JP5530374B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素などの燃料と酸素などの酸化剤を用いて発電を行う燃料電池システムの水処理手段に関する。

従来の一般的な固体高分子型燃料電池システム（以下、単に燃料電池システムと呼ぶ）として、図４に示す構成で表されるものがある（例えば、特許文献１参照）。

図４に示すように、燃料電池システムは、燃料と酸化剤とを用いて発電を行う燃料電池５１と、燃料電池５１での発電に用いられる燃料の供給および排出を行う燃料系と、燃料電池５１での発電に用いられる酸化剤の供給および排出を行う酸化剤系と、燃料電池５１を冷却する冷却水系と、冷却水によって回収した燃料電池５１などの熱を再利用する蓄熱系（図示せず）とを備えている。

具体的に述べると、燃料系には、燃料として燃料電池５１に供給される水素リッチな改質ガスを生成する水素生成器５２と、燃料オフガスを燃焼して再利用する水素生成器５２の燃焼器５２ａとが設けられている。また、酸化剤系には、燃料電池５１に酸化剤を供給する空気ブロア５３と、燃料電池５１から排出された酸化剤オフガス中の水分を除去する水凝縮器５４が設けられている。また、冷却水系は、水凝縮器５４で得られた凝縮水を蓄える凝縮水タンク５５、冷却水ポンプ５６、熱交換器５７を含む冷却水循環経路を有し、それにより冷却水が燃料電池５１を冷却する。蓄熱系には、水凝縮器５４の凝縮熱や熱交換器５７を介しての冷却水の熱を回収するように構成された温水循環経路（図示せず）が設けられている。

かかる構成のシステムの動作時には、燃料系の水素生成器５２に、天然ガス等の原料が供給される。水素生成器５２では、供給された原料が水蒸気雰囲気下で水蒸気改質され、水素リッチなガスが生成される。そして、生成された水素リッチなガスが、所定の処理を経た後、燃料電池５１の燃料極側に供給される。また、酸化剤系では、空気ブロア５３によって、空気又は酸素が、酸化剤として、燃料電池５１の酸化剤極側に供給される。

燃料電池５１では、このようにして供給された燃料と酸化剤とを用いて反応が行われ、それにより発電が行われるとともに熱が発生する。この熱は、燃料電池５１を通流する冷却水に回収され、さらに、熱交換器５７により冷却水の熱が回収される。熱交換器５７は、回収した熱を、蓄熱系を通流する水に与える。それにより、燃料電池５１で発生した熱を温水として有効利用できる。

ここで、反応に利用されずに燃料電池５１から排出された未反応の酸化剤（以下、酸化剤オフガスと呼ぶ）は、水凝縮器５４に送られる。水凝縮器５４は、熱交換器で構成され、例えば、凝縮器本体の内部に蓄熱系の水を通流させるとともに、この水と熱交換面を介して熱交換するように酸化剤オフガスを通流させる。かかる構成では、水によって酸化剤オフガスの熱が回収されて酸化剤オフガスが露点温度まで冷却され、それにより、酸化剤オフガス中の水分が凝縮する。そして、この凝縮水は凝縮水タンク５５に貯められ、燃料電池５１の冷却水や、改質水ポンプ５８によって水素生成器５２に送られ、水素生成器５２の改質反応の水として再利用される。また、分離された酸化剤オフガス中の気体成分は、外部に放出される。

一方、反応に利用されずに燃料電池５１から排出された未反応の燃料（以下、燃料オフガスと呼ぶ）は、水素生成器５２の燃焼器５２ａに供給され、燃焼ガスとして燃焼に用いられる。燃焼器５２ａで生じる燃焼熱により水素生成器５２の反応部（図示せず）が加熱され、それにより、反応部を所定の温度に保った状態で水蒸気改質反応が行われる。

特開２０００−２４３４２０号公報（第６図）

ところで、上記従来の燃料電池システムでは、凝縮水タンク５５は燃料電池５１を冷却する冷却水系の水としてだけでなく、水素生成器５２の改質反応で用いる水蒸気の原料水としても用いられている。しかしながら、オフガスあるいは冷却水系に由来する不純物が、この原料水に混入すると、改質触媒などの劣化要因となるためこの不純物の混入を避けなければならない。このため、水タンク内の純度を維持管理する複雑な手段を設ける必要が生じたり、冷却水系など、燃料電池システムに使用する材料が限定されるなどの問題があった。

本発明は、上記従来の燃料電池システムの水処理装置が有する課題を考慮して、簡単な構成で、燃料電池システムの長寿命化が図れる水処理手段を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、第１の本発明の燃料電池システムは、原料と水蒸気から改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質器を有する水素生成器と、前記水素生成器から供給される水素を含む燃料と酸化剤とを用いて発電を行う燃料電池と、隔壁を介して第１貯水部と第２貯水部とに分割され、前記第２貯水部の水が第１貯水部に供給されないよう構成されている水タンクと、前記第２貯水部と連通し、前記燃料電池を冷却するための冷却水が循環する冷却水循環経路と、前記第１貯水部と連通し、前記改質器に供給される水蒸気の水蒸気源として前記第１貯水部に貯えられた液体の水が流れる水供給経路とを備え、前記第１貯水部は、前記燃料電池の燃料オフガス及び酸化剤オフガスの少なくとも一方から回収した凝縮水中のイオンをイオン交換樹脂部で除去された凝縮水を貯え、前記隔壁、前記隔壁に設けられた開口部、または前記隔壁に設けられた配管口をオーバーフローした前記第１貯水部の水が、前記第２貯水部に供給されることを特徴とする。

かかる構成によれば、純度の高い水を水素生成器に使用できるため、水素生成器の触媒、さらには水素生成器で作られた水素を燃料とする燃料電池に悪影響を及ぼすことはない。
かかる構成によれば、前記第２貯水部から第１貯水部への水の逆流はない。

また、前記水タンクの第１貯水部内及び第２貯水部内の少なくとも一方に、水位センサを設け、前記水位センサの水位検知信号により前記第１貯水部または第２貯水部に水を供給するようにしても良い。

かかる構成によれば、第１貯水部内と第２貯水部内の水位を水位センサの調整で自由に設定でき、第１貯水部の水の純度を高く保てる。

また、前記水タンクの第２貯水部の容量は、前記第１貯水部の容量より大きく設定しても良い。

かかる構成によれば、冷却水循環経路の水温変動を小さく抑えることができる。

また、前記オーバフロー口は前記凝縮水タンクに連結しても良い。

かかる構成によれば、回収した水を有効に利用できる。

また、前記水タンク内の水の一部または全部を入れ替える制御を行ってもよい。

かかる構成によれば、冷却水循環経路の水も、一定以上の純度に保つことができる。

以上から明らかなように、本発明の燃料電池システムでは、使用目的に応じた水を確保した上で使用できるため、純度の高い水を水素生成器に使用できるため、水素生成器の触媒、さらには水素生成器で作られた水素を燃料とする燃料電池に悪影響を及ぼすことはない。従って、燃料電池システムの長期に渡る安定した運転が可能となり、システムの長寿命化が図れる。また、水タンクも分割方式にしており、小型で簡単な構成とすることが可能となり、システムのコンパクト化が図れる。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す概略図 図１の燃料電池システムの水タンクまわりの構成例を示す模式図 本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの水タンクまわりの構成例を示す模式図 従来の燃料電池システムの構成を示す概略図

以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成概要を示す機能ブロック図であり、図２は、図１の燃料電池システムに用いられる水タンクの構成を示す模式的な断面図である。

図１に示すように、本実施の形態１における燃料電池システムは、水素を含む燃料と酸素を含む酸化剤とを用いて発電を行う燃料電池１と、燃料電池１での発電に用いられる燃料の供給および排出を行う燃料系と、燃料電池１での発電に用いられる酸化剤の供給および排出を行う酸化剤系と、燃料電池１を冷却する冷却水系と、冷却水によって回収した燃料電池１などの熱を再利用する蓄熱系とを備えている。

具体的に述べると、燃料系には、水素リッチな改質ガスを生成する改質器（図示せず）を有する水素生成器２と、燃料オフガスを燃焼して再利用する水素生成器２の燃焼器２ａとが設けられている。また、酸化剤系には、燃料電池１に酸化剤を供給する空気ブロア３と、燃料電池１から排出された酸化剤オフガス中の水分を除去する水凝縮器４、水凝縮器４で得られた凝縮水を蓄える凝縮水タンク５が設けられている。また、冷却水系は、冷却水ポンプ６、熱交換器７、冷却水を蓄える水タンク８を含む冷却水循環経路を有し、それにより冷却水が燃料電池１を冷却する。蓄熱系には、貯湯ポンプ９により、貯湯タンク１０からの水を循環させて、水凝縮器４の凝縮熱や熱交換器７を介しての冷却水の熱を貯湯タンク１０に回収するように構成された温水循環経路が設けられている。なお、水凝縮器４で水分を除去するガスは燃料オフガスであっても構わない。

かかる構成のシステムの動作時には、燃料系の水素生成器２に、天然ガス等の原料が供給される。水素生成器２では、供給された原料が水蒸気雰囲気下で水蒸気改質され、水素リッチな改質ガスが生成される。そして、生成された改質ガスが、所定の処理を経た後、燃料電池１の燃料極側に水素を含む燃料として供給される。また、酸化剤系では、空気ブロア３によって、空気又は酸素が、酸化剤として、燃料電池１の酸化剤極側に供給される。

燃料電池１では、このようにして供給された燃料と酸化剤とを用いて反応が行われ、それにより発電が行われるとともに熱が発生する。この熱は、燃料電池１を通流する冷却水に回収され、さらに、熱交換器７により冷却水の熱が回収される。熱交換器７は、回収した熱を、蓄熱系を通流する水に与える。それにより、燃料電池１で発生した熱を温水として有効利用できる。

ここで、反応に利用されずに燃料電池１から排出された未反応の酸化剤（以下、酸化剤オフガスと呼ぶ）は、水凝縮器４に送られる。水凝縮器４は、熱交換器で構成され、例えば、凝縮器本体の内部に蓄熱系の水を通流させるとともに、この水と熱交換面を介して熱交換するように酸化剤オフガスを通流させる。かかる構成では、水によって酸化剤オフガスの熱が回収されて酸化剤オフガスが露点温度まで冷却され、それにより、酸化剤オフガス中の水分が凝縮する。そして、この凝縮水は凝縮水タンク５に貯められ、水供給ポンプ１１により、イオン交換樹脂部１２を通って金属イオンや不純物が取り除かれた後、水タンク８に供給され、燃料電池１への冷却水や、水ポンプ１３によって水素生成器２に送られて水素生成器２の改質反応の水などに再利用される。また、分離された酸化剤オフガス中の気体成分は、外部に放出される。

一方、反応に利用されずに燃料電池１から排出された未反応の水素（以下、水素オフガスと呼ぶ）は、水素生成器２の燃焼器２ａに供給され、燃焼ガスとして燃焼に用いられる。燃焼器２ａで生じる燃焼熱により水素生成器２の反応部（図示せず）が加熱され、それにより、反応部を所定の温度に保った状態で水蒸気改質反応が行われる。

次に、本発明を特徴づける水タンク８を含む水処理部の詳細構成について、図１および図２を用いて説明する。

図１、図２に示すように、水タンク８内は、隔壁２１を設けることで、第１貯水部２２と第２貯水部２３に分割されている。空間容積は、第２貯水部２３が第１貯水部２２よりも大きくなっている。第１貯水部２２の水は、水ポンプ１３によって、水供給経路１５を流れて水素生成器２内の改質器（図示せず）に改質反応の水蒸気源として供給される。また、第２貯水部２３の水は、冷却水ポンプ６により、冷却水循環経路１４を流れて、燃料電池１の冷却に使用される。また、第１貯水部２２には水位センサ２４を、第２貯水部２３には、水位センサ２５を備えた構成となっている。第１貯水部２２には、イオン交換樹脂部１２などによって、金属イオンや不純物を除去された水が供給され、第２貯水部２３には、第１貯水部２２に供給された水が、隔壁２１を超えて供給される。なお、水供給ポンプ１１の起動／停止は、水位センサ２４または水位センサ２５のＯＮ／ＯＦＦ信号によって行われる。

ところで、第２貯水部２３の水位は、第１貯水部２２の水位よりも低くなるように（寸法ａ）、水位センサ２４および水位センサ２５のＯＮ／ＯＦＦ信号の設定位置が調整されている。また、隔壁２１の高さは、第１貯水部２２の水位センサ２４のＯＮ／ＯＦＦ信号の設定位置よりも高く設定されている。このため、第２貯水部２３の水が、隔壁２１を超えて第１貯水部２２に逆流することはない。

以上のことから、本実施の形態１の効果として、第１貯水部２２の水の純度は高く維持できるため、水素生成器２の改質触媒の不純物による劣化を防止でき、複雑な維持管理装置も必要ない。また、冷却水循環経路１４にも、不必要に特殊な材料を選定する必要はなく、システムの材料コストを抑えることができる。また、共通のポンプで水を供給できるため、構成が簡略化される。さらに、純水タンクを別途配置する必要がないため、システムのコンパクト化が図れる。加えて、第２貯水部２３が第１貯水部２２よりも大きくなっているため、第２貯水部２３の熱容量が第１貯水部２２のそれよりも大きく、冷却水循環経路１４の水温変動を小さく抑えることができるため、燃料電池システムを安定して運転することができる。

なお、温水循環経路の貯湯水の流れは、図１では、水凝縮器４を通って、燃料電池部１で発生した反応熱を放熱する熱交換器７を通るという順に図示しているが、別の順に流しても良いことや、水凝縮器４は燃料系側にも設けて良いこと、さらには、隔壁２１が、水タンク８を完全に仕切って、隔壁２１の一部に、水の供給開口部や配管口を設けた構造でもよいのは無論である。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における燃料電池システムの水処理部の詳細構成について、図３を用いて説明する。なお、以下、同一部品には同一番号を付し、部品の説明を省略する。

図３に示すように、水タンク８内は、隔壁２１を設けることで、第１貯水部２２と第２貯水部２３に分割され、隔壁２１には、第１貯水部２２と第２貯水部２３を繋ぐ連通部として配管口２６が設けられている。空間容積は、実施の形態１と同様に、第２貯水部２３が第１貯水部２２よりも大きくなっている。第１貯水部２２の水は、水ポンプ１３によって、水供給経路１５を流れて水素生成器２内の改質器（図示せず）に改質反応の水蒸気源として供給され、第２貯水部２３の水は、冷却水ポンプ６により、冷却水循環経路１４を流れて燃料電池１の冷却に使用される。また、第１貯水部２２には水位センサ２４を備えた構成となっており、水位センサ２４の水位検出信号によって、水供給ポンプ１１の起動／停止を行う。第１貯水部２２には、イオン交換樹脂部１２などによって、金属イオンや不純物を除去された水が供給され、第２貯水部２３には、第１貯水部２２に供給された水が、隔壁２１に設けられた配管口２６から供給される。また、第２貯水部２３には、オーバフロー口２７が設けられており、オーバフロ−口２７の高さは、配管口２６の高さよりも低く設定されている（ｂ寸法）。このため、第２貯水部２３の水が、第１貯水部２２に逆流することはない。オーバフロー口２７は、凝縮水タンク５に連通しており、オーバフローした水は、再利用できる。

以上のことから、本実施の形態２の効果として、実施の形態１と同様の効果は勿論のこと、システムの運転開始時、運転停止時または所定の運転時間後に、前記水タンク８内の水の一部または全部を入れ替えるように、水供給ポンプ１１の運転を行うことができることから、冷却水循環経路１４の水も、一定以上の純度に保つことができ、回収した水も有効に利用できるという効果がある。

なお、第２貯水部２３側に水位センサを設けても良い。さらに、隔壁２１には、配管口２６が設けられた構成になっているが、第１貯水部２２から第２貯水部２３側に配管を立ち上げて（均圧口は）水を供給しても良い。加えて、凝縮水タンク５も水タンク８と一体構造としても良いのは無論である。

本発明に係る燃料電池システムは、例えば、コージェネレーション装置に利用される燃料電池システム等として有用である。

１，５１ 燃料電池
２，５２ 水素生成器
２ａ，５２ａ 燃焼器
３，５３ 空気ブロア
４，５４ 水凝縮器
５，５５ 凝縮水タンク
６，５６ 冷却水ポンプ
７，５７ 熱交換器
８ 水タンク
９ 貯湯ポンプ
１０ 貯湯タンク
１１ 水供給ポンプ
１２ イオン交換樹脂部
１３ 水ポンプ
１４ 冷却水循環経路
１５ 水供給経路
２１ 隔壁
２２ 第１貯水部
２３ 第２貯水部
２４，２５ 水位センサ
２６ 配管口
２７ オーバフロー口
５８ 改質水ポンプ

Claims (4)

1. 原料と水蒸気から改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質器を有する水素生成器と、
   前記水素生成器から供給される水素を含む燃料と酸化剤とを用いて発電を行う燃料電池と、
   隔壁を介して第１貯水部と第２貯水部とに分割され、前記第２貯水部の水が第１貯水部に供給されないよう構成されている水タンクと、
   前記第２貯水部と連通し、前記燃料電池を冷却するための冷却水が循環する冷却水循環経路と、
   前記第１貯水部と連通し、前記改質器に供給される水蒸気の水蒸気源として前記第１貯水部に貯えられた液体の水が流れる水供給経路とを備え、
   前記第１貯水部は、前記燃料電池の燃料オフガス及び酸化剤オフガスの少なくとも一方から回収した凝縮水中のイオンをイオン交換樹脂部で除去された凝縮水を貯え、
   かつ、前記隔壁、前記隔壁に設けられた開口部、または前記隔壁に設けられた配管口をオーバーフローした前記第１貯水部の水が、前記第２貯水部に供給される燃料電池システム。
2. 水タンクの第１貯水部内及び第２貯水部内の少なくとも一方に、水位センサを設け、
   前記水位センサの水位検知信号により前記第１貯水部または第２貯水部に水を供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 第２貯水部の容量は、第１貯水部の容量より大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 水タンク内の水の一部または全部を入れ替える制御を行う請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。

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