JP3780714B2 - Fuel cell power generator - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原燃料ガスを改質した燃料ガスと空気を燃料電池本体に供給し、電気化学反応により電気エネルギーを得る燃料電池発電装置に係わり、特に、原燃料ガスの改質に用いる純水を得るための水処理系の構成に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池発電装置は、都市ガス、LPガス、メタノール等の原燃料ガスを水蒸気改質して水素に富むガスに改質する改質器と、この改質器で得られた改質ガスを燃料として発電を行う燃料電池本体と、燃料電池本体の直流出力を交流に変換する直交変換装置とを主要構成要素として構成されており、改質器で生成された改質ガスは、燃料電池発電装置の負荷および水素の利用率に応じて燃料電池本体の内部で消費され、余剰の水素を含むガスは、燃料極の排出ガスとして改質器へと導かれてバーナーで燃焼され、改質エネルギーとして消費されている。
【0003】
図3は、従来の燃料電池発電装置のガス系および水系の構成を示すフロー図である。本図において、1は燃料電池本体、2は脱硫器、3はエゼクタポンプ、4は改質器、5はCO変成器、6は水蒸気分離器、7は凝縮器、8は大気開放型タンク、9は循環ポンプ、10はイオン交換式の水処理装置である。
本構成において、都市ガス、LPガス等の原燃料ガスは、エゼクタポンプ3に吸引され、水蒸気分離器6からの水蒸気と混合されたのち、改質器4の触媒層に供給される。改質器4で水蒸気改質して生成された水素リッチガスは、CO変成器5へ送られ、含まれる触媒被毒物質であるCOをCO2 へ変成したのち、燃料ガスとして燃料電池本体1の燃料極1bへと送られる。一方、燃料電池本体1の空気極1aには、反応空気ブロワ16aを備えた反応空気供給系16を通して反応用の空気が送られる。また、燃料電池本体1には冷却板1cが組み込まれており、この冷却板1cの内部へ水蒸気分離器6に貯留された電気伝導度が低く、かつシリカ等の鉱物系異物の少ない純水を燃料電池冷却水系19により循環供給することによって、燃料電池の発電に伴う発熱を除去し、燃料電池本体1の温度を所定の運転温度に保持している。また、燃料極1bより排出されるオフガスは、電池反応に寄与しない未使用水素を含んでおり、オフガス供給系18によって改質器4のバーナー4aへと送られ、空気ブロワ15aを備えた燃焼空気供給系15によって送られる燃焼空気と混合され、燃焼して改質器4の加熱に有効に使用される。
【0004】
水蒸気分離器6の純水は、その一部が改質用の水蒸気とした消費されるため、燃料電池発電装置の運転中は常時純水を補給する必要がある。このため、改質器4のバーナー4aから排出される燃焼排ガスに含まれる燃焼生成水と、空気極1aから排出される空気オフガスに含まれる反応生成水を回収して用いている。すなわち、図に見られるように、燃焼排ガスと空気オフガスは凝縮器7へ送られ、冷却水により冷却されて含まれる燃焼生成水と反応生成水が凝縮され、大気開放型タンク8へと回収される。得られた回収水は、循環ポンプ9、エアー抜きボタン付き前フィルター11、イオン交換式の水処理装置10およびエアー抜きボタン付き後フィルター12を備えた水処理循環ループ14へと送られて純水化され、その一部が、改質用の水蒸気とした消費された純水を補給するために、純水補給水ポンプ20aを備えた純水補給水系20によって水蒸気分離器6へと送られている。イオン交換式の水処理装置10は、イオン交換樹脂の吸着速度の変動や樹脂塔内の偏流を防止するために、常に一定範囲内の速度で通水する必要がある。しかしながら、通常、燃料電池発電装置の改質用水蒸気の消費量は、水処理装置10の必要通水量に比べて少ないので、図示したごとく、イオン交換式の水処理系に循環系を設け、その一部を水蒸気分離器6へ送るよう構成されている。また、イオン交換式の水処理装置10で得られた純水の電気伝導度がおおよそ1[μS/cm]以上のレベルになると、燃料電池本体1の冷却板1cに供給する冷却水としては不適当であり、イオン交換樹脂の交換が必要である。したがって、図示したイオン交換式の水処理装置10では、燃料電池発電装置の発電時間が2000〜3000時間経過する毎に、樹脂塔を新しいイオン交換樹脂を充填した樹脂塔へと交換している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記のとおり、従来の燃料電池発電装置では、燃焼排ガスに含まれる燃焼生成水と空気オフガスに含まれる反応生成水を回収し、イオン交換式の水処理装置10で純化し、その一部を水蒸気分離器6へ送って改質用の水蒸気とした消費される純水を補うことにより連続的に発電運転を行っている。
【0006】
ところで、燃料電池発電装置を構成している改質器4は、高温で化学反応により水素を生成する装置であり、また燃料電池本体1は高温で発電する装置であるため、燃料電池発電装置の起動停止を行うと熱応力によって改質器4の反応触媒が物理的に破壊したり、あるいは燃料電池本体1に内蔵されたりん酸が散出したりする等の危険性がある。このため、燃料電池発電装置は、起動停止を少なくして連続して運転するのが一般的であり、通常、4000〜8000時間程度連続して運転される。これに対して、前記の水処理系に組み込まれたイオン交換式の水処理装置10では、既に述べたように2000〜3000時間毎にイオン交換樹脂の交換が行われる。したがって、燃料電池発電装置では、年間で3〜4回、あるいはそれ以上の頻度で水処理装置10のイオン交換樹脂を交換する必要がある。
【0007】
水処理装置10のイオン交換樹脂の交換作業は、水処理装置10への通水ラインに並列に設けたバイパスラインのバルブを開け、水処理装置10の前後に配したバルブを閉めて、通水をバイパスラインに切り換え、樹脂塔を新品のイオン交換樹脂を充填した樹脂塔に交換することにより行われる。樹脂塔は硬質樹脂配管や樹脂製ホース等で接続されており、交換作業の際、配管およびホース内の保有水が水落ちし配管内に空気が流入する。また、新品の水処理装置10内にはガスが含まれている。このため、水処理装置10付属のエア─抜きボタンやエアー抜きボタン付き前フィルター11、エアー抜きボタン付き後フィルター12、エアー抜きバルブ13により流入した空気を系外に排出している。
【0008】
しかしながら、このようにエアー抜きボタン付き前フィルター11やエアー抜きボタン付き後フィルター12、エアー抜きバルブ13を組み込んだものにおいても、エアー抜き部分から配管合流部までの配管の内部に溜まった空気を系外へ排出することは不可能であり、また、水処理装置10の内部や配管の内部に滞留した空気の泡が、樹脂塔の交換後しばらくしてから剥離して水処理循環ループ14に流入する可能性もあるので、樹脂塔の交換時には、必ず水処理循環ループ14に少量の空気が入ることとなる。
【0009】
このように水処理循環ループ14に空気が流入すると、水処理装置10を交換するたびに循環水中に空気が混入し、水蒸気分離器6へ補給される純水を通して燃料電池発電装置の各部へと空気が入り、改質器4の触媒の酸化を引き起こしたり、燃料電池本体1の冷却系統の配管が腐食、損傷する事態に至る危険性がある。また、水処理循環ループ14に流入する空気が多量となり、循環ポンプ9に流入する空気量が過大になると、ポンプ性能が著しく低下し、その結果、系内への純水供給量が不足して燃料電池発電装置の運転ができなくなる恐れがある。
【0010】
したがって、水処理装置10のイオン交換樹脂の交換作業の際には、樹脂塔の交換作業のみならず、水処理循環ループ14に流入した空気を、循環ポンプ9の吐出圧力や吐出流量をチェックしながら、エアー抜きバルブ13等により外部へ排出する操作を長時間にわたり行う必要があり、このため、水処理装置10のイオン交換樹脂の交換作業は、長時間の煩雑な作業を必要とするという問題点があった。
【0011】
本発明の目的は、上記のごとき従来技術の難点を解消し、回収水を純化して補充用の純水を得るイオン交換式の水処理装置のイオン交換樹脂の交換作業が容易に、かつ短時間で実施でき、メンテナンスが容易で、信頼性の高い燃料電池発電装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
水処理装置と、前記水処理装置に被処理水を供給する配管及びポンプと、前記水処理装置で純化処理された処理水を前記ポンプの入り口側の前記配管に還流する還流配管とを備える水処理系循環ループを有し、前記還流配管を流れる処理水の一部を補給水として燃料電池冷却水系に供給する燃料電池発電装置において、
(1)前記還流配管経路にバッファータンクを備え、前記処理水が前記バッファータンクを経由して還流することとする。
あるいは、
(2)前記還流配管から分岐して前記被処理水を貯留するタンクに連結する連結配管を有し、前記処理水の前記ポンプ入り口側配管への還流と、前記タンクへの還流とを切り換える切り換え手段を備えることとする。
【0013】
上記の(1)のごとく構成した燃料電池発電装置においては、イオン交換式の水処理装置のイオン交換樹脂を交換する際に水処理系に空気が混入しても、混入した空気はバッファータンクの上部に滞留することとなるので、混入空気が再度水処理系循環ループを通流することがなく、通水に用いる循環ポンプ内に混入することもない。
【0014】
また上記の(2)のごとく構成した燃料電池発電装置においては、還流配管を通流する処理水が、前記被処理水を貯留するタンク側へ還流するように上記切り替え手段を切り替えて、前記タンクに戻したのち水処理系に再度通流するように配し、その状態で、イオン交換式の水処理装置のイオン交換樹脂を交換すれば、交換作業に伴って水処理系に空気が混入しても、混入した空気は被処理水を貯留するタンク内へ排出されるので、水処理系循環ループを再度通流することがなく、通水に用いる循環ポンプ内に混入することもない。
【0015】
【発明の実施の形態】
<実施例1>
図1は、本発明の燃料電池発電装置の第1の実施例のガス系および水系の構成を示すフロー図である。
本実施例の構成と図3に示した従来例の構成との相違点は、大気開放型タンク8に回収された回収水を純化処理する水処理系循環ループ14Aの構成にあり、水処理装置10を通流した後の配管に、混入した空気を貯蔵するためのバッファータンク30を配して構成しているのが本実施例の特徴である。
【0016】
本実施例の構成においては、水処理装置10のイオン交換樹脂を交換する際に水処理系循環ループ14Aに空気が混入しても、混入した空気はバッファータンク30の上部に滞留することとなるので、再度水処理系循環ループ14Aに通流することはなく、また循環ポンプ9内に混入する恐れもない。したがって、流入した空気の抜き出し操作に従来のように長時間を懸ける必要がなく、水処理装置10のイオン交換樹脂の交換作業が容易に、かつ短時間で行えることとなる。
【0017】
また、本構成のバッファータンク30は密閉式であるため、通流する水が外気と接触することもないので、ごみの侵入や酸素等が溶存する危険性もない。エアー抜きバルブ31はバッファータンク30に貯えられた空気が過剰となったとき、これを外部へ抜き出すために用いるものである。
なお、本構成で用いられるバッファータンク30は、イオン交換樹脂の交換作業の際に流入が予想される空気量から上部の気相部の容積を決定し、処理水から空気を効率的に分離するためにバッファータンク30の内部の流下速度が 0.3[m/s ]程度以下の低速となるようにタンクの断面積を定めて構成すれば、水処理循環水から混入した空気の効果的な分離が行われることとなる。
【0018】
<実施例2>
図2は、本発明の燃料電池発電装置の第2の実施例のガス系および水系の構成を示すフロー図である。
本実施例の特徴は、水処理系循環ループ14Bのイオン交換式の水処理装置10を通流した後の配管に切り換え用バルブ32を組み込み、さらに、その前段に大気開放型タンク8との間を連結する、切り換え用バルブ33を備えた連結管を組み込んだ点にある。
【0019】
本実施例の構成において、水処理装置10のイオン交換樹脂を交換する際には、切り換え用バルブ32を開状態から閉状態へと切り換え、切り換え用バルブ33を閉状態から開状態へと切り換えて、水処理装置10を通過した水がすべて大気開放型タンク8に一旦流入したのち循環ポンプ9へ送られるようにしたのち、イオン交換樹脂の交換作業を開始する。したがって、交換作業に伴って水処理系循環ループ14Bに空気が混入しても、混入した空気は、切り換え用バルブ33を備えた連結管を通流して大気開放型タンク8に送られ、大気開放型タンク8の内部において気中へと取出されることとなり、循環ポンプ9へは空気を含まない水が送られることとなる。イオン交換樹脂の交換作業が終了すれば、切り換え用バルブ32を閉状態から開状態へ、また切り換え用バルブ33を開状態から閉状態へと戻して水処理系循環ループ14Bを元の閉回路として運転される。
【0020】
本構成においても、流入した空気の抜き出し操作に従来のように長時間を懸ける必要がなく、水処理装置10のイオン交換樹脂の交換作業が容易に、かつ短時間で行えることとなる。
【0021】
【発明の効果】
上述のように、本発明においては、燃料電池発電装置を請求項1あるいは2に記載のごとく構成することとしたので、回収水を純化して補充用の純水を得るイオン交換式の水処理装置のイオン交換樹脂の交換作業が容易に、かつ短時間で実施でき、メンテナンスが容易で、信頼性の高い燃料電池発電装置が得られることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池発電装置の第1の実施例のガス系および水系の構成を示すフロー図
【図2】本発明の燃料電池発電装置の第2の実施例のガス系および水系の構成を示すフロー図
【図3】従来の燃料電池発電装置のガス系および水系の構成を示すフロー図
【符号の説明】
1 燃料電池本体
2 脱硫器
3 エゼクタポンプ
4 改質器
4a バーナー
5 CO変成器
6 水蒸気分離器
7 凝縮器
8 大気開放型タンク
9 循環ポンプ
10 水処理装置(エアー抜きボタン付き)
11 エアー抜きボタン付き前フィルター
12 エアー抜きボタン付き後フィルター
13 エアー抜きバルブ
14,14A,14B 水処理系循環ループ
19 燃料電池冷却水系
20a 純水補給水ポンプ
30 バッファータンク
32 切り換え用バルブ
33 切り換え用バルブ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell power generation apparatus that supplies fuel gas and air obtained by reforming raw fuel gas to a fuel cell body and obtains electric energy by an electrochemical reaction, and more particularly, pure water used for reforming raw fuel gas. It is related with the structure of the water treatment system for obtaining.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell power generator is a reformer that reforms raw fuel gas such as city gas, LP gas, and methanol into a gas rich in hydrogen by steam reforming, and the reformed gas obtained by the reformer as fuel. As a main component, a fuel cell main body that generates electric power and an orthogonal transformation device that converts the direct current output of the fuel cell main body into alternating current, and the reformed gas generated by the reformer is a fuel cell power generation device The gas that is consumed inside the fuel cell main body according to the load and the utilization rate of hydrogen and that contains surplus hydrogen is led to the reformer as the exhaust gas of the fuel electrode and burned by the burner as reforming energy Is consumed.
[0003]
FIG. 3 is a flowchart showing the gas system and water system configurations of a conventional fuel cell power generator. In this figure, 1 is a fuel cell body, 2 is a desulfurizer, 3 is an ejector pump, 4 is a reformer, 5 is a CO converter, 6 is a steam separator, 7 is a condenser, 8 is an open air tank,
In this configuration, raw fuel gas such as city gas and LP gas is sucked into the
[0004]
Since a part of the pure water in the
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional fuel cell power generation device, the combustion product water contained in the combustion exhaust gas and the reaction product water contained in the air off gas are recovered and purified by the ion exchange type
[0006]
By the way, the
[0007]
The ion exchange resin exchange operation of the
[0008]
However, even in the case where the
[0009]
When air flows into the water
[0010]
Therefore, when the ion exchange resin is replaced by the
[0011]
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and to easily and shortly replace the ion exchange resin in an ion exchange type water treatment apparatus that purifies recovered water and obtains pure water for replenishment. An object of the present invention is to provide a fuel cell power generator that can be implemented in time, is easy to maintain, and has high reliability.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the present invention,
Water comprising a water treatment device, a pipe and a pump for supplying water to be treated to the water treatment device, and a reflux pipe for returning treated water purified by the water treatment device to the pipe on the inlet side of the pump In a fuel cell power generator having a treatment system circulation loop and supplying a part of treated water flowing through the reflux pipe to the fuel cell cooling water system as makeup water,
(1) A buffer tank is provided in the reflux pipe path, and the treated water is refluxed via the buffer tank.
Or
(2) A switching pipe that branches from the return pipe and connects to a tank that stores the treated water, and switches between returning the treated water to the pump inlet side pipe and returning to the tank. Means shall be provided.
[0013]
In the fuel cell power generator configured as described in (1) above, even when air is mixed into the water treatment system when the ion exchange resin of the ion exchange type water treatment device is replaced, the mixed air is not stored in the buffer tank. Since the air stays in the upper part, the mixed air does not flow again through the water treatment system circulation loop and does not enter the circulation pump used for water flow.
[0014]
Further, in the fuel cell power generator configured as described in (2) above, the switching means is switched so that the treated water flowing through the reflux pipe returns to the tank storing the treated water, and the tank If the ion exchange resin of the ion exchange type water treatment device is replaced in that state, air is mixed into the water treatment system along with the replacement work. However, since the mixed air is discharged into the tank for storing the water to be treated, it does not flow again through the water treatment system circulation loop and does not enter the circulation pump used for water flow.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<Example 1>
FIG. 1 is a flow diagram showing the configuration of a gas system and an aqueous system of a first embodiment of the fuel cell power generator of the present invention.
The difference between the configuration of the present embodiment and the configuration of the conventional example shown in FIG. 3 is the configuration of the water treatment system circulation loop 14A for purifying the recovered water collected in the
[0016]
In the configuration of the present embodiment, even when air is mixed into the water treatment
[0017]
In addition, since the
The
[0018]
<Example 2>
FIG. 2 is a flowchart showing the gas system and water system configurations of the second embodiment of the fuel cell power generator of the present invention.
The feature of the present embodiment is that a switching
[0019]
In the configuration of this embodiment, when the ion exchange resin of the
[0020]
Also in this configuration, it is not necessary to take a long time for the operation of extracting the inflowed air as in the prior art, and the ion exchange resin replacement operation of the
[0021]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, since the fuel cell power generator is configured as described in
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flow diagram showing the configuration of a gas system and an aqueous system of a first embodiment of a fuel cell power generator of the present invention. FIG. 2 is a gas system and an aqueous system of a second embodiment of the fuel cell power generator of the present invention. Fig. 3 is a flow diagram showing the configuration of a gas system and a water system of a conventional fuel cell power generator.
DESCRIPTION OF
11 Front filter with
Claims (2)
前記還流配管経路にバッファータンクを備え、前記処理水が前記バッファータンクを経由して還流することを特徴とする燃料電池発電装置。Water comprising a water treatment device, a pipe and a pump for supplying water to be treated to the water treatment device, and a reflux pipe for returning treated water purified by the water treatment device to the pipe on the inlet side of the pump In a fuel cell power generator having a treatment system circulation loop and supplying a part of treated water flowing through the reflux pipe to the fuel cell cooling water system as makeup water,
A fuel cell power generator comprising a buffer tank in the reflux piping path, wherein the treated water is refluxed via the buffer tank.
前記還流配管から分岐して前記被処理水を貯留するタンクに連結する連結配管を有し、前記処理水の前記ポンプ入り口側配管への還流と、前記タンクへの還流とを切り換える切り換え手段を備えることを特徴とする燃料量電池発電装置。Water comprising a water treatment device, a pipe and a pump for supplying water to be treated to the water treatment device, and a reflux pipe for returning treated water purified by the water treatment device to the pipe on the inlet side of the pump In a fuel cell power generator having a treatment system circulation loop and supplying a part of treated water flowing through the reflux pipe to the fuel cell cooling water system as makeup water,
A switching pipe that branches from the reflux pipe and connects to a tank that stores the water to be treated; and includes a switching unit that switches between reflux of the treated water to the pump inlet side pipe and reflux to the tank. A fuel quantity battery power generator characterized by the above.
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