JP6872836B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、改質器で生成された改質ガスの一部を脱硫器に環流させる環流ラインを備える燃料電池システムに関する。

従来、この種の燃料電池システムとしては、超高次脱硫剤を収容して燃料ガス中の硫黄成分を除去する脱硫器と、脱硫された燃料ガスを水素を含む改質燃料ガス（改質ガス）に改質する改質器と、改質燃料ガスと酸化剤ガスとの酸化・還元によって発電を行なう燃料電池セルスタックと、改質器で改質された改質燃料ガスの一部を脱硫器へ戻すリサイクル流路（還流ライン）と、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。リサイクル流路には、外気との熱交換により改質燃料ガスを冷却する熱交換器と、熱交換により凝縮された改質燃料ガス中の水分（凝縮水）を溜めるリキッドドレイナとが配設され、リキッドドレイナからのドレン水は、排水流路（排水ライン）を通して外部へ排出されるようになっている。

特開２０１１−１５９４８５号公報

ところで、こうした改質ガスの凝縮水を排出するための排水ラインを備える燃料電池システムにおいては、還流ラインから排水ラインを介して改質燃料ガス（水素）が外部へ排出されないようにするために排水ラインにフロート式のドレンバルブを設置することが考えられる。ドレンバルブは、還流ラインに凝縮水が溜まっていない状態では閉弁して改質燃料ガス（水素）の排出を防止し、還流ラインに凝縮水が溜まると、フロートが浮いて開弁することで、溜まった凝縮水を外部へ排水する。但し、こうしたドレンバルブを設置することは、システムを複雑化させ、コストの増加を招いてしまう。

本発明の燃料電池システムは、簡易な構成で、還流ラインを流れる改質ガスが外部へ漏れるのを防止することを主目的とする。

本発明の燃料電池システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の第１の燃料電池システムは、水素を含む改質ガスと酸素を含む酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給装置と、前記原燃料ガスに含まれる硫黄分を水素を用いて脱硫する脱硫器と、水を蓄える水タンクと、前記脱硫器で脱硫された原燃料ガスを前記水タンク内の水を用いて改質して前記改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された改質ガスの一部を前記脱硫器に環流させる環流ラインと、前記環流ライン内の改質ガスに含まれる水分を排出する排水ラインと、前記排水ラインに設けられ、滞留する水によって前記排水ラインを水封する水封部と、水源から給水弁を介して前記水タンクへ水を供給する給水ラインと、前記給水ラインにおける前記給水弁と前記水タンクとの間に設けられた水精製器と、前記給水ラインの前記水精製器の上流側で分岐し、前記給水ラインを流れる水の一部を前記水封部に供給する分岐ラインと、前記給水弁を制御する制御装置と、を備えることを要旨とする。

この本発明の第１の燃料電池システムでは、原燃料ガス供給装置と脱硫器と水タンクと改質器とを備えるものにおいて、改質器で生成された改質ガスの一部を脱硫器に環流させる環流ラインと、環流ライン内の改質ガスに含まれる水分を排出する排水ラインと、排水ラインに設けられ滞留する水によって排水ラインを水封する水封部と、水源から給水弁を介して水タンクへ水を供給する給水ラインと、給水ラインにおける給水弁と水タンクとの間に設けられた水精製器と、給水ラインの水精製器の上流側で分岐し給水ラインを流れる水の一部を水封部に供給する分岐ラインとを設ける。これにより、水タンクへの給水に伴って水封部に水を供給して排水ラインを水封することができる。この結果、簡易な構成で、還流ラインを流れる改質ガスが外部へ漏れるのを防止することができる。ここで、「水封部」は、Ｕ字状に屈曲して水を滞留可能なＵ字部を例示することができる。

こうした本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記給水ラインを流れる水の流量を少なくとも２段階に変化させて前記水タンクと前記水封部とに水が供給されるよう前記給水弁を制御するものとしてもよい。こうすれば、給水ラインを流れる水の流量を比較的多くすることで、給水ラインの水位を分岐ラインの分岐位置を超えてオーバーフローさせ、オーバーフローさせた水を水封部に供給することができる。また、給水ラインを流れる水の流量を比較的少なくすることで、給水ラインの水位を分岐ラインの分岐位置よりも下げ、給水ラインの水が分岐ラインへ流れ込むのを抑制しつつ、水タンクに水を供給することができる。

また、本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記水精製器は、前記水タンクの所定水位よりも低い位置に設けられるものとしてもよい。こうすれば、水精製器の上部まで水を満たすことができるため、システム運転中に仮に改質ガスが排水ラインを介して給水ラインに流入した場合であっても、改質ガスが水精製器に触れないようにして水精製器の劣化を抑制することができる。

さらに、本発明の第１の燃料電池システムにおいて、可燃ガスのガス漏れを検出するための可燃ガスセンサを備え、前記制御装置は、前記可燃ガスセンサによりガス漏れが検出されたとき、前記水封部に水が供給されるよう前記給水弁を制御するものとしてもよい。こうすれば、システムの運転中に排水ライン（水封部）が水封されていない場合には、改質ガスが排水ラインを介して外部へ排出されるため、可燃ガスセンサを用いて排水ラインの水封の有無を判断することができる。そして、可燃ガスセンサによりガス漏れが検出された場合に水封部に水を供給するから、排水ラインをより確実に水封して以降のガス漏れを防止することができる。この態様の本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記可燃ガスセンサによりガス漏れが検出されたときに前記水封部に水が供給されるよう前記給水弁を制御したにも拘わらず前記可燃ガスセンサによるガス漏れの検出が継続されると、システムの運転を停止するものとしてもよい。こうすれば、排水ラインが水封されていないこと以外の何らかの異常によってガス漏れが発生したと判断してシステムの運転を停止するから、安全性を確保することができる。

本発明の第２の燃料電池システムは、水素を含む改質ガスと酸素を含む酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給装置と、前記原燃料ガスに含まれる硫黄分を水素を用いて脱硫する脱硫器と、水を蓄える水タンクと、前記脱硫器で脱硫された原燃料ガスを前記水タンク内の水を用いて改質して前記改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された改質ガスの一部を前記脱硫器に環流させる環流ラインと、前記環流ライン内の改質ガスに含まれる水分を排出する排水ラインと、前記排水ラインに設けられ、滞留する水によって前記排水ラインを水封する水封部と、水源から給水弁を介して前記水タンクへ水を供給する給水ラインと、前記給水ラインにおける前記給水弁と前記水タンクとの間に設けられた水精製器と、前記水タンクからオーバーフローした水を前記水封部に供給するオーバーフローラインと、前記給水弁を制御する制御装置と、を備えることを要旨とする。

この本発明の第２の燃料電池システムでは、原燃料ガス供給装置と脱硫器と水タンクと改質器とを備えるものにおいて、改質器で生成された改質ガスの一部を脱硫器に環流させる環流ラインと、環流ライン内の改質ガスに含まれる水分を排出する排水ラインと、排水ラインに設けられ滞留する水によって排水ラインを水封する水封部と、水源から給水弁を介して水タンクへ水を供給する給水ラインと、給水ラインにおける給水弁と水タンクとの間に設けられた水精製器と、水タンクからオーバーフローした水を水封管に供給可能なオーバーフローラインとを設ける。これにより、水タンクへの給水時に水タンクをオーバーフローさせることで水封部に水を供給することができる。この結果、簡易な構成で、還流ラインを流れる改質ガスが外部へ漏れるのを防止することができる。ここで、「水封部」は、Ｕ字状に屈曲して水を滞留可能なＵ字部を例示することができる。

こうした本発明の第２の燃料電池システムにおいて、前記水精製器には、該水精製器を通過した水を前記水タンクへ吐出する吐出管が連結され、前記吐出管は、吐出口が前記水タンク内の水に浸漬される位置まで延在されているものとしてもよい。こうすれば、システム運転中に仮に排水ラインからオーバーフローラインを介して水タンク内に改質ガスが流入した場合であっても、改質ガスが水精製器に触れることがなく、水精製器の劣化を抑制することができる。

また、本発明の第２の燃料電池システムにおいて、可燃ガスのガス漏れを検出するための可燃ガスセンサを備え、前記制御装置は、前記可燃ガスセンサによりガス漏れが検出されたとき、前記水タンクをオーバーフローさせて前記水封部に水が供給されるよう前記給水弁を制御するものとしてもよい。こうすれば、システムの運転中に排水ライン（水封部）が水封されていない場合には、改質ガスが排水ラインを介して外部へ排出されるため、可燃ガスセンサを用いて排水ラインの水封の有無を判断することができる。そして、可燃ガスセンサによりガス漏れが検出された場合に水封部に水を供給するから、排水ラインをより確実に水封して以降のガス漏れを防止することができる。この態様の本発明の第２の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記可燃ガスセンサによりガス漏れが検出されたときに前記水封部に水が供給されるよう前記給水弁を制御したにも拘わらず前記可燃ガスセンサによるガス漏れの検出が継続されると、システムの運転を停止するものとしてもよい。こうすれば、排水ラインが水封されていないこと以外の何らかの異常によってガス漏れが発生したと判断してシステムの運転を停止するから、安全性を確保することができる。

第１実施形態の燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図である。 第１実施形態の燃料電池システムが備える自動給水装置７０の構成の概略を示す構成図である。 自動給水装置７０の一部を拡大して示す部分拡大図である。 自動給水制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 ガス漏れ時給水制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 第２実施形態の燃料電池システムが備える自動給水装置１７０の構成の概略を示す構成図である。 自動給水装置１７０の一部を拡大して示す部分拡大図である。 自動給水制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 ガス漏れ時給水制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。

次に、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。

図１は第１実施形態の燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図であり、図２は第１実施形態の燃料電池システムが備える自動給水装置７０の構成の概略を示す構成図である。第１実施形態の燃料電池システム１０は、図１に示すように、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガス（エア）との供給を受けて発電する燃料電池スタックＦＣを有する発電ユニット２０と、発電ユニット２０の発電に伴って発生する熱を回収して給湯する貯湯タンク１０１を有する給湯ユニット１００と、システム全体を制御する制御装置９０とを備える。

発電ユニット２０は、改質水と原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）との供給を受けてこれらを加熱することにより改質水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に原燃料ガスを予熱する気化器３２と、気化器３２からの原燃料ガスを水蒸気改質反応により改質して水素を含む改質ガス（燃料ガス）を生成する改質器３３と、改質器３３から改質ガス供給管３４を介して供給される改質ガスとエアとにより発電する燃料電池スタックＦＣとを含む発電モジュール３０と、気化器３２に原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給装置４０と、燃料電池スタックＦＣにエアを供給するエア供給装置５０と、改質水タンク５７内の改質水を気化器３２に供給する改質水供給装置５５と、発電モジュール３０で発生した排熱を回収する排熱回収装置６０と、改質水タンク５７に必要な水を供給するための自動給水装置７０とを備える。

気化器３２と改質器３３と燃料電池スタックＦＣは、断熱性材料により形成された箱型のモジュールケース３１内に収容されている。モジュールケース３１内には、燃料電池スタックＦＣの起動や、気化器３２における水蒸気の生成、改質器３３における水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼部３５が設けられている。燃焼部３５には燃料電池スタックＦＣを通過した燃料オフガス（アノードオフガス）と酸化剤オフガス（カソードオフガス）とが供給され、これらの混合ガスを点火ヒータ３６により点火して燃焼させることにより、燃料電池スタックＦＣや気化器３２、改質器３３を加熱する。燃料オフガスおよび酸化剤オフガスの燃焼により生成される燃焼排ガスは、燃焼触媒３７を介して熱交換器６２へ供給される。燃焼触媒３７は、燃焼部３５で燃え残った燃料ガスを触媒によって再燃焼させる酸化触媒である。

排熱回収装置６０は、発電モジュール３０から燃焼排ガスが供給される熱交換器６２と貯湯水を貯蔵する貯湯タンク１０１とを接続して貯湯水の循環路を形成する循環配管６１を有する。循環配管６１には、循環ポンプ６３が設けられており、循環ポンプ６３を駆動することにより、熱交換器６２による貯湯水と燃焼排ガスとの熱交換により貯湯水を加温すると共に加温した貯湯水を貯湯タンク１０１へ貯湯する。熱交換器６２は凝縮水供給管６６を介して改質水タンク５７に接続されると共に排気ガス排出管６７を介して外気と接続されている。熱交換器６２に供給された燃焼排ガスは、貯湯水との熱交換により水蒸気成分が凝縮され、凝縮された水（凝縮水）が図示しない水精製器によって浄化されて改質水タンク５７に回収される。また、残りの排気ガス（ガス成分）は、排気ガス排出管６７を介して外気へ排出される。

原燃料ガス供給装置４０は、ガス供給源１と気化器３２とを接続する原燃料ガス供給管４１を有する。原燃料ガス供給管４１には、ガス供給源１側から順に、原燃料ガス供給弁（２連弁）４２，４３、オリフィス４４、原燃料ガスポンプ４５、脱硫器４６が設けられており、原燃料ガス供給弁４２，４３を開弁した状態で原燃料ガスポンプ４５を駆動することにより、ガス供給源１からの原燃料ガスを脱硫器４６を通過させて気化器３２へ供給する。気化器３２へ供給された原燃料ガスは、気化器３２を経て改質器３３へ供給され、改質ガス（燃料ガス）へと改質される。脱硫器４６は、原燃料ガスに含まれる硫黄化合物を水素を用いて除去するものであり、例えば、硫黄化合物を水素と反応させて硫化水素を発生させる水素化分解触媒と、硫化水素を取り込んで除去する超高次脱硫剤とを収容している。水素化分解触媒としては、例えば、Ｃｏ−Ｍｏ系触媒やＮｉ−Ｍｏ系触媒を用いることができ、超高次脱硫剤としては、例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系脱硫剤やＣｕ−Ｚｎ−Ａｌ系脱硫剤を用いることができる。超高次脱硫剤は、２００℃〜３００℃（好ましくは２５０℃〜３００℃）の高温下において優れた脱硫作用を発揮する。このため、脱硫器４６は、燃焼部３５を有するモジュールケース３１から熱伝達可能に当該モジュールケース３１と近接または接触するように配置されている。また、原燃料ガス供給管４１の原燃料ガス供給弁４３とオリフィス４４との間には、当該原料ガス供給管４１内の原燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４７が設けられ、オリフィス４４と原燃料ガスポンプ４５との間には、原料ガス供給管４１を流れる原燃料ガスの単位時間当たりの流量を検出する流量センサ４８が設けられている。

改質器３３で生成された改質ガスを燃料電池スタックＦＣへ供給する改質ガス供給管３４には、改質ガスの一部を脱硫器４６に還流させて脱硫に必要な水素を供給するための還流管（還流ライン）３８が連結されている。還流管３８は、その一端側が改質ガス供給管３４に接続され、その他端側が原燃料ガス供給管４１における原燃料ガスポンプ４５の上流側（図１中、オリフィス４４と原燃料ガスポンプ４５との間）に接続される。還流管３８には、改質ガス供給管３４から脱硫器４６に還流させる改質ガスの流量を調整するためのオリフィス３９が設けられている。

また、還流管３８には、当該還流管３８を流れる際に改質ガスが冷却されて凝縮された凝縮水を排出するための排水管（排水ライン）７６が連結されている。排水管７６は、その一端側が還流管３８におけるオリフィス３９の上流側に接続され、その他端側がＵ字部７６ｕを介して水分を排出するための排水出口部７７とガス成分を排出するための大気開放部７８とに接続されている。Ｕ字部７６ｕは、水が滞留可能にＵ字状に屈曲し、還流管３８を流れる改質ガス中のガス成分（水素）が排水管７６を通って外部（大気開放部７８）へ排出されないよう滞留した水によって排水管７６を水封する水封部である。

エア供給装置５０は、外気と連通するフィルタ５２と燃料電池スタックＦＣとを接続するエア供給管５１を有する。エア供給管５１には、エアブロワ５３が設けられており、エアブロワ５３を駆動することにより、フィルタ５２を介して吸入したエアを燃料電池スタックＦＣへ供給する。また、エア供給管５１には、エアブロワ５３の下流側に、当該エア供給管５１を流れるエアの単位時間当たりの流量を検出する流量センサ５４が設けられている。

改質水供給装置５５は、改質水を貯蔵する改質水タンク５７と気化器３２とを接続する改質水供給管５６を有する。改質水供給管５６には、改質水ポンプ５８が設けられており、改質ポンプ５８を駆動することにより、改質水タンク５７の改質水を気化器３２へ供給する。気化器３２へ供給された改質水は、気化器３２で水蒸気とされ、改質器３３における水蒸気改質反応に利用される。改質水タンク５７には、図２に示すように、タンク内の改質水の水位が所定水位（満水位近傍）に到達したことを検出するための水位センサ５９が設けられている。なお、水位センサ５９は、例えば、水位の上昇に伴ってフロートが上昇し、水位が所定水位に達すると、接点がオンからオフまたはオフからオンするフロート式水位センサを用いることができる。

自動給水装置７０は、図１，図２に示すように、水源（水道配管）と改質水タンク５７とを接続する給水管７１を有する。給水管７１には、水源側から順に、給水弁（電磁弁）７２、逆止弁７３、水精製器７４が設けられており、給水弁７２を開弁することにより、水源からの水道水を水精製器７４を介して改質水タンク５７へ供給する。給水弁７２は、本実施形態では、ノーマルクローズ型の２ポート２ポジション弁であり、１周期に対する開弁時間の割合（デューティ比）を調整することにより、給水管７１へ供給する水の流量を調整することができる。

水精製器７４は、水精製材としてイオン交換樹脂を収容しており、水がイオン交換樹脂の樹脂層を通過することにより水に含まれる不純物を除去して純水化する。水精製器７４は、常時、水に浸漬された状態となるように、改質水タンク５７の所定水位（満水位近傍）よりも低い位置に設置されている。これにより、Ｕ字部７６ｕに水が滞留していないときに排水管７６から給水管７１へ改質ガスが流入しても、水精製器７４のイオン交換樹脂に直接触れることがなく、イオン交換樹脂の劣化を抑制することができる。

図３は、自動給水装置７０の一部（破線で囲まれた領域）を拡大して示す部分拡大図である。給水管７１には、当該給水管７１を流れる水の一部をＵ字部７６ｕへ供給するための分岐管７５が連結されている。分岐管７５は、その一端側が給水管７１における水精製器７４の上流側（図２中、逆止弁７３と水精製器７４との間）に接続されると共にその他端側が排水管７６におけるＵ字部７６ｕの上流側に接続され、給水管７１側からＵ字部７６ｕ側に向かって斜め下方に延在するように設けられている。この自動給水装置７０では、水精製器７４のイオン交換樹脂（樹脂層）を通過可能な水の流量（所定流量Ｑｗ）を超える流量で水源から給水管７１に水が供給されると、給水管７１における水精製器７４の上流側で水が滞留していき、やがて滞留した水の水位が分岐管７５の分岐位置を超えてオーバーフローし、オーバーフローした分の水が分岐管７５へ流れ込む。これにより、給水管７１からＵ字部７６ｕに水を供給して、Ｕ字部７６に滞留した水により排水管７６を水封することができる。

燃料電池スタックＦＣは、酸素イオン伝導体からなる固体電解質と、固体電解質の一方の面に設けられたアノードと、固体電解質の他方の面に設けられたカソードとを備える固体酸化物燃料電池セルが積層されたものとして構成されており、アノードに供給される燃料ガス中の水素とカソードに供給されるエア中の酸素とによる電気化学反応によって発電する。燃料電池スタックＦＣの出力端子にはＤＣ／ＤＣコンバータとインバータとを含むパワーコンディショナ８１を介して商用電源２から負荷４への電力ライン３が接続されており、燃料電池スタックＦＣからの直流電力は、パワーコンディショナ８１による電圧変換および直流／交流変換を経て商用電源２からの交流電力に付加されて負荷４に供給される。パワーコンディショナ８１から分岐した電力ラインには電源基板８２が接続されている。電源基板８２は、原燃料ガス供給弁４２，４３や原燃料ガスポンプ４５、エアブロワ５３、改質水ポンプ５８、循環ポンプ６３、給水弁７２、水位センサ５９、可燃ガスセンサ８６、圧力センサ４７、流量センサ４８，５４などの補機類に直流電力を供給する直流電源として機能する。

筐体２２には、吸気口２２ａと排気口２２ｂとが設けられている。吸気口２２ａ付近には外気を取り込んで筐体２２の内部を換気するための換気ファン２４が設けられ、排気口２２ｂ付近には可燃ガスのガス漏れを検出するための可燃ガスセンサ８６が設けられている。可燃ガスセンサ８６は、例えば、触媒燃焼式可燃ガスセンサを用いることができる。触媒燃焼式可燃ガスセンサは、酸化触媒を含む検出素子と酸化触媒を含まない補償素子とによりブリッジ回路が構成されたものである。検出素子は、可燃ガスが触れると触媒燃焼反応により発熱して抵抗値が変化するため、ブリッジ回路の平衡が崩れ、ブリッジ回路の出力端子には不均衡電圧が出力される。不均衡電圧とガス濃度との間には比例関係を有するため、不均衡電圧を測定することによりガス濃度を検出することができる。例えば、爆発下限界濃度付近のガス濃度に対応するセンサ出力（不均衡電圧）を閾値に定めることで、センサ出力が閾値以上のときに、ガス漏れが生じていると判断することができる。なお、可燃ガスセンサとしては、半導体式可燃ガスセンサや、熱線半導体式可燃ガスセンサ、固体電解質式可燃ガスセンサなどを用いてもよい。

制御装置９０は、ＣＰＵ９１を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ９１の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ９２と、データを一時的に記憶するＲＡＭ９３と、計時を行なうタイマ９４と、図示しない入出力ポートと、を備える。制御装置９０には、圧力センサ４７や流量センサ４８，５４、水位センサ５９、可燃ガスセンサ８６などからの各種検出信号が入力ポートを介して入力されている。また、制御装置９０からは、換気ファン２４のファンモータへの駆動信号や原燃料ガス供給弁４２，４３のソレノイドへの駆動信号、原燃料ガスポンプ４５のポンプモータへの駆動信号、エアブロワ５３のブロワモータへの駆動信号、改質水ポンプ５８のポンプモータへの駆動信号、循環ポンプ６３のポンプモータへの駆動信号、給水弁７２のソレノイドへの駆動信号、パワーコンディショナ８１のインバータやＤＣ／ＤＣコンバータへの制御信号、点火ヒータ３６への駆動信号、各種情報を表示する表示パネル８５への表示信号などが出力ポートを介して出力されている。

次に、こうして構成された燃料電池システム１０の動作、特に、自動給水装置７０に関連する動作について説明する。図４は、制御装置９０のＣＰＵ９１により実行される自動給水制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、システムを起動する際に実行される。

自動給水制御ルーチンが実行されると、制御装置９０のＣＰＵ９１は、まず、第１デューティ比Ｄ１で給水弁７２のオンオフ駆動を繰り返し（Ｓ１００）、所定時間が経過するのを待つ（Ｓ１１０）。ここで、第１デューティ比Ｄ１は、水精製器７４（イオン交換樹脂）を通過する水の流量（所定流量Ｑｗ）よりも多い流量で給水管７１に水を供給するためのデューティ比である。また、所定時間は、給水管７１に滞留する水の水位が分岐管７５の分岐位置よりも上側の初期管理水面位置Ｌ１（図２参照）まで上昇するのに必要な時間であり、予め実験的に求めることができる。これにより、給水管７１に滞留する水を分岐管７５の分岐位置よりも上側にオーバーフローさせ、オーバーフローさせた水を分岐管７５を介して排水管７６のＵ字部７６ｕに供給して、排水管７６を水封させることができる。

ＣＰＵ９１は、所定時間が経過したと判定すると、第１デューティ比Ｄ１よりも小さい第２デューティ比Ｄ２で給水弁７２のオンオフ駆動を繰り返し（Ｓ１２０）、水位センサ５９がオンされる（改質水タンク５７の水位が所定水位（満水位近傍）に到達する）のを待つ（Ｓ１３０）。ここで、第２デューティ比Ｄ２は、上記初期管理水面位置Ｌ１からＵ字部水封後管理水面位置Ｌ２付近に給水管７１に滞留する水の水位が下がるように、上記所定流量Ｑｗよりも少ない流量で給水管７１に水を供給するためのデューティ比である。改質水タンク５７の水位が所定水位に到達すると、給水弁７２を閉弁して（Ｓ１４０）、自動給水制御ルーチンを終了する。このように、Ｕ字部７６ｕを水封した後は、給水管７１に供給する水の流量を少なくし、給水管７１に滞留する水が分岐管７５の分岐位置を超えてオーバーフローしないようにするから、分岐管７５に水が流れ込むのを抑制しつつ、所定水位（満水位近傍）まで改質水タンク５７に水を供給することができる。

次に、可燃ガスセンサ８６により可燃ガスのガス漏れが検出されたときの動作について説明する。図５は、制御装置９０のＣＰＵ９１により実行されるガス漏れ時給水制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、可燃ガスセンサ８６のセンサ出力が閾値以上となったとき（ガス漏れが発生したと判断されたとき）に実行される。

ガス漏れ時給水制御ルーチンが実行されると、制御装置９０のＣＰＵ９１は、まず、自動給水制御ルーチンのＳ１００，Ｓ１１０と同様に、第１デューティ比Ｄ１で給水弁７２のオンオフ駆動を繰り返し（Ｓ２００）、上記所定時間が経過するのを待つ（Ｓ２１０）。即ち、排水管７６のＵ字部７６ｕに水封用の水が供給されるよう給水弁７２を駆動制御する。所定時間が経過すると、給水弁７２を閉弁し（Ｓ２２０）、可燃ガスセンサ８６によりガス漏れが検出されなくなったか否か、即ち可燃ガスセンサ８６のセンサ出力が閾値未満となったか否かを判定する（Ｓ２３０）。可燃ガスセンサ８６によりガス漏れが検出されなくなったと判定すると、Ｕ字部７６ｕの水封によって改質ガスの漏れは解消されたと判断して、ガス漏れ時給水制御ルーチンを終了する。一方、可燃ガスセンサ８６によりガス漏れが検出され続けていると判定すると、排水管７６以外の箇所からガス漏れが生じていると判断し、燃料電池システム１０を異常停止させて（Ｓ２４０）、ガス漏れ時給水制御ルーチンを終了する。なお、本実施形態では、ＣＰＵ９１は、燃料電池システム１０の異常停止に伴い、表示パネル８５にガス漏れが発生した旨の警告表示を行なう。

以上説明した第１実施形態に係る燃料電池システム１０は、改質器３３で生成された改質ガスの一部を脱硫器４６に環流させる環流管３８と、環流管３８を流れる改質ガス中の水分（凝縮水）を排出する排水管７６と、排水管７６に設けられた水封用のＵ字部７６ｕと、水源から給水弁７２を介して改質水タンク５７へ水を供給する給水管７１と、給水管７１における給水弁７２と改質水タンク５７との間に設けられた水精製器７４と、給水管７１における水精製器７４の上流側から分岐して給水管７１を流れる水の一部をＵ字部７６ｕに供給可能な分岐管７５とを備える。これにより、改質水タンク５７への給水に伴ってＵ字部７６ｕに水を供給することができ、Ｕ字部７６ｕで排水管７６を水封することができる。この結果、簡易な構成で、還流管３８の改質ガスが外部へ排出されるのを防止することができる。

また、第１実施形態に係る燃料電池システム１０は、システムを起動する際に、第１デューティ比Ｄ１で給水弁７２をオンオフ駆動した後、第１デューティ比Ｄ１よりも小さい第２デューティ比Ｄ２で給水弁７２をオンオフ駆動する。これにより、給水管７１を流れる水の流量を比較的多くすることで、給水管７１の水位を分岐管７５の分岐位置を超えてオーバーフローさせ、オーバーフローさせた水を分岐管７５を介してＵ字部７６ｕに供給することができる。また、給水管７１を流れる水の流量を比較的少なくすることで、給水管７１の水位を分岐管７５の分岐位置よりも下げ、給水管７１の水が分岐管７５へ流れ込むのを抑制しつつ、改質水タンク５７側に水を供給することができる。

さらに、第１実施形態に係る燃料電池システム１０は、改質水タンク５７の所定水位（満水位近傍）よりも低い位置に水精製器７４を設置するから、水精製器７４の上部まで水を満たすことができ、システム運転中に仮に改質ガスが排水管７６を介して給水管７１に流入した場合であっても、改質ガスが水精製器７４に直接触れないようにして水精製器７４の劣化を抑制することができる。

また、第１実施形態に係る燃料電池システム１０は、可燃ガスセンサ８６によりガス漏れが検出されると、排水管７６のＵ字部７６ｕに水が供給されるよう給水弁７２を制御する。システムの運転中に排水管７６（排水管７６）が水封されていない場合には、還流管３８の改質ガスが排水管７６，大気開放部７８を介して外部へ排出されるため、可燃ガスセンサ８６を用いてＵ字部７６ｕの水封の有無を判定することができる。そして、ガス漏れが検出されると、Ｕ字部７６ｕに水を供給することにより、Ｕ字部７６ｕをより確実に水封して以降のガス漏れを防止することができる。もとより、Ｕ字部７６ｕに水を供給しても、可燃ガスセンサ８６によりガス漏れが継続して検出されているときには、システムを異常停止するから、安全性を確保することができる。

第１実施形態では、燃焼排ガスの凝縮水を浄化する水精製器と、水源（水道配管）からの水道水を浄化する水精製器７４とを別々に設けるものとしたが、１つの水精製器７４を共用してもよい。この場合、凝縮水供給管６６からの燃焼排ガスの凝縮水が水精製器７４を介して改質水タンク５７へ供給されるように、凝縮水供給管６６を給水管７１における水精製器７４の上流側に連結すればよい。

第１実施形態では、給水弁７２をオンオフ駆動する際のデューティ比を水精製器７４を通過する水の流量（所定流量Ｑｗ）よりも多い量の水を供給するための第１デューティ比Ｄ１と少ない量の水を供給するための第２デューティ比Ｄ２との２段階に変化させるものとした。しかしながら、変化させる流量（デューティ比）は、２段階に限られず、３段階以上に変化させてもよい。また、流量（デューティ比）を徐々に変化させてもよい。

第１実施形態では、水精製器７４を、改質水タンク５７の所定水位よりも低い位置に設置するものとしたが、改質水タンク５７の所定水位よりも高い位置に設置するものとしてもよい。

次に、第２実施形態の燃料電池システムについて説明する。図６は、第２実施形態の燃料電池システムが備える自動給水装置１７０の構成の概略を示す構成図であり、図７は、自動給水装置１７０の一部（破線で囲まれた領域）を拡大して示す部分拡大図である。第２実施形態の自動給水装置１７０の給水管１７１には、水源（水道配管）側から順に給水弁７２，逆止弁７３，水精製器１７４が設けられている。水精製器１７４は、イオン交換樹脂を収容し、改質水タンク１５７の上方に設置される。水精製器１７４には、イオン交換樹脂（樹脂層）を通過した水を改質水タンク１５７へ吐出する吐出管１７４ｏが連結されている。吐出管１７４ｏは、その吐出口が改質水タンク１５７内の水に常時浸漬されるように改質水タンク１５７の所定水位よりも低い位置まで下方に延在している。

改質水タンク１５７には、タンク内の改質水の水位が所定水位（満水位近傍）に達したことを検出するための水位センサ１５９（フロート式水位センサなど）が設けられている。また、改質水タンク１５７の上部（上面）には、タンク上部に溜まったガスを排出するための大気開放部１７８が接続されている。

また、自動給水装置１７０は、改質水タンク１５７の満水時にオーバーフローした水を排水管１７６のＵ字部１７６ｕに供給するためのオーバーフロー管１７５を備える。オーバーフロー管１７５は、その一端側が改質水タンク１５７の側壁１５７ｓの上部に接続されると共にその他端側がＵ字部１７６ｕの下流側端部（図７中、左上端部）に接続され、改質水タンク１５７側からＵ字部１７６ｕ側に向かって斜め下方に延在するように設けられている。これにより、満水位を超えて改質水タンク１５７に水を供給することにより、改質水タンク１５７をオーバーフローした分の水をオーバーフロー管１７５を介してＵ字部１７６ｕに供給することができる。また、Ｕ字部１７６ｕの下流側端部には、Ｕ字部１７６ｕの容量を超えて流入される水を排水するための排水出口部１７７が接続されている。

次に、こうして構成された第２実施形態の燃料電池システムの動作、特に、自動給水装置１７０に関連する動作について説明する。図８は、制御装置９０のＣＰＵ９１により実行される自動給水制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、システムを起動する際に実行される。

自動給水制御ルーチンが実行されると、制御装置９０のＣＰＵ９１は、まず、上記第１デューティ比Ｄ１で給水弁７２のオンオフ駆動を繰り返し（Ｓ３００）、水位センサ１５９がオンされる（改質水タンク１５７の水位が所定水位（満水位近傍）に到達する）のを待つ（Ｓ３１０）。改質水タンク１５７の水位が所定水位（満水位近傍）に到達すると、更に上記第１デューティ比Ｄ１で給水弁７２のオンオフ駆動を所定時間だけ繰り返し（Ｓ３２０，Ｓ３３０）、所定時間が経過すると、給水弁７２を閉弁して（Ｓ３４０）、自動給水制御ルーチンを終了する。これにより、改質水タンク１５７に満水位を超えて水を供給して、改質水タンク１５７をオーバーフローさせ、オーバーフローした分の水をＵ字部１７６ｕに供給して、排水管１７６を水封させることができる。なお、所定時間は、排水管１７６（Ｕ字部１７６ｕ）の水封に必要な量の水が供給されるまでの時間であり、予め実験的に求めることができる。

次に、可燃ガスセンサ８６により可燃ガスのガス漏れが検出されたときの動作について説明する。図９は、制御装置９０のＣＰＵ９１により実行されるガス漏れ時給水制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、可燃ガスセンサ８６のセンサ出力が閾値以上となったとき（ガス漏れが発生したと判断されたとき）に実行される。

ガス漏れ時給水制御ルーチンが実行されると、制御装置９０のＣＰＵ９１は、まず、図８の自動給水制御ルーチンのＳ３００〜Ｓ３４０と同じ処理を実行して（Ｓ４００〜Ｓ４４０）、Ｕ字部１７６ｕに水を供給し、可燃ガスセンサ８６によりガス漏れが検出されなくなったか否かを判定する（Ｓ４５０）。可燃ガスセンサ８６によりガス漏れが検出されなくなったと判定すると、Ｕ字部１７６ｕの水封によって改質ガスの漏れは解消されたと判断して、ガス漏れ時給水制御ルーチンを終了する。一方、可燃ガスセンサ８６によりガス漏れが検出され続けていると判定すると、排水管１７６以外の箇所からガス漏れが生じていると判断し、燃料電池システム１０を異常停止させて（Ｓ４６０）、ガス漏れ時給水制御ルーチンを終了する。

このように、第２実施形態の燃料電池システムにおいても、第１実施形態の燃料電池システムと同様の効果、即ち、改質水タンク５７への給水に伴ってＵ字部７６ｕに水を供給することで、還流管３８の改質ガスが外部へ排出されるのを防止することができる効果を奏することができる。

本実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。本実施形態では、原燃料ガス供給装置４０が「原燃料ガス供給装置」に相当し、脱硫器４６が「脱硫器」に相当し、改質水タンク５７が「水タンク」に相当し、改質器３３が「改質器」に相当し、還流管３８が「還流ライン」に相当し、排水管７６が「排水ライン」に相当し、Ｕ字部７６ｕが「水封部」に相当し、給水管７１が「給水ライン」に相当し、給水弁７２が「給水弁」に相当し、水精製器７４が「水精製器」に相当し、分岐管７５が「分岐ライン」に相当し、制御装置９０が「制御装置」に相当する。また、可燃ガスセンサ８６が「可燃ガスセンサ」に相当する。また、改質水タンク１５７が「水タンク」に相当し、給水管１７１が「給水ライン」に相当し、水精製器１７４が「水精製器」に相当し、オーバーフロー管１７５が「オーバーフローライン」に相当する。また、吐出管１７４ｏが「吐出管」に相当する。

なお、本実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、本実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、本実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、燃料電池システムの製造産業などに利用可能である。

１ ガス供給源、２ 商用電源、３ 電力ライン、４ 負荷、１０ 燃料電池システム、２０ 発電ユニット、２２ 筐体、２２ａ 吸気口、２２ｂ 排気口、２４ 換気ファン、３０ 発電モジュール、３１ モジュールケース、３２ 気化器、３３ 改質器、３４ 改質ガス供給管、３５ 燃焼部、３６ 点火ヒータ、３７ 燃焼触媒、３８ 還流管、３９ オリフィス、４０ 原燃料ガス供給装置、４１ 原燃料ガス供給管、４２，４３ 原燃料ガス供給弁、４４ オリフィス、４５ 原燃料ガスポンプ、４６ 脱硫器、４７ 圧力センサ、４８ 流量センサ、５０ エア供給装置、５１ エア供給管、５２ フィルタ、５３ エアブロワ、５４ 流量センサ、５５ 改質水供給装置、５６ 改質水供給管、５７ 改質水タンク、５８ 改質水ポンプ、５９，１５９ 水位センサ、６０ 排熱回収装置、６１ 循環配管、６２ 熱交換器、６３ 循環ポンプ、６６ 凝縮水供給管、６７ 排気ガス排出管、７０，１７０ 自動給水装置、７１，１７１ 給水管、７２ 給水弁、７３ 逆止弁、７４，１７４ 水精製器、７５ 分岐管、７６，１７６ 排水管、７６ｕ，１７６ｕ Ｕ字部、７７，１７７ 排水出口部、７８ 大気開放部、８１ パワーコンディショナ、８２ 電源基板、８５ 表示パネル、８６ 可燃ガスセンサ、９０ 制御装置、９１ ＣＰＵ、９２ ＲＯＭ、９３ ＲＡＭ、９４ タイマ、１００ 給湯ユニット、１０１ 貯湯タンク、１７５ オーバーフロー管、１５７ｓ 側壁、１７４ｏ 吐出管、１７８ 大気開放部、ＦＣ 燃料電池スタック。

Claims (7)

1. 水素を含む改質ガスと酸素を含む酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給装置と、
   前記原燃料ガスに含まれる硫黄分を水素を用いて脱硫する脱硫器と、
   水を蓄える水タンクと、
   前記脱硫器で脱硫された原燃料ガスを前記水タンク内の水を用いて改質して前記改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器で生成された改質ガスの一部を前記脱硫器に環流させる環流ラインと、
   前記環流ライン内の改質ガスに含まれる水分を排出する排水ラインと、
   前記排水ラインに設けられ、滞留する水によって前記排水ラインを水封する水封部と、
   水源から給水弁を介して前記水タンクへ水を供給する給水ラインと、
   前記給水ラインにおける前記給水弁と前記水タンクとの間に設けられた水精製器と、
   前記給水ラインの前記水精製器の上流側で分岐し、前記給水ラインを流れる水の一部を前記水封部に供給する分岐ラインと、
   前記給水弁を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記給水ラインを流れる水の流量を少なくとも２段階に変化させて前記水タンクと前記水封部とに水が供給されるよう前記給水弁を制御する、
   燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記水精製器は、前記水タンクの所定水位よりも低い位置に設けられる、
   燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
   可燃ガスのガス漏れを検出するための可燃ガスセンサを備え、
   前記制御装置は、前記可燃ガスセンサによりガス漏れが検出されたとき、前記水封部に水が供給されるよう前記給水弁を制御する、
   燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記可燃ガスセンサによりガス漏れが検出されたときに前記水封部に水が供給されるよう前記給水弁を制御したにも拘わらず前記可燃ガスセンサによるガス漏れの検出が継続されると、システムの運転を停止する、
   燃料電池システム。
5. 水素を含む改質ガスと酸素を含む酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給装置と、
   前記原燃料ガスに含まれる硫黄分を水素を用いて脱硫する脱硫器と、
   水を蓄える水タンクと、
   前記脱硫器で脱硫された原燃料ガスを前記水タンク内の水を用いて改質して前記改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器で生成された改質ガスの一部を前記脱硫器に環流させる環流ラインと、
   前記環流ライン内の改質ガスに含まれる水分を排出する排水ラインと、
   前記排水ラインに設けられ、滞留する水によって前記排水ラインを水封する水封部と、
   水源から給水弁を介して前記水タンクへ水を供給する給水ラインと、
   前記給水ラインにおける前記給水弁と前記水タンクとの間に設けられた水精製器と、
   前記水タンクからオーバーフローした水を前記水封部に供給するオーバーフローラインと、
   前記給水弁を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記水精製器には、該水精製器を通過した水を前記水タンクへ吐出する吐出管が連結され、
   前記吐出管は、吐出口が前記水タンク内の水に浸漬される位置まで延在されている、
   燃料電池システム。
6. 請求項５記載の燃料電池システムであって、
   可燃ガスのガス漏れを検出するための可燃ガスセンサを備え、
   前記制御装置は、前記可燃ガスセンサによりガス漏れが検出されたとき、前記水タンクをオーバーフローさせて前記水封部に水が供給されるよう前記給水弁を制御する、
   燃料電池システム。
7. 請求項６記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記可燃ガスセンサによりガス漏れが検出されたときに前記水封部に水が供給されるよう前記給水弁を制御したにも拘わらず前記可燃ガスセンサによるガス漏れの検出が継続されると、システムの運転を停止する、
   燃料電池システム。
   

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