(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気および熱エネルギーを発生する燃料電池本体と、燃料改質系機器と、燃料電池の冷却水系機器と、燃料電池の排空気および燃料改質器の燃焼排ガス中の水を回収する回収水系機器と、回収水純化用の水処理装置と、前記熱エネルギーの一部を温水として貯える貯湯槽とを備える燃料電池発電装置において、
前記貯湯槽上部から温水を凍結防止用配管へと導出し、前記冷却水系機器，回収水系機器，水処理装置のうちの少なくともいずれかを前記凍結防止用配管を介して前記温水で加熱した後、貯湯槽下部に還流する構成を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池発電装置において、前記凍結防止用配管は、前記貯湯槽から導出する温水を、前記冷却水系機器用配管と回収水系機器用配管とに直列に通流し、前記水処理装置用配管には、前記二つの機器とは並列に通流する構成とし、前記各並列配管路には、それぞれ開閉弁もしくは流量制御弁を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池発電装置において、前記各並列配管路には、それぞれ温度センサを設け、この温度センサの計測値に基づき、前記開閉弁もしくは流量制御弁を介して、前記温水通流量を制御する制御装置を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガス（空気）との電気化学反応に基づいて電気および熱エネルギーを発生する燃料電池と、前記熱エネルギーの一部を温水として貯える貯湯槽とを備える燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電装置に組み込まれる燃料電池としては、電解質の種類、改質原料の種類等によって異なる種々のタイプがあるが、例えば、固体高分子膜を電解質として用い、その運転温度が約８０℃と比較的低いタイプの燃料電池として、固体高分子電解質型燃料電池がよく知られている。
【０００３】
この固体高分子電解質型燃料電池は、リン酸型燃料電池と同様に、例えばメタンガス（都市ガス）等の炭化水素系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、燃料電池の燃料極および空気極にそれぞれ供給し、電気化学反応に基づいて発電を行うものである。
【０００４】
また、原燃料を燃料ガスへ改質するに際しては、原燃料に水蒸気を加え燃料改質器で触媒により改質を促進する方法が採られているが、改質を定常的に行なうには所要の水蒸気量を定常的に補給する必要があり、水蒸気の供給装置には、これに対応した水を常時補給する必要がある。なお、使用する水は高純度の水であることが必要であり、イオン交換式の水処理装置で不純物を除去したイオン交換水が用いられるのが通例である。
【０００５】
一方、燃料電池の電気化学反応では発電生成水が生じ、また燃料改質器では吸熱反応である水蒸気改質反応を定常的に行なうための触媒加熱用の燃焼に伴い燃焼生成水が生じるが、これらの生成水は通常の水道水に比べて不純物が少なく、これらの生成水を原水として用いれば、水処理装置の負荷を軽減することができるため、回収水タンクおよび排ガス冷却器を付加して、これらの生成水を回収して改質水蒸気発生用の供給水とする方法が、通常採用されている。
【０００６】
また、燃料電池の電気化学反応では反応に伴って熱が発生し、この排熱エネルギーの一部は、貯湯槽に温水として貯え、給湯もしくは暖房に供される。
【０００７】
図２は、都市ガスを原燃料とする従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の一例を示す系統図である。
【０００８】
図２において、模式的に示した燃料電池１０は、燃料極１０ａと空気極１０ｂとを有する単位セルを複数個重ねる毎に冷却管または冷却溝を有する図示しない冷却板を配設，積層することにより構成されている。
【０００９】
原燃料はまず改質用水蒸気とともに改質器１１に供給され、以下の反応により、水素と一酸化炭素に改質される。
【００１０】
CH4＋H2O→3H2＋CO  （吸熱反応）
その後、この改質ガスは、ＣＯ変成器１２に供給され、以下の反応により、改質ガス中の―酸化炭素は１％程度まで低減される。
【００１１】
CO＋H2O→H2＋CO2  （発熱反応）
その後、さらにＣＯ除去器１３に供給され、以下の反応により、改質ガス中の一酸化炭素は100ppm程度まで低減された後、燃料電池の燃料極１０ａに供給される。
【００１２】
CO＋1/2O2→CO2  （発熱反応）
上記の如く、改質器１１において改質反応を行う場合、水蒸気を供給する必要があり、固体高分子型燃料電池発電装置では、その熱源として改質器１１の燃焼排ガスの顕熱，ＣＯ変成器１２及びＣＯ除去器１３の反応熱を利用するのが一般的である。そのため、ポンプ５４にて供給される改質用水を、ＣＯ変成器１２，ＣＯ除去器１３，水蒸気発生器１４の各反応器を直列に順次流すための改質用水蒸気供給ライン１５を設け、前記各反応器から熱を受けて水蒸気とし、この水蒸気と原燃料とを混合して、改質用水蒸気供給ライン１５から改質器１１へ導入する構成としている。なお、図２においては、ＣＯ変成器１２，ＣＯ除去器１３への前記改質用水の通流ラインを省略している。
【００１３】
又、上記の各反応器は触媒による化学反応を行うため、燃料電池発電装置の起動時には、適正な温度に予め昇温する必要がある。各反応器の適正な温度は以下のとおりである。改質器：500〜700℃、ＣＯ変成器：200〜300℃、ＣＯ除去器：100〜250℃である。
【００１４】
このため、改質器１１は、燃料電池の排水素供給ライン１９から供給される水素を改質器内に設置されているバーナで燃焼させることで、通常時は加熱されているが、起動時には原燃料をバーナで燃焼させることにより昇温している。また、改質器の燃焼排ガスにより水蒸気発生器１４も昇温している。一方、ＣＯ変成器１２とＣＯ除去器１３とは、それぞれが個々に備える図示しない電気ヒータにより昇温している。前記バーナには、燃焼空気ブロア１８により、燃焼用空気が導入される。
【００１５】
都市ガスは、都市ガス昇圧ブロア１７により、まず脱硫器１６へ導入され、都市ガス内に含まれる硫黄成分が除去された後、改質器１１の触媒反応器へ導入され、前記燃焼排ガスにより熱の供給を受けながら改質され、水素リッチな燃料ガスとなる。
【００１６】
次に、図２における燃料電池の冷却水系機器５０および回収水系機器３０について以下に述べる。冷却水系機器５０は、電池冷却水冷却器５１と、カソードオフガス冷却器５２と、燃焼排ガスの排ガス冷却器５３と、純水タンク５５と、電池冷却水循環ポンプ５４、その他配管等を含む。
【００１７】
燃料電池１０は、前述のように約８０℃で運転され、前記電池冷却水循環ポンプ５４によって、純水タンク５５から通流される水によって冷却され、電池冷却水冷却器５１によって除熱される。電池冷却水冷却器５１には、図２には図示しない貯湯槽に接続される循環水導出ライン５６から供給される、例えば約５０℃の水が導入され、ここで電池冷却水を冷却した水は、その後、カソードオフガス冷却器５２および燃焼排ガスの排ガス冷却器５３を経由して、例えば約６０℃に昇温されて、循環水導出ライン５７から前記貯湯槽に還流する。前記純水タンク５５には、液面計が設けてあり、液面が下限に到達した際には、後述する回収水が、水処理装置３５を介して、間歇的に補給される。
【００１８】
次に、回収水系機器３０について述べる。回収水系機器３０は、回収水タンク３１と、回収水ポンプ３３と、回収水冷却器３４等からなる。前記回収水タンク３１の上部には、カソードオフガス冷却器５２および燃焼排ガスの排ガス冷却器５３により冷却されたオフ空気および燃焼排ガスが導入され、空気およびガス中の含有水分を、上部に設けた散水装置から冷却水を散布することにより凝縮して、回収水タンク３１の下部に回収する。この回収水を、回収水冷却器３４により冷却して、前記散水装置に導入する。この散水装置の後段には、ラシヒリング等の充填層を備えた冷却水直接接触式凝縮器を設ける場合もある。
【００１９】
上記回収水は、前述のように、水処理装置で純化され補給水として用いられる。なお、回収水タンク３１の下部にも液面計が設けられ、回収水タンク内の水が不足した場合には、補給水として市水が供給される。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述のような従来の燃料電池発電装置においては、下記のような問題点があった。
【００２１】
上述のように、各種の水の循環経路を有する燃料電池発電装置を寒冷地の屋外等の低温環境下に設置した場合に、一定時間以上装置を停止した場合、循環経路内の水が凍結し、運転不能もしくは配管・装置等に破損が生ずる問題があった。
【００２２】
さらに、燃料電池を停止しない場合であっても、水処理装置経由で純水タンクに供給される補給水の供給は、前述のように間歇的であるために、水処理装置およびその関連配管は、燃料電池の排熱が供給されないために、凍結するおそれがある。通常、凍結防止の場合、例えば配管に加熱用電気ヒータを巻く方法や、燃料電池の排熱を直接的に加熱に用いる等の方法が考えられるが、前記方法は、エネルギーの消費上、合理的ではない。
【００２３】
この発明は、上記問題点を解消するためになされたもので、この発明の課題は、各種の循環経路内の水の凍結防止を合理的に行なうことが可能な燃料電池発電装置を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、この発明においては、炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気および熱エネルギーを発生する燃料電池本体と、燃料改質系機器と、燃料電池の冷却水系機器と、燃料電池の排空気および燃料改質器の燃焼排ガス中の水を回収する回収水系機器と、回収水純化用の水処理装置と、前記熱エネルギーの一部を温水として貯える貯湯槽とを備える燃料電池発電装置において、
前記貯湯槽上部から温水を凍結防止用配管へと導出し、前記冷却水系機器，回収水系機器，水処理装置のうちの少なくともいずれかを前記凍結防止用配管を介して前記温水で加熱した後、貯湯槽下部に還流する構成を備えたものとする（請求項１の発明）。
【００２５】
上記構成によれば、燃料電池の排熱としての貯湯槽内の温水を用いて、合理的な凍結防止を図ることができる。
貯湯槽の温水が、需要家に使用される場合、貯湯槽の下部から市水（水道水）が供給され、この水道水が有する圧力によって、貯湯槽の上部の温水（例えば、７０℃）が押出されて給湯される。従って、凍結防止用に供給された水が、前述のように、貯湯槽下部の水道水供給領域に還流しても、貯湯槽の上部空間の温水は、温度的な影響を殆んど受けることなく保持され、合理的な凍結防止を図ることができる。
【００２６】
また、前記請求項１に記載の燃料電池発電装置において、前記凍結防止用配管は、前記貯湯槽から導出する温水を、前記冷却水系機器用配管と回収水系機器用配管とに直列に通流し、前記水処理装置用配管には、前記二つの機器とは並列に通流する構成とし、前記各並列配管路には、それぞれ開閉弁もしくは流量制御弁を備えたものとする（請求項２の発明）。
【００２７】
前述のように、前記燃料電池の運転を行なっている場合には、水処理装置とその関連配管のみが凍結する可能性がある。従って、水処理装置と、前記冷却水系機器および回収水系機器とを分けて、凍結防止用配管を構成することにより、必要に応じて、凍結防止機能を運用する合理的な運転が可能となる。
【００２８】
さらにまた、必要に応じたきめ細かな凍結防止運転を行なう観点から、下記請求項３の発明が好ましい。即ち、請求項２に記載の燃料電池発電装置において、前記各並列配管路には、それぞれ温度センサを設け、この温度センサの計測値に基づき、前記開閉弁もしくは流量制御弁を介して、前記温水通流量を制御する制御装置を備えたものとする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下にのべる。
【００３０】
図１は、この発明に関わる実施例を示す系統図であり、図２と同じ機能を有する部材には同一の番号を付して説明を省略する。
【００３１】
図１においては、発電装置１００と、図２において図示を省略した貯湯槽６０と、この貯湯槽６０と発電装置の一部とを、凍結防止配管７０で接続した系統図を示し、図１における発電装置１００は、図２に示した系統を機能別に大きく分類してブロック的に示し、システムにおける詳細な結合関係を省略して示す。上記に基づき、発電装置１００は、燃料電池本体１０と、改質系機器２０と、回収水系機器３０と、水処理装置３５と、冷却水系機器５０と、その他補機４０とからなるものとして示す。
【００３２】
図１において、凍結防止用配管７０は、貯湯槽６０の上部から温水を導出し、前記冷却水系機器５０，回収水系機器３０，水処理装置３５の少なくとも一部の近傍、もしくは、一部に接して設けた配管（７４ｂ，７４ａ，７３ａ）に通流した後、貯湯槽６０下部に還流する構成となし、さらに、貯湯槽上部から導出する温水は、前記回収水系機器３０と冷却水系機器５０とに直列に通流し、前記水処理装置３５には、前記二つの機器とは並列に通流するように構成される。また、前記各並列配管路７４および７３には、それぞれ、開閉弁もしくは流量制御弁７６および７５が設けられている。
【００３３】
貯湯槽６０の下方には、例えば、深夜電力利用の電気ヒータやガス焚きバーナーなどの補助熱源６１が設けられ、給湯が不足の際に、熱供給されるように構成されている。給湯を使用する場合には、前述のように、貯湯槽の下部から市水が供給され、この市水圧力によって、貯湯槽の上部の温水が給湯される。従って、前記７４ｂ，７４ａ，７３ａ部に凍結防止用に供給された水が、前述のように貯湯槽下部に還流しても、貯湯槽６０の上部空間の温水は、温度的な影響を殆んど受けることなく保持され、合理的な凍結防止を図ることができる。なお、凍結防止用の温水は、ポンプ７２により供給されるが、凍結防止配管のみの小流量の通流のため、このポンプ容量は極めて小さいものでよい。また、前記補助熱源６１が稼動している場合には、貯湯槽６０内で、水の密度勾配に基づく水の駆動力が発生するので、ポンプ７２の動力は、その分、軽減される。
【００３４】
また、図１において、燃料電池の運転を行なっている場合には、水処理装置とその関連配管のみが凍結する可能性があるので、例えば、前記各並列配管路７３および７４における７３ａおよび７４ａの所定の場所に、それぞれ、図示しない温度センサを設け、この温度センサの計測値に基づき、開閉弁もしくは流量制御弁７５もしくは７６を介して凍結防止用の温水通流量を制御する図示しない制御装置を設けることにより、合目的な凍結防止運転が実施できる。
【００３５】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気および熱エネルギーを発生する燃料電池本体と、燃料改質系機器と、燃料電池の冷却水系機器と、燃料電池の排空気および燃料改質器の燃焼排ガス中の水を回収する回収水系機器と、回収水純化用の水処理装置と、前記熱エネルギーの一部を温水として貯える貯湯槽とを備える燃料電池発電装置において、
前記貯湯槽上部から温水を凍結防止用配管へと導出し、前記冷却水系機器，回収水系機器，水処理装置のうちの少なくともいずれかを前記凍結防止用配管を介して前記温水で加熱した後、貯湯槽下部に還流する構成を備えたものとしたので、
各種の循環経路内の水の凍結防止を、的確かつエネルギ消費量を節減して、合理的に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の燃料電池発電装置の実施例を示す系統図
【図２】  従来の燃料電池発電装置の一例を示す系統図
【符号の説明】
１０：燃料電池本体、２０：改質系機器、３０：回収水系機器、３５：水処理装置、５０：冷却水系機器、６０：貯湯槽、７０：凍結防止用配管、７５，７６：開閉弁もしくは流量制御弁、１００：発電装置。
【図１】
0003994324.tif 000002
【図２】
0003994324.tif 000003