(57)【要約】    【目的】燃料電池スタック１の反応生成水や改質器２の燃焼生成水を回収タンク３に回収し、燃料電池スタック１の冷却水や改質器２の改質用水蒸気として用いる燃料電池発電装置において、長時間運転しても回収水の水質が所定のレベルに維持される管理方法を得る。    【構成】回収タンク３に設置した電気伝導度測定センサー２１によって回収水の電気伝導度を測定し、その検知信号をコントローラー２２に送り、測定値が規定値を超えたとき、流量調整弁２３を開けて回収水の一部を排出し、同時に流量調整弁２４を開けて同量の純水を純水供給手段６から回収タンク３に供給する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料を水素リッチな改質ガスへと水蒸気改質する改質器と、該改質器で得られた改質ガスと酸化剤ガスとを導入して電気化学反応により電気エネルギーを得る燃料電池本体と、該電気化学反応により燃料電池本体で生じた水蒸気および前記改質器の運転に伴って生じた燃焼排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して生成した回収水を貯える回収タンクとを備え、該回収タンクに貯えられた回収水を純化して得られた純水を燃料電池本体を一定温度に保持するための冷却水および前記改質器での改質用水蒸気として用いる燃料電池発電装置において、
前記回収タンクに貯えられた回収水の水質を前記回収タンクに備えられた水質計測手段によって計測し、前記回収タンクに備えられた回収水排出手段によって回収水の一部を外部に排出し、純水補給手段によって外部から前記回収タンクに純水を補給し、前記回収タンクに貯えられた回収水の水質が所定の範囲に収まるよう制御することを特徴とする燃料電池発電装置の水質管理方法。
【請求項２】
前記回収水排出手段によって前記回収タンクから排出される回収水の水量と前記純水補給手段によって前記回収タンクに補給される純水が、略同量に調整されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置の水質管理方法。
【請求項３】
前記回収水排出手段によって排出される回収水の水量、および前記純水補給手段によって補給される純水の水量が、調整弁により調整されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池発電装置の水質管理方法。
【請求項４】
前記回収タンクに備えられた水質計測手段が、電気伝導度測定センサーであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池発電装置の水質管理方法。
【請求項５】
電気伝導度測定センサーにより測定される電気伝導度が、2.0（mS/ｍ）以下となるように、前記回収タンクに貯えられた回収水の水質が制御されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電装置の水質管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応生成水や改質器燃焼生成水を回収して使用する燃料電池発電装置の水質管理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell；PEFC）は、電解質に高分子膜を用いる燃料電池で、出力密度が高い、電池寿命が長い等の優れた特徴を備えている。この方式の燃料電池では、固体高分子電解質膜の両面に触媒層（電極）を配して形成した膜・電極接合体（ＭＥＡ）の両面に、集電体とガス拡散層の機能を持つ多孔質基材を配置し、ガス流通溝付きのセパレーターで挟持して単セルが構成されており、この単セルを複数枚積層して燃料電池スタックが構成されている。通常、燃料電池スタックには、酸化剤ガスとしての空気と、燃料ガスとしての改質ガスが供給され、これらのガスによる電気化学反応によって発電が行われる。
図２は、この種の燃料電池発電装置の燃料電池スタックのガス系統および水系統のシステム構成図である。図において、１は燃料電池スタック、２は燃料ガスの改質器、３は回収水タンク、４は水処理装置、５は純水タンクであり、１１〜１６は、それぞれ給気用あるいは給水用のポンプである。燃料電池スタック１の燃料極には改質器２で改質された高濃度の水素を含む改質ガスが、また、空気極にはポンプ１３により送られた反応用の空気が供給され、発電が行われる。燃料極より排出される燃料極排出ガスは、改質器２の燃焼器へと送られ、残余の水素が、ポンプ１２により取り込まれる燃焼用の空気と混合されて燃焼し、改質器２を改質温度に加熱する役割を果たす。燃焼したガスは回収水タンク３へと送られ、含まれる燃焼生成水が回収される。一方、空気極より排出される空気極排ガスには電気化学反応に伴って生じる反応生成水が含まれており、回収水タンク３へと送られてこの反応生成水が回収される。回収されたこれらの生成水は、水処理装置４で純化されたのち、燃料電池スタック１を一定運転温度に保持する機能を果たす冷却水循環系統を構成する純水タンク５へと送られる。なお、純水タンク５に貯えられた純水の一部は、水蒸気改質を行うための水蒸気として改質器２に導入される原燃料に付加される。
【０００３】
上記のように、燃料電池発電装置においては、反応生成水や改質器２の燃焼精製水を回収し、燃料電池スタック１の冷却や原燃料の水蒸気改質に用いて、効率的に運転できるように構成している。本構成の燃料電池発電装置において安定した運転を確保するには、回収水タンク３および純水タンク５の水位が一定に保持される必要がある。したがって、水位が下がったときのみ、外部の純水供給手段６より回収水タンク３へと純水を供給することによって、これらの水位を一定に保持する方式を採っている。しかしながら、このような運転方法を採る場合においても、連続運転の期間が長期にわたると、濃縮されて水質が徐々に低下して純水タンク５の前段に配した水処理装置４の性能が劣化したり、回収水タンク３に溜まった異物がポンプ１６に詰まる等の不具合が生じるという難点があった。
このような回収水の水質低下に伴う不具合を解消する方法として、特許文献１には、回収水の純化を行う電気脱イオン装置に並列にイオン交換式純化装置を設置し、回収水タンクの回収水の電気伝導度を測定し、測定値に応じて電気脱イオン装置とイオン交換式純化装置との運転を切換えるものが開示されている。
【特許文献１】特開2001−176535号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記のごとく、燃料電池スタックで生じる反応生成水や改質器で生じる燃焼生成水を回収して燃料電池スタックの冷却水や改質用水蒸気として用いる方式の燃料電池発電装置において、長時間運転を継続しても回収水の水質の低下が抑えられ、所定のレベルの水質に維持されて、安定した運転が確保される水質管理方法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】
【０００５】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
原燃料を水素リッチな改質ガスへと水蒸気改質する改質器と、酸化剤ガスと改質器で得られた改質ガスとを導入して電気化学反応により電気エネルギーを得る燃料電池本体と、この電気化学反応により燃料電池本体で生じた水蒸気および改質器の運転に伴って生じた燃焼排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して生成した回収水を貯える回収タンクとを備え、この回収タンクに貯えられた回収水を純化して得られた純水を、燃料電池本体を一定温度に保持するための冷却水および前記改質器での改質用水蒸気として用いる燃料電池発電装置において、
（１）上記の回収タンクに貯えられた回収水の水質を回収タンクに備えられた水質計測手段、例えば電気伝導度測定センサーによって計測し、回収タンクに備えられた回収水排出手段によって回収水の一部を外部に排出し、純水補給手段によって外部から回収タンクに純水を補給し、回収タンクに貯えられた回収水の水質が所定の範囲、例えば、電気伝導度が、2.0（mS/ｍ）以下となるよう制御することとする。
【０００６】
（２）また、上記の（１）において、回収水排出手段によって回収タンクから排出される回収水の水量と純水補給手段によって回収タンクに補給される純水の水量を略同量に調整することとする。
（３）また、上記の（１）あるいは（２）において、回収水排出手段によって排出される回収水の水量、および純水補給手段によって補給される純水の水量を調整弁により調整することとする。
【発明の効果】
【０００７】
燃料電池本体で生じた反応生成水および改質器の運転に伴って生じた燃焼生成水を回収して回収タンクに貯え、これを純化して得られた純水を、燃料電池本体の冷却水および改質器での改質用水蒸気として用いる燃料電池発電装置において、回収タンクに純水補給手段を設けて回収タンク中へ外部から純水を補給すれば、回収タンク中の回収水の水質は補給された純水の水量に応じて向上する。また、回収タンクに回収水排出手段を設けて回収水の一部を排出すれば、排出された水量に応じて回収タンク中の回収水の水量が減少する。したがって、上記の（１）のごとく、回収タンクに回収水排出手段と純水補給手段とを備え、純水補給手段によって外部から回収タンクに純水を補給し、回収水排出手段によって回収水の一部を外部に排出すれば、回収水の水質の向上が図れるとともに、回収タンク中の水位が調整できる。また、例えば電気伝導度測定センサーのごとき水質計測手段を備えて、回収水の水質を計測し、水質が所定の範囲、例えば、電気伝導度が、2.0（mS/ｍ）以下となるよう回収水排出手段と純水補給手段とを制御して回収水排出量と純水補給量を調整すれば、回収タンク中の回収水の水質と水位が所定の範囲に維持され、燃料電池発電装置が安定して運転できることとなる。
【０００８】
また、さらに、上記の（２）のごとく、回収水排出手段によって回収タンクから排出される回収水の水量と純水補給手段によって回収タンクに補給される純水の水量を略同量に調整することとすれば、純水の補給量の多少にかかわらず回収タンク中の回収水の水位は一定に保持されるので、燃料電池発電装置がより一層安定して運転できることとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の燃料電池発電装置の最良の実施形態は、原燃料を水素リッチな改質ガスへと水蒸気改質する改質器と、酸化剤ガスと改質器で得られた改質ガスとを導入して電気化学反応により電気エネルギーを得る燃料電池本体と、この電気化学反応により燃料電池本体で生じた水蒸気および改質器の運転に伴って生じた燃焼排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して生成した回収水を貯える回収タンクとを備え、この回収タンクに貯えられた回収水を純化して得られた純水を、燃料電池本体を一定温度に保持するための冷却水および前記改質器での改質用水蒸気として用いる燃料電池発電装置において、回収タンクに貯えられた回収水の水質を電気伝導度測定センサー等の水質計測手段によって計測するとともに、回収タンクに備えられた回収水排出手段によって回収水の一部を外部に排出し、純水補給手段によって外部から回収タンクに純水を補給することによって、回収タンクに貯えられた回収水の水質が所定の範囲となるよう制御することにある。
【実施例】
【００１０】
図１は、本発明の水質管理方法の実施例が適用される燃料電池発電装置の燃料電池スタックのガス系統および水系統のシステム構成図である。図２に示した従来の水質管理方法におけるシステム構成図との相違点は、回収水タンク３に回収水の水質計測手段として電気伝導度測定センサー２１が備えられていること、同じく回収水タンク３に、貯えた回収水を流量を制御して排水する回収水排出手段として流量調整弁２３付きの排出配管が、また、純水供給手段６から回収水タンク３に至る供給配管に流量調整弁２４が備えられ、これらの二つの流量調整弁２３、２４が電気伝導度測定センサー２１の検知出力を受けて作動するコントローラー２２により制御されるよう構成されている点にある。
本実施例の水質管理方法では、燃料電池発電装置の運転に際して、図１に示したごとく回収水のシステムを構成し、電気伝導度測定センサー２１の計測信号をコントローラー２２に送り、計測された回収水タンク３中の回収水の電気伝導度の高低、すなわち水質の高低に対応して流量調整弁２３、２４を開閉し、回収水の水質の調整、維持を行った。すなわち、回収水の水質が良好で、電気伝導度が規定値の 2.0（mS／ｍ）以下の場合には、流量調整弁２３、２４を共に閉止状態に保持し、排出配管からの回収水の排出も、純水供給手段６からの純水の供給も行わないが、電気伝導度が 2.0（mS／ｍ）を上回ると、流量調整弁２３を開いて 50 ml／min以上の流量の回収水を排出し、同時に純水供給手段６からの供給配管に備えられた流量調整弁２４を開放、調整して上記の排出量とほぼ同量の純水を回収水タンク３中へと供給する。このように水質の低下した回収水を排出し、純水を供給することによって回収水タンク３中の回収水の水質は向上し、ほぼ規定値以下の良好なレベルに維持されることとなる。なお、本水質管理方法では、流量調整弁２３を介しての排出水量と流量調整弁２４を介しての供給水量がほぼ同量に調整されているので、回収水タンク３の回収水の水位に大きな変動を生じることがなく、燃料電池スタックは安定して運転することができる。本発明者の実験結果によれば、本水質管理方法を用いて水質を調整することによって、水処理装置の交換を行うことなく、3000時間を越える長時間の連続運転を行うことができた。
【００１１】
なお、本実施例では、電気伝導度が規定値の 2.0（mS／ｍ）を上回ると所定の流量の回収水を排出し、同時にほぼ同量の純水を回収水タンク３中へ供給することとしているが、電気伝導度の規定値を高い値に設定すると、水質の維持は容易であるが水質の相対的に劣る水がシステムに流れるため装置の特性低下が早まることとなり、電気伝導度の規定値を低い値に設定すると、水質が高いレベルに維持されるが回収水タンクの水の交換が頻繁に行われ、多量の純水が供給されることとなるので運転コストが高くなる。したがって、本実施例の水質管理方法を行う場合の電気伝導度の規定値は、試行錯誤の結果から、おおよそ 2.0（mS／ｍ）に選定するのが望ましい。
また、本実施例では、電気伝導度が規定値を上回ると50 ml／min以上の流量の回収水を排出し、同時にほぼ同量の純水を回収水タンク３中へ供給することとしているが、回収水の排出量や純水の供給量はこの流量に限定されるものではなく、システムの規模、とくに回収水タンクの規模にあわせて選定すればよい。また、一定流量でなく、検出された回収水の電気伝導度と規定値との差異に比例する流量等、検出値と規定値との差異の関数としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００１２】
以上述べたように、本発明の水質管理方法を用いて燃料電池スタックの回収水の水質管理を行うこととすれば、長時間運転を継続しても回収水の水質の低下が抑えられ、所定のレベルの水質に維持されるので、燃料電池発電装置は安定して運転できることとなる。したがって、本水質管理方法は、この種の燃料電池発電装置に広く使用されることが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の水質管理方法の実施例が適用される燃料電池発電装置の燃料電池スタックのガス系統および水系統のシステム構成図
【図２】従来のこの種の燃料電池発電装置のガス系統および水系統のシステム構成図
【符号の説明】
【００１４】
１    燃料電池スタック
２    改質器
３    回収水タンク
４    水処理装置
５    純水タンク
６    純水供給手段
１１〜１６    ポンプ
２１    電気伝導度測定センサー
２２    コントローラー
２３    流量調整弁（排水）
２４    流量調整弁（純水）
【図１】
2006114413.tif 000003
【図２】
2006114413.tif 000004