JP5040200B2

JP5040200B2 - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JP5040200B2
Application number: JP2006195078A
Authority: JP
Inventors: 規雄佐々木; 仁人千田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2026-07-18
Also published as: JP2008027587A

Description

本発明は、燃料電池発電装置内部で必要とされる水を、排出される排ガスから回収して再利用する燃料電池発電装置に関する。

燃料電池発電装置は、水素と酸素との結合エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。かかる燃料電池発電装置には、電解質と、これを挟持する燃料極及び空気極から成る単位電池を複数積層することによって構成された燃料電池本体が使用されており、天然ガスなどの炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガス中の水素と、空気中の酸素とを、燃料電池の燃料極及び空気極にそれぞれ供給し、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得ている。

原燃料を燃料ガスに改質するには、天然ガスなどの炭化水素系の原燃料に水蒸気を加えて、水と原燃料との反応を触媒で促進して行う改質器が通常用いられる。従って、改質器には、燃料の改質に必要となる水を補給する必要がある。

この改質反応に用いる水は、燃料電池から排出される排ガスを凝縮させて得られる凝縮水を、イオン交換式の水処理装置などで不純物を除去したイオン交換水などを利用している。そして、この水処理装置への負荷を低減させるため、通常は、これらの凝縮水に精製処理を施す前に脱炭酸処理を行い、炭酸ガス濃度を低減している。

凝縮水の脱炭酸処理方法として、種々の方法が知られており、例えば下記特許文献１には、水処理装置の前段に、燃焼排ガス凝縮水と、燃料電池本体の空気極側から排出される排空気とを直接向流接触させる直接接触式脱気装置を配置して脱炭酸処理することが開示されている。

また、下記特許文献２には、空気極側から排出される排ガスから回収する排空気凝縮水等の処理不要凝縮水と、改質器から排出される燃焼排ガスから回収する燃焼排ガス凝縮水等の脱炭酸処理を施す必要のある処理対象凝縮水とを分別して回収すると共に、処理対象凝縮水のみに対し脱炭酸処理を施すことが開示されている。
特許第３１０６５５２号明細書特開２００５−３２６７３号公報

しかしながら、燃焼排ガス凝縮水に対し、脱炭酸処理を施した場合であっても、燃焼排ガス凝縮水中の炭酸ガス濃度を、燃料電池本体の空気極側から排出される排空気から得られる排空気凝縮水の炭酸ガス濃度と同等程度まで低減することは困難であった。

すなわち、燃焼排ガス中の炭酸ガス濃度は、約１５％であり、このときの４０℃の燃焼排ガス凝縮水中の炭酸ガス濃度は約１６０ｍｇ／Ｌである。これに対し、排空気中の炭酸ガス濃度は、大気と等しく約０．０３５％であり、このときの４０℃の排空気凝縮水中の炭酸ガス濃度は約０．３７ｍｇ／Ｌである。このように、燃焼排ガス凝縮水の炭酸ガス濃度は、排空気凝縮水の約４３０倍である。このため、燃焼排ガス凝縮水の炭酸ガス濃度を、排空気凝縮水の炭酸ガス濃度と同等にするには、脱炭酸処理装置を大型にしたり、脱炭酸処理時間に時間をかける必要があった。

また、回収水である凝縮水の量は、凝縮器である熱交換器の性能にも依存するが、外部の冷却水の温度で著しく変動する。すなわち、冬季等の外部冷却水の温度が低い条件下では、排空気凝縮水のみで、燃料電池発電装置の運転に要する水の全てもしくは大部分をまかなうことが可能な場合がある。このため、上記特許文献１、２のように、燃焼排ガス凝縮水と排空気凝縮水とを常時合流させていると、水処理装置に過剰な負荷を与えることとなり、イオン交換樹脂等の交換周期が短くなり、結果として燃料電池発電装置のランニングコストが増加するという問題があった。

したがって、本発明の目的は、燃料電池発電装置内部で必要とされる水を、燃料電池発電装置の発電時の反応で生成される水を回収して用いると共に、水処理装置等のメンテナンス周期を長期化でき、ランニングコストの優れた燃料電池発電装置を提供することにある。

本発明の燃料電池発電装置の第１は、電解質を燃料極及び空気極によって挟持した単位電池が複数個積層された燃料電池本体と、燃料を改質して前記燃料極に改質ガスを供給する改質器と、前記空気極に空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池本体の空気極から排出される排空気及び前記改質器より排出される燃焼排ガスから凝縮水を回収する凝縮熱交換器と、前記凝縮水を貯留する水タンクと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空気極から排出される排空気から回収した排空気凝縮水を前記水タンクに供給する第１の供給経路と、前記改質器から排出される燃焼排ガスから回収した燃焼排ガス凝縮水を前記水タンクに供給する第２の供給経路と、前記改質器から排出される燃焼排ガスから回収した燃焼排ガス凝縮水を系外に排出する排出経路とを備え、前記第２の供給経路が、前記水タンク内に貯留された凝縮水中に下端部が浸漬するように、前記水タンク内に挿入されたドレン管からなり、前記排出経路が、前記ドレン管に接続された前記水タンクの水位を所定値以下に保つためのオーバーフロー配管により構成されており、前記排空気凝縮水は、前記第１の供給経路を通して前記水タンクに供給し、前記燃焼排ガス凝縮水は、前記水タンクの水位が所定値を下回っている場合は、前記第２の供給経路を通して前記水タンクに供給し、前記水タンクの水位が所定値を超えている場合は、前記排出経路を通して系外へ排出するように構成されていることを特徴とする。

上記発明の作用効果について説明すると、凝縮熱交換器での凝縮効率や、燃料電池本体の運転状態などによっては、燃料電池発電装置の運転に要する水の全てもしくは大部分を排空気凝縮水でまかなうことが可能な場合がある。したがって、水タンク内に貯留された水量が所定量未満の場合のみ、水質的に不利な凝縮水である燃焼排ガス凝縮水を回収するようにすることで、水処理装置などへの負荷を大幅に低減でき、燃料電池発電装置のランニングコストの低減が図れる。

また、第２の供給経路が、水タンク内に貯留された凝縮水中に下端部が浸漬するように、水タンク内に挿入されたドレン管からなり、排出経路が、ドレン管に接続された水タンクの水位を所定値以下に保つためのオーバーフロー配管により構成されているので、水タンク内の水位がオーバーフロー配管よりも高い場合、燃焼排ガス凝縮水がオーバーフロー配管から系外へと流出し、水タンク内の水位がオーバーフロー配管よりも低い場合のみ、ドレン管から燃焼排ガス凝縮水が水タンクへ供給される。このため、水質的に不利な水質的に不利な凝縮水である燃焼排ガス凝縮水の混入を最小限に抑えることができる。

本発明の燃料電池発電装置の第２は、電解質を燃料極及び空気極によって挟持した単位電池が複数個積層された燃料電池本体と、燃料を改質して前記燃料極に改質ガスを供給する改質器と、前記空気極に空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池本体の空気極から排出される排空気及び前記改質器より排出される燃焼排ガスから凝縮水を回収する凝縮熱交換器と、前記凝縮水を貯留する水タンクと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空気極から排出される排空気から回収した排空気凝縮水を前記水タンクに供給する第１の供給経路と、前記改質器から排出される燃焼排ガスから回収した燃焼排ガス凝縮水を前記水タンクに供給する第２の供給経路と、前記改質器から排出される燃焼排ガスから回収した燃焼排ガス凝縮水を系外に排出する排出経路と、前記第２の供給経路に配置された、前記水タンク内の水位が所定高さよりも低い場合に開き、前記水タンク内の水位が前記所定高さよりも高い場合に閉じる弁とを備え、前記排空気凝縮水は、前記第１の供給経路を通して前記水タンクに供給し、前記燃焼排ガス凝縮水は、前記水タンクの水位が所定値を下回っている場合は、前記第２の供給経路を通して前記水タンクに供給し、前記水タンクの水位が所定値を超えている場合は、前記排出経路を通して系外へ排出するように構成されていることを特徴とする。
この態様によれば、水タンク内の水位が所定高さよりも低くなると弁が開き、水位が所定高さに達するまで水タンク内に燃焼排ガス凝縮水が供給されるので、水タンク内にはほぼ一定量の水量を維持でき、また、水質的に不利な凝縮水である燃焼排ガス凝縮水の混入を最小限に抑えることができる。

本発明の燃料電池発電装置の第３は、電解質を燃料極及び空気極によって挟持した単位電池が複数個積層された燃料電池本体と、燃料を改質して前記燃料極に改質ガスを供給する改質器と、前記空気極に空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池本体の空気極から排出される排空気及び前記改質器より排出される燃焼排ガスから凝縮水を回収する凝縮熱交換器と、前記凝縮水を貯留する水タンクと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空気極から排出される排空気から回収した排空気凝縮水を前記水タンクに供給する第１の供給経路と、前記改質器から排出される燃焼排ガスから回収した燃焼排ガス凝縮水を前記水タンクに供給する第２の供給経路と、前記改質器から排出される燃焼排ガスから回収した燃焼排ガス凝縮水を系外に排出する排出経路とを備え、前記第２の供給経路は、前記水タンク内の水位を所定値以下に保つための水位調整用オーバーフロー配管と接続し、前記水位調整用オーバーフロー配管は、前記第２の供給経路との接続点よりも低い位置で前記水タンクと接続しており、前記排空気凝縮水は、前記第１の供給経路を通して前記水タンクに供給し、前記燃焼排ガス凝縮水は、前記水タンクの水位が所定値を下回っている場合は、前記第２の供給経路を通して前記水タンクに供給し、前記水タンクの水位が所定値を超えている場合は、前記排出経路を通して系外へ排出するように構成されていることを特徴とする。
この態様によれば、水タンク内の水位が水位調整用オーバーフロー配管よりも高い場合、燃焼排ガス凝縮水が、水位調整用オーバーフロー配管を通って系外へと流出し、水タンク内の水位が水位調整用オーバーフロー配管よりも低い場合、水位調整用オーバーフロー配管を通って、水タンク内に燃焼排ガス凝縮水が供給されるので、水タンク内には、ほぼ一定量の水量を維持でき、また、水質的に不利な水質的に不利な凝縮水である燃焼排ガス凝縮水の混入を最小限に抑えることができる。

本発明の燃料電池発電装置の第１〜第３は、前記燃焼排ガス凝縮水を前記第２の供給経路に導入する前段に、前記排空気から排空気凝縮水を回収した後の排空気を、前記燃焼排ガス凝縮水に吹き付けて、該燃焼排ガス凝縮水を脱炭酸処理する脱炭酸処理機構が設けられていることが好ましい。この態様によれば、燃焼排ガス凝縮水に対し、脱炭酸処理を施すことで、水処理装置などに対する負荷をより低減することができる。そして、該排空気は、炭酸ガスの濃度が低く、通常の空気とほぼ同等であることから、排ガスを有効利用でき、運転コストの削減が図れる。
本発明の燃料電池発電装置の第４は、電解質を燃料極及び空気極によって挟持した単位電池が複数個積層された燃料電池本体と、燃料を改質して前記燃料極に改質ガスを供給する改質器と、前記空気極に空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池本体の空気極から排出される排空気及び前記改質器より排出される燃焼排ガスから凝縮水を回収する凝縮熱交換器と、前記凝縮水を貯留する水タンクと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空気極から排出される排空気から回収した排空気凝縮水を前記水タンクに供給する第１の供給経路と、前記改質器から排出される燃焼排ガスから回収した燃焼排ガス凝縮水を前記水タンクに供給する第２の供給経路と、前記改質器から排出される燃焼排ガスから回収した燃焼排ガス凝縮水を系外に排出する排出経路と、前記燃焼排ガス凝縮水を前記第２の供給経路に導入する前段に配置された、前記排空気から排空気凝縮水を回収した後の排空気を、前記燃焼排ガス凝縮水に吹き付けて、該燃焼排ガス凝縮水を脱炭酸処理する脱炭酸処理機構とを備え、前記排空気凝縮水は、前記第１の供給経路を通して前記水タンクに供給し、前記燃焼排ガス凝縮水は、前記水タンクの水位が所定値を下回っている場合は、前記第２の供給経路を通して前記水タンクに供給し、前記水タンクの水位が所定値を超えている場合は、前記排出経路を通して系外へ排出するように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、炭酸ガス濃度が高く水質として不利な凝縮水が、系統内に混入しにくく、凝縮水の純度を維持するために必要な水処理装置のイオン交換樹脂等の寿命を伸ばすことができ、ランニングコストを低減できる。

以下、図面に基づいて本発明の燃料電池発電装置の実施形態を説明する。図１に、本発明の燃料電池発電装置の概略構成図を示し、図２に、同燃料電池発電装置の水タンク周辺部の概略構成図を示す。

本発明の燃料電池発電装置は、電解質１ｃを挟持する燃料極１ａ及び空気極１ｂと、これらからなる単位セルの複数個を重ねる毎に配設される冷却管を有する冷却系１ｄとで構成されている燃料電池本体１と、燃料極１ａに燃料を改質して得られる水素を主体とした改質ガスを供給する改質器３と、空気極１ｂに空気を供給する空気供給装置７と、燃料電池本体１及び／又は改質器３より排出される排ガスから凝縮水を回収する凝縮熱交換器２２と、凝縮水を貯留する水タンク１０とで主に構成されている。

燃料極１ａの改質ガス供給側は、改質器３から伸びた改質ガス供給ラインＬ１と接続している。また、燃料極１ａのオフガス排出側からは、オフガス供給ラインＬ７が伸び、燃料予熱器２１を介して改質器３と接続している。このオフガス供給ラインＬ７には、途中に燃料予熱器２１が配置されており、燃焼排ガス排出口３ｄから伸びた燃焼排ガスラインＬ８と熱交換できるように構成されている。

空気極１ｂの空気供給側は、空気供給装置７から伸びた空気供給ラインＬ２と接続している。また、空気極１ｂの排空気排出側からは、排空気ラインＬ９が伸び、凝縮熱交換器２２と接続している。

改質器３は、改質触媒部３ａとバーナ部３ｂとで構成されている。

改質触媒部３ａの改質原料の投入側は、原燃料源から伸びた原燃料供給ラインＬ３と接続している。この原料供給ラインＬ３には、途中に脱硫器２が配置されており、原燃料を脱硫処理できるように構成されている。また、この原料供給ラインＬ３は、一部が分岐しており、精製水貯留タンク９から伸びた精製水供給ラインＬ４と接続している。

改質触媒部３ａの改質ガスの回収側からは、改質ガス供給ラインＬ１が伸び、燃料極１ａの改質ガス供給側と接続している。この改質ガス供給ラインＬ１には、途中にＣＯ変成器４及びＣＯ除去器５が配置されている。

バーナ部３ｂの燃料導入口３ｃは、原料供給ラインＬ３から分岐して伸びた起動用燃料供給ラインＬ５と、燃焼空気ブロア６から伸びた燃焼空気供給ラインＬ６と、燃料極１ａのオフガス排出側から伸びたオフガス供給ラインＬ７が接続している。

バーナ部３ｂの燃焼排ガス排出口３ｄからは、燃焼排ガスラインＬ８が伸び、燃料予熱器２１を経て、凝縮熱交換器２２の入口側と接続している。また、凝縮熱交換器２２の入口側には、空気極１ｂの排空気排出側から伸びた排空気ラインＬ９及び、冷却系１ｄから伸びた冷却水ラインＬ１３が接続している。

凝縮熱交換器２２の出口側は、凝縮熱交換器２２で凝縮処理された排空気凝縮水を含む排空気を水タンク１０へ供給する排空気凝縮水供給ラインＬ１１と、凝縮熱交換器２２で凝縮処理後された排燃焼ガス凝縮水を含む燃焼排ガスを脱炭酸装置１１へ供給する燃焼排ガス凝縮水供給ラインＬ１０が接続している。

図２を併せて参照すると、脱炭酸装置１１ａは、水タンクの上部に設けられている排空気凝縮水の供給室１０ａと隣接して配設されている。

供給室１０ａの上部側又は側部側には、排空気凝縮水供給ラインＬ１１に接続される排空気凝縮水供給口３０が設けられている。また、供給室１０ａの下部側には、排空気凝縮水供給ドレン（第１の供給経路）３１が設けられている。また、供給室１０ａの側壁には、脱炭酸装置１１ａに連結する排空気給排気口３２が設けられている。

脱炭酸装置１１ａの上部側には、燃焼排ガス凝縮水供給ラインＬ１０に接続される燃焼排ガス凝縮水供給口４０及び、凝縮水中の二酸化炭素を取り込んだ排空気（脱炭酸用空気）及び燃焼排ガスを排出する排気口４１が設けられている。また、脱炭酸装置１１ａの下部側には、燃焼排ガス凝縮水供給ドレン（第２の供給経路）４３ａが配置されており、その先端部が水タンク１０内に貯留された凝縮水中に浸漬している。また、燃焼排ガス凝縮水供給ドレン４３ａは、オーバーフロー配管（排出経路）４２ａを備えている。このオーバーフロー配管４２ａは、燃焼排ガス凝縮水供給ドレン４３ａから略水平方向に伸び、その先端部が水タンク１０の外部に挿出している（排出経路）。また、脱炭酸装置１１ａの内部には、傾斜板５０が配置されている。

水タンク１０の側壁には、水タンク１０内に外部から市水を供給する市水供給配管４５が配置されている。また、水タンク１０の底部には、凝縮水回収ラインＬ１２に接続される凝縮水引抜き口４６が設けられている。

水処理装置１２は配管を介して精製水貯留タンク９と接続している。そして、精製水貯留タンク９には、燃料電池本体１の冷却系１ｄと接続する冷却水ラインＬ１３と、原料供給ラインＬ３と接続する精製水供給ラインＬ４とが接続されている。

次に、本発明の燃料電池発電装置の動作について説明する。

原燃料源から供給される原燃料は、まず脱硫器２へ導入されて原燃料に含まれる硫黄成分が除去される。そして、硫黄成分が除去された原燃料は、精製水供給ラインＬ４から供給される改質水（精製水）と混合して改質器の改質触媒部３ａへと供給し、改質反応により水素に富む改質ガスを生成させる。なお、上記改質反応は、吸熱反応であることから、改質器３のバーナ部３ｂに、燃焼空気供給ラインＬ６から燃焼用空気と、起動用燃料供給ラインＬ５から原燃料及び／又はオフガス供給ラインＬ７からオフガスとを供給し、これらを燃焼して改質触媒部３ａを加熱する。

そして、改質器３で生成された改質ガスは、ＣＯ変成器４及びＣＯ除去器５にて一酸化炭素濃度を低減した後、改質ガス供給ラインＬ１から燃料極１ａへと供給される。

燃料電池本体１では、燃料極１ａへ供給された改質ガスと、空気極１ｂへ供給された空気とを電解質１ｃの界面で電気化学反応させて発電し、この発電出力をインバータユニット（図示せず）などにて、所定電圧の交流電力に変換し電力系統に連係される。

燃料極１ａから排出されるオフガスは、オフガス供給ラインＬ２を通してバーナ部３ｂへと供せられ、燃焼源として用いられる。一方、バーナ部３ｂから排出される燃焼排ガスと、空気極１ｂから排出される排空気は、凝縮熱交換器２２へと供給され、ここで冷却して凝縮水を回収する。

本発明では、燃焼排ガスから回収される燃焼排ガス凝縮水と、排空気から回収される排空気凝縮水とをそれぞれ分離して回収する。

すなわち、排空気凝縮水を含む排空気は、排空気凝縮水供給ラインＬ１１を通して、水タンク１０の供給室１０ａへと導入し、排空気凝縮水は、排空気凝縮水供給ドレン３１から水タンク１０へと流入させて回収し、排空気は、排空気給排気口３２から脱炭酸装置１１ａへと供給する。

一方、燃焼排ガスを含む燃焼排ガス凝縮水は、燃焼排ガス凝縮水供給ラインＬ１０を通して、脱炭酸装置１１ａの燃焼排ガス凝縮水供給口４０から傾斜板５０の上面へと燃焼排ガス凝縮水を供給し、排空気給排気口３２から供給される排空気（脱炭酸用空気）と傾斜板５０上で接触させて、燃焼排ガス凝縮水を脱炭酸処理する。上記傾斜板５０は、多孔質材料で構成されていることが好ましい。これによれば、傾斜板５０の上面側を流下させる凝縮水を、傾斜板５０に吸水保持でき、脱炭酸用空気と凝縮水との接触時間を十分確保することができるので、脱炭酸効率を向上できる。

排空気給排気口３２から供給された排空気（脱炭酸用空気）は、凝縮水中の二酸化炭素を取り込んで、燃焼排ガスと共に排気口４１から排出し、脱炭酸処理後の燃焼排ガス凝縮水は、燃焼排ガス凝縮水供給ドレン４３ａへと供する。そして、水タンク１０の水位が、オーバーフロー配管４２ａよりも低い場合、燃焼排ガス凝縮水供給ドレン４３ａを通って水タンク１０に流入させて、回収水として貯留し、水タンク１０内の水位がオーバーフロー配管４２ａよりも高い場合、オーバーフロー配管４２ａを通って水タンク１０の外部に流出させる。

このように、本発明では、炭酸ガス濃度の少ない凝縮水である排空気凝縮水は、排空気凝縮水供給ドレン３１から、常時水タンク１０へと流入させ、回収水としてここに貯留するのに対し、炭酸ガス濃度が高く水質的に不利な凝縮水である燃焼排ガス凝縮水は、脱炭酸装置１１ａで、脱炭酸処理した後、水タンク１０内の水位がオーバーフロー配管４２ａよりも低い場合のみ回収している。

ここで、凝縮熱交換器２２での凝縮効率や、燃料電池本体１の運転状態などによっては、燃料電池発電装置の運転に要する水の全てもしくは大部分を排空気凝縮水でまかなうことが可能な場合がある。したがって、水タンク１０内に貯留された水量が所定量未満の場合のみ、水質的に不利な凝縮水である燃焼排ガス凝縮水を回収するようにすることで、後述する水処理装置１２などへの負荷を大幅に低減でき、燃料電池発電装置のランニングコストの低減が図れる。なお、凝縮水の回収量が少ない場合は、外部水源から市水供給配管４５を通して水タンク１０へ市水を供給してもよい。また、この実施形態では、燃焼排ガス凝縮水の脱炭酸処理方法として、内部に傾斜板５０の配置された脱炭酸装置を用いて脱炭酸処理を行っているが、特に限定はなく、種々の脱炭酸処理方法を用いることができる。

本発明では、水タンク１０に貯留された排空気凝縮水と、燃焼排ガス凝縮水供給ドレン４３ａ内に滞留する燃焼排ガス凝縮水との接触面積が大きいと、燃焼排ガス凝縮水が、排空気凝縮水と混合拡散し、水タンク内の貯留水中の炭酸ガス濃度が増加しやすくなることから、燃焼排ガス凝縮水供給ドレン４３ａの内径は出来るだけ小さい方が望ましく、燃焼排ガス凝縮水が滞留することなく流せる程度の大きさで、最小限の径であることが望ましい。具体的には、出力１ｋＷ級の固体高分子形燃料電池の場合、燃焼排ガス凝縮水供給ドレン４３ａの内径は、８ｍｍ程度が好ましい。

水タンク１０に貯留された貯留水は、側壁又は底部に配置された凝縮水回収ラインＬ１２から水処理装置１２へと供給され、ここで最終的な精製処理が行われる。

水処理装置１２で精製処理した凝縮水（精製水）は、精製水貯留タンク９に供給され、冷却水ラインＬ１３から燃料電池本体１の冷却系１ｄ及び凝縮熱交換器２２へと供給して、冷却水として循環利用され、また、精製水供給ラインＬ４から改質器３の改質触媒部３ａへと供給して、原燃料の改質反応にも利用される。

以上のように、本発明の燃料電池発電装置によれば、炭酸ガス濃度が高く水質として不利な凝縮水である燃焼排ガス凝縮水が混入しにくくなるので、凝縮水の純度を維持するために必要な水処理装置１２のイオン交換樹脂等の寿命を伸ばすことができ、ランニングコストを低減できる。

図３には、本発明の燃料電池発電装置の第２の実施形態を表す水タンク周辺部の概略構成図が示されている。なお、水タンク周辺部の構成以外は、上記実施形態と同一であることから、その説明は省略することとする。また、前記実施形態の燃料電池発電装置と同一部分には、同符号を付してその説明を省略することとする。

この実施形態では、脱炭酸装置１１ｂの下部側に、オーバーフロー配管（排出経路）４２ｂが配置されている。また、脱炭酸装置１１ｂの底部は、脱炭酸処理の施された燃焼排ガス凝縮水を一時的に貯留する貯留部となしている。更にまた、脱炭酸装置１１ｂの底部に、電磁弁４７、制御装置４８を備えた燃焼排ガス凝縮水供給ドレン（第２の供給経路）４３ｂが配置されている。そして、水タンク１０の側壁には、水タンク１０内の水位を所定値以下に維持するための水位調整用オーバーフロー配管４４ａが配置されている点が上記実施形態と異なる。

この実施形態では、水タンク１０内の水位に応じて電磁弁４７の開閉を制御し、水タンク１０への燃焼排ガス凝縮水の供給を制御している。すなわち、水タンク１０内の水位が所定高さよりも低い場合には、電磁弁４７を開いて貯留部に一時的に貯留された燃焼排ガス凝縮水を水タンク１０へ供給し、水タンク１０内の水位が所定高さよりも高い場合には、電磁弁４７を閉じて、燃焼排ガス凝縮水をオーバーフロー配管（排出経路）４２ｂから外部へと流出させる。

このような電磁弁４７による開閉の制御方法としては、例えば、フロート４９ａ、上限センサー４９ｂ、下限センサー４９ｃを備えた水位センサー４９を水タンク内に配置し、フロート４９ａが、下限センサー４９ｃに接触すると、上限センサー４９ｂに接触するまで電磁弁４７を開となるようにする制御する方法などが挙げられる。

この実施形態によれば、水タンク１０内の水位に応じて、電磁弁４７を開閉させ、燃焼排ガス凝縮水を水タンク１０へと供給するので、必要量以上の燃焼排ガス凝縮水が水タンク１０へと混入しにくく、水の純度を維持するために必要な水処理装置１２のイオン交換樹脂等の寿命を伸ばすことができ、ランニングコストを低減できる。

図４には、本発明の燃料電池発電装置の第３の実施形態を表す水タンク周辺部の概略構成図概略構成図が示されている。なお、水タンク周辺部の構成以外は、上記実施形態と同一であることから、その説明は省略することとする。また、上記実施形態の燃料電池発電装置と同一部分には、同符号を付してその説明を省略することとする。

この実施形態では、供給室１０ａの上部側又は側部側に、排空気凝縮水供給ラインＬ１１に接続される排空気凝縮水供給口３０が設けられている。また、供給室１０ａの下部側に、排空気凝縮水供給ドレン（第１の供給経路）３１が設けられている。また、供給室１０ａの側壁に、脱炭酸用空気供給管６０に接続される排空気排気口３３が設けられており、脱炭酸用空気供給管６０を介して脱炭酸装置１１ｃの排空気供給口３４と接続している。

また、脱炭酸装置１１ｃに、脱炭酸処理手段として、内部にＳＵＳ等のラッシヒリングが充填された脱気部５１が配置されている。また、脱炭酸装置１１ｃの上部側に、燃焼排ガス凝縮水供給ラインＬ１０に接続される燃焼排ガス凝縮水供給口４０及び、凝縮水中の二酸化炭素を取り込んだ排空気（脱炭酸用空気）及び燃焼排ガスを排出する排気口４１が設けられている。また、脱炭酸装置１１ｂの底部から伸びた燃焼排ガス凝縮水供給ドレン（第２の供給経路）４３ｃは、水タンク１０の側壁から伸びた水位調整用オーバーフロー配管４４ｂと接続している。この水位調整用オーバーフロー配管４４ｂは、水タンク１０の側壁から斜め上方に伸びた傾斜部６１と、該傾斜部６１の先端から略水平方向に伸びた略水平部６２とを有し、傾斜部６１の途中に燃焼排ガス凝縮水供給ドレン４３ｃが接続している点が上記実施形態と異なる。

この実施形態によれば、水タンク１０内の水位が略水平部６２の水位よりも低い場合、水位調整用オーバーフロー配管４４ｂから、水タンク１０内に燃焼排ガス凝縮水が流入し、略水平部６２の水位よりも高い場合、水位調整用オーバーフロー配管４４ｂから、系外へ燃焼排ガス凝縮水が流出するので、必要量以上の燃焼排ガス凝縮水が水タンク１０へと混入しにくく、水の純度を維持するために必要な水処理装置１２のイオン交換樹脂等の寿命を伸ばすことができ、ランニングコストを低減できる。

なお、本実施の形態では、供給室１０ａを設けているがこれを省略し、排空気凝縮水供給口３０を水タンク１０の気相部（水位調整用オーバーフロー配管４４ｂの水平部６２よりも高い位置）に直接接続し、同じく水タンク１０の気相部に排空気排気口３３を設けて脱炭酸用空気供給管６０を水タンク１０に直接接続することとしても良い。また、本実施形態においても、脱炭酸脱炭酸装置１１ｃに代えて、第１の実施形態で用いた傾斜板５０を供える脱炭酸装置１１ａを用いることとしても良い。

図５には、本発明の燃料電池発電装置の第４の実施形態を表す水タンク周辺部の概略構成図概略構成図が示されている。なお、水タンク周辺部の構成以外は、上記実施形態と同一であることから、その説明は省略することとする。また、上記実施形態の燃料電池発電装置と同一部分には、同符号を付してその説明を省略することとする。

この実施形態は、基本的な構成は上記第３の実施形態と同一であるが、水位調整用オーバーフロー配管４４ｂの代わりに、水タンク１０の側壁から略水平方向に伸びた第１略水平部６３と、この第１略水平部６３から上方に向かって略垂直に伸びて燃焼排ガス凝縮水供給ドレン（第２の供給経路）４３ｄと接続する略垂直部６４と、略垂直部６４と燃焼排ガス凝縮水供給ドレン４３ｄとの接続点から略水平方向に伸びる第２略水平部６５とで構成された水位調整用オーバーフロー配管４４ｃを用いた点が上記第３の実施形態との相違点である。

この実施形態によれば、水タンク１０内の水位が第２略水平部６５の水位よりも低い場合、水位調整用オーバーフロー配管４４ｃから、水タンク１０内に燃焼排ガス凝縮水が流入し、第２略水平部６５の水位よりも高い場合、水位調整用オーバーフロー配管４４ｃの第２略水平部６５から、系外へ燃焼排ガス凝縮水が流出するので、必要量以上の燃焼排ガス凝縮水が水タンク１０へと混入しにくく、水の純度を維持するために必要な水処理装置１２のイオン交換樹脂等の寿命を伸ばすことができ、ランニングコストを低減できる。

本発明の燃料電池発電装置の概略構成図である。同燃料電池発電装置の第１の実施形態を表す水タンク周辺部の概略構成図である。同燃料電池発電装置の第２の実施形態を表す水タンク周辺部の概略構成図である。同燃料電池発電装置の第３の実施形態を表す水タンク周辺部の概略構成図である。同燃料電池発電装置の第４の実施形態を表す水タンク周辺部の概略構成図である。

符号の説明

１：燃料電池本体
２：脱硫器
３：改質器
４：ＣＯ変成器
５：ＣＯ除去器
６：燃焼空気ブロア
７：空気供給装置
９：精製水貯留タンク
１０：水タンク
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ：脱炭酸装置
１２：水処理装置
２１：燃料予熱器
２２：凝縮熱交換器
３０：排空気凝縮水供給口
３１：排空気凝縮水供給ドレン（第１の供給経路）
４０：燃焼排ガス凝縮水供給口
４２ａ、４２ｂ：オーバーフロー配管（排出経路）
４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ：燃焼排ガス凝縮水供給ドレン（第２の供給経路）
４４ａ、４４ｂ、４４ｃ：水位調整用オーバーフロー配管
４７：電磁弁
４８：制御装置
４９：水位センサー
５０：傾斜板
６０：脱炭酸用空気供給管

Claims

電解質を燃料極及び空気極によって挟持した単位電池が複数個積層された燃料電池本体と、燃料を改質して前記燃料極に改質ガスを供給する改質器と、前記空気極に空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池本体の空気極から排出される排空気及び前記改質器より排出される燃焼排ガスから凝縮水を回収する凝縮熱交換器と、前記凝縮水を貯留する水タンクと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空気極から排出される排空気から回収した排空気凝縮水を前記水タンクに供給する第１の供給経路と、
前記改質器から排出される燃焼排ガスから回収した燃焼排ガス凝縮水を前記水タンクに供給する第２の供給経路と、
前記改質器から排出される燃焼排ガスから回収した燃焼排ガス凝縮水を系外に排出する排出経路とを備え、
前記第２の供給経路が、前記水タンク内に貯留された凝縮水中に下端部が浸漬するように、前記水タンク内に挿入されたドレン管からなり、
前記排出経路が、前記ドレン管に接続された前記水タンクの水位を所定値以下に保つためのオーバーフロー配管により構成されており、
前記排空気凝縮水は、前記第１の供給経路を通して前記水タンクに供給し、前記燃焼排ガス凝縮水は、前記水タンクの水位が所定値を下回っている場合は、前記第２の供給経路を通して前記水タンクに供給し、前記水タンクの水位が所定値を超えている場合は、前記排出経路を通して系外へ排出するように構成されていることを特徴とする燃料電池発電装置。
電解質を燃料極及び空気極によって挟持した単位電池が複数個積層された燃料電池本体と、燃料を改質して前記燃料極に改質ガスを供給する改質器と、前記空気極に空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池本体の空気極から排出される排空気及び前記改質器より排出される燃焼排ガスから凝縮水を回収する凝縮熱交換器と、前記凝縮水を貯留する水タンクと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空気極から排出される排空気から回収した排空気凝縮水を前記水タンクに供給する第１の供給経路と、
前記改質器から排出される燃焼排ガスから回収した燃焼排ガス凝縮水を前記水タンクに供給する第２の供給経路と、
前記改質器から排出される燃焼排ガスから回収した燃焼排ガス凝縮水を系外に排出する排出経路と、
前記第２の供給経路に配置された、前記水タンク内の水位が所定高さよりも低い場合に開き、前記水タンク内の水位が前記所定高さよりも高い場合に閉じる弁とを備え、
前記排空気凝縮水は、前記第１の供給経路を通して前記水タンクに供給し、前記燃焼排ガス凝縮水は、前記水タンクの水位が所定値を下回っている場合は、前記第２の供給経路を通して前記水タンクに供給し、前記水タンクの水位が所定値を超えている場合は、前記排出経路を通して系外へ排出するように構成されていることを特徴とする燃料電池発電装置。
電解質を燃料極及び空気極によって挟持した単位電池が複数個積層された燃料電池本体と、燃料を改質して前記燃料極に改質ガスを供給する改質器と、前記空気極に空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池本体の空気極から排出される排空気及び前記改質器より排出される燃焼排ガスから凝縮水を回収する凝縮熱交換器と、前記凝縮水を貯留する水タンクと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空気極から排出される排空気から回収した排空気凝縮水を前記水タンクに供給する第１の供給経路と、
前記改質器から排出される燃焼排ガスから回収した燃焼排ガス凝縮水を前記水タンクに供給する第２の供給経路と、
前記改質器から排出される燃焼排ガスから回収した燃焼排ガス凝縮水を系外に排出する排出経路とを備え、
前記第２の供給経路は、前記水タンク内の水位を所定値以下に保つための水位調整用オーバーフロー配管と接続し、前記水位調整用オーバーフロー配管は、前記第２の供給経路との接続点よりも低い位置で前記水タンクと接続しており、
前記排空気凝縮水は、前記第１の供給経路を通して前記水タンクに供給し、前記燃焼排ガス凝縮水は、前記水タンクの水位が所定値を下回っている場合は、前記第２の供給経路を通して前記水タンクに供給し、前記水タンクの水位が所定値を超えている場合は、前記排出経路を通して系外へ排出するように構成されていることを特徴とする燃料電池発電装置。
前記燃焼排ガス凝縮水を前記第２の供給経路に導入する前段には、前記排空気から排空気凝縮水を回収した後の排空気を、前記燃焼排ガス凝縮水に吹き付けて、該燃焼排ガス凝縮水を脱炭酸処理する脱炭酸処理機構が設けられている請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池発電装置。
電解質を燃料極及び空気極によって挟持した単位電池が複数個積層された燃料電池本体と、燃料を改質して前記燃料極に改質ガスを供給する改質器と、前記空気極に空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池本体の空気極から排出される排空気及び前記改質器より排出される燃焼排ガスから凝縮水を回収する凝縮熱交換器と、前記凝縮水を貯留する水タンクと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空気極から排出される排空気から回収した排空気凝縮水を前記水タンクに供給する第１の供給経路と、
前記改質器から排出される燃焼排ガスから回収した燃焼排ガス凝縮水を前記水タンクに供給する第２の供給経路と、
前記改質器から排出される燃焼排ガスから回収した燃焼排ガス凝縮水を系外に排出する排出経路と、
前記燃焼排ガス凝縮水を前記第２の供給経路に導入する前段に配置された、前記排空気から排空気凝縮水を回収した後の排空気を、前記燃焼排ガス凝縮水に吹き付けて、該燃焼排ガス凝縮水を脱炭酸処理する脱炭酸処理機構とを備え、
前記排空気凝縮水は、前記第１の供給経路を通して前記水タンクに供給し、前記燃焼排ガス凝縮水は、前記水タンクの水位が所定値を下回っている場合は、前記第２の供給経路を通して前記水タンクに供給し、前記水タンクの水位が所定値を超えている場合は、前記排出経路を通して系外へ排出するように構成されていることを特徴とする燃料電池発電装置。