(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質器バーナから排出される燃焼排ガス中に含まれる水蒸気と燃料電池カソード極から排出されるカソード排ガス中に含まれる水蒸気とを凝縮水として回収するための排ガス凝縮器と、前記凝縮水を脱炭酸するための脱炭酸塔とを備えた燃料電池発電プラントにおいて、
前記排ガス凝縮器が、前記燃焼排ガス中の水蒸気を燃焼排ガス凝縮水として回収する燃焼排ガス凝縮部と前記カソード排ガス中の水蒸気をカソード排ガス凝縮水として回収するカソード排ガス凝縮部とを備え、
前記燃焼排ガス凝縮部を含む燃焼排ガス凝縮水回収ラインと前記カソード排ガス凝縮部を含むカソード排ガス凝縮水回収ラインとが分離して設けられ、
前記脱炭酸塔が、前記燃焼排ガス凝縮水回収ラインだけに設けられ、燃焼排ガス凝縮水だけについて脱炭酸を行うように構成され、
前記カソード排ガス凝縮水回収ラインに、前記凝縮水中のリン酸イオンと反応して腐食生成物を生成する金属材料からなる腐れ代が設置され、この腐れ代の下流に前記凝縮水中のリン酸イオンと金属イオンとの反応によって得られた腐食生成物を除去する沈殿槽が設置されたことを特徴とする燃料電池発電プラント。
【請求項２】
前記カソード排ガス凝縮部の内部に前記腐れ代を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電プラント。
【請求項３】
前記腐れ代を構成する金属材料が炭素鋼であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電プラント。
【請求項４】
前記燃焼排ガス凝縮水回収ライン中の凝縮水温度が、前記カソード排ガス凝縮水回収ライン中の凝縮水温度より高くなるように構成されたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改質器バーナ排ガスとカソード排ガス中の水蒸気を凝縮回収する燃料電池発電プラントに係り、特に凝縮水中の炭酸およびリン酸イオンを除去するためのシステムの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、天然ガスなどの燃料を改質して得られる水素と、空気中の酸素とを電気化学的に反応させて直接発電するものであり、高い発電効率が得られる。また、反応生成物が水であるため、プラントで必要とする水を排ガス中から凝縮回収することにより、水自立することが可能となり、補給水が不要となる特徴がある。図４は、このような燃料電池発電プラントのうち、特に、排ガス中の水蒸気を回収するための従来のシステムを示す構成図である。
【０００３】
燃料電池発電プラントの排ガスには、燃料ガスを水蒸気改質して水素リッチガスを得る改質器のバーナから発生するバーナ燃焼排ガスと、燃料電池本体のカソード極出口から排出されるカソード排ガスがある。そのため、燃料電池発電プラントにおいては、図４に示すように、これらの排ガスを回収するためのバーナ燃焼排ガスライン１とカソード排ガスライン２とが設けられており、これらのバーナ燃焼排ガスライン１とカソード排ガスライン２が共通の凝縮器３に接続されている。
【０００４】
そして、この凝縮器３を含む形で、排ガスリサイクルライン４と凝縮水回収ライン５がそれぞれ構成されている。すなわち、凝縮器３によって、各排ガスライン１，２から供給される排ガスを冷却し、冷却した排ガスを排ガスリサイクルライン４を介してリサイクルに供すると共に、排ガス中の水蒸気を凝縮し、凝縮水回収ライン５を介して凝縮水を回収するようになっている。
【０００５】
このうち、凝縮水回収ライン５の下流には脱炭酸塔６が設けられており、凝縮器３によって得られた凝縮水は、この脱炭酸塔６を通して空気と接触しながら脱炭酸された後、水タンク７に溜められるようになっている。また、水タンク７には、空気供給ライン８が接続されており、この空気供給ライン８からの空気が、水タンク７を介して脱炭酸塔６に供給されるようになっている。
【０００６】
さらに、水タンク７に溜められた凝縮水は、凝縮水リサイクルライン９を介してリサイクルに供せられるようになっている。凝縮水リサイクルライン９には、ポンプ１０とイオン交換樹脂塔１１が設けられており、水タンク７に溜められた凝縮水は、ポンプ１０で加圧されたのち、イオン交換樹脂塔１１を通して純水となり、電池冷却水系１２に供給されるようになっている。
【０００７】
なお、図４では、個別の排ガスライン１，２が凝縮器３に接続されているように示されているが、実際は、凝縮器３の上流で排ガスライン１，２が合流し、共通の排ガスラインが凝縮器３に接続される場合が多い。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなシステムによって排ガス中の水蒸気を凝縮回収する従来の燃料電池発電プラントには、次のような問題点がある。すなわち、改質器バーナ燃焼排ガスとカソード排ガス中の水蒸気を凝縮回収した場合、凝縮水中の炭酸除去効率が低くなるため、水タンク７に溜まる凝縮水の水質が低下する。また、改質器バーナ燃焼排ガスとカソード排ガス中の水蒸気を凝縮回収した場合、凝縮水中のリン酸イオンの負荷も大きい。このように凝縮中における炭酸とリン酸イオンの負荷が大きいことに起因して、イオン交換樹脂塔１１が短時間で劣化してしまい、樹脂交換頻度が高くなると共に、運転継続に必要な費用が増大してしまう。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、脱炭酸塔によって処理する凝縮水量を低減して炭酸除去効率を高めると共に、凝縮水中のリン酸イオン負荷を低減することにより、イオン交換樹脂塔の寿命の延長および樹脂交換頻度の低減を実現し、運転継続に必要な費用の増大を抑制して経済性を向上可能な燃料電池発電プラントを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は、改質器バーナから排出される燃焼排ガス中に含まれる水蒸気と燃料電池カソード極から排出されるカソード排ガス中に含まれる水蒸気とを凝縮水として回収するための排ガス凝縮器と、前記凝縮水を脱炭酸するための脱炭酸塔とを備えた燃料電池発電プラントにおいて、以下のような技術的特徴を有する。
【００１１】
すなわち、請求項１記載の発明は、改質器バーナから排出される燃焼排ガス中に含まれる水蒸気と燃料電池カソード極から排出されるカソード排ガス中に含まれる水蒸気とを凝縮水として回収するための排ガス凝縮器と、前記凝縮水を脱炭酸するための脱炭酸塔とを備えた燃料電池発電プラントにおいて、前記排ガス凝縮器が、前記燃焼排ガス中の水蒸気を燃焼排ガス凝縮水として回収する燃焼排ガス凝縮部と前記カソード排ガス中の水蒸気をカソード排ガス凝縮水として回収するカソード排ガス凝縮部とを備え、前記燃焼排ガス凝縮部を含む燃焼排ガス凝縮水回収ラインと前記カソード排ガス凝縮部を含むカソード排ガス凝縮水回収ラインとが分離して設けられ、前記脱炭酸塔が、前記燃焼排ガス凝縮水回収ラインだけに設けられ、燃焼排ガス凝縮水だけについて脱炭酸を行うように構成され、前記カソード排ガス凝縮水回収ラインに、前記凝縮水中のリン酸イオンと反応して腐食生成物を生成する金属材料からなる腐れ代が設置され、この腐れ代の下流に前記凝縮水中のリン酸イオンと金属イオンとの反応によって得られた腐食生成物を除去する沈殿槽が設置されたことを特徴とする。
【００１２】
以上のような構成を有する請求項１の発明では、燃焼排ガス中の水蒸気とカソード排ガス中の水蒸気を個別の排ガス凝縮部によって個別に凝縮し、２種類の凝縮水として分離して回収することができる。その結果、分離した２種類の凝縮水の一方のみを脱炭酸処理することが可能となるため、脱炭酸処理の対象となる凝縮水流量を従来の約半分として炭酸除去効率の向上を図ることができる。
【００１３】
また、炭酸の量が多い燃焼排ガス凝縮水だけを脱炭酸塔に通すことにより、脱炭酸塔で処理する凝縮水流量が従来の約半分となるため、炭酸除去効率を確実に高めることができる。
【００１４】
さらに、リン酸イオンと金属イオンとの反応によって得られた腐食生成物を沈殿槽で除去することができるため、凝縮水中のリン酸イオン負荷を低減することができる。
【００１５】
また、カソード排ガス凝縮水中のリン酸イオンを、腐れ代を構成する金属材料の金属イオンと積極的に反応させて腐食生成物とした後、沈殿槽で除去することができるため、リン酸イオンを積極的に除去することができ、凝縮水中のリン酸イオン負荷をさらに低減することができる。
【００１６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池発電プラントにおいて、カソード排ガス凝縮部の内部に腐れ代を含むことを特徴としている。以上のような構成を有する請求項２の発明では、カソード排ガス凝縮部内で得られたカソード排ガス凝縮水中のリン酸イオンを、腐れ代を構成する金属材料の金属イオンと積極的に反応させることができる。すなわち、カソード排ガス凝縮部内で凝縮水中のリン酸イオンを腐食生成物として積極的に取り出し、容易に沈殿除去することができる。したがって、凝縮水中のリン酸イオン負荷をさらに低減することができる。
【００１７】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の燃料電池発電プラントにおいて、腐れ代を構成する金属材料が炭素鋼であることを特徴としている。以上のような構成を有する請求項３の発明では、次のような作用が得られる。すなわち、前述した請求項１の発明において、腐れ代には各種の金属材料を使用可能であるが、特に、請求項３記載のように炭素鋼を使用することが望ましい。そして、このように腐れ代に炭素鋼を使用することにより、カソード排ガス凝縮水中のリン酸イオンを炭素鋼と積極的に反応させ、腐食生成物として積極的に取り出すことができるため、凝縮水中のリン酸イオン負荷を十分に低減することができる。
【００１８】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の燃料電池発電プラントにおいて、燃焼排ガス凝縮水回収ライン中の凝縮水温度が、カソード排ガス凝縮水回収ライン中の凝縮水温度より高くなるように構成されたことを特徴としている。以上のような構成を有する請求項４の発明では、燃料排ガス凝縮水回収ライン中の凝縮水温度を高くすることにより、凝縮水中への溶存炭酸量を低減することができるため、炭酸除去効率を高めることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下には、本発明による燃料電池発電プラントの実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。なお、図４に示す従来技術と同様の部材には同一の符号を付し、説明は省略する。
【００２０】
（１）第１の実施の形態
図１は、本発明による代表的な実施の形態の燃料電池発電プラントを示す図であり、特に、排ガス中の水蒸気を回収するためのシステムを示す構成図である。
【００２１】
（構成）
まず、本実施の形態に係るシステムの構成を説明する。
本システムにおいては、排ガス凝縮器として、バーナ燃焼排ガス凝縮器（燃焼排ガス凝縮部）３ａとカソード排ガス凝縮器（カソード排ガス凝縮部）３ｂとが個別に設けられており、バーナ燃焼排ガスライン１がバーナ燃焼排ガス凝縮器３ａに接続されると共に、カソード排ガスライン２がカソード排ガス凝縮器３ｂに接続されている。
【００２２】
そして、バーナ燃焼排ガス凝縮器３ａを起点としたバーナ燃焼排ガス凝縮水回収ライン５ａが構成されると共に、このバーナ燃焼排ガス凝縮水回収ライン５ａと分離する形で、カソード排ガス凝縮器３ｂを起点としたカソード排ガス凝縮水回収ライン５ｂが構成されている。また、各排ガス凝縮器３ａ，３ｂからの排ガスは、共通の排ガスリサイクルライン４に送られるようになっている。
【００２３】
すなわち、バーナ燃焼排ガス凝縮器３ａによって、バーナ燃焼排ガスライン１から供給されるバーナ燃焼排ガスを冷却し、冷却した排ガスを排ガスリサイクルライン４を介してリサイクルに供すると共に、バーナ燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮し、バーナ燃焼排ガス凝縮水回収ライン５ａを介してバーナ燃焼排ガス凝縮水として回収するようになっている。また、カソード排ガス凝縮器３ｂによって、カソード排ガスライン２から供給されるカソード排ガスを冷却し、冷却した排ガスを排ガスリサイクルライン４を介してリサイクルに供すると共に、カソード排ガス中の水蒸気を凝縮し、カソード排ガス凝縮水回収ライン５ｂを介してカソード排ガス凝縮水として回収するようになっている。
【００２４】
さらに、本システムにおいて、脱炭酸塔６は、バーナ燃焼排ガス凝縮水回収ライン５ａだけに設けられている。すなわち、バーナ燃焼排ガス凝縮器３ａによって得られたバーナ燃焼排ガス凝縮水は、脱炭酸塔６を通して空気と接触しながら脱炭酸された後、水タンク７に供給されるようになっている。
【００２５】
一方、カソード排ガス凝縮水回収ライン５ｂには、腐食生成物を除去する沈殿槽２１が設けられており、この沈殿槽２１は、カソード排ガス凝縮水中に含まれるリン酸イオンと、配管等に含まれる金属イオンとの反応による腐食生成物を除去するように構成されている。すなわち、カソード排ガス凝縮器３ｂによって得られたカソード排ガス凝縮水は、沈殿槽２１を介してリン酸イオンの腐食生成物を除去された後、水タンク７に供給されるようになっている。
【００２６】
（作用）
次に、以上のような構成を有する本実施の形態の作用を説明する。
まず、バーナ燃焼排ガス中の水蒸気とカソード排ガス中の水蒸気を個別の排ガス凝縮器３ａ，３ｂによって個別に凝縮し、２種類の凝縮水として分離して回収することができる。その結果、分離した２種類の凝縮水の一方のみを脱炭酸処理することが可能となるため、脱炭酸処理の対象となる凝縮水流量を従来の約半分とすることができる。すなわち、炭酸の量が多いバーナ燃焼排ガス凝縮水だけを脱炭酸塔６に通すことにより、脱炭酸塔で処理する凝縮水流量が従来の約半分となるため、炭酸除去効率を確実に高めることができる。
【００２７】
また、カソード排ガス凝縮水回収ライン５ｂに、腐食生成物を除去する沈殿槽２１を設けたことにより、カソード排ガス凝縮水中のリン酸イオンと配管等に含まれる金属イオンとの反応による腐食生成物を、この沈殿槽２１で除去することができるため、凝縮水中のリン酸イオン負荷を低減することができる。
【００２８】
（効果）
以上のような本実施の形態の効果は以下の通りである。
すなわち、脱炭酸処理の必要な凝縮水量を従来の約半分とすることができるので、炭酸除去効率を高めることができる。また、凝縮水中のリン酸イオンと金属イオンとの反応による腐食生成物を、沈殿槽２１で除去することができるので、凝縮水中のリン酸イオン負荷を低減することができる。
【００２９】
その結果、水タンク７に溜められるバーナ燃焼排ガス凝縮水とカソード排ガス凝縮水の水質を向上できるため、高い水質の凝縮水をイオン交換樹脂塔１１に供給することができる。したがって、従来に比べてイオン交換樹脂塔１１の劣化に至る時間が長くなり、樹脂交換頻度を低減できると共に、運転継続に必要な費用の増大を抑制して経済性を向上できる。
【００３０】
（変形例）
なお、本実施の形態の変形例としては、カソード排ガス凝縮水回収ライン５ｂ中における沈殿槽２１の上流に、炭素鋼を材料とする腐れ代を設置することが考えられる。この構成とした場合には、カソード排ガス凝縮水中のリン酸イオンを炭素鋼と積極的に反応させて腐食生成物とした後、沈殿槽２１で除去することができるため、凝縮水中のリン酸イオン負荷をさらに低減することができる。
【００３１】
（２）第２の実施の形態
図２は、前記第１の実施の形態に係る燃料電池発電プラントのうち、脱炭酸塔６を改良した場合の一つの実施の形態を示す断面図である。
この図２に示すように、本実施の形態において、脱炭酸塔６には、凝縮水を中央に集めて配流を均一にするための流量オリフィス２２が一つ以上設置されている。
【００３２】
この構成によれば、流量オリフィス２２によって脱炭酸塔６内における凝縮水の流れを均一にして、脱炭酸塔６の壁面へのバイパス流を最小限とすることができるため、炭酸除去効率を高めることができる。
【００３３】
そして、このように炭酸除去効率を向上できることから、水タンク７に溜められるバーナ燃焼排ガス凝縮水とカソード排ガス凝縮水の水質を向上できるため、高い水質の凝縮水をイオン交換樹脂塔１１に供給することができる。したがって、従来に比べてイオン交換樹脂塔１１の劣化に至る時間が長くなり、樹脂交換頻度を低減できると共に、運転継続に必要な費用の増大を抑制して経済性を向上できる。
【００３４】
（３）第３の実施の形態
図３は、前記第１の実施の形態に係る燃料電池発電プラントにおいて、カソード排ガス凝縮器３ｂに腐れ代２３を設置する場合の一つの実施の形態を示す図であり、（Ａ）は内部平面図、（Ｂ）は側面断面図である。
この図３に示すように、本実施の形態においては、カソード排ガス凝縮水回収ライン５ｂの一部を構成するカソード排ガス凝縮器３ｂ内部の排ガス出口側に、炭素鋼を材料とする腐れ代２３が広範囲に亘って設置されている。
【００３５】
この構成によれば、カソード排ガス凝縮器３ｂ内で得られたカソード排ガス凝縮水中のリン酸イオンを、腐れ代２３を構成する炭素鋼と積極的に反応させて、カソード排ガス凝縮器３ｂ内で腐食生成物として積極的に取り出し、容易に沈殿除去することができる。その結果、凝縮水中のリン酸イオン負荷を十分に低減することができる。
【００３６】
そして、このように凝縮水中のリン酸イオン負荷を低減できることから、水タンク７に溜められるバーナ燃焼排ガス凝縮水とカソード排ガス凝縮水の水質を向上できるため、高い水質の凝縮水をイオン交換樹脂塔１１に供給することができる。したがって、従来に比べてイオン交換樹脂塔１１の劣化に至る時間が長くなり、樹脂交換頻度を低減できると共に、運転継続に必要な費用の増大を抑制して経済性を向上できる。
【００３７】
（４）第４の実施の形態
図示していないが、前記第４の実施の形態に係る燃料電池発電プラントにおいて、２種類の排ガス凝縮水回収ラインの凝縮水温度に差をつけた場合の一つの実施の形態について、以下に説明する。
【００３８】
すなわち、本実施の形態において、燃料電池発電プラントは、バーナ燃焼排ガス凝縮水回収ライン５ａ中の凝縮水温度が、カソード排ガス凝縮水回収ライン５ｂ中の凝縮水温度より高くなるように構成される。なお、このような構成は、配管材料や配管構造の単なる選択を含めた各種の既存の温度調整技術を使用して容易に実現可能である。
【００３９】
この構成によれば、次のような作用が得られる。まず、周知のように、水中への炭酸ガスの溶存量は、水温が高いほど小さくなるという性質を持つが、本実施の形態は、この性質を利用したものである。すなわち、本実施の形態のように、バーナ燃焼排ガス凝縮水回収ライン５ａ中の凝縮水温度をカソード排ガス凝縮水回収ライン５ｂ中の凝縮水温度より高くすることにより、凝縮水中への溶存炭酸量を低減することができるため、炭酸除去効率を高めることができる。
【００４０】
そして、このように炭酸除去効率を向上できることから、水タンク７に溜められるバーナ燃焼排ガス凝縮水とカソード排ガス凝縮水の水質を向上できるため、高い水質の凝縮水をイオン交換樹脂塔１１に供給することができる。したがって、従来に比べてイオン交換樹脂塔１１の劣化に至る時間が長くなり、樹脂交換頻度を低減できると共に、運転継続に必要な費用の増大を抑制して経済性を向上できる。
【００４１】
（５）他の実施の形態
なお、本発明は、前記の実施の形態に限定されるものではなく、他にも、本発明の範囲内で多種多様な形態を実施可能である。すなわち、排ガス凝縮器、脱炭酸塔、腐れ代、沈殿槽、イオン交換樹脂塔などの具体的な構成は適宜選択可能であり、排ガス凝縮部を含む排ガス凝縮水回収ラインの具体的な構成は適宜選択可能である。例えば、本発明において、燃焼排ガス凝縮部とカソード排ガス凝縮部は、必ずしも構造的に完全に別個の凝縮器として構成する必要はなく、少なくとも各々が独立した排ガス流路と凝縮水流路を備えていれば十分であり、構造的に一体化することも可能である。さらに、本発明は、燃料電池発電プラントの中でも、排ガス中の水蒸気を回収するためのシステムに係るものであるため、燃料電池本体や改質器などの他の部分の構成を何等制限するものではない。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、改質器バーナから排出される燃焼排ガス中に含まれる水蒸気と燃料電池カソード極から排出されるカソード排ガス中に含まれる水蒸気とを個別に凝縮し、２種類の凝縮水として分離して回収することにより、脱炭酸塔によって処理する凝縮水量を低減して炭酸除去効率を高めると共に、凝縮水中のリン酸イオン負荷を低減することができる。したがって、イオン交換樹脂塔の寿命の延長および樹脂交換頻度の低減を実現し、運転継続に必要な費用の増大を抑制して経済性を向上可能な燃料電池発電プラントを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施の形態に係る燃料電池発電プラントを示す図であり、特に、排ガス中の水蒸気を回収するためのシステムを示す構成図である。
【図２】本発明による第２の実施の形態に係る脱炭酸塔を示す断面図である。
【図３】本発明による第３の実施の形態に係るカソード排ガス凝縮器を示す図であり、（Ａ）は内部平面図、（Ｂ）は側面断面図である。
【図４】従来の燃料電池発電プラントを示す図であり、特に、排ガス中の水蒸気を回収するためのシステムを示す構成図である。
【符号の説明】
１…バーナ燃焼排ガスライン
２…カソード排ガスライン
３…凝縮器
３ａ…バーナ燃焼排ガス凝縮器
３ｂ…カソード排ガス凝縮器
４…排ガスリサイクルライン
５…凝縮水回収ライン
５ａ…バーナ燃焼排ガスライン
５ｂ…カソード排ガスライン
６…脱炭酸塔
７…水タンク
８…空気供給ライン
９…凝縮水リサイクルライン
１０…ポンプ
１１…イオン交換樹脂塔
１２…電池冷却水系
２１…沈殿槽
２２…流量オリフィス
２３…腐れ代
【図１】
0003845510.tif 000002
【図２】
0003845510.tif 000003
【図３】
0003845510.tif 000004
【図４】
0003845510.tif 000005