JP2003234120A - 燃料電池発電装置の生成水回収装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】冷却水直接接触式凝縮器の圧力損失が運転条件
に合わせて効果的にに低減され、安定して高効率の運転
ができるものを得る。 【解決手段】冷却水直接接触式凝縮器１４の充填層１４
ｂをガスの流れ方向に分割し、分割された充填層１４ｂ
の部分層のいずれかに、ガスを迂回して通流させる、閉
止弁２３付きのバイパス回路２２を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池発電装置
の燃料電池や改質器からの排出ガスに含まれる生成水を
回収するための生成水回収装置に係わり、特にその生成
水回収装置に組み込まれる冷却水直接接触式凝縮器の構
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を水蒸気改質して水素に富む
改質ガスを得る改質器と、この改質ガスを燃料として発
電を行う燃料電池と、燃料電池で得られた直流出力を交
流に変換する直交変換装置の三つの主要構成要素からな
り、改質器で得られた改質ガスは、燃料電池の負荷およ
び水素利用率に応じて燃料電池内部で消費され、余剰の
水素を含むオフガスは改質器のバーナーへと導かれ、改
質器の加熱に有効に利用されている。

【０００３】図４は、従来の燃料電池発電装置のガス
系、水系の構成例を示すフロー図である。都市ガス、Ｌ
Ｐガス、メタノール等の原燃料は、エゼクタ等のポンプ
９により吸引され、水蒸気分離器４より供給される純水
の水蒸気と混合されたのち、改質器２の触媒層２ａへと
送られる。原燃料は改質器２において水蒸気改質され、
水素に富む改質ガスとなる。得られた改質ガスは、改質
ガス供給系１０を経て、燃料ガスとして燃料電池１の燃
料極１ａに供給される。改質器２における水蒸気改質反
応は吸熱反応であるので反応を維持するには触媒層２ａ
の加熱が必要となる。このため、燃料極１ａより排出さ
れる余剰の水素を含むオフガスを、オフガス供給系１１
を通して改質器２のバーナー２ｂへと送り、ブロワで供
給された燃焼空気と混合し、燃焼させることによって触
媒層２ａの加熱が行われている。一方、燃料電池１の空
気極１ｂには、ブロワで取り込まれた空気が反応空気と
して供給されている。また、燃料電池１の電池反応は発
熱反応であるので、燃料電池１を所定の運転温度に維持
するためには冷却して除熱する必要がある。このため、
水蒸気分離器４に貯えられた電池冷却水（純水）を循環
ポンプ６によって燃料電池１に組み込んだ冷却板１ｃへ
と循環供給して冷却し、電池冷却水用熱交換器５によっ
て外部へ熱を取り出している。

【０００４】燃料電池１では電池反応に伴って発電生成
水が生じ、この発電生成水を含んだオフガスが空気極１
ｂより排出される。また、改質器２のバーナー２ｂでは
燃焼に伴って燃焼生成水が生じ、この燃焼生成水を含ん
だ排ガスが排出される。これらの生成水を含んだガス
は、それぞれ反応空気オフガス系１２および改質器燃焼
オフガス系１３を通して、生成水回収装置３の凝縮器３
ａへと送られて凝縮され、水タンク３ｂに回収される。
回収された生成水は、給水ポンプ８の作用によって水処
理装置７を経て電池冷却水循環系へと戻され、水蒸気改
質用に使用された電池冷却水が補填される。

【０００５】生成水回収装置３には、図４に示したごと
く、凝縮器３ａとしてシェル＆チューブ型、あるいはプ
レート型の熱交換器を用い、水冷によって水分を回収し
て水タンク３ｂに貯留する方式のものが知られていた
が、本方式では熱交換器が大型化し、コストも高くなる
という難点があり、昨今、凝縮器３ａとして冷却水直接
接触式凝縮器を用いる方式の生成水回収装置が使用され
ている。

【０００６】図５は凝縮器として冷却水直接接触式凝縮
器を用いた従来の生成水回収装置の構成を示すフロー図
である。図において、３Ａは生成水回収装置、８は給水
ポンプ、１５は回収水用冷却器、１６は水循環ポンプ、
１７は入口ストレーナである。図に見られるように、本
構成の生成水回収装置３Ａに用いられている冷却水直接
接触式凝縮器１４には、上部にラシヒリング等からなる
充填層１４ｂが、下部に水タンク部１４ｃが備えられて
おり、充填層１４ｂの下側に設けられたガス導入口より
導入したガス、例えば、反応空気オフガスや改質器燃焼
オフガスを、充填層１４ｂの下端から上方へと通流さ
せ、一方、充填層１４ｂの上部に配された散水ノズル１
４ａにより、外部の回収水用冷却器１５で冷却された冷
却水を散水して、充填層１４ｂでガスと冷却水を直接接
触させることによって、ガス中の水蒸気分が凝縮し、下
部の水タンク部１４ｃに回収される。散水する上記の冷
却水には水タンク部１４ｃに回収された回収水が使用さ
れ、水自立運転される。

【０００７】この方式の冷却水直接接触式凝縮器１４
は、熱交換部であるラシヒリング充填層１４ｂと水タン
ク部１４ｃが同一容器内に収納されるのでシステムが簡
素化される。また、回収水用冷却器１５には一般的な水
−水熱交換器や空冷式冷却器を採用することができるの
で、製造コストを低く抑えることができる。また、この
方式の冷却水直接接触式凝縮器１４は、ラシヒリングの
充填量を調整することによって冷却性能を選定すること
ができ、数 kW から数百 kW 程度までの燃料電池発電装
置用として容易に使用できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】既に述べたように、上
記の生成水回収装置では、冷却水直接接触式凝縮器１４
に導入された反応空気オフガスや改質器燃焼オフガス
は、充填層１４ｂで散水された回収水と接触したのち、
上部の排気口から大気へと排出される。したがって、充
填層１４ｂを通流する際、その排気抵抗に応じて圧力損
失が生じる。この排気抵抗は、充填物の種類、充填層の
厚さ、さらには散水量に依存し、圧力損失は数百 Pa か
ら数千 Pa 程度となる。この排気抵抗は、燃料電池１の
空気極１ｂに反応空気を送り込むためのブロワ（あるい
はコンプレッサ）や、改質器２のバーナー２ｂへ燃焼空
気を送り込むためのブロワの排気抵抗となるので、この
排気抵抗が高くなると、ブロワの必要静圧が上昇し、ブ
ロワ動力が増大して発電効率が低下する。特に家庭用燃
料電池発電装置等の数 kW 程度の小型燃料電池発電装置
の場合には、補機動力を極力低減する必要があり、上記
の圧力損失などの無駄な損失を低く抑える必要がある。

【０００９】この圧力損失を低下させる方法としては、
充填物を大型化する方法や、充填層の厚さを薄くする方
法が考えられるが、これらの方法を用いると、伝熱面積
が減少して冷却性能が低下するので、外気温が低く散水
温度が低下する冬季には十分な冷却性能が得られても、
外気温が上昇する夏季などには冷却性能が不十分とな
る。また、水循環ポンプ１６の周波数制御、あるいは循
環回路に組み込んだ調節弁の開度制御等によって、散水
ノズル１４ａからの散水量を必要量に調整する方法は、
数百 kW 程度の発電装置では有効であるが、数 kW 程度
の小型の発電装置では設置スペースが大きくなり、コス
トも高くなるので実施が困難である。

【００１０】本発明は、上記の技術の現状を考慮してな
されたもので、本発明の目的は、冷却水直接接触式凝縮
器の排気抵抗が簡単な構成によって効果的に低減され、
小型のブロワ等により安定して効率的に運転することの
できる燃料電池発電装置用の生成水回収装置を提供する
ことにある。

【００１１】

【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、燃料電池の空気極からの排出
ガス、および／あるいは改質器のバーナーからの排出ガ
スを導入し、含まれる蒸気を生成水として回収する燃料
電池発電装置の生成水回収装置で、散水手段により散水
した充填層に、導入したガスを通流させて含まれる蒸気
を凝縮させる冷却水直接接触式凝縮器を備える生成水回
収装置において、 （１）冷却水直接接触式凝縮器の前記の充填層をガスの
流れ方向に複数の部分層に分割し、かつ、分割した複数
の部分層のいずれかに、ガスを迂回して通流させる、閉
止弁もしくは流量調整弁付きのバイパス回路を設けるこ
ととし、充填層を収納した槽の外部、あるいは内部に配
することとする。

【００１２】（２）またさらに、上記の（１）の冷却水
直接接触式凝縮器に、排出ガスの温度を測定する温度セ
ンサーを備え、この温度センサーの検出温度に従ってバ
イパス回路に備えた上記の閉止弁の開閉操作または流量
調整弁の開度調節を行うこととする。上記の（１）のご
とく構成した冷却水直接接触式凝縮器においては、バイ
パス回路に設けた閉止弁を閉止状態に保持すれば、導入
されたガスは充填層の全体を通流して冷却、凝縮され、
一方、閉止弁を開放状態に保持すれば、バイパスされる
部分層を除く充填層内を通流することとなり、排気抵抗
が低下するので、消費電力が低減されることとなる。し
たがって、外気温が低下する冬季に上記の閉止弁を開放
状態に保持して運転することとすれば、高効率での運転
が可能となる。また特に、このバイパス回路を充填層の
内部に配すれば、外部への露出がないので、コンパクト
に構成されることとなる。

【００１３】さらに、上記の（２）のごとくとすれば、
排気温度に対応させて弁の開度の調整や、開放／閉止制
御を自動的に行うことができるので、排気抵抗を必要最
小限に低減した、より効率的な自動化運転が可能とな
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、実
施例を挙げて説明する。 ＜実施例１＞図１は、本発明の燃料電池発電装置の生成
水回収装置の第１の実施例の構成を示すフロー図であ
る。本図において、図５に示した従来例の生成水回収装
置３Ａの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。本実施例の生成水回収装置３Ｂの
従来例の生成水回収装置３Ａとの相違点は、第１に、冷
却水直接接触式凝縮器１４の充填層１４ｂがガスの流れ
方向に２分割されていること、第２に、分割された充填
層１４ｂの下流側の部分層を流れるガスに対して、閉止
弁２３を組み込んだバイパス回路２２が設けられている
ことにある。

【００１５】本構成の冷却水直接接触式凝縮器１４を、
閉止弁２３を開放状態に保持して運転すれば、導入され
たガスは、充填層１４ｂの上流側の部分層を流れたの
ち、流体抵抗の大きい下流側の部分層を回避し、バイパ
ス回路２２を経由して上端の排気口へ達することとな
る。したがって、本凝縮器での圧力損失は、実質的に充
填層１４ｂの上流側の部分層での圧力損失となり、充填
層１４ｂの全層を通流する場合（本装置では閉止弁２３
が閉止状態に保持されている場合）に比べて大幅に低下
する。

【００１６】外気温の高い夏季は散水される回収水の温
度が高いので、ガス中の水分を凝縮、回収するには充填
層１４ｂの全層を通流させる必要があるが、外気温の低
い冬季には、散水される水の温度が低くなって、充填層
１４ｂの冷却性能が向上するので、充填層１４ｂの全層
を通流させる必要はなく、部分層を通流させるだけでガ
ス中の水分を凝縮、回収することができる。したがっ
て、冬季には、閉止弁２３を開放状態に保持して運転す
ればよい。このように運転すれば、排気抵抗が大幅に低
下し、その結果、補機損が低下するので発電効率が向上
する。

【００１７】＜実施例２＞図２は、本発明の燃料電池発
電装置の生成水回収装置の第２の実施例の構成を示すフ
ロー図である。本図においても、図５に示した従来例の
生成水回収装置３Ａの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。本実施例の生成水回
収装置３Ｃの特徴は、冷却水直接接触式凝縮器１４の充
填層１４ｂがガスの流れ方向に２分割され、さらに、２
分割された充填層１４ｂの下流側の部分層中に、閉止弁
２３Ａを備えた内部バイパス回路２４が埋設されている
ことにある。

【００１８】本構成においても、第１の実施例の構成と
同様に、閉止弁２３Ａの開閉によってガス流路が変更さ
れ、装置内部での排気抵抗が調整される。本構成では、
閉止弁２３Ａを備えた内部バイパス回路２４が冷却水直
接接触式凝縮器１４の槽内に収納されているので、コン
パクトな構成の生成水回収装置が得られるという利点が
ある。

【００１９】＜実施例３＞図３は、本発明の燃料電池発
電装置の生成水回収装置の第３の実施例の構成を示すフ
ロー図である。本実施例の生成水回収装置３Ｄの特徴
は、第１の実施例と同様の構成に加えて、冷却水直接接
触式凝縮器１４の排出ガスの温度を測定する温度センサ
ー２５が備えられ、さらに、この温度センサー２５の検
出温度に従ってバイパス回路２２に備えられた閉止弁２
３の開閉操作が制御されるよう構成されている点にあ
る。

【００２０】したがって、本装置では、閉止弁２３の開
閉操作を自動的に行うことができ、ガス中の水分の冷却
凝縮に必要な充填層１４ｂの条件を温度条件に合わせて
自動的に選定できるので、夏季と冬季の気温の年変動の
みならず、昼間と夜間の気温の日変動に対しても閉止弁
２３を自動的に開閉操作し、圧力損失を低減した高効率
の運転を自動的に継続することが可能となる。

【００２１】なお、上に示した三つの実施例では、いず
れの場合も、充填層１４ｂを２分割し、ガスの下流側の
部分層に対応してガスのバイパス回路を設けるものとし
ているが、本発明はこれらの構成に限定されるものでは
なく、充填層１４ｂを２分割して、ガスの上流側の部分
層に対応してガスのバイパス回路を設けることとしても
よく、また２分割した両部分層に対応してそれぞれバイ
パス回路を設け、使用条件により選択的に用いてもよ
い。さらに充填層１４ｂを３以上のより多数の部分層に
分割し、所定の部分層に対応してガスのバイパス回路を
設けることとしてもよい。また、閉止弁２３に代えて流
量調節弁を設けることとし、弁開度の調節によりバイパ
スさせるガス流量を制御することとしてもよい。

【００２２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、 （１）燃料電池発電装置の生成水回収装置を、請求項
１、さらには請求項２、あるいは３のごとく構成するこ
ととしたので、外気温の低くなる冬季に、冷却水直接接
触式凝縮器の排気抵抗が効果的に低減され、低圧力損失
で運転できることとなり、安定して高効率で運転できる
燃料電池発電装置用の生成水回収装置が得られることと
なった。

【００２３】（２）またさらに、燃料電池発電装置の生
成水回収装置を請求項４のごとく構成することとすれ
ば、自動的に低圧力損失での運転を選定して使用するこ
とができるので、安定して高効率で運転できる燃料電池
発電装置用の生成水回収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生成水回収装置の
第１の実施例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生成水回収装置の
第２の実施例の構成を示すフロー図

【図３】本発明の燃料電池発電装置の生成水回収装置の
第３の実施例の構成を示すフロー図

【図４】従来の燃料電池発電装置のガス系、水系の構成
例を示すフロー図

【図５】冷却水直接接触式凝縮器を用いた生成水回収装
置の従来の構成例を示すフロー図

【符号の説明】

３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ 生成水回収装置 ８ 給水ポンプ １４ 冷却水直接接触式凝縮器 １４ａ 散水ノズル １４ｂ 充填層 １４ｃ 水タンク部 １５Ａ 回収水用冷却器 １６ 水循環ポンプ １７ 入口ストレーナ ２２ バイパス回路 ２３，２３Ａ 閉止弁 ２４ 内部バイパス回路 ２５ 温度センサー

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池の空気極からの排出ガス、および
   ／あるいは改質器のバーナーからの排出ガスを導入し、
   含まれる蒸気を生成水として回収する燃料電池発電装置
   の生成水回収装置で、散水手段により散水した充填層
   に、導入したガスを通流させて含まれる蒸気を凝縮させ
   る冷却水直接接触式凝縮器を備える生成水回収装置にお
   いて、 冷却水直接接触式凝縮器の前記の充填層がガスの流れ方
   向に複数の部分層に分割され、かつ、分割された複数の
   部分層のいずれかに、ガスを迂回して通流させる、閉止
   弁もしくは流量調整弁付きのバイパス回路が設けられて
   いることを特徴とする燃料電池発電装置の生成水回収装
   置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の生成水回収装置におい
   て、前記のバイパス回路が充填層を収納した槽の外部に
   配されていることを特徴とする燃料電池発電装置の生成
   水回収装置。
3. 【請求項３】請求項１に記載の生成水回収装置におい
   て、前記のバイパス回路が充填層を収納した槽の内部に
   配されていることを特徴とする燃料電池発電装置の生成
   水回収装置。
4. 【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載の生成
   水回収装置において、冷却水直接接触式凝縮器に排出ガ
   スの温度を測定する温度センサーが備えられ、かつ、こ
   の温度センサーの検出温度に従ってバイパス回路に備え
   られた前記の閉止弁の開閉操作または流量調整弁の開度
   調節が行われるよう構成されていることを特徴とする燃
   料電池発電装置の生成水回収装置。