JP2009009732A - エアリターン機構および定置型燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、改質器に精度良く純水を供給することが求められている。
【解決手段】エア分離室５０の天井部分には、分離壁５４が延出して形成されており、エア分離室５０を、吸入口５１側の吸入側分離室５７と吐出口５２側の吐出側分離室５８の二つの空間に分離している。分離壁５４の下側部分には、吸入側分離室５７と吐出側分離室５８とを連通する分離室連通口５５が形成されている。吸入側分離室５７の天井部分には、エア導出口５３が形成されており、上方に延びるエアリターン配管６２の一端が取り付けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、エアリターン機構および定置型燃料電池システムに係り、特に水タンクとポンプとの間に設けられ、ポンプに送る水の中のエアを除去するエアリターン機構およびそのエアリターン機構を備える定置型燃料電池システムに関する。

ガソリンや天然ガス、都市ガスなどの原料ガスを水素ガスに改質し、水素によって発電する燃料電池などを備えた燃料電池システムが開発され、特に家庭用などの固定されて利用されるタイプの燃料電池システムについては、徐々に市場に浸透しつつある。特に、コージェネレーションを普及させるための切り札として、燃料電池システムが大きく期待されている。

一般的に、燃料電池システムは、燃料電池本体と、原料ガスから水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質器と、この改質器からの改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成するＣＯ変成器と、このＣＯ変成器からの未変成の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器とを備える。

そして、この改質器はバーナを備え、上記の燃料ガスと内部の熱交換器で水蒸気化した水蒸気とを混合して予熱し、触媒で活性化することによって改質ガスを生成する。この水蒸気をつくる水は、ポンプにより改質器に供給される。そして、改質器が安定して水素を生成するためには、ポンプから供給される水量の精度を高める必要がある。

図３は、従来技術の燃料電池システムにおける水タンク７１及び水ポンプ７２の概略構成図である。図示のように、水タンク７１に貯留された純水は、吸入配管７３を通り水ポンプ７２に供給される。そして、水ポンプ７２が所望の量の純水を、吐出配管７４を介して改質器に供給する。このとき、純水中に気泡（エア）が発生すると、水ポンプ７２のポンプ部７５は適正な量の純水を改質器に供給できなくなる。水タンク７１からから吸入配管７３に、純水中に入るときに気泡が含まれていなくとも、水ポンプ７２に達するまでの経路で、気泡が発生することがある。

このような、液体中に含まれる気泡を除去する技術として、ポンプの上方に設けられ、さらに、内部に水平に設置された気泡分離膜に燃料を上から下に通すことで、気泡の除去を行う気泡除去装置がある（特許文献１参照）。つまり、余剰燃料のリターン通路を利用して気泡をタンクへ戻す装置である。この装置では、気泡分離膜上に細かな気泡が集合し、気泡が次第に大きくなって上方に移動する。

また、燃料タンクの下方に設けられた燃料フィルタにおいて、燃料がフィルタ内部において縦に設けられた濾体を通過した後に、環境温度の変化や減圧により下流側の空間（下流室）内で発生したベーパを上方に設けられた脱気管から燃料タンクへ導く技術もある（特許文献２参照）。

さらに、ディーゼルエンジンの自然下流式燃料供給装置の燃料フィルタにあって、縦方向に設けたフィルタ本体を通過した液体を内部上側の部分で略水平方向に外部（ポンプ）に対して導くとともに、フィルタ本体を通過した液体に含まれるベーパを鉛直上方に導くフィルタ用エア抜き通路が設けられた技術がある（特許文献３参照）。
特開平５−１５７０１４号公報 特開２００２−１６８１５５号公報 実開平４−１９６５９号公報

ところで、特許文献１で開示の技術では、液体として石油系の燃料が想定されており、一度発生したベーパを除去すれば、その後の過程において再度ベーパが発生することは想定されにくい。また、液体として水を想定した場合、一度気泡を捕獲しても、以降の過程において継続して発生する虞が高い。そして、燃料フィルタを通過した後の経路について開示されていないため、液体として水を対象とする場合、この技術をそのまま適用することは難しい。また、特許文献２に開示の技術も同様の課題が残る。また、フィルタが目詰まりした場合、エアリターン通路より、エアを吸い込んでしまう虞もある。またさらに、フィルタを通過した後、エアリターン通路へエアを分離する構成であるため、フィルタ通過後発生した気泡を十分に除去できないという課題がある。さらに、特許文献３に開示の技術では、ポンプへ導く経路にベーパを取り除くためのフィルタ用エア抜き通路が近接しているため、ベーパが十分に取り除かれない状態の燃料がポンプに供給されてしまう可能性がある。さらに、特許文献２と同様に、フィルタの目詰まりによるエア吸い込みの可能性もある。

また、特許文献１〜３に開示のポンプは、燃料ポンプであって、一般には、燃料の供給量を制御しているわけではなく、燃料噴射ノズルに供給する燃料の圧力を所望の圧力に制御している。一方、定置型燃料電池システムにおける純水の供給装置にあっては、ポンプから改質器に供給する純水の量を制御する必要がある。したがって、液体として燃料が想定される技術において許容される気泡量であっても、定置型燃料電池システムの改質器に純水を供給するシステムにおいては許容されない。

本発明は以上のような状況に鑑みなされたものであって、その目的は、定置型燃料電池システムにおいて水ポンプに供給される液体である水に含まれる気泡を好適に除去する技術を提供することにある。

本発明に係る装置は、エアリターン機構に関する。このエアリターン機構は、定置型燃料電池システムに用いられる、タンクに連通する吸入配管と、該吸入配管を介して前記タンクから水が供給される改質器用ポンプとの間に設けられるエアリターン機構であって、前記吸入配管に連通し、下方に設けられたエア分離室と、該エア分離室よりも上方に設けられた改質器用ポンプ連通部と、前記エア分離室よりも上方に設けられたエアリターン配管とを備える。
また、前記エアリターン配管は前記タンクに接続されてもよい。
また、前記エア分離室には、前記吸入配管と前記改質器用ポンプ連通部とを、上部において分離し、下方において連通するように隔壁を設けてもよい。
本発明の別の装置も、エアリターン機構に関する。このエアリターン機構は、上記のエアリターン機構が前記吸入配管と前記改質器用ポンプとの間に設けられる代わりに、前記改質器用ポンプのポンプ内部に設けられた。
本発明のさらに別の装置は、燃料電池システムに関する。この燃料電池システムは、上記のエアリターン機構を備える。
本発明の別の装置は、エアリターン機構に関する。このエアリターン機構は、定置型燃料電池システムに用いられる、タンクに連通する吸入配管と、該吸入配管を介して前記タンクから水が供給される改質器用ポンプとの間に設けられるエアリターン機構であって、下方に連通口を有する隔壁によって分離された第１及び第２の空間を有するエア分離室と、当該第１の空間の上部から上方向に延出するエアリターン配管と、を備え、前記第１の空間は、前記隔壁の連通口より上側に設けられて前記吸入配管に連通する吸入口を備え、前記第２の空間は、前記隔壁の連通口より上側に設けられて前記改質器用ポンプに連通する吐出口を備える。

本発明によれば、定置型燃料電池システムにおいて水ポンプに供給される液体である水に含まれる気泡を好適に除去する技術を提供することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。ここでは、一般に家庭用として用いられる定置型の燃料電池システムにおいて、改質器に対する純水の供給を安定的に精度良く行うために、純水に含まれる気泡を、純水がポンプに吸入される直前に除去する。なお、この燃料電池システムは、主に家庭用として住宅に設置され使用されることが想定される比較的小出力、例えば出力１ｋＷｈの定置型燃料電池システムであって、当然に、家庭用に限定されるものではなく、業務用等の目的に使用されうるものである。

図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成を示す機能ブロック図である。燃料電池システム１０は、例えば固体高分子形燃料電池であって、燃料電池本体１６と、燃料電池本体１６に供給する水素ガスを生成する改質器１４と、水素ガスの原料となる天然ガスや、都市ガス、プロパンガスなどの燃料ガスを供給する燃料供給部１２と、改質器１４に純水を供給する水供給部３０とを備える。

改質器１４は、燃料供給部１２が供給する燃料ガスに、水供給部３０から供給される純水を蒸発させて反応させることで、水素濃度が高いガス、いわゆる水素リッチガスを生成する。そして、改質器１４は、生成した水素リッチガスを燃料電池本体１６へ供給する。

水供給部３０は、水処理部３２と、水タンク３４と、水ポンプ３６と、エアリターン機構４０とを備える。

水処理部３２は、例えばイオン交換樹脂膜により水道水などの市水を純水に精製する。そして、精製された純水は、水タンク３４に貯留される。

水ポンプ３６は、ポンプ部６７（図２参照）によって、水タンク３４に貯留される純水を吸引して改質器１４に供給する。改質器１４に対する純水の供給量は、ポンプ部６７の駆動手段に対する駆動制御値とその駆動制御値に対する実際の吐出量との関係から高精度に制御される。この水ポンプ３６は、例えば、毎分数ｍｌ〜数十ｍｌの純水を精度良く改質器１４に供給している。

ところで、水ポンプ３６が吸入した純水に、気泡が含まれていると、ポンプ部６７は、改質器１４への純水の吐出量の制御を適正に行うことができない。つまり、水ポンプ３６の流量が低下し、所望の量の純水を改質器１４へ供給することが出来なくなる。

上述のように、純水が水タンク３４から水ポンプ３６へ供給される経路において、気泡が自然に発生することがある。特に、純水が温水である場合には気泡が発生しやすい。また、気泡の発生量の予測は出来ないことから、発生量を考慮に入れた制御は現実的でない。そして、この現象は、水ポンプ３６の種類に関わらず発生する。

そこで、本実施形態では、水タンク３４と水ポンプ３６を結ぶ経路の途中に、気泡を取り除くエアリターン機構４０を設けた。具体的には、図２に示す構成図のごとく、水ポンプ３６の吸入口６５に、エアリターン機構４０を設け、純水が水ポンプ３６に吸引される直前に、純水中の気泡Ａを除去する。以下、このエアリターン機構４０について説明する。

エアリターン機構４０は、エア分離部４２とエアリターン配管６２とを備える。

エア分離部４２は、内部が空洞で所定の深さの略円筒形状をなし、内部空洞において純水の流路を形成する。この内部の空洞部分を、エア分離室５０と言う。

エア分離室５０の側面上方部分には、吸入口５１が形成されており、この吸入口５１は、水タンク３４の底部に形成されたタンク出水口３５と、吸入配管６１によって連通する。なお、エア分離室５０の吸入口５１は、水タンク３４のタンク出水口３５よりも下側に位置する。また、吸入口５１と反対側には、純水を水ポンプ３６へ供給するための吐出口５２が形成されている。

また、エア分離室５０の天井部分には、分離壁５４が下方向に延出して形成されており、エア分離室５０を、吸入口５１側の吸入側分離室５７と吐出口５２側の吐出側分離室５８の二つの空間に分離している。そして、分離壁５４の下側部分には、吸入側分離室５７と吐出側分離室５８とを連通する分離室連通口５５が形成されている。

また、吸入側分離室５７の天井部分には、エア導出口５３が形成されており、上方に延びるエアリターン配管６２の一端が取り付けられる。また、エアリターン配管６２の他方の一端は、水タンク３４の上方に形成されているエアリターン口３７に取り付けられている。なお、エアリターン口３７の形成位置は、水タンク３４内部に貯留される純水の水位Ｗより高くなっている。

このような構成のエアリターン機構４０において、吸入口５１から吸入側分離室５７に取り込まれた純水は、一端下方向に向かい分離壁５４を通って吐出側分離室５８に入り、つづいて、上方向に向かい、吐出口５２から水ポンプ３６に供給される。

吸入口５１から入った純水が分離壁５４により進行方向を下側へ向けられるときに、純水に含まれる気泡Ａは、浮力のため下側に向かわずエア導出口５３からエアリターン配管６２へ向かう。そして、その気泡Ａは、エアリターン配管６２内の水面から放出され、エアリターン口３７から水タンク３４内に戻される。つまり、気泡Ａはエア分離室５０においてトラップされる。なお、水ポンプ３６の吐出量が、上述のように毎分数ｍｌ〜数十ｍｌであれば、エア分離室５０における純水の流速は、気泡Ａを吸入側分離室５７から吐出側分離室５８へ引き込まないレベルとなる。

したがって、吸入配管６１内で純水に気泡Ａが発生した場合であっても、エアリターン機構４０によって、水ポンプ３６に到達する前に純水中の気泡Ａが適切に除去される。また、水ポンプ３６にエア分離室５０が直接接続されているため、水ポンプ３６へ供給される純水中には気泡Ａが含まれない。その結果、水ポンプ３６は、改質器１４へ純水を高精度で供給できる。

なお、エアリターン配管６２の水タンク３４のエアリターン口３７に取り付けられている一端は、大気圧に開放されていればよく、水タンク３４に接続される構成に限定されない。ただし、大気中に開放される構成の場合、エアリターン配管６２の純水に対する不純物の混入防止のため、フィルタ等を設けるのが好ましい。

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。しかし、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上述の実施形態では、エア分離部４２における気泡のトラップは一度だけであったが、エア分離部４２は、複数回トラップがなされる構成としてもよい。つまり、上述のエア分離部４２が複数連続する構成としてもよい。また、エア分離部４２は、水ポンプ３６の構成要素として水ポンプ３６と一体に構成されてもよい。また、水ポンプ３６にエア分離室５０が直接接続されなくともよいが、エア分離室５０と水ポンプ３６との経路で気泡が発生する可能性を排除するためには、エア分離室５０を出来る限り水ポンプ３６に近い場所に設置することが好ましい。

また、吐出側分離室５８の入り口部分に気液分離フィルタを設けてもよい。さらに、分離壁５４の一部又は全てに変えて、気液分離フィルタによって、気泡Ａが水ポンプ３６側に流入しないようにしてもよい。

本実施形態に係る、燃料電池システムの概略構成を示す機能ブロック図である。 本実施形態に係る、水タンク、水ポンプ、及び水タンクと水ポンプを結ぶ経路の途中にエアリターン機構を設けた構成を示す図である。 従来技術に係る、水タンクと水ポンプの構成を示す図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料供給部
１４ 改質器
１６ 燃料電池本体
３０ 水供給部
３２ 水処理部
３４ 水タンク
３６ 水ポンプ
３７ エアリターン口
４０ エアリターン機構
４２ エア分離部
５０ エア分離室
５１ 吸入口
５２ 吐出口
５３ エア導出口
５４ 分離壁
５５ 分離室連通口
５７ 吸入側分離室
５８ 吐出側分離室
６１ 吸入配管
６２ エアリターン配管
６３ 吐出配管
６５ 吸入口
６６ 吐出口
６７ ポンプ部

Claims (6)

1. 定置型燃料電池システムに用いられる、タンクに連通する吸入配管と、該吸入配管を介して前記タンクから水が供給される改質器用ポンプとの間に設けられるエアリターン機構であって、
   前記吸入配管に連通し、下方に設けられたエア分離室と、
   該エア分離室よりも上方に設けられた改質器用ポンプ連通部と、
   前記エア分離室よりも上方に設けられたエアリターン配管と
   を備えたことを特徴とするエアリターン機構。
2. 前記エアリターン配管は前記タンクに接続されていることを特徴とする請求項１記載のエアリターン機構。
3. 前記エア分離室には、前記吸入配管と前記改質器用ポンプ連通部とを、上部において分離し、下方において連通するように隔壁を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のエアリターン機構。
4. 請求項１から３までのいずれかに記載のエアリターン機構が、前記吸入配管と前記改質器用ポンプとの間に設けられる代わりに、前記改質器用ポンプの内部に設けられたことを特徴とするエアリターン機構。
5. 請求項１から請求項４までのいずれかに記載のエアリターン機構を備えたことを特徴とする定置型燃料電池システム。
6. 定置型燃料電池システムに用いられる、タンクに連通する吸入配管と、該吸入配管を介して前記タンクから水が供給される改質器用ポンプとの間に設けられるエアリターン機構であって、
   下方に連通口を有する隔壁によって分離された第１及び第２の空間を有するエア分離室と、
   当該第１の空間の上部から上方向に延出するエアリターン配管と、
   を備え、
   前記第１の空間は、前記隔壁の連通口より上側に設けられて前記吸入配管に連通する吸入口を備え、
   前記第２の空間は、前記隔壁の連通口より上側に設けられて前記改質器用ポンプに連通する吐出口を備える
   ことを特徴とするエアリターン機構。

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