(57)【要約】【課題】寿命が長く、交換頻度の少ない浄水器を有する燃料電池システムを提供すること。【解決手段】水素生成器１１で原料ガスを改質した燃料ガスと、空気供給装置１４から供給される空気により燃料電池１３が発電する。燃料電池１３から排気される燃料排ガスに含まれる水蒸気を燃料排ガス凝縮器１１３により凝縮して得られた燃料排ガス凝縮水が、アルカリ化装置１２１を通って凝縮水タンク１５に貯水される。燃料排ガス凝縮水に混合されるアンモニウムイオンがアルカリ化装置１２１を通過する際にアンモニアになり脱気される。凝縮水タンク１５に貯水した凝縮水は第１の水ポンプ１７により浄水器１８に送られ浄化された後、燃料電池１３に送られ、燃料電池１３が発電の際に発生する熱を吸収する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器と、
前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出された燃料排ガス、及び、前記燃料排ガスまたは前記原料ガスを燃焼した燃焼排ガスのうちの少なくとも一方の排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して得られる凝縮水を貯える凝縮水タンクと、
前記凝縮水タンクに貯えられている凝縮水を浄化する浄水器と、
前記凝縮水を前記凝縮水タンクに供給する凝縮水供給流路と、
前記凝縮水供給流路に配置され、前記凝縮水をアルカリ化するアルカリ化装置と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記アルカリ化装置は、排気口が形成されている筐体を備え、
前記排気口は、前記筐体の上面に形成された、アルカリ化装置である、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記排ガスを冷却するための放熱器を備え、
前記凝縮水供給流路は、前記排ガスの中に含まれる水蒸気を凝縮して得られる凝縮水を前記放熱器から前記凝縮水タンクに供給する流路である、
請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記アルカリ化装置は、強塩基型アニオン交換樹脂を備えた、アルカリ化装置である、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記浄水器で浄水された水は前記燃料電池の熱を吸収する冷却水として用いられる、
請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記凝縮水供給流路のうちの前記放熱器と前記アルカリ化装置との間の流路である第１流路から分岐し、前記アルカリ化装置を経由せずに前記凝縮水タンクへ前記凝縮水を流す第２流路をさらに備えた、
請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記凝縮水に含まれるアンモニウムイオンの濃度が所定濃度以上の場合は、前記第１流路へ凝縮水を流し、
前記凝縮水に含まれるアンモニウムイオンの濃度が所定濃度未満の場合は、前記第２流路へ凝縮水を流す、流路切替手段をさらに備えた、
請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記流路切替手段は、
前記燃料電池の発電電力が所定値以下の場合は、前記第１流路へ凝縮水を流し、
前記燃料電池の発電電力が所定値を超える場合は、前記第２流路へ凝縮水を流す、
請求項７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、イオン交換樹脂を用いた浄水器を具備する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池システムは、燃料電池から排出される排ガスに含まれる水蒸気を凝縮することによって得た凝縮水を、一旦凝縮水タンクに貯水し、当該凝縮水タンクから、ポンプなどの送水手段を用いて、凝縮水を浄水器に送り、凝縮水に含まれるカチオン及びアニオンを除去した後、燃料電池の冷却水として利用している。
【０００３】
ここで、浄水器は、カチオンを除去するためのカチオン交換樹脂と、アニオンを除去するためのアニオン交換樹脂とを混合したイオン交換樹脂から構成され、カチオン交換樹脂のカチオン交換容量、またはアニオン交換樹脂のアニオン交換容量が低下し、浄水器が劣化した時に、新しい浄水器に交換されている。また、凝縮水タンクで余剰となった凝縮水がオーバーフローし、下水道等に排水される際、凝縮水を中和するため、凝縮水タンクの排水部にはアルカリ化材等からなる中和剤が配置されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図７は、前記公報に記載された従来の燃料電池システムの構成を示すものである。図７に示すように、燃料電池７３は、水素生成器７１の燃焼部７２において原料ガスを燃焼して得られる水素を主成分とする燃料ガスと、外部から供給される空気を利用して発電する。燃料電池７３から排出される排空気と燃料排ガスは、排空気凝縮器７４と燃料排ガス凝縮器７５に送られ、そこで、排空気と燃料排ガスに含まれる水蒸気が凝縮され、凝縮水として凝縮水タンク７６に貯水される。凝縮水タンク７６に貯えられた凝縮水は、ポンプ７７によって、浄水器７８に送られ、凝縮水に含まれるカチオン及びアニオンが除去された後、冷却水として燃料電池７３を循環する。
【０００５】
ここで、燃料電池７３の絶縁や、配管部材や水タンクの腐食を防止するため、電気伝導率の低い冷却水が必要になる。かかる冷却水を確保するために、浄水器７８にはイオン交換樹脂を使用している。イオン交換樹脂は、凝縮水に含まれるカチオンとアニオンを除去するため、カチオンを交換するカチオン交換樹脂と、アニオンを交換するアニオン交換樹脂とで構成される。また、カチオン交換樹脂のカチオン交換容量、またはアニオン交換樹脂のアニオン交換容量が低下し、浄水器６８が劣化した時に新しい浄水器が設置される。凝縮水タンク７６で過剰となった凝縮水は、アルカリ化材等からなる中和剤７１０が保持された中和剤タンク７９に送られ、中和された後、排水管７１１から燃料電池システム７０の外部に排水される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１７２０１６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、発明者は、燃料電池システムに利用する原料ガスの種類を変えながら試験を行い、燃料電池システムに利用する原料ガスの種類によっては、凝縮水に含まれるカチオン量とアニオン量が変化することを見出した。特に、窒素を含む原料ガスを利用した燃料電池システムにおいては、凝縮水の中にカチオンであるアンモニウムイオンが多量に存在す
ること、また、アンモニウムイオンは水素生成器で原料を改質する際、原料ガスに含まれる窒素が原料となって副生されるアンモニアが凝縮水に混合し、アンモニウムイオンとして電離したものであることを見出した。更には、燃料電池システムの発電電力を変更しながら試験を行い、凝縮水に含まれるアンモニウムイオンの濃度は燃料電池システムの発電電力に依存して変化し、特に、発電電力が低い状態で燃料電池システムの運転を継続した場合、凝縮水中のアンモニウムイオンの濃度が顕著に増大することを見出した。
【０００８】
したがって、特に、窒素を含む原料ガスを利用した燃料電池システムにおいて、アンモニウムイオンがカチオン交換樹脂のカチオン交換容量を低下せしめ、浄水器の劣化を促進することになることから、凝縮水中のアンモニウムイオンの混合量を低減し、浄水器の寿命を長くし、かつ浄水器の交換頻度を少なくすることが重要な課題となっていた。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、特に、窒素を含有した原料ガスを利用する燃料電池システムにおいて、凝縮水中のアンモニウムイオンの混合量を低減できる手段を提供することで、浄水器が劣化するのを抑制し、寿命が長く、かつ交換頻度が少ない浄水器を具備する燃料電池システムを実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前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、燃料電池から排出された燃料排ガス、及び燃料排ガスまたは原料ガスを燃焼した燃焼排ガスのうちの少なくとも一方の排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して得られる凝縮水をアルカリ化するアルカリ化装置と、アルカリ化装置でアルカリ化した凝縮水を凝縮水タンクに供給する凝縮水供給流路とを備えるように構成したものである。
【００１１】
これによって、凝縮水をアルカリ化することができるため、凝縮水に混合したアンモニウムイオンがアンモニアガスとなって排気されるので、凝縮水中におけるアンモニウムイオンの混合量を低減することができ、浄水器の劣化が抑制され、浄水器の寿命を長くし、交換頻度を少なくすることができる。
【００１２】
また、本発明の燃料電池システムは、アルカリ化装置を、その上面に排気口を形成した筐体を備えるように構成したものである。ここで、上面とは、アルカリ化装置の筐体における重力方向に対する上側の面をいう。
【００１３】
これによって、排気口からアンモニアガスを効率的に排気することができるので、凝縮水中におけるアンモニウムイオンの混合量が低減し、浄水器の劣化が抑制され、浄水器の寿命を長くし、交換頻度を少なくすることができる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池システムは、排ガスを冷却するための放熱器を備え、凝縮水供給経路を、凝縮水を放熱器から凝縮水タンクに供給する流路とする構成としたものである。
【００１５】
これによって、排ガスと、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して得た凝縮水との分離をより完全に行うことができるので、凝縮水が、その中に排ガスを混合した状態で凝縮水タンクに送られ、排ガスに含まれるアンモニアが、凝縮水タンクの中でアンモニウムイオンに電離することを防止でき、浄水器の劣化が抑制され、浄水器の寿命を長くし、交換頻度を少なくすることができる。
また、本発明の燃料電池システムは、アルカリ化装置を、強塩基型アニオン交換樹脂を備えて構成されるアルカリ化装置としたものである。
【００１６】
これによって、強塩基型アニオン交換樹脂が凝縮水に含まれるアニオンを交換して水酸
化物イオンを生成せしめ、凝縮水のアルカリ化が促されるので、アンモニウムイオンがアンモニアガスとなることを促進することができる。また、凝縮水に含まれるアニオンが強塩基型アニオン交換樹脂に吸着され、除去されるため、浄水器におけるアニオン交換樹脂のアニオン交換容量が低下するのを抑えることができ、浄水器の寿命をさらに長くし、かつ交換頻度をさらに少なくすることができる。
【００１７】
また、本発明の燃料電池システムは、浄水器で浄化された水を燃料電池の熱を吸収する冷却水として用いるものである。
【００１８】
これによって、冷却水に常に導電率の低い水を使用することができるので、燃料電池システムを長期に亘って安定して運転することが可能になる。
【００１９】
また、本発明の燃料電池システムは、凝縮水供給流路のうちの放熱器とアルカリ化装置との間の流路である第１流路から分岐し、アルカリ化装置を経由せずに凝縮水を凝縮水タンクへ流す第２流路を更に備えるように構成としたものである。
【００２０】
これによって、排ガスから凝縮した凝縮水のうち、一部の凝縮水をアルカリ化装置を通流させることなく凝縮水タンクに貯水することができるので、アルカリ化装置を通流する凝縮水の量が減少し、アルカリ化装置の負荷が低減するため、アルカリ化装置を小さく構成することが可能となる。
また、本発明の燃料電池システムは、凝縮水供給流路に流路切替手段を備え、凝縮水に含まれるアンモニウムイオンの濃度が所定濃度以上の場合は、凝縮水を第１流路へ流し、凝縮水に含まれるアンモニウムイオンの濃度が所定濃度未満の場合は、凝縮水を第２流路へ流す構成としたものである。
【００２１】
これによって、アンモニウムイオンの濃度が高い凝縮水のみを選択的にアルカリ化装置を通流して凝縮水タンクに貯水することができるので、凝縮水タンクに貯水した凝縮水中のアンモニウムイオンの濃度を低減することができ、かつ、アルカリ化装置を通流する凝縮水の量が減少し、アルカリ化装置の負荷が低減するため、アルカリ化装置を小さく構成することが可能となる。
また、本発明の燃料電池システムは、流路切替手段を、燃料電池の発電電力が所定値以下の場合は、第１流路へ凝縮水を流し、燃料電池の発電電力が所定値を超える場合は、第２流路へ凝縮水を流す構成とした燃料電池システムである。
【００２２】
これによって、燃料電池システムの発電電力が低い状態で運転を継続し、アンモニウムイオン濃度が高い場合の凝縮水のみを選択的にアルカリ化装置を通して凝縮水タンクに貯水することができるので、凝縮水中のアンモニウムイオンの濃度を低減することができ、かつ、アルカリ化装置を通流する凝縮水の量が減少し、アルカリ化装置の負荷が低減するため、アルカリ化装置を小さく構成することが可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の燃料電池システムは、凝縮水に混合されるアンモニウムイオンを十分に低減することができるので、特に、窒素を含有する原料ガスを利用する燃料電池システムにおいても、寿命が長く、かつ交換頻度の少ない浄水器を具備する燃料電池システムが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１におけ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１における燃料電池システムのアルカリ化装置を示す構成図
【図３】アンモニアの存在状態のｐＨ依存性を示す相関図
【図４】本発明の実施の形態２における燃料電池システムを示す構成図
【図５】本発明の実施の形態３における燃料電池システムを示す構成図
【図６】凝縮水中のアンモニウムイオンの濃度の発電電力依存性を示す相関図
【図７】従来の燃料電池システムを示す構成図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
第１の発明は、原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器と、前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料排ガス、及び、前記燃料排ガスまたは前記原料ガスを燃焼した燃焼排ガスのうちの少なくとも一方の排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して得られる凝縮水を貯える凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクに貯えられている凝縮水を浄化する浄水器と、前記凝縮水を前記凝縮水タンクに供給する凝縮水供給流路とを備えている。そして、特に、前記凝縮水供給流路に配置され、前記凝縮水をアルカリ化するアルカリ化装置を備えている燃料電池システムである。
【００２６】
この構成により、凝縮水をアルカリ化することができるため、凝縮水に混合したアンモニウムイオンがアンモニアガスとなって排気されるので、凝縮水中におけるアンモニウムイオンの混合量を低減することができ、浄水器の劣化が抑制され、浄水器を頻繁に取替えることなく、安定した運転を維持する燃料電池システムを実現することができる。
【００２７】
第２の発明は、特に、第１の発明のアルカリ化装置を、その上面に排気口を形成した筐体を備えるアルカリ化装置とした燃料電池システムである。
【００２８】
この構成によって、排気口からアンモニアガスを効率的に排気することができるので、凝縮水中におけるアンモニウムイオンの混合量が低減し、浄水器の劣化が抑制され、浄水器を頻繁に取替えることなく、安定した運転を維持する燃料電池システムを実現することができる。
【００２９】
第３の発明は、排ガスを冷却するための放熱器を備え、特に、第１の発明の凝縮水供給流路を、前記放熱器から前記凝縮水タンクに凝縮水を供給する流路とした燃料電池システムである。
【００３０】
この構成によって、排ガスと、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して得た凝縮水との分離をより完全に行うことができるので、凝縮水がその中に排ガスを混合した状態で凝縮水タンクに送られ、排ガスに含まれるアンモニアが、凝縮水タンクの中でアンモニウムイオンに電離することを防止でき、浄水器の劣化が抑制され、浄水器を頻繁に取替えることなく、安定した運転を維持する燃料電池システムを実現することができる。
【００３１】
第４の発明は、特に、第１〜第３の発明のアルカリ化装置を、強塩基型アニオン交換樹脂を備えるアルカリ化装置とした燃料電池システムである。
【００３２】
この構成によって、強塩基型アニオン交換樹脂が凝縮水に含まれるアニオンを交換して水酸化物イオンを生成せしめ、凝縮水のアルカリ化を促すことができるので、アンモニウムイオンがアンモニアガスとなることを促進することができる。また、凝縮水に含まれるアニオンが強塩基型アニオン交換樹脂に吸着され、除去されるため、浄水器におけるアニオン交換樹脂のアニオン交換容量の低減を抑えることができ、浄水器の交換頻度を更に少なくすることができ、安定した運転を維持する燃料電池システムを実現することができる。
【００３３】
第５の発明は、特に、第１〜第４の発明の浄水器で浄化した水を燃料電池の熱を吸収する冷却水として用いる燃料電池システムである。
【００３４】
この構成によって、冷却水に常に導電率の低い水を使用することができるので、長期に亘って安定した運転を維持する燃料電池システムを実現することができる。
【００３５】
第６の発明は、特に、第１〜第５の発明の凝縮水供給流路のうち、前記放熱器と前記アルカリ化装置との間の流路である第１流路から分岐し、前記アルカリ化装置を経由せずに前記凝縮水タンクへ前記凝縮水を流す第２流路をさらに備えた燃料電池システムである。
【００３６】
この構成によって、凝縮水中におけるアンモニウムイオンの混合量が低減し、浄水器の劣化が抑制され、浄水器を頻繁に取替えることなく、安定した運転を維持する燃料電池システムを実現することができる。また、排ガスから凝縮した凝縮水のうち、一部の凝縮水をアルカリ化装置を通流させることなく凝縮水タンクに貯水することができるので、アルカリ化装置を通流する凝縮水の量が減少し、アルカリ化装置の負荷が低減するため、アルカリ化装置を小さく構成することが可能となる。
【００３７】
第７の発明は、特に、第６の発明の第１流路と第２流路を分岐する流路切替手段を更に備え、凝縮水に含まれるアンモニウムイオンの濃度が所定濃度以上の場合は、前記第１流路へ凝縮水を流し、前記凝縮水に含まれるアンモニウムイオンの濃度が所定濃度未満の場合は、前記第２流路へ凝縮水を流す燃料電池システムである。
【００３８】
この構成によって、アンモニウムイオンの濃度が高い凝縮水のみを選択的にアルカリ化装置を通流して凝縮水タンクに貯水することができるので、凝縮水タンクに貯水した凝縮水中のアンモニウムイオンの濃度を低減することができ、浄水器の劣化が抑制され、浄水器を頻繁に取替えることなく、安定した運転を維持する燃料電池システムを実現することができる。また、アルカリ化装置を通流する凝縮水の量が減少し、アルカリ化装置の負荷が低減するため、アルカリ化装置を小さく構成することが可能となる。
【００３９】
第８の発明は、特に、第７発明の流路切替手段を、前記燃料電池の発電電力が所定値以下の場合は、前記第１流路へ凝縮水を流し、前記燃料電池の発電電力が所定値未満の場合は、前記第２流路へ凝縮水を流す燃料電池システムである。
【００４０】
この構成によって、燃料電池システムの発電電力が低い状態で運転を継続し、アンモニウムイオン濃度が高い場合の凝縮水のみを選択的にアルカリ化装置を通して凝縮水タンクに貯水することができるので、凝縮水中のアンモニウムイオンの濃度を低減することができ、浄水器の劣化が抑制され、浄水器を頻繁に取替えることなく、安定した運転を維持する燃料電池システムを実現することができる。また、アルカリ化装置を通流する凝縮水の量が減少し、アルカリ化装置の低減するため、アルカリ化装置を小さく構成することが可能となる。
【００４１】
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、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００４２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成図を示すものである。
【００４３】
図１において、燃料電池システム１０は、凝縮水を貯水する凝縮水タンク１５と、凝縮水タンク１５から供給される凝縮水に含まれるカチオンとアニオンを除去して浄化水とす
る浄水器１８と、凝縮水タンク１５から凝縮水を浄水器１８に供給する第１の水ポンプ１７と、浄水器１８から供給される浄化水を貯える浄化水タンク１９を備えている。またさらに、浄化水タンク１９から浄化水を送水する第２の水ポンプ１１０及び第３の水ポンプ１１１と、第３の水ポンプ１１１から浄化水の供給を受けて、原料ガスとして窒素を３％含む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水素生成器１１と、空気を供給する空気供給装置１４と、水素生成器１１から供給される燃料ガスと空気供給装置１４から供給される空気により発電を行う燃料電池１３とを備えている。またさらに、燃料電池１３から排出される排空気中に含まれる水蒸気を凝縮し排空気凝縮水を得る排空気凝縮器１１２と、排空気凝縮器１１２で凝縮した排空気凝縮水を凝縮水タンク１５に導く排空気凝縮水供給流路１１５と、燃料電池１３から排出される燃料排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮し燃料排ガス凝縮水を得る燃料排ガス凝縮器１１３と、燃料排ガス凝縮器１１３で凝縮した燃料排ガス凝縮水を凝縮水タンク１５に導く燃料排ガス凝縮水供給流路１２０とを備えている。またさらに、燃料排ガス凝縮水供給流路１２０において、燃料排ガス凝縮器１１３の上流側に配置されるアルカリ化装置１２１と、燃料排ガス凝縮器１１３で水蒸気が除去された燃料排ガスを通流する燃料排ガス流路１１７と、水素生成器１１から送られる燃料ガス中に含まれる水蒸気を凝縮し除去する燃料ガス凝縮器１６と、水素生成器１１から供給される燃料ガスを燃料ガス凝縮器１６に導くバイパス経路１１６とを備えている。またさらに、水素生成器１１の中に配置され、原料ガスと、バイパス経路１１６と燃料ガス凝縮器１６を介して流れる燃料ガスと、燃料排ガス流路１１７を通流する燃料排ガスを燃焼する燃焼部１２と、燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮し燃焼排ガス凝縮水を得る燃焼排ガス凝縮器１１４と、燃焼排ガス凝縮器１１４で凝縮した燃焼排ガス凝縮水を凝縮水タンク１５に導く燃焼排ガス凝縮水供給流路１１８とで構成される。また、凝縮水タンク１５は、凝縮水タンク１５に貯水した余剰の凝縮水を排水する排水管１１９を有する。
【００４４】
以上のように構成された燃料電池システムについて、以下その構成要素の材料やその作用について具体的に説明する。
【００４５】
水素生成器１１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、原料ガスとしての窒素３％を含む都市ガスと、浄化水タンク１９から第３の水ポンプ１１１を介して供給される浄化水とを約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、浄化水は上記化学反応を進行させる役割を担っている。また、水素生成器１１に設けられている燃焼部１２は、原料ガスとして窒素３％を含む原料ガスを燃焼させる。
【００４６】
燃料電池１３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、水素生成器１１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１４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。
【００４７】
凝縮水タンク１５は、例えばステンレスや樹脂などで構成され、その内に凝縮水が貯水される。
【００４８】
アルカリ化装置１２１は、例えばステンレスや樹脂などで構成された筐体に、強塩基型アニオン交換樹脂が充填されており、燃料排ガス凝縮水をアルカリ化する。
【００４９】
続いて、本実施の形態の発明のポイントとなるアルカリ化装置１２１の構造と作用について、図面を参酌し、より詳細に説明する。
【００５０】
図２は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムのアルカリ化装置の構成図を示すものである。
【００５１】
図２において、アルカリ化装置１２１は、入口側接続部２４及び出口側接続部２５を具備したポリプロピレンを材質とする筐体２１の内に、強塩基型アニオン交換樹脂２３がフィルタ２２に保持され構成される。筐体２１の上面には、排気口２６が配置される。ここで、強塩基型アニオン交換樹脂２３は、燃料排ガス凝縮水に含まれるアニオンを交換し、その時に遊離する水酸化物イオンにより、燃料排ガス凝縮水がアルカリ化され、同時に、燃料排ガス凝縮水に含まれるアンモニウムイオンがアンモニアガスとなり、排気口２６から排気される。
【００５２】
ここで、凝縮水がアルカリ化することで、アンモニウムイオンがアンモニアガスになる現象は、アンモニアが水の中に溶け電離する性質によるものである。以下、図面を参酌し、具体的に説明する。
【００５３】
図３は、アンモニアの水の中における電離状態について、溶媒となる水のｐＨ依存性を示すものである。
【００５４】
図３に示すように、水のｐＨが低い領域（概ねｐＨ７以下）では、アンモニア（ＮＨ３）は水の中で電離しアンモニウムイオン（ＮＨ４＋）として存在する。一方、水のｐＨが高い領域（概ねｐＨ１１以上）では、アンモニア（ＮＨ３）はアンモニウムイオン（ＮＨ４＋）として存在することができず、気体のアンモニア（ＮＨ３）として存在する。つまり、ｐＨの低い水の中に混合したアンモニウムイオン（ＮＨ４＋）は、ｐＨの高いアルカリ領域では、アンモニアガスになり、徐々に水の中から脱気される。
【００５５】
次に、本実施の形態の燃料電池システムの運転動作について説明する。
【００５６】
まず、運転開始時、ガス供給管（図示せず）から、原料ガスとして窒素３％を含む都市ガスと、送風機（図示せず）からの空気が、燃焼部１２に供給されて燃焼が始まり、燃料ガスが得られる。燃料ガスは、バイパス経路１１６を通して燃料ガス凝縮器１６に送られる。燃料ガス凝縮器１６に送られた燃料ガスは、燃料ガス凝縮器１６において、その中に含まれる水蒸気が凝縮され除去された後、燃焼部１２に送られる。また、同時に、燃焼部１２は、水素生成器１１の内部に充填した触媒を約６５０℃に加熱する。そして、水素生成器１１の触媒が約６５０℃まで加熱されると、水素生成器１１は、以下の第２の段階の運転動作を行う。
【００５７】
つまり、水素生成器１１は、浄化水タンク１９から第３の水ポンプ１１１により供給される浄化水と、ガス供給管（記載せず）からの供給される窒素３％を含む都市ガスとの、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。次に、燃料電池１３は、水素生成器１１から供給される燃料ガス中の水素と、空気供給装置１４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する。
【００５８】
続いて、本実施の形態の燃料電池システムにおける凝縮水と浄化水の流れについて説明する。
【００５９】
まず、図１に示すように、燃料電池１３からの排空気流路に配置した排空気凝縮器１１２により、燃料電池１３から排出される排空気に含まれる水蒸気を凝縮して排空気凝縮水が得られる。そして、得られた排空気凝縮水は、排空気凝縮水供給流路１１５を介して、凝縮水タンク１５に送られ、凝縮水タンク１５の貯水部に貯えられる。
【００６０】
また、燃料電池１３からの燃料排ガス流路に配置した燃料排ガス凝縮器１１３により、燃料電池１３から排出される燃料排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して燃料排ガス凝縮水が得られる。そして、得られた燃料排ガス凝縮水は、燃料排ガス凝縮水供給流路１２０を通水し、その時、アルカリ化装置１２１によって、燃料排ガス凝縮水中のアンモニウムイオンがアンモニアとして排気された後、凝縮水タンク１５に送られ、凝縮水タンク１５の貯水部に貯えられる。
【００６１】
さらに、水素生成器１１からの燃焼排ガス流路に配置した燃焼排ガス凝縮器１１４により、水素生成器１１で原料ガスとしての窒素３％を含む都市ガスと、バイパス経路１１６を介して流れる燃料ガスと、燃料排ガス凝縮器１１３で水蒸気が除去された燃料排ガスとを燃焼して得られる燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して燃焼排ガス凝縮水が得られる。そして、得られた燃焼排ガス凝縮水は、燃焼排ガス凝縮水供給流路１１８を介して、凝縮水タンク１５に送られ、凝縮水タンク１５の貯水部に貯えられる。
【００６２】
次に、凝縮水タンク１５に貯水された凝縮水は、第１の水ポンプ１７により浄水器１８に送られ、凝縮水に含まれるカチオンおよびアニオンが除去された後、浄化水として浄化水タンク１９に貯えられる。浄化水タンク１９に貯えられた浄化水は、第３の水ポンプ１１１により水素生成器１１に供給され、原料ガスとしての窒素３％を含む都市ガスの改質に利用され、また、第２の水ポンプ１１０により、燃料電池１３を循環し、燃料電池１３を一定の温度に維持する。
【００６３】
また、凝縮水タンク１５で余剰となった凝縮水は、凝縮水タンク１５に配置した排水管１１９から排水される。
【００６４】
ここで、上述した燃料電池システムの運転動作に従って、燃料電池システムを１０００Ｗの発電状態で２４時間継続して運転した後、凝縮水タンク１５に貯水された凝縮水のアンモニウムイオンの濃度を評価したところ、アンモニウムイオンの濃度は０．０５ｐｐｍであった。一方、比較のため、アルカリ化装置を燃料排ガス凝縮水供給流路に配置しない以外は全く同一の構成で燃料電池システムを構成し、上述した燃料電池システムの運転動作に従って、燃料電池システムを１０００Ｗの発電状態で２４時間継続して運転した後、凝縮水タンク１５に貯水された凝縮水のアンモニウムイオンの濃度を評価したところ、アンモニウムイオンの濃度は１．０ｐｐｍであり、アルカリ化装置を配置した燃料電池システムのものに比べアンモニウムイオンの混合量が多いものであった。
【００６５】
以上のように、本実施の形態においては、燃料電池システムの燃料排ガス凝縮水の供給流路にアルカリ化装置を配置し、燃料排ガス凝縮水に含まれるアンモニウムイオンをアンモニアガスとして排気することで、凝縮水タンクに貯水した凝縮水に含まれるアンモニウムイオンの混合量を大幅に低減でき、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、浄水器の寿命を長くし、交換頻度を少なくでき、安定した運転を維持することができる。
【００６６】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成図を示すものである。なお、図４において、図１と同一の構成は同じ符号を用い、説明を省略する。
【００６７】
図４において、本実施の形態の燃料電池システム４０は、アルカリ化装置を凝縮水タンクと一体して構成とした点で、実施の形態１の燃料電池システムとは異なる。他の構成要素やその動作は実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００６８】
以下に、本実施の形態の燃料電池システムの発明のポイントである、アルカリ化装置と
、凝縮水の流れについて、図面を参酌し説明する。
【００６９】
図４において、凝縮水タンク４１とアルカリ化装置４３は一体して構成される。アルカリ化装置４３は、仕切板４５と、排気口４７と、排水口４６と、強塩基型アニオン交換樹脂４４とで構成される。ここで、仕切板４５は、アルカリ化装置４３を第１貯水部４８ａと第２貯水部４８ｂに区画する。燃料排ガス凝縮水は、燃料排ガス凝縮水供給流路１２０を通って、アルカリ化装置４３の第１貯水部４８ａに流れ込み、強塩基型アニオン交換樹脂４４と接触して第２貯水部４８ｂに流れる。この際、燃料排ガス凝縮水はアルカリ化され、燃料排ガス凝縮水に含まれるアンモニウムイオンがアンモニアガスになり、排気口４７から排気される。一方、強塩基型アニオン交換樹脂４４を通過した燃料排ガス凝縮水は排水口４６から凝縮水タンク４１に貯水される。凝縮水タンク４１に貯水した凝縮水は第１の水ポンプ１７により浄水器１８へ送られ浄化される。また、凝縮水タンク４１で余剰となった凝縮水は排水管４２から燃料電池システムの外部に排水される。
【００７０】
ここで、上述した燃料電池システムの運転動作に従って、燃料電池システムを１０００Ｗの発電状態で２４時間継続して運転した後、凝縮水タンク４１に貯水された凝縮水のアンモニウムイオンの濃度を評価したところ、アンモニウムイオンの濃度は０．０５ｐｐｍであった。一方、比較のため、アルカリ化装置を燃料排ガス凝縮水供給流路に配置しない以外は全く同一の構成で燃料電池システムを構成し、上述した燃料電池システムの運転動作に従って、燃料電池システムを１０００Ｗの発電状態で２４時間継続して運転した後、凝縮水タンク４１に貯水された凝縮水のアンモニウムイオンの濃度を評価したところ、アンモニウムイオンの濃度は１．０ｐｐｍであり、アルカリ化装置を配置した燃料電池システムのものに比べアンモニウムイオンの混合量が多いものであった。
【００７１】
以上のように、本実施の形態においては、燃料電池システムの燃料排ガス凝縮水の供給流路にアルカリ化装置を配置し、燃料排ガス凝縮水に含まれるアンモニウムイオンをアンモニアガスとして排気することで、凝縮水タンクに貯水した凝縮水に含まれるアンモニウムイオンの混合量を大幅に低減でき、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、浄水器の寿命を長く、かつ、交換頻度を少なくでき、安定した運転を維持することができる。
【００７２】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成図を示すものである。なお、図５において、図１と同一の構成は同じ符号を用い、説明を省略する。
【００７３】
図５において、本実施の形態の燃料電池システム５０は、燃料排ガス凝縮器１１３の下流側に流路切替手段５２を配置し、燃料排ガス凝縮水供給流路を、凝縮水をアルカリ化装置５１を通流して凝縮水タンク１５に供給する第１流路５３と、凝縮水をアルカリ化装置５１を通流させずに凝縮水タンク１５に供給する第２流路５４とに分岐できるようにした点で、実施の形態１の燃料電池システムとは異なる。他の構成要素やその動作は実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００７４】
以下に、本実施の形態の燃料電池システムの発明のポイントである、凝縮水の流れについて、図面を参酌し説明する。
【００７５】
図５において、燃料排ガス凝縮水は、発電電力が所定値以下、またはアンモニウムイオンの濃度が所定濃度以上の場合は、流路切替手段が、凝縮水が第１流路を流れるように燃料排ガス凝縮水供給流路を構成し、凝縮水はアルカリ化装置に通水する。この際、燃料排ガス凝縮水はアルカリ化され、燃料排ガス凝縮水に含まれるアンモニウムイオンがアンモニアガスになり、燃料排ガス凝縮水供給流路から排気され、アンモニウムイオン濃度が低
い凝縮水が凝縮水タンクに貯水される。一方、発電電力が所定値を超える場合、または、アンモニウムイオンの濃度が所定値以下の場合は、流路切替手段が、凝縮水が第２流路を流れるように燃料排ガス供給流路を構成し、凝縮水はアルカリ化装置を通水せずに凝縮水タンクに貯水される。
【００７６】
凝縮水タンク１５に貯水した凝縮水は第１の水ポンプ１７により浄水器１８へ送られ浄化される。また、凝縮水タンク１５で余剰となった凝縮水は排水管１１９から燃料電池システムの外部に排水される。
【００７７】
以下、本実施の形態における燃料電池システムの効果について、実施例と比較例により、より具体的に説明する。
【００７８】
（実施例）
まず、上述した構成の燃料電池システムについて、凝縮水に含まれるアンモニウムイオンの濃度を調べるため、発電電力が１０００Ｗ、７００Ｗ、５００Ｗ、４００Ｗ及び３００Ｗの各発電状態で、燃料電池システムを２４時間継続して運転し、凝縮水タンクに貯水された凝縮水に含まれるアンモニウムイオンの濃度を評価した。このとき、流路切替手段を、凝縮水の全てが常に第２流路に流れるように切り替え、全ての凝縮水がアルカリ化装置を通流せずに凝縮水タンクに貯水されるようにした。また、原料ガスとして窒素３％を含む都市ガスを使用した。図６は、前記した燃料電池システムの試験の結果について、発電電力とアンモニウムイオンの濃度の関係を図示した相関図である。凝縮水に含まれるアンモニウムイオンの濃度は、発電電力に依存して変化し、発電電力が低下するにつれアンモニウムイオンの濃度が上昇する傾向にあり、特に、３００Ｗの発電電力では、アンモニウムイオンの濃度が著しく上昇することが分かった。
【００７９】
次に、発電電力が１０００Ｗ〜３００Ｗの範囲で、発電電力を変えながら、燃料電池システムを継続して運転した。具体的には、発電電力１０００Ｗ（５０時間）及び発電電力３００Ｗ（２００時間）を１サイクルとし、当該サイクルを４回連続して繰返し、合計１０００時間運転した。このとき、燃料電池システムの発電電力を検知しながら、発電電力が３００Ｗ以下の場合は、凝縮水が第１流路を流れるように流路制御手段を切り替え、凝縮水をアルカリ化装置を通流して凝縮水タンクに貯水されるようにし、その一方で、発電電力が３００Ｗを超える場合は、凝縮水が第２流路を流れるように流路制御手段を切り替え、凝縮水をアルカリ化装置を通流させることなく凝縮水タンクに貯水するようにした。
【００８０】
上述した運転動作に従って、燃料電池システムを運転した後、凝縮水タンクに貯水された凝縮水のアンモニウムイオン濃度を評価したところ、アンモニウムイオン濃度は０．３ｐｐｍであり、アンモニウムイオンの濃度が低い凝縮水が貯水されていることが分かった。
【００８１】
（比較例１）
アルカリ化装置を燃料排ガス凝縮水供給流路に配置しない以外は、上述した実施例と全く同一の構成で燃料電池システムを構成し、上述した実施例と同じサイクルによる運転方法により、燃料電池システムを１０００時間継続して運転した後、凝縮水タンクに貯水された凝縮水のアンモニウムイオン濃度を評価したところ、アンモニウムイオン濃度は１．０ｐｐｍであり、上述した実施例のものに比べ、アンモニウムイオンの濃度が高いものであった。
（比較例２）
流路切替手段を配置せず、第１流路と第２流路に分岐せずに燃料排ガス凝縮水供給流路を構成した以外は、上述した実施例と全く同一の構成で燃料電池システムを構成し、上述した実施例と同じサイクルによる運転方法により、燃料電池システムを１０００時間継続し
て運転した後、凝縮水タンクに貯水された凝縮水のアンモニウムイオン濃度を評価したところ、アンモニウムイオン濃度は２．０ｐｐｍであり、上述した実施例のものに比べ、アンモニウムイオン濃度が高いものであった。前記した燃料電池システムの試験後に、アルカリ化装置を解析したところ、アルカリ化剤としての強塩基型アニオン交換樹脂が消費し尽くされ、凝縮水をアルカリ化する効果が喪失し、その結果、アンモニウムイオンが多量に凝縮水タンクに貯水されたことによって、凝縮水タンクに貯水した凝縮水のアンモニウムイオンの濃度が上昇し、凝縮水中のアンモニウムイオンの濃度を低く維持するにはアルカリ化剤の量を増やし、大きいアルカリ化装置を使用する必要があることが分かった。
【００８２】
以上のように、本実施の形態においては、燃料電池システムの燃料排ガス凝縮水の供給流路にアルカリ化装置を配置し、燃料排ガス凝縮水に含まれるアンモニウムイオンをアンモニアガスとして排気することで、凝縮水タンクに貯水した凝縮水に含まれるアンモニウムイオンの混合量を大幅に低減でき、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、浄水器の寿命を長く、かつ、交換頻度を少なくでき、安定した運転を維持することができる。また、流路切替手段を具備して凝縮水供給経路を分岐し、凝縮水の一部のみを選択的にアルカリ化装置を通流して凝縮水タンクに貯水できるので、アルカリ化装置を小さく構成することができる。なお、実施の形態１〜実施の形態３においては、燃料排ガス凝縮水のみをアルカリ化装置を通水して凝縮水タンクに貯水する構成にしているが、この構成に限らず、排空気凝縮水、燃焼排ガス凝縮水をアルカリ化装置を通水して凝縮水タンクに貯水する構成であっても構わない。
【００８３】
また、実施の形態３においては、燃料電池システムの発電電力が３００Ｗの時を基準に、凝縮水が第１流路または第２流路へ分岐して流れるように流路切替手段を切り替えているが、これに限らず、凝縮水中のアンモニウムイオンの濃度の発電電力に依存性を考慮して、適宜発電電力の基準を変更して実施することができる。また、流路切替手段は流路を切り替える機能を有する物であればよく、例えば三方電磁弁等を使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、凝縮水中のアンモニウムイオンの混合量を十分に低減することができ、浄水器の寿命を長くし、かつ交換頻度を少なくすることができるので、定置式や移動式あるいは可搬式の燃料電池システム等の産業分野に適用できる。
【符号の説明】
【００８５】
１０，４０，５０  燃料電池システム
１１  水素生成器
１２  燃焼部
１３  燃料電池
１４  空気供給装置
１５，４１  凝縮水タンク
１６  燃料ガス凝縮器
１７  第１の水ポンプ
１８，４３，６８，７８  浄水器
１９  浄化水タンク
１１０  第２の水ポンプ
１１１  第３の水ポンプ
１１２  排空気凝縮器
１１３  燃料排ガス凝縮器
１１４  燃焼排ガス凝縮器
１１５  排空気凝縮水供給流路
１１６  バイパス経路
１１７  燃料排ガス流路
１１８  燃焼排ガス凝縮水供給流路
１１９，４２  排水管
１２０  燃料排ガス凝縮水供給流路
１２１，４３，５１  アルカリ化装置
２１  筐体
２２  フィルタ
２３，４４  強塩基型アニオン交換樹脂
２４  入口側接続部
２５  出口側接続部
２６，４７  排気口
４２  排水管
４５  仕切板
４６  排水口
４８ａ  第１貯水部
４８ｂ  第２貯水部
５２  流路切替手段
５３  第１流路
５４  第２流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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