることで燃料ガスＥが生成されることとしてもよい。
【００４４】
改質器１１で生成された燃料ガスＥは燃料電池２０のアノード２１に供給される。また、燃料電池制御部９２は、酸化剤ガスブロワ２８を起動させる。これにより、燃料電池２０のカソード２２に酸化剤ガスＡ２が供給される。燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡ２が導入された燃料電池２０では、燃料ガスＥ中の水素等と酸化剤ガスＡ２中の酸素との電気化学的反応による発電が行われる。燃料電池２０で発生した電力は、外部負荷（不図示）に適宜供給される。燃料電池２０では、発電のための反応に伴って、水が生成される。燃料電池２０に導入された燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡ２は、発電に利用された後に燃料オフガスＦｅ及び酸化剤オフガスＦａとして排出され、燃焼部３５に至る。燃料オフガスＦｅは、酸化剤オフガスＦａを酸化剤として燃焼部３５で燃焼され、このとき生ずる燃焼熱は、改質器１１における水蒸気改質反応に利用される。燃焼部３５における燃料オフガスＦｅ及び酸化剤オフガスＦａの燃焼によって生じた排ガスＧは、水分が含まれている。排ガスＧは、排ガス管６５を流れ、熱交換部３６で適宜熱回収が行われた後、燃料電池システム１の外へ排出される。
【００４５】
他方、熱交換部３６で冷却された排ガスＧから凝縮した凝縮水Ｗｃは、凝縮水管６６を流れて水タンク１２に流入する。このようにして、燃料ガスＥの生成のために水タンク１２から改質水Ｗが減少しても、凝縮水Ｗｃとして水タンク１２に改質水Ｗが流入してくるので、燃料電池システム１の外部から直接水タンク１２に改質水Ｗを補給しなくても、水タンク１２内の改質水Ｗが枯渇することを回避することができる。燃料電池２０における発電に伴って水が生成されることとから、水タンク１２に流入する凝縮水Ｗｃは、典型的には、改質水ポンプ１３の稼働によって水タンク１２から出て行く改質水Ｗよりも多くなる。水タンク１２に凝縮水Ｗｃが流入し、最高水位Ｌｈを超えるようになると、最高水位Ｌｈを超える分の改質水Ｗは、排出管５９を介して改質システム１０から排出される。
【００４６】
上述のように改質システム１０及び燃料電池システム１が作動している状態から、燃料電池２０における発電を停止することとなったとき、燃料電池制御部９２は酸化剤ガスブロワ２８を制御し、改質制御部９１は原料ブロワ１６、空気ブロワ１８、改質水ポンプ１３を制御することで、所定の手順で燃料電池２０への燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡ２の供給を停止する。改質水ポンプ１３が停止すると、改質器１１が排出管最高点５９ｈよりも上方に配設されていることと、改質水ポンプ１３が逆方向Ｑへの改質水Ｗの流動を遮ることがないように構成されていることと相俟って、排出管最高点５９ｈよりも上方の改質水管５１内にある改質水Ｗが落水して、改質水管５１内の改質水Ｗが逆方向Ｑに流れることとなる。このとき、フィルタ１５にも逆方向Ｑに改質水Ｗが流れるため、改質水Ｗが順方向Ｐに流れていた際に捕捉した異物を、逆方向Ｑに流れる改質水Ｗで離脱させることができ、フィルタ１５の洗浄を行うことができる。
【００４７】
改質水管５１内を逆方向Ｑに流れる改質水Ｗは、排出管５９に流入し、水タンク１２内の水位が最高水位Ｌｈ未満の場合には水タンク１２内にも流入する。排出管５９に流入した改質水Ｗは、水タンク１２内の水位が最高水位Ｌｈに到達すると、排出管最高点５９ｈを通過して改質システム１０外へ排出される。排出管５９を流れる改質水Ｗは、改質水管５１から排出管５９に流入した際に一旦下がってから排出管最高点５９ｈに向かって上昇するので、改質水Ｗに混入しているフィルタ１５から離脱した異物が、比較的排出管５９に入りやすい。逆方向Ｑに流れる改質水Ｗが水タンク１２内に流入した場合は、水タンク１２内の水位を上昇させ、最高水位Ｌｈに到達した以降は水タンク１２内への流入が止まり、最高水位Ｌｈを超える分の改質水Ｗは、排出管５９から改質システム１０外へ排出される。排出管５９から改質システム１０外へ改質水Ｗが排出され、改質水管５１内の水位が排出管最高点５９ｈまで低下すると、排出管５９からの改質水Ｗの排出が停止して、改質水管５１内の逆方向Ｑへの改質水Ｗの流れが停止する。なお、逆方向Ｑに流れる改質水Ｗがフィルタ１５を通過することで、フィルタ１５に捕捉されていた異物がフィルタ１５から離脱するので、フィルタ１５の目詰まりを抑制することができるのであるが、フィルタ１５から離脱した異物が改質水Ｗと共に排出管５９に流入するような位置に排出管５９が配設されることとすると、一旦フィルタ１５から離脱した異物が再びフィルタ１５に捕捉されることを回避することができるので好適である。
【００４８】
改質水管５１内の逆方向Ｑへの改質水Ｗの流れが停止したとき、改質水管５１内の改質水Ｗは、最高水位Ｌｈ（排出管最高点５９ｈ）と同じ高さに液面がある。本実施の形態では、最高水位Ｌｈよりもフィルタ最下部１５ｓが上方になるようにフィルタ１５が配置されているので、フィルタ１５内に改質水Ｗが残存しなくなり、冬季にフィルタ１５内で改質水Ｗが凍結してフィルタ１５が収納された容器が損傷することを防ぐことができる。燃料電池システム１が停止している状態から、再び燃料電池システム１を起動する際は、上述の要領で作動する。このとき、上述のように、改質水Ｗは、改質水管５１内を順方向Ｐに流れるが、排出管５９が改質水管５１との接続点から一旦下がっているので、改質水Ｗが逆方向Ｑに流れたときに排出管５９に入った異物が再び改質水管５１に流入してフィルタ１５に到達することを抑制することができる。
【００４９】
以上で説明したように、本実施の形態に係る改質システム１０及び燃料電池システム１によれば、改質水ポンプ１３を停止して改質器１１への改質水Ｗの供給が停止しているときに、改質水管５１内の改質水Ｗが逆方向Ｑに流れることで、順方向Ｐで見てフィルタ１５よりも下流側にある改質水Ｗがフィルタ１５を通過する際にフィルタ１５が捕捉していた異物を離脱させてフィルタ１５を洗浄することができる。フィルタ１５の洗浄が可能なことで、フィルタ１５に繰り返し改質水Ｗを通過させることができ、フィルタ１５の大きさを、洗浄を考慮しない場合に設定する大きさよりも小さくすることができる。また、別途フィルタ１５の洗浄を行わなくて済み、メンテナンス負担を軽減することができる。
【００５０】
以上の説明では、排出管５９を、フィルタ１５と水タンク１２との間の改質水管５１に設けることとしたが、水タンク１２内の水位が最高水位Ｌｈを超えたときに水タンク１２内の改質水Ｗを水タンク１２の外に排出するオーバーフロー管を兼ねて、水タンク１２に設けることとしてもよい。しかしながら、改質水Ｗの逆方向Ｑの流れによってフィルタ１５から剥離した異物が水タンク１２内に流入するのを極力回避する観点から、排出管５９（排出ライン）をフィルタ１５と水タンク１２との間に設けることが好ましい。
【００５１】
以上の説明では、フィルタ１５が、最高水位Ｌｈよりもフィルタ最下部１５ｓが上方に位置するように設けられていることとしたが、凍結のおそれがない等の理由により、改質器１１への改質水Ｗの供給が停止したときにフィルタ１５から水を抜かなくても差し支えない場合は、最高水位Ｌｈよりも下方にフィルタ１５が設けられていてもよい。
【００５２】
以上の説明では、フィルタ１５が、順方向Ｐで見て改質水ポンプ１３の上流側に設けられていることとしたが、異物が混入した改質水Ｗの流入を改質水ポンプ１３が許容できる場合は、改質水ポンプ１３と気化器１４との間（順方向Ｐで見て改質水ポンプ１３の下流側）にフィルタ１５を配設してもよい。
【００５３】
以上の説明では、逆流手段が、順方向Ｐで見てフィルタ１５より下流側の改質水管５１を最高水位Ｌｈよりも上方に配置して重力によってフィルタ１５より下流側の改質水Ｗの落水を可能にした構成であるとしたが、改質水ポンプ１３として正逆回転可能なものを採用し、逆回転する改質水ポンプ１３を逆流手段としてもよい。この場合、改質水ポンプ１３として、容積式のポンプを用いることとしてもよい。このようにすると、フィルタ１５の逆洗を確実に行うことができる。あるいは、改質器１１の内圧を上昇させて相対的に高くすることで、改質水管５１内の改質水Ｗを逆方向Ｑに流動させることとしてもよい。このようにすると、水タンク１２の水頭圧以上に改質水Ｗを逆方向に押し返すことが可能となり、フィルタ１５の逆洗を効率的かつ確実に行うことが可能となる。改質器１１の内圧を上昇させる改質部内圧上昇手段として、空気ブロワ１８の起動による空気Ａ１の改質器１１内への供給、原料ブロワ１６の起動による原料Ｄの改質器１１内への供給、酸化剤ガスブロワ２８の起動による酸化剤ガスＡ２の燃料電池２０への供給が挙げられる。
【００５４】
以上の説明では、排出圧調節機構が、排出管最高点５９ｈが最高水位Ｌｈと同じ高さに延びた後に折り返して改質水管５１との接続点よりも下方に延びる逆Ｕ字状に配設された排出管５９の構成であるとしたが、図２に示すように、排出ラインとしての排出管５９Ａに排出逆止弁４９を設けた構成としてもよい。なお、排出逆止弁４９は、改質水管５１と排出管５９Ａとの接続点から外部に排出する方向に改質水Ｗが流れる際に、弁が開放するのに必要なクラッキング圧が、最高水位Ｌｈのヘッド圧よりも大きくなっている。このような構成により、改質水管５１内の水位が最高水位Ｌｈ以下の場合は排出管５９Ａから改質水Ｗが排出されず、改質器１１への改質水Ｗの供給が停止して改質水管５１内の改質水Ｗが逆方向Ｑに流れたときに、クラッキング圧よりも高い圧力がかかる分の改質水Ｗが排出管５９Ａから排出されることとなる。なお、排出管５９Ａは、逆Ｕ字状に形成されずに、改質水管５１との接続点から下方に延びるように構成されていてもよい。
【００５５】
以上の説明では、改質器１１への改質水Ｗの供給が停止して改質水管５１内の改質水Ｗが逆方向Ｑに流れたときに、改質水Ｗが排出管５９に流入すると共に、水タンク１２に流入する場合もあることとしたが、改質水Ｗの逆方向Ｑへの流れによってフィルタ１５から剥離した異物を、水タンク１２内に侵入するのを防いで排出管５９（５９Ａ）に導くこととするために、改質水Ｗの順方向Ｐへの流れは許すが逆方向Ｑへの流れを許さない改質水逆止弁４１を、図２に示すように、水タンク１２と排出管５９（５９Ａ）との間の改質水管５１に設けてもよい。なお、図２には、改質水逆止弁４１及び排出逆止弁４９の両方を備えた態様を示しているが、両者は同時に備えていなくてもよく、必要に応じて改質水逆止弁４１及び排出逆止弁４９のいずれか一方を備えることとしてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１    燃料電池システム
１０  改質システム
１１  改質器
１２  水タンク
１３  改質水ポンプ
１５  フィルタ
１５ｓ  フィルタ最下部
１８  空気ブロワ
２０  燃料電池
２８  酸化剤ガスブロワ
４１  改質水逆止弁
４９  排出逆止弁
５１  改質水管
５９  排出管
５９ｈ  排出管最高点
Ａ２  酸化剤ガス
Ｄ    原料
Ｅ    燃料ガス
Ｌｈ  最高水位
Ｐ    順方向
Ｑ    逆方向
Ｗ    改質水
【図１】
2015026540.tif 000003
【図２】
2015026540.tif 000004