JP5383112B2

JP5383112B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5383112B2
Application number: JP2008195420A
Authority: JP
Inventors: 幸一郎堀内; 元彦薮谷; 充巨山本
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2028-07-29
Also published as: JP2010033917A

Description

本発明は、燃料電池システムを構成する純水器に関する。

燃料電池システムとして、特許文献１に示すように、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、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３０と、この凝縮器３０から供給される回収水を純水にする純水器４０と、この純水器４０から供給される純水化された回収水と燃料（原燃料）を改質して燃料ガスを導出する改質器２０とを備えたものが知られている。

このシステムにおいては、凝縮器３０から回収した水には金属イオンや無機イオン、有機物などが含まれているため、純水器４０に充填されているイオン交換樹脂で除去する。また回収した水に混入した雑菌を純水器４０に充填されているイオン交換樹脂に混床された抗菌能力を有する活性炭によって処理している。
特開平２００５−２４３２５１公報（図１）

しかしながら文献１においてはシステム停止時等において、純水器４０の入口側に抗菌活性炭に浸っていない水が存在する場合があるため、水質や滞在時間、水温などの条件によっては雑菌が繁殖する恐れがある。また抗菌活性炭はイオン交換樹脂よりも比重が大きいため、充填された抗菌活性炭は使用時間の経過とともに下流側に移動し、そして純水器入口部の抗菌活性炭が下流側に移動すると、抗菌性能が低下し、雑菌が繁殖する恐れがある。

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、簡易に、安定して、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、燃料極に供給された燃料ガスおよび酸化剤極に供給された酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池システム内から回収される回収水を導入し純水化する純水器と、純水化された純水を貯める貯水器と、を備え、純水器は、回収水を純水化するイオン交換樹脂と、イオン交換樹脂の重力方向における上方に所定厚さに１層のみ積層された抗菌剤と、が充填された収容部と、上部に設けられて大気と常時連通する排出口と、を備え、貯水器は、純水器と通水管を介して連通するとともにエア抜き口およびオーバーフロー口を介して大気と常時連通し、通水管は、純水器の下部に配置されて純水を導入する導入口を含む導入部と、純水器の上部に水平に延在するよう配置されて導入した純水を導出する導出口を含む導出部と、を有し、導出部は導出口から下方に向けて屈曲され延設されて貯水器内に貫通されるとともに、下端面はオーバーフロー口より重力方向上方に配置され、水平に延在する導出口は、イオン交換樹脂と抗菌剤の層との境界面よりも重力方向における上方に、かつ抗菌剤の層の上面よりも重力方向における下方に配置されており、燃料電池システム停止時に、収容部に滞留する回収水の水面が常に抗菌剤の層の重力方向の範囲内に位置するよう構成されることである。

上記の課題を解決するため、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、前記抗菌剤の充填時の厚さは３０ｍｍ以上であることである。

上記の課題を解決するため、請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、前記抗菌剤の上面よりも重力方向における上方に前記回収水を導入する導入口が設けられ、前記抗菌剤の上面と前記導入口との間に、８メッシュ（開口径２ｍｍ）以上で、かつ抗菌剤の粒径よりも小さい開口幅を有するフィルタが設けられていることである。

上記の課題を解決するため、請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、前記燃料極から送出された燃料ガスオフガス中の水蒸気を回収する第１凝縮器、前記酸化剤極から送出された酸化剤ガスオフガス中の水蒸気を回収する第２凝縮器のうち少なくとも一方の凝縮器が設けられ、前記回収水は前記凝縮器で回収された水であることである。

上記の課題を解決するため、請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項において、さらに前記燃料極から送出された燃料ガスオフガスを燃焼するオフガス燃焼器と、前記オフガス燃焼器から送出された燃焼排ガス中の水蒸気を回収する第３凝縮器が設けられ、前記回収水は前記第３凝縮器で回収された水であることである。

上記の課題を解決するため、請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項において、さらに前記燃料ガスを改質用燃料から生成する改質器が設けられ、前記燃料極に供給される前の前記燃料ガス中の水蒸気を回収する第４凝縮器が設けられ、前記回収水は前記第４凝縮器で回収された水であることである。

上記の課題を解決するため、請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項において、さらに前記燃料ガスを改質用燃料から生成する改質器と、前記改質器を加熱するために燃焼用燃料を燃焼する改質器用燃焼器と、前記改質器用燃焼器から送出された燃焼排ガス中の水蒸気を回収する第５凝縮器が設けられ、前記回収水は前記第５凝縮器で回収された水であることである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、燃料電池システムの停止時において、収容部に導入された回収水の水面はイオン交換樹脂と抗菌剤との境界面と、抗菌剤の上面との間にあり、常に抗菌剤に浸るよう構成されている。これにより、回収水の水面は、空気層と回収水との境界を成し空気中の雑菌が侵入しやすい面であるにもかかわらず、常に抗菌剤中に存在するため抗菌されて、回収水中の雑菌の繁殖が抑制でき、純水器の通路の目詰まりの防止が期待できる。そして回収水の水質の劣化が抑制されるため、純水器の長寿命化が図れるとともに、純水化される回収水の品質が維持できる。
さらに、燃料電池システムの停止時に、回収水の水面位置は、イオン交換樹脂と抗菌剤との境界面よりも重力方向において上方で、かつ抗菌剤の上面よりも重力方向において下方に設けられた導出口と同じ高さになるよう構成されている。これにより回収水の水面高さを調整する装置を別に設けることなく簡易に適切な水面高さを維持でき、システム停止時の回収水の水面を常に抗菌剤に浸すことができるため、低コストかつ安定して回収水中の雑菌の繁殖を抑制することができ、純水器の長寿命化が図れるとともに、純水化された回収水の品質を維持できる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１において、イオン交換樹脂の上方に積層される抗菌剤の厚さを、３０ｍｍ以上とした。これにより燃料電池システムが長期間使用された後において、イオン交換樹脂よりも比重の大きい抗菌剤が、イオン交換樹脂の中に一部沈みこんでも抗菌剤の厚さは十分確保でき、回収水導入部の抗菌能力低下の抑制が可能となり、純水器の長寿命化が図れるとともに、純水化された回収水の品質を維持できる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１または請求項２において、抗菌剤の上面よりも重力方向における上方に回収水を導入する導入口が設けられ、抗菌剤の上面と導入口との間に、８メッシュ（開口径２ｍｍ）以上で、かつ抗菌剤の粒径よりも小さい開口幅を有するフィルタが設けられている。これにより、純水器において高い純水化性能の効果を得ることができる例えば０．３〜１．３ｍｍ（およそ１５〜６０メッシュ相当）の粒径のイオン交換樹脂の流出を抑えるためにイオン交換樹脂の上方に積層される４〜６メッシュ程度の粒径の抗菌剤の流出を抑えることができるとともに、イオン交換樹脂内で発生する炭酸ガスおよび酸素等のガスをフィルタから良好に排出することができる。よってフィルタ下面の気体の堆積が抑制され、処理水量の低下や純水器内部の偏流を回避することが可能となり、純水器の長寿命化や水質低下の回避が図られる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、燃料ガスオフガス中の水蒸気を回収する第１凝縮器、酸化剤ガスオフガス中の水蒸気を回収する第２凝縮器のうち少なくとも一方の凝縮器が設けられ、回収水は前記凝縮器で回収された水である。酸化剤ガスオフガス中には酸化剤極で生成された多くの水蒸気が含まれている。また燃料ガスオフガス中にも酸化剤極から交換膜を通して移動した多くの水蒸気が含まれている。これにより、第１凝縮器、第２凝縮器のうち少なくとも一方の凝縮器を介して純水器には安定した量の回収水が供給される。よって燃料電池システムの停止時において、純水器の収容部に導入された回収水の水面はイオン交換樹脂と抗菌剤との境界面と、抗菌剤の上面との間に存在し、常に抗菌剤に浸ることができるため、雑菌の繁殖が抑制でき、純水器の長寿命化が図れるとともに、純水化された回収水の品質を維持できる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項１乃至請求項４のいずれか１項において、燃料ガスオフガスを燃焼するオフガス燃焼器と、オフガス燃焼器から送出された燃焼排ガス中の水蒸気を回収する第３凝縮器が設けられ、回収水は第３凝縮器で回収された水である。オフガス燃焼器によって、燃料ガスオフガスが燃焼され、水蒸気が十分生成される。これにより生成された水蒸気は第３凝縮器を介して回収され純水器には安定した量の回収水が供給される。よって燃料電池システムの停止時において、純水器の収容部に導入された回収水の水面はイオン交換樹脂と抗菌剤との境界面と、抗菌剤の上面との間に存在し、常に抗菌剤に浸ることができるため、雑菌の繁殖が抑制でき、純水器の長寿命化が図れるとともに、純水化された回収水の品質を維持できる。

上記のように構成した請求項６に係る発明においては、請求項１乃至請求項５のいずれか１項において、燃料ガスを改質用燃料から生成する改質器が設けられ、燃料極に供給される前の燃料ガス中の水蒸気を回収する第４凝縮器が設けられ、回収水は第４凝縮器で回収された水である。燃料ガス中には改質用燃料から燃料ガスへの改質の際に供給される多くの水蒸気が含まれている。これにより、第４凝縮器を介して純水器には安定した量の回収水が供給される。よって燃料電池システムの停止時においては、純水器の収容部に供給された回収水の水面はイオン交換樹脂と抗菌剤との境界面と、抗菌剤の上面との間に存在し、常に抗菌剤に浸ることができるため、雑菌の繁殖が抑制でき、純水器の長寿命化が図れるとともに、純水化された回収水の品質を維持できる。

上記のように構成した請求項７に係る発明においては、請求項１乃至請求項５のいずれか１項において、改質器と、改質器を加熱するために燃焼用燃料を燃焼する改質器用燃焼器と、改質器用燃焼器から送出された燃焼排ガス中の水蒸気を回収する第５凝縮器が設けられ、回収水は第５凝縮器で回収された水である。改質器用燃焼器では燃焼ガスオフガスが燃焼され水が十分生成されるため、第５凝縮器を介して純水器には安定した量の回収水が供給される。よって燃料電池システムの停止時においては、純水器の収容部に供給された回収水の水面はイオン交換樹脂と抗菌剤との境界面と、抗菌剤の上面との間に存在し、常に抗菌剤に浸ることができるため、雑菌の繁殖が抑制でき、純水器の長寿命化が図れるとともに、純水化された回収水の品質を維持できる。

以下、本発明による燃料電池システムの第１の実施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燃料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と酸化剤極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に供給された燃料ガスおよび酸化剤極１２に供給された酸化剤ガス（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が固体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（例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜等）である。

燃料電池１０の燃料極１１においては、供給された燃料ガス（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を通って酸化剤極１２に供給されるとともに未反応の水素ガスを含んだ燃料ガスオフガスが排出される。また酸化剤極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酸化剤ガス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）を通って酸化剤極１２に到達し、酸化剤極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の酸化剤極１２には、酸化剤ガスを供給する供給管６１および酸化剤ガス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には、酸化剤ガス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において酸化剤極１２から排出される気体中の水蒸気を除湿し、その水蒸気を供給管６１において酸化剤極１２へ供給される酸化剤ガス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、水素リッチな燃料ガスを燃料電池１０に供給するものであり、オフガス用燃焼器２５を兼用する改質器用燃焼器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。

改質器用燃焼器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、供給された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。

改質器用燃焼器２１と一体で兼用されるオフガス用燃焼器２５は、定常運転時に、燃料電池１０の燃料極１１から燃焼ガスオフガス（燃料電池に供給され使用されずに排出された燃料ガス）が供給され、供給された燃焼ガスオフガスを燃焼して水蒸気を生成し、水蒸気を含んだ燃焼排ガスを改質部２２に導出するものである。

改質器用燃焼器２１またはオフガス用燃焼器２５によって燃焼された燃焼ガスまたは燃焼排ガスは改質部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、第５凝縮器３４または、第５凝縮器３４と一体で兼用されるオフガス用燃焼器２５用の第３凝縮器３５を通ってその燃焼ガスまたは燃焼排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。なお、本実施形態においては、改質器用燃焼器２１とオフガス用燃焼器２５は一体で兼用としたが、別体としてもよい。そのときはオフガス用燃焼器２５の下流に第３凝縮器３５を別に設けてやり、燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮し、外部に排気すればよい。

第５凝縮器３４（または第３凝縮器３５）は配管６３を介して後述する純水器４０に連通している。第５凝縮器３４（または第３凝縮器３５）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（いわゆる燃料ガス）はＣＯシフト部２３に導出される。

ＣＯシフト部２３は、この燃料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、燃料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、燃料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、燃料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は燃料ガス用凝縮器である第４凝縮器３１、燃焼ガスオフガス用凝縮器である第１凝縮器３２および酸化剤ガスオフガス用凝縮器である第２凝縮器３３が一体的に接続された一体構造体である。第４凝縮器３１は配管６４を流れる燃料電池１０の燃料極１１に供給される燃料ガス中の水蒸気を凝縮する。第１凝縮器３２は、燃料電池１０の燃料極１１とオフガス燃焼器２５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を流れる燃料電池１０の燃料極１１から排出される燃料ガスオフガス中の水蒸気を凝縮する。第２凝縮器３３は、排出管６２に設けられた加湿器１４の下流に設けられており、排出管６２を流れる燃料電池１０の酸化剤極１２から排出される酸化剤ガス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、第１凝縮器３２または第２凝縮器３３のうち少なくとも一方の凝縮器が含まれるように構成されればよい。このとき第１凝縮器３２が設けられないときは、燃料ガスオフガス中の水蒸気は、配管６５の下流に設けられるオフガス燃焼器２５で該燃料ガスオフガスが燃焼され生成される水蒸気とともに燃焼排ガスとして送出され第３凝縮器３５で凝縮され回収される。

純水器４０は、凝縮器３０および第５凝縮器３４（または第３凝縮器３５）から供給された水すなわち回収水を純水化する装置である。この純水器４０は、図２に示すように、両端面が閉じられた円筒状に形成されたハウジング４１と、ハウジング４１内に形成される回収水の収容部４２と、収容部４２内の充填部４３と、充填部４３の下方に充填されるイオン交換樹脂４３ａと、イオン交換樹脂４３ａの重力方向における上方に所定厚さ（望ましくは３０ｍｍ以上）で充填され積層される抗菌剤４３ｂと、純水化された回収水を、導入口４６ａから導入し、導出口４６ｃから導出する通水管４６とから構成される。

ハウジング４１は、上壁部４１ａと、上部が開口された有底円筒体のシリンダ４１ｂとで構成される。上壁部４１ａおよびシリンダ４１ｂは回収水を長期間保持しうる金属（例えばステンレス）または樹脂（例えばナイロン）等で形成される。

上壁部４１ａは、シリンダ４１ｂの内径φdよりもわずかに外径が径小に形成された小円筒部４１ａ１と、小円筒部４１ａ１の上方にシリンダ４１ｂの外径φDと略同一径に外径が形成された大円筒部４１ａ２とが同心円で連結され構成される。小円筒部４１ａ１の円筒外側面の所定の位置には、コの字型断面の所定の深さの溝が全周に亘って刻設され、水漏れ防止のためのゴム（例えばＮＢＲ）製Ｏリング４６が挿入されている。上壁部４１ａ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、第５凝縮器３４（または第３凝縮器３５）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）から供給される補給水を導入する配管６７に接続された導入口４５ａ３が設けられている。なお本実施形態においては水道水供給源から導入される補給水の量は回収水の量に対して少ない量であるため、収容部４２に導入される水については水道水が補給されても回収水と呼ぶこととする。また、上壁部４１ａには純水器４０内で発生する酸素や炭酸ガス等を排気するための排出口４５ａ４が大気に連通され設けられている。排出口４５ａ４は異物の混入を防止するため、上壁部４１ａから上方へ延在されたのち所定Ｒで屈曲され出口を下方に向けた状態で形成されている。

シリンダ４１ｂは有底円筒体であり、立垂し上部が開口され、開口部に上壁部４１ａの小円筒部４１ａ１が挿入され大円筒部４１ａ２のつば部下面とシリンダ４１ｂの上面が当接しストッパとなっている。シリンダ４１ｂの内側上方の所定の位置には通水管４６の導出口４６ｃが液密に貫通され外部に所定量突出されている。所定量突出された導出口４６ｃは屈曲されて垂下し、導出口４６ｃより下方に位置する、後述する貯水器５０と液密に連通され接続されている。通水管４６は金属（例えばステンレス製）で形成された中空パイプである。通水管４６は導出口４６ｃを含む水平に延在する導出部４６ｄと、導出部４６ｄがシリンダ４１ｂの円筒中心近傍まで延在されたのち直角方向に屈曲し垂下される導入口４６ａを含む導入部４６ｅよりなる。導入口４６ａは導入部の所定の点、Ｐ点から下方に向かって円錐状に形成される。導入口４６ａの下端面には純水のみを導入するためのフィルタ４６ｂが設けられ、導入口４６ａの下端面とシリンダ４１ｂの底壁上面４１ｃとの間に、純水化された水が十分通過可能な距離をもって配置される。

貯水器５０は有底筒状体に形成された純水タンク５１を備えており、この純水タンク５１の上面である天壁５１ａと純水器４０の導出口４６ｃが上述のように液密に連通され接続されている。また純水タンク５１の天壁５１ａには、エア抜き口５１ａ１が設けられ一端が大気に連通されている。貯水器５０内上部には一端が大気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、貯水器５０の水面高さｈが上昇しオーバーフロー口５２の内径下端位置５２ｈ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ようになっている。純水タンク５１の天壁５１ａに接続される純水器４０の導出口４６ｃの下端面位置４６ｈはオーバーフロー口５２の内径下端位置５２ｈよりも所定の高さだけ高い位置に配置される。つまり下端面位置４６ｈは純水タンク５１内の水面高さｈよりも常に高い位置となる。すなわち導出口４６ｃの純水タンク５１内に突出された出口部は上昇した水によって閉塞されることはなく、よって導出口４６ｃは純水タンク５１の天壁５１ａに設けられた、エア抜き口５１ａ１およびオーバーフロー口５２を通して大気と常時連通している。

純水タンク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、フィルタが備えられた取水部５４が固定されている。

次にイオン交換樹脂４３ａおよび抗菌剤４３ｂについて説明する。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。以降、イオン交換樹脂４３ａおよび抗菌剤４３ｂの上面および下面とは、それぞれの充填部の上面および下面の位置のことをいう。イオン交換樹脂４３ａはシリンダ４１ｂに通水管４６が固定された状態で、上壁部４１ａを取外しシリンダ４１ｂの開口された上部から、通水管４６の導出口４６ｃの内径下端４６ｆより低い所定の位置を上限として充填される。抗菌剤４３ｂは、イオン交換樹脂４３ａ充填後、イオン交換樹脂４３ａの重力方向における上方に所定の厚さである３０ｍｍ以上の厚さをもって充填され積層される。イオン交換樹脂４３ａの上面はイオン交換樹脂４３ａと抗菌剤４３ｂとの境界面となる。またそのとき抗菌剤４３ｂの充填後の上面位置は、導出口４６ｃの内径下端位置４６ｆよりも上方にあるよう充填される。

システム停止時においては、純水器４０内に滞留する回収水の水面高さは、上述したように純水器４０の回収水の水面上方が排出口４５ａ４を介して大気に連通され、通水管４６の導出口４６ｃが、接続される貯水器５０の純水タンク５１の天壁５１ａに設けられた、エア抜き口５１ａ１およびオーバーフロー口５２を介して大気と常時連通されているため、常に導出口４６ｃの内径下端位置４６ｆとほぼ同じ高さになる。よって回収水の水面高さは、イオン交換樹脂４３ａと抗菌剤４３ｂとの境界面と抗菌剤４３ｂの上面との間にあり、常に抗菌剤４３に浸っていることになる。

なお、イオン交換樹脂４３ａ充填の上限を導出口４６ｃの内径下端４６ｆとしたが、望ましくは内径下端４６ｆより重力方向における下方に５ｍｍの位置がよく、より望ましくは重力方向における下方に１０ｍｍの位置がよい。また抗菌剤４３ｂの上面の位置は導出口４６ｃの内径上端位置４６ｇより高い方がよく、望ましくは内径上端位置４６ｇより重力方向における上方に１０ｍｍ以上、より望ましくは２０ｍｍ以上高い方がよい。

なお、抗菌剤４３ｂの充填厚さ３０ｍｍは発明者によって実験により確認された値である。発明者はイオン交換樹脂４３ａの上面に数種の厚さの抗菌剤４３ｂの層を充填し、長時間燃料電池システムを運転し評価を行なった。運転後のそれぞれのイオン交換樹脂４３ａと抗菌剤４３ｂの状態を確認したところ、３０ｍｍよりも薄い厚さの抗菌剤４３ｂでは、抗菌剤４３ｂが、抗菌剤４３ｂよりも比重および粒径が小さいイオン交換樹脂４３ａのなかへ大きく沈みこんでいるのが確認された。しかし抗菌剤４３ｂの厚さが３０ｍｍの場合、運転後の抗菌剤４３ｂのイオン交換樹脂４３ａへの沈みこみは１０ｍｍ程度と小さく、よって抗菌剤４３ｂの層は約２０ｍｍ確保されており、抗菌力に影響はないと判断され、よって３０ｍｍ以上と決定されたものである。

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１：１．５〜１：２である。また、良好な性能を発揮するための一般的な両樹脂の粒径は０．５〜０．７ｍｍ程度であり、０．３〜１．３ｍｍ（およそ１５〜６０メッシュに相当）のものを使用するのが望ましい。

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４〜６メッシュ程度であり、６メッシュ上（６メッシュふるい上の粒子）のものが望ましく、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。その効果が及ぶ範囲は、液体に流れがなければ活性炭４３ｂの中心からほぼ球状となり、銀の含有率、基材の粒径によって設定することは可能である。

収容部４２内には抗菌剤４３ｂの上面より重力方向における上方で、各導入口４５ａ１、４５ａ２、４５ａ３との間に、フィルタ４４が設けられている。フィルタ４４は、外周部がシリンダ４１ｂの内周面全周に刻設されたコの字状断面を持つ溝部に嵌挿され固定されている。フィルタ４４は各導入口４５ａ１、４５ａ２、４５ａ３から導入された回収水および水道水をろ過するものである。しかし、これに限らずフィルタ４４は抗菌剤４３ｂを外部に漏出させない機能と、イオン交換樹脂４３ａ充填部で発生する酸素や炭酸ガスを堆積させず、通水抵抗としないために透過させ外部に排出する機能とを併せ持つ。よっていずれの機能をも満足させるようにメッシュの大きさが８メッシュ（開口径２ｍｍ）以上で、かつ抗菌剤４３ｂの粒径よりも小さい開口幅で形成されている。

ここでメッシュの大きさ８メッシュ以上は、発明者によって実験により導出された数値である。実験は純水器４０を模擬した装置を製作し行なわれた。４種類のメッシュ大きさ（８メッシュ、１０メッシュ、１２メッシュ、４０メッシュ（従来と同等））のフィルタが準備され回収水を模擬装置に溜め、回収水の水面上に各フィルタを各フィルタ外周から漏れが無いよう固定し、回収水中からエアを供給して、そのときの各フィルタからのエアの抜け度合いを評価したものである。結果は図４に示すようにメッシュ数が８メッシュより大きい（開口径は小さい）ときにはエアがフィルタを通過することができず、フィルタ下方にエア溜まりができることがわかった。これはフィルタの開口径が小さいためにフィルタの開口部に滞留した水の表面張力の影響が大きくなりすぎたことによるものであると推定する。また８メッシュより開口径が大きいと粒径６メッシュの抗菌剤４３ｂが開口部を通り抜けてしまい外部に流出してしまうため、以上よりメッシュの大きさを８メッシュ以上と決定した。

次にこのように構成された燃料電池システムの作用について説明する。燃料電池システムの稼動中において、凝縮器３０および第５凝縮器３４（または第３凝縮器３５）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の導入口４５ａ１、４５ａ２から収容部４２に流入した回収水は、シリンダ４１ｂ内を自重によって上から下へ向かって流れ、純水化される。そして純水化された水は回収され続ける回収水の水面高さと導出口４６ｃとの水位差によって、通水管４６の導入口４６ａより、フィルタ４６ｂを通って導入され、通水管４６の導入部４６ｅを下から上に向かって流れ、導出口４６ｃから直下流の貯水器５０に流入する。

貯水器５０に流入する回収水は、純水器４０の導入口４５ａ１、４５ａ２から収容部４２に導入された回収水の水面高さが導出口４６ｃの内径下端位置４６ｆよりも高い間は水位差によって流入し貯水される。そして燃料電池システム停止時を含む収容部４２の水面高さが導出口４６ｃの内径下端位置４６ｆと同じになったとき回収水は貯水器５０に流入するのを停止する。これにより、収容部４２の回収水の水面高さはどんな場合でも導出口４６ｃの内径下端位置４６ｆ以上の高さにあり、システム停止時においては、前述したとおり回収水は導出口４６ｃの内径下端位置４６ｆと同じ位置にある。よってシステム停止後に収容部４２に滞留している回収水の水面高さはイオン交換樹脂４３ａと抗菌剤４３ｂとの境界面と抗菌剤４３ｂの上面との間にあり、常に抗菌剤４３に浸っており、抗菌剤４３ｂによって抗菌される。そして貯水器５０に貯水された純水化された回収水は、燃料電池の負荷に応じた所定量がポンプ５３によって改質部２２に給水されるようになっている。

上述した説明から理解できるように、第１の実施形態においては、燃料電池システム停止時には収容部４２に導入され滞留する回収水の水面の高さが、導出口４６ｃの内径下端位置４６ｆの高さとほぼ等しくなるよう構成されている。これにより充填された抗菌剤とイオン交換樹脂との境界面位置が導出口４６ｃの内径下端位置４６ｆよりも下方に配置され、また抗菌剤４３ｂの上面位置が内径下端位置４６ｆよりも上方に配置されることとなり、燃料電池システム停止時に、回収水の水面が常に抗菌剤に浸るようになっている。よって、燃料電池システム停止時には回収水の水面高さを調整する装置を別に設けることなく簡易に、かつ安定して回収水の水面高さが維持され水面が抗菌剤に浸っているため、低コストで、かつ安定してシステム停止時の、回収水中の雑菌の繁殖を抑制することができ、純水器の通路の目詰まりが防止され、長寿命化が図れるとともに、純水化された水の品質を維持できる。

また第１の実施形態においては、回収水および水道水が導入される純水器４０の収容部４２に、イオン交換樹脂４３ａの重力方向における上方に積層して３０ｍｍ以上の厚さの抗菌剤４３ｂの層が設けられた。これにより燃料電池システムが長期間使用された後においても、イオン交換樹脂４３ａよりも比重の大きい抗菌剤４３ｂが、イオン交換樹脂４３ａの中に一部沈みこんでも抗菌剤の厚さは十分確保でき、回収水の抗菌能力低下の抑制が可能となる。したがって、充填部内の雑菌による純水器の通路の目詰まりが防止でき、長寿命化が図れるとともに、純水化された水の品質を維持できる。

さらに第１の実施形態においては、収容部４２に導入された回収水をろ過するフィルタ４４のメッシュサイズを８メッシュ（開口径２ｍｍ）以上とした。これにより、純水器において高い純水化性能の効果を得ることができる例えば０．３〜１．３ｍｍ程度の粒径のイオン交換樹脂の流出を抑えるためにイオン交換樹脂の上方に積層される４〜６メッシュ程度の粒径の抗菌剤の流出を抑えることができるとともに、イオン交換樹脂内で発生する炭酸ガスおよび酸素等のガスをフィルタから良好に排出することができる。よってフィルタ４４下面の気体の堆積が抑制され、処理水量の低下や純水器内部の偏流を回避することが可能となり、純水器の長寿命化や水質低下の回避が図られる。

次に第２の実施形態について図３に基づいて説明する。第２の実施形態においては第１の実施形態と異なる部分についてのみ説明し、同様の構成、同様の作用についてはその説明を省略する。なお同一部品については同一符号を付す。

第２の実施形態は第１の実施形態に対し、純水器７０と貯水器８０との接続方法および回収水の水面高さを決定する仕組みが異なる。第２の実施形態においては、導出口４６ｃを備える通水管４６を廃止し、かわって導出口７１ｃをハウジング７１ａの下方で底面近傍に設けた。そして純水器７０と略同一高さをもつ貯水器８０が併設され、併設された状態において連結部８１ｃが設けられる。連結部８１ｃは純水器７０の導出口７１ｃと対向する部分に導入口８１ｂを設け、導出口７１ｃとの間を液密に接続し連通される。

ハウジング７１ａ，純水タンク８１と連結部８１ｃ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る。ハウジング７１ａ内部に第１の実施形態における収容部４２に相当する収容部７２を備える。そしてハウジング７１ａ内の下方で連結部８１ｃよりも若干上方にフィルタ７４が所定の手段で固定される。フィルタ７４の上面からイオン交換樹脂４３ａが充填され、イオン交換樹脂４３ａの重力方向における上方に３０ｍｍ以上の厚さで抗菌剤４３ｂが充填され積層されている。

次に回収水の水面高さを決定する仕組みについて説明する。第２の実施形態においては、貯水器８０は有底筒状体に形成された純水タンク８１を備えており、純水タンク８１の天壁８１ａには、大気と連通するエア抜き口８１ａ１が設けられている。収容部７２に回収水が供給されると、第１の実施形態と同様にハウジング７１ａを満たし、純水化され、連結部８１ｃを通過し、純水タンク８１に流入して貯水される。純水タンク８１内上部には一端が大気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８２が設けられており、純水タンク８１の水面高さが上昇しオーバーフロー口８２の内径下端位置８２ｈを越えると、そのオーバーフロー口８２および排水管を通って外部に排水される。

純水タンク８１の天壁８１ａ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には下端が純水タンク８１の中間部まで延在されて配設された取水管８８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８８の下端には、フィルタを備えた取水部８４が固定されている。

純水タンク８１の天壁８１ａ上には純水タンク８１内の事前に設定された上限水面高さＨおよび下限水面高さＬ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が下限水面高さＬを検知すると、純水器７０に対する水の供給例えば水道水の補給を開始する。また水位計５６が上限水面高さＨを検知すると、純水器８０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。

このようにして上限水面高さＨおよび下限水面高さＬが決定される。

上限水面高さＨはオーバーフロー口８２の内径下端位置８２ｈより若干低い位置に設定され、下限水面高さＬは取水部８４より若干高い位置に設定されている。このとき純水器７０および純水タンク８１内の水面高さは、ほぼ同じ高さになる。これは純水器７０と純水タンク８１とは、それぞれの下方において連結部８１ｃによって連通して連結され、純水器７０および純水タンク８１のそれぞれの上部には、一端が大気と連通する排出口４５ａ４およびエア抜き口８１ａ１（またはオーバーフロー口８２）が設けられているためである。

本実施形態においては純水タンク８１内の水面高さは燃料電池システム稼動中および停止時には上限水面高さＨと下限面高さＬの間で変動されており、よって純水器７０の収容部７２の水面高さも同様に変動する。このように第２の実施形態においては純水器７０の収容部７２の水面高さを決定する仕組みが第１の実施形態とは異なる。

イオン交換樹脂４３ａの充填の上限高さは、燃料電池システムを停止したときに滞留する収容部７２の回収水の下限水面高さＬに対し、常に重力方向における下方で、望ましくは５ｍｍ以上下方の位置がよく、より望ましくは１０ｍｍ以上下方の位置に設定するのがよい。またイオン交換樹脂４３ａの重力方向における上方に３０ｍｍ以上の厚さをもって充填される抗菌剤４３ｂの上面の位置は、燃料電池システムを停止したときに滞留する収容部７２の回収水の上限水面高さＨに対し、常に重力方向における上方で、望ましくは上方に１０ｍｍ以上の位置がよく、より望ましくは上方に２０ｍｍ以上の位置に設定するのがよい。

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および第５凝縮器３４（または第３凝縮器３５）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７０に流れる。純水器７０の導入口４５ａ１、４５ａ２から収容部７２に流入した回収水は、ハウジング７１ａ内を自重によって上から下へ向かって流れ純水化され、連結部８１ｃ内を通って純水タンク８１内に流入する。純水タンク８１に流入した回収水は自重で収容部７４と純水タンク８１の水面高さが同程度になるまで純水タンク８１を下から上へ流れて貯水される。すなわち純水器７０内の回収水は自重によって充填部７３に充填された抗菌剤４３ｂおよびイオン交換樹脂４３ａを通って直下流の貯水器８０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、純水タンク８１に貯水された回収水は、燃料電池１０の負荷に応じた所定量がポンプ５３によって改質部２２に給水されるようになっている。

このような回収水の流れの中で、純水器７０および純水タンク８１においては、純水器７０の収容部７２に流入する回収水の量が改質部２２に供給される量より大きくなり、その水面高さがオーバーオフロー口８２の内径下端位置８２ｈを越えればオーバーフロー口８２および排水管を通って外部に排水される。また、純水タンク８１内の水面高さは、水位センサ５６により監視されており、上限水面高さＨと下限水面高さＬとの間となるようになっており、燃料電池システム停止時においては、純水タンク８１内の水面高さは、上限水面高さＨと下限水面高さＬとの間のいずれかの位置にあり、純水器７０の収容部７４の回収水の水面高さもほぼ同レベルとなる。

以上より、燃料電池システム停止時において、純水器７０の収容部７２に導入され滞留した回収水の水面は、純水器７０内のイオン交換樹脂４３ａと抗菌剤４３ｂとの境界面と抗菌剤４３ｂの上面との間にあり、抗菌剤４３ｂに常に浸るようになっており、よって抗菌され、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１および第２の実施形態においては、イオン交換樹脂４３ａ内で発生した炭酸ガス等のガスを排出するために、各純水器４０、７０の上部に排出口４５ａ４を設けて対応していたが、各凝縮器３３、３４については大気連通孔を備えているため、配管を介して該大気連通孔からガスを排出してもよい。ただし凝縮器３３については各凝縮器３１、３２と配管６６を共用しているため、別配管を設けて凝縮器３３と連通させ対応する。

また、第１のおよび第２の実施形態においては、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、燃料電池の燃料極および酸化剤極に供給する燃料ガスおよび酸化剤ガス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。

本発明に係る燃料電池システムの実施の形態の概要を示す概要図である。第１の実施形態に係る純水器および貯水器の断面図である。第２の実施形態に係る純水器および貯水器の断面図である。本発明に係るフィルタの通気実験結果である。

符号の説明

１０…燃料電池、２０…改質器、２１…改質器用燃焼器、２２…改質部、２３…一酸化炭素低減部（ＣＯシフト部）、２４…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、２５…オフガス用燃焼器、３０…凝縮器、３１…第４凝縮器（燃料ガス用）、３２…第１凝縮器（燃料ガスオフガス用）、３３…第２凝縮器（酸化剤ガスオフガス用）、３４…第５凝縮器、３５…第３凝縮器、４０…純水器、４２…収容部、４３ａ…イオン交換樹脂、４３ｂ…抗菌剤、４４…フィルタ、４６…通水管、５０…貯水器、７０…純水器、７２…収容部、８０…貯水器。

Claims

燃料極に供給された燃料ガスおよび酸化剤極に供給された酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システム内から回収される回収水を導入し純水化する純水器と、
前記純水化された純水を貯める貯水器と、
を備え、
前記純水器は、前記回収水を純水化するイオン交換樹脂と、前記イオン交換樹脂の重力方向における上方に所定厚さに１層のみ積層された抗菌剤と、が充填された収容部と、上部に設けられて大気と常時連通する排出口と、を備え、
前記貯水器は、前記純水器と通水管を介して連通するとともにエア抜き口およびオーバーフロー口を介して前記大気と常時連通し、
前記通水管は、前記純水器の下部に配置されて前記純水を導入する導入口を含む導入部と、前記純水器の上部に水平に延在するよう配置されて導入した前記純水を導出する導出口を含む導出部と、を有し、
前記導出部は前記導出口から下方に向けて屈曲され延設されて前記貯水器内に貫通されるとともに、下端面は前記オーバーフロー口より重力方向上方に配置され、
前記水平に延在する導出口は、前記イオン交換樹脂と前記抗菌剤の層との境界面よりも重力方向における上方に、かつ前記抗菌剤の層の上面よりも重力方向における下方に配置されており、
前記燃料電池システム停止時に、前記収容部に滞留する前記回収水の水面が常に前記抗菌剤の層の重力方向の範囲内に位置するよう構成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、前記抗菌剤の充填時の厚さは３０ｍｍ以上であることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１または請求項２において、前記抗菌剤の上面よりも重力方向における上方に前記回収水を導入する導入口が設けられ、前記抗菌剤の上面と前記導入口との間に、８メッシュ（開口径２ｍｍ）以上で、かつ抗菌剤の粒径よりも小さい開口幅を有するフィルタが設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、前記燃料極から送出された燃料ガスオフガス中の水蒸気を回収する第１凝縮器、前記酸化剤極から送出された酸化剤ガスオフガス中の水蒸気を回収する第２凝縮器のうち少なくとも一方の凝縮器が設けられ、前記回収水は前記凝縮器で回収された水であることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１乃至請求項４のいずれか１項において、さらに前記燃料極から送出された燃料ガスオフガスを燃焼するオフガス燃焼器と、前記オフガス燃焼器から送出された燃焼排ガス中の水蒸気を回収する第３凝縮器が設けられ、前記回収水は前記第３凝縮器で回収された水であることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１乃至請求項５のいずれか１項において、さらに前記燃料ガスを改質用燃料から生成する改質器が設けられ、前記燃料極に供給される前の前記燃料ガス中の水蒸気を回収する第４凝縮器が設けられ、前記回収水は前記第４凝縮器で回収された水であることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１乃至請求項５のいずれか１項において、さらに前記燃料ガスを改質用燃料から生成する改質器と、前記改質器を加熱するために燃焼用燃料を燃焼する改質器用燃焼器と、前記改質器用燃焼器から送出された燃焼排ガス中の水蒸気を回収する第５凝縮器が設けられ、前記回収水は前記第５凝縮器で回収された水であることを特徴とする燃料電池システム。