(57)【要約】【課題】  部分負荷追従運転を行う家庭用燃料電池発電給湯システムにおいて、燃料電池内、燃料処理装置内又は管路内の熱交換器内のガス中に発生する凝縮水を排出でき、また、当該ガスの流出と系外の空気の流入を防止できる燃料電池発電給湯システムを提供することにある。【解決手段】  前記燃料電池の入出のアノードガスライン及びカソードガスラインの内、水蒸気濃度の高い位置に凝縮水回収排出装置６を備える。凝縮水回収排出装置６は、例えば、アノードガス１７及びカソードガス１９のラインの熱交換器２７の出口の一部または全てに備えられる。凝縮水回収排出装置６は、ガス流速を１／１０以下に減速し、かつ、流れ方向を９０度以上変える構成を有する。凝縮水回収排出装置６の分離室１の底部に凝縮水の一部を残してシール材として用いることで、系内のガスを漏らさず系外のガスを混入させずに回収凝縮水を排出する。【選択図】図１
2005197108.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料処理装置と燃料電池とを有する燃料電池発電給湯システムにおいて、
前記燃料電池の入出のアノードガスライン及びカソードガスラインの内、水蒸気濃度の高い位置に凝縮水回収排出装置を備えたことを特徴とする燃料電池発電給湯システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池発電給湯システムにおいて、
前記凝縮水回収排出装置は、前記アノードガスライン及びカソードガスラインの熱交換器出口の一部または全てに備えられたことを特徴とする燃料電池発電給湯システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池発電給湯システムにおいて、
前記凝縮水回収排出装置は、前記燃料処理装置で製造された燃料ガス（アノードガス）の出口及び戻りアノードガスの燃料処理装置への戻り口の直前に備えられたことを特徴とする燃料電池発電給湯システム。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池発電給湯システムにおいて、
前記凝縮水回収排出装置は、前記燃料電池のカソード排ガス出口，アノードガスの入口、またはアノード排ガス出口の一部或いは全てに備えられたことを特徴とする燃料電池発電給湯システム。
【請求項５】
請求項２〜請求項４のいずれかに記載の燃料電池発電給湯システムにおいて、
前記凝縮水回収排出装置は、ガス流速を凝縮水液滴の自由落下速度以下に減速し、かつ、凝縮水の落下方向に対してガス流の流れ方向を異ならせる構成を有することを特徴とする燃料電池発電給湯システム。
【請求項６】
請求項２〜請求項４のいずれかに記載の燃料電池発電給湯システムにおいて、
前記凝縮水回収排出装置は、分離室の底部または下部に設置されたバルブを備え、
前記分離室の底部に凝縮水の一部を残してシール材として用いることで、系内のガスを漏らさず系外のガスを混入させずに回収凝縮水を排出することを特徴とする燃料電池発電給湯システム。
【請求項７】
請求６記載の燃料電池発電給湯システムにおいて、
前記凝縮水回収排出装置は、水位計と、この水位計からの信号に基づき、前記バルブを開閉させる制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電給湯システム。
【請求項８】
請求６記載の燃料電池発電給湯システムにおいて、
前記凝縮水回収排出装置は、複数の水位計と、これらの水位計からの信号に基づき、前記バルブを開閉させる制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電給湯システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を主電源とする燃料電池発電給湯システムに係り、特に、電力需要変動及び給湯需要変動の大きい家庭用に用いるに好適な燃料電池発電給湯システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池発電給湯システムの構成としては、例えば、特開２００１−９３５５０号公報に記載されているようなものが知られている。家庭用の燃料電池発電給湯システムのように、一部時間帯により高い需要電力が必要だが、平均的には需要電力は低い場合は、効率的な運転をするためには、電力需要に追随して部分負荷運転するのが経済的である。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−９３５５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、部分負荷追従運転状況下のもとでは、排熱回収系の熱交換器での熱交換量が変化する。さらに、１００℃以下の温度で運転され、かつ、燃料改質装置（PEFC）に出入りするガスの水蒸気濃度が高いため、凝縮水が発生し、この凝縮水量も変動する。この凝縮水を配管内に放置すれば、PEFC内でフラッデイングを起こしPEFC性能の低下を招くとともに、補機動力を増大させる原因となる。また、アノード戻りガスに凝縮水が生じたまま、改質器に戻したのでは失火の原因となる。家庭用燃料電池システムにおいて、高効率化のため部分負荷追従運転が行われる。このため、運転の障害となる凝縮水の発生は時々刻々変化しており、凝縮水の回収排出装置もそれに対応して系内のガスを漏らさず、また、系外のガスを混入させないようにして凝縮水を排出しなければならないという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、部分負荷追従運転を行う家庭用燃料電池発電給湯システムにおいて、燃料電池内、燃料処理装置内又は管路内の熱交換器内のガス中に発生する凝縮水を排出でき、また、当該ガスの流出と系外の空気の流入を防止できる燃料電池発電給湯システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、燃料処理装置と燃料電池とを有する燃料電池発電給湯システムにおいて、前記燃料電池の入出のアノードガスライン及びカソードガスラインの内、水蒸気濃度の高い位置に凝縮水回収排出装置を備えるようにしたものである。  
かかる構成により、燃料電池内、燃料処理装置内又は管路内の熱交換器内のガス中に発生する凝縮水を排出できるものとなる。
【０００７】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記凝縮水回収排出装置を、前記アノードガス及びカソードガスラインの熱交換器出口の一部または全てに備えるようにしたものである。
【０００８】
（３）上記（１）において、好ましくは、前記凝縮水回収排出装置を、前記燃料処理装置で製造された燃料ガス（アノードガス）の出口及び戻りアノードガスの燃料処理装置への戻り口の直前に、凝縮水回収排出装置を備えるようにしたものである。
【０００９】
（４）上記（１）において、好ましくは、前記凝縮水回収排出装置を、燃料電池のカソード排ガス出口，アノードガスの入口、またはアノード排ガス出口の一部或いは全てに、凝縮水回収排出装置を備えるようにしたものである。
【００１０】
（５）上記（２）〜（４）のいずれかにおいて、好ましくは、前記凝縮水回収排出装置は、ガス流速を凝縮水液滴の自由落下速度以下に減速し、かつ、凝縮水の落下方向に対してガス流の流れ方向を異ならせる構成としたものである。
【００１１】
（６）上記（２）〜（４）のいずれかにおいて、前記凝縮水回収排出装置は、分離室の底部または下部に設置されたバルブを備え、前記分離室の底部に凝縮水の一部を残してシール材として用いることで、系内のガスを漏らさず系外のガスを混入させずに回収凝縮水を排出するようにしたものである。
【００１２】
（７）上記（６）において、好ましくは、前記凝縮水回収排出装置は、水位計と、この水位計からの信号に基づき、前記バルブを開閉させる制御手段を備えるようにしたものである。
【００１３】
（８）上記（６）において、好ましくは、前記凝縮水回収排出装置は、複数の水位計と、これらの水位計からの信号に基づき、前記バルブを開閉させる制御手段を備えるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、部分負荷追従運転を行う家庭用燃料電池発電給湯システムにおいて、燃料電池内、燃料処理装置内又は管路内の熱交換器内のガス中に発生する凝縮水を排出でき、また、当該ガスの流出と系外の空気の流入を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
最初に、図１を用いて、本発明の一実施形態による燃料電池発電給湯システムの構成について説明する。  
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池発電給湯システムの構成を示すシステム構成図である。
【００１６】
本実施形態による燃料電池発電給湯システムでは、複数の凝縮水回収排出装置６を付設させて、効率の良い運用を図っている。
【００１７】
燃料処理装置１２は、都市ガス１３，空気１４及び戻りアノードガス１５から、水素を含むアノードガス１７と燃焼排ガス１８を発生させる。燃料電池２０は、燃料処理装置１２からのアノードガス１７と、カソードから流入する空気１９とを反応させて発電する。燃料電池冷却水系２２は、貯水槽２１と熱交換器２７−２からなり、燃料電池２０を冷却する。
熱交換器２７−１は、燃料改質装置１２からのアノードガス１７を燃料電池２０のアノードに入るのに適した温度とするために用いられる。熱交換器２７−２は、燃料電池冷却水系２２から熱を回収するために用いられる。熱交換器２７−３は、燃料電池２０へ供給するカソード空気１９を燃料電池２０からのカソード排ガス２４で加熱するために用いられる。熱交換器２７−４は、熱交換器２７−３からのカソード排ガス２６からと、燃料電池２０からのアノード排ガス２５から熱回収するために備えられる。
【００１８】
バルブ２８−１は、燃料電池冷却水２２が熱交換器２７−２をバイパスするためのものである。バルブ２８−２は、水道水２９が熱交換器２７−２をバイパスするためのものである。
【００１９】
さらに、本実施形態においては、凝縮水が発生する個所に設置された凝縮水回収排出装置６−１，６−２，…，６−８を備えている。凝縮水回収排出装置６−１は、熱交換器２７−１の下流に設置され、アノードガス１７から凝縮水を回収し、排出する。凝縮水回収排出装置６−２は、燃料電池２０の下流に設置され、戻りアノードガス２５から凝縮水を回収し、排出する。凝縮水回収排出装置６−３は、燃料処理装置１２の上流に設置され、戻りアノードガスガス１５から凝縮水を回収し、排出する。凝縮水回収排出装置６−４は、燃料電池２０の下流に設置され、ソードオフガス２４から凝縮水を回収し、排出する。凝縮水回収排出装置６−５は、熱交換器２７−３の下流に設置され、カソードオフガス２４から凝縮水を回収し、排出する。凝縮水回収排出装置６−６は、燃料電池２０の上流に設置され、アノードガス１７から凝縮水を回収し、排出する。凝縮水回収排出装置６−７は、熱交換器２７−４の下流に設置され、アノードオフガス２５から凝縮水を回収し、排出する。凝縮水回収排出装置６−８は、燃料処理装置１２で製造された燃料ガス（アノードガス）の出口に設置され、アノードガス１７から凝縮水を回収し、排出する。
【００２０】
なお、凝縮水回収排出装置６−１，６−２，…，６−８は、望ましくは、全部設置すべきであるが、配管が短い場合や凝縮水の発生が少ないときは、一部を省略することも可能である。例えば、凝縮水回収排出装置６−６によって、凝縮水回収排出装置６−１をカバーして、凝縮水回収排出装置６−１を省くこともできる。また、凝縮水回収排出装置６−３によって、凝縮水回収排出装置６−７をカバーして、凝縮水回収排出装置６−７を省くこともできる。
【００２１】
次に、本実施形態の燃料電池発電給湯システムの動作について説明する。燃料電池発電給湯システムは、まず燃料処理装置１２により水素リッチなガス１７と空気１９を燃料電池２０内に規定量送り込み、電気化学反応により、直流の電力と熱を発生させる。この熱の一部は、燃料電池冷却水系２２で除去し、残りのカソード排ガス２４の持つ熱は、一部は再び熱交換器２７−３でカソード空気１９に戻し、残りをカソードオフガス２６から熱交換器２７−４で回収する。同時に、燃料電池２０からのアノードオフガス２５からも熱交換器２７−４で回収する。その他の熱源である燃料処理装置１の生成アノードガス１７からは、熱交換器１１−１で排熱回収する。ちなみに、この熱交換器１１−１の出口でアノードガス６は燃料電池９に入る関係上、７０℃付近の温度から大きくずれることは許されない。
【００２２】
これらの熱交換器２７では、排熱回収温度が１００℃以下であり、ガスの水分濃度が高いため、排熱を回収すると、凝縮水を生じる。この凝縮水を放置すると、配管内の圧力損失が増大するばかりでなく燃料電池内でフラッディングを起こしてセルの性能低下を招く。また、アノード戻りガス１５に混入して燃料処理装置１２の中に入ると、燃焼ガスの熱が奪われて燃焼しにくくなるとともに燃焼出来たとしても温度が低くなり排熱回収率が低下する。
【００２３】
そこで、本実施形態では、図中の位置，すなわち、アノードガス及びカソードガスラインの熱交換器出口の一部または全てに、凝縮水回収排出装置６−１，６−２，…，６−８を設置することで、簡便にこの問題を解決し、システム全体の効率を向上することができる。
【００２４】
以上説明したように、本実施形態によれば、低コストで部分負荷運転に安定して追従でき、かつ、燃料電池の性能劣化を招かないで、経済的な運転が可能となる。
【００２５】
次に、図２を用いて、本発明の他の実施形態による燃料電池発電給湯システムの構成について説明する。  
図２は、本発明の他の実施形態による燃料電池発電給湯システムの構成を示すシステム構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００２６】
本実施形態では、図１に示した燃料電池発電給湯システムから、熱交換器２７−３を取り去り、それに伴い凝縮水回収排出装置６−５を取り去ったものである。カソード空気の流量が小さいと、空気１９が燃料電池２０に向かう途中の配管で燃料電池２０からの伝導熱により昇温されるため、図２に示した構成としても、実施可能である。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態によれば、低コストで部分負荷運転に安定して追従でき、かつ、燃料電池の性能劣化を招かないで、経済的な運転が可能となる。また、燃料電池発電給湯システムの構成を簡単にすることができる。
【００２８】
なお、本発明は、燃料電池システムに限らず、凝縮水が発生し回収除去しなければならないシステムにも利用できる。
【００２９】
次に、図３を用いて、本発明の各実施形態による燃料電池発電給湯システムに用いる凝縮水回収排出装置の第１の構成について説明する。  
図３は、本発明の一実施形態による燃料電池発電給湯システムに用いる凝縮水回収排出装置の第１の構成を示す構成図である。
【００３０】
凝縮水回収排出装置６は、分離室１と、電磁弁５と、制御装置８と、水位計１０とから構成されている。分離室１には、上部に接続された配管２から凝縮水を含むガス流が流入し、凝縮水を含むガス流から凝縮水を分離する。凝縮水を除去した後のガスは、分離室１の上部に接続された配管３からが他の部位に移動するために流出する。配管４は、分離室１の下部に接続され、凝縮水を系外に排出するために用いられる。電磁弁５は、配管４の下部に設けられ、分離室４に蓄積された凝縮水を排出させるために用いられる。排出される凝縮水は、電磁弁５の下流の配管７を経て、凝縮水タンク（図示せず）等に送る。
【００３１】
水位計取付け用配管９は、分離室１の下部に接続された配管４と分離室１の上部側とを接続するように設置され、その一部又は全面がガラス又はアクリル等の透明部材からなる。水位計取付け用配管９には、水位計１０が取り付けられる。水位計１０は、分離室１内の水位を水位計取付け用配管９の透明部分から検知し、検知信号を発する。制御装置８は、水位計１０からの信号を得て、電磁弁５の開閉を制御する。
【００３２】
なお、電磁弁５は、必ずしも電磁弁である必要はなく、空気圧または流体圧作動弁でもよいものである。
【００３３】
以上のように構成された凝縮水排出回収装置６では、まず、熱交換器（図示せず）等から流出した凝縮水を含むガス流は配管２を通り、分離室１に入る。分離室１の断面積は、配管２の断面積の１０倍以上となっており、分離室１に入ったガス流の流速は、１０分の１以下に低下する。そして、凝縮水液滴の自由落下速度よりも低下させる。液滴のサイズが１ｍｍの場合、自由落下速度は４００ｃｍ／ｓであり、液滴のサイズが２ｍｍの場合、自由落下速度は６００ｃｍ／ｓである。したがって、配管２を流れる流速が３００ｃｍ／ｓの場合、分離室１の断面積を配管２の断面積の１０倍以上とすると、分離室１に入ったガス流の流速を１０分の１以下，３０ｃｍ／ｓとなり、液滴とガスを完全に分離することができる。また、分離室１内において、配管２は、鉛直方向した向きに設けられ、液滴は図面の下方向に落下するのに対して、ガス流は上方に移動するため、ガス流の流れ方向が液滴の落下方向に対して１８０度異なっている。このようにガス流の流れ方向と液滴の方向とを変えることにより、両者の分離を容易に行える。このとき、ガス流の流れ方向と液滴の落下方向を９０度以上変えると、凝縮水の分離性能が向上する。これにより、凝縮水を分離したガス流は、凝縮水水滴が落下するのに十分な時間を分離室１内に滞留し、分離室１内を上昇して配管３より分離室１を出て目的の部位に向かう。その際、ガス流から離した凝縮水は、分離室１の下部に溜まる。
【００３４】
分離室１の下部に溜まった凝縮水の水位は、水位計取付け用配管９を介して水位計１０に光学的あるいは電気的に検知される。所定の水位になると、水位計１０からの水位検知信号は、制御装置８に入力する。制御装置８は、水位計１０からの検知信号を受けると、電磁弁５に開信号を送り、電磁弁５が開いて、蓄積した凝縮水が排出される。凝縮水が排出されて水位計の検知信号がオフとなると、制御装置８内から閉信号が送られて電磁弁５が閉となる。この際、分離室の下部には、凝縮水を完全に排除せずに僅かな量を残して系内のガスとバルブの開閉部及びシール部が直接接触せずに水を介して接触するようにして、系内外のガスを接触させないように運転する。
【００３５】
なお、水位計１０の検知信号がオンになると電磁弁５を開き、検知信号がオフになると電磁弁５を閉じる方式で頻繁に電磁弁５がオンオフを繰り返すほど凝縮水の発生水量が多い場合には、検知信号がオンになった時、電磁弁５を開くとともに、タイマー等を用いて所定時間経過後に、電磁弁５を閉じるようにしてもよいものである。
【００３６】
なお、凝縮水排水装置として、蒸気配管等で使用されているフロート式の凝縮水排水装置を用いることも検討したが、家庭用燃料電池システムのように流量が極めて少量であり、かつ、ガスの圧力が殆ど常圧の場合、フロートをシールに押し付ける圧力も小さく、微量なガス漏れが発生する恐れがある。水素ガスを含むガスを取り扱う装置においては、ガス量が微量とはいえ、安全性の面での着実な配慮が必要と考える。その点、本実施形態のように、分離室の下部にある程度の量の水を残留させてシールすることにより、ガス漏れを効果的に防止することができる。
【００３７】
以上のように、凝縮水の蓄積量を測ることにより電磁弁を開閉して凝縮水を排出するので、部分負荷追従運転による凝縮量の増減に関わりなくガスを系外に放出せず、また、系外の空気を入れずに確実に運転できる。したがって、発生した凝縮水を効果的に回収排水しガス漏れや空気の混入を防止できるので、安全で効率の高いシステムを得ることができる。
【００３８】
次に、図４を用いて、本発明の各実施形態による燃料電池発電給湯システムに用いる凝縮水回収排出装置の第２の構成について説明する。  
図４は、本発明の一実施形態による燃料電池発電給湯システムに用いる凝縮水回収排出装置の第２の構成を示す構成図である。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。
【００３９】
本例では、図３の構成に加えて、水位計１１が追加されている。凝縮水が溜まり水位計１１の設定水位を越えたとき、水位計１１から制御装置８に信号が送られ、その信号により制御装置８で電磁弁５を開操作する。これにより、凝縮水が排出されて水位が下がり、水位計１０の設定水位より下がると、水位計１０から制御装置８に信号が送られ、その信号により制御装置８で電磁弁５に閉操作を行う。これにより、分離室の下部には、凝縮水を完全に排除せずに僅かな量を残して系内のガスとバルブの開閉部及びシール部が直接接触せずに水を介して接触するようにして、一定の凝縮水をシール材として保持できるのでより安全なシステムを構築できる。
【００４０】
以上の構成により、発生した凝縮水を効果的に回収排水しガス漏れや空気の混入を防止できるので、安全で効率の高いシステムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池発電給湯システムの構成を示すシステム構成図である。
【図２】本発明の他の実施形態による燃料電池発電給湯システムの構成を示すシステム構成図である。
【図３】本発明の一実施形態による燃料電池発電給湯システムに用いる凝縮水回収排出装置の第１の構成を示す構成図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池発電給湯システムに用いる凝縮水回収排出装置の第２の構成を示す構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…分離室
２…配管
３…配管
４…配管
５…電磁弁
６…凝縮水回収排出装置
７…配管
８…制御装置
９…水位計取り付け用配管
１０…水位計
１１…水位計
１２…燃料処理装置
１３…都市ガス
１４…空気
１５…戻りアノードガス
１７…アノードガス
１８…燃焼排ガス
１９…カソード空気
２０…燃料電池
２１…貯水槽
２２…燃料電池冷却水系
２４…カソード排ガス
２５…アノード排ガス
２６…カソード排ガス
２７…熱交換器
２８…バルブ
２９…水道水
【図１】
2005197108.tif 000003
【図２】
2005197108.tif 000004
【図３】
2005197108.tif 000005
【図４】
2005197108.tif 000006