不純物分離装置および燃料電池システム
【課題】動力を必要とせず、不純物としての微粒子及び気泡を効果的且つ経済的に除去して、例えば、自立型の燃料電池システムにおける水の循環回路に使用できる不純物分離装置およびこの不純物分離装置を備えた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】処理対象水Ｗ１から不純物Ｍを分離して精製水Ｗ２を製造する不純物分離装置２と、その下流側に接続された精密ポンプ７とを備え、その精密ポンプ７はポンプ室７ｅの容積を増減させる往復移動体とポンプ室７ｅの内壁面とが摺動する摺動部７ｆを有し、分離用流路６ｂを処理対象水Ｗ１が水流入口６ｃから水流出口６ｄに向けて流れる状態で、微粒子Ｍ１が気泡滞留室仕切板６ｇから沈降して容器６ａの底部６ｈに到達する時間において、水流入口６ｃから水流出口６ｄへの流れ方向において微粒子Ｍ１が到達する到達位置が、水流出口６ｄより流れ方向の上流側に設定されている。
【解決手段】処理対象水Ｗ１から不純物Ｍを分離して精製水Ｗ２を製造する不純物分離装置２と、その下流側に接続された精密ポンプ７とを備え、その精密ポンプ７はポンプ室７ｅの容積を増減させる往復移動体とポンプ室７ｅの内壁面とが摺動する摺動部７ｆを有し、分離用流路６ｂを処理対象水Ｗ１が水流入口６ｃから水流出口６ｄに向けて流れる状態で、微粒子Ｍ１が気泡滞留室仕切板６ｇから沈降して容器６ａの底部６ｈに到達する時間において、水流入口６ｃから水流出口６ｄへの流れ方向において微粒子Ｍ１が到達する到達位置が、水流出口６ｄより流れ方向の上流側に設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下流側に備えられるポンプにより発生される吸引力により、処理対象水を水流入口から容器内に設けられた分離用流路に吸引して、当該分離用流路において不純物を分離して精製水として水流出口から流出する不純物分離装置およびこの不純物分離装置を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１、特許文献２には、水蒸気改質に使用された水分、燃料電池から発生する水分等を回収するとともに、気液分離し、分離後の水から不純物を除去し、改質器に戻す燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、燃料電池により発生する水等を利用する目的から、システム内に水の循環回路が形成されるとともに、その循環回路内に不純物分離装置を設けて清浄水が循環回路を循環するようにしている。特許文献１、特許文献２に開示の燃料電池システムでは、気液分離装置の下流側に循環用のポンプを備え、水を、気液分離装置−不純物分離装置−改質器−燃料電池に亘って循環している。
この種のポンプとして、通常、流量及びその精度の関係から、所謂、精密ポンプが採用される。
【０００３】
燃料電池システムにおいて、水から分離すべき不純物としては、特許文献１、２に記載のイオンの他、例えば、改質器内に充填されている改質触媒から発生することがあるアルミナ粉等がある。このようなアルミナ粉は、粒子径０．１ｍｍ以下の微粒子である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２９８８９４号公報
【特許文献２】特開２００５−３１７３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の水処理分野における水中の微粒子の除去方法としては、凝集剤添加による凝集沈殿法や、遠心分離法（デカンター法）、流体動圧遠心法（サイクロン法）さらに、容積フィルターやろ過塔などで除去する方法が知られている。
しかしながら、従来知られていたこれら水処理方法は、例えば、燃料電池システムに採用しようとした場合、それぞれ以下の課題がある。
【０００６】
凝集沈殿法では、清浄水中に凝集剤を添加することとなるため、水がイオン化合物などを含まない「清浄水」で無くなる。
遠心分離法では動力が必要であり、装置も高価であるため経済的でない。
流体動圧遠心法では、液体の場合、微粒子の分離には大流量の水を循環する必要があり、装置が大型となるため経済的でない。
また、前記それぞれの方法では、清浄水中の気泡や、清浄水より比重の小さい異物を除去できない。
水中の異物（これまで説明してきた微粒子を含む）や、気泡が除去できないと、特に、回転もしくは往復運動などを行う精密ポンプの構造が固体同士の摺り合わせの構造を有する場合、微粒子の噛みこみによる故障が生じたり、メカニカルシールの場合は、寿命を減損したり、磨耗等でシール性が低下する。
また、燃料電池システムにおいては、気泡溜りによるポンプの流量制御が乱れ、安定運転できなくなる。
【０００７】
さらに、フィルターや、ろ過塔方式では、微粒子が小さくなるほど一般的に圧力損失が大きく、フィルターや、ろ過材が目詰まりするに従い、さらに圧力損失が大きくなって、ポンプ吸い込み側においてポンプにおいてキャビテーションが発生し、水の供給ができなくなって、システムが停止してしまう運転上の課題や、定期的に交換する必要が発生するなど経済的にも課題が発生する。
【０００８】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、それ自体としては、動力を必要とせず、不純物としての微粒子及び気泡を効果的且つ経済的に除去して、例えば、自立型の燃料電池システムにおける水の循環回路に使用できる不純物分離装置およびこの不純物分離装置を備えた燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明に係る不純物分離装置は、下流側に備えられるポンプにより発生される吸引力により、処理対象水を水流入口から容器内に設けられた分離用流路に吸引して、当該分離用流路において不純物を分離して精製水として水流出口から流出する不純物分離装置であって、その特徴構成は、
前記ポンプが、ポンプ室の容積を増減させる回転体または往復移動体と当該ポンプ室の内壁面とが摺動する摺動部を有する精密ポンプであり、
前記分離用流路の下部に、前記水流入口が設けられるとともに、
前記分離用流路の上側に、気泡滞留室仕切板を介して前記水流入口から上昇した気泡が進入して分離される気泡滞留室を設け、
前記分離用流路を流れる処理対象水内を微粒子が沈降して容器の底部に分離されるように構成され、
前記分離用流路を処理対象水が前記水流入口から前記水流出口に向けて流れる状態で、
前記微粒子が前記気泡滞留室仕切板から沈降して前記容器の底部に到達する時間において、前記水流入口から前記水流出口への流れ方向において前記微粒子が到達する到達位置が、前記水流出口より前記流れ方向の上流側に設定されている点にある。
【００１０】
上記特徴構成によれば、下流側に備えられるポンプにより発生される吸引力により、処理対象水を水流入口から容器内に設けられた分離用流路に吸引して、その分離用流路において不純物を分離して精製水として水流出口から流出するので、容器内において、処理対象水を流動させるための動力を設ける必要がなく、容器を簡単な構成とすることができる。そして、ポンプは水流出口から流出した不純物が分離された精製水を吸入するので、微粒子の摺動部への噛み込みによって回転体または往復移動体の動作が困難となることによる動作不良や、気泡のポンプ室への流入によって精密ポンプが機能しなくなる所謂エアーロックという現象による動作不良の発生を防止することができる。これにより、精製水を水消費手段に安定して供給することができる。
【００１１】
また、容器内において、分離用流路の下部には、水流入口が設けられるとともに、分離用流路を流れる処理対象水内を微粒子が沈降して容器の底部に分離されるように構成されているので、容器の底部に近接する水流入口から処理対象水が流入するので、処理対象水より比重の大きい微粒子を、速やかに容器の底部に沈降して分離させることができる。
一方、分離用流路の上側に、気泡滞留室仕切板を介して水流入口から上昇した気泡が進入して分離される気泡滞留室が設けられているので、処理対象水より比重の小さい気泡を、比重差を利用して分離用流路の上部に設けられた気泡滞留室に滞留させるとともに、分離されて気泡滞留室に滞留している気泡が、再び分離用流路を流れる処理対象水に混入することを気泡滞留室仕切板により防止することができる。
【００１２】
また、水流入口から容器内に流入した処理対象水に含まれる微粒子が、そのまま容器の底部に沈降せずに、その処理対象水に含まれる気泡に付着して容器上部の気泡滞留室仕切板付近まで浮上することがあるが、この場合においても、分離用流路を処理対象水が流れる状態で、微粒子が気泡滞留室仕切板から沈降して容器の底部に到達する時間において、水流入口から水流出口への処理対象水の流れ方向において微粒子が到達する到達位置が、水流出口より流れ方向の上流側に設定されているので、分離用流路内において、最大限、微粒子が浮上したとしても、流れ方向において到達位置に到達するまでには、浮上した微粒子が沈降して容器の底部に到達して分離される。その結果、その到達位置より下流側に位置する水流出口には、微粒子が到達することは実質的にない。これにより、水流入口から容器に流入して気泡に付着せずにそのまま沈降する微粒子のみならず、気泡とともに容器上部の気泡滞留室まで一度浮上してしまった微粒子についても分離用流路内で分離することができ、水流出口から不純物としての気泡と微粒子とが分離された精製水が流出される。よって、動力を必要とせず、処理対象水の気泡及び微粒子を確実かつ同時に分離して、下流側に設けられた精密ポンプに動作不良が発生することを防止することができ、安定して精製水を供給することが可能となる。
【００１３】
本発明に係る不純物分離装置の更なる特徴構成は、前記容器は円筒状の形状とされ、前記容器の径方向中心部に前記水流入口が配設されるとともに、前記容器の外周側面に前記水流出口が配設され、
前記容器の内部において前記分離用流路を形成する流路仕切板は、前記容器と同心の渦巻き状を成して設けられ、前記分離用流路が渦巻き状を成す点にある。
【００１４】
上記特徴構成によれば、円筒状の容器の径方向中心部に水流入口が配設されるとともに、その容器の外周側面に水流出口が配設されて、容器内には渦巻き状の分離用流路が形成されているので、分離用流路を円筒状の容器中心部から容器外周側面まで渦巻き状に長く形成することができる。また、直線状の分離用流路を形成するときに比べて、容器をコンパクトに形成することができる。
【００１５】
本発明に係る不純物分離装置の更なる特徴構成は、前記気泡滞留室に滞留する前記気泡の滞留量を検知する気泡検知手段を備え、前記気泡の滞留量が所定の滞留量となると、前記滞留した前記気泡を前記容器の外部に排出する気泡排出弁を備えた点にある。
【００１６】
上記特徴構成によれば、気泡滞留室に滞留した気泡の滞留量が所定の滞留量となると、滞留した気泡が容器の外部に排出されるので、処理対処水から分離されて気泡滞留室に滞留する気泡が、再度処理対処水に混入することを防止することができる。これにより水流出口から気泡が混入した精製水が流出されることを防止して、下流側に設けられた精密ポンプに動作不良が発生することを防止することができ、安定して水消費手段に精製水を供給することができる。
【００１７】
本発明に係る不純物分離装置の更なる特徴構成は、前記容器の底部に沈降して滞留する前記微粒子の滞留量を検知する微粒子検知手段を備え、前記微粒子の滞留量が所定の滞留量となると、前記滞留した前記微粒子を前記容器の外部に排出する微粒子排出弁を備えた点にある。
【００１８】
上記特徴構成によれば、容器の底部に沈降して滞留した微粒子の滞留量が所定の滞留量となると、滞留した微粒子が容器の外部に排出されるので、処理対処水から分離されて容器の底部に滞留した微粒子が、再度処理対処水に混入することを防止することができる。これにより水流出口から微粒子が混入した精製水が流出されることを防止して、下流側に設けられた精密ポンプに動作不良が発生することを防止することができ、安定して水消費手段に精製水を供給することができる。
【００１９】
本発明に係る燃料電池システムの特徴構成は、上記記載の不純物分離装置と、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器と、当該改質器を加熱するための改質バーナと、前記改質ガスによって発電を行う燃料電池と、前記改質バーナの燃焼において発生した燃焼排ガスおよび前記燃料電池から排出された排出ガスの少なくとも一方に含まれる水分を凝縮させた凝縮水を回収する水回収器とを備え、
前記凝縮水が前記不純物分離装置に流入可能に構成されて、前記凝縮水を前記処理対象水として、前記不純物分離装置によって前記不純物が分離されるとともに、前記不純物が分離された前記精製水が、前記水蒸気改質のための水蒸気を発生させる水蒸気改質用の水として、前記精密ポンプを介して水消費手段としての前記改質器または前記改質器に接続された蒸気発生器に供給される燃料電池システムした点にある。
【００２０】
上記特徴構成によれば、改質器より改質ガスの供給をうける燃料電池から排出された排出ガスから、水回収器が凝縮水を回収して、その凝縮水が改質器または改質器に接続された蒸気発生器に供給されるように構成されて、システム内で水が循環されるように構成されている。これにより、システムに外部から水を供給する必要がなくなるので、水供給設備を設ける必要がなくシステムの簡略化が可能になるとともに、システムの設備コストおよび運転コストを削減することができる。また、水回収器において回収された凝縮水が、不純物分離装置に流入可能に構成されているので、例えば、改質器の改質触媒の担体から発生した微粒子、改質触媒や燃料電池における触媒または電極触媒から発生した微粒子、および、凝縮水に混入した気泡が、その不純物分離装置によって分離されるので、その下流側に設けられた精密ポンプに不純物が流入することはない。よって、水回収器において回収した凝縮水を改質器または改質器に接続された蒸気発生器に供給しつつ、システム内で水を安定して循環させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの概略図。
【図２】本実施形態に係る不純物分離装置およびポンプの横断面図。
【図３】本実施形態に係る不純物分離装置の縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に図面を参照して本願発明に係る燃料電池システムについて説明する。
図１に示すのは、本願発明に係る燃料電池システム１の実施形態を示す図である。この燃料電池システム１は、凝縮水Ｗ１に含まれる不純物Ｍを分離する不純物分離装置２と、都市ガスなどの原料ガスＦを水蒸気改質して改質ガスＧを生成する改質器３と、改質器３を加熱するための改質器バーナ３ａと、その改質器３にて生成した改質ガスＧによって発電を行う燃料電池４と、改質器バーナ３ａの燃焼において発生した燃焼排ガスＥ２および燃料電池４から排出された排出ガスＥ１に含まれる水分を凝縮させた凝縮水Ｗ１を回収する気液分離器である水回収器５とを備えている。
【００２３】
水回収器５として、排出ガス用水回収器５１および燃焼排ガス用水回収器５２とを備えており、それぞれの水回収器５で回収された凝縮水Ｗ１が不純物分離装置２に流入するように構成されて、凝縮水Ｗ１を処理対象水として、不純物分離装置２によって不純物Ｍが分離されるとともに、不純物Ｍが分離された精製水Ｗ２が、水蒸気改質のための水蒸気Ｖを発生させる水蒸気改質用の水として、精密ポンプ７を介して水消費手段としての改質器３に接続された蒸気発生器８に供給される構成とされている。
【００２４】
また、図１に示した燃料電池システム１の実施形態においては、上述の本願発明に係る燃料電池システム１の構成に加えて、原料ガスＦの脱硫を行って改質器３に供給する脱硫器９と、改質器３によって改質された改質ガスＧに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成する一酸化炭素変成器１０と、一酸化炭素除去器１１を通過した改質ガスＧ中に微量に含まれる一酸化炭素を選択酸化又は選択メタン化して、改質ガスＧに含まれる一酸化炭素濃度を更に低減させる一酸化炭素除去器１１とが設けられており、これによって、一酸化炭素濃度が除去された改質ガスＧが燃料電池４に供給されている。
【００２５】
次に、図２および図３に基づいて本願発明に係る不純物分離装置２について説明する。
図２は、本実施形態に係る不純物分離装置２の横断面図であり、図３は、本実施形態に係る不純物分離装置２の縦断面図である。
不純物分離装置２は、水回収器５で回収された凝縮水Ｗ１から、不純物Ｍを分離して精製水Ｗ２を流出する構成とされている。つまり、不純物分離装置２の下流側に備えられる精密ポンプ７により発生される吸引力により、凝縮水Ｗ１を水流入口６ｃから分離容器６ａ（容器に相当）内に設けられた分離用流路６ｂに吸引して、分離用流路６ｂにおいて不純物Ｍを分離して精製水Ｗ２として水流出口６ｄから流出して、その精製水Ｗ２を蒸気発生器８に供給されるように構成されている
【００２６】
図２に示すように、精密ポンプ７はプランジャポンプとされおり、その内部において、筒状のシリンダ７ｃを有し、この一方側からモータ（図示せず）の回転に伴ってシリンダ７ｃ内を往復運動してポンプ室７ｅの容積を増減させるプランジャ７ｄ（往復移動体に相当）が摺動自在に収納されている。ポンプ室７ｅは、このシリンダ７ｃの他方側とプランジャ７ｄとで形成された空間とされて、このポンプ室７ｅと連通する吸入口７ａと吐出口７ｂが設けられている。吸入口７ａに配置された吸入側バルブ７１と、流出口とに配置された吐出側バルブ７２とが設けられて、これによって、プランジャ７ｄがシリンダ７ｃ内を往復運動することで、吸入口７ａから吸入された精製水Ｗ２がポンプ室７ｅを経て吐出口７ｂから吐出されるように構成されている。また、この往復運動によってポンプ室７ｅの内壁面であるシリンダ表面とポンプ室７ｅを構成するプランジャ７ｄの外周面とが摺動する摺動部７ｆを有する構成とされている。なお、プランジャ７ｄおよびシリンダ７ｃの材質は、例えば、セラミック、カーボン、金属合金またはそれらの混合材質とされ、最大吐出量が１×１０4ｍｍ3／ｍｉｎ以下である比較的小型の精密ポンプ７とされている。
【００２７】
ここで、不純物Ｍとしての微粒子Ｍ１と気泡Ｍ２が精密ポンプ７に与える影響について述べる。微粒子Ｍ１は、例えば、改質器３の改質触媒のアルミナ担体から発生して凝縮水Ｗ１に混入しているアルミナ粒子とされる。アルミナ粒子は硬度が非常に高く、精密ポンプ７のシリンダ７ｃとプランジャ７ｄとの間に形成される摺動部７ｆ（シリンダ７ｃとプランジャ７ｄとの隙間部分）に入り込んで、微粒子Ｍ１としてのアルミナ粒子の硬度と同じかそれよりも低い硬度の材質で構成されたシリンダ７ｃおよびプランジャ７ｄにダメージを与える。そして、ダメージを与える微粒子Ｍ１の粒子径は、摺動部７ｆであるシリンダ７ｃとプランジャ７ｄとの隙間の大きさによって異なるものとなるが、例えば、直径５μｍ程度の微粒子Ｍ１である場合は、シリンダ７ｃとプランジャ７ｄとの摺動部７ｆに進入して、プランジャ７ｄの表面やシリンダ７ｃの表面にダメージを与え、精密ポンプ７に動作不良が発生することとなる。
【００２８】
一方、気泡Ｍ２は、凝縮水Ｗ１中に混入している空気等の気体、および、凝縮水Ｗ１に溶存している二酸化炭素などの溶存成分の析出によって発生する気体等で構成されるものである。気泡Ｍ２については、比較的大きい気泡Ｍ２が精密ポンプ７に流入してポンプ室７ｅ内に滞留すると、プランジャ７ｄが往復に伴って、ポンプ室７ｅ内に滞留する気泡Ｍ２が膨張、圧縮する状態となり、このため凝縮水Ｗ１の吸込・吐出が不能になる所謂エアーロックという現象を生じ、精密ポンプ７に動作不良が発生することとなる。
従って、これらの不純物Ｍが不純物分離装置２によって分離されて、その下流側に設けられた精密ポンプ７に流入されることが防止されている。
【００２９】
不純物分離装置２の分離容器６ａは円筒状の形状とされている。そして、その分離容器６ａ内に、不純物Ｍとしての微粒子Ｍ１及び気泡Ｍ２を分離する分離用流路６ｂと、この分離用流路６ｂに凝縮水Ｗ１が流入する水流入口６ｃと、凝縮水Ｗ１から不純物Ｍが分離された精製水Ｗ２が流出する水流出口６ｄとを備えている。水流入口６ｃは、分離容器６ａの径方向中心部且つ底部６ｈに近接する分離用流路６ｂの下部の位置に配設されるとともに、水流出口６ｄが分離容器６ａの外周側面６ｅに配設されており、分離容器６ａの内部において分離用流路６ｂを形成する流路仕切板６ｆは、分離容器６ａと同心の渦巻き状をなして設けられ、分離用流路６ｂが渦巻き状を成して構成されている。
【００３０】
具体的には、水回収器５から不純物分離装置２に凝縮水Ｗ１を供給する凝縮水供給管１２が、分離容器６ａの上部から上板の径方向中心部を貫通して、分離容器６ａの内部において底部６ｈに近接する分離用流路６ｂの下部の位置まで下方に延びるようにして設けられて、その凝縮水供給管１２の先端に水流入口６ｃが形成されている。また、分離容器６ａの分離用流路６ｂにおいて、凝縮水供給管１２の外側周囲の分離用流路６ｂにおける流路部分が気泡上昇流路６ｂａとされて、これによって、気泡Ｍ２は分離用流路６ｂの上部に設けられた後述する気泡滞留室６１まで導かれる。また、水流出口６ｄは、分離容器６ａの上下方向においては、外周側面６ｅの底部６ｈから沈降した微粒子Ｍ１が滞留するために必要となる高さより上方の位置に設けられるとともに、周方向においては、渦巻き状の流路仕切板６ｆの外側先端が分離容器６ａの側面内壁に当接しつつ接合されている付近に設けられている。
なお、分離容器６ａは、その内部が大気圧以下になっても、大気中の空気が容器内に吸入されることのないように気密性を保つことができる構造とされて、さらに、容器内が大気圧以下になることで、容器が変形することのないように耐圧性を備えた構造とされている。
【００３１】
また、分離用流路６ｂは、分離用流路６ｂの上側に、気泡滞留室仕切板６ｇを介して水流入口６ｃから上昇した不純物Ｍとしての気泡Ｍ２が進入して分離される気泡滞留室６１を設け、分離用流路６ｂを流れる凝縮水Ｗ１内を不純物Ｍとしての微粒子Ｍ１が沈降して分離容器６ａの底部６ｈに分離される構成とされる。
【００３２】
そして、気泡滞留室６１に滞留した気泡Ｍ２の滞留量を検知する気泡検知手段６１ａを備えるとともに、滞留した気泡Ｍ２を分離容器６ａの外部に排出する気泡排出管６１ｂおよび気泡排出弁６１ｃを備えている。気泡検知手段６１ａはレベルセンサで構成されて、気泡検知手段６１ａの制御部６１ｄは気泡Ｍ２の滞留量が所定の滞留量となったことを検知すると、気泡排出弁６１ｃを予め定められた所定の期間において開状態として滞留する気泡Ｍ２を外部に排出する。
一方、分離容器６ａの底部６ｈに滞留した微粒子Ｍ１の滞留量を検知する微粒子検知手段６２ａを備えるとともに、滞留した微粒子Ｍ１を分離容器６ａの外部に排出する微粒子排出管６２ｂおよび微粒子排出弁６２ｃを備えている。微粒子検知手段６２ａはレベルセンサで構成されて、微粒子検知手段６２ａの制御部６２ｄは気泡Ｍ２の滞留量が所定の滞留量となったことを検知すると、微粒子排出弁６２ｃを予め定められた所定の期間において開状態として滞留する微粒子Ｍ１を外部に排出する。
【００３３】
水流入口６ｃから流入した凝縮水Ｗ１に含まれる気泡Ｍ２は水流入口６ｃの周囲に設けられた気泡上昇流路６ｂａを分離容器６ａの上部の気泡滞留室６１まで浮上する。一方で、水流入口６ｃから流入した凝縮水Ｗ１に含まれる微粒子Ｍ１の一部については、そのまま沈降して分離容器６ａの底部６ｈに沈降するが、その他の微粒子Ｍ１については、気泡Ｍ２の浮上の際、気泡Ｍ２に付着した状態となって気泡上昇流路６ｂａを分離容器６ａの上部の気泡滞留室６１まで浮上することがある。そして、そのように微粒子Ｍ１が浮上すると、気泡滞留室６１の気泡滞留室仕切板６ｇの下面付近において気泡Ｍ２と分離して沈降が開始されることがある。
【００３４】
本実施形態においては、このように気泡滞留室６１まで浮上した微粒子Ｍ１についても、沈降させて底部６ｈに滞留させることを可能とするために、分離用流路６ｂにおいて、分離用流路６ｂを凝縮水Ｗ１が水流入口６ｃから水流出口６ｄに向けて流れる状態で、微粒子Ｍ１が気泡滞留室仕切板６ｇから沈降して分離容器６ａの底部６ｈに到達するまでの沈降時間（時間に相当）において、水流入口６ｃから水流出口６ｄへの流れ方向Ｗｄにおいて微粒子Ｍ１が到達する微粒子到達位置（到達位置に相当）が、水流出口６ｄより流れ方向Ｗｄの上流側に設定されている。
【００３５】
ここで、この微粒子Ｍ１の沈降時間は、微粒子Ｍ１の終末沈降速度Ｖｓ（沈降速度と呼ぶ）より算出することができる。この沈降速度Ｖｓは、分離用流路６ｂ内で凝縮水Ｗ１が水流入口６ｃから水流出口６ｄに向けて流れる流速Ｖｗを非常に遅くすることで、分離用流路６ｂ内での微粒子Ｍ１の沈降が重力によって自然沈降する状態として扱うことができ、以下に示すストークスの式（式１）より算出できるものである。また、同様に、分離用流路６ｂ内の気泡Ｍ２が比重によって自然浮上する終末浮上速度Ｖｒ（浮上速度と呼ぶ）についても、以下に示すストークスの式（式２）より算出することができる。
Ｖｓ＝ｇ（ρｓ−ρ）ｄ２／１８μ・・・（式１）
−Ｖｒ＝ｇ（ρｓ−ρ）ｄ２／１８μ・・・（式２）
ここで、Ｖｓは微粒子Ｍ１の沈降速度（ｍ/ｓ）、Ｖｒは気泡Ｍ２の浮上速度（ｍ/ｓ）、ρsは微粒子Ｍ１（気泡Ｍ２）の密度（ｋｇ/ｍ3）、ρ（ｋｇ/ｍ3）は水の密度、d（ｍ）は微粒子Ｍ１（気泡Ｍ２）の直径、ｇ（ｍ/Ｓ2）は重力加速度、μ（Ｐａ・Ｓ）は凝縮水Ｗ１の粘度である。
【００３６】
そして、例えば、直径が比較的小さい５μｍのアルミナ粒子の微粒子Ｍ１および直径が比較的大きい０．１ｍｍとされる空気の気泡Ｍ２が精密ポンプ７の作動に悪影響を及ぼすとして、その微粒子Ｍ１の沈降速度Ｖｓ、および、その気泡Ｍ２の浮上速度Ｖｒを算出すると、微粒子Ｍ１の密度ρsを４，０００ｋｇ／ｍ3（アルミナ相当）、凝縮水密度ρを１，０００ｋｇ／ｍ3、凝縮水粘度μを０．００１Ｐａ・ｓとして、（式１）より、微粒子Ｍ１の沈降速度Ｖｓは約４×１０-5ｍ／ｓとなる。一方、気泡Ｍ２の密度ρsを１．２ｋｇ／ｍ3（空気相当）とすると、（式２）より、気泡Ｍ２の浮上速度Ｖｒは約４．９×１０-3ｍ／ｓとなる。
よって、精密ポンプ７の作動に悪影響を及ぼす直径０．１ｍｍの空気の気泡Ｍ２の浮上速度Ｖｒと直径５μｍのアルミナ粒子の微粒子Ｍ１の沈降速度Ｖｓとを比較すると浮上速度Ｖｒは沈降速度Ｖｓより非常に速く、上述の如く、気泡Ｍ２は水流入口６ｃの周囲に設けられた気泡上昇流路６ｂａを分離容器６ａの上部の気泡滞留室６１まで浮上する。
【００３７】
そして、気泡滞留室６１まで浮上した微粒子Ｍ１について、気泡滞留室仕切板６ｇから沈降して分離容器６ａの底部６ｈに到達するまでの沈降時間は、気泡滞留室仕切板６ｇの下面から底部６ｈまでの鉛直方向高さＬ（図２参照）を沈降速度Ｖｓで除することで求められる。従って、例えば、鉛直方向高さＬが６０ｍｍに設計されていると、沈降時間は約２５分となる。
【００３８】
また、流れ方向Ｗｄにおいて微粒子Ｍ１が到達する微粒子到達位置は、流れ方向Ｗｄの流速Ｖｗと沈降時間を乗ずることで求められる。従って、例えば、分離用流路６ｂの流路幅Ｌｗを１０ｍｍとすると、分離用流路６ｂの断面積は約６００ｍｍ2となる。そして、例えば、精密ポンプ７による吸引流量を１×１０4ｍｍ3／ｍｉｎとすると、分離用流路６ｂ内における凝縮水Ｗ１の流れ方向Ｗｄの流速Ｖｗは、約１７ｍｍ／ｍｉｎとなる。従って、微粒子到達位置は、流れ方向Ｗｄの流速Ｖｗ（１７ｍｍ／ｍｉｎ）に沈降時間（２５分）を乗じた約４２５ｍｍの位置となる。つまり、微粒子到達位置を、分離用流路６ｂ内において水流入口６ｃから流れ方向Ｗｄの下流側に約４２５ｍｍの位置として求め、その微粒子到達位置を、水流出口６ｄより流れ方向Ｗｄの上流側に設定することで、水流入口６ｃから流入してそのまま分離容器６ａの底部６ｈに沈降した微粒子Ｍ１はもちろんのこと、上述のように気泡滞留室６１まで気泡Ｍ２とともに浮上した微粒子Ｍ１についても分離容器６ａの底部６ｈまで沈降するので、水流出口６ｄより流出する精製水Ｗ２に上記（式１）において沈降速度Ｖｓを求める条件とされた５μｍより粒子の直径が大きいアルミナ粒子が含まれていることはない。
【００３９】
ここで、精密ポンプ７による吸引流量、分離用流路６ｂの断容積などが変わると流れ方向Ｗｄの流速Ｖｗが変化し、また、鉛直方向高さＬおよび凝縮水Ｗ１から分離する微粒子Ｍ１の粒子径が変わる（沈降速度Ｖｓが変わる）と沈降時間が変化するので、微粒子到達位置が変化するが、上述の如く求められた微粒子到達位置が、水流出口６ｄより流れ方向Ｗｄの上流側に設定されることで、分離対象とする粒子径以上の微粒子Ｍ１を、特定の分離用流路６ｂ内において、分離容器６ａの底部６ｈに滞留させることができる。
【００４０】
以上のように、不純物分離装置２によって、精密ポンプ７の機能を阻害する原因となる凝縮水Ｗ１に含まれる不純物Ｍである水より比重の大きい微粒子Ｍ１、および、水より比重の小さい気泡Ｍ２を、重力および浮力のみを利用して他の動力を必要とせずに、同時に分離させて除去することができる。即ち、不純物分離装置２において、特別な動力源なしに微粒子Ｍ１及び気泡Ｍ２が含有される凝縮水Ｗ１の精製を行うことができる。
【００４１】
また、図１に示すように、精密ポンプ７の下流側に設けられた蒸気発生器８は、精密ポンプ７によって供給された精製水Ｗ２を加熱して水蒸気Ｖを発生させる。改質器３における改質器バーナ３ａからの燃焼排ガスＥ２を蒸気発生器８に供給可能に構成されており、蒸気発生器８において燃焼排ガスＥ２と精製水Ｗ２との熱交換により精製水Ｗ２を加熱して水蒸気Ｖを発生させている。そして、このようにして発生した水蒸気Ｖを改質器３に流入する原料ガスＦの原料ガス流路中に混合するように構成されている。
【００４２】
改質器３は改質器バーナ３ａの燃焼が行われるバーナ燃焼室３ｂが設けられており、改質器バーナ３ａによる燃焼によって発生する熱によって、改質器３が原料ガスＦの水蒸気改質を行なう改質温度にまで加熱される。また、改質器バーナ３ａには、燃焼用の燃料および空気を供給する燃料供給管３ｃおよび空気供給管３ｄが設けられており、燃料供給管３ｃには、原料ガスＦが供給可能に構成されるとともに、燃料電池４の排出ガスＥ１を燃焼用の燃料として使用するオフガス供給管１３が接続されている。また、図示しない制御部によって、燃料供給管３ｃに設けられた燃料ガスバルブＶ１およびオフガス供給管１３に設けられたオフガスバルブＶ２の開度が調整されることで燃焼用の燃料としての原料ガスＦおよび排出ガスＥ１ａの流量が調整されるとともに、空気供給管３ｄに設けられた空気バルブＶ３の開度を調整されることで、空気供給手段１４によって供給される空気（酸素）の流量が調整されて、改質器３の温度調整が可能に構成されている。
【００４３】
燃料電池４は、ＰＥＦＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を備えた固体高分子形燃料電池とされる。固体高分子形の燃料電池４は、一酸化炭素除去器１１からの一酸化炭素が除去された後の改質ガスＧと空気に含まれる酸素とを反応させて電力を発生させるものであり、この燃料電池４はアノード（燃料極）４ａと、カソード（空気極）４ｂと、固体高分子電解質膜４ｃとを備えている。ここで、固体高分子電解質膜４ｃは、例えば、プロトン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーをはじめとする陽イオン交換樹脂で構成されている。また、燃料極４ａおよび空気極４ｂはその電極材料として、例えば、多孔質状のカーボンを担体として、白金及び白金合金触媒を担持して構成されている。
【００４４】
また、図１に示すように、水回収器５として、燃料電池４の燃料極４ａおよび空気極４ｂから排出された排出ガスＥ１から水分を凝縮させて凝縮水Ｗ１を回収する排出ガス用水回収器５１と、改質器３のバーナ燃焼室３ｂから排出された燃焼排ガスＥ２から水分を凝縮させて凝縮水Ｗ１を回収する燃焼排ガス用水回収器５２が設けられている。
さらに、排出ガス用水回収器５１として、燃料電池４の燃料極４ａからの排出ガスＥ１ａの出口から凝縮水Ｗ１を回収する排出ガス用水回収器５１ａと、空気極４ｂからの排出ガスＥ１ｂから凝縮水Ｗ１を回収する排出ガス用水回収器５１ｂとがそれぞれ設けられている。
【００４５】
そして、排出ガス用水回収器５１ａは、燃料電池４の燃料極４ａ側から排出された排出ガスＥ１ａの水分を凝縮させて凝縮水Ｗ１を回収するとともに、凝縮水Ｗ１が凝縮した後の排出ガスＥ１ａを、上述の如く、改質器バーナ３ａの燃料用の燃料ガスとするために、オフガス供給管１３を介して改質器バーナ３ａに供給するように構成されている。一方、排出ガス用水回収器５１ｂは、燃料電池４の空気極４ｂ側から排出された排出ガスＥ１ｂの水分を凝縮させて凝縮水Ｗ１を回収するとともに、凝縮水Ｗ１が凝縮した後の排出ガスＥ１ｂを外部に排出するように構成されている。
また、排出ガス用水回収器５１は、排出ガスＥ１を冷却して水分を凝縮させるための冷却手段５ａを備えている。この冷却手段５ａは、例えば、外部から冷媒Ｒを管内に流動させる熱交換器とされている。これによって凝縮された凝縮水Ｗ１は、凝縮水供給管１２を経由して不純物分離装置２に流入する。
なお、凝縮水供給管１２には、燃料電池システム１において、水量が不足した時に外部から水を供給可能な水供給口１２ａと、水量が過剰となった時に外部へ水を排水可能な水排水口１２ｂが設けられている。
【００４６】
そして、燃焼排ガス用水回収器５２は、改質器３のバーナ燃焼室３ｂから排出された燃焼排ガスＥ２から水分を凝縮させて凝縮水Ｗ１を回収するとともに、凝縮水Ｗ１が凝縮した後の燃焼排ガスＥ２を外部に排出するように構成されている。
ここで、燃焼排ガスＥ２は、上述如く、燃焼排ガス用水回収器５ｂの燃焼排ガスＥ２の流路上流側に設けられている蒸気発生器８において精製水Ｗ２との間で熱交換されて冷却され、燃焼排ガスＥ２に含まれる水分が凝縮して凝縮水Ｗ１が生成する。この凝縮水Ｗ１が、燃焼排ガスＥ２の流路下流側に設けられた燃焼排ガス用水回収器５２に流入する構成とされている。
そして、燃焼排ガス用水回収器５２には、凝縮水供給管１２と接続されている凝縮水連絡管１５が設けられており、凝縮水Ｗ１が、凝縮水連絡管１５および凝縮水供給管１２を経由して不純物分離装置２に流入する構成とされている。
【００４７】
このように、燃料電池４のアノード４ａ側から排出される排出ガスＥ１ａの凝縮水Ｗ１を排出ガス用水回収器５１ａによって回収するとともに、その凝縮水Ｗ１を不純物分離装置２に供給して、水分を燃料電池システム１内で循環させるように構成されている。
また、排出ガス用水回収器５１ｂにおいて排出ガスＥ１ｂの凝縮水Ｗ１、および、燃焼排ガス用水回収器５２において燃焼排ガスＥ２の凝縮水Ｗ１についても不純物分離装置２に供給されるように構成されており、これにより、燃焼排ガスＥ２等とともに、システムの外部に排出される水分が補われ、燃料電池システム１において水自立運転を実施することが可能に構成されている。
【００４８】
〔別実施形態〕
（Ａ）上記実施形態においては、燃料電池４として固体高分子形燃料電池を用いた燃料電池システム１としたが、これに限らず、燃料電池４として固体酸化物形燃料電池など、その他の種類の燃料電池４を用いた燃料電池システム１であってもよい。
【００４９】
（Ｂ）上記実施形態においては、精製水Ｗ２を改質器３に接続された蒸気発生器８に供給したが、精製水Ｗ２が改質器３に供給されるように構成されて、改質器３内で水蒸気Ｖが生成される構成としてもかまわない。
【００５０】
（Ｃ）上記実施形態においては、水回収器５として、燃料電池４から排出された排出ガスＥ１の凝縮水Ｗ１を回収する排出ガス用水回収器５１と、改質器３から排出された燃焼排ガスＥ２の凝縮水Ｗ１を回収する燃焼排ガス用水回収器５２とが設けられたが、これに加えて、一酸化炭素変成器１０と一酸化炭素除去器１１との間に水回収器５を設けて、改質ガスＧから凝縮水Ｗ１が回収される構成としてもかまわない。
【００５１】
（Ｄ）上記特徴構成によれば、分離容器６ａは円筒状の形状として、その内部において渦巻き状の分離用流路６ｂが設けられたが、これに限らず、分離容器６ａを直方体状の形状等としてその内部において直線状の分離用流路６ｂを設けても構わない。また、分離容器６ａが設置される設置部の形状に合わせて分離容器６ａを変形させてもかまわない。
【００５２】
（Ｅ）上記特徴構成によれば、ポンプ室７ｅに往復移動体としてプランジャ７ｄを備えた精密ポンプ７としたが、これに限らず、ポンプ室７ｅに往復移動体としてピストンを備えた精密ポンプ７としてもよい。また、ポンプ室７ｅに歯車等の回転体を備えた精密ポンプ７であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
以上説明したように、それ自体としては、動力を必要とせず、不純物としての微粒子及び気泡を効果的且つ経済的に除去して、例えば、自立型の燃料電池システムにおける水の循環回路に使用できる不純物分離装置およびこの不純物分離装置を備えた燃料電池システムを提供することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１ 燃料電池システム
２ 不純物分離装置
３ 改質器
３ａ 改質器バーナ
４ 燃料電池
５ 水回収器
６ａ 容器（分離容器）
６ｂ 分離用流路
６ｃ 水流入口
６ｄ 水流出口
６ｆ 流路仕切板
６ｇ 気泡滞留室仕切板
６ｈ 底部
７ 精密ポンプ
７ｄ 往復移動体
７ｅ ポンプ室
７ｆ 摺動部
８ 蒸気発生器
６１ 気泡滞留室
６１ａ 気泡検知手段
６１ｃ 気泡排出弁
６２ａ 微粒子検知手段
６２ｃ 微粒子排出弁
Ｅ１ 排出ガス
Ｅ２ 燃焼排ガス
Ｆ 原料ガス
Ｇ 改質ガス
Ｍ 不純物
Ｍ１ 微粒子
Ｍ２ 気泡
Ｗ１ 処理対象水（凝縮水）
Ｗ２ 精製水
Ｗｄ 流れ方向
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下流側に備えられるポンプにより発生される吸引力により、処理対象水を水流入口から容器内に設けられた分離用流路に吸引して、当該分離用流路において不純物を分離して精製水として水流出口から流出する不純物分離装置およびこの不純物分離装置を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１、特許文献２には、水蒸気改質に使用された水分、燃料電池から発生する水分等を回収するとともに、気液分離し、分離後の水から不純物を除去し、改質器に戻す燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、燃料電池により発生する水等を利用する目的から、システム内に水の循環回路が形成されるとともに、その循環回路内に不純物分離装置を設けて清浄水が循環回路を循環するようにしている。特許文献１、特許文献２に開示の燃料電池システムでは、気液分離装置の下流側に循環用のポンプを備え、水を、気液分離装置−不純物分離装置−改質器−燃料電池に亘って循環している。
この種のポンプとして、通常、流量及びその精度の関係から、所謂、精密ポンプが採用される。
【０００３】
燃料電池システムにおいて、水から分離すべき不純物としては、特許文献１、２に記載のイオンの他、例えば、改質器内に充填されている改質触媒から発生することがあるアルミナ粉等がある。このようなアルミナ粉は、粒子径０．１ｍｍ以下の微粒子である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２９８８９４号公報
【特許文献２】特開２００５−３１７３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の水処理分野における水中の微粒子の除去方法としては、凝集剤添加による凝集沈殿法や、遠心分離法（デカンター法）、流体動圧遠心法（サイクロン法）さらに、容積フィルターやろ過塔などで除去する方法が知られている。
しかしながら、従来知られていたこれら水処理方法は、例えば、燃料電池システムに採用しようとした場合、それぞれ以下の課題がある。
【０００６】
凝集沈殿法では、清浄水中に凝集剤を添加することとなるため、水がイオン化合物などを含まない「清浄水」で無くなる。
遠心分離法では動力が必要であり、装置も高価であるため経済的でない。
流体動圧遠心法では、液体の場合、微粒子の分離には大流量の水を循環する必要があり、装置が大型となるため経済的でない。
また、前記それぞれの方法では、清浄水中の気泡や、清浄水より比重の小さい異物を除去できない。
水中の異物（これまで説明してきた微粒子を含む）や、気泡が除去できないと、特に、回転もしくは往復運動などを行う精密ポンプの構造が固体同士の摺り合わせの構造を有する場合、微粒子の噛みこみによる故障が生じたり、メカニカルシールの場合は、寿命を減損したり、磨耗等でシール性が低下する。
また、燃料電池システムにおいては、気泡溜りによるポンプの流量制御が乱れ、安定運転できなくなる。
【０００７】
さらに、フィルターや、ろ過塔方式では、微粒子が小さくなるほど一般的に圧力損失が大きく、フィルターや、ろ過材が目詰まりするに従い、さらに圧力損失が大きくなって、ポンプ吸い込み側においてポンプにおいてキャビテーションが発生し、水の供給ができなくなって、システムが停止してしまう運転上の課題や、定期的に交換する必要が発生するなど経済的にも課題が発生する。
【０００８】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、それ自体としては、動力を必要とせず、不純物としての微粒子及び気泡を効果的且つ経済的に除去して、例えば、自立型の燃料電池システムにおける水の循環回路に使用できる不純物分離装置およびこの不純物分離装置を備えた燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明に係る不純物分離装置は、下流側に備えられるポンプにより発生される吸引力により、処理対象水を水流入口から容器内に設けられた分離用流路に吸引して、当該分離用流路において不純物を分離して精製水として水流出口から流出する不純物分離装置であって、その特徴構成は、
前記ポンプが、ポンプ室の容積を増減させる回転体または往復移動体と当該ポンプ室の内壁面とが摺動する摺動部を有する精密ポンプであり、
前記分離用流路の下部に、前記水流入口が設けられるとともに、
前記分離用流路の上側に、気泡滞留室仕切板を介して前記水流入口から上昇した気泡が進入して分離される気泡滞留室を設け、
前記分離用流路を流れる処理対象水内を微粒子が沈降して容器の底部に分離されるように構成され、
前記分離用流路を処理対象水が前記水流入口から前記水流出口に向けて流れる状態で、
前記微粒子が前記気泡滞留室仕切板から沈降して前記容器の底部に到達する時間において、前記水流入口から前記水流出口への流れ方向において前記微粒子が到達する到達位置が、前記水流出口より前記流れ方向の上流側に設定されている点にある。
【００１０】
上記特徴構成によれば、下流側に備えられるポンプにより発生される吸引力により、処理対象水を水流入口から容器内に設けられた分離用流路に吸引して、その分離用流路において不純物を分離して精製水として水流出口から流出するので、容器内において、処理対象水を流動させるための動力を設ける必要がなく、容器を簡単な構成とすることができる。そして、ポンプは水流出口から流出した不純物が分離された精製水を吸入するので、微粒子の摺動部への噛み込みによって回転体または往復移動体の動作が困難となることによる動作不良や、気泡のポンプ室への流入によって精密ポンプが機能しなくなる所謂エアーロックという現象による動作不良の発生を防止することができる。これにより、精製水を水消費手段に安定して供給することができる。
【００１１】
また、容器内において、分離用流路の下部には、水流入口が設けられるとともに、分離用流路を流れる処理対象水内を微粒子が沈降して容器の底部に分離されるように構成されているので、容器の底部に近接する水流入口から処理対象水が流入するので、処理対象水より比重の大きい微粒子を、速やかに容器の底部に沈降して分離させることができる。
一方、分離用流路の上側に、気泡滞留室仕切板を介して水流入口から上昇した気泡が進入して分離される気泡滞留室が設けられているので、処理対象水より比重の小さい気泡を、比重差を利用して分離用流路の上部に設けられた気泡滞留室に滞留させるとともに、分離されて気泡滞留室に滞留している気泡が、再び分離用流路を流れる処理対象水に混入することを気泡滞留室仕切板により防止することができる。
【００１２】
また、水流入口から容器内に流入した処理対象水に含まれる微粒子が、そのまま容器の底部に沈降せずに、その処理対象水に含まれる気泡に付着して容器上部の気泡滞留室仕切板付近まで浮上することがあるが、この場合においても、分離用流路を処理対象水が流れる状態で、微粒子が気泡滞留室仕切板から沈降して容器の底部に到達する時間において、水流入口から水流出口への処理対象水の流れ方向において微粒子が到達する到達位置が、水流出口より流れ方向の上流側に設定されているので、分離用流路内において、最大限、微粒子が浮上したとしても、流れ方向において到達位置に到達するまでには、浮上した微粒子が沈降して容器の底部に到達して分離される。その結果、その到達位置より下流側に位置する水流出口には、微粒子が到達することは実質的にない。これにより、水流入口から容器に流入して気泡に付着せずにそのまま沈降する微粒子のみならず、気泡とともに容器上部の気泡滞留室まで一度浮上してしまった微粒子についても分離用流路内で分離することができ、水流出口から不純物としての気泡と微粒子とが分離された精製水が流出される。よって、動力を必要とせず、処理対象水の気泡及び微粒子を確実かつ同時に分離して、下流側に設けられた精密ポンプに動作不良が発生することを防止することができ、安定して精製水を供給することが可能となる。
【００１３】
本発明に係る不純物分離装置の更なる特徴構成は、前記容器は円筒状の形状とされ、前記容器の径方向中心部に前記水流入口が配設されるとともに、前記容器の外周側面に前記水流出口が配設され、
前記容器の内部において前記分離用流路を形成する流路仕切板は、前記容器と同心の渦巻き状を成して設けられ、前記分離用流路が渦巻き状を成す点にある。
【００１４】
上記特徴構成によれば、円筒状の容器の径方向中心部に水流入口が配設されるとともに、その容器の外周側面に水流出口が配設されて、容器内には渦巻き状の分離用流路が形成されているので、分離用流路を円筒状の容器中心部から容器外周側面まで渦巻き状に長く形成することができる。また、直線状の分離用流路を形成するときに比べて、容器をコンパクトに形成することができる。
【００１５】
本発明に係る不純物分離装置の更なる特徴構成は、前記気泡滞留室に滞留する前記気泡の滞留量を検知する気泡検知手段を備え、前記気泡の滞留量が所定の滞留量となると、前記滞留した前記気泡を前記容器の外部に排出する気泡排出弁を備えた点にある。
【００１６】
上記特徴構成によれば、気泡滞留室に滞留した気泡の滞留量が所定の滞留量となると、滞留した気泡が容器の外部に排出されるので、処理対処水から分離されて気泡滞留室に滞留する気泡が、再度処理対処水に混入することを防止することができる。これにより水流出口から気泡が混入した精製水が流出されることを防止して、下流側に設けられた精密ポンプに動作不良が発生することを防止することができ、安定して水消費手段に精製水を供給することができる。
【００１７】
本発明に係る不純物分離装置の更なる特徴構成は、前記容器の底部に沈降して滞留する前記微粒子の滞留量を検知する微粒子検知手段を備え、前記微粒子の滞留量が所定の滞留量となると、前記滞留した前記微粒子を前記容器の外部に排出する微粒子排出弁を備えた点にある。
【００１８】
上記特徴構成によれば、容器の底部に沈降して滞留した微粒子の滞留量が所定の滞留量となると、滞留した微粒子が容器の外部に排出されるので、処理対処水から分離されて容器の底部に滞留した微粒子が、再度処理対処水に混入することを防止することができる。これにより水流出口から微粒子が混入した精製水が流出されることを防止して、下流側に設けられた精密ポンプに動作不良が発生することを防止することができ、安定して水消費手段に精製水を供給することができる。
【００１９】
本発明に係る燃料電池システムの特徴構成は、上記記載の不純物分離装置と、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器と、当該改質器を加熱するための改質バーナと、前記改質ガスによって発電を行う燃料電池と、前記改質バーナの燃焼において発生した燃焼排ガスおよび前記燃料電池から排出された排出ガスの少なくとも一方に含まれる水分を凝縮させた凝縮水を回収する水回収器とを備え、
前記凝縮水が前記不純物分離装置に流入可能に構成されて、前記凝縮水を前記処理対象水として、前記不純物分離装置によって前記不純物が分離されるとともに、前記不純物が分離された前記精製水が、前記水蒸気改質のための水蒸気を発生させる水蒸気改質用の水として、前記精密ポンプを介して水消費手段としての前記改質器または前記改質器に接続された蒸気発生器に供給される燃料電池システムした点にある。
【００２０】
上記特徴構成によれば、改質器より改質ガスの供給をうける燃料電池から排出された排出ガスから、水回収器が凝縮水を回収して、その凝縮水が改質器または改質器に接続された蒸気発生器に供給されるように構成されて、システム内で水が循環されるように構成されている。これにより、システムに外部から水を供給する必要がなくなるので、水供給設備を設ける必要がなくシステムの簡略化が可能になるとともに、システムの設備コストおよび運転コストを削減することができる。また、水回収器において回収された凝縮水が、不純物分離装置に流入可能に構成されているので、例えば、改質器の改質触媒の担体から発生した微粒子、改質触媒や燃料電池における触媒または電極触媒から発生した微粒子、および、凝縮水に混入した気泡が、その不純物分離装置によって分離されるので、その下流側に設けられた精密ポンプに不純物が流入することはない。よって、水回収器において回収した凝縮水を改質器または改質器に接続された蒸気発生器に供給しつつ、システム内で水を安定して循環させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの概略図。
【図２】本実施形態に係る不純物分離装置およびポンプの横断面図。
【図３】本実施形態に係る不純物分離装置の縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に図面を参照して本願発明に係る燃料電池システムについて説明する。
図１に示すのは、本願発明に係る燃料電池システム１の実施形態を示す図である。この燃料電池システム１は、凝縮水Ｗ１に含まれる不純物Ｍを分離する不純物分離装置２と、都市ガスなどの原料ガスＦを水蒸気改質して改質ガスＧを生成する改質器３と、改質器３を加熱するための改質器バーナ３ａと、その改質器３にて生成した改質ガスＧによって発電を行う燃料電池４と、改質器バーナ３ａの燃焼において発生した燃焼排ガスＥ２および燃料電池４から排出された排出ガスＥ１に含まれる水分を凝縮させた凝縮水Ｗ１を回収する気液分離器である水回収器５とを備えている。
【００２３】
水回収器５として、排出ガス用水回収器５１および燃焼排ガス用水回収器５２とを備えており、それぞれの水回収器５で回収された凝縮水Ｗ１が不純物分離装置２に流入するように構成されて、凝縮水Ｗ１を処理対象水として、不純物分離装置２によって不純物Ｍが分離されるとともに、不純物Ｍが分離された精製水Ｗ２が、水蒸気改質のための水蒸気Ｖを発生させる水蒸気改質用の水として、精密ポンプ７を介して水消費手段としての改質器３に接続された蒸気発生器８に供給される構成とされている。
【００２４】
また、図１に示した燃料電池システム１の実施形態においては、上述の本願発明に係る燃料電池システム１の構成に加えて、原料ガスＦの脱硫を行って改質器３に供給する脱硫器９と、改質器３によって改質された改質ガスＧに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成する一酸化炭素変成器１０と、一酸化炭素除去器１１を通過した改質ガスＧ中に微量に含まれる一酸化炭素を選択酸化又は選択メタン化して、改質ガスＧに含まれる一酸化炭素濃度を更に低減させる一酸化炭素除去器１１とが設けられており、これによって、一酸化炭素濃度が除去された改質ガスＧが燃料電池４に供給されている。
【００２５】
次に、図２および図３に基づいて本願発明に係る不純物分離装置２について説明する。
図２は、本実施形態に係る不純物分離装置２の横断面図であり、図３は、本実施形態に係る不純物分離装置２の縦断面図である。
不純物分離装置２は、水回収器５で回収された凝縮水Ｗ１から、不純物Ｍを分離して精製水Ｗ２を流出する構成とされている。つまり、不純物分離装置２の下流側に備えられる精密ポンプ７により発生される吸引力により、凝縮水Ｗ１を水流入口６ｃから分離容器６ａ（容器に相当）内に設けられた分離用流路６ｂに吸引して、分離用流路６ｂにおいて不純物Ｍを分離して精製水Ｗ２として水流出口６ｄから流出して、その精製水Ｗ２を蒸気発生器８に供給されるように構成されている
【００２６】
図２に示すように、精密ポンプ７はプランジャポンプとされおり、その内部において、筒状のシリンダ７ｃを有し、この一方側からモータ（図示せず）の回転に伴ってシリンダ７ｃ内を往復運動してポンプ室７ｅの容積を増減させるプランジャ７ｄ（往復移動体に相当）が摺動自在に収納されている。ポンプ室７ｅは、このシリンダ７ｃの他方側とプランジャ７ｄとで形成された空間とされて、このポンプ室７ｅと連通する吸入口７ａと吐出口７ｂが設けられている。吸入口７ａに配置された吸入側バルブ７１と、流出口とに配置された吐出側バルブ７２とが設けられて、これによって、プランジャ７ｄがシリンダ７ｃ内を往復運動することで、吸入口７ａから吸入された精製水Ｗ２がポンプ室７ｅを経て吐出口７ｂから吐出されるように構成されている。また、この往復運動によってポンプ室７ｅの内壁面であるシリンダ表面とポンプ室７ｅを構成するプランジャ７ｄの外周面とが摺動する摺動部７ｆを有する構成とされている。なお、プランジャ７ｄおよびシリンダ７ｃの材質は、例えば、セラミック、カーボン、金属合金またはそれらの混合材質とされ、最大吐出量が１×１０4ｍｍ3／ｍｉｎ以下である比較的小型の精密ポンプ７とされている。
【００２７】
ここで、不純物Ｍとしての微粒子Ｍ１と気泡Ｍ２が精密ポンプ７に与える影響について述べる。微粒子Ｍ１は、例えば、改質器３の改質触媒のアルミナ担体から発生して凝縮水Ｗ１に混入しているアルミナ粒子とされる。アルミナ粒子は硬度が非常に高く、精密ポンプ７のシリンダ７ｃとプランジャ７ｄとの間に形成される摺動部７ｆ（シリンダ７ｃとプランジャ７ｄとの隙間部分）に入り込んで、微粒子Ｍ１としてのアルミナ粒子の硬度と同じかそれよりも低い硬度の材質で構成されたシリンダ７ｃおよびプランジャ７ｄにダメージを与える。そして、ダメージを与える微粒子Ｍ１の粒子径は、摺動部７ｆであるシリンダ７ｃとプランジャ７ｄとの隙間の大きさによって異なるものとなるが、例えば、直径５μｍ程度の微粒子Ｍ１である場合は、シリンダ７ｃとプランジャ７ｄとの摺動部７ｆに進入して、プランジャ７ｄの表面やシリンダ７ｃの表面にダメージを与え、精密ポンプ７に動作不良が発生することとなる。
【００２８】
一方、気泡Ｍ２は、凝縮水Ｗ１中に混入している空気等の気体、および、凝縮水Ｗ１に溶存している二酸化炭素などの溶存成分の析出によって発生する気体等で構成されるものである。気泡Ｍ２については、比較的大きい気泡Ｍ２が精密ポンプ７に流入してポンプ室７ｅ内に滞留すると、プランジャ７ｄが往復に伴って、ポンプ室７ｅ内に滞留する気泡Ｍ２が膨張、圧縮する状態となり、このため凝縮水Ｗ１の吸込・吐出が不能になる所謂エアーロックという現象を生じ、精密ポンプ７に動作不良が発生することとなる。
従って、これらの不純物Ｍが不純物分離装置２によって分離されて、その下流側に設けられた精密ポンプ７に流入されることが防止されている。
【００２９】
不純物分離装置２の分離容器６ａは円筒状の形状とされている。そして、その分離容器６ａ内に、不純物Ｍとしての微粒子Ｍ１及び気泡Ｍ２を分離する分離用流路６ｂと、この分離用流路６ｂに凝縮水Ｗ１が流入する水流入口６ｃと、凝縮水Ｗ１から不純物Ｍが分離された精製水Ｗ２が流出する水流出口６ｄとを備えている。水流入口６ｃは、分離容器６ａの径方向中心部且つ底部６ｈに近接する分離用流路６ｂの下部の位置に配設されるとともに、水流出口６ｄが分離容器６ａの外周側面６ｅに配設されており、分離容器６ａの内部において分離用流路６ｂを形成する流路仕切板６ｆは、分離容器６ａと同心の渦巻き状をなして設けられ、分離用流路６ｂが渦巻き状を成して構成されている。
【００３０】
具体的には、水回収器５から不純物分離装置２に凝縮水Ｗ１を供給する凝縮水供給管１２が、分離容器６ａの上部から上板の径方向中心部を貫通して、分離容器６ａの内部において底部６ｈに近接する分離用流路６ｂの下部の位置まで下方に延びるようにして設けられて、その凝縮水供給管１２の先端に水流入口６ｃが形成されている。また、分離容器６ａの分離用流路６ｂにおいて、凝縮水供給管１２の外側周囲の分離用流路６ｂにおける流路部分が気泡上昇流路６ｂａとされて、これによって、気泡Ｍ２は分離用流路６ｂの上部に設けられた後述する気泡滞留室６１まで導かれる。また、水流出口６ｄは、分離容器６ａの上下方向においては、外周側面６ｅの底部６ｈから沈降した微粒子Ｍ１が滞留するために必要となる高さより上方の位置に設けられるとともに、周方向においては、渦巻き状の流路仕切板６ｆの外側先端が分離容器６ａの側面内壁に当接しつつ接合されている付近に設けられている。
なお、分離容器６ａは、その内部が大気圧以下になっても、大気中の空気が容器内に吸入されることのないように気密性を保つことができる構造とされて、さらに、容器内が大気圧以下になることで、容器が変形することのないように耐圧性を備えた構造とされている。
【００３１】
また、分離用流路６ｂは、分離用流路６ｂの上側に、気泡滞留室仕切板６ｇを介して水流入口６ｃから上昇した不純物Ｍとしての気泡Ｍ２が進入して分離される気泡滞留室６１を設け、分離用流路６ｂを流れる凝縮水Ｗ１内を不純物Ｍとしての微粒子Ｍ１が沈降して分離容器６ａの底部６ｈに分離される構成とされる。
【００３２】
そして、気泡滞留室６１に滞留した気泡Ｍ２の滞留量を検知する気泡検知手段６１ａを備えるとともに、滞留した気泡Ｍ２を分離容器６ａの外部に排出する気泡排出管６１ｂおよび気泡排出弁６１ｃを備えている。気泡検知手段６１ａはレベルセンサで構成されて、気泡検知手段６１ａの制御部６１ｄは気泡Ｍ２の滞留量が所定の滞留量となったことを検知すると、気泡排出弁６１ｃを予め定められた所定の期間において開状態として滞留する気泡Ｍ２を外部に排出する。
一方、分離容器６ａの底部６ｈに滞留した微粒子Ｍ１の滞留量を検知する微粒子検知手段６２ａを備えるとともに、滞留した微粒子Ｍ１を分離容器６ａの外部に排出する微粒子排出管６２ｂおよび微粒子排出弁６２ｃを備えている。微粒子検知手段６２ａはレベルセンサで構成されて、微粒子検知手段６２ａの制御部６２ｄは気泡Ｍ２の滞留量が所定の滞留量となったことを検知すると、微粒子排出弁６２ｃを予め定められた所定の期間において開状態として滞留する微粒子Ｍ１を外部に排出する。
【００３３】
水流入口６ｃから流入した凝縮水Ｗ１に含まれる気泡Ｍ２は水流入口６ｃの周囲に設けられた気泡上昇流路６ｂａを分離容器６ａの上部の気泡滞留室６１まで浮上する。一方で、水流入口６ｃから流入した凝縮水Ｗ１に含まれる微粒子Ｍ１の一部については、そのまま沈降して分離容器６ａの底部６ｈに沈降するが、その他の微粒子Ｍ１については、気泡Ｍ２の浮上の際、気泡Ｍ２に付着した状態となって気泡上昇流路６ｂａを分離容器６ａの上部の気泡滞留室６１まで浮上することがある。そして、そのように微粒子Ｍ１が浮上すると、気泡滞留室６１の気泡滞留室仕切板６ｇの下面付近において気泡Ｍ２と分離して沈降が開始されることがある。
【００３４】
本実施形態においては、このように気泡滞留室６１まで浮上した微粒子Ｍ１についても、沈降させて底部６ｈに滞留させることを可能とするために、分離用流路６ｂにおいて、分離用流路６ｂを凝縮水Ｗ１が水流入口６ｃから水流出口６ｄに向けて流れる状態で、微粒子Ｍ１が気泡滞留室仕切板６ｇから沈降して分離容器６ａの底部６ｈに到達するまでの沈降時間（時間に相当）において、水流入口６ｃから水流出口６ｄへの流れ方向Ｗｄにおいて微粒子Ｍ１が到達する微粒子到達位置（到達位置に相当）が、水流出口６ｄより流れ方向Ｗｄの上流側に設定されている。
【００３５】
ここで、この微粒子Ｍ１の沈降時間は、微粒子Ｍ１の終末沈降速度Ｖｓ（沈降速度と呼ぶ）より算出することができる。この沈降速度Ｖｓは、分離用流路６ｂ内で凝縮水Ｗ１が水流入口６ｃから水流出口６ｄに向けて流れる流速Ｖｗを非常に遅くすることで、分離用流路６ｂ内での微粒子Ｍ１の沈降が重力によって自然沈降する状態として扱うことができ、以下に示すストークスの式（式１）より算出できるものである。また、同様に、分離用流路６ｂ内の気泡Ｍ２が比重によって自然浮上する終末浮上速度Ｖｒ（浮上速度と呼ぶ）についても、以下に示すストークスの式（式２）より算出することができる。
Ｖｓ＝ｇ（ρｓ−ρ）ｄ２／１８μ・・・（式１）
−Ｖｒ＝ｇ（ρｓ−ρ）ｄ２／１８μ・・・（式２）
ここで、Ｖｓは微粒子Ｍ１の沈降速度（ｍ/ｓ）、Ｖｒは気泡Ｍ２の浮上速度（ｍ/ｓ）、ρsは微粒子Ｍ１（気泡Ｍ２）の密度（ｋｇ/ｍ3）、ρ（ｋｇ/ｍ3）は水の密度、d（ｍ）は微粒子Ｍ１（気泡Ｍ２）の直径、ｇ（ｍ/Ｓ2）は重力加速度、μ（Ｐａ・Ｓ）は凝縮水Ｗ１の粘度である。
【００３６】
そして、例えば、直径が比較的小さい５μｍのアルミナ粒子の微粒子Ｍ１および直径が比較的大きい０．１ｍｍとされる空気の気泡Ｍ２が精密ポンプ７の作動に悪影響を及ぼすとして、その微粒子Ｍ１の沈降速度Ｖｓ、および、その気泡Ｍ２の浮上速度Ｖｒを算出すると、微粒子Ｍ１の密度ρsを４，０００ｋｇ／ｍ3（アルミナ相当）、凝縮水密度ρを１，０００ｋｇ／ｍ3、凝縮水粘度μを０．００１Ｐａ・ｓとして、（式１）より、微粒子Ｍ１の沈降速度Ｖｓは約４×１０-5ｍ／ｓとなる。一方、気泡Ｍ２の密度ρsを１．２ｋｇ／ｍ3（空気相当）とすると、（式２）より、気泡Ｍ２の浮上速度Ｖｒは約４．９×１０-3ｍ／ｓとなる。
よって、精密ポンプ７の作動に悪影響を及ぼす直径０．１ｍｍの空気の気泡Ｍ２の浮上速度Ｖｒと直径５μｍのアルミナ粒子の微粒子Ｍ１の沈降速度Ｖｓとを比較すると浮上速度Ｖｒは沈降速度Ｖｓより非常に速く、上述の如く、気泡Ｍ２は水流入口６ｃの周囲に設けられた気泡上昇流路６ｂａを分離容器６ａの上部の気泡滞留室６１まで浮上する。
【００３７】
そして、気泡滞留室６１まで浮上した微粒子Ｍ１について、気泡滞留室仕切板６ｇから沈降して分離容器６ａの底部６ｈに到達するまでの沈降時間は、気泡滞留室仕切板６ｇの下面から底部６ｈまでの鉛直方向高さＬ（図２参照）を沈降速度Ｖｓで除することで求められる。従って、例えば、鉛直方向高さＬが６０ｍｍに設計されていると、沈降時間は約２５分となる。
【００３８】
また、流れ方向Ｗｄにおいて微粒子Ｍ１が到達する微粒子到達位置は、流れ方向Ｗｄの流速Ｖｗと沈降時間を乗ずることで求められる。従って、例えば、分離用流路６ｂの流路幅Ｌｗを１０ｍｍとすると、分離用流路６ｂの断面積は約６００ｍｍ2となる。そして、例えば、精密ポンプ７による吸引流量を１×１０4ｍｍ3／ｍｉｎとすると、分離用流路６ｂ内における凝縮水Ｗ１の流れ方向Ｗｄの流速Ｖｗは、約１７ｍｍ／ｍｉｎとなる。従って、微粒子到達位置は、流れ方向Ｗｄの流速Ｖｗ（１７ｍｍ／ｍｉｎ）に沈降時間（２５分）を乗じた約４２５ｍｍの位置となる。つまり、微粒子到達位置を、分離用流路６ｂ内において水流入口６ｃから流れ方向Ｗｄの下流側に約４２５ｍｍの位置として求め、その微粒子到達位置を、水流出口６ｄより流れ方向Ｗｄの上流側に設定することで、水流入口６ｃから流入してそのまま分離容器６ａの底部６ｈに沈降した微粒子Ｍ１はもちろんのこと、上述のように気泡滞留室６１まで気泡Ｍ２とともに浮上した微粒子Ｍ１についても分離容器６ａの底部６ｈまで沈降するので、水流出口６ｄより流出する精製水Ｗ２に上記（式１）において沈降速度Ｖｓを求める条件とされた５μｍより粒子の直径が大きいアルミナ粒子が含まれていることはない。
【００３９】
ここで、精密ポンプ７による吸引流量、分離用流路６ｂの断容積などが変わると流れ方向Ｗｄの流速Ｖｗが変化し、また、鉛直方向高さＬおよび凝縮水Ｗ１から分離する微粒子Ｍ１の粒子径が変わる（沈降速度Ｖｓが変わる）と沈降時間が変化するので、微粒子到達位置が変化するが、上述の如く求められた微粒子到達位置が、水流出口６ｄより流れ方向Ｗｄの上流側に設定されることで、分離対象とする粒子径以上の微粒子Ｍ１を、特定の分離用流路６ｂ内において、分離容器６ａの底部６ｈに滞留させることができる。
【００４０】
以上のように、不純物分離装置２によって、精密ポンプ７の機能を阻害する原因となる凝縮水Ｗ１に含まれる不純物Ｍである水より比重の大きい微粒子Ｍ１、および、水より比重の小さい気泡Ｍ２を、重力および浮力のみを利用して他の動力を必要とせずに、同時に分離させて除去することができる。即ち、不純物分離装置２において、特別な動力源なしに微粒子Ｍ１及び気泡Ｍ２が含有される凝縮水Ｗ１の精製を行うことができる。
【００４１】
また、図１に示すように、精密ポンプ７の下流側に設けられた蒸気発生器８は、精密ポンプ７によって供給された精製水Ｗ２を加熱して水蒸気Ｖを発生させる。改質器３における改質器バーナ３ａからの燃焼排ガスＥ２を蒸気発生器８に供給可能に構成されており、蒸気発生器８において燃焼排ガスＥ２と精製水Ｗ２との熱交換により精製水Ｗ２を加熱して水蒸気Ｖを発生させている。そして、このようにして発生した水蒸気Ｖを改質器３に流入する原料ガスＦの原料ガス流路中に混合するように構成されている。
【００４２】
改質器３は改質器バーナ３ａの燃焼が行われるバーナ燃焼室３ｂが設けられており、改質器バーナ３ａによる燃焼によって発生する熱によって、改質器３が原料ガスＦの水蒸気改質を行なう改質温度にまで加熱される。また、改質器バーナ３ａには、燃焼用の燃料および空気を供給する燃料供給管３ｃおよび空気供給管３ｄが設けられており、燃料供給管３ｃには、原料ガスＦが供給可能に構成されるとともに、燃料電池４の排出ガスＥ１を燃焼用の燃料として使用するオフガス供給管１３が接続されている。また、図示しない制御部によって、燃料供給管３ｃに設けられた燃料ガスバルブＶ１およびオフガス供給管１３に設けられたオフガスバルブＶ２の開度が調整されることで燃焼用の燃料としての原料ガスＦおよび排出ガスＥ１ａの流量が調整されるとともに、空気供給管３ｄに設けられた空気バルブＶ３の開度を調整されることで、空気供給手段１４によって供給される空気（酸素）の流量が調整されて、改質器３の温度調整が可能に構成されている。
【００４３】
燃料電池４は、ＰＥＦＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を備えた固体高分子形燃料電池とされる。固体高分子形の燃料電池４は、一酸化炭素除去器１１からの一酸化炭素が除去された後の改質ガスＧと空気に含まれる酸素とを反応させて電力を発生させるものであり、この燃料電池４はアノード（燃料極）４ａと、カソード（空気極）４ｂと、固体高分子電解質膜４ｃとを備えている。ここで、固体高分子電解質膜４ｃは、例えば、プロトン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーをはじめとする陽イオン交換樹脂で構成されている。また、燃料極４ａおよび空気極４ｂはその電極材料として、例えば、多孔質状のカーボンを担体として、白金及び白金合金触媒を担持して構成されている。
【００４４】
また、図１に示すように、水回収器５として、燃料電池４の燃料極４ａおよび空気極４ｂから排出された排出ガスＥ１から水分を凝縮させて凝縮水Ｗ１を回収する排出ガス用水回収器５１と、改質器３のバーナ燃焼室３ｂから排出された燃焼排ガスＥ２から水分を凝縮させて凝縮水Ｗ１を回収する燃焼排ガス用水回収器５２が設けられている。
さらに、排出ガス用水回収器５１として、燃料電池４の燃料極４ａからの排出ガスＥ１ａの出口から凝縮水Ｗ１を回収する排出ガス用水回収器５１ａと、空気極４ｂからの排出ガスＥ１ｂから凝縮水Ｗ１を回収する排出ガス用水回収器５１ｂとがそれぞれ設けられている。
【００４５】
そして、排出ガス用水回収器５１ａは、燃料電池４の燃料極４ａ側から排出された排出ガスＥ１ａの水分を凝縮させて凝縮水Ｗ１を回収するとともに、凝縮水Ｗ１が凝縮した後の排出ガスＥ１ａを、上述の如く、改質器バーナ３ａの燃料用の燃料ガスとするために、オフガス供給管１３を介して改質器バーナ３ａに供給するように構成されている。一方、排出ガス用水回収器５１ｂは、燃料電池４の空気極４ｂ側から排出された排出ガスＥ１ｂの水分を凝縮させて凝縮水Ｗ１を回収するとともに、凝縮水Ｗ１が凝縮した後の排出ガスＥ１ｂを外部に排出するように構成されている。
また、排出ガス用水回収器５１は、排出ガスＥ１を冷却して水分を凝縮させるための冷却手段５ａを備えている。この冷却手段５ａは、例えば、外部から冷媒Ｒを管内に流動させる熱交換器とされている。これによって凝縮された凝縮水Ｗ１は、凝縮水供給管１２を経由して不純物分離装置２に流入する。
なお、凝縮水供給管１２には、燃料電池システム１において、水量が不足した時に外部から水を供給可能な水供給口１２ａと、水量が過剰となった時に外部へ水を排水可能な水排水口１２ｂが設けられている。
【００４６】
そして、燃焼排ガス用水回収器５２は、改質器３のバーナ燃焼室３ｂから排出された燃焼排ガスＥ２から水分を凝縮させて凝縮水Ｗ１を回収するとともに、凝縮水Ｗ１が凝縮した後の燃焼排ガスＥ２を外部に排出するように構成されている。
ここで、燃焼排ガスＥ２は、上述如く、燃焼排ガス用水回収器５ｂの燃焼排ガスＥ２の流路上流側に設けられている蒸気発生器８において精製水Ｗ２との間で熱交換されて冷却され、燃焼排ガスＥ２に含まれる水分が凝縮して凝縮水Ｗ１が生成する。この凝縮水Ｗ１が、燃焼排ガスＥ２の流路下流側に設けられた燃焼排ガス用水回収器５２に流入する構成とされている。
そして、燃焼排ガス用水回収器５２には、凝縮水供給管１２と接続されている凝縮水連絡管１５が設けられており、凝縮水Ｗ１が、凝縮水連絡管１５および凝縮水供給管１２を経由して不純物分離装置２に流入する構成とされている。
【００４７】
このように、燃料電池４のアノード４ａ側から排出される排出ガスＥ１ａの凝縮水Ｗ１を排出ガス用水回収器５１ａによって回収するとともに、その凝縮水Ｗ１を不純物分離装置２に供給して、水分を燃料電池システム１内で循環させるように構成されている。
また、排出ガス用水回収器５１ｂにおいて排出ガスＥ１ｂの凝縮水Ｗ１、および、燃焼排ガス用水回収器５２において燃焼排ガスＥ２の凝縮水Ｗ１についても不純物分離装置２に供給されるように構成されており、これにより、燃焼排ガスＥ２等とともに、システムの外部に排出される水分が補われ、燃料電池システム１において水自立運転を実施することが可能に構成されている。
【００４８】
〔別実施形態〕
（Ａ）上記実施形態においては、燃料電池４として固体高分子形燃料電池を用いた燃料電池システム１としたが、これに限らず、燃料電池４として固体酸化物形燃料電池など、その他の種類の燃料電池４を用いた燃料電池システム１であってもよい。
【００４９】
（Ｂ）上記実施形態においては、精製水Ｗ２を改質器３に接続された蒸気発生器８に供給したが、精製水Ｗ２が改質器３に供給されるように構成されて、改質器３内で水蒸気Ｖが生成される構成としてもかまわない。
【００５０】
（Ｃ）上記実施形態においては、水回収器５として、燃料電池４から排出された排出ガスＥ１の凝縮水Ｗ１を回収する排出ガス用水回収器５１と、改質器３から排出された燃焼排ガスＥ２の凝縮水Ｗ１を回収する燃焼排ガス用水回収器５２とが設けられたが、これに加えて、一酸化炭素変成器１０と一酸化炭素除去器１１との間に水回収器５を設けて、改質ガスＧから凝縮水Ｗ１が回収される構成としてもかまわない。
【００５１】
（Ｄ）上記特徴構成によれば、分離容器６ａは円筒状の形状として、その内部において渦巻き状の分離用流路６ｂが設けられたが、これに限らず、分離容器６ａを直方体状の形状等としてその内部において直線状の分離用流路６ｂを設けても構わない。また、分離容器６ａが設置される設置部の形状に合わせて分離容器６ａを変形させてもかまわない。
【００５２】
（Ｅ）上記特徴構成によれば、ポンプ室７ｅに往復移動体としてプランジャ７ｄを備えた精密ポンプ７としたが、これに限らず、ポンプ室７ｅに往復移動体としてピストンを備えた精密ポンプ７としてもよい。また、ポンプ室７ｅに歯車等の回転体を備えた精密ポンプ７であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
以上説明したように、それ自体としては、動力を必要とせず、不純物としての微粒子及び気泡を効果的且つ経済的に除去して、例えば、自立型の燃料電池システムにおける水の循環回路に使用できる不純物分離装置およびこの不純物分離装置を備えた燃料電池システムを提供することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１ 燃料電池システム
２ 不純物分離装置
３ 改質器
３ａ 改質器バーナ
４ 燃料電池
５ 水回収器
６ａ 容器（分離容器）
６ｂ 分離用流路
６ｃ 水流入口
６ｄ 水流出口
６ｆ 流路仕切板
６ｇ 気泡滞留室仕切板
６ｈ 底部
７ 精密ポンプ
７ｄ 往復移動体
７ｅ ポンプ室
７ｆ 摺動部
８ 蒸気発生器
６１ 気泡滞留室
６１ａ 気泡検知手段
６１ｃ 気泡排出弁
６２ａ 微粒子検知手段
６２ｃ 微粒子排出弁
Ｅ１ 排出ガス
Ｅ２ 燃焼排ガス
Ｆ 原料ガス
Ｇ 改質ガス
Ｍ 不純物
Ｍ１ 微粒子
Ｍ２ 気泡
Ｗ１ 処理対象水（凝縮水）
Ｗ２ 精製水
Ｗｄ 流れ方向
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下流側に備えられるポンプにより発生される吸引力により、処理対象水を水流入口から容器内に設けられた分離用流路に吸引して、当該分離用流路において不純物を分離して精製水として水流出口から流出する不純物分離装置であって、
前記ポンプが、ポンプ室の容積を増減させる回転体または往復移動体と当該ポンプ室の内壁面とが摺動する摺動部を有する精密ポンプであり、
前記分離用流路の下部に、前記水流入口が設けられるとともに、
前記分離用流路の上側に、気泡滞留室仕切板を介して前記水流入口から上昇した気泡が進入して分離される気泡滞留室を設け、
前記分離用流路を流れる処理対象水内を微粒子が沈降して容器の底部に分離されるように構成され、
前記分離用流路を処理対象水が前記水流入口から前記水流出口に向けて流れる状態で、
前記微粒子が前記気泡滞留室仕切板から沈降して前記容器の底部に到達する時間において、前記水流入口から前記水流出口への流れ方向において前記微粒子が到達する到達位置が、前記水流出口より前記流れ方向の上流側に設定されている不純物分離装置。
【請求項２】
前記容器は円筒状の形状とされ、前記容器の径方向中心部に前記水流入口が配設されるとともに、前記容器の外周側面に前記水流出口が配設され、
前記容器の内部において前記分離用流路を形成する流路仕切板は、前記容器と同心の渦巻き状を成して設けられ、前記分離用流路が渦巻き状を成す請求項１に記載の不純物分離装置。
【請求項３】
前記気泡滞留室に滞留する前記気泡の滞留量を検知する気泡検知手段を備え、前記気泡の滞留量が所定の滞留量となると、前記滞留した前記気泡を前記容器の外部に排出する気泡排出弁を備えた請求項１または２に記載の不純物分離装置。
【請求項４】
前記容器の底部に沈降して滞留する前記微粒子の滞留量を検知する微粒子検知手段を備え、前記微粒子の滞留量が所定の滞留量となると、前記滞留した前記微粒子を前記容器の外部に排出する微粒子排出弁を備えた請求項１〜３の何れか一項に記載の不純物分離装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の不純物分離装置と、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器と、当該改質器を加熱するための改質バーナと、前記改質ガスによって発電を行う燃料電池と、前記改質バーナの燃焼において発生した燃焼排ガスおよび前記燃料電池から排出された排出ガスの少なくとも一方に含まれる水分を凝縮させた凝縮水を回収する水回収器とを備え、
前記凝縮水が前記不純物分離装置に流入可能に構成されて、前記凝縮水を前記処理対象水として、前記不純物分離装置によって前記不純物が分離されるとともに、前記不純物が分離された前記精製水が、前記水蒸気改質のための水蒸気を発生させる水蒸気改質用の水として、前記精密ポンプを介して水消費手段としての前記改質器または前記改質器に接続された蒸気発生器に供給される燃料電池システム。
【請求項１】
下流側に備えられるポンプにより発生される吸引力により、処理対象水を水流入口から容器内に設けられた分離用流路に吸引して、当該分離用流路において不純物を分離して精製水として水流出口から流出する不純物分離装置であって、
前記ポンプが、ポンプ室の容積を増減させる回転体または往復移動体と当該ポンプ室の内壁面とが摺動する摺動部を有する精密ポンプであり、
前記分離用流路の下部に、前記水流入口が設けられるとともに、
前記分離用流路の上側に、気泡滞留室仕切板を介して前記水流入口から上昇した気泡が進入して分離される気泡滞留室を設け、
前記分離用流路を流れる処理対象水内を微粒子が沈降して容器の底部に分離されるように構成され、
前記分離用流路を処理対象水が前記水流入口から前記水流出口に向けて流れる状態で、
前記微粒子が前記気泡滞留室仕切板から沈降して前記容器の底部に到達する時間において、前記水流入口から前記水流出口への流れ方向において前記微粒子が到達する到達位置が、前記水流出口より前記流れ方向の上流側に設定されている不純物分離装置。
【請求項２】
前記容器は円筒状の形状とされ、前記容器の径方向中心部に前記水流入口が配設されるとともに、前記容器の外周側面に前記水流出口が配設され、
前記容器の内部において前記分離用流路を形成する流路仕切板は、前記容器と同心の渦巻き状を成して設けられ、前記分離用流路が渦巻き状を成す請求項１に記載の不純物分離装置。
【請求項３】
前記気泡滞留室に滞留する前記気泡の滞留量を検知する気泡検知手段を備え、前記気泡の滞留量が所定の滞留量となると、前記滞留した前記気泡を前記容器の外部に排出する気泡排出弁を備えた請求項１または２に記載の不純物分離装置。
【請求項４】
前記容器の底部に沈降して滞留する前記微粒子の滞留量を検知する微粒子検知手段を備え、前記微粒子の滞留量が所定の滞留量となると、前記滞留した前記微粒子を前記容器の外部に排出する微粒子排出弁を備えた請求項１〜３の何れか一項に記載の不純物分離装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の不純物分離装置と、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器と、当該改質器を加熱するための改質バーナと、前記改質ガスによって発電を行う燃料電池と、前記改質バーナの燃焼において発生した燃焼排ガスおよび前記燃料電池から排出された排出ガスの少なくとも一方に含まれる水分を凝縮させた凝縮水を回収する水回収器とを備え、
前記凝縮水が前記不純物分離装置に流入可能に構成されて、前記凝縮水を前記処理対象水として、前記不純物分離装置によって前記不純物が分離されるとともに、前記不純物が分離された前記精製水が、前記水蒸気改質のための水蒸気を発生させる水蒸気改質用の水として、前記精密ポンプを介して水消費手段としての前記改質器または前記改質器に接続された蒸気発生器に供給される燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−８５９８５（Ｐ２０１３−８５９８５Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２６０９９（Ｐ２０１１−２２６０９９）
【出願日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
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