(57)【要約】      （修正有）【課題】電池冷却水等に用いる回収水に含まれる菌類や藻が適切に殺菌され、回収水流通系を長期にわたり安定して運転できる燃料電池発電装置を得る。【解決手段】燃料電池本体１０の電池冷却水流路１３から排出された電池冷却水と、空気極１２から排出された空気極オフガスと、改質器バーナー２１から排出された燃焼排ガスとを導入して得た回収水を、回収水タンク５０から貯水タンク６０へと供給する流路に、開閉弁７１、電気ヒーター７２、冷却器７３、水処理装置７４、ポンプ７５を備え、温度センサー５１、６１、水位センサー６２の検出信号に基づいて、電気ヒーター７２によって回収水を加熱して殺菌する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、前記燃料電池本体を冷却する冷却水を通流させる冷却水循環流路と、原燃料を水蒸気改質して前記燃料電池本体に供給する燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料電池本体から排出される反応生成水を含むオフガスと前記改質器から排出される燃焼生成水を含む排ガスの少なくともいずれか一方を導入して生成水を回収する回収水タンクと、前記回収水タンクより送られた水を貯留し、貯留した水を前記冷却水循環流路と前記改質器の少なくともいずれか一方に供給する貯水タンクとを備える燃料電池発電装置において、前記回収水タンクに回収された回収水を開閉弁を通して前記貯水タンクへと送る流路に、流路を流れる水を加熱する加熱手段が備えられていることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
回収水を前記開閉弁を通して前記回収水タンクから前記貯水タンクへと送る流路の前記加熱手段の下流側に、流路を流れる水を冷却する冷却手段が備えら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。
【請求項３】
回収水を前記開閉弁を通して前記回収水タンクから前記貯水タンクへと送る流路の前記加熱手段の下流側に、流路を流れる水を前記回収水タンクから前記貯水タンクへと駆動する駆動手段が備えら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。
【請求項４】
前記回収水タンク中に回収水の温度を検知する温度センサーが備えられ、前記貯水タンク中に貯水の温度を検知する温度センサーと水位を検知する水位センサーが備えられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記水位センサーで検知された貯水タンク中の貯水の水位が所定水位以下のとき前記開閉弁を開状態に保持して回収水を通流させ、さらに、前記回収水タンク中の前記温度センサーで検知された温度が第一の所定温度以下のとき前記加熱手段を作動させて回収水を加熱、殺菌す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。
【請求項６】
前記水位センサーで検知された貯水タンク中の貯水の水位が所定水位以下のとき前記開閉弁を開状態に保持して回収水を通流させ、さらに、前記回収水タンク中の前記温度センサーで検知された温度が第一の所定温度以下で、かつ、前記貯水タンク中の前記温度センサーで検知された温度が第二の所定温度以下のとき前記加熱手段を作動させて回収水を加熱、殺菌す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】
この発明は、燃料電池発電装置、特に電池冷却水や、反応生成水、改質器燃焼生成水等を回収して用いる燃料電池発電装置ならびにその水質管理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置は発電効率が高く、大気汚染物質をほとんど排出しない環境にやさしい発電装置である。また、燃料電池発電装置は発電の際に熱を発生するので、これを回収することによってコージェネシステムが構築でき、全エネルギー効率は７０〜８０％に達するものと期待されている。燃料電池の方式にはりん酸形、固体高分子形等があり、規模の大きい燃料電池コージェネシステムとして主にりん酸形が検討されてきたが、近年、家庭用のコージェネシステムの開発の進展に伴って、動作温度が６０〜９０℃と低く、起動時間が短い固体高分子形の燃料電池の適用が検討されている。
燃料電池で燃料ガスとして用いられる水素リッチなガスは、一般に、都市ガスなどの原燃料を改質器において水と反応させて改質することにより得られる。改質器で効率良く水素を生成させるためには、改質触媒の被毒による性能低下や、金属イオンなどの不純物の付着による改質器の性能低下等を防止する必要があり、改質器に供給される水は、触媒被毒物質や金属イオンなどの不純物を除去したものでなければならない。また、発電効率を高めるには燃料電池本体を最適温度に保持する必要があり、起動時には起動時間短縮のために加熱が必要であり、発電運転時には冷却が必要となる。加熱、冷却用の熱媒体としては、通常、水が用いられるが、漏電を防ぐためには導電率の低い水でなければならない。このため、通常、水処理装置を通して不純物を除去した水が用いられる。
【０００３】
発電運転を継続すると装置内の水の一部は蒸発、飛散するので、水冷却系を連続して運転させるためには、この飛散分相当量の水を補給して循環利用する必要がある。発電に伴って燃料電池では反応生成水が生じ、改質器では燃焼生成水が生じるので、排ガスを冷却し、凝縮、回収して得られたこれらの生成水が補給水として使用される。しかしながら、これらの回収量は運転条件に依存して変化するので、不足する場合には外部からの補給水を受けて運転される。補給水は随時補給可能である必要があり、かつ補給流量の制御ができる必要があるので、上記の回収水や外部からの補給水は一旦貯水タンクに貯えられたのち、冷却系へと導入される。
しかしながら、上記のごとく構成される冷却系において、凝縮、回収して貯水タンクに貯えられた回収水はほぼ純水であり、菌が繁殖しやすい条件下にあるので、外部からの水の導入に伴う菌類の侵入や空気排気口からの菌類の侵入によって、回収水タンク内に菌類や藻が繁殖し、さらにはこれらの菌類や藻が配管内に詰まって冷却系の運転に不具合を生じる危険性がある。菌類や藻の繁殖に起因するこの種の不具合を回避する方法としては、既に特許文献２に引用されているように、抗菌作用のある銅、亜鉛などの金属材料を水経路内に用いる方法、紫外線による殺菌装置を用いる方法、抗菌フィルターを水経路内に設ける方法、水を強酸性にする方法等が開示されており、さらに、特許文献１および特許文献２には、水の温度を加熱殺菌に必要な温度以上に保持して殺菌する方法が開示されている。このうち特許文献１に開示されている方法においては、外部から水道水を導入する際に、冷却水の流量を通常運転時より絞って冷却効果を低下させ、回収水タンク内の水の温度を加熱殺菌に必要な温度以上に一時的に保持することによって殺菌している。また、特許文献２に開示されている方法においては、電池冷却水と改質用水の少なくともいずれか一方に用いる水を貯える貯水タンクに、貯水を所定の温度以上に加熱して戻す加熱流路、例えば燃料電池本体の発電に伴う排熱や改質器の排熱により加熱する加熱流路を設け、この流路を流して一時的に加熱することによって殺菌された水を貯えることとしている。
【特許文献１】特開平８−１３８７１４号公報
【特許文献２】特開２００２−２７０１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、燃料電池発電装置においては、冷却水系に生じる菌類や藻の繁殖を適切に抑止する必要があり、種々の方策が考案され、試行されているが、いずれの方法にも一長一短があり、解決すべき課題が残存している。例えば上記の特許文献１に開示されている方法の場合には、従来のりん酸形燃料電池を用いた発電システムにおいては燃料電池の動作温度が百数十℃であるため、回収水の温度を加熱殺菌に必要な所定温度以上に加熱することは比較的容易であるが、家庭用として注目されている固体高分子形燃料電池を用いた発電システムでは動作温度が６０〜９０℃と低く、排ガスからの熱回収や水の回収を行う際にはさらに低い温度に冷却することが必要となるので、特許文献１のごとく回収水の温度を加熱殺菌に必要な所定温度以上に加熱することは困難である。
また、上記の特許文献２に開示されている方法のように、貯水タンクに、貯水を所定の温度以上に加熱して戻す加熱流路を付設し、この流路を流して一時的に加熱し、殺菌した水を貯える方法の場合には、構造が複雑になるという難点があるとともに、加熱殺菌されていない水がポンプやイオン交換樹脂等の水処理装置を流通するため、ポンプの詰まりの発生や水処理装置の特性の劣化を加速する危険性が高くなる。また、貯水タンクの水が加熱される水と加熱されない水とに区別されていないため、ポンプや加熱器等の加熱手段の能力を十分余裕のあるものとする必要があり、ポンプ能力や加熱能力を過剰に投入せざるを得なくなる。また、上記の特許文献１の場合と同様に、固体高分子形燃料電池を用いた発電システムでは動作温度が低いので、装置の生成熱による加熱では殺菌が十分に行えない恐れがある。
【０００５】
本発明は、上記のごとき現状技術の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、反応生成水や改質器燃焼生成水を回収して電池冷却水等として用いる固体高分子形の燃料電池発電装置において、回収水が菌類や藻を繁殖させることなく貯水され、ポンプや水処理装置の不具合を生じることなく、長期にわたり安定して運転可能な回収水流通系を備えた燃料電池発電装置を提供するとともに、菌類や藻の繁殖を生じることなく回収水が電池冷却水系の貯水タンクに供給される水質管理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明においては、上記の目的を達成するために、
燃料電池本体と、この燃料電池本体を冷却する冷却水を通流させる冷却水循環流路と、原燃料を水蒸気改質して前記燃料電池本体に供給する燃料ガスを生成する改質器と、前記の燃料電池本体から排出される反応生成水を含むオフガスと前記の改質器から排出される燃焼生成水を含む排ガスの少なくともいずれか一方を導入して生成水を回収する回収水タンクと、この回収水タンクより送られた水を貯留し、貯留した水を前記の冷却水循環流路と改質器の少なくともいずれか一方に供給する貯水タンクとを備える燃料電池発電装置において、
（１）前記の回収水タンクに回収された回収水を開閉弁を通して前記の貯水タンクへと送る流路に、流路を流れる水を加熱する加熱手段を備えることとし、
（２）さらに、上記の（１）において、回収水を前記の回収水タンクから前記の貯水タンクへと送る流路の前記の加熱手段の下流側に、流路を流れる水を冷却する冷却手段を備えることとする。
【０００７】
（３）また、上記の（１）または（２）において、回収水を前記の回収水タンクから前記の貯水タンクへと送る流路の前記の加熱手段の下流側に、流路を流れる水を前記の回収水タンクから前記の貯水タンクへと駆動する駆動手段を備えることとする。
（４）また、上記の（１）または（２）または（３）において、前記の回収水タンク中に回収水の温度を検知する温度センサーを、また、前記の貯水タンク中に貯水の温度を検知する温度センサーと水位を検知する水位センサーとを備えることとする。
（５）また、上記の（４）において、前記の水位センサーで検知された貯水タンク中の貯水の水位が所定水位以下のとき前記の開閉弁を開状態とし、駆動手段を作動させることによって回収水を通流させ、さらに、前記の回収水タンク中の前記の温度センサーで検知された温度が第一の所定温度以下のとき前記の加熱手段を作動させて回収水を加熱、殺菌することによって燃料電池発電装置の冷却水の水質を管理することとする。
【０００８】
（６）あるいは、上記の（４）において、前記の水位センサーで検知された貯水タンク中の貯水の水位が所定水位以下のとき前記の開閉弁を開状態とし、駆動手段を作動させることによって回収水を通流させ、さらに、前記の回収水タンク中の前記の温度センサーで検知された温度が第一の所定温度以下で、かつ、前記の貯水タンク中の前記温度センサーで検知された温度が第二の所定温度以下のとき前記の加熱手段を作動させて回収水を加熱、殺菌することによって燃料電池発電装置の冷却水の水質を管理することとする。
【発明の効果】
【０００９】
上記の（１）のように、回収された水を回収水タンクから貯水タンクへと送る流路に、流路を流れる水を加熱する加熱手段を備えれば、この加熱手段を作動させることによって、流路を流れる水を一次的に加熱し、殺菌可能な温度条件下におくことができるので、回収水は確実に殺菌される。したがって、外部から菌類や藻が侵入しても、その繁殖が防止されるので、これらの菌類や藻による水流路の閉塞や水処理装置の特性劣化が抑制されて、長期間安定して運転できることとなる。
また、さらに上記の（２）のごとく、前記の加熱手段の下流側に冷却手段を備えれば、加熱手段により温度上昇した回収水を冷却し、適正な温度に保持して貯水することができる。また、上記の（３）のごとく、回収水を貯水タンクへと駆動する駆動手段を加熱手段の下流側に備えれば、駆動手段の上流側で菌類や藻の繁殖が防止されるので、駆動手段は閉塞等の不具合を生じることなく、安定して運転できることとなる。
【００１０】
また、上記の（４）のごとく、さらに前記の回収水タンクや前記の貯水タンクに温度センサーや水位センサーを備えて、上記の（５）あるいは（６）のごとく、温度や水位を検知して、その検知信号によって冷却水流路の開閉弁を操作し、さらに前記の加熱手段の運転を制御すれば、加熱手段が適正、確実に制御されて、流路を流れる回収水が加熱され、菌類や藻による水流路の閉塞や水処理装置の特性劣化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の最良の実施形態は、燃料電池本体と、この燃料電池本体を冷却する冷却水循環流路と、原燃料を水蒸気改質して前記の燃料電池本体に供給する燃料ガスを生成する改質器と、前記の燃料電池本体から排出される反応生成水を含むオフガスと前記の改質器から排出される燃焼生成水を含む排ガスの少なくともいずれか一方のガスを導入して生成水を回収する回収水タンクと、この回収水タンクより送られた水を貯留し、貯留した水を前記の冷却水循環流路と改質器の少なくともいずれか一方に供給する貯水タンクとを備えた燃料電池発電装置において、前記の回収水タンクに回収された回収水を前記の貯水タンクへと送る流路に、流路を流れる水を加熱する加熱手段を備えた形態にある。
また、上記の実施形態の燃料電池発電装置において、前記の回収水タンク中に回収水の温度を検知する温度センサーを、また、前記の貯水タンク中に貯水の温度を検知する温度センサーと水位を検知する水位センサーとを備え、前記の水位センサーで検知された貯水タンク中の貯水の水位が所定水位以下のとき、前記の開閉弁を開状態とし、駆動手段を作動させることによって回収水を通流させ、さらに、前記の回収水タンク中の前記の温度センサーで検知された温度が第一の所定温度以下のとき前記の加熱手段を作動させて回収水を加熱、殺菌することにより燃料電池発電装置の冷却水の水質を管理する水質管理方法にある。
【実施例】
【００１２】
図１は、本発明の燃料電池発電装置の実施例のシステム構成図である。本図において、１０は、燃料極１１、空気極１２および電池冷却水流路１３を備えた燃料電池本体であり、２０は改質器、２１は改質器バーナーである。また、３０は、空気流路３１と加湿水流路３２を備えた空気加湿器、４０は蒸発器、５０は回収水タンク、６０は貯水タンク、７１は回収水排出用の開閉弁である。都市ガス等からなる原燃料は、貯水タンク６０から供給される改質用水蒸気とともに改質器２０へ取り込まれ、水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスへと改質されて、燃料電池本体１０の燃料極１１へと送られる。一方、反応空気は、空気加湿器３０の空気流路３１を通流して加湿水流路３２を流れる加湿水により加湿されたのち、燃料電池本体１０の空気極１２へと送られる。このように加湿された反応空気を送ることによって燃料電池本体１０の固体高分子膜が湿潤に保持され電解質として機能する。また、電気化学反応に寄与したのち燃料極１１より排出された燃料極オフガスは、蒸発器を経てその一部が改質器バーナー２１へ送られ、燃焼されて改質反応の促進に用いられる。電池冷却水流路１３より排出された電池冷却水、空気極１２より排出された空気極オフガス、燃料極オフガスの一部、ならびに改質器バーナー２１より排出された燃焼排ガスは、回収水タンク５０へと回収され、駆動手段であるポンプ７５によって貯水タンク６０に送られたのち、再び燃料電池本体１０の電池冷却水流路１３、改質器２０、空気加湿器３０の加湿水流路３２へと送られ、循環して使用される。
【００１３】
本図に示した実施例の特徴は、上述の電池冷却水循環流路の回収水タンク５０と貯水タンク６０との間に循環する水を規定温度以上に加熱する加熱手段として電気ヒーター７２が備えられていること、さらに、この電気ヒーター７２の下流側に循環する水を冷却する冷却手段としての冷却器７３が使用選択可能に備えられていること、また、水を循環させる駆動手段としてのポンプ７５、および水を純化させる水処理装置が上記の電気ヒーター７２の下流側に備えられていることにある。
したがって、本装置では、上記のように回収水タンク５０と貯水タンク６０との間に備えられた加熱手段によって回収水が加熱処理されて、菌類や藻が排除されるので、貯水タンク６０には清浄な水が貯水され、再び燃料電池本体１０の電池冷却水流路１３へと送られることとなる。また、加熱手段の下流側に冷却手段として冷却器７３が選択可能に備えられているので、この冷却器７３を用いることとすれば殺菌処理後の循環水を冷却して適切な温度に保持することができる。また、駆動手段としてのポンプ７５、および水を純化させる水処理装置が上記の加熱手段の下流側に配されているので、ポンプ７５や水処理装置は菌類や藻に起因する不具合を生じることなく安定して運転することができる。
【００１４】
本装置での回収水の水質管理、すなわち菌類や藻の殺菌処理は、以下のごとく行われる。すなわち、回収水を回収水タンク５０から貯水タンク６０へと送る流路に備えられた開閉弁７１と電気ヒーター７２、ポンプ７５は、いずれも、回収水タンク５０の温度センサー５１、貯水タンク６０の温度センサー６１および水位センサー６２の検出信号によって動作が制御されており、水位センサー６２で検出される貯水タンク６０の水位が所定値以上である場合には、循環される水量が十分であるので、回収水タンク５０から補給する必要はなく、開閉弁７１は閉状態に、また、電気ヒーター７２とポンプ７５は運転停止の状態に保持される。貯水タンク６０の貯水量が減少し、水位が所定値を下回ると、水位センサーの検出信号によって開閉弁７１が開状態に移行され、ポンプ７５の運転が開始されて回収水が貯水タンク６０へと送られる。このとき、温度センサー５１で検知される回収水タンク５０中の回収水の温度が所定値以上の高い温度にあれば改めて加熱するまでもなく藻類や細菌類の繁殖が抑制される。一方回収水の温度が所定値以下であれば、電気ヒーター７２の作動が開始されて、流路を流れる回収水が加熱されて、藻類や細菌類の殺菌が行われる。このとき、冷却器７３は電気ヒーター７２の作動に準じて運転され、殺菌のために加熱された回収水を電池冷却水として使用可能な所定温度以下に冷却する役割を果す。
【００１５】
上記の回収水タンク５０から貯水タンク６０への回収水の供給、ならびに電気ヒーター７２による加熱が進み、貯水タンク６０からの排出量に比べて、回収水の供給量が多量になると貯水タンク６０の水位が上昇し、水位センサー６２で検出される水位が所定値を超えると、ポンプ７５の運転が停止され、開閉弁７１が閉状態に移行されて回収水の貯水タンク６０への供給が停止されるとともに、電気ヒーター７２の作動が停止され、さらに冷却器７３の作動が停止される。
なお、上記の実施例では、冷却器７３を電気ヒーター７２の作動に準じて運転、停止することとしているが、冷却器７３は独立して運転するものとしてもよく、貯水タンク６０の温度センサー６１の検出温度が所定値以上となったときに運転するもの、あるいは、常時運転するものとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
以上述べたように、燃料電池発電装置を本発明のごとく構成すれば、回収水が菌類や藻を繁殖させることなく貯水され、ポンプや水処理装置の不具合を生じることなく、長期にわたり安定して運転可能な回収水流通系を備えた燃料電池発電装置が得られ、また、本発明の燃料電池発電装置の水質管理方法を用いれば、菌類や藻の繁殖を生じることなく回収水が電池冷却水系の貯水タンクに供給されることとなるので、これらの発明はこの種の燃料電池発電装置に広く適用されるものと期待される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の実施例のシステム構成図
【符号の説明】
【００１８】
１０    燃料電池本体
２０    改質器
３０    空気加湿器
４０    蒸発器
５０    回収水タンク
５１    温度センサー
６０    貯水タンク
６１    温度センサー
６２    水位センサー
７１    開閉弁（回収水排出用）
７２    電気ヒーター
７３    冷却器
７４    水処理装置
７５    ポンプ
【図１】
2006147348.tif 000003