(57)【要約】【課題】  純水タンク内に水垢や埃等の不純物がたとえ混入していたとしても、常に清浄な純水のみを燃料電池に供給し得るようにした燃料電池システムを提供する。【解決手段】  蛇腹管により構成した取水管１２の先端開口１２２を横向きに開口させ、この状態の先端開口１２２に対しフロート部材１３１を連結部材１３２により取り付ける。これにより、先端開口１２２を純水の水面下一定距離の位置に維持させる。先端開口１２２に対し下に所定距離だけ突出する台座１４を取り付け、水位低下しても底面１０４よりも上方に一定距離以上の位置よりも沈降しないように制限する。以上で、水面に浮遊する不純物、底面１０４に沈殿した不純物が先端開口１２２に吸い込まれるのを回避する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料を水蒸気改質により水素リッチな燃料ガスに改質し、その燃料ガスをアノードに供給する一方、酸素含有ガスをカソードに供給して発電を行うように構成され、前記水蒸気改質に使用するために、純水を純水タンクに貯留する一方、給水ポンプの作動により純水タンクから純水を取水して蒸発器に供給するように構成されている燃料電池システムであって、
前記純水タンクには、内部に貯留された純水を先端開口から取水する取水管と、この取水管の先端開口を純水の水面との関係で所定位置に保持する保持手段とを備え、
前記取水管は純水タンク内の純水の水位変動に追随するように可動に構成される一方、前記保持手段は前記先端開口を純水の水面下一定距離の位置の水中に維持するように構成されている、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記保持手段は、前記取水管の先端開口を水中で横向きに開口した状態に維持するように構成されている、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記保持手段は、前記給水ポンプの作動により取水管の先端開口から純水が吸い込まれる際に、純水の水面に浮遊した不純物が前記先端開口内に流入しない程度の水面下一定距離に前記先端開口を維持するように構成されている、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記取水管又は保持手段に対し、取水管の先端開口を純水タンクの底面から所定距離上方位置よりも沈降しないように制限する制限手段が設けられている、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、燃料電池システムに関し、特に水蒸気改質に使用する純水を貯留する純水タンクを備えたものに係る。
【背景技術】
【０００２】
従来、水蒸気改質に使用する純水として、例えば、改質器で生じた排ガスからの熱回収の過程で生じるドレン水を水処理することで生成し、これを純水タンクに貯留した上で所定量ずつ利用することが行われている。この純水タンク内の純水は、純水供給用のポンプを作動することにより所定量ずつ取り出されるようになっている。
【０００３】
純水タンクを対象にしたものではないが、例えば特許文献１では、燃料電池用の燃料を貯留する燃料タンクや、この燃料タンクに水を供給するための水タンクに対し、それぞれ燃料や水の液体を吸い込むための液体吸い出しチューブを各タンク内に配設する一方、燃料タンク内の上部から炭酸ガス等の気体を取り出して水タンク内に吐出させたりするための気体吐出チューブを各タンク内に配設したものにおいて、各タンクの姿勢変化（例えば上下逆転）に備えて、各チューブの先端が自動的に位置を変えるようにすることが提案されている。このものでは、液体吸い出しチューブの先端に重りを付ける一方、気体吐出チューブの先端に浮きを付けるようにしている。
【０００４】
又、同様に純水タンクを対象にしたものではないが、例えば特許文献２では、燃料電池用の燃料を貯留する燃料タンクにおいて、貯留された燃料を取り出して燃料電池に供給するための供給管の先端が、燃料タンク内の液面の上下変化や傾斜の如何に拘わらず燃料液中に浸漬した状態に維持されるようにするために、浮きと重りからなる液中浸漬手段を前記供給管の先端に設けるようにすることも提案されている
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１５９４８２号公報
【特許文献２】特開２００７−３３５１４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、純水タンクに貯留されている純水中に水垢や埃等の不純物が混入していたとすると、発電モジュールへの純水の供給の際に例えば給水ポンプが詰まったり、流量計での測定誤差を招いたりして、終局的には給水ポンプの停止や流量計による流量測定不能の事態を招くことが考えられる。さらには、詰まり等により発生する純水の供給量不足等に起因して燃料電池セルの劣化を招いたり、あるいは、その結果として発電能力の低下を招いたりするおそれも考えられる。
【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、純水タンク内に水垢や埃等の不純物がたとえ混入していたとしても、常に清浄な純水のみを燃料電池に供給し得るようにした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、原燃料を水蒸気改質により水素リッチな燃料ガスに改質し、その燃料ガスをアノードに供給する一方、酸素含有ガスをカソードに供給して発電を行うように構成され、前記水蒸気改質に使用するために、純水を純水タンクに貯留する一方、給水ポンプの作動により純水タンクから純水を取水して蒸発器に供給するように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、前記純水タンクに、内部に貯留された純水を先端開口から取水する取水管と、この取水管の先端開口を純水の水面との関係で所定位置に保持する保持手段とを備えるようにした。そして、前記取水管として、純水タンク内の純水の水位変動に追随するように可動に構成する一方、前記保持手段として、前記先端開口を純水の水面下一定距離の位置の水中に維持する構成とした（請求項１）。
【０００９】
本発明の場合、取水管の先端開口は、純水水位の上下変動が生じたとしても、その変動に連動して先端開口が上下移動し得るようになり、しかも、保持手段により保持されて常に先端開口が純水の水面下一定距離の位置に維持されることになる。このため、水面に水垢や埃等の不純物が浮遊していたとしても、その浮遊不純物を吸い込むことを回避可能となる上に、純水タンクの内側面に前記の不純物が付着していたとしても、その付着不純物を吸い込むことを回避可能となる。以上より、常に不純物の混入のない清浄な純水を蒸発器や燃料電池の側に供給することが可能となる。これにより、純水タンクから供給する純水に不純物が混入した場合に想定されるような、給水ポンプの停止や流量計による流量測定不能の事態を招くことを確実に回避することが可能となり、さらには、詰まり等により発生する純水の供給量不足等に起因して燃料電池セルの劣化を招いたり、あるいは、その結果として発電能力の低下を招いたりするおそれもなくなる。
【００１０】
本発明における保持手段として、前記取水管の先端開口を水中で横向きに開口した状態に維持する構成とすることができる（請求項２）。このようにすることにより、先端開口を上向きに開口させる場合と比べ、水面の浮遊不純物が先端開口に吸い込まれることをより一層確実に回避し得るようになる。
【００１１】
又、本発明における保持手段として、前記給水ポンプの作動により取水管の先端開口から純水が吸い込まれる際に、純水の水面に浮遊した不純物が前記先端開口内に流入しない程度の水面下一定距離に前記先端開口を維持する構成とすることができる（請求項３）。このようにすることにより、水面の浮遊不純物が先端開口に吸い込まれることの回避を、より一層確実に実現させ得るようになる。
【００１２】
さらに、本発明の取水管又は保持手段に対し、取水管の先端開口を純水タンクの底面から所定距離上方位置よりも沈降しないように制限する制限手段を設けるようにすることができる（請求項４）。このようにすることにより、水位低下が著しくて、純水水位が純水タンクの底面近くまで低下したとしても、制限部材により、先端開口を底面よりも必ず所定距離以上の上方位置に保持することが可能となり、このため、底面に水垢や埃等の不純物が沈殿していたとしても、その沈殿不純物を吸い込むことを回避し得るようになる。
【発明の効果】
【００１３】
以上、説明したように、本発明の燃料電池システムによれば、純水タンク内で純水水位の上下変動が生じたとしても、取水管の先端開口を、その変動に連動して上下移動させることができ、しかも、保持手段により保持されて常に先端開口を純水の水面下一定距離の位置に維持させることができるようになる。このため、水面に水垢や埃等の不純物が浮遊していたとしても、その浮遊不純物を吸い込むことを回避することができる上に、純水タンクの内側面に前記の不純物が付着していたとしても、その付着不純物を吸い込むことを回避することができるようになる。以上より、常に不純物の混入のない清浄な純水を蒸発器や燃料電池の側に供給することができるようになる。これにより、純水タンクから供給する純水に不純物が混入した場合に想定されるような、給水ポンプの停止や流量計による流量測定不能の事態を招くことを確実に回避することができ、さらには、詰まり等により発生する純水の供給量不足等に起因して燃料電池セルの劣化を招いたり、あるいは、その結果として発電能力の低下を招いたりするおそれもなくすことができる。
【００１４】
特に、請求項２によれば、保持手段により取水管の先端開口を水中で横向きに開口した状態に維持することで、先端開口を上向きに開口させる場合と比べ、水面の浮遊不純物が先端開口に吸い込まれることをより一層確実に回避することができるようになる。
【００１５】
又、請求項３によれば、保持手段により、取水管の先端開口を、純水の水面に浮遊した不純物が前記先端開口内に流入しない程度の水面下一定距離に維持することで、水面の浮遊不純物が先端開口に吸い込まれることの回避を、より一層確実に実現させることができるようになる。
【００１６】
さらに、請求項４によれば、取水管又は保持手段に対し、取水管の先端開口を純水タンクの底面から所定距離上方位置よりも沈降しないように制限する制限手段を設けることで、純水水位が純水タンクの底面近くまで低下したとしても、制限部材により、先端開口を底面よりも必ず所定距離以上の上方位置に保持することができ、このため、底面に水垢や埃等の不純物が沈殿していたとしても、その沈殿不純物を吸い込むことを回避することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の燃料電池システムの実施形態を示す模式図である。
【図２】図１の純水タンクとして第１実施形態の拡大説明図である。
【図３】図３（ａ）は図２のＡ−Ａ線における拡大断面説明図であり、図３（ｂ）は一例としての純水タンクの内部を平面状態で見た場合の断面説明図である。
【図４】第２実施形態の純水タンクの図２対応図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムとして固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cells）を用いた例を示す。図中の符号４は電池本体（発電モジュール）であり、この電池本体４はセルスタック４１と、改質器４２と、空気用熱交換器４３とを備えている。この電池本体４に対する燃料ガス・空気・水蒸気等の供給及び排ガスの排出は、いずれも予熱・蒸発器５を通して行われるようになっている。この予熱・蒸発器５に対し燃料ガス回路６、改質用空気供給回路７及びカソード空気供給回路８が通される一方、予熱用の熱源として電池本体４の側から排ガスが導入され、その後に水供給処理回路９に導出され、排ガス中の水分回収により得た純水が予熱・蒸発器５内の燃料ガス回路６に戻されて水蒸気改質用の水蒸気に変換されるようになっている。
【００２０】
上記セルスタック４１は、複数のセルが所定間隔ずつ隔てた状態で立設されて構成されており、各セルは例えば小径円筒形状のアノード(燃料極)と、この外周側を覆う大径円筒形状のカソード(空気極)とが間に電解質を挟んだ状態で同心円状に一体化されたものである。アノードや、カソードはいずれもＮｉ等の金属酸化物を含有するセラミックスにより形成されたものであり、電解質は例えばＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）等の固体酸化物により形成されたものである。
【００２１】
セルのアノードの内孔に対し改質器４２から水蒸気改質により原燃料の燃料ガスよりも水素リッチとされた燃料ガスが下端から上端に向けて流され、又、カソードの外周面に空気用熱交換器４３から酸素含有ガスとしてのカソード空気が供給されるようになっている。カソードではカソード空気の酸素が酸素イオンとなって電解質を通り、アノードでは燃料ガスの水素と反応して水（水蒸気）を生成する一方、その際に生じた電子が回路を通してカソード側に移動して酸素を再びイオン化するということを繰り返して発電される。アノードの内孔に供給された燃料ガスは上記反応に利用された後、オフガスとして改質器バーナに導かれて燃焼用の燃料として利用されるようになっている。又、カソード空気は上方に排気され、改質器バーナからの燃焼排ガスと共に、排ガスとして予熱・蒸発器５に送られるようになっている。その際、上記排ガスは空気を加熱するための熱源として空気用熱交換器４３を通過するようになっている。
【００２２】
燃料ガス回路６には、元ガス電磁弁やガバナ等からなる調整弁６１と、バッファータンク６２、ガス流量センサ６３、脱硫器６４及び逆止弁６５等とが介装され、予熱・蒸発器５に入る前に改質用空気供給回路７が合流するようになっている。改質用空気供給回路７には、図示省略のフィルタを通した大気を吸い込んで送給する改質用空気ブロワ７１と、バッファータンク７２と、改質空気用流量センサ７３及び逆止弁７４等とが介装されている。そして、改質用空気供給回路７が合流された燃料ガス回路６には、予熱・蒸発器５内において、水供給処理回路９から純水が供給され、この純水が予熱・蒸発器５において水蒸気に蒸発した状態で改質器４２に送られるようになっている。カソード空気供給回路８には、改質用空気供給回路７と同様に、図示省略のフィルタを通した大気を吸い込んで酸素含有ガスとして送給するカソード空気ブロワ８１と、バッファータンク８２及びカソード空気用流量センサ８３等とが介装されている。
【００２３】
水供給処理回路９は、予熱・蒸発器５を通過した後の排ガスに含まれる水分の水回収、回収した凝縮水（ドレン水）の精製及び精製後の純水の貯留、並びに、貯留した純水を水蒸気として再利用すべく上記予熱・蒸発器５への供給をそれぞれ行う回路である。図１に示す水供給処理回路９は例示であり、この図例の水供給処理回路９には、排熱回収用熱交換器９１と、この熱交換器９１で集水された凝縮水を一時貯留するドレン回収装置９２と、ドレン回収装置９２の凝縮水のｐＨ調整処理や逆浸透膜（ＲＯ膜）やイオン交換膜等により純水に精製するための精製処理を行う水処理装置９３と、精製後の純水を貯留する純水タンク９４と、純水タンク９４の純水を取水して予熱・蒸発器５側に一定流量（例えば４〜６ｍＬ／ｍｉｎの流量）で供給するための純水ポンプ９５と、その際の純水流量を検出する純水流量センサ９６と、逆止弁９７とが上流側から順に介装されている。この水供給処理回路９から予熱・蒸発器５に供給された純水は予熱・蒸発器５で蒸発されて水蒸気になって改質器４２及び電池本体４のアノード側に供給されることになる。
【００２４】
上記排熱回収用熱交換器９１では、予熱・蒸発器５で顕熱回収された後の排ガスの潜熱回収を行うことにより、図外の例えば貯湯ユニット側の循環回路から循環供給される水を熱交換加熱するようなっている。これにより、燃料電池の排ガスからの熱回収が図られて、その回収熱が貯湯タンクに湯の状態で蓄熱され、蓄熱された湯が給湯や浴槽に対する湯張り等のために利用されるようになっている。
【００２５】
以下、本実施形態の特徴部分である純水タンク９４について詳細に説明する。すなわち、純水タンク９４は、図２に詳細を示すように、入水口１０１、吐出口１０２及びオーバーフロー口１０３を備えたタンク本体１０に対し、内部の貯留水位を検出するための水位検出手段１１と、内部の純水を採水して吐出口１０２から吐出させる可動式の取水管１２とを設けたものである。
【００２６】
水位検出手段１１は、ガイド杆１１１と、このガイド杆１１１により所定範囲に亘る上下動案内される複数のフロート部材１１２，１１３，１１４とを備えたものである。各フロート部材１１２，１１３，１１４には近接スイッチが内蔵され、純水の水位ＰＬの上下変動に追随して上下動することにより、それぞれの守備範囲として設定された上下範囲にある所定水位位置に至れば近接スイッチがＯＮとなって図示省略のコントローラに出力するようになっている。
【００２７】
取水管１２は、例えばゴム製のフレキシブルチューブ又は蛇腹管等により可動式に構成され、基端１２１が吐出口１０２に連通するように接続され、先端開口１２２が水中に没して水中の所定レベル位置に維持された状態で横向きに開口されている。この取水管１２の先端部には、先端開口１２２を貯留された純水の水面下の一定位置に維持された状態に保持する保持手段１３と、純水の水位ＰＬが著しく低下したとしても先端開口１２２をタンク本体１０の底面１０４に着座させずに底面１０４から一定距離だけ上方に離れた位置までの沈下に制限する制限手段１４とが装着されている。
【００２８】
保持手段１３は、図３（ａ）にも示すように、フロート部材１３１と、このフロート部材１３１に対し所定距離だけ下方の相対位置に取水管１２の先端部を連結する連結部材１３２とを備えている。フロート部材１３１は、取水管１２の自重によりその先端部が沈み込もうとするのに抗して、先端開口１２２が水面下の所定位置に維持し得るように、その浮力が設定されている。連結部材１３２は、フロート部材１３１と取水管１２の先端部とを所定の相対位置関係に連結して保持し得るものであれば、種々の連結部材を採用し得るが、図例のものは、取水管１２に対しその先端部の外周を囲むように取り付けられたブラケットをフロート部材１３１側の取付部に対しボルト・ナット手段により固定するものである。
【００２９】
制限手段１４は、取水管の先端部から下方に所定寸法だけ突出するスペーサであれば、その形状等の如何は問わずに採用し得るが、図例のものは、保持手段１３又は取水管１２の先端部（図例のものは取水管１２の先端部）に対しスペーサとして台座を取り付けて構成している。
【００３０】
以上により、取水管１２の先端開口１２２を、純水水位ＰＬの水面位置から下方に所定距離Ｓ（図３（ａ）参照）離れた位置に保持し、水位低下の際にはタンク本体１０の底面１０４位置から上方に所定距離Ｔ以上離れた位置に保持し得るようにしている。前記の如く先端開口１２２からの吸い込み流量が極僅か（例えば４〜６ｍＬ／ｍｉｎ）であれば、前記の所定距離Ｓとしては、先端開口１２２の内径をＤとすると、その１．５〜２．０倍の値を設定すればよい。例えば先端開口１２２の内径Ｄが８〜１０ｍｍであれば、Ｓ＝１．５Ｄ〜２．０Ｄとなって、Ｓ＝１２〜２０ｍｍ程度に設定すればよい。
【００３１】
この実施形態の場合、取水管１２の先端開口１２２は、純水水位ＰＬの上下変動が生じたとしても、その変動に連動して先端開口１２２が上下移動し、常に先端開口１２２が純水水位ＰＬの水面下Ｓの位置において水中に向けて横向きに開口した状態に維持されることになる。このため、水面に水垢や埃等の不純物が浮遊していたとしても、その浮遊不純物を吸い込むことを回避することができる上に、タンク本体１０の内側面１０５に前記の不純物が付着していたとしても、その、付着不純物を吸い込むことを回避することができる。しかも、かかる効果を、純水水位の変動が生じても、変わりなく得ることができる。さらに、水位低下が著しくて、純水水位ＰＬがタンク本体１０の底面１０４近くまで低下したとしても、制限部材１４が底面１０４に着座することで、先端開口１２２は底面１０４よりも必ず所定距離Ｔ以上の上方位置に保持することができる。このため、底面１０４に水垢や埃等の不純物が沈殿していたとしても、その沈殿不純物を吸い込むことを回避することができる。以上より、常に不純物の混入のない清浄な純水を燃料電池の側に供給することができるようになる。これにより、純水タンクから供給する純水に不純物が混入した場合に想定されるような、給水ポンプの停止や流量計による流量測定不能の事態を招くことを確実に回避することができ、さらには、詰まり等により発生する純水の供給量不足等に起因して燃料電池セルの劣化を招いたり、あるいは、その結果として発電能力の低下を招いたりするおそれもない。
【００３２】
なお、純水タンク９４内は純水の流入も取水もその流量が比較的少なく純水の流動による影響は殆ど無い状態に維持されるものの、保持手段１３のフロート部材１３１の平面方向への横ブレを抑制する対策としては、例えば図３（ｂ）に示すようにフロート部材１３の横幅を、タンク本体１０の内幅とほぼ同等で僅かに小さいものに設定すればよい。このようにすることにより、フロート部材１３１の横ブレを限られたものに抑制することができる。
【００３３】
＜第２実施形態＞
図４は第２実施形態の純水タンク９４を示すものである。第２実施形態の純水タンク９４は、保持手段１３のフロート部材１３１を水位検出手段１１ａのフロート部材として兼用させるものである。第１実施形態と同じ構成のものについては第１実施形態とお同じ符号を付して重複した説明を省略し、以下では異なる点について主として説明する。
【００３４】
第２実施形態では、水位検出手段１１ａのガイド杆１１５に対し、保持手段１３のフロート部材１３１を上下動自在に係合させ、純水水位ＰＬの水位変動に連動してフロート部材１３１が上下動することで、フロート部材１３１に内蔵させた近接スイッチにより水位検出を可能としつつ、取水管１２の先端開口１２２を水面下Ｓ（図３（ａ）参照）の距離の位置に保持させるようにしている。
【００３５】
なお、図例では、蛇腹管により構成された取水管１２の先端開口１２２の上下移動特性を考慮して水位検出手段１１ａのガイド杆１１５をタンク本体１０の頂面及び底面間に対し斜めに延びるように取り付けているが、これに限らず、取水管１２がフロート部材１３１の上下動に付随することができるフレキシビリティを有していればよく、前記のガイド杆１１５を鉛直方向に取り付けるようにしてもよい。
【００３６】
以上の第２実施形態の場合、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる上に、例えばガイド杆１１５の下部の所定位置にストッパ１１６を設けることで、第１実施形態の制限手段１４の代わりを果たさせることができ、かかるストッパ１１６により制限手段を簡易に構成することができる。
【００３７】
＜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及び第２実施形態では、ＳＯＦＣを用いて燃料電池システムを構成した例を示したが、純水を使用するために純水タンクを備える燃料電池システムであれば、本発明を適用することができ、本発明に含まれる。
【００３８】
又、取水管１２としては、第１及び第２実施形態では、そのほぼ全長が蛇腹管により構成されたものを示したが、これに限らず、水位変動に追随し得る程度の可撓性を備えるか、又は、水位変動に追随し得るように折曲可能に構成されていればよい。要するに水位変動に追随し得るように可動に構成されていればよいのである。
【符号の説明】
【００３９】
４      電池本体
５      予熱・蒸発器（蒸発器）
１０    タンク本体
１２    取水管
１３    保持手段
１４    制限手段
４２    改質器
９４    純水タンク
１１６  ストッパ（制限手段）
１２２  先端開口
１３１  フロート部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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