JP2011165373A - 燃料電池の水処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】水処理装置の圧力損失が上昇した場合に、ポンプの出力を増加させて、水流量を確保することにより、燃料電池が要求する水質を長期間に亘って維持し、改質水を供給し続けることができる燃料電池の水処理システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１１で回収された凝縮水を溜める凝縮水タンク３と、凝縮水タンク３の凝縮水を送出する水ポンプ４と、水ポンプ４により送られた凝縮水中のイオン成分を除去する水処理装置５を有する。水処理装置５への供給水あるいは水処理装置５の出口水のうち、少なくとも一方の温度を検出する供給水温度検出手段１４を有する。供給水温度検出手段１４で検出した温度が所定温度以下となった場合、制御手段により、水ポンプ４の出力を上昇させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の水処理システムに関するものであって、特に、水質浄化を行うための水処理装置の圧力損失が上昇した場合に、水ポンプの出力を増加させて水流量を確保するものである。

燃料電池発電システムの水処理システムは、電池冷却水の供給、改質水の供給、凝縮水の回収などの重要な機能を担っている。電池冷却水は、化学反応で発熱した燃料電池を通常動作温度に維持するために必要である。改質水は、炭化水素系燃料を水蒸気改質するためのものである。また、最終的に大気へ排出するガスを冷却することにより得られる凝縮水を回収することで、システム系外からの補給水を少なくする、あるいは無くすことも可能である。このため、水処理システムは、システム効率を向上させることが求められる重要な構成機器の１つとなっている。

特許文献１などには、燃料電池から回収した凝縮水を、非再生式のイオン交換樹脂を用いた水処理装置により水質浄化するシステムが提案されている。また、特許文献２などには、電気的に水処理交換膜を再生する電気脱イオン装置による燃料電池回収水の水質浄化システムが提案されている。

特開２００８−１９８４００号公報 特開２００１−１７６５３５号公報

しかしながら、燃料電池からの回収水には、イオン成分以外の微粒子状の固体成分等も含まれている。そのため、再生式および非再生式の脱イオン装置いずれにおいても、この固形成分等が水処理装置内の流路を閉塞し、運転時間とともに圧力損失が増加することにより、処理水流量が減少し、水質の悪化や、改質水不足を招く恐れがある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、水処理装置の圧力損失が増加した場合においても、水処理装置を循環する水流量を確保することにより、燃料電池が要求する水質を長期間に亘って維持し、改質水を供給し続けることができる燃料電池の水処理システムを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、燃料電池で回収された凝縮水を溜める凝縮水タンクと、この凝縮水タンクの凝縮水を送出する水ポンプと、前記水ポンプにより送られた凝縮水中のイオン成分を除去する水処理装置を有するの燃料電池の水処理システムにおいて、
前記水処理装置への供給水あるいは前記水処理装置の出口水のうち、少なくとも一方の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段による検出温度が所定温度以下となった場合に、前記水ポンプの出力を上昇させて前記温度検出手段の温度が所定温度以上となるように制御を行う制御手段と、を有することを特徴とする。

前記のような構成を有する本発明の燃料電池の水処理システムでは、固形成分等の目詰まりによる水処理装置の圧力損失を水処理装置への供給水あるいは出口水の温度上昇により検出する。そして、水処理装置の圧力損失が検出された場合に、水ポンプの出力を上昇させることで、水処理装置の水流量を確保することができる。

本発明の実施例１の水処理システムの構成を示す配管図。 本発明の実施例２の水処理システムの構成を示す配管図。 本発明の実施例３の水処理システムの構成を示す配管図。

以下、本発明に係る燃料電池の水処理システムの実施例について、図面を参照して説明する。

図１を用いて実施例１を説明する。燃焼排ガス（図示せず）や電池カソード排気（図示せず）などを熱交換器１により冷却して得られる凝縮水２は凝縮水タンク３に溜められ、水ポンプ４によりイオン交換樹脂が充填された水処理装置５へ送られ、そこで脱イオンされた処理水６は、改質水タンク７へ溜められる。

改質水タンク７からは、その一部が水ポンプ８により改質器へ送られるとともに、改質水タンク７を溢れた余剰水が電池冷却水タンク９へ流れ込む。電池冷却水タンク９からは水ポンプ１０により燃料電池スタック１１へ電池冷却水１２が送り込まれ、循環流通される。電池冷却水タンク９を溢れた余剰水は凝縮水タンク３へ流れ込む。凝縮水タンク３の余剰水はオーバーフロー管１３を通って系外へ排出される。

前記水処理装置５の入口部分には、供給水の温度を検出する温度検出手段１４が設けられている。すなわち、大気温度と発電出力および水処理装置５への供給水流量が正常なときの熱バランスに基いて、水処理装置５の入口の供給水温度は所定温度に設定されている。前記温度検出手段１４は、この供給水温度が所定温度にあるか否かを検出する。

この温度検出手段１４の検出値は、前記水ポンプ４の運転を制御する制御装置１５に接続されている。制御装置１５は、温度検出手段１４が検出した供給水温度に従って、供給水温度が前記所定の温度となるように水ポンプ４の出力を増減する。また、この制御装置１５には、水ポンプ４の出力値を監視し、その出力値が予め定めた一定値を超えた場合に、水ポンプ４を停止させる制御を行うように設定されている。

このような構成を有する実施例１の作用は、次の通りである。水処理装置５は、発電運転時間の経過とともに供給水中の微粒子等の固形物により閉塞してくると、その圧力損失が増大し、水処理装置５を流れる水量が減少する。その結果、大気温度と発電出力および水処理装置５への供給水流量の熱バランスが崩れ、水処理装置５の入口に設けられた供給水温度検出手段１４の温度が低下する。

この温度検出手段１４の検出した温度低下は制御装置１５に送られ、制御装置１５はこれを受信して、水ポンプ４の出力を増大させ、水処理装置５の流量を増加させる。水処理装置５の流量が増加すると、流量と発電出力等との熱バランスが元に戻り、その結果として供給水の温度が上昇する。制御装置１５による水ポンプ４の出力の増大は、温度検出手段１４の検出温度が前記所定温度になるまで行う。一方、水ポンプ４の出力を予め規定した出力値まで増大させても、前記所定温度まで温度検出手段１４の温度が上昇しなかった場合は、制御装置１５は燃料電池システムを停止させる。

このように、本実施例によれば、水処理装置の閉塞による通水量の減少を供給水の温度低下により容易に検知し、水ポンプ４の出力を増大することで正常な通水量に戻すことが可能となる。その結果、固形成分等により水処理装置が多少目詰まりしたとしてもその運転を停止する必要がなく、燃料電池が要求する水質を長期間に亘って維持することができる。

次に、図２を用いて本発明の実施例２を説明する。実施例１との違いは、水処理装置に電気脱イオン装置１６を採用している点であり、電気脱イオン装置１６出口の脱イオンされた処理水６系および濃縮水１７系にはそれぞれ処理水温度検出手段１８と濃縮水温度検出手段１９が備えられ、処理水６は改質水タンク７へ、濃縮水１７は凝縮水タンク３へ送られる。

電気脱イオン装置１６は、非再生式のイオン交換樹脂を採用した実施例１と同様、発電運転時間の経過とともに供給水中の微粒子等の固形物により流路が閉塞されてくるが、処理水６系と濃縮水１７系の流路の閉塞度合いが異なる場合、流量分配が、電気脱イオン装置１６が正常に機能する逸脱してくる。この流量分配が正常な値を逸脱した場合、処理水温度検知手段１８と濃縮水温度検出手段１９との温度差が、大気温度と発電出力および正常な流量分配から計算される温度差から逸脱してくる。この温度差を制御装置１５が検知し、水ポンプ４の出力を、前記温度差が正常な値となるまで増大させる。

ここで、水ポンプ４の出力を規定した値まで増大させて前記温度差が正常な値に戻らなかった場合は、燃料電池システムを停止させる。その他のシステムは実施例１と同様である。

このように、本実施例によれば、容易に電気脱イオン装置の処理水と濃縮水の流量分配異常を検知することができ、燃料電池が要求する水質を長期間に亘って維持することができる。

次に、図３を用いて本発明の実施例３を説明する。実施例１との違いは、水処理装置５入口供給水温度検出手段１４を備えていない点であるが、備えていても構わない。実施例３は、水処理装置５が発電運転時間の経過とともに供給水中の微粒子等の固形物により閉塞し、圧力損失が増大することを想定し、水ポンプ４の出力を発電運転時間の経過とともに増加させ、水処理装置５への通水流量を一定に保つ制御手段を備えている。

このように、本実施例によれば、容易に水処理装置への流量を一定に保つことが可能となり、燃料電池が要求する水質を長期間に亘って維持することができる。

なお、図３には水処理装置として非再生式のイオン交換樹脂を示しているが、再生式の電気脱イオン装置であっても同様の効果が得られる。また、実施例３の制御手段を、実施例１や実施例２と組み合わせても構わない。

１…熱交換器
２…凝縮水
３…凝縮水タンク
４…水ポンプ
５…水処理装置
６…処理水
７…改質水タンク
８…水ポンプ
９…電池冷却水タンク
１０…水ポンプ
１１…燃料電池スタック
１２…電池冷却水
１３…オーバーフロー管
１４…供給水温度検出手段
１５…制御装置
１６…電気脱イオン装置
１７…濃縮水
１８…処理水温度検出手段
１９…濃縮水温度検出手段

Claims (6)

1. 燃料電池で回収された凝縮水を溜める凝縮水タンクと、この凝縮水タンクの凝縮水を送出する水ポンプと、前記水ポンプにより送られた凝縮水中のイオン成分を除去する水処理装置と、前記水処理装置への供給水あるいは前記水処理装置出口水のうち、少なくとも一方の温度を検出する温度検出手段と、前記いずれかの温度検出手段が所定温度以下となった場合、前記水ポンプの出力を上昇させて前記温度検出手段の温度が所定温度以上となるよう制御を行う制御手段と、を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記所定温度が、大気温度と発電出力から算出される温度であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記制御手段により前記水ポンプ出力を上昇させても前記所定温度以上とならなかった場合、燃料電池発電システムを停止させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記水処理装置が電気脱イオン装置であって、前記水処理装置出口の脱イオン水と濃縮水の温度検出手段と、前記脱イオン水温度検出手段と前記濃縮水温度検出手段の温度差が所定の温度範囲を超えた場合、前記水ポンプの出力を上昇させて前記温度差が所定の温度範囲となるよう制御する制御手段と、を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
5. 請求項４記載の制御手段により前記水ポンプ出力を上昇させても前記温度差が前記所定温度範囲とならなかった場合、燃料電池発電システムを停止させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
6. 運転時間の経過とともに前記水ポンプ出力を上昇させる制御手段を有することを特徴とする燃料電池発電システム。

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