(57)【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と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凝縮水を回収して貯水する水タンクと、前記凝縮水を脱イオン処理する電気式脱イオン装置と、を備えた燃料電池発電装置であって、
前記電気式脱イオン装置の濃縮水排水口側から伸びた濃縮水排水ラインの下流側が前記水タンクの上流側に接続しており、
凝縮水の流通ライン、凝縮水の排水ライン及び水タンクから選ばれる１ヶ所以上に、凝縮水中に含まれる六価クロムを吸着する吸着除去手段（活性炭を除く）を配置したことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記水タンクは、該水タンクの水位が所定高さを超えたときに系外に水を排水する排水管を備え、該排水管に前記吸着除去手段が配置されている、請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記濃縮水排水ラインに前記吸着除去手段が配置されている、請求項１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、内部で発生する水を電気式脱イオン装置で脱イオン処理して循環利用する燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池本体から排出される燃料電池排ガスや、改質装置の燃焼部から排出される燃焼排ガスは水分を含んでおり、燃料電池発電装置の系内での水自立（外部からの補給水を受けいれることなく運転を継続する状態）を維持するため、燃料電池排ガスや燃焼排ガスから凝縮水を回収し、再利用することが一般的に行われている。そして、凝縮水には、炭酸イオンや、配管から溶出した金属イオン等が含まれており、これらのイオンは、電極触媒や、改質触媒に悪影響を及ぼす恐れがあるので、通常は、脱イオン処理を行った後、再利用するようにしている。
凝縮水の脱イオン処理方法としては、例えば下記特許文献１〜３に開示されているように、電気式脱イオン装置を用いて凝縮水を脱イオン処理する試みが近年行われている。
【特許文献１】特開２００１−２３２３９４号公報
【特許文献２】特開２００５−１１６１８４号公報
【特許文献３】特開２００５−１４９９４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
電気式脱イオン装置は、陽極と陰極との間に、イオン交換膜によって区画された脱塩室と濃縮室とを有し、脱塩室にはイオン交換樹脂が充填された水処理装置であって、脱塩室に流入したイオンはその親和力、濃度及びイオン強度に基いてイオン交換樹脂と反応し、電位の傾きの方向に樹脂中を移動して、イオン交換膜まで達する。そして、カチオンはカチオン交換膜を透過し、アニオンはアニオン交換膜を透過して、それぞれ濃縮室に移動する。これによって凝縮水を、脱イオン水と濃縮水に分離することができる。
ところで、燃料電池発電装置の配管には、ステンレス配管が主に使用されているが、このステンレス配管からクロムが溶出して、燃焼部での燃焼工程などにより、六価クロムが生成することがあった。特に、燃料電池本体のアノード電極の出口近傍は、酸化皮膜が形成されにくい水素リッチな還元性雰囲気であるとともに、りん酸形燃料電池の場合は、電池スタックのオフガスに同伴されたりん酸が配管中に付着するため、全面腐食が進行しやすく、クロムが溶出し易い傾向にあった。
電気式脱イオン装置による脱イオン処理では、濃縮室を流れる水に、凝縮水に含まれるイオンが移動するので、処理に用いる凝縮水に六価クロムが含まれていると、濃縮室から排出される水（濃縮水）には、高濃度の六価クロムが含まれており、濃縮水をそのまま系外に排水することができない場合があった。また、水自立を維持するには、濃縮水を再利用する必要があるが、凝縮水を再利用し続けると、系内で六価クロムが濃縮するので、六価クロム濃度が排水基準値を超過してしまい、排水処理にコストがかかる問題があった。
【０００４】
したがって、本発明の目的は、凝縮水を電気式脱イオン装置を用いて脱イオン処理すると共に、系内で六価クロムが濃縮するのを防止できる燃料電池発電装置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】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池発電装置は、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と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凝縮水を回収して貯水する水タンクと、前記凝縮水を脱イオン処理する電気式脱イオン装置と、を備えた燃料電池発電装置であって、  前記電気式脱イオン装置の濃縮水排水口側から伸びた濃縮水排水ラインの下流側が前記水タンクの上流側に接続しており、凝縮水の流通ライン、凝縮水の排水ライン及び水タンクから選ばれる１ヶ所以上に、凝縮水中に含まれる六価クロムを吸着する吸着除去手段（活性炭を除く）を配置したことを特徴とする。
本発明によれば、凝縮水の流通ライン、凝縮水の排水ライン及び水タンクから選ばれる１ヶ所以上に、凝縮水中に含まれる六価クロムを吸着する六価クロムの吸着除去手段を配置したことで、凝縮水中から六価クロムを除去することができる。このため、六価クロムが系内で濃縮されるのを防止でき、排水処理に要するコストや手間を軽減できる。
本発明の燃料電池発電装置の水タンクは、該水タンクの水位が所定高さを超えたときに系外に水を排水する排水管を備え、該排水管に前記吸着除去手段が配置されていることが好ましい。この態様によれば、系外に排水される凝縮水中の六価クロム濃度を効率よく低減できるので、排水処理に要する手間やコストを低減できる。
【０００６】
さらに、前記吸着除去手段は、濃縮水排水ラインに配置されていることが好ましい。電気式脱イオン装置から排出される濃縮水には、六価クロムが比較的高濃度で含まれているので、濃縮水排水ライン上に吸着除去手段を配置することで、効率よく六価クロムを吸着除去して低減できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、六価クロムが系内で濃縮されるのを防止でき、排水処理に要するコストや手間を軽減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面に基づいて本発明について燃料電池発電装置の実施形態を説明する。図１に、本発明の第一の実施形態の燃料電池発電装置の実施形態の概略構成図を示す。
図中の１は、燃料電池本体であって、電解質１ｃを挟持するアノード電極１ａ及びカソード電極１ｂと、これらからなる単位セルの複数個を重ねる毎に配設される冷却管を有する冷却系１ｄとで構成されている。
アノード電極１ａの改質ガス供給側は、改質装置３から伸びた改質ガス供給ラインＬ１が連結している。この改質ガス供給ラインＬ１には、改質ガスドレントラップＱ１が配置されており、改質ガスドレントラップＱ１の凝縮水貯留部からは、改質ガス凝縮水供給ラインＬ２が伸びて、脱炭酸装置５に連結している。
アノード電極１ａのアノードオフガス排出側からは、アノードオフガス排出ラインＬ３が伸びており、その先端側は、燃焼用燃料供給ラインＬ１２に連結している。また、アノードオフガス排出ラインＬ３には、途中にアノードオフガスドレントラップＱ２が配置されており、アノードオフガスドレントラップＱ２の凝縮水貯留部からは、アノードオフガス凝縮水供給ラインＬ４が伸びて、脱炭酸装置５に連結している。
カソード電極１ｂの空気供給側は、空気供給源から伸びた空気供給ラインＬ５が連結している。この空気供給ラインＬ５には、加湿器２が配置されている。
【０００９】
カソード電極１ｂの排空気排出側からは、カソードオフガス排出ラインＬ６が伸びて、水タンク４に連結している。このカソードオフガス排出ラインＬ６には、カソードオフガス熱交換器Ｑ３が配置されている。
冷却系１ｄの冷却水供給側は、電池冷却水タンク１２から伸びた電池冷却水供給ラインＬ７が連結している。
冷却系１ｄの冷却水排出側からは、電池冷却水排出ラインＬ８が伸びて、電池冷却水タンク１２に接続している。
改質装置３は、水蒸気改質触媒が充填された改質触媒層３ａと、バーナが配置された燃焼部３ｂとを備え、バーナで燃焼用燃料を燃焼した際に発生する燃焼熱及び燃焼排ガスで前記改質触媒層３ａを加熱するように構成されている。
改質触媒層３ａの改質原料の投入側は、原燃料源から伸びた原燃料供給ラインＬ９と、電池冷却水タンク１２から伸びた改質水供給ラインＬ１０が連結している。
改質触媒層３ａの改質ガス吐出側からは、改質ガス供給ラインＬ１が伸びてアノード電極１ａに連結している。
燃焼部３ｂの燃焼燃料導入口側は、燃焼用燃料供給ラインＬ１２と、燃焼空気供給ラインＬ１１とが連結しており、燃焼部３ｂに配置されたバーナに燃料用燃料と燃焼用空気とを供給できるように構成されている。燃焼用燃料供給ラインＬ１２の上流側は、アノードオフガス排出ラインＬ３及び原燃料供給ラインＬ９が接続している。
【００１０】
燃焼部３ｂの燃焼排ガス排出側からは、燃焼排ガスラインＬ１３が伸びて、脱炭酸装置５に接続している。燃焼排ガスラインＬ１３には、途中燃焼排ガス熱交換器Ｑ４が配置されている。
脱炭酸装置５は、水タンク４の上部に隣接して配設されており、ドレン口６を介して連通している。脱炭酸装置５の上部には、改質ガス凝縮水供給ラインＬ２、アノードオフガス凝縮水供給ラインＬ４、燃焼排ガスラインＬ１３、及び、後述する電気式脱イオン装置１０の濃縮室から伸びた濃縮水排出ラインＬ２１が連結している。また、脱炭酸装置５からは、排気ラインＬ１７が伸びている。
脱炭酸装置５としては特に限定はなく、凝縮水と脱炭酸用空気とを接触させて凝縮水中の炭酸ガスを気中拡散して脱気できるような構成のものが好ましく用いることができる。このような構成の脱気装置としては、ＳＵＳ等のラッシヒリングが充填された脱気部を備え、該脱気部の上部に凝縮水を供給すると共に、脱気部の下部から脱炭酸用空気を供給し、凝縮水を重力落下させながら脱炭酸用空気と接触させて脱炭酸処理するような構成のものや、例えば、特開２００７−３２３９６９号に開示されているような、多孔質材料で構成された傾斜板が配置された脱気部を備え、傾斜板の下部側から上部側へ脱炭酸用空気を流通させると共に、傾斜板の上部側から下部側へ向けて凝縮水を流下させて、凝縮水を脱炭酸処理するような構成のものなどが一例として挙げられる。
【００１１】
この実施形態では、水タンク４の内部に、吸着除去手段２０が配置されている。吸着除去手段２０としては、六価クロムを吸着除去できるものであれば特に限定はなく、活性炭を好ましく用いることができる。また、活性炭に限られるものではなく、六価クロム等に対して吸着性能を持つ無機材料からなる重金属吸着剤であってもよい。
活性炭は、活性炭の表面には、水酸基が存在しており、この水酸基に六価クロムが反応し、化学的に吸着するのに加え、還元作用も得られるので、六価クロムを効率よく低減できる。また、活性炭は、六価クロム以外の金属イオンも吸着することができるので、凝縮水に含まれる金属イオン濃度を低減でき、後段に配置された金属イオン除去装置９や電気式脱イオン装置１０などにかかる負荷をより低減できる。
活性炭の原料としては、特に限定はなく、木炭、竹炭、ヤシガラ炭、樹皮などが挙げられる。また、活性炭の形状としては、特に限定はなく、粒状、微粉末状、フレーク状、多孔質状、フィルタ状などの形状が挙げられる。活性炭の比表面積としては、１００〜１０００ｍ2／ｇが好ましい。
活性炭を水タンク４の内部に設置するには、例えば、活性炭の粒径よりも細かい目開きのネットなどに活性炭を充填して、底部に配置する方法等が挙げられる。また粒状の多孔質セラミックスからなる吸着剤をその粒径よりも細かい目開きのネットに充填して水タンク４の底部に配置することとしてもよい。
【００１２】
水タンク４には、カソードオフガス排出ラインＬ６と、電池冷却水タンク１２から伸びた電池冷却水オーバフローラインＬ１８が接続している。また、水タンク４の側壁には、タンク水オーバフローラインＬ１９が伸びて、タンク内の水位が一定水位を超えないようにされている。また、水タンク４の下部からは、回収水供給ラインＬ２０が伸びて、電池冷却水タンク１２に接続している。回収水供給ラインＬ２０には、上流側から、入口フィルタ８、回収水ポンプＰ１、金属イオン除去装置９、電気式脱イオン装置１０、水処理樹脂１１が配置されている。
上記回収水供給ラインＬ２０と、後述する濃縮水排出ラインＬ２１とが、本発明の「凝縮水の流通ライン」をなしている。また、上記タンク水オーバフローラインＬ１９が、本発明の「凝縮水の排水ライン」をなしている。
入口フィルタ８としては、水タンク４で回収した回収水に含まれている煤や粉塵等の不純物を除去するものであれば特に限定はなく、金属除去フィルタ、微粒子除去フィルタ等が好ましく挙げられる。
金属イオン除去装置９としては、凝縮水中に含まれる金属イオン吸着樹脂や、キレート樹脂などが好ましく挙げられる。
【００１３】
電気式脱イオン装置１０は、陽極と陰極との間に、イオン交換膜によって区画された脱塩室と濃縮室とを有し、脱塩室にはイオン交換樹脂が充填された水処理装置である。脱塩室に流入したイオンはその親和力、濃度及びイオン強度に基いてイオン交換樹脂と反応し、電位の傾きの方向に樹脂中を移動し、イオン交換膜まで達する。そして、カチオンはカチオン交換膜を透過し、アニオンはアニオン交換膜を透過して、それぞれ濃縮室に移動する。これによって回収水を、脱イオン水と濃縮水に分離することができ、電気式脱イオン装置の脱塩室からは、イオン濃度が低減された脱イオン水を回収でき、電池冷却水タンク１２に供給できる。また、電気式脱イオン装置１０の濃縮室からは、濃縮水排出ラインＬ２１が伸びて脱炭酸装置５に連結しており、濃縮水を水タンク４の上流側に還流するように構成されている。
水処理樹脂１１は、電気式脱イオン装置１０で除去しきれなかったイオンを除去するものであって、イオン交換樹脂などが好ましく挙げられる。
次に、本発明の燃料電池発電装置の動作について説明する。
まず、改質装置３にて、原燃料供給ラインＬ９から供給される原燃料を、改質水供給ラインＬ１０から供給される改質水と混合して、改質触媒層３ａに供給し、水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスを生成させる。水蒸気改質反応は、吸熱反応であることから、改質装置３の燃焼部３ｂに、燃焼用燃料供給ラインＬ１２から燃焼用燃料と、燃焼空気供給ラインＬ１１から燃焼空気を供給し、これらを燃焼して改質触媒層３ａを加熱する。なお、燃料電池発電装置の起動時においては、燃焼用燃料としては、原燃料供給ラインＬ９から供給される原燃料を主体として用いられ、燃焼部３ｂでの燃焼状態が安定し、改質触媒層３ａが十分加熱されたら、アノードオフガスが主体として用いられる。
【００１４】
そして、改質装置３で生成された改質ガスは、改質ガス供給ラインＬ１を通ってアノード電極１ａに供給される。改質ガスに含まれる凝縮水は、改質ガス供給ラインＬ１の途中に配置された改質ガスドレントラップＱ１にて回収され、改質ガス凝縮水供給ラインＬ２を通って脱炭酸装置５に供給される。
燃料電池本体１では、アノード電極１ａに供給された改質ガスと、カソード電極１ｂに供給された空気とを電解質１ｃの界面で電気化学反応させて発電し、この発電出力を電力系統に供給する。
カソード電極１ｂから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス熱交換器Ｑ３で冷却されて、カソードオフガス凝縮水とカソードガスと共に、カソードオフガス排出ラインＬ６を通って水タンク４に供給される。
アノード電極１ａから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出ラインＬ３を通って燃焼部３ｂへと供せられ、燃焼用燃料として用いられる。アノードオフガスに含まれる凝縮水は、アノードオフガス排出ラインＬ３の途中に配置されたアノードオフガスドレントラップＱ２にて回収され、アノードオフガス凝縮水供給ラインＬ４を通って脱炭酸装置５に供給される。
【００１５】
改質装置３の燃焼部３ｂから排出される燃焼排ガスは、燃焼排ガス熱交換器Ｑ４で冷却されて、燃焼排ガスと共に脱炭酸装置５に供給される。
そして、水タンク４に回収された凝縮水は、入口フィルタ８にて煤や粉塵等の不純物除去が行われた後、金属イオン除去装置９にて金属イオンの除去処理が行われた後、電気式脱イオン装置１０に送られて脱イオン処理がなされ、電気式脱イオン装置１０の脱塩室から排出される処理水は、水処理樹脂１１で更に脱イオン処理した後、電池冷却水タンク１２に送られ、電池冷却水、加湿水、改質水などに使用される。一方、電気式脱イオン装置１０の濃縮室から排出される濃縮水は、濃縮水排出ラインＬ２１を通って脱炭酸装置５に還流される。
ところで、前述したように、燃料電池発電装置の配管などには、ステンレス部材が主に使用されているが、ステンレス部材からクロムが溶出して、燃焼部での燃焼工程などにより、六価クロムが生成することがあった。特に、燃焼排ガスから回収される凝縮水には、六価クロムが多量に含有している傾向にあった。六価クロムは、金属イオン除去装置９、電気式脱イオン装置１０、水処理樹脂１１などではほとんど除去できず、凝縮水を再利用し続けると、六価クロムが濃縮されるおそれが従来はあった。
【００１６】
しかし、本発明では、吸着除去手段２０を配置したことで、凝縮水中に含まれる六価クロムを低減することができる。
また、この実施形態では、吸着除去手段２０を水タンク４内に配置したことで、吸着除去手段２０と凝縮水の接触時間を比較的長時間確保することができるので、六価クロムを効率よく低減できる。
本発明の燃料電池発電装置の第二の実施形態について、図２を用いて説明する。以下、第一の実施形態と同一箇所には、同一符号を付してその説明を省略する。
この実施形態では、吸着除去手段２０が、回収水供給ラインＬ２０上の、電気式脱イオン装置１０の上流側に配置されている点で、上記第一の実施形態と相違する。この実施形態では、吸着除去手段２０として、フィルタ状の活性炭が用いている。
本発明の燃料電池発電装置の第三の実施形態について、図３を用いて説明する。
この実施形態では、吸着除去手段２０が、濃縮水排出ラインＬ２１に配置されている点で上記第一の実施形態と相違する。
この実施形態では、上記第二の実施形態同様、吸着除去手段２０として活性炭を用いる場合は、フィルタ状にして用いることが好ましい。
【００１７】
電気式脱イオン装置１０の濃縮室から排出される濃縮水には、比較的高濃度の六価クロムが含まれているので、濃縮水排出ラインＬ２１に吸着除去手段２０を配置することで、六価クロムを効率よく低減できる。
そして、この実施形態では、凝縮水の送液ライン上に吸着除去手段２０が配置されていないので、圧損が生じて凝縮水の流通が低下し難い。このため、電気式脱イオン装置１０の各室への供給水量が変動しにくくなり、凝縮水を効率よく脱イオン処理できる。
本発明の燃料電池発電装置の第四の実施形態について、図４を用いて説明する。
この実施形態では、吸着除去手段２０が、タンク水オーバフローラインＬ１９に配置されている点で上記第一の実施形態と相違する。
この実施形態では、上記第二、三の実施形態同様、吸着除去手段２０としてフィルタ上の活性炭を用いることが好ましい。
系内で六価クロムが濃縮されると、水タンク４からオーバフローして排水される凝縮水には、比較的高濃度の六価クロムが含まれていることがあるので、タンク水オーバフローラインＬ１９上に吸着除去手段２０を配置することで、系外に排水基準値を超えた六価クロムが流出するのを防止できる。
【００１８】
そして、この上記第三の実施形態と同様に、凝縮水の送液ライン上に吸着除去手段２０が配置されていないので、圧損が上昇しにくく、凝縮水の流通が悪化する恐れが少ない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の第一の実施形態の概略構成図である。
【図２】本発明の燃料電池発電装置の第二の実施形態の概略構成図である。
【図３】本発明の燃料電池発電装置の第三の実施形態の概略構成図である。
【図４】本発明の燃料電池発電装置の第四の実施形態の概略構成図である。
【符号の説明】
【００２０】
１：燃料電池本体
１ａ：アノード電極
１ｂ：カソード電極
１ｃ：電解質
１ｄ：冷却系
２：加湿器
３：改質装置
３ａ：改質触媒層
３ｂ：燃焼部
４：水タンク
５：脱炭酸装置
６：ドレン口
８：入口フィルタ
９：金属イオン除去装置
１０：電気式脱イオン装置
１１：水処理樹脂
１２：電池冷却水タンク
２０：吸着除去手段
Ｌ１：改質ガス供給ライン
Ｌ２：改質ガス凝縮水供給ライン
Ｌ３：アノードオフガス排出ライン
Ｌ４：アノードオフガス凝縮水供給ライン
Ｌ５：空気供給ライン
Ｌ６：カソードオフガス排出ライン
Ｌ７：電池冷却水供給ライン
Ｌ８：電池冷却水排出ライン
Ｌ９：原燃料供給ライン
Ｌ１０：改質水供給ライン
Ｌ１１：燃焼空気供給ライン
Ｌ１２：燃焼用燃料供給ライン
Ｌ１３：燃焼排ガスライン
Ｌ１７：排気ライン
Ｌ１８：電池冷却水オーバフローライン
Ｌ１９：タンク水オーバフローライン
Ｌ２０：回収水供給ライン
Ｌ２１：濃縮水排出ライン
Ｐ１：回収水ポンプ
Ｑ１：改質ガスドレントラップ
Ｑ２：アノードオフガスドレントラップ
Ｑ３：カソードオフガス熱交換器
Ｑ４：燃焼排ガス熱交換器
【図１】
0005228575.tif 000002
【図２】
0005228575.tif 000003
【図３】
0005228575.tif 000004
【図４】
0005228575.tif 000005