JP2766434B2 - 燃料電池発電装置の排ガス処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、リン酸型燃料電池発電
装置に係り、特に燃料電池の排ガス中に含まれるリン酸
を除去し排ガス中の凝縮水及び排熱を回収する排ガス処
理装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電装置は、都市ガス、プロパ
ンガスなどの燃料の有している化学エネルギーを電気エ
ネルギーに変換する装置で、都市ガス、プロパンガスな
どの燃料から水素を生成する水素生成装置、燃料電池本
体、直流電流を交流に変換する変換装置、燃料電池本体
の動作や水素生成に適した温度に作動ガスの温度を保つ
ための熱交換装置などから構成されている。この燃料電
池本体は、水素生成装置により生成された水素と空気中
の酸素の結合エネルギーを直接電気に変換するが、その
際熱も発生する。

【０００３】このような燃料電池発電装置は、化学反応
による発電のため発電効率が高く、また大気汚染物質の
排出が少なく、騒音も小さいことからクリーンな発電装
置として評価されている。

【０００４】ところが、燃料電池本体にリン酸電解液を
用いたリン酸型燃料電池発電装置においては、リン酸が
水素と酸素との電気化学反応によって生ずる水蒸気およ
び燃料電池本体で使用に供した空気の排ガスと共に、電
池外に排出されている。

【０００５】図５は、従来の燃料電池発電システムの燃
料電池本体から排出される排ガスの処理系統の構成例を
示すものである。図５において、燃料電池本体１の燃料
極１ａおよび空気極１ｂから排出された電池排ガス中に
は、電池の作動によって徐々に外部に流出するリン酸と
水蒸気とによって生成されるリン酸溶液が含まれてお
り、このリン酸溶液は、炭素鋼、合金鋼に対して高い腐
食性を有するため、排ガス中からリン酸溶液を除去する
必要がある。

【０００６】そこで、一般的には燃料電池本体１の排ガ
ス系５ａにリン酸除去装置２を設置し、ここでリン酸を
吸着、回収し、その下流側に設置された機器、配管等が
腐食しないようにしている。

【０００７】一方、燃料電池本体１の燃料極１ａの排ガ
スは、一般に図示しない改質器の燃焼バーナ用のガスと
して利用に供されているので、その排ガス温度は高温に
なっている。このため、リン酸除去装置２の下流側に設
置された排熱回収装置３により、排ガス温度を低温度領
域まで下げ、さらにその下流側に設置された凝縮水回収
装置４により排ガス中の水蒸気成分を凝縮した水を回収
して電池冷却水等に戻すことにより再利用し、水蒸気成
分が取除かれた排ガスは大気へ放出している。この場
合、リン酸除去装置２は、排ガス中のリン酸を鉄ウール
等と腐食反応させて除去する方法が考案され、実施され
ている。

【０００８】また、排熱回収装置３には熱交換器が設置
され、その高温側にリン酸が除去された排ガスを流し、
低温側に冷却媒体として水を流すことにより、この水を
排ガスの熱で加熱された高温水として回収し、これを排
熱回収ラインを通して図示しない排熱利用装置へ供給し
ている。

【０００９】さらに、凝縮水回収装置４には熱交換器が
設置され、排ガス温度を水蒸気成分を凝縮水として回収
可能な温度まで下げることにより、ドレインとして回収
しているのが一般的である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような構
成の燃料電池発電装置の排ガス処理装置においては、次
のような問題があった。

【００１１】すなわち、燃料電池本体から排出される排
ガスの処理系統のうち、リン酸除去装置２については、
容器内に鉄ウール等を封入する構造となっているため、
装置が大型化し、またこの装置を設置することにより、
排ガス系の圧力損失が増大するため、燃料電池本体の空
気極に空気を供給する空気ブロアの吐出圧力が大きくな
り、必要電力量が増大すると共に、システムの効率が悪
くなる等の問題があった。

【００１２】また、排熱回収装置３および凝縮水回収装
置４については、それぞれ熱交換器が設置され、しかも
凝縮水回収装置４にあっては凝縮成分を凝縮させる凝縮
潜熱量が大きいため、伝熱面積が多く必要となる。この
ため、装置が大型化し、上記リン酸除去装置と同様の問
題があった。

【００１３】このように従来の燃料電池発電装置の排ガ
ス処理装置では、リン酸除去装置、排熱回収装置、凝縮
水回収装置を別々に設置した構成となっているため、そ
の各機器が大型化すると共に、プラント設備の容量が大
きくなり、さらにプラントのコストアップに繋がるとい
う大きな問題があった。

【００１４】本発明は、燃料電池本体の排ガス処理系の
リン酸除去装置、排熱回収装置、凝縮水回収装置を一体
化してコンパクト化を図ると同時に、燃料電池本体の排
ガス中に含まれるリン酸の除去、排熱回収、凝縮水回収
を効率的に行うことができる燃料電池発電装置の排ガス
処理装置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記のような目
的を達成するため、リン酸電解液を用いた燃料電池本体
を備えた燃料電池発電装置において、前記燃料電池本体
の電解質から気散し、生成水蒸気と共に排出されるリン
酸溶液を含む排ガスが排ガス供給ラインを通して導入さ
れこの排ガスの温度をリン酸が析出する温度領域まで冷
却する高温部熱交換器と、この高温部熱交換器の下方に
設けられ該高温部熱交換器からリン酸液が除去されて導
入される排ガスを冷却して該排ガス中に含まれる生成水
蒸気を凝縮する温度域まで下げる低温部熱交換器と、前
記高温部熱交換器と前記低温部熱交換器との間に介挿さ
れ前記高温部熱交換器の冷却により析出されたリン酸液
を回収するリン酸回収用パレットと、前記低温部熱交換
器の下方に凝縮水回収用エルミネータおよび凝縮水回収
用座を介して設けられ前記生成水蒸気の凝縮水を回収す
る凝縮水回収タンクとを備え、これら高温部熱交換器、
リン酸回収用パレット、低温部熱交換器及び凝縮水回収
タンクを一体的に構成すると共に、前記低温部熱交換器
及び前記高温部熱交換器内に一連の冷却水用伝熱管を配
設して前記低温部熱交換器側から前記高温部熱交換器側
に冷却水を流通させ、前記排ガスに保有する熱量を温水
として回収するようにしたものである。

【００１６】

【作用】このような構成の燃料電池発電装置の排ガス処
理装置にあっては、高温部熱交換器に生成水蒸気と共に
リン酸液を含む排ガスが流入すると、この高温部熱交換
器では排ガス温度をリン酸が析出する温度域まで冷却す
ることにより、排ガス中のリン酸が除去され、リン酸回
収用パレットに回収される。さらに、この高温部熱交換
器でリン酸を除去した排ガスが低温部熱交換器に流入す
ると、この排ガス温度は排ガス中の生成水蒸気が凝縮す
る温度域まで冷却され、排ガス中の生成水蒸気の凝縮水
が凝縮水回収用タンクに回収される。

【００１７】従って、生成水蒸気と共にリン酸液を含む
排ガスの処理系として、リン酸を除去する高温部熱交換
器、生成水蒸気を凝縮する低温部熱交換器及び凝縮水回
収用タンクを一体化できるので、リン酸除去、排熱回
収、凝縮水回収を効率的に行うことができると共に、装
置全体のコンパクト化を図ることが可能となる。

【００１８】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を参照して説明
する。

【００１９】図１は本発明による燃料電池発電装置の排
ガス処理装置の概略構成例を示すものである。図１にお
いて、１２は燃料電池本体１１の燃料極、空気極より流
出する排ガスの供給系１３ａに設けられた一体型排ガス
処理装置で、この一体型排ガス処理装置１２は高温流体
すなわち排ガスと、低温流体すなわち冷却水とが熱交換
することにより、リン酸除去機能１２ａ、凝縮水回収機
能１２ｂ、排熱回収機能１２ｃの各々が機能する構成と
なっている。また、排熱回収機能１２ｃは排ガス供給ラ
イン１３ａを通して供給される排ガスに保有する熱量を
冷却水入口ライン１４ａより流入する冷却水に回収し、
その高温水を排熱回収供給ライン１４ｂを通して排熱利
用装置１５に供給可能にしている。

【００２０】図２は上記一体型排ガス処理装置１２の概
略構成例を断面模式図として示したものである。図２に
示すように、一体型排ガス処理装置１２はリン酸除去機
能を有する高温部熱交換器２１と、その下部にリン酸回
収用パレット２２を介して設けられた低温部熱交換器２
３と、さらにその下部に凝縮水回収用エルミネータ２４
および凝縮水回収用座２５を介して設けられた凝縮水回
収タンク２６とから構成されている。

【００２１】高温部熱交換器２１および低温部熱交換器
２３内には、一連の冷却水用伝熱管２７がジグザグ状に
配設され、低温部熱交換器２３側に設けられた冷却水入
口ライン２８ａより冷却水を流入すると、この冷却水は
冷却水用伝熱管２７を通してジグザグ状に蛇行しながら
上昇し、高温部熱交換器２１側に設けられた冷却水出口
ライン２８ｂより流出するようになっている。

【００２２】一方、燃料電池本体１１の燃料極１１ａ、
空気極１１ｂより流出した排ガスは、排ガス供給ライン
２９ａを通して本装置の上部より流入し、高温熱交換器
２１および低温熱交換器２３内部を通ってその下部に設
けられた排ガス出口ライン２９ｂに流出するようになっ
ている。

【００２３】図３は図２の一体型排ガス処理装置１２の
内部構造をより具体的に示す斜視図であり、図２と同一
部分には同一符号を付して示し、重複する説明について
は省略する。図３において、３０は本装置の上部に設置
された取外し可能な蓋で、この蓋３０は高温部熱交換器
２１の伝熱面の外表面に付着したリン酸析出物、その他
の付着物を燃料電池発電プラントの停止時等に洗浄した
り、内部点検する際に取外されるものである。また、リ
ン酸回収用パレット２２は、高温部熱交換器２１と低温
部熱交換器２３との間に引き出し可能に配設され、高温
部熱交換器２１の伝熱面にて析出し、流下するリン酸を
回収し、プラント停止時等に本装置から横に引出してリ
ン酸を取出し、パレット内を洗浄できるようになってい
る。

【００２４】次にこのような構成の燃料電池発電装置の
排ガス処理装置の作用について述べる。排ガスが本装置
上部の排ガス供給ライン２９ａより流入すると、この排
ガスは高温部熱交換器２１、低温部熱交換器２３を通っ
て排ガス処理され、下部の排ガス出口ライン２９ｂより
排気される。

【００２５】一方、冷却水は本装置下部の冷却水入口ラ
イン２８ａより低温部熱交換器２３の伝熱管２７内に流
入し、排ガスの流れと対向して管内を上昇し、さらに高
温部熱交換器２１の管内を流れることにより加熱され、
高温水となって冷却水出口ライン２８ｂより流出し、こ
の高温水は排熱利用装置等の熱源として利用される。

【００２６】ここで、本装置内での排ガス処理機能につ
いて詳細に説明する。排ガス供給ライン２９ａより流入
した排ガスは、まず高温部熱交換器２１にて熱交換さ
れ、排ガス温度を排ガス中のリン酸がすべて析出しきる
まで下げることにより、排ガス中に含まれるリン酸が除
去され、リン酸回収用パレット２２に回収される。この
場合、リン酸析出部の材質を耐リン酸性の高い金属等で
製作することにより、本装置を腐食させることなく、リ
ン酸を析出し回収することができる。

【００２７】図４は、リン酸濃度とその蒸気圧、温度の
定性的関係及びリン酸濃度と金属材料の腐食速度、温度
の関係をまとめたものである。高温気体中にて気体状態
のリン酸は、その濃度によりある温度まで下がり、蒸気
圧に達すると析出する。燃料電池排ガス中のリン酸濃度
は十分低く、通常１２０℃近傍まで下げることにより、
すべて析出しきる。

【００２８】また、リン酸濃度がある程度低く、温度が
高い程、金属材料の腐食速度が大きくなるが、リン酸に
対する耐蝕性の高い金属材料、例えばＳＵＳ316L等は燃
料電池排ガス中に含まれるリン酸が析出する条件下で
は、腐食が進行しない安全域であることが実験より知ら
れている。

【００２９】従って、上記の如くリン酸除去機能内の熱
交換部材でリン酸が析出する領域の材質を耐リン酸性の
高い金属等で製作することにより、排ガス中からリン酸
を析出し、回収することができる。

【００３０】リン酸を除去した排ガスが、低温部熱交換
器２３に流入すると、排ガス温度は排ガス中の水蒸気成
分が凝縮する温度まで下げられ、熱交換器部材の伝熱表
面に凝縮水が付着する。この場合、燃料電池排ガス成分
中の凝縮成分の分圧により、凝縮は７０℃近傍まで下げ
ることにより開始され、温度が下がるにつれてこの凝縮
量は増大する。このため、排ガスの温度を下げるには低
温部熱交換器２３の低温側に流す冷却水の温度が低い程
有利である。

【００３１】この低温部熱交換器２３の伝熱面表面に凝
縮した水は、伝熱管、フィン等を介して伝わって流下
し、その下部に設置した凝縮水回収用エルミネータ５に
より回収され、凝縮水回収用座６を通り、下部の凝縮水
回収タンク７に溜る。

【００３２】このように本実施例では、高温部熱交換器
で析出したリン酸が低温部熱交換器２３へ流下しないた
め、多くの伝熱面積を必要とする低温部熱交換器に耐リ
ン酸を有する材質を用いずに、例えば銅、アルミニウ
ム、炭素鋼等を使用することができるので、装置のコス
ト低減を図ることができると共に、コンパクト化を図る
ことができる。

【００３３】また、排ガスの温度を下げるために、上記
リン酸除去機能、凝縮水回収機能の熱交換器の低温側に
冷却水を流し、排ガスを冷却するが、この冷却水を排ガ
スの流れと対向する方向に流すことにより、熱交換率が
上り、冷却水も加熱されるため、この加熱された水を排
熱回収水として取出して、これを排熱利用装置に供給す
ることができる。

【００３４】さらに、従来のリン酸除去装置は先に述べ
たように排ガス系の圧力損失が大きいという問題があっ
たが、本実施例では高温部熱交換器２１によりリン酸が
析出するまで冷却するようにしているので、排ガス系で
の圧力損失が少なくなり、その圧力損失に余裕が生じた
分、排ガス流速を高めることができ、装置のコンパクト
化を図ることができる。

【００３５】一方、上記実施例では排ガスが高温部熱交
換器２１を通ることにより析出されたリン酸を回収する
パレット２２を装置外に引出し可能に設置し、また装置
上部に蓋３０が取外し可能に設置されているので、従来
では困難であったプラントに組込んだままでの排ガス熱
交換器の清浄、点検を容易に行うことができ、メンテナ
ンス性が向上すると同時に、プラントの運転によって高
温部熱交換器２１の内部に付着した汚れを取除くことが
でき、伝熱性能に悪影響を与えることなく、プラントの
性能、効率の向上に寄与することができる。この場合、
パレットを洗浄する際、下に落ちてくる汚れた水が凝縮
水回収タンクに流入するのを避けるために図２における
凝縮水回収用座２５からホース等で装置外に出せるよう
にしておけば、さらに洗浄を容易に行うことができる。

【００３６】なお、高温部熱交換器とリン酸回収用パレ
ットおよび低温部熱交換器と凝縮水回収タンクを１つの
筐体の中の左と右に配置し、筐体の左から高温排ガスを
導入し、右から低温排ガスを排出するようにしてもよ
い。

【００３７】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、燃料
電池本体の排ガス処理系のリン酸除去装置、排熱回収装
置、凝縮水回収装置を一体化してコンパクト化を図ると
同時に、燃料電池本体の排ガス中に含まれるリン酸の除
去、排熱回収、凝縮水回収を効率的に行うことができる
燃料電池発電装置の排ガス処理装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池発電装置の排ガス処理装置の
一実施例を示す概略構成図。

【図２】同実施例の断面模式図。

【図３】同実施例の具体的な内部構造を示す斜視図。

【図４】リン酸濃度とその蒸気圧、温度、及び金属材料
の腐食速度、温度の関係を示す曲線図。

【図５】従来の燃料電池発電装置の排ガス処理系統を示
す構成図。

【符号の説明】

１１……燃料電池本体、１１ａ……燃料極、１１ｂ……
空気極、２１……高温部熱交換器、１２……一体型排ガ
ス処理装置、２２……リン酸回収用パレット、２３……
低温部熱交換器、２４……凝縮水回収用エルミネータ、
２５……凝縮水回収用座、２６……凝縮水回収タンク、
２７……冷却水用伝熱管、２８ａ……冷却水入口ライ
ン、２８ｂ……冷却水出口ライン、２９ａ……排ガス供
給ライン、２９ｂ……排ガス出口ライン、３０……蓋。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 リン酸電解液を用いた燃料電池本体を備
   えた燃料電池発電装置において、前記燃料電池本体の電
   解質から気散し、生成水蒸気と共に排出されるリン酸溶
   液を含む排ガスが排ガス供給ラインを通して導入されこ
   の排ガスの温度をリン酸が析出する温度領域まで冷却す
   る高温部熱交換器と、この高温部熱交換器の下方に設け
   られ該高温部熱交換器からリン酸液が除去されて導入さ
   れる排ガスを冷却して該排ガス中に含まれる生成水蒸気
   を凝縮する温度域まで下げる低温部熱交換器と、前記高
   温部熱交換器と前記低温部熱交換器との間に介挿され前
   記高温部熱交換器の冷却により析出されたリン酸液を回
   収するリン酸回収用パレットと、前記低温部熱交換器の
   下方に凝縮水回収用エルミネータおよび凝縮水回収用座
   を介して設けられ前記生成水蒸気の凝縮水を回収する凝
   縮水回収タンクとを備え、これら高温部熱交換器、リン
   酸回収用パレット、低温部熱交換器及び凝縮水回収タン
   クを一体的に構成すると共に、前記低温部熱交換器及び
   前記高温部熱交換器内に一連の冷却水用伝熱管を配設し
   て前記低温部熱交換器側から前記高温部熱交換器側に冷
   却水を流通させ、前記排ガスに保有する熱量を温水とし
   て回収するようにしたことを特徴とする燃料電池発電装
   置の排ガス処理装置。