(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池と；
下部に回収水を溜める貯液部を有し、前記発生した水を含む回収水を導入する回収水入口と前記酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス入口と前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口とが形成され、前記回収水入口から導入された回収水と前記酸化剤ガス入口から導入された酸化剤ガスとを接触させるように構成された気液接触装置と；
前記貯液部の回収水を前記気液接触装置の上部に送ることにより前記回収水を前記気液接触装置内で循環させる循環経路を備え；
前記循環経路は、循環する前記回収水を加熱する加熱手段を有し；
燃料の燃焼により発生する熱で原料燃料を改質して前記燃料ガスを製造する改質装置をさらに備え；
前記加熱手段は熱交換器であって、該熱交換器の加熱側の熱源流体は、前記電気化学的反応に伴い発生する酸化剤ガス側のオフガス又は前記燃料の燃焼に伴い発生する燃焼排ガスの少なくとも一方である；
燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記循環経路は、陰イオン交換樹脂を用いた水処理装置を有する、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池と；
下部に回収水を溜める貯液部を有し、前記発生した水を含む回収水を導入する回収水入口と前記酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス入口と前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口とが形成され、前記回収水入口から導入された回収水と前記酸化剤ガス入口から導入された酸化剤ガスとを接触させるように構成された気液接触装置と；
前記貯液部の回収水を前記気液接触装置の上部に送ることにより前記回収水を前記気液接触装置内で循環させる循環経路を備え；
前記循環経路は、陰イオン交換樹脂を用いた水処理装置を有する、燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記気液接触装置から前記改質装置に前記回収水を供給する供給水路を備え；
前記供給水路は、前記回収水から不純物を除去する水処理装置を有する；
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記酸化剤ガス出口側のガス経路に前記酸化剤ガスを加圧するブロワを備える、請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池と；
下部に回収水を溜める貯液部を有し、前記発生した水を含む回収水を導入する回収水入口と前記酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス入口と前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口とが形成され、前記回収水入口から導入された回収水と前記酸化剤ガス入口から導入された酸化剤ガスとを接触させるように構成された気液接触装置と；
前記貯液部の回収水を前記気液接触装置の上部に送ることにより前記回収水を前記気液接触装置内で循環させる循環経路と；
前記酸化剤ガス出口側のガス経路に前記酸化剤ガスを加圧するブロワを備える、燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記ブロワの下流に配置され、加圧された前記酸化剤ガスを冷却する冷却手段をさらに備える請求項５又は請求項６に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記冷却手段は、酸化剤ガス流路から加圧された酸化剤ガスを導入し、燃料流路から改質ガスを導入し、冷却水流路からスタック冷却水を導入して相互に熱交換させる請求項７に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
前記冷却手段の下流に配置され、前記酸化剤ガスから凝縮水を分離する気液分離器をさらに備える請求項８に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記貯液部に溜めた回収水の貯液量を計測し、所定の貯液量に達した段階で、前記燃料電池から発生する水の液送経路を前記気液接触装置から系外へ切り替え、該水を外部に放出させる貯液量制御装置をさらに備える請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池と；
下部に回収水を溜める貯液部を有し、前記発生した水を含む回収水を導入する回収水入口と前記酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス入口と前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口とが形成され、前記回収水入口から導入された回収水と前記酸化剤ガス入口から導入された酸化剤ガスとを接触させるように構成された気液接触装置と；
前記貯液部の回収水を前記気液接触装置の上部に送ることにより前記回収水を前記気液接触装置内で循環させる循環経路と；
前記貯液部に溜めた回収水の貯液量を計測し、所定の貯液量に達した段階で、前記燃料電池から発生する水の液送経路を前記気液接触装置から系外へ切り替え、該水を外部に放出させる貯液量制御装置を備える燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムに関し、特に、燃料電池コージェネレーションシステムにおける酸化剤ガスと改質器供給水の処理システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ガス、ＬＰＧ、消化ガス、メタノールや灯油のような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する燃料電池発電システムと、この燃料電池発電システムの電気出力と排熱を併給する燃料電池コージェネレーションシステムとがある。
【０００３】
燃料電池発電システムは、酸化剤ガスとして空気を用いる場合に燃料電池の性能低下を抑えるために空気中の粉塵、ＳＯｘ、ＮＯｘなどの酸性ガス汚染物質や、沿岸地域の大気中塩分等の不純物を除去する必要があり、また、改質装置に供給する燃料改質用の水は、不溶性物質のみならず、Ｃａ２＋、Ｎａ＋等の陽イオンや、ＳＯ４２−、Ｃｌ−等の陰イオン等の溶解性物質をも除去する必要がある。
【０００４】
また、燃料電池として固体高分子形燃料電池を用いる場合、プロトン交換膜の導電性を高く維持するために、酸化剤ガスを所定の露点まで加湿する必要がある。要求される酸化剤ガス露点は使用する燃料電池の作動温度等の運転条件によって異なるが、約５０〜８０℃の範囲が一般的である。
【０００５】
燃料改質用水の清浄化方法としては、イオン交換樹脂充填カラムとフィルタとを直列に配置した精製装置に原水を通過させ純水に精製してから燃料改質器に供給していた。また、酸化剤ガスの清浄化方法としては、エアフィルタを用いた乾式濾過方式を用いていた。さらに、酸化剤ガスの加湿方法としては、水蒸気透過膜を用いた膜加湿方式や燃料電池スタック冷却水を熱源とした温水接触加湿方式が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１７５８２６号公報（段落番号００１８、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこのような従来の燃料電池発電システムでは、酸化剤ガスの加湿方法として膜加湿方式を用いる場合、加湿膜の寿命は燃料電池スタックの寿命より短く、燃料電池システム全体の寿命を制約するという課題が存在していた。
【０００８】
また、燃料電池スタック冷却水を熱源とした温水接触加湿方式では、スタック冷却水の温度が低下するので、この冷却水を熱源として燃料電池コージェネレーションシステムから供給される温水の温度が低下するという課題も存在する。
【０００９】
さらに、酸化剤ガスの清浄化方法としてエアフィルタによる乾式濾過方式を用いる場合は、酸化剤ガスブロワの消費動力がエアフィルタの圧力損失により増加しシステムの効率を低下させていた。
【００１０】
また、改質供給水の原水として系内回収水を用いる時には、この回収水を純水装置により処理すると、純水装置のイオン交換樹脂の寿命が回収水中の溶存ＣＯ２によって大幅に低下する。さらには、酸化剤ガスの清浄化処理と加湿処理、そして、改質器供給水の精製が別々の系統で行われているので、システム全体としての構成機器の点数が増加する結果、燃料電池発電システムの製造コストが増加するという課題も存在する。
【００１１】
本発明は、斯かる実情に鑑み、構成機器の簡略化を図った燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【００１２】
加えて、小型化又は長寿命化を図った燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による燃料電池発電システムは、例えば、図２に示すように、燃料ガス４１と酸化剤ガス６２との電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池ユニット２０と、下部に回収水を溜める貯液部７１を有し、発生した水を含む回収水４２を導入する回収水入口７３と酸化剤ガス６１を導入する酸化剤ガス入口７２と酸化剤ガス６６を排出する酸化剤ガス出口７７とが形成され、回収水入口７３から導入された回収水４２と酸化剤ガス入口７２から導入された酸化剤ガス６１とを接触させるように構成された気液接触装置７０と、貯液部７１の回収水を気液接触装置７０の上部に送ることにより回収水を気液接触装置７０内で循環させる循環経路８２を備える。
【００１４】
ここで、燃料電池ユニット２０は固体高分子形又はリン酸形燃料電池を使用することができ、貯液部７１は循環経路８２に接続され、回収水を直接的又は間接的に気液接触装置７０内へ導入できる手段を用いることができる。また、循環経路８２は回収水を液送する循環ポンプ８２ａと配管を用いてもよい。さらに、気液接触装置７０は、充填層を有する気液接触装置７０を用いてもよい。この気液接触装置７０内の酸化剤ガス６１と回収水４２との接触は向流接触をするように構成することができる。
【００１５】
このように構成すると、酸化剤ガスの処理と改質器供給水の処理を結合させた気液接触装置７０により構成機器を簡略化し、気液接触装置７０内で回収水と酸化剤ガス６１とを接触させることにより、酸化剤ガス６１を洗浄し加湿することができ、回収水４２を脱炭酸することができる。
【００１６】
また、前記循環経路８２は、例えば、図２に示すように、循環する回収水を加熱する加熱手段として熱交換器８３を有する。
【００１７】
このように構成すると、回収水は熱交換器８３内で加熱昇温された後に気液接触装置７０の上部に循環され酸化剤ガス６１と接触することで、酸化剤ガス６１を洗浄し加湿昇温することができる。また、回収水は酸化剤ガス６１によって脱炭酸し冷却することができる。
【００１８】
また、請求項１に係る発明による燃料電池発電システムは、例えば、図２に示すように、燃焼燃料５の燃焼により発生する熱で原料燃料２を改質して改質ガス３を製造する改質装置１を備え、加熱手段は熱交換器８３であって、熱交換器８３の加熱側の熱源流体は、電気化学的反応に伴い発生する酸化剤ガス側のオフガス２２又は燃料の燃焼に伴い発生する燃焼排ガス６の少なくとも一方である。
【００１９】
ここで、熱交換器８３は、オフガス２２と燃焼排ガス６の混合ガス６３を熱交換器８３の熱源流体として使用する。
【００２０】
このように構成すると、混合ガス６３の熱量により回収水を加熱し気液接触装置７０を小型化することができる。また、オフガス２２に比較して燃焼排ガス６の温度が高く相対湿度が低いので、オフガス２２と燃焼排ガス６を混合させることによって、配管における水の結露を防ぐことができるメリットもある。
【００２１】
また、請求項２及び請求項３に係る発明による燃料電池発電システムは、例えば、図３に示すように、燃料電池発電システムの循環経路８２は、陰イオン交換樹脂充填カラム９４を用いた水処理装置９３を有する。
【００２２】
ここで、循環経路８２は、循環ポンプ８２ａにより回収水を液送するとよい。また、水処理装置９３は循環ポンプ８２ａの下流側に設置するとよい。
【００２３】
このように構成すると、循環経路８２に液送される回収水中の溶解物質であるＳＯ４２−やＣｌ−等の陰イオン成分を水処理装置９３により除去することができる。
【００２４】
上記目的を達成するために、請求項４に係る発明による請求項１又は請求項２に記載の燃料電池発電システムは、例えば、図２に示すように、燃料５の燃焼により発生する熱で原料燃料２を改質して改質ガス３を製造する改質装置１と、気液接触装置７０から改質装置１に回収水６５を供給する供給水路８５を備え、供給水路８５は、回収水から不純物を除去する純水装置８６を有する。
【００２５】
ここで、純水装置８６はイオン交換樹脂充填カラム８７や固形物フィルタ８８を用いることができる。
【００２６】
このように構成すると、改質装置１に不純物を除去した純水を供給することができる。
【００２７】
上記目的を達成するために、請求項５及び請求項６に係る発明による燃料電池発電システムは、例えば、図２に示すように、燃料電池発電システムの気液接触装置７０は、酸化剤ガス出口７７側のガス経路に酸化剤ガス６２を加圧するブロワ８４を備える。
【００２８】
このように構成すると、燃料電池２０に供給する酸化剤ガス６２の露点温度を上昇させることで気液接触装置７０を小型化することができる。また、加圧するブロワ８４が酸化剤ガス出口７７側に備えるため、ブロワ８４による噴出し圧力が気液接触装置７０にかからない。
【００２９】
上記目的を達成するために、請求項７に係る発明による請求項５又は請求項６に記載の燃料電池発電システムは、例えば、図５に示すように、ブロワ８４の下流に配置され、加圧された酸化剤ガス６２を冷却する冷却手段１１２をさらに備える。
【００３０】
このように構成すると、ブロワ８４により圧縮発熱した酸化剤ガス６２の温度を冷却手段１１２により低下させることができるため、酸化剤ガス６２の相対湿度を上昇させることができる。
【００３１】
ここで、冷却手段１１２は、例えば、スタック冷却水２３と酸化剤ガス６２とを熱交換させる熱交換器を用いることができる。
【００３２】
上記目的を達成するために、請求項８に係る発明による請求項７に記載の燃料電池発電システムは、例えば、図６に示すように、冷却手段１１４は、酸化剤ガス流路３３ａから加圧された酸化剤ガス６２を導入し、燃料流路３１ａから改質ガス３を導入し、冷却水流路３２ａからスタック冷却水２３ａを導入して相互に熱交換させるように構成する。
【００３３】
このように構成すると、酸化剤ガス流路３３ａと燃料流路３１ａと冷却水流路３２ａを備えるので、酸化剤ガス６２と改質ガス３を共に、スタック冷却水２３ａの温度に近づけ冷却することができる。
【００３４】
上記目的を達成するために、請求項９に係る発明による請求項８に記載の燃料電池発電システムは、例えば、図５に示すように、冷却手段１１２の下流に配置され、酸化剤ガスから凝縮水を分離する気液分離器５５をさらに備える。
【００３５】
このように構成すると、気液分離器５５をさらに備えるため、水蒸気飽和状態の酸化剤ガスから凝縮水を分離した酸化剤ガス６８を燃料電池２０へ供給することができる。
【００３６】
上記目的を達成するために、請求項１０に係る発明による請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の燃料電池発電システムは、例えば、図７に示すように、貯液部７１に溜めた回収水の貯液量を計測し、所定の貯液量に達した段階で、燃料電池２０から発生する水の液送経路６７を気液接触装置７０から系外へ切り替え、水を外部に放出させる貯液量制御装置１１７をさらに備える。
【００３７】
ここで、貯液量を計測する手段は液面センサ１１８を用い、液送経路６７を切替える手段は電磁バルブ１１５と電磁バルブ１１６を用い、貯液量制御装置１１７はコンピュータ又はマイクロプロセッサを用いることができる。
【００３８】
このように構成すると、燃料電池２０と気液接触装置７０との間で水を循環させながら、燃料電池２０で発生する余剰水を系外へ排出することができる。
【００３９】
【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から図７は発明を実施する形態の一例であって、図中、図と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。
【００４０】
図１は、本発明による第１の実施の形態である燃料電池発電システムの模式的ブロック図である。燃料電池発電システムは、改質燃料２を改質する改質装置１と、改質装置１から排熱回収装置４０を経由して燃料ガス４１が供給される燃料電池としての燃料電池ユニット２０と、燃料電池ユニット２０から発生するスタック冷却水を排熱回収装置４０との間で循環させる循環経路２３、２４と、外部から導入する酸化剤ガスと排熱回収装置４０から回収する系内回収水４２とを気液接触処理を行い処理後の酸化剤ガス６２を燃料電池ユニット２０へ供給する酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置６０と、を備える。
【００４１】
図１のブロック図を参照して、燃料電池発電システムの動作について説明をする。燃料電池発電システムは、改質装置１から製造された改質ガス３を排熱回収装置４０に供給し、排熱回収装置４０から送出する燃料ガス４１を下流の燃料電池ユニット２０に供給する。また、酸化剤ガスとして大気中の空気又は酸素を酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置６０へ供給し処理後の酸化剤ガス６２を燃料電池ユニット２０へ供給する。燃料電池ユニット２０は、供給された処理後の酸化剤ガス６２と燃料ガス４１との電気化学的反応により直流電力（不図示）を発電する。
【００４２】
本実施の形態では、改質装置１へ外部から燃焼燃料５、空気４を導入し、また燃料電池ユニット２０から燃料極オフガス２１を導入し、酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置６０から改質器供給水６５を導入することにより、天然ガス、ナフサ、メタノールのような改質燃料２を外部から改質装置１へ供給し水素を主成分とする水素富化ガスとしての改質ガス３を製造する。また、改質装置１から排出される燃焼排ガス６を燃料電池ユニット２０から排出される空気極オフガス２２と混合した後に混合ガス６３として酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置６０へ供給するように構成する。
【００４３】
コージェネレーション用の温水熱源は、燃料電池ユニット２０から排出するスタック冷却水を往き配管２３及び還り配管２４で構成する循環系統を経由させて排熱回収装置４０内の熱交換器から供給する。この熱交換器によりコージェネレーション系から温水往き配管４３と温水還り配管４４で構成する循環経路を循環する水の温度を上昇させることができる。
【００４４】
排熱回収装置４０は、改質装置１から送出される改質ガス３を気液分離し系内回収水４２を生成する。生成された系内回収水４２は酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置６０へ供給する。
【００４５】
酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置６０は、上述した混合ガス６３と系内回収水４２の供給を受けて、大気中の酸素又は空気のような酸化剤ガス６１を浄化し、浄化処理後の酸化剤ガス６２を燃料電池ユニット２０へ送出する。また、系内回収水４２を浄化した改質器供給水６５を改質装置１へ供給する。
【００４６】
改質装置１は、燃焼燃料５と空気４を導入し、改質燃料２を改質して改質ガス３を製造する。この改質ガス３を下流の排熱回収装置４０へ送出し改質ガス３の温度及び露点を排熱回収装置４０により適宜調整して燃料ガス４１を生成することができる。
【００４７】
燃料電池ユニット２０の燃料極には、排熱回収装置４０から送出される燃料ガス４１を導入する。一方、酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置６０から送出される処理後の酸化剤ガス６２を燃料電池ユニット２０の空気極に導入して電気化学的反応により電力を発電することができる。
【００４８】
燃料電池ユニット２０の燃料極から排出される燃料極オフガス２１と空気４とを改質装置１内の燃焼部にて燃焼させて、改質燃料２の改質熱を発生させる。ここで、改質装置１の起動時や改質熱不足時には燃焼燃料５を改質装置１の補助燃料として供給することができる。
【００４９】
改質装置１から排出される燃焼排ガス６と燃料電池ユニット２０の空気極３３（図２参照）から排出される空気極オフガス２２とを混合する混合ガス６３と、排熱回収装置４０から回収された回収水４２と、酸化剤ガス６１と、を酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置６０に送出する。
【００５０】
酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置６０は、混合ガス６３を熱源として、系内回収水４２を原水として各々利用することにより、処理後の酸化剤ガス６２と改質器供給水６５を生成する。また、酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置６０から排気される排ガス６４は、燃料電池発電システムの排気ガスとして系外へ排出する。
【００５１】
燃料電池ユニット２０は、発生する熱エネルギーを回収する燃料電池ユニットのスタック冷却水を還り配管２４を経由して排熱回収装置４０へ送出し、排熱回収装置４０から往き配管２３を介して燃料電池ユニット２０へ回収する冷却水の循環経路に接続されている。
【００５２】
このように、燃料電池ユニット２０の熱エネルギーを加湿などによる酸化剤ガス処理の熱源に用いる必要がないので、最大限の温度と熱量を有する温水を燃料電池システムからコージェネレーションシステムへ供給することができる。
【００５３】
燃料電池ユニット２０は、スタック冷却水の温度が酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置６０の条件変動による影響を受けないので、燃料電池ユニット２０の温度を容易に制御することができる。
【００５４】
図２は、第１の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。燃料電池発電システムは、外部から供給される改質燃料２を改質する改質装置１と、改質装置１に接続され改質装置１から熱交換器１０６及び気液分離器４５を経由して燃料ガス４１の供給を受ける燃料電池ユニット２０と、酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置として外部から供給される酸化剤ガス６１と系内回収水４２とを気液接触させる気液接触装置としての気液接触塔７０と、気液接触塔７０の下部に設けた貯液部７１から上部に設けた水分散器７９へ回収水を循環させる循環経路８２と、貯液部７１からポンプ８５ａを通じて回収水を液送し純水化する純水装置８６と、を備える。
【００５５】
ここで、燃料電池ユニット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、空気極３３と、冷却水流路３１と、燃料極３２とを有し、気液接触塔７０から空気極３３へ酸化剤ガス６２を導入し、改質装置１から燃料としての改質ガス３を導入し、電気化学的反応により電力を発電する。
【００５６】
燃料電池ユニット２０の冷却水流路３１から排出されるスタック冷却水は、冷却水還り配管２４から送出し熱交換器１１０と熱交換器１０６とポンプ１０８とを経由して冷却水往き配管２３を介して冷却水流路３１へ循環される。
【００５７】
コージェネレーション系の水は、温水往き配管４３から熱交換器１１０に導入してスタック冷却水と熱交換をし昇温してから、温水還り配管４４を通じて送出される。また、熱交換器１１０を通過したスタック冷却水は次段の熱交換器１０６へ送出され改質装置１から送出される改質ガス３の温度を調整するように熱交換をする。熱交換器１０６を通過したスタック冷却水は、ポンプ１０８を介して燃料電池ユニット２０の冷却水流路３１へ循環される。
【００５８】
気液接触塔７０は、その下部に、貯液部７１と、回収水入口７３と、回収水吸引口７４と、溢流管７５とを配置し、この溢流管７５の上部に位置する溢流口７６の上方に酸化剤ガス入口７２を備え、気液接触塔７０の上部には、酸化剤ガス出口７７と、回収水注入口７８と、水分散器７９とを有する。
【００５９】
気液接触塔７０は、その中部に、回収水と酸化剤ガス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とを備える。
【００６０】
回収水４２は、循環ポンプ８２ａによって貯液部７１の回収水吸引口７４より熱交換器８３に送出され、混合ガス６３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に供給される。このように回収水４２は循環経路８２を通して循環されている。
【００６１】
酸化剤ガスのブロワ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。吸引された酸化剤ガス６１と回収水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、昇温及び加湿される。
【００６２】
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ユニット２０内の空気極触媒に対する触媒被毒作用をほとんど示さないので燃料電池ユニット２０の劣化や寿命に影響することはない。なお、本実施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。
【００６３】
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に接続する供給水用のポンプ８５ａにより純水装置８６に送られる。回収水４２は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、改質器供給水６５として改質装置１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。
【００６４】
上記実施の形態では、循環用のポンプ８５ａを用いて回収水４２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に接続する循環ポンプ８２ａ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の一部を分岐して純水装置８６へ液送することもできる。従って、供給水用のポンプ８５ａを省き構成部材を削減することができる。
【００６５】
上記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。
【００６６】
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を追加することも出来る。この場合、回収水４２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るので、純水装置８６のメンテナンス期間を延ばすことができる。
【００６７】
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６６は、酸化剤ガスのブロワ８４によって昇圧され、処理後の酸化剤ガス６２として積層型の燃料電池ユニット２０の空気極３３に供給される。
【００６８】
このように構成すると、酸化剤ガスのブロワ８４による昇圧の結果、酸化剤ガス６６の露点が上昇する。例えば、酸化剤ガスのブロワ８４による酸化剤ガス６６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６６の露点が５０℃の場合は、処理後の酸化剤ガス６２の露点が約２℃上昇し約５２℃になる。
【００６９】
このように、酸化剤ガス６２の達成すべき露点が一定の場合、酸化剤ガスのブロワ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、気液接触塔７０をコンパクト化、すなわち燃料電池発電システムをコンパクト化することができる。また、ブロワ８４を酸化剤ガス入口７２側に配置した場合と違って、気液接触塔７０内はブロワ８４により加圧されることがない。
【００７０】
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４２及び６７をそれぞれの水位差によって気液分離器４５及び８９から貯液部７１へ導入することができる。従って、回収水４２及び回収水６７を液送する送液ポンプ等を不要にすることができる。
【００７１】
さらに、余剰の回収水４２又は６７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発電システムの系外へ排出することができる利点もある。
【００７２】
酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置の一部を構成する熱交換器８３は、燃料電池ユニット２０の空気極３３から排出する空気極オフガス２２と、改質装置１から排出された燃焼排ガス６を混合した混合ガス６３を導入し、顕熱及び潜熱の一部を気液接触塔７０から供給された回収水４２と熱交換をしてから、回収された混合ガス６３を下流に配置する気液分離器８９により凝縮水を分離する。
【００７３】
気液分離器８９内の凝縮水は、回収水６７として回収され水位差によって気液接触塔７０へ送出される。また、気液分離器８９を出た気体は排ガス６４として燃料発電システムの系外へ排出される。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の熱及び水分をさらに回収することもできる。
【００７４】
上記実施の形態では、空気極オフガス２２と燃焼排ガス６の顕熱、潜熱、及び、水分を比較的に少ない機器で回収し有効利用することができる。
【００７５】
図３は、本発明の第２の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。ここで、前記第１の実施形態と同一又は対応する部材又は要素は、同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００７６】
燃料電池発電システムは、改質装置１と、燃料電池ユニット２０と、酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置６０を構成する気液接触塔７０と水処理装置９３と、純水装置８６と、を備える。
【００７７】
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。
【００７８】
また、気液接触塔７０の回収水吸引口７４に接続する循環経路８２中の循環用のポンプ８５ａの下流側に水処理装置９３を備える。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、ＯＨ−型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中の酸性ガス汚染物質、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ＯＨ−イオンと反応してイオン化し、回収水４２に吸収される。
【００７９】
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ＯＨ−イオンの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、ＯＨ−イオンが回収水に供給される。
【００８０】
本実施の形態では、回収水の循環経路に、ＯＨ−型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に循環される回収水４２にＯＨ−イオンを常に供給する。即ち、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。
【００８１】
図４は、本発明の実施の形態である燃料電池発電システムに用いる気液接触塔７０の系統図である。上述した実施の形態では、気液接触塔７０内の貯液部７１の上部に酸化剤ガス入口７２を設けて大気中の酸素又は空気を導入したが、本実施の形態では、貯液部７１に貯留した回収水の中に酸化剤ガス導入口１０４を設けている。
【００８２】
この酸化剤ガス導入口１０４は、酸化剤ガス入口７２から空気又は酸素を貯液部７１へ導入し貯留した回収水により酸化剤ガス６１の不純物を除去することができる。酸化剤ガス６１は、泡状に放出され気液接触塔７０内を上昇して上部の水分散器７９から散布される回収水４２と接触し二段階の浄化工程を経ることができる。
【００８３】
このように本実施の形態では、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により水を発生すると共に発電する発電工程と、発生した水を含む回収水４２と発電工程で使用する前の酸化剤ガス６１とを接触させる気液接触工程とを備えることにより、燃料電池発電システム系内の回収水４２を脱炭酸し精製すると共に、酸化剤ガスを浄化して燃料電池ユニット２０へ供給する燃料電池発電方法を提供することができる。
【００８４】
また、上述した気液接触工程は、酸化剤ガス６１と接触させる回収水４２を循環使用するために循環する循環工程を備えることにより、この循環工程は、循環する回収水４２を加熱する加熱工程を有するので、加熱した回収水４２を介して酸化剤ガス６１を加湿昇温し浄化する燃料電池発電方法を提供することができる。
【００８５】
さらに、燃料を燃焼させて熱を発生し、この熱で原料燃料としての改質燃料２を改質して水素富化ガスとしての改質ガス３を製造する改質工程を備えることにより、加熱工程では、電気化学的反応に伴い発生するオフガス２２又は燃料の燃焼に伴い発生する燃焼排ガス６の少なくとも一方で回収水４２を加熱することで、回収水４２を加熱する十分な熱源を確保する燃料電池発電工程を提供することができる。
【００８６】
さらにまた、循環工程は、陰イオン交換工程を有することにより、酸化剤ガス６１中の酸性ガス汚染物質を効率良く除去する燃料電池発電システムを提供することができる。
【００８７】
図５は、本発明の第３の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。燃料電池発電システムは、改質燃料２を改質する改質装置１と、改質装置１から燃料ガス４１の供給を受ける燃料電池ユニット２０と、燃料電池ユニット２０から発生する水を貯留すると共に燃料電池ユニット２０へ供給する酸化剤ガス６１を洗浄する気液接触塔７０と、気液接触塔７０が貯留する水を純水化する純水装置８６と、気液接触塔７０が貯留する水を浄化する水処理装置９３と、気液接触塔７０から浄化した酸化剤ガス６６を燃料電池ユニット２０へ送風するブロワ８４と、ブロワ８４の下流に設けられ燃料電池ユニット２０から排出するスタック冷却水とブロワ８４から送風する酸化剤ガス６２とを熱交換する冷却手段としての熱交換器１１２と、熱交換器１１２と燃料電池ユニット２０との間に配置され、熱交換した冷却酸化剤ガスから凝縮水を分離する気液分離器５５とを備える。
【００８８】
ここで、本実施の形態に用いる改質装置１、燃料電池ユニット２０、気液接触塔７０、純水装置８６、水処理装置９３、ブロワ８４等の部材は、上述した実施の形態に用いた部材と同等のものを用いることができるため、重複する説明を省略する。
【００８９】
燃料電池ユニット２０は、冷却水還り配管２４に接続され、内部の冷却水流路３１から排出するスタック冷却水をこの冷却水還り配管２４から送出し、スタック冷却水を燃料電池ユニット２０の下流に位置する熱交換器１１０と熱交換器１０６とポンプ１０８の順番に各々経由させながら、冷却手段としての熱交換器１１２、及び冷却水往き配管２３を介して冷却水流路３１へスタック冷却水を循環させるように構成する。
【００９０】
上記熱交換器１１２は、ブロワ８４を介して気液接触塔７０に接続され、ブロワ８４から処理後の酸化剤ガス６２を導入し、循環しているスタック冷却水と熱交換させて、この熱交換器１１２により冷却した酸化剤ガスを次段に接続した気液分離器５５に供給する。ここで、熱交換器１１２は、例えば、酸化剤ガス６２とスタック冷却水とを並行して通過させる並流形式の熱交換器が望ましい。
【００９１】
燃料電池ユニット２０による酸化剤ガスの圧力降下が大きい場合、ブロワ８４による酸化剤ガス６２の圧縮比が大きいので、圧縮発熱による酸化剤ガス６２の温度上昇が顕著となる。この酸化剤ガス６２が温度上昇する結果、酸化剤ガス６２の相対湿度が９０％以下に低下するおそれがある。
【００９２】
燃料電池ユニット２０の空気極３３へ相対湿度が９０％以下の酸化剤ガス６２を直接供給すると燃料電池ユニット２０内部の高分子電解質膜が乾燥し、燃料電池ユニット２０の出力電圧低下、及び高分子電解質膜の寿命の低下を招く虞がある。従って、本実施の形態では、上述の如く酸化剤ガス６２とスタック冷却水とを熱交換をさせることにより、酸化剤ガス６２を冷却し空気極３３に導入する酸化剤ガス６８の相対湿度を約９０％以上に維持することができる。
【００９３】
また、熱交換器１１２により冷却された酸化剤ガス６２の相対湿度が１００％を超える水蒸気過飽和状態に至る場合でも、気液分離器５５は、酸化剤ガス６２から凝縮水を分離するので、燃料電池ユニット２０に適した湿度の酸化剤ガス６８を供給することができる。分離した凝縮水は、下部に設けたバルブの開操作により配管５２を通じて気液接触塔７０の貯液部７１へ液送される。
【００９４】
図６は、本発明の第４の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。燃料電池発電システムは、改質燃料２を改質する改質装置１と、改質装置１から燃料ガス４１の供給を受ける燃料電池ユニット２０と、燃料電池ユニット２０から発生する水を貯留すると共に燃料電池ユニット２０へ供給する酸化剤ガス６１を洗浄する気液接触塔７０と、気液接触塔７０が貯留する水を純水化する純水装置８６と、気液接触塔７０が貯留する水を浄化する水処理装置９３と、気液接触塔７０から浄化した酸化剤ガス６６を燃料電池ユニット２０へ送風するブロワ８４と、ブロワ８４の下流に設けられ燃料電池ユニット２０から排出するスタック冷却水とブロワ８４から送風する酸化剤ガス６２及び改質装置１から供給される改質ガス３とを熱交換する冷却手段としての３流体熱交換器１１４と、熱交換器１１４と燃料電池ユニット２０との間に配置され、熱交換した冷却酸化剤ガスから凝縮水を分離する気液分離器５５と、熱交換した燃料ガス４１から凝縮水を分離する気液分離器４５と、を備える。
【００９５】
ここで、本実施の形態に用いる改質装置１、燃料電池ユニット２０、気液接触塔７０、純水装置８６、水処理装置９３、ブロワ８４等の部材は、上述した実施の形態に用いた部材と同等のものを用いることができるため、重複する説明を省略する。
【００９６】
燃料電池ユニット２０は、冷却水還り配管２４に接続され、内部の冷却水流路３１から排出するスタック冷却水をこの冷却水還り配管２４から送出し、スタック冷却水を燃料電池ユニット２０の下流に位置する熱交換器１１０とポンプ１０８の順番に各々経由させながら冷却水往き配管２３ａ、冷却手段としての３流体熱交換器１１４、及び冷却水往き配管２３を介して冷却水流路３１へスタック冷却水を循環させるように構成する。
【００９７】
３流体熱交換器１１４は、燃料流路３１ａ、冷却水流路３２ａ、及び酸化剤ガス流路３３ａを備え、燃料流路３１ａは、改質装置１に接続され改質ガス３を導入する。冷却水流路３２ａは、冷却水往き配管２３ａを介してポンプ１０８に接続されスタック冷却水を導入する。酸化剤ガス流路３３ａはブロワ８４に接続され処理後の酸化剤ガス６２を導入する。
【００９８】
上記３流体熱交換器１１４は、上述した実施の形態に用いた熱交換器１０６と熱交換器１１２の代替手段として機能し、改質ガス３と酸化剤ガス６２をスタック冷却水と熱交換させることができる。ここで、３流体熱交換器１１４は、改質ガス３と酸化剤ガス６２とスタック冷却水の３流体を並行して通過させる並流形式の熱交換器が望ましい。
【００９９】
また、３流体熱交換器１１４を用いるのは、上述した実施の形態で説明した熱交換器１０６（図５参照）が燃料ガス３とスタック冷却水との熱交換を行い、熱交換器１１２（図５参照）が酸化剤ガス６２とスタック冷却水との熱交換を行うように、熱交換器１０６と熱交換器１１２は共に、熱交換媒体の一方がスタック冷却水であるため、これらを代替することができるからである。
【０１００】
しかも、３流体熱交換器１１４は冷却媒体としてのスタック冷却水を共通にするので、燃料電池ユニット２０に導入する燃料ガス３と酸化剤ガス６２の温度をスタック冷却水温度に同時に近づけることができ、システムをコンパクトにすることができる。
【０１０１】
３流体熱交換器１１４は、燃料流路３１ａの出口が気液分離器４５を経由して燃料電池ユニットの燃料極３２に接続され、燃料ガス４１を燃料電池ユニット２０へ供給する。また、冷却水流路３２ａの出口が往き配管２３を経由して燃料電池ユニットの冷却水流路３１に接続され、スタック冷却水を燃料電池ユニット２０へ供給する。さらに、酸化剤ガス流路３３ａの出口が気液分離器５５を経由して燃料電池ユニットの空気極３３に接続され、気水分離した酸化剤ガス６８を燃料電池ユニット２０へ供給する。
【０１０２】
図７は、本発明の第５の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。燃料電池発電システムは、改質燃料２を改質する改質装置１と、改質装置１から燃料ガス４１の供給を受ける燃料電池ユニット２０と、燃料電池ユニット２０から発生する水を貯留すると共に燃料電池ユニット２０へ供給する酸化剤ガス６１を洗浄する気液接触塔７０と、気液接触塔７０が貯留する水を純水化する純水装置８６と、気液接触塔７０が貯留する水を浄化する水処理装置９３と、気液接触塔７０から浄化した酸化剤ガスを燃料電池ユニット２０へ送風するブロワ８４と、ブロワ８４の下流に設けられ燃料電池ユニット２０から排出するスタック冷却水とブロワ８４から送風する酸化剤ガス６２及び改質装置１から供給される燃料ガス４１とを熱交換する冷却手段としての３流体熱交換器１１４と、熱交換器１１４と燃料電池ユニット２０との間に配置され、熱交換した冷却酸化剤ガスから凝縮水を分離する気液分離器５５と、熱交換した燃料ガス４１から凝縮水を分離する気液分離器４５と、燃料電池ユニット２０と改質装置１から排気される混合ガス６３により循環する回収水を加熱する熱交換器８３と、熱交換器８３の下流に接続され冷却器１００により冷却された混合ガスから凝縮水を分離する気液分離器８９と、気液分離器８９の下部に設けられ分離した凝縮水を系外へ排出させる電磁バルブ１１６と、気液分離器８９の下部に設けられ分離した凝縮水を気液接触塔７０へ供給する電磁バルブ１１５と、を備える。
【０１０３】
ここで、本実施の形態に用いる改質装置１、燃料電池ユニット２０、気液接触塔７０、純水装置８６、水処理装置９３、ブロワ８４、熱交換器１１４等の部材は、上述した実施の形態に用いた部材と同等のものを用いることができるため、重複する説明を省略する。
【０１０４】
気液接触塔７０は、貯液部に貯留した回収水の貯留量を検出する液面センサ１１８を備え、液面センサ１１８のセンサ部１２０が回収水の液面１１９を検知するように構成する。液面センサ１１８は、ライン１２１を介して貯液量制御装置としてのコントローラ１１７に電気的に接続され、液面１１９の検出信号をコントローラ１１７へ送信する。
【０１０５】
コントローラ１１７は、気液分離器８９の下方に設けられた電磁バルブ１１５とライン１２２を介して電気的に接続され、同様に、気液分離器８９の下方に設けられた電磁バルブ１１６とライン１２３を介して電気的に接続されている。
【０１０６】
燃料電池ユニット２０は、燃料ガス４１と酸化剤ガス６８とが電気化学的反応により発電し、水を生成するため、燃料電池発電システム内で水が過剰となる場合がある。本実施の形態では、生成した水を循環利用しながら、気液接触塔７０の貯液部７１に貯留した回収水の貯留量を制御し、余剰となる水を系外に排出するように構成する。
【０１０７】
図７の系統図を参照して、燃料電池発電システムの動作について説明をする。コントローラ１１７は、液面センサ１１８から貯液部７１に貯留した回収水の液面１１９に対応する検出信号を受信し、内部で論理演算をすることにより予め設定した液面情報と検出信号に基づく演算結果とを比較する。比較結果により液面１１９が所定の水位以下と判定されたときは、電磁バルブ１１５を開制御する制御信号をライン１２２を介して電磁バルブ１１５へ送信すると共に、電磁バルブ１１６を閉制御する制御信号をライン１２３を介して電磁バルブ１１６へ送信する。この２つの電磁バルブの制御により気液分離器８９に溜まった凝縮水を貯液部７１へ液送することができる。
【０１０８】
一方、コントローラ１１７の比較結果により液面１１９が所定の水位以上と判定されたときは、電磁バルブ１１５を閉制御する制御信号をライン１２２を介して電磁バルブ１１５へ送信すると共に、電磁バルブ１１６を開制御する制御信号をライン１２３を介して電磁バルブ１１６へ送信する。この２つの電磁バルブの制御により気液分離器８９に溜まった凝縮水を余剰水として系外へ排出することができる。
【０１０９】
このように、燃料電池ユニット２０から生成される水の内余剰水を循環系に入れずに直接系外へ排出するため、水処理装置９３や純水装置８６の負荷を軽減して寿命を延長させることができる。また、系外へ排出する余剰水を不図示の中和装置を経由させてから排水設備に流すように構成することにより中和した排水を環境へ放出することができる。
【０１１０】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料改質器供給水及び酸化剤ガスを効率よく処理し、燃料電池システムの改質装置、燃料電池及び水処理装置の性能と寿命を改善することができる。
【０１１１】
また、燃料電池システムの機器点数を少なくして製造コストを低減させることができ、燃料電池システムの熱効率を向上させ、燃料電池発電システムより供給される温水の温度を高くするという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の燃料電池発電システムの模式的ブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の燃料電池発電システムの系統図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の燃料電池発電システムの系統図である。
【図４】本発明の実施の形態の燃料電池発電システムに用いる気液接触装置の系統図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。
【符号の説明】
１      改質装置
３      燃料ガス
２０      燃料電池ユニット
２３      循環経路
３１ａ      燃料流路
３１      冷却水流路
３２      燃料極
３２ａ      冷却水流路
３３      空気極
３３ａ      酸化剤ガス流路
４０      排熱回収装置
４５      気液分離器
５５      気液分離器
６０      改質器供給水処理装置
６７      液送経路
６８      酸化剤ガス
７０      気液接触塔
８２ａ      循環ポンプ
８２      循環経路
８３      熱交換器
８４      ブロワ
８５ａ      ポンプ
８６      純水装置
８９      気液分離器
９３      水処理装置
９４      イオン交換樹脂充填カラム
１００      冷却器
１０６      熱交換器
１０８      ポンプ
１１０      熱交換器
１１２      熱交換器
１１４      熱交換器
１１５      電磁バルブ
１１６      電磁バルブ
１１７      貯液量制御装置
１１８      液面センサ
【図１】
0004504614.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0004504614.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004504614.tif 000007
【図７】
0004504614.tif 000008