JP5667252B2 - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、原燃料を改質した改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形燃料電池システムに関する。

従来より、酸化物イオンを伝導する膜として固体電解質を用いた固体酸化物形燃料電池セルを収納容器内に収納してなる固体酸化物形燃料電池が知られている。この固体酸化物形燃料電池セルでは、一般的に、固体電解質としてイットリアをドープしたジルコニアが用いられており、この固体電解質の一方側には燃料ガスを酸化するための燃料電極が設けられ、その他方側には空気（酸化材）中の酸素を還元するための酸素電極が設けられている（例えば、特許文献１参照）。固体酸化物形燃料電池（セル）の作動温度は約７００〜１０００℃と比較的高く、このような高温下において、燃料ガス中の水素や一酸化炭素、炭化水素と空気中の酸素とが電気化学反応を起こすことによって発電が行われる。

近年、このような固体酸化物形燃料電池を用いた固体酸化物形燃料電池システムが注目されている。この固体酸化物形燃料電池システムでは、原燃料ガスを改質するための改質器が設けられている。この改質器には原燃料ガス及び水蒸気が供給され、原燃料ガスの一部と水蒸気とが改質反応して改質され、改質された改質燃料ガスが固体酸化物形燃料電池の燃料電極側に送給される。

このような固体酸化物形燃料電池システムに関し、本出願人は、固体酸化物形燃料電池にて生じる排気ガスに水蒸気が含まれていることに着目し、この排気ガス中の水蒸気を凝縮させて水回収タンクに貯え、水回収タンクに貯えられた水を改質器に送給して原燃料ガスの改質反応に用い、水の自立運転を可能にしたシステムを提案した（特願２００８−８０８１７号）。この提案した固体酸化物形燃料電池システムでは、外部からの水を改質器に供給するための大がかりな水供給施設が不要となり、システム全体の小型化が達成することができるとともに、大幅なコストダウンを図ることができる。

特開２００７−２７３２５２号公報

本出願人が提案した固体酸化物形燃料電池システムでは、水の貯えに関連して、次の通りの問題がある。即ち、このような固体酸化物形燃料電池システムでは、排気ガス中の水蒸気を凝縮した水を水回収タンクに回収するのに回収ポンプが必要となる。特に、凝縮した水に含まれた不純物を除去する不純物除去手段を通して水回収タンクに回収する形態のものにおいては、回収ポンプが必要となり、このことに関連して、システム全体の構成が複雑になるとともに、製造コストが上昇する。

本発明の目的は、排気ガス中の水蒸気を凝縮する凝縮回収手段及び凝縮した水を貯める水回収タンクに関連する構成を改良し、これによって回収ポンプを省略することができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。

本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、原燃料を水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形燃料電池と、酸化材を前記固体酸化物形燃料電池に送給するための送風装置と、前記改質器に送給される原燃料の供給量を制御するための流量制御弁と、前記固体酸化物形燃料電池からの排気ガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収するための凝縮回収手段と、前記凝縮回収手段により回収された水を貯めるための水回収タンクと、前記水回収タンクに回収された水を前記改質器に送給するための水送給手段と、を備え、
前記凝縮回収手段は、前記固体酸化物形燃料電池からの排気ガスとの間で熱交換して排気ガスに含まれた水蒸気を凝縮するための熱交換器と、前記熱交換器と前記水回収タンクとを接続する回収流路とを含み、前記回収流路には、前記水回収タンクの満水位レベルを設定するための第１オーバーフロー手段が設けられ、また前記水回収タンクには、前記水回収タンクの異常水位レベルを設定するための第２オーバーフロー手段が設けられ、前記熱交換器、前記水回収タンクの前記第２オーバーフロー手段及び前記回収流路の前記第１オーバーフロー手段が、高い位置から低い位置にこの順に配置されており、
前記凝縮回収手段は、更に、前記熱交換器にて凝縮された水に含まれた不純物を除去するための不純物除去手段を含み、前記不純物除去手段が前記回収流路に配設され、前記不純物除去手段と前記水回収タンクを接続する前記回収流路の下流側部は、前記回収流路の前記第１オーバーフロー手段よりも低い位置に配置されており、
前記水回収タンクの水が前記満水位レベルを超えると前記第１オーバーフロー手段から排水され、また前記水回収タンクの水が前記異常水位レベルを超えると前記第２オーバーフロー手段から排水されることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、固体酸化物形燃料電池からの排気ガスに含まれた水蒸気を凝縮する凝縮回収手段は、排気ガスに含まれた水蒸気を凝縮するための熱交換器と、熱交換器と水回収タンクとを接続する回収流路とを含み、回収流路に第１オーバーフロー手段が設けられ、水回収タンクに第２オーバーフロー手段が設けられ、熱交換器、水回収タンクの第２オーバーフロー手段及び回収流路の第１オーバーフロー手段が、高い位置から低い位置にこの順に配置されているので、水を回収するための専用のポンプを必要とせず、熱交換器にて凝縮した凝縮水を高低差を利用して水回収タンクに所要の通りに回収することができる。また、水回収タンクに回収された水の水位が上昇すると回収流路の第１オーバーフロー手段を通して排水されるので、水回収タンクの水が満水位レベルを超えるのを防止することができる。更に、この水回収タンクの水が異常に上昇したときには水回収タンクの第２オーバーフロー手段を通して排水されるので、この水回収タンクの水が異常水位レベルを超えて異常上昇するのを防止することができる。更にまた、凝縮回収手段における不純物除去手段と水回収タンクとを接続する回収流路の下流側部は、第１オーバーフロー手段よりも低い位置にあるので、満水位レベルを超える水は、回収流路における不純物除去手段よりも上流側にて第１オーバーフロー手段から排水され、これにより、必要な水だけ不純物除去手段を通水することになり、不純物除去手段の量を減らすことができる。

本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第１の実施形態を簡略的に示す図。 図１の固体酸化物形燃料電池システムの凝縮回収手段及びこれに関連する構成を簡略的に示す簡略図。 図１の固体酸化物形燃料電池システムの制御系を示すブロック図。 図３の制御系による制御の流れを示すフローチャート。 第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの凝縮回収手段及びこれに関連する構成を簡略的に示す簡略図。 図５の固体酸化物形燃料電池システムの制御系を示すブロック図。 図６の制御系による制御の流れを示すフローチャート。

以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの実施形態について説明する。図１は、本発明の固体酸化物形燃料電池システムの第１の実施形態を示す簡略図であり、図２は、図１の固体酸化物形燃料電池システムの凝縮回収手段及びこれに関連する構成を簡略的に示す簡略図であり、図３は、図１の固体酸化物形燃料電池システムの制御系を示すブロック図であり、図４は、図３の制御系による制御の流れを示すフローチャートである。

図１〜図３において、図示の固体酸化物形燃料電池システム２は、原燃料としての原燃料ガス（例えば、天然ガス）を改質するための改質器４と、改質器４にて改質された改質燃料ガス及び酸化材としての空気の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形燃料電池６と、空気を固体酸化物形燃料電池６に送給するための送風装置８と、固体酸化物形燃料電池６及び送風装置８の動作を制御するための制御手段１００と、を備えている。

固体酸化物形燃料電池６は、燃料電池本体１２と、電気化学反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形燃料電池セルを配列してなる燃料電池スタック１４とから構成されている。燃料電池本体１２は遮蔽壁１６を備え、遮蔽壁１６の内部には高温空間１８が規定されており、この高温空間１８に燃料電池スタック１４が配設されているとともに、改質器４が収容されている。固体酸化物形燃料電池セルは、酸素イオンを伝導する固体電解質２０と、固体電解質２０の一方側に設けられた燃料電極（図示せず）と、固体電解質２０の他方側に設けられた酸素電極（図示せず）と、を備えており、固体電解質２０として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。また、固体酸化物形燃料電池６（セル）に関連して、その作動温度を検知するための作動温度検知手段２２とその発電出力を計測するための電力計測手段２４とが設けられている。

燃料電池スタック１４の燃料電極側２６の導入側は、改質燃料ガス送給流路２８を介して改質器４に接続され、この改質器４は、原燃料ガス供給流路３０を介して原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給源３２（例えば、埋設管や貯蔵タンクなど）に接続されている。原燃料ガス供給流路３０には、原燃料ガスの供給量を制御するための流量制御弁３４が配設されている。また、燃料電池スタック１４の酸素電極側３６の導入側は、空気送給流路３８を介して空気を予熱するための空気予熱器４０に接続され、この空気予熱器４０は、空気供給流路４２を介して送風装置８に接続されている。

燃料電池スタック１４の燃料電極側２６及び酸素電極側３６の各排出側には燃焼室４４が設けられ、燃料電極側２６から排出された反応燃料ガス（残余燃料ガスを含む）と酸素電極側３６から排出された空気（酸素を含む）とがそれぞれこの燃焼室４４に送給されて燃焼される。この燃焼室４４は排気ガス送給流路４６を通して空気予熱器４０に連通され、この空気予熱器４０には排気ガス排出流路４８が接続されている。

更に、この固体酸化物形燃料電池システム２では、燃焼室４４からの排気ガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収するための凝縮回収手段５０と、凝縮回収手段５０にて凝縮された水を貯めるための水回収タンク５１と、水回収タンク５１に回収された水（凝縮水）を改質器４に送給するための水送給手段５２と、を備えている。凝縮回収手段５０は、排気ガスに含まれる水蒸気を凝縮させるための熱交換器５４と、凝縮された水に含まれた不純物を除去するための不純物除去手段５６と、を備えている。熱交換器５４は排気ガス排出流路４８に配設され、この熱交換器５４には回収流路５８を介して水回収タンク５６が接続されている。

不純物除去手段５６は、イオン交換により不純物を除去するイオン交換樹脂を備え、このイオン交換樹脂はアニオン交換樹脂を含んでいる。アニオン交換樹脂は、固体酸化物形燃料電池６からの排気ガスに含まれる二酸化炭素を取り込んで炭酸破過し、このように炭酸破過することによって、不純物除去手段５６において凝縮した水を酸性の状態にし、不純物除去手段５６より下流側における水を酸性状態に保つことができる。このアニオン交換樹脂の量は、例えば数百時間程度で炭酸破過の状態となるように構成するのが好ましく、このようにすることによって、耐久寿命の大半において炭酸破過の状態、即ち凝縮水を酸性の状態に保つことができる。このように酸性状態に保つことによって、不純物除去手段５６より下流側、即ち水回収タンク５１などにおいてバクテリアの栄養源が少ない状態に保ち、バクテリアの繁殖を抑えることができる。

また、固体酸化物形燃料電池６からの排気ガスの熱を温水として蓄熱するための貯湯システム６０が設けられ、この貯湯システム６０は温水として貯湯するための貯湯タンク６４を備え、この貯湯タンク６４からの循環流路６６が熱交換器５４に接続されている。この循環流路６６には、循環ポンプ６８、循環水温度検知手段７０及び放熱手段７１が設けられている。循環ポンプ６８は貯湯タンク６４に貯められた水を循環流路６６を通して循環し、循環水温度検知手段７０は、循環流路６６を通して循環される循環水の温度を検知し、放熱手段７１は例えばラジエターから構成され、循環流路６６を通して循環される循環水の熱を放熱する。

貯湯タンク６４は、固体酸化物形燃料電池６の稼動により発生した熱を後述する如くして温水として蓄熱する。貯湯タンク６４には水供給流路７２が接続され、この水供給流路７２には水（水道水）の供給を制御するための開閉弁７４が配設されている。貯湯タンク６４に貯められた温水は、温水給湯流路７６を通して出湯される。尚、循環水温度検知手段７０は、熱交換器５４と貯湯タンク６４の間に配設され、熱交換器５４に供給される循環水の温度、即ち熱交換器５４の入口温度を測定し、また放熱手段７１は貯湯タンク６４と熱交換器５４との間に配設され、熱交換器５４に送給される循環水の熱を放熱する。

また、水送給手段５２は、水回収タンク５１内の水を改質器４に送給するための水送給流路７８を備え、この水送給流路７８に送給ポンプ８０が配設され、送給ポンプ８０は、水回収タンク５１内の水を改質用の水として水送給流路７８を通して改質器４に送給する。

凝縮回収手段５０及び水回収タンク５１に関連して、次のように構成されている。図２に示すように、熱交換器５４と不純物除去手段５６とを接続する回収流路５８の上流側部５８ａに第１オーバーフロー手段８２が設けられ、この第１オーバーフロー手段８２からオーバーフローした水は、矢印で示すように排水部８４を通して外部に排水される。また、水回収タンク５１には、第２オーバーフロー手段８６が設けられ、この第２オーバーフロー手段８６からオーバーフローした水も外部に排水される。

この実施形態では、熱交換器５４、第２オーバーフロー手段８６、第１オーバーフロー手段８２及び回収流路５８の下流側部５８ｂ（不純物除去手段５６と水回収タンク５１とを接続する流路部分）が、高い位置から低い位置にこの順に配置されており、このように配置することによって、熱交換器５４にて凝縮した水は、高低差を利用して回収流路５８の上流側部５８ａを通して不純物除去手段５６に流れ、この不純物除去手段５６から回収流路５８の下流側部５８ｂを通して水回収タンク５１に流れる。そして、水回収タンク５１内に水が回収されて破線８８で示すレベルに達すると、熱交換器５４から不純物除去手段５６に流れる水が第１オーバーフロー手段８２からオーバーフローして排水され、この第１オーバーフロー手段８２によって、水回収タンク５１の満水位レベルが設定される。第２オーバーフロー手段８６は、水回収タンク５１における満水位レベルよりも上の位置に配置されており、水回収タンク５１内の水が満水位レベルを超えて第２オーバーフロー手段８２に達すると、水回収タンク５１内の水が排水され、この第２オーバーフロー手段８２によって、水回収タンク５１内の水位が異常水位レベルを超えることが防止される。

この実施形態では、水回収タンク５１に、水位検知手段９０が設けられている。この水位検知手段９０は低水位センサ９２及び下限水位センサ９４から構成され、上側に配置された低水位センサ９２は、破線９６で示す低水位レベルを検知するためのものであり、下側に配設された下限水位センサ９４は、破線９８で示す下限水位レベルを検知するためのものである。この実施形態では、通常運転モードによる稼働運転に加えて水回収運転モードによる稼働運転ができるように構成されており、水回収タンク５６内の液面が低水位レベルまで低下する、換言すると低水位センサ９２が液面を検知すると、後述するように、通常運転モードから水回収運転モードに切り換わるように構成されている。また、水回収タンク５６内の液面が下限水位レベルまで低下する、換言すると下限水位センサ９４が液面を検知すると、後述するように、固体酸化物形燃料電池システム２の稼働運転が強制的に停止するように構成されている。

上述した固体酸化物形燃料電池システム２は、制御手段１００により後述する如く制御される。図３を参照して、制御手段１００は、例えばマイクロプロセッサなどから構成され、作動制御手段１０２、モード切換手段１０４、運転判定手段１０６及び記憶手段１０８を含んでいる。作動制御手段８２は、後述するようにして流量制御弁３４、送風装置８、循環ポンプ６８、送給ポンプ８０などの動作を制御する。モード切換手段１０４は、水回収タンク６４内の水が少なくなると通常運転モードから水回収運転モードに切り換え、また水回収タンク６４内の水が回復すると水回収運転モードから通常運転モードに切り換える。また、運転判定手段１０６は、水回収運転モードの稼働運転中において貯湯タンク６４が満蓄状態（充分に蓄熱された状態）の運転状態か、固体酸化物形燃料電池６が劣化状態の運転状態であるかを判定する。更に、記憶手段１０８には、固体酸化物形燃料電池６の設定作動温度、即ち固体酸化物形燃料電池６の劣化の進行を抑える設定上限温度（例えば、約８００℃）と、固体酸化物形燃料電池６の設定定格出力（例えば、１ｋＷ）と、貯湯タンク６４が満蓄状態であると判定する際に用いられる設定循環水温度（例えば、約３０℃）などが記憶されている。

この固体酸化物形燃料電池システム２の稼動運転は、次のようにして行われる。原燃料ガス供給源３２からの原燃料ガスは、原燃料ガス供給流路３０を通して後述する水（水回収タンク５１からの水）とともに改質器４に供給される。改質器４においては、原燃料ガスの一部と水（凝縮水）とが改質反応して改質され、このように改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給流路２８を通して燃料電池スタック１４の燃料電極側２６に送給される。また、送風装置８からの空気は、空気供給流路４２を通して空気予熱器４０に供給され、この空気予熱器４０において排気ガスとの間で熱交換されて加温された後に、空気送給流路３８を通して燃料電池スタック１４の酸素電極側３６に送給される。

燃料電池スタック１４の燃料電極側２６は改質された改質燃料ガスを酸化し、またその酸素電極側３６は空気中の酸素を還元し、燃料電極側２６の酸化及び酸素電極側３６の還元による電気化学反応により発電が行われる。

固体酸化物形燃料電池６の発電出力は、流量制御弁３４の開度を調節する、即ち改質器４に送給される原燃料ガスの送給量を調整することにより行われ、流量制御弁３４を制御することにより、固体酸化物形燃料電池６の発電出力は、定格発電出力に維持される。固体酸化物形燃料電池６における電気化学反応は約７００〜１０００℃の高温状態で行われ、燃料電池スタック１４の発電効率や寿命などを考慮して、固体酸化物形燃料電池６は設定作動温度（例えば、約８００℃）で稼働運転される。

燃料電極側２６からの反応燃料ガス及び酸素電極側３６からの空気はそれぞれ燃焼室４４に送給され、空気中の酸素を利用して余剰の燃料ガスが燃焼される。燃焼室４４からの排気ガスは排気ガス送給流路４６を通して空気予熱器４０に送給され、この空気予熱器４０において送風装置８からの空気との熱交換に利用されて排気ガス排出流路４８を通して熱交換器５４に送給される。

熱交換器５４においては、貯湯タンク６４の下部から循環流路６６を通して循環される循環水と排気ガス排出流路４８を流れる排気ガスとの間で熱交換が行われる。熱交換により加温された循環水（温水）は、循環ポンプ６８の作用によって循環流路６６を通して貯湯タンク６４の上部に貯められる。また、熱交換により排気ガスの温度が露点まで低下することによって、排気ガスに含まれる水蒸気が凝縮回収され、凝縮された水（凝縮水）が回収流路５８の上流側部５８ａを通して不純物除去手段５６に流れ、この不純物除去手段５６にて不純物が除去された水は、回収流路５８の下流側部５８ｂを通して水回収タンク５１に流れて貯められる。凝縮回収後の排気ガスは、排気ガス排出流路４８を通して大気に排出される。水回収タンク５１に貯められた水（凝縮水）は、送給ポンプ８０の作用によって水送給流路７８を通して改質器４に送給され、凝縮した水を改質用の水として用いた自立運転が行われる。また、循環水温度検知手段７０の検知温度が設定循環水温度（例えば、４５℃）以上であると、循環水温度検知手段７０からの検知温度に基づいて運転判定手段１０６は貯湯タンク６４の温水が満蓄状態と判断し、放熱手段７１が作動する。この循環水温度検知手段７０の検知温度が設定循環水温度より設定温度（例えば、５℃）下がれば（例えば、４０℃に下がる）、放熱手段７１が作動停止する。

次に、図３とともに図４を参照して、水回収タンク５１内の水の水位が低下したときの運転制御について説明する。固体酸化物形燃料電池システム２の上述した通常運転モードの運転において、凝縮水の発生が少なくて水回収タンク５１の液面が低水位レベルまで低下する（低水位センサ９２が液面を検知する）と、ステップＳ１からステップＳ２を経てステップＳ３に進み、通常運転モードの運転から水回収運転モード（排気ガス中に含まれた水蒸気をより多く回収することができる運転モード）の運転に切り換えられる。低水位センサ９２が水面を検知すると、低水位センサ９２からの検知信号が制御手段１００に送給され、この検知信号に基づいてモード切換手段１０４が通常運転モードから水回収運転モードに切り換え、固体酸化物形燃料電池システム２はこの水回収運転モードで稼働運転される。

貯湯タンク６４の温水としての蓄熱が満蓄状態であると、循環流路６６を通して循環される循環水の温度が上昇し（貯湯タンク６４には温水が層状に貯えられ、上部には温水が貯まり、下部には水が貯まるようになり、下部から循環流路６６に送給される循環水の温度が高いと、貯湯タンク６４に貯えられた水全体の温度が高く、蓄熱が満蓄状態になっていることになる）、熱交換器５４に温度の高い循環水が送給されるようになる。また、夏期など周囲温度が高いと、放熱手段７１にて充分に循環水の温度が低下せず、このような満蓄状態では、熱交換器５４から流出する排気ガスの温度が下がらないために、排気ガスに含まれた水蒸気の凝縮が行われ難くなり、排気ガス中の水蒸気からの水分回収が少なくなり、水不足が発生するおそれが生じる。このような運転状態においては、作動制御手段１０２は、放熱手段７１（ラジエター）を作動させ、このような状態での水回収運転モードの運転が行われる。

この満蓄状態における水回収運転モードの運転においては、固体酸化物形燃料電池６が劣化状態であるか否か判断される（ステップＳ４）。固体酸化物形燃料電池６が劣化状態にあるときには、設定定格出力を維持しようとするとその作動温度は高くなる傾向にあり、このようなときには、送風装置８からの送風量を増大させて固体酸化物形燃料電池６を冷却させるように運転される。このような劣化状態であると、送風装置８の送風状態に基づいて運転判定手段１０６は、固体酸化物形燃料電池６が劣化状態であると判定し、ステップＳ４を経てステップＳ５に進む。

固体酸化物形燃料電池６が劣化状態であると、送風装置８の送風量が多くなり、これによって排気ガス排出流路４８を流れる排気ガスも多く流れるようになる。このような劣化状態においては、熱交換器５４における凝縮水の回収量が少なくなり、熱交換器５４における熱交換による排気ガスの温度低下が小さく、排気ガスに含まれた水蒸気の凝縮が行われ難くなり、水不足が発生するおそれが生じる。このような運転状態においては、作動制御手段１０２は、送風装置８を通常の送風状態に戻す（即ち、劣化に伴う作動温度の上昇を抑えるために送風装置８の送風量を増大していた制御を元の状態に戻し、送風装置８の送風量を通常の送風状態に戻す）とともに、固体酸化物形燃料電池６の作動温度が設定作動温度に維持されるように流量制御弁３４の開度を小さくして原燃料ガスの送給量を少なくして固体酸化物形燃料電池６の発電出力を低下させ（ステップＳ５）、このような状態での水回収運転モードの運転が行われる。

この劣化状態における水回収運転モードの運転においては、送風装置８からの送風量が少なくなり、これによって、排気ガス排出流路４８を通して熱交換器５４に流れる排気ガスの送給量が少なくなる。従って、このときには、排気ガスの流量が少なくなって熱交換器５４における排気ガスとの熱交換の効率が高くなって排気ガスの温度低下が大きくなり、排気ガスに含まれた水蒸気の凝縮効率が高められ、排気ガス中の水蒸気の回収量が多くなる。このような水回収運転モードの運転は、水回収タンク５１の水位が低水位レベルより上昇するか、又は下限水位レベル以下に下がるまで行われる。尚、ステップＳ６の所定設定時間は例えば５〜３０分程度、例えば１０分に設定され、この間、水回収運転モードの運転が継続して行われる。

ステップＳ５における水回収運転モードによる運転（発電出力低下状態での運転）により水回収タンク５１の水位が上昇し、水回収タンク５１の水位が低水位レベルを超えると、ステップＳ９に移り、固体酸化物形燃料電池６の発電出力が元に戻され、その後ステップＳ１に戻って、固体酸化物形燃料電池システム２は、水回収運転モードの前の運転状態である通常運転モードで運転される。このようにして通常運転モードの運転に戻ると、流量制御弁３４の開度が大きくなって原燃料ガスの送給量が多くなって固体酸化物形燃料電池６の出力が設定定格出力に戻る。

一方、ステップＳ５における水回収運転モードによる運転によっても水回収タンク５１の水位が回復せず、その水位が下限水位レベルまで低下すると、ステップＳ７からステップＳ８を経てステップＳ１０に進み、作動制御手段１０２は、固体酸化物形燃料電池システム２の運転を強制停止する。即ち、下限水位センサ９４が液面を検知すると、この下限水位センサ９４からの検知信号に基づいて作動制御手段１０２は固体酸化物形燃料電池システム２の作動を停止し、このように作動停止することによって、改質用の水不足による異常運転を回避することができる。尚、このように下限水位レベルまで水位が低下した場合には、水回収タンク５１に例えば満水位レベルまで水を補給した後に固体酸化物形燃料電池システム２の運転を再開するようになる。

次に、図５〜図７を参照して、固体酸化物形燃料電池システムの第２の実施形態について説明する。図５は、第２の実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの凝縮回収手段及びこれに関連する構成を簡略的に示す簡略図であり、図６は、図５の固体酸化物形燃料電池システムの制御系を示すブロック図であり、図７は、図６の制御系による制御の流れを示すフローチャートである。尚、この第２の実施形態において、上述した第１の実施形態と実質上同一の部材には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。

図５及び図６を参照して、この第２の実施形態においては、水回収運転モードにおける運転において、貯湯タンク６４の温水としての蓄熱が満蓄状態のときには、貯湯タンク６４内の温水の一部を排出させて冷たい水を貯湯タンク６４内に補給し、この補給した水を循環水として循環流路６６を通して循環するように構成されており、このように構成した場合、循環水の熱を放熱するための放熱手段などは省略することができる。更に説明すると、循環流路６６の所定部位（熱交換器５４より下流側の部位）に排水流路１２０が設けられ、この排水流路１２０に排水弁１２２が配設されている。排水弁１２２が閉状態のときには、貯湯タンク６４からの循環水は循環流路６６を通して貯湯タンク６４の上部に戻されるが、この排水弁１２２が開状態のときには、貯湯タンク６４の上部からの循環水の一部は循環流路６６及び排水流路１２０を通して排水部８４から外部に排水される。尚、この循環流路６６を流れる循環水の全部を排水するようにしてもよい。

また、水回収タンク５１Ａ内の水の水位が下限水位レベルよりも低下すると、貯湯タンク６４内の水（循環水）の一部を利用して水回収タンク５１Ａに補給するように構成されている。この第２の実施形態では、排水流路１２０に補給流路１２４が設けられ、この補給流路１２４が回収流路５８の上流側部５８ａの所定部位（具体的には、第１オーバーフロー手段８２より上流側の部位）に接続され、排水流路１２０と補給流路１２４との接続部に流路切換弁１２６が配設されている。この流路切換弁１２６は、第１の切換状態にあるときには排水流路１２０を連通し、この排水流路１２０を通しての排水が可能となり、また第２の切換状態にあるときには排水流路１２０と補給流路１２４とを連通し、排水流路１２０及び補給流路１２６を通しての水回収タンク５１への水の補給が可能となる。

更に、この実施形態では、凝縮回収手段５０Ａの不純物除去手段５６Ａと水回収タンク５１Ａとが接続パイプ１３０を介して接続されている。接続パイプ１３０は上下方向に延び、その下端部が不純物除去手段５６Ａの上端に接続され、その上端部が水回収タンク５１Ａの接続突出部の下端部に接続され、接続パイプ１３０が回収流路５８Ａの下流側部を構成している。

更にまた、制御手段１００Ａに関連して、操作者が入力操作する入力操作手段１３２が設けられ、この入力操作手段１３２は、水を補給するための水補給スイッチ１３４を含んでいる。この第２の実施形態のその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一である。

この第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムにおける水回収タンク５１Ａ内の水の水位が低下したときの制御は、次のように行われる。固体酸化物形燃料電池システムの上述した通常運転モードの運転において、凝縮水の発生が少なくて水回収タンク５１Ａの液面が低水位レベルまで低下すると、ステップＳ２１からステップＳ２２を経てステップＳ２３に進み、通常運転モードの運転から水回収運転モードに切り換えられる。即ち、上述したと同様に、低水位センサ９２が水面を検知すると、低水位センサ９２からの検知信号が制御手段１００Ａに送給され、この検知信号に基づいてモード切換手段１０４が通常運転モードから水回収運転モードに切り換え、固体酸化物形燃料電池システムはこの水回収運転モードで稼働運転される。

この水回収運転モードの運転においては、熱交換器５４の入口水温（循環水温度検知手段７０の検知温度）が所定温度以上か否か判断される（ステップＳ２４）。この所定温度は例えば３５〜４５℃程度の適宜の温度、例えば４０℃に設定される。循環水温度検知手段７０の検知温度が設定循環水温度（例えば、４０℃）以上であると、運転判定手段１０６は、貯湯タンク６４の蓄熱状態が満蓄状態であると判断し、ステップＳ２５に進む。

ステップＳ２５では、作動制御手段１０２は、流路切換弁１２６を第１の切換状態に保持するとともに、排水弁１２２を開状態に保持し、このような状態での水回収運転モードの運転が行われる。この水回収運転モードの運転においては、貯湯タンク６４の上部からの循環水の一部が循環流路６６を逆流して排水流路１２２を通して外部に排水され、かかる排水によって、開閉弁７４が開状態となって水供給流路７２を通して水が貯湯タンク６４に補給され、温度の下がった循環水が循環流路６６を通して熱交換器５４に送給される。従って、このときには、熱交換器５４における固体酸化物形燃料電池からの排気ガスと循環流路６６を流れる循環水との温度差が大きくなり、排気ガス中の水蒸気の回収量が多くなる。

次に、固体酸化物形燃料電池が劣化状態であるか否か判断される（ステップＳ２６）。このような劣化状態であると、運転判定手段１０６は、固体酸化物形燃料電池が劣化状態であると判定し、ステップＳ２６からステップＳ２７に進む。ステップＳ２７では、作動制御手段１０２は、固体酸化物形燃料電池の作動温度が設定作動温度に維持されるように流量制御弁の開度を小さくして固体酸化物形燃料電池の発電出力を低下させ、このような状態での水回収運転モードの運転が行われる。この水回収運転モードの運転においては、発電出力低下に伴って送風装置からの送風量が少なくなり、これによって、排気ガスの流量が少なくなって熱交換器５４における排気ガスとの熱交換の効率が高くなって排気ガスの温度低下が大きくなり、排気ガスに含まれた水蒸気の凝縮効率が高められて水の回収量が多くなる。このような水回収運転モードの運転は、水回収タンク５１Ａの水位が低水位レベルより上昇するか、又は下限水位レベル以下に下がるまで行われる。

この水回収運転モードによる運転を所定設定時間行って水回収タンク５１Ａの水位が上昇し、水回収タンク５１Ａの水位が低水位レベルを超えると、ステップＳ２８からステップＳ２９を経てステップＳ３０に移り、排水弁１２２が閉状態となり、更に固体酸化物形燃料電池の発電出力が元に戻り（ステップＳ３１）、その後ステップＳ２１に戻って固体酸化物形燃料電池システムは、元の通常運転モードで運転される。

この水回収運転モード運転によっても水回収タンク５１Ａの水位が回復せず、その水位が下限水位レベルまで低下すると、ステップＳ２９からステップＳ３２を経てステップＳ３３に進み、作動制御手段１０２は、固体酸化物形燃料電池システムの運転を強制停止する。即ち、下限水位センサ９４が液面を検知すると、この下限水位センサ９４からの検知信号に基づいて作動制御手段１０２は固体酸化物形燃料電池システムの作動を停止する。

この固体酸化物形燃料電池システムの設置後の水回収タンク５１Ａが空である場合における水補給は、水補給スイッチ１３４を入力操作すればよい。水補給スイッチ１３４を押圧操作すると、水補給スイッチ１３４からの操作信号に基づいて、作動制御手段１０２は、排水弁１２２を開状態に保持し、流路切換弁１２６を第２の切換状態にし、更に循環ポンプ６８を作動する。かくすると、循環ポンプ６８の作用によって、貯湯タンク６４内の水が送給され、この水が循環流路６６、熱交換器５４、排水流路１２２及び補給流路１２４を通して回収流路５８に送給され、この回収流路５８Ａ及び不純物除去手段５６Ａを通して水回収タンク５１Ａに供給され、例えば満水位レベルまで補給される。この水の補給は、例えばタイマなどによって所定時間補給するようにしてもよく、或いは満水位レベルに満水位センサを設け、満水位センサが水面を検知したときに補給停止するようにしてもよく、或いは水回収タンク５１Ａの水量を目視で確認しながら水補給スイッチ１３４を解除して水補給を停止するようにしてもよい。

このようにして満水位レベルまで水が補給されると、制御手段１００Ａは排水弁１２２を閉状態に保持し、流路切換弁１２６を第１の切換状態にし、更に循環ポンプ６８の作動を停止し、このようにして水の補給が終了する。そして、このように水補給が行われた後に、固体酸化物形燃料電池システムの稼働運転が開始される。

以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。

２ 固体酸化物形燃料電池システム
４ 改質器
６ 固体酸化物形燃料電池
８ 送風装置
５０，５０Ａ 凝縮回収手段
５１，５１Ａ 水回収タンク
５２ 水送給手段
５４ 熱交換器
５６，５６Ａ 不純物除去手段
６０ 貯湯システム
６４ 貯湯タンク
８２，８４ オーバーフロー手段
９０ 水位検知手段
１００，１００Ａ 制御手段
１０４ モード切換手段
１０６ 運転判定手段
１２４ 補給流路

Claims (1)

1. 原燃料を水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形燃料電池と、酸化材を前記固体酸化物形燃料電池に送給するための送風装置と、前記改質器に送給される原燃料の供給量を制御するための流量制御弁と、前記固体酸化物形燃料電池からの排気ガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収するための凝縮回収手段と、前記凝縮回収手段により回収された水を貯めるための水回収タンクと、前記水回収タンクに回収された水を前記改質器に送給するための水送給手段と、を備え、
   前記凝縮回収手段は、前記固体酸化物形燃料電池からの排気ガスとの間で熱交換して排気ガスに含まれた水蒸気を凝縮するための熱交換器と、前記熱交換器と前記水回収タンクとを接続する回収流路とを含み、前記回収流路には、前記水回収タンクの満水位レベルを設定するための第１オーバーフロー手段が設けられ、また前記水回収タンクには、前記水回収タンクの異常水位レベルを設定するための第２オーバーフロー手段が設けられ、前記熱交換器、前記水回収タンクの前記第２オーバーフロー手段及び前記回収流路の前記第１オーバーフロー手段が、高い位置から低い位置にこの順に配置されており、
   前記凝縮回収手段は、更に、前記熱交換器にて凝縮された水に含まれた不純物を除去するための不純物除去手段を含み、前記不純物除去手段が前記回収流路に配設され、前記不純物除去手段と前記水回収タンクを接続する前記回収流路の下流側部は、前記回収流路の前記第１オーバーフロー手段よりも低い位置に配置されており、
   前記水回収タンクの水が前記満水位レベルを超えると前記第１オーバーフロー手段から排水され、また前記水回収タンクの水が前記異常水位レベルを超えると前記第２オーバーフロー手段から排水されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。

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