(57)【要約】【課題】長時間にわたってバクテリアの繁殖を抑制でき安全で、かつ廃熱回収効率に優れた燃料電池システムの実現が望まれる。【解決手段】アノード１側の水素とカソード２側の酸素とを電解質３を介して反応させて発電する燃料電池部４と、所定の処理ガスから回収した回収水を処理する回収水処理機構５と、を備え、回収水処理機構５で処理した処理水をシステム内で使用する燃料電池システムにおいて、回収水処理機構５に、銀イオンを含有する銀含有抗菌剤を備え回収水を殺菌処理する殺菌処理部７ａと、イオン交換樹脂を備え殺菌処理部７ａで殺菌された回収水を水処理して純水に戻す水処理部７ｂと、からなる回収水処理部７を備え、殺菌処理部７ａにおいて殺菌された回収水における銀イオン濃度が１ｐｐｂ以上となるように構成されている燃料電池システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード側の水素とカソード側の酸素とを電解質を介して反応させて発電する燃料電池部と、所定の処理ガスから回収した回収水を処理する回収水処理機構と、を備え、前記回収水処理機構で処理した処理水をシステム内で使用する燃料電池システムにおいて、
前記回収水処理機構に、銀イオンを含有する銀含有抗菌剤を備え回収水を殺菌処理する殺菌処理部と、イオン交換樹脂を備え前記殺菌処理部で殺菌された回収水を水処理して純水に戻す水処理部と、からなる回収水処理部を備え、
前記殺菌処理部において殺菌された回収水における銀イオン濃度が１ｐｐｂ以上となるように構成されている燃料電池システム。
【請求項２】
前記回収水処理機構が、前記処理ガスから回収したＣＯ2濃度の高い回収水が流入する第一水タンク部と、前記処理ガスから回収したＣＯ2濃度の低い回収水が流入する第二水タンク部と、を備え、
前記第一水タンク部にＣＯ2を脱気するための脱気機構を設け、
前記第一水タンク部において前記脱気機構で脱気することでＣＯ2濃度を低下させた回収水を、前記第二水タンク部に導入して前記第二水タンク部内のＣＯ2濃度の低い回収水に混入させ、前記第二水タンク部の回収水を前記回収水処理部に送って、前記殺菌処理及び前記水処理を行う請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第一水タンク部にオーバーフロー部を設ける請求項２に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、アノード側の水素とカソード側の酸素とを電解質を介して反応させて発電する燃料電池部と、所定の処理ガスから回収した回収水を処理する回収水処理機構と、を備え、前記回収水処理機構で処理した処理水をシステム内で使用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、発電時に発生する熱をお湯として回収利用することにより高効率かつ省エネルギーシステムを提供するものである。このような燃料電池システムにおいては、システム内で処理した処理水が循環、再利用されるため、そのままでは処理水にバクテリアが繁殖などするとシステムの正常な運転が阻害される。そこで、例えば特許文献１には、バクテリア繁殖予防で循環水の温度を上げることが開示されている。しかしながらこの構成では、本来お湯として回収利用可能な熱の一部を、循環水の加温に用いるため、排熱回収効率が低下する。
【０００３】
一方、熱を用いないバクテリアの繁殖予防方法としては、特許文献２に、銀イオンを用いる抗菌剤含有イオン交換樹脂が有用であることが開示されている。
【０００４】
しかし、この特許文献２に開示の技術は、燃料電池システムを対象とした技術ではなく、例えば、燃料電池システムに適用する場合に、燃料電池システムのどの部位に、どのような条件で適用すれば、真に有用な効果を得られるかは不明である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−３０００６７号公報
【特許文献２】特開２００４−２２４７３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、上記状況に鑑みて、廃熱回収効率に優れ、長時間にわたってバクテリアの繁殖を抑制できる信頼性の高い燃料電池システムを得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るアノード側の水素とカソード側の酸素とを電解質を介して反応させて発電する燃料電池部と、所定の処理ガスから回収した回収水を処理する回収水処理機構と、を備え、前記回収水処理機構で処理した処理水をシステム内で使用する燃料電池システムの特徴構成は、前記回収水処理機構に、銀イオンを含有する銀含有抗菌剤を備え回収水を殺菌処理する殺菌処理部と、イオン交換樹脂を備え前記殺菌処理部で殺菌された回収水を水処理して純水に戻す水処理部と、からなる回収水処理部を備え、前記殺菌処理部において殺菌された回収水における銀イオン濃度が１ｐｐｂ以上となるように構成されている点にある。
【０００８】
この特徴構成によれば、殺菌処理部における殺菌処理が有効に働き、システム外から回収水内に浸入し、繁殖したバクテリアなどの微生物を殺菌することが可能となる。そして、殺菌された直後の回収水が水処理部においてイオン交換樹脂で水処理される。よって、イオン交換樹脂の粒の間に微生物などが詰まり、イオン交換性能が低下することを抑えられる。すなわち、イオン交換樹脂を長期間にわたって使用できる。また、このようにして殺菌水処理された処理水がシステム内において利用されるので、システム内の処理水は長期間において、バクテリアなどの繁殖を抑制することができる。よって、これらによる水流路内の閉塞を予防できる。また、銀含有抗菌剤による銀イオン濃度は樹脂の断面積及び樹脂内を流れる回収水の流量を適宜調整するだけで済むので、バクテリア予防のために燃料電池部の廃熱を利用する必要がなくなる。銀イオンの濃度であるが、後に図２を使用して説明するように、その濃度が１ｐｐｂ以上とされた部位を設けることで、菌の繁殖を抑えることができる。結果、長期間にわたってバクテリアの繁殖を抑制でき、かつ廃熱回収効率に優れた燃料電池システムを実現することができる。加えて、システム内の各機器において、水路が詰まることによる故障を抑制することが出来る。
【０００９】
ここで、前記回収水処理機構が、前記処理ガスから回収したＣＯ2濃度の高い回収水が流入する第一水タンク部と、前記処理ガスから回収したＣＯ2濃度の低い回収水が流入する第二水タンク部と、を備え、前記第一水タンク部にＣＯ2を脱気するための脱気機構を設け、前記第一水タンク部において前記脱気機構で脱気することでＣＯ2濃度を低下させた回収水を、前記第二水タンク部に導入して前記第二水タンク内のＣＯ2濃度の低い回収水に混入させ、前記第二水タンク部の回収水を前記回収水処理部に送って、前記殺菌処理及び前記水処理を行うと好適である。
【００１０】
この構成によれば、システムにおいて回収されるＣＯ2濃度の異なる回収水を、効率的に低いＣＯ2濃度とすることができ、回収水処理部に送る回収水のＣＯ2濃度を低く抑えることが出来る。これにより、回収水処理部における銀含有抗菌剤（例えば、銀イオン担持ゼオライト）やイオン交換樹脂に、ＣＯ2濃度の低い回収水をあてることができるので、負荷を下げることができる。よって、銀含有抗菌剤やイオン交換樹脂の寿命を長くすることができ、より長期間にわたってバクテリアの繁殖を防ぐとともに、廃熱回収効率に優れた燃料電池システムを実現することができる。
【００１１】
また、前記第一水タンク部にオーバーフロー部を設けると好適である。
【００１２】
この構成によれば、過剰に回収された回収水を、ＣＯ2濃度の高いものを優先的に捨てることができる。よって、回収水処理部に送る回収水のＣＯ2濃度をより効果的に下げることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの概略図である。
【図２】本実施形態に係る銀含有抗菌剤の殺菌効果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１５】
１．燃料電池システムの概要
図１に示すように、燃料電池システムは、アノード１側に供給される水素とカソード２側に供給される酸素とを電解質３を介して反応させて発電する燃料電池部４を備えている。
【００１６】
本実施形態においては、燃料電池部４は、アノード１、電解質３、カソード２よりなる固体高分子形燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ；ＰＥＦＣ）である。ＰＥＦＣの構成は公知であるので詳細な説明は省略する。アノード１には、例えば、Ｃを支持体としたＰｔ触媒のように水素を電子と水素イオンに分解可能な触媒が備えられている。また、電解質３としては、例えば、イオン交換膜のようにイオンのみを透過させる固体高分子膜が用いられる。そのため、アノード１側に水素を供給すると、水素は水素イオンと電子に分解され、水素イオンは電解質３を介してカソード２側に、電子は外部回路（図示せず）を介してカソード２側に移動する。また、カソード２側において、これらの水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が発生する。
【００１７】
この燃料電池部４のアノード１側に水素を供給するために、システム外部より都市ガスが供給される。都市ガスから水素を製造する原理は、公知の水素製造装置と同様であるので、ここでは詳細な説明は省略する。システムに供給される都市ガスは、まず脱硫器３１によって脱硫され、次に改質用スチーム発生器１８で発生する水蒸気と混合された後、改質器１４に送り込まれる。続いて、改質器１４における水蒸気改質反応により改質され、次にＣＯ変成器１０でＣＯ変成反応が行われる。さらにＣＯ除去器１９でＣＯ選択酸化反応が行われ、一酸化炭素を除去したＣＯ濃度の低い水素リッチの改質ガスとなる。この改質ガスは、アノード加湿タンク１３に送られ、アノード加湿タンク１３で加湿された後に、燃料電池部４のアノード１（燃料極）に送られる。
【００１８】
なお、本実施形態においては、ＣＯ変成器１０とＣＯ除去器１９との間には熱交換器２１、排出タンク１１が設けられており、ＣＯ変成器１０でＣＯ変成反応が行った際発生する熱を熱交換器２１で回収すると共に、ＣＯ変成反応で発生した水を排出タンク１１で回収するように構成されている。ここで、熱交換器２１はＣＯ変成器１０から排出された気体を冷却する冷却器として働き、熱交換器２１で生じた水は排出タンク１１に回収される。すなわち、熱交換器２１と排出タンク１１とが凝縮器としての役割を果たす。
【００１９】
一方、燃料電池部４のカソード２側に酸素を供給するために、システム外部より空気が供給される。システムに供給される空気は、カソード加湿タンク１６により加湿された後に、燃料電池部４のカソード２（空気極）に送られる。
【００２０】
燃料電池部４のカソード２から排気される排ガスには、水素イオンと酸素との反応により高温に熱せられた水（水蒸気）が含まれている。そのため、カソードオフガス用熱交換器３２で熱を回収すると共にカソードタンク１５で凝縮された水が回収される。ここで、熱交換器３２は高温に熱せられた水を冷却する冷却器として働き、熱交換器３２で生じた水はカソードタンク１５に回収される。すなわち、熱交換器３２とカソードタンク１５とが凝縮器としての役割を果たす。
【００２１】
また、カソード加湿タンク１６の水は、ポンプ２２により、配管２３を介して燃料電池部４に供給され、燃料電池部４を冷却した後、カソード加湿タンク１６に戻されるように構成されている。
【００２２】
２．回収水処理機構
本実施形態においては、このような燃料電池システムにおいて、システムにおける各段階で発生する処理ガスから回収される回収水を処理する回収水処理機構５を備えている。そして、回収水処理機構５で再利用可能に処理した処理水をシステム内の各機器に供給するための水供給ラインを通じて、例えば、改質用スチーム発生器１８でスチームを発生させるために使用するなど、システム内の各機器で再度使用するように構成されている。
【００２３】
ここで、システムにおける各段階で発生する処理ガスから回収される回収水とは、具体的には、ＣＯ変成器１０でＣＯ変成反応を行った高温の改質ガスから排出タンク１１で回収される水、アノード加湿タンク１３で回収される水、アノード１でのオフガスからアノードオフガスドレインタンク１２で回収される水、改質器バーナ３０の燃焼排ガスからドレインタンク２９で回収される水、カソード加湿タンク１６で回収される水、及びカソード２でのオフガスからカソードタンク１５で回収される水等である。なお、これらの処理ガスが、本発明における「所定の処理ガス」に相当する。
【００２４】
ここで、ドレインタンク２９と改質器１４との間に設けられた熱交換器は高温に熱せられた水を冷却する冷却器として働き、当該熱交換器で生じた水はドレインタンク２９に回収される。すなわち、当該熱交換器とドレインタンク２９とが凝縮器としての役割を果たす。また、アノードオフガスドレインタンク１２と燃料電池部４との間に設けられた熱交換器は冷却器として働き、当該熱交換器で生じた水はアノードオフガスドレインタンク１２に回収される。すなわち、当該熱交換器とアノードオフガスドレインタンク１２とが凝縮器としての役割を果たす。
【００２５】
本実施形態においては、回収水処理機構５は、上述の処理ガスから回収した回収水のうち比較的ＣＯ2濃度の高い回収水が流入する第一水タンク部６ａと、処理ガスから回収した回収水のうち比較的ＣＯ2濃度の低い回収水が流入する第二水タンク部６ｂと、を備えている。これら第一水タンク部６ａと第二水タンク部６ｂとは、連通管２６によって、回収した回収水を連通可能に接続されている。
【００２６】
なお、ＣＯ2濃度の高い回収水には、具体的には、排出タンク１１で回収される水、アノード加湿タンク１３で回収される水、アノードオフガスドレインタンク１２で回収される水、及びドレインタンク２９で回収される水が相当する。これら回収水のＣＯ2濃度は２００ｐｐｍより大きく、これらの回収水が第一水タンク部６ａに流入するように燃料電池システムは構成されている。また、比較的ＣＯ2濃度の低い回収水には、カソード加湿タンク１６で回収される水、及びカソードタンク１５で回収される水が相当する。これらの回収水のＣＯ2濃度は１ｐｐｍ未満であり、これらの回収水が第二水タンク部６ｂに直接流入するように燃料電池システムは構成されている。
【００２７】
ここで、第一水タンク部６ａには、ＣＯ2を脱気するための脱気機構８が設けられている。このため、第一水タンク部６ａに流入した回収水は、例えば、超音波発生装置のような脱気機構８によって脱気されることでＣＯ2濃度の低下した回収水となり（例えば、脱気機構８によりＣＯ2濃度を８ｐｐｍ程度まで低下させることが可能である）、このようにＣＯ2濃度の低下した回収水が、連通管２６を介して第二水タンク部６ｂに導入される。このようにして、ＣＯ2濃度の低下した回収水が、第二水タンク部６ｂ内のＣＯ2濃度の低い回収水に混入する。ここで、第二水タンク部６ｂに直接流入して溜まっている回収水は、上述のようにＣＯ2濃度が１ｐｐｍ未満であるため、この回収水を薄め液として、例えばＣＯ2濃度が８ｐｐｍ程度の第一水タンク部６ａから混入する回収水が、ＣＯ2濃度が８ｐｐｍ程度以下の混合水となる。
【００２８】
なお、本実施形態においては、第一水タンク部６ａにオーバーフロー部９が設けられている。そのため燃料電池システムにおける回収水の量が、後述する回収水処理部７の処理能力を超えた場合には、ＣＯ2濃度の高い第一水タンク部６ａに回収された水から優先的に排水され、ＣＯ2濃度の低い混合水をより効率的に生成できる。
【００２９】
本実施形態においては、このようにしてＣＯ2濃度が薄くなった第二水タンク部６ｂの回収水（上記混合水）が、ポンプ２５により配管２４を通じて殺菌処理及び水処理を行う回収水処理部７に送られる。
【００３０】
ここで、回収水処理機構５に備えられる回収水処理部７は、銀イオンを発生することができる銀含有抗菌剤を備えた殺菌処理部７ａと、イオン交換樹脂を備えた水処理部７ｂとを備えている。図１に示すように、回収水処理部７は、流入してくる回収水がまず殺菌処理部７ａを通り、その後、水処理部７ｂを通るように構成されている。
【００３１】
殺菌処理部７ａは、例えば、銀イオン担持ゼオライトのような銀含有抗菌剤が内部に備えられた略円筒形の容器である。殺菌処理部７ａは、内部を流れる回収水が銀含有抗菌剤と接触するように構成されている。これにより、銀含有抗菌剤から回収水中に銀イオンが溶出し、回収水に含まれるバクテリアなどの菌が殺菌される。ここで、本実施形態における燃料電池システムのように、銀含有抗菌剤を通過する回収水が循環する系における銀含有抗菌剤の殺菌効果は、銀イオン濃度に依存する。本実施形態においては、殺菌処理部７ａにおいて殺菌された回収水における銀イオン濃度が１ｐｐｂ以上となるように構成されている。なお、殺菌処理部７ａにおける回収水の銀イオン濃度は、殺菌処理部７ａの内径、断面積、及び殺菌処理部７ａ内での回収水の流速などにより適宜調整可能である。
【００３２】
水処理部７ｂは、イオン交換樹脂が内部に備えられた略円筒形の容器である。水処理部７ｂは、殺菌処理部７ａで殺菌された回収水を水処理して純水に戻すように構成されている。上述したように、イオン交換樹脂を通る回収水は、第二水タンク部６ｂにおいてＣＯ2濃度が低くされているとともに、殺菌処理部７ａにおいて殺菌処理されているため、イオン交換樹脂に与える負荷が抑えられている。なお、本実施形態においては、殺菌処理部７ａと水処理部７ｂとは、それぞれ略円筒形の容器内に収められて相互に流路が連通している。
【００３３】
このようにして、回収水処理部７において所定の処理ガスから回収される回収水の殺菌処理及び水処理が行われる。そして、処理された回収水の一部は、水供給ラインを介してシステム内の各機器に供給され、再利用される。また、処理された回収水のうち、水供給ラインに供給されなかった残りは、第二水タンク部６ｂに返送される。
【００３４】
３．殺菌処理部における銀イオン濃度の影響
図２に、本実施形態に係る燃料電池システムの回収水処理機構５と同様に、銀含有抗菌剤を通過する水が、イオン交換樹脂を通過した後循環する系における水中の銀イオン濃度とその殺菌効果との関係を調べた実験結果を示す。この実験においては、まず初めに、この系を循環する水（本実施形態における回収水に相当）に、おおよそ１０4ＣＦＵ／ｍＬの生菌を投入し、一定時間循環させたときの生菌数を、水中の銀イオン濃度を変えながら調べた。図２の横軸は、この系において水を流した処理時間を、縦軸は生菌数を表している。図から分かるように、水中の銀イオン濃度が１．１２ｐｐｂのとき、水中の生菌数が自然に減少する割合以上で減少すること分かった。この実験結果より、銀イオン濃度が１ｐｐｂ以上であれば、水中の菌を銀イオンによって好適に殺菌可能であると考えられる。
【００３５】
〔その他の実施形態〕
最後に、本発明のその他の実施形態について説明する。なお、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
【００３６】
（１）上記の実施形態では、燃料電池部４に固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を備える場合の例について説明した。しかし、本発明の適用範囲はこのような構成に限定されるものではない。すなわち、例えば、燃料電池部４に固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ；ＳＯＦＣ）を備える構成としても良い。ＳＯＦＣを備える燃料電池部４のアノード及びカソードの両極に気体を供給するための構成については、周知であるのでここでは説明を省略する。この場合においても、燃料電池システム内で発生した水を処理する回収水処理機構５の構成は上記実施例と同様のものが適用できる。
【００３７】
（２）上記の実施形態では、回収水処理機構５が、第一水タンク部６ａと第二水タンク部６ｂとを備える場合の例について説明した。しかし、本発明の適用範囲はこのような構成に限定されるものではない。すなわち、例えば、回収水処理機構５が第一水タンク部６ａのみを備え、所定の処理ガスから回収される回収水が全て第一水タンク部６ａに流入する構成としても構わない。この場合には、回収水処理部７は、配管２４を介して第一水タンク部６ａと直接連通するように構成すると良い。
【００３８】
（３）上記の実施形態では、第一水タンク部６ａがオーバーフロー部９を備える場合の例について説明した。しかし、本発明の適用範囲はこのような構成に限定されるものではない。すなわち、例えば、第一水タンク部６ａ及び第二水タンク部６ｂの両方にオーバーフロー部を備える構成としても良い。この他にも、例えば、第二水タンク部６ｂのみにオーバーフロー部を備える構成としても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
アノード側の水素とカソード側の酸素とを電解質を介して反応させて発電する燃料電池部と、所定の処理ガスから回収した回収水を処理する回収水処理機構と、を備え、前記回収水処理機構で処理した処理水をシステム内で使用する燃料電池システムとして用いることができる。
【符号の説明】
【００４０】
１        ：アノード
２        ：カソード
３        ：電解質
４        ：燃料電池部
５        ：回収水処理機構
６ａ      ：第一水タンク部
６ｂ      ：第二水タンク部
７        ：回収水処理部
７ａ      ：殺菌処理部
７ｂ      ：水処理部
８        ：脱気機構
９        ：オーバーフロー部
【図１】
2012199019.tif 000003
【図２】
2012199019.tif 000004