JP2009081084A

JP2009081084A - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JP2009081084A
Application number: JP2007250464A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Hasegawa; 雅一長谷川
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2009-04-16

Abstract

【課題】電気式脱イオン装置を組み込んだ給水配管とイオン交換樹脂筒を組み込んだ補給水配管を備える燃料電池発電装置において、給水配管へ汚れた水を供給したり、配管の閉塞を防止できる燃料電池発電装置を提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１６のカソード極排ガスおよび燃料改質手段１２の燃焼排ガスから生成水を回収して貯留する生成水回収貯留手段１０と、燃料電池スタック１６に冷却水を循環させる電池冷却水循環手段２４と、水道水を脱イオンして脱イオン水を製造し生成水回収貯留手段１０へ供給するイオン交換樹脂筒７と、生成水回収貯留手段１０に貯留した水を純化して電池冷却水循環手段２４に純水を補給する電気式脱イオン装置５とを備え、されに、電気式脱イオン装置５により処理された純水の一部をイオン交換樹脂筒７へ戻す循環配管２０と、純水の一部を循環配管２０へ経由してイオン交換樹脂筒７へ送水するポンプ４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電装置の水の補給経路の汚れを抑制できる装置に関する。

図３は、従来のこの種の燃料電池発電装置のガス系および水系の基本構成を示すフロー図である。冷却水タンク１４に蓄えられた冷却水としての純水は、冷却水タンク１４と燃料電池スタック１６とを循環する電池冷却水配管１７を経由し、ポンプ４１によって燃料電池スタック１６へと送られ、燃料電池スタック１６を所定の温度に冷却した後、再び冷却水タンク１４へ戻される。又、冷却水タンク１４に貯留した純水の一部は、ポンプ４２を備えた改質用水配管１３を通流し、燃料ガスと共に燃料改質手段１２へ送られての水蒸気改質反応に利用され水素を生成する。生成した水素含有ガスは、燃料電池スタック１６の燃料極へ供給される。燃料改質手段１２は、水蒸気改質反応に使用される改質触媒を加熱するためのバーナーとこのバーナーに空気を送るブロア４３を備えている。燃料極から排出する残余のガスは、燃料改質手段１２に備えたバーナーで燃焼される。ブロア４４は、燃料電池スタック１６の空気極に空気を供給する。バーナーから排出される燃焼排ガスと、空気極から排出される空気極排ガスは、生成水回収貯留手段１０に供給されてガス中の水分が回収水として回収される。生成水回収貯留手段１０は、回収した水分を貯留する回収水タンク１と、空気極と回収水タンク１を連通する配管２と、配管２に備えて空気極排ガスを冷却して水分を凝縮させる冷却器１８と、バーナーと回収水タンク１を連通する配管３と、配管３に備えて燃焼排ガスを冷却して水分を凝縮させる冷却器１９とを備える。水分を回収された後のガスは、回収水タンク１の排気口１１から外部に排出される。
回収水タンク１の水中と冷却水タンク１４は配管６で接続されており、その途中にポンプ４と電気式脱イオン装置５が備えられている。冷却水タンクの水位は、水位計で計測されており、冷却水水位が低下すると、回収水タンク１から電気式脱イオン装置５で純化された純水が供給される。
このように反応生成水や燃焼生成水を回収して再利用すれば、外部から水を補給しなくとも燃料電池スタック１６の発電運転を継続することができるが、燃料電池発電装置の運転負荷が低く、十分に水を回収できない時や、水を回収する冷却器が汚れなどにより水回収性能が低下した時や、漏水時などの異常事態が発生すると系の水量が不足し、発電運転の継続が困難となる。そこで、イオン交換樹脂筒７と遮断弁８を組み込んだ補給水配管９が備えられている。この補給水配管９を通して水道水をイオン交換樹脂筒７で純化して回収水タンク１に送り、さらに回収水とともに冷却水タンク１４へと送ることによって冷却水の補給が行われるよう構成されている。
このような燃料電池発電装置において、生成水通流経路の汚れの一つである微生物の繁殖を防止する手段として、特許文献１の装置が知られている。特許文献１の装置の特徴は、補給水を純水または強酸性水に変換する滅菌手段に通流させた後、回収水タンク１へ水を供給していることである。
特開平９−３０６５２３号公報

上記のごとく燃料電池発電装置においては、漏水等による回収水不足を考慮して電池冷却水系に水を補給する配管が組み込まれており、イオン交換樹脂筒７で純化され、さらには電気式脱イオン装置５で純化された水が補給されている。従来の一般的な燃料電池発電装置では純化は通常１台のイオン交換樹脂筒のみによって行われていたが、補給水配管９にイオン交換樹脂筒７を設けると、補給水配管９の内部は水の流れがなく、滞留するので、イオン交換樹脂筒７の出口から回収水タンク１に至る配管の内部は、イオン交換樹脂筒７により塩素が処理された純水が充填された状態となり、配管には、ぬめり、藻、バクテリアなどの汚れが発生し、補給によってこれらの汚い水が回収水タンク１に入ったり、あるいは配管が閉塞したりする等の不具合が生じる。
このため、最近の燃料電池発電装置では図３のように、電気式脱イオン装置５を組み込んで純化する方式がしばしば用いられている。しかしながら、この電気式脱イオン装置５はシリカが存在すると正常な純化作用ができないので、前段にイオン交換樹脂筒を組み込み、このイオン交換樹脂筒で水道水中のシリカを除去したのち電気式脱イオン装置で純化する方式とする必要がある。なお、このようにイオン交換樹脂筒でシリカを除去したのち電気式脱イオン装置で純化する方式とした場合にも、イオン交換樹脂筒が正常に機能するまでにはある程度の時間通水することが必要であるため、この間イオン交換樹脂筒でのシリカの除去が不十分となり、電気式脱イオン装置の純化性能が低下してしまうという問題点がある。

本発明は、このような従来の燃料電池発電装置の問題点を考慮してなされたもので、本発明の目的は、電気式脱イオン装置を組み込んだ給水配管とイオン交換樹脂筒を組み込んだ補給水配管を備える燃料電池発電装置において、給水配管へ汚れた水を供給したり、配管の閉塞を生じたりすることなく安全に運転され、電気式脱イオン装置の純化性能が維持できる燃料電池発電装置を提供することにある。

本発明者は、水の滞留部分を無くせば汚れが滞留しないことに着目し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明の燃料電池発電装置の特徴は、炭化水素系原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを得る燃料改質手段と、アノード極に前記燃料ガス、カソード極に酸化剤ガスをそれぞれ導入して電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出されるカソード極排ガスおよび前記燃料改質手段から排出される燃焼排ガスから生成水を回収して回収水として貯留する生成水回収貯留手段と、前記燃料電池スタックに冷却水を循環させる電池冷却水循環手段と、水道水を脱イオンして脱イオン水を製造し前記生成水回収貯留手段へ供給するイオン交換樹脂筒と、前記生成水回収貯留手段に貯留した水を純化して前記電池冷却水循環手段に純水を補給する電気式脱イオン装置とを備えた燃料電池発電装置において、前記電気式脱イオン装置により処理された純水の一部を前記イオン交換樹脂筒へ戻す循環配管と、前記純水の一部を前記循環配管を経由して前記イオン交換樹脂筒へ送水するポンプとを備えたことである（請求項１の発明）。
また、本発明の燃料電池発電装置の特徴は、請求項１に記載の燃料電池発電装置において、前記循環配管は遮断弁を備えたことである（請求項２の発明）。
また、本発明の燃料電池発電装置の特徴は、請求項１に記載の燃料電池発電装置において、前記循環配管は流量調節弁と逆止弁とを直列に配置して備えたことである（請求項３の発明）。

上記のごとく、電気式脱イオン装置により処理された純水の一部を補給水配管に設けられたイオン交換樹脂筒の上流側へと戻す循環配管２０を備え、この循環配管２０に純水を流せば、イオン交換樹脂筒７およびイオン交換樹脂筒７より下流の補給水配管９内の水の長期にわたる滞留がなくなるので、藻、ぬめり、バクテリアなどの汚れの発生が抑制され、イオン交換樹脂筒７の性能劣化が防止される。また、イオン交換樹脂筒７は、補給水供給開始とともに直ちに純化機能を発揮する。したがって上記のごとく構成すれば、汚れた水を供給したり、配管の閉塞を生じたりすることなく安全に運転され、電気式脱イオン装置の純化性能が維持可能となる。

本発明の燃料電池発電装置の概略構成図を図１に示す。図１において、図３に示した従来のガス系および水系の構成要素と同一機能を有する構成要素には同一符号が付されている。
本発明の燃料電池発電装置は、炭化水素系原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを得る燃料改質手段と、アノード極に前記燃料ガス、カソード極に酸化剤ガスをそれぞれ導入して電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出されるカソード極排ガスおよび前記燃料改質手段から排出される燃焼排ガスから生成水を回収して回収水として貯留する生成水回収貯留手段と、前記燃料電池スタックに冷却水を循環させる電池冷却水循環手段と、水道水を脱イオンして脱イオン水を製造し前記生成水回収貯留手段へ供給するイオン交換樹脂筒と、前記生成水回収貯留手段に貯留した水を純化して前記電池冷却水循環手段に純水を補給する電気式脱イオン装置とを備え、さらに、前記電気式脱イオン装置により処理された純水の一部を前記イオン交換樹脂筒へ戻す循環配管と、前記純水の一部を前記循環配管を経由して前記イオン交換樹脂筒へ送水するポンプとを備えている。そして、前記循環配管は遮断弁を備えることが望ましい。
図１に示した実施例の構成と、図３の従来例の構成との相違点は、給水配管６の電気式脱イオン装置５の出口側から補給水配管９のイオン交換樹脂筒７の入口側へと水を戻す循環水配管２０が備えられ、循環水遮断弁２１が組み込まれていることにある。
したがって、この実施例の構成においては、ポンプ４の運転中に循環水遮断弁２１を適宜開閉することによって、補給水配管９内の水の長期間にわたる滞留がなくなり、藻、ぬめり、バクテリアなどの汚れの発生が防止され、電気式脱イオン装置５の純化性能が維持可能となる。また、本構成では、循環水が常時循環しているので、補給を開始すると直ちにイオン交換樹脂筒７の純化機能が得られることとなる。
図２は、本発明の燃料電池発電装置における、別の概略構成図である。図２においても、図３に示した従来例、あるいは図１に示した実施例のガス系および水系の構成要素と同一機能を有する構成要素には同一符号が付されている。図１の弁２１に換えて、前記循環配管は流量調節弁と逆止弁とを直列に配置している。
図２に示した実施例の構成の特徴は、給水配管６の電気式脱イオン装置５の出口側から補給水配管９のイオン交換樹脂筒７の入口側へと水を戻すために備えられた循環水配管２０Aに、循環水量調節弁２２と逆止弁２３が組み込まれていることにある。本実施例のごとく、オリフィスや弁等の流量調整機能を組み込めば、ポンプ４が運転されているときには微量の循環水がこの循環水配管に循環されるため、電磁弁等の電気品を設置しなくとも図１の実施例と同様の効果が得られることとなる。

本発明の燃料電池発電装置の概略構成図本発明の燃料電池発電装置の概略構成図従来の燃料電池発電装置の概略構成図

符号の説明

１回収水タンク
２反応オフガス配管
３配管
４，４１，４２ポンプ
５電気式脱イオン装置
６配管
７イオン交換樹脂筒
８，２１，２２，３２弁
９補給水配管
１０生成水回収貯留手段
１１排気口
１２燃料改質手段
１３改質用水配管
１４電池冷却水循環手段
１５水位計
１６燃料電池スタック
１７電池冷却水配管
１８，１９冷却器
２０循環配管
２３逆止弁
４３，４４ブロア

Claims

炭化水素系原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを得る燃料改質手段と、アノード極に前記燃料ガス、カソード極に酸化剤ガスをそれぞれ導入して電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出されるカソード極排ガスおよび前記燃料改質手段から排出される燃焼排ガスから生成水を回収して回収水として貯留する生成水回収貯留手段と、前記燃料電池スタックに冷却水を循環させる電池冷却水循環手段と、水道水を脱イオンして脱イオン水を製造し前記生成水回収貯留手段へ供給するイオン交換樹脂筒と、前記生成水回収貯留手段に貯留した水を純化して前記電池冷却水循環手段に純水を補給する電気式脱イオン装置とを備えた燃料電池発電装置において、
前記電気式脱イオン装置により処理された純水の一部を前記イオン交換樹脂筒へ戻す循環配管と、前記純水の一部を前記循環配管を経由して前記イオン交換樹脂筒へ送水するポンプとを備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
請求項１に記載の燃料電池発電装置において、前記循環配管は遮断弁を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
請求項１に記載の燃料電池発電装置において、前記循環配管は流量調節弁と逆止弁とを直列に配置して備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。