JP5127395B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池発電システムに係り、特に、電池冷却水等を処理するための水処理システムの性能向上を図るべく改良を施した燃料電池発電システムに関するものである。

燃料電池発電システムは、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、静かで有害な排ガスを出さないという環境性に優れた特徴を有するシステムである。最近では小型のＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）の開発が活発化し、家庭用燃料電池発電システムの普及も間近な状況となっている。

この家庭用あるいは小規模事業用向けの比較的小型の燃料電池発電システムは、電力と発電に伴う排熱を供給する熱電併給、いわゆるコージェネレーション装置として使用される。

現在は、燃料供給基盤が既に整っている都市ガスやＬＰガス、灯油等の炭化水素系燃料から、水蒸気との改質反応により得られる水素で発電する燃料電池発電システムを中心に開発が進められ、その発電効率、品質向上、コスト低減の努力が、日々なされている。

その中にあって、燃料電池発電システムの水処理システムは、化学反応で発熱した燃料電池を通常動作温度に維持するための電池冷却水の供給や、炭化水素系燃料を水蒸気改質するための改質水の供給、更には、最終的に大気へ排出するガスを冷却することにより得られる凝縮水を回収することで、システム系外からの補給水を少なくする、あるいは無くすことにより燃料電池発電システムの効率を向上させることが求められる重要な構成機器の１つとなっている。

この水処理システムのうち、電池冷却水系は、一般に、冷却水を循環ポンプにより燃料電池へ供給し、燃料電池を通過した冷却水は熱交換器によって冷却した後にタンクに戻す循環系となっている。この冷却水は、導電率が増加すると、燃料電池内でショートして発電量の低下、更には発電停止を起こすおそれが生じるため、常に導電率が低いことが求められる。

炭化水素系燃料を水蒸気改質して得られる水素リッチガスを燃料とする燃料電池発電システムの場合、上述したような水中の導電率を上げる要因としては、燃料電池燃料極において、炭酸ガスを数１０％と多く含むガスが電池冷却水と接触する際に冷却水へ溶け込むことによって生成される炭酸や、炭酸ガスを含む改質器燃焼排ガスを冷却することによって得られる凝縮水に含まれる炭酸、改質器で生成されるアンモニア、その他、システム系内でガス及び水と接触しているすべての機器、配管及び容器類からのイオン成分等がある。

そこで、従来から、上述したような水中の導電率を低減するために種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、イオン交換樹脂などが充填された導電率低減装置を設ける技術が開示されている。また、特許文献２には、改質器燃焼排ガスを冷却することによって得られる凝縮水を、上記のような導電率低減装置を使って浄化した後、電池冷却水や改質水として再び利用する水処理システムが開示されている。
特開２００５−１２９３３４号公報 特開２００７−１８８８４７号公報

ところで、上述したような従来の燃料電池発電システムに用いられている水処理システムにおいては、その処理水量は、発電中に水中に溶出してくるイオン成分などの不純物及びその発生速度などを勘案し、燃料電池発電システムが安定運転可能な水質を維持できる最低限の処理水量とされている。これは、処理水量が多くなると水質浄化装置が大型化し、また、寿命が短くなるからである。

しかしながら、上述したように水処理システムにおける処理水量を、発電運転時の不純物発生速度に合わせてミニマム化すると、燃料電池発電システムを起動する際、運転停止中に発生した不純物を除去するのに時間が掛かり、また、水質浄化が不十分のまま電池冷却水を循環させることになるため、燃料電池発電システムの安定運転を困難にしていた。

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解消するために提案されたものであって、その目的は、燃料電池発電システムの起動時においても、電池冷却水の水質を素早く浄化することができる、信頼性に優れた水処理システムを備えた燃料電池発電システムを提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、炭化水素系燃料を原燃料とし、水蒸気改質反応により水素リッチガスを製造する燃料改質系と、該燃料改質系で製造された水素リッチガスを燃料とし、空気中の酸素を酸化剤として発電する燃料電池本体と、前記燃料電池を動作温度に維持するための電池冷却水が、水タンクから前記燃料電池を通って前記水タンクに戻る第１の水循環系と、前記水タンクから水質浄化装置を通って前記水タンクに戻る第２の水循環系を備えた燃料電池発電システムにおいて、前記第１の水循環系が、前記水質浄化装置に接続される第１の分岐ラインと、前記水タンクに戻る第２の分岐ラインとから構成されると共に、両分岐ラインを切り替える切り替え手段が設けられ、燃料電池発電システムを起動してから所定時間に達するまでは、前記切り替え手段を第１の分岐ライン側に切り替えて、燃料電池を出た電池冷却水を前記水質浄化装置へ通水し、前記所定時間経過後は、前記切り替え手段を第２の分岐ライン側に切り替えて、燃料電池を出た電池冷却水を前記水タンクに戻すように構成したことを特徴とするものである。

上記のような構成を有する請求項１の発明によれば、燃料電池発電システムの起動後、所定の時間、燃料電池本体を出た電池冷却水は水質浄化装置に導入されて浄化された後、水タンクを通って再び燃料電池本体へ循環供給される。一方、燃料電池発電システムの起動後、所定の時間が経過した後は、燃料電池本体を出た電池冷却水は前記水タンクに戻された後、再び燃料電池本体へ循環供給される。

その結果、燃料電池発電システムの停止中に発生して電池冷却水中に蓄積されていた不純物を、システムの起動時に素早く効率良く除去することが可能となり、且つ、発電運転中の処理水量は少なくて済むことから、水質浄化装置を小型化できる。

また、燃料電池発電システムの起動後、所定の時間、電池冷却水を水質浄化装置に導入するために、前記水質浄化装置の上流側に温度検知手段を設け、前記所定時間を、燃料電池発電システムを起動してから前記温度検知手段の検出値が所定温度に達するまでの時間とすることができる。

この場合は、燃料電池発電システムの起動後、前記温度検知手段の検出値が所定温度に達するまでの間は、燃料電池本体を出た電池冷却水は水質浄化装置に導入されて浄化された後、水タンクを通って再び燃料電池本体へ循環供給される。一方、温度検知手段の検出値が所定温度以上となったら、燃料電池本体を出た電池冷却水は前記水タンクに戻された後、再び燃料電池本体へ循環供給される。

本発明によれば、燃料電池発電システムの起動時においても、電池冷却水の水質を素早く浄化することができる、信頼性に優れた水処理システムを備えた燃料電池発電システムを提供することができる。

以下、本発明に係る燃料電池発電システムの実施の形態について、図面を参照して説明する。

（１）第１実施形態
図１を用いて第１実施形態を説明する。この第１実施形態は、電池冷却水の循環ラインを分岐して、イオン交換樹脂等を充填した水質浄化装置へ通すラインと脱炭酸塔へ通すラインを設け、それぞれのラインに遮断弁を設置すると共に、水質浄化装置の上流に温度検知器を設置する。そして、システムの起動後、温度検知器の検出値が所定の温度になるまでは、水質浄化装置へ通すラインに設置した遮断弁を開けて、電池冷却水を水質浄化装置へ通すように構成したことを特徴としている。以下、本実施形態について詳述する。

すなわち、本実施形態においては、パイプラインあるいはガスボンベなど貯蔵設備より炭化水素系燃料Ｆが燃料電池パッケージ１に供給される。燃料電池パッケージ１において、供給された燃料Ｆは、燃料改質系２で脱硫された後、気化された改質水３と混合され、水蒸気改質反応、一酸化炭素（ＣＯ）変成反応及びＣＯ選択酸化反応などによりＣＯ濃度が電池での制限値以下に低減されたメタン、ＣＯ、二酸化炭素（ＣＯ₂）などを含む水素リッチな改質ガス４に変換される。

この改質ガス４は燃料電池本体５のアノード５ａに導入され、その水素が、空気ブロワー６で燃料電池本体５カソード５ｂに供給された大気中の酸素と共に発電で消費される。燃料電池本体５アノード５ａで消費されなかったアノード排ガス７は、熱交換器８で、貯湯槽９から導入された排熱回収循環水１０との熱交換により冷却され、アノード排ガス凝縮水１１が除去された後、改質器バーナ１２の燃料入口へ導入され、燃料電池パッケージ１の外部より供給された大気（図示せず）で燃焼され、水蒸気改質反応の熱源として利用される。

なお、熱交換器８で生成されたアノード排ガス凝縮水１１は、複合熱交換器１３の凝縮水タンク１４に送られる。また、改質器バーナ１２の燃焼排ガス１５は複合熱交換器１３へ送られ、熱交換器１６で、カソード排ガス１７と共に冷却されて凝縮水が除去された後、大気へと排出される。

一方、燃料電池本体５のカソード５ｂの酸素が消費されて大気より酸素濃度が低減されたカソード排ガス１７は、電池冷却水１８の電池出口水と共に脱炭酸塔１９へ導かれ、電池冷却水１８中の炭酸ガスが低減された後、複合熱交換器１３へ送られ、前記燃焼排ガス１５と共に、熱交換器１６で冷却されて凝縮水が除去された後、大気へと排出される。

なお、この脱炭酸塔１９には、ポリプロピレンなどの耐熱性樹脂または炭素鋼ステンレス材などの金属でできたテラレット（商品名）と呼ばれる多孔質構造体、または複数段の平板が水と気体の接触面積を広くするために充填または設置されている。

また、前記複合熱交換器１３は、熱交換器１６と、凝縮水タンク１４、電池冷却水タンク３０及び純水タンク３１の各貯水タンクから構成され、本発明の燃料電池発電システムの発電運転前に、予め不純物が除去されて導電率が低減された純水がそれぞれの貯水タンクに供給されている。

すなわち、前記凝縮水タンク１４へは、ＣＯ選択酸化器へ導入する前の改質ガスを冷却して得た改質ガス凝縮水３２と、電池アノード排ガス７を冷却して得たアノード排ガス凝縮水１１と、前記アノード排ガス凝縮水１１が除去されたアノード排ガス７を改質器で燃焼させた燃焼排ガス１５を冷却して得た改質器燃焼排ガス凝縮水と、電池カソード排ガス１７を冷却して得たカソード排ガス凝縮水が貯水される。

ここで、改質器燃焼排ガス凝縮水とカソード排ガス凝縮水は、熱交換器１６で冷却され結露した水で、熱交換器１６の下に配置された仕切り板３７を伝って、凝縮水タンク１４に流れ込むように構成されている。また、この凝縮水タンク１４の凝縮水は、ポンプ３５を介して熱交換器３６で温度が低減された後、水質浄化装置３３へ供給されるように構成されている。熱交換器３６の冷熱源としては、熱交換器８を出た排熱回収循環水１０やカソード５ｂに導入する前の空気などが使われる。

ここで、凝縮水タンク１４の余剰水を燃料電池発電システム系外へ排出する排水管３４には、改質ガス凝縮水３２配管が接続され、燃料電池発電システムが発電運転中、凝縮水タンク１４の水が余剰な場合は、改質ガス凝縮水３２がシステム系外へ導かれ、凝縮水タンク１４の水が不足している場合は、凝縮水タンク１４へ導入されるように構成されている。

また、前記水質浄化装置３３においては、上流側に陽イオン交換樹脂２３ａが充填されると共に、下流側には陰イオン交換樹脂２３ｂが充填されており、凝縮水タンク１４の凝縮水がポンプ３５を介して供給され、陽イオン及び陰イオンが除去された後、前記純水タンク３１に供給されるように構成されている。この純水タンク３１に溜められた純水は、ポンプ２５を介して、改質水３として燃料改質系２へ供給され、燃料改質水として利用される。

このとき、凝縮水タンク１４から水質浄化装置３３を介して純水タンク３１へ供給される水の流量を、改質水３の流量より多くすることにより、純水タンク３１から電池冷却水タンク３０へ純水が溢れ出す。この電池冷却水タンク３０の水は、電池冷却水ポンプ２１により、電池冷却水１８として燃料電池本体５へ循環導入され、燃料電池本体５を最適な動作温度に維持するように構成されている。

また、本実施形態においては、燃料電池本体５を出た電池冷却水１８は２方向に分岐され、一方のライン１８ａ（請求項の第１の分岐ラインに対応）は前記水質浄化装置３３へ接続され、他方のライン１８ｂ（請求項の第２の分岐ラインに対応）は前記脱炭酸塔１９へ接続されている。そして、水質浄化装置３３へ接続されたライン１８ａには第１の遮断弁４０が設置され、脱炭酸塔１９へ接続されたライン１８ｂには第２の遮断弁３９が設置されている。また、前記水質浄化装置３３の上流側には温度検知器３８が設置されている。

そして、燃料電池発電システムが起動してから、前記温度検知器３８による検出値が水質浄化装置３３内に充填されたイオン交換樹脂の耐熱温度以下で設定された所定温度になるまでは、第２の遮断弁３９を閉じ、第１の遮断弁４０を開けるように構成されている。これにより、燃料電池発電システムの起動後、燃料電池本体５を出た電池冷却水１８は、水質浄化装置３３に導入されて浄化された後、純水タンク３１を通って電池冷却水タンク３０に戻され、さらに、電池冷却水ポンプ２１により燃料電池本体５へ循環導入される。

一方、前記温度検知器３８による検出値が水質浄化装置３３内に充填されたイオン交換樹脂の耐熱温度以下で設定された所定温度以上となったら、第１の遮断弁４０を閉じ、第２の遮断弁３９を開けるように構成されている。これにより、燃料電池本体５を出た電池冷却水１８は、カソード排ガス１７と共に脱炭酸塔１９へ導入され、水中の炭酸ガスが低減され、さらに熱交換器２２で温度が低減された後、電池冷却水タンク３０へ戻され、電池冷却水ポンプ２１により燃料電池本体５へ循環導入される。

このように、本実施形態によれば、燃料電池発電システムの停止中に発生して電池冷却水１８中に蓄積されていた不純物を、システムの起動時に素早く効率良く除去することが可能となり、且つ、発電運転中の処理水量は少なくて済むことから、水質浄化装置３３を小型化できる。その結果、長期間に亘って、電池冷却水１８の導電率を低く維持することができる、信頼性の高い燃料電池発電システムを提供することができる。

（２）第２実施形態
次に、図２を用いて本発明の第２実施形態について説明する。図２は、上記第１実施形態で用いた遮断弁３９、４０の替わりに、水質浄化装置３３へ接続されるライン１８ａと脱炭酸塔１９へ接続されるライン１８ｂの分岐点に３方弁４１を設置したことを特徴としている。なお、燃料電池発電システムの動作は上記第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。

すなわち、本実施形態においては、燃料電池発電システムが起動してから、前記温度検知器３８による検出値が水質浄化装置３３内に充填されたイオン交換樹脂の耐熱温度以下で設定された所定温度になるまでは、３方弁４１を水質浄化装置３３側へ開けるように構成されている。これにより、燃料電池発電システムの起動後、燃料電池本体５を出た電池冷却水１８は、水質浄化装置３３に導入されて浄化された後、純水タンク３１を通って電池冷却水タンク３０に戻され、さらに、電池冷却水ポンプ２１により燃料電池本体５へ循環導入される。

一方、前記温度検知器３８による検出値が水質浄化装置３３内に充填されたイオン交換樹脂の耐熱温度以下で設定された所定温度以上となったら、３方弁４１を脱炭酸塔１９側へ開けるように構成されている。これにより、燃料電池本体５を出た電池冷却水１８は、カソード排ガス１７と共に脱炭酸塔１９へ導入され、水中の炭酸ガスが低減され、さらに熱交換器２２で温度が低減された後、電池冷却水タンク３０へ戻され、電池冷却水ポンプ２１により燃料電池本体５へ循環導入される。

このように、本実施形態によれば、第１実施形態と同様、燃料電池発電システムの停止中に発生して電池冷却水１８中に蓄積されていた不純物を、起動時に素早く効率良く除去することが可能となり、且つ、発電運転中の処理水量は少なくて済むことから、水質浄化装置３３を小型化できる。その結果、長期間に亘って、電池冷却水１８の導電率を低く維持することができる、信頼性の高い燃料電池発電システムを提供することができる。

（３）第３実施形態
次に、図３を用いて本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、上記第１実施形態の変形例であって、上記第１実施形態で用いた複合熱交換器１３を熱交換器４２と水タンク４３に分け、また、燃料電池本体５を出た電池冷却水１８をまず熱交換器２２で冷却した後、脱炭酸塔１９あるいは水質浄化装置３３へ導入するよう構成した点を特徴としている。なお、燃料電池発電システムの動作は上記第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。

すなわち、本実施形態においては、燃料電池発電システムが起動してから、前記温度検知器３８による検出値が水質浄化装置３３内に充填されたイオン交換樹脂の耐熱温度以下で設定された所定温度になるまでは、第２の遮断弁３９を閉じ、第１の遮断弁４０を開けるように構成されている。これにより、燃料電池発電システムの起動後、燃料電池本体５を出た電池冷却水１８は、まず熱交換器２２で冷却された後、水質浄化装置３３に導入されて浄化され、その後、純水タンク３１を通って電池冷却水タンク３０に戻され、さらに、電池冷却水ポンプ２１により燃料電池本体５へ循環導入される。

一方、前記温度検知器３８による検出値が水質浄化装置３３内に充填されたイオン交換樹脂の耐熱温度以下で設定された所定温度以上となったら、第１の遮断弁４０を閉じ、第２の遮断弁３９を開けるように構成されている。これにより、燃料電池本体５を出た電池冷却水１８は、まず熱交換器２２で冷却され、その後、カソード排ガス１７と共に脱炭酸塔１９へ導入され、水中の炭酸ガスが低減された後、電池冷却水タンク３０へ戻され、電池冷却水ポンプ２１により燃料電池本体５へ循環導入される。

このように、本実施形態によれば、熱交換器２２の下流側に、脱炭酸塔１９と水質浄化装置３３への分岐ライン１８ａ、１８ｂを設置したことにより、電池冷却水１８の温度を下げた後、水質浄化装置３３へ送ることができるため、起動から長い時間、電池冷却水１８を水質浄化装置３３へ送ることができるので、電池冷却水１８の初期の水質をより向上させることができる。その結果、長期間に亘って、電池冷却水１８の導電率を低く維持することができる、信頼性の高い燃料電池発電システムを提供することができる。

（４）他の実施形態
上述した実施形態においては、水質浄化装置３３の上流側に設けられた温度検知器３８の検出値が所定温度に達したら、燃料電池発電システム起動時の電池冷却水１８を水質浄化装置３３から切り替えて、脱炭酸塔１９を通って電池冷却水タンク３０へ戻す手順となっているが、水質浄化装置３３の入口温度が、燃料電池発電システムの起動から所定温度に達するまでの時間が予め明らかになっている場合には、電池冷却水１８を燃料電池発電システムの起動から所定時間に達するまで水質浄化装置３３へ導入し、前記所定時間を経過した後は、切り替えて脱炭酸塔１９を通って電池冷却水タンク３０へ戻す手順とすることで、温度検知器３８を省略することが可能となる。

また、上述した実施形態においては、貯湯槽９から燃料電池パッケージ１内へ導入した排熱回収循環水１０を使った熱供給システムを取り上げたが、熱の使用先への供給形態は貯湯槽に限られることはなく、また排熱回収循環系統を流れる媒体も水に限られることはない。

また、燃料電池を出た電池冷却水が水質浄化装置３３へ接続されたライン１８ａを介して水質浄化装置３３へ通水されているときは、凝縮水タンク１４から水質浄化装置３３への通水が停止されるように構成しても良い。これにより、起動時における電池冷却水の浄化効率をさらに向上させることができる。

本発明の燃料電池発電システムの第１実施形態を示す構成図。 本発明の燃料電池発電システムの第２実施形態を示す構成図。 本発明の燃料電池発電システムの第３実施形態を示す構成図。

符号の説明

１…燃料電池パッケージ
２…燃料改質系
３…改質水
４…改質ガス
５…燃料電池本体
５ａ…アノード
５ｂ…カソード
６…空気ブロワー
７…アノード排ガス
８…熱交換器
９…貯湯槽
１０…排熱回収循環水
１１…アノード排ガス凝縮水
１２…改質器バーナ
１３…複合熱交換器
１４…凝縮水タンク
１５…燃焼排ガス
１６…熱交換器
１７…アノード排ガス
１８…電池冷却水
１９…脱炭酸塔
２１…電池冷却水ポンプ
２２…熱交換器
２３ａ…陽イオン交換樹脂
２３ｂ…陰イオン交換樹脂
２５…改質水ポンプ
３０…電池冷却水タンク
３１…純水タンク
３２…改質ガス凝縮水
３３…水質浄化装置
３４…配水管
３５…ポンプ
３６…熱交換器
３７…仕切り板
３８…温度検知器
３９…第２の遮断弁
４０…第１の遮断弁
４１…３方弁
４２…熱交換器
４３…水タンク

Claims (7)

1. 炭化水素系燃料を原燃料とし、水蒸気改質反応により水素リッチガスを製造する燃料改質系と、該燃料改質系で製造された水素リッチガスを燃料とし、空気中の酸素を酸化剤として発電する燃料電池本体と、前記燃料電池を動作温度に維持するための電池冷却水が、水タンクから前記燃料電池を通って前記水タンクに戻る第１の水循環系と、前記水タンクから水質浄化装置を通って前記水タンクに戻る第２の水循環系を備えた燃料電池発電システムにおいて、
   前記第１の水循環系が、前記水質浄化装置に接続される第１の分岐ラインと、前記水タンクに戻る第２の分岐ラインとから構成されると共に、両分岐ラインを切り替える切り替え手段が設けられ、
   燃料電池発電システムを起動してから所定時間に達するまでは、前記切り替え手段を第１の分岐ライン側に切り替えて、燃料電池を出た電池冷却水を前記水質浄化装置へ通水し、
   前記所定時間経過後は、前記切り替え手段を第２の分岐ライン側に切り替えて、燃料電池を出た電池冷却水を前記水タンクに戻すように構成したことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記水質浄化装置の上流側に温度検知手段が設けられ、
   前記所定時間が、燃料電池発電システムを起動してから前記温度検知手段の検出値が所定温度に達するまでの時間であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記切り替え手段が、第１の分岐ライン及び第２の分岐ラインのそれぞれに設置された遮断弁であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記切り替え手段が、第１の分岐ラインと第２の分岐ラインの分岐箇所に設置された３方弁であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池発電システム。
5. 前記第２の分岐ラインに、水中の炭酸ガス濃度を低減する脱炭酸塔を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の燃料電池発電システム。
6. 燃料電池を出た電池冷却水が、前記第１の分岐ラインを介して前記水質浄化装置へ通水されているときは、前記第２の水循環系による前記水質浄化装置への通水が停止されるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一に記載の燃料電池発電システム。
7. 前記水タンクが、前記燃料改質系からの凝縮水及びカソード排気の凝縮水のうち少なくとも１つの凝縮水を溜める凝縮水タンクと、燃料電池から出た電池冷却水を溜める冷却水タンクと、前記凝縮水タンクから前記水質浄化装置に通した水を溜める純水タンクの３槽とから構成され、
   前記純水タンクの余剰水は前記電池冷却水タンクへ、前記電池冷却水タンクの余剰水は前記凝縮水タンクへ導かれ、前記凝縮水タンクの余剰水は燃料電池発電システムの系外へ排出されるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一に記載の燃料電池発電システム。