JP3780714B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原燃料ガスを改質した燃料ガスと空気を燃料電池本体に供給し、電気化学反応により電気エネルギーを得る燃料電池発電装置に係わり、特に、原燃料ガスの改質に用いる純水を得るための水処理系の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電装置は、都市ガス、ＬＰガス、メタノール等の原燃料ガスを水蒸気改質して水素に富むガスに改質する改質器と、この改質器で得られた改質ガスを燃料として発電を行う燃料電池本体と、燃料電池本体の直流出力を交流に変換する直交変換装置とを主要構成要素として構成されており、改質器で生成された改質ガスは、燃料電池発電装置の負荷および水素の利用率に応じて燃料電池本体の内部で消費され、余剰の水素を含むガスは、燃料極の排出ガスとして改質器へと導かれてバーナーで燃焼され、改質エネルギーとして消費されている。
【０００３】
図３は、従来の燃料電池発電装置のガス系および水系の構成を示すフロー図である。本図において、１は燃料電池本体、２は脱硫器、３はエゼクタポンプ、４は改質器、５はＣＯ変成器、６は水蒸気分離器、７は凝縮器、８は大気開放型タンク、９は循環ポンプ、１０はイオン交換式の水処理装置である。
本構成において、都市ガス、ＬＰガス等の原燃料ガスは、エゼクタポンプ３に吸引され、水蒸気分離器６からの水蒸気と混合されたのち、改質器４の触媒層に供給される。改質器４で水蒸気改質して生成された水素リッチガスは、ＣＯ変成器５へ送られ、含まれる触媒被毒物質であるＣＯをＣＯ₂ へ変成したのち、燃料ガスとして燃料電池本体１の燃料極１ｂへと送られる。一方、燃料電池本体１の空気極１ａには、反応空気ブロワ１６ａを備えた反応空気供給系１６を通して反応用の空気が送られる。また、燃料電池本体１には冷却板１ｃが組み込まれており、この冷却板１ｃの内部へ水蒸気分離器６に貯留された電気伝導度が低く、かつシリカ等の鉱物系異物の少ない純水を燃料電池冷却水系１９により循環供給することによって、燃料電池の発電に伴う発熱を除去し、燃料電池本体１の温度を所定の運転温度に保持している。また、燃料極１ｂより排出されるオフガスは、電池反応に寄与しない未使用水素を含んでおり、オフガス供給系１８によって改質器４のバーナー４ａへと送られ、空気ブロワ１５ａを備えた燃焼空気供給系１５によって送られる燃焼空気と混合され、燃焼して改質器４の加熱に有効に使用される。
【０００４】
水蒸気分離器６の純水は、その一部が改質用の水蒸気とした消費されるため、燃料電池発電装置の運転中は常時純水を補給する必要がある。このため、改質器４のバーナー４ａから排出される燃焼排ガスに含まれる燃焼生成水と、空気極１ａから排出される空気オフガスに含まれる反応生成水を回収して用いている。すなわち、図に見られるように、燃焼排ガスと空気オフガスは凝縮器７へ送られ、冷却水により冷却されて含まれる燃焼生成水と反応生成水が凝縮され、大気開放型タンク８へと回収される。得られた回収水は、循環ポンプ９、エアー抜きボタン付き前フィルター１１、イオン交換式の水処理装置１０およびエアー抜きボタン付き後フィルター１２を備えた水処理循環ループ１４へと送られて純水化され、その一部が、改質用の水蒸気とした消費された純水を補給するために、純水補給水ポンプ２０ａを備えた純水補給水系２０によって水蒸気分離器６へと送られている。イオン交換式の水処理装置１０は、イオン交換樹脂の吸着速度の変動や樹脂塔内の偏流を防止するために、常に一定範囲内の速度で通水する必要がある。しかしながら、通常、燃料電池発電装置の改質用水蒸気の消費量は、水処理装置１０の必要通水量に比べて少ないので、図示したごとく、イオン交換式の水処理系に循環系を設け、その一部を水蒸気分離器６へ送るよう構成されている。また、イオン交換式の水処理装置１０で得られた純水の電気伝導度がおおよそ１［μＳ／cm］以上のレベルになると、燃料電池本体１の冷却板１ｃに供給する冷却水としては不適当であり、イオン交換樹脂の交換が必要である。したがって、図示したイオン交換式の水処理装置１０では、燃料電池発電装置の発電時間が2000〜3000時間経過する毎に、樹脂塔を新しいイオン交換樹脂を充填した樹脂塔へと交換している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のとおり、従来の燃料電池発電装置では、燃焼排ガスに含まれる燃焼生成水と空気オフガスに含まれる反応生成水を回収し、イオン交換式の水処理装置１０で純化し、その一部を水蒸気分離器６へ送って改質用の水蒸気とした消費される純水を補うことにより連続的に発電運転を行っている。
【０００６】
ところで、燃料電池発電装置を構成している改質器４は、高温で化学反応により水素を生成する装置であり、また燃料電池本体１は高温で発電する装置であるため、燃料電池発電装置の起動停止を行うと熱応力によって改質器４の反応触媒が物理的に破壊したり、あるいは燃料電池本体１に内蔵されたりん酸が散出したりする等の危険性がある。このため、燃料電池発電装置は、起動停止を少なくして連続して運転するのが一般的であり、通常、4000〜8000時間程度連続して運転される。これに対して、前記の水処理系に組み込まれたイオン交換式の水処理装置１０では、既に述べたように2000〜3000時間毎にイオン交換樹脂の交換が行われる。したがって、燃料電池発電装置では、年間で３〜４回、あるいはそれ以上の頻度で水処理装置１０のイオン交換樹脂を交換する必要がある。
【０００７】
水処理装置１０のイオン交換樹脂の交換作業は、水処理装置１０への通水ラインに並列に設けたバイパスラインのバルブを開け、水処理装置１０の前後に配したバルブを閉めて、通水をバイパスラインに切り換え、樹脂塔を新品のイオン交換樹脂を充填した樹脂塔に交換することにより行われる。樹脂塔は硬質樹脂配管や樹脂製ホース等で接続されており、交換作業の際、配管およびホース内の保有水が水落ちし配管内に空気が流入する。また、新品の水処理装置１０内にはガスが含まれている。このため、水処理装置１０付属のエア─抜きボタンやエアー抜きボタン付き前フィルター１１、エアー抜きボタン付き後フィルター１２、エアー抜きバルブ１３により流入した空気を系外に排出している。
【０００８】
しかしながら、このようにエアー抜きボタン付き前フィルター１１やエアー抜きボタン付き後フィルター１２、エアー抜きバルブ１３を組み込んだものにおいても、エアー抜き部分から配管合流部までの配管の内部に溜まった空気を系外へ排出することは不可能であり、また、水処理装置１０の内部や配管の内部に滞留した空気の泡が、樹脂塔の交換後しばらくしてから剥離して水処理循環ループ１４に流入する可能性もあるので、樹脂塔の交換時には、必ず水処理循環ループ１４に少量の空気が入ることとなる。
【０００９】
このように水処理循環ループ１４に空気が流入すると、水処理装置１０を交換するたびに循環水中に空気が混入し、水蒸気分離器６へ補給される純水を通して燃料電池発電装置の各部へと空気が入り、改質器４の触媒の酸化を引き起こしたり、燃料電池本体１の冷却系統の配管が腐食、損傷する事態に至る危険性がある。また、水処理循環ループ１４に流入する空気が多量となり、循環ポンプ９に流入する空気量が過大になると、ポンプ性能が著しく低下し、その結果、系内への純水供給量が不足して燃料電池発電装置の運転ができなくなる恐れがある。
【００１０】
したがって、水処理装置１０のイオン交換樹脂の交換作業の際には、樹脂塔の交換作業のみならず、水処理循環ループ１４に流入した空気を、循環ポンプ９の吐出圧力や吐出流量をチェックしながら、エアー抜きバルブ１３等により外部へ排出する操作を長時間にわたり行う必要があり、このため、水処理装置１０のイオン交換樹脂の交換作業は、長時間の煩雑な作業を必要とするという問題点があった。
【００１１】
本発明の目的は、上記のごとき従来技術の難点を解消し、回収水を純化して補充用の純水を得るイオン交換式の水処理装置のイオン交換樹脂の交換作業が容易に、かつ短時間で実施でき、メンテナンスが容易で、信頼性の高い燃料電池発電装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
水処理装置と、前記水処理装置に被処理水を供給する配管及びポンプと、前記水処理装置で純化処理された処理水を前記ポンプの入り口側の前記配管に還流する還流配管とを備える水処理系循環ループを有し、前記還流配管を流れる処理水の一部を補給水として燃料電池冷却水系に供給する燃料電池発電装置において、
（１）前記還流配管経路にバッファータンクを備え、前記処理水が前記バッファータンクを経由して還流することとする。
あるいは、
（２）前記還流配管から分岐して前記被処理水を貯留するタンクに連結する連結配管を有し、前記処理水の前記ポンプ入り口側配管への還流と、前記タンクへの還流とを切り換える切り換え手段を備えることとする。
【００１３】
上記の（１）のごとく構成した燃料電池発電装置においては、イオン交換式の水処理装置のイオン交換樹脂を交換する際に水処理系に空気が混入しても、混入した空気はバッファータンクの上部に滞留することとなるので、混入空気が再度水処理系循環ループを通流することがなく、通水に用いる循環ポンプ内に混入することもない。
【００１４】
また上記の（２）のごとく構成した燃料電池発電装置においては、還流配管を通流する処理水が、前記被処理水を貯留するタンク側へ還流するように上記切り替え手段を切り替えて、前記タンクに戻したのち水処理系に再度通流するように配し、その状態で、イオン交換式の水処理装置のイオン交換樹脂を交換すれば、交換作業に伴って水処理系に空気が混入しても、混入した空気は被処理水を貯留するタンク内へ排出されるので、水処理系循環ループを再度通流することがなく、通水に用いる循環ポンプ内に混入することもない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
＜実施例１＞
図１は、本発明の燃料電池発電装置の第１の実施例のガス系および水系の構成を示すフロー図である。
本実施例の構成と図３に示した従来例の構成との相違点は、大気開放型タンク８に回収された回収水を純化処理する水処理系循環ループ１４Ａの構成にあり、水処理装置１０を通流した後の配管に、混入した空気を貯蔵するためのバッファータンク３０を配して構成しているのが本実施例の特徴である。
【００１６】
本実施例の構成においては、水処理装置１０のイオン交換樹脂を交換する際に水処理系循環ループ１４Ａに空気が混入しても、混入した空気はバッファータンク３０の上部に滞留することとなるので、再度水処理系循環ループ１４Ａに通流することはなく、また循環ポンプ９内に混入する恐れもない。したがって、流入した空気の抜き出し操作に従来のように長時間を懸ける必要がなく、水処理装置１０のイオン交換樹脂の交換作業が容易に、かつ短時間で行えることとなる。
【００１７】
また、本構成のバッファータンク３０は密閉式であるため、通流する水が外気と接触することもないので、ごみの侵入や酸素等が溶存する危険性もない。エアー抜きバルブ３１はバッファータンク３０に貯えられた空気が過剰となったとき、これを外部へ抜き出すために用いるものである。
なお、本構成で用いられるバッファータンク３０は、イオン交換樹脂の交換作業の際に流入が予想される空気量から上部の気相部の容積を決定し、処理水から空気を効率的に分離するためにバッファータンク３０の内部の流下速度が 0.3［m/s ］程度以下の低速となるようにタンクの断面積を定めて構成すれば、水処理循環水から混入した空気の効果的な分離が行われることとなる。
【００１８】
＜実施例２＞
図２は、本発明の燃料電池発電装置の第２の実施例のガス系および水系の構成を示すフロー図である。
本実施例の特徴は、水処理系循環ループ１４Ｂのイオン交換式の水処理装置１０を通流した後の配管に切り換え用バルブ３２を組み込み、さらに、その前段に大気開放型タンク８との間を連結する、切り換え用バルブ３３を備えた連結管を組み込んだ点にある。
【００１９】
本実施例の構成において、水処理装置１０のイオン交換樹脂を交換する際には、切り換え用バルブ３２を開状態から閉状態へと切り換え、切り換え用バルブ３３を閉状態から開状態へと切り換えて、水処理装置１０を通過した水がすべて大気開放型タンク８に一旦流入したのち循環ポンプ９へ送られるようにしたのち、イオン交換樹脂の交換作業を開始する。したがって、交換作業に伴って水処理系循環ループ１４Ｂに空気が混入しても、混入した空気は、切り換え用バルブ３３を備えた連結管を通流して大気開放型タンク８に送られ、大気開放型タンク８の内部において気中へと取出されることとなり、循環ポンプ９へは空気を含まない水が送られることとなる。イオン交換樹脂の交換作業が終了すれば、切り換え用バルブ３２を閉状態から開状態へ、また切り換え用バルブ３３を開状態から閉状態へと戻して水処理系循環ループ１４Ｂを元の閉回路として運転される。
【００２０】
本構成においても、流入した空気の抜き出し操作に従来のように長時間を懸ける必要がなく、水処理装置１０のイオン交換樹脂の交換作業が容易に、かつ短時間で行えることとなる。
【００２１】
【発明の効果】
上述のように、本発明においては、燃料電池発電装置を請求項１あるいは２に記載のごとく構成することとしたので、回収水を純化して補充用の純水を得るイオン交換式の水処理装置のイオン交換樹脂の交換作業が容易に、かつ短時間で実施でき、メンテナンスが容易で、信頼性の高い燃料電池発電装置が得られることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の第１の実施例のガス系および水系の構成を示すフロー図
【図２】本発明の燃料電池発電装置の第２の実施例のガス系および水系の構成を示すフロー図
【図３】従来の燃料電池発電装置のガス系および水系の構成を示すフロー図
【符号の説明】
１ 燃料電池本体
２ 脱硫器
３ エゼクタポンプ
４ 改質器
４ａ バーナー
５ ＣＯ変成器
６ 水蒸気分離器
７ 凝縮器
８ 大気開放型タンク
９ 循環ポンプ
１０ 水処理装置（エアー抜きボタン付き）
１１ エアー抜きボタン付き前フィルター
１２ エアー抜きボタン付き後フィルター
１３ エアー抜きバルブ
１４，１４Ａ，１４Ｂ 水処理系循環ループ
１９ 燃料電池冷却水系
２０ａ 純水補給水ポンプ
３０ バッファータンク
３２ 切り換え用バルブ
３３ 切り換え用バルブ

Claims (2)

1. 水処理装置と、前記水処理装置に被処理水を供給する配管及びポンプと、前記水処理装置で純化処理された処理水を前記ポンプの入り口側の前記配管に還流する還流配管とを備える水処理系循環ループを有し、前記還流配管を流れる処理水の一部を補給水として燃料電池冷却水系に供給する燃料電池発電装置において、
   前記還流配管経路にバッファータンクを備え、前記処理水が前記バッファータンクを経由して還流することを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 水処理装置と、前記水処理装置に被処理水を供給する配管及びポンプと、前記水処理装置で純化処理された処理水を前記ポンプの入り口側の前記配管に還流する還流配管とを備える水処理系循環ループを有し、前記還流配管を流れる処理水の一部を補給水として燃料電池冷却水系に供給する燃料電池発電装置において、
   前記還流配管から分岐して前記被処理水を貯留するタンクに連結する連結配管を有し、前記処理水の前記ポンプ入り口側配管への還流と、前記タンクへの還流とを切り換える切り換え手段を備えることを特徴とする燃料量電池発電装置。

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