発電装置
【課題】 運転停止時に発電モジュールから逆流するおそれのある蒸気に含まれる水分に起因する不都合発生を防止し得る発電装置を提供する。
【解決手段】 発電モジュール２に対し、空気供給装置４から空気配管４１を通してカソード空気を供給し、改質用ガス供給装置３から改質用ガスを供給し、水供給処理装置５から改質用水蒸気となる水を供給する。空気配管４１に対し三方切換弁４５を介装し、発電運転時にはブロワ４２と発電モジュール２とを互いに連通させ、運転停止時には発電モジュール２と水分排出管４６とを互いに連通させるように切換制御する。水分排出管４６の下流端４６２は大気開放とし、発電モジュール２からの逆流蒸気による結露水を経路外に排出させる。
【解決手段】 発電モジュール２に対し、空気供給装置４から空気配管４１を通してカソード空気を供給し、改質用ガス供給装置３から改質用ガスを供給し、水供給処理装置５から改質用水蒸気となる水を供給する。空気配管４１に対し三方切換弁４５を介装し、発電運転時にはブロワ４２と発電モジュール２とを互いに連通させ、運転停止時には発電モジュール２と水分排出管４６とを互いに連通させるように切換制御する。水分排出管４６の下流端４６２は大気開放とし、発電モジュール２からの逆流蒸気による結露水を経路外に排出させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の発電モジュールのカソードに酸化剤である空気を供給するための空気供給路を備えた発電装置に関し、特に発電運転停止時（空気供給停止時）に発電モジュールからの逆流蒸気に起因する結露発生に基づく不都合を解消し得る技術に係る。
【背景技術】
【０００２】
車両搭載用の燃料電池システムに関し、例えば、後掲の特許文献１では、カソードに供給する空気に対し加湿するための加湿器を空気供給用配管に介装する一方、運転停止時に配管内の加湿空気の温度が下がると結露を生じるため、加湿器と燃料電池との間において、配管自身を部分的に下方に湾曲させた後に再び上方に湾曲させることで、結露水を溜めるための水溜まりトラップを設けることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３１７４９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、発電及び排熱回収を行う家庭用等の燃料電池システムでは、発電するために必要な空気・燃料ガス・水をそれぞれ対応する補機から発電モジュール内に供給し、発電モジュール内の蒸発器や改質器での改質反応により得られた水素と酸素とをアノード(燃料極)及びカソード(空気極)からなるセルスタックに供給して発電が行われることになる。
このような燃料電池システムにおいては、発電のための運転を停止したり運転が非常停止されたりした場合に、例えば図１１に示すように、発電モジュール１００から蒸気や凝縮水が空気供給に係る補機１０１等に延びる配管１０２内に対し、符号１０３の矢印で示すように逆流して、結露するおそれがある。特に補機１０１側に設置されている流量センサ１０４等の電子機器まで逆流した場合には、誤作動・誤検出を招くことにもなる。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、運転停止時に発電モジュールから逆流するおそれのある気体に含まれる水分に起因する不都合発生を防止し得る発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明では、燃料電池の発電モジュールを備え、この発電モジュールのカソードに対し酸化剤である空気を供給する空気供給経路を備えた発電装置を対象にして、前記空気供給経路に設けられ、この空気供給経路内において前記発電モジュールからの逆流気体に含まれる水分を経路外に排出させる水分排出手段を備えることとした（請求項１）。
【０００７】
本発明の場合、発電モジュールからの逆流気体に起因して空気供給経路内に結露がたとえ発生したとしても、その逆流気体中の水分や結露水は前記水分排出手段によって経路外に排出されることになる。このため、例えば発電装置の運転停止時に発電モジュールから蒸気が逆流してきたり、その逆流蒸気の結露によって結露水が発生したりしたとしても、その逆流蒸気中の水分や結露水は水分排出手段によって排出され、結露水等の水分に起因する不都合発生を回避し得ることになる。
【０００８】
本発明の発電装置における水分排出手段としては、発電運転停止により前記空気供給経路を大気開放状態に切換える開閉切換弁により構成することができる（請求項２）。このようにすることにより、発電運転停止時に発電モジュールから逆流するおそれのある蒸気や、その結露によって結露水がたとえ発生したとしても、開閉切換弁により空気供給経路内が大気開放されるため、その結露水等は外部に排出され、結露水等の水分に起因する不都合発生をより確実に回避し得ることになる。
【０００９】
又、本発明の発電装置における水分排出手段としては、前記空気供給経路に対し前記発電モジュール側への流通のみ許容するよう介装された逆止弁と、前記発電モジュールとの間に設けることができる（請求項３）。このようにすることにより、発電運転時には空気供給経路を通して発電モジュールのカソードに対し空気を確実に供給し得る一方、発電運転停止時には逆止弁により空気供給経路の上流側を遮断した上で、発電モジュール側の空気供給経路内を大気開放にして結露水を外部に排出させることが可能になる。逆止弁により空気供給経路の上流側が遮断されるため、空気供給経路に介装される流量センサ等の電子機器やその他の機器に対し発電モジュールからの逆流蒸気やその結露水による悪影響を排除することが可能になる。
【発明の効果】
【００１０】
以上、説明したように、本発明の発電装置によれば、発電モジュールからの逆流気体に起因して空気供給経路内に結露がたとえ発生したとしても、その逆流気体中の水分や結露水を水分排出手段によって経路外に排出させることができるようになる。このため、例えば発電装置の運転停止時に発電モジュールから蒸気が逆流してきたり、その逆流蒸気の結露によって結露水がたとえ発生したりしたとしても、その逆流気体中の水分や結露水を水分排出手段によって排出することができ、結露水に起因する不都合発生を回避することができるようになる。
【００１１】
特に、請求項２によれば、水分排出手段を、発電運転停止により空気供給経路を大気開放状態に切換える開閉切換弁により構成することで、発電運転停止時に発電モジュールから逆流するおそれのある蒸気や、その結露によって結露水がたとえ発生したとしても、開閉切換弁により空気供給経路内が大気開放されるため、その結露水等の水分を外部に確実に排出することができ、結露水等の水分に起因する不都合発生をより確実に回避することができるようになる。
【００１２】
さらに、請求項３によれば、水分排出手段を、空気供給経路に対し発電モジュール側への流通のみ許容するよう介装された逆止弁と、発電モジュールとの間に設けることで、発電運転時には空気供給経路を通して発電モジュールのカソードに対し空気を確実に供給することができる一方、発電運転停止時には逆止弁により空気供給経路の上流側を遮断した上で、発電モジュール側の空気供給経路内を大気開放にして結露水を外部に排出させることができるようになる。その際、逆止弁により空気供給経路の上流側を遮断することができ、これにより、空気供給経路に介装される流量センサ等の電子機器やその他の機器に対し発電モジュールからの逆流蒸気やその結露水による悪影響を排除することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る発電装置の模式図である。
【図２】図１の発電装置の基本的運転制御に係るフローチャートである。
【図３】図１の発電装置が運転停止したときの状態を示す図１対応図である。
【図４】第２実施形態に係る水分排出手段を示す図１の部分対応図であり、図４（ａ）は運転状態を示し、図４（ｂ）は運転停止状態を示す。
【図５】第３実施形態に係る水分排出手段を示す図１の部分対応図であり、図５（ａ）は運転状態を示し、図５（ｂ）は運転停止状態を示す。
【図６】第４実施形態に係る水分排出手段を示す図１の部分対応図である。
【図７】第５実施形態に係る発電装置を示す図３対応図である。
【図８】図７の水分排出手段に係る拡大説明図である。
【図９】第５実施形態に属する他の形態を示す図８対応図である。
【図１０】第６実施形態に係る発電装置を示す図８対応図である。
【図１１】本発明の課題を説明するために発電装置の例を示す図１対応図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態に係る発電装置の模式図である。この発電装置は、ハウジング１内に、燃料電池により構成された発電モジュール２と、この発電モジュール２に対し改質用の燃料ガス及び空気を供給する改質用ガス供給装置３と、後述のカソード空気を供給する空気供給装置４と、水供給処理装置５と、パワーコンディショナー６と、各補機の制御装置７とを備えて構成されている。前記の改質用ガス供給装置３、空気供給装置４及び水供給処理装置５が補機を構成し、発電装置は発電モジュール２と、各補機と、パワーコンディショナー６及び制御装置７からなる制御系とに大別される。以下、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cells）により構成された発電装置を例にして説明するが、燃料電池のタイプの如何に拘わらず、発電モジュールに対し空気供給装置が接続されて運転停止時に発電モジュールから逆流が発生するおそれのあるものであれば、本発明を適用することができる。
【００１６】
発電モジュール２は、図示省略の予熱・蒸発器、セルスタック、改質器、空気用熱交換器等を備えたものである。発電モジュール２に対する燃料ガス・空気・水蒸気等の供給、及び、発電モジュール２からの排ガスの排出は、前記の予熱・蒸発器を通して行われるようになっている。従って、発電モジュール２の予熱・蒸発器に対し、改質用ガス供給装置３からの改質用ガス配管３１、空気供給装置４からの空気供給経路である空気配管４１及び水供給処理装置５から純水を供給する水配管５１の各下流端が通される一方、発電モジュール２の予熱・蒸発器から導出された排ガスが排ガス配管５２を通して水供給処理装置５の排熱回収用熱交換器５３に対し供給され、排ガス中の水分回収に基づき水供給処理装置５において純水に精製されるようになっている。
【００１７】
発電モジュール２内のセルスタックは、アノード(燃料極)、カソード(空気極)、及び、固体酸化物により形成された電解質が一体化されたセルを備えたものである。アノードに対し改質器から水蒸気改質により水素リッチとされた燃料ガスが流され、又、カソードに酸素含有ガスとしてのカソード空気が供給されるようになっている。そして、カソードではカソード空気の酸素が酸素イオンとなって電解質を通り、アノードでは燃料ガスの水素と反応して水（水蒸気）を生成する一方、その際に生じた電子が回路を通してカソード側に移動して酸素を再びイオン化するということを繰り返して発電される。カソードから排気されたカソード空気は改質器バーナからの燃焼排ガスと共に、排ガスとして予熱・蒸発器に送られて、排ガス配管５２に導出されることになる。
【００１８】
改質用ガス供給装置３は、詳細構成の図示を省略するが、例えば、ガス電磁弁、昇圧ブロワ、バッファータンク、ガス流量センサ及び脱硫器等を経て導入された燃料ガスに対し改質用空気が合流され、この改質用ガスが前記の改質用ガス配管３１を通して発電モジュール２に供給されるようになっている。改質用ガス配管３１には三方切換弁３２が介装され、この三方切換弁３２には水分排出管３３の上流端３３１が分岐接続されている。この水分排出管３３の下流端３３２は大気開放にされ、結露前の蒸気や結露水が水分排出管３３を通して下流端３３２から外部に排出可能となっている。そして、三方切換弁３２は、発電のための運転状態では後述の如く発電モジュール２と改質用ガス供給装置３とが互いに連通状態で、かつ水分排出管３３側が遮断状態にされ、運転停止状態では発電モジュール２と水分排出管３３とが互いに連通状態で、かつ改質用ガス供給装置３側が遮断状態にされるように切換制御されるようになっている。
【００１９】
空気供給装置４は、例えばダイアフラム式のカソード空気ブロワ４２の作動によりフィルタ４３を通して吸い込んだ大気を、カソード用の酸素含有ガスとして発電モジュール２に対し空気配管４１を通して送給するようになっており、空気配管４１には、カソード空気用流量センサ４４と、水分排出手段としての三方切換弁４５とが介装されている。この三方切換弁４５には水分排出管４６の上流端４６１が分岐され、その下流端４６２が大気開放にされている。これにより、結露前の蒸気や結露水が水分排出管４６を通して下流端４６２から外部に排出可能となっている。そして、三方切換弁４５は、前記三方切換弁３２と同様に、発電のための運転状態では後述の如く発電モジュール２とカソード空気ブロワ４２とが互いに連通状態で、かつ水分排出管４６側が遮断状態となる閉切換状態にされる一方、運転停止状態では発電モジュール２と水分排出管４６とが互いに連通状態で、かつカソード空気ブロワ４２側が遮断状態となる開切換状態にされるように切換制御されるようになっている。つまり、運転停止状態では、三方切換弁４５が開切換状態に切換制御されることで、発電モジュール２に連通する空気配管４１側が水分排出管４６の下流端４６２を通して大気開放状態に切換えられることになる。
【００２０】
水供給処理装置５は、排熱回収用熱交換器５３においてポンプ５４の作動により図外の例えば貯湯ユニットから導入した低温水との熱交換により排ガスに含まれる水分が凝縮し、発生した凝縮水（ドレン水）を導入・集水した上で、凝縮水を純水に精製して貯留し、貯留した純水を水蒸気として再利用すべく水配管５１を通して発電モジュール２へ供給するようになっている。排熱回収用熱交換器５３に導入された低温水は排熱回収により加熱されて高温水となり、前記の貯湯ユニットに貯留されることになる。
【００２１】
以上の発電装置による発電のための運転は制御装置７により制御されることになる。その基本的な制御について図２を参照しつつ説明すると、まず、電源がＯＮされるとスタートし、プリパージ（ステップＳ１）の後に水分排出手段としての三方切換弁４５や三方切換弁３２を閉切換状態にした上で（ステップＳ２）、各補機である改質用ガス供給装置３，空気供給装置４や水供給処理装置５のブロワ４２を作動させて燃料ガス，カソード空気及び水蒸気改質用の水を供給する（ステップＳ３）。これにより、発電が開始され、熱的条件が満足しており（ステップＳ４でＹＥＳ）、停止要求の出力が無い限り（ステップＳ５でＮＯ）、その発電運転を継続する。発電の過程で、何らかの原因で熱的条件が満足しない事態が生じれば（ステップＳ４でＮＯ）、前記の各ブロワ４２の作動を停止して燃料ガス，カソード空気及び水蒸気改質用の水の供給を停止して運転を非常停止させる（ステップＳ６）。又、停止要求が出力された場合も（ステップＳ５でＹＥＳ）、前記と同様に燃料ガス，カソード空気及び水蒸気改質用の水の供給を停止する（ステップＳ６）。燃料ガス，カソード空気及び水蒸気改質用の水の供給を停止して運転停止させたら、前記の水分排出手段である三方切換弁４５や三方切換弁３２を開切換状態にして（ステップＳ７）、温度低下を待つ。
【００２２】
ステップＳ７で三方切換弁４５や三方切換弁３２を開切換状態にすると、図３に示すように、発電モジュール２から高温の蒸気や凝縮水が空気配管４１内や、改質用ガス配管３１内に逆流したとしても、それぞれ三方切換弁４５，３２においてブロワ４２や改質用ガス供給装置３の側が遮断され、水分排出管４６，３３の側が連通状態にされているため、逆流した蒸気等は水分排出管４６，３３に流入し、下流端４６２，３３２から外部に排出されることになる。このため、運転停止に伴い発電モジュール２から高温蒸気が逆流し結露のおそれが生じるとしても、その高温蒸気や結露水を開切換状態の三方切換弁４５，３２及び水分排出管４６，３３を通して外部に排出することができ、空気配管４１や改質用ガス配管３１内に結露水が残留する事態の発生を回避することができるようになる。これにより、次回の運転起動を不都合なくスムースに行うことができるようになる。
【００２３】
＜第２実施形態＞
図４は第２実施形態に係る発電装置の要部を示す。第２実施形態は、水分排出手段として、第１実施形態の三方切換弁４５の代わりに通常の電磁式開閉弁（二方弁）４７と逆止弁４８との組み合わせを用いて構成したものである。
【００２４】
すなわち、発電モジュール２の近傍位置の空気配管４１において、水分排出管４６をその上流端４６１が空気配管４１から分岐するように連通接続させ、この分岐位置を挟んで水分排出管４６側の位置に開閉弁４７を介装させる一方、前記分岐位置を挟んでカソード空気ブロワ４２（図１又は図３参照）の側の空気配管４１に逆止弁４８を介装させている。この逆止弁４８は、運転状態におけるカソード空気ブロワ４２から発電モジュール２へのカソード空気の流通を許容し、運転停止状態における発電モジュール２かわカソード空気ブロワ４２側への逆流を遮断するものである。
【００２５】
そして、発電のための運転状態においては、図４（ａ）に示すように開閉弁４７が制御装置７（図１又は図３参照）により閉状態に切換制御される。これにより、カソード空気ブロワ４２の作動により、カソード空気が空気配管４１及び逆止弁４８を通して発電モジュール２に対し供給可能となる（同図の点線の矢印参照）。一方、運転停止時には、図４（ｂ）に示すように前記開閉弁４７が制御装置７により開状態に切換制御され、これにより、発電モジュール２からの逆流する高温蒸気を開閉弁４７及び水分排出管４６を通して外部に排出することができ（同図の実線の矢印参照）、高温蒸気や結露水がカソード空気流量センサ４４（図１又は図３参照）の側に逆流したり、空気配管４１内に残留したりする事態の発生を回避することができる。
【００２６】
＜第３実施形態＞
図５は第３実施形態に係る発電装置の要部を示す。第３実施形態は、水分排出手段として、第１実施形態の三方切換弁４５の代わりに通常の電磁式開閉弁（二方弁）４７のみを用いて構成したものである。つまり、第２実施形態における逆止弁４８を省略して構成した例を示すものである。
【００２７】
すなわち、発電モジュール２の近傍位置において、空気配管４１を上から下に延びるようにする一方、水分排出管４６を下から上に延びるようにし、空気配管４１の下方に延びた最下位部位４１１と水分排出管の上流端４６１とを互いに連通接続させる。これにより、互いの分岐接続位置を挟んでカソード空気ブロワ４２側の空気配管４１が上向きに延び、水分排出管４６が下向きに延びるようにしている。この分岐接続位置の水分排出管４６の側に開閉弁４７を介装したものである。
【００２８】
そして、発電のための運転状態においては、図５（ａ）に示すように開閉弁４７が制御装置７（図１又は図３参照）により閉状態に切換制御される。これにより、カソード空気ブロワ４２の作動により、カソード空気が空気配管４１を通して発電モジュール２に対し供給可能となる（同図の点線の矢印参照）。一方、運転停止時には、図５（ｂ）に示すように前記開閉弁４７が制御装置７により開状態に切換制御され、これにより、発電モジュール２からの逆流する高温蒸気を開閉弁４７及び水分排出管４６を通して外部に排出することができるようになる（同図の実線の矢印参照）。この際、発電モジュール２から逆流した高温蒸気や結露水は、空気配管４１が前記の分岐接続位置から上向きに延ばされているため、重力作用により水分排出管４６の側に落下し、あるいは、空気配管４１の側に僅かに上昇したとしても遂には水分排出管４６に落下して、外部に排水されることになる。このため、逆流した高温蒸気やその結露水が、カソード空気流量センサ４４の側に逆流したり、空気配管４１内に残留したりする事態の発生を回避することができる。
【００２９】
＜第４実施形態＞
図６は第４実施形態に係る発電装置の要部を示す。この第４実施形態は、水分排出手段として、カソード空気ブロワ４２の作動により作用する吐出圧の有無に基づいて水分排出管４６を自動開閉切換する自動開閉装置８を用いて構成したものである。つまり、第１〜第３実施形態の如く制御装置７による開閉切換制御を必要とするものではなくて、運転時に空気配管４１内に作用する内圧に基づいて自動開閉切換する水分排出手段を示すものである。
【００３０】
すなわち、発電モジュール２の近傍位置において、空気配管４１と水分排出管４６の上流端４６１とを互いに連通接続させ、この連通接続位置に自動開閉装置８を介装させる。この自動開閉装置８は、ある進退方向（図例では上下方向）の一側に空気配管４１が連通開口し、他側に水分排出管４６が連通開口し、その他の方向（図例では左右方向）の一側が発電モジュール２に連通する弁室８１と、前記進退方向に進退可能に配設された弁体８２と、この弁体８２を前記進退方向であって空気配管４１の連通開口を閉止する側に付勢するバネ８３とを備えて構成されている。弁体８２は、空気配管４１の連通開口を閉止する弁部８２１と、水分排出管４６の連通開口を閉止する弁部８２２と、これら両弁部８２１，８２２を一体に連結する連結部８２３とからなり、常時は前記バネ８３に付勢されて弁部８２１が空気配管４１の連通開口を閉止した状態（図６に一点鎖線で示す状態）に維持されている。
【００３１】
そして、発電のための運転状態においては、カソード空気ブロワ４２が作動され、このカソード空気ブロワ４２からの吐出圧を弁部８２１が受けることにより、弁体８２がバネ８３に抗して後退し、弁部８２２が水分排出管４６の連通開口を閉止した状態（同図に実線で示す状態）に維持される。これにより、カソード空気ブロワ４２からカソード空気が空気配管４１を通して発電モジュール２に対し供給可能となる（同図の点線の矢印参照）。一方、運転停止時には、カソード空気ブロワ４２の作動が停止され、カソード空気ブロワ４２からの吐出圧も無くなるため、前記の弁体８２がバネ８３により前進し、弁部８２１が空気配管４１の連通開口を閉止した状態（同図に一点鎖線で示す状態）に維持される。これにより、発電モジュール２からの逆流する高温蒸気を弁室８１から連通状態の水分排出管４６を通して外部に排出することができるようになる（同図の一点鎖線の矢印参照）。この際、発電モジュール２から逆流した高温蒸気や結露水は、空気配管４１の連通開口が閉止されているため、カソード空気流量センサ４４の側に侵入したり、空気配管４１内に残留したりする事態の発生を回避することができる。
【００３２】
＜第５実施形態＞
図７は第５実施形態に係る発電装置を示す。第５実施形態は、水分排出手段として、気水分離装置９及びフロート弁１０により構成したものである。つまり、発電モジュール２からの高温の逆流蒸気を凝縮させて一旦水分に戻した上で排水させるように構成した例を示すものである。
【００３３】
気水分離装置９は、空気配管４１に介装されたものである。便宜上、気水分離装置９を挟んでカソード空気流量センサ４４やカソード空気ブロワ４２の側を空気配管部４１ａとし、発電モジュール２の側を空気配管部４１ｂと呼ぶ。気水分離装置９は、図８に詳細を示すように、本体容器９１と、本体容器９１の上側空間に設けられた凝縮用の制御板９２とを備え、本体容器９１に対し上部一側位置から空気配管部４１ｂが連通接続され、上部他側位置に逆止弁９３を介して空気配管部４１ａが接続されている。本体容器９１の底部には、水分排出管４６の上流端４６１が連通接続される流出孔９４が開口形成され、この流出孔９４にはフロート弁ガイド１０１，１０１により昇降案内されるフロート弁１０が設けられ、このフロート弁１０は本体容器９１内が空の状態で流出孔９４を閉止状態（図８に一点鎖線で示す状態）にする一方、本体容器９１内に凝縮水が溜まりその水位上昇に伴い流出孔９４を開変換（同図に実線で示すフロート弁を参照）するようになっている。なお、符号１０２はフロート弁１０の上昇上限位置を規制するストッパである。
【００３４】
そして、発電のための運転状態においては、カソード空気ブロワ４２が作動され、このカソード空気ブロワ４２からの吐出圧を受けて逆止弁９３が開くため、フィルタ４３から取り込まれた空気が本体容器９１内及び空気配管部４１ｂを通して発電モジュール２にカソード空気として供給されることになる。この際、本体容器９１内は空であるため、水分排出管４６はフロート弁１０により閉止された状態になっている。一方、運転停止時には、カソード空気ブロワ４２の作動が停止されて逆止弁９３が閉じられる一方、発電モジュール２から逆流した高温蒸気は本体容器９１内に入って凝縮制御板９２と接触することで凝縮され、凝縮水として本体容器９１内に溜まることになる。本体容器９１内の凝縮水が溜まるようになると、その浮力によりフロート弁１０が上昇して流出孔９４が開変換されることになる。このため、本体容器９１内の凝縮水は水分排出管４６を通して外部に排水されることになる。一方、運転停止によりカソード空気ブロワ４２の作動が停止された状態では逆止弁９３が閉状態になるため、本体容器９１内に逆流した蒸気や凝縮水が、カソード空気流量センサ４４の側に侵入したり、空気配管４１内に残留したりする事態の発生を回避することができるようになる。
【００３５】
図９は、図８に示したフロート弁１０のフロート弁ガイド１０１とは異なる支持機構を示すものであり、フロート弁１０の案内支持機構としては図８，図９に示した以外の種々のものを採用し得る。図９のものは、互いにピン結合させた２以上のリンク杆１０３，１０３によってフロート弁１０を昇降可能に支持したものである。その他の構成要素は図８のものと同一であるため、同じ構成要素には図８のものと同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００３６】
＜第６実施形態＞
図１０は第６実施形態に係る発電装置を示す。第６実施形態は、第５実施形態のフロート弁１０の代わりに、水分検知センサ１１及び電磁式開閉弁１２を用いて構成したものである。つまり、水分排出手段として、気水分離装置９，水分検知センサ１１及び電磁式開閉弁１２を用いて構成し、運転停止後の再起動時には本体容器９１内を確実に空の状態にし得るようにした例を示すものである。なお、第５実施形態と同じ構成要素には、第５実施形態と同じ符号を付して重複した説明を省略する。
【００３７】
第６実施形態では、本体容器９１の底部の流出孔９４に水分排出管４６の上流端を連通接続させ、この流出孔９４に水分検知センサ１１を設置するとともに、水分検知センサ１１の下流側位置に開閉弁１２を介装させている。水分検知センサ１１としては、例えば電極により水分の存在を検知するものや、あるいは、流出孔９４における凝縮水の水圧を検知することで水分の存在を検知するもので構成すればよい。そして、常時は閉状態に維持される開閉弁１２を、水分検知センサ１１からの水分検知の出力を受けた制御装置７（図１又は図３参照）により開切換制御するようにしている。
【００３８】
そして、発電のための運転状態においては、本体容器９１が空であるため開閉弁１２により水分排出管４６は閉状態に維持されているため、カソード空気ブロワ４２の作動によりカソード空気ブロワ４２からの吐出圧を受けて逆止弁９３が開き、フィルタ４３から取り込まれた空気が本体容器９１内及び空気配管部４１ｂを通して発電モジュール２にカソード空気として供給されることになる。一方、運転停止時には、カソード空気ブロワ４２の作動が停止されて逆止弁９３が閉じられる一方、発電モジュール２から逆流した高温蒸気は本体容器９１内に入って凝縮制御板９２と接触することで凝縮され、凝縮水として本体容器９１内に溜まることになる。本体容器９１内の凝縮水が溜まるようになると、その凝縮水が水分検知センサ１１により検知され、水分検知の出力を受けた制御装置７により開閉弁１２が開切換制御されることになる。このため、本体容器９１内の凝縮水は水分排出管４６を通して外部に排水されることになる。一方、運転停止によりカソード空気ブロワ４２の作動が停止された状態では逆止弁９３が閉状態になるため、本体容器９１内に逆流した蒸気や凝縮水が、カソード空気流量センサ４４の側に侵入したり、空気配管４１内に残留したりする事態の発生を回避することができるようになる。加えて、この第６実施形態では、水分検知により開閉弁１２が開切換制御されるようになっているため、本体容器９１内に凝縮水が無くなるまで開閉弁１２が開状態に維持されて、本体容器９１内が空になってから開閉弁１２は閉状態に復帰することになる。これにより、次回の再起動時においては、確実に空の状態の本体容器９１を通過したカソード空気を発電モジュール２に対し供給し得ることになる。
【００３９】
なお、以上の第２〜第６実施形態では、空気配管４１の側に水分排出手段を設けた場合について説明したが、同様構成の水分排出手段を改質用ガス配管３１の側に設けることもできる。
【符号の説明】
【００４０】
４ 空気供給装置
９ 気水分離装置（水分排出手段）
８ 自動弁装置（水分排出手段）
１０ フロート弁（水分排出手段）
１１ 水分検知センサ（水分排出手段）
１２ 開閉弁（開閉切換弁，水分排出手段）
４１ 空気配管（空気供給経路）
４５ 三方切換弁（開閉切換弁，水分排出手段）
４６ 水分排出管
４７ 開閉弁（開閉切換弁，水分排出手段）
４８ 逆止弁
９３ 逆止弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の発電モジュールのカソードに酸化剤である空気を供給するための空気供給路を備えた発電装置に関し、特に発電運転停止時（空気供給停止時）に発電モジュールからの逆流蒸気に起因する結露発生に基づく不都合を解消し得る技術に係る。
【背景技術】
【０００２】
車両搭載用の燃料電池システムに関し、例えば、後掲の特許文献１では、カソードに供給する空気に対し加湿するための加湿器を空気供給用配管に介装する一方、運転停止時に配管内の加湿空気の温度が下がると結露を生じるため、加湿器と燃料電池との間において、配管自身を部分的に下方に湾曲させた後に再び上方に湾曲させることで、結露水を溜めるための水溜まりトラップを設けることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３１７４９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、発電及び排熱回収を行う家庭用等の燃料電池システムでは、発電するために必要な空気・燃料ガス・水をそれぞれ対応する補機から発電モジュール内に供給し、発電モジュール内の蒸発器や改質器での改質反応により得られた水素と酸素とをアノード(燃料極)及びカソード(空気極)からなるセルスタックに供給して発電が行われることになる。
このような燃料電池システムにおいては、発電のための運転を停止したり運転が非常停止されたりした場合に、例えば図１１に示すように、発電モジュール１００から蒸気や凝縮水が空気供給に係る補機１０１等に延びる配管１０２内に対し、符号１０３の矢印で示すように逆流して、結露するおそれがある。特に補機１０１側に設置されている流量センサ１０４等の電子機器まで逆流した場合には、誤作動・誤検出を招くことにもなる。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、運転停止時に発電モジュールから逆流するおそれのある気体に含まれる水分に起因する不都合発生を防止し得る発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明では、燃料電池の発電モジュールを備え、この発電モジュールのカソードに対し酸化剤である空気を供給する空気供給経路を備えた発電装置を対象にして、前記空気供給経路に設けられ、この空気供給経路内において前記発電モジュールからの逆流気体に含まれる水分を経路外に排出させる水分排出手段を備えることとした（請求項１）。
【０００７】
本発明の場合、発電モジュールからの逆流気体に起因して空気供給経路内に結露がたとえ発生したとしても、その逆流気体中の水分や結露水は前記水分排出手段によって経路外に排出されることになる。このため、例えば発電装置の運転停止時に発電モジュールから蒸気が逆流してきたり、その逆流蒸気の結露によって結露水が発生したりしたとしても、その逆流蒸気中の水分や結露水は水分排出手段によって排出され、結露水等の水分に起因する不都合発生を回避し得ることになる。
【０００８】
本発明の発電装置における水分排出手段としては、発電運転停止により前記空気供給経路を大気開放状態に切換える開閉切換弁により構成することができる（請求項２）。このようにすることにより、発電運転停止時に発電モジュールから逆流するおそれのある蒸気や、その結露によって結露水がたとえ発生したとしても、開閉切換弁により空気供給経路内が大気開放されるため、その結露水等は外部に排出され、結露水等の水分に起因する不都合発生をより確実に回避し得ることになる。
【０００９】
又、本発明の発電装置における水分排出手段としては、前記空気供給経路に対し前記発電モジュール側への流通のみ許容するよう介装された逆止弁と、前記発電モジュールとの間に設けることができる（請求項３）。このようにすることにより、発電運転時には空気供給経路を通して発電モジュールのカソードに対し空気を確実に供給し得る一方、発電運転停止時には逆止弁により空気供給経路の上流側を遮断した上で、発電モジュール側の空気供給経路内を大気開放にして結露水を外部に排出させることが可能になる。逆止弁により空気供給経路の上流側が遮断されるため、空気供給経路に介装される流量センサ等の電子機器やその他の機器に対し発電モジュールからの逆流蒸気やその結露水による悪影響を排除することが可能になる。
【発明の効果】
【００１０】
以上、説明したように、本発明の発電装置によれば、発電モジュールからの逆流気体に起因して空気供給経路内に結露がたとえ発生したとしても、その逆流気体中の水分や結露水を水分排出手段によって経路外に排出させることができるようになる。このため、例えば発電装置の運転停止時に発電モジュールから蒸気が逆流してきたり、その逆流蒸気の結露によって結露水がたとえ発生したりしたとしても、その逆流気体中の水分や結露水を水分排出手段によって排出することができ、結露水に起因する不都合発生を回避することができるようになる。
【００１１】
特に、請求項２によれば、水分排出手段を、発電運転停止により空気供給経路を大気開放状態に切換える開閉切換弁により構成することで、発電運転停止時に発電モジュールから逆流するおそれのある蒸気や、その結露によって結露水がたとえ発生したとしても、開閉切換弁により空気供給経路内が大気開放されるため、その結露水等の水分を外部に確実に排出することができ、結露水等の水分に起因する不都合発生をより確実に回避することができるようになる。
【００１２】
さらに、請求項３によれば、水分排出手段を、空気供給経路に対し発電モジュール側への流通のみ許容するよう介装された逆止弁と、発電モジュールとの間に設けることで、発電運転時には空気供給経路を通して発電モジュールのカソードに対し空気を確実に供給することができる一方、発電運転停止時には逆止弁により空気供給経路の上流側を遮断した上で、発電モジュール側の空気供給経路内を大気開放にして結露水を外部に排出させることができるようになる。その際、逆止弁により空気供給経路の上流側を遮断することができ、これにより、空気供給経路に介装される流量センサ等の電子機器やその他の機器に対し発電モジュールからの逆流蒸気やその結露水による悪影響を排除することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る発電装置の模式図である。
【図２】図１の発電装置の基本的運転制御に係るフローチャートである。
【図３】図１の発電装置が運転停止したときの状態を示す図１対応図である。
【図４】第２実施形態に係る水分排出手段を示す図１の部分対応図であり、図４（ａ）は運転状態を示し、図４（ｂ）は運転停止状態を示す。
【図５】第３実施形態に係る水分排出手段を示す図１の部分対応図であり、図５（ａ）は運転状態を示し、図５（ｂ）は運転停止状態を示す。
【図６】第４実施形態に係る水分排出手段を示す図１の部分対応図である。
【図７】第５実施形態に係る発電装置を示す図３対応図である。
【図８】図７の水分排出手段に係る拡大説明図である。
【図９】第５実施形態に属する他の形態を示す図８対応図である。
【図１０】第６実施形態に係る発電装置を示す図８対応図である。
【図１１】本発明の課題を説明するために発電装置の例を示す図１対応図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態に係る発電装置の模式図である。この発電装置は、ハウジング１内に、燃料電池により構成された発電モジュール２と、この発電モジュール２に対し改質用の燃料ガス及び空気を供給する改質用ガス供給装置３と、後述のカソード空気を供給する空気供給装置４と、水供給処理装置５と、パワーコンディショナー６と、各補機の制御装置７とを備えて構成されている。前記の改質用ガス供給装置３、空気供給装置４及び水供給処理装置５が補機を構成し、発電装置は発電モジュール２と、各補機と、パワーコンディショナー６及び制御装置７からなる制御系とに大別される。以下、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cells）により構成された発電装置を例にして説明するが、燃料電池のタイプの如何に拘わらず、発電モジュールに対し空気供給装置が接続されて運転停止時に発電モジュールから逆流が発生するおそれのあるものであれば、本発明を適用することができる。
【００１６】
発電モジュール２は、図示省略の予熱・蒸発器、セルスタック、改質器、空気用熱交換器等を備えたものである。発電モジュール２に対する燃料ガス・空気・水蒸気等の供給、及び、発電モジュール２からの排ガスの排出は、前記の予熱・蒸発器を通して行われるようになっている。従って、発電モジュール２の予熱・蒸発器に対し、改質用ガス供給装置３からの改質用ガス配管３１、空気供給装置４からの空気供給経路である空気配管４１及び水供給処理装置５から純水を供給する水配管５１の各下流端が通される一方、発電モジュール２の予熱・蒸発器から導出された排ガスが排ガス配管５２を通して水供給処理装置５の排熱回収用熱交換器５３に対し供給され、排ガス中の水分回収に基づき水供給処理装置５において純水に精製されるようになっている。
【００１７】
発電モジュール２内のセルスタックは、アノード(燃料極)、カソード(空気極)、及び、固体酸化物により形成された電解質が一体化されたセルを備えたものである。アノードに対し改質器から水蒸気改質により水素リッチとされた燃料ガスが流され、又、カソードに酸素含有ガスとしてのカソード空気が供給されるようになっている。そして、カソードではカソード空気の酸素が酸素イオンとなって電解質を通り、アノードでは燃料ガスの水素と反応して水（水蒸気）を生成する一方、その際に生じた電子が回路を通してカソード側に移動して酸素を再びイオン化するということを繰り返して発電される。カソードから排気されたカソード空気は改質器バーナからの燃焼排ガスと共に、排ガスとして予熱・蒸発器に送られて、排ガス配管５２に導出されることになる。
【００１８】
改質用ガス供給装置３は、詳細構成の図示を省略するが、例えば、ガス電磁弁、昇圧ブロワ、バッファータンク、ガス流量センサ及び脱硫器等を経て導入された燃料ガスに対し改質用空気が合流され、この改質用ガスが前記の改質用ガス配管３１を通して発電モジュール２に供給されるようになっている。改質用ガス配管３１には三方切換弁３２が介装され、この三方切換弁３２には水分排出管３３の上流端３３１が分岐接続されている。この水分排出管３３の下流端３３２は大気開放にされ、結露前の蒸気や結露水が水分排出管３３を通して下流端３３２から外部に排出可能となっている。そして、三方切換弁３２は、発電のための運転状態では後述の如く発電モジュール２と改質用ガス供給装置３とが互いに連通状態で、かつ水分排出管３３側が遮断状態にされ、運転停止状態では発電モジュール２と水分排出管３３とが互いに連通状態で、かつ改質用ガス供給装置３側が遮断状態にされるように切換制御されるようになっている。
【００１９】
空気供給装置４は、例えばダイアフラム式のカソード空気ブロワ４２の作動によりフィルタ４３を通して吸い込んだ大気を、カソード用の酸素含有ガスとして発電モジュール２に対し空気配管４１を通して送給するようになっており、空気配管４１には、カソード空気用流量センサ４４と、水分排出手段としての三方切換弁４５とが介装されている。この三方切換弁４５には水分排出管４６の上流端４６１が分岐され、その下流端４６２が大気開放にされている。これにより、結露前の蒸気や結露水が水分排出管４６を通して下流端４６２から外部に排出可能となっている。そして、三方切換弁４５は、前記三方切換弁３２と同様に、発電のための運転状態では後述の如く発電モジュール２とカソード空気ブロワ４２とが互いに連通状態で、かつ水分排出管４６側が遮断状態となる閉切換状態にされる一方、運転停止状態では発電モジュール２と水分排出管４６とが互いに連通状態で、かつカソード空気ブロワ４２側が遮断状態となる開切換状態にされるように切換制御されるようになっている。つまり、運転停止状態では、三方切換弁４５が開切換状態に切換制御されることで、発電モジュール２に連通する空気配管４１側が水分排出管４６の下流端４６２を通して大気開放状態に切換えられることになる。
【００２０】
水供給処理装置５は、排熱回収用熱交換器５３においてポンプ５４の作動により図外の例えば貯湯ユニットから導入した低温水との熱交換により排ガスに含まれる水分が凝縮し、発生した凝縮水（ドレン水）を導入・集水した上で、凝縮水を純水に精製して貯留し、貯留した純水を水蒸気として再利用すべく水配管５１を通して発電モジュール２へ供給するようになっている。排熱回収用熱交換器５３に導入された低温水は排熱回収により加熱されて高温水となり、前記の貯湯ユニットに貯留されることになる。
【００２１】
以上の発電装置による発電のための運転は制御装置７により制御されることになる。その基本的な制御について図２を参照しつつ説明すると、まず、電源がＯＮされるとスタートし、プリパージ（ステップＳ１）の後に水分排出手段としての三方切換弁４５や三方切換弁３２を閉切換状態にした上で（ステップＳ２）、各補機である改質用ガス供給装置３，空気供給装置４や水供給処理装置５のブロワ４２を作動させて燃料ガス，カソード空気及び水蒸気改質用の水を供給する（ステップＳ３）。これにより、発電が開始され、熱的条件が満足しており（ステップＳ４でＹＥＳ）、停止要求の出力が無い限り（ステップＳ５でＮＯ）、その発電運転を継続する。発電の過程で、何らかの原因で熱的条件が満足しない事態が生じれば（ステップＳ４でＮＯ）、前記の各ブロワ４２の作動を停止して燃料ガス，カソード空気及び水蒸気改質用の水の供給を停止して運転を非常停止させる（ステップＳ６）。又、停止要求が出力された場合も（ステップＳ５でＹＥＳ）、前記と同様に燃料ガス，カソード空気及び水蒸気改質用の水の供給を停止する（ステップＳ６）。燃料ガス，カソード空気及び水蒸気改質用の水の供給を停止して運転停止させたら、前記の水分排出手段である三方切換弁４５や三方切換弁３２を開切換状態にして（ステップＳ７）、温度低下を待つ。
【００２２】
ステップＳ７で三方切換弁４５や三方切換弁３２を開切換状態にすると、図３に示すように、発電モジュール２から高温の蒸気や凝縮水が空気配管４１内や、改質用ガス配管３１内に逆流したとしても、それぞれ三方切換弁４５，３２においてブロワ４２や改質用ガス供給装置３の側が遮断され、水分排出管４６，３３の側が連通状態にされているため、逆流した蒸気等は水分排出管４６，３３に流入し、下流端４６２，３３２から外部に排出されることになる。このため、運転停止に伴い発電モジュール２から高温蒸気が逆流し結露のおそれが生じるとしても、その高温蒸気や結露水を開切換状態の三方切換弁４５，３２及び水分排出管４６，３３を通して外部に排出することができ、空気配管４１や改質用ガス配管３１内に結露水が残留する事態の発生を回避することができるようになる。これにより、次回の運転起動を不都合なくスムースに行うことができるようになる。
【００２３】
＜第２実施形態＞
図４は第２実施形態に係る発電装置の要部を示す。第２実施形態は、水分排出手段として、第１実施形態の三方切換弁４５の代わりに通常の電磁式開閉弁（二方弁）４７と逆止弁４８との組み合わせを用いて構成したものである。
【００２４】
すなわち、発電モジュール２の近傍位置の空気配管４１において、水分排出管４６をその上流端４６１が空気配管４１から分岐するように連通接続させ、この分岐位置を挟んで水分排出管４６側の位置に開閉弁４７を介装させる一方、前記分岐位置を挟んでカソード空気ブロワ４２（図１又は図３参照）の側の空気配管４１に逆止弁４８を介装させている。この逆止弁４８は、運転状態におけるカソード空気ブロワ４２から発電モジュール２へのカソード空気の流通を許容し、運転停止状態における発電モジュール２かわカソード空気ブロワ４２側への逆流を遮断するものである。
【００２５】
そして、発電のための運転状態においては、図４（ａ）に示すように開閉弁４７が制御装置７（図１又は図３参照）により閉状態に切換制御される。これにより、カソード空気ブロワ４２の作動により、カソード空気が空気配管４１及び逆止弁４８を通して発電モジュール２に対し供給可能となる（同図の点線の矢印参照）。一方、運転停止時には、図４（ｂ）に示すように前記開閉弁４７が制御装置７により開状態に切換制御され、これにより、発電モジュール２からの逆流する高温蒸気を開閉弁４７及び水分排出管４６を通して外部に排出することができ（同図の実線の矢印参照）、高温蒸気や結露水がカソード空気流量センサ４４（図１又は図３参照）の側に逆流したり、空気配管４１内に残留したりする事態の発生を回避することができる。
【００２６】
＜第３実施形態＞
図５は第３実施形態に係る発電装置の要部を示す。第３実施形態は、水分排出手段として、第１実施形態の三方切換弁４５の代わりに通常の電磁式開閉弁（二方弁）４７のみを用いて構成したものである。つまり、第２実施形態における逆止弁４８を省略して構成した例を示すものである。
【００２７】
すなわち、発電モジュール２の近傍位置において、空気配管４１を上から下に延びるようにする一方、水分排出管４６を下から上に延びるようにし、空気配管４１の下方に延びた最下位部位４１１と水分排出管の上流端４６１とを互いに連通接続させる。これにより、互いの分岐接続位置を挟んでカソード空気ブロワ４２側の空気配管４１が上向きに延び、水分排出管４６が下向きに延びるようにしている。この分岐接続位置の水分排出管４６の側に開閉弁４７を介装したものである。
【００２８】
そして、発電のための運転状態においては、図５（ａ）に示すように開閉弁４７が制御装置７（図１又は図３参照）により閉状態に切換制御される。これにより、カソード空気ブロワ４２の作動により、カソード空気が空気配管４１を通して発電モジュール２に対し供給可能となる（同図の点線の矢印参照）。一方、運転停止時には、図５（ｂ）に示すように前記開閉弁４７が制御装置７により開状態に切換制御され、これにより、発電モジュール２からの逆流する高温蒸気を開閉弁４７及び水分排出管４６を通して外部に排出することができるようになる（同図の実線の矢印参照）。この際、発電モジュール２から逆流した高温蒸気や結露水は、空気配管４１が前記の分岐接続位置から上向きに延ばされているため、重力作用により水分排出管４６の側に落下し、あるいは、空気配管４１の側に僅かに上昇したとしても遂には水分排出管４６に落下して、外部に排水されることになる。このため、逆流した高温蒸気やその結露水が、カソード空気流量センサ４４の側に逆流したり、空気配管４１内に残留したりする事態の発生を回避することができる。
【００２９】
＜第４実施形態＞
図６は第４実施形態に係る発電装置の要部を示す。この第４実施形態は、水分排出手段として、カソード空気ブロワ４２の作動により作用する吐出圧の有無に基づいて水分排出管４６を自動開閉切換する自動開閉装置８を用いて構成したものである。つまり、第１〜第３実施形態の如く制御装置７による開閉切換制御を必要とするものではなくて、運転時に空気配管４１内に作用する内圧に基づいて自動開閉切換する水分排出手段を示すものである。
【００３０】
すなわち、発電モジュール２の近傍位置において、空気配管４１と水分排出管４６の上流端４６１とを互いに連通接続させ、この連通接続位置に自動開閉装置８を介装させる。この自動開閉装置８は、ある進退方向（図例では上下方向）の一側に空気配管４１が連通開口し、他側に水分排出管４６が連通開口し、その他の方向（図例では左右方向）の一側が発電モジュール２に連通する弁室８１と、前記進退方向に進退可能に配設された弁体８２と、この弁体８２を前記進退方向であって空気配管４１の連通開口を閉止する側に付勢するバネ８３とを備えて構成されている。弁体８２は、空気配管４１の連通開口を閉止する弁部８２１と、水分排出管４６の連通開口を閉止する弁部８２２と、これら両弁部８２１，８２２を一体に連結する連結部８２３とからなり、常時は前記バネ８３に付勢されて弁部８２１が空気配管４１の連通開口を閉止した状態（図６に一点鎖線で示す状態）に維持されている。
【００３１】
そして、発電のための運転状態においては、カソード空気ブロワ４２が作動され、このカソード空気ブロワ４２からの吐出圧を弁部８２１が受けることにより、弁体８２がバネ８３に抗して後退し、弁部８２２が水分排出管４６の連通開口を閉止した状態（同図に実線で示す状態）に維持される。これにより、カソード空気ブロワ４２からカソード空気が空気配管４１を通して発電モジュール２に対し供給可能となる（同図の点線の矢印参照）。一方、運転停止時には、カソード空気ブロワ４２の作動が停止され、カソード空気ブロワ４２からの吐出圧も無くなるため、前記の弁体８２がバネ８３により前進し、弁部８２１が空気配管４１の連通開口を閉止した状態（同図に一点鎖線で示す状態）に維持される。これにより、発電モジュール２からの逆流する高温蒸気を弁室８１から連通状態の水分排出管４６を通して外部に排出することができるようになる（同図の一点鎖線の矢印参照）。この際、発電モジュール２から逆流した高温蒸気や結露水は、空気配管４１の連通開口が閉止されているため、カソード空気流量センサ４４の側に侵入したり、空気配管４１内に残留したりする事態の発生を回避することができる。
【００３２】
＜第５実施形態＞
図７は第５実施形態に係る発電装置を示す。第５実施形態は、水分排出手段として、気水分離装置９及びフロート弁１０により構成したものである。つまり、発電モジュール２からの高温の逆流蒸気を凝縮させて一旦水分に戻した上で排水させるように構成した例を示すものである。
【００３３】
気水分離装置９は、空気配管４１に介装されたものである。便宜上、気水分離装置９を挟んでカソード空気流量センサ４４やカソード空気ブロワ４２の側を空気配管部４１ａとし、発電モジュール２の側を空気配管部４１ｂと呼ぶ。気水分離装置９は、図８に詳細を示すように、本体容器９１と、本体容器９１の上側空間に設けられた凝縮用の制御板９２とを備え、本体容器９１に対し上部一側位置から空気配管部４１ｂが連通接続され、上部他側位置に逆止弁９３を介して空気配管部４１ａが接続されている。本体容器９１の底部には、水分排出管４６の上流端４６１が連通接続される流出孔９４が開口形成され、この流出孔９４にはフロート弁ガイド１０１，１０１により昇降案内されるフロート弁１０が設けられ、このフロート弁１０は本体容器９１内が空の状態で流出孔９４を閉止状態（図８に一点鎖線で示す状態）にする一方、本体容器９１内に凝縮水が溜まりその水位上昇に伴い流出孔９４を開変換（同図に実線で示すフロート弁を参照）するようになっている。なお、符号１０２はフロート弁１０の上昇上限位置を規制するストッパである。
【００３４】
そして、発電のための運転状態においては、カソード空気ブロワ４２が作動され、このカソード空気ブロワ４２からの吐出圧を受けて逆止弁９３が開くため、フィルタ４３から取り込まれた空気が本体容器９１内及び空気配管部４１ｂを通して発電モジュール２にカソード空気として供給されることになる。この際、本体容器９１内は空であるため、水分排出管４６はフロート弁１０により閉止された状態になっている。一方、運転停止時には、カソード空気ブロワ４２の作動が停止されて逆止弁９３が閉じられる一方、発電モジュール２から逆流した高温蒸気は本体容器９１内に入って凝縮制御板９２と接触することで凝縮され、凝縮水として本体容器９１内に溜まることになる。本体容器９１内の凝縮水が溜まるようになると、その浮力によりフロート弁１０が上昇して流出孔９４が開変換されることになる。このため、本体容器９１内の凝縮水は水分排出管４６を通して外部に排水されることになる。一方、運転停止によりカソード空気ブロワ４２の作動が停止された状態では逆止弁９３が閉状態になるため、本体容器９１内に逆流した蒸気や凝縮水が、カソード空気流量センサ４４の側に侵入したり、空気配管４１内に残留したりする事態の発生を回避することができるようになる。
【００３５】
図９は、図８に示したフロート弁１０のフロート弁ガイド１０１とは異なる支持機構を示すものであり、フロート弁１０の案内支持機構としては図８，図９に示した以外の種々のものを採用し得る。図９のものは、互いにピン結合させた２以上のリンク杆１０３，１０３によってフロート弁１０を昇降可能に支持したものである。その他の構成要素は図８のものと同一であるため、同じ構成要素には図８のものと同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００３６】
＜第６実施形態＞
図１０は第６実施形態に係る発電装置を示す。第６実施形態は、第５実施形態のフロート弁１０の代わりに、水分検知センサ１１及び電磁式開閉弁１２を用いて構成したものである。つまり、水分排出手段として、気水分離装置９，水分検知センサ１１及び電磁式開閉弁１２を用いて構成し、運転停止後の再起動時には本体容器９１内を確実に空の状態にし得るようにした例を示すものである。なお、第５実施形態と同じ構成要素には、第５実施形態と同じ符号を付して重複した説明を省略する。
【００３７】
第６実施形態では、本体容器９１の底部の流出孔９４に水分排出管４６の上流端を連通接続させ、この流出孔９４に水分検知センサ１１を設置するとともに、水分検知センサ１１の下流側位置に開閉弁１２を介装させている。水分検知センサ１１としては、例えば電極により水分の存在を検知するものや、あるいは、流出孔９４における凝縮水の水圧を検知することで水分の存在を検知するもので構成すればよい。そして、常時は閉状態に維持される開閉弁１２を、水分検知センサ１１からの水分検知の出力を受けた制御装置７（図１又は図３参照）により開切換制御するようにしている。
【００３８】
そして、発電のための運転状態においては、本体容器９１が空であるため開閉弁１２により水分排出管４６は閉状態に維持されているため、カソード空気ブロワ４２の作動によりカソード空気ブロワ４２からの吐出圧を受けて逆止弁９３が開き、フィルタ４３から取り込まれた空気が本体容器９１内及び空気配管部４１ｂを通して発電モジュール２にカソード空気として供給されることになる。一方、運転停止時には、カソード空気ブロワ４２の作動が停止されて逆止弁９３が閉じられる一方、発電モジュール２から逆流した高温蒸気は本体容器９１内に入って凝縮制御板９２と接触することで凝縮され、凝縮水として本体容器９１内に溜まることになる。本体容器９１内の凝縮水が溜まるようになると、その凝縮水が水分検知センサ１１により検知され、水分検知の出力を受けた制御装置７により開閉弁１２が開切換制御されることになる。このため、本体容器９１内の凝縮水は水分排出管４６を通して外部に排水されることになる。一方、運転停止によりカソード空気ブロワ４２の作動が停止された状態では逆止弁９３が閉状態になるため、本体容器９１内に逆流した蒸気や凝縮水が、カソード空気流量センサ４４の側に侵入したり、空気配管４１内に残留したりする事態の発生を回避することができるようになる。加えて、この第６実施形態では、水分検知により開閉弁１２が開切換制御されるようになっているため、本体容器９１内に凝縮水が無くなるまで開閉弁１２が開状態に維持されて、本体容器９１内が空になってから開閉弁１２は閉状態に復帰することになる。これにより、次回の再起動時においては、確実に空の状態の本体容器９１を通過したカソード空気を発電モジュール２に対し供給し得ることになる。
【００３９】
なお、以上の第２〜第６実施形態では、空気配管４１の側に水分排出手段を設けた場合について説明したが、同様構成の水分排出手段を改質用ガス配管３１の側に設けることもできる。
【符号の説明】
【００４０】
４ 空気供給装置
９ 気水分離装置（水分排出手段）
８ 自動弁装置（水分排出手段）
１０ フロート弁（水分排出手段）
１１ 水分検知センサ（水分排出手段）
１２ 開閉弁（開閉切換弁，水分排出手段）
４１ 空気配管（空気供給経路）
４５ 三方切換弁（開閉切換弁，水分排出手段）
４６ 水分排出管
４７ 開閉弁（開閉切換弁，水分排出手段）
４８ 逆止弁
９３ 逆止弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の発電モジュールを備え、この発電モジュールのカソードに対し酸化剤である空気を供給する空気供給経路を備えた発電装置であって、
前記空気供給経路に設けられ、この空気供給経路内において前記発電モジュールからの逆流気体に含まれる水分を経路外に排出させる水分排出手段を備えている、
ことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発電装置であって、
前記水分排出手段は、発電運転停止により前記空気供給経路を大気開放状態に切換える開閉切換弁により構成されている、発電装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の発電装置であって、
前記水分排出手段は、前記空気供給経路に対し前記発電モジュール側への流通のみ許容するよう介装された逆止弁と、前記発電モジュールとの間に設けられている、発電装置。
【請求項１】
燃料電池の発電モジュールを備え、この発電モジュールのカソードに対し酸化剤である空気を供給する空気供給経路を備えた発電装置であって、
前記空気供給経路に設けられ、この空気供給経路内において前記発電モジュールからの逆流気体に含まれる水分を経路外に排出させる水分排出手段を備えている、
ことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発電装置であって、
前記水分排出手段は、発電運転停止により前記空気供給経路を大気開放状態に切換える開閉切換弁により構成されている、発電装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の発電装置であって、
前記水分排出手段は、前記空気供給経路に対し前記発電モジュール側への流通のみ許容するよう介装された逆止弁と、前記発電モジュールとの間に設けられている、発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−７３８１５（Ｐ２０１３−７３８１５Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１２６１６（Ｐ２０１１−２１２６１６）
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（０００００４７０９）株式会社ノーリツ (1,293)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（０００００４７０９）株式会社ノーリツ (1,293)
【Ｆターム（参考）】
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