(57)【要約】【課題】中和剤の消費量を削減し、低容積、低重量、かつ長期に亘り排水基準を満たす運転を維持する燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池１３と、燃焼部１２を具備した水素生成器１１と、燃料電池１３から排気される排ガス中の水蒸気を凝縮する排空気凝縮器１５及び燃料排ガス凝縮水器と、水素生成器１１で発生する燃焼排気ガスに含まれる水蒸気を凝縮する燃焼排ガス凝縮器１９を具備して燃料電池システム１０が構成される。凝縮水は排空気凝縮水流路１６と、燃料排ガス凝縮水経路１８と、燃焼排ガス凝縮水経路１１０を通って、凝縮水タンク１１６に送られる。凝縮水タンク１１６で余剰となった凝縮水は中和剤１１８を有する中和部１１７を配置した第１排水経路１２０と、第２排水経路１２１を通って、混合部１１９に送られ混合された後、排水口１２２から、燃料電池システム１０の外部に排水される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガス及び水素含有ガスを用いて発電する燃料電池を備える燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気が凝縮した凝縮水を貯える凝縮水タンクと、
前記凝縮水タンクから余剰な凝縮水を排水する第１排水経路と、
前記凝縮水タンクから余剰な凝縮水を排水する第２排水経路と、
前記第１排水経路の途中に配置され、中和剤が内部に配置される中和部と、
前記中和部で中和され、前記第１排水経路から排水される凝縮水、及び、前記第２排水経路から排水される凝縮水を混合する混合部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１排水経路及び前記第２排水経路の断面積が所定の比となるよう構成された、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１排水経路と第２排水経路の少なくともいずれかの排水経路に流量制御手段を有し、第１排水経路を通流する流量と第２排水経路を通流する流量が所定の比となるように構成された請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
流量検知手段を有し、第１排水経路を通流する流量と第２排水経路を通流する流量を検知し、検知した流量に基づき、第１排水経路を通流する流量と第２排水経路を通流する流量が所定の比となるように流量制御手段を制御するように構成された請求項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、燃料電池システムから排水する水を中和する中和部を備えた燃料電池システムに関する。
【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燃料排ガスに含まれる水蒸気と、水素生成器において原料ガス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凝縮水とし、当該凝縮水を凝縮水タンクに貯水して再利用する構成をとる。また、凝縮水タンクにおいて余剰となった凝縮水は、その全量を炭酸カルシウム等の中和剤を備えた中和タンクにおいて中和処理した後に、燃料電池システムの外部に排水している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、前記公報に記載された従来の燃料電池システムを示すものである。図５に示すように、燃料電池５３は、水素生成器５１の燃焼部５２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５３には熱回収水が循環し、燃料電池５３で発電の際に発生す熱が、熱交換器５８を介して回収される。燃料電池５３から排出される燃料排ガスは、燃料排ガス凝縮器５４に送られ、そこで、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５１０に貯水される。
【０００４】
また、水素生成器５１で原料ガスの改質反応の際に発生する燃焼排ガスは、燃焼排ガス凝縮器５６に送られ、そこで、燃焼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５１０に貯水される。凝縮水タンク５１０に貯水した凝縮水は、送水機５９により水素生成器５１に送水され、原料ガスの改質反応に再利用される。
【０００５】
一方、凝縮水タンク５１０で余剰となった凝縮水は、その全量が、凝縮水タンク５１０から中和タンク５１１に送水される。中和タンク５１１には、粒子状の炭酸カルシウム等で構成される中和剤５１２が保持され、凝縮水タンク５１０から送水された全量の凝縮水が中和剤５１２と接触し中和され、排水基準（排水のｐＨがｐＨ５．８〜８．６。以下同じ。）を満たす状態で、排水口５１３から燃料電池システム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２００４−１７２０１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の構成では、余剰となった凝縮水の全量が中和剤と接触するため、中和剤の消費量が多くなり、長期に亘って排水基準を満たす状態で燃料電池システムを運転するには、多量の中和剤を搭載する必要があり、燃料電池システムの容積が大きく、かつ重量が重くなるという課題を有していた。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、中和剤の消費量を削減できる手段を提供し、低容積、低重量、かつ、長期に亘り排水基準を満たす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】
【０００８】
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、燃料電池を備える燃
料電池モジュールと、燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気が凝縮した凝縮水を貯える凝縮水タンクと、凝縮水タンクから余剰な凝縮水を排水する第１排水経路と、凝縮水タンクから余剰な凝縮水を排水する第２排水経路と、第１排水経路の途中に配置され、中和剤が内部に配置される中和部と、中和部で中和され、第１排水経路から排水される凝縮水、及び、第２排水経路から排水される凝縮水を混合する混合部とを備える構成としたものである。
【０００９】
これによって、凝縮水タンクから排水される凝縮水の一部のみを中和剤と接触させることができるので、中和剤の消費量を削減することができる。また、凝縮水タンクから第２排水経路を通って排水される凝縮水は、混合部において、第１排水経路と中和部を通って中和された凝縮水と混合するため、燃料電池システムから排水される排水のｐＨを排水基準に維持することができる。
【００１０】
また、本発明の燃料電池システムは、第１排水経路及び第２排水経路の断面積を、所定の比となるよう構成したものである。
【００１１】
これによって、凝縮水タンクから第１排水経路へ排水される凝縮水と、凝縮水タンクから第２排水経路へ排水される凝縮水の混合比を所定の割合となるように混合して排水することができるため、混合部を通って排水される凝縮水のｐＨが排水基準を満たすように、第１排水経路を通水する凝縮水の流量と第２排水経路を通水する凝縮水の流量を適切に調整することができる。
【００１２】
また、本発明の燃料電池システムは、流量制御手段を有し、第１排水経路を通流する流量と第２排水経路を通流する流量が所定の比となるように構成したものである。
【００１３】
これによって、凝縮水タンクから第１排水経路へ排水される凝縮水と、凝縮水タンクから第２排水経路へ排水される凝縮水の混合比を所定の比となるように混合して排水することができるため、混合部を通って排水される凝縮水のｐＨが排水基準を満たすように、第１排水経路を通水する凝縮水の流量と第２排水経路を通水する凝縮水の流量を適切に調整することができる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池システムは、第１排水経路を通流する流量と第２排水経路を通流する流量を検知する流量検知手段を有し、検知した流量に基づき、第１排水経路を通流する流量と第２排水経路を通流する流量が所定の比となるように流量制御手段を制御するように構成したものである。
【００１５】
これによって、第１排水経路と第２排水経路を通流する流量を定期的に監視でき、流量制御手段により第１排水経路を通流する流量と第２排水経路を通流する流量の比を、常に一定に保つことができるので、第１排水経路を通水する凝縮水の流量と第２排水経路を通水する凝縮水の流量をより適切に調整することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池システムで生成される余剰となった凝縮水の一部のみを中和剤と接触させることができ、中和剤の消費量を削減し、低容積、低重量、かつ、長期に亘り安定した排水基準を満たす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】
【００１７】
【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】本発明の実施の形態４における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を示す構成図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
第１の発明は、酸化剤ガス及び水素含有ガスを用いて発電する燃料電池を備える燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気が凝縮した凝縮水を貯える凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクから余剰な凝縮水を排水する第１排水経路と、前記凝縮水タンクから余剰な凝縮水を排水する第２排水経路と、前記第１排水経路の途中に配置され、中和剤が内部に配置される中和部と、前記中和部で中和され、前記第１排水経路から排水される凝縮水、及び、前記第２排水経路から排水される凝縮水を混合する混合部を備える燃料電池システムである。
【００１９】
この構成により、凝縮水タンクから排水される凝縮水の一部のみを中和剤と接触させることができるので、中和剤の消費量を削減し、燃料電池システムの低容積化、低重量化ができ、また、長期に亘って排水基準を満たす状態で燃料電池システムを運転することができる。
【００２０】
第２の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムにおいて、第１排水経路及び第２排水経路の断面積が所定の比となるよう構成した燃料電池システムである。
【００２１】
この構成により、凝縮水タンクから第１排水経路へ排水される凝縮水と、凝縮水タンクから第２排水経路へ排水される凝縮水の混合比を所定の割合となるように混合して排水することができるので、凝縮水タンクから排水される凝縮水のｐＨが排水基準を満たすように、第１排水経路を通水する凝縮水の流量と第２排水経路を通水する凝縮水の流量をより適切に調整することができ、長期に亘って排水基準を満たす状態で燃料電池システムを運転することができる。
【００２２】
第３の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムにおいて、第１排水経路と第２排水経路の少なくともいずれかの排水経路に流量制御手段を有し、第１排水経路を通流する流量と第２排水経路を通流する流量が所定の比となるように構成された請求項１に記載の燃料電池システムである。
【００２３】
この構成により、凝縮水タンクから第１排水経路へ排水される凝縮水と、凝縮水タンクから第２排水経路へ排水される凝縮水の混合比を所定の比となるように混合して排水することができるため、混合部を通って排水される凝縮水のｐＨが排水基準を満たすように、第１排水経路を通水する凝縮水の流量と第２排水経路を通水する凝縮水の流量を適切に調整することができ、長期に亘って排水基準を満たす状態で燃料電池システムを運転することができる。
【００２４】
第４の発明は、特に、第３の発明の燃料電池システムにおいて、さらに流量検知手段を有し、第１排水経路を通流する流量と第２排水経路を通流する流量を検知し、検知した流量に基づき、第１排水経路を通流する流量と第２排水経路を通流する流量が所定の比となるように流量制御手段を制御するように構成された請求項３記載の燃料電池システムである。
【００２５】
この構成により、第１排水経路と第２排水経路を通流する流量を定期的に監視でき、流量制御手段により第１排水経路を通流する流量と第２排水経路を通流する流量の比を常に一定に保つことができるので、第１排水経路を通水する凝縮水の流量と第２排水経路を通水する凝縮水の流量を適切に調整することができ、長期に亘って、より安定に排水基準を満たす状態で燃料電池システムを運転することができる。
【００２６】
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。
【００２７】
（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。
【００２８】
図１において、燃料電池システム１０は、水素を含む燃料ガスと空気で発電する燃料電池１３と、燃焼部１２を具備し、原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを製造する水素生成器１１と、燃料電池１３に空気を供給する空気供給装置１４と、を備える。また、燃料電池１３から排気される排空気に含まれる水蒸気を凝縮し排空気凝縮水とする排空気凝縮器１５と、排空気凝縮水を通水する排空気凝縮水流路１６と、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凝縮し燃料排ガス凝縮水とする燃料排ガス凝縮器１７と、燃料排ガス凝縮水を通水する燃料排ガス凝縮水経路１８と、水素生成器１１で原料ガスを燃焼する際に発生する燃焼排気ガスに含まれる水蒸気を凝縮し燃焼排ガス凝縮水とする燃焼排ガス凝縮器１９と、燃焼排ガス凝縮水を通流する燃焼排ガス凝縮水経路１１０と、を備える。また、排空気凝縮水と燃料排ガス凝縮水及び燃焼排ガス凝縮水を貯水する凝縮水タンク１１６と、凝縮水タンク１１６に配置される第１排水経路１２０及び第２排水経路１２１と、第１排水経路１２０に配置される中和部１１７と、中和部１１７に配置される中和剤１１８と、第１排水経路１２０を通水する凝縮水と第２排水経路１２１を通水する凝縮水を混合する混合部１１９と、混合部１１９に貯水した余剰の混合水を排水する排水口１２２と、を備える。また、凝縮水タンク１１６に貯水した凝縮水を送水する凝縮水送水機１１１と、凝縮水を浄化し浄化水とする浄水器１１４と、浄化水を貯水する浄化水タンク１１５と、浄化水タンク１１５から水素生成器１１に浄化水を送水する第１浄化水送水機１１２と、浄化水タンク１１５から燃料電池１３に浄化水を送水する第２浄化水送水機１１３を有する燃料電池システムである。
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、主な構成要素の材料や、その作用について具体的に説明する。
【００２９】
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、原料ガスとしての都市ガスと、浄化水タンク１１５から第１浄化水送水機１１２によって送水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、水素生成器１１に設けられている燃焼部１２は、原料ガスとしての都市ガスを燃焼させる。
【００３０】
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。
【００３１】
凝縮水タンク１１６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。
【００３２】
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。
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。得られた燃料ガスと、空気供給装置１４から供給される空気中の酸素が燃料電池１３に送られ、電気化学反応により発電する。
【００３３】
続いて、燃料電池システム１０における凝縮水の流れについて、図１を参照しながら説明する。
【００３４】
まず、燃料電池１３からの排空気が通流する経路に配置した排空気凝縮器１５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１６を通って、凝縮水タンク１１６に送られ、凝縮水タンク１１６に貯えられる。
【００３５】
また、燃料電池１３からの燃料排ガスが通流する経路に配置した燃料排ガス凝縮器１７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、燃料排ガス凝縮水経路１８を通って、凝縮水タンク１１６に送られ、凝縮水タンク１１６に貯えられる。
【００３６】
さらに、水素生成器１１から排出される燃焼排ガスが通流する経路に配置した燃焼排ガス凝縮器１９により、水素生成器１１において原料ガスとしての都市ガスを燃焼して得た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、燃焼排ガス凝縮水経路１１０を通って、凝縮水タンク１１６に送られ、凝縮水タンク１１６に貯えられる。
【００３７】
凝縮水タンク１１６に貯水された凝縮水は、凝縮水送水機１１１によって浄水器１１４に送られ、浄化された後、浄化水タンク１１５に貯水される。浄化水タンク１１５に貯水した浄化水は、第１浄化水送水機１１２により水素生成器１１に送られ、原料ガスの改質に利用される。また、浄化水タンク１１５に貯水された浄化水は、第２浄化水送水機１１３により燃料電池１３に送られ、熱回収水として利用される。一方、凝縮水タンク１１６において、余剰となった凝縮水の一部は第１排水経路１２０を通って中和部１１７に送られ、中和剤１１８と接触し中和処理された後、混合部１１９に送られる。一方、凝縮水タンク１１６で余剰となった残りの凝縮水は第２排水経路１２１を通って混合部１１９に送られ、混合部１１９において、第１排水経路１２０及び中和部１１７を通って流れる凝縮水と所定の割合で混合された後、排水口１２２から燃料電池システム１０の外部に排水される。
【００３８】
ここで、第２排水経路１２１の断面積は、第１排水経路１２０の断面積に対し、３倍の面積を有し、第２排水経路１２１を流れる単位時間当たりの流量が、第１排水経路１２０を流れる単位時間当たりの流量に対し、約３倍の流量になるように調整されている。
【００３９】
以下、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。
【００４０】
まず、本実施の形態の構成の燃料電池システムを１ｋＷの発電状態で継続して運転し、燃料電池システムから排水される排水のｐＨを調べる試験を行った。この時、中和部には、中和剤として重量１２ｇの炭酸カルシウムを配置した。燃料電池システムから排水される排水のｐＨは、運転開始直後はｐＨ６．５を示し、排水基準を満たすものであった。また、１０００時間ごとに排水のｐＨを確認しながら、６０００時間まで運転を継続したが、排水のｐＨはｐＨ６．０〜７．０の範囲を維持し、排水基準を満たすものであった。
【００４１】
一方、比較のために、第１排水経路以外に第２排水経路にも中和部を配置し、第１排水経路及び第２排水経路を通水する凝縮水の全量が炭酸カルシウムと接触する状態で、燃料電池システムを１ｋＷの発電状態で継続して運転し、燃料電池システムから排水される排水のｐＨを調べた。この時、第１排水経路と第２排水経路をそれぞれ通水する凝縮水の流量（第１排水経路を通水する凝縮水の流量：第２排水経路を通水する凝縮水の流量＝１：
３）の割合に適合させ、第１排水経路の中和部には重量３ｇの炭酸カルシムを配置し、第２経路の中和部には重量９ｇの炭酸カルシウムを配置し、全体として１２ｇの炭酸カルシウムを配置した。
【００４２】
燃料電池システムから排水される排水のｐＨは、運転開始直後はｐＨ６．５で排水基準を満たすものあったが、１８００時間運転した時点で排水のｐＨが低下しはじめ、２０００時間運転した時点の排水のｐＨはｐＨ５．７まで低下し、排水基準を満たさないものとなり、上記した第１排水経路にのみ中和部を配置した燃料電池システムに比べ耐久性に乏しいものであった。試験終了後、中和部に配置した炭酸カルシウムを確認したところ、炭酸カルシウムは全て消費されており、燃料電池システムからの排水が排水基準を満たさなくなった原因は、炭酸カルシウムが全て消費されたことにより、凝縮水を中和することができなくなったことによることが確認できた。
【００４３】
上記より、本実施の形態の燃料電池システムにおいて、中和剤の消費量を削減でき、燃料電池システムを長期に亘って排水基準を維持する状態で運転することができることがわかった。
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凝縮水タンクから排水される余剰の凝縮水の一部のみを中和剤と接触させる構成とすることにより、中和剤の消費量を削減でき、燃料電池システムを長期に亘って排水基準を維持する状態で運転することができる。
【００４４】
なお、第１排水経路及び第２排水経路の断面積は、全ての経路において同一である必要はなく、それぞれの経路において、最も小さい断面積となる箇所の断面積としても構わない。また、本実施の形態においては、第２排水経路の断面積を第１排水経路の断面積に対し、約３倍の面積にしたが、これに限定されるものではなく、混合部から排水される排水のｐＨが排水基準を満たすように両経路の断面積の比を適当に調整することができる。
【００４５】
（実施の形態２）
中和部のみ、中和剤として粒子状の炭酸カルシウムを保持した中和タンクに変更した以外は、上述した実施の形態１と同一の構成により、燃料電池システム２０を構成した。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。
【００４６】
図２は、本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムを示す構成図である。
【００４７】
図２において、凝縮水タンク１１６の第１排水経路１２０には中和剤１１８が保持された中和タンク２１が配置される。ここで、中和タンク２１は、ポリプロピレンを材質とする容器の内に、中和剤１１８として、粒子状の炭酸カルシウムが配置され、また、中和タンク２１において余剰となった凝縮水が流出するための開口部２２が配置されて構成される。中和タンク２１は、第１排水経路１２０を通水する凝縮水が中和タンク２１に流れ込むように、その上部が第１排水経路１２０と接続されている。また、中和タンク２１において余剰となった凝縮水が開口部２２を通って混合部１１９に流れ込むように、中和タンク２１は混合部１１９と連結して配置される。
【００４８】
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タンクからの凝縮水の流れについて、図面を参酌しながら、より詳細に説明する。
凝縮水タンク１１６で余剰となった一部の凝縮水は、第１排水経路１２０を通水して、中和タンク２１の上部から中和タンク２１に流れ込み、中和剤１１８と接触して中和処理される。また、中和タンク２１で余剰となった凝縮水は中和タンク２１の開口部２２を通って混合部１１９に流れ込み、混合部１１９において、第２排水経路１２１を通水する凝縮水と混合する。混合部１１９において余剰となった凝縮水は、混合部に配置した排水口１
２２から燃料電池システム２０の外部に排水される。
【００４９】
以下、本実施の形態における燃料電池システム２０の具体的な効果について説明する。
【００５０】
まず、本実施の形態の構成の燃料電池システムを１ｋＷの発電状態で継続して運転し、燃料電池システムから排水される排水のｐＨを調べる試験を行った。この時、中和タンクには、中和剤として重量１２ｇの炭酸カルシウムを配置した。燃料電池システムから排水される排水のｐＨは、運転開始直後はｐＨ６．５を示し、排水基準を満たすものであった。また、１０００時間ごとに排水のｐＨを確認しながら、６０００時間まで運転を継続したが、排水のｐＨはｐＨ６．０〜７．０の範囲を維持し、排水基準を満たすものであった。
【００５１】
一方、比較のために、第１排水経路だけでなく、第２排水経路も中和タンクの上部に接続し、第１排水経路及び第２排水経路を流れる凝縮水の全量が炭酸カルシウムと接触する状態で、燃料電池システムを１ｋＷの発電状態で継続して運転し、燃料電池システムから排水される排水のｐＨを調べた。燃料電池システムから排水される排水のｐＨは、運転開始直後はｐＨ６．５で排水基準を満たすものあったが、１８００時間運転した時点で排水のｐＨが低下しはじめ、２０００時間運転した時点の排水のｐＨはｐＨ５．７まで低下し、排水基準を満たさないものとなり、上記した第１排水経路にのみ通流する凝縮水を中和タンクに流す構成とした燃料電池システムに比べ  耐久性に乏しいものであった。
【００５２】
試験終了後、中和部に配置した炭酸カルシウムを確認したところ、炭酸カルシウムは全て無くなっており、燃料電池システムからの排水が排水基準を満たさなくなった原因は、炭酸カルシウムが完全に消費されたことにより、凝縮水を中和することができなくなったことによることが確認でききた。
【００５３】
上記より、本実施の形態の燃料電池システムにおいて、中和剤の消費量を削減でき、燃料電池システムを長期に亘って排水基準を維持する状態で運転することができることがわかった。
【００５４】
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凝縮水タンクから排水される余剰の凝縮水の一部のみを中和剤と接触させる構成とすることにより、中和剤の消費量を削減でき、燃料電池システムを長期に亘って排水基準を維持する状態で運転することができる。
【００５５】
なお、第１排水経路及び第２排水経路の断面積は、全ての経路において同一である必要はなく、それぞれの経路において、最も小さい断面積となる箇所の断面積としても構わない。また、本実施の形態においては、第２排水経路の断面積を第１排水経路の断面積に対し、約３倍の面積にしたが、これに限定されるものではなく、混合部から排水される排水のｐＨが排水基準を満たすように両経路の断面積の比を適当に調整することができる。
【００５６】
（実施の形態３）
凝縮水タンクと中和部及び混合部のみ、中和剤として塊状の炭酸カルシウムを一部に保持し、  凝縮水タンクと中和部及び混合部を一体して構成した水タンクに変更した以外は、上述した実施の形態１と同一の構成により、燃料電池システム３０を構成した。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。
【００５７】
図３は、本発明の第３の実施の形態における、燃料電池システムを示す構成図である。
【００５８】
図３において、水タンク３１０は凝縮水タンク３１と、中和部３２及び混合部３３から
構成される。水タンク３１０は第１仕切り板３８によって凝縮水タンク３１と中和部３２及び混合部３３に区切られ一体として構成される。また、中和部３２は第２仕切り板３９により、完全に分離された二つの貯水部に分割され、その一の貯水部に中和剤３７として、塊状の炭酸カルシウムが配置される（以下、中和剤３７が配置された貯水部を第１貯水部、中和剤が配置されていない貯水部を第２貯水部という）。
【００５９】
中和部３２の第１貯水部と第２貯水部の底面には、それぞれ第１開口部３４と第２開口部３５が設けられ、また、中和部３２の下部には、混合部３３が配置される。混合部３３には、凝縮水タンク１１６から中和部３２を通って流れる凝縮水を排水するための排水口３６が設けられている。
【００６０】
ここで、第２開口部３５の断面積は、第１開口部３４の断面積に対し、３倍の面積を有し、第２開口部３５を流れる単位時間当たりの流量が、第１開口部３４を流れる単位時間当たりの流量に対し、約３倍の流量になるように調整されている。
【００６１】
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タンクからの凝縮水の流れについて、図面を参酌しながら、より詳細に説明する。
まず、凝縮水タンク３１で余剰となった凝縮水は、第１仕切り板３８の上部を通って、中和部３２の第１貯水部及び第２貯水部に送られる。第１貯水部と第２貯水部に送られた凝縮水は、中和部３２の第１開口部３４と第２開口部３５を通って、混合部３３に流れる。この時、第１空間に送られる凝縮水は中和剤３７と接触し中和され、混合部３３において、第２空間を流れる凝縮水と混合した後、排水口３６から燃料電池システム３０の外部に排水される。
【００６２】
以下、本実施の形態における燃料電池システム３０の具体的な効果について説明する。
【００６３】
まず、本実施の形態の構成の燃料電池システムを１ｋＷの発電状態で継続して運転し、燃料電池システムから排水される排水のｐＨを調べる試験を行った。この時、中和部には、中和剤として重量１２ｇの炭酸カルシウムを配置した。燃料電池システムから排水される排水のｐＨは、運転開始直後はｐＨ６．５を示し、排水基準を満たすものであった。また、１０００時間ごとに排水のｐＨを確認しながら、６０００時間まで運転を継続したが、排水のｐＨはｐＨ６．０〜７．０の範囲を維持し、排水基準を満たすものであった。
【００６４】
一方、比較のために、第１貯水部だけでなく、第２貯水部にも中和剤を配置し、第１開口部及び第２開口部を流れる凝縮水の全量が炭酸カルシウムと接触する状態で、燃料電池システムを１ｋＷの発電状態で継続して運転し、燃料電池システムから排水される排水のｐＨを調べた。この時、第１貯水部と第２貯水部を通水する流量（第１貯水部を通水する凝縮水の流量：第２貯水部を通水する凝縮水の流量＝１：３）の割合に適合させ、第１貯水部には重量３ｇの炭酸カルシムを配置し、第２貯水部には重量９ｇの炭酸カルシウムを配置し、全体として１２ｇの炭酸カルシウムを配置した。燃料電池システムから排水される排水のｐＨは、運転開始直後はｐＨ６．５で排水基準を満たすものあったが、１８００時間運転した時点で排水のｐＨが低下しはじめ、２０００時間運転した時点の排水のｐＨはｐＨ５．７まで低下し、排水基準を満たさないものとなり、上記した第１貯水部を通水する凝縮水のみ中和する構成とした燃料電池システムに比べ耐久性に乏しいものであった。
【００６５】
試験終了後、中和部に配置した炭酸カルシウムを確認したところ、炭酸カルシウムは全て無くなっており、燃料電池システムからの排水が排水基準を満たさなくなった原因は、炭酸カルシウムが完全に消費されたことにより、凝縮水を中和することができなくなったことによることが確認できた。
【００６６】
上記より、本実施の形態の燃料電池システムにおいて、中和剤の消費量を削減でき、燃料電池システムを長期に亘って排水基準を維持する状態で運転することができることがわかった。
【００６７】
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凝縮水タンクから排水される余剰の凝縮水の一部のみを中和剤と接触させる構成とすることにより、中和剤の消費量を削減でき、燃料電池システムを長期に亘って排水基準を維持する状態で運転することができる。
【００６８】
なお、本実施の形態においては、第２貯水部の開口部の断面積を第１貯水部の開口部の断面積に対し約３倍の面積にしたが、これに限定されるものではなく、混合部から排水される排水のｐＨが排水基準を満たすように両開口部の断面積の比を適当に調整することができる。
【００６９】
（実施の形態４）
第１排水経路の断面積と、第２排水経路の断面積を同一とし、第１排水経路と第２排水経路に流量検知手段と流量制御手段を配置した以外は、上述した実施の形態１と同一の構成により、燃料電池システム４０を構成した。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。
【００７０】
図４は、本発明の第４の実施の形態における燃料電池システムを示す構成図である。
【００７１】
図４において、第１排水経路４５には、第１流量検知手段４１と第１流量制御手段４２が配置され、また、第２排水経路４６には、第２流量検知手段４３と第２流量制御手段４４が配置される。
【００７２】
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タンクからの凝縮水の流れについて、図面を参酌しながら、より詳細に説明する。
凝縮水タンク１１６で余剰となった一部の凝縮水は、第１排水経路４５を通水して、中和部１１７に流れ込み、中和剤１１８と接触して中和処理されて後、混合部１１９に流れ込み、混合部１１９において、第２排水経路４６を通水する凝縮水と混合する。混合部１１９において余剰となった凝縮水は、混合部に配置した排水口１２２から燃料電池システム４０の外部に排水される。
【００７３】
ここで、第１流量検知手段４１と第２流量検知手段４３によって、第１排水経路４５と第２排水経路４６を通流する凝縮水の流量が監視され、第１流量制御手段４２と第２流量制御手段４４によって、第１排水経路４５を通流する凝縮水の流量と第２排水経路４６を通流する凝縮水の流量が、所定の比になるように制御される。
【００７４】
以下、本実施の形態における燃料電池システム４０の具体的な効果について説明する。
【００７５】
まず、本実施の形態の構成の燃料電池システムを１ｋＷの発電状態で継続して運転し、燃料電池システムから排水される排水のｐＨを調べる試験を行った。この時、中和部には、中和剤として重量１２ｇの炭酸カルシウムを配置した。また、流量検知手段による流量の検知は１日（２４時間）ごとに行い、その都度、流量調整手段により、第１排水経路と第２排水経路を通流する流量を、第２排水経路を流れる単位時間当たりの流量が、第１排水経路を流れる単位時間当たりの流量に対し、３倍の流量になるように制御した。燃料電池システムから排水される排水のｐＨは、運転開始直後はｐＨ６．５を示し、排水基準を満たすものであった。また、１０００時間ごとに排水のｐＨを確認しながら６０００時間
まで運転を継続したが、排水のｐＨは常に安定してｐＨ６．５を維持し、排水基準を満たすものであった。
【００７６】
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凝縮水タンクから排水される余剰の凝縮水の一部のみを中和剤と接触させる構成とし、また、第１排水経路と第２排水経路を通流する凝縮水の流量の比を検知し、これらの流量の比を一定に制御する構成とすることにより、中和剤の消費量を削減でき、燃料電池システムを長期に亘って、安定して排水基準を維持する状態で運転することができる。
【００７７】
なお、流量検知手段としては、差圧式、電磁式、面積式、超音波式、羽根車式、渦式等、各種方式の流量計が利用できる。また、流量制御手段としては、例えば、流量制御弁や絞り弁が利用でき、電気的なもの、磁気的なもの、あるいは手動的なものが利用可能である。流量制御手段の制御は、手動で行うことができ、また、流量検知手段からの電気的信号等の情報を受け、自動的に行うこともできる。
【００７８】
また、上述した実施の形態（実施の形態１，２，４）においては、第１排水経路と第２排水経路を凝縮水タンクに直結する構成としているが、凝縮水タンクに直結する排水経路を一つの排水経路とし、当該排水経路に分流弁や混合弁等、流量を分流できる手段を配置して当該排水経路を分岐することによって、第１排水経路と第２排水経路を構成する構成としても同一の効果を奏することができる。
上述した各本実施の形態においては、燃料電池モジュールは、燃料電池と、改質器及び燃焼器を含んでいるが、この構成に限られず、少なくとも燃料電池を含む燃料電池モジュールであればよい。
【００７９】
また、燃料電池モジュールから排出される排ガスは、例えば、燃料電池の空気極側から排出される排空気、燃料電池の燃料極側から排出される燃料排ガス、水素生成器から排出される燃焼排ガスのうちの少なくとも１種の排ガスであってもよい。
【００８０】
また、中和剤は上述した各本実施の形態に記載した炭酸カルシウムに限定されるものではなく、凝縮水に溶解し凝縮水を中和する機能を有する材料を利用することができ、例えば、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム等のアルカリ金属塩、炭酸ストロンチウム、炭酸バリウム等のアルカリ土類金属塩、その他、炭酸マグネシウム、炭酸亜鉛等の水溶性の各種金属塩が利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、低容積、低重量、かつ長期に亘って排水基準を満たす運転が可能となるので、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用途にも適用することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１０、２０、３０、４０  燃料電池システム
１１、５１  水素生成器
１２、５２  燃焼部
１３，５３  燃料電池
１４  空気供給装置
１５  排空気凝縮器
１６  排空気凝縮水流路
１７、５４  燃料排ガス凝縮器
１８  燃料排ガス凝縮水経路
１９、５６  燃焼排ガス凝縮器
１１０  燃焼排ガス凝縮水経路
１１１  凝縮水送水機
１１２  第１浄化水送水機
１１３  第２浄化水送水機
１１４  浄水器
１１５  浄化水タンク
１１６、３１、５１０  凝縮水タンク
１１７、３２  中和部
１１８、３７、５１２  中和剤
１１９、３３  混合部
１２０、４５  第１排水経路
１２１、４６  第２排水経路
１２２、３６、５１３  排水口
２１、５１１  中和タンク
２２  開口部
３４  第１開口部
３５  第２開口部
３８  第１仕切り板
３９  第２仕切り板
３１０  水タンク
４１  第１流量検知手段
４２  第１流量制御手段
４３  第２流量検知手段
４４  第２流量制御手段
【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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