(57)【要約】【課題】不純物を除去するための電力や水を用いることなく、凝縮水を循環させて発電を行うことができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池２と、アノードガスを加湿する加湿器７と、アノードガス供給ラインＬ２及びカソードガス供給ラインＬ１と、アノードオフガス排気ラインＬ４及びカソードオフガス排気ラインＬ３と、燃料電池２から排気されたアノードオフガスから主に金属イオンを除去する吸着剤を有する吸着部１０と、吸着部１０から排出されたアノードオフガスを冷却して、酸素を含まない凝縮水Ｗ１を生成すると共に、未反応アノードオフガスを排出する凝縮器１１と、凝縮器１１から排出された未反応アノードオフガス及び燃料電池２から排気されたカソードオフガスを燃焼させる燃焼器９と、凝縮器１１で生成された酸素を含まない凝縮水Ｗ１を加湿器７に循環させる凝縮水循環ラインＬ６と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに供給されたアノードガス及びカソードに供給されたカソードガスを反応させて発電し、アノードオフガス及びカソードオフガスを排気する燃料電池と、
前記燃料電池に供給されるアノードガスを加湿する加湿器と、
前記加湿器から前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給ライン及び前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給ラインと、
前記燃料電池からアノードオフガスを排気するアノードオフガス排気ライン及び前記燃料電池からカソードオフガスを排気するカソードオフガス排気ラインと、
前記アノードオフガス排気ラインに設けられ、前記燃料電池から排気されたアノードオフガスから主に金属イオンを除去する吸着剤を有する吸着部と、
前記アノードオフガス排気ラインに設けられ、前記吸着部から排出されたアノードオフガスを冷却して、酸素を含まない凝縮水を生成すると共に、未反応アノードオフガスを排出する凝縮器と、
前記アノードオフガス排気ライン及び前記カソードオフガス排気ラインの末端に接続され、前記凝縮器から排出された未反応アノードオフガス及び前記燃料電池から排気されたカソードオフガスを燃焼させる燃焼器と、
前記凝縮器で生成された酸素を含まない凝縮水を前記加湿器に循環させる凝縮水循環ラインと、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記吸着部における前記吸着剤は、ゼオライト系の吸着剤である、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記吸着部における前記吸着剤は、酸化亜鉛系の吸着剤である、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のアノードオフガスから回収した凝縮水を加湿水として加湿器に循環させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料電池のアノードに供給されたアノードガスと、カソードに供給されたカソードガスとが化学反応することにより発電する。燃料電池において、化学反応による発電に寄与しなかったアノードガス及びカソードガスは、それぞれアノードオフガス及びカソードオフガスとして排気される。
【０００３】
従来、燃料電池から排気されたオフガスを凝縮器により凝縮し、その凝縮水を浄水装置（イオン交換器）を経て水タンクに循環させる燃料電池システムが知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１４９５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池から排気されたオフガスには、アノードガス成分及びカソードガス成分の一部が残存している。そのため、発電に係る燃料コストの削減及び安全性を確保するため、オフガスを燃焼器で燃焼させると共に、燃焼により生じた熱を、例えば、アノードガス及びカソードガスの加熱用に再利用している。また、燃焼器から排気された排ガスを凝縮器で凝縮し、得られた凝縮水を加湿水として加湿器に循環させている。
【０００６】
ところで、アノードガスとして炭化水素ガスを用いた場合、燃焼器から排出されるアノードオフガスには、配管から溶出した金属、大気に由来する硫黄等の不純物が含まれる。これらの不純物は、燃焼器の後段に設けられた凝縮器から排出される凝縮水にも含まれるため、加湿器に循環させる前に取り除く必要がある。従来、凝縮水に含まれる不純物を取り除くために、軟水器（イオン交換器）及び脱酸素装置が用いられている。しかし、軟水器及び脱酸素装置を作動させるには、電力や水が必要となるため、電源や水源等から離れた場所にある、孤立した環境下での使用に適さないという課題があった。
【０００７】
本発明は、不純物を除去するための電力や水を用いることなく、凝縮水を循環させて発電を行うことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、アノードに供給されたアノードガス及びカソードに供給されたカソードガスを反応させて発電し、アノードオフガス及びカソードオフガスを排気する燃料電池と、前記燃料電池に供給されるアノードガスを加湿する加湿器と、前記加湿器から前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給ライン及び前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給ラインと、前記燃料電池からアノードオフガスを排気するアノードオフガス排気ライン及び前記燃料電池からカソードオフガスを排気するカソードオフガス排気ラインと、前記アノードオフガス排気ラインに設けられ、前記燃料電池から排気されたアノードオフガスから主に金属イオンを除去する吸着剤を有する吸着部と、前記アノードオフガス排気ラインに設けられ、前記吸着部から排出されたアノードオフガスを冷却して、酸素を含まない凝縮水を生成すると共に、未反応アノードオフガスを排出する凝縮器と、前記アノードオフガス排気ライン及び前記カソードオフガス排気ラインの末端に接続され、前記凝縮器から排出された未反応アノードオフガス及び前記燃料電池から排気されたカソードオフガスを燃焼させる燃焼器と、前記凝縮器で生成された酸素を含まない凝縮水を前記加湿器に循環させる凝縮水循環ラインと、を備える燃料電池システムに関する。
【０００９】
また、前記吸着部における前記吸着剤は、ゼオライト系の吸着剤であることが好ましい。
【００１０】
また、前記吸着部における前記吸着剤は、酸化亜鉛系の吸着剤であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、孤立した環境下においても、凝縮水を循環させて発電を行うことができる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係る燃料電池システム１の全体構成図である。
【図２】凝縮器１１の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る燃料電池システムの実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の全体構成図である。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池２と、空気供給部３と、第１熱交換器４と、燃料供給部５と、第２熱交換器６と、加湿器７と、改質器８と、燃焼器９と、吸着部１０と、凝縮器１１と、を備える。
【００１５】
また、燃料電池システム１は、カソードガス供給ラインＬ１と、アノードガス供給ラインＬ２と、カソードオフガス排気ラインＬ３と、アノードオフガス排気ラインＬ４と、排ガス排気ラインＬ５と、凝縮水循環ラインＬ６と、を備える。
【００１６】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池２のアノードオフガスから回収した凝縮水を、加湿水として加湿器７に循環させる加湿水循環型の燃料電池システムである。
【００１７】
燃料電池２は、アノード側に供給されたアノードガス及びカソード側に供給されたカソードガスを反応させて発電する。発電により得られた直流電力は、例えば、ＤＣ／ＡＣコンバータ等（不図示）を介して交流電力に変換される。また、発電により生じたアノードオフガス及びカソードオフガスは、燃焼器９（後述）に送出される。
【００１８】
なお、燃料電池２としては、高温型の燃料電池であるＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）や、低温型の燃料電池であるＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）を用いることができる。本実施形態では、燃料電池２として、高温型の燃料電池であるＳＯＦＣを用いた例について説明する。
【００１９】
カソードガス供給ラインＬ１は、カソードガスの供給源から送出されたカソードガスが流通するラインである。カソードガス供給ラインＬ１の上流側の端部は、空気供給部３に接続されている。空気供給部３は、カソードガスの供給源である。空気供給部３としては、例えば、ブロワやエアコンプレッサ等が挙げられる。本実施形態において、空気供給部３は、カソードガスとして空気を供給するブロワである。一方、カソードガス供給ラインＬ１の下流側の端部は、燃料電池２のカソード側に接続されている。
【００２０】
カソードガス供給ラインＬ１には、第１熱交換器４が設けられている。第１熱交換器４は、燃焼器９から排気された排ガスの熱により、空気供給部３から供給されたカソードガスを加熱する。第１熱交換器４には、排ガス排気ラインＬ５が接続されている。空気供給部３から供給されたカソードガスは、第１熱交換器４において、排ガス排気ラインＬ５を流通する排ガスとの熱交換により加熱される。カソードガスの加熱により、燃料電池２において、アノードガスとの化学反応が促進される。なお、燃料電池２として、低温型の燃料電池であるＰＥＦＣを用いた場合には、カソードガス供給ラインＬ１において、第１熱交換器４と燃料電池２との間に、加湿器（不図示）が設けられる。
【００２１】
アノードガス供給ラインＬ２は、アノードガスの供給源から送出されたアノードガスが流通するラインである。アノードガス供給ラインＬ２の上流側の端部は、燃料供給部５に接続されている。燃料供給部５は、アノードガスの供給源であり、例えば、ガスタンクや都市ガス等のガスライン等が挙げられる。アノードガスとしては、例えば、分子中に炭素と水素とを含む化合物の気体及びそれら化合物からなる混合物の気体が挙げられる。より具体的には、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ＬＮＧ（液化天然ガス）、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等の炭化水素、メタノール、エタノール等のアルコール、ジメチルエーテル等のエーテルが挙げられる。本実施形態において、燃料供給部５は、炭化水素ガスが充填されたアノードガスボンベである。一方、アノードガス供給ラインＬ２の下流側の端部は、燃料電池２のアノード側に接続されている。
【００２２】
アノードガス供給ラインＬ２には、アノードガスの流通方向に沿って、第２熱交換器６、加湿器７、及び改質器８が設けられている。
【００２３】
第２熱交換器６は、燃焼器９から排気された排ガスの熱により、燃料供給部５から供給されたアノードガスを加熱する。第２熱交換器６には、排ガス排気ラインＬ５が接続されている。燃料供給部５から供給されたアノードガスは、第２熱交換器６において、排ガス排気ラインＬ５を流通する排ガスとの熱交換により加熱される。アノードガスの加熱により、燃料電池２において、カソードガスとの化学反応が促進される。
【００２４】
加湿器７は、燃料供給部５から第２熱交換器６を経て供給されたアノードガスを加湿する。加湿器７において使用される加湿水の一部は、凝縮器１１（後述）から凝縮水循環ラインＬ６を介して供給される凝縮水Ｗ１である。また、加湿器７には、排ガス排気ラインＬ５が接続されている。凝縮器１１（後述）から加湿器７に導入された凝縮水Ｗ１は、加湿器７において、排ガス排気ラインＬ５を流通する排ガスと熱交換することにより加熱され、蒸気となる。
【００２５】
改質器８は、アノードガスと水蒸気とを改質反応させて、水素リッチなアノードガスを生成する。改質器８から排出されたアノードガスは、燃料電池２のアノード側に供給される。
【００２６】
カソードオフガス排気ラインＬ３は、燃料電池２からカソードオフガスを排気するラインである。カソードオフガス排気ラインＬ３の上流側の端部は、燃料電池２のカソードオフガス排気口に接続されている。カソードオフガス排気ラインＬ３の下流側の端部は、燃焼器９のカソードオフガス導入口に接続されている。
【００２７】
アノードオフガス排気ラインＬ４は、燃料電池２からアノードオフガスを排気するラインである。アノードオフガス排気ラインＬ４の上流側の端部は、燃料電池２のアノードオフガス排気口に接続されている。アノードオフガス排気ラインＬ４の下流側の端部は、燃焼器９のアノードオフガス導入口に接続されている。アノードオフガス排気ラインＬ４には、アノードオフガスの流通方向に沿って、吸着部１０、凝縮器１１が接続されている。吸着部１０及び凝縮器１１については後述する。
【００２８】
燃焼器９は、カソードオフガス排気ラインＬ３及びアノードオフガス排気ラインＬ４の末端に接続され、凝縮器１１（後述）から排出された未反応アノードオフガス及び燃料電池２から排気されたカソードオフガスを燃焼させる。
【００２９】
燃焼器９には、排ガス排気ラインＬ５が接続されている。排ガス排気ラインＬ５は、燃焼器９から、燃焼により生じた排ガスを排気するラインである。排ガス排気ラインＬ５は、第１熱交換器４、第２熱交換器６、及び加湿器７と接続されている。排ガス排気ラインＬ５を流通する排ガスは、第１熱交換器４、第２熱交換器６、及び加湿器７において、それぞれ被加熱媒体と熱交換した後、外部に排気される。
【００３０】
次に、アノードオフガス排気ラインＬ４に接続された吸着部１０、凝縮器１１について説明する。
【００３１】
吸着部１０は、燃料電池２から排気されたアノードオフガスから、金属イオン及び硫黄を除去する。吸着部１０は、金属イオン及び硫黄を除去する吸着剤を有する。吸着剤として、例えば、ゼオライト系の吸着剤、酸化亜鉛系の吸着剤が用いられる。吸着剤としてゼオライト系の吸着剤を用いた場合、アノードオフガスに含まれる金属イオン及び硫黄は、吸着剤により物理的に除去される。なお、吸着剤としてゼオライト系の吸着剤を用いる場合には、耐熱性を有するゼオライト系の吸着剤であることが好ましい。また、酸化亜鉛系の吸着剤を用いた場合、アノードガスに含まれる金属イオン及び硫黄は、吸着剤との化学反応により除去される。
【００３２】
凝縮器１１は、吸着部１０から排出されたアノードオフガスを冷却して、酸素を含まない凝縮水Ｗ１を生成すると共に、未反応アノードオフガスを排出する。ここで、凝縮器１１の構成を、図２を参照しながら説明する。図２は、凝縮器１１の概略構成図である。
【００３３】
図２に示すように、凝縮器１１は、本体容器１１０を有する。本体容器１１０は、内部に水Ｗ２が収容された容器である。本体容器１１０において、収容された水Ｗ２の領域が液相部であり、その上部に存在する空気の領域が気相部である。なお、水Ｗ２は、予め本体容器１１０の内部に収容された、酸素を含まない水である。
【００３４】
本体容器１１０には、アノードオフガス排気ラインＬ４が接続されている。本体容器１１０内において、アノードオフガス排気ラインＬ４の一方の端部（アノードオフガスの導入側）は、本体容器１１０の液相部に開口している。また、本体容器１１０内において、アノードオフガス排気ラインＬ４の他方の端部（アノードオフガスの排出側）は、本体容器１１０の気相部に開口している。
【００３５】
アノードオフガス排気ラインＬ４の一方の端部から凝縮器１１に導入されたアノードオフガスは、本体容器１１０に収容された水Ｗ２に放出される。これにより、アノードオフガスに含まれるオフガス成分が、本体容器１１０の気相部から取り出される。このオフガス成分は、未反応アノードオフガスとして、アノードオフガス排気ラインＬ４の他方の端部から排出される。未反応アノードオフガスは、アノードオフガス排気ラインＬ４を介して燃焼器９（図１参照）に送出される。また、凝縮器１１に導入されたアノードオフガスが、本体容器１１０に収容された水Ｗ２に放出されることにより、アノードオフガスに含まれる水蒸気は、本体容器１１０に収容された水Ｗ２に冷却されて、酸素を含まない凝縮水Ｗ１が生成される。
【００３６】
凝縮水循環ラインＬ６は、凝縮器１１で生成された酸素を含まない凝縮水Ｗ１を、加湿器７に循環させるラインである。凝縮水循環ラインＬ６の上流側の端部は、凝縮器１１の凝縮水排出口に接続されている。凝縮水循環ラインＬ６の下流側の端部は、加湿器７の凝縮水導入口に接続されている（図１参照）。
【００３７】
凝縮水循環ラインＬ６の上流側の端部は、本体容器１１０の液相部であって、本体容器１１０の底部から所定の高さの位置に設けられた凝縮水排出口に接続されている。凝縮水Ｗ１の生成により、本体容器１１０内の水位が凝縮水循環ラインＬ６の接続位置よりも高くなると、オーバーフローした凝縮水Ｗ１が凝縮水循環ラインＬ６に排出される。凝縮器１１において生成された酸素を含まない凝縮水Ｗ１は、凝縮水循環ラインＬ６を介して加湿器７へ送出される。
【００３８】
なお、本体容器１１０には、熱交換器１１１が設けられている。この熱交換器１１１は、本体容器１１０に収容された水Ｗ２と、外部から導入した冷媒（空気、水等）Ｒ１とを熱交換させる機能を有する。本体容器１１０に収容された水Ｗ２との熱交換により加熱された冷媒Ｒ１は、冷媒ラインＬ７を介して、需要箇所に送出される。凝縮器１１の本体容器１１０内に熱交換器１１１を設けることにより、アノードオフガスの潜熱を効率良く回収することができる。
【００３９】
上記のように構成された燃料電池システム１において、燃料電池２から排出されたアノードオフガスに含まれる金属イオン及び硫黄は、吸着部１０により除去される。金属イオン及び硫黄が除去されたアノードオフガスは、更に凝縮器１１の内部に収容された水Ｗ２に放出されることで冷却される。これにより、アノードオフガスから酸素を含まない凝縮水Ｗ１が生成される。この凝縮水Ｗ１は、凝縮水循環ラインＬ６を介して加湿器７へ送出され、加湿水として使用される。また、凝縮器１１において抽出されたオフガス成分は、未反応アノードオフガスとしてアノードオフガス排気ラインＬ４に排出され、燃焼器９に送出される。
【００４０】
上述した実施形態に係る燃料電池システム１によれば、例えば、以下のような効果が得られる。
【００４１】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池２から排出されたアノードオフガスに含まれる金属イオン及び硫黄を除去する吸着部１０と、金属イオン及び硫黄が除去されたアノードオフガスを冷却して、酸素を含まない凝縮水Ｗ１を生成する凝縮器１１と、を備える。吸着部１０及び凝縮器１１は、電力や水の供給がなくても作動するため、孤立した環境下において、凝縮水Ｗ１を加湿水として加湿器７に循環させることができる。従って、燃料電池システム１は、不純物を除去するための電力や水を用いることなく、凝縮水Ｗ１を循環させて発電を行うことができる。
【００４２】
また、燃料電池システム１によれば、軟水器や脱酸素装置を用いる場合に比べて、加湿水循環型の燃料電池システムを低コストで実現することができる。
【００４３】
また、燃料電池システム１は、加湿器７に、酸素を含まない凝縮水Ｗ１を循環させることができる。そのため、改質器８において、アノードガスが燃焼してしまうのを抑制することができる。
【００４４】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明した。しかし、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。
【００４５】
本実施形態では、吸着部１０に用いられる吸着剤として、ゼオライト系の吸着剤や、酸化亜鉛系の吸着剤を例に挙げて説明した。この例に限らず、金属イオンを除去可能な特性を有する他の吸着剤を用いてもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
３  空気供給部
５  燃料供給部
７  加湿器
８  改質器
９  燃焼器
１０  吸着部
１１  凝縮器
Ｌ１  カソードガス供給ライン
Ｌ２  アノードガス供給ライン
Ｌ３  カソードオフガス排気ライン
Ｌ４  アノードオフガス排気ライン
Ｌ５  排ガス排気ライン
Ｌ６  凝縮水循環ライン
Ｗ１  凝縮水
【図１】
2014032913.tif 000003
【図２】
2014032913.tif 000004