JP5142604B2

JP5142604B2 - 燃料電池装置

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Publication number: JP5142604B2
Application number: JP2007169703A
Authority: JP
Inventors: 秀則中林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-06-27
Filing date: 2007-06-27
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2027-06-27
Also published as: JP2009009808A

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る凝縮水の生成量は、排ガス量や熱交換器内を循環する水の温度等により変動するため、その生成量を制御することが難しく、燃料電池装置を運転している間は継続的に凝縮水が生成される。

ここで、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り、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。

それゆえ、熱交換により生成された凝縮水を凝縮水タンクに貯水し、貯水された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凝縮水タンクに貯水する場合や、凝縮水処理手段を充填した凝縮水タンクに凝縮水を回収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場合があり、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。

それゆえ本発明は、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、内部に設けられた仕切部材の上方に収納され、前記熱交換器での熱交換により生じる凝縮水を処理するための凝縮水処理手段を有するとともに、該凝縮水処理手段にて処理された凝縮水を貯水する凝縮水タンクと、前記熱交換器と前記凝縮水タンクの下端部とを接続する凝縮水回収管と、前記凝縮水タンクに貯水され前記凝縮水処理手段で処理された前記凝縮水を前記改質器に供給するための凝縮水供給管と、前記凝縮水タンクの水位を検知する水位検知手段と、前記熱交換器、前記凝縮水回収管および前記凝縮水タンクの下端部のうちいずれかに設けられ、前記凝縮水処理手段で処理される前の凝縮水を排水するための凝縮水排水手段と、前記凝縮水タンクの水位が予め定められた第１の水位以上となったことを前記水位検知手段で検知すると前記凝縮水処理手段で処理される前の凝縮水を排水するように前記凝縮水排水手段を制御し、前記凝縮水タンクの水位が、前記第１の水位よりも低く設定された第２の水位以下となったことを前記水位検知手段が検知すると、前記凝縮水処理手段で処理される前の凝縮水を排水しないよう前記凝縮水排水手段を制御する制御装置とを具備するとともに、前記仕切部材は、前記凝縮水タンクの底面から、前記第１の水位と前記第２の水位との高さの差と同じ高さだけ離れて配置されてい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、凝縮水を貯水する凝縮水タンク中に水位検知手段を設けるとともに、凝縮水タンクの水位が予め定められた第１の水位以上となったことを水位検知手段が検知すると、熱交換器、凝縮水回収管および凝縮水タンクの下端部のうちいずれかに設けられた凝縮水排水手段を、熱交換器で生成され凝縮水処理手段で処理される前の凝縮水を排水するよう制御する制御装置を具備することから、凝縮水タンクに必要量以上の凝縮水が供給されることを抑制できる。また、制御装置は、凝縮水タンクの水位が、第１の水位よりも低く設定された第２の水位以下となったことを水位検知手段が検知すると、凝縮水処理手段で処理される前の凝縮水を排水しないよう凝縮水排水手段を制御することから、凝縮水タンクに貯水される凝縮水が枯渇することを抑制でき、改質器が故障することを抑制することができる。さらに、仕切部材が、凝縮水タンクの底面から、第１の水位と第２の水位との高さの差と同じ高さだけ離れて配置されていることから、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。

それにより、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、本発明の燃料電池装置は、前記凝縮水排水手段が、三方弁であるとともに、前記凝縮水回収管に設けられていることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、凝縮水排水手段としての三方弁を凝縮水回収管に設けることにより、凝縮水タンクの水位が予め定められた第１の水位以上となったことを水位検知手段が検知すると、凝縮水回収管を凝縮水タンクに向けて流れる凝縮水を排水するよう三方弁を制御する制御装置を具備することから、凝縮水タンクに必要量以上の凝縮水が供給され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、外部から供給される水を処理するためのイオン交換樹脂装置を具備する水処理装置と、該水処理装置で処理された水を貯水するための水タンクとを具備してなり、前記制御装置は、前記凝縮水タンクの水位が予め定められた第３の水位以下となったことを前記水位検知手段で検知すると、前記水タンクに貯水された水を前記改質器に供給するよう制御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、凝縮水タンクの水位が予め定められた第３の水位以下となったことを水位検知手段で検知すると、制御装置は、外部から供給される水をイオン交換樹脂装置を具備する水処理装置で処理して水タンクに貯水された水を改質器に供給するよう制御することから、改質器に供給される水が枯渇することが抑制され、改質器が故障することを抑制できる。

また、本発明において第１の水位は第２の水位よりも高い水位であり、第３の水位は第２の水位と同じ水位または第２の水位より低い水位となるような関係にある。それにより、改質器が故障することを抑制できるとともに、凝縮水処理手段の寿命を長くすることができる。

本発明の燃料電池装置は、燃料電池の発電により生じる排ガスと水とでの熱交換により生じる凝縮水を改質器に供給する燃料電池装置において、水位検知手段の検知に基づいて凝縮水排水手段を制御することにより、凝縮水タンクに必要量以上の凝縮水が供給されることや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、凝縮水処理手段の寿命を長くすることができる。また、凝縮水タンクに貯水される凝縮水が枯渇することを抑制でき、改質器が故障することを抑制することができる。

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に回収（供給）するための凝縮水回収管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に貯水される凝縮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）を純水に処理して改質器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。なお、図１においては、凝縮水と水道水等の外部から供給される水を併用して用いる場合の例を示しており、凝縮水タンク１９と水タンク１０とが凝縮水供給管２０（タンク連結管）にて連結されている。なお、凝縮水のみを改質器４に供給する場合には、凝縮水タンク１９と改質器４とを水ポンプを介して接続することも可能である。

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１においては、凝縮水回収管２１に熱交換器１３での熱交換により生じ、凝縮水処理手段で処理される前の凝縮水を排水するための凝縮水排水手段２２が設けられており、この凝縮水排水手段２２については後述する。

また、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、凝縮水回収管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、凝縮水供給管（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。なお、凝縮水タンク１９中に貯水された凝縮水のみを改質器４に供給する場合においては、凝縮水供給管２０（タンク連結管）を水ポンプ１１に接続すればよい。

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。

ここで、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にオーバーフロー用の排水手段を設ける場合がある。

そして、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。その場合、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、処理された凝縮水を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の供給に関する各部材を抜粋して示した構成図である。

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。凝縮水タンク１９に貯水された凝縮水は、凝縮水タンク１９に設けられた凝縮水処理手段２３により純水に処理された後、改質器４に供給される。

ところで、凝縮水タンク１９には、凝縮水タンク１９に貯水される凝縮水が溢れないよう凝縮水を排水するための排水管が設けられている場合がある（水タンク１０を併用する場合には水タンク１０に設けられる場合もある）。

そして、凝縮水タンク１９に貯水される凝縮水を純水に処理するための凝縮水処理手段２３が凝縮水タンク１９中に設けられている場合、凝縮水処理手段２３で処理した水（純水）を排水することとなり、凝縮水処理手段２３の寿命が短くなるおそれがある。また、凝縮水処理手段２３が凝縮水回収管２１に設けられている場合も同様である。

それゆえ、本発明においては凝縮水タンク１９中に、凝縮水タンク１９の水位を検知するための水位検知手段２４を設けるとともに、水位検知手段２４が示す水位に基づき、熱交換器１３での熱交換により生じる凝縮水が、凝縮水タンク１９に貯水されないよう、すなわち凝縮水処理手段にて処理される前の凝縮水を排水するための凝縮水排水手段を具備している。

ここで、図２は凝縮水排水手段を熱交換器１３に設けた例を示しており、以下にこの凝縮水排水手段を熱交換器１３に設けた場合について説明する。

凝縮水タンク１９には、凝縮水タンク１９中に貯水される凝縮水の水位を検知するための水位検知手段２４が設けられている。また、凝縮水回収管２１には凝縮水回収管用電磁弁２５（以下、回収管電磁弁２５という）が設けられており、熱交換器１３には凝縮水を排水するための熱交換器排水管２６および熱交換器排水管用電磁弁２７（以下、熱交換器電磁弁２７という）が設けられている。なお、凝縮水回収管２１および熱交換器排水管２６は、熱交換器１３の下部に気液分離部材を設けるとともに、その気液分離部材に接続することができる。

ここで、凝縮水タンク１９の水位は水位検知手段２４により検知され、その情報が制御装置１４に伝送される。制御装置１４は、凝縮水タンク１９の水位が第１の水位（上限水位）より低い場合においては、回収管電磁弁２５を開くように制御する制御信号を回収管電磁弁２５に伝送するとともに、熱交換器電磁弁２７を閉じるように制御する制御信号を熱交換器電磁弁２７に伝送する。それにより、凝縮水タンク１９の水位が低い場合には、熱交換器１３での熱交換により生成される凝縮水が、凝縮水回収管２１を流れて凝縮水タンク１９に貯水される。

一方、凝縮水タンク１９の水位が第１の水位（上限水位）以上となった場合には、その水位情報に基づき、制御装置１４は、回収管電磁弁２５を閉じるように制御する制御信号を回収管電磁弁２５に伝送するとともに、熱交換器電磁弁２７を開くように制御する制御信号を熱交換器電磁弁２７に伝送する。それにより、凝縮水タンク１９の水位が第１の水位（上限水位）以上となった場合には、熱交換器１３での熱交換により生成される凝縮水は、熱交換器１３（熱交換器排水管２６）より排水されることとなり、凝縮水タンク１９に供給されないこととなる。

それにより、凝縮水タンク１９に凝縮水が供給されないことから、改質器４が必要とする量以上の凝縮水を凝縮水処理手段２３で処理することを抑制でき、凝縮水処理手段２３の寿命を長くすることができる。なお、凝縮水排水手段を熱交換器１３に設ける構成においては、凝縮水処理手段２３は、凝縮水回収管２１（凝縮水タンク１９と回収管電磁弁２５との間）や凝縮水供給管２０に設けることもできる。

一方、回収管電磁弁２５および熱交換器電磁弁２７を制御することにより、凝縮水タンク１９に凝縮水が供給されない状態が継続すると、凝縮水タンク１９中の水が枯渇し、改質器４に供給できる凝縮水が少なくなり（場合によってはなくなり）、改質器４に故障等が生じるおそれがある。

したがって、凝縮水タンク１９の水位が第２の水位（下限水位）以下となった場合には、凝縮水処理手段２３で処理される前の凝縮水を排水しないよう回収管電磁弁２５および熱交換器電磁弁２７を制御することが好ましい。

そのため、凝縮水タンク１９の水位が第２の水位（下限水位）以下となったとなった情報が水位検知手段より制御装置１４に伝送された場合には、制御装置１４は熱交換器電磁弁２７を閉じるように制御する制御信号を熱交換器電磁弁２７に伝送するとともに、回収管電磁弁２５を開くように制御する制御信号を回収管電磁弁２５に伝送する。

それにより、凝縮水処理手段２３で処理される前の凝縮水が排水されることを抑制でき、熱交換により生成される凝縮水は凝縮水タンク１９に貯水されることとなる。それにより、凝縮水タンク１９が枯渇することを抑制（防止）でき、改質器４が故障することを抑制（防止）できる。

なお、凝縮水処理手段２３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に設ける場合や、凝縮水処理手段２３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２３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２３とすることができる。なお、イオン交換樹脂２３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２３の大きさ等により適宜設けることができる。

また、水位検知手段としては、一般的に使用されるものであれば特に制限はなく、例えばフロートスイッチ等を用いることができる。

図３は、図１に示したように、凝縮水回収管２１に凝縮水処理手段にて処理される前の凝縮水を排水するための凝縮水排水手段として三方弁２２を設けた場合における三方弁２２の制御について示したものである。

凝縮水排水手段として三方弁２２を用いる場合においては、制御装置１４は、水位検知手段２４により伝送される凝縮水タンク１９の水位情報に基づき三方弁２２を制御する。ここで、図３（ａ）においては、凝縮水タンク１９の水位が第１の水位（上限水位）より低い場合を示しており、この場合、制御装置１４は、熱交換器１３での熱交換により生じた凝縮水が、凝縮水タンク１９に流れるよう三方弁２２を制御する。

一方、凝縮水タンク１９の水位が第１の水位（上限水位）以上となった場合には、制御装置１４は、図３（ｂ）に示したように、熱交換器１３での熱交換により生じた凝縮水が、排水側へ流れるよう三方弁２２を制御する。なお三方弁２２の排水側には、凝縮水を排水するための排水管を接続しておくことが好ましい。

それにより、凝縮水タンク１９に凝縮水が供給されないことから、改質器４が必要とする量以上の凝縮水を凝縮水処理手段２３で処理することを抑制できることから、凝縮水処理手段２３の寿命を長くすることができる。

一方、三方弁２２を制御することにより、凝縮水タンク１９に凝縮水が供給されない状態が継続すると、凝縮水タンク１９中の水が枯渇し、改質器４に供給できる凝縮水が少なくなり（場合によってはなくなり）、改質器４に故障等が生じるおそれがある。

したがって、凝縮水タンク１９の水位が、第２の水位（下限水位）以下となった場合には、凝縮水処理手段２３で処理される前の凝縮水を排水しないよう三方弁２２を制御することが好ましい。

そのため、凝縮水タンク１９の水位が第２の水位（下限水位）以下となったとなった情報が水位検知手段２４より制御装置１４に伝送された場合には、制御装置１４は三方弁２２に、熱交換器１３での熱交換により生じた凝縮水が凝縮水タンク１９に流れるように三方弁２２を制御する信号を伝送する（図３（ａ）の状態に戻す制御を行なう）。

それにより、凝縮水処理手段２３で処理される前の凝縮水が排水されることを抑制でき、熱交換により生成される凝縮水が凝縮水タンク１９に貯水されることとなる。それにより、凝縮水タンク１９が枯渇することを抑制（防止）でき、改質器４が故障することを抑制（防止）できる。

なお、凝縮水排水手段２２を凝縮水回収管２１に設ける構成においては、凝縮水処理手段２３は、凝縮水回収管２１（水タンク１９と凝縮水排水手段２３との間）や凝縮水供給管２０に設けることもできる。

図４は、凝縮水排水手段を凝縮水タンク１９に設けた例を示したものである。図４においては、凝縮水回収管２１の一端が凝縮水タンク１９の下端部側に連結されており、また凝縮水タンク１９中に上下に設けられた仕切部材２８により囲まれた部位にイオン交換樹脂２３が充填されている。また、凝縮水タンク１９の上部には、オーバーフロー用の排水管２９が設けられており、凝縮水タンク１９の底面には、凝縮水タンクに貯水された凝縮水を排水するための凝縮水排水手段２２である凝縮水タンク排水管３０と、凝縮水タンク排水管用電磁弁３１（以下、タンク電磁弁３１という）が設けられている。

凝縮水排水手段として凝縮水タンク排水管３０を用いる場合においては、水位検知手段２４により伝送される凝縮水タンク１９の水位情報に基づき、タンク電磁弁３１を制御する。ここで、凝縮水タンク１９が第１の水位（上限水位）以上となった場合においては、制御装置１４はタンク電磁弁３１を開く制御を行なう。それにより、凝縮水タンクに貯水された凝縮水を排水することができる。

ここで、凝縮水タンクに貯水された凝縮水を排水するにあたっては、イオン交換樹脂２３で処理された後の凝縮水まで排水すると、結果的にイオン交換樹脂２３の寿命を長くすることができないため、イオン交換樹脂２３で処理される前の凝縮水のみを排水するように制御することが好ましい。

すなわち、凝縮水タンク１９の底面側から凝縮水タンク１９の下部側に設けられた仕切部材２８までの高さに貯水された凝縮水は、イオン交換樹脂２３にて処理される前の凝縮水であるため、この水位分だけの凝縮水を排水するようにすることが好ましい。

したがって、例えば水位検知手段２４の第１の水位（上限水位）と第２の水位（下限水位）の水位差を、凝縮水タンク１９の底面から凝縮水タンク１９の下部側に設けられた仕切部材２８までの高さとすることにより、タンク電磁弁３１を開くように制御し、凝縮水タンク排水管３０より凝縮水を排水する場合において、凝縮水処理手段２３により処理される前の凝縮水のみを排水することができる。それにより、改質器４が必要とする量以上の凝縮水を凝縮水処理手段２３で処理することを抑制できることから、凝縮水処理手段２３の寿命を長くすることができる。

一方、水位検知手段２４が第２の水位（下限水位）を検知した場合には、凝縮水処理手段２３で処理される前の凝縮水を排水しないようタンク電磁弁３１を閉じるよう制御することが好ましい。それにより、凝縮水処理手段２３で処理される前の凝縮水が排水されることを抑制でき、熱交換により生成される凝縮水が凝縮水タンク１９に貯水されることとなる。それにより、凝縮水タンク１９が枯渇することを抑制（防止）でき、改質器４が故障することを抑制（防止）できる。また、あわせて凝縮水処理手段２２で処理された後の凝縮水が排水されることを抑制（防止）できることから、凝縮水処理手段２３の寿命を長くすることができる。

なお、図３に示した構成においては、凝縮水処理手段２３は、凝縮水供給管２０に設けることもできる。この場合、水位検知手段２４における第１の水位（上限水位）と第２の水位（下限水位）の水位差について、凝縮水が凝縮水タンク１９より溢れ出ない範囲であれば、特に制限はない。

ところで、本発明においては、凝縮水処理手段２３の寿命を長くするため、凝縮水処理手段２３で処理される前の凝縮水を排水し、凝縮水タンク１９に貯水された凝縮水が所定の水位以下となった場合に各種電磁弁や三方弁を制御し、凝縮水タンク１９に凝縮水を貯水することとなるが、この場合に、各種電磁弁や三方弁等が故障し凝縮水タンク１９に凝縮水を供給できない場合や、凝縮水タンク１９に貯水される凝縮水の量以上の凝縮水が改質器４に供給され凝縮水タンク１９の貯水量がなくなる場合、凝縮水を改質器４に供給することができず、改質器４に故障等が生じる場合がある。

したがって、本発明においては、外部から供給される水を処理するためのイオン交換樹脂装置９を具備する水処理装置Ｘと、水処理装置Ｘで処理された水を貯水するための水タンク１０とを具備するとともに、凝縮水タンク１９の水位が予め定められた第３の水位（下限水位）以下となったことを水位検知手段２４が検知すると、水タンク１０に貯水された水を改質器４に供給するように制御することが好ましい。

それにより、改質器４に供給される水が枯渇することを抑制でき、改質器４に故障等が生じることを抑制（防止）することができる。

なお、この場合おける凝縮水タンク１９の予め定められた第３の水位は、前述した各種電磁弁や三方弁を制御して凝縮水を凝縮水タンク１９へと流すように制御する場合の第２の水位と同じとすることもできるが、凝縮水を優先的に使用する点で、第２の水位よりもさらに低い水位とすることが好ましい。それにより、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とともに、改質器４に供給する凝縮水が不足した場合にのみ外部から供給される水を改質器４に供給することとなり、燃料電池装置の運転におけるランニングコストを低減することができる。

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、凝縮水排水手段を、熱交換器１３、凝縮水回収管２１および凝縮水タンク１９のうち、複数に設けることも可能である。それにより、効率よく凝縮水処理手段２３の寿命を長くすることができる。

また、凝縮水タンク１９および水タンク１０の水位が第２の水位または第３の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、凝縮水タンク１９や水タンク１０の水位が第２または第３の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。

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。凝縮水排水手段を熱交換器に設けた場合の本発明の燃料電池装置の構成の一部を抜粋して示す構成図である。凝縮水排水手段として三方弁を用いる場合の本発明の燃料電池装置の構成の一部を抜粋して示す構成図であり、（ａ）は凝縮水を凝縮水タンクに供給する場合の三方弁を、（ｂ）は凝縮水処理手段で処理される前の凝縮水を排水する場合の三方弁を示したものである。凝縮水排水手段を凝縮水タンクに設けた場合の本発明の燃料電池装置の構成の一部を抜粋して示す構成図である。

符号の説明

１：燃料電池
４：改質器
１０：水タンク
１３：熱交換器
１４：制御装置
１９：凝縮水タンク
２１：凝縮水回収管
２２：凝縮水排水手段
２３：凝縮水処理手段
２４：水位検知手段
２５：凝縮水回収管用電磁弁
２６：熱交換器排水管
２７：熱交換器排水管用電磁弁
２８：仕切部材
３０：凝縮水タンク排水管
３１：凝縮水タンク排水管用電磁弁
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、内部に設けられた仕切部材の上方に収納され、前記熱交換器での熱交換により生じる凝縮水を処理するための凝縮水処理手段を有するとともに、該凝縮水処理手段にて処理された凝縮水を貯水する凝縮水タンクと、前記熱交換器と前記凝縮水タンクの下端部とを接続する凝縮水回収管と、前記凝縮水タンクに貯水され前記凝縮水処理手段で処理された前記凝縮水を前記改質器に供給するための凝縮水供給管と、前記凝縮水タンクの水位を検知する水位検知手段と、前記熱交換器、前記凝縮水回収管および前記凝縮水タンクの下端部のうちいずれかに設けられ、前記凝縮水処理手段で処理される前の凝縮水を排水するための凝縮水排水手段と、前記凝縮水タンクの水位が予め定められた第１の水位以上となったことを前記水位検知手段で検知すると前記凝縮水処理手段で処理される前の凝縮水を排水するように前記凝縮水排水手段を制御し、前記凝縮水タンクの水位が、前記第１の水位よりも低く設定された第２の水位以下となったことを前記水位検知手段が検知すると、前記凝縮水処理手段で処理される前の凝縮水を排水しないよう前記凝縮水排水手段を制御する制御装置とを具備するとともに、前記仕切部材は、前記凝縮水タンクの底面から、前記第１の水位と前記第２の水位との高さの差と同じ高さだけ離れて配置されていることを特徴とする燃料電池装置。
前記凝縮水排水手段が、三方弁であるとともに、前記凝縮水回収管に設けられてい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または請求項２に記載の燃料電池装置。
外部から供給される水を処理するためのイオン交換樹脂装置を具備する水処理装置と、該水処理装置で処理された水を貯水するための水タンクとを具備してなり、前記制御装置は、前記凝縮水タンクの水位が予め定められた第３の水位以下となったことを前記水位検知手段で検知すると、前記水タンクに貯水された水を前記改質器に供給するよう制御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。