JP5353034B2 - 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、凝縮水は、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。

電気式脱イオン装置を用いた脱イオン処理では、脱塩室及び濃縮室に通水する水量の比が変化すると脱イオン能力が低下し、更には、電気式脱イオン装置のイオン交換膜やイオン交換樹脂に不可逆的な損傷が生じる恐れがある。

例えば、下記特許文献２では、バルブと流量計とを組み合わせて用いて、各室への水の供給水量が一定となるように制御している。
特開２００３−２６６０７５号公報 特開２００１−２３６９８１号公報

流量調整弁などにより、電気式脱イオン装置の脱塩室及び濃縮室への水の供給流量があらかじめ一定になるように設定しても、電気式脱イオン装置のイオン交換膜やイオン交換樹脂等の目詰まりなどにより圧損が生じるため、脱塩室及び濃縮室に供給される水量にばらつきが生じることがあった。

また、上記特許文献２のように、流量計とバルブ類とを組み合わせて流量制御する場合は、部品点数が多くなるので、機器コストがかさみ、また、装置全体が複雑化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、装置構成の簡略化が可能で、長期にわたって凝縮水を効率よく脱イオン処理して、系内で凝縮水を再利用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、燃料電池本体及び／又は改質装置から排出される排ガスから回収した凝縮水を脱炭酸処理する脱炭酸装置と、脱炭酸処理された凝縮水を貯留する回収水タンクと、陽極と陰極の間に、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電気式脱イオン装置と、前記回収水タンクから伸びた回収水供給ラインと、前記回収水供給ラインから分岐して、前記電気式脱イオン装置の前記脱塩室に接続する、第１定量ポンプが介装された被処理水供給ラインと、前記回収水供給ラインから分岐して、前記電気式脱イオン装置の前記濃縮室に接続する、第２定量ポンプが介装された濃縮水供給ラインと、前記電気式脱イオン装置の前記濃縮室から伸びて前記脱炭酸装置に接続する濃縮水排出ラインとを備え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、被処理水供給ラインと、濃縮水供給ラインとのそれぞれに、定量ポンプを配置したので、圧損が発生し、脱塩室及び濃縮室への水の供給流量が変動したとしても、常に一定量の水を供給できるので、脱塩室への凝縮水の供給量と濃縮室への凝縮水の供給量との比があらかじめ設定した範囲を維持できる。このため、凝縮水を長期にわたって効率よく脱イオン処理でき、電池冷却水、改質反応用の改質水、燃料電池の反応ガス用の加湿水として好適に用いることができる。

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。
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、後述する電気式脱イオン装置１０の濃縮室から伸びた濃縮水排出ラインＬ２４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が伸びている。

回収水供給ラインＬ２０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、回収水供給ラインの先端は、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Ｌ２１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Ｌ２２とに分岐している。

本発明の燃料電池発電装置では、上記被処理水供給ラインＬ２１には、第１定量ポンプＰ１が介装されており、また、上記濃縮水供給ラインＬ２２には、第２定量ポンプＰ２が介装されている。

第１定量ポンプＰ１及び第２定量ポンプＰ２としては、背圧の変動に流量が影響を受けない定量性に優れたポンプであれば特に限定はなく、例えば、株式会社イワキ製の「ハイセラポンプ」（商品名）や、日本コントロール工業株式会社製の「ＣＣＰＰ」（商品名）等が好ましい一例として挙げられる。

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。そして、電気式脱イオン装置１０の脱塩室からは、脱イオン水供給ラインＬ２３が伸びて、電池冷却水タンク１２に連結している。また、電気式脱イオン装置１０の濃縮室からは、濃縮水排出ラインＬ２４が伸びて、脱炭酸装置５に連結しており、濃縮水を水タンク４の上流側に還流するように構成されている。

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。

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、入口フィルタ８にて煤や粉塵等の不純物除去が行われた後、金属イオン除去装置９にて金属イオンの除去処理を行った後、電気式脱イオン装置１０に送られて脱イオン処理される。そして、脱塩室から吐出される脱イオン水は、脱イオン水供給ラインＬ２３を通って電池冷却水タンク１２に送られ、電池冷却水、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の濃縮室から排出される濃縮水は、濃縮水排出ラインＬ２４を通って脱炭酸装置５に返送される。

ところで、長時間作動すると、配管などにスケールがたまったり、フィルタ８などが詰まったりして、圧損が発生し、脱塩室及び濃縮室への水の供給流量が変動してしまう。電気式脱イオン装置１０での脱イオン処理は、脱塩室及び濃縮室に供給する水量バランスが崩れると、脱塩処理が不十分なまま脱塩室から排出されることがあり、処理水質が悪化し、燃料電池本体１や、改質装置３へのイオン負荷が増大するおそれがある。

本発明の燃料電池発電装置では、被処理水供給ラインＬ２１と、濃縮水供給ラインＬ２２のそれぞれに、定量ポンプＰ１，Ｐ２を配置したので、圧損が発生し、脱塩室及び濃縮室への水の供給流量が変動したとしても、常に一定量の水を供給できる。その結果、特に複雑な制御を行わなくても、脱塩室への凝縮水の供給量と濃縮室への凝縮水の供給量との比があらかじめ設定した範囲を維持でき、長期にわたって凝縮水を効率よく脱イオン処理して、電池冷却水、改質反応用の改質水、燃料電池の反応ガス用の加湿水として好適に再利用できる。

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
１２：電池冷却水タンク
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：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
Ｌ２１：被処理水供給ライン
Ｌ２２：濃縮水供給ライン
Ｌ２３：脱イオン水供給ライン
Ｌ２４：濃縮水排出ライン
Ｐ１：第１定量ポンプ
Ｐ２：第２定量ポンプ
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 (1)

1. 燃料電池本体及び／又は改質装置から排出される排ガスから回収した凝縮水を脱炭酸処理する脱炭酸装置と、
   脱炭酸処理された凝縮水を貯留する回収水タンクと、
   陽極と陰極の間に、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電気式脱イオン装置と、
   前記回収水タンクから伸びた回収水供給ラインと、
   前記回収水供給ラインから分岐して、前記電気式脱イオン装置の前記脱塩室に接続する、第１定量ポンプが介装された被処理水供給ラインと、
   前記回収水供給ラインから分岐して、前記電気式脱イオン装置の前記濃縮室に接続する、第２定量ポンプが介装された濃縮水供給ラインと、
   前記電気式脱イオン装置の前記濃縮室から伸びて前記脱炭酸装置に接続する濃縮水排出ラインとを備えることを特徴とする燃料電池発電装置。