(57)【要約】燃料電池（１１）から排出された燃料排ガスを気液分離する気液分離器（１４）と、分離された燃料排ガス中の水素を燃焼させる燃焼部（１３）と、燃焼により発生した燃焼排ガスを熱交換して燃焼排ガス中の水分を凝縮し、燃焼排ガス凝縮水を得る熱交換器（１５）と、燃焼排ガス凝縮水と気液分離器（１４）で分離された燃料排ガス凝縮水とから炭酸ガスを除去する脱気装置（１６）とを備え、脱気された凝縮水を凝縮水タンク（１８）に貯水する。
2010079561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凝縮水を貯水する凝縮水タンクと、
前記凝縮水に含まれるイオンを除去して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て、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前記水素および前記空気供給装置から供給された前記空気を利用し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を、燃焼ガスと燃料排ガス凝縮水とに気液分離する気液分離器と、
前記燃料ガス生成装置に設けられ、前記気液分離器で分離された前記燃焼ガス中の水素を燃焼させる燃焼部と、
前記燃焼部での燃焼により発生した燃焼排ガスを熱交換することにより前記燃焼排ガス中の水分を凝縮し、燃焼排ガス凝縮水を生成する熱交換器と、
前記燃料排ガス凝縮水と前記燃焼排ガス凝縮水とを、脱気用空気と接触させることにより、前記燃料排ガス凝縮水および前記燃焼排ガス凝縮水の中に含まれる炭酸ガスを除去して得られる前記凝縮水を生成する脱気装置と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記気液分離器で分離された前記燃料排ガス凝縮水を貯水するためのバッファータンクをさらに備え、前記バッファータンクの底面の位置を前記脱気装置の最上面の位置より下側に、かつ前記バッファータンクの最上面の位置を前記脱気装置の最上面の位置より上側に配置した請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記気液分離器で分離された前記燃料排ガス凝縮水を貯水するためのバッファータンクと、前記バッファータンクと前記脱気装置の間に設け、前記燃料排ガス凝縮水の流れを遮断する遮断弁と、前記バッファータンクに貯水された前記燃料排ガス凝縮水の水位を検知する水位センサとをさらに備え、前記水位センサが検出した情報に基づき、前記遮断弁の開閉を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料排ガス凝縮水および前記燃焼排ガス凝縮水が前記脱気装置に流入する方向と対向する方向に、前記脱気用空気を前記脱気装置に流入させた請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池から排出された排空気を前記脱気用空気として、前記脱気装置に供給する請求項１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、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は、例えば特許文献１に開示されたように、燃料電池から排出された燃料排ガスに含まれる水素を回収し、回収した水素を燃焼させる。従来の燃料電池システムは、上記燃焼により排出された燃焼排ガスから水を回収し、回収した水をイオン除去装置によりイオンを除去する。従来の燃料電池システムは、イオンを除去した脱イオン水を利用して、燃料電池の発電に用いる水素を生成する。【０００３】
図７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７に示すように、燃料電池システム７０は、燃料電池７１と、燃料ガス生成装置７２と、気液分離器７４と、熱交換器７５と、脱気装置７６と、凝縮水タンク７８と、イオン除去装置７９と、純水タンク７７とから構成される。【０００４】
燃料ガス生成装置７２は、燃料電池７１に供給する燃料ガスを生成する。気液分離器７４は、燃料電池７１から排出された燃料排ガスに含まれる水分を凝縮し、燃料排ガス凝縮水と水素を含む燃焼ガスとに分離する。燃料ガス生成装置７２の燃焼部７３は、気液分離器７４により分離された水素を含む燃焼ガスを燃焼する。熱交換器７５は、燃焼部７３での燃焼によって排出された燃焼排ガスを、熱交換により凝縮し、燃焼排ガス凝縮水を生成する。【０００５】
脱気装置７６は、熱交換器７５で凝縮された燃焼排ガス凝縮水を、燃料電池７１から排出された排空気により脱気処理する。凝縮水タンク７８は、気液分離器７４で凝縮された燃料排ガス凝縮水と、熱交換器７５で凝縮された後に脱気装置７６により脱気された燃焼排ガス凝縮水とを貯水する。イオン除去装置７９は、凝縮水タンク７８に貯水された凝縮水に含まれるイオンを除去する。イオンを除去された脱イオン水は、純水タンク７７に貯水される。【０００６】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムにおいては、気液分離器７４で凝縮された燃料排ガス凝縮水は、多量の炭酸ガスを含む。炭酸ガスは、凝縮水タンク７８において、重炭酸イオンとして解離する。このため、凝縮水タンク７８に貯水される凝縮水は、多量の重炭酸イオンを含む。この結果、イオン除去装置７９で除去すべきイオンの量が増大する。これにより、イオン除去装置７９の耐久性が低下し、燃料電池システムの運転が短期間で不安定になる課題を有していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１２９３３４号公報
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料排ガス凝縮水に含まれる炭酸ガスの濃度を低減し、長期に亘り運転状態が安定する燃料電池システムを提供する。
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、凝縮水を貯水する凝縮水タンクと、凝縮水に含まれるイオンを除去して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て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を有する。さらに本発明は、燃料ガスに含まれる水素および空気供給装置から供給された空気を利用して発電を行う燃料電池と、燃料電池から排出された燃料排ガスを、燃焼ガスと燃料排ガス凝縮水とに気液分離する気液分離器とを有する。さらに本発明は、燃料ガス生成装置に設けられ、気液分離器で分離された燃焼ガス中の水素を燃焼させる燃焼部と、燃焼部での燃焼により発生した燃焼排ガスを熱交換することにより燃焼排ガス中の水分を凝縮し、燃焼排ガス凝縮水を生成する熱交換器とを有する。さらに本発明は、燃料排ガス凝縮水と燃焼排ガス凝縮水とを、脱気用空気と接触させることにより、燃料排ガス凝縮水および燃焼排ガス凝縮水の中に含まれる炭酸ガスを除去して得られる凝縮水を生成する脱気装置とを有する。
【００１０】
かかる構成によれば、燃焼排ガス凝縮水および燃料排ガス凝縮水が脱気装置により脱気処理される。このため、燃焼排ガス凝縮水および燃料排ガス凝縮水の中の炭酸ガスの濃度が低減し、凝縮水タンクの中で解離する重炭酸イオンの濃度が著しく低減する。この結果、イオン除去装置で除去すべきイオンの量が減少することにより、イオン除去装置の耐久性が向上し、燃料電池システムの長期に亘る安定した運転状態が維持される。従って本発明の燃料電池システムは、凝縮水タンクに貯水された凝縮水の重炭酸イオンの濃度を低減することにより、イオン除去装置の耐久性を向上させ、長期に亘り運転状態が安定する燃料電池システムとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図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。
【図２】図２は、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である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、同実施の形態における燃料電池システムの別な状態を示す構成図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムを示す構成図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムを示す構成図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの構成図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、同実施の形態における燃料電池システムの別な状態を示す構成図である。
【図７】図７は、従来の燃料電池システムを示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（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。図１に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１０は、凝縮水タンク１８と、イオン除去装置１９と、水ポンプ１１０と、燃料ガス生成装置１２と、空気供給装置１１４と、燃料電池１１とを有している。凝縮水タンク１８は、凝縮水を貯水する。イオン除去装置１９は、凝縮水タンク１８から供給される凝縮水のイオンを除去することにより、凝縮水を脱イオン水にする。脱イオン水は、水ポンプ１１０により、燃料ガス生成装置１２へ送られる。燃料ガス生成装置１２は、脱イオン水の供給を受けて都市ガスを改質し、水素を主成分とする燃料ガスを生成する。燃料電池１１は、空気供給装置１１４から空気の供給を受けるとともに、燃料ガス生成装置１２から燃料ガスの供給を受ける。燃料電池１１は、燃料ガス生成装置１２から供給された燃料ガスに含まれる水素と、空気供給装置１１４から供給された空気に含まれる酸素とから発電を行う。
【００１３】
以下に、本実施の形態に係る燃料電池システム１０を構成する各構成要素の、材料や作用について具体的に説明する。凝縮水タンク１８は、例えばステンレスや樹脂などで構成され、凝縮水を貯水する。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、イオン交換樹脂が充填されている。イオン交換樹脂は、凝縮水中の陽イオンと陰イオンとを吸着して、凝縮水を脱イオン化し、脱イオン水を生成する。
【００１４】
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。燃料ガス生成装置１２は、都市ガスと、イオン除去装置１９により生成された脱イオン水とを、約６５０℃で化学反応させて、水素と二酸化炭素を生成する。この場合、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。なお、燃料ガス生成装置１２は、化学反応により微量発生する一酸化炭素を、二酸化炭素に酸化する、例えば選択酸化装置などを有している。選択酸化装置は、例えば、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構成される。
【００１５】
また、燃料電池１１は、水素イオン伝導性電解質膜（図示せず）の両側に、それぞれ燃料極（図示せず）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。水素イオン伝導性電解質膜は、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ものを用いる。また、燃料極と空気極は、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ものを用いる。この構成により、燃料電池１１は、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を電気化学反応させて発電する。
【００１６】
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。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、安定運転時においては燃料電池１１で使用されずに排出された燃料排ガス中の水素を燃焼させる。このようにして、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。
【００１７】
燃焼部１３においては、水素の燃焼により、燃焼排ガスが発生する。燃焼排ガスは、燃焼部１３から熱交換器１５に送られる。燃焼排ガス中に含まれる水分は、熱交換器１５で熱交換により凝縮され、燃焼排ガス凝縮水となり、凝縮水タンク１８に貯水される。
【００１８】
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。運転開始時、ガス供給管（図示せず）からの都市ガスと、燃焼空気供給用送風機（図示せず）からの燃焼用空気が、燃焼部１３に供給されて燃焼が始まる。燃焼部１３において燃焼により発生した燃焼排ガスは、熱交換器１５に送られる。燃焼排ガス中に含まれる水分は、熱交換器１５で熱交換により凝縮され、燃焼排ガス凝縮水となり、凝縮水タンク１８に貯水される。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。
【００１９】
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、以下の運転動作を行う。まず、燃料ガス生成装置１２は、凝縮水タンク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。つぎに、燃料電池１１は、供給された燃料ガス中の水素と、空気供給装置１１４から供給された空気中の酸素との電気化学反応により発電を行う。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に供給される。燃料ガス生成装置１２は、この水素を燃焼させる。
【００２０】
燃料電池１１と燃料ガス生成装置１２との間に設けられた気液分離器１４は、燃料排ガスを、気体成分である燃焼ガスと液体成分である燃料排ガス凝縮水とに分離する。燃料排ガス中の水素は、燃焼ガスに含まれ、燃料ガス生成装置１２の燃焼部１３に供給される。このようにして、含有水分量の少ない水素系改質ガスである燃焼ガスが燃焼部１３で燃焼され、煤などが発生しない、安定した燃焼となる。
【００２１】
以下に、本実施の形態の燃料電池システム１０における凝縮水の流れについて説明する。まず、熱交換器１５により凝縮された燃焼排ガス凝縮水は、燃焼排ガス凝縮水流路１１１を介して、例えば熱交換器１５の下側で、燃焼排ガス凝縮水の落下位置に配置した脱気装置１６に送水される。なお、燃焼排ガス凝縮水流路１１１は必須の構成ではない。例えば、燃焼排ガス凝縮水流路１１１を用いずに、熱交換器１５と脱気装置１６とを一体とする構成がある。
【００２２】
一方、気液分離器１４により分離された燃料排ガス凝縮水は、燃料排ガス凝縮水流路１１２を介して、例えば気液分離器１４の下側で、燃料排ガス凝縮水の落下位置に配置した脱気装置１６に送水される。なお、燃料排ガス凝縮水流路１１２は必須の構成ではない。例えば、燃料排ガス凝縮水流路１１２を用いずに、気液分離器１４と脱気装置１６とを一体とする構成がある。
【００２３】
脱気装置１６の内部には、例えばラシヒリングなどで構成される充填材１７が充填される。送風機１１３から送られた脱気用空気は、凝縮水タンク１８に設けられた空気供給口１１５を通して、脱気装置１６の、例えば下部側から流入する。この場合、脱気装置１６の上側から流入する燃焼排ガス凝縮水および燃料排ガス凝縮水と、脱気装置１６の下側から流入する脱気用空気とは、流入する方向が対向して接触する。これにより、燃焼排ガス凝縮水および燃料排ガス凝縮水は、炭酸ガスが除去された後に、凝縮水として凝縮水タンク１８に貯水される。凝縮水タンク１８に貯水された凝縮水は、水ポンプ１１０によりイオン除去装置１９に送られる。凝縮水は、イオン除去装置１９によりイオンが除去された後、脱イオン水として燃料ガス生成装置１２に供給される。
【００２４】
上記構成により、燃焼排ガス凝縮水に含まれる炭酸ガスが除去されるとともに、燃料排ガス凝縮水に含まれる炭酸ガスも除去される。このため、凝縮水タンク１８に貯水された凝縮水の中で解離する重炭酸イオンの濃度が著しく減少する。この結果、イオン除去装置１９で除去すべきイオンの量がさらに少なくなり、イオン除去装置１９の耐久性が飛躍的に向上する。
【００２５】
以下に、凝縮水タンク１８に貯水される凝縮水の性状を基準に、効果について具体的に説明する。本実施の形態の燃料電池システム１０を２４時間連続で運転した後の、凝縮水タンク１８に貯水された凝縮水の性状を、導電率と重炭酸イオン濃度とから評価した。この結果、導電率は５μＳ／ｃｍで、重炭酸イオン濃度は３．１ｍｇ／Ｌであった。一方、比較のために、燃焼排ガス凝縮水のみを脱気処理し、燃料排ガス凝縮水は脱気処理せず、直接、凝縮水タンク１８に貯水する従来の燃料電池システムについて同様の評価をした。この結果、導電率は１０μＳ／ｃｍで、重炭酸イオン濃度は１２．４ｍｇ／Ｌであった。
【００２６】
つまり、本実施の形態の燃料電池システム１０の凝縮水は、従来の燃料電池システムの凝縮水に比べて、導電率で１／２倍、重炭酸イオンの量で１／４倍であった。この結果から、本実施の形態によれば、重炭酸イオンの量の減少により、イオン除去装置１９の耐久性が、４倍程度向上する。このため、燃料電池システム１０は、長期に亘り安定して運転される。
【００２７】
（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。図２は、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である。なお、図２において、図１と同一の構成要素は同じ符号を用いて説明する。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、気液分離器１４と脱気装置１６とを連通する燃料排ガス凝縮水流路１１２に、バッファータンク２１を設けた点で実施の形態１と異なる。
【００２８】
バッファータンク２１は、例えばステンレスや樹脂などで構成され、燃料排ガス凝縮水流路１１２を介して、気液分離器１４と脱気装置１６とに接続される。バッファータンク２１は、気液分離器１４により燃焼排ガスから分離された燃料排ガス凝縮水を貯水する。
【００２９】
この場合、バッファータンク２１の底面２１Ａの位置（高さ）は、脱気装置１６の最上面１６Ａの位置（高さ）より下側になるように配置される。また、バッファータンク２１の最上面２１Ｂの位置（高さ）は、脱気装置１６の最上面１６Ａの位置（高さ）より上側になるように配置される。
【００３０】
この構成により、バッファータンク２１は、常に一定量の燃料排ガス凝縮水を貯水する。これにより、バッファータンク２１は、脱気装置１６から燃料排ガス凝縮水流路１１２を逆流する脱気用空気と、気液分離器１４で分離しきれず燃料排ガス凝縮水流路１１２に通流する燃料排ガスとを水封する。この結果、燃料排ガスと脱気用空気との接触による反応が未然に防止される。これにより、燃料電池システム２０は、長期に亘り安定かつ安全に運転される。
【００３１】
また、実施の形態１と同様に、燃焼排ガス凝縮水に含まれる炭酸ガスが除去されるとともに、燃料排ガス凝縮水に含まれる炭酸ガスも除去される。このため、凝縮水タンク１８に貯水された凝縮水の中で解離する重炭酸イオンの濃度が、著しく減少する。この結果、イオン除去装置１９で除去するイオンの量が、さらに少なくなり、イオン除去装置１９の耐久性が、飛躍的に向上する。
【００３２】
以下に、凝縮水タンク１８に貯水する凝縮水の性状を基準に、効果について具体的に説明する。本実施の形態の燃料電池システム２０を２４時間連続で運転した後の、凝縮水タンク１８に貯水された凝縮水の性状を、導電率と重炭酸イオン濃度とから評価した。この結果、導電率は５μＳ／ｃｍで、重炭酸イオン濃度は３．１ｍｇ／Ｌであった。一方、比較のために、燃焼排ガス凝縮水のみを脱気処理し、燃料排ガス凝縮水は脱気処理せず、直接、凝縮水タンク１８に貯水する従来の燃料電池システムについて同様の評価をした。この結果、導電率は１０μＳ／ｃｍで、重炭酸イオン濃度は１２．４ｍｇ／Ｌであった。
【００３３】
つまり、本実施の形態の燃料電池システム２０の凝縮水は、従来の燃料電池システムの凝縮水に比べて、導電率で１／２倍、重炭酸イオンの量で１／４倍であった。この結果から、本実施の形態によれば、重炭酸イオンの量の減少によりイオン除去装置１９の耐久性が４倍程度向上する。このため、燃料電池システム２０は、長期に亘り安定して運転される。
【００３４】
（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。図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成図である。図３Ａは、バッファータンクに貯水された燃料排ガス凝縮水の水位が、予め設定した基準水位未満での状態を示す。図３Ｂは、バッファータンクに貯水された燃料排ガス凝縮水の水位が、予め設定した基準水位以上での状態を示す。なお、図３Ａ、図３Ｂにおいて、図１と同一の構成要素は同じ符号を用いて説明する。図３Ａ、図３Ｂに示すように、本実施の形態の燃料電池システム３０は、燃料排ガス凝縮水流路１１２に、水位センサ３３を備えたバッファータンク３１と、遮断弁３２および遮断弁３２の開閉を制御する制御部３４とを設けた点で実施の形態１と異なる。
【００３５】
バッファータンク３１は、例えばステンレスや樹脂などで構成され、燃料排ガス凝縮水流路１１２を介して、気液分離器１４と遮断弁３２とに接続される。さらに、遮断弁３２は、脱気装置１６に接続される。水位センサ３３は、バッファータンク３１に貯水された燃料排ガス凝縮水の水位を検出する。制御部３４は、水位センサ３３により検出された情報に基づいて、遮断弁３２の開閉を制御する。制御部３４による遮断弁３２の開閉制御について、以下に説明する。
【００３６】
図３Ａおよび図３Ｂを用いて、本実施の形態の燃料排ガス凝縮水流路１１２における、燃料排ガス凝縮水および、燃料排ガスや脱気用空気の流れについて説明する。気液分離器１４で分離された燃料排ガス凝縮水は、バッファータンク３１に貯水される。
【００３７】
まず、図３Ａに示すように、バッファータンク３１に貯水された燃料排ガス凝縮水の水位が予め設定した基準水位未満であると水位センサ３３が検出した場合、制御部３４は遮断弁３２を閉止する。これにより、燃料排ガス凝縮水流路１１２の、バッファータンク３１と脱気装置１６との間が、遮断弁３２により遮断される。つまり、脱気装置１６から燃料排ガス凝縮水流路１１２を逆流する脱気用空気の流れと、気液分離器１４で分離しきれず燃料排ガス凝縮水流路１１２に通流する燃料排ガスの流れとが、遮断弁３２により遮断される。
【００３８】
一方、図３Ｂに示すように、バッファータンク３１に貯水された燃料排ガス凝縮水の水位が予め設定した基準水位以上であると水位センサ３３が検出した場合、制御部３４は遮断弁３２を開放する。これにより、燃料排ガス凝縮水が、バッファータンク３１から脱気装置１６に落下する。燃料排ガス凝縮水は、脱気装置１６により脱気処理された後、凝縮水タンク１８に貯水される。つまり、脱気装置１６を介して逆流する脱気用空気と、気液分離器１４で分離しきれず燃料排ガス凝縮水流路１１２に通流する燃料排ガスとが、バッファータンク３１に貯水した燃料排ガス凝縮水により水封される。
【００３９】
ここで、上記で説明した基準水位は、一般的な家庭用の据置型燃料電池システムのバッファータンクであれば、例えば１０ｃｍ程度である。なお、この基準水位は、上記水位に限定されるものではない。基準水位は、例えば、送風機１１３から送り込まれる脱気用空気の圧力や、気液分離器１４で分離しきれずに漏洩する燃料排ガスの圧力に応じて、バッファータンク３１で水封が保たれる水位に設定される。
【００４０】
上記構成により、脱気用空気が、脱気装置１６を介して燃料排ガス凝縮水流路１１２へ逆流することを遮断できる。また、気液分離器１４で分離しきれなかった燃料排ガスが、脱気装置１６へ流入することを遮断できる。この結果、燃料排ガスと脱気用空気との接触による反応が未然に防止される。これにより、燃料電池システム３０の安全性が確保される。
【００４１】
また、実施の形態１と同様に、燃焼排ガス凝縮水に含まれる炭酸ガスが除去されるとともに、燃料排ガス凝縮水に含まれる炭酸ガスも除去される。このため、凝縮水タンク１８に貯水された凝縮水の中で解離する重炭酸イオンの濃度が著しく減少する。この結果、イオン除去装置１９で除去するイオンの量が、さらに少なくなり、イオン除去装置１９の耐久性が飛躍的に向上する。
【００４２】
以下に、凝縮水タンク１８に貯水する凝縮水の性状を基準に、効果について具体的に説明する。まず、本実施の形態の燃料電池システム３０を２４時間連続で運転した後の、凝縮水タンク１８に貯水された凝縮水の性状を導電率と重炭酸イオン濃度とから評価した。この結果、導電率は５μＳ／ｃｍで、重炭酸イオン濃度は３．１ｍｇ／Ｌであった。一方、比較のために、燃焼排ガス凝縮水のみを脱気処理し、燃料排ガス凝縮水は脱気処理せず、直接、凝縮水タンク１８に貯水する従来の燃料電池システムについて同様の評価をした。この結果、導電率は１０μＳ／ｃｍで、重炭酸イオン濃度は１２．４ｍｇ／Ｌであった。
【００４３】
つまり、本実施の形態の燃料電池システム３０の凝縮水は、従来の燃料電池システムの凝縮水に比べて、導電率で１／２倍、重炭酸イオンの量で１／４倍であった。この結果から、本実施の形態によれば、重炭酸イオンの量の減少によりイオン除去装置１９の耐久性が４倍程度向上する。このため、燃料電池システム３０は、長期に亘り安定して運転される。
【００４４】
（実施の形態４）
以下に、本発明の実施の形態４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。図４は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムを示す構成図である。なお、図４において、図１と同一の構成要素は同じ符号を用いて説明する。図４に示すように、本実施の形態の燃料電池システム４０は、脱気装置１６に供給する脱気用空気を、図１に示す送風機１１３から得るのではなく、燃料電池１１からの排空気を利用する点で、実施の形態１と異なる。
【００４５】
具体的には、燃料電池１１から排出された排空気は、排空気流路４１を介して凝縮水タンク１８の空気供給口１１５に送られ、さらに、脱気用空気として、脱気装置１６に通流される。なお、排空気は、燃料電池システム４０を静置させた状態で、脱気装置１６の下部から上部に向かって通流させることが好ましい。これにより、炭酸ガスと脱気用空気とが対向して接触するため、接触時間が長くなり、脱気処理の効率が向上する。
【００４６】
この構成により、燃料電池１１の発電によって加温された排空気を、脱気処理に利用できる。この場合、加温された排空気は炭酸ガスとの反応効率が向上しているため、脱気処理の効率が向上する。つまり、燃料排ガス凝縮水および燃焼排ガス凝縮水中の重炭酸イオンの濃度が、さらに低減される。また、送風機１１３を用いないため、燃料電池システム４０の構成の簡素化や小型化が実現できる。
【００４７】
また、実施の形態１と同様に、燃焼排ガス凝縮水に含まれる炭酸ガスが除去されるとともに、燃料排ガス凝縮水に含まれる炭酸ガスも除去される。このため、凝縮水タンク１８に貯水された凝縮水の中で解離する重炭酸イオンの濃度が、著しく減少する。この結果、イオン除去装置１９で除去するイオンの量が、さらに少なくなり、イオン除去装置１９の耐久性が飛躍的に向上する。
【００４８】
以下に、凝縮水タンク１８に貯水する凝縮水の性状を基準に、効果について具体的に説明する。まず、本実施の形態の燃料電池システム４０を２４時間連続で運転した後の凝縮水タンク１８に貯水された凝縮水の性状を、導電率と重炭酸イオン濃度とから評価した。この結果、導電率は５μＳ／ｃｍで、重炭酸イオン濃度は３．１ｍｇ／Ｌであった。一方、比較のために、燃焼排ガス凝縮水のみを脱気処理し、燃料排ガス凝縮水は脱気処理せず、直接、凝縮水タンク１８に貯水する従来の燃料電池システムについて同様の評価をした。この結果、導電率は１０μＳ／ｃｍで、重炭酸イオン濃度は１２．４ｍｇ／Ｌであった。
【００４９】
つまり、本実施の形態の燃料電池システム４０の凝縮水は、従来の燃料電池システムの凝縮水に比べて、導電率で１／２倍、重炭酸イオンの量で１／４倍であった。この結果から、本実施の形態によれば、重炭酸イオンの量の減少によりイオン除去装置１９の耐久性が４倍程度向上する。このため、燃料電池システム４０は、長期に亘り安定して運転される。
【００５０】
（実施の形態５）
以下に、本発明の実施の形態５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。図５は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムを示す構成図である。なお、図５において、図２と同一の構成要素は同じ符号を用いて説明する。図５に示すように、本実施の形態の燃料電池システム５０は、脱気装置１６に供給する脱気用空気を、図２に示す送風機１１３から得るのではなく、燃料電池１１からの排空気を利用する点で、実施の形態２と異なる。
【００５１】
具体的には、燃料電池１１から排出された排空気は、排空気流路５１を介して凝縮水タンク１８の空気供給口１１５に送られ、さらに、脱気用空気として、脱気装置１６に通流される。なお、排空気は、燃料電池システム５０を静置させた状態で、脱気装置１６の下部から上部に向かって通流させることが好ましい。これにより、炭酸ガスと脱気用空気とが対向して接触するため、接触時間が長くなり、脱気処理の効率が向上する。
【００５２】
この構成により、燃料電池１１の発電によって加温された排空気を、脱気処理に利用できる。この場合、加温された排空気は炭酸ガスとの反応効率が向上しているため、脱気処理の効率が向上する。つまり、燃料排ガス凝縮水および燃焼排ガス凝縮水中の重炭酸イオンの濃度が、さらに低減される。また、送風機１１３を用いないため、燃料電池システム５０の構成の簡素化や小型化が実現できる。
【００５３】
また、実施の形態２と同様に、バッファータンク２１は、脱気装置１６から燃料排ガス凝縮水流路１１２を逆流する脱気用空気と、気液分離器１４で分離しきれず燃料排ガス凝縮水流路１１２に通流する燃料排ガスとを水封する。この結果、燃料排ガスと脱気用空気との接触による反応が未然に防止される。これにより、燃料電池システム５０は、長期に亘り安定かつ安全に運転される。
【００５４】
さらに、実施の形態２と同様に、燃焼排ガス凝縮水に含まれる炭酸ガスが除去されるとともに、燃料排ガス凝縮水に含まれる炭酸ガスも除去される。このため、凝縮水タンク１８に貯水された凝縮水の中で解離する重炭酸イオンの濃度が著しく減少する。この結果、イオン除去装置１９で除去するイオンの量が、さらに少なくなり、イオン除去装置１９の耐久性が飛躍的に向上する。
【００５５】
以下に、凝縮水タンク１８に貯水する凝縮水の性状を基準に、効果について具体的に説明する。まず、本実施の形態の燃料電池システム５０を２４時間連続で運転した後の、凝縮水タンク１８に貯水された凝縮水の性状を、導電率と重炭酸イオン濃度とから評価した。この結果、導電率は５μＳ／ｃｍで、重炭酸イオン濃度は３．１ｍｇ／Ｌであった。一方、比較のために、燃焼排ガス凝縮水のみを脱気処理し、燃料排ガス凝縮水は脱気処理せず、直接、凝縮水タンク１８に貯水する従来の燃料電池システムについて同様の評価をした。この結果、導電率は１０μＳ／ｃｍで、重炭酸イオン濃度は１２．４ｍｇ／Ｌであった。
【００５６】
つまり、本実施の形態の燃料電池システム５０の凝縮水は、従来の燃料電池システムの凝縮水に比べて、導電率で１／２倍、重炭酸イオンの量で１／４倍であった。この結果から、本実施の形態によれば、重炭酸イオンの量の減少によりイオン除去装置１９の耐久性が４倍程度向上する。このため、燃料電池システム５０は、長期に亘り安定して運転される。
【００５７】
（実施の形態６）
以下に、本発明の実施の形態６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。図６Ａおよび図６Ｂは、本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの構成図である。図６Ａは、バッファータンクに貯水された燃料排ガス凝縮水の水位が、予め設定した基準水位未満での状態を示す。図６Ｂは、バッファータンクに貯水された燃料排ガス凝縮水の水位が、予め設定した基準水位以上での状態を示す。なお、図６Ａ、図６Ｂにおいて、図３Ａ、図３Ｂと同一の構成要素は同じ符号を用いて説明する。図６Ａ、図６Ｂに示すように、本実施の形態の燃料電池システム６０は、脱気装置１６に供給する脱気用空気を、図３Ａ、図３Ｂにおける送風機１１３から得るのではなく、燃料電池１１からの排空気を利用する点で、実施の形態３と異なる。なお、他の構成や作用は、実施の形態３と同様である。
【００５８】
具体的には、燃料電池１１から排出された排空気は、排空気流路６１を介して凝縮水タンク１８の空気供給口１１５に送られ、さらに、脱気用空気として、脱気装置１６に通流される。なお、排空気は、燃料電池システム６０を静置させた状態で、脱気装置１６の下部から上部に向かって通流させることが好ましい。これにより、炭酸ガスと脱気用空気とが対向して接触するため、接触時間が長くなり、脱気処理の効率が向上する。
【００５９】
この構成により、燃料電池１１の発電によって加温された排空気を、脱気処理に利用できる。この場合、加温された排空気は炭酸ガスとの反応効率が向上しているため、脱気処理の効率が向上する。つまり、燃料排ガス凝縮水および燃焼排ガス凝縮水中の重炭酸イオンの濃度が、さらに低減される。また、送風機１１３を用いないため、燃料電池システム６０の構成の簡素化や小型化が実現できる。
【００６０】
また、遮断弁３２や燃料排ガス凝縮水の水封により、実施の形態３と同様に、脱気処理に使用する排空気が、脱気装置１６を介して燃料排ガス凝縮水流路１１２へ逆流することを遮断できる。また、気液分離器１４で分離しきれなかった燃料排ガスが、脱気装置１６へ流入することを確実に遮断できる。この結果、燃料排ガスと脱気用空気との接触による反応が未然に防止される。これにより、燃料電池システム６０の安全性が確保される。
【００６１】
さらに、実施の形態３と同様に、燃焼排ガス凝縮水に含まれる炭酸ガスが除去されるとともに、燃料排ガス凝縮水に含まれる炭酸ガスも除去される。このため、凝縮水タンク１８に貯水された凝縮水の中で解離する重炭酸イオンの濃度が著しく減少する。この結果、イオン除去装置１９で除去するイオンの量が、さらに少なくなり、イオン除去装置１９の耐久性が飛躍的に向上する。
【００６２】
以下に、凝縮水タンク１８に貯水する凝縮水の性状を基準に、効果について具体的に説明する。まず、本実施の形態の燃料電池システム６０を２４時間連続で運転した後の、凝縮水タンク１８に貯水された凝縮水の性状を導電率と重炭酸イオン濃度とから評価した。この結果、導電率は５μＳ／ｃｍで、重炭酸イオン濃度は３．１ｍｇ／Ｌであった。一方、比較のために、燃焼排ガス凝縮水のみを脱気処理し、燃料排ガス凝縮水は脱気処理せず、直接、凝縮水タンク１８に貯水する従来の燃料電池システムについて同様の評価をした。この結果、導電率は１０μＳ／ｃｍで、重炭酸イオン濃度は１２．４ｍｇ／Ｌであった。
【００６３】
つまり、本実施の形態の燃料電池システム６０の凝縮水は、従来の燃料電池システムの凝縮水に比べて、導電率で１／２倍、重炭酸イオンの量で１／４倍であった。この結果から、本実施の形態によれば、重炭酸イオンの量の減少によりイオン除去装置１９の耐久性が４倍程度向上する。このため、燃料電池システム６０は、長期に亘り安定して運転される。
【００６４】
なお、実施の形態４〜６では、燃料電池１１と凝縮水タンク１８の空気供給口１１５を排空気流路４１、５１、６１により接続した例を説明したが、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４１、５１、６１に熱交換器（図示せず）を設ける構成がある。この構成によると、排空気中に含まれる水分は、熱交換器（図示せず）によって凝縮され、排空気凝縮水となる。この排空気凝縮水は回収され、排空気凝縮水流路（図示せず）を介して凝縮水タンク１８に貯水される。この場合、排空気凝縮水は炭酸ガスをほとんど含まない。このため、イオン除去装置１９の耐久性には何ら影響を及ぼさない。これにより、凝縮水タンク１８に貯水する凝縮水が不足することが防止できる。これにより、燃料電池システム６０が安定して運転される。
【００６５】
以下に、この理由を、実施の形態６に示す燃料電池システム６０を例にして説明する。凝縮水タンク１８に貯水される凝縮水がなくなった場合、燃料電池システム６０は、燃料電池１１の温度と、燃料ガス生成装置１２の改質反応とを制御することができなくなる。この場合、一般的には、燃料電池システム６０の系外から、例えば水道水などが凝縮水タンク１８に補填される。しかし、水道水は、燃料電池システム６０で回収される凝縮水に比べて、多くのイオン成分を含む。このため、イオン除去装置１９の耐久性（寿命）を著しく劣化させる。この結果、燃料電池システム６０は、長期に亘り安定した運転ができなくなる。そこで、燃料排ガス凝縮水や燃焼排ガス凝縮水が不足した場合であっても、排空気からイオン成分の少ない排空気凝縮水を回収することにより、燃料電池システム６０は安定して運転される。なお、この構成は、実施の形態４、５の構成においても同様に実施でき、同様の効果を奏する。
【００６６】
また、各実施の形態において、脱気装置１６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、ヘリパック、コイルパック、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。
【００６７】
また、各実施の形態では、脱気用空気を、脱気装置１６の下部から流入させる構成を例に説明したが、これに限られない。例えば、脱気装置１６の上部や側面部から流入させる方法がある。なお、この場合の脱気用空気は、実施の形態４〜６においては、排空気である。
【００６８】
また、実施の形態２、３、５、６においては、気液分離器１４で分離した燃料排ガス凝縮水を貯水するバッファータンク２１，３１は、気液分離器１４と分離して構成されているが、これに限られない。例えば、気液分離器１４の下部に、バッファータンク２１、３１を気液分離器１４と一体的に備える構成があり、同様の効果を奏する。
【００６９】
なお、各実施の形態における燃料電池システム１０、２０、３０、４０、５０、６０に搭載する燃料電池１１には、リン酸形、固体酸化物形、固体高分子形、溶融炭酸塩形等の各種燃料電池を利用することができる。特に、運転温度が１００℃以下の燃料電池、例えば固体高分子形の燃料電池においては、燃料排ガス凝縮水に含まれる炭酸ガスが、他の燃料電池と比較して多い。このため、本願発明では炭酸ガスを効率的に脱気処理できるという特有の効果がある。
【００７０】
さらに、各実施の形態において、気液分離器１４は専用の構成としたが、専用の構成ではなく、気体と液体とを分離できる別な構成が利用できる。例えば、熱交換器や凝縮器等を利用して気液分離することができる。
【００７１】
以上説明したように本発明は、凝縮水を貯水する凝縮水タンクと、凝縮水に含まれるイオンを除去して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て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を有する。さらに本発明は、燃料ガスに含まれる水素および空気供給装置から供給された空気を利用して発電を行う燃料電池と、燃料電池から排出された燃料排ガスを、燃焼ガスと燃料排ガス凝縮水とに気液分離する気液分離器とを有する。さらに本発明は、燃料ガス生成装置に設けられ、気液分離器で分離された燃焼ガス中の水素を燃焼させる燃焼部と、燃焼部での燃焼により発生した燃焼排ガスを熱交換することにより燃焼排ガス中の水分を凝縮し、燃焼排ガス凝縮水を生成する熱交換器とを有する。さらに本発明は、燃料排ガス凝縮水と燃焼排ガス凝縮水とを、脱気用空気と接触させることにより、燃料排ガス凝縮水および燃焼排ガス凝縮水の中に含まれる炭酸ガスを除去して得られる凝縮水を生成する脱気装置とを有する。
【００７２】
これにより、燃焼排ガス凝縮水および燃料排ガス凝縮水が脱気装置により脱気処理される。このため、燃焼排ガス凝縮水および燃料排ガス凝縮水は、炭酸ガスの濃度が低減された後に回収される。この回収された凝縮水は、凝縮水タンクの中で解離する重炭酸イオンの濃度が著しく低い。この結果、イオン除去装置で除去すべきイオンの量が減少することにより、イオン除去装置の耐久性が向上し、長期に亘り運転状態が安定した燃料電池システムとなる。
【００７３】
また本発明は、気液分離器で分離された燃料排ガス凝縮水を貯水するためのバッファータンクをさらに備える。さらに本発明は、バッファータンクの底面の位置を脱気装置の最上面の位置より下側に、かつバッファータンクの最上面の位置を脱気装置の最上面の位置より上側に配置する。
【００７４】
これにより、バッファータンクには常に一定量の燃料排ガス凝縮水が貯水され、燃料排ガスや空気などが水封される。つまり、脱気用空気が燃料排ガス凝縮水流路に逆流することや、気液分離器で分離しきれなかった燃料排ガスが脱気装置へ流入することを遮断できる。この結果、燃料排ガスと脱気用空気との接触による反応が未然に防止されて、長期に亘り安定かつ安全に運転される燃料電池システムとなる。
【００７５】
また本発明は、気液分離器で分離された燃料排ガス凝縮水を貯水するためのバッファータンクと、バッファータンクと脱気装置の間に設け、燃料排ガス凝縮水の流れを遮断する遮断弁とを備える。さらに本発明は、バッファータンクに貯水された燃料排ガス凝縮水の水位を検知する水位センサとをさらに備え、水位センサが検出した情報に基づき遮断弁の開閉を制御する。
【００７６】
これにより、より安全に燃料排ガス凝縮水の脱気処理が行われる。具体的には、バッファータンクに基準水位以上の燃料排ガス凝縮水が貯水されている場合は、まず、遮断弁が開放され、燃料排ガス凝縮水がバッファータンクから脱気装置に送られる。つまり、逆流する脱気用空気と、気液分離器で分離できなかった燃料排ガスとが、バッファータンクに貯水された燃料排ガス凝縮水により水封される。また、バッファータンクの貯水量が基準水位未満の場合は、まず、遮断弁が閉止され、流路が遮断される。つまり、流路を逆流する脱気用空気と、気液分離器で分離できなかった燃料排ガスとが、遮断弁により遮断される。この結果、燃料排ガスと脱気用空気との接触による反応が未然に防止されて、長期に亘り安定かつ安全に運転される燃料電池システムとなる。
【００７７】
また本発明は、燃料排ガス凝縮水および燃焼排ガス凝縮水が脱気装置に流入する方向と対向する方向に、脱気用空気を脱気装置に流入させた。これにより、脱気装置に注入される燃料排ガス凝縮水および燃焼排ガス凝縮水と、脱気装置に供給される脱気用空気とが対向接触するため、接触時間が長くなり、脱気効率が向上する。この結果、燃料排ガス凝縮水と燃焼排ガス凝縮水の中に含まれる炭酸ガスの濃度が、より効率よく低減されて、イオン除去装置の耐久性がさらに向上する。従って、より長期に亘り安定かつ安全に運転される燃料電池システムとなる。
【００７８】
また本発明は、燃料電池から排出された排空気を脱気用空気として、脱気装置に供給する。これにより、送風機を配置する必要がなく、燃料電池システムが簡易な構成となる。また、排空気は、燃料電池で所定の温度に加熱されているため、脱気処理の効率が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の燃料電池システムは、燃料排ガスを凝縮した燃料排ガス凝縮水に含まれる炭酸ガスの濃度を低減できるので、高い信頼性と長寿命が要望される、定置式や移動式の燃料電池発電システムに利用できる。
【符号の説明】
【００８０】
１０，２０，３０，４０，５０，６０    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    凝縮水タンク
１９    イオン除去装置
２１，３１    バッファータンク
３２    遮断弁
３３    水位センサ
３４    制御部
４１，５１，６１    排空気流路
１１１    燃焼排ガス凝縮水流路
１１２    燃料排ガス凝縮水流路
１１３    送風機
１１４    空気供給装置
１１５    空気供給口
【図１】
2010079561.tif 000003
【図２】
2010079561.tif 000004
【図３Ａ】
2010079561.tif 000005
【図３Ｂ】
2010079561.tif 000006
【図４】
2010079561.tif 000007
【図５】
2010079561.tif 000008
【図６Ａ】
2010079561.tif 000009
【図６Ｂ】
2010079561.tif 000010
【図７】
2010079561.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成22年6月3日(2010.6.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凝縮水を貯水する凝縮水タンクと、
前記凝縮水に含まれるイオンを除去して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て、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前記水素および前記空気供給装置から供給された前記空気を利用し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を、燃焼ガスと燃料排ガス凝縮水とに気液分離する気液分離器と、
前記燃料ガス生成装置に設けられ、前記気液分離器で分離された前記燃焼ガス中の水素を燃焼させる燃焼部と、
前記燃焼部での燃焼により発生した燃焼排ガスを熱交換することにより前記燃焼排ガス中の水分を凝縮し、燃焼排ガス凝縮水を生成する熱交換器と、
前記燃料排ガス凝縮水と前記燃焼排ガス凝縮水とを、脱気用空気と接触させることにより、前記燃料排ガス凝縮水および前記燃焼排ガス凝縮水の中に含まれる炭酸ガスを除去して得られる前記凝縮水を生成する脱気装置と、
前記気液分離器と前記脱気装置とを連通する燃料排ガス凝縮水流路に設けられ、前記気液分離器で分離された前記燃料排ガス凝縮水を貯水するためのバッファータンクと、
を備え、
前記バッファータンクは、前記バッファータンクの底面の位置が前記脱気装置の最上面の位置より下側に、かつ前記バッファータンクの最上面の位置が前記脱気装置の最上面の位置より上側に配置され、前記バッファータンクに貯水された前記燃料排ガス凝縮水により、前記脱気装置から前記バッファータンクに逆流する前記脱気用空気を水封する燃料電池システム。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
前記気液分離器で分離された前記燃料排ガス凝縮水を貯水するためのバッファータンクと、前記バッファータンクと前記脱気装置の間に設け、前記燃料排ガス凝縮水の流れを遮断する遮断弁と、前記バッファータンクに貯水された前記燃料排ガス凝縮水の水位を検知する水位センサとをさらに備え、前記水位センサが検出した情報に基づき、前記遮断弁の開閉を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料排ガス凝縮水および前記燃焼排ガス凝縮水が前記脱気装置に流入する方向と対向する方向に、前記脱気用空気を前記脱気装置に流入させた請求項１又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池から排出された排空気を前記脱気用空気として、前記脱気装置に供給する請求項１、３、４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【国際調査報告】
2010079561.tif 000012
2010079561.tif 000013
2010079561.tif 000014
2010079561.tif 000015