JP5157549B2 - 燃料電池発電装置用水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池発電装置の内部で生じた凝縮水を脱イオン処理して、再利用できるようにする燃料電池発電装置用水処理装置に関する。

燃料電池本体のカソード出口から排出される燃料電池排ガスや、改質装置の燃焼部から排出される燃焼排ガスは水分を含んでいる。そして、燃料電池発電装置の系内での水自立（外部からの補給水を受けいれることなく運転を継続する状態）を維持するため、これらの排ガスから凝縮水を回収し、イオン交換樹脂や電気式脱イオン装置などの脱イオン装置にて、脱イオン処理を行って再利用することが一般的に行われている。

ところで、改質装置の燃焼部では、都市ガスやＬＰガスなどを燃焼用燃料として使用することがあるが、例えば、燃料電池の起動時などのように、燃焼部の燃焼状態が安定しない場合や、燃焼部の温度が低い場合などでは、燃焼用燃料は不完全燃焼になり易く、燃焼排ガスに煤が混入し易い。このため、燃焼排ガスから回収される凝縮水には、煤が混入していることがあるので、下記特許文献１に開示されているように、脱イオン処理手段に凝縮水を導入する前に、フィルタなどを用いて凝縮水に混入している煤等の不純物を除去している。
特開２００１−２３６９８１号公報

煤などの不純物が、脱イオン装置に流入すると樹脂などを閉塞してしまい、脱イオン装置の性能低下や寿命低下の原因となる。このため、孔径の小さいフィルタを使用して、煤などの不純物が脱イオン装置に混入しないようにする必要があるが、孔径の小さいフィルタを使用すると目詰まりが生じ易くなるので、フィルタの交換頻度が多くなり、メンテナンスコストが嵩む問題があった。

したがって、本発明の目的は、凝縮水に含まれる煤などを除去するフィルタの交換頻度を低減でき、メンテナンス性に優れた燃料電池発電装置用水処理装置を提供することにある。

本発明者は、燃焼部から排出される燃焼排ガスに含まれる煤の粒径は、概ね０．０２〜１２０μｍの範囲にあり、特に４〜５０μｍの平均粒径の煤が大半を占めており、平均粒径サイズのフィルタのみを用いる従来の構成では、このフィルタ孔径よりも小さい煤がフィルタを通過して水処理装置の樹脂やイオン交換膜に付着して性能を低下させていることに着目し、上記目的を達成するに至った。

すなわち、本発明の燃料電池発電装置用水処理装置は、炭化水素を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質触媒層と、該改質触媒層に反応熱を供給する燃焼部とを有する改質装置の、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスから回収した凝縮水を脱イオン処理する脱イオン処理手段を備えた燃料電池発電装置用水処理装置であって、
前記脱イオン処理手段の上流側に、孔径が４〜５０μｍのフィルタ（Ａ）と、孔径１μｍ以下のフィルタ（Ｂ）とを、前記フィルタ（Ａ）が上流側になるように直列配置したことを特徴とする。

本発明によれば、脱イオン処理手段の上流側に、孔径が４〜５０μｍのフィルタ（Ａ）と、孔径１μｍ以下のフィルタ（Ｂ）とを、前記フィルタ（Ａ）が上流側になるように直列配置したので、上流側に配置したフィルタ（Ａ）によって、比較的大きな粒径の煤等は捕捉され、下流側に配置したフィルタ（Ｂ）には、フィルタ（Ａ）で捕捉しきれなかった比較的細かい粒径の煤等が捕捉される。このため、後段のフィルタ（Ｂ）には、大きな粒径の煤等が付着するのを防止でき、フィルタが目詰まりしにくくなる。また、煤の粒径はほぼ１μｍ以上であるので、フィルタ（Ｂ）を通すことで、凝縮水に含まれる煤をほぼ完全に除去することができ、煤等の不純物の少ない凝縮水を脱イオン処理手段に導入できるので、後段の脱イオン処理手段にかかる負荷を軽減できる。

本発明の燃料電池発電装置用水処理装置は、前記フィルタ（Ａ）は繊維系フィルタであり、前記フィルタ（Ｂ）はメンブランフィルタであることが好ましい。メンブランフィルタであれば、精度良いろ過が可能であるので、凝縮水中の煤をほぼ除去することができる。また、繊維系フィルタは、伸縮性があるので、比較的粒径の大きな煤を含む凝縮水を通しても、目詰まりが生じにくい。したがって、フィルタ（Ａ）を繊維系フィルタとし、フィルタ（Ｂ）をメンブランフィルタとすることで、フィルタの交換周期をより長期化でき、かつ、凝縮水中の煤等の不純物を効率よく除去できる。

本発明によれば、脱イオン処理手段の上流側に、孔径が４〜５０μｍのフィルタ（Ａ）と、孔径１μｍ以下のフィルタ（Ｂ）とを、前記フィルタ（Ａ）が上流側になるように直列配置したことで、煤などの不純物が後段の脱イオン処理手段に流入するのを抑制しつつ、フィルタの交換頻度を長期化できる。

以下、図面に基づいて本発明の燃料電池発電装置用水処理装置を組み込んだ燃料電池発電装置の実施形態を説明する。

図１中の１は、燃料電池本体であって、電解質１ｃを挟持するアノード電極１ａ及びカソード電極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。

アノード電極１ａの改質ガス供給側は、改質装置３から伸びた改質ガス供給ラインＬ１が連結している。この改質ガス供給ラインＬ１には、改質ガスドレントラップＱ１が配置されており、改質ガスドレントラップＱ１の凝縮水貯留部からは、改質ガス凝縮水供給ラインＬ２が伸びて、脱炭酸装置５に連結している。
アノード電極１ａのアノードオフガス排出側からは、アノードオフガス排出ラインＬ３が伸びており、その先端側は、燃焼用燃料供給ラインＬ１２に連結している。また、アノードオフガス排出ラインＬ３には、途中にアノードオフガスドレントラップＱ２が配置されており、アノードオフガスドレントラップＱ２の凝縮水貯留部からは、アノードオフガス凝縮水供給ラインＬ４が伸びて、脱炭酸装置５に連結している。

カソード電極１ｂの空気供給側は、空気供給源から伸びた空気供給ラインＬ５が連結している。この空気供給ラインＬ５には、加湿器２が配置されている。
カソード電極１ｂの排空気排出側からは、カソードオフガス排出ラインＬ６が伸びて、水タンク４に連結している。このカソードオフガス排出ラインＬ６には、カソードオフガス熱交換器Ｑ３が配置されている。

冷却系１ｄの冷却水供給側は、電池冷却水タンク１２から伸びた電池冷却水供給ラインＬ７が連結している。
冷却系１ｄの冷却水排出側からは、電池冷却水排出ラインＬ８が伸びて、電池冷却水タンク１２に接続している。

改質装置３は、水蒸気改質触媒が充填された改質触媒層３ａと、バーナが配置された燃焼部３ｂとを備え、バーナで燃焼用燃料を燃焼した際に発生する燃焼熱及び燃焼排ガスで前記改質触媒層３ａを加熱するように構成されている。

改質触媒層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Ｌ９と、電池冷却水タンク１２から伸びた改質水供給ラインＬ１０が連結している。
改質触媒層３ａの改質ガス吐出側からは、改質ガス供給ラインＬ１が伸びてアノード電極１ａに連結している。

燃焼部３ｂの燃焼燃料導入口側は、燃焼用燃料供給ラインＬ１２と、燃焼空気供給ラインＬ１１とが連結しており、燃焼部３ｂに配置されたバーナに燃焼用燃料と燃焼用空気とを供給できるように構成されている。燃焼用燃料供給ラインＬ１２の上流側は、アノードオフガス排出ラインＬ３及び原燃料供給ラインＬ９が接続している。
燃焼部３ｂの燃焼排ガス排出側からは、燃焼排ガスラインＬ１３が伸びて、脱炭酸装置５に接続している。燃焼排ガスラインＬ１３には、途中燃焼排ガス熱交換器Ｑ４が配置されている。

脱炭酸装置５は、水タンク４の上部に隣接して配設されており、ドレン口６を介して連通している。脱炭酸装置５の上部には、改質ガス凝縮水供給ラインＬ２、アノードオフガス凝縮水供給ラインＬ４、燃焼排ガスラインＬ１３が連結している。また、脱炭酸装置５からは、排気ラインＬ１７が伸びている。

脱炭酸装置５としては特に限定はなく、凝縮水と脱炭酸用空気とを接触させて凝縮水中の炭酸ガスを気中拡散して脱気できるような構成のものが好ましく用いることができる。このような構成の脱気装置としては、ＳＵＳ等のラッシヒリングが充填された脱気部を備え、該脱気部の上部に凝縮水を供給すると共に、脱気部の下部から脱炭酸用空気を供給し、凝縮水を重力落下させながら脱炭酸用空気と接触させて脱炭酸処理するような構成のものや、例えば、特開２００７−３２３９６９号に開示されているような、多孔質材料で構成された傾斜板が配置された脱気部を備え、傾斜板の下部側から上部側へ脱炭酸用空気を流通させると共に、傾斜板の上部側から下部側へ向けて凝縮水を流下させて、凝縮水を脱炭酸処理するような構成のものなどが一例として挙げられる。

水タンク４には、カソードオフガス排出ラインＬ６と、電池冷却水タンク１２から伸びた電池冷却水オーバフローラインＬ１８が接続している。また、水タンク４の側壁には、タンク水オーバフローラインＬ１９が伸びて、タンク内の水位が一定水位を超えないようにされている。また、水タンク４の下部からは、回収水供給ラインＬ２０が伸びて、電池冷却水タンク１２に接続している。この回収水供給ラインＬ２０には、本発明の水処理装置２０が配置されている。

水処理装置２０は、フィルタ２１と、脱イオン処理装置２２とで構成され、フィルタ２１の下流側に脱イオン処理装置２２が配置されている。

フィルタ２１は、孔径が４〜５０μｍのフィルタ２１ａと、孔径１μｍ以下のフィルタ２１ｂとで構成されており、フィルタ２１ａが上流側になるように直列配置されている。

フィルタ２１ａは、孔径が４〜５０μｍであることが必要であり、１０〜２０μｍであることがより好ましい。燃焼排ガスに含まれる煤の粒径は、前述したように、概ね０．０２〜１２０μｍの範囲にあり、特に４〜５０μｍの平均粒径の煤が大半を占めているので、上記孔径のフィルタを前段に配置することで、後段のフィルタ２１ｂには、大きな粒径の煤を含んだ凝縮水が流入しにくくなる。

また、フィルタ２１ａの種類は、特に限定はないが、メンブランフィルタ、繊維系フィルタなどを用いることができ、繊維系フィルタが特に好ましい。メンブランフィルタであれば、精度の良いろ過が可能である。また、繊維系フィルタは、伸縮性があるので、比較的粒径の大きな煤を含む凝縮水を通しても、目詰まりが生じにくくなるので、フィルタの交換周期をより長期化できる。

このような繊維系フィルタとしては、ＡＤＶＡＮＴＥＣ社から市販されている、「コンパクトカートリッジフィルターＭＣＰ−７−Ｄ１０Ｓ」：商品名 （粒子径１０〜２０μｍ）などが一例として挙げられる。また、メンブランフィルタとしては、ＡＤＶＡＮＴＥＣ社から市販されている、ポリエステル不織布にセルロースアセテートをコートした多孔質フィルタである「コーテッドタイプＹ−１００Ａ−０４７Ａ」：商品名 （孔径１０μｍ、φ４７ｍｍ、ホルダー：ＰＰ−４７）などが一例として挙げられる。

フィルタ２１ｂは、孔径が１μｍ以下であることが必要であり、０．５〜１μｍであることがより好ましい。燃焼部３ｂから排出される燃焼排ガスに含まれている煤の粒径は、概ね１μｍ以上であるので、孔径が１μｍ以下のフィルタを後段に配置することで、凝縮水に含まれる煤をほぼ完全に捕捉除去できる。また、０．５μｍよりも小さくなると、目詰まりが生じやすくなるので、下限は０．５μｍ以上がより好ましい。

また、フィルタ２１ｂの種類は、特に限定はないが、メンブランフィルタが好ましい。メンブランフィルタであれば、精度の良いろ過が可能であるので、凝縮水中の煤をほぼ完全に除去することができる。

このようなメンブランフィルタとしては、ＡＤＶＡＮＴＥＣ社から市販されている、セルロース混合エステルタイプのメンブランフィルタ（孔径１μｍ、φ４７ｍｍ、ホルダー：ＰＰ−４７）などが一例として挙げられる。

なお、この実施形態では、フィルタ２１ａ、フィルタ２１ｂはそれぞれ１個ずつ配置したが、孔径の異なるものを複数個用いてもよい。ただし、この場合は、孔径の大きなものが前段になるよう直列配置する。

脱イオン処理装置２２としては、水タンク４に回収した凝縮水を脱イオン処理する装置であれば特に限定はなく、電気式脱イオン装置、金属イオン除去装置、水処理樹脂（イオン交換樹脂など）などが挙げられる。これらを単独で使用してもよく、複数を併用してもよい。なかでも、ランニングコストやメンテナンスコストを低減できるという理由から電気式脱イオン装置を使用することが好ましく、電気式脱イオン装置の上流側に金属イオン除去装置を配置し、電気式脱イオン装置の下流側に水処理樹脂を配置することがより好ましい。

次に、上記構成の燃料電池発電装置の動作について説明する。

改質装置３では、原燃料供給ラインＬ９から供給される原燃料を、改質水供給ラインＬ１０から供給される改質水と混合して、改質触媒層３ａに供給し、水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスを生成させる。水蒸気改質反応は、吸熱反応であることから、改質装置３の燃焼部３ｂに、燃焼用燃料供給ラインＬ１２から燃焼用燃料と、燃焼空気供給ラインＬ１１から燃焼空気を供給し、これらを燃焼して改質触媒層３ａを加熱する。なお、燃料電池発電装置の起動開始時においては、燃焼用燃料としては、原燃料供給ラインＬ９から供給される原燃料を主体として用いられ、燃焼部３ｂでの燃焼状態が安定し、改質触媒層３ａが十分加熱されたら、アノードオフガスが主体として用いられる。

そして、改質装置３で生成された改質ガスは、改質ガス供給ラインＬ１を通ってアノード電極１ａに供給される。改質ガスに含まれる凝縮水は、改質ガス供給ラインＬ１の途中に配置された改質ガスドレントラップＱ１にて回収され、改質ガス凝縮水供給ラインＬ２を通って脱炭酸装置５に供給される。

燃料電池本体１では、アノード電極１ａに供給された改質ガスと、カソード電極１ｂに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、この発電出力を電力系統に供給する。

カソード電極１ｂから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス熱交換器Ｑ３で冷却されて、カソードオフガス凝縮水とカソードガスと共に、カソードオフガス排出ラインＬ６を通って水タンク４に供給される。

アノード電極１ａから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出ラインＬ３を通って燃焼部３ｂへと供せられ、燃焼用燃料として用いられる。アノードオフガスに含まれる凝縮水は、アノードオフガス排出ラインＬ３の途中に配置されたアノードオフガスドレントラップＱ２にて回収され、アノードオフガス凝縮水供給ラインＬ４を通って脱炭酸装置５に供給される。

改質装置３の燃焼部３ｂから排出される燃焼排ガスは、燃焼排ガス熱交換器Ｑ４で冷却されて、燃焼排ガスと共に脱炭酸装置５に供給される。

そして、水タンク４に回収された凝縮水は、フィルタ２１にて煤や粉塵等の不純物除去が行われた後、脱イオン処理装置２２にて脱イオン処理され後、電池冷却水タンク１２に送られて、電池冷却水、加湿水、改質水などに使用される。

ところで、前述したように、燃焼部３ｂの燃焼状態が不安定であったり、燃焼部３ｂが低温であると、燃焼用燃料が不完全燃焼となり、燃焼排ガスには煤が混入するので、燃焼排ガスから回収した凝縮水には、煤などの不純物が混入している。水処理装置２０の上流側から凝縮水の一部を採取して、凝縮水に含まれる不純物の粒径を測定したところ、図２に示すような結果が得られた。図２に示すように、凝縮水に含まれる不純物の粒径は、概ね０．０２〜１２０μｍの範囲にあり、特に４〜５０μｍの粒径の煤が大半を占めていた。

下流側に配置したフィルタ２１ｂは、孔径が１μｍ以下であり、孔径が小さいので、粒径の大きな煤が付着すると、目詰まりが極めて生じやすいが、本発明では、フィルタ２１ｂの前段に、孔径が４〜５０μｍであるフィルタ２１ａを配置したことで、フィルタ２１ａにて比較的大きな粒径の煤等を捕捉でき、後段のフィルタ２１ｂには、大きな粒径の煤が付着しにくくなる。このため、フィルタ２０が目詰まりしにくくなり、従来では、およそ３カ月程度であった交換周期を６カ月以上にまで長期化でき、フィルタ交換に要する手間を軽減できる。

また、図２に示すように、凝縮水に含まれる煤などの不純物の粒径はほぼ１μｍ以上であるので、前段に配置した孔径が４〜５０μｍのフィルタ２１ａによって大部分の煤が除去され、後段に配置された孔径が１μｍ以下のフィルタ２１ｂによって凝縮水に含まれる煤をほぼ完全に除去することができる。このため、煤等の不純物の少ない凝縮水を脱イオン処理装置２２に導入でき、脱イオン処理装置２２にかかる負荷を軽減できる。

本発明の水処理装置を組み込んだ燃料電池発電装置の一実施形態を示す概略構成図である。 凝縮水に含まれる不純物の粒度分布を示す図表である。

符号の説明

１：燃料電池本体
１ａ：アノード電極
１ｂ：カソード電極
１ｃ：電解質
１ｄ：冷却系
２：加湿器
３：改質装置
３ａ：改質触媒層
３ｂ：燃焼部
４：水タンク
５：脱炭酸装置
６：ドレン口
１２：電池冷却水タンク
２０：水処理装置
２１,２１ａ,２１ｂ：フィルタ
２２：脱イオン処理装置
Ｌ１：改質ガス供給ライン
Ｌ２：改質ガス凝縮水供給ライン
Ｌ３：アノードオフガス排出ライン
Ｌ４：アノードオフガス凝縮水供給ライン
Ｌ５：空気供給ライン
Ｌ６：カソードオフガス排出ライン
Ｌ７：電池冷却水供給ライン
Ｌ８：電池冷却水排出ライン
Ｌ９：原燃料供給ライン
Ｌ１０：改質水供給ライン
Ｌ１１：燃焼空気供給ライン
Ｌ１２：燃焼用燃料供給ライン
Ｌ１３：燃焼排ガスライン
Ｌ１７：排気ライン
Ｌ１８：電池冷却水オーバフローライン
Ｌ１９：タンク水オーバフローライン
Ｌ２０：回収水供給ライン
Ｑ１：改質ガスドレントラップ
Ｑ２：アノードオフガスドレントラップ
Ｑ３：カソードオフガス熱交換器
Ｑ４：燃焼排ガス熱交換器

Claims (2)

1. 炭化水素を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質触媒層と、該改質触媒層に反応熱を供給する燃焼部とを有する改質装置の、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスから回収した凝縮水を脱イオン処理する脱イオン処理手段を備えた燃料電池発電装置用水処理装置であって、
   前記脱イオン処理手段の上流側に、孔径が４〜５０μｍのフィルタ（Ａ）と、孔径１μｍ以下のフィルタ（Ｂ）とを、前記フィルタ（Ａ）が上流側になるように直列配置したことを特徴とする燃料電池発電装置用水処理装置。
2. 前記フィルタ（Ａ）は繊維系フィルタであり、前記フィルタ（Ｂ）はメンブランフィルタである、請求項１に記載の燃料電池発電装置用水処理装置。

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