JP2006164837A - 固体高分子型燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 システム中で発生する水を分離回収して、安定な発電が行えるようにする。
【解決手段】 水分離回収装置２０を設けて燃料ガス導入管、空気導入管、ガス排出管、空気排出管、燃料電池本体等における凝縮水等を分離回収する。この水分離回収装置２０は、燃料ガス導入管１４ａ等の配管を流動する水を分離回収する水分離回収管２１、分離回収した水の流量を抑制する排水抑制部２２、回収した水を貯留する回収水貯留槽２３、該回収水貯留槽２３に貯留された水を再利用先に圧送する給水ポンプ２４等により形成し、排水抑制部２２は、水分離回収管２１を介して配管１４を流動する気体が外部に流出しないようにする水分離管４０、回収した水を回収水貯留槽２３に導く排水管２６、予め所定量の水を水分離管４０に貯留する際に用いる水張管２７等から形成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、システム中で発生する反応水や凝縮水等の水を分離回収して再利用できるようにした固体高分子型燃料電池システムに関する。

近年、高効率のエネルギ変換装置として燃料電池が注目され、その中でもコンパクトな構造で、高電流密度が得られ、かつ、簡易なシステムで運転が可能な固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池システムが注目されている。

このような固体高分子型燃料電池システムでは、水素と酸素とを化学反応させて発電を行うが、その際の反応熱を回収して利用するコジェネレーションシステムも積極的に開発されている（特許文献１参照）。
特開２００２−２３１２８５号公報 図１２は、このような固体高分子型燃料電池システムの要部構成を示す概略図で、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池本体１１、原燃料から水素リッチな燃料ガスを生成して燃料電池本体１１に供給する燃料処理装置１２、空気を燃料電池本体１１に供給するブロア１３等を有している。

そして、これらは燃料電池本体１１に燃料ガスを導入する燃料ガス導入管１４ａ、燃料電池本体１１から使用済燃料ガスを排出するガス排出管１４ｂ、燃料電池本体１１に空気を導入する空気導入管１４ｃ、燃料電池本体１１から使用済空気を排出する空気排出管１４ｄを介して接続されている。

このような構成で、天然ガス、メタノール、液化石油ガス等の原燃料が燃料処理装置１２に供給され、当該燃料処理装置１２で水素リッチな燃料ガスに改質される。

なお、この燃料処理装置１２は、例えば水蒸気発生器、改質器、シフト反応器、選択酸化器等の構成要素から形成されている。

そして水蒸気発生器では、バーナにより水を加熱して水蒸気を発生し、該水蒸気を用いて改質器で原燃料と水蒸気とを反応させることにより水素リッチな原料ガスが生成される。

改質器で生成された燃料ガスには一酸化炭素が含まれ、この一酸化炭素による燃料電池本体１１における固体高分子電解質膜、酸化極及び燃料極の触媒層から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が被毒するのを防止するため、当該燃料ガスと水蒸気とをシフト反応器で反応させた後に一酸化炭素選択酸化器にて空気で一酸化炭素を燃焼させ、当該一酸化炭素の除去が行われる。

このようにして生成された燃料ガスは、燃料電池本体１１の燃料極に送られ、またブロア１３により圧送された空気は、燃料電池本体１１の酸化極に送られる。

そして、燃料極に送られた燃料ガス中の水素は、当該燃料極の触媒により水素イオンと電子とに乖離し、水素イオンは固体高分子電解質膜内を伝導する。このとき水素イオンが固体高分子電解質膜を伝導するために水（加湿水という）が必要で、この水は燃料極から供給されている。

固体高分子電解質膜内を伝導した水素イオンは、酸化極で空気中の酸素と反応して水が生成される。

このときの反応は発熱反応であり、熱による燃料電池本体１１が損傷を受けないように（特に固体高分子電解質膜が損傷を受けないように）、冷却水による冷却が行われ、該冷却水が燃料電池本体１１を冷却することにより得た熱が、例えばコージェネレーションにおける熱エネルギーとして利用される。

一方、燃料極で発生した電子は、外部回路を介して酸化極に伝導し、ここで水素イオンと酸素イオンとの反応に寄与する。この外部回路を介して流れる電子（即ち電流）の存在により、直流電力を取出すことが可能になっている。

ところで原料ガスに含まれる全ての水素は、燃料極でイオン化して発電に寄与するわけでなく、このため排ガス中に未反応の水素が含まれるようになる。

このような水素を含む排ガスをそのまま排気してしまうと、当該水素もエネルギーを加えて生成したものであるため、システムとしてのエネルギー効率の低下をもたらす。

そこで、この排ガスを水蒸気発生器に戻して、その中の水素をバーナの燃料とすることでエネルギー利用効率の向上を図っている。

しかしながら、このような固体高分子型燃料電池システムでは、以下に述べるような理由によりシステムの安定な運転が困難となったり、ランニングコストがかさむ問題があった。

即ち、上述したように燃料処理装置１２では水蒸気が用いられるため、この水蒸気が凝縮して燃料ガス導入管１４ａに流入したり、燃料ガス導入管１４ａの中で凝縮したりして燃料ガス導入管１４ａを詰らせることがある。

また、空気はブロア１３により圧送されるが、このときの圧力により飽和蒸気となった空気中の水分が凝縮して空気導入管１４ｃを詰らせることがある。

また、加湿水が排ガスに含まれると、この水がガス排出管１４ｂを詰らせたり、発電により生じた反応水が空気排出管１４ｄに流入して、当該空気排出管１４ｄを詰らせることがある。

さらに、燃料電池本体１１内での燃料ガスや空気の流路に、これらの水が流入して、当該流路を詰らせることがある。

このように水が燃料ガス導入管１４ａ等の配管や流路を詰らせると、当然のことながら燃料ガスや空気の供給及びその排気が不安定になり、安定した発電が困難となる。

無論、燃料ガス導入管１４ａ等の配管の管径を大きくしたり燃料電池本体１１に形成された流路を大きくすれば、このような水が燃料ガス導入管１４ａ等の配管や流路を詰らせる事態を抑制することができるが、燃料電池本体システムでは小型化が可能である点を１の特徴点としている関係から、燃料ガス導入管１４ａ等の配管を任意に大きくすることは好ましくない。

また、流路の大きさは発電効率の観点から設計されるため、任意に流路を大きくすることはできない事情がある。

一方、排ガスを水蒸気発生器に戻し、その中の水素をバーナの燃料とすることが行われて、エネルギー利用効率の向上が図られているが、この排ガス中に水分が含まれるとバーナでの燃焼効率が低下してしまうためエネルギー利用効率の向上が十分に達成できなくなってしまう不都合がある。

加えて、このような燃料ガス導入管１４ａ等の配管の水をそのまま捨ててしまうろ水資源の利用効率が低下して、システムのランニングコストを上昇させてしまう問題がある。

なお、従来から配管等を流動する気体に含まれる湿分を除去するために、熱交換器で当該気体と冷却水とを熱交換させて、気体中の湿分を凝縮させて排出することが行われているが、このような構成の場合、冷却水を循環させた熱交換器を設ける必要があり、任意の場所に設けることが困難になると共に、コストアップの要因となり、また例えば加湿水の回収等が行えない問題がある。

そこで、本発明は、システム中で発生する水を分離回収して、安定な発電が行えるようにすると共に、エネルギー効率の向上及びランニングコストの抑制を図った固体高分子型燃料電池システムを供給することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、燃料処理装置で水蒸気を発生させると共に該水蒸気と外部から供給された原燃料とで水素リッチな燃料ガスを生成して、該燃料ガスを燃料ガス導入管により燃料電池本体に導入し、かつ、空気を空気導入管により前記燃料電池本体に供給して、当該燃料電池本体で前記燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを反応させて発電を行って、その使用済燃料ガスをガス排出管を介して前記燃料電池本体から排出すると共に、使用済空気を空気排出管を介して該燃料電池本体から排出する固体高分子型燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス導入管内の水、空気導入管内の水、ガス排出管内の水、空気排出管内の水、燃料電池本体で発電により生成された水、燃料電池本体における過剰な加湿水の少なくとも１の水を分離回収する水分離回収装置を設ける。

これにより、燃料ガス導入管内の水、空気導入管内の水、ガス排出管内の水、空気排出管内の水、燃料電池本体で発電により生成された水、燃料電池本体における過剰な加湿水を分離回収して、種々の水が燃料ガス導入管を詰らせたりしないようにして、安定的な発電を可能にすると共にエネルギー効率及びランニングコストの抑制を図ったことを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、燃料ガス導入管、空気導入管、ガス排出管、空気排出管、燃料電池本体の１以上に接続されて、燃料ガス導入管内の水、空気導入管内の水、ガス排出管内の水、空気排出管内の水、燃料電池本体で発電により生成された水、燃料電池本体における過剰な加湿水を回収する水分離回収装置を設けたので、これらの水により燃料ガス導入管等が詰ったりするのが防止でき安定な発電が行えるようになると共に、その水を再利用するため水資源の有効利用が可能になりランニングコストの抑制が可能になる。

本発明の実施の形態を図を参照して説明する。なお、図１２に示した従来構成と同一構成に関しては同一符号を用い説明を適宜省略する。

図１は、本発明に係る固体高分子型電解質燃料電池システム１０の要部を示す構成図で、燃料処理装置１２、燃料電池本体１１、水分離回収装置２０等を備え、従来構成に対して水分離回収装置２０が設けられている点が本発明の大きな特徴となっている。

この水分離回収装置２０は、図２に示すように、燃料ガス導入管１４ａ等の配管を流動する水を分離回収する水分離回収管２１、分離回収した水の排水流量を抑制する排水抑制部２２、回収した水を貯留する回収水貯留槽２３、該回収水貯留槽２３に貯留された水を再利用先に圧送する給水ポンプ２４等を備えている。

これにより、固体高分子型電解質燃料電池システム１０において発生する凝縮水や反応水等の水を燃料ガス等と分離回収し、この回収した水を燃料処理装置１２又は燃料電池本体１１等の再利用先に供給して再利用できるようになっている。

なお、図１においては、水分離回収管２１を燃料ガス導入管１４ａ、ガス排出管１４ｂ、空気導入管１４ｃ、空気排出管１４ｄ、燃料処理装置１２及び燃料電池本体１１に設けた場合を例示しているが、本発明はこれら全ての場所に設けることを要件とするものではなく、また図１に示されていない場所に設けても良い。

しかしながら、燃料ガス導入管１４ａ、燃料電池本体１１、ガス排出管１４ｂが詰ったりすると、燃料ガスの流動性が大きく変動したり、蒸気発生器で水蒸気の発生効率、改質器での改質効率、シフト反応器、選択酸化器等での一酸化炭素除去効率等に影響を与え、発電効率や発電安定性への影響度合が大きくなるので当該場所に設けることが好ましい。

特に、ガス排出管１４ｂを流動する排ガスは、燃料処理装置１２における蒸気発生器のバーナに供給されるため、この排気ガスに水分が含まれると効率的な燃焼が行えず蒸気発生効率が低下し、発電効率の低下や発電不安性の悪循環をもたらす恐れを防止する観点から好ましい。

以下の説明においては、燃料ガス導入管１４ａや燃料電池本体１１の流路を配管を単に配管１４と記載し、この配管１４を流れる燃料ガス等を気体、当該配管１４内の凝縮水等を水と略記する。

水分離回収管２１は、配管１４の下端側（重力の作用方向）に接続されて、その接続場所（以下、「水分離口２８」という）から配管１４内の水が流下できるようになっている。

また、この水分離回収管２１は、少なくとも配管１４より大きな寸法に形成されて、水に取込まれた気体（気体が水の中に泡状に存在するような場合）が、水と一緒に水分離回収管２１内に流下しても、当該水分離回収管２１内で浮上して容易に配管１４に戻ることができるようになっている。

即ち、配管１４内で気体が孤立し、その体積が配管１４の直径を持つ球形体積より大きい場合は、この孤立した気体により水は分断された形となっているので、当該気体は水と一緒に水分離回収管２１に流下することはない。

しかし、この孤立した気体の体積が、上記球形体積より小さい場合は、当該気体は水の中に存在（泡状に存在）している状態となっている。

このような場合に、水分離回収管２１の管径が配管１４の管径より小さいと、この気体が水分離口２８を塞いだり、水と一緒に水分離回収管２１を流下して当該水分離回収管２１を詰らせたりして、水分離作用を阻害してしまうことがある。

そこで、気体が水分離口２８を塞いだりしないように、また水と一緒に流下した気体が水分離回収管２１の水面に容易に浮上して、配管１４に戻ることができるように水分離回収管２１の管径を配管１４の管径より大きくしている。

排水抑制部２２は、水分離回収管２１を介して配管１４を流動する気体が外部に流出しないようにするトラップ管２５、回収した水を回収水貯留槽２３に導く排水管２６、予め所定量の水をトラップ管２５に貯留する際に用いる水張管２７等から形成されている。

トラップ管２５は逆Ｕ字状の管で、その一端は水分離回収管２１に接続され、他端は開放端（以下、「サイホンブレーカ２９」という）となっている。

また排水管２６の一端は、サイホンブレーカ２９の近傍に接続され、他端は空気抜穴３０が形成された回収水貯留槽２３に接続されて、その中間位置に水張管２７が接続されている。

この排水管２６と水張管２７とが接続されている高さ位置Ｐ１（以下、「水張管接続位置Ｐ１」という）は、排水管２６とトラップ管２５とが接続されている高さ位置Ｐ２（以下、「排水管接続位置Ｐ２」という）より高い位置で、かつ、トラップ管２５のサイホンブレーカ２９の高さ位置Ｐ３より低い位置となっている（Ｐ３＞Ｐ１＞Ｐ２）。

そして、トラップ管２５と排水管２６とは、略同じ寸法に形成されると共に、これらは水分離回収管２１より小さい寸法に形成されている。

また、配管１４内の圧力は大気圧より高いため、トラップ管２５等にはこの圧力差に応じた水柱差Ｓ１が生じる。このため、トラップ管２５における排水管２６側の長さＬは、この水柱差Ｓ１より大きな寸法、Ｌ＞Ｓ１となっている。

このような構成で、固体高分子型燃料電池システムの運転を開始する際には、先ず水張管２７から循環水系統等の水を流してトラップ管２５に所定量の水を貯留する。このときの水量は、少なくとも水柱差Ｓ１を形成できる量である。

水張管２７に供給された水の大部分は回収水貯留槽２３に流れるが、水張管接続位置Ｐ１に接続されている排水管２６の圧力が大気圧であり水張管２７内の圧力より低いため、当該水の一部が排水管２６に流れ込む。

水張管接続位置Ｐ１、排水管接続位置Ｐ２及びサイホンブレーカ２９の高さ位置Ｐ３は、Ｐ３＞Ｐ１＞Ｐ２の関係を満たすので、排水管２６に流入した水はサイホンブレーカ２９から溢れることなく当該排水管２６を流動してトラップ管２５に流入して貯留される。

このような状態で運転開始を行うと、気体と共に水が配管１４内を流動するようになり、この水は水分離口２８で水分離回収管２１内に流下する。

このときトラップ管２５には水が貯留されているため、気体は水分離回収管２１を介してトラップ管２５を通過することができず、そのまま配管１４を流動する。

トラップ管２５における排水管２６側の水位が、排水管２６と水張管２７との接続高さ位置Ｐ１に達すると、それ以降は回収水貯留槽２３に順次流れ込んで貯留される。

なお、このとき水張管接続位置Ｐ１はサイホンブレーカ２９の高さ位置Ｐ３より低いため（Ｐ３＞Ｐ１）、サイホンブレーカ２９から水が溢れ出ることはない。

回収水貯留槽２３への水の流は、トラップ管２５における排水管２６側の水位が排水管接続位置Ｐ２になるまで継続し、当該排水管接続位置Ｐ２になるとサイホンブレーカ２９から大気が排水管２６内に流入して回収水貯留槽２３への水の流れが止る。

従って、常に一定量の水がトラップ管２５に貯留された状態を維持することができ、配管１４内を流れる気体がトラップ管２５を介して外部に流出するのを防止しながら水のみを回収することが可能となる。

なお、水分離回収管２１に多量の水が一時的に流入したような場合には、回収水貯留槽２３に流れ込む水の勢が大きくなり水分離回収管２１やトラップ管２５の水が大きな運動量を持つようになり、その慣性によりトラップ管２５の水が回収水貯留槽２３に流れすぎて、当該トラップ管２５に貯留されている水量が水柱差Ｓ１を形成するための量より少なくなる事態の発生が危惧される。

トラップ管２５に貯留している水量が、水柱差Ｓ１の形成に必要な量より少なくなると、当該水量では配管１４の気体がトラップ管２５を介して回収水貯留槽２３側に流出するのを防ぐことができなくなる。

無論、この間もトラップ管２５には配管１４からの水が供給されるため、いずれは水柱差Ｓ１の形成に必要な水量がトラップ管２５に貯留されるようになるが、それまでの間は配管１４の気体はトラップ管２５を介して回収水貯留槽２３側に流出してしまう。

そこで、本発明では、かかる事態の発生を防止するために、先に説明したように、トラップ管２５と排水管２６との寸法を水分離回収管２１の寸法より小さくして、これらトラップ管２５等を流れる水の流動抵抗を大きくしている。

これにより、水分離回収管２１に多量の水が一時的に流入しようとした場合でも、当該流動抵抗により回収水貯留槽２３に流れ込む水の排水速度が抑制されて、トラップ管２５に貯留されている水量が水柱差Ｓ１の形成に必要な水量より少なくなる不都合を防止するようにしている。

なお、流動抵抗は流路長に比例して大きくなるので、トラップ管２５や排水管２６の寸法関係と共に、当該排水管２６等の長さを調整しても良い。

無論、排水管２６の流動抵抗を大きくした場合、水はサイホンブレーカ２９から噴出す状態が発生するので、かかる事態を防止するためにサイホンブレーカ２９の流動抵抗を、それ以降の排水管２６内で生じる流動抵抗より大きくしておくことが必要であることは言うまでもない。

このようにサイホンブレーカ２９の流動抵抗を高める方法として、その径を小さくしたり逆止弁を設けたりする方法が可能である。但し、逆止弁を設ける場合は、大気がトラップ管２５側に流入できるように設けることが必要である。

以上のようにして、回収水貯留槽２３に貯留された水は、給水ポンプ２４により水蒸気発生器の蒸気発生用の水や燃料電池本体１１の加湿水等として再利用すべく該当場所に送られる。

これにより、配管１４内を流動する水のみが回収できるようになり、システムの安定化が図られると共に、水の再利用及び水分の少ない気体の利用が可能になって発電効率等が向上する。

なお、上記説明では、水分離回収管２１を配管１４の途中に設けることを要件として、図２において水平に延びる配管１４に設けた場合について説明した。

しかし、配管１４内の圧力が急激に変動するような場合には、当該配管１４内の水がこの圧力変動により水分離口２８を飛越してしまうことが想定される。

また、配管１４内の水が凝縮水のような場合には、凝縮時には微少径の水滴であっても配管１４内を流動している最中に凝集して水分離口２８より大きくなることがある。

このような大きなかたまりの水は、短時間に水分離口２８から流下することができないため、その一部が当該水分離口２８を越えてしまことが想定される。

かかる場合には、図３に示すように、水分離回収管２１の接続場所を配管１４が立上がっている場所に接続することで、例え水が水分離口２８を乗越えても、乗越えた水は配管１４の立上がり部分を流動する間に流下するため、確実に水分離回収を行うことができるようになる。

また、上記説明では、水分離口２８は単なる開口であったが、当該水分離口２８に一般的な吸水フィルタを設けるようにしてもよい。

吸水フィルタは毛細管現象により水を吸取るため、水分離回収管２１の大きさ等に何らの条件を設けなくても確実に水が分離できるようになる。そして、吸収された水量がフィルタの保水量以上になると滴下してトラップ管２５に流入するので、この水を回収して再利用することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態を図を参照して説明する。なお、上述した構成と同一構成に関しては同一符号を付して説明を適宜省略する。

先の実施の形態においては、予めトラップ管２５に所定量の水を貯留するために、水張管２７を設けて、循環水系統等からの水を供給するようにした。

しかしながら、このトラップ管２５に水が無い状態は、固体高分子型燃料電池システムを構築したような場合やメンテナンスで排水したような特別の場合である。

そこで、本発明では、図４に示すように、システム構築時等においては手作業でトラップ管２５に水を貯留し、またはサイホンブレーカ２９から水を供給するようにしてトラップ管２５に水を貯留することで、水張管２７を省略してシステムの簡素化を図ったものである。

また、このような構成にすることで、排水管２６に対する高さに関する条件がなくなりり設計が容易ろなる利点がある。

即ち、第１の実施の形態では、水張管２７から排水管２６に流れ込んだ水がトラップ管２５に流動するように水張管接続位置Ｐ１の位置を排水管接続位置Ｐ２より高い位置にする必要があった。また、水張管接続位置Ｐ１はサイホンブレーカ２９の高さ位置Ｐ３より低くする必要があった。しかし、上記構成にすることで水張管２７が省略できるので、かかる条件は不要となり設計が容易になる。

次に、本発明の第３の実施の形態を図を参照して説明する。なお、上述した構成と同一構成に関しては同一符号を付して説明を適宜省略する。

これまで説明した各実施の形態においては、水分離回収装置２０は、水分離回収管２１、トラップ管２５、排水管２６等により構成し、排水管２６と回収水貯留槽２３とを接続した構成となっていた。

これに対し、本実施の形態にかかる水分離回収装置２０は、図５や図６に示すように、水分離回収管２１及びトラップ管２５により構成され、当該トラップ管２５の一端を回収水貯留槽２３に接続するようにしたものである。

なお、図５はトラップ管２５における立上部分が回収水貯留槽２３内に位置するように設けた場合を示し、図６はトラップ管２５の立上部分の先端を回収水貯留槽２３に接続した場合を示している。これら図５及び図６に示す構成は、同じ作用効果をなすので、図５の構成を例に説明する。

このトラップ管２５は、その一端が水分離回収管２１に接続され、他端が回収水貯留槽２３内に設けられて、その先端開口３４が回収水貯留槽２３の上部空間３３に延設されている。

さらに、トラップ管２５は、水分離回収管２１より細い径に形成されて、流動抵抗を高めている。

このような構成にすることで、排水管２６が不要になると共に、回収水貯留槽２３に設けられている空気抜穴３０が先のサイホンブレーカ２９としての作用をなすため当該サイホンブレーカ２９を別途設ける必要が無くなり、システムの小型化やコストダウンを図ることが可能になる利点がある。

次に、本発明の第４の実施の形態を図を参照して説明する。なお、上述した構成と同一構成に関しては同一符号を付して説明を適宜省略する。

これまで説明した各実施の形態においては、回収した水は回収水貯留槽２３に貯留し、給水ポンプ２４で再利用する場所に圧送して給水する構成であった。

一般に固体高分子型燃料電池システムにおいては、図７に示すように、配管１４を流れる気体に含まれる水分を凝縮させるための凝縮器、蒸気発生器からの排出ガスに含まれる水分を凝縮させるために凝縮器等の種々の凝縮器３６が設けられている場合がある。

このような凝縮器３６で凝縮した水は、当該凝縮器３６と一体に形成された水室３７に貯留され、給水ポンプ３９により蒸気発生器における蒸気用の水や燃料電池本体１１の加湿水等として利用される。

そこで、本実施の形態では、水分離回収装置２０におけるトラップ管２５（又は排水管２６）の一端をこの水室３７に接続することにより、水分離回収装置２０で分離回収した水が水室３７に貯留されるようにしている。

これにより、これまで説明した回収水貯留槽２３やそれに続く給水ポンプ２４を省略できるようになり、コストダウンやシステムの小型化が可能となる。

また、このような構成の場合には、水室３７における水位と水分離回収管２１（又はトラップ管２５）における水位との差（水柱差Ｓ２）は、先の実施の形態における水柱差Ｓ１より小さくなり、トラップ管２５の長さＬを短くすることが可能になる利点がある。

即ち、先の実施の形態においては、サイホンブレーカ２９が設けられている関係から水分離回収管２１の前後の圧力差は、配管１４内の圧力と大気圧との差圧であったが、本実施の形態に係る構成では、水分離回収管２１が接続されている配管１４と凝縮器３６が接続されている配管１４の差圧となり、少なくとも凝縮器３６側の配管圧力は大気圧より高いため、この差圧が小さくなりトラップ管２５の長さＬを短くすることができるようになる。

次に、本発明の第５の実施の形態を図を参照して説明する。なお、上述した構成と同一構成に関しては同一符号を付して説明を適宜省略する。

これまで説明した各実施の形態においては、トラップ管２５に所定量以上の水（以下、「トラップ水」という）が常に貯留されているようにサイホンブレーカ２９を設けたり、トラップ管２５の径を小さくして流動抵抗を高めたりした。

しかし、予測できない原因により当該トラップ水が無くなったすることが考えられ、このような場合には気体が外部に漏出してしまう。

そこで、本実施の形態では、図８に示すように、トラップ管２５に水位センサ３５を設けてトラップ水が所定量以下になった場合には固体高分子型燃料電池システムの緊急停止等の対応が行えるようにしたものである。

なお、固体高分子型燃料電池システムの緊急停止等の制御は、図示しない当該固体高分子型燃料電池システムにおける制御手段が行うようになっている。

これにより、予測できない原因によりトラップ水が無くなっても、気体が外部に漏出してしまう事態が防止でき、信頼性が向上する。

特に、ユーザがトラップ水の有無を判断することは困難であり、トラップ水が無くなっていることを知らずに使用していて、漏れ出た燃料ガスが発火等するのを防止できる利点がある。

また、図９に示すように、水分離回収管２１に水位センサ３５を設けて図８に示すトラップ管２５を省き、当該水分離回収管２１に貯留されている水が所定量以下になると、これを検出して排水管２６を閉じるようにしてもよい。

これにより、トラップ管２５を省くことによるコストダウンを可能にしながら気体が外部に漏出するのを防止することが可能になる。

次に、本発明の第６の実施の形態を図を参照して説明する。なお、上述した構成と同一構成に関しては同一符号を付して説明を適宜省略する。

これまで説明した各形態における水分離回収装置２０では、トラップ管２５を設け、かつ、その際に所定の水柱差が確保できるようにサイホンブレーカ２９を設けた。

これに対し本実施の形態は、図１０に示すように、燃料電池本体１１の前、後における配管１４での差圧が略一定していることを利用して、常に所定量の水が水分離管４０に貯留されるようにしたものである。

なお、水分離管４０は、これまで説明した水分離回収管２１とトラップ管２５との機能を併せ持つ構成となっている。

即ち、配管１４内の圧力は燃料電池本体１１の前、後の順で低くなるので、燃料電池本体１１の前側の配管（上流側配管１４ｅ）と燃料電池本体１１の後側の配管（下流側配管１４ｆ）とを水分離管４０で接続している。

そして、下流側配管１４ｆは、一旦回収水貯留槽２３の上部空間３２側に接続されて、その後外部に延設されてている。これにより、回収水貯留槽２３が下流側配管１４ｆの中継槽の作用をなしている。回収水貯留槽２３には、給水ポンプ２４が設けられている。

なお、このような構成の場合、配管１４内の圧力が略一定していることから水分離管４０の管径を小さくして流動抵抗を大きくする必要がない特徴がある。

無論、配管１４内の圧力変動が大きい場合には、上流側配管１４ｅと接続される部分の水分離管４０の管径を配管の管径より小さくすることにより流動抵抗を大きして、水分離管４０に貯留される水量が所定量以下にならないようにする必要がある。この場合は、これまで説明したと同様に、水分離回収管２１と水分離管４０とが接続された構成となる。

また、上流側配管１４ｅと下流側配管１４ｆとの差圧は、当該上流側配管１４ｅと大気との差圧や下流側配管１４ｆと大気との差圧に比べ十分小さいので、その分水分離管４０の長さＬ１を短くすることが可能になる。

このような構成で、水分離管４０にトラップ水が無い場合には、上流側配管１４ｅの水張管３１から水を流して水分離管４０に貯めて発電を開始する。

これにより、上流側配管１４ｅと下流側配管１４ｆとの差圧に対応した水柱差Ｓ３が水分離管４０に発生し、新たな水が水分離管４０に流入すると、これらの差圧が略一定であるため水柱差が維持されながら流入した量の水が下流側配管１４ｆに流出する。

従って、気体と共に水が燃料電池本体１１に流入して、この水が燃料電池本体１１内の流路を塞いでしまうような不都合が防止でき、安定性が向上する。

水分離管４０から下流側配管１４ｆに流出した水は、燃料電池本体１１から排出された気体と共に当該下流側配管１４ｆを流動し回収水貯留槽２３に流入して貯留し、給水ポンプ２４により再利用する場所に送られる。一方、気体は回収水貯留槽２３の上部空間３２に接続された配管１４から流出する。

ところで、燃料運転システムを運転中に、何らかの原因によりトラップ水が所定量以下になる場合もあり得るが、上述したように、当該水分離管４０は上流側配管１４ｅと下流側配管１４ｆとに接続された構成であるため、例えトラップ水が無くなっても外部に漏出することがない利点がある。

なお、上記説明では、トラップ管２５にトラップ水を注入するために水張管３１を設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、図１１に示すように、燃料電池本体１１の途中（例えば、中間マニーホールド等）と下流側配管１４ｆとに水分離管４０を接続して、加湿水を供給しながら水分離管４０にトラップ水を供給するようにするならばトラップ水の給水忘れを防止することが可能となる。

固体高分子型燃料電池システムの運転開始には、燃料電池本体１１内の流路に水が溜っていると燃料ガス等がスムースに供給され難くなるので、窒素ガス等をパージして、この流路中の水を取除いている。

そこで、上述したトラップ水の供給は、この窒素ガス等によるパージの前又は当該パージと同時に所定時間行うことが好ましい。

本発明の各実施の形態の説明に適用される固体高分子型燃料電池システムの概略構成図である。 第１の実施の形態の説明に適用される水分離回収装置の構成を示す図である。 図２に代る水分離回収装置の構成を示す図である。 第２の実施の形態の説明に適用される水分離回収装置の構成を示す図である。 第３の実施の形態の説明に適用される水分離回収装置の構成を示す図である。 図５に代る水分離回収装置の構成を示す図である。 第４の実施の形態の説明に適用される水分離回収装置の構成を示す図である。 第５の実施の形態の説明に適用される水分離回収装置の構成を示す図である。 図８に代る水分離回収装置の構成を示す図である。 第６の実施の形態の説明に適用される水分離回収装置の構成を示す図である。 図１０に代る水分離回収装置の構成を示す図である。 従来の固体高分子型燃料電池システムの要部概略構成図である。

符号の説明

１０ 固体高分子型電解質燃料電池システム
１１ 燃料電池本体
１２ 燃料処理装置
１４ａ 燃料ガス導入管
１４ｂ ガス排出管
１４ｃ 空気導入管
１４ｄ 空気排出管
２０ 水分離回収装置
２１ 水分離回収管
２２ 排水抑制部
２３ 回収水貯留槽
２４，３９ 給水ポンプ
２５ トラップ管
２６ 排水管
２７，３１ 水張管
２９ サイホンブレーカ
３２，３３ 上部空間
３５ 水位センサ
３６ 凝縮器
３７ 水室
４０ 水分離管

Claims (13)

1. 燃料処理装置で水蒸気を発生させると共に該水蒸気と外部から供給された原燃料とで水素リッチな燃料ガスを生成して、該燃料ガスを燃料ガス導入管により燃料電池本体に導入し、かつ、空気を空気導入管により前記燃料電池本体に供給して、当該燃料電池本体で前記燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを反応させて発電を行って、その使用済燃料ガスをガス排出管を介して前記燃料電池本体から排出すると共に、使用済空気を空気排出管を介して該燃料電池本体から排出する固体高分子型燃料電池システムにおいて、
   前記燃料ガス導入管内の水、空気導入管内の水、ガス排出管内の水、空気排出管内の水、燃料電池本体で発電により生成された水、燃料電池本体における過剰な加湿水の少なくとも１の水を分離回収する水分離回収装置を設けたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
2. 前記水分離回収装置は、前記水を流下させることにより当該水と一緒に流動している前記燃料ガス等の気体と分離して回収する水分離回収管を備えていることを特徴とする請求項１項記載の固体高分子型燃料電池システム。
3. 前記水分離回収装置は、前記水分離回収管より管径が小さく形成されて、当該水分離回収管から排出される水の流量を抑制する排水抑制部を備えていることを特徴とする請求項２記載の固体高分子型燃料電池システム。
4. 前記排水抑制部は、前記水分離回収管で分離回収した水を所定量貯留して、当該水と一緒に流動していた前記気体が外部に流出するのを防止するＵ字状のトラップ管を備えていることを特徴とする請求項３記載の固体高分子型燃料電池システム。
5. 前記水分離回収装置は、前記水分離回収管又は前記排水抑制部に貯留されている水量を検出して、当該水量が所定量より少なくなると前記固体高分子型燃料電池システムの運転が停止できるようにする水位センサを備えていることを特徴とする請求項２乃至４いずれか１項記載の固体高分子型燃料電池システム。
6. 前記水分離回収装置は、前記排水抑制部を介して排出された水を貯留する回収水貯留槽と、
   該回収水貯留槽に貯留された水を前記燃料処理装置又は前記燃料電池本体等に供給して、該燃料処理装置で水蒸気の生成に用いる水や前記固体高分子電解質の加湿用に用いる水等として再利用できるようにする給水ポンプとを備えていることを特徴とする請求項３乃至５いずれか１項記載の固体高分子型燃料電池システム。
7. 前記排水抑制部に、前記水が当該排水抑制部を介して前記回収水貯留槽に排出される際に、該回収水貯留槽への過排出を防止して前記トラップ管に常に所定量の水が貯留されるようにするサイホンブレーカを備えていることを特徴とする請求項４乃至６いずれか１項記載の固体高分子型燃料電池システム。
8. 前記トラップ管に貯留されている水量が所定量以下の場合に、当該トラップ管に水を給水して水張りを行う水張管を備えていることを特徴とする請求項４乃至７いずれか１項記載の固体高分子型燃料電池システム。
9. 前記トラップ管の一端が開口し、かつ、該開口が前記回収水貯留槽の上部空間に位置して、当該開口から溢れ出た水が該回収水貯留槽に貯留するようにしたことを特徴とする請求項６記載の固体高分子型燃料電池システム。
10. 前記燃料ガス導入管、空気導入管、ガス排出管、空気排出管のいずれか１以上に設けられて、この管内を流動する前記燃料ガス、空気、使用済燃料ガス、使用済空気等の気体に含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮器と、
    該凝縮器により凝縮した水を貯留すると共に、前記水分離回収装置で分離回収した前記水が流入して貯留する水室と、
    該水室に貯留されている水を前記燃料処理装置での水蒸気生成に用いるための水や前記固体高分子電解質の加湿のために用いる水等として再利用できるようにする給水ポンプと備えたことを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の固体高分子型燃料電池システム。
11. 前記水分離回収装置が、Ｕ字状部を備えた管であって、一端が前記燃料ガス導入管又は空気導入管等の配管に接続されて、当該配管の水を流下させて前記Ｕ字状部に貯留し、他端が前記ガス排出管又は空気排出管等の配管に接続されて、前記Ｕ字状部の水が所定量を越えると、その分の水を当該配管に戻す水分離管を備えていることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池システム。
12. 前記水分離回収部装置が、Ｕ字状部を備えた管であって、一端が前記燃料電池本体に接続されて、前記固体高分子電解質膜を加湿する前記加湿水の余剰分を流下させることにより当該Ｕ字状部に貯留し、他端が前記ガス排出管又は空気排出管等の配管に接続されて、前記Ｕ字状部の水が所定量を越えると、その分の水を当該配管に戻す水分離管を備えていることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池システム。
13. 前記水分離回収装置が、前記ガス排出管又は空気排出管等の配管の中継槽をなして、該配管を介して流入してきた使用済燃料ガス又は使用済空気等の気体と水とが流入して、該水は底部に貯留し前記気体は前記配管を介して流出することにより水を分離回収する回収水貯留槽と、
    該回収水貯留槽に貯留された水を前記燃料処理装置又は前記燃料電池本体等に供給して、前記燃料処理装置で水蒸気の生成に用いる水や前記固体高分子電解質の加湿用に用いる水等として再利用できるようにする給水ポンプとを備えていることを特徴とする請求項１１又は１２記載の固体高分子型燃料電池システム。