(57)【要約】【課題】精製した純水の保水が可能な燃料電池発電システムの純水精製装置を提供すること。【解決手段】純水精製装置１０は、有底筒状の収納タンク１１と、収納タンク１１の上方開口を水密に閉鎖する蓋体１２と、収納タンク１１と蓋体１２とで形成される収納空間Ｓの上部に配設され蓋体１２との間に上部空間を形成する上部フィルタと、収納空間Ｓの下部に配設され収納タンク１１の底板との間に下部空間を形成する下部フィルタ１４と、上部フィルタ及び下部フィルタ１４を貫通し、上部空間と下部空間とを連通させる通水管１５と、収納タンク１１、上部フィルタ、下部フィルタ１４及び通水管１５によって画成される空間に充填されるイオン交換樹脂１６とを備える。蓋体１２には、上部空間に水を供給する給水管３８が形成されると共に、通水管１５に接続する溢水管３９が設けられ、下部空間には、収納タンク１１内の純水を外部に排出する送水管２７が接続される。【選択図】図１
2018106912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池での発電によって発生した水を純水に精製する燃料電池発電システムの純水精製装置であって、
有底筒状の収納タンクと、
前記収納タンクの上方に開口する開口部を水密に閉鎖する蓋体と、
前記収納タンクと前記蓋体とで形成される収納空間の上部に配設され、前記蓋体との間に上部空間を形成する上部フィルタと、
前記収納空間の下部に配設され、前記収納タンクの底部との間に下部空間を形成する下部フィルタと、
前記上部フィルタ及び前記下部フィルタを貫通し、前記収納タンクの略中央に配置されて前記上部空間と前記下部空間とを連通させる通水管と、
前記収納タンク、前記上部フィルタ、前記下部フィルタ及び前記通水管によって画成される空間に充填されるイオン交換樹脂と、を備え、
前記蓋体には、前記上部空間に前記水を供給する給水路が形成されると共に、前記通水管に接続する溢水路が設けられ、
前記下部空間には、前記収納タンク内の前記純水を外部に排出する第１排水路が接続された、燃料電池発電システムの純水精製装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池発電システムの純水精製装置であって、
前記下部空間には、前記第１排水路とは異なる前記収納タンク内の前記純水を排出する第２排水路が接続された、燃料電池発電システムの純水精製装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池発電システムの純水精製装置であって、
前記収納タンクは円筒状であり、
前記上部フィルタは、前記給水路から供給される前記水の着水点から離間するに従って開口面積が大きくなるスリット状の開口孔を有する、燃料電池発電システムの純水精製装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムの純水精製装置であって、
前記上部フィルタは、前記通水管の周囲に、前記上部空間側に凹んだ空気溜まり部を有する、燃料電池発電システムの純水精製装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムの純水精製装置であって、
前記水は、前記燃料電池から排出される排ガスに含まれる水分を回収した凝縮水である、燃料電池発電システムの純水精製装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池での発電によって発生した水を純水に精製する燃料電池発電システムの純水精製装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで電気エネルギーを生成する。燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系の原燃料を水蒸気改質することによって得られる水素ガスが使用されている。
【０００３】
上記の水蒸気改質では、改質反応に使用される水蒸気に対応した量の水を改質器に供給する必要がある。当該水を外部から供給する方式もあるが、燃料電池での発電によって発生した排ガスに含まれる水を上記改質に必要な水として循環させる方式が注目されている。後者の方式を利用した燃料電池発電システムでは、燃料電池からの排ガスに含まれる水分を回収した凝縮水を純水に精製し貯留した上で循環させる必要がある。特許文献１及び特許文献２には、凝縮水を浄化して純水に精製する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１３１１８２号公報
【特許文献２】特開２０１４−２０７０６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された装置は、有底容器の中央に導水管を配置すると共に、導水管の周囲にイオン交換樹脂を充填し、蓋体に設けられた縦連通路から導水管に供給した凝縮水を、下方から上方に向かってイオン交換樹脂の間を通過させて浄化し、有底容器の上部側に設けられた導水路から純水を排出する。また、特許文献２に記載された装置は、下部フィルタと上部フィルタとの間にイオン交換樹脂が充填された装置本体を備え、装置本体の下部側に設けられた水導入口から供給した凝縮水を、下方から上方に向かってイオン交換樹脂の間を通過させて浄化し、装置本体の上部側に設けられた水排出口から純水を排出する。
【０００６】
このように、特許文献１及び特許文献２の各装置では、凝縮水がイオン交換樹脂の間を下から上に向かって通過することによって浄化され、上部口から純水が排出されるので、当該装置の内部には、純水を貯留するための空間がない。このため、燃料電池発電システムには、当該装置から排出された純水を貯留するためのタンクが別途必要となる。
【０００７】
本発明の目的は、精製した純水の保水が可能な燃料電池発電システムの純水精製装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
燃料電池での発電によって発生した水（例えば、後述の実施形態での凝縮水）を純水に精製する燃料電池発電システムの純水精製装置（例えば、後述の実施形態での純水精製装置１０）であって、
有底筒状の収納タンク（例えば、後述の実施形態での収納タンク１１）と、
前記収納タンクの上方に開口する開口部（例えば、後述の実施形態での開口部２１）を水密に閉鎖する蓋体（例えば、後述の実施形態での蓋体１２）と、
前記収納タンクと前記蓋体とで形成される収納空間（例えば、後述の実施形態での収納空間Ｓ）の上部に配設され、前記蓋体との間に上部空間（例えば、後述の実施形態での上部空間５２）を形成する上部フィルタ（例えば、後述の実施形態での上部フィルタ１３）と、
前記収納空間の下部に配設され、前記収納タンクの底部（例えば、後述の実施形態での底板２５）との間に下部空間を（例えば、後述の実施形態での下部空間５１）形成する下部フィルタ（例えば、後述の実施形態での下部フィルタ１４）と、
前記上部フィルタ及び前記下部フィルタを貫通し、前記収納タンクの略中央に配置されて前記上部空間と前記下部空間とを連通させる通水管（例えば、後述の実施形態での通水管１５）と、
前記収納タンク、前記上部フィルタ、前記下部フィルタ及び前記通水管によって画成される空間に充填されるイオン交換樹脂（例えば、後述の実施形態でのイオン交換樹脂１６）と、を備え、
前記蓋体には、前記上部空間に前記水を供給する給水路（例えば、後述の実施形態での給水管３８）が形成されると共に、前記通水管に接続する溢水路（例えば、後述の実施形態での溢水管３９）が設けられ、
前記下部空間には、前記収納タンク内の前記純水を外部に排出する第１排水路（例えば、後述の実施形態での送水管２７）が接続される。
【０００９】
また、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、
前記下部空間には、前記第１排水路とは異なる前記収納タンク内の前記純水を排出する第２排水路（例えば、後述の実施形態での排水管２８）が接続される。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明では、請求項１又は２に記載の発明において、
前記収納タンクは円筒状であり、
前記上部フィルタは、前記給水路から供給される前記水の着水点（例えば、後述の実施形態での着水ポイントＰ）から離間するに従って開口面積が大きくなるスリット状の開口孔（例えば、後述の実施形態でのスリット状の開口孔４１）を有する。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明では、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、
前記上部フィルタは、前記通水管の周囲に、前記上部空間側に凹んだ空気溜まり部（例えば、後述の実施形態での凸部４３）を有する。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明では、請求項１から４のいずれか１項に記載の発明において、
前記水は、前記燃料電池から排出される排ガスに含まれる水分を回収した凝縮水である。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、第１排水路から排出されない余剰の純水は収納タンク内の通水管に貯留され、通水管が純水で満たされると、余剰の純水は、通水管の上端から溢水管を介してオーバーフローする。このように、収納タンク内の通水管を純水貯留タンクとして利用できるため、燃料電池発電システムには、純水精製装置によって精製された純水を貯留するためのタンクが不要である。その結果、燃料電池発電システムのコストダウン及び省スペース化を実現できる。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、収納タンク内の水を排出して空にする必要がある場合には、下部空間に接続された第２排水路から排水する。このとき排出される水はイオン交換樹脂を通過した純水であり、凝縮水又は凝縮水の混合水は排水されないため、土壌環境又は水質環境に与える影響を小さくできる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、上部フィルタは、給水路から供給される水の着水点から離間するに従って開口面積が大きくなるスリット状の開口孔を有するため、収納空間への水の供給流量は場所によって偏ることがなく、均一な流量にできる。その結果、上部フィルタの全面に亘って略同一流量の水が行きわたった状態で収納空間に供給されるため、イオン交換樹脂の利用率を平均化できる。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、通水管の上部周囲に空気溜まり部を有するので、給水路から供給される水と、収納空間内の空気との置換が促進され、収納空間に水がスムースに流入する。
【００１７】
請求項５に記載の発明によれば、燃料電池から排出される排ガスに含まれる水分を回収した凝縮水を、イオン交換樹脂によって浄化して純水にできる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る一実施形態の燃料電池発電システムの純水精製装置の一部を透視して示す外観斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池発電システムの純水精製装置のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池発電システムの純水精製装置のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】上部フィルタの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。本発明に係る一実施形態の純水精製装置は、燃料電池を備えた燃料電池発電システムに設けられる。燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで電気エネルギーを生成する。本実施形態の純水精製装置は、燃料電池から排出される排ガスに含まれる水分を回収した凝縮水を純水に精製し、その一部を貯留する。
【００２０】
図１は、本発明に係る一実施形態の燃料電池発電システムの純水精製装置の一部を透視して示す外観斜視図である。図２は、図１に示す純水精製装置のＩＩ−ＩＩ線断面図である。また図３は、図１に示す純水精製装置のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図１〜図３に示す純水精製装置１０は、収納タンク１１と、蓋体１２と、上部フィルタ１３と、下部フィルタ１４と、通水管１５と、イオン交換樹脂１６とを備える。
【００２１】
収納タンク１１は、上方に開放された開口部２１を有する有底円筒状に形成された容器であり、収納タンク１１の底板２５には、収納タンク１１を支持するための複数の脚部２６が設けられている。
【００２２】
収納タンク１１は、大径のタンク本体２２と、タンク本体２２より小径とされてタンク本体２２の下部に連続して形成された副タンク部２３とを有する。タンク本体２２と副タンク部２３との間には、段部２４が形成されている。副タンク部２３には、副タンク部２３の内部空間に連通する第１排水路を形成する送水管２７及び第２排水路を形成する排水管２８が、径方向外方に向かって設けられている。
【００２３】
蓋体１２は、収納タンク１１の開口部２１に嵌合して開口部２１を水密に閉鎖するものであり、タンク本体２２の内径より僅かに小さい外径を有し、開口部２１に内嵌する円環状の嵌合部３１を備える。嵌合部３１の外周面に形成されたＯリング溝３２には、Ｏリング３３が装着されている。蓋体１２は、Ｏリング３３を介して収納タンク１１に内嵌し、収納タンク１１と蓋体１２とで収納空間Ｓを画成する。
【００２４】
蓋体１２の中心には、蓋体１２を上下方向に貫通する貫通孔３４を形成する円環状リブ３５が設けられている。円環状リブ３５の内周面には、Ｏリング３６が装着されるＯリング溝３７が形成され、後述する通水管１５の上端部が水密に内嵌する。
【００２５】
さらに、蓋体１２には、収納タンク１１の収納空間Ｓに連通した給水路を形成する給水管３８と、蓋体１２の中心に形成された貫通孔３４に連通した溢水路を形成する溢水管３９とが設けられている。
【００２６】
上部フィルタ１３及び下部フィルタ１４は、同一部材であり、表裏を逆方向に向けて収納タンク１１（収納空間Ｓ）の上部及び下部に配設される。図４に示すように、上部フィルタ１３及び下部フィルタ１４は、複数のスリット状の開口孔４１を有する略円板状に形成されている。上部フィルタ１３及び下部フィルタ１４の各中心には、空気溜まり部として機能する板厚方向に突出した円筒状の凸部４３が形成されている。凸部４３には、通水管１５に嵌合する貫通孔４２が設けられている。
【００２７】
下部フィルタ１４は、凸部４３を下方に向けた状態で、収納タンク１１内のタンク本体２２と副タンク部２３との段部２４に係止されて配置されている。収納タンク１１内に下部フィルタ１４を設けることにより、副タンク部２３には、下部フィルタ１４の下方に下部空間５１が形成される。
【００２８】
また、上部フィルタ１３は、凸部４３を上方に向けた状態で、収納タンク１１の上部に配置され、その外周部の上面が蓋体１２によって保持される。収納タンク１１内に上部フィルタ１３を設けることにより、上部フィルタ１３と蓋体１２との間に上部空間５２が形成される。
【００２９】
上部フィルタ１３（下部フィルタ１４）に設けられた複数のスリット状の開口孔４１は、蓋体１２に設けられた給水管３８の収納空間Ｓへの開口部４４、即ち、給水管３８から供給される水（凝縮水）の着水ポイントＰ（図４参照）から離間するに従って、開口面積が大きくなるように設定されている。
【００３０】
通水管１５は、上部フィルタ１３及び下部フィルタ１４の貫通孔４２を貫通し、下端は下部フィルタ１４より下方の下部空間５１に位置し、上端はＯリング３６を介して蓋体１２の円環状リブ３５に内嵌する。これにより、収納タンク１１の下部空間５１と、円環状リブ３５の貫通孔３４とが連通する。なお、上述したように、貫通孔３４には溢水管３９が設けられているため、下部空間５１と溢水管３９は、通水管１５及び貫通孔３４を介して連通する。
【００３１】
通水管１５の内部には、通水管１５に貯留された純水の水位を検出するためのフロートセンサ６１が、円環状リブ３５の貫通孔３４の上方から挿入されて配設されている。フロートセンサ６１の基部である取付け基板６２は、貫通孔３４の上方を塞ぐように、円環状リブ３５にボルト固定されている。
【００３２】
イオン交換樹脂１６は、収納タンク１１、上部フィルタ１３、下部フィルタ１４、及び通水管１５で画成される空間に充填されている。なお、イオン交換樹脂１６は、収納空間Ｓを流下する凝縮水から陽イオン（Ｎａ＋、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋等）及び陰イオン（Ｃｌ−、ＨＣＯ３−等）を除去する不溶性の合成樹脂であり、樹脂は化学的に不活性な部分の樹脂基体とイオン交換基の部分とから構成されている。
【００３３】
次に、上記の構成を備えた燃料電池発電システムの純水精製装置１０の作用について説明する。
【００３４】
燃料電池発電システムの凝縮器（不図示）から滴下する凝縮水は、給水管３８から純水精製装置１０に供給され、給水管３８の収納空間Ｓへの開口部４４に対応して位置する上部フィルタ１３の着水ポイントＰに吐出された後、上部フィルタ１３の上面に沿って広がりながら、複数のスリット状の開口孔４１から収納空間Ｓ内に流入する。なお、複数のスリット状の開口孔４１は、着水ポイントＰから離間するに従って開口面積が大きくなるように設定されているため、凝縮水の収納空間Ｓへの供給流量は場所によって偏らない。すなわち、上部フィルタ１３の全面に亘って略同一流量の凝縮水が行きわたる。
【００３５】
上部フィルタ１３の開口孔４１から収納空間Ｓ内に供給された凝縮水には、金属イオンや無機イオン、有機物等が含まれている。こういった凝縮水がイオン交換樹脂１６の間を上から下に向かって流下させながらイオン交換樹脂１６との間でイオン交換することで純水が精製される。なお、収納空間Ｓへの凝縮水の流入に伴って生じる収納空間Ｓ内の空気の排出は、上部フィルタ１３の凸部４３が空気溜まり部として機能することで円滑に行われる。その結果、凝縮水がイオン交換樹脂１６間をスムースに流れ、収納空間Ｓへの凝縮水の流入は阻害されない。
【００３６】
凝縮水がイオン交換樹脂１６の間を上から下に向かって通過することによって得られた純水は、下部フィルタ１４より下方の下部空間５１に溜り、送水管２７から排出される。送水管２７から排出され改質器等に送られる純水の量は図示しないポンプ等によって調整されており、精製される純水の量が送水管２７から排出される純水の量を上回ると、送水管２７から排出されない余剰の純水は、通水管１５内に下方から上方に向かって貯留される。余剰の純水が増して通水管１５が純水で満たされると、余剰の純水は、通水管１５の上端から溢水管３９を介してオーバーフローする。このように、通水管１５は、純水を貯留する純水タンクとして機能する。
【００３７】
なお、純水精製装置１０のメンテナンスを行う際又は純水精製装置１０を長期間使用しない場合には、純水精製装置１０内の全ての水を排出する必要がある。このときは、下部空間５１に連通する排水管２８から排水する。下部空間５１内の水はイオン交換樹脂１６を通過した純水であるため、排水管２８から排水される水は、凝縮水を含まない純水だけである。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態の純水精製装置１０によれば、有底筒状の収納タンク１１と、収納タンク１１の上方に開口する開口部２１を水密に閉鎖する蓋体１２と、収納タンク１１と蓋体１２とで形成される収納空間Ｓの上部に配設されて蓋体１２との間に上部空間５２を形成する上部フィルタ１３と、収納空間Ｓの下部に配設されて収納タンク１１の底板２５との間に下部空間５１を形成する下部フィルタ１４と、上部フィルタ１３及び下部フィルタ１４を貫通し、収納タンク１１の略中央に配置されて上部空間５２と下部空間５１とを連通させる通水管１５と、収納タンク１１、上部フィルタ１３、下部フィルタ１４及び通水管１５によって画成される空間に充填されるイオン交換樹脂１６とを備える。蓋体１２には、上部空間５２に水を供給する給水管３８が形成されると共に、通水管１５に接続する溢水管３９が設けられ、下部空間５１には、収納タンク１１内の純水を外部に排出する送水管２７が接続されているため、送水管２７からは純水が排出される。また、送水管２７から排出されない余剰の純水は通水管１５に貯留され、通水管１５が純水で満たされると、余剰の純水は、通水管１５の上端から溢水管３９を介してオーバーフローする。このように、収納タンク１１内の通水管１５を純水貯留タンクとして利用できるため、燃料電池発電システムには、純水精製装置１０によって精製された純水を貯留するためのタンクが不要である。その結果、燃料電池発電システムのコストダウン及び省スペース化を図ることができる。
【００３９】
また、下部空間５１には、送水管２７とは異なる収納タンク１１内の純水を排出する排水管２８が接続されるので、収納タンク１１内の水を排出して空にする必要がある場合には、下部空間５１に接続された排水管２８から排水する。このとき排出される水はイオン交換樹脂１６を通過した純水であり、凝縮水又は凝縮水の混合水は排水されないため、土壌環境又は水質環境に与える影響を小さくできる。
【００４０】
また、収納タンク１１は円筒状であり、上部フィルタ１３は、給水管３８から供給される凝縮水の着水ポイントＰから離間するに従って開口面積が大きくなるスリット状の開口孔４１を有するため、凝縮水の収納空間Ｓへの供給流量は場所によって偏ることなく、均一な流量にできる。その結果、上部フィルタ１３の全面に亘って略同一流量の凝縮水が行きわたった状態で収納空間Ｓに供給されるため、イオン交換樹脂１６の利用率を平均化できる。
【００４１】
さらに、上部フィルタ１３は、通水管１５の周囲に、上部空間５２側に凹んだ凸部４３を有し、凸部４３は、収納空間Ｓへの凝縮水の流入に伴って収納空間Ｓから排出される空気溜まり部として機能する。このため、給水管３８から供給される凝縮水と、収納空間Ｓ内の空気との置換が促進され、凝縮水は収納空間Ｓにスムースに流入する。
【００４２】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  純水精製装置
１１  収納タンク
１２  蓋体
１３  上部フィルタ
１４  下部フィルタ
１５  通水管
１６  イオン交換樹脂
２１  開口部
２５  底板
２７  送水管
２８  排水管
３８  給水管
３９  溢水管
４１  開口孔
４３  凸部
５１  下部空間
５２  上部空間
Ｐ  着水ポイント
Ｓ  収納空間
【図１】
2018106912.tif 000003
【図２】
2018106912.tif 000004
【図３】
2018106912.tif 000005
【図４】
2018106912.tif 000006