JP6100065B2 - 燃料電池システム用イオン交換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池から排出される排ガスに含まれる水を通すための燃料電池システム用イオン交換装置に関する。
通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。固体電解質の一方側にアノード電極が、前記固体電解質の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに、例えば、水蒸気改質を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。
上記の水蒸気改質では、改質反応に使用される水蒸気量に対応した水を補給する必要がある。このため、外部から必要な水量の水を供給する方式が採用されているが、これに代えて、燃料電池の発電により発生した排ガスを凝縮させることにより、改質に必要な水を完全循環（水自立）させる水回収方式が注目されている。その際、凝縮された水から不純物を除去する必要があり、水処理装置、例えば、イオン交換装置が採用されている。
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、図１３に示すように、水タンク１ａを備えており、前記水タンク１ａには、図示しない水処理部（イオン交換樹脂膜）から精製された純水が供給されている。水タンク１ａの底部には、吸入配管２ａが設けられるとともに、前記吸入配管２ａは、エアリターン機構３ａに接続されている。エアリターン機構３ａは、吸入配管２ａと水ポンプ４ａとの間に配置されており、エア分離部５ａとエアリターン配管６ａとを備えている。
このため、水タンク１ａから吸入配管２ａに導入された純水に気泡が発生していると、この気泡は、水ポンプ４ａに到達する前にエアリターン配管６ａに導入されて水タンク１ａに戻されている。従って、水ポンプ４ａには、気泡が除去された純水が供給される、としている。
また、特許文献２に開示されている燃料電池システムでは、図１４に示すように、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１ｂを備えている。純水器１ｂは、回収水を純水化するイオン交換樹脂２ｂと、前記イオン交換樹脂２ｂの重力方向における上方に所定厚さの抗菌剤３ｂと、が充填された収容部４ｂを備えている。純水器１ｂは、図示しない凝縮器から供給された回収水を純水化する装置であり、この純水器１ｂ内で純水化された回収水は、通水管５ｂを通って貯水器６ｂに供給されている。
また、特許文献３に開示されている燃料電池装置は、図１５に示すように、熱交換器（図示せず）での熱交換により生成される凝縮水を貯留するために、凝縮水タンク１ｃを備えている。この凝縮水タンク１ｃの下端部には、熱交換器に接続された凝縮水供給管２ｃの端部が接続されるとともに、前記凝縮水タンク１ｃの上端部には、タンク連結管３ｃを介して水タンク４ｃが接続されている。凝縮水タンク１ｃ内には、凝縮水処理手段として、例えば、イオン交換樹脂５ｃが収容されている。
さらに、特許文献４に開示されている燃料電池装置では、図１６に示すように、凝縮水タンク１ｄを備えている。凝縮水タンク１ｄに貯水された凝縮水は、前記凝縮水タンク１ｄ中に備えられた凝縮水処理手段（例えば、イオン交換樹脂）２ｄにより処理された後、タンク連結管３ｄを流れて水タンク４ｄに供給されている。水タンク４ｄに貯水された水は、改質器で必要となる水の量に応じて、図示しない改質器に供給されている。
凝縮水タンク１ｄは、例えば、網目状構造の部材やメッシュ状の部材である上部仕切部材５ｄと下部仕切部材６ｄとを備えており、これらの間には、凝縮水処理手段２ｄが収容されている。
特開２００９−００９７３２号公報 特開２０１０−０３３９１７号公報 特開２００８−３０００５８号公報 特開２００８−３０００５９号公報
上記の特許文献１では、水タンク１ａと水ポンプ４ａとの間に、エア分離部５ａ及びエアリターン配管６ａを備えるエアリターン機構３ａが配設されており、設備全体が相当に大型化するという問題がある。しかも、水処理部は、個別に設けられており、コンパクト化を図ることができない。さらに、設備の初期設定時や長期間の未使用時では、エアリターン機構３ａにもエアが溜まり易くなっており、このエアを確実に除去することができないという問題がある。
また、上記の特許文献２では、回収水が純水器１ｂ内に上から下に向かって通水されるため、イオン交換樹脂２ｂの一部分のみが使用され易く、イオン交換効率が低下するという問題がある。しかも、純水器１ｂの下方から通水管５ｂに対して純水化された回収水が導出される際、イオン交換樹脂２ｂの破片や粉体が前記回収水に混在して導出されるおそれがある。
さらに、上記の特許文献３では、初期にエアが混入した際、凝縮水タンク１ｃの上部にエアの滞留が惹起され易い。このため、凝縮水タンク１ｃから水タンク４ｃに供給される凝縮水中にエアが混在し、正確且つ安定した量の改質水を供給することができないという問題がある。
しかも、イオン交換樹脂５ｃが収容されている凝縮水タンク１ｃでは、処理された水がこの凝縮水タンク１ｃの上部側に設けられるタンク連結管３ｃを介して水タンク４ｃに送られている。従って、例えば、凝縮水タンク１ｃ内に浮遊する塵埃等が水タンク４ｃに送られるおそれがある。
さらにまた、上記の特許文献４では、凝縮水タンク１ｄに対して凝縮水を上から下に向かって通水させるため、凝縮水処理手段２ｄのイオン交換効率が低下するという問題がある。その上、メッシュ等の上部仕切部材５ｄと下部仕切部材６ｄとの間に、凝縮水処理手段２ｄが収容されているため、改質水（処理水）に異物が混入することを抑制することが困難になるという問題がある。
本発明は、この種の問題を解決するものであり、イオン交換効率の向上を図るとともに、耐久性の向上、部品点数の削減及びメンテナンス工数の削減を図ることが可能な燃料電池システム用イオン交換装置を提供することを目的とする。
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池から排出される排ガスに含まれる水を通すための燃料電池システム用イオン交換装置に関するものである。
このイオン交換装置は、内部上下にフィルタが配置され、前記フィルタ間にイオン交換樹脂が充填される装置本体を備えている。装置本体の下部側には、水をイオン交換樹脂に導入する水導入口が設けられている。装置本体の上部側には、イオン交換樹脂を通過した水を排出する水排出口が設けられている。装置本体の上部側には、前記装置本体の内部に混入した空気を集中して収容する空気収容部が設けられ、前記空気収容部には、水排出口よりも上方に位置してイオン交換樹脂を通過した水の電気伝導率を計測する導電率計測部が配置されている。
また、このイオン交換装置では、空気収容部に配置され、装置本体の内部から少なくとも空気を排出する余剰流体排出配管を備えることが好ましい。このため、イオン交換装置の下流に空気が流通することを抑制することができる。従って、空気の巻き込みによる水ポンプの性能低下、改質器への空気の混入による改質触媒の酸化、電極への炭素付着等による燃料電池の発電電圧の不安定化を抑制することが可能になる。
さらに、このイオン交換装置では、水導入口に設けられ、水導入配管を離脱自在に接続する水導入用封止弁と、水排出口に設けられ、水排出配管を離脱自在に接続する水排出用封止弁と、を備えている。そして、水導入用封止弁と水排出用封止弁とは、それぞれの配管着脱方向が同一方向に設定されることが好ましい。これにより、水導入用封止弁及び水排出用封止弁を閉塞した状態で、水導入配管及び水排出配管を同一方向に離脱させるだけで、イオン交換装置を容易に交換することができ、メンテナンス工数の削減が確実に遂行される。
さらにまた、このイオン交換装置は、少なくとも水蒸気改質に用いられる水に含まれる不純物を除去するために、固体酸化物形燃料電池に適用されるイオン交換装置であることが好ましい。イオン交換装置は、水蒸気改質を行う固体酸化物形燃料電池に最適である。
本発明によれば、装置本体の下部側に水導入口が設けられる一方、前記装置本体の上部側に水排出口が設けられている。このため、水は、装置本体の内部を下方から上方に向かって、すなわち、反重力方向に向かって流通するため、前記装置本体の内部で水の偏流が抑制される。しかも、反重力方向に流通する水とイオン交換樹脂との接触時間が長くなり、イオン交換が確実に遂行されてイオン交換効率の向上が図られる。
さらに、装置本体の上部側には、前記装置本体の内部に混入した空気を集中して収容する空気収容部が設けられている。水排出口は、空気収容部の側部に設けられるとともに、空気収容部の頂部よりも下方に設けられ、イオン交換樹脂を通過した水は、空気収容部を介して、水排出口へと流れる。従って、空気がイオン交換装置の下流に流通することを抑制することができる。これにより、空気の巻き込みによる水ポンプの性能低下、改質器への空気の混入による改質触媒の酸化、電極への炭素付着等による燃料電池の発電電圧の不安定化を抑制することが可能になる。
さらにまた、空気収容部には、水排出口よりも上方に位置して、イオン交換樹脂を通過した水の電気伝導率を計測する導電率計測部が配置されている。このため、装置本体の内部における水の純水化状態の把握及び水量の把握が容易且つ確実に遂行され、部品点数の削減やメンテナンス工数の削減が図られる。
また、イオン交換装置の内部上下にフィルタが配置されるとともに、上下の前記フィルタ間にイオン交換樹脂が充填されている。従って、上流側（下側）のフィルタは、凝縮水に含まれる塵埃等を除去するとともに、微細化したイオン交換樹脂が上流側に流れることを阻止する機能を有する。一方、下流側（上側）のフィルタは、微細化したイオン交換樹脂が下流側に流れることを阻止する機能を有する。
本発明の第１の実施形態に係るイオン交換装置を組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記燃料電池システムの一方の側部側からの概略斜視説明図である。 前記燃料電池システムの他方の側部側からの概略斜視説明図である。 前記燃料電池システムの概略正面説明図である。 前記イオン交換装置の概略斜視説明図である。 前記イオン交換装置の縦断面説明図である。 前記イオン交換装置に電気導電率計が装着された状態の縦断面説明図である。 前記イオン交換装置に空気排出配管が装着された状態の縦断面説明図である。 前記イオン交換装置にドレイン排出配管が装着された状態の縦断面説明図である。 前記電気導電率計による検出結果に基づいて、前記イオン交換装置のステータスを検知する方法を説明するフローチャートである。 前記方法の処理説明図である。 本発明の第２の実施形態に係るイオン交換装置の縦断面説明図である。 特許文献１の燃料電池システムの概略構成説明図である。 特許文献２の燃料電池システムの概略構成説明図である。 特許文献３の燃料電池装置の概略構成説明図である。 特許文献４の燃料電池装置の概略構成説明図である。
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係るイオン交換装置（後述する）を組み込む燃料電池システム１０は、定置用として使用されるが、その他、車載用等の種々の用途にも用いられている。
燃料電池システム１０は、燃料ガス（例えば、水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）１２と、前記燃料電池モジュール１２に炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）である前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１４と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１６と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置１８と、前記燃料電池モジュール１２で発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置２０と、前記燃料電池モジュール１２の発電量を制御する制御装置２２とを備え、これらが単一の筐体２４に収容される（図２〜図４参照）。
燃料電池モジュール１２は、図１に示すように、複数の固体酸化物形の燃料電池２６が鉛直方向（又は水平方向）に積層される燃料電池スタック２８を備える。燃料電池２６は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質（固体酸化物）をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３０とセパレータ３２とを積層して構成される。
燃料電池モジュール１２は、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質して燃料ガス（改質ガス）を生成するとともに、燃料電池スタック２８に前記燃料ガスを供給する改質器３４と、水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記改質器３４に供給する蒸発器３６と、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタック２８に前記酸化剤ガスを供給する熱交換器３８と、前記燃料電池スタック２８から排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器４０、前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器４２とを備える。
燃料ガス供給装置１４は、都市ガス（１３Ａ）を改質器３４に供給する原燃料通路４４を備える。原燃料通路４４の途上には、一対の調整弁４６ａ、４６ｂが調圧器４８を介装して配置される。原燃料通路４４には、調整弁４６ｂの下流に燃料ポンプ５０が設けられるとともに、前記燃料ポンプ５０の下流には、バッファタンク５２、流量センサ５４及び脱硫器５６が、順次、配設される。原燃料通路４４には、調整弁４６ａと調圧器４８との間に位置して原燃料分岐通路５８が設けられる。この原燃料分岐通路５８は、起動用燃焼器４２に接続されるとともに、途上に調整弁４６ｃが配設される。
酸化剤ガス供給装置１６は、空気供給管６０を備える。空気供給管６０には、上流から下流に向かって、集塵フィルタ６２、流量センサ６４及び空気ポンプ６６が配置され、前記空気供給管６０は、熱交換器３８に接続される。空気供給管６０から空気分岐通路６８が分岐し、前記空気分岐通路６８は、バーナ用ブロア７０を配設して起動用燃焼器４２に接される。起動用燃焼器４２は、例えば、バーナを備えており、上記のように、原燃料及び空気が供給される。
水供給装置１８は、凝縮水タンク７２を備える。凝縮水タンク７２には、水位センサ７４が設けられるとともに、前記凝縮水タンク７２の下部には、水通路（水導入配管）７６ａが連通する。水通路７６ａは、イオン交換装置７８に接続される一方、前記イオン交換装置７８から純水通路（水排出配管）７６ｂが延在する。純水通路７６ｂは、蒸発器３６に接続され、その途上には、上流から下流に向かって、純水ポンプ（水ポンプ）８０及び流量センサ８２が配設される。凝縮水タンク７２には、貯湯用熱交換器８４が排水通路８６を介して接続される。なお、凝縮水タンク７２とイオン交換装置７８とは、互いに入れ替えて配置してもよい。
貯湯用熱交換器８４は、排気管８８を介して熱交換器３８に接続される。熱交換器３８は、燃料電池スタック２８から排出される使用済み反応ガス（以下、排ガス又は燃焼排ガスともいう）と、被加熱流体である空気とを、互いに対向流に流して熱交換を行う。熱交換後の排ガスは、排気管８８に排出される一方、熱交換後の空気は、酸化剤ガスとして燃料電池スタック２８に供給される。
貯湯用熱交換器８４には、給湯装置９０の貯湯タンク（給湯タンク）９１から導出された給湯管９２が接続される。給湯管９２には、給湯ポンプ９６が配設され、貯湯用熱交換器８４に低温の水を供給する。貯湯用熱交換器８４では、供給される水と排ガスとを熱交換させ、昇温された温水を温水供給管９２ａから貯湯タンク９１に戻す。凝縮水タンク７２には、定格排気管（定格時に大気開放する配管）１００とドレイン管１０２とが接続される。
図２及び図３に示すように、筐体２４は、矩形状を有する。図４に示すように、筐体２４は、燃料電池モジュール１２が配置されるモジュール部１１０と、燃料ガス供給装置１４が配置される第１流体供給部１１２と、酸化剤ガス供給装置１６及び水供給装置１８が配置される第２流体供給部１１４と、電力変換装置２０及び制御装置２２が配置される電装部１１６と、に区分けされる。
モジュール部１１０、第１流体供給部１１２、第２流体供給部１１４及び電装部１１６の区分けは、それぞれ仕切り部材により互いに遮断してもよく、又は、見かけ上、空間的に４つの領域に振り分けてもよい。筐体２４内には、電装部１１６を仕切って鉛直方向に延在する縦仕切り板１１８が設けられる。縦仕切り板１１８の下部側には、断面Ｌ字状の基台部１２０が設けられるとともに、第１流体供給部１１２側には、短尺な縦仕切り板１２２が設けられる。
第１流体供給部１１２と電装部１１６との間には、モジュール部１１０及び第２流体供給部１１４が介装され、且つ前記モジュール部１１０の下面に前記第２流体供給部１１４が配置される。電装部１１６と第２流体供給部１１４との間には、すなわち、縦仕切り板１１８には、前記電装部１１６内の空気を前記第２流体供給部１１４に導く空気流通口１２４が設けられる。電装部１１６は、筐体２４の外部の空気を前記筐体２４の内部に導く空気導入口１２６を備える。空気導入口１２６は、筐体２４の側面に形成される。第１流体供給部１１２は、筐体２４の内部の空気を前記筐体２４の外部に導く空気排出口１２８及び換気ファン１３０を備える。空気排出口１２８は、筐体２４の側面に形成される。
筐体２４の内部には、空気導入口１２６から電装部１１６、モジュール部１１０の上方、第１流体供給部１１２及び空気排出口１２８に連なる第１換気流通路１３２と、前記空気導入口１２６から前記電装部１１６、空気流通口１２４及び第２流体供給部１１４に連なる第２換気流通路１３４とが形成される。
第１流体供給部１１２には、燃料ガスの漏れを検知する燃料ガス検知器１３６と、前記燃料ガスの硫黄成分を除去する脱硫器５６と、燃料ガス供給装置１４と、燃料電池モジュール１２から排出される排ガスと貯湯タンク９１から供給される貯湯水との熱交換を行う貯湯用熱交換器８４と、給湯ポンプ９６と、が配設される。
第２流体供給部１１４には、酸化剤ガス供給装置１６と、燃料電池モジュール１２から排出される排ガスから得られる凝縮水を貯留する凝縮水タンク７２と、前記凝縮水を通流させるイオン交換装置７８と、水供給装置１８と、が配設される。
電装部１１６は、電力変換装置２０が制御装置２２の上方に配置される。換気ファン１３０は、貯湯用熱交換器８４と空気排出口１２８との間に配置される。モジュール部１１０の上部には、第１流体供給部１１２と電装部１１６とを繋ぐ配線１３８が敷かれる橋架板１４０が設置される。
第１の実施形態に係るイオン交換装置７８は、凝縮水から不純物を除去して純水を得る機能を有する。ここで、不純物とは、塵埃以外に、純水に含まれない物質、例えば、カルシウム、マグネシウム、シリカ、ナトリウム及びカリウム等の塩類、水溶性の電解質成分及び有機物を含む。
イオン交換装置７８は、図５及び図６に示すように、角筒形状の装置本体１４２を備える。装置本体１４２の下部端部と上部端部とには、下部蓋部材１４４と上部蓋部材１４６とが取り付けられる。図６に示すように、装置本体１４２の内部には、下部フィルタ１４８ａと上部フィルタ１４８ｂとが配設される。下部フィルタ１４８ａ及び上部フィルタ１４８ｂは、例えば、メッシュフィルタで構成され、これらの間には、例えば、粒状のイオン交換樹脂１５０が充填される。
装置本体１４２の下部側には、すなわち、下部蓋部材１４４には、水（凝縮水）をイオン交換樹脂１５０に導入する水導入口１５２ａが設けられる。装置本体１４２の上部側には、すなわち、上部蓋部材１４６には、イオン交換樹脂１５０を通過した水を排出する水排出口１５２ｂが設けられる。水導入口１５２ａは、水平方向（横方向）から装置本体１４２の下部中央まで延在し、該下部中央から上方に向かって前記装置本体１４２内に開口される。下部フィルタ１４８ａの中心位置から通水するためである。
水導入口１５２ａには、水通路７６ａを離脱自在に接続するワンタッチコックである水導入用封止弁１５４ａが設けられ、水排出口１５２ｂには、純水通路７６ｂを離脱自在に接続するワンタッチコックである水排出用封止弁１５４ｂが設けられる。水導入用封止弁１５４ａと水排出用封止弁１５４ｂとは、それぞれの配管着脱方向が同一方向（矢印Ａ方向）に設定される。
装置本体１４２の上部側には、すなわち、上部蓋部材１４６には、前記装置本体１４２の内部に混入した空気を集中して収容する空気収容部１５６が設けられる。空気収容部１５６は、上方に湾曲するドーム形状を有しており、前記空気収容部１５６の上部側には、水平方向に延在して水排出口１５２ｂが連通する。空気収容部１５６には、水排出口１５２ｂよりも上方に位置して、接続口１５８が重力方向上方に向かって開口する。接続口１５８には、閉塞キャップ１６０が取り付けられるとともに、前記閉塞キャップ１６０は、留め具１６２により空気収容部１５６に固定される。
接続口１５８には、閉塞キャップ１６０に代えて、図７に示す電気導電率計（導電率計測部）１６４と、図８に示す空気排出配管（余剰流体排出配管）１６６と、図９に示すドレイン排出配管（余剰流体排出配管）１６７とが、選択的に取り付けられる。電気導電率計１６４は、イオン交換樹脂１５０を通過した水の電気伝導率（導電率）σを計測する機能を有し、空気排出配管１６６は、装置本体１４２から空気を排出する機能を有し、ドレイン排出配管１６７は、前記装置本体１４２から余剰水及び空気を排出する機能を有する。
図７に示すように、接続口１５８には、Ｏリング１６９ａを介装して連結筒体１６８が取り付けられるとともに、前記連結筒体１６８に電気導電率計１６４が装着される。連結筒体１６８は、接続口１５８の開口端部に当接するフランジ部１６８ａを有する。連結筒体１６８内には、段付き孔部１６８ｂが形成され、前記段付き孔部１６８ｂには、電気導電率計１６４の小径な先端部１６４ａがＯリング１６９ｂを介装して装着される。
電気導電率計１６４の先端部１６４ａには、一対の測定端子１７０が設けられ、前記測定端子１７０は、空気収容部１５６の内部に露呈する。測定端子１７０の先端（下端）位置は、水排出口１５２ｂよりも上方に設定されることが好ましい。電気導電率計１６４の後端部には、ハーネス１７２が設けられ、前記ハーネス１７２は、制御装置２２に接続される。
図８に示すように、空気排出配管１６６では、接続口１５８にＯリング１７４を介装して筒部材１７６が取り付けられる。筒部材１７６は、接続口１５８の開口端部に当接するフランジ部１７６ａと、上端部に拡径するフランジ部１７６ｂとを設ける。筒部材１７６には、フランジ部１７６ａ、１７６ｂ間に位置してエア抜き用の排出通路１７８が設けられる。排出通路１７８は、外部に開放される。
筒部材１７６内には、段付き孔部１７６ｃが形成され、前記段付き孔部１７６ｃには、ボール１８０が配設される。ボール１８０は、段付き孔部１７６ｃの段部に当接することにより、空気収容部１５６と排出通路１７８とを遮断する。段付き孔部１７６ｃには、Ｏリング１８２を介装してピストン部１８４が上下に摺動自在に配置される。
なお、ピストン部１８４に代えて、段付き孔部１７６ｃの内周面に形成されるねじ溝（図示せず）に螺合するねじ部材を用いることができる。また、手動操作で開閉されるピストン部１８４に代えて、空気収容部１５６と排出通路１７８とを遮断及び開放させる電磁弁（図示せず）を備え、電気伝導率σに応じて自動的に開閉し、空気抜きを行うことも可能である。
図９に示すように、ドレイン排出配管１６７は、Ｏリング１８６を介して接続口１５８に取り付けられる筒部材１８８を備える。筒部材１８８は、上端が閉塞されるとともに、接続口１５８の開口端部に当接するフランジ部１８８ａを有する。筒部材１８８の上部側には、内部に連通し且つ水平方向（径方向）に貫通する接続孔部１９０が形成される。接続孔部１９０には、ドレイン配管１９２の一端が接続されるとともに、前記ドレイン配管１９２の他端は、例えば、凝縮水タンク７２に接続される。
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
図１に示すように、燃料電池システム１０の起動時には、燃料ガス供給装置１４の駆動作用下に、原燃料通路４４には、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料が供給される。この原燃料は、原燃料通路４４から原燃料分岐通路５８を通って起動用燃焼器４２に供給される。一方、酸化剤ガス供給装置１６では、バーナ用ブロア７０の駆動作用下に、空気が空気分岐通路６８を通って起動用燃焼器４２に供給される。
このため、起動用燃焼器４２内では、原燃料と空気との混合ガスが供給され、この混合ガスが着火されて燃焼が開始される。従って、熱交換器３８、改質器３４及び蒸発器３６に燃焼ガスが供給されてこれらが加温（昇温）される。
次いで、燃料ガス供給装置１４では、燃料ポンプ５０が駆動され、原燃料通路４４から脱硫器５６に原燃料が供給される。脱硫器５６で脱硫された原燃料は、改質器３４に供給される。一方、水供給装置１８では、純水ポンプ８０を介して純水通路７６ｂに供給される水は、蒸発器３６で蒸発された後、改質器３４に供給される。
改質器３４では、原燃料と水蒸気との混合燃料が水蒸気改質され、Ｃ2+の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガス（燃料ガス）が得られる。この改質ガスは、燃料電池スタック２８に供給される。このため、改質ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする燃料ガスは、アノード電極（図示せず）に供給される。
酸化剤ガス供給装置１６では、空気ポンプ６６の作用下に、空気供給管６０に空気が供給され、この空気は、熱交換器３８に供給される。空気は、熱交換器３８に沿って移動する際、後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器３８で加温された空気は、燃料電池スタック２８に導入され、図示しないカソード電極に供給される。
従って、電解質・電極接合体３０では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体３０から排出される高温（数百℃）の排ガスは、熱交換器３８を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。
排ガスは、蒸発器３６に供給されて水を蒸発させる。蒸発器３６を通過した排ガスは、排気管８８を介して貯湯用熱交換器８４に送られる。貯湯用熱交換器８４には、給湯装置９０の貯湯タンク９１から低温の水が供給される。給湯装置９０では、給湯ポンプ９６の作用下に、給湯管９２に水が供給され、この水は、貯湯用熱交換器８４に導入されて排ガスと熱交換される。これにより、温水供給管９２ａから貯湯タンク９１には、昇温された温水が戻され、この温水が家庭用温水として利用される。
次いで、電気導電率計１６４による検出結果に基づいて、イオン交換装置７８のステータス（環境状況）を検知する方法について、図１０に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
先ず、一般的には、電気導電率計１６４により検出された電気伝導率σが、５μＳ／ｃｍ〜３０μＳ／ｃｍの範囲内であれば、純水であり、前記電気伝導率σが、３０μＳ／ｃｍ〜５０μＳ／ｃｍの範囲内であれば、凝縮水であり、電気伝導率σが、０．００１μＳ／ｃｍ以下であれば、空気である。なお、Ｓは、ジーメンス（１／Ω）である。
制御装置２２では、図１１に示すように、電気伝導率σの値によってイオン交換装置７８のステータスが判断されるとともに、その処理内容が設定される。具体的には、電気伝導率σが、３０μＳ／ｃｍを超過していると、凝縮水（イオン交換されていない水）であると判断し、イオン交換効率が低下していると判定して外部に表示するとともに、発電停止処理を行う。電気伝導率σが、５μＳ／ｃｍ〜３０μＳ／ｃｍの範囲内であると、純水であると判断し、発電が継続される。電気伝導率σが、５μＳ／ｃｍ未満であると、空気を検出したと判断し、空気が混入していると判定して外部に表示するとともに、発電停止処理を行う。
そこで、燃料電池システム１０による運転が開始されると（ステップＳ１）、ステップＳ２に進んで、電気導電率計１６４により空気収容部１５６の内部の電気伝導率σ（≧０）が検出される。そして、電気導電率計１６４により検出された電気伝導率σが、３０μＳ／ｃｍ以下である判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。
ステップＳ４では、電気導電率計１６４により検出された電気伝導率σが、５μＳ／ｃｍ以上であると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、すなわち、前記電気伝導率σが、５μＳ／ｃｍ〜３０μＳ／ｃｍの範囲内であると判断されると、ステップＳ５に進んで、正常運転が確認される。このため、イオン交換装置７８では、凝縮水が適正にイオン交換されて純水が得られていると判断し、運転が終了するまで（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、発電が継続される。
一方、ステップＳ３において、電気導電率計１６４により検出された電気伝導率σが、３０μＳ／ｃｍを超過したと判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ７の異常内容判定に進む。このステップＳ７では、イオン交換効率が低下している（イオン交換樹脂１５０が寿命である）と判定し、ステップＳ８に進んで、外部に表示するとともに、発電停止処理を行う。
また、ステップＳ４において、電気導電率計１６４により検出された電気伝導率σが、５μＳ／ｃｍ未満であると判断されると（ステップＳ４中、ＮＯ）、ステップＳ９の異常内容判定に進む。このステップＳ９では、空気が混入している（凝縮水の不足）と判定し、ステップＳ１０に進んで、外部に表示するとともに、発電停止処理を行う。
この場合、第１の実施形態では、図６に示すように、装置本体１４２の下部側には、水をイオン交換樹脂１５０に導入する水導入口１５２ａが設けられている。一方、装置本体１４２の上部側には、イオン交換樹脂１５０を通過した水を排出する水排出口１５２ｂが設けられている。
このため、水は、装置本体１４２の内部を下方から上方に向かって、すなわち、反重力方向（矢印Ｂ方向）に向かって流通するため、前記装置本体１４２の内部で水の偏流が抑制される。しかも、反重力方向に流通する水とイオン交換樹脂１５０との接触時間が長くなり、イオン交換が確実に遂行されてイオン交換効率の向上が図られるという効果が得られる。
さらに、装置本体１４２の上部側には、前記装置本体１４２の内部に混入した空気を集中して収容する空気収容部１５６が設けられている。従って、初期設置時や交換時に水と空気とを分離することができ、前記空気がイオン交換装置７８の下流に流通することを抑制することができる。特に、空気収容部１５６の上部側には、水平方向に延在して水排出口１５２ｂが連通しており、空気が混入した純水は、純水通路７６ｂに導出することを抑制される。これにより、空気の巻き込みによる純水ポンプ８０の性能低下、改質器３４への空気の混入による改質触媒の酸化、電極への炭素付着等による燃料電池２６の発電電圧の不安定化を抑制することが可能になる。
さらにまた、図７に示すように、空気収容部１５６には、水排出口１５２ｂよりも上方に位置してイオン交換樹脂１５０を通過した水の電気伝導率σを計測する電気導電率計１６４が配置されている。このため、装置本体１４２の内部における水の純水化状態の把握及び水量の把握が容易且つ確実に遂行され、部品点数の削減やメンテナンス工数の削減が図られる。
また、装置本体１４２の内部には、下部フィルタ１４８ａと上部フィルタ１４８ｂとが配設されるとともに、前記下部フィルタ１４８ａと前記上部フィルタ１４８ｂとの間にイオン交換樹脂１５０が充填されている。下部フィルタ１４８ａは、水導入口１５２ａよりも上方に位置するとともに、上部フィルタ１４８ｂは、水排出口１５２ｂより下方に位置している。従って、下部フィルタ１４８ａ及び上部フィルタ１４８ｂによりイオン交換樹脂１５０を確実に保持するとともに、前記イオン交換樹脂１５０が劣化した際に、装置本体１４２の下流側に該イオン交換樹脂１５０の破損部分（粉末等）が流通することを抑制することが可能になる。
さらに、図８に示すように、イオン交換装置７８の空気収容部１５６には、閉塞キャップ１６０に代えて（又は電気導電率計１６４に代えて）、装置本体１４２から空気を排出する空気排出配管１６６が装着されている。空気排出配管１６６では、ピストン部１８４が手動操作により筒部材１７６内を上方に摺動されると、ボール１８０が上昇して空気収容部１５６と排出通路１７８とを連通する。これにより、空気収容部１５６に滞留する空気は、排出通路１７８を通って外部に排出される。
このため、イオン交換装置７８の下流に空気が流通することを抑制することができる。従って、空気の巻き込みによる純水ポンプ８０の性能低下、改質器３４への空気の混入による改質触媒の酸化、電極への炭素付着等による燃料電池２６の発電電圧の不安定化を抑制することが可能になる。
さらにまた、図９に示すように、イオン交換装置７８の空気収容部１５６には、閉塞キャップ１６０に代えて（又は電気導電率計１６４や空気排出配管１６６に代えて）、装置本体１４２から余剰水及び空気を排出するドレイン排出配管１６７が装着されている。ドレイン排出配管１６７では、特に初期設置時に空気収容部１５６に滞留し易い空気が、余剰水に伴ってドレイン配管１９２から凝縮水タンク７２に排出される。
これにより、イオン交換装置７８の下流に空気が流通することを抑制することができる。このため、空気の巻き込みによる純水ポンプ８０の性能低下、改質器３４への空気の混入による改質触媒の酸化、電極への炭素付着等による燃料電池２６の発電電圧の不安定化を抑制することが可能になる。
また、イオン交換装置７８では、水導入口１５２ａには、水通路７６ａを離脱自在に接続する水導入用封止弁１５４ａが設けられる一方、水排出口１５２ｂには、純水通路７６ｂを離脱自在に接続する水排出用封止弁１５４ｂが設けられている。そして、水導入用封止弁１５４ａと水排出用封止弁１５４ｂとは、それぞれの配管着脱方向が同一方向（矢印Ａ方向）に設定されている。
このため、水導入用封止弁１５４ａ及び水排出用封止弁１５４ｂを閉塞した状態で、水通路７６ａ及び純水通路７６ｂを同一方向に離脱させるだけで、イオン交換装置７８を容易に交換することができる。これにより、イオン交換装置７８のメンテナンス工数の削減が確実に遂行される。
さらに、イオン交換装置７８は、少なくとも水蒸気改質に用いられる水に含まれる不純物を除去する固体酸化物形の燃料電池２６に最適である。なお、固体酸化物形の燃料電池２６に代えて、他の高温型燃料電池や中温型燃料電池にも好適に用いることができる。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）及び水素分離膜形燃料電池（ＨＭＦＣ）等が良好に採用可能である。
図１２は、本発明の第２の実施形態に係るイオン交換装置２００の縦断面説明図である。なお、第１の実施形態に係るイオン交換装置７８と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
イオン交換装置２００を構成する上部蓋部材１４６には、装置本体１４２の内部に混入した空気を集中して収容する空気収容部２０２が設けられる。空気収容部２０２には、水排出口１５２ｂよりも上方に位置して、接続口２０４が重力方向上方に向かって開口する。この接続口２０４には、空気排出配管１６６（又はドレイン排出配管１６７）が取り付けられる。空気収容部２０２の上部側には、空気排出配管１６６に干渉しない位置に且つ下方に傾斜する取り付け孔部２０６が形成され、前記取り付け孔部２０６には、電気導電率計１６４が装着される。
このように構成される第２の実施形態では、空気収容部２０２には、電気導電率計１６４及び空気排出配管１６６が装着されている。このため、イオン交換樹脂１５０を通過した水の電気伝導率（導電率）σを計測して空気溜まりやイオン交換効率の低下を検出するとともに、空気の排出が良好に遂行される。従って、イオン交換が確実に遂行されてイオン交換効率の向上が図られるとともに、空気の巻き込みによる発電電圧の不安定化を抑制することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
１０…燃料電池システム １２…燃料電池モジュール
１４…燃料ガス供給装置 １６…酸化剤ガス供給装置
１８…水供給装置 ２０…電力変換装置
２２…制御装置 ２４…筐体
２６…燃料電池 ２８…燃料電池スタック
３４…改質器 ３６…蒸発器
３８…熱交換器 ４０…排ガス燃焼器
４２…起動用燃焼器 ４４…原燃料通路
５０…燃料ポンプ ５６…脱硫器
５８…原燃料分岐通路 ６０…空気供給管
６６…空気ポンプ ６８…空気分岐通路
７２…凝縮水タンク ７６ａ…水通路
７８、２００…イオン交換装置 ８０…純水ポンプ
９６…給湯ポンプ １１２、１１４…流体供給部
１１６…電装部 １２４…空気流通口
１２６…空気導入口 １２８…空気排出口
１４２…装置本体 １４４…下部蓋本体
１４６…上部蓋本体 １４８ａ…下部フィルタ
１４８ｂ…上部フィルタ １５０…イオン交換樹脂
１５２ａ…水導入口 １５２ｂ…水排出口
１５４ａ、１５４ｂ…封止弁 １５６、２０２…空気収容部
１５８、２０４…接続口 １６０…閉塞キャップ
１６４…電気導電率計 １６６…空気排出配管
１６７…ドレイン排出配管 ２０６…取り付け孔部

Claims (4)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池から排出される排ガスに含まれる水を通すための燃料電池システム用イオン交換装置であって、
    内部上下にフィルタが配置され、前記フィルタ間にイオン交換樹脂が充填される装置本体と、
    前記装置本体の下部側に設けられ、前記水を前記イオン交換樹脂に導入する水導入口と、
    前記装置本体の上部側に設けられ、前記イオン交換樹脂を通過した前記水を排出する水排出口と、
    前記装置本体の上部側に設けられ、該装置本体の内部に混入した空気を集中して収容する空気収容部と、
    前記水排出口よりも上方に位置して前記空気収容部に配置され、前記イオン交換樹脂を通過した前記水の電気伝導率を計測する導電率計測部と、
    を備え、
    前記水排出口は、前記空気収容部の側部に設けられるとともに、前記空気収容部の頂部よりも下方に設けられ、
    前記イオン交換樹脂を通過した前記水は、前記空気収容部を介して、前記水排出口へと流れることを特徴とする燃料電池システム用イオン交換装置。
  2. 請求項１記載のイオン交換装置において、前記空気収容部に配置され、前記装置本体の内部から少なくとも前記空気を排出する余剰流体排出配管を備えることを特徴とする燃料電池システム用イオン交換装置。
  3. 請求項１又は２記載のイオン交換装置において、前記水導入口に設けられ、水導入配管を離脱自在に接続する水導入用封止弁と、
    前記水排出口に設けられ、水排出配管を離脱自在に接続する水排出用封止弁と、
    を備え、
    前記水導入用封止弁と前記水排出用封止弁とは、それぞれの配管着脱方向が同一方向に設定されることを特徴とする燃料電池システム用イオン交換装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオン交換装置において、前記イオン交換装置は、少なくとも水蒸気改質に用いられる水に含まれる不純物を除去するために、固体酸化物形燃料電池に適用されるイオン交換装置であることを特徴とする燃料電池システム用イオン交換装置。
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