(57)【要約】【課題】硫黄成分を除去できる水処理装置を有する燃料電池システムを提供すること。【解決手段】水処理装置１８は、イオン交換樹脂１８ａと、その下流に配置される硫黄除去器１８ｂで構成される。イオン交換樹脂１８ａの下流には硫黄除去器１８ｂが配置される。凝縮水タンク１５から第１の水ポンプ１７によって、水処理装置１８に凝縮水が供給され、凝縮水が浄化される。イオン交換樹脂１８ａを構成するカチオン交換樹脂に含まれる硫黄成分は硫黄除去器１８ｂによって除去された後、浄化水タンク１９に貯水される。浄化水タンク１９に貯水した浄化水は第２の水ポンプ１１０によって燃料処理装置１１に送られ、原料ガスの改質反応に利用される。【選択図】図１
2014135126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む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排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して得られる水を貯える凝縮水タンクと、
前記凝縮水タンクの水を浄化する水処理装置と、
原料と前記水処理装置で浄化された水とを用いて改質反応を行い、前記燃料ガスを生成する燃料処理装置と、を備え、
前記水処理装置は、前記凝縮水タンクからの水に含まれるイオンを交換するイオン交換樹脂と、前記イオン交換樹脂より下流に配置され硫黄成分を除去する硫黄除去器と、を有している、燃料電池システム。
【請求項２】
前記硫黄除去器は、活性炭である、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排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して得られる水を貯える凝縮水タンクと、
前記凝縮水タンクから供給された水を浄化する水処理装置と、
原料と前記水処理装置で浄化された水とを用いて改質反応を行い、前記燃料ガスを生成する燃料処理装置と、
前記凝縮水タンクから前記水処理装置を介して前記燃料処理装置に接続するように構成されている第１流路と、
前記水処理装置より下流の前記第１流路から分岐して前記凝縮水タンクに接続されるように構成されている第２流路と、
前記第１流路と前記第２流路との分岐部に配置されている流路切替器と、
前記凝縮水タンクと前記水処理装置、及び前記流路切替器と前記第２流路を接続して構成される凝縮水循環経路と、
前記凝縮水循環経路に配置され硫黄成分を除去する硫黄除去器と、
制御器と、
を備えている燃料電池システムであって、
前記水処理装置は、前記凝縮水タンクからの水に含まれるイオンを交換するイオン交換樹脂と、を備え、
前記制御器は、前記イオン交換樹脂を取り変えた場合および前記燃料電池システムの初期運転の場合のうちの少なくとも一方の場合には、前記凝縮水タンクから前記燃料処理装置に水を供給する前に、前記凝縮水タンク内の水を前記水処理装置で浄水させた後に前記凝縮水タンクに戻すように前記流路切替器を制御する浄水工程を実行させる、
燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御器は、前記イオン交換樹脂に含まれるカチオン交換樹脂の容積に基づいて前記浄水工程において浄化させる水の容積を決定させる、
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、イオン交換樹脂を用いた水処理装置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して得た凝縮水を、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、貯水した凝縮水を水処理装置に送り、凝縮水に含まれるカチオン及びアニオンを除去した後、燃料電池の冷却水や、燃料電池の発電に利用する水素を生成するための水として利用するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、水処理装置は、イオン交換樹脂を有するイオン交換樹脂塔と、活性炭を有する活性炭塔とから構成され、イオン交換樹脂には、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を混合したイオン交換樹脂が用いられ、活性炭塔は、塩素成分によるイオン交換樹脂の劣化を防止するため、イオン交換樹脂塔の上流に配置されていた（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
図４は、前記公報に掲載された従来の燃料電池システムの概略を示すものである。図４に示すように、燃料電池４１は、燃料処理器４２において天然ガスを改質して得られる水素を主成分とする改質ガスと、空気ブロア４３から供給される空気を利用して発電する。燃料電池４１から排出した排ガスは凝縮器４４に送られ、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４５に貯水された後、凝縮水が送水手段４６によって水処理装置４７に送られて浄化され、浄化水タンク４８に貯水され、浄化水タンク４８から、燃料電池の冷却水として、また、燃料処理器４２において天然ガスを改質するための改質水として利用される。
【０００５】
図５は、前記公報に掲載された従来の燃料電池システムに使用する水処理装置の概略を示すものである。
【０００６】
図５に示すように、水処理装置５１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を混合したイオン交換樹脂から構成される複数のイオン交換樹脂塔５２と、活性炭から構成される活性炭塔５３からなり、活性炭塔５３はイオン交換樹脂塔５２の上流に配置され、凝縮水に含まれる塩素成分や有機物を除去する。また、この水処理装置５１に用いられるイオン交換樹脂塔５２は定期的に取替えられ使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３１０４８３号公報
【特許文献２】特開平８−２２２２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここで、発明者は、燃料電池システムに使用する水処理装置に用いるイオン交換樹脂の種類を変えながら試験を行い、カチオン交換樹脂を使用した水処理装置においては、水処理装置を通して浄化した浄化水の中には微量の硫黄成分（硫黄を含んでいる化合物や硫黄など、少なくとも硫黄を含んでいる物質。以下、同じ。）が含まれることを見出し、特に
、燃料電池システムを初めて運転した直後の浄化水や、水処理装置の取替えを行った直後の浄化水に、硫黄成分が多く含まれること、硫黄成分の含有量は水処理装置の使用を継続し、水処理装置を通過する水の積算流量が多くなるにつれて減少すること、及び硫黄成分はカチオン交換樹脂を製造する段階で使用するスルホン酸系の低分子量の化合物であって、製造後のカチオン交換樹脂に残存した硫黄成分であり、この硫黄成分が浄化水に溶出したものであることを見出した。
【０００９】
例えば、従来技術に従って構成された燃料電池システムに使用される従来構成の水処理装置（例えば、カチオン交換樹脂の容積が２Ｌの水処理装置）において、水処理装置を通過した後の浄化水に含まれる硫黄成分の濃度を分析評価したところ、燃料電池システムを初めて運転した直後の浄化水、及び水処理装置を取替えた直後の浄化水に含まれる硫黄成分の濃度は約２０ｐｐｍであり、水処理装置を通して水を、２００ｍＬ／ｍｉｎの流速で６Ｌ（カチオン樹脂の容積に対し３倍容積の水）通水した後の浄化水に含まれる硫黄成分の濃度は０．００２ｐｐｍ以下まで低下するという結果が得られた。
【００１０】
ここで、燃料電池システムを初めて運転する直後の浄化水や、水処理装置の取替え直後に浄化水に含まれる硫黄成分は、改質水に混入して燃料処理装置に送られるため、燃焼処理装置の改質触媒の被毒物質として作用し、燃料処理装置の性能を劣化させるという課題を有していた。しかも、硫黄成分の改質触媒に対する影響は極めて大きなものであり、改質触媒の性能を維持するためには、改質水の硫黄成分の濃度を数ｐｐｂレベルに維持することが要求されるため、従来構成の水処理装置では硫黄成分の除去が十分ではなく、燃料処理装置の耐久性を確保し、長期に亘って燃料電池システムを安定に運転するため、硫黄成分を確実に除去する手段が望まれていた。
【００１１】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、特に、カチオン交換樹脂を用いた水処理装置を使用した燃料電池システムにおいて、燃料電池システムを初めて運転した直後や、水処理装置を取替えた直後に硫黄成分が改質水に混入するのを抑止できる手段を提供し、安定な運転状態を維持でき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】
【００１２】
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、水処理装置を、凝縮水に含まれるイオンを交換するイオン交換樹脂と、イオン交換樹脂の上流（凝縮水の流れ方向における上流。以下、同じ。）に配置される活性炭と、イオン交換樹脂の下流（凝縮水の流れ方向における下流。以下、同じ。）に配置され硫黄成分を除去する硫黄除去器を有する水処理装置としたものである。
【００１３】
これによって、硫黄除去器がカチオン交換樹脂から溶出する硫黄成分を除去するため、改質水に硫黄成分が混入することがなくなり、燃料処理装置の性能低下を抑止できる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池システムは、硫黄除去器を活性炭としたものである。
【００１５】
これによって、活性炭が有機物である硫黄成分を効率的に吸着除去するため、改質水への硫黄成分の混入をより確実に抑えることができる。
【００１６】
また、本発明の燃料電池システムは、水処理装置を、凝縮水タンクの水に含まれるイオンを交換するイオン交換樹脂を備えた水処理装置とし、凝縮水タンクから水処理装置を介して燃料処理装置に接続する第１流路と、水処理装置より下流の第１流路から分岐して凝縮水タンクに接続する第２流路と、第１流路と第２流路との分岐部に配置されている流路切替器と、凝縮水タンクと水処理装置、及び流路切替器と第２流路を接続して構成される凝縮水循環経路と、硫黄成分を除去する硫黄除去器と、制御器とを備え、制御器が、イオ
ン交換樹脂の取替えを行った場合および燃料電池システムの初期運転の場合のうちの少なくとも一方の場合に、燃料処理装置に水を供給する前に、凝縮水タンク内の水を水処理装置で浄水させた後に、第２流路を通して凝縮水タンクに戻すように流路切替器を制御する浄水工程を実行させる構成としたものである。
【００１７】
これによって、水処理装置の取替え時及び燃料電池システムの初期運転時に、燃料処理装置に改質水が供給される前に、第２流路を介して、水処理装置を通水した浄化水を凝縮水タンクに戻すことができ、硫黄除去器によってカチオン交換樹脂から溶出する硫黄成分を除去できるので、改質水に硫黄成分が混入することがなく、燃焼処理装置の性能低下を抑止できる。
【００１８】
また、本発明の燃料電池システムは、制御器が、イオン交換樹脂に含まれるカチオン交換樹脂の容積に基づいて、浄水工程において浄化する水の容積を決定させる構成としたものである。
【００１９】
これによって、カチオン交換樹脂から溶出する硫黄成分を除去するのに適切な水の容積で浄水工程を行うことができるので、硫黄成分の除去処理が不十分な状態で浄化工程を停止することにならず、また、過剰に凝縮水を浄化処理することによって水処理装置のイオン交換樹脂の性能が低下することを抑止できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の燃料電池システムは、水処理装置に使用するイオン交換樹脂、特にカチオン交換樹脂から溶出する硫黄成分を確実に除去することができ、燃料処理装置の性能低下を抑止できるので、安定な運転を維持する燃料電池システムが実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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２におけ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におけ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
【図５】従来の燃料電池システムに使用する水処理装置を示す構成図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
第１の発明は、水素を含む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、燃料電池から排出された排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して得られる水を貯える凝縮水タンクと、凝縮水タンクの水を浄化する水処理装置と、原料と水処理装置で浄化された水とを用いて改質反応を行い、燃料ガスを生成する燃料処理装置を備え、水処理装置が、凝縮水タンクの水に含まれるイオンを交換するイオン交換樹脂と、イオン交換樹脂より上流に配置される活性炭と、イオン交換樹脂より下流に配置され硫黄成分を除去する硫黄除去器を有する燃料電池システムである。
【００２３】
この構成により、カチオン交換樹脂から溶出する硫黄成分が硫黄除去器によって除去されるため、燃料処理装置に送られる改質水に硫黄成分が混入することがなくなり、燃料処理装置の性能が低下せず、安定な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。
【００２４】
第２の発明は、特に、第１の発明の硫黄除去器を活性炭とした燃料電池システムである。
この構成によって、有機物である硫黄成分が活性炭によって効率的に除去されるため、燃料処理装置に送られる改質水への硫黄成分の混入をより確実に抑止することができ、燃料
処理機の性能が低下せず、安定な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。
【００２５】
第３の発明は、水素を含む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、燃料電池から排出された排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して得られる水を貯える凝縮水タンクと、凝縮水タンクから供給された水を浄化する水処理装置と、原料と水処理装置で浄化された水とを用いて改質反応を行い、燃料ガスを生成する燃料処理装置と、凝縮水タンクから水処理装置を介して燃料処理装置に接続するように構成される第１流路と、水処理装置より下流の第１流路から分岐して凝縮水タンクに接続されるように構成される第２流路と、第１流路と第２流路との分岐部に配置される流路切替器と、凝縮水タンクと水処理装置、及び流路切替器と第２流路を接続して構成される凝縮水循環経路と、凝縮水循環経路に配置され、硫黄成分を除去する硫黄除去器と、制御器を備え、水処理装置は、凝縮水タンクの水に含まれるイオンを交換するイオン交換樹脂を備える水処理装置であって、制御器は、イオン交換樹脂の取替えを行った場合および燃料電池システムの初期運転の場合のうちの少なくとも一方の場合には、凝縮水タンクから燃料処理装置に水を供給する前に、凝縮水タンク内の水を水処理装置で浄水させた後に凝縮水タンクに戻すように流路切替器を制御する浄水工程を実行させる制御器である燃料電池システムである。
【００２６】
この構成によって、水処理装置の取替え時、及び燃料電池システムの初期運転時に、燃料処理装置に改質水が供給される前に、第２流路を介して、水処理装置を通水した浄化水を凝縮水タンクに戻すことができ、凝縮水循環経路に配置される硫黄除去器によって、カチオン交換樹脂から溶出する硫黄成分を除去できるので、改質水に硫黄成分が混入することがなく、燃焼処理装置の性能低下を抑止でき、安定な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４の発明は、特に、第３の発明の制御器を、イオン交換樹脂に含まれるカチオン交換樹脂の容積に基づいて浄水工程において浄化する水の容積を決定する制御器とする燃料電池システムである。
【００２８】
この構成によって、カチオン交換樹脂から溶出する硫黄成分を除去するのに適切な水の容積で浄水工程を行うことができるので、硫黄成分の除去処理が不十分な状態で浄化工程を停止することにならず、また、過剰に凝縮水を浄化処理することによって水処理装置に用いるイオン交換樹脂の性能が低下することを抑止でき、安定な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】
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。
【００３０】
（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を示すものである。
【００３１】
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水処理装置１８と、凝縮水タンク１５から凝縮水を水処理装置１８に供給する第１の水ポンプ１７と、水処理装置１８から供給される浄化水を貯える浄化水タンク１９と、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、を備えている。
【００３２】
また、燃料電池システム１０は、第３の水ポンプ１１１から浄化水の供給を受けて、原
料ガスとしての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処理装置１１と、空気を供給する空気供給装置１４と、燃料処理装置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、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、を備えている。
【００３３】
また、燃料電池システム１０は、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流路１２０と、を備えている。
【００３４】
また、燃料電池システム１０は、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、燃料処理装置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、燃料処理装置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。
【００３５】
また、燃料電池システム１０は、燃料処理装置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と、を燃焼する燃焼部１２を備えている。
【００３６】
また、燃料電池システム１０は、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に導く燃料排ガス凝縮水流路１２０と、を備えている。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口１１９を有する。
【００３７】
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。
【００３８】
燃料処理装置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、浄化水は前記化学反応を進行させる役割を担っている。また、燃料処理装置１１に設けられている燃焼部１２は、原料ガスとしての都市ガスを燃焼させる。
【００３９】
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、燃料処理装置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。
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。
【００４０】
水処理装置１８は、ポリプロピレンを材質とする容器の内に、イオン交換樹脂１８ａと硫黄除去器１８ｂが保持され、イオン交換樹脂１８ａの下流に硫黄除去器１８ｂが配置され構成される。
【００４１】
ここで、イオン交換樹脂１８ａは、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂からなり、凝
縮水に含まれるカチオンとアニオンを吸着除去し、硫黄除去器１８ｂは、カチオン交換樹脂から溶出する硫黄成分等、凝縮水に含まれる硫黄成分を除去する。
【００４２】
次に、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。
【００４３】
まず、運転開始時、ガス供給管（図示せず）から、原料ガスとしの都市ガスと、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、燃料処理装置１１の内部に充填した触媒を約６５０℃に加熱する。そして、燃料処理装置１１の触媒が約６５０℃まで加熱されると、燃料処理装置１１は、以下の第２の段階の運転動作を行う。
【００４４】
まず、燃料処理装置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）からの供給される都市ガスとの改質反応により、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、燃料処理装置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を行う。
【００４５】
続いて、本実施の形態の燃料電池システム１０における凝縮水と浄化水の流れについて、図面を参酌し説明する。
【００４６】
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。
【００４７】
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、燃料排ガス凝縮水流路１２０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。
【００４８】
さらに、燃料処理装置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、燃料処理装置１１で原料ガスとしての都市ガスと、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。そして、余剰となった凝縮水は、凝縮水タンク１５に配置した排水口１１９から排水される。
【００４９】
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により水処理装置１８に送られ、凝縮水に含まれるカチオンとアニオン、及び塩素と硫黄成分が除去された後、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により燃料処理装置１１に供給され、原料ガスとしての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。
【００５０】
以下、上記のように構成された、本実施の形態における燃料電池システム１０の具体的な効果について説明する。
【００５１】
まず、本実施の形態の構成の燃料電池システム１０について、上述した運転動作に従って、１ｋＷの発電状態で、２４時間連続して運転した後、水処理装置から吐出される浄化水に含まれる硫黄成分の濃度を評価したところ、硫黄成分の濃度は０ｐｐｍであり、硫黄成分は全く含まれていないものであった。また、燃料電池システムを上述した運転動作に従って、１ｋＷの発電状態で、２０００時間毎に、水処理装置のみ、同じ構成の新しい水処理装置に取替えながら、１万時間まで連続して運転した。ここで、燃料電池システムを連続して運転している途中において、２４時間毎に水処理装置から吐出される浄化水に含まれる硫黄成分の濃度を評価したところ、硫黄成分の濃度は０ｐｐｍであり、硫黄成分は全く含まれていないものであった。
【００５２】
以上のように、本実施の形態においては、燃料電池システムに使用する水処理装置に用いるイオン交換樹脂の下流に硫黄除去器を配置し、カチオン交換樹脂から溶出する硫黄成分を除去できる構成とすることで、改質水に硫黄成分が混入するのを抑止でき、燃料電池システムの安定な運転を維持することができる。
【００５３】
（実施の形態２）
図２は、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である。なお、図２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。
【００５４】
図２において、本実施の形態の燃料電池システム１０は、水処理装置２１を硫黄除去器を配置せずに構成した点、水処理装置２１と浄化水タンク１９を接続する通水経路（以下、第１流路２２という。）に流路切替器２４を配置した点、水処理装置２１から吐出した浄化水を流路切替器２４を介して凝縮水タンク１５に戻す浄化水の戻し経路（以下、第２流路２３という。）を配置した点、水処理装置２１を吐出した浄化水の流路を第１流路２２と第２流路２３に切り替えるように流路切替器２４を制御する制御器２５を配置した点、第２流路２３に通水する浄化水の容積を検知する流量検知手段２６を配置した点、凝縮水タンク１５と水処理装置２１及び流路切替器２４と第２流路２３を接続して凝縮水循環経路を構成し、当該凝縮水循環経路に硫黄除去器２７を配置した点で、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。
【００５５】
ここで、水処理装置２１は、ポリプロピレンを材質とする容器の内に、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂からなるイオン交換樹脂１８ａが保持されて構成され、凝縮水に含まれるカチオンとアニオンを吸着し除去する。
【００５６】
また、硫黄除去器２７は、凝縮水タンク１５の下流であって、水処理装置２１の上流に配置され、水に含まれる硫黄成分を除去する。
【００５７】
次に、本実施の形態の燃料電池システム１０の発明のポイントである、燃料電池システム１０の運転動作について説明する。
【００５８】
まず、燃料電池システム１０を初めて運転する際、制御器２５が起動し、凝縮水タンク１５から第１の水ポンプ１７によって凝縮水が汲み上げられ、凝縮水が、水処理装置２１と流路切替器２４を通水し、第２流路２３を通って循環する（以下、凝縮水タンク１５と水処理装置２１及び流路切替器２４と第２流路２３を接続して構成される経路を凝縮水循環経路といい、また、凝縮水が、水処理装置２１と流路切替器２４を通水し、第２流路２３を通って循環する動作を循環動作という。）。循環する浄化水の容積は、流量検知手段２６で検知され、循環する浄化水の積算容積が、水処理装置２１に用いたカチオン交換樹脂の容積に対して、３倍の容積になった時点で、循環動作が完了する。なお、循環動作中
の浄化水の流速は、第１の水ポンプ１７により制御し、具体的には、１００ｍＬ／ｍｉｎから３００ｍＬ／ｍｉｎの流速範囲になるように調整する。
【００５９】
その後、燃料電池システムは以下の起動・発電運転を開始する。つまり、制御器２５が、流路切替器２４を、水処理装置１８からの浄化水が第１流路２２を通水するように浄化水の流路を切り替える。そして、ガス供給管（図示せず）から、原料ガスとしての都市ガスと、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、燃料処理装置１１の内部に充填した触媒を約６５０℃に加熱する。そして、燃料処理装置１１の触媒が約６５０℃まで加熱されると、燃料処理装置１１は、以下の第２の段階の運転動作を行う。
【００６０】
まず、燃料処理装置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）からの供給される都市ガスとの改質反応により、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、燃料処理装置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を行う。
【００６１】
また、水処理装置を取替えながら燃料電池システムを運転する時は、水処理装置の取替えを行った直後に、上述した循環動作（この時の浄化水の流速も、１００ｍＬ／ｍｉｎから３００ｍＬ／ｍｉｎの流速範囲になるように、第１の水ポンプ１７により調整する。）を行った後、燃料電池システムを上述した起動・発電運転に従って運転を継続する。
以下、上記のように構成された、本実施の形態における燃料電池システム１０の具体的な効果について説明する。
【００６２】
まず、本実施の形態の構成の燃料電池システム１０について、上述した運転動作に従って、１ｋＷの発電状態で、２４時間連続して運転した後、水処理装置から吐出される浄化水に含まれる硫黄成分の濃度を評価したところ、硫黄成分の濃度は０ｐｐｍであり、硫黄成分は全く含まれていないものであった。また、燃料電池システムを上述した運転動作に従って、１ｋＷの発電状態で、２０００時間毎に、水処理装置のみ、同じ構成の新しい水処理装置に取替え、取替えを行った直後に、循環動作を行いながら、燃料電池システムを１万時間まで連続して運転した。ここで、燃料電池システムを連続して運転している途中において、２４時間毎に水処理装置から吐出される浄化水に含まれる硫黄成分の濃度を評価したところ、硫黄成分の濃度は０ｐｐｍで、硫黄成分は全く含まれていないことがわかった。
【００６３】
以上のように、本実施の形態においては、水処理装置と浄化水タンクを接続する第１流路に配置される流路切替器と、水処理装置から吐出した浄化水を流路切替器を介して凝縮水タンクに戻す第２流路と、凝縮水タンクと水処理装置、及び流路切替器と第２流路を接続する凝縮水循環経路と、凝縮水循環経路に配置される硫黄除去器と、第２流路を通水する浄化水の容積を検知する流量検知手段を有する構成とし、燃料電池システムの初期運転時、及び水処理装置の取替え時に循環動作を行うことで、改質水に硫黄成分が混入するのを抑止でき、燃料処理装置の性能が低下せず、燃料電池システムの安定な運転を維持することができる。
【００６４】
なお、本実施の形態においては、硫黄除去器を水処理装置の上流側に配置しているが、この配置に限らず、凝縮水循環経路の一部、例えば、水処理装置の下流側や第２流路、若しくは流路切替器や凝縮水タンクの中等に配置してもよい。また、本実施の形態において
は、第２流路に流量検知手段を配置し、循環動作において循環する水の積算容積を検知する構成としているが、これ以外に、第１の水ポンプから吐出する流量が一定となるように第１の水ポンプを操作し、時間を管理することにより循環動作の時に循環する水の容積を調整する構成とすることも可能である。
【００６５】
また、上記した実施の形態においては、循環動作の時に循環する水の容積をカチオン交換樹脂の容積に対し、３倍の容積としたが、これに限定されるものではなく、カチオン交換樹脂に残存する硫黄成分を除去できる容積であれば同じ効果を奏することができる。この時、凝縮水が通水することによるイオン交換樹脂の劣化を最小限に抑えるため、循環する水の容積はカチオン交換樹脂の容積に対し５倍以下の容積にすることが好ましい。
【００６６】
（実施の形態３）
図３は、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である。なお、図３において、図１または図２と同一の構成は同じ符号を用い、説明を省略する。
【００６７】
図３において、本実施の形態の燃料電池システム１０は、流路切替器に代え、浄化水タンク１９にオーバーフロー３３を設け、また、第２流路に代え、オーバーフロー３３と凝縮水タンク１５を連結して浄化水の戻り流路を構成した点、流量検知手段２６をオーバーフロー３３に配置した点、また、改質水の送水経路に開閉弁３１と開閉弁３１の開閉状態を制御する制御器３２を設けた点で、実施の形態２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２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１０の発明のポイントである、燃料電池システム１０の運転動作について説明する。
【００６９】
まず、燃料電池システム１０を初めて運転する際、制御器３２が起動し、開閉弁３１を閉止し、凝縮水タンク１５から第１の水ポンプ１７によって凝縮水が汲み上げられ、水処理装置２１を通って浄化され、浄化水として浄化水タンク１９に貯水される。浄化水タンク１９に貯水された浄化水はオーバーフロー３３を介して、凝縮水タンク１５に戻され、再度、第１の水ポンプ１７によって汲み上げられ、水処理装置２１に送られる。この時、浄化水に含まれる硫黄成分は硫黄除去器２７に吸着され除去される。循環動作は、循環する浄化水の積算容積が、水処理装置２１に用いたカチオン交換樹脂の容積に対して、３倍の容積になった段階で完了する。なお、循環動作中の浄化水の流速は、第１の水ポンプ１７により制御し、具体的には、１００ｍＬ／ｍｉｎから３００ｍＬ／ｍｉｎの流速範囲になるように調整する。
【００７０】
その後、燃料電池システムは以下の起動・発電運転を開始する。つまり、制御器３２が、開閉弁３１を開状態にする。そして、ガス供給管（図示せず）から、原料ガスとしての都市ガスと、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、燃料処理装置１１の内部に充填した触媒を約６５０℃に加熱する。そして、燃料処理装置１１の触媒が約６５０℃まで加熱されると、燃料処理装置１１は、以下の第２の段階の運転動作を行う。
【００７１】
まず、燃料処理装置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）からの供給される都市ガスとの改質反応により、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、燃料処理装置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を行う。
【００７２】
また、水処理装置を取替えながら燃料電池システムを運転する時は、水処理装置の取替えを行った直後に、上述した循環動作（この時の浄化水の流速も、１００ｍＬ／ｍｉｎから３００ｍＬ／ｍｉｎの流速範囲になるように、第１の水ポンプ１７により調整した。）を行った後、燃料電池システムを上述した起動・発電運転に従って運転を継続する。
【００７３】
上記のように構成した燃料電池システムを上述した運転動作に従って、２４時間連続して運転した後、水処理装置から吐出される浄化水に含まれる硫黄成分の濃度を評価したところ、硫黄成分の濃度は０ｐｐｍであり、硫黄成分は全く含まれていないことがわかった。また、燃料電池システムを上述した運転動作に従って、１ｋＷの発電状態で、２０００時間毎に、水処理装置のみ、同じ構成の新しい水処理装置に取替え、取替えを行った直後に、循環動作を行いながら、燃料電池システムを１万時間まで連続して運転した。ここで、燃料電池システムを連続して運転している途中において、２４時間毎に水処理装置から吐出される浄化水に含まれる硫黄成分の濃度を評価したところ、硫黄成分の濃度は０ｐｐｍで、硫黄成分は全く含まれていないことがわかった。
【００７４】
以上のように、本実施の形態においては、硫黄成分を除去する硫黄除去器を配置し、また、浄化水タンクにオーバーフローを具備する構成とし、燃料電池システムの初期運転時及び、水処理装置の取替え時に循環動作を行うことで、改質水に硫黄成分が混入するのを抑止でき、燃料処理装置の性能が低下せず、燃料電池システムの安定な運転を維持することができる。
【００７５】
なお、本実施の形態においては、硫黄除去器を水処理装置の上流側に配置しているが、この配置に限らず、例えば、水処理装置の下流側や第１流路、若しくはオーバーフローや凝縮水タンクの中等に配置してもよい。また、本実施の形態においては、オーバーフローに流量検知手段を配置し、循環動作において循環する水の積算容積を検知する構成としているが、これ以外に、第１の水ポンプから吐出する流量が一定となるように第１の水ポンプを操作し、時間を管理することにより循環動作の時に循環する水の容積を調整する構成とすることも可能である。
【００７６】
また、上記した実施の形態においては、循環動作の時に循環する水の容積をカチオン交換樹脂の容積に対し、３倍の容積としたが、これに限定されるものではなく、カチオン交換樹脂に残存する硫黄成分を除去できる容積であれば同じ効果を奏することができる。この時、凝縮水が通水することによるイオン交換樹脂の劣化を最小限に抑えるため、循環する水の容積はカチオン交換樹脂の容積に対し５倍以下の容積にすることが好ましい。
上記した各実施の形態においては、凝縮水タンクには凝縮水だけでなく、燃料電池システムの外部から水道水が供給される構成であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
以上のように、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池システムの初期運転時と水処理装置の取替え時にイオン交換樹脂を構成するカチオン交換樹脂から溶出する硫黄成分が改質水に混入するのを抑止でき、改質触媒の劣化を防止できるので、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】
【００７８】
１０  燃料電池システム
１１  燃料処理装置
１２  燃焼部
１３  燃料電池
１４  空気供給装置
１５  凝縮水タンク
１６  燃料ガス凝縮器
１７  第１の水ポンプ
１８、２１  水処理装置
１８ａ  イオン交換樹脂
１８ｂ、２７  硫黄除去器
１９  浄化水タンク
２２  第１流路
２３  第２流路
２４  流路切替器
２５、３２  制御器
２６  流量検知手段
３１  開閉弁
３３  オーバーフロー
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  燃焼排ガス凝縮水流路
１１９  排水口
１２０  燃料排ガス凝縮水流路
【図１】
2014135126.tif 000003
【図２】
2014135126.tif 000004
【図３】
2014135126.tif 000005
【図４】
2014135126.tif 000006
【図５】
2014135126.tif 000007