JP2021044169A - 燃料電池におけるドレン水処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】固体酸化物形燃料電池において、低コストなドレン水処理システムを提供する。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池システム筐体１であって、燃料電池から排出されるカソード排ガスと、外部から燃料電池へ導入される酸化剤ガスである空気とを熱交換する空気予熱器４と、空気予熱器４を通過したカソード排ガスと、外部から導入される水とを熱交換し、温水を生成する排熱回収熱交換器５と、カソード排ガスを外部へ排出する排気口と、空気予熱器４と排熱回収交換器５との間の排ガス配管に設けられた第1ドレン水配管ＤＰ１と、排熱回収交換器５と排気口との間の排ガス配管に設けられた第２ドレン水配管ＤＰ２と、第１ドレン水配管と第２ドレン水配管とから排出されるドレン水を受ける蒸発皿６と、第２ドレン水配管と排気口との間の排ガス配管を蒸発皿６の下面に熱的に接続した排熱利用配管ＨＰを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池におけるドレン水の処理システムに関する。

固体酸化物形燃料電池システムの運転において、特に運転立上げ時にカソード排ガスの排熱利用熱交換器や空気予熱器において、凝縮によるドレン水が発生する。
例えば特許文献１には、燃料電池システムにおいて、熱回収用熱交換器で凝縮した後のドレン水を処理することが開示されている。

上記した特許文献１ではドレン水の排水として、燃料電池装置内に排水配管を接続して、燃料電池外部に排水処理ユーティリティを設置して処理していた。
図３は、従来の燃料電池発電時のドレン水処理のシステムの一例である。
以下、図３の従来例を示す燃料電池の動作例を示す。

燃料電池システム４００の運転が開始されると、燃料供給源４０１から燃料ガスが、電磁開閉弁４１８を介して昇圧ポンプ４１９に入り、昇圧ポンプ４１９にて昇圧されて、脱硫器４０２に供給される。脱硫器４０２において、燃料ガスから硫黄成分が除去される。脱硫器４０２に、たとえば活性炭等の吸着反応を利用した触媒を使用した場合、常温で、硫黄成分を除去することができる。この脱硫器４０２を経た燃料ガスは、ガス管４２２を介して改質装置４１３の改質器４０３に供給される。改質器４０３では、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。

改質器４０３を経たガスは、ＣＯ変成器４０４に供給され、ここでは改質ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変成される。ＣＯ変成器４０４を経たガスは、ＣＯ除去器４０５に供給され、ＣＯ変成器４０４を経たガス中の未変成の一酸化炭素が除去される。ＣＯ除去器４０５を経た一酸化炭素が除去された後の水素が、ガス管４２３、水タンク４１１および配管４２４を介して燃料電池４０６の燃料極４０６ａに供給される。

他方、空気供給源４３０から供給された空気は水タンク４１２を介して空気極４０６ｂに供給される。これにより、燃料極４０６ａに供給された水素と、空気極４０６ｂに供給された酸素とが反応し、電力が発生する。このとき、化学反応により生じ燃料極４０６ａに一部残存した水及び改質装置４１３において生じたドレン水は、ドレン水配管により外部に排出される。また、化学反応により生じた排気は排気ダクトを通じて外部に放出される。

このとき、熱回収用熱交換器５０３および熱回収用熱交換器５０５での熱交換によって、貯湯タンク５０１の水が温度上昇する。また、燃料電池４０６の化学反応において生じた水は、温度上昇した排気空気中に水蒸気として存在しているため、熱回収用熱交換器５０３にて貯湯タンク５０１から循環された水と熱交換する際に凝縮され、ドレン水としてドレン水配管より排水ユーティリティー（排水溝）へ流され、外部へ排出される。

特許５０６８２９１号

上記した従来のドレン水処理には、排水処理のユーティリティ（排水溝）を設置する必要があり、燃料電池システムの設置に関わるコストが増大する懸念があった。
本発明の目的は、燃料電池システムの設置コストを抑えつつ、燃料電池システム全体のエネルギー利用効率向上を図ることにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る一つの形態の固体酸化物形燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池システム筐体であって、燃料電池から排出されるカソード排ガスと、外部から燃料電池へ導入される前記酸化剤ガスである空気とを熱交換する空気予熱器と、前記空気予熱器を通過したカソード排ガスと、外部から導入される水とを熱交換し、温水を生成する排熱回収熱交換器と、前記排熱回収熱交換器を通過したカソード排ガスを前記燃料電池システム筐体の外部へ排出する排気口と、前記空気予熱器、前記排熱回収交換器、前記排気口を順次接続する排ガス配管と、前記空気予熱器と前記排熱回収交換器との間の排ガス配管に設けられた第1ドレン水配管と、前記排熱回収交換器と前記排気口との間の排ガス配管に設けられた第２ドレン水配管と、前記第１ドレン水配管と前記第２ドレン水配管とから排出されるドレン水を受ける蒸発皿と、前記第２ドレン水配管と前記排気口との間の排ガス配管を前記蒸発皿の下面に熱的に接続した排熱利用配管とを備える。

更に、前記排熱利用配管をバイパスするバイパス配管と前記排熱利用配管に流量調整弁および流量制御部とを備える。

本発明によれば、燃料電池システムの設置コストを抑えつつ、燃料電池システム全体のエネルギー利用効率向上を図ることができる。

本発明の実施の形態１を示す燃料電池システムの一例を示す図である。 本発明の実施の形態２を示す燃料電池システムの一例を示す図である。 従来例を示す燃料電池システムの一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図１に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１を示す燃料電池システムの一例である。
図１に示す燃料電池システム１は、燃料電池本体ＦＣと、空気ブロア２と、燃料再循環ブロア３と、空気予熱器４と、排熱回収熱交換器５と、蒸発皿６と、配管Ｐ１〜Ｐ４と、分岐管Ｄ１、Ｄ２と、第１ドレン水配管ＤＰ１、第２ドレン水配管ＤＰ２と、オートドレン９と、排熱利用配管ＨＰと、換気ファン８とを備える。

燃料電池本体ＦＣは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）などであり、アノードガス（都市ガスなど）とカソードガス（空気中の酸素など）とが化学反応することで生じる電気を出力するとともに、化学反応時に生じるガス（水蒸気）を排出する。
空気予熱器４は、燃料電池本体ＦＣと配管Ｐ１で接続され、燃料電池ＦＣから排出されたカソード排出ガスと空気ブロア２により取り込まれる外部空気とを熱交換させ、カソード排出ガスの排熱を有効利用することで燃料電池本体ＦＣに流入させるカソードガスの温度を上昇させる（固体酸化物形燃料電池の運転温度は例えば９００〜１０００℃）ものである。

排熱回収熱交換器５は、空気予熱器４と配管Ｐ２で接続され、更に外部の水供給源と温水提供先と配管Ｐ４で接続されている。配管Ｐ２を介して供給される空気予熱器４からのカソード排出ガスと配管Ｐ４を介して外部から供給される排熱回収用の水と熱交換させ、温水生成する。
また、空気予熱器４と排熱回収熱交換器５を接続する配管Ｐ２の途中で分岐する分岐管Ｄ１と第１ドレン水配管ＤＰ１およびオートドレン９が接続され、第１ドレン水配管ＤＰ１の出口は蒸発皿６の上部に設置される。
また、排熱回収熱交換器５のカソード排出ガスの出口に接続された配管Ｐ３の途中に分岐管Ｄ２と第２ドレン水配管ＤＰ２およびオートドレン９が接続され、第２ドレン水配管ＤＰ２の出口は蒸発皿６の上部に設置される。

カソード排出ガスは、分岐管Ｄ２を経て、一部は第２ドレン水配管ＤＰ２およびオートドレン９を通じて蒸発皿６へ放出され、残りは排熱利用配管ＨＰを通じ、換気ファン８より取り込まれた外部空気と混合して、温度を低下させて燃料電池システム１外部へ排気される。

このように、排ガス配管は、配管Ｐ１、配管Ｐ２、配管Ｐ３、排熱利用配管ＨＰを接続して構成されている。
なお、カソード排出ガスは、配管Ｐ２の途中で図示しない触媒燃焼器で、有害物質が除去されている。
ここで、カソード排出ガスの燃料電池システム１の運転起動時の状態について説明する。
燃料電池システム１の運転起動時は、燃料電池本体ＦＣ、空気予熱器４、排熱回収熱交換器５の温度は、いずれも外部空気温度となっている。そこで運転が開始されると、カソードガスとして空気ブロア２により外部空気が燃料電池本体ＦＣへ供給される。同時にアノードガスが燃料電池本体ＦＣに供給され、燃料電池本体ＦＣでの化学反応が始まり、燃料電池本体ＦＣの温度が上昇開始する。

燃料電池本体ＦＣの温度が上昇すると、アノード排出ガス、カソード排出ガスの温度が上昇開始する。ここで、カソード排出ガスは燃料電池本体ＦＣから出た後、前述したように、配管Ｐ１を通じ、空気予熱器４に送られる。燃料電池運転開始時は、カソード排出ガス温度は外部空気温度より数℃から数十℃高いレベルである。従って、カソード排出ガスが、配管Ｐ１を通じ空気予熱器４に送られた際、空気予熱器４で外部空気（温度は例えば１０℃）と熱交換されると、カソード排出ガスは冷却（所謂、空冷）され、凝縮する。凝縮したカソード排出ガスは配管Ｐ２を通じ、排熱回収熱交換器５へ送られる。凝縮したドレン水は配管Ｐ２の途中に接続された分岐管Ｄ１で分離し重力により、第１ドレン水配管ＤＰ１を流れ、オートドレン９から蒸発皿６へと落ちる。

運転開始時から例えば数十分で、カソード排ガス温度は数十℃から１００℃程度に上昇する。温度上昇したカソード排出ガスは配管Ｐ１を通じ、空気予熱器４へ送られ、外部空気と熱交換する際、温度が高いため凝縮しきれず、配管Ｐ２を通じ、温度が高いまま排熱回収熱交換器５へ送られる。排熱回収熱交換器５では外部からの水（運転初期は温度は例えば１０℃）と熱交換されると、カソード排出ガスは冷却（所謂、水冷）され、凝縮する。凝縮したドレン水は配管Ｐ３の途中に接続された分岐管Ｄ２で分離し、重力により、第２ドレン水配管ＤＰ２を流れ、オートドレン９から蒸発皿６へと落ちる。

また、カソード排出ガスの流れとしては、燃料電池本体ＦＣから出たカソード排出ガスは、配管Ｐ１から空気予熱器４を通り、次に配管Ｐ２から排熱回収熱交換器５を通り、配管Ｐ３から排熱利用配管ＨＰへと流れ、蒸発皿６で蒸発皿６に溜まったドレン水を加熱・蒸発させた後、燃料電池システム１の外部へ換気ファン８により導入された外部空気と混合され外部へ排気される。

このように第１の実施の形態に係る燃料電池システム１においては、カソード排出ガスが流れる空気予熱器４の後流に分岐管Ｄ１、第１ドレン水配管ＤＰ１およびオートドレン９を接続し、更に、排熱回収熱交換器５の後流に分岐管Ｄ２、第２ドレン水配管ＤＰ２およびオートドレン９を接続し、更に、排熱回収熱交換器５の後流の配管Ｐ３に排熱利用配管ＨＰを接続し、ドレン水を蒸発皿６で受けると共に、排熱利用配管ＨＰと蒸発皿６を熱的に接続し、ドレン水をカソード排出ガスの排熱を利用して加熱・蒸発させることにより、ドレン水処理のための排水ユーティリティを設置することを不要とできるため、燃料電池システム１の設置コストを低減することができる。

また、ドレン水を蒸発させるためにカソード排出ガスの熱量が使われるため、カソード排出ガスの温度が下がるため、カソード排出ガスを換気ファン８で取り込んだ外部空気と混合して冷却するための取り込む外部空気量を減らすことができる、すなわち、換気ファン８の風量を下げることができ、燃料電池システム全体の発電効率を向上することができる。
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２を示す燃料電池システムの一例である。
図２の記号は図１で示したものと同じであるので説明は省略する。
実施の形態２が実施の形態１と異なる点は、排熱利用配管ＨＰに、分岐管Ｄ３およびＤ４を接続して排熱利用配管ＨＰをバイパスするバイパス配管５を接続し、排熱利用配管ＨＰへ流したカソード排出ガスを配管Ｐ５へ戻している点、および、流量調整弁Ｖ１（電磁弁でもよい）が排熱利用配管の途中に接続され、制御部によって開閉を制御される点である。

制御部に燃料電池本体温度Ｔ１を随時通信して、流量調整弁Ｖ１の開閉を制御部によって制御する。例えば、燃料電池本体温度Ｔ１が１００℃以下までは流量調整弁Ｖ１を開き、１００℃を超えた時点で閉める。これより、燃料電池運転の起動時にのみ発生するドレン水の処理に排熱を利用し、運転が安定した時点（固体酸化物形燃料電池では本体温度は例えば９００〜１０００℃）ではカソード排出ガスを蒸発皿６へは流さないようにでき、燃料電池システム１の筐体内の温度が異常に上がることを防止でき、部品の破損が防止できる。

以上説明したように、本発明は、燃料電池システムの運転起動時に発生するドレン水をカソード排出ガスの排熱を利用して加熱・蒸発させることで処理することで、ドレン水処理の排水ユーティリティの設置をなくすことができ、コスト低減という効果を有するとともに、燃料電池システム内の空気を冷却でき、換気ファンの動力低減という省エネルギーの効果を有し、特に固体酸化物形燃料電池システムに有用である。

１ 燃料電池システム
２ 空気ブロア
３ 燃料再循環ブロア
４ 空気予熱器
５ 排熱回収熱交換器
６ 蒸発皿
８ 換気ファン
９ オートドレン
Ｐ１〜Ｐ４ 配管
Ｐ５ バイパス配管
Ｄ１〜Ｄ４ 分岐管
ＤＰ１ 第１ドレン水配管
ＤＰ２ 第２ドレン水配管
ＨＰ 排熱利用配管
Ｖ１ 流量調整弁
Ｔ１ 温度センサー

Claims (2)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池システム筐体であって、
   燃料電池から排出されるカソード排ガスと、外部から燃料電池へ導入される前記酸化剤ガスである空気とを熱交換する空気予熱器と、
   前記空気予熱器を通過したカソード排ガスと、外部から導入される水とを熱交換し、温水を生成する排熱回収熱交換器と、
   前記排熱回収熱交換器を通過したカソード排ガスを前記燃料電池システム筐体の外部へ排出する排気口と、
   前記空気予熱器、前記排熱回収交換器、前記排気口を順次接続する排ガス配管と、
   前記空気予熱器と前記排熱回収交換器との間の排ガス配管に設けられた第1ドレン水配管と、
   前記排熱回収交換器と前記排気口との間の排ガス配管に設けられた第２ドレン水配管と、
   前記第１ドレン水配管と前記第２ドレン水配管とから排出されるドレン水を受ける蒸発皿と、
   前記第２ドレン水配管と前記排気口との間の排ガス配管を前記蒸発皿の下面に熱的に接続した排熱利用配管と、
   を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
2. 請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、
   前記排熱利用配管をバイパスするバイパス配管と、
   前記排熱利用配管に流量調整弁および流量制御部と備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
   

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