(57)【要約】【課題】簡単な構成で、耐久性に優れた燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１に燃料ガスを供給する燃料処理装置２での燃焼により発生する排ガスから得た凝縮水を貯留する凝縮水タンク２５と、燃料電池１で発電に伴って発生する熱を回収する冷却水が循環する流路８に設けられた冷却水タンク２３と、凝縮水タンク２５内の凝縮水を冷却水として冷却水タンク２３に補給するための水供給管１５と、水供給管１５の途中に設けられ凝縮水タンク２５からの凝縮水と燃料電池１からのカソードオフガスとが直接接触する脱炭酸装置２０と、脱炭酸装置２０の下流に設けられ凝縮水タンク２５からの凝縮水を純水にするイオン交換樹脂２６とを有するもので、凝縮水タンク２５内の凝縮水のｐＨを低く保持することで、雑菌等の微生物の繁殖を抑制することができる。【選択図】図１
2010287519.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料処理装置と、前記燃料処理装置での燃焼により発生する排ガスとから得た凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、前記燃料電池で発電に伴って発生する熱を回収して前記燃料電池を所定温度に保つための冷却水が循環する冷却水循環流路に設けられた冷却水タンクと、前記凝縮水タンク内の凝縮水を冷却水として前記冷却水タンクに補給するための水供給管と、前記水供給管の途中に設けられ前記凝縮水タンクからの凝縮水を外部からの空気と直接向流接触させて脱炭酸を行う脱炭酸装置と、前記脱炭酸装置の下流の前記水供給管に設けられ前記凝縮水タンクからの凝縮水を純水にするイオン交換樹脂とを備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料処理装置での燃焼により発生する排ガスを、前記凝縮水タンク内の凝縮水に直接導入してバブリングする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記凝縮水タンク、前記脱炭酸装置、前記イオン交換樹脂、前記冷却水タンクを、上から下へ順に重力方向に配置した請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記凝縮水タンクと前記脱炭酸装置との間に開閉弁を備える請求項３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、燃料電池の発電に伴って発生する熱を回収利用して温水を生成する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素の直接反応により電気エネルギーを生成するものであり、発電効率が高く、大気汚染物質もほとんど排出しないクリーンな発電装置として期待されている。特に、発電時に発生する熱を給湯や暖房等に回収利用する燃料電池システムは、総合的なエネルギー効率が高く、省エネルギー機器としての普及が望まれている。
【０００３】
従来の燃料電池システムは、図２に示すような構成を有する。図２において、燃料処理装置５２は、燃料電池５１の燃料ガスを生成するもので、例えば、メタン等の原料ガスを水蒸気で改質することにより、燃料ガスとなる水素を生成する。燃料電池５１は、この燃料処理装置５２で生成された水素をアノード６２に、空気ブロワ等により供給された空気中の酸素をカソード６３に流通させ、電気化学的に反応させることで発電を行う。
【０００４】
貯湯タンク５３および貯湯水循環ポンプ５４と、燃料処理装置５２の排ガスから熱回収を行う排ガス熱交換器５５と、燃料電池５１のカソード６３の出口に設けたオフガス熱交換器５６と、燃料電池５１の冷却水熱交換器５７とを、この順番に配管接続し、貯湯タンク５３の貯湯水を加熱するように貯湯水循環流路５９を構成している。冷却水循環ポンプ６０は、冷却水タンク７３に貯蔵された冷却水を、燃料電池５１内部の冷却水流路６４と冷却水熱交換器５７とを接続した冷却水循環流路５８に循環させる。
【０００５】
オフガス熱交換器５６において燃料電池５１のカソードオフガスを冷却することにより得られた凝縮水は、凝縮水タンク７５に回収される。一方、排ガス熱交換器５５において燃料処理装置２の排ガスを冷却することにより得られた凝縮水は、脱炭酸装置７０において、オフガス熱交換器５６からのカソードオフガスと接触し、内部に保持する炭酸成分を取り除かれた後、凝縮水タンク７５に回収される。凝縮水タンク７５内部の凝縮水は、ポンプ７４により冷却水タンク７３に補給されて、燃料電池５１の冷却水として利用される。凝縮水タンク７５に回収された凝縮水は、若干の不純物を含むため、イオン交換樹脂等からなる水処理装置７６を介して純水化され、冷却水タンク７３に供給される。
【０００６】
凝縮水タンク７５内に回収された凝縮水は、若干の不純物を有する略純水であり、市水のように殺菌作用を有する塩素成分等を含まない。また、凝縮水タンク７５は一般に外気に開放されている。よって、凝縮水タンク７５内の凝縮水は、雑菌が繁殖しやすい環境にある。凝縮水にこのような雑菌が大量に繁殖すると、ポンプ７４や純水処理装置としてのイオン交換樹脂７６につまりを引き起こし、冷却水の供給を阻害し、冷却水タンク７３内の冷却水不足の原因となる。そこで、凝縮水タンク７５に貯留した凝縮水をヒータ７７等の加熱手段により定期的に加熱して殺菌し、凝縮水内での雑菌等の微生物の繁殖を抑制することが提案されている（例えば、特許文献１および２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３１０６５５２号公報
【特許文献２】特開平８−１３８７１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、凝縮水タンク７５内部の凝縮水を、ヒータ７７を用いて加熱することで雑菌の繁殖を抑制する場合、システムとしてのエネルギー消費が増大し、省エネ性を損なってしまう。また、凝縮水の純水化処理に用いられるイオン交換樹脂は一般に加熱により劣化しやすく、上記従来の構成では、温水が流入することでイオン交換樹脂が劣化し、十分な純水が冷却水タンク７３に供給されないという課題があった。冷却水タンク７３内の冷却水が十分に清浄でないと、燃料電池５１の寿命低下を引き起こす可能性がある。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、簡単な構成で、凝縮水への雑菌の繁殖を抑制し、耐久性に優れた燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料処理装置と、前記燃料処理装置での燃焼により発生する排ガスとから得た凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、前記燃料電池で発電に伴って発生する熱を回収して前記燃料電池を所定温度に保つための冷却水が循環する冷却水循環流路に設けられた冷却水タンクと、前記凝縮水タンク内の凝縮水を冷却水として前記冷却水タンクに補給するための水供給管と、前記水供給管の途中に設けられ前記凝縮水タンクからの凝縮水を外部からの空気と直接向流接触させて脱炭酸を行う脱炭酸装置と、前記脱炭酸装置の下流の前記水供給管に設けられ前記凝縮水タンクからの凝縮水を純水にするイオン交換樹脂とを有する。
【００１１】
これにより、排ガス熱交換器からの凝縮水をそのまま凝縮水タンクに貯留し、冷却水タンクへの供給時に脱炭酸を行う構成を有するので、凝縮水タンク内の凝縮水のｐＨを低く保持することができ、雑菌等の微生物の繁殖を抑制することができる。また、ヒータ等の熱源を用いないので、省エネ性を維持しながら、冷却水タンクに純水を供給でき、イオン交換樹脂の温度劣化も防止することができる。したがって、簡単な構成で、耐久性と省エネ性に優れた燃料電池システムを提供することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、簡単な構成で、耐久性と省エネ性に優れた燃料電池システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成図
【図２】本発明の実施の形態２の燃料電池システムの構成図
【図３】従来の燃料電池システムの構成図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
第１の発明は、燃料電池と、前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料処理装置と、前記燃料処理装置での燃焼により発生する排ガスとから得た凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、前記燃料電池で発電に伴って発生する熱を回収して前記燃料電池を所定温度に保つための冷却水が循環する冷却水循環流路に設けられた冷却水タンクと、前記凝縮水タンク内の凝縮水を冷却水として前記冷却水タンクに補給するための水供給管と、前記水供給管の途中に設けられ前記凝縮水タンクからの凝縮水を外部からの空気と直接向流接触させて脱炭酸を行う脱炭酸装置と、前記脱炭酸装置の下流の前記水供給管に設けられ前記凝縮水タンクからの凝縮水を純水にするイオン交換樹脂とを有するものである。
【００１５】
これにより、排ガス熱交換器からの凝縮水をそのまま凝縮水タンクに貯留し、冷却水タンクへの供給時に脱炭酸を行う構成を有するので、凝縮水タンク内の凝縮水のｐＨを低く
保持することができ、雑菌等の微生物の繁殖を抑制することができる。また、ヒータ等の熱源を用いないので、省エネ性を維持しながら、冷却水タンクに純水を供給でき、イオン交換樹脂の温度劣化も防止することができる。したがって、簡単な構成で、耐久性と省エネ性に優れた燃料電池システムを提供することができる。
【００１６】
第２の発明は、第１の発明において、前記燃料処理装置での燃焼により発生する排ガスを、前記凝縮水タンク内の凝縮水に直接導入してバブリングするものである。炭酸ガス成分を含む排ガスを凝縮水内でバブリングすることで、凝縮水タンク内の凝縮水のｐＨをより低く保持することができ、雑菌等の微生物の繁殖を抑制することができる。よって、簡単な構成で、より一層耐久性に優れた燃料電池システムを提供することができる。
【００１７】
第３の発明は、第１の発明において、凝縮水タンク、脱炭酸装置、イオン交換樹脂、冷却水タンクを、上から下へ順に重力方向に配置したものである。これにより、凝縮水の搬送を、ポンプ等の動力を用いることなく、重力による自然落下により行うことができるため、より一層省エネ性に優れた燃料電池システムを提供することができる。
【００１８】
第４の発明は、第３の発明において、凝縮水タンクと脱炭酸装置との間に開閉弁を有するものである。これにより、冷却水タンクへの凝縮水の補給を、開閉弁の開閉動作により容易に制御することができるとともに、システム停止時は、開閉弁を閉塞することで、脱炭酸装置やイオン交換樹脂に保持された凝縮水が自重により自然落下し、これらへの凝縮水すなわち略純水の滞留を防止して菌繁殖を抑制することができる。よって、簡単な構成で、より一層耐久性に優れた燃料電池システムを提供することができる。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成図である。
【００２１】
図１に示すように、本実施例の燃料電池システムは、燃料電池１と燃料処理装置２と貯湯タンク３とを有し、貯湯タンク３からの貯湯水が、貯湯水循環ポンプ４により、燃料処理装置２からの排ガスの排熱を回収するとともに排ガスから凝縮水を得る排ガス熱交換器５と、燃料電池１から排出されるカソードオフガスの排熱を回収するとともにカソードオフガスから凝縮水を得るオフガス熱交換器６と、燃料電池１の冷却水の排熱を回収する冷却水熱交換器７とを介して、貯湯タンク３に戻る貯湯水循環流路９を備える。
【００２２】
燃料電池１は、燃料処理装置２で生成された燃料ガス（例えば、水素）と、空気ブロワ等から送られた空気中の酸素とが、燃料極であるアノード１２および酸素極であるカソード１３において電気化学的に反応し、発電を行うものである。燃料電池１は、同時に、燃料ガスと酸素との反応により水を生成するため、燃料電池１のカソード１３からは水蒸気成分を多く含んだカソードオフガスを排出する。一方、燃料処理装置２は、メタンやプロパン等の原料ガスから、触媒による改質反応（例えば水蒸気改質反応）により水素を生成し、燃料電池１の燃料極１２に送出するものである。燃料処理装置２は、一般に、原料ガスの燃焼熱を用いて改質反応を促進するため、水蒸気成分を多く含んだ燃焼排ガスを排出する。燃料電池１の冷却部１４には、冷却水循環ポンプ１０により、冷却水タンク２３に貯蔵された冷却水が供給され、冷却水循環流路８によって冷却水熱交換器７との間を循環する。
【００２３】
本実施例は、さらに、燃料電池１から排出されるカソードオフガスと燃料処理装置２での燃焼により発生する排ガスとから得た凝縮水を貯留する凝縮水タンク２５と、凝縮水タ
ンク２５内の凝縮水を冷却水として冷却水タンク２３に補給するための水供給管１５と、水供給管１５の途中に設けられ凝縮水タンク２５からの凝縮水を外部からの空気、例えば、燃料電池１からのカソードオフガスと直接向流接触させて脱炭酸を行う脱炭酸装置２０と、脱炭酸装置２０の下流の水供給管１５に設けられ凝縮水タンク２５からの凝縮水を純水にするイオン交換樹脂２６とを有する。
【００２４】
なお、凝縮水タンク２５、脱炭酸装置２０、イオン交換樹脂２６、冷却水タンク２３は、この順番で上から下に重力方向に配置された構成となっている。また、凝縮水タンク２５と脱炭酸装置２０との間の水供給管１５には、例えば電磁式の開閉弁２８を備えている。
【００２５】
貯湯タンク３下部の貯湯水は、貯湯水循環ポンプ４により貯湯水循環流路９に送られ、排ガス熱交換器５において、燃料処理装置２から排出される燃焼排ガスの熱を回収し昇温される。次に、オフガス熱交換器６において、燃料電池１のカソード１３から排出されるカソードオフガスの熱を回収し昇温される。さらに、冷却水熱交換器７において、冷却水循環流路８を循環する燃料電池１の冷却水の熱を回収し昇温される。最後に、貯湯タンク３の上部に送られ、貯湯タンク３内に温度成層を形成する。
【００２６】
なお、貯湯タンク３からの出湯は、貯湯タンク３下部から水道水を供給し、上部から高温の湯を押し出すことにより行われる。排ガス熱交換器５、オフガス熱交換器６、冷却水熱交換器７としては、例えば、二重管式やシェルアンドチューブ式、プレート式などの熱交換器を用いればよい。
【００２７】
燃料処理装置２からの排ガスは、水蒸気成分を含む燃焼排ガスであり、排ガス熱交換器５において貯湯タンク３からの貯湯水に冷却されることで、排ガス凝縮水を生成する。また、燃料電池１のカソード１３からのオフガスも、同様に水蒸気成分を含む空気であり、オフガス熱交換器６において貯湯タンク３からの貯湯水に冷却されることで、オフガス凝縮水を生成する。これらの凝縮水は、凝縮水タンク２５に貯留されるが、排ガスの炭酸成分を含むため、弱酸性となっている。なお、排ガス熱交換器５からの排ガスは外部に排気され、オフガス熱交換器６からのカソードオフガスは脱炭酸装置２０に送られる。
【００２８】
凝縮水タンク２５に回収された凝縮水は、開閉弁１５を開放することで、水供給管１５を通じて冷却水タンク２３に補給されて、燃料電池１の冷却水として利用される。燃料電池１の冷却水には、一般に、燃料電池１の長寿命化の観点から、不純物を含まない清浄性が要求される。燃料処理装置２の排ガスや燃料電池１のカソードオフガスから生成された凝縮水は、排ガスからの炭酸成分や構成材料から溶出される不純物を若干含むため、イオン交換樹脂２６を介して純水化され、冷却水タンク２３に供給される。
【００２９】
ここで、凝縮水中の炭酸成分量は、イオン交換樹脂２６の処理能力を支配する大きな因子となっており、炭酸成分が多いと、イオン交換樹脂２６に過剰な純水処理能力が必要となり、容積の増大やコストの増大を招いてしまう。そこで、凝縮水タンク２５からの凝縮水と、外部からの清浄な空気、例えば、オフガス熱交換器６からのカソードオフガスとを直接向流接触させる脱炭酸装置２０を設け、凝縮水から炭酸成分を取り除き、カソードオフガスと共に排出するようにしている。脱炭酸装置２０としては、例えば、円筒状の流路内に比表面積の大きい充填材を充填し、上から凝縮水を滴下し、下からカソードオフガス上昇させて、互いに直接向流接触させる装置が一般的ある。充填材としては、例えば、リング形状やコイル形状を有する金属や樹脂で、脱炭酸性能を確保するために、表面に凹凸を設けて比表面積を増大させたものや、サンドブラスト等で親水処理を施したものが望ましい。
【００３０】
凝縮水タンク２５内の凝縮水は、一般の市水のように殺菌作用を有する塩素成分等を含まない。また、凝縮水タンク２５は、過剰な凝縮水をオーバーフローさせる構造を有するため、一般に外気に開放されている。よって、凝縮水タンク２５内の凝縮水は、雑菌が繁殖しやすい環境にある。凝縮水に雑菌が大量に繁殖すると、冷却水を供給する水供給管１５や純水処理装置としてのイオン交換樹脂２６につまりを引き起こし、冷却水タンク２３への送液を阻害して冷却水不足の原因となる。
【００３１】
本実施例は、排ガス熱交換器５からの凝縮水をそのまま凝縮水タンク２５に貯留し、冷却水タンク２３への供給時に脱炭酸を行う構成を有するので、凝縮水タンク２５内の凝縮水のｐＨを低く保持することができる。排ガス凝縮水はｐＨ４〜５の弱酸性であり、一般に雑菌等の微生物の繁殖を抑制することができる。また、ヒータ等の熱源を用いないので、省エネ性を維持しながら、冷却水タンクに純水が長期間にわたって供給できる。さらに、イオン交換樹脂に温水が供給されないので、温度劣化を防止することができ、消耗部品であるイオン交換樹脂２６の長寿命化を図ることができる。
【００３２】
また、凝縮水タンク２５、脱炭酸装置２０、イオン交換樹脂２６、冷却水タンク２３を上から下へ順に重力方向に配置することで、凝縮水タンク２５から冷却水タンク２３に至る凝縮水の搬送を、ポンプ等の外部動力を用いることなく、重力による自然落下により行うことができるため、システムのエネルギー消費を低減できる。
【００３３】
さらに、凝縮水タンク２５と脱炭酸装置２０との間に開閉弁２８を設置することで、冷却水タンク２３への凝縮水の補給を、開閉弁２８の開閉動作により容易に制御することができる。システム停止時に開閉弁２８を閉塞すると、脱炭酸装置２０やイオン交換樹脂２６に保持された凝縮水が自重により自然落下し、これらへの凝縮水すなわち略純水の滞留を防止して菌繁殖を抑制することができる。なお、システム停止時に開閉弁２８を閉塞することで、凝縮水タンク２５への凝縮水の貯留が保持され、システム起動時に速やかに冷却水タンク２３に凝縮水を供給することができる。
【００３４】
したがって、本実施例によれば、簡単な構成で、耐久性と省エネ性に優れた燃料電池システムを提供することができる。
【００３５】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２の燃料電池システムの構成図である。本実施の形態の燃料電池システムの構成とその作用は、実施の形態１で説明したものと略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００３６】
実施の形態１と異なるのは、燃料処理装置２での燃焼により発生する排ガスを、凝縮水タンク２５内の凝縮水に直接導入してバブリングする構成とした点である。
【００３７】
このような構成によれば、炭酸ガス成分を含む排ガスを凝縮水内でバブリングすることで、凝縮水タンク２５内の凝縮水のｐＨをより低く安定して保持することができ、雑菌等の微生物の繁殖をさらに抑制することができる。特に、凝縮水タンク２５に、燃料処理装置２の排ガスからの凝縮水に加えて、燃料電池１のカソードオフガスからの凝縮水を回収して利用する場合、カソードオフガスからの凝縮水は炭酸成分を含まないため、弱酸性の排ガス凝縮水だけの場合よりも、凝縮水タンク２５内の凝縮水のｐＨが高くなる可能性がある。このようなときも、炭酸成分を有する排ガスを凝縮水に対してバブリングすることにより、凝縮水タンク２５内の凝縮水を低いｐＨに保持することが可能になる。よって、簡単な構成で、より一層耐久性に優れた燃料電池システムを提供することができる。
【００３８】
なお、本発明の実施の形態１および２において、脱炭酸装置２０に燃料電池１のカソー
ドオフガスを導入し、凝縮水と接触させて脱炭酸を行うものとしたが、清浄な空気を用いて脱炭酸を行うものであれば、ファン等により外部から空気を導入するものとしても良い。
【００３９】
また、イオン交換樹脂２６より下流の水供給管１５に開閉弁（図示せず）を設置し、システム停止時の脱炭酸装置２０およびイオン交換樹脂２６からの凝縮水の自重による落下のタイミングを制御するものとしても良い。これによれば、システム停止後の放置期間が菌繁殖に必要な時間よりも十分短いような場合も、脱炭酸装置２０およびイオン交換樹脂２６内の凝縮水を保持することができ、再起動時に冷却水タンク２３への凝縮水の補給を速やかに行うことができるため、システムの起動特性が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、凝縮水タンク内の凝縮水のｐＨを低く保持することで、雑菌等の微生物の繁殖を抑制することができるため、簡単な構成で、耐久性と省エネ性に優れたシステムを提供することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１  燃料電池
２  燃料処理装置
３  貯湯タンク
４  貯湯水循環ポンプ
５  排ガス熱交換器
６  オフガス熱交換器
７  冷却水熱交換器
８  冷却水循環流路
９  貯湯水循環流路
１０  冷却水循環ポンプ
１５  水供給管
２０  脱炭酸装置
２３  冷却水タンク
２５  凝縮水タンク
２６  イオン交換樹脂
２８  開閉弁
【図１】
2010287519.tif 000003
【図２】
2010287519.tif 000004
【図３】
2010287519.tif 000005