JP3921935B2 - 燃料電池コジェネシステム - Google Patents
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- Y02E60/50—Fuel cells
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池コジェネシステムの水処理に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電装置は水素と酸素の直接反応により電気エネルギーに変換するもので、発電効率が高く、大気汚染物質もほとんど排出しないことから環境にやさしい発電装置である。発電の際には熱を発生するので、これを回収することにより、コジェネシステムを構築することができ、その場合のエネルギー効率は７０〜８０％となり、地球温暖化防止に貢献できるものである。
【０００３】
現在開発が進められている燃料電池は、都市ガスなどの原料を水と反応させることにより、燃料となる水素を作る水素生成部を設け、ここで生成した水素リッチなガスを用いて発電を行う方式が一般的である。水素生成には触媒が用いられるが、この触媒の被毒による性能低下防止や、金属イオンなど不純物の水素生成器内部への付着による性能低下などの不具合を防止するため、水素生成器に供給される水は触媒被毒物質や金属イオンなどの不純物が除去されていなければならない。
【０００４】
また、効率よく発電するためには、燃料電池本体を最適温度に保つことが必要であるため、冷却が必要となる。冷却用の媒体としては多くの場合、水が用いられるが、貯湯槽を設けて、冷却水によって燃料電池外部へ持ち出された熱を、湯として貯えればコジェネシステムを構築できる。水を用いて冷却する場合、水の導電率が高いと漏電の恐れがあるため、冷却水はイオンを除去して低い導電率を保つ必要がある。
【０００５】
これらのことから、水素生成用および燃料電池冷却用として供給する水は、イオン含有量を極力抑えるような浄化が必要となり、一般にイオン交換樹脂が多く用いられる。
【０００６】
これらの水の供給源としては、水道水などの外部から導入した水や、システム内部からの回収水があり、水道水は、飲用として問題がないように人体にとって有害な成分は非常に低濃度にまで除去されているが、無害なカルシウム・マグネシウムなどの硬水成分や、ナトリウム・塩素などの塩分はかなり高濃度まで許容されている。また、殺菌のため蛇口での一定濃度以上になるように次亜塩素酸ナトリウムが添加されており、純度という点では非常に悪い水である。
【０００７】
また、地下水など他の水源から水を導入する場合も有機酸や硬水成分などが多量に含まれており、十分な浄化が必要な点では水道水と同様である。
【０００８】
一方、システム内部から回収される水は、燃料電池内部で発電時に水素（Ｈ2）と酸素（Ｏ2）の反応により生成されるので、原理的には高純度のものが得られる。燃料電池から排出されたガスを冷却することにより水分を凝縮させれば容易に回収することができる。
【０００９】
しかし実用的なシステムを構築する場合、安全性や熱効率などの理由により配管やバルブなど、金属製でなければならない部品があり、金属イオンが回収した水にまったく溶出しなくすることは困難である。また空気に触れることにより二酸化炭素が溶け込み炭酸イオンが生成し、導電率が高くなることもある。したがって回収水を水素生成器や燃料電池の冷却水として用いる場合もイオン交換樹脂などによる浄化が必要である。
【００１０】
さらに、水の回収率は燃料電池の運転条件にも依存し、十分な回収率で水を得るには凝縮器が大きくなり過ぎる、配管が複雑になりすぎる、などの理由により、十分な量の水を回収することは実際上困難である場合が多く、また自然蒸発や不具合による漏れなどにより水が減少することもあり、水道水など外部からの水の導入が必要となる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池コジェネシステムを実用化する場合には、このように十分な純度ではない外部から導入した水を用いることが必要になるため、イオン交換樹脂の劣化が早く、小型の装置では寿命が短く頻繁にメンテンナンスが必要となり、ランニングコストも高くなってしまう。
【００１２】
イオン交換樹脂の寿命を長くする方法として、前段に逆浸透膜を設置し、水を予備浄化した後、イオン交換樹脂で浄化するという方法が超純水製造などで多く用いられている。燃料電池用の浄水製造装置としても特開平１０−２３５３９６のように逆浸透膜を通してある程度浄化した水をイオン交換樹脂に通すものがある。
【００１３】
逆浸透膜は微細な穴のあいた膜で、ほとんどの不純物がこれを透過できず、水分子は透過するため、純度の高い水が膜の反対側にしみ出してくる。透過できなかった不純物は濃縮水として常に排出される。供給される水の圧力が高いほど、また温度が高いほど多くの水を浄化することができるが、大量の濃縮水が廃棄されるため、純水の必要量よりかなり多くの原水が必要となる。
【００１４】
また、逆浸透膜装置は、水処理量が増加するにつれ目詰まりなどにより性能低下が起こるので、逆浸透膜装置もまたメンテナンスが必要となるので、寿命を長くするには浄化する水の量は必要最低限度に抑えることが重要である。
【００１５】
燃料電池に供給する場合は、十分低いイオン濃度にするために逆浸透膜装置の下流にイオン交換樹脂を設け、これを通して燃料電池に水を供給することにより、イオン交換樹脂の劣化を低減することは可能になるが、導入した原水の一部だけが逆浸透膜を通して浄化水として得られるもので、得られた浄化水と等量またはその数倍の水が不純物濃度の高くなった濃縮水として排出され、排出する水の分のランニングコストがかかってしまう。
【００１６】
また、廃棄する水をなくそうとすれば、廃水を原水に戻して再度浄化するための流路を設けるなどの、別の構成が必要となる。
【００１７】
本発明は、上記従来の燃料電池コジェネシステムの水処理手段が有する課題を解決するものであり、水の浄化に用いるイオン交換樹脂の寿命を長くしたり使用量を少なくするために逆浸透膜装置を用いて予備浄化する場合において、濃縮水の廃棄を削減することにより、ランニングコストを低減するものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池コジェネシステムは、燃料電池と、原料と水から前記燃料電池で燃料として使用する水素を生成する改質器と、貯湯槽と、発電時に前記燃料電池で発生した熱を回収する冷却水循環流路と、前記冷却水循環流路と熱交換して前記貯湯槽に湯を貯えるための貯湯水循環流路と、前記貯湯槽へ水を導入する貯湯水供給流路と、前記改質器および／または前記冷却水循環流路に供給する水を浄化するイオン交換樹脂とを備え、前記イオン交換樹脂に導入する水の予備浄化を行う逆浸透膜装置を前記貯湯水供給流路あるいは前記貯湯水循環流路に設け、前記逆浸透膜装置から排出される濃縮水が前記貯湯槽に供給されるよう構成されていることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の燃料電池コジェネシステムは、前記逆浸透膜装置が前記貯湯水循環流路に設けられ、前記逆浸透膜装置の入口側に設けられた逆浸透膜入口側流路切替弁と、前記逆浸透膜装置の濃縮水排出側に設けられた濃縮水排出側流路切替弁と、前記逆浸透膜装置を経由しないで前記逆浸透膜入口側流路切替弁と濃縮水排出側流路切替弁との間を結ぶバイパス流路とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の燃料電池コジェネシステムは、前記逆浸透膜装置に供給される水の温度を測定する温度検出手段を有し、前記温度検出手段により測定された温度に応じて前記バイパス流路と前記逆浸透膜装置に流す水の比率を調節することを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の燃料電池コジェネシステムは、前記逆浸透膜装置が前記貯湯水循環流路に設けられ、前記逆浸透膜装置の入口側流路に水の圧力を増加させるための昇圧手段を備えたことを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の燃料電池コジェネシステムは、前記逆浸透膜装置が前記貯湯水循環流路に設けられ、前記逆浸透膜装置で予備浄化された水を貯える貯水タンクと、前記貯水タンクに貯えられた水量を計測する水量計測手段とを備えたことを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の燃料電池コジェネシステムは、前記逆浸透膜装置が前記貯湯水循環流路に設けられ、前記改質器および／または前記冷却水循環流路に供給される水の流量を測定する流量測定手段を備えたことを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の燃料電池コジェネシステムは、前記逆浸透膜装置が前記貯湯水循環流路に設けられ、前記燃料電池の発電量を測定する発電量測定手段と、前記発電量測定手段の検出値から水の回収量を推定する回収水量推定手段とを備えたことを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の燃料電池コジェネシステムは、前記逆浸透膜装置が前記貯湯水供給流路に設けられ、前記逆浸透膜装置で予備浄化した水が不足した場合に、前記貯湯水を排出することを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池発電コジェネシステムの構成図であり、１は燃料電池、２は改質器、３は改質器加熱のための燃焼部、４は貯湯槽、５は熱交換器、７は凝縮器、８は貯水タンク、９は冷却水タンク、１０は逆浸透膜装置、１１は貯湯水供給流路、１２は貯湯水循環流路、１３ａ、１３ｂはイオン交換樹脂、１５は冷却水循環ポンプ、１６は冷却水供給ポンプ、１７は改質水供給ポンプ、１８は送風機、１９は貯湯水循環ポンプ、２０はレベルセンサ、２５は冷却水循環流路、２６は貯湯水を排出するためのドレインバルブ、３０はシステム全体を制御する制御部である。
【００２８】
以上のように構成された燃料電池コジェネシステムについて、以下、その動作について説明する。
【００２９】
改質器２で都市ガスと水を反応させて水素を生成し、水素リッチなガスが燃料電池１に供給される。水素生成には触媒が用いられ、改質器２は触媒活性が最適になるように燃焼部３で都市ガスを燃焼させることにより加熱される。また送風機１８によって空気が燃料電池１に供給され、燃料電池１内部で水素と空気中の酸素が反応することにより発電し、それに伴って水が生成される。
【００３０】
また、冷却水循環流路２５に設けられた冷却水タンク９から、冷却水循環ポンプ１５によって水が燃料電池内部を流れ、発電の際に生じた熱を回収する。冷却水タンク９の中の水が減少するとレベルセンサ２０により水位の低下を検知し、その信号が制御部３０に送られ、冷却水供給ポンプ１６によって、冷却水が補給される。
【００３１】
一方、貯湯水循環流路１２には貯湯槽４から貯湯水循環ポンプ１９により貯湯水が送り出され、熱交換器５で燃料電池から回収した熱を冷却水から貯湯水に熱交換し、湯が貯湯槽４にもどって貯えられる。
【００３２】
燃料電池から排出された空気は凝縮器７を通して水を凝縮させて、水は貯水タンク８に入り、空気は装置の外に排出される。水素側の排気は改質器の燃焼部３に入り、都市ガスとともに燃焼させる。
【００３３】
貯湯槽４の湯が消費されるとその分だけ外部から水が貯湯槽４に導入される。その際、貯湯水供給流路１１に設置された逆浸透膜装置１０を通り、予備浄化された水が貯水タンク８へ供給され、濃縮水が貯湯槽４へ導入される。
【００３４】
逆浸透膜は微細な穴のあいた膜で、ほとんどの不純物がこれを透過できず、水分子は透過するため、純度の高い水が膜の反対側にしみ出してくる。透過できなかった不純物は濃縮水として排出される。通常逆浸透膜を用いた水浄化ではこの濃縮水は廃棄されるため、純水の必要量よりかなり多くの原水を供給することが必要となる。しかし、本実施例では、濃縮水は捨てられずに貯湯槽４に導入されるため、水を無駄にすることはない。
【００３５】
また、貯水タンク８にはシステム内部から回収された水と逆浸透膜装置で予備浄化された水が混合した水が貯えられており、これが改質水供給ポンプ１７によって改質器２に、冷却水供給ポンプ１６によって冷却水タンク９に、それぞれイオン交換樹脂１３ａ、１３ｂを通って高純度に浄化した後、供給される。
【００３６】
なお、本実施例では、逆浸透膜装置１０で予備浄化した水を貯水タンク８に導入し、システム内から回収した水と混合した後、イオン交換樹脂１３ａ、１３ｂを通しているが、イオン交換樹脂は、逆浸透膜装置１０で予備浄化した水と回収水と混合する前に設置しても同様の効果が得られる。
【００３７】
さらに、逆浸透膜装置１０で予備浄化した水を、貯水タンク８を経ずにイオン交換樹脂１３ａ、１３ｂに直接導入しても、同様の効果が得られる。
【００３８】
以上のように本実施例においては、貯湯槽４の湯を給湯に使用すると、逆浸透膜装置１０に水が供給され、通常の逆浸透膜装置での浄化においては廃棄される濃縮水を貯湯槽４に供給するので、水を無駄にすることなく、予備浄化した水を得ることができ、ランニングコストを抑えてイオン交換樹脂の長寿命化を図ることができるものである。
【００３９】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における燃料電池コジェネシステムの構成図であり、１は燃料電池、２は改質器、３は燃焼部、４は貯湯槽、５は熱交換器、７は凝縮器、８は貯水タンク、９は冷却水タンク、１０は逆浸透膜装置、１１は貯湯水供給流路、１２は貯湯水循環流路、１３ａ、１３ｂはイオン交換樹脂、１５は冷却水循環ポンプ、１６は冷却水供給ポンプ、１７は改質水供給ポンプ、１８は送風機、１９は貯湯水循環ポンプ、２０はレベルセンサ、２５は冷却水循環流路、２６は貯湯水を排出するためのドレインバルブ、３０は制御部である。
【００４０】
実施の形態１とは逆浸透膜装置１０が貯湯水供給流路１１ではなく貯湯水循環流路１２に設置されている点が異なっている。
【００４１】
冷却水の温度が一定の温度以上になると貯湯水循環流路１２に水が流れ、貯湯槽４に湯を貯え始めるので、それ以降運転中は常に逆浸透膜装置１０に水が供給され、予備浄化された水が貯水タンク８に貯えられる。
【００４２】
実施の形態１では、湯の使用量が少なく、そのまま冷めてしまった場合など、貯湯水供給流路１１に水が流れないまま、すなわち予備浄化された水が追加されないまま発電することになり、予備浄化済みの水が不足する恐れがある。しかし、本実施例では冷却水循環流路１２には運転中は冷却水の熱回収量に応じて常に水が流れるので、予備浄化済みの水が不足することはない。
【００４３】
以上のように本実施例おいては、燃料電池コジェネシステムを運転する際に、貯湯水循環流路１２に水が循環し逆浸透膜装置１０に水が供給され、濃縮水は貯湯循環流路１２にそのまま流れるので、水を無駄にすることなく、予備浄化した水を得ることができ、ランニングコストを抑えてイオン交換樹脂の長寿命化を図ることができるものである。
【００４４】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における燃料電池コジェネシステムの構成図であり、１は燃料電池、２は改質器、３は燃焼部、４は貯湯槽、５は熱交換器、７は凝縮器、８は貯水タンク、９は冷却水タンク、１０は逆浸透膜装置、１１は貯湯水供給流路、１２は貯湯水循環流路、１３ａ、１３ｂはイオン交換樹脂、１５は冷却水循環ポンプ、１６は冷却水供給ポンプ、１７は改質水供給ポンプ、１８は送風機、２０はレベルセンサ、２５は冷却水循環流路、２６は貯湯水を排出するためのドレインバルブ、３０は制御部である。
【００４５】
実施の形態２とは、逆浸透膜装置１０の入口側に逆浸透膜入口側流路切替弁２２、逆浸透膜装置１０の濃縮水排出側に濃縮水排出側流路切替弁２３、逆浸透膜装置１０を経由しないで逆浸透膜入口側流路切替弁２２と濃縮水排出側流路切替弁２３との間を結ぶバイパス流路２４とを設けた点で異なっている。
【００４６】
制御部３０はシステムの運転状況によって逆浸透膜入口側流路切替弁２２、濃縮水排出側流路切替弁２３を切り替え、逆浸透膜装置１０で必要量の水浄化を行い、浄化が不要な場合は余分に浄化をしないようにバイパス流路２４側へ水が流れるように切り替える。
【００４７】
なお、本実施の形態では２２、２３は流路切替弁バルブとしたが、逆浸透膜装置の入口側に流量比を調節するバルブを用いて、流量比を調節しても同様の効果が得られる。
【００４８】
以上のように本実施例おいては、予備浄化された水が十分にある場合や逆浸透膜装置１０のメンテナンスの際など、逆浸透膜装置１０に水を供給する必要のない場合に運転を停止することなく、逆浸透膜装置１０への水供給を止めることができる。また、不必要に水を浄化することを避けることにより、逆浸透膜装置のメンテナンスサイクルを長くすることができるものである。
【００４９】
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４におけるで燃料電池コジェネシステムの構成図であり、１は燃料電池、２は改質器、３は燃焼部、４は貯湯槽、５は熱交換器、７は凝縮器、８は貯水タンク、９は冷却水タンク、１０は逆浸透膜装置、１１は貯湯水供給流路、１２は貯湯水循環流路、１３はイオン交換樹脂、１５は冷却水循環ポンプ、１６は冷却水供給ポンプ、１７は改質水供給ポンプ、１８は送風機、１９は貯湯水循環ポンプ、２０はレベルセンサ、２２は逆浸透膜入口側流路切替弁、２３は濃縮水排出側流路切替弁、２４はバイパス流路、２５は冷却水循環流路、２６は貯湯水を排出するためのドレインバルブ、２７は温度センサ、３０は制御部である。
【００５０】
実施の形態３とは、逆浸透膜装置１０に供給される水の温度を測定する温度検出手段である温度センサ２７を設け、温度センサ２７により測定された温度に応じてバイパス流路２４と前記逆浸透膜装置１０に切り換えて水を流す点で異なっている。
【００５１】
発電とともに発生する熱は貯湯槽４に貯えられ、貯湯槽４内の水は貯湯槽上部から温度が上がっていく。貯湯水循環流路１２の貯湯槽出口は通常貯湯槽の下部にあり、低い温度の水が出てくるが、沸きあがりに近づくと、貯湯層下部の水も温度上昇してくるので、逆浸透膜装置１０に入る水の温度も高くなってくる。温度センサ２７で逆浸透膜装置１０に供給される水の温度を測定し、ある一定温度以上である場合には、逆浸透膜装置１０を流れないように逆浸透膜入口側流路切替弁２２、濃縮水排出側流路切替弁２３を切り換えて、バイパス流路２４に流れるようにする。
【００５２】
一般に、逆浸透膜は高温で劣化するため、逆浸透膜装置１０に供給する水は５０℃程度以下にする必要がある。したがって、沸きあがりに近づいた時にそのまま逆浸透膜装置に貯湯水がまわることを避ける必要があるが、このようにすることにより、貯湯水の温度が高い場合に逆浸透膜装置１０に水が流れ込むことを防ぐことができる。
【００５３】
なお、本実施例では、ある一定温度以上である場合には、逆浸透膜装置１０を流れないように逆浸透膜入口側流路切替弁２２、濃縮水排出側流路切替弁２３を切り換えて、バイパス流路２４に流れるようにしたが、流量比調節が可能な弁を用いてバイパス流路２４と逆浸透膜装置１０に流す水の比率を調節しても同様の効果が得られるものである。
【００５４】
以上のように本実施例おいては、逆浸透膜は温度が高いほど多くの純水が得られるので、温度によって逆浸透膜装置１０に流れる水量を調節することにより、必要な予備浄化水を得ることができる。また、逆浸透膜は一般に高温に弱いので、ある温度以上になった場合には逆浸透膜装置１０に水をまったく流さないことにより逆浸透膜装置の劣化を防止し、寿命を長くすることができるものである。
【００５５】
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５における燃料電池コジェネシステムの構成図であり、１は燃料電池、２は改質器、３は燃焼部、４は貯湯槽、５は熱交換器、７は凝縮器、８は貯水タンク、９は冷却水タンク、１０は逆浸透膜装置、１１は貯湯水供給流路、１２は貯湯水循環流路、１３はイオン交換樹脂、１４は昇圧ポンプ、１５は冷却水循環ポンプ、１６は冷却水供給ポンプ、１７は改質水供給ポンプ、１８は送風機、１９は貯湯水循環ポンプ、２０はレベルセンサ、２５は冷却水循環流路、２６は貯湯水を排出するためのドレインバルブ、３０は制御部である。
【００５６】
本実施例の特徴は、逆浸透膜装置１０の入口側流路に水の圧力を増加させるための昇圧手段である昇圧ポンプ１４を設けた点である。
【００５７】
貯湯水循環流路１２を流れる水は、貯湯水供給流路１１に比べて延べ流量ははるかに多いが、一般に水道水圧力よりも低く、その水圧が低い場合は逆浸透膜装置１０で得られる水が不足する恐れがある。昇圧ポンプ１４を逆浸透膜装置１０の入口側流路に設け、必要に応じて加圧することにより、逆浸透膜装置１０での浄化水量を調節でき予備浄化水の不足を避けることができる。
【００５８】
以上のように本実施例おいては、逆浸透膜装置１０は水の圧力が高いほど多くの浄化された水が得られるので、水の使用量が多く予備浄化の能力が不足した場合に、水の圧力を上げることにより、不足分を補うことが可能となる。
【００５９】
（実施の形態６）
図６は、本発明の実施の形態６における燃料電池コジェネシステムの構成図であり、１は燃料電池、２は改質器、３は燃焼部、４は貯湯槽、５は熱交換器、７は凝縮器、８は貯水タンク、９は冷却水タンク、１０は逆浸透膜装置、１１は貯湯水供給流路、１２は貯湯水循環流路、１３はイオン交換樹脂、１５は冷却水循環ポンプ、１６は冷却水供給ポンプ、１７は改質水供給ポンプ、１８は送風機、１９は貯湯水循環ポンプ、２０、２１はレベルセンサ、２２は逆浸透膜入口側流路切替弁、２３は濃縮水排出側流路切替弁、２５は冷却水循環流路、２６は貯湯水を排出するためのドレインバルブ、３０は制御部である。
【００６０】
本実施例の特徴は、逆浸透膜装置１０で予備浄化された水を貯える貯水タンク８と、貯水タンク８に貯えられた水量を計測する水量計測手段であるレベルセンサ２１を設けた点である。
【００６１】
貯水タンク８の水が少なくなると、水位が下がり、レベルセンサ２１でこの水位低下が検知され、制御部３０へ信号が送られる。この信号に基づき制御部３０が逆浸透膜入口側流路切替弁２２、濃縮水排出側流路切替弁２３に指令を送り逆浸透膜装置１０に水が流れるように流路を切り替える。
【００６２】
これにより、貯水タンク８の水量が少ないときのみ逆浸透膜装置１０での浄化を行うことができるので、逆浸透膜装置のメンテナンスサイクルを長くすることができる。
【００６３】
なお、本実施の形態では、水量計測手段としてレベルセンサを用いたが、タンクの重量の計測や光を用いた水面検出など他の方式によって、水量を測定しても同様の効果が得られる。
【００６４】
以上のように本実施例おいては、水量検出手段によって検出された水量が多い場合は、バイパス流路２４の流量を増加またはバイパス流路２４にのみ水を流すことにより、必要な時だけ逆浸透膜装置１０による水の予備浄化を行うことができ、逆浸透膜装置１０の寿命を延ばすことができるものである。
【００６５】
（実施の形態７）
図７は、本発明の実施の形態７における燃料電池コジェネシステムの構成図であり、１は燃料電池、２は改質器、３は燃焼部、４は貯湯槽、５は熱交換器、７は凝縮器、８は貯水タンク、９は冷却水タンク、１０は逆浸透膜装置、１１は貯湯水供給流路、１２は貯湯水循環流路、１３はイオン交換樹脂、１５は冷却水循環ポンプ、１６は冷却水供給ポンプ、１７は改質水供給ポンプ、１８は送風機、１９は貯湯水循環ポンプ、２０、２１はレベルセンサ、２５は冷却水循環流路、２６は貯湯水を排出するためのドレインバルブ、２８は流量比調節弁、３０は制御部、３４は流量計である。
【００６６】
本実施例の特徴は、改質器２とに供給される水の流量を測定する流量測定手段である流量計３４を設けた点である。
【００６７】
貯水タンク８の水位をレベルセンサ２０で検出するとともに、流量計３４で改質器に供給している水量を測定し、水の使用速度を求め、必要な量の水浄化が行えるように、制御部３０が流量比調節弁２８を調節し、必要な量の予備浄化を行う。
【００６８】
貯水タンク８の水位を検知してから逆浸透膜装置１０で浄化を始めても、使用量が多ければどんどん貯水タンクの水量が減少する可能性があるが、このようにすれば、必要量の水浄化を行い、かつ過剰な浄化を行うことがないため、逆浸透膜装置１０の寿命を長くすることができる。
【００６９】
以上のように本実施例おいては、発電したい電力に応じて生成する水素の量を変化させる場合、改質水量もこれに応じて変化させることになるので、改質水量を検知することにより、水の使用量がわかるので、使用量が多い場合は逆浸透膜装置１０を通る水の量を増加させ、使用量が少ない場合は逆浸透膜装置１０を通る水の量を減少させることにより、必要量だけ水の予備浄化を行うことができ、逆浸透膜装置１０の寿命を延ばすことができる。
【００７０】
なお、冷却水循環流路１２に供給される水の流量を測定して、必要な量の水浄化が行えるように、制御部３０が流量比調節弁２８を調節しても同様な効果が得られるものである。
【００７１】
（実施の形態８）
図８は、本発明の実施の形態８における燃料電池コジェネシステムの構成図であり、１は燃料電池、２は改質器、３は燃焼部、４は貯湯槽、５は熱交換器、７は凝縮器、８は貯水タンク、９は冷却水タンク、１０は逆浸透膜装置、１１は貯湯水供給流路、１２は貯湯水循環流路１３はイオン交換樹脂、１５は冷却水循環ポンプ、１６は冷却水供給ポンプ、１７は改質水供給ポンプ、１８は送風機、１９は貯湯水循環ポンプ、２０、２１はレベルセンサ、２５は冷却水循環流路、２６は貯湯水を排出するためのドレインバルブ、３０は制御部、４０は発電量制御部、４１は電流測定部、４２凝縮水回収量推定手段である。
【００７２】
本実施例の特徴は、燃料電池１の発電量を測定する発電量測定手段としての電流測定部４１と、測定された電流値から水の回収量を推定する凝縮水回収量推定手段４２を設けた点である。
【００７３】
発電量制御部４０では制御部３０の指令により、必要な電力を発電するように電流の取り出し量を制御するため、電流測定部４１によって実際の取り出し電流を測定する。
【００７４】
燃料電池の発電は、図９に示したような現象が内部で起こっているため、電流値から回収される水の量を推定することが可能である。
【００７５】
図９は、燃料電池内部の反応の概念図であり、１０１は電解質、１０２は燃料極、１０３は空気極、１０４a、ｂはそれぞれ水素側および空気側の触媒層である。
【００７６】
燃料として供給された水素Ｈ2は水素側触媒層１０４aで電子e―を放出しＨ+となる。電子e―は燃料極１０２より外部に取り出される。このＨ+やe―の単位時間当たりの移動量が発電時に取り出す電流である。Ｈ+は電解質１０１を通りぬけ空気側へ移動し、空気側触媒層１０４ｂで空気中の酸素Ｏ2、空気極１０３から供給される電子e―と結合し水Ｈ2Ｏが生成し、燃料電池から排気される。水の生成量は移動するＨ+の数、すなわち電流に比例し、Ｈ+にともなって移動する水もＨ+の数におおよそ比例するので、発電量によってほぼ決まる。
【００７７】
固体高分子型燃料電池の場合、高効率で発電するためには固体高分子電解質膜を湿った状態にしておくことが必要であるため、空気・燃料とも加湿されて燃料電池に導入される。発電時に、Ｈ+が電解質中を移動する際に水分子をともなって空気極側へ移動すると言われており、燃料ガス中の水は減り、空気側排気には、移動してきた水、反応で生成した水、もともと持っていた湿度分の水が含まれている。
【００７８】
したがって、電流を測定することにより、凝縮器７で凝縮水として回収される水量を、凝縮水回収量推定手段４２により推定でき、回収水量に応じて逆浸透膜装置１０に供給すべき水量求め、最小限の必要量のみ供給することにより、逆浸透膜装置１０の寿命を延ばすことができる。
【００７９】
なお本実施の形態では、電流を直接測定しているが、燃料電池の電流―電圧特性を予め測定しておけば、電圧値、電力値から電流値を求めることができるので、電圧または電力を測定することによっても同様の効果を得ることができる。
【００８０】
以上のように本実施例おいては、発電量によって、燃料電池１で生成される水の量が決まるので、発電量を測定することによって装置内部から回収できる水量が推定でき、この推定される量が多い場合は逆浸透膜装置１０による水の予備浄化量を減少させ、少ない場合には増加させることにより、必要な量だけ逆浸透膜装置１０による予備浄化を行うことができ、逆浸透膜装置１０の寿命を延ばすことができるものである。
【００８１】
（実施の形態９）
図１０は、本発明の実施の形態９における燃料電池コジェネシステムの構成図であり、１は燃料電池、２は改質器、３は燃焼部、４は貯湯槽、５は熱交換器、７は凝縮器、８は貯水タンク、９は冷却水タンク、１０は逆浸透膜装置、１１は貯湯水供給流路、１２は貯湯水循環流路、１３はイオン交換樹脂、１５は冷却水循環ポンプ、１６は冷却水供給ポンプ、１７は改質水供給ポンプ、１８は送風機、２０はレベルセンサ、２５は冷却水循環流路、２６は貯湯水を排出するためのドレインバルブである。
【００８２】
本実施例の特徴は、実施の形態１の燃料電池コジェネシステムにおいて、予備浄化した水が不足した場合に、貯湯槽の水を排出する点である。
【００８３】
矢印Ａは湯が使用されたときの水の流れを、矢印Ｂはドレインバルブ２６から水を排出したときの流れを示しており、矢印Ａ、Ｂはどちらの場合も同じ方向に流れることを示している。
【００８４】
貯湯水供給流路１２には、貯湯槽４の湯が使われたときのみ水が流れるので、湯の使用量が少なく、そのまま冷めてしまった場合など、貯湯水供給流路１１に水が流れないまま、すなわち逆浸透膜装置１０に水が供給されないまま発電することになり、予備浄化済みの水が不足する恐れがある。
【００８５】
通常、貯湯層４には水抜きのためのドレインバルブ２６が設けられているので、予備浄化済の水が不足の場合、貯湯槽４のドレインバルブ２６から水を排出することにより、矢印Ｂのような方向の流れになり、貯湯水供給流路１１に水が流れ、逆浸透膜装置１０で水の浄化を行うことができる。この時、貯湯槽４の湯は冷めており、熱を捨てることにはならない。
【００８６】
以上のように本実施例おいては、一般に、貯湯槽４の湯が使われると、使った分だけ貯湯水が供給されるので、湯が使われない限り貯湯水供給流路１１に水は流れない。したがって、貯湯水供給流路１１に逆浸透膜装置１０を設けた燃料電池コジェネシステムにおいて、湯が使われないまま冷めてしまった状態で次の発電に入る場合に、予備浄化された水が足りなくなる恐れがある。市販されている貯湯槽には通常水抜きができるようにドレインバルブ２６が設けられているので、このような場合にこのドレインバルブ２６から水を排出することにより、貯湯槽４に水が追加され、逆浸透膜装置１０により水の予備浄化を行うことができるものである。
【００８７】
【発明の効果】
以上から明らかなように、本発明の燃料電池コジェネシステムによれば、濃縮水を廃棄することなく逆浸透膜装置によりイオン交換樹脂に導入する水の予備浄化を行うことができるので、水を無駄にすることなく、イオン交換樹脂の長寿命化を図ることができるものである。
【００８８】
さらに、逆浸透膜装置での水浄化を最小限することにより、逆浸透膜装置のメンテンナンスサイクルを長くすることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池発電装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態２における燃料電池発電装置の構成図
【図３】本発明の実施の形態３における燃料電池発電装置の構成図
【図４】本発明の実施の形態４における燃料電池発電装置の構成図
【図５】本発明の実施の形態５における燃料電池発電装置の構成図
【図６】本発明の実施の形態６における燃料電池発電装置の構成図
【図７】本発明の実施の形態７における燃料電池発電装置の構成図
【図８】本発明の実施の形態８における燃料電池発電装置の構成図
【図９】燃料電池内部の反応の概念図
【図１０】本発明の実施の形態９における燃料電池発電装置の構成図
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 改質器
４ 貯湯槽
５ 熱交換器
７ 凝縮器
８ 貯水タンク
１０ 逆浸透膜装置
１１ 貯湯水供給流路
１２ 貯湯水循環流路
１３ａ，１３ｂ イオン交換樹脂
１４ 昇圧ポンプ
２０，２１ レベルセンサ
２２ 逆浸透膜入口側流路切替弁
２３ 濃縮水排出側流路切替弁
２４ バイパス流路
２５ 冷却水循環流路
２６ ドレインバルブ
２７ 温度センサ
２８ 流量比調節弁
３０ 制御部
３４ 流量計
４０ 発電量制御部
４１ 電流測定部
４２ 回収水量推定手段
１０１ 電解質
１０２ 燃料極
１０３ 空気極
１０４a 水素側触媒層
１０４ｂ 空気側触媒層
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池コジェネシステムの水処理に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電装置は水素と酸素の直接反応により電気エネルギーに変換するもので、発電効率が高く、大気汚染物質もほとんど排出しないことから環境にやさしい発電装置である。発電の際には熱を発生するので、これを回収することにより、コジェネシステムを構築することができ、その場合のエネルギー効率は７０〜８０％となり、地球温暖化防止に貢献できるものである。
【０００３】
現在開発が進められている燃料電池は、都市ガスなどの原料を水と反応させることにより、燃料となる水素を作る水素生成部を設け、ここで生成した水素リッチなガスを用いて発電を行う方式が一般的である。水素生成には触媒が用いられるが、この触媒の被毒による性能低下防止や、金属イオンなど不純物の水素生成器内部への付着による性能低下などの不具合を防止するため、水素生成器に供給される水は触媒被毒物質や金属イオンなどの不純物が除去されていなければならない。
【０００４】
また、効率よく発電するためには、燃料電池本体を最適温度に保つことが必要であるため、冷却が必要となる。冷却用の媒体としては多くの場合、水が用いられるが、貯湯槽を設けて、冷却水によって燃料電池外部へ持ち出された熱を、湯として貯えればコジェネシステムを構築できる。水を用いて冷却する場合、水の導電率が高いと漏電の恐れがあるため、冷却水はイオンを除去して低い導電率を保つ必要がある。
【０００５】
これらのことから、水素生成用および燃料電池冷却用として供給する水は、イオン含有量を極力抑えるような浄化が必要となり、一般にイオン交換樹脂が多く用いられる。
【０００６】
これらの水の供給源としては、水道水などの外部から導入した水や、システム内部からの回収水があり、水道水は、飲用として問題がないように人体にとって有害な成分は非常に低濃度にまで除去されているが、無害なカルシウム・マグネシウムなどの硬水成分や、ナトリウム・塩素などの塩分はかなり高濃度まで許容されている。また、殺菌のため蛇口での一定濃度以上になるように次亜塩素酸ナトリウムが添加されており、純度という点では非常に悪い水である。
【０００７】
また、地下水など他の水源から水を導入する場合も有機酸や硬水成分などが多量に含まれており、十分な浄化が必要な点では水道水と同様である。
【０００８】
一方、システム内部から回収される水は、燃料電池内部で発電時に水素（Ｈ2）と酸素（Ｏ2）の反応により生成されるので、原理的には高純度のものが得られる。燃料電池から排出されたガスを冷却することにより水分を凝縮させれば容易に回収することができる。
【０００９】
しかし実用的なシステムを構築する場合、安全性や熱効率などの理由により配管やバルブなど、金属製でなければならない部品があり、金属イオンが回収した水にまったく溶出しなくすることは困難である。また空気に触れることにより二酸化炭素が溶け込み炭酸イオンが生成し、導電率が高くなることもある。したがって回収水を水素生成器や燃料電池の冷却水として用いる場合もイオン交換樹脂などによる浄化が必要である。
【００１０】
さらに、水の回収率は燃料電池の運転条件にも依存し、十分な回収率で水を得るには凝縮器が大きくなり過ぎる、配管が複雑になりすぎる、などの理由により、十分な量の水を回収することは実際上困難である場合が多く、また自然蒸発や不具合による漏れなどにより水が減少することもあり、水道水など外部からの水の導入が必要となる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池コジェネシステムを実用化する場合には、このように十分な純度ではない外部から導入した水を用いることが必要になるため、イオン交換樹脂の劣化が早く、小型の装置では寿命が短く頻繁にメンテンナンスが必要となり、ランニングコストも高くなってしまう。
【００１２】
イオン交換樹脂の寿命を長くする方法として、前段に逆浸透膜を設置し、水を予備浄化した後、イオン交換樹脂で浄化するという方法が超純水製造などで多く用いられている。燃料電池用の浄水製造装置としても特開平１０−２３５３９６のように逆浸透膜を通してある程度浄化した水をイオン交換樹脂に通すものがある。
【００１３】
逆浸透膜は微細な穴のあいた膜で、ほとんどの不純物がこれを透過できず、水分子は透過するため、純度の高い水が膜の反対側にしみ出してくる。透過できなかった不純物は濃縮水として常に排出される。供給される水の圧力が高いほど、また温度が高いほど多くの水を浄化することができるが、大量の濃縮水が廃棄されるため、純水の必要量よりかなり多くの原水が必要となる。
【００１４】
また、逆浸透膜装置は、水処理量が増加するにつれ目詰まりなどにより性能低下が起こるので、逆浸透膜装置もまたメンテナンスが必要となるので、寿命を長くするには浄化する水の量は必要最低限度に抑えることが重要である。
【００１５】
燃料電池に供給する場合は、十分低いイオン濃度にするために逆浸透膜装置の下流にイオン交換樹脂を設け、これを通して燃料電池に水を供給することにより、イオン交換樹脂の劣化を低減することは可能になるが、導入した原水の一部だけが逆浸透膜を通して浄化水として得られるもので、得られた浄化水と等量またはその数倍の水が不純物濃度の高くなった濃縮水として排出され、排出する水の分のランニングコストがかかってしまう。
【００１６】
また、廃棄する水をなくそうとすれば、廃水を原水に戻して再度浄化するための流路を設けるなどの、別の構成が必要となる。
【００１７】
本発明は、上記従来の燃料電池コジェネシステムの水処理手段が有する課題を解決するものであり、水の浄化に用いるイオン交換樹脂の寿命を長くしたり使用量を少なくするために逆浸透膜装置を用いて予備浄化する場合において、濃縮水の廃棄を削減することにより、ランニングコストを低減するものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池コジェネシステムは、燃料電池と、原料と水から前記燃料電池で燃料として使用する水素を生成する改質器と、貯湯槽と、発電時に前記燃料電池で発生した熱を回収する冷却水循環流路と、前記冷却水循環流路と熱交換して前記貯湯槽に湯を貯えるための貯湯水循環流路と、前記貯湯槽へ水を導入する貯湯水供給流路と、前記改質器および／または前記冷却水循環流路に供給する水を浄化するイオン交換樹脂とを備え、前記イオン交換樹脂に導入する水の予備浄化を行う逆浸透膜装置を前記貯湯水供給流路あるいは前記貯湯水循環流路に設け、前記逆浸透膜装置から排出される濃縮水が前記貯湯槽に供給されるよう構成されていることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の燃料電池コジェネシステムは、前記逆浸透膜装置が前記貯湯水循環流路に設けられ、前記逆浸透膜装置の入口側に設けられた逆浸透膜入口側流路切替弁と、前記逆浸透膜装置の濃縮水排出側に設けられた濃縮水排出側流路切替弁と、前記逆浸透膜装置を経由しないで前記逆浸透膜入口側流路切替弁と濃縮水排出側流路切替弁との間を結ぶバイパス流路とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の燃料電池コジェネシステムは、前記逆浸透膜装置に供給される水の温度を測定する温度検出手段を有し、前記温度検出手段により測定された温度に応じて前記バイパス流路と前記逆浸透膜装置に流す水の比率を調節することを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の燃料電池コジェネシステムは、前記逆浸透膜装置が前記貯湯水循環流路に設けられ、前記逆浸透膜装置の入口側流路に水の圧力を増加させるための昇圧手段を備えたことを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の燃料電池コジェネシステムは、前記逆浸透膜装置が前記貯湯水循環流路に設けられ、前記逆浸透膜装置で予備浄化された水を貯える貯水タンクと、前記貯水タンクに貯えられた水量を計測する水量計測手段とを備えたことを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の燃料電池コジェネシステムは、前記逆浸透膜装置が前記貯湯水循環流路に設けられ、前記改質器および／または前記冷却水循環流路に供給される水の流量を測定する流量測定手段を備えたことを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の燃料電池コジェネシステムは、前記逆浸透膜装置が前記貯湯水循環流路に設けられ、前記燃料電池の発電量を測定する発電量測定手段と、前記発電量測定手段の検出値から水の回収量を推定する回収水量推定手段とを備えたことを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の燃料電池コジェネシステムは、前記逆浸透膜装置が前記貯湯水供給流路に設けられ、前記逆浸透膜装置で予備浄化した水が不足した場合に、前記貯湯水を排出することを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池発電コジェネシステムの構成図であり、１は燃料電池、２は改質器、３は改質器加熱のための燃焼部、４は貯湯槽、５は熱交換器、７は凝縮器、８は貯水タンク、９は冷却水タンク、１０は逆浸透膜装置、１１は貯湯水供給流路、１２は貯湯水循環流路、１３ａ、１３ｂはイオン交換樹脂、１５は冷却水循環ポンプ、１６は冷却水供給ポンプ、１７は改質水供給ポンプ、１８は送風機、１９は貯湯水循環ポンプ、２０はレベルセンサ、２５は冷却水循環流路、２６は貯湯水を排出するためのドレインバルブ、３０はシステム全体を制御する制御部である。
【００２８】
以上のように構成された燃料電池コジェネシステムについて、以下、その動作について説明する。
【００２９】
改質器２で都市ガスと水を反応させて水素を生成し、水素リッチなガスが燃料電池１に供給される。水素生成には触媒が用いられ、改質器２は触媒活性が最適になるように燃焼部３で都市ガスを燃焼させることにより加熱される。また送風機１８によって空気が燃料電池１に供給され、燃料電池１内部で水素と空気中の酸素が反応することにより発電し、それに伴って水が生成される。
【００３０】
また、冷却水循環流路２５に設けられた冷却水タンク９から、冷却水循環ポンプ１５によって水が燃料電池内部を流れ、発電の際に生じた熱を回収する。冷却水タンク９の中の水が減少するとレベルセンサ２０により水位の低下を検知し、その信号が制御部３０に送られ、冷却水供給ポンプ１６によって、冷却水が補給される。
【００３１】
一方、貯湯水循環流路１２には貯湯槽４から貯湯水循環ポンプ１９により貯湯水が送り出され、熱交換器５で燃料電池から回収した熱を冷却水から貯湯水に熱交換し、湯が貯湯槽４にもどって貯えられる。
【００３２】
燃料電池から排出された空気は凝縮器７を通して水を凝縮させて、水は貯水タンク８に入り、空気は装置の外に排出される。水素側の排気は改質器の燃焼部３に入り、都市ガスとともに燃焼させる。
【００３３】
貯湯槽４の湯が消費されるとその分だけ外部から水が貯湯槽４に導入される。その際、貯湯水供給流路１１に設置された逆浸透膜装置１０を通り、予備浄化された水が貯水タンク８へ供給され、濃縮水が貯湯槽４へ導入される。
【００３４】
逆浸透膜は微細な穴のあいた膜で、ほとんどの不純物がこれを透過できず、水分子は透過するため、純度の高い水が膜の反対側にしみ出してくる。透過できなかった不純物は濃縮水として排出される。通常逆浸透膜を用いた水浄化ではこの濃縮水は廃棄されるため、純水の必要量よりかなり多くの原水を供給することが必要となる。しかし、本実施例では、濃縮水は捨てられずに貯湯槽４に導入されるため、水を無駄にすることはない。
【００３５】
また、貯水タンク８にはシステム内部から回収された水と逆浸透膜装置で予備浄化された水が混合した水が貯えられており、これが改質水供給ポンプ１７によって改質器２に、冷却水供給ポンプ１６によって冷却水タンク９に、それぞれイオン交換樹脂１３ａ、１３ｂを通って高純度に浄化した後、供給される。
【００３６】
なお、本実施例では、逆浸透膜装置１０で予備浄化した水を貯水タンク８に導入し、システム内から回収した水と混合した後、イオン交換樹脂１３ａ、１３ｂを通しているが、イオン交換樹脂は、逆浸透膜装置１０で予備浄化した水と回収水と混合する前に設置しても同様の効果が得られる。
【００３７】
さらに、逆浸透膜装置１０で予備浄化した水を、貯水タンク８を経ずにイオン交換樹脂１３ａ、１３ｂに直接導入しても、同様の効果が得られる。
【００３８】
以上のように本実施例においては、貯湯槽４の湯を給湯に使用すると、逆浸透膜装置１０に水が供給され、通常の逆浸透膜装置での浄化においては廃棄される濃縮水を貯湯槽４に供給するので、水を無駄にすることなく、予備浄化した水を得ることができ、ランニングコストを抑えてイオン交換樹脂の長寿命化を図ることができるものである。
【００３９】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における燃料電池コジェネシステムの構成図であり、１は燃料電池、２は改質器、３は燃焼部、４は貯湯槽、５は熱交換器、７は凝縮器、８は貯水タンク、９は冷却水タンク、１０は逆浸透膜装置、１１は貯湯水供給流路、１２は貯湯水循環流路、１３ａ、１３ｂはイオン交換樹脂、１５は冷却水循環ポンプ、１６は冷却水供給ポンプ、１７は改質水供給ポンプ、１８は送風機、１９は貯湯水循環ポンプ、２０はレベルセンサ、２５は冷却水循環流路、２６は貯湯水を排出するためのドレインバルブ、３０は制御部である。
【００４０】
実施の形態１とは逆浸透膜装置１０が貯湯水供給流路１１ではなく貯湯水循環流路１２に設置されている点が異なっている。
【００４１】
冷却水の温度が一定の温度以上になると貯湯水循環流路１２に水が流れ、貯湯槽４に湯を貯え始めるので、それ以降運転中は常に逆浸透膜装置１０に水が供給され、予備浄化された水が貯水タンク８に貯えられる。
【００４２】
実施の形態１では、湯の使用量が少なく、そのまま冷めてしまった場合など、貯湯水供給流路１１に水が流れないまま、すなわち予備浄化された水が追加されないまま発電することになり、予備浄化済みの水が不足する恐れがある。しかし、本実施例では冷却水循環流路１２には運転中は冷却水の熱回収量に応じて常に水が流れるので、予備浄化済みの水が不足することはない。
【００４３】
以上のように本実施例おいては、燃料電池コジェネシステムを運転する際に、貯湯水循環流路１２に水が循環し逆浸透膜装置１０に水が供給され、濃縮水は貯湯循環流路１２にそのまま流れるので、水を無駄にすることなく、予備浄化した水を得ることができ、ランニングコストを抑えてイオン交換樹脂の長寿命化を図ることができるものである。
【００４４】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における燃料電池コジェネシステムの構成図であり、１は燃料電池、２は改質器、３は燃焼部、４は貯湯槽、５は熱交換器、７は凝縮器、８は貯水タンク、９は冷却水タンク、１０は逆浸透膜装置、１１は貯湯水供給流路、１２は貯湯水循環流路、１３ａ、１３ｂはイオン交換樹脂、１５は冷却水循環ポンプ、１６は冷却水供給ポンプ、１７は改質水供給ポンプ、１８は送風機、２０はレベルセンサ、２５は冷却水循環流路、２６は貯湯水を排出するためのドレインバルブ、３０は制御部である。
【００４５】
実施の形態２とは、逆浸透膜装置１０の入口側に逆浸透膜入口側流路切替弁２２、逆浸透膜装置１０の濃縮水排出側に濃縮水排出側流路切替弁２３、逆浸透膜装置１０を経由しないで逆浸透膜入口側流路切替弁２２と濃縮水排出側流路切替弁２３との間を結ぶバイパス流路２４とを設けた点で異なっている。
【００４６】
制御部３０はシステムの運転状況によって逆浸透膜入口側流路切替弁２２、濃縮水排出側流路切替弁２３を切り替え、逆浸透膜装置１０で必要量の水浄化を行い、浄化が不要な場合は余分に浄化をしないようにバイパス流路２４側へ水が流れるように切り替える。
【００４７】
なお、本実施の形態では２２、２３は流路切替弁バルブとしたが、逆浸透膜装置の入口側に流量比を調節するバルブを用いて、流量比を調節しても同様の効果が得られる。
【００４８】
以上のように本実施例おいては、予備浄化された水が十分にある場合や逆浸透膜装置１０のメンテナンスの際など、逆浸透膜装置１０に水を供給する必要のない場合に運転を停止することなく、逆浸透膜装置１０への水供給を止めることができる。また、不必要に水を浄化することを避けることにより、逆浸透膜装置のメンテナンスサイクルを長くすることができるものである。
【００４９】
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４におけるで燃料電池コジェネシステムの構成図であり、１は燃料電池、２は改質器、３は燃焼部、４は貯湯槽、５は熱交換器、７は凝縮器、８は貯水タンク、９は冷却水タンク、１０は逆浸透膜装置、１１は貯湯水供給流路、１２は貯湯水循環流路、１３はイオン交換樹脂、１５は冷却水循環ポンプ、１６は冷却水供給ポンプ、１７は改質水供給ポンプ、１８は送風機、１９は貯湯水循環ポンプ、２０はレベルセンサ、２２は逆浸透膜入口側流路切替弁、２３は濃縮水排出側流路切替弁、２４はバイパス流路、２５は冷却水循環流路、２６は貯湯水を排出するためのドレインバルブ、２７は温度センサ、３０は制御部である。
【００５０】
実施の形態３とは、逆浸透膜装置１０に供給される水の温度を測定する温度検出手段である温度センサ２７を設け、温度センサ２７により測定された温度に応じてバイパス流路２４と前記逆浸透膜装置１０に切り換えて水を流す点で異なっている。
【００５１】
発電とともに発生する熱は貯湯槽４に貯えられ、貯湯槽４内の水は貯湯槽上部から温度が上がっていく。貯湯水循環流路１２の貯湯槽出口は通常貯湯槽の下部にあり、低い温度の水が出てくるが、沸きあがりに近づくと、貯湯層下部の水も温度上昇してくるので、逆浸透膜装置１０に入る水の温度も高くなってくる。温度センサ２７で逆浸透膜装置１０に供給される水の温度を測定し、ある一定温度以上である場合には、逆浸透膜装置１０を流れないように逆浸透膜入口側流路切替弁２２、濃縮水排出側流路切替弁２３を切り換えて、バイパス流路２４に流れるようにする。
【００５２】
一般に、逆浸透膜は高温で劣化するため、逆浸透膜装置１０に供給する水は５０℃程度以下にする必要がある。したがって、沸きあがりに近づいた時にそのまま逆浸透膜装置に貯湯水がまわることを避ける必要があるが、このようにすることにより、貯湯水の温度が高い場合に逆浸透膜装置１０に水が流れ込むことを防ぐことができる。
【００５３】
なお、本実施例では、ある一定温度以上である場合には、逆浸透膜装置１０を流れないように逆浸透膜入口側流路切替弁２２、濃縮水排出側流路切替弁２３を切り換えて、バイパス流路２４に流れるようにしたが、流量比調節が可能な弁を用いてバイパス流路２４と逆浸透膜装置１０に流す水の比率を調節しても同様の効果が得られるものである。
【００５４】
以上のように本実施例おいては、逆浸透膜は温度が高いほど多くの純水が得られるので、温度によって逆浸透膜装置１０に流れる水量を調節することにより、必要な予備浄化水を得ることができる。また、逆浸透膜は一般に高温に弱いので、ある温度以上になった場合には逆浸透膜装置１０に水をまったく流さないことにより逆浸透膜装置の劣化を防止し、寿命を長くすることができるものである。
【００５５】
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５における燃料電池コジェネシステムの構成図であり、１は燃料電池、２は改質器、３は燃焼部、４は貯湯槽、５は熱交換器、７は凝縮器、８は貯水タンク、９は冷却水タンク、１０は逆浸透膜装置、１１は貯湯水供給流路、１２は貯湯水循環流路、１３はイオン交換樹脂、１４は昇圧ポンプ、１５は冷却水循環ポンプ、１６は冷却水供給ポンプ、１７は改質水供給ポンプ、１８は送風機、１９は貯湯水循環ポンプ、２０はレベルセンサ、２５は冷却水循環流路、２６は貯湯水を排出するためのドレインバルブ、３０は制御部である。
【００５６】
本実施例の特徴は、逆浸透膜装置１０の入口側流路に水の圧力を増加させるための昇圧手段である昇圧ポンプ１４を設けた点である。
【００５７】
貯湯水循環流路１２を流れる水は、貯湯水供給流路１１に比べて延べ流量ははるかに多いが、一般に水道水圧力よりも低く、その水圧が低い場合は逆浸透膜装置１０で得られる水が不足する恐れがある。昇圧ポンプ１４を逆浸透膜装置１０の入口側流路に設け、必要に応じて加圧することにより、逆浸透膜装置１０での浄化水量を調節でき予備浄化水の不足を避けることができる。
【００５８】
以上のように本実施例おいては、逆浸透膜装置１０は水の圧力が高いほど多くの浄化された水が得られるので、水の使用量が多く予備浄化の能力が不足した場合に、水の圧力を上げることにより、不足分を補うことが可能となる。
【００５９】
（実施の形態６）
図６は、本発明の実施の形態６における燃料電池コジェネシステムの構成図であり、１は燃料電池、２は改質器、３は燃焼部、４は貯湯槽、５は熱交換器、７は凝縮器、８は貯水タンク、９は冷却水タンク、１０は逆浸透膜装置、１１は貯湯水供給流路、１２は貯湯水循環流路、１３はイオン交換樹脂、１５は冷却水循環ポンプ、１６は冷却水供給ポンプ、１７は改質水供給ポンプ、１８は送風機、１９は貯湯水循環ポンプ、２０、２１はレベルセンサ、２２は逆浸透膜入口側流路切替弁、２３は濃縮水排出側流路切替弁、２５は冷却水循環流路、２６は貯湯水を排出するためのドレインバルブ、３０は制御部である。
【００６０】
本実施例の特徴は、逆浸透膜装置１０で予備浄化された水を貯える貯水タンク８と、貯水タンク８に貯えられた水量を計測する水量計測手段であるレベルセンサ２１を設けた点である。
【００６１】
貯水タンク８の水が少なくなると、水位が下がり、レベルセンサ２１でこの水位低下が検知され、制御部３０へ信号が送られる。この信号に基づき制御部３０が逆浸透膜入口側流路切替弁２２、濃縮水排出側流路切替弁２３に指令を送り逆浸透膜装置１０に水が流れるように流路を切り替える。
【００６２】
これにより、貯水タンク８の水量が少ないときのみ逆浸透膜装置１０での浄化を行うことができるので、逆浸透膜装置のメンテナンスサイクルを長くすることができる。
【００６３】
なお、本実施の形態では、水量計測手段としてレベルセンサを用いたが、タンクの重量の計測や光を用いた水面検出など他の方式によって、水量を測定しても同様の効果が得られる。
【００６４】
以上のように本実施例おいては、水量検出手段によって検出された水量が多い場合は、バイパス流路２４の流量を増加またはバイパス流路２４にのみ水を流すことにより、必要な時だけ逆浸透膜装置１０による水の予備浄化を行うことができ、逆浸透膜装置１０の寿命を延ばすことができるものである。
【００６５】
（実施の形態７）
図７は、本発明の実施の形態７における燃料電池コジェネシステムの構成図であり、１は燃料電池、２は改質器、３は燃焼部、４は貯湯槽、５は熱交換器、７は凝縮器、８は貯水タンク、９は冷却水タンク、１０は逆浸透膜装置、１１は貯湯水供給流路、１２は貯湯水循環流路、１３はイオン交換樹脂、１５は冷却水循環ポンプ、１６は冷却水供給ポンプ、１７は改質水供給ポンプ、１８は送風機、１９は貯湯水循環ポンプ、２０、２１はレベルセンサ、２５は冷却水循環流路、２６は貯湯水を排出するためのドレインバルブ、２８は流量比調節弁、３０は制御部、３４は流量計である。
【００６６】
本実施例の特徴は、改質器２とに供給される水の流量を測定する流量測定手段である流量計３４を設けた点である。
【００６７】
貯水タンク８の水位をレベルセンサ２０で検出するとともに、流量計３４で改質器に供給している水量を測定し、水の使用速度を求め、必要な量の水浄化が行えるように、制御部３０が流量比調節弁２８を調節し、必要な量の予備浄化を行う。
【００６８】
貯水タンク８の水位を検知してから逆浸透膜装置１０で浄化を始めても、使用量が多ければどんどん貯水タンクの水量が減少する可能性があるが、このようにすれば、必要量の水浄化を行い、かつ過剰な浄化を行うことがないため、逆浸透膜装置１０の寿命を長くすることができる。
【００６９】
以上のように本実施例おいては、発電したい電力に応じて生成する水素の量を変化させる場合、改質水量もこれに応じて変化させることになるので、改質水量を検知することにより、水の使用量がわかるので、使用量が多い場合は逆浸透膜装置１０を通る水の量を増加させ、使用量が少ない場合は逆浸透膜装置１０を通る水の量を減少させることにより、必要量だけ水の予備浄化を行うことができ、逆浸透膜装置１０の寿命を延ばすことができる。
【００７０】
なお、冷却水循環流路１２に供給される水の流量を測定して、必要な量の水浄化が行えるように、制御部３０が流量比調節弁２８を調節しても同様な効果が得られるものである。
【００７１】
（実施の形態８）
図８は、本発明の実施の形態８における燃料電池コジェネシステムの構成図であり、１は燃料電池、２は改質器、３は燃焼部、４は貯湯槽、５は熱交換器、７は凝縮器、８は貯水タンク、９は冷却水タンク、１０は逆浸透膜装置、１１は貯湯水供給流路、１２は貯湯水循環流路１３はイオン交換樹脂、１５は冷却水循環ポンプ、１６は冷却水供給ポンプ、１７は改質水供給ポンプ、１８は送風機、１９は貯湯水循環ポンプ、２０、２１はレベルセンサ、２５は冷却水循環流路、２６は貯湯水を排出するためのドレインバルブ、３０は制御部、４０は発電量制御部、４１は電流測定部、４２凝縮水回収量推定手段である。
【００７２】
本実施例の特徴は、燃料電池１の発電量を測定する発電量測定手段としての電流測定部４１と、測定された電流値から水の回収量を推定する凝縮水回収量推定手段４２を設けた点である。
【００７３】
発電量制御部４０では制御部３０の指令により、必要な電力を発電するように電流の取り出し量を制御するため、電流測定部４１によって実際の取り出し電流を測定する。
【００７４】
燃料電池の発電は、図９に示したような現象が内部で起こっているため、電流値から回収される水の量を推定することが可能である。
【００７５】
図９は、燃料電池内部の反応の概念図であり、１０１は電解質、１０２は燃料極、１０３は空気極、１０４a、ｂはそれぞれ水素側および空気側の触媒層である。
【００７６】
燃料として供給された水素Ｈ2は水素側触媒層１０４aで電子e―を放出しＨ+となる。電子e―は燃料極１０２より外部に取り出される。このＨ+やe―の単位時間当たりの移動量が発電時に取り出す電流である。Ｈ+は電解質１０１を通りぬけ空気側へ移動し、空気側触媒層１０４ｂで空気中の酸素Ｏ2、空気極１０３から供給される電子e―と結合し水Ｈ2Ｏが生成し、燃料電池から排気される。水の生成量は移動するＨ+の数、すなわち電流に比例し、Ｈ+にともなって移動する水もＨ+の数におおよそ比例するので、発電量によってほぼ決まる。
【００７７】
固体高分子型燃料電池の場合、高効率で発電するためには固体高分子電解質膜を湿った状態にしておくことが必要であるため、空気・燃料とも加湿されて燃料電池に導入される。発電時に、Ｈ+が電解質中を移動する際に水分子をともなって空気極側へ移動すると言われており、燃料ガス中の水は減り、空気側排気には、移動してきた水、反応で生成した水、もともと持っていた湿度分の水が含まれている。
【００７８】
したがって、電流を測定することにより、凝縮器７で凝縮水として回収される水量を、凝縮水回収量推定手段４２により推定でき、回収水量に応じて逆浸透膜装置１０に供給すべき水量求め、最小限の必要量のみ供給することにより、逆浸透膜装置１０の寿命を延ばすことができる。
【００７９】
なお本実施の形態では、電流を直接測定しているが、燃料電池の電流―電圧特性を予め測定しておけば、電圧値、電力値から電流値を求めることができるので、電圧または電力を測定することによっても同様の効果を得ることができる。
【００８０】
以上のように本実施例おいては、発電量によって、燃料電池１で生成される水の量が決まるので、発電量を測定することによって装置内部から回収できる水量が推定でき、この推定される量が多い場合は逆浸透膜装置１０による水の予備浄化量を減少させ、少ない場合には増加させることにより、必要な量だけ逆浸透膜装置１０による予備浄化を行うことができ、逆浸透膜装置１０の寿命を延ばすことができるものである。
【００８１】
（実施の形態９）
図１０は、本発明の実施の形態９における燃料電池コジェネシステムの構成図であり、１は燃料電池、２は改質器、３は燃焼部、４は貯湯槽、５は熱交換器、７は凝縮器、８は貯水タンク、９は冷却水タンク、１０は逆浸透膜装置、１１は貯湯水供給流路、１２は貯湯水循環流路、１３はイオン交換樹脂、１５は冷却水循環ポンプ、１６は冷却水供給ポンプ、１７は改質水供給ポンプ、１８は送風機、２０はレベルセンサ、２５は冷却水循環流路、２６は貯湯水を排出するためのドレインバルブである。
【００８２】
本実施例の特徴は、実施の形態１の燃料電池コジェネシステムにおいて、予備浄化した水が不足した場合に、貯湯槽の水を排出する点である。
【００８３】
矢印Ａは湯が使用されたときの水の流れを、矢印Ｂはドレインバルブ２６から水を排出したときの流れを示しており、矢印Ａ、Ｂはどちらの場合も同じ方向に流れることを示している。
【００８４】
貯湯水供給流路１２には、貯湯槽４の湯が使われたときのみ水が流れるので、湯の使用量が少なく、そのまま冷めてしまった場合など、貯湯水供給流路１１に水が流れないまま、すなわち逆浸透膜装置１０に水が供給されないまま発電することになり、予備浄化済みの水が不足する恐れがある。
【００８５】
通常、貯湯層４には水抜きのためのドレインバルブ２６が設けられているので、予備浄化済の水が不足の場合、貯湯槽４のドレインバルブ２６から水を排出することにより、矢印Ｂのような方向の流れになり、貯湯水供給流路１１に水が流れ、逆浸透膜装置１０で水の浄化を行うことができる。この時、貯湯槽４の湯は冷めており、熱を捨てることにはならない。
【００８６】
以上のように本実施例おいては、一般に、貯湯槽４の湯が使われると、使った分だけ貯湯水が供給されるので、湯が使われない限り貯湯水供給流路１１に水は流れない。したがって、貯湯水供給流路１１に逆浸透膜装置１０を設けた燃料電池コジェネシステムにおいて、湯が使われないまま冷めてしまった状態で次の発電に入る場合に、予備浄化された水が足りなくなる恐れがある。市販されている貯湯槽には通常水抜きができるようにドレインバルブ２６が設けられているので、このような場合にこのドレインバルブ２６から水を排出することにより、貯湯槽４に水が追加され、逆浸透膜装置１０により水の予備浄化を行うことができるものである。
【００８７】
【発明の効果】
以上から明らかなように、本発明の燃料電池コジェネシステムによれば、濃縮水を廃棄することなく逆浸透膜装置によりイオン交換樹脂に導入する水の予備浄化を行うことができるので、水を無駄にすることなく、イオン交換樹脂の長寿命化を図ることができるものである。
【００８８】
さらに、逆浸透膜装置での水浄化を最小限することにより、逆浸透膜装置のメンテンナンスサイクルを長くすることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池発電装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態２における燃料電池発電装置の構成図
【図３】本発明の実施の形態３における燃料電池発電装置の構成図
【図４】本発明の実施の形態４における燃料電池発電装置の構成図
【図５】本発明の実施の形態５における燃料電池発電装置の構成図
【図６】本発明の実施の形態６における燃料電池発電装置の構成図
【図７】本発明の実施の形態７における燃料電池発電装置の構成図
【図８】本発明の実施の形態８における燃料電池発電装置の構成図
【図９】燃料電池内部の反応の概念図
【図１０】本発明の実施の形態９における燃料電池発電装置の構成図
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 改質器
４ 貯湯槽
５ 熱交換器
７ 凝縮器
８ 貯水タンク
１０ 逆浸透膜装置
１１ 貯湯水供給流路
１２ 貯湯水循環流路
１３ａ，１３ｂ イオン交換樹脂
１４ 昇圧ポンプ
２０，２１ レベルセンサ
２２ 逆浸透膜入口側流路切替弁
２３ 濃縮水排出側流路切替弁
２４ バイパス流路
２５ 冷却水循環流路
２６ ドレインバルブ
２７ 温度センサ
２８ 流量比調節弁
３０ 制御部
３４ 流量計
４０ 発電量制御部
４１ 電流測定部
４２ 回収水量推定手段
１０１ 電解質
１０２ 燃料極
１０３ 空気極
１０４a 水素側触媒層
１０４ｂ 空気側触媒層
Claims (8)
- 燃料電池と、原料と水から前記燃料電池で燃料として使用する水素を生成する改質器と、貯湯槽と、発電時に前記燃料電池で発生した熱を回収する冷却水循環流路と、前記冷却水循環流路と熱交換して前記貯湯槽に湯を貯えるための貯湯水循環流路と、前記貯湯槽へ水を導入する貯湯水供給流路と、前記改質器および／または前記冷却水循環流路に供給する水を浄化するイオン交換樹脂とを備え、前記イオン交換樹脂に導入する水の予備浄化を行う逆浸透膜装置を前記貯湯水供給流路あるいは前記貯湯水循環流路に設け、前記逆浸透膜装置から排出される濃縮水が前記貯湯槽に供給されるよう構成されていることを特徴とする燃料電池コジェネシステム。
- 前記逆浸透膜装置が前記貯湯水循環流路に設けられ、前記逆浸透膜装置の入口側に設けられた逆浸透膜入口側流路切替弁と、前記逆浸透膜装置の濃縮水排出側に設けられた濃縮水排出側流路切替弁と、前記逆浸透膜装置を経由しないで前記逆浸透膜入口側流路切替弁と濃縮水排出側流路切替弁との間を結ぶバイパス流路とを備えた請求項１記載の燃料電池コジェネシステム。
- 前記逆浸透膜装置に供給される水の温度を測定する温度検出手段を有し、前記温度検出手段により測定された温度に応じて前記バイパス流路と前記逆浸透膜装置に流す水の比率を調節することを特徴とする請求項２記載の燃料電池コジェネシステム。
- 前記逆浸透膜装置が前記貯湯水循環流路に設けられ、前記逆浸透膜装置の入口側流路に水の圧力を増加させるための昇圧手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池コジェネシステム。
- 前記逆浸透膜装置が前記貯湯水循環流路に設けられ、前記逆浸透膜装置で予備浄化された水を貯える貯水タンクと、前記貯水タンクに貯えられた水量を計測する水量計測手段とを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池コジェネシステム。
- 前記逆浸透膜装置が前記貯湯水循環流路に設けられ、前記改質器および／または前記冷却水循環流路に供給される水の流量を測定する流量測定手段を備えたことを特徴とする請求項１、２、４、５のいずれか１項に記載の燃料電池コジェネシステム。
- 前記逆浸透膜装置が前記貯湯水循環流路に設けられ、前記燃料電池の発電量を測定する発電量測定手段と、前記発電量測定手段の検出値から水の回収量を推定する回収水量推定手段とを設けたことを特徴とする請求項１、２、５のいずれか１項に記載の燃料電池コジェネシステム。
- 前記逆浸透膜装置が前記貯湯水供給流路に設けられ、前記逆浸透膜装置で予備浄化した水が不足した場合に、前記貯湯水を排出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池コジェネシステム。
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