JP2009123445A - 燃料電池発電装置の循環水処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回収水を脱気する専用の脱気装置を不要にできるようにする。
【解決手段】固体高分子型燃料電池１ａへ冷却水１２を供給する冷却水循環ポンプ３３付きの冷却水供給ライン３２と、カソード３へ供給する空気９を電池冷却後の温度上昇した冷却水１２ａと気液接触させて加湿するカソード加湿器２４を備えた冷却水循環系を形成する。冷却水供給ライン３２の冷却水循環ポンプ３３よりも上流側に、排ガス凝縮器１５から回収水１６を導く回収水ライン４３と、純水装置１７の出口側を順に接続する。冷却水循環ポンプ３３よりも下流側に純水装置１７の入口側を接続する。回収水１６は冷却水１２に混合した状態で固体高分子型燃料電池１ａの冷却に供した後、カソード加湿器２４で空気９と気液接触させることで二酸化炭素を脱気処理させ、これにより、二酸化炭素の溶存濃度が低く抑えられる冷却水１２を純水装置１７で処理させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の排ガス及び燃料処理装置の排ガス中の水分を凝縮させて回収する水を燃料電池の冷却水循環系で再利用できるように処理するための燃料電池発電装置の循環水処理装置に関するものである。

燃料電池は、燃料を用いた他の発電方法に比して熱効率が高く、又、環境汚染が少ないため、有効な発電装置として期待されている。特に、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、１００℃以下という低温で発電が行われ、出力密度が高いので、他の形式の燃料電池に比して小型化でき、しかも、電池構成材料の劣化が少ないこと、起動が容易であること、等の長所があることから、近年、小規模な業務用あるいは家庭用等の発電装置として使用されるようになってきている。

ところで、図５に示す如く、常圧型の燃料電池１と、天然ガスの如き燃料５を水蒸気改質して上記燃料電池１のアノード２に燃料ガス（水素）６を供給するための燃料改質器７、ＣＯ変成器８等からなる燃料改質系（燃料処理装置）と、カソード３に酸化ガスとしての空気９を供給するための空気供給系と、燃料電池１に設けてある冷却部４に冷却水ポンプ（冷却水循環ポンプ）１１付きの冷却水循環ライン１０を接続して、該冷却水循環ライン１０を循環させる冷却水１２により上記燃料電池１で発生する熱を冷却するようにしてある冷却水循環系（電池冷却系）とを備えてなる燃料電池発電装置において、上記燃料改質系における燃料改質器７から排出される燃焼排ガス１３と、燃料電池１の排ガス、具体的には、カソード３より排出されるカソード排ガス１４中に存在する水分を、排ガス凝縮器（排熱／水回収熱交換器）１５にて凝縮させて回収し、この回収された回収水（凝縮水）１６を、上記燃料電池１の冷却水循環系に供給して再利用することにより、総合的熱効率の向上化を図ることが考えられてきている。

上記のように燃料改質器７の燃焼排ガス１３とカソードオフガス１４からの回収水１６を燃料電池１の冷却水循環系に供給する場合、上記回収水１６をそのまま冷却水１２として使用すると、上記冷却水循環系の機器に腐食等の悪影響を及ぼす虞が懸念される。そのため、通常は、上記回収水１６を上記冷却水循環系へ導く前に、イオン交換樹脂を具備した純水装置１７へ供給して、該純水装置１７により上記回収水１６を処理することで、溶存酸素量、電気伝導度、濁度、ｐＨ等を所定の水準に調整するようにしている。

しかし、上記回収水１６は、燃焼排ガス１３及びカソード排ガス１４に含まれていた水蒸気を凝縮した水であるため、二酸化炭素を飽和状態で含んでおり、二酸化炭素は水に溶けると簡単にイオン化されることから、上記燃焼排ガス１３及びカソード排ガス１４からの回収水１６をそのまま上記純水装置１７へ導入すると、該純水装置１７のイオン交換樹脂の寿命が大きく損なわれてしまう。

そのために、上記燃焼排ガス１３及びカソード排ガス１４からの回収水１６は、純水装置１７へ供給する前に予め脱気器１８に通すことで、該回収水１６に含まれている二酸化炭素を脱気処理（脱炭酸処理）して、この二酸化炭素の脱気処理が行われた後の回収水１６が、上記純水装置１７へ供給されるようにしてある。

１９は上記冷却水循環系へ供給するための上記回収水１６と外部からの補給水２０を一旦貯留しておくための水タンク、２１は上記水タンク１９の水を純水装置１７を経て冷却水循環系へ供給するための給水ポンプ、２２は上記冷却水循環系に設けた水蒸気分離器である。（たとえば、特許文献１参照）。

又、固体高分子型燃料電池を用いた発電装置において、上記と同様に、固体高分子型燃料電池のカソード（空気極）より排出されるカソード排ガス、及び、改質器の燃焼排ガス中の水分を排ガス凝縮器で凝縮して回収し、その回収水を、純水装置を経た後、上記固体高分子型燃料電池の冷却水として再利用する際、上記純水装置の負担を軽減できるようにするために、上記排ガス凝縮器から純水装置までの間に、スイープ式膜脱気装置を設けて、上記排ガス凝縮器より回収される回収水を、該スイープ式膜脱気装置により予め脱気処理（脱炭酸処理）した後、上記純水装置へ供給させるようにすることが考えられてきている。更に、送気ブロワより上記固体高分子型燃料電池のカソードへ供給する空気の一部を分流して、上記スイープ式膜脱気装置へ供給するようにすることも従来提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

更に、溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電装置において、カソード排ガス中の水分を凝縮器で凝縮し気液分離して回収する回収水（凝縮液）を、純水装置（イオン交換樹脂式水処理装置）へ供給する前に脱気塔へ導いて、該脱気塔内で上記回収水をスプレー管から下方に向けて噴霧し、この噴霧された回収水を、空気ブロワにより該脱気塔における上記スプレー管よりも下方位置へ供給された後、該脱気塔内を最上部の空気出口へ向けて上昇する空気と向流で気液接触させることにより、いわゆるエアーストリッピングの作用によって該回収水に多量に含まれている二酸化炭素（炭酸ガス）を除去（脱気処理）し、その後、この二酸化炭素が脱気された回収水を上記純水装置へ供給するようにすることで、該純水装置のイオン交換樹脂の長寿命化と交換頻度の低減化を図ることが提案されている。

ところで、固体高分子型燃料電池では、固体高分子電解質膜の乾燥を防ぐために、カソードへ酸化剤ガスとして供給する空気を加湿する必要がある。そこで、本出願人は、固体高分子型燃料電池のカソードへ供給する空気を加湿するための加湿装置として、図６（イ）（ロ）に示す如く、加湿容器２５内にて、固体高分子型燃料電池（燃料電池本体）１ａのカソード３へ供給するための空気９を、上記固体高分子型燃料電池１ａの冷却に供された後の温度上昇した冷却水１２ａと気液接触させることによって該空気９の加湿を行うようにした形式のカソード加湿器２４を提案している。

具体的には、図６（イ）に示すカソード加湿器２４は、加湿容器２５内の上部位置に、セラミックス製あるいは金属製の小径短管状部材等の充填材２６を充填してなる充填材層２７を設け、且つ該加湿容器２５の底部に冷却水１２を貯留するためのタンク部２８を一体に形成した構成としてある。更に、上記加湿容器２５の周壁における上記充填材層２７よりも下方位置には、空気ブロワ２９より酸化剤ガスとしての空気９を導く空気供給ライン３０が接続してあり、且つ上記加湿容器２５における上記充填材層２７よりも上方の所要個所、たとえば、加湿容器２５の頂部に、上記固体高分子型燃料電池１ａのカソード３へ空気９を送るための空気ライン３１を接続した構成としてある。

上記カソード加湿器２４の加湿容器２５のタンク部２８には、固体高分子型燃料電池１ａの冷却部４へ冷却水１２を供給するための冷却水循環ポンプ３３付きの冷却水供給ライン３２が接続してある。更に、上記固体高分子型燃料電池１ａの冷却部４の出口側には、冷却水排出ライン３４を接続すると共に、該冷却水排出ライン３４の下流側を２本に分岐させたうちの一方の分岐ライン３５を、上記カソード加湿器２４の加湿容器２５の頂部に接続して、上記固体高分子型燃料電池１ａの冷却に供された後の温度上昇した冷却水１２ａの一部を該カソード加湿器２４へ供給できるようにした構成としてある。

なお、上記冷却水排出ライン３４の他方の分岐ライン３６は、図示しない燃料処理装置にて天然ガス等の燃料を改質して製造した水素リッチな燃料ガス６を上記固体高分子型燃料電池１ａのアノード２へ供給するための燃料ガスライン３７上に設けたアノード冷却器（クエンチャー）３８に接続して、該アノード冷却器３８に、上記固体高分子型燃料電池１ａの冷却に供された後の温度上昇した冷却水１２ａの別の一部を供給できるようにしてある。上記アノード冷却器３８を通過した後の冷却水１２ａは、冷却水戻しライン３９を経て上記カソード加湿器２４の加湿容器２５に一体に設けてあるタンク部２８へ戻すことができるようにしてある。

更に、上記固体高分子型燃料電池１ａの冷却に供された後に上記冷却水排出ライン３４へ排出される温度上昇した冷却水１２ａの残部は、バイパスライン４０を通して上記タンク部２８へ直接戻すことができるようにしてある。これにより、上記冷却水循環ポンプ３３の運転によって上記カソード加湿器２４の加湿容器２５に設けたタンク部２８内の冷却水１２を、冷却水供給ライン３２を経て上記固体高分子型燃料電池１ａの冷却部４へ供給して、該固体高分子型燃料電池１ａの冷却を行い、その後、該固体高分子型燃料電池１ａの冷却に供された後の温度上昇した冷却水１２ａが、冷却水排出ライン３４に設けてある一方の分岐ライン３５と上記カソード加湿器２４の充填材層２７を経る経路と、冷却水排出ライン３４の他方の分岐ライン３６と上記アノード加湿器３８と冷却水戻しライン３９を経る経路と、バイパスライン４０を経る経路のいずれかの経路で上記タンク部２８へ戻るようにした冷却水循環系を形成して、該冷却水循環系に、上記カソード加湿器２４を組み込んだ構成としてある。

以上の構成としてあることにより、上記のようにして冷却水循環系にて冷却水１２を循環させると、上記カソード加湿器２４では、上記固体高分子型燃料電池１ａの冷却に供された後の温度上昇した冷却水１２ａが、加湿容器２５の頂部より充填材層２７へ供給されて、該充填材層２７に充填されている各充填材２６の表面を伝わってタンク部２８へ落下する間に、上記空気ブロワ２９より空気供給ライン３０を経て上記加湿容器２５内へ供給された後、上記充填材層２７を下方から上方へ通過する空気９と直接気液接触することで、該空気９の加湿が行われ、この加湿された空気９が、上記加湿容器２５の頂部より空気ライン３１を通して上記固体高分子型燃料電池１ａのカソード３へ供給されるようにしてある。

又、上記カソード加湿器２４を、加湿容器２５内の上部位置に充填材層２７を設けてなる構成とすることに代えて、図６（ロ）に示す如く、加湿容器２５の天井部に、噴霧ノズル４１を設けてなる構成として、上記冷却水排出ライン３４に設けてある一方の分岐ライン３５を通して導かれる上記固体高分子型燃料電池１ａの冷却に供された後の温度上昇した冷却水１２ａを、上記噴霧ノズル４１より噴霧して、該噴霧状態の上記温度上昇した冷却水１２ａと、図６（イ）に示したものと同様に空気ブロワ２９より空気供給ライン３０を経て上記加湿容器２５内へ供給される空気９とを接触させることで、該空気９の加湿を行うようにすることも提案している（たとえば、特許文献４参照）。

特開平５−２２５９９４号公報 特開２００４−２８１０７５号公報 特開平７−２２０５５号公報 特開２００５−９３３５７号公報

ところが、上記特許文献１、２、３に記載されたものでは、燃料改質器の燃焼排ガスや、燃料電池のカソード排ガス中の水分を凝縮して回収する回収水を純水装置へ供給する前に脱気処理できるようにしてあるが、この脱気処理のために、脱気器１８や、スイープ式膜脱気装置や、脱気塔の如き専用の脱気装置を、燃料電池を冷却するための冷却水の循環系とは別に装備する必要があり、そのため、燃料電池発電装置の全体構成が複雑化してしまうというのが実状である。

更に、図５における給水ポンプ２１のように、上記回収水を純水装置へ供給するための専用のポンプが必要とされることからも、燃料電池発電装置の全体構成が複雑化してしまっている。

そこで、本発明者は、固体高分子型燃料電池発電装置の全体構成をより簡略化できるように、固体高分子型燃料電池のカソード排ガスや、燃料改質装置の燃焼排ガス中の水分を凝縮させて回収する二酸化炭素を飽和状態で含む回収水を、上記固体高分子型燃料電池の冷却水循環系で再利用する場合に、上記冷却水循環系とは別に脱気装置を設ける必要をなくすための工夫、研究を重ねた結果、上記特許文献４に記載された図６に示した固体高分子型燃料電池の冷却水循環系に組み込まれているカソード加湿器２４が、水と空気とを気液接触させる構造となっている点に着目し、該カソード加湿器２４を、特許文献３に記載された脱気塔と同様に、エアーストリッピングの作用による脱気処理を行うための装置として利用できることを見出して本発明をなした。

したがって、本発明の目的とするところは、固体高分子型燃料電池のカソード排ガスや、燃料改質装置の燃焼排ガス中の水分を凝縮させて回収する二酸化炭素を飽和状態で含む回収水を、上記固体高分子型燃料電池の冷却水循環系で再利用する場合に、上記冷却水循環系とは別に脱気装置を設けることなく上記回収水に含まれていた二酸化炭素の脱気処理を行うことができるようにして、純水装置のイオン交換樹脂の寿命が大きく損なわれる虞を未然に防止でき、更には、上記回収水を純水装置へ供給するためのポンプを省略することが可能な燃料電池発電装置の循環水処理装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、燃料電池の冷却部に冷却水を供給するための冷却水循環ポンプと、加湿容器内にて燃料電池のカソードへ供給する空気を、上記燃料電池の冷却に供された後の温度上昇した冷却水と気液接触させて該空気の加湿を行うことができるようにしてあるカソード加湿器とを備えてなる燃料電池の冷却水循環系の所要個所に、燃料電池発電装置の排ガス中の水分を凝縮させる排ガス凝縮器より回収水を導くための回収水ラインを接続し、更に上記冷却水循環系の別の個所に、冷却水を純水処理するための純水装置を設けてなる構成とする。

又、上記構成において、排ガス凝縮器より回収水を導くための回収水ラインを、燃料電池の冷却部へ冷却水を供給するための冷却水循環ポンプ付きの冷却水供給ラインにおける上記冷却水循環ポンプよりも上流側位置に接続するようにした構成とする。

同様に、上記構成において、排ガス凝縮器より回収水を導くための回収水ラインを、カソード加湿器に接続するようにした構成とする。

上述の各構成において、純水装置の入口側を、燃料電池の冷却部へ冷却水を供給するための冷却水循環ポンプ付きの冷却水供給ラインにおける上記冷却水循環ポンプよりも下流側位置に、純水装置給水量調整弁付きの純水装置給水ラインを介して接続すると共に、該純水装置の出口側を、上記冷却水供給ラインにおける冷却水循環ポンプよりも上流側位置に接続するようにした構成とする。

同様に、上述の各構成において、純水装置を、カソード加湿器の冷却水の出口に接続した構成とする。

本発明の燃料電池発電装置の循環水処理装置によれば、以下の如き優れた効果を発揮する。
（１）燃料電池の冷却部に冷却水を供給するための冷却水循環ポンプと、加湿容器内にて燃料電池のカソードへ供給する空気を、上記燃料電池を冷却した後の温度上昇した冷却水と気液接触させて該空気の加湿を行うようにしてあるカソード加湿器とを備えてなる燃料電池の冷却水循環系の所要個所に、燃料電池発電装置の排ガス中の水分を凝縮させる排ガス凝縮器より回収水を導くための回収水ラインを接続し、更に上記冷却水循環系の別の個所に、冷却水を純水処理するための純水装置を設けてなる構成としてあるので、上記燃料電池発電装置の排ガス中の水分を凝縮させることによって二酸化炭素を飽和状態で含んでいる上記回収水を、上記燃料電池の冷却水循環系に供給して利用することができると共に、上記回収水に飽和状態で含まれていた二酸化炭素は、上記冷却水循環系に供給された回収水がそのまま、あるいは、冷却水に混合された状態で上記カソード加湿器へ導かれて、燃料電池のカソードへ供給される空気と気液接触させられる際に脱気して除去することができる。このため、上記回収水を脱気処理するための専用の脱気装置を要することなく、上記回収水が混入される冷却水の二酸化炭素の溶存濃度を低く抑えることができる。したがって、上記冷却水循環系に設けてある純水装置によって上記冷却水の純水処理を行う際に該純水装置のイオン交換樹脂の寿命が大きく損なわれる虞を未然に防止することもできる。
（２）排ガス凝縮器より回収水を導くための回収水ラインを、燃料電池の冷却部へ冷却水を供給するための冷却水循環ポンプ付きの冷却水供給ラインにおける上記冷却水循環ポンプよりも上流側位置に接続するようにした構成とすることにより、上記冷却水循環ポンプの吸入作用によって上記排ガス凝縮器より回収水を回収水ラインを経て冷却水供給ラインまで導いて冷却水に混入させることができる。これにより、上記回収水を排ガス凝縮器より冷却水循環系へ供給するためのポンプを不要にすることが可能になることから、燃料電池発電装置の構成のシンプル化を図るのに有利なものとすることができる。
（３）排ガス凝縮器より回収水を導くための回収水ラインを、カソード加湿器に接続するようにした構成とすることにより、上記回収水の全量を、上記カソード加湿器にて燃料電池のカソードへ供給するための空気と気液接触させることができて、該回収水の脱気処理を効率よく且つ確実に行うことができる。更に、冷却水に、二酸化炭素の濃度が高い回収水が混入されることがないため、純水装置のイオン交換樹脂の寿命が損なわれる虞をより確実に防止することができる。
（４）純水装置の入口側を、燃料電池の冷却部へ冷却水を供給するための冷却水循環ポンプ付きの冷却水供給ラインにおける上記冷却水循環ポンプよりも下流側位置に、純水装置給水量調整弁付きの純水装置給水ラインを介して接続すると共に、該純水装置の出口側を、上記冷却水供給ラインにおける冷却水循環ポンプよりも上流側位置に接続するようにした構成とすることにより、上記冷却水循環ポンプの運転により、冷却水供給ラインを流通する冷却水の一部を純水装置へ導いて純水処理することができる。よって、冷却水を純水装置へ供給するためのポンプを設ける必要をなくすことができる。
（５）純水装置を、カソード加湿器の冷却水の出口に接続した構成とすることにより、上記純水装置へ導かれる冷却水を、上記カソード加湿器にて燃料電池のカソードへ供給するための空気と気液接触することで十分に温度低下した状態の冷却水とすることができる。したがって、高温型ではなく通常のイオン交換樹脂を用いた形式の純水装置を採用するのに有利な構成とすることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明の燃料電池発電装置の循環水処理装置の実施の一形態を示すもので、図６（イ）に示したと同様に、固体高分子型燃料電池１ａの冷却部４へ冷却水１２を供給するための冷却水循環ポンプ３３を備え、且つ上記固体高分子型燃料電池１ａのカソード３へ酸化剤ガスとして供給するための空気９を、上記固体高分子型燃料電池１ａの冷却に供した後の温度上昇した冷却水１２ａと気液接触させることにより、該空気９を加湿できるようにしたカソード加湿器２４を備えてなる固体高分子型燃料電池１ａの冷却水循環系において、上記冷却水１２の流通経路の所要個所、たとえば、上記冷却水循環ポンプ３３の１次側となる個所に、天然ガス、灯油、ＬＰＧ等の燃料５を水蒸気改質して、上記固体高分子型燃料電池１ａのアノード２へ供給するための燃料ガス６を製造する燃料処理装置４２より排出される燃焼排ガス１３と、上記固体高分子型燃料電池１ａのカソード３より排出されるカソード排ガス１４の水分を凝縮させる排ガス凝縮器１５から二酸化炭素を飽和状態で含む回収水１６を導く回収水ライン４３を接続する。

更に、上記冷却水循環系における冷却水１２の流通経路上の別の個所に、純水装置１７を設ける。これにより、二酸化炭素を飽和状態で含む上記回収水１６を、上記冷却水循環系を循環する冷却水１２に混入させ、該回収水１６が混入することによって二酸化炭素の溶存濃度が高まる冷却水１２を、上記冷却水循環系を循環させることで、固体高分子型燃料電池１ａの冷却に供されて温度上昇した状態で上記カソード加湿器２４へ送って、上記固体高分子型燃料電池１ａのカソード３へ供給するための空気９と直接接触させることにより、該空気９によるエアーストリッピングの作用によって、上記冷却水１２ａに溶存している二酸化炭素の脱気処理を行うことができるようにしてあると共に、該カソード加湿器２４における脱気処理によって二酸化炭素の溶存濃度が抑えられた冷却水１２，１２ａが、上記冷却水循環系の所要個所に設けてある純水装置１７へ送られて純水処理されるようにしてある。

詳述すると、上記排ガス凝縮器１５より回収水１６を回収するための回収水ライン４３の下流側端部が、上記カソード加湿器２４のタンク部２８と、固体高分子型燃料電池１ａの冷却部４とを接続する冷却水循環ポンプ３３付きの冷却水供給ライン３２における上記冷却水循環ポンプ３３よりも上流側位置に接続してある。これにより、上記冷却水循環ポンプ３３による冷却水１２の吸入作用により、上記排ガス凝縮器１５より回収水１６を回収水ライン４３を通して冷却水供給ライン３２まで導いて、上記カソード加湿器２４のタンク部２８より該冷却水供給ライン３２を流通して上記冷却水循環ポンプ３３へ吸入される冷却水１２に、上記回収水１６を混入させることができるようにしてある。

上記冷却水供給ライン３２における上記冷却水循環ポンプ３３よりも下流側位置には、純水装置１７の入口側を、純水装置給水量調整弁４５付きの純水装置給水ライン４４を介して接続する。更に、上記純水装置１７の出口側に上流側端部が接続してある純水装置排水ライン４６の下流側端部を、上記冷却水供給ライン３２における冷却水循環ポンプ３３よりも上流側で、且つ上記回収水ライン４３の接続位置よりも下流側となる位置に接続してある。これにより、上記冷却水循環ポンプ３３を運転して、上記カソード加湿器２４のタンク部２８より冷却水供給ライン３２を通して固体高分子型燃料電池１ａの冷却部４へ冷却水１２を供給する際、上記純水装置給水量調整弁４５の開度を調整することで、上記冷却水供給ライン３２を流通する冷却水１２の一部を、上記純水装置１７を通して純水処理した後、上記冷却水循環ポンプ３３の上流側へ戻すことができるようにしてある。

なお、本実施の形態では、固体高分子型燃料電池１ａの冷却に供されることで温度上昇した冷却水１２ａを、冷却水排出ライン３４の片方の分岐ライン３６を通してアノード冷却器３８へ供給した後、該アノード冷却器３８における燃料ガス６の加湿に供した後の冷却水１２ａを回収するための冷却水戻しライン３９の下流側、及び、上記固体高分子型燃料電池１ａの冷却に供されることで温度上昇した冷却水１２ａを、上記カソード加湿器２４及びアノード冷却器３８の双方を迂回して流通させるためのバイパスライン４０の下流側は、いずれも上記冷却水供給ライン３２における上記回収水ライン４３の接続個所よりも上流側位置に接続するようにしてある。

その他の構成は図６（イ）に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。

以上の構成としてある燃料電池発電装置の循環水処理装置にて、冷却水循環ポンプ３３の運転を行うと共に、上記したように純水装置給水量調整弁４５の開度を調整して、上記冷却水供給ライン３２を流通する冷却水１２の一部が上記純水装置１７へ供給されるようにすると、上記燃料処理装置４２の燃焼排ガス１３及び固体高分子型燃料電池１ａのカソード排ガス１４中の水分を排ガス凝縮器１５で凝縮させることによって回収される二酸化炭素を飽和状態で含む回収水１６が、上記冷却水ポンプ３３の吸入作用により回収水ライン４３を通して冷却水供給ライン３２へ導かれて、該冷却水供給ラインを流通している冷却水１２に混入させられる。これにより、冷却水１２は、上記二酸化炭素を飽和状態で含む回収水１６が混入することによって二酸化炭素の溶存濃度が高まった状態とされた後、上記固体高分子型燃料電池１ａの冷却部４へ供給されて、該固体高分子型燃料電池１ａの冷却に供されるようになる。

次いで、上記固体高分子型燃料電池１ａの冷却に供された後に温度上昇した二酸化炭素の溶存濃度が高い状態の冷却水１２の一部が、上記カソード加湿器２４へ供給されると、該カソード加湿器２４では、上記温度上昇した二酸化炭素の溶存濃度が高い状態の冷却水１２ａが、充填材層２７の各充填材２６の表面を伝わってタンク部２８まで落下する間に、空気ブロワ２９より空気供給ライン３０を経て該カソード加湿器２４の加湿容器２５内へ供給される空気９と直接接触することで、上記固体高分子型燃料電池１ａのカソード３へ供給するための空気９の加湿が行われると同時に、該空気９によるエアーストリッピングの作用によって、上記冷却水１２ａに溶存していた二酸化炭素の脱気処理が行われて、上記タンク部２８へ戻る冷却水１２ａは、二酸化炭素の溶存濃度が低下させられる。

したがって、上記のように排ガス凝縮器１５より回収する二酸化炭素を飽和状態で含む回収水１６を、上記冷却水１２へ混入させることによって該冷却水１２全体で二酸化炭素の溶存濃度が上昇する率と、上記カソード加湿器２４にて冷却水１２ａを脱気処理することによって冷却水１２全体で二酸化炭素の溶存濃度が低下する率を拮抗させることができるように、上記カソード加湿器２４における二酸化炭素の脱気性能を、たとえば、固体高分子型燃料電池１ａのカソード３へ供給する空気９の流通量や、気液接触面積となる充填材層２７に充填された充填材２６の表面積等に基づいて予め定めておくことにより、上記のようにして回収水１６を冷却水１２へ順次混入させても、冷却水１２，１２ａ全体の二酸化炭素の溶存濃度の上昇は、或る一定のレベルで抑えられるようになる。よって、この二酸化炭素の溶存濃度が或る一定のレベルに抑えられた冷却水１２が、上記冷却水ポンプ３３の運転により固体高分子型燃料電池１ａの冷却水循環系を循環する間に、上記冷却水供給ライン３２より上記純水装置給水ライン４４へ分流される上記冷却水１２の一部が、純水装置１７へ連続的に供給されて純水処理される。この純水処理が行われた後の冷却水１２は、純水装置排水ライン４６を通して上記冷却水供給ライン３２へ戻され、これにより、上記冷却水循環系を循環する冷却水１２の純水処理が継続的に行われるようになる。

上記アノード冷却器３８では、特許文献４に示されたものと同様に、上記固体高分子型燃料電池１ａの冷却に供された後の温度上昇した冷却水１２ａにより、固体高分子型燃料電池１ａのアノード２へ供給するための燃料ガス６の加湿が行われる。

このように、本発明の燃料電池発電装置の循環水処理装置によれば、上記燃料処理装置４２の燃焼排ガス１３及び固体高分子型燃料電池１ａのカソード排ガス１４中の水分を凝縮させて回収した回収水１６を、上記固体高分子型燃料電池１ａの冷却水循環系に供給して使用することができ、この際、上記回収水１６に飽和状態で含まれている二酸化炭素は、該回収水１６を混入させた冷却水１２が、固体高分子型燃料電池１ａの冷却に供された後に、温度上昇した冷却水１２ａの状態で上記カソード加湿器２４へ導かれて、固体高分子型燃料電池１ａのカソード３へ供給される空気９と直接接触するときに、該冷却水１２ａに溶存している二酸化炭素を脱気して除去することができる。

更に、上記回収水１６が混入された冷却水１２は、上記冷却水供給ライン３０に接続してある純水装置１７によって純水処理できるため、上記固体高分子型燃料電池１ａの冷却水循環系の機器に腐食等の悪影響が生じる虞を未然に防止できる。しかも、上記純水装置１７へ供給されるのは、上記二酸化炭素を飽和状態で含む回収水１６を混入させた冷却水１２であるが、該回収水１６が混入された冷却水１２は、冷却水循環系を循環する過程で、上記カソード加湿器２４にて二酸化炭素の脱気処理が行われるため、上記純水装置１７のイオン交換樹脂の寿命が大きく損なわれる虞を未然に防止することができる。

したがって、上記二酸化炭素を飽和状態で含む回収水１６を、固体高分子型燃料電池の冷却水循環系で利用する場合に、従来、冷却水循環系とは別に必要とされていた専用の脱気装置を不要にできる。

しかも、上記回収水１６の冷却水循環系への導入と、上記回収水１６が混入された冷却水１２の純水装置１７への供給は、いずれも冷却水循環系に装備されている冷却水循環ポンプ３３の運転によって行うことができるようにしてあることから、上記回収水１６を純水装置１７へ供給するための専用のポンプを不要にできる。

以上により、固体高分子型燃料電池発電装置の全体構成を、より簡素化する場合に有利なものとすることができる。

ところで、上記実施の形態では、純水装置１７に供給される冷却水１２は、カソード加湿器２４のタンク部２８より冷却水供給ライン３２へ導かれる冷却水１２に、アノード冷却器３８より冷却水戻しライン３９を通して回収される冷却水１２ａと、上記固体高分子型燃料電池１ａの冷却に供されることで温度上昇した後、バイパスライン４０を通して直接回収される冷却水１２ａが混合されたものとなっているため、固体高分子型燃料電池発電装置の稼働中には、該純水装置１７へ導かれる冷却水１２の温度が、４０℃以上になることが考えられる。そのため、上記純水装置１７としては、高温型のイオン交換樹脂を用いた形式の純水装置１７を採用することが望まれる。

この点に鑑みて、図２に示す本発明の実施の他の形態では、純水装置１７へ供給される冷却水１２の温度を、４０℃以下とすることができるようにした構成として、該純水装置１７として、高温型ではなく通常のイオン交換樹脂を用いた形式の純水装置１７を採用できるようにしてある。

すなわち、図２は本発明の実施の他の形態を示すもので、図１に示したものと同様の構成において、純水装置１７の入口側を、冷却水供給ライン３２における冷却水循環ポンプよりも下流側位置に、純水装置給水量調整弁４５付きの純水装置給水ライン４４を介して接続すると共に、出口側を、上記冷却水供給ライン３２における冷却水循環ポンプ３３よりも上流側で、且つ上記回収水ライン４３の接続位置よりも下流側となる位置に、純水装置排水ライン４６を介して接続した構成に代えて、純水装置１７の入口側を、冷却水供給ライン３２の上流側端部における上記アノード冷却器３８からの冷却水戻しライン３９及びバイパスライン４０の下流側端部の接続個所よりも上流側となる位置に、純水装置給水ポンプ４７を備えた純水装置給水ライン４４を介して接続する。且つ上記純水装置１７の出口側に上流側端部を接続した純水装置排水ライン４６の下流側端部を、上記アノード冷却器３８からの冷却水戻しライン３９及びバイパスライン４０の下流側端部と一緒に冷却水供給ライン３２に接続した構成としてある。

その他の構成は図１に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。

以上の構成としてあることにより、上記純水装置給水ポンプ４７を運転すると、上記カソード加湿器２４のタンク部２８より冷却し供給ライン３２へ導かれた直後の冷却水１２が、純水装置給水ライン４４を通して純水装置１７へ供給される。ところで、上記カソード加湿器２４のタンク部２８に貯留されている冷却水１２は、固体高分子型燃料電池１ａの冷却に供されることによって温度上昇した冷却水１２ａが、該カソード加湿器２４の充填材層２７にて、固体高分子型燃料電池１ａのカソード３へ供給するための空気９との気液接触することによって該空気９の加湿に供された後、タンク部２８へ落下した冷却水１２である。したがって、該カソード加湿器２４のタンク部２８に貯留される冷却水１２は、上記空気９を加湿する際に、該空気との熱交換により熱が奪われて４０℃以下に十分温度低下された冷却水１２となっている。

したがって、本実施の形態によれば、上記実施の形態と同様の効果を得ることができることに加えて、上記純水装置１７へ供給される冷却水１２の温度を４０℃以下に制限できることから、該純水装置１７として、高温型ではない通常のイオン交換樹脂を用いた形式の純水装置を採用でき、よって、純水装置１７に要するコストの低減化を図ることが可能になる。

次いで、図３は本発明の実施の更に他の形態を示すもので、図２に示したと同様の構成において、純水装置１７を、冷却水供給ライン３２の上流側端部に、純水装置給水ポンプ４７を備えた純水装置給水ライン４４と、純水装置排水ライン４６を介して並列に接続した構成に代えて、冷却水供給ライン３２の上流側端部における上記アノード冷却器３８からの冷却水戻しライン３９及びバイパスライン４０の下流側端部の接続個所よりも上流側となる位置に、純水装置１７を直列に接続した構成とする。

更に、上記アノード冷却器３８からの冷却水戻しライン３９と、バイパスライン４０に、個別の流量調整弁４８，４９をそれぞれ設けてなる構成とする。

その他の構成は図２に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。

以上の構成によれば、冷却水循環ポンプ３３の運転により固体高分子型燃料電池１ａの冷却水循環系にて冷却水１２を循環させる際、上記冷却水戻しライン３９上の流量調整弁４８と、上記バイパスライン４０上の流量調整弁４９の開度を或る程度絞って、上記水戻しライン３９及びバイパスライン４０を経て上記冷却水供給ライン３２における上記純水装置１７よりも下流側位置へ流入する冷却水１２ａの量を制限すると、上記冷却水循環ポンプ３３の吸入作用によって、上記カソード加湿器２４のタンク部２８に貯留されている冷却水１２が、上記純水装置１７を通過した後、冷却水供給ライン３２を経て上記冷却水循環ポンプ３３へ導かれるようになり、この際、上記純水装置１７にて上記カソード加湿器２４のタンク部２８より供給される冷却水１２の全量の純水処理が行われる。

したがって、本実施の形態によっても、図２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。更に、上記カソード加湿器２４のタンク部２８の冷却水１２を純水装置１７へ供給するためのポンプを不要にできることから、固体高分子型燃料電池発電装置の構成のシンプル化を図ることができる。

図４は本発明の実施の更に他の形態を示すもので、図２に示したと同様の構成において、排ガス凝縮器１５より回収水１６を回収するための回収水ライン４３の下流側端部を、冷却水供給ライン３２における冷却水循環ポンプ３３よりも上流側位置に接続した構成に代えて、上記回収水ライン４３上に回収水送出ポンプ５０を設けると共に、該回収水ライン４３の下流側端部を、カソード加湿器２４に接続してなる構成として、上記回収水送出ポンプ５０の運転により、上記排ガス凝縮器１５より上記回収水ライン４３を通して送り出される回収水１６を、上記カソード加湿器２４に、固体高分子型燃料電池１ａの冷却に供された後に冷却水排出ライン３４の一方の分岐ライン３５を通して導かれる温度上昇した状態の冷却水１２ａと同様に（一緒に）供給できるようにしたものである。

その他の構成は図２に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。

本実施の形態によれば、上記排ガス凝縮器１５にて回収される二酸化炭素を飽和状態で含む回収水１６の全量を、カソード加湿器２４へ直接導いて、該回収水１６が、上記冷却水排出ライン３４の一方の分岐ライン３５を通して導かれる温度上昇した状態の冷却水１２ａと一緒に充填材層１７の各充填材１６の表面を伝わって落下する間に、空気ブロワ２９より空気供給ライン３０を経て上記加湿容器２５内へ供給される固体高分子型燃料電池１ａのカソード３へ供給するための空気９と気液接触するようになることから、該空気９によるエアーストリッピングの作用によって、上記回収水１６に含まれている二酸化炭素の脱気処理が行われる。その後、上記脱気処理により二酸化炭素の溶存濃度が低下させられた回収水１６のみが、上記充填材層１７を通過した冷却水１２ａと共に上記カソード加湿器２４のタンク部２８へ落下して、該タンク部２８に貯留されている冷却水１２に混入されるようになる。

したがって、上記回収水１６に含まれている二酸化炭素の脱気処理を効率よく且つ確実に行うことができる。更に、上記カソード加湿器１４のタンク部２８より固体高分子型燃料電池１ａの冷却水循環系に送り出されて純水装置１７に達する冷却水１２には、二酸化炭素の濃度が高い回収水１６が混入されていないため、上記純水装置１７のイオン交換樹脂の寿命が損なわれる虞をより確実に防止することができる。

なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、カソード加湿器２４は、固体高分子型燃料電池１ａの冷却に供した後の温度上昇した冷却水１２ａと、上記固体高分子型燃料電池１ａのカソード３へ供給するための空気９とを気液接触させて該空気の加湿を行うことができるようにしてあれば、たとえば、充填材層１７に代えて、図６（ロ）に示したものと同様に、加湿容器２５内にて冷却水１２ａを噴霧するための噴霧ノズル４１を備えた形式のものや、加湿容器２５の底部にタンク部２８を一体に設けてなる構成に代えて、加湿容器の外部に別体の冷却水タンクを備えた形式、更に、気液分離器を付設した形式等、いかなる形式のものを用いるようにしてもよい。なお、図４の実施の形態のように、排ガス凝縮器１５より回収する回収水１６をカソード加湿器２４へ直接供給する場合は、たとえば、上記冷却水１２ａを噴霧ノズル４１より噴霧する場合は、同様の噴霧ノズルより回収水１６を噴霧させる等、上記冷却水１２ａと同様の手段によってカソード加湿器２４へ供給させるようにすればよい。

図１の実施の形態において、回収水１６を冷却水供給ライン３２を流通する冷却水に混入させる構成に代えて、図４の実施の形態と同様に、回収水１６をカソード加湿器２４へ直接供給する構成を採用してもよい。

図３の実施の形態では、水戻しライン３９及びバイパスライン４０にそれぞれ流量調整弁４８、４９を設けた構成を示したが、上記水戻しライン３９及びバイパスライン４０より冷却水供給ライン３２における上記純水装置１７よりも下流側位置へ流入する冷却水１２ａの量を制限することができれば、水戻しライン３９及びバイパスライン４０に個別のオリフィスを設けた構成としてもよい。

図４の実施の形態において、図３の実施の形態と同様に、純水装置１７を、冷却水供給ライン３２の上流側端部における冷却水戻しライン３９及びバイパスライン４０の下流側端部の接続個所よりも上流側となる位置に直列に接続すると共に、上記冷却水戻しライン３９とバイパスライン４０に、流量調整弁４８，４９又はオリフィスを個別に設けた構成を採用するようにしてもよい。

固体高分子型燃料電池１ａ以外の形式の燃料電池を用いた燃料電池発電装置にも適用できる。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の燃料電池発電装置の循環水処理装置の実施の一形態を示す概要図である。 本発明の実施の他の形態を示す概要図である。 本発明の実施の更に他の形態を示す概要図である。 本発明の実施の更に他の形態を示す概要図である。 燃料改質器の排ガスとカソード排ガス中の水分を凝縮させて回収した回収水を純水装置を経た後、燃料電池の冷却水循環系で利用できるようにするために従来提案されている装置構成の一例を示す概要図である。 本出願人が提案しているカソード加湿器を示すもので、（イ）は充填材を充填した充填材層を備えてなる形式のものを、（ロ）は噴霧ノズルを備えてなる形式のものをそれぞれ示す概要図である。

符号の説明

１ａ 固体高分子型燃料電池（燃料電池）
２ アノード
３ カソード
９ 空気
１２ 冷却水
１２ａ 温度上昇した冷却水
１３ 燃焼排ガス（排ガス）
１４ カソード排ガス（排ガス）
１５ 排ガス凝縮器
１６ 回収水
１７ 純水装置
２４ カソード加湿器
２５ 加湿容器
３２ 冷却水供給ライン
３３ 冷却水循環ポンプ
４３ 回収水ライン
４４ 純水装置給水ライン
４５ 純水装置給水量調整弁

Claims (5)

1. 燃料電池の冷却部に冷却水を供給するための冷却水循環ポンプと、加湿容器内にて燃料電池のカソードへ供給する空気を、上記燃料電池の冷却に供された後の温度上昇した冷却水と気液接触させて該空気の加湿を行うことができるようにしてあるカソード加湿器とを備えてなる燃料電池の冷却水循環系の所要個所に、燃料電池発電装置の排ガス中の水分を凝縮させる排ガス凝縮器より回収水を導くための回収水ラインを接続し、更に上記冷却水循環系の別の個所に、冷却水を純水処理するための純水装置を設けてなる構成を有することを特徴とする燃料電池発電装置の循環水処理装置。
2. 排ガス凝縮器より回収水を導くための回収水ラインを、燃料電池の冷却部へ冷却水を供給するための冷却水循環ポンプ付きの冷却水供給ラインにおける上記冷却水循環ポンプよりも上流側位置に接続するようにした請求項１記載の燃料電池発電装置の循環水処理装置。
3. 排ガス凝縮器より回収水を導くための回収水ラインを、カソード加湿器に接続するようにした請求項１記載の燃料電池発電装置の循環水処理装置。
4. 純水装置の入口側を、燃料電池の冷却部へ冷却水を供給するための冷却水循環ポンプ付きの冷却水供給ラインにおける上記冷却水循環ポンプよりも下流側位置に、純水装置給水量調整弁付きの純水装置給水ラインを介して接続すると共に、該純水装置の出口側を、上記冷却水供給ラインにおける冷却水循環ポンプよりも上流側位置に接続するようにした請求項、１、２又は３記載の燃料電池発電装置の循環水処理装置。
5. 純水装置を、カソード加湿器の冷却水の出口に接続した請求項１、２又は３記載の燃料電池発電装置の循環水処理装置。

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