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に対し気水分離装置８ａを介装し、発電運転停止時には発電モジュール２からの逆流蒸気を凝縮させて本体容器８１に溜める。流出孔８４の水分検知センサ９による水分検知に基づき開閉切換弁１０を開切換し、凝縮水を、水分供給管４６を通して水供給処理装置５に対し、水蒸気改質用の水処理対象として供給する。
【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に対し気水分離装置８ａを介装し、発電運転停止時には発電モジュール２からの逆流蒸気を凝縮させて本体容器８１に溜める。流出孔８４の水分検知センサ９による水分検知に基づき開閉切換弁１０を開切換し、凝縮水を、水分供給管４６を通して水供給処理装置５に対し、水蒸気改質用の水処理対象として供給する。
【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上に有効利用をも図る技術に係る。
【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８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１０１，１０２等に延びる配管１０３，１０４内に対し、符号１０５，１０６の矢印で示すように逆流して、結露するおそれがある。この逆流蒸気や結露水が補機側に設置されている流量センサ１０７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する上に、その再利用をも図り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と、水蒸気改質用に水処理して供給する水供給処理装置と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、前記水供給処理装置に対し水蒸気改質用の水処理対象として供給する水分供給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水分供給手段によって水供給処理装置に対し供給されることになる。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供給手段によって空気供給経路外に排出され、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。しかも、排出された水分は水供給処理装置で水蒸気改質用の水処理対象として再利用されるため、外部に廃棄する場合に比べ、発電装置内で有効利用を図ることができるようになる。
【０００８】
本発明の発電装置における水分供給手段として、前記逆流気体に含まれる水分を溜めるトラップ部と、このトラップ部から前記水供給処理装置に対し水分供給するための水分供給経路と、この水分供給経路を開閉切換する開閉切換手段とを備え、前記開閉切換手段を発電運転の停止により閉状態から開切換されるように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、発電運転停止時には開閉切換手段が開切換されるため、発電運転停止により発電モジュールから逆流気体が生じても、その逆流気体からトラップ部に水分として溜め、この水分を水分供給経路を通して水供給処理装置に対し供給させることが可能となる。これにより、逆流気体からこれに含まれる水分を一旦分離してトラップ部に溜め、その上で、開状態の開閉切換手段及び水分供給経路を通して水分を水供給処理装置に供給することが可能となる。このため、逆流気体に含まれる水分を確実に取り出した上で、水処理対象として水供給処理装置に供給することができ、逆流気体に含まれる水分を効果的に再利用又は有効利用し得ることになる。かかる構成を実現するには、例えば発電運転等を制御する制御装置により、発電運転中は開閉切換手段を閉状態に維持する一方、発電運転の停止に伴いその開閉切換手段を開切換させるようにすればよい。
【０００９】
あるいは、本発明の発電装置における水分供給手段として、前記逆流気体に含まれる水分を溜めるトラップ部と、このトラップ部から前記水供給処理装置に水分供給するための水分供給経路と、前記トラップ部内の所定の水分量に基づく浮力を受けて上昇することにより前記水分供給経路を閉状態から開切換するフロート弁とを備えて構成することができる（請求項３）。このようにすることにより、開閉切換手段を切換制御するというような構成を必要とすることなく水分供給経路を自動開閉することができ、トラップ部に水分が溜まれば水分供給経路を自動的に開切換して、水供給処理装置に対し供給し得ることになる。
【００１０】
又、本発明の発電装置における水分供給手段としては、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４）。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における逆流気体に含まれる水分を水供給処理装置に対し供給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】
【００１１】
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供給手段によって空気供給経路外に排出させた上で、水供給処理装置に供給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供給手段によって空気供給経路外に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。しかも、排出された水分は水供給処理装置で水蒸気改質用の水処理対象として再利用されるため、外部に廃棄する場合に比べ、発電装置内で有効利用を図ることができるようになる。
【００１２】
特に、請求項２によれば、水分供給手段を、発電モジュールからの逆流気体に含まれる水分を溜めるトラップ部と、このトラップ部から前記水供給処理装置に対し水分供給するための水分供給経路と、この水分供給経路を開閉切換する開閉切換手段とを備え、前記開閉切換手段を発電運転の停止により閉状態から開切換されるように構成することで、発電運転停止時に発電モジュールから逆流する気体に含まれる水分を一旦分離してトラップ部に溜め、その上で、開状態の開閉切換手段及び水分供給経路を通して水供給処理装置に供給することができるようになる。このため、逆流気体に含まれる水分を確実に取り出した上で、水処理対象として水供給処理装置に供給することができ、逆流気体に含まれる水分を効果的に再利用又は有効利用することができるようになる。
【００１３】
又、請求項３によれば、水分供給手段を、前記逆流気体に含まれる水分を溜めるトラップ部と、このトラップ部から前記水供給処理装置に水分供給するための水分供給経路と、前記トラップ部内の所定の水分量に基づく浮力を受けて上昇することにより前記水分供給経路を閉状態から開切換するフロート弁とを備えて構成することで、開閉切換手段を切換制御するというような構成を必要とすることなく水分供給経路を自動開閉することができ、トラップ部に水分が溜まれば水分供給経路を自動的に開切換して、水供給処理装置に対し供給することができるようになる。
【００１４】
さらに、請求項４によれば、水分供給手段を、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における逆流気体に含まれる水分を水供給処理装置に対し供給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気体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】
【００１５】
【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】発電運転停止状態における図１の水分供給手段等を拡大して示す図１の部分拡大説明図である。
【図３】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４】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５】第２実施形態に係る発電装置の図４対応図である。
【図６】図５の水分供給手段等を拡大して示す図５の部分拡大説明図である。
【図７】第２実施形態に係る水分供給手段の他の形態を示す図６対応図である。
【図８】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】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
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３，４，５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や水供給処理装置が接続されて、運転停止時に発電モジュールから空気供給装置等に対し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。
【００１８】
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から水蒸気改質用に水（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や後述の水分供給手段からの水分供給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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、気水分離装置８ｂ、水分検知センサ９及び電磁式開閉切換弁１０からなる水分供給手段が介装されている。そして、気水分離装置８ｂの底部には水分供給経路である水分供給管３３の上流端３３１が接続され、その下流端３３２が水供給処理装置５における水処理のための導入部に接続されている。かかる構成の水分供給手段は、発電運転時には開閉切換弁１０が閉状態に維持される一方、発電運転停止時には開閉切換弁１０が開切換され、発電モジュール２からの逆流蒸気を凝縮させた上で、その凝縮水を水供給処理装置５に対し水処理対象として供給するようになっている。なお、この水分供給手段の詳細構成については後述する。
【００２１】
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、気水分離装置８ａ、水分検知センサ９及び電磁式開閉切換弁１０からなる水分供給手段とが介装されている。気水分離装置の底部には水分供給経路である水分供給管４６の上流端４６１が接続され、その下流端４６２が水供給処理装置５における水処理のための導入部に接続されている。かかる構成の水分供給手段は、前記の改質用ガス配管３１に介装されたものと同様に、発電運転時には開閉切換弁１０が閉状態に維持される一方、発電運転停止時には開閉切換弁１０が開切換され、発電モジュール２からの逆流蒸気を凝縮させた上で、その凝縮水を水供給処理装置５に対し水処理対象として供給するようになっている。なお、かかる水分供給手段の詳細構成については後述する。
【００２２】
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）を集水し、水処理のために導入部から導入した上で、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。前記の導入部には、発電運転停止時に水分供給管３３，４６を通して供給される水分も導入されて、水処理対象となる。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。
【００２３】
水分供給手段について図２を参照しつつ詳細に説明する。図２は図１の空気配管４１の側に介装された気水分離装置８ａ等の拡大図を示すものである。図１においては、図示の関係上、２つの気水分離装置８ａ，８ｂに対し配管４１，３１の接続を左右で反対にしたものを図示したに過ぎず、改質用ガス配管３１の側に介装された気水分離装置８ｂも、空気配管４１側の気水分装置８ａと構成自体は同じものである。以下、空気配管４１の側の気水分離装置８ａを対象にして説明する。便宜上、気水分離装置８ａ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。この水分供給手段は、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、その凝縮水を、水供給処理装置５での水処理用に有効利用又は再利用させるように水供給処理装置５に供給するようにしたものである。
【００２４】
気水分離装置８ａ（８ｂ）は、凝縮水（結露水）を溜めるトラップ部としての本体容器８１と、本体容器８１の上側空間に設けられた凝縮用の制御板８２とを備え、本体容器８１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８３を介して空気配管部４１ａが接続されている。本体容器８１の底部には、水分供給管４６の上流端４６１が連通接続される流出孔８４が開口形成され、この流出孔８４には水分を検知する検知部としての水分検知センサ９を設置するとともに、水分検知センサ９の下流側位置に開閉切換弁１０を介装させている。水分検知センサ９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８４における凝縮水の水圧を検知することで水分量（水位）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切換弁１０を、水分検知センサ９からの水分検知の出力を受けた制御装置７（図１参照）により開切換制御するようにしている。
【００２５】
そして、発電のための運転状態（図１に示す状態）においては、本体容器８１が空であるため開閉切換弁１０により水分供給管４６は閉状態に維持され、このため、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８３が開き、フィルタ４３から取り込まれた空気が本体容器８１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。なお、改質用ガス配管３１の側では、前記と同様に開閉切換弁１０により水分供給管３３は閉状態に維持され、改質用ガス供給装置３の側からの吐出圧を受けて逆止弁８３が開き、改質用ガスが発電モジュール２に供給されることになる。
【００２６】
一方、運転停止時には、図２に示すように、気水分離装置８ａにおいては、カソード空気ブロワ４２の作動が停止されて逆止弁８３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８１内に入って凝縮用の制御板８２と接触することで凝縮され、凝縮水として本体容器８１内に溜まることになる。本体容器８１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９により検知され、水分検知の出力を受けた制御装置７により開閉切換弁１０が開切換制御されることになる。このため、本体容器８１内の凝縮水は水分供給管４６に導出され、次いで水供給処理装置５（図１参照）に供給されることになる。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８３が閉状態に復帰するため、本体容器８１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。改質用ガス配管３１の側の気水分離装置８ｂでも、運転停止により改質用ガス供給装置３の供給用ブロワの作動が停止されると、逆止弁８３が閉状態に復帰するため、本体容器８１内に逆流した蒸気や凝縮水が、改質用ガス供給装置３の側に侵入したり、改質用ガス配管３１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。
【００２７】
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３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）の後に水分供給手段としての開閉切換弁１０，１０が閉状態にあることを確認し、もしも開切換状態にあれば閉状態に復帰させた上で（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、前記の水分供給手段の開閉切換弁１０，１０を開切換状態に切換制御して（ステップＳ７）、温度低下を待つ。
【００２８】
ステップＳ７で開閉切換弁１０，１０を開切換状態にすると、図４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内にたとえ逆流したとしても、それぞれ気水分装置８ａ，８ｂにおいて凝縮されて凝縮水となり、この凝縮水が開切換状態の開閉切換弁１０，１０及び水分供給管４６，３３を通して水供給処理装置５の導入部に供給されることになる。そして、水供給処理装置５においては、水分供給管４６，３３から供給された水分をも加味して純水への精製に再利用又は有効利用されることになる。一方、両気水分装置８ａ，８ｂにおいては、凝縮水が本体容器８１，８１内にある限り、水分検知センサ９，９による検知に基づき開閉切換弁１０，１０は開切換状態に維持される。つまり、本体容器８１，８１内に凝縮水が無くなるまで開閉切換弁１０，１０が開状態に維持されて、本体容器８１，８１内が空になってから開閉切換弁１０，１０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８１，８１を通過したカソード空気又は改質用ガスを発電モジュール２に対し供給し得ることになる。以上により、空気配管４１や改質用ガス配管３１内に結露水等の水分が残留する事態の発生を回避することができ、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。なお、開閉切換弁１０，１０を次回の発電のための再起動まで開切換状態に維持し、つまり運転停止中は開切換状態に保持し、再起動（例えばステップＳ１，Ｓ２）により閉状態に復帰させるようにしてもよい。これにより、水分検知センサ９，９の設置や、水分検知センサ９，９による水分検知を省略することができる。
【００２９】
＜第２実施形態＞
図５は第２実施形態に係る発電装置を示す。第２実施形態は、水分供給手段として、気水分離装置８ｃ及びフロート弁１１により構成したものである。つまり、水分検知センサ９からの出力により開閉切換弁１０の切換制御を必要とする第１実施形態の構成に代えて、気水分離装置８ｃ内に溜まる凝縮水の浮力に基づいて、フロート弁１１により水分供給管４６を自動開閉させるように構成した例を示すものである。
【００３０】
第２実施形態の気水分離装置８ｃは、流出孔８４にフロート弁１１及びその案内支持機構を設けた点でのみ第１実施形態の気水分離装置８ａ，８ｂと異なり、その他の構成は第１実施形態の気水分離装置８ａ，８ｂと同じであるため、同じ構成要素については第１実施形態と同じ符号を付して重複した説明を省略する。又、図５には、空気配管４１のみに、気水分離装置８ｃ及びフロート弁１１からなる水分供給手段を介装した例を図示しているが、これに限らず、第１実施形態と同様に、図５のものと同様構成の水分供給手段を改質用ガス配管３１に介装させるようにしてもよい。
【００３１】
第２実施形態の気水分離装置８ｃは、図６に詳細を示すように、本体容器８１の底部において、水分供給管４６の上流端４６１が連通接続された流出孔８４の入口に対し、フロート弁ガイド１１１，１１１により昇降案内されるフロート弁１１を設けたものである。このフロート弁１１は本体容器８１内が空の状態で流出孔８４を閉止状態（図６に一点鎖線で示す状態）にする一方、本体容器８１内に凝縮水が溜まりその水位上昇に伴い流出孔８４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１１２はフロート弁１１の上昇上限位置を規制するストッパである。
【００３２】
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８３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８１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８１内は空であるため、水分供給管４６はフロート弁１１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８３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８１内に入って凝縮制御板８２と接触することで凝縮され、凝縮水として本体容器８１内に溜まることになる。本体容器８１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１１が上昇して流出孔８４が開変換されることになる。このため、本体容器８１内の凝縮水は水分供給管４６を通して水供給処理装置５の導入部に対し供給されて第１実施形態と同様に再利用されることになる。又、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８３が閉状態になるため、本体容器８１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。
【００３３】
図７は、図６に示したフロート弁１１のフロート弁ガイド１１１とは異なる支持機構を示すものである。なお、これら以外にも、フロート弁１１の案内支持機構として種々のものを採用し得る。図７のものは、互いにピン結合させた２以上のリンク杆１１３，１１３によってフロート弁１１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６のものと同一であるため、同じ構成要素には図６のものと同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００３４】
なお、以上の第１実施形態では、水分供給手段を空気配管４１及び改質用ガス配管３１の双方に介装し、第２実施形態では、水分供給手段を空気配管４１にのみ介装した例を示したが、水分供給手段を少なくとも空気配管４１に対し介装することが好ましい。
【００３５】
又、第１実施形態では、検知部として水分検知センサ９を用いた例を示したが、これに限らず、検知部として、例えば発電モジュール２内に種々設置されている熱電対（温度センサ）を検知部として用い、この熱電対からの温度検出値を用いて水分検知を行うようにしてもよい。例えば、温度検出値が発電運転の停止に伴い雰囲気温度（例えば３０℃〜４０℃）まで低下すれば、確実に結露条件を満たすことになるため、これをもって水分検知として開閉切換手段である開閉切換弁１０を制御装置７により開切換制御すればよい。
【符号の説明】
【００３６】
４ 空気供給装置
５ 水供給処理装置
７ 制御装置
８ａ，８ｂ，８ｃ 気水分離装置（水分供給手段）
１０ 開閉切換弁（開閉切換手段，水分供給手段）
１１ フロート弁（水分供給手段）
３３，４６ 水分供給管（水分供給経路）
４１ 空気配管（空気供給経路）
８１ 本体容器（トラップ部）
８３ 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上に有効利用をも図る技術に係る。
【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８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１０１，１０２等に延びる配管１０３，１０４内に対し、符号１０５，１０６の矢印で示すように逆流して、結露するおそれがある。この逆流蒸気や結露水が補機側に設置されている流量センサ１０７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する上に、その再利用をも図り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と、水蒸気改質用に水処理して供給する水供給処理装置と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、前記水供給処理装置に対し水蒸気改質用の水処理対象として供給する水分供給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水分供給手段によって水供給処理装置に対し供給されることになる。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供給手段によって空気供給経路外に排出され、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。しかも、排出された水分は水供給処理装置で水蒸気改質用の水処理対象として再利用されるため、外部に廃棄する場合に比べ、発電装置内で有効利用を図ることができるようになる。
【０００８】
本発明の発電装置における水分供給手段として、前記逆流気体に含まれる水分を溜めるトラップ部と、このトラップ部から前記水供給処理装置に対し水分供給するための水分供給経路と、この水分供給経路を開閉切換する開閉切換手段とを備え、前記開閉切換手段を発電運転の停止により閉状態から開切換されるように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、発電運転停止時には開閉切換手段が開切換されるため、発電運転停止により発電モジュールから逆流気体が生じても、その逆流気体からトラップ部に水分として溜め、この水分を水分供給経路を通して水供給処理装置に対し供給させることが可能となる。これにより、逆流気体からこれに含まれる水分を一旦分離してトラップ部に溜め、その上で、開状態の開閉切換手段及び水分供給経路を通して水分を水供給処理装置に供給することが可能となる。このため、逆流気体に含まれる水分を確実に取り出した上で、水処理対象として水供給処理装置に供給することができ、逆流気体に含まれる水分を効果的に再利用又は有効利用し得ることになる。かかる構成を実現するには、例えば発電運転等を制御する制御装置により、発電運転中は開閉切換手段を閉状態に維持する一方、発電運転の停止に伴いその開閉切換手段を開切換させるようにすればよい。
【０００９】
あるいは、本発明の発電装置における水分供給手段として、前記逆流気体に含まれる水分を溜めるトラップ部と、このトラップ部から前記水供給処理装置に水分供給するための水分供給経路と、前記トラップ部内の所定の水分量に基づく浮力を受けて上昇することにより前記水分供給経路を閉状態から開切換するフロート弁とを備えて構成することができる（請求項３）。このようにすることにより、開閉切換手段を切換制御するというような構成を必要とすることなく水分供給経路を自動開閉することができ、トラップ部に水分が溜まれば水分供給経路を自動的に開切換して、水供給処理装置に対し供給し得ることになる。
【００１０】
又、本発明の発電装置における水分供給手段としては、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４）。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における逆流気体に含まれる水分を水供給処理装置に対し供給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】
【００１１】
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供給手段によって空気供給経路外に排出させた上で、水供給処理装置に供給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供給手段によって空気供給経路外に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。しかも、排出された水分は水供給処理装置で水蒸気改質用の水処理対象として再利用されるため、外部に廃棄する場合に比べ、発電装置内で有効利用を図ることができるようになる。
【００１２】
特に、請求項２によれば、水分供給手段を、発電モジュールからの逆流気体に含まれる水分を溜めるトラップ部と、このトラップ部から前記水供給処理装置に対し水分供給するための水分供給経路と、この水分供給経路を開閉切換する開閉切換手段とを備え、前記開閉切換手段を発電運転の停止により閉状態から開切換されるように構成することで、発電運転停止時に発電モジュールから逆流する気体に含まれる水分を一旦分離してトラップ部に溜め、その上で、開状態の開閉切換手段及び水分供給経路を通して水供給処理装置に供給することができるようになる。このため、逆流気体に含まれる水分を確実に取り出した上で、水処理対象として水供給処理装置に供給することができ、逆流気体に含まれる水分を効果的に再利用又は有効利用することができるようになる。
【００１３】
又、請求項３によれば、水分供給手段を、前記逆流気体に含まれる水分を溜めるトラップ部と、このトラップ部から前記水供給処理装置に水分供給するための水分供給経路と、前記トラップ部内の所定の水分量に基づく浮力を受けて上昇することにより前記水分供給経路を閉状態から開切換するフロート弁とを備えて構成することで、開閉切換手段を切換制御するというような構成を必要とすることなく水分供給経路を自動開閉することができ、トラップ部に水分が溜まれば水分供給経路を自動的に開切換して、水供給処理装置に対し供給することができるようになる。
【００１４】
さらに、請求項４によれば、水分供給手段を、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における逆流気体に含まれる水分を水供給処理装置に対し供給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気体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】
【００１５】
【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】発電運転停止状態における図１の水分供給手段等を拡大して示す図１の部分拡大説明図である。
【図３】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４】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５】第２実施形態に係る発電装置の図４対応図である。
【図６】図５の水分供給手段等を拡大して示す図５の部分拡大説明図である。
【図７】第２実施形態に係る水分供給手段の他の形態を示す図６対応図である。
【図８】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】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
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３，４，５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や水供給処理装置が接続されて、運転停止時に発電モジュールから空気供給装置等に対し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。
【００１８】
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から水蒸気改質用に水（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や後述の水分供給手段からの水分供給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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、気水分離装置８ｂ、水分検知センサ９及び電磁式開閉切換弁１０からなる水分供給手段が介装されている。そして、気水分離装置８ｂの底部には水分供給経路である水分供給管３３の上流端３３１が接続され、その下流端３３２が水供給処理装置５における水処理のための導入部に接続されている。かかる構成の水分供給手段は、発電運転時には開閉切換弁１０が閉状態に維持される一方、発電運転停止時には開閉切換弁１０が開切換され、発電モジュール２からの逆流蒸気を凝縮させた上で、その凝縮水を水供給処理装置５に対し水処理対象として供給するようになっている。なお、この水分供給手段の詳細構成については後述する。
【００２１】
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、気水分離装置８ａ、水分検知センサ９及び電磁式開閉切換弁１０からなる水分供給手段とが介装されている。気水分離装置の底部には水分供給経路である水分供給管４６の上流端４６１が接続され、その下流端４６２が水供給処理装置５における水処理のための導入部に接続されている。かかる構成の水分供給手段は、前記の改質用ガス配管３１に介装されたものと同様に、発電運転時には開閉切換弁１０が閉状態に維持される一方、発電運転停止時には開閉切換弁１０が開切換され、発電モジュール２からの逆流蒸気を凝縮させた上で、その凝縮水を水供給処理装置５に対し水処理対象として供給するようになっている。なお、かかる水分供給手段の詳細構成については後述する。
【００２２】
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）を集水し、水処理のために導入部から導入した上で、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。前記の導入部には、発電運転停止時に水分供給管３３，４６を通して供給される水分も導入されて、水処理対象となる。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。
【００２３】
水分供給手段について図２を参照しつつ詳細に説明する。図２は図１の空気配管４１の側に介装された気水分離装置８ａ等の拡大図を示すものである。図１においては、図示の関係上、２つの気水分離装置８ａ，８ｂに対し配管４１，３１の接続を左右で反対にしたものを図示したに過ぎず、改質用ガス配管３１の側に介装された気水分離装置８ｂも、空気配管４１側の気水分装置８ａと構成自体は同じものである。以下、空気配管４１の側の気水分離装置８ａを対象にして説明する。便宜上、気水分離装置８ａ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。この水分供給手段は、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、その凝縮水を、水供給処理装置５での水処理用に有効利用又は再利用させるように水供給処理装置５に供給するようにしたものである。
【００２４】
気水分離装置８ａ（８ｂ）は、凝縮水（結露水）を溜めるトラップ部としての本体容器８１と、本体容器８１の上側空間に設けられた凝縮用の制御板８２とを備え、本体容器８１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８３を介して空気配管部４１ａが接続されている。本体容器８１の底部には、水分供給管４６の上流端４６１が連通接続される流出孔８４が開口形成され、この流出孔８４には水分を検知する検知部としての水分検知センサ９を設置するとともに、水分検知センサ９の下流側位置に開閉切換弁１０を介装させている。水分検知センサ９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８４における凝縮水の水圧を検知することで水分量（水位）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切換弁１０を、水分検知センサ９からの水分検知の出力を受けた制御装置７（図１参照）により開切換制御するようにしている。
【００２５】
そして、発電のための運転状態（図１に示す状態）においては、本体容器８１が空であるため開閉切換弁１０により水分供給管４６は閉状態に維持され、このため、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８３が開き、フィルタ４３から取り込まれた空気が本体容器８１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。なお、改質用ガス配管３１の側では、前記と同様に開閉切換弁１０により水分供給管３３は閉状態に維持され、改質用ガス供給装置３の側からの吐出圧を受けて逆止弁８３が開き、改質用ガスが発電モジュール２に供給されることになる。
【００２６】
一方、運転停止時には、図２に示すように、気水分離装置８ａにおいては、カソード空気ブロワ４２の作動が停止されて逆止弁８３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８１内に入って凝縮用の制御板８２と接触することで凝縮され、凝縮水として本体容器８１内に溜まることになる。本体容器８１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９により検知され、水分検知の出力を受けた制御装置７により開閉切換弁１０が開切換制御されることになる。このため、本体容器８１内の凝縮水は水分供給管４６に導出され、次いで水供給処理装置５（図１参照）に供給されることになる。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８３が閉状態に復帰するため、本体容器８１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。改質用ガス配管３１の側の気水分離装置８ｂでも、運転停止により改質用ガス供給装置３の供給用ブロワの作動が停止されると、逆止弁８３が閉状態に復帰するため、本体容器８１内に逆流した蒸気や凝縮水が、改質用ガス供給装置３の側に侵入したり、改質用ガス配管３１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。
【００２７】
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３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）の後に水分供給手段としての開閉切換弁１０，１０が閉状態にあることを確認し、もしも開切換状態にあれば閉状態に復帰させた上で（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、前記の水分供給手段の開閉切換弁１０，１０を開切換状態に切換制御して（ステップＳ７）、温度低下を待つ。
【００２８】
ステップＳ７で開閉切換弁１０，１０を開切換状態にすると、図４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内にたとえ逆流したとしても、それぞれ気水分装置８ａ，８ｂにおいて凝縮されて凝縮水となり、この凝縮水が開切換状態の開閉切換弁１０，１０及び水分供給管４６，３３を通して水供給処理装置５の導入部に供給されることになる。そして、水供給処理装置５においては、水分供給管４６，３３から供給された水分をも加味して純水への精製に再利用又は有効利用されることになる。一方、両気水分装置８ａ，８ｂにおいては、凝縮水が本体容器８１，８１内にある限り、水分検知センサ９，９による検知に基づき開閉切換弁１０，１０は開切換状態に維持される。つまり、本体容器８１，８１内に凝縮水が無くなるまで開閉切換弁１０，１０が開状態に維持されて、本体容器８１，８１内が空になってから開閉切換弁１０，１０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８１，８１を通過したカソード空気又は改質用ガスを発電モジュール２に対し供給し得ることになる。以上により、空気配管４１や改質用ガス配管３１内に結露水等の水分が残留する事態の発生を回避することができ、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。なお、開閉切換弁１０，１０を次回の発電のための再起動まで開切換状態に維持し、つまり運転停止中は開切換状態に保持し、再起動（例えばステップＳ１，Ｓ２）により閉状態に復帰させるようにしてもよい。これにより、水分検知センサ９，９の設置や、水分検知センサ９，９による水分検知を省略することができる。
【００２９】
＜第２実施形態＞
図５は第２実施形態に係る発電装置を示す。第２実施形態は、水分供給手段として、気水分離装置８ｃ及びフロート弁１１により構成したものである。つまり、水分検知センサ９からの出力により開閉切換弁１０の切換制御を必要とする第１実施形態の構成に代えて、気水分離装置８ｃ内に溜まる凝縮水の浮力に基づいて、フロート弁１１により水分供給管４６を自動開閉させるように構成した例を示すものである。
【００３０】
第２実施形態の気水分離装置８ｃは、流出孔８４にフロート弁１１及びその案内支持機構を設けた点でのみ第１実施形態の気水分離装置８ａ，８ｂと異なり、その他の構成は第１実施形態の気水分離装置８ａ，８ｂと同じであるため、同じ構成要素については第１実施形態と同じ符号を付して重複した説明を省略する。又、図５には、空気配管４１のみに、気水分離装置８ｃ及びフロート弁１１からなる水分供給手段を介装した例を図示しているが、これに限らず、第１実施形態と同様に、図５のものと同様構成の水分供給手段を改質用ガス配管３１に介装させるようにしてもよい。
【００３１】
第２実施形態の気水分離装置８ｃは、図６に詳細を示すように、本体容器８１の底部において、水分供給管４６の上流端４６１が連通接続された流出孔８４の入口に対し、フロート弁ガイド１１１，１１１により昇降案内されるフロート弁１１を設けたものである。このフロート弁１１は本体容器８１内が空の状態で流出孔８４を閉止状態（図６に一点鎖線で示す状態）にする一方、本体容器８１内に凝縮水が溜まりその水位上昇に伴い流出孔８４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１１２はフロート弁１１の上昇上限位置を規制するストッパである。
【００３２】
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８３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８１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８１内は空であるため、水分供給管４６はフロート弁１１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８３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８１内に入って凝縮制御板８２と接触することで凝縮され、凝縮水として本体容器８１内に溜まることになる。本体容器８１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１１が上昇して流出孔８４が開変換されることになる。このため、本体容器８１内の凝縮水は水分供給管４６を通して水供給処理装置５の導入部に対し供給されて第１実施形態と同様に再利用されることになる。又、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８３が閉状態になるため、本体容器８１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。
【００３３】
図７は、図６に示したフロート弁１１のフロート弁ガイド１１１とは異なる支持機構を示すものである。なお、これら以外にも、フロート弁１１の案内支持機構として種々のものを採用し得る。図７のものは、互いにピン結合させた２以上のリンク杆１１３，１１３によってフロート弁１１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６のものと同一であるため、同じ構成要素には図６のものと同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００３４】
なお、以上の第１実施形態では、水分供給手段を空気配管４１及び改質用ガス配管３１の双方に介装し、第２実施形態では、水分供給手段を空気配管４１にのみ介装した例を示したが、水分供給手段を少なくとも空気配管４１に対し介装することが好ましい。
【００３５】
又、第１実施形態では、検知部として水分検知センサ９を用いた例を示したが、これに限らず、検知部として、例えば発電モジュール２内に種々設置されている熱電対（温度センサ）を検知部として用い、この熱電対からの温度検出値を用いて水分検知を行うようにしてもよい。例えば、温度検出値が発電運転の停止に伴い雰囲気温度（例えば３０℃〜４０℃）まで低下すれば、確実に結露条件を満たすことになるため、これをもって水分検知として開閉切換手段である開閉切換弁１０を制御装置７により開切換制御すればよい。
【符号の説明】
【００３６】
４ 空気供給装置
５ 水供給処理装置
７ 制御装置
８ａ，８ｂ，８ｃ 気水分離装置（水分供給手段）
１０ 開閉切換弁（開閉切換手段，水分供給手段）
１１ フロート弁（水分供給手段）
３３，４６ 水分供給管（水分供給経路）
４１ 空気配管（空気供給経路）
８１ 本体容器（トラップ部）
８３ 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に対し、酸化剤であるカソード空気を供給する空気供給経路と、水蒸気改質用に水処理して供給する水供給処理装置と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、前記水供給処理装置に対し水蒸気改質用の水処理対象として供給する水分供給手段を備えている、
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、
前記水分供給手段は、前記逆流気体に含まれる水分を溜めるトラップ部と、このトラップ部から前記水供給処理装置に対し水分供給するための水分供給経路と、この水分供給経路を開閉切換する開閉切換手段とを備え、前記開閉切換手段が発電運転の停止により閉状態から開切換されるように構成されている、発電装置。
【請求項３】
請求項１に記載の発電装置であって、
前記水分供給手段は、前記逆流気体に含まれる水分を溜めるトラップ部と、このトラップ部から前記水供給処理装置に水分供給するための水分供給経路と、前記トラップ部内の所定の水分量に基づく浮力を受けて上昇することにより前記水分供給経路を閉状態から開切換するフロート弁とを備えて構成されている、発電装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の発電装置であって、
前記水分供給手段は、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に対し、酸化剤であるカソード空気を供給する空気供給経路と、水蒸気改質用に水処理して供給する水供給処理装置と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、前記水供給処理装置に対し水蒸気改質用の水処理対象として供給する水分供給手段を備えている、
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、
前記水分供給手段は、前記逆流気体に含まれる水分を溜めるトラップ部と、このトラップ部から前記水供給処理装置に対し水分供給するための水分供給経路と、この水分供給経路を開閉切換する開閉切換手段とを備え、前記開閉切換手段が発電運転の停止により閉状態から開切換されるように構成されている、発電装置。
【請求項３】
請求項１に記載の発電装置であって、
前記水分供給手段は、前記逆流気体に含まれる水分を溜めるトラップ部と、このトラップ部から前記水供給処理装置に水分供給するための水分供給経路と、前記トラップ部内の所定の水分量に基づく浮力を受けて上昇することにより前記水分供給経路を閉状態から開切換するフロート弁とを備えて構成されている、発電装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の発電装置であって、
前記水分供給手段は、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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−７３９２３（Ｐ２０１３−７３９２３Ａ）
【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２０１１−２１４６７６（Ｐ２０１１−２１４６７６）
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【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２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（０００００４７０９）株式会社ノーリツ (1,293)
【Ｆターム（参考）】
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