JP2013206774A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの運転で消費する電力の省電力化を図る。
【解決手段】水位が所定高さ以下になったことを検出する水位検出器と、貯水器内の水を外部に排水するための排水経路と、排水経路を開閉する開閉器とを備える燃料電池システムを提供する。貯水器の側壁部に設けた排水経路からの自然落水によって貯水器内の水位を一定に保ち、風などの影響によって貯水器内の水位低下時のみ排水経路に設けた開閉器を動作させ、燃料電池システムの運転に必要な貯水器内の水量を保持するため、貯水器の水位コントロールに必要な電力を省電力化することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に供給された燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池システムに使用する貯水器に関するものである。

家庭用の燃料電池コージェネレーションシステム（以下、「燃料電池システム」という）に適した方式として固体高分子形燃料電池システムの開発が盛んである。しかし、燃料となる水素はいまだインフラが充分に整っていないため、都市ガス、ＬＰガス、灯油等の原料を水素生成装置で改質して水素リッチな燃料ガスを生成している。そして、発生した水素と空気中の酸素を利用して固体高分子形燃料電池（以下、「燃料電池」という。）で反応させて発電し、反応により生じた熱を回収して湯水として貯湯槽に貯え、貯湯槽に貯えた湯水を外部への熱供給に有効利用する燃料電池システムが開発されている。

このように水素生成装置、燃料電池をパッケージに収め、都市ガスなどを利用して発電させる燃料電池発電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

燃料電池は水素リッチな燃料ガスをアノードガスとして使用し、空気をカソードガスとして使用するが、発電後のカソードオフガスには多量の水分が含まれるため、カソードオフガス経路に貯水器を配置し、カソードオフガスに含まれるオフガスと水分を分離して、分離した水分を貯水器に貯めて水素生成装置に供給して水素生成工程で使用している。

貯水器の構成は、密閉したタンク上方にオフガスの導入口とオフガスの排出口と、タンク下部に排水口と排水弁、タンク内に水位を監視する水位センサを設けた構成が知られている（特許文献２）。

図４は特許文献１に記載された従来の燃料電池システムを示すものである。図４に示すように、筐体１の内部は、原料と水から水素リッチな燃料ガスを生成する水素生成装置２と、水素生成装置を加熱する燃焼器２８と、水素生成装置２で得られた燃料ガスと空気ポンプ３で供給する空気を用いて発電を行なう燃料電池４と、燃料電池４から放出するカソードオフガス中の水分を分離し、凝縮水を貯める貯水器と７、貯水器７内の凝縮水を純水器９に供給する純水ポンプ８から構成されている。

図５は特許文献２に記載された貯水器７を示すものである。図５に示すように、貯水器７はオフガスを貯水器７に導く導入口１５と、凝縮水を除去したオフガスを排出する排出口１６と、貯水器７の底面部２１に設けた排水口３０と、前記排水口３０から排水される排水経路１３上に設けられた排水弁３１と、前記貯水器７の内部に設けられた水位センサ３２と、前記水位センサ３２からの信号に基づき前記排水弁３１を制御する制御部３３とを有している。そして、前記制御部３３は、水位センサ３２で貯水器７内部の水位が一定レベルに達したとき前記排水弁３１を操作して本体内に溜まった凝縮水を排水するように制御する。

特開２００９−１０４８３２号公報 特開２００７−１１５４８５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、燃料電池システムが動作している間は、カソードオフガスの凝縮水は連続して発生し貯水器に貯まるため、貯水器内の水位を一定に保つために排水弁の開閉動作が頻繁に行われ、排水弁の開閉動作に多くの電力が必要になる。燃料電池システムの運転効率を向上させるためには、この排水弁の動作に必要な消費電力を如何に低減させるかという課題を有していた。

また、貯水器の底面に排水口が設けられているため、燃料電池システムの長期間使用により貯水器の内部に堆積した汚れの一部が排水口から排水経路を通って排水弁の弁部に挟まって、閉止能力が損なわれ、貯水器内の水がなくなり、水素生成装置への純水の供給ができなくなり、燃料電池システムの動作に不具合が発生するという課題も有していた。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、貯水器の水位コントロールに必要な電力を省電力化するとともに、長期間の使用によって発生する排水弁の閉止能力不良による燃料電池システムの運転動作不具合を防止する貯水器を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、貯水器の水位が所定高さ以下になったことを検出する水位検出器と、貯水器内の水を外部に排水するための排水経路と、排水経路を開閉する開閉器とを備えている。貯水器は蓄えられた水によってカソードオフガスが排水経路に流れないようにする水封構造を有しており、貯水器の水位が所定高さ以下になると、開閉器が排水経路を閉止する構成としたものである。

これによって、貯水器に凝縮水が溜まると、貯水器の側壁面に設けた排水経路から凝縮水が貯水器外部に自然排水され、貯水器内の水量は一定に保たれる。

貯水器は蓄えられた水によってカソードオフガスが排水経路に流れないように水封構造を有している。これにより、風等の影響によってカソード排気経路を介して貯水器内に圧力が加わった場合、貯水器の水位が低下して水封構成が破壊される可能性があるが、風等の影響によって貯水器内の水位が低下した場合、水位検出器で水位の低下を検出して開閉器で排水経路を閉止し、貯水器から排水経路への凝縮水の排出を止め、貯水器は蓄えられた水によってカソードオフガスが排水経路に流れないように水封構造を維持し、燃料電池システムの運転動作を継続することができる。このように、貯水器の側壁部に設けた排水経路からの自然落水によって通常の貯水器内の水位を一定に保ち、風などの影響によって貯水器内の水位低下時のみ排水経路に設けた開閉器を動作させるため、貯水器の水位コントロールに必要な電力を省電力化することができる。

また、貯水器内の水位を維持する水密構造に電磁弁などの開閉機構を用いていないため、燃料電池システムの長期間使用により貯水器の内部に堆積した汚れの一部が電磁弁などの開閉機構に挟まって、閉止能力が損なわれ、貯水器内の水がなくなり、燃料電池システムの動作に不具合が発生することはない。

本発明の貯水器は、貯水器の水位コントロールに必要な消費電力を抑制するとともに、長期間使用時に発生する貯水器内の堆積物の影響を受けることなく、貯水器内の水量を維持し燃料電池システムを安定して運転させることができる。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図 本発明の実施の形態１における貯水器の断面図 本発明の実施の形態２における貯水器の断面図 従来の燃料電池システムの構成図 従来の貯水器の断面図

第１の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料ガスを生成する水素生成装置と、前記水素生成装置を加熱する燃焼器と、前記燃焼器から排出される排気ガスを大気に排出するための燃焼排気経路と、前記燃料電池から排出されるカソードオフガスを大気に排出するためのカソード排気経路と、前記燃焼排気経路と前記カソード排気経路の少なくとも一方の経路途中に配置され、前記排ガス中に含まれる水蒸気の凝縮水をためる貯水器と、前記貯水器の水位が所定高さ以下になったことを検出する検出器と、前記貯水器に接続され、前記貯水器内の水を外部に排水するための排水経路と、前記排水経路を開閉する開閉器とを備えた燃料電池システムである。そして、特に、前記貯水器は蓄えられた水によって前記排ガスが前記排水経路に流れないようにする水封構造を有しており、前記貯水器の水位が所定高さ以下になると、前記開閉器が前記排水経路を閉止する構成とすることにより、貯水器に凝縮水が溜まると、貯水器の側壁部に設けた排水経路から凝縮水が貯水器外部に自然排水して貯水器内の水量は一定に保たれる。

貯水器は蓄えられた水によってカソードオフガスが排水経路に流れないように水封構造を有している。これにより、風等の影響によってカソード排気経路を介して貯水器内に圧力が加わった場合、貯水器の水位が低下して水封構成が破壊される可能性があるが、風等の影響によって貯水器内の水位が低下した場合、水位検出器で水位の低下を検出して開閉器で排水経路を閉止し、貯水器から排水経路への凝縮水の排出を止め、貯水器は蓄えられた水によってカソードオフガスが排水経路に流れないように水封構造を維持し、燃料電池システムの運転動作を継続することができる。このように、貯水器の側壁部に設けた排水経路からの自然落水によって通常の貯水器内の水位を一定に保ち、風などの影響によって貯水器内の水位低下時のみ排水経路に設けた開閉器を動作させるため、貯水器の水位コントロールに必要な電力を省電力化することができる。

また、貯水器内の水位を維持する水密構造に電磁弁などの開閉機構を用いていないため、燃料電池システムの長期間使用により貯水器の内部に堆積した汚れの一部が電磁弁などの開閉機構に挟まって、閉止能力が損なわれ、貯水器内の水がなくなり、燃料電池システムの動作に不具合が発生することはない。

第２の発明は、特に第１の発明において、第一の発明の燃料電池システムを貯水器で蓄えている凝縮水を燃料電池システムの運転に利用するため貯水器から凝縮水を取り出す純水ポンプと、前記水位検出器は第１水位検出レベルと第２水位検出レベルと、をさらに備えている。そして、前記純水ポンプの運転時に貯水器の水位が第１水位検出レベルに達したことを水位検出器が検知した時、純水ポンプの運転を停止するとともに、貯水器の水位が第２水位検出レベルに達したことを水位検出器が検知した時、前記開閉器で前記排水経路を閉止することにより、純水ポンプを動作させ貯水器内の凝縮水を水素生成装置で利用時も、純水ポンプが作動し貯水器内の水位が低下し、水位検出器が第一の水位レベルを検出した時に純水ポンプが停止して第２の水位レベルまで水位が低下するのを防止するため、貯水器の排水経路に設けた開閉器の動作を回避することができる。そして、風などの影響によって貯水器内の水位が低下して、第２水位検出レベルに達した時のみ排水経路に設けた開閉弁を動作させ、貯水器は蓄えられた水によってカソードオフガスが排水経路に流れないように水封構造を維持するため、貯水器の水位コントロールに必要な消費電力を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の
形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図を示すものである。

図１において、筐体１の内部は、原料と水から水素リッチな燃料ガスを生成する水素生成装置２と、水素生成装置を加熱する燃焼器２８と、水素生成装置２で得られた燃料ガスと空気ポンプ３で供給する空気を用いて発電を行なう燃料電池４と、燃料電池４から放出するカソードオフガスを大気に排出するカソード排気経路２３と、カソード排気経路２３の途中に設けカソードオフガス中の水分を分離して回収した凝縮水を貯める貯水器７と、貯水器７内の凝縮水を純水ポンプ８で純水器９に送って純水を貯水する純水タンク１０と、純水タンク１０内の純水を水素生成装置２に供給する改質水ポンプ１１から構成されている。

図２は本発明の貯水器７を示すものである。図２に示すように、貯水器７は、側壁部１２に排水経路１３と、貯水器７の天面部１４にカソードオフガスの導入口１５とカソードオフガスの排出口１６と、貯水器７の内部には貯水器７の内部を２つの部分に分割する隔壁部２０が設けられ、隔壁部２０には貯水器７の底面部２１付近に開口２２が設けられており、貯水器７の隔壁部２０で分割された２つの空間を連通する構成となっている。

貯水器７に凝縮水が溜まった時、導入口１５及び排気口１６は貯水器７内の同一空間に位置し、排水経路１３は隔壁部２０で仕切られた貯水器７内のもう一つの空間に配置するように構成され、水封構成により貯水器７の導入口１５から入ってきたカソードオフガスが排水経路１３から排出されないようにしている。

貯水器７の内部には、貯水器７の水位が所定高さ以下になったことを検出する水位検出器１７と、排水経路１３には排水経路１３を開閉する開閉器１８と、水位検出器１７の検出信号を受け、開閉器１８を開閉動作する制御器１９がある。

以上のように構成された貯水器７について、以下その動作、作用を説明する。燃焼器２８によって水素生成装置２を所定の温度に加熱し、水素生成装置２に都市ガスと純水タンク１０から改質水ポンプ１１で純水とを供給すると、水素リッチな燃料ガスが生成される。燃料電池４は水素リッチな燃料ガスをアノードガスとして使用し、空気ポンプ３によって供給した空気をカソードガスとして使用して発電を行う。発電後の燃料電池４から排出したカソードオフガスは貯水器７の導入口１５から貯水器７内に導かれる。貯水器７の内部には、予め給水弁（図示せず）から水を供給し、少なくても隔離部２０の開口２２を超える位置まで水が満たされている。

導入口１５から入ったカソードオフガスは、貯水器７内でカソードオフガス中の凝縮水を分離して貯水器７に溜め、凝縮水を除去したカソードオフガスは排出口１６からカソード排気経路２３を介して筐体１の外部に放出される。継続して運転すると、貯水器７の凝縮水の水面は徐々に上昇するが、凝縮水は隔壁部２０の開口２２を通って、側壁部１２に設けた排水経路１３から排出されて、貯水器７内の水位を一定にすることができる。

貯水器７は蓄えられた水によってカソードオフガスが排水経路１３に流れないように水封構造を有している。これにより、風等の影響によってカソード排気経路２３を介して貯水器７内に圧力が加わった場合、貯水器７の水位が低下して水封構成が破壊される可能性があるが、風等の影響によって貯水器７内の水位が低下した場合、水位検出器１７で水位の低下を検出して、その信号を制御器１９で検知して制御器１９は開閉器１８を閉止し、貯水器７から排水経路１３への凝縮水の排出を止めることができる。これにより、貯水器
７は蓄えられた水によってカソードオフガスが排水経路１３に流れないように水封構造を維持し、燃料電池システムの運転動作を継続することができる。

このように、貯水器の側壁部に設けた排水経路からの自然落水によって通常の貯水器内の水位を一定に保ち、風などの影響によって貯水器内の水位低下時のみ排水経路に設けた開閉器を動作させるため、貯水器の水位コントロールに必要な電力を省電力化することができる。

また、燃料電池システム運転を継続すると、水素生成時に純水タンク１０内の水が消費されるため、純水ポンプ８を動作させ貯水器７から純水器９を介して純水タンク１０に純水を供給して燃料電池システムを運転する。本実施形態では、貯水器７内の水位を維持する水密構造に貯水器７内に電磁弁などの開閉機構を用いていないため、燃料電池システムの長期間使用により貯水器７の内部に堆積した堆積物が電磁弁などの開閉機構に挟まって閉止能力が損なわれ、貯水器７内の水がなくなることはなく、貯水器７内の水位を一定に保つことができる。そのため、燃料電池システムを長期間使用しても純水ポンプ８によって貯水器７から純水タンク１０へ純水を安定して供給し、燃料電池システムを運転することができる。

（実施の形態２）
図３は本発明の第２の実施形態の燃料電池システムの構造図である。実施形態１と同構成部品は同じ名称を用い説明を省略する。

図３において、水位検出器１７は第１水位検出レベル２６と第２水位検出レベル２７とを備え、第１水位検出レベル２６を検出時の貯水器７内の水量は、第２水位検出レベル２７を検出時の貯水器７内の水量より大きく、貯水器の７水位が第１水位検出レベル２６に達したことを水位検出器１７が検知した時、純水ポンプ８の運転を停止するとともに、貯水器７の水位が第２水位検出レベル２７に達したことを水位検出器１７が検知した時、前記開閉器１８で前記排水経路１３を閉止する。

以上のように構成された貯水器７について、以下その動作、作用を説明する。水素生成装置２に都市ガスと純水タンク１０から改質水ポンプ１１で純水とを供給すると、水素リッチな燃料ガスが生成される。燃料電池４は水素リッチな燃料ガスをアノードガスとして使用し、空気ポンプ３によって供給した空気をカソードガスとして使用し、発電を行う。発電後のカソードオフガスは貯水器７の導入口１５から貯水器７内に導かれる。貯水器７の内部には、予め給水弁（図示せず）から水を供給し、少なくても隔離部２０の開口２２を超える位置まで水が満たされている。

導入口１５から入ったカソードオフガスは、貯水器７内でカソードオフガス中の水分を分離して貯水器７に溜め、水分を除去したカソードオフガスは排出口１６からカソード排気経路２３を介して筐体１の外部に放出される。継続して運転すると、貯水器７の凝縮水の水面は徐々に上昇するが、凝縮水は隔壁部２０の開口２２を通って、側壁部１２に設けた排水経路１３から排出されて、貯水器７内の水位を一定にすることができる。

燃料電池システム運転を継続すると、水素生成時に純水タンク１０内の水が消費されるため、純水ポンプ８を動作させ貯水器７から純水器９を介して純水タンク１０に純水を供給する。純水ポンプ８を運転させると貯水器７の水位が徐々に低下するが、貯水器７の水位が第１水位検出レベル２６に到達すると水位検出器１７が水位を検出し制御器１９に信号を送り、制御器１９は純水ポンプ８の運転を停止し、貯水器７の水位が第２水位検出レベル２７まで水位が低下するのを防止する。

一方、燃料電池システムの筐体１の排気口２５に側のみに風が当たった場合、カソード排気経路２３を介して貯水器７に圧力が加わり、貯水器７の水位が低下する。貯水器７の水位が第２水位検出レベル２７に到達すると水位検出器１７が水位を検出し制御器１９に信号を送り、制御器１９は開閉器１８を閉じ、貯水器７から凝縮水の排出を止め、燃料電池システムの運転に必要な貯水量を貯水器７内に維持する。

このように、貯水器７内の凝縮水を水素生成装置２で利用し、純水ポンプ８の作動により貯水器７内の水位が低下しても、水位検出器１７が第１水位検出レベル２６を検出することで純水ポンプ８が停止させることで第２水位検出レベル２７まで水位が低下するのを防止することができる。これにより、貯水器７の排水経路１３に設けた開閉器１８の動作を回避し、風などの影響によって貯水器７内の水位が低下して、第２水位検出レベル２７に達した時のみ排水経路１３に設けた開閉器１８を動作させることができるため、貯水器７の水位コントロールに必要な消費電力を更に抑制することができる。

なお、本実施形態では燃料電池４から排出されるカソードオフガスを排出するカソード排気経路２３の途中に貯水器７を設けた形態を説明したが、水素生成装置２の加熱する燃焼器２８から排出される排気ガスを排出する燃焼排気経路２９の途中に貯水器７を設けてもよい。また、燃料電池４から排出されるカソードオフガスと燃焼器２８から排出される排気ガスを合流して排出する排気経路の途中に貯水器７を設けてもよい。

以上のように、本発明にかかる貯水器は、燃料電池システム内の消費電力を抑制して運転効率を向上できるため、固体高分子形燃料電池や固体酸化物形燃料電池に適用できる。

２ 水素生成装置
４ 燃料電池
７ 貯水器
８ 純水ポンプ
１３ 排水経路
１７ 水位検出器
１８ 開閉器
２３ カソード排気経路
２６ 第１水位検出レベル
２７ 第２水位検出レベル
２８ 燃焼器
２９ 燃焼排気経路

Claims (2)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料ガスを生成する水素生成装置と、
   前記水素生成装置を加熱する燃焼器と、
   前記燃焼器から排出される排気ガスを大気に排出するための燃焼排気経路と、
   前記燃料電池から排出されるカソードオフガスを大気に排出するためのカソード排気経路と、
   前記燃焼排気経路と前記カソード排気経路の少なくとも一方の経路途中に配置され、前記排気ガスに含まれる水蒸気の凝縮水をためる貯水器と、
   前記貯水器の水位が所定高さ以下になったことを検出する水位検出器と、
   前記貯水器に接続され、前記貯水器内の水を外部に排水するための排水経路と、
   前記排水経路を開閉する開閉器と、
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記貯水器は、蓄えられた水によって前記排気ガスが前記排水経路に流れないようにする水封構造を有しており、前記貯水器の水位が所定高さ以下になると、前記開閉器が前記排水経路を閉止すること、
   を特徴とする燃料電池システム。
2. 貯水器で蓄えている凝縮水を燃料電池システムの運転に利用するため貯水器から凝縮水を取り出す純水ポンプと、
   前記水位検出器は第１水位検出レベルと第２水位検出レベルと、をさらに備え、
   前記純水ポンプが運転時に貯水器の水位が第１水位検出レベルに達したことを水位検出器が検知した時、純水ポンプの運転を停止するとともに、貯水器の水位が第２水位検出レベルに達したことを水位検出器が検知した時、前記開閉器で前記排水経路を閉止すること、
   を特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。