(57)【要約】【課題】  より簡潔な構成により、確実に燃料電池システムの排水のｐＨを調整し、周辺環境に影響を及ぼさないようにすることが可能であり、かつ、生成水を再利用する場合に、浄化装置への負荷を減らすことが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料と酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池と、排ガス中の水分を凝縮させて凝縮水を生成する凝縮器と、燃料電池システム外部からの水を貯留する水貯留装置と、前記凝縮水と前記水貯留装置に貯留された水である貯留水とを混合して排出する排水装置と、を備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池と、
排ガス中の水分を凝縮させて凝縮水を生成する凝縮器と、
燃料電池システム外部からの水を貯留する水貯留装置と、
前記凝縮水と前記水貯留装置に貯留された貯留水とを混合して排出する排水装置と、を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
さらに、前記貯留水を加温する貯留水加温装置を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記排ガスは、燃料排ガスまたは酸化剤排ガスのいずれか一方を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記排水装置は、前記凝縮水を貯留して排出する凝縮水貯留排出装置と、
前記凝縮水貯留排出装置の外部において、前記凝縮水貯留排出装置から排出される前記凝縮水と前記貯留水を混合する貯留水混合装置と、を備える、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記貯留水混合装置は、前記凝縮水貯留排出装置から排出される前記凝縮水を貯留し排出する排出水貯留装置と、
前記排出水貯留装置に前記貯留水を供給する第１の貯留水供給装置と、を備える、
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記貯留水混合装置は、前記貯留水を供給する第２の貯留水供給装置と、
前記凝縮水貯留排出装置から排出される凝縮水を前記第２の貯留水供給装置から供給される貯留水と混合して排出する凝縮水排出装置と、を備える、
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記排水装置は、前記凝縮水を貯留して排出する凝縮水貯留排出装置と、
前記凝縮水貯留排出装置に前記貯留水を供給する第３の貯留水供給装置と、を備える、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記排水装置は、前記凝縮水の体積９に対して前記貯留水を体積１以上混合すべく構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記貯留水加温装置は、前記燃料電池から発生する熱により前記貯留水を加温する熱交換器である、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
さらに、前記貯留水の温度を検出する、貯留水温度検出装置と、
制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記貯留水温度検出装置により検出された温度に基づいて、前記貯留水の温度が所定温度以上に保たれるように前記貯留水加温装置を制御すべく構成されている、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
さらに、前記凝縮水貯留排出装置に貯留されている前記凝縮水を浄化する凝縮水浄化装置を備える、
請求項４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。より詳しくは、排ガスに含まれる水分を凝縮させて得られた凝縮水に、貯留した水または温水を混合して排出する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料と酸化剤を反応させて電力を得る。このとき、反応の生成物として水が生成する。この水は一般に生成水と呼ばれる。生成水は、凝縮させて回収され、必要に応じて燃料電池システムの外部へと排出される。
【０００３】
生成水を燃料電池システム外部へと排出する際には、周辺環境に影響を及ぼさないように、ｐＨを調整する必要がある。生成水に由来する水を含み、燃料電池システムの系外へと排出される水（以下、単に排水）のｐＨを調整する技術として、特許文献１に記載された技術がある。
【０００４】
特許文献１の燃料電池システムでは、排水のｐＨを調整するために、空気との接触、中性塩の水溶液や水道水との混合等を利用する。
【特許文献１】特開２００４−１７２０１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の技術において、排水のｐＨを調整するために、構造が複雑化しやすいという問題を有していた。また、排水のｐＨの調整が必ずしも十分でない場合もあった。さらに、燃料電池システムの水効率を向上させるべく生成水を再利用する場合に、浄化装置への負荷を減らす必要があった。
【０００６】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、より簡潔な構成により、確実に燃料電池システムの排水のｐＨを調整し、周辺環境に影響を及ぼさないようにすることが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。また、生成水を再利用する場合に、浄化装置への負荷を減らすことが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
二酸化炭素は、水に溶けると一部が水と反応し、以下のようにプロトンと重炭酸イオンおよび炭酸イオンを生じる。
【０００８】
ＣＯ２  ＋  Ｈ２Ｏ  ⇔  Ｈ＋  ＋  ＨＣＯ３−
ＨＣＯ３−  ⇔  Ｈ＋  ＋  ＣＯ３２−
このため、二酸化炭素の水溶液は酸性を示す。
【０００９】
また、塩素も、水に溶けると一部が水と反応し、以下のように、塩酸と次亜塩素酸を生じる。
【００１０】
Ｃｌ２  ＋  Ｈ２Ｏ  ⇔  ＨＣｌ  ＋  ＨＣｌＯ
塩酸は強酸であって、水溶液中でプロトンを生じる。
【００１１】
ＨＣｌ  ⇔  Ｈ＋  ＋  Ｃｌ−
よって、塩素の水溶液も酸性を示す。
【００１２】
このように、水に二酸化炭素や塩素が溶解すると、溶液は酸性となり、ｐＨが低下する。
【００１３】
ここで、生成水は、ガス中の水分を凝縮させたものであるから、イオン濃度が低く、ほぼ純水に近い。よって、微量の二酸化炭素が溶け込むだけで、ｐＨが５付近にまで下がってしまう。水質としてのｐＨの基準は、５より高く、５．３から６以上が要求されることが多い。しかし、上述のようなメカニズムにより、生成水をそのまま系外へと排出すると、水質基準を満たせなくなる。このため、生成水を系外へと排出するにあたっては、ｐＨを上昇させる必要がある。
【００１４】
ここで、水道水や井戸水には金属陽イオンが含まれ、ｐＨを上昇させる効果を持つ。このために、水道水や井戸水を生成水に混合して排出することも考えられる。しかし、水道水や井戸水には、二酸化炭素や塩素が溶解している場合が多く、その結果、ｐＨを上昇させる効果が弱くなっている。
【００１５】
そこで、本発明では、貯留した水、好ましくは温水を、生成水を凝縮させた水（以下、凝縮水）に混合して排出する。貯留した水は、大気との平衡により、二酸化炭素や塩素が水中から放出されることで、ｐＨを上昇させる能力（以下、緩衝能力と呼ぶ）が増加する。また、水を加温することにより、水中の二酸化炭素や塩素の濃度はさらに低下し、緩衝能力がさらに増加する。よって、確実に燃料電池システムの排水のｐＨを調整し、周辺環境に影響を及ぼさないようにすることが可能となる。
【００１６】
燃料電池システムにおいては、燃料電池から発生する熱を回収して、温水を生成して利用する、コージェネレーションシステムとすることで、全体のエネルギー効率が向上する。このため、特に家庭用等、設置型の燃料電池システムでは、温水の貯留槽を備えるコージェネレーションシステムとして設計するのが一般的である。コージェネレーションシステムでは、新たに温水生成手段を設けなくてもｐＨ調整用の温水を得られる。前記温水を凝縮水に混合すれば、ｐＨを確実に調整して排出できる。
【００１７】
さらに、温水の混合比を検討した結果、凝縮水９に対して温水を１以上（体積比）混合することで、ｐＨを６以上に調整することが可能であることが判明した。かかる比率で温水を混合することで、より確実に燃料電池システムの排水のｐＨを調整し、周辺環境に影響を及ぼさないようにすることが可能となる。
【００１８】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料と酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池と、排ガス中の水分を凝縮させて凝縮水を生成する凝縮器と、燃料電池システム外部からの水を貯留する水貯留装置と、前記凝縮水と前記水貯留装置に貯留された水である貯留水とを混合して排出する排水装置と、を備える（請求項１）。
【００１９】
これにより、貯留することで緩衝能力の高い水を調製し、これによって凝縮水のｐＨを調整することが可能となる。よって、簡潔な構成により、燃料電池システムの排水のｐＨを調整し、周辺環境に影響を及ぼさないようにすることが可能となる。
【００２０】
また、本発明に係る燃料電池システムは、さらに、前記貯留水を加温する貯留水加温装置を備えてもよい（請求項２）。
【００２１】
これにより、加温することで緩衝能力のさらに高い水を調製し、凝縮水のｐＨを調整することが可能となる。よって、簡潔な構成により、さらに確実に燃料電池システムの排水のｐＨを調整し、周辺環境に影響を及ぼさないようにすることが可能となる。
【００２２】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記排ガスは、燃料排ガスまたは酸化剤排ガスのいずれか一方を含んでいてもよい（請求項３）。
【００２３】
これにより、燃料排ガスまたは酸化剤排ガスに含まれる生成水のｐＨを調整して排出することができる。よって、燃料電池システムの排水のｐＨを調整し、周辺環境に影響を及ぼさないようにすることができる。
【００２４】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記排水装置は、前記凝縮水を貯留して排出する凝縮水貯留排出装置と、前記凝縮水貯留排出装置の外部において、前記凝縮水貯留排出装置から排出される前記凝縮水と前記貯留水を混合する貯留水混合装置と、を備えていてもよい（請求項４）。
【００２５】
これにより、凝縮水貯留排出装置には貯留水が混入しないこととなる。よって、凝縮水貯留排出装置に貯留された凝縮水を回収利用する場合にあっても、より純度の高い凝縮水を利用できる。
【００２６】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記貯留水混合装置は、前記凝縮水貯留排出装置から排出される前記凝縮水を貯留し排出する排出水貯留装置と、前記排出水貯留装置に前記貯留水を供給する第１の貯留水供給装置と、を備えていてもよい（請求項５）。
【００２７】
これにより、凝縮水貯留排出装置には貯留水が混入しないこととなる。よって、凝縮水貯留排出装置に貯留された凝縮水を回収利用する場合にあっても、より純度の高い凝縮水を利用できる。また、凝縮水は排出水貯留装置の内部で貯留水と混合されるため、より確実にｐＨを調整できる。よって、確実に燃料電池システムの排水のｐＨを調整し、周辺環境に影響を及ぼさないようにすることができる。
【００２８】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記貯留水混合装置は、前記貯留水を供給する第２の貯留水供給装置と、前記凝縮水貯留排出装置から排出される凝縮水を前記第２の貯留水供給装置から供給される貯留水と混合して排出する凝縮水排出装置と、を備えていてもよい（請求項６）。
【００２９】
これにより、凝縮水貯留排出装置には貯留水が混入しないこととなる。よって、凝縮水貯留排出装置に貯留された凝縮水を回収利用する場合にあっても、より純度の高い凝縮水を利用できる。また、凝縮水は凝縮水排出装置の内部で貯留水と混合され、そのまま貯留されずに排出される。よって、より簡潔な構成により、確実に燃料電池システムの排水のｐＨを調整し、周辺環境に影響を及ぼさないようにすることができる。
【００３０】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記排水装置は、前記凝縮水を貯留して排出する凝縮水貯留排出装置と、前記凝縮水貯留排出装置に前記貯留水を供給する第３の貯留水供給装置と、を備えていてもよい（請求項７）。
【００３１】
これにより、凝縮水は、凝縮水貯留排出装置に直接供給される。よって、さらに簡潔な構成により、確実に燃料電池システムの排水のｐＨを調整し、周辺環境に影響を及ぼさないようにすることができる。
【００３２】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記排水装置は、前記凝縮水の体積９に対して前記貯留水を体積１以上混合すべく構成されていてもよい（請求項８）。
【００３３】
これにより、排水のｐＨを略６以上に調整できる。よって、確実に燃料電池システムの排水のｐＨを調整し、周辺環境に影響を及ぼさないようにすることができる。
【００３４】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記貯留水加温装置は、前記燃料電池から発生する熱により前記貯留水を加温すべく構成されていてもよい（請求項９）。
【００３５】
これにより、燃料電池から発生する熱を有効に利用できる。よって、燃料電池システムのエネルギー効率を向上させることができる。
【００３６】
また、本発明に係る燃料電池システムは、さらに、前記貯留水の温度を検出する、貯留水温度検出装置と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記貯留水温度検出装置により検出された温度に基づいて、前記貯留水の温度が所定温度以上に保たれるように前記貯留水加温装置を制御すべく構成されていてもよい（請求項１０）。
【００３７】
これにより、貯留水の温度を所定温度以上に保つことができる。確実に加温を行うことで、緩衝能力のさらに高い水を調製し、凝縮水のｐＨを調整することが可能となる。したがって、より確実に燃料電池システムの排水のｐＨを調整し、周辺環境に影響を及ぼさないようにすることが可能となる。
【００３８】
また、本発明に係る燃料電池システムは、さらに、前記凝縮水貯留排出装置に貯留されている前記凝縮水を浄化する凝縮水浄化装置を備えてもよい（請求項１１）。
【００３９】
これにより、燃料電池から発生する生成水を有効に再利用できる。また、貯留水と混合する前の凝縮水を浄化して再利用するため、貯留水中のミネラル等が凝縮水浄化装置に対する負荷となることを防止できる。したがって、燃料電池システムの効率を向上できる。
【００４０】
特許請求の範囲および明細書にいうところの「凝縮水」とは、燃料電池システムの排ガス中の水分を凝縮させた時に生じる水であって、燃料電池において燃料と酸化剤の反応により生じた生成水や、燃料や酸化剤の加湿により供給された水分を含むものである。
【００４１】
特許請求の範囲および明細書にいうところの「燃料電池システム外部からの水」とは、凝縮水ではなく、液体の水として外部から供給された水をいう。水源としては、例えば、水道水や井戸水などが挙げられる。
【００４２】
特許請求の範囲および明細書にいうところの「貯留水」とは、燃料電池システム外部からの水をタンク等に貯留したものである。
【００４３】
特許請求の範囲および明細書にいうところの「排ガス」とは、燃料電池システムから排出される排ガスをいい、例えば、燃料排ガス、酸化剤排ガス、水素生成装置のバーナからの排ガス等が挙げられる。
【００４４】
特許請求の範囲および明細書にいうところの「貯留水加温装置」とは、貯留水を加温する装置であって、熱源は問わない。すなわち、燃料電池から発生する熱により貯留水の加温を行ってもよいし、それ以外の熱源を利用してもよい。
【００４５】
特許請求の範囲および明細書にいうところの「燃料排ガス」とは、燃料電池の燃料極（燃料が供給される電極）から排出されるガスをいう。
【００４６】
特許請求の範囲および明細書にいうところの「酸化剤排ガス」とは、燃料電池の酸化剤極（酸化剤が供給される電極）から排出されるガスをいう。
【００４７】
特許請求の範囲および明細書にいうところの「凝縮水排出装置」とは、凝縮水貯留排出装置から排出される凝縮水と、貯留水とを、貯留することなく混合して排出する装置をいい、例えば、三叉管等が挙げられる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明は、以上のような構成を有し、以下のような効果を奏する。すなわち、簡潔な構成により、確実に燃料電池システムの排水のｐＨを調整し、周辺環境に影響を及ぼさないようにすることが可能な燃料電池システムを提供することができるという効果を奏する。また、生成水を再利用する場合に、浄化装置への負荷を減らすことが可能な燃料電池システムを提供することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
［概略構成］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図１を参照しながら、本実施の形態に係る燃料電池システムについて、ハードウェアと制御系統に分けて説明する。
【００５０】
最初に、ハードウェアについて以下に説明する。図１に示す通り、本実施の形態の燃料電池システム１０のハードウェアは、燃料極と酸化剤極を備え、燃料極に供給された燃料と酸化剤極に供給された空気とを反応させて電力と熱を発生させる燃料電池１００と、原料と水から水素リッチな燃料を生成して燃料電池１００に供給する水素生成装置１０１と、燃料電池１００の燃料極から排出される燃料排ガス中の水分を凝縮させて凝縮水を生成する燃料側凝縮器１０２と、燃料側凝縮器１０２から排出された燃料排ガスを燃焼させて水素生成装置１０１を加熱するバーナ１０３と、酸化剤として空気を供給する酸化剤供給装置１０４と、酸化剤供給装置１０４から供給される空気を加湿して燃料電池１００に供給する加湿器１０５と、燃料電池１００の酸化剤極から排出される酸化剤排ガス中の水分を凝縮させて凝縮水を生成する酸化剤側凝縮器１０６と、燃料側凝縮器１０２および酸化剤側凝縮器１０６で生成された凝縮水を貯留し、前記貯留された凝縮水の水量が一定量を超えたときに排出する凝縮水貯留排出装置１０７と、凝縮水貯留排出装置１０７から排出された凝縮水を貯留して排出する排出水貯留装置１０８と、燃料電池１００を冷却する一次冷却水を循環させる一次冷却ポンプ１０９と、水を貯留して貯留水を生成する水貯留装置１１０と、前記貯留水を循環させる二次冷却ポンプ１１１と、前記一次冷却水により前記貯留水を加温する貯留水加温装置１１２と、前記貯留水を供給して排出水貯留装置１０８内の凝縮水に混合する第１の貯留水供給装置１１３と、凝縮水貯留排出装置１０７に貯留された凝縮水を浄化して再利用する凝縮水浄化装置１１６と、を備えている。
【００５１】
酸化剤供給装置１０４には、例えば、ブロワが用いられる。原料は図示されないポンプ等により供給される。原料には、例えば、都市ガスである天然ガスが用いられる。貯留水の水源には、燃料電池システム１０の外部から得られる水が利用される。本実施の形態では、前記水源として、水道水が用いられる。なお、前記水源は、井戸水等であってもよい。凝縮水浄化装置１１６には、例えば、ポンプ付きのイオン交換樹脂カラムが用いられる。加湿器１０５と酸化剤側凝縮器１０６は一体的に構成されて、空気と排ガスの全熱交換により空気を加湿してもよい。
【００５２】
なお、本実施の形態の燃料電池システムでは、燃料側凝縮器１０２および酸化剤側凝縮器１０６が、特許請求の範囲にいう「凝縮器」に相当する。また、凝縮水貯留排出装置１０７、排出水貯留装置１０８、第１の貯留水供給装置１１３が、特許請求の範囲にいう「排水装置」に相当する。さらに、排出水貯留装置１０８、第１の貯留水供給装置１１３が、特許請求の範囲にいう「貯留水混合装置」に相当する。
【００５３】
次に、制御系統について以下に説明する。図１に示すとおり、本実施の形態の燃料電池システム１０の制御系統は、前記貯留水の温度を検出する貯留水温度検出装置１１４と、制御装置１１５と、を備えている。制御装置１１５には、例えば、マイコンが用いられる。貯留水温度検出装置１１４には、例えば熱電対が用いられる。
【００５４】
次に、制御装置１１５の概略構成について以下に説明する。図２は、本発明の実施の形態１の制御装置１１５の概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図２を参照しながら、制御装置１１５について説明する。
【００５５】
制御装置１１５は、制御部２００と記憶部２０１を有している。制御部２００には、例えば、ＣＰＵが用いられる。記憶部２０１には、例えば、内部メモリが用いられる。制御部２００と記憶部２０１とは、相互に通信可能に接続されている。さらに、制御部２００は、水素生成装置１０１と相互に通信可能に接続されている。また、制御部２００は、燃料電池１００、貯留水温度検出装置１１４からの信号を受信可能に接続されている。また、制御部２００は、バーナ１０３、酸化剤供給装置１０４、二次冷却ポンプ１１１へ制御信号を送信可能に接続されている。燃料電池１００や水素生成装置１０１には、図示されない温度計が配設されており、制御部２００は、燃料電池１００および水素生成装置１０１の温度の検出値を受け取る。そして、必要に応じてその値を記憶部２０１に記憶させるとともに、記憶部２０１に記憶されている動作プログラムに従って、水素生成装置１０１、バーナ１０３、酸化剤供給装置１０４を制御することで、燃料電池１００の発電量および発熱量を制御する。また、制御部２００は、貯留水温度検出装置１１４から貯留水の温度の検出値を受け取る。そして、必要に応じてその値を記憶部２０１に記憶させると共に、記憶部２０１に記憶されている動作プログラムに従って、二次冷却ポンプ１１１を制御することで、貯留水の温度を一定温度に維持する。
［動作の概略］
次に、本実施の形態の燃料電池システム１０の動作について、特徴部分以外についてその概略を述べる。
【００５６】
まず、発電と熱の発生について説明する。水素生成装置１０１は、原料と、凝縮水浄化装置１１６から供給される水を用いて、水素リッチなガスである燃料を生成し、配管等を通じて燃料電池１００へ供給する。燃料電池１００は、前記燃料と、酸化剤供給装置１０４から加湿器１０５および配管等を通じて供給された空気を反応させることにより、電力と熱を発生させる。なお、前記水は、必ずしも凝縮水浄化装置１１６から供給される必要はなく、別の系統から供給されてもよい。
【００５７】
次に、熱の回収について説明する。燃料電池１００で発生した熱は、一次冷却水により回収され、さらに一次冷却水の熱を熱交換により貯留水に伝達する貯留水加温装置１１２により水貯留装置１１０へと輸送される。水貯留装置１１０と貯留水加温装置１１２は、二次冷却ポンプ１１１により貯留水が循環されるべく、配管が配設されている。以下、この配管を貯留水循環配管と呼ぶ。温められた貯留水は水貯留装置１１０に貯留される。貯留水の温度は貯留水温度検出装置１１４により検出され、検出信号が制御装置１１５に与えられる。制御装置１１５は、前記検出信号に基づいて二次冷却ポンプ１１１を制御することで、貯留水の温度を一定温度に保持する。加温された貯留水は温水として利用されると同時に、後述するように、凝縮水へと混合されて排出される。
【００５８】
次に、凝縮水の回収利用について説明する。燃料電池から排出される燃料と空気には、未反応の燃料と空気の他、燃料中の水素と空気中の酸素の反応によって生じた水や、加湿器１０５によって供給された水分等が含まれている。かかる水は、燃料側凝縮器１０２および酸化剤側凝縮器１０６により凝縮され、配管等を通じて凝縮水貯留排出装置１０７へと送られる。凝縮水貯留排出装置１０７に貯留された凝縮水の一部は、必要に応じて配管等を通じて凝縮水浄化装置１１６へと送られ、浄化されて、水素生成装置１０１において原料改質用の水として利用される。なお、凝縮水浄化装置１１６で浄化された水の再利用先は、水素生成装置１０１の水源に限られない。例えば、一次冷却水の水源として再利用してもよい。
［特徴となる構成および動作］
次に、本実施の形態の燃料電池システムの特徴となる構成および動作について説明する。本実施の形態の燃料電池システムの一つ目の特徴は、凝縮水を排出する場合に、貯留水を混合して排出することにある。また、本実施の形態の燃料電池システムの二つ目の特徴は、凝縮水を貯留する凝縮水貯留排出装置１０７に貯留水を直接混合せず、凝縮水貯留排出装置１０７とは隔離された排出水貯留装置１０８内部で貯留水と凝縮水を混合することにある。以下、かかる動作およびこれを実現するための構成について詳細に説明する。
【００５９】
まず、凝縮水貯留排出装置１０７について説明する。凝縮水貯留排出装置１０７は、燃料側凝縮器１０２および酸化剤側凝縮器１０６から凝縮水を供給される。凝縮水貯留排出装置１０７は、貯留している凝縮水が一定量を超えると、余剰分の凝縮水を、配管等を通じて排出水貯留装置１０８へと排出する。かかる動作は、如何なる方法によってもよく、一例を挙げれば、凝縮水貯留排出装置１０７のタンクの内面に、一定の高さに排出口を配設し、前記排出口から排出水貯留装置１０８へと配管等を通じて凝縮水が重力により排出されるようにしてもよい（オーバーフロー）。このとき、排出水貯留装置１０８から凝縮水貯留排出装置１０７へと水が逆流することがないように、排出水貯留装置１０８を凝縮水貯留排出装置１０７よりも下方に配設するか、配管内に弁を配設する等の措置をとるのが好ましい。あるいは、凝縮水貯留排出装置１０７に水位センサとポンプを配設し、制御装置が、前記水位センサの検出信号に基づいて前記ポンプを作動させることにより、凝縮水を排出水貯留装置１０８へと排出してもよい。この場合にあっても、排出水貯留装置１０８から凝縮水貯留排出装置１０７へと水が逆流しないような措置（弁の配設等）がとられるのが好ましい。凝縮水貯留排出装置１０７および排出水貯留装置１０８の構成は、凝縮水貯留排出装置１０７から排出水貯留装置１０８へと水が排出され、排出水貯留装置１０８から凝縮水貯留排出装置１０７へと水が逆流しないような構成であれば、如何なるものであってもよい。
【００６０】
次に、第１の貯留水供給装置１１３について説明する。第１の貯留水供給装置１１３は、貯留水を排出水貯留装置１０８へと供給する装置である。本実施の形態の燃料電池システムでは、図１に示すように、貯留水加温装置１１２の下流（貯留水加温装置１１２から排出され、水貯留装置１１０に供給されるまでの間の貯留水循環配管）に配管の分岐を設ける。そして、分岐された配管は第１の貯留水供給装置１１３に接続される。さらに、第１の貯留水供給装置１１３は、第１の貯留水供給装置１１３が排出する貯留水が排出水貯留装置１０８へと送られるように、配管等により排出水貯留装置１０８と接続されている。このような構成とすることにより、加温された貯留水が、第１の貯留水供給装置１１３を経て凝縮水へと混合され、排出される。温水では、溶解している塩素や二酸化炭素等のガス濃度がより低くなる。よって、貯留水の緩衝能力は高くなり、貯留水の消費量を少なくできる。したがって、水効率を向上できる。
【００６１】
第１の貯留水供給装置１１３は、貯留水を排出水貯留装置１０８に供給できるものであれば、如何なるものでもよい。第１の貯留水供給装置１１３は、例えば、単純な配管であってもよく、流量が調節されるべく絞り等を備えた配管であってもよく、ポンプを備えたタンクであって、前記ポンプを制御装置１１５が制御することで、貯留水の供給量が調整されてもよい。
【００６２】
なお、温水を消費することは、エネルギー効率の低下にもつながる。よって、貯留水加温装置１１２の上流（水貯留装置１１０から排出され、貯留水加温装置１１２に供給されるまでの間の配管）から貯留水を採取して凝縮水に供給してもよい。これにより、燃料電池システムのエネルギー効率の低下を防ぎつつ、排水のｐＨを調整できる。あるいは、水貯留装置１１０から貯留水を採取して凝縮水に供給してもよい。すなわち、第１の貯留水供給装置１１３は、水貯留装置１１０および貯留水循環配管のいずれの部位から貯留水を採取して排出水貯留装置１０８に供給してもよい。
【００６３】
次に、貯留水と凝縮水の混合比を検討する。燃料電池システムにおける凝縮水の生成量および再利用量は、定常運転時であればほぼ一定となる。よって、一定の速度で貯留水を排出水貯留装置１０８へと供給すれば、排水のｐＨを適正なレベルに調整することが可能になると考えられる。
【００６４】
図３は、凝縮水に貯留水を混合した場合の混合比（全体の水量に対する貯留水の割合：体積比）と、ｐＨとの関係を示す図である。これを見れば分かるように、貯留水を混合しない場合においては、ｐＨは５程度と低い。しかし、貯留水の混合比を１０％とすることで、ｐＨを６程度まで上昇させることができる。従って、凝縮水９に対して、貯留水を体積比で１以上混合することにより、排出される水のｐＨを略中性へと調整し、環境に負荷を与えないようにすることができる。ｐＨが６程度であれば、水質のｐＨに関するほとんどの基準（排水基準、水道水基準等）を満たすことができる。そこで、第１の貯留水供給装置１１３は、前記生成量に対して９分の１以上となるように、貯留水を排出水貯留装置１０８へと供給するのが好ましい。
【００６５】
次に、排出水貯留装置１０８について説明する。排出水貯留装置１０８は、内部に蓄積された水の量が一定量を超えるとこれを系外へと排出する。かかる動作は、如何なる方法によってもよい。例を挙げれば、タンクの内壁に一定の高さに開口部を設けて水をオーバーフローさせてもよく、フロートにより水位を検出し、前記フロートに連接された弁により、水位に応じて開口部を開閉してもよく、排出水貯留装置１０８に水位センサとポンプを配設し、制御装置１１５が、前記水位センサの検出信号に基づいて前記ポンプを作動させてもよい。
［効果］
上述のような構成および動作により、排出水貯留装置１０８内の水は、凝縮水と貯留水が混合されて、ｐＨが略中性に調整される。貯留水はコージェネレーションシステムでは必ず発生するものであり、かつ緩衝能力が高い。よって、簡潔な構成により貯留水を凝縮水に混合することのみで、確実に燃料電池システムの排水のｐＨを調整し、周辺環境に影響を及ぼさないようにすることが可能となる。
【００６６】
また、本実施の形態の燃料電池システムでは、凝縮水が凝縮水貯留排出装置１０７から凝縮水浄化装置１１６へと送られ、浄化されて再利用される。一般に、凝縮水は気体の水を凝縮させたものであり、イオン等の不純物の少ない、純度の高い水である。一方、貯留水は水道水や井戸水等のように、様々なイオンや不純物を含む。本実施の形態の燃料電池システムでは、凝縮水貯留排出装置１０７には、貯留水は混入せず、常に純度の高い凝縮水のみが保持される。よって、凝縮水浄化装置１１６に対する負荷を減らすことができる。
［より好ましい変形等］
なお、貯留水の供給量は、凝縮水の最大生成量の９分の１以上となるように調整してもよい。これにより、排水における貯留水の混合比は常に１０％以上となる。
【００６７】
また、貯留水の温度は、６０度以上であることが好ましい。これにより、貯留水中の塩素や二酸化炭素等を除去し、貯留水の緩衝能力を向上させることができる。よって、低温の貯留水を用いる場合に比べて、消費する水の量をより少なくできる。
【００６８】
また、水貯留装置１１０および貯留水を循環させる配管には、大気へ開放された開口部等を配設することが好ましい。これにより、貯留水中の塩素や二酸化炭素等が大気中へと揮散しやすくなる。よって、貯留水の緩衝能力をさらに効率よく向上させることができる。
【００６９】
なお、バーナ１０３からの排ガス中に含まれる水分を凝縮させて凝縮水を得る場合には、その他の凝縮水とは系統を分け、時間をおいてから凝縮水貯留排出装置１０７に導くのが好ましい。なぜなら、バーナの排ガスには、高濃度の二酸化炭素を含め、ｐＨを低下させる様々な物質が溶解しているためである。大気と略平衡状態になるまで凝縮水をおく事で、バーナ由来の凝縮水であっても、溶存している物質を揮散させることができ、ｐＨの低下を防止できる。また、凝縮水浄化装置１１６への負荷も減らすことができる。
（実施の形態２）
［概略構成］
実施の形態１の燃料電池システムは、凝縮水貯留排出装置から排出される凝縮水を排出水貯留装置に一度貯留して、前記排出水貯留装置に、貯留水を供給するものであるのに対し、本実施の形態の燃料電池システムは、凝縮水貯留排出装置から排出される凝縮水を貯留することなく、直接貯留水と混合して排出する点で異なっている。
【００７０】
図４は、本発明の実施の形態２の燃料電池システム２０の概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図４を参照しながら、燃料電池システム２０について説明する。なお、燃料電池システム２０は、燃料電池システム１０から第１の貯留水供給装置１１３と排出水貯留装置１０８を削除し、凝縮水排出装置１１７と第２の貯留水供給装置１１８を付加したものである。また、その他の部分については共通する。よって、燃料電池システム１０と燃料電池システム２０との間で共通する要素（図１と図４で同一の符号と名称が付されている要素）については、説明を省略する。
［特徴となる構成および動作］
凝縮水排出装置１１７は、凝縮水貯留排出装置１１７から排出される凝縮水を燃料電池システム２０の外部（系外）へと排出する装置である。凝縮水排出装置１１７は、排出水貯留装置１０８と異なり、タンク等により水を貯留せず、後述する第２の貯留水供給装置１１８から供給される貯留水を直接に混合し、系外へと水を排出する。凝縮水排出装置１１７としては、例えば、プラスチック配管等が用いられる。
【００７１】
第２の貯留水供給装置１１８は、凝縮水排出装置１１７へと貯留水を供給する装置である。本実施の形態の燃料電池システムでは、図４に示すように、貯留水加温装置１１２の下流（貯留水加温装置１１２から排出され、水貯留装置１１０に供給されるまでの間の貯留水循環配管）に配管の分岐を設ける。そして、分岐された配管は第２の貯留水供給装置１１８に接続される。さらに、第２の貯留水供給装置１１８は、第２の貯留水供給装置１１８が排出する貯留水が凝縮水排出装置１１７へと送られるように、配管等により凝縮水排出装置１１７と接続されている。このような構成とすることにより、加温された貯留水が、第２の貯留水供給装置１１８を経て凝縮水へと混合され、排出される。温水では、溶解している塩素や二酸化炭素等のガス濃度がより低くなる。よって、凝縮水へ混合される貯留水は、緩衝能力が高くなり、消費される貯留水の水量を少なくできる。
【００７２】
なお、第２の貯留水供給装置１１８は、貯留水を凝縮水排出装置１１７に供給できるものであれば、如何なるものであってもよい。第２の貯留水供給装置１１８は、例えば、単純な配管であってもよく、流量が調節されるべく絞り等を備えた配管であってもよく、ポンプを備えたタンクであって、前記ポンプを制御装置１１５が制御することで、貯留水の供給量が調整されてもよい。なお、第２の貯留水供給装置１１８は、水貯留装置１１０および貯留水循環配管のいずれの部位から貯留水を採取して凝縮水排出装置１１７に供給してもよい。
【００７３】
なお、本実施の形態の燃料電池システムでは、凝縮水貯留排出装置１０７、凝縮水排出装置１１７、第２の貯留水供給装置１１８が、特許請求の範囲にいう「排水装置」に相当する。また、凝縮水排出装置１１７、第２の貯留水供給装置１１８が、特許請求の範囲にいう「貯留水混合装置」に相当する。
［効果］
上述のような構成および動作により、燃料電池システム２０において、排出水貯留装置１０８内の水は、凝縮水と貯留水が混合されて、ｐＨが略中性に調整されることになる。貯留水はコージェネレーションシステムでは必ず発生するものであり、かつ緩衝能力が高い。また、本実施の形態によれば、排出水処理装置１０８が不要である。よって、より簡潔な構成により、貯留水を凝縮水に混合し、確実に燃料電池システムの排水のｐＨを調整することで、燃料電池システムの排水が周辺環境に影響を及ぼさないようにすることが可能となる。
【００７４】
また、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、凝縮水貯留排出装置１０７には、貯留水が逆流等により混入することはないため、凝縮水貯留排出装置１０７内部は、常に純度の高い凝縮水のみが存在する。よって、凝縮水浄化装置１１６に対する負荷を減らすことができる。
［より好ましい変形等］
なお、第２の貯留水供給装置１１８は、凝縮水の量（体積）に対して９分の１以上となるように、貯留水を凝縮水排出装置１１７へと供給するのが好ましい。貯留水の供給量は、凝縮水の最大生成量の９分の１以上となるように調整してもよい。貯留水の温度は、６０度以上であることが好ましい。水貯留装置１１０および貯留水を循環させる配管には、大気へ開放された開口部等を配設することが好ましい。バーナ１０３からの排ガス中に含まれる水分を凝縮させて凝縮水を得る場合には、その他の凝縮水とは系統を分け、時間をおいてから凝縮水貯留排出装置１０７に導くのが好ましい。
（実施の形態３）
［概略構成］
実施の形態２の燃料電池システムは、凝縮水貯留排出装置から排出される凝縮水を貯留することなく、直接貯留水と混合して排出するが、本実施の形態の燃料電池システムは、凝縮水浄化装置１１６を備えず、凝縮水貯留排出装置へ直接に貯留水を供給する点で異なっている。
【００７５】
図５は、本発明の実施の形態３の燃料電池システム３０の概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図５を参照しながら、燃料電池システム３０について説明する。なお、燃料電池システム３０は、燃料電池システム１０から第１の貯留水供給装置１１３と排出水貯留装置１０８と凝縮水浄化装置１１６を削除し、第３の貯留水供給装置１１８を付加したものである。また、その他の部分については共通する。よって、燃料電池システム１０と燃料電池システム２０との間で共通する要素（図１と図５で同一の符号と名称が付されている要素）については、説明を省略する。
［特徴となる構成および動作］
第３の貯留水供給装置１１９は、凝縮水貯留排出装置１０７へと貯留水を供給する装置である。本実施の形態の燃料電池システムでは、図５に示すように、貯留水加温装置１１２の下流（貯留水加温装置１１２から排出され、水貯留装置１１０に供給されるまでの間の貯留水循環配管）に配管の分岐を設ける。そして、分岐された配管は第３の貯留水供給装置１１９に接続される。さらに、第３の貯留水供給装置１１９は、第３の貯留水供給装置１１９が排出する貯留水が凝縮水貯留排出装置１０７へと送られるように、配管等により凝縮水貯留排出装置１０７と接続されている。このような構成とすることにより、加温された貯留水は、第３の貯留水供給装置１１９を経て凝縮水へと混合され、排出される。温水では、溶解している塩素や二酸化炭素等のガスがより少なくなる。よって、凝縮水へ混合される貯留水は、緩衝能力が高くなり、消費される貯留水の水量を少なくできる。
【００７６】
なお、第３の貯留水供給装置１１９は、貯留水を凝縮水貯留排出装置１０７に供給できるものであれば、如何なるものであってもよい。第３の貯留水供給装置１１９は、例えば、単純な配管であってもよく、流量が調節されるべく絞り等を備えた配管であってもよく、ポンプを備えたタンクであって、前記ポンプを制御装置１１５が制御することで、貯留水の供給量が調整されてもよい。なお、水貯留装置１１０および貯留水循環配管のいずれの部位から貯留水を採取して凝縮水貯留排出装置１０７に供給してもよい。
【００７７】
なお、本実施の形態の燃料電池システムでは、凝縮水貯留排出装置１０７、第３の貯留水供給装置１１９が、特許請求の範囲にいう「排水装置」に相当する。
［効果］
上述のような構成および動作により、燃料電池システム２０において、排出水貯留装置１０８内の水は、凝縮水と貯留水が混合されて、ｐＨが略中性に調整されることになる。貯留水はコージェネレーションシステムでは必ず発生するものであり、かつ緩衝能力が高い。よって、簡潔な構成により貯留水を凝縮水に混合することで、確実に燃料電池システムの排水のｐＨを調整し、周辺環境に影響を及ぼさないようにすることが可能となる。
【００７８】
なお、本実施の形態においては、凝縮水を再利用しないため、凝縮水浄化装置１１６に対する負荷を考慮する必要がない。よって、実施の形態１および実施の形態２と異なり、凝縮水貯留排出装置１０７へ直接、貯留水が供給される。これにより、実施の形態２よりもさらに簡潔な構成により、確実に燃料電池システムの排水のｐＨを調整し、燃料電池システムの排水が周辺環境に影響を及ぼさないようにすることが可能となる。
［より好ましい変形等］
なお、第３の貯留水供給装置１１９は、凝縮水の量（体積）に対して９分の１以上となるように、貯留水を凝縮水貯留排出装置１０７へと供給するのが好ましい。貯留水の供給量は、凝縮水の最大生成量の９分の１以上となるように調整してもよい。貯留水の温度は、６０度以上であることが好ましい。水貯留装置１１０および貯留水を循環させる配管には、大気へ開放された開口部等を配設することが好ましい。バーナ１０３からの排ガス中に含まれる水分を凝縮させて凝縮水を得る場合には、その他の凝縮水とは系統を分け、時間をおいてから凝縮水貯留排出装置１０７に導くのが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明に係る燃料電池システムは、簡潔な構成により、確実に燃料電池システムの排水のｐＨを調整し、燃料電池システムの排水が周辺環境に影響を及ぼさないようにすることが可能な燃料電池システムとして有用である。また、生成水を再利用する場合に、浄化装置への負荷を減らすことが可能な燃料電池システムとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１の制御装置の概略構成の一例を示すブロック図である。
【図３】凝縮水に貯留水を混合した場合の混合比（全体の水量に対する貯留水の割合：体積比）と、ｐＨとの関係を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２の燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態３の燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００８１】
１０、２０、３０  燃料電池システム
１００  燃料電池
１０１  水素生成装置
１０２  燃料側凝縮器
１０３  バーナ
１０４  酸化剤供給装置
１０５  加湿器
１０６  酸化剤側凝縮器
１０７  凝縮水貯留排出装置
１０８  排出水貯留装置
１０９  一次冷却ポンプ
１１０  水貯留装置
１１１  二次冷却ポンプ
１１２  貯留水加温装置
１１３  第１の貯留水供給装置
１１４  貯留水温度検出装置
１１５  制御装置
１１６  凝縮水浄化装置
１１７  凝縮水排出装置
１１８  第２の貯留水供給装置
１１９  第３の貯留水供給装置
２００  制御部
２０１  記憶部
【図１】
2006228619.tif 000003
【図２】
2006228619.tif 000004
【図３】
2006228619.tif 000005
【図４】
2006228619.tif 000006
【図５】
2006228619.tif 000007