(57)【要約】【課題】  本発明は、低酸素濃度の空気として外部の施設に供給するカソード排気を、高いエネルギー効率で除湿する燃料電池発電システムを提供することを目的としている。【解決手段】  外部の施設１に酸素濃度が下がった空気を供給する燃料電池発電システムであって、電気化学反応により発電を行う燃料電池本体２と、電気化学反応により酸素が消費されて酸素濃度が下がった空気を、燃料電池本体２のカソード３から排出するカソード排気系と、カソード排気系に設けられ、酸素濃度が下がった空気から水分を除去するデシカント空調機３０と、を備えることを特徴とする燃料電池発電システム。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部の施設に酸素濃度が下がった空気を供給する燃料電池発電システムであって、
電気化学反応により発電を行う燃料電池本体と、
前記電気化学反応により酸素が消費されて酸素濃度が下がった空気を、前記燃料電池本体のカソードから排出するカソード排気系と、
前記カソード排気系に設けられ、前記酸素濃度が下がった空気から水分を除去するデシカント空調機と、
を備えることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記デシカント空調機は、前記酸素濃度が下げられた空気を冷却して水分を除去する空気冷却器を備え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。
【請求項３】
前記デシカント空調機は、前記燃料電池本体が放出した排熱を利用する空気加熱器と、前記酸素濃度が下がった空気の水分を吸着する吸着剤と、を備え、
前記空気加熱器により加熱された空気を送風し、前記吸着剤に吸着された水分を除去することを特徴とする請求項１または２に記載された燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低酸素濃度の空気の供給源となる燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
倉庫やデータセンターなどの施設は、通常、無人の状態で維持管理される区域を有している。このような無人管理区域においては、万一、火災が発生しても燃焼が継続しないように、内部を１５％以下の低酸素濃度雰囲気に保持する防災システムが採用されている。このため、通常の空気の酸素濃度よりも低い空気または窒素ガスを供給する装置を備える必要があり、従来は、圧力スウィング吸着方式により低酸素濃度の空気や窒素を製造する装置や、特許文献１に記載されているような燃料電池のカソード排気を使用するシステムが採用されている。
【０００３】
特に、燃料電池のカソード排気を使用するシステムは、発電に伴って発生する排ガスを利用する点で、エネルギー利用効率に優れた方法といえる。しかし、燃料電池のカソード排気は、約４０℃の飽和の水蒸気を含むため、そのまま低酸素空気として利用することはできない。そこで、カソードから排気される排ガスを、熱交換器を用いて冷却し水蒸気を除去した後に、低酸素濃度の乾燥空気として使用する方式が用いられている。
【０００４】
図３は、外部施設１に低酸素濃度の空気を供給する燃料電池発電システムを模式的に示す説明図である。燃料電池発電装置２０は、燃料電池本体２２と、燃料電池本体２２に燃料ガスを供給する改質器２５を備えている。改質器２５は、外部から供給される天然ガスを、水素を多量に含む燃料ガスに改質して、燃料電池本体のアノード２４に供給する。一方、燃料電池本体のカソード２３には、空気が供給されており、燃料ガスに含まれる水素と空気中の酸素が、燃料電池本体２２の内部で電気化学反応を起こし、起電力を生じて発電が行われる。
【０００５】
発電により水素が使用された燃料ガスは、アノード２４から排出されて改質器２５に戻され、可燃成分が燃焼された後、大気中に排出される。この際、排ガス中に含まれる水分は、水回収装置２８で回収されて再利用される。一方、カソード２３で酸素が反応した空気は、低酸素濃度の空気となって排出されるが、水素と酸素の電気化学反応で発生した水も、水蒸気となって同時にカソード２３から排出される。したがって、カソード２３から排出される排ガスは、低酸素濃度で、且つ高濃度に水分を含んだ空気となっている。
【０００６】
このため、カソード２３から排出される排ガスは、水回収装置２６において水分を回収された後、燃料電池発電装置２０から外部へ排出されるが、まだ、８％程度の水分を含んでおり、低酸素濃度の空気として、そのまま外部の施設に供給することはできない。そこで、熱交換器２１において、さらに水分を除いて乾燥空気とした後で、外部施設へ供給される。この際、熱交換器２１には、冷凍機２９で冷やされた冷水が供給されており、排ガス中の水分を凝縮させて除湿する。
【０００７】
また、他の従来技術として、特許文献２には、燃料電池から流出する排ガスから水分を回収する際に、デシカント空調機を用いて効率よく回収する技術が記載されている。また、特許文献３には、燃料電池の改質器から排出される排ガスを、燃料電池の格納容器内をパージするガスとして使用する燃料電池プラントが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＷＯ２００７／０５４３１４Ａ１公報
【特許文献２】特開２００３−２３４１２１号公報
【特許文献３】特開２００１−４３８７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、熱交換器を用いて排ガスを冷却して除湿する従来技術においては、熱交換器に冷水を供給する冷凍機の消費電力が大きいという問題があった。例えば、低酸素の空気として使用するための目安となる温度２０℃、相対湿度（Ｒｅｌａｔｉｖｅ  Ｈｕｍｉｄｉｔｙ：ＲＨ）５０％の乾燥空気とするためには、排ガスを約９℃以下に冷却する必要があった。
【００１０】
そこで、本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、低酸素濃度の空気として外部の施設に供給するカソードからの排気ガスを、高いエネルギー効率で除湿する燃料電池発電システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池発電システムは、外部の施設に酸素濃度が下がった空気を供給する燃料電池発電システムであって、電気化学反応により発電を行う燃料電池本体と、電気化学反応により酸素が消費されて酸素濃度が下がった空気を、燃料電池本体のカソードから排出するカソード排気系と、カソード排気系に設けられ、酸素濃度が下がった空気から水分を除去するデシカント空調機と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、エネルギー使用が少ないデシカント空調機を用いるため、カソードからの排ガスの除湿に使用されるエネルギーの効率の向上を図ることができる。
【００１３】
さらに、本発明に係る燃料電池発電システムにおいて、デシカント空調機は、酸素濃度が下げられた空気を冷却して水分を除去する空気冷却器を備えることを特徴とする。
【００１４】
これにより、熱交換器で排ガスを冷却し除湿していた従来のシステムに比べ、少ないエネルギーで目的とする品質の乾燥空気を得ることができる。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池発電システムにおいて、デシカント空調機は、燃料電池本体が放出した排熱を利用する空気加熱器と、酸素濃度が下がった空気の水分を吸着する吸着剤と、を備え、空気加熱器により加熱された空気を送風し、吸着剤に吸着された水分を除去することを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、排気されていた燃料電池の排熱を利用してデシカント空調機の再生を行うので、エネルギーの利用効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、低酸素濃度の空気として外部の施設に供給するカソードからの排ガスを、高いエネルギー効率で除湿する燃料電池システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムを模式的に示す説明図である。
【図２】本発明に係るデシカント空調機の構成を示す模式図である。
【図３】従来技術に係る燃料電池発電システムを模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る好適な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施態様に係る燃料電池発電システムは、外部の施設に酸素濃度が下がった空気を供給するシステムであり、その構成を図１に模式的に示す。
【００２０】
図中に示すように、燃料電池発電システムは、アノード４およびカソード３を有する燃料電池本体２、改質器５、１次冷却水循環系１２、および水回収装置６、圧力保護装置７を備える燃料電池発電装置１０と、カソード３から排気される酸素濃度が下がった空気から水分を除去するデシカント空調機３０を備えている。また、水回収装置６とデシカント空調機３０とで構成されるカソード排気系には、圧力保護装置７が備えられており、デシカント空調機３０へ放出される排ガスの圧力を調整する。
【００２１】
図中に示す燃料電池発電装置１０においては、外部から供給される原料ガスである天然ガスが、改質器５で水素を多量に含む燃料ガスに改質され、燃料電池本体２のアノード４に供給される。一方、カソード３には、図示しないブロアを介して、外部から空気が供給される。燃料電池本体２では、供給された燃料ガスに含まれる水素と、空気中の酸素が、電気化学反応を起こして発電が行われる。また、発電の副産物として発生する反応熱が、循環ポンプ１４により１次冷却水循環系１２を循環する１次冷却水および熱交換器１３を介して外部の２次温水循環系１５に取り出され、熱エネルギーとして利用される他、排熱として大気中に放出される。
【００２２】
燃料電池本体２に供給された空気中の酸素は、電気化学反応による発電に消費されるため、カソード３から排出される排ガスは、低酸素濃度の空気となっている。通常、燃料電池本体２の電気化学反応において、空気中の酸素濃度の約５０％を消費するように制御されているので、ガソード３の出口では、図中に示すように、酸素濃度が約１０％に低下している。また、カソード３からの排ガスは、発電で生成された水を水蒸気として含んでいるため、約１９％の水分量を含むガスとなっている。
【００２３】
カソード３から排出された排ガスが、燃料電池発電装置１０から外部に放出される際には、水蒸気として含有されている水が水回収装置６で回収され、１次冷却水として装置内で再利用される。しかしながら、水回収装置６で水分が除去されたとしても、カソード３からの排ガスは、まだ、約８％の水分を含んでいるので、外部施設へ供給するためには、さらに、除湿して水分量１％程度の乾燥空気（２０℃、５０％ＲＨ）とする必要がある。
【００２４】
前述した従来技術では、このための除湿方法として、熱交換器で冷却して水分を凝縮させる方法が取られているが、乾燥空気として、２０℃、５０％ＲＨの空気とするために、排ガスを約９℃まで冷却して水分を除去する必要がある。例えば、１００ｋＷの燃料電池発電装置が放出する３６５ｍ３／ｈの排ガスを除湿するとして、熱交換器に冷水を供給する冷凍機が消費する電力は、表１に示すよう
に、冷凍機のＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）    を３．０と仮定すると、約６．６ｋＷが必要となる。
【００２５】
一方、デシカント空調機３０を導入すると、同量の乾燥空気３６５ｍ３／ｈを生成するために必要な電力は約５．２ｋＷとなり、約２０％の省エネルギーになる。
【表１】
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【００２６】
デシカント空調機３０は、水分を吸着する吸着剤を塗布した回転ロータを備え、処理ガスの水分を吸着剤に吸着させて除湿を行う装置である。また、水分を吸着させた後の回転ロータに高温の空気を通気し、吸着剤から水分を離脱させる処理を行うことにより連続動作を可能とする装置である。
【００２７】
図２は、デシカント空調機３０の構成を示す模式図である。本実施態様に係るデシカント空調機３０は、吸着剤を塗布した回転ロータ３３、排ガスを除湿する除湿ゾーン３１、および吸着剤を再生する再生ゾーン３２を備えている。また、回転ロータ３３は、除湿ゾーン３１と再生ゾーン３２に跨って回転する位置に配置されており、回転することにより排ガスの除湿と吸着剤の再生を連続して行うことができる構成となっている。
【００２８】
除湿ゾーン３１には、排ガスを冷却する空気冷却器３５および３６、空気を外部施設１へ送り出すためのファン３７、およびエアフィルタ３４が配置されている。空気冷却器３５および３６は、冷凍機３８との間で冷却水を循環させて空気を冷却する熱交換器である。
【００２９】
燃料電池発電装置１０から排出されたカソード３からの排ガスは、エアフィルタ３４を介して除湿ゾーン３１に導入され、空気冷却器３５によって冷却される。この際、排ガスに含まれる水蒸気が凝縮されて水となり、ドレインから排出される。空気冷却器３５で除湿された排ガスは、さらに、回転ロータ３３に塗布された吸着剤によって除湿され、ファン３７によって外部施設へ供給される。この際、空気冷却器３６は、排ガスを供給可能な温度まで、さらに冷却する。
【００３０】
上記の通り、デシカント空調機３０の除湿ゾーン３１において、排ガスの除湿が行われ、例えば、２０℃、５０％ＲＨの乾燥空気となる。この際、冷凍機３８から空気冷却器３５、３６に循環する冷却水の温度は、従来の熱交換機に循環する冷却水の温度である９℃より高く設定できるので、表１に示すように、冷凍機３８で消費される電力の削減を行うことができる。
【００３１】
一方、デシカント空調機３０の再生ゾーン３２では、回転ロータ３３に塗布された吸着剤の再生が行われる。図中に示すように、再生ゾーン３２には、エアフィルタ４１および空気加熱器４２、ファン４４が配置されおり、ファン４４が動作して再生ゾーン３２の空気を外部に排気すると、エアフィルタ４１を介して外気が再生ゾーン３２に導入される。導入された外気は、空気加熱器４２により加熱され、５０℃〜８０℃の暖気となって回転ロータ３３に吹き付けられる。これにより、回転ロータ３３に塗布された吸着剤に吸着されている水分が離脱し、暖気と共に、ファン４４により外部へ排気され、吸着剤の再生が行われる。すなわち、除湿ゾーン３１と再生ゾーン３２に跨って配置された回転ロータ３３が回転することにより、回転ロータ３３に塗布された吸着剤による排ガス中の水分の吸着と、吸着剤の再生が同時に行なわれ、連続した湿度処理が可能となっている。
【００３２】
また、空気加熱器４２には熱交換器が備えられており、燃料電池本体２で発生した反応熱で生成された温水が、循環ポンプ４６により循環して空気を加熱する。すなわち、空気加熱器４２へ温水を供給する温水循環系４５は、燃料電池発電装置１０の２次温水循環系１５に接続されており、燃料電池発電装置１０の排熱を吸着剤の再生に利用することができる。これにより、エネルギーの利用効率のさらなる向上が図られている。
【００３３】
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明に係る燃料電池発電システムは、上述した実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１      外部施設
２      燃料電池本体
３      カソード
１０    燃料電池発電装置
３０    デシカント空調機
３３    回転ロータ
３５、３６    空気冷却器
４２    空気加熱器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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