(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該凝縮水を貯水する水タンクと、前記水タンクに貯水した凝縮水に含まれる金属イオンを除去する金属イオン除去手段及び金属イオンを除去した凝縮水を脱イオン処理する水処理装置を有する水処理系と、を備える燃料電池発電装置の起動方法であって、
燃料電池発電装置の起動時に、前記金属イオン除去手段に水を通水させ、燃料電池発電装置の停止中に前記金属イオン除去手段内に滞留していた滞留水を、前記金属イオン除去手段から排出される水の電気伝導率が２０μＳ／ｃｍ以下となるまで水処理系外に排水する排水工程を実施し、その後に前記金属イオン除去手段を通過した水を前記水処理装置に導入することを特徴とする燃料電池発電装置の起動方法。
【請求項２】
前記排水工程は、前記金属除去手段の容積の２倍以上の容積の水を前記水処理系外に排水するまで実施する、請求項１に記載の燃料電池発電装置の起動方法。
【請求項３】
前記金属除去手段から水処理系外に排水した水を、前記金属イオン除去手段の上流側に還流する、請求項１又は２に記載の燃料電池発電装置の起動方法。
【請求項４】
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、
凝縮水に含まれる金属イオンを除去する金属イオン除去手段と、
前記水タンクと前記金属除去手段とを接続する凝縮水送液ラインと、
金属イオンを除去した前記凝縮水を脱イオン処理する水処理装置と、
前記金属イオン除去手段と前記水処理装置とを接続する脱金属イオン水送液ラインと、
前記金属イオン除去手段を通過した水を排水する排水ラインと、
前記金属イオン除去手段を通過した水を前記水処理装置又は前記排水ラインに切り換えて流す１又は複数で構成される切換弁とを備え、
前記切換弁は、前記金属イオン除去手段から排出される水の電気伝導率が２０μＳ／ｃｍ以下となるまで、前記排水ライン側に開くように構成されている、
ことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記切換弁は、前記金属除去手段の容積の２倍以上の容積の水が前記排水ラインから排水するまで、前記排水ライン側に開くように構成されている、請求項４に記載の燃料電池発電装置。
【請求項６】
前記排水ラインの下流側は、前記凝縮水送液ラインに接続している、請求項４又は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、水処理装置にかかる負荷を低減する燃料電池発電装置の起動方法及び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、これらの排ガスから凝縮水を回収し、イオン交換樹脂や電気式脱イオン装置などの水処理装置にて、脱イオン処理を行って再利用することが一般的に行われている。
【０００３】
ところで、凝縮水には、配管などから溶出して金属イオンなどが混入していることがある。このため水処理装置にかかる負荷を低減するため、例えば、下記特許文献１，２に開示されているように、凝縮水を水処理装置に供給する前に、キレート樹脂などの金属イオン吸着樹脂を充填した金属イオン除去手段に凝縮水を通水して、金属イオンを低減ないし除去する試みが行われている。
【特許文献１】特開平９−１６１８３３号公報
【特許文献２】特開２００５−３４７２３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
金属イオン除去手段内に長時間水が滞留した状態で維持されていると、一旦は金属イオンを吸着した樹脂などから、金属イオンが脱離することがある。このため、金属イオン除去手段内の凝縮水が滞留したまま燃料電池発電装置を停止すると、燃料電池発電装置の起動時直後の金属イオン除去手段から排出される水は、金属イオンを多量に含有していることがあり、水処理装置に多量の金属イオンを含む水が流入して、後段の水処理装置にかかる負荷が増加するおそれ、及び金属イオンが微粒子として析出し水処理装置内に堆積し流れを阻害するおそれがあった。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、水処理装置にかかる負荷を低減する燃料電池発電装置の起動方法及び燃料電池発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池発電装置の起動方法は、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該凝縮水を貯水する水タンクと、前記水タンクに貯水した凝縮水に含まれる金属イオンを除去する金属イオン除去手段及び金属イオンを除去した凝縮水を脱イオン処理する水処理装置を有する水処理系と、を備える燃料電池発電装置の起動方法であって、燃料電池発電装置の起動時に、前記金属イオン除去手段に水を通水させ、燃料電池発電装置の停止中に前記金属イオン除去手段内に滞留していた滞留水を、前記金属イオン除去手段から排出される水の電気伝導率が２０μＳ／ｃｍ以下となるまで水処理系外に排水する排水工程を実施し、その後に前記金属イオン除去手段を通過した水を前記水処理装置に導入することを特徴とする。
【０００７】
また、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、凝縮水に含まれる金属イオンを除去する金属イオン除去手段と、前記水タンクと前記金属除去手段とを接続する凝縮水送液ラインと、金属イオンを除去した前記凝縮水を脱イオン処理する水処理装置と、前記金属イオン除去手段と前記水処理装置とを接続する脱金属イオン水送液ラインと、前記金属イオン除去手段を通過した水を排水する排水ラインと、前記金属イオン除去手段を通過した水を前記水処理装置又は前記排水ラインに切り換えて流す１又は複数で構成される切換弁とを備え、前記切換弁は、前記金属イオン除去手段から排出される水の電気伝導率が２０μＳ／ｃｍ以下となるまで、前記排水ライン側に開くように構成されている、ことを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、燃料電池発電装置の起動時に、前記金属イオン除去手段に水を通水させて、燃料電池発電装置の停止中に前記金属イオン除去手段内に滞留していた滞留水を前記水処理系外に排水するので、水処理装置に金属イオン濃度の高い水が導入されるのを防止できる。また、金属イオンが微粒子として析出し水処理装置内への堆積を防止できる。このため、水処理装置にかかる負荷を低減でき、水処理装置の交換周期を長期化できる。
【０００９】
そして、前記排水工程は、前記金属イオン除去手段から排出される水の電気伝導率が２０μＳ／ｃｍ以下となるまで実施する。金属イオンの濃度が高いと電気伝導率が高くなるので、この態様によれば、電気脱イオン装置に金属イオン濃度の高い水が導入されるのをより確実に防止できる。
【００１０】
本発明において、前記排水工程は、前記金属除去手段の容積の２倍以上の容積の水を水処理系外に排水するまで実施することが好ましい。金属除去手段の容積の２倍以上の容積の水を系外に排水することで、電気脱イオン装置に金属イオン濃度の高い水が導入されるのをより効果的に防止できる。
【００１１】
本発明において、前記金属除去手段から水処理系外に排水した水は、前記金属イオン除去手段の上流側に還流することが好ましい。この態様によれば、金属除去手段から排水した水を再利用するので、排水量を軽減でき、系内の水自立を維持し易くなる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、水処理装置に金属イオン濃度の高い水が導入されるのを防止できるので、水処理装置にかかる負荷を低減できる。このため、水処理装置の交換周期を長期化して、メンテナンスコストを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面に基づいて本発明の燃料電池発電装置の実施形態を説明する。図１に、本発明の燃料電池発電装置の第一の実施形態の概略構成図を示す。
【００１４】
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。
【００１５】
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、改質ガス用ドレントラップＱ１が配置されており、改質ガス用ドレントラップ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、改質装置３に併設された燃焼部３ｂに連結している。このアノードオフガス排出ラインＬ３には、アノードオフガス用ドレントラップＱ２が配置されており、アノードオフガス用ドレントラップ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。
【００１６】
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。
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。
【００１７】
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。
【００１８】
改質装置３は、改質触媒層３ａと燃焼部３ｂとで構成されている。
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。
【００１９】
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。
【００２０】
燃焼部３ｂの燃焼燃料導入口側は、アノード電極１ａのオフガス排出側から伸びたアノードオフガス排出ラインＬ３と、燃焼空気源から伸びた燃焼空気供給ラインＬ１１とが接続している。
燃焼部３ｂの燃焼排ガス排出側からは、燃焼排ガスラインＬ１２が伸びて脱炭酸装置５に連結している。この燃焼排ガスラインＬ１２には、燃焼排ガス熱交換器Ｑ４が配置されている。
【００２１】
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、上述した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及び燃焼排ガスラインＬ１２が接続している。また、脱炭酸装置５の上部からは、排気ラインＬ１７が伸びている。
【００２２】
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。
【００２３】
水タンク４には、上述した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。
【００２４】
回収水供給ラインＬ２０には、上流側から、回収水ポンプＰ１、入口フィルタ８、金属イオン除去装置９、開閉弁Ｖ１、水処理装置１０が配置されている。
【００２５】
そして、本発明の燃料電池発電装置は、回収水供給ラインＬ２０の金属イオン除去装置９と開閉弁Ｖ１との間の配管が分岐して、排水弁Ｖ２が介装した排水ラインＬ２１が伸びている。
【００２６】
この実施形態においては、上記開閉弁Ｖ１と排水弁Ｖ２とが、本発明における「切換弁」を構成している。ただし、切替弁は、回収水供給ラインＬ２０と排水ラインＬ２１との分岐部に設けられた一つの切替弁で構成することもできる。
【００２７】
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。
【００２８】
金属イオン除去装置９としては、金属イオン吸着樹脂を充填した金属イオン除去筒などが挙げられる。金属イオン吸着樹脂としては、陽イオン交換樹脂、キレート樹脂などが挙げられ、キレート樹脂が好ましい。キレート樹脂は、キレート結合により金属イオンを選択的に捕捉できるので、凝縮水中の金属イオンを効率よく低減できる。キレート樹脂としては、「アンバーライト  ＩＲＣ７４８」（商品名  Ｒｏｈｍ  ａｎｄ  Ｈａａｓ社製）などが一例として挙げられる。
【００２９】
水処理装置１０としては、水タンク４で回収した回収水を脱イオン処理する装置であれば特に限定はなく、電気式脱イオン装置、活性炭フィルタ、イオン交換樹脂などが挙げられる。これらを単独で使用してもよく、複数を併用してもよい。なかでも、ランニングコストやメンテナンスコストを低減できるという理由から電気式脱イオン装置を使用することが好ましく、電気式脱イオン装置の下流側に水処理樹脂を配置して用いることがより好ましい。なお、この実施形態では、水処理装置１０として電気式脱イオン装置を用いている。
【００３０】
ここで、電気式脱イオン装置とは、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、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。一方、電気式脱イオン装置の濃縮室から排出される濃縮水は、回収水中のイオンが濃縮されて多量に含まれており、電気式脱イオン装置の脱塩室から伸びた濃縮水排出ラインＬ２２は、脱炭酸装置５に連結して、濃縮水を水タンクの上流側に還流するように構成されている。
【００３１】
次に、本発明の燃料電池発電装置の作動を含めた、燃料電池発電装置の起動方法について説明する。
【００３２】
原燃料供給ラインＬ９から供給される原燃料は、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。なお、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、アノードオフガス排出ラインＬ３からアノードオフガスと、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部３ａを加熱する。
【００３３】
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用ドレントラップ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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、アノードオフガス供給ラインＬ３の途中に配置されたアノードオフガス用ドレントラップ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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、水処理装置１０に送られて脱イオン処理がなされ、処理水は、電池冷却水タンク１２に送られる。
【００３９】
ところで、金属イオン除去装置９内に凝縮水が滞留したままの状態で燃料電池発電装置を停止すると、金属イオン除去装置９内のキレート樹脂などから、一度は吸着した金属イオンの脱離が生じる。このため、前述したように、燃料電池発電装置の起動時直後の金属イオン除去装置９から排出される水は、金属イオンを多量に含有しており、後段の水処理装置１０には、多量の金属イオンを含む水が流入するおそれがあった。
【００４０】
本発明においては、燃料電池発電装置の起動時は、開閉弁Ｖ１を閉じ、排水弁Ｖ２を開いて、金属イオン除去装置９に滞留していた金属イオンを多量に含む水を、排水ラインＬ２１から水処理系外に排水する排水工程を行う。
【００４１】
排水工程は、金属イオン除去装置９から排出される水の電気伝導率が、設定値を下回るまで行うことが好ましく、２０μＳ／ｃｍ以下になるまで行うことがより好ましい。なお、電気伝導率を測定する場合は、金属イオン除去装置９と排水弁Ｖ２との間に電気伝導率計を配置することで測定できる。
【００４２】
また、別の態様としては、金属イオン除去装置９から、金属イオン除去装置９の容積の２倍以上の容積の水が排水ラインＬ２１から排水されるまで排水工程を行うことが好ましく、金属イオン除去装置９の容積の２〜３倍の容積の水が排水ラインＬ２１から排水されるまで行うことがより好ましい。
【００４３】
そして、上記排水工程を実施後、開閉弁Ｖ１を開き、排水弁Ｖ２を閉じて、金属イオン除去装置９を通過した水を水処理装置１０に導入する。
【００４４】
このように、本発明によれば、燃料電池発電装置の起動時に、金属イオン除去装置９に凝縮水を通水させて、燃料電池発電装置の停止中に金属イオン除去装置９内に滞留していた滞留水を系外に排水する排水工程を行った後、金属イオン除去装置９で処理された凝縮水を水処理装置１０に導入することで、水処理装置１０には、金属イオンが低減された水を導入でき、水処理装置１０にかかる負荷を低減と、堆積物による流れ阻害の防止ができる。これによって、水処理装置１０交換周期を長期化でき、メンテナンスコストを低減できる。
【００４５】
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。なお、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。
【００４６】
この実施形態において、上記第一の実施形態との相違点は、排水ラインＬ２１の下流側が、回収水供給ラインＬ２０の回収水ポンプＰ１よりも上流側に接続している点である。
【００４７】
この実施形態によれば、燃料電池発電装置の起動時において、排水ラインＬ２１から排水された水を還流して、再度金属イオン除去手段に再度供給するので、排水量を大幅にへらすことができ、燃料電池発電装置の系内での水自立を維持し易くなる。
【実施例】
【００４８】
キレート樹脂（商品名：「アンバーライト  ＩＲＣ７４８」  Ｒｏｈｍ  ａｎｄ  Ｈａａｓ社製）を充填した金属イオン除去装置内に、水を滞留させた状態で４８時間保持したのち、金属イオン除去装置に水を通水させ、金属イオン除去装置から排出される水の電気伝導率を測定した。結果を表1に記す。
【００４９】
【表１】
0005269446.tif 000002
【００５０】
金属イオン除去装置の容積の２倍以上の水を通水することで、電気伝導率を２０μＳ／ｃｍまで低減できた。
そして、燃料電池発電装置の起動時に、金属イオン除去装置の容積の２倍以上の水を通水させてから、水処理装置に金属イオン除去装置を通過した水を導入して水処理を行ったところ、水処理装置にかかる負荷を低減できた。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【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。
【符号の説明】
【００５２】
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：水処理装置
１２：電池冷却水タンク
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：排水ライン
Ｌ２２：濃縮水排出ライン
Ｐ１：回収水ポンプ
Ｑ１：改質ガス用ドレントラップ
Ｑ２：アノードオフガス用ドレントラップ
Ｑ３：カソードオフガス熱交換器
Ｑ４：燃焼排ガス熱交換器
Ｖ１：開閉弁
Ｖ２：排水弁
【図１】
0005269446.tif 000003
【図２】
0005269446.tif 000004