JP2014107259A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池システムに係り、特に、カソード極等に供給する空気の浄化技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a technology for purifying air supplied to a cathode electrode or the like.
図7を参照して、従来の固体高分子形燃料電池システムは、発電系統101、燃料処理系統102、ドレン水回収系統103、供給空気浄化系統104を主要構成としている。発電系統101で生成又は凝縮分離した水を配管L101、L102によりドレン水回収系統103に導き、イオン交換樹脂105で純水にして配管L104、L105を介して発電系統101のスタック冷却、及び、燃料処理系統102の水蒸気改質のために供給する。
Referring to FIG. 7, the conventional polymer electrolyte fuel cell system has a
また、供給空気浄化系統104では、配管L106乃至L108を介して発電系統101及び燃料処理系統102に供給する空気を、浄化粉塵フィルター104a、化学吸着フィルタ(ケミカルフィルタ)104bにより浄化している。
燃料電池スタックは、供給空気中の化学物質(SOx、NOx、NH3など)に対して影響を受けやすく、通常の大気中に含まれるレベルの濃度でも性能や耐久性が低下してしまう。このため、供給空気経路中に化学吸着フィルタ(ケミカルフィルタ)を装着することが一般的である。
In the supply
The fuel cell stack is easily affected by chemical substances (SOx, NOx, NH3, etc.) in the supply air, and performance and durability are deteriorated even at a concentration level included in normal air. For this reason, it is common to mount a chemical adsorption filter (chemical filter) in the supply air path.
しかしながら、定置用システムで求められる10年程度の機器寿命を担保するフィルターを搭載すると、筺体スペースに占めるフィルタ体積が非常に大きくなってしまうため、現状商品ではフィルタを定期的(数年毎)に交換する運用がなされている。このことが、メンテナンスも含めた燃料電池システムのトータルコストを押し上げる一因となっている。 However, if a filter that guarantees the equipment life of about 10 years required for a stationary system is installed, the filter volume that occupies the housing space becomes very large, so in the current product, the filter is regularly (every few years). Operation to exchange is made. This contributes to raising the total cost of the fuel cell system including maintenance.
なお、燃料電池システムの空気フィルタに関する技術としては、空気プロワの振動で粉塵を離脱させる方式(例えば特許文献1)や、パッケージ面を空気フィルタとする方式(例えば特許文献2)などが提案されているが、いずれもフィルタ性能やパッケージ強度などが不十分であることから実用化されていない。また、これらは空気中の粉塵除去を目的とする技術に関し、化学物質(SOX,NOX,NH3等)除去を目的とするものではない。 In addition, as a technique related to the air filter of the fuel cell system, a method (for example, Patent Document 1) in which dust is separated by vibration of an air prower, a method in which the package surface is an air filter (for example, Patent Document 2), and the like have been proposed. However, none has been put to practical use because of insufficient filter performance and package strength. In addition, these relate to technologies for removing dust in the air, and not for removing chemical substances (SOX, NOX, NH3, etc.).
一方、燃料電池システム以外の空気浄化に関しては、水溶性化学物質に対して純水を利用した滴下式またはスプレー式のエアワッシャー方式(純水との接触により空気中の化学物質を除去する方式)を採用する例がある。
しかしながら、純度の高い水を外部から調達する必要があり、システム構成の複雑化およびコストアップが課題となる。
上記課題に鑑み、本発明はケミカルフィルタを必要しない空気浄化手段を備えた燃料電池システムを提供する。
On the other hand, for air purification other than fuel cell systems, a dripping or spraying type air washer system that uses pure water for water-soluble chemical substances (a system that removes chemical substances in the air by contacting with pure water) There is an example which adopts.
However, it is necessary to procure high-purity water from the outside, which complicates the system configuration and increases costs.
In view of the above problems, the present invention provides a fuel cell system provided with air purification means that does not require a chemical filter.
本発明は以下の内容を要旨とする。すなわち、本発明に係る燃料電池システムは、
(1)セルスタックと、燃料処理装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
セルスタックのカソード極及びアノード極において得られるドレン水を回収するドレン回収装置と、
該ドレン回収装置出のドレン水を用いて、供給空気中の不純物を除去する供給空気浄化装置と、
該供給空気浄化装置で不純物を除去した空気を、セルスタックのカソード極に供給する浄化空気供給手段と、
を備えて成ることを特徴とする。
The gist of the present invention is as follows. That is, the fuel cell system according to the present invention is
(1) In a fuel cell system including a cell stack and a fuel processing device,
A drain recovery device for recovering drain water obtained at the cathode and anode of the cell stack;
A supply air purification device that removes impurities in the supply air using the drain water discharged from the drain recovery device;
Purified air supply means for supplying the air from which impurities have been removed by the supply air purification device to the cathode electrode of the cell stack;
It is characterized by comprising.
(2)上記(1)の発明において、前記供給空気浄化装置が、バブリング方式により供給空気中の不純物を除去する手段を備えて成ることを特徴とする。 (2) In the invention of (1), the supply air purification device is characterized by comprising means for removing impurities in the supply air by a bubbling method.
(3)上記(1)の発明において、前記供給空気浄化装置が、滴下式エアワッシャー方式により供給空気中の不純物を除去する手段を備えて成ることを特徴とする。 (3) In the invention of (1), the supply air purifying device is characterized by comprising means for removing impurities in the supply air by a dropping type air washer system.
(4)上記(1)の発明において、前記供給空気浄化装置が、スプレー式エアワッシャー方式により供給空気中の不純物を除去する手段を備えて成ることを特徴とする。 (4) In the invention of the above (1), the supply air purification device is provided with means for removing impurities in the supply air by a spray-type air washer system.
(5)上記各発明において、回収した前記ドレン回収装置出のドレン水中の不純物除去のための水処理装置を、さらに備えたことを特徴とする。 (5) In each of the above inventions, a water treatment device is further provided for removing impurities in the drain water from the recovered drain recovery device.
(6)上記発明において、前記水処理装置が、イオン交換樹脂を用いた水処理装置であることを特徴とする。 (6) In the above invention, the water treatment device is a water treatment device using an ion exchange resin.
(7)上記各発明において、前記燃料電池システムが、固体高分子形燃料電池システムであることを特徴とする。 (7) In each of the above inventions, the fuel cell system is a polymer electrolyte fuel cell system.
(8)上記発明において、前記浄化空気供給手段は、不純物を除去した空気を前記燃料処理装置のPROX触媒層に、さらに供給することを特徴とする。 (8) In the above invention, the purified air supply means further supplies air from which impurities have been removed to the PROX catalyst layer of the fuel processor.
(9)上記発明において、前記浄化空気供給手段は、不純物を除去した空気を前記燃料処理装置と前記セルスタック間にブリードエアとして、さらに供給することを特徴とする。 (9) In the above invention, the purified air supply means further supplies air from which impurities have been removed as bleed air between the fuel processing device and the cell stack.
一般に燃料電池システムにおいては、原料ガス中の硫黄系不純物が除去されている、配管等に溶出の少ない材料が用いられている(PEFCの場合)などの理由により、反応過程で生成するドレン水の純度が比較的高い(一般的には、10μS/cm以下)ため、空気中の不純物除去の用途に資する水となりうる。 In general, in a fuel cell system, drain water generated in the reaction process is removed because sulfur-based impurities in the raw material gas have been removed, or a material with low elution is used for piping or the like (in the case of PEFC). Since it has a relatively high purity (generally, 10 μS / cm or less), it can be used for removing impurities in the air.
本発明によれば、従来余剰として捨てられていたドレン水を供給用空気の不純物除去に利用することにより、従来必要とされたケミカルフィルタの定期的交換が不要になるため、定期交換部品の材料コスト、メンテナンスコストの低減化が可能となる。特に、稼動温度が低いため空気中の化学物質が問題となる、固体高分子形燃料電池システムのコストダウンに有効となる。 According to the present invention, since the drain water that has been discarded as surplus in the past is used for removing impurities from the supply air, it is not necessary to periodically replace the chemical filter that is conventionally required. Costs and maintenance costs can be reduced. In particular, it is effective in reducing the cost of a polymer electrolyte fuel cell system in which chemical substances in the air are problematic because the operating temperature is low.
以下、本発明の各実施形態について、図1乃至6を参照してさらに詳細に説明する。各図において同一構成については同一符号を用いて示し、重複説明を省略する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。 Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. In each figure, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Needless to say, the scope of the present invention is described in the claims and is not limited to the following embodiments.
(第一の実施形態)
<全体構成>
図1を参照して、本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池(PEFC)システム1(以下、適宜、燃料電池システム1と略記する)は、原料ガスを改質する燃料処理系統Aと、改質ガスと空気中の酸素の電気化学反応により電力を取り出す発電系統Bと、反応に伴い発生する水(ドレン)を回収して再度システムに供給するドレン回収・供給系統Cと、システムに供給する空気(酸素)をドレン水回収・供給系統Cの水を用いて浄化する空気浄化・供給系統Dと、各系統間及び系統内の各要素間を結ぶ配管群と、により構成されている。
(First embodiment)
<Overall configuration>
Referring to FIG. 1, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) system 1 (hereinafter abbreviated as “
図2は、燃料電池システム1の各系統詳細構成を示し、図3(a)〜図3(d)は全体構成中の系統別区分を表した図である。
<燃料処理系統A>
図3(a)を参照して、燃料処理系統Aは,原料ガス中の硫黄成分を除去する脱硫器4eと、原料ガスを目的ガス組成に改質する水蒸気改質触媒層4a、シフト触媒層4b及びPROX触媒層4cと、水蒸気改質反応のための熱を供給する燃焼バーナ4dと、を備えた燃料処理装置4により構成されている。
改質触媒層4aには、原料ガスを水蒸気改質する触媒、例えばRu系金属触媒が充填されている。シフト触媒層4bには白金触媒などが充填されており、改質ガス中に含まれるCOガスをシフト反応(2)によりCO2に変成する。PROX触媒層4cにはRu系などのCO選択除去触媒が充填されており、改質ガス中のCO濃度を選択酸化反応(3)により10ppm以下に下げる。
FIG. 2 shows a detailed configuration of each system of the
<Fuel treatment system A>
Referring to FIG. 3A, the fuel processing system A includes a desulfurizer 4e that removes sulfur components in the raw material gas, a steam reforming
The reforming
脱硫器4eを通過したCH4を主成分とする原料ガス(都市ガス)は、改質触媒層4aにおいて水(水蒸気)と混合された後、改質反応(1)により水素を主成分とするガスに改質される。改質触媒層4aにはRu系金属触媒等が充填されている。また、供給水蒸気として、後述するドレン回収・供給系統Cからの回収水が用いられる。
CH4+H2O →CO+3H2・・・・(1)
The raw material gas (city gas) containing CH4 as a main component that has passed through the desulfurizer 4e is mixed with water (steam) in the reforming
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (1)
改質ガスに含まれるCOガスは、シフト触媒層4bにおいてシフト反応(2)によりCO2に変成される。
CO+H2O→CO2+H2・・・・(2)
シフト触媒層4b出のガスは、PROX触媒層4cにおいて、選択酸化反応(3)によりガス中のCO濃度が10ppm以下に下げられる。反応(3)に用いられる空気(酸素)として、後述する空気浄化・供給系統Dからの空気が用いられる。
2CO+O2→CO2・・・・(3)
The CO gas contained in the reformed gas is converted into CO 2 by the shift reaction (2) in the
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (2)
In the gas coming out of the
2CO + O 2 → CO 2 (3)
<発電系統B>
発電系統Bは,水素イオン透過性高分子電解質5cを介してアノード極(燃料極)5a、カソード極(空気極)5bを配置した単セルを、セパレータ(図示せず)により区画して複数枚積層したセルスタック(以下、適宜スタックと略記)5により構成されている。なお、同図では便宜的に単セル部分のみ表示している。
<Power generation system B>
In the power generation system B, a plurality of single cells each having an anode electrode (fuel electrode) 5a and a cathode electrode (air electrode) 5b arranged through a hydrogen ion
スタック5において、燃料処理装置4出の改質ガスは配管L14を介してブリードエアを添加され、アノード極5aに導かられる。なお、残留CO濃度低下のためのブリードエアとして、後述する空気浄化系統Dからの空気が用いられる。
アノード極5aでは電気化学反応(4)が行われ、発生する水素イオン(H+)が電解質5c内部を移動する。カソード極5bでは電気化学反応(5)がそれぞれ行われる。反応(5)により放出される電子(e−)の両電極間を結ぶ外部配線を介しての移動により、電流が取り出される。
2H2→4H++4e−・・・・(4)
O2+4e−+4H+→2H2O・・・・(5)
In the
An electrochemical reaction (4) is performed at the
2H2 → 4H + + 4e − (4)
O2 + 4e − + 4H + → 2H2O (5)
<ドレン回収・供給系統C>
図3(b)、図3(c)を参照して、ドレン回収・供給系統Cは、システム内で生成する水を回収するドレン回収系統C1と、回収した水を燃料処理装置4及びスタック5に供給するドレン供給系統C2と、回収した水を空気浄化・供給系統Dの空気浄化装置3に供給する供給系統C3と、により構成されている。
<Drain collection / supply system C>
3 (b) and 3 (c), a drain recovery / supply system C includes a drain recovery system C1 that recovers water generated in the system, and a
図3(b)を参照して、ドレン回収系統C1は、ドレンタンク2a及び熱交換器2cを備え、カソード極5bにおいて反応(5)に伴い発生する水(ドレン)を回収するドレン回収装置2と、ドレンタンク6a及び熱交換器6cを備え、アノード極5a出の燃料オフガスに含まれる水(ドレン)を回収するドレン回収装置6と、を主要構成として備えている。ドレンタンク2a、6内部にはそれぞれ水位センサ2b、6bが配設されており、後述するように回収貯留水の水位を一定範囲内に調整可能に構成されている。
With reference to FIG.3 (b), the drain collection | recovery system | strain C1 is equipped with the
図3(c)を参照して、ドレン供給系統C2は、ドレンタンク2aと燃料処理装置4とを結ぶ配管L21と、配管L21から分岐してスタック5に至る配管L22と、配管L21経路中に介装されるイオン交換樹脂を充填した水処理装置7と、により構成されている。また、供給系統C3はドレンタンク2aと空気浄化・供給系統Dのドレンタンク3aとを結ぶ配管L23と、配管L23経路中に介装される電磁弁2dと、により構成されている。
Referring to FIG. 3C, the drain supply system C2 includes a pipe L21 that connects the
以上の構成によりドレン水回収・供給系統Cにおいて、カソード極5bで生成した水(水蒸気)は熱交換器2cにおいて凝縮分離され、ドレンタンク2aに導かれる。凝縮分離後の排気は、排気口8を介して外部に放出される。一方、アノード極5a出のガス中の水分は、熱交換器6cにおいて凝縮分離されてドレンタンク6aに導かれ、さらに配管L61を介してドレンタンク2aに導かれる。分離後の残留水素を含む燃料オフガスは燃焼バーナ4dに送られ、改質触媒層4aの加熱用に供される。
With the above configuration, in the drain water recovery / supply system C, water (steam) generated at the
ドレンタンク2aに貯められた水の一部は、水処理装置7を通過して所定の基準値以下の電気伝導度に処理され、改質触媒層4aに供給される改質水及びスタック5の冷却用循環水として供される。なお、スタック5冷却用循環水は熱交換器5dにて排熱回収され、不図示の貯湯タンクに温水として貯湯される。
また、残りの一部は、配管L23を介して空気浄化・供給系統Dのドレンタンク3aに供給される。なお、ドレンタンク2a、3aの水位調整はそれぞれ水位センサ2b、3eにより行われ、両タンクの水位が一定範囲になるように、電磁弁2d、3d、6dの開閉制御が行われる。
A part of the water stored in the
The remaining part is supplied to the
<空気浄化・供給系統D>
図3(d)を参照して、空気浄化・供給系統Dは浄化系統D1及び供給系統D2により構成されている。浄化系統D1は、粉塵フィルター3bと、空気ブロア3cと、供給配管L11と、空気浄化用のドレンタンク3aと、を備えた空気浄化装置3を主要構成とする。
また、供給系統D2は、空気浄化装置3とPROX触媒層4cとを結ぶ配管L12と、空気浄化装置3とカソード極5bとを結ぶ配管L13と、空気浄化装置3とPROX触媒層出のガス配管L42とを結ぶ配管L14と、により構成されている。
<Air purification / supply system D>
With reference to FIG.3 (d), the air purification | cleaning / supply system D is comprised by the purification system D1 and the supply system D2. The purification system D1 mainly includes an
The supply system D2 includes a pipe L12 that connects the
以上の構成により空気浄化・供給系統Dにおいては、外部から空気ブロア3cによりドレンタンク3aに取り込まれる。その際、タンク流入前に粉塵フィルター3bにより空気中の粉塵が除去され、さらにタンクに流入時にバブリングによる水との接触により、空気中の水溶性化学物質が除去されて系内に取り込まれる。
With the above configuration, in the air purification / supply system D, the air is taken into the
化学物質を除去された浄化後空気は、カソード極5b、PROX触媒層4c及びブリードエアとしてアノード極5aに供給され、上述の各反応に供されることになる。
以上のドレン回収、空気浄化フローにより、回収ドレン水を利用した供給空気の浄化が実現される。
The purified air from which the chemical substances have been removed is supplied to the
By the drain recovery and air purification flow described above, purification of supply air using recovered drain water is realized.
(第二の実施形態)
次に、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態が第一の実施形態と異なる点は、空気浄化装置の構成である。図4を参照して、第一の実施形態の空気浄化装置3がバブリング方式の空気浄化であるのに対して、本実施形態に係る空気浄化装置20は滴下式のエアワッシャー方式を用いていることである。このため、ドレンタンク3a内部に滴下エレメント22を備えている。さらに、ドレンタンク2aから滴下エレメント22へのドレン滴下量を制御するため、電磁弁に替えて連絡配管L23経路中にポンプ21を備えている。その他の構成は燃料電池システム1と同様であるので、重複説明を省略する。
(Second embodiment)
Next, another embodiment of the present invention will be described. This embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the air purification device. Referring to FIG. 4, the
以上の構成により空気浄化装置20では、粉塵フィルター3bにより粉塵除去された空気がドレンタンク3aに導かれ、その際、滴下エレメント22に浸透する水との接触により。水溶性化学物質が除去されて系内に取り込まれる。
With the above configuration, in the
(第三の実施形態)
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態が上述の各実施形態と異なる点は、空気浄化装置の構成である。図5を参照して、本実施形態に係る空気浄化装置30は、スプレー式のエアワッシャー方式を用いていることである。このため、ドレンタンク3a内部の空気導入部にノズル噴射口31を備えている。さらに、ノズル噴射量を制御するため、電磁弁に替えて連絡配管L23経路中にポンプ32を備えている。その他の構成は燃料電池システム1と同様であるので、重複説明を省略する。
(Third embodiment)
Furthermore, another embodiment of the present invention will be described. The difference of this embodiment from the above-described embodiments is the configuration of the air purification device. Referring to FIG. 5, the
以上の構成により空気浄化装置30では、粉塵フィルター3bにより粉塵除去された空気がドレンタンク3aに導かれ、その際、ノズル噴射口31から噴射されるドレン水との接触により不純物の除去が行われる。
With the above configuration, in the
なお、第二、第三の実施形態のスプレー式又は滴下式のエアワッシャー方式によれば、第一の実施形態のバブリング方式と比較して空気供給経路の圧損が減り、補機動力を小さくすることができる等の特徴がある。 In addition, according to the spray type or dripping type air washer system of the second and third embodiments, the pressure loss of the air supply path is reduced and the auxiliary machine power is reduced as compared with the bubbling system of the first embodiment. There are features such as being able to.
(第四の実施形態)
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態が第一の実施形態と異なる点は、ドレン回収・供給系統の構成である。すなわち図6(a)を参照して、本実施形態に係るドレン回収・供給系統C40は、連絡配管L41の経路中にイオン交換樹脂を充填した水処理装置42を備えている。その他の構成は燃料電池システム1と同様であるので、重複説明を省略する。
(Fourth embodiment)
Furthermore, another embodiment of the present invention will be described. This embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the drain collection / supply system. That is, with reference to Fig.6 (a), the drain collection | recovery and supply system | strain C40 which concerns on this embodiment is provided with the
以上の構成により本実施形態では、水処理装置42通過後にドレンタンク3aに供給されるため、カソード極5b等に供給される水の純度をさらに高めることができる。
本実施形態は、原料ガス中の不純物の影響によりドレン水の純度が低い場合や、極めて高い不純物除去が求められる場合に有効である。
With the above configuration, in this embodiment, since the water is supplied to the
This embodiment is effective when the purity of the drain water is low due to the influence of impurities in the source gas or when extremely high impurity removal is required.
なお、本実施形態では水処理装置42を連絡配管L41経路中に配設する例を示したが、図6(b)に示すように水処理装置7通過後の配管L21から分岐する配管L42を設けて、水処理装置7通過後のドレン水をドレンタンク3aに導く態様とすることもできる。これにより、水処理装置を複数配置する必要がなくなるという効果がある。
In addition, although the example which arrange | positions the
本発明は、固体高分子形燃料電池システムのみならず、広く燃料電池システム一般に適用可能である。 The present invention is applicable not only to solid polymer fuel cell systems but also to fuel cell systems in general.
1・・・・燃料電池システム
2、6・・・・ドレン回収装置
2a、3a、6a・・・ドレンタンク
2b、3e、6b・・・水位センサ
2c、5d、6c・・・熱交換器
2d、6d、3d・・・電磁弁
3、20、30・・・・空気浄化装置
3b・・・粉塵フィルター
3c・・・空気ブロア
4・・・・燃料処理装置
4a・・・改質触媒層
4b・・・シフト触媒層
4c・・・PROX触媒層
4d・・・燃焼バーナ
4e・・・脱硫器
5・・・・スタック
5a・・・アノード極
5b・・・カソード極
5c・・・電解質
7、42・・・・水処理装置
21、32・・・ポンプ
22・・・滴下エレメント
31・・・ノズル噴射口
A・・・・燃料処理系統
B・・・・発電系統
C、C40・・・・ドレン回収・供給系統
D・・・・空気浄化・供給系統
DESCRIPTION OF
Claims (9)
セルスタックのカソード極及びアノード極において得られるドレン水を回収するドレン回収装置と、
該ドレン回収装置出のドレン水を用いて、供給空気中の不純物を除去する供給空気浄化装置と、
該供給空気浄化装置で不純物を除去した空気を、セルスタックのカソード極に供給する浄化空気供給手段と、
を備えて成ることを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system comprising a cell stack and a fuel processing device,
A drain recovery device for recovering drain water obtained at the cathode and anode of the cell stack;
A supply air purification device that removes impurities in the supply air using the drain water discharged from the drain recovery device;
Purified air supply means for supplying the air from which impurities have been removed by the supply air purification device to the cathode electrode of the cell stack;
A fuel cell system comprising:
The fuel cell system according to claim 7 or 8, wherein the purified air supply means further supplies air from which impurities have been removed as bleed air between the fuel processing device and the cell stack.
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