JP2004185943A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス流路１２内に水蒸気が結露して凝集して大きな水滴１６となって排気ガス流路１２を塞ぐことがなく、ボコボコという騒音を発生しないドレンタンクを備えた燃料電池システムの提供。
【解決手段】水蒸気を多く含む排ガスを導入して排ガス中の水蒸気を分離してから排気するドレンタンク１０Ａを備えた燃料電池システムにおいて、ドレンタンク１０Ａは水蒸気を分離した排気ガスを排気するための排気ガス流路を２つ（１２Ａ、１２Ｂ）以上備えた燃料電池システムにより課題を解決できる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば家庭用の小型電源として好適な燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの炭化水素系燃料ガスを水素に改質する改質器と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、このようにして得られた水素（改質ガス）と空気中の酸素などの酸化剤とを化学反応させて発電する燃料電池と、燃料電池の電極部を冷却する水を収納した水タンクと、前記改質器、燃料電池などの排ガスの熱を回収して温水とする熱交換器と、この温水を蓄える貯湯タンクなどを備えた小型電源としての燃料電池システムが提案されている。
【０００３】
燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に空気を供給すると、燃料極では、水素分子を水素イオンと電子に分解する燃料極反応、空気極では、酸素と水素イオンと電子から水を生成する電気化学反応がそれぞれ行われ、燃料極から空気極に向かって外部回路を移動する電子により電力が負荷に供給されるとともに、空気極側に水が生成される。
【０００４】
図４は、従来の燃料電池システムの一例である固体高分子形燃料電池発電装置（ＰＥＦＣ装置ＧＳ）の説明図である（例えば特許文献１参照）。
燃料電池１を用いたＰＥＦＣ装置ＧＳは、例えば、燃料電池１の他に熱回収装置ＲＤを含んでいる。この熱回収装置ＲＤは、図示しない貯湯タンク、熱交換器２、３、４、ポンプ５を備えた温水の循環路などを備えている。
【０００５】
燃料電池１は、図示しない脱硫器、改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器、燃料ガス加湿タンク６などからなる改質ガス供給装置および酸化剤加湿タンク７などからなる反応空気供給装置ならびに燃料極１ａ、空気極１ｋなどの電極および水タンク８、ポンプ９、冷却部１ｃなどからなる冷却装置を備えている。
【０００６】
燃料電池１で発電された電力は図示しないＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧され、図示しない配電系統連系インバータを介して商用電源に接続される、一方、ここから家庭や事務所などの照明や空調機などの他の電気機器用の電力として供給される。
【０００７】
このような燃料電池１を用いたＰＥＦＣ装置ＧＳでは、発電と同時に、例えば燃料電池１による発電時に発生する熱を利用して市水から温水を生成し、この温水を図示しない貯湯タンクに蓄えて、風呂や台所などに供給するなど、燃料電池１に使用される燃料がもつエネルギーの有効利用を図っている。
【０００８】
上記のＰＥＦＣ装置ＧＳの燃料ガス供給装置では、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの炭化水素系の原燃料が脱硫器に供給され、ここで原燃料から硫黄成分が除去される。脱硫器を経た原燃料は、昇圧ポンプで昇圧されて燃料ガスをバーナで燃焼して所定温度に加熱された改質器に供給される際に、水蒸気と合流して、供給される。改質器では、水素、二酸化炭素、および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。この改質器を経たガスは、ＣＯ変成器に供給され、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。このＣＯ変成器を経たガスは、ＣＯ除去器に供給され、ここではＣＯ変成器を経たガス中の未変成の一酸化炭素が例えば１０ｐｐｍ以下に低減され、水素濃度の高い水性ガス（改質ガス）が燃料ガス加湿タンク６に供給され燃料ガス加湿タンク６内の温水中に泡立てつつ気相部に送出することによって加湿が行われる。
このようにして、燃料電池１における反応が適度に維持されるように水分を与えられた後の改質ガスが燃料電池１の燃料極１ａに供給される。
反応空気供給装置では、酸化剤加湿タンク７に空気などの酸化剤が供給され酸化剤加湿タンク７内の温水中に泡立てつつ気相部に送出することによって加湿が行われる。
このようにして、燃料電池１における反応が適度に維持されるように水分を与えられた後の反応空気が燃料電池１の空気極１ｋに供給される。
【０００９】
燃料電池１では、燃料極１ａに供給された改質ガス中の水素と、空気極１ｋへ供給された空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる。
燃料電池１の冷却装置は、この電気化学反応の反応熱などで燃料電池１が過熱しないようにするため、燃料電池１の電極１ａ、１ｋに並置された冷却装置であり、冷却部１ｃに水タンク８の温水をポンプ９で冷却水として循環させ、この冷却水で燃料電池１内の温度が発電に適した温度（例えば７０〜８０℃程度）に保たれるように制御している。このようにして燃料電池１では所定の化学反応と発電が継続される。
【００１０】
一方、水タンク８の温水をポンプ５で熱交換器３へ導き空気極１ｋの排ガスと熱交換して循環させ、水タンク８の温水を所定の温度（設定温度：例えば約５０〜８０℃）に維持するようになっている。
一方、熱交換器３の下流に配置した熱交換器４へ市水を送って空気極１ｋの排ガスと熱交換して加熱した後、熱交換器２へ導き燃料極１ａの排ガスと熱交換してさらに加熱した後、図示しない貯湯タンクに送って貯湯し、必要に応じて外部に給湯する。
以上のような構成のＰＥＦＣ装置ＧＳは、発電と熱利用のコジェネレーションシステムの形態をとるので、燃料電池の発電効率が図られるばかりでなく、このシステムで使用される水の有効な再利用が図られる効果がある。
【００１１】
熱交換器２、３、４へ導き熱交換する排ガスあるいは改質器を所定の温度に加熱するために燃料ガスをバーナで燃焼した排ガスを図示しない熱交換器へ導き熱交換する排ガスなどは水蒸気を多く含むため、熱交換器によって熱回収を行う際に排ガス温度が露点以下に低下すると結露水が多量に発生する。
そこで、排ガスを図３に示すようなドレンタンクに一旦導入して結露水を分離する。
１０はドレンタンク、１１は排ガス導入管、１２は結露水を分離した排ガスを排気する排気ガス流路、１３は開閉弁１４を備えた結露水排出管、１５は結露水を示す。排ガス導入管１１からドレンタンク１０に導入された水蒸気を多く含む排ガスはドレンタンク１０内で結露して結露水１５が分離され、結露水１５が分離された排ガスは排気ガス流路１２を経て排気されるようになっている。結露水１５は開閉弁１４を自動的にあるいは手動で適宜開けて排出される。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００２−０５６８７７号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、排気ガス流路１２の温度がドレンタンク１０より低くなった場合、排気ガス流路１２内に水蒸気が結露して凝集して大きな水滴１６となって排気ガス流路１２を塞ぐようになり、大きな水滴１６が形成された後に排ガスが排気ガス流路１２を通ると大きな水滴１６を押し上げてボコボコという騒音を発生する問題があった。
本発明の目的は、従来の上記問題を解決し、排気ガス流路１２内に水蒸気が結露して凝集して大きな水滴１６となって排気ガス流路１２を塞ぐことがなく、ボコボコという騒音を発生しないドレンタンクを備えた燃料電池システムを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の請求項１記載の燃料電池システムは、水蒸気を多く含む排ガス中の水蒸気を分離してから排気するドレンタンクを備えた燃料電池システムにおいて、前記ドレンタンクは水蒸気を分離した排気ガスを排気するための排気ガス流路を２つ以上備えたことを特徴とする。
【００１５】
排気ガス流路を２つ以上備えたことにより、排ガスの流速が低下し、結露水が排気ガス流路内で停滞することがなくなり、排気ガス流路内に結露した小さな結露水は排気ガス流路内壁を伝わって下のドレンタンクに落下するので、騒音の発生がない。例え万一、一方の排気ガス流路内に結露して凝集して大きな水滴が発生して排気ガス流路を塞ぐようになったとしても、他方の排気ガス流路内を排ガスが流れるので騒音の発生がなく、そして大きな水滴が発生した排気ガス流路もやがて水滴が排気ガス流路内壁を伝わって下のドレンタンクに落下する。
【００１６】
本発明の請求項２記載の燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記排気ガス流路の内径が１０〜３０ｍｍ、前記排気ガス流路内を流れる排ガスの流速が５〜２０ｃｍ／ｓであることを特徴とする。
【００１７】
排気ガス流路の内径および排気ガス流路内を流れる排ガスの流速を特定することにより騒音の発生を防止するとともに高性能で小型化を図ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の燃料電池システムのドレンタンクの一実施形態を説明する説明図である。
図２は、本発明の燃料電池システムのドレンタンクの他の実施形態を説明する説明図である。
図１、２において、図３に示した構成部分と同じ構成部分には同一参照符号を付すことにより、重複した説明を省略する。
【００１９】
図１に示した本発明の燃料電池システムのドレンタンク１０Ａは、水蒸気を分離した排気ガスを排気するための排気ガス流路を２つ（１２Ａ、１２Ｂ）備えている以外は図３に示したドレンタンク１０と同様になっている。
排気ガス流路を２つ（１２Ａ、１２Ｂ）備えたことにより、ドレンタンク１０Ａから排気される排ガスの流速が低下し、結露水が排気ガス流路１２Ａ、１２Ｂ内で停滞することがなくなる。例えば排気ガス流路１２Ｂ内に結露した小さな結露水１７は排気ガス流路１２Ｂの内壁を伝わって下のドレンタンク１０Ａに落下するので、騒音の発生がない。例え万一、排気ガス流路１２Ａ内に結露して凝集して大きな水滴１６が発生して排気ガス流路１２Ａを塞ぐようになったとしても、他方の排気ガス流路１２Ｂ内を排ガスが流れるので騒音の発生がなく、そして大きな水滴１６が発生した排気ガス流路１２Ａもやがて水滴１６が排気ガス流路１２Ａ内壁を伝わって下のドレンタンク１０Ａに落下する。
【００２０】
図２に示した本発明の燃料電池システムのドレンタンク１０Ｂは、水蒸気を分離した排気ガスを排気するための排気ガス流路を２つ（１２Ａ、１２Ｂ）備えている上、排気ガス流路１２Ａ、１２Ｂが上方で１つの管路１８に連結している以外は図１に示したドレンタンク１０Ａと同様になっており、システムがコンパクトになる上、ドレンタンク１０Ａと同様な作用効果を有する。
【００２１】
表１に排気ガス流路の配管内径（ｃｍ）、排気ガス流路の断面積（ｃｍ^２ ）、排気ガス流路内の排ガス流速（ｃｍ／ｓ）、排気ガス流路内の排ガス流量（ｌ／ｍｉｎ）の関係を示す。
【００２２】
【表１】

【００２３】
本発明においては、排気ガス流路の内径が１０〜３０ｍｍ、排気ガス流路内を流れる排ガスの流速が５〜２０ｃｍ／ｓであることが好ましい。
排気ガス流路の内径が１０ｍｍ未満であると排ガスの流速が早くなって、結露水が排気ガス流路内で停滞して大きな水滴となり騒音を発生する恐れがあり、３０ｍｍを超えると小型化が困難になる恐れがある。また、排気ガス流路内を流れる排ガスの流速が５ｃｍ／ｓ未満では結露水が排気ガス流路内で停滞する恐れはないが、燃料電池システムの発電量が低下し実用的でなくなる恐れがあり、排気ガス流路内を流れる排ガスの流速が２０ｃｍ／ｓを超えると結露水が排気ガス流路内で停滞して大きな水滴となり騒音を発生する恐れがある。
【００２４】
なお、上記実施形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載の燃料電池システムは、水蒸気を多く含む排ガス中の水蒸気を分離してから排気するドレンタンクを備えた燃料電池システムにおいて、前記ドレンタンクは水蒸気を分離した排気ガスを排気するための排気ガス流路を２つ以上備えたことを特徴とするものであり、排気ガス流路を２つ以上備えたことにより、排ガスの流速が低下し、結露水が排気ガス流路内で停滞することがなくなり、排気ガス流路内に結露した小さな結露水は排気ガス流路内壁を伝わって下のドレンタンクに落下するので、騒音の発生がなく、例え万一、一方の排気ガス流路内に結露して凝集して大きな水滴が発生して排気ガス流路を塞ぐようになったとしても、他方の排気ガス流路内を排ガスが流れるので騒音の発生がなく、そして大きな水滴が発生した排気ガス流路もやがて水滴が排気ガス流路内壁を伝わって下のドレンタンクに落下するという顕著な効果を奏する。
【００２６】
本発明の請求項２記載の燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記排気ガス流路の内径が１０〜３０ｍｍ、前記排気ガス流路内を流れる排ガスの流速が５〜２０ｃｍ／ｓであることを特徴とするものであり、排気ガス流路の内径および排気ガス流路内を流れる排ガスの流速を特定することにより騒音の発生を防止するとともに高性能で小型化を図ることができるというさらなる顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムのドレンタンクの一実施形態を説明する説明図である。
【図２】本発明の燃料電池システムのドレンタンクの他の実施形態を説明する説明図である。
【図３】従来のドレンタンクを説明する説明図である。
【図４】従来の燃料電池システムの一例である固体高分子形燃料電池発電装置の説明図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２、３、４ 熱交換器
５、９ ポンプ
６ 燃料ガス加湿タンク
７ 酸化剤加湿タンク
８ 水タンク
１０、１０Ａ、１０Ｂ ドレンタンク
１２、１２Ａ、１２Ｂ 排気ガス流路
１５ 結露水
１６ 大きな水滴
１７ 小さな水滴
１８ 管路
ＧＳ 固体高分子形燃料電池発電装置
ＲＤ 熱回収装置

Claims (2)

1. 水蒸気を多く含む排ガス中の水蒸気を分離してから排気するドレンタンクを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記ドレンタンクは水蒸気を分離した排気ガスを排気するための排気ガス流路を２つ以上備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記排気ガス流路の内径が１０〜３０ｍｍ、前記排気ガス流路内を流れる排ガスの流速が５〜２０ｃｍ／ｓであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。

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