JP5163204B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気式脱イオン装置を備えた燃料電池発電装置に関する。

燃料電池本体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おり、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、燃料電池排ガスや燃焼排ガスから凝縮水を回収し、再利用することが一般的に行われている。そして、凝縮水には、炭酸イオンや、配管から溶出した金属イオン等が含まれており、これらのイオンは、電極触媒や、改質触媒に悪影響を及ぼす恐れがあるので、脱イオン処理を行った後、再利用するようにしている。

凝縮水の脱イオン処理方法としては、電気式脱イオン装置を用いて凝縮水を脱イオン処理する試みが近年行われている。

電気式脱イオン装置は、例えば、下記特許文献１に開示されているように、陽極と陰極との間に、イオン交換膜によって区画された脱塩室と濃縮室とを有し、脱塩室にはイオン交換樹脂が充填された水処理装置である。脱塩室に流入したイオンはその親和力、濃度及びイオン強度に基づいてイオン交換樹脂と反応し、電位の傾きの方向に樹脂中を移動し、イオン交換膜まで達する。そして、カチオンはカチオン交換膜を透過し、アニオンはアニオン交換膜を透過して、それぞれ濃縮室に移動する。これによって凝縮水を、脱イオン水と濃縮水に分離することができる。

上記濃縮水は、市水に比べて電気式脱イオン装置にかかるイオン負荷が小さいので、例えば、下記特許文献２、３に開示されているように、濃縮水を水タンクなどに還流して、電気式脱イオン装置にて再度脱イオン処理することが行われている。
特開２００３−２６６０７５号公報 特開平８−７９０６号公報 特開２００１−１７６５３５号公報

電気式脱イオン装置での脱イオン処理時に脱イオン水と共に生成される濃縮水は、市水に比べイオン負荷が小さいものの、二酸化炭素を比較的多量に含んでいる。このため、濃縮水を水タンクなどに還流して再度処理するようにした場合、結果として電気式脱イオン装置にかかる負荷が増大するので、装置寿命が低下して、メンテナンスコストがかさむ問題があった。

したがって、本発明の目的は、電気式脱イオン装置から排出される濃縮水を有効利用して水自立運転を可能にする共に、電気式脱イオン装置にかかる負荷を低減できる燃料電池発電装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池発電装置は、水素含有ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池本体と、システムから発生する凝縮水を脱イオン処理する電気式脱イオン装置とを備え、該電気式脱イオン装置で処理された脱イオン水及び濃縮水を再利用するように構成された燃料電池発電装置において、
前記電気式脱イオン装置から発生する濃縮水を、前記燃料電池本体の冷却水として供給するように構成されていることを特徴とする。

本発明の燃料電池発電装置によれば、上記濃縮水を燃料電池本体の冷却水として利用する。冷却水は、酸化剤ガスへの加湿水、改質器への改質水などに比べて、二酸化炭素などに起因する溶存イオンによる悪影響が少ない。したがって、濃縮水を燃料電池本体の冷却水として利用することにより、濃縮水の有効利用が図られ、燃料電池発電装置における水供給の自立が可能となる。
また、冷却水は、燃料電池本体の冷却系を通過することにより、燃料電池本体からの熱を受けて昇温し、その水温がおよそ７０〜８０℃になるので、濃縮水中に溶存している二酸化炭素がガス化して放出される。このため、濃縮水から二酸化炭素を減少させることができ、電気式脱イオン装置で再度脱イオン処理を受けるときの負荷を低減することができる。
また、電気式脱イオン装置で処理された脱イオン水は、主として電池加湿水や改質水として利用することができるので、電池加湿水や改質水が不足することを防止できる。

本発明の燃料電池発電装置は、前記濃縮水を貯留する冷却水タンクと、該冷却水タンクから前記燃料電池本体に冷却水を供給する冷却水供給ラインと、前記燃料電池本体を通過した冷却水を前記冷却水タンクに戻す冷却水返送ラインと、前記冷却水タンク中のガスを排気する排気ラインとが設けられていることが好ましい。この態様によれば、電気式脱イオン装置で発生する濃縮水を冷却水タンクに貯留し、冷却水タンクから冷却水供給ラインを通して燃料電池本体に冷却水として供給し、燃料電池本体の冷却系を通過した冷却水を、冷却水返送ラインを通して冷却水タンクに返送すると、冷却水は、燃料電池本体からの熱を受けて昇温されて返送されるため、冷却水タンク中の水温が７０〜８０℃となる。このため、冷却水中の二酸化炭素がガス化して放散され、この二酸化炭素を排気ラインを通して排出することにより、濃縮水中に溶存する二酸化炭素を減少させることができる。

本発明の燃料電池発電装置は、前記凝縮水を貯留する回収水タンクと、該回収水タンクから前記電気式脱イオン装置に凝縮水を供給する凝縮水供給ラインと、前記冷却水タンクと前記回収水タンクとを連結する濃縮水返送ラインとが設けられており、前記冷却水タンクの水位が所定高さを超えたときに、前記濃縮水返送ラインを通して、前記冷却水タンク中の濃縮水が前記回収水タンクに返送されるように構成されていることが好ましい。この態様によれば、冷却水タンクの水位が所定高さを超えたときに、濃縮水返送ラインを通して、冷却水タンク中の濃縮水が前記回収水タンクに返送されるようにしたので、冷却水タンク中で水温が上昇することにより、溶存する二酸化炭素を減少された濃縮水を回収水タンクに返送することができる。そして、回収水タンクに返送された濃縮水は、凝縮水供給ラインを通して電気式脱イオン装置に再度送られて脱イオン処理されることになるが、上記のように溶存する二酸化炭素を減少させられているので、電気式脱イオン装置の負荷を軽減することができる。

本発明の燃料電池発電装置によれば、電気式脱イオン装置から排出される濃縮水を燃料電池本体の冷却水として利用することにより、濃縮水の有効利用が図られ、燃料電池発電装置における水供給の自立が可能となる。また、冷却水は、燃料電池本体の冷却系を通過することにより、その水温が７０〜８０℃になるので、濃縮水中に溶存している二酸化炭素がガス化して放出される。このため、濃縮水から二酸化炭素を減少させることができ、電気式脱イオン装置で再度脱イオン処理を受けるときの負荷を低減することができる。また、電気式脱イオン装置で処理された脱イオン水は、主として電池加湿水や改質水として利用することができるので、電池加湿水や改質水が不足することを防止できる。

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す。

図中の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。加湿器２には加湿水循環ラインＬ７が接続しており、脱イオン水貯留タンク３０に貯留された脱イオン水を、加湿水循環ラインＬ７を通して加湿器２に循環供給できるように構成されている。
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には、電池冷却水循環ラインＬ８が連結しており、電池冷却水タンク２０に貯留された水を電池冷却水循環ラインＬ８を通して冷却系１ｄに循環供給できるように構成されている。

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、脱イオン水貯留タンク３０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料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、及び、電池冷却水タンク２０から伸びた電池冷却水オーバフローラインＬ１４が連結している。また、脱炭酸装置５からは、排気ラインＬ１６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、脱イオン水貯留タンク３０から伸びた脱イオン水オーバフローラインＬ１５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Ｌ１７が伸びて、水タンク４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、回収水取出しラインＬ１８が伸びている。

回収水取出しラインＬ１８には、上流側から入口フィルタ８、金属イオン除去装置９が配置されている。そして、回収水取出しラインＬ１８の先端は、電気式脱イオン装置１０の脱塩室に接続する被処理水供給ラインＬ１９と、電気式脱イオン装置１０の濃縮室に接続する濃縮水供給ラインＬ２０とに分岐している。

入口フィルタ８としては、水タンク４で回収した回収水に含まれている煤や粉塵等の不純物を除去するものであれば特に限定はなく、金属除去フィルタ、微粒子除去フィルタ等が好ましく挙げられる。

金属イオン除去装置９としては、凝縮水中に含まれる金属イオン吸着樹脂や、キレート樹脂などが好ましく挙げられる。

電気式脱イオン装置１０は、陽極と陰極との間に、イオン交換膜によって区画された脱塩室と濃縮室とを有し、脱塩室にはイオン交換樹脂が充填された水処理装置である。
電気式脱イオン装置１０の脱塩室からは、脱イオン水取出しラインＬ２１が伸びて、脱イオン水貯留タンク３０に連結している。
電気式脱イオン装置１０の濃縮室からは、濃縮水取出しラインＬ２２が伸びて、排気ラインＬ２３が配置された電池冷却水タンク２０に連結している。

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。

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。なお、発電に伴う発熱によって、燃料電池本体１の温度が上昇しないように、冷却系１ｄに冷却水を供給して、発電最適温度に維持している（例えば、固体高分子形燃料電池の場合はおよそ７０〜８０℃）。

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、入口フィルタ８にて煤や粉塵等の不純物を除去し、金属イオン除去装置９にて金属イオンを除去したのち、電気式脱イオン装置１０に送られて脱イオン処理される。

電気式脱イオン装置の脱塩室から取り出される水（脱イオン水）は、イオン濃度が極めえ低く、脱イオン水取出しラインＬ２１を通って脱イオン水貯留タンク３０に送られて、加湿水、改質水などに使用される。

一方、電気式脱イオン装置１０の濃縮室から取り出される水（濃縮水）は、炭酸イオンなどのイオンが濃縮されて、比較的高濃度含んでいるので、加湿水や改質水としての使用には不適である。しかし、冷却水としての用途であれば、二酸化炭素などに起因する溶存イオンによる悪影響が少ないことに着目し、本発明では、濃縮水を燃料電池本体１の冷却水として利用することとした。

すなわち、この実施形態では、濃縮水取出しラインＬ２２を通して濃縮水を電池冷却水タンク２０に導入し、燃料電池本体の冷却水として利用する。

濃縮水を燃料電池本体１の冷却水として利用することにより、濃縮水の有効利用が図られ、燃料電池発電装置における水供給の自立が可能となる。また、燃料電池本体１の冷却水は、冷却系１ｄを通過することにより、燃料電池本体から熱を受けて、その水温がおよそ７０〜８０℃になるので、二酸化炭素の溶存量が小さくなって、濃縮水中に溶存している二酸化炭素がガス化して放散される。このため、再度電気式脱イオン装置１０で処理する場合において、イオン負荷を低減できる。なお、放散された二酸化炭素は、電池冷却水タンク２０に返送された際、電池冷却水タンク２０に配設された排気ラインＬ２３から系外に排気される。

また、電池冷却水タンク２０には、冷却系１ｄを通って燃料電池本体１からの熱を受けて加温された水が貯留されているので、その水温はおよそ７０〜８０℃になっている。このため、濃縮水を電池冷却水タンク２０に導入することで、二酸化炭素の溶存量が小さくなって放散されるので、冷却系１ｄに導入する前に、溶存二酸化炭素を低減することができる。

なお、この実施形態では、電池冷却水タンク２０の水位が一定水位を超えると、電池冷却水オーバフローラインＬ１４を通して脱炭酸装置５に導入して、脱炭酸処理を行ってから水タンク４に返送するようにしたが、上述したように二酸化炭素濃度が低減されているので、脱炭酸装置５を通さずに、水タンク４に直接返送するようにしてもよい。また、余剰水として系外に排水するようにしてもよい。

本発明の燃料電池発電装置の概略構成図である。

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
８：入口フィルタ
９：金属イオン除去装置
１０：電気式脱イオン装置
２０：電池冷却水タンク
３０：脱イオン水貯留タンク
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：加湿水循環ライン
Ｌ８：電池冷却水循環ライン
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
Ｌ１４：電池冷却水オーバフローライン
Ｌ１５：脱イオン水オーバフローライン
Ｌ１６：排気ライン
Ｌ１７：タンク水オーバフローライン
Ｌ１８ 回収水取出しライン
Ｌ１９：被処理水供給ライン
Ｌ２０：濃縮水供給ライン
Ｌ２１：脱イオン水取り出ライン
Ｌ２２：濃縮水取出しライン
Ｌ２３：排気ライン
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 (3)

1. 水素含有ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池本体と、システムから発生する凝縮水を脱イオン処理する電気式脱イオン装置とを備え、該電気式脱イオン装置で処理された脱イオン水及び濃縮水を再利用するように構成された燃料電池発電装置において、
   前記電気式脱イオン装置から発生する濃縮水を、前記燃料電池本体の冷却水として供給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。
2. 前記濃縮水を貯留する冷却水タンクと、該冷却水タンクから前記燃料電池本体に冷却水を供給する冷却水供給ラインと、前記燃料電池本体を通過した冷却水を前記冷却水タンクに戻す冷却水返送ラインと、前記冷却水タンク中のガスを排気する排気ラインとが設けられている請求項１記載の燃料電池発電装置。
3. 前記凝縮水を貯留する回収水タンクと、該回収水タンクから前記電気式脱イオン装置に凝縮水を供給する凝縮水供給ラインと、前記冷却水タンクと前記回収水タンクとを連結する濃縮水返送ラインとが設けられており、前記冷却水タンクの水位が所定高さを超えたときに、前記濃縮水返送ラインを通して、前記冷却水タンク中の濃縮水が前記回収水タンクに返送されるように構成されている請求項２記載の燃料電池発電装置。

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