JP2018186000A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタ交換等のメンテナンスの手間をかけることなく、熱交換器に流れる水の中の塩素を、長期間にわたり除去できる燃料電池装置を提供する。【解決手段】本実施形態の燃料電池装置は、燃料電池モジュール１と、燃料電池モジュール１から排出される排ガスと水道水とを熱交換させて温水を生成する熱交換器２と、水道水に紫外線（ＵＶ）を照射して水道水中の残留塩素を分解する紫外線照射手段（ＵＶランプ７Ａ）と、熱交換器２に第一の水（水道水）を導入する第１水流路Ｑと、熱交換器２から第二の水（温水）を導出する第２水流路Ｒと、を備え、前記紫外線照射手段は、熱交換器２より上流側の第１水流路Ｑに位置する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。

燃料電池の構成として、収納容器内に、燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数積層したセルスタックを備える燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールおよびその動作に必要な補機類を外装ケース等の筐体に収納した燃料電池装置とが、種々提案されている。

このような燃料電池装置においては、燃料電池セル（セルスタック）から排出される余剰の燃料ガス（オフガス）に点火して発生した高温の燃焼排ガス（以下、排ガス）と、低温の水道水等とを、熱交換器において向流的に熱交換させ、得られた温水を、貯湯槽に貯湯したり給湯設備に供給する等している。そのため、塩素を含む水道水が高温となって流過する熱交換器は、経年使用により腐食等が発生して、漏水等の不具合が生じる場合があった。

そこで、この不具合の発生を予防すべく、燃料電池装置における水道水の循環ライン上に、水中の塩素を除去するフィルタ（活性炭等からなる吸着材）を配設して、残留塩素を取り除いた水道水を熱交換器に循環させる燃料電池システムが提案されている（特許文献１を参照）。

特開２０１６−９１６４６号公報

しかしながら、前記提案のような構成の燃料電池装置では、長期間運用しようとすると、定期的なフィルタ（吸着材）交換等、メンテナンスの手間が発生する。また、フィルタの目詰まりによる、循環水の圧力損失の上昇や循環不良等が懸念される。

本発明の目的は、フィルタ交換等のメンテナンスの手間をかけることなく、熱交換器に流れる水の中の塩素を、長期間にわたり除去できる燃料電池装置を提供することである。

本開示の燃料電池装置は、燃料電池セルと、
該燃料電池セルから排出される排ガスを水により熱交換させる熱交換器と、
熱交換前の第一の水に紫外線を照射する紫外線照射手段と、を備える。

本開示の燃料電池装置によれば、前記第一の水として熱交換器に送給される水（たとえば水道水）の中の塩素（たとえば残留塩素）が効率的に除去されるため、この第一の水を昇温させるために使用される熱交換器に、腐食等が発生することを、長期にわたり効果的に抑制することができる。したがって、メンテナンス等の手間が少なく、長寿命な燃料電池装置とすることができる。

第１実施形態の燃料電池装置の構成を示す概略構成図である。 第２実施形態の燃料電池装置の構成を示す概略構成図である。 第３実施形態の燃料電池装置の構成を示す概略構成図である。 第４実施形態の燃料電池装置の構成を示す概略構成図である。

以下、図面を用いて本実施形態の燃料電池装置の例について説明する。なお、同一の構成については、他の図面と同一の符号を用いて、その詳細な説明を省略する。

図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池装置１０の概略構成を示す構成図である。第１実施形態の燃料電池装置１０は、たとえば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、天然ガス，ＬＰガス等の原燃料（水素含有ガス）と空気等の酸素含有ガスとを使用して発電を行なう燃料電池モジュール１による電力の供給（図中の「ＡＣ」）と、発電に使用しなかった余剰のオフガスを燃焼させることにより生じる高温の燃焼排ガス（排ガス）の温熱を利用した温水の供給（図中の「Hot water supply」）とを、行うものである。

なお、図１の第１実施形態は、温水を貯留する蓄熱槽や貯湯槽が配設されていない構成を示しており、熱交換器２を含む温水供給（排熱回収）システムには、水道水が、上水道等の配水管から直接供給されるようになっている。蓄熱槽や貯湯槽、ラジエータ等を備える構成は、後記図２の第２実施形態以降で説明する。

また、燃料電池装置は、供給される水道水を、燃料電池モジュール１で発生する燃焼排ガスの冷却にのみ利用して、燃焼排ガスの廃熱の回収を行わない（温水の供給を行なわない）、いわゆるモノジェネレーションシステムとしてもよい。その場合、装置外部に温水を排出する温水導出流路（第２水流路Ｒ）の途中に、温水（排水）を冷やすラジエータを別途配設してもよい。

実施形態の燃料電池モジュール１は、その内部（図示省略）に、複数の燃料電池セルが積層されたセルスタックと、水蒸気を用いて原燃料の水蒸気改質を行う改質器等を備える。

また、燃料電池モジュール１周囲の外装ケース９内には、熱交換器２，パワーコンバータ３（インバータ）の他、図示はしていないが、熱交換器２から回収された凝縮水（Condensate）を浄化して、原燃料の水蒸気改質用の原料水（改質用水）として貯留する改質用水貯槽（水タンク）や、空気（酸素含有ガス）をセルスタックに送給する送風機（空気ブロア）、天然ガス，ＬＰＧ等の原燃料を改質器に送給するガスポンプ等の補機類が配設されている。

燃料電池装置１０の温水供給（排熱回収）システムを構成する熱交換器２には、図１に示すように、水の流れ（細線矢印を参照）における熱交換器２より上流側の位置（図示左下）に、熱交換器２に第一の水として水道水（Tap water）を導入する第１水流路Ｑ（冷水導入流路）が接続され、その図示上側でかつ水の流れ（細線矢印）における下流側の位置には、熱交換器２で温められた第二の水〔図では温水（Warm water）〕を導出するための第２水流路Ｒ（温水導出流路）が接続されている。この構成により、燃料電池装置１０に導入された水道水は、熱交換器２を経由する間に加温され、温水となって導出される。

なお、第１水流路Ｑによって熱交換器２に送給（導入）される水を「冷水」と呼ぶ場合があるが、これは熱交換器２の出口側の水（温水）に比べて相対的に低温であるという意味であり、室温または常温以下に冷却されたことを意味するものではない。また、第１水流路Ｑの始端（図示左側）に位置する水道水導入口６ａは、装置に水道水を供給する上水道（Waterworks）等に接続されている。また、第２水流路Ｒの末端（同じく図示左側）に位置する給湯水導出口６ｂには、温水を必要とする給湯設備（Hot water supply）や、貯湯設備へ温水を送給する配管等が接続される。

さらに、熱交換器２の上方（図示上側）には、先に述べた燃料電池モジュール１が配設されており、熱交換器２との間には、燃料電池モジュール１で発生する高温の排ガス（Exhaust）を熱交換器２に送給する排ガス流路１ａ（排ガス管）が配設されている。熱交換器２の下部（図示右側）には、熱交換の終了した低温の排ガス（Vent）を装置外に排出するための排気流路２ａ（排気口）が配設されている。

そして、熱交換器２の内部（図示省略）では、排ガス流路１ａから導入された高温の排ガスと、第１水流路Ｑから導入された低温の水道水とが、金属製の部材を挟んで向流的に接触して熱交換するように構成されており、その間に、たとえば、排ガスの温度は約３００℃から３０℃まで低下する。また、水道水は、この向流接触の間に、水温が約２５℃から７５℃まで上昇して温水となり、第２水流路Ｒおよび給湯水導出口６ｂを介して、外部の給湯設備や貯湯設備等へ送給される。なお、温度の低下とともに凝縮した排ガス中の水分は、凝縮水（Condensate）として、熱交換器２下部の凝縮水流路２ｂから排出される。他に、温度の低下とともに凝縮した排ガス中の水分は、凝縮水（Condensate）として、改質器に供給されてもよい。

一方、本実施形態の燃料電池装置１０では、図１に示すように、熱交換器２に導入される第一の水の流れ（細線矢印）方向の、熱交換器２より上流側（すなわち、水道水が熱交換器２に導入される前の流路部位）には、紫外線照射手段としてＵＶランプ７Ａが位置しており、同様の位置に、塩素濃度の計測手段として、塩素濃度計５が配設されている。

紫外線照射手段としてのＵＶランプ７Ａは、熱交換器２に導入される前の第一の水（水道水）に紫外線（ＵＶ）を照射するためのものであり、この紫外線照射により、水道水中に残留する、次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）または次亜塩素酸イオン（ＣｌＯ⁻）等の遊離残留塩素が分解され、その濃度が、熱交換器２に入る前に低下する。なお、次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）の光吸収波長帯は、主に約３５０ｎｍ以下の紫外線領域であるため、紫外線照射手段としては、波長２００〜３００ｎｍの帯域内に主発光ピークを有する、ＵＶランプ（紫外発光ランプ），ＵＶ−ＬＥＤ（発光ダイオード）等が好適に用いられる。

また、紫外線ランプとして、前記と同様の波長２００〜３００ｎｍの帯域内に主発光ピークを有する光源、たとえば、水銀ランプ（低圧，高圧）、殺菌ランプ、健康線ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ（アークランプ）、重水素ランプ、蛍光ランプ、ブラックライト（ブルーランプ）等を用いてもよい。

塩素濃度計５（塩素濃度センサ）としては、ポーラログラフ法や、吸光光度法、電流法、ジエチルパラフェニレンジアミン法等により、遊離残留塩素濃度を連続して測定可能な計測・検査機器を使用することが可能で、本実施形態においては、好適にポーラログラフ法を使用する。

なお、前述のＵＶランプ７Ａは、熱交換器２に導入される前の水道水に紫外線を照射するために、先に述べたように、水の流れにおいて熱交換器２より上流側に配置する必要があるが、塩素濃度センサ５の配設位置は、特にこのＵＶランプ７Ａより上流側に限るものではない。たとえば、ＵＶランプ７Ａと熱交換器２との間に配設して、ＵＶランプ７Ａによる紫外線照射の効果（残留塩素濃度の低下）を確認するようにしてもよい。

以上の構成により、本実施形態の燃料電池装置１０は、水道水への紫外線照射により、水道水中の遊離残留塩素が分解されるため、熱交換器２に流入する塩素の濃度が低減される。これにより、温水供給（排熱回収）のための第１水流路Ｑ，第２水流路Ｒや、水道水を昇温させる熱交換器２内で発生する、塩素による腐食等を、抑制することができる。また、特に腐食の発生し易い熱交換器２からの水漏れ等の不具合の発生がないため、燃料電池装置の寿命を延ばすことができる。

つぎに、排熱回収した温水を貯湯する貯湯槽を備える燃料電池の構成例を図２〜図４に示す。

図２は、本発明の第２実施形態における燃料電池装置２０の概略構成を示す構成図である。この燃料電池装置２０も、先の燃料電池装置１０と同様、燃料電池モジュール１による電力の供給と、生じる高温の燃焼排ガス（排ガス）の温熱を利用した温水の供給とを併せて行う、コジェネレーション型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。

第２実施形態の燃料電池装置２０が、前記第１実施形態の燃料電池装置１０と構成上異なる点は、熱交換器２で作製された温水を貯留する貯湯槽６を備えるとともに、この貯湯槽６内の水（水道水と温水の混合水）を熱交換器２に供給するポンプＰと、この貯湯槽６から熱交換器２に供給される混合水の水温が高い（約４０℃以上）場合にこれを冷却するラジエータ４と、を備える点である。

なお、前記のラジエータ４は、貯湯槽６と対になって燃料電池装置に配設されるものであるが、温水の利用（給湯）がなく貯湯槽６内が温水で満たされ、第１水流路Ｑに温水が流通するようになった際に作動してもよい。したがって、通常、ラジエータ４は常時作動しているものではない。また、ラジエータ４の実際の排熱は、図のような外装ケース９内ではなく、ファンやダクトを介して装置外部に向かって排気（排熱）されるようになっている。

このような構成の燃料電池装置２０においては、図２に示すように、温水供給（排熱回収）システムを構成する熱交換器２に、水の流れ（細線矢印）における熱交換器２より上流側の位置に、熱交換器２に第一の水〔図では冷水（Cold water）〕として貯湯槽６内の水（混合水）を導入する第１水流路Ｑが接続され、その水の流れ（細線矢印）における下流側の位置に、熱交換器２で温められた第二の水〔図では温水（Hot water）〕を導出するための第２水流路Ｒが接続されている。

また、貯湯槽６の下部（冷水側）には、上水道等から水道水を導入するための水道水導入口６ａと、貯湯槽６内の下側（冷水側）の混合水を、ポンプＰおよび第１水流路Ｑを介して熱交換器２に送給するための冷水導出口６ｃとが、設けられている。貯湯槽６の上部（温水側）には、熱交換器２における排ガスとの熱交換により昇温した混合水を受け入れるための温水導入口６ｄと、貯留されている温水を給湯設備（Hot water supply）等へ向けて送り出すための給湯水導出口６ｂとが、設けられている。なお、混合水（水道水）を系内で循環させる循環用のポンプＰは設けなくてもよい。

これらの構成により、熱交換器２で加温された第二の水〔温水（Hot water）〕は、貯湯槽６に貯留され、給湯の要求に応じて、貯湯槽６内上部のより高温の水から順次、給湯設備等へ供給される。また、貯湯槽６内の水位が低下した場合は、下部の水道水導入口６ａから、不足した分の水道水が槽内に導入される。

そして、上記のように水道水を熱媒として循環させて利用する燃料電池装置２０においても、第１実施形態と同様、図２に示すように、熱交換器２に導入される第一の水の流れ（細線矢印）方向の、熱交換器２より上流側で、かつ、ラジエータ４よりも上流側の位置（すなわち、水道水がラジエータ４に導入される前の流路部位）に、紫外線照射手段としてＵＶランプ７Ａが位置しており、同様の位置に、塩素濃度の計測手段として、塩素濃度計５が配設されている。

以上の構成によっても、燃料電池装置２０は、熱交換器２に流入する前の、残留塩素を含む水道水と温水の混合水に紫外線が照射され、この混合水中の遊離残留塩素が分解されて、塩素濃度が低減される。したがって、燃料電池装置１０と同様、温水供給（排熱回収）のための第１水流路Ｑ，第２水流路Ｒや、水道水を昇温させる熱交換器２内の金属配管で発生する、塩素による腐食等が抑制される。

しかも、燃料電池装置２０の場合、第１水流路Ｑの途中に配設されたラジエータ４より、さらに上流側にＵＶランプ７Ａ（紫外線照射手段）が位置していることから、このラジエータ４に流入する第一の水（混合水）の塩素濃度も一緒に低減される。これにより、混合水を冷却するラジエータ４内で発生する、塩素による腐食等も抑制することができる。したがって、熱交換器２からもラジエータ４からも水漏れ等の不具合の発生がない、長寿命な燃料電池装置とすることができる。

なお、このように温水を貯留する構成においては、前記のように水中の残留塩素を取り除いたことによる雑菌等の繁殖が懸念される場合がある。その場合でも、本実施形態の燃料電池装置２０は、ＵＶランプ７Ａ（紫外線照射手段）として、前出の殺菌ランプのような、波長２５０〜２７０ｎｍ付近に主発光ピークを有するＵＶランプを使用すれば、残留塩素の光分解により殺菌性の損なわれた水道水を、再度殺菌することができる。これにより、貯湯槽６内および第１水流路Ｑ，第２水流路Ｒ等の温水循環系内を清潔に保つことができる。

つぎに、図３に示す、第３実施形態の燃料電池装置３０も、第２実施形態と同様の貯湯槽６を備える燃料電池装置３０であって、熱交換器２で作製された温水を貯湯槽６に一旦貯留して、貯留された温水を、上部の給湯水導出口６ｂから、外部の給湯設備等へ向けて送り出すようになっている。

また、前述の燃料電池装置２０と同様、貯湯槽６と熱交換器２との間には、温水供給（排熱回収）のための第１水流路Ｑ，第２水流路Ｒおよび循環用のポンプＰからなる、循環流路（系）が設けられており、燃料電池モジュール１で発生する排熱を、温水として回収して貯湯槽６内で貯留（蓄熱）するようになっている。

第３実施形態の燃料電池装置３０が、第２実施形態の燃料電池装置２０と構成上異なる点は、水中の塩素を分解するために紫外線を照射する紫外線照射手段が、ＵＶランプ７Ｂ，７Ｂ’として、貯湯槽６内の水中に位置している点である。

なお、これらＵＶランプ７Ｂ，７Ｂ’は、貯湯槽６内の混合水を紫外線照射可能な位置に配設されていればよく、たとえば、貯湯槽６の壁（六面）のいずれかに光透過可能な窓を設けて、その窓を透して紫外線照射するように構成してもよい。また、必ずしも二箇所（上下）に設ける必要はなく、側面の一箇所や、上下のどちらか一方にのみ配設してもよい。

たとえば、ＵＶランプ７Ｂのように貯湯槽６内の下部に配設した場合、水道水導入口６ａから流入する新しい（残留塩素濃度の比較的高い）水道水が冷水導出口６ｃに向かう間に、効果的に残留塩素を分解することができる。また、ＵＶランプ７Ｂ’のように貯湯槽６内の比較的高温の上部に配設した場合、紫外線による塩素の分解は温度が高いほど速く進行することから、この上部（高温）の混合水中の塩素を、効率的に分解することができる。

以上の構成によっても、燃料電池装置３０は、熱交換器２に流入する前の、残留塩素を含む水道水と温水の混合水（第一の水および第二の水）に紫外線が照射され、この混合水中の遊離残留塩素が分解されて、塩素濃度が低減される。したがって、燃料電池装置１０，２０と同様、温水供給（排熱回収）のための第１水流路Ｑ，第２水流路Ｒや、水道水を昇温させる熱交換器２内で発生する、塩素による腐食等が抑制される。

さらに、燃料電池装置３０の場合、ＵＶランプ７Ｂ，７Ｂ’が貯湯槽６内に配設されていることから、残留塩素の光分解により殺菌性の損なわれた槽内の混合水（温水）を、再度殺菌することができる。これにより、貯湯槽６内および第１水流路Ｑ，第２水流路Ｒ等の温水循環系内を、清潔に保つことができる。

つぎに、図４に示す、第４実施形態の燃料電池装置４０も、第２，第３実施形態と同様の貯湯槽６を備える燃料電池装置４０であって、熱交換器２で作製された温水を貯湯槽６に一旦貯留した後、外部の給湯設備等へ向けて送り出すようになっている。また、貯湯槽６と熱交換器２との間には、温水供給（排熱回収）のための第１水流路Ｑ，第２水流路Ｒおよび循環用のポンプＰからなる、循環流路（系）が設けられている。

第４実施形態の燃料電池装置４０が、第２，第３実施形態の燃料電池装置２０，３０と構成上異なる点は、水道水中の残留塩素を分解するために紫外線を照射する紫外線照射手段が、ＵＶランプ７Ｃとして、貯湯槽６の水道水流入口（水道水導入口６ａ）より上流側の、第３水流路Ｓ（水道水供給流路）に位置している点である。

以上の構成によっても、第４実施形態の燃料電池装置４０は、熱交換器２（貯湯槽６）に流入する前の、残留塩素を含む水道水と温水の混合水に紫外線が照射され、この混合水中の遊離残留塩素が分解されて、塩素濃度が低減される。したがって、前記の各燃料電池装置と同様、温水供給（排熱回収）のための第１水流路Ｑ，第２水流路Ｒや、水道水を昇温させる熱交換器２内の金属製配管等で発生する、塩素による腐食等が抑制される。さらに、残留塩素の光分解により殺菌性の損なわれた槽内の混合水（温水）が、再度殺菌されるため、温水等の循環系内を清潔に保つことができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

たとえば、前記各実施形態の燃料電池装置が、紫外線照射手段（ＵＶランプ）の照射強度や、紫外線照射のオン−オフ制御可能なＵＶ照射コントローラを備える場合、塩素濃度計（塩素濃度センサ）を、水の流れにおけるＵＶランプの下流側または貯湯槽内に配設して、この塩素濃度計から得られた残留塩素濃度の値に基づき、紫外線の照射強度や照射時間を制御するようにしてもよい。すなわち、ＵＶランプによる紫外線照射の効果（残留塩素濃度の低下度合い）を確認し、それに対応して、照射に用いるエネルギーを節約しながら、効率的に紫外線照射することができる。

また、たとえば燃料電池装置が通信手段を備え、インターネット等の通信回線を通じて外部の情報サーバ等にアクセス可能に構成されている場合、装置設置地域の水道局や浄水場等の公的機関のサーバで公開されている、上水道本管（元管）や水道管（家庭用末端）の残留塩素濃度の日々の測定値（データ）を定期的に取得し、得られたデータと、装置設置場所と浄水場との距離（塩素濃度減衰率）とに基づいて、装置設置場所に到達する水道水の残留塩素濃度を演算・予測することができる。その予測値に基づいて、紫外線の照射強度や照射時間を制御するようにしてもよい（この場合、装置内に塩素濃度計は必須ではない）。この方法によっても、紫外線の照射に必要なエネルギーを節約しながら、効率的に残留塩素を除去することができる。

１ 燃料電池モジュール
１ａ 排ガス流路
２ 熱交換器
２ａ 排気流路
２ｂ 凝縮水流路
４ ラジエータ
５ 塩素濃度計
６ 貯湯槽
６ａ 水道水導入口
６ｂ 給湯水導出口
６ｃ 冷水導出口
６ｄ 温水導入口
７Ａ，７Ｂ，７Ｂ’，７Ｃ ＵＶランプ
１０ 燃料電池装置
２０，３０，４０ 燃料電池装置
Ｐ ポンプ
Ｑ 第１水流路
Ｒ 第２水流路
Ｓ 第３水流路

Claims (7)

1. 燃料電池セルと、
   該燃料電池セルから排出される排ガスを水により熱交換させる熱交換器と、
   熱交換前の第一の水に紫外線を照射する紫外線照射手段と、
   を備える燃料電池装置。
2. 前記熱交換器に前記第一の水を導入するための第１水流路と、
   前記熱交換器から熱交換後の第二の水を導出するための第２水流路と、を備え
   前記紫外線照射手段が、前記熱交換器より上流側の前記第１水流路に位置している、請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記第１水流路に、該第１水流路内を通過する水を冷却するラジエータを備え、
   前記紫外線照射手段が、前記ラジエータより上流側の前記第１水流路に位置している、請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 前記熱交換器に前記第一の水を導入するための第１水流路と、
   前記熱交換器から熱交換後の第二の水を導出するための第２水流路と、
   前記第二の水を貯留する貯湯槽と、を備え、
   前記第２水流路は、前記第二の水を前記貯湯槽に送り、
   前記紫外線照射手段は、前記貯湯槽内の前記第二の水を紫外線照射可能に位置している、請求項１に記載の燃料電池装置。
5. 前記熱交換器に前記第一の水を導入するための第１水流路と、
   前記熱交換器から熱交換後の第二の水を導出するための第２水流路と、
   装置外部から供給された水道水と前記熱交換器を経由した前記第二の水とを混合して貯留する貯湯槽と、を備え、
   前記第１水流路は、前記貯湯槽内の水道水と前記第二の水との混合水を前記熱交換器に送り、
   前記第２水流路は、前記熱交換器から導出された熱交換後の前記第二の水を前記貯湯槽に送り、
   前記紫外線照射手段は、前記貯湯槽より上流側の、該貯湯槽に水道水を送給する第３水流路に位置している、請求項１に記載の燃料電池装置。
6. 前記紫外線照射手段は、熱交換前の第一の水に紫外線を照射して前記第一の水中の塩素を分解する、請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
7. 前記塩素は、遊離残留塩素である、請求項６に記載の燃料電池装置。