(57)【要約】【課題】燃料電池システム内を循環させる凝縮水の電導度の上昇を抑制して、燃料電池スタックの劣化を防止する。【解決手段】燃料電池から排出されたアノードオフガスに含まれている水分を凝縮させアノードドレンタンクに凝縮水として貯留し系内を循環させる燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法であって、アノードドレンタンクに貯留された凝縮水の電導度が高い場合には、系内を循環させずに排出する。また、燃料電池システムの起動時および停止時の少なくとも一方において、改質装置に炭化水素原料を供給しない状態で水蒸気を流通させるスチーミングによって凝縮されアノードドレンタンクに貯留されたスチーミングドレン水（Ｖ０〜Ｖ２、Ｖ６〜Ｖ９）は、系内を循環させずに排出する。【選択図】図３
2008130266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質装置により炭化水素原料に含まれる炭化水素と水蒸気とを反応させて水素を生成して、この生成された水素をアノード極に導入し、前記水素とカソード極に導入された酸素との電気化学反応によって発電を行なう燃料電池の前記アノードから排出されたアノードオフガスに含まれている水分を凝縮させアノードドレンタンクに凝縮水として貯留し系内を循環させる燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法であって、
前記アノードドレンタンクに貯留された凝縮水の電導度が高い場合には、前記系内を循環させずに排出することを特徴とする燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法。
【請求項２】
改質装置により炭化水素原料に含まれる炭化水素と水蒸気とを反応させて水素を生成して、この生成された水素をアノード極に導入し、前記水素とカソード極に導入された酸素との電気化学反応によって発電を行なう燃料電池の前記アノードから排出されたアノードオフガスに含まれている水分を凝縮させアノードドレンタンクに凝縮水として貯留し系内を循環させる燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法であって、
前記燃料電池システムの起動時および停止時の少なくとも一方において、前記改質装置に前記炭化水素原料を供給しない状態で前記水蒸気を流通させるスチーミングによって凝縮され前記アノードドレンタンクに貯留されたスチーミングドレン水は、前記系内を循環させずに排出することを特徴とする燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法。
【請求項３】
前記燃料電池システムの起動時にあっては、前記排出するスチーミングドレン水は、前記スチーミングの開始後、前記炭化水素原料が前記改質装置に供給される時までの間に行なわれたスチーミングにより凝縮されたスチーミングドレン水を含んでいること、
を特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法。
【請求項４】
前記アノードドレンタンクは、このアノードドレンタンクに貯留された凝縮水を系外に排出する排出側バルブと、前記凝縮水を再利用するための純水タンクに流出させる流出側バルブと、を備え、
前記アノードドレンタンクに所定量の前記凝縮水を貯留し、この貯留された所定量の凝縮水を前記排出側バルブから排出または前記流出側バルブから流出させるように構成するとともに、
前記炭化水素原料が前記改質装置に供給された時が含まれ、その後に貯留された前記所定量の凝縮水を前記排出側バルブから排出すること、
を特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法。
【請求項５】
前記炭化水素原料が前記改質装置に供給された時から、所定のタイムラグを設けて、その後に貯留された前記所定量の凝縮水を前記排出側バルブから排出すること、
を特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法。
【請求項６】
前記燃料電池システムの停止時にあっては、前記排出するスチーミングドレン水は、前記停止時における前記炭化水素原料の供給の停止後、前記スチーミングの終了までの間に行なわれたスチーミングにより凝縮されたスチーミングドレン水を含んでいること、
を特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法。
【請求項７】
前記アノードドレンタンクは、このアノードドレンタンクに貯留された凝縮水を排出する排出側バルブと、前記凝縮水を再利用するための純水タンクに流出させる流出側バルブと、を備え、
前記アノードドレンタンクに所定量の前記凝縮水を貯留し、この貯留された所定量の凝縮水を前記排出側バルブから排出または前記流出側バルブから流出させるように構成するとともに、
前記炭化水素原料の供給の停止時が含まれ、その後に貯留された前記所定量の凝縮水を前記排出側バルブから排出すること、
を特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法に関し、特に凝縮水の電導度の上昇を抑制する凝縮水の循環方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に優しいエネルギー源として、燃料電池システムが注目されている。この燃料電池システムでは、炭化水素原料と水蒸気（改質水）との反応によって水素が含まれる改質ガスを生成し、さらに、この改質ガスを調整し水素含有量を増加させて燃料電池スタックのアノードに導入し、カソードには酸素として空気を導入して、水素と酸素との電気化学反応により発電が行なわれる。
【０００３】
このとき、アノードからは消費されなかった水素が含まれたアノードオフガスが排出され、カソードからは酸素が消費された空気、および電気化学反応により生成された反応生成水が排出される。
また、アノード側には電解質膜の乾燥を防ぐために、改質反応分と別に余分にアノード側湿潤分の水分を供給し電解質膜を十分に湿潤させる方法を採用している。そして、アノード側、カソード側に存在していた水分は、それぞれ燃料電池の下流側に設けられたアノードドレンタンク、カソードドレンタンクに凝縮されて貯留される。
そして、従来、アノードドレンタンクやカソードドレンタンクで凝縮された凝縮水を有効利用するために、改質水や触媒および燃料電池スタックを冷却する冷却水として系内を循環させる燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特許第２８６０２１３号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、これらアノードドレンタンク、カソードドレンタンクで凝縮された凝縮水は、種々の特性を有する場合があり、これらの凝縮水をそのまま再利用しようとすると、用途によっては問題が生じる場合がある。例えば、燃料電池システムの起動時および停止時におけるスチーミングによってアノードドレンタンクに凝縮される凝縮水（スチーミングドレン水）は、燃料電池システムの定格運転時における凝縮水よりも電導度が高いという特性を有している。
【０００５】
このため、この電導度の高いスチーミング時のアノードドレン水を改質水や燃料電池スタックの冷却水として再利用すると、改質触媒を失活させたり、燃料電池スタックを劣化させたりするおそれがある。また、電導度を低減するためにイオン交換器でイオン交換する場合にも、イオン交換器のイオン交換樹脂の寿命を縮めてしまう結果となる。
【０００６】
そこで、本発明は、前記した問題を解決するため、改質水や燃料電池スタックの冷却水の電導度の上昇を抑制して、燃料電池スタックの劣化を防止することができる燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、改質装置により炭化水素原料に含まれる炭化水素と水蒸気とを反応させて水素を生成して、この生成された水素をアノード極に導入し、前記水素とカソード極に導入された酸素との電気化学反応によって発電を行なう燃料電池の前記アノードから排出されたアノードオフガスに含まれている水分を凝縮させアノードドレンタンクに凝縮水として貯留し系内を循環させる燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法であって、前記アノードドレンタンクに貯留された凝縮水の電導度が高い場合には、前記系内を循環させずに排出することを特徴とする。
【０００８】
かかる構成によれば、アノードドレンタンクに貯留された凝縮水の電導度が高い場合には、系内を循環させずに排出することで、系内に供給され改質水や冷却水として再利用される凝縮水の電導度の上昇を抑制して、燃料電池スタックの劣化を防止することができる。
【０００９】
前記課題を解決するため、請求項２に係る発明は、改質装置により炭化水素原料に含まれる炭化水素と水蒸気とを反応させて水素を生成して、この生成された水素をアノード極に導入し、前記水素とカソード極に導入された酸素との電気化学反応によって発電を行なう燃料電池の前記アノードから排出されたアノードオフガスに含まれている水分を凝縮させアノードドレンタンクに凝縮水として貯留し系内を循環させる燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法であって、前記燃料電池システムの起動時および停止時の少なくとも一方において、前記改質装置に前記炭化水素原料を供給しない状態で前記水蒸気を流通させるスチーミングによって凝縮され前記アノードドレンタンクに貯留されたスチーミングドレン水は、前記系内を循環させずに排出することを特徴とする。
【００１０】
かかる構成によれば、燃料電池システムの定格運転時に比べて電導度が高い傾向がある燃料電池システムの起動時および停止時におけるスチーミングによって凝縮されたスチーミングドレン水は、系内を循環させずに排出することで、系内に供給され改質水や冷却水として再利用される凝縮水の電導度の上昇を抑制して、燃料電池スタックの劣化を防止することができる。
また、スチーミングによって凝縮されたスチーミングドレン水の電導度を予め把握しておくことで、例えば、電導度計を別途設ける等、複雑な構成を採用する必要がないので、燃料電池システムを簡素化することができる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法であって、前記燃料電池システムの起動時にあっては、前記排出するスチーミングドレン水は、前記スチーミングの開始後、前記炭化水素原料が前記改質装置に供給される時までの間に行なわれたスチーミングにより凝縮されたスチーミングドレン水を含んでいること、を特徴とする。
【００１２】
かかる構成によれば、燃料電池システムの起動時にあっては、改質装置に水蒸気を流通させるスチーミングの開始後、前記炭化水素原料が前記改質装置に供給される時までの間に行なわれたスチーミングによりアノードドレンタンクに凝縮（貯留）されたスチーミングドレン水は、電導度が高い傾向があるので、この電導度の高いスチーミングドレン水が含まれた凝縮水を排出することで、系内に供給され改質水や冷却水として再利用される凝縮水の電導度の上昇を抑制して、燃料電池スタックの劣化を防止することができる。
【００１３】
ここで、「スチーミングドレン水を含んでいる」とは、排出される凝縮水（スチーミングドレン水）に、「改質装置に水蒸気を流通させるスチーミングの開始後、前記炭化水素原料が前記改質装置に供給される時までの間に行なわれたスチーミングにより凝縮されたスチーミングドレン水」が含まれていること、および、前記スチーミングドレン水の一部が含まれていること、の両方の意味が含まれるものとする。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法であって、前記アノードドレンタンクは、このアノードドレンタンクに貯留された凝縮水を系外に排出する排出側バルブと、前記凝縮水を再利用するための純水タンクに流出させる流出側バルブと、を備え、前記アノードドレンタンクに所定量の前記凝縮水を貯留し、この貯留された所定量の凝縮水を前記排出側バルブから排出または前記流出側バルブから流出させるように構成するとともに、前記炭化水素原料が前記改質装置に供給された時が含まれ、その後に貯留された前記所定量の凝縮水を前記排出側バルブから排出すること、を特徴とする。
【００１５】
かかる構成によれば、アノードドレンタンクに所定量の凝縮水を貯留してから、排出または流出させることで、アノードオフガスに水蒸気や水滴として含まれる水分を充分に凝縮させて、この凝縮された水分（凝縮水）と未反応の水素とを分離することができる。
また、前記炭化水素原料が前記改質装置に供給された時が含まれる前記所定量の凝縮水を前記排出側バルブから排出することで、改質装置に炭化水素原料が供給された時点までの電導度の高いスチーミングドレン水を確実に排出することができるため、系内に供給され改質水や冷却水として再利用される凝縮水の電導度の上昇を抑制して、燃料電池スタックの劣化を防止することができる。
【００１６】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法であって、前記炭化水素原料が前記改質装置に供給された時から、所定のタイムラグを設けて、その後に貯留された前記所定量の凝縮水を前記排出側バルブから排出すること、を特徴とする。
【００１７】
かかる構成によれば、炭化水素原料が改質装置に供給された時からアノードドレンタンクに貯留されるまでの所定のタイムラグを設けて、その後に貯留された前記所定量の凝縮水を前記排出側バルブから排出することで、より確実に、系内に供給され改質水や冷却水として再利用される凝縮水の電導度の上昇を抑制して、燃料電池スタックの劣化を防止することができる。
また、炭化水素原料が改質装置に供給された時からアノードドレンタンクに貯留されるまでのタイムラグを予め把握しておくことで、例えば、電導度計を別途設ける等、複雑な構成を採用する必要がないので、燃料電池システムを簡素化することができる。
【００１８】
請求項６に係る発明は、請求項２に記載の燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法であって、前記燃料電池システムの停止時にあっては、前記排出するスチーミングドレン水は、前記停止時における前記炭化水素原料の供給の停止後、前記スチーミングの終了までの間に行なわれたスチーミングにより凝縮されたスチーミングドレン水を含んでいること、を特徴とする。
【００１９】
かかる構成によれば、燃料電池システムの停止時にあっては、炭化水素原料の供給の停止後、スチーミングの終了までの間に行なわれたスチーミングによりアノードドレンタンクに凝縮（貯留）されたスチーミングドレン水は、電導度が高い傾向があるので、この電導度の高いスチーミングドレン水が含まれた凝縮水を排出することで、系内に供給され改質水や冷却水として再利用される凝縮水の電導度の上昇を抑制して、燃料電池スタックの劣化を防止することができる。
【００２０】
請求項７に係る発明は、請求項６に記載の燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法であって、前記アノードドレンタンクは、このアノードドレンタンクに貯留された凝縮水を排出する排出側バルブと、前記凝縮水を再利用するための純水タンクに流出させる流出側バルブと、を備え、前記アノードドレンタンクに所定量の前記凝縮水を貯留し、この貯留された所定量の凝縮水を前記排出側バルブから排出または前記流出側バルブから流出させるように構成するとともに、前記炭化水素原料の供給の停止時が含まれ、その後に貯留された前記所定量の凝縮水を前記排出側バルブから排出すること、を特徴とする。
【００２１】
かかる構成によれば、アノードドレンタンクに所定量の凝縮水を貯留してから、排出または流出させることで、アノードオフガスに水蒸気や水滴として含まれる水分を充分に凝縮させて、この凝縮された水分（凝縮水）と未反応の水素とを分離することができる。
また、前記炭化水素原料の供給の停止時が含まれる前記所定量の凝縮水を前記排出側バルブから排出することで、改質装置に炭化水素原料の供給が停止された時点以後の電導度が高いスチーミングドレン水を確実に排出することができるため、系内に供給され改質水や冷却水として再利用される凝縮水の電導度の上昇を抑制して、燃料電池スタックの劣化を防止することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法によれば、前記した問題を解決するため、系内を循環させる凝縮水の電導度の上昇を抑制して、燃料電池スタックの劣化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図において、図１は本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の主要構成を示すブロック図である。図２の（ａ）はアノードドレンタンクの構成および連結状態を説明するブロック図、（ｂ）は動作を説明する表である。
【００２４】
まず、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。
燃料電池システム１は、図１に示すように、炭化水素原料に含まれる炭化水素と水蒸気とを反応させて水素を生成する改質装置２と、改質装置２で生成された水素をアノード極に導入し、この水素とカソード極に導入された酸素との電気化学反応によって発電を行なう燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３から排出される水分を凝縮させて貯留するアノードドレンタンク４およびカソードドレンタンク５と、排出された凝縮水の陽イオン（金属イオン）を低減するイオン交換器６と、イオン交換された純水を貯留する純水タンク８と、を備えている。
【００２５】
炭化水素原料には、例えば、水素源としてのエネルギー密度が非常に高く、可搬性および貯蔵性に富む灯油を使用することができる。灯油を使用すれば、入手が容易であるから利便性が高く、特に、家庭用の小型の定置型燃料電池システム用として好適である。
【００２６】
なお、炭化水素原料である灯油には、改質器２１に充填された改質反応触媒（不図示）の機能を阻害する硫黄分が含まれているため、図示しない脱硫装置により、硫黄分を除去した改質灯油に調整して、改質器２１に供給される。
ただし、改質反応によって水素を製造できるものであれば、灯油に限定されるものではなく、軽油、重油、アスファルテン、オイルサンド油、メタノール、ナフサ、石炭液化油、石炭系重質油、ガソリン等の液状炭化水素混合物、都市ガス、ＬＰＧ等の気体状炭化水素混合物などの各種の炭化水素混合物を用いることができる。
【００２７】
改質装置２は、炭化水素原料に含まれる炭化水素分と水蒸気とを反応させて水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガス（改質ガス）を生成する改質器２１と、改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変性するシフト反応器２２と、残余の一酸化炭素をさらに低減したガス（水素含有ガス）を生成するＣＯ選択酸化器２３と、を備えている。
【００２８】
なお、改質装置２は、本実施形態においては、改質器２１と、シフト反応器２２と、ＣＯ選択酸化器２３と、を別体として構成したが、これに限定されるものではなく、改質反応、シフト反応、およびＣＯ選択反応が連続的に行なわれるように一体的にしてもよい。
【００２９】
改質器２１は、炭化水素と水蒸気との反応を促進させる図示しない改質反応触媒と、所定の改質処理温度に設定する熱量を供給するバーナ２１ａと、を備えている。
改質反応触媒には、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の貴金属系触媒等が使用され、セラミック製の多孔質粒状体に担持されて触媒層を形成した状態で、改質器２１内に充填されている。
改質器２１には、脱硫された改質灯油、および純水タンク８から改質水ポンプ８ａにより流路Ｌ１を通って改質水が供給される。
バーナ２１ａには、燃料として、燃焼灯油、および流路Ｌ２から燃料電池スタック３で使用されなかった未反応の水素が含まれているアノードオフガスが供給される。そして、燃料を燃焼させる燃焼空気が燃焼空気ブロア２１ｂから供給される。
このように構成された改質器２１は、改質反応触媒の存在下で、例えば、５５０℃〜７００℃の改質処理温度に加熱され、炭化水素原料に含まれる炭化水素と水蒸気とを反応させて、水素ガスと一酸化炭素ガスを含む改質ガスを生成する。
【００３０】
シフト反応器２２は、内部に、酸化鉄、銅−亜鉛系、銅−クロム系等のシフト反応触媒が充填されたシフト反応触媒層を備えている。そして、シフト反応器２２には、改質器２１で生成された改質ガスが導入される。
シフト反応器２２においては、シフト反応触媒の存在下に、例えば１５０〜３００℃の温度下で、導入された改質ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気の発熱反応（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２）によって、一酸化炭素を二酸化炭素に変成する。このようにして、シフト反応器２２では、一酸化炭素濃度を低減させるとともに、さらに水素含有量が増加された改質ガス（シフトガス）を生成する。生成されたシフトガスは、ＣＯ選択酸化器２３に供給される。
【００３１】
ＣＯ選択酸化器２３は、燃料電池スタック３における電極の被毒の問題を回避するため、ＣＯ選択酸化触媒（ＰＲＯＸ反応触媒）の存在下に、ブロア２３ａからＰＲＯＸ空気を導入してシフト反応器２２から供給されるシフトガス中に微量に存在する一酸化炭素を酸化させて、シフトガスの一酸化炭素濃度をさらに低減させた改質ガス（水素含有ガス）を燃料電池スタック３に供給するための装置である。
通常、ＣＯ選択酸化器２３において、シフトガス中の一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下に低減される。ＣＯ選択酸化器２３における反応は、例えば、白金、ルテニウム、ロジウム等の貴金属系のＰＲＯＸ反応触媒の存在下に、１００〜２００℃の範囲の温度で行なわれる。
【００３２】
燃料電池スタック３は、ＣＯ選択酸化器２３から供給される水素含有ガスを流路Ｌ３からアノードに導入し、加湿器（図示せず）によって加湿された空気をカソードに導入して、水素と酸素の電気化学的反応によって発電を行なうものである。
この燃料電池スタック３は、触媒を含むアノードとカソードの間に固体高分子電解質膜等の電解質膜を挟装し、アノードに供給される水素含有ガス中の水素（改質ガス）と、カソードポンプ３ａによりカソードに供給される空気中の酸素との反応によって水を生成する反応によって発電を行なう。
【００３３】
燃料電池スタック３は、用いる炭化水素原料等に応じて、その形式、構造等が選択される。また、燃料電池スタック３における水素と酸素の電気化学的反応は、発電効率の観点から、通常、反応効率８０％程度で行なわれるため、燃料電池スタック３のアノードから排出されるアノードオフガスには、未反応の水素が含まれている。そして、アノードに供給される水素含有ガスには、燃料電池スタック３の電解質膜の活性を阻害することとなる乾燥状態を防ぐ目的で加湿しているため、アノードオフガスには水分が含まれている。
一方、燃料電池スタック３のカソードからは反応後の空気が含まれたカソードオフガスが排気ガスとして排出される。このカソードオフガスには、電気化学反応により生成された生成水が含まれている。
【００３４】
アノードドレンタンク４は、アノードオフガスに水蒸気や水滴として含まれる水分を凝縮させて、この凝縮された水分（凝縮水）と未反応の水素とを分離し、水素はバーナ２１ａに供給して熱効率の向上を図り、凝縮水を貯留して改質水や冷却水として再利用を図るためのタンクである。
【００３５】
アノードドレンタンク４は、図２に示すように、貯留された凝縮水を系外に排出する排出側バルブ４１と、凝縮水を再利用するための純水タンク８に流出させる流出側バルブ４２と、を備えている。そして、アノードドレンタンク４には、所定のレベルまで凝縮水を貯留し、この貯留された所定量の凝縮水（アノードドレン水）Ｖ０，Ｖ１，・・・，Ｖ９（図３参照）をそれぞれ排出側バルブ４１から系外に排出するか、または流出側バルブ４２からイオン交換器６を通して純水タンク８側に流出させるように図示しない制御部により制御されている。
【００３６】
具体的には、図２（ｂ）に示すように、流出側バルブ４２と排出側バルブ４１を両方とも閉じた状態ではアノードドレンタンク４に凝縮水が貯留され、流出側バルブ４２を開き排出側バルブ４１を閉じた状態ではアノードドレンタンク４に貯留された凝縮水が純水タンク８側へ流出され、流出側バルブ４２を閉じて排出側バルブ４１を開いた状態ではアノードドレンタンク４に貯留された凝縮水が系外へ排出される。
【００３７】
カソードドレンタンク５は、カソードオフガスに水蒸気や水滴として含まれる生成水を凝縮させて貯留し、改質水や冷却水として再利用を図るためのタンクであり、純水タンク８に流出される流出バルブ５１を備えている。そして、この流出バルブ５１からの流路５１ａとアノードドレンタンク４の流出側バルブ４２からの流路４１ａとがイオン交換器６の上流側で合流されている。
【００３８】
イオン交換器６は、イオン交換樹脂を備え、燃料電池システム１の系内を循環させる冷却水や改質水の循環水に含まれている金属イオン等の陽イオンを除去し、イオン濃度を低下させて純水タンク８に貯留するために設けられている。
【００３９】
純水タンク８には、系内を循環させる水が貯留されており、純水タンク８から流路Ｌ１を通って改質水が改質器２１に供給され、流路Ｌ４を通って冷却水が改質装置２のシフト反応器２２およびＣＯ選択酸化器２３、並びに燃料電池スタック３に供給される。
【００４０】
続いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１における凝縮水の循環方法について、図３を参照しながら説明する。
図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法を説明するための説明図であり、横軸は時間の経過等を示し、各項目欄はシステムの作動状態等を概念的に示す。図３の各項目欄において、「システムの動作」は燃料電池システムの起動から停止まで、「改質水の供給」は改質水の供給から停止まで、「改質灯油の供給」は改質灯油の供給から停止まで、「電導度」は回収された凝縮水の電導度、「ドレンタンクの容量」は回収された凝縮水とアノードドレンタンクの容量との関係、「判定」はアノードドレンタンクに貯留された凝縮水を排出するかどうかの判定（×は排出、○は貯留）、をそれぞれ概念的に示す。
【００４１】
本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法は、図３に示すように、燃料電池システム１（図１）の起動時においては、所定の暖機運転の後に改質器２１に流路Ｌ１から改質水の供給が開始される（ｔ０）。
その後、改質器２１の改質反応触媒や燃料電池スタック３等に充分な水蒸気が供給されたことを確認し、図示しない制御装置から発電の要求があったときに、改質器２１に改質灯油の供給が開始される（ｔ１）。
このとき、改質反応触媒や燃料電池スタック３等に充分な水蒸気が供給されたことの確認は、例えば、改質器の温度の降下で判断できるが、充分な水蒸気が供給されていない状態で改質灯油を供給すると、触媒や燃料電池スタック３の電解質膜を劣化させるおそれがあるからである。
【００４２】
このように、改質装置２の改質器２１への改質水の供給が開始された後（ｔ０）、改質灯油の供給が開始されるまでの間は（ｔ０〜ｔ１）、改質器２１の改質反応触媒には水蒸気のみが供給され改質灯油が供給されていない状態が存在する（ｔ０〜ｔ１のＳｔ）。このような、改質器２１に炭化水素原料である灯油を供給しない状態で水蒸気を流通させる状態を概念的にスチーミングと定義する。
【００４３】
このスチーミングは、前記した燃料電池システム１の起動時の他、燃料電池システム１の停止時にも存在する。すなわち、燃料電池システム１の定格運転中に図示しない制御装置から発電停止の要求があったときには、改質器２１への改質灯油の供給が停止され（ｔ３）、この改質灯油の供給が停止された後、燃料電池システム１が停止されるまでの間は（ｔ３〜ｔ５）、改質反応触媒には水蒸気のみが供給され改質灯油が供給されていない状態が存在し、この間も燃料電池システム１の起動時と同様にスチーミングが定義される（ｔ３〜ｔ５のＳｔ）。
【００４４】
そして、図３の「電導度」の項目に示すように、スチーミングによりアノードオフガスに含まれているスチーミングドレン水は、燃料電池システム１の運転時におけるアノードオフガスに含まれる凝縮水（ｔ２〜ｔ４）よりも電導度が高い傾向がある（ｔ０〜ｔ２，ｔ４〜ｔ５）。
【００４５】
ここで、アノードオフガスに含まれるスチーミングドレン水がアノードドレンタンク４に貯留される際のタイムラグ（τ１，τ２）について説明する。すなわち、燃料電池システム１の起動時にあっては、改質灯油の供給を開始した後、アノードドレンタンク４にスチーミングドレン水が貯留されるまでにタイムラグτ１が存在する。また、燃料電池システム１の停止時においても、同様に改質灯油の供給を停止した後、アノードドレンタンク４にスチーミングドレン水が貯留されるまでにタイムラグτ２が存在する。
【００４６】
この電導度の高いスチーミングドレン水がアノードドレンタンク４に貯留される際のアノードドレンタンク４の容量との関係を見ると、図３における「ドレンタンクの容量」の項目欄に示すように、燃料電池システム１の起動時にあっては、起動時における所定量の凝縮水Ｖ０〜第２の所定量の凝縮水Ｖ２の途中であるｔ２の時点までが電導度の高いスチーミングドレン水が貯留されている。同様に、燃料電池システム１の停止時にあっては、第６の所定量の凝縮水Ｖ６の途中であるｔ４の時点から第９の所定量の凝縮水Ｖ９までである。
この結果、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１における凝縮水の循環方法においては、電導度の高いスチーミングドレン水が混入するおそれのあるアノードドレンタンク４の貯留水は排出することとしている。
【００４７】
このように、燃料電池システム１の定格運転時に比べて電導度が高い傾向がある燃料電池システム１の起動時および停止時におけるスチーミングによって凝縮されたスチーミングドレン水は、系内を循環させずに排出することで、系内に供給され改質水や冷却水として再利用される凝縮水の電導度の上昇を抑制して、燃料電池スタック３の劣化を防止することができる。
また、スチーミングによって凝縮されたスチーミングドレン水の電導度を予め把握しておき、スチーミング時の凝縮水を捨てるようにしたことで、例えば、電導度計を別途設ける等、複雑な構成を採用する必要がないので、燃料電池システム１を複雑にすることなく循環させる凝縮水の電導度の上昇を抑制することができる。
【００４８】
すなわち、図３の「判定」の項目欄に示すように、燃料電池システム１の起動時にあっては、スチーミングの開始後（ｔ０）、炭化水素原料である改質灯油（図１参照）が改質器２１に供給される時（ｔ１）までの間に行なわれたスチーミングにより凝縮されたスチーミングドレン水を含んで排出側バルブ４１から排出する。
【００４９】
このとき、改質灯油が改質器２１に供給された時が含まれる第１の所定量の凝縮水Ｖ１を排出する他、所定のタイムラグτ１を考慮して、その後に貯留された第２の所定量の凝縮水Ｖ２をも排出する。
【００５０】
このように、炭化水素原料が改質装置２の改質器２１に供給された時からアノードドレンタンク４に貯留されるまでの所定のタイムラグを設けて、その後に貯留された前記所定量の凝縮水を前記排出側バルブ４１から排出することで、より確実に、系内に供給され改質水や冷却水として再利用される凝縮水の電導度の上昇を抑制して、燃料電池スタック３の劣化を防止することができる。
また、炭化水素原料が改質器２１に供給された時からアノードドレンタンク４に貯留されるまでのタイムラグを予め把握しておくことで、例えば、アノードドレンタンク４に電導度計を別途設ける等、複雑な構成を採用する必要がなく、電導度の高いスチーミングドレン水を確実に捨てることができるとともに、純水タンク８に回収する凝縮水を多くすることができ、燃料電池システム１を簡素化することができる。
【００５１】
一方、燃料電池システム１の停止時にあっては、炭化水素原料である改質灯油の供給の停止後（ｔ３）、スチーミングの終了（ｔ５）までの間に行なわれたスチーミングにより生成されたスチーミングドレン水を排出する。このとき、改質灯油の供給の停止時（ｔ３）が含まれる所定量の凝縮水Ｖ５を含み、その後に貯留されたＶ６〜Ｖ９までの各所定量の凝縮水を排出側バルブ４１から排出する。
【００５２】
このように、炭化水素原料の供給の停止時（ｔ３）が含まれる所定量の凝縮水Ｖ５をアノードドレンタンク４の排出側バルブ４１から排出することで、改質装置に炭化水素原料の供給が停止された時点以後の電導度が高いスチーミングドレン水を確実に排出することができるため、系内に供給され改質水や冷却水として再利用される凝縮水の電導度の上昇を抑制して、燃料電池スタック３の劣化を防止することができる。
【００５３】
なお、本実施形態においては、電導度の高い凝縮水が含まれる可能性がある貯留水は排出するという安全サイドを選択する観点から、燃料電池システム１の停止時におけるタイムラグτ２を考慮せずに改質灯油の供給の停止時が含まれる所定量の凝縮水Ｖ５を排出することとしたが、これに限定されるものではなく、タイムラグτ２を考慮して、Ｖ５は排出せずにＶ６〜Ｖ９までの凝縮水を排出側バルブ４１から排出してもよい。
【００５４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されず、適宜変更して実施することができる。
例えば、前記した実施形態においては、燃料電池システム１の定格運転時に比べて電導度が高い傾向がある燃料電池システム１の起動時および停止時におけるスチーミングによって凝縮されたスチーミングドレン水は、系内を循環させずに排出することとしたが、これに限定されるものではなく、アノードドレンタンク４に貯留される凝縮水の電導度を電導度計により計測して、許容範囲を超える所定の電導度に達した場合には、その凝縮水を系外に排出してもよい。
【００５５】
また、本実施形態におけるスチーミングでは、ＣＯ選択酸化器２３から流路Ｌ３を通って燃料電池スタック３を経由してアノードドレンタンク４でスチーミングドレン水を回収しているが、これに限定されるものではなく、ＣＯ選択酸化器２３から改質ガスバイパスラインＬ５を通って燃料電池スタック３をバイパスしてアノードドレンタンク４でスチーミングドレン水を回収することもできる。
【００５６】
このように燃料電池スタック３をバイパスし改質ガスバイパスラインＬ５を経由させてアノードドレンタンク４でスチーミングドレン水を回収することで、電導度の高いスチーミング時の水蒸気が燃料電池スタック３を流通することを回避できるため、スチーミングによる燃料電池スタック３の劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの主要構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）はアノードドレンタンクの構成および連結状態を説明するブロック図、（ｂ）は動作を説明する表である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおける凝縮水の循環方法を説明するための説明図であり、横軸は時間の経過等を示し、各項目欄はシステムの作動状態等を概念的に示す。
【符号の説明】
【００５８】
１      燃料電池システム
２      改質装置
３      燃料電池スタック
４      アノードドレンタンク
５      カソードドレンタンク
６      イオン交換器
８      純水タンク
２１    改質器
２２    シフト反応器
２３    ＣＯ選択酸化器
４１    排出側バルブ
４２    流出側バルブ
５１    流出バルブ
Ｖ０〜Ｖ９    所定量の凝縮水
τ１、τ２    タイムラグ
【図１】
2008130266.tif 000003
【図２】
2008130266.tif 000004
【図３】
2008130266.tif 000005