JP2009187699A - 燃料電池発電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池内への外気の進入の防止を図ることができるとともに、小形化を図ることができる燃料電池発電装置を得る。
【解決手段】燃料電池1には、燃料ガス及び酸化剤ガスを個別に通す供給用燃料ガス管2、排出用燃料ガス管3、供給用酸化剤ガス管4及び排出用酸化剤ガス管5が接続されている。各ガス管2〜5には、開閉弁12,13,9,10が設けられている。供給用燃料ガス管2の開閉弁12よりも燃料電池1に近い部分には、ガス圧緩和装置17が接続されている。ガス圧緩和装置17は、水が溜められ、供給用燃料ガス管2内の圧力変化に応じて水が所定の液出入口18aを通って出入りするガス貯蔵タンク18と、水に浮かべられ、ガス貯蔵タンク18からの水の排出量が所定量になることにより、ガス貯蔵タンク18からの水の排出を阻止するフロート弁21とを有している。
【選択図】図1
【解決手段】燃料電池1には、燃料ガス及び酸化剤ガスを個別に通す供給用燃料ガス管2、排出用燃料ガス管3、供給用酸化剤ガス管4及び排出用酸化剤ガス管5が接続されている。各ガス管2〜5には、開閉弁12,13,9,10が設けられている。供給用燃料ガス管2の開閉弁12よりも燃料電池1に近い部分には、ガス圧緩和装置17が接続されている。ガス圧緩和装置17は、水が溜められ、供給用燃料ガス管2内の圧力変化に応じて水が所定の液出入口18aを通って出入りするガス貯蔵タンク18と、水に浮かべられ、ガス貯蔵タンク18からの水の排出量が所定量になることにより、ガス貯蔵タンク18からの水の排出を阻止するフロート弁21とを有している。
【選択図】図1
Description
この発明は、電気化学反応を利用して発電する燃料電池を有する燃料電池発電装置に関するものである。
通常、燃料電池発電装置では、燃料ガス(例えば水素等)及び酸化剤ガス(例えば空気等)が燃料電池に供給されることにより、燃料電池において発電が行われる。燃料ガスは、例えば都市ガス等の原料が燃料処理装置で改質されることにより生成される。燃料処理装置で生成された燃料ガスは、燃料ガス流路を通って燃料電池へ送られる。
燃料電池発電装置の運転時には、燃料電池内及び燃料処理装置内で化学反応が行われるので、燃料電池及び燃料処理装置の温度は高温になっている。高温の状態で燃料電池発電装置の運転が停止されると、燃料電池内及び燃料処理装置内の圧力の低下により、外気が燃料電池内及び燃料処理装置内に進入するおそれがある。燃料電池内及び燃料処理装置内に外気が進入すると、電極や触媒の酸化等により、燃料電池や燃料処理装置の性能が劣化してしまう。
従来、燃料処理装置内への外気の進入を防止するために、燃料ガス流路にガス貯蔵装置を接続した燃料電池発電システムが提案されている。ガス貯蔵装置は、一端部が燃料ガス流路に連通され他端部が外気に開放されたU字管と、U字管内に貯留された水とを有している。
U字管内の水は、燃料電池発電装置の運転時に、燃料ガス流路からの燃料ガスの圧力によってU字管の他端部側へ移動される。燃料電池発電装置の運転が停止されると、燃料ガス流路内の圧力の低下に応じてU字管内の水がU字管の一端部側へ戻る。これにより、U字管内の燃料ガスが燃料ガス流路へ送られ、燃料ガス流路内の圧力が負圧になることが防止される。このようにして、燃料処理装置内への外気の進入が防止される(特許文献1参照)。
しかし、燃料ガスと外気との圧力差が大きい場合には、U字管内の水の移動量が大きくなるので、U字管の高さ寸法が大きくなってしまう。また、燃料ガス流路の内圧に応じてU字管と外部との間に設置された開閉弁の開閉を制御する必要があるために、燃料ガス流路のガス圧を測定するための機器や開閉弁の開閉を制御する動力源が必要であった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、燃料電池内への外気の進入の防止を図ることができるとともに、貯水容量や機器の小形化を図ることができる燃料電池発電装置を得ることを目的とする。
この発明に係る燃料電池発電装置は、燃料ガス及び酸化剤ガスを個別に通すガス流路が接続され、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けることにより発電する燃料電池、ガス流路に設けられ、閉動作により燃料電池を密閉可能な開閉弁、及びガス流路の開閉弁よりも燃料電池に近い部分に連通し、かつ液体が内部に溜められ、ガス流路内の圧力変化に応じて液体が所定の液出入口を通って出入り可能なガス貯蔵タンクと、液体に浮かべられ、ガス貯蔵タンクからの液体の排出量が所定量になることにより、ガス貯蔵タンクからの液体の排出を阻止するフロート弁とを有するガス圧緩和装置を備えている。
この発明に係る燃料電池発電装置では、ガス貯蔵タンク内の液体が、ガス流路内の圧力変化に応じてガス貯蔵タンクに対して出入り可能になっており、ガス貯蔵タンクからの液体の排出量が所定量になると、液体に浮かべられたフロート弁により、ガス貯蔵タンクからの液体の排出が阻止されるので、ガス貯蔵タンク内から排出される液体の高さが低くても、フロート弁が液体の排出を阻止することにより、所定量の燃料ガスあるいは酸化剤ガスをガス貯蔵タンク内に貯蔵することができる。従って、ガス圧緩和装置の高さ寸法の縮小化を図ることができ、燃料電池発電装置の小形化を図ることができる。また、密閉状態とされることによりガス流路内の圧力が低下した場合には、ガス貯蔵タンク内に貯蔵された燃料ガスあるいは酸化剤ガスをガス流路内に供給することができるので、ガス流路内の圧力が負圧になることを防止することができる。従って、燃料電池内への外気の進入の防止を図ることができる。さらに、燃料ガス流路のガス圧を測定する機器や開閉弁の開閉を制御する動力源が不要となる。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による燃料電池発電装置を示す構成図である。図において、燃料電池1には、燃料ガス(例えば水素等)をそれぞれ通す供給用燃料ガス管(燃料ガス流路)2及び排出用燃料ガス管(燃料ガス流路)3と、酸化剤ガス(例えば空気等)をそれぞれ通す供給用酸化剤ガス管(酸化剤ガス流路)4及び排出用酸化剤ガス管(酸化剤ガス流路)5と、冷却水をそれぞれ通す供給用冷却水管6及び排出用冷却水管7とが接続されている。
図1は、この発明の実施の形態1による燃料電池発電装置を示す構成図である。図において、燃料電池1には、燃料ガス(例えば水素等)をそれぞれ通す供給用燃料ガス管(燃料ガス流路)2及び排出用燃料ガス管(燃料ガス流路)3と、酸化剤ガス(例えば空気等)をそれぞれ通す供給用酸化剤ガス管(酸化剤ガス流路)4及び排出用酸化剤ガス管(酸化剤ガス流路)5と、冷却水をそれぞれ通す供給用冷却水管6及び排出用冷却水管7とが接続されている。
燃料電池1は、燃料電池発電装置の運転時に、供給用燃料ガス管2及び供給用酸化剤ガス管4のそれぞれから燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受け、燃料電池1内を通った後の燃料ガス及び酸化剤ガスを排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスとして、排出用燃料ガス管3及び排出用酸化剤ガス管5へそれぞれ排出する。また、燃料電池1は、燃料電池発電装置の運転時に、供給用冷却水管6から冷却水の供給を受け、燃料電池1内を通った後の冷却水を冷却排水として排出用冷却水管7へ排出する。
また、燃料電池1は、積層された複数の単電池(図示せず)を有している。各単電池は、燃料ガスが通される電池内燃料流路が設けられた第1セパレータと、酸化剤ガスが通される電池内酸化剤流路が設けられた第2セパレータと、第1及び第2セパレータ間に挟まれ、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される電極膜接合体とを有している(いずれも図示せず)。第1及び第2セパレータの少なくともいずれかには、供給用冷却水管6からの冷却水が流される電池内冷却水路(図示せず)が設けられている。
電極膜接合体は、第1セパレータの電池内燃料流路に接触する燃料電極と、第2セパレータの電池内酸化剤流路に接触する酸化剤電極と、燃料電極及び酸化剤電極間に挟まれた電解質膜とを有している(いずれも図示せず)。電極膜接合体は、燃料ガスと酸化剤ガスとの間で酸化還元反応を起こすことにより、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。即ち、燃料電池1は、供給用燃料ガス管2及び供給用酸化剤ガス管4のそれぞれから燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けることにより発電する。
供給用酸化剤ガス管4には、外気を酸化剤ガスとして燃料電池1へ送るためのブロア8と、供給用酸化剤ガス管4内の開閉を行う酸化剤供給側開閉弁9とが設けられている。排出用酸化剤ガス管5には、排出用酸化剤ガス管5内の開閉を行う酸化剤排出側開閉弁10が設けられている。
供給用酸化剤ガス管4及び排出用酸化剤ガス管5には、酸化剤ガスと排出酸化剤ガスとの間で熱及び水分の交換を行う全熱交換器11が設けられている。即ち、酸化剤ガスの流れ方向について燃料電池1よりも上流側及び下流側のそれぞれには、共通の全熱交換器11が設けられている。全熱交換器11は、酸化剤供給側開閉弁9の下流側に設けられ、酸化剤排出側開閉弁10の上流側に設けられている。排出酸化剤ガスの熱及び水分は、排出酸化剤ガスが全熱交換器11を通ることにより、酸化剤ガスへ移動する。
供給用燃料ガス管2には、供給用燃料ガス管2内の開閉を行う燃料供給側開閉弁12が設けられている。排出用燃料ガス管3には、排出用燃料ガス管3内の開閉を行う燃料排出側開閉弁13が設けられている。
燃料電池1は、酸化剤供給側開閉弁9、酸化剤排出側開閉弁10、燃料供給側開閉弁12及び燃料排出側開閉弁13のそれぞれの閉動作により、密閉可能になっている。
供給用燃料ガス管2には、原料(例えば都市ガス及び水等)から燃料ガスを生成する燃料処理装置14が接続されている。この例では、燃料処理装置14が燃料供給側開閉弁12よりも上流側に設けられている。即ち、燃料ガスの流れの方向について、燃料処理装置14と燃料電池1との間に燃料供給側開閉弁12が設けられている。
燃料処理装置14は、原料を改質することにより、水素を主成分とするガスを生成する改質反応部と、改質反応部により生成されたガス中に含まれる一酸化炭素の濃度を低下させるシフト反応部と、シフト反応部により生成されたガス中に含まれる一酸化炭素の濃度をさらに低下させ10ppm以下にする一酸化炭素除去反応部とを有している。燃料ガスは、原料が改質反応部、シフト反応部及び一酸化炭素除去反応部の順に通されることにより生成される。また、燃料処理装置14内には、改質反応部、シフト反応部及び一酸化炭素除去反応部における化学反応を促進させるための燃焼部が設けられている。
燃料処理装置14の燃焼部には、排出用燃料ガス管3が接続されている。燃料電池1からの排出燃料ガスは、燃焼用ガスとして燃料部に供給される。
供給用冷却水管6及び排出用冷却水管7は、冷却水を溜める冷却水タンク15に接続されている。また、供給用冷却水管6には、冷却水タンク15内の冷却水を燃料電池1へ供給する給水ポンプ16が設けられている。冷却水は、給水ポンプ16の動力により、冷却水タンク15と燃料電池1内との間を循環される。燃料電池1の温度は、冷却水の循環により調整される。
供給用燃料ガス管2の燃料供給側開閉弁12よりも燃料電池1に近い部分(即ち、供給用燃料ガス管2の燃料供給側開閉弁12と燃料電池1との間の部分)には、供給用燃料ガス管2内の圧力が負圧(燃料電池発電装置の外圧よりも低い圧力)になることを防止するガス圧緩和装置17が接続されている。
ガス圧緩和装置17は、供給用燃料ガス管2に連通しかつ水(液体)が溜められたガス貯蔵タンク18と、ガス貯蔵タンク18からの水を蓄えるリザーバタンク19と、ガス貯蔵タンク18及びリザーバタンク19間で水を移動させる連通管20と、ガス貯蔵タンク18内の水に浮かべられたフロート弁21とを有している。
ガス貯蔵タンク18には、連通管20が接続された所定の液出入口18aが設けられている。ガス貯蔵タンク18内の水は、供給用燃料ガス管2内の圧力変化に応じて液出入口18aを通ってガス貯蔵タンク18を出入り可能になっている。即ち、ガス圧緩和装置17の水は、供給用燃料ガス管2内の圧力変化に応じて、液出入口18aを通ってガス貯蔵タンク18と連通管20との間を移動される。ガス貯蔵タンク18内の水位は、ガス貯蔵タンク18に対する水の出入りにより変化する。燃料ガスは、ガス貯蔵タンク18から水が排出されることにより供給用燃料ガス管2からガス貯蔵タンク18内へ流入し、ガス貯蔵タンク18に水が注入されることによりガス貯蔵タンク18内から供給用燃料ガス管2へ流出する。
リザーバタンク19の上部は、外部に開放されている。リザーバタンク19の下部には、連通管20が接続されている。ガス貯蔵タンク18内の水が連通管20へ排出されるときには、連通管20からリザーバタンク19内へ水が注入される。また、連通管20からガス貯蔵タンク18内へ水が注入されるときには、リザーバタンク19内からの水が連通管20へ排出される。
連通管20の断面積(連通管20の長さ方向に垂直な断面における断面積)は、ガス貯蔵タンク18及びリザーバタンク19のそれぞれの水平断面積よりも小さくなっている。これにより、ガス圧緩和装置17に用いられる水の少量化が図られている。
フロート弁21は、ガス貯蔵タンク18内の水位の変化に応じてガス貯蔵タンク18に対して上下方向へ変位される。また、フロート弁21は、ガス貯蔵タンク18からの水の排出量が所定量になることにより、液出入口18aを塞いでガス貯蔵タンク18からの水の排出を阻止する。
図2は、図1のガス貯蔵タンク18を示す拡大図である。また、図3は、図2のガス貯蔵タンク18における供給用燃料ガス管2との連通部分をフロート弁21が塞いでいる状態を示す拡大図である。なお、図2は、ガス貯蔵タンク18の液出入口18aをフロート弁21が塞いでいる状態を示す図である。図において、供給用燃料ガス管2には、ガス貯蔵タンク18の上部が連通されている。液出入口18aは、ガス貯蔵タンク18の底部に設けられている。
フロート弁21は、ガス貯蔵タンク18における供給用燃料ガス管2(図1)との連通部分を塞ぐ上限位置(図3)と、液出入口18aを塞ぐ下限位置(図2)との間で変位可能になっている。ガス貯蔵タンク18内には、上限位置と下限位置との間でフロート弁21を案内する管状のガイド部材22が設けられている。ガイド部材22には、水を通すための複数の穴が設けられている。
フロート弁21は、液出入口18aから水が排出されてガス貯蔵タンク18内の水位が低下することにより、ガイド部材22に沿って下限位置へ案内される。また、フロート弁21は、液出入口18aから水が注入されてガス貯蔵タンク18内の水位が上昇することにより、ガイド部材22に沿って上限位置へ案内される。
また、フロート弁21は、フロート本体23と、フロート本体23の下面に設けられたゴム製の下部接触部材24と、フロート本体23の上面に設けられたゴム製の上部接触部材25とを有している。上部接触部材25の上面は、供給用燃料ガス管2内の圧力変化を受ける受圧面とされている。下部接触部材24の下面は、受圧面に平行な対向面とされている。
ガス貯蔵タンク18からの水の排出量が所定量になると、フロート弁21が下限位置に達し、液出入口18aがフロート弁21の対向面に塞がれる。これにより、ガス貯蔵タンク18からの水の排出が阻止される。ガス貯蔵タンク18内への水の注入量が所定量になると、フロート弁21が上限位置に達し、ガス貯蔵タンク18における供給用燃料ガス管2との連通部分がフロート弁21の受圧面に塞がれる。これにより、ガス貯蔵タンク18から供給用燃料ガス管2への水の流入が防止される。
次に、動作について説明する。燃料電池発電装置の運転時には、酸化剤供給側開閉弁9、酸化剤排出側開閉弁10、燃料供給側開閉弁12及び燃料排出側開閉弁13が開いている。都市ガス及び水(水蒸気)が原料として燃料処理装置14へ供給されると、燃料処理装置14では複数の化学反応が行われ、原料が燃料ガスに変換される。この後、生成された燃料ガスは、供給用燃料ガス管2を通して燃料処理装置14から燃料電池1へ送られる。
一方、供給用酸化剤ガス管4からは、ブロア8の動力により、外気が酸化剤ガスとして燃料電池1へ送られる。このとき、酸化剤ガスは、全熱交換器11を通ることにより加熱されるとともに加湿される。
燃料電池1が燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれの供給を受けると、燃料電池1内において発電が行われる。
この後、発電に利用されなかった余剰の燃料ガス(排出燃料ガス)は、燃料処理装置14の燃焼部へ排出用燃料ガス管3を通して送られる。排出燃料ガスは、燃料処理装置14において原料を燃料ガスに変換するための熱源の燃料(燃焼用ガス)として用いられる。
一方、発電に利用されなかった余剰の酸化剤ガス(排出酸化剤ガス)は、燃料電池1の外部へ排出用酸化剤ガス管5を通して排出される。このとき、全熱交換器11では、排出酸化剤ガスから熱及び水分が放出される。また、排出酸化剤ガスからの熱及び水分は、供給用酸化剤ガス管4を通る酸化剤ガスに与えられる。
冷却水タンク15内の冷却水は、給水ポンプ16の動力により、冷却水タンク15と燃料電池1との間を循環される。これにより、燃料電池1の温度が所定の温度に維持される。
燃料処理装置14で生成された燃料ガスの一部は、供給用燃料ガス管2を通ってガス貯蔵タンク18内へ送られる。燃料ガスは、燃料電池1内や供給用燃料ガス管2等を流れるので、これらによる抵抗損失分の圧力を有している。従って、ガス貯蔵タンク18内を満たされた水の水面は、燃料ガスの圧力により下方へ押し下げられる。これにより、ガス貯蔵タンク18内の水は、液出入口18aから排出され、リザーバタンク19へ送られる。このとき、フロート弁21は、水の排出量に応じて下方へ変位される。
ガス貯蔵タンク18内の水面が低下してフロート弁21が下限位置に達すると(図2)、液出入口18aがフロート弁21により塞がれる。これにより、ガス貯蔵タンク18からの水の排出が阻止されるとともに、ガス貯蔵タンク18内での燃料ガスの貯蔵量の増加が停止される。
燃料電池発電装置の運転時には、燃料ガスの圧力が大気圧よりも常に高くなっているので、ガス貯蔵タンク18内の水面が押し下げられ、ガス貯蔵タンク18による燃料ガスの貯蔵が行われる。燃料ガスの圧力が液出入口18aでの水圧よりも常に高いときには、フロート弁21が燃料ガスの圧力で液出入口18aに押し付けられ、液出入口18aがフロート弁21に塞がれた状態が維持される。
具体的には、燃料ガスの圧力が5kPaである場合、燃料ガスは、ガス貯蔵タンク18から排出された水の高さが50cmになるまで、ガス貯蔵タンク18内の水面を押し下げる。このことから、ガス貯蔵タンク18から排出された水の高さを50cm以下にすると、燃料ガスの圧力が液出入口18aでの水圧よりも常に高くなるので、フロート弁21が液出入口18aを塞ぐまで、ガス貯蔵タンク18内の水面の低下が継続される。
フロート弁21が液出入口18aを塞いだ後も、燃料ガスの圧力により、フロート弁21が液出入口18aに押し付けられる。液出入口18aは、燃料ガス(気体)よりも粘性の高い水(液体)を介してフロート弁21により塞がれるので、フロート弁21によるシール性能が向上し、燃料ガスがガス貯蔵タンク18内から漏出することが防止される。
燃料電池発電装置の運転が停止されるときには、酸化剤供給側開閉弁9、酸化剤排出側開閉弁10、燃料供給側開閉弁12及び燃料排出側開閉弁13のそれぞれが閉じる。これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスの燃料電池1への供給が停止され、燃料電池1が密閉状態となる。
この後、発電による発熱がなくなるため、燃料電池1の温度が低下する。これにより、密閉された領域内(即ち、燃料電池1内、各開閉弁9、10、12及び13の燃料電池1側の部分及びガス貯蔵タンク18内)では、燃料ガスや酸化剤ガスの体積収縮や水蒸気の凝縮等によって圧力が低下する。
密閉された領域内の圧力が低下すると、フロート弁21を押し付ける力が低下する。ガス貯蔵タンク18内の圧力が液出入口18aでの水圧よりも低くなると、リザーバタンク19からの水が液出入口18aを通ってガス貯蔵タンク18内に戻り、フロート弁21が水によって押し上げられる。ガス貯蔵タンク18内に戻る水の量は、燃料ガスと外気との圧力差、及びリザーバタンク19へ移動した水の高さによって決まる。
リザーバタンク19からの水がガス貯蔵タンク18内へ戻ると、ガス貯蔵タンク18内で燃料ガスを蓄える容積が縮小するので、燃料ガスがガス貯蔵タンク18から供給用燃料ガス管2へ押し出される。これにより、供給用燃料ガス管2内の圧力が負圧になることが防止される。
一方、燃料電池1内に残留する酸化剤ガス中の酸素は、燃料ガス中の水素と反応することにより消費される。燃料電池1の電位は、酸化剤ガス中の酸素の量の低下により低下する。燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが燃料電池1内で反応しているときには、供給用燃料ガス管2内の圧力は低下する。
ガス貯蔵タンク18からは、供給用燃料ガス管2内の圧力の低下が停止して燃料電池1の温度が室温になるまで、燃料ガスが燃料電池1内へ送られる。従って、ガス貯蔵タンク18の容積は、温度低下により縮小する燃料ガスの体積の変化量、及び運転停止後に燃料電池1内で消費される燃料ガスの量の合計値よりも大きい容積とされている。
例えば、燃料電池1の温度が70℃から20℃に低下する場合、燃料ガスの体積は、水蒸気の凝縮により約30%小さくなり、温度の低下による収縮により約15%小さくなる。最終的には、密閉された領域内での燃料ガスの体積は、約40%縮小する。
また、運転停止後の燃料電池1内で消費される水素量は、酸化剤ガス中の酸素量の半分である。酸化剤ガス中の酸素量は酸化剤ガス量の約21%であるので、酸化剤ガス中の酸素をすべて消費するためには、密閉された領域内での酸化剤ガス量の約10%の水素量が必要になる。即ち、運転停止後には、密閉された領域内での酸化剤ガス量の約10%の水素を含む燃料ガスが消費される。
従って、ガス貯蔵タンク18の容積は、運転停止後に縮小する燃料ガスと、運転停止後の燃料電池1で消費される燃料ガスとを補填可能な容積とされている。
このような燃料電池発電装置では、ガス貯蔵タンク18内の水が、供給用燃料ガス管2内の圧力変化に応じてガス貯蔵タンク18に対して出入り可能になっており、ガス貯蔵タンク18からの水の排出量が所定量になると、水に浮かべられたフロート弁21により、ガス貯蔵タンク18からの水の排出が阻止されるので、ガス貯蔵タンク18内から排出される水の高さが低くても、フロート弁21が水の排出を阻止することにより、ガス貯蔵タンク18内に所定量の燃料ガスを貯蔵することができる。従って、ガス圧緩和装置17の高さ寸法の縮小化を図ることができ、燃料電池発電装置の小形化を図ることができる。また、密閉状態とされることにより供給用燃料ガス管2内の圧力が低下した場合には、ガス貯蔵タンク18内に貯蔵された燃料ガスを供給用燃料ガス管2内に供給することができるので、供給用燃料ガス管2内の圧力が負圧になることを防止することができる。従って、燃料電池1内への外気の進入の防止を図ることができる。
また、ガス圧緩和装置17は、ガス貯蔵タンク18と、ガス貯蔵タンク18からの水を蓄えるリザーバタンク19と、ガス貯蔵タンク18及びリザーバタンク19間で水を移動させる連通管20とを有し、連通管20の断面積がガス貯蔵タンク18及びリザーバタンク19のそれぞれの水平断面積よりも小さくなっているので、連通管20内の水の量を少なくすることができ、ガス圧緩和装置17に必要な水の量を少なくすることができる。
また、ガス貯蔵タンク18内への水の注入量が所定量となることにより、ガス貯蔵タンク18における供給用燃料ガス管2との連通部分がフロート弁21により塞がれるので、ガス貯蔵タンク18から供給用燃料ガス管2への水の流入(逆流)の防止を図ることができる。
なお、上記の例では、ガス貯蔵タンク18内に溜められる液体が水とされているが、これに限定されるものではなく、例えば水素等のガスが溶けない不凍液であってもよい。
また、上記の例では、燃料供給側開閉弁12が燃料ガスの流れの方向について燃料処理装置14の下流側に設けられているが、燃料処理装置14の上流側に燃料供給側開閉弁12を設けてもよい。このようにすれば、各開閉弁9、10、12及び13の各閉動作により燃料電池1及び燃料処理装置14をまとめて密閉することができる。従って、運転停止後に、燃料電池1への外気の進入だけでなく、燃料処理装置14への外気の進入の防止も図ることができる。
また、上記の例では、ガス圧緩和装置17が供給用燃料ガス管2に接続されているが、排出用燃料ガス管3にガス圧緩和装置17を接続してもよい。このようにしても、ガス圧緩和装置17によって燃料電池1内の圧力が負圧になることを防止することができるので、燃料電池1への外気の進入の防止を図ることができる。なお、この場合、ガス貯蔵タンク18内には、燃料電池1から排出された水素濃度の低い燃料ガスが蓄えられるので、運転停止後の燃料電池1の電位を下げるためには、供給用燃料ガス管2にガス圧緩和装置17を接続する場合よりもガス貯蔵タンク18の容積を大きくする必要がある。
また、上記の例では、供給用燃料ガス管2の燃料供給側開閉弁12よりも下流側の部分にのみガス圧緩和装置17が接続されているが、供給用燃料ガス管2の燃料供給側開閉弁12よりも上流側の部分にもガス圧緩和装置17を接続してもよい。この場合、燃料処理装置14の上流側にも開閉弁が設けられる。このようにすれば、各開閉弁を閉じることにより燃料電池1及び燃料処理装置14を個別に密閉することができ、燃料電池1及び燃料処理装置14への外気の進入の防止を各ガス圧緩和装置17によって個別に図ることができる。
また、供給用酸化剤ガス管4及び排出用酸化剤ガス管5の少なくともいずれかにガス圧緩和装置17を接続してもよい。このようにしても、燃料電池1への外気の進入の防止を図ることができる。
実施の形態2.
上記実施の形態1では、冷却水タンク15とリザーバタンク19とが互いに独立して設けられているが、リザーバタンク19に冷却水タンク15の機能を兼用させた共通のタンク(兼用タンク)としてもよい。
上記実施の形態1では、冷却水タンク15とリザーバタンク19とが互いに独立して設けられているが、リザーバタンク19に冷却水タンク15の機能を兼用させた共通のタンク(兼用タンク)としてもよい。
即ち、図4は、この発明の実施の形態2による燃料電池発電装置を示す構成図である。図において、水が溜められた兼用タンク31には、供給用冷却水管6、排出用冷却水管7及び連通管20のそれぞれが接続されている。兼用タンク31内の水は、燃料電池1と兼用タンク31との間を給水ポンプ16の動力により循環されるとともに、ガス貯蔵タンク18と兼用タンク31との間を移動可能になっている。
燃料電池発電装置の運転停止時には、兼用タンク31内の水は、燃料電池1の冷却に利用されないので、ガス貯蔵タンク18へ送られる。また、燃料電池発電装置の運転時には、燃料ガスの圧力によって水がガス貯蔵タンク18から兼用タンク31に回収されるので、給水ポンプ16の動力により、兼用タンク31内の水が冷却水として循環される。他の構成は実施の形態1と同様である。
このような燃料電池発電装置では、リザーバタンク19が冷却水タンク15の機能を兼用するようにしたので、燃料電池発電装置全体の小形化をさらに図ることができる。
実施の形態3.
図5は、この発明の実施の形態3による燃料電池発電装置を示す構成図である。図において、リザーバタンク19は、ガス貯蔵タンク18上に載せられてガス貯蔵タンク18と一体化されている。即ち、リザーバタンク19の位置は、ガス貯蔵タンク18の位置よりも高位置とされている。また、リザーバタンク19の上部には、外部に開放された開口部19aが設けられている。
図5は、この発明の実施の形態3による燃料電池発電装置を示す構成図である。図において、リザーバタンク19は、ガス貯蔵タンク18上に載せられてガス貯蔵タンク18と一体化されている。即ち、リザーバタンク19の位置は、ガス貯蔵タンク18の位置よりも高位置とされている。また、リザーバタンク19の上部には、外部に開放された開口部19aが設けられている。
液出入口18aは、ガス貯蔵タンク18の上部に設けられ、ガス貯蔵タンク18及びリザーバタンク19間を貫通している。連通管20は、ガス貯蔵タンク18内に上下方向に沿って配置されている。連通管20の上端部は液出入口18aに接続され、連通管20の下端部はガス貯蔵タンク18の底面近傍に位置している。
フロート弁21は、リザーバタンク19内の水に浮かべられている。また、フロート弁21は、リザーバタンク19内の水位の変化に応じて上下方向へ変位される。フロート弁21は、リザーバタンク19内への水の注入量(即ち、ガス貯蔵タンク18からの水の排出量)が所定量になることにより、開口部19aを塞ぐようになっている。これにより、リザーバタンク19から開口部19aを通って水が排出されることが防止され、ガス貯蔵タンク18からの水の排出が阻止される。他の構成は実施の形態1と同様である。
燃料電池発電装置の運転時及び運転停止時の動作は、ガス圧緩和装置17の動作を除いて、実施の形態1と同様である。
ガス圧緩和装置17では、燃料電池発電装置の運転時に、燃料ガスの圧力に応じてガス貯蔵タンク18内の水面が押し下げられる。これにより、ガス貯蔵タンク18内の水が連通管20を通って上方へ排出され、供給用燃料ガス管2からの燃料ガスがガス貯蔵タンク18内に蓄えられる。ガス貯蔵タンク18から連通管20へ排出された水は燃料ガスの圧力で押し上げられることによりリザーバタンク19内へ注入され、リザーバタンク19内の水面が上昇する。
この後、リザーバタンク19内の水面の上昇により開口部19aがフロート弁21により塞がれると、リザーバタンク19内の水面の上昇が停止し、ガス貯蔵タンク18からの水の排出が阻止される。
燃料電池発電装置の運転が停止されると、ガス貯蔵タンク18内の燃料ガスの圧力の低下によって、リザーバタンク19内の水が連通管20を通ってガス貯蔵タンク18内へ戻る。これにより、リザーバタンク19内の水面が低下し、ガス貯蔵タンク18内の水面が上昇する。これにより、ガス貯蔵タンク18内に蓄えられた燃料ガスが供給用燃料ガス管2へ押し出され、供給用燃料ガス管2内の圧力が負圧になることが防止される。
このような燃料電池発電装置では、リザーバタンク19の位置がガス貯蔵タンク18の位置よりも高位置とされているので、リザーバタンク19内の水とガス貯蔵タンク18内の水との位置の差による圧力がガス貯蔵タンク18内に加わり、リザーバタンク19及びガス貯蔵タンク18の各位置の高さが同一である場合よりも高い圧力をガス貯蔵タンク18内に与えることができる。従って、燃料電池1内への外気の進入の防止をさらに図ることができる。
また、連通管20がガス貯蔵タンク18内に配置されているので、ガス圧緩和装置17の小形化をさらに図ることができる。
また、フロート弁21がリザーバタンク19内の水に浮かべられているので、燃料ガスが流入しない位置にフロート弁21を配置することができる。従って、例えばフロート弁21の交換等の保守作業を容易にすることができる。
なお、上記の例では、ガス貯蔵タンク18及びリザーバタンク19が一体とされているが、図6に示すように、ガス貯蔵タンク18から分離したリザーバタンク19をガス貯蔵タンク18の位置に対して高位置に配置してもよい。このようにしても、ガス貯蔵タンク18内の圧力を高くすることができ、燃料電池1内への外気の進入の防止をさらに図ることができる。
実施の形態4.
図7は、この発明の実施の形態4による燃料電池発電装置のガス貯蔵タンクを示す構成図である。図において、フロート弁21には、供給用燃料ガス管2内の圧力変化を受ける受圧面(上面)21aと、受圧面21aの面積よりも小さな面積を持つ対向面(下面)21bとが設けられている。受圧面21aと対向面21bとは平行になっている。
図7は、この発明の実施の形態4による燃料電池発電装置のガス貯蔵タンクを示す構成図である。図において、フロート弁21には、供給用燃料ガス管2内の圧力変化を受ける受圧面(上面)21aと、受圧面21aの面積よりも小さな面積を持つ対向面(下面)21bとが設けられている。受圧面21aと対向面21bとは平行になっている。
フロート弁21がガス貯蔵タンク18内の水に浮かべられているときには、受圧面21aがガス貯蔵タンク18内の水から露出され、対向面21bがガス貯蔵タンク18内の水中に配置されている。対向面21bの面積は、液出入口18aの断面積よりも大きくなっている。
ガス貯蔵タンク18からの水の排出は、液出入口18aがフロート弁21の対向面21bにより塞がれることにより阻止される。フロート弁21は、受圧面21aが燃料ガスの圧力を受けることにより、液出入口18aの周囲部分に押し付けられる。液出入口18aの周囲部分には、対向面21bが接触する。他の構成及び動作は実施の形態1と同様である。
このような燃料電池発電装置では、受圧面21aの面積が対向面21bの面積よりも大きくなっているので、燃料ガスの圧力によってフロート弁21を液出入口18aの周囲部分に押し付ける力をさらに大きくすることができる。これにより、液出入口18aでのフロート弁21によるシール性能の向上を図ることができる。
実施の形態5.
図8は、この発明の実施の形態5による燃料電池発電装置のガス貯蔵タンクを示す構成図である。図において、フロート弁21の形状は、側面が傾斜面とされたテーパ形状とされている。フロート弁21には、供給用燃料ガス管2内の圧力変化を受ける受圧面(上面)21aと、受圧面21aの面積よりも小さな面積を持つ対向面(下面)21bとが設けられている。即ち、フロート弁21の断面積は、受圧面21aから対向面21bに向かって連続的に小さくなっている。
図8は、この発明の実施の形態5による燃料電池発電装置のガス貯蔵タンクを示す構成図である。図において、フロート弁21の形状は、側面が傾斜面とされたテーパ形状とされている。フロート弁21には、供給用燃料ガス管2内の圧力変化を受ける受圧面(上面)21aと、受圧面21aの面積よりも小さな面積を持つ対向面(下面)21bとが設けられている。即ち、フロート弁21の断面積は、受圧面21aから対向面21bに向かって連続的に小さくなっている。
液出入口18aの内面は、フロート弁21の側面に沿って形成されている。従って、液出入口18aの内面は、フロート弁21の側面に沿った傾斜面とされている。
ガス貯蔵タンク18からの水の排出は、フロート弁21の側面が液出入口18aの内面に接触した状態でフロート弁21が液出入口18aを塞ぐことにより阻止される。他の構成及び動作は実施の形態4と同様である。
このような燃料電池発電装置では、フロート弁21の形状がテーパ形状とされ、液出入口18aの内面がフロート弁21の側面に沿った傾斜面とされているので、フロート弁21が液出入口18aを塞いでいるときの液出入口18aの内面とフロート弁21との接触面積を大きくすることができる。これにより、フロート弁21によるシール性能の向上をさらに図ることができる。
実施の形態6.
図9は、この発明の実施の形態6による燃料電池発電装置のガス貯蔵タンクを示す構成図である。図において、フロート弁21は、ガス貯蔵タンク18内の水に浮かべられた浮き板41と、浮き板41から離れて水中に保たれる塞ぎ部材42と、浮き板41及び塞ぎ部材42間を繋ぐ棒状の連結部材43とを有している。
図9は、この発明の実施の形態6による燃料電池発電装置のガス貯蔵タンクを示す構成図である。図において、フロート弁21は、ガス貯蔵タンク18内の水に浮かべられた浮き板41と、浮き板41から離れて水中に保たれる塞ぎ部材42と、浮き板41及び塞ぎ部材42間を繋ぐ棒状の連結部材43とを有している。
フロート弁21が水に浮かべられているときには、浮き板41の上面が水中から露出している。浮き板41の水平断面積は、塞ぎ部材42の水平断面積よりも大きくなっている。また、連結部材43の水平断面積は、浮き板41及び塞ぎ部材42のそれぞれの水平断面積よりも小さくなっている。
ガス貯蔵タンク18からの水の排出は、液出入口18aが塞ぎ部材42に塞がれることにより阻止される。他の構成及び動作は実施の形態1と同様である。
このような燃料電池発電装置では、フロート弁21の塞ぎ部材42が水中に保たれるので、フロート弁21が液出入口18aを塞いでいるときに、フロート弁21には、燃料ガスの圧力とともに、ガス貯蔵タンク18内に残っている水の圧力が加わる。従って、フロート弁21を液出入口18aの周囲部分に押し付ける力を大きくすることができ、フロート弁21によるシール性能の向上をさらに図ることができる。
1 燃料電池、2 供給用燃料ガス管(ガス流路)、3 排出用燃料ガス管(ガス流路)、4 供給用酸化剤ガス管(ガス流路)、5 排出用酸化剤ガス管(ガス流路)、9 酸化剤供給側開閉弁(開閉弁)、10 酸化剤排出側開閉弁(開閉弁)、12 燃料供給側開閉弁(開閉弁)、13 燃料排出側開閉弁(開閉弁)、17 ガス圧緩和装置、18 ガス貯蔵タンク、18a 液出入口、19 リザーバタンク、20 連通管、21 フロート弁、21a 受圧面、21b 対向面、41 浮き板、42 塞ぎ部材、43 連結部材。
Claims (6)
- 燃料ガス及び酸化剤ガスを個別に通すガス流路が接続され、上記燃料ガス及び上記酸化剤ガスの供給を受けることにより発電する燃料電池、
上記ガス流路に設けられ、閉動作により上記燃料電池を密閉可能な開閉弁、及び
上記ガス流路の上記開閉弁よりも上記燃料電池に近い部分に連通し、かつ液体が内部に溜められ、上記ガス流路内の圧力変化に応じて上記液体が所定の液出入口を通って出入り可能なガス貯蔵タンクと、上記液体に浮かべられ、上記ガス貯蔵タンクからの上記液体の排出量が所定量になることにより、上記ガス貯蔵タンクからの上記液体の排出を阻止するフロート弁とを有するガス圧緩和装置
を備えていることを特徴とする燃料電池発電装置。 - 上記ガス圧緩和装置は、上記ガス貯蔵タンクからの上記液体を蓄えるリザーバタンクと、上記ガス貯蔵タンク及び上記リザーバタンク間で上記液体を移動させる連通管とをさらに有し、
上記連通管の断面積は、上記ガス貯蔵タンク及び上記リザーバタンクのそれぞれの水平断面積よりも小さくなっていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電装置。 - 上記リザーバタンクの位置は、上記ガス貯蔵タンクの位置よりも高位置であることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池発電装置。
- 上記フロート弁は、上記ガス貯蔵タンク内の上記液体に浮かべられ、
上記フロート弁には、上記ガス流路内の圧力変化を受ける受圧面と、上記受圧面の面積よりも小さな面積を持つ対向面とが設けられており、
上記ガス貯蔵タンクからの上記液体の排出は、上記液出入口が上記対向面に塞がれることにより阻止されることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の燃料電池発電装置。 - 上記フロート弁は、上記ガス貯蔵タンク内の上記液体に浮かべられ、
上記フロート弁の形状は、側面が傾斜面とされたテーパ形状とされ、
上記液出入口の内面は、上記フロート弁の側面に沿って形成されており、
上記ガス貯蔵タンクからの上記液体の排出は、上記フロート弁の側面が上記液出入口の内面に接触した状態で上記フロート弁が上記液出入口を塞ぐことにより阻止されることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の燃料電池発電装置。 - 上記フロート弁は、上記ガス貯蔵タンク内の上記液体に浮かべられた浮き板と、上記浮き板から離れて上記液体中に保たれる塞ぎ部材と、上記浮き板及び上記塞ぎ部材間を繋ぐ連結部材とを有し、
上記ガス貯蔵タンクからの上記液体の排出は、上記液出入口が上記塞ぎ部材に塞がれることにより阻止されることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の燃料電池発電装置。
Priority Applications (1)
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JP2008023895A JP2009187699A (ja) | 2008-02-04 | 2008-02-04 | 燃料電池発電装置 |
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JP2011216339A (ja) * | 2010-03-31 | 2011-10-27 | Eneos Celltech Co Ltd | 燃料電池システムおよびその停止方法 |
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2008
- 2008-02-04 JP JP2008023895A patent/JP2009187699A/ja active Pending
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