JP2015099712A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】水を使用する燃料電池システムにおいて、水の回収能力を従来よりも向上させる。
【解決手段】上記課題を解決するために、本発明は、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池のオフガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置の燃焼排ガスから回収された水を、改質反応に用いられる水蒸気を生成する蒸気生成器、及び、燃料電池に供給される反応ガスを加湿する加湿器の少なくともいずれか一方に供給する水供給路とを備える、燃料電池システムとしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、通常、一般的な原料インフラである天然ガスやＬＰＧから水素含有ガスを生成させる改質器を備えている。

改質器では、水蒸気改質反応が一般的に用いられている。この水蒸気改質反応は、例えば、原料となる都市ガスと水蒸気とをＮｉ系やＲｕ系といった貴金属系の改質触媒を用いて、６００℃〜７００℃程度の高温で反応させることにより、水素を主成分とした水素含有ガスを生成するものである。

生成した水素含有ガスは燃料電池に供給され、別途供給する空気などの酸化剤ガスと反応させて、電力および熱を生み出す。

ところで、水蒸気改質反応に用いる水は改質器内の触媒を劣化させないように純度の高いものを使用する必要がある。この水を水道水などのインフラから供給し続けると、水をイオン交換樹脂で純水にするために多量のイオン交換樹脂が必要となり、燃料電池システムのコストが高騰してしまう。

そこで、燃料電池システム内で生成した水を回収し、その水を水蒸気改質反応の水として用いる燃料電池システムが提案されている。（例えば、特許文献１参照）。

図８は、特許文献１の燃料電池システムの概略構成を示す概念図である。この構成において、水素生成装置にて生成した水素含有ガスは燃料電池１に供給される。燃料電池１には別途酸化剤ガスが供給される。そして、燃料電池１にて水素含有ガスと酸化剤ガスが反応し電気と熱が生み出される。この反応に用いられなかった酸化剤ガスはオフ酸化剤ガスとして燃料電池１から排出される。オフ酸化剤ガス中には燃料電池１にて水素と酸素が反応した時に生成した水が蒸気として含まれている。このオフ酸化剤ガスを凝縮器２にて冷却することで水蒸気を凝縮させ水を回収する。

特開２００８−２３４８６９号公報

上記特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、凝縮器での冷媒として、燃料電池にて生成する熱を回収するための排熱回収水を用いるのが一般的である。この排熱回収水は貯湯タンクに蓄えられ、貯湯タンク上部に燃料電池システムから回収した高温水を供給し、貯湯タンク下部から燃料電池システムに排熱回収のための低温水を供給する。これにより、低温水を用いて燃料電池システムから熱を回収し、高温水として貯湯タンクに蓄えることが可能となる。

ここで、貯湯タンク下部から供給される排熱回収水の温度が高温になると、凝縮器にて水を十分に回収することが出来なくなる。燃料電池システム内では燃料電池に供給する水素含有ガスの加湿のための水や、燃料電池に供給する酸化剤ガスの加湿のための水、また
、水素含有ガスを生成するための改質反応に用いる水など多くの水を使用しており、燃料電池システムでの水回収量が低下すると、燃料電池システムでの水使用量に対する水回収量が不足してしまい、水収支が成立しなくなり、水自立出来ないという課題を有していた。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、燃料電池システムにおいて、水自立性能を従来よりも向上させることを目的とする。

本発明者らは、燃料電池システムにおいて、燃料電池のオフガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置から排出される燃焼排ガス中に含まれる水を、燃料電池システムの運転に必要な水として利用可能であることを発見し、その利用方法を鋭意検討した。その結果、以下の知見を得た。

燃料電池システムは、カソードから排出されるオフ酸化剤ガスや、アノードから排出されるオフ燃料ガスを熱交換器に通して、排熱回収水などと熱交換することで冷却し水を回収する。しかしながら、従来の燃料電池システムは、排熱回収水の温度が高くなっても熱交換による冷却のみで水を回収するため、オフ酸化剤ガスやオフ燃料ガスの冷却能力が低下し、オフ酸化剤ガスやオフ燃料ガス中の水蒸気を凝縮しきれず、燃料電池システムの運転に必要な水量を回収し難かった。

すなわち、上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池のオフガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置の燃焼排ガスから回収された水を、改質反応に用いられる水蒸気を生成する蒸気生成器、及び、燃料電池に供給される反応ガスを加湿する加湿器の少なくともいずれか一方に供給する水供給路とを備える。

本発明の燃料電池システムは、上記のような特徴を備えることにより、水を使用する燃料電池システムにおいて、水の回収能力を従来よりも向上できるという効果を奏する。

図１は、第１実施形態における燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。 図２は、第２実施形態における燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。 図３は、第３実施形態における燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。 図４は、第４実施形態における燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。 図５は、第４実施形態の第１変形例における燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。 図６は、第４実施形態の第２変形例における燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。 図７は、第５実施形態における燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。 図８は、特許文献１の燃料電池システムの概略構成を示す概念図である。

（第１実施形態）
第１実施形態にかかる燃料電池システムは、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池のオフガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置の燃焼排ガスから回収された水を、改質反応に用いられる水蒸気を生成する蒸気生成器、及び、燃料電池に供給される反応ガスを加湿する加湿器の少なくともいずれか一方に供給する水供給路とを備える。

かかる構成により、燃料電池のオフ燃料ガスやオフ酸化剤ガス中の水蒸気を凝縮器だけで凝縮させ水を回収する場合に比べ、燃料電池のオフガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置の燃焼排ガスから回収される水を蒸気生成器や加湿器に供給することで燃料電池システムとしての水回収量を増し、水自立性能が向上する。

［装置構成］
図１は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。

図１に示す例では、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１と、水供給路３とを備える。

燃料電池１は、水素を含有した燃料ガスと、酸素を含有した酸化剤ガスを用いて発電する。燃料電池１としては、いずれの種類であっても良く、固体高分子形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及び燐酸形燃料電池等が例示される。なお、燃料電池１での発電に使用されなかった燃料ガスはオフ燃料ガスとして燃料電池１から排出される。また、燃料電池１での発電に使用されなかった酸化剤ガスはオフ酸化剤ガスとして燃料電池１から排出される。なお、燃料電池１にて使用される燃料ガスは、都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素を改質器にて改質して生成した水素含有ガスであっても構わないし、インフラやボンベ、タンクなどから供給される水素含有ガスであっても構わない。

水供給路３は燃料電池１から排出されるオフ燃料ガスやオフ酸化剤ガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置の燃焼排ガスから回収された水を、改質反応に用いられる水蒸気を生成する蒸気生成器、及び、燃料電池１に供給される反応ガスを加湿する加湿器の少なくともいずれか一方に供給するための流路である。
オフ燃料ガスやオフ酸化剤ガスを含まない燃料は、例えば都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素燃料である。燃料としては、燃焼時に水を生成するものであれば、如何なるものであっても構わない。

オフ燃料ガスやオフ酸化剤ガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置は、燃焼熱により外部熱負荷である給湯や暖房のための熱量を供給する装置である。例えば、給湯器や温水暖房機などのボイラが挙げられる。燃焼装置は、オフ燃料ガスやオフ酸化剤ガスを含まない燃料を燃焼する装置であれば如何なるものであっても構わない。燃焼装置から排出される燃焼排ガスは水などを加熱することで冷やされ、水が凝縮する。凝縮した水は利用されることなく、排水されるのが一般的であるが、本実施形態では、この水を再利用することで燃料電池システムの水自立性能を向上させる。燃焼排ガスから回収された水は、蒸気生成器もしくは加湿器のどちらか少なくとも一方で使用される。

蒸気生成器は燃料電池１での発電に使用される燃料ガスを生成するための改質反応に用いる水蒸気を生成する装置である。改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応等が挙げられる。図示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。
加湿器は燃料電池１に供給される反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを加湿する装置である。燃料ガス及び酸化剤ガスのいずれか少なくとも一方を加湿することができれば如
何なるものであっても構わない。例えば、中空糸膜のように水蒸気もしくは水を移動することが出来る装置があり、一方に燃料ガスまたは酸化剤ガスを、他方に水供給路３から供給される水を含有したものを流すことで水を移動する。

［動作］
以下、燃料電池システムの動作について図１を用いて説明する。

燃料電池１から排出されるオフ燃料ガスやオフ酸化剤ガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置では常時もしくは間欠的に燃焼が行われる。燃焼により発生する燃焼排ガスには水蒸気が含まれており、その燃焼排ガスの熱を用いて暖房や給湯などに用いられる水を加熱することで、燃焼排ガスは冷やされる。それにより、燃焼排ガス中に含まれていた水蒸気は凝縮されて水として回収される。この回収された水を、水供給器４を経由して、蒸気生成器または加湿器に供給する。

回収された水はある程度蓄えられた後で、蒸気生成器または加湿器に供給しても構わないし、発生した凝縮水をそのまま水供給路３に供給するような構成であっても構わない。

蒸気生成器または加湿器に供給された水は、燃料電池１の発電に使用される燃料ガスの生成や燃料ガスの加湿、または酸化剤ガスの加湿に使用される。このようにして、オフ燃料ガスやオフ酸化剤ガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置から回収した水は燃料電池１での発電に使用されることで、燃料電池システムの水自立性能を向上させるのに役立つ。

（第２実施形態）
第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムであって、燃料電池システムにおける排ガスからの回収水を蒸気生成器及び加湿器の少なくともいずれか一方に供給するよう構成され、水供給路を通して蒸気生成器及び加湿器の少なくともいずれか一方に流れる水量を制御する水供給器と、回収水量が低下すると、水供給器を制御して、蒸気生成器及び加湿器の少なくともいずれか一方に供給される水を補給する制御器とを備える。

かかる構成により、燃料電池システムにて回収可能な水量が低下した場合のみ、排ガスからの回収水を、水供給路を通して使用することが可能となり、排ガスからの回収水の使用量を出来るだけ減らすことが可能となる。

本実施形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第１実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
図２は、第２実施形態における燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。

図２に示す例では、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１と、水供給路３と、水供給器４と、制御器５とを備える。

燃料電池１と、水供給路３については第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

水供給器４は、燃料電池１のオフガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置の燃焼排ガスから回収された水を、水供給路３を通して蒸気生成器及び加湿器の少なくともいずれか一方に流れる水量を制御する装置である。水量を制御出来れば如何なる装置であって
も構わない。例えば、電磁弁のように水供給路３の流路を開閉するような装置を用いて、水を流したり、水を止めたりするようなものであっても構わない。また、流調弁のように、開度を変えることで、水供給路３の流路抵抗を可変し、水供給路３に流れる水量を調整しても構わない。また、ポンプなどで水量を調整しても構わない。

制御器５は、燃料電池システムにおける排ガスからの回収水の量が低下すると、水供給器４を制御して、蒸気生成器及び加湿器の少なくともいずれか一方に供給される水を補給する装置である。制御器５は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御器５は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。

［動作］
以下、燃料電池システムの動作について説明する。

本実施形態の燃料電池システムの動作では、燃料電池システムにおける排ガスからの回収水量が低下すると、水供給器４を制御して、蒸気生成器及び加湿器の少なくともいずれか一方に供給される水を補給する。以上の点を除き、本実施形態の燃料電池システムの動作は、第１実施形態と同様の動作となるため、その特徴について、図２を用いて説明する。

燃料電池システムにおける排ガスとしては、燃料電池１での発電に使用されなかったオフ燃料ガスやオフ酸化剤ガス、およびオフ燃料ガスを燃焼させた燃焼排ガスがある。これらの排ガスから回収される水量が、燃料電池システムの水自立を成立させるために必要な水量に満たない可能性がある場合に、水供給器４を制御して、燃料電池のオフガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置の燃焼排ガスから回収された水を蒸気生成器及び加湿器の少なくともいずれか一方に供給する。これにより、排ガスからの水回収量が少なくなっても燃料電池システムの水自立を成立させることが出来る。また、水供給器４を通して蒸気生成器及び加湿器の少なくともいずれか一方に水を供給するのは、燃料電池システムの水自立が厳しい場合に限定することで、不必要な量の水を、水供給路３を通して供給することを防止する。ここで、燃料電池のオフガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置の排ガスから回収される水には硫黄が含まれているのが一般的である。その硫黄は燃料電池１もしくは燃料電池１で使用される水素含有ガスである燃料ガスを生成する改質器を劣化させる。そのため、それを除去するのに硫黄除去装置が必要となる。その量を極力減らすことが可能となる。

（第３実施形態）
第３実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態、第２実施形態のいずれかの燃料電池システムであって、燃料電池システムは、燃料電池システムにおける排ガスからの回収水を貯える水タンクを備え、制御器は、水タンクの水位が低下すると、水供給器を制御して、蒸気生成器及び加湿器の少なくともいずれか一方に供給される水を水タンクに補給する。

かかる構成により、燃料電池システム内の残水量を水タンクの水位により管理することが可能となり、水タンクの水位が低下した場合にのみ、水タンクに水供給器により水を供給することが可能となる。

本実施形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第１実施形態、第２実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
図３は、第３実施形態における燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。

図３に示す例では、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１と、水供給路３と、水供給器４と、制御器５と、水タンク６とを備える。

燃料電池１と、水供給路３と、水供給器４と、制御器５については第１実施形態、第２実施形態と同様であるので説明を省略する。

水タンク６は、燃料電池システムにおける排ガスからの回収水を貯えるタンクである。水を貯えることが出来れば如何なる構成であっても構わない。水タンク６には水位を計測するための水位計測手段が入っており、所定の水位以下となった場合に水位低下を検知することが出来る。水位計測手段は水位低下を検知出来れば如何なるものであっても構わない。例えば、フロートスイッチや超音波式、電波式、圧力式などがある。

水タンク６へ供給される水は、燃料電池１での発電に使用されなかったオフ燃料ガスやオフ酸化剤ガス、およびオフ燃料ガスを燃焼させた燃焼排ガスから回収される水と、水供給器４から供給される水がある。これらの経路から貯えられた水は燃料電池システム内にて水を使用する蒸気生成器または加湿器に供給する。

［動作］
以下、燃料電池システムの動作について説明する。

本実施形態の燃料電池システムの動作は、第１実施形態、第２実施形態のいずれかの燃料電池システムと同様の動作となるため、その特徴について、図３を用いて説明する。

制御器５は水タンク６の水位低下が起きているかどうか計測しており、水位低下がみられた場合は、水供給器４を制御して、燃料電池１のオフガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置の燃焼排ガスから回収された水を水タンク６に供給する。なお、水タンク６の水位低下が解消されれば、制御器５は水供給器４による水タンク６への給水を停止する。給水の停止は水位低下が解消されると同時でも構わないし、水位低下解消後所定時間後などであっても構わない。水供給器４の動作タイミングは水タンク６や水供給路３の構成に応じて設計すべきことであり、水タンク６の水が無くなってしまう状態に陥らなければ如何なる方法であっても構わない。

なお、水タンク６の水位低下を検知する方法としては、直接、水タンク６の水位を検知する方法だけでなく、運転条件から水位低下を検知しても構わない。燃料電池１の発電出力が定格出力に対して相対的に低い状態が所定時間以上継続すると、燃料電池システムとして水収支が厳しくなっていると考え、水供給器４により水タンク６に水を供給しても構わない。

なお、燃料電池システムの水収支は発電量によって異なるため、発電量に応じて水収支の悪化を検知する時間を変更しても構わない。燃料電池システムの設計に応じて発電量と時間の関係を設定すれば如何なる値であっても構わない。

（第４実施形態）
第４実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態のいずれかの燃料電池システムであって、燃料電池システムは、排ガス中の水を凝縮させる凝
縮器を備え、制御器は、凝縮器の能力低下を検知すると、水供給器を制御して、蒸気生成器及び加湿器の少なくともいずれか一方に供給される水を水タンクに補給する。

かかる構成により、凝縮器の能力が低下した場合にのみ、水タンクに水供給器により水を供給することが可能となる。

本実施形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
図４は、第４実施形態における燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。

図４に示す例では、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１と、凝縮器２と、水供給路３と、水供給器４と、制御器５と、水タンク６とを備える。

燃料電池１と、水供給路３と、水供給器４と、制御器５、水タンク６については第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態と同様であるので説明を省略する。

凝縮器２は、燃料電池システムにおける排ガスである、燃料電池１での発電に使用されなかったオフ燃料ガスやオフ酸化剤ガス、およびオフ燃料ガスを燃焼させた燃焼排ガス中に含有されている水蒸気を凝縮し、水を回収する装置である。水蒸気を凝縮させるには排ガスの温度を下げる必要があり、温度を低下するために凝縮器２には冷媒が流れている。冷媒としては、水でも、ガスでも、空気でも冷却出来る媒体であれば如何なるものであっても構わない。

［動作］
以下、燃料電池システムの動作について説明する。

本実施形態の燃料電池システムの動作は、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態のいずれかの燃料電池システムと同様の動作となるため、その特徴について、図４を用いて説明する。

凝縮器２での冷却能力の低下を検知すると、制御器５は水供給器４を制御し、水タンク６に水を供給する。凝縮器２の冷却能力の低下を検知する方法としては、凝縮器２を通過した後の排ガス温度の上昇で検知しても構わないし、凝縮器２に供給する冷媒の温度上昇により検知しても構わない。また、凝縮器２から出てくる冷媒の温度上昇により検知しても構わない。また、凝縮器２の所定の温度を計測するのであっても構わない。凝縮器２の能力低下を検知することが出来れば、如何なる検知方法であっても構わない。

［第１変形例］
図５は、第４実施形態の第１変形例における燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。

図５に示すように、本変形例で、排ガス中の水を凝縮させる凝縮器と、凝縮器に供給する冷媒の温度を計測する冷媒温度計測器を備え、制御器は、冷媒温度計測器で検知された冷媒の温度が所定の温度を上回ると、水供給器を制御して、蒸気生成器及び加湿器の少なくともいずれか一方に供給される水を水タンクに補給する。

かかる構成では、凝縮器２に供給される冷媒の温度上昇が冷媒温度計測器７により検知
された場合に、水タンク６に水供給器４により水を供給することが可能となる。

本変形例の燃料電池システムにおいて、上記の点以外は、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態のいずれかの燃料電池システムと同様に構成できる。

冷媒温度計測器７は、凝縮器２に供給する冷媒の温度を計測する温度計測装置である。冷媒温度を計測出来れば熱電対でもサーミスタでも如何なる装置であっても構わない。

凝縮器２に供給される冷媒の温度が所定温度以上になったことを起因として、水タンク６に水供給器４により水を供給すればよく、冷媒の温度が所定温度以上に上昇したことにより凝縮器２での冷却能力が低下していてもいなくてもどちらでも構わない。

水タンク６に水供給器４により水を供給するタイミングを規定する冷媒の所定温度としては、本変形例では５０℃とした。冷媒温度がこの温度を超えてくると、凝縮器２での水回収量が低下する恐れがあるため、その温度に設定した。なお、所定温度の設定は燃料電池システムの装置構成によって異なってくるため、その構成に合わせて最適な温度に設定すれば良い。

［第２変形例］
図６は、第４実施形態の第２変形例における燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。

図６に示すように、本変形例で、排ガス中の水を凝縮させる凝縮器と、凝縮器を流通した排ガスの温度を計測する排ガス温度計測器を備え、制御器は、排ガス温度計測器で検知された排ガスの温度が所定の温度を上回ると、水供給器を制御して、蒸気生成器及び加湿器の少なくともいずれか一方に供給される水を前記水タンクに補給する。

かかる構成では、凝縮器２を流通した排ガスの温度上昇が排ガス温度計測器８により検知された場合に、水タンク６に水供給器４により水を供給することが可能となる。

本変形例の燃料電池システムにおいて、上記の点以外は、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態のいずれかの燃料電池システムと同様に構成できる。

排ガス温度計測器８は凝縮器２を流通した後の排ガスの温度を計測する装置である。排ガス温度を計測出来れば熱電対でもサーミスタでも如何なる装置であっても構わない。

凝縮器２を流通した排ガスの温度が所定温度以上になったことを起因として、水タンク６に水供給器４により水を供給すればよく、排ガスの温度が所定温度以上に上昇したことにより凝縮器２での冷却能力が低下していてもいなくてもどちらでも構わない。

水タンク６に水供給器４により水を供給するタイミングを規定する排ガスの所定温度としては、本変形例では５５℃とした。排ガス温度がこの温度を超えてくると、凝縮器２での水回収量が低下する恐れがあるため、その温度に設定した。なお、所定温度の設定は燃料電池システムの装置構成によって異なってくるため、その構成に合わせて最適な温度に設定すれば良い。

（第５実施形態）
第５実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態のいずれかの燃料電池システムであって、燃料電池システムは、燃料電池システムにおける排ガスからの回収水を貯える水タンクを備えている。そして、水供給路は、
燃料電池のオフガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置の燃焼排ガスから回収された水を水タンクに供給する第１の水供給路と、水タンクと、水タンクと蒸気生成器及び加湿器の少なくともいずれか一方とを接続する第２の水供給路とを備え、第１の水供給路には、水中の硫黄化合物を除去する第１の水浄化器を備え、第２の水供給路には、水中のアンモニアを除去する第２の水浄化器を備える。

かかる構成により、燃料電池システム内の蒸気生成器または加湿器に供給する水を純度が高い水に保つことが出来、燃料電池システムの劣化を防止することが可能となる。

本実施形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
図７は、第５実施形態における燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。

図７に示す例では、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１と、水供給器４と、制御器５と、水タンク６と、第１の水供給路９と、第２の水供給路１０と、第１の水浄化器１１と、第２の水浄化器１２とを備える。

燃料電池１と、水供給器４と、制御器５と、水タンク６については第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態と同様であるので説明を省略する。

第１の水供給路９は、燃料電池１のオフガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置の燃焼排ガスから回収した水を水タンク６に供給する流路である。燃料電池１のオフガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置では、インフラから供給されている炭化水素系ガスである都市ガスやＬＰＧなどを燃焼するのが一般的である。それらのガスには硫黄化合物が含有されており、燃焼した後の燃焼排ガスから回収した水中にも硫黄化合物が含有することになる。よって、第１の水供給路９を流通する水には硫黄化合物が含有されている。

第２の水供給路１０は、水タンク６と、蒸気生成器及び加湿器の少なくともいずれか一方とを接続する流路である。水タンク６には燃料電池システム内から回収した水が集まってくるため、不純物を含有している。特に多い不純物としては、水素含有ガスを生成するために用いた都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素中に含まれていた窒素ガスに由来するアンモニアである。

第１の水浄化器１１は、第１の水供給路９を流れる水中の不純物を除去するための水浄化器である。第１の水供給路９を流れる水中の不純物の主要成分は硫黄化合物であるため、それを除去する用途に適した水浄化器を用いる。硫黄化合物を除去するには、イオン化した硫黄を除去するのに適したアニオン樹脂、もしくは、イオン化していない硫黄に適した活性炭を併用するのが望ましい。燃料電池のオフガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置の燃焼状態や燃料組成により、硫黄化合物の状況は異なってくるため、状況に応じて硫黄を除去することが出来れば如何なる水浄化器であっても構わない。

第２の水浄化器１２は、水タンク６の水中に含まれる不純物を除去するための水浄化器である。不純物の主要成分はアンモニアであるため、それを除去するのに適したカチオン樹脂を用いる。なお、燃料電池システム内にはアンモニア以外にも不純物が含有されている場合があり、その場合はその不純物を除去するために、活性炭やアニオン樹脂をカチオン樹脂と併用しても構わない。

［動作］
以下、燃料電池システムの動作について説明する。

本実施形態の燃料電池システムの動作は、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態のいずれかの燃料電池システムと同様の動作となるため、その特徴について、図７を用いて説明する。

燃料電池１のオフガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置の燃焼排ガスから回収した水を水タンク６に供給する場合、水は第１の水供給路９を通って、第１の水浄化器１１に供給される。第１の水浄化器１１にて、水中に含まれている硫黄化合物が除去される。硫黄化合物が除去された水は水供給器４により第１の水供給路９を通して水タンク６へと運ばれる。これにより、水タンク６には硫黄化合物が除去された水が供給される。なお、第１の水浄化器１１と水供給器４の位置関係は図７に示した順番でなくてもよく、水供給器４を通った水が第１の水浄化器１１に供給されても構わない。

水タンク６に貯えられた水は第２の水浄化器１２により純水となった上で、蒸気生成器または加湿器の少なくともいずれか一方に供給される。これにより、蒸気生成器または加湿器に不純物を含んだ水を供給することを防止し、燃料電池システムの劣化を防止する。

第１の水浄化器１１で燃料電池１のオフガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置の燃焼排ガスを起因とする不純物を除去することで、燃料電池システム全体への不純物の拡散を防止することが可能となる。また、第１の水浄化器１１を流通した水量を管理しておけば、第１の水浄化器１１が性能的に寿命を迎えても、第１の水浄化器１１のみを交換すれば良く、第２の水浄化器１２への影響を避けられるため、メンテナンス費用やメンテナンス周期を最適化することが可能となる。

なお、燃料電池１のオフガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置の燃焼排ガスから回収した水にアンモニアも含有されている場合は、第１の水浄化器１１にアンモニアを除去するカチオン樹脂を含んでも構わない。なお、第１の水浄化器１１に流通する水中のアンモニアの含有量が極めて少ない場合は、アンモニア除去用の水浄化器は第２の水浄化器１２のみで構わない。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池システム内の水自立性能を従来よりも向上させる、水利用機器を備えた燃料電池システムとして有用である。

１ 燃料電池
２ 凝縮器
３ 水供給路
４ 水供給器
５ 制御器
６ 水タンク
７ 冷媒温度計測器
８ 排ガス温度計測器
９ 第１の水供給路
１０ 第２の水供給路
１１ 第１の水浄化器
１２ 第２の水浄化器

Claims (8)

1. 水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池のオフガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置の燃焼排ガスから回収された水を、改質反応に用いられる水蒸気を生成する蒸気生成器、及び、燃料電池に供給される反応ガスを加湿する加湿器の少なくともいずれか一方に供給する水供給路とを備える、燃料電池システム。
2. 前記燃料電池システムにおける排ガスからの回収水を前記蒸気生成器及び前記加湿器の少なくともいずれか一方に供給するよう構成され、前記水供給路を通して前記蒸気生成器及び前記加湿器の少なくともいずれか一方に流れる水の量を制御する水供給器と、前記回収水の量が低下すると、前記水供給器を制御して、前記蒸気生成器及び前記加湿器の少なくともいずれか一方に供給される水を補給する制御器とを備える、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池システムにおける排ガスからの回収水を貯える水タンクを備え、前記制御器は、前記水タンクの水位が低下すると、前記水供給器を制御して、前記蒸気生成器及び前記加湿器の少なくともいずれか一方に供給される水を前記水タンクに補給する、請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記排ガス中の水を凝縮させる凝縮器を備え、前記制御器は、前記凝縮器の能力低下を検知すると、前記水供給器を制御して、前記蒸気生成器及び前記加湿器の少なくともいずれか一方に供給される水を前記水タンクに補給する、請求項２記載の燃料電池システム。
5. 前記排ガス中の水を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器に供給する冷媒の温度を計測する冷媒温度計測器を備え、前記制御器は、前記冷媒温度計測器で検知された前記冷媒の温度が所定の温度を上回ると、前記水供給器を制御して、前記蒸気生成器及び前記加湿器の少なくともいずれか一方に供給される水を前記水タンクに補給する、請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 前記排ガス中の水を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器を流通した前記排ガスの温度を計測する排ガス温度計測器を備え、前記制御器は、前記排ガス温度計測器で検知された前記排ガスの温度が所定の温度を上回ると、前記水供給器を制御して、前記蒸気生成器及び前記加湿器の少なくともいずれか一方に供給される水を前記水タンクに補給する、請求項２に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御器は、前記燃料電池の出力が相対的に低い時間が継続すると、前記水供給器を制御して、前記蒸気生成器及び前記加湿器の少なくともいずれか一方に供給される水を前記水タンクに補給する、請求項２記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池システムにおける排ガスからの回収水を貯える水タンクを備え、前記水供給路は、前記燃料電池のオフガスを含まない燃料を用いて燃焼する燃焼装置の燃焼排ガスから回収された水を前記水タンクに供給する第１の水供給路と、前記水タンクと、前記水タンクと前記蒸気生成器及び前記加湿器の少なくともいずれか一方とを接続する第２の水供給路とを備え、前記第１の水供給路には、水中の硫黄化合物を除去する第１の水浄化器を備え、前記第２の水供給路には、水中のアンモニアを除去する第２の水浄化器を備える、請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システム。

Images