(57)【要約】【課題】  燃料電池本体の出力を電源とする電気脱イオン装置を備えた燃料電池発電装置においては、燃料電池発電装置の起動開始から発電開始までの間に電気脱イオン装置を動作させることができず、その間に改質用水として消費される水が不足する恐れがあった。【解決手段】  燃料電池発電装置の起動時に電池冷却水タンク中に蓄えられている貯水量が、改質装置の起動から前記燃料電池スタックの発電開始までの間に消費される水量以上となるようにすることで、起動工程時に改質水不足で停止することを防ぐ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、
原燃料を水素含有ガスに改質する改質装置と、
前記燃料電池スタックの出力を電源として用いる電気脱イオン装置と、
燃料電池スタックから排出されるカソードオフガスおよび/または改質装置から排出される燃焼排ガス中の凝縮水を貯留する回収水タンクと、
前記回収水タンクの水を前記電気脱イオン装置で脱イオン処理した水を貯留する電池冷却水タンクと、
前記電池冷却水タンクに貯留された水を燃料電池スタックの冷却および改質に用いる燃料電池発電装置において、
前記燃料電池発電装置の起動時における前記電池冷却水タンク中の貯水量が、
前記改質装置の起動から前記燃料電池スタックの発電開始までの間に改質反応に用いられる水量以上であることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記電池冷却水タンクの貯水量を前記燃料電池発電装置の停止工程中に増加させることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記電池冷却水タンクに水位計と前記水位計の検出値が設定値となるように電池冷却水タンクに供給する純水の量を制御する制御手段とを備え、
前記停止工程中に、前記設定値を、通常運転時の設定水位である第１の設定値から、通常運転時の設定水位より大きい第２の設定値へ変更することを特徴とする請求項２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、改質装置から排出される燃焼排ガスや、燃料電池スタックから排出される燃料電池排ガスから回収される回収水を電気脱イオン装置にて純化して再利用する燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックから排出される燃料電池排ガスや、改質装置の燃焼部から排出される燃焼排ガスは水分を含んでおり、燃料電池発電装置の系内での水自立（外部からの補給水を受け入れることなく運転を継続する状態）を維持するため、これらの排ガスから凝縮水を回収し、水処理装置などで脱イオン処理した後、再利用することが一般的に行われている。そして、この水処理装置として、近年、電気脱イオン装置が用いられるようになってきている。電気脱イオン装置を動作させるには直流電源が必要であるが、燃料電池スタックの出力は直流であることから、この燃料電池スタックで発生する直流の出力を直流/交流変換することなく直接、燃料電池発電装置内の電気脱イオン装置に供給することが、特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００３−１０９６４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のように、燃料電池スタックの出力に電気脱イオン装置を接続した構成の燃料電池発電装置の起動時においては、燃料電池スタックが発電を開始するまで、電気脱イオン装置に電力が供給できず、純水を生成できない。
一方、燃料電池発電装置は燃料電池スタックが発電を開始するまでの起動工程においても、改質反応用の純水を消費する。
従って、燃料電池スタックの発電開始前の起動工程中は、純水が生成されないため、純水を貯留するタンク内の保有水を使い果たしてしまうと、改質反応に必要な純水が供給できなくなり、起動工程の途中で燃料電池発電装置が停止する可能性があるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記の課題を解決するために、本発明においては、燃料電池スタックと、原燃料を水素含有ガスに改質する改質装置と、前記燃料電池スタックの出力を電源として用いる電気脱イオン装置と、燃料電池スタックから排出されるカソードオフガスおよび/または改質装置から排出される燃焼排ガス中の凝縮水を貯留する回収水タンクと、前記回収水タンクの水を前記電気脱イオン装置で脱イオン処理した水を貯留する電池冷却水タンクと、前記電池冷却水タンクに貯留された水を燃料電池スタックの冷却および改質に用いる燃料電池発電装置において、前記燃料電池発電装置の起動時における前記電池冷却水タンク中の貯水量が、前記改質装置の起動から前記燃料電池スタックの発電開始までの間に改質反応に用いられる水量以上であることとした。
また、そのために、前記電池冷却水タンクの貯水量を前記燃料電池発電装置の停止工程中に増加させることとしてもよい。
さらに、前記電池冷却水タンクに水位計と前記水位計の検出値が設定値となるように電池冷却水タンクに供給する純水の量を制御する制御手段とを備え、前記停止工程中に、前記設定値を、通常運転時の設定水位である第１の設定値から、通常運転時の設定水位より大きい第２の設定値へ変更することとしてもよい。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の燃料電池発電装置においては、起動工程時に改質用水として消費される純水を、予め電池冷却水タンクに貯留しておくこととしたので、起動工程中に純水の生成が行われなくても、改質反応に必要な純水の供給を継続でき、安定した燃料電池発電装置の起動が可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
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。
図１中の１は、燃料電池スタックであって、電解質(不図示)の両側に配置されるアノード電極１ａ及びカソード電極１cからなる単位セルと、冷却板１ｂとを積層して構成されている。
アノード電極１ａの改質ガス供給側は、改質装置２から伸びた改質ガス供給ラインＬ１が連結している。改質装置２の上流側には原燃料供給源から伸びる原燃料供給ラインＬ７が接続され、原燃料供給ラインＬ７上には、原燃料を脱硫する脱硫器３が設けられている。
アノード電極１ａのアノードオフガス排出側からは、アノードオフガス排出ラインＬ２が伸びており、その先端側は、改質装置２のバーナ４に連結している。
カソード電極１c の空気供給側は、反応空気供給用ブロワ５から伸びた空気供給ラインＬ３が連結している。この空気供給ラインＬ３には、
カソード電極１cの排空気排出側からは、カソードオフガス排出ラインＬ４が伸びて、回収水タンク６に連結している。このカソードオフガス排出ラインＬ４には、カソードオフガス熱交換器Ｑ１が配置されている。
【０００７】
冷却板１ｂと電池冷却水タンク７とは、電池冷却水循環ラインＬ６で接続されており、電池冷却水タンク７に貯留された純水を電池冷却水ポンプＰ３により冷却板１ｂへと供給して循環させている。電池冷却水タンク７からは、余剰冷却水を回収水タンク６へと戻すオーバーフローラインＬ５が接続されている。
改質装置２の上流側の原燃料供給ラインＬ７には、電池冷却水タンク７から伸びた改質用水供給ラインＬ８が連結されている。改質用水供給ラインＬ８上には改質用水ポンプＰ２が設けられている。原燃料および改質用水（電池冷却水タンク７に貯留された純水）は、改質装置２の改質触媒層２ａに供給され、水素濃度の高い改質ガスが生成される。
改質触媒層２ａの改質ガス吐出側からは、改質ガス供給ラインＬ１が伸びてアノード電極１ａに連結している。尚、改質ガス供給ラインＬ１上には、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減するための変成器およびＣＯ除去器が設けられることもあるが、改質装置２と一体に形成される場合もある。
バーナ４の燃焼燃料導入口側は、アノードオフガス排出ラインＬ２と、燃焼空気ブロワ８からの空気を供給する燃焼空気供給ラインＬ９とが連結しており、燃焼部２ｂで燃焼を行いその熱を改質触媒層２ａに与えるように構成されている。
【０００８】
燃焼部２ｂの燃焼排ガス排出側からは、燃焼排ガスラインＬ１０が伸びて、回収水タンク６に接続している。燃焼排ガスラインＬ１０の途中には、燃焼排ガス熱交換器Ｑ２が配置されている。
回収水タンク６は、各排ガス中の凝縮水を回収し、貯留するタンクであって、カソードオフガス排出ラインＬ４及び燃焼排ガスラインＬ１０が接続している。なお、回収水タンク６の上部には、脱炭酸室９が設けられていてもよい。
回収水タンク６の上部からは、排気ラインＬ１１が伸びて、水分を回収した後の排ガスが排気される。
また、回収水タンク６の下部からは、回収水供給ラインＬ１２が伸びており、電池冷却水タンク７へ接続している。
回収水供給ラインＬ１２上には、上流側から、回収水ポンプＰ１、電気脱イオン装置１０が配置されている。
電気脱イオン装置１０には、燃料電池スタック１の発生電力を直流/交流変換することなく供給するよう接続されている。
次に、本発明の燃料電池発電装置の動作について説明する。
【０００９】
改質装置２では、原燃料供給ラインＬ７から供給される原燃料を、改質用水供給ラインＬ８から供給される改質水と混合して、改質触媒層３ａに供給し、水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスを生成させる。水蒸気改質反応は、吸熱反応であることから、バーナ４に、アノードオフガス排出ラインＬ２から燃焼用燃料と、燃焼空気供給ラインＬ９から燃焼空気を供給し、これらを燃焼部２ｂで燃焼して改質触媒層３ａを加熱する。なお、燃料電池発電装置の起動開始時においては、燃焼用燃料としては、原燃料供給ラインＬ７から分岐してバーナ４に接続するライン(図示せず)により供給される原燃料を主体として用いられ、燃焼部２ｂでの燃焼状態が安定し、改質触媒層２ａが十分加熱されたら、アノードオフガスが主体として用いられる。
そして、改質装置２で生成された改質ガスは、改質ガス供給ラインＬ１を通ってアノード電極１ａに供給される。燃料電池スタック１では、アノード電極１ａに供給された改質ガスと、カソード電極１ｃに供給された空気とを電気化学反応させて発電し、この発電出力を電力系統に供給する。
カソード電極１ｃから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス熱交換器Ｑ１で冷却されて、カソードオフガス凝縮水を生成し、カソードオフガス排出ラインＬ４を通って回収水タンク６に供給される。
【００１０】
改質装置２の燃焼部２ｂから排出される燃焼排ガスは、燃焼排ガスラインＬ１０を通って、燃焼排ガス熱交換器Ｑ２で冷却されて、生成した凝縮水は回収水タンク６に供給される。
回収水タンク６に回収された凝縮水は、回収水ポンプＰ１により回収水供給ラインＬ１２へと送出され、電気脱イオン装置１０で脱イオンされた処理水（純水）と、イオンが濃縮された濃縮水とに分かれて排出される。処理水は、電池冷却水タンク７中に貯留される。濃縮水は、燃料電池発電装置の系外に排水される場合もあるが、水自立のために回収水タンク６へと返送することが望ましい。
電池冷却水タンク７には、レベル計が設けられ、予め決められた設定水位（Ｌ１）になるように回収水ポンプＰ１の回転数が制御されている。
本発明の燃料電池発電装置においては、燃料電池発電装置の運転停止工程中に、電池冷却水タンクの設定水位の変更を行う。変更後の設定水位（Ｌ２）は、起動開始から発電開始までの起動工程期間に改質用に消費する水量を予め求めておき、この水量分を、水位（Ｌ１）の時の貯水量に加えて貯水した時の水位に設定している。
これにより、本発明の燃料電池発電装置においては、発電を停止する前に電池冷却水タンク７中の貯水量を、次回の起動時の発電開始前に消費する純水量分だけ多く貯水してから停止するので、次回起動工程時の燃料電池スタック１の発電が開始するまでの間、電気脱イオン装置１０から処理水（純水）が電池冷却水タンク７に供給されなくても、電池冷却水タンク７から供給される改質用水が不足する事態に陥ることがなくなった。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の実施形態の概略構成図である。
【符号の説明】
【００１２】
１  燃料電池スタック
２  改質装置
２ａ  改質触媒層
２ｂ  燃焼部
３  脱硫器
４  バーナ
５  反応空気供給用ブロワ
６  回収水タンク
７  電池冷却水タンク
８  燃焼空気ブロワ
９  脱炭酸室
１０  電気脱イオン装置
Ｌ１  改質ガス供給ライン
Ｌ２  アノードオフガス排出ライン
Ｌ３  空気供給ライン
Ｌ４  カソードオフガス排出ライン
Ｌ５  電池冷却水排出ライン
Ｌ６  電池冷却水循環ライン
Ｌ７  原燃料供給ライン
Ｌ８  改質用水供給ライン
Ｌ９  燃焼空気供給ライン
Ｌ１０  燃焼排ガスライン
Ｌ１１  排気ライン
Ｌ１２  回収水供給ライン
Ｑ１  カソードオフガス熱交換器
Ｑ２  燃焼排ガス熱交換器
Ｐ１  回収水ポンプ
Ｐ２  改質用水ポンプ
Ｐ３  電池冷却水ポンプ
【図１】
2009245769.tif 000003