JP5063189B2

JP5063189B2 - 燃料電池装置

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Publication number: JP5063189B2
Application number: JP2007141787A
Authority: JP
Inventors: 秀則中林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2027-05-29
Also published as: JP2008300059A

Description

本発明は、燃料電池の発電により生じる排ガスと水との熱交換により生じた凝縮水を利用して発電を行なう燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、水素ガスと酸素含有ガス（通常、空気である）とを用いて電力を得ることができる燃料電池と、この燃料電池を稼動するための補機類とを外装ケースに収納してなる燃料電池装置およびその運転方法が種々提案されている。

ここで、燃料電池の発電に必要な水素の生成方法の１つとして水蒸気改質法が知られており、この水蒸気改質を用いる燃料電池装置としては、燃料ガス（水素ガス）を生成するための改質器、外部から供給される水（水道水等）を処理して純水を生成する水処理装置、処理した水（純水）を一時的に貯水するための水タンク、さらに水処理装置と水タンクと改質器をそれぞれ接続する水供給管等を具備することが知られている。

また、燃料電池の発電により生じる排ガスと水とで熱交換するための熱交換器を具備し、熱交換により生成される凝縮水を改質器に供給する燃料電池装置も知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−１７９３８６号公報

上述したような水蒸気改質を用いる燃料電池装置において、熱交換により生じる凝縮水を改質器に供給するにあたっては、改質器の故障や改質触媒の劣化を抑制（防止）すべく、凝縮水はイオン交換樹脂等の凝縮水処理手段（装置）にて処理されたのち（純水としたのち）改質器に供給される。

ところで、熱交換により生成された凝縮水の量が、改質器で必要とされる水の量よりも多くなる場合がある。この場合、改質器で必要とされる量以上の水は、燃料電池装置から排水されることとなる。

ここで、熱交換により生成された凝縮水を水タンク（凝縮水タンク）に貯水し、貯水された水（凝縮水）を改質器に供給する燃料電池装置において、凝縮水を凝縮水処理手段で処理した後に水タンク（凝縮水タンク）に貯水する場合においては、改質器で必要とされる量以上の凝縮水を凝縮水処理手段にて処理することとなり、結果的に凝縮水処理手段の寿命が短くなってしまうという問題があった。

一方、改質器が必要とする水を、改質器の要求に応じて凝縮水処理手段で処理した後に水ポンプ等により改質器に供給する燃料電池装置においては、改質器が必要とする水を、その都度凝縮水処理手段で処理した後、水ポンプ等により改質器に供給することとなるため、改質器が水を必要とするタイミングと改質器に水が供給されるタイミングとの間にタイムラグが生じ、改質器が故障するといったおそれがあった。

それゆえ本発明は、改質器が必要とする水を直ちに供給することができるとともに、凝縮水を処理する凝縮水処理手段の寿命を長くすることができる燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池装置は、燃料電池と、該燃料電池に供給される改質ガスを生成するために水蒸気改質を行なう改質器と、前記燃料電池の発電により生じる排ガスと水とで熱交換を行なう熱交換器と、該熱交換器での熱交換により生成される凝縮水を貯水するための凝縮水タンクと、該凝縮水タンクの上部壁と前記熱交換器とを接続し、前記熱交換器で生成された前記凝縮水を前記凝縮水タンクに供給するための凝縮水供給管と、外部から供給される水を処理するための水処理装置と、該水処理装置にて処理された水を貯水するための水タンクとを具備し、前記凝縮水タンクは、前記凝縮水タンク中に設けられた上部仕切部材と下部仕切部材とにより、該上部仕切部材よりも上部に位置する凝縮水導入部と、前記上部仕切部材と前記下部仕切部材との間に位置し前記凝縮水を純水にするための凝縮水処理手段を備える凝縮水処理部と、前記下部仕切部材よりも下部に位置し、前記凝縮水処理部にて処理された凝縮水を前記改質器に供給するための処理水供給部とに区画され、前記凝縮水導入部の前記凝縮水供給管との接続部よりも低い位置に、前記凝縮水を排水するための凝縮水排水管が接続されているとともに、前記凝縮水タンクに貯水される水が前記水タンクに供給されるよう、一端が前記処理水供給部と接続され、他端が前記一端と同じ高さもしくはそれより低い高さで前記水タンクと接続されているタンク連結管を備えることを特徴とする。

このような燃料電池装置においては、凝縮水タンクが、凝縮水タンク中に設けられた上部仕切部材と下部仕切部材とにより、上部仕切部材よりも上部に位置し凝縮水供給管より供給される凝縮水を導入するための凝縮水導入部と、上部仕切部材と下部仕切部材との間に位置し、凝縮水を純水にするための凝縮水処理手段を備える凝縮水処理部と、下部仕切部材よりも下部に位置し、凝縮水処理部にて処理された凝縮水を改質器に供給するための処理水供給部とに区画されていることから、凝縮水タンクに供給される凝縮水は、凝縮水導入部を通った後、凝縮水処理部を流れるとともに、凝縮水処理部に備えられた凝縮水処理手段により処理され純水が生成され、生成された純水は処理水供給部に貯水され改質器に供給されることとなる。

また凝縮水は、凝縮水タンクの上部壁に接続された凝縮水供給管を流れて、凝縮水タンクの上方より供給されるため、凝縮水の供給量に伴い凝縮水タンクの水位が上昇するが、凝縮水タンクの水位が凝縮水導入部に達した場合においては、凝縮水供給管より凝縮水タンクに供給される水は、凝縮水導入部の凝縮水供給管との接続部よりも低い位置に接続されている凝縮水排水管を通じて排水される。それゆえ、排水される凝縮水が凝縮水処理手段と接触することを抑制できる。したがって、改質器が必要とする量以上の凝縮水を凝縮水処理手段で処理することを抑制できることから、凝縮水処理手段の寿命を長くすることができる。

また、外部から供給される水を処理するための水処理装置と、該水処理装置にて処理された水を貯水するための水タンクとを具備し、前記凝縮水タンクに貯水される水が前記水タンクに供給されるよう、一端が前記処理水供給部と接続されているとともに、他端が前記一端と同じ高さもしくはそれより低い高さで前記水タンクと接続されているタンク連結管を備えることから、凝縮水タンク（処理水供給部）に貯水される凝縮水は水タンクに供給され、水タンクに貯水された水を改質器に供給することとなる。ここで、燃料電池の発電に伴い凝縮水の供給量（回収量）が減少した場合において、水タンクに外部から供給される水を供給することができることから、改質器に供給される水が枯渇することを抑制できる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記凝縮水処理手段がイオン交換樹脂であることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、凝縮水処理手段をイオン交換樹脂とすることにより、凝縮水を純水に処理することができる。それにより、改質器が必要とする量の凝縮水を純水に処理することができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記水タンクに貯水される水の上限水位が、前記凝縮水排水管の接続部位と同じ高さもしくはそれよりも高いことが好ましい。

このような燃料電池装置においては、水タンクに貯水される水の上限水位が、凝縮水排水管の接続部位と同じ高さもしくはそれよりも高いことから、凝縮水を優先的に貯水する場合において、凝縮水タンクに貯水できる水の量を多くすることができる。それにより、改質器（水タンク）に供給することができる水の量を増加することができる。

また、凝縮水の生成量（供給量）が減少し、外部から供給される水を水タンクに供給する場合において、水タンクに貯水される水の上限水位が、凝縮水排水管の接続部位と高さと同じ高さもしくはそれよりも高いことから、水タンクに貯水できる水の量を多くすることができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記凝縮水排水管の接続部位の高さよりも高い位置で前記水タンクに接続された水タンク排水管を有することが好ましい。

このような燃料電池装置においては、水タンク排水管は、凝縮水排水管の接続部位の高さよりも高い位置で水タンクに接続されていることから、凝縮水処理部に供給される凝縮水の量を抑制することができる。すなわち、水タンク排水管を、凝縮水排水管の接続部位よりも高い位置で水タンクに接続することにより、凝縮水を優先的に使用する場合において、凝縮水タンクや水タンクの水位が所定の貯水量に達すると、凝縮水供給管を流れる水は、凝縮水排水管より排水されることとなる。

それゆえ、改質器が必要とする量以上の凝縮水を凝縮水処理手段で処理することを抑制できることから、凝縮水処理手段の寿命を長くすることができる。

また、水タンクに水タンク排水管を設けていることから、外部から供給される水を水タンクに貯水する場合に、水タンクに貯水される水の水位が凝縮水供給管の凝縮水排水管との接続部位が配置された高さよりも高い位置となる場合があるが、その場合において、水タンクに接続された水タンク排水管により、水タンクの水を排水することができる。したがって、水タンクに貯水される水が溢れることを抑制（防止）することができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記外部から供給される水を前記水処理装置に供給するとともに、前記水処理装置で処理した水を前記水タンクに供給するための水供給管を有し、該水供給管の前記水処理装置よりも上流側に、前記外部から供給される水の量を調整するための給水弁が設けられているとともに、前記水タンクに貯水される水が所定の水位を下回った場合に、前記外部から供給される水を前記水タンクに貯水するように前記給水弁を制御する制御装置を具備することが好ましい。

このような燃料電池装置においては、外部から供給される水を水処理装置で処理した後水タンクに供給するための水供給管を有し、その水供給管の水処理装置よりも上流側に、外部から供給される水の量を調整するための給水弁が設けられているとともに、水タンクに貯水された水の水位が低下し、所定の水位を下回った場合に、外部から供給される水を水タンクに貯水するように給水弁を制御する制御装置を具備することから、通常は燃料電池の発電により生じる凝縮水を利用し、凝縮水が不足した場合に外部から供給される水を改質器（水タンク）に供給することができる。それにより、改質器に供給される水が枯渇することを抑制できる。

本発明の燃料電池装置は、燃料電池に発電により生じる排ガスと水とで熱交換した際に生成される凝縮水を貯水するための凝縮水タンクと、凝縮水タンクの上部壁と熱交換器とを接続し、熱交換器で生成された凝縮水を凝縮水タンクに供給するための凝縮水供給管と、外部から供給される水を処理するための水処理装置と、該水処理装置にて処理された水
を貯水するための水タンクとを具備し、凝縮水タンクが、凝縮水タンク中に設けられた上部仕切部材と下部仕切部材とにより、上部仕切部材よりも上部に位置する凝縮水導入部と、上部仕切部材と下部仕切部材との間に位置し、凝縮水を純水にするための凝縮水処理手段を備える凝縮水処理部と、下部仕切部材よりも下部に位置し、凝縮水処理部にて処理された凝縮水を前記改質器に供給するための処理水供給部とに区画され、凝縮水導入部の凝縮水供給管との接続部よりも低い位置に、凝縮水を排水するための凝縮水排水管が接続されているとともに、凝縮水タンクに貯水される水が水タンクに供給されるよう、一端が処理水供給部と接続され、他端が一端と同じ高さもしくはそれより低い高さで水タンクと接続されているタンク連結管を備えることから、凝縮水タンクの貯水量に伴い、必要量以上の凝縮水は凝縮水排水管より排水されることとなり、凝縮水処理手段の寿命を長くすることができるとともに、改質器に供給される水が枯渇することを抑制できる。

図１は、本発明の燃料電池装置の構成の一例を示した構成図である。本発明の燃料電池装置は、発電を行なう発電ユニット、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニット、これらのユニット間を水が循環するための循環配管から構成されている。

図１に示す燃料電池装置は、燃料電池１、天然ガスや灯油等の被改質ガスを供給する被改質ガス供給手段２、酸素含有ガスを燃料電池１に供給するための酸素含有ガス供給手段３、被改質ガスと水蒸気により水蒸気改質する改質器４を具備している。

また、図１に示す燃料電池装置においては、燃料電池１の発電により生じた排ガス（排熱）と水とで熱交換を行なう熱交換器１３、熱交換により生成された凝縮水を貯水する凝縮水タンク１９、熱交換器１３で生成された凝縮水を凝縮水タンク１９に供給するための凝縮水供給管２１が設けられており、凝縮水タンク１９に貯水された水（凝縮水）が改質器４に供給される。

一方、凝縮水タンク１９に貯水される水の量が少ない場合においては、外部より供給される水（水道水等）を純水に処理し改質器４に供給することが好ましく、図１においては外部から供給される水を純水に処理する手段として水処理装置Ｘを具備している。

ここで、水処理装置Ｘは、水を浄化するための活性炭フィルタ装置７、逆浸透膜装置８（以下、ＲＯ膜装置とする）および浄化された水を純水にするためのイオン交換樹脂装置９の各装置を具備する。そして、イオン交換樹脂装置９にて生成された純水は水タンク１０に貯水されるとともに、凝縮水タンク１９と水タンク１０とがタンク連結管２０にて連結されている。

また、図１に示す燃料電池装置においては、活性炭フィルタ装置７、ＲＯ膜装置８、イオン交換樹脂装置９および水タンク１０をこの順で接続する水供給管５が設けられており、水供給管５には、水供給管５に供給される水量を調整するための給水弁６が設けられている。なお図１においては、これら改質器４に水を供給するための手段を、一点鎖線により囲って示している。

さらに、燃料電池１にて発電された直流電力を交流電力に切り替え外部負荷に供給するためのパワーコンディショナ１２、熱交換器１３の出口に設けられ熱交換器１３の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ１５、水を循環させるための循環ポンプ１６、循環ポンプ１６の運転を制御する制御装置１４により発電ユニットが構成されている。なお、制御装置１４については後述する。

また貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１８を具備して構成されている。

さらに、熱交換器１３と貯湯タンク１８との間で水を循環させるための循環配管１７が設けられており、発電ユニット、貯湯ユニット、循環配管１７をあわせて本発明の燃料電池装置が構成される。

なお、図中の矢印は、燃料、酸素含有ガス、水の各流れ方向を示したものであり、また破線は制御装置１４に伝送される主な信号経路、または制御装置１４より伝送される主な信号経路を示している。また、同一の構成については同一の番号を付するものとし、以下同様である。さらに図示していないが、被改質ガス供給手段２と改質器４との間に、被改質ガスを加湿するための被改質ガス加湿器を設けることも可能である。

また、燃料電池１としては、各種燃料電池が知られているが、燃料電池を小型化する上で、固体酸化物形燃料電池とすることができる。それにより、燃料電池のほか、燃料電池の動作に必要な補機類を小型化することができ、燃料電池装置を小型化することができる。またあわせて、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。

このように、本発明の燃料電池装置は、水蒸気改質を行なう燃料電池装置において有用であり、なかでも、例えば燃料電池１の上方に、水蒸気改質を行なうための改質器４を配置し、燃料電池１で使用されなかった燃料を燃焼させて改質器４を加熱する固体酸化物形燃料電池において最適となる。

ここで、図１に示した燃料電池装置を用いて、本発明の燃料電池装置の運転方法について説明する。

燃料電池１の発電により生じた排ガス（排熱）は、主に燃料電池１の温度を高めるもしくは維持するために使用された後、燃料電池１より熱交換器１３に供給される。熱交換器１３においては、燃料電池１の発電により生じる排ガスと熱交換器１３内を通水（循環）する水（循環配管１７を流れる水）とで熱交換される。そして熱交換された水（湯水）は、循環配管１７を循環して貯湯タンク１８に貯湯される。

一方、熱交換により生成される凝縮水は、凝縮水供給管２１を流れて凝縮水タンク１９に貯水される。凝縮水タンク１９に貯水された凝縮水は、凝縮水タンク１９中に備えられた凝縮水処理手段（図１においては図示せず）にて処理された後、タンク連結管２０を流れて水タンク１０に供給される。水タンク１０に貯水された水は、改質器４で必要となる水の量に応じて、水ポンプ１１により改質器４に供給される。

改質器４においては、水ポンプ１１により供給された水と、被改質ガス供給手段２より供給される被改質ガスとにより水蒸気改質を行なう。改質器４にて生成された改質ガス（燃料ガス）は、燃料電池１に供給され、酸素含有ガス供給手段３より供給される酸素含有ガスと反応して、燃料電池１の発電が行なわれる。そして、燃料電池１の発電で生じた電力は、パワーコンディショナ１２を通じて外部負荷に供給される。

一方、改質器４に対して外部より供給される水（水道水等）を供給する場合には、給水弁６が開放され、水供給管５を通して、外部から供給される水が活性炭フィルタ装置７に給水される。活性炭フィルタ装置７にて処理された水は、続いてＲＯ膜装置８に給水される。ＲＯ膜装置８にて処理された水は、続いてイオン交換樹脂装置９に供給・処理され純水が生成される。イオン交換樹脂装置９にて生成された純水は、水タンク１０に供給され、凝縮水を改質器４に供給する場合と同様に、改質器４で必要となる水の量に応じて、水ポンプ１１により改質器４に供給される。

ところで、改質器４に供給する水として、凝縮水を優先的に使用することにより、水道水等の外部から供給される水の使用量を低減することができ、燃料電池装置のランニングコストを低減することができる。

しかしながら、熱交換器１３にて行われる熱交換により生成された凝縮水の量が、改質器４で必要とされる水の量よりも多くなる場合がある。この場合、凝縮水タンク１９や水タンク１０の貯水量が増えることから、凝縮水タンク１９や水タンク１０から水が溢れることを抑制（防止）する目的で、凝縮水タンク１９や水タンク１０に排水手段を設ける場合がある。

ここで、例えば凝縮水を凝縮水処理手段で処理した後に凝縮水タンク１９（水タンク１０）に貯水するような燃料電池装置においては、凝縮水処理手段で処理された水がそのまま排水される場合がある。それゆえ、凝縮水処理手段は改質器４に必要となる量以上の水を処理することとなり、結果的に凝縮水処理手段の寿命が短くなってしまうおそれがある。

一方で、改質器４が必要とする水を改質器４の要求に応じて凝縮水処理手段で処理し、処理が終わった後に水ポンプ等により改質器４に供給する燃料電池装置においては、改質器４が必要とする水を、その都度凝縮水処理手段で処理した後、水ポンプ等により改質器４に供給することとなるため、改質器４が水を必要とするタイミングと改質器４に水が供給されるタイミングとの間にタイムラグが生じ、改質器４が故障するというおそれがある。

それゆえ本発明は、改質器４が必要とする水を改質器４の要求に応じて直ちに供給することができるとともに、凝縮水を処理するための凝縮水処理手段の寿命を長くすることができる燃料電池装置を提供することを目的としており、以下に詳述する。

図２は、本発明の燃料電池装置における凝縮水タンク１９、水タンク１０およびこれらに接続される各水供給管を抜粋して示したものである。

熱交換器１３で熱交換された際に生成される凝縮水は、凝縮水供給管２１を流れて凝縮水タンク１９に貯水される。ここで、凝縮水供給管２１は一端が凝縮水タンク１９の上部壁に接続されている。それにより、熱交換器１３にて生成された凝縮水は、凝縮水タンク１９の上面より滴下されて（自然落下により流れて）凝縮水タンク１９に貯水される。

なお、凝縮水供給管２１の他端である熱交換器１３との接続部位は、凝縮水タンク１９よりも高い位置となるように設けられることが好ましい。それにより、凝縮水は自然落下により凝縮水供給管２１を流れて凝縮水タンク１９に供給される。
また、凝縮水供給管２１は、凝縮水タンク１９に容易に凝縮水を貯水することができるよう、なるべく屈曲部等が少なく、直線状の凝縮水供給管２１とするのが好ましい。それゆえ例えば、凝縮水供給管２１は、凝縮水タンク１９の高さ方向と平行に配置するとともに、凝縮水タンク１９の上面に垂直に接合されるように設けることが好ましい。

ここで凝縮水タンク１９は、凝縮水タンク１９中に設けられた上部仕切部材２４により、上部仕切部材２４よりも上部に位置する凝縮水導入部２５と、上部仕切部材２４よりも下部に位置し、凝縮水を純水にするための凝縮水処理手段２２を備える凝縮水処理部２６とに区画されている。なお、上部仕切部材２４としては、凝縮水供給管２１より供給される水が凝縮水処理部２６に流れるよう、例えば網目状構造の部材やメッシュ状の部材等を用いることができる。

ここで、凝縮水導入部２５と凝縮水処理部２６とが上下に配置されていることにより、凝縮水供給管２１より供給される凝縮水は、凝縮水導入部２５を流れた後、凝縮水処理部２６を流れる。そして、凝縮水処理手段２２を備える凝縮水処理部２６を上部から下部へと流れる過程で、凝縮水が純水に処理される。すなわち、凝縮水処理部２６の下端側における水が純水となる。

ところで、凝縮水供給管２１からの凝縮水の供給量や改質器４への水の供給量に応じて、凝縮水タンク１９の水位が上昇する。そして、凝縮水タンク１９の水位が凝縮水導入部２５に位置する場合がある。この場合、凝縮水供給管２１を流れて供給される凝縮水は、それ以上凝縮水処理部２６側に流れることできないこととなる。

ここで、凝縮水タンク１９の凝縮水導入部２５の凝縮水供給管２１との接続部よりも低い位置（凝縮水導入部２５の側面）に凝縮水排水管２３が接続されている。なお凝縮水排水管２３は、凝縮水導入部２５の凝縮水供給管２１との接続部よりも低い位置に接続されていればよいが、凝縮水供給管２１より供給される凝縮水が、凝縮水処理部２６に貯水されている水と混合することを抑制すべく、凝縮水タンク１９の上端側に接続されていることが好ましい。

それにより、凝縮水タンク１９の水位が凝縮水導入部２５に位置する状態となった場合に、凝縮水供給管２１を流れて凝縮水導入部２５に供給される凝縮水は、凝縮水導入部２５より凝縮水排水管２３を流れて排水されることとなる。それにより排水される凝縮水は、凝縮水処理手段２２と接触することを抑制できる。

したがって、必要量以上の凝縮水が凝縮水処理部２６に流入されることを抑制できることから、凝縮水タンク１９（凝縮水処理部２６）中に備えられている凝縮水処理手段２２を無駄に使用することを抑制でき、凝縮水処理手段２２の寿命を長くすることができる。

なお、凝縮水処理手段２２としては、凝縮水を処理することにより純水とすることができるものを使用することができるが、凝縮水タンク１９（凝縮水処理部２６）中に備える（充填する）ことや、凝縮水処理手段２２の交換における容易性、凝縮水の処理の効率性等を考慮して、イオン交換樹脂（以下、凝縮水処理手段をイオン交換樹脂として説明するものとし、イオン交換樹脂２２と略す場合がある）とすることが好ましく、例えば球状のイオン交換樹脂２２とすることができる。なお、凝縮水処理部２６中に備えるイオン交換樹脂２２は、凝縮水の純度や、凝縮水タンク１９の大きさ、イオン交換樹脂２２の大きさ等により、適宜凝縮水タンク１９（凝縮水処理部２６）中に備えることができる。

上述したように、凝縮水タンク１９、凝縮水供給管２１、凝縮水処理手段２２、凝縮水排水管２３および上部仕切部材２４を設けた構成とすることにより、凝縮水処理手段（イオン交換樹脂）２２の寿命を長くすることができる。

なお、図２において凝縮水タンク１９はタンク連結管２０により水タンク１０と接続されている。ここで、水タンク１０は、外部から供給される水（水道水等）を水処理手段Ｘにて処理した後の水が貯水される。それゆえ、タンク連結管２０は凝縮水タンク１９の水が水タンク１０に流れるように接続されることが好ましい。なお、水タンク１０およびタンク連結管２０については、図３を用いて詳細に説明する。また、図２においては水タンク１０の下端側に、改質器４に水を供給するための水供給管が接続されているが、改質器４に水タンクの水を供給することができれば、水供給管の接続部の配置に特に制限はない。

図３は、凝縮水タンク１９と外部から供給される水（水処理装置Ｘで処理された後の水）を貯水するための水タンク１０とがタンク連結管２０にて接続されているとともに、凝縮水タンク１９に上部仕切部材２４と下部仕切部材２７とが設けられていることを示したものである。

燃料電池１の発電量や循環ポンプ１７を流れる水の温度等に伴い、熱交換器１３で生成される凝縮水の量が変動する。それゆえ、熱交換により生成される凝縮水の量が減少した場合には、外部から供給される水を改質器４に供給することが好ましい。ちなみに、外部から供給される水を改質器４に供給するにあたり、凝縮水（凝縮水処理手段２２にて処理された後の凝縮水）と混合して改質器４に供給することもできる。

ここで、外部から供給される水は、前述した水処理装置Ｘにより純水とすることができるため、凝縮水タンク１９の水を水タンク１０に供給する構成とすることが好ましい。それにより、イオン交換樹脂２２の寿命が短くなることを抑制（防止）できる。またあわせて、凝縮水タンク１９からの水の供給が減少した場合には、水タンク１０に外部からの水を供給することができることから、改質器４に供給される水が枯渇することを抑制できる。

ここで、凝縮水タンク１９には上部仕切部材２４と下部仕切部材２７とが設けられており、それにより凝縮水タンク１９は、上部仕切部材２４よりも上部に位置し凝縮水供給管２１より供給される凝縮水を導入するための凝縮水導入部２５と、上部仕切部材２４と下部仕切部材２７との間に位置し、凝縮水を純水にするための凝縮水処理手段２２を備える凝縮水処理部２６と、下部仕切部材２７よりも下部に位置し、凝縮水処理部２６にて処理された凝縮水を改質器に供給するための処理水供給部２８とに区画されている。

それにより、凝縮水供給管２１より供給される凝縮水は、凝縮水導入部２５を流れた後、凝縮水処理部２６を流れる。そして、凝縮水処理手段２２を備える凝縮水処理部２６を上部から下部へと流れる過程で、凝縮水が純水に処理される。凝縮水処理部２６で生成された純水は、処理水供給部２８に貯水される。

それゆえ、凝縮水タンク１９の水を水タンク１０に供給するにあたっては、凝縮水処理部２６にて処理された水が貯水される処理水供給部２８より水タンク１０に水を供給することにより、処理された凝縮水（純水）を水タンク１０に供給することができる。

なお下部仕切部材２７としては、凝縮水処理部２６にて処理された水が、処理水供給部２８に流れるよう、例えば網目状構造の部材やメッシュ状の部材等を用いることができる。また、下部仕切部材２７として網目状構造の部材やメッシュ状の部材等を用いる場合においては、凝縮水処理手段２２が処理水供給部２８中に落下しないよう、凝縮水処理手段２２の大きさに合わせた網目やメッシュの孔サイズとすることが好ましい。

ここで図３においては、凝縮水タンク１９と水タンク１０とが、タンク連結管２０にて接続されているが、タンク連結管２０は、凝縮水タンク１９（処理水供給部２８）から水タンク１０へと水が流れるよう、一端が処理水供給部２８と接続され、他端が一端と同じ高さもしくはそれより低い高さで水タンク１０と接続されることが好ましい。それにより、処理水供給部２８中の水（純水）が水タンク１０へ容易に流れることとなり、水タンク１０に貯水された水を改質器４に供給することとなる。なお、タンク連結管２０は直線状の形状であることが好ましく、凝縮水タンク１９の側面と水タンク１０の側面とを連結するように配置することが好ましい。ここで、タンク連結管２０の一端は、処理水供給部２８と接続されていればよいが、凝縮水タンク１９の水をより水タンク１０に供給することができるよう、処理水供給部２８の下端側に接続することが好ましい。

また、タンク連結管２０の一端が処理水供給部２８と接続されていることから、例えばタンク連結管２０にイオン交換樹脂２２が詰まり、凝縮水タンク１９の水を水タンク１０に供給することができないといったことを有効に抑制（防止）できる。

さらに、連結管２０の水タンク１０と接続される他端を、処理水供給部２８と接続される一端よりも高い位置とした場合には、水ポンプ等を用いて処理水供給部２８の水を水タンク１０へと流すこともできる。

なお、図３においても凝縮水導入部２５の凝縮水供給管２１との接続部よりも低い位置（凝縮水導入部２５の側面）に凝縮水排水管２３が接続されており、上述したように、凝縮水タンク１９の水位が凝縮水導入部２５に位置する状態となった場合に、凝縮水供給管２１を流れて凝縮水導入部２５に供給される凝縮水は、凝縮水導入部２５より凝縮水排水管２３を流れて排水されることとなる。それにより排水される凝縮水は、凝縮水処理手段２２と接触することを抑制できる。

さらに、水タンク１０に貯水される水の上限水位が、凝縮水排水管２３の接続部位と同じ高さもしくはそれよりも高いことが好ましく、図３においては、水タンク１０に貯水される水の上限水位を凝縮水排水管２３の接続部位と同じ高さとした状態を示している。

それにより、水タンク１０に貯水される水の上限水位が、凝縮水排水管２３の接続部位と同じ高さもしくはそれよりも高いことから、凝縮水タンク１９に貯水できる凝縮水の量を多くすることができる。すなわち、凝縮水導入部２５まで凝縮水を貯水することができる。

一方、凝縮水の生成量（供給量）が減少し、外部から供給される水を水タンク１０に供給する場合においては、水タンク１０に貯水される水の上限水位が、凝縮水排水管２３の接続部位と同じ高さもしくはそれよりも高いことから、外部から供給される水の量に応じて、水タンク１０に貯水できる水の量を多くすることができる。なお、この場合において、水タンク１０の水が凝縮水タンク１９に逆流しないよう、逆流防止部材（例えば、逆流防止弁等）をタンク連結管２０に設けることもできる。

図４は、水タンク１０に水タンク排水管２９が設けられているとともに、水タンク排水管２９が、凝縮水排水管２３の接続部位よりも高い位置で水タンク１０に接続されていることを示したものである。

ここで、水タンク排水管２９と水タンク１０とが、凝縮水排水管２３の接続部位よりも高い位置で接続されていることから、凝縮水を優先的に使用する場合において、凝縮水タンク１９や水タンク１０に貯水された水の水位が所定の水位に達すると、凝縮水供給管２１を流れる凝縮水は凝縮水処理部２６へ流れることが抑制されるとともに、凝縮水排水管２３より排水されることとなる。

それゆえ、凝縮水供給管２１を流れる凝縮水が凝縮水処理部２６へと流れることを抑制できることから、改質器４が必要とする量以上の凝縮水をイオン交換樹脂２２で処理することを抑制でき、イオン交換樹脂２２の寿命を長くすることができる。

また、外部から供給される水を水タンク１０に貯水する場合に、水タンク１０に貯水される水の水位が凝縮水排水管２３の接続部位よりも高い位置（水位）となる場合がある。

ここで、水タンク１０に水タンク排水管２４を設けることにより、外部から供給される水を水タンク１０に貯水する場合において、水タンク１０の水位が所定の水位以上となった場合に、水タンク１０に貯水された水が水タンク排水管２４を流れて排水され、水タンク１０より水が溢れることを効果的に抑制（防止）できる。

上述したように、本発明においては、燃料電池の発電により生じる排ガスと水とでの熱交換の際に生成される凝縮水を回収し、回収した凝縮水を優先的に改質器４に供給するが、凝縮水タンク１９に貯水される凝縮水が減少し、水タンク１０の水位が所定の水位以下となった場合には、外部から供給される水を改質器４に供給することが好ましい。

それゆえ、外部から供給された水を水処理装置Ｘに供給するとともに、水処理装置Ｘで処理した水を水タンク１０に供給するための水供給管５において、水処理装置Ｘよりも上流側に、外部から供給される水の量を調整するための給水弁６を設けるとともに、水タンク１０に貯水される水が所定の水位を下回った場合に、外部から供給される水を水タンクに貯水するように給水弁６を制御する制御装置１４を具備することが好ましい（図１参照）。

それにより、水タンク１０の水位が低下し所定の水位を下回った場合には、外部から供給される水を水タンク１０に貯水することができることから、改質器４に供給される水が枯渇することを抑制できる。

具体的には、水タンク１０に水位センサ（フロートスイッチや導電率センサ等）を設ける。水位センサが検知した水タンク１０の水位情報が制御装置１４に伝送される。制御装置１４は、水タンク１０の水位が予め定められた所定の水位を下回った場合に、給水弁６を開く信号を給水弁６に伝送する。それにより給水弁６が開かれ、外部から供給される水（水道水等）が供給される。外部から供給された水は、水処理手段Ｘである活性炭フィルタ装置７、ＲＯ膜装置８およびイオン交換樹脂装置９により順に処理され、処理された後の水が水タンク１０に貯水される。なお、給水弁６としては電磁弁等を用いることができる。

一方、外部からの水を水タンク１０に供給している場合において、水タンク１０の水位が所定の水位を上回った場合においては、所定の水位を上回った情報が制御装置１４に伝送され、制御装置１４は給水弁６を閉じる信号を給水弁６に伝送する。それにより、外部から供給される水を停止することができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、図２において凝縮水タンク１９と水タンク１０とを隣設して、タンク連結管２０を設けないように構成することもできる。この場合、凝縮水タンク１９の水が水タンク１０に流れるよう、例えば凝縮水タンク１９と水タンク１０の配置（高さ）を変えることが好ましい。

さらに例えば、水タンク１０の水位が所定の水位（下限水位）を下回った場合に、改質器４での改質反応を水蒸気改質から部分酸化改質に切り換えるようにすることもできる。この場合においては、水タンク１０の水位が下限水位を下回った場合でも、継続して燃料電池１の発電を行なうことができる。

また、外部から供給される水が水タンク１０に供給されている場合において、水タンク排水管２４に導電率センサ等の水流れセンサを設けることもできる。この場合、例えば水タンク１０の水位が所定の水位を上回り、制御装置１４が給水弁６を閉じる信号を給水弁６に伝送して所定時間経過後に、導電率センサ等の水流れセンサが水の流れを検知した場合には、給水弁６が故障していることを判断することができる。なお、この場合給水弁６の故障を知らせるための警報装置を設けることもできる。

また、例えばイオン交換樹脂２２を網目状の部材で形成された筒状の容器に充填するとともに、その筒状の容器を凝縮水タンク１９に挿入することもできる。この場合、筒状容器の上面を上部仕切部材２４、底面を下部仕切部材２７とすることができる。このような筒状容器を用いることにより、イオン交換樹脂２２の交換の際、凝縮水タンク１９中の水を排水することなく、イオン交換樹脂２２の交換を容易に行うことができる。

本発明の燃料電池装置の構成の一例を示す構成図である。凝縮水タンク中に設けた上部仕切部材により区画され、凝縮水供給管が上部壁に接続された凝縮水導入部の凝縮水供給管との接続部よりも低い位置に、凝縮水排水管が接続されていることを示す本発明の燃料電池装置の一部を抜粋して示す説明図である。凝縮水タンク中に上部仕切部材と下部仕切部材とを設け、凝縮水タンクが凝縮水導入部と凝縮水処理部と処理水供給部とに区画されているとともに、処理水供給部と水タンクとがタンク連結管にて接続されていることを示す本発明の燃料電池装置のさらに他の構成の一例を抜粋して示す説明図である。凝縮水排水管の接続部位よりも高い位置で水タンク排水管が水タンクに接続されていることを示す本発明の燃料電池装置のさらに他の構成の一例を抜粋して示す説明図である。

符号の説明

１：燃料電池
４：改質器
５：水供給管
６：給水弁
７：活性炭フィルタ装置
８：ＲＯ膜装置
９：イオン交換樹脂装置
１０：水タンク
１１：水ポンプ
１３：熱交換器
１４：制御装置
１９：凝縮水タンク
２０：タンク連結管
２１：凝縮水供給管
２２：凝縮水処理手段
２３：凝縮水排水管
２４：上部仕切部材
２５：凝縮水導入部
２６：凝縮水処理部
２７：下部仕切部材
２８：処理水供給部
２９：水タンク排水管
Ｘ：水処理装置

Claims

燃料電池と、該燃料電池に供給される改質ガスを生成するために水蒸気改質を行なう改質器と、前記燃料電池の発電により生じる排ガスと水とで熱交換を行なう熱交換器と、該熱交換器での熱交換により生成される凝縮水を貯水するための凝縮水タンクと、該凝縮水タンクの上部壁と前記熱交換器とを接続し、前記熱交換器で生成された前記凝縮水を前記凝縮水タンクに供給するための凝縮水供給管と、外部から供給される水を処理するための水処理装置と、該水処理装置にて処理された水を貯水するための水タンクとを具備し、前記凝縮水タンクは、前記凝縮水タンク中に設けられた上部仕切部材と下部仕切部材とにより、該上部仕切部材よりも上部に位置する凝縮水導入部と、前記上部仕切部材と前記下部仕切部材との間に位置し前記凝縮水を純水にするための凝縮水処理手段を備える凝縮水処理部と、前記下部仕切部材よりも下部に位置し、前記凝縮水処理部にて処理された凝縮水を前記改質器に供給するための処理水供給部とに区画され、前記凝縮水導入部の前記凝縮水供給管との接続部よりも低い位置に、前記凝縮水を排水するための凝縮水排水管が接続されているとともに、前記凝縮水タンクに貯水される水が前記水タンクに供給されるよう、一端が前記処理水供給部と接続され、他端が前記一端と同じ高さもしくはそれより低い高さで前記水タンクと接続されているタンク連結管を備えることを特徴とする燃料電池装置。
前記凝縮水処理手段がイオン交換樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
前記水タンクに貯水される水の上限水位が、前記凝縮水排水管の接続部位と同じ高さもしくはそれよりも高いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置。
前記凝縮水排水管の接続部位の高さよりも高い位置で前記水タンクに接続された水タンク排水管を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
前記外部から供給される水を前記水処理装置に供給するとともに、前記水処理装置で処理した水を前記水タンクに供給するための水供給管を有し、該水供給管の前記水処理装置よりも上流側に、前記外部から供給される水の量を調整するための給水弁が設けられているとともに、前記水タンクに貯水される水が所定の水位を下回った場合に、前記外部から供給される水を前記水タンクに貯水するように前記給水弁を制御する制御装置を具備することを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載の燃料電池装置。