JPH1040940A - リン酸型燃料電池発電プラント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 改質器から排出される燃料排ガスと燃料電池
本体の空気極から排出される排空気とから保有熱と水と
を回収するための凝縮熱交換器を備えたリン酸型燃料電
池発電プラントにおいて、水処理設備をコンパクトなも
のとし得るようにすること。 【解決手段】 凝縮熱交換器をリン酸凝縮熱交換器１１
と水回収熱交換器１２とによって構成し、上記リン酸凝
縮熱交換器１１と水回収熱交換器１２にそれぞれ処理系
統１４，６を接続した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池本体を通
った後の排ガスの保有熱を回収するとともに、水蒸気分
を凝縮し水処理後プラントへ再供給する凝縮熱交換器を
備えたリン酸型燃料電池発電プラントに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、燃料電池発電プラントは、都市
ガス等の炭化水素系燃料と水蒸気を改質器に供給しそこ
で水素を主成分とするガスに改質して燃料電池本体の燃
料極へ供給するとともに、空気を燃料電池本体の空気極
に供給し、これらの燃料極の水素と空気極の酸素を燃料
電池本体で電解質を介して化学反応を起こさせ、直流電
流を得るものであり、上記電解質としてリン酸を使用し
たものが、リン酸型燃料電池発電プラントである。

【０００３】また、上記燃料電池発電プラントにおいて
は、発電に伴なって生じる熱や化学反応の結果生じる水
を回収し、これを有効に利用することで系全体の効率を
高めるようにしてある。

【０００４】図９は従来のリン酸型燃料電池発電プラン
トの一例を示す図であって、燃料電池本体１は、電解質
としてのリン酸を浸透したマトリックス１ａを、燃料ガ
スが供給される燃料極１ｂと空気が供給される空気極１
ｃとで挟むことによって単位セルが構成されている。そ
して、上記燃料電池本体１での燃料ガスと空気との電気
化学反応により直接電気が発電される。

【０００５】図中符号２は改質器であって、この改質器
２には、都市ガス等の炭化水素系燃料に気水分離器３で
水と蒸気に分離された改質用蒸気を混合したものが供給
され、その改質器２の反応部２ａで水蒸気改質反応によ
り水素リッチの改質ガスが生成される。この改質ガスは
主成分として水素を含んでおり、これがさらに精製され
た後燃料極１ｂに導入される。

【０００６】一方、燃料電池本体１の空気極１ｃには送
風機４によって反応用空気が供給されており、前述のよ
うに燃料電池本体１で改質ガス中の水素と反応用空気の
酸素とが反応し発電される。

【０００７】また、上記燃料電池本体１では発電と同時
に反応熱を生じるため、燃料電池本体の温度を１９０℃
程度に保つため、冷却板１ｄが配設されており、その冷
却板１ｄに後述する電池冷却水を流通させることによ
り、燃料電池本体１の冷却が行われる。

【０００８】ところで、燃料電池本体１の燃料極１ｂで
反応を終えた改質ガス中には幾分か水素が残っているた
め、改質器２のバーナ２ｂへ供給され燃焼用空気ととも
に燃焼して改質器２の反応部２ａの加熱源となった後、
燃焼排ガスとして導管４を介して凝縮熱交換器５へ導か
れる。また、燃料電池本体１の空気極１ｃで反応を終え
た反応用空気は電気化学反応により生成した水分を保有
しているため、これも上記燃焼排ガスに合流され導管４
を介して凝縮熱交換器４へ導入される。

【０００９】上記凝縮熱交換器５では、系内の熱エネル
ギーを有効に利用するため上記燃焼排ガス中の熱を回収
すると同時に、プラント内で水自立を達成するために燃
焼排ガス及び排空気に含まれた水蒸気分を凝縮させ水回
収が行われる。そして、ここで回収された水は、水処理
設備６でイオン交換樹脂等により精製され、その後ポン
プ７によって燃料電池本体１の冷却板１ｄに電池冷却水
として送られ、その冷却板１ｄで燃料電池を冷却した電
池冷却水は、気水分離器３で気水分離され、分離された
水蒸気は改質用水蒸気として改質器２に送給される。一
方、気水分離器３で分離された水は、水処理設備６の出
口部において電池冷却水中に合流される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、通常リン酸
型燃料電池発電プラントにおいては、燃料電池本体１は
１９０℃程度で運転されており、電池本体の電解質であ
るリン酸がマトリックス１ａから酸化リンの形態で一部
蒸発し、燃料極の燃焼排ガス及び空気極の排空気中に微
量含有されて出てくる。したがって、この酸化リンを含
むガスが熱交換器内で冷却されると、ガス中の酸化リン
の濃度、水蒸気分圧等の条件により異なるが、一般的な
ガス条件においては１５０℃程度で酸化リンの凝縮が始
まる。そして、凝縮した酸化リンは排ガス中の水蒸気を
取り込み水和し、一部は熱交換器の金属部で腐食を起こ
しリン酸生成物となり、またその他はリン酸イオンとし
て水に溶け込み回収され、リン酸生成物と共に水処理設
備へと流れていくため、イオン交換樹脂の負荷が大きく
なり、さらには水処理設備が大きくなり、燃料電池プラ
ントのコンパクト性を損ねる等の問題がある。

【００１１】本発明はこのような点に鑑み、水処理設備
をコンパクトなものとし得るリン酸型燃料電池発電プラ
ントを得ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、リン酸を
電解質として用いる燃料電池本体と、炭化水素系燃料を
改質して上記燃料電池本体の燃料極に改質ガスを供給す
る改質器と、上記燃料電池本体に反応用空気を供給する
空気供給装置と、上記改質器から排出される燃焼排ガス
と燃料電池本体の空気極から排出される排空気とから保
有熱と水とを回収するための凝縮熱交換器を備えたリン
酸型燃料電池発電プラントにおいて、上記凝縮熱交換器
をリン酸凝縮熱交換器と水回収熱交換器とによって構成
し、上記リン酸凝縮熱交換器と水回収熱交換器にそれぞ
れの処理系統を接続したことを特徴とする。

【００１３】第２の発明は、リン酸凝縮熱交換器と水回
収熱交換器が、両熱交換器の高温側通路を形成する同一
ケーシング内に配設され、排ガス流れの上流側にリン酸
凝縮熱交換器が配設され、下流側に水回収熱交換器が配
設されていることを特徴とする。

【００１４】また、第３の発明は、リン酸凝縮熱交換器
のリン酸処理系統と水回収熱交換器の凝縮水出口箱と
が、鉄イオン注入装置を介して接続されていることを特
徴とする。

【００１５】さらに、第４の発明は、リン酸処理系統に
はリン酸処理槽が設けられており、そのリン酸処理槽内
に金属粉が収容されていることを特徴とする。

【００１６】第５の発明は、リン酸処理槽に加熱手段を
設けたことを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図１乃至図８を参照して本
発明の実施の形態について説明する。なお、図中図９と
同一部分には同一符号を付しその詳細な説明は省略す
る。

【００１８】改質器２の反応部２ａから排出される燃焼
排ガスと燃料電池本体１の空気極１ｃで反応を終えた排
空気とが合流される導管４には、リン酸凝縮熱交換器１
１と水回収熱交換器１２を順次配列した凝縮熱交換器１
３が接続されており、リン酸凝縮熱交換器１１にはリン
酸処理設備１４が付設され、水回収熱交換器１２には水
処理設備６が付設されている。

【００１９】上記リン酸凝縮熱交換器１１と水回収熱交
換器１２は、図２に示すように、両熱交換器の高温側通
路を形成する同一ケーシング１５内に設置され、排ガス
流れの上流側にリン酸凝縮熱交換器１１、下流側に水回
収熱交換器１２が配列されている。また、リン酸凝縮熱
交換器１１と水回収熱交換器１２の低温側は、例えば同
一媒体を採用し、水回収熱交換器１２からリン酸凝縮熱
交換器１１へ冷却媒体が流れるようにしてあり、リン酸
凝縮熱交換器１１の排ガス出口部にリン酸処理設備１４
が接続され、水回収熱交換器１２の排ガス出口部に水処
理設備９が接続されている。

【００２０】しかして、リン酸蒸気を含んだ燃焼排ガス
及び排空気の混合体は、まずリン酸凝縮熱交換器１１に
流入し、そこでリン酸が凝縮回収され、リン酸処理設備
１４で処理される。その後水回収熱交換器１２において
水が回収され、回収水中の不純物が減少される。

【００２１】図３は、リン酸凝縮熱交換器１１と水回収
熱交換器１２の冷却性能を示す図であり、ａ点はリン酸
の凝縮温度で、ｂ点は水蒸気の凝縮温度を示し、Ｃの範
囲がリン酸凝縮熱交換器１１でのガス冷却、Ｄの範囲が
水回収熱交換器１２での冷却を示している。

【００２２】しかして、リン酸凝縮熱交換器１１に流入
する排ガスは、例えば８０℃程度まで冷却される間にま
ずリン酸が酸化リンの形態で凝縮され、リン酸の凝縮と
ともにリン酸凝縮熱交換器１１の伝熱金属面で微量の水
蒸気が凝縮することにより酸化リンが水と水和し凝縮水
に溶け込み、水溶液の状態でケーシング１５の底に落下
し、ケーシング１５に沿って流れリン酸処理設備１４に
回収される。リン酸の凝縮によりリン酸濃度が低下した
排ガスは水回収熱交換器１２でさらに冷却される間に水
蒸気が凝縮し、ケーシング１５に設けられた凝縮水出口
箱１６から水処理設備６へ送水される。

【００２３】このように、リン酸と水蒸気の凝縮温度の
違いを利用して、リン酸と凝縮水を別々に回収するの
で、凝縮水中のリン酸濃度を低下させることができる。
したがって、水処理設備の負荷が低減し、水処理設備の
小型化を達成することができる。

【００２４】図４は、本発明の第２の実施の形態を示す
図であり、リン酸凝縮熱交換器１１の下部にリン酸処理
槽１４ａが設けられており、このリン酸処理槽１４ａに
水配管１７を介して鉄イオン供給装置１８が接続され、
この鉄イオン供給装置１８の他端が水回収熱交換器１２
の凝縮水出口箱１６に接続されている。このときリン酸
処理槽１４ａと凝縮水出口箱１６の据え付き高さは同じ
とし、かつ鉄イオン供給装置１８がリン酸処理槽１４ａ
より低い位置に配設されている。

【００２５】上記鉄イオン供給装置１８は、図５に示す
ように、胴１８ａの内部に鉄を成分とする電極１８ｂ，
１８ｃを配設し、その電極１８ｂ，１８ｃを胴１８ａを
貫通して外部に突出させ、上記電極１８ｂが直流電源１
９のマイナス側に、電極１８ｃがプラス側に接続されて
いる。

【００２６】しかして、リン酸凝縮熱交換器１１で凝縮
したリン酸は、リン酸処理槽１４ａに回収され、水回収
熱交換器１２での凝縮水は凝縮水出口箱１６から水処理
設備６へ通水されるとともに、一部の凝縮水は凝縮水出
口箱１６から鉄イオン供給装置１８に流入した後、リン
酸処理槽１４ａへも流れる。したがって、鉄イオン供給
装置１８の胴１８ａの内部には凝縮水が常に保有され、
電極１８ｂ，１８ｃ間に電流を流したとき、凝縮水が電
解液となり、直流電源のプラス側に接続された電極１８
ｃから鉄イオンが供給される。そして、この鉄イオンが
凝縮水とともにリン酸処理槽１４ａに流入し、リン酸処
理槽１４ａ内のリン酸と反応してリン酸鉄が生成され
る。

【００２７】上記リン酸鉄は固形物であるためリン酸処
理槽１４ａを定期的に清掃することによって簡単に処理
が可能であり、これによって水処理装置の負荷低減を図
ることができる。

【００２８】図６は本発明の他の実施の形態を示す図で
あって、リン酸処理槽１４ａ内には例えば鉄の如き金属
粉２０が収容されている。しかして、リン酸凝縮熱交換
器１１により回収されたリン酸がこのリン酸処理槽１４
ａに流入すると、リン酸が金属粉２０と腐食反応をおこ
し、金属のリン酸塩が生成される。

【００２９】ところで、この金属のリン酸塩も固形物で
あるため、第２の実施の形態と同様に簡単に処理が可能
であり、水処理装置の負荷を低減させることができる。

【００３０】図７は本発明のさらに他の実施の形態を示
す図であり、リン酸処理槽１４ａには電気ヒータ２１が
取付けられている。しかして、上記電気ヒータ２１に通
電しリン酸処理槽１４ａを外部から加熱することによ
り、金属粉２０のリン酸による腐食が促進され、金属リ
ン酸塩の生成速度が速められる。したがって、リン酸処
理槽１４ａ内のリン酸処理能力が一層高められる。

【００３１】また、上記電気ヒータ２１の代りに、図８
に示すようにリン酸処理槽１４ａの外面にプレートコイ
ル型の熱交換器２２を取り付けてもよい。この場合、プ
レートコイル型の熱交換器２２に例えば電池冷却水を流
入させ、リン酸処理槽１４ｂを加熱することで、図７に
示すものと同じ効果を奏せしめることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は改質器か
ら排出される燃焼排ガスと燃料電池本体の空気極から排
出される排空気から熱回収及び水回収する系統に、リン
酸凝縮熱交換器及び水回収熱交換器を設けたので、リン
酸凝縮熱交換器でリン酸を回収しリン酸処理設備で処理
することができ、後段の水回収熱交換器での回収水中の
不純物を減少させ水処理設備の負荷の低減を図ることが
でき水処理設備をコンパクト化することができる。

【００３３】また、リン酸処理系統に設けられたリン酸
処理槽に鉄イオン供給装置を接続した場合にはリン酸処
理槽に回収されたリン酸が鉄イオンと反応し、固形のリ
ン酸鉄となるので、リン酸処理槽を定期的に清掃するこ
とによって簡単に処理が可能である。またリン酸処理槽
内に鉄等の金属粉を収容した場合も、金属リン酸塩を生
成させることができ、上述と同様に簡単に処理が可能で
水処理設備の負荷の低減を図ることができる。

【００３４】さらに、リン酸処理槽に加熱装置を付加し
た場合には、金属のリン酸による腐食反応が促進され、
リン酸生成物の生長を加速でき、リン酸処理能力をさら
に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態のリン酸型燃料電池
発電プラントの概略構成図。

【図２】リン酸凝縮熱交換器と水回収熱交換器を一体化
した熱交換器の例を示す図。

【図３】リン酸凝縮熱交換器と水回収熱交換器の冷却性
能説明用の温度分布図。

【図４】本発明の第２の実施の形態のリン酸型燃料電池
発電プラントのリン酸処理設備の一例を示す図。

【図５】鉄イオン注入装置の概略図。

【図６】リン酸処理槽の一例を示す図。

【図７】リン酸処理槽の他の例を示す図。

【図８】リン酸処理槽のさらに他の例を示す図。

【図９】従来のリン酸型燃料電池発電プラントの概略構
成図。

【符号の説明】

１ 燃料電池本体 １ａ マトリックス １ｂ 燃料極 １ｃ 空気極 １ｄ 冷却板 ２ 改質器 ３ 気水分離器 ５，１３ 凝縮熱交換器 ６ 水処理設備 １１ リン酸凝縮熱交換器 １２ 水回収熱交換器 １４ リン酸処理設備 １４ａ リン酸処理槽 １５ ケーシング １８ 鉄イオン供給装置 ２０ 金属粉 ２１ 電気ヒータ ２２ プレートコイル型の熱交換器

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】リン酸を電解質として用いる燃料電池本体
   と、炭化水素系燃料を改質して上記燃料電池本体の燃料
   極に改質ガスを供給する改質器と、上記燃料電池本体に
   反応用空気を供給する空気供給装置と、上記改質器から
   排出される燃焼排ガスと燃料電池本体の空気極から排出
   される排空気とから保有熱と水とを回収するための凝縮
   熱交換器を備えたリン酸型燃料電池発電プラントにおい
   て、上記凝縮熱交換器をリン酸凝縮熱交換器と水回収熱
   交換器とによって構成し、上記リン酸凝縮熱交換器と水
   回収熱交換器にそれぞれの処理系統を接続したことを特
   徴とする、リン酸型燃料電池発電プラント。
2. 【請求項２】リン酸凝縮熱交換器と水回収熱交換器は、
   両熱交換器の高温側通路を形成する同一ケーシング内に
   配設され、排ガス流れの上流側にリン酸凝縮熱交換器が
   配設され、下流側に水回収熱交換器が配設されているこ
   とを特徴とする、請求項１記載のリン酸型燃料電池発電
   プラント。
3. 【請求項３】リン酸凝縮熱交換器のリン酸処理系統と水
   回収熱交換器の凝縮水出口箱とが、鉄イオン注入装置を
   介して接続されていることを特徴とする、請求項１また
   は２記載のリン酸型燃料電池発電プラント。
4. 【請求項４】リン酸処理系統にはリン酸処理槽が設けら
   れており、そのリン酸処理槽内に金属粉が収容されてい
   ることを特徴とする、請求項１または２記載のリン酸型
   燃料電池発電プラント。
5. 【請求項５】リン酸処理槽に加熱手段を設けたことを特
   徴とする、請求項４記載のリン酸型燃料電池発電プラン
   ト。