(57)【要約】 【課題】  燃料電池発電装置の補機損失を抑制し、システムの効率を向上できる燃料電池発電装置の水回収装置を提供する。【解決手段】  燃料電池２０より排出される排ガス中の水蒸気を凝縮手段３１ａ、３３により液化し、この液体水を燃料電池２０に供給する燃料電池発電装置の水回収装置３０において、凝縮手段３１ａ、３３の下流部に液体水Ｗを回収するための水タンク３４を配設し、この水タンク３４の水圧を利用して液体水Ｗを燃料電池２０に供給する。【選択図】  図１
2006236598.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池より排出される排ガス中の水蒸気を凝縮手段により液化し、この液体水を前記燃料電池に供給する燃料電池発電装置の水回収装置において、
前記凝縮手段の下流部に前記液体水を回収するための水タンクを配設し、当該水タンクの水圧により前記液体水を前記燃料電池に供給することを特徴とする燃料電池発電装置の水回収装置。
【請求項２】
前記水タンクを、その水圧により液体水を前記燃料電池に供給し得る前記燃料電池の横部、または上部に配設したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置の水回収装置。  
【請求項３】
前記水タンクは、オーバーフロー用の排水機構を備えることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池発電装置の水回収装置。
【請求項４】
前記排水機構の位置を水位方向に可変とし、オーバーフロー水位を調整可能としたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電装置の水回収装置。
【請求項５】
前記水タンクの下流部にイオン交換樹脂を設けたことを特徴とする請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池発電装置の水回収装置。
【請求項６】
前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする請求項１から請求項５までの何れかに記載の燃料電池発電装置の水回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池から排出される排ガス中より水蒸気を回収して燃料電池にリサイクルする水回収装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は、高効率でクリーンな発電装置として注目されている。特に、固体酸化物形燃料電池は発電効率が高く、且つ、排熱を有効に利用できるなどの多くの利点を有することから、第三世代の発電用燃料電池として研究開発が進めらている。
【０００３】
上記固体酸化物形燃料電池は、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）で挟み込んだ積層構造を有し、この積層体から成る発電セルとセパレータを交互に複数積層してスタック化すると共に、ハウジング内に収納することによりモジュール化したものである。
【０００４】
発電時には、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス (Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4等) が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。
【０００５】
発電セル内において、空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で燃料ガスと反応し、反応生成物としてＨ2Ｏ（水蒸気）、ＣＯ2等を生じ、燃料極層に電子を放出する。電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。
【０００６】
ところで、このような燃料電池では、酸化剤ガスとして空気を用い、都市ガス等の炭化水素燃料ガス（原燃料）を改質して得た水素リッチなガスを燃料ガスとして用いるのが一般的である。このため、燃料電池モジュール内部に燃料改質器を組み込み（内部改質）、この燃料改質器において原燃料ガスの改質を行い燃料ガスを生成することが行われている。
【０００７】
燃料改質器における原燃料の改質は、例えば、原燃料としてメタンに水蒸気を加え、水とメタンとの反応を触媒で促進して行う。従って、燃料改質器には原燃料の改質反応に使用した水蒸気量に対応して水を補給する必要がある。従来、補給用の水は、主にイオン交換式水処理装置等で不純物を除去した水道水（イオン交換水）が用いられていたが、近年ではコージェネレーション化のため、燃料電池の排ガス中の発電生成水を用いることも提案されている（特許文献１参照）。特許文献１には、燃料電池より排出される排ガス中の水蒸気を凝縮水として液化し、燃料電池の燃料改質器に供給する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平０７−２６３００６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１を含む従来技術では、燃料電池への水供給にポンプを使用することから、ポンプの電力消費による補機損失が大きく、燃料電池システム全体の効率が低下するという問題を有していた。
【０００９】
本発明は、上記問題に鑑みなされたもので、発電装置の補機損失を抑制し、システムの効率を向上できる燃料電池発電装置の水回収装置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】
【００１０】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、燃料電池より排出される排ガス中の水蒸気を凝縮手段により液化し、この液体水を前記燃料電池に供給する燃料電池発電装置の水回収装置において、前記凝縮手段の下流部に前記液体水を回収するための水タンクを配設し、当該水タンクの水圧により前記液体水を前記燃料電池に供給することを特徴としている。
【００１１】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池発電装置の水回収装置において、前記水タンクを、その水圧により液体水を前記燃料電池に供給し得る前記燃料電池の横部、または上部に配設したことを特徴としている。
【００１２】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池発電装置の水回収装置において、前記水タンクは、オーバーフロー用の排水機構を備えることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項４に記載の本発明は、請求項３に記載の燃料電池発電装置の水回収装置において、前記排水機構の位置を水位方向に可変とし、オーバーフロー水位を調整可能としたことを特徴としている。
【００１４】
また、請求項５に記載の本発明は、請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池発電装置の水回収装置において、前記水タンクの下流部にイオン交換樹脂を設けたことを特徴としている。
【００１５】
また、請求項６に記載の本発明は、請求項１から請求項５までの何れかに記載の燃料電池発電装置の水回収装置において、前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料電池より排出される排ガス中の水蒸気を液化して水タンクに回収し、その水圧を利用して燃料電池に液体水を供給するようにしたので、従来用いた給水ポンプが不要となり、これにより、当ポンプによる電力消費を無くし、燃料電池発電装置の効率を向上できる。
【００１７】
また、水タンクにオーバーフロー用の排水機構を備え、その位置を可変としてオーバーフロー水位を調整可能としたので、オーバーフロー水位により供給水圧を変化し、燃料電池出力に応じた給水量（例えば、燃料改質のための水蒸気量）を得ることが可能となり、これにより、常に効率の良い発電を行うことができるようになる。
【００１８】
また、水タンクの下流部にイオン交換樹脂を設けたので、このイオン交換樹脂の脱塩作用により水タンクより燃料電池に供給される液体水中から不純物が除去されて改質反応が良好に行われることにより、効率の良い発電を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明が適用された燃料電池発電装置の概略構成を示し、図２は燃料電池スタックの構成を示している。
【００２０】
本実施形態の燃料電池発電装置は、図１に示すように、燃料ガスと酸化剤ガス（空気）を導入して直流出力電力を発生する固体酸化物形燃料電池１（燃料電池スタック１）、炭化水素系ガス（例えば、都市ガス）を改質して燃料電池スタック１に供給する燃料改質器１５等を断熱ハウジングに収納した燃料電池モジュール２０、および、この燃料電池モジュール２０の周辺に配設され、燃料電池スタック１に空気を導入するための空気供給系２２、燃料改質器１５に都市ガスを導入するための燃料供給系２１、燃料電池モジュール２０からの排ガス中より水蒸気を回収して燃料電池モジュール２０にリサイクルするための水回収装置３０等で構成されている。
【００２１】
上記燃料電池スタック１は、図２に示すように、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで構成した単セル１０を縦方向に多数積層してスタック化したものである。
【００２２】
単セル１０の構成要素の内、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ、Ｃｏ等の金属またはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ８はステンレス等で構成されている。
【００２３】
セパレータ８は、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用ガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中央部１１ａから吐出する燃料ガス通路１１と、酸化剤ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面のほぼ中央部１２ａから吐出する酸化剤ガス通路１２を備えている。
【００２４】
燃料電池スタック１内には、積層方向に延びる燃料ガス用のマニホールド１７と酸化剤ガス用のマニホールド１８が設けられており、これらマニホールド１７、１８には外部から供給される燃料ガスと空気が流通し、各ガスが各セパレータ８の各ガス通路１１、１２を通して各ガス吐出口１１ａ、１２ａより吐出して各発電セルの各電極に分配・供給されるようになっている。また、燃料電池スタック１の両端には、ステンレス等で成る一対の端板８ａ、８ｂが配設されており、燃料電池スタック１の発電電力は、この端板８ａ、８ｂを介して取り出すことができるようになっている。
【００２５】
また、この燃料電池スタック１は、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを敢えて設けないシールレス構造を採用しており、運転時には、発電反応で消費されなかった余剰ガス（高温排ガス）を発電セル５の外周部からハウジング内に自由に放出するようになっている。
【００２６】
また、ハウジングの上下部には、その内部空間に放出された高温度の排ガスを外部設置の熱回収装置３３に誘導する排気管３１が接続されている。この排気管３１は熱回収装置３３の下流側において２つに分岐させられ、一方の排気管３１が斜め上方の勾配を持って延設されて自然冷却部３１ａを構成しており、その端部が外気に開放されていると共に、他方の排気管３１は、熱回収装置３３により凝縮された排ガス中の水蒸気を液体水として回収する水タンク３４に接続されている。
【００２７】
この水タンク３４は、その水圧により液体水を燃料電池モジュール２０に供給し得るよう、燃料電池モジュールの上部（或いは、横部）近傍に配設されており、その出口３５側には、回収されたタンク内の液体水Ｗを燃料電池モジュール２０内に誘導するための水供給管３２が接続されている。この水供給管３２内には脱塩作用を有するイオン交換樹脂（図示せず）が設けられている。
また、この水タンク３４には、タンク内の水位を一定保つ（一定水圧）ためのオーバーフロー用の排水機構３６（排水穴３６）を備えており、オーバーフロー水は、この排水穴３６よりオーバーフロー管３７を通してタンク外に排出されるようになっている。本実施形態では、この排水穴３６の位置を水位方向に可変とすることにより、オーバーフロー水位を調整可能としている。オーバーフロー水位の調整範囲は、例えば、±１ｍ程度としている。
【００２８】
上記した自然冷却部３１ａを含む排気管３１、熱回収装置３３、水タンク３４、水供給管３２等により、本実施形態の水回収装置３０が構成されている。
【００２９】
上記構成の水回収装置３０では、ハウジング上下の排気口１９ａ、１９ｂより、排気管３１を通してハウジング内の高温排ガス（作動温度が７００℃前後の固体酸化物形燃料電池の場合、４５０〜６００℃程度）が熱回収装置３３に誘導されると共に、この熱回収装置３３にて熱回収され、例えば、熱回収により生成された温水は、店舗や家庭内において給湯器や空調（暖／冷房）用の熱エネルギー源として利用される。
【００３０】
一方、熱回収装置３３にて熱回収された排ガスは１００〜２００℃程度の低温排ガスとなっており、このため、水蒸気の一部は凝縮され液体水Ｗとなって水タンク３４に回収されると共に、２００℃に近い比較的高温の水蒸気は、熱回収装置３３より自然冷却部３１ａを通して大気中に排出される過程で１００℃程度に冷却され、排気管３１内で液体水Ｗとなって管勾配を流下して水タンク３４に回収され、排水穴３６の位置で決まる所定の水位（すなわち、オーバーフロー水位）にてタンク内に貯留される。
そして、水タンク３４内の液体水は、その水位で決まる所定の供給水圧（例えば、２００〜３００ｇ／ｃｍ2）をもって水タンク３４の出口３５より水供給管３２を通して燃料電池モジュール２０内に導入され、図示しないモジュール内の水蒸気発生器により高温水蒸気となり、燃料改質器１５に供給される。
【００３１】
この高温水蒸気は、燃料改質器１５において燃料供給系２１より導入された都市ガスと混合され、その混合ガスが改質触媒の作用により水素リッチな燃料ガスに改質され、燃料電池スタック１に供給される。
本実施形態では、水供給管３２内にイオン交換樹脂を設けているので、このイオン交換樹脂の脱塩作用により水タンク３４より燃料電池モジュール２０に供給される液体水中から不純物が除去されており、これにより、燃料改質器１５での改質反応が良好に行われることになり、効率の良い発電を行うことができる。
【００３２】
このように、本発明では、燃料電池モジュール２０より排出される排ガス中の水蒸気を液化して水タンク３４に回収し、その水圧を利用して燃料電池モジュール２０に液体水を供給するようにしたので、従来用いた給水用のポンプが不要となり、装置のコスト低減が図れると共に、当ポンプによる電力消費を無くすことができる。これにより、燃料電池発電装置の効率を向上でき、排ガスを有効利用したコージェネレーション化が実現できる。
【００３３】
また、水タンク３４にオーバーフロー用の排水機構３６を備え、その位置を可変としてオーバーフロー水位を調整可能としたので、オーバーフロー水位により燃料電池モジュールへ２０の供給水圧を変化し、燃料電池出力に応じた給水量（例えば、燃料改質のための水蒸気量）を得ることが可能となる。
すなわち、高電力出力時は、排水機構３６を高位置に設定し、水タンク３４の供給水圧を高くして、燃料電池モジュール２０への水供給量を増大し、低電力出力時は、排水機構３６を低位置に設定し、水タンク３４の供給水圧を低くして、燃料電池モジュール２０への水供給量を減少するようにする。これにより、燃料電池出力に応じた効率の良い発電を行うことができるようになる。
【００３４】
以上、本実施形態では、燃料電池として固体酸化物形燃料電池を用いたが、本発明の水回収装置３０は、これ以外の他の公知の燃料電池を用いた発電装置にも適用できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明が適用された燃料電池発電装置の概略構成図。
【図２】固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す図。
【符号の説明】
【００３６】
２０  燃料電池（燃料電池モジュール）
３０  水回収装置
３１ａ、３３  凝縮手段（熱回収装置、自然冷却部）
３４  水タンク
３６  排水機構（排水穴）
Ｗ  液体水
【図１】
2006236598.tif 000003
【図２】
2006236598.tif 000004