燃料電池発電装置の水回収方法及び燃料電池発電装置
【課題】改質装置から排出される燃焼排ガスから、溶存する炭酸ガス濃度の低い凝縮水を回収して、脱炭酸装置や水処理装置にかかる負荷を低減させると共に、系内の水自立を維持することが可能な燃料電池発電装置の水回収方法及び燃料電池発電装置を提供する。
【解決手段】改質触媒層３ａ及び燃焼部３ｂを有する改質装置３と、燃料電池本体１と、燃焼排ガスラインＬ１２に配置されたドレントラップ２１と、ドレントラップ２１よりも下流側の燃焼排ガスラインＬ１２に配置された第１熱交換器Ｑ４と、脱炭酸処理器５と、脱炭酸処理した凝縮水を回収する水タンク４とを備え、ドレントラップ２１内の高温凝縮水は、脱炭酸処理器５で脱炭酸処理して水タンクに供給させ、第１熱交換器Ｑ４の下流で回収した凝縮水は、水タンク４の水量が所定水量未満のとき、脱炭酸処理器５で脱炭酸処理して水タンク４に供給するように構成されている燃料電池発電装置を用いて水を回収する。
【解決手段】改質触媒層３ａ及び燃焼部３ｂを有する改質装置３と、燃料電池本体１と、燃焼排ガスラインＬ１２に配置されたドレントラップ２１と、ドレントラップ２１よりも下流側の燃焼排ガスラインＬ１２に配置された第１熱交換器Ｑ４と、脱炭酸処理器５と、脱炭酸処理した凝縮水を回収する水タンク４とを備え、ドレントラップ２１内の高温凝縮水は、脱炭酸処理器５で脱炭酸処理して水タンクに供給させ、第１熱交換器Ｑ４の下流で回収した凝縮水は、水タンク４の水量が所定水量未満のとき、脱炭酸処理器５で脱炭酸処理して水タンク４に供給するように構成されている燃料電池発電装置を用いて水を回収する。
【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から溶存する炭酸ガス濃度の低い凝縮水を回収して、水処理装置にかかる負荷を低減する燃料電池発電装置の水回収方法及び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、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、水処理装置への負荷を低減させるため、特に炭酸ガスを多く含むガスから回収した凝縮水は、例えば、下記特許文献１〜３に開示されているように、水処理装置での脱イオン処理を行う前に脱炭酸処理を行って、溶存炭酸ガス濃度の低減を図っている。
【特許文献１】特開平９−１６１８３３号公報
【特許文献２】特開平１１−２０４１２７号公報
【特許文献３】特開２００８−２７５８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
改質装置の燃焼部から排出される燃焼排ガスは、炭酸ガス濃度が比較的高く、炭素ガスがほぼ飽和量まで溶存している。このため、燃焼排ガスから回収した凝縮水に対して、脱炭酸処理を施した場合であっても、凝縮水中の炭酸ガス濃度は依然として高く、後段の水処理装置にかかる負荷を十分には低減できなかった。
【０００４】
したがって、本発明の目的は、燃焼排ガスから回収する凝縮水の炭酸ガス濃度を低減して、水処理装置にかかる負荷を低減させると共に、系内の水自立を維持することが可能な燃料電池発電装置の水回収方法及び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】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池発電装置の水回収方法は、
炭化水素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を備える燃料電池発電装置の、前記燃焼部より排出される燃焼排ガスから凝縮水を脱炭酸処理した後、水タンクに貯留する燃料電池発電装置の水回収方法であって、
前記凝縮水は、燃焼排ガス流路の上流で、かつ高温の燃焼排ガスから分離した高温凝縮水と、これよりも下流で、かつ低温の燃焼排ガスから分離した低温凝縮水とに分け、
水回収量が余剰の場合は、前記低温凝縮水を優先的に燃料電池発電装置外へ排水する、
ことを特徴とする。
【０００６】
燃焼排ガスには、炭酸ガスが含まれているので、燃焼排ガスから回収する凝縮水には、炭酸イオンが比較的高濃度含まれているが、高温の燃焼排ガスに含まれる水分は、低温の燃焼排ガスに含まれる水分に比べ、炭酸ガスの溶解量が少ない。
したがって、本発明の燃料電池発電装置の水回収方法によれば、水回収量が余剰の場合は、低温の燃焼排ガスから分離した低温凝縮水を優先的に燃料電池発電装置外へ排水するようにしたので、極めて炭酸イオン濃度の少ない凝縮水を効率的に回収でき、水処理装置などにかかる負荷や処理時間を低減でき、燃料電池発電装置の運転コストやメンテナンスコストを抑えることができる。
【０００７】
本発明の燃料電池発電装置の水回収方法の前記低温凝縮水は、熱交換器で冷却後の燃焼排ガスから分離されるものであることが好ましい。この態様によれば、高温凝縮水を分離した燃焼排ガスから低温凝縮水を効率よく分離させることができる。
【０００８】
本発明の燃料電池発電装置の水回収方法は、前記高温凝縮水を大気解放状態にした後、前記脱炭酸処理を行うことが好ましい。この態様によれば、高温凝縮水に含まれる炭酸イオンを大気中に拡散させることができるので、高温凝縮水の脱炭酸効率が向上し、より炭酸イオン濃度の少ない凝縮水を効率よく回収できる。
【０００９】
本発明の燃料電池発電装置の水回収方法は、４４℃以上の燃焼排ガスから前記高温凝縮水を分離することが好ましい。この態様によれば、炭酸イオンの少ない凝縮水を効率よく回収できる。
【００１０】
本発明の燃料電池発電装置の水回収方法は、前記水タンクに貯留した凝縮水を、電気式脱イオン装置、活性炭フィルタ、水処理樹脂、金属除去フィルタ、微粒子除去フィルタから選ばれた１種以上を用いてさらに処理することが好ましい。この態様によれば、凝縮水中の炭酸イオンなどのイオンをほぼ除去することができるので、燃料電池の冷却水や、燃料電池本体に供給する反応ガスの加湿水や、改質装置に供給する加湿水として好適に使用できる。
【００１１】
一方、本発明の燃料電池発電装置は、
炭化水素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、
前記燃焼部の燃焼排ガス排出口から伸びた燃焼排ガスラインと、
前記燃焼排ガスラインに配置されたドレントラップと、
前記ドレントラップよりも前記燃焼排ガスラインの下流側に配置され前記燃焼排ガスを冷却する第１熱交換器と、
前記ドレントラップで回収した凝縮水と、前記第１熱交換器の下流で回収した凝縮水とを脱炭酸処理する脱炭酸処理器と、
前記脱炭酸処理器で脱炭酸処理した凝縮水を回収する前記水タンクとを備え、
前記第１熱交換器の下流で回収した凝縮水は、前記水タンクの水量が所定水量未満のときにのみ、前記脱炭酸処理器で脱炭酸処理して前記水タンクに供給するように構成されている、
ことを特徴とする。
【００１２】
本発明の燃料電池発電装置によれば、ドレントラップでは、高温の燃焼排ガスから凝縮水を分離して回収できる。そして、高温の燃焼排ガスから分離した凝縮水は、炭酸ガス濃度が比較的低い。このため、ドレントラップ内の凝縮水を脱炭酸処理して水タンクに供給させ、水タンクの水量が所定水量未満のときに、第１熱交換器で回収した凝縮水を、脱炭酸処理して前記水タンクに供給するよう構成されているので、極めて炭酸イオン濃度の少ない凝縮水を効率的に水タンクに回収でき、水処理装置などにかかる負荷や処理時間を低減でき、燃料電池発電装置の運転コストやメンテナンスコストを抑えることができる。
【００１３】
本発明の燃料電池発電装置は、前記ドレントラップと前記脱炭酸処理器の間に、大気解放型の貯水タンクが配置されていることが好ましい。この態様によれば、大気解放型の貯水タンクにて、ドレントラップで回収した凝縮水に含まれる炭酸イオンを大気中に拡散させることができるので、凝縮水の脱炭酸効率が向上し、より炭酸イオン濃度の少ない凝縮水を水タンクに貯水できる。
【００１４】
本発明の燃料電池発電装置の前記ドレントラップは、４４℃以上の燃焼排ガスから凝縮水を回収するように燃焼排ガスラインに配置されていることが好ましい。この態様によれば、ドレントラップにて、炭酸イオンの少ない凝縮水を効率よく回収できる。
【００１５】
本発明の燃料電池発電装置は、前記改質装置と前記ドレントラップとの間に、予備冷却用の第２熱交換器が配置されていることが好ましい。燃焼排ガスの温度が高すぎるとドレントラップでの凝縮水の回収効率が低下することがあるが、改質装置とドレントラップとの間に、予備冷却用の第２熱交換器を配置することで、燃焼排ガスを低下させて、ドレントラップでの凝縮水の回収効率が向上する。
【００１６】
本発明の燃料電池発電装置は、前記第１熱交換器の下流側に凝縮水貯水タンクが配置され、前記水タンク内の水量が所定水量未満の時、前記凝縮水貯水タンク内の凝縮水を、前記脱炭酸処理器を経て前記水タンクに供給するように構成されていることが好ましい。この態様によれば、水タンク内の水量が所定水量未満となったら、低温凝縮水貯水タンクから水タンクに給水でき、速やかに水タンク内の水位を所定水位に保つことができる。
【００１７】
本発明の燃料電池発電装置は、前記水タンクの下流側に、電気式脱イオン装置、活性炭フィルタ、水処理樹脂、金属除去フィルタ、微粒子除去フィルタから選ばれた１種以上が配置されていることが好ましい。この態様によれば、凝縮水中の炭酸イオンなどのイオンをほぼ除去することができるので、燃料電池の冷却水や、燃料電池本体に供給する反応ガスの加湿水や、改質装置に供給する改質用水として使用できる。
【００１８】
本発明の燃料電池発電装置は、前記水タンクの下流側に、電気式脱イオン装置が配置され、前記電気式脱イオン装置から排出される濃縮排水を、前記凝縮水貯水タンクに還流するように構成されていることが好ましい。この態様によれば、電気式脱イオン装置から排出される濃縮排水を、電気式脱イオン装置にて脱イオン処理することができるので、濃縮水を循環して再利用できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、炭酸イオン濃度の少ない凝縮水を効率的に回収でき、水処理装置などにかかる負荷や処理時間を低減して、燃料電池発電装置の運転コストやメンテナンスコストを抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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第一の実施形態の概略構成図を示す。
【００２１】
図中の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。
【００２２】
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、改質ガス用ドレントラップＱ１が配置されており、改質ガス用ドレントラップＱ１の凝縮水貯留部からは、改質ガス凝縮水供給ラインＬ２が伸びて脱炭酸装置５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、改質装置３に併設された燃焼部３ｂに連結している。このアノードオフガス排出ラインＬ３には、アノードオフガス用ドレントラップＱ２が配置されており、アノードオフガス用ドレントラップ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が伸びて脱炭酸装置５に連結している。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
燃焼部３ｂの燃焼燃料導入口側は、アノード電極１ａのオフガス排出側から伸びたアノードオフガス排出ラインＬ３と、燃焼空気源から伸びた燃焼空気供給ラインＬ１１とが接続している。
燃焼部３ｂの燃焼排ガス排出側からは、燃焼排ガスラインＬ１２が伸びて第二水タンク２０と連結している。この燃焼排ガスラインＬ１２には、上流側から、燃焼排ガスドレントラップ２１、燃焼排ガス熱交換器Ｑ４が配置されている。燃焼排ガスドレントラップ２１の凝縮水貯留部からは、高温凝縮水供給ラインＬ１３が伸びて脱炭酸装置５に連結している。
【００２８】
燃焼排ガスドレントラップ２１としては、従来公知のものを用いることができ、例えば、図２、３に示すドレントラップが一例として挙げられる。
【００２９】
図２に示すドレントラップは、Ｕ字状に屈曲した配管４０からなり、配管４０の始部４１が燃焼排ガスラインＬ１２に接続し、終端部４２が下方に向かって伸びる高温凝縮水供給ラインＬ１３に接続している。
【００３０】
図３に示すドレントラップは、ハウジング４５の上部側壁に、燃焼排ガスラインＬ１２に接続する燃焼排ガス入り口４６及び燃焼排ガス出口４７が形成されている。また、ハウジング４５の底部には、高温凝縮水出口４８が形成されており、高温凝縮水供給ラインＬ１３に接続している。そして、高温凝縮水出口４８には、フロート４９の作用によって機械的に開閉操作される弁５０が配置されている。
【００３１】
第二水タンク２０の下部には、開閉弁Ｖ１が介装された低温凝縮水供給ラインＬ１４が伸びて脱炭酸装置５に連結している。また、第二水タンク２０には、排気管Ｌ１５とオーバーフロー配管Ｌ１６とが配置されている。
【００３２】
脱炭酸装置５は、水タンク４の上部に隣接して配設されており、ドレン口６を介して連通している。脱炭酸装置５の上部には、上述した改質ガス凝縮水供給ラインＬ２、アノードオフガス凝縮水供給ラインＬ４、高温凝縮水供給ラインＬ１３、低温凝縮水供給ラインＬ１４が接続している。また、脱炭酸装置５からは、脱炭酸用空気排出ラインＬ１７が伸びて、第二水タンク２０に連結している。
【００３３】
脱炭酸装置５としては特に限定はなく、凝縮水と脱炭酸用空気とを接触させて凝縮水中の炭酸ガスを気中拡散して脱気できるような構成のものが好ましく用いることができる。このような構成の脱気装置としては、ＳＵＳ等のラッシヒリングが充填された脱気部を備え、該脱気部の上部に凝縮水を供給すると共に、脱気部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するような構成のものや、例えば、特開２００７−３２３９６９号に開示されているような、多孔質材料で構成された傾斜板が配置された脱気部を備え、傾斜板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、傾斜板の上部側から下部側へ向けて凝縮水を流下させて、凝縮水を脱炭酸処理するような構成のものなどが一例として挙げられる。
【００３４】
水タンク４には、上述したカソードオフガス排出ラインＬ６と、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。また、水タンク４の側壁には、タンク水オーバフローラインＬ１９が伸びて、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、電池冷却水タンク１２に接続している。この回収水供給ラインＬ２０には、上流側から、回収水ポンプＰ１、入口フィルタ８、水処理装置１０が配置されている。また、水タンク４の内部には、水位センサ７が配置されている。
【００３５】
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。
【００３６】
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。なお、この実施形態では、水処理装置１０として電気式脱イオン装置を用いている。
【００３７】
ここで、電気式脱イオン装置とは、電極と、イオン交換膜によって区画された内部にイオン交換樹脂が充填された脱塩室と、脱塩室から移動してくるイオンを受け取る濃縮室と、を備える水処理装置であって、脱塩室に流入したイオンはその親和力、濃度及びイオン強度に基いてイオン交換樹脂と反応し、電位の傾きの方向に樹脂中を移動し、イオン交換膜まで達する。そして、カチオンはカチオン交換膜を透過し、アニオンはアニオン交換膜を透過して、それぞれ濃縮室に移動する。これによって回収水を、脱イオン水と濃縮水に分離することができ、電気式脱イオン装置の脱塩室からは、イオン濃度が低減された脱イオン水を回収でき、電池冷却水タンク１２に供給できる。一方、電気式脱イオン装置の濃縮室から排出される濃縮水は、回収水中のイオンが濃縮されて多量に含んでおり、系外に排水すると水自立を維持できなくなる場合があるので、この実施形態では、電気式脱イオン装置の濃縮室から伸びた濃縮水排出ラインＬ２１は、第二水タンク２０に連結して、濃縮水を水タンクの上流側に還流するように構成されている。
【００３８】
次に、本発明の燃料電池発電装置の作動を含めた、燃料電池発電装置の水回収方法について説明する。
【００３９】
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が、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に供給され、水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスが生成される。なお、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、アノードオフガス排出ラインＬ３からアノードオフガス（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。
【００４０】
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用ドレントラップＱ１にて回収され、改質ガス凝縮水供給ラインＬ２を通って脱炭酸装置５に供給される。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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用ドレントラップＱ２にて回収され、アノードオフガス凝縮水供給ラインＬ４を通って脱炭酸装置５に供給される。
【００４４】
また、改質装置３の燃焼部３ｂから排出される燃焼排ガスからも凝縮水の回収が行われるが、本発明では、燃焼排ガスラインＬ１２の上流で、かつ高温の燃焼排ガスから分離した高温凝縮水と、これよりも下流で、かつ低温の燃焼排ガスから分離した低温凝縮水とに分ける。
【００４５】
この実施形態では、改質装置３の燃焼部３ｂから排出される燃焼排ガスは、まず、燃焼排ガスラインＬ１２の配管からの放熱などによって冷却されて、燃焼排ガス熱交換器Ｑ４の上流側に配置した燃焼排ガスドレントラップ２１で凝縮水が回収される。すなわち、燃焼排ガスドレントラップ２１で回収された凝縮水が本発明における高温凝縮水である。そして、燃焼排ガスドレントラップ２１で回収された凝縮水（以下、「高温凝縮水」と記す）は、高温凝縮水供給ラインＬ１３を通って脱炭酸装置５に送られる。
【００４６】
一方、高温凝縮水を分離した燃焼排ガスは、燃焼排ガス熱交換器Ｑ４で熱交換されて、第二水タンク２０に供給され、凝縮水は第二水タンク２０に回収され、ガス成分は第二タンク２０に配設された排気管から系外に排気される。すなわち、第二水タンク２０に回収された凝縮水が本発明における低温凝縮水である。そして、第二タンク２０内の貯留水（以下、「低温凝縮水」と記す）は、水タンク４内の水位が所定水位を下回った際に、脱炭酸装置５に供給される。この実施形態では、水タンク４の水位が所定水位を下回ったら、低温凝縮水供給ラインに介装された開閉弁Ｖ１を開き、水タンク４の水位が所定水位に達するまで供給される。水タンク４の水位は、水位センサ７で検出する。
【００４７】
燃焼排ガスには、炭酸ガスが含まれているので、燃焼排ガスから回収する凝縮水には、炭酸イオンが比較的高濃度含まれている。しかしながら、炭酸ガスの溶存量は凝縮水の温度が上昇するに伴い低下するので、高温の燃焼排ガスに含まれる水分は、低温の燃焼排ガスに含まれる水分に比べて炭酸ガスの溶解量が少ない。
【００４８】
したがって、燃焼排ガスドレントラップ２１で回収した高温凝縮水は、炭酸ガス濃度が低く、水回収量が余剰である定常時は、この燃焼排ガスドレントラップ２１で回収した高温凝縮水のみを脱炭酸処理して水タンク４に供給し、水タンク４の水位が所定水位を下回った際のみ、低温の燃焼排ガスから回収した第二水タンク２０の低温凝縮水を脱炭酸処理して水タンク４に供給するので、水タンク４内の回収水は極めて炭酸ガス濃度が低く、後段の水処理装置にかかる負荷を大幅に低減できる。
【００４９】
本発明において、燃焼排ガスドレントラップ２１は、４０〜６０℃の燃焼排ガスから凝縮水を回収できるように燃焼排ガスラインＬ１２に配置されていることが好ましく、４４℃以上かつ５５℃以下の燃焼排ガスから凝縮水を回収できるように燃焼排ガスラインＬ１２に配置されていることがより好ましい。換言すると、高温凝縮水は、４４℃以上の燃焼排ガスから分離した凝縮水であることが好ましい。４４℃以上の燃焼排ガスから分離した凝縮水は、炭酸ガス濃度が低く、後段の水処理装置１０にかかる負荷を低減できる。更には、５５℃以下の燃焼排ガスから高温凝縮水を回収すれば、高温凝縮水の回収量も高く、ほぼ高温凝縮水のみで系内の水自立を維持することもできる。
【００５０】
なお、第二水タンク２０に貯留された低温凝縮水は、所定水位を超えると、オーバーフロー配管Ｌ１６から系外に排水される。また、第二水タンク２０内の水位が所定水位を下回ると、燃焼排ガス熱交換器Ｑ４の燃焼排ガスと熱交換する冷媒の流量を増加させる、及び／又は、該冷媒の温度を低下させる処理を行い、低温凝縮水の回収量を増加するように構成されている。
【００５１】
そして、水タンク４に回収された凝縮水は、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に送られる。一方、濃縮水は濃縮水排出ラインＬ２１を通って第二水タンク２０に還流される。
【００５２】
以上のように、本発明によれば、炭酸ガス濃度が高く水質として不利な凝縮水が水タンク４に混入しにくくなるので、凝縮水の純度を維持するために必要な水処理装置１２にかかる負荷や処理時間を低減でき、燃料電池発電装置の運転コストやメンテナンスコストを抑えることができる。
【００５３】
本発明の燃料電池発電装置の第二の実施形態について、図４を用いて説明する。なお、第一の実施形態と同一箇所には、同一符号を付してその説明を省略する。
【００５４】
この実施形態において、上記第一の実施形態との相違点は、改質装置３と燃焼排ガスドレントラップ２１との間に、予備冷却用熱交換器Ｑ５が配置されている点である。
【００５５】
この実施形態によれば、燃焼部３ｂから排出される燃焼排ガスは、予備冷却用熱交換器Ｑ５で熱交換されて、一旦温度を低下させてから燃焼排ガスドレントラップ２１に導入するので、燃焼排ガスドレントラップ２１における高温凝縮水の回収効率が向上する。燃焼部３ｂから排出される燃焼排ガスの温度が１００℃以上である場合特に有効的である。そして、予備冷却用熱交換器Ｑ５では、燃焼排ガスの温度を４０〜６０℃にすることが好ましい。
【００５６】
本発明の燃料電池発電装置の第三の実施形態について、図５を用いて説明する。なお、第一の実施形態と同一箇所には、同一符号を付してその説明を省略する。
【００５７】
この実施形態において、上記第一の実施形態との相違点は、燃焼排ガスドレントラップ２１と脱炭酸装置５との間に、大気解放型水タンク２５が配置されている点である。
【００５８】
この実施形態によれば、燃焼排ガスドレントラップ２１で回収した高温凝縮水は、大気解放型水タンク２５に送られ、ここで大気と接触させた後、脱炭酸装置５に送られる。大気解放型水タンクでは、タンク内の高温凝縮水が大気と接触することで、高温凝縮水中の炭酸ガスが大気中に放出するので、高温凝縮水の炭酸ガス濃度の低減することができ、より炭酸ガス濃度の低い水を水タンクに貯水することができる。
【００５９】
本発明の燃料電池発電装置の第四の実施形態について、図６を用いて説明する。なお、第一の実施形態と同一箇所には、同一符号を付してその説明を省略する。
【００６０】
この実施形態では、燃焼部３ｂの燃焼排ガス排出側から伸びた、燃焼排ガスラインＬ１２は、第二脱炭酸装置３０と連結している。第二脱炭酸装置３０の上部は、上記燃焼排ガスラインＬ１２と、水処理装置１０から伸びた濃縮水排出ラインＬ２１が接続している。第二脱炭酸装置３０の下部は、脱炭酸装置５の上部から伸びた脱炭酸用排出ラインＬ１７が接続している。第二脱炭酸装置３０の上部からは、排気管Ｌ２２が伸びている。
第二脱炭酸装置３０の下部からは、脱炭酸水供給ラインＬ２３が伸びて、水タンク４のタンク水オーバフローラインＬ１９’に連結している。タンク水オーバフローラインＬ１９’は、水タンク４の側壁から略水平方向に伸びた第１略水平部Ｌ１９ａと、この第１略水平部Ｌ１９ａから上方に向かって略垂直に伸びて脱炭酸水供給ラインＬ２３に接続する略垂直部Ｌ１９ｂと、略垂直部Ｌ１９ｂから分岐して略水平方向に伸びる第２略水平部Ｌ１９ｃとで構成されている。
【００６１】
この実施形態によれば、水タンク４内の水位が第２略水平部Ｌ１９ｃの水位よりも低い場合、脱炭酸水供給ラインＬ２３から、水タンク４内に低温の燃焼排ガスを凝縮して回収した低温凝縮水が流入し、第２略水平部Ｌ１９ｃの水位よりも高い場合、第２略水平部Ｌ１９ｃを通って第二脱炭酸装置３０で回収した凝縮水が系外へ排水されるので、水位センサや開閉弁等を使用しなくても、水タンク内の水位を所定水位となるように維持しつつ、必要量以上の低温凝縮水が水タンク４に混入しにくくなる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の第一の実施形態の概略構成図である。
【図２】ドレントラップの一例を示す構成図である。
【図３】ドレントラップの他の一例を示す概略図である。
【図４】本発明の燃料電池発電装置の第二の実施形態の概略構成図である。
【図５】本発明の燃料電池発電装置の第三の実施形態の概略構成図である。
【図６】本発明の燃料電池発電装置の第四の実施形態の概略構成図である。
【符号の説明】
【００６３】
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
５：脱炭酸装置
６：ドレン口
７：水位センサ
８：入口フィルタ
１０：水処理装置
１２：電池冷却水タンク
２０：第二水タンク
２１：燃焼排ガスドレントラップ
２５：大気解放型水タンク
３０：第二脱炭酸装置
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：燃焼排ガスライン
Ｌ１３：高温凝縮水供給ライン
Ｌ１４：低温凝縮水供給ライン
Ｌ１５：排気管
Ｌ１６：オーバーフロー配管
Ｌ１７：脱炭酸用空気排出ライン
Ｌ１８：電池冷却水オーバフローライン
Ｌ１９，Ｌ１９’：タンク水オーバフローライン
Ｌ２０：回収水供給ライン
Ｌ２１：濃縮水排出ライン
Ｌ２２：排気管
Ｌ２３：脱炭酸水供給ライン
Ｐ１：回収水ポンプ
Ｑ１：改質ガス用ドレントラップ
Ｑ２：アノードオフガス用ドレントラップ
Ｑ３：カソードオフガス熱交換器
Ｑ４：燃焼排ガス熱交換器
Ｑ５：予備冷却用熱交換器
Ｖ１：開閉弁
【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から溶存する炭酸ガス濃度の低い凝縮水を回収して、水処理装置にかかる負荷を低減する燃料電池発電装置の水回収方法及び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、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、水処理装置への負荷を低減させるため、特に炭酸ガスを多く含むガスから回収した凝縮水は、例えば、下記特許文献１〜３に開示されているように、水処理装置での脱イオン処理を行う前に脱炭酸処理を行って、溶存炭酸ガス濃度の低減を図っている。
【特許文献１】特開平９−１６１８３３号公報
【特許文献２】特開平１１−２０４１２７号公報
【特許文献３】特開２００８−２７５８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
改質装置の燃焼部から排出される燃焼排ガスは、炭酸ガス濃度が比較的高く、炭素ガスがほぼ飽和量まで溶存している。このため、燃焼排ガスから回収した凝縮水に対して、脱炭酸処理を施した場合であっても、凝縮水中の炭酸ガス濃度は依然として高く、後段の水処理装置にかかる負荷を十分には低減できなかった。
【０００４】
したがって、本発明の目的は、燃焼排ガスから回収する凝縮水の炭酸ガス濃度を低減して、水処理装置にかかる負荷を低減させると共に、系内の水自立を維持することが可能な燃料電池発電装置の水回収方法及び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】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池発電装置の水回収方法は、
炭化水素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を備える燃料電池発電装置の、前記燃焼部より排出される燃焼排ガスから凝縮水を脱炭酸処理した後、水タンクに貯留する燃料電池発電装置の水回収方法であって、
前記凝縮水は、燃焼排ガス流路の上流で、かつ高温の燃焼排ガスから分離した高温凝縮水と、これよりも下流で、かつ低温の燃焼排ガスから分離した低温凝縮水とに分け、
水回収量が余剰の場合は、前記低温凝縮水を優先的に燃料電池発電装置外へ排水する、
ことを特徴とする。
【０００６】
燃焼排ガスには、炭酸ガスが含まれているので、燃焼排ガスから回収する凝縮水には、炭酸イオンが比較的高濃度含まれているが、高温の燃焼排ガスに含まれる水分は、低温の燃焼排ガスに含まれる水分に比べ、炭酸ガスの溶解量が少ない。
したがって、本発明の燃料電池発電装置の水回収方法によれば、水回収量が余剰の場合は、低温の燃焼排ガスから分離した低温凝縮水を優先的に燃料電池発電装置外へ排水するようにしたので、極めて炭酸イオン濃度の少ない凝縮水を効率的に回収でき、水処理装置などにかかる負荷や処理時間を低減でき、燃料電池発電装置の運転コストやメンテナンスコストを抑えることができる。
【０００７】
本発明の燃料電池発電装置の水回収方法の前記低温凝縮水は、熱交換器で冷却後の燃焼排ガスから分離されるものであることが好ましい。この態様によれば、高温凝縮水を分離した燃焼排ガスから低温凝縮水を効率よく分離させることができる。
【０００８】
本発明の燃料電池発電装置の水回収方法は、前記高温凝縮水を大気解放状態にした後、前記脱炭酸処理を行うことが好ましい。この態様によれば、高温凝縮水に含まれる炭酸イオンを大気中に拡散させることができるので、高温凝縮水の脱炭酸効率が向上し、より炭酸イオン濃度の少ない凝縮水を効率よく回収できる。
【０００９】
本発明の燃料電池発電装置の水回収方法は、４４℃以上の燃焼排ガスから前記高温凝縮水を分離することが好ましい。この態様によれば、炭酸イオンの少ない凝縮水を効率よく回収できる。
【００１０】
本発明の燃料電池発電装置の水回収方法は、前記水タンクに貯留した凝縮水を、電気式脱イオン装置、活性炭フィルタ、水処理樹脂、金属除去フィルタ、微粒子除去フィルタから選ばれた１種以上を用いてさらに処理することが好ましい。この態様によれば、凝縮水中の炭酸イオンなどのイオンをほぼ除去することができるので、燃料電池の冷却水や、燃料電池本体に供給する反応ガスの加湿水や、改質装置に供給する加湿水として好適に使用できる。
【００１１】
一方、本発明の燃料電池発電装置は、
炭化水素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、
前記燃焼部の燃焼排ガス排出口から伸びた燃焼排ガスラインと、
前記燃焼排ガスラインに配置されたドレントラップと、
前記ドレントラップよりも前記燃焼排ガスラインの下流側に配置され前記燃焼排ガスを冷却する第１熱交換器と、
前記ドレントラップで回収した凝縮水と、前記第１熱交換器の下流で回収した凝縮水とを脱炭酸処理する脱炭酸処理器と、
前記脱炭酸処理器で脱炭酸処理した凝縮水を回収する前記水タンクとを備え、
前記第１熱交換器の下流で回収した凝縮水は、前記水タンクの水量が所定水量未満のときにのみ、前記脱炭酸処理器で脱炭酸処理して前記水タンクに供給するように構成されている、
ことを特徴とする。
【００１２】
本発明の燃料電池発電装置によれば、ドレントラップでは、高温の燃焼排ガスから凝縮水を分離して回収できる。そして、高温の燃焼排ガスから分離した凝縮水は、炭酸ガス濃度が比較的低い。このため、ドレントラップ内の凝縮水を脱炭酸処理して水タンクに供給させ、水タンクの水量が所定水量未満のときに、第１熱交換器で回収した凝縮水を、脱炭酸処理して前記水タンクに供給するよう構成されているので、極めて炭酸イオン濃度の少ない凝縮水を効率的に水タンクに回収でき、水処理装置などにかかる負荷や処理時間を低減でき、燃料電池発電装置の運転コストやメンテナンスコストを抑えることができる。
【００１３】
本発明の燃料電池発電装置は、前記ドレントラップと前記脱炭酸処理器の間に、大気解放型の貯水タンクが配置されていることが好ましい。この態様によれば、大気解放型の貯水タンクにて、ドレントラップで回収した凝縮水に含まれる炭酸イオンを大気中に拡散させることができるので、凝縮水の脱炭酸効率が向上し、より炭酸イオン濃度の少ない凝縮水を水タンクに貯水できる。
【００１４】
本発明の燃料電池発電装置の前記ドレントラップは、４４℃以上の燃焼排ガスから凝縮水を回収するように燃焼排ガスラインに配置されていることが好ましい。この態様によれば、ドレントラップにて、炭酸イオンの少ない凝縮水を効率よく回収できる。
【００１５】
本発明の燃料電池発電装置は、前記改質装置と前記ドレントラップとの間に、予備冷却用の第２熱交換器が配置されていることが好ましい。燃焼排ガスの温度が高すぎるとドレントラップでの凝縮水の回収効率が低下することがあるが、改質装置とドレントラップとの間に、予備冷却用の第２熱交換器を配置することで、燃焼排ガスを低下させて、ドレントラップでの凝縮水の回収効率が向上する。
【００１６】
本発明の燃料電池発電装置は、前記第１熱交換器の下流側に凝縮水貯水タンクが配置され、前記水タンク内の水量が所定水量未満の時、前記凝縮水貯水タンク内の凝縮水を、前記脱炭酸処理器を経て前記水タンクに供給するように構成されていることが好ましい。この態様によれば、水タンク内の水量が所定水量未満となったら、低温凝縮水貯水タンクから水タンクに給水でき、速やかに水タンク内の水位を所定水位に保つことができる。
【００１７】
本発明の燃料電池発電装置は、前記水タンクの下流側に、電気式脱イオン装置、活性炭フィルタ、水処理樹脂、金属除去フィルタ、微粒子除去フィルタから選ばれた１種以上が配置されていることが好ましい。この態様によれば、凝縮水中の炭酸イオンなどのイオンをほぼ除去することができるので、燃料電池の冷却水や、燃料電池本体に供給する反応ガスの加湿水や、改質装置に供給する改質用水として使用できる。
【００１８】
本発明の燃料電池発電装置は、前記水タンクの下流側に、電気式脱イオン装置が配置され、前記電気式脱イオン装置から排出される濃縮排水を、前記凝縮水貯水タンクに還流するように構成されていることが好ましい。この態様によれば、電気式脱イオン装置から排出される濃縮排水を、電気式脱イオン装置にて脱イオン処理することができるので、濃縮水を循環して再利用できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、炭酸イオン濃度の少ない凝縮水を効率的に回収でき、水処理装置などにかかる負荷や処理時間を低減して、燃料電池発電装置の運転コストやメンテナンスコストを抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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第一の実施形態の概略構成図を示す。
【００２１】
図中の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。
【００２２】
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、改質ガス用ドレントラップＱ１が配置されており、改質ガス用ドレントラップＱ１の凝縮水貯留部からは、改質ガス凝縮水供給ラインＬ２が伸びて脱炭酸装置５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、改質装置３に併設された燃焼部３ｂに連結している。このアノードオフガス排出ラインＬ３には、アノードオフガス用ドレントラップＱ２が配置されており、アノードオフガス用ドレントラップ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が伸びて脱炭酸装置５に連結している。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
燃焼部３ｂの燃焼燃料導入口側は、アノード電極１ａのオフガス排出側から伸びたアノードオフガス排出ラインＬ３と、燃焼空気源から伸びた燃焼空気供給ラインＬ１１とが接続している。
燃焼部３ｂの燃焼排ガス排出側からは、燃焼排ガスラインＬ１２が伸びて第二水タンク２０と連結している。この燃焼排ガスラインＬ１２には、上流側から、燃焼排ガスドレントラップ２１、燃焼排ガス熱交換器Ｑ４が配置されている。燃焼排ガスドレントラップ２１の凝縮水貯留部からは、高温凝縮水供給ラインＬ１３が伸びて脱炭酸装置５に連結している。
【００２８】
燃焼排ガスドレントラップ２１としては、従来公知のものを用いることができ、例えば、図２、３に示すドレントラップが一例として挙げられる。
【００２９】
図２に示すドレントラップは、Ｕ字状に屈曲した配管４０からなり、配管４０の始部４１が燃焼排ガスラインＬ１２に接続し、終端部４２が下方に向かって伸びる高温凝縮水供給ラインＬ１３に接続している。
【００３０】
図３に示すドレントラップは、ハウジング４５の上部側壁に、燃焼排ガスラインＬ１２に接続する燃焼排ガス入り口４６及び燃焼排ガス出口４７が形成されている。また、ハウジング４５の底部には、高温凝縮水出口４８が形成されており、高温凝縮水供給ラインＬ１３に接続している。そして、高温凝縮水出口４８には、フロート４９の作用によって機械的に開閉操作される弁５０が配置されている。
【００３１】
第二水タンク２０の下部には、開閉弁Ｖ１が介装された低温凝縮水供給ラインＬ１４が伸びて脱炭酸装置５に連結している。また、第二水タンク２０には、排気管Ｌ１５とオーバーフロー配管Ｌ１６とが配置されている。
【００３２】
脱炭酸装置５は、水タンク４の上部に隣接して配設されており、ドレン口６を介して連通している。脱炭酸装置５の上部には、上述した改質ガス凝縮水供給ラインＬ２、アノードオフガス凝縮水供給ラインＬ４、高温凝縮水供給ラインＬ１３、低温凝縮水供給ラインＬ１４が接続している。また、脱炭酸装置５からは、脱炭酸用空気排出ラインＬ１７が伸びて、第二水タンク２０に連結している。
【００３３】
脱炭酸装置５としては特に限定はなく、凝縮水と脱炭酸用空気とを接触させて凝縮水中の炭酸ガスを気中拡散して脱気できるような構成のものが好ましく用いることができる。このような構成の脱気装置としては、ＳＵＳ等のラッシヒリングが充填された脱気部を備え、該脱気部の上部に凝縮水を供給すると共に、脱気部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するような構成のものや、例えば、特開２００７−３２３９６９号に開示されているような、多孔質材料で構成された傾斜板が配置された脱気部を備え、傾斜板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、傾斜板の上部側から下部側へ向けて凝縮水を流下させて、凝縮水を脱炭酸処理するような構成のものなどが一例として挙げられる。
【００３４】
水タンク４には、上述したカソードオフガス排出ラインＬ６と、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。また、水タンク４の側壁には、タンク水オーバフローラインＬ１９が伸びて、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、電池冷却水タンク１２に接続している。この回収水供給ラインＬ２０には、上流側から、回収水ポンプＰ１、入口フィルタ８、水処理装置１０が配置されている。また、水タンク４の内部には、水位センサ７が配置されている。
【００３５】
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。
【００３６】
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。なお、この実施形態では、水処理装置１０として電気式脱イオン装置を用いている。
【００３７】
ここで、電気式脱イオン装置とは、電極と、イオン交換膜によって区画された内部にイオン交換樹脂が充填された脱塩室と、脱塩室から移動してくるイオンを受け取る濃縮室と、を備える水処理装置であって、脱塩室に流入したイオンはその親和力、濃度及びイオン強度に基いてイオン交換樹脂と反応し、電位の傾きの方向に樹脂中を移動し、イオン交換膜まで達する。そして、カチオンはカチオン交換膜を透過し、アニオンはアニオン交換膜を透過して、それぞれ濃縮室に移動する。これによって回収水を、脱イオン水と濃縮水に分離することができ、電気式脱イオン装置の脱塩室からは、イオン濃度が低減された脱イオン水を回収でき、電池冷却水タンク１２に供給できる。一方、電気式脱イオン装置の濃縮室から排出される濃縮水は、回収水中のイオンが濃縮されて多量に含んでおり、系外に排水すると水自立を維持できなくなる場合があるので、この実施形態では、電気式脱イオン装置の濃縮室から伸びた濃縮水排出ラインＬ２１は、第二水タンク２０に連結して、濃縮水を水タンクの上流側に還流するように構成されている。
【００３８】
次に、本発明の燃料電池発電装置の作動を含めた、燃料電池発電装置の水回収方法について説明する。
【００３９】
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が、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に供給され、水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスが生成される。なお、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、アノードオフガス排出ラインＬ３からアノードオフガス（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。
【００４０】
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用ドレントラップＱ１にて回収され、改質ガス凝縮水供給ラインＬ２を通って脱炭酸装置５に供給される。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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用ドレントラップＱ２にて回収され、アノードオフガス凝縮水供給ラインＬ４を通って脱炭酸装置５に供給される。
【００４４】
また、改質装置３の燃焼部３ｂから排出される燃焼排ガスからも凝縮水の回収が行われるが、本発明では、燃焼排ガスラインＬ１２の上流で、かつ高温の燃焼排ガスから分離した高温凝縮水と、これよりも下流で、かつ低温の燃焼排ガスから分離した低温凝縮水とに分ける。
【００４５】
この実施形態では、改質装置３の燃焼部３ｂから排出される燃焼排ガスは、まず、燃焼排ガスラインＬ１２の配管からの放熱などによって冷却されて、燃焼排ガス熱交換器Ｑ４の上流側に配置した燃焼排ガスドレントラップ２１で凝縮水が回収される。すなわち、燃焼排ガスドレントラップ２１で回収された凝縮水が本発明における高温凝縮水である。そして、燃焼排ガスドレントラップ２１で回収された凝縮水（以下、「高温凝縮水」と記す）は、高温凝縮水供給ラインＬ１３を通って脱炭酸装置５に送られる。
【００４６】
一方、高温凝縮水を分離した燃焼排ガスは、燃焼排ガス熱交換器Ｑ４で熱交換されて、第二水タンク２０に供給され、凝縮水は第二水タンク２０に回収され、ガス成分は第二タンク２０に配設された排気管から系外に排気される。すなわち、第二水タンク２０に回収された凝縮水が本発明における低温凝縮水である。そして、第二タンク２０内の貯留水（以下、「低温凝縮水」と記す）は、水タンク４内の水位が所定水位を下回った際に、脱炭酸装置５に供給される。この実施形態では、水タンク４の水位が所定水位を下回ったら、低温凝縮水供給ラインに介装された開閉弁Ｖ１を開き、水タンク４の水位が所定水位に達するまで供給される。水タンク４の水位は、水位センサ７で検出する。
【００４７】
燃焼排ガスには、炭酸ガスが含まれているので、燃焼排ガスから回収する凝縮水には、炭酸イオンが比較的高濃度含まれている。しかしながら、炭酸ガスの溶存量は凝縮水の温度が上昇するに伴い低下するので、高温の燃焼排ガスに含まれる水分は、低温の燃焼排ガスに含まれる水分に比べて炭酸ガスの溶解量が少ない。
【００４８】
したがって、燃焼排ガスドレントラップ２１で回収した高温凝縮水は、炭酸ガス濃度が低く、水回収量が余剰である定常時は、この燃焼排ガスドレントラップ２１で回収した高温凝縮水のみを脱炭酸処理して水タンク４に供給し、水タンク４の水位が所定水位を下回った際のみ、低温の燃焼排ガスから回収した第二水タンク２０の低温凝縮水を脱炭酸処理して水タンク４に供給するので、水タンク４内の回収水は極めて炭酸ガス濃度が低く、後段の水処理装置にかかる負荷を大幅に低減できる。
【００４９】
本発明において、燃焼排ガスドレントラップ２１は、４０〜６０℃の燃焼排ガスから凝縮水を回収できるように燃焼排ガスラインＬ１２に配置されていることが好ましく、４４℃以上かつ５５℃以下の燃焼排ガスから凝縮水を回収できるように燃焼排ガスラインＬ１２に配置されていることがより好ましい。換言すると、高温凝縮水は、４４℃以上の燃焼排ガスから分離した凝縮水であることが好ましい。４４℃以上の燃焼排ガスから分離した凝縮水は、炭酸ガス濃度が低く、後段の水処理装置１０にかかる負荷を低減できる。更には、５５℃以下の燃焼排ガスから高温凝縮水を回収すれば、高温凝縮水の回収量も高く、ほぼ高温凝縮水のみで系内の水自立を維持することもできる。
【００５０】
なお、第二水タンク２０に貯留された低温凝縮水は、所定水位を超えると、オーバーフロー配管Ｌ１６から系外に排水される。また、第二水タンク２０内の水位が所定水位を下回ると、燃焼排ガス熱交換器Ｑ４の燃焼排ガスと熱交換する冷媒の流量を増加させる、及び／又は、該冷媒の温度を低下させる処理を行い、低温凝縮水の回収量を増加するように構成されている。
【００５１】
そして、水タンク４に回収された凝縮水は、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に送られる。一方、濃縮水は濃縮水排出ラインＬ２１を通って第二水タンク２０に還流される。
【００５２】
以上のように、本発明によれば、炭酸ガス濃度が高く水質として不利な凝縮水が水タンク４に混入しにくくなるので、凝縮水の純度を維持するために必要な水処理装置１２にかかる負荷や処理時間を低減でき、燃料電池発電装置の運転コストやメンテナンスコストを抑えることができる。
【００５３】
本発明の燃料電池発電装置の第二の実施形態について、図４を用いて説明する。なお、第一の実施形態と同一箇所には、同一符号を付してその説明を省略する。
【００５４】
この実施形態において、上記第一の実施形態との相違点は、改質装置３と燃焼排ガスドレントラップ２１との間に、予備冷却用熱交換器Ｑ５が配置されている点である。
【００５５】
この実施形態によれば、燃焼部３ｂから排出される燃焼排ガスは、予備冷却用熱交換器Ｑ５で熱交換されて、一旦温度を低下させてから燃焼排ガスドレントラップ２１に導入するので、燃焼排ガスドレントラップ２１における高温凝縮水の回収効率が向上する。燃焼部３ｂから排出される燃焼排ガスの温度が１００℃以上である場合特に有効的である。そして、予備冷却用熱交換器Ｑ５では、燃焼排ガスの温度を４０〜６０℃にすることが好ましい。
【００５６】
本発明の燃料電池発電装置の第三の実施形態について、図５を用いて説明する。なお、第一の実施形態と同一箇所には、同一符号を付してその説明を省略する。
【００５７】
この実施形態において、上記第一の実施形態との相違点は、燃焼排ガスドレントラップ２１と脱炭酸装置５との間に、大気解放型水タンク２５が配置されている点である。
【００５８】
この実施形態によれば、燃焼排ガスドレントラップ２１で回収した高温凝縮水は、大気解放型水タンク２５に送られ、ここで大気と接触させた後、脱炭酸装置５に送られる。大気解放型水タンクでは、タンク内の高温凝縮水が大気と接触することで、高温凝縮水中の炭酸ガスが大気中に放出するので、高温凝縮水の炭酸ガス濃度の低減することができ、より炭酸ガス濃度の低い水を水タンクに貯水することができる。
【００５９】
本発明の燃料電池発電装置の第四の実施形態について、図６を用いて説明する。なお、第一の実施形態と同一箇所には、同一符号を付してその説明を省略する。
【００６０】
この実施形態では、燃焼部３ｂの燃焼排ガス排出側から伸びた、燃焼排ガスラインＬ１２は、第二脱炭酸装置３０と連結している。第二脱炭酸装置３０の上部は、上記燃焼排ガスラインＬ１２と、水処理装置１０から伸びた濃縮水排出ラインＬ２１が接続している。第二脱炭酸装置３０の下部は、脱炭酸装置５の上部から伸びた脱炭酸用排出ラインＬ１７が接続している。第二脱炭酸装置３０の上部からは、排気管Ｌ２２が伸びている。
第二脱炭酸装置３０の下部からは、脱炭酸水供給ラインＬ２３が伸びて、水タンク４のタンク水オーバフローラインＬ１９’に連結している。タンク水オーバフローラインＬ１９’は、水タンク４の側壁から略水平方向に伸びた第１略水平部Ｌ１９ａと、この第１略水平部Ｌ１９ａから上方に向かって略垂直に伸びて脱炭酸水供給ラインＬ２３に接続する略垂直部Ｌ１９ｂと、略垂直部Ｌ１９ｂから分岐して略水平方向に伸びる第２略水平部Ｌ１９ｃとで構成されている。
【００６１】
この実施形態によれば、水タンク４内の水位が第２略水平部Ｌ１９ｃの水位よりも低い場合、脱炭酸水供給ラインＬ２３から、水タンク４内に低温の燃焼排ガスを凝縮して回収した低温凝縮水が流入し、第２略水平部Ｌ１９ｃの水位よりも高い場合、第２略水平部Ｌ１９ｃを通って第二脱炭酸装置３０で回収した凝縮水が系外へ排水されるので、水位センサや開閉弁等を使用しなくても、水タンク内の水位を所定水位となるように維持しつつ、必要量以上の低温凝縮水が水タンク４に混入しにくくなる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の第一の実施形態の概略構成図である。
【図２】ドレントラップの一例を示す構成図である。
【図３】ドレントラップの他の一例を示す概略図である。
【図４】本発明の燃料電池発電装置の第二の実施形態の概略構成図である。
【図５】本発明の燃料電池発電装置の第三の実施形態の概略構成図である。
【図６】本発明の燃料電池発電装置の第四の実施形態の概略構成図である。
【符号の説明】
【００６３】
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
５：脱炭酸装置
６：ドレン口
７：水位センサ
８：入口フィルタ
１０：水処理装置
１２：電池冷却水タンク
２０：第二水タンク
２１：燃焼排ガスドレントラップ
２５：大気解放型水タンク
３０：第二脱炭酸装置
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：燃焼排ガスライン
Ｌ１３：高温凝縮水供給ライン
Ｌ１４：低温凝縮水供給ライン
Ｌ１５：排気管
Ｌ１６：オーバーフロー配管
Ｌ１７：脱炭酸用空気排出ライン
Ｌ１８：電池冷却水オーバフローライン
Ｌ１９，Ｌ１９’：タンク水オーバフローライン
Ｌ２０：回収水供給ライン
Ｌ２１：濃縮水排出ライン
Ｌ２２：排気管
Ｌ２３：脱炭酸水供給ライン
Ｐ１：回収水ポンプ
Ｑ１：改質ガス用ドレントラップ
Ｑ２：アノードオフガス用ドレントラップ
Ｑ３：カソードオフガス熱交換器
Ｑ４：燃焼排ガス熱交換器
Ｑ５：予備冷却用熱交換器
Ｖ１：開閉弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素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を備える燃料電池発電装置の、前記燃焼部より排出される燃焼排ガスから凝縮水を脱炭酸処理した後、水タンクに貯留する燃料電池発電装置の水回収方法であって、
前記凝縮水は、燃焼排ガス流路の上流で、かつ高温の燃焼排ガスから分離した高温凝縮水と、これよりも下流で、かつ低温の燃焼排ガスから分離した低温凝縮水とに分け、
水回収量が余剰の場合は、前記低温凝縮水を優先的に燃料電池発電装置外へ排水する、
ことを特徴とする燃料電池発電装置の水回収方法。
【請求項２】
前記低温凝縮水は、熱交換器で冷却後の燃焼排ガスから分離されるものである請求項１に記載の燃料電池発電装置の水回収方法。
【請求項３】
前記高温凝縮水を大気解放状態にした後、前記脱炭酸処理を行う請求項１又は２に記載の燃料電池発電装置の水回収方法。
【請求項４】
４４℃以上の燃焼排ガスから前記高温凝縮水を分離する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置の水回収方法。
【請求項５】
前記水タンクに貯留した凝縮水を、電気式脱イオン装置、活性炭フィルタ、水処理樹脂、金属除去フィルタ、微粒子除去フィルタから選ばれた１種以上を用いてさらに処理する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置の水回収方法。
【請求項６】
炭化水素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、
前記燃焼部の燃焼排ガス排出口から伸びた燃焼排ガスラインと、
前記燃焼排ガスラインに配置されたドレントラップと、
前記ドレントラップよりも前記燃焼排ガスラインの下流側に配置され前記燃焼排ガスを冷却する第１熱交換器と、
前記ドレントラップで回収した凝縮水と、前記第１熱交換器の下流で回収した凝縮水とを脱炭酸処理する脱炭酸処理器と、
前記脱炭酸処理器で脱炭酸処理した凝縮水を回収する前記水タンクとを備え、
前記第１熱交換器の下流で回収した凝縮水は、前記水タンクの水量が所定水量未満のときにのみ、前記脱炭酸処理器で脱炭酸処理して前記水タンクに供給するように構成されている、
ことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項７】
前記ドレントラップと前記脱炭酸処理器の間に、大気解放型の貯水タンクが配置されている、請求項６に記載の燃料電池発電装置。
【請求項８】
前記ドレントラップは、４４℃以上の燃焼排ガスから凝縮水を回収するように燃焼排ガスラインに配置されている、請求項６又は７に記載の燃料電池発電装置。
【請求項９】
前記改質装置と前記ドレントラップとの間に、予備冷却用の第２熱交換器が配置されている、請求項６〜８のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置。
【請求項１０】
前記第１熱交換器の下流側に凝縮水貯水タンクが配置され、前記水タンク内の水量が所定水量未満の時、前記凝縮水貯水タンク内の凝縮水を、前記脱炭酸処理器を経て前記水タンクに供給するように構成されている、請求項６〜９のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置。
【請求項１１】
前記水タンクの下流側に、電気式脱イオン装置、活性炭フィルタ、水処理樹脂、金属除去フィルタ、微粒子除去フィルタから選ばれた１種以上が配置されている、請求項６〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置。
【請求項１２】
前記前記水タンクの下流側に、電気式脱イオン装置が配置され、
前記電気式脱イオン装置から排出される濃縮排水を、前記凝縮水貯水タンクに還流するように構成されている、請求項１０に記載の燃料電池発電装置。
【請求項１】
炭化水素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を備える燃料電池発電装置の、前記燃焼部より排出される燃焼排ガスから凝縮水を脱炭酸処理した後、水タンクに貯留する燃料電池発電装置の水回収方法であって、
前記凝縮水は、燃焼排ガス流路の上流で、かつ高温の燃焼排ガスから分離した高温凝縮水と、これよりも下流で、かつ低温の燃焼排ガスから分離した低温凝縮水とに分け、
水回収量が余剰の場合は、前記低温凝縮水を優先的に燃料電池発電装置外へ排水する、
ことを特徴とする燃料電池発電装置の水回収方法。
【請求項２】
前記低温凝縮水は、熱交換器で冷却後の燃焼排ガスから分離されるものである請求項１に記載の燃料電池発電装置の水回収方法。
【請求項３】
前記高温凝縮水を大気解放状態にした後、前記脱炭酸処理を行う請求項１又は２に記載の燃料電池発電装置の水回収方法。
【請求項４】
４４℃以上の燃焼排ガスから前記高温凝縮水を分離する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置の水回収方法。
【請求項５】
前記水タンクに貯留した凝縮水を、電気式脱イオン装置、活性炭フィルタ、水処理樹脂、金属除去フィルタ、微粒子除去フィルタから選ばれた１種以上を用いてさらに処理する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置の水回収方法。
【請求項６】
炭化水素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、
前記燃焼部の燃焼排ガス排出口から伸びた燃焼排ガスラインと、
前記燃焼排ガスラインに配置されたドレントラップと、
前記ドレントラップよりも前記燃焼排ガスラインの下流側に配置され前記燃焼排ガスを冷却する第１熱交換器と、
前記ドレントラップで回収した凝縮水と、前記第１熱交換器の下流で回収した凝縮水とを脱炭酸処理する脱炭酸処理器と、
前記脱炭酸処理器で脱炭酸処理した凝縮水を回収する前記水タンクとを備え、
前記第１熱交換器の下流で回収した凝縮水は、前記水タンクの水量が所定水量未満のときにのみ、前記脱炭酸処理器で脱炭酸処理して前記水タンクに供給するように構成されている、
ことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項７】
前記ドレントラップと前記脱炭酸処理器の間に、大気解放型の貯水タンクが配置されている、請求項６に記載の燃料電池発電装置。
【請求項８】
前記ドレントラップは、４４℃以上の燃焼排ガスから凝縮水を回収するように燃焼排ガスラインに配置されている、請求項６又は７に記載の燃料電池発電装置。
【請求項９】
前記改質装置と前記ドレントラップとの間に、予備冷却用の第２熱交換器が配置されている、請求項６〜８のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置。
【請求項１０】
前記第１熱交換器の下流側に凝縮水貯水タンクが配置され、前記水タンク内の水量が所定水量未満の時、前記凝縮水貯水タンク内の凝縮水を、前記脱炭酸処理器を経て前記水タンクに供給するように構成されている、請求項６〜９のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置。
【請求項１１】
前記水タンクの下流側に、電気式脱イオン装置、活性炭フィルタ、水処理樹脂、金属除去フィルタ、微粒子除去フィルタから選ばれた１種以上が配置されている、請求項６〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置。
【請求項１２】
前記前記水タンクの下流側に、電気式脱イオン装置が配置され、
前記電気式脱イオン装置から排出される濃縮排水を、前記凝縮水貯水タンクに還流するように構成されている、請求項１０に記載の燃料電池発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−２２４０６４（Ｐ２００９−２２４０６４Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６４６９１（Ｐ２００８−６４６９１）
【出願日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機ホールディングス株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機ホールディングス株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
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