燃料電池システム
【課題】水中の不純物が水素生成装置２の予熱蒸発器７の水蒸気の蒸発位置に析出することを抑制して予熱蒸発器が詰まることを防止し、安定した運転を継続できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】改質水タンク２８に供給する水を加熱して蒸留する水蒸留部３４と、水蒸留部３４及び改質水タンク２８を連通する水補給経路３１と、を備えた構成とし、改質水タンク２８に供給する水を水蒸留部３４で加熱し蒸留して水中のシリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物を取り除いた後に、水補給経路３１を経て改質水タンク２８に水を蓄え、予熱蒸発器７に供給するので予熱蒸発器７内でシリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物の析出が発生することを抑制できる。
【解決手段】改質水タンク２８に供給する水を加熱して蒸留する水蒸留部３４と、水蒸留部３４及び改質水タンク２８を連通する水補給経路３１と、を備えた構成とし、改質水タンク２８に供給する水を水蒸留部３４で加熱し蒸留して水中のシリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物を取り除いた後に、水補給経路３１を経て改質水タンク２８に水を蓄え、予熱蒸発器７に供給するので予熱蒸発器７内でシリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物の析出が発生することを抑制できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質用燃料及び水を反応させて改質ガスを生成する改質反応によって水素生成装置を備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素生成装置は、都市ガスやＬＰガスなどの炭素及び水素から構成される炭化水素を少なくとも含む改質用燃料（原料）と水を、内部に改質触媒層を有する改質反応部において水蒸気改質反応により水素含有ガスを生成する。燃料電池システムは、水素生成装置を備え、生成された水素含有ガス（以下、改質ガスと呼ぶ）を燃料電池に供給し発電する。
【０００３】
改質触媒層には、水は水蒸気の状態で供給されることが望ましく、発熱源から加熱される予熱蒸発器に水を供給し、水蒸気を発生させることが望ましい。
【０００４】
水を効率的に蒸発させる予熱蒸発器を有する装置として、例えば、図３に示す燃料改質装置１００が挙げられる。燃料改質装置１００は、その中心軸上に配置された燃焼筒１１２と火炎を形成するバーナ１１４とを備えている。この同軸に配置された内筒１２０と上部仕切筒１２４ａとの間の環状空間の下端に改質触媒を充填した改質反応部１２８を備え、内筒１２０と上部仕切筒１２４ａとの間の環状空間の上端部に改質用の水と原燃料ガス（原料）とを併せて供給する原燃料ガス供給口１２５が接続されている。さらに、燃料改質装置１００は、上部仕切筒１２４ａに相対する内筒１２０の外壁には、螺旋状に形成された板または棒状の部材である螺旋状ガイド１２６が設けられておりており、原燃料ガス供給口１２５から供給された改質用の水が、螺旋状ガイドの表面を伝って内筒の表面に接して流れる間に加熱され、気化するように構成された予熱蒸発器を有している（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１５９１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の燃料電池システムの予熱蒸発器では以下のような課題があった。
【０００７】
前述した螺旋状の経路を持つ予熱蒸発器において、内筒の外壁に設けられた螺旋状ガイド上を、原燃料である炭化水素と混合された状態の水が通過していくことになる。このとき、水は螺旋状ガイド上を通過していくにつれて、熱を回収し、徐々に蒸発していき水が完全に蒸発し得る熱量を得ることができるだけの螺旋状経路の行程を通過し終える位置に至るまでに、最終的に水が蒸発するように設計されている。
【０００８】
一般的に、改質用の水は、燃料電池システム内の改質反応と発電反応の過程で循環しながら使用されている。しかしながら、循環時に大気に放出される水量が多くなった場合や、水の循環経路や供給経路の異常が発生した場合や部品交換のメンテナンス時に水の補給や交換が頻繁に行われた場合、燃料電池システム内に水道水を追加供給する必要がある。そのため、シリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物を含んだ水道水が、予熱蒸発器に供給されることになる。水道水が予熱蒸発器に供給されると、予熱蒸発器の水蒸気の経路に、これらの不純物が析出して経路を閉塞し、原料と水（水蒸気）が流れにくくなる恐れがある。この場合、改質反応部における水蒸気改質反応により所定の改質ガスが生成
できなくなり、燃料電池システムの運転が継続できなく恐れがある。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題に鑑みてなされたもので、燃料電池システム内に水道水を追加供給する必要が生じた場合であっても、予熱蒸発器に供給される水中に含まれる不純物が析出して予熱蒸発器を詰まることを抑制し、安定した運転を継続できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃焼ガスを生成する燃焼器と燃焼ガスの熱を利用して水から水蒸気を生成すると共に、生成した水蒸気及び供給された原料を混合する予熱蒸発器と、予熱蒸発器の下流側に配置され、燃焼ガスの熱を利用して加熱され、原料及び水蒸気から水蒸気改質反応によって水素含有ガスを生成する改質反応部とを有する水素生成装置と、水素含有ガスと酸素とを反応させて発電する燃料電池と水を貯える改質水タンクと改質水タンク及び予熱蒸発器を連通する水供給経路と水供給経路上に設けられ、水を供給するための改質水供給部と改質水タンクに供給する水を加熱して蒸留する水蒸留部と水蒸留部及び改質水タンクを連通する水補給経路とを備えたものである。
【００１１】
これによって、改質水タンクに供給する水を水蒸留部で加熱して蒸留して水中のシリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物を取り除いた後に、水補給経路を経て改質水タンクに水を蓄え、この水を改質水供給部により水素生成装置の予熱蒸発器に供給するので予熱蒸発器の水蒸気の蒸発位置には水中のシリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物の析出が発生することを抑制できるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の燃料電池システムは、水素生成装置の予熱蒸発器に供給する水を水蒸留部で加熱して蒸留して水中のシリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物を取り除いた後に、水補給経路を経て改質水タンクに蓄え、改質水供給部により水素生成装置の予熱蒸発器に供給する。そのため、水中の不純物が予熱蒸発器内に析出することを抑制して、予熱蒸発器が詰まることを防止できる。また、安定した運転を継続する燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図３】従来の燃料電池システムの構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の燃料電池システムは、燃焼ガスを生成する燃焼器、前記燃焼ガスの熱を利用して水から水蒸気を生成すると共に、生成した水蒸気及び供給された原料を混合する予熱蒸発器、及び、前記予熱蒸発器の下流側に配置され、前記燃焼ガスの熱を利用して加熱され、原料及び水蒸気から水蒸気改質反応によって水素含有ガスを生成する改質反応部、を有する水素生成装置と、前記水素生成装置で生成した水素含有ガス及び酸素を反応させて発電する燃料電池と、前記予熱蒸発器に供給する水を貯える改質水タンクと、前記改質水タンク及び前記予熱蒸発器を連通する水供給経路と、前記水供給経路上に設けられ、前記予熱蒸発器に水を供給するための改質水供給部と、前記改質水タンクに供給する水を加熱して蒸留する水蒸留部と、前記水蒸留部及び前記改質水タンクを連通する水補給経路と、を備えるものである。
【００１５】
これにより、改質水タンクに供給する水を水蒸留部で加熱して蒸留し、水中のシリカ、
カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物を取り除いた後に、水補給経路を経て改質水タンクに水を蓄え、この水を改質水供給部により水素生成装置の予熱蒸発器に供給することができる。そのため、予熱蒸発器内で水が蒸発した箇所に、水中の不純物の析出が発生することを抑制でき、予熱蒸発器が詰まることを防止できる。また、安定した運転を継続できる燃料電池システムを提供することができる。
【００１６】
また、本発明は、燃焼器から排出される燃焼排ガス、燃料電池の燃料極側の出口から排出される発電後のアノードオフガス、及び、燃料電池の空気極側から排出された発電後のカソードオフガスのうちの少なくともいずれかのガス中の水分を凝縮するための凝縮器と、凝縮器から回収された凝縮水を改質水タンクに供給する凝縮水回収経路とを備えていてもよい。
【００１７】
これにより、発電反応の過程で生成した水を回収し、改質反応に用いることができ、燃料電池システム内で循環しながら使用することができる。そのため、燃料電池システム外に放出される水量を減らすことができ、水の補給回数を少なくすることできる。
【００１８】
そのため、水の給水源としての水道管から、シリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物を含んだ水の供給が少なくなるので水蒸留部で水を加熱して蒸留するエネルギーを少なくすることができる。また、不純物の少ない水を循環して、予熱蒸発器内で水が蒸発した箇所に、水中の不純物の析出が発生することを抑制できる。
【００１９】
また、本発明は、改質水タンク内、又は、改質水タンクと水素生成装置の予熱蒸発器との供給経路上に水浄化部を備えていてもよい。
【００２０】
これにより、水素生成装置に供給する水に溶解している触媒に影響を及ぼす塩素等のイオン類を除去して供給できる。そのため、触媒の耐久性を高めると共に予熱蒸発器内で水が蒸発した箇所に、水中の不純物の析出が発生することを抑制できる。
【００２１】
さらに、改質水タンクに供給する水を水蒸留部で加熱して蒸留してから改質水タンクに蓄えるため、水浄化部の寿命を長くし、交換頻度を低減することができる。
【００２２】
また、本発明は、予熱蒸発器が、燃焼器と同心状に配置された径の異なる内筒及び外筒と内筒の内面に沿って燃焼ガスが流れるように形成された燃焼ガス経路と内筒及び前記外筒の間の環状空間の一部に内筒の外面に沿って前記水を流通する水経路規定部とを有し、改質反応部が、予熱蒸発器の下流側の環状空間に改質触媒を充填するように構成されていてもよい。
【００２３】
これにより、加熱用の燃焼器と燃焼ガス経路と予熱蒸発器と改質反応部とを一体化した構成において、予熱蒸発器が詰まることを防止できるので、予熱蒸発器を小型化でき、水素生成装置全体をコンパクトにすることができる。
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細を説明する。以下では全ての図を通じて、同一又は相当する要素には同一の参照符号を付してその重複する説明を省略する。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概要を示すブロック図である。
【００２６】
以下、本発明による燃料電池システムの一実施形態について説明する。図１において、
燃料電池システムは、燃料電池１と、この燃料電池１に必要な水素ガスを含む改質ガスを生成する水素生成装置２を備えている。
【００２７】
燃料電池１は、典型的には固体高分子型燃料電池であり、アノードと、カソードと、アノード及びカソードの間に配置された高分子電解質膜と、を含むセル５を複数積層して構成される。燃料電池１は、アノードに供給される水素を含む改質ガス及びカソードに供給される酸素を含む酸化剤ガス（例えば、空気）を用いて発電するものである。燃料電池１は、アノードに改質ガスを供給するためのアノード流路３、カソードに酸化剤ガスを供給するためのカソード流路４、及び、水素及び酸素の電気化学的反応により発生した熱を奪うための冷却媒体（例えば、水）を供給する冷却経路（図示せず）を備える。
【００２８】
水素生成装置２は、改質反応部１９、変成反応部２０、選択酸化反応部２１、予熱蒸発器７、燃焼器８及び燃焼用の空気供給部１５を備える。予熱蒸発器７は、炭化水素を含む改質用燃料（原料）及び改質水が供給される。予熱蒸発器７は、供給された改質水から水蒸気を生成すると共に、生成した水蒸気及び改質用燃料を混合して改質反応部１９に供給する。改質反応部１９は、改質用燃料及び水を用いて水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する。ここでは、改質反応部１９及び予熱蒸発器７を一体化した構成を備えている。
【００２９】
また、改質反応部１９及び予熱蒸発器７の中心軸上には、燃焼器８が配置される。燃焼器８は、火炎を形成するバーナ９、点火電極４７及び燃焼状態検出器４８を備える。燃焼器８には、空気供給部１５及び空気流量検知器（図示せず）が接続されている。空気供給部１５は、燃焼器８に燃焼用の空気（燃焼空気）を供給する。空気供給部１５としては、例えば、空気ポンプやファンを用いることができる。空気流量検知器は、燃焼空気の流量を測定する。なお、燃焼器８は、水素生成装置２に組み込まれて構成されていてもよいし、水素生成装置２と別の構成要素として構成されていてもよい。
【００３０】
燃焼器８には、燃焼用の燃料として、水素生成装置２が所定の温度に上昇するまでに通過した原料、一酸化炭素の濃度が燃料電池に供給可能な濃度にまで低減されていない改質ガス、又は、燃料電池１のアノードから排出された未反応の改質ガス（アノードオフガス）が供給される。燃焼器８は、これらのガスを燃焼させて、例えば、改質反応部１９に供給する熱を生成する。
【００３１】
また、水素生成装置２は、複数の同心円状の２重管形状を有し、内側から順に、燃焼筒１０、内内筒１１、内筒１２、外筒１３から構成されている。
【００３２】
燃焼筒１０内には、燃焼ガスがバーナ９から放出されるように構成されている。燃焼筒１０と内内筒１１との環状空間により燃焼ガス経路１４が形成されており、この燃焼ガス経路１４を通り、燃焼ガス排出経路２５から水素生成装置２外に導出される。
【００３３】
内内筒１１と内筒１２との環状空間の一部に、内筒の外面に沿って周方向に周回しながら螺旋状に構成された予熱蒸発器７が設けられている。予熱蒸発器７の上流側の内筒１２の外周面には、改質用燃料を供給する改質用燃料供給部１７、及び、改質水を供給する改質水供給部１８が接続されている。改質用燃料供給部１７としては、例えば、ブースターポンプやガス制御弁、を用いることができる。改質用燃料供給部１７は図示しない改質用燃料供給元に接続されている。改質水供給部１８としては、例えば、水ポンプを用いることができる。
【００３４】
内筒１２と外筒１３との環状空間には、変成反応部２０と選択酸化反応部２１が設けられている。予熱蒸発器７の上流側の内筒１２の外周面には改質用燃料を供給する改質用燃
料供給部１７が設けられ改質用燃料を供給する改質用燃料供給部１７が接続されている。
【００３５】
外筒１３の外周面には、改質ガスの一酸化炭素選択酸化反応に必要な空気を選択酸化反応部２１に供給する選択酸化空気供給部２２が接続されている。また、外筒１３の外周面には、水素生成装置２から改質ガスを導出し、燃料電池１に供給する改質ガス経路２３が接続されている。
【００３６】
外筒１３の外周面には、改質温度検知器１９ａ、変成温度検知器２０ａ及び選択酸化温度検知器２１ａが配置されている。改質温度検知器１９ａ、変成温度検知器２０ａ及び選択酸化温度検知器２１ａは、それぞれ改質反応部１９、変成反応部２０及び選択酸化反応部２１の温度を検出する。改質温度検知器１９ａ、変成温度検知器２０ａ及び選択酸化温度検知器２１ａとしては、例えば、熱電対やサーミスタを用いることができる。
【００３７】
改質ガス経路２３には、改質ガス開閉弁３８が設けられ、改質ガス開閉弁３８の開閉で燃料電池１のアノード流路３への改質ガスの供給を制御することができる。アノード流路３及び燃焼器８は、アノードオフガス経路３９を介して接続される。アノードオフガス経路３９には、アノードオフガス開閉弁４０が配設されている。また、改質ガス開閉弁３８の上流側の改質ガス経路２３と、アノードオフガス開閉弁４０よりも下流のアノードオフガス経路３９とが、改質ガスバイパス経路４１で接続されている。改質ガスバイパス経路４１にはバイパス開閉弁４２が設けられており、ガスの流通を制御できる。
【００３８】
これらの開閉弁を開閉制御することにより、改質反応部１９から導出された改質ガスを燃料電池１へ導入して、発電した後に燃料電池１での電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスを燃焼器８に導入することができる。また、これらの開閉弁を開閉制御することにより、改質反応部１９を流通した改質用燃料及び改質ガスを燃料電池１に導入することなく燃焼器８に導入することができる。
【００３９】
燃焼器８のバーナ９は、複数の燃料噴出孔を有する燃料セパレータと、複数の空気噴出孔を有する空気噴出部材を備える。バーナ９の外側には、点火電極４７とバーナ９の火炎の着火または消火を検出するための燃焼状態検出器４８とが配置されている。燃焼状態検出器４８としては、例えば、火炎内のイオン電流を検知して火炎の有無を判定するフレームロッドまたは火炎温度を検知して火炎の有無を判定する熱電対を用いることができる。
【００４０】
水素生成装置２は、改質用燃料、改質ガスバイパス経路４１から供給される改質反応部１９を流通した改質ガス、及び、アノードオフガス経路３９から供給される燃料電池１から排出されるアノードオフガスのうちの少なくともいずれかと、空気供給部１５から供給される燃焼用空気と、をバーナ９で燃焼させることができる。水素生成装置２は、燃焼反応により生成した高温の燃焼ガスを燃焼筒１０に排出して燃焼ガス経路１４を流通させて、改質反応部１９および予熱蒸発器７を加熱することができる。
【００４１】
水供給経路２６は、水を供給する改質水供給部１８と予熱蒸発器７とを連通している。改質水供給部１８としては、例えば、水ポンプを用いることができる。
【００４２】
改質水供給部１８の上流側には、水を蓄える改質水タンク２８が接続されている。改質水タンク２８の内部には、タンクに蓄えられた水の水量を検知する水位検知装置２９、及び、タンクに蓄えられた水に溶解した塩素等のイオン類を除去する水浄化部３０が設けられている。
【００４３】
水補給経路３１は、改質水タンク２８と、加熱予熱蒸発器３２及び凝縮部３３からなる水蒸留部３４とを連通している。水蒸留部３４と水の給水源としての水道管３５との間に
は、水量調整器３６及び給水弁３７が配置されている。 制御器４６は、燃料電池１及び水素生成装置２を制御するもので、少なくとも空気供給部１５、改質用燃料供給部１７、改質水供給部１８、水蒸留部３４、水量調整器３６、給水弁３７、改質ガス開閉弁３８、アノードオフガス開閉弁４０、バイパス開閉弁４２及び点火電極４７を制御する。
【００４４】
続いて、本発明による燃料電池システムの運転動作について説明する。
【００４５】
燃料電池システムの運転は、制御器４６により制御され、例えば、燃料電池システムが設置されて初期運転を開始すると、まず、給水弁３７を開にして、水道管３５から水量調整器３６を介して水蒸留部３４に水が供給される。このとき、水量調整器３６は、水蒸留部３４の水蒸留能力の範囲を超えないように水量を調整する。さらに、水蒸留部３４の運転を開始する。
【００４６】
水蒸留部３４の運転を開始すると、加熱予熱蒸発器３２が昇温され、加熱予熱蒸発器３２により供給された水が蒸発して水蒸気になって凝縮部３３に流入する。凝縮部３３に流入した水は、凝縮部３３で凝縮して凝縮水が生成され、水補給経路３１を経て水として改質水タンク２８に蓄えられる。
【００４７】
改質水タンク２８内に蓄えられた水の水量を水位検知装置２９で検知し、燃料電池システムで循環使用する規定の水量に達すると、給水弁３７を閉じると共に水蒸留部３４の加熱予熱蒸発器３２の運転を停止する。
【００４８】
この水蒸留工程の結果、水道管３５から供給された水に含まれていたシリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物を除去した水が、改質水タンク２８内に蓄えられる。
【００４９】
なお、ここでは、料電池発電システムが設置されて初期運転を開始する際に、給水弁３７を開にして、水量調整器３６で水蒸留部３４の水蒸留能力の範囲を超えないように水量を調整し、水道管３５から水を供給する構成としたが、これに限定されない。例えば、改質水タンク２８に水を蓄えるのに時間がかかるため、制御器４６で初期運転やメンテ運転時において水を加熱蒸発させないで改質水タンク２８に水を供給する運転を選択できるようにしてもよい。
【００５０】
改質水タンク２８内に蓄えられた水は、水浄化部３０の作用により水に溶解した塩素等のイオン類を除去されて高純度の純水になる。ここで、水浄化部３０としては、例えば、イオン交換樹脂を用いることができる。
【００５１】
改質水タンク２８に所定の水が供給された状態になると、次に、改質ガス開閉弁３８、アノードオフガス開閉弁４０、を閉にして、バイパス開閉弁４２を開にする。改質ガス開閉弁３８、アノードオフガス開閉弁４０、バイパス開閉弁４２の状態が整ったら、改質用燃料供給部１７から改質用燃料供給部１７に改質用燃料を供給すると共に、点火電極４７を作動させる。
【００５２】
供給された改質用燃料は、予熱蒸発器７、改質反応部１９を流通した後、改質ガス経路２３を通り、改質ガスバイパス経路４１とバイパス開閉弁４２とアノードオフガス経路３９を経由して燃焼器８に導出する。改質用燃料は、燃焼器８の燃料セパレータの燃料噴出孔から噴出して、空気噴出部材の空気噴出孔から噴出した空気と混合して、バーナ９で点火されて燃焼を開始する。燃焼器８は、高温の燃焼ガスを燃焼筒１０内に排出して燃焼ガス経路１４を流通させることで、少なくとも改質反応部１９および予熱蒸発器７を加熱する。
【００５３】
燃焼器８の火炎の着火を燃焼状態検出器４８で検出すると、点火電極４７の動作を停止して、以降、改質温度検知器１９ａ、変成温度検知器２０ａ、選択酸化温度検知器２１ａを用いて、それぞれ改質触媒層、変成触媒層、選択酸化触媒層又はその近傍の温度を検知しながら燃焼を継続する。
【００５４】
その後、燃焼ガスによって、温度検知手段２４ａ、温度検知手段２４ｂ、温度検知手段２４ｃのそれぞれの温度が、水が蒸発する温度以上で所定量の水を供給したときに結露が発生しない温度以上の所定の温度に加熱されると、改質水供給部１８から水供給経路２６を介して改質水タンク２８内の水を予熱蒸発器７に供給を開始する。
【００５５】
予熱蒸発器７に供給された水は、内内筒１１と内筒１２との環状空間の一部に、内内筒１１の外面に沿って内内筒１１の周方向に周回しながら形成された螺旋状の水経路規定部に沿って、鉛直下方向に流れる。この際に、水経路規定部に沿って、鉛直下方向に流れながら、燃焼排ガスからの熱を吸収して気化蒸発して水蒸気になり、改質用燃料ともにさらに加熱されて改質反応部１９に供給される。
【００５６】
改質反応部１９では、燃焼ガス経路１４を流通した高温の燃焼ガスから吸熱して、触媒による水蒸気と改質用燃料との水蒸気改質反応により改質ガス（水素含有ガス）を生成する。その後、生成した改質ガスを、さらに変成触媒層と選択酸化触媒層を通過させることにより、水性変成反応と選択酸化反応により、改質反応で発生した一酸化炭素を二酸化炭素に変化させる。これにより、一酸化炭素を１０ｐｐｍ程度まで低減させた高濃度の水素を含有した改質ガス生成される。
【００５７】
そして、改質ガス開閉弁３８、アノードオフガス開閉弁４０、を開にして、バイパス開閉弁４２を閉にして、改質ガス経路２３から改質ガスを燃料電池１のアノード流路３に生成ガスを供給し、カソード流路４に供給される酸化剤ガスである空気（カソードエア）と反応させて発電を行う。
【００５８】
さらに、燃料電池１での電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスを、アノードオフガス経路３９を介して燃焼器８に導出し、バーナ９で燃焼させる。これにより、水素生成装置２の温度を適正値に維持して燃料電池システムの発電運転を継続する。
【００５９】
運転中もしくは運転停止時に、改質水タンク２８内に蓄えられた水の水量を水位検知装置２９で検知する。改質水タンク２８内に蓄えられた水の水量が、燃料電池システムで循環使用する規定の水量以下になると、給水弁３７を開にして水道管３５から水蒸留部３４に水が供給される。このとき、水量調整器３６は、水蒸留部３４の水蒸留能力の範囲を超えないように水量を調整する。さらに、水蒸留部３４の加熱予熱蒸発器３２の運転を開始し、凝縮水を生成して水補給経路３１を経て水として改質水タンク２８に蓄える。
【００６０】
改質水タンク２８内に蓄えられた水の水量を水位検知装置２９で検知して燃料電池システムで循環使用する規定の水量に達すると、給水弁３７を閉じると共に水蒸留部３４の加熱予熱蒸発器３２の運転を停止する。
【００６１】
上述したように、本実施の形態によれば、以上のような構成と運転方法により、改質水タンク２８に供給する水を水蒸留部３４で加熱して水中のシリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物を取り除いた後に凝縮させてから水補給経路３１を経て改質水タンク２８に蓄えてから、この水を改質水供給部１８により水素生成装置２の予熱蒸発器７に供給するので予熱蒸発器７の水蒸気の蒸発位置に水中のシリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物の析出が発生することが抑制できる。そのため、予熱蒸発器７が詰まることを
防止し、燃料電池システム運転を安定して継続できる。
【００６２】
さらに、改質水タンク２８に供給する水を水蒸留部３４で加熱しているので、溶解している塩素イオン等のイオン類を除去してから改質水タンク２８に蓄えることができる。そのため、水浄化部３０の寿命を長くし、水浄化部３０の交換頻度を低減できる。
【００６３】
また、予熱蒸発器７が詰まることを防止できるため、予熱蒸発器７を小型化でき、改質反応部１９と予熱蒸発器７とを一体化した構成の水素生成装置２全体をコンパクトにすることができる。
【００６４】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概要を示すブロック図である。
【００６５】
図２において、図１と同じ番号は、実施の形態１に係る燃料電池システムと同一部位を表す。
【００６６】
図２において、燃料電池システムは、実施の形態１の構成に加え、燃料電池１のアノード流路３と燃焼器８とを接続するアノードオフガス経路３９上にアノードオフガス凝縮器５０が設けられ、アノードオフガス凝縮器５０と改質水タンク２８がアノード凝縮水回収経路５１で接続されている。
【００６７】
さらに、燃料電池１のカソード流路４の出口にカソードオフガス凝縮器５２が設けられ、カソードオフガス凝縮器５２と改質水タンク２８がカソード凝縮水回収経路５３で接続されている。
【００６８】
さらに、燃焼ガス排出経路２５の出口に燃焼排ガス凝縮器５４が設けられ、燃焼排ガス凝縮器５４と改質水タンク２８が燃焼排ガス凝縮水回収経路５５で接続されている。
【００６９】
続いて、本発明による燃料電池システムの運転動作について説明する。
【００７０】
アノードオフガス凝縮器５０では、燃料電池１をバイパスして導出した改質ガス、及び、燃料電池１のアノード流路３の出口から排出される発電後のアノードオフガス中の水分が凝縮されて凝縮水が生成される。
【００７１】
アノードオフガス凝縮器５０で生成された凝縮水は、アノード凝縮水回収経路５１を経て改質水タンク２８に戻され、改質反応用の水として再利用される。
【００７２】
カソードオフガス凝縮器５２では、燃料電池１のカソード流路４の出口から排出される発電後のカソードオフガス中の水分が凝縮されて凝縮水が生成される。また、カソードオフガス中には、発電によって生成する生成水に加えて、電解質膜を加湿するために供給された水分が含まれている場合もある。
【００７３】
カソードオフガス凝縮器５２で生成された凝縮水は、カソード凝縮水回収経路５３を経て改質水タンク２８に戻され、改質反応用の水として再利用される。
【００７４】
燃焼排ガス凝縮器５４では、改質用燃料、燃焼ガス排出経路２５の出口から排出される燃料電池１をバイパスして導出した改質ガス、及び、燃料電池１のアノード流路３の出口から排出される発電後のアノードオフガスのうちの少なくとも１つを、バーナ９で燃焼させた燃焼排ガス中の水分が凝縮されて、凝縮水が生成される。
【００７５】
燃焼排ガス凝縮器５４で生成された凝縮水は、燃焼排ガス凝縮水回収経路５５を経て改質水タンク２８に戻され、改質反応用の水として再利用される。
【００７６】
この構成により、燃料電池システム内の改質反応と発電反応の過程で循環しながら使用されている水の燃料電池システム外に放出される水量を減らすことができる。そのため、水の補給回数を少なくすることできる。そのため、水の給水源としての水道管３５からシリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物を含んだ水の供給を少なくすることができ、水蒸留部３４で水を加熱して蒸留するエネルギーを少なくすることができる。
【００７７】
また、不純物の少ない凝縮水を水として使用するため、予熱蒸発器７内で水が蒸発する箇所に、水中の不純物の析出が発生することをより抑制できる。そのため、予熱蒸発器７が詰まることを防止でき、安定した運転を継続できる燃料電池システムを提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明に係る燃料電池システムは、例えば、家庭用燃料電池コージェネレーションシステム及び非常用電源などの定置用燃料電池システムとして有用である。
【符号の説明】
【００７９】
１ 燃料電池
２ 水素生成装置
３ アノード流路
４ カソード流路
５ セル
７ 予熱蒸発器
８ 燃焼器
９ バーナ
１０ 燃焼筒
１１ 内内筒
１２ 内筒
１３ 外筒
１４ 燃焼ガス経路
１５ 空気供給部
１７ 改質用燃料供給部
１８ 改質水供給部
１９ 改質反応部
１９ａ 改質温度検知器
２０ 変成反応部
２０ａ 変成温度検知器
２１ 選択酸化反応部
２１ａ 選択酸化温度検知器
２２ 選択酸化空気供給部
２３ 改質ガス経路
２５ 燃焼ガス排出経路
２６ 水供給経路
２８ 改質水タンク
２９ 水位検知装置
３０ 水浄化部
３１ 水補給経路
３２ 加熱予熱蒸発器
３３ 凝縮部
３４ 水蒸留部
３５ 水道管
３６ 水量調整器
３７ 給水弁
３８ 改質ガス開閉弁
３９ アノードオフガス経路
４０ アノードオフガス開閉弁
４１ 改質ガスバイパス経路
４２ バイパス開閉弁
４６ 制御器
４７ 点火電極
４８ 燃焼状態検出器
５０ アノードオフガス凝縮器
５１ アノード凝縮水回収経路
５２ カソードオフガス凝縮器
５３ カソード凝縮水回収経路
５４ 燃焼排ガス凝縮器
５５ 燃焼排ガス凝縮水回収経路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質用燃料及び水を反応させて改質ガスを生成する改質反応によって水素生成装置を備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素生成装置は、都市ガスやＬＰガスなどの炭素及び水素から構成される炭化水素を少なくとも含む改質用燃料（原料）と水を、内部に改質触媒層を有する改質反応部において水蒸気改質反応により水素含有ガスを生成する。燃料電池システムは、水素生成装置を備え、生成された水素含有ガス（以下、改質ガスと呼ぶ）を燃料電池に供給し発電する。
【０００３】
改質触媒層には、水は水蒸気の状態で供給されることが望ましく、発熱源から加熱される予熱蒸発器に水を供給し、水蒸気を発生させることが望ましい。
【０００４】
水を効率的に蒸発させる予熱蒸発器を有する装置として、例えば、図３に示す燃料改質装置１００が挙げられる。燃料改質装置１００は、その中心軸上に配置された燃焼筒１１２と火炎を形成するバーナ１１４とを備えている。この同軸に配置された内筒１２０と上部仕切筒１２４ａとの間の環状空間の下端に改質触媒を充填した改質反応部１２８を備え、内筒１２０と上部仕切筒１２４ａとの間の環状空間の上端部に改質用の水と原燃料ガス（原料）とを併せて供給する原燃料ガス供給口１２５が接続されている。さらに、燃料改質装置１００は、上部仕切筒１２４ａに相対する内筒１２０の外壁には、螺旋状に形成された板または棒状の部材である螺旋状ガイド１２６が設けられておりており、原燃料ガス供給口１２５から供給された改質用の水が、螺旋状ガイドの表面を伝って内筒の表面に接して流れる間に加熱され、気化するように構成された予熱蒸発器を有している（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１５９１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の燃料電池システムの予熱蒸発器では以下のような課題があった。
【０００７】
前述した螺旋状の経路を持つ予熱蒸発器において、内筒の外壁に設けられた螺旋状ガイド上を、原燃料である炭化水素と混合された状態の水が通過していくことになる。このとき、水は螺旋状ガイド上を通過していくにつれて、熱を回収し、徐々に蒸発していき水が完全に蒸発し得る熱量を得ることができるだけの螺旋状経路の行程を通過し終える位置に至るまでに、最終的に水が蒸発するように設計されている。
【０００８】
一般的に、改質用の水は、燃料電池システム内の改質反応と発電反応の過程で循環しながら使用されている。しかしながら、循環時に大気に放出される水量が多くなった場合や、水の循環経路や供給経路の異常が発生した場合や部品交換のメンテナンス時に水の補給や交換が頻繁に行われた場合、燃料電池システム内に水道水を追加供給する必要がある。そのため、シリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物を含んだ水道水が、予熱蒸発器に供給されることになる。水道水が予熱蒸発器に供給されると、予熱蒸発器の水蒸気の経路に、これらの不純物が析出して経路を閉塞し、原料と水（水蒸気）が流れにくくなる恐れがある。この場合、改質反応部における水蒸気改質反応により所定の改質ガスが生成
できなくなり、燃料電池システムの運転が継続できなく恐れがある。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題に鑑みてなされたもので、燃料電池システム内に水道水を追加供給する必要が生じた場合であっても、予熱蒸発器に供給される水中に含まれる不純物が析出して予熱蒸発器を詰まることを抑制し、安定した運転を継続できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃焼ガスを生成する燃焼器と燃焼ガスの熱を利用して水から水蒸気を生成すると共に、生成した水蒸気及び供給された原料を混合する予熱蒸発器と、予熱蒸発器の下流側に配置され、燃焼ガスの熱を利用して加熱され、原料及び水蒸気から水蒸気改質反応によって水素含有ガスを生成する改質反応部とを有する水素生成装置と、水素含有ガスと酸素とを反応させて発電する燃料電池と水を貯える改質水タンクと改質水タンク及び予熱蒸発器を連通する水供給経路と水供給経路上に設けられ、水を供給するための改質水供給部と改質水タンクに供給する水を加熱して蒸留する水蒸留部と水蒸留部及び改質水タンクを連通する水補給経路とを備えたものである。
【００１１】
これによって、改質水タンクに供給する水を水蒸留部で加熱して蒸留して水中のシリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物を取り除いた後に、水補給経路を経て改質水タンクに水を蓄え、この水を改質水供給部により水素生成装置の予熱蒸発器に供給するので予熱蒸発器の水蒸気の蒸発位置には水中のシリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物の析出が発生することを抑制できるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の燃料電池システムは、水素生成装置の予熱蒸発器に供給する水を水蒸留部で加熱して蒸留して水中のシリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物を取り除いた後に、水補給経路を経て改質水タンクに蓄え、改質水供給部により水素生成装置の予熱蒸発器に供給する。そのため、水中の不純物が予熱蒸発器内に析出することを抑制して、予熱蒸発器が詰まることを防止できる。また、安定した運転を継続する燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図３】従来の燃料電池システムの構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の燃料電池システムは、燃焼ガスを生成する燃焼器、前記燃焼ガスの熱を利用して水から水蒸気を生成すると共に、生成した水蒸気及び供給された原料を混合する予熱蒸発器、及び、前記予熱蒸発器の下流側に配置され、前記燃焼ガスの熱を利用して加熱され、原料及び水蒸気から水蒸気改質反応によって水素含有ガスを生成する改質反応部、を有する水素生成装置と、前記水素生成装置で生成した水素含有ガス及び酸素を反応させて発電する燃料電池と、前記予熱蒸発器に供給する水を貯える改質水タンクと、前記改質水タンク及び前記予熱蒸発器を連通する水供給経路と、前記水供給経路上に設けられ、前記予熱蒸発器に水を供給するための改質水供給部と、前記改質水タンクに供給する水を加熱して蒸留する水蒸留部と、前記水蒸留部及び前記改質水タンクを連通する水補給経路と、を備えるものである。
【００１５】
これにより、改質水タンクに供給する水を水蒸留部で加熱して蒸留し、水中のシリカ、
カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物を取り除いた後に、水補給経路を経て改質水タンクに水を蓄え、この水を改質水供給部により水素生成装置の予熱蒸発器に供給することができる。そのため、予熱蒸発器内で水が蒸発した箇所に、水中の不純物の析出が発生することを抑制でき、予熱蒸発器が詰まることを防止できる。また、安定した運転を継続できる燃料電池システムを提供することができる。
【００１６】
また、本発明は、燃焼器から排出される燃焼排ガス、燃料電池の燃料極側の出口から排出される発電後のアノードオフガス、及び、燃料電池の空気極側から排出された発電後のカソードオフガスのうちの少なくともいずれかのガス中の水分を凝縮するための凝縮器と、凝縮器から回収された凝縮水を改質水タンクに供給する凝縮水回収経路とを備えていてもよい。
【００１７】
これにより、発電反応の過程で生成した水を回収し、改質反応に用いることができ、燃料電池システム内で循環しながら使用することができる。そのため、燃料電池システム外に放出される水量を減らすことができ、水の補給回数を少なくすることできる。
【００１８】
そのため、水の給水源としての水道管から、シリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物を含んだ水の供給が少なくなるので水蒸留部で水を加熱して蒸留するエネルギーを少なくすることができる。また、不純物の少ない水を循環して、予熱蒸発器内で水が蒸発した箇所に、水中の不純物の析出が発生することを抑制できる。
【００１９】
また、本発明は、改質水タンク内、又は、改質水タンクと水素生成装置の予熱蒸発器との供給経路上に水浄化部を備えていてもよい。
【００２０】
これにより、水素生成装置に供給する水に溶解している触媒に影響を及ぼす塩素等のイオン類を除去して供給できる。そのため、触媒の耐久性を高めると共に予熱蒸発器内で水が蒸発した箇所に、水中の不純物の析出が発生することを抑制できる。
【００２１】
さらに、改質水タンクに供給する水を水蒸留部で加熱して蒸留してから改質水タンクに蓄えるため、水浄化部の寿命を長くし、交換頻度を低減することができる。
【００２２】
また、本発明は、予熱蒸発器が、燃焼器と同心状に配置された径の異なる内筒及び外筒と内筒の内面に沿って燃焼ガスが流れるように形成された燃焼ガス経路と内筒及び前記外筒の間の環状空間の一部に内筒の外面に沿って前記水を流通する水経路規定部とを有し、改質反応部が、予熱蒸発器の下流側の環状空間に改質触媒を充填するように構成されていてもよい。
【００２３】
これにより、加熱用の燃焼器と燃焼ガス経路と予熱蒸発器と改質反応部とを一体化した構成において、予熱蒸発器が詰まることを防止できるので、予熱蒸発器を小型化でき、水素生成装置全体をコンパクトにすることができる。
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細を説明する。以下では全ての図を通じて、同一又は相当する要素には同一の参照符号を付してその重複する説明を省略する。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概要を示すブロック図である。
【００２６】
以下、本発明による燃料電池システムの一実施形態について説明する。図１において、
燃料電池システムは、燃料電池１と、この燃料電池１に必要な水素ガスを含む改質ガスを生成する水素生成装置２を備えている。
【００２７】
燃料電池１は、典型的には固体高分子型燃料電池であり、アノードと、カソードと、アノード及びカソードの間に配置された高分子電解質膜と、を含むセル５を複数積層して構成される。燃料電池１は、アノードに供給される水素を含む改質ガス及びカソードに供給される酸素を含む酸化剤ガス（例えば、空気）を用いて発電するものである。燃料電池１は、アノードに改質ガスを供給するためのアノード流路３、カソードに酸化剤ガスを供給するためのカソード流路４、及び、水素及び酸素の電気化学的反応により発生した熱を奪うための冷却媒体（例えば、水）を供給する冷却経路（図示せず）を備える。
【００２８】
水素生成装置２は、改質反応部１９、変成反応部２０、選択酸化反応部２１、予熱蒸発器７、燃焼器８及び燃焼用の空気供給部１５を備える。予熱蒸発器７は、炭化水素を含む改質用燃料（原料）及び改質水が供給される。予熱蒸発器７は、供給された改質水から水蒸気を生成すると共に、生成した水蒸気及び改質用燃料を混合して改質反応部１９に供給する。改質反応部１９は、改質用燃料及び水を用いて水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する。ここでは、改質反応部１９及び予熱蒸発器７を一体化した構成を備えている。
【００２９】
また、改質反応部１９及び予熱蒸発器７の中心軸上には、燃焼器８が配置される。燃焼器８は、火炎を形成するバーナ９、点火電極４７及び燃焼状態検出器４８を備える。燃焼器８には、空気供給部１５及び空気流量検知器（図示せず）が接続されている。空気供給部１５は、燃焼器８に燃焼用の空気（燃焼空気）を供給する。空気供給部１５としては、例えば、空気ポンプやファンを用いることができる。空気流量検知器は、燃焼空気の流量を測定する。なお、燃焼器８は、水素生成装置２に組み込まれて構成されていてもよいし、水素生成装置２と別の構成要素として構成されていてもよい。
【００３０】
燃焼器８には、燃焼用の燃料として、水素生成装置２が所定の温度に上昇するまでに通過した原料、一酸化炭素の濃度が燃料電池に供給可能な濃度にまで低減されていない改質ガス、又は、燃料電池１のアノードから排出された未反応の改質ガス（アノードオフガス）が供給される。燃焼器８は、これらのガスを燃焼させて、例えば、改質反応部１９に供給する熱を生成する。
【００３１】
また、水素生成装置２は、複数の同心円状の２重管形状を有し、内側から順に、燃焼筒１０、内内筒１１、内筒１２、外筒１３から構成されている。
【００３２】
燃焼筒１０内には、燃焼ガスがバーナ９から放出されるように構成されている。燃焼筒１０と内内筒１１との環状空間により燃焼ガス経路１４が形成されており、この燃焼ガス経路１４を通り、燃焼ガス排出経路２５から水素生成装置２外に導出される。
【００３３】
内内筒１１と内筒１２との環状空間の一部に、内筒の外面に沿って周方向に周回しながら螺旋状に構成された予熱蒸発器７が設けられている。予熱蒸発器７の上流側の内筒１２の外周面には、改質用燃料を供給する改質用燃料供給部１７、及び、改質水を供給する改質水供給部１８が接続されている。改質用燃料供給部１７としては、例えば、ブースターポンプやガス制御弁、を用いることができる。改質用燃料供給部１７は図示しない改質用燃料供給元に接続されている。改質水供給部１８としては、例えば、水ポンプを用いることができる。
【００３４】
内筒１２と外筒１３との環状空間には、変成反応部２０と選択酸化反応部２１が設けられている。予熱蒸発器７の上流側の内筒１２の外周面には改質用燃料を供給する改質用燃
料供給部１７が設けられ改質用燃料を供給する改質用燃料供給部１７が接続されている。
【００３５】
外筒１３の外周面には、改質ガスの一酸化炭素選択酸化反応に必要な空気を選択酸化反応部２１に供給する選択酸化空気供給部２２が接続されている。また、外筒１３の外周面には、水素生成装置２から改質ガスを導出し、燃料電池１に供給する改質ガス経路２３が接続されている。
【００３６】
外筒１３の外周面には、改質温度検知器１９ａ、変成温度検知器２０ａ及び選択酸化温度検知器２１ａが配置されている。改質温度検知器１９ａ、変成温度検知器２０ａ及び選択酸化温度検知器２１ａは、それぞれ改質反応部１９、変成反応部２０及び選択酸化反応部２１の温度を検出する。改質温度検知器１９ａ、変成温度検知器２０ａ及び選択酸化温度検知器２１ａとしては、例えば、熱電対やサーミスタを用いることができる。
【００３７】
改質ガス経路２３には、改質ガス開閉弁３８が設けられ、改質ガス開閉弁３８の開閉で燃料電池１のアノード流路３への改質ガスの供給を制御することができる。アノード流路３及び燃焼器８は、アノードオフガス経路３９を介して接続される。アノードオフガス経路３９には、アノードオフガス開閉弁４０が配設されている。また、改質ガス開閉弁３８の上流側の改質ガス経路２３と、アノードオフガス開閉弁４０よりも下流のアノードオフガス経路３９とが、改質ガスバイパス経路４１で接続されている。改質ガスバイパス経路４１にはバイパス開閉弁４２が設けられており、ガスの流通を制御できる。
【００３８】
これらの開閉弁を開閉制御することにより、改質反応部１９から導出された改質ガスを燃料電池１へ導入して、発電した後に燃料電池１での電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスを燃焼器８に導入することができる。また、これらの開閉弁を開閉制御することにより、改質反応部１９を流通した改質用燃料及び改質ガスを燃料電池１に導入することなく燃焼器８に導入することができる。
【００３９】
燃焼器８のバーナ９は、複数の燃料噴出孔を有する燃料セパレータと、複数の空気噴出孔を有する空気噴出部材を備える。バーナ９の外側には、点火電極４７とバーナ９の火炎の着火または消火を検出するための燃焼状態検出器４８とが配置されている。燃焼状態検出器４８としては、例えば、火炎内のイオン電流を検知して火炎の有無を判定するフレームロッドまたは火炎温度を検知して火炎の有無を判定する熱電対を用いることができる。
【００４０】
水素生成装置２は、改質用燃料、改質ガスバイパス経路４１から供給される改質反応部１９を流通した改質ガス、及び、アノードオフガス経路３９から供給される燃料電池１から排出されるアノードオフガスのうちの少なくともいずれかと、空気供給部１５から供給される燃焼用空気と、をバーナ９で燃焼させることができる。水素生成装置２は、燃焼反応により生成した高温の燃焼ガスを燃焼筒１０に排出して燃焼ガス経路１４を流通させて、改質反応部１９および予熱蒸発器７を加熱することができる。
【００４１】
水供給経路２６は、水を供給する改質水供給部１８と予熱蒸発器７とを連通している。改質水供給部１８としては、例えば、水ポンプを用いることができる。
【００４２】
改質水供給部１８の上流側には、水を蓄える改質水タンク２８が接続されている。改質水タンク２８の内部には、タンクに蓄えられた水の水量を検知する水位検知装置２９、及び、タンクに蓄えられた水に溶解した塩素等のイオン類を除去する水浄化部３０が設けられている。
【００４３】
水補給経路３１は、改質水タンク２８と、加熱予熱蒸発器３２及び凝縮部３３からなる水蒸留部３４とを連通している。水蒸留部３４と水の給水源としての水道管３５との間に
は、水量調整器３６及び給水弁３７が配置されている。 制御器４６は、燃料電池１及び水素生成装置２を制御するもので、少なくとも空気供給部１５、改質用燃料供給部１７、改質水供給部１８、水蒸留部３４、水量調整器３６、給水弁３７、改質ガス開閉弁３８、アノードオフガス開閉弁４０、バイパス開閉弁４２及び点火電極４７を制御する。
【００４４】
続いて、本発明による燃料電池システムの運転動作について説明する。
【００４５】
燃料電池システムの運転は、制御器４６により制御され、例えば、燃料電池システムが設置されて初期運転を開始すると、まず、給水弁３７を開にして、水道管３５から水量調整器３６を介して水蒸留部３４に水が供給される。このとき、水量調整器３６は、水蒸留部３４の水蒸留能力の範囲を超えないように水量を調整する。さらに、水蒸留部３４の運転を開始する。
【００４６】
水蒸留部３４の運転を開始すると、加熱予熱蒸発器３２が昇温され、加熱予熱蒸発器３２により供給された水が蒸発して水蒸気になって凝縮部３３に流入する。凝縮部３３に流入した水は、凝縮部３３で凝縮して凝縮水が生成され、水補給経路３１を経て水として改質水タンク２８に蓄えられる。
【００４７】
改質水タンク２８内に蓄えられた水の水量を水位検知装置２９で検知し、燃料電池システムで循環使用する規定の水量に達すると、給水弁３７を閉じると共に水蒸留部３４の加熱予熱蒸発器３２の運転を停止する。
【００４８】
この水蒸留工程の結果、水道管３５から供給された水に含まれていたシリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物を除去した水が、改質水タンク２８内に蓄えられる。
【００４９】
なお、ここでは、料電池発電システムが設置されて初期運転を開始する際に、給水弁３７を開にして、水量調整器３６で水蒸留部３４の水蒸留能力の範囲を超えないように水量を調整し、水道管３５から水を供給する構成としたが、これに限定されない。例えば、改質水タンク２８に水を蓄えるのに時間がかかるため、制御器４６で初期運転やメンテ運転時において水を加熱蒸発させないで改質水タンク２８に水を供給する運転を選択できるようにしてもよい。
【００５０】
改質水タンク２８内に蓄えられた水は、水浄化部３０の作用により水に溶解した塩素等のイオン類を除去されて高純度の純水になる。ここで、水浄化部３０としては、例えば、イオン交換樹脂を用いることができる。
【００５１】
改質水タンク２８に所定の水が供給された状態になると、次に、改質ガス開閉弁３８、アノードオフガス開閉弁４０、を閉にして、バイパス開閉弁４２を開にする。改質ガス開閉弁３８、アノードオフガス開閉弁４０、バイパス開閉弁４２の状態が整ったら、改質用燃料供給部１７から改質用燃料供給部１７に改質用燃料を供給すると共に、点火電極４７を作動させる。
【００５２】
供給された改質用燃料は、予熱蒸発器７、改質反応部１９を流通した後、改質ガス経路２３を通り、改質ガスバイパス経路４１とバイパス開閉弁４２とアノードオフガス経路３９を経由して燃焼器８に導出する。改質用燃料は、燃焼器８の燃料セパレータの燃料噴出孔から噴出して、空気噴出部材の空気噴出孔から噴出した空気と混合して、バーナ９で点火されて燃焼を開始する。燃焼器８は、高温の燃焼ガスを燃焼筒１０内に排出して燃焼ガス経路１４を流通させることで、少なくとも改質反応部１９および予熱蒸発器７を加熱する。
【００５３】
燃焼器８の火炎の着火を燃焼状態検出器４８で検出すると、点火電極４７の動作を停止して、以降、改質温度検知器１９ａ、変成温度検知器２０ａ、選択酸化温度検知器２１ａを用いて、それぞれ改質触媒層、変成触媒層、選択酸化触媒層又はその近傍の温度を検知しながら燃焼を継続する。
【００５４】
その後、燃焼ガスによって、温度検知手段２４ａ、温度検知手段２４ｂ、温度検知手段２４ｃのそれぞれの温度が、水が蒸発する温度以上で所定量の水を供給したときに結露が発生しない温度以上の所定の温度に加熱されると、改質水供給部１８から水供給経路２６を介して改質水タンク２８内の水を予熱蒸発器７に供給を開始する。
【００５５】
予熱蒸発器７に供給された水は、内内筒１１と内筒１２との環状空間の一部に、内内筒１１の外面に沿って内内筒１１の周方向に周回しながら形成された螺旋状の水経路規定部に沿って、鉛直下方向に流れる。この際に、水経路規定部に沿って、鉛直下方向に流れながら、燃焼排ガスからの熱を吸収して気化蒸発して水蒸気になり、改質用燃料ともにさらに加熱されて改質反応部１９に供給される。
【００５６】
改質反応部１９では、燃焼ガス経路１４を流通した高温の燃焼ガスから吸熱して、触媒による水蒸気と改質用燃料との水蒸気改質反応により改質ガス（水素含有ガス）を生成する。その後、生成した改質ガスを、さらに変成触媒層と選択酸化触媒層を通過させることにより、水性変成反応と選択酸化反応により、改質反応で発生した一酸化炭素を二酸化炭素に変化させる。これにより、一酸化炭素を１０ｐｐｍ程度まで低減させた高濃度の水素を含有した改質ガス生成される。
【００５７】
そして、改質ガス開閉弁３８、アノードオフガス開閉弁４０、を開にして、バイパス開閉弁４２を閉にして、改質ガス経路２３から改質ガスを燃料電池１のアノード流路３に生成ガスを供給し、カソード流路４に供給される酸化剤ガスである空気（カソードエア）と反応させて発電を行う。
【００５８】
さらに、燃料電池１での電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスを、アノードオフガス経路３９を介して燃焼器８に導出し、バーナ９で燃焼させる。これにより、水素生成装置２の温度を適正値に維持して燃料電池システムの発電運転を継続する。
【００５９】
運転中もしくは運転停止時に、改質水タンク２８内に蓄えられた水の水量を水位検知装置２９で検知する。改質水タンク２８内に蓄えられた水の水量が、燃料電池システムで循環使用する規定の水量以下になると、給水弁３７を開にして水道管３５から水蒸留部３４に水が供給される。このとき、水量調整器３６は、水蒸留部３４の水蒸留能力の範囲を超えないように水量を調整する。さらに、水蒸留部３４の加熱予熱蒸発器３２の運転を開始し、凝縮水を生成して水補給経路３１を経て水として改質水タンク２８に蓄える。
【００６０】
改質水タンク２８内に蓄えられた水の水量を水位検知装置２９で検知して燃料電池システムで循環使用する規定の水量に達すると、給水弁３７を閉じると共に水蒸留部３４の加熱予熱蒸発器３２の運転を停止する。
【００６１】
上述したように、本実施の形態によれば、以上のような構成と運転方法により、改質水タンク２８に供給する水を水蒸留部３４で加熱して水中のシリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物を取り除いた後に凝縮させてから水補給経路３１を経て改質水タンク２８に蓄えてから、この水を改質水供給部１８により水素生成装置２の予熱蒸発器７に供給するので予熱蒸発器７の水蒸気の蒸発位置に水中のシリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物の析出が発生することが抑制できる。そのため、予熱蒸発器７が詰まることを
防止し、燃料電池システム運転を安定して継続できる。
【００６２】
さらに、改質水タンク２８に供給する水を水蒸留部３４で加熱しているので、溶解している塩素イオン等のイオン類を除去してから改質水タンク２８に蓄えることができる。そのため、水浄化部３０の寿命を長くし、水浄化部３０の交換頻度を低減できる。
【００６３】
また、予熱蒸発器７が詰まることを防止できるため、予熱蒸発器７を小型化でき、改質反応部１９と予熱蒸発器７とを一体化した構成の水素生成装置２全体をコンパクトにすることができる。
【００６４】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概要を示すブロック図である。
【００６５】
図２において、図１と同じ番号は、実施の形態１に係る燃料電池システムと同一部位を表す。
【００６６】
図２において、燃料電池システムは、実施の形態１の構成に加え、燃料電池１のアノード流路３と燃焼器８とを接続するアノードオフガス経路３９上にアノードオフガス凝縮器５０が設けられ、アノードオフガス凝縮器５０と改質水タンク２８がアノード凝縮水回収経路５１で接続されている。
【００６７】
さらに、燃料電池１のカソード流路４の出口にカソードオフガス凝縮器５２が設けられ、カソードオフガス凝縮器５２と改質水タンク２８がカソード凝縮水回収経路５３で接続されている。
【００６８】
さらに、燃焼ガス排出経路２５の出口に燃焼排ガス凝縮器５４が設けられ、燃焼排ガス凝縮器５４と改質水タンク２８が燃焼排ガス凝縮水回収経路５５で接続されている。
【００６９】
続いて、本発明による燃料電池システムの運転動作について説明する。
【００７０】
アノードオフガス凝縮器５０では、燃料電池１をバイパスして導出した改質ガス、及び、燃料電池１のアノード流路３の出口から排出される発電後のアノードオフガス中の水分が凝縮されて凝縮水が生成される。
【００７１】
アノードオフガス凝縮器５０で生成された凝縮水は、アノード凝縮水回収経路５１を経て改質水タンク２８に戻され、改質反応用の水として再利用される。
【００７２】
カソードオフガス凝縮器５２では、燃料電池１のカソード流路４の出口から排出される発電後のカソードオフガス中の水分が凝縮されて凝縮水が生成される。また、カソードオフガス中には、発電によって生成する生成水に加えて、電解質膜を加湿するために供給された水分が含まれている場合もある。
【００７３】
カソードオフガス凝縮器５２で生成された凝縮水は、カソード凝縮水回収経路５３を経て改質水タンク２８に戻され、改質反応用の水として再利用される。
【００７４】
燃焼排ガス凝縮器５４では、改質用燃料、燃焼ガス排出経路２５の出口から排出される燃料電池１をバイパスして導出した改質ガス、及び、燃料電池１のアノード流路３の出口から排出される発電後のアノードオフガスのうちの少なくとも１つを、バーナ９で燃焼させた燃焼排ガス中の水分が凝縮されて、凝縮水が生成される。
【００７５】
燃焼排ガス凝縮器５４で生成された凝縮水は、燃焼排ガス凝縮水回収経路５５を経て改質水タンク２８に戻され、改質反応用の水として再利用される。
【００７６】
この構成により、燃料電池システム内の改質反応と発電反応の過程で循環しながら使用されている水の燃料電池システム外に放出される水量を減らすことができる。そのため、水の補給回数を少なくすることできる。そのため、水の給水源としての水道管３５からシリカ、カリウム、カルシウム及び鉄等の不純物を含んだ水の供給を少なくすることができ、水蒸留部３４で水を加熱して蒸留するエネルギーを少なくすることができる。
【００７７】
また、不純物の少ない凝縮水を水として使用するため、予熱蒸発器７内で水が蒸発する箇所に、水中の不純物の析出が発生することをより抑制できる。そのため、予熱蒸発器７が詰まることを防止でき、安定した運転を継続できる燃料電池システムを提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明に係る燃料電池システムは、例えば、家庭用燃料電池コージェネレーションシステム及び非常用電源などの定置用燃料電池システムとして有用である。
【符号の説明】
【００７９】
１ 燃料電池
２ 水素生成装置
３ アノード流路
４ カソード流路
５ セル
７ 予熱蒸発器
８ 燃焼器
９ バーナ
１０ 燃焼筒
１１ 内内筒
１２ 内筒
１３ 外筒
１４ 燃焼ガス経路
１５ 空気供給部
１７ 改質用燃料供給部
１８ 改質水供給部
１９ 改質反応部
１９ａ 改質温度検知器
２０ 変成反応部
２０ａ 変成温度検知器
２１ 選択酸化反応部
２１ａ 選択酸化温度検知器
２２ 選択酸化空気供給部
２３ 改質ガス経路
２５ 燃焼ガス排出経路
２６ 水供給経路
２８ 改質水タンク
２９ 水位検知装置
３０ 水浄化部
３１ 水補給経路
３２ 加熱予熱蒸発器
３３ 凝縮部
３４ 水蒸留部
３５ 水道管
３６ 水量調整器
３７ 給水弁
３８ 改質ガス開閉弁
３９ アノードオフガス経路
４０ アノードオフガス開閉弁
４１ 改質ガスバイパス経路
４２ バイパス開閉弁
４６ 制御器
４７ 点火電極
４８ 燃焼状態検出器
５０ アノードオフガス凝縮器
５１ アノード凝縮水回収経路
５２ カソードオフガス凝縮器
５３ カソード凝縮水回収経路
５４ 燃焼排ガス凝縮器
５５ 燃焼排ガス凝縮水回収経路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼ガスを生成する燃焼器、前記燃焼ガスの熱を利用して水から水蒸気を生成すると共に、生成した水蒸気及び供給された原料を混合する予熱蒸発器、及び、前記予熱蒸発器の下流側に配置され、前記燃焼ガスの熱を利用して加熱され、原料及び水蒸気から水蒸気改質反応によって水素含有ガスを生成する改質反応部、を有する水素生成装置と、
前記水素生成装置で生成した水素含有ガス及び酸素を反応させて発電する燃料電池と、
前記予熱蒸発器に供給する水を貯える改質水タンクと、
前記改質水タンク及び前記予熱蒸発器を連通する水供給経路と、
前記水供給経路上に設けられ、前記予熱蒸発器に水を供給するための改質水供給部と、
前記改質水タンクに供給する水を加熱して蒸留する水蒸留部と、
前記水蒸留部及び前記改質水タンクを連通する水補給経路と、
を備えた、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃焼器から排出される燃焼排ガス、前記燃料電池の燃料極側の出口から排出される発電後のアノードオフガス、及び、前記燃料電池の空気極側から排出された発電後のカソードオフガスのうちの少なくともいずれかのガス中の水分を凝縮するための凝縮器と、
前記凝縮器から回収された凝縮水を前記改質水タンクに供給する凝縮水回収経路と、
をさらに備えた、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記改質水タンク内、又は、前記改質水タンクと水素生成装置の前記予熱蒸発器とを連通する水供給経路上に設けられた水浄化部、をさらに備えた、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記予熱蒸発器は、前記燃焼器と同心状に配置された径の異なる内筒及び外筒と、前記内筒の内面に沿って燃焼ガスが流れるように形成された燃焼ガス経路と、前記内筒及び前記外筒の間の環状空間の一部に、前記内筒の外面に沿って前記水を流通する水経路規定部と、を有し、
前記改質反応部は、前記予熱蒸発器の下流側の前記環状空間に改質触媒を充填するように構成されている、請求項１〜３に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
燃焼ガスを生成する燃焼器、前記燃焼ガスの熱を利用して水から水蒸気を生成すると共に、生成した水蒸気及び供給された原料を混合する予熱蒸発器、及び、前記予熱蒸発器の下流側に配置され、前記燃焼ガスの熱を利用して加熱され、原料及び水蒸気から水蒸気改質反応によって水素含有ガスを生成する改質反応部、を有する水素生成装置と、
前記水素生成装置で生成した水素含有ガス及び酸素を反応させて発電する燃料電池と、
前記予熱蒸発器に供給する水を貯える改質水タンクと、
前記改質水タンク及び前記予熱蒸発器を連通する水供給経路と、
前記水供給経路上に設けられ、前記予熱蒸発器に水を供給するための改質水供給部と、
前記改質水タンクに供給する水を加熱して蒸留する水蒸留部と、
前記水蒸留部及び前記改質水タンクを連通する水補給経路と、
を備えた、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃焼器から排出される燃焼排ガス、前記燃料電池の燃料極側の出口から排出される発電後のアノードオフガス、及び、前記燃料電池の空気極側から排出された発電後のカソードオフガスのうちの少なくともいずれかのガス中の水分を凝縮するための凝縮器と、
前記凝縮器から回収された凝縮水を前記改質水タンクに供給する凝縮水回収経路と、
をさらに備えた、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記改質水タンク内、又は、前記改質水タンクと水素生成装置の前記予熱蒸発器とを連通する水供給経路上に設けられた水浄化部、をさらに備えた、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記予熱蒸発器は、前記燃焼器と同心状に配置された径の異なる内筒及び外筒と、前記内筒の内面に沿って燃焼ガスが流れるように形成された燃焼ガス経路と、前記内筒及び前記外筒の間の環状空間の一部に、前記内筒の外面に沿って前記水を流通する水経路規定部と、を有し、
前記改質反応部は、前記予熱蒸発器の下流側の前記環状空間に改質触媒を充填するように構成されている、請求項１〜３に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−２０８６５（Ｐ２０１３−２０８６５Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５４５３３（Ｐ２０１１−１５４５３３）
【出願日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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