(57)【要約】【課題】  システムを複雑化することなく、安価に、燃焼後の排ガスから分離した回収水の水質を調整することができる燃料電池発電システムを提供すること。【解決手段】  水素に富む燃料ガスｇと酸素を含有する酸化剤ガスａ１とを導入して水素と酸素との電気化学的反応により発電し、燃料ガスｇのうち電気化学的反応に使われなかったアノードオフガスｐを排出する燃料電池２０と、原料燃料ｍを導入し改質して燃料ガスｇを生成する燃料処理装置１０であって、アノードオフガスｐを導入し燃焼させて改質に必要な熱を発生させる燃焼部１１を有する燃料処理装置１０と、酸化剤ガスａ１を加湿する加湿装置４０とを備え、燃焼部１１から排出された燃焼後の排ガスｕから分離した回収水ｒを、系１外に排出する前に酸化剤ガスａ１と接触させるように構成されている燃料電池発電システム。【選択図】  図１
2006049040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素に富む燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとを導入して該水素と酸素との電気化学的反応により発電し、該燃料ガスのうち該電気化学的反応に使われなかったアノードオフガスを排出する燃料電池と；
原料燃料を導入し改質して前記燃料ガスを生成する燃料処理装置であって、前記アノードオフガスを導入し燃焼させて該改質に必要な熱を発生させる燃焼部を有する燃料処理装置と；
前記酸化剤ガスを加湿する加湿装置とを備え；
前記燃焼部から排出された燃焼後の排ガスから分離した回収水を、系外に排出する前に前記酸化剤ガスと接触させるように構成された；
燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記加湿装置は、前記燃料電池に導入する酸化剤ガスを加湿用水と接触させて加湿する気液接触塔であって；
前記酸化剤ガスを前記気液接触塔に導入する酸化剤ガス流路を備え；
前記回収水を前記酸化剤ガス流路に流入させるように構成された；
請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記加湿装置は、水を下部に貯留し、該貯留した水を上部に導き下部に向けて流下させることにより前記酸化剤ガスと接触させて加湿する気液接触塔であって；
前記貯留した水を前記気液接触塔の上部に導く加湿用水流路と；
前記加湿用水流路に配置され、前記貯留した水を揚水する散水ポンプとを備え；
前記回収水を前記散水ポンプの吸込み側の前記加湿用水流路に流入させるように構成された；
請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池発電システムに関し、特に燃料電池に導入する燃料ガスの生成に必要な改質熱を得るために燃焼したガスの燃焼後の排ガスから分離した回収水の水質を調整する燃料電池発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電システムとして、水素と酸素との電気化学的反応により発電し水と熱を発生する燃料電池と、燃料電池に供給する水素に富む燃料ガスを生成する燃料処理装置と、燃料電池に供給する酸素を含有する酸化剤ガスを浄化し加湿する気液接触塔とを備えるものが知られている。燃料処理装置には原料燃料を水素に富む燃料ガスに改質するための改質剤が必要であり、改質剤として水を利用することができる。原料燃料を改質する方法として水蒸気改質方式を用いる場合は、改質に必要な熱を燃料処理装置に供給する必要があり、この必要な熱は、燃料電池での電気化学的反応に使用されなかった燃料ガスの排出ガスであるアノードオフガスを燃焼させて得ることができる。燃料電池に導入する酸化剤ガスとして空気を用いる場合は燃料電池の性能低下を抑制するために、空気中の塵埃や汚染物質を清浄な水などを用いて除去する必要があり、また、燃料電池として固体高分子型燃料電池を用いる場合は、プロトン交換膜の導電性を高く維持するために酸化剤ガスを加湿する必要がある。このように酸化剤ガスを浄化し加湿するための水を酸化剤ガスと接触させる必要がある。
【０００３】
燃料処理装置に導入される改質用水及び酸化剤ガスを浄化し加湿する水は、燃料電池における電気化学的反応で発生した水や、アノードオフガスを燃焼させることにより発生した水を回収して利用することが好ましい。回収した水は一度気液接触塔の貯液部に貯留され、必要に応じて燃料処理装置に送られたり気液接触塔の上部に導かれて散布されたりし、貯液部に貯留される水が余剰の場合は系外へ排出されるシステムが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
一方、アノードオフガスを燃焼させることにより発生した水を含む回収水には多量の炭酸イオンが溶存しており、ｐＨ４程度の値を示す場合が多く、酸性の水となっている。回収水が系内で使用される水量に比べて余剰になったときは系外に排出することとなるが、多量の炭酸イオンが溶存した酸性の余剰水をそのまま系外に排出することは環境汚染を惹き起こすおそれがあり許されない。また、公共水域に排出する水の水質は、一定の技術上の基準を満たしていなければならない（下水道法施行令第６条１項１号）。したがって、多量の炭酸イオンが溶存した余剰水を系外に排出する場合は、例えば、１）回収水に水道水を混ぜてｐＨを調整してから排出する、２）回収水を炭酸カルシウム等を充填した中和層に通してから排出する、３）回収水をバブリングし脱炭酸処理を行なってから排出する、などの処理を行なっていた（例えば特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−３３８３０４号公報（段落００３６〜００３８、図２等）
【特許文献２】特開２００４−１７２０１６号公報（図２等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、１）回収水に水道水を混ぜてｐＨを調整してから排出する場合は、水道水を混ぜる構成が必要になりシステムが複雑化すると共に水道水の水質によっては系外に排出する水の水質が安定しないこととなる。また、２）回収水を炭酸カルシウム等を充填した中和層に通してから排出する場合は、中和層が必要となりシステムが複雑化すると共に中和により消費された炭酸カルシウム等を補充する必要があるためランニングコストが上昇してしまう。また、３）回収水をバブリングし脱炭酸処理を行なってから排出する場合は、バブリングを行なうための空気を送る流路やブロワが必要になりシステムが複雑化すると共にバブリングのための動力が必要となりランニングコストが上昇してしまう。
【０００６】
本発明は上述の課題に鑑み、システムを複雑化することなく、安価に、燃料電池に導入する燃料ガスの生成に必要な改質熱を得るために燃焼したガスの燃焼後の排ガスから分離した回収水の水質を調整することができる燃料電池発電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】
【０００７】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、水素に富む燃料ガスｇと酸素を含有する酸化剤ガスａ１とを導入して水素と酸素との電気化学的反応により発電し、燃料ガスｇのうち電気化学的反応に使われなかったアノードオフガスｐを排出する燃料電池２０と；原料燃料ｍを導入し改質して燃料ガスｇを生成する燃料処理装置１０であって、アノードオフガスｐを導入し燃焼させて改質に必要な熱を発生させる燃焼部１１を有する燃料処理装置１０と；酸化剤ガスａ１を加湿する加湿装置４０とを備え；燃焼部１１から排出された燃焼後の排ガスｕから分離した回収水ｒを、系外に排出する前に酸化剤ガスａ１と接触させるように構成されている。
【０００８】
このように構成すると、回収水を系外に排出する前に酸化剤ガスと接触させるように構成されているので、回収水に溶存している炭酸イオン濃度が低減される。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、請求項１に記載の燃料電池発電システム１において、加湿装置は、燃料電池２０に導入する酸化剤ガスａ１を加湿用水ｋと接触させて加湿する気液接触塔４０であって；酸化剤ガスａ１を気液接触塔４０に導入する酸化剤ガス流路４８を備え；回収水ｒを酸化剤ガス流路４８に流入させるように構成されている。
【００１０】
このように構成すると、回収水を酸化剤ガス流路に流入させるように構成されているので、回収水が酸化剤ガスと接触して回収水に溶存している炭酸イオン濃度が低減される。
【００１１】
上記の目的を達成するために、請求項３に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図２に示すように、請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、加湿装置は、水を下部に貯留し、貯留した水を上部に導き下部に向けて流下させることにより酸化剤ガスａ１と接触させて加湿する気液接触塔４０であって；貯留した水を気液接触塔４０の上部に導く加湿用水流路４５と；加湿用水流路４５に配置され、貯留した水を揚水する散水ポンプ４６とを備え；回収水ｒを散水ポンプ４６の吸込み側の加湿用水流路４５に流入させるように構成されている。
【００１２】
このように構成すると、回収水を加湿用水流路に流入させるので、気液接触塔の下部に回収水が直接貯留されて排出されることがない。
【００１３】
また、燃料電池発電システムを、例えば図３に示すように、請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、燃料電池２０は、電気化学的反応に使われなかった酸化剤ガスａ１と電気化学的反応により発生した水分とを含むカソードオフガスｑを排出するように構成され；加湿装置は、カソードオフガスｑを導入して酸化剤ガスａ１を加湿する膜型加湿器８０であって；膜型加湿器８０に、酸化剤ガスａ１を導入し導出する第２の酸化剤ガス流路８１と；第２の酸化剤ガス流路８１に配置され、膜型加湿器８０で加湿された酸化剤ガスａ１を燃料電池２０に送る送風機８２とを備え；回収水ｒを、送風機８２の吸込み側の第２の酸化剤ガス流路８１に流入させるように構成されていてもよい。
【００１４】
このように構成すると、回収水を、送風機の吸込み側の第２の酸化剤ガス流路に流入させるように構成されているので、回収水が酸化剤ガスと接触して回収水に溶存している炭酸イオン濃度が低減される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、回収水を系外に排出する前に酸化剤ガスと接触させるように構成されているので、回収水に溶存している炭酸イオン濃度が低減される燃料電池発電システムとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１７】
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池発電システム１の構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池発電システム１の系統図である。燃料電池発電システム１は、水素に富む燃料ガスｇを生成する燃料処理装置１０と、燃料ガスｇと酸化剤ガスａ１とを導入して電気化学的反応により発電する燃料電池２０と、混合排ガスｕから熱を奪う熱交換器３１と、混合排ガスｕを冷却したときに凝縮する水分を分離回収する気水分離器３２と、酸化剤ガスａ１を加湿する気液接触塔４０とを備えている。
【００１８】
燃料処理装置１０は、原料燃料ｍと改質用水ｓとを導入し、原料燃料ｍを改質して水素に富む燃料ガスｇを生成する装置である。水素に富む燃料ガスｇとは、水素を４０％以上、典型的には７５％程度含んだ、燃料電池２０に供給するガスである。原料燃料ｍを改質する水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、燃料処理装置１０は改質に必要な改質熱を得るための燃焼部１１を有している。燃焼部１１は、バーナーを有し、原料燃料ｍの一部と燃焼空気ａ２とを導入し燃焼して改質熱を得るように構成されている。燃料電池２０が運転され、燃料電池２０から燃料ガスｇのうち電気化学的反応に使用されなかった水素を含むアノードオフガスｐが排出されるようになると、アノードオフガスｐを燃焼部１１に導入し燃焼して改質熱を得るように構成されている。燃焼部１１で燃焼した後に発生するガスは燃焼排ガスｅとして燃焼部１１から排出される。
【００１９】
燃料処理装置１０は、原料燃料ｍを導入する原料導入口と、改質用水ｓを導入する改質用水導入口と、生成した燃料ガスｇを導出する燃料ガス導出口とを有している。改質用水導入口は気液接触塔４０下部の改質用水導出口４４ｂと接続されており、燃料ガス導出口は燃料電池２０の燃料極２１と接続されている。なお、「接続され」とは、流路を介して接続される場合も含む。また、燃焼部１１は、燃焼空気ａ２を導入する燃焼空気導入口と、原料燃料ｍを導入する燃焼原料導入口と、アノードオフガスｐを導入するアノードオフガス導入口と、燃焼排ガスｅを排出する燃焼排ガス排出口とを有している。アノードオフガス導入口は、燃料電池２０の燃料極２１と接続されている。
【００２０】
燃料処理装置１０に導入される原料燃料ｍは、典型的には都市ガス、ＬＰＧ、消化ガス、メタノール、ＧＴＬ（Ｇａｓ ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ）や灯油等が用いられる。燃料処理装置１０に導入する原料燃料ｍと燃焼部１１に導入する原料燃料ｍとは同種のものでもよいし異なる種類のものでもよい。原料燃料ｍは、都市ガス等の気体の場合は不図示のブロワで燃料処理装置１０に送られ、灯油等の液体の場合は不図示のポンプで燃料処理装置１０に送られる。さらに、原料燃料ｍを燃料処理装置１０に導く原料燃料流路６１に不図示の脱硫器を設け、原料燃料ｍを燃料処理装置１０に導入する前に脱硫することが好ましい。また、原料燃料ｍが灯油等の液体の場合は、原料燃料流路６１又は燃料処理装置１０内に原料燃料ｍを気化するための気化器を設けることが好ましい。
【００２１】
燃料電池２０は固体高分子型燃料電池であり、水素に富む燃料ガスｇと酸素を含有する酸化剤ガスａ１とを導入し、燃料ガスｇ中の水素と酸化剤ガスａ１中の酸素との電気化学的反応により発電して水及び熱を発生するように構成されている。燃料ガスｇ及び酸化剤ガスａ１は、そのすべてが電気化学的反応に使用されるのではなく、反応に使用されなかった燃料ガスｇはアノードオフガスｐとして燃料極２１から排出され、反応に使用されなかった酸化剤ガスａ１はカソードオフガスｑとして空気極２２から排出される。
【００２２】
燃料電池２０は燃料ガスｇを導入する燃料極２１と酸化剤ガスａ１を導入する空気極２２とを備えており、さらに発電に伴って発生した熱を除去する冷却水ｃを導入する冷却部２３を備えている。燃料極２１は、燃料ガスｇを導入する燃料ガス導入口とアノードオフガスｐを排出するアノードオフガス排出口とを有している。燃料ガス導入口は、燃料処理装置１０の燃料ガス導出口と接続され、アノードオフガス排出口は燃焼部１１のアノードオフガス導入口と接続されている。空気極２２は、酸化剤ガスａ１を導入する酸化剤ガス導入口とカソードオフガスｑを排出するカソードオフガス排出口とを有している。酸化剤ガス導入口は気液接触塔４０の上部と接続されている。カソードオフガス排出口は、流路６３を介して燃焼排ガスｅを排出する流路６２と接続されている。冷却部２３は、温度が低い冷却水ｃを導入する冷却水導入口と燃料電池２０から受熱して温度が上昇した冷却水ｃを導出する冷却水導出口とを有している。冷却水導入口及び冷却水導出口は、燃料電池２０から奪った熱を蓄える貯湯タンク（不図示）と接続されて循環流路を形成し、系外の熱需要に向けて温水を供給するように構成してもよい。
【００２３】
熱交換器３１は、燃焼排ガスｅとカソードオフガスｑとを混合した混合排ガスｕを外部流体ｂと熱交換することにより冷却し、そこに含まれる水分を凝縮させる装置であり、典型的にはプレート型熱交換器が用いられる。熱交換器３１は、流路６４に配置され、導入する混合排ガスｕよりも温度が低い外部流体ｂを導入して混合排ガスｕとの熱交換を行なうように構成されている。
【００２４】
気水分離器３２は、熱交換器３１で冷却された混合排ガスｕから凝縮水を分離し回収水ｒとして回収する装置である。気水分離器３２は、熱交換器３１の下流側の流路６４に配設されている。気水分離器３２は、上部に混合排ガスｕを導入する排ガス導入口及び水分が分離された混合排ガスｕを排出する排ガス排出口を有している。排ガス排出口から排出された混合排ガスｕは流路６４を通って系外に排出されるように構成されている。気水分離器３２は、下部に回収水ｒを導出する回収水導出口を有しており、回収水導出口は流路６５と接続されている。
【００２５】
気液接触塔４０は、燃料電池２０に導入する酸化剤ガスａ１を加湿する装置である。気液接触塔４０は、その内部に、上部から、加湿用水ｋを散布し流下させる水分散器４１と、散布した加湿用水ｋと酸化剤ガスａ１との接触を促進させる充填部４２と、充填部４２を下から支持する充填物支持板４３とを有している。充填部４２には多孔質材料が充填され、水分散器４１から散布された加湿用水ｋを拡散して酸化剤ガスａ１との接触面積を増大し、酸化剤ガスａ１の加湿を促進させるように構成されている。また、気液接触塔４０は、その下部に回収水ｒ及び加湿用水ｋを貯留水として貯留する貯水部４４を有している。貯水部４４には水位検知器５５が配設されている。また、貯水部４４の底部からは流路６８が系外に向けて導かれており、流路６８には電磁弁５６が配設されている。水位検知器５５と電磁弁５６との間には信号ケーブルが敷設されている。電磁弁５６は、貯水部４４の水位が所定の水位以上になったことを水位検知器５５が検知すると水位検知器５５からの信号を受信し、弁を開いて余剰水を系外に排出することができるように構成されている。
【００２６】
気液接触塔４０の底部には加湿用水導出口４４ａが設けられており、加湿用水導出口４４ａは水分散器４１と加湿用水流路４５を介して接続されている。加湿用水流路４５には散水ポンプ４６が配設されており、貯水部４４に貯留されている貯留水を上部に揚水し加湿用水ｋとして水分散器４１から散布させることができるように構成されている。また、気液接触塔４０下部には改質用水導出口４４ｂが設けられており、改質用水導出口４４ｂは燃料処理装置１０の改質用水導入口と流路６６を介して接続されている。流路６６にはポンプ５２が配設されており、改質用水ｓを燃料処理装置１０に圧送することができるように構成されている。改質用水導出口４４ｂは、貯水部４４の水面より下部に設けられている。なお、改質用水導出口４４ｂから導出される改質用水ｓは、貯水部４４に貯留された貯留水が分流したものであり、貯留水には回収水ｒが含まれているため、改質用水ｓには回収水ｒが含まれている。
【００２７】
気液接触塔４０は、充填物支持板４３より下部かつ貯水部４４の水面より上部に酸化剤ガス導入口４３ａを有している。酸化剤ガス導入口４３ａは酸化剤ガス流路４８と接続されており、気液接触塔４０内に酸化剤ガスａ１を導入することができるように構成されている。酸化剤ガス流路４８にはフィルター４９が配設されており、気液接触塔４０に導入する前に酸化剤ガスａ１に含まれる塵埃を除去することができるように構成されている。
【００２８】
フィルター４９の下流側かつ酸化剤ガス導入口４３ａの上流側の酸化剤ガス流路４８には流路６５が接続されており、酸化剤ガス流路４８に回収水ｒを流入させることができるように構成されている。この位置に回収水ｒを流入させることにより、フィルター４９を回収水ｒで濡らさずに回収水ｒを酸化剤ガスａ１と接触させて、回収水ｒを脱炭酸することができる。酸化剤ガス流路４８に流路６５を接続する位置は、回収水ｒが貯水部４４に流入する前に酸化剤ガスとできるだけ長く接触させる観点からは酸化剤ガス導入口４３ａからできるだけ離れていることが好ましく、少なくとも酸化剤ガス流路４８の直径の３倍以上、望ましくは直径の１０倍以上、酸化剤ガス導入口４３ａから離れていることが好ましい。また、フィルター４９を回収水ｒで濡らさない観点からはフィルター４９から離れていることが好ましい。ただし、酸化剤ガスａ１の流れ方向を考慮すると、流路６５の合流点はフィルター４９が濡れない範囲で酸化剤ガス導入口４３ａからできるだけ離すのがよい。また、流路６５と酸化剤ガス流路４８との合流部には、回収水ｒを酸化剤ガスａ１との接触を促進させつつ酸化剤ガスａ１の流れの抵抗になりにくい、メッシュ状の部材を挿入してもよい。
【００２９】
気液接触塔４０は、上部に酸化剤ガス導出口を有しており、酸化剤ガス導出口は流路６９を介して空気極２２の酸化剤ガス導入口と接続されている。流路６９にはブロワ５１が配設されており、ブロワ５１により気液接触塔４０で加湿された酸化剤ガスａ１を空気極２２に圧送することができるように構成されている。
【００３０】
引続き図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池発電システム１の作用について説明する。
燃料電池発電システム１の起動時は、燃料処理装置１０の燃焼部１１に原料燃料ｍと燃焼空気ａ２を導入し、バーナーを点火して燃料処理装置１０を予熱する。燃焼後の排ガスｅは、流路６２を通って燃焼部１１から排出される。予熱が完了したら原料燃料ｍと改質用水ｓとを燃料処理装置１０に導入し、燃焼部１１から改質熱を得て水蒸気改質反応が行なわれる。燃料処理装置１０では、原料燃料ｍの水蒸気改質反応により、水素に富む燃料ガスｇが生成される。
【００３１】
燃料処理装置１０で生成された燃料ガスｇは、燃料電池２０の燃料極２１に送られる。燃料電池の空気極２２には気液接触塔４０で加湿された酸化剤ガスａ１が導入される。燃料電池２０では、燃料極２１に導入された燃料ガスｇ中の水素と空気極２２に導入された酸化剤ガスａ１中の酸素との電気化学的反応により発電し、水と熱が発生する。燃料電池２０で発生した直流電力は、必要に応じて不図示のインバータで交流電力に変換されて電力負荷（不図示）に供給される。発生した熱は冷却部２３に導入される冷却水ｃに奪われることにより、燃料電池２０が加熱されることが防止される。発生した水は、水蒸気又は凝縮水としてカソードオフガスｑに混ざって排出される。燃料電池２０の燃料極２１のオフガスであるアノードオフガスｐは燃料電池２０での電気化学的反応に使われなかった水素を含んでおり、アノードオフガスｐは燃料処理装置１０の燃焼部１１に導かれ燃焼させられる。燃焼され得られた熱は、改質熱として利用される。アノードオフガスｐが燃焼部１１に供給され、アノードオフガスｐの燃焼で十分な改質熱が得られるときは、燃焼部１１への原料燃料ｍの供給が停止される。燃料電池２０の空気極２２のオフガスであるカソードオフガスｑは、気液接触塔４０で加湿されているので水分を含んでおり、燃料電池２０で発生した水分と共に流路６３を通って燃料電池２０から排出される。
【００３２】
燃料電池２０の空気極２２から排出されたカソードオフガスｑは、燃料処理装置１０の燃焼部１１から排出された排ガスｅと合流して混合排ガスｕとなる。上述のようにカソードオフガスｑは水分を含んでおり、排ガスｅもアノードオフガスｐを燃焼させた際にアノードオフガスｐ中の水素から水が生成されるため水分を含んでいる。したがって、混合排ガスｕも水分を含んだガスとなっている。混合排ガスｕは、流路６４を通って熱交換器３１に流入する。熱交換器３１に流入した混合排ガスｕは、外部流体ｂとの間で熱交換が行なわれ、冷却される。熱交換器３１で冷却された混合排ガスｕでは、含まれていた水分が凝縮する。熱交換器３１で冷却され水分が凝縮した混合排ガスｕは、気水分離器３２に導かれる。
【００３３】
気水分離器３２に流入した混合排ガスｕからは、凝縮した水分が回収水ｒとして分離される。凝縮水が除去された混合排ガスｕは、流路６４を通って系外に排出される。他方、分離された回収水ｒは、気水分離器３２の下部から流路６５を通って酸化剤ガス流路４８に流入される。このときの回収水ｒの水質は、排ガスｅの凝縮水を含んでいるため、ｐＨ４程度の値であることが一般的である。混合排ガスｕから分離される回収水ｒの量は、熱交換器３１での冷却の状況によって変化する。混合排ガスｕが熱交換器３１で冷却されるほど多くの水分が凝縮するため回収水ｒの量が多くなる。
【００３４】
酸化剤ガス流路４８に流入された回収水ｒは酸化剤ガスａ１と混合される。酸化剤ガスａ１は、典型的には空気であり、回収水ｒと混合する前にフィルター４９を通過して塵埃が除去される。酸化剤ガスａ１は、流路６９に配設されたブロワ５１が起動することにより気液接触塔４０に向って吸引される。酸化剤ガス流路４８を流れる酸化剤ガスａ１は、フィルター４９を通過した後の気液接触塔４０に流入する前に回収水ｒと混ざり合う。酸化剤ガスａ１と混ざった回収水ｒは、気液接触塔４０に至る酸化剤ガス流路４８を酸化剤ガスａ１と接触しながら共に流れるので脱炭酸される。
【００３５】
混ざり合った酸化剤ガスａ１と回収水ｒとが気液接触塔４０に流入すると、回収水ｒは貯水部４４に貯留され、酸化剤ガスａ１は上部の酸化剤ガス導出口に向って吸引される。貯水部４４に貯留された回収水ｒの水質はｐＨ６程度の値であり、公共水域に排出することが可能な状態になっている。貯水部４４に貯留された回収水ｒの一部は改質用水導出口４４ｂから導出され、改質用水ｓとしてポンプ５２により燃料処理装置１０に圧送される。
【００３６】
他方、貯水部４４に貯留された回収水ｒの一部は加湿用水ｋとして加湿用水導出口４４ａから導出され、流路４５を通り、散水ポンプ４６によって気液接触塔４０上部の水分散器４１に揚水される。水分散器４１に流入した加湿用水ｋは、下方に向って散布され、酸化剤ガス導入口４３ａから流入して上部に向って流れる酸化剤ガスａ１とカウンターフローで接触する。酸化剤ガスａ１と加湿用水ｋとの接触は、主に充填部４２において行なわれる。加湿用水ｋと接触した酸化剤ガスａ１は、加湿された後、ブロワ５１によって燃料電池２０の空気極２２に送られる。
【００３７】
気液接触塔４０の貯水部４４に貯留される回収水ｒの水量が多くなり、水位検知器５５が所定の水位を検知したら、水位検知器５５は電磁弁５６に信号を送信し電磁弁５６を開にして、余剰分の回収水ｒを系外に排出する。このとき、排出される回収水ｒは、酸化剤ガスａ１と接触し脱炭酸されｐＨ６程度の水質となっているので、このまま公共水域に排出することができる。
【００３８】
次に、図２を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池発電システム２について説明する。燃料電池発電システム２は、流路６５が酸化剤ガス流路４８ではなく、散水ポンプ４６の吸込み側の加湿用水流路４５に接続されている。散水ポンプ４６の吸込み側の加湿用水流路４５に流路６５が接続されているので、流路６５内を流れる回収水ｒが気水分離器３２に向って逆流することがない。その他の構成は燃料電池発電システム１と同様である。
【００３９】
燃料電池発電システム２では、気水分離器３２から導出された回収水ｒは、気液接触塔４０底部の加湿用水導出口４４ａから導出された加湿用水ｋと加湿用水流路４５内で合流する。加湿用水ｋと合流した回収水ｒは、散水ポンプ４６により水分散器４１に揚水され、水分散器４１から下方に向って散布される。散布された回収水ｒが含まれる加湿用水ｋは、酸化剤ガスａ１とカウンターフローにより接触する。加湿用水ｋは、酸化剤ガスａ１と接触することにより、一部は酸化剤ガスａ１の加湿に利用されるが大半は貯水部４４に流下し貯留される。気水分離器３２から導出された回収水ｒは、酸化剤ガスａ１とカウンターフローで接触した後にはじめて貯水部４４に貯留されることとなる。貯留部４４に貯留された回収水ｒは、酸化剤ガスａ１と接触することにより脱炭酸され、ｐＨ６以上の値となっている。したがって、貯水部４４に貯留されている水をこのまま公共水域に排水することができる。
【００４０】
一方、回収水ｒを含んだ加湿用水ｋと接触した酸化剤ガスａ１は、加湿された後、ブロワ５１によって燃料電池２０の空気極２２に送られる。
【００４１】
次に、図３を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池発電システム３について説明する。燃料電池発電システム３は、加湿装置として気液接触塔ではなく膜型加湿器８０を備えている。また、燃料ガスｇや酸化剤ガスａ１の温湿度を調整する三流体熱交換器９１と、三流体熱交換器９１を出た燃料ガスｇから凝縮水を回収する気水分離器９２と、三流体熱交換器９１を出た酸化剤ガスａ１から凝縮水を回収する気水分離器９３と、気水分離器９３で回収した凝縮水を貯留する回収水タンク９８とを備えている。
【００４２】
膜型加湿器８０は、水蒸気を通過させ不純物を通さない膜を有している。膜型加湿器８０は、膜を隔てた一方に酸化剤ガスａ１を導入し他方にカソードオフガスｑを導入して、カソードオフガスｑに含まれる水蒸気が膜を通過して酸化剤ガスａ１側に移動することにより、酸化剤ガスａ１を加湿するように構成されている。膜型加湿器８０には、カソードオフガスｑを導入し導出する流路６３と、酸化剤ガスａ１を導入し導出する第２の酸化剤ガス流路８１とがそれぞれ接続されている。
【００４３】
膜型加湿器８０より上流側の流路６３は燃料電池２０の空気極２２に接続され、下流側の流路６３は流路６２と合流するように接続されている。膜型加湿器８０より上流側の第２の酸化剤ガス流路８１は酸化剤ガス導入口を有しており、下流側の第２の酸化剤ガス流路８１は三流体熱交換器９１に接続されている。膜型加湿器８０より上流側の第２の酸化剤ガス流路８１にはフィルター４９が設置されており、膜型加湿器８０とフィルター４９の間の第２の酸化剤ガス流路８１には回収水ｒを導入する流路６５と燃料ガスｇの凝縮水ｄ１を導入する流路９５とが接続されている。膜型加湿器８０より下流側の第２の酸化剤ガス流路８１にはブロワ８２が設置されており、加湿された酸化剤ガスａ１を三流体熱交換器９１に圧送することができるように構成されている。
【００４４】
三流体熱交換器９１は、燃料処理装置１０から送出される燃料ガスｇと膜型加湿器８０から送出される酸化剤ガスａ１と冷却水ｃとを熱交換する三流体の熱交換器であって、多管式熱交換器が好適に用いられる。三流体熱交換器９１は、燃料ガスｇ、酸化剤ガスａ１、冷却水ｃをパラレルフローで熱交換し、これら三つの流体が三流体熱交換器９１の出口でほぼ等しい温度になるように構成されている。三流体熱交換器９１の燃料ガスｇの出口は、気水分離器９２を経て燃料電池２０の燃料極２１に接続されている。三流体熱交換器９１の酸化剤ガスａ１の出口は、気水分離器９３を経て燃料電池２０の空気極２２に接続されている。三流体熱交換器９１の冷却水ｃの出口は燃料電池２０の冷却水流路２３に接続されている。
【００４５】
気水分離器９２は、燃料ガスｇ中の凝縮水を分離する装置である。気水分離器９２には、分離された凝縮水ｄ１を第２の酸化剤ガス流路８１に導入する流路９５が接続されている。気水分離器９３は、酸化剤ガスａ１中の凝縮水を分離する装置である。気水分離器９３には、分離された凝縮水ｄ２を回収水タンク９８に導入する流路９６が接続されている。
【００４６】
回収水タンク９８は、気水分離器９３で回収された凝縮水ｄ２を貯留するタンクである。回収水タンク９８には水位検知器５５が配設されている。また、回収水タンク９８の底部からは流路６８が系外に向けて導かれており、流路６８には電磁弁５６が配設されている。水位検知器５５と電磁弁５６との間には信号ケーブルが敷設されている。電磁弁５６は、回収水タンク９８の水位が所定の水位以上になったことを水位検知器５５が検知すると水位検知器５５からの信号を受信し、弁を開いて余剰水を系外に排出することができるように構成されている。また、回収水タンク９８の下部には改質用水導出口１４４ｂが設けられており、改質用水導出口１４４ｂは燃料処理装置１０の改質用水導入口と流路６６を介して接続されている。流路６６にはポンプ５２が配設されており、改質用水ｓを燃料処理装置１０に圧送することができるように構成されている。
【００４７】
これまでに述べた以外の構成は燃料電池発電システム１と同様である。以上のような構成を有する燃料電池発電システム３では、フィルター４９を通過した酸化剤ガスａ１に回収水ｒと凝縮水ｄ１が流入する。回収水ｒと凝縮水ｄ１が流入した酸化剤ガスａ１は膜型加湿器８０にてカソードオフガスｑに含まれる水蒸気により加湿されると共に加熱され、ブロワ８２により三流体熱交換器９１に圧送される。酸化剤ガスａ１に流入した回収水ｒは、三流体熱交換器９１に至るまでの間に酸化剤ガスａ１と接触しながら共に流れるので脱炭酸される。
【００４８】
三流体熱交換器９１を通過して温度及び湿度が調整された酸化剤ガスａ１は、気水分離器９３にて凝縮水ｄ２が分離された後、水蒸気飽和した酸化剤ガスａ１として燃料電池２０の空気極２２に導入される。他方、凝縮水ｄ２は流路９６を通って回収水タンク９８に流入し貯留される。ここで、回収水タンク９８に貯留される凝縮水ｄ２には回収水ｒも混入していることになるわけであるが、回収水ｒは回収水タンク９８に流入するまでに酸化剤ガスａ１と十分に接触し脱炭酸されているのでこのまま公共水域に排出することができる水質になっている。回収水タンク９８に貯留された水は、ポンプ５２により燃料処理装置１０に圧送され改質用水ｓとして利用される。回収水タンク９８に貯留された水が多すぎるときは、流路６８から余剰水が系外に排出される。
【００４９】
膜型加湿器８０にて湿分交換をした後のカソードオフガスｑは、燃焼排ガスｅと合流し混合排ガスｕとなる。混合排ガスｕは、流路６４を通り熱交換器３１を経て気水分離器３２に流入する。気水分離器３２に流入した混合排ガスｕからは、凝縮した水分が回収水ｒとして分離される。分離された回収水ｒは、気水分離器３２の下部から流路６５を通って第２の酸化剤ガス流路８１に流入される。
【００５０】
燃料処理装置１０で生成された燃料ガスｇは三流体熱交換器９１に導入される。三流体熱交換器９１を通過して温度及び湿度が調整された燃料ガスｇは、気水分離器９２にて凝縮水ｄ１が分離された後、水蒸気飽和した燃料ガスｇとして燃料電池２０の燃料極２１に導入される。気水分離器９２で分離される凝縮水ｄ１には炭酸イオンが溶存している。したがって、凝縮水ｄ１は、流路９５を通って、膜型加湿器８０の上流側かつフィルター４９の下流側の第２の酸化剤ガス流路に流入される。第２の酸化剤ガス流路に流入された凝縮水ｄ１は、酸化剤ガスａ１と接触して脱炭酸される。なお、凝縮水ｄ１の水量は回収水ｒの水量のおよそ１０分の１程度であるが、そのまま系外に排出せずに酸化剤ガスａ１と接触させて脱炭酸した後に系外に排出することが好ましい。
【００５１】
以上の説明では、燃料電池２０は固体高分子型燃料電池として説明したが、りん酸型燃料電池等の固体高分子型燃料電池以外の燃料電池であってもよい。
【００５２】
以上の説明では、酸化剤ガスａ１を圧送する送風機はブロワ５１、８２として説明したが、必要な静圧が小さければファンを用いてもよい。
【００５３】
以上の説明では、燃料電池発電システム３に三流体熱交換器９１及び気水分離器９２、９３が設けられているとして説明したが、燃料電池発電システム１及び燃料電池発電システム２に三流体熱交換器９１及び気水分離器９２、９３が設けられていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池発電システムの系統図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池発電システムの系統図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池発電システムの系統図である。
【符号の説明】
【００５５】
１、２、３  燃料電池発電システム
１０  燃料処理装置
１１  燃焼部
２０  燃料電池
４０  気液接触塔
４５  加湿用水流路
４６  散水ポンプ
４８  酸化剤ガス流路
ａ１  酸化剤ガス
ｇ    燃料ガス
ｋ    加湿用水
ｍ    原料燃料
ｐ    アノードオフガス
ｒ    回収水
ｕ    排ガス（混合排ガス）
【図１】
2006049040.tif 000003
【図２】
2006049040.tif 000004
【図３】
2006049040.tif 000005