JP2009140726A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回収された凝縮水中の二酸化炭素が効率よく脱気され、水処理装置の長寿命化が可能となって、低運転コストで運転できる燃料電池発電装置を得る。
【解決手段】水タンク１０の前段に、空気極１ｂからの排出ガスを導入し、燃焼排ガスの凝縮水と接触させて凝縮水中の炭酸ガスを除去する脱炭酸装置１１を備え、前記水タンク１０の後段に電気脱イオン装置３０を備え、さらにこの電気脱イオン装置３０から排出されたイオン濃縮水を前記水タンク１０へと回送する回路４０を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素と酸素との結合エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池発電装置に係わり、特に、排ガスから回収される凝縮水に含まれる二酸化炭素の除去機能を備えた燃料電池発電装置に関する。

燃料電池発電装置は、天然ガス等の原燃料を改質して得られる水素と空気中の酸素との結合エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置で、燃料電池本体には、電解質と、これを挟持する燃料極と空気極からなる単位電池を複数個積層した積層体が用いられる。また、一般に、都市ガス等の炭化水素系燃料を水蒸気とともに改質器に送って改質し、得られた水素を主成分とする改質ガスが燃料ガスとして燃料極へ供給され、空気極には空気が供給される。
図２は、従来の固体高分子形燃料電池発電装置の構成図である。燃料電池本体１は、図示しない電解質を挟んで燃料極１ａと空気極１ｂを配した単位電池を複数個積層して構成されており、燃料電池本体１自体を適正な稼動温度に保つために冷却水が流れるように構成された冷却系１ｃが組み込まれている。また、本構成の燃料電池発電装置では、原燃料として供給された都市ガス等の炭化水素系燃料を脱硫器２により脱硫したのち、電池冷却水タンク９より分流して送られた水蒸気とともに改質器３に送って改質し、得られた改質ガスを更にＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５を通して含まれる一酸化炭素を低減したのち、燃料極１ａへと供給している。一方、空気極１ｂには、反応空気ブロワ７によって取り込まれた空気を反応用空気として供給している。燃料電池本体１では、燃料極１ａに供給された改質ガスの水素と、空気極１ｂに供給された反応用空気とが電解質膜を介して電気化学反応を生じ、発電する。

燃料電池本体１の燃料極１ａにおいて反応を終えた改質ガス中には幾分か水素が含まれているので、燃料極１ａの排ガスは燃料予熱器２１を経て改質器３のバーナーへと送られ、燃焼空気ブロワ６によって導入された空気とともに燃焼されて加熱源として有効活用される。改質器３から排出された燃焼排ガスは、燃料予熱器２１を経て排熱回収熱交換器２２へと送られ、温水ポンプ２３で送り込まれる冷水との熱交換により冷却される。空気極１ｂで反応を終えて排出された排ガスも、燃焼排ガスと同様に、排熱回収熱交換器２２へと送られて冷却され、排ガスからは反応生成水が、また燃焼排ガスからは燃焼生成水が凝縮水として回収され、合流して排出される。回収される凝縮水には燃焼排ガス中に存在する二酸化炭素がほぼ飽和量まで溶存しているので、脱炭酸装置１１を通して二酸化炭素濃度を低減したのち回収水タンク１０に回収する方法が採られている。この措置により、回収された凝縮水に含まれる二酸化炭素濃度が低く抑えられるので、イオン交換樹脂を内蔵した水処理装置１２の寿命が長く維持される。また、特許文献１には、脱炭酸装置の後段に電気脱イオン装置を取り付けて脱炭酸する装置が提示されており、電気脱イオン装置において二酸化炭素をイオン化して濃縮した排水を脱炭酸装置の前段に戻している。
なお、燃料電池本体１の冷却系１ｃには、電池冷却水タンク９に蓄えられた水が電池冷却水ポンプ８によって循環供給されており、排熱回収熱交換器２２で冷却除熱することによって燃料電池本体１が適正な稼動温度に保たれている。なお、既に述べたように、電池冷却水タンク９の水の一部は、改質用水ポンプ１５によって原燃料の水蒸気改質用の水蒸気として改質器３へ供給されている。また、電池冷却水タンク９には回収水タンク１０に回収された凝縮水および補給水弁１６を介して供給される市水が水処理装置１２で純水に処理して補給され、貯液量が適正量に保持されている。
特開2001−232394号公報

図２に示した従来の脱炭酸装置１１には、気体と液体の接触面積を拡大するための充填材を内部に充填したパイプが使用されており、このパイプの内部に、上部より熱回収熱交換器２２で凝縮回収された凝縮水を供給し、下部より空気極１ｂで反応を終えて排出された排ガスを供給するように構成されている。これにより、凝縮水が重力により落下しながら脱炭酸用空気と接触し、その間に凝縮水中の二酸化炭素が脱炭酸用空気によって脱気される。このように上記の脱炭酸装置１１は、凝縮水を重力により落下させながら脱気させる方式のものであるため、排熱回収熱交換器２２と回収水タンク１０の上面との間に設置されるが、空間的な制約から脱炭酸装置１１に組み込むパイプの長さが制限されるので、凝縮水が脱炭酸用空気と接触する区間の長さが制限を受け、脱炭酸性能を高めるのが困難である。このため、下流側に組み込まれる水処理装置１２に加わる負荷の低減も限定され、水処理装置１２の長寿命化が困難となるので、燃料電池発電装置の運転コストの低減も制限される。また、空気極１ｂより排出された排ガスには微量ながら二酸化炭素が含まれること、燃料極１ａに供給される改質ガス中に含まれる二酸化炭素が反応生成水中に溶け込み、排ガスの凝縮水中に含まれることから、図２のような脱炭酸法では、二酸化炭素濃度を一定濃度以下に下げることは不可能である。
また、特許文献１に記載されているように、脱炭酸装置の後段の電気脱イオン装置から排出されるイオンが濃縮されたイオン濃縮水を脱炭酸装置の上流へ戻す方法では、脱炭酸装置へ供給される処理水が増え、脱炭酸性能が低下するという問題があった。

本発明は、上記のごとき従来技術の問題点を解決するためになされたもので、本発明の目的は、熱回収熱交換器２２で凝縮回収された凝縮水中の二酸化炭素が効率よく脱気されるとともに、後段に組み込まれる水処理装置の長寿命化が可能となって、低運転コストで運転できる燃料電池発電装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明においては、
電解質を燃料極と空気極によって挟持した単位電池が複数個積層された燃料電池本体と、原燃料を改質して前記燃料極に供給する改質ガスを得る改質器と、前記空気極に反応用空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池本体から排出される排ガス及び前記改質器から排出される燃焼排ガスから凝縮水を回収する凝縮熱交換器と、前記凝縮熱交換器から排出される凝縮水を貯留する水タンクと、前記水タンクに貯留された凝縮水を精製処理する水処理装置とを備えた燃料電池発電装置において、
前記水タンクの前段に、空気極からの排出ガスを導入し、凝縮水と接触させて凝縮水中の炭酸ガスを除去する脱炭酸装置を備え、前記水タンクの後段に電気脱イオン装置を備え、さらにこの電気脱イオン装置から排水されたイオン濃縮水を前記水タンクに回送する回路を備えることとする。

燃料電池本体、改質器、空気供給装置と、排ガスから凝縮水を回収する凝縮熱交換器と、凝縮水を貯留する水タンクと、水タンクに貯留された凝縮水を精製処理する水処理装置とを備えた燃料電池発電装置において、前記水タンクの前段に上記のごとく脱炭酸装置を備えれば、凝縮水中に含まれる二酸化炭素が脱炭酸用空気によって空気側に溶け出し、脱炭酸操作が行われる。また、前記水タンクの後段に電気脱イオン装置を備えれば、脱炭酸装置による脱炭酸操作によって脱気されて二酸化炭素濃度が低下した凝縮水に残存する二酸化炭素が、この電気脱イオン装置においてイオン化して分離されるので、凝縮水の二酸化炭素濃度はさらに低下する。
またさらに、電気脱イオン装置で処理された凝縮水を前記水タンクに回送する回路を備えれば、電気脱イオン装置で処理された凝縮水は、脱炭酸装置で脱炭酸後の凝縮水と混合されて二酸化炭素濃度が薄められるので、二酸化炭素濃度が薄められた凝縮水が電気脱イオン装置へと供給される。したがって、電気脱イオン装置を経て水処理装置へと送られる凝縮水に含まれる二酸化炭素量は効率良く低減され、水処理装置に装着されるイオン交換樹脂に加わる負荷が下がるので水処理装置の長寿命化が実現でき、これらを設置した燃料電池発電装置の運転コストは安価となる。

本発明の最良の実施形態は、燃料電池本体、改質器、空気供給装置と、排ガスから凝縮水を回収する凝縮熱交換器と、凝縮水を貯留する水タンクと、水タンクに貯留された凝縮水を精製処理する水処理装置とを備えた燃料電池発電装置において、前記の水タンクの前段に、空気極からの排出ガスを導入し、凝縮水と接触させて凝縮水中の炭酸ガスを除去する脱炭酸装置を備えるとともに、前記の水タンクの後段に電気脱イオン装置を備え、さらにこの電気脱イオン装置から排出されたイオン濃縮水を前記の水タンクに回送する回路を備えた実施形態にある。

図１は、本発明の実施例１の固体高分子形燃料電池発電装置の構成図である。本図において、図２の構成図に示した従来例の発電装置の構成要素と同一の機能を有するものには、同一の符号が付されている。本実施例の発電装置の構成の特徴は、水タンク１０の前段に、空気極１ｂからの排出ガスを導入し、燃焼排ガスの凝縮水と接触させて凝縮水中の炭酸ガスを除去する脱炭酸装置１１を備え、前記水タンク１０の後段に、脱炭酸装置１１で脱炭酸処理された後の凝縮水からイオンを除去する電気脱イオン装置３０を備え、さらにこの電気脱イオン装置３０で凝縮水中のイオンが分離濃縮されたイオン濃縮水を前記水タンク１０へと回送する回路４０を備えた点にある。なお、本実施例の発電装置に組み込まれた脱炭酸装置１１は、多孔質板のスロープ上に燃焼排ガスの凝縮水を滴下し、脱炭酸用空気として注入された空気極１ｂからの排出ガスとスロープ上で接触させる方式のもので、凝縮水に含まれる二酸化炭素が脱炭酸用空気と凝縮水の気液界面を介して脱炭酸用空気側に溶け出すことによって凝縮水の脱炭酸処理が行われる。また、電気脱イオン装置３０でイオンが除去された凝縮水は、イオン交換樹脂が充填された水処理装置（イオン交換樹脂筒）１２を通流させたのち電気冷却水タンク９に供給される。
本実施例の発電装置では、水処理装置として、従来からのイオン交換樹脂筒１２の他に電気脱イオン装置３０を備え、上記のように水タンク１０の後段に電気脱イオン装置３０が配置され、さらにこの電気脱イオン装置３０から排出されたイオン濃縮水を前記水タンク１０へと回送する回路４０を備えているので、電気脱イオン装置３０を経てイオン交換樹脂筒１２へと送られる凝縮水に含まれる二酸化炭素量は効率良く低減され、イオン交換樹脂筒１２に装着されるイオン交換樹脂の負荷が下がるので、イオン交換樹脂筒１２の長寿命化が実現でき、これらを設置した燃料電池発電装置の運転コストは安価となる。

なお本実施例では、電気脱イオン装置３０の後段にイオン交換樹脂筒１２を配置しているが、本発明の実施態様はこれに限定されるものではなく、電気脱イオン装置３０の性能により凝縮水が十分浄化される場合は、イオン交換樹脂筒１２を省略して水処理装置を構成することも可能である。

以上述べたように、燃料電池発電装置を本発明のごとく構成すれば、水処理装置へと送られる凝縮水に含まれる二酸化炭素量が効率良く低減されるので、水処理装置に装着されるイオン交換樹脂の負荷が下がり、若しくは不要化が可能であり、水処理装置の長寿命化が可能となる。したがって、これらを設置した燃料電池発電装置の運転コストは安価となるので、本発明は固体高分子型燃料電池発電装置等の各種燃料電池発電装置に効果的に利用される。

本発明の実施例１の固体高分子形燃料電池発電装置の構成図 従来の固体高分子形燃料電池発電装置の構成図

符号の説明

１ 燃料電池本体
１ａ 燃料極
１ｂ 空気極
３ 改質器
６ 燃焼空気ブロワ
７ 反応空気ブロワ
９ 電池冷却水タンク９
１０ 回収水タンク
１１ 脱炭酸装置
１２ 水処理装置（イオン交換樹脂筒）
３０ 電気脱イオン装置
４０ 処理水回送回路

Claims (1)

1. 電解質を燃料極と空気極によって挟持した単位電池が複数個積層された燃料電池本体と、原燃料を改質して前記燃料極に供給する改質ガスを得る改質器と、前記空気極に反応用空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池本体から排出される排ガス及び前記改質器から排出される燃焼排ガスから凝縮水を回収する凝縮熱交換器と、該凝縮熱交換器から排出される凝縮水を貯留する水タンクと、該水タンクに貯留された凝縮水を精製処理する水処理装置とを備えた燃料電池発電装置において、
   前記水タンクの前段に、空気極からの排ガスを凝縮水と接触させて凝縮水中の炭酸ガスを除去する脱炭酸装置が備えられ、前記水タンクの後段に電気脱イオン装置が備えられ、さらに該電気脱イオン装置から排水されたイオン濃縮水を前記水タンクに回送する回路が備えられていることを特徴とする燃料電池発電装置。
   

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