JP2011014291A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システム１の信頼性を向上させる。
【解決手段】燃料電池システム１は、ドレンを回収する水回収タンク１３と、水回収タンク１３に接続されドレンを外部へ排水するドレン排水管４１と、ドレン排水管４１に接続され該ドレン排水管４１内と外部との間でエアを流通させるエア抜きホース４８と、を備えている。よって、例えば寒冷の影響によってドレン排出口４６が凍ってドレンを外部に充分に排水できない場合でも、エア抜きホース４８を介してドレン排水管４１内の圧力を外部へ逃がすことができる。従って、ドレンを外部に充分に排水できない場合でも、水回収タンク１３内やドレン排水管４１内の圧力が高まるのを防止し、ドレンを充分に回収することが可能となり、燃料電池システム１を適正に継続動作させて運転することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、灯油や液化石油ガス等の原燃料を改質することにより、水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、その改質ガス中の水素と空気中の酸素とを電気化学反応させることにより発電を行う燃料電池と、を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１７０５９１号公報

ここで、上記の燃料電池システムでは、その各部からのドレンをドレン回収タンクに回収し、このドレンをドレン排水管を介して外部へと排水する場合がある。しかし、この場合、ドレン排水管の排出口が、例えば寒冷の影響によって凍ったり外部のゴミやホコリ等の異物によって詰まったりすると、ドレンを外部に充分に排水することが困難になるおそれがある。その結果、ドレン排水管内の圧力が高まること等からドレンを充分に回収できず、燃料電池システムの各部に支障をきたしてしまうおそれがある。そこで、近年、燃料電池システムとしては、例えばドレンを外部に充分に排水することが困難な場合でも適正に継続動作させ、その信頼性を向上できるものが望まれている。

そこで、本発明は、信頼性を向上させることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、原燃料を改質することにより改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを用いて発電を行う燃料電池と、を具備する燃料電池システムであって、ドレンを回収するドレン回収タンクと、ドレン回収タンクに接続され、ドレンを外部へ排水するドレン排水管と、ドレン排水管に接続され、該ドレン排水管内と外部との間でエアを流通させるエア流通管と、を備えたことを特徴とする。

この燃料電池システムでは、ドレン排水管内と外部との間でエアを流通させるエア流通管が設けられている。よって、ドレン排水管内の圧力が高まるのを防止し、ドレンを充分に回収することが可能となる。従って、ドレンを外部に充分に排水することが困難な場合でも燃料電池システムを適正に継続動作させることができ、燃料電池システムの信頼性を向上させることが可能となる。

また、改質器のバーナの排気ガスから生じたドレンが流通する排気ガスドレン流通管を更に備え、排気ガスドレン流通管は、ドレン排水管においてドレン回収タンクとエア流通管との間に接続されていることが好ましい。この場合、例えば再利用可能なドレンはドレン回収タンクで回収され、排気ガスから生じた再利用困難なドレンはそのまま外部へ排水されることとなる。

ここで、上記作用効果を奏する構成として、具体的には、エア流通管は、ドレン排水管において水平方向に沿って延在する水平部に接続され、上方に向かって延びた後に下方に曲がるように延びている構成が挙げられる。

また、エア流通管は、その上端の高さ位置がドレン回収タンクとドレン排水管との接続部よりも低くなるように延びていることが好ましい。これにより、例えばエア流通管がオーバーフロー管の場合において、万が一にドレン排水管の排出口が完全に詰まったときでも、エア流通管からドレンを外部へ排水することができる。

また、エア流通管における外部側の端部は、その開口が下方を向くように構成されていることが好ましい。この場合、外部のゴミやホコリ等の異物がエア流通管に進入するのを防止することができる。

本発明によれば、燃料電池システムの信頼性を向上させることが可能となる。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の正面図である。 図１の燃料電池システムの平面図である。 図１の燃料電池システムにおけるドレン回収系の一例を示す概略流路図である。 図１の燃料電池システムの水回収タンク周辺を示す斜視図である。 図４の部分拡大図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、「上」「下」の語は、鉛直方向の上下方向に対応するものである。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の正面図であり、図２は、図１の燃料電池システムの平面図である。図１，２に示すように、燃料電池システム１は、原燃料を改質することにより改質ガスを生成する改質器２と、改質ガスを用いて発電を行う固体高分子形の燃料電池３と、を備えている。燃料電池システム１は、家庭用の電力供給源として利用され、原燃料としては、液化石油ガス（ＬＰＧ）が用いられる。

改質器２の前側には、脱硫器４が配置されている。脱硫器４は、外部から導入された原燃料に対し、脱硫触媒によって脱硫を施す。脱硫器４によって硫黄分が除去された原燃料は、改質器２に導入される。改質器２は、改質触媒によって原燃料を水蒸気改質させて、水素を含有する改質ガスを生成する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質器２には、改質触媒を加熱するためのバーナが設けられている。

改質器２によって生成された改質ガスは、改質器２の前側に配置されたＣＯ変成器５及びＣＯ除去器６に順次に導入される。ＣＯ変成器５は、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低下させるために、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水素シフト反応させて、水素及び二酸化炭素に転換する。ＣＯ除去器６は、改質ガス中の一酸化炭素濃度を更に低下させるために、改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択的に酸化して、二酸化炭素に転換する。

ＣＯ変成器５及びＣＯ除去器６よって処理された改質ガスは、燃料電池３の前側に配置された加湿器７に導入される。加湿器７に導入された改質ガスは、加湿器７内に貯留された水を気泡として通過することにより加湿され、燃料電池３のアノードに供給される。

改質器２に対し燃料電池３と反対側には、エアポンプ８が配置されている。エアポンプ８によって圧送された空気は、燃料電池３の前側において加湿器７と並設された加湿器９に導入される。加湿器９に導入された空気は、加湿器９内に貯留された水を気泡として通過することにより加湿され、燃料電池３のカソードに供給される。

燃料電池３は、複数の電池セルが積層されたスタック構造として構成されている。各電池セルは、アノード、カソード、及びそれらの間に配置された高分子膜を有している。上述したように、燃料電池３に供給される改質ガス及び空気が加湿されるのは、燃料電池３の電解質である高分子膜が高い伝導性を維持するためには高分子膜が加湿される必要があるからである。燃料電池３の各電池セルにおいては、アノードに供給された改質ガス中の水素とカソードに供給された空気中の酸素とが電気化学反応を起こして、直流の電力が発生する。

燃料電池３で発生した電力は、エアポンプ８の下側に配置されたコンバータ１１及びインバータ１２を介して、家庭に供給される。コンバータ１１は、直流の電力を変圧する。インバータ１２は、変圧された電力を直流から交流に変換する。

ところで、改質ガス中に気化して燃料電池３のアノードに供給された水のうちの余剰分は、循環して、再び加湿器７内に貯留される。一方、空気中に気化して燃料電池３のカソードに供給された水のうちの余剰分は、水回収タンク１３内に貯留される。水回収タンク１３は、燃料電池３の下側に設けられた収容部１０内に配置されている。

各加湿器７，９内に貯留された水は、水回収タンク１３及びイオン交換器１４を含む水処理系に所定時間毎に導入される。イオン交換器１４は、水回収タンク１３と同様に、収容部１０内に配置されている。各加湿器７，９から水処理系に導入された水は、イオン交換器１４に循環供給されて処理された後、各加湿器７，９に戻される。

また、燃料電池３のアノードに供給された改質ガスのうちの余剰分（いわゆるオフガス）は、改質触媒を加熱するために改質器２に設けられたバーナの燃料として利用される。このバーナは、燃料電池システム１の起動時には、脱硫器４によって脱硫された原燃料を利用する。一方、燃料電池３のカソードに供給された空気のうちの余剰分は、外部に排気される。

更に、燃料電池システム１には、家庭用の水が貯留される貯湯ユニットＡが接続される。貯湯ユニットＡ内に貯留された水は、導入口１５から熱回収系に導入され、熱回収系を循環した後、導出口１６から貯湯ユニットＡに戻される。収容部１０内には、熱回収系の一部を構成する余剰電力ヒータ１７が配置されている。余剰電力ヒータ１７は、燃料電池３で発生した電力のうちの余剰分を利用して、熱回収系に導入された水を加熱する。熱回収系は、これに加え、燃料電池３の排熱等も利用して、導入された水を加熱する。

以上の燃料電池システム１の構成機器類は、いわゆるアングル材からなるフレーム体１８によって支持され、直方体箱状の外装体１９内に収容されている。なお、収容部１０内には、水回収タンク１３、イオン交換器１４及び余剰電力ヒータ１７の他、各種ポンプや電磁弁等の電装機器類２０が配置されている。電装機器類２０は、改質器２や燃料電池３等の動作に用いられる。

また、燃料電池システム１は、その各部からのドレンを回収して排出するドレン回収系を備えている。図３は、図１の燃料電池システムにおけるドレン回収系の一例を示す概略流路図である。図３に例示するように、ここでのドレン回収系３０は、上記水回収タンク（ドレン回収タンク）１３を有し、この水回収タンク１３にカソード排ガスドレンタンク３２及びアノードオフガスドレンタンク３３からドレンが流入されて回収されるよう構成されている。なお、「ドレン」とは、例えば蒸気が凝縮することによって出現する凝縮水等の水を意味している。

カソード排ガスドレンタンク３２は、燃料電池３のカソードの排気ガスから生じるドレンを回収して貯留するものである。アノードオフガスドレンタンク３３は、アノードのオフガスから生じるドレンを回収して貯留するものである。

また、この燃料電池システム１では、水回収タンク１３に回収されたドレンが水処理系６０によって浄化され、システム内にて再利用されるように構成されている。すなわち、ドレンは、ポンプ６１によって水回収タンク１３とイオン交換器１４との間で循環されつつ、イオン交換器１４によって浄化される。そして、浄化されたドレンは、その一部が加湿器７（図１参照）等へ送られることになる。

ここで、上記の水回収タンク１３周辺の構成について詳細に説明する。

図４は図１の燃料電池システムの水回収タンク１３周辺を示す斜視図であり、図５は図４の部分拡大図である。図４に示すように、水回収タンク１３には、ドレン流通管３７，３８と、ドレン循環管３９，４０とが接続されている。ドレン流通管３７，８は、ドレンタンク３２，３３にそれぞれ接続され、ドレンタンク３２，３３内のドレンを水回収タンク１３へそれぞれ流通させる。ドレン循環管３９，４０は、水回収タンク１３内のドレンを、水回収タンク１３とイオン交換器１４との間で循環するよう流通させる。

また、水回収タンク１３には、ドレン排水管４１と、エア抜き管４２，４３とが接続されている。ドレン排水管４１は、ドレンを外部へ排水するオーバーフロー管である。つまり、ドレン排水管４１は、その一端部が水回収タンク１３の側面１３ａの上部に接続されると共に、その他端部が外部に解放されている。よって、水回収タンク１３内のドレンの貯留量が所定量以上になると（ドレンの水面が水回収タンク１３とドレン排水管４１との接続部よりも高くなると）、ドレンがその自重によりドレン排水管４１から溢れ出るように流出される。

このドレン排水管４１は、傾斜部４４及び水平部４５を有している。傾斜部４４は、側面１３ａに接続され、下方へ滑らかに傾斜しながら側面１３ａの法線方向に向けて延在する傾斜配管である。水平部４５は、傾斜部４４に連続し、外部に向けて水平方向に延在する水平配管である。この水平部４５は、その外部側にドレン排出口４６を含んでいる。

エア抜き管４２，４３は、水回収タンク１３内の圧力が高くなるのを抑制するために、水回収タンク１３内のエアを抜くものである。エア抜き管４２は、その一端部が側面１３ａの上部に接続されている。一方、エア抜き管４２の他端部は、システム内の排気ガスを外部へ排気する排気口４７に接続されている。エア抜き管４３は、その一端部が側面１３ａの上部に接続されている。一方、エア抜き管４３の他端部は、ドレン排水管４１の水平部４５の上方側に接続されている（図５参照）。

そしてまた、本実施形態にあっては、ドレン排水管４１の水平部４５の上方側に接続されたエア抜きホース（エア流通管）４８を備えている。エア抜きホース４８は、ドレン排水管４１内と外部との間でエアを流通させる流路を構成し、所定の可撓性を有している。このエア抜きホース４８は、渦を巻くような曲線状に延在している。

具体的には、エア抜きホース４８の一端部は、水平部４５の上方側において、ドレン排水管４１とエア抜き管４３との接続部よりもドレン流通方向の下流側に接続されている。そして、エア抜きホース４８は、水平部４５から上方に向かって曲がるように延びた後、下方に曲がるように延び、外装体１９を超えて外部に至っている。

このエア抜きホース４８の他端部は、その開口４９が下方を向くようになっている。また、エア抜きホース４８は、その上端Ｔの高さ位置が、水回収タンク１３とドレン排水管４１との接続部よりも低くなるように延びている。

更に、本実施形態は、ドレン排水管４１の水平部４５の上方側に接続された排気ガスドレン流通管５０を備えている。排気ガスドレン流通管５０は、改質器２のバーナの排気ガスから生じたドレンを流通させるものである。この排気ガスドレン流通管５０の一端部は、排気口４７の底部に接続されている。一方、排気ガスドレン流通管５０の他端部は、水平部４５の上方側においてエア抜き管４３とエア抜きホース４８との間に接続されている。

以上、本実施形態では、ドレンタンク３２，３３内のドレンがドレン流通管３７，３８を介して水回収タンク１３に集められた後、ドレン排水管４１へと溢れ出すように流出される。また、ドレン排水管４１では、バーナの排気ガスから生じたドレンが排気ガスドレン流通管５０を介して更に集められる。そして、集められたこれらのドレンが、ドレン排出口４６を介して外部へと排出されることとなる。

このとき、ドレン排水管４１には、上述したように、エア抜きホース４８が接続されている。そのため、例えば寒冷の影響でドレン排出口４６が凍ったり、外部のゴミやホコリ等の異物がドレン排出口４６に進入したり等してドレン排出口４６が詰まり、ドレンを外部に充分に排水できない場合でも、エア抜きホース４８を介してドレン排水管４１内の圧力を外部へ逃がすことができる。これと共に、エア抜き管４３及びエア抜きホース４８を介して水回収タンク１３内の圧力も外部へ逃がすことができる。

従って、本実施形態によれば、ドレンを外部に充分に排水できない場合でも、水回収タンク１３内やドレン排水管４１内の圧力が高まるのを防止し、ドレンを充分に回収することが可能となる。その結果、ドレン回収不能に起因したシステム不能・不良を抑制でき、燃料電池システム１を適正に動作させ運転を継続することができる。つまり、燃料電池システム１の信頼性を向上させることが可能となる。

更に、ドレン排水管４１にエア抜きホース４８が接続されていると、ドレンを排出するとき（ドレン排出口４６からドレンが流れ出すとき）、エア抜きホース４８を介して外部からエアをドレン排水管４１に流入させることができる。その結果、ドレンの流れが脈動すること（ドレン排出口４６にドレンが詰まるのと流れるのとを繰り返すこと）を防止でき、ドレンの流れがスムーズになる。よって、ドレンを外部に一層充分に排水することが可能となる。

更に、本実施形態では、上述したように、排気ガスドレン流通管５０が、ドレン排水管４１において水回収タンク１３とエア抜きホース４８との間に接続されている。よって、汚れが比較的少ない再利用可能なドレンについては、水回収タンク１３で回収できる一方、排気ガスから生じた汚れが比較的多い再利用困難なドレンについては、そのまま外部へ排水することができる。

また、本実施形態では、上述したように、エア抜きホース４８の上端Ｔの高さ位置が、水回収タンク１３とドレン排水管４１との接続部よりも低くなるように延びている。よって、万が一にドレン排出口４６が完全に詰まったときでも、ドレンがエア抜きホース４８を通って外部へ排水されることとなる。

また、本実施形態では、上述したように、エア抜きホース４８の開口４９が下方を向くように構成されている。よって、外部のゴミやホコリ等の異物が開口４９からエア抜きホース４８、ひいてはドレン排水管４１に進入するのを防止することができる。

なお、本実施形態のようにドレン排水管４１において排気ガスドレン流通管５０の下流側にエア抜きホース４８が接続されていると、エア抜きホース４８を排気ガスドレン流通管５０のエア抜きとしても機能させることができる。

また、本実施形態では、システム内の様々な部位から生じた様々なドレンをドレン排水管４１に集めて（集合化して）外部に一括して排出している。よって、このドレン排水管４１にエア抜きホース４８を取り付けると、様々なドレンについて上記作用効果が効果的に一括して発揮されることとなる。また、かかる集合化により、ドレン回収系３０の構造を簡易化も可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、改質器２は、水蒸気改質するものに限定されず、部分酸化改質やオートサーマル改質するものであってもよく、原燃料として、灯油、天然ガス、都市ガス、メタノール或いはブタン等を用いるものであってもよい。

また、燃料電池３は、固体高分子形に限定されず、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形或いは固体酸化物形等であってもよい。

また、上記実施形態では、エア流通管としてエア抜きホース４８を用いたが、ホース（蛇管）に限定されず、ドレン排水管４１内と外部との間でエアを流通させるものであればよい。

１…燃料電池、２…改質器、３…燃料電池、１３…水回収タンク（ドレン回収タンク）、４１…ドレン排水管、４５…水平部、４８…エア抜きホース（エア流通管）、４９…開口、５０…排気ガスドレン流通管、Ｔ…上端。

Claims (5)

1. 原燃料を改質することにより改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池と、を具備する燃料電池システムであって、
   ドレンを回収するドレン回収タンクと、
   前記ドレン回収タンクに接続され、ドレンを外部へ排水するドレン排水管と、
   前記ドレン排水管に接続され、該ドレン排水管内と外部との間でエアを流通させるエア流通管と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記改質器のバーナの排気ガスから生じたドレンが流通する排気ガスドレン流通管を更に備え、
   前記排気ガスドレン流通管は、前記ドレン排水管において前記ドレン回収タンクと前記エア流通管との間に接続されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記エア流通管は、前記ドレン排水管において水平方向に沿って延在する水平部に接続され、上方に向かって延びた後に下方に曲がるように延びていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記エア流通管は、その上端の高さ位置が前記ドレン回収タンクと前記ドレン排水管との接続部よりも低くなるように延びていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の燃料電池システム。
5. 前記エア流通管における外部側の端部は、その開口が下方を向くように構成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載の燃料電池システム。

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