(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスラインおよび酸化剤ガスラインを有する燃料電池と、前記酸化剤ガスラインおよび前記燃料ガスラインの少なくとも一方に接続された水凝縮器と、前記水凝縮器に接続され、オーバーフロー配管が設けられた凝縮水回収部と、前記凝縮水回収部の水を移送する凝縮水供給ポンプと、移送凝縮水中のイオンを除去するイオン交換樹脂部と、イオン交換されたイオン交換水を貯水するイオン交換水貯水部と、前記イオン交換水貯水部に設けられた第１の水位センサーと、前記イオン交換水貯水部及び前記凝縮水回収部を連結した戻り管と、前記凝縮水供給ポンプを制御する運転制御手段とを備え、
前記イオン交換水貯水部は、前記戻り管、前記凝縮水回収部及び前記オーバーフロー配管を介して大気開放されており、
前記運転制御手段は、前記第１の水位センサーの信号で前記凝縮水供給ポンプを起動し、前記イオン交換水貯水部に前記イオン交換水を供給させる、燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記凝縮水回収部において、該凝縮水回収部と前記オーバーフロー配管との接続部より低い位置に設けられた第２の水位センサーを備え、
前記運転制御手段は、前記第２の水位センサーの信号で前記凝縮水供給ポンプを起動し、前記イオン交換水貯水部に前記イオン交換水を供給させる、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記凝縮水回収部に設けられた第３の水位センサーと、前記凝縮水回収部に連結された補給水供給水路と、前記補給水供給水路中に設けられ、前記第３の水位センサーの信号により動作する弁と、を備えた請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記補給水供給水路中に絞りが設けられている請求項３に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素などの燃料ガスと酸素などの酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池発電システムの水処理装置の概略構成は、図５に表されるものが知られている（例えば特開平１０−２３５３９６）。
【０００３】
以下に、図５を用いて、従来の燃料電池発電システムの水処理装置の純水製造フロー図を説明する。
【０００４】
５１は原水を貯留する原水タンク、５２は原水ポンプ、５３は原水ポンプを起動、停止させる起動停止手段としてのリレー回路、５４は原水中のイオン化した電解質の大部分を除去する逆浸透膜装置、５５は逆浸透膜装置で除去されなかった処理水中の電解質をさらに除去して純水を製造するイオン交換樹脂装置、５６は純水を貯留する純水タンク、５６Ａは純水タンクに設けられ純水タンク内の水位を検出する水位検出手段としての差圧式液面計、５７は純水ポンプ、５８は純水の流量を調節する調節弁、５９はスチームを製造する気液分離器、５９Ａは気液分離器５９に設けられた水位監視装置である。
【０００５】
純水タンク５６内の純水の水位が低い時には、液面計５６Ａからの水位信号によりリレー回路５３が作動して原水ポンプ５２が起動し、逆浸透膜装置５４、イオン交換樹脂装置５５で純水が製造され純水タンク５６に送られる。純水タンク５６内の純水は純水ポンプ５７により気液分離器５９に供給され、供給水量は気液分離器５９に設けられた水位監視装置５９Ａからの水位信号で水位が一定となるように開閉される調節弁５８で調節される。また、気液分離器５９では、燃料電池発電設備の原料スチームが発生し、そのスチームは配管６０より改質器（図示省略）に供給され、そこで改質ガスが生成され、その改質ガスは、変成器、ＣＯ浄化器を経て、水素として燃料電池（図示省略）へ供給される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例のような燃料電池発電システムの水処理装置では、外部から供給される原水を処理するため、逆浸透膜装置とイオン交換樹脂装置の２種類を設け、また、水位検出手段は原水ポンプの起動および停止をさせるために、差圧式液面計のような実質２個の水位センサを必要とするなど、複雑になりコストも高くなる。
【０００７】
本発明は、上記従来の燃料電池システムの水処理装置が有する課題を考慮して、シンプルな構成でコストを低減でき、安定した水の処理および供給を行う燃料電池発電システムを提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための、第１の本発明の燃料電池発電システムは、燃料ガスラインおよび酸化剤ガスラインを有する燃料電池と、前記酸化剤ガスラインおよび前記燃料ガスラインの少なくとも一方に接続された水凝縮器と、前記水凝縮器に接続され、オーバーフロー配管が設けられた凝縮水回収部と、前記凝縮水回収部の水を移送する凝縮水供給ポンプと、移送凝縮水中のイオンを除去するイオン交換樹脂部と、イオン交換されたイオン交換水を貯水するイオン交換水貯水部と、前記イオン交換水貯水部に設けられた第１の水位センサーと、前記イオン交換水貯水部及び前記凝縮水回収部を連結した戻り管と、前記凝縮水供給ポンプを制御する運転制御手段とを備え、
前記イオン交換水貯水部は、前記戻り管、前記凝縮水回収部及び前記オーバーフロー配管を介して大気開放されており、
前記運転制御手段は、前記第１の水位センサーの信号で前記凝縮水供給ポンプを起動し、前記イオン交換水貯水部に前記イオン交換水を供給させる、燃料電池発電システムである。
【０００９】
第２の本発明は、前記凝縮水回収部において、該凝縮水回収部と前記オーバーフロー配管との接続部より低い位置に設けられた第２の水位センサーを備え、
前記運転制御手段は、前記第２の水位センサーの信号で前記凝縮水供給ポンプを起動し、前記イオン交換水貯水部に前記イオン交換水を供給させる、第１の本発明の燃料電池発電システムである。
【００１０】
第３の本発明は、前記凝縮水回収部に設けられた第３の水位センサーと、前記凝縮水回収部に連結された補給水供給水路と、前記補給水供給水路中に設けられ、前記第３の水位センサーの信号により動作する弁と、を備えた第１または第２の本発明の燃料電池発電システムである。
【００１１】
第４の本発明は、前記補給水供給水路中に絞りが設けられている第３の本発明の燃料電池発電システムである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、固体高分子型燃料電池システムを例に取り、図面を参照して説明する。
【００１４】
（実施の形態1）
図１は、本発明の第１の実施の形態における代表的な固体高分子型燃料電池の構成を示す模式図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施の形態の固体高分子型燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池部１と、燃料ガスの供給系、酸化剤ガスの供給系、および燃料電池部の冷却系から構成され、
燃料電池部１より排出される酸化剤ガスに含まれる水蒸気を凝縮する酸化剤側水凝縮器４と、燃料電池部１より排出される燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮する燃料側水凝縮器５と、凝縮した水を回収して蓄える凝縮水タンク１１、燃料電池部１で発生した反応熱を回収する熱交換器７、水蒸気を回収する際に発生する凝縮熱や燃料電池部１で発生する反応熱を回収し蓄える貯湯タンク６、凝縮水タンク１１の水を移送する凝縮水供給ポンプ１２、移送凝縮水中のイオンを除去するイオン交換樹脂部１３、イオン交換されたイオン交換水を貯水するイオン交換水タンク１４、イオン交換水タンク１４に水位センサー１５および凝縮水タンクに連結した戻り管１６を備えている。
【００１６】
次に、このような本実施の形態の動作を説明する。
【００１７】
燃料ガス供給系では、水素生成器部２で、天然ガスなどの原料を水蒸気改質し、水素リッチな燃料ガスを生成して燃料電池部１に供給する。
【００１８】
燃料電池部１で残った燃料ガスは、燃料側水凝縮器５に入り、ここで冷却されることにより燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮し、凝縮した水は、凝縮水タンク１１に回収される。
【００１９】
その後、除湿された残燃料ガスは、水素生成器部２内の燃焼器（図示せず）で燃焼し、水素リッチな燃料ガスを生成するのに必要な温度維持に使用される。
【００２０】
酸化剤ガス供給系では、空気などの酸化剤は、必要に応じて備えられた酸化剤側加湿器３で加湿され、燃料電池部１に供給される。
【００２１】
燃料電池部１内で、燃料ガスと反応して発電を行った後、残った酸化剤ガスは、酸化剤側水凝縮器４内で冷却され、ガス中の水蒸気は凝縮水となって、凝縮水タンク１１に回収される。
【００２２】
ところで、凝縮水タンク１１内の凝縮水は、イオン交換水タンク１４に備えられた水位センサー１５の信号で（イオン交換水タンク１４内の水位が水位センサー１５の位置まで下がった時信号を発生）起動する凝縮水供給ポンプ１２により、イオン交換樹脂部１３を通り金属イオンなどの不純物を取り除かれて、イオン交換水タンク１４に送られる。一定（設定）時間運転後、凝縮水供給ポンプ１２は停止する。イオン交換水タンク１４に送られた水は、改質水ポンプ１７などにより必要個所に送られ、燃料電池発電システム内で改質用の水などに再利用される。
【００２３】
また、イオン交換水タンク１４の上部には、凝縮水タンク１１に連結した戻り管１６を備えており、凝縮水供給ポンプ１２で送る水量が多すぎた場合には、戻り管１６を通って凝縮水タンク１１に戻ってくる。
【００２４】
さらに、凝縮水が不足する場合は、補給水供給水路１８より外部から水が補給される。
【００２５】
燃料電池部１の冷却系では、ポンプ（図示せず）を用いて冷却水を循環させ、燃料電池部１で発生した反応熱を熱交換器７で放熱する。
【００２６】
また、熱媒（水など）を、酸化剤側水凝縮器４、燃料側水凝縮器５、熱交換器７に流し（破線矢印参照）、水蒸気を回収する際に発生する凝縮熱や燃料電池部１で発生する反応熱を回収し、貯湯タンク６内の貯湯水を暖めて、暖房や給湯に使用する。
【００２７】
本実施の形態の効果として、
イオン交換水タンク１４の水位センサー１５は、凝縮水供給ポンプ１２を起動するだけで良いため、１つで良いし、フロートスイッチのような簡単なタイプで良い。また、水位センサー１５は、イオン交換水タンク１４の下方に取り付けられ、図示するa寸法（水位センサー１５と戻り管１６との距離）を大きく取れるために、イオン交換水タンク１４の容積を有効に使用できる。
【００２８】
なお、熱媒の流れは、図１では、燃料側水凝縮器５、酸化剤側水凝縮器４、燃料電池部１で発生した反応熱を放熱する熱交換器７の順に図示しているが、別の順に流しても良いことや、凝縮水タンクは燃料側、酸化剤側別々でも良いのは無論である。
【００２９】
（実施の形態２）
本実施の形態２における燃料電池発電システムの部分構成について、図２を参照しながら説明する。
【００３０】
なお、以下、同一部品には同一番号を付し、部品の説明を省略する。
【００３１】
図２に示すように、
凝縮水タンク１１に第２の水位センサー２０を設け、水位センサー２０の信号で凝縮水供給ポンプ１２を起動させ、一定時間運転後に凝縮水供給ポンプ１２を停止させる運転制御手段を備えた構成となっている。
【００３２】
なお、水位センサー２０は、凝縮水タンク１１のオーバーフロー配管１９の位置より低い位置に取り付けられている。
【００３３】
この様な構成にすることにより、凝縮水が配管１０から回収され、水位センサー２０の位置に水位が来た時に水位センサー２０からの信号により、凝縮水供給ポンプ１２が起動し、凝縮水タンク１１内の水をイオン交換水タンク１４に送るために、回収された凝縮水はオーバーフロー配管１９から外部に捨てられることなく有効に活用することができる。
【００３４】
その結果、外部からの補給水も最低限で済み、水の自給率を上げることが可能となる。
【００３５】
（実施の形態３）
本実施の形態３における燃料電池発電システムの部分構成について、図３を参照しながら説明する。
【００３６】
図３に示すように、
凝縮水タンク１１に第３の水位センサー２２と、凝縮水タンク１１に連結された補給水供給水路１８と、補給水供給水路１８中に水位センサー２２の信号により動作する弁２１を設けた構成となっている。
【００３７】
このような構成にすることにより、凝縮水タンク１１内の水位を常に一定位置に確保するのではなく、水位センサー２２は凝縮水タンク１１の下方に設置し、水位の下限の位置で外部から必要最小限の水を補給するため、凝縮水通路１０からの凝縮水を最大限利用できる。
【００３８】
（実施の形態４）
本実施の形態４における燃料電池発電システムの部分構成について、図４を参照しながら説明する。
【００３９】
図４に示すように、
凝縮水タンク１１に第３の水位センサー２２と、凝縮水タンク１１に連結された補給水供給水路１８と、補給水供給水路１８中に水位センサー２２の信号により動作する弁２１および絞り２３を設けた構成となっている。
【００４０】
このような構成にすることにより、補給水側の圧力が凝縮水タンク１１内の圧力よりも相当高い場合に（一般に補給は水道水を用い、凝縮水タンクは大気圧のため、０.１MPa程度の差圧がある）、水位センサー２２の信号で弁２１が開になった時でも、一気に大量の水が補給されることはなく、安定した補給が可能となり、凝縮水タンク１１の小型化が可能となる。
【００４１】
なお、上記実施の形態において、ポンプ、弁などの制御は、運転制御手段（図示省略）によって行われる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように、本発明の燃料電池システムでは、簡単な構成でコストを低減でき、水自給率を高め、安定した水の処理および供給を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムの部分構成図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムの部分構成図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態における燃料電池システムの部分構成図である。
【図５】従来の燃料電池システム用水処理装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１  燃料電池部
２  水素生成器部
３  酸化剤側加湿器
４  酸化剤側水凝縮器
５  燃料側水凝縮器
６  貯湯タンク
７  熱交換器
10  凝縮水通路
11  凝縮水タンク
12  凝縮水供給ポンプ
13  イオン交換樹脂部
14  イオン交換水タンク
15、20、22  水位センサー
16  戻り管
18  補給水供給水路
19  オーバーフロー配管
21  弁
23  絞り
【図１】
0004233805.tif 000002
【図２】
0004233805.tif 000003
【図３】
0004233805.tif 000004
【図４】
0004233805.tif 000005
【図５】
0004233805.tif 000006