JP2009009886A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】停止状態が長時間にわたって継続される場合であっても、スタックの電解質膜の乾燥を防止でき、起動時に所望の電力を得ることができるようにした燃料電池を提供する。
【解決手段】スタックに供給されるアノードガスとスタックから排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器66,82と、凝縮器で凝縮された凝縮水をガスから分離する気液分離器70,84と、気液分離器で分離された凝縮水を貯留する凝縮水タンク72,86と、凝縮水タンクに貯留された凝縮水を流出させる凝縮水流出路74,90を備えると共に、凝縮水流出路74,90において凝縮水の流出を遮断する(第4の遮断弁76、第6の遮断弁92)。
【選択図】図1
【解決手段】スタックに供給されるアノードガスとスタックから排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器66,82と、凝縮器で凝縮された凝縮水をガスから分離する気液分離器70,84と、気液分離器で分離された凝縮水を貯留する凝縮水タンク72,86と、凝縮水タンクに貯留された凝縮水を流出させる凝縮水流出路74,90を備えると共に、凝縮水流出路74,90において凝縮水の流出を遮断する(第4の遮断弁76、第6の遮断弁92)。
【選択図】図1
Description
この発明は燃料電池に関し、より具体的には、スタックの電解質膜の乾燥を防止し、起動時に所望の電力を得ることができるようにした燃料電池に関する。
従来より、スタックから排出されるアノードオフガスなどに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成し、その凝縮水を発電動作で使用される水として利用するようにした燃料電池が提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1記載の技術にあっては、凝縮水を燃料電池を冷却する冷却水として利用するように構成している。
特開2002−141095号公報(段落0020,0021、図1など)
ところで、固体高分子型の燃料電池は、スタックを構成する電解質膜の含水量が低下すると発電効率が低下する。そのため、燃料電池が運転しているときは、例えば湿度交換器やバブラなどの加湿器を作動させて電解質膜を加湿している。しかしながら、燃料電池の運転が停止されるときは加湿器も作動しないため、例えば停止状態が長時間にわたって継続される場合、電解質膜は含水量が徐々に低下して乾燥してしまう。
電解質膜が乾燥した状態で燃料電池を起動させると、通常の発電動作が行われないおそれがある。具体的には、燃料電池においては電圧が低下しないように電流値を制限しつつ発電が行われると共に、電解質膜を含水量が正常な値になるまで加湿器で加湿し、その後通常の発電動作に切り換えるようにしている。このように、電解質膜が乾燥すると、燃料電池の起動時において通常の発電動作が行われず、所望の電力を得ることができないという不具合が生じる。そのため、燃料電池の停止状態が長時間にわたって継続される場合であっても、電解質膜の乾燥を防止できることが望ましいが、上記した特許文献1記載の技術は、それについて何等対策するものではなかった。
従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、停止状態が長時間にわたって継続される場合であっても、スタックの電解質膜の乾燥を防止でき、起動時に所望の電力を得ることができるようにした燃料電池を提供することにある。
上記の目的を解決するために、請求項1にあっては、スタックに供給されるアノードガスと前記スタックから排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮された凝縮水をガスから分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクに貯留された凝縮水を流出させる凝縮水流出路と、前記凝縮水流出路に設けられて前記凝縮水の流出を遮断する遮断手段とを備えるように構成した。
請求項2にあっては、前記遮断手段は、遮断弁とトラップ管のいずれかからなるように構成した。
請求項3にあっては、前記遮断手段の下流に前記凝縮水を貯留する改質水タンクを備えるように構成した。
請求項1に係る燃料電池にあっては、スタックに供給されるアノードガスとスタックから排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器と、凝縮器で凝縮された凝縮水をガスから分離する気液分離器と、気液分離器で分離された凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、凝縮水タンクに貯留された凝縮水を流出させる凝縮水流出路と、凝縮水流出路に設けられて凝縮水の流出を遮断する遮断手段とを備えるように構成したので、燃料電池の運転が停止されたとき、凝縮水タンクからの凝縮水の流出を遮断し、凝縮水タンクと凝縮水流出路(正確には、凝縮水流出路であって遮断手段よりも上流側の部位)に凝縮水を貯留することが可能となる。この凝縮水タンクや凝縮水流出路はスタックの電解質膜に繋がっているため、燃料電池の停止状態が長時間にわたって継続される場合であっても、凝縮水タンクなどに貯留された凝縮水と接触する湿潤なガスがスタックの電解質膜にも接触することとなり、よって電解質膜にあっては含水量が低下し難くなって乾燥を防止することができる。また、燃料電池においては、電解質膜が乾燥していないため、起動時に通常の発電動作を行うことができ、所望の電力を得ることができる。
請求項2に係る燃料電池にあっては、遮断手段は、遮断弁とトラップ管のいずれかからなるように構成したので、比較的簡易な構成でありながら、上記した効果を得ることができる。また、遮断手段としてトラップ管を用いる場合、動作の制御などが必要な遮断弁に比して構成を複雑化させることがない。
請求項3に係る燃料電池にあっては、遮断手段の下流に凝縮水を貯留する改質水タンクを備えるように構成したので、上記した効果に加え、凝縮水タンクの凝縮水を改質水として使用(利用)することができる。また、燃料電池の起動時、凝縮水の流出の遮断を解除して凝縮水を改質水タンクに流出させる(供給する)ことも可能となり、それによって例えば改質水タンクの水が蒸発して少なくなった場合であっても、外部から純水を補給する必要がない。
以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池の最良の実施の形態について説明する。
図1は、この発明の第1実施例に係る燃料電池を全体的に示す概略図である。
図1において、符号10は燃料電池を示す。燃料電池10は、電解質膜(固体高分子膜)と、それを挟持するカソード極(空気極)とアノード極(燃料極)と、各電極の外側に配置されるセパレータとから構成される単電池(セル)を複数個積層して形成されたスタック(いずれも図示せず)などを有する、公知の固体高分子型燃料電池である。
燃料電池10は、カソード極にカソードガス(反応空気)を供給するカソードガス供給系12と、アノード極にアノードガス(改質ガス)を供給するアノードガス供給系14と、燃料電池10で発生する電力を制御する電力制御系16を備える。
カソードガス供給系12は、カソードガスを供給するカソードガス供給路20と、燃料電池10から排出されるカソードオフガスを外部に排出(排気)させるカソードオフガス排出路22を備える。カソードガス供給路20には、空気を吸引してカソードガスとして燃料電池10に圧送するカソードガスポンプ24が接続される。また、カソードガス供給路20とカソードオフガス排出路22の途中には加湿器26が配置され、そこでカソードガスはカソードオフガスなどによって加湿される。
アノードガス供給系14は、改質燃料(例えば、メタンを主成分とする都市ガス)と水蒸気を改質触媒(図示せず)で水素を含有したアノードガスに改質する改質器30と、改質器30と燃料電池10を接続してアノードガスを燃料電池10のスタックに供給する第1のアノードガス供給路32aと、燃料電池10と改質器30の燃焼バーナ(後述)を接続して燃料電池10のスタックから排出されるアノードオフガスを燃焼バーナに供給するアノードオフガス供給路34を備える。
改質器30は、改質燃料供給源(図示せず)の改質燃料を供給する改質燃料供給路36と、一端が改質に使用される純水(以下「改質水」という)を貯留する改質水タンク38に接続され、改質水タンク38の改質水を供給する改質水供給路40を有する。改質燃料供給路36には、改質燃料の付臭剤、例えば有機硫黄化合物などを除去する脱硫器42が設けられる。一方、改質水供給路40には、改質水を改質器30に圧送する送水ポンプ44と、送水ポンプ44の下流側において改質水に含まれる不純物を除去するイオンフィルタ46と、イオンフィルタ46の下流側において改質水供給路40を開閉する第1の遮断弁50が設置される。尚、この明細書において「上流」「下流」とは、そこを流れる気体あるいは液体(流体)などの流れ方向における上流、下流を意味する。
また、改質器30は、加熱燃料(例えば都市ガス)と空気を燃焼させて改質触媒などを加熱する燃焼バーナ30aを備える。燃焼バーナ30aには、燃焼用の空気(以下「燃焼空気」という)などを供給する燃焼空気供給路52が接続される。燃焼空気供給路52には、空気を燃焼空気として圧送する燃焼空気ポンプ54が設けられると共に、燃焼空気ポンプ54の下流側には、燃焼空気に加熱燃料を供給する加熱燃料供給路56が接続される。改質器30はさらに、燃焼バーナ30aでの燃焼によって発生する燃焼排ガスを外部に排出(排気)させる燃焼排ガス排出路60が接続される。
第1のアノードガス供給路32aには、第1のアノードガス供給路32aとアノードオフガス供給路34を連通させる第2のアノードガス供給路32bが接続される。第2のアノードガス供給路32bには、第2のアノードガス供給路32bを開閉する第2の遮断弁(電磁弁)62が介挿される。第2の遮断弁62は、非通電時に閉弁し、燃料電池10において必要なアノードガスの量が減少したとき、通電されて開弁し、アノードガスを第2のアノードガス供給路32bを介してアノードオフガス供給路34に供給する。
第1のアノードガス供給路32aにおいて第2のアノードガス供給路32bの接続位置よりも下流側には、第1のアノードガス供給路32aを開閉する第3の遮断弁64が介挿され、その下流側には、アノードガスに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成するアノードガス凝縮器(凝縮器)66と、アノードガス凝縮器66で凝縮された凝縮水をアノードガスから分離するアノードガス気液分離器(気液分離器)70が接続される。
アノードガス凝縮器66には、アノードガスを冷却する冷却水を供給する冷却水供給路66aが接続され、これによりアノードガスは冷却水によって冷却されて水分が凝縮し、凝縮水が生成される。このように、アノードガス凝縮器66はアノードガスを冷却水と熱交換させて冷却する熱交換器として機能する。
アノードガス気液分離器70には、分離された凝縮水を貯留するアノードガス凝縮水タンク(凝縮水タンク)72が接続される。このように、凝縮水が貯留されるべきアノードガス凝縮水タンク72の内部空間が、アノードガス気液分離器70、第1のアノードガス供給路32aを介して燃料電池10のスタックの電解質膜に繋がるように(連通するように)構成される。
アノードガス凝縮水タンク72の適宜位置には、アノードガス凝縮水タンク72の水量が所定値以上であることを検知する水量センサ72aが設けられる。水量センサ72aは、アノードガス凝縮水タンク72の水量が所定値以上であるときにオン信号を出力し、所定値未満であるときにオフ信号を出力する。
アノードガス凝縮水タンク72には、貯留された凝縮水を前記した改質水タンク38に流出させるアノードガス凝縮水流出路(凝縮水流出路)74が接続される。また、アノードガス凝縮水流出路74の途中には、アノードガス凝縮水流出路74を開閉して凝縮水の流出を遮断する第4の遮断弁(遮断手段)76が設けられると共に、第4の遮断弁76の下流側には、凝縮水を貯留する改質水タンク38が接続される。従って、アノードガスに含まれる水分をアノードガス凝縮器66で凝縮させて得られる凝縮水は、アノードガス気液分離器70、アノードガス凝縮水タンク72、アノードガス凝縮水流出路74および第4の遮断弁76を介して改質水タンク38に供給され、改質水として貯留される。
アノードオフガス供給路34には、アノードオフガス供給路34を開閉する第5の遮断弁80が介挿される。第5の遮断弁80と前述した第1、第3の遮断弁50,64はいずれも電磁弁からなり、燃料電池10の非運転時にアノードガスなどが外部に流出するのを防止するため、燃料電池10の運転終了時に全て閉弁されているものとする。
アノードオフガス供給路34において第5の遮断弁80より下流側には、アノードオフガスに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成するアノードオフガス凝縮器(凝縮器)82と、アノードオフガス凝縮器82で凝縮された凝縮水をアノードオフガスから分離するアノードオフガス気液分離器(気液分離器)84が接続される。
このアノードオフガス凝縮器82とアノードオフガス気液分離器84は、上記したアノードガス凝縮器66とアノードガス気液分離器70と略同様に構成される。具体的に説明すると、アノードオフガス凝縮器82には、アノードオフガスを冷却する冷却水を供給する冷却水供給路82aが接続され、これによりアノードオフガスは冷却水によって冷却されて水分が凝縮し、凝縮水が生成される。このように、アノードオフガス凝縮器82はアノードオフガスを冷却水と熱交換させて冷却する熱交換器として機能する。
アノードオフガス気液分離器84には、分離された凝縮水を貯留するアノードオフガス凝縮水タンク(凝縮水タンク)86が接続される。このように、凝縮水が貯留されるべきアノードオフガス凝縮水タンク86の内部空間が、アノードオフガス気液分離器84、アノードオフガス供給路34、アノードオフガス凝縮器82および第5の遮断弁80を介して燃料電池10のスタックの電解質膜に繋がるように(連通するように)構成される。
アノードオフガス凝縮水タンク86の適宜位置には、水量センサ86aが設けられる。水量センサ86aは、アノードオフガス凝縮水タンク86の水量が所定値以上であるときにオン信号を出力し、所定値未満であるときにオフ信号を出力する。
アノードオフガス凝縮水タンク86には、貯留された凝縮水を改質水タンク38に流出させるアノードオフガス凝縮水流出路(凝縮水流出路)90が接続される。また、アノードオフガス凝縮水流出路90の途中には、アノードオフガス凝縮水流出路90を開閉して凝縮水の流出を遮断する第6の遮断弁(遮断手段)92が設けられると共に、第6の遮断弁92の下流側には改質水タンク38が接続される。従って、アノードオフガスに含まれる水分をアノードオフガス凝縮器82で凝縮させて得られる凝縮水は、アノードオフガス気液分離器84、アノードオフガス凝縮水タンク86、アノードオフガス凝縮水流出路90および第6の遮断弁92を介して改質水タンク38に供給され、改質水として貯留される。
尚、第6の遮断弁92と上記した第4の遮断弁76はいずれも電磁弁からなり、対応する水量センサ72a,86aからの信号に基づいて動作が制御されるが、それについては後述する。
電力制御系16は、マイクロ・コンピュータなどからなる電子制御ユニット(Electronic Control Unit。以下「ECU」という)100と、燃料電池10で発生する電力(直流電流)を所定の周波数の交流電流に変換して電気負荷(交流電源機器)102に出力するインバータ104と、オペレータからの燃料電池10の始動指示あるいは停止指示を入力する始動/停止スイッチ106などからなり、燃料電池10で発生した電力を出力する出力端子110に接続される。始動/停止スイッチ106は、オペレータによって入力された燃料電池10の始動/停止指示に応じた信号を出力する。
ECU100は、水量センサ72a,86aや始動/停止スイッチ106などの信号が信号線112を介して入力されると共に、入力されたセンサの信号に基づき、各遮断弁50,62,64,76,80,92や送水ポンプ44などの補機類の動作を制御するが、それについては後述する。
尚、燃料電池10には、上記した各構成要素の他に、燃料電池10を冷却する冷却系なども接続されるが、それらは本願の要旨と直接の関係を有しないので、図示および説明を省略する。
次いで上記した構成を前提に、ECU100で実行される燃料電池10の発電動作などについて、起動時および停止時の動作を中心に説明する。
図2は、ECU100の動作を示すフロー・チャートである。
先ずS10において、燃料電池10の始動(起動)指示あるいは停止指示がなされたか否か、具体的には、始動/停止スイッチ106において始動指示と停止指示のいずれが入力されたか判断する。S10で始動指示が入力されたと判断されるときはS12に進み、アノードガス凝縮水流出路74に設けられた第4の遮断弁76とアノードオフガス凝縮水流出路90に設けられた第6の遮断弁92を励磁して開弁させる。
これにより、アノードガス凝縮水タンク72の凝縮水はアノードガス凝縮水流出路74を介して、アノードオフガス凝縮水タンク86の凝縮水はアノードオフガス凝縮水流出路90を介して改質水タンク38に供給される。このように、燃料電池10の起動時、遮断弁76,92による凝縮水の流出の遮断を解除して凝縮水を改質水タンク38に流出させる(供給する)ようにしたので、例えば改質水タンク38の水が蒸発して少なくなっている場合であっても、外部から純水を補給する必要がない。
尚、S12の処理後の第4、第6の遮断弁76,92の動作について説明すると、各遮断弁76,92は一旦閉弁された後、対応する水量センサ72a,86aからの信号に基づいて動作が制御される。詳しくは、各遮断弁76,92は、水量センサ72a,86aがオン信号を出力するとき、即ち、凝縮水タンク72,86の水量が所定値以上のときに開弁されて凝縮水タンク72,86の凝縮水を改質水タンク38に供給する一方、オフ信号が出力されるとき(凝縮水タンク72,86の水量が所定値未満のとき)に閉弁されるように、その動作が制御される。これにより、アノードガスあるいはアノードオフガスが凝縮水タンク72,86などを介して改質水タンク38や外部に漏洩するのを防止することができる。
次いでS14に進み、燃焼空気ポンプ54を作動させ、燃焼空気を燃焼空気供給路52を介して燃焼バーナ30aに向けて流通させる。燃焼空気には、加熱燃料供給路56を介して加熱燃料が供給されて予混合ガスが生成され、燃焼バーナ30aに供給される。燃焼バーナ30aは供給された予混合ガスを点火電極(図示せず)によって点火(着火)して燃焼させ、その燃焼によって比較的高温の燃焼排ガスが発生する。燃焼排ガスは、改質触媒などを加熱して昇温させた後、燃焼排ガス排出路60を介して大気中に排気される。
改質触媒が改質可能な温度(例えば、700℃程度)まで加熱されると、次いでS16に進んで第1、第3および第5の遮断弁50,64,80を開弁させ、S18に進み、送水ポンプ44を駆動させる。これにより、改質水タンク38の改質水が改質水供給路40、送水ポンプ44、イオンフィルタ46および第1の遮断弁50を介して改質器30の改質触媒に供給される。
改質触媒にはさらに、改質燃料が改質燃料供給路36、脱硫器42を介して供給されて改質動作が開始される。具体的には、改質水は燃焼バーナ30aの燃焼排ガスなどによって加熱されて蒸発し、水蒸気となる。水蒸気は改質燃料と混合された後、改質可能な温度まで加熱された改質触媒に供給され、そこで水蒸気改質反応が起こる、即ち、混合された改質燃料と水蒸気を改質触媒でアノードガスに改質させる。
アノードガスは、改質器30において一酸化炭素などが除去された後、第1のアノードガス供給路32a、第3の遮断弁64を介してアノードガス凝縮器66に流入させられ、そこで水分が凝縮されて凝縮水が生成される。生成された凝縮水を含むアノードガスは、アノードガス気液分離器70に供給されて凝縮水が分離された後、燃料電池10のアノード極に供給される。
アノードガス気液分離器70においてアノードガスから分離された凝縮水は、アノードガス凝縮水タンク72に一時的に貯留される。尚、アノードガス凝縮水タンク72の水量は、前述した如く、水量センサ72aの出力に基づいて第4の遮断弁76が開閉されることで適宜に調整される。
次いでS20に進み、カソードガスポンプ24を作動させる。これにより、カソードガスは、カソードガス供給路20を介して加湿器26に流入させられ、そこでカソードオフガスに含まれた水分などの供給を受けて所望の湿度となるまで加湿された後、燃料電池10のカソード極に供給される。
燃料電池10においては、アノード極に供給されたアノードガスをカソード極に供給されたカソードガスと電気化学反応させて発電動作が行われる。電気化学反応によって燃料電池10で発生した電力は、出力端子110から取り出され、その一部がECU100や送水ポンプ44などの補機類の電源として使用されると共に、残部がインバータ104を介して電気負荷102に供給される。
燃料電池10のスタックから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出路22を介して加湿器26に供給され、カソードガス供給路20を流れるカソードガスを加湿した後、大気中に排気される。
燃料電池10のスタックから排出されるアノードオフガス、正確には、燃料電池10の発電動作において使用されずに排出されたアノードオフガス(未反応ガス)は、アノードオフガス供給路34、第5の遮断弁80を介してアノードオフガス凝縮器82に流入させられ、そこで水分が凝縮されて凝縮水が生成される。生成された凝縮水を含むアノードオフガスは、アノードオフガス気液分離器84に供給されて凝縮水が分離された後、改質器30の燃焼バーナ30aに加熱用の燃料として供給される。尚、燃料電池10において発電動作が開始されてアノードオフガスが燃焼バーナ30aに供給されると、加熱燃料供給路56に設置される遮断弁(図示せず)を閉弁させ、加熱燃料(都市ガス)の燃焼バーナ30aへの供給は遮断(停止)される。
アノードオフガス気液分離器84においてアノードオフガスから分離された凝縮水は、アノードオフガス凝縮水タンク86に一時的に貯留される。尚、アノードオフガス凝縮水タンク86の水量は、アノードガス凝縮水タンク70と同様、水量センサ86aの出力に基づいて第6の遮断弁92が開閉されることで適宜に調整される。
一方、S10において、燃料電池10の停止指示が入力されたと判断されるとき、具体的には、上記した燃料電池10の発電動作が行われた後、始動/停止スイッチ106において停止指示が入力されるときはS22に進み、第4、第6の遮断弁76,92を閉弁させ、アノードガス凝縮水タンク72とアノードオフガス凝縮水タンク86に貯留された凝縮水の改質水タンク38への流出を遮断する。
これにより、凝縮水は、アノードガス凝縮水タンク72とアノードガス凝縮水流出路74(正確には、アノードガス凝縮水流出路74であって第4の遮断弁76よりも上流側の部位)と、アノードオフガス凝縮水タンク86とアノードオフガス凝縮水流出路90(正確には、アノードオフガス凝縮水流出路90であって第6の遮断弁92よりも上流側の部位)に貯留される。凝縮水タンク72,86や凝縮水流出路74,90はスタックの電解質膜に繋がっているため、凝縮水タンク72,86などに貯留された凝縮水と接触する湿潤なガスはスタックの電解質膜にも接触することとなる。
次いでS24に進み、燃焼空気ポンプ54の駆動を停止させた後、S26に進んで送水ポンプ44の駆動を停止させる。これにより、燃焼バーナ30aによる改質触媒の加熱が停止されると共に、改質触媒に対する改質水の供給も停止され、よって改質器30での改質動作が終了させられる。
次いでS28に進んでカソードガスポンプ24の駆動を停止させ、S30に進んで第1、第3および第5の遮断弁50,64,80を閉弁させる。これにより、カソードガスのカソード極への供給が停止され、燃料電池10における発電動作が終了させられる。
このように、この発明の第1実施例に係る燃料電池10にあっては、スタックに供給されるアノードガスとスタックから排出されるアノードオフガスに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器66,82と、凝縮器で凝縮された凝縮水をガスから分離する気液分離器70,84と、気液分離器で分離された凝縮水を貯留する凝縮水タンク72,86と、凝縮水タンクに貯留された凝縮水を流出させる凝縮水流出路74,90と、凝縮水流出路に設けられて凝縮水の流出を遮断する遮断手段(第4の遮断弁76、第6の遮断弁92)とを備えるように構成したので、燃料電池10の運転が停止されたとき、凝縮水タンク72,86からの凝縮水の流出を遮断し、凝縮水タンク72,86と凝縮水流出路74,90(正確には、凝縮水流出路74,90であって遮断手段76,92よりも上流側の部位)に凝縮水を貯留することが可能となる。この凝縮水タンク72,86や凝縮水流出路74,90はスタックの電解質膜に繋がっているため、燃料電池10の停止状態が長時間にわたって継続される場合であっても、凝縮水タンク72,86などに貯留された凝縮水と接触する湿潤なガスがスタックの電解質膜にも接触することとなり、よって電解質膜にあっては含水量が低下し難くなって乾燥を防止することができる。また、燃料電池10においては、電解質膜が乾燥していないため、起動時に通常の発電動作を行うことができ、所望の電力を得ることができる。
また、遮断手段は第4の遮断弁76、第6の遮断弁92からなるように構成したので、比較的簡易な構成でありながら、上記した効果を得ることができる。
また、遮断手段(第4の遮断弁76、第6の遮断弁92)の下流に凝縮水を貯留する改質水タンク38を備えるように構成したので、凝縮水タンク72,86の凝縮水を改質水として使用(利用)することができる。また、燃料電池10の起動時、凝縮水の流出の遮断を解除して凝縮水を改質水タンク38に流出させる(供給する)ように構成したので、例えば改質水タンク38の水が蒸発して少なくなった場合であっても、外部から純水を補給する必要がない。
次いで、この発明の第2実施例に係る燃料電池について説明する。
図3は、第2実施例に係る燃料電池の構成を示す、図1と同様な概略図である。
以下、第1実施例と相違する点に焦点をおいて説明すると、第2実施例にあっては、図3に示す如く、アノードガス凝縮水流出路74の第4の遮断弁76とアノードオフガス凝縮水流出路90の第6の遮断弁92が除去されると共に、アノードガス凝縮水流出路74の途中には第1のトラップ管(遮断手段)120が、アノードオフガス凝縮水流出路90の途中には第2のトラップ管(遮断手段)122が設けられる。また、第4、第6の遮断弁76,92の除去に伴って水量センサ72a,86aも除去される。
図4は、図3に示すアノードガス凝縮水タンク72と第1のトラップ管120を部分的に拡大して示す部分拡大断面図である。尚、以下において、アノードガス凝縮水タンク72と第1のトラップ管120について説明するが、アノードオフガス凝縮水タンク86と第2のトラップ管122も略同一の構成であるため、以下の説明はアノードオフガス凝縮水タンク86と第2のトラップ管122にも妥当する。また、この明細書において、上方、下方などの上下関係を示す記載は、全て重力方向における上下関係を表すものとする。
図4に示す如く、アノードガス凝縮水タンク72の側壁(横壁)には、開口部72aが穿設され、開口部72aには、アノードガス凝縮水流出路74が接続される。アノードガス凝縮水流出路74の途中に設けられる第1のトラップ管120は、図示の如く、逆U字管からなる。第1のトラップ管120の構造について具体的に説明すると、第1のトラップ管120は、アノードガス凝縮水流出路74に屈曲して連続し、下流側が上方に向けて形成された第1の部位120aと、第1の部位120aに屈曲して連続し、上流側から下流側にかけて上方に突出する円弧状に形成された第2の部位120bと、第2の部位120bに屈曲して連続し、下流側が下方に向けて形成された第3の部位120cとからなる。尚、第3の部位120cの下流には、アノードガス凝縮水流出路74を介して改質水タンク38が接続される。
ここで、第2の部位120bについて詳説すると、第2の部位120bは、図示の如く、アノードガス凝縮水タンク72の開口部72aよりも上方に形成される。より具体的には、第2の部位120bは、その底面の頂部120b1が開口部72aよりも上方に位置するように形成される。
上記の如く構成された第1のトラップ管120において、アノードガスから分離された凝縮水(図4において符号「W」で示す)は、アノードガス凝縮水タンク72を介してアノードガス凝縮水流出路74に流入させられた後、下流側が上方に向けて形成された第1の部位120aから第2の部位の底面の頂部120b1までの管路に堰き止められ、その流出が遮断(阻止)される。凝縮水がアノードガスからさらに分離され、アノードガス凝縮水タンク72および第1のトラップ管120の凝縮水の滞留量が増加すると、凝縮水は第2の部位の底面の頂部120b1を超えて第3の部位120cへと流出し、改質水タンク38に供給される。
このように、この発明の第2実施例に係る燃料電池10にあっては、遮断手段はトラップ管(第1、第2のトラップ管120,122)からなるように構成したので、第1実施例のような動作の制御が必要な遮断弁76,92に比して構成を複雑化させることがない。また、遮断手段としてトラップ管120,122を用いる場合、電磁弁である遮断弁76,92を動作させるための電力を不要にでき、よって燃料電池10全体の効率を向上させることができる。
尚、残余の構成および効果は、第1実施例のそれと異ならない。
上記した如く、この発明の第1および第2の実施例にあっては、スタックに供給されるアノードガスと前記スタックから排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器(アノードガス凝縮器66、アノードオフガス凝縮器82)と、前記凝縮器で凝縮された凝縮水をガスから分離する気液分離器(アノードガス気液分離器70、アノードオフガス気液分離器84)と、前記気液分離器で分離された凝縮水を貯留する凝縮水タンク(アノードガス凝縮水タンク72、アノードオフガス凝縮水タンク86)と、前記凝縮水タンクに貯留された凝縮水を流出させる凝縮水流出路(アノードガス凝縮水流出路74、アノードオフガス凝縮水流出路90)と、前記凝縮水流出路に設けられて前記凝縮水の流出を遮断する遮断手段(第4の遮断弁76、第6の遮断弁92。第1のトラップ管120、第2のトラップ管122)とを備えるように構成した。
また、前記遮断手段は、遮断弁(第4の遮断弁76、第6の遮断弁92)とトラップ管(第1のトラップ管120、第2のトラップ管122)のいずれかからなるように構成した。
また、前記遮断手段の下流に前記凝縮水を貯留する改質水タンク38を備えるように構成した。
尚、上記した第1および第2実施例において、凝縮器を、アノードガス凝縮器66とアノードオフガス凝縮器82の2個備えるように構成したが、いずれか1個を備えるように構成しても良く、その意味から、請求項1において「スタックに供給されるアノードガスと前記スタックから排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器」と記載した。
また、第2実施例において、第1、第2のトラップ管120,122を逆U字管からなるように構成したが、それに限られるものではなく、要は凝縮水流出路からの凝縮水の流出を遮断できる形状であれば、他の態様であっても良い。
また、第1および第2実施例において、改質触媒の改質可能な温度などを具体的に示したが、それらの数値は例示であって限定されるものではない。
また、改質燃料や加熱燃料として都市ガスを使用するように構成したが、それに限られるものではなく、LPガスなどであっても良い。
10 燃料電池、38 改質水タンク、66 アノードガス凝縮器(凝縮器)、70 アノードガス気液分離器(気液分離器)、72 アノードガス凝縮水タンク(凝縮水タンク)、74 アノードガス凝縮水流出路(凝縮水流出路)、76 第4の遮断弁(遮断手段)、82 アノードオフガス凝縮器(凝縮器)、84 アノードオフガス気液分離器(気液分離器)、86 アノードオフガス凝縮水タンク(凝縮水タンク)、90 アノードオフガス凝縮水流出路(凝縮水流出路)、92 第6の遮断弁(遮断手段)、120 第1のトラップ管(遮断手段)、122 第2のトラップ管(遮断手段)
Claims (3)
- スタックに供給されるアノードガスと前記スタックから排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮された凝縮水をガスから分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクに貯留された凝縮水を流出させる凝縮水流出路と、前記凝縮水流出路に設けられて前記凝縮水の流出を遮断する遮断手段とを備えることを特徴とする燃料電池。
- 前記遮断手段は、遮断弁とトラップ管のいずれかからなることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
- 前記遮断手段の下流に前記凝縮水を貯留する改質水タンクを備えることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池。
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