JP2000090948A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】回収水より補給用純水を作るイオン交換式水処
理装置の樹脂の交換作業が短時間で容易にでき、メンテ
ナンスが容易で信頼性の高いものとする。 【解決手段】改質器４のバーナー４ａの燃焼排ガスに含
まれる燃焼生成水と燃料電池本体１の空気極１ａに含ま
れる反応生成水を回収し、イオン交換式の水処理装置１
０で純化して水蒸気分離器６へと戻し、原燃料を燃料極
１ｂへ供給する燃料ガスへと改質する際に用いる水蒸気
として使用するものにおいて、循環ポンプ９、水処理装
置１０を含む水処理系循環ループ１４Ａの水処理装置１
０の下流側に、混入した空気を貯蔵するためのバッファ
ータンク３０を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原燃料ガスを改質
した燃料ガスと空気を燃料電池本体に供給し、電気化学
反応により電気エネルギーを得る燃料電池発電装置に係
わり、特に、原燃料ガスの改質に用いる純水を得るため
の水処理系の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電装置は、都市ガス、ＬＰガ
ス、メタノール等の原燃料ガスを水蒸気改質して水素に
富むガスに改質する改質器と、この改質器で得られた改
質ガスを燃料として発電を行う燃料電池本体と、燃料電
池本体の直流出力を交流に変換する直交変換装置とを主
要構成要素として構成されており、改質器で生成された
改質ガスは、燃料電池発電装置の負荷および水素の利用
率に応じて燃料電池本体の内部で消費され、余剰の水素
を含むガスは、燃料極の排出ガスとして改質器へと導か
れてバーナーで燃焼され、改質エネルギーとして消費さ
れている。

【０００３】図３は、従来の燃料電池発電装置のガス系
および水系の構成を示すフロー図である。本図におい
て、１は燃料電池本体、２は脱硫器、３はエゼクタポン
プ、４は改質器、５はＣＯ変成器、６は水蒸気分離器、
７は凝縮器、８は大気開放型タンク、９は循環ポンプ、
１０はイオン交換式の水処理装置である。本構成におい
て、都市ガス、ＬＰガス等の原燃料ガスは、エゼクタポ
ンプ３に吸引され、水蒸気分離器６からの水蒸気と混合
されたのち、改質器４の触媒層に供給される。改質器４
で水蒸気改質して生成された水素リッチガスは、ＣＯ変
成器５へ送られ、含まれる触媒被毒物質であるＣＯをＣ
Ｏ₂ へ変成したのち、燃料ガスとして燃料電池本体１の
燃料極１ｂへと送られる。一方、燃料電池本体１の空気
極１ａには、反応空気ブロワ１６ａを備えた反応空気供
給系１６を通して反応用の空気が送られる。また、燃料
電池本体１には冷却板１ｃが組み込まれており、この冷
却板１ｃの内部へ水蒸気分離器６に貯留された電気伝導
度が低く、かつシリカ等の鉱物系異物の少ない純水を燃
料電池冷却水系１９により循環供給することによって、
燃料電池の発電に伴う発熱を除去し、燃料電池本体１の
温度を所定の運転温度に保持している。また、燃料極１
ｂより排出されるオフガスは、電池反応に寄与しない未
使用水素を含んでおり、オフガス供給系１８によって改
質器４のバーナー４ａへと送られ、空気ブロワ１５ａを
備えた燃焼空気供給系１５によって送られる燃焼空気と
混合され、燃焼して改質器４の加熱に有効に使用され
る。

【０００４】水蒸気分離器６の純水は、その一部が改質
用の水蒸気とした消費されるため、燃料電池発電装置の
運転中は常時純水を補給する必要がある。このため、改
質器４のバーナー４ａから排出される燃焼排ガスに含ま
れる燃焼生成水と、空気極１ａから排出される空気オフ
ガスに含まれる反応生成水を回収した用いている。すな
わち、図に見られるように、燃焼排ガスと空気オフガス
は凝縮器７へ送られ、冷却水により冷却されて含まれる
燃焼生成水と反応生成水が凝縮され、大気開放型タンク
８へと回収される。得られた回収水は、循環ポンプ９、
エアー抜きボタン付き前フィルター１１、イオン交換式
の水処理装置１０およびエアー抜きボタン付き後フィル
ター１２を備えた水処理循環ループ１４へと送られて純
水化され、その一部が、改質用の水蒸気とした消費され
た純水を補給するために、純水補給水ポンプ２０ａを備
えた純水補給水系２０によって水蒸気分離器６へと送ら
れている。イオン交換式の水処理装置１０は、イオン交
換樹脂の吸着速度の変動や樹脂塔内の偏流を防止するた
めに、常に一定範囲内の速度で通水する必要がある。し
かしながら、通常、燃料電池発電装置の改質用水蒸気の
消費量は、水処理装置１０の必要通水量に比べて少ない
ので、図示したごとく、イオン交換式の水処理系に循環
系を設け、その一部を水蒸気分離器６へ送るよう構成さ
れている。また、イオン交換式の水処理装置１０で得ら
れた純水の電気伝導度がおおよそ１［μＳ／cm］以上の
レベルになると、燃料電池本体１の冷却板１ｃに供給す
る冷却水としては不適当であり、イオン交換樹脂の交換
が必要である。したがって、図示したイオン交換式の水
処理装置１０では、燃料電池発電装置の発電時間が2000
〜3000時間経過する毎に、樹脂塔を新しいイオン交換樹
脂を充填した樹脂塔へと交換している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のとおり、従来の
燃料電池発電装置では、燃焼排ガスに含まれる燃焼生成
水と空気オフガスに含まれる反応生成水を回収し、イオ
ン交換式の水処理装置１０で純化し、その一部を水蒸気
分離器６へ送って改質用の水蒸気とした消費される純水
を補うことにより連続的に発電運転を行っている。

【０００６】ところで、燃料電池発電装置を構成してい
る改質器４は、高温で化学反応により水素を生成する装
置であり、また燃料電池本体１は高温で発電する装置で
あるため、燃料電池発電装置の起動停止を行うと熱応力
によって改質器４の反応触媒が物理的に破壊したり、あ
るいは燃料電池本体１に内蔵されたりん酸が散出したり
する等の危険性がある。このため、燃料電池発電装置
は、起動停止を少なくして連続して運転するのが一般的
であり、通常、4000〜8000時間程度連続して運転され
る。これに対して、前記の水処理系に組み込まれたイオ
ン交換式の水処理装置１０では、既に述べたように2000
〜3000時間毎にイオン交換樹脂の交換が行われる。した
がって、燃料電池発電装置では、年間で３〜４回、ある
いはそれ以上の頻度で水処理装置１０のイオン交換樹脂
を交換する必要がある。

【０００７】水処理装置１０のイオン交換樹脂の交換作
業は、水処理装置１０への通水ラインに並列に設けたバ
イパスラインのバルブを開け、水処理装置１０の前後に
配したバルブを閉めて、通水をバイパスラインに切り換
え、樹脂塔を新品のイオン交換樹脂を充填した樹脂塔に
交換することにより行われる。樹脂塔は硬質樹脂配管や
樹脂製ホース等で接続されており、交換作業の際、配管
およびホース内の保有水が水落ちし配管内に空気が流入
する。また、新品の水処理装置１０内にはガスが含まれ
ている。このため、水処理装置１０付属のエア─抜きボ
タンやエアー抜きボタン付き前フィルター１１、エアー
抜きボタン付き後フィルター１２、エアー抜きバルブ１
３により流入した空気を系外に排出している。

【０００８】しかしながら、このようにエアー抜きボタ
ン付き前フィルター１１やエアー抜きボタン付き後フィ
ルター１２、エアー抜きバルブ１３を組み込んだものに
おいても、エアー抜き部分から配管合流部までの配管の
内部に溜まった空気を系外へ排出することは不可能であ
り、また、水処理装置１０の内部や配管の内部に滞留し
た空気の泡が、樹脂塔の交換後しばらくしてから剥離し
て水処理循環ループ１４に流入する可能性もあるので、
樹脂塔の交換時には、必ず水処理循環ループ１４に少量
の空気が入ることとなる。

【０００９】このように水処理循環ループ１４に空気が
流入すると、水処理装置１０を交換するたびに循環水中
に空気が混入し、水蒸気分離器６へ補給される純水を通
して燃料電池発電装置の各部へと空気が入り、改質器４
の触媒の酸化を引き起こしたり、燃料電池本体１の冷却
系統の配管が腐食、損傷する事態に至る危険性がある。
また、水処理循環ループ１４に流入する空気が多量とな
り、循環ポンプ９に流入する空気量が過大になると、ポ
ンプ性能が著しく低下し、その結果、系内への純水供給
量が不足して燃料電池発電装置の運転ができなくなる恐
れがある。

【００１０】したがって、水処理装置１０のイオン交換
樹脂の交換作業の際には、樹脂塔の交換作業のみなら
ず、水処理循環ループ１４に流入した空気を、循環ポン
プ９の吐出圧力や吐出流量をチェックしながら、エアー
抜きバルブ１３等により外部へ排出する操作を長時間に
わたり行う必要があり、このため、水処理装置１０のイ
オン交換樹脂の交換作業は、長時間の煩雑な作業を必要
とするという問題点があった。

【００１１】本発明の目的は、上記のごとき従来技術の
難点を解消し、回収水を純化して補充用の純水を得るイ
オン交換式の水処理装置のイオン交換樹脂の交換作業が
容易に、かつ短時間で実施でき、メンテナンスが容易
で、信頼性の高い燃料電池発電装置を提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、 （１）燃料電池冷却水系への補給水を純化処理する水処
理系に、水処理装置を通流した水が循環して流れる閉回
路を備え、かつ、水処理装置を通流した後の閉回路の配
管に、混入した空気を貯蔵するためのバッファータンク
を備えることとする。

【００１３】（２）あるいは、燃料電池冷却水系への補
給水を純化処理する水処理系に、水処理装置を通流した
水が循環して流れる閉回路を備え、かつ、水処理装置を
通流した後の閉回路の配管と大気開放型タンクとを開閉
可能に連結する連結管を備えることとする。 上記の（１）のごとく構成した燃料電池発電装置におい
ては、イオン交換式の水処理装置のイオン交換樹脂を交
換する際に水処理系に空気が混入しても、混入した空気
はバッファータンクの上部に滞留することとなるので、
閉回路を再度通流することがなく、通水に用いる循環ポ
ンプ内に混入することもない。

【００１４】また上記の（２）のごとく構成した燃料電
池発電装置においては、上記の連結管を開状態にして閉
回路の配管と大気開放型タンクとを連結し、処理水を大
気開放型タンクに戻したのち水処理系に再度通流するよ
うに配し、その状態で、イオン交換式の水処理装置のイ
オン交換樹脂を交換すれば、交換作業に伴って水処理系
に空気が混入しても、混入した空気は大気開放型タンク
において気中へと排出されるので、閉回路を再度通流す
ることがなく、通水に用いる循環ポンプ内に混入するこ
ともない。

【００１５】

【発明の実施の形態】＜実施例１＞図１は、本発明の燃
料電池発電装置の第１の実施例のガス系および水系の構
成を示すフロー図である。本実施例の構成と図３に示し
た従来例の構成との相違点は、大気開放型タンク８に回
収された回収水を純化処理する水処理系循環ループ１４
Ａの構成にあり、水処理装置１０を通流した後の配管
に、混入した空気を貯蔵するためのバッファータンク３
０を配して構成しているのが本実施例の特徴である。

【００１６】本実施例の構成においては、水処理装置１
０のイオン交換樹脂を交換する際に水処理系循環ループ
１４Ａに空気が混入しても、混入した空気はバッファー
タンク３０の上部に滞留することとなるので、再度水処
理系循環ループ１４Ａに通流することはなく、また循環
ポンプ９内に混入する恐れもない。したがって、流入し
た空気の抜き出し操作に従来のように長時間を懸ける必
要がなく、水処理装置１０のイオン交換樹脂の交換作業
が容易に、かつ短時間で行えることとなる。

【００１７】また、本構成のバッファータンク３０は密
閉式であるため、通流する水が外気と接触することもな
いので、ごみの侵入や酸素等が溶存する危険性もない。
エアー抜きバルブ３１はバッファータンク３０に貯えら
れた空気が過剰となったとき、これを外部へ抜き出すた
めに用いるものである。なお、本構成で用いられるバッ
ファータンク３０は、イオン交換樹脂の交換作業の際に
流入が予想される空気量から上部の気相部の容積を決定
し、処理水から空気を効率的に分離するためにバッファ
ータンク３０の内部の流下速度が 0.3［m/s ］程度以下
の低速となるようにタンクの断面積を定めて構成すれ
ば、水処理循環水から混入した空気の効果的な分離が行
われることとなる。

【００１８】＜実施例２＞図２は、本発明の燃料電池発
電装置の第２の実施例のガス系および水系の構成を示す
フロー図である。本実施例の特徴は、水処理系循環ルー
プ１４Ｂのイオン交換式の水処理装置１０を通流した後
の配管に切り換え用バルブ３２を組み込み、さらに、そ
の前段に大気開放型タンク８との間を連結する、切り換
え用バルブ３３を備えた連結管を組み込んだ点にある。

【００１９】本実施例の構成において、水処理装置１０
のイオン交換樹脂を交換する際には、切り換え用バルブ
３２を開状態から閉状態へと切り換え、切り換え用バル
ブ３３を閉状態から開状態へと切り換えて、水処理装置
１０を通過した水がすべて大気開放型タンク８に一旦流
入したのち循環ポンプ９へ送られるようにしたのち、イ
オン交換樹脂の交換作業を開始する。したがって、交換
作業に伴って水処理系循環ループ１４Ｂに空気が混入し
ても、混入した空気は、切り換え用バルブ３３を備えた
連結管を通流して大気開放型タンク８に送られ、大気開
放型タンク８の内部において気中へと取出されることと
なり、循環ポンプ９へは空気を含まない水が送られるこ
ととなる。イオン交換樹脂の交換作業が終了すれば、切
り換え用バルブ３２を閉状態から開状態へ、また切り換
え用バルブ３３を開状態から閉状態へと戻して水処理系
循環ループ１４Ｂを元の閉回路として運転される。

【００２０】本構成においても、流入した空気の抜き出
し操作に従来のように長時間を懸ける必要がなく、水処
理装置１０のイオン交換樹脂の交換作業が容易に、かつ
短時間で行えることとなる。

【００２１】

【発明の効果】上述のように、本発明においては、燃料
電池発電装置を請求項１あるいは２に記載のごとく構成
することとしたので、回収水を純化して補充用の純水を
得るイオン交換式の水処理装置のイオン交換樹脂の交換
作業が容易に、かつ短時間で実施でき、メンテナンスが
容易で、信頼性の高い燃料電池発電装置が得られること
となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池発電装置の第１の実施例のガ
ス系および水系の構成を示すフロー図

【図２】本発明の燃料電池発電装置の第２の実施例のガ
ス系および水系の構成を示すフロー図

【図３】従来の燃料電池発電装置のガス系および水系の
構成を示すフロー図

【符号の説明】

１ 燃料電池本体 ２ 脱硫器 ３ エゼクタポンプ ４ 改質器 ４ａ バーナー ５ ＣＯ変成器 ６ 水蒸気分離器 ７ 凝縮器 ８ 大気開放型タンク ９ 循環ポンプ １０ 水処理装置（エアー抜きボタン付き） １１ エアー抜きボタン付き前フィルター １２ エアー抜きボタン付き後フィルター １３ エアー抜きバルブ １４，１４Ａ，１４Ｂ 水処理系循環ループ １９ 燃料電池冷却水系 ２０ａ 純水補給水ポンプ ３０ バッファータンク ３２ 切り換え用バルブ ３３ 切り換え用バルブ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池冷却水系への補給水を純化処理す
   る水処理系に、水処理装置を通流した水が循環して流れ
   る閉回路が備えられ、かつ、水処理装置を通流した後の
   閉回路の配管に、混入した空気を貯蔵するためのバッフ
   ァータンクが備えられていることを特徴とする燃料電池
   発電装置。
2. 【請求項２】燃料電池冷却水系への補給水を純化処理す
   る水処理系に、水処理装置を通流した水が循環して流れ
   る閉回路を備え、かつ、水処理装置を通流した後の閉回
   路の配管と大気開放型タンクとを開閉可能に連結する連
   結管が備えられていることを特徴とする燃料電池発電装
   置。