JP2006236599A - 燃料電池発電装置の水回収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温排ガスであっても、発電反応に必要な液体水を効率良く得ることができる水回収方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池２０より排出される排ガス中の水蒸気を凝縮手段３３により液化し、この液体水Ｗを燃料電池２０に供給する燃料電池発電装置の水回収方法において、燃料電池２０より排出される排ガス流を分岐し、分岐した排ガスのみを凝縮手段３３に誘導して液化するようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池から排出される排ガス中より水蒸気を回収して燃料電池にリサイクルする水回収方法に関するものである。

近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は、高効率でクリーンな発電装置として注目されている。特に、固体酸化物形燃料電池は発電効率が高く、且つ、排熱を有効に利用できるなどの多くの利点を有することから、第三世代の発電用燃料電池として研究開発が進めらている。

上記固体酸化物形燃料電池は、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）で挟み込んだ積層構造を有し、この積層体から成る発電セルとセパレータを交互に複数積層してスタック化すると共に、ハウジング内に収納することによりモジュール化したものである。

発電時には、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス (Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄等) が供給される。
発電セル内において、空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で燃料ガスと反応し、反応生成物としてＨ₂Ｏ（水蒸気）、ＣＯ₂等を生じ、燃料極層に電子を放出する。電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。

ところで、このような燃料電池では、酸化剤ガスとして空気を用い、燃料ガスとして都市ガス等の炭化水素燃料ガス（原燃料）を改質して得た水素リッチなガスを用いるのが一般的である。このため、燃料電池モジュール内部に燃料改質器を組み込み、この燃料改質器において原燃料ガスの改質を行い燃料ガスを生成する内部改質が行われている。

燃料改質器における原燃料の改質は、例えば、原燃料としてメタンに水蒸気を加え、水とメタンとの反応を触媒で促進して行う。従って、燃料改質器には原燃料の改質反応に使用した水蒸気量に対応して水を補給する必要がある。従来、補給用の水は、主にイオン交換式水処理装置等で不純物を除去した水道水（イオン交換水）を給水ポンプで供給していたが、近年ではコージェネレーション化のため、燃料電池の排ガス中の発電生成水を用いることも提案されている（特許文献１参照）。
特許文献１には、燃料電池より排出される排ガス中の水蒸気を凝縮水として液化し、燃料電池の燃料改質器に供給する技術が開示されている。

上記した燃料電池からの排ガス中に含まれる水蒸気を水にリサイクルする技術が注目されるのは次のような理由によるものである。
すなわち、燃料電池に供給される改質ガス（燃料ガス）組成の約５０％は水素（その他、二酸化炭素、一酸化炭素等が含まれている）であって、電池反応によって水素成分が水蒸気に変化する。このため、排ガス中には多量の水蒸気が含まれており、その量は電池反応に要する水分量以上である。従って、排ガス中の水蒸気を水にリサイクルして燃料電池に供給することができれば、外部給水設備は不要となって燃料電池の水供給系を簡素化でき、好適なコージェネレーションシステムを構築できるからである。
特開２００３−２３４１２０号公報

ところで、公知の燃料電池の内、リン酸型（ＰＡＦＣ）や高分子型（ＰＥＦＣ）等は作動温度が比較的低いため（ＰＡＦＣでは１６０〜２１０℃、ＰＥＦＣでは６０〜８０℃）、燃料電池より排出される排ガスの温度も低くなっており、よって、水のリサイクルは比較的簡単に行えるが、上記した固体酸化物型（ＳＯＦＣ）場合は、作動温度が７００〜１０００℃で、上記したＰＡＦＣやＰＥＦＣに比べて著しく高いため、排ガス温度も３００〜５００℃となり、水にリサイクルするには排ガス温度が高すぎることから、全排ガス中の水蒸気を凝縮して水にリサイクルするには凝縮手段（すなわち、熱交換器等の冷却装置）も大型化し、そのための設置スペースも広く確保する必要があり、発電装置が大型化すると共に、装置自体もコスト高となるという問題があった。

本発明は、上記問題に鑑みなされたもので、発電反応に必要な分だけの水蒸気を水にリサイクルすることにより凝縮手段を小型化して低コスト化を図ると共に、水へのリサイクルに使用しない排ガスの熱エネルギーを有効に利用できるようにした燃料電池発電装置の水回収方法を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、燃料電池より排出される排ガス中の水蒸気を凝縮手段により液化し、この液体水を前記燃料電池に供給する燃料電池発電装置の水回収方法において、前記燃料電池より排出される排ガス流を分岐し、分岐した排ガスのみを前記凝縮手段により液化することを特徴としている。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池発電装置の水回収方法において、分岐した排ガスの凝縮手段として放熱フィンによる放熱作用を利用することを特徴としている。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池発電装置の水回収方法において、分岐した排ガスの凝縮手段として、前記燃料電池に導入される反応用ガスとの熱交換作用を利用することを特徴としている。

また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料発電装置の水回収方法において、前記凝縮手段により得られた液体水を回収するための水タンクを配設し、当該水タンクを介して液体水を前記燃料電池に供給すると共に、水タンクの水位に応じて前記排ガス流の分岐量を制御することを特徴としている。

また、請求項５に記載の本発明は、請求項４に記載の燃料電池発電装置の水回収方法において、燃料電池出力に応じて前記水タンクの水位に対する前記排ガス流の分岐量を変えることを特徴としている。

また、請求項６に記載の本発明は、請求項１から請求項５までの何れかに記載の燃料電池発電装置の水回収方法において、前記燃料電池として固体酸化物形燃料電池を用いることを特徴としている。

本発明によれば、燃料電池より排出される排ガス流を分岐し、燃料電池反応に必要な分だけの水蒸気を凝縮して液化するようにしたので、全排ガスを液化する必要がなく、よって、排ガス温度の高い高温作動型の燃料電池（固体酸化物形燃料電池）であっても、水へのリサイクルが可能となると共に、液化に使用されない排ガスの排熱利用が可能となり、好適なコージェネレーション化が図れる。加えて、凝縮手段を小規模化することができ、低コスト化が図れる。

また、凝縮手段により得られた液体水を回収するための水タンクを配設し、水タンクの水位に応じて排ガス流の分岐量を制御するようにしたので、常に発電反応に必要な量の水を効率良く供給することができ、排ガスを有効に利用することができる。
加えて、燃料電池出力に応じて水タンクの水位に対する排ガス流の分岐量を変えることにより、高電力出力時や低電力出力時においても、発電電力に即した好適な給水量を得ることができ、排ガスのより一層の有効利用が可能となる。

以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。図１、図２は本発明が適用された燃料電池発電装置の概略構成を示し、図３は燃料電池スタックの構成を示している。

本実施形態の燃料電池発電装置は、図１、図２に示すように、燃料ガスと酸化剤ガス（空気）を導入して直流出力電力を発生する固体酸化物形燃料電池１（燃料電池スタック１）、炭化水素系ガス（例えば、都市ガス）を改質して燃料電池スタック１に供給する燃料改質器１５等を断熱ハウジングに収納した燃料電池モジュール２０、および、この燃料電池モジュール２０の周辺に配設され、燃料電池スタック１に空気を導入するための空気供給系２２、燃料改質器１５に都市ガスを導入するための燃料供給系２１、および、燃料電池モジュール２０からの排ガス中より水蒸気を回収して燃料電池モジュール２０にリサイクルするための水回収装置３０等で構成されている。

上記燃料電池スタック１は、図３に示すように、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで構成した単セル１０を縦方向に多数積層してスタック化したものである。

単セル１０の構成要素の内、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ、Ｃｏ等の金属またはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ８はステンレス等で構成されている。

セパレータ８は、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用ガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中央部１１ａから吐出する燃料ガス通路１１と、酸化剤ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面のほぼ中央部１２ａから吐出する酸化剤ガス通路１２を備えている。

燃料電池スタック１内には、積層方向に延びる燃料ガス用のマニホールド１７と酸化剤ガス用のマニホールド１８が設けられており、マニホールド１７には改質された燃料ガスが流通し、マニホールド１８には外部から供給される空気が流通し、各ガスがマニホールド１７、１８より各セパレータ８の各ガス通路１１、１２に導入され、各ガス吐出口１１ａ、１２ａより吐出して各発電セルの各電極に分配・供給されるようになっている。燃料電池スタック１の両端には、ステンレス等で成る一対の端板８ａ、８ｂが配設されており、燃料電池スタック１の発電電力は、この端板８ａ、８ｂを介して取り出すことができるようになっている。

また、この燃料電池スタック１は、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを敢えて設けないシールレス構造を採用しており、運転時には、発電反応で消費されなかった余剰ガス（高温排ガス）を発電セル５の外周部からハウジング内に自由に放出するようになっている。

また、ハウジングの上部には、その内部空間に放出された高温度の排ガスをモジュール外に排出するための排気口１９が設けられており、この排気口１９に排気管３１が接続されている。この排気管３１は２つに分岐されている。一方の排気管３１ａは排熱利用のための排ガスラインであり、コージェネレーションのための様々な熱回収装置（図示せず）に接続されている。他方の排気管３１ｂは後述する水回収のための排ガスラインである。

上記排気管３１ｂは、分岐部の近傍にガス流量調整弁３６を備え、その下流において斜め上方の勾配を持って延設されており、その勾配部分に凝縮手段３３が設けられていると共に、その下流端部が外気に開放されて水回収を終えた排ガスを外部に排出できるようになっている。

上記凝縮手段３３の具体的な実施例が図１に示されている。この実施例では、上記した勾配部分において排気管３１ｂの外周部に放熱フィン３３ａを設け、この放熱フィン３３ａの放熱作用により排気管３１ｂ内の排ガスを外気により自然冷却するように構成されている。
一方、凝縮手段３３の別の実施例は図２に示されている。当実施例では、燃料電池モジュール２０に反応ガス（都市ガス、空気）を導入するための燃料供給系２１、空気供給系２２の各配管の一部を伝熱容器３３ｂに収容すると共に、この伝熱容器３３ｂを上記排気管３１ｂの勾配部分に配設して熱交換部を形成し、この熱交換部において各配管内の反応ガスと排気管３１ｂ内の排ガスが熱交換されることにより、排ガスを強制的に冷却するように構成されている。図２の凝縮手段３３では、排ガス中の水蒸気の凝縮とともに、反応用ガスの予熱を同時に行うことができ、好適な電池反応に寄与できるというメリットがある。

また、凝縮手段３３の下方位置に、上記凝縮手段３３により凝縮された排ガス中の水蒸気を液体水として回収する水タンク３４が配設されており、その出口３５には、回収されたタンク内の液体水Ｗを燃料電池モジュール２０内に誘導するための水供給管３２が接続されている。この水タンク３４には、タンク内の水位を検知する水位計３７が設けられており、その検知出力により上記したガス流量調整弁３６を制御して排気管３１より排気管３１ｂに分岐・流入する排ガス流量を調整できるようになっている。

上記ガス流量調整弁３６を含む排気管３１ｂ、凝縮手段３３、水タンク３４、水供給管３２等により、本実施形態の水回収装置３０が構成されている。

上記構成の水回収装置３０による水回収方法では、燃料電池モジュール２０の排気口１９より、一方の排気管３１ａを通してハウジング内の高温排ガス（作動温度が７００℃前後の固体酸化物形燃料電池の場合、３００〜５００℃程度）が外部の熱回収装置（図示せず）に誘導されると共に、この熱回収装置にて熱回収され、例えば、熱回収により生成された温水は、店舗や家庭内において給湯器や空調（暖／冷房装置）用の熱エネルギー源として利用される。
また、他方の排気管３１ｂに分岐された高温排ガスは、ガス流量調整弁３６介して下流部の凝縮手段３３に誘導されると共に、凝縮手段３３を通過して大気中に排出される過程で１００℃程度に冷却され、排ガス中の水蒸気が排気管３１内で凝縮されて液体水Ｗとなって管勾配を流下し、下方部の水タンク３４に回収される。尚、凝縮手段３３における冷却・凝縮形態は既述した通りである。
水タンク３４内の液体水は、出口３５より水供給管３２を通して燃料電池モジュール２０内に導入され、図示しないモジュール内の水蒸気発生器により高温水蒸気となり、燃料改質器１５に供給される。この高温水蒸気は、燃料改質器１５において燃料供給系２１より導入された都市ガスと混合され、その混合ガスが改質触媒の作用により水素リッチな燃料ガスに改質され、燃料電池スタック１に供給される。

水タンク３４内の液体水Ｗを燃料電池モジュール２０へ導入するため、水供給管３２の途中に給水ポンプ（図示せず）を設ける方法がある、また、別の方法として、上記水タンク３４を燃料電池モジュール２０の上部（或いは、横部）近傍に配設し、その水圧を利用して燃料電池モジュール２０に液体水Ｗを供給するようにしても良い。この方法では、上記した給水ポンプが不要となり、装置のコスト低減が図れると共に、当ポンプによる電力消費分の補機損失を削減でき、燃料電池発電装置の効率を向上できるというメリットがある。

このように本発明では、燃料電池モジュール２０より排出される排ガス流を分岐し、燃料電池反応に必要な分だけの水蒸気を凝縮して液化するようにしたので、全排ガスを液化する必要がなく、よって、排ガス温度の高い高温作動型の燃料電池（固体酸化物形燃料電池）であっても、水へのリサイクルが可能となると共に、液化に使用しない排ガスの排熱利用が可能となり、好適なコージェネレーション化が図れるようになる。加えて、凝縮手段３３を小規模に簡略化することができ、低コスト化が図れるようになる。

また、水位計３７の検知出力に基づいてガス流量調整弁３６を制御し、排気管３１より排気管３１ｂに流入する排ガス流量（すなわち、水タンク３４の貯水量）を調整することにより、常に発電反応に必要な量の水を効率良く供給することができ、排ガスを有効に利用することが可能となる。
加えて、燃料電池出力に応じて水タンクの水位に対する排ガス流の分岐量を変えることにより、高電力出力時や低電力出力時においても、発電電力に即した好適な給水量を得ることができ、排ガスのより一層の有効利用が可能となる。すなわち、改質用の水蒸気を多量に要する高電力出力時は、水タンク３４を高水位にして燃料電池モジュール２０への水供給量を増大すると共に、低電力出力時は、水タンク３４を低水位にして燃料電池モジュール２０への水供給量を減少するようにする。これにより、燃料電池出力に応じた効率の良い発電を行うことができるようになる。

以上、本実施形態では、燃料電池として固体酸化物形燃料電池を用いたが、本発明の水回収方法は、これ以外の他の公知の燃料電池（例えば、ＰＡＦＣやＰＥＦＣ等）を用いた発電装置にも適用できることは勿論である。

本発明が適用された燃料電池発電装置の概略構成図。 本発明が適用された図１とは別の燃料電池発電装置の概略構成図。 固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す図。

符号の説明

２０ 燃料電池（燃料電池モジュール）
２１ 反応用ガスの流路（燃料供給系）
２２ 反応用ガスの流路（空気供給系）
３３ 凝縮手段
３３ａ 放熱フィン
３４ 水タンク

Claims (6)

1. 燃料電池より排出される排ガス中の水蒸気を凝縮手段により液化し、この液体水を前記燃料電池に供給する燃料電池発電装置の水回収方法において、
   前記燃料電池より排出される排ガス流を分岐し、分岐した排ガスのみを前記凝縮手段により液化することを特徴とする燃料電池発電装置の水回収方法。
2. 分岐した排ガスの凝縮手段として放熱フィンによる放熱作用を利用することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置の水回収方法。
3. 分岐した排ガスの凝縮手段として前記燃料電池に導入される反応用ガスとの熱交換作用を利用することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置の水回収方法。
4. 前記凝縮手段により得られた液体水を回収するための水タンクを配設し、当該水タンクを介して液体水を前記燃料電池に供給すると共に、水タンクの水位に応じて前記排ガス流の分岐量を制御することを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料発電装置の水回収方法。
5. 燃料電池出力に応じて前記水タンクの水位に対する前記排ガス流の分岐量を変えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電装置の水回収方法。
6. 前記燃料電池として固体酸化物形燃料電池を用いることを特徴とする請求項１から請求項５までの何れかに記載の燃料電池発電装置の水回収方法。

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