(57)【要約】【課題】量産化、低コスト化、および性能向上の実現に寄与しうる水循環システムとそれを備えた燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】不燃性材料で構成された凝縮熱交換器３０は、燃料処理装置２から排出されるバーナ排気と燃料電池本体１から排出されるカソード極排気を冷却して凝縮水を生成する。樹脂系材料で構成された水タンク５０の内部には、凝縮熱交換器３０から排出される凝縮水と、脱炭酸塔４０から排出される脱炭酸処理後の電池冷却水と、水処理装置７０から排出される純水とを分離して貯留する凝縮水室５１、電池冷却水室５２、純水室５３が設けられ、凝縮水供給流路２０５、電池冷却水供給流路２０１、純水供給流路２０７により水タンク５０外にそれぞれ供給される。凝縮水室５１内に凝縮水を供給する凝縮熱交換器３０の凝縮器排水流路３１の下端の流出口は、凝縮水室５１内の液面より低い位置に配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナ部で発生させた燃焼熱を改質部で利用して炭化水素系燃料を水素リッチなガスに改質させる燃料処理装置と、アノード極に供給した水素リッチなガスとカソード極に供給した酸素とを反応させて直流電力を生成する燃料電池本体とを備えた燃料電池発電システム内に設けられる水循環システムであって、前記燃料処理装置のバーナ部から排出されるバーナ排気中の水分と前記燃料電池本体のカソード極から排出されるカソード極排気中の水分を凝縮して、得られた凝縮水と燃料電池を冷却する電池冷却水を貯留する凝縮・貯水手段と、この凝縮・貯水手段に貯留した水の水質を浄化する水処理装置を備えた水循環システムにおいて、
前記凝縮・貯水手段は、不燃性材料で構成された凝縮器と樹脂系材料で構成された水タンクを備え、
前記凝縮器は、前記燃料処理装置のバーナ部から排出されるバーナ排気と前記燃料電池本体のカソード極から排出されるカソード極排気を冷却して凝縮水を生成するように構成され、
前記水タンクには、前記凝縮器から排出される凝縮水と前記燃料電池本体から排出される電池冷却水とを分離して貯留する凝縮水室と電池冷却水室を含む複数の貯水室が設けられると共に、各貯水室内の水を水タンク外にそれぞれ供給する複数の供給流路が設けられ、前記凝縮水室の凝縮水を水タンク外に供給する凝縮水供給流路は、前記水処理装置に凝縮水を供給する供給流路を含み、
前記凝縮器には、不燃性材料で構成されて凝縮水を前記水タンクの凝縮水室に供給する凝縮器排水流路が設けられ、この凝縮器排水流路の凝縮水室内への流出口は、凝縮水室内に保有する凝縮水の液面より低い位置に配置された
ことを特徴とする燃料電池発電システムの水循環システム。
【請求項２】
前記複数の貯水室は、前記水処理装置から排出される純水を凝縮水および電池冷却水と分離して貯留する純水室を含み、この純水室に貯留した純水を水タンク外に供給する純水供給流路は、前記燃料処理装置に純水を供給する供給流路を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システムの水循環システム。
【請求項３】
前記水タンク内において、凝縮水室、電池冷却水室、純水室という３つの貯水室は、この順で並べて配置され、隣接する各２つの貯水室の間は、その上部に両側の貯水室間を連通させる連通部を有する隔壁によりそれぞれ分離され、凝縮水室と電池冷却水室の間の隔壁の連通部の高さが、電池冷却水室と純水室の間の隔壁の連通部より低くなるように構成された
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システムの水循環システム。
【請求項４】
前記水タンク内の隔壁の連通部は、隔壁の高さに応じてその上方に形成される連通空間である
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電システムの水循環システム。
【請求項５】
前記水タンクは、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、の中から選択された樹脂系材料で構成された
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システムの水循環システム。
【請求項６】
前記凝縮・貯水手段は、前記燃料電池本体のカソード極から排出されるカソード極排気により、前記燃料電池本体から排出される電池冷却水の脱炭酸処理を行わせる脱炭酸塔を備え、
この脱炭酸塔には、前記燃料電池本体のカソード極から排出されるカソード極排気を脱炭酸塔に供給するカソード極排気流路と、燃料電池本体から排出される電池冷却水を脱炭酸塔に供給する電池排水流路とが設けられ、
前記カソード極排気流路は、カソード極排気を前記水タンク内の空間を経由して前記脱炭酸塔に供給するように構成され、かつ、このカソード極排気流路と前記電池排水流路は、カソード極排気と電池冷却水を脱炭酸塔に対して異なる流入口から分離して供給し、脱炭酸塔内部で対向流として流すように構成された
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システムの水循環システム。
【請求項７】
前記脱炭酸塔には、脱炭酸処理された電池冷却水を前記水タンクの電池冷却水室に供給する脱炭酸塔排水流路が設けられ、この脱炭酸塔排水流路の電池冷却水室内への流出口は、電池冷却水室内に保有する電池冷却水の液面より低い位置に配置された
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電システムの水循環システム。
【請求項８】
前記凝縮水室の凝縮水を水タンク外に供給する凝縮水供給流路のうち、凝縮水室からの凝縮水の流入口は、前記凝縮器排水流路の流出口より高い位置に配置された
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システムの水循環システム。
【請求項９】
前記凝縮水供給流路の圧力または温度の変化を検知する検知手段が設けられ、この検知手段により検知される圧力または温度の変化に基づいて前記水タンクの凝縮水室内の液面低下を検知するように構成された
ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池発電システムの水循環システム。
【請求項１０】
前記電池冷却水室の電池冷却水を水タンク外に供給する電池冷却水供給流路のうち、電池冷却水室からの電池冷却水の流入口は、前記脱炭酸塔排水流路の流出口より高い位置に配置された
ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池発電システムの水循環システム。
【請求項１１】
前記電池冷却水供給流路の圧力または温度の変化を検知する検知手段が設けられ、この検知手段により検知される圧力または温度の変化に基づいて前記水タンクの電池冷却水室内の液面低下を検知するように構成された
ことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池発電システムの水循環システム。
【請求項１２】
バーナ部で発生させた燃焼熱を改質部で利用して炭化水素系燃料を水素リッチなガスに改質させる燃料処理装置と、アノード極に供給した水素リッチなガスとカソード極に供給した酸素とを反応させて直流電力を生成する燃料電池本体と、前記燃料処理装置のバーナ部から排出されるバーナ排気中の水分と前記燃料電池本体のカソード極から排出されるカソード極排気中の水分を凝縮して、得られた凝縮水と燃料電池を冷却する電池冷却水を貯留し、貯留した水の水質を浄化する水循環システムとを備えた燃料電池発電システムにおいて、
前記水循環システムとして、請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の水循環システムを備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムに関するものであり、特に、燃料処理装置から排出されるバーナ排気中の水分と燃料電池本体から排出されるカソード極排気中の水分を凝縮して、得られた凝縮水と燃料電池を冷却する電池冷却水を貯留し、貯留した水の水質を浄化する水循環システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電システムは、燃料である水素と酸化剤である酸素とを反応させて電気を直接取り出すものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると共に、有害な排気ガスを出さず、しかも低騒音であるという環境性に優れた特徴を有するシステムである。
【０００３】
この燃料電池発電システムのうち、家庭用あるいは小規模事業用向けの比較的小型の燃料電池発電システムは、発電電力と発電に伴う排熱を供給する実用性の高いコージェネレーションシステムとして注目されている。
【０００４】
また、燃料電池発電システムの具体的な発電方式としては、各種の方式が提案されているが、現時点では、燃料供給基盤が既に整っている都市ガス、ＬＰガス、および灯油などの炭化水素系燃料から水蒸気との改質反応により得られる水素で発電を行う方式の燃料電池発電システムを中心に開発が進められている。
【０００５】
このような改質反応を用いた方式の燃料電池発電システムにおいて、システム内の水を循環させる水循環システムは、化学反応で発熱した燃料電池を通常動作温度に維持するための電池冷却水の供給や炭化水素系燃料を水蒸気改質するための改質水の供給、また、システムから大気へ排出するガスを冷却することにより得られる凝縮水を回収することでシステム系外からの補給水を不要として燃料電池発電システムの効率を向上させるなどの役割を担っており、燃料電池発電システムの重要な構成要素の１つとなっている。
【０００６】
図３は、従来の燃料電池発電システムの水循環システムの一例を示す構成図である。この図３に示すように、燃料電池発電システムは、基本的な構成要素として、燃料電池本体１と燃料処理装置２を備えている。
【０００７】
ここで、燃料電池本体１は、アノード極１ａとカソード極１ｂおよび電解質膜（図示せず）を備え、アノード極１ａには水素リッチなガスをカソード極１ｂには空気を供給することで電気エネルギーを得るものである。また、燃料処理装置２は、燃焼熱を発生させるバーナ部２ａと、このバーナ部２ａで発生させた燃焼熱を利用した吸熱反応による改質反応により原燃料を水素リッチなガスに改質する改質部２ｂを備えている。
【０００８】
このような燃料電池本体１と燃料処理装置２を備えた燃料電池発電システムにおいて、水循環システムは、凝縮熱交換部３、脱炭酸塔４、水タンク部５を一体化してなる複合熱交換器６と、水処理装置７ａ，７ｂ、および複数の流路１０１〜１０８等の構成要素を備えている。
【０００９】
ここで、複合熱交換器６の凝縮熱交換部３は、カソード極１ｂからの排気および燃料処理装置２のバーナ部２ａからの排気中に保有される水分を、貯湯タンク８に蓄えられる水と熱交換させて冷却し、凝縮させる部分である。複合熱交換器６の脱炭酸塔４は、燃料電池本体１から排出される電池冷却水に対して、カソード極１ｂより排出されるカソード極排ガスで脱炭酸処理を行い、電池冷却水中に含まれる炭酸ガスを低減させる部分である。複合熱交換器６の水タンク部５は、凝縮熱交換部３で得られた凝縮水と、システム内の他の各部（例えば、水素リッチガスの配管内やアノード極排ガスの配管内など）で得られた凝縮水、および脱炭酸塔４で脱炭酸処理された電池冷却水を貯水する部分である。
【００１０】
水処理装置７ａ，７ｂは、イオン交換樹脂などを用いて水を浄化する装置であり、水タンク部５内に貯水された水の一部は、一方の水処理装置７ａにより燃料電池本体１に適した水質となるように処理された後、電池冷却水として燃料電池本体１に供給されるようになっている。また、水タンク部５内に貯水された水の一部は、他方の水処理装置７ｂにより燃料処理装置２の改質部２ｂに適した水質となるように処理された後、改質水として改質部２ｂに供給されるようになっている。
【００１１】
複数の流路１０１〜１０８のうち、流路１０１は、燃料電池本体１から排出される電池冷却水を複合熱交換器６の脱炭酸塔４に供給する電池排水流路であり、流路１０２〜１０４は、複合熱交換器６の水タンク部５に貯水された水の一部を、水処理装置７ａを介してあるいはバイパスして、燃料電池本体１に電池冷却水として供給する電池冷却水供給流路である。これらの流路１０１〜１０４は、脱炭酸塔４および水タンク部５と共に電池冷却水を循環させる電池冷却水循環ラインを構成している。
【００１２】
また、流路１０５は、燃料電池本体１のカソード極１ｂから排出されるカソード極排気を複合熱交換器６の脱炭酸塔４に供給するカソード極排気流路であり、脱炭酸塔４と共に、カソード極排気を水循環システム内に取り込むカソード極排気ラインを構成している。流路１０６は、燃料処理装置２のバーナ部２ａから排出されるバーナ排気を複合熱交換器６の凝縮熱交換部３に供給するバーナ排気流路であり、バーナ排気を水循環システム内に取り込むバーナ排気ラインを構成している。
【００１３】
また、流路１０７，１０８は、複合熱交換器６の水タンク部５に貯水された水の一部を、水処理装置７ｂを介して燃料処理装置２の改質部２ｂに改質水として供給する改質水供給流路であり、水循環システム内に取り込んだガス中の水分を改質水として燃料処理装置に供給する改質水供給ラインを構成している。
【００１４】
また、図３に示すような水循環システムのうち、凝縮水や冷却水を貯める水タンクに関しては、水タンク内に堰を形成する隔壁を設ける、または、複数の水タンクを設けるなどの構成により、機能別に分けて貯水を行いそれぞれに適した方法で水質の管理を行うシステムが、特許文献１〜３等に開示されている。
【００１５】
また、燃料電池発電システムの水タンク内における液面の位置を検出する手段としては、特許文献４等に記載されているように、従来からレベルスイッチが使用されている。
【００１６】
【特許文献１】特開２００２−２３１２８５
【特許文献２】特開２００５−３８６３７
【特許文献３】特開２００６−４０５５３
【特許文献４】特開平１１−４０１８０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、上記のような従来の燃料電池発電システムの水循環システムにおいては、量産化、低コスト化、および性能向上の実現に当たって、いくつかの課題が存在している。
【００１８】
まず、図３に示すように、凝縮熱交換部３、脱炭酸塔４、水タンク部５を一体化してなる複合熱交換器６を使用した場合、この複合熱交換器６は、その内部にバーナ部２ａからバーナ排気が供給されることから、「家庭用ガス燃焼機器の構造通則（ＪＩＳ Ｓ ２０９２）」内で規定されるガスを内包する部分に該当するため、不燃性材料を用いる必要があり、かつ、水分による腐食を回避するためにステンレス材を用いる必要があった。その一方で、複合熱交換器６は熱交換容量および保有水量ともに少なくコンパクト化されているため、ステンレス構成での水循環システムの量産化および低コスト化の実現は困難であった。
【００１９】
また、図３に示す複合熱交換器６において、カソード極排気流路１０５を通じて脱炭酸塔４に供給される脱炭酸用のカソード極排気は、電池排水流路１０１を通じて脱炭酸塔４に供給される電池冷却水と並行流となるように、脱炭酸塔４の上端に設けられた流入口から脱炭酸塔４に供給され、下方に向かって流れる。
【００２０】
ここで、脱炭酸塔４における脱炭酸性能を向上する観点からは、電池冷却水とカソード極排気をこのように並行流として脱炭酸塔４に供給するよりは、電池冷却水とカソード極排気を対向流として脱炭酸塔４に供給する方が望ましい。
【００２１】
しかしながら、図３において、電池冷却水とカソード極排気を単純に対向流として脱炭酸塔４に供給する構成とした場合には、新たな課題を生じることになる。すなわち、図３において、カソード極排気を脱炭酸塔４の電池冷却水流入端（図３では上端）から供給して電池冷却水流出端（図３では下端）から排出するように構成した場合には、脱炭酸塔４の電池冷却水流出部でのフラッディングによる脱炭酸塔４内部での水の滞留、および、カソード極排気ラインでの圧力変動、という新たな課題が生じてしまう。
【００２２】
また、図３に示すように、複合熱交換器６の脱炭酸塔４で脱炭酸処理された電池冷却水を水タンク部５内に単純に落下させる構成とした場合には、電池冷却水の落水により水タンク部５内の貯留水の水面が暴れてしまうため、水タンク部５の内部を堰などの隔壁で複数の区画に区分けした場合に良好な液面制御が困難となる課題があった。
【００２３】
また、水タンク部５の内部を堰などの隔壁で複数の区画に区分けした場合には、水タンク部の各区画の液面制御を行うために、レベルスイッチを設けることが考えられるが、レベルスイッチはそれ自体が一般的に高価であると共に、水タンク部にレベルスイッチ取付座を設置しなければならないなど、低コスト化の支障となる。
【００２４】
本発明は、上述したような従来技術の課題を解決するために提案されたものであり、その目的は、量産化、低コスト化、および性能向上の実現に寄与しうる水循環システムとそれを備えた燃料電池発電システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の水循環システムは、バーナ部で発生させた燃焼熱を改質部で利用して炭化水素系燃料を水素リッチなガスに改質させる燃料処理装置と、アノード極に供給した水素リッチなガスとカソード極に供給した酸素とを反応させて直流電力を生成する燃料電池本体とを備えた燃料電池発電システム内に設けられる水循環システムである。この水循環システムは、基本的に、燃料処理装置のバーナ部から排出されるバーナ排気中の水分と燃料電池本体のカソード極から排出されるカソード極排気中の水分を凝縮して、得られた凝縮水と燃料電池を冷却する電池冷却水を貯留する凝縮・貯水手段と、この凝縮・貯水手段に貯留した水の水質を浄化する水処理装置を備えた水循環システムであり、次のような技術的特徴を有する。
【００２６】
すなわち、凝縮・貯水手段は、不燃性材料で構成された凝縮器と樹脂系材料で構成された水タンクを備える。ここで、凝縮器は、燃料処理装置のバーナ部から排出されるバーナ排気と燃料電池本体のカソード極から排出されるカソード極排気を冷却して凝縮水を生成するように構成される。水タンクには、凝縮器から排出される凝縮水と燃料電池本体から排出される電池冷却水とを分離して貯留する凝縮水室と電池冷却水室が設けられると共に、凝縮水室内の凝縮水と電池冷却水室内の電池冷却水を水タンク外にそれぞれ供給する凝縮水供給流路と電池冷却水供給流路が設けられ、凝縮水供給流路は、凝縮水室内の凝縮水を水処理装置に供給する供給流路を含む。凝縮器には、不燃性材料で構成されて凝縮水を前記水タンクの凝縮水室に供給する凝縮器排水流路が設けられ、この凝縮器排水流路の凝縮水室内への流出口は、凝縮水室内に保有する凝縮水の液面より低い位置に配置される。
【００２７】
本発明の燃料電池発電システムは、上記の水循環システムを備えた燃料電池発電システムである。
【００２８】
上記の特徴を有する本発明によれば、水タンクを凝縮器から独立させ、樹脂系材料で構成することにより、ステンレス材で構成した場合に比べて、水循環システムの量産化および低コスト化に寄与できる。このように樹脂系材料で構成した水タンクは、ステンレス材で構成した場合に比べて、水タンク内部の細分化も極めて容易となり、柔軟な設計が可能となるため、水タンクおよび周辺機器の多機能化を低コストで実現できる。
【００２９】
そして、水タンク内部に、凝縮水室と電池冷却水室を設けたことにより、電池冷却水を凝縮水から分離・独立して循環させることができるため、電池冷却水を凝縮水と分離せずに貯水した場合に比べて、電池冷却水の水処理が不要となり、水処理装置の削減による一層の低コスト化が可能となる。また、バーナ排気やカソード極排気から得られる凝縮水については、水処理装置で水処理して燃料処理装置の改質水として効率よく利用可能である。
【００３０】
さらに、凝縮器から水タンクの凝縮水室に凝縮水を供給する凝縮器排水流路の凝縮水室内への流出口を、凝縮水室内の液面より低い位置に配置したことにより、凝縮器排水流路の流出口部分には凝縮水室の水により水封部が形成されるため、バーナ排気を含む凝縮器の内部ガスが水タンク内に流入することを防止できる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、バーナ排気とカソード排気の凝縮水を得る凝縮器から水タンクを独立させて樹脂系材料で構成し、水タンク内部に凝縮水室と電池冷却水室を設けると共に、凝縮器から水タンクに凝縮水を供給する凝縮器排水流路の流出口を凝縮水室内の液面より低い位置に配置することにより、量産化、低コスト化、および性能向上の実現に寄与しうる水循環システムとそれを備えた燃料電池発電システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下には、本発明を適用した燃料電池発電システムの水循環システムの実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。なお、前述した図３と同一部分には同一符号を付し、説明を省略する。
【００３３】
［第１の実施形態］
［構成］
図１は、本発明を適用した第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの水循環システムを示す構成図である。この図１に示すように、燃料電池本体１と燃料処理装置２の構成は、図３に示した従来システムと同様である。
【００３４】
本実施形態において、図３の従来システムと異なる点は、凝縮熱交換部３、脱炭酸塔４、水タンク部５を一体化してなる複合熱交換器６を、それぞれ単体機器として独立させた凝縮熱交換器３０、脱炭酸塔４０、および水タンク５０に変更し、水タンク５０を樹脂系材料で構成して凝縮水室５１、電池冷却水室５２、純水室５３という３つの貯水室を設けた点、および、それに伴い、単体の水処理装置７０のみを使用した点である。
【００３５】
また、これらの構成要素の変更に伴い、図３に示した流路１０１〜１０８のうち、流路１０２〜１０５，１０７，１０８に代えて、異なるラインを構成する複数の流路２０１〜２０７を使用している点も、従来システムと異なっている。以下には、このような本実施形態における水循環システムの各部の詳細について説明する。
【００３６】
凝縮熱交換器３０は、図３の複合熱交換器６に組み込まれていた凝縮熱交換部３を単体機器として独立させたものであり、燃料処理装置２のバーナ部２ａから排出されるバーナ排気と燃料電池本体１のカソード極１ｂから排出されるカソード極排気中に保有される水分を、貯湯タンク８に蓄えられる水と熱交換させて冷却し、凝縮させて凝縮水を生成する。
【００３７】
ここで、燃料処理装置２のバーナ部２ａから排出されるバーナ排気を水循環システム内に取り込むバーナ排気ラインは、図３と同様のバーナ排気流路１０６から構成されている。
【００３８】
凝縮熱交換器３０には、生成した凝縮水を水タンク５０の凝縮水室５１に供給する凝縮器排水流路３１が設けられている。この凝縮熱交換器３０は、その内部にバーナ部２ａからバーナ排気が供給されることから、凝縮器排水流路３１を含めた凝縮熱交換器３０全体が、ステンレス材などの不燃性材料で構成されている。
【００３９】
脱炭酸塔４０は、図３の複合熱交換器６に組み込まれていた脱炭酸塔４を単体機器として独立させたものであり、燃料電池本体１から排出される電池冷却水に対して、カソード極１ｂより排出されるカソード極排ガスで脱炭酸処理を行い、電池冷却水中に含まれる炭酸ガスを低減させる。脱炭酸塔４０の下端には、脱炭酸処理後の電池冷却水を水タンク５０の電池冷却水室５２に供給する脱炭酸塔排水流路４１が下方に向かって垂直に伸びるように設けられている。
【００４０】
そして、電池冷却水を循環させる電池冷却水循環ラインは、電池排水流路１０１、脱炭酸塔４０、脱炭酸塔排水流路４１、水タンク５０の電池冷却水室５２、および電池冷却水供給流路２０１から構成されている。
【００４１】
ここで、電池排水流路１０１は、燃料電池本体１から排出される電池冷却水を脱炭酸塔４０に供給する流路であり、電池冷却水供給流路２０１は、水タンク５０の電池冷却水室５２に貯水された電池冷却水を燃料電池本体１に供給する流路である。
【００４２】
また、電池排水流路１０１の脱炭酸塔４０内部部分は、図３と同様に、脱炭酸塔４０の上端に設けられた流入口から電池冷却水を供給し、下方に向かって流すようになっており、電池排水流路１０１におけるこの脱炭酸塔４０内部部分は、下方の脱炭酸塔排水流路４１と接続されて下方に垂直に伸びる直線状の排水流路を形成している。
【００４３】
一方、燃料電池本体１のカソード極１ｂから排出されるカソード極排気を水循環システム内に取り込むカソード極排気ラインは、カソード極排気流路２０２、水タンク５０、カソード極排気流路２０３、脱炭酸塔４０、およびカソード極排気流路２０４から構成されている。
【００４４】
ここで、カソード極排気流路２０２は、燃料電池本体１のカソード極１ｂから排出されるカソード極排気を水タンク５０内上部の空きスペースに流入させる流路であり、カソード極排気流路２０３は、水タンク５０内に流入させたカソード極排気を脱炭酸塔４０の下端に設けられた流入口から脱炭酸塔４０の内部に供給し、上方に向かって流す流路である。
【００４５】
すなわち、カソード極排気流路２０３と電池排水流路１０１は、カソード極排気と電池冷却水を脱炭酸塔４０の下端および上端の異なる流入口から分離して供給し、脱炭酸塔４０内部で対向流として流すように構成されている。さらに、カソード極排気流路２０４は、カソード極排気流路２０３により脱炭酸塔４０内部を通過させたカソード極排気を、脱炭酸塔４０の上端に設けられた流出口から凝縮熱交換器３０に流入させる流路である。
【００４６】
水タンク５０の内部には、凝縮熱交換器３０から排出される凝縮水と、脱炭酸塔４０から排出される脱炭酸処理後の電池冷却水と、水処理装置７０から排出される純水とを分離して貯留する凝縮水室５１、電池冷却水室５２、および純水室５３という３つの貯水室が、この順で並べて設けられている。そして、隣接する各２つの貯水室の間、すなわち、凝縮水室５１と電池冷却水室５２の間、および電池冷却水室５２と純水室５３の間は、隔壁５４，５５によってそれぞれ分離されている。
【００４７】
この水タンク５０は、凝縮熱交換器３０から分離されており、その内部にバーナ部２ａからのバーナ排気が供給されることはないので、隔壁５４，５５を含めた水タンク５０全体が樹脂系材料で構成されている。具体的な樹脂系材料としては、例えば、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、の中から選択された樹脂系材料が使用可能である。
【００４８】
また、水タンク５０の隔壁５４，５５の高さは、水タンク５０の天井面より低くされており、隔壁５４，５５の上方には、凝縮水室５１、電池冷却水室５２、および純水室５３を連通させる連通空間が形成されている。すなわち、水タンク５０の隔壁５４，５５は、隣接する各２つの貯水室間に一定の高さの固定的な堰を形成する単純形状の隔壁とされている。そして、凝縮水室５１と電池冷却水室５２の間の隔壁５４の高さは、電池冷却水室５２と純水室５３の間の隔壁５５の高さより低くされている。
【００４９】
また、水タンク５０の凝縮水室５１内に凝縮水を供給する凝縮熱交換器３０の凝縮器排水流路３１の下端の流出口は、凝縮水室５１内に保有する凝縮水の液面より低い位置に配置されている。同様に、水タンク５０の電池冷却水室５２内に脱炭酸処理後の電池冷却水を供給する脱炭酸塔４０の脱炭酸塔排水流路４１の流出口は、電池冷却水室５２内に保有する電池冷却水の液面より低い位置に配置されている。
【００５０】
さらに、水循環システム内に取り込んだガス中の水分を改質水として燃料処理装置２に供給する改質水供給ラインは、凝縮熱交換器３０、凝縮器排水流路３１、水タンク５０の凝縮水室５１、凝縮水供給流路２０５、水処理装置７０、純水供給流路２０６、水タンク５０の純水室５３、および純水供給流路２０７から構成されている。
【００５１】
ここで、凝縮水供給流路２０５は、水タンク５０の凝縮水室５１内の凝縮水を水処理装置７０に供給する流路である。また、純水供給流路２０６は、水処理装置７０により凝縮水を処理して得られた純水を水タンク５０の純水室５３内に供給する流路であり、純水供給流路２０７は、純水室５３内の純水を改質水として燃料処理装置２の改質部２ｂに供給する流路である。
【００５２】
なお、水処理装置７０は、図３の水処理装置７０ａ，７０ｂと同様に、イオン交換樹脂などを用いて水を浄化する装置である。
【００５３】
［作用・効果］
以上のような構成を有する第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの水循環システムによれば、次のような作用・効果が得られる。
【００５４】
まず、本実施形態においては、水タンク５０を凝縮熱交換器３０から独立させ、樹脂系材料で構成することにより、ステンレス材で構成した場合に比べて、水循環システムの量産化および低コスト化に寄与できる。このように樹脂系材料で構成した水タンク５０は、ステンレス材で構成した場合に比べて、水タンク５０内部の細分化も極めて容易となり、柔軟な設計が可能となるため、水タンク５０および周辺機器の多機能化を低コストで実現できる。
【００５５】
そして、水タンク５０内部に、凝縮水室５１と電池冷却水室５２を設けたことにより、電池冷却水を凝縮水から分離・独立して循環させることができるため、図３の従来システムのように、電池冷却水を凝縮水と分離せずに貯水した場合に比べて、電池冷却水の水処理が不要となり、水処理装置の削減による一層の低コスト化が可能となる。また、バーナ排気やカソード極排気から得られる凝縮水については、水処理装置７０で水処理して燃料処理装置２の改質水として効率よく利用可能である。
【００５６】
特に、本実施形態においては、水タンク５０内部に、凝縮水室５１と電池冷却水室５２に加えて純水室５３を設けたことにより、水処理装置から排出される純水を純水室５３に貯水して、この純水室５３から燃料処理装置２に純水を安定的に供給できるという利点もある。
【００５７】
また、本実施形態においては、水タンク５０の隔壁５４，５５の上方に、凝縮水室５１と電池冷却水室５２、および純水室５３を連通させる連通空間を形成し、かつ、凝縮水室５１と電池冷却水室５２の間の隔壁５４の高さを、電池冷却水室５２と純水室５３の間の隔壁５５の高さより低くしている。
【００５８】
水タンク５０のこの構成によれば、凝縮水室５１内の凝縮水の液面を隔壁５４より低くする液面制御を行うだけで、凝縮水室５１内の凝縮水が電池冷却水室５２内に流入したり、また、電池冷却水室５２内の電池冷却水が純水室５３に流入するなどの不都合を防止できる。すなわち、凝縮水室５１内の凝縮水の液面を隔壁５４より低くする液面制御を行うことにより、電池冷却水室５２内の電池冷却水が冷却水室５２の貯水容量を超えた場合には、その電池冷却水の余剰分は、低い側の隔壁５４を超えて凝縮水室５１内にのみ流入し、純水室５３側に流入することはない。
【００５９】
したがって、凝縮水室５１内の凝縮水の液面制御を行うだけで、凝縮水室５１内の凝縮水が電池冷却水室５２に流入することによる電池冷却水の水質の低下を防止でき、電池冷却水室５２内の電池冷却水が純水室５３に流入することによる純水の水質の低下を防止できる。
【００６０】
さらに、本実施形態においては、凝縮熱交換器３０から水タンク５０の凝縮水室５１に凝縮水を供給する凝縮器排水流路３１の凝縮水室５１内への流出口を、凝縮水室５１内の液面より低い位置に配置したことにより、凝縮器排水流路３１の流出口部分には凝縮水室５１の水により水封部３１ａが形成されるため、バーナ排気を含む凝縮熱交換器３０の内部ガスが水タンク５０内に流入することを防止できる。
【００６１】
また、本実施形態においては、カソード極排気流路２０３と電池排水流路１０１により、カソード極排気と電池冷却水を脱炭酸塔４０の下端および上端の異なる流入口から分離して供給し、脱炭酸塔４０内部で対向流として流すようにしている。
【００６２】
脱炭酸塔４０におけるこのような流路構成によれば、脱炭酸塔４０における脱炭酸処理を、カソード極排気と電池冷却水の対向流で行わせることができるため、脱炭酸性能の向上が可能となる。脱炭酸塔４０における上記の流路構成によれば、脱炭酸塔４０の脱炭酸塔排水流路４１からフラッディングを発生させずに良好に電池冷却水を排出できるため、フラッディングに起因する脱炭酸塔４内部での水の滞留やカソード極排気ラインでの圧力変動などの問題を生じることなく、燃料電池発電システムの安定運転が可能となる。
【００６３】
さらに、本実施形態においては、脱炭酸塔４０から水タンク５０の電池冷却水室５２に電池冷却水を供給する脱炭酸塔排水流路４１の電池冷却水室５２内への流出口を、電池冷却水室５２内の液面より低い位置に配置したことにより、脱炭酸塔４０で脱炭酸処理された電池冷却水を液面上から落下させることなく、液面より低い位置で排水できるため、電池冷却水の安定した液面制御が可能となる。
【００６４】
したがって、本実施形態によれば、量産化、低コスト化、および性能向上の実現に寄与しうる水循環システムとそれを備えた燃料電池発電システムを提供することができる。
【００６５】
［変形例］
なお、第１の実施形態においては、水タンク内の隣接する各２つの貯水室間を区分する各隔壁を、固定的な堰を形成する単純形状の隔壁としてその上方に連通空間を形成したが、水タンクの底面から天井面までを覆う隔壁を設け、この隔壁の一部に連通孔を設けることで、その両側の貯水室間を連通させる構成も可能である。しかし、量産化、低コスト化の観点からは、一般的に、できるだけ単純形状の隔壁とすることが望ましい。
【００６６】
また、第１の実施形態においては、水タンク内を、凝縮水室、電池冷却水室、および純水室という３つの貯水室に区分した場合について説明したが、水の排出元や供給先、あるいは用途などに応じて４室以上に区分することも可能である。逆に、水タンク内を凝縮水室と電池冷却水室の２室のみに区分することも可能である。
【００６７】
［第２の実施形態］
［構成］
図２は、本発明を適用した第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの水循環システムの水タンク周辺部分を示す構成図である。この図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池発電システムの水循環システムは、第１の実施形態の構成において、水タンク内に貯水した凝縮水と電池冷却水を水タンク外に供給する供給流路の配置を限定したものであり、他の構成は、図１に示した第１の実施形態と同様である。
【００６８】
すなわち、本実施形態においては、図２に示すように、凝縮水室５１の凝縮水を水タンク５０外に供給する凝縮水供給流路２１１のうち、凝縮水室５１からの凝縮水の流入口とその近傍部分は、凝縮器排水流路３１の流出口より高い位置に配置されており、ポンプ２２１により凝縮水室５１内の凝縮水を汲み上げるように構成されている。
【００６９】
さらに、この凝縮水供給流路２１１には、流路中の圧力または温度の変化を検知する圧力または温度センサ２３１が設けられており、この圧力または温度センサ２３１により検知される圧力または温度の変化に基づいて水タンク５０の凝縮水室５１内の液面低下を検知するように構成されている。
【００７０】
同様に、電池冷却水室５２の電池冷却水を水タンク５０外に供給する電池冷却水供給流路２１２のうち、電池冷却水室５２からの電池冷却水の流入口とその近傍部分は、脱炭酸塔排水流路４１の流出口より高い位置に配置されており、ポンプ２２２により電池冷却水室５２内の電池冷却水を汲み上げるように構成されている。
【００７１】
そして、この電池冷却水供給流路２１２にも、流路中の圧力または温度の変化を検知する圧力または温度センサ２３２が設けられており、この圧力または温度センサ２３２により検知される圧力または温度の変化に基づいて水タンク５０の電池冷却水室５２内の液面低下を検知するように構成されている。
【００７２】
［作用・効果］
以上のような構成を有する第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの水循環システムによれば、前述した第１の実施形態の作用・効果に加えて、さらに次のような作用・効果が得られる。
【００７３】
まず、凝縮水室５１の液面が低下した場合には、凝縮水供給流路２１１は水切れを起こすが、この場合には、凝縮水供給流路２１１による凝縮水室５１からの凝縮水の供給が自動的に停止されることになるため、凝縮器排水流路３１の水封部３１ａは凝縮水室５１内に残っている水により適切に維持される。
【００７４】
また、このように凝縮水供給流路２１１による凝縮水の供給が停止した場合には、凝縮水の供給時に比べて、凝縮水供給流路２１１中の圧力または温度が変化する。本実施形態では、凝縮水供給流路２１１中の圧力または温度を、圧力または温度センサ２３１によって監視することにより、凝縮水供給流路２１１の水切れ、すなわち、凝縮水室５１内の凝縮水の液面低下を容易かつ確実に検知することができる。
【００７５】
一方、電池冷却水室５２の液面が低下した場合には、電池冷却水供給流路２１２は水切れを起こすが、この場合には、電池冷却水供給流路２１２による電池冷却水室５２からの電池冷却水の供給が自動的に停止されることになるため、脱炭酸塔排水流路４１の水封部４１ａは電池冷却水室５２内に残っている水により適切に維持される。
【００７６】
また、このように電池冷却水供給流路２１２による電池冷却水の供給が停止した場合には、電池冷却水の供給時に比べて、電池冷却水供給流路２１２中の圧力または温度が変化する。本実施形態では、電池冷却水供給流路２１２中の圧力または温度を、圧力または温度センサ２３２によって監視することにより、電池冷却水供給流路２１２の水切れ、すなわち、電池冷却水室５２内の電池冷却水の液面低下を容易かつ確実に検知することができる。
【００７７】
以上のように、本実施形態によれば、レベルスイッチを設けることなく、凝縮水供給流路および電池冷却水供給流路の配置により凝縮器排水流路の水封部および脱炭酸塔排水流路の水封部を適切に維持可能であるため、燃料電池発電システムの安全性を維持できる。また、供給流路に通常設けられている圧力または温度センサを利用して液面低下を容易かつ確実に検知できるため、レベルスイッチを設けた場合に比べて安価な構成で水タンク内の凝縮水および電池冷却水の安定した液面制御が可能となる。
【００７８】
［他の実施形態］
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で他にも多種多様な変形例が実施可能である。
【００７９】
まず、前述した実施形態においては、燃料処理装置のバーナ排気から得られる凝縮水、および燃料電池本体のカソード極排気から得られる凝縮水を水タンク内に貯水する場合について説明したが、水タンク内には、燃料電池発電システム内の他の各部で得られた凝縮水を同様に貯水可能である。
【００８０】
例えば、燃料電池本体に供給される水素リッチガスから得られる凝縮水、燃料電池本体のアノード極排気から得られる凝縮水などを同様に水タンク内に貯水することが考えられる。この場合、水素リッチガスやアノード極排気は、バーナ排気やカソード極排気と混合できないため、異なる凝縮器および異なる流路を用いて凝縮水を水タンク内に供給することになる。
【００８１】
また、前述した実施形態においては、説明の簡略化の観点から、水タンク内の凝縮水室に貯水した凝縮水の全てを、水処理装置により水処理して燃料処理装置の改質水として利用する場合について説明したが、凝縮水の用途は、これに限定されず、燃料電池発電システム内の他の各部に適宜供給可能である。例えば、水素リッチガスやアノード極排気中の水分を凝縮するための各凝縮器に熱交換用の冷却水として供給するなどの用途が考えられる。
【００８２】
さらに、水循環システム内に水分や水を取り込むための取り込み先や、水循環システム内の水を供給する供給先は、燃料電池発電システム内のみに限らず、燃料電池発電システムの外部と水分や水の一部をやり取りするように構成してもよい。例えば、燃料電池発電システム外部から水分を含む各種のガスあるいは各種の水質の水を補給したり、水循環システム内の各種の水質の水を、燃料電池発電システム外部に供給する構成が考えられる。あるいはまた、水循環システム内の水分や水の一部を、燃料電池発電システムの外部との間で循環させるように構成してもよい。
【００８３】
すなわち、本発明は、バーナ排気とカソード排気の凝縮水を得る凝縮器から水タンクを独立させて樹脂系材料で構成し、水タンク内部に凝縮水室と電池冷却水室を設けると共に、凝縮器から水タンクに凝縮水を供給する凝縮器排水流路の流出口を凝縮水室内の液面より低い位置に配置する限り、水循環システムやそれを含む燃料電池発電システムの具体的なシステム構成、あるいは、凝縮器、脱炭酸塔、水タンク、各種流路などの要素の具体的な構成は適宜変更可能であり、同様に優れた効果が得られるものである。
【００８４】
さらに、本発明は、燃料電池発電システム中の水循環システムに特徴を有するものであるため、水循環システム以外の燃料電池本体や燃料処理装置などの構成要素の具体的な構成も、何ら限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの水循環システムを示す構成図。
【図２】本発明を適用した第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの水循環システムの水タンク周辺部分を示す構成図。
【図３】従来の燃料電池発電システムの水循環システムの一例を示す構成図。
【符号の説明】
【００８６】
１…燃料電池本体
１ａ…アノード極
１ｂ…カソード極
２…燃料処理装置
２ａ…バーナ部
２ｂ…改質部
３０…凝縮熱交換器
３１…凝縮器排水流路
３１ａ，４１ａ…水封部
４０…脱炭酸塔
４１…脱炭酸塔排水流路
５０…水タンク
５１…凝縮水室
５２…電池冷却水室
５３…純水室
５４，５５…隔壁
７０…水処理装置
１０１…電池排水流路
１０６…バーナ排気流路
２０１…電池冷却水供給流路
２０２〜２０４…カソード極排気流路
２０５…凝縮水供給流路
２０６，２０７…純水供給流路
２１１…凝縮水供給流路
２１２…電池冷却水供給流路
２２１，２２２…ポンプ
２３１，２３２…圧力または温度センサ
【図１】
2009076216.tif 000003
【図２】
2009076216.tif 000004
【図３】
2009076216.tif 000005