(57)【要約】【課題】  燃料電池側で再利用されない余剰水によって精製要素が無駄に消費されることのないようにし得る燃料電池システムを提供する。【解決手段】  水供給処理回路３において、燃料電池２で排出される排ガスから熱交換器４で凝縮により水回収し、凝縮水を水精製部５で精製し、精製した純水を純水タンク６に貯留し、純水ポンプ７で燃料電池２に供給して再利用させる。熱交換器４に凝縮水を集水するドレンパンを備え、ドレンパンの所定水位レベル位置にオーバーフロー口４４１が開口するオーバーフロー管４４を設置する。水供給処理回路３で生じる余剰水を水精製部５に通過させることなく、上流側に設置したオーバーフロー口４４１から排出させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、この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、回収した水分を精製して上記燃料電池での再利用のために供給する水供給処理回路とを備え、上記水供給処理回路は、排ガスに含まれる水分を凝縮させて水回収する熱交換器と、この熱交換器で水回収された凝縮水を精製する水精製部と、水精製部で精製された水を貯留する貯留タンクと、上記燃料電池で再利用する上で上記水供給処理回路において生じる余剰水を排出させるオーバーフロー部とを備えて構成されている燃料電池システムであって、
上記オーバーフロー部は上記水精製部よりも上流側の水供給処理回路に配設されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
上記熱交換器は凝縮水の水回収を行う集水部を備え、上記オーバーフロー部はこの集水部に配設されている、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池から排出される排ガスに含まれる水分を凝縮させることにより回収し、回収した水分を純水に精製した上で再利用するように構成された燃料電池システムに関する。特に回収した水分を精製するための要素(例えばイオン交換樹脂)の減量化や耐久性向上、並びに、精製後の純水を貯留するための要素（例えば貯留タンク）の減容化等を図り得る燃料電池システムに係る。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムとして、燃料電池から排出される排ガスに含まれる水分を凝縮させることにより回収するようにしたものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１７１８０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池から排出される排ガスに含まれる水分を凝縮させて回収し、回収した水を純水に精製することで、燃料電池の改質用水蒸気等に再利用することが考えられている。しかしながら、運転条件等によっては、精製された純水の量が余剰となることがあり、これにより、精製処理に使用するイオン交換樹脂等の精製要素を無駄に消費する事態を引き起こすことが考えられる。
【０００５】
凝縮水の回収や純水への精製は、例えば図４に示すようにして行うことが考えられている。すなわち、排熱回収用の熱交換器４００に対し、燃料電池２のセルスタック２２から排出される空気や未利用燃料ガス等の排ガス、又は、改質器２１での燃焼に伴い排出される排ガスを導き、この熱交換器４００において排熱回収と共に、排熱回収に伴い凝縮した水分を集水して水回収を行う。そして、回収された水をフィルタやイオン交換樹脂等の精製要素を有する水精製部５００に通して精製し、精製された純水を貯留タンク６００に貯留し、貯留タンク６００から純水をポンプ７００により燃料電池２に送って再利用させることになる。この場合、密閉式の貯留タンク６００には余剰の純水をオーバーフローさせて排出させるためにオーバーフロー部８００が連通されている。
【０００６】
このような場合には、再利用されることなくオーバーフロー部８００から排出される余剰の純水であっても、水精製部５００による精製を経ているため、その余剰な純水の分だけ、水精製部５００の精製要素を無駄に消費させてしまう、という不都合を生じることになる。又、貯留タンク６００の上部にはオーバーフローさせるための空間６０１が必要となり、その分だけ貯留タンク６００の容量増大化を招く上に、精製済みの純水がその空間６０１内の空気と接触してしまうことにもなる。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池側で再利用されない余剰水によって精製要素が無駄に消費されることのないようにし得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、本発明では、燃料電池と、この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、回収した水分を精製して上記燃料電池での再利用のために供給する水供給処理回路とを備え、上記水供給処理回路が、排ガスに含まれる水分を凝縮させて水回収する熱交換器と、この熱交換器で水回収された凝縮水を精製する水精製部と、水精製部で精製された水を貯留する貯留タンクと、上記燃料電池で再利用する上で上記水供給処理回路において生じる余剰水を排出させるオーバーフロー部とを備えて構成されている燃料電池システムを対象にして、次の特定事項を備えることとした。すなわち、上記オーバーフロー部を上記水精製部よりも上流側の水供給処理回路に配設することとした（請求項１）。
【０００９】
この発明の場合、水供給処理回路において余剰水が発生すれば、その余剰水は水精製部よりも上流側の水供給処理回路に配設されたオーバーフロー部からオーバーフローして排出されることになり、水精製部を通過することはない。つまり、余剰水が生じても、その余剰水は水精製部による精製を経ることなく、その前の上流側において排出されるため、余剰分の凝縮水まで水精製部で精製してしまうという無駄の発生が回避される。これにより、水精製部での精製要素の搭載量を減じたり、あるいは、精製要素の耐久性を増大させて交換タイミングを延ばしたりすることが可能となる。又、精製後の水を貯留する貯留タンクにはオーバーフロー部を配設しないようにするため、貯留タンク内の上部に空間が生じることなく満水・満流状態にし得ることになり、空間の省略により貯留タンクのコンパクト化又は貯留容量の増大化が図られる上に、空気との接触に伴う精製後の水への悪影響発生のおそれを回避し得る。
【００１０】
本発明においては、上記熱交換器に凝縮水の水回収を行う集水部を備えることとし、上記オーバーフロー部をこの集水部に配設するようにすることができる（請求項２）。このようにすることにより、請求項１による作用を得つつも、オーバーフロー部を別途設置する場合に比べ部品点数を減じて簡易にオーバーフロー部を形成し得ることになる。しかも、オーバーフロー部が水供給処理回路の最上流側位置となる集水部に配設され、熱交換器で凝縮した凝縮水が集水部に所定量以上まで溜まった後にオーバーフロー部からオーバーフローすることになるため、集水部よりも下流側（下位側）にオーバーフロー部が配設されて凝縮水が集水部を素通りしてオーバーフロー部に流下する場合と比べ、凝縮水の貯留の確保が図られ、貯留タンクによる貯留量と相俟って水供給処理回路全体での水確保を効率よく行い得ることになる。
【発明の効果】
【００１１】
以上、説明したように、請求項１又は請求項２の燃料電池システムによれば、水供給処理回路において余剰水が発生しても、その余剰水を水精製部による精製を経ることなく、その前の上流側に配設されたオーバーフロー部から排出させることができ、これにより、余剰分の凝縮水まで水精製部で精製してしまうという無駄の発生を回避することができる。これにより、水精製部での精製要素の搭載量を減じたり、あるいは、精製要素の耐久性を増大させて交換タイミングを延ばしたりすることができるようになる。又、精製後の水を貯留する貯留タンクにはオーバーフロー部を配設しないようにするため、貯留タンク内の上部に空間を生じさせることなく満水・満流状態にすることができ、空間の省略により貯留タンクのコンパクト化又は貯留容量の増大化を図ることができる上に、空気との接触に伴う精製後の水への悪影響発生のおそれも回避することができる。
【００１２】
特に請求項２によれば、オーバーフロー部を熱交換器の集水部に配設するようにすることにより、オーバーフロー部を別途設置する場合に比べ、部品点数を減じて簡易にオーバーフロー部を形成することができるようになる。しかも、オーバーフロー部が水供給処理回路の最上流側位置となる集水部に配設され、熱交換器で凝縮した凝縮水が集水部に所定量以上まで溜まった後にオーバーフロー部からオーバーフローすることになるため、集水部よりも下流側（下位側）にオーバーフロー部が配設されて凝縮水が集水部を素通りしてオーバーフロー部に流下する場合と比べ、凝縮水の貯留の確保を図ることができ、貯留タンクによる貯留量と相俟って水供給処理回路全体での水確保を効率よく行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態を示す模式図である。
【図２】図１の熱交換器の例を示す断面説明図である。
【図３】第２実施形態を示す模式図である。
【図４】課題を説明するために本発明と対比される燃料電池システムの図１対応図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを示す。この第１実施形態は、余剰水の排出を、後述の水供給処理回路３の最上流側位置であって、水精製部５に通される前の位置にある熱交換器４において行うようにしたものである。同図において、符号２は燃料電池、３は水供給処理回路であり、水供給処理回路３は、燃料電池２から排出される排ガスに含まれる水分の水回収、回収した水の精製及び精製後の純水の貯留、並びに、貯留した純水を再利用すべく燃料電池２への供給をそれぞれ行う回路である。この水供給処理回路３には、排熱回収用及び水回収用の熱交換器４と、この熱交換器４で集水された水を純水に精製するための水精製部５と、精製後の純水を貯留する貯留タンクとしての純水タンク６と、純水タンク６の純水を燃料電池２側に供給するための純水ポンプ７とが上流側から順に介装されている。第１実施形態や後述の第２実施形態の燃料電池システムは、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cells）に対し好適に適用される。
【００１６】
熱交換器４は、排熱回収用の媒体（例えば給湯用の水）と、燃料電池２からの排ガスとを熱交換させることにより、排ガスから排熱回収すると同時に、排ガス中の水分を凝縮させて凝縮水を捕集・集水するように構成されている。熱交換器４は、その一例を図２に示すように、熱交換器本体４１がハウジング４２内に配設され、ハウジング４２内に対し燃料電池２側である入口４２１から排ガスが導入され、熱交換器本体４１内の媒体との熱交換後に出口４２２から排気されるようになっている。熱交換器本体４１には、その一端４１１側から低温の媒体が導入され、熱交換器本体４１を通過する間に排熱回収により熱交換加熱されて昇温した後に、他端４１２側から高温の媒体が導出されるようになっている。そして、上記の熱交換により凝縮した排ガス中の水分が下側に配設された集水部としてのドレンパン４３に捕集・集水されるようになっている。このドレンパン４３には、その所定レベル位置にオーバーフロー口４４１が開口するようにオーバーフロー管４４が接続されている。このドレンパン４３は、上の熱交換器本体４１から滴下した凝縮水を捕集・集水し、集水した凝縮水を供給通路３１を通して下流側の水精製部５に送給する一方、所定レベル以上に集水された凝縮水をオーバーフロー口４４１から排出させるようになっている。オーバーフロー口４４１及びオーバーフロー管４４によって、オーバーフロー部が構成されている。
【００１７】
上記の所定レベル位置とは、水供給処理回路３において燃料電池２の側への純水供給量を確保し得る水位レベルよりも高い水位レベルが設定され、必要とされる純水供給量に対し余剰となる水位レベルのことである。
【００１８】
なお、燃料電池２の側から熱交換器４に導入される排ガスは、燃料電池２を構成する改質器２１からの燃焼排ガスを主体にして、セルスタック２２から排出される未利用燃料ガスや空気からなる排ガスも含まれる。又、熱交換器４に導入される前に、上記排ガスを熱源として、燃料電池２に供給される燃料ガス等を予熱したり、純水タンク６内の純水を水蒸気に蒸発させたりするための予熱・蒸発器（図示省略）に通されるようになっている。この場合、上記の熱交換器４では排ガスの潜熱回収による排熱回収及び水回収が行われることになる。
【００１９】
水精製部５は、ドレンパン４３に集水された凝縮水を通すことにより純水に精製するためのものであり、イオン交換膜（イオン交換樹脂）５２や、これに加えて逆浸透膜（RO膜）及びこれらの前段階のろ過用のフィルタ（例えばカーボンフィルタ）５１等を備えて構成されている。
【００２０】
水精製部５を経て精製された純水は供給通路３２を通して密閉式の純水タンク６に供給されるようになっている。純水タンク６の内部にはフロートスイッチ６１等が設けられている。そして、この純水タンク６内の純水は純水ポンプ７の作動により供給通路３３及び逆止弁３４を通して燃料電池２に供給され、改質器２１での改質用水蒸気として再利用されるようになっている。この供給通路３３を通して供給される際に、純水流量センサ３５により供給流量が検出されるようになっている。
【００２１】
以上の水供給処理回路３は、運転前の試運転時に各供給通路３１，３２，３３や純水タンク６内等を満水状態にした上で、運転が開始される。
【００２２】
第１実施形態の場合、水供給処理回路３において燃料電池２に供給するための純水量に余剰が生じる傾向になったとしても、その余剰分は熱交換器４のオーバーフロー口４４１からオーバーフローしてオーバーフロー管４４を通して排出され、水精製部５を通過することはないため、余剰分の凝縮水まで水精製部５で精製してしまうという無駄の発生を回避することができる。これにより、精製した上で貯留タンク６００（図４参照）から余剰分をオーバーフローさせる場合と比べ、イオン交換膜５２等の水精製部５での精製要素の搭載量を減じたり、あるいは、精製要素の耐久性を増大させて交換タイミングを延ばしたりすることができる。又、オーバーフロー口４４１を純水タンク６よりも上位に設定して純水タンク６を常に満水・満流状態にすることで、空間６０１の空気と触れることになる図４の場合と比べ、純水タンク６内の純水が減じたり、不純物の混入が生じたりすることを回避することができる。加えて、図４の場合と比べ空間６０１を不要にすることができ、純水タンク６の内部容量を有効利用することができるため、同じサイズでもより多くの純水を貯留したり、あるいは、同じ貯留量の貯留を実現するための純水タンク６自体のサイズをコンパクト化したりすることができる。又、オーバーフロー口４４１を最上位に設定して水供給処理回路３を満水・満流状態にすることで、イオン交換膜５２が設置された容器内を常に水で満たされた状態にすることができ、流れの偏りが起こり難くなる。さらに、純水タンク６の水頭を活用することにより、純水ポンプ７や純水流量センサ３５内のエア抜きを行うことができ、エア混入に伴う誤作動発生のおそれを回避することができる。
【００２３】
さらに、第１実施形態の場合、オーバーフロー部としてのオーバーフロー口４４１及びオーバーフロー管４４をドレンパン４３に対し一体に形成しているため、例えば後述の第２実施形態の如くオーバーフロー８を別途設ける場合に比べ、簡易にしかも部品点数の増加を招くことなく余剰水の排出を行うことができる。さらに、オーバーフロー部としてのオーバーフロー口４４１及びオーバーフロー管４４が水供給処理回路３の最上流側位置となるドレンパン４３に配設され、熱交換器４で凝縮した凝縮水がドレンパン４３に所定量以上まで溜まった後にオーバーフロー口４４１からオーバーフローすることになるため、後述の第２実施形態の如くドレンパンよりも下位側（下流側）にオーバーフロー部８を配設する場合と比べ、凝縮水の貯留の確保を図ることができ、純水タンク６による貯留量と相俟って水供給処理回路３の全体での水確保を効率よく行うことができることになる。
【００２４】
＜第２実施形態＞
図３は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを示し、同図中の符号８はオーバーフロー部を示している。なお、この第２実施形態の燃料電池システムのその他の構成要素は特に言及しない限り第１実施形態のものと同様構成であるため、同一構成要素には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００２５】
第２実施形態の熱交換器４はオーバーフロー口４４１（図２参照）及びオーバーフロー管４４を除いた構成のドレンパンを備え、その代わりに、オーバーフロー部８が熱交換器４（ドレンパン）と水精製部５とを接続する供給通路３１の途中に介装されている。
【００２６】
オーバーフロー部８は、例えば密閉容器８１と、この密閉容器８１内の内圧増大もしくは水頭圧が所定値を超えることにより開くオーバーフロー口８２とを備えて構成されている。そして、第１実施形態と同様に水供給処理回路３が満水・満流状態で、純水タンク６から燃料電池２の側への純水供給量以上の凝縮水が熱交換器４から供給されると、それにより密閉容器８１内の内圧増大が生じてオーバーフロー口８２が開き、余剰水がオーバーフローして排出されるようになっている。
【００２７】
この第２実施形態の場合も、第１実施形態と同様に余剰分の凝縮水が水精製部５を通過することはないため、第１実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。すなわち、水供給処理回路３において燃料電池２に供給するための純水量に余剰が生じる傾向になったとしても、その余剰分はオーバーフロー部８の開変換したオーバーフロー口８２からオーバーフローして排出され、水精製部５を通過することはないため、余剰分の凝縮水まで水精製部５で精製してしまうという無駄の発生を回避することができる。これにより、精製した上で貯留タンク６００（図４参照）から余剰分をオーバーフローさせる場合と比べ、イオン交換膜５２等の水精製部５での精製要素の搭載量を減じたり、あるいは、精製要素の耐久性を増大させて交換タイミングを延ばしたりすることができる。又、オーバーフロー部８を純水タンク６よりも上位に設定して純水タンク６を常に満水・満流状態にすることで、空間６０１の空気と触れることになる図４の場合と比べ、純水タンク６内の純水が減じたり、不純物の混入が生じたりすることを回避することができる。加えて、図４の場合と比べ空間６０１を不要にすることができ、純水タンク６の内部容量を有効利用することができるため、同じサイズでもより多くの純水を貯留したり、あるいは、同じ貯留量の貯留を実現するための純水タンク６自体のサイズをコンパクト化したりすることができる。又、オーバーフロー８を水精製部５よりも上位に設定して水供給処理回路３を満水・満流状態にすることで、イオン交換膜５２が設置された容器内を常に水で満たされた状態にすることができ、流れの偏りが起こり難くなる。さらに、純水タンク６の水頭を活用することにより、純水ポンプ７や純水流量センサ３５内のエア抜きを行うことができ、エア混入に伴う誤作動発生のおそれを回避することができる。
【００２８】
＜他の実施形態＞
なお、本発明は上記第１及び第２実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、上記第１実施形態において熱交換器４と、水精製部５との間の供給通路３１に対し、凝縮水を一時貯留するための凝縮水タンク９(図１参照)を介装させるようにしてもよい。同様に、第２実施形態において熱交換器４とオーバーフロー部８との間の供給通路３１に対し、上記と同様の凝縮水タンクを介装させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００２９】
２      燃料電池
３      水供給処理回路
４      熱交換器
５      水精製部
６      純水タンク(貯留タンク)
８      オーバーフロー部
４３    ドレンパン（集水部）
４４    オーバーフロー管(オーバーフロー部)
４４１  オーバーフロー口(オーバーフロー部)
【図１】
2011071073.tif 000003
【図２】
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【図３】
2011071073.tif 000005
【図４】
2011071073.tif 000006