JP2004220876A - 凝縮水排水システム及び燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料ガスから気液分離した凝縮水を排水する際に、燃料ガスのガス流路各部の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止する。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、燃料ガスのガス流路（１７，２０，２６，２８）に沿って配設された凝縮器（１８）及び気液分離器（２４，３１）と、燃料ガスから気液分離された凝縮水を貯溜するための回収タンク（４０）と、凝縮器（１８）及び気液分離器（２４，３１）の各々から回収タンク（４０）へ凝縮水を排水するための排水経路を構成する排水路（３３，３４，３５）と、排水路（３３，３４，３５）に配設された排水弁（３６，３７，３８）を同時に二以上開弁しないように開閉制御して凝縮水の排水を制御する制御部（４３）を備える。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、燃料ガスのガス流路（１７，２０，２６，２８）に沿って配設された凝縮器（１８）及び気液分離器（２４，３１）と、燃料ガスから気液分離された凝縮水を貯溜するための回収タンク（４０）と、凝縮器（１８）及び気液分離器（２４，３１）の各々から回収タンク（４０）へ凝縮水を排水するための排水経路を構成する排水路（３３，３４，３５）と、排水路（３３，３４，３５）に配設された排水弁（３６，３７，３８）を同時に二以上開弁しないように開閉制御して凝縮水の排水を制御する制御部（４３）を備える。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水分含有ガスから気液分離した凝縮水の回収技術に関し、特に、燃料電池へ供給される燃料ガスから気液分離した凝縮水の回収技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来の燃料電池システムのシステム構成図である。同図に示すように、燃料電池システムは、主に、原燃料を改質して燃料ガスを生成する燃料改質装置６０と、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池７７と、燃料ガスに含まれる水蒸気成分を冷却して凝縮水を回収する凝縮器６８と、燃料ガスに含まれる水分を気液分離する気液分離器７４，８１と、凝縮水を回収する回収タンク８７と、システム制御を行う制御部９０を備えて構成されている。
【０００３】
燃料改質装置６０は原燃料を蒸気化して原燃料ガスを生成する蒸発部６１と、原燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質部６２と、燃料ガスのＣＯ濃度を低下させるためのＣＯ低減部６３を備えて構成されている。改質部６２においてメタノールを原燃料として水蒸気改質を行うと、下記の（１）式に示すメタノール分解反応と、（２）式に示す一酸化炭素のシフト反応とが同時に進行し、全体として（３）式に示す改質反応が生じる。
ＣＨ３ＯＨ → ＣＯ＋２Ｈ２−９０．０ｋＪ／ｍｏｌ …（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋Ｈ２＋４０．５ｋＪ／ｍｏｌ …（２）
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋３Ｈ２−４９．５ｋＪ／ｍｏｌ …（３）
（３）式の改質反応は２５０℃〜３００℃の温度環境下で進行し、この反応で生成される燃料ガスには多量の高温水蒸気が含まれている。システム運転時に燃料改質装置６０から遮断弁６４、逆止弁６５、及び流量調整弁６６を経てガス流路６７に流下する燃料ガスは１００℃前後に加熱しているため、凝縮器６８において６０℃〜８０℃の温度範囲に降温されて凝縮水が除去されるとともに、凝縮器６８からガス流路７０、遮断弁７１を経て気液分離器７４へ流下し、含有水分が除去される。上記の経路を経て燃料電池７７のアノード極に供給された燃料ガスは電池反応に供した後、水素オフガスとなって流量調整弁７９、逆止弁８０を経てガス流路７８を流下し、気液分離器８１においてさらに含有水分が除去される。
【０００４】
制御部９０はＣＰＵ９３、ＲＯＭ９２、ＲＡＭ９４を備えて構成されるコンピュータシステムであり、凝縮器６８、気液分離器７４，８１に備えられている液位センサ６９，７５，８２からのセンサ出力信号を入出力ポート９５を介して取り込み、凝縮器６８、気液分離器７４，８１内に貯溜する凝縮水の液位が所定値になったことを検出すると、排水弁８６を開弁制御し、凝縮器６８、気液分離器７４，８１の各々から排水路８３，８４，８５を介して回収タンク８７へ凝縮水を排水する。回収タンク８７には排気用のリリーフ弁８８が備えられており、内圧を調整できるよう構成されている。
【０００５】
尚、酸素を含有する酸化ガスはガス流路８９から燃料電池７７のカソード極に供給され、電池反応に供した後、酸素オフガスとなってガス流路９１を経て排出される。また、ガス流路７０には排気用のガス流路７２が分岐しており、システム停止時には、遮断弁７３が開弁する一方で、遮断弁７１が閉弁することにより、燃料ガスを排気できるよう構成されている。
【０００６】
燃料電池システムの凝縮水を回収する技術として、特開２００１−１９９７０２号公報（特許文献１）には、改質部、変性部、浄化部、ガス排出部などの燃料ガス経路に凝縮水排出口を設け、システム起動時の不活性ガス注入によるパージ圧力又は凝縮水の自重滴下により凝縮水を回収する技術が提案されている。また特開昭６２−１６５８７０号公報（特許文献２）には、燃料電池の上流側に配設された気液分離器と、燃料電池の流下側に配設されたリザーブタンクからの排水を、圧損部を介して行う技術が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１９９７０２号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開昭６２−１６５８７０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、システム運転時に燃料改質装置６０から燃料電池７７に供給される燃料ガスは流量調整弁６６で一定のガス圧に昇圧されるが、ガス流路６７，７０，７６，７８を流下する過程において、配管内の空気分子や配管内壁或いは各種の弁機構との衝突を繰り返すことで、分子エネルギーが次第に減少し、圧力損失が生じる。ダルシー・ワイスバッハの式によれば、圧力損失は配管内径に反比例し、管内平均流速の二乗と配管長に比例することが知られている。従って、ガス流路６７，７０，７６，７８の配管長が長く、配管径が小さいほど圧力損失は大きくなる。また、凝縮器６８、気液分離器７４，８１内に貯溜する凝縮水を排水すると、ガス収容空間容積が増大するため、ガス圧がさらに低下する。凝縮器６８のガス圧力をＰ１、気液分離器７４のガス圧力をＰ２、気液分離器８１のガス圧力をＰ３とすれば、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３となる。このため、図３に示すように、排水路８３，８４，８５から成る配管系統を下流側で合流させ、相互に通水可能に構成すると、凝縮器６８、気液分離器７４，８１相互間の差圧によって、凝縮水が内圧の低い気液分離器７４，８１へ逆流してしまう不都合が生じていた。
【００１０】
一方、システム停止時には、遮断弁７１及び圧力調整弁７９を閉弁し、遮断弁７３を開弁して燃料改質装置６０のガス圧を降圧させるため、凝縮器６８の内圧は気液分離器７４の内圧よりも低下し、Ｐ２＞Ｐ１≧Ｐ３となる。この場合においても、凝縮器６８、気液分離器７４，８１相互間の差圧によって、凝縮水が内圧の低い気液分離器８１又は凝縮器６８へ逆流してしまう不都合が生じていた。
【００１１】
このような不都合を回避するため、凝縮水の逆流防止のための逆止弁を設けることも考えられるが、圧力損失がさらに増大するため、システム全体のガス圧をその分だけ大きく設定しなくてはならなくなり、エネルギー損失も増大する。
【００１２】
そこで、本発明は水分含有ガスから気液分離した凝縮水を排水する際に、水分含有ガスのガス流路各部の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止する凝縮水排水システムを提供することを課題とする。また、本発明は燃料ガスから気液分離した凝縮水を排水する際に、燃料ガスのガス流路各部の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止する燃料電池システムを提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の凝縮水排水システムは、水分含有ガスのガス流路に沿って少なくとも２以上配設された気液分離手段と、前記水分含有ガスから気液分離された凝縮水を貯溜するための貯溜手段と、前記気液分離手段の各々から前記貯溜手段へ前記凝縮水を排水するための排水経路を構成する排水系統と、前記排水系統に配設された弁機構と、選択された何れか一つの気液分離手段から前記貯溜手段へ至る排水経路を確立するよう前記弁機構を制御する制御部と、を備える。かかる構成により、二以上の気液分離手段から貯溜手段へ至る排水経路が同時に確立しないよう弁機構が制御されるため、気液分離手段相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。
【００１４】
好ましくは、前記制御部は、前記気液分離手段の各々が前記排水系統を通じて相互に通水しないように前記弁機構を制御する。かかる構成により、気液分離手段相互間が排水系統を通じて遮水されるため、気液分離手段相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。
【００１５】
好ましくは、前記制御部は、前記ガス流路の上流側に配設された気液分離手段と前記ガス流路の下流側に配設された気液分離手段とが前記排水系統を通じて相互に通水しないように前記弁機構を制御する。かかる構成により、気液分離手段相互間が排水系統を通じて遮水されるため、ガス流路の上流側に配設された気液分離手段と、ガス流路の下流側に配設された気液分離手段相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。
【００１６】
好ましくは、前記弁機構は、前記気液分離手段の各々から前記貯溜手段へ至る各々の排水経路につき少なくとも１以上配設された排水弁を含み、前記制御部は、二以上の排水経路に配設された排水弁が全て同時に開弁しないよう前記弁機構を制御する。かかる構成により、二以上の排水経路に配設された排水弁が全て同時に開弁することによる凝縮水の逆流を防止できる。
【００１７】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスのガス流路に沿って少なくとも２以上配設された気液分離手段と、前記燃料ガスから気液分離された凝縮水を貯溜するための貯溜手段と、前記気液分離手段の各々から前記貯溜手段へ前記凝縮水を排水するための排水経路を構成する排水系統と、前記排水系統に配設された弁機構と、選択された何れか一つの気液分離手段から前記貯溜手段へ至る排水経路を確立するよう前記弁機構を制御する制御部と、を備える。かかる構成により、二以上の気液分離手段から貯溜手段へ至る排水経路が同時に確立しないよう弁機構が制御されるため、気液分離手段相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。
【００１８】
好ましくは、前記制御部は、前記気液分離手段の各々が前記排水系統を通じて相互に通水しないように前記弁機構を制御する。かかる構成により、気液分離手段相互間が排水系統を通じて遮水されるため、気液分離手段相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。
【００１９】
好ましくは、前記制御部は、前記ガス流路の上流側に配設された気液分離手段と前記ガス流路の下流側に配設された気液分離手段とが前記排水系統を通じて相互に通水しないように前記弁機構を制御する。かかる構成により、気液分離手段相互間が排水系統を通じて遮水されるため、ガス流路の上流側に配設された気液分離手段と、ガス流路の下流側に配設された気液分離手段相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。
【００２０】
好ましくは、前記弁機構は、前記気液分離手段の各々から前記貯溜手段へ至る各々の排水経路につき少なくとも１以上配設された排水弁を含み、前記制御部は、二以上の排水経路に配設された排水弁が全て同時に開弁しないよう前記弁機構を制御する。かかる構成により、二以上の排水経路に配設された排水弁が全て同時に開弁することによる凝縮水の逆流を防止できる。
【００２１】
好ましくは、前記燃料ガスは原燃料を水蒸気改質した水素リッチガスである。水蒸気改質した燃料ガスには多量の高温水蒸気が含まれているため、燃料電池に供給する前段階で適度に水分除去するのが望ましく、本発明に好適である。
【００２２】
好ましくは、前記気液分離手段は、前記原燃料を水蒸気改質して前記燃料ガスを生成する燃料改質装置から燃料電池へ燃料ガスを供給するガス流路に配設されている。燃料改質装置から燃料電池へ供給される燃料ガスには多量の高温水蒸気が含まれているため、燃料電池に供給する前段階で適度に水分除去するのが望ましく、本発明に好適である。
【００２３】
好ましくは、前記気液分離手段は、前記燃料電池から排出される水素オフガスのガス流路に配設されている。水素オフガスは原燃料を蒸気化するための燃焼燃料として再利用できるため、気液分離手段で気液分離するのが望ましく、本発明に好適である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、各図を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
【００２５】
図１は本実施形態の燃料電池システムの構成図である。ここでは、説明の便宜上、燃料ガスに含まれる水分を気液分離した凝縮水の回収経路を中心とする主要部分を図示している。同図に示すように、燃料電池システムは、主に、原燃料を改質して燃料ガスを生成する燃料改質装置１０と、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池２７と、燃料ガスに含まれる水蒸気成分を冷却して凝縮水を回収する凝縮器１８と、燃料ガスに含まれる水分を気液分離する気液分離器２４，３１と、凝縮水を貯溜する回収タンク（リザーブタンク）４０と、燃料電池システムの制御処理を実行する制御部４３を備えて構成されている。
【００２６】
燃料改質装置１０は、原燃料を蒸気化させて原燃料ガスを生成する蒸発部１１と、原燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質部１２と、燃料ガス中に含まれている一酸化炭素を低減するＣＯ低減部１３とを備えて構成されている。蒸発部１１としては、原燃料と加熱媒体との間で熱交換を行い、原燃料を蒸気化する熱交換装置などが好適である。原燃料としては、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ５）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）、ガソリン、軽油、天然ガス、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）、ジメチルエーテル（ＣＨ３ＯＣＨ３）、アセトン（ＣＨ３Ｃ（＝Ｏ）ＣＨ３）などが好適である。
【００２７】
改質部１２の内部には、銅−亜鉛系触媒（Ｃｕ−Ｚｎ系触媒）、銅−亜鉛−クロム系触媒（Ｃｕ−Ｚｎ−Ｃｒ系触媒）、銅−亜鉛−アルミニウム系触媒（Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ系触媒）、亜鉛−クロム系触媒（Ｚｎ−Ｃｒ系触媒）などの改質触媒が充填されており、水蒸気改質、部分酸化改質、又はこれらを併用したオートサーマル改質を行う。部分酸化改質は発熱反応であるため、システム暖機時には発熱反応を伴う部分酸化改質を中心に行いつつ、暖機完了後には負荷追従性に優れたオートサーマル改質を行うのが望ましい。メタノールと水の混合溶液を原燃料として水蒸気改質を行うと、上述の（１）式〜（３）式の水蒸気改質反応が進行する。改質部１２に酸素を導入すると、（１）式〜（３）式の水蒸気改質反応に加えて（４）式の部分酸化改質反応が進行する。
ＣＨ３ＯＨ＋（１／２）Ｏ２ → ＣＯ２＋２Ｈ２＋１８９．５ｋＪ／ｍｏｌ …（４）
改質部１２の内部温度は電気触媒加熱ヒータなどの加熱作用によって、改質反応に適度な温度範囲に保たれている。メタノール改質を行う場合、水蒸気改質では２００℃〜３００℃、部分酸化改質では４００℃〜６００℃、オートサーマル改質では２００℃〜６００℃の温度範囲が好適である。原燃料ガスの改質反応を行っている改質部１２の内部には、高温水蒸気が充満しており、燃料ガスとともにＣＯ低減部１３に供給される。
【００２８】
ＣＯ低減部１３には一酸化炭素の選択酸化触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、或いはこれらを第１元素とした合金触媒を担持した担体が充填されている。ＣＯ低減部１３内部には、一酸化炭素の選択酸化反応に要する酸素を含有する精製用エアが供給される。燃料電池７７における電池反応を良好に促進するには、燃料ガス中の一酸化炭素濃度は数ｐｐｍ程度以下が望ましい。
【００２９】
燃料改質装置１０から燃料電池２７に燃料ガスを供給するための配管系統を構成するガス流路１７，２０，２６上には凝縮器１８と、気液分離器２４が配設されている。凝縮器１８は燃料ガスに含まれる水蒸気成分を冷却して結露させ、含有水分を凝縮水として回収する気液分離手段である。燃料改質装置１０から供給される燃料ガスには高温（例えば、１００℃前後）の水蒸気が多量に混入されているため、凝縮器１８としては、例えば、冷却水を還流させた冷却管に燃料ガスを接触させて熱交換方式により冷却する熱交換方式の凝縮器や、燃料ガスに冷却水を噴霧して燃料ガスを冷却し、飽和水を除去する冷却水噴霧式の凝縮器などが好適である。燃料ガスは凝縮器１８において低温（例えば、６０℃〜８０℃）に降温される。凝縮器１８には装置内部で凝縮した水滴の貯蔵量（液位）を計測するための液位センサ１９が設置されている。凝縮器１８の駆動電力として、燃料電池２７の運転中に生じる余剰電力を用いることができる。
【００３０】
ガス流路１７には上流側から流下側にかけて遮断弁１４、逆止弁１５、及び流量調整弁１６が配設されており、ガス流路１７を流下する燃料ガスは流量調整弁１６で所定のガス圧に昇圧された後、凝縮器１８に供給される。流量調整弁１６の弁開度は燃料電池２７の要求発電量に対応して適宜調整される。凝縮器１８で含有水部の大部分が凝縮された燃料ガスはガス流路２０を流下して気液分離器２４に導入される。気液分離器２４は燃料ガス中に含まれている水分をある程度除去し、燃料ガスを適度に加湿した状態で燃料電池２７に供給するために設けられた気液分離手段である。気液分離器２４としては、例えば、燃料ガスを旋回させてその遠心力によって水分を分離するサイクロン式分離器などが好適である。気液分離器２４には装置内部で気液分離した水滴の貯蔵量（液位）を計測するための液位センサ２５が設置されている。
【００３１】
尚、ガス流路２０には排気用のガス流路２２が分岐しており、システム停止時に遮断弁２３を開弁して燃料ガスを排出するとともに、遮断弁２１を閉弁して燃料電池２７への燃料ガスの供給を停止するように構成されている。
【００３２】
燃料電池２７には、ガス流路２６から水素リッチな燃料ガスが供給され、アノード極において（５）式の酸化反応が生じるとともに、ガス流路４１から酸素を含む酸化ガスが供給され、カソード極において（６）式の還元反応が生じる。燃料電池２７全体としては、（７）式の起電反応が生じる。燃料電池２７としては、固体高分子電解質型の燃料電池が好適である。高分子電解質型の燃料電池は、常温で起動できるために起動時間が短い、常温で高い電流密度が得られる、低負荷運転が可能、小型軽量化が可能といったメリットがあり、車両搭載用の燃料電池として優れた特性を備えている。高負荷状態では、高分子電解質膜を流れる電流密度が増加し、電気浸透現象による高分子電解質膜の乾燥が生じるため、燃料ガスと酸化ガスは適度に加湿していることが望ましい。
Ｈ２ → ２Ｈ＋＋２ｅ− …（５）
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ− → Ｈ２Ｏ …（６）
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２ → Ｈ２Ｏ …（７）
起電反応に供した燃料ガスは水素オフガスとなって燃料電池２７からガス流路２８を経由して排出される一方、起電反応に供した酸化ガスは酸素オフガスとなって燃料電池２７からガス流路４２を経由して排出される。ガス流路２８には、上流側から流下側にかけて流量調整弁２９、逆止弁３０、及び気液分離器３１が配設されている。燃料電池２７から排出される水素オフガスには水分が含有されているため、気液分離器３１にて気液分離される。気液分離器３１は気液分離器２４と同等の機能を有する気液分離手段である。気液分離器３１には装置内部で気液分離した水滴の貯蔵量（液位）を計測するための液位センサ３２が設置されている。気液分離器３１から排出される水素オフガスは前述の蒸発部１１において、原燃料（被加熱媒体）を加熱する燃焼ガス（加熱媒体）を生成するために再利用される。上述の凝縮器１８、気液分離器２４，３１のそれぞれにおいて気液分離された凝縮水は、凝縮水貯溜手段として機能する回収タンク４０へ排水される。回収タンク４０に集水された凝縮水には、高分子電解質膜の溶出や分解などによってフッ酸や硫酸などの多くの不純物が含まれているため、イオン交換樹脂などの濾過膜によって不純物が除去され、水蒸気改質の改質水などに利用される。
【００３３】
凝縮器１８と回収タンク４０との間の排水経路を構成する排水路３３には凝縮器１８内部に貯溜する凝縮水を排水する排水弁３６が配設されている。同様に、気液分離器２４と回収タンク４０との間の排水経路を構成する排水路３４には排水弁３７が配設され、気液分離器３１と回収タンク４０との間の排水経路を構成する排水路３５には排水弁３８が配設されている。上述の排水路３３，３４，３５によって燃料電池システムにおける凝縮水の排水系統が構築されている。回収タンク４０には排気用のリリーフ弁３９が備えられており、内圧を調整できるように構成されている。
【００３４】
燃料電池システムを制御する制御部４３は、マイクロコンピュータを中心としたコンピュータシステムとして構成されており、システム制御に必要な各種のプログラム（後述する排水弁制御処理ルーチンを含む）及び各種データを記憶したＲＯＭ４４と、ＲＯＭ４４に書き込まれているプログラムを読み取ってこれを実行するＣＰＵ４５と、ＣＰＵ４５のワークメモリとして機能するＲＡＭ４６と、上述した液位センサ１９，２５，３２のセンサ出力信号を取り込むとともに、排水弁３６，３７，３８，遮断弁１４，２１，２３，流量調整弁１６，２９の開閉制御を行うための各種制御信号を出力する入出力ポート４７を備えて構成されている。制御部２４には、図示しない上位コントローラからシステム起動／停止信号が入力される。
【００３５】
尚、本明細書において、「気液分離手段」とは、水分含有ガスから水分を気液分離する手段をいい、上述の凝縮器１８，気液分離器２４，３１を含む。本実施形態では、水分含有ガスとして燃料ガスを例示するが、酸化ガスやその他のガスであってもよい。また、「貯溜手段」とは、水分含有ガスから気液分離された凝縮水を貯溜するための手段をいい、上述の回収タンク４０を含む。貯溜手段は一つに限らず、二以上存在していてもよい。「排水経路」とは、各々の気液分離手段から貯溜手段へ凝縮水を排水するための経路をいい、一又は二以上の排水路から成る。「排水路」は特定の気液分離手段の排水経路を専用するものに限らず、二以上の気液分離手段の排水経路の一部を共用するものであってもよい。言い換えれば、二以上の排水経路が経路の途中で合流するものであってもよい。二以上の排水経路が経路の途中で合流する合流部を有するものである場合には、弁機構は気液分離手段と合流部との間に設けられる。つまり、本発明においては、任意の気液分離手段から他の気液分離手段に至る経路には少なくとも１以上の排水弁が配設されており、合流部から上流側で二以上の気液分離手段が相互に通水しないように構成されている。単一の気液分離手段から単一の貯溜手段へ至る排水経路は一つに限らず、二以上であってもよい。また、「排水系統」とは、全ての排水経路を総称するものとする。「弁機構」とは、排水系統に配設された二以上の排水弁を総称するものであり、排水弁の開閉制御を通じて排水路の通水状態と遮水状態を相互に切り換え、気液分離手段から貯溜手段へ至る排水経路の確立（通水）、遮断（遮水）、変更を制御する手段であり、上述の排水弁３６，３７，３８の他、後述する切換弁を含む。気液分離手段から貯溜手段に至る排水経路上に配設される排水弁は一つに限らず二以上であってもよい。
【００３６】
図２は燃料ガスから気液分離された凝縮水を回収タンク４０に排水するための排水弁制御処理ルーチンを記述したフローチャートである。制御部４３は主制御プログラム中で予め定められた一定のインターバルで発生する本ルーチンのイベント処理を繰り返し実行する。制御部４３は、本ルーチンへ移行すると、まず、上位コントローラからシステム停止信号を受信したか否かをチェックする（ステップＳ１）。システム停止信号を受信していない場合には（ステップＳ１；ＮＯ）、液位センサ１９のセンサ出力信号をチェックし、凝縮器１８内部に貯溜する凝縮水の液位が閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ２）。凝縮水の液位が閾値を超えている場合は（ステップＳ２；ＹＥＳ）、排水弁３６を開弁し、凝縮器１８の排水経路（排水路３３）を通水状態とする一方、排水弁３７，３８を閉弁し、気液分離器２４，３１の排水経路（排水路３４，３５）を遮水する（ステップＳ３）。このように、凝縮器１８，気液分離器２４，３１相互間を通水しないように排水系統の排水弁３６，３７，３８の開閉制御を行うことで、内圧の低い気液分離器２４，３１への凝縮水の逆流を防止し、凝縮器１８から回収タンク４０へ凝縮水の排水を行うことができる。制御部４３はこの状態をＴ１秒間維持し（ステップＳ４）、凝縮器１８に貯溜する凝縮水の大部分を回収タンク４０に排水した後、ステップＳ１に再帰する。
【００３７】
ここで、ステップＳ２において、制御部４３は凝縮器１８内に貯溜する凝縮水の液位が閾値を超えていないと判断すると（ステップＳ２；ＮＯ）、排水弁３６を閉弁し、凝縮器１８の排水経路（排水路３３）を遮水する（ステップＳ６）。次いで、液位センサ２５のセンサ出力信号をチェックし、気液分離器２４内部に貯溜する凝縮水の液位が閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ７）。凝縮水の液位が閾値を超えている場合は（ステップＳ７；ＹＥＳ）、排水弁３７を開弁し、気液分離器２４の排水経路（排水路３４）を通水状態とする一方、排水弁３８を閉弁し、気液分離器３１の排水経路（排水路３５）を遮水する（ステップＳ８）。制御部４３はこの状態をＴ２秒間維持し（ステップＳ９）、気液分離器２４に貯溜する凝縮水の大部分を回収タンク４０に排水した後、ステップＳ１に再帰する。
【００３８】
また、ステップＳ７において、制御部４３は気液分離器２４内に貯溜する凝縮水の液位が閾値を超えていないと判断すると（ステップＳ７；ＮＯ）、排水弁３６，３７を閉弁し、凝縮器１８と気液分離器２４の排水経路（排水路３３，３４）を遮水する（ステップＳ１０）。次いで、液位センサ３２のセンサ出力信号をチェックし、気液分離器３１内に貯溜する凝縮水の液位が閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ１１）。凝縮水の液位が閾値を超えている場合は（ステップＳ１１；ＹＥＳ）、排水弁３８を開弁し、気液分離器３１の排水経路（排水路３５）を通水状態とする（ステップＳ１２）。制御部４３はこの状態をＴ３秒間維持し（ステップＳ１３）、気液分離器３１に貯溜する凝縮水の大部分を回収タンク４０に排水した後、ステップＳ１に再帰する。
【００３９】
一方、ステップＳ１１において、制御部４３は気液分離器３１内に貯溜する凝縮水の液位が閾値を超えてないと判断すると（ステップＳ１１；ＮＯ）、排水弁３８を閉弁し（ステップＳ１４）、ステップＳ１に再帰する。また、ステップＳ１において、制御部４３は上位コントローラからシステム停止信号を受信すると（ステップＳ１；ＹＥＳ）、遮断弁２３を開弁してガス流路２２から燃料ガスを排気する一方、遮断弁２１を閉弁して燃料電池２７への燃料ガスの供給を停止する（ステップＳ５）。制御部４３はステップＳ５の処理ステップを終了すると、ステップＳ６以降の処理ステップを順次実行する。
【００４０】
以上、説明したように本実施形態によれば、回収タンク４０に凝縮水を回収する際に、排水弁３６，３７，３８が同時に二以上開弁しないよう弁機構を制御する構成であるため、凝縮器１８，気液分離器２４，３１相互間が排水系統を通じて通水することがなく、凝縮器１８，気液分離器２４，３１相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。また、逆止弁を用いないため、システム全体のエネルギー損失を低減しつつ、凝縮水の逆流を防止することができる。
【００４１】
尚、本発明は上述の構成に限られるものではなく、例えば、凝縮器１８，気液分離器２４，３１の排水経路の各々に連通する３つの入力ポートと、回収タンク４０に連通する１つの出力ポートを具備する切換弁を排水系統に設け、出力ポートに連通すべき入力ポートの切換制御を行うことで、凝縮器１８，気液分離器２４，３１相互間が排水系統を通じて通水しないように回収タンク４０への排水を行うように制御してもよい。もとより、排水弁と上述の切換弁を適宜組み合わせて排水系統内に配設してもよい。また、本発明は燃料電池システムに限らず、水分含有ガスを気液分離した凝縮水を貯溜手段に排水する機構を備えた任意の凝縮水排水システムに応用できる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、気液分離手段から貯溜手段へ凝縮水を排水する際に、気液分離手段相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図２】本実施形態の排水弁制御処理ルーチンを記述したフローチャートである。
【図３】従来の燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
１０…燃料改質装置
１７，２０，２６，２８…ガス流路
１８…凝縮器
２４，３１…気液分離器
３３，３４，３５…排水路
３６，３７，３８…排水弁
４０…回収タンク
４３…制御部
【発明の属する技術分野】
本発明は水分含有ガスから気液分離した凝縮水の回収技術に関し、特に、燃料電池へ供給される燃料ガスから気液分離した凝縮水の回収技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来の燃料電池システムのシステム構成図である。同図に示すように、燃料電池システムは、主に、原燃料を改質して燃料ガスを生成する燃料改質装置６０と、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池７７と、燃料ガスに含まれる水蒸気成分を冷却して凝縮水を回収する凝縮器６８と、燃料ガスに含まれる水分を気液分離する気液分離器７４，８１と、凝縮水を回収する回収タンク８７と、システム制御を行う制御部９０を備えて構成されている。
【０００３】
燃料改質装置６０は原燃料を蒸気化して原燃料ガスを生成する蒸発部６１と、原燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質部６２と、燃料ガスのＣＯ濃度を低下させるためのＣＯ低減部６３を備えて構成されている。改質部６２においてメタノールを原燃料として水蒸気改質を行うと、下記の（１）式に示すメタノール分解反応と、（２）式に示す一酸化炭素のシフト反応とが同時に進行し、全体として（３）式に示す改質反応が生じる。
ＣＨ３ＯＨ → ＣＯ＋２Ｈ２−９０．０ｋＪ／ｍｏｌ …（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋Ｈ２＋４０．５ｋＪ／ｍｏｌ …（２）
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋３Ｈ２−４９．５ｋＪ／ｍｏｌ …（３）
（３）式の改質反応は２５０℃〜３００℃の温度環境下で進行し、この反応で生成される燃料ガスには多量の高温水蒸気が含まれている。システム運転時に燃料改質装置６０から遮断弁６４、逆止弁６５、及び流量調整弁６６を経てガス流路６７に流下する燃料ガスは１００℃前後に加熱しているため、凝縮器６８において６０℃〜８０℃の温度範囲に降温されて凝縮水が除去されるとともに、凝縮器６８からガス流路７０、遮断弁７１を経て気液分離器７４へ流下し、含有水分が除去される。上記の経路を経て燃料電池７７のアノード極に供給された燃料ガスは電池反応に供した後、水素オフガスとなって流量調整弁７９、逆止弁８０を経てガス流路７８を流下し、気液分離器８１においてさらに含有水分が除去される。
【０００４】
制御部９０はＣＰＵ９３、ＲＯＭ９２、ＲＡＭ９４を備えて構成されるコンピュータシステムであり、凝縮器６８、気液分離器７４，８１に備えられている液位センサ６９，７５，８２からのセンサ出力信号を入出力ポート９５を介して取り込み、凝縮器６８、気液分離器７４，８１内に貯溜する凝縮水の液位が所定値になったことを検出すると、排水弁８６を開弁制御し、凝縮器６８、気液分離器７４，８１の各々から排水路８３，８４，８５を介して回収タンク８７へ凝縮水を排水する。回収タンク８７には排気用のリリーフ弁８８が備えられており、内圧を調整できるよう構成されている。
【０００５】
尚、酸素を含有する酸化ガスはガス流路８９から燃料電池７７のカソード極に供給され、電池反応に供した後、酸素オフガスとなってガス流路９１を経て排出される。また、ガス流路７０には排気用のガス流路７２が分岐しており、システム停止時には、遮断弁７３が開弁する一方で、遮断弁７１が閉弁することにより、燃料ガスを排気できるよう構成されている。
【０００６】
燃料電池システムの凝縮水を回収する技術として、特開２００１−１９９７０２号公報（特許文献１）には、改質部、変性部、浄化部、ガス排出部などの燃料ガス経路に凝縮水排出口を設け、システム起動時の不活性ガス注入によるパージ圧力又は凝縮水の自重滴下により凝縮水を回収する技術が提案されている。また特開昭６２−１６５８７０号公報（特許文献２）には、燃料電池の上流側に配設された気液分離器と、燃料電池の流下側に配設されたリザーブタンクからの排水を、圧損部を介して行う技術が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１９９７０２号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開昭６２−１６５８７０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、システム運転時に燃料改質装置６０から燃料電池７７に供給される燃料ガスは流量調整弁６６で一定のガス圧に昇圧されるが、ガス流路６７，７０，７６，７８を流下する過程において、配管内の空気分子や配管内壁或いは各種の弁機構との衝突を繰り返すことで、分子エネルギーが次第に減少し、圧力損失が生じる。ダルシー・ワイスバッハの式によれば、圧力損失は配管内径に反比例し、管内平均流速の二乗と配管長に比例することが知られている。従って、ガス流路６７，７０，７６，７８の配管長が長く、配管径が小さいほど圧力損失は大きくなる。また、凝縮器６８、気液分離器７４，８１内に貯溜する凝縮水を排水すると、ガス収容空間容積が増大するため、ガス圧がさらに低下する。凝縮器６８のガス圧力をＰ１、気液分離器７４のガス圧力をＰ２、気液分離器８１のガス圧力をＰ３とすれば、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３となる。このため、図３に示すように、排水路８３，８４，８５から成る配管系統を下流側で合流させ、相互に通水可能に構成すると、凝縮器６８、気液分離器７４，８１相互間の差圧によって、凝縮水が内圧の低い気液分離器７４，８１へ逆流してしまう不都合が生じていた。
【００１０】
一方、システム停止時には、遮断弁７１及び圧力調整弁７９を閉弁し、遮断弁７３を開弁して燃料改質装置６０のガス圧を降圧させるため、凝縮器６８の内圧は気液分離器７４の内圧よりも低下し、Ｐ２＞Ｐ１≧Ｐ３となる。この場合においても、凝縮器６８、気液分離器７４，８１相互間の差圧によって、凝縮水が内圧の低い気液分離器８１又は凝縮器６８へ逆流してしまう不都合が生じていた。
【００１１】
このような不都合を回避するため、凝縮水の逆流防止のための逆止弁を設けることも考えられるが、圧力損失がさらに増大するため、システム全体のガス圧をその分だけ大きく設定しなくてはならなくなり、エネルギー損失も増大する。
【００１２】
そこで、本発明は水分含有ガスから気液分離した凝縮水を排水する際に、水分含有ガスのガス流路各部の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止する凝縮水排水システムを提供することを課題とする。また、本発明は燃料ガスから気液分離した凝縮水を排水する際に、燃料ガスのガス流路各部の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止する燃料電池システムを提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の凝縮水排水システムは、水分含有ガスのガス流路に沿って少なくとも２以上配設された気液分離手段と、前記水分含有ガスから気液分離された凝縮水を貯溜するための貯溜手段と、前記気液分離手段の各々から前記貯溜手段へ前記凝縮水を排水するための排水経路を構成する排水系統と、前記排水系統に配設された弁機構と、選択された何れか一つの気液分離手段から前記貯溜手段へ至る排水経路を確立するよう前記弁機構を制御する制御部と、を備える。かかる構成により、二以上の気液分離手段から貯溜手段へ至る排水経路が同時に確立しないよう弁機構が制御されるため、気液分離手段相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。
【００１４】
好ましくは、前記制御部は、前記気液分離手段の各々が前記排水系統を通じて相互に通水しないように前記弁機構を制御する。かかる構成により、気液分離手段相互間が排水系統を通じて遮水されるため、気液分離手段相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。
【００１５】
好ましくは、前記制御部は、前記ガス流路の上流側に配設された気液分離手段と前記ガス流路の下流側に配設された気液分離手段とが前記排水系統を通じて相互に通水しないように前記弁機構を制御する。かかる構成により、気液分離手段相互間が排水系統を通じて遮水されるため、ガス流路の上流側に配設された気液分離手段と、ガス流路の下流側に配設された気液分離手段相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。
【００１６】
好ましくは、前記弁機構は、前記気液分離手段の各々から前記貯溜手段へ至る各々の排水経路につき少なくとも１以上配設された排水弁を含み、前記制御部は、二以上の排水経路に配設された排水弁が全て同時に開弁しないよう前記弁機構を制御する。かかる構成により、二以上の排水経路に配設された排水弁が全て同時に開弁することによる凝縮水の逆流を防止できる。
【００１７】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスのガス流路に沿って少なくとも２以上配設された気液分離手段と、前記燃料ガスから気液分離された凝縮水を貯溜するための貯溜手段と、前記気液分離手段の各々から前記貯溜手段へ前記凝縮水を排水するための排水経路を構成する排水系統と、前記排水系統に配設された弁機構と、選択された何れか一つの気液分離手段から前記貯溜手段へ至る排水経路を確立するよう前記弁機構を制御する制御部と、を備える。かかる構成により、二以上の気液分離手段から貯溜手段へ至る排水経路が同時に確立しないよう弁機構が制御されるため、気液分離手段相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。
【００１８】
好ましくは、前記制御部は、前記気液分離手段の各々が前記排水系統を通じて相互に通水しないように前記弁機構を制御する。かかる構成により、気液分離手段相互間が排水系統を通じて遮水されるため、気液分離手段相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。
【００１９】
好ましくは、前記制御部は、前記ガス流路の上流側に配設された気液分離手段と前記ガス流路の下流側に配設された気液分離手段とが前記排水系統を通じて相互に通水しないように前記弁機構を制御する。かかる構成により、気液分離手段相互間が排水系統を通じて遮水されるため、ガス流路の上流側に配設された気液分離手段と、ガス流路の下流側に配設された気液分離手段相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。
【００２０】
好ましくは、前記弁機構は、前記気液分離手段の各々から前記貯溜手段へ至る各々の排水経路につき少なくとも１以上配設された排水弁を含み、前記制御部は、二以上の排水経路に配設された排水弁が全て同時に開弁しないよう前記弁機構を制御する。かかる構成により、二以上の排水経路に配設された排水弁が全て同時に開弁することによる凝縮水の逆流を防止できる。
【００２１】
好ましくは、前記燃料ガスは原燃料を水蒸気改質した水素リッチガスである。水蒸気改質した燃料ガスには多量の高温水蒸気が含まれているため、燃料電池に供給する前段階で適度に水分除去するのが望ましく、本発明に好適である。
【００２２】
好ましくは、前記気液分離手段は、前記原燃料を水蒸気改質して前記燃料ガスを生成する燃料改質装置から燃料電池へ燃料ガスを供給するガス流路に配設されている。燃料改質装置から燃料電池へ供給される燃料ガスには多量の高温水蒸気が含まれているため、燃料電池に供給する前段階で適度に水分除去するのが望ましく、本発明に好適である。
【００２３】
好ましくは、前記気液分離手段は、前記燃料電池から排出される水素オフガスのガス流路に配設されている。水素オフガスは原燃料を蒸気化するための燃焼燃料として再利用できるため、気液分離手段で気液分離するのが望ましく、本発明に好適である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、各図を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
【００２５】
図１は本実施形態の燃料電池システムの構成図である。ここでは、説明の便宜上、燃料ガスに含まれる水分を気液分離した凝縮水の回収経路を中心とする主要部分を図示している。同図に示すように、燃料電池システムは、主に、原燃料を改質して燃料ガスを生成する燃料改質装置１０と、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池２７と、燃料ガスに含まれる水蒸気成分を冷却して凝縮水を回収する凝縮器１８と、燃料ガスに含まれる水分を気液分離する気液分離器２４，３１と、凝縮水を貯溜する回収タンク（リザーブタンク）４０と、燃料電池システムの制御処理を実行する制御部４３を備えて構成されている。
【００２６】
燃料改質装置１０は、原燃料を蒸気化させて原燃料ガスを生成する蒸発部１１と、原燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質部１２と、燃料ガス中に含まれている一酸化炭素を低減するＣＯ低減部１３とを備えて構成されている。蒸発部１１としては、原燃料と加熱媒体との間で熱交換を行い、原燃料を蒸気化する熱交換装置などが好適である。原燃料としては、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ５）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）、ガソリン、軽油、天然ガス、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）、ジメチルエーテル（ＣＨ３ＯＣＨ３）、アセトン（ＣＨ３Ｃ（＝Ｏ）ＣＨ３）などが好適である。
【００２７】
改質部１２の内部には、銅−亜鉛系触媒（Ｃｕ−Ｚｎ系触媒）、銅−亜鉛−クロム系触媒（Ｃｕ−Ｚｎ−Ｃｒ系触媒）、銅−亜鉛−アルミニウム系触媒（Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ系触媒）、亜鉛−クロム系触媒（Ｚｎ−Ｃｒ系触媒）などの改質触媒が充填されており、水蒸気改質、部分酸化改質、又はこれらを併用したオートサーマル改質を行う。部分酸化改質は発熱反応であるため、システム暖機時には発熱反応を伴う部分酸化改質を中心に行いつつ、暖機完了後には負荷追従性に優れたオートサーマル改質を行うのが望ましい。メタノールと水の混合溶液を原燃料として水蒸気改質を行うと、上述の（１）式〜（３）式の水蒸気改質反応が進行する。改質部１２に酸素を導入すると、（１）式〜（３）式の水蒸気改質反応に加えて（４）式の部分酸化改質反応が進行する。
ＣＨ３ＯＨ＋（１／２）Ｏ２ → ＣＯ２＋２Ｈ２＋１８９．５ｋＪ／ｍｏｌ …（４）
改質部１２の内部温度は電気触媒加熱ヒータなどの加熱作用によって、改質反応に適度な温度範囲に保たれている。メタノール改質を行う場合、水蒸気改質では２００℃〜３００℃、部分酸化改質では４００℃〜６００℃、オートサーマル改質では２００℃〜６００℃の温度範囲が好適である。原燃料ガスの改質反応を行っている改質部１２の内部には、高温水蒸気が充満しており、燃料ガスとともにＣＯ低減部１３に供給される。
【００２８】
ＣＯ低減部１３には一酸化炭素の選択酸化触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、或いはこれらを第１元素とした合金触媒を担持した担体が充填されている。ＣＯ低減部１３内部には、一酸化炭素の選択酸化反応に要する酸素を含有する精製用エアが供給される。燃料電池７７における電池反応を良好に促進するには、燃料ガス中の一酸化炭素濃度は数ｐｐｍ程度以下が望ましい。
【００２９】
燃料改質装置１０から燃料電池２７に燃料ガスを供給するための配管系統を構成するガス流路１７，２０，２６上には凝縮器１８と、気液分離器２４が配設されている。凝縮器１８は燃料ガスに含まれる水蒸気成分を冷却して結露させ、含有水分を凝縮水として回収する気液分離手段である。燃料改質装置１０から供給される燃料ガスには高温（例えば、１００℃前後）の水蒸気が多量に混入されているため、凝縮器１８としては、例えば、冷却水を還流させた冷却管に燃料ガスを接触させて熱交換方式により冷却する熱交換方式の凝縮器や、燃料ガスに冷却水を噴霧して燃料ガスを冷却し、飽和水を除去する冷却水噴霧式の凝縮器などが好適である。燃料ガスは凝縮器１８において低温（例えば、６０℃〜８０℃）に降温される。凝縮器１８には装置内部で凝縮した水滴の貯蔵量（液位）を計測するための液位センサ１９が設置されている。凝縮器１８の駆動電力として、燃料電池２７の運転中に生じる余剰電力を用いることができる。
【００３０】
ガス流路１７には上流側から流下側にかけて遮断弁１４、逆止弁１５、及び流量調整弁１６が配設されており、ガス流路１７を流下する燃料ガスは流量調整弁１６で所定のガス圧に昇圧された後、凝縮器１８に供給される。流量調整弁１６の弁開度は燃料電池２７の要求発電量に対応して適宜調整される。凝縮器１８で含有水部の大部分が凝縮された燃料ガスはガス流路２０を流下して気液分離器２４に導入される。気液分離器２４は燃料ガス中に含まれている水分をある程度除去し、燃料ガスを適度に加湿した状態で燃料電池２７に供給するために設けられた気液分離手段である。気液分離器２４としては、例えば、燃料ガスを旋回させてその遠心力によって水分を分離するサイクロン式分離器などが好適である。気液分離器２４には装置内部で気液分離した水滴の貯蔵量（液位）を計測するための液位センサ２５が設置されている。
【００３１】
尚、ガス流路２０には排気用のガス流路２２が分岐しており、システム停止時に遮断弁２３を開弁して燃料ガスを排出するとともに、遮断弁２１を閉弁して燃料電池２７への燃料ガスの供給を停止するように構成されている。
【００３２】
燃料電池２７には、ガス流路２６から水素リッチな燃料ガスが供給され、アノード極において（５）式の酸化反応が生じるとともに、ガス流路４１から酸素を含む酸化ガスが供給され、カソード極において（６）式の還元反応が生じる。燃料電池２７全体としては、（７）式の起電反応が生じる。燃料電池２７としては、固体高分子電解質型の燃料電池が好適である。高分子電解質型の燃料電池は、常温で起動できるために起動時間が短い、常温で高い電流密度が得られる、低負荷運転が可能、小型軽量化が可能といったメリットがあり、車両搭載用の燃料電池として優れた特性を備えている。高負荷状態では、高分子電解質膜を流れる電流密度が増加し、電気浸透現象による高分子電解質膜の乾燥が生じるため、燃料ガスと酸化ガスは適度に加湿していることが望ましい。
Ｈ２ → ２Ｈ＋＋２ｅ− …（５）
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ− → Ｈ２Ｏ …（６）
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２ → Ｈ２Ｏ …（７）
起電反応に供した燃料ガスは水素オフガスとなって燃料電池２７からガス流路２８を経由して排出される一方、起電反応に供した酸化ガスは酸素オフガスとなって燃料電池２７からガス流路４２を経由して排出される。ガス流路２８には、上流側から流下側にかけて流量調整弁２９、逆止弁３０、及び気液分離器３１が配設されている。燃料電池２７から排出される水素オフガスには水分が含有されているため、気液分離器３１にて気液分離される。気液分離器３１は気液分離器２４と同等の機能を有する気液分離手段である。気液分離器３１には装置内部で気液分離した水滴の貯蔵量（液位）を計測するための液位センサ３２が設置されている。気液分離器３１から排出される水素オフガスは前述の蒸発部１１において、原燃料（被加熱媒体）を加熱する燃焼ガス（加熱媒体）を生成するために再利用される。上述の凝縮器１８、気液分離器２４，３１のそれぞれにおいて気液分離された凝縮水は、凝縮水貯溜手段として機能する回収タンク４０へ排水される。回収タンク４０に集水された凝縮水には、高分子電解質膜の溶出や分解などによってフッ酸や硫酸などの多くの不純物が含まれているため、イオン交換樹脂などの濾過膜によって不純物が除去され、水蒸気改質の改質水などに利用される。
【００３３】
凝縮器１８と回収タンク４０との間の排水経路を構成する排水路３３には凝縮器１８内部に貯溜する凝縮水を排水する排水弁３６が配設されている。同様に、気液分離器２４と回収タンク４０との間の排水経路を構成する排水路３４には排水弁３７が配設され、気液分離器３１と回収タンク４０との間の排水経路を構成する排水路３５には排水弁３８が配設されている。上述の排水路３３，３４，３５によって燃料電池システムにおける凝縮水の排水系統が構築されている。回収タンク４０には排気用のリリーフ弁３９が備えられており、内圧を調整できるように構成されている。
【００３４】
燃料電池システムを制御する制御部４３は、マイクロコンピュータを中心としたコンピュータシステムとして構成されており、システム制御に必要な各種のプログラム（後述する排水弁制御処理ルーチンを含む）及び各種データを記憶したＲＯＭ４４と、ＲＯＭ４４に書き込まれているプログラムを読み取ってこれを実行するＣＰＵ４５と、ＣＰＵ４５のワークメモリとして機能するＲＡＭ４６と、上述した液位センサ１９，２５，３２のセンサ出力信号を取り込むとともに、排水弁３６，３７，３８，遮断弁１４，２１，２３，流量調整弁１６，２９の開閉制御を行うための各種制御信号を出力する入出力ポート４７を備えて構成されている。制御部２４には、図示しない上位コントローラからシステム起動／停止信号が入力される。
【００３５】
尚、本明細書において、「気液分離手段」とは、水分含有ガスから水分を気液分離する手段をいい、上述の凝縮器１８，気液分離器２４，３１を含む。本実施形態では、水分含有ガスとして燃料ガスを例示するが、酸化ガスやその他のガスであってもよい。また、「貯溜手段」とは、水分含有ガスから気液分離された凝縮水を貯溜するための手段をいい、上述の回収タンク４０を含む。貯溜手段は一つに限らず、二以上存在していてもよい。「排水経路」とは、各々の気液分離手段から貯溜手段へ凝縮水を排水するための経路をいい、一又は二以上の排水路から成る。「排水路」は特定の気液分離手段の排水経路を専用するものに限らず、二以上の気液分離手段の排水経路の一部を共用するものであってもよい。言い換えれば、二以上の排水経路が経路の途中で合流するものであってもよい。二以上の排水経路が経路の途中で合流する合流部を有するものである場合には、弁機構は気液分離手段と合流部との間に設けられる。つまり、本発明においては、任意の気液分離手段から他の気液分離手段に至る経路には少なくとも１以上の排水弁が配設されており、合流部から上流側で二以上の気液分離手段が相互に通水しないように構成されている。単一の気液分離手段から単一の貯溜手段へ至る排水経路は一つに限らず、二以上であってもよい。また、「排水系統」とは、全ての排水経路を総称するものとする。「弁機構」とは、排水系統に配設された二以上の排水弁を総称するものであり、排水弁の開閉制御を通じて排水路の通水状態と遮水状態を相互に切り換え、気液分離手段から貯溜手段へ至る排水経路の確立（通水）、遮断（遮水）、変更を制御する手段であり、上述の排水弁３６，３７，３８の他、後述する切換弁を含む。気液分離手段から貯溜手段に至る排水経路上に配設される排水弁は一つに限らず二以上であってもよい。
【００３６】
図２は燃料ガスから気液分離された凝縮水を回収タンク４０に排水するための排水弁制御処理ルーチンを記述したフローチャートである。制御部４３は主制御プログラム中で予め定められた一定のインターバルで発生する本ルーチンのイベント処理を繰り返し実行する。制御部４３は、本ルーチンへ移行すると、まず、上位コントローラからシステム停止信号を受信したか否かをチェックする（ステップＳ１）。システム停止信号を受信していない場合には（ステップＳ１；ＮＯ）、液位センサ１９のセンサ出力信号をチェックし、凝縮器１８内部に貯溜する凝縮水の液位が閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ２）。凝縮水の液位が閾値を超えている場合は（ステップＳ２；ＹＥＳ）、排水弁３６を開弁し、凝縮器１８の排水経路（排水路３３）を通水状態とする一方、排水弁３７，３８を閉弁し、気液分離器２４，３１の排水経路（排水路３４，３５）を遮水する（ステップＳ３）。このように、凝縮器１８，気液分離器２４，３１相互間を通水しないように排水系統の排水弁３６，３７，３８の開閉制御を行うことで、内圧の低い気液分離器２４，３１への凝縮水の逆流を防止し、凝縮器１８から回収タンク４０へ凝縮水の排水を行うことができる。制御部４３はこの状態をＴ１秒間維持し（ステップＳ４）、凝縮器１８に貯溜する凝縮水の大部分を回収タンク４０に排水した後、ステップＳ１に再帰する。
【００３７】
ここで、ステップＳ２において、制御部４３は凝縮器１８内に貯溜する凝縮水の液位が閾値を超えていないと判断すると（ステップＳ２；ＮＯ）、排水弁３６を閉弁し、凝縮器１８の排水経路（排水路３３）を遮水する（ステップＳ６）。次いで、液位センサ２５のセンサ出力信号をチェックし、気液分離器２４内部に貯溜する凝縮水の液位が閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ７）。凝縮水の液位が閾値を超えている場合は（ステップＳ７；ＹＥＳ）、排水弁３７を開弁し、気液分離器２４の排水経路（排水路３４）を通水状態とする一方、排水弁３８を閉弁し、気液分離器３１の排水経路（排水路３５）を遮水する（ステップＳ８）。制御部４３はこの状態をＴ２秒間維持し（ステップＳ９）、気液分離器２４に貯溜する凝縮水の大部分を回収タンク４０に排水した後、ステップＳ１に再帰する。
【００３８】
また、ステップＳ７において、制御部４３は気液分離器２４内に貯溜する凝縮水の液位が閾値を超えていないと判断すると（ステップＳ７；ＮＯ）、排水弁３６，３７を閉弁し、凝縮器１８と気液分離器２４の排水経路（排水路３３，３４）を遮水する（ステップＳ１０）。次いで、液位センサ３２のセンサ出力信号をチェックし、気液分離器３１内に貯溜する凝縮水の液位が閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ１１）。凝縮水の液位が閾値を超えている場合は（ステップＳ１１；ＹＥＳ）、排水弁３８を開弁し、気液分離器３１の排水経路（排水路３５）を通水状態とする（ステップＳ１２）。制御部４３はこの状態をＴ３秒間維持し（ステップＳ１３）、気液分離器３１に貯溜する凝縮水の大部分を回収タンク４０に排水した後、ステップＳ１に再帰する。
【００３９】
一方、ステップＳ１１において、制御部４３は気液分離器３１内に貯溜する凝縮水の液位が閾値を超えてないと判断すると（ステップＳ１１；ＮＯ）、排水弁３８を閉弁し（ステップＳ１４）、ステップＳ１に再帰する。また、ステップＳ１において、制御部４３は上位コントローラからシステム停止信号を受信すると（ステップＳ１；ＹＥＳ）、遮断弁２３を開弁してガス流路２２から燃料ガスを排気する一方、遮断弁２１を閉弁して燃料電池２７への燃料ガスの供給を停止する（ステップＳ５）。制御部４３はステップＳ５の処理ステップを終了すると、ステップＳ６以降の処理ステップを順次実行する。
【００４０】
以上、説明したように本実施形態によれば、回収タンク４０に凝縮水を回収する際に、排水弁３６，３７，３８が同時に二以上開弁しないよう弁機構を制御する構成であるため、凝縮器１８，気液分離器２４，３１相互間が排水系統を通じて通水することがなく、凝縮器１８，気液分離器２４，３１相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。また、逆止弁を用いないため、システム全体のエネルギー損失を低減しつつ、凝縮水の逆流を防止することができる。
【００４１】
尚、本発明は上述の構成に限られるものではなく、例えば、凝縮器１８，気液分離器２４，３１の排水経路の各々に連通する３つの入力ポートと、回収タンク４０に連通する１つの出力ポートを具備する切換弁を排水系統に設け、出力ポートに連通すべき入力ポートの切換制御を行うことで、凝縮器１８，気液分離器２４，３１相互間が排水系統を通じて通水しないように回収タンク４０への排水を行うように制御してもよい。もとより、排水弁と上述の切換弁を適宜組み合わせて排水系統内に配設してもよい。また、本発明は燃料電池システムに限らず、水分含有ガスを気液分離した凝縮水を貯溜手段に排水する機構を備えた任意の凝縮水排水システムに応用できる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、気液分離手段から貯溜手段へ凝縮水を排水する際に、気液分離手段相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図２】本実施形態の排水弁制御処理ルーチンを記述したフローチャートである。
【図３】従来の燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
１０…燃料改質装置
１７，２０，２６，２８…ガス流路
１８…凝縮器
２４，３１…気液分離器
３３，３４，３５…排水路
３６，３７，３８…排水弁
４０…回収タンク
４３…制御部
Claims (11)
- 水分含有ガスのガス流路に沿って少なくとも２以上配設された気液分離手段と、
前記水分含有ガスから気液分離された凝縮水を貯溜するための貯溜手段と、
前記気液分離手段の各々から前記貯溜手段へ前記凝縮水を排水するための排水経路を構成する排水系統と、
前記排水系統に配設された弁機構と、
選択された何れか一つの気液分離手段から前記貯溜手段へ至る排水経路を確立するよう前記弁機構を制御する制御部と、
を備える、凝縮水排水システム。 - 前記制御部は、前記気液分離手段の各々が前記排水系統を通じて相互に通水しないように前記弁機構を制御する、請求項１に記載の凝縮水排水システム。
- 前記制御部は、前記ガス流路の上流側に配設された気液分離手段と前記ガス流路の下流側に配設された気液分離手段とが前記排水系統を通じて相互に通水しないように前記弁機構を制御する、請求項２に記載の凝縮水排水システム。
- 前記弁機構は、前記気液分離手段の各々から前記貯溜手段へ至る各々の排水経路につき少なくとも１以上配設された排水弁を含み、
前記制御部は、二以上の排水経路に配設された排水弁が全て同時に開弁しないよう前記弁機構を制御する、請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の凝縮水排水システム。 - 燃料ガスのガス流路に沿って少なくとも２以上配設された気液分離手段と、
前記燃料ガスから気液分離された凝縮水を貯溜するための貯溜手段と、
前記気液分離手段の各々から前記貯溜手段へ前記凝縮水を排水するための排水経路を構成する排水系統と、
前記排水系統に配設された弁機構と、
選択された何れか一つの気液分離手段から前記貯溜手段へ至る排水経路を確立するよう前記弁機構を制御する制御部と、
を備える、燃料電池システム。 - 前記制御部は、前記気液分離手段の各々が前記排水系統を通じて相互に通水しないように前記弁機構を制御する、請求項５に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記ガス流路の上流側に配設された気液分離手段と前記ガス流路の下流側に配設された気液分離手段とが前記排水系統を通じて相互に通水しないように前記弁機構を制御する、請求項６に記載の燃料電池システム。
- 前記弁機構は、前記気液分離手段の各々から前記貯溜手段へ至る各々の排水経路につき少なくとも１以上配設された排水弁を含み、
前記制御部は、二以上の排水経路に配設された排水弁が全て同時に開弁しないように前記弁機構を制御する、請求項５乃至請求項７のうち何れか１項に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料ガスは原燃料を水蒸気改質した水素リッチガスである、請求項５乃至請求項８のうち何れか１項に記載の燃料電池システム。
- 前記気液分離手段は、前記原燃料を水蒸気改質して前記燃料ガスを生成する燃料改質装置から燃料電池へ燃料ガスを供給するガス流路に配設されている、請求項９に記載の燃料電池システム。
- 前記気液分離手段は、前記燃料電池から排出される水素オフガスのガス流路に配設されている、請求項１０に記載の燃料電池システム。
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