JP3434022B2

JP3434022B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP3434022B2
Application number: JP13285094A
Authority: JP
Inventors: 洋堀ノ内; 邦博西崎
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1994-06-15
Filing date: 1994-06-15
Publication date: 2003-08-04
Anticipated expiration: 2018-08-04
Also published as: JPH087906A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は水処理装置を有する燃料
電池装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池の水処理装置を、図２を
参照して説明する。全体を符号１で示す燃料電池は、燃
料電極２、空気電極３、電解質マトリクス３６、冷却板
４を配設した単位セルの積層体からなり、電池冷却水系
Ｌ１の冷却水Ａは、冷却水循環ポンプ５により冷却板４
から水蒸気分離器６を介して循環される。

【０００３】水蒸気分離器６の水蒸気Ｃは改質器８に送
られ、原燃料ＯＦの水蒸気改質に利用される。水蒸気改
質された原燃料ＯＦは、燃料電池１において大部分が消
費され、残りは改質器８にて燃焼して水蒸気改質反応の
熱源となる。改質器８からの燃焼排ガスＤは、空気電極
３の排気Ｇと合流し、凝縮器９に供給され、そこで凝縮
した水分は回収水タンク１０に回収される。

【０００４】一方、水蒸気発生によって電池冷却水系Ｌ
１を循環する冷却水中の不純物が濃縮するのを避けるた
め、ブローダウン水Ｂがブローダウン系Ｌ２、冷却用熱
交換器７を介して回収水タンク１０に導かれる。

【０００５】その回収水タンク１０の回収水Ｅは、水処
理系Ｌ４によりポンプ入口フィルタ１１、ポンプ１２、
イオン交換樹脂入口フィルタ１３を介しイオン交換樹脂
装置１４で処理される。そして、イオン交換樹脂装置１
４で処理された処理水Ｆは、ポンプ１５により、水蒸気
発生及びブローダウンにより失われた電池冷却水量の分
だけ水蒸気分離器６に送られ、残りは回収水タンク１０
に戻される。

【０００６】ここで、燃料電池１の絶縁及び防食のため
には、低電気伝導率の電池冷却水が必要である。この電
池冷却水を確保するために、従来の燃料電池の水処理装
置ではイオン交換樹脂を使用している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、イオン交換樹
脂は、破過時等に交換することが必要なので、交換頻度
が高いとメンテナンスコストが大きくなる。これに対し
て、イオン交換樹脂を自動再生することも考えられる
が、この方法は、スペースの増大及び廃液の処理等の問
題がある。

【０００８】したがって、本発明は、メンテナンスコス
トを低減することが出来る水処理装置を有する燃料電池
装置を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、燃料
電池（１）の冷却板（４）を冷却する冷却水系（Ｌ１）
のブローダウン水と燃料電池（１）の燃料電極（２）か
ら改質器（８）を通った燃焼排ガス（Ｄ）および燃料電
池（１）の空気電極（２）の排気（Ｇ）が供給され凝縮
器（９）からの凝縮した水分とが回収される回収タンク
（１０）を有し、その回収タンク（１０）に回収した冷
却水を処理する水処理装置を有する燃料電池装置におい
て、イオン交換膜と電界とを用いてイオンを移動させ、
連続的に脱イオンされた水とイオンの濃縮された水を生
成する連続式脱イオン装置（２１）を有し、回収水タン
ク（１０）への回収水をポンプ（１２）によりフィルタ
（１３Ａ）および前記連続式脱イオン装置（２１）で処
理する水処理系（Ｌ４）を備え、前記連続式脱イオン装
置（２１）の濃縮水の排水系（Ｌ５）に外部への排水系
（Ｌ６）と前記回収水タンク（１０）への戻し系（Ｌ
７）を備え、前記回収水タンク（１０）には水位検出手
段（２４）が設けられ、前記水処理系（Ｌ４）内の水量
減少に対処して前記水位検出手段（２４）からの信号に
基づき、前記濃縮水の排水系（Ｌ５）から前記回収水タ
ンク（１０）への戻し系（Ｌ７）を介して連続式脱イオ
ン装置（２１）の排水を回収水タンク（１０）に戻すよ
うになっている。

【００１０】連続式脱イオン装置は、イオン交換膜と電
界とを用いることにより、２つの流路の水の一方から他
方へイオンを移動させ、連続的に脱イオン水とイオンの
濃縮された水とを生成する、という原理を用いている。
この場合、イオンは濃縮側の水と共に排出されるので、
イオン交換樹脂のような定期的な交換は必要ない。

【００１１】ただし、イオンと同時に水を排出するの
で、その排水分だけは多めの水量を回収する必要があ
る。通常の燃料電池装置の安定した運転条件においては
連続式脱イオン装置の排水分程度の水量は余分に回収さ
れており問題がないが、外気温、燃料電池装置の出力と
いった運転条件の変動によって、凝縮器において回収さ
れる水量が一時的に減少し、水処理系の水量が不足する
可能性がある。

【００１２】また本発明によれば、前記回収タンク（１
０）への戻し系（Ｌ７）に切換えられたときに警報信号
を出力する警報信号出力手段（３２）を設けている。さ
らに本発明によれば、燃料電池（１）からの燃焼排ガス
（Ｄ）又は排気（Ｇ）を凝縮する凝縮器（９）を設け、
その凝縮器（９）で凝縮した水分を前記回収水タンク
（１０）に供給する際の凝縮水流量を制御するようにな
っている。

【００１３】本発明の実施に際して連続式脱イオン装置
の排出系に外部への排水系と回収水タンクへの戻し系と
に切換える三方弁を介装するのが好ましい、そして、回
収水タンクに水位検出手段を設け、該水位検出手段の検
出結果に応答して前記三方弁の切り換えを制御する制御
手段を設けるのが好ましい。これに加えて、前記三方弁
が回収水タンクへの戻し系に切り換えられたときに警報
信号を出力する手段を備えるのが好ましい。

【００１４】また、本発明の実施に際して、凝縮器から
回収水タンクへ供給される凝縮水流量を制御する制御手
段を設けるのが好ましい。そして、回収水タンクには水
位検出手段が設けられており、該検出手段の出力は前記
制御手段に伝達されるのが好ましい。

【００１５】ここで、前記制御手段としては、凝縮器冷
却水系に介装されるクーリングタワーの冷却能力を制御
して（例えば、クーリングタワーの冷却用ファンの回転
数を調節する等の手法による）、凝縮器冷却水の水温を
調節する方法を採用することが出来る。或いは、凝縮器
冷却水系に介装されたポンプの能力を調節したり、バイ
パス回路を設け且つそこを流れる水量を調節することに
より、凝縮器冷却水系の流量を制御し、以て凝縮器冷却
水の水温を調節する方法を採用することが出来る。

【００１６】

【作用】上記のように構成された燃料電池の水処理装置
において、連続式脱イオン装置は、イオンの分離及び濃
縮を行い、イオン濃度が濃い側を（排水として）排出す
るが、イオン交換樹脂の様な「ため込み式」ではないの
で、交換作業を行うこと無く、長期間使用することが出
来る。しかも、イオン交換樹脂を自動再生する従来技術
とは異なり、スペースの増大や廃液処理等の問題を生じ
ることは無い。

【００１７】ここで、水処理系に連続式脱イオン装置を
組み込んだ事により、例えば、外気温変動、（燃料電池
装置の）出力変動等の運転条件の変動によって、一時的
に、水処理系内の水量が減少する場合がある。水処理系
内の水量が減少すると、ポンプのキャビテーション等の
不都合が生じる可能性があり、或いは電池冷却水が無く
なり燃料電池装置が停止してしまう恐れがある。これに
対して、本願発明では、連続式脱イオン装置を組み込ん
だ事による水処理系内の水量減少に対処する手段を設け
ている。

【００１８】回収水量が減少する場合には、連続式脱イ
オン装置の排水を外部に排出するのではなく、該排水を
回収水タンクに戻すことにより、水処理系内の水量を不
足させることなく、燃料電池装置の運転を継続すること
が出来る。この場合、連続式脱イオン装置の排水が循環
することになるため、水処理系で処理された水の水質は
低下するが、短時間或いは一時的なものであれば燃料電
池装置の運転には支障は無い。

【００１９】また、回収水タンクの水位の低下等をセン
サ等の検出手段で検出することにより、水処理系内の水
の不足を検出し、その検出信号に基づいて前記三方弁の
切り換えをコントロールユニットにより制御して、上記
作業を自動的に行うことが出来る。

【００２０】さらに、連続式脱イオン装置の排水を回収
水タンクに戻す側へ前記三方弁を切り換えた際に警報信
号を出力することにより、作業員によって自動的に或い
は、臨時に、水処理系へ外部から給水するべき時期を知
ることが出来る。

【００２１】これに加えて本発明によれば、回収水量が
減少する場合には、凝縮装置の温度を下げることにより
飽和水蒸気圧を下げて、回収水量を増加して水処理系内
の水不足に対処し、以て燃料電池装置の運転を継続する
ことが可能である。この場合において、回収水タンクに
水位検出手段を設けたり、或いは回収水タンクへ供給さ
れる凝縮水流量が所定値以下になったときに警報信号を
出力する手段を備えていれば、水位検出手段の出力或い
は前記警報信号を出力する手段の出力を監視することに
より、作業員によって或いは自動的に、臨時に、水処理
系へ外部から給水するべき時期を知ることが出来るので
ある。

【００２２】

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。

【００２３】なお、図１において図２に対応する部分に
ついては、同じ符号を付して重複説明を省力する。

【００２４】図１において、水処理系Ｌ４のポンプ１２
の下流側には、自動逆洗式フィルタ１３Ａ及び連続式脱
イオン装置２１が介装されている。その脱イオン装置２
１の濃縮水排出側には、排出系Ｌ５が接続されている。
この排出系Ｌ５は、三方弁２２により、外部への配水系
Ｌ６又は回収水タンク１０への戻し系Ｌ７へ、選択的に
切換えられるようになっている。

【００２５】凝縮器９の凝縮器冷却水系２３にはクーリ
ングタワー３０が介装され、クーリングタワー３０の冷
却能力は冷却用ファン３１の回転数を調節することによ
り制御される。また、回収水タンク１０には、水位セン
サ２４が設けられている。そして、水位センサ２４、冷
却用ファン３１は、それぞれコントロールユニット２６
に接続されている。そして、このコントロールユニット
２６には、三方弁２２の作動部２２ａが接続されてお
り、これらの系Ｌ５〜Ｌ６及び部材２２〜２６により排
出手段が構成される。

【００２６】次に、作用を説明する。

【００２７】運転に際し、連続式脱イオン装置２１は、
回収水のイオンを分離して濃縮する。コントロールユニ
ット２６は、水位センサ２４からの水位信号に基づき、
水回収率が低く、水処理系を流れる水が不足する状態に
なった場合には、三方弁２２を戻し系Ｌ７側に切換え、
連続式脱イオン装置２１の排水を回収水タンク１０に戻
す。これにより、回収水の不足を解消する。冷却用ファ
ン３１の回転数を増加して、凝縮器冷却水系２３の水温
を降温せしめ、凝縮器９で凝縮される水量を増加して、
水処理系内の水不足を解消することも可能である。

【００２８】ここで、コントロールユニット２６内には
警報信号出力手段３２（例えばセンサ）が設けられてお
り、該警報信号出力手段３２は、三方弁２２を戻し系Ｌ
７側へ切り換えた時に図示しない警報手段（警報ラン
プ、ブザー等）に対して警報信号を出力する。この警報
信号がどの程度の期間に亘って出力されるのかを監視す
れば、水処理系の水不足が一時的なものであるのか、長
期的なものであるのかが判断可能である。そして、長期
的な水不足である、と判断される場合には、作業員によ
って或いは自動的に、水処理系の外部から給水すれば良
い。

【００２９】凝縮器９で凝縮される水量を増加して水処
理系内の水不足の解消を図る場合には、前記警報信号出
力手段３２は、系Ｌ１０を介して回収水タンク１０へ供
給される凝縮水流量が所定値以上になったときに警報信
号を出力する様に構成する。そして、この出力を監視す
れば、水処理系の水不足が一時的なものであるのか、長
期的なものであるのかが判断可能である。なお、凝縮水
流量の「所定値」は、個々の燃料電池装置の構造、運転
条件等により、ケース・バイ・ケースで定められる数値
である。

【００３０】図示の実施例はあくまでも例示であり、本
発明の技術的範囲を限定する趣旨のものでないことを付
記する。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００３２】（１）連続式脱イオン装置は、交換無し
で長期間使用可能であるため、メンテナンスコストを低
減することができる。

【００３３】（２）水処理系に水不足が発生しても、
燃料電池装置の運転が停止してしまう事態を防止するこ
とが出来る。

【００３４】（３）三方弁が回収水タンクへの戻し系
に切り換えられたとき、或いは、回収水タンクへ供給さ
れる凝縮水流量が所定値以上になったときに警報信号を
出力する手段を備えれば、水処理系に外部から給水する
必要があることを検出することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す系図。

【図２】従来装置の一例を示す系図。

【符号の説明】

Ａ・・・冷却水ＡＲ・・・空気Ｂ・・・ブローダウン水Ｃ・・・水蒸気Ｄ・・・燃焼排ガスＥ・・・回収水Ｆ・・・処理水Ｇ・・・空気電極排気ＯＦ・・・原燃料Ｌ１・・・電池冷却水系Ｌ２・・・ブローダウン系Ｌ４・・・水処理系Ｌ５・・・濃縮水排出系Ｌ６・・・排水系Ｌ７・・・戻し系Ｌ１０・・・凝縮水を回収水タンクへ供給する系１・・・燃料電池２・・・燃料電極３・・・空気電極４・・・冷却板５・・・冷却水循環ポンプ６・・・水蒸気分離器７・・・熱交換器８・・・改質器９・・・凝縮器１０・・・回収水タンク１１・・・ポンプ入口フィルタ１２、１５・・・ポンプ１３・・・イオン交換樹脂入口フィルタ１３Ａ・・・フィルタ１４・・・イオン交換樹脂装置２１・・・連続式脱イオン装置２２・・・三方弁２２ａ・・・作動部２３・・・凝縮器冷却水系２４・・・水位センサ２６・・・コントロールユニット３０・・・クーリングタワー３１・・・冷却用ファン３２・・・警報信号出力手段３６・・・電解質マトリクス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池（１）の冷却板（４）を冷却す
る冷却水系（Ｌ１）のブローダウン水と燃料電池（１）
の燃料電極（２）から改質器（８）を通った燃焼排ガス
（Ｄ）および燃料電池（１）の空気電極（２）の排気
（Ｇ）が供給され凝縮器（９）からの凝縮した水分とが
回収される回収タンク（１０）を有し、その回収タンク
（１０）に回収した冷却水を処理する水処理装置を有す
る燃料電池装置において、イオン交換膜と電界とを用い
てイオンを移動させ、連続的に脱イオンされた水とイオ
ンの濃縮された水を生成する連続式脱イオン装置（２
１）を有し、回収水タンク（１０）への回収水をポンプ
（１２）によりフィルタ（１３Ａ）および前記連続式脱
イオン装置（２１）で処理する水処理系（Ｌ４）を備
え、前記連続式脱イオン装置（２１）の濃縮水の排水系
（Ｌ５）に外部への排水系（Ｌ６）と前記回収水タンク
（１０）への戻し系（Ｌ７）を備え、前記回収水タンク
（１０）には水位検出手段（２４）が設けられ、前記水
処理系（Ｌ４）内の水量減少に対処して前記水位検出手
段（２４）からの信号に基づき、前記濃縮水の排水系
（Ｌ５）から前記回収水タンク（１０）への戻し系（Ｌ
７）を介して連続式脱イオン装置（２１）の排水を回収
水タンク（１０）に戻すことを特徴とする燃料電池装
置。
【請求項２】前記回収タンク（１０）への戻し系（Ｌ
７）に切換えられたときに警報信号を出力する警報信号
出力手段（３２）を設けた請求項１記載の燃料電池装
置。
【請求項３】燃料電池（１）からの燃焼排ガス（Ｄ）
又は排気（Ｇ）を凝縮する凝縮器（９）を設け、その凝
縮器（９）で凝縮した水分を前記回収水タンク（１０）
に供給する際の凝縮水流量を制御する請求項１記載の燃
料電池装置。