(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料燃料を改質し改質ガスを生成する改質装置と；
前記改質ガスから回収した回収水と酸化剤ガスとを導入し、前記回収水により前記酸化剤ガスを加湿し、導出する酸化剤ガス加湿装置と；
前記生成された改質ガスと、前記導出された酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電し、前記生成された改質ガスからアノードオフガスを生成し、前記導出された酸化剤ガスからカソードオフガスを生成する燃料電池と；
前記燃料電池を冷却し前記燃料電池から導出された冷却水から回収熱を回収する温水を貯える貯湯装置とを備え；
前記改質装置は、前記アノードオフガスを導入して燃焼し、燃焼排ガスを生成し；
前記貯湯装置の温度が所定の値を下回る場合、前記燃焼排ガスと前記カソードオフガスの少なくともどちらか一方である加熱ガスを前記酸化剤ガス加湿装置の熱源として利用し、前記温度が所定の値を上回る場合、前記導出された冷却水を前記酸化剤ガス加湿装置の熱源として利用するよう制御する制御装置と；
前記加熱ガスの流れを設定する加熱ガス流れ設定装置と；
前記導出された冷却水の流れを設定する冷却水流れ設定装置とをさらに備え；
前記制御装置による前記加熱ガス流れ設定装置および前記冷却水流れ設定装置の開閉位置切替制御によって、前記貯湯装置の下部の温度が所定の値を下回る場合、前記導出された冷却水の排熱を前記温水を介して前記貯湯装置に回収して回収熱として貯え、前記導出された冷却水を冷却し、前記下部の温度が所定の値を上回る場合、前記導出された冷却水の排熱を前記回収水を介して前記酸化剤ガス加湿装置により回収することにより、前記燃料電池を前記導出された冷却水によって連続的に冷却し、前記燃料電池の排熱を連続して回収する；
燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項２】
前記導出された冷却水と前記温水とが導入され、前記導出された冷却水が前記温水を加熱する第１の熱交換装置と、前記加熱ガスまたは前記第１の熱交換装置を出た冷却水と前記回収水とが導入され、前記加熱ガスまたは前記第１の熱交換装置を出た冷却水が前記回収水を加熱する第２の熱交換装置とを備え；
前記加熱ガス流れ設定装置は、前記温度が所定の値を下回る場合、前記加熱ガスが前記第２の熱交換装置に導入されるように前記加熱ガスの流れを設定し、前記温度が所定の値を上回る場合、前記加熱ガスが前記第２の熱交換装置をバイパスするように前記加熱ガスの流れを設定し；
前記冷却水流れ設定装置は、前記温度が所定の値を下回る場合、前記第１の熱交換装置を出た冷却水が前記第２の熱交換装置をバイパスするように前記導出された冷却水の流れを設定し、前記温度が所定の値を上回る場合、前記第１の熱交換装置を出た冷却水が前記第２の熱交換装置に導入されるように前記導出された冷却水の流れを設定する；
請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項３】
前記貯湯装置に配置された、該貯湯装置内の温度を測定する温度計を備え；
前記制御装置が、前記温度計が検出した前記温度により、前記加熱ガス流れ設定装置の前記切替制御と前記加熱ガス流れ設定装置の前記切替制御とを行う ；
請求項１または請求項２に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池コージェネレーションシステムに関し、特に、酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿装置を備えた燃料電池コージェネレーションシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ガス、ＬＰＧ、消化ガス、メタノール、ＧＴＬや灯油のような原料燃料を改質装置を介して水素に富む改質ガスを生成し燃料電池の燃料極に供給すると共に、空気等の酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池の空気極に供給して電気化学的反応により発電し、発電電力と、熱エネルギーとして燃料電池の発電排熱等の排熱を回収して供給する燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、高い発電効率と排熱回収効率だけでなく高いシステム稼働率を達成することが、該システムの経済性にとってきわめて重要である。従来の燃料電池コージェネレーションシステムでは、排熱を蓄熱する貯湯タンクが満蓄すると燃料電池を所定の作動温度に冷却することができなくなるので、システムを停止するか、またはラジエータを設けてこれを作動させるようにしていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特に排熱回収効率の高い燃料電池コージェネレーションシステムが例えば夏季における場合、貯湯タンクが早く満蓄するので頻繁にシステムを停止するかラジエータを作動させざるを得ない。かくしてシステムの稼働率が低下し、消費電力が増大するという課題があった。
本発明は、斯かる実情に鑑み、高い発電効率および排熱回収効率と共に、高いシステム稼働率を達成できる燃料電池コージェネレーションシステムを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の態様に係る発明による燃料電池コージェネレーションシステム１は、例えば、図１、図２に示すように、原料燃料２を改質し改質ガス３を生成する改質装置７と；改質ガス３から回収した回収水４２Ａと酸化剤ガス６１とを導入し、回収水４２Ａにより酸化剤ガス６１を加湿し、導出する酸化剤ガス加湿装置７０と；生成された改質ガス３と、導出された酸化剤ガス６１との電気化学的反応により発電し、生成された改質ガス３からアノードオフガス２１を生成し、導出された酸化剤ガス６１からカソードオフガス２２を生成する燃料電池２０と；燃料電池２０を冷却し燃料電池２０から導出された冷却水２４から回収した回収熱を貯える貯湯装置１２０とを備え；改質装置７は、アノードオフガス２１を導入して燃焼し、燃焼排ガス６を生成し；貯湯装置１２０の温度が所定の値を下回る場合、燃焼排ガス６とカソードオフガス２２の少なくともどちらか一方である加熱ガス６３を酸化剤ガス加湿装置７０の熱源として利用し、前記温度が所定の値を上回る場合、導出された冷却水２４を酸化剤ガス加湿装置７０の熱源として利用するよう制御する制御装置１２２をさらに備える。貯湯装置１２０の温度が所定の値を下回る場合とは、貯湯装置１２０が満蓄していない場合であり、貯湯装置１２０の温度が所定の値を上回る場合とは、貯湯装置１２０が満蓄している場合である。
【０００５】
このように構成すると、制御装置１２２を備えるので、貯湯装置１２０の温度が所定の値を下回る場合、加熱ガス６３を酸化剤ガス加湿装置７０の熱源として利用して加熱ガス６３の排熱を回収し、貯湯装置１２０の温度が所定の値を上回る場合、燃料電池２０より導出された冷却水２４を酸化剤ガス加湿装置７０の熱源として利用して冷却水２４の排熱を回収するよう制御することができ、高い発電効率および排熱回収効率を達成し、高いシステム稼働率を達成できる燃料電池コージェネレーション１とすることができる。
【０００６】
また、貯湯装置１２０の温度が所定の値を下回る場合、燃料電池２０からの冷却水２４の排熱を貯湯装置１２０に回収して回収熱として貯えれば、冷却水２４を冷却することができ、貯湯装置１２０の温度が所定の値を上回る場合、燃料電池２０からの冷却水２４を酸化剤ガス加湿装置７０の熱源として利用し、冷却水２４の排熱を酸化剤ガス加湿装置により回収することにより、燃料電池２０を冷却水２４によって連続的に冷却し、燃料電池２０の排熱を連続的に回収することができ、よって高い発電効率および排熱回収効率を達成し、高いシステム稼働率を達成することができる。貯湯装置１２０の温度は、最も温度が低い貯湯装置１２０の下部の温度とするとよい。
【０００７】
第２の態様に係る発明による燃料電池コージェネレーションシステム１は、第１の態様に記載の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、例えば、図１、図２に示すように、回収水４２が導入される熱交換装置８３を備え；前記温度が所定の値を下回る場合、酸化剤ガス加湿装置７０の熱源として利用する加熱ガス６３を熱交換装置８３に導入し、導入された回収水４２を加熱し；前記温度が所定の値を上回る場合、導出された冷却水２４を熱交換装置８３に導入し、導入された回収水４２を加熱する。
【０００８】
このように構成すると、熱交換装置８３を備えるので、熱交換装置８３で、貯湯装置１２０の温度が所定の値を下回る場合、回収水４２で加熱ガス６３の排熱を回収し、前記温度が所定の値を上回る場合、回収水４２で冷却水２４の排熱を回収し、貯湯装置１２０の温度にかかわらず熱交換装置８３によってシステムの排熱を回収し、システムの稼働を継続することができる。
【０００９】
第３の態様に係る発明による燃料電池コージェネレーションシステム１は、第２の態様に記載の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、例えば、図１、図２に示すように、前記温度が所定の値を下回る場合、加熱ガス６３が熱交換装置８３に導入されるように加熱ガス６３の流れを設定し、前記温度が所定の値を上回る場合、加熱ガス６３が熱交換装置８３に導入されないように加熱ガス６３の流れを設定する加熱ガス流れ設定装置１２７、１２８を備え；制御装置１２２が加熱ガス流れ設定装置１２７、１２８の設定を制御する。加熱ガス流れ設定装置１２７、１２８は、前記温度が所定の値を上回る場合、典型的には加熱ガス６３が熱交換装置８３に導入されず、直接系外１０２へ排出されるよう加熱ガス６３の流れを設定する。
【００１０】
第４の態様に係る発明による燃料電池コージェネレーションシステム１は、第２の態様または第３の態様に記載の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、例えば、図１、図２に示すように、前記温度が所定の値を下回る場合、導出された冷却水２４が熱交換装置８３に導入されないように導出された冷却水２４の流れを設定し、前記温度が所定の値を上回る場合、導出された冷却水２４が熱交換装置８３に導入されるように導出された冷却水２４の流れを設定する冷却水流れ設定装置１２６、１２８を備え；制御装置１２２が冷却水流れ設定装置１２６、１２８の設定を制御する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。図１、図２は、発明を実施する形態の一例であって、図中、同一または類似の符号を付した部分は同一物または相当物を表わし、重複した説明は省略する。
【００１２】
図１、図２は、本発明による実施の形態である燃料電池コージェネレーションシステム１の模式的ブロック図である。燃料電池コージェネレーションシステム１は、改質装置７と、冷却水流路３１と燃料極３２と空気極３３とを有する燃料電池２０と、酸化剤ガス加湿装置としての気液接触塔７０と、温度計１２４を有し温水４３を貯える貯湯装置としての貯湯タンク１２０と、制御装置としての制御部１２２と、第１の熱交換装置としての熱交換器８３、第２の熱交換装置としての熱交換器１１０、熱交換装置としての熱交換器１１４と、冷却水流れ設定装置としての三方電磁弁１２６、加熱ガス流れ設定装置としての三方電磁弁１２７、加熱ガス流れ設定装置としておよび冷却水流れ設定装置としての三方電磁弁１２８と、気液分離器４５、５５、８９と、ブロア８４、ポンプ８２、８５、１０８、１２５と、純水装置８６と、水処理装置９３とを備える。
【００１３】
なお、図１と図２は、三方電磁弁１２６、１２７、１２８の開閉状態が後述のように異なるが構成は同じである。
すなわち、図１における三方電磁弁１２６、１２７、１２８の開閉状態は、貯湯タンク１２０の下部温度(温水４３の温度)が所定の値(３５〜４５℃の間のある値)を下回る場合を示し、図２における三方電磁弁１２６、１２７、１２８の開閉状態は、貯湯タンク１２０の下部温度が前述の所定の値を上回る場合を示す。三方電磁弁１２６、１２７、１２８の開閉状態の切り替えの制御は、貯湯タンク１２０の下部温度を計測する温度計１２４により計測された温度に基づき制御部１２２が行う。温度計１２４からの温度信号ｉ１は制御部１２２に送られる。三方電磁弁１２６、１２７、１２８の切替信号ｉ２、ｉ３、ｉ４は制御部１２２から送られる。
【００１４】
改質装置７は、天然ガス、ナフサ、メタノール、灯油のような原料燃料２と、純水装置８６から送出される改質装置供給水６５(改質用水)を導入し、改質反応によって、水素を主成分とする水素含有ガスとしての改質ガス３を生成する。改質装置７で生成された改質ガス３は、熱交換器１１４を経て、燃料電池２０の燃料極３２に送出される。熱交換器１１４に入る前の改質ガス３の温度は、６５〜１００℃、熱交換器１１４を出る改質ガス３の温度は、５０〜６５℃である。改質装置７は、さらに空気４(燃焼用空気)と、燃料極３２から排出される後述のアノードオフガス２１を、燃焼部(不図示)に導入して燃焼し、燃焼排ガス６を発生させる。燃焼排ガス６の排出先については後述する。改質装置７の起動時や改質反応に必要な改質熱が不足する時には、燃焼燃料５を改質装置７の補助燃料として燃焼部に供給し燃焼させることができる。ここで述べた燃焼部での燃焼により発生する熱は、原料燃料２の改質反応の改質熱として利用される。
【００１５】
燃料電池２０は、例えば積層型の固体高分子形燃料電池を使用することができる。空気極３３は、気液接触塔７０から熱交換器１１４を経て送出される酸化剤ガス６１を導入する。冷却水流路３１は、ポンプ１０８から圧送されて熱交換器１１４を経て供給される冷却水としてのスタック冷却水２４を導入する。燃料極３２には、改質装置７で生成され熱交換器１１４を経て供給される改質ガス３を導入する。燃料電池２０は、酸化剤ガス６１と、改質ガス３との、電気化学的反応により電力を出力する。燃料電池２０の空気極３３からカソードオフガス２２が排出され、冷却水流路３１から燃料電池２０を冷却した後のスタック冷却水２４が排出され、燃料極３２からアノードオフガス２１が排出される。
【００１６】
燃料電池２０の空気極３３から排出されたカソードオフガス２２と、改質装置７から排出された燃焼排ガス６とは混合し、加熱ガスとしての混合ガス６３となる。三方電磁弁１２７と、熱交換器８３と、三方電磁弁１２８と、気液分離器８９とは、混合ガス６３が流れる流路に、この順序で配置されている。
【００１７】
三方電磁弁１２７は、混合ガス６３を改質装置７／空気極３３から熱交換器８３に送出する開閉状態(ｂ１)(図１参照)と、改質装置７／空気極３３を出た混合ガス６３を系外１０２に排ガス６４として排気する開閉状態(ｂ２)(図２参照)との間の切り替えが可能であるよう構成されている。
【００１８】
三方電磁弁１２８は、混合ガス６３を熱交換器８３から気液分離器８９に送出する開閉状態(ｃ２)(図１参照)と、スタック冷却水２４を熱交換器８３からポンプ１０８に送出する開閉状態(ｃ１)(図２参照)と間の切り替えが可能であるよう構成されている。図２の場合、スタック冷却水２４が熱交換器８３を通過して流れる理由は後述する。
【００１９】
熱交換器８３は、貯湯タンク１２０の下部温度が所定の値を下回る場合(図１の場合)は、三方電磁弁１２７がｂ１の開閉位置にあり、三方電磁弁１２６が後述のようにａ１の開閉位置にあるので混合ガス６３を導入し、顕熱および潜熱の一部を気液接触塔７０から供給された回収水４２と熱交換する。熱交換器８３に入る前の混合ガス６３の温度は、６０〜８０℃であり、熱交換器８３を出る混合ガス６３の温度は、３５〜５５℃である。また、この場合の熱交換器８３に入る前の回収水４２の温度は、３０〜５０℃であり、熱交換器８３を出る回収水４２の温度は、５５〜７０℃である。
【００２０】
熱交換器８３は、貯湯タンク１２０の下部温度が所定の値を上回る場合(図２の場合)は、三方電磁弁１２７がｂ２の開閉位置にあり、三方電磁弁１２６が後述のようにａ２の開閉位置にあるので、スタック冷却水２４を導入し、混合ガス６３の導入をブロックし、スタック冷却水２４の顕熱の一部を気液接触塔７０から供給された回収水４２と熱交換する。熱交換器８３に入る前のスタック冷却水２４の温度は、５５〜７５℃であり、熱交換器８３を出るスタック冷却水２４の温度は、５０〜７０℃である。また、この場合の熱交換器８３に入る前の回収水４２の温度は、３０〜５０℃であり、熱交換器８３を出る回収水４２の温度は、５５〜７０℃である。
【００２１】
気液分離器８９は、図１の場合に混合ガス６３が導入され、混合ガス６３と混合ガス６３中に含まれる凝縮した回収水４２Ｃとを分離する。回収水４２Ｃが分離され、気液分離器８９を出た混合ガス６３は、系外１０２に排ガス６４として排気される。分離された回収水４２Ｃは、気液接触塔７０へ送出される。図２の場合は、三方電磁弁１２８はｃ１の開閉位置にあるので、三方電磁弁１２８の気液分離部８９側には流体は供給されない。
【００２２】
燃料電池２０の燃料極３２から排出されたアノードオフガス２１は、改質装置７の燃焼部(不図示)に送出され、燃焼される。
【００２３】
燃料電池２０の冷却水流路３１から排出されるスタック冷却水２４が流れる流路には、熱交換器１１０と、三方電磁弁１２６と、ポンプ１０８が、この順序で配置されている。熱交換器１１０には、貯湯タンク１２０に貯えられている温水４３がポンプ１２５によって昇圧されて送出される。熱交換器１１０で温水４３は、図１の場合は、スタック冷却水２４により加熱されスタック冷却水２４中の排熱を回収し、加熱され排熱を回収した温水４３は貯湯タンク１２０に戻され、排熱は貯湯タンク１２０に回収熱として貯えられる。すなわち、温水４３は、ポンプ１２５、貯湯タンク１２０、熱交換器１１０間を循環する。また、この場合は、熱交換器１１０に入る前のスタック冷却水２４の温度は、６０〜８０℃であり、熱交換器１１０を出るスタック冷却水２４の温度は、５０〜７０℃である。熱交換器１１０に入る前の温水４３の温度は、５〜４５℃であり、熱交換器１１を出る温水の温度は、６０〜８０℃である。
【００２４】
三方電磁弁１２６は、熱交換器１１０を出たスタック冷却水２４をポンプ１０８に送出する開閉状態(ａ１)(図１参照)と、スタック冷却水２４を熱交換器１１０から熱交換器８３に送出する開閉状態(ａ２)(図２参照)との間の切り替えが可能なように構成されている。
【００２５】
図１の場合は、スタック冷却水２４は燃料電池２０の冷却水流路３１から、熱交換器１１０に供給され、熱交換器１１０でスタック冷却水２４と温水４３との間の熱交換が行われ、温水４３がスタック冷却水２４で加熱され、温水４３によってスタック冷却水２４が冷却され、スタック冷却水２４中の排熱が温水４３によって回収される。排熱が回収されたスタック冷却水２４は、三方電磁弁１２６がａ１の開閉位置にあるので、三方電磁弁１２６を経由してポンプ１０８に送出され、ポンプ１０８から熱交換器１１４に送出され、熱交換器１１４から燃料電池２０の冷却水流路３１に供給される。熱交換器１１４に入る前のスタック冷却水２４の温度は、５０〜７０℃、熱交換器１１４を出るスタック冷却水２４の温度は、５５〜７５℃である。
【００２６】
図２の場合は、スタック冷却水２４は、燃料電池２０の冷却水流路３１から、熱交換器１１０に送られ、熱交換器１１０から三方電磁弁１２６に送出され、三方電磁弁１２６がａ２の開閉位置にあるので、三方電磁弁１２６から三方電磁弁１２７と熱交換器８３を結ぶ流路に送出され、熱交換器８３に送出される。スタック冷却水２４は、さらに熱交換器８３から三方電磁弁１２８に送出され、三方電磁弁１２８がｃ１の開閉位置にあるので、三方電磁弁１２８からポンプ１０８へ送出され、ポンプ１０８から熱交換器１１４に送出され、熱交換器１１４から燃料電池２０の冷却水流路３１に供給される。
【００２７】
熱交換器１１４は、燃料電池２０の冷却水流路３１から排出されるスタック冷却水２４と、気液接触装置７０から送出される酸化剤ガス６１とを熱交換し、さらにスタック冷却水２４と、改質装置７から送出される改質ガス３とを熱交換する。改質ガス３はスタック冷却水２４で冷却され温度および露点が適宜調整され、酸化剤ガス６１もスタック冷却水２４で冷却される。熱交換器１１４に入る前の酸化剤ガス６１の温度は、５５〜８５℃、熱交換器１１４を出る酸化剤ガス６１の温度は、５０〜７０℃である。
【００２８】
スタック冷却水２４で冷却された改質ガス３は、気液分離器４５へ送出され、気液分離器４５から燃料電池２０の燃料極３２に供給される。スタック冷却水２４で冷却された酸化剤ガス６１は、気液分離器５５へ送出され、気液分離器５５から燃料電池２０の空気極３３に供給される。
【００２９】
気液分離器４５は、改質装置７から送出され、熱交換器１１４によって冷却された改質ガス３から回収水４２Ａを回収する。回収された回収水４２Ａは、気液分離器４５から気液接触装置７０へ供給される。
【００３０】
気液分離器５５は、気液接触塔７０からブロワ８４によって送出され、熱交換器１１４によって冷却された酸化剤ガス６１から回収水４２Ｂを回収する。回収された回収水４２Ｂは、気液分離部５５から気液接触塔７０に送出される。
【００３１】
気液接触塔７０は、その下部に、供給された回収水４２を貯える貯液部７１と、気液分離部４５、５５、８９から送出された回収水４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃが入る回収水入口７３と、ポンプ８２、８５によって回収水４２が外に向けて吸引される回収水吸引口７４と、所定の水位レベルを超える回収水４２が溢れ出て流れ込む溢流管７５とを配置し、回収水４２が溢流管７５に溢れて流れ込む溢流口７６と、酸化剤ガス６１が入り込む酸化剤ガス入口７２を溢流口７６の上方に有する。回収水４２は溢流管７５から気液接触塔７０の系外に流れ出る。気液接触塔７０は上部に、酸化剤ガス６１が燃料電池２０の空気極３３に向けて流れ出る酸化剤ガス出口７７と、熱交換器８３から戻った回収水４２が注入される回収水注入口７８と、回収水注入口７８に注入された回収水４２を細かい水滴として貯液部７１内に撒き散らす水分散器７９とを有する。所定の水位レベルとは、溢流口７６が設定された水位レベルである。
【００３２】
気液接触塔７０は、その中部に、注入された回収水４２と酸化剤ガス６１との気液接触を促進するための充填物を充填した充填部８０と、充填部８０を支持する充填物支持板８１とを有する。また、気液接触塔７０は、上部に配置する水分散器７９と酸化剤ガス出口７７との間に、デミスタ９１を設け、このデミスタ９１により中央部の充填部８０から上昇する酸化剤ガス６１によってキャリーオーバされたミストを除去する。
【００３３】
回収水４２は、ポンプ８２によって貯液部７１の回収水吸引口７４より水処理装置９３を経て熱交換器８３に送出され、混合ガス６３(図１の場合)あるいはスタック冷却水２４(図２の場合)との熱交換により加熱昇温された後に、気液接触塔７０上部の水分散器７９に供給され、水分散器７９によって充填部８０に分散してまかれる。このように回収水４２は、回収水吸引口７４、ポンプ８２、水処理装置９３、熱交換器８３、回収水注入口７８、水分散器７９、充填部８０を繋ぐ流路を通して循環されている。
【００３４】
酸化剤ガス６１を熱交換器１１４に圧送するブロワ８４は、気液接触塔７０の酸化剤ガス出口７７に接続し、気液接触塔７０内に酸化剤ガス６１を吸引し、気液接触塔７０内部を加圧することはない。酸化剤ガス入口７２から吸引された酸化剤ガス６１と、回収水注入口７８から注入された回収水４２は、充填部８０にて向流接触することにより、酸化剤ガス６１が回収水４２によって洗浄されると共に、昇温および加湿される。気液接触塔７０に入る酸化剤ガス６１の温度は、５〜４０℃であり、気液接触塔７０を出る酸化剤ガス６１の温度は、５０〜６５℃である。
【００３５】
気液接触塔７０内の回収水４２は、酸化剤ガス６１によって脱炭酸され、冷却される。回収水４２の脱炭酸処理工程により少量の炭酸ガスが酸化剤ガス６１に混入するが、炭酸ガスが燃料電池２０内の空気極触媒(不図示)に対する触媒被毒作用をほとんど有しないので、燃料電池２０の劣化や寿命に影響することはない。なお、本実施の形態で例示する酸化剤ガス入口７２は、大気開放されているので、大気中の空気を酸化剤ガス６１として用いることができる。
【００３６】
気液接触塔７０内で脱炭酸された回収水４２は、回収水吸引口７４に接続する改質装置供給水６５としてのポンプ８５によりイオン交換樹脂充填カラム８７を有する純水装置８６に送られる。改質装置供給水６５は、純水装置８６内でイオン交換樹脂充填カラム８７により純水に精製された後に、改質装置７に液送される。また、純水装置８６内にはイオン交換樹脂充填カラム８７の次段に固形物フィルタ８８を設けても良い。
【００３７】
本実施の形態では、循環用のポンプ８５を用いて改質装置供給水６５を純水装置８６へ液送しているが、これに代えて、回収水吸引口７４に接続するポンプ８２の吐出口と純水装置８６の入口とを連結する分岐配管を設け、循環する回収水４２の一部を分岐して改質装置供給水６５として純水装置８６へ液送することもできる。したがって、供給水用のポンプ８５を省き構成部材を削減することができる。
【００３８】
本実施形態の純水装置８６は、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂を混合充填したミックスベッド形のイオン交換樹脂充填カラム８７と、固形物フィルタ８８とを直列に連結して構成することができる。
【００３９】
また、酸化剤ガス６１に粉塵等の固形汚染物質が多量に含まれる場合には、イオン交換樹脂充填カラム８７の上流側に固形物フィルタ８８を追加することもできる。この場合、改質装置供給水６５が予め脱炭酸されているので、イオン交換樹脂の寿命を伸ばすことができ、純水装置８６のメンテナンス期間を延ばすことができる。
【００４０】
気液接触塔７０の酸化剤ガス出口７７から送出する酸化剤ガス６１は、酸化剤ガス６１のブロワ８４によって昇圧され、処理後の酸化剤ガス６１として燃料電池２０の空気極３３に供給される。
【００４１】
このように構成すると、酸化剤ガス６１のブロワ８４による昇圧の結果、酸化剤ガス６１の露点が上昇する。例えば、酸化剤ガス６１のブロワ８４による酸化剤ガス６１の圧力上昇が１２ｋＰａとして、酸化剤ガス出口７７における酸化剤ガス６１の露点が５０℃の場合は、処理後の酸化剤ガス６１の露点が約２℃上昇し約５２℃になる。
【００４２】
このように、酸化剤ガス６１の達成すべき露点が一定の場合、酸化剤ガス６１のブロワ８４を気液接触塔７０の下流側に配置することにより、気液接触塔７０の加湿負荷を軽減し、気液接触装置７０内は実質的にブロワ８４により加圧されることがない。
【００４３】
また、気液接触塔７０内の貯液部７１は、大気開放状態を維持することにより大気圧の状態にあるので、回収水４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを気液分離器４５、５５、８９のレベル差によって気液分離器４５、５５、８９からそれぞれ貯液部７１へ導入することができる。したがって、回収水４２を液送する送液ポンプ等を不要にすることができる。
【００４４】
さらに、余剰の回収水４２は、追加の送液ポンプや液面センサ等の系外排出機器を用いることなく、貯液部７１内に配置する溢流管７５の底部排出口から燃料電池コージェネレーションシステム１の系外へ排出することができる利点もある。
【００４５】
ここで、熱交換器８３の下流側で気液分離器８９の上流側に破線矢印にて接続された冷却器１００を追加することにより、排ガス６４として系外１０２に排出される混合ガス６３の熱および水分をさらに回収することもできる（図１の場合）。
【００４６】
水処理装置９３は、気液接触塔７０の回収水吸引口７４に接続する回収水４２の循環経路中の循環用のポンプ８２の下流側に配置され、イオン交換樹脂充填カラム９４を有している。この水処理装置９３のイオン交換樹脂充填カラム９４に用いるイオン交換樹脂としては、陰イオン交換樹脂が望ましい。本実施形態において、酸化剤ガス６１中に含まれる酸性ガス汚染物質、例えば、硫黄酸化物ＳＯ２は、ＳＯ２ ＋ ＯＨ−  →  ＨＳＯ３−  の反応式により、充填部８０にて接触する回収水４２の中の水酸化ＯＨ−イオンと反応してイオン化し、回収水４２に吸収される。
【００４７】
そして、吸収された系内循環水中のＨＳＯ３−は、ＨＳＯ３− ＋ Ｒ−ＯＨ−→  Ｒ−ＨＳＯ３− ＋ ＯＨ−  の反応式により、イオン交換樹脂充填カラム９４にて陰イオン交換樹脂の水酸化物ＯＨ−イオンとイオン交換をしてイオン交換樹脂充填カラム９４内のイオン交換樹脂に吸着される。この時に、水酸化物ＯＨ−イオンが回収水４２に供給される。
【００４８】
本実施の形態では、回収水４２が循環する流路に、陰イオン交換樹脂を用いた水処理装置９３を備えることによって、気液接触塔７０を通って循環する回収水４２に水酸化ＯＨ−イオンを常に供給する。すなわち、循環する回収水４２を常にアルカリ性に保ち、酸化剤ガス６１に含有するＮＯｘ、ＳＯｘ等の酸性ガスの汚染物質を効果的に除去することができる。
【００４９】
次に、本実施の形態の作用を説明する。
改質装置７で製造された改質ガス３は、熱交換器１１４に送出され、熱交換器１１４でスタック冷却水２４により冷却され、冷却後に気液分離器４５で回収水４２Ａが分離されて除去される。気液分離器４５で回収水４２Ａが除去された改質ガス３は、燃料電池２０の燃料極３２へ送られる。
【００５０】
気液接触塔７０に吸引された酸化剤ガス６１は、充填部８０へ導かれ、充填部８０を通過中に回収水４２と気液接触し、回収水４２によって洗浄されると共に、昇温および加湿される。洗浄、昇温、加湿が終了した酸化剤ガス６１は、デミスタ９１を通過し、デミスタ９１を通過中にミストが除去される。
【００５１】
気液接触塔７０を出た、酸化剤ガス６１は、ブロア８４に昇圧され、熱交換器１１４に圧送され、熱交換器１１４でスタック冷却水２４により冷却される。熱交換器１１４を出た酸化剤ガス６１は気液分離器５５で凝縮した回収水４２Ｂが分離され、回収水４２Ｂが分離された酸化剤ガス６１は、燃料電池２０の空気極３３に供給される。燃料電池２０は、空気極３３に供給した酸化剤ガス６１と、燃料極３２に供給した改質ガス３との、電気化学的反応により電力を出力し、燃料極３２からアノードオフガス２１を排出し、空気極３３からカソードオフガス２２を排出する。
【００５２】
燃料極３２から排出されたアノードオフガス２１は改質装置７に送出され、改質反応の改質熱を発生させるために燃焼される。改質装置７は、アノードオフガス２１の燃焼により発生する燃焼排ガス６を排出する。燃焼排ガス６とカソードオフガス２２とは混合し混合ガス６３となる。
【００５３】
図１の場合は、三方電磁弁１２７の開閉状態がｂ１であり、三方電磁弁１２８の開閉状態がｃ２であるので、混合ガス６３は、三方電磁弁１２７を経由して熱交換器８３へ供給され、熱交換器８３で回収水４２との間で熱交換が行われ、回収水４２が混合ガス６３によって加熱され、回収水４２によって混合ガス６３中の排熱が回収される。その後混合ガス６３は、三方電磁弁１２８を経由して気液分離器８９に送出され、気液分離器８９で混合ガス６３中に凝縮している回収水４２Ｃが回収され、回収された回収水４２Ｃは、気液接触装置７０に送られる。気液接触装置７０で回収水４２Ｃが回収された混合ガス６３は系外１０２に排ガス６４として放出される。
【００５４】
図２の場合は、三方電磁弁１２７の開閉状態がｂ２であり、三方電磁弁１２８の開閉状態がｃ１であるので、混合ガス６３は、三方電磁弁１２７を経由して、熱交換器８３および三方電磁弁１２８および気液分離器８９をバイパスし、系外１０２に排ガス６４として放出される。この場合混合ガス６３中の排熱は、回収されずに系外１０２に放出される。
【００５５】
冷却水流路３１から排出されたスタック冷却水２４のポンプ１０８まで循環流路は、以下に説明するように、貯湯タンク１２０の下部温度が所定の値(３５〜４５℃の間のある値)を下回る場合(図１参照)と、上回る場合(図２参照)とで違えている。貯湯タンク１２０の下部温度が所定の値を下回る場合(図１参照)は、スタック冷却水２４と温水４３との温度差がある場合であり、燃料電池２０の冷却水流路３１を出たスタック冷却水２４は、熱交換器１１０に送出される。熱交換器１１０で、スタック冷却水２４と貯湯タンク１２０から送出された温水４３との間で熱交換が行われ、スタック冷却水２４は温水４３を加熱し温水４３はスタック冷却水２４を冷却し、スタック冷却水２４中に回収された燃料電池２０からの排熱は、温水４３に回収される。
【００５６】
熱交換器１１０によって温水４３に排熱を回収させることができ、三方電磁弁１２６の開閉位置はａ１であるので、熱交換器１１０を出たスタック冷却水２４は、三方電磁弁１２６からポンプ１０８へ導かれ、ポンプ１０８により昇圧され、熱交換器１１４へ送出されて、熱交換器１１４で改質ガス３および酸化剤ガス６１を冷却し、熱交換器１１４から燃料電池２０の冷却水流路３１の供給され、燃料電池２０を冷却する。
【００５７】
次に、貯湯タンク１２０の下部温度が所定の値を上回る場合(図２参照)を説明する。この場合は、スタック冷却水２４と温水４３との温度差が十分でない場合であり、熱交換器１１０においてスタック冷却水２４と温水４３との間の熱交換は所定熱交換量の一部しか行われない。よって、スタック冷却水２４内の排熱は熱交換器１１０で十分には回収されず、スタック冷却水２４の温水４３による冷却は十分には達成されない。
【００５８】
このため、この場合は、三方電磁弁１２６の開閉位置をａ２とし、三方電磁弁１２８の開閉位置をｃ１とし(図２参照)、熱交換器１１０を出たスタック冷却水２４を三方電磁弁１２６から熱交換器８３に導き、熱交換器８３で、スタック冷却水２４と気液接触塔７０から水処理装置９３を経て送出された回収水４２との間で熱交換が行われるようにする。この熱交換により、スタック冷却水２４は回収水４２を加熱し回収水４２はスタック冷却水２４を冷却し、スタック冷却水２４中に回収された燃料電池２０からの排熱は、回収水４２に回収される。熱交換器８３を出たスタック冷却水２４は、三方電磁弁１２８からポンプ１０８へ導かれる。その後は、スタック冷却水２４は、前述と同様に熱交換器１１４から燃料電池２０に導かれるので説明を省略する。
【００５９】
熱交換器１１４で冷却された改質ガス３中に凝縮する回収水４２Ａは気液分離器４５によって分離され、気液接触塔７０に送られる。熱交換器８３で冷却された混合ガス６３中に凝縮する回収水４２Ｃは気液分離器８９によって分離され、気液接触塔７０に送られる。熱交換器１１４により冷却された酸化剤ガス６１中に凝縮する回収水４２Ｂは、気液分離器５５によって分離され、気液接触塔７０に送られる。
【００６０】
気液接触塔７０に導入された回収水４２は、改質装置供給水６５として使用され、改質装置供給水６５は、ポンプ８５により吸引され、純水装置８６を経て、純水装置８６において純水に精製され、純水装置８６より改質装置７に供給される。
【００６１】
気液接触塔７０内の回収水４２は、ポンプ８２により吸引され、水処理装置９３に送出され、イオン交換樹脂充填カラム９４により回収水４２中の酸性ガス汚染物質が除去される。水処理装置９３を出た回収水４２は、熱交換器８３で混合ガス６３(図１参照)またはスタック冷却水２４(図２参照)により加熱され、混合ガス６３またはスタック冷却水２４中の燃料電池２０の排熱を回収する。排熱を回収した回収水４２は、気液接触塔７０に注入され酸化剤ガス６１と気液接触され、酸化剤ガス６１を加湿、昇温、洗浄する。
【００６２】
本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１によれば、制御部１２２による三方電磁弁１２６、１２７、１２８の開閉位置の切替制御により、貯湯タンク１２０の下部の温度が所定の値を下回る場合、燃料電池２０からのスタック冷却水２４の排熱を貯温水４３を介して貯湯タンク１２０に回収して回収熱として貯え、スタック冷却水２４を冷却することができ、貯湯タンク１２０の下部の温度が所定の値を上回る場合、燃料電池２０からのスタック冷却水２４を気液接触塔７０の熱源として利用し、スタック冷却水２４の排熱を回収水４２を介して気液接触塔７０により回収することにより、燃料電池２０をスタック冷却水２４によって連続的に冷却することができ、燃料電池２０の排熱を連続して回収し、高い発電効率および排熱回収効率を達成し、高いシステム稼働率を達成できる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、制御装置を備えるので、貯湯装置の温度が所定の値を下回る場合、燃焼排ガスとカソードオフガスの少なくともどちらか一方を酸化剤ガス加湿装置の熱源として利用し、貯湯装置の温度が所定の値を上回る場合、燃料電池より導出された冷却水を酸化剤ガス加湿装置の熱源として利用するよう制御することができ、高い発電効率および排熱回収効率を達成し、高いシステム稼働率を達成できる燃料電池コージェネレーションとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムの、貯湯タンクの下部の温度が所定の値を下回る場合の模式的ブロック図である。
【図２】本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムの、貯湯タンクの下部の温度が所定の値を上回る場合の模式的ブロック図である。
【符号の説明】
１  燃料電池コージェネレーションシステム
２  原料燃料
３  改質ガス
４  空気
５  燃焼燃料
６  燃焼排ガス
７  改質装置
２０  燃料電池
２１  アノードオフガス
２２  カソードオフガス
２４  スタック冷却水(冷却水)
４２、４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ  回収水
４５、５５、８９  気液分離器
６１  酸化剤ガス
６３  混合ガス(加熱ガス)
６４  排ガス
６５  改質器供給水
７０  気液接触塔(酸化剤ガス加湿装置)
８２、８５、１０８、１２５  ポンプ
８３  熱交換器(熱交換装置)
８４  ブロワ
８６  純水装置
９３  水処理装置
１１０、１１４  熱交換器
１２０  貯湯タンク(貯湯装置)
１２２  制御部(制御装置)
１２６  三方電磁弁(冷却水流れ設定装置)
１２７  三方電磁弁(加熱ガス流れ設定装置)
１２８  三方電磁弁(加熱ガス流れ設定装置)(冷却水流れ設定装置)
【図１】
0004719407.tif 000002
【図２】
0004719407.tif 000003