JP2009199759A - 燃料電池の水精製システム - Google Patents

Abstract

【課題】凝縮水の水質の低下を抑制しつつ、凝縮水に溶け込んでいる二酸化炭素等の吸蔵ガスを放出させるのに有利な燃料電池の水精製システムを提供する。
【解決手段】燃料電池の水精製システムは、燃料電池システムで用いられるガスを冷却させることにより、ガスに含まれている水蒸気を凝縮させる凝縮器１，２，３と、凝縮器１，２，３で凝縮させた凝縮水を精製させる水精製器４と、凝縮器１，２，３と水精製器４とを繋ぐ回収流路５、および／または、水精製器４に設けられ、凝縮水に超音波振動を与え、凝縮水に溶け込んでいる吸蔵ガスを放出させる超音波振動発生部７１，７２，７３，７４とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池の水精製システムに関する。

燃料電池システムは、燃料原料を改質させてアノードガスを生成する改質装置と、改質装置で生成されたアノードガスとカソードガスとにより発電運転を行うスタックとを備えている。このように燃料電池システムでは、様々なガスに含まれている水蒸気を冷却により凝縮させて凝縮水を生成させ、その凝縮水を改質用の水として再利用する水精製システムが開発されている。

このような水精製システムは、燃料電池システムで用いられる反応ガスを冷却させることにより、反応ガスに含まれている水蒸気を凝縮させる凝縮器と、凝縮器で凝縮させた凝縮水を精製させる水精製器とを備えている。上記した凝縮水にはガスが溶け込んでいることがある。凝縮水に溶け込んでいる吸蔵ガスは、水精製器の水精製材の長寿命化を損なうおそれがあることが知られている。例えばガスが二酸化炭素である場合には、凝縮水において炭酸イオンを発生させて水精製器の水精製材の寿命を短縮させるおそれがあることが知られている。

そこで特許文献１では、凝縮水を溜めているタンクにエアを吹き込み、バブリングさせることにより、凝縮水に溶け込んでいる二酸化炭素を放出させることにしている。更に特許文献２では、燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガス（二酸化炭素が低濃度）と凝縮水とを対向流として接触させ、凝縮水に吸蔵されている二酸化炭素を凝縮水から放出させることにしている。
特開２００５−４４６１４号公報 特許２８５４１７１号公報（登録日１９９８年）

ところで上記した特許文献１，２に係る技術によれば、凝縮水に溶け込んでいる吸蔵ガス（例えば二酸化炭素）を効果的に放出させるには限界がある。

更に、特許文献１に係る技術によれば、バブリングにより粉塵などが凝縮水に混入するおそれがあり、凝縮水の水質を低下させるおそれがある。特許文献２に係る技術においても、カソードオフガスと凝縮水とを強制的に対向流として接触させるため、カソードオフガスに含まれている粉塵などが凝縮水に混入するおそれがあり、凝縮水の水質を低下させるおそれがある。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、凝縮水の水質の低下を抑制しつつ、二酸化炭素等の吸蔵ガスを凝縮水から放出させるのに有利な燃料電池の水精製システムを提供することを課題とする。

様相１に係る燃料電池の水精製システムは、（ｉ）燃料電池システムで用いられるガスを冷却させることにより、ガスに含まれている水蒸気を凝縮させて凝縮水を生成させる凝縮器と、（ｉｉ）凝縮器で凝縮させた凝縮水の純度を高めるように凝縮水を精製させる水精製器と、（ｉｉｉ）凝縮器と水精製器とを繋ぐ回収流路に設けられ、回収流路における凝縮水に振動を与え、凝縮水に溶け込んでいる吸蔵ガスを放出させる振動発生部とを具備しており、（ｉｖ）凝縮器で凝縮された凝縮水が水精製器に供給される前に、凝縮水に溶け込んでいる吸蔵ガスを凝縮水から放出させることを特徴とする。

凝縮器は、燃料電池システムで用いられるガスを冷却させることにより、ガスに含まれている水蒸気を凝縮させて凝縮水を生成させるものである。ガスとしては、反応ガス、反応オフガス、燃焼排ガス等が例示される。反応ガスはアノードガスでも良いし、カソードガスでも良い。反応オフガスはアノードオフガスでも良いし、カソードオフガスでも良い。オフガスは発電反応を経て燃料電池から吐出されたガスを意味する。

回収流路は、凝縮器で凝縮した凝縮水を水精製器に供給できるように、凝縮器と水精製器とを連通するように繋ぐものである。振動発生部は回収流路に設けられており、回収流路に存在する凝縮水に振動を与え、凝縮水に溶け込んでいる吸蔵ガス（例えば二酸化炭素、酸素、窒素など）を凝縮水の外方に放出させることができるものであれば良い。従って、振動発生部は、圧電現象で凝縮水に振動を与える方式、磁歪現象で凝縮水に振動を与える方式、機械で凝縮水に振動を与える方式、打撃で凝縮水に振動を与える方式などが例示される。

振動発生部としては、凝縮水に溶け込んでいる吸蔵ガスのガス気泡を凝縮水の上方の水面上の気相空間に容易に排出できる場所に設けることが好ましい。この場合、気相空間に接触する凝縮水の水面が一定圧以下で開放されていること、ガス気泡が浮力によって気相空間まで容易に浮上できることが好ましい。ここで、気相空間に接触する凝縮水の水面が一定圧を超えて高圧であると、凝縮水に溶け込む吸蔵ガスの量が増加し、気相空間への吸蔵ガスの放出性が低下する。

上記したように凝縮水に溶け込んでいる吸蔵ガスを凝縮水から放出させておけば、凝縮水が流れる回収流路においてガス気泡が発生することが抑制される。このようにガス気泡の発生が抑制されるため、気泡による通水不良が低減される。更に、凝縮水に溶け込んでいるガスが水精製器に対して悪影響を与えることが抑制され、水精製器の水精製材の長寿命化を図り得る。例えば、凝縮水に溶け込んでいる吸蔵ガスが二酸化炭素である場合には、二酸化炭素から炭酸イオンが発生することが抑制され、炭酸イオンにより水精製器の水精製材の寿命が低下することが抑制される。

すなわち、凝縮水タンクで吸蔵ガスを放出すれば、凝縮水タンクよりも下流の配管や部位においてガス気泡による通水不良が低減される。また、気泡が過剰に大きくなると、例えば、バルブの弁口等のように狭い流路で通水不良が発生するおそれがあるが、振動により積極的に吸蔵ガスを放出させれば、気泡が大きく成長する前に流路からガス気泡を放出でき、ガス気泡の成長を抑制できる。従ってガス気泡が過剰に大きくならないため、回収流路における通水不良が抑制される。

上記したように本様相によれば、カソードオフガスと凝縮水とを対向流として接触させる方式ではなく、振動を凝縮水に与える方式が採用されているため、凝縮水に塵埃等が混入することが抑制され、凝縮水の水質の低下が抑制される。

なお振動としては、可聴音周数数をもつ振動でも良いが、吸蔵ガスの放出性等を考慮すると、超音波振動が好ましい。従って、振動発生部は超音波振動発生部が好ましい。超音波振動の周波数としては、凝縮水に溶け込んでいる吸蔵ガスを放出できれば良く、特に制限されないが、下限としては１６ＫＨｚ、２０ＫＨｚ、３０ＫＨｚが例示され、上限としては特に制限されないが１０ＭＨｚ、１００ＭＨｚ、１ＧＨｚが例示される。

様相２に係る燃料電池の水精製システムによれば、上記様相において、回収流路は、凝縮器で凝縮された凝縮水を一時的に溜める単数または複数の凝縮水タンクと、凝縮器で凝縮された凝縮水を回収するように配置された回収配管とを備えており、振動発生部は、凝縮水タンクおよび／または回収配管に設けられていることを特徴とする。この場合、振動発生部が凝縮水タンクに設けられていると、凝縮水タンクに溜められている凝縮水に振動が与えられる。このため凝縮水タンクに溜められている凝縮水から吸蔵ガス（例えば二酸化炭素、酸素、窒素）が放出される。また、振動発生部が回収配管に設けられている場合には、回収配管を流れる凝縮水に振動が与えられる。このため回収配管を流れる凝縮水に含まれている二酸化炭素等の吸蔵ガスが凝縮水から放出される。この場合、回収配管の中心軸線の回りにおいて、振動発生部が回収配管に１周以上または半周以上巻回されている形態が好ましい。この場合、凝縮水に対する振動付与方向を複数化できる。

様相３に係る燃料電池の水精製システムによれば、上記様相において、凝縮水タンクは、ガスが流れる気相空間を凝縮水の水面上方に形成するように凝縮水を一次的に溜めるタンク本体と、気相空間に連通すると共にガスが流入する流入口と、気相空間に連通すると共にガスが流出する流出口とを備えており、振動発生部は、タンク本体に貯留されている凝縮水に振動を与えるように設けられており、タンク本体の凝縮水から気相空間に放出された放出ガスは、ガスにより流出口から流出することを特徴とする。

この場合、振動発生部は、タンク本体に貯留されている凝縮水に振動を与える。これにより凝縮水に溶け込んでいる吸蔵ガスを、タンク本体に溜められている凝縮水の水面上方の気相空間に積極的に放出させることができる。このとき、流入口から流出口にガスが流れている。このため、気相空間に放出された放出ガスを流出口から凝縮水タンクの外方に効率よく放出させることができる。

様相４に係る燃料電池の水精製システムによれば、上記様相において、振動発生部は、回収配管のうち仮想水平線に対する傾斜角が最大で６０°、最小で３°傾斜している配管部分に設けられていることを特徴とする。鉛直方向に沿っている縦配管部分においては凝縮水の流速が速く、凝縮水に振動を与える時間が確保されにくく、更に、凝縮水が溜まりにくく、振動を凝縮水に効率よく伝達させにくい。従って、回収配管のうち鉛直方向に沿っている縦配管部分には、振動発生部を設けないことが好ましい。これに対して、仮想水平線に対してある程度傾斜している配管部分では、凝縮水の流速が遅くなり、凝縮水に振動を与える時間が確保され、更に、振動が伝達される配管部分の凝縮水の流量が確保される。このため凝縮水に振動を効率よく与え、吸蔵ガスを凝縮水から放出させることができる。更に、傾斜した配管部分は、放出させたガスを浮上させ易い。但し、配管部分が水平であると、吸蔵ガスが凝縮水から放出されたとき、放出ガスが良好に放出されずに溜まり、凝縮水の流路断面積を狭めるおそれがある。このため、回収配管のうち仮想水平線に対する傾斜角が最大でθ１、最小でθ２傾斜している配管部分に、振動発生部は設けられていることが好ましい。θ１としては６０°、４５°、３０°が例示される。θ２としては３°、５°、６°、１０°が例示される。

様相５に係る燃料電池の水精製システムによれば、上記様相において、回収流路は、凝縮器で凝縮された凝縮水を一時的に溜める第１凝縮水タンクと、第１凝縮水タンクの凝縮水が供給され凝縮水を一時的に溜める第２凝縮水タンクと、第１凝縮水タンクと第２凝縮水タンクとを繋ぎ第１凝縮水タンクの凝縮水を第２凝縮水タンクに供給する回収配管とを備えており、振動発生装置は、第１凝縮水タンク、第２凝縮水タンクおよび回収配管のうちの少なくとも一つに設けられていることを特徴とする。この場合、振動発生部が凝縮水タンクに設けられていると、凝縮水タンクに溜められている凝縮水に振動が与えられる。このため凝縮水タンクに溜められている凝縮水から吸蔵ガス（例えば二酸化炭素、酸素、窒素）が放出される。また、振動発生部が回収配管に設けられている場合には、回収配管を流れる凝縮水に振動が与えられる。このため回収配管を流れる凝縮水に含まれている二酸化炭素が凝縮水から放出される。

様相６に係る燃料電池の水精製システムによれば、上記様相において、回収流路は、凝縮器で凝縮された凝縮水を一時的に溜める単数または複数の凝縮水タンクと、凝縮水タンクと水精製器とを繋ぐ回収配管とを備えており、振動発生部は、凝縮水タンクおよび／または回収配管に設けられていることを特徴とする。この場合、振動発生部が凝縮水タンクに設けられていると、凝縮水タンクに溜められている凝縮水に振動が与えられる。このため凝縮水タンクに溜められている凝縮水から吸蔵ガス（例えば二酸化炭素、酸素、窒素）が放出される。また、振動発生部が回収配管に設けられている場合には、回収配管を流れる凝縮水に振動が与えられる。このため回収配管を流れる凝縮水に含まれている二酸化炭素が凝縮水から放出される。

本発明によれば、凝縮水に溶け込んでいる吸蔵ガスを放出させるのに有利である。更に、ガスと凝縮水とを対向流として接触させる方式を採用していないため、塵埃等が凝縮水に混入することが抑制され、凝縮水の水質の低下が抑制される。

以下、本発明の各実施形態について説明する。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１について図１を参照して説明する。図１において、燃料電池の水精製システムは、アノードガス凝縮器１（凝縮器）と、アノードオフガス凝縮器２（凝縮器）と、カソードオフガス凝縮器３（凝縮器）と、各凝縮器１，２，３で凝縮させた凝縮水を精製（浄化）させる水精製器４と、凝縮器１，２，３と水精製器４とを繋ぐ回収流路５とを有する。

アノードガスは、ガス状または液状の燃料原料を改質装置２０１で改質（水蒸気改質）させた反応ガス（例えば水素ガスまたは水素含有ガス）であり、スタック８のアノードに供給されるものであり、改質反応などにおいて発生した二酸化炭素を含むことがある。アノードガス凝縮器１は、冷却水等の冷却媒体が流れる第１冷却通路１ｗを有しており、スタックのアノードに供給されるアノードガスを冷却することにより、アノードガスに含まれている水蒸気を凝縮させて凝縮水を生成する。これによりアノードガスの湿度は低下する。

アノードオフガス（アノードガスのオフガス）は、スタックのアノードの出口から排出された発電反応後のガスであり、発電反応等に基づく水蒸気を含む。アノードオフガス凝縮器２は、冷却水等の冷却媒体が流れる第２冷却通路２ｗを有しており、アノードオフガスを冷却することにより、アノードオフガスに含まれている水蒸気を凝縮させて凝縮水を生成する。これによりアノードオフガスの湿度は低下する。

カソードオフガス（カソードガスのオフガス）は、スタックのカソードの出口から排出された発電反応後のガスであり、発電反応等に基づく水蒸気を含む。カソードオフガス凝縮器３は、冷却水等の冷却媒体が流れる第３冷却通路３ｗを有しており、カソードオフガスを冷却することにより、カソードオフガスに含まれている水蒸気を凝縮させて凝縮水を生成する。これによりカソードオフガスの湿度は低下する。

図１に示すように、各凝縮器１，２，３で凝縮された凝縮水を集合させるように、各凝縮器１，２，３と水精製器４とを繋ぐ回収流路５が設けられている。回収流路５は、アノードガス凝縮器１で凝縮された凝縮水を一時的に溜める第１凝縮水タンク５１（一次貯留用の凝縮水タンク）と、アノードオフガス凝縮器２で凝縮された凝縮水を一時的に溜める第２凝縮水タンク５２（一次貯留用の凝縮水タンク）と、集合部５３ｋをもつ集合回収配管５３（回収配管）と、第１凝縮水タンク５１と集合回収配管５３とを第１バルブ５８を介して繋ぐ第１回収配管５４と、第２凝縮水タンク５２と集合回収配管５３とを第２バルブ５９を介して繋ぐ第２回収配管５５と、カソードオフガス凝縮器３と集合回収配管５３とを繋ぐ第３回収配管５６と、集合回収配管５３の先端に設けられた凝縮水集合タンク５７（二次貯留用の凝縮水タンク）とを有する。

図１に示すように、第３回収配管５６はカソードオフガス（例えば空気）を排出する排出口５６ｄをもつ。集合回収配管５３は、鉛直方向に沿って延設されている縦配管部分５３ａと、水平方向に対して所定角度傾斜している横配管部分５３ｃとを有する。仮想水平線５３ｅに対する横配管部分５３ｃの傾斜角θａは６０°〜３°の範囲において設定されている。

第１凝縮水タンク５１は、アノードガス凝縮器１の重力方向の下方に配置されており、アノードガス凝縮器１で凝縮された凝縮水を一時的に溜める一次貯留用の凝縮水タンクである。第１バルブ５８は第１凝縮水タンク５１と凝縮水集合タンク５７との間には設けられている。第１バルブ５８は、通常時には閉鎖されており、アノードガス凝縮器１を流れるアノードガスが流出しないようされている。第１凝縮水タンク５１に設けられている第１レベルセンサ５１ｘが所定の水位を検知すると、その検知信号が制御部９０に入力され、制御部９０は第１バルブ５８を開放させる指令を出力する。第１バルブ５８が開放されると、第１凝縮水タンク５１に溜められている凝縮水は集合回収配管５３を介して凝縮水集合タンク５７に供給される。なお、燃料電池システムの運転中において、第１凝縮水タンク５１には一定流量の凝縮水が溜まるように設定されている。水でシールするためである。

凝縮水集合タンク５７（凝縮水タンク）は、第１凝縮水タンク５１および第２凝縮水タンク５２よりも重力方向の下方に配置されている二次貯留用の凝縮水タンクである。凝縮水集合タンク５７は、エア抜き５７ｍとドレイン５７ｎとをもつ。凝縮水集合タンク５７と水精製器４とを繋ぐ連通配管６０が設けられている。連通配管６０は、水搬送源として機能するポンプ６１と、凝縮水集合タンク５７の水を吸い込むように凝縮水集合タンク５７内に進入する吸込口６２とをもつ。

第２凝縮水タンク５２は、アノードオフガス凝縮器２の重力方向の下方に配置されており、アノードオフガス凝縮器２で凝縮された凝縮水を一時的に溜める一次貯留用の凝縮水タンクである。第２凝縮水タンク５２と凝縮水集合タンク５７との間には、第２バルブ５９が設けられている。第２バルブ５９は、通常時には閉鎖されており、アノードオフガス凝縮器２を流れるアノードオフガスが流出しないようされている。第２凝縮水タンク５２に設けられている第２レベルセンサ５２ｘが所定の水位を検知すると、その検知信号が制御部９０に入力され、制御部９０は第２バルブ５９を開放させる指令を出力する。第２バルブ５９が開放されると、第２凝縮水タンク５２の凝縮水は集合回収配管５３を介して凝縮水集合タンク５７に供給される。カソードオフガス凝縮器３で凝縮された凝縮水は、集合回収配管５３を介して凝縮水集合タンク５７に供給される。なお、燃料電池システムの運転中において、第２凝縮水タンク５２には一定流量の凝縮水が溜まるように設定されている。水でシールするためである。

上記したように凝縮水集合タンク５７（二次貯留用の凝縮水タンク）は、第１凝縮水タンク５１に溜められた凝縮水、第２凝縮水タンク５２で溜められた凝縮水、カソードオフガス凝縮器３で凝縮された凝縮水をまとめて一次的に溜めることができる。

振動発生部として機能する第１超音波振動発生部７１は、第１凝縮水タンク５１に外壁面に設けられており、第１凝縮水タンク５１の底部に対面している第１底部７１ａと、第１凝縮水タンク５１の側部に対面している第１側部７１ｃとを有する。このため第１凝縮水タンク５１に溜められている凝縮水に複数の方向から超音波振動を効率よく与えることができ、凝縮水からのガス放出性を高めることができる。振動発生部として機能する第２超音波振動発生部７２は、第２凝縮水タンク５２の外壁面に設けられており、第２凝縮水タンク５２の底部に対面している第２底部７２ａと、第２凝縮水タンク５２の側部に対面している第２側部７２ｃとを有する。このため第２凝縮水タンク５２に溜められている凝縮水に複数の方向から超音波振動を効率よく与えることができ、凝縮水からのガス放出性を高めることができる。

振動発生部として機能する第３超音波振動発生部７３は、凝縮水集合タンク５７の外壁面に設けられており、凝縮水集合タンク５７の底部に対面している底部７３ａと、凝縮水集合タンク５７の側部に対面している側部７３ｃとを有する。このため凝縮水集合タンク５７に溜められている凝縮水に複数の方向から超音波振動を効率よく与えることができる。第４超音波振動発生部７４は、集合回収配管５３の横配管部分５３ｃの中心軸線を１周、１周以上または１／２周以上巻回されるように、集合回収配管５３の周方向に沿って集合回収配管５３の外壁面に設けられている。このため集合回収配管５３を流れる凝縮水に、複数の方向から超音波振動を効率よく与えることができる。第４超音波振動発生部７４は、集合回収配管５３の外壁面のうち凝縮水集合タンク５７に接近して設けられており、すなわち、集合回収配管５３のうち、鉛直方向にそって延設されている縦配管部分５３ａではなく、水平方向に沿って延設されつつ多少傾斜している横配管部分５３ｃに設けられている。縦配管部分５３ａを流れる凝縮水の流速は速いため、縦配管部分５３ａに存在する凝縮水の流量も少なく、凝縮水に超音波振動を効率よく与えて吸蔵ガスを放出させるには限界がある。よって、鉛直方向にそって延設されている縦配管部分５３ａには超音波振動発生部は設けられていない構造が採用されている。

これに対して、横配管部分５３ｃの傾斜角θａは６０°〜３°の範囲において設定されており、鉛直方向ではなく、更に、水平方向でもなく、鉛直方向および水平方向の双方に対して傾斜している。この結果、横配管部分５３ｃを流れる凝縮水の流速は縦配管部分５３ａに比較して遅い。故に、横配管部分５３ｃに溜まる凝縮水の流量は確保され、横配管部分５３ｃに存在する凝縮水に超音波振動を効率よく与えることができ、凝縮水からのガス放出性を高めることができる。

更に、横配管部分５３ｃは仮想水平線５３ｅに対して傾斜している。このため、横配管部分５３ｃの凝縮水から吸蔵ガスが放出されたとき、その放出ガスを縦配管部分５３ａを介して矢印Ｕ１方向に浮上させ、第３回収配管５６の排出口５６ｄから排出できる。更にまた上記したように第４超音波振動発生部７４は、集合回収配管５３の横配管部分５３ｃに設けられており、凝縮水集合タンク５７に接近している。この場合、横配管部分５３ｃに存在する凝縮水から超音波振動により吸蔵ガスが放出されると、その放出ガスは速やかに凝縮水集合タンク５７の凝縮水に流入でき、凝縮水集合タンク５７の水面５７ｔに浮上して第３気相空間５７ｖ（第３気相空間）に放出される。ここで、第４超音波振動発生部７４が凝縮水集合タンク５７に接近している形態としては、横配管部分５３ｃの外径をＤとすると、第４超音波振動発生部７４と凝縮水集合タンク５７との間隔ＬＡ（図１参照）は、（２×Ｄ）以内、（５×Ｄ）以内、（１０×Ｄ）以内である形態が例示される。水精製器４は、精製タンク４０と、精製タンク４０に設けられた水精製材４１とを有する。水精製材４１は、イオン交換樹脂で形成されたビーズの集合体で形成されている。場合によっては、水精製材４１は、イオン交換樹脂で形成された膜で形成しても良く、要するに凝縮水を純水化できるものであればよい。

燃料電池システムの運転時には、スタック８のアノードに供給されるアノードガスは、スタック８に供給される前に、アノードガス凝縮器１を通過する。そしてアノードガスはアノードガス凝縮器１で冷却され、アノードガスに含まれている水蒸気が凝縮して凝縮水が生成され、その凝縮水は重力により第１凝縮水タンク５１に流下する。

スタック８のアノードから吐出されたアノードオフガスは、改質装置２０１のバーナに供給される前に、アノードオフガス凝縮器２を通過する。そしてアノードオフガスはアノードオフガス凝縮器２で冷却され、アノードオフガスに含まれている水蒸気が凝縮して凝縮水が生成され、その凝縮水は第２凝縮水タンク５２に重力により流下する。

スタック８のカソードから吐出されたカソードオフガスは、大気に放出される前に、カソードオフガス凝縮器３を通過する。そしてカソードオフガスはカソードオフガス凝縮器３で冷却され、カソードオフガスに含まれている水蒸気が凝縮して凝縮水が生成され、集合回収配管５３に流下する。上記した各凝縮水は重力により集合回収配管５３から凝縮水集合タンク５７に供給されて一時的に溜められる。ポンプ６１が駆動すると、凝縮水集合タンク５７に一時的に回収水として溜められていた凝縮水は、連通配管６０（回収流路の一部）を介して水精製器４に供給される。水精製器４に供給された水に含まれているイオンが除去され、水は精製される。精製された水は、高温の蒸発部で水蒸気化され、改質装置２０１における改質反応に使用される。

燃料電池システムの運転中において、制御部９０は、第１超音波振動発生部７１、第２超音波振動発生部７２、第３超音波振動発生部７３、第４超音波振動発生部７４を連続的に、あるいは、必要に応じて作動させる指令を出力し、これらを超音波振動させる。

ここで、第１超音波振動発生部７１が作動すると、第１凝縮水タンク５１に溜められている凝縮水に超音波振動が与えられる。このため、その凝縮水に溶け込んでいた吸蔵ガス（二酸化炭素、酸素、窒素など）は、ガス気泡として凝縮水の水面５１ｆから、水面５１ｆ上の第１気相空間５１ｖ（第１気相空間）に放出される。図１に示すように、第１凝縮水タンク５１は、水面５１ｆ上方に第１気相空間５１ｖを形成するように凝縮水を一次的に溜める第１タンク本体５１ａと、第１気相空間５１ｖに連通すると共にアノードガスが流入する第１流入口５１ｂと、第１気相空間５１ｖに連通すると共にアノードガスが流出する第１流出口５１ｃとを備えている。アノードガスは第１流入口５１ｂから第１流出口５１ｃに向けて矢印Ａ１方向に流れる。従って、第１超音波振動発生部７１が作動して凝縮水から第１気相空間５１ｖに放出された放出ガスは、アノードガスの流れ（矢印Ａ１方向）によって第１流出口５１ｂに運ばれ、第１流出口５１ｂから第１凝縮水タンク５１の外方に放出され、スタック１のアノードに供給される。このように凝縮水を第１凝縮水タンク５１に溜めた状態で、その凝縮水に超音波振動を与えれば、大きな流量の凝縮水に超音波振動を効果的に与えることができ、凝縮水からのガス放出性を高めることができる。

この場合、第１凝縮水タンク５１における第１気相空間５１ｖは一定圧以下とされている。このため凝縮水に溶け込んでいる吸蔵ガスのガス気泡は、浮力により第１凝縮水タンク５１の凝縮水の水面５１ｆまで容易に浮上でき、水面５１ｆ上の第１気相空間５１ｖへ吸蔵ガスを放出できる。

また、第２超音波振動発生部７２が作動すると、第２凝縮水タンク５２に溜められている凝縮水に超音波振動が与えられるため、その凝縮水に溶け込んでいたガス（二酸化炭素、酸素、窒素など）は凝縮水の水面５２ｓから、水面５２ｓ上の第２気相空間５２ｖ（第２気相空間）に放出される。ここで、図１に示すように、第１凝縮水タンク５１は、水面５１ｓ上方に第２気相空間５２ｖを形成するように凝縮水を一次的に溜める第２タンク本体５２ａと、第２気相空間５２ｖに連通すると共にアノードガスが流入する第２流入口５２ｂと、第２気相空間５２ｖに連通すると共にアノードガスが流出する第２流出口５２ｃとを備えている。アノードオフガスは第２流入口５２ｂから第２流出口５２ｃに向けて矢印Ａ２方向に流れる。そして、第２超音波振動発生部７２が作動して凝縮水から第２気相空間５２ｖに放出された放出ガスは、アノードガスの流れ（矢印Ａ２方向）によって第２流出口５２ｃに向けて運ばれ、第２流出口５２ｃから第２凝縮水タンク５２の外方に放出され、最終的には、改質装置２０１のバーナの燃焼火炎に供給される。上記したように凝縮水を第２凝縮水タンク５２に溜めた状態で、その凝縮水に超音波振動を与えれば、大きな流量の凝縮水に超音波振動を効果的に与えることができ、凝縮水からのガス放出性を高めることができる。

この場合、第２凝縮水タンク５２における第２気相空間５２ｖは、改質装置２０１のバーナを介して、大気に連通されているため、一定圧以下とされている。このため第２凝縮水タンク５２の凝縮水に溶け込んでいる吸蔵ガスのガス気泡は、浮力により第２凝縮水タンク５２の凝縮水の水面５２ｓまで容易に浮上でき、水面５２ｓ上の第２気相空間５２ｖへ吸蔵ガスを放出できる。

更に第３超音波振動発生部７３が作動すると、凝縮水集合タンク５７に溜められている凝縮水に超音波振動が与えられるため、その凝縮水に溶け込んでいたガス（二酸化炭素、酸素、窒素など）は凝縮水の水面５７ｔから、水面５７ｔ上の第３気相空間５７ｖ（第３気相空間）に放出される。第３気相空間５７ｖに放出されたガスは、エア抜き５７ｍから大気に放出される。

なお、凝縮水集合タンク５７における第３気相空間５７ｖはエア抜き５７ｍにより大気に連通しているため、第３気相空間５７ｖは大気圧雰囲気であり、殊に、吸蔵ガスのガス気泡は、浮力により凝縮水集合タンク５７の凝縮水の水面５７ｔまで容易に浮上でき、水面５７ｔ上の第３気相空間５７ｖへ吸蔵ガスを放出できる。

本実施形態によれば、上記したように複数の凝縮器１，２，３から供給された凝縮水を凝縮水集合タンク５７にまとめた状態で、その凝縮水に超音波振動を与えれば、大きな流量の凝縮水に超音波振動を効果的に与えることができ、凝縮水からのガス放出性を高めることができる。

以上説明したように実施形態によれば、水精製器４の上流に存在する凝縮水に対して超音波振動を与え、その凝縮水に溶け込んでいる吸蔵ガス（二酸化炭素、酸素、窒素）を、凝縮水の外方に積極的に放出させることができる。この結果、凝縮水が流れる回収流路５等の凝縮水回収流路（水精製器４の上流の凝縮水回収流路）において、ガス気泡が過剰に発生することが抑制される。よって、過剰なガス気泡に起因する通水不良が抑制される。

更に本実施形態によれば、凝縮水に溶け込んでいる吸蔵ガスが水精製器４に供給されることが抑制される。このため水精製器４に対して悪影響を与えることが抑制され、水精製器４の水精製材４１の長寿命化に有利となる。例えば、凝縮水に溶け込んでいるガスが二酸化炭素である場合には、二酸化炭素から炭酸イオンが発生することが抑制される。故に、炭酸イオンにより水精製器４の水精製材４１の寿命が低下することが抑制される。よって、水精製器４の水精製材４１の長寿命化を図り得る。図１から理解できるように、上記した超音波振動発生部７１，７２，７３は回収流路５においてポンプ６１（水搬送源）の上流に設けられている。このため凝縮水がポンプ６１の吸込ポート６１ｉに到達するときには、凝縮水からガスの全部または大部分が放出されている。このため吸蔵ガスがポンプ６１に影響を与えることが抑制されている。なお、水精製器４に貯留されている凝縮水に対して超音波振動を与えることは、水精製材４１の長寿命化の観点から回避することが好ましい。連通配管６０に超音波振動発生部を設けても良い。

（実施形態２）
図２は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。第１凝縮水タンク５１に所定量以上の凝縮水が溜められていることを検知する貯留量検知手段として機能する第１貯留センサ５１ｒが第１凝縮水タンク５１に設けられている。第１貯留センサ５１ｒの検知信号は制御部９０に入力される。第１凝縮水タンク５１に所定量以上の凝縮水が溜められている条件のもとで、制御部９０は第１超音波振動発生部７１を作動させ、第１凝縮水タンク５１に溜められている凝縮水に超音波振動が与えられる。

更に、第２凝縮水タンク５２に所定量以上の凝縮水が溜められていることを検知する貯留量検知手段として機能する第２貯留センサ５２ｒが第２凝縮水タンク５２に設けられている。第２貯留センサの検知信号は制御部９０に入力される。第２凝縮水タンク５２に所定量以上の凝縮水が溜められている条件のもとで、第２超音波振動発生部７２が作動すると、第２凝縮水タンク５２に溜められている凝縮水に超音波振動が与えられる。

更にまた、凝縮水集合タンク５７に所定量以上の凝縮水が溜められていることを検知する貯留量検知手段として機能する第３貯留センサ５７ｒが凝縮水集合タンク５７に設けられている。第３貯留センサ５７ｒの検知信号は制御部９０に入力される。凝縮水集合タンク５７に所定量以上の凝縮水が溜められている条件のもとで、第３超音波振動発生部７３が作動すると、凝縮水集合タンク５７に溜められている凝縮水に超音波振動が与えられる。このように凝縮水の貯留量が少ないときに、第１超音波振動発生部７１、第２超音波振動発生部７２および第３超音波振動発生部７３を作動させ無い。

すなわち、凝縮水がタンク５１，５２，５７に一定量以上溜まっている条件において、第１超音波振動発生部７１、第２超音波振動発生部７２および第３超音波振動発生部７３を作動させる。このため、第１超音波振動発生部７１、第２超音波振動発生部７２および第３超音波振動発生部７３の長時間の連続作動が抑制される。故に、ガス放出性を確保しつつ、第１超音波振動発生部７１、第２超音波振動発生部７２および第３超音波振動発生部７３の長寿命化を図ることができる。

（実施形態３）
実施形態３は実施形態１と基本的には同様の構成および作用効果を有するため、図１を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。回収流路５に凝縮水が流れるときに、第４超音波振動発生部７４が作動するように設定されている。更に説明を加える。第１凝縮水タンク５１に設けられている第１レベルセンサ５１ｘが所定の水位を検知すると、その検知信号が制御部９０に入力され、制御部９０は第１バルブ５８を開放させる開放指令を出力する。このように第１バルブ５８が開放されてから第１所定時間経過すると、制御部９０は第４超音波振動発生部７４を一定時間作動させ、集合回収配管５３の横配管部分５３ｃを流れる凝縮水に対して超音波振動を与える。第１所定時間は、第１バルブ５８が開放すると、第１凝縮水タンク５１から重力で流下する凝縮水が第４超音波振動発生部７４（横配管部分５３ｃ）に到達する時間に相当し、すなわち、第１バルブ５８から横配管部分５３ｃの始端までの距離に相当する。このため、燃料電池システムが運転している間全てにわたり、第４超音波振動発生部７４を連続的に作動せずとも良い。従って、集合回収配管５３の横配管部分５３ｃを凝縮水が流れるとき、凝縮水に対して超音波振動を効率よく与えることができる。

また第２凝縮水タンク５２に設けられている第２レベルセンサ５２ｘが所定の水位を検知すると、その検知信号が制御部９０に入力され、制御部９０は第２バルブ５９を開放させる開放指令を出力する。第２バルブ５９が開放されてから第２所定時間経過すると、制御部９０は第４超音波振動発生部７４を作動させ、集合回収配管５３の横配管部分５３ｃを流れる凝縮水に対して超音波振動を与える。第２所定時間は、第２バルブ５９が開放すると、第２凝縮水タンク５２から重力で流下する凝縮水が第４超音波振動発生部７４（横配管部分５３ｃ）に到達する時間に相当し、すなわち、第２バルブ５９から横配管部分５３ｃまでの距離に相当する。このため、集合回収配管５３の横配管部分５３ｃを凝縮水が流れるとき、凝縮水に対して超音波振動を効率よく与えることができる。

このような本実施形態によれば、燃料電池システムが運転している間全てにわたり、第４超音波振動発生部７４を連続的に作動せずとも良い。従って、必要なときに、すなわち、第４超音波振動発生部７４が装備されている横配管部分５３ｃを凝縮水が流れるとき、制御部９０が第４超音波振動発生部７４を作動させるため、第４超音波振動発生部７４の作動時間が節約され、第４超音波振動発生部７４の長寿命化が図られる。

（実施形態４）
図３は実施形態４を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。第２凝縮水タンク５２には第２超音波振動発生部７２が設けられている。従って第２凝縮水タンク５２に溜まっている凝縮水から、二酸化炭素等のガスが放出される。カソードガス用の第２凝縮水タンク５２には超音波振動発生部が設けられている。これに対して、アノードガス用の第１凝縮水タンク５１には超音波振動発生部が設けられていない。従ってアノードガス用の第１凝縮水タンク５１に溜まっている凝縮水には、二酸化炭素等のガスが溶け込んでいるおそれがある。

言い換えれば、改質装置２０１からアノードガス凝縮器１および第１凝縮水タンク５１を介してスタック８のアノードに供給されるアノードガスについては、二酸化炭素の濃度ができるだけ低減されている。その理由としては、二酸化炭素は第１凝縮水タンク５１の凝縮水に溶け込んで吸蔵されているためである。従って、スタック８のアノードに供給されるアノードガスにおける二酸化炭素濃度を低下させることができ、アノードガスに含まれる活物質濃度（水素濃度）を高めることができる。この場合、スタック８での発電効率を向上させることを期待できる。

但し、スタック８のアノードから排出されたアノードオフガスから凝縮した凝縮水については、第２凝縮水タンク５２に凝縮水が溜められている状態で、第２超音波振動発生部７２により超音波振動が与えられ、二酸化炭素等の吸蔵ガスが第２凝縮水タンク５２の凝縮水から第３気相空間５２ｖに放出される。

（実施形態５）
図４は実施形態５を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。各凝縮器１，２，３で凝縮された凝縮水を集合させる凝縮水集合タンク５７に、第３超音波振動発生部７３が設けられている。この場合、各凝縮器１，２，３で凝縮された凝縮水を集合させた状態でまとめて超音波振動を与えることができる。第１凝縮水タンク５１および第２凝縮水タンク５２には超音波振動発生部が設けられていない。コスト低減などのためである。各凝縮器１，２，３で凝縮された凝縮水を集合させる凝縮水集合タンク５７（水精製器４の上流）に対して第３超音波振動発生部７３から超音波振動が与えられるため、吸蔵ガスの放出性は確保されている。

（実施形態６）
図５は実施形態６を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。第１回収配管５４および第２回収配管５５（回収流路）は、仮想水平線に対して傾斜している。傾斜している第１回収配管５４には超音波振動発生部７７が設けられている。傾斜している第２回収配管５５には超音波振動発生部７８が設けられている。凝縮水集合タンク５７と水精製器４とを繋ぐ連通配管６０は、仮想水平線に対して傾斜している傾斜配管部分６０ｍをもつ。傾斜配管部分６０ｍには超音波振動発生部７９が設けられている。

（他の実施形態）
上記した実施形態によれば、第１超音波振動発生部７１は、第１凝縮水タンク５１に外壁面に設けられているが、第１凝縮水タンク５１に内壁面に設けられていても良く、あるいは、第１凝縮水タンク５１に貯留されている凝縮水に浸漬されていても良い。第２超音波振動発生部７２、第３超音波振動発生部７３についても同様である。

第１超音波振動発生部７１は、第１凝縮水タンク５１の底部に対面している第１底部７１ａと、第１凝縮水タンク５１の側部に対面している第１側部７１ｃとを有するが、これに限らず、第１底部７１ａのみでも良いし、第１側部７１ｃのみでも良い。第２超音波振動発生部７２、第３超音波振動発生部７３についても同様である。第４超音波振動発生部５４は横配管部分５３ｃを周方向に１周するように包囲しているが、これに限らず、１／２周以上、２／３周以上、１／３周以上でも良い。

上記した実施形態によれば、改質装置２０１を有する燃料電池システムに適用されているが、これに限らず、改質装置２０１を有しない燃料電池システムに適用しても良い。その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施可能である。ある実施形態に特有の構造および機能は他の実施形態についても適用できる。すなわち、各実施形態は他の実施形態に特有の構造および機能を併有することができる。上記した記載から次の技術的思想が把握される。

［付記項１］燃料電池システムで用いられる反応ガスおよび／または反応オフガスを冷却させることにより、反応ガスおよび／または反応オフガスに含まれている水蒸気を凝縮させて凝縮水を生成させる凝縮器と、前記凝縮器で凝縮させた凝縮水の純度を高めるように凝縮水を精製させる水精製器と、前記凝縮器と前記水精製器とを繋ぐ回収流路に設けられ、回収流路の凝縮水に振動を与え、凝縮水に溶け込んでいる吸蔵ガスを放出させる振動発生部とを具備しており、前記回収流路に一定量以上の凝縮水が溜められている条件のもとで前記振動発生部を作動させる制御部が設けられていることを特徴とする燃料電池の水精製システム。この場合、回収流路に一定量以上の凝縮水が溜められている条件が満足されないときには、制御部は振動発生部を作動させない。振動発生部の作動時間を短縮でき、振動発生部の長寿命化を図り得る。

［付記項２］請求項１において、前記回収流路は、前記凝縮器で凝縮された凝縮水を一時的に溜める単数または複数の一次貯留用の凝縮水タンクと、前記一次貯留用の凝縮水タンクで溜められた凝縮水を一時的に溜める二次貯留用の凝縮水タンクと、前記一次貯留用の凝縮水タンクと前記二次貯留用の凝縮水タンクとを連通させる回収配管（集合回収配管）とを備えており、前記振動発生部は、前記一次貯留用の凝縮水タンク、前記二次貯留用の凝縮水タンクおよび／または前記回収配管に設けられていることを特徴とする燃料電池の水精製システム。

本発明は例えば定置用、車両用、電子機器用、電気機器用、可搬用の燃料電池システムに利用することができる。

実施形態１のシステム図である。 実施形態２のシステム図である。 実施形態４のシステム図である。 実施形態５のシステム図である。 実施形態６のシステム図である。

符号の説明

１はアノードガス凝縮器、２はアノードオフガス凝縮器、２０１は改質装置、３はカソードオフガス凝縮器、４は水精製器、５は回収流路、５１は第１凝縮水タンク、５１ｖは第１気相空間、５２は第２凝縮水タンク、５２ｖは第２気相空間、５３は集合回収配管、５３ａは縦配管部分、５３ｃは横配管部分、５７は凝縮水集合タンク、５７ｖは第３気相空間、７１〜７４は超音波振動発生部（振動発生部）を示す。

Claims (6)

1. 燃料電池システムで用いられるガスを冷却させることにより、ガスに含まれている水蒸気を凝縮させて凝縮水を生成させる凝縮器と、
   前記凝縮器で凝縮させた凝縮水の純度を高めるように凝縮水を精製させる水精製器と、
   前記凝縮器と前記水精製器とを繋ぐ回収流路に設けられ、前記回収流路における凝縮水に振動を与え、凝縮水に溶け込んでいる吸蔵ガスを放出させる振動発生部とを具備しており、
   前記凝縮器で凝縮された凝縮水が前記水精製器に供給される前に、凝縮水に溶け込んでいる吸蔵ガスを凝縮水から放出させることを特徴とする燃料電池の水精製システム。
2. 請求項１において、前記回収流路は、前記凝縮器で凝縮された凝縮水を一時的に溜める単数または複数の凝縮水タンクと、前記凝縮器で凝縮された凝縮水を回収するように配置された回収配管とを備えており、前記振動発生部は、前記凝縮水タンクおよび／または前記回収配管に設けられていることを特徴とする燃料電池の水精製システム。
3. 請求項２において、前記凝縮水タンクは、ガスが流れる気相空間を凝縮水の水面上方に形成するように凝縮水を一次的に溜めるタンク本体と、前記気相空間に連通すると共にガスが流入する流入口と、前記気相空間に連通すると共にガスが流出する流出口とを備えており、
   前記振動発生部は、前記タンク本体に貯留されている凝縮水に振動を与えるように設けられており、前記タンク本体の凝縮水から前記気相空間に放出された放出ガスは、ガスにより前記流出口から流出することを特徴とする燃料電池の水精製システム。
4. 請求項２または３において、前記振動発生部は、前記回収配管のうち仮想水平線に対する傾斜角が最大で６０°、最小で３°傾斜している配管部分に設けられていることを特徴とする燃料電池の水精製システム。
5. 請求項１において、前記回収流路は、前記凝縮器で凝縮された凝縮水を一時的に溜める第１凝縮水タンクと、前記第１凝縮水タンクの凝縮水が供給され凝縮水を一時的に溜める第２凝縮水タンクと、前記第１凝縮水タンクと前記第２凝縮水タンクとを繋ぎ前記第１凝縮水タンクの凝縮水を前記第２凝縮水タンクに供給する回収配管とを備えており、前記振動発生装置は、前記第１凝縮水タンク、前記第２凝縮水タンクおよび前記回収配管のうちの少なくとも一つに設けられていることを特徴とする燃料電池の水精製システム。
6. 請求項１において、前記回収流路は、前記凝縮器で凝縮された凝縮水を一時的に溜める単数または複数の凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクと前記水精製器とを繋ぐ回収配管とを備えており、前記振動発生部は、前記凝縮水タンクおよび／または前記回収配管に設けられていることを特徴とする燃料電池の水精製システム。

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