特許 6983265 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6983265

(24)【登録日】2021年11月25日

(45)【発行日】2021年12月17日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20211206BHJP

   H01M 8/0612 20160101ALI20211206BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20211206BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20211206BHJP

   H01M 8/249 20160101ALN20211206BHJP

   H01M 8/14 20060101ALN20211206BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 J

   H01M8/0612

   H01M8/04858

   !H01M8/12 101

   !H01M8/249

   !H01M8/14

【請求項の数】17

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2020-12454(P2020-12454)

(22)【出願日】2020年1月29日

(62)【分割の表示】特願2018-56705(P2018-56705)の分割

【原出願日】2018年3月23日

(65)【公開番号】特開2020-64882(P2020-64882A)

(43)【公開日】2020年4月23日

【審査請求日】2020年10月2日

(73)【特許権者】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】特許業務法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中島 達哉

(72)【発明者】

【氏名】波多江 徹

(72)【発明者】

【氏名】赤羽 俊之輔

【審査官】 橋本 敏行

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−０３４７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−０６９１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２７２６８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００−８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水供給管から供給された水を気化して水蒸気を生成する気化器と、
前記気化器で生成された水蒸気を用いて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、
前記燃料電池の燃料極から排出されたオフガスに含まれる水蒸気が凝縮した凝縮水が蓄えられ、前記水供給管が接続された第１水タンクと、
前記燃料電池の発電量を制御して前記第１水タンクへ投入される水蒸気量を調整することにより前記第１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】

前記制御装置は、前記第１水タンクへ投入される凝縮水量及び前記第１水タンクから前記水供給管へ排出される凝縮水量の少なくとも一方を調整して、前記第１水タンク内の水量を所定範囲に維持する、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記制御装置は、前記燃料電池の発電量を減らすことにより、前記オフガスに含まれる水蒸気量を低減して前記第１水タンクへ投入される水蒸気量を低減可能とされた、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記制御装置は、前記燃料電池の発電量を増やすことにより、前記オフガスに含まれる水蒸気量を増やして前記第１水タンクへ投入される水蒸気量を増加可能とされた、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】

前記燃料電池は、
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第１燃料電池と、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第２燃料電池と、を備え、
前記制御装置は、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の少なくとも一方の発電量を制御して、前記第１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】

前記第２燃料電池は前記第１水タンクの下流側に配置されている、請求項５に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

前記制御装置は、前記第１燃料電池の発電量を減らすことにより、前記オフガスに含まれる水蒸気量を低減して前記第１水タンクへ投入される水蒸気量を低減し、かつ、前記第２燃料電池の発電量を増やすことで、発電量の低減を抑制する、請求項６に記載の燃料電池システム。

【請求項8】

水供給管から供給された水を気化して水蒸気を生成する気化器と、
前記気化器で生成された水蒸気を用いて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に含まれる水蒸気が凝縮した凝縮水が蓄えられる第１水タンクと、
前記燃料電池の空気極から排出された酸化オフガスで前記燃料電池から排出された前記オフガスを燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器から排出された排出ガスに含まれる水蒸気が凝縮した凝縮水が蓄えられる第２水タンクと、
前記燃料電池の発電量を制御して前記第１水タンクへ投入される水蒸気量及び前記第２水タンクへ投入される水蒸気量の少なくとも一方を調整することにより前記第１水タンク内の水量又は前記第２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9】

前記制御装置は、
前記第１水タンクへ投入される凝縮水量、前記第１水タンクから排出される凝縮水量、前記第２水タンクへ投入される凝縮水量及び前記第２水タンクから排出される凝縮水量の少なくとも何れかを調整して、前記第１水タンク内又は前記第２水タンク内の水量を所定範囲に維持する、
請求項８に記載の燃料電池システム。

【請求項10】

前記排出ガスを前記第２水タンクの上流側で冷却して前記排出ガスに含まれる水蒸気を凝縮する第２冷却機構を備え、
前記制御装置は、前記第２冷却機構を制御して、前記第２水タンクへ投入される凝縮水量を調整する、請求項８又は請求項９に記載の燃料電池システム。

【請求項11】

前記第２水タンクを経由せずに前記排出ガスを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第２水タンクへ投入される水蒸気量を調整する、請求項８〜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】

前記燃料電池は、
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第１燃料電池と、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第２燃料電池と、を備え、
前記制御装置は、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の少なくとも一方の発電量を制御して、前記第１水タンク又は前記第２水タンクへ投入される水蒸気量を調整する、請求項８〜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】

前記第２燃料電池は前記第１水タンクの下流側に配置されている、請求項１２に記載の燃料電池システム。

【請求項14】

前記オフガスを前記第１水タンクの上流側又は前記第１水タンク内で冷却して前記オフガスに含まれる水蒸気を凝縮する第１冷却機構を備え、
前記制御装置は、前記第１冷却機構を制御して、前記第１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１３の何れか１項に記載の燃料電池システム。

【請求項15】

前記原料ガスの投入量を調整する流量調整機構を備え、
前記制御装置は、前記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１４の何れか１項に記載の燃料電池システム。

【請求項16】

前記燃料電池の空気極から排出された酸化オフガスで前記燃料電池から排出された前記オフガスを燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器から排出された排出ガスをシステム外へ排出する排気管と、
前記第１水タンクに蓄えられた前記凝縮水を前記排気管へ供給する水滴供給管と、を備え、
前記制御装置は、前記排気管へ供給される凝縮水量を制御して、前記第１水タンクから排出される凝縮水量を調整する、請求項１〜請求項１５の何れか１項に記載の燃料電池システム。

【請求項17】

前記燃焼器から排出された前記排出ガスをシステム外へ排出する排気管と、
前記第１水タンク及び前記第２水タンクの少なくとも一方に蓄えられた前記凝縮水を前記排気管へ供給する水滴供給管と、を備え、
前記制御装置は、前記排気管へ供給される凝縮水量を制御して、前記第１水タンク及び前記第２水タンクの少なくとも一方から排出される凝縮水量を調整する、請求項８〜請求項１３の何れか１項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燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、第１燃料電池から排出されたオフガス中に含まれる水蒸気が水タンクへ蓄えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７−６９１０３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に記載された燃料電池システムでは、水タンクに所定量以上の水が貯留された際には、例えばオーバーフローによりドレン排水してもよい旨が記載されている。このように、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、水供給管から供給された水を気化して水蒸気を生成する気化器と、前記気化器で生成された水蒸気を用いて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、前記燃料電池の燃料極から排出されたオフガスに含まれる水蒸気が凝縮した凝縮水が蓄えられ、前記水供給管が接続された第１水タンクと、前記燃料電池の発電量を制御して前記第１水タンクへ投入される水蒸気量を調整することにより前記第１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２の燃料電池システムは、請求項１の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記第１水タンクへ投入される凝縮水量及び前記第１水タンクから前記水供給管へ排出される凝縮水量の少なくとも一方を調整して、前記第１水タンク内の水量を所定範囲に維持する。
請求項２の燃料電池システムによると、制御装置が、第１水タンクへ投入される凝縮水量及び第１水タンクから水供給管へ排出される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、第１水タンクへ投入される凝縮水量を減らす。又は、第１水タンクから水供給管へ排出される凝縮水量を増やす。これにより第１水タンク内の水量を所定範囲内に維持して、第１水タンクからの排水を少なくすることができる。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。
請求項３の燃料電池システムは、請求項１又は請求項２の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池の発電量を減らすことにより、前記オフガスに含まれる水蒸気量を低減して前記第１水タンクへ投入される水蒸気量を低減可能とされている。
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、前記制御装置は、前記燃料電池の発電量を増やすことにより、前記オフガスに含まれる水蒸気量を増やして前記第１水タンクへ投入される水蒸気量を増加可能とされている。
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、前記燃料電池は、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第１燃料電池と、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第２燃料電池と、を備え、前記制御装置は、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の少なくとも一方の発電量を制御して、前記第１水タンクへ投入される水蒸気量を調整する。
請求項６の燃料電池システムは、請求項５の燃料電池システムにおいて、前記第２燃料電池は前記第１水タンクの下流側に配置されている。
請求項７の燃料電池システム前記制御装置は、請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１燃料電池の発電量を減らすことにより、前記オフガスに含まれる水蒸気量を低減して前記第１水タンクへ投入される水蒸気量を低減し、かつ、前記第２燃料電池の発電量を増やすことで、発電量の低減を抑制する。

【0008】

請求項８の燃料電池システムは、水供給管から供給された水を気化して水蒸気を生成する気化器と、前記気化器で生成された水蒸気を用いて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に含まれる水蒸気が凝縮した凝縮水が蓄えられる第１水タンクと、前記燃料電池の空気極から排出された酸化オフガスで前記燃料電池から排出された前記オフガスを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器から排出された排出ガスに含まれる水蒸気が凝縮した凝縮水が蓄えられる第２水タンクと、前記燃料電池の発電量を制御して前記第１水タンクへ投入される水蒸気量及び前記第２水タンクへ投入される水蒸気量の少なくとも一方を調整することにより前記第１水タンク内の水量又は前記第２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。

【0009】

請求項９の燃料電池システムは、請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記第１水タンクへ投入される凝縮水量、前記第１水タンクから排出される凝縮水量、前記第２水タンクへ投入される凝縮水量及び前記第２水タンクから排出される凝縮水量の少なくとも何れかを調整して、前記第１水タンク内又は前記第２水タンク内の水量を所定範囲に維持する。
請求項９の燃料電池システムによると、制御装置が、第１水タンクへ投入される水蒸気量、第１水タンクへ投入される凝縮水量、第１水タンクから排出される凝縮水量、第２水タンクへ投入される凝縮水量、第２水タンクへ投入される水蒸気量及び前記第２水タンクから排出される凝縮水量の少なくとも何れかを調整する。例えば第２水タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、第２水タンクへ投入される凝縮水量を減らす。これにより第１水タンク内又は第２水タンク内の水量を所定範囲内に維持して、第１水タンク又は第２水タンクからの排水を少なくすることができる。

【0010】

一態様の燃料電池システムは、水供給管から供給された水を気化して水蒸気を生成する気化器と、前記気化器で生成された水蒸気を用いて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、前記燃料電池の燃料極から排出されたオフガスに含まれる水蒸気が凝縮した凝縮水が蓄えられる第１水タンクと、前記燃料電池から排出された酸化オフガスで前記燃料電池から排出された前記オフガスを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器から排出された排出ガスに含まれる水蒸気が凝縮した凝縮水が蓄えられる第２水タンクと、前記第１水タンク及び前記第２水タンクの下方に設置され、前記第１水タンクに蓄えられた凝縮水及び前記第２水タンクに蓄えられた凝縮水が投入され、前記水供給管が接続された集約タンクと、前記集約タンクに蓄えられた凝縮水を前記気化器へ供給する水供給管と、前記第１水タンクへ投入される水蒸気量、前記第１水タンクへ投入される凝縮水量、前記第２水タンクへ投入される凝縮水量、前記第２水タンクへ投入される水蒸気量及び前記集約タンクから前記水供給管へ排出される凝縮水量の少なくとも何れかを調整して、前記集約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。

【0011】

一態様の燃料電池システムによると、第１水タンクに蓄えられた凝縮水及び第２水タンクに蓄えられた凝縮水が集約タンクに投入される。このため、第１水タンク及び第２水タンク内の水量を所定範囲内に維持して、第１水タンク及び第２水タンクからシステム外への排水を無くすことができる。

【0012】

そして、制御装置が、第１水タンクへ投入される凝縮水量、第２水タンクへ投入される凝縮水量、第２水タンクへ投入される水蒸気量、集約タンクから水供給管へ排出される凝縮水量の少なくとも何れかを調整する。なお、第２水タンクへ投入される「凝縮水」とは、例えば第２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、第２水タンクへ投入される「水蒸気」とは、第２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。

【0013】

例えば集約タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、一例として、第１水タンクへ投入される凝縮水量を減らす。別の一例として、第２水タンクへ投入される凝縮水量を減らす。さらに別の一例として、第２水タンクへ投入される水蒸気量を減らす。またさらに別の一例として、集約タンクから水供給管へ排出される凝縮水量を増やす。これらの１つ又は組合わせにより集約タンク内の水量を所定範囲内に維持して、集約タンクからの排水を少なくすることができる。

【0014】

一態様の燃料電池システムは、前記集約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、前記第１水タンクへ投入される凝縮水量、前記第２水タンクへ投入される凝縮水量、前記第２水タンクへ投入される水蒸気量及び前記集約タンクから前記水供給管へ排出される凝縮水量の少なくとも何れかを調整する。

【0015】

一態様の燃料電池システムによると、集約タンクに水位センサが設けられているため、集約タンクの水位を正確に測定できる。このため集約タンク内の水量を所定範囲に維持
し易い。

【0016】

一態様の燃料電池システムは、前記集約タンクの内部には、前記オフガスが溜められる気室と前記排出ガスが溜められる気室とを仕切る仕切板が設けられている。

【0017】

一態様の燃料電池システムによると、集約タンクの内部において、仕切板によってオフガスが溜められる気室と排出ガスが溜められる気室とが隔てられている。このため、オフガスと排出ガスとが混合されない。これにより燃料ガスを含んだオフガスがシステム外へ排出されることが抑制される。

【0018】

請求項１０の燃料電池システムは、請求項８又は請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、前記排出ガスを前記第２水タンクの上流側で冷却して前記排出ガスに含まれる水蒸気を凝縮する第２冷却機構を備え、前記制御装置は、前記第２冷却機構を制御して、前記第２水タンクへ投入される凝縮水量を調整する。

【0019】

請求項１０の燃料電池システムによると、制御装置が、排出ガスを第２水タンクの上流側で冷却して水蒸気を凝縮する第２冷却機構を制御する。例えば集約タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、冷却機能を抑えて排出ガスに含まれる水蒸気の凝縮量を低減する。これにより第２水タンク及び集約タンクへ投入される凝縮水量を少なくできる。

【0020】

請求項１１の燃料電池システムは、請求項８〜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、前記第２水タンクを経由せずに前記排出ガスを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第２水タンクへ投入される水蒸気量を調整する。

【0021】

請求項１１の燃料電池システムによると、制御装置が、排出ガスを第２水タンクを経由せずに排出するためのバイパス弁を制御する。例えば集約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排出ガスを排出する。これにより第２水タンク及び集約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第２水タンクへ投入される水蒸気量を調整できる。

【0022】

請求項１２の燃料電池システムは、請求項８〜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、前記燃料電池は、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第１燃料電池と、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第２燃料電池と、を備え、前記制御装置は、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の少なくとも一方の発電量を制御して、前記第１水タンク又は前記第２水タンクへ投入される水蒸気量を調整する。

【0023】

請求項１２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。例えば第１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。これにより第１水タンクへ投入される水蒸気量を少なくできる。

【0024】

請求項１３の燃料電池システムは、請求項１２の燃料電池システムにおいて、前記後段燃料電池は前記第１水タンクの下流側に配置されている。

【0025】

請求項１３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。

【0026】

請求項１４の燃料電池システムは、請求項１〜請求項１３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記オフガスを前記第１水タンクの上流側又は前記第１水タンク内で冷却して前記オフガスに含まれる水蒸気を凝縮する第１冷却機構を備え、前記制御装置は、前記第１冷却機構を制御して、前記第１水タンクへ投入される凝縮水量を調整する。

【0027】

請求項１４の燃料電池システムによると、制御装置が、オフガスを第１水タンクの上流側又は第１水タンク内で冷却して水蒸気を凝縮する第１冷却機構を制御する。例えば集約タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、冷却機能を抑えてオフガスに含まれる水蒸気の凝縮量を低減する。これにより第１水タンク及び集約タンクへ投入される凝縮水量を少なくできる。

【0028】

請求項１５の燃料電池システムは、請求項１〜請求項１４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流量調整機構を備え、前記制御装置は、前記流量調整機構を制御して発電量を調整する。

【0029】

請求項１５の燃料電池システムによると、制御装置が、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。例えば集約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、第１水タンク及び集約タンクへ投入される水蒸気量を少なくする。

【0030】

請求項１６の燃料電池システムは、請求項１〜請求項１５の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の空気極から排出された酸化オフガスで前記燃料電池から排出された前記オフガスを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器から排出された排出ガスをシステム外へ排出する排気管と、前記燃焼器から排出された前記排出ガスをシステム外へ排出する排気管と、前記第１水タンクに蓄えられた前記凝縮水を前記排気管へ供給する水滴供給管と、を備え、前記制御装置は、前記排気管へ供給される凝縮水量を制御して、前記第１水タンクから排出される凝縮水量を調整する。

【0031】

請求項１６の燃料電池システムによると、制御装置は、排気管へ供給される凝縮水量を制御する。例えば第１水タンクの水量が所定の上限値に至った場合は、排気管へ供給される凝縮水量を増やす。排気管へ供給された凝縮水は、排気ガスの熱によって蒸発し、水蒸気としてシステム外へ排出される。これにより第１水タンクからシステム外へ排出される水蒸気量を多くできる。

【0032】

請求項１７の燃料電池システムは、請求項８〜請求項１３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃焼器から排出された前記排出ガスをシステム外へ排出する排気管と、前記第１水タンク及び前記第２水タンクの少なくとも一方に蓄えられた前記凝縮水を前記排気管へ供給する水滴供給管と、を備え、前記制御装置は、前記排気管へ供給される凝縮水量を制御して、前記第１水タンク及び前記第２水タンクの少なくとも一方から排出される凝縮水量を調整する。

【0033】

請求項１７の燃料電池システムによると、制御装置は、排気管へ供給される凝縮水量を制御する。例えば第２水タンクの水量が所定の上限値に至った場合は、排気管へ供給される凝縮水量を増やす。排気管へ供給された凝縮水は、排気ガスの熱によって蒸発し、水蒸気としてシステム外へ排出される。これにより第１水タンク及び第２水タンクの少なくとも一方からシステム外へ排出される水蒸気量を多くできる。

【0034】

一態様の燃料電池システムは、前記燃焼器から排出された前記排出ガスをシステム外へ排出する排気管と、前記第１水タンク、前記第２水タンク及び前記集約タンクの少なくとも何れかに蓄えられた前記凝縮水を前記排気管へ供給して供給する水滴供給管と、を備え、前記制御装置は、前記排気管へ供給される凝縮水量を制御して、前記第１水タンク、前記第２水タンク及び前記集約タンクの少なくとも何れかから排出される凝縮水量を調整する。

【0035】

一態様の燃料電池システムによると、制御装置は、排気管へ供給される凝縮水量を制御する。例えば集約タンクの水量が所定の上限値に至った場合は、排気管へ供給される凝縮水量を増やす。排気管へ供給された凝縮水は、排気ガスの熱によって蒸発し、水蒸気としてシステム外へ排出される。これにより第１水タンク、第２水タンク及び集約タンクの少なくとも一方からシステム外へ排出される水蒸気量を多くできる。

【発明の効果】

【0036】

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することができる。

【図面の簡単な説明】

【0037】

【図1】本発明の第１実施形態におけ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実施形態におけ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】

【0038】

［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、第１水タンク３２、第２水タンク３４、分流弁４４Ａ、４４Ｂ、冷却機構５２、５４、ポンプ６２、流量調整機構６７、制御装置６８及び集約タンク７６を備えている。

【0039】

（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。

【0040】

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の他端は、集約タンク７６に接続されている。集約タンク７６には、水が貯留されている。

【0041】

ポンプ６２は、水供給管Ｐ２を介して集約タンク７６から水を汲み上げる。そして、ポンプ６２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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

（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。

【0045】

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。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２ ・・・（１）

【0046】

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＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２ ・・・（２）

【0047】

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。

【0048】

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（燃料極、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。

【0049】

（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（空気極、不図示）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。

【0050】

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。

【0051】

１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− ・・・（３）

【0052】

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。

【0053】

Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・(４)

【0054】

ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻ ・・・(５)

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

アノードオフガス管Ｐ６の他端は、第１水タンク３２に挿入され、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。なお、アノードオフガス管Ｐ６の中間部分には、後述する冷却機構５２が設けられている。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

（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。

【0062】

（第１水タンク）
第１水タンク３２は、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が、アノードオフガス管Ｐ６を介して流入する中間ガスタンクである。第１水タンク３２には、オーバーフロー管Ｐ１５が接続されている。オーバーフロー管Ｐ１５は、第１水タンク３２に蓄えられた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。

【0063】

第１水タンク３２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。

【0064】

（第２水タンク）
第２水タンク３４は、燃焼器１６から送出された排出ガスが、排気管Ｐ１２を介して流入する排ガスタンクである。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。なお、分流弁４４Ａ、４２Ｂは、本発明におけるバイパス弁の一例である。

【0065】

第２水タンク３４には、オーバーフロー管Ｐ１４が接続されている。オーバーフロー管Ｐ１４は、第２水タンク３４に蓄えられた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。

【0066】

（集約タンク）
集約タンク７６は、第１水タンク３２及び第２水タンク３４より低い位置に設けられ、第１水タンク３２に接続されたオーバーフロー管Ｐ１５と、第２水タンク３４に接続されたオーバーフロー管Ｐ１４とが挿入されている。

【0067】

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Ｐ１５、１４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ないようになっている。

【0068】

水位センサ７６Ｓは、集約タンク７６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、集約タンク７６内の水位を検出できる。集約タンク７６において、水位の下限位置より下方には水供給管Ｐ２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、集約タンク７６内の水を気化器１２へ送出する。なお、オーバーフロー管Ｐ１５、１４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。

【0069】

水位センサ７６Ｓ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。

【0070】

（冷却機構）
冷却機構５２は、アノードオフガス管Ｐ６を流れるアノードオフガスを冷却する熱交換器である。冷却機構５２は、例えば酸化ガス管Ｐ５を流れる酸化ガスとアノードオフガス管Ｐ６を流れるアノードオフガスとを熱交換させて、アノードオフガスを冷却する。第１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蓄えられる。

【0071】

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。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。第２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蓄えられる。

【0072】

（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７６Ｓ、分流弁４４Ａ、４４Ｂ、冷却機構５２、５４、ポンプ６２、流量調整機構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。

【0073】

また、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、冷却機構５２、５４の駆動状態を調整することができる。

【0074】

また、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、分流弁４４Ａ、４４Ｂの開閉状態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７６Ｓから受取る集約タンク７６の水位情報に基づいて、ポンプ６２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７６Ｓから受取る集約タンク７６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。

【0077】

また、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。

【0078】

＜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で生成された水素の大部分が発電によって消費されるため、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。

【0079】

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。その一部は第１水タンク３２へ蓄えられて集約タンク７６へ供給される。その他は第２水タンク３４へ蓄えられて集約タンク７６へ供給される。集約タンク７６へ供給された水は、水供給管Ｐ２へ投入され、再度改質反応によって消費される。

【0080】

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４４Ａ、４４Ｂ、冷却機構５２、５４、ポンプ６２、流量調整機構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、集約タンク７６の水量によって判断する。

【0081】

具体的には、集約タンク７６の水量が少ない場合（水位が水位センサ７６Ｓの下限値に至った場合）、制御装置６８は、システム内に水が不足していると判断し、発電量を多くして集約タンク７６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し、集約タンク７６内の凝縮水量を増やす。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。

【0082】

なお、冷却機構５２は、酸化ガス管Ｐ５を流れる酸化ガスとアノードオフガス管Ｐ６を流れるアノードオフガスとを熱交換させて、アノードオフガスを冷却する。冷却機構５２の冷却強度を制御するためには、アノードオフガス管Ｐ６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」アノードオフガス量と、「熱交換させない」アノードオフガス量とを調整する。

【0083】

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、原料ガス管Ｐ１を流れる原料ガスと「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。

【0084】

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。

【0085】

また、集約タンク７６の水量が多い場合（水位が水位センサ７６Ｓの上限値に至った場合）、制御装置６８は、システム内に水が余っていると判断し、排気管Ｐ１２からの水蒸気の排出量を多くして集約タンク７６内の凝縮水量を減らす。これにより、集約タンク７６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。

【0086】

集約タンク７６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。

【0087】

まずは、発電量を多くして集約タンク７６内の凝縮水量を増やす方法の一例について説明する。

【0088】

（原料ガス投入量の調整）
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。

【0089】

例えば制御装置６８は、集約タンク７６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７６Ｓ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、第１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。このため、第１水タンク３２内で凝縮する凝縮水量及び集約タンク７６に蓄えられる水量を増やすことができる。

【0090】

次に、排気管Ｐ１２からの水蒸気の排出量を多くして集約タンク７６内の凝縮水量を減らす方法の例について説明する。

【0091】

（冷却機構の制御）
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、冷却機構５２、５４の駆動状態を調整することができる。

【0092】

一例として、制御装置６８は、集約タンク７６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７６Ｓ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、アノードオフガス管Ｐ６を流れるアノードオフ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、第１水タンク３２に投入される凝縮水量及び集約タンク７６に蓄えられる水量を低減することができる。

【0093】

なお、第１水タンク３２へ投入された未凝縮の水蒸気は、第１水タンク３２の内部で凝縮する一部を除き、再生ガス管Ｐ８を介して第２燃料電池セルスタック２４へ投入され、燃焼器１６及び排気管Ｐ１２を介してシステム外へ排出される。このため、第１水タンク３２に蓄えられる水量を低減することができる。

【0094】

別の一例として、制御装置６８は、集約タンク７６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７６Ｓ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、第２水タンク３４に投入される凝縮水量及び集約タンク７６に蓄えられる水量を低減することができる。

【0095】

第２水タンク３４へ投入された未凝縮の水蒸気は、第２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に蓄えられる水量を低減することができる。

【0096】

（分流弁の制御）
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、分流弁４４Ａ、４４Ｂの開閉状態を調整することができる。

【0097】

制御装置６８は、集約タンク７６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７６Ｓから得た場合、分流弁４４Ａ、４４Ｂを制御して、排出ガスの第２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、第２水タンク３４へ流入することが抑制される。このため、第２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。

【0098】

なお、制御装置６８は、分流弁４４Ａを完全に閉鎖し、かつ、分流弁４４Ｂを完全に開放する必要はない。例えば分流弁４４Ａ、分流弁４４Ｂの開き具合は、排気管Ｐ１２を流れる排出ガスの少なくとも一部が、第２水タンク３４に流入することなく流路Ｐ１２Ｂから直接排出されるように調整されればよい。

【0099】

（ポンプの制御）
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、ポンプ６２の駆動状態を調整することができる。

【0100】

例えば制御装置６８は、集約タンク７６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７６Ｓから得た場合、ポンプ６２を制御して、集約タンク７６から水供給管Ｐ２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、集約タンク７６からの凝縮水の排出量を多くする。これにより、集約タンク７６に蓄えられた水量を低減することができる。

【0101】

（燃料電池スタックの制御）
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。

【0102】

例えば、制御装置６８は、集約タンク７６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７６Ｓ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、第１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。このため、第１水タンク３２内で凝縮する凝縮水量及び集約タンク７６へ流入する凝縮水量を低減することができる。

【0103】

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。

【0104】

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。

【0105】

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、水タンク３４へ流入する水蒸気量が増加することを抑制するために、例えば制御装置６８は分流弁４４Ａを閉じ分流弁４４Ｂを開放して、水タンク３４への水蒸気の流入を抑制する。

【0106】

なお、制御装置６８は、流量調整機構６７の制御、冷却機構５２、５４の制御、分流弁４４Ａ、４４Ｂの制御、ポンプ６２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、集約タンク７６における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。

【0107】

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、制御装置６８が、流量調整機構６７、冷却機構５２、５４、分流弁４４Ａ、４４Ｂ、ポンプ６２、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。

【0108】

また、燃料電池システム１０では、第１水タンク３２にはオーバーフロー管Ｐ１５が接続されており、第１水タンク３２における凝縮水の水位が一定の高さになったところで、凝縮水が集約タンク７６へ送出される。同様に、第２水タンク３４にはオーバーフロー管Ｐ１４が接続されており、第２水タンク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、凝縮水が集約タンク７６へ送出される。このため、第１水タンク３２、第２水タンク３４からの排水を無くすことができる。

【0109】

また、制御装置６８が、第１水タンク３２、第２水タンク３４へ投入される凝縮水量を調整する。これにより第１水タンク３２、第２水タンク３４から集約タンク７６へ流入する凝縮水量を少なくすることができる。また、制御装置６８は、第２水タンク３４へ投入される水蒸気量を調整する。これにより第２水タンク３４から集約タンク７６へ流入する凝縮水量を少なくすることができる。

【0110】

また、制御装置６８は、集約タンク７６から水供給管Ｐ２へ排出される凝縮水量を調整する。これにより集約タンク７６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、集約タンク７６からの排水を減らすことができる。さらに、集約タンク７６からの排水を無くし、排水のためのドレン設備や工事を省略することができる。

【0111】

なお、第１実施形態に係る燃料電池システム１０では、排気管Ｐ１２の流路Ｐ１２Ａに冷却機構５４を設けて第２水タンク３４へ投入される凝縮水量を調整しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。冷却機構５４を設けなくても、分流弁４４Ａ、４４Ｂを用いて第２水タンク３４へ投入される水蒸気量を調整すればよい。

【0112】

また、燃料電池システム１０では、アノードオフガス管Ｐ６に冷却機構５２を設けて第１水タンク３２へ投入される凝縮水量を調整しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。冷却機構５２を設けなくても、分流弁４４Ａ、４４Ｂを用いて第２水タンク３４へ投入される水蒸気量を調整すればよい。又は、冷却機構５４を用いて第２水タンク３４へ投入される凝縮水量を調整すればよい。

【0113】

このように、燃料電池システム１０においては、冷却機構５２、５４並びに分流弁４４Ａ及び分流弁４４Ｂの何れかを備えていればよい。これらのうち何れかを備えていることで、集約タンク７６に蓄えられる水量を調整できる。

【0114】

［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に示す第２水タンク３４、集約タンク７６、冷却機構５４、分流弁４４Ａ、４４Ｂ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７０においては、第１水タンク３２に水位センサ３２Ｓが設けられ、第１水タンク３２の水位の下限位置より下方に、水供給管Ｐ２の端部が接続されている。

【0115】

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。

【0116】

（制御装置）
燃料電池システム７０における制御装置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、冷却機構５２、ポンプ６２、流量調整機構６７と電気的に接続されている。

【0117】

また、制御装置６８は、水位センサ３２Ｓから受取る第１水タンク３２の水位情報に基づいて、冷却機構５２の駆動状態を調整することができる。

【0118】

また、制御装置６８は、水位センサ３２Ｓから受取る第１水タンク３２の水位情報に基づいて、ポンプ６２の駆動状態を調整することができる。

【0119】

また、制御装置６８は、水位センサ３２Ｓから受取る第１水タンク３２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。

【0120】

また、制御装置６８は、水位センサ３２Ｓから受取る第１水タンク３２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。
＜作用・効果＞

【0121】

（原料ガス投入量の調整）
制御装置６８は、水位センサ３２Ｓから受取る第１水タンク３２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。

【0122】

例えば制御装置６８は、第１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、第１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。このため、第１水タンク３２内に蓄えられる水量を増やすことができる。

【0123】

（冷却機構の制御）
制御装置６８は、水位センサ３２Ｓから受取る第１水タンク３２の水位情報に基づいて、冷却機構５２の駆動状態を調整することができる。

【0124】

一例として、制御装置６８は、第１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、アノードオフガス管Ｐ６を流れるアノードオフ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、第１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。

【0125】

なお、第１水タンク３２へ投入された未凝縮の水蒸気は、第１水タンク３２の内部で凝縮する一部を除き、再生ガス管Ｐ８を介して第２燃料電池セルスタック２４へ投入される。このため、第１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。

【0126】

（ポンプの制御）
制御装置６８は、水位センサ３２Ｓから受取る第１水タンク３２の水位情報に基づいて、ポンプ６２の駆動状態を調整することができる。

【0127】

例えば制御装置６８は、第１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、第１水タンク３２から水供給管Ｐ２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、第１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、第１水タンク３２の内部の凝縮水量を低減することができる。

【0128】

（燃料電池スタックの制御）
制御装置６８は、水位センサ３２Ｓから受取る第１水タンク３２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。

【0129】

例えば、制御装置６８は、第１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、第１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。このため、第１水タンク３２内で凝縮する凝縮水量を低減することができる。

【0130】

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。

【0131】

なお、制御装置６８は、流量調整機構６７の制御、冷却機構５２の制御、ポンプ６２の制御、第１燃料電池セルスタック２２の制御及び第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、第１水タンク３２における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。

【0132】

以上説明したように、第２実施形態に係る燃料電池システム７０によると、制御装置６８が、第１水タンク３２へ投入される凝縮水量を調整する。また、制御装置６８は、第１水タンク３２から水供給管Ｐ２へ排出される凝縮水量を調整する。これにより第１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、第１水タンク３２からの排水を減らすことができる。さらに、第１水タンク３２からの排水を無くし、排水のためのドレン管を省略することができる。これにより、配管工事を省略できる。

【0133】

なお、第２実施形態に係る燃料電池システム７０では、冷却機構５２によって水タンク３２へ投入される凝縮水量を調整し、ポンプ６２によって水タンク３２から排出される凝縮水量を調整しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば燃料電池システム７０は、冷却機構５２及びポンプ６２の何れかを備えていればよい。これらのうち何れかを備えていれば、水タンク３２内の凝縮水量を減らすことができる。

【0134】

また、第２実施形態に係る燃料電池システム７０では、燃焼器１６から排出された排気ガスが排気管Ｐ１２からシステム外へ直接排気されているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば第１実施形態における第２水タンク３４を設けて、排気ガスに含まれる水蒸気を凝縮させてもよい。この場合、第１実施形態と同様に分流弁４４Ａ、４４Ｂ、冷却機構５４を更に設けることが好適である。またさらに、この第２水タンク３４には、第２水タンク３４内の凝縮水を気化器１２に供給する水供給経路を接続するとさらに好適である。

【0135】

さらに、第１実施形態に係る燃料電池システム７０においては、集約タンク７６に凝縮水の排出経路として水供給管Ｐ２のみ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。例えば集約タンク７６には、図示しない水滴供給管の一端を接続し、水滴供給管の他端を排気管Ｐ１２における流路Ｐ１２Ｂに接続してもよい。水滴供給管は、排気管Ｐ１２に対して、集約タンク７６から排出された凝縮水を滴下して供給する。水滴供給管を設けることで、制御装置６８は、排気管Ｐ１２へ滴下される凝縮水量を制御することができる。

【0136】

このとき、例えば集約タンク７６内の水量が所定の上限値に至った場合、制御装置６８は排気管Ｐ１２へ滴下する凝縮水量を増やす。排気管Ｐ１２へ滴下された凝縮水は、排気ガスの熱によって蒸発し、水蒸気としてシステム外へ排出される。これにより集約タンク７６からシステム外へ排出される水蒸気量を多くできる。このような水滴供給管は、第２実施形態の水タンク３２に適用することもできる。あるいは、集約タンク７６を備えていない構成における水タンク３２、３４の少なくとも一方に設けることもできる。

【0137】

また、上記各実施形態においては、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。

【0138】

また、上記各実施形態に係る燃料電池システムは、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。

【0139】

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】

【0140】

１０、７０ 燃料電池システム
１２ 気化器
１４ 改質器（改質部）
１６ 燃焼器
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）
３２ 第１水タンク
３４ 第２水タンク
４４Ａ 分流弁（バイパス弁）
４４Ｂ 分流弁（バイパス弁）
５２ 冷却機構（第１冷却機構）
５４ 冷却機構（第２冷却機構）
６７ 流量調整機構
６８ 制御装置
７６ 集約タンク
７６Ｓ 水位センサ
７６Ａ 仕切板
Ｐ２ 水供給管

【図1】

【図2】