JP4986424B2

JP4986424B2 - 発電装置

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Publication number: JP4986424B2
Application number: JP2005233134A
Authority: JP
Inventors: 秀則中林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-08-11
Filing date: 2005-08-11
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2025-08-11
Also published as: JP2007048654A

Description

本発明は、炭化水素系原燃料ガスを水蒸気改質する改質器と、電力を発生させる燃料電池と、改質器内の水蒸気改質に用いる純水を精製する水処理装置と、燃料電池の排熱を回収するための熱交換器と、湯水を貯える貯湯タンクとを有する発電装置に関するものである。

従来の固体酸化物形燃料電池を用いた発電装置は、図３に示すように、固体酸化物形燃料電池１、天然ガスなどを燃料電池１に供給するための燃料供給装置２、および酸化剤ガスとしての空気を燃料電池１に供給するための空気供給装置３、燃料電池１に供給する天然ガスなどを加湿する燃料加湿器４、燃料加湿器４に純水を供給する水処理装置１０を具備している。水処理装置１０には、純水化用の水を供給する純水化用水供給配管１５、精製された純水を燃料加湿器４に供給する純水供給配管３０が接続され、また水処理装置１０には、水処理後の濃縮水を排出する排水配管３５が接続されている。

また、燃料加湿器４には、加湿された天然ガスなどの原燃料ガスを改質するための改質器３７が接続されている。

水処理装置１０は、発電時は殆ど燃料加湿器４に処理水を供給すると共に、水処理後の濃縮水を常時排水している（例えば、特許文献１参照）。

燃料電池１には、発電により生じる排熱を湯水に熱交換する熱交換器５が接続され、さらに熱交換器５には、貯湯タンク６内の水を循環するための循環配管７が接続され、循環配管７には循環配管７内の水を熱交換器５に強制的に循環するための循環ポンプ８が設けられている。循環配管７の一端は貯湯タンク６の底部に、他端は貯湯タンク６の上部に接続され、循環ポンプ８により、貯湯タンク底部の水を熱交換器５を通して貯湯タンク６の上部に戻す。

燃料電池１は、発電と共に熱を発生するが、その発生した熱の大半は燃料電池１自体の温度を維持するために用いられ、残った熱は、熱交換器５内の循環配管７を通過する水と熱交換し、加熱された水は貯湯タンク６へ回収される（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−２８００３１号公報特開２００２−１３４１４３号公報

しかしながら、水処理装置１０に純水化用水を供給する純水化用水供給配管１５は、水源から、貯湯タンク６への水供給配管とは別個に設けていたため、配管が複雑になり、施工に費用が増加するという問題があった。

また、水処理装置１０による水処理後の濃縮水（純水化されなかった水）を排水するための排水配管３５を、燃料電池外にまで延設する必要があり、配管が複雑になり、施工に費用が増加するという問題があった。

本発明は、配管施工を簡素化し施工費用を削減できる発電装置を提供することを目的とする。

本発明の発電装置は、炭化水素系原燃料ガスを水蒸気改質する改質器と、該改質器から供給された燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記改質器内の水蒸気改質に用いる純水を精製する水処理装置と、前記燃料電池からの排熱を回収するための熱交換器と、湯水を貯える貯湯タンクとを有するとともに、前記水処理装置には、該水処理装置に水を供給するための水供給配管が接続されており、前記熱交換器と前記貯湯タンクと
を循環配管により連結し、前記水処理装置に接続された水供給配管を、前記循環配管に連結してなるとともに、前記水処理装置に供給される水の温度が所定温度以上となると、前記貯湯タンク内の湯を放出し、前記水供給配管により供給される水の温度が所定温度以下となるよう運転制御する制御装置を有することを特徴とする。

このような発電装置では、水処理装置の水供給配管を循環配管に連結したため、外部から、もしくは外部へ配管されていた従来の配管構造と比較し、配管が簡素化され、小型化を達成できるとともに、施工費用を大幅に削減できる。

即ち、水処理装置の水供給配管を循環配管に接続する場合、貯湯タンクに供給され、循環配管を流れる水を水供給配管を介して水処理装置に供給することができ、水源から貯湯タンクへの水供給路が一つで良いため、配管が簡素化され、施工費用を大幅に削減できる。また、本発明の発電装置は、前記水処理装置に供給される水の温度が所定温度以上となると、前記貯湯タンク内の湯を放出し、前記水供給配管により供給される水の温度が所定温度以下となるよう運転制御する制御装置を有する。例えば、熱交換器の入口水温を検出する温度検出器が検出した水の温度が所定温度以上になると、水処理装置に供給される水の温度が所定温度以上となるため、この場合には、貯湯タンク内の湯を放出し、水処理装置に導入される水の温度が所定の温度以下となるよう運転制御する。水処理装置は、高分子膜である逆浸透膜を利用しているため、処理水の水温が、高温になると破壊されるという弱点がある。このため、装置内の前記熱交換器の入口水温が、例えば４０℃以上となると、貯湯タンクのお湯を放出することにより、貯湯タンク下部に冷たい上水が補給され、この低い温度の水が、循環配管より分岐した水供給配管を通って水処理装置に供給されることになり、逆浸透膜を保護でき、水処理装置の信頼性を向上できる。

また、本発明の発電装置は、前記循環配管は、前記貯湯タンクの底部と前記熱交換器を連結する往路循環配管と、前記熱交換器と前記貯湯タンク上部とを連結する復路循環配管とからなり、前記往路循環配管途中に循環ポンプを有するとともに、前記水処理装置の水供給配管を、前記循環ポンプと前記熱交換器との間における往路循環配管に接続してなることを特徴とする。このような発電装置では、循環ポンプにより、ある一定の圧力で強制的に水を水処理装置に供給することができ、水処理装置による純水精製効率を向上できる。

さらに、本発明の発電装置は、前記循環配管は、前記貯湯タンクの底部と前記熱交換器を連結する往路循環配管と、前記熱交換器と前記貯湯タンク上部とを連結する復路循環配管とからなり、前記水処理装置に接続された、純水に精製されなかった水処理後の排水を
水処理装置から排出するための排水配管を、前記復路循環配管に接続してなることを特徴とする。水処理装置の排水配管を循環配管に接続する場合、従来のように排水配管を燃料電池外にまで延設する必要がないため、配管が簡素化され、施工費用を大幅に削減できるとともに、水資源の無駄を無くすこともできる。即ち、従来、水処理装置による水処理後の濃縮水（純水に精製できなかった水）は、排水として排水配管により外部に捨てられており、例えば、１ｋｗ級の燃料電池の場合、燃料を加湿するのに１Ｌ／ｈの処理水が必要で、この処理水量を得るのに約２Ｌ／ｈの水を捨てており、一日１５時間の発電運転とすると、捨てられる水の量は約３０リットルとなり非常に無駄であった。本発明では、水処理装置の排水配管を循環配管に接続したため、純水に精製されなかった水が外部に捨てられることなく、貯湯タンクに供給され、再利用され、これにより、水資源を有効に用いることができる。さらに、一般に熱交換器においては、水供給配管が細く、長くなり、圧力損失が大きくなるため、熱交換器よりも下流側（復路循環配管）が上流側（往路循環配管）よりも圧力が低くなる。このような圧力の低い復路循環配管に排水配管を接続することにより、排水をスムーズに行うことができる。

本発明の発電装置によれば、燃料電池を駆動させるために必要な、水処理装置の水供給配管、排水配管を、発電装置内の循環配管に連結させることにより、施工を簡素化でき、小型化を達成できるとともに、施工費用も大幅に低減できる。また、水処理装置に供給される水の温度が所定温度以上となると、貯湯タンク内の湯を放出し、水供給配管により供給される水の温度が所定温度以下となるよう運転制御する制御装置を有することから、水処理装置の信頼性を向上できる。

本発明に係る実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１は本発明の発電装置を示すもので、図１において、図３で示した従来の発電装置と同じ機能を有するものについては、同一の符号を付与しており、それらの機能の詳細は、図３に準ずるものとして説明を省略する。

即ち、発電装置は、炭化水素系原燃料ガスを水蒸気改質する改質器３８と、この改質器３８から供給された燃料ガスと酸化剤ガスを用いて電力を発生させる燃料電池１と、改質器３８内の水蒸気改質に用いる純水を精製する水処理装置１０と、燃料電池１からの排熱を回収するための熱交換器５と、湯水を貯える貯湯タンク６とを具備して構成され、熱交換器５と貯湯タンク６とは循環配管７により連結されている。

改質器３８は燃料電池１を収容するケース内に収納され、燃料電池１の熱により加熱されて原燃料ガスの改質が行われる。

また、図１において、符号１１は、熱交換器５の入り口水温を検出する入口温度検出器、符号１２は、熱交換器５の出口水温を検出する出口温度検出器、符号１３は、燃料電池１の発電量に応じ発生する排熱を回収するために必要なポンプ出力を制御する制御装置である。符号１４は、貯湯タンク６の水温を検出するタンク温度検出器である。

そして、本発明の発電装置では、水処理装置１０には、この水処理装置１０に水を供給するための水供給配管１５、精製された純水を燃料加湿器４に供給する純水供給配管３０及び純水に精製されなかった水処理後の排水を水処理装置１０から排出するための排水配管３５が接続されており、水処理装置１０の水供給配管１５は、循環配管７に連結され、排水配管３５は、外部に延設されている。

即ち、循環配管７は、貯湯タンク６の底部と熱交換器５を連結する往路循環配管７ａと、熱交換器５と貯湯タンク６上部とを連結する復路循環配管７ｂとからなり、往路循環配管７ａ途中に循環ポンプ８を有し、水処理装置１０の水供給配管１５は、循環ポンプ８と熱交換器５との間における往路循環配管７ａに接続されている。熱交換器５には、燃料電池１からの排ガスが導入され、また、貯湯タンク６内の水が往路循環配管７ａにより導入され、熱交換が行われる。

また、制御装置１３は、水処理装置１０に供給される水の温度が所定温度以上となると、貯湯タンク６内の湯を放出し、水供給配管１５により供給される水の温度が所定温度以下となるよう運転制御する。

即ち、水処理装置１０は高分子膜で構成されているため高温になると劣化し、ついには破損してしまう。その為常に低温、例えば４０℃以下の水を供給していなければならない。そこで、熱交換器５の入口水温を検出する温度検出器１１が検出した水の温度が所定温度、例えば４０℃以上になると、水処理装置１０に供給される水の温度が例えば４０℃以上となると仮定して、貯湯タンク６内の湯を放出する。すると、貯湯タンク６の下部に水源からの冷たい水が供給され、循環配管７を通して水処理装置１０に冷たい水が供給される。

一方、熱交換器５の入口水温を検出する温度検出器１１が検出した水の温度が所定温度、例えば４０℃以下になると貯湯タンク６内の湯の放出を停止する。このように水処理装置１０に導入される水の温度が所定の温度以下となるよう運転制御するものである。

尚、この制御は貯湯タンク６の水温が全量高温になった時だけ働くので、通常は湯水を放出することは殆どない。一方、湯水を放出することが多い場合には、貯湯タンク６の他に、放出した湯水をためるための補助タンクを設けても良い。この場合には、資源をさらに有効に活用できる。

このような制御をすることにより、水処理装置１０の性能を維持し、信頼性を向上させることができる。

さらに、制御装置１３は、発電停止状態の場合に、水処理装置１０の水供給配管１５内の水の温度が所定温度以下となると、発電装置全体ではなく循環ポンプ８だけを運転し、貯湯タンク６内の暖かい水を水供給配管１５により水処理装置１０に供給して凍結を防ぎ、水処理装置１０の水供給配管１５内の水の温度が所定温度以上となると、循環ポンプ８の運転を停止するよう運転制御する。

即ち、発電装置は、設置して試運転後、実使用まで停止する場合や、夜間運転を休止する場合、長期間利用しないため停止する場合、メンテナンスのため停止する場合がある。冬季にこのような状況になると、寒冷地では水処理装置１０内の滞留水が凍結し、高価な水処理装置１０が破損するばかりでなく、発電装置自体が破損する恐れがある。これを防ぐため、装置内の最も温度が低くなる箇所、例えば熱交換器５の入口水温を検出する温度検出器１１が４℃以下を検出した場合、水処理装置１０の水供給配管１５内の水の温度が凍結しうる温度以下となったと仮定して、発電装置が停止中であるにもかかわらず、循環ポンプ８を運転して、貯湯タンク６内の湯水を水処理装置１０内に循環させ、熱交換器５の入口水温を検出する温度検出器１１が例えば１０℃以上を検出した時、循環ポンプ８を停止する制御を行なうものである。この制御により、電気ヒーター等を用いることなく凍結を未然に防ぐことができる。

燃料電池１と貯湯タンク６は、一つのケースに収容されることが、コンパクト化という点で望ましいが、燃料電池１と、貯湯タンク６とを別々のケースに収容しても良い。

次に本発明の発電装置の動作および作用について説明する。発電装置の運転は、燃料供給装置２により燃料となる天然ガスなどの炭化水素系原燃料ガスを、加湿器４、改質器３８に供給し、この改質器３８にて原燃料ガスを水蒸気改質し、この改質された燃料ガスを燃料電池１の発電素子に供給する。また、空気供給装置３により酸化剤ガスが燃料電池１に供給される。

最初に燃料電池１内部で燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱で燃料電池１自体を発電可能な温度まで加熱する。所定の温度になると、水処理装置１０で精製した純水を、燃料加湿器４に供給し、改質器３８にて水蒸気改質で天然ガスなどから水素をとりだし、燃料電池１の発電素子に供給されて発電が開始され、発電により発生する熱により燃料電池１の温度を維持する。さらに、発電により発生する熱が余り、外部に排熱として放出されるようになる。この排熱（排ガス）を排気管９により熱交換器５へ導き、熱交換器５を介して循環配管７内を循環する水に熱を移動せしめる。

制御装置１３は、タンク温度検出器１４が検出するタンク水温が貯湯運転可能温度の上限値未満であるときは、燃料電池１の発電量に応じて排熱を回収するために循環ポンプ８の出力を制御する。即ち、燃料電池による発電量が多い場合には、循環ポンプ８による水供給量を増加させ、熱交換器５による熱交換を活発に行わせるとともに、原燃料ガスを増加させて、水処理装置１０への水供給量を増加させ、純水精製量を増加させて原燃料ガスへの加湿量を増加させ、水素への改質を活発化させる。

この時水処理装置１０には、貯湯タンク６の貯湯圧力と循環ポンプ８の吐出圧力の２つが加わり純水化用水供給配管１５を通して貯湯タンク底部の水が供給される。水処理装置１０は、高価なフィルターや活性炭、逆浸透膜を用いて構成されており、精製された純水が燃料加湿器４に移送され、改質器３８にて水蒸気改質に供される。一方、逆浸透膜から水処理後の凝縮水が排水配管３５から排水される。

このような構成にすることにより、純水化用水供給配管１５は発電装置内にあらかじめ付設されているため、装置を設置する時に新たに水供給配管１５を施工する必要が無く、施工の簡略化、施工費用を削減できる。

図２は本発明の他の発電装置を示すもので、この発電装置では、この水処理装置１０に水を供給するための水供給配管１５及び水処理後の水を水処理装置１０から排出するための排水配管３６を有しており、水処理装置１０の水供給配管１５及び排水配管３６は、循環配管７に連結されている。

即ち、循環配管７は、貯湯タンク６の底部と熱交換器５を連結する往路循環配管７ａと、熱交換器５と貯湯タンク６上部とを連結する復路循環配管７ｂとからなり、往路循環配管７ａ途中に循環ポンプ８を有し、水処理装置１０の水供給配管１５は、循環ポンプ８と熱交換器５との間における往路循環配管７ａに接続され、排水配管３６は、熱交換器５と貯湯タンク６との間の復路循環配管７ｂに接続されている。

この場合、水供給配管１５と排水配管３６を循環配管７に接続するため、循環ポンプ８の吐出圧が不足する場合は、排水配管３６に排水ポンプ３９を設けることが望ましい。

このような発電装置では、図１の発電装置と同様の作用効果を有するが、さらに、水供給配管１５のみならず、排水配管３６も循環配管７に接続するため、従来のように排水配管を外部まで延設することがなく、循環配管７に接続すれば良いため、配管自体も短くなり、配管が簡素化され、小型化を達成できるとともに、施工費用を大幅に削減できる。

さらに、水処理装置１０は、水を純水化するため、大量の水から一部の純水を精製していたため、純水とできなかった水は外部に放出していたが、本発明では、純水化できなかった水処理後の凝縮水を外部に捨てることなく、貯湯タンクに供給され、再利用されるため、水資源を有効に活用でき、経済性も向上する。

この場合には、制御装置１３により、水処理装置１０の水供給配管１５内の水の温度が凍結しうる温度以下となった場合に、発電装置が停止中であるにもかかわらず、循環ポンプ８を運転して、貯湯タンク６内の湯水を水処理装置１０内に循環させるため、水処理装置１０の凍結による破損を防止できるとともに、発電装置自体の破損を防止でき、さらに、凍結防止用の湯水も水処理装置１０に供給された後、水処理装置１０からの排水を排水配管３６により貯湯タンク６に戻すことができ、水資源の有効活用を図ることができる。

尚、上記図１、図２の形態において、循環ポンプ８の吐出圧により水処理装置１０に水を供給したが、発電量によって循環ポンプ８の吐出圧を制御し、熱交換器５への水供給量、水処理装置１０への水供給量を制御しても良い。

即ち、固体電解質形の燃料電池１では、例えば中空平板型の燃料電池セルの上方で、余剰の燃料ガスが燃焼されるが、負荷が多くなり発電量を多くするためには燃料ガスを多く供給する必要があるため、燃焼ガスが多くなり、排熱も多くなる。従って、燃料電池１の発電量を負荷により変動させる場合には、例えば、最大出力させる場合には、制御装置１３により、循環配管７の循環ポンプ８による吐出圧を大きく制御し、水処理装置１０への水の供給量を増加させ、純水精製を活発化させ、燃料ガスへの改質量を活発化させ、発電量を増加させることができるとともに、熱交換器５への水供給量を増加させ、増加した高温の排ガスとの熱交換を活発化させることができる。

この場合、循環ポンプ８の吐出圧を一定とし、熱交換器５への水供給量を一定とし、水処理装置１０への水供給配管７に水供給ポンプを新たに設けても良い。また、水供給ポンプを新たに設ける代わりに、水処理装置１０に、逆浸透膜への水供給量を制御する弁を設けても良い。この場合には、水処理装置１０への水供給量を水供給ポンプ、弁により制御することができる。

また、図１、図２の発電装置では、燃料加湿器４を設け、この燃料加湿器４に純水を供給した例について説明したが、燃料加湿器を設けることなく改質器自体に直接純水を供給し、この改質器にて原燃料ガスと混合し、水蒸気改質してもよい。また、原燃料ガスを供給する配管に純水供給管を接続しても良い。

さらに、図１、図２の発電装置では、燃料電池１を収納するケース内に改質器３８を収納した例について説明したが、燃料電池１の収納ケース外に別個に改質器を設けても良い。

本発明の発電装置を示す構成図である。本発明の他の発電装置を示す構成図である。従来の発電装置を示す構成図である。

符号の説明

１・・・燃料電池
５・・・熱交換器
６・・・貯湯タンク
７・・・循環配管
７ａ・・・往路循環配管
７ｂ・・・復路循環配管
８・・・循環ポンプ
１０・・・水処理装置
１３・・・制御装置
１５・・・水供給配管
３５、３６・・・排水配管
３７、３８・・・改質器

Claims

炭化水素系原燃料ガスを水蒸気改質する改質器と、該改質器から供給された燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記改質器内の水蒸気改質に用いる純水を精製する水処理装置と、前記燃料電池からの排熱を回収するための熱交換器と、湯水を貯える貯湯タンクとを有するとともに、前記水処理装置には、該水処理装置に水を供給するための水供給配管が接続されており、前記熱交換器と前記貯湯タンクとを循環配管により連結し、前記水処理装置に接続された水供給配管を、前記循環配管に連結してなるとともに、前記水処理装置に供給される水の温度が所定温度以上となると、前記貯湯タンク内の湯を放出し、前記水供給配管により供給される水の温度が所定温度以下となるよう運転制御する制御装置を有することを特徴とする発電装置。
前記循環配管は、前記貯湯タンクの底部と前記熱交換器を連結する往路循環配管と、前記熱交換器と前記貯湯タンク上部とを連結する復路循環配管とからなり、前記往路循環配管途中に循環ポンプを有するとともに、前記水処理装置の水供給配管を、前記循環ポンプと前記熱交換器との間における往路循環配管に接続してなることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
前記循環配管は、前記貯湯タンクの底部と前記熱交換器を連結する往路循環配管と、前記熱交換器と前記貯湯タンク上部とを連結する復路循環配管とからなり、前記水処理装置に接続された、純水に精製されなかった水処理後の排水を水処理装置から排出するための排水配管を、前記復路循環配管に接続してなることを特徴とする請求項１又は２記載の発電装置。