(57)【要約】【課題】イオン交換樹脂で純化した水をタンクに貯留する燃料電池発電装置の水補給装置において、イオン交換樹脂筒に滞留した水に生じる、ぬめり、藻、バクテリアなどの汚れがタンクに供給されることを抑制する。【解決手段】純水を貯留するタンク１と、タンク１に貯留された水量を計測して水量信号を発する水量計測装置３３と、タンク１に連通した補給水配管９と、補給水配管９に備えイオン交換樹脂を充填したイオン交換樹脂筒７と、イオン交換樹脂筒７より上流および下流の補給水配管９にそれぞれ配置した補給水弁８，３２と、水量信号に応じて補給水弁８，３２を開閉制御しイオン交換樹脂筒７に通水させる制御装置７０を備え、制御装置７０は、常に湿潤したイオン交換樹脂を充填したイオン交換樹脂筒へ通水させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
純水を貯留するタンクと、前記タンクに貯留された水量を計測して水量信号を発する水量計測装置と、前記タンクに連通した補給水配管と、前記補給水配管に備えイオン交換樹脂を充填したイオン交換樹脂筒と、前記イオン交換樹脂筒より上流および下流の前記補給水配管にそれぞれ配置した補給水弁と、前記水量信号に応じて前記補給水弁を開閉制御し前記イオン交換樹脂筒に通水させる制御装置を備えた燃料電池発電装置の水補給装置において、
前記制御装置は、常に湿潤したイオン交換樹脂を充填した前記イオン交換樹脂筒へ通水させることを特徴とする燃料電池発電装置の水補給装置。
【請求項２】
前記イオン交換樹脂筒を複数備え、前記制御装置が、前記通水に先立って、前記タンクに連通するイオン交換樹脂筒を、通水して使用されたイオン交換樹脂筒から他の湿潤したイオン交換樹脂を備えるイオン交換樹脂筒へ切り替えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置の水補給装置。
【請求項３】
前記イオン交換樹脂筒に連通する大気開放弁およびドレン排出弁を備え、前記制御装置は、前記大気開放弁および前記ドレン排出弁を閉じかつ前記補給水弁を開くことと、前記大気開放弁および前記ドレン排出弁を開きかつ前記補給水弁を閉じることとを切り替えて制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置の水補給装置。
【請求項４】
前記大気開放弁およびドレン排出弁を開放した時からの経過時間を計測するタイマーを備え、
前記制御装置は、前記経過時間が予め定めた時間を越えたら、前記大気開放弁および前記ドレン排出弁を閉じることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電装置の水補給装置。
【請求項５】
前記イオン交換樹脂筒が前記補給水配管に接続されているか否かを検知してイオン交換樹脂筒検知信号を発するイオン交換樹脂筒検知装置を備え、前記制御装置は、前記イオン交換樹脂筒検知信号を受けて、前記イオン交換樹脂筒が前記補給水配管に接続されていることを検知した後に前記補給水弁を開くことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置の水補給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電装置の水補給経路の汚れを抑制できる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３は、従来のこの種の燃料電池発電装置のガス系および水系の基本構成を示すフロー図である。冷却水タンク１４に蓄えられた冷却水としての純水は、冷却水タンク１４と燃料電池スタック１６とを循環する電池冷却水配管１７を経由し、ポンプ４１によって燃料電池スタック１６へと送られ、燃料電池スタック１６を所定の温度に冷却した後、再び冷却水タンク１４へ戻される。又、冷却水タンク１４に貯留した純水の一部は、ポンプ４２を備えた改質用水配管１３を通流し、燃料ガスと共に燃料改質手段１２へ送られての水蒸気改質反応に利用され水素を生成する。生成した水素含有ガスは、燃料電池スタック１６の燃料極へ供給される。燃料改質手段１２は、水蒸気改質反応に使用される改質触媒を加熱するためのバーナーとこのバーナーに空気を送るブロア４３を備えている。燃料極から排出する残余のガスは、燃料改質手段１２に備えたバーナーで燃焼される。ブロア４４は、燃料電池スタック１６の空気極に空気を供給する。バーナーから排出される燃焼排ガスと、空気極から排出される空気極排ガスは、生成水回収貯留手段１０に供給されてガス中の水分が回収水として回収される。生成水回収貯留手段１０は、回収した水分を貯留する回収水タンク１と、空気極と回収水タンク１を連通する配管２と、配管２に備えて空気極排ガスを冷却して水分を凝縮させる冷却器１８と、バーナーと回収水タンク１を連通する配管３と、配管３に備えて燃焼排ガスを冷却して水分を凝縮させる冷却器１９とを備える。水分を回収された後のガスは、回収水タンク１の排気口１１から外部に排出される。
回収水タンク１の水中と冷却水タンク１４は配管６で接続されており、その途中にポンプ４と電気式脱イオン装置５が備えられている。冷却水タンクの水位は、水位計で計測されており、冷却水水位が低下すると、回収水タンク１から電気式脱イオン装置５で純化された純水が供給される。
このように反応生成水や燃焼生成水を回収して再利用すれば、外部から水を補給しなくとも燃料電池スタック１６の発電運転を継続することができるが、燃料電池発電装置の運転負荷が低く、十分に水を回収できない時や、水を回収する冷却器が汚れなどにより水回収性能が低下した時や、漏水時などの異常事態が発生すると系の水量が不足し、発電運転の継続が困難となる。そこで、イオン交換樹脂筒７と補給水弁８を組み込んだ補給水配管９が備えられている。この補給水配管９を通して水道水をイオン交換樹脂筒７で純化して回収水タンク１に送り、さらに回収水とともに冷却水タンク１４へと送ることによって冷却水の補給が行われるよう構成されている。
このような燃料電池発電装置において、生成水通流経路の汚れの一つである微生物の繁殖を防止する手段として、特許文献１の装置が知られている。特許文献１の装置の特徴は、補給水を純水または強酸性水に変換する滅菌手段に通流させた後、回収水タンク１へ水を供給していることである。
【特許文献１】特開平９−３０６５２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のごとく燃料電池発電装置においては、漏水等による回収水不足を考慮して電池冷却水系に水を補給する配管が組み込まれており、イオン交換樹脂筒７で純化され、さらには電気式脱イオン装置５で純化された水が補給されている。従来の一般的な燃料電池発電装置では純化は通常１台のイオン交換樹脂筒のみによって行われていたが、補給水配管９にイオン交換樹脂筒７を設けると、補給水配管９の内部は水の流れがなく、滞留するので、イオン交換樹脂筒７の出口から回収水タンク１に至る配管の内部は、イオン交換樹脂筒７により塩素が処理された純水が充填された状態となり、配管には、ぬめり、藻、バクテリアなどの汚れが発生し、補給によってこれらの汚い水が回収水タンク１に入ったり、あるいは配管が閉塞したりする等の不具合が生じる。
このため、最近の燃料電池発電装置では図２のように、電気式脱イオン装置５を組み込んで純化する方式がしばしば用いられている。しかしながら、この電気式脱イオン装置５はシリカが存在すると正常な純化作用ができないので、前段にイオン交換樹脂筒を組み込み、このイオン交換樹脂筒で水道水中のシリカを除去したのち電気式脱イオン装置で純化する方式とする必要がある。しかし、一度水道水をイオン交換樹脂筒７に通水した後、外部からの水の補給が長時間不要となった場合、イオン交換樹脂筒７の内部は水道水が滞留した状態のままとなるため、イオン交換樹脂は劣化が進み、寿命が短くなってしまうという問題点がある。
【０００４】
本発明は、このような従来の燃料電池発電装置の問題点を考慮してなされたもので、本発明の目的は、電気式脱イオン装置を組み込んだ給水配管とイオン交換樹脂筒を組み込んだ補給水配管を備える燃料電池発電装置において、給水配管へ汚れた水を供給したり、配管の閉塞を生じたりすることなく安全に運転され、イオン交換樹脂の劣化を抑制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】
【０００５】
本発明者は、水の滞留部分を無くせば汚れが滞留しないことに着目し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明の燃料電池発電装置の水補給装置の特徴は、純水を貯留するタンクと、前記タンクに貯留された水量を計測して水量信号を発する水量計測装置と、前記タンクに連通した補給水配管と、前記補給水配管に備えイオン交換樹脂を充填したイオン交換樹脂筒と、前記イオン交換樹脂筒より上流および下流の前記補給水配管にそれぞれ配置した補給水弁と、前記水量信号に応じて前記補給水弁を開閉制御し前記イオン交換樹脂筒に通水させる制御装置を備えた燃料電池発電装置の水補給装置において、前記制御装置は、常に湿潤したイオン交換樹脂を充填した前記イオン交換樹脂筒へ通水させることである。（請求項１の発明）
ここでいう湿潤状態とは、イオン交換樹脂筒内の滞留している水を抜いた後のイオン交換樹脂が水分を含んでいる状態をいう。湿潤状態のイオン交換樹脂筒には、予め０．１％（ｗ／ｖ）アジ化ナトリウム水溶液を添加しておくことがより望ましい。
本発明によれば、イオン交換樹脂筒に滞留した水に生じる、ぬめり、藻、バクテリアなどの汚れがタンクに供給されることを抑制できる。
【０００６】
また、2つ目の本発明の特徴は、請求項１に記載の燃料電池発電装置の水補給装置において、前記イオン交換樹脂筒を複数備え、前記制御装置が、前記通水に先立って、前記タンクに連通するイオン交換樹脂筒を、通水して使用されたイオン交換樹脂筒から他の湿潤したイオン交換樹脂を備えるイオン交換樹脂筒へ切り替えることである。（請求項２の発明）湿潤状態のイオン交換樹脂筒には、予め０．１％（ｗ／ｖ）アジ化ナトリウム水溶液を添加しておくことがより望ましい。
本発明によれば、交換の手間無く、常に湿潤したイオン交換樹脂筒に通水した純水をタンクに自動で貯留でき、イオン交換樹脂筒に滞留した水に生じた、ぬめり、藻、バクテリアなどの汚れがタンクに供給されることを抑制できる。
また、３つ目の本発明の特徴は、請求項１に記載の燃料電池発電装置の水補給装置において、前記イオン交換樹脂筒に連通する大気開放弁およびドレン排出弁を備え、前記制御装置は、前記大気開放弁および前記ドレン排出弁を閉じかつ前記補給水弁を開くことと、前記大気開放弁および前記ドレン排出弁を開きかつ前記補給水弁を閉じることとを切り替えて制御することである。（請求項３の発明）
本発明によれば、大気開放弁および前記ドレン排出弁を閉じかつ前記補給水弁を開くことにより、イオン交換樹脂筒へ水が通水されタンクに純水が貯留される。そして、大気開放弁および前記ドレン排出弁を開きかつ前記補給水弁を閉じることにより、イオン交換樹脂筒への水の通水が止まり、イオン交換樹脂筒内の水がドレン弁から排出され、イオン交換樹脂を湿潤状態で保存できるので、イオン交換樹脂筒内に、ぬめり、藻、バクテリアなどの汚れが生じることを抑制できる。制御装置が、補給水弁を閉じてドレン排出弁を開いた後に、０．１％（ｗ／ｖ）アジ化ナトリウム水溶液（azide）などの防腐剤を添加するとより望ましい。
【０００７】
また、４つ目の本発明の特徴は、請求項３に記載の燃料電池発電装置の水補給装置において、前記大気開放弁およびドレン排出弁を開放した時からの経過時間を計測するタイマーを備え、前記制御装置は、前記経過時間が予め定めた時間を越えたら、前記大気開放弁および前記ドレン排出弁を閉じることである。（請求項４の発明）
本発明によれば、制御装置は、イオン交換樹脂が乾くために必要な時間が経過した後、大気開放弁およびドレン排出弁を閉じるので、外気との通気が遮断され、大気開放弁およびドレン排出弁を開放したまま放置した場合に比べてホコリなどの混入を防止できる。
また、５つ目の本発明の特徴は、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置の水補給装置において、前記イオン交換樹脂筒が前記補給水配管に接続されているか否かを検知してイオン交換樹脂筒検知信号を発するイオン交換樹脂筒検知装置を備え、前記制御装置は、前記イオン交換樹脂筒検知信号を受けて、前記イオン交換樹脂筒が前記補給水配管に接続されていることを検知した後に前記補給水弁を開くことである。（請求項５の発明）
本発明によれば、制御装置は、イオン交換樹脂筒検知信号を受けて、イオン交換樹脂筒が補給水配管に接続されていることを検知した後に補給水弁を開くので、イオン交換樹脂筒が未接続のときに補給水弁を開くことが防止され、漏水を防止できる。
【発明の効果】
【０００８】
上記のごとく、湿潤したイオン交換樹脂を充填したイオン交換樹脂筒へ通水すれば、イオン交換樹脂筒内の水の長期にわたる滞留がなくなるので、藻、ぬめり、バクテリアなどの汚れの発生が抑制され、これらの汚れがタンクに供給されることを抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１，２，３において、図４に示した従来のガス系および水系の構成要素と同一機能を有する構成要素には同一符号が付されている。以下の説明では、燃料電池に関わる部分は、図４と同じため説明を省略する。
まず、図１の燃料電池発電装置の水補給装置の構成について説明する。
本発明の燃料電池発電装置の水補給装置は、純水を貯留する回収水タンク1と、回収水タンクに貯留された水量を計測して水量信号を発する水量計測装置33と、回収水タンク1に連通した補給水配管9と、補給水配管9に備えイオン交換樹脂を充填したイオン交換樹脂筒7と、イオン交換樹脂筒7より上流および下流の補給水配管にそれぞれ配置した補給水弁8a，32ｂと、水量信号に応じて補給水弁8a，32ｂを開閉制御し前記イオン交換樹脂筒7に通水させる制御装置70を備えた燃料電池発電装置の水補給装置において、制御装置70は、常に湿潤したイオン交換樹脂を充填した前記イオン交換樹脂筒7へ通水させる。前記イオン交換樹脂筒7は、着脱自在に設けられている。
一旦、燃料電池発電装置が作動し、イオン交換樹脂を充填したイオン交換樹脂筒７に水を供給して純化した純水を製造し、純水を回収水タンク１に貯留した後、湿潤したイオン交換樹脂を充填した前記イオン交換樹脂筒を再び備えておき、水の補給が必要になった時に湿潤したイオン交換樹脂を充填した前記イオン交換樹脂筒へ通水する通水工程を備える水補給方法になるように制御装置７０が補給水弁８，３２を制御することで、イオン交換樹脂筒７に滞留した水に生じる、ぬめり、藻、バクテリアなどの汚れが回収水タンク１に供給されることを抑制できる。より詳細には、水量計測装置３３で水不足を検知し、水不足信号を発すると、水不足信号を受けた制御装置７０は、補給水弁８，３２を開き、水をイオン交換樹脂筒７に通流させて純水を製造し、回収水タンク１へ貯留する。そして、回収水タンク１の水量が満水になると、水量計測装置３３は、満水信号を発し、満水信号を受けた制御装置７０は、補給水弁８，３２を閉じる。その後、回収水タンク１に連通するイオン交換樹脂筒７を、通水して使用されたイオン交換樹脂筒７から他の湿潤したイオン交換樹脂を備えるイオン交換樹脂筒７へ機械的手段で交換する。湿潤状態のイオン交換樹脂筒７には、予め０．１％（ｗ／ｖ）アジ化ナトリウム水溶液を添加しておくことがより望ましい。
【００１０】
このようにすれば、水の補給が必要になった時に、順次、別の湿潤したオウン交換樹脂を充填したイオン交換樹脂筒７に切り替えることで、イオン交換樹脂筒７を交換する手間無く、常に湿潤したイオン交換樹脂筒７に通水した純水を回収水タンク１に自動で貯留でき、イオン交換樹脂筒７に滞留した水に生じた、ぬめり、藻、バクテリアなどの汚れが回収水タンク１に供給されることを抑制できる。
次に、図２の燃料電池発電装置の水補給装置の構成について説明する。
また、上記燃料電池発電装置の水補給装置の形態として、イオン交換樹脂筒７を複数備え、制御装置７０が、通水に先立って、回収水タンク１に連通するイオン交換樹脂筒を、通水して使用されたイオン交換樹脂筒７aから他の湿潤したイオン交換樹脂を備えるイオン交換樹脂筒７bへ切り替えることが望ましい。より詳細には、水量計測装置３３で水不足を検知し、水不足信号を発すると、水不足信号を受けた制御装置７０は、補給水弁８a，３２aを開き、水をイオン交換樹脂筒７に通流させて純水を製造し、回収水タンク１へ貯留する。そして、回収水タンク１の水量が満水になると、水量計測装置３３は、満水信号を発し、満水信号を受けた制御装置７０は、補給水弁８a，３２aを閉じる。
その後、新たな水不足信号を受けた制御装置７０は、補給水弁８ｂ，３２ｂを開き、水をイオン交換樹脂筒７ｂに通流させて純水を製造し、回収水タンク１へ貯留する。そして、回収水タンク１の水量が満水になると、水量計測装置３３は、満水信号を発し、満水信号を受けた制御装置７０は、補給水弁８ｂ，３２ｂを閉じる。回収水タンク１に連通するイオン交換樹脂筒を、通水して使用されたイオン交換樹脂筒７ｂから図示しない他の湿潤したイオン交換樹脂を備えるイオン交換樹脂筒へ上記と同様に切り替える。次の湿潤したイオン交換樹脂を備えるイオン交換樹脂筒がない場合は、警報を発して、使用者にイオン交換樹脂筒の交換が必要であることを知らせる。湿潤状態のイオン交換樹脂筒７には、予め０．１％（ｗ／ｖ）アジ化ナトリウム水溶液を添加しておくことがより望ましい。
【００１１】
このようにすれば、水の補給が必要になった時に、順次、別の湿潤したオウン交換樹脂を充填したイオン交換樹脂筒７に切り替えることで、イオン交換樹脂筒７を交換する手間無く、常に湿潤したイオン交換樹脂筒７に通水した純水を回収水タンク１に自動で貯留でき、イオン交換樹脂筒７に滞留した水に生じた、ぬめり、藻、バクテリアなどの汚れが回収水タンク１に供給されることを抑制できる。
次に、図３の燃料電池発電装置の水補給装置の構成について説明する。
本発明の燃料電池発電装置の水補給装置は、純水を貯留する回収水タンク１と、回収水タンク１に貯留された水量を計測する水量計測装置３３と、回収水タンク１に連通した補給水配管９と、補給水配管９に備えイオン交換樹脂を充填したイオン交換樹脂筒７と、補給水配管９のイオン交換樹脂筒７より上流および下流にそれぞれ配置した補給水弁８，３２と、イオン交換樹脂筒７に連通する大気開放弁３０およびドレン排出弁３１と、水量計測装置３３の信号を受けて補給水弁８，３２と大気開放弁３０およびドレン排出弁３１の開閉を制御する制御装置７０を備える。
次に動作を説明する。
制御装置７０は、水量計測装置３３の水不足信号を受けると、大気開放弁３０およびドレン排出弁３１を閉じ、補給水弁８，３２を開いて水を湿潤したイオン交換樹脂が充填されたイオン交換樹脂筒７に通流させて回収水タンク１へ供給する通水工程と、通水工程に引き続き、水量計測装置３３の満水信号を受けると、補給水弁８，３２を閉じ、大気開放弁３０およびドレン排出弁３１を開いて、イオン交換樹脂筒７内部を大気開放してドレン排出弁３１から水を排出する湿潤工程とを実行する。
このようにすれば、大気開放弁およびドレン排出弁を閉じかつ補給水弁を開くことにより、イオン交換樹脂筒へ水が通水されタンクに純水が貯留される。そして、大気開放弁およびドレン排出弁を開きかつ補給水弁を閉じることにより、イオン交換樹脂筒への水の通水が止まり、イオン交換樹脂筒内の水がドレン弁から排出されてイオン交換樹脂を湿潤状態で保存できるので、イオン交換樹脂筒内に、ぬめり、藻、バクテリアなどの汚れが生じることを抑制できる。０．１％（ｗ／ｖ）アジ化ナトリウム水溶液（azide）などの防腐剤を添加する図示していない防腐剤添加装置を備え、制御装置７０が、補給水弁を閉じてドレン排出弁を開いた後に、０．１％（ｗ／ｖ）アジ化ナトリウム水溶液をイオン交換樹脂筒７へ添加するとより望ましい。
【００１２】
上記図３の燃料電池発電装置の水補給装置において、大気開放弁３０およびドレン排出弁３１を開放した時からの経過時間を計測するタイマー７１を備え、制御装置７０は、経過時間が予め定めた時間を越えたら、大気開放弁３０およびドレン排出弁３１を閉じることが望ましい。そうすれば、制御装置７０は、イオン交換樹脂が乾くために必要な時間が経過した後、大気開放弁およびドレン排出弁を閉じるので、外気との通気が遮断され、大気開放弁３０およびドレン排出弁３１を開放したまま放置した場合に比べてホコリなどの混入を防止できる。
また、上記いずれか１つの燃料電池発電装置の水補給装置において、イオン交換樹脂筒7が補給水配管9に接続されているか否かを検知してイオン交換樹脂筒検知信号を発するイオン交換樹脂筒検知装置８０を備え、制御装置７０は、イオン交換樹脂筒検知信号を受けて、イオン交換樹脂筒７が補給水配管９に接続されていることを検知した後に補給水弁を開くことがより望ましい。そうすれば、制御装置７０は、イオン交換樹脂筒検知信号を受けて、イオン交換樹脂筒７が補給水配管９に接続されていることを検知した後に補給水弁を開くので、イオン交換樹脂筒７が未接続のときに補給水弁を開くことが防止され、漏水を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の概略構成図
【図２】本発明の別の形態における燃料電池発電装置の概略構成図
【図３】本発明の別の形態における燃料電池発電装置の概略構成図
【図４】従来の燃料電池発電装置の概略構成図
【符号の説明】
【００１４】
１    回収水タンク
２    反応オフガス配管
３    配管
４，４１，４２  ポンプ
５    電気式脱イオン装置
６    配管
７    イオン交換樹脂筒
８，８a，８b，２１，２２，３２，３２a，３２b  弁
９    補給水配管
１０  生成水回収貯留手段
１１  排気口
１２  燃料改質手段
１３  改質用水配管
１４  電池冷却水循環手段
１５  水位計
１６  燃料電池スタック
１７  電池冷却水配管
１８，１９  冷却器
２０  循環配管
２３  逆止弁
３３  水量計測装置
４３，４４  ブロア
７０  制御装置
７１  タイマー
８０  イオン交換樹脂筒検知装置
【図１】
2009087791.tif 000003
【図２】
2009087791.tif 000004
【図３】
2009087791.tif 000005
【図４】
2009087791.tif 000006