JP2000106207A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】近接して配置されるオゾン処理システムより排
出される空気を有効に活用し、コンパクトで省資源化に
効果的な燃料電池発電装置とする。 【解決手段】オゾン発生装置４０で得られたオゾンをオ
ゾン反応槽３０に供給して被処理水を処理するオゾン処
理システムに近接して配される燃料電池発電装置におい
て、オゾン反応槽３０より排出された排出ガスを排オゾ
ン処理塔３５に送り、含まれるオゾンを酸素に変換した
のち、燃料電池本体１の空気極に供給する酸化剤ガスと
して用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、反応ガスを供給
して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、特に水質や大気汚染物質の浄化に用
いられるオゾン処理装置と組み合わせて、反応ガス、電
力、あるいは熱源を効率的に運用することのできる燃料
電池発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は、従来の燃料電池発電装置の基本
構成図である。模式的に表示された燃料電池本体１は、
電解質層を燃料極と空気極で挟持した単位セルを積層
し、適宜冷却板を介装して構成されている。燃料電池本
体１の燃料極には、ＬＰＧガス等の原燃料を、脱硫器、
改質器およびＣＯ変成器を含む改質装置２によって、改
質して得られる燃料ガスが供給され、一方の空気極に
は、ブロア３によって取り込まれた反応空気が酸化剤ガ
スとして供給される。燃料電池本体１では、電気化学反
応により直流電力が得られ、この直流電力を直交変換器
１１により交流電力に変換して電源系統に接続される。

【０００３】燃料電池本体１での電気化学反応は発熱反
応であるため、水蒸気分離器４に貯えた高温の冷却水を
高温水熱交換器６によって冷却し、循環ポンプ５によっ
て燃料電池本体１に介装した冷却板に循環供給すること
によって、燃料電池本体１の温度を所定の運転温度に維
持している。また、空気極の排ガスには反応生成水が、
また改質装置２の改質器のバーナーに用いられた燃焼排
ガスには燃焼生成水が含まれているため、これらの排ガ
スは凝縮槽８へと送られて、冷却、凝縮され、得られた
凝縮水は補給水として循環ポンプ７により電池冷却水循
環系へと補給される。凝縮槽８において凝縮された冷却
水は、熱回収用ポンプ９によって凝縮槽８と熱交換器１
０との間を循環し、熱交換器１０において冷却されると
ともに、外部へ熱が取出され有効に活用される。

【０００４】図５は、オゾン発生装置の基本構成図で、
２０がオゾン発生機である。ブロア２１で取り込まれた
空気は、空気冷却装置２２で冷却され、除湿装置２３に
送られて水分が除去され、ついで再生ヒーター２４で加
熱されて常温の乾燥空気としてオゾン発生機２０に供給
される。電力調整器２６および昇圧高圧器２７によって
オゾン発生機２０の電極に交流高電圧を印加すると、電
極間に無声放電が生じ、放電による加速電子の働きによ
って、導入された空気中の酸素分子の一部が酸素原子に
解離し、解離した酸素原子が他の酸素分子と反応してオ
ゾンが生じることとなる。なお、オゾン発生機２０に
は、放電に伴う発熱を除去するために循環ポンプ２８に
よって冷却水が循環供給されており、この冷却水は、熱
交換器２９において外部からの二次冷却水との熱交換で
冷却され、得られた熱は外部へと取出されている。

【０００５】図６は、上記のごときオゾン発生装置を用
いた上水の処理システムの構成例を示す基本構成図で、
３０がオゾン反応槽、４０がオゾン発生装置である。原
水は、着水井３１より急速混和池３２、薬品沈殿池３
３、さらに急速沈殿池３４へと送られて処理されたの
ち、オゾン反応槽３０へ導入される。オゾン反応槽３０
においては、導入された被処理水にオゾン発生装置４０
で得られたオゾン化空気あるいはオゾン化酸素が混合さ
れ、被処理水中の有機物が分解され、殺菌される。オゾ
ン反応槽３０で処理して得られたオゾン処理水は、活性
炭吸着筒３６で活性炭処理されたのち浄水池３７へと貯
えられ、そののち配水池３８Ａ，３８Ｂへと送られる。
オゾン反応槽３０からの排出ガスには未反応のオゾンが
含まれており、排オゾン処理塔３５に送ってオゾンを無
害な酸素に戻したのち外部へと排出されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池発電装置が、
上記のごときオゾン発生装置を用いたオゾン処理システ
ムに近接して設置される場合、オゾン処理システムがブ
ロアで取り込んだ空気あるいは酸素を多量に排出するの
に対して、燃料電池発電装置でも多量の空気をブロアで
取り込んで使用しており、重複するブロア設備の有効活
用が期待されている。

【０００７】また、オゾン処理システムが、冷却手段や
加熱手段を組み込み、電力を投入して運転されるシステ
ムであるのに対して、燃料電池発電装置では、電力が得
られ、さらに低温や高温の冷却水が得られる装置である
ので、燃料電池発電装置をオゾン処理システムと連携を
採った構成として、コンパクトで省資源化に効果的な燃
料電池発電装置とすることが望ましい。

【０００８】本発明は、上記のごとき事情を勘案してな
されたもので、本発明の目的は、近接して設置されるオ
ゾン処理システムより排出される空気を有効活用し、さ
らには熱や電力を効果的に利用して、コンパクトで省資
源化に効果的な燃料電池発電装置を得ることにある。

【０００９】

【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、燃料極と空気極で電解質層を
挟持してなる単位セルを複数個積層し、冷却板を適宜介
装して燃料電池本体を構成し、改質装置で改質して得ら
れた燃料ガスを燃料極に、酸化剤ガスを空気極に供給し
て電気化学反応により電気エネルギーを得る燃料電池発
電装置において、 （１）無声放電によって酸素または空気をオゾン化する
オゾン発生装置で得られるオゾンにより被処理水中の有
機物の分解や殺菌を行うオゾン処理装置より排出される
排出ガスをオゾン除去処理して得られる酸素または空気
を、前記空気極に供給される酸化剤ガスの少なくとも一
部として用いることとする。

【００１０】（２）さらに、上記（１）において、燃料
電池本体で生じる反応生成水と改質装置で生じる燃焼生
成水を回収する凝縮槽の凝縮水を熱交換して得られる低
温の冷却水を、オゾン発生装置で無声放電に際して必要
となる冷却水として用いることとする。 （３）さらに、上記（１）または（２）において、燃料
電池本体に介装された冷却板に供給される電池冷却水と
熱交換して得られる高温の冷却水を、オゾン発生装置で
必要となる冷却空気の加熱に用いることとする。

【００１１】（４）さらに、上記（１）、（２）または
（３）において、オゾン発生装置の無声放電に消費され
る電力の少なくとも一部を、電気化学反応により得られ
た直流電力を直交変換器により変換して得られた交流電
力により賄うこととする。上記（１）のごとく、オゾン
処理装置から排出される排出ガスを処理して得られる酸
素または空気を、空気極に供給する酸化剤ガスの少なく
とも一部として用いることとすれば、オゾン処理装置に
備え付けのブロアにより酸化剤ガスの少なくとも一部が
供給されるので、燃料電池発電装置に組み込むブロアは
小型でよく、酸化剤ガスのすべてを賄う場合にはブロア
を組み込む必要がなくなる。したがって、燃料電池発電
装置はコンパクトとなり、省資源化が可能となる。

【００１２】また、上記（２）のごとく、燃料電池発電
装置で得られる低温の冷却水をオゾン発生装置で無声放
電に際して必要となる冷却水として用いることとすれ
ば、オゾン発生装置に専用の熱交換器や冷却水系統を設
置する必要が無い。また、上記（３）のごとく、燃料電
池発電装置で得られる高温の冷却水をオゾン発生装置で
必要となる冷却空気の加熱に用いることとすれば、オゾ
ン発生装置に専用の加熱手段を設ける必要がない。

【００１３】また、上記（４）のごとく、オゾン発生装
置の無声放電に消費される電力の少なくとも一部を燃料
電池発電装置の発生電力で賄うこととすれば、燃料電池
発電装置とオゾン処理装置を効果的に一体化したコンパ
クトなシステムとして構築できることとなる。

【００１４】

【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の実施例を示す基本構成図であ
る。本図に示した構成において、図４および図６に示し
た構成部品と同一機能を有する構成部品には同一符号が
付されており、重複する説明は省略する。

【００１５】本実施例の燃料電池発電装置の特徴は、燃
料電池本体１の空気極へと供給する酸化剤ガスとして上
水のオゾン処理装置より排出されるガスを用いている点
にある。すなわち、本実施例では、オゾン発生装置４０
で得られたオゾンにより被処理水を処理するオゾン反応
槽３０から排出されるガスを、活性炭を充填した排オゾ
ン処理塔３５に送り、排出ガスに含まれる未反応のオゾ
ンを活性炭によって無害な酸素へと処理し、得られた空
気を燃料電池本体１の空気極へ供給して電気化学反応に
より発電している。

【００１６】なお、オゾン発生装置４０に取り込まれる
空気に含まれる酸素の一部はオゾンに変換され、その一
部はオゾン反応槽３０で消費されることとなるが、オゾ
ン発生装置４０でオゾンに変換される割合は数パーセン
トで、オゾン反応槽３０から排出される排出ガスの酸素
濃度は 20 ％以上に保持されているので、この排出ガス
を燃料電池本体１の空気極へ供給する反応空気として利
用することとしても燃料電池発電装置として何ら問題は
ない。

【００１７】本構成では、排オゾン処理塔３５で処理し
て得られた空気が、オゾン発生装置４０に組み込まれた
ブロワの吸い込み力によって空気極へ供給されるので、
従来例で用いられているような、燃料電池本体１の空気
極へ酸素あるいは空気を供給するための専用のブロワの
設置が不要となり、コンパクトな燃料電池発電装置が得
られる。また、オゾン処理装置の排出ガスが有効に利用
されるので、トータルシステムとして省資源化が図られ
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の実施例を示す基本構成図である。本図に
示した構成においても、図４および図６に示した構成部
品と同一機能を有する構成部品には同一符号が付されて
いる。本実施例の燃料電池発電装置においても、実施例
１と同様に、燃料電池本体１の空気極へと供給する酸化
剤ガスとして、上水のオゾン処理装置より排出されるガ
スが用いられている。さらに本実施例の構成では、オゾ
ン発生装置４０のオゾン発生機に使用される冷却水とし
て、燃料電池発電装置の凝縮槽８へ熱交換器１０によっ
て冷却され熱回収用ポンプ９によって循環供給されるの
冷却水が用いられており、また、オゾン発生機の高電圧
発生用の電源に、燃料電池本体１の発生直流電力を直交
変換器１１で変換して得られた交流電力が供給されてい
る。

【００１９】燃料電池発電装置の生成水を凝縮させて電
池冷却水の補給水を得る凝縮槽８において凝縮された水
は、熱回収用ポンプ９によって熱交換器１０へと送ら
れ、冷却されて約 40 ℃の低温となる。したがって、こ
の低温の冷却水をオゾン発生装置４０のオゾン発生機の
冷却水に用いれば、従来のオゾン処理装置のオゾン発生
機に設置されていた冷却水用の専用ポンプや専用熱交換
器が不要となる。

【００２０】燃料電池発電装置において、空気利用率 5
0 ％で 100ｋＷの発電を行うために必要な反応空気の量
は約 350［m³/h］である。一方、オゾン発生量 7.5〜15
［kg/h］のオゾン発生機の原料空気量と消費電力は次表
の通りである。

【００２１】

【表１】 したがって、出力 100ｋＷの燃料電池発電装置と、その
所要の反応空気量の約350［m³/h］に対して余裕を持つ
原料空気量 500［m³/h］、したがってオゾン発生量 10
［kg/h］のオゾン発生機を組み込んだオゾン処理装置を
併置して、本実施例のごとく構成すれば、オゾン発生機
の消費電力の 183［Ｗ］のうち、約 55％を燃料電池発
電装置で得られた電力により賄うことができる。

【００２２】＜実施例３＞図３は、本発明の燃料電池発
電装置の第３の実施例を示す基本構成図である。本実施
例の構成の実施例２の構成との差異は、燃料電池発電装
置の水蒸気分離器４に貯えた高温の冷却水を冷却する高
温水熱交換器６の二次側に流れる高温水が、オゾン処理
装置のオゾン発生装置４０へと循環され、オゾン発生機
に供給する空気の除湿後の加熱手段に用いられている点
にある。

【００２３】したがって、本構成では、実施例２の利点
に加えて、従来のオゾン発生装置４０において用いられ
ていた除湿空気の加熱用の再生ヒーターの設置が不要と
なり、燃料電池発電装置の電池冷却系で生じる高温水が
有効に活用され、トータルシステムとして効率的な運転
ができることとなる。

【００２４】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、 （１）燃料電池発電装置を請求項１に記載のごとく構成
することとしたので、近接して設置されるオゾン処理シ
ステムより排出される空気が有効に活用され、燃料電池
発電装置に組み込むブロアが小型、もしくは皆無とな
り、コンパクトで省資源化に効果的な燃料電池発電装置
が得られることとなった。

【００２５】（２）また、燃料電池発電装置を請求項
２、あるいは請求項３、あるいは請求項４に記載のごと
く構成することとすれば、上記（１）のごとく近接して
設置されるオゾン処理システムより排出される空気が有
効に活用されるばかりでなく、燃料電池発電装置で得ら
れる熱や電力も効果的に利用されることとなるので、コ
ンパクトで省資源化に効果的な燃料電池発電装置として
好適である。

【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の実施例を示
す基本構成図

【図２】本発明の燃料電池発電装置の第２の実施例を示
す基本構成図

【図３】本発明の燃料電池発電装置の第３の実施例を示
す基本構成図

【図４】従来の燃料電池発電装置の基本構成図

【図５】オゾン発生装置の基本構成図

【図６】図５のごときオゾン発生装置を用いた上水の処
理システムの構成例を示す基本構成図

【符号の説明】

１ 燃料電池本体 ２ 改質装置 ４ 水蒸気分離器 ５ 循環ポンプ ６ 高温水熱交換器 ７ 循環ポンプ ８ 凝縮器 ９ 熱回収用ポンプ １０ 熱交換器 １１ 直交変換器 ２６ 電力調整器 ２７ 昇圧高圧器 ３０ オゾン反応槽 ３５ 排オゾン処理塔 ４０ オゾン発生装置

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料極と空気極で電解質層を挟持してなる
   単位セルを複数個積層し、冷却板を適宜介装して燃料電
   池本体を構成し、改質装置で改質して得られた燃料ガス
   を燃料極に、酸化剤ガスを空気極に供給して電気化学反
   応により電気エネルギーを得る燃料電池発電装置におい
   て、 無声放電によって酸素または空気をオゾン化するオゾン
   発生装置で得られるオゾンにより被処理水中の有機物の
   分解や殺菌を行うオゾン処理装置より排出される排出ガ
   スをオゾン除去処理して得られる酸素または空気が、前
   記空気極に供給される酸化剤ガスの少なくとも一部とし
   て用い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】請求項１に記載の燃料電池発電装置におい
   て、燃料電池本体で生じる反応生成水と改質装置で生じ
   る燃焼生成水を回収する凝縮槽の凝縮水を熱交換して得
   られる低温の冷却水が、前記のオゾン発生装置で無声放
   電に際して必要となる冷却水として用いられていること
   を特徴とする燃料電池発電装置。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載の燃料電池発電装
   置において、燃料電池本体に介装された冷却板に供給さ
   れる電池冷却水と熱交換して得られる高温の冷却水が、
   前記のオゾン発生装置で必要となる冷却空気の加熱に用
   いられていることを特徴とする燃料電池発電装置。
4. 【請求項４】請求項１、２または３に記載の燃料電池発
   電装置において、前記のオゾン発生装置の無声放電に消
   費される電力の少なくとも一部が、電気化学反応により
   得られた直流電力を直交変換器により変換して得られた
   交流電力により賄われていることを特徴とする燃料電池
   発電装置。