(57)【要約】【課題】凝縮水などの二酸化炭素を含む被処理水から二酸化炭素を、効率よく除去できる脱炭酸装置、及びそれを用いた燃料電池発電装置を提供すること。【解決手段】この脱炭酸装置１１は、被処理水を貯留する貯留部１００と、この貯留部１００に貯留された被処理水１２０に空気を吹き込むバブリング機構１１０とを備え、バブリング機構１１０は、空気の導入口１１１と、被処理水１２０に空気を吹き込む噴出口１１２と、バブリング機構１１０に取り込んだ空気をバブリング機構１１０の外部の気相へと排気する排気口１１３と、この排気口１１３に配設されたバブリング機構１１０内の圧力を調整する圧力調整機構とを有する。そして、この脱炭酸装置１１を燃料電池発電装置に配設する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水を貯留する貯留部と、この貯留部に貯留された前記被処理水に空気を吹き込むバブリング機構とを備えた脱炭酸装置であって、
前記バブリング機構は、空気の導入口と、前記被処理水に空気を吹き込む噴出口と、前記バブリング機構に取り込んだ前記空気を前記バブリング機構の外部の気相へと排気する排気口と、この排気口に配設された前記バブリング機構内の圧力を調整する圧力調整機構とを有することを特徴とする脱炭酸装置。
【請求項２】
前記圧力調整機構は、スリット状の開口部を有する弾性板である、請求項１に記載の脱炭酸装置。
【請求項３】
前記圧力調整機構は、バネ又は錘によって閉じる方向に付勢された蓋である、請求項１に記載の脱炭酸装置。
【請求項４】
電解質を燃料極及び空気極によって挟持した単位電池が複数個積層された燃料電池本体と、燃料を改質して前記燃料極に改質ガスを供給する改質器と、前記空気極に空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池本体及び／又は前記改質器より排出される排ガスから凝縮水を回収する凝縮熱交換器と、前記凝縮水に溶存している炭酸ガスを除去する脱炭酸装置と、前記脱炭酸装置で脱炭酸処理された凝縮水を貯留する水タンクとを備えた燃料電池発電装置において、
前記脱炭酸装置は、前記凝縮水を一時的に貯留する貯留部と、この貯留部に貯留された前記凝縮水に脱炭酸用空気を吹き込むバブリング機構とを備え、
前記バブリング機構は、脱炭酸用空気の導入口と、前記凝縮水に脱炭酸用空気を吹き込む噴出口と、前記バブリング機構に取り込んだ前記脱炭酸用空気を前記バブリング機構の外部の気相へと排気する排気口と、この排気口に配設された前記バブリング機構内の圧力を調整する圧力調整機構を有することを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記脱炭酸用空気は、前記燃料電池本体の空気極側から排出される排空気である、請求項４に記載の燃料電池発電装置。
【請求項６】
前記圧力調整機構は、スリット状の開口部を有する弾性板である、請求項４又は５に記載の燃料電池発電装置。
【請求項７】
前記圧力調整機構は、バネ又は錘によって閉じる方向に付勢された蓋である、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、凝縮水などの二酸化炭素を含む被処理水から二酸化炭素を除去するための脱炭酸装置、及びそれを備えた燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置は、水素と酸素との結合エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。かかる燃料電池発電装置には、電解質と、これを挟持する燃料極及び空気極から成る単位電池を複数積層することによって構成された燃料電池本体が使用されており、天然ガスなどの炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガス中の水素と、空気中の酸素とを、燃料電池の燃料極及び空気極にそれぞれ供給し、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得ている。
【０００３】
原燃料を燃料ガスに改質するには、天然ガスなどの炭化水素系の原燃料に水蒸気を加えて、水と原燃料との反応を触媒で促進して行う改質器が通常用いられる。従って、改質器には、燃料の改質に必要となる水を補給する必要がある。
【０００４】
一般的に改質反応に用いる水は、改質器から排出される燃焼排ガスや、燃料電池本体から排出される反応排ガスなどの排ガスを凝縮させて得られる凝縮水をイオン交換式の水処理装置などで不純物を除去して得られるイオン交換水などが用いられている。
【０００５】
しかしながら、改質器から排出される燃焼排ガスは炭酸ガス濃度が比較的高いことから、燃焼排ガスから回収できる凝縮水には、二酸化炭素がほぼ飽和量まで溶存している。このため、水処理装置への負荷を低減させるため、これらの凝縮水は、精製処理を行う前に、脱炭酸処理を行い、凝縮水中に溶存している二酸化炭素の除去を行っている。
【０００６】
凝縮水の脱炭酸処理方法としては、凝縮水と空気とを接触させて、拡散現象により凝縮水中の二酸化炭素を空気側へと拡散させる、拡散現象を利用した処理方法などが一般的に行われている。
【０００７】
このような、拡散現象を利用した脱炭酸装置としては、ラッシヒリングなどの充填材を充填させたパイプなどが従来から用いられており、パイプの上部に凝縮水を供給すると共に、パイプ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を行っている。
【０００８】
また、下記特許文献１、２には、凝縮水に脱炭酸用の空気を吹き込み、凝縮水をバブリングすることで脱炭酸処理する方法が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−９７０４６号公報
【特許文献２】特開２００５−３２６７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
バブリング方式の脱炭酸処理方法は、拡散現象を利用した脱炭酸処理方法に比べて高い効果が得られるものの、以下のような問題点があった。
【００１０】
すなわち、燃料電池本体の空気極から排出される排空気は、通常の空気とほぼ同程度であることから、脱炭酸用空気として用いられているが、燃料電池本体の稼動状態により、排出される排空気量も変動してしまう。このため、バブリングによる脱炭酸処理効率は、燃料電池本体の稼動状態によって変動しやすく、安定した効果が得られにくかった。
【００１１】
一方、燃料電池本体の最低負荷時の排空気量で十分に脱炭酸性能が得られるバブリング量となる様に、バブリング機構の空気噴出口の孔径や孔数を調整することが考えられるが、燃料電池本体の負荷の増大に伴い、バブリングの勢いが激しくなり、騒音などの問題があった。また、上記負荷の増大に伴い圧力損失が大きくなり、空気極に空気を供給する空気供給装置にかかる負荷が燃料電池本体の負荷の増大に伴い増加する。このため、処理能力の高い空気供給装置が必要となり、装置コストや運転コストを要し、更には、燃料電池発電装置の小型化が困難であった。
【００１２】
したがって、本発明の目的は、上記課題を解決し、凝縮水などの二酸化炭素を含む被処理水から二酸化炭素を効率よく除去できる脱炭酸装置、及びそれを用いた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】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の脱炭酸装置は、被処理水を貯留する貯留部と、この貯留部に貯留された前記被処理水に空気を吹き込むバブリング機構とを備えた脱炭酸装置であって、前記バブリング機構は、空気の導入口と、前記被処理水に空気を吹き込む噴出口と、前記バブリング機構に取り込んだ前記空気を前記バブリング機構の外部の気相へと排気する排気口と、この排気口に配設された前記バブリング機構内の圧力を調整する圧力調整機構とを有することを特徴とする。
【００１４】
上記本発明の脱炭酸装置によれば、例えば、最小の空気供給量で、脱炭酸効率が充分得られるようにバブリング量を調整しておき、空気供給量の変動によって空気供給量が増大した場合には、圧力調整機構によって、排気口を通して余剰の空気を外部の気相へ排気することにより、バブリング機構内の圧力の増大を抑制できる。このため、バブリング機構へ空気を供給するための空気供給装置などにかかる負荷を低減でき、装置全体の運転コスト、装置コスト、装置スペースを低減できる。そして、バブリング機構への空気供給量によらず、ほぼ安定したバブリング効率が得られ、過剰バブリングによる騒音などの問題を引き起こすことなく、安定した脱炭酸処理状態を維持できる。
【００１５】
また、本発明の脱炭酸装置において、前記圧力調整機構は、スリット状の開口部を有する弾性板であることが好ましい。この態様によれば、バブリング機構への空気量が少ない場合は、スリット部が閉じてバブリング機構内の圧力低下が防止できる。一方、バブリング機構への空気量が多い場合は、スリット部が上に持ち上げられて排気量が増えるので、空気供給量の変動に影響されず、バブリング機構内の圧力を一定に維持できる。
【００１６】
また、本発明の脱炭酸装置において、前記圧力調整機構は、バネ又は錘によって閉じる方向に付勢された蓋であることが好ましい。この態様によれば、バブリング機構への空気量に応じて、排気口に配設された上記蓋の開口度が変動するので、空気供給量によらず、バブリング機構内の圧力を一定に維持できる。
【００１７】
一方、本発明の燃料電池発電装置は、電解質を燃料極及び空気極によって挟持した単位電池が複数個積層された燃料電池本体と、燃料を改質して前記燃料極に改質ガスを供給する改質器と、前記空気極に空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池本体及び／又は前記改質器より排出される排ガスから凝縮水を回収する凝縮熱交換器と、前記凝縮水に溶存している炭酸ガスを除去する脱炭酸装置と、前記脱炭酸装置で脱炭酸処理された凝縮水を貯留する水タンクとを備えた燃料電池発電装置において、前記脱炭酸装置は、前記凝縮水を一時的に貯留する貯留部と、この貯留部に貯留された前記凝縮水に脱炭酸用空気を吹き込むバブリング機構とを備え、前記バブリング機構は、脱炭酸用空気の導入口と、前記凝縮水に脱炭酸用空気を吹き込む噴出口と、前記バブリング機構に取り込んだ前記脱炭酸用空気を前記バブリング機構の外部の気相へと排気する排気口と、この排気口に配設された前記バブリング機構内の圧力を調整する圧力調整機構を有することを特徴とする。
【００１８】
上記燃料電池発電装置によれば、例えば、最小の空気供給量で、脱炭酸効率が充分得られるようにバブリング量を調整しておき、空気供給量の変動によって空気供給量が増大した場合には、圧力調整機構によって、排気口を通して余剰の空気を外部の気相へ排気することにより、バブリング機構内の圧力の増大を抑制できる。このため、バブリング機構へ空気を供給するための空気供給装置などにかかる負荷を低減でき、装置全体の運転コスト、装置コスト、装置スペースを低減できる。そして、バブリング機構への空気供給量によらず、ほぼ安定したバブリング効率が得られ、過剰バブリングによる騒音などの問題を引き起こすことなく、安定した脱炭酸処理状態を維持できる。
【００１９】
また、本発明の燃料電池発電装置において、前記脱炭酸用空気は、前記燃料電池本体の空気極側から排出される排空気であることが好ましい。該排空気は、二酸化炭素の濃度が低く、通常の空気とほぼ同じであることから、排ガスを有効利用できる。
【００２０】
また、本発明の燃料電池発電装置において、前記圧力調整機構は、スリット状の開口部を有する弾性板であることが好ましい。この態様によれば、脱炭酸用空気の供給量が少ない場合は、スリット部が弾性的に閉じてバブリング機構内の圧力低下が防止できる。一方、脱炭酸用空気の供給量が多い場合は、スリット部が弾性力に抗して開き排気量が増える。このため、脱炭酸用空気の供給量の変動に影響されず、バブリング機構内の圧力を一定に維持できる。
【００２１】
また、本発明の燃料電池発電装置において、前記圧力調整機構は、バネ又は錘によって閉じる方向に付勢された蓋であることが好ましい。この態様によれば、脱炭酸用空気の供給量に応じて、排気口に配設された上記蓋の開口度が変動するので、脱炭酸用空気の供給量によらず、バブリング機構内の圧力を一定に維持できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、例えば、最小の空気供給量で、脱炭酸効率が充分得られるようにバブリング量を調整した場合であっても、空気供給量の変動によってバブリング機構内の圧力変動が生じにくく、バブリング機構へ空気を供給するための空気供給装置にかかる負荷を低減でき、騒音などの問題を引き起こすこともなく、安定した脱炭酸処理状態を維持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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概略構成図を示し、図２に、本発明の脱炭酸装置の第１の実施形態の概略構成図を示す。
【００２４】
なお、以下に示す本発明の脱炭酸装置は、燃料電池発電装置以外の用途にも用いることができる。すなわち、被処理水が、二酸化炭素を溶存した水であれば、燃料電池発電装置の燃焼排ガスなどから回収する凝縮水に限らず好ましく脱炭酸処理できる。
【００２５】
本発明の燃料電池発電装置は、電解質１ｃを挟持する燃料極１ａ及び空気極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燃料電池本体１と、燃料極１ａに燃料を改質して得られる水素を主体とした改質ガスを供給する改質器３と、空気極１ｂに空気を供給する空気供給装置７と、燃料電池本体１及び／又は改質器３より排出される排ガスから凝縮水を回収する凝縮熱交換器２２と、回収した凝縮水に溶存している炭酸ガスを除去する本発明の脱炭酸装置１１と、該脱炭酸装置１１で脱炭酸処理された凝縮水を貯留する水タンク１０とで主に構成されている。
【００２６】
改質器３は、改質触媒部３ａとバーナ部３ｂとで構成されている。改質触媒部３ａの改質原料の投入側は、原料供給ラインＬ３を介して脱硫器２に接続している。また、原料供給ラインＬ３は分岐しており、精製水供給ラインＬ４を介して精製水貯留タンク９に接続している。改質ガスの回収側は、変性器４及びＣＯ除去器５の配置された改質ガス供給ラインＬ１を介して燃料極１ａに接続している。一方、バーナ部３ｂの燃料導入口３ｃは、原料供給ラインＬ３から分岐した起動用燃料供給ラインＬ５と、燃焼空気ブロア６に接続する燃焼空気供給ラインＬ６と、燃料極１ａのオフガス排出側と連結する燃料予熱器２１の配置されたオフガス供給ラインＬ７とが接続している。また、バーナ部３ｂの燃焼排ガス排出口３ｄは、燃料予熱器２１の配置された燃焼排ガスラインＬ８を介して凝縮熱交換器２２に接続している。
【００２７】
改質器３では、バーナ部３ｂにて、燃焼空気供給ラインＬ６から供給される燃焼用空気と、起動用燃料供給ラインＬ５から供給される原燃料及び／又はオフガス供給ラインＬ７から供給されるオフガスとを燃焼して改質触媒部３ａを加熱し、改質触媒部３ａにて、原料供給ラインＬ３から供給される脱硫器２で脱硫処理された原燃料と、精製水供給ラインＬ４から供給される精製水とを改質反応させて水素に富む改質ガスを生成する。そして、改質器３で生成された改質ガスは、変性器４及びＣＯ除去器５にて一酸化炭素濃度を低減させた後、改質ガス供給ラインＬ１から燃料極１ａへと供給される。
【００２８】
燃料電池本体１の空気極１ｂの排空気ガス排出側は、空気排出ラインＬ９を介して凝縮熱交換器２２に接続している。
【００２９】
凝縮熱交換器２２の上部側は、燃焼排ガスラインＬ８及び空気排出ラインＬ９と接続している。また、凝縮熱交換器２２の下部側は、凝縮熱交換器２２で凝縮処理後の排空気ガス及び凝縮水を脱炭酸装置１１へ供給する脱炭酸用空気供給ラインＬ１１と、凝縮処理後の燃焼排ガス及び凝縮水を脱炭酸装置１１へ供給する凝縮水回収ラインＬ１０とが接続している。
【００３０】
脱炭酸装置１１は、凝縮水１２０を一次的に貯留する貯留部１００と、この貯留部１００に貯留された凝縮水１２０に脱炭酸用空気を吹き込むバブリング機構１１０とで主に構成されている。
【００３１】
この実施形態では、脱炭酸装置１１として、図２に示すものが用いられている。すなわち、脱炭酸装置１１の上部には、凝縮水回収ラインＬ１０と接続する凝縮水の導入部であるドレン口１０２と、凝縮水中の二酸化炭素を取り込んだ脱炭酸用空気及び燃焼排ガスを排出する排気口１０１とが配置されている。また、下側部には、脱炭酸用空気供給ラインＬ１１と接続される、脱炭酸用空気の導入部である吹き込み口１０３が配置されている。また、内部は凝縮水の貯留部１００とされており、所定の高さ方向に伸びたオーバーフロー配管１０４と、貯留部１００に貯留された凝縮水１２０に空気を吹き付けるバブリング機構１１０が配置されている。
【００３２】
バブリング機構１１０は、全体として筒状のケースからなり、吹き込み口１０３に連結された空気導入口１１１と、凝縮水１２０に空気を吹き込む噴出口１１２と、バブリング機構１１０内に取り込んだ脱炭酸用空気をバブリング機構１１０の外部の気相へと排気する排気口１１３と、錘１１４ｃによって排気口１１３を閉じる方向に付勢された蓋１１４ａとで構成されている。また、蓋１１４ａは、排気口１１３と一端がヒンジ１１４ｂで固定されて、開閉可能となっている。
【００３３】
脱炭酸処理の対象となる凝縮水は、ドレン口１０２から供給され、貯留部１００に一時的に貯留される。そして、脱炭酸用空気をバブリング機構１１０内に供給し、噴出口１１２から、貯留部１００に貯留された凝縮水１２０に脱炭酸用空気を吹き付けてバブリング処理を行い、凝縮水１２０に溶存している二酸化炭素を脱気する。凝縮水１２０中の二酸化炭素を取り込んだ空気は排気口１０１から系外に排気される。
【００３４】
ここで、従来のバブリング機構では、燃料電池本体の稼動状況などにより、バブリング処理に要する量以上の脱炭酸用空気がバブリング機構１１０に供給されると、バブリング機構１１０内の圧力が上昇し、圧力損失が増加してバブリング機構１１０への脱炭酸用空気の供給が困難となり、更には、バブリングが激しく行われるようになるので、騒音などの問題が生じる。
【００３５】
本発明においては、バブリング機構１１０に、過剰に取り込んだ脱炭酸用空気を外気へと排気する排気口１１３を設け、更に、この排気口１１３に、錘１１４ｃで閉じる方向に付勢され、開閉可能に配置された蓋１１４ａを設置したことで、バブリング機構１１０内の圧力に応じて、蓋１１４ａが開口し、その開口度は圧力が高いほど大きくなる。このため、バブリング機構１１０内の空気を、バブリング機構１１０内の圧力に応じた排気量で排気でき、これによりバブリング機構１１０内の圧力をほぼ一定状態に維持できる。
【００３６】
よって、例えば、燃料電池本体１の稼動状態などによって空気供給量が増加した場合であっても、バブリング機構１１０内を通すための圧力損失が増加しにくく、空気供給装置７にかかる負荷を低減できる。また、バブリング空気量が過剰とならないので、騒音などの問題も生じることがない。
【００３７】
上記脱炭酸装置１１で脱炭酸処理された凝縮水は、水タンク１０へと導入し、脱炭酸凝縮水回収ラインＬ１２から水処理装置１２へと供給される。水処理装置１２で精製処理された凝縮水（精製水）は、精製水貯留タンク９に供給され、冷却水ラインＬ１３から燃料電池本体１の冷却系１ｄ及び凝縮熱交換器２２へと供給して、冷却水として循環利用することができ、また、精製水供給ラインＬ４から改質器３の改質触媒部３ａへと供給して、原燃料の改質反応にも利用できる。
【００３８】
以上のように、本発明の燃料電池発電装置によれば、脱炭酸用空気の供給量の変動があっても、ほぼ安定して凝縮水の脱炭酸処理を行え、更に、脱炭酸用空気をバブリング機構１１０内に通すための圧力損失を低減できるので、運転コスト、装置コストなどを低減できる。
【００３９】
図３には、本発明の燃料電池発電装置に用いる脱炭酸装置１１の第２の実施形態が示されている。
【００４０】
第１の実施形態の脱炭酸装置１１との相違点としては、ＳＵＳ等のラッシヒリング１３５が充填された予備脱気部１３０が、脱炭酸装置１１の上方に配置されている点である。
【００４１】
この態様によれば、ドレン口１０２から脱炭酸装置１１に供給された凝縮水を、予備脱気部１３０で予備脱気処理できるので、凝縮水の脱炭酸処理効率が向上する。
【００４２】
図４には、本発明の燃料電池発電装置に用いる脱炭酸装置１１の第３の実施形態が示されている。
【００４３】
第１の実施形態の脱炭酸装置１１との相違点としては、排気口１１３に、スリット状の開口部（スリット部）１１５ｂを有する弾性板１１５ａが配置されている点である。
【００４４】
弾性板１１５ａとしては、フッ素ゴム、二トリルゴム（ＮＢＲ）などが挙げられる。
【００４５】
この態様によれば、バブリング機構１１０への空気供給量が少ない場合、すなわち、バブリング機構１１０内の圧力が低い場合は、スリット部１１５ｂが弾性的に閉じ、バブリング機構１１０の圧力低下を防止できる。一方、バブリング機構１１０への空気供給量が多い場合は、スリット部１１５ｂが上に持ち上げられて、弾性力に抗して開口し、その開口度は圧力が高いほど大きくなるので、圧力に応じて排気させることができる。このため、空気供給量の変動に影響されず、バブリング機構１１０内の圧力をほぼ一定に維持できる。
【００４６】
図５には、本発明の燃料電池発電装置に用いる脱炭酸装置１１の第４の実施形態が示されている。
【００４７】
第１の実施形態の脱炭酸装置１１との相違点としては、排気口１１３に、バネ１１６ｂで閉じる方向に付勢された蓋１１６ａが配置されている点である。
【００４８】
この態様によれば、バブリング機構１１０への空気供給量、すなわち、バブリング機構１１０内の圧力に応じて、バネ１１６ｂの伸びが変動し、蓋１１６ａの開口度が変動するので、空気供給量の変動に影響されず、バブリング機構１１０内の圧力をほぼ一定に維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の概略構成図である。
【図２】本発明の脱炭酸装置の第１の実施形態を示す概略構成図である。
【図３】本発明の脱炭酸装置の第２の実施形態を示す概略構成図である。
【図４】本発明の脱炭酸装置の第３の実施形態を示す概略構成図である。
【図５】本発明の脱炭酸装置の第４の実施形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００５０】
１：燃料電池本体
２：脱硫器
３：改質器
４：変性器
５：ＣＯ除去器
７：空気供給装置
９：精製水貯留タンク
１０：水タンク
１１：脱炭酸装置
１２：水処理装置
２１：燃料予熱器
２２：凝縮熱交換器
１００：貯留部
１０１：排気口
１０２：ドレン口
１０３：吹き込み口
１０４：オーバーフロー配管
１１０：バブリング機構
１１１：空気導入口
１１２：噴出口
１１３：排気口
１１４ｂ：ヒンジ
１１４ａ、１１６ａ：蓋
１１４ｃ：錘
１１５ｂ：スリット部
１１５ａ：弾性板
１１６ｂ：バネ
１２０：凝縮水
１３０：予備脱気部
【図１】
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【図２】
2007325988.tif 000004
【図３】
2007325988.tif 000005
【図４】
2007325988.tif 000006
【図５】
2007325988.tif 000007