JP2011228183A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 外部から水を補給することなく長期にわたって燃料電池の発電を実現すると共に、燃料電池システム内の水量の不足を避けることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、水及び原燃料から改質ガスを生成する改質器２と、改質ガスを用いて発電する燃料電池３と、改質器２及び燃料電池３の少なくとも一方から回収された水が貯められる回収水タンク４と、回収水タンク４の水を精製水と濃縮水とに分離する電気脱塩装置５と、精製水を改質器に供給する供給流路１１と、濃縮水を回収水タンク４内に回収する回収流路１３と、濃縮水を排水する排水流路１４と、排水流路１４を開閉する電磁弁１５と、回収水タンク４内の水量が低位基準水量以下であるか否かを判定する弁制御部１６とを備え、弁制御部１６がタンク４内の水量は低位基準水量以下であると判定した場合に電磁弁１５が排水流路１４を閉鎖する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池システムとして、燃料と空気との電気化学反応によって発電する燃料電池と、燃料電池の電気化学反応により生成された水が空気と共に導入される気液分離槽と、気液分離槽で分離された水に含まれる異物を除去するイオン交換樹脂のフィルターと、フィルターで異物除去された水を燃料の一部として貯留する燃料タンクと、を備えたものが知られている（特許文献１参照）。この特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池から回収された水を再利用することで、外部から水を補給することなく、長期にわたって燃料電池の発電を行うことができる。

しかしながら、水の異物除去を行っているイオン交換樹脂は、水に溶解しているイオン物質を吸着し、代わりに水酸化物イオンなどを放出することで水を浄化する仕組みであるため、一定量のイオンを吸着すると浄化能力を失ってしまう。このため、イオン交換樹脂では、樹脂の交換や薬品による化学再生処理が頻繁に必要となる。

そこで、燃料電池システムでは、イオン交換樹脂に代えて、短期的な交換や再生処理の不要な電気脱塩装置を用いることが提案されている（特許文献２参照）。この特許文献２に記載の電気脱塩装置は、陽電極及び陰電極と、陽電極及び陰電極との間に交互に配置された複数のイオン交換膜と、複数のイオン交換膜により交互に形成された濃縮室及び脱塩室と、を備えている。この電気脱塩装置では、陽電極及び陰電極の間に電位がかけられることで、イオン交換膜の半浸透特性及び電位により脱塩室では水が脱塩された脱塩水（精製水）が生成され、濃縮室では塩が濃縮された濃縮水が生成される。

特開２００７―１２３０５４号公報 特開２０００―２９６３１４号公報

しかしながら、電気脱塩装置では濃縮水の排水が必要になるため、排水量により燃料電池システム内の水量が燃料生成に必要な量を満たさなくなると、燃料電池の発電が妨げられるなどの問題が生じる。

そこで、本発明は、外部から水を補給することなく、長期にわたって燃料電池の発電を実現すると共に、燃料電池システム内の水量の不足を避けることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、水及び原燃料を用いて改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを用いて発電する燃料電池と、改質器及び燃料電池の少なくとも一方から回収された水が貯められる回収水タンクと、回収水タンクから供給された水を精製水と濃縮水とに分離する電気脱塩装置と、電気脱塩装置と改質器とを接続すると共に、精製水を改質器に供給する供給流路と、電気脱塩装置と回収水タンクとを接続すると共に、濃縮水を回収水タンク内に回収する回収流路と、濃縮水を排水する排水流路と、排水流路を開閉する開閉手段と、回収水タンク内の水量が所定の第１基準水量以下であるか否かを判定する第１の水量判定手段と、を備え、第１の水量判定手段が回収水タンク内の水量が第１基準水量以下であると判定した場合に、開閉手段が排水流路を閉鎖することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池から回収された水を電気脱塩装置によって精製水と濃縮水とに分離し、純度の高い精製水を改質ガスの生成に再利用することで、外部から水を補給することなく長期にわたって燃料電池の発電を行うことができる。さらに、この燃料電池システムでは、回収水タンク内の水量が所定の第１基準水量以下であると判定した場合に排水流路を閉鎖することで、回収流路により濃縮水を回収水タンク内に回収することができるので、燃料電池システム内の水量の不足を避けることができる。従って、この燃料電池システムでは、外部から水を補給することなく長期にわたる燃料電池の発電を実現すると共に、濃縮水を回収水タンク内に回収することで燃料電池システム内の水量の不足を避けることができる。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、回収水タンク内の水量が第１基準水量よりも多い第２基準水量以上であるか否かを判定する第２の水量判定手段を更に備え、第２の水量判定手段が回収水タンク内の水量が第２基準水量以上であると判定した場合に、開閉手段が排水流路を開放することが好ましい。

この燃料電池システムによれば、回収水タンク内の水量が第２基準水量以上であると判定した場合に排水流路を開放するので、回収水タンク内の水量が第２基準水量を超えて増加することを避けることができる。これにより、回収水タンク内に濃縮水が必要以上に回収されて回収水タンク内の水の汚れが増加することを避けることができる。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、排水流路を閉鎖してから所定時間が経過した場合に、開閉手段が排水流路を開放することが好ましい。

この燃料電池システムによれば、排水流路を閉鎖してから所定時間が経過した場合に排水流路を開放することで、回収水タンク内に濃縮水が必要以上に回収されて回収水タンク内の水の汚れが増加することを避けることができる。

本発明によれば、外部から水を補給することなく、長期にわたって燃料電池の発電を実現すると共に、燃料電池システム内の水量の不足を避けることができる。

第１の実施形態に係る燃料電池システムを示す構成概要図である。 図１の弁制御部の制御の流れを示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る燃料電池システムを示す構成概要図である。 図３の弁制御部の制御の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

［第１の実施形態］
図１に示されるように、第１の実施形態に係る燃料電池システム１は、改質器２、燃料電池３、回収水タンク４、及び電気脱塩装置５を備えている。この燃料電池システム１は、主に家庭用の電力供給源として利用されるものであり、原燃料として、液化石油ガス（ＬＰＧ）等が用いられる。

改質器２は、改質触媒によって原燃料を水蒸気改質させて、水素を含有する改質ガスを生成する。この水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質器２には、改質触媒を加熱するためのバーナが設けられている。改質器２は、生成した改質ガスをガス供給路６を通じて燃料電池３に供給する。なお、改質ガスは、一酸化炭素を含むため、ＣＯ変成器やＣＯ除去器により一酸化炭素が除去された後に燃料電池３に供給される。また、燃料電池３において未反応ガスがある場合には、オフガスとして改質器２に供給され、バーナ燃焼用の燃料として利用される。

燃料電池３は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）である。燃料電池３は、複数の電池セルが積層されたスタック構造として構成され、各電池セルは、アノード、カソード、及びそれらの間に配置された高分子膜を有している。燃料電池３の各電池セルでは、アノードに供給された改質ガス中の水素と、カソードに供給された空気中の酸素とが電気化学反応を起こして、直流の電力が発生する。燃料電池３では、電気化学反応により熱と水蒸気とが発生する。燃料電池３で発生した水蒸気は、水回収路７を通じて凝縮され、回収水として回収水タンク４に送られる。

回収水タンク４は、燃料電池３から回収した回収水が貯められるタンクである。回収水タンク４には、図示しないオーバーフロー管が接続されている。また、回収水タンク４には、回収水タンク４内の水量を検出するためのレベルセンサー８が設けられている。

レベルセンサー８は、回収水タンク４内の水位から水量を検出する。レベルセンサー８は、所定の低位基準水量（第１基準水量）を検出する第１の水量検出部８ａと、所定の高位基準水量（第２基準水量）を検出する第２の水量検出部８ｂと、から構成される。高位基準水量は、低位基準水量よりも多い水量に設定されている。レベルセンサー８は、第１の水量検出部８ａが低位基準水量を検出した場合、又は第２の水量検出部８ｂが高位基準水量を検出した場合に、それぞれの場合に応じた検出信号を出力する。

回収水タンク４は、回収水流路９を通じて電気脱塩装置５と接続されている。回収水流路９の途中には、回収水ポンプ１０が配置されており、回収水ポンプ１０は回収水タンク４内の回収水を引き込んで電気脱塩装置５に供給する。

電気脱塩装置５は、回収水タンク４から供給された回収水を電気脱塩処理によって精製水と濃縮水とに分離する。電気脱塩装置５は、陽電極及び陰電極と、陽電極及び陰電極との間に交互に配置された複数のイオン交換膜と、複数のイオン交換膜により交互に形成された濃縮室及び脱塩室と、を備えている。この電気脱塩装置５では、陽電極及び陰電極の間に電位がかけられることで、イオン交換膜の半浸透特性及び電位により脱塩室では水が脱塩された精製水が生成され、濃縮室では塩が濃縮された濃縮水が生成される。精製水は、濃縮水と比べて純度の高い水である。

電気脱塩装置５の脱塩室は、供給流路１１を通じて改質器２と接続されている。電気脱塩装置５は、供給流路１１を通じて回収水から分離した精製水を改質器２に供給する。改質器２に供給された精製水は、改質器２の入口の気化器によって水蒸気化された後、改質ガスを生成に使用される。この改質ガスが燃料電池３の電気化学反応に使用されると、燃料電池３からは、水蒸気が発生し水回収路７を通じて凝縮され、回収水タンク４内に回収される。

電気脱塩装置５の濃縮室は、濃縮水流路１２と接続されている。濃縮水流路１２は、途中で回収流路１３と排水流路１４とに分岐している。回収流路１３は、回収水タンク４に接続されており、回収流路１３を通った濃縮水は回収水タンク４内に回収されて回収水に混ぜられる。また、回収流路１３は、排水流路１４より高い位置に設けられている。

排水流路１４は、外部の排水設備に接続され、濃縮水を排水するための流路である。排水流路１４には、電磁弁（開閉手段）１５が配置されている。電磁弁１５は、回収流路１３との分岐点付近に設けられ、排水流路１４の開閉を行う二方弁である。電磁弁１５は、弁制御部（第１の水量判定部，第２の水量判定部）１６によって開閉駆動される。

弁制御部１６は、電磁弁１５を制御する電子制御ユニットである。弁制御部１６は、レベルセンサー８と電気的に接続されている。弁制御部１６は、レベルセンサー８の検出信号に基づいて、回収水タンク４内の水量を判定する。具体的には、弁制御部１６は、回収水タンク４内の水量が所定の高位基準水量以上であるか否かを判定する。また、弁制御部１６は、回収水タンク４内の水量が所定の低位基準水量以下であるか否かを判定する。

弁制御部１６は、回収水タンク４内の水量が高位基準水量以上であると判定した場合、電磁弁１５を開いて排水流路１４を開放する。排水流路１４が開放されると、電気脱塩装置５の濃縮室で生じた濃縮水は、濃縮水流路１２から排水流路１４へと流れ込み、外部に排水される。

一方、弁制御部１６は、回収水タンク４内の水量が低位基準水量以下であると判定した場合、電磁弁１５を閉じて排水流路１４を閉鎖する。排水流路１４が閉鎖されると、電気脱塩装置５の濃縮室で生じた濃縮水は、濃縮水流路１２から回収流路１３に全て流れ込み、回収水タンク４内に回収される。

次に、上述の弁制御部１６の制御の流れについて図面を参照して説明する。

図２に示されるように、弁制御部１６は、レベルセンサー８の検出信号に基づいて、回収水タンク４内の水量が所定の高位基準水量以上であるか否かを判定する（Ｓ１）。弁制御部１６は、回収水タンク４内の水量が高位基準水量以上であると判定した場合、電磁弁１５を開いて排水流路１４を開放する（Ｓ２）。弁制御部１６は、回収水タンク４内の水量が高位基準水量未満であると判定した場合、Ｓ３に移行する。

Ｓ３において、弁制御部１６は、回収水タンク４内の水量が所定の低位基準水量以下であるか否かを判定する。弁制御部１６は、回収水タンク４内の水量が低位基準水量以下であると判定した場合、電磁弁１５を閉じて排水流路１４を閉鎖する（Ｓ４）。弁制御部１６は、回収水タンク４内の水量が低位基準水量を超えていると判定したと判定した場合、今回のレベルセンサー８の検出信号に基づく処理を終了する。その後、弁制御部１６は、新たなレベルセンサー８の検出信号に基づいてＳ１１から処理を繰り返す。

以上説明した第１の実施形態に係る燃料電池システム１によれば、燃料電池３から回収された水を電気脱塩装置５によって精製水と濃縮水とに分離し、純度の高い精製水を改質ガスの生成に再利用することで、外部から水を補給することなく長期にわたって燃料電池３の発電を行うことができる。さらに、この燃料電池システムでは、回収水タンク内の水量が所定の低位基準水量以下であると判定した場合に排水流路を閉鎖することで、回収流路１３により濃縮水を回収水タンク４内に回収することができるので、燃料電池システム１内の水量の不足を避けることができる。従って、この燃料電池システムでは、外部から水を補給することなく長期にわたる燃料電池の発電を実現すると共に、燃料電池システム内の水量の不足を避けることができる。

また、この燃料電池システム１によれば、回収水タンク４内の水量が高位基準水量以上であると判定した場合に排水流路１４を開放するので、回収水タンク４内の水量が高位基準水量を超えて増加することを避けることができる。これにより、回収水タンク内に濃縮水が必要以上に回収されて回収水タンク内の水の汚れが増加することを避けることができる。

［第２の実施形態］
図３に示されるように、第２の実施形態に係る燃料電池システム２１は、第１の実施形態に係る燃料電池システム１と比べて、レベルセンサー１７の構成及び弁制御部１８の機能が相違する。

具体的には、第２の実施形態に係るレベルセンサー１７は、第１の実施形態に係るレベルセンサー８における第２の水量検出部８ｂの構成を有さず、第１の水量検出部８ａの構成のみを有している。レベルセンサー１７は、所定の低位基準水量を検出した場合、検出信号を弁制御部１８に出力する。

第２の実施形態に係る弁制御部１８は、レベルセンサー１７の検出信号に基づいて、回収水タンク４内の水量が所定の低位基準水量以上であるか否かを判定する。弁制御部１８は、回収水タンク４内の水量が低位基準水量以下であると判定した場合、電磁弁１５を閉じて排水流路１４を閉鎖する。排水流路１４が閉鎖されると、電気脱塩装置５の濃縮室で生じた濃縮水は、濃縮水流路１２から回収流路１３に全て流れ込み、回収水タンク４内に回収される。

また、弁制御部１８は、電磁弁１５を閉じて排水流路１４を閉鎖した場合、時間のカウントを開始して、排水流路１４を閉鎖してから所定時間（例えば２０分）が経過したか否かを判定する。弁制御部１８は、排水流路１４を閉鎖してから所定時間が経過したと判定した場合、電磁弁１５を開いて排水流路１４を開放する。排水流路１４が開放されると、電気脱塩装置５の濃縮室で生じた濃縮水は、濃縮水流路１２から排水流路１４へと流れ込み、外部に排水される。

次に、上述の弁制御部１８の制御の流れについて図面を参照して説明する。

図４に示されるように、弁制御部１８は、燃料電池システム２１の運転開始又は運転中の排水流路１４の閉鎖から所定時間が経過したか否かを判定する（Ｓ１１）。弁制御部１８は、燃料電池システム２１の運転開始又は運転中の排水流路１４の閉鎖から所定時間が経過したと判定した場合、電磁弁１５を開いて排水流路１４を開放する（Ｓ１２）。弁制御部１８は、燃料電池システム２１の運転開始又は運転中の排水流路１４の閉鎖から所定時間が経過していないと判定した場合、Ｓ１３に移行する。

Ｓ１３において、弁制御部１８は、回収水タンク４内の水量が所定の低位基準水量以下であるか否かを判定する。弁制御部１８は、回収水タンク４内の水量が低位基準水量以下であると判定した場合、電磁弁１５を閉じて排水流路１４を閉鎖する（Ｓ１４）。弁制御部１８は、回収水タンク４内の水量が低位基準水量を超えていると判定したと判定した場合、処理を終了する。その後、弁制御部１８は、所定の一時待機時間の経過後に再びＳ１１から処理を繰り返す。

以上説明した第２の実施形態に係る燃料電池システム２１によれば、燃料電池システム２１の運転開始又は運転中の排水流路１４の閉鎖から所定時間が経過した場合に排水流路１４を開放することで、回収水タンク４内に濃縮水が必要以上に回収されて回収水タンク４内の水の汚れが増加することを避けることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、燃料電池システム１，２１は業務用や事業用等であっても良い。また、燃料電池３は、固体高分子形に限定されず、アルカリ電解質形、りん酸形、溶融炭酸塩形或いは固体酸化物形等であっても良い。

さらに、原燃料として、灯油、天然ガス、都市ガス、メタノール或いはジメチルエーテル等を用いるものであっても良い。また、電気脱塩装置５の構成は、上述のものに限定されず、例えばイオン交換樹脂を脱塩室に充填した構成であっても良い。

また、電磁弁１５は、回収流路１３と排水流路１４との分岐点に配置される三方弁であっても良い。この場合、濃縮水の進路を回収流路１３と排水流路１４とに確実に切り替えることができる。

また、改質器２のドレン側と回収水タンク４とを接続する改質器用水回収路を設け、改質器２から出る水蒸気を回収水として回収水タンク４内に回収しても良い。

１，２１…燃料電池システム ２…改質器 ３…燃料電池 ４…回収水タンク ５…電気脱塩装置 ６…ガス供給路 ７…水回収路 ８，１７…レベルセンサー ９…回収水流路 １０…回収水ポンプ １１…供給流路 １２…濃縮水流路 １３…回収流路 １４…排水流路 １５…電磁弁（開閉手段） １６，１８…弁制御部（第１の水量判定手段，第２の水量判定手段）

Claims (3)

1. 水及び原燃料を用いて改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質ガスを用いて発電する燃料電池と、
   前記改質器及び前記燃料電池の少なくとも一方から回収された水が貯められる回収水タンクと、
   前記回収水タンクから供給された水を精製水と濃縮水とに分離する電気脱塩装置と、
   前記電気脱塩装置と前記改質器とを接続すると共に、前記精製水を前記改質器に供給する供給流路と、
   前記電気脱塩装置と前記回収水タンクとを接続すると共に、前記濃縮水を前記回収水タンク内に回収する回収流路と、
   前記濃縮水を排水する排水流路と、
   前記排水流路を開閉する開閉手段と、
   前記回収水タンク内の水量が所定の第１基準水量以下であるか否かを判定する第１の水量判定手段と、
   を備え、
   前記第１の水量判定手段が前記回収水タンク内の水量が前記第１基準水量以下であると判定した場合に、前記開閉手段が前記排水流路を閉鎖することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記回収水タンク内の水量が前記第１基準水量よりも多い第２基準水量以上であるか否かを判定する第２の水量判定手段を更に備え、
   前記第２の水量判定手段が前記回収水タンク内の水量が前記第２基準水量以上であると判定した場合に、前記開閉手段が前記排水流路を開放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. 前記排水流路を閉鎖してから所定時間が経過した場合に、前記開閉手段が前記排水流路を開放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。

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