(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスを含む燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池発電装置と、この燃料電池発電装置において発電時に生成する熱を利用して加温した温水を貯留する温水貯留槽と、温水貯留槽に補給水を供給する補給水供給経路とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
燃料電池発電装置は、燃料電池本体と、この燃料電池本体の温度を調整する冷却水循環経路と、燃料電池本体から排出される排ガス中の水蒸気を凝縮させて回収する水回収熱交換器と、この熱交換器により回収した給水を処理して冷却水として冷却水循環経路に供給する水処理装置と、冷却水を利用して水を加温し温水とする加温手段とを備え、
水回収熱交換器が、排ガス中の水蒸気を、補給水供給経路を流れる補給水により冷却して凝縮させることができるように構成されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
水素ガスを含む燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池発電装置と、この燃料電池発電装置において発電時に生成する熱を利用して加温した温水を貯留する温水貯留槽と、温水貯留槽に補給水を供給する補給水供給経路とを備えた燃料電池発電システムを運転する方法であって、
燃料電池発電装置が、燃料電池本体と、この燃料電池本体の温度を調整する冷却水循環経路と、燃料電池本体から排出される排ガス中の水蒸気を凝縮させて回収する水回収熱交換器と、この熱交換器により回収した給水を処理して冷却水として冷却水循環経路に供給する水処理装置と、冷却水を利用して水を加温し温水とする加温手段とを備えたものであり、
水回収熱交換器において、排ガス中の水蒸気を、補給水供給経路を流れる補給水により冷却して凝縮させることを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、天然ガス等の燃料を水蒸気改質して水素ガスを含む燃料ガスを生成させ、この燃料ガスを空気中の酸素等の酸化性ガスと電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を用いた定置型などの発電システムおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池発電システムでは、燃料電池における発電効率を高く維持するために、燃料電池内の温度を調整する冷却水が用いられる。冷却水は、通常、予め脱塩などの処理が施されて使用される。
図２は、従来の燃料電池発電システムを示すもので、この燃料電池発電システムは、水素ガスを含む燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池発電装置１１と、燃料電池発電装置１１において発電時に生成する熱を利用して加温した温水を貯留する温水貯留槽２と、温水貯留槽２に市水などの補給水を供給する補給水供給経路１９とを備えている。
【０００３】
燃料電池発電装置１１は、燃料電池本体３と、燃料電池本体３の温度を調整する冷却水循環経路１４と、燃料電池本体３から排出される排ガス中の水蒸気を凝縮させて回収する水回収熱交換器１５と、この熱交換器１５により回収した回収水を給水として貯留する給水貯留槽６と、貯留槽６内の給水を処理して冷却水として冷却水循環経路１４に供給する水処理装置７と、冷却水を利用して水を加温し温水とする排熱利用熱交換器８と、給水貯留槽６に市水などの補給水を供給する補給水供給経路２０とを備えている。
【０００４】
燃料電池本体３は、燃料極２１と空気極２２とが電解質２３を挟むように電極板２４、２５を介して配置されて構成されている。
水処理装置７としては、給水貯留槽６からの給水中の不純物を除去するイオン交換式水処理装置などが用いられる。
温水貯留槽２は、槽内の温水を熱利用設備（図示略）に供給することができるようになっている。
【０００５】
上記燃料電池発電システムにおいては、改質器（図示略）において、天然ガス等の燃料を水蒸気改質して水素ガスを含む燃料ガスを生成させ、この燃料ガスを燃料ガス供給経路２６を通して燃料極２１に供給するとともに、空気などの酸化性ガスを、酸化性ガス供給経路２７を通して空気極２２に供給し、これら燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させ、発電を行う。
改質器からの燃料系排ガスは、排出経路２８を通して水回収熱交換器１５を経由して系外に排出される。また空気極２２からの酸化系排ガスは、排出経路２９を通して排出経路２８内の燃料系排ガスに合流し、熱交換器１５を経て系外に排出される。
【０００６】
冷却水循環経路１４では、冷却水が循環することによって、燃料電池本体３が予め設定された温度を維持するように冷却され、この際、冷却水は加温されて高温（通常６０〜８０℃）となり排熱利用熱交換器８に導入される。
排熱利用熱交換器８では、高温の冷却水により温水貯留槽２内の水が加温され５０〜６０℃程度の温水となる。排熱利用熱交換器８を経た冷却水は、経路１６を経て水回収熱交換器１５に導入され、経路１７を経て給水貯留槽６に導入される。
水回収熱交換器１５では、排出経路２８内の燃料系および酸化系排ガス中の水蒸気が冷却水によって冷却され凝縮し、凝縮水は経路１２を通して給水貯留槽６に回収される。また給水貯留槽６内の給水が不足した場合には、市水などの補給水が補給水供給経路２０を通して不足分を補うように供給される。
給水貯留槽６内の給水には、市水などの補給水等に由来する炭酸イオン、金属イオン等の不純物が混入するため、給水は、水処理装置７によって不純物を除去した後に、供給経路１３を通して冷却水として燃料電池本体３内の冷却水循環経路１４に供給する。これによって冷却水循環経路１４におけるスケール発生等を防ぐことができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記燃料電池発電システムでは、水処理装置７に与えられる負荷が大きいため水処理装置７として複雑かつ大型のものを使用する必要があり、設備コストが高騰する問題があった。またイオン交換樹脂の再生処理コストなどの運転コストが嵩むという問題があった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、設備コストおよび運転コストの削減が可能となる燃料電池発電システムおよびその運転方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池発電システムは、水素ガスを含む燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池発電装置と、この燃料電池発電装置において発電時に生成する熱を利用して加温した温水を貯留する温水貯留槽と、温水貯留槽に補給水を供給する補給水供給経路とを備え、燃料電池発電装置が、燃料電池本体と、この燃料電池本体の温度を調整する冷却水循環経路と、燃料電池本体から排出される排ガス中の水蒸気を凝縮させて回収する水回収熱交換器と、この熱交換器により回収した給水を処理して冷却水として冷却水循環経路に供給する水処理装置と、冷却水を利用して水を加温し温水とする加温手段とを備え、水回収熱交換器が、排ガス中の水蒸気を、補給水供給経路を流れる補給水により冷却して凝縮させることができるように構成されていることを特徴とする。
本発明の燃料電池発電システムの運転方法は、上記燃料電池発電システムを運転する方法であって、水回収熱交換器において、排ガス中の水蒸気を、補給水供給経路を流れる補給水により冷却して凝縮させることを特徴とする運転方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料電池発電システムの一実施形態を示すもので、ここに示す燃料電池発電システムは、水素ガスを含む燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池発電装置１と、燃料電池発電装置１において発電時に生成する熱を利用して加温した温水を貯留する温水貯留槽２と、温水貯留槽２に市水などの補給水を供給する補給水供給経路９とを備えている。
【００１０】
燃料電池発電装置１は、燃料電池本体３と、燃料電池本体３の温度を調整する冷却水循環経路４と、燃料電池本体３から排出される排ガス中の水蒸気を凝縮させて回収する水回収熱交換器５と、この熱交換器５により回収した回収水を給水として貯留する給水貯留槽６と、貯留槽６内の給水を処理して冷却水として冷却水循環経路４に供給する水処理装置７と、冷却水を利用して水を加温し温水とする加温手段である排熱利用熱交換器８と、給水貯留槽６に市水などの補給水を供給する補給水供給経路１０とを備えている。
【００１１】
燃料電池本体３は、燃料極２１と空気極２２とが電解質２３を挟むように電極板２４、２５を介して配置されて構成されている。
水処理装置７としては、給水貯留槽６からの給水中の不純物を除去するイオン交換式脱塩装置などが用いられる。
温水貯留槽２は、槽内の温水を熱利用設備（図示略）に供給することができるようになっている。
【００１２】
本実施形態の燃料電池発電システムにおいて、水回収熱交換器５は、補給水供給経路９に設けられており、燃料極２１および空気極２２から排出経路２８、２９を通して排出された排ガス中の水蒸気を、補給水により冷却して凝縮させ、回収することができるようになっている。
【００１３】
以下、上記燃料電池発電システムの使用方法について説明する。
この燃料電池発電システムにおいては、改質器（図示略）において、天然ガス等の燃料を水蒸気改質して水素ガスを含む燃料ガスを生成させ、この燃料ガスを燃料ガス供給経路２６を通して燃料極２１に供給するとともに、空気などの酸化性ガスを、酸化性ガス供給経路２７を通して空気極２２に供給し、これら燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させ、発電を行う。
改質器からの燃料系排ガスは、排出経路２８を通して水回収熱交換器５を経由して系外に排出される。また空気極２２からの酸化系排ガスは、排出経路２９を通して排出経路２８に合流し、熱交換器５を経て系外に排出される。
【００１４】
冷却水循環経路４では、冷却水が循環することによって、燃料電池本体３が予め設定された温度を維持するように冷却され、この際、冷却水は加温されて高温（通常６０〜８０℃）となり排熱利用熱交換器８に導入される。
排熱利用熱交換器８では、高温の冷却水により温水貯留槽２内の水が加温され５０〜６０℃程度の温水となるとともに、冷却水の温度は５０〜６０℃程度となる。
排熱利用熱交換器８を経た冷却水は、経路１８を通して給水貯留槽６に送られる。
【００１５】
給水貯留槽６内の水量が不足した場合には、補給水供給経路１０を通して市水などの補給水を給水貯留槽６に供給する。
熱利用設備（図示略）への温水供給によって温水貯留槽５内の水量が不足した場合には、補給水供給経路９を通して市水などの補給水を温水貯留槽２に供給する。市水の温度は、通常、５〜２５℃である。
【００１６】
水回収熱交換器５では、排出経路２８内の燃料系および酸化系排ガス中の水蒸気が補給水供給経路９を流れる補給水により冷却され凝縮し、凝縮水は経路１２を通して給水貯留槽６に回収される。
【００１７】
給水貯留槽６内の給水は、経路３０を通して水処理装置７に導入し、ここで脱塩などの処理を行った後、供給経路１３を通して冷却水として燃料電池本体３内の冷却水循環経路４に供給する。これによって、市水などの補給水等に由来する炭酸イオン、金属イオン等の不純物を除去することができる。
【００１８】
本実施形態の燃料電池発電システムにおいては、水回収熱交換器５が、補給水供給経路９に設けられており、排出経路２８、２９を通して排出された排ガス中の水蒸気を、補給水供給経路９を流れる低温の補給水により冷却して凝縮させることができるようになっているので、比較的高温となる冷却水によって排ガス中の水蒸気を凝縮させる方式の従来の燃料電池発電システム（図２を参照）に比べ、排ガス中の水蒸気の冷却効率を高め、イオンなどの不純物濃度が低い蒸留水である凝縮水の回収量を多くすることができる。
よって、給水貯留槽６内の不純物濃度を低くし、水処理装置７に与えられる脱塩処理等の負荷を軽減することができる。
従って、水処理装置７の処理能力を低く設定することができ、水処理装置７に要する設備コストを削減し、かつイオン交換樹脂の再生処理コストなどの運転コストを低く抑えることができる。
また水処理装置７の処理能力を低く設定することができることから、装置を小型化し、その設置スペースを小さくすることができる。
また、凝縮水の回収量を高めることができることから、補給水供給経路１０を通して給水貯留槽６に供給される補給水量を削減し、補給水に要するコストを低く抑えることができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池発電システムは、水回収熱交換器が、排ガス中の水蒸気を、補給水供給経路を流れる低温の補給水により冷却して凝縮させることができるように構成されているので、比較的高温となる冷却水によって排ガス中の水蒸気を凝縮させる水回収熱交換器を有する従来の燃料電池発電システムに比べ、排ガス中の水蒸気の冷却効率を高め、イオンなどの不純物濃度が低い蒸留水である凝縮水の回収量を多くし、水処理装置に与えられる脱塩処理等の負荷を軽減することができる。
従って、水処理装置の処理能力を低く設定することができ、水処理装置に要する設備コストおよび運転コストを低く抑え、しかも装置の設置スペースを小さくすることができる。
また、凝縮水の回収量を高めることができることから、補給水に要するコストを低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】   本発明の燃料電池発電システムの一実施形態を示す構成図である。
【図２】   従来の燃料電池発電システムの一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１・・・燃料電池発電装置、２・・・温水貯留槽、３・・・燃料電池本体、４、冷却水循環経路、５・・・水回収熱交換器、７・・・水処理装置、８・・・排熱利用熱交換器（加温手段）、９・・・補給水供給経路
【図１】
0004660889.tif 000002
【図２】
0004660889.tif 000003