JP2009129874A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、低コスト低動力で凝縮水中に含まれる炭酸イオンを効率よく低減する。
【解決手段】燃料電池システムは、改質器２０からの燃焼排ガスとアノードガス、および燃料電池２０からのアノードオフガスの各ガス中の水蒸気をそれぞれ凝縮してその凝縮水を回収する各凝縮器４２〜４４のうち少なくとも一の凝縮器と、該凝縮器からの凝縮水を純水化するイオン交換樹脂を内蔵した純水器５２と、燃料電池１０からのカソードオフガスを流通させるカソードオフガス排気管３３と、カソードオフガス排気管３３の一部分を利用して構成され、該一部分に前記凝縮器から純水器５２へ供給される凝縮水を流通させて凝縮水をカソードオフガスに接触させる脱気部３２ａと、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図１，２に示されているように、燃料電池システムは、改質器２と、燃料電池１と、その燃料電池１からの排ガス中の水を凝縮させる凝縮器７と、凝縮器７によって凝縮された水を溜める貯水タンク８とを備え、貯水タンク８に溜められた水を改質器２において利用するようになっている。すなわち、燃料電池システムは、原料と水素生成水を使用し改質して水素を生成し燃料として用いており、高純度が要求される水素生成水や燃料電池の冷却水として、燃料排ガス、アノードガス、アノードオフガス中の水分を凝縮させ、不純物となるイオンを除去、純水化して用いている。この場合、各ガス中の二酸化炭素が凝縮水中に溶け込んで比較的多くの二酸化炭素が含まれており、これが純水化のために用いられているイオン交換樹脂１３ｂの負荷となって寿命を短くしている。これに対して、特許文献１の燃料電池システムでは、凝縮器７から貯水タンク８への水の流路に、凝縮器７によって凝縮された水を一時的に溜める、大気開放された滞留部２０を備えている。

また、燃料電池システムの他の脱炭酸形式として、特許文献２に示されているものが知られている。特許文献１の図１，２に示されているように、燃料電池システムにおいては、凝縮水処理機構３０が、アノードガス、アノードオフガスおよび燃焼排ガスから回収した凝縮水（処理対象凝縮水）Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に対してカソードオフガスＧ３を吹き付けて脱炭酸処理を施すように構成されている。具体的には、凝縮水処理機構３０が、処理対象凝縮水を貯留する処理対象凝縮水貯留部３１と、処理対象凝縮水貯留部３１に貯留している処理対象凝縮水中にカソードオフガスをバブリングして脱炭酸処理を施すバブリング手段３２とを備えて構成されている。また、特許文献１の図３に示されているように、凝縮水処理機構５０が、処理対象凝縮水が滲入する充填材５３を充填した処理対象凝縮水通路５２を備えると共に、充填材５３中にカソードオフガスを通過させて脱炭酸処理を施すガス供給手段５５とを設けて構成されている。
特開２００３−３１２５５号公報 特開２００５−３２６７３号公報

上述した特許文献１に記載されている燃料電池システムにおいては、滞留部２０によって、凝縮器で凝縮された凝縮水中に含まれる炭酸イオンを十分に低減するには時間がかかるという問題があった。

また、上述した特許文献２に記載されている燃料電池システムにおいては、凝縮水中に含まれる炭酸イオンを低減することができるものの、カソードオフガスと凝縮水を効率的に接触させるために、バブリング構造や充填材５３で気液を直接接触させる構造を用いる必要があり、補機動力の増大や装置が大型化するという問題があった。

本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、低コスト低動力で凝縮水中に含まれる炭酸イオンを効率よく低減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、アノードガスを生成する改質器と、カソードガスおよび改質器から導出されたアノードガスによって発電する燃料電池と、改質器を加熱して排出された燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮してその凝縮水を回収する凝縮器と、アノードガス中の水蒸気を凝縮してその凝縮水を回収する凝縮器と、燃料電池から導出されたアノードオフガス中の水蒸気を凝縮してその凝縮水を回収する凝縮器のうち少なくとも一の凝縮器と、凝縮器からの凝縮水を純水化するイオン交換樹脂を内蔵した純水器と、燃料電池からのカソードオフガスを流通させるカソードオフガス排気管と、カソードオフガス排気管の一部分を利用して構成され、該一部分に凝縮器から純水器へ供給される凝縮水を流通させて凝縮水をカソードオフガスに接触させる脱気部と、を備えたことである。

また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、脱気部は水平に対して所定の傾斜角度を持つ傾斜部を通していることである。

また請求項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、脱気部は蛇腹状に形成されていることである。

また請求項４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、脱気部の内壁面には、凝縮水が染みる部材が軸方向に沿って配設されていることである。

また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項４の何れか一項において、脱気部内では凝縮水とカソードオフガスは向流で接触していることである。

また請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項５の何れか一項において、脱気部の下端は、カソードオフガス中の水蒸気を凝縮するカソードオフガス用凝縮器からの凝縮水が回収されるタンクに接続されていることである。

また請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項６の何れか一項において、アノードガス中の水蒸気を凝縮するアノードガス用凝縮器、およびアノードオフガス中の水蒸気を凝縮するアノードオフガス用凝縮器は、凝縮水を貯水する貯水部、貯水部と脱気部とを接続し貯水部の凝縮水を脱気部に供給する接続管、および接続管に設けられた開閉弁をそれぞれ備えていることである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、脱気部は、カソードオフガス排気管の一部分を利用して構成され、該一部分に凝縮器から純水器へ供給される凝縮水を流通させてその凝縮水をカソードオフガスに接触させる。これにより、従来技術のようにバブリング構造など複雑かつ高コストな構造を用いなくても、既存のカソードオフガス排気管を利用する簡便かつ低コストな構造を採用することにより、凝縮水中に含まれる二酸化炭素を低コスト低動力で効率よく低減することができる。ここで、二酸化炭素の低減すなわち脱炭酸とは水に溶解した二酸化炭素が取り除かれる現象である。具体的には、水に溶解した二酸化炭素は、炭酸（Ｈ_２ＣＯ_３）、炭酸水素イオン（ＨＣＯ_３ ⁻）、炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２−）の形で存在している。脱炭酸とは、これらを減少させることである。

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に係る発明において、脱気部は水平に対して所定の傾斜角度を持つ傾斜部を通しているので、凝縮水は傾斜している脱気部（傾斜部）の内壁面に沿って比較的長い時間をかけて流れ落ちるので、凝縮水とカソードオフガスを効率的に接触させることができる。

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に係る発明において、脱気部は蛇腹状に形成されているので、内壁面に形成された凹凸形状によって、脱気部内を流れるカソードオフガスに乱流を発生させるとともに、内壁面に沿って流れる凝縮水を撹拌することができる。これにより、凝縮水とカソードオフガスをより効率的に接触させることができる。

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または請求項２に係る発明において、脱気部の内壁面には、凝縮水が染みる部材が所定の幅以上をもって軸方向に沿って配設されているので、凝縮水が単に内壁面に沿って流れる場合と比較して、凝縮水が流れる部分の面積を大きくすることができ、すなわち凝縮水とカソードオフガスとの接触面積を大きくすることができる。これにより、凝縮水とカソードオフガスをより効率的に接触させることができる。

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の何れか一項に係る発明において、脱気部内では凝縮水とカソードオフガスは向流で接触しているので、凝縮水の入口側では二酸化炭素濃度は高く出口側に行くに連れて低くなるとともにカソードオフガスの入口側では二酸化炭素濃度は低く出口側に行くに連れて高くなる。これにより、脱気部の軸方向において、凝縮水とカソードオフガスの二酸化炭素濃度に大きな差を発生させることなく、凝縮水に溶解している二酸化炭素が、気液間の濃度差により効率よく抜けるようになっている。

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の何れか一項に係る発明において、脱気部の下端は、カソードオフガス中の水蒸気を凝縮するカソードオフガス用凝縮器からの凝縮水が回収されるタンクに接続されているので、すべての凝縮器が回収した凝縮水をタンクに集中回収し、その後純水器に供給させることができる。このように簡単な構成により凝縮水を純水器に確実に供給することができる。

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６の何れか一項に係る発明において、アノードガス中の水蒸気を凝縮するアノードガス用凝縮器、およびアノードオフガス中の水蒸気を凝縮するアノードオフガス用凝縮器は、凝縮水を貯水する貯水部、貯水部と脱気部とを接続し貯水部の凝縮水を脱気部に供給する接続管、および接続管に設けられた開閉弁をそれぞれ備えている。これにより、比較的高い圧力がかかるアノードガス用凝縮器、およびアノードオフガス用凝縮器からアノードガス、アノードオフガスが、接続管、脱気部およびカソードオフガス排気管を通って漏洩するのを抑制することができる。

以下、本発明による燃料電池システムの一実施の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（アノードガス、改質ガス）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と酸化剤極である空気極１２とを備えており、燃料極１１に供給されたアノードガスおよび空気極１２に供給された酸化剤ガスである空気（カソードガス）を用いて発電するものである。

改質器２０は、改質原料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０に供給するものであり、バーナ（燃焼部）、改質部、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）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）から構成されている。改質原料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。

バーナは、起動運転時に外部から燃焼用燃料またはＣＯ選択酸化部から燃料電池１０を通らないで改質ガスが供給され、または定常運転時に燃料電池１０の燃料極１１からアノードオフガス（燃料電池に供給されたが使用されずに排出される水素を含む改質ガス）が供給され、このように供給された各可燃性ガスを燃焼用空気で燃焼して燃焼排ガスを改質部に導出するものである。この燃焼排ガスは改質部を（同改質部の触媒の活性温度域となるように）加熱し、その後第４凝縮器４４を通って外部に排出される。

改質部は、供給された改質原料に純水タンク５３からの改質水（水蒸気）を混合した混合ガスを改質部に充填された触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）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（いわゆる改質ガス）はＣＯシフト部に導出される。

ＣＯシフト部は、この改質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（例えば、Ｃｕ、Ｚｎ系の触媒）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、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてＣＯ選択酸化部に導出される。

ＣＯ選択酸化部は、改質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（例えば、Ｒｕ系またはＰｔ系の触媒）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、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）アノードガス供給管３３を介して燃料電池１０の燃料極１１に導出される。

燃料電池１０の空気極１２には、カソードガスを供給するカソードガス供給管３１およびカソードオフガスを排出するカソードオフガス排気管３２が接続されている。燃料電池１０の燃料極１１の導入口には、アノードガスを供給するアノードガス供給管３３を介して改質器２０のＣＯ選択酸化部が接続されている。燃料極１１の導出口には、後述する燃焼用燃料供給管３５に接続されたアノードオフガス供給管３４を介して改質器２０のバーナが接続されており、燃料極１１から排出されるアノードオフガスをバーナに供給可能になっている。

改質器２０には、バーナに燃焼用燃料および燃焼用空気を供給する燃焼用燃料供給管３５が接続され、バーナで生成された燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス排気管３６が接続されている。さらに、改質器２０には、改質部に改質原料および改質水を供給する改質原料供給管３７が接続されている。

カソードオフガス排気管３２の途中には、第１凝縮器４１、タンク５１および脱気部３２ａが配設されている。
第１凝縮器（カソードオフガス用凝縮器）４１は、カソードオフガス排気管３２中を流れる燃料電池１０の空気極１２から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮してその凝縮水を回収する。図２に示すように、第１凝縮器４１は、カソードオフガスが導入される導入口４１ａ、カソードオフガスが導出される導出口４１ｂ、カソードオフガスを冷却するための冷却水（図示しない貯湯槽の低温液体または貯湯槽の低温液体と熱交換された不凍液）が導入される導入口４１ｃ、前記冷却水が導出される導出口４１ｄを備えている。第１凝縮器４１は、導入口４１ｃから導出口４１ｄへ流通する冷却水と、導入口４１ａから導出口４１ｂへ流通するカソードオフガスとの熱交換によってカソードオフガス中の水蒸気を凝縮するようになっている。

脱気部３２ａは、カソードオフガス排気管３２の一部分を利用して構成され、該一部分に第２〜第４凝縮器４２〜４４の少なくともいずれか一から純水器５２へ供給される凝縮水を流通させて該凝縮水をカソードオフガスに接触させるものである。

この脱気部３２ａは、直線状に形成されるとともに水平に対して所定の傾斜角度θで設置されている。傾斜角度θは２０°〜４０°に設定されるのが好ましく、本実施の形態では２８°に設定されている。さらに、脱気部３２ａすなわちカソードオフガス排気管３２は、パイプ状に形成されており、金属材（例えばステンレス材）で形成してもよく、弾性材（例えばゴム材、合成樹脂材）で形成してもよい。本実施の形態では、脱気部３２ａはゴム材で形成され、内径は２４ｍｍ、長さＬは約２６０ｍｍである。

脱気部３２ａの傾斜角度θは、凝縮水の流速すなわち凝縮水との接触時間を決定するものであり、脱炭酸効果を十分に得る値に設定されている。また、脱気部３２ａの長さＬは、凝縮水とカソードオフガスが接触する距離と同一であり、凝縮水との接触時間を決定するものであり、脱炭酸効果を十分に得る値に設定されている。また、脱気部３２ａの傾斜角度θおよび長さＬは、凝縮水の投入量を考慮して脱炭酸効果を十分に得る値に設定されることが望ましい。

なお、脱気部３２ａが水平に対して所定の傾斜角度を持つ傾斜部３２ａ１を通している（有している）。本実施の形態の場合、脱気部３２ａの全部が傾斜部３２ａ１である。脱気部３２ａの一部を傾斜させてその傾斜部分を傾斜部３２ａ１とするようにしてもよい。傾斜部３２ａ１は曲率を有する湾曲状でもよい。

カソードオフガス排気管３２（脱気部３２ａを含む）には、脱気部３２ａの上端に先端が臨んで設けられ凝縮水を投入する投入管３２ｂが挿設されている。投入管３２ｂの基端には、第２〜第４凝縮器４２〜４４に連通する配管３８ａ〜３８ｃが接続されている。一方、脱気部３２ａの下端は、第１凝縮器４１からの凝縮水が回収されるタンク５１に接続されている。これにより、第２〜第４凝縮器４２〜４４からの凝縮水は、それぞれ配管３８ａ〜３８ｃおよび投入管３２ｂを通って脱気部３２ａ内の上部に投入され、脱気部３２ａの内壁面をつたって流れ落ち、タンク５１に一旦溜められるようになっている。

タンク５１には、第１凝縮器４１の導出口（カソードオフガスが導出される）４１ｂが接続されている。タンク５１は、第１凝縮器４１からの凝縮水が回収される。このように、タンク５１は、第１凝縮器４１からの凝縮水、脱気部３２ａで脱炭酸された第２〜第４凝縮器４２〜４４からの凝縮水がまとめて回収されるようになっている。さらに、タンク５１の下方には純水器５２が配設されるとともに、タンク５１は純水器５２に連通している。これにより、タンク５１内の凝縮水は、自重により純水器５２に自動的に供給される。なお、タンク５１を純水器５２と同レベル以下に設置してもよい。この場合、タンク５１内に水量を検出する図示しない水量センサ（水位センサ）を設け、タンク５１と純水器５２とを連通する接続管にポンプを設け、水量に応じてポンプを作動するようにすればよい。

このように、第１凝縮器４１の導出口（カソードオフガスが導出される）４１ｂは、タンク５１（タンク５１のうち凝縮水の溜まっていない上部空間）を介して脱気部３２ａ（カソードオフガス排気管３２）に連通している。したがって、第１凝縮器４１から導出されたカソードオフガスが、タンク５１を通って脱気部３２の下端側から導入され、脱気部３２内を通りカソードオフガス排気管３２を通って外部に排出される。これにより、脱気部３２内においては、凝縮水とカソードオフガスは向流で接触している。

また、アノードガス供給管３３、アノードオフガス供給管３４および燃焼排ガス排気管３６の途中には、第２〜第４凝縮器４２〜４４が配設されている。第２凝縮器４２はアノードガス供給管３３中を流れる燃料電池１０の燃料極１１に供給されるアノードガス中の水蒸気を凝縮してその凝縮水を回収する。第３凝縮器４３は、アノードオフガス供給管３４中を流れる燃料電池１０の燃料極１１から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮してその凝縮水を回収する。第４凝縮器４４は、燃焼排ガス排気管３６中を流れる燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮してその凝縮水を回収する。

図３に示すように、第２凝縮器４２は、第１凝縮器４１と同様に、アノードガスを導入および導出する導入口４２ａおよび導出口４２ｂ、上記冷却水を導入および導出する導入口４２ｃおよび導出口４２ｄとを備え、冷却水とアノードガスとの熱交換によってアノードガス中の水蒸気を凝縮するようになっている。

第２凝縮器４２は、凝縮水を貯水する貯水部４２ｅ、貯水部４２ｅと脱気部３２ａとを接続し貯水部４２ｅの凝縮水を脱気部３２ａに供給する接続管である配管３８ａ、および接続管３８ａに設けられた開閉弁（例えば電磁開閉弁）４２ｆをさらに備えている。

貯水部４２ｅはタンクであり、貯水部４２ｅにはアノードガスの導出口４２ｂが接続されている。貯水部４２ｅには導出口４２ｅ１が設けられており、導出口４２ｅ１にはアノードガス供給管３３が接続されている。これにより、第２凝縮器４２で凝縮された凝縮水は貯水部４２ｅに一旦回収される。さらに、第２凝縮器４２から導出されたアノードガスが、貯水部４２ｅの空間を通ってアノードガス供給管３３を通って燃料電池１０の燃料極１１に供給される。

貯水部４２ｅ内には、水量を検出する水量センサ（水位センサ）４２ｅ２が設けられており、水量に応じて開閉弁４２ｆが開閉制御されて適宜凝縮水が脱気部３２ａに供給されるようになっている。

また、第３凝縮器４３は、第２凝縮器４２と同様に、アノードオフガスを導入、導出する導入口、導出口、冷却水を導入、導出する導入口、導出口を備えている。この第３凝縮器４３は、凝縮水を貯水する貯水部４３ｅ、貯水部４３ｅと脱気部３２ａとを接続し貯水部４２ｅの凝縮水を脱気部３２ａに供給する接続管である配管３８ｂ、および接続管３８ｂに設けられた開閉弁（例えば電磁開閉弁）４３ｆをさらに備えている。

さらに、第４凝縮器４４は、第１凝縮器４１と同様に、燃焼排ガスを導入、導出する導入口、導出口、冷却水を導入、導出する導入口、導出口を備えているが、開閉弁を有した凝縮水を貯める貯水部を備えておらず、第４凝縮器４４からの凝縮水は配管３８ｃを通って脱気部３２ａに供給されるようになっている。

なお、燃料電池の空気極１２では、二酸化炭素は生成されないので、カソードオフガス中の二酸化炭素は、燃料電池１０において酸素が消費される影響で濃度が僅かに上昇するものの、カソードガス中の濃度すなわち大気中の濃度とほぼ同一である。よって、第１凝縮器４１の凝縮水中の二酸化炭素量は非常に少ない。しかし、他の凝縮器すなわち第２凝縮器４２〜第４凝縮器４４においては、改質器２０内での反応によりアノードガス、アノードオフガス、燃焼排ガス中に二酸化炭素が比較的多く含まれるため、各凝縮水中の二酸化炭素量は比較的多い。

燃料電池システムは、さらに、純水器５２、純水タンク５３を備えている。
純水器５２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５２は、凝縮水タンク５１からの凝縮水（または／および給水源からの補給水）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５２は、配管６１を介して純水タンク５３に連通しており、純水器５２内の純水は配管６１を通って純水タンク５３に導出される。配管６１には純水ポンプ６１ａが配設されている。この純水ポンプ６１ａは制御装置によって制御されており、純水器５２内の純水を純水タンク５３に圧送している。

純水タンク５３は、純水器５２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５３には、純水タンク５３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。

純水タンク５３は、改質水供給管６２を介して改質原料供給管３７に接続されている。改質水供給管６２には送出手段である改質水ポンプ（純水ポンプ）６２ａが設けられている。この改質水ポンプ６２ａは制御装置によって制御されており、純水タンク５３内の改質水（純水）を改質器２０の改質部に圧送している。

次に、上述した燃料電池システムの凝縮水の流れについて説明する。第２凝縮器４２で回収された凝縮水は、貯水部４２ｅに一旦貯水され、開閉弁４２ｆの開閉制御によって適宜脱気部３２ａに供給される。第３凝縮器４３で回収された凝縮水は、貯水部４３ｅに一旦貯水され、開閉弁４３ｆの開閉制御によって適宜脱気部３２ａに供給される。第４凝縮器４４で回収された凝縮水は、脱気部３２ａに供給される。

脱気部３２ａ内において、第２〜第４凝縮器４２〜４４から供給された凝縮水は、脱気部３２ａの内壁面に沿って流れ落ちる。一方でカソードオフガスが、脱気部３２の下端側（入口側）から導入され、脱気部３２内を通り上端側（出口側）から導出される。このとき、大気と同程度で二酸化炭素濃度の比較的低いカソードオフガスを、二酸化炭素が比較的多く溶解している凝縮水に接触させることにより、凝縮水の脱炭酸を促進させることができる。

一方、第１凝縮器４１で回収された凝縮水は、タンク５１に回収される。この凝縮水は、大気中の濃度と同程度の二酸化炭素が溶解している。タンク５１には、脱炭酸処理された第２〜第４凝縮器４２〜４４からの凝縮水と、元々二酸化炭素濃度の低い第１凝縮器４１からの凝縮水がまとめて回収されている。

そして、このように脱炭酸が促進されて二酸化炭素濃度が低減された凝縮水は、純水器５２のイオン交換樹脂によって純水化されて純水タンク５３に導出される。純水タンク５３内の凝縮水は、必要に応じて純水ポンプ６２ａの作動によって改質器２０の改質部に送出される。

さらに、実験データの一例を挙げて説明する。燃料電池の運転条件は、発電量が１０００Ｗで、改質原料の投入量が約３．９ＮＬ／ｍｉｎである。この場合、第２〜第４凝縮器４２〜４４から供給されている凝縮水は、供給量は約８ｃｍ^３／ｍｉｎで、炭酸濃度は約５０ｐｐｍである。第１凝縮器４１から供給されている凝縮水は、供給量は約６ｃｍ^３／ｍｉｎで、炭酸濃度は１ｐｐｍ以下である。そして、タンク５１から導出される凝縮水の炭酸濃度は１０〜１５ｐｐｍである。この結果から明らかなように、凝縮水中に含まれる二酸化炭素濃度を低減することができる。

上述した説明から理解できるように、本実施の形態によれば、脱気部３２ａは、カソードオフガス排気管３２の一部分を利用して構成され、該一部分に第２〜第４凝縮器４２〜４４から純水器５２へ供給されるそれぞれの凝縮水を流通させてその凝縮水をカソードオフガスに接触させる。これにより、従来技術のようにバブリング構造など複雑かつ高コストな構造を用いなくても、既存のカソードオフガス排気管３２を利用する簡便かつ低コストな構造を採用することにより、凝縮水中に含まれる二酸化炭素を低コスト低動力で効率よく低減することができる。

また、脱気部３２ａは直線状に形成されるとともに水平に対して所定の傾斜角度θで設置されているので、凝縮水は傾斜している脱気部３２ａの内壁面に沿って比較的長い時間をかけて流れ落ちるので、凝縮水とカソードオフガスを効率的に接触させることができる。

また、脱気部３２ａは水平に対して所定の傾斜角度θを持つ傾斜部３２ａ１を通しているので、凝縮水は傾斜している傾斜部の内壁面に沿って比較的長い時間をかけて流れ落ちるので、凝縮水とカソードオフガスを効率的に接触させることができる。

また、脱気部３２ａ内では凝縮水とカソードオフガスは向流で接触しているので、凝縮水の入口側では二酸化炭素濃度は高く出口側に行くに連れて低くなるとともにカソードオフガスの入口側では二酸化炭素濃度は低く出口側に行くに連れて高くなる。これにより、脱気部３２ａの軸方向において、凝縮水とカソードオフガスの二酸化炭素濃度に大きな差を発生させることなく、凝縮水に溶解している二酸化炭素が、気液間の濃度差により効率よく抜けるようになっている。

また、脱気部３２ａの下端は、カソードオフガス中の水蒸気を凝縮するカソードオフガス用凝縮器４１からの凝縮水が回収されるタンク５１に接続されているので、すべての凝縮器４１〜４４が回収した凝縮水をタンク５１に集中回収し、その後純水器５２に供給させることができる。このように簡単な構成により凝縮水を純水器５２に確実に供給することができる。

また、アノードガス中の水蒸気を凝縮するアノードガス用凝縮器４２、およびアノードオフガス中の水蒸気を凝縮するアノードオフガス用凝縮器４３は、凝縮水を貯水する貯水部４２ｅ，４３ｅ、貯水部４２ｅ，４３ｅと脱気部３２ａとを接続し貯水部４２ｅ，４３ｅの凝縮水を脱気部３２ａに供給する接続管３８ａ，３８ｂ、および接続管３８ａ，３８ｂに設けられた開閉弁４２ｆ，４３ｆをそれぞれ備えている。これにより、比較的高い圧力がかかるアノードガス用凝縮器４２、およびアノードオフガス用凝縮器４３からアノードガス、アノードオフガスが、接続管３８ａ，３８ｂ、脱気部３２ａおよびカソードオフガス排気管３２を通って漏洩するのを抑制することができる。

なお、上述した実施の形態において、図４に示すように、脱気部３２ａを蛇腹状に形成するようにしてもよい。これにより、内壁面に形成された凹凸形状によって、脱気部３２ａ内を流れるカソードオフガスに乱流を発生させるとともに、内壁面に沿って流れる凝縮水を撹拌することができる。これにより、凝縮水とカソードオフガスをより効率的に接触させることができる。

また、上述した実施の形態において、図５に示すように、脱気部３２ａの内壁面に、凝縮水が染みる部材３２ａ１が所定の幅以上をもって軸方向に沿って配設するようにしてもよい。部材３２ａ１は、凝縮水が染みて流通するものであり、例えば、ウィック、金網などである。部材３２ａ１の軸方向の長さは、上述した脱気部３２ａの長さと同一に設定することが好ましい。部材３２ａ１の幅は、脱気部３２ａ内に何も設けない状態で凝縮水が流れるその幅より広くなるように設定するのが好ましい。本実施の形態では脱気部３２ａの内周全周に設定している。これにより、凝縮水が単に内壁面に沿って流れる場合と比較して、凝縮水が流れる部分の面積を大きくすることができ、すなわち凝縮水とカソードオフガスとの接触面積を大きくすることができる。したがって、凝縮水とカソードオフガスをより効率的に接触させることができる。

また、上述した実施の形態においては、第２〜第４凝縮器４２〜４４のうち少なくとも何れか一つの凝縮器が脱気部３２ａに接続されていればよい。

また、本発明を改質器２０が設けられていない燃料電池システムにも適用できる。この場合、第２凝縮器（アノードガス用凝縮器）４２、第３凝縮器（アノードオフガス用凝縮器）４３のうち少なくとも一つの凝縮器と、第１凝縮器（カソードオフガス用凝縮器）４１と、が設けられていればよい。

また、上述した実施の形態においては、脱気部３２ａを水平に対して所定の傾斜角度θで設置するようにしたが、垂直に設置するようにして凝縮水を内壁面に沿って流すようにしてもよい。また、傾斜させて配設する場合、垂直に配設する場合のいずれにおいても、脱気部３２ａ内に軸方向に沿って延設する隔壁を設けるようにして、内壁面と隔壁面の両方に沿って凝縮水を流すようにしてもよい。

また、上述した実施の形態においては、脱気部３２ａをカソードオフガス排気管３２の第１凝縮器４１の下流に配設したが、第１凝縮器４１の上流（第１凝縮器４１と燃料電池１０との間）に配設するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態においては、脱気部３２ａにおいて凝縮水とカソードオフガスとを向流で接触させる構造したが、並流で接触させる構造としてもよい。

本発明による燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。 図１に示す第１凝縮器、タンクおよび脱気部を示す拡大図である。 図１に示す第２凝縮器（第３凝縮器）を示す拡大図である。 図１に示す脱気部の変形例を示す拡大断面図である。 図１に示す脱気部の他の変形例を示す拡大断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質器、カソードオフガス排気管３２、脱気部…３２ａ、部材…３２ａ１、投入管…３２ｂ、４１〜４４…第１〜第４凝縮器、４２ｅ，４３ｅ…貯水部、４２ｆ，４３ｆ…開閉弁、５１…タンク、５２…純水器、５３…純水タンク。

Claims (7)

1. アノードガスを生成する改質器と、カソードガスおよび前記改質器から導出されたアノードガスによって発電する燃料電池と、
   前記改質器を加熱して排出された燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮してその凝縮水を回収する凝縮器と、前記アノードガス中の水蒸気を凝縮してその凝縮水を回収する凝縮器と、前記燃料電池から導出されたアノードオフガス中の水蒸気を凝縮してその凝縮水を回収する凝縮器のうち少なくとも一の凝縮器と、
   前記凝縮器からの前記凝縮水を純水化するイオン交換樹脂を内蔵した純水器と、
   前記燃料電池からのカソードオフガスを流通させるカソードオフガス排気管と、
   前記カソードオフガス排気管の一部分を利用して構成され、該一部分に前記凝縮器から前記純水器へ供給される前記凝縮水を流通させて前記凝縮水を前記カソードオフガスに接触させる脱気部と、を備えた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、前記脱気部は水平に対して所定の傾斜角度を持つ傾斜部を通していることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２において、前記脱気部は蛇腹状に形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１または請求項２において、前記脱気部の内壁面には、前記凝縮水が染みる部材が軸方向に沿って配設されていることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項において、前記脱気部内では前記凝縮水と前記カソードオフガスは向流で接触していることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか一項において、前記脱気部の下端は、前記カソードオフガス中の水蒸気を凝縮するカソードオフガス用凝縮器からの凝縮水が回収されるタンクに接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１乃至請求項６の何れか一項において、前記アノードガス中の水蒸気を凝縮するアノードガス用凝縮器、および前記アノードオフガス中の水蒸気を凝縮するアノードオフガス用凝縮器は、前記凝縮水を貯水する貯水部、前記貯水部と前記脱気部とを接続し前記貯水部の凝縮水を前記脱気部に供給する接続管、および前記接続管に設けられた開閉弁をそれぞれ備えていることを特徴とする燃料電池システム。
   
   

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