(57)【要約】【課題】関連構成機器が水回収タンクから供給される水により劣化するのを防止すること。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池１及び改質器２と、それらで生じる水蒸気を凝縮させる凝縮器４，５と、凝縮器４，５での凝縮水を回収する水回収タンク７と、凝縮器４，５での凝縮水を水回収タンク７へ導く水回収ライン８と、水回収タンク７に回収された水を改質器２へ導く水供給ライン１０と、水回収タンク７に回収された水を水供給ライン１０へ吐出する水供給ポンプ１１とを備える。システム運転時には、水供給ポンプ１１により水回収タンク７の水が水供給ライン１０へ吐出され改質器２へ供給される。水回収ライン８には、イオン除去フィルタ９が設けられる。水回収タンク７から水供給ライン１０へ吐出された水をイオン除去フィルタ９へ戻すバイパスライン１２と、水供給ライン１０への水の流れをバイパスライン１２へ切り換える水遮断弁１４とが設けられる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に関わる構成機器と、
前記燃料電池及び前記構成機器の少なくとも一方で生じる水蒸気を凝縮させるための凝縮器と、
前記凝縮器で凝縮された水を回収するための水回収タンクと、
前記凝縮器で凝縮された水を前記水回収タンクへ導くための水回収ラインと、
前記水回収タンクに回収された水を前記構成機器へ導くための水供給ラインと、
前記水回収タンクに回収された水を前記水供給ラインへ吐出するための水供給ポンプと
を備え、前記燃料電池及び前記構成機器の運転時に前記水供給ポンプを駆動させて前記水回収タンクに回収された水を前記水供給ラインへ吐出し前記構成機器へ供給するようにした燃料電池システムにおいて、
前記水回収ラインに設けられ、前記水の中の導電性イオンを除去するためのイオン除去部と、
前記水回収タンクから前記水供給ラインへ吐出された水を前記イオン除去部へ戻すためのバイパスラインと、
前記水供給ラインへ吐出された水の流れを前記バイパスラインへ切り換えるための水流切換手段と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水回収タンクから前記構成機器へ供給される水の導電率を計測するための導電率計と、
前記導電率計で計測される導電率に基づき前記水供給ポンプ及び前記水流切換手段を制御するための制御手段と
を備え、前記制御手段は、前記計測される導電率が基準値より高いときは、前記水供給ラインへ吐出される水が前記バイパスラインへ流れるように前記水供給ポンプ及び前記水流切換手段を制御し、前記計測される導電率が基準値より低いときは、前記水供給ラインへ吐出される水が前記構成機器へ流れるように前記水供給ポンプ及び前記水流切換手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記バイパスラインに逆止弁が設けられ、前記逆止弁のリリーフ圧力が、前記構成機器へ水が供給されるときの前記水供給ラインの圧力以上に設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記構成機器は、供給される燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器を少なくとも含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水供給ラインへ吐出された水の流れを前記水流切換手段により前記バイパスラインへ切り換える操作を、システム起動時に行うことを特徴とする請求項１乃至４の何れか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】
この発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに係り、詳しくは、燃料電池等やその他の構成機器で生じる水を回収して構成機器へ供給するようにし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として、下記の特許文献１に記載された燃料電池システムがある。このシステムは、燃料電池から排出される酸化剤ガスに含まれる水蒸気を凝縮する凝縮器と、燃料電池から排出される排気燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮する凝縮器と、それら凝縮器で凝縮された水を回収する凝縮水タンクとを備える。凝縮水タンクに回収された水は、水供給路を通じて冷却水タンクへ送られることにより、燃料電池の冷却水として利用されるようになっている。また、凝縮水タンクから冷却水タンクに通じる水供給路には、冷却水タンクへ送られる水に含まれるイオンを除去するためのイオン除去フィルタが設けられる。
【０００３】
この他、特許文献２に記載された燃料電池システムには、燃料電池のための冷却水を循環させるメイン配管に熱交換器、メインタンク及びメインポンプが設けられる。メインタンクには、その中の冷却水を循環させるサブ配管が設けられ、このサブ配管には、イオン除去フィルタ及びサブポンプが設けられる。
【０００４】
また、特許文献３に記載された燃料電池システムには、燃料電池のための冷却水を循環させるメイン流路に熱交換器、冷却水タンク及び冷却水ポンプが設けられる。このメイン流路に対して、流路切替バルブを介してサブ流路が設けられ、このサブ流路にイオン除去フィルタが設けられる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１４１０９５号公報
【特許文献２】特開２０００−２０８１５７号公報
【特許文献３】特開２００４−１５２５２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上記した特許文献１乃至３に記載の燃料電池システムでは、システムを長期間起動させずに放置した場合に、凝縮水タンクや冷却水タンクに貯留された水の導電率が、空気中のイオンコンタミ等の影響を受けて悪化することがある。従って、この状態でシステムを再起動させた場合に、導電率の高い水が燃料電池に供給されることとなり、燃料電池の劣化を招くおそれがあった。ここで、凝縮水タンクや冷却水タンクの水を、燃料電池以外の構成機器（例えば、改質器）に供給することも考えられるが、この場合にも上記と同様の懸念がある。
【０００７】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、燃料電池に関わる構成機器が水回収タンクから供給される水により劣化するのを防止できる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池に関わる構成機器と、燃料電池及び構成機器の少なくとも一方で生じる水蒸気を凝縮させるための凝縮器と、凝縮器で凝縮された水を回収するための水回収タンクと、凝縮器で凝縮された水を水回収タンクへ導くための水回収ラインと、水回収タンクに回収された水を構成機器へ導くための水供給ラインと、水回収タンクに回収された水を水供給ラインへ吐出するための水供給ポンプとを備え、燃料電池及び構成機器の運転時に水供給ポンプを駆動させて水回収タンクに回収された水を水供給ラインへ吐出し構成機器へ供給するようにした燃料電池システムにおいて、水回収ラインに設けられ、水の中の導電性イオンを除去するためのイオン除去部と、水回収タンクから水供給ラインへ吐出された水をイオン除去部へ戻すためのバイパスラインと、水供給ラインへ吐出された水の流れをバイパスラインへ切り換えるための水流切換手段とを備えたことを趣旨とする。
【０００９】
上記発明の構成によれば、システム運転時に、燃料電池及び構成機器の少なくとも一方で生じる水蒸気は凝縮器で凝縮され、水回収ラインを通ってイオン除去部で導電性イオンが除去された後に水回収タンクに回収される。従って、新たに水回収タンクに回収される水は導電率が低い状態で回収され、水供給ポンプにより水供給ラインへ吐出されて構成機器へ供給されることになる。ここで、燃料電池システムを長期間起動させずに放置した場合は、水回収タンクに回収されて溜められていた水の導電率が高くなることがある。この場合は、水供給ポンプから水供給ラインへ吐出された水の流れを水流切換手段によりバイパスラインへ切り換えることにより、水回収タンクに溜められていた水がバイパスラインを通ってイオン除去部へ戻され、イオン除去部で導電性イオンが除去されてから再び水回収タンクに回収されることになる。そして、このように水回収タンクの水が水供給ポンプ、水供給ライン、バイパスライン、水回収ライン、イオン除去部及び水回収タンクを循環することにより、やがて水回収タンクの中の水の導電率が低くなる。その後、水供給ポンプから水供給ラインへ吐出された水の流れを水流切換手段により構成機器へ切り換えることにより、導電率の低い水が構成機器へ供給されることになる。
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、水回収タンクから構成機器へ供給される水の導電率を計測するための導電率計と、導電率計で計測される導電率に基づき水供給ポンプ及び水流切換手段を制御するための制御手段とを備え、制御手段は、計測される導電率が基準値より高いときは、水供給ラインへ吐出される水がバイパスラインへ流れるように水供給ポンプ及び水流切換手段を制御し、計測される導電率が基準値より低いときは、水供給ラインへ吐出される水が構成機器へ流れるように水供給ポンプ及び水流切換手段を制御することを趣旨とする。
【００１１】
上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、導電率計で計測される導電率が基準値より高いときは、制御手段により水供給ポンプ及び水流切換手段が制御されて、水供給ラインへ吐出される水がバイパスラインへ流れる。一方、導電率計で計測される導電率が基準値より低いときは、制御手段により水供給ポンプ及び水流切換手段が制御されて、水供給ラインへ吐出される水が構成機器へ流れる。従って、構成機器には、基準値より導電率の低い水が供給されることになる。
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、バイパスラインに逆止弁が設けられ、逆止弁のリリーフ圧力が、構成機器へ水が供給されるときの水供給ラインの圧力以上に設定されることを趣旨とする。
【００１３】
上記発明の構成によれば、請求項１又は２に記載の発明の作用に加え、逆止弁のリリーフ圧力が、構成機器へ水が供給されるときの水供給ラインの圧力以上に設定されるので、構成機器へ水が供給されるときに、バイパスラインへ水が流れることがない。
【００１４】
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の発明において、構成機器は、供給される燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器を少なくとも含むことを趣旨とする。
【００１５】
上記発明の構成によれば、請求項１乃至３の何れか記載の発明の作用に加え、改質器には、常に導電率が低下した水が供給されることになる。
【００１６】
上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れかに記載の発明において、水供給ラインへ吐出された水の流れを水流切換手段によりバイパスラインへ切り換える操作を、システム起動時に行うことを趣旨とする。
【００１７】
上記発明の構成によれば、請求項１乃至４の何れかに記載の発明の作用に加え、バイパスラインへの水の流れの切り換えがシステム起動時に行われるので、システム起動時に導電率の高い水が構成機器へ供給されることがない。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に記載の発明によれば、燃料電池に関わる構成機器が水回収タンクから供給される水により劣化するのを防止することができる。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、必要に応じて基準値を変更することができ、それにより水回収タンクの水の導電率を改善して構成機器へ供給し始めるまでの時間を調整することができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明の効果に加え、水回収タンクの水をイオン除去部へ無駄に戻すことを防止することができ、構成機器へ向けて水供給ラインを流れる水の圧力低下を防止することができる。
【００２１】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の効果に加え、改質器が水回収タンクから供給される水により劣化するのを防止することができる。
【００２２】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１乃至４の何れかに記載の発明の効果に加え、構成機器の劣化防止の対策を効果的なものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の燃料電池システムを具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
図１に、この実施形態の燃料電池システムを概略構成図により示す。この燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタック１と、その燃料電池スタック１に関わる構成機器としての改質器２を備える。燃料電池スタック１には、燃料ガスとして改質ガスが供給される。また、燃料電池スタック１には、酸化剤ガスとして空気が供給される。改質器２は、燃料ポンプ３により供給される天然ガスなどの燃料を水素リッチな改質ガスに改質する。この他、この燃料電池システムは、一対の凝縮器４，５及び蒸発器６を含む。第１凝縮器４は、改質器２で生じることで改質ガスに含まれる水蒸気を凝縮させる。第２凝縮器５は、燃料電池スタック１から排出される排気改質ガス（オフガス）に含まれる水蒸気を凝縮させる。このオフガスはバーナに送られて燃焼に供される。蒸発器６は、燃料と共に改質器２に供給される水を蒸発させる。
【００２５】
この他、燃料電池システムは、各凝縮器４，５で凝縮された水を回収するための水回収タンク７と、各凝縮器４，５で凝縮された水を水回収タンク７へ導くための水回収ライン８と、水回収ライン８に設けられ、同ライン８を流れる水の中の導電性イオンを除去するためのイオン除去部としてのイオン除去フィルタ９と、水回収タンク７に回収された水を蒸発器３を介して改質器２へ導くための水供給ライン１０と、水回収タンク７に回収された水を水供給ライン１０へ吐出するための水供給ポンプ１１とを備える。このような構成により、燃料電池スタック１及び改質器２の運転時に、水供給ポンプ１１を駆動させて水回収タンク７に回収された水を水供給ライン１０へ吐出し、蒸発器６を介して改質器２へ供給するようになっている。
【００２６】
ここで、水供給ライン１０と水回収ライン８との間には、水供給ポンプ１１により水回収タンク７から水供給ライン１０へ吐出された水をイオン除去フィルタ９へ戻すためのバイパスライン１２が設けられる。このバイパスライン１２は、水供給ポンプ１１より下流の水供給ライン１０から分岐し、イオン除去フィルタ９より上流の水回収ライン８に合流するように接続される。バイパスライン１２には、逆止弁１３が設けられる。この逆止弁１３のリリーフ圧力は、水が改質器２へ供給されるときの水供給ライン１０における圧力以上に設定される。水供給ライン１０におけるバイパスライン１２の分岐部１２ａより下流には、水供給ライン１０へ吐出された水の流れをバイパスライン１２へ切り換えるための水流切換手段としての水遮断弁１４が設けられる。水回収タンク７には、同タンク７から蒸発器６へ供給される水の導電率Ｎを計測するための導電率計１５が設けられる。
【００２７】
この実施形態の燃料電池システムは、水回収タンク７からの水の流れを制御するためのコントローラ２０を備える。このコントローラ２０には、水供給ポンプ１１、水遮断弁１４及び導電率計１５が接続される。この実施形態で、コントローラ２０は、導電率計１５で計測される導電率Ｎに基づき水供給ポンプ１１及び水遮断弁１４を制御するための制御手段に相当する。
【００２８】
次に、コントローラ２０が実行する水供給制御の内容について説明する。図２に、この制御プログラムをフローチャートに示す。
【００２９】
先ず、ステップ１００で、コントローラ２０がシステムを起動すると、ステップ１１０で、コントローラ２０は、導電率計１５で検知される導電率Ｎを読み込む。続いて、ステップ１２０で、読み込まれた導電率Ｎが所定の基準値αより高いか否かを判断する。この基準値αとして、数μＳ（マイクロジーメンス）、例えば「５μＳ」を当てはめることができる。
【００３０】
そして、ステップ１２０の判断結果が肯定となる場合、コントローラ２０は、ステップ１３０で、水遮断弁１４を閉弁すると共に、ステップ１４０で、水供給ポンプ１１を駆動し、処理をステップ１１０へ戻る。つまり、水回収タンク７に回収されて溜まった水の導電率Ｎが基準値αより高いときは、コントローラ２０は、水供給ライン１０へ吐出される水がバイパスライン１２へ流れるように水供給ポンプ１１及び水遮断弁１４を制御する。
【００３１】
一方、ステップ１２０の判断結果が否定となる場合、コントローラ２０は、ステップ１５０で、水遮断弁１４を開弁すると共に、ステップ１６０で、水供給ポンプ１１を駆動し、更に、ステップ１７０で、発電シーケンスへ移行する。すなわち、水回収タンク７に回収されて溜まった水の導電率Ｎが基準値αより低いときは、コントローラ２０は、水供給ライン１１へ吐出される水が改質器２へ供給されるように水供給ポンプ１１及び水遮断弁１４を制御する。
【００３２】
以上説明したこの実施形態の燃料電池システムによれば、システム運転時には、燃料電池１及び改質器２で生じる水蒸気は各凝縮器４，５で凝縮され、水回収ライン８を通ってイオン除去フィルタ９で導電性イオンが除去された後に水回収タンク７に回収される。従って、水回収タンク７に新たに回収される水は、導電率が低い状態で回収されることになる。このため、システム運転時（通常時）は、導電率Ｎの低い水が、水供給ポンプ１１により水回収タンク７から水供給ライン１０へ吐出され、図１に実線矢印で示すように、蒸発器６へ送られ、蒸発器６で水蒸気となって改質器２へ供給される。この状態では、改質器２へ供給される水蒸気の導電率Ｎが低いことから、改質器２が水蒸気により劣化することを防止することができる。
【００３３】
ここで、燃料電池システムを長期間起動させずに放置した場合、水回収タンク７に回収されて溜められていた水の導電率Ｎが高くなることがある。この場合、システム起動時に、導電率計１５で計測される水の導電率Ｎが基準値αより高いときは、遮断弁１４が閉弁され、水供給ポンプ１１が駆動される。従って、水回収タンク７から水供給ポンプ１１により水供給ライン１０へ吐出された水の流れは、図１に破線矢印で示すように、バイパスライン１２へ切り換えられ、そのバイパスライン１２を通ってイオン除去フィルタ９へ戻され、イオン除去フィルタ９で導電性イオンが除去されてから再び水回収タンク７に回収されることになる。そして、このように水回収タンク７の水が、水供給ポンプ１１、水供給ライン１０、バイパスライン１２、水回収ライン８、イオン除去フィルタ９及び水回収タンク７を循環することで、やがて水回収タンク１２の中の水の導電率Ｎが全体的に低くなる。そして、導電率計１５で計測される水の導電率Ｎが基準値αより低くなると、水遮断弁１４が開弁され、水回収タンク７から水供給ポンプ１１により水供給ライン１０へ吐出された水の流れが蒸発器６及び改質器２へと切り換えられる。従って、導電率Ｎの低い水が水蒸気として改質器２へ供給されることになる。このため、水回収タンク７から供給される水により改質器２が劣化するのを未然防止することができる。
【００３４】
この実施形態では、導電率計１５で計測される水の導電率Ｎが基準値αより高いときは、コントローラ２０により水供給ポンプ１１及び水遮断弁１４が制御されて、水供給ライン１０へ吐出される水がバイパスライン１２へと流れることになる。一方、導電率計１５で計測される水の導電率Ｎが基準値αより低いときは、コントローラ２０により水供給ポンプ１１及び水遮断弁１４が制御されて、水供給ライン１０へ吐出される水が蒸発器６を介して改質器２へと流れることになる。従って、改質器２には、導電率Ｎが基準値αより低い水蒸気が供給されることになる。ここで、基準値αの値は、コントローラ２０において任意に設定することが可能である。このため、必要に応じてこの基準値αを任意に変更することができ、これによりシステム起動時に水遮断弁１４を閉弁してから開弁するまでの時間、すなわち水回収タンク７の水をバイパスライン１２等を循環させる時間（水回収タンク７の水の導電率Ｎを改善して改質器２へ供給し始めるまでの時間）を調整することができる。
【００３５】
この実施形態では、逆止弁１３のリリーフ圧力が、水が水蒸気として改質器２へ供給されるときの水供給ライン１０における圧力以上に設定されるので、改質器２へ水蒸気が供給されるときに、バイパスライン１２へ水が漏れて流れることがない。このため、水回収タンク７に回収された水をイオン除去フィルタ９へ無駄に戻すことを防止することができ、改質器２へ向けて水供給ライン１０を流れる水の圧力低下を防止することができる。
【００３６】
この実施形態では、システム運転時には、水回収タンク７の水が、改質器２に対し、常に導電率Ｎが低下した水蒸気となって供給されることになる。このため、水回収タンク７から供給される水により改質器２が劣化するのを未然に防止することができる。
【００３７】
この実施形態では、水供給ポンプ１１により水供給ライン１０へ吐出された水の流れのバイパスライン１２への切り換えがシステム起動時に行われるので、導電性イオンによる影響が比較的大きいシステム起動時に導電率Ｎの高い水がいきなり改質器２へ供給されることがない。この意味で、改質器２の劣化防止対策を効果的なものとすることができる。
【００３８】
尚、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で以下のように実施することもできる。
【００３９】
（１）前記実施形態では、水遮断弁１４を水流切換手段として設けたが、この水遮断弁１４の代わりに、バイパスライン１２への分岐部１２ａに三方切換弁を水流切換手段として設けることもできる。そして、この三方切換弁により、水回収タンクからの水の流れを、バイパスラインへの流れと、構成機器への流れとに切り換えることができる。この構成によれば、バイパスラインにおける逆止弁を省略することができる。
【００４０】
（２）前記実施形態では、凝縮器として、燃料電池スタック１に供給する前後の改質ガスに含まれる水蒸気を凝縮するものを設けたが、改質器２や蒸発器６を加熱するための燃焼器の燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮するもの、燃料電池スタック１から排出される空気オフガスに含まれる水蒸気を凝縮するものなど、燃料電池に関わる構成機器又は燃料電池で生じる水蒸気を凝縮するものなら何でもよい。また、前記実施形態では、回収された水を供給する機器として改質器を設けたが、燃料電池スタック１に供給する改質ガスや空気に水蒸気を供給する加湿器を設け、この加湿器に回収された水を供給するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】燃料電池システムを示す概略構成図。
【図２】制御プログラムを示すフローチャート。
【符号の説明】
【００４２】
１    燃料電池スタック
２    改質器（構成機器）
４    第１凝縮器
５    第２凝縮器
７    水回収タンク
８    水回収ライン
９    イオン除去フィルタ（イオン除去部）
１０    水供給ライン
１１    水供給ポンプ
１２    バイパスライン
１２ａ    分岐部
１３    逆止弁
１４    水遮断弁（水流切換手段））
１５    導電率計
２０    コントローラ（制御手段）
Ｎ    導電率
【図１】
2006302779.tif 000003
【図２】
2006302779.tif 000004