JP2009016151A

JP2009016151A - 燃料電池発電装置のドレン回収装置

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Publication number: JP2009016151A
Application number: JP2007175852A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Yamanaka; 康朗山中
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2007-07-04
Filing date: 2007-07-04
Publication date: 2009-01-22

Abstract

【課題】ドレンの液面管理を容易なものとする。
【解決手段】ドレン分離個所となる水クエンチャ１７、アノード２入口、カソード３入口、アノード出口気液分離器１２、カソード出口気液分離器１５を、ドレン配管１８，１９，２０，２１，２２を介してドレンポット８ａに接続する。ドレンポットの液面レベルは、最も圧力の高いドレン分離個所である水クエンチャ１７よりドレン６を導くドレン配管を１９を水封できるように定める。ドレンポット８ａよりも圧力の低いドレン分離個所となるカソード３入口、アノード出口気液分離器１２、カソード出口気液分離器１３は、ドレンポット８ａとの圧力差に相当する水柱の高さ寸法以上の高所となる高さレベルに配設して、ドレン回収装置を形成する。各ドレン分離個所からのドレンを、ガスの吹き抜けや、ドレンの逆流を防止した状態で共通のドレンポット８ａへ回収させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池発電装置で発生するドレンを回収するための燃料電池発電装置のドレン回収装置に関するものである。

燃料電池は、燃料を用いた他の発電方法に比して熱効率が高く、又、環境汚染が少ないため、有効な発電装置として期待されている。特に、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、１００℃以下という低温で発電が行われ、出力密度が高いので、他の形式の燃料電池に比して小型化でき、しかも、電池構成材料の劣化が少ないこと、起動が容易であること、等の長所があることから、近年、小規模な業務用あるいは家庭用等の発電装置として使用されるようになってきている。

上記固体高分子型燃料電池を用いた発電装置（ＰＥＦＣ発電装置）の一般的な構成は、以下のようにしてある。すなわち、電解質としてフッ素系のイオン交換膜が用いられている固体高分子電解質膜の両面をカソード（空気極）とアノード（燃料極）の両ガス拡散電極で挟持させてなるセルを、セパレータを介し積層してスタックとし、且つ数セルに１つずつの冷却部を備えてなる構成として固体高分子型燃料電池を形成する。上記固体高分子型燃料電池におけるアノードの入口側には、改質器、シフトコンバータ、ＣＯ除去器（ＣＯ選択酸化反応器）を順に備えてなる燃料処理装置を、途中に加湿器を備えた改質ガス配管を介し接続して、燃料供給部より供給される都市ガス（天然ガス）やメタノール等の原料を、水蒸気と共に上記燃料処理装置へ供給して、該燃料処理装置の改質器にて水蒸気改質を行わせ、得られる改質ガス（燃料ガス）を、シフトコンバータに導いてシフト反応させ、更に、上記ＣＯ除去器にてＣＯ除去処理するようにしてあり、しかる後、上記燃料処理装置より送出される改質ガスが、改質ガス配管上に設けてある加湿器にて加湿された後、上記固体高分子型燃料電池のアノードへ供給されるようにしてある。一方、上記カソードの入口側には、酸化ガス（空気）が、圧縮器（空気ブロワ）で圧縮された後、酸化ガス配管上の加湿器を経てから供給されるようにしてある。

かかる構成としてあることにより、上記固体高分子型燃料電池にて、アノード側に供給される改質ガス中の水素と、カソード側に供給される酸化ガス（空気）中の酸素とを電気化学反応（燃料電池反応）させて、この際発生する起電力を取り出すようにしてある。

又、上記固体高分子型燃料電池による燃料電池反応の後、アノードの出口より排出されるアノードオフガスには未反応の水素が残存している。そのため、上記アノードの出口側に接続してあるアノードオフガス配管を、上記燃料処理装置における改質器の燃焼室側のバーナに接続して、上記固体高分子型燃料電池のアノードオフガスを、上記アノードオフガス配管を経て上記燃料処理装置のバーナへ導いて燃焼させ、これにより、燃料処理装置における改質器の改質室にて水蒸気改質を行わせるための熱源として利用するようにしてある。

カソードの出口より排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス配管を通して排出するようにしてある。

上記固体高分子型燃料電池発電装置は、上記したように固体高分子型燃料電池の運転温度が１００℃以下であることから、固体高分子型燃料電池発電装置の系内では、燃料改質装置を除くと、上記改質ガス配管、酸化ガス配管、アノードオフガス配管、カソードオフガス配管には、ほぼ１００℃以下でそれぞれ対応するプロセスガスが流れる構成となっている。

これに対し、上記したように、アノードへ供給する改質ガスは、燃料を水蒸気改質したものであることから水蒸気を多く含んでおり、更に、上記改質ガス及びカソードへ供給する酸化ガスは、それぞれ加湿器で加湿するようにしてあるため湿分を多く含んでいる。そのために、上記改質ガスや酸化ガスではドレンが発生し易い。又、これらのプロセスガスが燃料電池反応に供された後のアノードオフガスやカソードオフガスも湿分を多く含んでいて、ドレンが発生し易くなっている。

ところで、上記改質ガス及び酸化ガス中で発生したドレンが固体高分子型燃料電池のアノード及びカソードへ進入すると、電池電圧の低下をもたらす虞が懸念される。又、上記アノードオフガス中で発生したドレンが、上記改質器のバーナに吹き込まれるようになると、火炎が安定しなくなる等の不具合が生じる虞が懸念される。

上記のようなドレンに起因して固体高分子型燃料電池発電装置の安定性が損なわれる虞を未然に防止するための１つの手法としては、上記各種プロセスガスの配管を、ヒータによってドレンが発生しない温度間で加熱することが考えられる。しかし、この手法は、補機動力の増加に繋がってしまうという問題が生じる。

そのために、上記ドレンによって固体高分子型燃料電池発電装置の安定性が損なわれる虞を未然に防止するための別の手法としては、上記改質ガスや酸化ガスやアノードオフガスの流路に、適宜ドレンポットやドレンの分離管を設けることで、上記改質ガスや酸化ガスで発生するドレンが上記固体高分子型燃料電池へ供給される虞を未然に防止するようにしたり、上記アノードオフガスにて発生するドレンが改質器のバーナへ吹き込まれる虞を未然に防止させるようにすることが考えられてきている（たとえば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。

なお、本発明者は、上記カソードオフガス中で発生するドレンを回収して、上記加湿器における加湿用の水として再利用することを考えている。又、燃料改質装置で生成させる水素リッチな改質ガスを、固体高分子型燃料電池の許容温度以下まで冷却するための構成として、上記改質ガスを水と直接接触させて冷却（ダイレクトクエンチ）するようにしてある水クエンチャを使用することを考えている。この場合には、該水クエンチャから、上記アノードガスの冷却に供した後の水が連続的に排出されるようになる。

特開２００５−２１６８２２号公報特開平８−１８５８８３号公報特開平１１−２５０９２７号公報特開２０００−１２０５７号公報

ところが、上記したように、複数のドレン分離個所でドレンを分離するために、各ドレン分離個所ごとに個別のドレンポットを設ける場合は、該各ドレンポットごとに個別に液面管理を行わなければならず、又、機器数が増加してしまう。更に、制御的にも複雑になるというのが実状である。

そのため、ドレンを一個所に集中させて、１つのドレンポットへすべてのドレンを回収するようにすれば、ドレンの液面管理を１つのドレンポットで行うことができて、ドレンの液面管理をより容易なものとすることができると考えられる。

しかし、実際には、上記固体高分子型燃料電池発電装置にて、ドレンが発生する各種プロセスガスの流路は、流通するガスの圧力がそれぞれ異なっているため、上記各種プロセスガスの流路よりドレンを導くためのドレン回収ラインを、１つのドレンポットに単に接続しても、すべてのドレンを上記１つのドレンポットに集めることは困難である。すなわち、圧力の高いガスの流路からは、ドレンポットへドレン以外にガスも流入して、ガスのショートパスラインが形成されてしまう虞が生じる。一方、圧力の低いガスの流路に対しては、ドレンポット内のドレンが上記圧力の低いガスの流路へ逆流して、バブリングを生じると云う虞が生じる。

したがって、現状では、流通するプロセスガスの圧力が近似している系統同士は、ドレン配管を集合させることが可能であるが、ガスの圧力の異なる系統については、それぞれ別々に、ドレンポットを備えたドレンの排出機構を設けるようにせざるを得ず、このために、該各ドレン排出機構ごとのドレンの液面管理が必要とされる。

そこで、本発明は、固体高分子型燃料電池発電装置における複数のドレン分離個所で分離するドレンを、ガスの圧力が異なる系統であるとしても、１つの共通のドレンポットへ一緒に回収できるようにし、更には、燃料改質装置で生成させる水素リッチな改質ガスを水と直接接触させて冷却するようにしてある水クエンチャより排出される水をも一緒に回収でき、且つ液面管理をすべて一括して行うことができる燃料電池発電装置のドレン回収装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、燃料電池発電装置における複数のドレン分離個所よりドレンを導くドレン配管を、共通のドレンポットに接続し、且つ上記ドレンポットよりも高い圧力を有するドレン分離個所のうち、最も圧力の高いドレン分離個所からドレンを導くドレン配管を水封できるように上記ドレンポットの液面レベルを定め、更に、上記ドレンポットより圧力の低いドレン分離個所は、上記ドレンポットの液面レベルよりも、それぞれのドレンポットとの圧力差に相当する水柱の高さ寸法以上の高所となる高さレベルに配設してなる構成とする。

又、上記構成において、ドレンポットよりも高い圧力を有するドレン分離個所と、ドレンポットとの間に、中間水封ヘッダを設けるようにした構成とする。

更に、上記構成における中間水封ヘッダを、上下方向に所要寸法延び且つ上下両端部が閉塞された外筒部材と、該外筒部材の上部所要高さ位置から、外筒部材の底板を貫通して該外筒部材の下方位置まで上下方向に延びる内筒部材と、該内筒部材の下端側をドレンポットに連通させると共に、上記外筒部材をドレンポットに一体に連結する連結部と、上記外筒部材の上方位置から、該外筒部材の天井板を貫通して該外筒部材の内底部付近まで上下方向に延びるドレン流入管を備えてなる構成として、上記ドレン流入管の上端部に、ドレン分離個所よりドレンを導くドレン配管を接続するようにした構成とする。

上述の各構成におけるドレンポットとして、ブロワにより加圧して燃料電池のカソードへ供給する酸化ガスを加湿するための加湿器を用いるようにした構成とする。

又、上述の各構成において、ドレンポットよりも高い圧力を有するドレン分離個所のうち、最も圧力の高いドレン分離個所を、改質ガスを冷却するための水クエンチャとした構成とする。

本発明の燃料電池発電装置のドレン回収装置によれば、以下の如き優れた効果を発揮する。
（１）燃料電池発電装置における複数のドレン分離個所よりドレンを導くドレン配管を、共通のドレンポットに接続し、且つ上記ドレンポットよりも高い圧力を有するドレン分離個所のうち、最も圧力の高いドレン分離個所からドレンを導くドレン配管を水封できるように上記ドレンポットの液面レベルを定め、更に、上記ドレンポットより圧力の低いドレン分離個所は、上記ドレンポットの液面レベルよりも、それぞれのドレンポットとの圧力差に相当する水柱の高さ寸法以上の高所となる高さレベルに配設してなる構成としてあるので、圧力が異なる複数のドレン分離個所より出るドレンを、１つの共通のドレンポットへパッシブに回収することができる。しかも、上記ドレンポットより高い圧力のドレン分離個所よりドレンポットへガスが吹き抜けてガスのショートパスラインが形成される虞、及び、上記ドレンポットよりも低い圧力のドレン分離個所に対してドレンが逆流する虞を、未然に且つ確実に防止することができる。
（２）したがって、燃料電池発電装置で生じるドレンの液面管理を、１つのドレンポットで実施することが可能になるため、該ドレンの液面管理を容易なものとすることができる。又、燃料電池発電装置におけるドレンの回収のために要する機器数の削減化を図ることができると共に、制御を簡単なものとすることが可能になる。
（３）ドレンポットよりも高い圧力を有するドレン分離個所と、ドレンポットとの間に、中間水封ヘッダを設けるようにした構成とすることにより、上記ドレンポットよりも高い圧力を有するドレン分離個所と、ドレンポットとの圧力差が大きい場合にも、ドレンポットの液面レベルを低く抑えることができて、ドレン回収装置の高さ寸法を低く抑えることが可能になる。
（４）中間水封ヘッダを、上下方向に所要寸法延び且つ上下両端部が閉塞された外筒部材と、該外筒部材の上部所要高さ位置から、外筒部材の底板を貫通して該外筒部材の下方位置まで上下方向に延びる内筒部材と、該内筒部材の下端側をドレンポットに連通させると共に、上記外筒部材をドレンポットに一体に連結する連結部と、上記外筒部材の上方位置から、該外筒部材の天井板を貫通して該外筒部材の内底部付近まで上下方向に延びるドレン流入管を備えてなる構成として、上記ドレン流入管の上端部に、ドレン分離個所よりドレンを導くドレン配管を接続するようにした構成とすることにより、上記中間水封ヘッダを上記ドレンポットと一体化することができて、ドレン回収装置のコンパクト化をはかるのに有利なものとすることができる。
（５）ドレンポットとして、ブロワにより加圧して燃料電池のカソードへ供給する酸化ガスを加湿するための加湿器を用いるようにした構成とすることにより、回収するドレンを上記酸化ガスを加湿するための水として直接利用することができる。又、上記酸化ガスを加湿するための水とは別に回収するドレンを貯めるためのタンクを設ける必要をなくすことができて、装置のコンパクト化を図るのに有利なものとすることができる。しかも、上記加湿器内は、ブロワにより加圧した酸化ガスが流通しているために所要の圧力が作用していることから、各ドレン分離個所との差圧を小さく抑えることができて、ドレンポットの液面レベルを低く抑えることが可能になる。
（６）ドレンポットよりも高い圧力を有するドレン分離個所のうち、最も圧力の高いドレン分離個所を、改質ガスを冷却するための水クエンチャとした構成とすることにより、燃料改質装置で改質してなる改質ガスを、燃料電池へ供給する改質ガス経路における上流部に存在して、改質ガスの圧力が高くなっている水クエンチャより排出されるドレンを効率よく回収することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明の燃料電池発電装置のドレン回収装置の実施の一形態を示すもので、以下のようにしてある。

すなわち、図１に示した燃料電池発電装置のドレン回収装置は、固体高分子型燃料電池発電装置における固体高分子型燃料電池１のアノード２の入口側に接続してある改質ガス配管４を流通する改質ガス５より発生して上記アノード２の入口より出るドレン６と、ブロワ７より加湿器８を経てカソード３の入口側に接続してある酸化ガス配管９を流通する酸化ガス（空気）１０より発生して上記カソード３の入口より出るドレン６と、アノードオフガスライン１１上に設けたアノード出口気液分離器１２にてアノードオフガス１３より分離するドレン６と、カソードオフガスライン１４上に設けたカソード出口気液分離器１５にてカソードオフガス１６より分離するドレン６と、上記改質ガス配管４上に設けて図示しない燃料改質装置で生成させる改質ガス５を水と直接接触させて冷却するための水クエンチャ１７より上記改質ガス５の冷却に供された後に連続的に排出される水としてのドレン６とを、上記加湿器８の水タンクを１つの共通のドレンポット８ａとして、一緒に回収することができるようにした構成とする。

以下、詳述する。

ここで、上記各ドレン分離個所における圧力について示すと、先ず、上記ドレンポット８ａの圧力Ｐ０は、ブロワ７より供給される酸化ガス（空気）１０を、加湿器８自体を経た後、酸化ガス配管９、固体高分子型燃料電池１のカソード３を順次流通させる際に生じる圧力損失に相当する圧力となっている。

次に、上記水クエンチャ１７の圧力Ｐ１は、上記図示しない燃料改質装置で生成させた改質ガス５を、該水クエンチャ１７自体を経た後、改質ガス配管４、固体高分子型燃料電池１のアノード２を順次流通させる際に生じる圧力損失に相当する圧力となっており、しかも、上記水クエンチャ１７の圧力Ｐ１は、上記ドレンポット８ａの圧力Ｐ０よりも高く（Ｐ１＞Ｐ０）なっている。

次いで、上記アノード２の入口側の圧力Ｐ２は、上記水クエンチャ１７より改質ガス配管４を通して導かれる改質ガス５を、該アノード２に流通させる際に生じる圧力損失に相当する圧力となっており、上記水クエンチャ１７の圧力Ｐ１よりも該水クエンチャ１７自体の内部圧力損失に相当する分、圧力が低く（Ｐ２＜Ｐ１）なっている。又、本実施の形態で示す固体高分子型燃料電池１の場合は、上記アノード２の入口側の圧力Ｐ２は、上記ドレンポット８ａの圧力Ｐ０よりも高く（Ｐ２＞Ｐ０）なるように設定してあるものとする。

上記カソード３の入口側の圧力Ｐ３は、上記加湿器８より酸化ガス配管９を通して導かれる酸化ガス１０を、該カソード３に流通させる際に生じる圧力損失に相当する圧力となっており、上記加湿器８の圧力、すなわち、ドレンポット８ａの圧力Ｐ０よりも該加湿器８自体の内部圧力損失に相当する分、圧力が低く（Ｐ３＜Ｐ０）なっている。

上記アノード出口気液分離器１２の圧力Ｐ４は、上記アノード２の入口側の圧力Ｐ２よりも、該アノード２の内部圧力損失に相当する分、圧力が低下した値（Ｐ４＜Ｐ２）となっている。

更に、上記カソード出口気液分離器１５の圧力Ｐ５は、上記カソード３の入口側の圧力Ｐ３よりも、該カソード３の内部圧力損失に相当する分、圧力が低下した値（Ｐ５＜Ｐ３）となっている。又、本実施の形態で示す固体高分子型燃料電池１の場合、該カソード出口気液分離器１５の圧力Ｐ５は、上記アノード出口気液分離器１２の圧力Ｐ４よりも低い圧力（Ｐ５＜Ｐ４）となるようにしてある。

以上のように、それぞれ圧力の異なる系統に属する各ドレン分離個所からのドレン６を、上記共通のドレンポット８ａへ回収できるようにするために、本発明の燃料電池発電装置のドレン回収装置では、第１に、上記各ドレン分離個所のうち、最も高い圧力を有するドレン分離個所である上記水クエンチャ１７の圧力Ｐ１に着目して、該水クエンチャ１７の圧力Ｐ１が、上記ドレンポット８ａの圧力Ｐ０を上回る圧力差（Ｐ１−Ｐ０）に応じて、水クエンチャ１７よりドレン６を導くドレン配管１８を水封できるように、上記ドレンポット８ａの液面レベルｈ０を設定する。

より具体的には、上記水クエンチャ１７の圧力Ｐ１と、ドレンポット８ａの圧力Ｐ０との圧力差１ｋＰａ当り１００ｍｍ以上の割合で、上記ドレンポット８ａにおける液面レベルｈ０が、該ドレンポット８ａにおける上記ドレン配管１８の接続個所の高さレベルよりも上方に位置するように、該ドレンポット８ａの液面レベルｈ０を設定するようにした構成としてある。

すなわち、このドレンポット８ａの液面レベルｈ０の設定により、上記ドレン配管１８の接続個所に作用する圧力（単位面積当たりに作用する水柱の圧力、以下同様）を便宜的にｈ０で示すと、以下の式（１）が成り立つようにしてある。

Ｐ０＋ｈ０＞Ｐ１・・・（１）
更に、上記水クエンチャ１７を設置する高さ位置は、上記ドレンポット８ａの液面レベルｈ０よりも所要寸法上方となる高さ位置に配設するようにする。これにより、固体高分子型燃料電池発電装置の運転停止時に、上記水クエンチャ１７の圧力がゼロの場合であっても、上記ドレンポット８ａ内に貯留されているドレン６が、上記水クエンチャ１７へ逆流する虞はない。又、上記固体高分子型燃料電池発電装置の運転時に上記水クエンチャ１７に圧力Ｐ１が作用するようになると、該水クエンチャ１７の圧力Ｐ１と、上記ドレンポット８ａの圧力Ｐ０との圧力差が生じるために、上記ドレン配管１８内のドレン６が、上記圧力Ｐ１と圧力Ｐ０の圧力差（Ｐ１−Ｐ０）に応じてドレンポット８ａ側へ押し込まれて、該ドレン配管１８内の液面レベルｈ１が、上記ドレンポットの液面レベルｈ０よりも低下するようになる。しかし、この場合であっても、上記式（１）のようにドレンポット８ａの液面レベルｈ０が設定してあることにより、該ドレン配管１８内の液面レベルｈ１が、上記ドレンポット８ａに対するドレン配管１８の接続個所の高さレベルを下回ることがないため、上記ドレン配管１８の水封が確実に行われて、水クエンチャ１７を流通している改質ガス５が、上記ドレンポット８ａへ吹き抜ける虞を未然に防止できるようにしてある。

次に、上記したように、固体高分子型燃料電池１のアノード２の入口側の圧力Ｐ２は、上記ドレンポット８ａの圧力Ｐ０よりも高い圧力となっている。一方、上記カソード３の入口側の圧力Ｐ３は、上記ドレンポット８ａの圧力Ｐ０よりも低い圧力となっている。以上のことに鑑みて、上記アノード２の入口から出るドレン６と、上記カソード３の入口から出るドレン６の分離個所、すなわち、固体高分子型燃料電池１自体を配設する高さレベルｈ２が、上記ドレンポット８ａの圧力Ｐ０とカソード３の入口側の圧力Ｐ３との圧力差１ｋＰａ当り１００ｍｍ以上の割合で、上記ドレンポット８ａの液面レベルｈ０よりも上方に位置するように、該固体高分子型燃料電池１の高さレベルｈ２を設定して配設するようにしてある。更に、上記アノード２及びカソード３の入口から出るドレン６を導くためのドレン配管１９，２０を、上記水クエンチャ１７からのドレン６を導くドレン配管１８の途中位置に合流させるようにそれぞれ接続した構成としてある。これにより、以下の式（２）が成り立つようになる。

Ｐ３＋ｈ２＞Ｐ０・・・（２）
したがって、固体高分子型燃料電池発電装置の運転時に、上記カソード３の入口側の圧力Ｐ３が、ドレンポット８ａの圧力Ｐ０より低下すると、該カソード３の入口から出るドレン６をドレンポット８ａへ導くドレン配管２０内では、該ドレンポット８ａ内に貯留されているドレン６が、上記圧力Ｐ３と圧力Ｐ０の圧力差（Ｐ０−Ｐ３）に応じて上記カソード３側へ押し込まれて、該ドレン配管２０内における液面レベルが上昇するようになる。しかし、この場合であっても、上記式（２）のように固体高分子型燃料電池１の高さレベルｈ２が設定してあることで、上記ドレンポット８ａ内のドレン６がカソード３の入口側におけるドレン分離個所まで上昇して逆流する虞を未然に防止できるようにしてある。又、上記固体高分子型燃料電池発電装置の運転時には、上記アノード２の入口側の圧力Ｐ２は、上記ドレンポット８ａの圧力Ｐ０より高くなるが、上記アノード２の入口側の圧力Ｐ２は、上述した水クエンチャ１７の圧力Ｐ１より低いため、アノード２の入口より出るドレン６を上記ドレンポット８ａへ導くドレン配管１９は、上記水クエンチャ７とドレンポット８ａを接続しているドレン配管１８と同様の原理で確実に水封することができる。このため、上記固体高分子型燃料電池１のアノード２へ供給される改質ガス５が、上記ドレンポット８ａへ吹き抜ける虞を未然に防止できるようにしてある。

次いで、上記アノード出口気液分離器１２の圧力Ｐ４は、上記ドレンポット８ａの圧力Ｐ０よりも低い圧力となっている。このことに鑑みて、上記アノード出口気液分離器１２は、その配設する高さレベルｈ３が、上記ドレンポット８ａの圧力Ｐ０とアノード出口気液分離器の圧力Ｐ４との圧力差１ｋＰａ当り１００ｍｍ以上の割合で、上記ドレンポット８ａの液面レベルｈ０よりも上方に位置するように、該アノード出口気液分離器１２の高さレベルｈ３を設定して配設するようにしてある。更に、ドレン配管２１を介してドレンポット８ａに接続した構成としてある。これにより、以下の式（３）が成り立つようになる。

Ｐ４＋ｈ３＞Ｐ０・・・（３）
したがって、固体高分子型燃料電池発電装置の運転時に、上記アノード出口気液分離器１２の圧力Ｐ４が、ドレンポット８ａの圧力Ｐ０より低下することにより、該アノード出口気液分離器１２のドレン６をドレンポット１８ａへ導くドレン配管２１内では、ドレンポット８ａ内に貯留されているドレン６が、上記圧力Ｐ４と圧力Ｐ０の圧力差（Ｐ０−Ｐ４）に応じて上記アノード出口気液分離器１２側へ押し込まれて、該ドレン配管２１内における液面レベルが上昇するようになる。しかし、この場合であっても、上記式（３）のようにアノード出口気液分離器１２の高さレベルｈ３が設定してあるため、上記ドレンポット８ａ内のドレン６がアノード出口気液分離器１２まで上昇して逆流する虞を未然に防止できるようにしてある。

次いで、上記カソード出口気液分離器１５の圧力Ｐ５は、上記ドレンポット８ａの圧力Ｐ０よりも低い圧力となっている。このことに鑑みて、上記カソード出口気液分離器１５は、その配設する高さレベルｈ４が、上記ドレンポット８ａの圧力Ｐ０とアノード出口気液分離器１５の圧力Ｐ５との圧力差１ｋＰａ当り１００ｍｍ以上の割合で、上記ドレンポット８ａの液面レベルｈ０よりも上方に位置するように、該アノード出口気液分離器１５の高さレベルｈ４を設定して配設するようにしてある。更に、ドレン配管２２を介して上記アノード出口気液分離器１２よりドレンポット８ａへドレン６を導くドレン配管２１途中位置に合流させるように接続した構成としてある。これにより、以下の式（４）が成り立つようになる。

Ｐ５＋ｈ４＞Ｐ０・・・（４）
したがって、固体高分子型燃料電池発電装置の運転時に、上記カソード出口気液分離器１５の圧力Ｐ５が、ドレンポット８ａの圧力Ｐ０より低下することにより、該カソード出口気液分離器１５のドレン６をドレンポット８ａへ導くドレン配管２２内では、ドレンポット８ａ内に貯留されているドレン６が、上記圧力Ｐ５と圧力Ｐ０の圧力差（Ｐ０−Ｐ５）に応じて上記カソード出口気液分離器１５側へ押し込まれて、該ドレン配管２２内における液面レベルが上昇する。しかしこの場合であっても、上記式（４）のようにカソード出口気液分離器１５の高さレベルｈ４が設定してあるため、上記ドレンポット８ａ内のドレン６がカソード出口気液分離器１５まで上昇して逆流する虞を未然に防止できるようにしてある。

なお、上記各プロセスガスの配管４，９，１１，１４には、図示したような勾配を適宜設けて、ドレン６を円滑に排出できるようにしてあるものとする。２３はカソードオフガス１６の排熱を回収するためのカソードオフガス熱回収器である。

以上の構成としてあるドレン回収装置を装備した固体高分子型燃料電池発電装置を運転すると、固体高分子型燃料電池１のアノード２へ供給される改質ガス５中の湿分が凝縮することによって生じるドレン６は、自重により上記アノード２の入口よりドレン配管１９を経てドレンポット８ａへ回収される。一方、カソード３へ供給される酸化ガス１０中の湿分が凝縮することによって生じるドレン６は、自重により上記カソード３の入口よりドレン配管２０を経て上記ドレンポット８ａへ回収される。

又、アノードオフガス１３中の湿分が凝縮することによって発生するドレン６は、アノード出口気液分離器１２にてアノードオフガス１３と分離された後、自重によりドレン配管２１を通して上記ドレンポット８ａへ回収される。

カソードオフガス１６中の湿分が凝縮することによって発生するドレン６は、カソード出口気液分離器１５にてカソードオフガス１６と分離された後、自重によりドレン配管２２を通して上記ドレンポット８ａへ回収される。

したがって、上記のようなドレン６に起因して固体高分子型燃料電池発電装置の電池電圧の低下が生じたり、上記アノードオフガス１３中で発生したドレン６が、図示しない改質器のバーナに吹き込まれて火炎が安定しなくなる、等の固体高分子型燃料電池発電装置の安定性が損なわれる虞が未然に防止されるようになる。

更に、水クエンチャ１７における図示しない燃料改質装置より導かれる改質ガス５の冷却に伴って生じるドレン６は、自重によりドレン配管１８を経て上記ドレンポット８ａへ回収されるようになる。

このように、本発明の燃料電池発電装置のドレン回収装置によれば、固体高分子型燃料電池発電装置におけるアノード２の入口、カソード３の入口、アノード出口気液分離器１２、カソード出口気液分離器１５、及び、水クエンチャ１７という作用しているガスの圧力が異なる複数のドレン分離個所より出るドレン６を、１つの共通のドレンポット８ａへパッシブに回収することができる。しかも、この際、上述したように、最も圧力の高いドレン分離個所である上記水クエンチャ１７、及び、上記ドレンポット８ａよりも高い圧力の別のドレン分離個所であるアノード２の入口側から上記ドレンポット８ａへガスが吹き抜けてガスのショートパスラインが形成される虞を未然に防止することができる。同時に、上記ドレンポット８ａの圧力Ｐ０よりも低い圧力のドレン分離個所である固体高分子型燃料電池１のカソード３の入口側や、アノード出口気液分離器１２、カソード出口気液分離器１５に対しては、ドレンポット８ａ内に貯留されているドレン６が逆流する虞を未然に防止することができる。

よって、固体高分子型燃料電池発電装置で生じるドレン６の液面管理を、上記１つのドレンポット８ａで実施することができて、該ドレン６の液面管理を容易なものとすることができる。したがって、固体高分子型燃料電池発電装置におけるドレン６の回収のために要する機器数の削減化を図ることができると共に、制御を簡単なものとすることが可能になる。

更に、ドレンポット８ａとして、ブロワ７により加圧して固体高分子型燃料電池１のカソード３へ供給する酸化ガス１０を加湿するための加湿器８を用いるようにしてあるため、回収するドレン６を上記酸化ガス１０を加湿するための水として直接利用することができる。又、上記加湿器８に装備される水タンクと別に、回収するドレン６を貯めることのみに用いるタンクを別途設ける必要がないため、装置のコンパクト化を図るのに有利なものとすることができる。しかも、上記加湿器８内は、ブロワ７により加圧した酸化ガス１０が流通していて、所要の圧力が作用していることから、上述した各ドレン分離個所との差圧を小さく抑えることができて、ドレンポット８ａの液面レベルｈ０を低く抑えるのに有利なものとすることができる。

更に又、水クエンチャ１７を、ドレンポット８ａにドレン配管１８を介して接続した構成としてあるため、図示しない燃料改質装置で改質してなる改質ガス５を、固体高分子型燃料電池１へ供給して発電に供するための改質ガス５の流通経路における上流部に存在していて、改質ガス５の圧力が高くなっている水クエンチャ１７より排出されるドレン６を、ドレンポット８ａへ効率よく回収することが可能となる。

次に、図２は本発明の実施の他の形態を示すもので、上記図１の実施の形態におけるドレンポット８ａに、圧力の高いドレン分離個所からのドレンを容易に回収できるようにするための応用例を示すものである。

すなわち、上記図１の実施の形態では、各ドレン分離個所のうち、最も高い圧力を有する水クエンチャ１７の圧力Ｐ１が、上記ドレンポット８ａの圧力Ｐ０を上回る圧力差（Ｐ１−Ｐ０）に応じて、上記式（１）が成立するように、上記ドレンポット８ａにおける液面レベルｈ０を設定するようにした構成としてある。したがって、上記水クエンチャ１７の圧力Ｐ１と、上記ドレンポット８ａの圧力Ｐ０との圧力差がより大きい場合は、上記ドレンポット８ａに要求される液面レベルｈ０が高くなることから、該ドレンポット８ａの高さ寸法を大として、上記ドレン回収装置全体の高さ寸法を大きくする必要が生じる。

そこで、本実施の形態では、上記水クエンチャ１７の圧力Ｐ１と、上記ドレンポット８ａの圧力Ｐ０との圧力差が大きい場合であっても、ドレン回収装置の高さ寸法を抑えることができるようにするために、上記水クエンチャ１７と上記ドレンポット８ａとの間に、中間水封ヘッダ２４を設けた構成とする。

詳述すると、上記中間水封ヘッダ２４は、ドレンポット８ａにおける図１に示したと同様のドレン配管接続高さ位置より所要高さ位置まで上下方向に延びる略Ｕ字型の管路２５の一方の上端部２５ａを、上記管路２５よりも大きい断面積で該管路２５よりもやや高い位置まで上下方向に延びる筒状の投入部２６の上端部に連通接続した構成としてある。更に、該中間水封ヘッダ２４の上記管路２５の他方の上端部２５ｂを、上記水クエンチャ１７の下端部に接続すると共に、上記投入部２６の下端部を、上記ドレンポット８ａにおける上記ドレン配管接続高さ位置に、ドレン配管２７を介して接続した構成としてある。

ｈ５は、上記ドレンポット８ａにおける上記ドレン配管２７の接続高さ位置を基準とする上記管路２５の一方の上端部２５ａと投入部２６との接続個所の高さレベルを示す。２８は、上記ドレンポット８ａと上記投入部２６の上端部同士を接続する均圧ラインである。その他の構成は一部図示を省略してあるが、図１に示したものと同様の構成としてあるものとし、同一のものには同一の符号が付してある。

本実施の形態によれば、上記中間水封ヘッダ２４を備えることにより、固体高分子型燃料電池発電装置の運転時に、上記水クエンチャ１７の圧力Ｐ１が高まると、上記ドレンポット８ａと均圧ライン２８によって接続されていることで該ドレンポット８ａの圧力Ｐ０と等しい圧力となっている上記投入部２６との圧力差により、該水クエンチャ１７より排出されて上記中間水封ヘッダ２４の管路２５内に溜まるドレン６が、上記管路２５内にて、投入部２６側へ押し込まれ、該投入部２６との接続部となる上記管路の２５の一方の上端部２５ａを越えたドレン６は、上記投入部２６へ溢流する。その後、上記投入部２６へ流入したドレン６は、ドレン配管２７を通して上記ドレンポット８ａへ回収されるようになる。

この場合、上記水クエンチャ１７より連続的に排出されるドレン６を導く上記管路２５を水封できる条件は、以下の式（５）のようになる。

Ｐ０＋ｈ５＞Ｐ１・・・（５）
したがって、上記水クエンチャ１７より排出されるドレン６の流路を水封するための条件は、上記ドレンポット８ａの液面レベルｈ０ではなく、上記中間水封ヘッダ２４の管路２５の一方の上端部２５ａの上記ドレンポット８ａにおけるドレン配管接続高さ位置を基準とする高さレベルｈ５によって設定することが可能になる。

よって、上記水クエンチャ１７の圧力Ｐ１と、上記ドレンポット８ａの圧力Ｐ０との圧力差が大きい場合には、上記中間水封ヘッダ２４の上記高さレベルｈ５を大きく設定することで、容易に且つ確実に上記水クエンチャ１７とドレンポット８ａとの間を水封することができる。このために、ドレンポット８ａの液面レベルｈ０を低く抑えることができるようになることから、本発明の燃料電池発電装置のドレン回収装置の高さ寸法を低く抑えることが可能になる。

次いで、図３は本発明の実施の更に他の形態として、上記図２の実施の形態の変形例を示すもので、図２に示したと同様の構成において、中間水封ヘッダ２４における略Ｕ字型の管路２５の一方の上端部２５ａを、上記管路２５よりも大きな断面積を有する投入部２６の上端部に連通接続した構成に代えて、上記管路２５の一方の上端部２５ａを、該一方の上端部２５ａと対応する高さ位置に配設した気液分離器２９に接続すると共に、該気液分離器２９における液体の出口側を、上記ドレンポット８ａにおける上記と同様のドレン配管接続高さ位置に、ドレン配管３０を介して接続した構成としたものである。

２８は上記気液分離器２９と、ドレンポット８ａの上端部同士を接続する均圧ラインである。その他の構成は図２に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。

本実施の形態によれば、固体高分子型燃料電池発電装置の運転時に、上記水クエンチャ１７の圧力Ｐ１が高まると、上記ドレンポット８ａと均圧ライン２８によって接続されていることで該ドレンポット８ａの圧力Ｐ０と等しい圧力となっている上記気液分離器２９との圧力差により、該水クエンチャ１７より排出されて上記中間水封ヘッダ２４の管路２５内に溜まるドレン６が、上記管路２５内にて、上記気液分離器２９側へ押されて、上記管路の２５の一方の上端部２５ａを越えたドレン６が、上記気液分離器２９へ溢流する。その後、該気液分離器２９へ流入したドレン６は、ドレン配管３０を通して上記ドレンポット８ａへ回収されるようになる。

この場合にも、上記水クエンチャ１７より連続的に排出されるドレン６の流路を水封できる条件は、上記式（５）のようになることから、図２に示したと同様の効果を得ることができる。

図４は本発明の実施の更に他の形態を示すもので、図２に示したと同様の構成において、中間水封ヘッダ２４の投入部２６に、水クエンチャ１７より排出されるドレン６に加えて、ドレンポット８ａの圧力Ｐ０よりも圧力の高い別のドレン分離個所である固体高分子型燃料電池１のアノード２の入口側より出るドレン６を導くことができるようにしたもので、以下のようにしてある。

すなわち、上記アノード２の入口側におけるドレン分離個所に、上下方向に所要寸法を延びる略Ｕ字型の管路３１の一方の上端部３１ａを接続すると共に、該管路３１の他方の上端部３１ｂを、図２に示したと同様の中間水封ヘッダ２４における投入部２６の上端部に連通接続する。且つ上記略Ｕ字型の管路３１の下端部の位置から、上記投入部２６との接続個所としてある上記他方の上端部３１ｂまでの高さレベルｈ６を、上記水クエンチャ１７より排出されるドレン６を導くための管路２５に設定してある上記高さレベルｈ５より、上記水クエンチャ１７の圧力損失分に相当する水柱の高さ寸法ｈ７を引いた寸法に設定してある。

その他の構成は図２に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。

本実施の形態によれば、アノード２の入口より出るドレン６を導く管路３１は、以下の式（６）の条件で水封できるようになる。

Ｐ０＋ｈ６＞Ｐ２
したがって、上記水クエンチャ１７より排出されるドレン６の流路を水封するための条件は、上記ドレンポット８ａの液面レベルｈ０に依存することなく、上記中間水封ヘッダ２４に設けた上記管路３１の下端部から他方の上端部３１ｂまでの高さレベルｈ６によって設定することが可能になる。

よって、上記固体高分子型燃料電池のアノード２の入口側の圧力Ｐ２と、上記ドレンポット８ａの圧力Ｐ０との圧力差が大きい場合であっても、上記管路３１における上記高レベルｈ６の値を大きく設定するのみで対応できるため、ドレンポット８ａの液面レベルｈ０を低く抑えて、本発明の燃料電池発電装置のドレン回収装置の高さ寸法を低く抑えることに有利な構成とすることができる。

図５は本発明の実施の更に他の形態を示すもので、上記図４の実施の形態に示したように、複数のドレン分離個所より導かれるドレン６を流入させる中間水封ヘッダ２４を、ドレンポット８ａと一体に設ける構成としたもので、以下のようにしてある。

すなわち、ドレンポット８ａの下端部の一側に、横方向に所要寸法延びる中空の連結部３２を、該連結部３２の一端側がドレンポット８ａの内部に連通するようにして一体に設ける。上記連結部３２の上側には、上下方向に所要寸法延び且つ上端部が閉塞された外筒部材３３を、該外筒部材３３の底部が上記連結部３２の天井板によって水密に閉塞されるように取り付ける。上記外筒部材３３の内側の所要位置には、該外筒部材３３の上部所要高さ位置から、外筒部材３３の底板を貫通して上記連結部３２の内側まで上下方向に延びる内筒部材３４を設ける。

更に、上記外筒部材３３の所要寸法上方位置から、該外筒部材３３の天井板を貫通して外筒部材３３の内底部付近まで上下方向に延びる複数本、たとえば、３本のドレン流入管３５，３６，３７を設けて、該各ドレン流入管３５と３６と３７の上端部に、水クエンチャ１７よりドレン６を導くドレン配管１８と、アノード２の入口より出るドレン６を導くドレン配管１９と、アノード出口気液分離器１２より回収されるドレン６を導くドレン配管２１とをそれぞれ接続した構成としてある。

その他の構成は図４に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。

本実施の形態によれば、固体高分子型燃料電池発電装置の運転中に上記水クエンチャ１７、アノード２の入口、アノード出口気液分離器１２でそれぞれ発生するドレン６は、対応するドレン配管１８，１９，２１より上記各ドレン流入管３５，３６，３７を経て上記外筒部材３３の内側へ流入させられる。上記外筒部材３３内に流入したドレン６は、上記内筒部材３４の上端の高さレベルに達するまで該外筒部材３３内に貯留された後、上記内筒部材の上端部を溢流したドレン６が、内筒部材３４の下端から、連結部３２を経て、ドレンポット８ａへ回収される。この際、上記各ドレン分離個所のうち、ドレンポット８ａの圧力Ｐ０よりも高い圧力を有するドレン分離個所である上記水クエンチャ１７と、アノード２の入口よりそれぞれドレン６を導くドレン配管１８と１９が接続してあるドレン流入管３５と３６では、管内の液面レベルが、上記ドレンポット８ａと上記各ドレン分離個所との圧力差に応じて、上記外筒部材３３の内側にて内筒部材３４の上端位置まで貯留されるドレン６の液面レベルよりも低下するようになる。したがって、この液面レベルの低下分よりも、上記各ドレン流入管３５，３６の下端高さ位置と、上記内筒部材３４の上端高さ位置との差分が大きくなるように、上記各ドレン流入管３５，３６の下端高さ位置と、上記内筒部材３４の上端高さ位置とをそれぞれ設定しておくことで、上記外筒部材３３の内側にて各ドレン流入管３５，３６の下端高さ位置と上記内筒部材３４の上端高さ位置との間に存在するドレンを、上記水クエンチャ１７と、アノード２の入口よりそれぞれドレン６を導くドレン配管１８と１９に対する中間水封ヘッダとして機能させることができる。よって、上記水クエンチャ１７やアノード２の入口よりドレンポット８ａへ改質ガス５（図１参照）が吹き抜けるガスのショートパスラインが形成される虞を未然に防止することができる。

又、ドレンポット８ａの圧力Ｐ０よりも低い圧力のドレン分離個所である上記アノード出口気液分離器１２よりドレン６を導くドレン配管２１が接続してある上記ドレン流入管３７では、上記ドレンポット８ａとアノード出口気液分離器１２との圧力差に応じて、該ドレン流入管３７内の液面レベルが、上記外筒部材３３内に貯留されているドレンの液面レベルよりも上昇するようになる。しかし、この場合であっても、アノード出口気液分離器１２を設置する高さレベルｈ３を、図１の実施の形態で示したと同様に設定するようにすれば、該アノード出口気液分離器１２までドレンが逆流する虞を未然に防止することができる。

更に、本実施の形態では中間水封ヘッダを、ドレンポット８ａに一体に設けることができるようにしてあるため、ドレン回収装置のコンパクト化を図るのに有利なものとすることができる。

なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、燃料電池発電装置においてドレンを分離する必要が生じるいかなるドレン分離個所からのドレンの回収にも適用してよい。又、上記各実施の形態で示したドレン分離個所は必須ではなく、燃料電池発電装置の構成に応じてドレン分離個所を変更したり、増減してもよい。したがって、上記ドレンポットに接続するドレン分離個所の数は増減してもよい。

図２、図３、図４、図５の各実施の形態に示した中間水封ヘッダは、燃料電池発電装置におけるドレンポットよりも圧力の高いドレン分離個所であれば、いかなるドレン分離個所とドレンポットとの間に適用するようにしてもよい。

上記各実施の形態では、いずれも、ドレンポット８ａとして加湿器８を用いたが、加湿器８とは別にドレンポットを設ける場合にも適用できる。その他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。

本発明の燃料電池発電装置のドレン回収装置の実施の一形態を示す概要図である。本発明の実施の他の形態として、図１の装置に適用する中間水封ヘッダの構成を示す概要図である。本発明の実施の更に他の形態として、図２の中間水封ヘッダの変形例を示す概要図である。本発明の実施の更に他の形態として、図１の装置に適用する中間水封ヘッダの別の構成例を示す概要図である。本発明の実施の更に他の形態として、図１の装置に適用する中間水封ヘッダの更に別の構成例を示す概要図である。

符号の説明

１固体高分子型燃料電池
２アノード
３カソード
５改質ガス
６ドレン
７ブロワ
８加湿器
８ａドレンポット
１０酸化ガス
１２アノード出口気液分離器（ドレン分離個所）
１５カソード出口気液分離器（ドレン分離個所）
１７水クエンチャ
１８，１９，２０，２１，２２ドレン配管
２４中間水封ヘッダ
３２連結部
３３外筒部材
３４内筒部材
３５，３６，３７ドレン流入管

Claims

燃料電池発電装置における複数のドレン分離個所よりドレンを導くドレン配管を、共通のドレンポットに接続し、且つ上記ドレンポットよりも高い圧力を有するドレン分離個所のうち、最も圧力の高いドレン分離個所からドレンを導くドレン配管を水封できるように上記ドレンポットの液面レベルを定め、更に、上記ドレンポットより圧力の低いドレン分離個所は、上記ドレンポットの液面レベルよりも、それぞれのドレンポットとの圧力差に相当する水柱の高さ寸法以上の高所となる高さレベルに配設してなる構成を有することを特徴とする燃料電池発電装置のドレン回収装置。
ドレンポットよりも高い圧力を有するドレン分離個所と、ドレンポットとの間に、中間水封ヘッダを設けるようにした請求項１記載の燃料電池発電装置のドレン回収装置。
中間水封ヘッダを、上下方向に所要寸法延び且つ上下両端部が閉塞された外筒部材と、該外筒部材の上部所要高さ位置から、外筒部材の底板を貫通して該外筒部材の下方位置まで上下方向に延びる内筒部材と、該内筒部材の下端側をドレンポットに連通させると共に、上記外筒部材をドレンポットに一体に連結する連結部と、上記外筒部材の上方位置から、該外筒部材の天井板を貫通して該外筒部材の内底部付近まで上下方向に延びるドレン流入管を備えてなる構成として、上記ドレン流入管の上端部に、ドレン分離個所よりドレンを導くドレン配管を接続するようにした請求項２記載の燃料電池発電装置のドレン回収装置。
ドレンポットとして、ブロワにより加圧して燃料電池のカソードへ供給する酸化ガスを加湿するための加湿器を用いるようにした請求項１、２又は３記載の燃料電池発電装置のドレン回収装置。
ドレンポットよりも高い圧力を有するドレン分離個所のうち、最も圧力の高いドレン分離個所を、改質ガスを冷却するための水クエンチャとした請求項１、２、３又は４記載の燃料電池発電装置のドレン回収装置。