JP2005268043A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムの運転時、特に初期運転時に発生する異物を簡単な構成にて効果的に排除する。
【解決手段】 一酸化炭素選択酸化部２３と燃料電池１０を連通する改質ガス供給管７１の何れかの部位に捕集装置９０が設けられている。具体的には、改質ガス供給管７１の内壁に凹部９１を形成し、この凹部９１に対向する管内壁に同管７１を横切るように邪魔板９２を設け、邪魔板９２の先端の下方に凹部９１が配置されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、改質部により生成された改質ガスと空気を燃焼電池に供給して発電させる燃料電池システムに関する。

燃料電池システムとしては、燃料供給源から供給された燃料および改質水供給源から供給された改質水からいわゆる水素リッチな改質ガスを生成して導出する改質部と、空気供給源から供給された空気によって改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減して導出する一酸化炭素選択酸化部と、この一酸化炭素選択酸化部から供給された改質ガスおよび空気供給源から供給された空気を用いて発電する燃料電池とを少なくとも備えているものが知られている。

このように構成された燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているように、燃料電池１１と燃焼器４１とを連通する通路（排出通路１５および接続通路３１）の途中にフィルタ部材３０が設けられているものがある。このフィルタ部材３０は、活性炭フィルタから構成されており、燃料タンク２０の補給及び脱気の間に遊離される炭化水素を吸着によって受け取る。このフィルタ部材３０を再生するために、酸化剤の排出ガス流が燃料電池１１から排出通路１５を介してこのフィルタ部材３０に導かれ、ここでこの排出ガス流は吸着された炭化水素を遊離して連れ出す。

また、燃料電池システムの運転中において、改質部に充填されている触媒のうち焼成成形されたものが熱膨張によって圧壊し粉末状となり、その粉末が改質ガスなどのガスの流れによって下流に流れ、ガス流路中で目詰まりを起こしたり、また燃料電池に到達し燃料極の流路で目詰まりを起こしたりするおそれがあった。そこで、この問題に対処した燃料電池システムの一形式として、特許文献２に示されたものがある。この燃料電池システムの燃料改質器は、粉末除去手段としてのフィルタ２０を備えており、フィルタ２０中では改質ガスは、改質ガス出口管１４の断面積よりも広い通過面積を持つ粉末除去体２１によりいったん流速を緩やかにされるので、改質ガスに中に混入した改質触媒粉末は能率よく粉末除去体２１により捕捉されるようになっている。粉末除去体２１に捕捉された改質触媒粉末は、粉末除去体２１とフィルタケース２２との間隙をその自重により降下し、移送管４１を通って粉末採集器４０に集められる。なお、粉末採集器４０に集められた改質触媒粉末は、燃料改質器の運転停止時に、粉末採集器４０から取り出されて処分される。
特開２０００−３２３１５８号公報（第３−５頁、第１図） 特開２００３−１９２３０４号公報（第３、４頁、第４図）

上述した燃料電池システムは、複数のユニット（改質部、一酸化炭素選択酸化部、燃料電池など）、多数の補機（ポンプ、電磁弁など）から構成されており、システムを組み立てた後（または部品（ユニットや補機）交換などのメンテナンス後）に同システムを運転する場合に、特にその初期運転時に異物が発生し、この異物によって燃料電池システムの流路、最終的には燃料電池の燃料極および空気極が目詰まりを起こすおそれがあった。そこで、燃料電池システムを出荷する前（またはメンテナンス直後）に慣らし運転することにより初期運転時に発生する異物を予め捕集する工程が実施されていた。なお、異物としては、改質部および燃料電池の空気極に空気を供給するポンプおよび改質部に燃料を供給するポンプの初期運転によって発生する細片、各ユニット内の残留したゴミ、配管内に付着したゴミなどがある。

一方、上述した特許文献１に記載のフィルタ部材３０は活性炭フィルタから構成され燃料タンク２０の補給及び脱気の間に遊離される炭化水素を吸着するものであるため、初期運転時に発生する異物を捕集するには不適切であり、またフィルタ部材３０は燃料電池１１の下流に設けられているので、初期運転時に発生する異物を燃料電池１１の手前で捕集することができない。

また、上述した特許文献２に記載のフィルタ２０は燃料改質器に設けられたものであり改質部で発生した改質触媒粉末を適切に捕集することはできるが、フィルタ２０はその触媒粉末を捕集するためフィルタの目（孔）は非常に小さいものであり、当然のことながら触媒粉末より大きい異物を捕集する。これにより、フィルタ２０が短期間で目詰まりを起こすという問題があった。また、空気または改質水を供給する供給系の異物を捕集することについては言及されていない。

また、上述した特許文献２に記載のフィルタ２０は燃料改質器に設けられたものであり改質部で発生した改質触媒粉末を適切に捕集することはできるが、空気または改質水を供給する供給系の異物を捕集することはできない。また捕集できたとしてもフィルタ２０や粉末採集器４０を設けるため装置の構造が複雑となっていた。

本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムの運転時、特に初期運転時に発生する異物を簡単な構成にて効果的に排除することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料電池に燃料を供給し使用済み燃料を排出する燃料配管系、燃料電池に酸化剤ガスを供給し使用済み酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス配管系、燃料電池に冷却水を供給し排出する冷却水配管系の少なくとも一つの配管系の何れかの部位に、この部位の内壁に凹部を形成し、この凹部に対向する管内壁に同管を横切るように邪魔板を設け、邪魔板の先端に凹部が配置されている異物排除部が設けられていることである。

また、請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、凹部は邪魔板の先端の下方に設けられていることである。

また、請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、燃料配管系に燃料電池に燃料を供給する供給手段、酸化剤ガス配管系に燃料電池に酸化剤ガスを供給する供給手段、冷却水配管系に燃料電池に冷却水を供給する供給手段が設けられ、異物排除部は各供給手段以降であって燃料電池以前の配管途中に設けられていることである。

また、請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１から請求項３の何れか一項において、燃料電池に燃料を供給する燃料供給系が、原燃料供給源から供給された燃料および改質水供給源から供給された改質水から改質ガスを生成して導出する改質部と、改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減して導出する一酸化炭素低減部とを備え、原燃料供給源および改質水供給源と改質部とを連通する配管、改質部と一酸化炭素低減部を連通する配管、一酸化炭素低減部と燃料電池を連通する配管の少なくとも何れかの配管に異物排除部が設けられていることである。

また、請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項４において、原燃料供給源と改質部を連通する配管、改質水供給源と改質部を連通する配管に供給手段を設け、異物排除部は供給手段以降であって燃料電池以前の配管途中に設けられていることである。

また、請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項４において、さらに一酸化炭素低減部に酸素供給源から酸素を供給する酸素供給配管が設けられ、この酸素供給配管に異物排除部が設けられていることである。

また、請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項６において、一酸化炭素低減部と酸素供給源を連通する酸素供給配管に供給手段を設け、異物排除部は供給手段以降であって燃料電池以前の酸素供給配管途中に設けられていることである。

また、請求項８に係る発明の構成上の特徴は、請求項１から請求項７の何れか一項において、邪魔板は、その先端が凹部内に入り込むように構成されていることである。

また、請求項９に係る発明の構成上の特徴は、請求項１から請求項８の何れか一項において、邪魔板をフィルタ部材で形成することである。

また、請求項１０に係る発明の構成上の特徴は、燃料電池に燃料ガスを供給し使用済み燃料ガスを排出する燃料ガス配管系、燃料電池に酸化剤ガスを供給し使用済み酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス配管系の少なくとも一つの配管系の何れかの部位に、ガス中の水蒸気を凝縮して回収する凝縮器を備え、凝縮器は、冷却機構を備えたケーシングの内部に流体を導入する導入口と、ケーシングの内部から流体を導出する導出口と、ケーシングの下部に設けられて凝縮された水を導出する凝縮水導出口と、導入口の下方のケーシング内の底部に設けられた受け部とを設け、この受け部外に凝縮水導出口を配置することである。

また、請求項１１に係る発明の構成上の特徴は、請求項１０において、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系が、原燃料供給源から供給された燃料および改質水供給源から供給された改質水から改質ガスを生成して導出する改質装置を備え、凝縮器は、改質装置から燃料電池に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮して改質水として回収するものであることである。

また、請求項１２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１０または請求項１１において、受け部をケーシング内底部に凸設した堰部にて構成することである。

また、請求項１３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１２において、堰部をフィルタ部材で形成することである。

また、請求項１４に係る発明の構成上の特徴は、燃料電池に燃料ガスを供給し使用済み燃料ガスを排出する燃料ガス配管系、燃料電池に酸化剤ガスを供給し使用済み酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス配管系の少なくとも一つの配管系の何れかの部位に、ガス中の水蒸気を凝縮して回収する凝縮器を備え、凝縮器は、冷却機構を備えたケーシングの内部に流体を導入する導入口と、ケーシングの内部から流体を導出する導出口と、ケーシングの下部に設けられて凝縮された水を導出する凝縮水導出口とを設け、凝縮水導出口をフィルタ部材で覆ったことである。

また、請求項１５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１４において、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系が、原燃料供給源から供給された燃料および改質水供給源から供給された改質水から改質ガスを生成して導出する改質装置を備え、凝縮器は、改質装置から燃料電池に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮して改質水として回収するものであることである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、燃料電池システムの運転中に発生した異物、特にその初期運転時に発生した比較的大型の異物が配管中を多量に流れてきた場合に、その異物は邪魔板に当たって凹部に捕集されて下流に流れることはない。これにより、燃料電池システムを出荷する前に初期運転時に発生する異物を予め排除する工程を設けなくても、燃料電池システムの初期運転時に発生する異物を簡単な構成にて効果的に排除することができるので、製造工程を短縮しコストを低減することができる。また、燃料電池システムを構成するユニット、部品を交換した後においても、交換後の初期運転時に発生する異物を予め排除する工程を設けなくても効果的に排除することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、凹部は邪魔板の先端の下方に設けられているので、配管中を流れてきた異物は邪魔板に当たって自重により落下し確実に凹部に捕集される。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、燃料配管系に燃料電池に燃料を供給する供給手段、酸化剤ガス配管系に燃料電池に酸化剤ガスを供給する供給手段、冷却水配管系に燃料電池に冷却水を供給する供給手段が設けられ、異物排除部は各供給手段以降であって燃料電池以前の配管途中に設けられている。これにより、各供給手段の初期運転によって発生する細片は異物排除部によって捕集されるので、燃料電池に到達することを防止することができ、燃料電池システムの長期安定運転を達成することができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、燃料電池に燃料を供給する燃料供給系が、原燃料供給源から供給された燃料および改質水供給源から供給された改質水から改質ガスを生成して導出する改質部と、改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減して導出する一酸化炭素低減部とを備え、原燃料供給源および改質水供給源と改質部とを連通する配管、改質部と一酸化炭素低減部を連通する配管、一酸化炭素低減部と燃料電池を連通する配管の少なくとも何れかの配管に異物排除部が設けられている。これにより、各配管中を流れてきた異物が異物排除部によって確実に捕集されるので、改質部、一酸化炭素低減部および燃料電池に到達することを防止することができ、燃料電池システムの長期安定運転を達成することができる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、原燃料供給源と改質部を連通する配管、改質水供給源と改質部を連通する配管に供給手段を設け、異物排除部は供給手段以降であって燃料電池以前の配管途中に設けられているので、供給手段の初期運転によって発生する細片は異物排除部によって捕集される。

上記のように構成した請求項６に係る発明においては、さらに一酸化炭素低減部に酸素供給源から酸素を供給する酸素供給配管が設けられ、この酸素供給配管に異物排除部が設けられているので、その配管中を流れてきた異物が異物排除部によって確実に捕集される。

上記のように構成した請求項７に係る発明においては、一酸化炭素低減部と酸素供給源を連通する酸素供給配管に供給手段を設け、異物排除部は供給手段以降であって燃料電池以前の酸素供給配管途中に設けられているので、供給手段の初期運転によって発生する細片は異物排除部によって捕集される。

上記のように構成した請求項８に係る発明においては、邪魔板は、その先端が凹部内に入り込むように構成されているので、配管中を流れてきた異物は必ず邪魔板に当たって自重により落下し確実に凹部に捕集される。

上記のように構成した請求項９に係る発明においては、邪魔板をフィルタ部材で形成することにより、配管の長手方向への流体の流れを確保して凹部を経由する流量を低減するので、凹部内に捕集されている異物を再び配管に巻き上げて下流に流出することを防止することができる。

上記のように構成した請求項１０に係る発明においては、燃料電池システムの運転中に発生した異物、特にその初期運転時に発生した比較的大型の異物が配管中を多量に流れてきて凝縮器に到達した場合に、その異物は自重により落下し受け部に捕集されて導出口を通って下流に流れることはない。また凝縮水導出口を通って下流に流れることもない。これにより、燃料電池システムを出荷する前に初期運転時に発生する異物を予め排除する工程を設けなくても、燃料電池システムの初期運転時に発生する異物を簡単な構成にて効果的に排除することができるので、製造工程を短縮しコストを低減することができる。

上記のように構成した請求項１１に係る発明においては、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系が、原燃料供給源から供給された燃料および改質水供給源から供給された改質水から改質ガスを生成して導出する改質装置を備え、凝縮器は、改質装置から燃料電池に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮して改質水として回収するものである。これにより、配管中を改質ガスとともに流れてきた異物が凝縮器によって確実に捕集されるので、燃料電池に到達することを防止することができ、燃料電池システムの長期安定運転を達成することができる。

上記のように構成した請求項１２に係る発明においては、受け部をケーシング内底部に凸設した堰部にて構成することにより、簡単な構造にて受け部を形成することができる。

上記のように構成した請求項１３に係る発明においては、堰部をフィルタ部材で形成することにより、受け部内の水はフィルタ部材を通って流出するので必要以上の凝縮水が凝縮器内に残留するのを防止することができる。

上記のように構成した請求項１４に係る発明においては、燃料電池システムの運転中に発生した異物、特にその初期運転時に発生した比較的大型の異物が配管中を多量に流れてきて凝縮器に到達した場合に、その異物は自重により落下し受け部に捕集されて導出口を通って下流に流れることはない。また凝縮水導出口を通って下流に流れることもない。これにより、燃料電池システムを出荷する前に初期運転時に発生する異物を予め排除する工程を設けなくても、燃料電池システムの初期運転時に発生する異物を簡単な構成にて効果的に排除することができるので、製造工程を短縮しコストを低減することができる。

上記のように構成した請求項１５に係る発明においては、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系が、原燃料供給源から供給された燃料および改質水供給源から供給された改質水から改質ガスを生成して導出する改質装置を備え、凝縮器は、改質装置から燃料電池に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮して改質水として回収するものである。これにより、配管中を改質ガスとともに流れてきた異物が凝縮器によって確実に捕集されるので、燃料電池に到達することを防止することができ、燃料電池システムの長期安定運転を達成することができる。

以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池１０と燃料電池１０に必要な水素ガスを生成する改質装置２０を備えている。燃料電池１０は、燃料極１１と空気極１２を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された空気（カソードエア）を用いて発電するものである。

改質装置２０は、天然ガス、ＬＰＧ、灯油、アルコール、エーテル、ガソリン、ナフサ等の原油精製燃料、ＧＴＬ（Gas To Liquids）燃料などの燃料を水素ガスに改質する改質部２１と、改質部２１から導出された水素ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２２と、ＣＯシフト部２２から導出された水素ガスに含まれる一酸化炭素をさらに除去する一酸化炭素選択酸化部２３（以下、ＣＯ選択酸化部という）から構成されている。なお、天然ガス、ＬＰＧなどの気体の燃料を燃料ガスといい、この気体の燃料と灯油、アルコール、エーテル、ガソリンなどの液体の燃料を合わせて燃料という。

改質部２１は、触媒２１ａが充填された反応室２１ｂと、この反応室２１ｂに密接して設けられて反応室２１ｂを加熱する加熱室２１ｃと、加熱室２１ｃに高温の燃焼ガスを供給するバーナ２１ｄから構成されている。

反応室２１ｂには燃料供給源Ｓf（原燃料供給源、例えば都市ガス管）に接続された燃料供給管４１が接続されており、燃料供給源Ｓｆから燃料が供給されている。燃料供給管４１には、上流から順番に第１燃料バルブ４２、燃料ポンプ４３、脱硫器４４、第２燃料バルブ４５および熱交換部４６が設けられている。第１および第２燃料バルブ４２，４５は制御装置（図示省略）の指令によって燃料供給管４１を開閉するものであり、燃料ポンプ４３は制御装置の指令によって燃料供給源Ｓｆから供給される燃料を吸い込み改質部２１の反応室２１ｂに吐出するものであり、脱硫器４４は燃料中のイオウ分を除去するものであり、熱交換部４６は改質部２１からＣＯシフト部２２へ供給される高温の水素ガス（改質ガス）との間で熱交換が行われて予熱された燃料を改質部２１の反応室２１ｂに供給するものである。これにより、燃料はイオウ分が除去され予熱されて反応室２１ｂに供給される。

また、燃料供給管４１の第２燃料バルブ４５と熱交換部４６との間には蒸発器５５に接続された水蒸気供給管５２が接続され、蒸発器５５から供給された水蒸気が燃料に混合されて改質部２１の反応室２１ｂに供給されている。蒸発器５５には改質水供給源である水タンクＳｗに接続された給水管５１が接続されている。給水管５１には、上流から順番に水ポンプ５３および水バルブ５４が設けられている。水ポンプ５３は制御装置の指令によって水タンクＳｗから供給される水を吸い込み蒸発器５５に吐出するものであり、水バルブ５４は制御装置の指令によって給水管５１を開閉するものである。給水管５１は加熱室２１ｃの外周に巻きつけられており、給水管５１内の流水が加熱室２１ｃの高熱によって予熱される。蒸発器５５には一端が加熱室２１ｃに接続され他端が外部に開放されている排気管８１が貫設されており、蒸発器５５は供給される予熱された水を排気管８１を流れる加熱室２１ｃから外部へ排出される燃焼ガス（排気ガス）によって加熱して水蒸気にし、反応室２１ｂに供給するものである。これにより、水は予熱されて蒸発器５５に供給され、水蒸気となって反応室２１ｂに供給される。なお、本実施の形態においては、給水管５１であって加熱室２１ｃに巻きつけられた部分と蒸発器５５とから蒸発部５６が構成されている。

反応室２１ｂは、後述するようにバーナ２１ｄの燃焼ガスによって加熱されており、反応室２１ｂ内に供給された燃料ガスと水蒸気は、触媒２１ａ（例えば、Ｒｕ、Ｎｉ系の触媒）により反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に反応室２１ｂ内では、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素が水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は熱交換部４６を通って降温されてＣＯシフト部２２に導出される。

ＣＯシフト部２２においては、供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素が、ＣＯシフト部２２内に充填された触媒２２ａ（例えば、Ｃｕ、Ｚｎ系の触媒）により水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これにより、改質ガスは前述した一酸化炭素シフト反応によって一酸化炭素濃度が低減されて導出される。

ＣＯシフト部２２から導出された一酸化炭素濃度が低減された改質ガスは、ＣＯ選択酸化部２３に供給される。一方、ＣＯ選択酸化部２３には、空気供給源Ｓａ（酸素供給源、例えば大気）に接続された酸化用空気供給管６１が接続されており、空気供給源Ｓａから酸化剤ガスである空気が供給されている。酸化用空気供給管（酸素供給配管）６１には、上流から順番にフィルタ６２、空気ポンプ６３および空気バルブ６４が設けられている。フィルタ６２は空気を濾過するものであり、空気ポンプ６３は制御装置の指令によって空気供給源Ｓａから供給される空気を吸い込みＣＯ選択酸化部２３に吐出するものであり、空気バルブ６４は制御装置の指令によって酸化用空気供給管６１を開閉するものである。これにより、空気がＣＯ選択酸化部２３に供給される。

ＣＯ選択酸化部２３に供給された改質ガスに残留している一酸化炭素は、ＣＯ選択酸化部２３に充填された触媒２３ａ（例えば、Ｒｕ系またはＰｔ系の触媒）により上述のように供給された空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出されて、燃料電池１０の燃料極１１に供給されるようになっている。

燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管７１を介してＣＯ選択酸化部２３が接続されており、燃料極１１に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極１１の導出口にはオフガス供給管７２を介してバーナ２１ｄが接続されており、燃料電池１０にて反応に使われなかった水素ガス（オフガス）をバーナ２１ｄに供給するようになっている。バイパス管７３は燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管７１およびオフガス供給管７２を直結するものである。改質ガス供給管７１にはバイパス管７３との分岐点と燃料電池１０との間に第１改質ガスバルブ７４が設けられている。オフガス供給管７２にはバイパス管７３との合流点と燃料電池１０との間にオフガスバルブ７５が設けられている。バイパス管７３には第２改質ガスバルブ７６が設けられている。第１および第２改質ガスバルブ７４，７６およびオフガスバルブ７５はそれぞれの管を開閉するものであり、制御装置により制御されている。

また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、空気ポンプ６３の上流にて酸化用空気供給管６１から分岐したカソード用空気供給管６７の先端が接続されており、空気極１２内に空気が供給されるようになっている。カソード用空気供給管６７には上流から順にカソード用空気ポンプ６８およびカソード用空気バルブ６９が設けられている。カソード用空気ポンプ６８は空気供給源Ｓａから供給される空気を吸い込み燃料電池の空気極１２に吐出するものであり、カソード用空気バルブ６９はカソード用空気供給管６７を開閉するものであり、これらカソード用空気ポンプ６８およびカソード用空気バルブ６９は制御装置により制御されている。さらに、燃料電池１０の空気極１２の導出口には、他端が外部に開放されている排気管８２の一端が接続されている。

また、バーナ２１ｄには、燃料ポンプ４３の上流にて燃料供給管４１から分岐した燃焼用燃料供給管４７が接続されており、燃焼用燃料が供給されるようになっている。燃焼用燃料供給管４７には燃焼用燃料ポンプ４８が設けられており、燃焼用燃料ポンプ４８は燃料供給源Ｓｆから供給される燃料を吸い込みバーナ２１ｄに吐出するものであり制御装置によって制御されている。さらにバーナ２１ｄには空気ポンプ６３の上流にて酸化用空気供給管６１から分岐した燃焼用空気供給管６５が接続されており、燃焼用燃料、改質ガスまたはオフガスを燃焼させるための燃焼用空気が供給されるようになっている。燃焼用空気供給管６５には燃焼用空気ポンプ６６が設けられており、燃焼用空気ポンプ６６は空気供給源Ｓａから供給される空気を吸い込みバーナ２１ｄに吐出するものであり制御装置により制御されている。バーナ２１ｄが制御装置の指令によって着火されると、バーナ２１ｄに供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはオフガスは燃焼されて高温の燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが加熱室２１ｃに供給されて反応室２１ｂが加熱されることにより触媒２１ａが加熱される。加熱室２１ｃを通過した燃焼ガスは排気管８１および蒸発器５５を通って排気ガスとして外部に排気される。排気管８１には凝縮器８３が設けられており、排気ガス中の水蒸気を凝縮して回収しその回収水は純水器９５に供給されるようになっている。

また、燃料電池システムは、燃料電池１０を定常運転時に冷却する冷却水が循環される冷却水循環回路（冷却水配管系）８６と、この冷却水循環回路８６上に設けられて冷却水と熱交換して冷却する熱交換器８５と、冷却水循環回路８６上に設けられて冷却水を循環させるポンプ８７が設けられている。冷却水は図示矢印の方向に循環する。

また、改質ガス供給管７１の途中には図１に示すような異物排除部である捕集装置９０が設けられている。この捕集装置９０は、図２に示すように、改質ガス供給管７１内壁に形成された凹部９１と、この凹部９１に対向する管内壁に同管７１を横切るように設けられた邪魔板９２とから構成されている。凹部９１は水平に延在する部分に形成されるのが好ましく、このとき、凹部９１は邪魔板９２の先端の下方に位置するように配置されている。邪魔板９２はその先端が凹部９１内に入り込むように構成されている。

なお、邪魔板９２はフィルタ部材（例えば貫通穴を多数設けた板部材、メッシュ部材）で構成されてもよい。また、管７１内には、図３に示すように、凹部９１の下流端縁に位置するようにフィルタ９３を設けるようにしてもよい。このフィルタの孔径は初期運転により発生する異物をろ過できる程度の大きさに設定されるのが望ましい。

なお、凹部９１は初期運転時に発生する異物の量を考慮して設定されるのが好ましい。また、凹部９１は図４に示すように鉛直に延在する部分に形成されるようにしてもよい。このときにも、凹部９１は邪魔板９２の先端の下方に位置するように配置されている。なお、凹部９１の下端には落下防止壁９４が設けられている。

また、捕集装置９０は、改質ガス供給管７１だけでなく、燃料供給管４１、給水管５１、酸化用空気供給管６１、カソード用空気供給管６７、オフガス供給管７２および冷却水循環回路８６の途中に設けるようにしてもよい。燃料供給管４１においては燃料ポンプ４３の下流に設けることが好ましく、給水管５１においては水ポンプ５３の下流に設けることが好ましく、酸化用空気供給管６１においては空気ポンプ６３の下流に設けることが好ましく、カソード用空気供給管６７においてはカソード用空気ポンプ６８以降であって燃料電池１０の空気極１２以前に設けることが好ましい。

また、改質ガス供給管７１、オフガス供給管７２および排気管８２の途中には、それぞれ改質ガス用凝縮器７７、アノードオフガス用凝縮器７８およびカソードオフガス用凝縮器７９が設けられている。改質ガス用凝縮器７７は配管７１中を流れる燃料電池１０の燃料極１１に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器７８は配管７２中を流れる燃料電池１０の燃料極１１から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器７９は排出管８２中を流れる燃料電池１０の空気極１２から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。なお、各凝縮器７７〜７９には、図示しない貯湯槽の低温液体またはラジエータおよび冷却ファンによって冷却された液体が供給される冷媒管（図示省略）が貫設されており、この液体との熱交換によって各ガス中の水蒸気を凝縮している。

これら凝縮器７７，７８，７９は配管８４を介して純水器９５に連通しており、各凝縮器７７，７８，７９にて凝縮された凝縮水は、純水器９５に導出され回収されるようになっている。純水器９５は、各凝縮器７７，７８，７９から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を水タンクＳｗに導出するものである。なお、純水器９５には水道水供給源（例えば水道管）から供給される補給水（水道水）を導入する配管が接続されており、純水器９５内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになっている。

凝縮器７７（または７８、７９）は、図５に示すように、ケーシング７７ａ（または７８ａ、７９ａ）を備えている。ケーシング７７ａ内の上部には冷媒管８３が貫設されており、冷媒管８３の外周壁には熱交換率を上げるためにフィン８３ａが設けられている。冷媒管８３とフィン８３ａとから冷却機構が構成されている。ケーシング７７ａには、内部に流体である改質ガス（またはアノードオフガス、カソードオフガス）を導入する導入口７７ｂ（または７８ｂ、７９ｂ）、および内部の流体を導出する導出口７７ｃ（または７８ｃ、７９ｃ）が設けられている。導入出口７７ｂ，７７ｃには改質ガス供給管７１の各端（または導入出口７８ｂ，７８ｃにはオフガス供給管７２の各端、導入出口７９ｂ，７９ｃには排気管８２の各端）が接続されている。ケーシング７７ａに導入された改質ガスは、冷媒管８３によって冷却され改質ガス中の水蒸気はほとんど凝縮され、凝縮水はケーシング７７ａの底部に溜まり、水蒸気が除去された改質ガスが導出される。

ケーシング７７ａ内の底部には、溜まった凝縮水を導出する凝縮水導出口７７ｄ（または７８ｄ、７９ｄ）が形成されている。凝縮水導出口７７ｄには同導出口を開閉するバルブ７７ｅ（または７８ｅ、７９ｅ）が設けられ、一端が純水器９５に接続された回収水導出管８４の他端が接続されており、バルブ７７ｅを開くと凝縮水が純水器９５に供給され、閉じると供給が停止されるようになっている。また、ケーシング７７ａ内の底部には、導入口７７ｂの下方に受け部７７ｆ（または７８ｆ、７９ｆ）が設けられている。この受け部７７ｆの範囲外に凝縮水導出口７７ｄが配置されるようになっている。受け部７７ｆはケーシング７７ａ内底部に凸設した堰部７７ｇにて構成するようになっている。なお、堰部７７ｇはフィルタ部材（例えば貫通穴を多数設けた板部材、メッシュ部材）で構成されてもよい。なお、ケーシング７７ａの底部にはケーシング７７ａ内の水位を計測する水位計７７ｈ（または７８ｈ、７９ｈ）が設けられており、計測した水位によってバルブ７７ｅが開閉制御されている。

上述のように構成された燃料電池システムの作動について説明する。起動運転時には、第１バルブ４２が開状態とされ燃焼用燃料ポンプ４８が作動されるとともに、燃焼用空気ポンプ６６が作動されて、燃焼用燃料および燃焼用空気がバーナ２１ｄに供給されて燃焼される。燃焼ガスの加熱によって改質部２１が所定温度になると、第１および第２燃料バルブ４２，４５および水バルブ５４が開状態とされ、燃料ポンプ４３および水ポンプ５３が作動されて、燃料および改質水が改質部２１に供給される。このとき、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５，７６が閉状態とされ、第２改質ガスバルブ７６が開状態とされており、ＣＯ選択酸化部２３から導出される一酸化炭素の含有率の高い改質ガスは、燃料電池１０に供給されないでバイパス管７３を通ってバーナ２１ｄに供給される。この改質ガスはバーナ２１ｄで燃焼される。その改質ガス分だけ燃焼用燃料の供給量を減少させる。ＣＯ選択酸化部２３が所定温度になると、空気バルブ６４が開状態とされ空気ポンプ６３が作動されて、酸化用空気がＣＯ選択酸化部２３に供給されて改質ガスの酸化反応が促進される。

そして、改質ガス中の一酸化炭素が所定量以下となると、燃料電池システムは定常運転を開始する。第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５が開状態とされ、第２改質ガスバルブ７６が閉状態とされ、ＣＯ選択酸化部２３から導出される一酸化炭素の含有率の低い改質ガスは燃料電池１０に供給される。燃料電池１０で未反応の改質ガス（オフガス）はバーナ２１ｄに供給されて燃焼される。そして、燃焼用燃料のバーナ２１ｄへの供給は停止される。なお、必要に応じて燃焼用燃料はバーナ２１ｄに供給される。

上述のように稼動する燃料電池システムは、改質部２１、ＣＯシフト部２２、ＣＯ選択酸化部２３、熱交換部４６、燃料電池１０などの複数のユニット、各ポンプ４３，４８，６３，６６，６８，５３、各電磁弁４２，４５，５４，６４，６９，７４，７５，７６などの多数の補機から構成されており、システムを組み立てた後（または部品（ユニットや補機）交換などのメンテナンス後）に同システムを運転する場合に、特にその初期運転時に異物が発生する。この初期異物は、ポンプや電磁弁の初期運転によって発生する細片（触媒粉末と比較して大きいもの）、ユニットのばりなどである。

燃料電池システムの運転時において捕集装置９０では、図２に示すように、改質ガス供給管７１内を流体（改質ガス）とともに流れてきた異物は、邪魔板９２に当たって邪魔板９２の下方に落下し凹部９１に捕集される。流体は邪魔板９２を避けて凹部９１を通って下流に流れていく。また、凝縮器７７では、図５に示すように、改質ガス供給管７１内を流体（改質ガス）とともに流れてきた異物は、導入口７７ｂからハウジング７７ａ内に流入して導入口７７ｂの下方に設けられた受け部７７ｆ内に落下しその受け部７７ｆに捕集される。流体は凝縮されて導出口７７ｃを通って再び改質ガス供給管７１に導出される。

上述した説明から理解できるように、この実施の形態においては、燃料電池システムの運転中に発生した比較的大型の異物、特にその初期運転時に発生した異物が配管中を多量に流れてきた場合に、その異物は邪魔板９２に当たって自重により落下し凹部９１に捕集されて下流に流れることはない。これにより、燃料電池システムを出荷する前に初期運転時に発生する異物を予め排除する工程を設けなくても、通常運転を実施すれば通常運転の一環として燃料電池システムの初期運転時に発生する異物を簡単な構成にて効果的に排除することができるので、製造工程を短縮しコストを低減することができる。また、ユーザ先にて燃料電池システムを構成するユニットや部品を交換した後においても、交換後の初期運転時に発生する異物を予め排除する工程を設けなくても通常運転を実施すれば通常運転の一環として効果的に排除することができる。

また、凹部９１は邪魔板９２の先端の下方に設けられているので、配管中を流れてきた異物は邪魔板９２に当たって自重により落下し確実に凹部９１に捕集される。また、邪魔板９２はその先端が凹部９１内に入り込むように構成されていることにより、配管中を流れてきた異物は必ず邪魔板９２に当たって自重により落下し確実に凹部９１に捕集される。また、邪魔板９２をフィルタ部材で形成することにより、配管の長手方向への流体の流れを確保して凹部９１を経由する流量を低減するので、凹部９１内に捕集されている異物を再び配管に巻き上げて下流に流出することを防止することができる。さらに、配管内には凹部９１の下流端縁に位置するようにフィルタ９３を設けたことにより、配管中を流れてきた異物はフィルタに当たって自重により落下しより確実に凹部９１に捕集される。

また、捕集装置９０によって各配管４１，５１，６１，６７，７１，７２，８２，８６中を流れてきた異物が確実に捕集されるので、燃料電池１０、改質装置２０に到達することを防止することができ、燃料電池システムの長期安定運転を達成することができる。

また、捕集装置９０は供給手段である各ポンプ４３，５３，６３，６８，８７以降であって燃料電池１０以前の配管途中に設けられていることにより、各ポンプの初期運転によって発生する細片は捕集装置９０によって捕集されるので、燃料電池１０に到達することを防止することができ、燃料電池システムの長期安定運転を達成することができる。

また、燃料電池システムの運転中に発生した比較的大型の異物、特にその初期運転時に発生した異物が配管中を多量に流れてきて凝縮器７７に到達した場合に、その異物は自重により落下し受け部７７ｆに捕集されて導出口７７ｃを通って下流に流れることはない。また凝縮水導出口７７ｄを通って下流に流れることもない。これにより、燃料電池システムを出荷する前に初期運転時に発生する異物を予め排除する工程を設けなくても、燃料電池システムの初期運転時に発生する異物を簡単な構成にて効果的に排除することができるので、製造工程を短縮しコストを低減することができる。また各ポンプの初期運転によって発生する細片は凝縮器７７によって捕集されるので、燃料電池１０に到達することを防止することができ、燃料電池システムの長期安定運転を達成することができる。

また、凝縮器７７において受け部７７ｆをケーシング７７ａ内底部に凸設した堰部７７ｇにて構成することにより、簡単な構造にて受け部７７ｆを形成することができる。また、堰部７７ｇをフィルタ部材で形成することにより、受け部７７ｆ内の水はフィルタ部材を通って流出するので必要以上の凝縮水が凝縮器７７内に残留するのを防止することができる。
また、凝縮器７８，７９においても凝縮器７７と同様に上流で発生した異物を捕集することができる。

なお、上述した実施の形態において、図６に示すように、凝縮器７７は堰部７７ｇを削除して凝縮水導出口７７ｄをフィルタ部材７７ｉで覆うように構成してもよい。この場合ケーシング７７ａの底部全体が受け部７７ｆとなる。これによっても、上述と同様な作用・効果を得るのに加えて、より簡単な構造で異物を捕集することができる。

また、上述した実施の形態において、邪魔板９２の先端は凹部９１内に入り込ませないようにしてもよく、また邪魔板９２は流れてきた異物が邪魔板９２を素通りしない程度に内壁から突出するように形成されるのが望ましい。
また、上述した実施の形態において、燃料電池システムに捕集装置９０および凝縮器の受け部７７ｆを両方設けたが、どちらか一方を設けるようにしてもよい。
また、上述した実施の形態において、捕集装置９０を複数設けるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態において、捕集装置９０を、空気供給源Ｓａとバーナ２１ｄとを連通する燃焼用空気供給管６５の途中、燃料供給源Ｓｆとバーナ２１ｄとを連通する燃焼用燃料供給管４７の途中に設けるようにしてもよく、燃焼用空気ポンプ６６および燃焼用燃料ポンプ４８以降に設けるのがより好ましい。これによっても、通常運転を実施すれば通常運転の一環として燃料電池システムの初期運転時に発生する異物（または通常運転時に発生する異物）を簡単な構成にて効果的に排除することができる。

また、上述した実施の形態においては、供給手段としてポンプを採用したが、他の流体送出装置（例えばブロアなど）を採用するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態においては、本発明を、改質装置２０にて供給された燃料を改質してその改質ガスを燃料電池１０に供給する燃料電池システムに適用するようにしたが、燃料（主として液体燃料であり例えばメタノールがある）を直接燃料電池に供給する燃料電池システム（例えばダイレクトメタノール型燃料電池システム）に適用することができる。この場合にも、そのシステムを構成する配管に異物排除部を設けることによりその配管中を流れる異物を確実に捕集することができる。

なお、上述した実施の形態においては、ＣＯシフト部２２およびＣＯ選択酸化部２３により一酸化炭素低減部を構成するようにしたが、ＣＯシフト部２２またはＣＯ選択酸化部２３により構成するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態においては、燃料供給管４１、改質ガス供給管７１およびオフガス供給管７２から燃料配管系が構成され、カソード用空気供給管６７および排気管８２から酸化剤ガス配管系が構成され、冷却水循環回路８６により冷却水配管系が構成され、これら各配管系に異物排除部である捕集装置９０が設けられているが、この構成に限られず、異物排除部は、燃料電池に燃料を供給し使用済み燃料を排出する燃料配管系、燃料電池に酸化剤ガスを供給し使用済み酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス配管系、燃料電池に冷却水を供給し排出する冷却水配管系であれば、これらの配管系の何れかの部位に設けることができる。

また、上述した実施の形態においては、改質部２１、ＣＯシフト部２２およびＣＯ選択酸化部２３、燃料供給管４１、改質水供給管５１、酸化用空気供給管６１、改質ガス供給管７１から燃料供給系が構成され、燃料供給管４１、改質水供給管５１、酸化用空気供給管６１、改質ガス供給管７１に異物排除部である捕集装置９０が設けられているが、この構成に限られず、異物排除部は、燃料電池１０に燃料を供給する燃料供給系であれば燃料供給形を構成する配管の何れかの部位に設けることができる。

本発明による燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。 図１に示す捕集装置を示す断面図である。 図１に示す捕集装置の他の一例を示す断面図である。 図１に示す捕集装置の他の一例を示す断面図である。 図１に示す凝縮器を示す断面図である。 図１に示す凝縮器の他の一例を示す断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質装置、２１…改質部、２１ｄ…バーナ、２２…ＣＯシフト部、２３…ＣＯ選択酸化部、４１…燃料供給管、４２…第１燃料バルブ、４３…燃料ポンプ、４４…脱硫器、４５…第２燃料バルブ、４６…熱交換部、４７…燃焼用燃料供給管、４８…燃焼用燃料ポンプ、５１…給水管、５２…蒸発器、５３…水ポンプ、５４…水バルブ、５５…蒸発器、６１…酸化用空気供給管、６２…フィルタ、６３…空気ポンプ、６４…空気バルブ、６５…燃焼用空気供給管、６６…燃焼用空気ポンプ、６７…カソード用空気供給管、６８…カソード用空気ポンプ、６９…カソード用空気バルブ、７１…改質ガス供給管、７２…オフガス供給管、７３…バイパス管、７４…第１改質ガスバルブ、７５…オフガスバルブ、７６…第２改質ガスバルブ、７７，７８，７９…凝縮器、７７ａ…ケーシング、７７ｂ…導入口、７７ｃ…導出口、７７ｄ…凝縮水導出口、７７ｆ…受け部、７７ｇ…堰部、７７ｉ…フィルタ部材、８１，８２…排気管、８３…凝縮器、８４…回収水導出管、８５…熱交換器、８６…冷却水循環回路、８７…ポンプ、９０…捕集装置、９１…凹部、９２…邪魔板、９５…純水器、Ｓａ…空気供給源、Ｓｆ…燃料供給源、Ｓｗ…水供給源。

Claims (15)

1. 燃料電池に燃料を供給し使用済み燃料を排出する燃料配管系、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給し使用済み酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス配管系、前記燃料電池に冷却水を供給し排出する冷却水配管系の少なくとも一つの配管系の何れかの部位に、該部位の内壁に凹部を形成し、該凹部に対向する管内壁に同管を横切るように邪魔板を設け、前記邪魔板の先端に前記凹部が配置されている異物排除部が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記凹部は前記邪魔板の先端の下方に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２において、前記燃料配管系に前記燃料電池に燃料を供給する供給手段、前記酸化剤ガス配管系に前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する供給手段、前記冷却水配管系に前記燃料電池に冷却水を供給する供給手段が設けられ、
   前記異物排除部は前記各供給手段以降であって前記燃料電池以前の配管途中に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３の何れか一項において、前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給系が、原燃料供給源から供給された燃料および改質水供給源から供給された改質水から改質ガスを生成して導出する改質部と、前記改質部から供給された前記改質ガス中の一酸化炭素を低減して導出する一酸化炭素低減部とを備え、
   前記原燃料供給源および前記改質水供給源と前記改質部とを連通する配管、前記改質部と前記一酸化炭素低減部を連通する配管、前記一酸化炭素低減部と前記燃料電池を連通する配管の少なくとも何れかの配管に前記異物排除部が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４において、前記原燃料供給源と前記改質部を連通する配管、前記改質水供給源と前記改質部を連通する配管に供給手段を設け、
   前記異物排除部は前記供給手段以降であって前記燃料電池以前の前記配管途中に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項４において、さらに前記一酸化炭素低減部に酸素供給源から酸素を供給する酸素供給配管が設けられ、該酸素供給配管に前記異物排除部が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項６において、前記一酸化炭素低減部と前記酸素供給源を連通する前記酸素供給配管に供給手段を設け、
   前記異物排除部は前記供給手段以降であって前記燃料電池以前の前記酸素供給配管途中に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項１から請求項７の何れか一項において、前記邪魔板は、その先端が前記凹部内に入り込むように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項１から請求項８の何れか一項において、前記邪魔板をフィルタ部材で形成することを特徴とする燃料電池システム。
10. 燃料電池に燃料ガスを供給し使用済み燃料ガスを排出する燃料ガス配管系、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給し使用済み酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス配管系の少なくとも一つの配管系の何れかの部位に、ガス中の水蒸気を凝縮して回収する凝縮器を備え、
    前記凝縮器は、冷却機構を備えたケーシングの内部に流体を導入する導入口と、前記ケーシングの内部から前記流体を導出する導出口と、前記ケーシングの下部に設けられて凝縮された水を導出する凝縮水導出口と、前記導入口の下方の前記ケーシング内の底部に設けられた受け部とを設け、
    該受け部外に前記凝縮水導出口を配置することを特徴とする燃料電池システム。
11. 請求項１０において、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系が、原燃料供給源から供給された燃料および改質水供給源から供給された改質水から改質ガスを生成して導出する改質装置を備え、
    前記凝縮器は、前記改質装置から前記燃料電池に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮して前記改質水として回収するものであることを特徴とする燃料電池システム。
12. 請求項１０または請求項１１において、前記受け部を前記ケーシング内底部に凸設した堰部にて構成することを特徴とする燃料電池システム。
13. 請求項１２において、前記堰部をフィルタ部材で形成することを特徴とする燃料電池システム。
14. 燃料電池に燃料ガスを供給し使用済み燃料ガスを排出する燃料ガス配管系、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給し使用済み酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス配管系の少なくとも一つの配管系の何れかの部位に、ガス中の水蒸気を凝縮して回収する凝縮器を備え、
    前記凝縮器は、冷却機構を備えたケーシングの内部に流体を導入する導入口と、前記ケーシングの内部から前記流体を導出する導出口と、前記ケーシングの下部に設けられて凝縮された水を導出する凝縮水導出口とを設け、
    前記凝縮水導出口をフィルタ部材で覆ったことを特徴とする燃料電池システム。
15. 請求項１４において、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系が、原燃料供給源から供給された燃料および改質水供給源から供給された改質水から改質ガスを生成して導出する改質装置を備え、
    前記凝縮器は、前記改質装置から前記燃料電池に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮して前記改質水として回収するものであることを特徴とする燃料電池システム。
    

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