JP3909001B2 - 次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムに関するものである。特に、次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を生成する過程に於いて副生成する主成分が水素のガスを精製した後に、燃料電池に供給し、その水素と大気中の酸素とを電気化学的反応により発電する燃料電池から発生した電力を次亜塩素酸塩生成装置が必要とする電力量の全てまたは一部を供給する燃料電池発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図１２に示すように、塩化アルカリ水溶液の電解装置部は、電解槽１、塩化アルカリ溶液貯槽２、電解用電源３、次亜塩素酸塩含有溶液貯槽４から構成されている。
【０００３】
塩化アルカリ塩８と原水７を調製した液を塩化アルカリ溶液貯槽２から液輸送ポンプ５を介して電解槽１に供給し、電解用電源３の直流電力による電気分解で次亜塩素酸塩含有溶液が生成され次亜塩素酸塩含有溶液貯槽４に送られる。
【０００４】
次亜塩素酸塩含有溶液貯槽４では、液循環ポンプ６と次亜塩素酸塩含有溶液循環系９で循環保存され、次亜塩素酸塩含有溶液液送系１０から負荷側に送られる。一方、電解槽１と次亜塩素酸塩含有溶液貯槽４で固液分離された水素ガス２２は微粒子状の同伴液を分離するデミスタ２４を介して燃料電池発電系に送られる。
【０００５】
燃料電池発電系は、固体高分子型燃料電池２１と空気ブロア２３で構成され、燃料室側には水素ガス２２が、酸化剤室側には空気ブロア２３を介して酸化剤ガス２５としての空気が供給され直流電力の回収電力２６を出力し、併せて、燃料電池高位排熱２７を汚泥処理装置の熱源に利用するように構成していた。
【０００６】
また、上記電解槽１と次亜塩素酸塩含有溶液貯槽４で固液分離された水素ガス２２は微粒子状の同伴液を分離するデミスタ２４を介して燃料電池発電系に送られていた。
【０００７】
従来の塩化アルカリ水溶液の電解装置部は、図１３に示すように、電解槽３０、塩化アルカリ溶液貯槽４０、次亜塩素酸塩受槽５４から構成されている。塩溶液解槽と飽和塩水槽を有する塩化アルカリ溶液貯槽４０から飽和塩水を塩水ポンプ４４、ライン６６を介して電解槽３０に送出する。電解槽３０の給水は、原水を供給する給水経路３２、原水を軟水に改質する給水器３４、軟水を貯蔵する給水槽３６、給水ポンプ３８、ライン６５を経て電解槽３０へ軟水を供給する。
【０００８】
電解槽３０から液送される次亜塩素酸塩溶液は、ライン６８と６９を経て次亜塩素酸塩受槽５４へ一時的に保存され、次亜塩素酸塩溶液循環ポンプ５２、冷却器５０を経て電解槽３０に戻す循環ラインと、ポンプ５６、ライン７１を経て次亜塩素酸塩貯蔵槽５８へ液送し、次亜塩素酸塩溶液供給ラインにより需要に応じて次亜塩素酸塩溶液注入ポンプ６０を介して次亜塩素酸塩溶液６２を外部へ供給する。
【０００９】
電解槽３０は電気分解により次亜塩素酸塩溶液を生成する際に、水素ガスを主成分とする副生成ガスを発生する。この副生成ガスは、水封安全器４６を経てガス希釈ファン４８によりガス希釈した後に配管５３を介して排気され、大気へ放散させていた。
【００１０】
図１４は従来の隔膜電解法の電解槽のブロック図である。電解槽３０は、隔膜７８を隔てて陽極７４と陰極７６の一対の電極を配置し、陽極７４側に塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）溶液８０を供給し、陰極７６側に水（Ｈ２Ｏ）溶液８２を供給し、塩化ナトリウトと水とを混合することなく高濃度の次亜塩素酸塩類（ＮａＣｌＯ）を製造する。この過程で、水素（Ｈ２）を主成分とする副生成ガス８４を発生させていた。
【００１１】
【特許文献１】
再公表特許ＷＯ００／５９８２５（第１４頁、第１５頁、第1０図）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の如く、従来の次亜塩素酸塩水溶液の製造設備及び水処理設備は、次亜塩素酸塩の生成過程で発生する副生成ガスをデミスタに通過させて燃料電池へ供給しているが、次亜塩素酸塩生成装置から発生する副生成ガスには、塩素（Ｃｌ２）又は塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）等の燃料電池にとって有害な成分も含まれている。
【００１３】
また、燃料電池の電気化学的反応に適する酸素（０２）濃度や湿度を維持する必要もある。さらに、燃料電池の冷却系から温排熱等を回収して有効に活用する効率の高い次亜塩素酸塩生成装置と燃料電池とのコンビネーション発電システムの出現が期待されている。
【００１４】
本発明は、斯かる実情に鑑み、コンバインド型の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムを提供することを目的とする。また、燃料電池から発生するエネルギーや物質を含む多数の生成物を次亜塩素酸塩生成装置で再利用することを目的とするものである。
【００１５】
また本発明は、次亜塩素酸塩生成装置の冷却排熱を利用し、自然エネルギーや夜間電力を使用する運転方式を併用して次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムを提供することを目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明による次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図１又は図１０に示すように、電気分解工程により電解槽１０６内に水素ガスを主成分とする副生成ガスを発生する次亜塩素酸塩生成装置１０２と、次亜塩素酸塩生成装置１０２から送出される副生成ガスから不純物を除去し水素ガスを通過させるガス洗浄器８６と、酸化剤ガス２５と、ガス洗浄器８６から送出される水素ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池１０４と、を備える。
【００１７】
ここで、ガス洗浄器は、乾式方式のガス洗浄器８６ａの他に、湿式方式として底部に水封部を有し、循環液と副生成ガスが気液接触により水溶性の塩素及び塩化ナトリウムを含む塩化物や電解槽１０６から発生する水素以外の揮発物を除去するガス洗浄器８６を用いることができる。また、酸化剤ガス２５は酸素または空気を使用することができる。さらに、燃料電池１０４は固体高分子型燃料電池や燐酸型燃料電池を使用することができる。なお、循環液は除去濃度により陰極電解液の水又は陽極電解液の塩基性液（ＮａＯＨ）若しくは食塩水を使用することができる。
【００１８】
このように構成すると、不純物（塩素又は塩化ナトリウム等）を除去した水素ガスを燃料電池１０４へ供給することができ、燃料電池を劣化させず、発電効率を高め、寿命を延長させることができる。
【００１９】
また、請求項１に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図１に示すように、ガス洗浄器８６と燃料電池１０４との間に配置され、ガス洗浄器８６から送出される副生成ガスの酸素濃度を調整する酸素濃度調整器１１４をさらに有する。
【００２０】
ここで酸素濃度調整器１１４は、副生成ガス中の酸素と水素を触媒に反応させて酸素を水に変換して酸素を除去する触媒反応器を用いることができる。また、ゼオライトモリキラーシーブス、活性炭、又は、金属錯体等の酸素吸着剤を充填した吸着装置を用いることができる。
【００２１】
このように構成すると、酸素を除去した水素ガスを燃料電池１０４へ供給することができ、燃料電池１０４に適した水素と酸化剤ガス２５とを電気化学的反応により発電することができ、燃料電池１０４を劣化させず、発電効率を高め、寿命を延長させることができる。
また、請求項２にかかる発明による請求項１に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図１０に示すように、酸素濃度調整器１１４で酸素を除去したガスの一部を次亜塩素酸塩生成装置１０２から送出される副生成ガスと混合させる循環経路９７をさらに有する。
【００２２】
上記目的を達成するために、請求項３にかかる発明による請求項１又は２に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図８に示すように、燃料電池１０４の出力端子１０５から出力する直流電圧を次亜塩素酸塩生成装置１０２の電源として使用するものである。
【００２３】
このように構成すると、系統電源２０６へ固定周波数の交流電力を供給しながら、直流電圧を燃料電池１０４の出力端子１０５から取り出すので、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２と系統連系インバータ２０４を経由させて整流する直流電圧変換に比して、電力変換効率を高めることができる。
【００２４】
上記目的を達成するために、請求項４にかかる発明による請求項１又は２に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図１に示すように、ガス洗浄器８６へ電解槽１０６内の陰極電解液を送出しガス洗浄液として使用するものである。
【００２５】
このように構成すると、電解槽１０６内の陰極電解液を利用でき、システム内で循環させて使用することができる。
【００２６】
上記目的を達成するために、請求項５にかかる発明による請求項１又は請求項２に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図１に示すように、酸素濃度調整器１１４と燃料電池１０４との間に配置され、水素ガスの湿度を調整する湿度調整器１２０と１２２をさらに有する。
【００２７】
ここで、湿度調整器１２０と１２２は吸湿性材料を用いて、例えば、シリカゲルのような水分を吸脱着する材料で構成するものである。
【００２８】
このように構成すると、水分を除去した水素ガスを燃料電池１０４へ供給することができ、燃料電池１０４に適した湿度の水素と酸化剤ガス２５とを電気化学的反応により発電することができ、燃料電池１０４を劣化させず、発電効率を高め、寿命を延長させることができる。
【００２９】
上記目的を達成するために、請求項６にかかる発明による請求項５に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図３及び図５に示すように、湿度調整器は、第１と第２の湿度調整器を有し、第１の湿度調整器１２０を休止させ第２の湿度調整器１２２を稼動させている状態において、第１の湿度調整器１２０の機能を回復させる再生熱源を燃料電池１０４の排熱から供給するものである。
【００３０】
ここで、第１の湿度調整器１２０を休止させ第２の湿度調整器１２２を稼動させる手段は、図３に示すように、再生ガス加熱器１４４から供給する加熱再生ガス１５４をバルブ１４８、ライン１５５を介して第１の湿度調整器１２０へ供給する。一方、第２の湿度調整器１２２は精製された水素ガスがバルブ１１８を介して供給され、通常の湿度調整をすることができる。また、燃料電池１０４の排熱は燃料電池の出力ライン１８６（図５参照）、再生ガス加熱器の入力ライン１５２を経由して熱交換器１８０（図５参照）へ供給する温排熱であり、再生ガス加熱器の出力ライン１５３を経由して燃料電池へ回収する。
【００３１】
このように構成すると、第２の湿度調整器１２２により燃料発電システムを運転しながら、燃料電池１０４の温排熱から熱交換した再生ガスを連続的に第１の湿度調整器１２０へ送出して湿度調整剤を再生し、再利用させることができる。
【００３２】
上記目的を達成するために、請求項７にかかる発明による請求項５に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図３及び図４に示すように、湿度調整器は、第１と第２の湿度調整器を有し、第１の湿度調整器１２０を休止させ第２の湿度調整器１２２を稼動させている状態において、第１の湿度調整器１２０の機能を回復させる再生熱源を電解槽３０の冷却排熱から供給するものである。
【００３３】
ここで、第１の湿度調整器１２０を休止させ第２の湿度調整器１２２を稼動させる手段は、図３に示すように、再生ガス加熱器１４４から供給する加熱再生ガスをバルブ１４８、ライン１５５を介して第１の湿度調整器１２０へ供給する。一方、第２の湿度調整器１２２は精製された水素ガスがバルブ１１８を介して供給され、通常の湿度調整をすることができる。また、電解槽３０の冷却排熱は冷却器５０から再生ガス加熱器の入力ライン１５２へ供給する温排熱であり、ライン１５３を介して回収する。
【００３４】
このように構成すると、第２の湿度調整器１２２により燃料発電システムを運転しながら、電解槽３０を冷却する冷却器５０の冷却排熱から熱交換した再生ガスを連続的に第１の湿度調整器１２０へ送出して湿度調整剤を再生し、再利用させることができる。
【００３５】
上記目的を達成するために、請求項８にかかる発明による請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図１及び図５に示すように、燃料電池１０４から生成する純水を、電解槽１０６へ給水する給水装置とを備える。
【００３６】
ここで、給水装置は、図５に示すように、燃料電池１０４から純水としての生成水をライン１８４と１８５を介して次亜塩素酸塩生成装置１０２内の電解槽１０６へ給水するものである。
【００３７】
上記目的を達成するために、請求項９にかかる発明による請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図１に示すように、酸素濃度調整器１１４の下流に配置され、酸素濃度調整器１１４で高温化した副生成ガスを冷却する冷却装置１１６をさらに有する。
【００３８】
ここで酸素濃度調整器１１４は、副生成ガス中の酸素と水素を触媒に反応させて酸素を水に変換して酸素を除去する触媒反応器を用いることができる。また、ゼオライトモリキラーシーブス、活性炭、又は、金属錯体等の酸素吸着剤を充填した吸着装置を用いることができる。
【００３９】
このように構成すると、酸素を除去した水素ガスを燃料電池１０４へ供給することができ、燃料電池１０４に適した水素と酸化剤ガス２５とを電気化学的反応により発電することができ、燃料電池１０４を劣化させず、発電効率を高め、寿命を延長させることができる。
【００４０】
上記目的を達成するために、請求項１０にかかる発明による請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図５に示すように、風力又は太陽光を含む自然エネルギー源から転換された第１の電力１７４及び、燃料電池１０４から発電する第２の電力１８８を、次亜塩素酸塩生成装置１０２へ選択的に供給する電力切換装置１１１を備える。
【００４１】
ここで、風力から転換された第１の電力は風力発電設備１７２から発電した電力であり、太陽光から転換された第１の電力は太陽光発電器１７０から発電した電力である。また、電力切換装置１１１は、コンピュータを含む制御装置１１３により制御される電磁リレーや半導体スイッチングデバイスを使用することができる。
【００４２】
このように構成すると、自然エネルギ源から転換された電力と燃料電池１０４から発電する電力を切換若しくは併用して次亜塩素酸塩生成装置１０２へ供給することができる。
【００４３】
上記目的を達成するために、請求項１１にかかる発明による請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図１及び図６に示すように、湿度調整器１２０、１２２から送出される水素ガスと反応し、水素を貯蔵する水素貯蔵装置１９０と、夜間は商用電力により運転する次亜塩素酸塩生成装置１０２から送出される水素を水素貯蔵装置１９０へ貯蔵し、夜間以外の時間帯に、水素貯蔵装置１９０から水素ガスを取り出し燃料電池１０４へ供給して発電し、燃料電池１０４から出力する電力を次亜塩素酸塩生成装置１０２へ供給する制御装置１１３（図５参照）と、を備える。
【００４４】
ここで、水素貯蔵装置１９０の水素貯蔵材料としては、ＴｉＦｅ系、ＭｍＮｉ５系、若しくは、ＺｒＮｉ合金をベースとしてＺｒおよびＮｉの一部を他元素で置換した３元系以上の組成からなる水素吸蔵合金を用いることができる。また、制御装置１１３はコンピュータやマイクロプロセッサを使用し昼夜に亘る発電システムの制御を処理することができる。
【００４５】
このように構成すると、夜間は商用電力から次亜塩素酸塩生成装置１０２を運転して送出される水素を水素貯蔵装置１９０へ貯蔵し、夜間以外の日中の時間帯に、水素貯蔵装置１９０から水素ガスを取り出し燃料電池１０４へ供給して発電し、燃料電池１０４から出力する電力を次亜塩素酸塩生成装置１０２へ供給することができる。
【００４６】
上記目的を達成するために、請求項１２にかかる発明による請求項１１に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図７に示すように、水素貯蔵装置１９０は、水素ガスと反応して水素を吸収する水素吸蔵合金を含み、水素吸蔵合金から水素を取り出す熱源を電解槽３０の冷却排熱から供給するものである。
【００４７】
ここで、冷却排熱は、電解槽３０に隣接して配置された冷却器５０から供給される温排熱である。
【００４８】
このように構成すると、夜間に水素貯蔵装置１９０に吸収させた水素を日中に電解槽３０の冷却排熱から供給する熱源により取り出して燃料電池１０４から発電することができ、発電した電力を次亜塩素酸塩生成装置１０２へ供給することができる。
【００４９】
上記目的を達成するために、請求項１３にかかる発明による請求項１１に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図６に示すように、水素貯蔵装置１９０は、水素ガスと反応して水素を吸収する水素吸蔵合金を含み、水素吸蔵合金から水素を取り出す熱源を燃料電池１０４の排熱から供給するものである。
【００５０】
ここで、燃料電池１０４の排熱は、燃料電池１０４の出力ライン１８６から水素貯蔵装置１９０内部の熱交換器１８０へ供給される温排熱である。
【００５１】
このように構成すると、夜間に水素貯蔵装置１９０に吸収させた水素を日中に燃料電池１０４の排熱から供給する熱源により取り出して燃料電池１０４へ供給し発電することができ、発電した電力を次亜塩素酸塩生成装置１０２へ供給することができる。
【００５２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。図１から図１１は発明を実施する形態の一例であって、図中、図と同一または類似の符号を付した部分は同一物または相当物を表わし、重複した説明は省略する。
【００５３】
図１は、本発明による第１の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。燃料電池発電システムは、燃料電池１０４と、次亜塩素酸塩生成装置としての次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２と、燃料電池１０４と次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２との間に配置されるガス精製装置１００とを備える。
【００５４】
次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２は、電解槽１０６と、次亜塩素酸塩受槽１０８と、次亜塩素酸塩を液送するポンプ１２１とを備え、電解槽１０６の中で水と塩化ナトリウムとを電気分解し、陽極１３０側の槽で発生する次亜塩素酸ナトリウムをライン１３６から気水分離器１３９へ送り、ライン１３７を介して次亜塩素酸塩受槽１０８へ一時的に保存する。
【００５５】
次亜塩素酸塩受槽１０８は、次亜塩素酸塩溶液処理を受ける処理水の需要に応じて次亜塩素酸塩をポンプ１２１により外部へ供給する。また、電解槽１０６の陰極１３２側に存在する塩基性液は、ライン１３８を介してガス精製装置１００内の洗浄液タンク１２６へ液送される。
【００５６】
ガス精製装置１００は、ガスブロア１０９と、ガスブロア１０９の下流に配置したガス洗浄器８６と、ガス洗浄器８６の下流に配置したデミスタ１１０と、デミスタ１１０の下流に配置した活性炭吸着塔１１２と、活性炭吸着塔１１２の下流に配置した酸素濃度調整器１１４と、酸素濃度調整器１１４の下流に配置した冷却装置１１６と、冷却装置１１６の下流に配置した湿度調整器１２０及び１２２と、湿度調節器の下流に配置した水素貯蔵装置１２４と、洗浄液タンク１２６とを備え、洗浄液タンク１２６からポンプ１２８によりガス洗浄器８６の上部へ吸収液を液送するように構成されている。
【００５７】
また、ガス精製装置１００は、副生成水素ガスの酸素濃度や湿度、湿分が燃料電池１０４にとって電気化学的反応に適した状態まで除去して、酸素濃度や湿度、湿分を燃料電池１０４にとって適切な状態にまで精製する。
【００５８】
本実施の形態では、ガス精製装置１００をガス洗浄器８６、酸素濃度調整器１１４、及び、湿度調整器１２０、１２２により構成し、次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ）生成装置１０２から副生成した副生成ガスをライン１３６に通過させガスブロア１０９により吸込み、底部に水封部を設けたガス洗浄器８６に移送する。
【００５９】
ガス洗浄器８６は、循環液としての水又は軟水と副生成ガスが気液接触することにより 塩素（Ｃｌ２）又は水酸化ナトリウムの水溶性不純物を除去する。このガス洗浄器８６は、主に酸性成分の除去を目的とするので、吸収液は塩基性液が望ましい。図示すように電解槽１０６内部の陰極１３２側または陰極１３２の出口近傍から、陰極電解液の全部または一部を吸収液としてガス洗浄器８６に使用すると良い。
【００６０】
また、電解槽１０６とは別に不図示の塩基性液（ＮａＯＨ）タンクを用意し、塩基性液（ＮａＯＨ）タンクから吸収液をガス洗浄器８６に供給しても良い。その後、洗浄に使用した液は電解槽１０６の陽極１３０側の槽に回収しても良く。若しくは、電解槽１０６の給水用として使用しても良い。
【００６１】
燃料電池１０４は、ガス精製装置１００からライン１４２を介して供給される水素ガスと酸化剤ガス２５としての空気又は酸素との電気化学的反応により直流電気を発電する。
【００６２】
ここで、本実施の形態で使用する水素を燃料とする燃料電池１０４には、アルカリ型、燐酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、及び、固体高分子型の燃料電池があり、比較的小型であり、オンサイト型でメインテナンスが容易な燐酸型燃料電池や固体高分子型燃料電池を使用することが望ましい。
【００６３】
上記燃料電池１０４は、酸化剤ガス２５として酸素或いは空気を用い、常圧から３気圧程度で運転される。燃料電池１０４の運転温度は、固体高分子型が室温から８０℃、燐酸型が１９０℃から２２０℃である。
【００６４】
固体高分子型は、室温近傍での運転で操作、保守が容易であるのに対して、燐酸型は比較的高温であるため燃料電池の排熱温度が約１７０℃と高く排熱の有効利用が期待される。また、燃料電池は直流発電であるから、この燃料電池１０４の出力端子から出力若しくはＤＣ／ＤＣコンバータを介して次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２の電気分解用の電源に使用することができる。
【００６５】
次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２は、上水道および下水道などの消毒用として使用する次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を消毒現場で生成する装置である。所謂、オンサイトの次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２は、食塩と水を原料として、ＮａＣｌ＋Ｈ２Ｏ＝ＮａＣｌＯ＋Ｈ２の化学反応により次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を生成する。この化学反応の過程で副生成物として水素ガスが発生する。
【００６６】
上記電解槽１０６内で発生する副生成物は、化学反応上は水素であるが、実際には電解槽１０６に隔膜１７８を配置しても、電解槽１０６内の次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を生成する過程で発生する不純物としての塩素（Ｃｌ２）や塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）などの燃料電池１０４にとって有害となる成分も含まれている。
【００６７】
図１を参照して、ガス精製装置１００の動作について説明をする。上記ガス洗浄器８６の下流にライン１４０を経由して適宜デミスタ１１０を設け、デミスタ１１０の下流に活性炭吸着塔１１２を設置する。デミスタ１１０は、固液分離された水素ガスの微粒子状の同伴液を分離するために使用するものである。また、活性炭吸着塔１１２は水素ガスに同伴する不純物を吸着するために用いられる。
【００６８】
次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２から発生する副生成ガスには、酸素（０２）が含まれている。ガス洗浄器８６や活性炭吸着塔１１２では燃料電池１０４にとって適切な酸素濃度まで副生成ガスを調整できないため、更に下流には酸化触媒等を利用した酸素濃度調整器１１４を設置する。酸素濃度調整器１１４は、副生成ガス中の酸素と水素を触媒に反応させて酸素を水に変換し酸素を除去する触媒反応器を用いることができる。
【００６９】
また、酸素濃度調整器１１４は、ゼオライトモリキラーシーブス、活性炭、又は、金属錯体等の酸素吸着剤を充填した吸着装置を用いることができるが、他に酸素を吸着できる手段としては、コバルトシッフ塩基の金属錯体を共役系配位子と低酸化数金属イオンからなる錯体に構成し、酸素分子を可逆的に吸脱着することもできる。
【００７０】
さらに、酸素濃度調整器１１４の下流に設けられた冷却装置１１６は、酸素濃度調整器１１４内部で触媒反応により高温化した副生成水素ガスを冷却する。冷却装置１１６の下流にはツイン方式又はマルチ方式の湿度調整器１２０と１２２を設けることができる。上述の如く、副生成ガスの湿度に対応して湿度調整器１２０を有効に機能させることができる。
【００７１】
上記湿度調節器１２０、１２２の下流に配置された水素貯蔵装置１２４は、除湿された副生成水素ガスをライン１４１から導入し、内部に蓄蔵する。貯蔵した水素ガスは適宜、ライン１４２を経由し燃料電池１０４へ供給され、燃料電池１０４は水素ガスと酸化剤ガスとしての空気２５と電気化学的反応により直流電力を発電する。
【００７２】
図２は、本発明による第１の実施の形態である燃料電池発電システムに用いるガス洗浄器８６の模式的な系統図である。本実施の形態では、副生成ガスから塩素又は水酸化ナトリウムの除去濃度に基づいて塩基性液（洗浄液）に代えて水を使用することもできる。例えば、軟水化した原水を給水槽３６へ貯留してから、給水ポンプ３８、供給ライン７２を経由してガス洗浄器８６の上部シャワーノズルから水を供給することもできる。
【００７３】
ガス洗浄器８６は、給水槽３６に貯留した軟水を給水ポンプ３８により液送し、ライン７２を介して水の供給を受ける。ガス洗浄器８６の底部液溜め中に吹き込まれる副生成水素ガスは、ガスブロワ１０９からライン８８を通じて供給されガス洗浄器８６内部を上昇する。ガス洗浄器８６内部で副生成ガスと気液接触して塩素（Ｃｌ２）又は水酸化ナトリウムを吸収した軟水は、底部液溜めを経由しライン１３５内部で自然流下し電解槽１０６（図１参照）へ回収される。一方、塩素（Ｃｌ２）又は水酸化ナトリウムを除去した副生成水素ガスはガス洗浄器８６の上部からライン１４０を介してデミスタ１１０（図１参照）へ送出される。
【００７４】
図３は、本発明による第１の実施の形態である燃料電池発電システムに用いる湿度調整器の模式的な系統図である。湿度調整器は、内部を通過する副生成ガスの連続除湿運転を遂行するために、少なくとも第１の湿度調整器１２０と第２の湿度調整器１２２を含むツイン方式又はマルチ方式に構成するのが望ましい。
【００７５】
ライン１５０は、三方弁としてのバルブ１１８により、２本のラインに分岐され、各々湿度調整器１２０と湿度調整器１２２の導入口に接続されている。ライン１５０からバルブ１１８の上流側で分岐され再生ガス加熱器１１４を介して三方弁としてのバルブ１４８に接続されている。
【００７６】
ライン１５１は、バルブ１４８により２本のライン１５５とライン１５６に分岐され、ライン１５５とライン１５６は各々バルブ１１８から分岐され湿度調節器１２０、１２２に接続されるラインに合流する。
【００７７】
再生ガス加熱器１４４には、再生ガス加熱用の熱源を導入するライン１５２と同じく熱源を送出するライン１５３が接続されている。
【００７８】
ライン１５９は、三方弁としてのバルブ１４６により、２本のライン１５７とライン１５８に分岐され、各々湿度調整器１２０と湿度調整器１２２の送出口に接続されている。この湿度調整器１２０と湿度調整器１２２の送出口側には、ライン１５７から分岐するラインとライン１５８から分岐するラインとを合流させるライン１４１が接続されている。
【００７９】
上記バルブ１１８を操作し副生成ガスを第１の湿度調整器１２０に流入させるのを停止し、第２の湿度調整器１２２へ副生成ガスを通過させ除湿処理を稼動させるようにガス通過経路を変更する。そして、第１の湿度調整器１２０内部に充填した除湿剤の再生用熱源を燃料電池の排熱から得ることができる。
【００８０】
燃料電池の排熱は、再生ガス加熱器１４４のライン１５２から導入し、熱交換器１４４を通過させライン１５３を経由して回収される。精製ガスは冷却装置１１６から送出され、ライン１５０とライン１５１を経由し再生ガス加熱器１４４に導入され燃料電池の排熱と熱交換をする。
【００８１】
加熱された精製ガスは、再生ガス１５４としてライン１５１を通過しバルブ１４８、ライン１５５を介して第１の湿度調整器１２０の内部へ導入される。再生ガスは、第１の湿度調整器１２０内部に充填した湿度調整剤を加熱し吸湿性を回復させる。再生ガスは出力ライン１５８、バルブ１４６、ライン１５９を介してガスブロワ吸込（不図示）へ送出される。
【００８２】
第１の湿度調整器１２０の再生処理中に、第２の湿度調整器１２２は通常の湿度調整運転を遂行している。即ち、冷却装置１１６から送出された精製ガスは、バルブ１１８を介して第２の湿度調整器１２２へ導入され、湿度を除去する湿度調整が施される。湿度調整済みの精製ガスは、出力ライン１４１を介して水素貯蔵装置へ送出される。
【００８３】
上記実施の形態では、第１の湿度調整器を湿度調整器１２０とし、第２の湿度調整器を湿度調整器１２２として説明をしたが、第１と第２の湿度調整器を切り替えて、第１の湿度調整器を湿度調整器１２２とし、第２の湿度調整器を湿度調整器１２０として構成することもできる。
【００８４】
この場合、バルブ１１８とバルブ１４８を切替えて、加熱された精製ガスを再生ガス１５４として第１の湿度調整器１２２の内部へ導入することにより除湿効果を回復させることができる。
【００８５】
さらに、ガス精製装置１００の稼働率を上げる場合には、バルブ１１８とバルブ１４８を切替えて、冷却装置１１６から送出される精製ガスを第１の湿度調整器１２０と第２の湿度調整器１２２へ同時に供給し、副生成水素ガスの湿度を除去して湿度調整をすることができる。
【００８６】
図４は、本発明による第２の実施の形態である次亜塩素酸ナトリウム生成装置の模式的な系統図である。上記実施の形態では、湿度調整器の再生熱源を燃料電池の排熱を用いたが、本実施の形態では電解槽３０を冷却する冷却器５０の温排熱を利用する。
【００８７】
電解槽３０から生成する次亜塩素酸ナトリウムは、ライン６８から気液分離器１３９ａに供給し、気液分離した後にライン６９を経由して次亜塩素酸塩受槽５４へ一時的に保存し、次亜塩素酸塩溶液循環ポンプ５２、冷却器５０を経由して電解槽３０に還流する還流経路を循環する。
【００８８】
上記冷却器５０は、冷却液タンク１６０からポンプ１６２によりライン５１を介して冷却液を導入し出力ライン１６４を経由して上述した再生ガス加熱器１４４（図３参照）へ温排熱を送出し、副生成水素ガスと熱交換をした後にライン１６８を経由して冷却液を冷却液タンク１６０へ回収する。このように、電解槽３０の冷却排熱を湿度調整器の機能を回復させる再生熱源として利用することができる。
【００８９】
図示した次亜塩素酸ナトリウム生成装置は、電解槽３０、塩化アルカリ溶液貯槽４０、次亜塩素酸塩受槽５４、次亜塩素酸塩貯層５８から構成し、塩溶液解槽と飽和塩水槽を有する塩化アルカリ溶液貯槽４０から飽和塩水を塩水ポンプ４４、ライン６６を介して電解槽３０に送出する。
【００９０】
上記塩水ポンプ４４の駆動制御は、飽和塩水槽内の塩水量を測定する計測メータ４２の測定値に基づき、飽和塩水の増量に応じて塩水ポンプ４４を駆動し電解槽３０へ飽和塩水を供給するように構成する。また、電解槽３０への給水は、原水を供給する給水経路３２、原水を軟水に改質する給水器３４、軟水を貯蔵する給水槽３６、給水ポンプ３８、ライン６５を経て電解槽３０へ軟水を供給する。
【００９１】
電解槽３０から送出される次亜塩素酸ナトリウムは、ライン６８を介して気液分離器１３９ａに供給し、気液分離した後にライン６９を経て次亜塩素酸塩受槽５４へ一時的に保存され、次亜塩素酸塩溶液循環ポンプ５２、冷却器５０を経て電解槽３０に戻す循環ラインと、ポンプ５６、ライン７１を経て次亜塩素酸塩貯蔵槽５８へ液送し、次亜塩素酸塩溶液供給ラインにより需要に応じて次亜塩素酸塩溶液注入ポンプ６０を介して次亜塩素酸塩溶液６２を外部へ供給する。
【００９２】
電解槽３０は、電気分解により次亜塩素酸塩溶液を生成する際に、水素ガスを主成分とする副生成ガスを発生する。この副生成ガスは、ライン６８から気液分離器１３９ａを経てライン１４３を経由することでガス精製装置へ供給されるように構成する。
【００９３】
図５は、本発明による第３の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。燃料電池発電システムは、次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２と、燃料電池１０４と、ガス精製装置１００と、自然エネルギ源から転換された第１の電力としての発生電力１７４及び燃料電池１０４から発電する第２の電力１８８としての発生電力を選択的に切り換える電力切換装置１１１とを備える。
【００９４】
本実施の形態では、商用電源が送電されていない。即ち、商用電力が利用できない環境においても、次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２と燃料電池１０４をコンバインして発電システムとして稼動するように構成する。発電システムの起動時には、制御装置１１３の電源は太陽光発電設備１７０又は風力発電設備１７２若しくは不図示の充放電システムのようなバッテリから供給する。
【００９５】
次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２の必要電力は、風力又は太陽光などの自然エネルギーにより得られた第１の電力１７４と、燃料電池１０４から発生する第２の電力１８８を併用することができる。すなわち、自然エネルギを転換した直流電圧だけでは次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２が消費する電気分解の電力が不足する場合には、電力切換装置１１１を操作して燃料電池１０４から発電した直流電圧の電力を補助的に次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２へ供給することができる。
【００９６】
ここで、太陽光発電設備１７０が自然エネルギーを十分に利用できる時間帯である昼間は、自然エネルギーである太陽光線を利用して第１の電力を頼りに次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２から次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を生成する。
【００９７】
次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を生成する過程で副生成および副生成した次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）と水素の余剰分を上述した次亜塩素酸塩貯蔵タンクおよび水素タンクに貯留する。
【００９８】
消毒用次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）は、通年必要であるが、自然エネルギーだけでは次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２への電力供給が不足する状態においては、次亜塩素酸塩タンクに貯留した次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を使用する。
【００９９】
その後、貯留した次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）が消費され貯留量が不足した段階で、貯留している水素を使用して燃料電池１０４から電気化学的反応により発電を行う。その発生電力を次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２へ供給して次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２を駆動し、次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を生成し、消毒用として供始することができる。なお、燃料電池１０４から得た直流電力をバッテリへ供給し再充電することもできる。
【０１００】
次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２は、１０ｋｇ／時の有効塩素量の次亜塩素酸塩を生産でき、有効塩素生産に要する電力は４．５ｋＷｈ／ｋｇである。有効塩素生産の電流効率は平均６５％である。このとき陰極より発生する水素ガス量は約４．８Ｎｍ３／時である。
【０１０１】
次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２から発生する副生成水素ガスを使用して、燃料電池１０４の出力として約５．６ｋＷ の直流電力が得られ、電解槽で消費された電力の約１２％が電気エネルギーとして回収することができる。
【０１０２】
また、燃料電池１０４の電気化学的反応により生成水を回収し、次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２内の電解槽へ供給する。
【０１０３】
このように適正規模の風力や太陽光等の自然エネルギー利用の発電設備１７０と１７２と、次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２、及び、燃料電池１０４を協働させて使用することにより、商用電源を全く必要としない自己完結型の次亜塩素酸塩生成装置とコンバインする燃料電池発電システムを提供することができる。
【０１０４】
さらに、燃料電池１０４の生成物として電力の他に、排熱や、純水が取り出せるので、本実施の形態では、自己完結型の次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２とコンバインする燃料電池発電システムを提供することができる。本実施の形態では、自己完結型のシステムは次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２と燃料電池１０４の生成物、例えば、温排熱、水、電力、水素燃料等を相互に供給して、外部からの補給に頼らずに運転を維持することができるシステムを意味する。
【０１０５】
燃料電池１０４は、燃料である水素と酸素から作られる生成水を次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２内部の電解槽の給水として利用する。燃料電池１０４の生成水はライン１８５と１８４を介して次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２へ送流して、陰極側の電解液として使用することができる。また、ライン１８４の給水口から補給水を次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２へ送流し、不足分を補うこともできる。
【０１０６】
図６は、本発明による第４の実施の形態である燃料電池発電システムに適用する水素貯蔵装置の系統図である。水素貯蔵装置１９０は、内部に水素吸蔵合金を備え、上流にライン１９１を接続し、下流にライン１９２を介して燃料電池１０４を接続し、燃料電池１０４の排熱経路としてのライン１８６を熱交換器１８０を経由させて燃料電池１０４へ回収させる循環経路を有する。また、水素貯蔵装置１９０は、湿度調整器から送出された精製ガス（副生成水素ガス）を導入して、内部の水素吸蔵合金に吸蔵させることができる。
【０１０７】
水素吸蔵合金の材料としては、例えば、ＴｉＦｅ系、ＭｍＮｉ５系、若しくは、ＺｒＮｉ合金をベースとしてＺｒおよびＮｉの一部を他元素で置換した３元系以上の組成からなり、その結晶構造はＣｒＢ構造からなる水素吸蔵材料を用いることができる。
【０１０８】
吸蔵した水素は、燃料電池１０４の排熱をライン１８６から水素貯蔵装置１９０内部の熱交換器１８０に導入し、水素吸蔵合金から水素ガスを取り出す。取り出した水素ガスはライン１９２を介して燃料電池１０４へ供給し、水素ガスと酸化剤ガス２５との電気化学的反応による直流発電をすることができる。
【０１０９】
次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２（図５参照）とガス精製装置１００（図５参照）と燃料電池１０４を含む発電システムの運転パターンを例示すると、比較的安価な夜間電力を活用して、ガス精製装置１００と燃料電池１０４との間に水素貯蔵装置１９０を配置し、夜間に生成した水素を、水素貯蔵装置１９０に貯蔵する。
【０１１０】
水素貯蔵装置１９０に貯蔵した水素をデータイム、即ち昼間に燃料電池１０４へ供給して電気化学的反応により発電する。この発電した電力により昼間の次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２が必要とする全電力又は補助電力を供給することができる。
【０１１１】
水素貯蔵装置１９０は、水素吸蔵合金を使用し、水素吸蔵合金から水素を放出するために必要な熱源を次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２（図５参照）内部の電解槽３０を冷却する又は電解槽３０を循環する電解液を冷却する冷却器５０の冷却排熱を利用する（図４参照）。
【０１１２】
図７は、本発明による第４の実施の形態である次亜塩素酸ナトリウム生成装置の模式的な系統図である。飽和塩水系、給水系、電解槽３０、次亜塩素酸塩貯蔵槽５８は上記実施の形態と同一の機器を使用することができるので、重複する説明を省略する。
【０１１３】
冷却器５０は、次亜塩素酸ナトリウム受槽５４と次亜塩素酸塩溶液循環ポンプ５２を介して接続され、電解槽３０とライン６７を介して接続され、冷却液タンク１９８とポンプ２０１及びライン１９６を介して接続され、水素貯蔵装置１９０とライン１９４を介して接続されている。
【０１１４】
冷却液を冷却液タンク１９８からポンプ２０１によりライン１９６を介して冷却器５０へ導入し、導入した冷却液をライン１９４から水素貯蔵装置１９０を経由して冷却液タンク１９８へ循環させる。また、冷却器５０は、次亜塩素酸塩受槽５４から次亜塩素酸塩溶液循環ポンプ５２を介して注入する次亜塩素酸塩溶液を冷却してから、電解槽３０へライン６７を介して供給する次亜塩素酸塩溶液の循環ラインを有する。
【０１１５】
冷却器５０の出力へ接続するライン１９４は、水素貯蔵装置１９０へ温排熱を送出し、熱交換をした後に冷却液タンク１９８へ冷却液を回収することで、電解槽３０の冷却排熱を水素貯蔵装置１９０から水素を取り出す熱源として利用することができる。
【０１１６】
図８は、本発明による第５の実施の形態で使用する燃料電池ユニットの系統図である。燃料電池ユニット２００は、ガス精製装置１００と、ガス精製装置１００に接続する燃料電池１０４と、燃料電池１０４に接続したＤＣ／ＤＣコンバータ２０２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２に接続した系統連系インバータ２０４とを備える。
【０１１７】
燃料電池ユニット２００は、水素を含む副生成水素ガスを入力ライン１８３から導入して、副生成ガスをガス精製装置１００により精製した後に水素ガスをライン１４２を経由させ燃料電池１０４へ供給し、酸化剤ガスとしての空気２１４と電気化学的反応により直流電力を発電する。
【０１１８】
燃料電池１０４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２と系統連系インバータ２０４とを介して、負荷２０８に接続する系統電源２０６に固定周波数の電力を供給する。燃料電池１０４の出力は、約５０ボルトの直流電圧である。
【０１１９】
電解槽の電気分解に必要とされる電力は、燃料電池１０４の出力端子１０５から直接又はＤＣ／ＤＣコンバータを介して供給することができる。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２と系統連系インバータ２０４としてのＤＣ／ＡＣインバータを経由して交流電圧出力を直流へ整流するための電力損失を低減させることができ、電力変換効率が優れる次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２と燃料電池ユニット２００とのコンバインシステムを提供することができる。
【０１２０】
図９は、本発明の実施の形態である燃料電池発電システムに適用する酸素濃度調整器１１４の系統図である。酸素濃度調整器１１４は、前処理工程部１１７と貴金属触媒１１９を備え、活性炭吸着塔１１２からポンプ１１５を介して送出される副生成ガスから酸素を除去して水素ガスを冷却装置１１６へ送り、燃料電池１０４の燃料としての水素ガス中の酸素を除去し酸素濃度を調整する。
【０１２１】
酸素濃度調整器１１４内の前処理工程部１１７は、フィルタと余熱部を備え、副生成ガスを例えば、前処理工程部１１７により燃焼バーナや電気ヒータを用いて約７００℃以上の高温に加熱し副生成ガスを酸化分解して酸素濃度を低下させることができる。
【０１２２】
また、本実施の形態では、プラチナやパラジウムなどの貴金属触媒１１９を使用することもでき、上記前処理工程部１１７内で例えば約３００℃程度の予熱処理を施してから貴金属触媒１１９を通過させ同様に酸素濃度を低下させる調整処理を施すことができる。この場合、貴金属触媒１１９の燃焼工程はランニングコストが低く、触媒活性化が高いので酸素濃度調整器１１４を小型化することができる。
【０１２３】
さらに、酸素濃度調整器１１４に用いる酸素ガスの吸着剤としては、ビニル芳香族アミノとアルキルアクリレート又はアルキルメタアクリレートとの共重合体と、メソーテトラ（α，α，α，α−ｏ−ピバルアミドフェニル）ポルフィナト金属（ＩＩ）錯体とから成る高分子錯体をハニカム構造に構成して用いることもできる。
【０１２４】
貴金属触媒１１９は、外形を丸型若しくは角型のハニカム構造に構成し、予熱された副生成水素ガスを浄化、即ち酸素を除去し水素を通過させる形式の他に、予熱処理を施さずに貴金属触媒１１９に交流電圧を印加して通電過熱式触媒を使用する形式を用いることができる。
【０１２５】
本実施の形態では、広範囲の副生成ガスの流量又はガス温度に対応することができ、大風量の副生成ガスを貴金属触媒１１９に通過させて酸素濃度を低下させる方式や、湿度の高い副生成ガスをシーズヒータによりガス加熱した後に貴金属触媒１１９に通過させる方式や、貴金属触媒１１９に直接電流を流して自己発熱させて触媒作用を促進させる方式を採用することができる。特に、貴金属触媒１１９に直接電流を流す方式は、熱効率が高く、反応効率も高いので湿度の低い副生成ガスの酸素除去処理をする場合には有利である。
【０１２６】
また、酸素濃度調整器１１４の下流には適宜、冷却装置１１６を設けて酸素濃度調整器１１４から送出する副生成ガスの温度を低下させる。
【０１２７】
図１０は、本発明による第６の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。燃料電池発電システムは、上述した実施の形態と同様の燃料電池１０４、次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２の構成を用いることができるため、重複する説明を省略する。
【０１２８】
ガス精製装置１００は、ライン１３６から供給される燃料ガスが移動する順序に従い、ガス洗浄器８６ａと、デミスタ１１０と、活性炭吸着塔１１２と、酸素濃度調整器１１４と、冷却装置１１６と、湿度調整器１２０及び１２２と、水素貯蔵装置１２４と、を備えている。
【０１２９】
次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２は、上述した通り、上水道および下水道などの消毒用として使用する次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を消毒現場で生成する装置である。所謂、オンサイトの次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２は、食塩と水を原料として、ＮａＣｌ＋Ｈ２Ｏ＝ＮａＣｌＯ＋Ｈ２の化学反応により次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を生成するが、この化学反応の過程で副生成物として水素ガスが発生する。
【０１３０】
副生成物は、化学反応上は水素であるが、実際には電解槽１０６に隔膜７８を配置しても、電解槽１０６内の次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を生成する過程で発生する不純物としての塩素（Ｃｌ２）や塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）などの燃料電池１０４にとって有害となる成分も含まれている。
【０１３１】
また、本実施の形態では、水素ガスの酸素濃度や湿度、湿分が燃料電池１０４にとって電気化学的反応に適した状態まで除去して、酸素濃度や湿度、湿分を燃料電池１０４にとって適切な状態にまで精製する。
【０１３２】
ここで、ガス精製装置１００をガス洗浄器８６ａ、酸素濃度調整器１１４、及び、湿度調整器１２０、１２２により構成し、次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）生成装置１０２から副生成した副生成ガスをガス洗浄器８６ａに移送する。
【０１３３】
ガス洗浄器８６ａは、円筒状または立方体状の容器を鉛直方向に立設し、内部に高分子機能素材９１を充填する乾式処理方式のガス洗浄器として機能する。例えば、高分子機能素材としてゼオライト等の無機イオン交換体や、イオン交換樹脂の有機イオン交換体を使用することができる。
【０１３４】
また、上記有機イオン交換体は、耐熱性が無機イオン交換体に比して低いため、高温下でガス洗浄を行う場合は、耐熱性の高い無機イオン交換体を用いるとよい。但し、本発明を限定するもではなく、例えば、副生成水素に含まれる塩素ガスの吸収力が高い各種のイオン交換基を任意に選択し乾式処理方式のガス洗浄器８６ａに用いることができる。
【０１３５】
さらに、有機イオン交換体の中でも、放射線グラファイト重合法により製造した有機イオン交換基は、従来のイオン交換ビーズに比して不織布、又は織布、若しくは不織布と織布の集合体、並びに空隙性材料等の高分子成形体に導入することができるため、塩素ガスの除去には好適である。
【０１３６】
上記イオン交換基は、例えば、第４級アンモニウム基、第３級アミノ基以下の低級アミノ基が塩素ガスと直接反応するため好適であるが、第４級アンモニウム基と第３級アミノ基の双方を含むイオン交換基も塩素ガスの除去に有効である。
【０１３７】
典型的には、トリエチレンジアミンをクロロメチルスチレン重合体に導入したイオン交換基を用いることができ、スルホン酸基、燐酸基、及びカルボキシル基のようなカチオン交換基も塩素ガスの高吸収剤として用いることができる。このカチオン交換基をナトリウム（Ｎａ）やカリウム（Ｋ）等の金属塩型に構成し、塩素ガス（Ｃｌ２）と反応させ金属塩化物として固定除去することができる。
【０１３８】
さらに、上記金属酸化物をイオン交換体に担持させたアニオン交換基又はカチオン交換基の何れの交換基を用いることができる。例えば、アニオン交換体上にマンガン酸化物を担持させた交換基を用いることができる。
【０１３９】
このように、乾式処理方式のガス洗浄器８６ａは、電解槽１０６からライン１３６とガスブロワ１０９を経由して供給される水素ガスと塩素ガスの混合ガスから塩素ガスを除去する高分子機能素材９１を、例えば不織布により構成し内部に充填するだけで塩素ガスを吸着させ、下流のデミスタ１１０へ水素ガスを供給することができ湿式処理方式に比して構成が簡易である。
【０１４０】
また、洗浄液タンク１２６や液送ポンプ１２８等の追加の設備を必要としないため、塩素ガスを除去するための洗浄液を液送するポンプ駆動電力も洗浄液タンク１２６の設置面積も不用である。
【０１４１】
したがって、乾式処理方式のガス洗浄器８６ａは、設置が容易で設備の保守管理も簡略化することができる。例えば、塩素ガスの吸収力を回復させるために不織布を交換すれば足りる。
【０１４２】
上述したように、次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２から副生する水素ガスには酸素が含まれている。この副生成水素ガスは、次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２を長時間停止した後に再起動する際、又は電解槽１０６内の電極やイオン交換膜が劣化した状態のときに、酸素濃度が上昇する場合がある。この副生成水素ガス中の酸素濃度が数パーセント以上の値に達すると爆発限度を超えるため、安全上このような酸素濃度状態でシステムを稼動させることを回避しなければならない。
【０１４３】
本実施の形態では、このような所定の酸素濃度状態でシステムを稼動させないように、ガス精製装置１００は、電解槽１０６から副生成水素ガスをライン１３６、ガスブロワ１０９、ガス洗浄器８６ａ、デミスタ１１０、活性炭吸着塔１１２を経由して、酸素濃度調整器１１４へ供給する本流経路と、この酸素濃度調整器１１４から酸素濃度を調整した水素ガスを冷却装置１１６、制御バルブ９３を経由してガスブロワ１０９の吸入口へ循環させる循環経路９７とを備え、酸素濃度調整器１１４から冷却装置１１６を介して移送される酸素を除去した水素ガスの一部をバイパスし、高濃度の酸素ガスを含む副生成水素ガスと混合させてガスブロワ１０９の吸入口へ供給するように構成する。
【０１４４】
このように構成することで、ガス精製装置１００は、ガスブロワ１０９、ガス洗浄器８６ａ、デミスタ１１０、活性炭吸着塔１１２の各々内部を通過する副生成水素ガス中の酸素濃度を減少させることができ、爆発限度を超える状態を回避することができる。
【０１４５】
上記循環経路９７は、副生成水素ガス中の酸素濃度が変動しても、酸素濃度の絶対値を所定レベルの低い値に維持させることができるため、酸素濃度の変動のピーク値が爆発限度を超える事態を未然に防止する。
【０１４６】
したがって、本実施の形態では、循環経路９７を具備しないシステムにおいて実施する次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２が長期間停止した後に再起動をする際に、副生成水素ガス中の酸素濃度が低下又は安定するまで副生成水素ガスを系外へ放出するという、環境上好ましくない状況や副生ガス放出期間中は燃料電池１０４へ副生成水素ガスの供給を停止することによる発電量の減少という不利益を解消することができる。
【０１４７】
また、ガス精製装置１００は、制御バルブ９３を開閉駆動する駆動モータ９５とガスブロワ１０９の入口配管内に設けた酸素センサ１０３により副生成水素ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出器１０７をさらに備え、副生成水素ガス中の酸素濃度に基づき制御バルブ９３を開閉制御し、上述した循環経路９７を通過する酸素を除去した水素ガス量を可変制御して本流経路中の酸素濃度を低下させる。
【０１４８】
上記酸素濃度検出器１０７から出力される出力信号に応じて制御バルブ９３の開閉度を制御するため、電解槽１０６内の電極やイオン交換膜が劣化し本流経路内の酸素濃度が上昇したときは、次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２を停止せずに、酸素濃度検出器１０７からガスブロワ１０９の入口配管内に設けた酸素センサ１０３により副生成水素ガス中の酸素濃度を検出し、予め設定した酸素濃度上限値（爆発限度から充分に低い値）と比較しながら、制御バルブ９３を開閉制御する。
【０１４９】
すなわち、副生成水素ガス中の酸素濃度が高いときは、制御バルブ９３の開閉度を増加させ循環経路９７を通過する水素ガス量を増加させ、副生成水素ガス中の酸素濃度が低い場合は、制御バルブ９３の開閉度を減少させ循環経路９７を通過する水素ガス量を減少させるように可変制御を実行する。
【０１５０】
また、酸素濃度検出器１０７は、酸素センサ１０３から検出信号を受信し制御バルブ９３を開閉させる出力信号を出力するまでの応答時間が数十秒以上を必要とする場合であっても、上述した酸素濃度上限値を爆発限度から充分に低い値に予め設定することにより、本流経路内の酸素濃度を爆発限度を超えないように制御することができる。
【０１５１】
この酸素濃度上限値の設定は、副生成水素ガス中の酸素濃度変動速度と酸素濃度検出器１０７の応答速度に依存するが、本実施の形態のように、少なくとも循環経路９７を設けているため、本流経路の酸素濃度の上昇速度が緩和されると共に、本流経路中の酸素濃度が爆発限度を超えるまでの時間を延ばすことができる。
【０１５２】
さらに、酸素濃度検出器１０７は、酸素センサ１０３から検出信号を受信し制御バルブ９３を開閉させるように制御しているため、ガスブロワ１０９に吸入される副生成水素ガスの酸素濃度を一定に保つことができる。
【０１５３】
上記酸素濃度検出器１０７は、応答速度が数十秒必要であり、本流経路中の酸素濃度が爆発限度を超えないように、余裕のある酸素濃度上限値を設定しているが、本流経路中の酸素濃度を常時監視することで、酸素濃度検出器１０７の応答速度を補完することができる。
【０１５４】
本実施の形態では、酸素濃度調整器１１４の上流側８１と下流側８３を通過する副生成水素ガスの温度を検出する温度検出器８５、８９を各々設け、この上流側の温度検出器８５と下流側の温度検出器８９からの出力信号に基づき、上流側と下流側との温度差を演算する演算器８７を備える。温度検出器８５、８９により応答性を向上した酸素濃度監視系統を構成する。
【０１５５】
酸素濃度調整器１１４内に充填されるプラチナやバナジウム等の貴金属触媒の温度変化と酸素濃度は比例関係にある。この貴金属触媒は、酸素濃度調整器１１４を通過する副生成水素ガス中の酸素と反応し応答性が高い温度変化を示すため、酸素濃度調整器１１４の上流側と下流側を通過する副生成水素ガス温度を検出するだけで酸素濃度を測定することができる。
【０１５６】
また、上記触媒の温度変化は、触媒の劣化等によりシステムの長時間運転により経時的な変化をする場合がある。この場合、外部から酸素濃度調整器１１４の上流側と下流側を通過する副生成水素ガス中の酸素濃度を検出し、通過中の副生成水素ガス温度と酸素濃度との相関をとり、定期的に校正作業を実施し演算器８７へ校正データを再入力することで酸素濃度検出の精度を維持させることができる。例えば、ガルバニ電極式の酸素検出器により副生成水素ガス中の酸素濃度を検出し、校正作業を遂行する。
【０１５７】
図１１は、本発明による第７の実施の形態である燃料電池発電システムに適用する湿度調整器の系統図である。湿度調整器は、ガス精製装置１００又は燃料電池発電システムを連続運転するように、少なくとも第１の湿度調整器１２０と第２の湿度調整器１２２を含むツイン方式又はマルチ方式に構成するのが望ましい。この場合、第１の湿度調整器１２０を休止させて除湿剤の再生用熱源として酸素濃度調整器１１４から約４００℃のガスを得ることができる。
【０１５８】
ライン１５０は、三方弁としてのバルブ１１８により、２本のラインに分岐され、各々湿度調整器１２０と湿度調整器１２２の導入口に接続されている。
【０１５９】
酸素濃度調整器１１４から高温の副生成水素ガスを供給するラインは、バルブ１４８により２本のライン１５５とライン１５６に分岐され、ライン１５５とライン１５６は各々バルブ１１８から分岐され湿度調節器１２０、１２２に接続されるラインに合流する。
【０１６０】
ライン１５９は、上述した実施の形態と同様に、三方弁としてのバルブ１４６により、２本のライン１５７とライン１５８に分岐され、各々湿度調整器１２０と湿度調整器１２２の送出口に接続されている。この湿度調整器１２０と湿度調整器１２２の送出口側には、ライン１５７から分岐するラインとライン１５８から分岐するラインを三方弁としてのバルブ１６１に接続され、バルブ１６１の下流側にライン１４１が接続されている。
【０１６１】
上記バルブ１１８を操作し副生成水素ガスを第１の湿度調整器１２０に流入させるのを停止し、第２の湿度調整器１２２へ副生成水素ガスを通過させ除湿処理を稼動させるようにガス通過経路を変更する。そして、第１の湿度調整器１２０内部に充填した除湿剤の再生用熱源を酸素濃度調整器１１４から供給される高温ガスから得ることができる。
【０１６２】
酸素濃度調整器１１４から送出されるガスは、再生ガスとしてバルブ１４８、ライン１５５を介して第１の湿度調整器１２０の内部へ導入され、湿度調整剤を加熱して吸湿性を回復させる。再生ガスは出力ライン１５８、バルブ１４６を介してガスブロワ吸込（不図示）へ送出される。例えば、ガスブロワ吸込は、ガス洗浄器８６ａ（図１０参照）の上流に設けられたガスブロア１０９（図１０参照）の吸込口を用いて再生ガスを還流させることができ、また、不図示のガスブロアにより再生ガスを酸素濃度調整器１１４（図１０参照）の上流に還流させることもできる。
【０１６３】
第１の湿度調整器１２０の再生処理中に、第２の湿度調整器１２２は通常の湿度調整運転を遂行している。即ち、酸素濃度調整器１１４から送出された精製ガスは、冷却装置１１６を経由しバルブ１１８を通過して第２の湿度調整器１２２へ導入され、湿度の調整が施される。湿度調整済みの精製ガスは、３方弁としてのバルブ１６１を経由し出力ライン１４１を介して水素貯蔵装置へ送出される。
【０１６４】
上記実施の形態では、第１の湿度調整器を湿度調整器１２０とし、第２の湿度調整器を湿度調整器１２２として説明をしたが、バルブ１１８、バルブ１４８、バルブ１４６、及びバルブ１６１を切替えて、第１と第２の湿度調整器を入れ替え、第１の湿度調整器を湿度調整器１２２とし、第２の湿度調整器を湿度調整器１２０として構成することもできる。
【０１６５】
この場合、酸素濃度調整器１１４から送出されるガスは、再生ガスとしてバルブ１４８、ライン１５６を介して第１の湿度調整器１２２の内部へ導入され、湿度調整剤を加熱して吸湿性を回復させる。再生ガスは出力ライン１５７、バルブ１４６、出力ライン１５９を介してガスブロワ１０９等の吸込口へ送出される。
【０１６６】
このように、酸素濃度調整器１１４の出口ガス温度が約４００℃の高温に達しているため、この高温ガスを湿度調整器１２０又は１２２の内部に充填した除湿剤の再生ガスとして利用することができ、上述した燃料電池１０４の排ガスを用いなくとも十分な再生効果を得ることができる。
【０１６７】
さらに、ガス精製装置１００の稼働率を上げる場合には、バルブ１１８、バルブ１４８、バルブ１４６、及びバルブ１６１を切替えて、第１の湿度調整器１２０と第２の湿度調整器１２２へ冷却装置１１６から副生成水素ガスを供給し同時に除湿機能を発揮させ、除湿材の寿命を伸ばしながら、副生成ガスの湿度を調整することができる。
【０１６８】
以上説明したように、本実施の形態により、次亜塩素酸塩生成装置において次亜塩素酸塩を生成する過程で副生成する水素を主成分とする副生成ガスを、燃料電池の燃料として使用できる。
【０１６９】
また、この次亜塩素酸塩生成装置とコンバインする燃料電池発電システムに風力や太陽光などの自然エネルギーを利用した発電装置を組み込むことにより、外部電源を必要としないだけでなく排出物もない自己完結型の次亜塩素酸塩生成装置から水素燃料の供給を受ける燃料電池発電システムを提供することができる。
【０１７０】
さらに、次亜塩素酸塩類は、水に溶解して漂白剤、殺菌剤など酸化剤として、上水処理、排水処理、病院や歯科医院などで使用される消毒水、家庭の台所用や洗濯用の水溶液など幅広い分野で使用することができる。
【０１７１】
特に、近年飲料水その他を供給する浄水場において、従来消毒、殺菌用として塩素処理に塩素ガスや次亜塩素酸ソーダの投入が行われていたが、これら薬品の毒性，臭気などを原因とする環境調和性や化学的不安定性など運用、管理上の問題からオンサイトで次亜塩素酸ソーダ水溶液を製造し、それを使用する方法が採用されつつある。
【０１７２】
また、塩化アルカリ溶液の電気分解による次亜塩素酸塩溶液製造は、電解効率も低いが、本発明によって、次亜塩素酸塩製造装置から発生する副生成ガスから不純物を除去して水素ガスを精製し、燃料として燃料電池により発電することにより、燃料電池の劣化を防止し寿命を延長させることができる。
【０１７３】
さらに、次亜塩素酸塩製造装置から発生する水素ガスを燃料として燐酸型燃料電池や固体高分子型燃料電池などの発電ユニットを運転し、発電電力を次亜塩素酸塩製造装置内の電解用電源として用いるオンサイト型の次亜塩素酸塩溶液生成装置と燃料電池発電システムを提供することができる。
【０１７４】
尚、本発明の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、上述の図示例にのみ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変更を加え得ることは勿論である。
【０１７５】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の請求項１乃至１３記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムによれば、次亜塩素酸塩生成装置から発生する水素ガスを燐酸型燃料電池や固体高分子型燃料電池などの燃料として使用できる程度に精製することができる燃料電池発電ユニットを提供するという優れた効果を奏し得る。
【０１７６】
また、次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムに風力や太陽光などの自然エネルギーを利用した発電装置を組み込むことにより、外部電源を必要としない、排出物も低減した自己完結型の次亜塩素酸塩生成装置及び燃料電池発電システムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。
【図２】第１の実施の形態に適用するガス洗浄器の模式的な系統図である。
【図３】第１の実施の形態に適用する湿度調整器の模式的な系統図である。
【図４】第２の実施の形態である次亜塩素酸ナトリウム製造装置の模式的な系統図である。
【図５】第３の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。
【図６】第４の実施の形態に適用する水素貯蔵装置の系統図である。
【図７】第４の実施の形態である次亜塩素酸ナトリウム製造装置の模式的な系統図である。
【図８】第５の実施の形態で使用する燃料電池ユニットの系統図である。
【図９】本発明の実施の形態で使用する酸素濃度調整器の系統図である。
【図１０】第６の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。
【図１１】第７の実施の形態で使用する湿度調整器の模式的な系統図である。
【図１２】従来の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムのブロック図である。
【図１３】従来の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムのブロック図である。
【図１４】従来の次亜塩素酸塩生成装置の電解槽のブロック図である。
【符号の説明】
３０ 電解槽
５０ 冷却器
５４ 次亜塩素酸塩受槽
５８ 次亜塩素酸塩貯蔵槽
８５ 温度検出器
８６ ガス洗浄器
８６ａ ガス洗浄器
８７ 演算器
８９ 温度検出器
９１ 高分子機能素材
１００ ガス精製装置
１０２ 次亜塩素酸塩生成装置
１０４ 燃料電池
１０６ 電解槽
１０８ 次亜塩素酸塩受槽
１１０ デミスタ
１１１ 電力切換装置
１１２ 活性炭吸着塔
１１３ 制御装置
１１４ 酸素濃度調整器
１１６ 冷却装置
１１９ 貴金属触媒
１２０ 湿度調整器
１２２ 湿度調整器
１２４ 水素貯蔵装置
１２６ 洗浄液タンク
１４４ 再生ガス加熱器
１５４ 加熱再生ガス
１６０ 冷却液タンク
１７０ 太陽光発電設備
１７２ 風力発電設備
１８０ 熱交換器
１９０ 水素貯蔵装置
１９８ 冷却液タンク
２００ 燃料電池ユニット
２０２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２０４ 系統連系インバータ
２０６ 系統電源
２０８ 負荷
２１４ 空気
【発明の属する技術分野】
本発明は次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムに関するものである。特に、次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を生成する過程に於いて副生成する主成分が水素のガスを精製した後に、燃料電池に供給し、その水素と大気中の酸素とを電気化学的反応により発電する燃料電池から発生した電力を次亜塩素酸塩生成装置が必要とする電力量の全てまたは一部を供給する燃料電池発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図１２に示すように、塩化アルカリ水溶液の電解装置部は、電解槽１、塩化アルカリ溶液貯槽２、電解用電源３、次亜塩素酸塩含有溶液貯槽４から構成されている。
【０００３】
塩化アルカリ塩８と原水７を調製した液を塩化アルカリ溶液貯槽２から液輸送ポンプ５を介して電解槽１に供給し、電解用電源３の直流電力による電気分解で次亜塩素酸塩含有溶液が生成され次亜塩素酸塩含有溶液貯槽４に送られる。
【０００４】
次亜塩素酸塩含有溶液貯槽４では、液循環ポンプ６と次亜塩素酸塩含有溶液循環系９で循環保存され、次亜塩素酸塩含有溶液液送系１０から負荷側に送られる。一方、電解槽１と次亜塩素酸塩含有溶液貯槽４で固液分離された水素ガス２２は微粒子状の同伴液を分離するデミスタ２４を介して燃料電池発電系に送られる。
【０００５】
燃料電池発電系は、固体高分子型燃料電池２１と空気ブロア２３で構成され、燃料室側には水素ガス２２が、酸化剤室側には空気ブロア２３を介して酸化剤ガス２５としての空気が供給され直流電力の回収電力２６を出力し、併せて、燃料電池高位排熱２７を汚泥処理装置の熱源に利用するように構成していた。
【０００６】
また、上記電解槽１と次亜塩素酸塩含有溶液貯槽４で固液分離された水素ガス２２は微粒子状の同伴液を分離するデミスタ２４を介して燃料電池発電系に送られていた。
【０００７】
従来の塩化アルカリ水溶液の電解装置部は、図１３に示すように、電解槽３０、塩化アルカリ溶液貯槽４０、次亜塩素酸塩受槽５４から構成されている。塩溶液解槽と飽和塩水槽を有する塩化アルカリ溶液貯槽４０から飽和塩水を塩水ポンプ４４、ライン６６を介して電解槽３０に送出する。電解槽３０の給水は、原水を供給する給水経路３２、原水を軟水に改質する給水器３４、軟水を貯蔵する給水槽３６、給水ポンプ３８、ライン６５を経て電解槽３０へ軟水を供給する。
【０００８】
電解槽３０から液送される次亜塩素酸塩溶液は、ライン６８と６９を経て次亜塩素酸塩受槽５４へ一時的に保存され、次亜塩素酸塩溶液循環ポンプ５２、冷却器５０を経て電解槽３０に戻す循環ラインと、ポンプ５６、ライン７１を経て次亜塩素酸塩貯蔵槽５８へ液送し、次亜塩素酸塩溶液供給ラインにより需要に応じて次亜塩素酸塩溶液注入ポンプ６０を介して次亜塩素酸塩溶液６２を外部へ供給する。
【０００９】
電解槽３０は電気分解により次亜塩素酸塩溶液を生成する際に、水素ガスを主成分とする副生成ガスを発生する。この副生成ガスは、水封安全器４６を経てガス希釈ファン４８によりガス希釈した後に配管５３を介して排気され、大気へ放散させていた。
【００１０】
図１４は従来の隔膜電解法の電解槽のブロック図である。電解槽３０は、隔膜７８を隔てて陽極７４と陰極７６の一対の電極を配置し、陽極７４側に塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）溶液８０を供給し、陰極７６側に水（Ｈ２Ｏ）溶液８２を供給し、塩化ナトリウトと水とを混合することなく高濃度の次亜塩素酸塩類（ＮａＣｌＯ）を製造する。この過程で、水素（Ｈ２）を主成分とする副生成ガス８４を発生させていた。
【００１１】
【特許文献１】
再公表特許ＷＯ００／５９８２５（第１４頁、第１５頁、第1０図）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の如く、従来の次亜塩素酸塩水溶液の製造設備及び水処理設備は、次亜塩素酸塩の生成過程で発生する副生成ガスをデミスタに通過させて燃料電池へ供給しているが、次亜塩素酸塩生成装置から発生する副生成ガスには、塩素（Ｃｌ２）又は塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）等の燃料電池にとって有害な成分も含まれている。
【００１３】
また、燃料電池の電気化学的反応に適する酸素（０２）濃度や湿度を維持する必要もある。さらに、燃料電池の冷却系から温排熱等を回収して有効に活用する効率の高い次亜塩素酸塩生成装置と燃料電池とのコンビネーション発電システムの出現が期待されている。
【００１４】
本発明は、斯かる実情に鑑み、コンバインド型の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムを提供することを目的とする。また、燃料電池から発生するエネルギーや物質を含む多数の生成物を次亜塩素酸塩生成装置で再利用することを目的とするものである。
【００１５】
また本発明は、次亜塩素酸塩生成装置の冷却排熱を利用し、自然エネルギーや夜間電力を使用する運転方式を併用して次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムを提供することを目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明による次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図１又は図１０に示すように、電気分解工程により電解槽１０６内に水素ガスを主成分とする副生成ガスを発生する次亜塩素酸塩生成装置１０２と、次亜塩素酸塩生成装置１０２から送出される副生成ガスから不純物を除去し水素ガスを通過させるガス洗浄器８６と、酸化剤ガス２５と、ガス洗浄器８６から送出される水素ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池１０４と、を備える。
【００１７】
ここで、ガス洗浄器は、乾式方式のガス洗浄器８６ａの他に、湿式方式として底部に水封部を有し、循環液と副生成ガスが気液接触により水溶性の塩素及び塩化ナトリウムを含む塩化物や電解槽１０６から発生する水素以外の揮発物を除去するガス洗浄器８６を用いることができる。また、酸化剤ガス２５は酸素または空気を使用することができる。さらに、燃料電池１０４は固体高分子型燃料電池や燐酸型燃料電池を使用することができる。なお、循環液は除去濃度により陰極電解液の水又は陽極電解液の塩基性液（ＮａＯＨ）若しくは食塩水を使用することができる。
【００１８】
このように構成すると、不純物（塩素又は塩化ナトリウム等）を除去した水素ガスを燃料電池１０４へ供給することができ、燃料電池を劣化させず、発電効率を高め、寿命を延長させることができる。
【００１９】
また、請求項１に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図１に示すように、ガス洗浄器８６と燃料電池１０４との間に配置され、ガス洗浄器８６から送出される副生成ガスの酸素濃度を調整する酸素濃度調整器１１４をさらに有する。
【００２０】
ここで酸素濃度調整器１１４は、副生成ガス中の酸素と水素を触媒に反応させて酸素を水に変換して酸素を除去する触媒反応器を用いることができる。また、ゼオライトモリキラーシーブス、活性炭、又は、金属錯体等の酸素吸着剤を充填した吸着装置を用いることができる。
【００２１】
このように構成すると、酸素を除去した水素ガスを燃料電池１０４へ供給することができ、燃料電池１０４に適した水素と酸化剤ガス２５とを電気化学的反応により発電することができ、燃料電池１０４を劣化させず、発電効率を高め、寿命を延長させることができる。
また、請求項２にかかる発明による請求項１に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図１０に示すように、酸素濃度調整器１１４で酸素を除去したガスの一部を次亜塩素酸塩生成装置１０２から送出される副生成ガスと混合させる循環経路９７をさらに有する。
【００２２】
上記目的を達成するために、請求項３にかかる発明による請求項１又は２に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図８に示すように、燃料電池１０４の出力端子１０５から出力する直流電圧を次亜塩素酸塩生成装置１０２の電源として使用するものである。
【００２３】
このように構成すると、系統電源２０６へ固定周波数の交流電力を供給しながら、直流電圧を燃料電池１０４の出力端子１０５から取り出すので、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２と系統連系インバータ２０４を経由させて整流する直流電圧変換に比して、電力変換効率を高めることができる。
【００２４】
上記目的を達成するために、請求項４にかかる発明による請求項１又は２に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図１に示すように、ガス洗浄器８６へ電解槽１０６内の陰極電解液を送出しガス洗浄液として使用するものである。
【００２５】
このように構成すると、電解槽１０６内の陰極電解液を利用でき、システム内で循環させて使用することができる。
【００２６】
上記目的を達成するために、請求項５にかかる発明による請求項１又は請求項２に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図１に示すように、酸素濃度調整器１１４と燃料電池１０４との間に配置され、水素ガスの湿度を調整する湿度調整器１２０と１２２をさらに有する。
【００２７】
ここで、湿度調整器１２０と１２２は吸湿性材料を用いて、例えば、シリカゲルのような水分を吸脱着する材料で構成するものである。
【００２８】
このように構成すると、水分を除去した水素ガスを燃料電池１０４へ供給することができ、燃料電池１０４に適した湿度の水素と酸化剤ガス２５とを電気化学的反応により発電することができ、燃料電池１０４を劣化させず、発電効率を高め、寿命を延長させることができる。
【００２９】
上記目的を達成するために、請求項６にかかる発明による請求項５に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図３及び図５に示すように、湿度調整器は、第１と第２の湿度調整器を有し、第１の湿度調整器１２０を休止させ第２の湿度調整器１２２を稼動させている状態において、第１の湿度調整器１２０の機能を回復させる再生熱源を燃料電池１０４の排熱から供給するものである。
【００３０】
ここで、第１の湿度調整器１２０を休止させ第２の湿度調整器１２２を稼動させる手段は、図３に示すように、再生ガス加熱器１４４から供給する加熱再生ガス１５４をバルブ１４８、ライン１５５を介して第１の湿度調整器１２０へ供給する。一方、第２の湿度調整器１２２は精製された水素ガスがバルブ１１８を介して供給され、通常の湿度調整をすることができる。また、燃料電池１０４の排熱は燃料電池の出力ライン１８６（図５参照）、再生ガス加熱器の入力ライン１５２を経由して熱交換器１８０（図５参照）へ供給する温排熱であり、再生ガス加熱器の出力ライン１５３を経由して燃料電池へ回収する。
【００３１】
このように構成すると、第２の湿度調整器１２２により燃料発電システムを運転しながら、燃料電池１０４の温排熱から熱交換した再生ガスを連続的に第１の湿度調整器１２０へ送出して湿度調整剤を再生し、再利用させることができる。
【００３２】
上記目的を達成するために、請求項７にかかる発明による請求項５に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図３及び図４に示すように、湿度調整器は、第１と第２の湿度調整器を有し、第１の湿度調整器１２０を休止させ第２の湿度調整器１２２を稼動させている状態において、第１の湿度調整器１２０の機能を回復させる再生熱源を電解槽３０の冷却排熱から供給するものである。
【００３３】
ここで、第１の湿度調整器１２０を休止させ第２の湿度調整器１２２を稼動させる手段は、図３に示すように、再生ガス加熱器１４４から供給する加熱再生ガスをバルブ１４８、ライン１５５を介して第１の湿度調整器１２０へ供給する。一方、第２の湿度調整器１２２は精製された水素ガスがバルブ１１８を介して供給され、通常の湿度調整をすることができる。また、電解槽３０の冷却排熱は冷却器５０から再生ガス加熱器の入力ライン１５２へ供給する温排熱であり、ライン１５３を介して回収する。
【００３４】
このように構成すると、第２の湿度調整器１２２により燃料発電システムを運転しながら、電解槽３０を冷却する冷却器５０の冷却排熱から熱交換した再生ガスを連続的に第１の湿度調整器１２０へ送出して湿度調整剤を再生し、再利用させることができる。
【００３５】
上記目的を達成するために、請求項８にかかる発明による請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図１及び図５に示すように、燃料電池１０４から生成する純水を、電解槽１０６へ給水する給水装置とを備える。
【００３６】
ここで、給水装置は、図５に示すように、燃料電池１０４から純水としての生成水をライン１８４と１８５を介して次亜塩素酸塩生成装置１０２内の電解槽１０６へ給水するものである。
【００３７】
上記目的を達成するために、請求項９にかかる発明による請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図１に示すように、酸素濃度調整器１１４の下流に配置され、酸素濃度調整器１１４で高温化した副生成ガスを冷却する冷却装置１１６をさらに有する。
【００３８】
ここで酸素濃度調整器１１４は、副生成ガス中の酸素と水素を触媒に反応させて酸素を水に変換して酸素を除去する触媒反応器を用いることができる。また、ゼオライトモリキラーシーブス、活性炭、又は、金属錯体等の酸素吸着剤を充填した吸着装置を用いることができる。
【００３９】
このように構成すると、酸素を除去した水素ガスを燃料電池１０４へ供給することができ、燃料電池１０４に適した水素と酸化剤ガス２５とを電気化学的反応により発電することができ、燃料電池１０４を劣化させず、発電効率を高め、寿命を延長させることができる。
【００４０】
上記目的を達成するために、請求項１０にかかる発明による請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図５に示すように、風力又は太陽光を含む自然エネルギー源から転換された第１の電力１７４及び、燃料電池１０４から発電する第２の電力１８８を、次亜塩素酸塩生成装置１０２へ選択的に供給する電力切換装置１１１を備える。
【００４１】
ここで、風力から転換された第１の電力は風力発電設備１７２から発電した電力であり、太陽光から転換された第１の電力は太陽光発電器１７０から発電した電力である。また、電力切換装置１１１は、コンピュータを含む制御装置１１３により制御される電磁リレーや半導体スイッチングデバイスを使用することができる。
【００４２】
このように構成すると、自然エネルギ源から転換された電力と燃料電池１０４から発電する電力を切換若しくは併用して次亜塩素酸塩生成装置１０２へ供給することができる。
【００４３】
上記目的を達成するために、請求項１１にかかる発明による請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図１及び図６に示すように、湿度調整器１２０、１２２から送出される水素ガスと反応し、水素を貯蔵する水素貯蔵装置１９０と、夜間は商用電力により運転する次亜塩素酸塩生成装置１０２から送出される水素を水素貯蔵装置１９０へ貯蔵し、夜間以外の時間帯に、水素貯蔵装置１９０から水素ガスを取り出し燃料電池１０４へ供給して発電し、燃料電池１０４から出力する電力を次亜塩素酸塩生成装置１０２へ供給する制御装置１１３（図５参照）と、を備える。
【００４４】
ここで、水素貯蔵装置１９０の水素貯蔵材料としては、ＴｉＦｅ系、ＭｍＮｉ５系、若しくは、ＺｒＮｉ合金をベースとしてＺｒおよびＮｉの一部を他元素で置換した３元系以上の組成からなる水素吸蔵合金を用いることができる。また、制御装置１１３はコンピュータやマイクロプロセッサを使用し昼夜に亘る発電システムの制御を処理することができる。
【００４５】
このように構成すると、夜間は商用電力から次亜塩素酸塩生成装置１０２を運転して送出される水素を水素貯蔵装置１９０へ貯蔵し、夜間以外の日中の時間帯に、水素貯蔵装置１９０から水素ガスを取り出し燃料電池１０４へ供給して発電し、燃料電池１０４から出力する電力を次亜塩素酸塩生成装置１０２へ供給することができる。
【００４６】
上記目的を達成するために、請求項１２にかかる発明による請求項１１に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図７に示すように、水素貯蔵装置１９０は、水素ガスと反応して水素を吸収する水素吸蔵合金を含み、水素吸蔵合金から水素を取り出す熱源を電解槽３０の冷却排熱から供給するものである。
【００４７】
ここで、冷却排熱は、電解槽３０に隣接して配置された冷却器５０から供給される温排熱である。
【００４８】
このように構成すると、夜間に水素貯蔵装置１９０に吸収させた水素を日中に電解槽３０の冷却排熱から供給する熱源により取り出して燃料電池１０４から発電することができ、発電した電力を次亜塩素酸塩生成装置１０２へ供給することができる。
【００４９】
上記目的を達成するために、請求項１３にかかる発明による請求項１１に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、例えば、図６に示すように、水素貯蔵装置１９０は、水素ガスと反応して水素を吸収する水素吸蔵合金を含み、水素吸蔵合金から水素を取り出す熱源を燃料電池１０４の排熱から供給するものである。
【００５０】
ここで、燃料電池１０４の排熱は、燃料電池１０４の出力ライン１８６から水素貯蔵装置１９０内部の熱交換器１８０へ供給される温排熱である。
【００５１】
このように構成すると、夜間に水素貯蔵装置１９０に吸収させた水素を日中に燃料電池１０４の排熱から供給する熱源により取り出して燃料電池１０４へ供給し発電することができ、発電した電力を次亜塩素酸塩生成装置１０２へ供給することができる。
【００５２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。図１から図１１は発明を実施する形態の一例であって、図中、図と同一または類似の符号を付した部分は同一物または相当物を表わし、重複した説明は省略する。
【００５３】
図１は、本発明による第１の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。燃料電池発電システムは、燃料電池１０４と、次亜塩素酸塩生成装置としての次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２と、燃料電池１０４と次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２との間に配置されるガス精製装置１００とを備える。
【００５４】
次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２は、電解槽１０６と、次亜塩素酸塩受槽１０８と、次亜塩素酸塩を液送するポンプ１２１とを備え、電解槽１０６の中で水と塩化ナトリウムとを電気分解し、陽極１３０側の槽で発生する次亜塩素酸ナトリウムをライン１３６から気水分離器１３９へ送り、ライン１３７を介して次亜塩素酸塩受槽１０８へ一時的に保存する。
【００５５】
次亜塩素酸塩受槽１０８は、次亜塩素酸塩溶液処理を受ける処理水の需要に応じて次亜塩素酸塩をポンプ１２１により外部へ供給する。また、電解槽１０６の陰極１３２側に存在する塩基性液は、ライン１３８を介してガス精製装置１００内の洗浄液タンク１２６へ液送される。
【００５６】
ガス精製装置１００は、ガスブロア１０９と、ガスブロア１０９の下流に配置したガス洗浄器８６と、ガス洗浄器８６の下流に配置したデミスタ１１０と、デミスタ１１０の下流に配置した活性炭吸着塔１１２と、活性炭吸着塔１１２の下流に配置した酸素濃度調整器１１４と、酸素濃度調整器１１４の下流に配置した冷却装置１１６と、冷却装置１１６の下流に配置した湿度調整器１２０及び１２２と、湿度調節器の下流に配置した水素貯蔵装置１２４と、洗浄液タンク１２６とを備え、洗浄液タンク１２６からポンプ１２８によりガス洗浄器８６の上部へ吸収液を液送するように構成されている。
【００５７】
また、ガス精製装置１００は、副生成水素ガスの酸素濃度や湿度、湿分が燃料電池１０４にとって電気化学的反応に適した状態まで除去して、酸素濃度や湿度、湿分を燃料電池１０４にとって適切な状態にまで精製する。
【００５８】
本実施の形態では、ガス精製装置１００をガス洗浄器８６、酸素濃度調整器１１４、及び、湿度調整器１２０、１２２により構成し、次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ）生成装置１０２から副生成した副生成ガスをライン１３６に通過させガスブロア１０９により吸込み、底部に水封部を設けたガス洗浄器８６に移送する。
【００５９】
ガス洗浄器８６は、循環液としての水又は軟水と副生成ガスが気液接触することにより 塩素（Ｃｌ２）又は水酸化ナトリウムの水溶性不純物を除去する。このガス洗浄器８６は、主に酸性成分の除去を目的とするので、吸収液は塩基性液が望ましい。図示すように電解槽１０６内部の陰極１３２側または陰極１３２の出口近傍から、陰極電解液の全部または一部を吸収液としてガス洗浄器８６に使用すると良い。
【００６０】
また、電解槽１０６とは別に不図示の塩基性液（ＮａＯＨ）タンクを用意し、塩基性液（ＮａＯＨ）タンクから吸収液をガス洗浄器８６に供給しても良い。その後、洗浄に使用した液は電解槽１０６の陽極１３０側の槽に回収しても良く。若しくは、電解槽１０６の給水用として使用しても良い。
【００６１】
燃料電池１０４は、ガス精製装置１００からライン１４２を介して供給される水素ガスと酸化剤ガス２５としての空気又は酸素との電気化学的反応により直流電気を発電する。
【００６２】
ここで、本実施の形態で使用する水素を燃料とする燃料電池１０４には、アルカリ型、燐酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、及び、固体高分子型の燃料電池があり、比較的小型であり、オンサイト型でメインテナンスが容易な燐酸型燃料電池や固体高分子型燃料電池を使用することが望ましい。
【００６３】
上記燃料電池１０４は、酸化剤ガス２５として酸素或いは空気を用い、常圧から３気圧程度で運転される。燃料電池１０４の運転温度は、固体高分子型が室温から８０℃、燐酸型が１９０℃から２２０℃である。
【００６４】
固体高分子型は、室温近傍での運転で操作、保守が容易であるのに対して、燐酸型は比較的高温であるため燃料電池の排熱温度が約１７０℃と高く排熱の有効利用が期待される。また、燃料電池は直流発電であるから、この燃料電池１０４の出力端子から出力若しくはＤＣ／ＤＣコンバータを介して次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２の電気分解用の電源に使用することができる。
【００６５】
次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２は、上水道および下水道などの消毒用として使用する次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を消毒現場で生成する装置である。所謂、オンサイトの次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２は、食塩と水を原料として、ＮａＣｌ＋Ｈ２Ｏ＝ＮａＣｌＯ＋Ｈ２の化学反応により次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を生成する。この化学反応の過程で副生成物として水素ガスが発生する。
【００６６】
上記電解槽１０６内で発生する副生成物は、化学反応上は水素であるが、実際には電解槽１０６に隔膜１７８を配置しても、電解槽１０６内の次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を生成する過程で発生する不純物としての塩素（Ｃｌ２）や塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）などの燃料電池１０４にとって有害となる成分も含まれている。
【００６７】
図１を参照して、ガス精製装置１００の動作について説明をする。上記ガス洗浄器８６の下流にライン１４０を経由して適宜デミスタ１１０を設け、デミスタ１１０の下流に活性炭吸着塔１１２を設置する。デミスタ１１０は、固液分離された水素ガスの微粒子状の同伴液を分離するために使用するものである。また、活性炭吸着塔１１２は水素ガスに同伴する不純物を吸着するために用いられる。
【００６８】
次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２から発生する副生成ガスには、酸素（０２）が含まれている。ガス洗浄器８６や活性炭吸着塔１１２では燃料電池１０４にとって適切な酸素濃度まで副生成ガスを調整できないため、更に下流には酸化触媒等を利用した酸素濃度調整器１１４を設置する。酸素濃度調整器１１４は、副生成ガス中の酸素と水素を触媒に反応させて酸素を水に変換し酸素を除去する触媒反応器を用いることができる。
【００６９】
また、酸素濃度調整器１１４は、ゼオライトモリキラーシーブス、活性炭、又は、金属錯体等の酸素吸着剤を充填した吸着装置を用いることができるが、他に酸素を吸着できる手段としては、コバルトシッフ塩基の金属錯体を共役系配位子と低酸化数金属イオンからなる錯体に構成し、酸素分子を可逆的に吸脱着することもできる。
【００７０】
さらに、酸素濃度調整器１１４の下流に設けられた冷却装置１１６は、酸素濃度調整器１１４内部で触媒反応により高温化した副生成水素ガスを冷却する。冷却装置１１６の下流にはツイン方式又はマルチ方式の湿度調整器１２０と１２２を設けることができる。上述の如く、副生成ガスの湿度に対応して湿度調整器１２０を有効に機能させることができる。
【００７１】
上記湿度調節器１２０、１２２の下流に配置された水素貯蔵装置１２４は、除湿された副生成水素ガスをライン１４１から導入し、内部に蓄蔵する。貯蔵した水素ガスは適宜、ライン１４２を経由し燃料電池１０４へ供給され、燃料電池１０４は水素ガスと酸化剤ガスとしての空気２５と電気化学的反応により直流電力を発電する。
【００７２】
図２は、本発明による第１の実施の形態である燃料電池発電システムに用いるガス洗浄器８６の模式的な系統図である。本実施の形態では、副生成ガスから塩素又は水酸化ナトリウムの除去濃度に基づいて塩基性液（洗浄液）に代えて水を使用することもできる。例えば、軟水化した原水を給水槽３６へ貯留してから、給水ポンプ３８、供給ライン７２を経由してガス洗浄器８６の上部シャワーノズルから水を供給することもできる。
【００７３】
ガス洗浄器８６は、給水槽３６に貯留した軟水を給水ポンプ３８により液送し、ライン７２を介して水の供給を受ける。ガス洗浄器８６の底部液溜め中に吹き込まれる副生成水素ガスは、ガスブロワ１０９からライン８８を通じて供給されガス洗浄器８６内部を上昇する。ガス洗浄器８６内部で副生成ガスと気液接触して塩素（Ｃｌ２）又は水酸化ナトリウムを吸収した軟水は、底部液溜めを経由しライン１３５内部で自然流下し電解槽１０６（図１参照）へ回収される。一方、塩素（Ｃｌ２）又は水酸化ナトリウムを除去した副生成水素ガスはガス洗浄器８６の上部からライン１４０を介してデミスタ１１０（図１参照）へ送出される。
【００７４】
図３は、本発明による第１の実施の形態である燃料電池発電システムに用いる湿度調整器の模式的な系統図である。湿度調整器は、内部を通過する副生成ガスの連続除湿運転を遂行するために、少なくとも第１の湿度調整器１２０と第２の湿度調整器１２２を含むツイン方式又はマルチ方式に構成するのが望ましい。
【００７５】
ライン１５０は、三方弁としてのバルブ１１８により、２本のラインに分岐され、各々湿度調整器１２０と湿度調整器１２２の導入口に接続されている。ライン１５０からバルブ１１８の上流側で分岐され再生ガス加熱器１１４を介して三方弁としてのバルブ１４８に接続されている。
【００７６】
ライン１５１は、バルブ１４８により２本のライン１５５とライン１５６に分岐され、ライン１５５とライン１５６は各々バルブ１１８から分岐され湿度調節器１２０、１２２に接続されるラインに合流する。
【００７７】
再生ガス加熱器１４４には、再生ガス加熱用の熱源を導入するライン１５２と同じく熱源を送出するライン１５３が接続されている。
【００７８】
ライン１５９は、三方弁としてのバルブ１４６により、２本のライン１５７とライン１５８に分岐され、各々湿度調整器１２０と湿度調整器１２２の送出口に接続されている。この湿度調整器１２０と湿度調整器１２２の送出口側には、ライン１５７から分岐するラインとライン１５８から分岐するラインとを合流させるライン１４１が接続されている。
【００７９】
上記バルブ１１８を操作し副生成ガスを第１の湿度調整器１２０に流入させるのを停止し、第２の湿度調整器１２２へ副生成ガスを通過させ除湿処理を稼動させるようにガス通過経路を変更する。そして、第１の湿度調整器１２０内部に充填した除湿剤の再生用熱源を燃料電池の排熱から得ることができる。
【００８０】
燃料電池の排熱は、再生ガス加熱器１４４のライン１５２から導入し、熱交換器１４４を通過させライン１５３を経由して回収される。精製ガスは冷却装置１１６から送出され、ライン１５０とライン１５１を経由し再生ガス加熱器１４４に導入され燃料電池の排熱と熱交換をする。
【００８１】
加熱された精製ガスは、再生ガス１５４としてライン１５１を通過しバルブ１４８、ライン１５５を介して第１の湿度調整器１２０の内部へ導入される。再生ガスは、第１の湿度調整器１２０内部に充填した湿度調整剤を加熱し吸湿性を回復させる。再生ガスは出力ライン１５８、バルブ１４６、ライン１５９を介してガスブロワ吸込（不図示）へ送出される。
【００８２】
第１の湿度調整器１２０の再生処理中に、第２の湿度調整器１２２は通常の湿度調整運転を遂行している。即ち、冷却装置１１６から送出された精製ガスは、バルブ１１８を介して第２の湿度調整器１２２へ導入され、湿度を除去する湿度調整が施される。湿度調整済みの精製ガスは、出力ライン１４１を介して水素貯蔵装置へ送出される。
【００８３】
上記実施の形態では、第１の湿度調整器を湿度調整器１２０とし、第２の湿度調整器を湿度調整器１２２として説明をしたが、第１と第２の湿度調整器を切り替えて、第１の湿度調整器を湿度調整器１２２とし、第２の湿度調整器を湿度調整器１２０として構成することもできる。
【００８４】
この場合、バルブ１１８とバルブ１４８を切替えて、加熱された精製ガスを再生ガス１５４として第１の湿度調整器１２２の内部へ導入することにより除湿効果を回復させることができる。
【００８５】
さらに、ガス精製装置１００の稼働率を上げる場合には、バルブ１１８とバルブ１４８を切替えて、冷却装置１１６から送出される精製ガスを第１の湿度調整器１２０と第２の湿度調整器１２２へ同時に供給し、副生成水素ガスの湿度を除去して湿度調整をすることができる。
【００８６】
図４は、本発明による第２の実施の形態である次亜塩素酸ナトリウム生成装置の模式的な系統図である。上記実施の形態では、湿度調整器の再生熱源を燃料電池の排熱を用いたが、本実施の形態では電解槽３０を冷却する冷却器５０の温排熱を利用する。
【００８７】
電解槽３０から生成する次亜塩素酸ナトリウムは、ライン６８から気液分離器１３９ａに供給し、気液分離した後にライン６９を経由して次亜塩素酸塩受槽５４へ一時的に保存し、次亜塩素酸塩溶液循環ポンプ５２、冷却器５０を経由して電解槽３０に還流する還流経路を循環する。
【００８８】
上記冷却器５０は、冷却液タンク１６０からポンプ１６２によりライン５１を介して冷却液を導入し出力ライン１６４を経由して上述した再生ガス加熱器１４４（図３参照）へ温排熱を送出し、副生成水素ガスと熱交換をした後にライン１６８を経由して冷却液を冷却液タンク１６０へ回収する。このように、電解槽３０の冷却排熱を湿度調整器の機能を回復させる再生熱源として利用することができる。
【００８９】
図示した次亜塩素酸ナトリウム生成装置は、電解槽３０、塩化アルカリ溶液貯槽４０、次亜塩素酸塩受槽５４、次亜塩素酸塩貯層５８から構成し、塩溶液解槽と飽和塩水槽を有する塩化アルカリ溶液貯槽４０から飽和塩水を塩水ポンプ４４、ライン６６を介して電解槽３０に送出する。
【００９０】
上記塩水ポンプ４４の駆動制御は、飽和塩水槽内の塩水量を測定する計測メータ４２の測定値に基づき、飽和塩水の増量に応じて塩水ポンプ４４を駆動し電解槽３０へ飽和塩水を供給するように構成する。また、電解槽３０への給水は、原水を供給する給水経路３２、原水を軟水に改質する給水器３４、軟水を貯蔵する給水槽３６、給水ポンプ３８、ライン６５を経て電解槽３０へ軟水を供給する。
【００９１】
電解槽３０から送出される次亜塩素酸ナトリウムは、ライン６８を介して気液分離器１３９ａに供給し、気液分離した後にライン６９を経て次亜塩素酸塩受槽５４へ一時的に保存され、次亜塩素酸塩溶液循環ポンプ５２、冷却器５０を経て電解槽３０に戻す循環ラインと、ポンプ５６、ライン７１を経て次亜塩素酸塩貯蔵槽５８へ液送し、次亜塩素酸塩溶液供給ラインにより需要に応じて次亜塩素酸塩溶液注入ポンプ６０を介して次亜塩素酸塩溶液６２を外部へ供給する。
【００９２】
電解槽３０は、電気分解により次亜塩素酸塩溶液を生成する際に、水素ガスを主成分とする副生成ガスを発生する。この副生成ガスは、ライン６８から気液分離器１３９ａを経てライン１４３を経由することでガス精製装置へ供給されるように構成する。
【００９３】
図５は、本発明による第３の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。燃料電池発電システムは、次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２と、燃料電池１０４と、ガス精製装置１００と、自然エネルギ源から転換された第１の電力としての発生電力１７４及び燃料電池１０４から発電する第２の電力１８８としての発生電力を選択的に切り換える電力切換装置１１１とを備える。
【００９４】
本実施の形態では、商用電源が送電されていない。即ち、商用電力が利用できない環境においても、次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２と燃料電池１０４をコンバインして発電システムとして稼動するように構成する。発電システムの起動時には、制御装置１１３の電源は太陽光発電設備１７０又は風力発電設備１７２若しくは不図示の充放電システムのようなバッテリから供給する。
【００９５】
次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２の必要電力は、風力又は太陽光などの自然エネルギーにより得られた第１の電力１７４と、燃料電池１０４から発生する第２の電力１８８を併用することができる。すなわち、自然エネルギを転換した直流電圧だけでは次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２が消費する電気分解の電力が不足する場合には、電力切換装置１１１を操作して燃料電池１０４から発電した直流電圧の電力を補助的に次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２へ供給することができる。
【００９６】
ここで、太陽光発電設備１７０が自然エネルギーを十分に利用できる時間帯である昼間は、自然エネルギーである太陽光線を利用して第１の電力を頼りに次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２から次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を生成する。
【００９７】
次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を生成する過程で副生成および副生成した次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）と水素の余剰分を上述した次亜塩素酸塩貯蔵タンクおよび水素タンクに貯留する。
【００９８】
消毒用次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）は、通年必要であるが、自然エネルギーだけでは次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２への電力供給が不足する状態においては、次亜塩素酸塩タンクに貯留した次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を使用する。
【００９９】
その後、貯留した次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）が消費され貯留量が不足した段階で、貯留している水素を使用して燃料電池１０４から電気化学的反応により発電を行う。その発生電力を次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２へ供給して次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２を駆動し、次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を生成し、消毒用として供始することができる。なお、燃料電池１０４から得た直流電力をバッテリへ供給し再充電することもできる。
【０１００】
次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２は、１０ｋｇ／時の有効塩素量の次亜塩素酸塩を生産でき、有効塩素生産に要する電力は４．５ｋＷｈ／ｋｇである。有効塩素生産の電流効率は平均６５％である。このとき陰極より発生する水素ガス量は約４．８Ｎｍ３／時である。
【０１０１】
次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２から発生する副生成水素ガスを使用して、燃料電池１０４の出力として約５．６ｋＷ の直流電力が得られ、電解槽で消費された電力の約１２％が電気エネルギーとして回収することができる。
【０１０２】
また、燃料電池１０４の電気化学的反応により生成水を回収し、次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２内の電解槽へ供給する。
【０１０３】
このように適正規模の風力や太陽光等の自然エネルギー利用の発電設備１７０と１７２と、次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２、及び、燃料電池１０４を協働させて使用することにより、商用電源を全く必要としない自己完結型の次亜塩素酸塩生成装置とコンバインする燃料電池発電システムを提供することができる。
【０１０４】
さらに、燃料電池１０４の生成物として電力の他に、排熱や、純水が取り出せるので、本実施の形態では、自己完結型の次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２とコンバインする燃料電池発電システムを提供することができる。本実施の形態では、自己完結型のシステムは次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２と燃料電池１０４の生成物、例えば、温排熱、水、電力、水素燃料等を相互に供給して、外部からの補給に頼らずに運転を維持することができるシステムを意味する。
【０１０５】
燃料電池１０４は、燃料である水素と酸素から作られる生成水を次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２内部の電解槽の給水として利用する。燃料電池１０４の生成水はライン１８５と１８４を介して次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２へ送流して、陰極側の電解液として使用することができる。また、ライン１８４の給水口から補給水を次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２へ送流し、不足分を補うこともできる。
【０１０６】
図６は、本発明による第４の実施の形態である燃料電池発電システムに適用する水素貯蔵装置の系統図である。水素貯蔵装置１９０は、内部に水素吸蔵合金を備え、上流にライン１９１を接続し、下流にライン１９２を介して燃料電池１０４を接続し、燃料電池１０４の排熱経路としてのライン１８６を熱交換器１８０を経由させて燃料電池１０４へ回収させる循環経路を有する。また、水素貯蔵装置１９０は、湿度調整器から送出された精製ガス（副生成水素ガス）を導入して、内部の水素吸蔵合金に吸蔵させることができる。
【０１０７】
水素吸蔵合金の材料としては、例えば、ＴｉＦｅ系、ＭｍＮｉ５系、若しくは、ＺｒＮｉ合金をベースとしてＺｒおよびＮｉの一部を他元素で置換した３元系以上の組成からなり、その結晶構造はＣｒＢ構造からなる水素吸蔵材料を用いることができる。
【０１０８】
吸蔵した水素は、燃料電池１０４の排熱をライン１８６から水素貯蔵装置１９０内部の熱交換器１８０に導入し、水素吸蔵合金から水素ガスを取り出す。取り出した水素ガスはライン１９２を介して燃料電池１０４へ供給し、水素ガスと酸化剤ガス２５との電気化学的反応による直流発電をすることができる。
【０１０９】
次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２（図５参照）とガス精製装置１００（図５参照）と燃料電池１０４を含む発電システムの運転パターンを例示すると、比較的安価な夜間電力を活用して、ガス精製装置１００と燃料電池１０４との間に水素貯蔵装置１９０を配置し、夜間に生成した水素を、水素貯蔵装置１９０に貯蔵する。
【０１１０】
水素貯蔵装置１９０に貯蔵した水素をデータイム、即ち昼間に燃料電池１０４へ供給して電気化学的反応により発電する。この発電した電力により昼間の次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２が必要とする全電力又は補助電力を供給することができる。
【０１１１】
水素貯蔵装置１９０は、水素吸蔵合金を使用し、水素吸蔵合金から水素を放出するために必要な熱源を次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２（図５参照）内部の電解槽３０を冷却する又は電解槽３０を循環する電解液を冷却する冷却器５０の冷却排熱を利用する（図４参照）。
【０１１２】
図７は、本発明による第４の実施の形態である次亜塩素酸ナトリウム生成装置の模式的な系統図である。飽和塩水系、給水系、電解槽３０、次亜塩素酸塩貯蔵槽５８は上記実施の形態と同一の機器を使用することができるので、重複する説明を省略する。
【０１１３】
冷却器５０は、次亜塩素酸ナトリウム受槽５４と次亜塩素酸塩溶液循環ポンプ５２を介して接続され、電解槽３０とライン６７を介して接続され、冷却液タンク１９８とポンプ２０１及びライン１９６を介して接続され、水素貯蔵装置１９０とライン１９４を介して接続されている。
【０１１４】
冷却液を冷却液タンク１９８からポンプ２０１によりライン１９６を介して冷却器５０へ導入し、導入した冷却液をライン１９４から水素貯蔵装置１９０を経由して冷却液タンク１９８へ循環させる。また、冷却器５０は、次亜塩素酸塩受槽５４から次亜塩素酸塩溶液循環ポンプ５２を介して注入する次亜塩素酸塩溶液を冷却してから、電解槽３０へライン６７を介して供給する次亜塩素酸塩溶液の循環ラインを有する。
【０１１５】
冷却器５０の出力へ接続するライン１９４は、水素貯蔵装置１９０へ温排熱を送出し、熱交換をした後に冷却液タンク１９８へ冷却液を回収することで、電解槽３０の冷却排熱を水素貯蔵装置１９０から水素を取り出す熱源として利用することができる。
【０１１６】
図８は、本発明による第５の実施の形態で使用する燃料電池ユニットの系統図である。燃料電池ユニット２００は、ガス精製装置１００と、ガス精製装置１００に接続する燃料電池１０４と、燃料電池１０４に接続したＤＣ／ＤＣコンバータ２０２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２に接続した系統連系インバータ２０４とを備える。
【０１１７】
燃料電池ユニット２００は、水素を含む副生成水素ガスを入力ライン１８３から導入して、副生成ガスをガス精製装置１００により精製した後に水素ガスをライン１４２を経由させ燃料電池１０４へ供給し、酸化剤ガスとしての空気２１４と電気化学的反応により直流電力を発電する。
【０１１８】
燃料電池１０４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２と系統連系インバータ２０４とを介して、負荷２０８に接続する系統電源２０６に固定周波数の電力を供給する。燃料電池１０４の出力は、約５０ボルトの直流電圧である。
【０１１９】
電解槽の電気分解に必要とされる電力は、燃料電池１０４の出力端子１０５から直接又はＤＣ／ＤＣコンバータを介して供給することができる。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２と系統連系インバータ２０４としてのＤＣ／ＡＣインバータを経由して交流電圧出力を直流へ整流するための電力損失を低減させることができ、電力変換効率が優れる次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２と燃料電池ユニット２００とのコンバインシステムを提供することができる。
【０１２０】
図９は、本発明の実施の形態である燃料電池発電システムに適用する酸素濃度調整器１１４の系統図である。酸素濃度調整器１１４は、前処理工程部１１７と貴金属触媒１１９を備え、活性炭吸着塔１１２からポンプ１１５を介して送出される副生成ガスから酸素を除去して水素ガスを冷却装置１１６へ送り、燃料電池１０４の燃料としての水素ガス中の酸素を除去し酸素濃度を調整する。
【０１２１】
酸素濃度調整器１１４内の前処理工程部１１７は、フィルタと余熱部を備え、副生成ガスを例えば、前処理工程部１１７により燃焼バーナや電気ヒータを用いて約７００℃以上の高温に加熱し副生成ガスを酸化分解して酸素濃度を低下させることができる。
【０１２２】
また、本実施の形態では、プラチナやパラジウムなどの貴金属触媒１１９を使用することもでき、上記前処理工程部１１７内で例えば約３００℃程度の予熱処理を施してから貴金属触媒１１９を通過させ同様に酸素濃度を低下させる調整処理を施すことができる。この場合、貴金属触媒１１９の燃焼工程はランニングコストが低く、触媒活性化が高いので酸素濃度調整器１１４を小型化することができる。
【０１２３】
さらに、酸素濃度調整器１１４に用いる酸素ガスの吸着剤としては、ビニル芳香族アミノとアルキルアクリレート又はアルキルメタアクリレートとの共重合体と、メソーテトラ（α，α，α，α−ｏ−ピバルアミドフェニル）ポルフィナト金属（ＩＩ）錯体とから成る高分子錯体をハニカム構造に構成して用いることもできる。
【０１２４】
貴金属触媒１１９は、外形を丸型若しくは角型のハニカム構造に構成し、予熱された副生成水素ガスを浄化、即ち酸素を除去し水素を通過させる形式の他に、予熱処理を施さずに貴金属触媒１１９に交流電圧を印加して通電過熱式触媒を使用する形式を用いることができる。
【０１２５】
本実施の形態では、広範囲の副生成ガスの流量又はガス温度に対応することができ、大風量の副生成ガスを貴金属触媒１１９に通過させて酸素濃度を低下させる方式や、湿度の高い副生成ガスをシーズヒータによりガス加熱した後に貴金属触媒１１９に通過させる方式や、貴金属触媒１１９に直接電流を流して自己発熱させて触媒作用を促進させる方式を採用することができる。特に、貴金属触媒１１９に直接電流を流す方式は、熱効率が高く、反応効率も高いので湿度の低い副生成ガスの酸素除去処理をする場合には有利である。
【０１２６】
また、酸素濃度調整器１１４の下流には適宜、冷却装置１１６を設けて酸素濃度調整器１１４から送出する副生成ガスの温度を低下させる。
【０１２７】
図１０は、本発明による第６の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。燃料電池発電システムは、上述した実施の形態と同様の燃料電池１０４、次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２の構成を用いることができるため、重複する説明を省略する。
【０１２８】
ガス精製装置１００は、ライン１３６から供給される燃料ガスが移動する順序に従い、ガス洗浄器８６ａと、デミスタ１１０と、活性炭吸着塔１１２と、酸素濃度調整器１１４と、冷却装置１１６と、湿度調整器１２０及び１２２と、水素貯蔵装置１２４と、を備えている。
【０１２９】
次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２は、上述した通り、上水道および下水道などの消毒用として使用する次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を消毒現場で生成する装置である。所謂、オンサイトの次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２は、食塩と水を原料として、ＮａＣｌ＋Ｈ２Ｏ＝ＮａＣｌＯ＋Ｈ２の化学反応により次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を生成するが、この化学反応の過程で副生成物として水素ガスが発生する。
【０１３０】
副生成物は、化学反応上は水素であるが、実際には電解槽１０６に隔膜７８を配置しても、電解槽１０６内の次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）を生成する過程で発生する不純物としての塩素（Ｃｌ２）や塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）などの燃料電池１０４にとって有害となる成分も含まれている。
【０１３１】
また、本実施の形態では、水素ガスの酸素濃度や湿度、湿分が燃料電池１０４にとって電気化学的反応に適した状態まで除去して、酸素濃度や湿度、湿分を燃料電池１０４にとって適切な状態にまで精製する。
【０１３２】
ここで、ガス精製装置１００をガス洗浄器８６ａ、酸素濃度調整器１１４、及び、湿度調整器１２０、１２２により構成し、次亜塩素酸塩（ＮａＣｌＯ）生成装置１０２から副生成した副生成ガスをガス洗浄器８６ａに移送する。
【０１３３】
ガス洗浄器８６ａは、円筒状または立方体状の容器を鉛直方向に立設し、内部に高分子機能素材９１を充填する乾式処理方式のガス洗浄器として機能する。例えば、高分子機能素材としてゼオライト等の無機イオン交換体や、イオン交換樹脂の有機イオン交換体を使用することができる。
【０１３４】
また、上記有機イオン交換体は、耐熱性が無機イオン交換体に比して低いため、高温下でガス洗浄を行う場合は、耐熱性の高い無機イオン交換体を用いるとよい。但し、本発明を限定するもではなく、例えば、副生成水素に含まれる塩素ガスの吸収力が高い各種のイオン交換基を任意に選択し乾式処理方式のガス洗浄器８６ａに用いることができる。
【０１３５】
さらに、有機イオン交換体の中でも、放射線グラファイト重合法により製造した有機イオン交換基は、従来のイオン交換ビーズに比して不織布、又は織布、若しくは不織布と織布の集合体、並びに空隙性材料等の高分子成形体に導入することができるため、塩素ガスの除去には好適である。
【０１３６】
上記イオン交換基は、例えば、第４級アンモニウム基、第３級アミノ基以下の低級アミノ基が塩素ガスと直接反応するため好適であるが、第４級アンモニウム基と第３級アミノ基の双方を含むイオン交換基も塩素ガスの除去に有効である。
【０１３７】
典型的には、トリエチレンジアミンをクロロメチルスチレン重合体に導入したイオン交換基を用いることができ、スルホン酸基、燐酸基、及びカルボキシル基のようなカチオン交換基も塩素ガスの高吸収剤として用いることができる。このカチオン交換基をナトリウム（Ｎａ）やカリウム（Ｋ）等の金属塩型に構成し、塩素ガス（Ｃｌ２）と反応させ金属塩化物として固定除去することができる。
【０１３８】
さらに、上記金属酸化物をイオン交換体に担持させたアニオン交換基又はカチオン交換基の何れの交換基を用いることができる。例えば、アニオン交換体上にマンガン酸化物を担持させた交換基を用いることができる。
【０１３９】
このように、乾式処理方式のガス洗浄器８６ａは、電解槽１０６からライン１３６とガスブロワ１０９を経由して供給される水素ガスと塩素ガスの混合ガスから塩素ガスを除去する高分子機能素材９１を、例えば不織布により構成し内部に充填するだけで塩素ガスを吸着させ、下流のデミスタ１１０へ水素ガスを供給することができ湿式処理方式に比して構成が簡易である。
【０１４０】
また、洗浄液タンク１２６や液送ポンプ１２８等の追加の設備を必要としないため、塩素ガスを除去するための洗浄液を液送するポンプ駆動電力も洗浄液タンク１２６の設置面積も不用である。
【０１４１】
したがって、乾式処理方式のガス洗浄器８６ａは、設置が容易で設備の保守管理も簡略化することができる。例えば、塩素ガスの吸収力を回復させるために不織布を交換すれば足りる。
【０１４２】
上述したように、次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２から副生する水素ガスには酸素が含まれている。この副生成水素ガスは、次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２を長時間停止した後に再起動する際、又は電解槽１０６内の電極やイオン交換膜が劣化した状態のときに、酸素濃度が上昇する場合がある。この副生成水素ガス中の酸素濃度が数パーセント以上の値に達すると爆発限度を超えるため、安全上このような酸素濃度状態でシステムを稼動させることを回避しなければならない。
【０１４３】
本実施の形態では、このような所定の酸素濃度状態でシステムを稼動させないように、ガス精製装置１００は、電解槽１０６から副生成水素ガスをライン１３６、ガスブロワ１０９、ガス洗浄器８６ａ、デミスタ１１０、活性炭吸着塔１１２を経由して、酸素濃度調整器１１４へ供給する本流経路と、この酸素濃度調整器１１４から酸素濃度を調整した水素ガスを冷却装置１１６、制御バルブ９３を経由してガスブロワ１０９の吸入口へ循環させる循環経路９７とを備え、酸素濃度調整器１１４から冷却装置１１６を介して移送される酸素を除去した水素ガスの一部をバイパスし、高濃度の酸素ガスを含む副生成水素ガスと混合させてガスブロワ１０９の吸入口へ供給するように構成する。
【０１４４】
このように構成することで、ガス精製装置１００は、ガスブロワ１０９、ガス洗浄器８６ａ、デミスタ１１０、活性炭吸着塔１１２の各々内部を通過する副生成水素ガス中の酸素濃度を減少させることができ、爆発限度を超える状態を回避することができる。
【０１４５】
上記循環経路９７は、副生成水素ガス中の酸素濃度が変動しても、酸素濃度の絶対値を所定レベルの低い値に維持させることができるため、酸素濃度の変動のピーク値が爆発限度を超える事態を未然に防止する。
【０１４６】
したがって、本実施の形態では、循環経路９７を具備しないシステムにおいて実施する次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２が長期間停止した後に再起動をする際に、副生成水素ガス中の酸素濃度が低下又は安定するまで副生成水素ガスを系外へ放出するという、環境上好ましくない状況や副生ガス放出期間中は燃料電池１０４へ副生成水素ガスの供給を停止することによる発電量の減少という不利益を解消することができる。
【０１４７】
また、ガス精製装置１００は、制御バルブ９３を開閉駆動する駆動モータ９５とガスブロワ１０９の入口配管内に設けた酸素センサ１０３により副生成水素ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出器１０７をさらに備え、副生成水素ガス中の酸素濃度に基づき制御バルブ９３を開閉制御し、上述した循環経路９７を通過する酸素を除去した水素ガス量を可変制御して本流経路中の酸素濃度を低下させる。
【０１４８】
上記酸素濃度検出器１０７から出力される出力信号に応じて制御バルブ９３の開閉度を制御するため、電解槽１０６内の電極やイオン交換膜が劣化し本流経路内の酸素濃度が上昇したときは、次亜塩素酸ナトリウム生成装置１０２を停止せずに、酸素濃度検出器１０７からガスブロワ１０９の入口配管内に設けた酸素センサ１０３により副生成水素ガス中の酸素濃度を検出し、予め設定した酸素濃度上限値（爆発限度から充分に低い値）と比較しながら、制御バルブ９３を開閉制御する。
【０１４９】
すなわち、副生成水素ガス中の酸素濃度が高いときは、制御バルブ９３の開閉度を増加させ循環経路９７を通過する水素ガス量を増加させ、副生成水素ガス中の酸素濃度が低い場合は、制御バルブ９３の開閉度を減少させ循環経路９７を通過する水素ガス量を減少させるように可変制御を実行する。
【０１５０】
また、酸素濃度検出器１０７は、酸素センサ１０３から検出信号を受信し制御バルブ９３を開閉させる出力信号を出力するまでの応答時間が数十秒以上を必要とする場合であっても、上述した酸素濃度上限値を爆発限度から充分に低い値に予め設定することにより、本流経路内の酸素濃度を爆発限度を超えないように制御することができる。
【０１５１】
この酸素濃度上限値の設定は、副生成水素ガス中の酸素濃度変動速度と酸素濃度検出器１０７の応答速度に依存するが、本実施の形態のように、少なくとも循環経路９７を設けているため、本流経路の酸素濃度の上昇速度が緩和されると共に、本流経路中の酸素濃度が爆発限度を超えるまでの時間を延ばすことができる。
【０１５２】
さらに、酸素濃度検出器１０７は、酸素センサ１０３から検出信号を受信し制御バルブ９３を開閉させるように制御しているため、ガスブロワ１０９に吸入される副生成水素ガスの酸素濃度を一定に保つことができる。
【０１５３】
上記酸素濃度検出器１０７は、応答速度が数十秒必要であり、本流経路中の酸素濃度が爆発限度を超えないように、余裕のある酸素濃度上限値を設定しているが、本流経路中の酸素濃度を常時監視することで、酸素濃度検出器１０７の応答速度を補完することができる。
【０１５４】
本実施の形態では、酸素濃度調整器１１４の上流側８１と下流側８３を通過する副生成水素ガスの温度を検出する温度検出器８５、８９を各々設け、この上流側の温度検出器８５と下流側の温度検出器８９からの出力信号に基づき、上流側と下流側との温度差を演算する演算器８７を備える。温度検出器８５、８９により応答性を向上した酸素濃度監視系統を構成する。
【０１５５】
酸素濃度調整器１１４内に充填されるプラチナやバナジウム等の貴金属触媒の温度変化と酸素濃度は比例関係にある。この貴金属触媒は、酸素濃度調整器１１４を通過する副生成水素ガス中の酸素と反応し応答性が高い温度変化を示すため、酸素濃度調整器１１４の上流側と下流側を通過する副生成水素ガス温度を検出するだけで酸素濃度を測定することができる。
【０１５６】
また、上記触媒の温度変化は、触媒の劣化等によりシステムの長時間運転により経時的な変化をする場合がある。この場合、外部から酸素濃度調整器１１４の上流側と下流側を通過する副生成水素ガス中の酸素濃度を検出し、通過中の副生成水素ガス温度と酸素濃度との相関をとり、定期的に校正作業を実施し演算器８７へ校正データを再入力することで酸素濃度検出の精度を維持させることができる。例えば、ガルバニ電極式の酸素検出器により副生成水素ガス中の酸素濃度を検出し、校正作業を遂行する。
【０１５７】
図１１は、本発明による第７の実施の形態である燃料電池発電システムに適用する湿度調整器の系統図である。湿度調整器は、ガス精製装置１００又は燃料電池発電システムを連続運転するように、少なくとも第１の湿度調整器１２０と第２の湿度調整器１２２を含むツイン方式又はマルチ方式に構成するのが望ましい。この場合、第１の湿度調整器１２０を休止させて除湿剤の再生用熱源として酸素濃度調整器１１４から約４００℃のガスを得ることができる。
【０１５８】
ライン１５０は、三方弁としてのバルブ１１８により、２本のラインに分岐され、各々湿度調整器１２０と湿度調整器１２２の導入口に接続されている。
【０１５９】
酸素濃度調整器１１４から高温の副生成水素ガスを供給するラインは、バルブ１４８により２本のライン１５５とライン１５６に分岐され、ライン１５５とライン１５６は各々バルブ１１８から分岐され湿度調節器１２０、１２２に接続されるラインに合流する。
【０１６０】
ライン１５９は、上述した実施の形態と同様に、三方弁としてのバルブ１４６により、２本のライン１５７とライン１５８に分岐され、各々湿度調整器１２０と湿度調整器１２２の送出口に接続されている。この湿度調整器１２０と湿度調整器１２２の送出口側には、ライン１５７から分岐するラインとライン１５８から分岐するラインを三方弁としてのバルブ１６１に接続され、バルブ１６１の下流側にライン１４１が接続されている。
【０１６１】
上記バルブ１１８を操作し副生成水素ガスを第１の湿度調整器１２０に流入させるのを停止し、第２の湿度調整器１２２へ副生成水素ガスを通過させ除湿処理を稼動させるようにガス通過経路を変更する。そして、第１の湿度調整器１２０内部に充填した除湿剤の再生用熱源を酸素濃度調整器１１４から供給される高温ガスから得ることができる。
【０１６２】
酸素濃度調整器１１４から送出されるガスは、再生ガスとしてバルブ１４８、ライン１５５を介して第１の湿度調整器１２０の内部へ導入され、湿度調整剤を加熱して吸湿性を回復させる。再生ガスは出力ライン１５８、バルブ１４６を介してガスブロワ吸込（不図示）へ送出される。例えば、ガスブロワ吸込は、ガス洗浄器８６ａ（図１０参照）の上流に設けられたガスブロア１０９（図１０参照）の吸込口を用いて再生ガスを還流させることができ、また、不図示のガスブロアにより再生ガスを酸素濃度調整器１１４（図１０参照）の上流に還流させることもできる。
【０１６３】
第１の湿度調整器１２０の再生処理中に、第２の湿度調整器１２２は通常の湿度調整運転を遂行している。即ち、酸素濃度調整器１１４から送出された精製ガスは、冷却装置１１６を経由しバルブ１１８を通過して第２の湿度調整器１２２へ導入され、湿度の調整が施される。湿度調整済みの精製ガスは、３方弁としてのバルブ１６１を経由し出力ライン１４１を介して水素貯蔵装置へ送出される。
【０１６４】
上記実施の形態では、第１の湿度調整器を湿度調整器１２０とし、第２の湿度調整器を湿度調整器１２２として説明をしたが、バルブ１１８、バルブ１４８、バルブ１４６、及びバルブ１６１を切替えて、第１と第２の湿度調整器を入れ替え、第１の湿度調整器を湿度調整器１２２とし、第２の湿度調整器を湿度調整器１２０として構成することもできる。
【０１６５】
この場合、酸素濃度調整器１１４から送出されるガスは、再生ガスとしてバルブ１４８、ライン１５６を介して第１の湿度調整器１２２の内部へ導入され、湿度調整剤を加熱して吸湿性を回復させる。再生ガスは出力ライン１５７、バルブ１４６、出力ライン１５９を介してガスブロワ１０９等の吸込口へ送出される。
【０１６６】
このように、酸素濃度調整器１１４の出口ガス温度が約４００℃の高温に達しているため、この高温ガスを湿度調整器１２０又は１２２の内部に充填した除湿剤の再生ガスとして利用することができ、上述した燃料電池１０４の排ガスを用いなくとも十分な再生効果を得ることができる。
【０１６７】
さらに、ガス精製装置１００の稼働率を上げる場合には、バルブ１１８、バルブ１４８、バルブ１４６、及びバルブ１６１を切替えて、第１の湿度調整器１２０と第２の湿度調整器１２２へ冷却装置１１６から副生成水素ガスを供給し同時に除湿機能を発揮させ、除湿材の寿命を伸ばしながら、副生成ガスの湿度を調整することができる。
【０１６８】
以上説明したように、本実施の形態により、次亜塩素酸塩生成装置において次亜塩素酸塩を生成する過程で副生成する水素を主成分とする副生成ガスを、燃料電池の燃料として使用できる。
【０１６９】
また、この次亜塩素酸塩生成装置とコンバインする燃料電池発電システムに風力や太陽光などの自然エネルギーを利用した発電装置を組み込むことにより、外部電源を必要としないだけでなく排出物もない自己完結型の次亜塩素酸塩生成装置から水素燃料の供給を受ける燃料電池発電システムを提供することができる。
【０１７０】
さらに、次亜塩素酸塩類は、水に溶解して漂白剤、殺菌剤など酸化剤として、上水処理、排水処理、病院や歯科医院などで使用される消毒水、家庭の台所用や洗濯用の水溶液など幅広い分野で使用することができる。
【０１７１】
特に、近年飲料水その他を供給する浄水場において、従来消毒、殺菌用として塩素処理に塩素ガスや次亜塩素酸ソーダの投入が行われていたが、これら薬品の毒性，臭気などを原因とする環境調和性や化学的不安定性など運用、管理上の問題からオンサイトで次亜塩素酸ソーダ水溶液を製造し、それを使用する方法が採用されつつある。
【０１７２】
また、塩化アルカリ溶液の電気分解による次亜塩素酸塩溶液製造は、電解効率も低いが、本発明によって、次亜塩素酸塩製造装置から発生する副生成ガスから不純物を除去して水素ガスを精製し、燃料として燃料電池により発電することにより、燃料電池の劣化を防止し寿命を延長させることができる。
【０１７３】
さらに、次亜塩素酸塩製造装置から発生する水素ガスを燃料として燐酸型燃料電池や固体高分子型燃料電池などの発電ユニットを運転し、発電電力を次亜塩素酸塩製造装置内の電解用電源として用いるオンサイト型の次亜塩素酸塩溶液生成装置と燃料電池発電システムを提供することができる。
【０１７４】
尚、本発明の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムは、上述の図示例にのみ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変更を加え得ることは勿論である。
【０１７５】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の請求項１乃至１３記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムによれば、次亜塩素酸塩生成装置から発生する水素ガスを燐酸型燃料電池や固体高分子型燃料電池などの燃料として使用できる程度に精製することができる燃料電池発電ユニットを提供するという優れた効果を奏し得る。
【０１７６】
また、次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムに風力や太陽光などの自然エネルギーを利用した発電装置を組み込むことにより、外部電源を必要としない、排出物も低減した自己完結型の次亜塩素酸塩生成装置及び燃料電池発電システムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。
【図２】第１の実施の形態に適用するガス洗浄器の模式的な系統図である。
【図３】第１の実施の形態に適用する湿度調整器の模式的な系統図である。
【図４】第２の実施の形態である次亜塩素酸ナトリウム製造装置の模式的な系統図である。
【図５】第３の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。
【図６】第４の実施の形態に適用する水素貯蔵装置の系統図である。
【図７】第４の実施の形態である次亜塩素酸ナトリウム製造装置の模式的な系統図である。
【図８】第５の実施の形態で使用する燃料電池ユニットの系統図である。
【図９】本発明の実施の形態で使用する酸素濃度調整器の系統図である。
【図１０】第６の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。
【図１１】第７の実施の形態で使用する湿度調整器の模式的な系統図である。
【図１２】従来の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムのブロック図である。
【図１３】従来の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムのブロック図である。
【図１４】従来の次亜塩素酸塩生成装置の電解槽のブロック図である。
【符号の説明】
３０ 電解槽
５０ 冷却器
５４ 次亜塩素酸塩受槽
５８ 次亜塩素酸塩貯蔵槽
８５ 温度検出器
８６ ガス洗浄器
８６ａ ガス洗浄器
８７ 演算器
８９ 温度検出器
９１ 高分子機能素材
１００ ガス精製装置
１０２ 次亜塩素酸塩生成装置
１０４ 燃料電池
１０６ 電解槽
１０８ 次亜塩素酸塩受槽
１１０ デミスタ
１１１ 電力切換装置
１１２ 活性炭吸着塔
１１３ 制御装置
１１４ 酸素濃度調整器
１１６ 冷却装置
１１９ 貴金属触媒
１２０ 湿度調整器
１２２ 湿度調整器
１２４ 水素貯蔵装置
１２６ 洗浄液タンク
１４４ 再生ガス加熱器
１５４ 加熱再生ガス
１６０ 冷却液タンク
１７０ 太陽光発電設備
１７２ 風力発電設備
１８０ 熱交換器
１９０ 水素貯蔵装置
１９８ 冷却液タンク
２００ 燃料電池ユニット
２０２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２０４ 系統連系インバータ
２０６ 系統電源
２０８ 負荷
２１４ 空気
Claims (13)
- 次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システムであって；
電気分解工程により電解槽内に水素ガスを主成分とする副生成ガスを発生する次亜塩素酸塩生成装置と；
前記次亜塩素酸塩生成装置から送出される前記副生成ガスから不純物を除去し水素ガスを通過させるガス洗浄器と；
酸化剤ガスと、前記ガス洗浄器から送出される水素ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池と；
前記ガス洗浄器と前記燃料電池との間に配置され、前記ガス洗浄器から送出される前記副生成ガスの酸素濃度を調整する酸素濃度調整器と；
を備える次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システム。 - 前記酸素濃度調整器で酸素を除去したガスの一部を前記次亜塩素酸塩生成装置から送出される前記副生成ガスと混合させる循環経路をさらに有する請求項１に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システム。
- 前記燃料電池の出力端子から出力する直流電圧を前記次亜塩素酸塩生成装置の電源として使用する請求項１又は２に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システム。
- 前記ガス洗浄器へ前記電解槽内の陰極電解液を送出しガス洗浄液として使用する請求項１又は２に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システム。
- 前記酸素濃度調整器と前記燃料電池との間に配置され、前記水素ガスの湿度を調整する湿度調整器をさらに有する請求項１又は請求項２に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システム。
- 前記湿度調整器は、第１と第２の湿度調整器を有し、前記第１の湿度調整器を休止させ前記第２の湿度調整器を稼動させている状態において、前記第１の湿度調整器の機能を回復させる再生熱源を前記燃料電池の排熱から供給する請求項５に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システム。
- 前記湿度調整器は、第１と第２の湿度調整器を有し、前記第１の湿度調整器を休止させ前記第２の湿度調整器を稼動させている状態において、前記第１の湿度調整器の機能を回復させる再生熱源を前記電解槽の冷却排熱から供給する請求項５に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システム。
- 前記燃料電池から生成する純水を、前記電解槽へ給水する給水装置を備える請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システム。
- 前記酸素濃度調整器の下流に配置され、前記酸素濃度調整器で高温化した前記副生成ガスを冷却する冷却装置をさらに有する請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システム。
- 風力又は太陽光を含む自然エネルギー源から転換された第１の電力、及び、前記燃料電池から発電する第２の電力を、前記次亜塩素酸塩生成装置へ選択的に供給する電力切換装置を備える請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システム。
- 前記湿度調整器から送出される水素ガスと反応し、水素を貯蔵する水素貯蔵装置と；
夜間は商用電力により運転する前記次亜塩素酸塩生成装置から送出される水素を前記水素貯蔵装置へ貯蔵し、前記夜間以外の時間帯に、前記水素貯蔵装置から水素ガスを取り出し前記燃料電池へ供給して発電し、前記燃料電池から出力する電力を前記次亜塩素酸塩生成装置へ供給する制御装置と；
を備える請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システム。 - 前記水素貯蔵装置は、前記水素ガスと反応して水素を吸収する水素吸蔵合金を含み、前記水素吸蔵合金から水素を取り出す熱源を前記電解槽の冷却排熱から供給する請求項１１に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システム。
- 前記水素貯蔵装置は、前記水素ガスと反応して水素を吸収する水素吸蔵合金を含み、前記水素吸蔵合金から水素を取り出す熱源を燃料電池の排熱から供給する請求項１１に記載の次亜塩素酸塩生成装置から水素ガスの供給を受ける燃料電池発電システム。
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