(57)【要約】【課題】カビや雑菌によるポンプつまりが起こりにくく、水張り時に流路内に残留する空気を排除しやすい構成とすることで、燃料電池システムの信頼性向上を図る。【解決手段】燃料電池１から排出されるオフガスと燃料処理装置２での燃焼により発生する排ガスとから得た凝縮水を、凝縮水タンク２５の下方からイオン交換樹脂２６を経由して冷却水タンク２３に補給するための冷却水供給ポンプ２４が、非容積型の遠心式ポンプであるとともに、冷却水供給ポンプ２４とイオン交換樹脂２６との間の配管内に残留する空気を外部に排除するための分岐管２９を有するため、カビや雑菌によるポンプつまりが起こりにくいポンプ構成でありながら、残留空気の噛み込みによる送液不良を回避することが可能な流路構成とすることができる。【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、前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料処理装置と、前記燃料電池から排出されるオフガスと前記燃料処理装置での燃焼により発生する排ガスとから得た凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、前記燃料電池で発電に伴って発生する熱を回収して前記燃料電池を所定温度に保つための冷却水が循環する冷却水循環流路に設けられた冷却水タンクと、前記凝縮水タンク内の凝縮水を冷却水として前記冷却水タンクに補給するための水供給管と、前記水供給管の途中に設けられ前記凝縮水タンクからの凝縮水を処理するイオン交換樹脂と、前記凝縮水タンクより下方に配置され前記凝縮水タンク内の凝縮水を前記水供給管を通して前記冷却水タンクに送る遠心式の冷却水供給ポンプと、前記冷却水供給ポンプと前記イオン交換樹脂との間の水供給管から分岐され前記冷却水供給ポンプと前記イオン交換樹脂との間に残留する空気を外部に排除するための分岐管とを有する燃料電池システム。
【請求項２】
前記分岐管の途中に電動式の開閉弁と、前記開閉弁の動作を制御する開閉弁制御手段とを有し、前記冷却水供給ポンプの動作時に、前記開閉弁制御手段が前記開閉弁を所定期間開放し、前記冷却水供給ポンプと前記イオン交換樹脂との間に残留する空気を外部に排除する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記分岐管の途中あるいは末端に手動式の空気抜き弁を有する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記凝縮水タンクが外部開放された構成であるとともに、前記分岐管が前記凝縮水タンクに排水する構成を有する請求項２または３記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素を反応させて発電し、発電時の排熱を回収する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、発電効率が高く、大気汚染物質もほとんど排出しないため、省エネ且つクリーンな発電装置として近年期待されている。特に、発電時に発生する熱を給湯や暖房等に回収利用する燃料電池システムは、総合的なエネルギー効率が高く、家庭用のエネルギー機器としての普及が望まれている。
【０００３】
以下に、従来の燃料電池システムの構成について、図３を用いて説明する。
【０００４】
図３に示すように、燃料処理装置５２は、例えば、メタンなどの原料ガスを水蒸気で改質することにより、燃料電池５１の燃料ガスとなる水素を生成する。そして、燃料電池５１は、燃料処理装置５２で生成された水素をアノード６２に、空気ブロワなどにより供給された空気中の酸素をカソード６３に流通させ、電気化学的に反応させることで発電を行う。
【０００５】
また、図３に示すように、貯湯タンク５３および貯湯ポンプ５４と、燃料処理装置５２の排ガスから熱回収を行う排ガス熱交換器５５と、燃料電池５１のカソード６３の出口に設けたオフガス熱交換器５６と、燃料電池５１の冷却水熱交換器５７とを、この順番に環状に配管接続し、貯湯タンク５３の貯湯水を加熱するように貯湯水循環流路５９を構成している。そして、冷却水循環ポンプ６０は、冷却水タンク７３に貯蔵された冷却水を、燃料電池５１内部の冷却部６４と冷却水熱交換器５７とを接続した冷却水循環流路５８に循環させる。
【０００６】
このとき、オフガス熱交換器５６において燃料電池５１のカソードオフガスを冷却することにより得られた凝縮水と、排ガス熱交換器５５において燃料処理装置２の排ガスを冷却することにより得られた凝縮水とは、気液分離器７０においてカソードオフガスおよび排ガスと分離される。そして、分離された凝縮水は、凝縮水タンク７５に回収され、冷却水供給ポンプ７４により冷却水供給流路７７を通じて冷却水タンク７３に補給されて、燃料電池５１の冷却水として利用される。
【０００７】
なお、凝縮水タンク７５に回収された凝縮水は、排ガスからの炭酸成分や若干の不純物を含むため、水処理装置を構成するイオン交換樹脂７６を介して純水化され、冷却水タンク７３に供給される。
【０００８】
ここで、冷却水供給ポンプ７４としては、水処理装置等の圧力損失が上昇しても流量が低下しないように、一般に、容積式ポンプが使用される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１４９９４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来の構成では、凝縮水タンク７５内の凝縮水にカビや雑菌が繁殖すると、冷却水供給ポンプ７４につまりを引き起こして冷却水の供給を阻害し、その結果、冷却水タンク７３内の冷却水不足の原因となるという課題があった。
【００１１】
これは、以下の理由によるものである。つまり、凝縮水タンク７５内に回収された凝縮水は、若干の不純物を有する略純水であり、市水のように殺菌作用を有する塩素成分などを含んでいない。また、凝縮水タンク７５は一般に外気に開放されている。そのため、凝縮水タンク７５内の凝縮水は、カビや雑菌が繁殖しやすい環境にある。
【００１２】
一方、冷却水供給ポンプ７４として従来用いられる容積式ポンプは、吸入弁と吐出弁を備えた構造を有しており、各々の弁部にゴミがつまると、弁の動作による液の吸入と吐出を妨げ、送液が不能となる。その理由は、凝縮水タンク７５内の凝縮水にカビや雑菌が大量に繁殖すると、冷却水供給ポンプ７４の弁部につまりを引き起こし、冷却水の供給を阻害するに至るからである。
【００１３】
そこで、冷却水供給ポンプ７４として、吐出弁や吸入弁を持たない非容積式のポンプ構造とすることで、ゴミへの耐性を向上させることが考えられるが、遠心式に代表される非容積式のポンプは、吐出側の圧力変動により流量の低下を招くことが多い。特に、初期の水張りを行う時に、冷却水供給流路７７内に残留した空気を十分に送れず、送液不能となりやすいという課題がある。
【００１４】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、カビや雑菌等によるつまりの影響を受けにくいポンプを用いながらも、残留空気の噛み込み等による送液不良に陥りにくい構成とすることより、信頼性に優れた燃料電池システム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】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料処理装置と、前記燃料電池から排出されるオフガスと前記燃料処理装置での燃焼により発生する排ガスとから得た凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、前記燃料電池で発電に伴って発生する熱を回収して前記燃料電池を所定温度に保つための冷却水が循環する冷却水循環流路に設けられた冷却水タンクと、前記凝縮水タンク内の凝縮水を冷却水として前記冷却水タンクに補給するための水供給管と、前記水供給管の途中に設けられ前記凝縮水タンクからの凝縮水を処理するイオン交換樹脂と、前記凝縮水タンクより下方に配置され前記凝縮水タンク内の凝縮水を前記水供給管を通して前記冷却水タンクに送る遠心式の冷却水供給ポンプと、前記冷却水供給ポンプと前記イオン交換樹脂との間の水供給管から分岐され前記冷却水供給ポンプと前記イオン交換樹脂との間に残留する空気を外部に排除するための分岐管とを有するものである。
【００１６】
これによって、カビや雑菌によるポンプつまりが起こりにくい遠心式の冷却水供給ポンプを用いながらも、冷却水供給ポンプとイオン交換樹脂との間の水供給管から冷却水供給ポンプとイオン交換樹脂との間に残留する空気を外部に排除するための分岐管を分岐させて、冷却水供給ポンプとイオン交換樹脂との間の水供給管内に残留する空気を排除しやすい構成とすることで、残留空気の噛み込みによる送液不良に陥りにくくなるため、円滑な水張りを実現することができ、信頼性に優れた燃料電池システムを提供することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の燃料電池システムは、カビや雑菌によるポンプつまりが起こりにくく、水張り時に流路内に残留する空気を排除しやすい構成とすることで、信頼性に優れた燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図
【図２】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成図
【図３】従来の燃料電池システムの構成図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
第１の発明は、燃料電池と、前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料処理装置と、前記燃料電池から排出されるオフガスと前記燃料処理装置での燃焼により発生する排ガスとから得た凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、前記燃料電池で発電に伴って発生する熱を回収して前記燃料電池を所定温度に保つための冷却水が循環する冷却水循環流路に設けられた冷却水タンクと、前記凝縮水タンク内の凝縮水を冷却水として前記冷却水タンクに補給するための水供給管と、前記水供給管の途中に設けられ前記凝縮水タンクからの凝縮水を処理するイオン交換樹脂と、前記凝縮水タンクより下方に配置され前記凝縮水タンク内の凝縮水を前記水供給管を通して前記冷却水タンクに送る遠心式の冷却水供給ポンプと、前記冷却水供給ポンプと前記イオン交換樹脂との間の水供給管から分岐され前記冷却水供給ポンプと前記イオン交換樹脂との間に残留する空気を外部に排除するための分岐管を有する燃料電池システムである。
【００２０】
この第１の発明によれば、カビや雑菌によるポンプつまりが起こりにくい遠心式の冷却水供給ポンプを用いながらも、冷却水供給ポンプとイオン交換樹脂との間の水供給管から冷却水供給ポンプとイオン交換樹脂との間に残留する空気を外部に排除するための分岐管を分岐させて、冷却水供給ポンプとイオン交換樹脂との間の水供給管内に残留する空気を排除しやすい構成とすることで、残留空気の噛み込みによる送液不良に陥りにくくなるため、円滑な水張りを実現することができ、信頼性に優れた燃料電池システムを提供することができる。
【００２１】
第２の発明は、特に、第１の発明において、分岐管の途中に電動式の開閉弁と、前記開閉弁の動作を制御する開閉弁制御手段とを有し、冷却水供給ポンプの動作時に、前記開閉弁制御手段が前記開閉弁を所定期間開放し、前記冷却水供給ポンプとイオン交換樹脂との間に残留する空気を外部に排除する燃料電池システムである。この第２の発明によれば、システムに水張り等を行う際に、開閉弁制御手段により開閉弁を開放させることで、自動的に冷却水供給ポンプとイオン交換樹脂との間に残留する空気を外部に排除することができる。
【００２２】
第３の発明は、特に、第１の発明において、分岐管の途中あるいは末端に手動式の空気抜き弁を有する燃料電池システムである。この第３の発明によれば、システムに水張り等を行う際に、手動により空気抜き弁を開放させるだけの簡単な動作で、冷却水供給ポンプとイオン交換樹脂との間に残留する空気を外部に排除することができる。
【００２３】
第４の発明は、特に、第２または第３の発明において、凝縮水タンクが外部開放された構成であるとともに、分岐管が凝縮水タンクに排水する構成を有する燃料電池システムである。この第４の発明によれば、システム内で回収した略純水である凝縮水を、システム外部に排出することなく再利用できるため、イオン交換樹脂の負荷を低減しその寿命の伸長を実現することができる。
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２５】
（実施の形態１）
以下に、本発明の実施の形態１の燃料電池システムについて、図１を用いて説明する。
【００２６】
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図である。
【００２７】
図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料電池１に供給する燃料ガスを生成する燃料処理装置２と、燃料電池１から排出されるオフガスと燃料処理装置２での燃焼により発生する排ガスとから得た凝縮水を貯留する凝縮水タンク２５と、燃料電池１で発電に伴って発生する熱を回収して燃料電池１を所定温度に保つための冷却水が循環する冷却水循環流路８に設けられた冷却水タンク２３と、凝縮水タンク２５内の凝縮水を冷却水として冷却水タンク２３に補給するための水供給管２７と、水供給管２７の途中に設けられ凝縮水タンク２５からの凝縮水を処理するイオン交換樹脂２６と、凝縮水タンク２５より下方に配置され凝縮水タンク２５内の凝縮水を水供給管２７を通して冷却水タンク２３に送る遠心式の冷却水供給ポンプ２４と、冷却水供給ポンプ２４とイオン交換樹脂２６との間の水供給管２７から分岐され冷却水供給ポンプ２４とイオン交換樹脂２６との間に残留する空気を外部に排除するための分岐管２８を有する。
【００２８】
分岐管２８の途中には電動式の開閉弁２９が設けられており、この開閉弁２９の動作を制御する開閉弁制御手段３０を備えている。また、凝縮水タンク２５は外部に大気開放された構成であるとともに、分岐管２８はこの凝縮水タンク２５に連通した構成を有している。
【００２９】
燃料電池１は、燃料処理装置２で生成された燃料ガス（例えば、水素）と、空気ブロワなどから送られた空気中の酸素とを、燃料極であるアノード１２および酸素極であるカソード１３において電気化学的に反応させて発電を行う。燃料電池１は、同時に、燃料ガスと酸素との反応により水を生成するため、燃料電池１のカソード１３からは水蒸気成分を多く含んだオフガスを排出する。一方、燃料電池１の冷却部１４には、冷却水循環ポンプ１０により、冷却水タンク２３に貯蔵された冷却水が供給され、冷却水循環流路８によって冷却水熱交換器７との間を循環する。
【００３０】
燃料処理装置２は、メタンやプロパンなどの原料ガスから、触媒による改質反応（例えば水蒸気改質反応）により水素を生成し、燃料電池１のアノード１２に送出する。そして、燃料処理装置２は、一般に、原料ガスの燃焼熱を用いて改質反応を促進するため、水蒸気成分を多く含んだ燃焼排ガスを排出する。
【００３１】
貯湯タンク３からの貯湯水は、貯湯ポンプ４により、燃料処理装置２の排ガスの排熱を回収する排ガス熱交換器５と、燃料電池１のカソードオフガスの排熱を回収するオフガス熱交換器６と、燃料電池１の冷却水の排熱を回収する冷却水熱交換器７とを介して貯湯タンク３に戻る貯湯水循環流路９を備える。
【００３２】
排ガス熱交換器５は、貯湯水循環流路９を循環する貯湯水との熱交換により燃料処理装置２からの排ガスの排熱を回収するとともに、排ガスから凝縮水を生成する。オフガス熱交換器６は貯湯水循環流路９を循環する貯湯水との熱交換により燃料電池１から排出されるオフガスの排熱を回収するとともに、オフガスから凝縮水を生成する。冷却水熱交換器７は燃料電池１の冷却水の排熱を回収する。
【００３３】
なお、排ガス熱交換器５からの排ガスおよびその凝縮水と、オフガス熱交換器６からのオフガスおよびその凝縮水は、気液分離器２０において、凝縮水成分とガス成分とに分離され、ガス成分であるオフガスと排ガスは外部に排気され、凝縮水は凝縮水タンク２５に貯留される。なお、これら熱交換器としては、例えば二重管式やシェルアンドチューブ式、プレート式などの熱交換器を用いられる。
【００３４】
なお、冷却水タンク２３は、燃料電池１で発電に伴って発生する熱を回収して燃料電池１を所定温度に保つための冷却水を貯留する。水供給管１５は、凝縮水タンク２５内の凝縮水を冷却水として冷却水タンク２３に補給する。冷却水供給ポンプ２４は、凝縮水タンク２５より下方に配置された遠心式のポンプであり、凝縮水タンク２５内の凝縮水を水供給管１５を通して冷却水タンク２３に送る。イオン交換樹脂２６は、水供給管１５の途中に設けられ凝縮水タンク２５からの凝縮水を純水に処理する。
【００３５】
ここで、凝縮水タンク２５内に回収された凝縮水は、若干の不純物を有する略純水であり、市水のように殺菌作用を有する塩素成分などを含んでいない。また、凝縮水タンク２５は一般に外気に開放されている。そのため、凝縮水タンク２５内の凝縮水は、カビや雑菌が繁殖しやすい環境にある。
【００３６】
本実施の形態によれば、冷却水供給ポンプ７４として、吐出弁や吸入弁を持たない非容積型の遠心式ポンプを用いることで、カビや雑菌等のゴミつまりへの耐性を向上させることができる。一般に、遠心式ポンプは、ポンプ室内で羽根車を回転させ、その遠心力により液を搬送するものである。すなわち、遠心式ポンプによれば、液が流れる部分のクリアランス（例えば、羽根車とポンプ室とのクリアランス）が大きく、カビや雑菌を含む微小なゴミを容易に排出することができるため、ポンプ内部に吐出弁や吸入弁等の狭窄部を有する容積型のプランジャー式ポンプに比べて、ゴミへの耐性が高くすることができる。
【００３７】
一方、遠心式に代表される非容積式のポンプは、ポンプ室内に空気が残留していると羽根車が空回転を起こしたり、吐出側の配管内に空気が残留していると空気層の圧縮による圧力変動により流量の低下を招くことが多い。特に、システムに初めて水張りを行う場合や水抜き後に再度水張りを行う場合など、冷却水供給ポンプ２４とイオン交換樹脂２６との間の水供給管２７内に空気層が残留していると、通常のポンプの送液動作だけでは流路内の空気を十分に排除できず、送液不能となりやすい。
【００３８】
本実施の形態によれば、冷却水供給ポンプ２４の動作と同時に、開閉弁制御手段３０により開閉弁２９を開放させることで、自動的に冷却水供給ポンプ２４とイオン交換樹脂２６との間に残留する空気を外部に排除することができる。よって、ポンプ室内に空気が残留することによって生じる羽根車の空回転や、配管に残留した空気層の圧縮による吐出側の圧力変動を未然に防ぐことができ、ポンプの送液不良に防止することができる。
【００３９】
さらに、本実施の形態によれば、凝縮水タンク２５が外部に大気開放された構成であるとともに、分岐管２８が凝縮水タンク２５に連通した構成を有するため、システム内で回収した略純水である凝縮水を、システム外部に排出することなく再利用でき、イオン交換樹脂２６の負荷を低減し、その寿命の伸長と信頼性の向上を実現することができる。
【００４０】
以上のように本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料電池１のアノード１２に供給する燃料ガス（水素）を生成する燃料処理装置２と、燃料電池１のアノード１２から排出されるアノードオフガスと燃料処理装置２での燃焼により発生する排ガスとから得た凝縮水を貯留する凝縮水タンク２５と、燃料電池１で発電に伴って発生する熱を回収して燃料電池１を所定温度に保つための冷却水が循環する冷却水循環流路８に設けられた冷却水タンク２３と、凝縮水タンク２５内の凝縮水を冷却水として冷却水タンク２３に補給するための水供給管２７と、水供給管２７の途中に設けられ凝縮水タンク２５からの凝縮水を処理するイオン交換樹脂２６と、凝縮水タンク２５より下方に配置され凝縮水タンク２５内の凝縮水を水供給管２７を通して冷却水タンク２３に送る遠心式の冷却水供給ポンプ２４と、冷却水供給ポンプ２４とイオン交換樹脂２６との間の水供給管２７から分岐され冷却水供給ポンプ２４とイオン交換樹脂２６との間に残留する空気を外部に排除するための分岐管２８を有する燃料電池システムであり、カビや雑菌によるポンプつまりが起こりにくい遠心式の冷却水供給ポンプ２４を用いながらも、冷却水供給ポンプ２４とイオン交換樹脂２６との間の水供給管２７から冷却水供給ポンプ２４とイオン交換樹脂２６との間に残留する空気を外部に排除するための分岐管２８を分岐させて、冷却水供給ポンプ２４とイオン交換樹脂２６との間の水供給管２７内に残留する空気を排除しやすい構成とすることで、残留空気の噛み込みによる送液不良に陥りにくくなるため、円滑な水張りを実現することができ、信頼性に優れた燃料電池システムを提供することができる。
【００４１】
さらに、分岐管２８の途中に電動式の開閉弁２９と、開閉弁２９の動作を制御する開閉弁制御手段３０とを有し、冷却水供給ポンプ２４の動作時に、開閉弁制御手段３０が開閉弁２９を所定期間開放し、冷却水供給ポンプ２４とイオン交換樹脂２６との間に残留する空気を外部に排除する燃料電池システムであり、システムに水張り等を行う際に、開閉弁制御手段３０により開閉弁２９を開放させることで、自動的に冷却水供給ポンプ２４とイオン交換樹脂２６との間に残留する空気を外部に排除することができる。
【００４２】
さらに、凝縮水タンク２５が外部開放された構成であるとともに、分岐管２８が凝縮水タンク２５に排水する構成を有する燃料電池システムであり、システム内で回収した略純水である凝縮水を、システム外部に排出することなく再利用できるため、イオン交換樹脂２６の負荷を低減しその寿命の伸長を実現することができる。
【００４３】
（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２の燃料電池システムについて、図２を用いて説明する。
【００４４】
図２は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成図である。なお、本実施の形態の燃料電池システムの構成およびその作用は、実施の形態１で説明したものと略同一であるので、同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４５】
本実施の形態２が実施の形態１と異なるのは、分岐管２８の末端に手動式の空気抜き弁３１を設けた点である。なお、手動式の空気抜き弁３１は分岐管２８の途中に設けても構わない。
【００４６】
本実施の形態の燃料電池システムは、分岐管２８の部分以外は図１に示す実施の形態１の燃料電池システムと同様の構成であり、実施の形態１の燃料電池システムとの違いは、分岐管２８の途中あるいは末端に手動式の空気抜き弁３１を有する点であり、この構成によれば、システムに水張り等を行う際に、手動により空気抜き弁３１を開放させるだけの簡単な動作で、冷却水供給ポンプ２４とイオン交換樹脂２６との間に残留する空気を外部に排除することができる。
【００４７】
なお、図２では、空気抜き弁３１を開放させた時に、分岐管２８が凝縮水を、システム外部に排出しているが、分岐管２８が凝縮水タンク２５に排水する構成にしても構わず、その場合は、システム内で回収した略純水である凝縮水を、システム外部に排出することなく再利用できるため、イオン交換樹脂２６の負荷を低減しその寿命の伸長を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明にかかる燃料電池システムは、カビや雑菌等によるつまりの影響を受けにくいポンプ構成であり、しかも、簡単な構成で空気噛み等による送液不良に陥りにくい構成とすることが可能となるので、ガス発電や燃料電池を用いたコジェネレーションなどの技術分野に適用できる。
【符号の説明】
【００４９】
１  燃料電池
２  燃料処理装置
８  冷却水循環流路
２３  冷却水タンク
２４  冷却水供給ポンプ
２５  凝縮水タンク
２６  イオン交換樹脂
２７  水供給管
２８  分岐管
２９  開閉弁
３０  開閉弁制御手段
３１  空気抜き弁
【図１】
2011119117.tif 000003
【図２】
2011119117.tif 000004
【図３】
2011119117.tif 000005