(57)【要約】【課題】外部へのクリーンな排気をより安定的かつ容易に実現することの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１は、燃料電池ユニット１０、水素生成装置２０、凝縮部３０と、一端が燃料電池ユニット１０のアノード反応ガスの排出口に接続され他端が凝縮部３０に接続された第１排ガスライン４０、一端が凝縮部３０に接続され他端が水素生成装置２０の加熱部に接続されたアノード排ガスをバーナの燃料として供給するための第２排ガスライン５０を有する。第２排ガスライン５０は、凝縮部３０から水素生成装置２０へ向けて、重力方向Ｙ１に垂直な方向Ｘに対して傾斜した方向Ｚにのびる第２部分ガスライン５２を含む構成を有する。【選択図】図１
2012209176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードとカソードと前記アノードと前記アノードとの間に配置される電解質膜とを含む膜電極接合体と、水素を含むアノード反応ガスを前記アノードに供給するアノード反応ガス流路と、酸素を含むカソード反応ガスを前記カソードに供給するカソード反応ガス流路と、を含む燃料電池ユニットと、
原料を化学反応させて前記アノード反応ガスを生成する反応部と、前記反応部を加熱して当該反応部の温度を調節するバーナを含む加熱部と、を含んでおり、前記燃料電池ユニットの前記アノード反応ガス流路に前記アノード反応ガスを供給する水素生成装置と、
前記燃料電池ユニットの前記アノード反応ガス流路の排出口から排出される水分及び水素を含む排ガス中の前記水分の少なくとも一部を凝縮させる凝縮器を有する凝縮部と、
一端が前記燃料電池ユニットの前記アノード反応ガス流路の前記排出口に接続されており、他端が前記凝縮部の前記凝縮器に接続された第１排ガスラインと、
一端が前記凝縮部の前記凝縮器に接続されており、他端が前記水素生成装置の前記加熱部に接続されており、前記排ガスを前記バーナの燃料として供給するための第２排ガスラインと、
を少なくとも備えており、
前記第２排ガスラインは、重力方向に略平行な方向にのびる第１部分ガスラインと、前記凝縮部から前記水素生成装置へ向けて前記重力方向と交わる方向にのびる第２部分ガスラインと、を含む構成を有しており、
前記第２部分ガスラインは、前記重力方向に垂直な方向に対して傾斜した方向にのびるように設けられている、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２部分ガスラインが、２つのガスラインが継手部材により接続された構成を有している、請求項１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、燃料電池を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
家庭用燃料電池システムは、その実用化と普及のために様々な技術開発が行われている。
【０００３】
従来、家庭用燃料電池システムにおいては、燃料電池（燃料電池ユニット）のアノードから排出されるアノードオフガス（水分及び水素を含む排ガス）を有効利用するための構成が採用されている。
【０００４】
例えば、下記特許文献１に記載の燃料電池システムのように、燃料電池ユニット（燃料電池）のアノードから排出される水分及び水素を含む排ガス（アノードオフガス）を、凝縮器（アノードオフガス凝縮器）を通過させ、凝縮水（アノードオフガス凝縮水）を分離した後、水素生成装置の燃焼用ガスの一部として供給する構成が採用されている（例えば、特許文献１、図１を参照）。
【０００５】
なお、下記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、凝縮部として凝縮器（アノードオフガス凝縮器）と、凝縮器で発生させた凝縮水（アノードオフガス凝縮水）を気相から分離するための気液分離装置とを有する構成を採用している。更に、分離された凝縮水（アノードオフガス凝縮水）を凝縮水タンクに回収する構成を採用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−９１３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、アノードから排出される水分及び水素を含む排ガスを水素生成装置の燃焼用ガスの一部として利用する構成を採用した上述の従来技術の場合であっても、バーナに供給される排ガスの流れが乱れてバーナでの燃焼状態が不安定になり、燃焼不良が起きて一酸化炭素が発生する場合があり、外部へのクリーンな排気を行う観点からは未だ改善の余地があることを本発明者らは実験により見出した。
【０００８】
本発明は、上記従来技術の課題を鑑みてなされたものであり、外部へのクリーンな排気をより安定的かつ容易に実現することの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】
【０００９】
本発明者らは、従来技術を解決するために鋭意検討をした結果、上述の課題の主な原因が以下のことであることを見出した。
【００１０】
すなわち、アノードから排出される水分及び水素を含む排ガスを凝縮器に導入し、当該排ガス中の水分の一部を除去した場合であっても、凝縮器から排出される排ガスには凝縮器の温度での飽和水蒸気圧に略相当する水蒸気が含まれている。そして、凝縮器から水素生成装置に至るガスラインを移動する最中に冷やされた場合に、当該水蒸気が結露してできた水（液体状態）がこのガスライン中に溜まることにより、更にはガスライン中を閉塞
することにより、バーナに供給される排ガスの流れが乱れることが原因となっていることを見出し、本発明に到達した。
【００１１】
すなわち、上述の従来技術を解決するために、本発明は、アノードとカソードと前記アノードと前記アノードとの間に配置される電解質膜とを含む膜電極接合体と、水素を含むアノード反応ガスを前記アノードに供給するアノード反応ガス流路と、酸素を含むカソード反応ガスを前記カソードに供給するカソード反応ガス流路と、を含む燃料電池ユニットと、原料を化学反応させて前記アノード反応ガスを生成する反応部と、前記反応部を加熱して当該反応部の温度を調節するバーナを含む加熱部と、を含んでおり、前記燃料電池ユニットの前記アノード反応ガス流路に前記アノード反応ガスを供給する水素生成装置と、前記燃料電池ユニットの前記アノード反応ガス流路の排出口から排出される水分及び水素を含む排ガス中の前記水分の少なくとも一部を凝縮させる凝縮器を有する凝縮部と、一端が前記燃料電池ユニットの前記アノード反応ガス流路の前記排出口に接続されており、他端が前記凝縮部の前記凝縮器に接続された第１排ガスラインと、一端が前記凝縮部の前記凝縮器に接続されており、他端が前記水素生成装置の前記加熱部に接続されており、前記排ガスを前記バーナの燃料として供給するための第２排ガスラインと、を少なくとも備えており、前記第２排ガスラインは、重力方向に略平行な方向にのびる第１部分ガスラインと、前記凝縮部から前記水素生成装置へ向けて前記重力方向と交わる方向にのびる第２部分ガスラインと、を含む構成を有しており、前記第２部分ガスラインは、前記重力方向に垂直な方向に対して傾斜した方向にのびるように設けられている、燃料電池システムを提供する。
【００１２】
これにより、本発明の燃料電池システムでは、凝縮器から水素生成装置に至るガスライン中に水（液体状態）が溜まること、更にはガスライン中が水（液体状態）で閉塞されることを十分に防止することができ、従来の燃料電池システムよりも外部へのクリーンな排気をより安定的かつ容易に実現することができるようになる。
【００１３】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池システムによれば、凝縮器から水素生成装置に至るガスライン中に水（液体状態）が溜まること、更にはガスライン中が水（液体状態）で閉塞されることを十分に防止することができ、従来の燃料電池システムよりも外部へのクリーンな排気をより安定的かつ容易に実現することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図
【図２】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図
【図３】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図
【図４】本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について具体的に詳細に説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、そ
の他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００１７】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。以下、図１に示す第１実施形態の燃料電池システム１について説明する。
【００１８】
図１に示すように、第１実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池ユニット１０と、この燃料電池ユニット１０のアノード（図示せず）にアノード反応ガスを供給するための水素生成装置２０と、燃料電池ユニット１０から排出される水分及び水素を含む排ガス（アノード排ガス）中の水分の少なくとも一部を凝縮させる凝縮器（図示せず）を有する凝縮部３０と、を含む構成を有する。
【００１９】
ここで、燃料電池ユニット１０は、アノード（図示せず）と、カソード（図示せず）と、アノードとアノードとの間に配置される電解質膜とを含む膜電極接合体（図示せず）が複数配置された構成を有する。また、燃料電池ユニット１０は、水素を含むアノード反応ガスをアノードに供給するアノード反応ガス流路（図示せず）と、酸素を含むカソード反応ガスをカソードに供給するカソード反応ガス流路（図示せず）とが形成された構成を有する。
【００２０】
更に、水素生成装置２０は、原料を化学反応させてアノード反応ガスを生成する反応器（図示せず）を有する反応部（図示せず）と、反応部を加熱して当該反応部の温度を調節するバーナ（図示せず）を含む加熱部（図示せず）とを含む構成を有する。
【００２１】
また、図１に示すように、第１実施形態に係る燃料電池システム１には、一端が燃料電池ユニット１０のアノード反応ガス流路の排出口に接続されており、他端が凝縮部３０の凝縮器に接続された第１排ガスライン４０が設けられている。
【００２２】
更に、第１実施形態に係る燃料電池システム１には、一端が凝縮部３０の凝縮器に接続されており、他端が水素生成装置２０の加熱部に接続されており、アノード排ガスをバーナの燃料として供給するための第２排ガスライン５０が設けられている。
【００２３】
この第２排ガスライン５０は、略コの字状に屈曲した構造を有している。より具体的には、図１に示すように、第２排ガスライン５０は、重力方向Ｙ１に略平行な方向Ｙ２にのびるガスライン５１（第１部分ガスライン）、及び、重力方向Ｙ１に略平行な方向Ｙ３にのびるガスライン５３（第１部分ガスライン）と、ガスライン５１及びガスライン５３をつなぐように凝縮部３０から水素生成装置２０へ向けて重力方向Ｙ１と交わる方向Ｚにのびるガスライン５２（第２部分ガスライン）と、を含む構成を有している。
【００２４】
ここで、ガスライン５２（第２部分ガスライン）は、重力方向Ｙ１に垂直な方向Ｘに対して傾斜した方向Ｚにのびるように設けられている。
【００２５】
本第１実施形態に係る燃料電池システム１では、上記のガスライン５２（第２部分ガスライン）を設けていることにより、第２排ガスライン５０中に水（液体状態）が溜まること、更には第２排ガスライン５０中が水（液体状態）で閉塞されることを十分に防止することができ、従来の燃料電池システムよりも外部へのクリーンな排気をより安定的かつ容易に実現することができるようになる。
【００２６】
より具体的には、凝縮部３０の凝縮器から排出される排ガスには凝縮器の温度での飽和水蒸気圧に略相当する水蒸気が含まれている。そして、凝縮器から水素生成装置２０に至
る第２排ガスライン５０を移動する最中に冷やされ、当該水蒸気が結露した場合であっても、水蒸気が結露してできた水（液体状態）は、ガスライン５１及びガスライン５３においては重力方向Ｙ１にそって移動（落下）し、ガスライン５２においてもその傾斜にそって下方に流されることになる。そのため、第２排ガスライン５０中を当該水蒸気が結露してできた水（液体状態）が、第２排ガスライン５０中に溜まることや、第２排ガスライン５０中を閉塞することによる、バーナに供給される排ガスの流れの乱れの発生を十分に防止することができる。
【００２７】
そのため、水素生成装置２０のバーナの燃焼不良を十分に防止し、一酸化炭素の発生も十分に低減できる。
【００２８】
なお、ガスライン５２の傾斜角度（方向Ｘと方向Ｚとのなす角の角度）は、ゼロ度を超える角度であって上述の本発明の効果が得られる範囲で設定できるが、燃料電池ユニット１０、水素生成装置２０、凝縮部３０などの燃料電池システム１の構成要素をコンパクトに筐体（図示せず）内に設置するためのガスラインの配管を考慮する観点などからは、３０度以下が好ましく、１５度以下がより好ましく、１０度以下が更に好ましい。
【００２９】
本発明者等は、上記のような比較的小さな傾斜角度であっても、水（液体状態）が、第２排ガスライン５０中に溜まることや、第２排ガスライン５０中を閉塞することを防止可能であり、水素生成装置２０のバーナの燃焼不良を十分に防止し、一酸化炭素の発生も十分に低減できることを実験的に確かめている。
【００３０】
（第２実施形態）
次に、本発明の燃料電池システムの第２実施形態について説明する。図２は、第２実施形態の燃料電池システム２の概略構成を模式的に示すブロック図である。
【００３１】
この第２実施形態に係る燃料電池システム２は、図１に示した第１実施形態の燃料電池システム１におけるガスライン５１の中途に継手部材６０が配置された構成を有していること以外は、第１実施形態の燃料電池システム１と同様の構成を有している。
【００３２】
すなわち、燃料電池システム２のガスライン５１は、継手部材６０を介して２つのガスラインが接続された構成とされている。
【００３３】
このように、ガスラインの配管の都合で継手部材６０を使用せざるを得ない構成であっても、当該継手部材６０は、水蒸気が結露してできた水（液体状態）は、ガスライン５１において重力方向Ｙ１にそって移動（落下）し、流されることになる。
【００３４】
そのため、第２実施形態に係る燃料電池システム２は、先に述べた第１実施形態に係る燃料電池システム１と同様の作用効果を得ることができる。
【００３５】
（第３実施形態）
次に、本発明の燃料電池システムの第３実施形態について説明する。図３は、第３実施形態の燃料電池システム３の概略構成を模式的に示すブロック図である。
【００３６】
この第３実施形態に係る燃料電池システム３は、図１に示した第１実施形態の燃料電池システム１における第２排ガスライン５０と異なる構造の第２排ガスライン５０Ａが設けられた構成を有していること以外は、第１実施形態の燃料電池システム１と同様の構成を有している。
【００３７】
すなわち、図３に示した燃料電池システム３の第２排ガスライン５０Ａは、図１に示し
た第２排ガスライン５０に比較して、ガスライン５２とガスライン５３との間に更に、重力方向Ｙ１に略平行な方向Ｙ４に伸びるガスライン５４（第１部分ガスライン）と、ガスライン５４及びガスライン５３をつなぐように凝縮部３０から水素生成装置２０へ向けて重力方向Ｙ１と交わる方向Ｚ２にのびるガスライン５５（第２部分ガスライン）と、が更に接続された構成とされている。
【００３８】
ここで、ガスライン５２（第２部分ガスライン）は、重力方向Ｙ１に垂直な方向Ｘに対して傾斜した方向Ｚにのびるように設けられている。また、ガスライン５５（第２部分ガスライン）も、重力方向Ｙ１に垂直な方向Ｘに対して傾斜した方向Ｚ２にのびるように設けられている。
【００３９】
なお、ガスライン５２の傾斜角度（方向Ｘと方向Ｚとのなす角の角度）と、ガスライン５５の傾斜角度（方向Ｘと方向Ｚ２とのなす角の角度）は、ゼロ度を超える角度であれば、同じであっても異なっていてもよい。
【００４０】
これらガスライン５２及びガスライン５５においても、第１実施形態に係る燃料電池システム１におけるガスライン５２と同様の作用効果を得ることができる。
【００４１】
すなわち、本第３実施形態に係る燃料電池システム３でも、上記のガスライン５２（第２部分ガスライン）及びガスライン５５（第２部分ガスライン）を設けていることにより、第２排ガスライン５０中に水（液体状態）が溜まること、更には第２排ガスライン５０中が水（液体状態）で閉塞されることを十分に防止することができ、従来の燃料電池システムよりも外部へのクリーンな排気をより安定的かつ容易に実現することができるようになる。
【００４２】
（第４実施形態）
次に、本発明の燃料電池システムの第４実施形態について説明する。図４は、第４実施形態の燃料電池システム４の概略構成を模式的に示すブロック図である。
【００４３】
この第３実施形態に係る燃料電池システム３は、図３に示した第３実施形態の燃料電池システム１における第２排ガスライン５０Ａと異なる構造の第２排ガスライン５０Ｂが設けられた構成を有していること以外は、第３実施形態の燃料電池システム３と同様の構成を有している。
【００４４】
すなわち、図４に示した燃料電池システム４の第２排ガスライン５０Ｂは、ガスライン５４とガスライン５３との間に配置されているガスライン５６（第２部分ガスライン）の傾斜の状態が、図３に示した第２排ガスライン５０Ａのガスライン５５に比較して、逆の状態とされている。より詳しくは、図４に示したガスライン５６（第２部分ガスライン）は水素生成装置２０に近い側の一端のほうが他端よりも重力方向において高い位置になっている。一方、図３に示したガスライン５５（第２部分ガスライン）は水素生成装置２０に近い側の一端のほうが他端よりも重力方向において低い位置になっている。
【００４５】
ここで、ガスライン５２（第２部分ガスライン）は、重力方向Ｙ１に垂直な方向Ｘに対して傾斜した方向Ｚにのびるように設けられている。また、ガスライン５６（第２部分ガスライン）も、重力方向Ｙ１に垂直な方向Ｘに対して傾斜した方向Ｚ３にのびるように設けられている。
【００４６】
なお、ガスライン５２の傾斜角度（方向Ｘと方向Ｚとのなす角の角度）と、ガスライン５６の傾斜角度（方向Ｘと方向Ｚ２とのなす角の角度）は、ゼロ度を超える角度であれば、同じであっても異なっていてもよい。
【００４７】
これらガスライン５２及びガスライン５６においても、第１実施形態に係る燃料電池システム１におけるガスライン５２と同様の作用効果を得ることができる。
【００４８】
すなわち、本第３実施形態に係る燃料電池システム３でも、上記のガスライン５２（第２部分ガスライン）及びガスライン５５（第２部分ガスライン）を設けていることにより、第２排ガスライン５０中に水（液体状態）が溜まること、更には第２排ガスライン５０中が水（液体状態）で閉塞されることを十分に防止することができ、従来の燃料電池システムよりも外部へのクリーンな排気をより安定的かつ容易に実現することができるようになる。
【００４９】
（変形態様）
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００５０】
例えば、上述の第１実施形態の燃料電池システム１〜第４実施形態の燃料電池システム４においては、重力方向において、燃料電池ユニット１０及び水素生成装置２０が凝縮部３０よりも高い位置となるように配置される場合について説明した。しかし、本発明においては、燃料電池ユニット１０、水素生成装置２０、凝縮部３０などの燃料電池システムの構成要素の筐体内の位置関係は、特に限定されない。例えば、燃料電池ユニット１０及び水素生成装置２０が凝縮部３０よりも低い位置に配置される構成としてもよい。この場合であっても本発明の作用効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の燃料電池システムは、凝縮器から水素生成装置に至るガスライン中に水（液体状態）が溜まること、更にはガスライン中が水（液体状態）で閉塞されることを十分に防止することができるようになる。
【００５２】
そのため、本発明の燃料電池システムは、従来の燃料電池システムよりも外部へのクリーンな排気をより安定的かつ容易に実現することができるようになるので、燃料電池の分野で有用である。
【符号の説明】
【００５３】
１  燃料電池システム
２  燃料電池システム
３  燃料電池システム
４  燃料電池システム
１０  燃料電池ユニット
２０  水素生成装置
３０  凝縮部
４０  第１排ガスライン
５０  第２排ガスライン
５０Ａ  第２排ガスライン
５０Ｂ  第２排ガスライン
５１  ガスライン（第１部分ガスライン）
５２  ガスライン（第２部分ガスライン）
５３  ガスライン（第１部分ガスライン）
５４  ガスライン（第１部分ガスライン）
５５  ガスライン（第２部分ガスライン）
６０  継手部材
【図１】
2012209176.tif 000003
【図２】
2012209176.tif 000004
【図３】
2012209176.tif 000005
【図４】
2012209176.tif 000006