JP5428461B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムとしては、特許文献１に示されているものがある。この燃料電池システムでは、回収水中に発生しやすい微生物を抑制するために回収水を回収するための配管１０、１１を抗菌効果のある銅や亜鉛、またはこれらを含む合金で構成した。これによって銅や亜鉛は水中に浸漬された状態において、水中に金属イオンとして溶出し微生物の発生を効果的に抑制する。

特開平８−２２８３３号公報

しかしながら文献１においては、配管材から溶出する金属イオンのイオン濃度は接液している配管材の表面状態や配管の中に残った回収水の滞留時間等によって変化するため、微生物の繁殖の抑制に適切なイオン濃度を維持することが困難であり、よって安定して微生物の繁殖を抑制できないという課題がある。

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、燃料極に供給される燃料ガスおよび空気極に供給される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で使用される水蒸気を含むガスを凝縮して回収水を生成する凝縮器と、前記凝縮器に接続され前記回収水を回収する回収水通路と、前記回収水通路を介して回収した前記回収水を純水化する純水器と、前記回収水通路内に抗菌剤が充填された抗菌剤充填部と、が設けられ、前記抗菌剤は粒状を呈した多孔質の材料と、該多孔質の材料の表面に担持される抗菌部材とによって構成され、前記抗菌剤充填部の前記少なくとも一方端には、前記抗菌剤充填部に充填された前記抗菌剤の漏出を抑制し、かつ前記回収水に含まれるガスの通過を許容する目の粗さのフィルタが設けられ、前記抗菌剤充填部の少なくとも一方の端部は、前記端部側に第１抗菌剤が所定厚さで充填され、前記第１抗菌剤に隣接し前記第１抗菌剤より前記端部から離れた側に前記第１抗菌剤よりも粒径の小さな第２抗菌剤が充填されていることである。
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、前記第１抗菌剤の前記所定厚さは、前記燃料電池システムの所定時間運転後においても前記第２抗菌剤が前記第１抗菌剤よりも前記端部側に移動しない厚さであり、前記フィルタの前記目の粗さは前記第１抗菌剤の通過は許容せず、前記第２抗菌剤の通過を許容する大きさであることである。

請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または２において、前記燃料電池が、ケース内に収納されて燃料電池モジュールを構成し、前記燃料電池モジュールの内部で前記燃料電池のアノードオフガスを燃焼した燃焼排ガスが排気される前記ケースの導出口に、前記凝縮器が接続され、前記凝縮器は前記燃焼排ガスと貯湯槽の貯湯水との間で熱交換をする熱交換器であって、前記抗菌剤充填部は前記回収通路内に前記熱交換器の出口直近で配置されていることである。

上記のように構成した請求項１に係る発明によれば、回収水通路内には抗菌剤充填部が設けられている。これにより、抗菌作用をもつ銅や亜鉛等の金属によって配管を構成した従来に比し、回収水と抗菌剤との接触面積を大幅に向上させることができるため効率よく抗菌できる。さらに、従来は抗菌剤としての配管材通路内面から溶出する金属イオンのイオン濃度が、接液している配管材の腐食等による表面状態の変化や配管の中に残った回収水の滞留時間等によってばらつき、雑菌の繁殖の抑制が安定してできなかった。しかし、回収水と抗菌剤との接触面積を大幅に向上させることができたため、ばらつきの度合いは低減され、よって安定して雑菌の繁殖の抑制が可能になった。また、従来のように抗菌作用をもつ銅や亜鉛等の金属によって配管を構成し配管通路内面を抗菌部としなくてもよいので例えばゴムや樹脂等によって配管を構成でき軽量化や装置の簡素化を図ることができる。
また、抗菌剤は粒状を呈した多孔質の材料と、該多孔質の材料の表面に担持される抗菌部材とによって構成される。これにより単位体積あたりの表面積が大きくなり、より多くの抗菌作用を有する金属を表面に担持できるため、担持した金属からのイオン溶出量が多くなり抗菌性能が向上する。
また、抗菌剤充填部の少なくとも一方端には、抗菌剤の漏出を抑制し、かつ回収水に含まれるガスの通過を許容する目の粗さのフィルタが設けられている。これにより抗菌剤が抗菌剤充填部から漏出することを抑制できるとともに、抗菌剤充填部で発生した炭酸ガスおよび酸素等のガスをフィルタから良好に逃がすことができるので、フィルタ部にガスが滞留し通路内の回収水の移動を妨げることがない。
さらに、該抗菌剤充填部の少なくとも一方の端部に、粒径の大きな第１抗菌剤が所定厚さで充填され、第１抗菌剤に隣接し第１抗菌剤より一方の端部から離れた側に第１抗菌剤よりも粒径の小さな第２抗菌剤が充填される。よって抗菌剤を回収水通路から漏出させないためのフィルタの目の粗さは、フィルタに近接して設けられている粒径の大きな第１抗菌剤の粒径に合わせて粗くできる。これによって抗菌剤充填部で発生した気泡をフィルタからさらに効果的に逃がすことができ、回収水の通路内の移動はスムーズになる。また粒径の小さな第２抗菌剤を第１抗菌剤に隣接して設けることができるため抗菌剤と回収水との接触面積をより多く取ることができ、さらに効果的に抗菌できる。

上記のように構成した請求項３に係る発明によれば、燃料電池モジュールの高温の燃焼排ガスが排気されるケースの導出口に、燃焼排ガスと貯湯槽の貯湯水との間で熱交換をする熱交換器が接続され、回収水通路内の抗菌剤充填部は、この熱交換器の出口直近に配置される。熱交換器内においては、高温の燃焼排ガスと貯湯槽の低温の貯湯水との間で熱交換がされるが、熱交換器内の燃焼排ガス温度および凝縮水温度は該熱交換によって急激に低下し熱交換器の出口近傍では雑菌が繁殖しやすい温度まで低下する。しかし、抗菌剤充填部が熱交換器の出口直近に配置されているので、熱交換器から排出された回収水は効率よく抗菌されて雑菌の繁殖が効果的に防止される。よって純水器の負荷がさらに軽減でき、純水器の寿命や通水困難等に対する信頼性が一層向上する。

第１の実施形態に係る燃料電池システムの実施の形態の概要図である。 本発明に係る回収水通路の拡大断面図である。 第２の実施形態に係る燃料電池システムの実施の形態の概要図である。

以下、本発明に係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、箱状の筐体１１、燃料電池モジュール２０、排熱回収システム３０を備えている。

筐体１１は、筐体１１内を区画して収納室を形成する仕切部材１２を備えている。仕切部材１２は、筐体１１を上下に区画する（仕切る）板状部材である。筐体１１内には、仕切部材１２より上方および下方に第１室Ｒ１および第２室Ｒ２が形成される。第１室Ｒ１が収納室である。

燃料電池モジュール２０は、第１室Ｒ１内に該第１室Ｒ１の内壁面から空間をおいて収納されている。本実施の形態では、燃料電池モジュール２０は、ケース２１、改質器２６、および燃料電池２４を備えている。改質器２６は蒸発部２２および改質部２３からなる。

ケース２１は、断熱性材料で箱状に形成されている。ケース２１は、第１室Ｒ１内に該第１室Ｒ１の内壁面から空間をおいて図示しない支持構造により支持されている。ケース２１内には、改質器２６および燃料電池２４が配設されている。このとき、改質器２６を構成する蒸発部２２、改質部２３が燃料電池２４の上方に位置するように配設されている。

蒸発部２２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部２２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部２３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

この蒸発部２２には、一端（下端）が水タンク１３内に配設された給水管４１の他端が接続されている。給水管４１には、改質水ポンプ４１ａが設けられている。改質水ポンプ４１ａは、蒸発部２２に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。

また、蒸発部２２には、燃料供給源（図示省略）からの改質用原料が改質用原料供給管４２を介して供給されている。改質用原料供給管４２には、上流から順番に一対の原料バルブ（図示省略）、脱硫器４２ａ、および原料ポンプ４２ｂが設けられている。原料バルブは改質用原料供給管４２を開閉する電磁開閉弁である。脱硫器４２ａは改質用原料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。原料ポンプ４２ｂは、燃料供給源からの燃料供給量を調整するものである。

改質部２３は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部２２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部２３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（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が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は燃料電池２４の燃料極に導出されるようになっている。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）を含んでいる。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

燃料電池２４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質からなり、複数のセル２４ａが積層されて構成されている。第１の実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池２４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は７００〜１０００℃程度である。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。

セル２４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路２４ｂが形成されている。セル２４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路２４ｃが形成されている。

燃料電池２４は、マニホールド２５上に設けられている。マニホールド２５には、改質部２３からの改質ガスが改質ガス供給管４３を介して供給される。燃料流路２４ｂは、その下端（一端）がマニホールド２５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ４４ａ（カソードエア送出（送風）手段）によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管４４を介して供給され、空気流路２４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。

燃料電池２４においては、燃料極に供給された燃料と空気極に供給された酸化剤ガスとによって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化１および化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ^２−）が電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路２４ｂおよび空気流路２４ｃからは、発電に使用されなかった改質ガスおよび酸化剤ガス（空気）が導出する。
（化１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
（化２）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（化３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−

そして、燃料流路２４ｂおよび空気流路２４ｃから導出した、発電に使用されなかった改質ガス（アノードオフガス）は、燃料電池２４と蒸発部２２（改質部２３）の間の燃焼空間Ｒ３にて、発電に使用されなかった酸化剤ガス（空気）によって燃焼され、その燃焼ガスによって改質器２６を構成する蒸発部２２および改質部２３が加熱される。さらには、燃料電池モジュール２０内を動作温度に加熱している。その後、高温の燃焼ガスはケース２１に１箇所以上設けられる（本実施形態においては１箇所）導出口２１ａから導出口２１ａに配設された後述する熱交換器３３を介して燃焼排ガスとして燃料電池モジュール２０の外に排気される。

排熱回収システム３０は、貯湯水を貯湯する貯湯槽３１と、貯湯水が循環する貯湯水循環ライン３２と、燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器３３と、が備えられている。

貯湯槽３１は、１つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽３１の柱状容器の下部には水道水などの水（低温の水）が補給され、貯湯槽３１に貯留された高温の温水が貯湯槽３１の柱状容器の上部から導出されるようになっている。

貯湯水循環ライン３２の一端は貯湯槽３１の下部に、他端は貯湯槽３１の上部に接続されている。貯湯水循環ライン３２上には、一端から他端に向かって順番に貯湯水循環手段である貯湯水循環ポンプ３２ａ、熱交換器３３、および温度センサ３２ｂが配設されている。貯湯水循環ポンプ３２ａは、貯湯槽３１の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環ライン３２を図示矢印方向へ通水させて貯湯槽３１の上部に吐出するものであり、その流量（送出量）が制御されるようになっている。温度センサ３２ｂは、貯湯水の貯湯槽３１の入口温度を検出するものであり、その検出結果を制御装置（図示省略）に送信するようになっている。

熱交換器３３は、燃料電池モジュール２０から排気される高温の燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽３１からの低温の貯湯水が供給され燃焼排ガスと貯湯水が熱交換する熱交換器であるとともに、水蒸気を含む高温の燃焼排ガスを凝縮して凝縮水（回収水）を生成するための凝縮器も兼ねる。この熱交換器３３は、筐体１１内に配設されている。本実施の形態では、熱交換器３３は、燃料電池モジュール２０の下部に接続され設けられており、少なくとも熱交換器３３の下部は仕切部材１２を貫通して第２室Ｒ２に突出されて配設されている。

熱交換器３３は、ケーシング３３ａを備えている。ケーシング３３ａには、高温の燃焼排ガスが導入される導入口３３ｂ、低温の貯湯水と熱交換され温度が低下した燃焼排ガスが導出される導出口３３ｃ、および凝縮された回収水が導出される導出口３３ｄが設けられている。ケーシング３３ａ内には、貯湯水循環ライン３２に接続されている熱交換部（凝縮部）３３ｅが配設されている。導入口３３ｂは、燃料電池モジュール２０のケース２１の下部に設けられ燃焼排ガスが導出される導出口２１ａに連通するようになっている。燃焼排ガスの導出口３３ｃは、排気管４５を介して第１排気口１１ａに接続されている。回収水の導出口３３ｄは、ケーシング３３ａの底部に形成されている。燃焼排ガスの導出口３３ｃは、回収水が燃焼排ガスの導出口３３ｃから導出するのを防止するため、回収水の導出口３３ｄより上方に形成されている。

このように構成された熱交換器３３においては、燃料電池モジュール２０から排出される高温の燃焼排ガスは、導入口３３ｂからケーシング３３ａ内に導入され、低温の貯湯水が流通する熱交換部３３ｅを通る際に貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは導出口３３ｃおよび排気管４５を通って筐体１１の第１排気口１１ａから外部に排出される。また、凝縮されるとともに温度が低下した回収水は、回収水の導出口３３ｄおよび回収水通路である回収水供給管４６を介して純水器１４に供給される（自重で落水する）。一方、熱交換部３３ｅに流入した貯湯水は、加熱されて流出される。また、このように構成された排熱回収システム３０においては、貯湯水循環ポンプ３２ａは、温度センサ３２ｂの検出温度（貯湯水の貯湯槽３１の入口温度）が所定の温度または温度範囲となるように、送出量が制御されるようになっている。

燃料電池システムは、水タンク１３および純水器１４を備えている。水タンク１３および純水器１４は第２室Ｒ２内に配設されている。水タンク１３は、純水器１４から導出された純水を貯めておくものである。純水タンク１３には、純水タンク１３内の純水量を検出する図示しない水量センサ（水位センサ）が設けられている。水量センサは例えばフロート式、静電容量式などの水位計である。水量センサは制御装置に検出信号を送信するようになっている。

純水器１４は、活性炭とイオン交換樹脂を内蔵しており、例えばフレーク状の活性炭と粒状のイオン交換樹脂を充填している。また被処理水の状態によっては、中空糸フィルタを設置しても良い。純水器１４は、熱交換器３３からの回収水を活性炭とイオン交換樹脂によって純水化するものである。純水器１４は、配管４７を介して純水タンク１３に連通しており、純水器１４内の純水は配管４７を通って純水タンク１３に導出される。

本発明に係る回収水通路が形成される回収水供給管４６は、熱交換器３３の直近である直下に配管継手によって着脱可能に接続され配置される。回収水供給管４６は、熱交換器３３と接続された部分から重力方向において下方に延在され、純水器１４の上方と略同じ高さまで延在された後、純水器１４の方向に向って直角方向に屈曲され純水器１４の上方部と当接した位置で純水器１４の接続部１４ａと接続される。回収水供給管４６は、熱交換器３３の導出口３３ｄと接続されるための入口側接続部４６ａと、純水器１４の接続部１４ａと接続されるための出口側接続部４６ｂと、通路内を介して回収水を熱交換器３３から純水器１４に導入するための配管４６ｃとからなる。

回収水供給管４６の入口側接続部４６ａおよび出口側接続部４６ｂは、それぞれ図２の破線に示すように市販の配管継手の雌部（または雄部）形状で形成されている。そして配管継手の各雌部（または雄部）が接続の相手側である熱交換器３３の導出口３３ｄ、および純水器１４の接続部１４ａに設けられた各配管継手の雄部（または雌部）に差し込まれ、配管４６ｃの通路内に充填された粒状の抗菌剤５３を漏出させないための所定の目の粗さを備えた、配管継手に内蔵されたフィルタ５１を介して接続される。

配管４６ｃはゴムまたは樹脂によって形成される。図２に示すように配管４６ｃの通路内には、通路内全域に亘る粒状の抗菌剤を充填するための抗菌剤充填部４６ｄが形成されている。抗菌剤はその粒径によって、大径である例えば粒径３〜４ｍｍの第１抗菌剤５３と、小径である例えば粒径０．５〜２ｍｍの第２抗菌剤５４とに分けられ、大径の第１抗菌剤５３は回収水供給管４６の抗菌剤充填部４６ｄの両端部４６ｅ、４６ｆに所定厚さでそれぞれ充填される。そして第１抗菌剤５３に隣接し、第１抗菌剤５３より両端部４６ｅ、４６ｆから離れた側である位置、つまり本実施形態においては両端部４６ｅ、４６ｆに充填された各第１抗菌剤５３の間に、第１抗菌剤５３よりも粒径の小さな第２抗菌剤５４が充填されている。なお、本実施形態においては大径の第１抗菌剤５３を抗菌剤充填部４６ｄの両端部４６ｅ、４６ｆに充填したが、これに限らず少なくとも一方の端部４６ｅ又は４６ｆに充填すればよい。

また、このとき第１抗菌剤５３が充填される所定厚さは、薄い方がより好ましい。しかし第１抗菌剤５３の充填厚さが薄すぎる場合には小径の第２抗菌剤５４が第１抗菌剤５３と混在し、やがては第１抗菌剤５３の端面より外側に出てしまう虞がある。よって第１抗菌剤５３の充填厚さは、燃料電池システムを所定時間運転した後に、第２抗菌剤５４が若干混在してもよいが、第１抗菌剤５３の外側までは出ない厚さとし、評価によって求められる。例えば、第１抗菌剤５３が充填される所定の厚さは、第１抗菌剤５３の平均粒径の３〜１０倍の厚さであることが好ましく、第１抗菌剤５３の平均粒径の３〜５倍の厚さであることがより好ましい。

フィルタ５１は、回収水供給管４６の抗菌剤充填部４６ｄの両端部４６ｅ、４６ｆ近傍に配設される。フィルタ５１は、抗菌剤充填部４６ｄの両端部４６ｅ、４６ｆに充填された大径の各第１抗菌剤５３の漏出を抑制するためのものである。しかし、これに限らずフィルタ５１は、第１抗菌剤５３および第２抗菌剤５４から発生する酸素や炭酸ガスを通水抵抗としないために滞留させず、通過させて外部に排出する機能を併せ持つ。よっていずれの機能をも満足させるようにフィルタ５１の目の粗さは例えば８メッシュ（開口径２ｍｍ）以上で、かつ大径の各第１抗菌剤５３の粒径よりも小さい目の粗さで形成されるのが好ましい。なお、本実施形態においてフィルタ５１は、抗菌剤充填部４６ｄの両端部４６ｅ、４６ｆの近傍に配設されたが、これに限らず少なくとも一方の端部近傍に配設されればよい。このときフィルタ５１は、回収水供給管４６内の抗菌剤充填部４６ｄにおいて、重力方向における下方側に設けられることが望ましい。また回収水供給管４６内を流通する回収水の流れにおいて下流側に設けられることが望ましい。

各抗菌剤５３、５４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を担持させて構成されている。活性炭は多孔質の材料であるため、樹脂や金属と比較して単位体積あたりの表面積が大きい。そのためより多くの抗菌作用を有する金属を表面に担持でき、担持した金属からのイオン溶出量が多くなるので抗菌性能が向上する。また活性炭は多孔質であり、かつ吸着効果が大きいため、その微小な孔に抗菌作用によって死滅した雑菌を吸着させたり、微生物の栄養源となる有機物を吸着させることによって微生物の増殖を効果的に抑制することができる。なお、抗菌作用を有する金属は活性炭の微小孔を閉塞しないように担持されるのが望ましい。これは活性炭の吸着効果を減少させないためである。実施形態においては、具体的には、各抗菌剤５３、５４は活性炭に銀を担持して形成されている。

このように構成された回収水供給管４６においては、図２に示すように熱交換器３３の導出口３３ｄから導出された回収水が自重によって落水し、熱交換器３３の直下に配置された回収水供給管４６の入口側接続部４６ａに設けられたフィルタ５１を介して回収水供給管４６に導入される。そして回収水はまず大径の第１抗菌剤５３と接して抗菌される。このとき、フィルタ５１の目の粗さは第１抗菌剤５３の粒径より小さく設定されているので第１抗菌剤５３はフィルタ５１によって外部への漏出が抑制される。その後、回収水は粒径の小さな第２抗菌剤５４の充填部に流入する。第２抗菌剤５４は第１抗菌剤５３よりも粒径が小さいため、回収水と接する表面積は大きくなり、より効果的に抗菌が行なわれる。その後、出口側に設けられた大径の第１抗菌剤５３によって抗菌されながら、フィルタ５１および回収水供給管４６の出口側接続部４６ｂを通って純水器１４に導入される。なお、出口側においてもフィルタ５１の目の粗さは出口側の第１抗菌剤５３の粒径より小さく設定されているので第１抗菌剤５３はフィルタ５１によって外部への漏出が抑制される。

そして、フィルタ５１は各抗菌剤５３、５４の抗菌剤充填部４６ｄで発生する酸素や炭酸ガスを通過させ外部への排出を許容する十分な大きさの目の粗さを持つので、酸素や炭酸ガスを滞留させずに良好に排出する。よって通路内を流れる回収水は通水抵抗を受けずスムーズに流れることができる。また、フィルタ５１から排出された酸素や炭酸ガスは熱交換器３３の導出口３３ｄを介して、熱交換器３３の下部に設けられた燃焼排ガスが導出される導出口３３ｃに到達し、排気管４５を介して第１排気口１１ａから外部に排気される。

第１室Ｒ１は、第１室Ｒ１内に外部からの空気を導入する空気導入口１２ａと、第１室Ｒ１内の空気を外部に導出する空気導出口（第２排気口）１１ｂと、空気導入口１２ａから空気導出口１１ｂまでの空気が流通する流通路上に設けられ該空気（換気用空気）を送出するための換気用空気ブロワ１５と、を備えている。

空気導入口１２ａは、仕切部材１２に形成されている。なお、空気導入口１２ａは、第１室Ｒ１を形成する筐体１１に形成するようにしてもよい。第２排気口１１ｂは、第１室Ｒ１を形成する筐体１１に形成されている。換気用空気ブロワ１５は、空気導入口１２ａに設けられている。換気用空気ブロワ１５は、第２室Ｒ２内の空気を吸い込んで、空気導入口１２ａを通して第１室Ｒ１内に送出している。また、第２室Ｒ２は、第２室Ｒ２内に外部からの空気を導入する空気導入口１１ｃを備えている。

これにより、換気用空気ブロワ１５の駆動によって、第２室Ｒ２内の空気が空気導入口１２ａを通して第１室Ｒ１内に送出される。第１室Ｒ１内に導入された換気用空気は、第１室Ｒ１の内壁面とケース２１との間を燃料電池モジュール２０との間で熱交換を行いながら（すなわち燃料電池モジュール２０の排熱を回収しながら）第２排気口１１ｂに向かって流通する。このとき、換気用空気は燃料電池モジュール２０の排熱により加熱される（例えば、６０〜８０℃）。なお、換気用空気ブロワ１５の駆動によって、第２室Ｒ２内の空気が空気導入口１２ａを通して第１室Ｒ１内に送出されるのと同時に、第２室Ｒ２内には外部の空気が空気導入口１１ｃを通って流入する。

さらに、燃料電池システムは、温度センサ２１ｂを備えている。温度センサ２１ｂは、燃料電池モジュール２０のケース２１の外壁面温度または該外壁面温度を反映する部位の温度を検出するセンサである。温度センサ２１ｂの検出結果は制御装置に送信されている。

そして、換気用空気ブロワ１５は、温度センサ２１ｂの検出温度に基づいて制御されるようになっている。すなわち、換気用空気ブロワ１５は、温度センサ２１ｂの検出温度が所定温度（例えば６０℃）以上となれば駆動されるように制御されるようになっている。また、換気用空気ブロワ１５は、温度センサ２１ｂの検出温度と所定温度との温度差に基づいて制御されるようにしてもよい。この場合、換気用空気ブロワ１５は、温度差が大きいほど換気用空気ブロワ１５の送出（送風）量が大きくなるように制御されればよい。

なお、上記第１の実施形態においては、回収水供給管４６の通路内において、抗菌剤充填部４６ｄは該通路内の略全域に亘って配置されている。しかし、これに限らず抗菌剤充填部４６ｄを通路内の一部だけに配置するようにし、該抗菌剤充填部４６ｄの両端または一端にフィルタ５１を設けるようにしても良い。ただし回収水供給管４６の回収水の入口側部においては、雑菌の繁殖を効果的に抑制するために熱交換器３３の直近である直下に抗菌剤充填部４６ｄ端面が配置されるものとする。

また、第１の実施形態においては、回収水供給管４６は回収水の流れにおける下流側が、重力方向における下方側と一致するように構成されている。しかし、この構成に限らず抗菌剤充填部４６ｄの配置の仕方によっては回収水の流れにおいて上流側となる位置が重力方向において下方側になるよう構成される場合もあり、このときにも本発明は適用できる。

さらに、第１の実施形態においては、ケース２１内に改質器２６を配置するシステム構成としたが、これに限らず改質器２６をケース２１の外に配置するシステム構成においても本発明は適用できる。

上述した説明から明らかなように、第１の実施形態においては、回収水通路内には抗菌剤充填部４６ｄが設けられている。これにより、抗菌作用をもつ銅や亜鉛等の金属によって配管を構成した従来に比し、回収水と抗菌剤との接触面積を大幅に向上させることができるため効率よく抗菌できる。さらに、従来は抗菌剤としての配管材通路内面から溶出する金属イオンのイオン濃度が、接液している配管材の腐食等による表面状態の変化や配管の中に残った回収水の滞留時間等によってばらつき、雑菌の繁殖の抑制が安定してできなかった。しかし、回収水と抗菌剤５３、５４との接触面積を大幅に向上させることができたため、ばらつきの度合いは低減され、よって安定して雑菌の繁殖の抑制が可能になった。また、従来のように抗菌作用をもつ銅や亜鉛等の金属によって配管を構成し配管通路内面を抗菌部としなくてもよいので例えばゴムや樹脂等によって配管を構成でき軽量化や装置の簡素化を図ることができる。

また第１の実施形態においては、抗菌剤５３、５４は粒状を呈した多孔質の材料である活性炭と、該活性炭の表面に担持される抗菌部材である銀とによって構成される。これにより抗菌剤５３、５４は単位体積あたりの表面積が大きくなり、より多くの抗菌作用を有する銀を表面に担持できるため、担持した銀からのイオン溶出量が多くなり抗菌性能が向上する。

また第１の実施形態においては、抗菌剤充填部４６ｄの両端には、抗菌剤の漏出を抑制し、かつ回収水に含まれるガスの通過を許容する目の粗さのフィルタ５１がそれぞれ設けられている。これにより抗菌剤５３、５４が抗菌剤充填部４６ｄから漏出することを抑制できるとともに、抗菌剤充填部４６ｄで発生した炭酸ガスおよび酸素等のガスをフィルタ５１から良好に逃がすことができるので、フィルタ部にガスが滞留せず通路内の回収水の移動を妨げない。

また第１の実施形態においては、該抗菌剤充填部４６ｄの両端部４６ｅ、４６ｆには、粒径の大きな第１抗菌剤５３が所定の厚さで配置され、各第１抗菌剤５３の間には第１抗菌剤５３よりも粒径の小さな第２抗菌剤５４が充填される。これにより抗菌剤を回収水通路から漏出させないためのフィルタ５１の目の粗さは、フィルタ５１に近接して設けられている粒径の大きな各第１抗菌剤５３の粒径に合わせて粗くできるため抗菌剤充填部４６ｄで発生した炭酸ガスおよび酸素等のガスをフィルタ５１から良好に逃がすことができ、通路内の回収水の移動はさらにスムーズになる。また粒径の小さな第２抗菌剤５４を各第１抗菌剤５３に隣接して設けることができるため抗菌剤５３、５４と回収水との接触面積をより多く取ることができ、さらに効果的に抗菌できる。

さらに、第１の実施形態においては、燃料電池モジュールの高温の燃焼排ガスが排気されるケース２１の導出口２１ａに、燃焼排ガスと貯湯槽の貯湯水との間で熱交換をする熱交換器３３が接続され、回収水通路内の抗菌剤充填部４６ｄは、この熱交換器３３の出口直近に配置される。熱交換器３３内においては、高温の燃焼排ガスと貯湯槽の低温の貯湯水との間で熱交換がされ、熱交換器３３内の燃焼排ガス温度および凝縮水温度は該熱交換によって急激に低下し熱交換器３３の出口近傍では雑菌が繁殖しやすい温度まで低下する。しかし、抗菌剤充填部４６ｄが熱交換器３３の出口直近に配置されているので、熱交換器３３から排出された回収水は効率よく抗菌されて雑菌の繁殖が効果的に防止される。よって純水器１４の負荷がさらに軽減でき、純水器１４の寿命や通水困難等に対する信頼性が一層向上する。

次に、本発明による燃料電池システムの第２の実施形態について図３を参照して説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態に対し燃料電池６０の構造が異なる。第２の実施形態においては、燃料電池６０は固体高分子型電解質燃料電池であり、第１の実施形態に対し構成される電解質６３の材質が異なる。そして電解質６３が異なることにより供給される燃料、発電方法および配管等が異なるため、変更点のみ説明し、それ以外は同一符号を付し説明を省略する。

図３は、第２の実施形態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６０と、この燃料電池６０に必要な水素ガスを含む燃料ガスを生成する改質器７０とを備えている。

燃料電池６０は、燃料極６１と空気極６２と両極６１，６２間に介装された電解質６３を備えており、電解質６３は固体高分子型のイオン交換膜（例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜等）である。

燃料電池６０の燃料極６１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６３を通って空気極６２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。また空気極６２においては、供給された空気中の酸素および燃料極６１から電解質６３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６１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６２に到達し、空気極６２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６０は発電する。

なお、燃料電池６０の空気極６２には、酸化剤ガスを供給する供給管８１および酸化剤ガスオフガスを排出する排出管８２が接続されており、これら供給管８１および排出管８２には、酸化剤ガスを加湿するための加湿器７４が設けられている。この加湿器７４は水蒸気交換型であり、排出管８２において空気極６２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８１において空気極６２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７０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６０に供給するものであり、オフガス用燃焼器６５を兼用する改質器用燃焼器６６、改質部７２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）７３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）７５から構成されている。

改質器用燃焼器６６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７２に導出するものである。

改質器用燃焼器６６と一体で兼用されるオフガス用燃焼器６５は、定常運転時に、燃料電池６０の燃料極６１から、燃料電池に供給されたが使用されずに排出された燃料ガスである燃焼ガスオフガス（アノードオフガス）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７２に導出するものである。

改質器用燃焼器６６またはオフガス用燃焼器６５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７２を（同改質部７２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７６または、第５凝縮器７６と一体で兼用されるオフガス用燃焼器６５用の第３凝縮器７７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。

第５凝縮器７６（または第３凝縮器７７）は、本発明に係る回収水通路を備える回収水供給管５５を介して純水器１４に連通し接続されている。

回収水供給管５５は第１の実施形態における回収水供給管４６と同様の構成で形成されている。回収水供給管５５は通路内の図略の抗菌剤充填部に大径の第１抗菌剤５３と、小径の第２抗菌剤５４とが回収水供給管４６と同様に充填されている。そして回収水供給管５５は第５凝縮器７６（または第３凝縮器７７）および純水器１４と図略の配管継手によって配管継手に内蔵されるフィルタ５１を介して接続されている。フィルタ５１は抗菌剤充填部に充填された抗菌剤５３、５４の漏出を抑制し、かつ回収水に含まれるガスの通過を許容する目の粗さをもつ。また回収水供給管５５の抗菌剤充填部の回収水入口側部端面は第５凝縮器７６（または第３凝縮器７７）の直近側面に配置されている。抗菌剤充填部で発生した酸素や炭酸ガスは第５凝縮器７６（または第３凝縮器７７）に向って上昇し配管継手に内蔵されるフィルタ５１を通過し、第５凝縮器７６（または第３凝縮器７７）に入り、第５凝縮器７６（または第３凝縮器７７）もしくは第５凝縮器７６（または第３凝縮器７７）の上流に設けられた外気通気口から外部に排出される。これによって純水器１４には雑菌の繁殖が抑制された回収水がスムーズに供給されることとなる。

改質部７２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７２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７３に導出される。

ＣＯシフト部７３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７５に導出される。

ＣＯ選択酸化部７５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６０の燃料極６１に導出される。

改質器７０のＣＯ選択酸化部７５と燃料電池６０の燃料極６１とを連通する配管６４の途中には、凝縮器８０が設けられている。この凝縮器８０は燃料ガス用凝縮器である第４凝縮器８３、燃焼ガスオフガス用凝縮器である第１凝縮器８４および酸化剤ガスオフガス用凝縮器である第２凝縮器８５が一体的に接続された一体構造体である。第４凝縮器８３は配管６４を流れる燃料電池６０の燃料極６１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８４は、燃料電池６０の燃料極６１とオフガス燃焼器６５とを連通する配管６８の途中に設けられており、その配管６８を流れる燃料電池６０の燃料極６１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８５は、排出管８２に設けられた加湿器７４の下流に設けられており、排出管８２を流れる燃料電池６０の空気極６２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７６、７７、８３、８４、８５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８３、８４、８５は燃料電池６０より下方となり、かつ純水器１４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８３、８４、８５は本発明に係る回収水通路を備える回収水供給管５６、５７、５８を介して純水器１４に連通して接続されている。回収水供給管５６、５７、５８は純水器１４に至る途中で合流し、配管６９を形成し共有して純水器１４までの各通路としている。回収水供給管５６、５７、５８は内部を流れる回収水が配管６９を介して純水器１４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。回収水供給管５６、５７、５８（配管６９を含む）は回収水供給管４６と同様の構成にて形成されており、各通路内の略全域に亘って図略の抗菌剤充填部を備え、通路内の抗菌剤充填部の両端部に大径の第１抗菌剤５３が充填され、各第１抗菌剤５３の間に小径の第２抗菌剤５４が充填されている。

そして回収水供給管５６、５７、５８は各凝縮器８３、８４、８５と図略の配管継手によって配管継手に内蔵される所定の目の荒さのフィルタ５１を介して接続されている。また配管６９と純水器１４とが、図略の配管継手によって配管継手に内蔵される所定の目の荒さのフィルタ５１を介して接続されている。フィルタ５１は抗菌剤充填部に充填された抗菌剤５３、５４の漏出を抑制し、かつ回収水に含まれるガスの通過を許容する目の粗さをもつ。そして回収水供給管５６、５７、５８の抗菌剤充填部の回収水入口側部端面は各凝縮器８３、８４、８５の直近である直下に配置されている。抗菌剤充填部で発生した酸素や炭酸ガスは各凝縮器８３、８４、８５に向って上昇し配管継手に内蔵されるフィルタ５１を通過して各凝縮器８３、８４、８５に入り、各凝縮器８３、８４、８５もしくは各凝縮器８３、８４、８５の上流に設けられた各外気通気口から外部に排出される。これによって純水器１４には雑菌の繁殖が抑制された回収水がスムーズに供給されることとなる。

なお、第２の実施形態においては、燃料電池システム内の全ての凝縮器７６、７７、８３、８４、８５に対して回収水供給管５５、５６、５７、５８（配管６９を含む）を配置する構成としたが、これに限らず少なくとも１個以上の凝縮器に配置する構成としてもよい。これによっても効果は得られ、純水器１４の負荷は設けられた回収水供給管５５、５６、５７、５８の個数に応じて軽減できる。

また、上記第２の実施形態においては、回収水供給管５５および５６、５７、５８（配管６９を含む）の通路内において、抗菌剤充填部は該通路内の略全域に亘って配置されている。しかし、これに限らず通路内の一部だけに配置し、該抗菌剤充填部の両端にフィルタ５１を設けるようにしても良い。ただし回収水供給管５５および５６、５７、５８（配管６９を含む）の回収水の入口側部においては、雑菌の繁殖を効果的に抑制するために凝縮器７６、７７、８３、８４、８５の直近に抗菌剤充填部端面が配置されるものとする。

また、上記第２の実施形態においては、各抗菌剤充填部において大径の第１抗菌剤５３を各抗菌剤充填部の両端部に充填したが、これに限らず第１の実施形態と同様に、大径の第１抗菌剤５３は少なくとも一方の端部に充填すればよい。またフィルタ５１は、抗菌剤充填部の両端部の近傍に配設されたが、第１の実施形態と同様に、少なくとも一方の端部近傍に配設されればよい。このときフィルタ５１は、回収水供給管５５および５６、５７、５８（配管６９を含む）内の各抗菌剤充填部において、重力方向における下方側に設けられることが望ましい。またフィルタ５１は、回収水供給管５５および５６、５７、５８（配管６９を含む）内を流通する回収水の流れにおいて下流側に設けられることが望ましい。

さらに、第２の実施の形態においては、回収水供給管５５および５６、５７、５８（配管６９を含む）は回収水の流れにおける下流側が、重力方向における下方側と一致するように構成されている。しかし、この構成に限らず抗菌剤充填部の配置の仕方によっては回収水の流れにおいて上流側となる位置が重力方向において下方側になるよう構成される場合もあり、このときにも本発明は適用できる。

上述した説明から明らかなように、第２の実施形態においても第１の実施形態と同様の効果が期待できる。

なお、第１、第２の実施形態において、回収水供給管４６、５５、５６、５７、５８（５６、５７、５８は配管６９を含む）の回収水通路内の各抗菌剤充填部には、大径の第１抗菌剤５３と、小径の第２抗菌剤５４とが充填された。しかしこの構成に限らず回収水供給管４６、５５、５６、５７、５８の通路内の抗菌剤充填部には、同じ粒径を持つ抗菌剤が充填されてもよい。

１１…筐体、１２…仕切部材、１３…水タンク、１４…純水器、２０…燃料電池モジュール、２１…ケース、２１ａ…導出口、２２…蒸発部、２３…改質部、２４…燃料電池、２５…マニホールド、２６…改質器、３０…排熱回収システム、３１…貯湯槽、３２…貯湯水循環ライン、３３…熱交換器、４６…回収水供給管、５１…フィルタ、５３…第１抗菌剤、５４…第２抗菌剤、５５〜５８…回収水供給管、６０…燃料電池、６５…オフガス用燃焼器、６６…改質器用燃焼器、７０…改質器、７２…改質部、７３…一酸化炭素低減部（ＣＯシフト部）、７５…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、７６…第５凝縮器、７７…第３凝縮器、８０…凝縮器、８３…第４凝縮器、８４…第１凝縮器、８５…第２凝縮器、Ｒ１…第１室、Ｒ２…第２室。

Claims (3)

1. 燃料極に供給される燃料ガスおよび空気極に供給される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で使用される水蒸気を含むガスを凝縮して回収水を生成する凝縮器と、
   前記凝縮器に接続され前記回収水を回収する回収水通路と、
   前記回収水通路を介して回収した前記回収水を純水化する純水器と、
   前記回収水通路内に抗菌剤が充填された抗菌剤充填部と、
   が設けられ、
   前記抗菌剤は粒状を呈した多孔質の材料と、該多孔質の材料の表面に担持される抗菌部材とによって構成され、
   前記抗菌剤充填部の前記少なくとも一方端には、前記抗菌剤充填部に充填された前記抗菌剤の漏出を抑制し、かつ前記回収水に含まれるガスの通過を許容する目の粗さのフィルタが設けられ、
   前記抗菌剤充填部の少なくとも一方の端部は、前記端部側に第１抗菌剤が所定厚さで充填され、前記第１抗菌剤に隣接し前記第１抗菌剤より前記端部から離れた側に前記第１抗菌剤よりも粒径の小さな第２抗菌剤が充填されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、
   前記第１抗菌剤の前記所定厚さは、前記燃料電池システムの所定時間運転後においても前記第２抗菌剤が前記第１抗菌剤よりも前記端部側に移動しない厚さであり、
   前記フィルタの前記目の粗さは前記第１抗菌剤の通過は許容せず、前記第２抗菌剤の通過を許容する大きさであることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２において、前記燃料電池が、ケース内に収納されて燃料電池モジュールを構成し、
   前記燃料電池モジュールの内部で前記燃料電池のアノードオフガスを燃焼した燃焼排ガスが排気される前記ケースの導出口に、前記凝縮器が接続され、
   前記凝縮器は前記燃焼排ガスと貯湯槽の貯湯水との間で熱交換をする熱交換器であって、
   前記抗菌剤充填部は前記回収通路内に前記熱交換器の出口直近で配置されていることを特徴とする燃料電池システム。

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