JP2007250447A - 燃料電池システムにおける水処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回収水中のＣＯ_２濃度を効果的に低下させて、イオン交換樹脂などの水処理部への負荷が下げる。
【解決手段】 燃料電池システムにおける回収水処理機構５が、上記処理ガスから回収したＣＯ_２濃度の高い回収水が流入する第１の水タンク部６ａと、上記処理ガスから回収したＣＯ_２濃度の低い回収水が流入する第２の水タンク部６ｂと、回収水を処理する水処理部７とを備えている。第１の水タンク部６ａにＣＯ_２を脱気するための脱気機構８を設ける。第１の水タンク部６ａにおいて脱気機構８で脱気することでＣＯ_２濃度を低下させた回収水を、第２の水タンク６に導入して第２の水タンク６内のＣＯ_２濃度の低い回収水と混合し、第２の水タンク６の上記混合水を水処理部７に送って処理する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムにおいて、処理ガス中の水分を回収して処理するための技術に関するものである。

従来から特許文献１に示されるような燃料電池システムが知られている。この特許文献１に示される従来例は、都市ガスに水蒸気を混合して燃料改質装置に送り、燃料改質装置に設けた燃料改質器で水蒸気改質反応により改質し、ＣＯ変成器でＣＯ変成を行い、ＣＯ除去器でＣＯ選択酸化を行って一酸化炭素を除去してＣＯ濃度の低い水素リッチの改質ガスを製造し、この水素リッチの改質ガス、つまり水素を燃料電池部のアノード（燃料極）に供給し、燃料電池部のカソード（空気極）にブロアから空気を供給し、水素と酸素を反応させて発電するようになっている。

上記のような燃料電池システムにおいて所定の処理ガスから回収した回収水を水タンクに回収し、水タンクから回収水をイオン交換樹脂などを設けた水処理部に送って水処理（化学的処理）を行って純水化し、純水化した水を再び各種供給ラインに送って燃料電池発電システムにおいて使用する各種の水として供給するようになっている。

ところが、燃料電池発電システムにおいて所定の処理ガスから回収する回収水としては、例えば、ＣＯ変成器の排出口ドレインで回収される回収水、燃料電池部のアノード（燃料極）より排出されるアノードオフガスからアノードオフガスドレインで回収される回収水、アノード加湿タンクで回収される回収水であるブローダウン水、改質器に設けた改質器バーナの排気ガスからドレインで回収される回収水、燃料電池部のカソード（空気極）から排出されるカソードオフガスからカソードドレインで回収される回収水、カソード加湿タンクで回収される回収水であるブローダウン水等がある。

ここで、ＣＯ変成器の排出口ドレインで回収される回収水、アノードオフガスドレインで回収される回収水、アノード加湿タンクで回収される回収水であるブローダウン水、改質器バーナの排気ガスからドレインで回収される回収水はいずれも、ＣＯ_２濃度が高い（ＣＯ_２濃度＞２００ｐｐｍ）。一方、カソードドレインで回収される回収水、カソード加湿タンクで回収される回収水であるブローダウン水はＣＯ_２濃度が低い（ＣＯ_２濃度＜１ｐｐｍ）。

しかしながら従来にあっては、上記ＣＯ_２濃度が高い回収水とＣＯ_２濃度が低い回収水のいずれも共通の水タンクに直接回収し、この共通の水タンク内で脱気機構により（脱気エアによりＣＯ_２を脱気する）脱気し、脱気後の回収水を水処理部に送るようにしていた。

ここで、脱気エアによりＣＯ_２を脱気する場合、現状の装置では脱気後のＣＯ_２濃度は約８ｐｐｍ程度までしか低下させることができないという制約がある。したがって、ＣＯ_２濃度が高い回収水とＣＯ_２濃度が低い回収水を混入した状態の回収水を脱気エアにより脱気しても回収水はＣＯ_２濃度が約８ｐｐｍ程度以上であり、このため、水タンクから水処理部に送られる回収水はＣＯ_２濃度は約８ｐｐｍ程度以上のものとなる。この回収水中のＣＯ_２は水処理部（イオン交換樹脂など）の負荷となり、水処理部の寿命が短くなるという問題があった。
特開平８−２２８３３号公報

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、回収水中のＣＯ_２濃度を効果的に低下させて、イオン交換樹脂などの水処理部への負荷が下がり、イオン交換樹脂の寿命が長くなり、交換頻度が下がる燃料電池システムの水処理装置を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムの水処理装置は、アノード１側の水素とカソード２側の酸素とを電解質３を介して反応させて発電する燃料電池部４と、所定の処理ガスから回収した回収水を処理する回収水処理機構５とを備えた燃料電池システムにおいて、上記回収水処理機構５が、上記処理ガスから回収したＣＯ_２濃度の高い回収水が流入する第１の水タンク部６ａと、上記処理ガスから回収したＣＯ_２濃度の低い回収水が流入する第２の水タンク部６ｂと、回収水を処理する水処理部７とを備え、第１の水タンク部６ａにＣＯ_２を脱気するための脱気機構８を設け、第１の水タンク部６ａにおいて脱気機構８で脱気することでＣＯ_２濃度を低下させた回収水を、第２の水タンク６に導入して第２の水タンク６内のＣＯ_２濃度の低い回収水と混入させ、第２の水タンク６の上記混合水を水処理部７に送って処理することを特徴とするものである。

このような構成とすることで、ＣＯ変成器１０の排出口ドレイン１１で回収される回収水や、燃料電池部４のアノード１（燃料極）から排出されるアノードオフガスからアノードオフガスドレイン１２で回収される回収水や、アノード加湿タンク１３で回収される回収水であるブローダウン水、改質器１４に設けた改質器バーナ３０の排気ガスからドレイン２９で回収される回収水等のＣＯ_２濃度が高い（例えば、ＣＯ_２濃度＞２００ｐｐｍ）回収水は第１の水タンク部６ａに流入し、燃料電池部４のカソード２から排出されるカソードオフガスからカソードドレイン１５で回収される回収水や、カソード加湿タンク１６で回収される回収水であるブローダウン水等のＣＯ_２濃度が低い（例えば、ＣＯ_２濃度＜１ｐｐｍ）回収水は第２の水タンク部６ｂに流入する。上記第１の水タンク部６ａに流入したＣＯ_２濃度が高い回収水は、第１の水タンク部６ａにおいて脱気機構８により脱気する（脱気エアによりＣＯ_２を脱気する）。このように脱気機構８により脱気してＣＯ_２濃度を低下させ（脱気機構８により最大約８ｐｐｍ程度まで低下させことができる）た第１の水タンク部６ａの回収水を、ＣＯ_２濃度＜１ｐｐｍと低い濃度の回収水が直接流入している第２の水タンク６に導入することで、ＣＯ_２濃度＜１ｐｐｍと低い濃度の回収水が薄め水となって第２の水タンク部６ｂ内の混合水のＣＯ_２濃度を８ｐｐｍ程度以下に低下させることが可能となり、このようにＣＯ_２濃度を８ｐｐｍ程度以下に低下させた回収水を水処理部７に送り、水処理部７でイオン交換樹脂などにより水処理して純水化する。この場合、水処理部７に送る回収水のＣＯ_２濃度を効果的に低下できるのでイオン交換樹脂などの水処理部７への負荷が下がり、イオン交換樹脂の寿命が長くなる。

また、第１の水タンク部６ａにオバーフロー部９を設けることが好ましい。

このような構成とすることで、余剰水をオバーフロー部９から排出するに当たり、第２の水タンク部６ｂ内よりもＣＯ_２濃度が高い第１の水タンク部６ａ内の回収水を余剰水としてオバーフローするので、ＣＯ_２濃度がより低い第２の水タンク部６ｂ内の回収水を無駄に捨てることなく、より効果的に水処理部７に送る回収水のＣＯ_２濃度を低下することができる。

本発明は、上記のように処理ガスから回収したＣＯ_２濃度の高い回収水が流入する第１の水タンク部と、上記処理ガスから回収したＣＯ_２濃度の低い回収水が流入する第２の水タンク部とを設け、第１の水タンク部にＣＯ_２を脱気するための脱気機構を設け、第１の水タンク部において脱気機構で脱気することでＣＯ_２濃度を低下させた回収水を、第２の水タンクに導入して第２の水タンク内のＣＯ_２濃度の低い回収水に混入させ、第２の水タンクの上記混合水を水処理部に送って処理するので、回収水中のＣＯ_２濃度を効果的に低下させて、イオン交換樹脂などの水処理部への負荷を下げることができて、イオン交換樹脂の寿命が長くなり、交換頻度が下がり、コストが低下するという利点がある。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明する。

図１には燃料電池システムの一実施形態を示す概略構成図が示してある。

図１において、符号３１は都市ガスを脱硫するための脱硫器であり、脱硫器３１で脱硫した燃料ガスに改質用スチーム発生器１８で発生させた水蒸気を混合して改質器１４に送り、改質器１４で水蒸気改質反応により改質し、次に、ＣＯ変成器１０でＣＯ変成を行い、次に、ＣＯ除去器１９でＣＯ選択酸化を行って一酸化炭素を除去してＣＯ濃度の低い水素リッチの改質ガスを製造し、次に、アノード加湿タンク１３に送り、アノード加湿タンク１３で加湿した水素リッチの改質ガスを燃料電池部４のアノード１（燃料極）に送るようになっている。

一方、カソード加湿タンク１６を通して加湿した空気を燃料電池部４のカソード２（空気極）に送るようになっている。

燃料電池部４は、アノード１、電解質３、カソード２が層となったセルを一単位とし、このセルをセパレータ（図示せず）を介して多数積層して構成してある。ここで、アノード１、カソード２は気体を通す構造をしており、上記のように水素リッチの改質ガス、つまり水素をアノード１に供給し、カソード２に空気を供給することで、水素はアノード１中の触媒の働きで電子を切り離して水素イオンになり、電解質３はイオンしか通さないという性質を持っているため、切り離された電子は外に出て行き、電解質の中を移動した水素イオンは、反対側のカソード２に送られた酸素と、外部から電線（外部回路）を通して戻ってきた電子と反応して水となる。このようにして発電した電気は直流なので、直流交流変換装置（図示せず）により交流に変換するようになっている。

燃料電池部４のアノード１から排気されるアノードオフガスは残水素を含んでいるため、改質器１４に送られて燃料ガスとして利用されるようになっているが、アノード１から改質器１４に送る途中でアノードオフガスの熱をアノードオフガス用熱交換器１７で回収すると共に、アノードオフガスドレイン１２によりアノードオフガス中の水を回収するようになっている。熱及び水が回収されたアノードオフガスは改質器１４の燃焼部である改質器バーナ３０に送られるが、改質器バーナ３０には前記の都市ガス、空気も供給され、残水素を含むアノードオフガスと都市ガスと空気とを混合して改質器バーナ３０で燃焼させることで、改質触媒を加熱しながら前述のように都市ガスに水蒸気を混合した燃料ガスを改質するようになっており、改質器１４で発生した改質器バーナ３０の燃焼排ガスは排気ガス用熱交換器２０で熱を回収すると共にドレイン２９で燃焼排ガス中の水を回収し、その後、外部に排気するようになっている。

また、ＣＯ変成器１０とＣＯ除去器１９との間には熱交換器２１、排出口ドレイン１１が設けてあり、ＣＯ変成器１０でＣＯ変成を行った高温の改質ガスの熱を熱交換器２１で回収すると共に排出口ドレイン１１で水を回収するようになっている。

一方、燃料電池部４のカソード２から排気される排ガスは高温で且つカソード２で生成される水を含んでいるためカソードオフガス用熱交換器３２で熱を回収すると共にカソードドレイン１５で水が回収される。

また、カソード加湿タンク１６の水をポンプ２２により配管２３を介して燃料電池部４に供給して燃料電池部４を冷却するようになっており、燃料電池部４を冷却した水は再びカソード加湿タンク１６に戻されるようになっている。

上記のような図１に示す燃料電池システムにおいて、本発明においては、システムにおける各段階で発生する処理ガスから回収した回収水を回収水処理機構５で処理して純水化することで、再び上記システムで使用する水として供給するようになっている。

本発明における回収水処理機構５は、上記処理ガスから回収したＣＯ_２濃度の高い回収水が流入する第１の水タンク部６ａと、上記処理ガスから回収したＣＯ_２濃度の低い回収水が流入する第２の水タンク部６ｂと、回収水を処理する水処理部７とで構成してあり、上記第１の水タンク部６ａにはＣＯ_２を脱気するための脱気機構８と、余剰水をオーバーフローするためのオバーフロー部９が設けてある。

燃料電池システムにおける各段階で発生する処理ガスから回収する回収水としては、前述のように、ＣＯ変成器１０の排出口ドレイン１１で回収されるＣＯ変成を行った高温の改質ガス中の水、アノード加湿タンク１３で回収される水（アノード加湿ブローダウン水）、アノードオフガスドレイン１２で回収されるアノードオフガス中の水、ドレイン２９で回収される改質器バーナ３０の燃焼排ガス中の水、カソード加湿タンク１６で回収されるカソード加湿ブローダウン水、カソードドレイン１５で回収される水等がある。

ここで、上記回収水のうちＣＯ変成器１０の排出口ドレイン１１で回収されるＣＯ変成を行った高温の改質ガス中の水、アノード加湿タンク１３で回収される水（アノード加湿ブローダウン水）、アノードオフガスドレイン１２で回収されるアノードオフガス中の水、ドレイン２９で回収される改質器バーナ３０の燃焼排ガス中の水はいずれもＣＯ_２濃度の高い回収水で、ＣＯ_２濃度＞２００ｐｐｍであり、これらのＣＯ_２濃度の高い回収水は第１の水タンク部６ａに流入させるようになっている。

また、カソード加湿タンク１６で回収されるカソード加湿ブローダウン水、カソードドレイン１５で回収される水はいずれもＣＯ_２濃度の低い回収水で、ＣＯ_２濃度＜１ｐｐｍであり、これらのＣＯ_２濃度の低い回収水は第２の水タンク部６ｂに直接流入させるようになっている。

第１の水タンク部６ａに流入したＣＯ_２濃度の高い回収水は、第１の水タンク部６ａで脱気機構８により脱気処理されることで、ＣＯ_２濃度を低下させる（例えばＣＯ_２濃度を８ｐｐｍ程度まで低下させることが可能である）。このようにＣＯ_２濃度を低下させた回収水は第２の水タンク部６ｂに送られ、上記第２の水タンク部６ｂに直接流入して溜まっているＣＯ_２濃度の低い回収水と混じり合う。ここで、第２の水タンク部６ｂに直接流入して溜まっているＣＯ_２濃度の低い回収水は前述のようにＣＯ_２濃度＜１ｐｐｍであるため、この第２の水タンク部６ｂに直接流入して溜まっているＣＯ_２濃度＜１ｐｐｍの回収水を薄め液として、第１の水タンク部６ａで脱気機構８によりＣＯ_２濃度が例えば８ｐｐｍ程度まで低下させられて第２の水タンク部６ｂに送られた回収水が薄められて、ＣＯ_２濃度が８ｐｐｍ程度以下の混合水となる。

このように、ＣＯ_２濃度が低濃度となった混合水をポンプ２５により第２の水タンク部６ｂから配管２４を通してイオン交換樹脂などを備えた水処理部７に送って水処理（化学的処理）を行って純水化する。この場合、本発明においては、上記のようにＣＯ_２濃度を８ｐｐｍ程度以下に低下させた回収水を水処理部７に送ることがでるので、イオン交換樹脂などの水処理部７への負荷が下がり、イオン交換樹脂の寿命が長くなる。

上記のように水処理部７で純水化した水は再び各種供給ラインに送って燃料電池発電システムにおいて使用する各種の水（例えば、改質用スチーム発生器１８に供給する水等）として供給するようになっている。また、上記水処理部７で処理した水は一部が第２の水タンク部６ｂに返送されるようになっている。

また、第１の水タンク部６ａには前述のようにオバーフロー部９が設けてあるので、オバーフローにより余剰水を上記システムの系外に排出するに当たって、第２の水タンク部６ｂ内よりもＣＯ_２濃度が高い第１の水タンク部６ａ内の回収水を余剰水としてオバーフローすることになり、ＣＯ_２濃度がより低い第２の水タンク部６ｂ内の回収水を無駄に捨てることがない。したがって、より効果的に水処理部７に送る回収水のＣＯ_２濃度を低下させることができる。

図１に示す実施形態においては、処理ガスから回収したＣＯ_２濃度の高い回収水が流入する第１の水タンク部６ａと、上記処理ガスから回収したＣＯ_２濃度の低い回収水が流入する第２の水タンク部６ｂとを別体として第１の水タンク部６ａと第２の水タンク部６ｂとを連通管２６により連通した例を示しているが、図２のように一つの水タンク部６を仕切り部２７により仕切って一方側を第１の水タンク部６ａ、他方側を第２の水タンク部６ｂとしてもよい。この場合は仕切り部２７に連通孔２８を設けて第１の水タンク部６ａと第２の水タンク部６ｂとを連通させる。

本発明の燃料電池発電装置の一実施形態を示す概略構成図である。 本発明の他の実施形態の概略構成図である。

符号の説明

１ アノード
２ カソード
３ 電解質
４ 燃料電池部
５ 回収水処理機構
６ａ 第１の水タンク部
６ｂ 第２の水タンク部
７ 水処理部
８ 脱気機構
９ オバーフロー部

Claims (2)

1. アノード側の水素とカソード側の酸素とを電解質を介して反応させて発電する燃料電池部と、所定の処理ガスから回収した回収水を処理する回収水処理機構とを備えた燃料電池システムにおいて、上記回収水処理機構が、上記処理ガスから回収したＣＯ_２濃度の高い回収水が流入する第１の水タンク部と、上記処理ガスから回収したＣＯ_２濃度の低い回収水が流入する第２の水タンク部と、回収水を処理する水処理部とを備え、第１の水タンク部にＣＯ_２を脱気するための脱気機構を設け、第１の水タンク部において脱気機構で脱気することでＣＯ_２濃度を低下させた回収水を、第２の水タンクに導入して第２の水タンク内のＣＯ_２濃度の低い回収水に混入させ、第２の水タンクの上記混合水を水処理部に送って処理することを特徴とする燃料電池システムにおける水処理装置。
2. 第１の水タンク部にオバーフロー部を設けて成ることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムにおける水処理装置。

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