JP2006048987A - Fuel cell device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池装置に関し、特に、水回収時における未反応燃料ガスの漏出を抑制するための改良技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell device, and more particularly to an improved technique for suppressing leakage of unreacted fuel gas during water recovery.
図3は従来の燃料電池評価装置80の主要構成を示している。燃料電池20のアノード極には燃料ガス流路31を介して燃料ガス(水素)が供給され、カソード極には酸化ガス流路41を介して酸化ガス(酸素)が供給される。燃料ガスと酸化ガスのそれぞれはマスフローコントローラ51,61によって流量制御され、加湿器52,62によって適度に加湿された後、ヒータ53,63によって昇温される。電池反応に供した後の水素オフガス(アノードオフガス)、酸素オフガス(カソードオフガス)はそれぞれ燃料ガス排出流路32、酸化ガス排出流路42を通じて燃料電池20から排出され、気液分離器70によって気液分離される。気液分離器70を通過した水素オフガス、酸素オフガスは更にドレンポッド(貯水部)54,64に流入し、残留水分が摘出された後に、燃料ガス排出流路34、酸化ガス排出流路43を通じて排気される。水素オフガス、酸素オフガスのそれぞれの背圧は背圧弁A1,A2によって調圧される。ところで、水素オフガス、酸素オフガスには電池反応で生じた水分等が含まれているため、燃料電池20からのオフガスを気液分離器70やドレンポッド54,64を介さずに直接に背圧弁A1,A2に導くと、背圧弁A1,A2のオリフィスに水分が次第に溜まり始めて液膜を形成する。その液膜がある程度成長すると、背圧の影響で吹き飛ばされて、予期しない背圧変動が生じる虞がある。このため、燃料電池20と背圧弁A1,A2との間にはオフガスから水分を除去するための気液分離器70とドレンポッド54,64が設置されている。ドレンポッド54,64に貯溜するサンプル水は排水弁A5,A6を開弁することにより回収され、成分分析に利用される。
FIG. 3 shows the main configuration of a conventional fuel
尚、燃料電池の水回収装置に関する他の従来技術として、例えば、特開平8−195209号、特開平8−195215号が知られている。特開平8−195215号には燃料電池に接続する反応ガス流路から下方に分岐して連通する第1のタンクと、この第1のタンクの下部に連通する第2のタンクを設置し、更にこれら各タンクを連通する流路に第1のバルブを設置し、第2のタンクの流出口側に第2のバルブを設置しておき、第1のバルブと第2のバルブを交互に開閉することで、反応ガスに含まれる水分を排水する構成が開示されている。第1のタンクの流入口には気体の透過を阻止し、且つ水分の透過を許容する透水性遮蔽板(親水性多孔質板)が設置されており、第2のタンクからの排水の際に水素ガスがシステム外に排気されないように構成されている。
しかし、図3に示した構成では、背圧弁A1,A2の上流側にドレンポッド54,64を設置しているため、ドレンポッド54,64に貯溜したサンプル水を試験中(電池運転中)に採取してしまうと、ドレンポッド54,64内の容積が変化することにより圧力変動が生じ、背圧制御に影響を及ぼしてしまう。更に、ドレンポッド54内には水素ガスが充満しているため、試験中にドレンポッド54に貯溜したサンプル水を完全に抜いてしまうと、水素ガスが排水弁A5を通じてシステム外に漏出してしまう虞がある。このような不都合を回避するには、試験を中止してドレンポッド54内に充満した水素を窒素に置換してから排水弁A5を開弁してサンプル水を回収する必要があるが、これでは試験効率が低下してしまう。
However, in the configuration shown in FIG. 3, since the
また、特開平8−195215号に開示された構成では、第2のタンクが満水になる前に排水すると、水素ガスが水とともにシステム外に排出されてしまう虞がある。更に、第2のタンクが満水にならないと排水しないように構成されているため、任意のタイミングで排水することができない。しかも、透水性遮蔽板によってガスの透過を防ぐには透水性遮蔽板の透孔全てが水分で閉塞している必要があるが、各タンクに供給される水の量が少ない場合には、透水性遮蔽板の透孔が閉塞されずに水素ガスが各タンクに充満する虞がある。 Further, in the configuration disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-195215, if the second tank is drained before it is full, hydrogen gas may be discharged out of the system together with water. Further, since the second tank is configured not to drain unless it is full, it cannot be drained at an arbitrary timing. Moreover, in order to prevent gas permeation by the water-permeable shielding plate, it is necessary that all the through holes of the water-permeable shielding plate are closed with moisture, but when the amount of water supplied to each tank is small, There is a possibility that the hydrogen gas is filled in each tank without blocking the through hole of the conductive shielding plate.
そこで、本発明は燃料電池内で生成された水を回収する上で生成水量が少ない場合であっても、未反応燃料ガスをシステム外に排出することなく、任意のタイミングで生成水を回収することのできる燃料電池装置及び燃料電池評価装置を提案することを課題とする。 Therefore, the present invention recovers the generated water at an arbitrary timing without discharging unreacted fuel gas outside the system even when the amount of generated water is small in recovering the water generated in the fuel cell. It is an object of the present invention to propose a fuel cell device and a fuel cell evaluation device that can be used.
上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池装置は、燃料電池から排出される未反応燃料ガスを流すための燃料ガス排出流路に連通して未反応燃料ガスに含まれる水分を貯溜する貯水部と、貯水部に貯溜された水を排水する際に貯水部を燃料ガス排出流路から遮断する遮断手段と、燃料ガス排出流路から遮断された貯水部に含まれる未反応燃料ガスを燃料ガス排出流路に排出する排出手段とを備える。貯水部から水を回収する際に貯水部と燃料ガス排出流路を遮断し、貯水部に充満する未反応燃料ガスを燃料ガス排出流路に排出することで、未反応燃料ガスをシステム外に漏出することなく、生成水を任意のタイミングで排水することができる。また、本発明の燃料電池装置を車両に搭載した場合には燃料電池装置内に保持する水の量を減らすことができるため、燃費向上が可能である。 In order to solve the above-described problem, the fuel cell device of the present invention stores water contained in unreacted fuel gas in communication with a fuel gas discharge channel for flowing unreacted fuel gas discharged from the fuel cell. A water storage section, a blocking means for blocking the water storage section from the fuel gas discharge flow path when draining water stored in the water storage section, and an unreacted fuel gas contained in the water storage section blocked from the fuel gas discharge flow path. A discharge means for discharging to the fuel gas discharge flow path. When collecting water from the water storage unit, the water storage unit and the fuel gas discharge channel are shut off, and the unreacted fuel gas that fills the water storage unit is discharged to the fuel gas discharge channel. The generated water can be drained at an arbitrary timing without leaking. Further, when the fuel cell device of the present invention is mounted on a vehicle, the amount of water retained in the fuel cell device can be reduced, so that fuel efficiency can be improved.
ここで、排出手段としては、貯水部に内在する未反応燃料ガスを不活性ガスに置換する手段が望ましい。燃料ガス排出流路と遮断された貯水部に不活性ガスをパージすることによって、未反応燃料ガスを容易に排出できる。 Here, as the discharging means, a means for replacing the unreacted fuel gas present in the water reservoir with an inert gas is desirable. Unreacted fuel gas can be easily discharged by purging the inert gas into the water reservoir that is disconnected from the fuel gas discharge channel.
本発明の燃料電池装置は燃料電池と貯水部との間の燃料ガス排出流路に燃料ガスの背圧を調圧する背圧弁が配設されている。貯水部の上流側に背圧弁を設置することで、貯水部からの水回収に伴う貯水部内の圧力変動が背圧弁の背圧制御に影響を与える虞がない。 In the fuel cell device of the present invention, a back pressure valve for regulating the back pressure of the fuel gas is disposed in the fuel gas discharge passage between the fuel cell and the water storage section. By installing the back pressure valve on the upstream side of the water storage section, there is no possibility that the pressure fluctuation in the water storage section accompanying the water recovery from the water storage section will affect the back pressure control of the back pressure valve.
本発明の燃料電池評価装置は本発明の燃料電池装置と、貯水部から回収した水分の成分を分析する分析手段を備える。燃料電池内で生じた水の成分分析を行うことで、燃料電池の特性評価を行える。また、生成水を任意のタイミングで排水できるため、時系列での詳細な分析評価が可能である。 The fuel cell evaluation apparatus of the present invention includes the fuel cell apparatus of the present invention and analysis means for analyzing a component of water recovered from the water storage unit. By analyzing the components of the water produced in the fuel cell, the characteristics of the fuel cell can be evaluated. In addition, since the generated water can be drained at an arbitrary timing, detailed analysis and evaluation in time series is possible.
本発明によれば、貯水部から水を回収する際に貯水部と燃料ガス排出流路を遮断し、貯水部に内在する未反応燃料ガスを燃料ガス排出流路に排出することで、未反応燃料ガスをシステム外に漏出することなく、生成水を任意のタイミングで排水することができる。 According to the present invention, when collecting water from the water storage unit, the water storage unit and the fuel gas discharge channel are shut off, and the unreacted fuel gas existing in the water storage unit is discharged to the fuel gas discharge channel, thereby allowing unreacted The generated water can be drained at an arbitrary timing without leaking the fuel gas outside the system.
図1、図2は本実施形態の燃料電池評価装置10の構成図である。図3に付した符号と同一符号の装置等は同一の装置等を示すものとし、その詳細な説明は省略する。図中、各種の配管系統において、実線はガス(水素ガス、酸素ガス、不活性ガス等)又は液体(サンプル水等)が流れている部位を示し、点線はガス又は液体が流れていない部位を示している。
1 and 2 are configuration diagrams of a fuel
燃料電池評価装置10のアノード側の水回収系統は、サンプルポッド(貯水部)55とドレンポッド54を多段接続(縦続接続)した二段構成を備えている。水素オフガス(未反応燃料ガス)の排出経路には三方弁A3が設置されており、水素オフガスの排出経路を切り替え可能に構成している。三方弁A3のポートP1は燃料ガス排出流路32に、ポートP2はサンプルポッド55に、ポートP3は燃料ガス排出流路34に、それぞれ連通している。燃料ガス排出流路34はポートP3とドレンポッド54を接続し、ドレンポッド54に内在する水素オフガスをシステム外に排気するように構成されている。燃料ガス排出流路33はサンプルポッド55に導入された水素オフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、その下流において燃料ガス排出流路34に合流している。燃料ガス排出流路33,34の下流には水素オフガスの逆流を抑制するための逆止弁A7,A8が設置され、更にその下流側には水素オフガスを十分な低濃度に希釈するための希釈器(図示せず)が設置されている。また、サンプルポッド55にはポッド内の水素オフガスを不活性ガス(窒素ガス、アルゴンガス等)に置換し、水素オフガスを燃料ガス排出流路33に排出するための不活性ガス流路35が連通している。
The water recovery system on the anode side of the fuel
次に、サンプル水の回収操作について説明する。通常運転時には、図1に示すように、ポートP1とポートP2を連通し、ポートP3を閉弁することによって、水素オフガスをサンプルポッド55内に導き、水素オフガスに含まれている水分をサンプルポッド55内に貯溜する。燃料ガス排出流路32を通じてサンプルポッド55内に導入された水素オフガスは燃料ガス排出流路33を通じてシステム外に排出される。このようにしてサンプルポッド55内に貯溜されたサンプル水を回収するには、図2に示すように、ポートP1とポートP3を連通し、ポートP2を閉弁することによって、水素オフガスをドレンポッド54内に導き、水素オフガスをドレンポッド55内に貯留する。燃料ガス排出流路32を通じてドレンポッド54内に導入された水素オフガスは燃料ガス排出流路34を通じてシステム外に排出される。このようにして、水素オフガスの排出経路が切り替えられたならば、遮断弁A4を開弁してサンプルポッド55内に不活性ガスを導入し、サンプルポッド55内に内在する水素オフガスを不活性ガスに置換する。これにより、サンプルポッド55内に内在していた水素オフガスは燃料ガス排出流路33に押し流され、システム外に排気される。サンプルポッド55内の水素オフガスが不活性ガスに置換されたところで、排水弁A5を開き、サンプル水を回収する。回収されたサンプル水は分析手段71によって成分分析され、燃料電池20の特性評価に用いられる。このように、三方弁A3はサンプルポッド55と燃料ガス排出流路32との連通を遮断する遮断手段として機能し、不活性ガス流路35と遮断弁A4はサンプルポッド55から水素オフガスを排出する排出手段として機能する。
Next, a sample water recovery operation will be described. During normal operation, as shown in FIG. 1, by connecting ports P1 and P2 and closing port P3, hydrogen offgas is introduced into the
燃料電池評価装置10は上述の構成に加えて、燃料ガスの背圧を調整する背圧弁A1を燃料電池20のアノード側出口とサンプルポッド55との間(サンプルポッド55の前段若しくは上流側)に配設し、酸化ガスの背圧を調整する背圧弁A2を燃料電池20のカソード側出口とドレンポッド64との間(ドレンポッド64の前段若しくは上流側)に配設している。かかる構成により、サンプルポッド55とドレンポッド64のそれぞれからサンプル水を回収する際に、サンプルポッド55とドレンポッド64の水位低下に伴う圧力変化が背圧弁A1,A2に影響を及ぼすことがない。
In addition to the above-described configuration, the fuel
また、燃料電池20のアノード側出口又はカソード側出口と背圧弁A1,A2との間にヒータ53,63を設置し、水素オフガス又は酸素オフガスを適度に保温することで、背圧弁A1,A2への水分供給を抑制できる。背圧弁A1,A2に水分が供給されると、背圧弁A1,A2のオリフィスに水分が溜まり始めて液膜が形成されるが、その液膜がある程度成長すると、背圧の影響で吹き飛ばされて、予期しない背圧変動が生じる虞があるため、背圧弁A1,A2への水分供給は出来るだけ抑制するのが好ましい。ヒータ53,63の加熱能力としては、オフガスを適度に保温し、オフガス含有水分が結露しない程度の温度に昇温させることができるものが望ましい。オフガス温度としては、例えば、90℃前後が好適である。また、ヒータ53,63の取り付け位置としては、燃料電池20と背圧弁A1,A2との間(更には、加湿器52,62と燃料電池20との間)に出来るだけ均等に設置し、ガス温度に温度分布が生じないように構成するのが望ましい。ヒータ53,63としては、例えば、リボンヒータを用いることにより、燃料ガス排出流路32、酸化ガス排出流路42に巻回するなどして容易に取り付けることができる。燃料ガス排出流路32、酸化ガス排出流路42としては、ヒータ加熱に適した熱伝導性に優れたものが好適である。
Further,
本実施形態によれば、サンプルポッド55内に内在する水素オフガスを不活性ガスで置換してからサンプル水を回収する構成であるため、サンプル水回収時に水素オフガスがシステム外に漏出する虞がない。また、本発明の燃料電池装置を車両に搭載した場合には燃料電池装置内に保持する水の量を減らすことができるため、燃費向上が可能である。更にサンプル水を回収するための条件として、サンプルポッド55が満水になることを要しないため、任意のタイミングでサンプル水を回収できる。また、分析手段71によってサンプル水を成分分析する場合に、時系列での詳細な評価が可能になる。また、背圧弁A1,A2をサンプルポッド55又はドレンポッド64の上流側に配設することにより、サンプル水回収時に背圧弁A1,A2の背圧制御に影響を及ぼすことがない。
According to the present embodiment, the configuration is such that the sample water is recovered after replacing the hydrogen offgas present in the
10…燃料電池評価装置 20…燃料電池 32,33,34…燃料ガス排出流路 42…酸化ガス排出流路 54…ドレンポッド 55…サンプルポッド 64…ドレンポッド 71…分析手段 A1,A2…背圧弁 A3…三方弁 A4…遮断弁 A5,A6…排水弁
DESCRIPTION OF
Claims (4)
A fuel cell evaluation device comprising: the fuel cell device according to any one of claims 1 to 3; and an analysis unit that analyzes a component of moisture recovered from the water storage unit.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2004225337A JP2006048987A (en) | 2004-08-02 | 2004-08-02 | Fuel cell device |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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Family Applications (1)
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR101072486B1 (en) | 2009-12-17 | 2011-10-11 | 인제대학교 산학협력단 | intake temperature and humidity control device and method for fuel cell |
JP2013229183A (en) * | 2012-04-25 | 2013-11-07 | Kyocera Corp | Fuel battery device |
JP2014146555A (en) * | 2013-01-30 | 2014-08-14 | Kyocera Corp | Fuel cell device |
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2004
- 2004-08-02 JP JP2004225337A patent/JP2006048987A/en not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2013229183A (en) * | 2012-04-25 | 2013-11-07 | Kyocera Corp | Fuel battery device |
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Legal Events
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