(57)【要約】【課題】排ガス中の酸性ガスが水タンクへ流入して水タンク中の水のｐＨ値を低下させるのを抑制することのできる燃料電池装置を提供する。【解決手段】本実施形態の燃料電池装置は、燃料電池セル１Ａ（燃料電池モジュール１）と、凝縮水を生成する熱交換器２と、熱交換器２から導出された酸性ガスを含む排ガスを排出する排ガス流路Ｒと、熱交換器２より導出された凝縮水を貯留する水タンク４と、水タンク４からの余剰水と排ガス流路Ｒで生じた結露水とが送給される排水混合容器５と、水タンク４から排水混合容器５に余剰水を送給する第１排水流路Ｄ１と、排ガス流路で生じる結露水を排水混合容器５に送給する第２排水流路Ｄ２と、排ガスの、水タンク４への流入を抑制する排ガス混入抑制手段と、を備える。【選択図】図１
2018142438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルと、
該燃料電池セルから排出される、酸性ガスと水分とを含む排ガスを熱交換して冷却するとともに、該排ガス中の水分を凝縮させて凝縮水を生成する熱交換器と、
前記熱交換器から導出された酸性ガスを含む排ガスを排出するための排ガス流路と、
前記熱交換器より導出された凝縮水を貯留する水タンクと、
前記水タンクからの余剰水と、前記排ガスに含まれる残余の水分により前記排ガス流路で生じた結露水とが、送給される排水混合容器と、
前記余剰水を前記水タンクから前記排水混合容器に送給するための第１排水流路と、
前記排ガス流路で生じる結露水を前記排水混合容器に送給するための第２排水流路と、
前記排ガスの前記水タンクへの流入を抑制する排ガス混入抑制手段と、
を備える燃料電池装置。
【請求項２】
前記排ガス混入抑制手段が、前記第１排水流路または前記第２排水流路の途中に設けられたガストラップである、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記第１排水流路の途中に設けられたガストラップは、該ガストラップの内部に、前記余剰水を溜める余剰水溜まり部を有する、請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記第２排水流路の途中に設けられたガストラップは、該ガストラップの内部に、前記結露水を溜める結露水溜まり部を有する、請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記水溜まり部が、排水流路の途中に設けられた、Ｕ字状、Ｓ字状またはループ状の配管である、請求項３または４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記排ガス混入抑制手段が、前記排ガス流路の末端に設けられた、生じた負圧により前記排水混合容器から前記第２排水流路へ向かうガスの流れを作るエゼクタ部である、請求項１記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池装置として、凝縮水を貯留するための水タンクを有している例が知られている。この水タンクには、発電にて発生した排気ガス（以下、単に「排ガス」という）の熱交換時に前記排ガスに含まれる水蒸気が凝縮して生成される「凝縮水」が、回収・浄化処理された後に貯留されている（特許文献１〜３を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１１９０８６号公報
【特許文献２】特開２００４−１７２０１６号公報
【特許文献３】特開２００７−２５７９５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述の排ガスには、二酸化炭素等の酸性ガスが含まれており、燃料電池装置においては、熱交換器経由後の排ガス中に含まれる酸性ガスが、水タンクから溢れ出た余剰水を排水するための排水流路等を経由して水タンクへ流入し、貯留されている凝縮水のｐＨ値を低下させる場合があった。
【０００５】
本開示の燃料電池装置の目的は、排ガス中の酸性ガスが水タンクへ流入して水タンク中の水のｐＨ値を低下させるのを抑制することのできる燃料電池装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の燃料電池装置は、燃料電池セルと、
該燃料電池セルから排出される、酸性ガスと水分とを含む排ガスを熱交換して冷却するとともに、該排ガス中の水分を凝縮させて凝縮水を生成する熱交換器と、
前記熱交換器から導出された酸性ガスを含む排ガスを排出するための排ガス流路と、
前記熱交換器より導出された凝縮水を貯留する水タンクと、
前記水タンクからの余剰水と、前記排ガスに含まれる残余の水分により前記排ガス流路で生じた結露水とが、送給される排水混合容器と、
前記余剰水を前記水タンクから前記排水混合容器に送給するための第１排水流路と、
前記排ガス流路で生じる結露水を前記排水混合容器に送給するための第２排水流路と、
前記排ガスの前記水タンクへの流入を抑制する排ガス混入抑制手段と、を備える。
【０００７】
なお、本開示における「酸性ガス」とは、二酸化炭素ガスや硫化水素ガス等、水に溶存した場合に、この水をｐＨ値７未満の「酸性」にするものを言う。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の燃料電池装置によれば、排ガス中の酸性ガスが水タンクへ流入して、該水タンク中に貯留されている水のｐＨ値が低下することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態の燃料電池装置の構成を示す概略構成図である。
【図２】第２実施形態の燃料電池装置の構成を示す概略構成図である。
【図３】第３実施形態の燃料電池装置の構成を示す概略構成図である。
【図４】第４実施形態の燃料電池装置の構成を示す概略構成図である。
【図５】第５実施形態の燃料電池装置の構成を示す概略構成図である。
【図６】第６実施形態の燃料電池装置の構成を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を用いて本実施形態の燃料電池装置の一例について説明する。なお、同一の構成については、他の図面と同一の符号を用いて、その詳細な説明を省略する。
【００１１】
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池装置１０の概略構成を示す構成図である。燃料電池装置１０は、天然ガス，ＬＰガス等の原燃料と空気とを使用して発電を行なう燃料電池モジュール１の稼動による電力供給と、熱交換器２と蓄熱槽（図示省略）等からなる排熱回収システムを利用した温水の供給とを行うものである。なお、温水の供給を行なわない、いわゆるモノジェネレーションシステムとすることもできる。
【００１２】
燃料電池モジュール１は、内部に、複数の燃料電池セル１Ａが積層されたセルスタックと、水蒸気を用いて原燃料の水蒸気改質を行う改質器１Ｂ等を備えている。なお、本開示においては、複数の燃料電池セル１Ａが開示されているが、燃料電池セルは１つであってもよく、また、燃料電池モジュール１の構成をなしていなくてもよい。また、燃料電池装置としては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）など、種々の燃料電池に適用可能である。
【００１３】
また、燃料電池装置１０の外装ケース１１内には、複数の燃料電池セル１Ａを含む燃料電池モジュール１の他、熱交換器２から回収された凝縮水（純水）を、浄水器３を通して精製した後、水蒸気改質用の原料水（以下、改質用水）として貯留する改質用水貯槽（水タンク４）や、図示はしていないが、空気（酸素含有ガス）を燃料電池モジュール１に送給する送風機（空気ブロア）、天然ガス，ＬＰＧ等の原燃料を改質器１Ｂに送給するガスポンプ、排熱回収システム内の熱媒（水道水等）を系内で循環させる循環ポンプ等の補機類が配設されている。
【００１４】
そして、燃料電池モジュール１内では、発電に利用されなかった燃料ガス（水素）と酸素含有ガス（空気）との混合ガスが、図示しない点火手段等により着火されて燃やされ、その燃焼熱が、使用前（発電直前）の燃料ガスや酸素含有ガスの昇温や、原燃料の改質等に利用されている。
【００１５】
燃焼後の排気ガス（排ガス）の排出経路について説明すると、排ガスは、燃料電池モジュール１を出た直後は高温で、発電により生じた水（Ｈ２Ｏ：水蒸気等の水分）と、二酸化炭素（ＣＯ２）などの酸性ガスとを多く含んでおり、熱交換器２を経由した後、液体（水）と気体（排ガス）とに分けて導出されるようになっている。
【００１６】
熱交換器２内では、先に述べた排熱回収システムの熱媒（水道水等）との熱交換により、排ガスの温度が低下（水道水等の水温は上昇）するとともに、該排ガス中の水分が温度低下により凝縮して凝縮水が生じる。そして、これら排ガス（気体）と凝縮水（液体）とは、熱交換器２の下部（底部側）に配設された、ボートと呼ばれる汽水分離部（気液分離部２Ａ）を介して分離され、酸性ガスを含む排ガスは排ガス流路Ｒへ、凝縮水は下側の浄水器３へ、送給される。
【００１７】
浄水器３へ送給された凝縮水は、その中に充填されたイオン交換樹脂等の充填材を通過する間に、不純物や、溶存している二酸化炭素の一部が取り除かれ、弱酸性（ｐＨ値５以上）の純水となって、「改質用水」として水タンク４に貯留される。
【００１８】
水タンク４に貯留された改質用水は、燃料電池モジュール１の稼動に合わせて順次、改質用水供給流路Ｑと水ポンプＰとを介して、燃料電池モジュール１内の改質器１Ｂに送給されるようになっている。
【００１９】
なお、燃料電池装置１０の稼動状況によっては、熱交換器２における凝縮水の生成量が、改質器１Ｂでの改質用水の使用量（水タンク４からの供給量）を上回る場合もある。その場合、水タンク４内の改質用水はやがて、規定容量いっぱいの満水レベルとなり、図示するように、満水レベルから溢れた水（オーバーフロー水：実線矢印で表示）は、水タンク４の上部に設けられた余剰水排水口から、第１排水流路Ｄ１を通じて、外装ケース１１の下部（底部）に位置する排水混合容器５に送られ、後記する結露水と混合されたうえで、汚水枡等の下水道に向けて排出される。
【００２０】
一方、熱交換器２（気液分離部２Ａ）で凝縮水と分離された、酸性ガスを含む排ガスは、排ガス流路Ｒと、外装ケース１１の一面に開口する排気部６とを通じて、装置外に排出される。この時、排ガスは、前記酸性ガスの他に、熱交換器２で分離しきれなかった若干の水分（水蒸気）を含んでおり、この水分が、排ガス流路Ｒを流過して温度が低下する間に、該排ガス流路Ｒの管内壁や、外部への排気出口を有する排気部６の壁面等に付着して、図のように結露（結露水）を生じる。
【００２１】
この結露水は、酸性ガスを多く含む、ｐＨ値５未満の酸性であり、排気部６の下部で集められ、その下側に接続された第２排水流路Ｄ２を通じて、排水混合容器５（排水口組）に送られる。そして、結露水は、排水混合容器５中で、改質用水の余剰水（水タンク４のオーバーフロー水：実線矢印）と混合された後、汚水枡等の下水道に向けて排出される。
【００２２】
ところで、従来の構成の燃料電池装置では、熱交換器２経由後の排ガス中に含まれる酸性ガスが、第２排水流路Ｄ２から排水混合容器５および第１排水流路Ｄ１を経由して、改質用水を貯留する水タンク４へ流入し、貯留されている改質用水のｐＨ値を低下させる場合があった。
【００２３】
これに対し、本実施形態の燃料電池装置１０においては、前記の結露水を流下させる第２排水流路Ｄ２の途中に、熱交換器２経由後の排ガス中に含まれる酸性ガス（主に二酸化炭素）が、改質用水を貯留する水タンク４へ流入するのを抑制する排ガス混入抑制手段として、ループ状のガストラップ７Ａが配設されている。
【００２４】
このガストラップ７Ａは、内部に前記結露水を溜めるための結露水溜まり部（前記ループ状部）を有するため、この溜められた水の存在により、前述の酸性ガスの、排気部６から排水混合容器５方向への移動（流下）を規制しつつ、流れてくる結露水を、排水混合容器５に向けて流下させることができる。
【００２５】
この構成により、本実施形態の燃料電池装置１０は、先に述べた排ガス中に含まれる酸性ガスが、第２排水流路Ｄ２から排水混合容器５および第１排水流路Ｄ１を経由して、改質用水を貯留する水タンク４へ流入するのを抑制することができる。また、先の酸性ガスが、改質用水（凝縮水）がオーバーフローしたドレン排水に混入するのが抑制されるため、燃料電池モジュール１の運転中に、装置外に排出される排水のｐＨ値が５未満に低下することを低減できる。
【００２６】
つぎに、図２に示す第２実施形態の燃料電池装置２０も、第１実施形態の燃料電池装置１０と同様の、燃料電池モジュール１（燃料電池セル１Ａ），熱交換器２，浄水器３，排水混合容器５等を備え、熱交換器２で生じた凝縮水を、原燃料の改質用水として水タンク４に貯留する構成を有する。また、排水混合容器５と水タンク４との間には、水タンク４からオーバーフローした余剰水を排水混合容器５に流過させる第１排水流路Ｄ１が配設され、排水混合容器５と排気部６との間には、排ガス流路Ｒ付近で生じた結露水を排水混合容器５に流下させる第２排水流路Ｄ２が設けられている。
【００２７】
第２実施形態の燃料電池装置２０が、第１実施形態の燃料電池装置１０と構成上異なるのは、熱交換器２経由後の排ガス中に含まれる酸性ガスが、改質用水を貯留する水タンク４へ流入するのを抑制する排ガス混入抑制手段として、結露水を流下させる第２排水流路Ｄ２の途中に、Ｓ字状の結露水溜まり部を有するガストラップ７Ｂが配設されている点である。
【００２８】
この構成によっても、ガストラップ７Ｂ内に水を溜めることができ、第１実施形態における燃料電池装置１０と同様に、ガストラップ７Ｂ内に貯められた水の存在により、本実施形態の燃料電池装置２０も、先に述べた排ガス中に含まれる酸性ガスが、第２排水流路Ｄ２から排水混合容器５および第１排水流路Ｄ１を経由して、改質用水を貯留する水タンク４へ流入するのを抑制することができる。
【００２９】
また、先の酸性ガスが、Ｓ字状のガストラップ７Ｂで滞留している間に、上方に揮発（蒸散）することで、排水混合容器５から水タンク４側に逆流する酸性ガスを、より低減することができる。したがって、酸性ガスが、改質用水（凝縮水）がオーバーフローしたドレン排水に混入するのが抑制され、その結果、燃料電池モジュール１の運転中に、装置外に排出される排水のｐＨ値が５未満に低下することを低減できる。
【００３０】
つぎに、図３に示す第３実施形態の燃料電池装置３０も、前述の実施形態の燃料電池装置１０，２０と同様の、燃料電池モジュール１（燃料電池セル１Ａ）の排ガスから熱交換器２で生じた凝縮水を、原燃料の改質用水として水タンク４に貯留する構成を備える。また、改質用水を貯留する水タンク４からオーバーフローした余剰水を排水混合容器５に流過させる第１排水流路Ｄ１と、排ガス流路Ｒおよび排気部６付近で生じた結露水を排水混合容器５に流下させる第２排水流路Ｄ２とを有する。
【００３１】
第３実施形態の燃料電池装置３０が、先の実施形態の燃料電池装置と異なるのは、排ガス中に含まれる酸性ガスが、改質用水を貯留する水タンク４へ流入するのを抑制する排ガス混入抑制手段として、水タンク４のオーバーフロー水を排水混合容器５に流過させる第１排水流路Ｄ１の途中に、Ｕ字状の凝縮水溜まり部を有するガストラップ７Ｃが配設されている点である。
【００３２】
この構成によれば、ガストラップ７Ｃ内に凝縮水を溜めることができ、排ガス中に含まれる酸性ガスが、排水混合容器５から第１排水流路Ｄ１を経由して、改質用水を貯留する水タンク４へ流入するのを抑制することができ、結果として、水タンク４内の改質用水のｐＨ値が低下するのを低減できる。また、第１排水流路Ｄ１の長さを、先の実施形態の燃料電池装置１０，２０よりも長くできるので、排ガスの水タンク４への流入を、より確実に抑制することができる。
【００３３】
つぎに、図４に示す第４実施形態の燃料電池装置４０も、前述の実施形態の燃料電池装置１０〜３０と同様の、燃料電池モジュール１（燃料電池セル１Ａ）の排ガスから熱交換器２で生じた凝縮水を、原燃料の改質用水として水タンク４に貯留する構成を備える。また、改質用水を貯留する水タンク４からオーバーフローした余剰水を排水混合容器５に流過させる第１排水流路Ｄ１と、排ガス流路Ｒおよび排気部６付近で生じた結露水を排水混合容器５に流下させる第２排水流路Ｄ２とを有する。
【００３４】
第４実施形態の燃料電池装置４０が、先の実施形態の燃料電池装置と異なるのは、排ガス中に含まれる酸性ガスが、改質用水を貯留する水タンク４へ流入するのを抑制する排ガス混入抑制手段として、水タンク４のオーバーフロー水を排水混合容器５に流過させる第１排水流路Ｄ１の先端（末端）が、該排水混合容器５の中に溜まる排水中に没するように延設されている点である。
【００３５】
この構成によれば、第１排水流路Ｄ１の先端（末端）が排水中にあるため、排ガスが第１排水流路Ｄ１に入ろうとしても排水によって阻害され、排ガス中に含まれる酸性ガスが、排水混合容器５から第１排水流路Ｄ１を経由して、改質用水を貯留する水タンク４へ流入するのを抑制することができる。したがって、上記構成の燃料電池装置４０も、水タンク４内の改質用水のｐＨ値が低下するのを低減できる。
【００３６】
つぎに、図５に示す第５実施形態の燃料電池装置５０も、前述の実施形態の燃料電池装置１０〜４０と同様の、燃料電池モジュール１（燃料電池セル１Ａ）の排ガスから熱交換器２で生じた凝縮水を、原燃料の改質用水として水タンク４に貯留する構成を備える。また、改質用水を貯留する水タンク４からオーバーフローした余剰水を排水混合容器５に流過させる第１排水流路Ｄ１と、排ガス流路Ｒおよび排気部６付近で生じた結露水を排水混合容器５に流下させる第２排水流路Ｄ２とを有する。
【００３７】
第５実施形態の燃料電池装置５０が、先の実施形態の燃料電池装置と異なるのは、排ガス中に含まれる酸性ガスが、改質用水を貯留する水タンク４へ流入するのを抑制する排ガス混入抑制手段として、排ガス流路Ｒの末端８が、排ガスを、図示上側の排気部６出口に向けて吐出するノズル状に形成され、排気部６全体が、生じた負圧により排水混合容器５から第２排水流路Ｄ２へ向かうガスの流れを作るエゼクタ部になっている点である。この形状により、排ガスは、排気部６の上方に向けて勢い良く吐出され、第２排水流路Ｄ２に、図示上向きの空気流が発生する。すなわち、この排気部６が、排水混合容器５内の空気を上に向かって吸い上げる、エゼクタとして機能する。
【００３８】
この構成によっても、排ガス中に含まれる酸性ガスが、第２排水流路Ｄ２から排水混合容器５および第１排水流路Ｄ１を経由して、改質用水を貯留する水タンク４へ流入するのを抑制することができ、水タンク４内の改質用水のｐＨ値が低下するのを低減できる。また、先の酸性ガスが、改質用水（凝縮水）がオーバーフローしたドレン排水に混入するのを抑止することができる。
【００３９】
なお、前記した、ノズル形状の排ガス流路Ｒの末端８に代えて、図６に示す第６実施形態の燃料電池装置６０のように、排ガス流路Ｒの終端に位置する排気部６の出口に、外部に向かって排気する電動ファン９を設置してもよい。この構成によっても、第５実施形態の燃料電池装置５０と同様、排水混合容器５内の空気を図示上方に向かって吸い上げる、
前記エゼクタ部と同等の作用効果を得ることができる。
【００４０】
したがって、第６実施形態の燃料電池装置６０の構成でも、排ガス中に含まれる酸性ガス（主に二酸化炭素）が、改質用水を貯留する水タンク４へ流入するのを抑止することができ、水タンク４内の改質用水のｐＨ値が低下するのを低減できる。
【００４１】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
【００４２】
たとえば、前記実施形態では、排ガス混入抑制手段（二酸化炭素混入抑制手段）のガストラップとして、ループ状の水溜まり部を有するガストラップ７Ａ，Ｓ字状の水溜まり部を有するガストラップ７Ｂ，Ｕ字状の水溜まり部を有するガストラップ７Ｃを例示したが、ガストラップの形状として、略Ｌ字状，略Ｎ字状，略Ｖ字状，略Ｗ字状等、水溜まり部で水を一旦堰き止めて酸性ガスを流過させない形状のものであれば、どのような形状のものでもよい。
【００４３】
また、第１排水流路Ｄ１の末端を排水混合容器５内でバブリングする様式や構成も、第４実施形態（図４，燃料電池装置４０）での例に限られるものではなく、他の様式や形状であってもよい。さらに、排水混合容器５内の空気を上に向かって吸い上げる様式や構成も、第５，６実施形態（図５，図６）の例に限られるものではなく、他の構成や形状等を採用してもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１    燃料電池モジュール
１Ａ  燃料電池セル（セルスタック）
１Ｂ  改質器
２    熱交換器
２Ａ  気液分離部
３    浄水器
４    水タンク（改質用水貯槽）
５    排水混合容器
５ａ  排水口
６    排気部
７Ａ，７Ｂ，７Ｃ  ガストラップ
８  排ガス流路Ｒの末端（ノズル部）
９  ファン
１０  燃料電池装置
１１  外装ケース
２０，３０，４０，５０，６０  燃料電池装置
Ｄ１  第１排水流路
Ｄ２  第２排水流路
Ｐ    水ポンプ
Ｑ    改質用水供給流路
Ｒ    排ガス流路
【図１】
2018142438.tif 000003
【図２】
2018142438.tif 000004
【図３】
2018142438.tif 000005
【図４】
2018142438.tif 000006
【図５】
2018142438.tif 000007
【図６】
2018142438.tif 000008