燃料電池システム
【課題】十分なカチオン交換容量を有する浄水器を有する燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】浄水器１８は、入口側接続部２４及び出口側接続部２５を具備した容器２１の内に、イオン交換樹脂２３が、フィルタ２２に保持され構成され、燃料電池システムから回収した凝縮水からカチオンとアニオンを除去し、浄化水を生成する。イオン交換樹脂２３は、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂からなり、当該アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量より、当該カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量が大きくなるように前記アニオン交換樹脂と前記カチオン交換樹脂とが混合され容器２１に充填される。
【解決手段】浄水器１８は、入口側接続部２４及び出口側接続部２５を具備した容器２１の内に、イオン交換樹脂２３が、フィルタ２２に保持され構成され、燃料電池システムから回収した凝縮水からカチオンとアニオンを除去し、浄化水を生成する。イオン交換樹脂２３は、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂からなり、当該アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量より、当該カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量が大きくなるように前記アニオン交換樹脂と前記カチオン交換樹脂とが混合され容器２１に充填される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン交換樹脂を用いた浄水器を具備する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池システムは、燃料電池から排出される排空気に含まれる水蒸気と、水素生成器で原料ガスを燃焼して得られる燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮することによって得た凝縮水を、一旦凝縮水タンクに貯水し、当該凝縮水タンクから、ポンプなどの送水手段を用いて、凝縮水を浄水器に送り、凝縮水に含まれるカチオン及びアニオンを除去した後、燃料電池の冷却水や、燃料電池の発電に利用する水素を生成するための水として利用する構成をとる。
【０００３】
ここで、浄水器は、カチオンを除去するためのカチオン交換樹脂と、アニオンを除去するためのアニオン交換樹脂を混合したイオン交換樹脂から構成されている（例えば、特許文献１参照）。また、浄水器として、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を混合したイオン交換樹脂を用いて構成される第１のカートリッジに、アニオン交換樹脂のみを用いて構成される第２のカートリッジを附属して配置しているものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
図５は、特許文献１に開示された従来の燃料電池システムの概略を示した構成図である。図５に示すように、燃料電池５３は、水素生成器５１の燃焼部５２において原料ガスを燃焼して得られる水素を主成分とする燃料ガスと、外部から供給される空気を利用して発電する。
【０００５】
燃料電池５３から排出される排空気は、排空気凝縮器５１０に供給され、そこで、排空気に含まれる水蒸気が凝縮され、凝縮水として凝縮水タンク５４に回収される。また、水素生成器５１で原料ガスの改質反応の際に発生する燃焼排ガスは、燃焼排ガス凝縮器５１１に供給され、そこで、燃焼排ガスに含まれる水蒸気が凝縮され、凝縮水として凝縮水タンク５４に回収される。凝縮水タンク５４に貯えられた凝縮水は、ポンプ５６によって、浄水器５７に送られ、凝縮水に含まれるカチオン及びアニオンが除去された後、浄化水として、浄化水タンク５５に貯えられる。
【０００６】
浄化水タンク５５に貯水した浄化水は、改質水ポンプ５９によって水素生成器５１に送られ、原料ガスの改質反応に利用される。また、浄化水タンク５５に貯えた浄化水は、冷却水循環ポンプ５８によって、燃料電池５３を循環する。
【０００７】
ここで、燃料電池５３の絶縁や、配管部材や水タンクの腐食を防止するため、電気伝導率の低い浄化水が必要になる。かかる浄化水を確保するために、浄水器５７にはイオン交換樹脂を使用している。イオン交換樹脂は、凝縮水に含まれるカチオンとアニオンを除去するため、カチオンを交換するカチオン交換樹脂と、アニオンを交換するアニオン交換樹脂とが利用され、カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量と、アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量が同一になるように構成されている（カチオン交換容量とアニオン交換容量の比率が１：１）。
【０００８】
図６は、前記特許文献２に開示された従来の燃料電池システムの概略を示した構成図である。なお、図６において、図５と同一の構成は同じ符号を用い、説明は省略する。
【０００９】
図６に示すように、浄水器６１は、第１のカートリッジ６２と第２のカートリッジ６３で構成される。ここで、第１のカートリッジ６２は、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂が、当該カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量と、当該アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量が同一になるように混合されたイオン交換樹脂を用いて構成される（カチオン交換容量とアニオン交換容量の比率が１：１）。また、第２のカートリッジ６３は、アニオン交換樹脂のみを用いて構成され、第１のカートリッジ６２の上流側に配置される。したがって、浄水器６１は、浄水器全体として、カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量に対し、アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量が大きくなるようにして構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平９−２３１９９０号公報
【特許文献２】特開平８−１７４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ここで、発明者は、燃料電池システムに利用する原料ガスの種類を変えながら試験を行い、燃料電池システムに利用する原料ガスの種類によっては、凝縮水に含まれるカチオン量とアニオン量が変化することを見出した。特に、窒素を含む原料ガスを利用した燃料電池システムにおいては、凝縮水の中にカチオンであるアンモニウムイオンが多量に存在すること、浄化水タンクに貯えた浄化水の電気伝導率が上昇する原因は、カチオンであるアンモニウムイオンであること、浄水器においては、カチオンを交換するカチオン交換樹脂のカチオン交換容量が選択的に失われることを見出した。
【００１２】
例えば、従来技術に従って構成された燃料電池システムに搭載した従来構成の浄水器（カチオン交換容量とアニオン交換容量の比率が１：１で構成されたイオン交換樹脂を有する浄水器）において、破過した後の浄水器からイオン交換樹脂を回収し、カチオン交換樹脂及びアニオン交換樹脂に吸着されたカチオンまたはアニオンの種類とそれらの吸着量、及びカチオン交換樹脂及びアニオン交換樹脂の残存交換容量について分析したところ、［表１］の結果が得られた。
【００１３】
【表１】
【００１４】
ここで、破過とは、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂の少なくとも一方の交換樹脂がその交換容量を喪失し、凝縮水に含まれるカチオンまたはアニオンの交換ができなくなった状態をいう。
【００１５】
［表１］より、浄水器が破過した時においても、アニオン交換樹脂は交換容量を十分に保有していること、カチオン交換樹脂に吸着したカチオンは、アンモニウムイオンが主たるものであることがわかる。また、［表１］の結果から考えると、この場合の浄水器のカチオンの負荷はアニオンの負荷に比べ大きいことが分かる。すなわち、浄水器が破過した時、カチオン交換樹脂は交換の必要があっても、アニオン交換樹脂の交換容量は十分に保有されているところ、交換の必要はない。
【００１６】
ところが、前記従来の構成では、浄水器全体を交換してしまうので、交換容量を十分に保有しているアニオン交換樹脂も交換することになり、不経済である。また、アニオン交換樹脂が交換容量を十分に保有したまま交換されていることは、アニオン交換樹脂は本来必要となる量を上回る量が搭載されていることになり、浄水器はその余分なアニオン交換樹脂の搭載量分だけ大きくなり、燃料電池システムの低容積化を図る上で重要な課題になっていた。
【００１７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、特に、窒素を含有した原料ガスを利用する燃料電池システムにおいて、浄水器のカチオン交換容量を増大できる手段を提供し、十分な交換容量を残存するアニオン交換樹脂が交換されることを防止し、かつ、アニオン交換樹脂が必要量に対して余分な量が搭載されるのを防止して低容積の浄水器を具備する燃料電池システムを実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
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、浄水器を、凝縮水に含まれるアニオンを交換するアニオン交換樹脂と、凝縮水に含まれるカチオンを交換するカチオン交換樹脂とを有して構成し、前記アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容
量より、前記カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量が大きくなるように構成した浄水器としたものである。
【００１９】
これによって、アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量に比べ、カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量が大きくなるので、十分なカチオン交換容量を有し、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、アンモニウムイオンを十分に除去でき、安定な運転を維持することができる。
【００２０】
また、本発明の燃料電池システムは、凝縮水を水素生成器に供給し、水素生成器の原料ガスの改質反応に用いるものである。
【００２１】
これによって、水素生成器にアンモニウムイオン等のカチオンが混入することがなく、水素生成器の正常な運転を維持することでき、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、安定な運転を維持することができる。
【００２２】
また、本発明の燃料電池システムは、凝縮水を燃料電池に供給し、燃料電池が発電を行った際に発生する熱を吸収する熱媒体として用いるものである。
【００２３】
これによって、燃料電池に供給される熱媒体に、アンモニウムイオン等のカチオンが漏洩することがなく、熱媒体の電気伝導率を低く維持できるので、燃料電池が漏電することなく、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、安定かつ安全な運転を維持することができる。
【００２４】
また、本発明の燃料電池システムは、浄水器を、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを混合して構成されている第１イオン交換器と、アニオン交換樹脂を有しておらずカチオン交換樹脂のみ有している第２イオン交換器とを有して構成される浄水器としたものである。
【００２５】
これによって、浄水器全体として、アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量に比べ、カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量が大きくなるので、十分なカチオン交換容量を有し、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、アンモニウムイオンを十分に除去でき、安定な運転を維持することが可能になる。
【００２６】
また、本発明の燃料電池システムは、第２イオン交換器を、第１イオン交換器より上流に配置したものである。
【００２７】
これによって、第１イオン交換器を通過した浄化水を中性に維持できるので、第１イオン交換器の上流側に配置される、配管部材や水タンク等の劣化を抑えることができる。
【００２８】
また、本発明の燃料電池システムは、浄水器を、アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量とカチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量との比率が、凝縮水に含まれるアニオン量とカチオン量との比率に基づいて定めた浄水器としたものである。
【００２９】
これによって、凝縮水に含まれるカチオン量とアニオン量の比率に見合う、適正な量のカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を用いて浄水器を構成できるため、浄水器において、余分となるアニオン交換樹脂を搭載する必要がなく、必要量以上のアニオン交換樹脂が無駄になるのを防止でき、かつ、浄水器の容積を小さくすることができる。
【００３０】
また、本発明の燃料電池システムは、凝縮水に含まれるアニオン量とカチオン量との比率が、燃料電池が所定時間発電を行った後の凝縮水に含まれるアニオン量とカチオン量に
基づいて定めた浄水器としたものである。
【００３１】
これによって、凝縮水に含まれるカチオン量とアニオン量が安定するため、より適正な量のカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を用いて浄水器を構成できるため、浄水器の容積をより最適化することができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の燃料電池システムは、十分なカチオン交換容量を有するので、窒素を含有する原料ガスを利用する燃料電池システムにおいても、アンモニウムイオン等のカチオンを十分に除去でき、また、適切な容積および交換容量を有するカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂とを有する浄水器を実現できるので、アニオン交換樹脂の無駄を防止し、低容積の浄水器を具備する燃料電池システムが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムを示す構成図
【図２】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの浄水器を示す構成図
【図３】本発明の実施の形態２における燃料電池システムを示す構成図
【図４】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの浄水器を示す構成図
【図５】従来の燃料電池システムを示す構成図
【図６】従来の燃料電池システムを示す構成図
【発明を実施するための形態】
【００３４】
第１の発明は、原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器と、前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料排ガスに含まれる水蒸気と、前記水素生成器に供給される原料ガス、燃料ガス、および燃料排ガスの少なくとも一つを燃焼して得られる燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して得られる凝縮水を貯える凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクの凝縮水を浄化する浄水器とを備え、前記浄水器は、前記凝縮水中のアニオンを交換するアニオン交換樹脂と、前記凝縮水中のカチオンを交換するカチオン交換樹脂とを有しており、前記アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量より前記カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量が大きくなるように前記アニオン交換樹脂と前記カチオン交換樹脂とを有している、燃料電池システムである。
【００３５】
この構成により、アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量に比べ、カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量が大きくなるので、十分なカチオン交換容量を有し、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、アンモニウムイオンを十分に除去でき、安定な運転を維持する燃料電池システムを実現することができる。
【００３６】
第２の発明は、特に、第１の発明の凝縮水を水素生成器に供給し、水素生成器の原料ガスの改質反応に用いる燃料電池システムである。
【００３７】
この構成によって、浄水器が、アンモニウムイオン等のカチオンを十分に除去できるので、水素生成器にアンモニウムイオン等のカチオンが混入することがなく、水素生成器の正常な運転を維持することでき、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、安定な運転を維持する燃料電池システムを実現できる。
【００３８】
第３の発明は、特に、第１の発明の凝縮水を燃料電池に供給し、燃料電池が発電を行った際に発生する熱を吸収する熱媒体として用いる、燃料電池システムである。
【００３９】
この構成によって、燃料電池に供給される熱媒体に、アンモニウムイオン等のカチオン
が漏洩することがなく、熱媒体の電気伝導率を低く維持できるので、燃料電池が漏電することなく、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、安定かつ安全な運転を維持する燃料電池システムを実現することができる。
【００４０】
第４の発明は、特に、第１〜第３の発明の浄水器をアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを混合して構成されている第１イオン交換器と、アニオン交換樹脂を有しておらずカチオン交換樹脂のみを有している第２イオン交換器とを有している浄水器とした燃料電池システムである。
【００４１】
この構成によって、浄水器全体として、アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量に比べ、カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量が大きくなるので、十分なカチオン交換容量を有し、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、アンモニウムイオンを十分に除去でき、安定な運転を維持する燃料電池システムを実現することができる。
【００４２】
第５の発明は、特に、第４の発明の第２イオン交換器を第１イオン交換器より上流に配置した燃料電池システムである。
【００４３】
この構成によって、第１イオン交換器を通過した浄化水を中性に維持できるので、第１イオン交換器の上流側に配置される、配管部材や水タンク等の劣化を抑えることができる。これは、以下の作用による。つまり、凝縮水が第２イオン交換器を通過する際、凝縮水に含まれるカチオンがプロトンと交換されるため、第２イオン交換器を通過した浄化水は酸性を帯びているが、第１イオン交換器を通過する際に、凝縮水に含まれるアニオンが交換されることで発生する水酸化物イオンで中和されるので、第１イオン交換器を通過した浄化水は中性に維持することができる。
【００４４】
第６の発明は、特に、第１〜第５の発明の浄水器を、アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量とカチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量との比率が、凝縮水に含まれるアニオン量とカチオン量に基づいて定めた浄水器とした燃料電池システムである。
【００４５】
この構成によって、凝縮水に含まれるカチオン量とアニオン量の比率に見合う、適正な量のカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を用いて浄水器を構成できるため、浄水器において、余分となるアニオン交換樹脂を搭載する必要がなく、必要量以上のアニオン交換樹脂が無駄になるのを防止でき、かつ、浄水器の容積を小さくすることができる。
【００４６】
第７の発明は、特に、第６の発明の凝縮水中のアニオン量とカチオン量との比率を、燃料電池が所定時間発電を行った後の凝縮水に含まれるアニオン量とカチオン量に基づいて定めた燃料電池システムである。
【００４７】
この構成によって、凝縮水に含まれるカチオン量とアニオン量が安定するため、より適正な量のカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を用いて浄水器を構成でき、浄水器の容積をより最適化することができる。
【００４８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００４９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成を示すものである。
【００５０】
図１において、燃料電池システム１０は、凝縮水を貯水する凝縮水タンク１５と、凝縮水タンク１５から供給される凝縮水に含まれるカチオンとアニオンを除去して浄化水とする浄水器１８と、凝縮水タンク１５から凝縮水を浄水器１８に供給する第１の水ポンプ１７と、浄水器１８から供給される浄化水を貯える浄化水タンク１９と、を備えている。
【００５１】
さらに、燃料電池システム１０は、浄化水タンク１９から浄化水を送水する第２の水ポンプ１１０及び第３の水ポンプ１１１と、第３の水ポンプ１１１から浄化水の供給を受けて、原料ガスとして窒素を３％含む都市ガスを改質し水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器１１と、空気を燃料電池１３に供給する空気供給装置１４と、水素生成器１１から供給される燃料ガスと空気供給装置１４から供給される空気により発電を行う燃料電池１３と、を備えている。
【００５２】
また、燃料電池システム１０は、燃料電池１３から排出される排空気中に含まれる水蒸気を凝縮し排空気凝縮水を得る排空気凝縮器１１２と、排空気凝縮器１１２で凝縮した排空気凝縮水を凝縮水タンク１５に導く排空気凝縮水流路１１５と、燃料電池１３から排出される燃料排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮し燃料排ガス凝縮水を得る燃料排ガス凝縮器１１３と、燃料排ガス凝縮器１１３で凝縮した燃料排ガス凝縮水を凝縮水タンク１５に導く燃料排ガス凝縮水流路１２０と、燃料排ガス凝縮器１１３で水蒸気が除去された燃料排ガスを通流する燃料排ガス流路１１７と、を備えている。
【００５３】
さらに、燃料電池システム１０は、水素生成器１１から送られる燃料ガス中に含まれる水蒸気を凝縮し除去する燃料ガス凝縮器１６と、水素生成器１１から供給される燃料ガスを燃料ガス凝縮器１６に導くバイパス経路１１６と、水素生成器１１の中に配置され、原料ガスと、バイパス経路１１６と燃料ガス凝縮器１６を介して流れる燃料ガスと、燃料排ガス流路１１７を通流する燃料排ガスを燃焼する燃焼部１２と、燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮し燃焼排ガス凝縮水を得る燃焼排ガス凝縮器１１４と、燃焼排ガス凝縮器１１４で凝縮した燃焼排ガス凝縮水を凝縮水タンク１５に導く燃料排ガス凝縮水流路１２０とを備えている。また、凝縮水タンク１５は、凝縮水タンク１５に貯水した余剰の凝縮水を排水する排水口１１９を有する。
【００５４】
以下に、燃料電池システム１０を構成する構成要素の材料やその作用について具体的に説明する。
【００５５】
水素生成器１１は、例えばステンレスなどで構成された容器に、アルミナ担体にルテニウムを担持した触媒が充填されている。そして、原料ガスとして窒素３％および炭化水素ガスを含む都市ガスと、浄化水タンク１９から第３の水ポンプ１１１を介して供給される浄化水とを約６５０℃で化学反応させて、水素と二酸化炭素を生成する。このとき、浄化水は上記化学反応を進行させる役割を担っている。また、水素生成器１１に設けられている燃焼部１２は、原料ガスとして窒素３％を含む原料ガスを燃焼させる。
【００５６】
燃料電池１３は、フッ化炭素の主鎖にスルホン基の側鎖を付着させた高分子系の水素イオン伝導性電解質膜（図示せず）の両側に、カーボンブラックに触媒の白金粒子を担持して構成した燃料極と空気極（図示せず）とを備えた電池を複数積層した集合体から構成される。そして、水素生成器１１から、燃料極へ供給される燃料ガス中の水素と、空気供給装置１４から空気極へ供給される空気中の酸素との電気化学反応により、発電する。
【００５７】
また、凝縮水タンク１５は、例えばステンレスや樹脂などで構成され、その内に凝縮水が貯水される。
【００５８】
続いて、浄水器１８の構造について、図面を参酌し、詳細に説明する。
【００５９】
図２は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの浄水器の構成を示すものである。
【００６０】
図２において、浄水器１８は、入口側接続部２４及び出口側接続部２５を具備したポリプロピレンを材質とする容器２１の内に、イオン交換樹脂２３がフィルタ２２に保持され構成される。ここで、イオン交換樹脂２３は、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂から成り、当該カチオン交換樹脂で交換できるカチオン交換容量は、後述する凝縮水中のカチオン量とアニオン量の比率に基づき定められ、具体的には、当該アニオン交換樹脂で交換できるアニオン交換容量に対して２．３倍になるようにして、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂が混合されている。
【００６１】
次に、本実施の形態の燃料電池システム１０の運転動作について説明する。
【００６２】
まず、運転開始時、ガス供給管（図示せず）から、原料ガスとして窒素３％を含む都市ガスと、送風機（図示せず）からの空気が、燃焼部１２に供給されて燃焼が始まり、燃料ガスが得られる。燃料ガスは、バイパス経路１１６を通して燃料ガス凝縮器１６に送られる。燃料ガス凝縮器１６に送られた燃料ガスは、燃料ガス凝縮器１６において、その中に含まれる水蒸気が凝縮され除去された後、燃焼部１２に送られる。また、同時に、燃焼部１２は、水素生成器１１の内部に充填した触媒を約６５０℃に加熱する。そして、水素生成器１１の触媒が約６５０℃まで加熱されると、水素生成器１１は、以下の第２の段階の運転動作を行う。
【００６３】
まず、水素生成器１１は、浄化水タンク１９から第３の水ポンプ１１１により供給される浄化水と、ガス供給管（記載せず）からの供給される窒素３％を含む都市ガスとの、例えば改質反応により、水素を主成分とする燃料ガスを生成する。次に、燃料電池１３は、水素生成器１１から供給される燃料ガス中の水素と、空気供給装置１４から供給される空気中の酸素との電気化学反応により発電を行う。
【００６４】
続いて、本実施の形態の燃料電池システム１０における凝縮水と浄化水の流れについて説明する。
【００６５】
まず、図１に示すように、燃料電池１３からの排空気流路に配置した排空気凝縮器１１２により、燃料電池１３から排出される排空気に含まれる水蒸気を凝縮して排空気凝縮水が得られる。そして、得られた排空気凝縮水は、排空気凝縮水流路１１５を介して、凝縮水タンク１５に送られ、凝縮水タンク１５の貯水部に貯えられる。
【００６６】
また、燃料電池１３からの燃料排ガス流路に配置した燃料排ガス凝縮器１１３により、燃料電池１３から排出される燃料排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して燃料排ガス凝縮水が得られる。そして、得られた燃料排ガス凝縮水は、燃料排ガス凝縮水流路１２０を介して、凝縮水タンク１５に送られ、凝縮水タンク１５の貯水部に貯えられる。
【００６７】
さらに、水素生成器１１からの燃焼排ガス流路に配置した燃焼排ガス凝縮器１１４により、水素生成器１１で原料ガスとしての窒素３％を含む都市ガスと、バイパス経路１１６を介して流れる燃料ガスと、燃料排ガス凝縮器１１３で水蒸気が除去された燃料排ガスとを燃焼して得られる燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して燃焼排ガス凝縮水が得られる。そして、得られた燃焼排ガス凝縮水は、燃焼排ガス凝縮水流路１１８を介して、凝縮水タンク１５に送られ、凝縮水タンク１５の貯水部に貯えられる。そして、余剰となった凝縮水は、凝縮水タンク１５に配置した排水口１１９から排水される。
【００６８】
ここで、上記した燃料電池システムの運転動作に従って、燃料電池を１２時間継続して発電した後、凝縮水タンク１５に貯水された凝縮水のカチオンとアニオンの種類及びそれらの濃度を評価し、［表２］の結果を得た。
【００６９】
【表２】
【００７０】
［表２］から、カチオン濃度総量（以下、カチオン量Ｃｃという）は、アニオン濃度総量（以下、アニオン量Ｃａという）に対し、２．３倍（カチオン量Ｃｃとアニオン量Ｃａの比率が２．３：１）であることがわかった。
【００７１】
次に、凝縮水タンク１５に貯水された凝縮水は、第１の水ポンプ１７により浄水器１８に送られ、凝縮水に含まれるカチオンおよびアニオンが除去された後、浄化水として浄化水タンク１９に貯えられる。浄化水タンク１９に貯えられた浄化水は、第３の水ポンプ１１１により水素生成器１１に供給され、原料ガスとしての窒素３％を含む都市ガスの改質に利用され、また、第２の水ポンプ１１０により、燃料電池１３を循環し、燃料電池１３を一定の温度に維持する。
【００７２】
以上のように、本実施の形態においては、燃料電池システムの浄水器のイオン交換樹脂に、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を用い、当該カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量を、アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量より大きくすることで、十分なカチオン交換容量を有し、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、安定な運転を維持することができる。また、浄水器に使用するイオン交換樹脂について、凝縮水に含まれるカチオン量とアニオン量の比率に見合う、適正な量のカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を充填して、浄水器を構成できるため、浄水器に余分となるアニオン交換樹脂を搭載する必要がなく、アニオン交換樹脂の無駄を防止でき、かつ、浄水器を低容積化が実現できる。
【００７３】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムを示す構成図である。なお、図３において、図１と同一の構成は同じ符号を用い、説明を省略する。
【００７４】
図３において、本実施の形態の燃料電池システム３０は、浄水器３３を、第１イオン交換器３１と、第１イオン交換器３１の下流側に配置される、第２イオン交換器３２で構成
した点で、実施の形態１の燃料電池システムとは異なる。他の構成要素やその動作は実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００７５】
以下に、本実施の形態の燃料電池システム３０の発明のポイントである、浄水器３３の構成について、図面を参酌し説明する。
【００７６】
図４は、本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムの浄水器の構成を示すものである。
【００７７】
図４において、浄水器３３は、第１イオン交換器３１と、第１イオン交換器３１の上流側に配置される第２イオン交換器３２を連結して構成される。この構成によって、第１イオン交換器３１を通過した浄化水を中性に維持できるので、第１イオン交換器３１の上流側に配置される、配管部材や水タンク等の劣化を抑えることができる。これは、以下の作用による。つまり、凝縮水が第２イオン交換器３２を通過する際、凝縮水に含まれるカチオンがプロトンと交換されるため、第２イオン交換器３２を通過した浄化水は酸性を帯びているが、第１イオン交換器３１を通過する際に、凝縮水に含まれるアニオンが交換されることで発生する水酸化物イオンで中和されるので、第１イオン交換器を通過した浄化水は中性に維持することができる。ここで、第２イオン交換器３２を通過した浄化水は酸性を帯びているため、第２イオン交換器３２と第１イオン交換器３１との連結部を構成する部材の耐酸性劣化を防止するため、当該部材には、ポリプロピレン等の耐酸性樹脂で構成することが好ましい。
【００７８】
第１イオン交換器３１は、入口側接続部４４及び出口側接続部４５を具備したポリプロピレンを材質とする容器４１の内に、イオン交換樹脂４３がフィルタ４２に保持されて構成される。ここで、イオン交換樹脂４３は、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂から成り、当該カチオン交換樹脂で交換できるカチオン交換容量と、当該アニオン交換樹脂で交換できるアニオン交換容量が同一になるようにして混合され充填されている（カチオン交換容量とアニオン交換容量の比率が１：１）。
【００７９】
また、第２イオン交換器３２は、入口側接続部４９及び出口側接続部４１０を具備したポリプロピレンを材質とする容器４６の内に、カチオン交換樹脂４８がフィルタ４７に保持されて構成される。ここで、第１イオン交換器３１に充填されているカチオン交換樹脂と第２イオン交換器３２に充填されているカチオン交換樹脂が全体として交換できるカチオン交換容量は、前述した凝縮水中のカチオン量とアニオン量の比率に基づき定められ、具体的には、第１イオン交換器３１に充填されているアニオン交換樹脂により交換できるアニオン交換容量に対して２．３倍になるようにして、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂が混合されている。
【００８０】
以上のように、本実施の形態においては、燃料電池システムの浄水器を、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を用いた第１イオン交換器と、第１イオン交換器の下流側に配置され、カチオン交換樹脂のみを充填した第２イオン交換器で構成し、浄水器全体として、当該カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量を、アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量より大きくすることで、十分なカチオン交換容量を有し、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、安定な運転を維持することができる。また、浄水器に使用するイオン交換樹脂について、凝縮水に含まれるカチオン量とアニオン量の比率に見合う、適正な量のカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を充填して、浄水器を構成できるため、浄水器に余分となるアニオン交換樹脂を搭載する必要がなく、アニオン交換樹脂の無駄を防止でき、かつ、浄水器を低容積化が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
以上のように、本発明に係る燃料電池システムは、アンモニウムイオン等のカチオンの負荷に対して、十分なカチオン交換容量を有し、アニオン交換樹脂の無駄を防止し、低容積の浄水器が実現できるので、定置式や移動式あるいは可搬式の、固体高分子形および固体酸化物形の燃料電池システム等の産業分野に適用できる。
【符号の説明】
【００８２】
１０、３０ 燃料電池システム
１１、５１ 水素生成器
１２、５２ 燃焼部
１３、５３ 燃料電池
１４ 空気供給装置
１５、５４ 凝縮水タンク
１６ 燃料ガス凝縮器
１７ 第１の水ポンプ
１８、３３、５７、６１ 浄水器
１９、５５ 浄化水タンク
１１０ 第２の水ポンプ
１１１ 第３の水ポンプ
１１２、５１０ 排空気凝縮器
１１３ 燃料排ガス凝縮器
１１４、５１１ 燃焼排ガス凝縮器
１１５ 排空気凝縮水流路
１１６ バイパス経路
１１７ 燃料排ガス流路
１１８ 燃焼排ガス凝縮水流路
１１９ 排水口
１２０ 燃料排ガス凝縮水流路
１２１ 燃料排ガス流路
２１、４１、４６ 容器
２２、４２、４７ フィルタ
２３、４３ イオン交換樹脂
２４、４４、４９ 入口側接続部
２５、４５、４１０ 出口側接続部
３１ 第１イオン交換器
３２ 第２イオン交換器
４８ カチオン交換樹脂
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン交換樹脂を用いた浄水器を具備する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池システムは、燃料電池から排出される排空気に含まれる水蒸気と、水素生成器で原料ガスを燃焼して得られる燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮することによって得た凝縮水を、一旦凝縮水タンクに貯水し、当該凝縮水タンクから、ポンプなどの送水手段を用いて、凝縮水を浄水器に送り、凝縮水に含まれるカチオン及びアニオンを除去した後、燃料電池の冷却水や、燃料電池の発電に利用する水素を生成するための水として利用する構成をとる。
【０００３】
ここで、浄水器は、カチオンを除去するためのカチオン交換樹脂と、アニオンを除去するためのアニオン交換樹脂を混合したイオン交換樹脂から構成されている（例えば、特許文献１参照）。また、浄水器として、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を混合したイオン交換樹脂を用いて構成される第１のカートリッジに、アニオン交換樹脂のみを用いて構成される第２のカートリッジを附属して配置しているものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
図５は、特許文献１に開示された従来の燃料電池システムの概略を示した構成図である。図５に示すように、燃料電池５３は、水素生成器５１の燃焼部５２において原料ガスを燃焼して得られる水素を主成分とする燃料ガスと、外部から供給される空気を利用して発電する。
【０００５】
燃料電池５３から排出される排空気は、排空気凝縮器５１０に供給され、そこで、排空気に含まれる水蒸気が凝縮され、凝縮水として凝縮水タンク５４に回収される。また、水素生成器５１で原料ガスの改質反応の際に発生する燃焼排ガスは、燃焼排ガス凝縮器５１１に供給され、そこで、燃焼排ガスに含まれる水蒸気が凝縮され、凝縮水として凝縮水タンク５４に回収される。凝縮水タンク５４に貯えられた凝縮水は、ポンプ５６によって、浄水器５７に送られ、凝縮水に含まれるカチオン及びアニオンが除去された後、浄化水として、浄化水タンク５５に貯えられる。
【０００６】
浄化水タンク５５に貯水した浄化水は、改質水ポンプ５９によって水素生成器５１に送られ、原料ガスの改質反応に利用される。また、浄化水タンク５５に貯えた浄化水は、冷却水循環ポンプ５８によって、燃料電池５３を循環する。
【０００７】
ここで、燃料電池５３の絶縁や、配管部材や水タンクの腐食を防止するため、電気伝導率の低い浄化水が必要になる。かかる浄化水を確保するために、浄水器５７にはイオン交換樹脂を使用している。イオン交換樹脂は、凝縮水に含まれるカチオンとアニオンを除去するため、カチオンを交換するカチオン交換樹脂と、アニオンを交換するアニオン交換樹脂とが利用され、カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量と、アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量が同一になるように構成されている（カチオン交換容量とアニオン交換容量の比率が１：１）。
【０００８】
図６は、前記特許文献２に開示された従来の燃料電池システムの概略を示した構成図である。なお、図６において、図５と同一の構成は同じ符号を用い、説明は省略する。
【０００９】
図６に示すように、浄水器６１は、第１のカートリッジ６２と第２のカートリッジ６３で構成される。ここで、第１のカートリッジ６２は、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂が、当該カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量と、当該アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量が同一になるように混合されたイオン交換樹脂を用いて構成される（カチオン交換容量とアニオン交換容量の比率が１：１）。また、第２のカートリッジ６３は、アニオン交換樹脂のみを用いて構成され、第１のカートリッジ６２の上流側に配置される。したがって、浄水器６１は、浄水器全体として、カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量に対し、アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量が大きくなるようにして構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平９−２３１９９０号公報
【特許文献２】特開平８−１７４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ここで、発明者は、燃料電池システムに利用する原料ガスの種類を変えながら試験を行い、燃料電池システムに利用する原料ガスの種類によっては、凝縮水に含まれるカチオン量とアニオン量が変化することを見出した。特に、窒素を含む原料ガスを利用した燃料電池システムにおいては、凝縮水の中にカチオンであるアンモニウムイオンが多量に存在すること、浄化水タンクに貯えた浄化水の電気伝導率が上昇する原因は、カチオンであるアンモニウムイオンであること、浄水器においては、カチオンを交換するカチオン交換樹脂のカチオン交換容量が選択的に失われることを見出した。
【００１２】
例えば、従来技術に従って構成された燃料電池システムに搭載した従来構成の浄水器（カチオン交換容量とアニオン交換容量の比率が１：１で構成されたイオン交換樹脂を有する浄水器）において、破過した後の浄水器からイオン交換樹脂を回収し、カチオン交換樹脂及びアニオン交換樹脂に吸着されたカチオンまたはアニオンの種類とそれらの吸着量、及びカチオン交換樹脂及びアニオン交換樹脂の残存交換容量について分析したところ、［表１］の結果が得られた。
【００１３】
【表１】
【００１４】
ここで、破過とは、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂の少なくとも一方の交換樹脂がその交換容量を喪失し、凝縮水に含まれるカチオンまたはアニオンの交換ができなくなった状態をいう。
【００１５】
［表１］より、浄水器が破過した時においても、アニオン交換樹脂は交換容量を十分に保有していること、カチオン交換樹脂に吸着したカチオンは、アンモニウムイオンが主たるものであることがわかる。また、［表１］の結果から考えると、この場合の浄水器のカチオンの負荷はアニオンの負荷に比べ大きいことが分かる。すなわち、浄水器が破過した時、カチオン交換樹脂は交換の必要があっても、アニオン交換樹脂の交換容量は十分に保有されているところ、交換の必要はない。
【００１６】
ところが、前記従来の構成では、浄水器全体を交換してしまうので、交換容量を十分に保有しているアニオン交換樹脂も交換することになり、不経済である。また、アニオン交換樹脂が交換容量を十分に保有したまま交換されていることは、アニオン交換樹脂は本来必要となる量を上回る量が搭載されていることになり、浄水器はその余分なアニオン交換樹脂の搭載量分だけ大きくなり、燃料電池システムの低容積化を図る上で重要な課題になっていた。
【００１７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、特に、窒素を含有した原料ガスを利用する燃料電池システムにおいて、浄水器のカチオン交換容量を増大できる手段を提供し、十分な交換容量を残存するアニオン交換樹脂が交換されることを防止し、かつ、アニオン交換樹脂が必要量に対して余分な量が搭載されるのを防止して低容積の浄水器を具備する燃料電池システムを実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
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、浄水器を、凝縮水に含まれるアニオンを交換するアニオン交換樹脂と、凝縮水に含まれるカチオンを交換するカチオン交換樹脂とを有して構成し、前記アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容
量より、前記カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量が大きくなるように構成した浄水器としたものである。
【００１９】
これによって、アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量に比べ、カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量が大きくなるので、十分なカチオン交換容量を有し、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、アンモニウムイオンを十分に除去でき、安定な運転を維持することができる。
【００２０】
また、本発明の燃料電池システムは、凝縮水を水素生成器に供給し、水素生成器の原料ガスの改質反応に用いるものである。
【００２１】
これによって、水素生成器にアンモニウムイオン等のカチオンが混入することがなく、水素生成器の正常な運転を維持することでき、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、安定な運転を維持することができる。
【００２２】
また、本発明の燃料電池システムは、凝縮水を燃料電池に供給し、燃料電池が発電を行った際に発生する熱を吸収する熱媒体として用いるものである。
【００２３】
これによって、燃料電池に供給される熱媒体に、アンモニウムイオン等のカチオンが漏洩することがなく、熱媒体の電気伝導率を低く維持できるので、燃料電池が漏電することなく、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、安定かつ安全な運転を維持することができる。
【００２４】
また、本発明の燃料電池システムは、浄水器を、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを混合して構成されている第１イオン交換器と、アニオン交換樹脂を有しておらずカチオン交換樹脂のみ有している第２イオン交換器とを有して構成される浄水器としたものである。
【００２５】
これによって、浄水器全体として、アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量に比べ、カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量が大きくなるので、十分なカチオン交換容量を有し、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、アンモニウムイオンを十分に除去でき、安定な運転を維持することが可能になる。
【００２６】
また、本発明の燃料電池システムは、第２イオン交換器を、第１イオン交換器より上流に配置したものである。
【００２７】
これによって、第１イオン交換器を通過した浄化水を中性に維持できるので、第１イオン交換器の上流側に配置される、配管部材や水タンク等の劣化を抑えることができる。
【００２８】
また、本発明の燃料電池システムは、浄水器を、アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量とカチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量との比率が、凝縮水に含まれるアニオン量とカチオン量との比率に基づいて定めた浄水器としたものである。
【００２９】
これによって、凝縮水に含まれるカチオン量とアニオン量の比率に見合う、適正な量のカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を用いて浄水器を構成できるため、浄水器において、余分となるアニオン交換樹脂を搭載する必要がなく、必要量以上のアニオン交換樹脂が無駄になるのを防止でき、かつ、浄水器の容積を小さくすることができる。
【００３０】
また、本発明の燃料電池システムは、凝縮水に含まれるアニオン量とカチオン量との比率が、燃料電池が所定時間発電を行った後の凝縮水に含まれるアニオン量とカチオン量に
基づいて定めた浄水器としたものである。
【００３１】
これによって、凝縮水に含まれるカチオン量とアニオン量が安定するため、より適正な量のカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を用いて浄水器を構成できるため、浄水器の容積をより最適化することができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の燃料電池システムは、十分なカチオン交換容量を有するので、窒素を含有する原料ガスを利用する燃料電池システムにおいても、アンモニウムイオン等のカチオンを十分に除去でき、また、適切な容積および交換容量を有するカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂とを有する浄水器を実現できるので、アニオン交換樹脂の無駄を防止し、低容積の浄水器を具備する燃料電池システムが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムを示す構成図
【図２】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの浄水器を示す構成図
【図３】本発明の実施の形態２における燃料電池システムを示す構成図
【図４】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの浄水器を示す構成図
【図５】従来の燃料電池システムを示す構成図
【図６】従来の燃料電池システムを示す構成図
【発明を実施するための形態】
【００３４】
第１の発明は、原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器と、前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料排ガスに含まれる水蒸気と、前記水素生成器に供給される原料ガス、燃料ガス、および燃料排ガスの少なくとも一つを燃焼して得られる燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して得られる凝縮水を貯える凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクの凝縮水を浄化する浄水器とを備え、前記浄水器は、前記凝縮水中のアニオンを交換するアニオン交換樹脂と、前記凝縮水中のカチオンを交換するカチオン交換樹脂とを有しており、前記アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量より前記カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量が大きくなるように前記アニオン交換樹脂と前記カチオン交換樹脂とを有している、燃料電池システムである。
【００３５】
この構成により、アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量に比べ、カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量が大きくなるので、十分なカチオン交換容量を有し、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、アンモニウムイオンを十分に除去でき、安定な運転を維持する燃料電池システムを実現することができる。
【００３６】
第２の発明は、特に、第１の発明の凝縮水を水素生成器に供給し、水素生成器の原料ガスの改質反応に用いる燃料電池システムである。
【００３７】
この構成によって、浄水器が、アンモニウムイオン等のカチオンを十分に除去できるので、水素生成器にアンモニウムイオン等のカチオンが混入することがなく、水素生成器の正常な運転を維持することでき、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、安定な運転を維持する燃料電池システムを実現できる。
【００３８】
第３の発明は、特に、第１の発明の凝縮水を燃料電池に供給し、燃料電池が発電を行った際に発生する熱を吸収する熱媒体として用いる、燃料電池システムである。
【００３９】
この構成によって、燃料電池に供給される熱媒体に、アンモニウムイオン等のカチオン
が漏洩することがなく、熱媒体の電気伝導率を低く維持できるので、燃料電池が漏電することなく、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、安定かつ安全な運転を維持する燃料電池システムを実現することができる。
【００４０】
第４の発明は、特に、第１〜第３の発明の浄水器をアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを混合して構成されている第１イオン交換器と、アニオン交換樹脂を有しておらずカチオン交換樹脂のみを有している第２イオン交換器とを有している浄水器とした燃料電池システムである。
【００４１】
この構成によって、浄水器全体として、アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量に比べ、カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量が大きくなるので、十分なカチオン交換容量を有し、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、アンモニウムイオンを十分に除去でき、安定な運転を維持する燃料電池システムを実現することができる。
【００４２】
第５の発明は、特に、第４の発明の第２イオン交換器を第１イオン交換器より上流に配置した燃料電池システムである。
【００４３】
この構成によって、第１イオン交換器を通過した浄化水を中性に維持できるので、第１イオン交換器の上流側に配置される、配管部材や水タンク等の劣化を抑えることができる。これは、以下の作用による。つまり、凝縮水が第２イオン交換器を通過する際、凝縮水に含まれるカチオンがプロトンと交換されるため、第２イオン交換器を通過した浄化水は酸性を帯びているが、第１イオン交換器を通過する際に、凝縮水に含まれるアニオンが交換されることで発生する水酸化物イオンで中和されるので、第１イオン交換器を通過した浄化水は中性に維持することができる。
【００４４】
第６の発明は、特に、第１〜第５の発明の浄水器を、アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量とカチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量との比率が、凝縮水に含まれるアニオン量とカチオン量に基づいて定めた浄水器とした燃料電池システムである。
【００４５】
この構成によって、凝縮水に含まれるカチオン量とアニオン量の比率に見合う、適正な量のカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を用いて浄水器を構成できるため、浄水器において、余分となるアニオン交換樹脂を搭載する必要がなく、必要量以上のアニオン交換樹脂が無駄になるのを防止でき、かつ、浄水器の容積を小さくすることができる。
【００４６】
第７の発明は、特に、第６の発明の凝縮水中のアニオン量とカチオン量との比率を、燃料電池が所定時間発電を行った後の凝縮水に含まれるアニオン量とカチオン量に基づいて定めた燃料電池システムである。
【００４７】
この構成によって、凝縮水に含まれるカチオン量とアニオン量が安定するため、より適正な量のカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を用いて浄水器を構成でき、浄水器の容積をより最適化することができる。
【００４８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００４９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成を示すものである。
【００５０】
図１において、燃料電池システム１０は、凝縮水を貯水する凝縮水タンク１５と、凝縮水タンク１５から供給される凝縮水に含まれるカチオンとアニオンを除去して浄化水とする浄水器１８と、凝縮水タンク１５から凝縮水を浄水器１８に供給する第１の水ポンプ１７と、浄水器１８から供給される浄化水を貯える浄化水タンク１９と、を備えている。
【００５１】
さらに、燃料電池システム１０は、浄化水タンク１９から浄化水を送水する第２の水ポンプ１１０及び第３の水ポンプ１１１と、第３の水ポンプ１１１から浄化水の供給を受けて、原料ガスとして窒素を３％含む都市ガスを改質し水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器１１と、空気を燃料電池１３に供給する空気供給装置１４と、水素生成器１１から供給される燃料ガスと空気供給装置１４から供給される空気により発電を行う燃料電池１３と、を備えている。
【００５２】
また、燃料電池システム１０は、燃料電池１３から排出される排空気中に含まれる水蒸気を凝縮し排空気凝縮水を得る排空気凝縮器１１２と、排空気凝縮器１１２で凝縮した排空気凝縮水を凝縮水タンク１５に導く排空気凝縮水流路１１５と、燃料電池１３から排出される燃料排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮し燃料排ガス凝縮水を得る燃料排ガス凝縮器１１３と、燃料排ガス凝縮器１１３で凝縮した燃料排ガス凝縮水を凝縮水タンク１５に導く燃料排ガス凝縮水流路１２０と、燃料排ガス凝縮器１１３で水蒸気が除去された燃料排ガスを通流する燃料排ガス流路１１７と、を備えている。
【００５３】
さらに、燃料電池システム１０は、水素生成器１１から送られる燃料ガス中に含まれる水蒸気を凝縮し除去する燃料ガス凝縮器１６と、水素生成器１１から供給される燃料ガスを燃料ガス凝縮器１６に導くバイパス経路１１６と、水素生成器１１の中に配置され、原料ガスと、バイパス経路１１６と燃料ガス凝縮器１６を介して流れる燃料ガスと、燃料排ガス流路１１７を通流する燃料排ガスを燃焼する燃焼部１２と、燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮し燃焼排ガス凝縮水を得る燃焼排ガス凝縮器１１４と、燃焼排ガス凝縮器１１４で凝縮した燃焼排ガス凝縮水を凝縮水タンク１５に導く燃料排ガス凝縮水流路１２０とを備えている。また、凝縮水タンク１５は、凝縮水タンク１５に貯水した余剰の凝縮水を排水する排水口１１９を有する。
【００５４】
以下に、燃料電池システム１０を構成する構成要素の材料やその作用について具体的に説明する。
【００５５】
水素生成器１１は、例えばステンレスなどで構成された容器に、アルミナ担体にルテニウムを担持した触媒が充填されている。そして、原料ガスとして窒素３％および炭化水素ガスを含む都市ガスと、浄化水タンク１９から第３の水ポンプ１１１を介して供給される浄化水とを約６５０℃で化学反応させて、水素と二酸化炭素を生成する。このとき、浄化水は上記化学反応を進行させる役割を担っている。また、水素生成器１１に設けられている燃焼部１２は、原料ガスとして窒素３％を含む原料ガスを燃焼させる。
【００５６】
燃料電池１３は、フッ化炭素の主鎖にスルホン基の側鎖を付着させた高分子系の水素イオン伝導性電解質膜（図示せず）の両側に、カーボンブラックに触媒の白金粒子を担持して構成した燃料極と空気極（図示せず）とを備えた電池を複数積層した集合体から構成される。そして、水素生成器１１から、燃料極へ供給される燃料ガス中の水素と、空気供給装置１４から空気極へ供給される空気中の酸素との電気化学反応により、発電する。
【００５７】
また、凝縮水タンク１５は、例えばステンレスや樹脂などで構成され、その内に凝縮水が貯水される。
【００５８】
続いて、浄水器１８の構造について、図面を参酌し、詳細に説明する。
【００５９】
図２は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの浄水器の構成を示すものである。
【００６０】
図２において、浄水器１８は、入口側接続部２４及び出口側接続部２５を具備したポリプロピレンを材質とする容器２１の内に、イオン交換樹脂２３がフィルタ２２に保持され構成される。ここで、イオン交換樹脂２３は、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂から成り、当該カチオン交換樹脂で交換できるカチオン交換容量は、後述する凝縮水中のカチオン量とアニオン量の比率に基づき定められ、具体的には、当該アニオン交換樹脂で交換できるアニオン交換容量に対して２．３倍になるようにして、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂が混合されている。
【００６１】
次に、本実施の形態の燃料電池システム１０の運転動作について説明する。
【００６２】
まず、運転開始時、ガス供給管（図示せず）から、原料ガスとして窒素３％を含む都市ガスと、送風機（図示せず）からの空気が、燃焼部１２に供給されて燃焼が始まり、燃料ガスが得られる。燃料ガスは、バイパス経路１１６を通して燃料ガス凝縮器１６に送られる。燃料ガス凝縮器１６に送られた燃料ガスは、燃料ガス凝縮器１６において、その中に含まれる水蒸気が凝縮され除去された後、燃焼部１２に送られる。また、同時に、燃焼部１２は、水素生成器１１の内部に充填した触媒を約６５０℃に加熱する。そして、水素生成器１１の触媒が約６５０℃まで加熱されると、水素生成器１１は、以下の第２の段階の運転動作を行う。
【００６３】
まず、水素生成器１１は、浄化水タンク１９から第３の水ポンプ１１１により供給される浄化水と、ガス供給管（記載せず）からの供給される窒素３％を含む都市ガスとの、例えば改質反応により、水素を主成分とする燃料ガスを生成する。次に、燃料電池１３は、水素生成器１１から供給される燃料ガス中の水素と、空気供給装置１４から供給される空気中の酸素との電気化学反応により発電を行う。
【００６４】
続いて、本実施の形態の燃料電池システム１０における凝縮水と浄化水の流れについて説明する。
【００６５】
まず、図１に示すように、燃料電池１３からの排空気流路に配置した排空気凝縮器１１２により、燃料電池１３から排出される排空気に含まれる水蒸気を凝縮して排空気凝縮水が得られる。そして、得られた排空気凝縮水は、排空気凝縮水流路１１５を介して、凝縮水タンク１５に送られ、凝縮水タンク１５の貯水部に貯えられる。
【００６６】
また、燃料電池１３からの燃料排ガス流路に配置した燃料排ガス凝縮器１１３により、燃料電池１３から排出される燃料排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して燃料排ガス凝縮水が得られる。そして、得られた燃料排ガス凝縮水は、燃料排ガス凝縮水流路１２０を介して、凝縮水タンク１５に送られ、凝縮水タンク１５の貯水部に貯えられる。
【００６７】
さらに、水素生成器１１からの燃焼排ガス流路に配置した燃焼排ガス凝縮器１１４により、水素生成器１１で原料ガスとしての窒素３％を含む都市ガスと、バイパス経路１１６を介して流れる燃料ガスと、燃料排ガス凝縮器１１３で水蒸気が除去された燃料排ガスとを燃焼して得られる燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して燃焼排ガス凝縮水が得られる。そして、得られた燃焼排ガス凝縮水は、燃焼排ガス凝縮水流路１１８を介して、凝縮水タンク１５に送られ、凝縮水タンク１５の貯水部に貯えられる。そして、余剰となった凝縮水は、凝縮水タンク１５に配置した排水口１１９から排水される。
【００６８】
ここで、上記した燃料電池システムの運転動作に従って、燃料電池を１２時間継続して発電した後、凝縮水タンク１５に貯水された凝縮水のカチオンとアニオンの種類及びそれらの濃度を評価し、［表２］の結果を得た。
【００６９】
【表２】
【００７０】
［表２］から、カチオン濃度総量（以下、カチオン量Ｃｃという）は、アニオン濃度総量（以下、アニオン量Ｃａという）に対し、２．３倍（カチオン量Ｃｃとアニオン量Ｃａの比率が２．３：１）であることがわかった。
【００７１】
次に、凝縮水タンク１５に貯水された凝縮水は、第１の水ポンプ１７により浄水器１８に送られ、凝縮水に含まれるカチオンおよびアニオンが除去された後、浄化水として浄化水タンク１９に貯えられる。浄化水タンク１９に貯えられた浄化水は、第３の水ポンプ１１１により水素生成器１１に供給され、原料ガスとしての窒素３％を含む都市ガスの改質に利用され、また、第２の水ポンプ１１０により、燃料電池１３を循環し、燃料電池１３を一定の温度に維持する。
【００７２】
以上のように、本実施の形態においては、燃料電池システムの浄水器のイオン交換樹脂に、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を用い、当該カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量を、アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量より大きくすることで、十分なカチオン交換容量を有し、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、安定な運転を維持することができる。また、浄水器に使用するイオン交換樹脂について、凝縮水に含まれるカチオン量とアニオン量の比率に見合う、適正な量のカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を充填して、浄水器を構成できるため、浄水器に余分となるアニオン交換樹脂を搭載する必要がなく、アニオン交換樹脂の無駄を防止でき、かつ、浄水器を低容積化が実現できる。
【００７３】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムを示す構成図である。なお、図３において、図１と同一の構成は同じ符号を用い、説明を省略する。
【００７４】
図３において、本実施の形態の燃料電池システム３０は、浄水器３３を、第１イオン交換器３１と、第１イオン交換器３１の下流側に配置される、第２イオン交換器３２で構成
した点で、実施の形態１の燃料電池システムとは異なる。他の構成要素やその動作は実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００７５】
以下に、本実施の形態の燃料電池システム３０の発明のポイントである、浄水器３３の構成について、図面を参酌し説明する。
【００７６】
図４は、本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムの浄水器の構成を示すものである。
【００７７】
図４において、浄水器３３は、第１イオン交換器３１と、第１イオン交換器３１の上流側に配置される第２イオン交換器３２を連結して構成される。この構成によって、第１イオン交換器３１を通過した浄化水を中性に維持できるので、第１イオン交換器３１の上流側に配置される、配管部材や水タンク等の劣化を抑えることができる。これは、以下の作用による。つまり、凝縮水が第２イオン交換器３２を通過する際、凝縮水に含まれるカチオンがプロトンと交換されるため、第２イオン交換器３２を通過した浄化水は酸性を帯びているが、第１イオン交換器３１を通過する際に、凝縮水に含まれるアニオンが交換されることで発生する水酸化物イオンで中和されるので、第１イオン交換器を通過した浄化水は中性に維持することができる。ここで、第２イオン交換器３２を通過した浄化水は酸性を帯びているため、第２イオン交換器３２と第１イオン交換器３１との連結部を構成する部材の耐酸性劣化を防止するため、当該部材には、ポリプロピレン等の耐酸性樹脂で構成することが好ましい。
【００７８】
第１イオン交換器３１は、入口側接続部４４及び出口側接続部４５を具備したポリプロピレンを材質とする容器４１の内に、イオン交換樹脂４３がフィルタ４２に保持されて構成される。ここで、イオン交換樹脂４３は、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂から成り、当該カチオン交換樹脂で交換できるカチオン交換容量と、当該アニオン交換樹脂で交換できるアニオン交換容量が同一になるようにして混合され充填されている（カチオン交換容量とアニオン交換容量の比率が１：１）。
【００７９】
また、第２イオン交換器３２は、入口側接続部４９及び出口側接続部４１０を具備したポリプロピレンを材質とする容器４６の内に、カチオン交換樹脂４８がフィルタ４７に保持されて構成される。ここで、第１イオン交換器３１に充填されているカチオン交換樹脂と第２イオン交換器３２に充填されているカチオン交換樹脂が全体として交換できるカチオン交換容量は、前述した凝縮水中のカチオン量とアニオン量の比率に基づき定められ、具体的には、第１イオン交換器３１に充填されているアニオン交換樹脂により交換できるアニオン交換容量に対して２．３倍になるようにして、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂が混合されている。
【００８０】
以上のように、本実施の形態においては、燃料電池システムの浄水器を、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を用いた第１イオン交換器と、第１イオン交換器の下流側に配置され、カチオン交換樹脂のみを充填した第２イオン交換器で構成し、浄水器全体として、当該カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量を、アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量より大きくすることで、十分なカチオン交換容量を有し、窒素を含有する原料ガスを用いた燃料電池システムにおいても、安定な運転を維持することができる。また、浄水器に使用するイオン交換樹脂について、凝縮水に含まれるカチオン量とアニオン量の比率に見合う、適正な量のカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を充填して、浄水器を構成できるため、浄水器に余分となるアニオン交換樹脂を搭載する必要がなく、アニオン交換樹脂の無駄を防止でき、かつ、浄水器を低容積化が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
以上のように、本発明に係る燃料電池システムは、アンモニウムイオン等のカチオンの負荷に対して、十分なカチオン交換容量を有し、アニオン交換樹脂の無駄を防止し、低容積の浄水器が実現できるので、定置式や移動式あるいは可搬式の、固体高分子形および固体酸化物形の燃料電池システム等の産業分野に適用できる。
【符号の説明】
【００８２】
１０、３０ 燃料電池システム
１１、５１ 水素生成器
１２、５２ 燃焼部
１３、５３ 燃料電池
１４ 空気供給装置
１５、５４ 凝縮水タンク
１６ 燃料ガス凝縮器
１７ 第１の水ポンプ
１８、３３、５７、６１ 浄水器
１９、５５ 浄化水タンク
１１０ 第２の水ポンプ
１１１ 第３の水ポンプ
１１２、５１０ 排空気凝縮器
１１３ 燃料排ガス凝縮器
１１４、５１１ 燃焼排ガス凝縮器
１１５ 排空気凝縮水流路
１１６ バイパス経路
１１７ 燃料排ガス流路
１１８ 燃焼排ガス凝縮水流路
１１９ 排水口
１２０ 燃料排ガス凝縮水流路
１２１ 燃料排ガス流路
２１、４１、４６ 容器
２２、４２、４７ フィルタ
２３、４３ イオン交換樹脂
２４、４４、４９ 入口側接続部
２５、４５、４１０ 出口側接続部
３１ 第１イオン交換器
３２ 第２イオン交換器
４８ カチオン交換樹脂
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器と、
前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出された燃料排ガスに含まれる水蒸気と、
前記水素生成器に供給される原料ガス、燃料ガス、および燃料排ガスの少なくとも一つを燃焼して得られる燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して得られる凝縮水を貯える凝縮水タンクと、
前記凝縮水タンクの凝縮水を浄化する浄水器と、
を備え、
前記浄水器は、
前記凝縮水中のアニオンを交換するアニオン交換樹脂と、前記凝縮水中のカチオンを交換するカチオン交換樹脂と、を有しており、
前記アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量より前記カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量が大きくなるように前記アニオン交換樹脂と前記カチオン交換樹脂とを有している、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記凝縮水は、前記水素生成器に供給されて、前記水素生成器の前記原料ガスの改質反応に用いられる、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記凝縮水は、前記燃料電池に供給されて、前記燃料電池が発電を行った際に発生する熱を吸収する熱媒体として用いられる、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記浄水器は、前記アニオン交換樹脂と前記カチオン交換樹脂とを混合して構成されている第１イオン交換器と、前記アニオン交換樹脂を有しておらず前記カチオン交換樹脂を有している第２イオン交換器と、を有している、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２イオン交換器は、前記第１イオン交換器より上流に配置されている、
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記浄水器は、前記アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量と前記カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量との比率が、前記凝縮水中のアニオン量とカチオン量との比率に基づいて定められる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記凝縮水中のアニオン量とカチオン量との比率は、前記燃料電池が所定時間発電を行った後の前記凝縮水中に含まれるアニオン量とカチオン量に基づいて定められる、
請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器と、
前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出された燃料排ガスに含まれる水蒸気と、
前記水素生成器に供給される原料ガス、燃料ガス、および燃料排ガスの少なくとも一つを燃焼して得られる燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して得られる凝縮水を貯える凝縮水タンクと、
前記凝縮水タンクの凝縮水を浄化する浄水器と、
を備え、
前記浄水器は、
前記凝縮水中のアニオンを交換するアニオン交換樹脂と、前記凝縮水中のカチオンを交換するカチオン交換樹脂と、を有しており、
前記アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量より前記カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量が大きくなるように前記アニオン交換樹脂と前記カチオン交換樹脂とを有している、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記凝縮水は、前記水素生成器に供給されて、前記水素生成器の前記原料ガスの改質反応に用いられる、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記凝縮水は、前記燃料電池に供給されて、前記燃料電池が発電を行った際に発生する熱を吸収する熱媒体として用いられる、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記浄水器は、前記アニオン交換樹脂と前記カチオン交換樹脂とを混合して構成されている第１イオン交換器と、前記アニオン交換樹脂を有しておらず前記カチオン交換樹脂を有している第２イオン交換器と、を有している、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２イオン交換器は、前記第１イオン交換器より上流に配置されている、
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記浄水器は、前記アニオン交換樹脂が交換できるアニオン交換容量と前記カチオン交換樹脂が交換できるカチオン交換容量との比率が、前記凝縮水中のアニオン量とカチオン量との比率に基づいて定められる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記凝縮水中のアニオン量とカチオン量との比率は、前記燃料電池が所定時間発電を行った後の前記凝縮水中に含まれるアニオン量とカチオン量に基づいて定められる、
請求項６に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−５８３７９（Ｐ２０１３−５８３７９Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９５８２０（Ｐ２０１１−１９５８２０）
【出願日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【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３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【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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