JP4886970B2

JP4886970B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4886970B2
Application number: JP2004088243A
Authority: JP
Inventors: 裕記大河原; 貴司石川; 和久和田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2024-03-25
Also published as: JP2005276621A

Description

本発明は、改質器により生成された改質ガスと空気を燃焼電池に供給して発電させる燃料電池システムに関し、特に燃料電池システムの回収水系に関する。

燃料電池システムとして、燃料極に供給された水素および空気極に供給された酸素を用いて発電する燃料電池１と、空気極から送出される排出ガス（空気オフガス）中の水蒸気を少なくとも凝縮して回収水として回収する凝縮器（生成水回収塔２１）と、この凝縮器から供給される回収水を貯水する貯水器（回収水タンク２３）と、この貯水器から供給される回収水を純水にする純水器（水処理装置４１）と、この純水器から供給される純水化された回収水と燃料（原燃料）を改質して改質ガスを導出する改質器（改質装置２）とを備えたものが知られている（特許文献１）。このシステムにおいては、回収水タンク２３に貯水されている回収水中の微生物の繁殖を抑制するために、回収水を一時的に７０℃以上に加温して殺菌する方法が開示されている。具体的には、回収水循環系３０に回収水を加熱するための熱交換器２６および同循環系３０を開閉するための流量制御手段３１が備えられている。

また、特許文献１と同様な燃料電池システムとして、燃料電池および燃料改質装置２の排ガス７および８中の水蒸気を凝縮して回収し，これに水道水を添加した混合水２６として貯留する生成水回収系統２０と、生成水回収系統２０の混合水を循環させる混合水循環系２５と、混合水を純水に変換して冷却水循環系統１０に供給する水処理系統３０とを備えたものが知られている（特許文献２）。このシステムにおいては、混合水循環系２５に抗菌性フィルタ４１を設けるとともに、水処理系統３０の純水装置３１の上流側にも抗菌性フィルタ４２を設けた。したがって、抗菌性フィルタ４１を通過した混合水はその微生物量が徐々に低減され、微生物量が低減された混合水２６が水処理系統３０に安定して供給される。また、水処理系統３０に供給された混合水は抗菌性フィルタ４２により再び微生物がろ過されるとともに、混合水に含まれる他の不純物の吸着ろ過も行われるので、イオン交換式純水装置３１に供給される混合水はその微生物量および不純物量が大幅に低減された状態となり、高度に浄化された純水が冷却水循環系１０に補給される。

また、特許文献２に記載されている水処理系統３０の純水装置３１の上流側に設けられた抗菌性フィルタ４２の代わりに紫外線殺菌装置（特許文献３において符号４１で示されている。）が設けられているものも知られている（特許文献3）。このシステムによっても、混合水２６中の微生物を紫外線の照射により殺菌するので、混合水２６中に残存する微生物が紫外線によって殺菌され、殆ど無菌状態に近い混合水がイオン交換式純水装置３１に供給される。なお、上述した各特許文献においては、いずれの場合も生成水回収塔２１内の回収水が所定量より減った場合に水道水の供給によって補給されるようになっている。

また、燃料電池システムとして、燃料極に供給された水素および空気極に供給された酸素を用いて発電する燃料電池１１と、燃料極および空気極からそれぞれ送出される排出ガス中の水蒸気を凝縮して回収水として回収する凝縮器（回収器１４，１７）と、これら凝縮器から供給される回収水を貯水する貯水器（水タンク１８）と、この貯水器から供給される各回収水を純水にする純水器（イオン交換樹脂塔１１６，１１５）と、これら純水器から供給される純水化された回収水を加湿器１３，１６に噴霧するものも知られている（特許文献４）。このシステムにおいては、水タンク１８とイオン交換樹脂塔１１６，１１５との各間に活性炭が充填された活性炭筒１２１，１１９がそれぞれ設けられており、各活性炭筒１２１，１１９によってイオン交換樹脂の劣化を誘発する塩素系酸化物を効率よく捕捉している。

さらに、燃料電池１にて発生した熱を奪い去りラジエータ１５において放出させる冷却水をポンプ１６によって循環させて検出器１７へと送り込み、その検出器１７は、冷却水中に微生物が存在するか否かを検出し、存在するという結果が得られた場合には殺菌装置１８に微生物の殺傷を指示し、殺菌装置１８はこの指示に従い、紫外線を照射して微生物を死滅させるものも知られている（特許文献５）。
特開平０８−１３８７１４号公報（第５頁、図１）特開平０９−０６３６１１号公報（第３−４頁、図１）特開平０９−０６３６１２号公報（第４頁、図１）特開２００３−１５１５９１号公報（第３−５頁、図１）特開２００２−２７０２１１号公報（第３−４頁、図１）

上述した特許文献１に記載されている燃料電池システムにおいては、回収水タンク２３に貯水されている回収水中の微生物の繁殖を抑制するために、回収水循環系３０を設けるとともに回収水循環系３０に回収水を加熱するための熱交換器２６および同循環系３０を開閉するための流量制御手段３１を設けることにより、微生物の繁殖を抑えることはできるが、システムを構成する部品点数が多くなり、システム全体も大型化し、これらに伴いコストアップとなる問題があった。

また、上述した特許文献２に記載されている燃料電池システムにおいても、生成水回収系統２０の混合水を循環させる混合水循環系２５を設け、混合水循環系２５に抗菌性フィルタ４１を設けるとともに、水処理系統３０の純水装置３１の上流側にも抗菌性フィルタ４２を設けることにより、微生物の繁殖を抑えることはできるが、前述と同様の問題があった。

また、上述した特許文献３に記載されている燃料電池システムにおいても、生成水回収系統２０の混合水を循環させる混合水循環系２５を設け、混合水循環系２５に抗菌性フィルタ４１を設けるとともに、水処理系統３０の純水装置３１の上流側にも紫外線殺菌装置を設けることにより、微生物の繁殖を抑えることはできるが、前述と同様の問題があった。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、部品点数を増やすことなく、システム全体を大型化することなく、そしてコスト上昇を伴うことなく、回収水中の微生物の繁殖を抑制することにより、長期運転が実現できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料電池の燃料極
または空気極から送出される排出ガス中の水蒸気を少なくとも凝縮して回収水として回収
する凝縮器と、凝縮器から供給される回収水を導入する導入口を設けた導入部と、この導
入部に一端が接続され内部に回収水を純水化するイオン交換樹脂が充填される充填部を有
する通路と、この通路の他端に接続され同通路を通過して純水化された回収水を導出する
導出口を設けた導出部とからなる純水器とを少なくとも有する回収水系を備えた燃料電池
システムにおいて、回収水系に水道水を定期的に供給する水道水供給手段をさらに備え、
凝縮器と純水器は直接接続され、水道水は純水器の充填部の上流で供給されることである
。

また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、水道水供給手段は、一端が回収水系に接続され他端が水道水供給源に接続された水道水供給管と、この水道水供給管に介装されて水道水を調整可能に供給する供給手段と、この供給手段による水道水の供給を制御する制御手段を備えてなり、制御手段は、所定時間毎に所定量の水道水を供給するように供給手段を制御することである。

また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項２において、回収水系は、凝縮器と充填部の間に配設されて回収水をろ過するフィルタをさらに設け、水道水供給手段は、少なくともフィルタに水道水を供給することである。

また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項３において、純水器は充填部が同純水器内の液体中に常に浸るように構成され、フィルタは液体中に配設され、水道水供給手段は水道水を液体に供給することである。

また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１から請求項４の何れか一項において、充填部に抗菌剤をさらに充填したことである。

また請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項１から請求項４の何れか一項において、充填部に活性炭をさらに充填したことである。

上記のように構成した請求項１に係る発明による燃料電池システムの稼動中においては、回収水系上であって目詰まりが生じて液体の流れが遅くなる部位に微生物が繁殖するおそれがあるが、水道水供給手段によって水道水が定期的に供給されるので、水道水中の残留塩素分によって繁殖した微生物を定期的に殺菌することができる。これによれば、従来のシステムにほとんど変更を加えることなく、すなわち部品点数を増やすことなく、システム全体を大型化することなく、そしてコスト上昇を伴うことなく、回収水中の微生物の繁殖を抑制することにより、長期運転が実現できる燃料電池システムを提供することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、制御手段は所定時間毎に所定量の水道水を供給するように供給手段を制御するので、効率よくフィルタを滅菌処理することができ、滅菌処理するのに使用する水道水を節約することができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、凝縮器と充填部の間に配設されたフィルタによって回収水がろ過される一方、フィルタに捕集された異物によって目詰まりが生じて液体の流れが遅くなることによりフィルタに微生物が繁殖するおそれがあるが、そのフィルタには水道水供給手段によって水道水が供給されるので、水道水中の残留塩素分によって繁殖した微生物を殺菌することができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、純水器は充填部が同純水器内の液体中に常に浸るように構成され、フィルタは液体中に配設され、水道水供給手段は水道水を液体に供給する。これにより、供給された水道水は純水器内の液体中に拡散し、その液中に配設されたフィルタにまんべんなく均一に供給される。したがって、水道水によるフィルタの殺菌作用の効果をさらに向上させることができる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、充填部に抗菌剤をさらに充填しているので、水道水の滅菌作用に加えて抗菌剤の抗菌作用によって充填部をより確実に抗菌することができる。

上記のように構成した請求項６に係る発明においては、充填部に活性炭をさらに充填しているので、水道水の残留塩素分が活性炭により除去され純水器の下流に供給されるのを防止することができる。また残留塩素によるイオン交換樹脂の劣化を抑制することができる。また水道水の塩素分を除去するための別の装置の設置を省略することができるので、部品点数の増加、システム全体の大型化、そしてコストの上昇を防止することができる。

以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池１０とこの燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器２０を備えている。

燃料電池１０は、燃料極１１と空気極１２と両極１１，１２間に介装された電解質１３を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された空気（カソードエア）を用いて発電するものである。なお、本実施の形態においては、燃料電池１０が高分子電解質形燃料電池である場合について説明する。したがって、電解質１３はイオン交換膜（特にカチオン交換膜）であり、燃料は天然ガス、メタノールである。

燃料極１１においては、供給された水素ガスが下記化１のように反応し、生成物である水素イオンが電解質１３を通って空気極１２に供給されるとともに未反応の水素ガスを含んだアノードオフガスが排出される。また空気極１２においては、供給された空気中の酸素および燃料極１１から電解質１３を介して供給された水素イオンが下記化２のように反応し、水（水蒸気）が生成されその水蒸気を含んだカソードオフガスが排出される。

（化１）
H_２ → ２H^＋＋２ｅ⁻
（化２）
２H^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ → H_２Ｏ
ここで、燃料極１１で生成された電子は外部に接続された回路（インバータ回路）を通って空気極１２に到達し、空気極１２にてその電子を使用して上記化２に示す反応が生じこれにより燃料電池１０は発電する。

なお、燃料電池１０の空気極１２には、空気を供給する供給管６１およびカソードオフガスを排出する排出管６２が接続されており、これら供給管６１および排出管６２の途中には、空気を加湿するための加湿器１４が設けられている。この加湿器１４は水蒸気交換型であり、排出管６２中すなわち空気極１２から排出される気体中の水蒸気を除湿してその水蒸気を供給管６１中すなわち空気極１２へ供給される空気中に供給して加湿するものである。

改質器２０は、天然ガス、ＬＰガス、灯油、メタノールなどの燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０に供給するものであり、バーナ２１、改質部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４から構成されている。

バーナ２１は、起動時に外部から燃焼用燃料および燃焼用空気が供給され、または定常運転時に燃料電池１０の燃料極１１からアノードオフガス（燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス）が供給され、供給された各ガスを燃焼して燃焼ガスを改質部２２に導出するものである。この燃焼ガスは改質部２２を（同改質部２２の触媒の活性温度域となるように）加熱し、その後燃焼ガス用凝縮器３４を通ってその燃焼ガスに含まれている水蒸気が凝縮されて外部に排気される。燃焼ガス用凝縮器３４は配管６３を介して後述する純水器４０に連通している。燃焼ガス用凝縮器３４は純水器４０より上方に配設されており、配管６３は内部を流れる液体が純水器４０まで溜まることなく自重によって落水するような構造となっている。

改質部２２は、外部から供給された燃料に蒸発部（図示省略）からの水蒸気を混合した混合ガスを改質部２２に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している（いわゆる一酸化炭素シフト反応）。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）はＣＯシフト部２３に導出される。

ＣＯシフト部２３は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてＣＯ選択酸化部２４に導出される。

ＣＯ選択酸化部２４は、改質ガスに残留している一酸化炭素と外部からさらに供給されたＣＯ浄化用の空気とをその内部に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）燃料電池１０の燃料極１１に導出される。

改質器２０のＣＯ選択酸化部２４と燃料電池１０の燃料極１１とを連通する配管６４の途中には、凝縮器３０が設けられている。この凝縮器３０は改質ガス用凝縮器３１、アノードオフガス用凝縮器３２およびカソードオフガス用凝縮器３３が一体的に接続された一体構造体である。改質ガス用凝縮器３１は配管６４中を流れる燃料電池１０の燃料極１１に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器３２は、燃料電池１０の燃料極１１と改質器２０のバーナ２１とを連通する配管６５の途中に設けられており、その配管６５中を流れる燃料電池１０の燃料極１１から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器３３は、排出管６２の加湿器１４の下流に設けられており、その排出管６２中を流れる燃料電池１０の空気極１２から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。なお、凝縮器３０には、図示しない貯湯槽の低温液体またはラジエータおよび冷却ファンによって冷却された液体が供給されるようになっており、この液体との熱交換によって各ガス中の水蒸気を凝縮している。

これら各凝縮器３１，３２，３３は燃料電池１０より下方となり、かつ純水器４０より上方となるように配設されている。また、これら各凝縮器３１，３２，３３は配管６６を介して純水器４０に連通している。配管６６は内部を流れる液体が純水器４０まで溜まることなく自重によって落水するような構造となっている。なお、凝縮器３０は、少なくともカソードオフガス用凝縮器３３を含むように構成すればよい。凝縮して回収される回収水が最も多いからである。

純水器４０は、凝縮器３０および燃焼ガス用凝縮器３４から供給された水すなわち回収水を純水にするものである。この純水器４０は、図２に示すように、上方に開口するU字状に形成されたハウジング４１を備えている。このハウジング４１は左右筒体４１ａ，４１ｂと両筒体４１ａ，４１ｂの下部を連通する連結部４１ｃとから構成されている。左右筒体４１ａ，４１ｂと連結部４１ｃとの内部は上方に開口するU字状に形成された空間であり、この空間が回収水を流通させる通路４２として機能し、この通路内にはイオン交換樹脂４３ａに抗菌剤４３ｂが均一となるように混合され充填された充填部４３が形成されている。なお、Ｕ字状通路４２においては回収水が自重にて充填部４３内を流通するように構成されている。

イオン交換樹脂４３ａおよび抗菌剤４３ｂは粒状に形成されている。なお図２において充填部４３を模式的に記載し、イオン交換樹脂４３ａを濃く彩色（グレー）することにより粒の形状の記載を省略し、抗菌剤４３ｂを大きな黒色丸で記載している。またこのようにある種類の粒（イオン交換樹脂４３ａ）に他の異なる種類の粒（抗菌剤４３ｂ）が均一に充填されていることを混床という。

左右筒体４１ａ，４１ｂ内には充填部４３の各上面に押えて保持する押え部材を兼ねたフィルタ４４が当接されて取付固定されている。フィルタ４４は通過する液体をろ過するものであり、メッシュ状に形成されたり、小さい孔が多数形成されたりしている。

イオン交換樹脂４３ａは、充填部４３を流通する原水である回収水（または水道水）から陽イオン（カチオン：Ｎａ^＋、Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋など）および陰イオン（アニオン：Ｃｌ⁻、ＨＣＯ_３ ⁻など）を除去する不溶性の合成樹脂をいい、樹脂は化学的に不活性な部分の樹脂基体とイオン交換基の部分から構成されている。本実施の形態のイオン交換樹脂４３ａは原水中の陽イオンをＨ^＋に交換する陽イオン交換樹脂および原水中の陰イオンをＯＨ⁻に交換する陰イオン交換樹脂（いずれも粒状に形成されている）を均一に混合してなる混床タイプのものである。なお、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂の混合比は、凝縮水の陰イオン、陽イオンのバランスにより最適設計されるが、通常は１：１．５〜１：２程度である。また、一般的な両樹脂の粒径は５８０〜６８０μｍである。

抗菌剤４３ｂは、抗菌作用を有する粒状に形成されたものであり、本実施の形態においては、粒状の基材である活性炭に抗菌作用を有する金属、樹脂などの物質の粉末（微粒子）を固着させて構成されている。活性炭は水道水中の塩素分を吸着して除去するものである。なお、粉末（微粒子）は活性炭の微小孔をできるだけ閉塞しないように固着するのが望ましい。活性炭の吸着効果を減少させないためである。具体的には、抗菌剤４３ｂは活性炭に銀の粉末を固着して形成されているが、活性炭の粒径は２．３６〜０．５０ｍｍであり、銀の含有率は０．１％である。この抗菌剤４３ｂが液体中に置かれると、液体中に銀が溶出しこれにより液体中の所定範囲内において抗菌作用が発生する。

右筒体４１ｂの上端（通路４２の一端）には、有底筒状体に形成された導入部４５の開口端が液密に接続されている。導入部４５の天壁４５ａには、凝縮器３０から供給される回収水を導入する配管６６に接続された導入口４５ａ１、燃焼ガス用凝縮器３４から供給される回収水を導入する配管６３に接続された導入口４５ａ２、および図示しない水道水供給源（例えば水道管）から供給される水道水（補給水）を導入する水道水供給管６７（後述する）に接続された導入口４５ａ３が設けられている。また、天壁４５ａにはエア抜き用の孔４５ａ４が形成されている。

また、左筒体４１ａの上端（通路４２の一端）には、貯水器５０が一体的に形成されている。貯水器５０は有底筒状体に形成されたハウジング５１を備えており、このハウジング５１の開口端が左筒体４１ａの上端に液密に接続されている。ハウジング５１の天壁５１ａには、エア抜き口５１ａ１が設けられており、導入部４５に回収水が供給されると、右筒体４１ｂ、左筒体４１ａを満たし、貯水器５０内に貯水される。ハウジング５１内上部には一端が外部に連通する排水管の他端が接続されるオーバーフロー口５２が設けられており、左筒体４１ａの水位が上昇しオーバーフロー口５２を越えるとそのオーバーフロー口５２および排水管を通って外部に排水される。

ハウジング５１の天壁５１ａ上にはポンプ５３が取り付け固定されており、その吸込口５３ａには下端が貯水器５０の底部（ハウジング５１の開口端付近）まで延在されて配設された取水管６８の上端が接続され、ポンプ５３の吐出口５３ｂには上端が改質部２２に接続された配管６９の下端が接続されている。取水管６８の下端には、小さい孔が多数形成された取水部５４が固定されている。さらに、貯水器５０には貯水されている回収水中に配設されて同回収水の導電率を検出する導電率センサ５５ａがハウジング５１の下部に固定された支持部５５ｂによって支持固定されている。導電率センサ５５ａは取水部５４付近に配置されている。

ハウジング５１の天壁５１ａ上には貯水器５０内の上限および下限水位を検知できる水位計５６が取り付け固定されている。水位計５６が下限水位を検知すると、純水器４０に対する水の供給例えば水道水の補給を開始し、水位計５６が上限水位を検知すると、純水器４０に対する水の供給例えば水道水の補給を停止するようになっている。上限水位はオーバーフローラインより若干高い位置に設定され、下限水位は取水部５４より若干高い位置に設定されている。なお、純水器４０および貯水器５０内の水位は図２に示すようにほぼ同レベルにある。

水道水供給管６７は、回収水系に設けられたフィルタ４４に水道水を供給する水道水供給手段を構成するものであり、この水道水供給管６７は、図１に示すように、一端がフィルタ４４に臨設され他端が水道水供給源（例えば水道管）に接続されている。水道水供給管６７の一端がフィルタ４４に臨んで開口するように配置されその一端から流出する水道水がフィルタ４４に被るようになっているのが望ましい。この水道水供給管６７には水道水供給管６７を開閉する開閉電磁弁６７ａが介装されている。開閉電磁弁６７ａは水道水を調整可能に供給する供給手段である。開閉電磁弁６７ａは制御装置８０に接続されており、制御装置８０は定期的に（所定時間毎に）所定量の水道水を供給するように開閉電磁弁６７ａを制御している。水道水は所定の水圧にて水道水供給源から圧送されているので、開閉電磁弁６７ａの開閉時間と所定の水圧を考慮して供給量を決定すればよい。なお、所定時間は燃料電池システムの稼働時間と停止時間との関係、連続稼働時間、連続停止時間、システムの使用されている場所の雰囲気温度、発電時間、発電量などによって設定されることが望ましい。また供給される所定量はフィルタ４４を滅菌するに十分な量に設定されることが望ましい。

なお、この水道水供給管６７には水道水をさらに昇圧して純水器４０に圧送するためのポンプをさらに設けるようにしてもよい。この場合、これらポンプと開閉電磁弁６７ａによって水道水を調整可能に供給する供給手段が構成されている。ポンプと開閉電磁弁６７ａは制御装置８０に接続されており、制御装置８０は所定時間毎に所定量の水道水を供給するようにポンプと開閉電磁弁６７ａを制御している。

なお、回収水系は、燃料電池システム内の凝縮水を回収して純水化するためのものであり、凝縮器３０、配管６６および純水器４０から構成されている。また、水道水供給手段は、水道水供給管６７と、この水道水供給管６７に介装されて水道水を調整可能に供給する供給手段と、この供給手段による水道水の供給を制御する制御手段（制御装置３０）からなる。

次にこのように構成された燃料電池システムの作用を説明する。燃料電池システムの稼動中において、凝縮器３０および燃焼ガス用凝縮器３４にて凝縮され回収された回収水は配管６６および６３を通って自重にて直下流の純水器４０に流れる。純水器４０の導入部４５に流入した回収水は、右筒体４１ｂ内を自重によって上から下へ向かって流れ、連結部４１ｃ内を通って左筒体４１ａ内に流入する。自重で左筒体４１ａ、右筒体４１ｂの水面が同程度（純水器４０の圧損分の水位差はあり）まで左筒体４１ａ内の下から上へ流れる。そして、貯水器５０に到達する。すなわち純水器４０内の回収水は自重によって充填部４３を通って直下流の貯水器５０に到達して貯水される。この貯水されている回収水はイオン交換樹脂４３ａによって純水化されている。そして、貯水器５０に貯水された回収水は、燃料電池の負荷に応じた所定量がポンプ５３によって改質器２０に給水されるようになっている。なお、燃料電池１０から凝縮器３０までの配管中では水滴が発生するおそれがあり、例え水滴が発生しても、燃料電池１０は凝縮器３０より上方に設置されており、燃料電池１０から凝縮器３０までの配管もその内部の流体が自重にて流れ落ちるように構成されているので、燃料電池１０の液体は配管を通って直下流の凝縮器３０に自重にて流れ落ちる。

このような回収水の流れの中で、純水器４０および貯水器５０においては、純水器４０の導入部４５に流入する液体の量が改質器２０に供給される量より大きくなりその水位がオーバーオフロー口５２より高くなればオーバーフロー口５２および排水管を通って外部に排水される。また、貯水器５０内の水位は、水位センサ５６により監視されており、上限水位と下限水位との間となるようになっている。これにより、純水器４０および貯水器５０内の水位は図２に示すようにほぼ同レベルとなり、充填部４３およびフィルタ４４は常に液中に浸るようになっている。また、充填部４３内の抗菌剤４３ｂから所定範囲の液中にはその抗菌作用が及ぶので、その範囲を通過または滞留する液体もしくはその範囲内にある物体は抗菌される。

また、純水器４０に対して水道水が補給される際には、水道水が右筒体４１ｂの導入部４５に貯水されている回収水に直接供給されている。

上述した説明から理解できるように、この実施の形態においては、燃料電池システムの稼動中においては、凝縮器３０と純水器４０の充填部４３の間に配設されたフィルタ４４によって回収水がろ過される一方、フィルタ４４に捕集された異物によって目詰まりが生じて液体の流れが遅くなることによりその部位に微生物が繁殖するおそれがあるが、そのフィルタ４４には水道水供給手段によって水道水が供給されるので、繁殖した微生物を水道水中の残留塩素分によって殺菌することができる。これによれば、従来のシステムにほとんど変更を加えることなく、すなわち部品点数を増やすことなく、システム全体を大型化することなく、そしてコスト上昇を伴うことなく、回収水中の微生物の繁殖を抑制することにより、長期運転が実現できる燃料電池システムを提供することができる。

また、純水器４０は充填部４３が同純水器４０内の液体中に常に浸るように構成され、フィルタ４４は液体中に配設され、水道水供給手段は水道水を液体に供給する。これにより、供給された水道水は純水器４０内の液体中に拡散し、その液中に配設されたフィルタ４４にまんべんなく均一に供給される。したがって、水道水によるフィルタ４４の殺菌作用の効果をさらに向上させることができる。

また、制御装置８０は所定時間毎に所定量の水道水を供給するように供給手段（ポンプと開閉電磁弁６７ａ）を制御するので、効率よくフィルタ４４を滅菌処理することができ、滅菌処理するのに使用する水道水を節約することができる。

また、充填部４３に抗菌剤４３ｂをさらに充填しているので、水道水の滅菌作用に加えて抗菌剤４３ｂの抗菌作用によって充填部４３をより確実に抗菌することができる。

また、充填部に活性炭（抗菌剤４３ｂ）をさらに充填しているので、水道水の残留塩素分が活性炭により除去され純水器４０の下流に供給されるのを防止することができる。また残留塩素によるイオン交換樹脂の劣化を抑制することができる。また水道水の塩素分を除去するための別の装置の設置を省略することができるので、部品点数の増加、システム全体の大型化、そしてコストの上昇を防止することができる。

また、充填部４３を当接して押えて保持する押え部材をフィルタ４４として使用するため、別部材としてのフィルタを設置することなく上記回収水中のろ過を実現できるので、部品点数の増加、システム全体の大型化、そしてコストの上昇を防止することができる。

なお、本発明を、純水器４０の充填部４３に水道水を供給する場合に適用するだけでなく、回収水系上であればいずれの部位に水道水を供給する場合にも適用することができる。特に微生物が繁殖するおそれがある部位に直接供給するようにすればよい。これによれば、回収水系上であって目詰まりが生じて液体の流れが遅くなる部位など微生物が繁殖するおそれがある部位に、水道水供給手段によって水道水が定期的に供給されるので、水道水中の残留塩素分によって繁殖した微生物を定期的に殺菌することができる。したがって、従来のシステムにほとんど変更を加えることなく、すなわち部品点数を増やすことなく、システム全体を大型化することなく、そしてコスト上昇を伴うことなく、回収水中の微生物の繁殖を抑制することにより、長期運転が実現できる燃料電池システムを提供することができる。

なお、上記実施の形態においては、充填部４３が充填されている純水器４０の通路４２が上部に開放されたＵ字状に形成され、その通路４２に液体が溜められると充填部４３は常に液中に浸るようになっていたが、この構造に代えて、充填部４３が液中に浸るような他の構造としてもよい。

また、上記実施の形態においては、回収水を純水化して改質水として利用する場合について適用したが、特開２００３−１５１５９１号公報に示されているように、燃料電池の燃料極および空気極に供給する改質ガスおよび空気を加湿する加湿器に純水化した回収水を供給する場合に適用するようにしてもよい。

また、上記実施の形態においては、水道水供給管６７の導入端、すなわち導入部４５の貯水部に効率よく水道水を散水するような構造を取り付けるようにしてもよい。この構造の一例として、導入口４５ａ３の直下にその開口に対向させて板部材を配置させて水道水をこの板部材で一旦受けて板部材の縁から落水するように構成するものがある。

また、上記実施の形態においては、本発明を燃料電池システム内で回収する回収水を改質水として利用する場合について適用したが、燃料電池システムの稼動中に回収水量が少なくなり途中で外部から水道水を補給する場合にも適用でき、また回収水量が少なくならないで途中で外部から水道水を補給しない場合にも適用できる。

本発明による燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。図１に示す純水器および貯水器を示す断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質器、２１…バーナ、２２…改質部、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２４…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、３０…凝縮器、３１…改質ガス用凝縮器、３２…アノードオフガス用凝縮器、３３…カソードオフガス用凝縮器、３４…燃焼ガス用凝縮器、４０…純水器、４１…ハウジング、４１ａ，４１ｂ…筒体、４１ｃ…連結部、４２…通路、４３…充填部、４３ａ…イオン交換樹脂、４３ｂ…抗菌剤、４４…フィルタ、４５…導入部、４５ａ１，４５ａ２，４５ａ３…導入口、４６…導出部、４６ａ１…エア抜き用孔、４６ｂ…導出口、５０…貯水器、５１…ハウジング、５２…オーバーフロー口、５３…ポンプ、５４…取水部、５５ａ…導電率センサ、５６…水位計、５７…タンク、６１〜６６，６８，６９…配管、６７…水道水供給管、６７ａ…開閉電磁弁、８０…制御装置。

Claims

燃料電池の燃料極または空気極から送出される排出ガス中の水蒸気を少なくとも凝縮し
て回収水として回収する凝縮器と、
前記凝縮器から供給される回収水を導入する導入口を設けた導入部と、該導入部に一端
が接続され内部に前記回収水を純水化するイオン交換樹脂が充填される充填部を有する通
路と、該通路の他端に接続され同通路を通過して純水化された回収水を導出する導出口を
設けた導出部とからなる純水器とを少なくとも有する回収水系を備えた燃料電池システム
において、
前記回収水系に水道水を定期的に供給する水道水供給手段をさらに備え、
前記凝縮器と前記純水器は直接接続され、
前記水道水は前記純水器の充填部の上流で供給されることを特徴とする燃料電池システ
ム。
請求項１において、前記水道水供給手段は、一端が前記回収水系に接続され他端が水道水供給源に接続された水道水供給管と、該水道水供給管に介装されて前記水道水を調整可能に供給する供給手段と、該供給手段による水道水の供給を制御する制御手段を備えてなり、
前記制御手段は、所定時間毎に所定量の水道水を供給するように前記供給手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
請求項２において、前記回収水系は、
前記凝縮器と充填部の間に配設されて回収水をろ過するフィルタをさらに設け、
前記水道水供給手段は、少なくとも前記フィルタに水道水を供給することを特徴とする燃料電池システム。
請求項３において、前記純水器は前記充填部が同純水器内の液体中に常に浸るように構成され、前記フィルタは前記液体中に配設され、前記水道水供給手段は前記水道水を前記液体に供給することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１から請求項４の何れか一項において、前記充填部に抗菌剤をさらに充填したことを特徴とする燃料電池システム。
請求項１から請求項４の何れか一項において、前記充填部に活性炭をさらに充填したことを特徴とする燃料電池システム。