(57)【要約】【課題】凝縮水に含まれる煤を効率よく低減し、水処理装置にかかる負荷を低減できる燃料電池発電装置を提供する。【解決手段】改質触媒層３ａ及び該改質触媒層３ａに反応熱を供給する燃焼部３ｂを有する改質装置３と、水素含有ガス及び酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池本体１と、燃焼部３ｂから排出される燃焼排ガスから凝縮水を回収する凝縮水回収手段と、凝縮水を脱イオン処理する水処理装置１０とを備え、水処理装置１０によって処理された脱イオン水を、電池冷却水、電池加湿水及び改質用水の少なくとも一部として再利用するように構成された燃料電池発電装置において、燃焼排ガス及び前記凝縮水が通流する空間内の、前記燃焼排ガス流の下方であって凝縮水と接触し得る位置に吸着材２０が配置されている燃料電池発電装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を含む原燃料ガスを水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質触媒層及び該改質触媒層に反応熱を供給する燃焼部を有する改質装置と、前記水素含有ガス及び酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池本体と、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスから凝縮水を回収する凝縮水回収手段と、前記凝縮水を脱イオン処理する水処理装置とを備え、前記水処理装置によって処理された脱イオン水を、電池冷却水、電池加湿水及び改質用水の少なくとも一部として再利用するように構成された燃料電池発電装置において、
前記燃焼排ガス及び前記凝縮水が通流する空間内の、前記燃焼排ガス流の下方であって凝縮水と接触し得る位置に吸着材が配置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】
前記吸着材は、セラミック多孔質焼結体、金属多孔質焼結体、珪藻土から選ばれた一種以上からなる、請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記凝縮水回収手段は、前記燃焼排ガスの熱を回収する熱交換器と、この熱交換器で発生する凝縮水を取り出す凝縮水供給管と、この凝縮水供給管に連結された回収水タンクとを有しており、
前記吸着材は、前記熱交換器、前記凝縮水供給管、又は前記回収水タンクに配置されている、請求項１又は２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記吸着材は、前記回収水タンクの水面に接するように配置されている、請求項３記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記吸着材は、前記回収水タンクの前記凝縮水供給管が連結する部位の下部近傍に配置されている、請求項３記載の燃料電池発電装置。
【請求項６】
炭化水素を含む原燃料ガスを水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質触媒層及び該改質触媒層に反応熱を供給する燃焼部を有する改質装置と、前記水素含有ガス及び酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池本体と、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスから凝縮水を回収する凝縮水回収手段と、前記凝縮水を脱イオン処理する水処理装置とを備え、前記水処理装置によって処理された脱イオン水を、電池冷却水、電池加湿水及び改質用水の少なくとも一部として再利用するように構成された燃料電池発電装置において、
凝縮水が滴下する位置に開口部を備えるフィルタが配置されていることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項７】
前記凝縮水回収手段は、前記燃焼排ガスの熱を回収する熱交換器と、この熱交換器で発生する凝縮水を取り出す凝縮水供給管と、この凝縮水供給管に連結された回収水タンクとを有しており、
前記フィルタは、前記回収水タンクの前記凝縮水供給管が連結する部位の下部近傍に配置されている、請求項６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、煤等の混入が少ない凝縮水を回収して、水処理装置にかかる負荷を低減できる燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池本体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いる。そして、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い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、脱イオン処理を行って再利用することが一般的に行われている。
【０００３】
ところで、改質装置の燃焼部では、都市ガスやＬＰガスなどを燃焼用燃料として使用することがあるが、例えば、燃料電池の起動時などのように、燃焼部の燃焼状態が安定しない場合や、燃焼部の温度が低い場合などでは、燃焼用燃料は不完全燃焼になり易く、燃焼排ガスに煤が混入し易い。このため、燃焼排ガスから回収される凝縮水にも、煤が混入することがある。
【０００４】
煤などの不純物が水処理装置に流入すると、内部に充填された樹脂などを閉塞してしまい、水処理装置の寿命や性能が低下する問題があるので、下記特許文献１に開示されているように、水処理装置に凝縮水を導入する前に、フィルタなどを用いて凝縮水に混入している煤を除去している。
【特許文献１】特開２００１−２３６９８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
凝縮水に混入する煤は比較的粒径が細かいので、孔径の小さいフィルタを使用する必要があるが、孔径の小さいフィルタは目詰まりが生じやすかった。このため、圧損が発生して、凝縮水の流量にばらつきが生じたり、フィルタの交換周期が短くメンテナンスコストがかさむ等の問題があった。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、圧損の上昇を招くことなく、凝縮水に含まれる煤を効率よく低減し、水処理装置にかかる負荷を低減でき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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池発電装置の第一は、炭化水素を含む原燃料ガスを水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質触媒層及び該改質触媒層に反応熱を供給する燃焼部を有する改質装置と、前記水素含有ガス及び酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池本体と、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスから凝縮水を回収する凝縮水回収手段と、前記凝縮水を脱イオン処理する水処理装置とを備え、前記水処理装置によって処理された脱イオン水を、電池冷却水、電池加湿水及び改質用水の少なくとも一部として再利用するように構成された燃料電池発電装置において、前記燃焼排ガス及び前記凝縮水が通流する空間内の、前記燃焼排ガス流の下方であって凝縮水と接触し得る位置に、吸着材が配置されていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の燃料電池発電装置の第二は、炭化水素を含む原燃料ガスを水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質触媒層及び該改質触媒層に反応熱を供給する燃焼部を有する改質装置と、前記水素含有ガス及び酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池本体と、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスから凝縮水を回収する凝縮水回収手段と、前記凝縮水を脱イオン処理する水処理装置とを備え、前記水処理装置によって処理された脱イオン水を、電池冷却水、電池加湿水及び改質用水の少なくとも一部として再利用するように構成された燃料電池発電装置において、凝縮水が滴下する位置に開口部を備えるフィルタが配置されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の燃料電池発電装置によれば、上記位置に吸着材又はフィルタを配置したことで、圧損の上昇を抑制しつつ、凝縮水に混入した煤を分離除去できる。このため、水処理装置には、煤の混入量が極めて少ない凝縮水を導入できるので、煤が付着して水処理装置の寿命や性能が低下することを防止できる。
【００１０】
本発明の燃料電池発電装置の第一において、前記吸着材は、セラミック多孔質焼結体、金属多孔質焼結体、珪藻土から選ばれた一種以上からなることが好ましい。セラミック多孔質焼結体、金属多孔質焼結体、珪藻土は、いずれも煤を効果的に吸着できる。そして、これらは、耐熱性、耐腐食性に優れており、優れた耐久性が得られる。
【００１１】
本発明の燃料電池発電装置の第一において、前記凝縮水回収手段は、前記燃焼排ガスの熱を回収する熱交換器と、この熱交換器で発生する凝縮水を取り出す凝縮水供給管と、この凝縮水供給管に連結された回収水タンクとを有しており、前記吸着材は、前記熱交換器、前記凝縮水供給管、又は前記回収水タンクに配置されていることが好ましい。熱交換器、凝縮水供給管、又は回収水タンクに吸着材を設けることにより、凝縮水中に混入する煤を効果的に吸着除去することができる。
【００１２】
本発明の燃料電池発電装置の第一において、前記吸着材は、前記回収水タンクの水面に接するように配置されている、ことが好ましい。凝縮水中に混入した煤は、回収水タンクの水面に浮上する性質があるので、回収水タンクの水面に接するように吸着材を設けることにより、煤が吸着材に効果的に吸着除去される。
【００１３】
本発明の燃料電池発電装置の第一において、前記吸着材は、前記回収水タンクの前記凝縮水供給管が連結する部位の下部近傍に配置されていることが好ましい。この態様によれば、凝縮水が水タンクに導入される際に、吸着材によって煤が分離除去される。
【００１４】
本発明の燃料電池発電装置の第二において、前記凝縮水回収手段は、前記燃焼排ガスの熱を回収する熱交換器と、この熱交換器で発生する凝縮水を取り出す凝縮水供給管と、この凝縮水供給管に連結された回収水タンクとを有しており、前記フィルタは、前記回収水タンクの前記凝縮水供給管が連結する部位の下部近傍に配置されていることが好ましい。この態様によれば、凝縮水が水タンクに導入される際に、フィルタによって煤が分離除去される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池発電装置によれば、圧損の上昇を抑制しつつ、凝縮水に混入した煤を分離除去して、煤の混入量が極めて少ない凝縮水を水処理装置に導入でき、水処理装置の寿命や性能などが低下しにくくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。
【００１７】
図１中の１は、燃料電池本体であって、電解質１ｃを挟持するアノード電極１ａ及びカソード電極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。
【００１８】
アノード電極１ａの改質ガス供給側は、改質装置３から伸びた改質ガス供給ラインＬ１が連結している。この改質ガス供給ラインＬ１には、改質ガスドレントラップＱ１が配置されており、改質ガスドレントラップＱ１の凝縮水貯留部からは、改質ガス凝縮水供給ラインＬ２が伸びて、水タンク４に連結している。
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Ｌ３が伸びており、その先端側は、燃焼用燃料供給ラインＬ１２に連結している。また、アノードオフガス排出ラインＬ３には、途中にアノードオフガスドレントラップＱ２が配置されており、アノードオフガスドレントラップＱ２の凝縮水貯留部からは、アノードオフガス凝縮水供給ラインＬ４が伸びて、水タンク４に連結している。
【００１９】
カソード電極１ｂの空気供給側は、空気供給源から伸びた空気供給ラインＬ５が連結している。この空気供給ラインＬ５には、加湿器２が配置されている。
カソード電極１ｂの排空気排出側からは、カソードオフガス排出ラインＬ６が伸びて、水タンク４に連結している。このカソードオフガス排出ラインＬ６には、カソードオフガス熱交換器Ｑ３が配置されている。
【００２０】
冷却系１ｄの冷却水供給側は、電池冷却水タンク１２から伸びた電池冷却水供給ラインＬ７が連結している。
冷却系１ｄの冷却水排出側からは、電池冷却水排出ラインＬ８が伸びて、電池冷却水タンク１２に接続している。
【００２１】
改質装置３は、水蒸気改質触媒が充填された改質触媒層３ａと、バーナが配置された燃焼部３ｂとを備え、バーナで燃焼用燃料を燃焼した際に発生する燃焼熱及び燃焼排ガスで前記改質触媒層３ａを加熱するように構成されている。
【００２２】
改質触媒層３ａの改質原料の投入側は、原燃料源から伸びた原燃料供給ラインＬ９と、電池冷却水タンク１２から伸びた改質水供給ラインＬ１０が連結している。
改質触媒層３ａ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。
【００２３】
燃焼部３ｂの燃焼燃料導入口側は、燃焼用燃料供給ラインＬ１２と、燃焼空気供給ラインＬ１１とが連結しており、燃焼部３ｂに配置されたバーナに燃料用燃料と燃焼用空気とを供給できるように構成されている。燃焼用燃料供給ラインＬ１２の上流側は、アノードオフガス排出ラインＬ３及び原燃料供給ラインＬ９が接続している。
燃焼部３ｂの燃焼排ガス排出側からは、燃焼排ガスラインＬ１３が伸びて、水タンク４に接続している。燃焼排ガスラインＬ１３には、途中燃焼排ガス熱交換器Ｑ４が配置されている。
【００２４】
水タンク４は、凝縮水を貯留するタンクであって、改質ガス凝縮水供給ラインＬ２、カソードオフガス排出ラインＬ６、アノードオフガス凝縮水供給ラインＬ４、燃焼排ガスラインＬ１３、及び電池冷却水タンク１２から伸びた電池冷却水オーバフローラインＬ１８が接続している。なお、水タンク４の上部には、脱炭酸室が設けられていてもよい。
【００２５】
水タンク４の内部には、吸着材２０が配置されており、この吸着材２０は、回収水タンクの水面に接するように、水タンク４の内壁に取り付けられている。
【００２６】
吸着材２０としては、セラミック多孔質焼結体、金属多孔質焼結体、珪藻土などが好ましく挙げられる。これらは、いずれも、煤を効率よく吸着して、凝縮水から煤を分離除去できる。そして、いずれも耐熱性、耐腐食性に優れており、優れた耐久性が得られるので、メンテナンス性にも優れる。
【００２７】
上記セラミックス多孔質焼結体及び金属多孔質焼結体は、粉状のシリカ質、アルミナ質、チタン等を焼結して得られるものが一例として挙げられる。これらは、１又は数個をタンク壁面に固定するか、多数個を水面上に浮かせて配置される。また、珪藻土の場合も同様にして設置される。
【００２８】
水タンク４の上部からは、排気ラインＬ１７が伸びて、水タンク内の圧力が大気圧を維持できるように構成されている。また水タンク４の側壁からは、タンク水オーバフローラインＬ１９が伸びており、タンク内の水位が一定水位を超えないようにされている。また、水タンク４の下部からは、回収水供給ラインＬ２０が伸びている。
【００２９】
回収水供給ラインＬ２０には、上流側から、ポンプＰ１、入口フィルタ８、水処理装置１０が配置されている。
【００３０】
入口フィルタ８としては、水タンク４で回収した回収水に含まれている煤や粉塵等の不純物を除去するものであれば特に限定はなく、金属除去フィルタ、微粒子除去フィルタ等が好ましく挙げられる。なお、入口フィルタ８は、特に設置しなくてもよい場合がある。
【００３１】
水処理装置１０としては、水タンク４で回収した回収水を脱イオン処理する装置であれば特に限定はなく、電気式脱イオン装置、金属イオン除去装置、活性炭フィルタ、水処理樹脂（イオン交換樹脂など）などが挙げられる。これらを単独で使用してもよく、複数を併用してもよい。なかでも、ランニングコストやメンテナンスコストを低減できるという理由から電気式脱イオン装置を使用することが好ましく、電気式脱イオン装置の上流側に金属イオン除去装置を配置し、電気式脱イオン装置の下流側に水処理樹脂を配置することがより好ましい。
【００３２】
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。
【００３３】
改質装置３では、原燃料供給ラインＬ９から供給される原燃料を、改質水供給ラインＬ１０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、改質装置３の燃焼部３ｂに、燃焼用燃料供給ラインＬ１２から燃焼用燃料と、燃焼空気供給ラインＬ１１から燃焼空気を供給し、これらを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Ｌ９から供給される原燃料を主体として用いられ、燃焼部３ｂでの燃焼状態が安定し、改質触媒層３ａ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。
【００３４】
そして、改質装置３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。改質ガスに含まれる凝縮水は、改質ガス供給ラインＬ１の途中に配置された改質ガスドレントラップＱ１にて回収され、改質ガス凝縮水供給ラインＬ２を通って水タンク４に供給される。
【００３５】
燃料電池本体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１ｂに供給された空気とを電解質１ｃの界面で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。
【００３６】
カソード電極１ｂ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Ｑ３で冷却されて、カソードオフガス凝縮水とカソードガスと共に、カソードオフガス排出ラインＬ６を通って水タンク４に供給される。
【００３７】
アノード電極１ａから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出ラインＬ３を通って燃焼部３ｂへと供せられ、燃焼用燃料として用いられる。アノードオフガスに含まれる凝縮水は、アノードオフガス排出ラインＬ３の途中に配置されたアノードオフガスドレントラップＱ２にて回収され、アノードオフガス凝縮水供給ラインＬ４を通って水タンク４に供給される。
【００３８】
改質装置３の燃焼部３ｂから排出される燃焼排ガスは、燃焼排ガス熱交換器Ｑ４で冷却されて、燃焼排ガスと共に水タンク４に供給される。
【００３９】
ところで、前述したように、燃焼部３ｂの燃焼状態が不安定であったり、燃焼部３ｂが低温であると、燃焼用燃料が不完全燃焼となり、煤が発生するので、燃焼排ガスから回収した凝縮水には、煤などが混入している。このため、水タンクに貯留された凝縮水には、煤が混入しているが、この実施形態では、水タンク４の内壁の回収水タンクの水面に接する位置に、吸着材２０が配置されているので、吸着材２０で煤を吸着して、煤を分離除去できる。また、煤は比重が水よりも軽く、撥水性を有しているため、水タンク４の水面に浮上する性質があるので、水タンク４の水面に接するように吸着材２０を設けたことにより、煤が吸着材２０と効率よく接触し、煤を吸着材２０にて吸着させて、効率よく分離除去できる。
【００４０】
なお、吸着材２０を水面に接するように配置するには、通常の運転時は水位がオーバーフロー配管の高さに達しているので、吸着材２０をオーバーフロー配管高さに固定しても良く、また水面に浮かせても良い。
【００４１】
そして、水タンク４に回収された凝縮水は、回収水供給ラインＬ２０から引き抜かれ、まず、入口フィルタ８にて煤や粉塵等の不純物除去が行われた後、水処理装置１０に送られて脱イオン処理がなされ、処理水は、電池冷却水タンク１２に送られ、電池冷却水、加湿水、改質水などに使用される。水タンク４から引き抜かれた凝縮水は、水タンク４の配置した吸着材２０によって煤がほとんど分離除去されているので、入口フィルタ８は目詰まりし難くなり、フィルタの交換周期を長期化でき、更には、入口フィルタ８を省略することもできる。
【００４２】
本発明の燃料電池発電装置の第二の実施形態について説明する。この実施形態は、基本的な構成は前記第一の実施形態と同様の構成をなしているが、図２に示すように、吸着材２０又はフィルタ２１が、水タンク４の内壁の燃焼排ガスラインＬ１３が連結する部位の下部近傍に配置されている点で、上記第一の実施形態と相違する。
【００４３】
前述したように、燃焼排ガスから主に煤が混入するので、燃焼排ガスラインＬ１３が連結する部位の下部近傍に吸着材２０又はフィルタ２１を配置することで、凝縮水から効率よく煤を分離除去できる。吸着材２０に代えてフィルタ２１を配置する場合は、フィルタ２１の開口部を、燃焼排ガスラインＬ１３から供給される凝縮水の滴下位置に配置することが好ましい。また、フィルタ２１としては、バグフィルタを好適に用いることができる。
【００４４】
なお、本実施例の変形例として、水タンク４の上部に脱炭酸室が設けられている場合は、脱炭酸室から水タンク４へと凝縮水が滴下する位置に、吸着材２０又はフィルタ２１を設けることができる。
【００４５】
本発明の燃料電池発電装置の第三の実施形態について説明する。この実施形態は、基本的な構成は前記第一の実施形態と同様の構成をなしているが、吸着材２０が、図３に示すように、燃焼排ガスラインＬ１３の配管内底部分に敷設されている。
【００４６】
燃焼排ガスラインＬ１３の配管内底部分は、燃焼排ガス凝縮水がたまりやすいので、燃焼排ガスの圧力損失を大きくすることなく、燃焼排ガスラインＬ１３を流れる凝縮水が敷設された吸着材２０上を流通する間に、吸着材２０で煤を吸着除去して、煤の混入が極めて低減された凝縮水を水タンク４に導入することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【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】本発明の燃料電池発電装置の第二の実施形態に用いる水タンクの概略構成図である。
【図３】本発明の燃料電池発電装置の第三の実施形態に用いる燃焼排ガスラインＬ１３の断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１：燃料電池本体
１ａ：アノード電極
１ｂ：カソード電極
１ｃ：電解質
１ｄ：冷却系
２：加湿器
３：改質装置
３ａ：改質触媒層
３ｂ：燃焼部
４：水タンク
８：入口フィルタ
１０：水処理装置
１２：電池冷却水タンク
２０：吸着材
２１：フィルタ
Ｌ１：改質ガス供給ライン
Ｌ２：改質ガス凝縮水供給ライン
Ｌ３：アノードオフガス排出ライン
Ｌ４：アノードオフガス凝縮水供給ライン
Ｌ５：空気供給ライン
Ｌ６：カソードオフガス排出ライン
Ｌ７：電池冷却水供給ライン
Ｌ８：電池冷却水排出ライン
Ｌ９：原燃料供給ライン
Ｌ１０：改質水供給ライン
Ｌ１１：燃焼空気供給ライン
Ｌ１２：燃焼用燃料供給ライン
Ｌ１３：燃焼排ガスライン
Ｌ１７：排気ライン
Ｌ１８：電池冷却水オーバフローライン
Ｌ１９：タンク水オーバフローライン
Ｌ２０：回収水供給ライン
Ｑ１：改質ガスドレントラップ
Ｑ２：アノードオフガスドレントラップ
Ｑ３：カソードオフガス熱交換器
Ｑ４：燃焼排ガス熱交換器
【図１】
2009238589.tif 000003
【図２】
2009238589.tif 000004
【図３】
2009238589.tif 000005