JP2007242491A - Fuel cell system and its operation control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般家庭での電気および熱エネルギの供給に好適した燃料電池システムおよびその運転制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system suitable for supplying electric and thermal energy in a general household and an operation control method thereof.
近年、都市ガス等の炭化水素系燃料を水素に改質し、水素主体の燃料ガスを生成する改質装置と、燃料電池本体とを組み合わせた燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。このような燃料電池システムは、燃料電池本体が発生する電気エネルギに加え、燃料電池本体からの排ガスや冷却水等から熱エネルギを回収すれば、この回収した熱エネルギを給湯に使用できるという大きな利点を有する。 In recent years, a fuel cell system has been proposed in which a fuel cell body is combined with a reformer that reforms a hydrocarbon-based fuel such as city gas into hydrogen to generate a hydrogen-based fuel gas (for example, Patent Documents). 1). Such a fuel cell system has a great advantage that if the thermal energy is recovered from exhaust gas or cooling water from the fuel cell main body in addition to the electric energy generated by the fuel cell main body, the recovered thermal energy can be used for hot water supply. Have
この種の燃料電池システムに使用される燃料電池本体の場合、燃料極と酸化剤極との間に挟み込まれた有機または無機の電解質膜は含水していることでで、その本来の機能を発揮するものであるため、酸化剤極に供給される酸化剤としての空気は一般的にその供給過程にて加湿され、このため、特許文献1のシステムは、温水等の液を蓄えた加湿槽(図1中の水タンク21)を備え、この加湿槽の液中に、焼結金属等の多孔板からなる散気管から空気を散気させて、空気の加湿を行うようにしている。
燃料電池システムの定常運転中、加湿槽が十分な加湿性能を発揮するには、加湿槽にて、液面から散気管の散気位置までの液深を十分に深く確保する必要があり、このため、特許文献1の加湿槽の容量は大きくならざるを得ない。なお、燃料電池システムが1kwの発電能力を有する場合、定常運転にて、加湿槽は数十リットル/分(例えば約70〜80l/min)の空気を加湿する必要がある。
During normal operation of the fuel cell system, in order for the humidification tank to exhibit sufficient humidification performance, it is necessary to ensure a sufficiently deep liquid depth from the liquid surface to the aeration position of the diffusion tube in the humidification tank. For this reason, the capacity of the humidifying tank of
また、加湿性能の安定化を図るには、前述した液深を一定に維持する必要があり、このため、特許文献1のシステムにあっては、加湿槽内の液面レベルを水位計により常時監視し、この水位計からの信号に基づき、加湿槽への液の補給を補給ポンプおよび電磁弁を使用して制御し、加湿槽内の液面レベルを一定に維持している。このため、特許文献1の加湿槽は大形であることに加え、その液面レベルの制御構成が複雑なものとなっている。
In addition, in order to stabilize the humidification performance, it is necessary to maintain the above-mentioned liquid depth constant. For this reason, in the system of
なお、酸化剤である空気への加湿効率、つまり、空気の散気効率を高めるため、散気管の散気開口を縮径してしまえば、散気管での空気の圧力損失が増加し、加湿槽に向けて空気を供給する空気ポンプの消費電力が大となる。
また、散気開口の縮径に加えて、加湿槽の容量をも小さくすれば、散気した気泡の弾けにより加湿槽内の液面が上下に激しく波打ち、たとえ消波板を使用したとして液面、すなわち、液深を一定に維持することは困難である。
Note that in order to increase the humidification efficiency of the oxidizer air, that is, the air diffusion efficiency, reducing the diameter of the air diffuser opening of the air diffuser increases the pressure loss of the air in the air diffuser. The power consumption of the air pump that supplies air toward the tank increases.
Also, if the capacity of the humidification tank is reduced in addition to the reduced diameter of the diffuser opening, the liquid level in the humidification tank undulates up and down due to the bubbling of the diffused air bubbles, even if a wave-dissipating plate is used. It is difficult to keep the surface, that is, the liquid depth constant.
一方、特許文献1のシステムの場合、加湿槽内の液が燃料電池本体の冷却部に冷却液として供給されているため、冷却液中に多量の気泡が含まれてしまう虞がある。このため、燃料電池本体の冷却効果が十分に発揮されなくなるばかりでなく、冷却液の供給に使用される冷却液ポンプ自体の吸い込みが困難になる可能性もある。
また、燃料電池本体の冷却部を通過した後の冷却液が加湿槽を通じて液中に戻されるために、この冷却液の戻りが液面レベルを乱すことに加えて、加湿槽内にて冷却液の循環運動エネルギが失われる結果、冷却液ポンプの消費電力の増大を招く。
On the other hand, in the case of the system of
Further, since the coolant after passing through the cooling part of the fuel cell main body is returned to the liquid through the humidification tank, the return of the coolant disturbs the liquid level, and the coolant in the humidification tank. As a result, the power consumption of the coolant pump is increased.
さらに、特許文献1のシステムの場合、加湿槽内の液が燃料改質装置にも改質液として供給されているため、冷却液ポンプでの場合と同様に、改質液の供給に使用される改質液ポンプ自体の吸い込みが困難になり、定量性が要求される改質液の供給が不安定になってしまう。
さらにまた、燃料電池本体の酸化剤極を通過した後の加湿空気は熱交換器を通過し、熱交換器にて加湿空気から熱エネルギが回収されているが、この際に発生した凝縮液は回収槽に一旦戻され、そして、この回収槽内の液が前述した補給ポンプおよび電磁弁を通じて加湿槽に供給されている。酸化剤極を通過した後の加湿空気中には、SOxやNOxの不純物質が含まれていることから、この不純物質が凝縮液とともに回収槽を経て加湿槽に蓄積し、燃料電池本体の冷却部に供給される冷却液を汚染してしまう。このような汚染冷却液はその電気伝導度が高くなってしまうので、燃料電池本体の発電性能を大きく低下させる要因となる。
Furthermore, in the case of the system of
Furthermore, the humidified air after passing through the oxidant electrode of the fuel cell body passes through the heat exchanger, and the heat energy is recovered from the humidified air by the heat exchanger, but the condensate generated at this time is Once returned to the recovery tank, the liquid in the recovery tank is supplied to the humidification tank through the above-described replenishment pump and electromagnetic valve. Since the humidified air after passing through the oxidizer electrode contains SOx and NOx impurities, the impurities accumulate together with the condensate in the humidification tank through the recovery tank, and cool the fuel cell body. The coolant supplied to the unit is contaminated. Such a contaminated coolant has a high electric conductivity, which is a factor that greatly reduces the power generation performance of the fuel cell body.
本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、大形の加湿槽を使用することなく、簡単な加湿槽により酸化剤ガスの加湿などを効果的に行え、そして、システム全体の性能を向上させることができる燃料電池システムおよびその運転制御方法を提供することにある。 The present invention has been made on the basis of the above-mentioned circumstances, and its object is to perform humidification of oxidant gas with a simple humidification tank without using a large humidification tank, and An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of improving the performance of the entire system and an operation control method thereof.
上記の目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池本体と、この燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料供給流路と、燃料電池本体内を通じて燃料ガスに対する酸化剤ガスを供給し、燃料電池本体の上流および下流にそれぞれ位置した上流および下流部位を有する酸化剤供給流路と、燃料電池本体内を通じて冷却液を供給する冷却液供給流路と、酸化剤供給流路の上流部位および下流部位をそれぞれ流れる酸化剤ガスの間にて熱および蒸気の交換を行う膜式全熱交換器と、酸化剤供給流路の上流部位に介挿され、酸化剤ガスを液中に散気させ、加湿後の酸化剤ガスを燃料電池本体に向けて送出させる加湿槽と、酸化剤供給流路の上流部位に設けられ、この上流部位から加湿槽を選択的に分離可能な分離手段とを備えている(請求項1)。 In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention supplies a fuel cell body, a fuel supply passage for supplying fuel gas to the fuel cell body, and an oxidant gas for the fuel gas through the fuel cell body. And an oxidant supply channel having upstream and downstream portions respectively positioned upstream and downstream of the fuel cell body, a coolant supply channel for supplying a coolant through the fuel cell body, and an upstream of the oxidant supply channel A membrane-type total heat exchanger that exchanges heat and steam between the oxidant gas flowing through the part and the downstream part, and an upstream part of the oxidant supply flow path to disperse the oxidant gas into the liquid A humidifying tank that causes the oxidant gas to be sent out toward the fuel cell main body, and a separating means that is provided in an upstream part of the oxidant supply flow path and that can selectively separate the humidifying tank from the upstream part. With ( Motomeko 1).
上述の燃料電池システムによれば、燃料電池本体の発電前や発電初期にあるとき、酸化剤ガスの加湿に加湿槽が使用されるが、燃料電池本体が定常発電に移行した後、酸化剤ガスの加湿には膜式全熱交換器が使用される。この膜式全熱交換器は、燃料電池本体の酸化剤極を通過した後の酸化剤ガスの熱及び蒸気が酸化剤極に向かう酸化剤ガスに移行し、酸化剤ガスの加湿及び昇温を行う。 According to the fuel cell system described above, the humidifying tank is used for humidifying the oxidant gas when the fuel cell main body is before power generation or at the initial stage of power generation. A membrane-type total heat exchanger is used for humidification. In this membrane type total heat exchanger, the heat and vapor of the oxidant gas after passing through the oxidant electrode of the fuel cell main body are transferred to the oxidant gas toward the oxidant electrode, and humidification and temperature rise of the oxidant gas are performed. Do.
加湿槽は膜式全熱交換器の上流に配置されているのが好ましく(請求項2)、この場合、膜式全熱交換器の膜の加湿が加湿槽にて加湿された酸化剤ガスにより行われる。
また、加湿槽は、密閉型の槽本体と、この槽本体内に設けられ、液を蓄えるとともに液中に位置付けられた酸化剤ガスの散気位置を有する散気液室と、槽本体内に散気液室に隣接した排液室を区画し、散気液室内の余剰の液を排液室に逃がすことで、散気液室の液面から散気位置までの液深を決定するオーバーフロー堰と、排液室内の液を排出する浮子式ドレイナとを含むことができる(請求項3)。
The humidification tank is preferably arranged upstream of the membrane type total heat exchanger (Claim 2). In this case, the humidification of the membrane of the membrane type total heat exchanger is caused by the oxidant gas humidified in the humidification tank. Done.
In addition, the humidification tank is provided in a sealed tank body, an aeration liquid chamber provided in the tank body, storing liquid and having an aeration position of an oxidant gas positioned in the liquid, and the tank body. An overflow that determines the liquid depth from the liquid level in the diffuser chamber to the diffuser position by partitioning the drainage chamber adjacent to the diffuser chamber and letting excess liquid in the diffuser chamber escape to the drainage chamber A weir and a float type drainer for discharging the liquid in the drainage chamber may be included.
請求項3の加湿槽によれば、散気液室内に液を連続的に供給するだけで、液面から散気位置までの液深が一定に維持される。
冷却液供給流路はその一部に密閉式の冷却液循環流路を含むことができ(請求項4)、この場合の冷却液循環流路は冷却液の循環運動エネルギを保存する。また、冷却液供給流路はその一部に加湿槽の散気液室を含むことができる(請求項5)。
According to the humidifying tank of the third aspect, the liquid depth from the liquid surface to the aeration position is kept constant only by continuously supplying the liquid into the aeration liquid chamber.
The coolant supply channel may include a sealed coolant circulation channel in a part thereof (Claim 4). In this case, the coolant circulation channel stores the circulation kinetic energy of the coolant. Further, the coolant supply channel may include a diffused liquid chamber of a humidifying tank in a part of the coolant supply channel (Claim 5).
請求項5の冷却液循環流路の場合、散気液室は、冷却液循環流路との接続のために液中の散気位置よりも下方に位置付けられた入口および出口を有しているのが好ましく(請求項6)、この構成によれば、冷却液中への気泡の混入が防止される。
具体的には、冷却液供給流路は、散気液室を含む冷却流路部分と、この冷却液流路部分と並列に延びる冷却バイパス流路と、冷却液供給流路中、冷却バイパス流路以外に介挿されたヒータと、冷却流路部分および冷却バイパス流路のうちの一方を開き、その他方を閉じる冷却切換手段とをさらに具備することができる(請求項7)。
In the case of the coolant circulation channel according to
Specifically, the cooling liquid supply flow path includes a cooling flow path portion including a diffused liquid chamber, a cooling bypass flow path extending in parallel with the cooling liquid flow path portion, and a cooling bypass flow in the cooling liquid supply flow path. A heater inserted other than the passage, and a cooling switching means that opens one of the cooling flow path portion and the cooling bypass flow path and closes the other can be further provided.
請求項7の冷却液供給流路によれば、冷却液がヒータにより昇温されたとき、燃料電池本体の昇温と同時に、加湿槽における散気液室の液の昇温が達成される。
前述した請求項1の分離手段は、酸化剤供給流路の上流部位に設けられ、散気液室を含んだ加湿流路部分は並列に延びる加湿バイパス流路と、加湿流路部分および加湿バイパス流路のうちの一方を開き、その他方を閉じる加湿切換手段と含むことができる(請求項8)。より具体的には、加湿切換手段は、加湿バイパス流路に介挿された開閉可能な遮断弁を含み、遮断弁は開弁時、散気液室側の流路抵抗に比べて小さく、酸化剤ガスの全流量を通過させる流路抵抗を有している(請求項9)。この場合、遮断弁が閉弁されたとき、参加剤ガスは散気液室を含んだ加湿流路部分のみを流れ、散気液室内にて加湿された後、燃料電池本体の酸化剤極に供給される。これに対し、遮断弁が開弁されたとき、酸化剤ガスは遮断弁を通じて加湿バイパス流路内をその全流量が流れ、酸化剤極に向けて供給される。
According to the coolant supply channel of the seventh aspect, when the coolant is heated by the heater, the temperature of the liquid in the diffuser liquid chamber in the humidifying tank is increased simultaneously with the temperature increase of the fuel cell main body.
The separation means according to
ここで、散気液室側の流路抵抗は液中に散気させる際の散気抵抗および散気位置の液深により決定され、遮断弁の流路抵抗を散気液室の流路抵抗によりも十分に小さくすることは容易である。
燃料電池システムは、燃料電池本体の酸化剤極を通過した後の加湿酸化剤ガスから凝縮した液を回収する回収槽と、この回収槽から改質液を供給する改質液供給流路と、改質液供給流路から改質液の供給を受け、原燃料を改質して生成した燃料ガスを燃料供給流路に送出する燃料改質装置とさらに具備することができ(請求項10)、この場合、燃料電池システムは、冷却液循環流路中に介挿され、冷却液を循環させるポンプと、改質液供給流路から分岐するとともにポンプの直上流にて冷却液循環流路に接続され、改質液供給流路内の改質液を冷却液として補給する補給流路と、この補給流路の分岐位置と回収槽との間にて改質液供給経路に介挿され、回収槽からの改質液を純水に処理する処理器とをさらに含むことができる(請求項11)。
Here, the flow resistance on the side of the diffuser chamber is determined by the diffused resistance when diffused in the liquid and the liquid depth at the diffused position, and the flow resistance of the shutoff valve is determined by the flow resistance of the diffuser liquid chamber. It is easy to make it sufficiently small.
The fuel cell system includes a recovery tank that recovers the liquid condensed from the humidified oxidant gas after passing through the oxidant electrode of the fuel cell body, a reforming liquid supply channel that supplies the reforming liquid from the recovery tank, A fuel reformer that receives the supply of the reforming liquid from the reforming liquid supply flow path and sends the fuel gas generated by reforming the raw fuel to the fuel supply flow path can be further provided. In this case, the fuel cell system is inserted into the coolant circulation channel, and circulates the coolant, branches from the reforming solution supply channel, and enters the coolant circulation channel immediately upstream of the pump. A replenishment flow path that is connected and replenishes the reforming liquid in the reforming liquid supply flow path as a cooling liquid, and is inserted in the reforming liquid supply path between the branch position of the replenishment flow path and the recovery tank, And a processor for processing the reforming liquid from the recovery tank into pure water. .
請求項11の燃料電池システムによれば、原燃料の改質に要求される改質液の流量よりも多い流量にて、改質液供給流路に改質液が連続的に供給される。この場合、余分の改質液が冷却液として補給流路から冷却液循環流路に供給される。そして、冷却液循環流路に加湿槽の散気液室が含まれている場合、冷却液循環流路から散気液室に改質液が酸化剤ガスの加湿用液として補給される。このようにして散気液室に補給された改質液のうち、酸化剤ガスの加湿に消費された残りに相当する液分がオーバーフロー堰を越え、排液室に排出される。 According to the fuel cell system of the eleventh aspect, the reforming liquid is continuously supplied to the reforming liquid supply channel at a flow rate higher than the flow rate of the reforming liquid required for reforming the raw fuel. In this case, excess reforming liquid is supplied as a cooling liquid from the replenishing flow path to the cooling liquid circulation flow path. When the air circulation chamber of the humidifying tank is included in the cooling liquid circulation channel, the reforming liquid is replenished from the cooling liquid circulation channel to the air diffusion chamber as the humidifying liquid for the oxidant gas. Of the reforming liquid replenished to the diffuser liquid chamber in this manner, the liquid corresponding to the remaining consumed for humidifying the oxidant gas passes through the overflow weir and is discharged into the drain chamber.
ここで、改質液供給流路は回収槽からの改質液を純水に処理する処理器が介挿されているので、純水は要求する純水度の高い順、つまり、燃料改質装置、冷却液循環流路および加湿槽の散気液室の順に供給される。
なお、排液室もまた浮子式ドレイナを介して改質液供給流路の回収槽に接続することができる。
Here, since the reformer supply flow path is inserted with a processor for processing the reformate from the recovery tank into pure water, the deionized water is in order of the required high purity, that is, fuel reforming. It supplies in order of an apparatus, a cooling fluid circulation flow path, and a diffused liquid chamber of a humidification tank.
Note that the drainage chamber can also be connected to the recovery tank of the reforming liquid supply flow path via a floating drainer.
本発明は、上述した燃料電池システムの運転制御方法をも提供し、本発明の運転制御方法は、膜式全熱交換器により燃料電池本体の上流側および下流側を流れる酸化剤ガスの間にて、燃料電池本体に向かう酸化剤ガスの加湿を行う工程と、加湿槽内の液中に酸化剤ガスを散気させて、燃料電池本体に向かう酸化剤ガスの加湿を行う工程とを備え、これら工程を切り換えて実施する(請求項12)。 The present invention also provides an operation control method for the above-described fuel cell system. The operation control method of the present invention is performed between the oxidant gas flowing on the upstream side and the downstream side of the fuel cell body by the membrane type total heat exchanger. A step of humidifying the oxidant gas toward the fuel cell main body, and a step of dispersing the oxidant gas in the liquid in the humidification tank and humidifying the oxidant gas toward the fuel cell main body, These steps are switched and executed (claim 12).
また、燃料電池本体に供給される冷却液は、加湿槽を含む流路および加湿槽をバイパスする流路の一方を経て、燃料電池本体を通じて循環され、そして、燃料電池本体に向かう冷却液が加湿槽外のヒータにより昇温されるのが好ましい(請求項13)。
燃料ガスは原燃料を改質する燃料改質装置により生成され、原燃料の改質に使用される改質液は燃料改質装置に供給される直前に純水に処理され、一部が冷却液として補給されるのが望ましい(請求項14)。
The coolant supplied to the fuel cell main body is circulated through the fuel cell main body through one of the flow path including the humidification tank and the flow path bypassing the humidification tank, and the coolant toward the fuel cell main body is humidified. It is preferable that the temperature is raised by a heater outside the tank.
The fuel gas is generated by a fuel reformer that reforms the raw fuel, and the reforming liquid used for reforming the raw fuel is treated with pure water just before being supplied to the fuel reformer, and part of it is cooled. It is desirable to replenish as a liquid (Claim 14).
上述した請求項12、13,14の運転制御方法は、請求項1,7,11のシステムと同様な作用をそれぞれ発揮する。
The operation control methods of the above-described
請求項1,2,8,12の燃料電池システム及びその運転制御方法は、加湿槽と膜式全熱交換器を選択的に使用することで、加湿槽に小形のものを使用してシステム全体のコンパクト化に大きく貢献でき、また、酸化剤ガスの供給に使用されるポンプの消費電力もまた低減可能となる。
請求項3の燃料電池システムは加湿槽の散気液室の液面レベルを簡単に制御することができる。
The fuel cell system and the operation control method thereof according to
The fuel cell system according to
請求項4の燃料電池システムは冷却液供給流路の一部に密閉式の冷却液循環流路を備えているので、冷却液が冷却液循環流路内を循環することで、冷却液の運動エネルギは保存され、冷却液を循環させる冷却液ポンプの消費電力を低減させることができる。
請求項5,6の燃料電池システムは、冷却液供給流路の一部に加湿槽の散気液室を含んでいるので、散気液室内の液を冷却液として補給でき、しかも、補給の際、冷却液中に気泡を混入させることがないので、冷却液ポンプの吸い込み能が低下することはない。
The fuel cell system according to
Since the fuel cell system according to
請求項7,13の燃料電池システムおよびその運転制御方法は、燃料電池本体および加湿槽内の液の昇温を同時に行うことができる。
請求項9の燃料電池システムは、単一の遮断弁を使用するだけで酸化剤供給流路中、加湿流路部分と加湿バイパス流路との間にて切り換えを行うことができる。
請求項10,11,14の燃料電池システムおよびその運転制御方法は、燃料電池本体に供給される冷却液の純水度を高く維持でき、燃料電池本体の発電性能の劣化を防止することができる。
The fuel cell system and the operation control method thereof according to
The fuel cell system according to
The fuel cell system and the operation control method thereof according to
図1Aおよび図1Bは、本発明の運転制御方法を実施する燃料電池システムの全体を概略的に示す。
[燃料改質装置]
図1Aは前記システム中の燃料改質装置11を示し、この燃料改質装置11について以下に説明する。
1A and 1B schematically show an entire fuel cell system that implements the operation control method of the present invention.
[Fuel reformer]
FIG. 1A shows a
燃料改質装置11は脱硫器11a、改質器11b、CO変成器11cおよびCO選択酸化器11dを備え、これらは図1Aでみて左側から順次に配置されている。また、脱硫器および改質器11a,11bは専用または共用の燃焼バーナ11eを有する。
脱硫器11aからは原燃料経路1が延び、この原燃料経路1に脱硫器11a側から燃料ポンプ5および電磁燃料弁2が介挿されている。原燃料経路1は都市ガス等の炭化水素系ガスの原燃料を電磁燃料弁2および燃料ポンプ5を通じて脱硫器11aに供給する。
The
A
原燃料経路1において、電磁燃料弁2と燃料ポンプ5との間の部位から分岐経路4が延び、この分岐経路4は燃焼燃料ポンプ6を介して燃焼バーナ11eに接続されている。それゆえ、原燃料は燃焼バーナ11eにも供給される。さらに、燃焼バーナ11eには空気経路8が接続され、この空気経路8に燃焼空気ポンプ9が介挿されている。燃焼空気ポンプ9は燃焼バーナ11eに空気を供給する。それゆえ、燃焼バーナ11eは原燃料および空気の供給を受けて原燃料を燃焼し、その熱エネルギを脱硫器11aおよび改質器11bに供給する。原燃料の燃焼により生じた燃焼排ガスは燃焼バーナ11eから排ガス経路33を通じて排出される。
In the
また、原燃料経路1にあっては、分岐経路4の分岐位置と燃料ポンプ5との間の部位から脱硫用の水素供給経路7がさらに分岐されており、この水素供給経路7はCO変成器11cに接続されている。後述するようにCO変成器11cは水素ガスを含んだ中間ガスを生成し、生成した中間ガスの一部が水素供給経路7を通じて燃料ポンプ5の吸い込み側に戻される。ここでの中間ガスの戻りには燃料ポンプ5の吸い込み側とCO変成器11cとの間の差圧が利用され、この差圧は中間ガスの戻り量を決定する。なお、中間ガスの戻り量は水素供給経路7にオリフィスまたは絞り弁を挿入し、その開度を可変することにより調整可能である。
Further, in the
さらに、水素供給経路7の分岐部13から分岐経路16が分岐され、この分岐経路16はCO選択酸化部11dに接続されている。分岐部13からは凝縮経路12が延びており、この凝縮経路12にドレイナ17が介挿されている。なお、凝縮経路12は後述する回収経路96(図1B参照)に接続されている。
分岐経路16には逆止弁14が介挿され、この逆止弁14はCO選択酸化部11dに向かう流れのみを許容する。また、分岐経路16は逆止弁14の下流に合流部15を有し、この合流部15から空気経路20が延びている。この空気経路20には空気ポンプ18および逆止弁19がそれぞれ介挿され、空気ポンプ18はCO選択酸化部11dに向けて空気を供給する。
Further, a
A
さらに、改質器11bからは改質液供給流路73が延びており、この改質液供給流路73は後述する改質液供給装置に接続され、改質液として純水からなる改質水を改質器11bに供給する。
前述の説明から明らかなように、燃料ポンプ5はその吸い込み側に供給された原燃料および中間ガスを混合かつ昇圧し、これらの混合物を脱硫器11aに供給する。脱硫器11a内にて、燃焼バーナ11eからの熱エネルギと中間ガスに含まれる水素により、原燃料から硫黄成分が除去され、脱硫した原燃料が脱硫器11aから次の改質器11bに送り込まれる。改質器11b内には、改質液供給流路73から供給された改質水が燃焼バーナ11eからの熱エネルギを受けて蒸発した水蒸気が生成されているので、改質器11bに供給された脱硫燃料つまり炭化水素は水蒸気と反応して、水素、二酸化炭素および一酸化炭素の成分に分解、つまり、改質される。それゆえ、改質器11b内には上述の分解成分と、残留炭化水素および残留水蒸気が同時に存在し、そして、これらは次のCO変成器11c内に送り込まれる。CO変成器11c内において、一酸化炭素は残留水蒸気と反応し、一酸化炭素に対する二酸化炭素および水素への分解が促進された前述の中間ガス、つまり、一酸化炭素の成分濃度が低い中間ガスが生成される。
Further, a reforming
As is clear from the above description, the
中間ガスはCO変成器11cから水素供給経路7を通じて排出され、その一部が前述したように燃料ポンプ5の吸い込み側に戻されるとともに、その残部が逆止弁14を備えた分岐経路16を通じてCO選択酸化器11dに供給される。この際、中間ガスから凝縮した改質液はドレイナ17により分離され、凝縮経路12から回収経路96に戻される。
さらに、分岐経路16の合流部15には空気経路20が接続されていることから、CO選択酸化器11dには前述の中間ガスに加え、空気ポンプ18により空気が供給される。CO選択酸化器11d内にて、中間ガス中の一酸化炭素は供給空気中の酸素と反応して二酸化炭素となり、CO選択酸化器11d内の中間ガスは一酸化炭素の濃度がさらに低減され、通常10ppmを越えることのない燃料ガスに生成される。
The intermediate gas is discharged from the CO transformer 11 c through the
Furthermore, since the
CO選択酸化器11dからは燃料供給流路21が延びており、この燃料供給経路21は図1Bに示す燃料電池本体25に接続され、この燃料電池本体25に燃料ガスを供給する。
[燃料電池本体]
図1B中、燃料電池本体25は単一のセル構造として示され、燃料極(アノード)25a、電解質膜25b、酸化剤極(カソード)25cおよび冷却部25d等を含む。電解質膜25bは燃料極25aと酸化剤極25cとの間に挟み込まれた固定高分子(PEFC)からなり、燃料電池本体25はいわゆる固体高分子形セルスタックである。
A
[Fuel cell body]
In FIG. 1B, the
前述した燃料改質装置11の燃料供給流路21は燃料極25aを通過して延び、そして、燃料改質装置11の燃焼バーナ11eに接続されている。燃料供給流路21には燃料極25aの上流および下流に電磁遮断弁23および逆止弁26が介挿され、この逆止弁26は燃焼バーナ11e側に向けてのみ燃料供給流路21を開いている。また、燃料供給流路21は電磁遮断弁23の上流に分岐部22を有し、この分岐部22からバイパス流路27が分岐され、このバイパス流路27は逆止弁26の下流に位置した合流部28にて燃料供給流路21に接続されている。さらに、バイパス流路27にも電磁遮断弁24が介挿されている。
The
燃料電池本体25が通常の発電を行うとき、電磁遮断弁23は開かれ、これに対して電磁遮断弁24は閉じられた状態にある。この場合、燃料供給流路21は燃料電池本体25の燃料極25aに水素を含む燃料ガスを供給することができる。しかしながら、燃料ガス中の一酸化炭素の濃度が10ppm以上にあるとき、電磁遮断弁23は閉じられ、電磁遮断弁24が開かれる。この場合、燃料供給流路21内の燃料ガスは燃料極25aに供給されることなく、バイパス流路27を通じて流れる。それゆえ、燃焼ガスは燃料バーナ11eに供給され、前述した原燃料の改質のための熱エネルギを得るべく燃焼バーナ11eにより原燃料とともに燃焼される。
When the
通常の発電時において、燃料極25aに供給された燃料ガス中の水素は、燃料極25aの触媒の働きにより水素イオンとなり、この水素イオンは電解質膜25bを通過し、酸化剤極25cまで移動する。そして、酸化剤極25cに到達した水素イオンは、酸化剤極25cの触媒の働きにより、酸化剤極25cに供給されている酸化剤としての空気中の酸素と反応し、水を生成する。
During normal power generation, hydrogen in the fuel gas supplied to the
なお、電解質膜25bを加湿するため、通常、燃料ガスに加湿が要求されるが、前述の説明から明らかように燃焼ガスは未反応の水蒸気を含んでいることから、本実施例の場合には、水蒸気を凝縮させることなく燃焼ガスを燃料極25aまで導くことで燃焼ガスの加湿を達成しており、これにより、燃料供給流路21中に燃焼ガスの加湿装置を別途介挿する必要はない。
In order to humidify the
なお、酸化剤極25cへの酸化剤、つまり、空気の供給については後述する。
上述した燃料電池本体25内での反応に伴い、燃料極25aから外部負荷としてパワーコンディショナ(図示しない)を通じて酸化剤極25cに向けて電流が流れることから、燃料電池本体25は発電し、燃料電池本体25から電力を取り出すことができる。また、燃料電池本体25内での電気化学反応はその発電量に比例する発熱を伴い、発熱量は通常、発電量に匹敵する程度に大きい。
The supply of the oxidant, that is, the air to the
Along with the reaction in the fuel cell
一方、燃料供給流路21は合流部28の下流に分岐部30をさらに有し、この分岐部30から前述した回収経路96が延びている。この回収経路96は回収水層75に接続され、分岐部30の近傍にドレイナ32を有する。それゆえ、ドレイナ32は、燃料極25aを通過した後の燃焼ガスやバイパス流路27を流れる燃料ガスが燃焼バーナ11eに導かれる前に、燃料ガス中の凝縮した水を除去し、このような凝縮水はドレイナ32から回収経路96を通じて回収水槽75に回収される。なお、回収水槽75についてはさらに後述する。
[酸化剤供給]
図1Bに示されるように、燃料電池本体25の酸化剤極25cは酸化剤供給流路としての空気供給流路40の途中に介挿されている。この空気供給流路40は、酸化剤極25cの上流に位置した上流空気流路42と、酸化剤極25cの下流に位置した下流空気流路50とを含み、この下流空気流路50は前述した回収水槽75に接続されている。
On the other hand, the
[Oxidant supply]
As shown in FIG. 1B, the
上流空気流路42には上流に空気ポンプ41が介挿され、この空気ポンプ41は酸化剤極25cに向けて空気を供給する。また、上流空気流路42には空気ポンプ41の下流に初期加湿槽45が介挿されている。
初期加湿槽45の詳細
詳しくは、初期加湿槽45は密閉型の槽本体44を備え、この槽本体44内にオーバーフロー堰45aが配置されている。オーバーフロー堰45aは槽本体44内を散気液室47と、排液室45cとに区画する。散気液室47には改質液としての水が蓄えられ、この液中に散気プレート45bが水平に配置されている。この散気プレート45bは多孔板から形成され、散気管45gの下端に接続されている。散気管45gは散気プレート45bから上方に延び、槽本体44の天井壁を気密に貫通した後、空気ポンプ41側の上流空気流路42の部位、つまり、空気導入部分42aに接続されている。
An
Details of the
したがって、空気ポンプ41により上流空気流路42を通じて供給される空気は初期加湿槽45の散気管45gに供給され、そして、散気プレート45bから散気液室47の液中に気泡として散気され、この散気により加湿される。この後、気泡は液中を上昇し、散気液室47の気相部分に流入する。
一方、散気液室47の気相部分には、初期加湿槽45の下流に位置した上流空気流路42の空気導出部分42bが接続されており、この空気導出部分42bは気相部分に連通した開口端を有する。したがって、槽本体44は密閉構造を有するので、加湿された空気は散気液室47の気相部分から空気導出部分42bを通じて流出する。
Therefore, the air supplied by the
On the other hand, an air outlet portion 42b of the upstream
ここで、後述の説明から明らかとなるように、散気液室47は水の供給を連続的に受け、散気液室47内の液はオーバーフロー堰45aを越え、排液室45cに常時排出されている状態にある。このことは、散気液室47内の液面レベルがオーバーフロー堰45aの上縁に常時一致し、液面から散気プレート45bまでの液深が一定に維持されていることを意味し、これを換言すれば、初期加湿槽45は安定した加湿性能を発揮する。
Here, as will be apparent from the following description, the
また、散気液室47の気相部分には破泡板45fが配置され、この破泡板45fは空気導出部分42bの開口端と散気液室47の液面との間に介在した状態で、散気管45gに取り付けられている。このような破泡板45fは、散気液室47の液面から空気導出部分42bの開口端に向けて水滴が飛散していても、空気導出部分42bを通じて流出される加湿空気への水滴の混入を確実に阻止する。
A
さらに、散気液室47には消波プレート45eが設けられているのが望ましく、この消波プレート45eは散気管45gとオーバーフロー堰45aとの間に配置されている。また、槽本体47の外側には必要に応じて液面計45dが取り付けられており、この液面計45dの上端及び下端は散気液室47の気相部分および液部分にそれぞれ接続管を通じて連通している。
Further, it is desirable that a
前述した排液室45cの底からは排液経路51が延び、この排液経路51は前述した回収経路96に接続されている。排液経路51には浮子式ドレイナ46が介挿されており、このドレイナ46の詳細は図2に示されている。
ドレイナ46はそのケーシング内に浮子46aと、この浮子46aの昇降により開閉される排出弁46bとを有する。排液室45cからドレイナ46内に導かれた水が一定量溜まると、浮子46aが浮いて排出弁46bを開き、この時点で、ドレイナ46内の液が排出弁46bを通じて一時的に排出される。この後、浮子46aが降下し、排出弁46bが再び閉じられたとき、水の排出は停止される。このような浮子式ドレイナ46はその内部に常時水を蓄えた状態にあるので、初期加湿槽45内の空気がドレイナ46を通じて外部に逃がされることはない。
A
The
さらにまた、散気液室47の底からはドレイン経路52が延び、このドレイン経路52には手動式のボール弁52aが介挿されている。
一方、空気供給流路40の上流空気流路42中、前述した空気導出部分42bよりも下流の部位42cおよび下流空気流路50は膜式全熱交換器(膜式蒸気交換器)49を通過して延びている。この膜式全熱交換器49は、酸化剤極25cに向かう空気と酸化剤極25cを通過した後の空気との間にて熱および蒸気を交換することができる。
Furthermore, a
On the other hand, in the upstream
膜式全熱交換器に関して
具体的には、膜式全熱交換器49に使用される膜は、テフロン(商標名)骨格の主鎖にスルフォン基を側鎖として備えた構造を有する。ここで、主鎖は撥水性を示し、これに対し、側鎖であるスルフォン基は親水性を示すことから、膜は撥水部と親水部とが独立した凝集構造を有し、親水部に取り込まれた水を自由に移動させることができる。
Regarding Membrane Total Heat Exchanger Specifically, the membrane used for the membrane
膜式全熱交換器49は上述の膜の機能を利用し、膜を挟んで一方の側に高湿度の水蒸気または液体である水を流し、そして、他方の側に乾燥した空気または酸化剤を流すことで、水蒸気の分圧差に基づき、膜を介して水の移動が生起される。それゆえ、乾燥した空気または酸化剤の水分量が増加するのに対し、高湿度の水蒸気または液体である水の水分量は減少し、膜を挟んで熱および蒸気の交換がなされる。
The membrane-type
具体的には、膜式全熱交換器49は膜として中空糸を使用し、中空糸の内側を通じて酸化剤極25cに向かう空気を流し、中空糸の外側を通じて酸化剤極25cを通過した後の空気を流すように構成されている。
さらに、空気供給流路40の上流空気流路42からは、初期加湿槽45を含む部位(加湿流路部分)をバイパスする加湿バイパス流路48が分岐され、この加湿バイパス流路48に電磁遮断弁43が介挿されている。電磁遮断弁43の閉弁時、空気ポンプ41から供給される空気は加湿バイパス流路48を経ることなく初期加湿槽45を通じて流れる。これに対し、電磁遮断弁43の開弁時、電磁遮断弁43を含む加湿バイパス流路48の流路抵抗は、初期加湿槽45の散気液室47側の流路抵抗よりも十分に小さく、空気ポンプ41から供給される空気は初期加湿槽45に向かうことなく、その全量が加湿バイパス流路48、つまり、電磁遮断弁43を通じて膜式全熱交換器49を経て燃料電池本体25の酸化剤極25cに供給される。それゆえ、電磁遮断弁43および加湿バイパス流路48は空気供給流路40から初期加湿槽45を選択的に分離する分離手段を構成し、電磁遮断弁43は加湿流路部分および加湿バイパス流路48の一方を開く加湿切換手段となる。
Specifically, the membrane-type
Further, a humidification
散気液室47側の流路抵抗について具体的に説明すると、この流路抵抗は散気プレート45bから空気が散気される際の散気抵抗と、散気プレート45bから液面までの液深により決定される気泡の液中通過抵抗との合計で表される。なお、初期加湿槽45の小形化を図るために液深が十分に確保されていない場合にあっては、上流空気流路42の部位42aまたは散気管45gにオリフィスや絞りなどを挿入し、散気液室47側の流路抵抗を電磁遮断弁43の流路抵抗よりも大きくするようにすればよい。
The flow path resistance on the diffused
初期加湿に関して
前述した空気供給流路40の空気ポンプ41は、燃料電池本体25での発電開始時点よりも所定時間前から燃料電池本体25の酸化剤極25cに向けて供給され、このとき、電磁遮断弁43は閉じられている。このため、空気供給流路40内の空気は全て、初期加湿槽45における散気液室47の液中に散気されて散気液室47を通過し、この際に加湿される。
Regarding the initial humidification, the
このようにして加湿された空気は膜式全熱交換器49を経て燃料電池本体25の酸化剤極25cを通過し、酸化剤極25c、すなわち、電解質膜25bを加湿する。この後、酸化剤極25cを通過した通過空気は、空気供給流路40の下流空気流路50および膜式全熱交換器49を経て回収水槽75に排出されるが、この際、膜式全熱交換器49は、酸化剤極25cに向かう加湿空気と酸化剤極25cからの通過空気との間にて蒸気交換を実施する。電解質膜25b(酸化剤極25c)の初期加湿が定常状態に達した後、加湿空気と通過空気との間の露点差は僅かとなる。
The air thus humidified passes through the membrane type
上述した初期加湿の主要な役割は、電解質膜25bおよび膜式全熱交換器49の膜を予備的に加湿することにあるから、空気に対する加湿に高い効率は要求されず、それゆえ、初期加湿槽45の小形化を図ることができる。
なお、下流空気流路50に膜式全熱交換器49をバイパスするバイパス流路をさらに設け、初期加湿時には、酸化剤極25cからの通過空気がバイパス流路を通じて流れるようにすることもできる。
Since the main role of the initial humidification described above is to prehumidify the membrane of the
Note that a bypass flow path that bypasses the membrane
発電時加湿に関し
この後、前述した所定時間の経過後、つまり、電解質膜25bおよび膜式全熱交換器49に対する予備加湿が完了すると、電磁遮断弁43は閉じられ、そして、燃料電池本体25の燃料極25aに燃料ガスが供給され、燃料電池本体25は発電を開始する。
燃料電池本体25の発電後にあっては、空気ポンプ41からの空気は全て、初期加湿槽45をバイパスして膜式全熱交換器49を通じて酸化剤極25cに供給され、そして、酸化剤極25cを通過した後、膜式全熱交換器49を再び通じて回収水槽75に向かう。
Regarding humidification during power generation After this, after the elapse of the predetermined time described above, that is, when preliminary humidification for the
After the power generation of the
発電の開始後、酸化剤極25cには発電に伴って生成された水および熱が発生していることから、酸化剤極25cを通過する通過空気は生成水により十分に加湿され、かつ、昇温された状態となっている。それゆえ、膜式全熱交換器49内では、酸化剤極25cに向かう供給空気と通過空気との間にて蒸気交換および熱交換が行われ、供給空気の加湿および昇温が良好に実施される。
[冷却水供給]
図1Bに示されるように、燃料電池本体25の冷却部25dは冷却液供給流路60内に配置されている。この冷却液供給流路60は冷却液ポンプ62を有し、この冷却液ポンプ62は冷却液供給流路60内を通じて冷却水を循環させる。冷却液供給流路60には、冷却液ポンプ62の吐出側と冷却部25dとの間に逆止弁64およびヒータ63が介挿され、これら逆止弁64およびヒータ63は冷却液ポンプ62側から順次配置されている。そして、冷却液供給流路60には冷却部25dと冷却液ポンプ62の吸い込み側との間に、空気抜弁65、電磁遮断弁66および初期加湿槽45の散気液室47が介挿され、これら空気抜弁65、電磁遮断弁66および散気液室47は冷却部25d側から順次配置されている。ここで、空気抜弁65が冷却液供給流路60の最上位に位置付けられていることは言うまでもない。
After the start of power generation, water and heat generated by power generation are generated in the
[Cooling water supply]
As shown in FIG. 1B, the cooling
それゆえ、冷却液供給流路60はその一部に散気液室47を含み、詳しくは、散気液室47は冷却液供給流路60に対する入口60aおよび出口60bをそれぞれ有し、これら入口60a,出口60bは散気プレート45bよりも下方に位置付けられている。
さらに、冷却液供給流路60は、冷却液の流れ方向でみて空気抜弁65と電磁遮断弁66との間に分岐部69aを有し、この分岐部69aから冷却バイパス流路60cが分岐されている。この冷却バイパス流路60cは冷却液ポンプ62の吸い込み側と散気液室47との間の合流部69bにて、冷却液供給流路60に接続され、その途中には電磁遮断弁67が介挿されている。この電磁遮断弁67および前述の電磁遮断弁66は冷却液の流れを散気液室47側または冷却バイパス流路60c側に切り換える冷却切換手段を構成する。
Therefore, the cooling
Further, the coolant
初期昇温に関して
冷却液ポンプ62は燃料電池本体25の発電に先立ち、前述した空気ポンプ41と連動して駆動され、燃料電池本体25の冷却部25dを通じて冷却液を循環させる。このとき、ヒータ63は通電されて冷却部25dに向かう冷却液を昇温させ、これにより、冷却部25d、つまり、燃料電池本体25(電解質膜25b)の初期昇温が実施される。
Regarding Initial Temperature Raising The
また、初期昇温中、電磁遮断弁66,67については電磁遮断弁66のみが開かれている。それゆえ、昇温された冷却液は、冷却液供給流路60中、初期加湿槽45の散気液室47を含む部位(冷却流路部分)を経て循環し、これにより、散気液室47の水もまた昇温される。
それゆえ、前述した空気の初期加湿に関しては、散気液室47内にて昇温された水が使用されることから、空気への加湿効果がより向上するばかりでなく、酸化剤極25cに供給される空気の温度もまた昇温されることから、燃料電池本体25(電解質膜25b)の初期昇温は効率良く実施される。
Further, during the initial temperature increase, only the electromagnetic shut-off
Therefore, with respect to the initial humidification of the air described above, since the water heated in the
また、散気液室47を通じて循環する冷却液は、散気液室47の気相部分の圧力により加圧されるので、冷却液供給流路60内に空気が混入していても、この混入空気は空気抜弁65から容易に排気され、そして、この排気の分だけ散気液室47内の水が冷却液供給循流路60内に冷却水として補給される。
燃料電池本体の発電中に関して
燃料電池本体25の発電が開始されたとき、ヒータ63への通電は停止され、そして、電磁遮断弁66を閉じる一方、電磁遮断弁67が開かれる。この場合、冷却液は初期加湿槽45の散気液室47をバイパスし、冷却液供給流路60中、冷却バイパス流路60cを含んで形成される循環流路内にて循環し、冷却部25d、つまり、燃料電池本体25を冷却する。
In addition, the coolant circulating through the
Regarding the power generation of the fuel cell main body When the power generation of the fuel cell
前述した昇温および冷却に関し、燃料電池本体25の温度管理は、冷却部25dに対する冷却液の入口温度および/または出口温度に基づいてヒータの通電を制御し、また、冷却液ポンプの吐出流量を可変することにより実施される。
上述したように燃料電池本体25の発電中、冷却液供給流路60は、初期加湿槽45の散気液室47を含まない完全に閉じた密閉式のループ管路(冷却液循環流路)を形成するので、冷却液供給流路60内では、冷却液の循環運動エネルギが保存され、冷却液ポンプ62の消費電力を大幅に低減することができる。
Regarding the temperature rise and cooling described above, the temperature management of the fuel cell
As described above, during power generation of the fuel cell
また、冷却液の初期昇温に使用されるヒータ63は、初期加湿槽45の散気液室47の液中に配置することも可能であるが、前述したように冷却液供給流路60に介挿することで、初期加湿槽45のさらなる小形化が可能となる。
[改質液供給装置]
前述した改質液を供給する改質液供給装置は、図1Bから明らかなように改質液供給流路73に接続された回収水槽75を備えており、この回収水槽75内の水が改質水として燃料改質装置11の改質器11bに向けて供給される。このため、改質液供給流路73には、回収水槽75の近傍に補給水ポンプ76が介挿され、そして、補給水ポンプ76よりも下流側、つまり、改質器11b側に改質水ポンプ72が介挿されている。
In addition, the
[Reforming liquid supply device]
As is apparent from FIG. 1B, the reforming liquid supply apparatus for supplying the above-described reforming liquid includes a
また、改質液供給流路73には、補給水ポンプ76と改質水ポンプ72との間に逆止弁77および水処理器78が介挿され、これら逆止弁77および水処理器78は補給水ポンプ76側から順次配置されている。水処理器78は補給水ポンプ76から吐出された水を純水化処理し、その電気伝導度を低下させた純水の改質水として改質水ポンプ72に向けて送出する。
Further, a
さらに、改質液供給流路73は水処理器78と改質水ポンプ72との間に分岐部71を有し、この分岐部71から補給流路79が分岐されている。この補給流路79は、前述した冷却液供給流路60に対し、合流部分69bと冷却液ポンプ62との間に位置付けられた合流部61に接続されている。
前述した補給水ポンプ76は、改質器11bが要求する改質水の要求量、つまり、改質水ポンプ72の吐出流量よりも多い量の水を吐出する。それゆえ、改質水ポンプ72には要求量よりも多い純水の改質水が供給されるから、余剰の改質水は補給流路79を通じて冷却液供給流路60に冷却液として補給される。また、このようにして補給された改質水は初期加湿槽45の散気液室47に流入することから、散気液室47内の液量が増加する。
Further, the reforming
The
しかしながら、散気液室47にはオーバーフロー堰45aが設けられているので、散気液室47内の液量が増加した分だけ、オーバーフロー堰45aを越えて散気液室47から排液室45cに液が排出され、前述した散気液室47の液深は一定に維持される。なお、前述したように、排液室45c内の排液は浮子式ドレイナ46を経て回収水槽75に回収される。
However, since the
上述の説明から明らかなように水処理器78により処理された純水は、純水度の要求が高い順序、つまり、改質器11bのための改質水、冷却液供給流路60の冷却液、そして、散気液室47の加湿水の順序にて供給または補給されることになる。それゆえ、冷却液や酸化剤ガス中の水分の電気伝導度を小さく抑えることができ、燃料電池本体25の発電効率の悪化を防止することができる。
As is clear from the above description, the pure water treated by the
なお、冷却液供給流路60への改質液の補給量が冷却液の汚れ度合いに応じて増減されることは言うまでもない。
回収水槽の詳細
図1Bから明らかなように回収水槽75は給水管路70を介して公共の上水道(市水)系に接続され、給水管路70には電磁遮断弁74が介挿されている。回収水槽75内には、前述した初期加湿槽45の場合と同様にオーバーフロー堰75aが設けられており、このオーバーフロー堰75aは回収水槽75内に排液室75bを区画し、回収水槽75内水量を一定に維持する。排液室75bの底からは排出管75cが延び、そして、回収水槽75の気相部分は排気管75eを通じて大気に開放されている。
Needless to say, the supply amount of the reforming liquid to the cooling liquid
Details of the recovered water tank As is clear from FIG. 1B, the recovered
また、回収水槽75は液面計75dを備えて、この液面計75dは電磁遮断弁74の開閉を制御するために使用される。具体的には、液面計75dがオーバーフロー堰75aよりも低い高水位(H)を検出したとき、電磁遮断弁74は閉じられ、これに対し、液面計75dが低水位(L)を検出したとき、電磁遮断弁74は開かれ、回収水槽75内に市水が補給される。
Further, the
前述したように回収水槽75への回収経路96は、燃料電池本体25に対する燃料供給流路21から分岐され、そして、回収経路96に燃料改質装置11の水素供給経路7から分岐した凝縮経路12や初期加湿槽45から延びる排液経路51が接続されている。それゆえ、燃料供給流路21内を流れる燃焼ガスから凝縮した水や、水素供給経路7を流れる中間ガスから凝縮した水、そして、初期加湿槽45からの排出される水が回収水として回収水槽75に回収される。このような回収水の量が多い場合、回収水槽75内の余剰の水はオーバーフロー堰75aを越え、排液室75bを経て排出される。
As described above, the
上述した回収水の純水度(電気伝導度)は市水よりも高いため、回収水を再利用することで水処理器78の寿命を長くでき、しかも、市水料金の節約にも大きく貢献する。
[熱回収装置]
熱回収装置は、前述した空気供給流路40の下流空気流路50に膜式全熱交換器49よりも下流に位置して介挿された熱交換器53、燃料電池本体25の燃料供給流路21中、合流部28と分岐部30との間に介挿された熱交換器29、燃料改質装置11の燃焼バーナ11eから延びる排ガス経路33に介挿された熱交換器34、そして、冷却液供給流路60の冷却バイパス流路60cに介挿された熱交換器68を備えている。
Since the pure water level (electrical conductivity) of the recovered water is higher than that of city water, the life of the
[Heat recovery device]
The heat recovery device includes a
一方、上述の熱交換器53,29,34,68を通じて熱回収経路89が延びており、この熱回収経路89は熱回収水の流路を形成し、給湯器100を通過する。熱回収経路89には熱交換器53と給湯器100との間に熱回収ポンプ83が介挿され、熱回収ポンプ83から吐出された熱回収水は、熱交換器53,29,34,68の順序にて、これら熱交換器を通過し、給湯器100に至る。
On the other hand, a
それゆえ、前述した燃料電池本体25の発電時、この発電に伴い発生した熱エネルギは、空気供給流路40の下流空気流路50を流れる加湿空気、燃料電池本体25の燃料極25aおよび冷却部25dをそれぞれ通過した燃料ガスおよび冷却液が熱交換器53,29,68にて熱回収水と熱交換することにより回収され、また、燃料改質装置11の燃焼バーナ11eからの排ガスが熱交換器34にて熱回収水と熱交換することにより回収され、これにより、熱回収水の昇温が達成される。
Therefore, during the power generation of the fuel cell
なお、熱回収経路89内における熱交換器53,29,34,68の配置は図示のものに制約されず、熱回収水が通過する熱交換器の順序は熱回収効率が最も高くなるように選択される。
前述の説明から明らかなように、燃料電池本体25の発電時には、冷却液供給流路60が冷却バイパス流路60cを含む密閉式の循環流路を形成するので、燃料電池本体25から発生した熱エネルギが初期加湿槽45内の液、つまり、加湿水の昇温に消費されず、熱エネルギは熱交換器68により熱回収水に効率良く回収される。
The arrangement of the
As is clear from the above description, when the fuel cell
また同様に、燃料電池本体25の発電時、空気供給流路40の下流空気流路50を流れる加湿空気もまた初期加湿槽45内の加湿水の昇温に消費されないので、燃料電池本体25の熱エネルギは熱交換器53に熱回収水に効率良く回収される。
熱回収経路89には熱交換器68と給湯器100との間の部位に空気抜弁88が介挿されている。この空気抜弁88は熱回収経路89の最上位に配置されていれば良く、その配置位置が上記の部位に制約されるものではない。
Similarly, during the power generation of the fuel cell
In the
一方、給湯器100と熱回収ポンプ83の吸い込み側とを接続する熱回収経路89の部位には給湯器100側から常開の電磁遮断弁92およびラジエータ93が介挿されているとともに、これら電磁遮断弁92およびラジエータ93をバイパスするバイパス経路94が設けられ、このバイパス経路94に常閉の電磁遮断弁95が介挿されている。
さらに、熱回収ポンプ83の吸い込み側の熱回収経路89の部位には合流部81が設けられ、この合流部81は前述した回収経路96に接続経路を介して接続され、この接続経路に逆止弁82が介挿されている。この逆止弁82は熱回収経路89に向けてのみ開くことができる。
On the other hand, a normally open electromagnetic shut-off
Further, a
図1Bから明らかなように、熱回収ポンプ83および/または合流部81から接続経路を介して回収水槽75に至る回収経路96の部位は回収水槽75内の液面レベルよりも下方に配置され、これにより、熱回収経路89内に混入した空気が空気抜弁88を通じて排気されても、この排気に伴い、熱回収経路89内に回収水槽75側から水が自動的に補給されることになる。それゆえ、熱回収経路89は密閉式の循環経路を形成するので、熱回収ポンプ83の消費電力を低減することができる。
As is clear from FIG. 1B, the part of the
なお、熱回収ポンプ83の吐出量、つまり、回収水の循環量は、たとえば燃料電池本体25の冷却部25dに流入する冷却液の入口温度により制御することができる。
また、熱交換器29にて燃料ガスから凝縮した水分や、熱交換器53にて加湿空気から凝縮した水分もまた前述の説明から明らかなように回収水槽75に回収される。
給湯器の詳細
図3に示されるように給湯器100は貯湯槽101を備え、この貯湯槽101内に熱回収経路89に介挿された熱交換器101aが配置されている。貯湯槽101の底からは給水管101cが延び、この給水管101cに手動のボール弁104が介挿されている。給水管101cには貯湯槽101とボール弁104との間の部位に接続管103を介して市水系に接続され、貯湯槽101は市水の供給を受けることができる。
The discharge amount of the
Further, the moisture condensed from the fuel gas in the
Details of the Water Heater As shown in FIG. 3, the
一方、貯湯槽101の頂部には空気抜弁101bが取り付けられ、そして、頂部から給湯サービス配管105が延びている。この給湯サービス配管105には追い炊きバーナ102が必要に応じて介挿され、追い炊きバーナ102は都市ガスの供給を受けて点火可能である。
貯湯槽101内に供給された市水は熱交換器101aにて熱回収水との熱交換により昇温された後、給湯サービス配管105を通じて給湯に供せられる。
On the other hand, an
The city water supplied into the hot
11 燃料改質装置
21 燃料供給流路
25 燃料電池本体
29,34 熱交換器
40 空気供給流路(酸化剤供給流路)
43 電磁遮断弁
44 槽本体
45 初期加湿槽
45a オーバーフロー堰
45b 散気プレート(散気位置)
45c 排液室
45g 散気管
46 浮子式ドレイナ
47 散気液室
48 加湿バイパス流路
49 膜式全熱交換器
53 熱交換器
60 冷却液供給流路
60a 入口
60b 出口
60c 冷却バイパス流路
62 冷却液ポンプ
63 ヒータ
66,67 電磁遮断弁(冷却切換手段)
68 熱交換器
72 改質水ポンプ
73 改質液供給流路
75 回収水槽
76 補給水ポンプ
78 水処理器
79 補給流路
89 熱回収経路
100 給湯器
101 貯湯槽
101a 熱交換器
DESCRIPTION OF
43 Electromagnetic shut-off valve 44
68
Claims (14)
前記燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料供給流路と、
前記燃料電池本体内を通じて前記燃料ガスに対する酸化剤ガスを供給し、前記燃料電池本体の上流および下流にそれぞれ位置した上流および下流部位を有する酸化剤供給流路と、
前記燃料電池本体内を通じて冷却液を供給する冷却液供給流路と、
前記酸化剤供給流路の上流部位および下流部位をそれぞれ流れる酸化剤ガスの間にて熱および蒸気の交換を行う膜式全熱交換器と、
前記酸化剤供給流路の上流部位に介挿され、前記酸化剤ガスを液中に散気させ、加湿後の酸化剤ガスを前記燃料電池本体に向けて送出させる加湿槽と、
前記酸化剤供給流路の上流部位に設けられ、この上流部位から前記加湿槽を選択的に分離可能な分離手段と
を具備したことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell body;
A fuel supply passage for supplying fuel gas to the fuel cell body;
Supplying an oxidant gas to the fuel gas through the fuel cell main body, and an oxidant supply flow path having upstream and downstream portions respectively positioned upstream and downstream of the fuel cell main body;
A coolant supply passage for supplying a coolant through the fuel cell body;
A membrane-type total heat exchanger for exchanging heat and steam between oxidant gases flowing in an upstream part and a downstream part of the oxidant supply flow path,
A humidifying tank that is inserted in an upstream portion of the oxidant supply flow path, diffuses the oxidant gas into the liquid, and sends the humidified oxidant gas toward the fuel cell body;
A fuel cell system comprising a separation means provided at an upstream portion of the oxidant supply channel and capable of selectively separating the humidification tank from the upstream portion.
密閉型の槽本体と、
前記槽本体内に設けられ、前記液を蓄えるとともに前記液中に位置付けられた前記酸化剤ガスの散気位置を有する散気液室と、
前記槽本体内に前記散気液室に隣接した排液室を区画し、前記散気液室内の余剰の液を前記排液室に逃がすことで、前記散気液室の液面から前記散気位置までの液深を決定するオーバーフロー堰と、
前記排液室内の液を排出する浮子式ドレイナと
を含むことを特徴とする請求項1または2の燃料電池システム。 The humidifying tank is
A sealed tank body,
A diffused liquid chamber provided in the tank body, storing the liquid and having a diffused position of the oxidant gas positioned in the liquid;
A drainage chamber adjacent to the diffuser chamber is defined in the tank body, and excess liquid in the diffuser chamber is allowed to escape to the drainage chamber, so that the diffuser can be removed from the liquid level of the diffuser chamber. An overflow weir that determines the liquid depth to the air position;
The fuel cell system according to claim 1, further comprising a float-type drainer that discharges the liquid in the drainage chamber.
前記散気液室を含む冷却流路部分と、
前記冷却流路部分と並列に延びる冷却バイパス流路と、
前記冷却液供給流路中、前記冷却バイパス流路以外に介挿されたヒータと、
前記冷却流路部分および前記冷却バイパス流路のうちの一方を開き、その他方を閉じる冷却切換手段と
をさらに具備したことを特徴とする請求項4〜6の何れかの燃料電池システム。 The coolant supply channel is
A cooling flow path portion including the diffuser chamber;
A cooling bypass passage extending in parallel with the cooling passage portion;
In the cooling liquid supply flow path, a heater inserted other than the cooling bypass flow path,
The fuel cell system according to any one of claims 4 to 6, further comprising cooling switching means for opening one of the cooling channel portion and the cooling bypass channel and closing the other.
前記酸化剤供給流路の上流部位に設けられ、前記散気液室を含んだ加湿流路部分と並列に延びる加湿バイパス流路と、
前記加湿流路部分および前記加湿バイパス流路のうちの一方を開き、その他方を閉じる加湿切換手段と
を含むことを特徴とする請求項1〜7の何れかの燃料電池システム。 The separating means includes
A humidification bypass flow path provided in an upstream portion of the oxidant supply flow path and extending in parallel with a humidification flow path portion including the diffused liquid chamber;
8. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a humidification switching unit that opens one of the humidification flow path portion and the humidification bypass flow path and closes the other.
前記遮断弁は開弁時、前記散気液室側の流路抵抗に比べて小さく、前記酸化剤ガスの全流量を通過させる流路抵抗を有する
ことを特徴とする請求項8の燃料電池システム。 The humidification switching means includes an openable / closable shut-off valve inserted in the humidification bypass flow path,
9. The fuel cell system according to claim 8, wherein when the shut-off valve is opened, the shut-off valve has a channel resistance that is smaller than the channel resistance on the diffuser liquid chamber side and allows the entire flow rate of the oxidant gas to pass therethrough. .
前記回収槽から改質液を供給する改質液供給流路と、
前記改質液供給流路から改質液の供給を受け、原燃料を改質して生成した前記燃料ガスを前記燃料供給流路に送出する燃料改質装置と
をさらに具備したことを特徴とする請求項4〜9の何れかの燃料電池システム。 A recovery tank for recovering the liquid condensed from the humidified oxidant gas after passing through the oxidant electrode of the fuel cell body;
A reforming liquid supply flow path for supplying a reforming liquid from the recovery tank;
A fuel reformer that receives the reformate from the reformate supply channel and sends the fuel gas generated by reforming the raw fuel to the fuel supply channel; The fuel cell system according to any one of claims 4 to 9.
前記改質液供給流路から分岐するとともに前記ポンプの直上流にて前記冷却液循環流路に接続され、前記改質液供給流路内の改質液を前記冷却液として補給する補給流路と、
前記補給流路の分岐位置と前記回収槽との間にて前記改質液供給経路に介挿され、前記回収槽からの改質液を純水に処理する処理器と
をさらに含むことを特徴とする請求項10の燃料電池システム。 A pump that is inserted into the coolant circulation channel and circulates the coolant;
A replenishing flow path that branches from the reforming liquid supply flow path and is connected to the cooling liquid circulation flow path immediately upstream of the pump and replenishes the reforming liquid in the reforming liquid supply flow path as the cooling liquid. When,
It further includes a processor that is inserted in the reforming liquid supply path between the branch position of the replenishing flow path and the recovery tank and processes the reforming liquid from the recovery tank into pure water. The fuel cell system according to claim 10.
膜式全熱交換器により前記燃料電池本体の上流側および下流側を流れる酸化剤ガスの間にて、前記燃料電池本体に向かう酸化剤ガスの加湿を行う工程と、加湿槽内の液中に前記酸化剤ガスを散気させて、前記燃料電池本体に向かう酸化剤ガスの加湿を行う工程とを備え、
前記工程を切り換えて実施することを特徴する燃料電池システムの運転制御方法。 In the fuel cell system in which the fuel gas is supplied to the fuel cell main body, and the oxidant gas and the coolant for the fuel gas are respectively supplied through the fuel cell main body.
A step of humidifying the oxidant gas toward the fuel cell main body between the oxidant gas flowing upstream and downstream of the fuel cell main body by a membrane total heat exchanger; and in the liquid in the humidification tank A process of aspirating the oxidant gas and humidifying the oxidant gas toward the fuel cell main body,
An operation control method for a fuel cell system, wherein the steps are switched and executed.
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Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009096706A (en) * | 2007-09-27 | 2009-05-07 | Sanyo Electric Co Ltd | Reforming apparatus for fuel cell |
WO2009066437A1 (en) * | 2007-11-22 | 2009-05-28 | Panasonic Corporation | Fuel cell system and method of operating the same |
WO2009157149A1 (en) * | 2008-06-26 | 2009-12-30 | パナソニック株式会社 | Fuel cell system |
WO2012140742A1 (en) * | 2011-04-12 | 2012-10-18 | 株式会社Eneosセルテック | Fuel cell system and stopping method therefor |
JP2014029805A (en) * | 2012-07-31 | 2014-02-13 | Noritz Corp | Fuel cell cogeneration system and hot water storage tank unit |
US8696773B2 (en) | 2007-09-27 | 2014-04-15 | Jx Nippon Oil & Energy Corporation | Reforming apparatus for fuel cell |
WO2015075889A1 (en) * | 2013-11-20 | 2015-05-28 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Fuel-cell system |
JP2016157598A (en) * | 2015-02-25 | 2016-09-01 | 株式会社Ihi | Fuel cell power generation device and method |
JP2020087631A (en) * | 2018-11-21 | 2020-06-04 | 株式会社東芝 | Fuel cell system |
JP2020101359A (en) * | 2020-03-17 | 2020-07-02 | 三浦工業株式会社 | Fuel cell system |
-
2006
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Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009096706A (en) * | 2007-09-27 | 2009-05-07 | Sanyo Electric Co Ltd | Reforming apparatus for fuel cell |
US8696773B2 (en) | 2007-09-27 | 2014-04-15 | Jx Nippon Oil & Energy Corporation | Reforming apparatus for fuel cell |
WO2009066437A1 (en) * | 2007-11-22 | 2009-05-28 | Panasonic Corporation | Fuel cell system and method of operating the same |
WO2009157149A1 (en) * | 2008-06-26 | 2009-12-30 | パナソニック株式会社 | Fuel cell system |
WO2012140742A1 (en) * | 2011-04-12 | 2012-10-18 | 株式会社Eneosセルテック | Fuel cell system and stopping method therefor |
JP2014029805A (en) * | 2012-07-31 | 2014-02-13 | Noritz Corp | Fuel cell cogeneration system and hot water storage tank unit |
WO2015075889A1 (en) * | 2013-11-20 | 2015-05-28 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Fuel-cell system |
WO2015075890A1 (en) * | 2013-11-20 | 2015-05-28 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Fuel-cell system |
JPWO2015075889A1 (en) * | 2013-11-20 | 2017-03-16 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Fuel cell system |
JP2016157598A (en) * | 2015-02-25 | 2016-09-01 | 株式会社Ihi | Fuel cell power generation device and method |
JP2020087631A (en) * | 2018-11-21 | 2020-06-04 | 株式会社東芝 | Fuel cell system |
JP2020101359A (en) * | 2020-03-17 | 2020-07-02 | 三浦工業株式会社 | Fuel cell system |
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