(57)【要約】      （修正有）【課題】被処理水中の二酸化炭素を効率よく除去できる脱炭酸装置およびこれを備えた燃料電池発電装置を提供する。【解決手段】筐体内に螺旋形状の多孔質体３０を収容し、前記多孔質体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、前記多孔質体の上部側から下部側へ向けて前記被処理水を流下させ、前記被処理水を前記多孔質体の表面で前記脱炭酸用空気と接触させるように脱炭酸装置１１Ａを構成した。また燃料電池発電装置に前記脱炭酸装置を用いて、空気極排ガスおよび改質器の燃焼排ガス中の凝縮水の脱炭酸を行う。【選択図】図２
2009078194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水中に溶存している炭酸ガスを除去する脱炭酸装置であって、
前記脱炭酸装置は、筐体内に螺旋形状の多孔質体を収容してなり、
前記多孔質体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、前記多孔質体の上部側から下部側へ向けて前記被処理水を流下させ、
前記被処理水を前記多孔質体の表面で前記脱炭酸用空気と接触させることを特徴とする脱炭酸装置。
【請求項２】
前記多孔質体が円柱状の支柱の側壁に接して螺旋状に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の脱炭酸装置。
【請求項３】
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、を備えた燃料電池発電装置において、
前記脱炭酸装置は、筐体内に螺旋形状の多孔質体を収容してなり、
前記多孔質体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、前記多孔質体の上部側から下部側へ向けて前記凝縮水を流下させ、
前記凝縮水を前記多孔質体の表面で前記脱炭酸用空気と接触させることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記多孔質体が円柱状の支柱の側壁に接して螺旋状に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の請求項４に記載の燃料電池発電装置。
【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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理水中に含まれる二酸化炭素を除去するための脱炭酸装置およびこ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、天然ガス等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、燃料電池の燃料極およ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。
原燃料を燃料ガスに改質するには、天然ガス等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。
一般的に改質反応に用いる水としては、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等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等で不純物を除去して得られるイオン交換水等が用いられている。
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、脱炭酸処理を行って、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。
【０００３】
凝縮水の脱炭酸処理方法としては、例えば、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等が知られ、一般的に行われている。
このような、拡散現象を利用した脱炭酸装置としては、ラッシヒリング等の充填材を充填させたパイプ等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。
また、下記特許文献１には、凝縮水入口部を上端部に有するとともに、下端部に凝縮水出口部を有する胴体と、この胴体内に上下に多段に配設され、凝縮水が上段側から下段側に順次落下し、長手方向に交互に傾斜している複数のトレイとを備え、前記凝縮水出口部から空気が胴体内に流入して凝縮水入口部から排出されることを特徴とする脱炭酸装置が開示されている。
また、下記特許文献２には、螺旋状の流路を構成する螺旋板が螺旋の軸方向を上下方向にして設置され、該螺旋状流路に多孔性の充填物が配置され、該螺旋状流路の下部に気体が導入され、該気体が該螺旋状流路を移動しながら水と接触するよう構成されていることを特徴とする脱炭酸装置が開示されている。
【特許文献１】特開平８−１２４５９０号公報
【特許文献２】特開２００５−１０３４９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
凝縮水の脱炭酸処理が不十分であると、水処理装置等への負荷が大きくなり、イオン交換樹脂等の交換周期が短くなり、燃料電池発電装置のランニングコストが増加する。このため、拡散現象を利用する脱炭酸処理においては、空気と凝縮水との接触面積および接触時間を充分に確保する必要がある。
しかしながら、上記従来技術のような脱炭酸装置では、空気と凝縮水との接触面積および接触時間を充分に確保するため、脱炭酸装置を縦長にしたり、横長にして容積を大きくする必要があり、小型化が困難であった。
一方、脱炭酸装置内に充填材を配置することで、空気と凝縮水との接触時間及び接触面積をやや向上することができるものの、充填材全体に上手く凝縮水を拡散させることが難しく、接触面積を増やす効果にはバラツキがあった。
したがって、本発明の目的は、被処理水中の二酸化炭素を効率よく除去できる脱炭酸装置およびこれを備えた燃料電池発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するにあたって本発明の被処理水中の炭酸ガスを除去する脱炭酸装置は、筐体内に螺旋形状の多孔質体を収容し、前記多孔質体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、前記多孔質体の上部側から下部側へ向けて前記被処理水を流下させ、  前記被処理水を前記多孔質体の表面で前記脱炭酸用空気と接触させる構成とした。
また、前記多孔質体は、円柱状の支柱の側壁に接して螺旋状に設けた態様としてもよい。
さらに、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、を備えた燃料電池発電装置であって、前記脱炭酸装置は、筐体内に螺旋形状の多孔質体を収容してなり、前記多孔質体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、前記多孔質体の上部側から下部側へ向けて前記凝縮水を流下させ、前記凝縮水を前記多孔質体の表面で前記脱炭酸用空気と接触させる構成としたものであり、また、前記多孔質体を円柱状の支柱の側壁に接して螺旋状に設けるものとしてもよい。
【０００６】
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等であることから、排ガスを有効利用できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の脱炭酸装置によれば、脱炭酸用空気と凝縮水との接触時間及び接触面積を十分確保できるので、脱炭酸装置の小型化が可能で、さらにこれを用いた燃料電池発電装置のランニングコストや設置スペース等を低減できる。
【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す。
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脱炭酸装置１１と、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。
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。
【０００９】
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。
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。
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を脱炭酸装置１１へ供給する脱炭酸用空気供給ラインＬ１１及び燃焼排ガス及び排空気などの排ガスから凝縮回収した凝縮水を脱炭酸装置１１へ供給する凝縮水回収ラインＬ１０と接続している。
図２には、図１に示した脱炭酸装置１１として用いることができる本発明の脱炭酸装置の第１の実施形態を示す。図２は脱炭酸装置１１Ａの側面方向から見た断面図、また図３には、図２の破線Ａ−Ａを含む水平面で切断して上方から見た断面図を示す。すなわち、この脱炭酸装置１１は、上部に凝縮水回収ラインＬ１０と接続する凝縮水（被処理水）の導入部であるドレン口３２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３４とを備え、下側部に脱炭酸用空気供給ラインＬ１１と接続する脱炭酸用空気導入部である吹き出し口３１を備え、底部に水タンクに接続する脱炭酸凝縮水回収口３３を備え、内部に支柱３５に支持された螺旋状の多孔質体３０が配置されている。
【００１０】
ドレン口３２から螺旋状の多孔質体３０の上部に滴下される凝縮水は、多孔質体３０表面を流れたり、多孔質体３０中に滲み込んだりしながら下方へ移動するうちに、吹き出し口３１から供給される脱炭酸用空気と接触し、拡散現象により脱炭酸処理される。脱炭酸処理された凝縮水は、下端部に設けられた凝縮水回収口３３から水タンク１０へと供給される。また、吹き出し口３１から供給された脱炭酸用空気は、凝縮水中の二酸化炭素を取り込んで、排気口３４から排出される。
本発明においては、凝縮水が螺旋状の多孔質材料３０上に滴下されていることから、凝縮水が多孔質体３０で吸水保持されて、脱炭酸用空気と凝縮水との接触時間を十分確保することができる。また、脱炭酸用空気は、多孔質体３０の上面３０の凝縮水のみならず、下面や側面に染み出た凝縮水と接触するので、凝縮水と脱炭酸用空気との接触面積が極めて高い。したがって、脱炭酸用空気と凝縮水との接触時間及び接触面積を十分確保でき、脱炭酸効率が高く、脱炭酸装置の小型化が可能で、更には、後述する水処理装置などへ負荷を低減でき、燃料電池発電装置のランニングコスト及び設置コストの低減を図れる。
また、多孔質体３０は、多孔質炭素板、発泡金属、発泡ガラス、スポンジ、不織布及び織布から選ばれた少なくとも１種で構成されていることが好ましい。なかでも、多孔質炭素板は、強度が高く、加工性に優れ、更には穴径が数μｍの小さい細孔から数百μｍの大きな細孔まで広く分布しており、気液界面が出来やすいことから特に好ましい。
【００１１】
尚、本実施例では、多孔質体３０は支柱３５により支持されるように構成されているが、これに限られるものではなく、上方からの吊り下げ式や、側壁から支持する構成としてもよい。
さらに、多孔質体３０の上部で吸水保持しきれずに滴下する凝縮水が、脱炭酸装置１１Ａの筐体底部へ直接落下すると、脱炭酸用空気との十分な接触時間および接触面積が得られないため、螺旋状多孔質体３０の上方から滴下した凝縮水が、その下段の螺旋状多孔質体の上面へと落下するように、多孔質体３０の螺旋が鉛直方向に一部重複するように形成されることが望ましい。
上記多孔質炭素板としては、例えば、特開平１１−２６３６８１号公報や、特開平１１−２２４６７８号公報に開示されているような、燃料電池の電極基材に用いる多孔質炭素板等が挙げられる。
また、上記発泡金属としては、例えば「ステンレス鋼繊維  ＮＦ-１５ＭＬ１」（商品
名；日本精線株式会社製）などが挙げられる。
また、上記発泡ガラスとしては、例えば、「Ｑフォーム」（商品名；東洋ガラス株式会社製）などが挙げられる。
【００１２】
また、上記不織布としては、例えば「カーベルＣＦＰ」（商品名；ゴアテックスジャパン株式会社製）などが挙げられる。
また、上記織布としては、例えば、「カーベルＣＬ」（商品名；ゴアテックスジャパン株式会社製）などが挙げられる。
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もしくは、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利用される。
以上のように、本発明の燃料電池発電装置によれば、脱炭酸用空気と凝縮水との接触時間及び接触面積を十分確保できるので、脱炭酸装置の小型化が可能で、燃料電池発電装置のランニングコストや設置スペース等を低減できる。
図４には、本発明の脱炭酸装置の第２の実施形態を示す。また図５には、図４の破線Ａ−Ａを含む水平面で切断して上方から見た断面図を示す。本実施形態の脱炭酸装置１１Ｂには、図２の多孔質体３０とは異なる螺旋形状の多孔質体４０が配置されている。本実施形態では、中央の円柱４５の側面に接して螺旋状に多孔質体４０を設けている。この態様によれば、図２に示す多孔質体３０よりも螺旋の長さが長くなるとともに、ドレン口３２から流入した凝縮水が円柱４５の上面から円周方向全体に広がって側面の多孔質体４０へと落下するので、より早く広範囲の多孔質体４５に吸水させることができる。
【００１３】
また、上方の多孔質体４０で吸水しきれない凝縮水は、円柱４５の側面を多孔質体４０上面に沿って流下させながら下方の多孔質体４０へと吸水させることができる。さらには、上方の多孔質体４０の下面から滴下する凝縮水もその下段の螺旋状多孔質体４０の上面で確実に受け止めることができる。また、脱炭酸用空気も多孔質体４０と円柱４５との間に形成される螺旋状の空間を通流するため、脱炭酸用空気の流通距離もより長くなる。
従って図２の実施形態よりも凝縮水と脱炭酸用空気の接触時間および接触面積をさらに十分に得ることができ、脱炭酸性能をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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の実施形態である。
【図３】図２に示す脱炭酸装置のＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明の脱炭酸装置の第２の実施形態である。
【図５】図４に示す脱炭酸装置のＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
【００１５】
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
３０，４０：多孔質体
３１：吹き出し口
３２：ドレン口
３３：脱炭酸凝縮水回収口
３４：排気口
３５：支柱
【図１】
2009078194.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2009078194.tif 000006
【図５】
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