(57)【要約】【課題】脱気装置に滞留した滞留水を効率的に排水して、異音が発生しない燃料電池システムを提供する。【解決手段】少なくとも燃焼排ガス凝縮水を脱気処理し脱気水とする脱気装置１６と、脱気水を貯水する脱気水タンク１８と、脱気水に含まれるイオンを除去し脱イオン水を生成するイオン除去装置１９と、脱イオン水を利用し水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置１２と、空気を供給する空気供給装置１１４と、燃料ガスに含まれる水素と空気を利用して発電する燃料電池１１と、を少なくとも具備する燃料電池システム１０であって、脱気装置１６は、底面に開口部１１２を有するとともに、内部に充填される充填材１７と、内部に滞留する滞留水を排水するオーバーフロー配管１１１と、を具備する構成を有する。【選択図】図１
2010212050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも燃焼排ガス凝縮水を脱気処理し脱気水とする脱気装置と、前記脱気水を貯水する脱気水タンクと、前記脱気水に含まれるイオンを除去し脱イオン水を生成するイオン除去装置と、前記脱イオン水を利用し水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置と、空気を供給する空気供給装置と、前記燃料ガスに含まれる水素と前記空気を利用して発電する燃料電池と、を少なくとも具備する燃料電池システムであって、
前記脱気装置は、底面に設けられた開口部と、内部に充填される充填材と、上部から送水される前記燃焼排ガス凝縮水に含まれる炭酸ガスを前記開口部を通して供給される空気と接触させて除去した前記脱気水の一部が内部に滞留した滞留水を排水するオーバーフロー配管と、を具備する燃料電池システム。
【請求項２】
前記オーバーフロー配管は、前記脱気装置の側壁の所定の高さに配置されている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記オーバーフロー配管は、前記脱気水タンクに接続されている請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記オーバーフロー配管の排出口が、少なくとも前記脱気水タンクに貯水された前記脱気水と接触するように配置されている請求項３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は少なくとも燃焼排ガス凝縮水を脱気処理し脱気水とする脱気装置を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとしては、まず、燃料電池から排出される燃料排ガスから回収した水素を燃焼させ、その燃焼排ガスから水を回収する。そして、回収した水をイオン除去装置により脱イオン処理した後、燃料電池の発電に用いる水素を生成するための水として利用した燃料電池システムがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図４は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムを示す構成図である。図４に示すように、燃料電池システムは、燃料電池４１と、燃料ガス生成装置４２と、気液分離器４４と、熱交換器４５と、脱気装置４６と、脱気水タンク４８と、イオン除去装置４９と、脱イオン水タンク４１２と水ポンプ４１０から構成されている。
【０００４】
このとき、燃料ガス生成装置４２は、燃料電池４１に供給する燃料ガスを生成し、気液分離器４４は、燃料電池４１から排出される燃料排ガスからその中に含まれる水分を凝縮し燃料排ガス凝縮水と燃料ガスに分離する。そして、熱交換器４５は、気液分離器４４で分離した燃料ガスを燃料ガス生成装置４２の燃焼部４３で燃焼させた燃焼排ガスから発生する燃焼排ガス凝縮水を生成する。また、脱気装置４６は、内部に備えられたラシヒリングなどの充填材４７により、熱交換器４５で凝縮した燃焼排ガス凝縮水を脱気処理する。また、脱気水タンク４８は、熱交換器４５で凝縮した燃焼排ガス凝縮水を脱気処理装置で脱気処理した脱気水を貯水する。さらに、イオン除去装置４９は、脱気水タンク４８に貯水した水に含まれるイオンを除去し、脱イオンされた脱イオン水は脱イオン水タンク４１２に貯水される。そして、水ポンプ４１０は、脱イオン水タンク４１２から脱イオン水を燃料ガス生成装置４２に供給する。
【０００５】
なお、燃焼排ガス凝縮水の脱気処理は、脱気装置４６の上部から落下する燃焼排ガス凝縮水と、脱気装置４６の底面に設けられる開口部４１１を通して上部方向に送風される燃料電池４１からの排空気とが対向接触することにより行われる。そして、脱気処理された脱気水は、開口部４１１から落下し、脱気水タンク４８に貯水される。
【特許文献１】特開２００５−１２９３３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池システムにおいては、脱気装置４６に充填された充填材４７の径や充填状態、あるいは脱気装置４６の開口部４１１の径などに起因して脱気水が脱気装置４６の下部に滞留する場合がある。そして、脱気処理のために、脱気装置４６の開口部４１１から供給される燃料電池４１からの排空気が、滞留した滞留水を吹き上げることにより、脱気装置４６で異音が発生するという課題をあった。
【０００７】
一般的に、脱気装置４６における脱気効率を向上させるためには、空気と燃焼排ガス凝縮水との接触面積を増大させる必要がある。そのため、充填材４７として、その径が小さいものを選択するのが好ましい。しかし、径の小さい充填材４７を保持するためには、脱気装置４６の開口部の径をより小さくする必要がある。その結果、滞留水が脱気装置４６の下部により滞留し易くなり、排空気の吹き上げによる異音がより顕著になるという課題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するもので、脱気装置に滞留した滞留水を効率的に排水して、異音が発生しない燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、少なくとも燃焼排ガス凝縮水を脱気処理し脱気水とする脱気装置と、脱気水を貯水する脱気水タンクと、脱気水から脱イオン水を生成するイオン除去装置と、脱イオン水から水素を含有する燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置と、空気を供給する空気供給装置と、燃料ガスの水素と空気で発電する燃料電池と、を少なくとも具備し、脱気装置は、底面に設けられた開口部と、内部に充填される充填材と、上部から送水される燃焼排ガス凝縮水に含まれる炭酸ガスを開口部を通して供給される空気と接触させて除去した脱気水の一部が内部に滞留した滞留水を排水するオーバーフロー配管と、を具備する構成を有する。
【００１０】
これにより、脱気装置の下部に滞留した滞留水はオーバーフロー配管を通して排水することができる。その結果、滞留水が空気により吹き上げられることにより発生する異音を防止した燃料電池システムを実現できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、脱気装置に設置したオーバーフロー配管を通して脱気装置に滞留した滞留水を排水することにより、異音の発生しない燃料電池システムを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
第１の発明は、少なくとも燃焼排ガス凝縮水を脱気処理し脱気水とする脱気装置と、脱気水を貯水する脱気水タンクと、脱気水に含まれるイオンを除去し脱イオン水を生成するイオン除去装置と、脱イオン水を利用し水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置と、空気を供給する空気供給装置と、燃料ガスに含まれる水素と空気を利用して発電する燃料電池と、を少なくとも具備する燃料電池システムであって、脱気装置は、底面に設けられた開口部と、内部に充填される充填材と、上部から送水される燃焼排ガス凝縮水に含まれる炭酸ガスを開口部を通して供給される空気と接触させて除去した脱気水の一部が内部に滞留した滞留水を排水するオーバーフロー配管と、を具備する構成を有する。
【００１３】
この構成により、脱気装置の下部に滞留した滞留水がオーバーフロー配管を通して排水できる。その結果、滞留水が空気により吹き上げられることにより発生する異音を防止した燃料電池システムを実現できる。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明において、オーバーフロー配管は、脱気装置の側壁の所定の高さに配置されている。
【００１５】
これにより、オーバーフロー配管を通して排水される滞留水の排水量と脱気装置の開口部を通して脱気水タンクに回収される脱気水の量を調整できる。その結果、燃料電池システムの運転時の脱気水タンクの脱気水の不足を未然に防止して、長期に亘り安定に運転できる燃料電池システムを実現できる。
【００１６】
第３の発明は、第１または第２の発明において、オーバーフロー配管は、脱気水タンクに接続されている。
【００１７】
これにより、脱気装置に滞留した全ての滞留水をオーバーフロー配管を通して脱気水タ
ンクに貯水できる。その結果、燃料電池システムの運転時の脱気水タンクの脱気水の不足を未然に防止して、長期に亘り安定に運転できる燃料電池システムを実現できる。
【００１８】
第４の発明は、第３の発明において、オーバーフロー配管の排出口が、少なくとも脱気水タンクに貯水された脱気水と接触するように配置されている。
【００１９】
これにより、オーバーフロー配管の排出口が脱気水タンクの脱気水と接触しているため、脱気処理のために供給される空気が脱気水タンクに貯水した脱気水で封止できる。この結果、オーバーフロー配管を空気が逆流して滞留水に対する抵抗とならないので、滞留水の脱気水タンクへの回収をより効率的に行うことができる。
【００２０】
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。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムを示す構成図である。
【００２２】
図１に示すように、燃料電池システム１０は、凝縮水を脱気処理し脱気水とする脱気装置１６と、脱気水を貯水する脱気水タンク１８と、脱気水タンク１８から供給される脱気水を脱イオン化し脱イオン水とするイオン除去装置１９と、イオン除去装置１９から供給される脱イオン水を送水する水ポンプ１１０と、水ポンプ１１０から脱イオン水の供給を受け、都市ガスを改質し水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置１２と、空気を供給する空気供給装置１１４と、燃料ガス生成装置１２から供給される燃料ガスと空気供給装置１１４から供給される空気により発電を行う燃料電池１１とを少なくとも備えている。
【００２３】
以下に、燃料電池システム１０を構成する構成要素の材料やその作用について具体的に説明する。
【００２４】
まず、脱気水タンク１８は、例えばステンレスや樹脂などで構成され、その内に脱気水が貯水される。イオン除去装置１９は、例えばステンレスや樹脂などで構成された容器内に、凝縮水中の陽イオンと陰イオンを吸着して、凝縮水を脱イオン化して脱イオン水を生成するイオン交換樹脂が充填されている。
【００２５】
また、燃料ガス生成装置１２は、例えばステンレスなどで構成された容器に、アルミナ担体にルテニウムを担持した触媒が充填されている。そして、都市ガスと、イオン除去装置１９を介して供給される脱イオン化した水とを、約６５０℃で化学反応させて、水素と二酸化炭素を生成する。このとき、イオン除去装置１９から供給される脱イオン水は、上記化学反応を進行させる役割を担っている。
【００２６】
なお、燃料ガス生成装置１２には、さらに、アルミナ担体に白金を担持した触媒を後流側に配置して、化学反応で微量発生する一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する、例えば選択酸化手段などを有している。
【００２７】
また、燃料電池１１は、フッ化炭素の主鎖にスルホン基の側鎖を付着させた高分子系の水素イオン伝導性電解質膜（図示せず）の両側に、カーボンブラックに触媒の白金粒子を担持して構成した燃料極と空気極（図示せず）とを備えた電池を複数積層した集合体から構成される。そして、燃料ガス生成装置１２から燃料極へ供給される燃料ガス中の水素と、空気供給装置１１４から空気極へ供給される空気中の酸素との電気化学反応により、発電する。
【００２８】
また、燃料ガス生成装置１２には、燃焼部１３が設けられている。そして、燃焼部１３は燃料ガス生成装置１２を加熱して、その内部に充填した触媒を約６５０℃に加熱する。さらに、燃焼部１３は、燃料電池システム１０の運転初期においては都市ガスを燃焼させ、安定運転においては燃料電池１１で使用されずに排出される燃料ガス中の水素を燃焼させる。そして、水素の燃焼により発生する燃焼排ガスは、燃焼部１３から燃焼排ガス流路に配置した熱交換器１５に送られる。このとき、燃焼排ガス中に含まれる水分は、熱交換器１５で凝縮されて燃焼排ガス凝縮水となる。さらに、燃焼排ガス凝縮水は、脱気装置１６で脱気処理されて、脱気水として脱気水タンク１８に貯水される。
【００２９】
以下に、本実施の形態の燃料電池システム１０の運転動作について説明する。
【００３０】
まず、運転開始時、ガス供給管（図示せず）からの都市ガスと、送風機（図示せず）からの空気が、燃焼部１３に供給されて燃焼が始まる。そして、燃焼により燃焼部１３で発生した燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路に配置した熱交換器１５に送られ、燃焼排ガス中に含まれる水分が熱交換器１５で凝縮される。さらに、凝縮された水分（燃焼排ガス凝縮水）は、脱気装置１６で脱気処理された後、脱気水として脱気水タンク１８に貯水される。
【００３１】
また、同時に、燃焼部１３は、燃料ガス生成装置１２の内部に充填した触媒を約６５０℃に加熱する。
【００３２】
そして、燃料ガス生成装置１２の触媒が約６５０℃まで加熱されると、燃料ガス生成装置１２は、以下の運転動作を開始する。
【００３３】
まず、燃料ガス生成装置１２は、脱気水タンク１８から、イオン除去装置１９と水ポンプ１１０を介して供給される脱イオン水と、ガス供給管（図示せず）から供給される都市ガスとの、例えば改質反応により、水素を主成分とする燃料ガスを生成する。
【００３４】
つぎに、燃料電池１１は、燃料ガス生成装置１２から供給される燃料ガス中の水素と、空気供給装置１１４から供給される空気中の酸素との電気化学反応により発電を行う。そして、燃料電池１１で使用されずに排出された燃料排ガス中の水素は、燃料ガス生成装置１２の燃焼部１３に供給されて、水素の燃焼が起こる。このとき、燃料ガス生成装置１２の燃焼部１３に供給される燃料排ガス中の水素は、その流路途中に配置される気液分離器１４により、気体成分と液体成分に分離され、気体成分である水素が燃焼部１３に供給される。これにより、含有水分量の少ない水素系改質ガスを燃焼部１３で燃焼させて、煤などの発生しない安定した燃焼が実現する。
【００３５】
以下に、本実施の形態の燃料電池システム１０における水の流れについて説明する。
【００３６】
まず、燃焼部１３の燃焼排ガス流路に配置した熱交換器１５により凝縮された燃焼排ガス凝縮水は、例えば熱交換器１５の下側で、その落下位置に配置した脱気装置１６に送水される。
【００３７】
そして、燃料電池１１から排出される排空気は、排空気流路１１５を通流し、脱気水タンク１８に設けた空気供給口１１３と、脱気装置１６の底面に設けた開口部１１２を通して、例えばラシヒリングなどで構成される充填材１７が充填された脱気装置１６の底面（下部側）から上部に通流するように送り込まれる。このとき、脱気装置１６の上部から落下する燃焼排ガス凝縮水と、脱気装置１６に送り込まれた排空気とが対向接触する。これにより、燃焼排ガス凝縮水に含まれる炭酸ガスが除去されて、脱気水として脱気水タンク１８に貯水される。
【００３８】
つぎに、脱気水タンク１８に貯水した脱気水は、水ポンプ１１０によりイオン除去装置１９に送られる。そして、脱気水は、イオン除去装置１９により脱イオン化された後、燃料ガス生成装置１２に供給される。
【００３９】
上記構成において、脱気装置１６には、さらに、側壁の所定の高さ、例えば脱気装置の下面から５ｍｍ程度の位置に、オーバーフロー配管１１１を設け、オーバーフロー配管１１１の排出口１１１Ａが燃料電池システムの外部に開放されている。これにより、脱気装置１６の開口部１１２から脱気水タンク１８に落下せずに、脱気装置１６に滞留した脱気水の一部である滞留水がオーバーフロー配管１１１を通じて排出口１１１Ａから燃料電池システムの外部に排水される。
【００４０】
以上で説明したように、本実施の形態の燃料電池システムによれば、脱気装置に設置したオーバーフロー配管を通じて、脱気装置の下部に滞留する滞留水を排水することができる。そのため、脱気装置１６の開口部１１２から供給される排空気によって滞留水が吹き上げられることはない。その結果、異音などが発生しない信頼性に優れ、ユーザフレンドリーな燃料電池システムを実現できる。
【００４１】
（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムについて、図面を用いて説明する。
【００４２】
図２は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム２０を示す構成図である。なお、図２において、図１と同一の構成要素には同じ符号を用い、説明を省略する場合がある。
【００４３】
つまり、図２に示すように、本実施の形態の燃料電池システム２０は、脱気装置１６の側壁に配置したオーバーフロー配管２１の排出口２１Ａを脱気水タンク１８に連通するように接続して設けた点で実施の形態１とは異なる。
【００４４】
具体的には、図２に示すように、脱気装置１６に設けたオーバーフロー配管２１の排出口２１Ａを脱気水タンク１８の上部と接続して、脱気装置１６に滞留した滞留水を脱気水タンク１８に回収する構成である。
【００４５】
本実施の形態の燃料電池システムによれば、脱気装置に設置したオーバーフロー配管を通じて、脱気装置の下部に滞留する滞留水を脱気水タンクに排水することができる。そのため、脱気装置１６の開口部１１２から供給される排空気によって滞留水が吹き上げられることはない。また、脱気装置１６に滞留した滞留水を脱気水タンク１８に回収できるため、脱気水タンク１８の脱気水の量が低減せず、効率的に回収できる。その結果、異音などが発生しない信頼性に優れ、ユーザフレンドリーで、長期に亘り運転可能な燃料電池システムを実現できる。
【００４６】
（実施の形態３）
以下に、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムについて、図面を用いて説明する。
【００４７】
図３は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム３０を示す構成図である。図３において、図１と同一の構成要素には同じ符号を用い、説明を省略する場合がある。
【００４８】
つまり、図３に示すように、本実施の形態の燃料電池システム３０は、脱気装置１６の
側壁に配置したオーバーフロー配管３１の少なくとも排出口３１Ａが脱気水タンク１８の内部に貯水した脱気水に接触する状態で設けた点で、実施の形態２とは異なる。
【００４９】
具体的には、図３に示すように、脱気装置１６に設けたオーバーフロー配管３１を脱気水タンク１８の上部から貫通させ、その排出口３１Ａを脱気水タンク１８に回収された脱気水と接触させ、脱気水中に存在するよう設けて構成する。このとき、オーバーフロー配管３１の排出口３１Ａの位置は、イオン除去装置１９に脱気水を供給する配管１９Ａの脱気水タンク１８の取り付け位置よりも下側に設けることが好ましい。これにより、燃料電池システムを稼動している期間中、常に排出口３１Ａが脱気水と接触した状態に保持できる。
【００５０】
本実施の形態の燃料電池システム３０によれば、脱気装置に設置したオーバーフロー配管を通じて、脱気装置の下部に滞留する滞留水を脱気水タンクに排水することができる。そのため、脱気装置１６の開口部１１２から供給される排空気によって滞留水が吹き上げられることはない。また、脱気装置１６に滞留した滞留水を脱気水タンク１８に回収できるため、脱気水タンク１８の脱気水の量が低減せず、効率的に回収できる。さらに、脱気水タンク１８に貯水した脱気水でオーバーフロー配管３１を水封することにより、排空気がオーバーフロー配管３１を逆流することを防止して、脱気装置１６に滞留した滞留水を効率よく回収できる。その結果、異音などが発生しない信頼性に優れ、ユーザフレンドリーで、長期に亘り運転可能な燃料電池システムを実現できる。
【００５１】
なお、本実施の形態において、オーバーフロー配管３１を脱気水タンク１８の上部から貫通させて設けた例で説明したが、これに限られない。例えば、脱気水タンクの側面や底面に排出口を介して接続してもよい。
【００５２】
なお、各実施の形態において、燃料電池１１と脱気水タンク１８の空気供給口１１３を排空気流路１１５で接続した例で説明したが、これに限られない。例えば、燃料電池１１から排出される排空気の排空気流路１１５に熱交換器（図示せず）を配置し、排空気中に含まれる水分を排空気凝縮水として回収し、排空気凝縮水流路（図示せず）を介して脱気水タンク１８に貯水してもよい。
【００５３】
また、各実施の形態では、気液分離器で燃料排ガスを分離する際に発生する水を外部に排出する例で説明したが、これに限られない。例えば、脱気装置１６を介して脱気水タンク１８に脱気水として回収して利用してもよい。これにより、さらに長期間に亘り運転可能な燃料電池システムを実現できる。
【００５４】
また、各実施の形態において、脱気装置に利用する充填材としてラシヒリングを例に説明したが、これに限られない。例えば、レッシングリング、ディクソンパッキン、ポールリング、マクマホンパッキンやスルザーパッキンなどの充填材を利用することができる。
【００５５】
また、各実施の形態において、脱気処理に利用する空気に燃料電池からの排空気を利用した例で説明したが、これに限られない。例えば、別に送風機を配置し、送風機から送られる空気を利用してもよい。
【００５６】
また、各実施の形態において、イオン除去装置から直接燃料ガス生成装置に脱イオン水を供給する例で説明したが、これに限られない。例えば、従来の燃料電池システムの構成のように、脱イオン水タンクを配置し、脱イオン水タンクから燃料ガス生成装置に脱イオン水を供給する構成としてもよく、同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、静音運転が要望される定置式や移動式の燃料電池システムとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムを示す構成図
【図２】本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムを示す構成図
【図３】本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムを示す構成図
【図４】従来の燃料電池システムを示す構成図
【符号の説明】
【００５９】
１０，２０，３０  燃料電池システム
１１  燃料電池
１２  燃料ガス生成装置
１３  燃焼部
１４  気液分離器
１５  熱交換器
１６  脱気装置
１７  充填材
１８  脱気水タンク
１９  イオン除去装置
１９Ａ    配管
２１，３１，１１１  オーバーフロー配管
２１Ａ，３１Ａ，１１１Ａ  排出口
１１０  水ポンプ
１１２  開口部
１１３  空気供給口
１１４  空気供給装置
１１５  排空気流路
【図１】
2010212050.tif 000003
【図２】
2010212050.tif 000004
【図３】
2010212050.tif 000005
【図４】
2010212050.tif 000006