(57)【要約】【課題】  装置の大型化およびコストアップを招くことなく、低負荷運転から高負荷運転へ急激に変化した際に対応できる燃料電池発電装置を提供する。【解決手段】  改質装置１１により炭化水素を水蒸気改質して水素含有ガスを生成し、燃料電池本体１２に供給して酸化剤ガスとの反応により発電を行う。この際、高熱になる燃料電池本体１２の温度を電池冷却水系１４によりコントロールするが、圧力損失が大きな電気再生式脱イオン装置１５を迂回するバイパスライン３０を設けたので、燃料電池が低負荷運転から高負荷運転へ急激に変化したときに、装置の大型化およびコストアップを招くことなく、過渡的に電池冷却水系１４への補給水量を増加させることができる。【選択図】          図１
2011216409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質触媒層及び該改質触媒層に反応熱を供給する燃焼部を有する改質装置と、
前記水素含有ガス及び酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池本体と、
前記燃焼部及び前記燃料電池本体の排ガスから回収した凝縮水を貯水する水タンクと、
前記燃料電池本体の反応熱を除去する冷却水が循環する電池冷却水系と、
前記水タンクから供給された水を電気再生式脱イオン装置で純化処理して前記電池冷却水系へ供給する処理水ラインと、
を備え、
前記処理水ラインの前記電気再生式脱イオン装置の上流から下流へ、前記電気再生式脱イオン装置を迂回して通水するバイパスラインを設けたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記バイパスラインは弁を備え、前記処理水ラインから前記電池冷却水系へ供給する水の流量が所定値以上のときに、前記弁を開いてバイパスラインに通水を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記処理水ラインは、前記電気再生式脱イオン装置の上流側と前記水タンクとの間にポンプを備え、
前記バイパスラインの上流側端が、前記処理水ラインの前記ポンプの下流側に接続していることを特徴とする請求項1または２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記処理水ラインは、前記電気再生式脱イオン装置の上流側と前記水タンクとの間に第１のポンプを備え、
前記バイパスラインの上流側端が、前記処理水ラインの前記第１のポンプの上流側に接続されており、
前記バイパスラインが第２のポンプを備えていることを特長とする請求項1または２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記処理水ラインは、前記電気再生式脱イオン装置の下流側にイオン交換樹脂筒を備え、
前記バイパスラインの下流側端が、処理水ラインの前記電気再生式脱イオン装置の下流側かつ前記イオン交換樹脂筒の上流側との間に接続されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池発電装置。
【請求項６】
前記バイパスラインを通った流量を算出することにより前記イオン交換樹脂筒寿命を予測することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電装置、特にその水処理水システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料となる水素と、酸化剤となる酸素を供給し反応させることにより継続的に電力を取り出すことができる発電装置である。発電時の反応には、発熱を伴うため、電池を冷却して発電に適した温度に維持するために冷却水を循環させている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図３に示すように、特許文献１に記載の燃料電池の冷却水循環装置１００は、燃料電池１０１の筐体に冷却水を循環させて筐体内を冷却する。冷却水循環装置１００は、燃料電池１０１の下流側に主冷却器１０２および循環ポンプ１０３を有し、燃料電池１０１の冷却水は、循環ポンプ１０３によって吸引されて主冷却器１０２に供給され、冷却された後に下流側へ圧送される。冷却水を循環させる冷却水循環ライン１０４は、循環ポンプ１０３の下流側で、脱塩ライン１０５と、この脱塩ライン１０５をバイパスするバイパスライン１０６とに分岐されており、脱塩ライン１０５とバイパスライン１０６は脱塩ライン１０５の下流側で再び合流している。なお、脱塩ライン１０５には、副冷却器１０７および冷却水を脱塩するカートリッジ式イオン交換器１０８が設けられており、カートリッジ式イオン交換器１０８に冷却水を流入させる前に、副冷却器１０７で冷却している。
【０００４】
また、特許文献２および特許文献３には、電池冷却水循環系に、生成水回収タンクの水を電気再生式脱イオン装置により純化して補給する構成を備えた燃料電池発電装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３５５１９号公報（第１図）
【特許文献２】特開２００１−１７６５３５号公報
【特許文献３】特開２００９−８１０８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述したように、燃料電池発電装置には、反応で高温になる燃料電池本体を冷却するために電池冷却水系が設けられており、電池冷却水系への給水量は、通常、消費された量だけ補給される。通常運転では、電池冷却水系の水位変動は大きくないため、給水量もその変化に見合って少ない変動量となる。
【０００７】
しかし、燃料電池が低負荷運転から高負荷運転へ急激に変化すると、電池冷却水系への給水量も短時間で増加させる必要がでてくる。このとき、通常運転の流量が流せる能力だけを持ったポンプだと給水量がまかないきれなくなるという問題がある。
【０００８】
また、大量の給水を電気再生式脱イオン装置や冷却器などを通過させるため圧力損失が増大するので、ポンプは過渡的な運転のために能力を増大させる必要がある。または、電気再生式脱イオン装置と冷却器を大型化し圧力損失を低減する必要がある。このため、装置の大型化およびコストアップを招くという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、装置の大型化およびコストアップを招くことなく、低負荷運転から高負荷運転へ急激に変化した際に対応できる燃料電池発電装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本願発明の燃料電池発電装置においては、炭化水素を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質触媒層及び該改質触媒層に反応熱を供給する燃焼部を有する改質装置と、前記水素含有ガス及び酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池本体と、前記燃焼部及び前記燃料電池本体の排ガスから回収した凝縮水を貯水する水タンクと、前記燃料電池本体の反応熱を除去する冷却水が循環する電池冷却水系と、前記水タンクから供給された水を電気再生式脱イオン装置で純化処理して前記電池冷却水系へ供給する処理水ラインとを備え、前記処理水ラインの前記電気再生式脱イオン装置の上流から下流へ、前記電気再生式脱イオン装置を迂回して通水するバイパスラインを設けたものとする。
【００１１】
さらに、前記バイパスラインは弁を備え、前記処理水ラインから前記電池冷却水系へ供給する水の流量が所定値以上のときに、前記弁を開いてバイパスラインに通水を行うこととする。
【００１２】
また、前記処理水ラインは、前記電気再生式脱イオン装置の上流側と前記水タンクとの間にポンプを備え、前記バイパスラインの上流側端が、前記処理水ラインの前記ポンプの下流側に接続するものとする。
【００１３】
あるいは、前記処理水ラインは、前記電気再生式脱イオン装置の上流側と前記水タンクとの間に第１のポンプを備え、前記バイパスラインの上流側端が、前記処理水ラインの前記第１のポンプの上流側に接続されており、前記バイパスラインが第２のポンプを備えているものとする。
【００１４】
前記処理水ラインは、前記電気再生式脱イオン装置の下流側にイオン交換樹脂筒を備え、前記バイパスラインの下流側端が、処理水ラインの前記電気再生式脱イオン装置の下流側かつ前記イオン交換樹脂筒の上流側との間に接続されていることが好ましい。
【００１５】
また、前記バイパスラインを通った流量を算出することにより前記イオン交換樹脂筒寿命を予測することとしてもよい。
【００１６】
例えば、バイパスラインに設けた切り替え用電磁弁が開いた時間を計測することにより、バイパスラインを通った流量を算出するので、イオン交換樹脂筒への負荷を換算することができ、イオン交換樹脂筒の交換時期がわかる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、圧力損失が大きな電気再生式脱イオン装置を迂回するバイパスラインを設けたので、燃料電池が低負荷運転から高負荷運転へ急激に変化したときに、装置の大型化およびコストアップを招くことなく、過渡的に電池冷却水系への補給水量を増加させることができることに効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の第１実施形態にかかる燃料電池発電装置のフロー図である。
【図２】この発明の第２実施形態にかかる燃料電池発電装置のフロー図である。
【図３】従来の燃料電池発電装置のフロー図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（第１実施形態）
図面に基づき，本発明の第１実施形態について以下に述べる。図１に示すように、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池発電装置１０Ａは、主に、改質装置１１と、燃料電池本体１２と、水タンク１３と、電池冷却水系１４と、処理水ライン２０を有する。そして、処理水ライン２０には、電気再生式脱イオン装置１５の上流から下流へ電気再生式脱イオン装置１５を迂回して通水させるバイパスライン３０Ａが設けられている。
【００２０】
改質装置１１は、炭化水素を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質触媒層及び該改質触媒層に反応熱を供給する燃焼部を有する。燃料電池本体１２は、改質装置１１からの水素含有ガス及び酸化剤ガスとの反応により発電を行う。水タンク１３は、改質装置１１の燃焼部から排出された燃焼排ガス１６及び燃料電池本体１２のカソードから排出されたカソード排ガス１７から凝縮水を回収して該凝縮水を貯水する。
【００２１】
電池冷却水系１４は、冷却水を循環させて燃料電池本体１２の温度を所定温度に維持するものであり、電池冷却水ポンプ１８および水蒸気分離器１９を有する。電池冷却水系１４の冷却水が燃料電池本体１２で昇温されることにより発生した水蒸気の一部は、水蒸気分離器１９からエジェクタ３３を介して改質装置１１の改質触媒層に送られ、改質反応に供される。水蒸気分離器１９には、内部の水位を計測する水位計が設けられている。また、水蒸気分離器１９の底部にはブローダウン配管３４が接続されており、常時一定流量の水を水蒸気分離器１９からブローダウン配管３４を通じて水タンク１３へ放出することにより、冷却水循環系１４の冷却水の水質の維持を図っている。
【００２２】
処理水ライン２０は、水タンク１３から供給される水を純化処理した処理水を、給水ライン２９を介して電池冷却水系１４に供給するものであり、ポンプ２１、冷却器２２、入口フィルター２３、重金属用イオン交換樹脂筒２４、電気再生式脱イオン装置１５、水質計２５、イオン交換樹脂筒２６、出口フィルター２７、ポンプ２８を有する。ポンプ２１は、電気再生式脱イオン装置１５の上流側と水タンク１３との間の処理水ライン２０に設けられており、バイパスライン３０Ａの上流側端が、処理水ライン２０のポンプ２１の下流側に接続している。さらに、出口フィルター２７の下流側と、ポンプ２１の上流側を結ぶ循環ライン３２が設けられており、循環ライン上３２には、水タンク１３の水が、処理水ライン２０を流れずに、循環ライン３２経由で直接ポンプ２８へと流れることがないように、逆止弁３５が設けられている。
【００２３】
電気再生式脱イオン装置１５は、水タンク１３から供給された水中のイオンを多く含む濃縮水と、該イオンが除去された処理水とに分け、各々、濃縮水ライン３６および処理水ライン２０へと送出する。イオン交換樹脂筒２６は、電気再生式脱イオン装置１５の不良時や、後述するように電気再生式脱イオン装置１５を迂回してバイパスライン３０Ａ経由で補給される水の浄化に用いられる。
【００２４】
本実施形態においては、ポンプ２１は、燃料電池発電装置１０Ａの定格運転時に要する処理水流量以上を常時維持するように、水タンク１３の水を処理水ライン２０に送出する。具体的には、ポンプ２１による送水流量が１６０ｋｇ/ｈとなるようにポンプ２１の回転数が設定されており、これを、処理水ライン２０と濃縮水ライン３６とに５：１の流量比で通水している。
【００２５】
一方、ポンプ２８は、可変電圧可変周波数制御（ＶＶＶＦ）可能なポンプであり、水蒸気分離器１９の水位計の検出値に基づいて回転数が制御される。また、処理水ライン２０には、過渡的に電池冷却水系１４への補給水量が定格運転時の流量を超えて必要となる場合に備えて、電気再生式脱イオン装置１５を迂回するバイパスライン３０Ａが設けられており、途中に電磁弁３１が設けられている。
なお、バイパスライン３０Ａは、ポンプ２１と冷却器２２との間にその入口側端が接続され、下流側端が、電気再生式脱イオン装置１５の下流側であって、イオン交換樹脂筒２６の上流側との間に接続されている。
【００２６】
ここで、本実施形態では、冷却器２２の上流にバイパスライン３０Ａの入口側端接続されており、バイパスライン３０Ａを流れる水タンク１３の水は冷却器２２で冷却されずにイオン交換樹脂筒２６に入るため、イオン交換樹脂筒２６には、耐熱性（６０℃耐熱）を有するものを用いる。本構成に代えて、バイパスライン３０Ａの入口側端を冷却器２２の下流側に接続することとしても良い。
【００２７】
次に、燃料電池発電装置１０Ａの定常運転時について説明する。定常運転時は、バイパスライン３０Ａの電磁弁３１は閉じられており、水タンク１３に回収された回収水はポンプ２１により、処理水ライン２０を通り、冷却器２２、入口フィルター２３、重金属用イオン交換樹脂筒２４、電気再生式脱イオン装置１５、イオン交換樹脂筒２６、出口フィルター２７へと、常時定格流量が送られる。
【００２８】
そして、水蒸気分離器１９の水位計の検出値が、所定の水位を維持するように、ポンプ２８の回転数が制御されることにより、水蒸気分離器１９から改質装置１１へ改質蒸気として供給された冷却水およびブローダウン配管３４経由で排出された冷却水に相当する量の処理水が、電池冷却水系１４へ補給される。そして、処理水ライン２０から電池冷却系１４に供給されなかった余剰の処理水は、循環ライン３２により処理水ライン２０の上流側へ戻されてリサイクルされる。
【００２９】
次に、燃料電池発電装置１０Ａの処理水流量の不足時の運転について説明する。燃料電池本体１２が急激な負荷上昇を行ったり、改質装置１１に供給する水蒸気の原燃料に対する割合(スチーム/カーボン比)を一時的に増加させる運転を行った場合などには、改質装置１１で使用される蒸気量が増加し、電池冷却水系１４の水位が急激に減少する場合がある。
【００３０】
このとき、ポンプ２８は給水量を増加させるためにポンプ２８の運転周波数を上昇させるが、ポンプ２８の回転数が所定値に到達しても、水蒸気分離器１９の水位計の検出値が設定値未満の場合、バイパスライン３０Ａ上に設けた電磁弁３１を開いて、ポンプ２１の下流からバイパスライン３０Ａ経由で電気再生式脱イオン装置１５の下流側へ処理水を流す制御を行う。
【００３１】
尚、電磁弁３１を開く際の前記ポンプ２８の回転数の所定値は、ポンプ２８の入口側が負圧となることがない様に設定される。もしくは、補給水ライン２９に流量計を設置し、水蒸気分離器１９の水位に基づいて回転数が制御されるポンプ２８により供給される補給水の流量を、当該流量計により検出して、補給水流量が、処理水流量の定格流量を超えた場合に、電磁弁３１を開く制御を行っても良い。
【００３２】
ここで、本実施形態では、定常運転時、処理水ライン２０と濃縮水ライン３６に流れる水の流量比を５：１とし、ポンプ２１による送水流量を１６０ｋｇ/ｈとしているが、電磁弁３１を開いてバイパスライン３０Ａに通水したときには、処理水ライン２０と濃縮水ライン３６に通水していたときよりも圧力損失が減るため、バイパスライン３０Ａには１６０ｋｇ/ｈよりも大きい流量で通水することが可能となる。
【００３３】
これにより、水蒸気分離器１９の水位を迅速に所定水位に回復させことができるので、電池冷却水系１４の冷却水不足により発電装置が停止したり、処理水流量の不足によりポンプ２８の入口で負圧状態となりキャビテーションを起こしてポンプ２８が損傷するといった問題を回避することができる。その後、水蒸気分離器１９の水位計の検出値が設定値に到達した時、電磁弁３１を閉じて定常運転に戻る。
【００３４】
尚、上記運転により、電気再生式脱イオン装置１５を通らないため純水処理されない回収水が一時的に流れるが、バックアップとして設けてあるイオン交換樹脂筒２６の上流側にバイパスライン３０Ａの下流側端が接続されているので回収水はイオン交換樹脂筒２６により純水処理される。バックアップとしてのイオン交換樹脂筒２６を使用するのは一時的な場合であり、その一時的な処理能力を持った少量の樹脂量を搭載させることで対応が可能である。
なお、イオン交換樹脂筒２６の交換寿命は、電磁弁３１の開いた積算時間を計測することにより、バイパスライン３０Ａから直接イオン交換樹脂筒２６へ流れた処理水の量を算出して把握することが可能である。
【００３５】
以上、説明した本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電装置１０Ａでは、処理水ライン２０に回収水を送水するポンプ２１は、定格運転するものとしたが、これに限られず、ポンプ２１もポンプ２８と同様に可変電圧可変周波数制御（ＶＶＶＦ）可能なポンプとし、燃料電池発電装置１０Ａの出力または水蒸気分離器１９の水位計の検出値に基づいて、送水流量を制御することとしてもよい。この場合、ポンプ２１は、電気再生式脱イオン装置への送水流量が、許容流量を超えない範囲で回転数の制御を行う。
【００３６】
さらに、電磁弁３１に代えて流量制御弁を設け、ポンプ２８の回転数に連動させて流量制御弁の開度を制御することにより、バイパスライン３０Ａに通流させる水の流量を調整することとしてもよい。あるいは、電磁弁３１に代えて、バイパスライン３０Ａの上流側端と処理水ライン２０との接続点に三方弁を設け、ポンプ２８の回転数に連動させて三方弁の開度を制御することにより、バイパスライン３０への通水流量を調整することとしてもよい。
（第２実施形態）
次に、図面に基づいて、本発明の第２実施形態について以下に述べる。なお、前述した第１実施形態にかかる燃料電池発電装置１０Ａと共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。
【００３７】
図２に示すように、第２実施形態にかかる燃料電池発電装置１０Ｂでは、バイパスライン３０Ｂの上流側端が、ポンプ２１よりも処理水ライン２０の上流側に接続されており、バイパスライン３０Ｂには、電磁弁３１の上流側にポンプ３８が設けられている点で第１実施形態と相違している。本実施形態においても、電池冷却水系１４への補給水の必要流量が電気再生式脱イオン装置１５の通水許容流量を越える場合に、第１実施例と同様にバイパスライン３０Ｂに設けた電磁弁３１を開く。
【００３８】
さらに、本実施形態では、電磁弁３１を開くと同時にポンプ２５の運転を開始する。これにより、電気再生式脱イオン装置１５の通過処理水量は変動させることなく、一時的な流量増加分を、ポンプ２５による送水分により賄うことができる。すなわち、第１実施形態では、一時的に定格流量以上の補給水が必要となった場合、ポンプ２１により処理水ライン２０に流入した回収水の一部をバイパスライン３０Ａに分流させていたが、本実施形態では、バイパスライン３０Ｂへの通水時も、電気再生式脱イオン装置１５の通過処理水量は定格流量を維持することができるので、第１実施例の場合よりも、電気再生式脱イオン装置１５をバイパスして供給される補給水量を少なくでき、イオン交換樹脂筒２６の劣化および電池冷却水系の水質低下を抑制することができる。
【００３９】
尚、バイパスライン３０Ｂに設けられたポンプ３８は、可変電圧可変周波数制御（ＶＶＶＦ）可能なポンプであってもよく、この場合、ポンプ２８の回転数に連動して、ポンプ２８の送水流量と処理水ライン２０から供給される処理水の定格流量の差分を送水するように回転数を制御することとすれば、電気再生式脱イオン装置をバイパスして供給される回収水の流量を最低限に抑えることができる。
【符号の説明】
【００４０】
１０      燃料電池発電装置
１１      改質装置
１２      燃料電池本体
１３      水タンク
１４      電池冷却水系
１５      電気再生式脱イオン装置
２１      ポンプ（第１のポンプ）
２６      イオン交換樹脂筒
２８      ポンプ（第２のポンプ）
３０      バイパスライン
３１      電磁弁（弁）
３２      循環ライン
３３      エジェクタ
３４      ブローダウン配管
３５      逆止弁
３６     濃縮水ライン
３７      制御装置
３８     ポンプ
【図１】
2011216409.tif 000003
【図２】
2011216409.tif 000004
【図３】
2011216409.tif 000005