(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質としてリン酸を用いたマトリックスを燃料極および空気極にて挟んだ燃料電池本体と、炭化水素系燃料を改質して前記燃料極に改質ガスを供給する改質器と、前記空気極に反応用空気を供給する空気供給装置と、前記燃料極から排出される燃焼排ガスと前記空気極から排出される排空気とを取り入れてこれらの排ガスから保有熱および凝縮水を回収する凝縮熱交換器と、前記凝縮熱交換器が回収した凝縮水を溜める水タンクと、水タンクに溜められた水の精製処理を行う水処理設備とを備えたリン酸型燃料電池発電プラントにおいて、
前記凝縮熱交換器には前記凝縮水を流す配管が設けられ、
前記配管には開閉自在な弁が設置され、
前記弁は、前記プラントの起動時に開放されるように構成され、
さらに前記配管の端部には、前記配管を流れるリン酸生成物を含んだリン酸凝縮水を回収する酸凝縮水回収タンクが接続されたことを特徴とするリン酸型燃料電池発電プラント。
【請求項２】
前記水タンクが二層に分割され、そのうちの一層が前記リン酸凝縮水回収タンクとして構成された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。
【請求項３】
電解質としてリン酸を用いたマトリックスを燃料極および空気極にて挟んだ燃料電池本体と、炭化水素系燃料を改質して前記燃料極に改質ガスを供給する改質器と、前記空気極に反応用空気を供給する空気供給装置と、前記燃料極から排出される燃焼排ガスと前記空気極から排出される排空気とを取り入れてこれらの排ガスから保有熱および凝縮水を回収する凝縮熱交換器と、前記凝縮熱交換器が回収した凝縮水を溜める水タンクと、水タンクに溜められた水の精製処理を行う水処理設備とを備えたリン酸型燃料電池発電プラントにおいて、
前記リン酸凝縮水回収タンクは、前記凝縮水熱交換器あるいは脱炭酸塔と別体に設けられ、
前記水タンクには、前記凝縮水が水頭差により流入するように構成され、
さらに、前記凝縮熱交換器と前記水処理設備との間にはリン酸生成物を取り除くフィルタを内蔵した分離槽が設けられたことを特徴とするリン酸型燃料電池発電プラント。
【請求項４】
電解質としてリン酸を用いたマトリックスを燃料極および空気極にて挟んだ燃料電池本体と、炭化水素系燃料を改質して前記燃料極に改質ガスを供給する改質器と、前記空気極に反応用空気を供給する空気供給装置と、前記燃料極から排出される燃焼排ガスと前記空気極から排出される排空気とを取り入れてこれらの排ガスから保有熱および凝縮水を回収する凝縮熱交換器と、前記凝縮熱交換器が回収した凝縮水を溜める水タンクと、水タンクに溜められた水の精製処理を行う水処理設備とを備えたリン酸型燃料電池発電プラントにおいて、
前記凝縮熱交換器と前記水処理設備との間にはリン酸生成物を取り除くフィルタを内蔵した分離槽が設けられ、
前記フィルタは内面にフィンが設けられると共に、回転軸を中心に回転自在に構成され、前記フィルタの回転軸には前記フィルタを回転させるための駆動源が接続されたことを特徴とするリン酸型燃料電池発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リン酸型燃料電池を採用した発電プラントに係り、特に、燃料電池本体を通った後の排ガスに含まれる水蒸気分を凝縮させて凝縮水を回収し、その精製処理を行った後にプラント系へ再供給する水自立機能を備えたリン酸型燃料電池発電プラントに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
環境調和を重視する近年、燃料電池を採用した発電プラントの研究開発が進められている。燃料電池とは、燃料極の水素と空気極の酸素とが電解質を介して電気化学反応を起こすことにより、化学エネルギーから直接電気エネルギーを取出す装置である。このような燃料電池は、内部に燃焼サイクルを持たないため、公害要因となるＳＯｘ、ＮＯｘの排出が少なく、低振動、低騒音であるといった長所がある。また、燃料電池では化学反応に伴って多量の排熱や水蒸気が発生する。そこで、燃料電池発電プラントにおいては燃料電池から発生した電気を回収する系統のほかに、燃料電池が排出した熱や水を回収する系統や、回収した水をプラント系へ再供給する系統などが設けられている。このような燃料電池発電プラントによれば、給湯や冷暖房の熱源などへの有効利用やプラント系の水自立が可能となり、プラント系の効率向上を図ることができる。
【０００３】
ここで、燃料電池発電プラントの一例として、電解質にリン酸を用いたリン酸型燃料電池の発電プラントについて図７を用いて具体的に説明する。リン酸型燃料電池発電プラントには主要構成要素として、リン酸型の燃料電池本体１、気水分離器２、空気供給装置１２、改質器３および凝縮熱交換器８が設けられている。
【０００４】
［燃料電池本体１］
燃料電池本体１には電解質としてリン酸を浸透したマトリックス１ａが設置されており、このマトリックス１ａを挟むようにして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１ｃとが配設されている。また、燃料電池本体１には燃料電池本体１の温度を最適な稼動温度である１９０℃程度に保つことを目的として、冷却水が流れる冷却板１ｄが設置されている。
【０００５】
このような燃料電池本体１では、燃料極１ｂに供給される燃料ガス中の水素と、空気極１ｃに供給される空気中の酸素とがマトリックス１ａのリン酸を介して電気化学反応が起こり発電する。このとき、燃料電池本体１では発電と同時に反応熱を生じるが、冷却板１ｄの働きにより燃料電池本体１を１９０℃程度に保つことができる。
【０００６】
［気水分離器２および空気供給装置１２］
気水分離器２は冷却板１ｄから出た冷却水２ｂを溜め、水と蒸気を分離した後に、改質用水蒸気２ａを改質器３へ送り、所定温度となった冷却水２ｂをポンプなどにより冷却板１ｄへ送るようになっている。空気供給装置１２は燃料電池本体１の空気極１ｃに反応用空気５ａを供給すると共に、改質器３のバーナ３ｂ（後述）に燃焼用空気５ｂを供給するように構成されている。
【０００７】
［改質器３］
改質器３には反応部３ａとその加熱源であるバーナ３ｂとが設けられている。反応部３ａには前記改質用水蒸気２ａと、都市ガス等の炭化水素系燃料とが送られるようになっている。改質器３は、両者を混合し、水蒸気改質反応により水素を主成分とする水素リッチの改質ガス４を生成して、さらに改質ガス４を燃料極１ｂへと供給するように構成されている。
【０００８】
［凝縮熱交換器８］
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４中には幾分か水素が残っている。そのため、燃料極１ｂから出た改質ガス４は改質器３のバーナ３ｂに入って前記燃焼用空気５ｂと共に燃える。バーナ３ｂは燃焼排ガス６と排出し、この排ガスは凝縮熱交換器８へと入る。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５ａは電気化学反応により生成した水分を保有した状態で、排空気７として凝縮熱交換器８へと入る。すなわち、凝縮熱交換器８には燃焼排ガス６および排空気７といった排ガスが供給される。凝縮熱交換器８は伝熱フィンを有しており、前記排ガス６，７から保有熱を回収すると共に、水蒸気分を凝縮させてこれを回収するようになっている。
【０００９】
［水処理系統］
また、図７の発電プラントには凝縮熱交換器８が回収した凝縮水を精製処理する水処理系統が設けられている。水処理系統は、二酸化炭素を脱気する脱炭酸塔９、凝縮水を溜める水タンク１０およびイオン交換樹脂などを含む水処理設備１１が順次接続されて構成されており、凝縮熱交換器８が回収した凝縮水を取り込むようになっている。また、水処理設備１１にて精製された水は、再びプラント系内へ戻り、改質用水蒸気２ａや電池冷却水２ｂとなってプラント内を循環するようになっている。以上のような水処理系統を備えた発電プラントによれば、水処理を行った後にプラントへ再供給でき、水自立機能を持つことができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、リン酸型燃料電池発電プラントの燃料電池本体１は通常、１９０℃程度で運転しているので、電池本体１の電解質であるリン酸はマトリックス１ａから酸化リンの形態で一部蒸発する。そのため、燃焼排ガス６および排空気７は微量の酸化リンを含有している。凝縮熱交換器８が酸化リンを含む燃焼排ガス６および排空気７を冷却するとき、一般的なガス条件では１５０℃程度で酸化リンの凝縮が始まる（但し、ガス中の酸化リンの濃度、水蒸気分圧等の条件により、温度は異なる）。なお、水蒸気の露点は６５℃程度である。
【００１１】
凝縮した酸化リンは燃焼排ガス６および排空気７中の水蒸気を取り込んで水和し、一部は熱交換器８の金属部で腐食を起こしてリン酸生成物となり、その他はリン酸イオンとして凝縮水に溶け込んでリン酸生成物と共に水タンク１０へと流れていく。このようなリン酸生成物を含む凝縮水は、プラント起動時には特にリン酸含有率が高いことが知られている。これは、プラントの起動時に水蒸気の凝縮が凝縮熱交換器８を通過する排ガスの流れ方向に対して上流側にて生じるが、そのために凝縮熱交換器８上流側の伝熱フィンに凝縮付着していたリン酸生成物が凝縮水により洗い流されて多量に流出するからである。
【００１２】
そこで従来では、リン酸生成物を多量に含む凝縮水（以下、ここではリン酸凝縮水と称する）を処理するための対策として、過渡的に流れるリン酸凝縮水のリン酸含有率に対応できるよう、水処理設備１１の水処理能力を大きくしていた。また水処理設備１１にはイオン交換樹脂の他に、リン酸生成物を処理するためのフィルタ及びその逆洗装置等が不可欠となっていた。この結果、水処理設備１１は複雑化し、プラント全体のコンパクト化を損なっていた。以上のように従来技術においては、多量のリン酸生成物を含むリン酸凝縮水が過渡的に水処理設備に流れ込むことがあるため、水処理設備への負荷が大きくなって設備が複雑化し、プラント全体の大型化を招いていた。
【００１３】
本発明は、このような従来の事情を鑑みて提案されたものであり、リン酸型燃料電池発電プラントにおいて、水処理設備の小型簡略化を図り、プラント全体のコンパクト化に寄与することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、電解質としてリン酸を用いたマトリックスを燃料極および空気極にて挟んだ燃料電池本体と、炭化水素系燃料を改質して前記燃料極に改質ガスを供給する改質器と、前記空気極に反応用空気を供給する空気供給装置と、前記燃料極から排出される燃焼排ガスと前記空気極から排出される排空気とを取り入れてこれらの排ガスから保有熱および凝縮水を回収する凝縮熱交換器と、前記凝縮熱交換器が回収した凝縮水を溜める水タンクと、水タンクに溜められた水の精製処理を行う水処理設備とを備えたリン酸型燃料電池発電プラントにおいて、前記凝縮熱交換器には前記凝縮水を流す配管が設けられ、前記配管には開閉自在な弁が設置され、前記弁は前記配管を流れる前記凝縮水が多量のリン酸生成物を含んだリン酸凝縮水であるとき開放されるように構成され、さらに前記配管の端部には前記リン酸凝縮水を回収するためのリン酸凝縮水回収タンクが接続されたことを特徴とする。
【００１５】
このような請求項１の発明においては、配管をリン酸凝縮水が流れるとき、弁が開き、リン酸凝縮水回収タンクがリン酸凝縮水を回収する。リン酸凝縮水回収タンクではリン酸生成物と凝縮水とを静置することで分離し、凝縮水は系内に戻し、リン酸生成物はプラント系外に排出することが可能となる。したがって、水処理設備に対して多量のリン酸生成物を含むリン酸凝縮水が流れ込むことがなく、水処理設備の負荷を低減することができる。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１記載のリン酸型燃料電池発電プラントにおいて、前記水タンクが二層に分割され、そのうちの一層が前記リン酸凝縮水回収タンクとして構成されたことを特徴とする。
【００１７】
このような請求項２の発明においては、前記請求項１の発明と同様な作用に加えて、従来の水タンクにリン酸凝縮水回収タンクを一体的に設けることができるので、構成の簡略化を進めることができる。
【００１８】
請求項３の発明は、電解質としてリン酸を用いたマトリックスを燃料極および空気極にて挟んだ燃料電池本体と、炭化水素系燃料を改質して前記燃料極に改質ガスを供給する改質器と、前記空気極に反応用空気を供給する空気供給装置と、前記燃料極から排出される燃焼排ガスと前記空気極から排出される排空気とを取り入れてこれらの排ガスから保有熱および凝縮水を回収する凝縮熱交換器と、前記凝縮熱交換器が回収した凝縮水を溜める水タンクと、水タンクに溜められた水の精製処理を行う水処理設備とを備えたリン酸型燃料電池発電プラントにおいて、前記リン酸凝縮水回収タンクは、前記凝縮水熱交換器あるいは脱炭酸塔と別体に設けられ、前記水タンクには、前記凝縮水が水頭差により流入するように構成され、さらに、前記凝縮熱交換器と前記水処理設備との間にはリン酸生成物を取り除くフィルタを内蔵した分離槽が設けられたことを特徴とする。
【００１９】
このような請求項の３発明においては、分離槽内のフィルタが、凝縮水中のリン酸生成物を取り除くことができる。そのため、水処理設備にリン酸生成物が流れ込むことがなく、水処理設備の負荷を低減することができる。
【００２０】
請求項４の発明は、電解質としてリン酸を用いたマトリックスを燃料極および空気極にて挟んだ燃料電池本体と、炭化水素系燃料を改質して前記燃料極に改質ガスを供給する改質器と、前記空気極に反応用空気を供給する空気供給装置と、前記燃料極から排出される燃焼排ガスと前記空気極から排出される排空気とを取り入れてこれらの排ガスから保有熱および凝縮水を回収する凝縮熱交換器と、前記凝縮熱交換器が回収した凝縮水を溜める水タンクと、水タンクに溜められた水の精製処理を行う水処理設備とを備えたリン酸型燃料電池発電プラントにおいて、前記凝縮熱交換器と前記水処理設備との間にはリン酸生成物を取り除くフィルタを内蔵した分離槽が設けられ、前記フィルタは内面にフィンが設けられると共に、回転軸を中心に回転自在に構成され、前記フィルタの回転軸には、前記フィルタを回転させるための駆動源が接続されたことを特徴とする。
【００２１】
このような請求項４の発明においては、請求項３の発明と同様な作用に加えて、フィルタを回転させてリン酸生成物の水分をとばすことで、フィルタの目づまりを防止し、目の細かい高性能なフィルタを使用することができる。そのため、水処理設備に対するリン酸生成物への流入を確実に防ぐことができ、水処理設備の負荷をいっそう軽くすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお図面中、従来例である図７と同一部分については同一符号を付し、その説明は省略する。
【００２３】
（１）第１の実施の形態
［構成］
図１および図２を参照して、第１の実施の形態について説明する。図１は第１の実施の形態の構成図である。図２は第１実施形態の要部構成図である。
【００２４】
図１および図２に示すように、凝縮熱交換器８において、脱炭酸塔９へ凝縮水を流す配管とは別に、この配管よりも凝縮熱交換器８を通過する排ガスの流れ方向に対する上流側（図２に示した凝縮熱交換器８の管束部８ａのすぐ下流側）に、弁２０を有する配管が設けられている。弁２０は開閉自在であり、プラント起動時にのみ開放されるように構成されている。さらに弁２０を有する配管端部には、リン酸凝縮水を回収するためのタンクとして、水タンク１０とは別に、リン酸凝縮水回収タンク２１が接続されている。
【００２５】
［作用効果］
このような第１の実施の形態においては、凝縮熱交換器８からリン酸凝縮水が流れるプラント起動時にのみ弁２０が開き、凝縮水回収タンク２１がリン酸凝縮水を一時的に回収する。リン酸凝縮水回収タンク２１ではリン酸生成物と凝縮水とを静置することで分離することができる。そして、上澄みの凝縮水のみをポンプなどで水タンク１０へ送り、再びプラント系内へ戻すことが可能である。一方、静置分離した後のリン酸生成物はプラント系外に排出することができる。なお、起動後所定の時間が経過すると、弁２０は閉じ、凝縮熱交換器８からの凝縮水は通常の水処理系統（脱炭酸塔９から水タンク１０）へと流れる。なお、弁２０の開閉は自動でも手動でも可能である。
【００２６】
以上のような第１の実施の形態によれば、起動時に過渡的に流出するリン酸凝縮水を水タンク１０とは別のタンク２１へ一時的に回収することがてきるため、水処理設備１１へのリン酸凝縮水の流入を防止できる。その結果、水処理設備１１にかかる負荷を低減することができ、大きなリン酸処理能力は不要となる。これにより、水処理設備の小型化を実現でき、プラント全体のコンパクト化に寄与することができる。
【００２７】
（２）第２の実施の形態
［構成］
図３を用いて、第２の実施の形態について説明する。図３は第２の実施の形態の要部構成図である。第２の実施の形態では、二層式水タンク２２を備えたことを構成上の特徴としている。二層式水タンク２２は、従来の水タンク１０に第１の実施例のリン酸凝縮水回収タンク２１を一体的に設けたものである。すなわち、水タンク２２はリン酸凝縮水回収部２２ａと、水処理設備１１へとつながる水回収部２２ｂとに分割されている。
【００２８】
［作用効果］
以上のような第２の実施の形態においては、前記第１の実施の形態の持つ作用効果に加えて、従来の水タンク１０とリン酸凝縮水回収タンク２１との役割を二層式水タンク２２だけで果たすことができるため、プラントのさらなるコンパクト化に寄与することができる。
【００２９】
（３）第３の実施の形態
［構成］
図４および図５を用いて、第３の実施の形態について具体的に説明する。図４は第３実施形態の要部構成図、図５は第３実施形態の分離槽の側面断面図である。
【００３０】
図４に示すように、凝縮熱交換器８と脱炭酸塔９との間には分離槽２３が設けられている。この分離槽２３にはリン酸生成物２４を取り除くフィルタ２３ａが内蔵されており、凝縮水を分離槽２３から取り出すための排出口２３ｄが形成されている（図５参照）。なお、フィルタ２３ａはリン酸生成物２４の平均粒子径である数十ミクロン程度の目の粗さとし、交換可能となっている。
【００３１】
［作用効果］
このような第３の実施の形態において、凝縮熱交換器８を出た凝縮水は分離槽２３に入る。そして分離槽２３内のフィルタ２３ａが凝縮水中に含まれるリン酸生成物２４を取り除く。リン酸生成物２４を除去した凝縮水は分離槽２３の排出口２３ｄから脱炭酸塔９へと流れていく。
【００３２】
以上のような第３の実施の形態によれば、フィルタ２３ａが凝縮水を濾過するため、水処理設備１１にはリン酸生成物２４が流れ込むことがない。したがって、水処理設備１１の負荷低減を図ることができ、プラントのコンパクト化に寄与することができる。
【００３３】
（４）第４の実施の形態
［構成］
分離槽の側面断面図である図６を用いて、第４の実施の形態について具体的に説明する。図６に示すように、フィルタ２３ａは内面にフィン２３ｂが設けられると共に、回転軸２３ｃを中心に回転自在に構成されている。そして、フィルタ２３ａの回転軸２３ｃには、フィルタ２３ａを回転させるための駆動源としてモータ２５が接続されている。
【００３４】
［作用効果］
このような第４の実施の形態においては、モータ２５の働きによりフィルタ２３ａを回転させ、フィルタ２３ａに付いた水分を飛ばすことがてきるので、前記第３実施例におけるフィルタ２３ａに比べて、リン酸生成物による目詰まりが起こしにくくなる。そのため、リン酸生成物２４の最小粒子径に近い数ミクロンから数十ミクロンといった目の細かい高性能フィルタを使用できる。したがって、フィルタ２３ａは最小粒子径のリン酸生成物２４を取り除くことができ、水処理設備１１の負荷をいっそう軽減させることができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明のリン酸型燃料電池発電プラントによれば、多量のリン酸生成物を含むリン酸凝縮水だけを回収するタンクを備えるといった極めて簡単な構成により、リン酸凝縮水をプラントの系外へ排出して水処理設備への負荷低減を図ることができるので、水処理設備の小型簡略化が可能となり、プラント全体のコンパクト化に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態のリン酸型燃料電池発電プラントの構成図。
【図２】本発明の第１実施形態の要部構成図。
【図３】本発明の第２実施形態の要部構成図。
【図４】本発明の第３実施形態の要部構成図。
【図５】本発明の第３実施形態の分離槽の側面断面図。
【図６】本発明の第４実施の形態の分離槽を示すもので、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図。
【図７】従来のリン酸型燃料電池発電プラントの構成図。
【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…気水分離器
２ａ…改質用水蒸気
２ｂ…電池冷却水
３…改質器
３ａ…反応部
３ｂ…バーナ
４…改質ガス
５ａ…反応用空気
５ｂ…燃焼用空気
６…燃焼排ガス
７…排空気
８…凝縮熱交換器
８ａ…管束部
９…脱炭酸塔
１０…水タンク
１１…水処理設備
１２…空気供給装置
２０…弁
２１…リン酸凝縮水回収タンク
２２…二層式水タンク
２２ａ…リン酸凝縮水回収部
２２ｂ…水回収部
２３…分離槽
２３ａ…フィルタ
２３ｂ…フィン
２３ｃ…回転軸
２３ｄ…凝縮水排出口
２４…リン酸生成物
２５…モータ
【図１】
0003675599.tif 000002
【図２】
0003675599.tif 000003
【図３】
0003675599.tif 000004
【図４】
0003675599.tif 000005
【図５】
0003675599.tif 000006
【図６】
0003675599.tif 000007
【図７】
0003675599.tif 000008