(57)【要約】【課題】イオンが含まれた凝縮水の脱イオン処理を確実にでき、コストの低廉化、省スペース化を図れる、燃料電池発電装置を提供する。【解決手段】複数の電池単セル１が積層され、一対の集電板２０,２０で挟持した構造をなす燃料電池セルスタック１０と、陽極と陰極の間に、イオン交換膜３２によって区画された脱塩室Ｒ１と濃縮室Ｒ２とを有する電気式脱イオン装置３０とを備え、電気式脱イオン装置３０が、燃料電池セルスタック１０の冷却水供給口側に連設され、燃料電池セルスタック１０の一方の集電板１５が、電気式脱イオン装置３０の陽極又は陰極をなしており、脱塩室Ｒ１から排出される処理水を、燃料電池セルスタック１０の前記冷却水路を流通させるように構成されている。【選択図】図３
2009224290.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面にアノード電極及びカソード電極が配置された電池単セルと、冷却水が通過する冷却水路を備えた冷却板とを複数積層し、一対の集電板で挟持した燃料電池セルスタックと、
陽極と陰極の間に、イオン交換膜によって区画された脱塩室と濃縮室とを有する電気式脱イオン装置とを備え、
前記電気式脱イオン装置が前記電池セルスタックに連設されて一体に締結されている、
ことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記燃料電池セルスタックの集電板の一方が、前記電気式脱イオン装置の陽極又は陰極をなすように前記電気式脱イオン装置が前記電池セルスタックに連設されて一体に締結されている、請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記電気式脱イオン装置が、前記燃料電池セルスタックの冷却水供給口側に連設され、前記脱塩室から排出される処理水を、前記燃料電池セルスタックの前記冷却水路に流通させ、前記濃縮室から排出される濃縮水を前記燃料電池セルスタックの系外に排水するように構成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記電気式脱イオン装置が、前記燃料電池セルスタックの冷却水供給口側に連設され、前記脱塩室から排出される処理水と、前記濃縮室から排出される濃縮水とを、それぞれ独立した経路で前記燃料電池セルスタックの前記冷却水路を流通させるように構成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記燃料電池セルスタックの冷却水排水口側から排出される前記処理水を、燃料電池本体に供給する反応ガスの加湿水及び／又は炭化水素を水蒸気改質する際の改質水として利用するように構成されている、請求項３又は４に記載の燃料電池発電装置。
【請求項６】
前記電気式脱イオン装置が、前記燃料電池セルスタックの冷却水排出口側に連設され、前記燃料電池セルスタックの前記冷却水路を流通した後の冷却水を、前記電気式脱イオン装置の前記脱塩室と前記濃縮室とに分岐させて供給するように構成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項７】
前記電気式脱イオン装置の前記脱塩室から排出される処理水を、燃料電池本体に供給する反応ガスの加湿水及び／又は炭化水素を水蒸気改質する際の改質水として利用するように構成されている、請求項６に記載の燃料電池発電装置。
【請求項８】
前記処理水を加湿器に流通させた後、冷却水タンクに貯留するように構成されている、請求項５又は７に記載の燃料電池発電装置。
【請求項９】
前記加湿器が、電気式脱イオン装置及び電池セルスタックと共に締め付けられ一体に構成されている請求項８に記載の燃料電池発電装置。
【請求項１０】
前記電気式脱イオン装置のイオン交換膜が、アニオン交換膜、あるいは、アニオン交換膜とカチオン交換膜を併用したものである、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気式脱イオン装置を備えた燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置は、複数の電気単セルを積層してなる燃料電池セルスタックを有している。この燃料電池セルスタックから排出される燃料電池排ガスや、改質装置の燃焼部から排出される燃焼排ガスは水分を含んでおり、燃料電池発電装置の系内での水自立（外部からの補給水を受けいれることなく運転を継続する状態）を維持するため、燃料電池排ガスや燃焼排ガスから凝縮水を回収し、再利用することが一般的に行われている。そして、凝縮水には、炭酸イオンや、配管から溶出した金属イオン等が含まれており、これらのイオンは、電極触媒や、改質触媒に悪影響を及ぼす恐れがあるので、凝縮水は、脱イオン処理を行った後、再利生するようにしている。
【０００３】
凝縮水の脱イオン処理方法としては、電気式脱イオン装置を用いて凝縮水を脱イオン処理する試みが近年行われている。
【０００４】
例えば、下記特許文献１には、燃料電池を有する燃料電池発電装置と、水回収装置と、電気式脱イオン装置とを備え、燃料電池で生じた水回収装置で回収された生成水を、ポンプにより電気式脱イオン装置の脱イオン室と濃縮室に送って脱イオン水と濃縮水に分離し、脱イオン水を燃料電池発電装置の冷却水とする、燃料電池発電装置用水処理システムが開示されている。
【特許文献１】特開２００１−２３６９８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の水処理システムでは、燃料電池発電装置と電気式脱イオン装置とが独立して設けられているので、燃料電池発電装置の設置スペースの他に、電気式脱イオン装置の設置スペースも必要で、更に両者を連結する配管等も必要となるため、大きな設置スペースを確保しなければならず、家庭用等に燃料電気発電装置を適用する際に不都合が生じる問題があった。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、イオンが含まれた凝縮水の脱イオン処理を確実に行うことできると共に、装置の製造コストを低廉にでき、かつ、装置をコンパクトにして省スペース化を図ることができる、燃料電池発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池発電装置は、
電解質膜の両面にアノード電極及びカソード電極が配置された電池単セルと、冷却水が通過する冷却水路を備えた冷却板とを複数積層し、一対の集電板で挟持した燃料電池セルスタックと、
陽極と陰極の間に、イオン交換膜によって区画された脱塩室と濃縮室とを有する電気式脱イオン装置とを備え、
前記電気式脱イオン装置が前記電池セルスタックに連設されて一体に締結されている、
ことを特徴とする。
【０００８】
上記本発明によれば、電気式脱イオン装置を電池セルスタックに連設させて、一体に締結したことで、電気式脱イオン装置の設置スペースを縮小でき、燃料電池発電装置をより小型化できる。
【０００９】
本発明の燃料電池発電装置は、前記燃料電池セルスタックの集電板の一方が、前記電気式脱イオン装置の陽極又は陰極をなすように前記電気式脱イオン装置が前記電池セルスタックに連設されて一体に締結されていることが好ましい。この態様によれば、燃料電池セルスタックの集電板の一方を、電気式脱イオン装置の電極の一方と共用するので、燃料電池発電装置をより小型化できると共に、部品点数を減らすことができる。
【００１０】
本発明の燃料電池発電装置は、前記電気式脱イオン装置が、前記燃料電池セルスタックの冷却水供給口側に連設され、前記脱塩室から排出される処理水を、前記燃料電池セルスタックの前記冷却水路に流通させ、前記濃縮室から排出される濃縮水を前記燃料電池セルスタックの系外に排水するように構成されていることが好ましい。脱塩室から排出される処理水はイオン濃度が少ないので、処理水のみを冷却水として利用するようにすることで、燃料電池セルスタックへのイオン負荷を極めて低減できる。
【００１１】
本発明の燃料電池発電装置は、前記電気式脱イオン装置が、前記燃料電池セルスタックの冷却水供給口側に連設され、前記脱塩室から排出される処理水と、前記濃縮室から排出される濃縮水とを、それぞれ独立した経路で前記燃料電池セルスタックの前記冷却水路を流通させるように構成されていることが好ましい。これによれば、濃縮水と処理水の両方を燃料電池セルスタックの冷却水として利用するので、冷却効率が高い。また、濃縮水は、燃料電池セルスタックからの熱により加温されるので、脱炭酸処理がなされ、濃縮水を再度水処理する際において、水処理装置にかかる負荷をより低減できる。更には、処理水と濃縮水の排水口を、燃料電池セルスタックの冷却水排出側に集中して配置できるので、装置全体をより小型化できる。
【００１２】
本発明の燃料電池発電装置は、前記燃料電池セルスタックの冷却水排水口側から排出される前記処理水を、燃料電池本体に供給する反応ガスの加湿水及び／又は炭化水素を水蒸気改質する際の改質水として利用するように構成されていることが好ましい。前記処理水は、電気式脱イオン処理装置にて脱イオン処理されているので極めてイオン濃度が低く、加湿水や改質水として好適に利用できる。
【００１３】
本発明の燃料電池発電装置は、前記電気式脱イオン装置が、前記燃料電池セルスタックの冷却水排出口側に連設され、前記燃料電池セルスタックの前記冷却水路を流通した後の冷却水を前記電気式脱イオン装置の前記脱塩室と前記濃縮室とに分岐させて供給するように構成されていることが好ましい。この態様によれば、濃縮水と処理水とに分流する前の全量を冷却水として利用するので高い冷却効率が得られる。さらに、燃料電池セルスタックの熱を受けて昇温され炭酸ガスの溶解度が低下した冷却水を、電気式脱イオン装置に供給するので、電気式脱イオン装置にかかる負荷をより低減できる。
【００１４】
本発明の燃料電池発電装置は、前記電気式脱イオン装置の前記脱塩室から排出される処理水を、燃料電池本体に供給する反応ガスの加湿水及び／又は炭化水素を水蒸気改質する際の改質水として利用するように構成されていることが好ましい。電気式脱イオン装置の脱塩室から排出される処理水は、イオン濃度が極めて低いので、加湿水や改質水として好適に利用できる。
【００１５】
本発明の燃料電池発電装置は、前記処理水を加湿器に流通させた後、冷却水タンクに貯留するように構成されていることが好ましい。上記処理水は、イオン濃度が極めて低減されているので、燃料電池本体に供給する反応ガスの加湿水として好適に用いることができる。そして、加湿器を通過させて残った処理水は、冷却水タンクに貯留するので、イオン濃度が低減された水を貯留して、炭化水素を水蒸気改質する際の改質水などとして利用できる。
【００１６】
本発明の燃料電池発電装置は、前記加湿器が、電気式脱イオン装置及び電池セルスタックと共に締め付けられ一体に構成されていることが好ましい。この態様によれば、加湿器を電池セルスタックと一体化させるので、より小型化が可能である。
【００１７】
本発明の燃料電池発電装置は、前記電気式脱イオン装置のイオン交換膜が、アニオン交換膜、あるいは、アニオン交換膜とカチオン交換膜を併用したものであることが好ましい。これによれば、電気式脱イオン装置のイオン交換膜として、アニオン交換膜を使用することで、処理水中の炭酸イオンを極めて低濃度にできる。また、アニオン交換膜とカチオン交換膜を併用した場合には、炭酸イオンに加え、金属イオンなども同時に除去できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の燃料電池発電装置によれば、電気式脱イオン装置を電池セルスタックに連設させて一体に締結したことで、燃料電池発電装置をより小型化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図１〜３を参照して、本発明の燃料電池発電装置の第一の実施形態について説明する。図１には、本発明の燃料電池発電装置（以下、「発電装置」という）の概略構成図が示されており、図２には、発電装置の要部構成図が示されており、更に、図３には、同発電装置の要部分解斜視図が示されている。
【００２０】
図２に示すように、燃料電池セルスタック１０（以下、「セルスタック１０」という）は、電池単セル１を複数積層すると共に、複数層の電池単セル１の一側面には、集電板１５が配置され、他側面には、集電板２０が配置され、一対の集電板１５，２０で挟持された構造をなしている。各電池単セル１は、図１に示すように、電解質１ｃを挟持するアノード電極１ａ及びカソード電極１ｂを有しており、更に所定数の電池単セル１に対して、冷却管を有する冷却板１ｄが配設された構成となっている。
【００２１】
図３に示すように、集電板１５，２０の上端からは、端子１６，２１がそれぞれ突設しており、両端子１６，２１が電気的に接続されている。また、集電板２０の下辺中央には、セルスタック１０の冷却系に、外部からの冷却水を供給するための冷却水供給口２０Ｂが形成されている。更に、一方の集電板１５の外面には、ガス分配板６５が配置されている。
【００２２】
そして、この発電装置においては、上記構成からなるセルスタック１０の冷却水供給口２０Ｂ側に、電気式脱イオン装置３０が連設された構造となっている。電気式脱イオン装置３０は、凝縮水に含まれる炭酸イオンなどを脱イオン処理して除去する装置である。
【００２３】
電気式脱イオン装置３０は、陽極と陰極の間に、イオン交換膜３２によって区画された脱塩室Ｒ１と濃縮室Ｒ２とを有し、脱塩室Ｒ１にはイオン交換樹脂が充填された構造をなしている。脱塩室Ｒ１に流入した凝縮水中のイオンは、脱塩室Ｒ１に充填されたイオン交換樹脂で捕捉される。そして、陽極及び陰極で電気を印加することにより、イオン交換樹脂に捕捉されたイオンが、イオン交換膜３２を介して選択的に濃縮室Ｒ２に移動して、凝縮水を、イオンが取り除かれた処理水（冷却水）と、イオンが濃縮された濃縮水とに分離させる。
【００２４】
図２，３に示すように、この実施形態の電気式脱イオン装置３０は、イオン交換膜３２を挟み込むように、その両側面に配置された処理水流路板３５及び濃縮水流路板４０と、前記処理水流路板３５の外面に配置された水分配板４５と、該水分配板４５の外面に配置され、陽極若しくは陰極のいずれか一方をなす電極板５０とを有している。各板３５，４０，４５，５０には、それぞれ複数の貫通孔及び凹溝が形成されており、各板に対して整合した位置にある貫通孔若しくは凹溝は、流体を流動させるための流路を構成している。
【００２５】
すなわち、この実施形態では、各板の上辺中央に形成されたものは、被処理水マニホールドＡを構成し、下辺中央のものは、処理水マニホールドＢを構成し、一側辺の下端部のものは、濃縮水流入マニホールドＣを構成し、一側辺の上端部のものは、濃縮水排出マニホールドＤを構成している。また、各板の他側辺の上下両端部にそれぞれ設けられた貫通孔には、セルスタック１０に、燃料ガス及び空気を供給するための、燃料ガスマニホールドＥ、空気マニホールドＦを構成している。なお、各マニホールドは、便宜上、矢印で示すものとする。
【００２６】
以下、電気式脱イオン装置３０の構造について説明すると共に、上記各マニホールドを構成する貫通孔及び凹溝についても説明する。なお、同種のマニホールドを構成する貫通孔及び凹溝には、その符番の末尾に同符号（Ａ〜Ｄ）が付されている。また、燃料ガスマニホールドＥ、空気マニホールドＦを構成するものは、すべて貫通孔であり、その説明を省略する。
【００２７】
前記イオン交換膜３２は、アニオン交換膜、あるいは、アニオン交換膜とカチオン交換膜を併用したものが好ましく用いられる。イオン交換膜３２として、アニオン交換膜を使用することで、処理水中の炭酸イオンを極めて低濃度にできる。また、アニオン交換膜とカチオン交換膜を併用した場合には、炭酸イオンに加え、金属イオンなども同時に除去できるので、セルスタックなどへのイオン負荷をより低減できる。
【００２８】
図２，３に示すように、処理水流路板３５は、イオン交換膜３２の、セルスタック１０とは反対側の面に配置されている。この処理水流路板３５の内面（イオン交換膜３２側の面）には、図示しないイオン交換樹脂が充填された、所定深さの凹部３６が形成されており、この凹部３６の開口側にイオン交換膜３２が配置されて、脱塩室Ｒ１が画成されている。また、処理水流路板３５の上下両辺の中央部には、貫通孔３５Ａと、凹溝３５Ｂがそれぞれ形成されており、貫通孔３５Ａ及び凹溝３５Ｂは、板内面に形成された絞り溝３７を介して、前記凹部３６に連通している。その結果、後述する水分配板４５の貫通孔４５Ａを通って、処理水流路板３５の貫通孔３５Ａに凝縮水が供給され。そして、同凝縮水がイオン交換樹脂によりイオンが捕捉されつつ脱塩室Ｒ１内を流動して、凹溝３５Ｂ側へ移動するようになっている。更に、処理水流路板３５の一側辺の上下両端部には、貫通孔３５Ｄ，３５Ｃがそれぞれ形成されている。
【００２９】
濃縮水流路板４０は、イオン交換膜３２の、セルスタック１０側の面に配置されている。この濃縮水流路板４０の下辺中央には、貫通孔４０Ｂが形成され、更にその内面（イオン交換膜３２側の面）には、所定深さの凹部４１が形成されていて、該凹部４１の開口側にイオン交換膜３２が配置されることにより、濃縮室Ｒ２が画成されている。また、凹部４１の底面中央からは、一側辺から他側辺に至る途中まで伸びる、横長の隔壁４１ａが突設されている。更に、濃縮水流路板４０の一側辺の上下両端部には、その内面側から所定深さの凹溝４０Ｄ，４０Ｃがそれぞれ形成され、各凹溝４０Ｄ，４０Ｃは、前記凹部４１に連通している。その結果、後述する水分配板４５で分配された凝縮水の一部が、処理水流路板３５の貫通孔３５Ｃを通って、濃縮水流路板４０の凹溝４０Ｃに供給される。そして、同凝縮水が濃縮室Ｒ２内を前記隔壁４１ａに沿って流動し、濃縮室Ｒ２内に貯留したイオンを多く含んだ濃縮水として、凹溝４０Ｄ側へ移動するようになっている。このように隔壁４１ａに沿って冷却水が流動することにより、濃縮室Ｒ２内にイオンを多く含んだ水が停滞しにくくなり、濃縮室Ｒ２に濃度勾配が生じることを抑制できる。なお、前記隔壁４１ａは、上記形状に限らず、リブ状のものを複数配列したり、蛇行形状としたりしてもよく、特に限定されない。
【００３０】
処理水流路板３５の外面側には、水分配板４５が配置されている。図３に示すように、この水分配板４５の上辺中央には、貫通孔４５Ａが形成され、一側辺の下端部には凹溝４５Ｃが形成されている。また、一側辺の上端部には貫通孔４５Ｄが形成されている。そして、水分配板４５の内面（処理水流路板３５側の面）には、上辺中央から一側辺下端部に向けて、斜めに伸びる幅狭の分岐溝４６が形成されている。この分岐溝４６は、その両端部が前記貫通孔４５Ａ、凹部４５Ｃにそれぞれ連通している。その結果、後述する電極板５０の貫通孔５０Ａ通って、水分配板４５の貫通孔４５Ａに導入された凝縮水は、貫通孔４５Ａの始端に連通して設けられた分岐溝４６によって、２つの流れに分岐される。そして、一方の凝縮水は、水分配板４５の貫通孔４５Ａ通って処理水流路板３５の貫通孔３５Ａへと流動して、脱塩室Ｒ１内へ導入される。また、他方の凝縮水は、分岐溝４６を通って凹溝４５Ｃから、処理水流路板３５の貫通孔３５Ｃを通過して濃縮水流路板４０の凹溝４０Ｃへ流動し、濃縮室Ｒ２内へと導入される。なお、脱塩室Ｒ１及び濃縮室Ｒ２への凝縮水の分配量は、上記分岐溝４６の幅、深さ、長さなどを調整することによって適宜調整することができる。
【００３１】
上記水分配板４５の外面側には、電気式脱イオン装置３０の陽極又は陰極のいずれか一方をなす、電極板５０が配置されている。この電極板５０の上辺中央、及び、一側辺の上端部には、貫通孔５０Ａ、５０Ｄがそれぞれ形成されている。また、電極板５０の上端中央からは、端子５１が突設していており、前記セルスタック１０の一方の集電板１５の端子１６に電気的に接続されている。すなわち、この電気式脱イオン装置３０においては、セルスタック１０の一方の集電板１５を、陽極又は陰極として利用した構造をなしている。
【００３２】
上記電気式脱イオン装置３０においては、被処理水マニホールドＡは、電極板の貫通孔５０Ａと、水分配板４５の貫通孔４５Ａと、処理水流通板３５の貫通孔３５Ａで構成されている。また、処理水マニホールドＢは、処理水流通板３５の凹溝３５Ｂと、濃縮水流通板４０の貫通孔４０Ｂで構成されている。また、濃縮水流入マニホールドＣは、水分配板４５の凹溝４５Ｃと、処理水流通板３５の貫通孔３５Ｃと、濃縮水流通板４０の凹溝４０Ｃで構成されている。また、濃縮水排出マニホールドＤは、濃縮水流通板４０の凹溝４０Ｄと、処理水流通板３５の貫通孔３５Ｄと、水分配板４５の貫通孔４５Ｄと、電極板の貫通孔５０Ｄとで構成されている。そして、外部から電気式脱イオン装置３０に供給される凝縮水の一方は、その被処理水マニホールドＡを通って脱塩室Ｒ１内に導入されて、そこで脱イオン処理がなされて処理水となり、該処理水が処理水マニホールドＢを通って冷却水供給口２０Ｂから、セルスタック１０の冷却水路（図２参照）へと供給される。一方、水分配板４５の分岐溝４６を介して分配された凝縮水は、濃縮水流入マニホールドＣを通って濃縮室Ｒ２に導入されて濃縮水となり、該濃縮水が濃縮水排出マニホールドＤを通って外部へ排出される。
【００３３】
上記構造をなす電気式脱イオン装置３０及びセルスタック１０は、図２に示すように、濃縮水流路板４０と他方の集電板２０とを当接させ、両装置の外側面に配置された一対の締付板６０，６０を、図示しないボルト及びナット等の締付け固定手段により、互いに締付け固定することにより、両装置が一体化されるようになっている。
【００３４】
このように、この発電装置においては、電気式脱イオン装置３０をセルスタック１０の冷却水供給口側に連設させると共に、セルスタック１０の一方の集電板１５を、脱イオン装置３０の電極板のひとつとして兼用するように構成されているので、部品点数を減らして、発電装置をより小型化することができ、そのコストも低廉化することができる。そして、装置全体を小型化できる結果、家庭用等の設置スペースが限られている箇所にも、問題なく設置することができる。
【００３５】
次に、上記のセルスタックを組み込んだ本発明の燃料電池発電装置について説明する。
【００３６】
図１に示すように、セルスタック１０を構成する電池単セル１のアノード電極１ａの改質ガス供給側は、改質装置３から伸びた改質ガス供給ラインＬ１が連結している。この改質ガス供給ラインＬ１には、改質ガスドレントラップＱ１が配置されており、改質ガスドレントラップＱ１の凝縮水貯留部からは、改質ガス凝縮水供給ラインＬ２が伸びて、脱炭酸装置５に連結している。
【００３７】
アノード電極１ａのアノードオフガス排出側からは、アノードオフガス排出ラインＬ３が伸びており、その先端側は、燃焼用燃料供給ラインＬ１２に連結している。また、アノードオフガス排出ラインＬ３には、途中にアノードオフガスドレントラップＱ２が配置されており、アノードオフガスドレントラップＱ２の凝縮水貯留部からは、アノードオフガス凝縮水供給ラインＬ４が伸びて、脱炭酸装置５に連結している。
【００３８】
カソード電極１ｂの空気供給側は、空気供給源から伸びた空気供給ラインＬ５が連結している。この空気供給ラインＬ５には、加湿器２が配置されている。加湿器２には加湿水循環ラインＬ７が接続しており、電池冷却水タンク１２に貯留された脱イオン水を、加湿水循環ラインＬ７を通して加湿器２に循環供給できるように構成されている。
【００３９】
カソード電極１ｂの排空気排出側からは、カソードオフガス排出ラインＬ６が伸びて、水タンク４に連結している。このカソードオフガス排出ラインＬ６には、カソードオフガス熱交換器Ｑ３が配置されている。
【００４０】
冷却板１ｄの冷却水排出側からは、処理水排出ラインＬ３０が伸びて、電池冷却水タンク１２に連結している。
【００４１】
前述したように、このセパレータ１０の冷却水導入側には、電気式脱イオン装置３０が連設されており、その濃縮水排出マニホールドＤからは、濃縮水排出ラインＬ３１が伸びて脱炭酸装置５に連結している。
【００４２】
改質装置３は、水蒸気改質触媒が充填された改質触媒層３ａと、バーナが配置された燃焼部３ｂとを備え、バーナで燃焼用燃料を燃焼した際に発生する燃焼熱及び燃焼排ガスで前記改質触媒層３ａを加熱するように構成されている。
【００４３】
改質触媒層３ａの改質原料の投入側は、原燃料源から伸びた原燃料供給ラインＬ９と、電池冷却水タンク１２から伸びた改質水供給ラインＬ１０が連結している。
改質触媒層３ａの改質ガス吐出側からは、改質ガス供給ラインＬ１が伸びてアノード電極１ａに連結している。
【００４４】
燃焼部３ｂの燃焼燃料導入口側は、燃焼用燃料供給ラインＬ１２と、燃焼空気供給ラインＬ１１とが連結しており、燃焼部３ｂに配置されたバーナに燃料用燃料と燃焼用空気とを供給できるように構成されている。燃焼用燃料供給ラインＬ１２の上流側は、アノードオフガス排出ラインＬ３及び原燃料供給ラインＬ９が接続している。
燃焼部３ｂの燃焼排ガス排出側からは、燃焼排ガスラインＬ１３が伸びて、脱炭酸装置５に接続している。燃焼排ガスラインＬ１３には、途中燃焼排ガス熱交換器Ｑ４が配置されている。
【００４５】
脱炭酸装置５は、水タンク４の上部に隣接して配設されており、ドレン口６を介して連通している。脱炭酸装置５の上部には、改質ガス凝縮水供給ラインＬ２、アノードオフガス凝縮水供給ラインＬ４、燃焼排ガスラインＬ１３、濃縮水排出ラインＬ３１が連結している。また、脱炭酸装置５からは、排気ラインＬ１６が伸びている。
【００４６】
脱炭酸装置５としては特に限定はなく、凝縮水と脱炭酸用空気とを接触させて凝縮水中の炭酸ガスを気中拡散して脱気できるような構成のものが好ましく用いることができる。このような構成の脱気装置としては、ＳＵＳ等のラッシヒリングが充填された脱気部を備え、該脱気部の上部に凝縮水を供給すると共に、脱気部の下部から脱炭酸用空気を供給し、凝縮水を重力落下させながら脱炭酸用空気と接触させて脱炭酸処理するような構成のものや、例えば、特開２００７−３２３９６９号に開示されているような、多孔質材料で構成された傾斜板が配置された脱気部を備え、傾斜板の下部側から上部側へ脱炭酸用空気を流通させると共に、傾斜板の上部側から下部側へ向けて凝縮水を流下させて、凝縮水を脱炭酸処理するような構成のものなどが一例として挙げられる。
【００４７】
水タンク４には、カソードオフガス排出ラインＬ６と、電池冷却水タンク１２から伸びた電池冷却水オーバフローラインＬ１５が接続している。また、水タンク４の側壁には、タンク水オーバフローラインＬ１７が伸びて、タンク内の水位が一定水位を超えないようにされている。また、水タンク４の下部からは、回収水供給ラインＬ１８が伸びている。
【００４８】
回収水供給ラインＬ１８には、上流側から入口フィルタ８、金属イオン除去装置９が配置されている。そして、回収水供給ラインＬ１８は、前記電気式脱イオン装置３０の凝縮すいマニホールドＡに連結している。
【００４９】
入口フィルタ８としては、水タンク４で回収した回収水に含まれている煤や粉塵等の不純物を除去するものであれば特に限定はなく、金属除去フィルタ、微粒子除去フィルタ等が好ましく挙げられる。
【００５０】
金属イオン除去装置９としては、凝縮水中に含まれる金属イオン吸着樹脂や、キレート樹脂などが好ましく挙げられる。
【００５１】
次に、本発明の発電装置の動作について説明する。
【００５２】
改質装置３では、原燃料供給ラインＬ９から供給される原燃料を、改質水供給ラインＬ１０から供給される改質水と混合して、改質触媒層３ａに供給し、水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスを生成させる。水蒸気改質反応は、吸熱反応であることから、改質装置３の燃焼部３ｂに、燃焼用燃料供給ラインＬ１２から燃焼用燃料と、燃焼空気供給ラインＬ１１から燃焼空気を供給し、これらを燃焼して改質触媒層３ａを加熱する。なお、燃料電池発電装置の起動開始時においては、燃焼用燃料としては、原燃料供給ラインＬ９から供給される原燃料を主体として用いられ、燃焼部３ｂでの燃焼状態が安定し、改質触媒層３ａが十分加熱されたら、アノードオフガスが主体として用いられる。
【００５３】
そして、改質装置３で生成された改質ガスは、改質ガス供給ラインＬ１を通ってアノード電極１ａに供給される。改質ガスに含まれる凝縮水は、改質ガス供給ラインＬ１の途中に配置された改質ガスドレントラップＱ１にて回収され、改質ガス凝縮水供給ラインＬ２を通って脱炭酸装置５に供給される。
【００５４】
セルスタック１０では、アノード電極１ａに供給された改質ガスと、カソード電極１ｂに供給された空気とを電解質１ｃの界面で電気化学反応させて発電し、この発電出力を電力系統に供給する。
【００５５】
カソード電極１ｂから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス熱交換器Ｑ３で冷却されて、カソードオフガス凝縮水とカソードガスと共に、カソードオフガス排出ラインＬ６を通って水タンク４に供給される。
【００５６】
アノード電極１ａから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出ラインＬ３を通って燃焼部３ｂへと供せられ、燃焼用燃料として用いられる。アノードオフガスに含まれる凝縮水は、アノードオフガス排出ラインＬ３の途中に配置されたアノードオフガスドレントラップＱ２にて回収され、アノードオフガス凝縮水供給ラインＬ４を通って脱炭酸装置５に供給される。
【００５７】
改質装置３の燃焼部３ｂから排出される燃焼排ガスは、燃焼排ガス熱交換器Ｑ４で冷却されて、燃焼排ガスと共に脱炭酸装置５に供給される。
【００５８】
そして、水タンク４に回収された凝縮水は、入口フィルタ８にて煤や粉塵等の不純物除去が行われた後、金属イオン除去装置９にて金属イオンの除去処理を行った後、電気式脱イオン装置３０に送られる。
【００５９】
図２，３を併せて参照すると、回収水供給ラインＬ１８を通って電気式脱イオン装置３０に導入した凝縮水は、水分配板４５の分岐溝４６を介して、被処理水マニホールドＡを通る流れと、濃縮水流入マニホールドＣを通る流れとに、分岐される。
【００６０】
被処理水マニホールドＡ側を流れる凝縮水は、脱塩室Ｒ１を通ることによって、内部に充填されたイオン交換樹脂にイオンが捕捉される。そして、電気を印加することで、イオン交換樹脂に捕捉されたイオンが選択的にイオン交換膜３２を通過して、濃縮室Ｒ２側へと移動する。これによって、脱塩室Ｒ１を流通する凝縮水は、脱イオン処理がなされて処理水となり、セルスタック１０の冷却水系に供給される。
【００６１】
一方、濃縮水流入マニホールドＣを流れる凝縮水は、濃縮室Ｒ２に導入されて、同濃縮室Ｒ２側へ移動した多量のイオンが含有した濃縮水となり、この濃縮水が濃縮水排出マニホールドＤを通って、電気式脱イオン装置３０から排出される。排出された濃縮水は、濃縮水排出ラインＬ３１を通って脱炭酸装置５へと供給される。
【００６２】
このように、この実施形態では、処理水マニホールドＢによって処理水を、セルスタック１０の冷却水系に供給すると共に、濃縮水排出マニホールドＤによって濃縮水を、セルスタック１０の系外に排水するように構成されているので、セルスタック１０にかかるイオン負荷を極めて低減できる。
【００６３】
そして、セルスタック１０に供給された処理水は、処理水排出ラインＬ３０を通って電気冷却水タンク１２へと供給され、この処理水が、セルスタック１０に供給する反応ガスの加湿水や、改質装置３に供給する加湿水等として利用できるように構成されている。
【００６４】
図４に、本発明の燃料電池発電装置の第二の実施形態が示されている。なお、前記実施形態と実質的に同一部分には同符号を付して、その説明を省略する。
【００６５】
この実施形態では、加湿器２が、処理水排出ラインＬ３０上に配置されている点で、上記第一の実施形態と相違する。
この実施形態によれば、加湿水循環ラインＬ７が不要であるので、配管構成が簡略化でき、よりコンパクトな装置にできる。また、加湿器２には、セルスタック１０で昇温された冷却水（脱イオン水）で加湿でき、高い加湿性能を得ることができる。
【００６６】
図５には、本発明の燃料電池発電装置の第三の実施形態が示されている。なお、前記実施形態と実質的に同一部分には同符号を付して、その説明を省略する。
【００６７】
この実施形態では、濃縮水をセルスタック１０の系外へと排出せず、セルスタック１０へ供給する点で、前記実施形態と異なっている。
すなわち、この実施形態においては、濃縮水流路板４０ａの一側辺の上端部に、貫通孔４０Ｄ’が形成されており、これが濃縮水供給マニホールドＤ’をなし、処理水マニホールドＢに連通したセルスタック１０の冷却水路とは、別系統の冷却水路に連通した構成となっている。すなわち、脱塩室Ｒ１から排出される処理水と、濃縮室Ｒ２から排出される濃縮水とを、それぞれ独立した経路でセルスタック１０の冷却水路に流通するように構成されている。
【００６８】
この実施形態によれば、処理水と濃縮水とをセルスタック１０の冷却水として利用するので、冷却効率が高い。また、濃縮水は、セルスタック１０からの熱により加熱されるので、炭酸ガスの溶解度が低下して、凝縮水に溶解していた炭酸ガスが放散して脱炭酸処理がなされる。その結果、濃縮水を再度水処理する際において、水処理装置にかかる負荷をより低減できる。更には、処理水と濃縮水の排水口を、セルスタック１０の冷却水排出側に集中して配置できるので、装置全体をより小型化できる。
【００６９】
図６には、本発明の燃料電池発電装置の第四の実施形態が示されている。なお、図１〜３に示す第一の実施形態と同一の構成については図示及び説明を省略する。
【００７０】
本実施形態では、燃料電池セルスタック１０の冷却水供給口側に電気式脱イオン装置３０を、燃料電池セルスタック１０の冷却水排出口側に加湿器２ａをそれぞれ連設して全体を締め付けて一体化している点で相違する。
【００７１】
燃料電池セルスタック１０と一体化して用いる加湿器２ａとしては、図７に示すような、被加湿ガス（反応ガス）の流路８２が形成されたプレート８３と、加湿水（処理水）の流路８４が形成されたプレート８５とを、それぞれの流路が水透過膜８１を介して対向するように配置してなる加湿器などを用いることができる。このような加湿器としては、例えば、特開２００１−３０７７５３などに記載されている。
【００７２】
本実施形態によれば、加湿器２ａをセルスタック１０の冷却水排出口側に連設し、セルスタック１０中の冷却板１ｄを流通した後の冷却水（脱イオン水）を加湿器２ａに導入して、セルスタック１０に供給する反応ガス（この実施形態では空気）を加湿している。
【００７３】
冷却板１ｄを流通した後の冷却水は、セルスタック１０の熱を受けて昇温されているので、セルスタック１０に供給する反応ガスを昇温すると共に、加湿することができるので、高い加湿性能を得ることが出来る。また、本実施形態では第一の実施形態において設けられていた冷却水タンク１２と加湿器２とを経由する加湿水循環ラインＬ７が不要になるので、配管構成がより簡略化でき、よりコンパクトな装置にすることができる。
【００７４】
図８には、本発明の燃料電池発電装置の第五の実施形態が示されている。なお、図１〜３に示す第一の実施形態と同一の構成については図示及び説明を省略する。
【００７５】
本実施形態では、燃料電池セルスタック１０の冷却水排出側に電気式脱イオン装置３０が連設され、電気式脱イオン装置３０の処理水出口側に加湿器２ａが連設されて、これらを一体に締め付けて構成されている。
【００７６】
本実施形態では、水タンク４から供給される回収水は、燃料電池セルスタック１０の冷却板１ｄを流通後、電池脱イオン装置３０の濃縮室と脱塩室とに分かれて流通する。脱塩室から出た脱イオン水は、続けて加湿器２ａの加湿水（処理水）の流路８２を流れて、水透過膜８１の反対側を流通する空気を加湿する。
【００７７】
本実施形態によれば、セルスタック１０の熱を受けて昇温された冷却水を、電池脱イオン装置３０に供給するので、炭酸ガスの溶解度が低下して、冷却水に溶解していた炭酸ガスが放散して脱炭酸処理がなされる。その結果、電気式脱イオン装置３０にかかる負荷をより低減できる。また、セルスタック１０の熱を受けて昇温された冷却水を、電気式脱イオン装置３０で脱イオン処理して加湿器２ｂに供給するので、上記第三の実施形態と同様、セルスタック１０に供給する反応ガスを昇温すると共に、加湿することができ、高い加湿性能を得ることが出来る。更には、冷却水タンク１２と加湿器２とを経由する加湿水循環ラインＬ７が不要になるので、配管構成がより簡略化でき、よりコンパクトな装置にすることができる。
【００７８】
なお、本実施例では、回収水を冷却水として燃料電池セルスタック１０の冷却板１ｄに流通させた後、電気式脱イオン装置３０に供給するため、電気式脱イオン装置３０に用いるイオン交換膜およびイオン交換樹脂は、冷却水出口温度に耐えるものを採用することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の第一の実施形態の概略構成図である。
【図２】同燃料電池発電装置の要部の概略構成図である。
【図３】同燃料電池発電装置の要部の分解斜視図である。
【図４】本発明の燃料電池発電装置の第二の実施形態の概略構成図である。
【図５】本発明の燃料電池発電装置の第三の実施形態を示す要部の分解斜視図である。
【図６】本発明の燃料電池発電装置の第四の実施形態を示す要部の概略構成図である。
【図７】同燃料電池発電装置に用いる加湿器の概略構成図である。
【図８】本発明の燃料電池発電装置の第五の実施形態を示す要部の概略構成図である。
【符号の説明】
【００８０】
１：電池単セル
１ａ：アノード電極
１ｂ：カソード電極
１ｃ：電解質
１ｄ：冷却板
２，２ａ：加湿器
３：改質装置
３ａ：改質触媒層
３ｂ：燃焼部
４：水タンク
５：脱炭酸装置
６：ドレン口
８：入口フィルタ
９：金属イオン除去装置
１０：燃料電池セルスタック（セルスタック）
１２：電池冷却水タンク
１５，２０：集電板
１６，２１，５１：端子
３０：電気式脱イオン装置
３２：イオン交換膜
３５：処理水流路板
４０，４０ａ：濃縮水流路板
４５：水分配板
５０：電極板
６０：締付板
６５：ガス分配板
Ａ：被処理水マニホールド
Ｂ：処理水マニホールド
Ｃ：濃縮水流入マニホールド
Ｄ：濃縮水排出マニホールド
Ｄ’：濃縮水供給マニホールド
Ｅ：燃料ガスマニホールド
Ｆ：空気マニホールド
Ｌ１：改質ガス供給ライン
Ｌ２：改質ガス凝縮水供給ライン
Ｌ３：アノードオフガス排出ライン
Ｌ４：アノードオフガス凝縮水供給ライン
Ｌ５：空気供給ライン
Ｌ６：カソードオフガス排出ライン
Ｌ７：加湿水循環ライン
Ｌ９：原燃料供給ライン
Ｌ１０：改質水供給ライン
Ｌ１１：燃焼空気供給ライン
Ｌ１２：燃焼用燃料供給ライン
Ｌ１３：燃焼排ガスライン
Ｌ１５：電池冷却水オーバフローライン
Ｌ１６：排気ライン
Ｌ１７：タンク水オーバフローライン
Ｌ１８：回収水供給ライン
Ｌ３０：処理水排出ライン
Ｌ３１：濃縮水排出ライン
Ｑ１：改質ガスドレントラップ
Ｑ２：アノードオフガスドレントラップ
Ｑ３：カソードオフガス熱交換器
Ｑ４：燃焼排ガス熱交換器
Ｒ１：脱塩室
Ｒ２：濃縮室
【図１】
2009224290.tif 000003
【図２】
2009224290.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2009224290.tif 000007
【図６】
2009224290.tif 000008
【図７】
2009224290.tif 000009
【図８】
2009224290.tif 000010