(57)【要約】【課題】改質器に対する水応答性が向上できるとともに、燃料電池の負荷に対する追従性を向上することができる燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池１と、燃料電池１に燃料ガスを供給すべく水蒸気改質を行う改質器４と、改質器４に純水を供給するための水供給手段Ｘとを具備し、水供給手段Ｘは、水を浄化するための活性炭フィルタ７、水を浄化するための逆浸透膜８、浄化された水を貯水するための水タンク９、水タンク９に貯水された水を純水にするためのイオン交換樹脂１０、純水を改質器４に供給するための水ポンプ１１が、改質器４に向けて順次接続されていることから、改質器４の改質反応に応じて供給する水は、水タンク９より、イオン交換樹脂１０のみを流通すればよく、改質器４に対する水応答性を向上することができ、さらには燃料電池１の負荷に対する追従性を向上することができる。【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、該燃料電池に燃料ガスを供給すべく水蒸気改質を行う改質器と、該改質器に純水を供給するための水供給手段とを具備し、前記水供給手段は、水を浄化するための活性炭フィルタ、水を浄化するための逆浸透膜、浄化された水を貯水するための水タンク、該水タンクに貯水された水を純水にするためのイオン交換樹脂、前記純水を前記改質器に供給するための水ポンプが、前記改質器に向けて順次接続されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記燃料電池からの排ガスと水とで熱交換するための熱交換器と、熱交換後の水を貯湯するための貯湯タンクとを具備するとともに、前記水タンクに、前記熱交換器にて前記排ガスと水とでの熱交換の際に生じる凝縮水が供給されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記イオン交換樹脂が、前記水タンクより供給される水が高さ方向に流れるように配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記水ポンプが吸引ポンプであるとともに、前記水タンクに貯水された水が、前記イオン交換樹脂の下部から上部に流れるよう接続されていることを特徴とする請求項３に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、燃料ガスを水蒸気改質するために必要な水を供給する水供給手段を具備する燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数配列してなる燃料電池スタックを収納容器内に収納した燃料電池やその運転方法（システム）が種々提案されている。
【０００３】
この燃料電池において発電に用いる燃料ガスとしては水素が用いられ、水素ガスと酸素含有ガス（通常、空気である）とを燃料電池セルに供給し、酸素含有ガスを燃料電池セル中の酸素極に接触させ、かつ水素を燃料電池セル中の燃料極と接触させ、所定の電極反応を生じせしめることにより、発電が行われる。
【０００４】
この燃料ガスである水素の生成方法としては、たとえば改質器に、燃料ガス供給手段より天然ガス等の炭化水素を供給するとともに、水供給手段により水蒸気を供給して、燃料ガスと水蒸気を反応させて水素を生成する水蒸気改質法等が知られている。
【０００５】
ここで、改質器に供給される水は、改質器や燃料電池に対して影響が少ない純水を供給することが好ましい。したがって、例えば水道水等より供給される水を、水供給手段により改質器に供給するにあたっては、水道水等に含まれる不純物を除去すべく、各種フィルタを介した後に改質器に供給することが好ましく、そのような水供給方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１２９３３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、改質器に供給される水（純水）は、水道水等から供給される水を、各種フィルタ等を介して不純物等を除去した後、改質器に供給することができる。しかしながら、水道水等から供給される水を各種フィルタを流通させるためには、各種フィルタの抵抗が大きく、水蒸気改質反応に要求される燃料ガスに対して、水（水蒸気）を迅速に改質器に供給することが難しい、すなわち水応答性が悪いという問題があった。さらには、それにより燃料電池の負荷に対する追従性が悪いという問題もあった。
【０００７】
それゆえ本発明は、改質器に対し、必要な水を供給するまでの時間を短縮し、水応答性を向上できるとともに、燃料電池の負荷に対する追従性を向上することができる燃料電池装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池装置は、燃料電池と、該燃料電池に燃料ガスを供給すべく水蒸気改質を行う改質器と、該改質器に純水を供給するための水供給手段とを具備し、前記水供給手段は、水を浄化するための活性炭フィルタ、水を浄化するための逆浸透膜、浄化された水を貯水するための水タンク、該水タンクに貯水された水を純水にするためのイオン交換樹脂、前記純水を前記改質器に供給するための水ポンプが、前記改質器に向けて順次接続されていることを特徴とする。
【０００９】
このような燃料電池装置においては、水道水等を活性炭フィルタ、逆浸透膜（ＲＯ膜）を流通して浄化したのち水タンクに貯える。そして、水蒸気改質反応に必要となる水（以下、改質器に必要となる水という）は、その量に応じて水タンクよりイオン交換樹脂を流通して供給する。
【００１０】
したがって、改質器に必要となる水を、その都度活性炭フィルタおよび水を浄化するための逆浸透膜を流通させる必要がないことから、改質器が必要とする水を迅速に供給することができ、水応答性を向上することができる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池装置は、前記燃料電池からの排ガスと水とで熱交換するための熱交換器と、熱交換後の水を貯湯するための貯湯タンクとを具備するとともに、前記水タンクに、前記熱交換器にて前記排ガスと水とでの熱交換の際に生じる凝縮水が供給されることが好ましい。
【００１２】
本発明においては、燃料電池の排ガスと水とで熱交換するための熱交換器を設けるとともに、熱交換後の水を貯湯するための貯湯タンクを設けたことにより、燃料電池の発電により生じる排ガスを有効に利用することができる。
【００１３】
そして、熱交換器にて、燃料電池の発電により生じる排ガスと水とでの熱交換する際、排ガス中に含有される水分より、凝縮水が生成される。ここで、この凝縮水を有効利用することにより、燃料電池に供給するために必要な水道水を低減することができる。
【００１４】
ここで凝縮水は、活性炭フィルタおよび逆浸透膜（ＲＯ膜）を流通した水と同等の水質となる。本発明においては、改質器に向けて、活性炭フィルタ、逆浸透膜の次に水タンクを配置していることから、回収される凝縮水は、活性炭フィルタや逆浸透膜を通すことなく、水タンクに供給することができる。
【００１５】
したがって、凝縮水を水タンクに直接供給することにより、凝縮水を有効利用することができるとともに、水タンクに供給される水道水を低減することができ、運転コスト（水道代）を低減することができる。さらには、凝縮水を活性炭フィルタおよび逆浸透膜を流通させる必要がないことから、活性炭フィルタおよび逆浸透膜の交換までの寿命を長くすることができる。
【００１６】
また、本発明の燃料電池装置は、前記イオン交換樹脂が、前記水タンクより供給される水が高さ方向に流れるよう配置されていることが好ましい。それにより、効率よく水の不純物が除去される。
【００１７】
すなわち、イオン交換樹脂を水タンクより供給される水に対して幅方向に（横向き）配置した場合には、その接続する水供給管の接続場所により、イオン交換樹脂に水が流れない場所が生じる可能性がある。この場合、イオン交換樹脂の寿命が短くなるおそれがある。
【００１８】
本発明においては、イオン交換樹脂を、水タンクより供給される水が高さ方向（縦向き）に流れるように配置することで、イオン交換樹脂の内部に水が流れない場所ができることを抑制（防止）することができる。それにより、効率よく不純物を除去できるとともに、イオン交換樹脂の交換までの寿命を長くすることができる。
【００１９】
また本発明は、前記水ポンプが吸引水ポンプであるとともに、前記水タンクに貯水された水が、前記イオン交換樹脂の下部から上部に流れるよう接続されていることが好ましい。
【００２０】
ここで、水タンクに貯水された水をイオン交換樹脂の下部から上部に向けて流すことで、イオン交換樹脂に供給された水は、イオン交換樹脂の下部から徐々にイオン交換樹脂内に溜まることとなる。それにより、イオン交換樹脂の内部に水が流れない場所ができることを抑制（防止）することができ、効率よく不純物を除去できるとともに、イオン交換樹脂の交換までの寿命を長くすることができる。
【００２１】
またあわせて、水ポンプを吸引ポンプとしたことにより、イオン交換樹脂を流れる水が、より早くイオン交換樹脂内を流れることとなる。それにより、改質器が必要とする水をさらに迅速に供給することができ、水応答性をさらに向上することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の燃料電池装置は、燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給すべく水蒸気改質を行う改質器を具備するとともに、改質器に水を供給する水供給手段として、活性炭フィルタ、逆浸透膜、水タンク、イオン交換樹脂、水ポンプが、改質器に向けて順次接続されていることから、改質器に必要となる水を迅速に供給することができ、水応答性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、本発明の燃料電池装置の構成の一例を示した構成図である。本発明の燃料電池装置は、発電を行なう発電ユニット、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニット、これらのユニット間を水が循環するための循環配管から構成されている。
【００２４】
本発明の燃料電池装置は、燃料電池１、天然ガス等の燃料ガスを供給する燃料供給装置２、酸素含有ガスを燃料電池１に供給するための酸素含有ガス供給装置３、燃料ガスと水蒸気により水蒸気改質する改質器４を具備している。
【００２５】
ここで、改質器４に純水を供給する手段である水供給手段Ｘは、給水管５、給水管５より供給される水を調整する給水電磁弁６、活性炭フィルタ７、逆浸透膜８（以下、ＲＯ膜とする）、水タンク９、イオン交換樹脂１０、水ポンプ１１により構成されている。なお、これら水供給手段Ｘの構成については後述する。
【００２６】
そして燃料電池１、燃料供給装置２、酸素含有ガス供給装置３、改質器４および水供給手段Ｘにて、主たる発電部が構成される。
【００２７】
さらに、上記した主たる発電部に加え、燃料電池燃料電池１にて発電された直流電力を交流電力に切り替え外部負荷に供給するためのパワーコンディショナ１２、燃料電池１の発電により生じた排ガス（排熱）と水とで熱交換する熱交換器１３、熱交換器１３１の出口に設けられ熱交換器１３の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ１５、水を循環させるための循環ポンプ１６、循環ポンプ１６の運転を制御する制御装置１４、により発電ユニットが構成されている。
【００２８】
また貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１８により構成されている。
【００２９】
さらに、熱交換器１３と貯湯タンク１８との間で水を循環させるための循環配管１７が設けられており、発電ユニット、貯湯ユニット、循環配管をあわせて燃料電池装置が構成される。
【００３０】
なお、図中の矢印は、燃料ガス、酸素含有ガス、水の流れ方向を示したものであり、また点線は制御装置１４に伝送される信号経路、または制御装置１４より伝送される信号経路を示している。また、同一の構成については同一の番号を付するものとし、以下同様である。さらに、図示していないが、燃料供給装置２と改質器４の間に、燃料ガスを加湿するための燃料加湿器を設けることも可能である。
【００３１】
ここで、図１に示した燃料電池装置を用いて、本発明の燃料電池装置の運転方法について説明する。
【００３２】
燃料電池１の発電に用いられる改質ガスを得るための改質器４で使用される純水は、給水電磁弁６が開放され、給水管５を通して活性炭フィルタ７に給水される。活性炭フィルタ７を流通した水は、続いてＲＯ膜８を流通して水タンク９に貯水される。水タンク９に貯水された水は、イオン交換樹脂１０と流通して精製度の高い水（純水）とされ、水ポンプ１１により改質器４に供給される。
【００３３】
改質器４においては、水ポンプ１１により供給された精製された水と、燃料供給装置２より供給される燃料ガス（被改質ガス）とにより、水蒸気改質を行なう。改質器４にて生成された改質ガスは、燃料電池１に送られ、酸素含有ガス供給装置３より供給される酸素含有ガスと反応して、燃料電池１の発電が行なわれる。そして、燃料電池１の発電で生じた電力は、パワーコンディショナ１２を通じて、外部負荷に供給される。
【００３４】
一方、燃料電池１の発電により生じた排ガス（排熱）は、主に燃料電池１の温度を高めるもしくは維持するために使用されるが、余った排ガスが燃料電池１より熱交換器１３１に供給される。
【００３５】
熱交換器１３に供給された排ガスは、熱交換器１３内を流通（循環）する水とで熱交換される。そして熱交換された水（湯水）は、循環配管を循環して貯湯タンク１８に貯湯される。
【００３６】
ここで、水供給手段Ｘは、改質器４に向けて、活性炭フィルタ７、ＲＯ膜８、水タンク９、イオン交換樹脂１０、水ポンプ１１の順に接続されている。
【００３７】
水道水等の燃料電池装置の外部から供給される水は、その水中に多くの不純物を含有しているため、そのまま改質器４に供給した場合には、改質器４が故障する、もしくは燃料電池１が故障するおそれがある。それゆえ、水中に含まれる不純物を除去（浄化）し、精製度の高い水（純水）として改質器４に供給することが好ましい。
【００３８】
ここで、給水管５より供給される水は、まず活性炭フィルタ７により、塩素や微量に含まれる有機物等を除去する。なお、活性炭フィルタ７は市販されているものを用いることができ、粒状活性炭、繊維状活性炭等からなる活性炭フィルタ等を用いることができる。
【００３９】
活性炭フィルタ７を流通した水は、続いてＲＯ膜８を流通する。ＲＯ膜は、水は通すが微粒子やイオン物質などを通過させない性質を持つため、水に含まれるほとんどの溶解塩や無機分子が除去される。なお、ＲＯ膜８にて水を浄化するにあたっては、水のみをＲＯ膜を通すため、適度な圧力（水圧）と時間が必要とされる。なおこの際、ＲＯ膜８を流通しなかった不純物入りの水は排水としてＲＯ膜８より排水される。なお、ＲＯ膜８は市販されているものを用いることができる。
【００４０】
続いて、ＲＯ膜８を流通した水を、水タンク９に貯水する。ここで、ＲＯ膜８を流通した水をそのままイオン交換樹脂１０に流通させると、改質器４が要求する量以上の水がイオン交換樹脂１０を流通することとなり、イオン交換樹脂１０の寿命が短くなるおそれがある。それゆえ一度水タンク９にて貯水することが好ましい。
【００４１】
そして、改質器４に応じて水タンク９に貯水された水を、イオン交換樹脂１０に流通する。イオン交換樹脂１０は、ＲＯ膜８を流通した水（水タンク９に貯水された水）を、さらに純水にすべく用いられ、市販されているものを用いることができる。
【００４２】
ここで、改質器４に供給される純水は、水道水等から供給される水を、各種フィルタを流通させて不純物を除去した後に、改質器４に供給される。それゆえ、水供給手段Ｘを、改質反応に要求される燃料ガスに応じて、その都度、水道水等より水を供給し、各種フィルタを通す設計とした場合には、各種フィルタの抵抗が大きく、改質反応に要求される燃料ガスに対して、水を迅速に改質器４に供給することが難しく、水応答性が悪いという問題が生じる場合がある。そして、改質器４に対する水応答性が悪い場合には、改質器４での改質反応も遅れを生じ、燃料電池１の負荷に対する追従性が悪くなるおそれがある。
【００４３】
そこで、本発明においては、水タンク９を活性炭フィルタ７およびＲＯ膜８を流通して浄化された水を貯水するように配置し、改質器４で必要とされる純水は、水タンク９に貯水された水を、イオン交換樹脂１０のみを流通させる水供給手段とする。
【００４４】
それにより、改質器４に対して、必要な水を供給するまでの時間を短縮できることから、改質器４に対する水応答性を向上することができ、さらには燃料電池１の負荷に対する追従性を向上することができる。
【００４５】
なお、水タンク９において、ＲＯ膜を流通した後の水の貯水量に応じて、水タンク９より排水するための排水手段を設けることができる。
【００４６】
図２は、本発明の燃料電池装置の他の実施の形態を示し、熱交換器１３より燃料電池の排ガスと水とで熱交換する際に生じる凝縮水が、水タンク９に供給されることを示している。
【００４７】
燃料電池1の発電により生じる排ガスと、循環配管１７を流れる水とで熱交換した際、排ガス中に含有される水分が、凝縮水として生成される。そして、生成された凝縮水を有効利用すべく、凝縮水を水タンク９に供給することができる。
【００４８】
ここで、凝縮水は、主に改質器４に供給される水（純水）が凝縮水として生成されることから、活性炭フィルタ７およびＲＯ膜８を流通した水と同等の水質となる。それゆえ、回収した凝縮水は、これらフィルタを通すことなく、水タンク９に供給することで、再利用することができる。
【００４９】
それにより、水タンクに供給するための水道水等の供給量を低減することができ、運転コスト（水道代等）を低減することができる。また、凝縮水が活性炭フィルタ７およびＲＯ膜８を流通する必要がないことから、活性炭フィルタ７およびＲＯ膜８の交換までの寿命を長くすることができ、これらフィルタの運転コストを低減することもできる。
【００５０】
なお、燃料電池１および熱交換器１３との間に、浄化装置を設け、排ガスに含有される有害成分を排ガスより除去するとともに、それら有害成分が凝縮水中に溶解することを防止することもできる。
【００５１】
図３は、水供給手段Ｘにおける水タンク９より供給される水が、イオン交換樹脂１０の内部を高さ方向に流れることを示したものであり、（ａ）は縦向きに配置されたイオン交換樹脂１０の上部から下部に水が流れる場合を、（ｂ）は横向きに配置されたイオン交換樹脂１０の上面に設けられている給水口１９から給水し、イオン交換樹脂１０の内部を流通して出水口２０より出水していることを示している。なお、矢印は水の流れの向きを示している。
【００５２】
イオン交換樹脂１０を幅方向（横向き）に配置した場合には、水タンク９よりイオン交換樹脂１０に水を供給するための水供給管の接続場所により、イオン交換樹脂１０の内部で、水が流れない場所が生じる可能性がある。そのような例としては、例えば幅方向に配置されたイオン交換樹脂の中央部に給水口および出水口が設けられた場合等が挙げられる。
【００５３】
この場合は、その給水口および出水口が設けられた高さまでしかイオン交換樹脂１０ないに水が溜まらないため、イオン交換樹脂１０の上部が使用されないことなる。それゆえ、イオン交換樹脂１０の寿命が短くなる場合がある。
【００５４】
本発明においては、水タンク９よりイオン交換樹脂１０に供給される水を、イオン交換樹脂の内部を高さ方向に流れるように配置することで、イオン交換樹脂１０の内部に水が流れない場所ができることを抑制（防止）することができる。それにより、イオン交換樹脂１０をより有効に利用することができ、イオン交換樹脂１０の交換までの寿命を長くすることができる。それにより、イオン交換樹脂１０の運転コストを低減することができる。
【００５５】
図４は、水ポンプ１１が吸引式の水ポンプ（以下、吸引水ポンプとする）であるとともに、水タンク９に貯水された水が、イオン交換樹脂１０の下部から上部に流れるように接続されていることを示す。
【００５６】
水タンク９に貯水された水をイオン交換樹脂１０の下部から上部に向けて流すことにより、イオン交換樹脂１０に供給された水は、イオン交換樹脂１０の内部に下部側より徐々に溜まることとなる。それゆえ、イオン交換樹脂１０の内部に水が流れない（溜まらない）場所ができることを抑制（防止）することができる。したがって、イオン交換樹脂１０を有効に利用することができることから、イオン交換樹脂１０の交換までの寿命を長くすることができるとともに、イオン交換樹脂１０の運転コストを低減することができる。
【００５７】
さらに、水ポンプ１１を吸引ポンプとしたことにより、イオン交換樹脂１０を流れる水が、水ポンプ１１により吸引されることで、より早くイオン交換樹脂１０の内部を流れることができる。それにより、改質器４が必要とする水をさらに迅速に供給することができ、水応答性を向上するとともに、燃料電池１の負荷に対する追従性を向上することができる。
【００５８】
以上、本発明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。
【００５９】
例えば、水供給手段Ｘに供給される水として、雨水や井戸水等を用いることもできる。この場合においては、雨水や井戸水等に含まれるさらに多様な不純物を除去すべく、上述した以外のフィルタやＵＶランプ等を設けることもできる。なお、この場合においても、改質器４に向かって、水タンク９より手前側（活性炭フィルタ７側）に配置することにより、改質器４に対する水応答性が向上できるとともに、燃料電池１の負荷に対する追従性を向上することができる。
【００６０】
また、熱交換器１３により生じる凝縮水が、酸性やアルカリ性である場合には、熱交換器１３から水タンク９に凝縮水を供給する過程で、中和剤等により凝縮水を中和することもできる。それにより、水タンク９の性状が変化することなく、またイオン交換樹脂１０に対する影響も抑制することができる。
【００６１】
さらに、本発明においてはイオン交換樹脂１０を、内部を水が高さ方向に流れるように配置したが、その他、活性炭フィルタ７、ＲＯ膜８等についても水が高さ方向に流れるように配置することも可能である。
【００６２】
この場合においては、イオン交換樹脂１０と同様、活性炭フィルタ７およびＲＯ膜８の内部に水が流れない場所ができることを抑制（防止）することができることから、各種フィルタの交換までの寿命を長くすることができるとともに、運転コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】水供給手段が、改質器に向かって、活性炭フィルタ、逆浸透膜、水タンク、イオン交換樹脂、水ポンプが順次接続されて構成されていることを示す構成図である。
【図２】熱交換により生じる凝縮水を、水タンクに供給することを示す構成図である。
【図３】水タンクよりイオン交換樹脂に供給される水の流れを示した説明図であり、（ａ）は、水タンクから供給される水がイオン交換樹脂の上部から下部を流通する場合を示し、（ｂ）は、水タンクから供給される水がイオン交換樹脂の上部より流入し、上部より出水すること場合を示す。
【図４】水タンクから供給される水が、イオン交換樹脂の下部から上部を流通する場合を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６４】
１：燃料電池
２：燃料供給装置
４：改質器
５：給水管
６：給水電磁弁
７：活性炭フィルタ
８：逆浸透膜（ＲＯ膜）
９：水タンク
１０：イオン交換樹脂
１１：水ポンプ
１３：熱交換器
【図１】
2008135271.tif 000003
【図２】
2008135271.tif 000004
【図３】
2008135271.tif 000005
【図４】
2008135271.tif 000006