JP2015103417A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン交換樹脂を収容した収納容器のエア抜きを確実に実行可能な燃料電池発電装置を提供すること、簡単な構造でもって凝縮水の回収率の低下を防止可能な燃料電池発電装置を提供する。
【解決手段】燃料電池発電装置２は、燃料電池発電部５と、この燃料電池発電部５からの排気を排出する排気通路１１と、この排気通路１１に設置された排熱回収用熱交換器１２と、この排熱回収用熱交換器１２によって凝縮された凝縮水を回収する凝縮水回収部２５と、この凝縮水回収部２５で回収された凝縮水を浄化する浄化手段２６と、この浄化手段２６で浄化された純水を燃料電池発電部５に供給する純水供給手段２８とを備え、浄化手段２６は、凝縮水を浄化する為のイオン交換樹脂２６ａと、このイオン交換樹脂２６ａが収納された収納容器２６ｂとを有し、収納容器２６ｂから排気通路１１に接続されたエア抜き配管３５が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池発電装置に関し、特に燃料電池発電部から排出される排気ガスから回収する凝縮水の回収率を改善したものに関する。

従来から、空気と改質燃料ガス（水素含有ガス）とを燃料電池セルスタックに供給することで電力を発生させ、この発電の際に副次的に発生する熱を湯水として回収する燃料電池コージェネレーションシステムが実用に供されている。従来の燃料電池コージェネレーションシステムは、発電を行なう燃料電池発電装置、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯タンクを有する貯湯給湯装置、これら燃料電池発電装置と貯湯給湯装置との間に湯水を循環させる湯水循環回路等を備えている。

燃料電池発電装置は、空気と改質燃料ガスとで発電を行なう燃料電池セルスタックとこの燃料電池セルスタックに供給する改質燃料ガスを純水（水蒸気）と燃料ガスから生成する改質器とを有する燃料電池発電部、この燃料電池発電部からの排気ガスを外部に排出する排気通路、この排気通路に設置され且つ燃料電池発電部からの排気ガスと貯湯タンクに蓄えられた湯水との間で熱交換する排熱回収用熱交換器等を備えている。

ところで、燃料電池発電装置では、排熱回収用熱交換器により排気ガスを冷却することによって生成された凝縮水を再使用する、所謂水自立運転が行われている。通常は、湯水循環回路に湯水を循環させ、排熱回収用熱交換器にて湯水と排気ガスとの間で熱交換を行い、排気ガスに含まれる水蒸気を冷却して凝縮水を回収し、この凝縮水を浄化した後に一時的に貯留してから発電に再使用している。

つまり、燃料電池発電装置は、水自立運転に必要な水処理装置を備えている。この水処理装置は、凝縮された凝縮水を回収する凝縮水回収通路、この凝縮水回収通路で回収された凝縮水を浄化するイオン交換樹脂、このイオン交換樹脂で浄化された純水を一時的に貯留する貯留タンク、この貯留タンクで貯留されている純水を燃料電池発電部に供給する純水供給ポンプ等を備えている。

また、水自立運転を行う構造として、例えば、特許文献１の燃料電池システムでは、ガス排出経路に設置された凝縮器、この凝縮器で生成された凝縮水を回収する凝縮水経路、この凝縮水経路で回収された凝縮水を貯留する凝縮水タンク、この凝縮水タンクから純水器に凝縮水を送る改質水ポンプ、凝縮水から純水を生成する純水器等を備えた構造が開示されている。さらに、この燃料電池システムでは、燃料電池発電部から排出される空気オフガスが凝縮水タンクと凝縮水経路と凝縮器とを経由してガス排出経路から外部に排出される構造も開示されている。

特開２０１３−１２５６２８号公報

昨今では、燃料電池発電装置の小型化が望まれ、それに伴い燃料電池発電装置の外装ケースの内部における各種器具の配置が複雑化しているので、凝縮水回収通路の配管長が長くなったり、配管径が小さくなったりする場合がある。凝縮水は凝縮水回収通路を通ってイオン交換樹脂を収納した収納容器に流れ込むが、従来では、このとき同時に収納容器に滞留しているエアも同じ凝縮水回収通路を通って排気通路に排出されるエア抜きが行われているので、凝縮水回収通路の配管長や配管径によっては、凝縮水回収通路に凝縮水とエアを同時に対向状に流すのが難しくなる虞がある。

このため、収納容器のエア抜きがスムーズに行えない場合、凝縮水を排気通路から収納容器に流し込み難くなり、凝縮水の回収率が著しく低下するという問題がある。特許文献１の凝縮水経路も同様に、凝縮水回収通路が凝縮水の回収とタンクのエア抜きを兼ねた構造であるので、凝縮水回収通路の配管長や配管径によっては、凝縮水タンクのエア抜きを効率良く行えず、凝縮水の回収率が低下するという問題がある。

本発明の目的は、イオン交換樹脂を収納した収納容器のエア抜きを確実に実行可能な燃料電池発電装置を提供すること、簡単な構造でもって凝縮水の回収率の低下を防止可能な燃料電池発電装置を提供すること、等である。

請求項１の燃料電池発電装置は、燃料電池発電部と、この燃料電池発電部からの排気を排出する排気通路と、この排気通路に設置された熱交換器と、この熱交換器によって凝縮された凝縮水を回収する凝縮水回収部と、この凝縮水回収部で回収された凝縮水を浄化する浄化手段と、この浄化手段で浄化された純水を前記燃料電池発電部に供給する純水供給手段とを備えた燃料電池発電装置において、前記浄化手段は、凝縮水を浄化する為のイオン交換樹脂と、このイオン交換樹脂が収納された収納容器とを有し、前記収納容器から前記排気通路に接続されたエア抜き配管が設けられたことを特徴としている。

請求項２の燃料電池発電装置は、請求項１の発明において、前記エア抜き配管は、前記排気通路における前記凝縮水回収部よりも下流側に接続されたことを特徴としている。

請求項３の燃料電池発電装置は、請求項１又は２の発明において、前記エア抜き配管は、前記排気通路の上面に下向きに開口した状態で接続されたことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、浄化手段は、凝縮水を浄化する為のイオン交換樹脂と、このイオン交換樹脂が収納された収納容器とを有し、収納容器から排気通路に接続されたエア抜き配管が設けられたので、凝縮水回収部によって回収された凝縮水が浄化手段に送り込まれる際に、エア抜き配管を介して浄化手段の収納容器に滞留しているエアを排気通路に流すことができる。

従って、エア抜き配管によって収納容器のエア抜きを確実に行えるので、凝縮水回収部で回収された凝縮水を収納容器にスムーズに流し込むことができ、簡単な構造でもって凝縮水の回収率の低下を防止することができる。

請求項２の発明によれば、エア抜き配管は、排気通路における凝縮水回収部よりも下流側に接続されたので、排気通路におけるエア抜き配管が接続された接続部の近傍の圧力を凝縮水回収部の近傍の圧力より低くすることで、エア抜き配管に排気ガスが流入するのを防止することができる。

請求項３の発明によれば、エア抜き配管は、排気通路の上面に下向きに開口した状態で接続されたので、排気口から排気通路に雨水が侵入してきた場合でも、雨水がエア抜き配管に侵入するのを防止することができる。

本発明の実施例に係る燃料電池コージェネレーションの概略構成図である。 燃料電池発電装置の概略構成図である。 排気通路と水処理装置の部分正面図である。 排気通路と水処理装置の部分側面図である。 排気通路と水処理装置の部分平面図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

最初に、燃料電池発電装置２について説明する。
図１に示すように、燃料電池発電装置２は、排熱回収用熱交換器による熱交換後の湯水を貯湯する貯湯タンクを有する貯湯給湯装置３と、この貯湯給湯装置３と燃料電池発電装置２とに亙って湯水を循環させる為の湯水循環回路４等と組み合わせることで燃料電池コージェネレーションシステム１を構成しているが、燃料電池発電装置２以外の構成の詳細な説明は省略する。

図２に示すように、燃料電池発電装置２は、燃料電池発電部５、カソード空気用送風装置６、燃料改質空気用送風装置７、燃料ガス昇圧装置８、発電後の排気ガスを排出する排気通路１１、排熱回収用熱交換器１２、水処理装置１３、インバータ１４等を備え、これらの各種器具が外装ケース１５に一体的に収納されて構成され、燃料電池発電部５にて発電された直流電力は、インバータ１４を介して交流電力に変換されて外部に出力される。

次に、燃料電池発電部５について説明する。
図２に示すように、燃料電池発電部５は、燃料電池セルスタック５ａ、蒸発器５ｂ、燃料改質器５ｃ、オフガス燃焼室５ｄ、熱交換器５ｅ等を備え、燃料改質器５ｃによって改質された改質燃料ガス及び酸化剤としての空気を燃料電池セルスタック５ａで化学反応させることで発電を行うものである。

燃料電池セルスタック５ａは、複数の燃料電池セルで構成されている。各燃料電池セルは、ジルコニア等の固体電解質と燃料極と酸素極から夫々形成されている。燃料電池セルスタック５ａの燃料極（アノード）側に燃料改質器５ｃから改質燃料ガスが供給され、燃料電池セルスタック５ａの酸素極（カソード）側にカソード空気用送風装置６から空気通路１６と排気ガスにより加熱される熱交換器５ｅとを介して空気が供給され、これらを高温の環境下で電気化学反応させて直流電力を生成する。

蒸発器５ｂは、燃料ガスに混合する為の水蒸気を生成して燃料改質器５ｃに供給するものである。蒸発器５ｂには、燃料ガス昇圧装置８によって取り込まれて昇圧された燃料ガス（都市ガスやＬＰＧ等）と燃料改質空気用送風装置７によって取り込まれた燃料改質用の空気とが共通通路１９を介して供給され、水処理装置１３から純水が純水供給通路３４を介して供給される。蒸発器５ｂは、供給された純水から水蒸気を生成する。

燃料改質器５ｃは、その内部にニッケルや白金等の改質触媒を備え、蒸発器５ｂから供給される脱硫された燃料ガスと空気と水蒸気とを混合して反応（所謂、水蒸気改質）させて、水素リッチな改質燃料ガスを生成し、この改質燃料ガスを燃料電池セルスタック５ａの燃料極側に供給する。

オフガス燃焼室５ｄは、燃料電池セルスタック５ａの発電に伴い生じる残余燃料を燃焼処理する為のものであり、燃料電池セルスタック５ａの燃料極側及び酸素極側の各排出側と接続されている。このオフガス燃焼室５ｄでは、燃料極側から排出された残余燃料ガスを含む反応燃料ガスと酸素極側から排出された酸素を含む空気とを公知の燃焼触媒を用いて燃焼させることによって高温の排気ガスを生成し、この排気ガスは燃料改質器５ｃや熱交換器５ｅを加熱してから、排気通路１１を介して外部に排出される。

カソード空気用送風装置６は、フィルタを介して外部から空気を発電空気ブロワに取り込み、この取り込まれた空気を、バッファタンクと流量センサと逆止弁が設置された空気通路１６を介して燃料電池発電部５に供給する。

燃料改質空気用送風装置７は、フィルタを介して外部から燃料改質用の空気を改質空気ブロワに取り込み、この取り込まれた燃料改質用の空気を、流量センサと電磁弁と逆止弁とが設置された改質空気通路１７とこの改質空気通路１７に連なる逆止弁が設置された共通通路１９とを介して燃料電池発電部５に供給する。

燃料ガス昇圧装置８は、図示外のガス供給源から燃料ガスを電磁弁とガスガバナを通して燃料昇圧ブロワに取り込み、この昇圧された燃料ガスを、バッファタンクと流量センサと脱硫器とが設置されたガス通路１８とこのガス通路１８に連なる共通通路１９とを介して燃料電池発電部５に供給する。

次に、排気通路１１について説明する。
図１に示すように、排気通路１１は、オフガス燃焼室５ｄから延びる上流側排気通路部２１、この上流側排気通路部２１の下流側から延びる下流側排気通路部２２を備え、下流側排気通路部２２の下流端が排気口２３に接続され、燃料電池発電部５のオフガス燃焼室５ｄから排出された排気ガスは、上流側排気通路部２１と下流側排気通路部２２とを通り排気口２３から外部に排出される。

次に、排熱回収用熱交換器１２について説明する。
図１に示すように、排熱回収用熱交換器１２は、上流側排気通路部２１と下流側排気通路部２２との間に設置されている。排熱回収用熱交換器１２は、排気通路１１の一部を構成する排気通路側熱交換通路部１２ａ、湯水循環回路４の一部を構成する湯水側熱交換通路部１２ｂを備えている。この排熱回収用熱交換器１２において、燃料電池発電部５から排出される高温の排気ガスは、貯湯タンクに蓄えられた湯水との間で熱交換されて、排気ガス中に含まれる水蒸気は冷却され凝縮されて凝縮水となる。

次に、水処理装置１３について説明する。
図１に示すように、水処理装置１３は、凝縮水回収部２５、浄化手段２６、貯留手段２７、純水供給手段２８等を備え、凝縮水回収部２５にて排熱回収用熱交換器１２で凝縮された凝縮水を回収し、浄化手段２６により不純物を取り除いた純水を、貯留手段２７で貯留し、純水供給手段２８を介して燃料電池発電部５の蒸発器５ｂに供給するものである。

凝縮水回収部２５は、排熱回収用熱交換器１２によって凝縮された凝縮水を回収するものであり、排気通路１１に接続された凝縮水回収通路３１からなる。即ち、凝縮水回収通路３１の上流端は、排気通路１１の熱交換後の排気ガスが流れる下流側排気通路部２２に接続されている。尚、図示は省略するが、凝縮水回収通路３１の上流端は、排気通路１１の内部に設けられた凝縮水を回収する為のドレンパンに接続され、このドレンパンは凝縮水回収部２５に含まれる。

浄化手段２６は、凝縮水回収部２５から回収した凝縮水の不純物を除去する為のものであり、凝縮水を浄化する為のイオン交換樹脂２６ａ、このイオン交換樹脂２６ａが収納された収納容器２６ｂ等を有している。収納容器２６ｂの上端部に凝縮水回収通路３１の下流端が接続され、収納容器２６ｂの下端部にタンク連結通路３２の上流端が接続されている。

貯留手段２７は、浄化手段２６により処理された純水を貯留する為のものであり、貯留タンク２７ａを備えている。貯留タンク２７ａの上端部に、収納容器２６ｂから延びるタンク連結通路３２の下流端が接続されている。タンク連結通路３２の途中部にオーバーフロー用の排水通路３３が接続されている。

純水供給手段２８は、浄化手段２６で浄化され貯留手段２７で一時的に貯留された純水を燃料電池発電部５に供給するものであり、純水供給通路３４、この純水供給通路３４に設置された純水供給ポンプ２８ａを有している。純水供給通路３４の上流端は貯留タンク２７ａの下端部に接続され、純水供給通路３４の下流端は燃料電池発電部５の蒸発器５ｂに接続されている。純水供給通路３４の純水供給ポンプ２８ａの下流側に流量センサと逆止弁とが設置されている。純水供給ポンプ２８ａの駆動により、貯留タンク２７ａ内の純水を純水供給通路３４を介して蒸発器５ｂに供給することができる。

次に、本願特有のエア抜き配管３５について説明する。
図２〜図５に示すように、燃料電池発電装置２において、収納容器２６ｂから排気通路１１に接続されたエア抜き配管３５が設けられている。エア抜き配管３５は、収納容器２６ｂの上端部から上方に延びる上流側配管部３５ａ、この上流側配管部３５ａの下流端から緩やかに上り傾斜状に延びる下側水平配管部３５ｂ、この下側水平配管部３５ｂの下流端から上方に鉛直状に延びる鉛直配管部３５ｃ、この鉛直配管部３５ｃの下流端から水平方向に延びる上側水平配管部３５ｄ、この上側水平配管部３５ｄの下流端から下方に鉛直状に延びる下流側配管部３５ｅを有している。

エア抜き配管３５の上流側配管部３５ａの上流端は、収納容器２６ｂの上端部の接続部２６ｃに上方から接続されて固定部材（所謂、クイックファスナー）を介して固定されている。この収納容器２６ｂの接続部２６ｃには、凝縮水回収通路３１の下流端が水平方向向きに接続されている。

エア抜き配管３５は、排気通路１１における凝縮水回収部２５よりも下流側に接続され且つ排気通路１１の上面に下向きに開口した状態で接続されている。即ち、排気通路１１の下流側排気通路部２２は、排気ガスが下降流となる鉛直配管部２２ａ、この鉛直配管部２２ａの下端部に連なり且つ排気ガスが水平流となる水平配管部２２ｂを有し、エア抜き配管３５の下流側配管部３５ｅの下流端は、排気ガスが流れる方向に対して直角状になるように水平配管部２２ｂの上端部の接続部２２ｃに上方から接続されて固定部材を介して固定されている。

下流側排気通路部２２の接続部２２ｃの上流側において、凝縮水回収通路３１の上流端が、鉛直配管部２２ａの下端部の側面に横向きに開口した状態で接続されている。即ち、凝縮水回収通路３１の上流端は、鉛直配管部２２ａの側面の接続部２２ｄに側方から接続されて固定部材を介して固定されている。下流側排気通路部２２の内部において、エア抜き配管３５が接続された接続部２２ｃは、凝縮水回収通路３１が接続された接続部２２ｄより下流側になるので、接続部２２ｃの近傍部の圧力は接続部２２ｄの近傍部の圧力より低圧になる。

下流側排気通路部２２の接続部２２ｃの近傍部において、雨水排水用の排水通路３６の上流端が、水平配管部２２ｂの下面に上向きに開口した状態で接続されている。即ち、雨水排水用の排水通路３６の上流端は、排気ガスが流れる方向に対して直角状になるように水平配管部２２ｂの下端部の接続部２２ｅに下方から接続されて固定部材を介して固定されている。

次に、本発明の燃料電池発電装置２について説明する。
燃料電池発電部５において、燃料極側から排出された未反応燃料ガスと、酸素極側から排出された酸素を含む空気とをオフガス燃焼室５ｄで燃焼させることによって高温の多量の水蒸気を含む排気ガスを生成し、この排気ガスは排気通路１１の上流側排気通路部２１を流れて排熱回収用熱交換器１２に導入される。

排熱回収用熱交換器１２では、排気ガスと湯水循環回路４の湯水との間で熱交換が行われて湯水が加熱され、加熱された湯水が貯湯タンクに貯留され、この運転を繰り返すことで貯湯タンクに高温の湯水が貯留される。

一方、排熱回収用熱交換器１２で排気ガスに含まれる水蒸気が冷却されて凝縮水を発生し、この凝縮水は、凝縮水回収通路３１を介して収納容器２６ｂに送られ、収納容器２６ｂ内のイオン交換樹脂２６ａで凝縮水の不純物を除去し、この浄化された水を貯留タンク２７ａに送り一時的に貯留する。その後、この貯留タンク２７ａに貯留された水は、純水供給ポンプ２８ａによって燃料電池発電部５に送られ、改質用の水として再利用される。

凝縮水が凝縮水回収通路３１を通って収納容器２６ｂに流れ込むとき、収納容器２６ｂ内に滞留しているエアは、エア抜き配管３５を通って排気通路１１の下流側排気通路部２２に排出され、排気ガスと混合されて排気口２３から外部に排出されるので、滞留エアが凝縮水回収通路３１を流れる凝縮水に干渉せず、凝縮水を収納容器２６ｂにスムーズに流し込むことができる。

以上説明したように、浄化手段２６は、凝縮水を浄化する為のイオン交換樹脂２６ａと、このイオン交換樹脂２６ａが収納された収納容器２６ｂとを有し、収納容器２６ｂから排気通路１１に接続されたエア抜き配管３５が設けられたので、凝縮水回収部２５によって回収された凝縮水が浄化手段２６に送り込まれる際に、エア抜き配管３５を介して浄化手段２６の収納容器２６ｂに滞留しているエアを排気通路１１に流すことができる。

従って、エア抜き配管３５によって収納容器２６ｂのエア抜きを確実に行えるので、凝縮水回収部２５で回収された凝縮水を収納容器２６ｂにスムーズに流し込むことができ、簡単な構造でもって凝縮水の回収率の低下を防止することができる。

また、エア抜き配管３５は、排気通路１１における凝縮水回収部２５よりも下流側に接続されたので、排気通路１１におけるエア抜き配管３５が接続された接続部２２ｃの近傍の圧力を凝縮水回収通路３１が接続された接続部２２ｄの近傍の圧力より低くすることで、エア抜き配管３５に排気ガスが流入するのを防止することができる。

さらに、エア抜き配管３５は、排気通路１１の上面に下向きに開口した状態で接続されたので、排気口２３から排気通路１１に雨水が侵入してきた場合でも、雨水がエア抜き配管３５に侵入するのを防止することができる。尚、排気通路１１に雨水が侵入した場合、雨水は排水通路３６を介して外部に排水される。

次に、前記実施例を部分的に変更した形態について説明する。
［１］前記実施例において、エア抜き配管３５の配管形状は、排気通路１１における凝縮水回収部２５よりも下流側に接続され且つ排気通路１１の上面に下向きに開口した状態で接続された構造であれば、エア抜き配管３５の配管形状は適宜変更可能である。

［２］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

２ 燃料電池発電装置
５ 燃料電池発電部
１１ 排気通路
１２ 排熱回収用熱交換器
２５ 凝縮水回収部
２６ 浄化手段
２６ａ イオン交換樹脂
２６ｂ 収納容器
２８ 純水供給手段
３５ エア抜き配管

Claims (3)

1. 燃料電池発電部と、この燃料電池発電部からの排気を排出する排気通路と、この排気通路に設置された熱交換器と、この熱交換器によって凝縮された凝縮水を回収する凝縮水回収部と、この凝縮水回収部で回収された凝縮水を浄化する浄化手段と、この浄化手段で浄化された純水を前記燃料電池発電部に供給する純水供給手段とを備えた燃料電池発電装置において、
   前記浄化手段は、凝縮水を浄化する為のイオン交換樹脂と、このイオン交換樹脂が収納された収納容器とを有し、
   前記収納容器から前記排気通路に接続されたエア抜き配管が設けられたことを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記エア抜き配管は、前記排気通路における前記凝縮水回収部よりも下流側に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 前記エア抜き配管は、前記排気通路の上面に下向きに開口した状態で接続されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電装置。