(57)【要約】    【課題】水回収装置で排ガス中の反応生成水と燃焼生成水を回収し、分離した排気ガスを外部に放出するものにおいて、この排気ガスが簡便な構成で、白煙化することなく排出される燃料電池発電装置を得る。    【解決手段】燃料改質装置、燃料電池本体、反応生成水と燃焼生成水を回収する水回収装置、燃料電池本体から排出される排熱を外部の熱利用設備に回収する排熱利用熱交換器、上記の熱利用設備に回収される排熱以外の排熱を外部に放熱するための空冷式排熱処理設備を備えるものにおいて、燃料電池発電装置本体２０の水回収装置５から排出される排気ガスが空冷式排熱処理設備８の出口空気と混合して排出されるよう構成する。【選択図】          図２
2009245768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを得る燃料改質装置と、前記燃料ガスと反応空気を導入して発電する燃料電池本体と、該燃料電池本体から排出される排空気および前記燃料改質装置から排出される燃焼排ガスに含まれる水分を回収する水回収装置と、前記燃料電池本体に備えられた冷却板を流通して排出される電池冷却水の熱を外部の熱利用設備に回収する排熱利用熱交換器と、前記の外部の熱利用設備に回収する排熱以外の排熱を放熱するための空冷式排熱処理設備を備えた燃料電池発電装置において、
前記水回収装置から排出される排気ガスが前記空冷式排熱処理設備の出口空気と混合して排出されるよう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２】
前記水回収装置の排気口が、排気ファンを備えた前記空冷式排熱処理設備の出口に連結して備えられている請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記水回収装置の排気口が、排気ファンを備えた前記空冷式排熱処理設備の出口に近接して備えられている請求項１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、電気化学反応により電気エネルギーを得る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、燃料ガスと空気とを導入して電気化学反応により発電を行う燃料電池本体、原燃料を水素リッチな燃料ガスへと改質する燃料改質装置、燃料電池本体を冷却して所定の運転温度に保持する役割を果たす電池冷却水系、発電に伴い燃料電池本体で生じる反応生成水および燃料改質装置で生じる燃焼生成水を回収する水回収装置、発電に伴って生じた熱を外部に取り出す排熱利用熱交換器、さらにその他の補機類や制御機器類から構成されている。
これらのうち、燃料電池本体に組み込まれる燃料電池には、用いられる電解質の種類等によって分類される種々のタイプのものがあり、例えばリン酸を電解質として用いたリン酸形燃料電池がよく知られている。燃料電池本体の燃料極へ供給する燃料ガスを得るための原燃料には天然ガスが一般的に用いられている。導入された原燃料は、水蒸気と混合して燃料改質装置へと送られ、水蒸気改質反応により水素リッチな燃料ガスに改質される。燃料電池本体では、燃料極へ燃料ガスの水素を、また空気極へ反応空気の酸素を供給することによって、電気化学反応が生じて電気エネルギーが得られ、同時に反応生成水が発生する。この反応生成水は、燃料改質装置の加熱用バーナーから排出される排ガスに含まれる燃焼生成水とともに水回収装置で回収され、純化されて再び電池冷却水系へと戻され、水蒸気改質反応用の水蒸気として循環再利用される。
【０００３】
燃料電池本体には冷却板が組み込まれており、電池冷却水を循環供給することにより燃料電池本体は所定の運転温度に保持される。燃料電池本体で発生した熱は、電池冷却水によって取り出され、熱交換器を介してユーザに送られ、利用される。この熱交換器により利用されなかった熱は、排熱処理装置によって外部へ放熱される。用いられている排熱処理装置には幾つかのタイプがあるが、メンテナンスが容易なこと等の理由により空冷式冷却器が用いられることが多い。
上記のように、この種の燃料電池発電装置では、燃料電池本体で生じた反応生成水と燃料改質装置で生じた燃焼生成水は水回収装置で回収されるので、水回収装置から排出される排ガスは水飽和状態となっている。したがって、この水飽和状態にある排ガスが外部に放出され、より温度の低い外気によって冷却されると、排ガス中の水蒸気が白煙化することとなる。この排ガスの白煙化は燃料電池発電装置にとって致命的な欠陥ではないが、装置の設置場所によっては問題視される場合があり、白煙化を抑制する機能を備えた燃料電池発電装置も種々開示されている。
例えば特許文献１の装置では、加熱器を設置して排気ガスを加熱することによって水分量を下げ、白煙化を抑えている。また、特許文献２の装置では、太陽光により加熱される排気加熱器を設けて排気ガスを加熱し、水分量を下げて白煙化を抑えている。また、特許文献３や特許文献４の装置では、排気ガスをパッケージ型燃料電池発電装置の換気と混合して排気することにより水分量を下げて白煙化を抑えている。
また、特許文献５の装置では、電池冷却水系に供給する補給水によって排気ガスを冷却し、水分を除去して白煙化を防止している。また、特許文献６の装置では、電池冷却水系の水蒸気分離器のブローダウン水により排気ガスを加熱し、水分量を下げて白煙化を抑えている。この他、特許文献７の装置では、水回収装置に排気ガス加熱用の熱交換器を設け、この熱交換器で加熱することにより排気ガスを加熱し、水分量を下げて白煙化を抑えている。また特許文献８の装置においては、排気ガスの放出口の面積を変化させて流速を調節することにより白煙化を防止するとしている。
【特許文献１】特開平7―169498号公報
【特許文献２】特開平8―236133号公報
【特許文献３】特開平8―293316号公報
【特許文献４】特開平9―223510号公報
【特許文献５】特開平11―102720号公報
【特許文献６】特開2001―185199号公報
【特許文献７】特開2002―100382号公報
【特許文献８】特開2005―222892号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、燃料電池発電装置では、燃料電池本体で生じた反応生成水と燃料改質装置で生じた燃焼生成水を水回収装置で回収して再利用するともに、水飽和状態の排ガスを水回収装置から排出しているが、この水飽和状態の排ガスを大気中に放出すると排ガス中の水蒸気の白煙化が起こり、設置場所によっては問題視される場合があるので、その対策が必要である。その方策としては既に前述のごとく数々の方策が用いられているが、いずれも一長一短があり、より簡便に白煙化が防止される燃料電池発電装置が望まれる。
本発明は、このような技術の現状に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、水回収装置によって排ガス中の反応生成水と燃焼生成水を回収して再利用し、これら生成水を分離した排気ガスを外部に排出する燃料電池発電装置において、この排気ガスが簡便な構成で、白煙化することなく排出される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】
【０００５】
本発明においては、上記の目的を達成するために、
原燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを得る燃料改質装置と、前記燃料ガスと反応空気を導入して発電する燃料電池本体と、該燃料電池本体から排出される排空気および前記燃料改質装置から排出される燃焼排ガスに含まれる水分を回収する水回収装置と、前記燃料電池本体に備えられた冷却板を流通して排出される電池冷却水の熱を外部の熱利用設備に回収する排熱利用熱交換器と、前記の外部の熱利用設備に回収する排熱以外の排熱を放熱するための空冷式排熱処理設備を備えた燃料電池発電装置において、
前記水回収装置から排出される排気ガスが前記空冷式排熱処理設備の出口空気と混合して排出されるよう構成することとし、例えば、水回収装置の排気口を、排気ファンを備えた前記空冷式排熱処理設備の出口に連結して備えることとする。あるいは、水回収装置の排気口を、排気ファンを備えた前記空冷式排熱処理設備の出口に近接して備えることとする。
【発明の効果】
【０００６】
上記のごとく、燃料改質装置と、燃料電池本体と、排空気および燃焼排ガスに含まれる水分を回収する水回収装置と、排出される電池冷却水の熱を外部の熱利用設備に回収する排熱利用熱交換器と、この外部の熱利用設備に回収する排熱以外の排熱を放熱するための空冷式排熱処理設備を備えた燃料電池発電装置においては、空冷式排熱処理設備の出口空気は、その流量が水回収装置から排出される排気ガスの流量に比べて十分に多量となり、かつ、その温度が前記の排気ガスに比べて高温となる。したがって、本発明のように、水回収装置から排出される排気ガスが前記空冷式排熱処理設備の出口空気と混合して排出されるよう構成すれば、排気ガスが高温の出口空気により希釈され、排気ガス中の水分は飽和状態を十分に下まわるので、白煙化が抑えられることとなる。特に、水回収装置の排気口を、排気ファンを備えた空冷式排熱処理設備の出口に連結して備えるか、あるいは、水回収装置の排気口を、排気ファンを備えた空冷式排熱処理設備の出口に近接して備えれば、簡便に排気ガスが希釈され、排出ガスの白煙化が抑えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の燃料電池発電装置の最良の実施形態は、
原燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを得る燃料改質装置と、前記燃料ガスと反応空気を導入して発電する燃料電池本体と、該燃料電池本体から排出される排空気および前記燃料改質装置から排出される燃焼排ガスに含まれる水分を回収する水回収装置と、前記燃料電池本体に備えられた冷却板を流通して排出される電池冷却水の熱を外部の熱利用設備に回収する排熱利用熱交換器と、前記の外部の熱利用設備に回収する排熱以外の排熱を放熱するための空冷式排熱処理設備を備えた燃料電池発電装置において、水回収装置の排気口を、排気ファンを備えた前記空冷式排熱処理設備の出口に連結して備え、水回収装置から排出される排気ガスが空冷式排熱処理設備の出口空気と混合して排出されるよう構成した実施形態にある。
また、上記の実施形態に替えて、水回収装置の排気口を、排気ファンを備えた空冷式排熱処理設備の出口に近接して備え、水回収装置から排出される排気ガスが空冷式排熱処理設備の出口空気と混合して排出されるよう構成した実施形態としても良好である。
【実施例１】
【０００８】
図１は本発明の燃料電池発電装置の第１の実施例の基本系統図、また、図２は第１の実施例の側面図である。図１において、１は燃料電池本体、２は燃料改質装置、３および４は、電池冷却水系を構成する水蒸気分離器と熱交換器である。また、５は水回収装置、６，７は熱交換器、８は空冷式排熱処理装置、１１，１２，１４，１５はポンプである。
原燃料を燃料改質装置２で水素リッチな燃料ガスへと改質したのち、燃料電池本体１の燃料極へと供給し、同時に燃料電池本体１のもう一方の空気極に反応空気を供給すると、電気化学反応が生じて電気エネルギーが得られる。同時に、電気化学反応に伴って反応生成水が生じ、空気極からの排出ガスに含まれて放出される。また、燃料電池本体１の燃料極からの排出ガスには電気化学反応に使用されなかった水素ガスが含まれているので、これを有効に活用するため、燃料改質装置２のバーナーへと送って燃焼空気と混合、燃焼させて改質反応を促進している。したがって、このバーナーから放出される燃焼排ガスには燃焼生成水が含まれる。
反応生成水を含む空気極からの排出ガスと燃焼生成水を含む燃料改質装置２の燃焼排ガスは水回収装置５へと送られ、冷却されて生成水が回収される。回収された水は水蒸気分離器３へと送られ、再び電池冷却水として用いられる。本実施例の燃料電池発電装置では、図２に示したように、燃料電池発電装置本体２０の水回収装置５より外部へと排気ガスを排出する排気管２１が空冷式排熱処理装置８の空気出口ダクト８ａに連結されており、水回収装置５からの排気ガスが空冷式排熱処理装置８の排気と混合されて排出されるのが特徴である。このように構成された燃料電池発電装置では、排気管２１より排出される排気ガスは水飽和状態にあるが、空冷式排熱処理装置８の空気出口ダクト８ａで多量の高温の出口空気と混合されると希釈されて水分が飽和状態を十分に下まわるので、外部へ放出されるガスの白煙化が防止される。
【実施例２】
【０００９】
図３は本発明の燃料電池発電装置の第２の実施例の側面図である。本実施例の特徴は、燃料電池発電装置本体２０の水回収装置５より外部へと排気ガスを排出する排気管２１の出口が空冷式排熱処理装置８の空気出口ダクト８ｂの出口に近接して配置されていることにある。本構成においても、水回収装置５からの排気ガスが空冷式排熱処理装置８の排気と混合されて排出されるので、排気管２１より排出される排気ガスは、空冷式排熱処理装置８の空気出口ダクト８ｂより排出される多量の出口空気と混合され、希釈されるので水分が飽和状態以下となる。したがって、外部への放出ガスの白煙化が抑制される。
【実施例３】
【００１０】
図４は本発明の燃料電池発電装置の第３の実施例の側面図である。本実施例の特徴は、空冷式排熱処理装置８Ａが縦置きに設置され、燃料電池発電装置本体２０の水回収装置５より外部へと排気ガスを排出する排気筒２２の出口と、空冷式排熱処理装置８Ａの空気出口ダクト８ｃの出口が、相対して近接して配置されていることにある。このような構成とすれば、実施例１，２と同様に水回収装置５からの排気ガスの白煙化が抑制され、さらに、空冷式排熱処理装置８Ａの据付面積が低減されるので、燃料電池発電装置も小型でコンパクトとなる。
【産業上の利用可能性】
【００１１】
以上述べたように、本発明の燃料電池発電装置では、水回収装置５から排出される排気ガスに含まれる水分の割合が低減され、外部に排出される排気の白煙化が抑制されるので、各種用途の燃料電池発電装置として広く用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の第１の実施例の基本系統図
【図２】本発明の燃料電池発電装置の第１の実施例の側面図
【図３】本発明の燃料電池発電装置の第２の実施例の側面図
【図４】本発明の燃料電池発電装置の第３の実施例の側面図
【符号の説明】
【００１３】
１    燃料電池本体
２    燃料改質装置
３    水蒸気分離器
４    熱交換器
５    水回収装置
８    空冷式排熱処理装置
８Ａ    空冷式排熱処理装置
８ａ，８ｂ、８ｃ    空気出口ダクト（空冷式排熱処理装置）
２０    燃料電池発電装置本体
２１    排気管（燃料電池発電装置本体）
２２    排気筒（燃料電池発電装置本体）
【図１】
2009245768.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2009245768.tif 000006