JP6089414B2

JP6089414B2 - 燃料電池システムの水精製装置

Info

Publication number: JP6089414B2
Application number: JP2012047163A
Authority: JP
Inventors: 和伸篠田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2032-03-02
Also published as: JP2013182832A

Description

本発明は、燃料電池システムの水精製装置に関し、さらに詳しくは、水タンクに対して水精製器を容易に着脱できるとともに、簡易且つ小型な構造でメンテナンス性に優れる燃料電池システムの水精製装置に関する。

従来の燃料電池システムの水精製装置として、水精製機能と貯水機能とを一体構造とし、機器をコンパクトに設計してなるものが知られている（特許文献１参照）。この特許文献１には、水容器内に、縦又は水平方向に蛇行し且つ出口部に向かって狭くなる水通路を設け、この水通路に、その高さが反転部に合わせられたイオン交換部が配設され、水容器に水通路の水面を検出する水位センサを設けることが開示されている。

ここで、上記イオン交換部は、長期間（例えば、１０年間等）のノーメンテナンスとすることが体格等の関係で難しく、交換する必要がある。しかしながら、上記特許文献１の技術では、水精製機能と貯水機能とを一体構造としているので、イオン交換部の交換のために水容器を丸ごと交換する必要があり、取り外す配管が多くなる。また、水位センサなどの継続使用できる機器ごと交換するか、又は水位センサなどを現地で組み替えるなどの作業が発生する。その結果、定期メンテナンスコストが大幅に高くなる。

なお、上記問題を解決するために、水精製器と水タンクとを別々に備え、水精製器の流出口と水タンクの流入口とをゴム製の配管（ゴムホース）を介して接続することが考えられる。しかしながら、このようにゴム製の配管を用いる場合、水精製器の定期交換時にゴム製の配管を取り外す必要がある。また、ゴム製の配管中の不純物の発生による、改質器触媒への劣化物の析出が生じる恐れがある。さらに、水精製器と水タンクとの間に配管が存在するため、複雑且つ大型な構造となる。

特開２０１１−２３１６８号公報

本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、水タンクに対して水精製器を容易に着脱できるとともに、簡易且つ小型な構造でメンテナンス性に優れる燃料電池システムの水精製装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、請求項１に記載の発明は、水精製材及び該水精製材を収容する容器を有する水精製器と、該水精製器で精製された水を貯留する水タンクと、を備える燃料電池システムの水精製装置であって、前記水精製器の前記容器に一体的に形成された流出口は、前記水タンクに一体的に形成された流入口とシール部材を介して着脱自在に連結されることを要旨とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載において、前記水精製器の前記容器は、前記水タンクが取り付けられる取付部に固定される固定部を備え、前記取付部上で前記水タンクに対して前記水精製器を水平方向に移動させることで前記流入口に対して前記流出口が着脱されることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載において、前記水タンクは、該水タンクの内部空間を第１室と第２室とに仕切る仕切堰を備え、前記第１室には前記水タンクの前記流入口が連通していることを要旨とする。

本発明の燃料電池システムの水精製装置によると、水精製器と水タンクとを備え、水精製器の容器に設けられた流出口は、水タンクに設けられた流入口に着脱自在に連結されるので、水精製器の流出口と水タンクの流入口とはゴム製の配管を介在させることなく直結される。この直結構造により、水精製器で精製された水が水タンク内に流通されるとともに、水タンクに対して水精製器が保持される。これにより、水タンクに対して水精製器を容易に着脱することができる。また、ゴム製の配管中の不純物の発生による、改質器触媒への劣化物の析出などがない。さらに、水精製器側のみを定期交換部品として取り扱うことができ、現地で多数の配管を取り外す必要がなく、メンテナンス性に優れる。さらに、水精製器と水タンクとの間に配管が存在しないため、簡易且つ小型な構造とすることができる。
また、前記水精製器の前記容器が、前記水タンクが取り付けられる取付部に固定される固定部を備える場合は、水精製器の流出口と水タンクの流入口との直結構造を利用するとともに取付部に対する水精製器の固定部の固定により、水タンクに対して水精製器が保持される。これにより、生産時の組付け時間及び定期交換時の作業時間が削減されるとともに、部品の簡素化及び低コスト化を図ることができる。
さらに、前記水タンクが、該水タンクの内部空間を第１室と第２室とに仕切る仕切堰を備え、前記第１室に前記水タンクの前記流入口が連通している場合は、水精製器で精製された水は、水精製器の流出口及び水タンクの流入口を介して水タンクの第１室内に流入し仕切堰の上端を乗り越えて第２室内に流入する。そして、第１室と第２室との水位差により第２室内の水が仕切堰の上端を乗り越えて第１室内に逆流することがない。よって、水精製器において水の逆流による水精製材や気泡の舞い上がりが防止される。

本発明について、本発明による典型的な実施形態の非限定的な例を挙げ、言及された複数の図面を参照しつつ以下の詳細な記述にて更に説明するが、同様の参照符号は図面のいくつかの図を通して同様の部品を示す。
実施形態に係る燃料電池システムの概要図である。実施形態に係る水精製装置の平面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。上記水精製装置の分解斜視図である。上記水精製装置の作用を説明するための説明図であり、（ａ）は水精製器の固定部の固定を解除した状態を示し、（ｂ）は水タンクから水精製器を分離した状態を示す。

（１）燃料電池システムの構成
本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、箱状の筐体２、燃料電池モジュール３、排熱回収システム４、インバータ装置５、制御装置６及び水精製装置７を備えている。

上記筐体２は、筐体２内を区画して第１室Ｒ１及び第２室Ｒ２を形成する仕切部材９を備えている。第１室Ｒ１は第１空間を形成し、第２室Ｒ２は第２空間を形成する。仕切部材９は、筐体２を上下に区画する（仕切る）板状部材である。筐体２内には、仕切部材９より上方及び下方に第１室Ｒ１及び第２室Ｒ２が形成される。なお、本実施形態では、仕切部材９を一枚の板状部材で構成したが、仕切部材９を箱状部材で構成してもよく、また、第１室Ｒ１及び第２室Ｒ２をそれぞれ区画する箱状に形成された２つの別部材で構成してもよい。なお、第１室Ｒ１と第２室Ｒ２は、仕切部材１２で区画形成されていなくてもよく、例えばフレームなどで形成されていてもよく、板状の仕切部材９に第１室Ｒ１と第２室Ｒ２とをつなぐ穴が開いていてもよい。

上記燃料電池モジュール３は、第１室Ｒ１内に該第１室Ｒ１の内壁面から空間をおいて収納されている。燃料電池モジュール３は、ケーシング１１及びケーシング１１内に配設される燃料電池１４を少なくとも含んで構成されるものである。本実施形態では、燃料電池モジュール３は、ケーシング１１、蒸発部１２、改質部１３及び燃料電池１４を備えている。

ケーシング１１は、断熱性材料で箱状に形成されている。ケーシング１１は、第１室Ｒ１内に該第１室Ｒ１の内壁面から空間をおいて図示しない支持構造により支持されている。なお、ケーシング１１の全ての面が第１室Ｒ１の内壁面に接していなければよく、ケーシング１１の面（６面）のうちいずれかが第１室Ｒ１の内壁面との間に空間があればよい。ケーシング１１内には、蒸発部１２、改質部１３及び燃料電池１４が配設されている。このとき、蒸発部１２及び改質部１３が燃料電池１４の上方に位置するように配設されている。

蒸発部１２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部１２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部１３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態では天然ガスにて説明する。

この蒸発部１２には、一端（下端）が後述する水タンク３６に接続された給水管１６の他端が接続されている。給水管１６には、改質水ポンプ１６ａが設けられている。改質水ポンプ１６ａは、蒸発部１２に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。

また、蒸発部１２には、燃料供給源（図示省略）からの改質用原料が改質用原料供給管１７を介して供給される。改質用原料供給管１７には、上流から順番に一対の原料バルブ（図示省略）、脱硫器１７ａ、及び原料ポンプ１７ｂが設けられている。原料バルブは改質用原料供給管１７を開閉する電磁開閉弁である。脱硫器１７ａは改質用原料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。原料ポンプ１７ｂは、燃料供給源からの燃料供給量を調整するものである。

改質部１３は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部１２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部１３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（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が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は燃料電池１４の燃料極に導出されるようになっている。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）を含んでいる。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

燃料電池１４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、及び両極の間に介装された電解質からなる複数のセル１４ａが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池１４は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池１４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は７００〜１０００℃程度である。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。この場合、改質部１３は省略することができる。

セル１４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路１４ｂが形成されている。セル１４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路１４ｃが形成されている。

燃料電池１４は、マニホールド１９上に設けられている。マニホールド１９には、改質部１３からの改質ガスが改質ガス供給管２０を介して供給される。燃料流路１４ｂは、その下端（一端）がマニホールド１９の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ２１ａ（カソードエア送出（送風）手段）によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管２１を介して供給され、空気流路１４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。

カソードエアブロワ２１ａは、第２室Ｒ２内に配設されている。カソードエアブロワ２１ａは、第２室Ｒ２内の空気を吸入し燃料電池１４の空気極に吐出するものであり、その吐出量は調整制御（例えば、燃料電池１４の負荷電力量（消費電力量）に応じて制御）されるものである。

燃料電池１４においては、燃料極に供給された燃料と空気極に供給された酸化剤ガスによって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化１及び化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ^２−）が電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路１４ｂ及び空気流路１４ｃからは、発電に使用されなかった改質ガス及び酸化剤ガス（空気）が導出する。

（化１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻

（化２）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻

（化３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−

そして、燃料流路１４ｂ及び空気流路１４ｃから導出した、発電に使用されなかった改質ガスは、燃料電池１４と蒸発部１２（改質部１３）の間の燃焼空間Ｒ３にて、発電に使用されなかった酸化剤ガス（空気）によって燃焼され、その燃焼ガスによって蒸発部１２及び改質部１３が加熱される。さらには、燃料電池モジュール３内を動作温度に加熱している。その後、燃焼ガスは排気口１１ａから燃料電池モジュール３の外に排気される。

上記排熱回収システム４は、貯湯水を貯湯する貯湯槽２３と、貯湯水が循環する貯湯水循環ライン２４と、燃料電池モジュール３からの燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器２５（「凝縮器」とも称される。）と、を備えている。

貯湯槽２３は、１つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽２３の柱状容器の下部には水道水などの水（低温の水）が補給され、貯湯槽２３に貯留された高温の温水が貯湯槽２３の柱状容器の上部から導出されるようになっている。

貯湯水循環ライン２４の一端は貯湯槽２３の下部に、他端は貯湯槽２３の上部に接続されている。貯湯水循環ライン２４上には、一端から他端に向かって順番に貯湯水循環手段である貯湯水循環ポンプ２４ａ、熱交換器２５、及び温度センサ２４ｂが配設されている。貯湯水循環ポンプ２４ａは、貯湯槽２３の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環ライン２４を図示矢印方向へ通水させて貯湯槽２３の上部に吐出するものであり、その流量（送出量）が制御されるようになっている。温度センサ２４ｂは、貯湯水の貯湯槽２３の入口温度を検出するものであり、その検出結果を制御装置６に送信するようになっている。貯湯水循環ポンプ２４ａは、温度センサ２４ｂの検出温度（貯湯水の貯湯槽２３の入口温度）が所定の温度または温度範囲となるように、送出量が制御されるようになっている。

熱交換器２５は、燃料電池モジュール３から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２３からの貯湯水が供給され燃焼排ガスと貯湯水が熱交換する熱交換器である。この熱交換器２５は、筐体２内に配設されている。本実施形態では、熱交換器２５は、燃料電池モジュール３の下部に設けられており、少なくとも熱交換器２５の下部は仕切部材９を貫通して第２室Ｒ２に突出されて配設されている。

熱交換器２５は、ケーシング２５ａを備えている。ケーシング２５ａには、燃焼排ガスが導入される導入口２５ｂ、燃焼排ガスが導出される導出口２５ｃ、及び凝縮された凝縮水が導出される導出口２５ｄが設けられている。ケーシング２５ａ内には、貯湯水循環ライン２４に接続されている熱交換部（凝縮部）２５ｅが配設されている。導入口２５ｂは、燃料電池モジュール３のケーシング１１の下部に設けられ燃焼排ガスが導出される排気口１１ａに連通するようになっている。燃焼排ガスの導出口２５ｃは、排気管２６を介して第１排気口２ａに接続されている。凝縮水の導出口２５ｄは、ケーシング２５ａの底部に形成されている。燃焼排ガスの導出口２５ｃは、凝縮水が燃焼排ガスの導出口２５ｃから導出するのを防止するため、凝縮水の導出口２５ｄより上方に形成されている。

このように構成された熱交換器２５においては、燃料電池モジュール３からの燃焼排ガスは、導入口２５ｂからケーシング２５ａ内に導入され、貯湯水が流通する熱交換部２５ｅを通る際に貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは導出口２５ｃ及び排気管２６を通って第１排気口２ａから外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水の導出口２５ｄ及び凝縮水供給管２７を通って後述する水精製器３５に供給される（自重で落水する）。一方、熱交換部２５ｅに流入した貯湯水は、加熱されて流出される。

また、燃料電池システム１は、換気用空気流路Ｌを備えている。換気用空気流路Ｌは、外部の空気が第２室Ｒ２の空気導入口２ｃから導入され、該第２室Ｒ２及び第１室Ｒ１を流通して第１室Ｒ１の空気導出口２ｂから外部に導出される流路である。この換気用空気流路Ｌ上には、換気用空気を第２室Ｒ２の空気導入口２ｃから第１室Ｒ１の空気導出口２ｂへ向けて流量調整可能に送風する１つの換気用空気ブロワ（送風手段）２８が設けられている。

空気導入口２ｃは、第２室Ｒ２を形成する筐体２に形成されており（第２室Ｒ２に形成されており）、第２室Ｒ２内に外部からの空気を導入する導入口である。空気導出口２ｂは、第１室Ｒ１を形成する筐体２に形成されており（第１室Ｒ１に形成されており）、第１室Ｒ１内の空気（気体）を外部に導出する導出口である。

また、第１室Ｒ１と第２室Ｒ２との間を仕切る仕切部材９には、空気導入口９ａが形成されている。空気導入口９ａは、第２室Ｒ２内の空気（気体）を第１室Ｒ１内に導入する導入口である。本実施形態では、換気用空気ブロワ２８は、空気導入口９ａに設けられている。この換気用空気ブロワ２８は、第２室Ｒ２内の空気を吸い込んで、空気導入口９ａを通して第１室Ｒ１内に送出している。換気用空気ブロワ２８は、空気を第２室Ｒ２の空気導入口２ｃから第１室Ｒ１の空気導出口２ｂへ向けて流量調整可能に送風する。

このように、換気用空気流路Ｌは、空気導入口２ｃと空気導出口２ｂを有し、空気導入口２ｃから空気導入口９ａ経由で空気導出口２ｂまでの第２室Ｒ２内及び第１室Ｒ１内の空間で構成される流路のことである。

換気用空気ブロワ２８の駆動により、第２室Ｒ２内に外部の空気が空気導入口２ｃを通って流入する。第２室Ｒ２内に導入された外部の空気（換気用空気）は、第２室Ｒ２内の空間を、高温となった部材（例えば、インバータ装置５等）との間で熱交換を行いながら（即ち、インバータ装置５等を冷却しながら）仕切部材９の空気導入口９ａに向かって流通する。

第２室Ｒ２内で熱交換されて昇温された空気が、空気導入口９ａを通して第１室Ｒ１内に送出される。第１室Ｒ１内に導入された換気用空気は、第１室Ｒ１の内壁面とケーシング１１と間を、燃料電池モジュール３との間で熱交換を行いながら（すなわち燃料電池モジュール３もしくは筐体２の温度を冷却しながら）空気導出口２ｂに向かって流通する。そして、高温（例えば、４０〜６０℃）となった換気用空気は、空気導出口２ｂから外部に排出される。

上記インバータ装置５は、燃料電池１４から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して交流の系統電源３１及び外部電力負荷３３に接続されている電源ライン３２に出力する第１機能と、系統電源３１からの交流電圧を電源ライン３２を介して入力し所定の直流電圧に変換して補機に出力する第２機能と、を有している。

なお、系統電源（または商用電源）３１は、該系統電源３１に接続された電源ライン３２を介して電力負荷３３に電力を供給するものである。燃料電池１４はインバータ装置５を介して電源ライン３２に接続されている。電力負荷３３は、交流電源で駆動される負荷であり、例えばドライヤ、冷蔵庫、テレビなどの電化製品である。補機は、燃料電池モジュール３に改質用原料、水、空気を供給するためのモータ駆動のポンプ１６ａ，１７ｂ及び換気用空気ブロワ２８などから構成されている。この補機は直流電圧にて駆動されるものである。

インバータ装置５は、電流センサ５ａを備えている。電流センサ５ａは、インバータ装置５から電源ライン３２を介して外部電力負荷３３に出力される電力、及び系統電源３１から電源ライン３２を介してインバータ装置５に入力される電力を検知する。この検知結果は制御装置６に送信されるようになっている。

さらに、電源ライン３２には、電流センサ３２ａが設けられている。この電流センサ３２ａは、インバータ装置５から系統電源３１への逆潮流電力、及び系統電源３１からインバータ装置５への順潮流電力を検知する。この検知結果は制御装置６に送信されるようになっている。

上記制御装置６には、上述した各電流センサ５ａ，３２ａ、各ポンプ２４ａ，１６ａ，１７ｂ、各ブロワ２８，２１ａが接続されている。制御装置６はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、燃料電池システムの運転を実施している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。

この制御装置６は、燃料電池１４が発電可能な状態において、電流センサ５ａにより検知されるインバータ装置５からの出力電力、及び電流センサ３２ａにより検知される系統電源３１に入出する電力に基づいて外部電力負荷３３で消費される消費電力を算出する。例えば、インバータ装置５からの出力電力と系統電源３１に入出する電力との和が消費電力として算出される。制御装置６は、燃料電池１４の発電電力が、算出した消費電力となるように、燃料電池モジュール３に供給する原料、水などの供給量を制御する。なお、消費電力が燃料電池１４の最大発電電力を超える場合には、燃料電池１４は最大発電電力で運転される。

（２）水精製装置の構成
本実施形態に係る水精製装置７は、図２及び図３に示すように、熱交換器２５（図１参照）で生成される凝縮水を精製する水精製器３５（「浄水器」又は「純水器」とも称される。）と、この水精製器３５で精製された水を貯留する水タンク３６と、を備えている。これら水精製器３５及び水タンク３６は、筐体２の底側を構成するベースプレート３７（本発明に係る「取付部」として例示する。）上に隣接して設置されている。

上記水精製器３５は、多数の粒状の活性炭及びイオン交換樹脂からなる水精製材３８と、この水精製材３８を充填収容する容器３９と、を備えている。この容器３９は、上方を開放してなる有底円筒状で樹脂製の容器本体３９ａと、この容器本体３９ａの上方開放部を閉鎖する樹脂製の蓋部材３９ｂと、を備えている。

容器本体３９ａの下部には、水平方向に延びる管状の流出口４１が一体的に形成されている。この流出口４１は、容器本体３９ａの内部空間に連通しており、精製された水を容器３９の外部に流出させる通路をなす。また、流出口４１の外周側には、環状の凹部が形成され、この凹部には環状のシール部材４１ａが嵌装されている。また、容器本体３９ａ内の底部には、水精製材３８の底面側を塞ぐようにフィルタ４２が設けられている。さらに、容器本体３９ａの底部には、ベースプレート３７上に載置される脚部４３が設けられている。この脚部４３の外周側には、ネジ４４によりベースプレート３７に固定される平板状の固定部４５が設けられている（図４参照）。

蓋部材３９ｂは、キャップ状に形成されている。この蓋部材３９ｂの内周側には、球心方向に突出するフック部４６が形成されている（図３参照）。このフック部４６は、容器本体３９ａの上部外周側に形成された環状の凹部４７に係止され、容器本体３９ａに対して蓋部材３９ｂが固定されている。さらに、上記蓋部材３９ｂの中央部には、凝縮水供給管２７（図１参照）の一端側が接続される垂直方向に延びる管状の流入口４８が設けられている。この流入口４８は、熱交換器２５からの凝縮水を容器３９の内部に流入させる通路をなす。

上記水タンク３６は、上方を開放してなる箱状で樹脂製のタンク本体３６ａと、このタンク本体３６ａの上方開放部を閉鎖する平板状で樹脂製の蓋部材３６ｂと、を備えている。このタンク本体３６ａ内には、水タンク３６の内部空間を小容量の第１室Ｓ１と大容量の第２室Ｓ２とに平面方向に仕切る横断面略Ｕ字状の仕切堰５１が設けられている。

タンク本体３６ａの一側壁の下部には、水平方向に延びる管状の流入口５２が一体的に形成されている。この流入口５２は、第１室Ｓ１に連通しており、水精製器３５で精製された水を第１室Ｓ１内に流入させる通路をなす。また、流入口５２の内周側には、シール部材４１ａを介して水精製器３５の流出口４１が挿脱自在に連結されている。また、タンク本体３６ａの一側壁の下部には、水平方向に延びる管状の流出口５３が一体的に形成されている。この流出口５３は、第２室Ｓ２に連通しており、第２室Ｓ２内に貯留された水を水タンク３６の外部に流出させる通路をなす。また、流出口５３の先端側には、給水管１６（図１参照）の一端側が接続される。さらに、タンク本体３６ａの一側壁の上部には、水平方向に延びる管状の排水口５４（「オーバーフローポート」とも称される。）が一体的に形成されている。この排水口５４は、第２室Ｓ２に連通しており、第２室Ｓ２の水位が予め設定された管理水位ｈ２を超過したときに過剰の水を水タンク３６の外部に排出させる通路をなす。

仕切堰５１は、その上端５１ａが排水口５４の開口の下端５４ａより高くなるように設けられている（図３参照）。よって、第１室Ｓ１の水位ｈ１は、常時第２室Ｓ２の水位ｈ２より高くなる。また、仕切堰５１は、その上端５１ａが水精製器３５の容器３９に収容された水精製材３８の上端３８ａより高くなるように設けられている。よって、水精製器３５内の水位ｈ３（すなわち、第１室Ｓ１の水位ｈ１）が水精製材３８の上端３８ａより高くなり、水精製材３８は常時水に浸かった状態に維持される。

タンク本体３６ａの下部には、ベースプレート３７上に載置される脚部５６が設けられている。この脚部５６の外周側には、ネジ５７によりベースプレート３７に固定される複数（図中２つ）の平板状の固定部５８が設けられている（図４参照）。また、蓋部材３６ｂの中央部には、水タンク３６内の水量を検出する水量センサ（水位センサ）５９が設けられている。この水量センサ５９は、制御装置６に検出信号を送信するようになっている。なお、水量センサ５９としては、例えば、フロート式、静電容量式などの水位計を採用できる。

（３）水精製装置の作用
次に、上記構成の水精製装置７の作用について説明する。燃料電池システム１の稼働時には、燃料電池モジュール３から排気される燃焼排ガスが熱交換器２５に供給されて凝縮され、貯凝縮水供給管２７を介して熱交換器２５で生成される凝縮水が水精製器３５に供給され、水精製器３５で凝縮水が精製されて純水化される（図１参照）。その精製された水は、水精製器３５の流出口４１及び水タンク３６の流入口５２を通って水タンク３６の第１室Ｓ１内に流入し、仕切堰５１の上端を乗り越えて、すなわち仕切堰５１の上端をオーバーフローして水タンク３６の第２室Ｓ２内に流入する（図３参照）。そして、第２室Ｓ２内の水は、給水管１６を介して燃料電池モジュール３に供給される（図１参照）。なお、第２室Ｓ２の水位は、燃料電池モジュール３に供給する水量に応じて変動する。

一方、水精製器３５を定期交換する場合には、図５（ａ）に示すように、水精製器３５の固定部４５からネジ４４を取り外してベースプレート３７に対する水精製器３５の固定を解除する。その後、図５（ｂ）に示すように、水タンク３６に対して水精製器３５を水平方向に離間させて流入口５２から流出口４１を抜き出せば、水タンク３６に対して水精製器３５が分離される。その後、新規の水精製器３５を用意し、上述の分離作用と逆の手順により、新規の水精製器３５の流出口４１を水タンク３６の流入口５２に挿着し、ネジ４４により水精製器３５の固定部４５をベースプレート３７に固定すれば、定期交換作業が完了することとなる。

（４）実施形態の効果
以上より、本実施形態の燃料電池システム１の水精製装置７によると、水精製器３５と水タンク３６とを備え、水精製器３５の容器３９に設けられた流出口４１は、水タンク３６に設けられた流入口５２に着脱自在に連結されるので、水精製器３５の流出口４１と水タンク３６の流入口５２とはゴム製の配管を介在させることなく直結される。この直結構造により、水精製器３５で精製された水が水タンク３６内に流通されるとともに、水タンク３６に対して水精製器３５が保持される。これにより、水タンク３６に対して水精製器３５を容易に着脱することができる。また、ゴム製の配管中の不純物の発生による、改質器触媒への劣化物の析出などがない。さらに、水精製器３５側のみを定期交換部品として取り扱うことができ、現地で多数の配管を取り外す必要がなく、メンテナンス性に優れる。さらに、水精製器３５と水タンク３６との間に配管が存在しないため、簡易且つ小型な構造とすることができる。

また、本実施形態では、水精製器３５と水タンク３６とを別々に備えるため、水タンク３６で比較的大量の水を貯留することができ、燃料電池１４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）させる水回収方式に好適に利用することができる。これに対して、上記特許文献１の技術では、水精製機能と貯水機能とを一体構造としているので、水容器で比較的大量の水を確保することが難しく、改質に必要な水を完全循環させる水回収方式には不向きである。

また、本実施形態では、水精製器３５の容器３９は、水タンク３６が取り付けられるベースプレート３７に固定される固定部４５を備えるので、水精製器３５の流出口４１と水タンク３６の流入口５２との直結構造を利用するとともにベースプレート３７に対する水精製器３５の固定部４５の固定により、水タンク３６に対して水精製器３５が保持される。これにより、生産時の組付け時間及び定期交換時の作業時間が削減されるとともに、部品の簡素化及び低コスト化を図ることができる。

さらに、本実施形態では、水タンク３６は、水タンク３６の内部空間を第１室Ｓ１と第２室Ｓ２とに仕切る仕切堰５１を備え、第１室Ｓ１に水タンク３６の流入口５２が連通しているので、水精製器３５で精製された水は、水精製器３５の流出口４１及び水タンク３６の流入口５２を介して水タンク３６の第１室Ｓ１内に流入し仕切堰５１の上端５１ａを乗り越えて第２室Ｓ２内に流入する。そして、第１室Ｓ１と第２室Ｓ２との水位差により第２室Ｓ２内の水が仕切堰５１の上端５１ａを乗り越えて第１室Ｓ１内に逆流することがない。よって、水精製器３５において水の逆流による水精製材３８や気泡の舞い上がりが防止される。特に、本実施形態では、仕切堰５１は、その上端５１ａが排水口５４の開口の下端５４ａより高くなるように設けられているので、第１室Ｓ１内の水位が常時第２室Ｓ２内の水位より高くなり、水位の管理を確実に実施できる。仕切堰５１が設けられるため、水精製器３５の交換時、水精製器側の水抜きを行う際に、水タンク３６側の水が保持される状態となり、水精製器と分離することが容易となる。水精製器タンク３６側の水を排出する作業が不要であるため、交換後の純水投入量を少なくすることが出来、現地へ持参する純水の容量を少なくすることと、水精製器の交換時間を短くすることができるメリットがある。

また、本実施形態では、仕切堰５１は、その上端５１ａが水精製器３５の容器３９に収容された水精製材３８の上端３８ａより高くなるように設けられているので、水精製器３５内の管理水位ｈ３が水精製材３８の上端３８ａより高くなり、水精製材３８は常時水に浸かった状態に維持される。よって、水精製材３８の乾燥等による劣化が抑制される。

また、本実施形態では、水精製器３５の容器３９の上部に、熱交換器２５からの凝縮水を容器３９内に流入する流入口４８が設けられているので、水精製器３５での水精製材３８や気泡の舞い上がりが更に確実に抑制される。

さらに、本実施例では、水精製器３５の容器３９の下部に管状の流出口４１が設けられ、水タンク３６の下部に管状の流入口５２が設けられ、流出口４１及び流入口５２を挿脱自在に連結したので、水タンク３６に対して水精製器３５を更に容易に保持できるとともに、流出口４１及び流入口５２の管長さを必要最小源として更に簡易且つ小型な構造とすることができる。

尚、本発明においては、上記実施形態に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施形態とすることができる。即ち、上記実施形態では、管状の流出口４１及び流入口５２を挿脱自在に連結するようにしたが、これに限定されず、例えば、水精製器３５及び水タンク３６のうちの一方に設けた穴状の流出口又は流入口と、他方に設けた管状の流入口又は流出口を挿脱自在に連結するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、直線状に延びる管状の流出口５２及び流入口４１を例示したが、これに限定されず、例えば、Ｌ字、Ｕ字等の屈曲管状の流出口や流入口としてもよい。

また、上記実施形態では、流入口５２の内周側に流出口４１の外周側を挿脱自在に連結するようにしたが、これに限定されず、例えば、流入口５２の外周側に流出口４１の内周側を挿脱自在に連結するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、容器本体３９ａに一体的に形成される流出口４１、及びタンク本体３６ａに一体的に形成される流入口５２を例示した。参考例として、例えば、容器本体３９ａに後付けされる流出口とする形態、タンク本体３６ａに後付けされる流入口とする形態が挙げられる。

また、上記実施形態では、樹脂製の容器本体３９ａ及びタンク本体３６ａを例示したが、これに限定されず、例えば、金属製の容器本体３９ａやタンク本体３６ａとしてもよい。

また、上記実施形態では、取付部として、筐体２の底側を構成するベースプレート３７を例示したが、これに限定されず、例えば、筐体３内の高さ方向の中間部に配設される支持枠や支持台を取付部としてもよい。

また、上記実施形態では、ネジ止めにより水精製器３５の固定部４５及び水タンク３６の固定部５８をベースプレート３７に固定するようにしたが、これに限定されず、例えば、固定部４５、５８をベースプレート３７に形成された溝部に差し込んで固定したり、固定部４５、５８に形成されたフック部をベースプレート３７に形成された係止部に係止して固定したり、固定部４５、５８をクランプ機構を用いてベースプレート３７に固定したりしてもよい。

また、上記実施形態では、水タンク３６の内部空間を２室に仕切る仕切堰５１を設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、水タンク３６の内部空間を３室以上に仕切る仕切堰を設けるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、水タンク３６に給水管１６の一端側が接続される流出口５３を設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、水タンク３６に流出口５３を設けずに、水タンク３６の第２室Ｓ２内に給水管１６の一端側を配置してもよい。

また、上記実施形態では、水精製材３８として、活性炭及びイオン交換樹脂の混合物を例示したが、これに限定されず、例えば、活性炭及びイオン交換樹脂のうちの一方のみを採用したり、活性炭やイオン交換樹脂に替えて又は加えて、逆浸透膜やフィルタを採用したりしてもよい。

また、上記実施形態では、水精製器３５全体を定期交換するようにしたが、これに限定されず、例えば、水精製材３８のみを定期交換するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、熱交換器２５からの凝縮水を精製して貯留する水精製装置７を例示したが、これに限定されず、熱交換器２５からの凝縮水に替えて又は加えて、水道水等を精製して貯留する水精製装置としてもよい。

さらに、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池システムに用いられる水精製装置７を例示したが、これに限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池システム等に用いられる水精製装置としてもよい。

燃料電池システムで使用される水を精製して貯留する技術として広く利用される。特に、熱交換器からの凝縮水を精製して貯留する技術として好適に利用される。

１；燃料電池システム、７；水精製装置、３５；水精製器、３６；水タンク、３７；ベースプレート、４１；流出口、４５；固定部、５１；仕切堰、５２；流入口、Ｓ１；第１室、Ｓ２；第２室。

Claims

水精製材及び該水精製材を収容する容器を有する水精製器と、該水精製器で精製された水を貯留する水タンクと、を備える燃料電池システムの水精製装置であって、
前記水精製器の前記容器に一体的に形成された流出口は、前記水タンクに一体的に形成された流入口とシール部材を介して着脱自在に連結されることを特徴とする燃料電池システムの水精製装置。
前記水精製器の前記容器は、前記水タンクが取り付けられる取付部に固定される固定部を備え、
前記取付部上で前記水タンクに対して前記水精製器を水平方向に移動させることで前記流入口に対して前記流出口が着脱される請求項１記載の燃料電池システムの水精製装置。
前記水タンクは、該水タンクの内部空間を第１室と第２室とに仕切る仕切堰を備え、前記第１室には前記水タンクの前記流入口が連通している請求項１又は２に記載の燃料電池システムの水精製装置。