JP2014203789A - 燃料電池発電システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大気開放された容器又は他系に通じる気相を有する容器を含む水循環系統を有するとともに、パッケージサイズの増加を抑える。【解決手段】本実施形態によれば、燃料電池発電システムは、空気及び改質ガスが供給され、発電を行う燃料電池を有する。この燃料電池発電システムは、水を貯留する第１タンク及び容器と、前記第１タンクに貯留されている水を前記容器に供給するポンプと、前記容器を介して前記燃料電池に空気を供給するブロワと、前記容器から排出される水を処理する処理装置と、前記処理装置により処理された水を貯留する第２タンクと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、燃料電池発電システム及びその運転方法に関する。

燃料電池発電システムは、燃料処理装置により生成された水素と酸素の結合エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものであり、化学反応であるために発電効率が高く、汚染物質の排出が少ない環境性に優れた発電システムとして評価されている。家庭用の燃料電池発電システムは、家庭の敷地内での設置制約を少なくするために、パッケージサイズのコンパクト性が求められている。

燃料電池発電システムの水循環系統では、循環ポンプの下流に、大気開放された容器又は他系に通じる気相を有する容器が設けられる場合がある。この場合、容器の下流に送水ポンプを設ける必要があり、システム構成が複雑化するとともにコストが増加していた。送水ポンプを用いずに水頭差を利用して容器の下流に通水回路を形成するには、下流の圧力損失に応じて容器の設置位置を高くする必要があり、燃料電池発電システムのパッケージサイズが大きくなっていた。

特開平６−１４７５０８号公報

本発明が解決しようとする課題は、大気開放された容器又は他系に通じる気相を有する容器を含む水循環系統を有するとともに、パッケージサイズの増加を抑えた燃料電池発電システム、及びその運転方法を提供することである。

本実施形態によれば、燃料電池発電システムは、空気及び改質ガスが供給され、発電を行う燃料電池を有する。この燃料電池発電システムは、水を貯留する第１タンク及び容器と、前記第１タンクに貯留されている水を前記容器に供給するポンプと、前記容器を介して前記燃料電池に空気を供給するブロワと、前記容器から排出される水を処理する処理装置と、前記処理装置により処理された水を貯留する第２タンクと、を備える。

第１の実施形態に係る水循環システムの概略構成図。 燃料電池発電システムの概略構成図。 第２の実施形態に係る水循環システムの概略構成図。 第３の実施形態に係る水循環システムの概略構成図。 第４の実施形態に係る水循環システムの概略構成図。 第５の実施形態に係る水循環システムの概略構成図。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）図１は第１の実施形態に係る水循環システムの概略構成を示す。この水循環システムは後述する燃料電池発電システムに利用される。図１に示すように、水循環システムは、水タンク１、ポンプ２、容器３、水処理装置４、処理水タンク５を備えている。

ポンプ２は、水タンク１内の水を容器３へ連続的に送水する。容器３には、気相３ａと、ポンプ２から供給された水からなる液相３ｂとが形成されている。容器３の気相３ａは、ブロワ６から燃料電池７へ送り込まれる空気により形成される。すなわち、容器３は、ポンプ２から水処理装置４への送水経路上の、ポンプ２の下流側かつ水処理装置４の上流側に設けられている。また、容器３は、ブロワ６から燃料電池７への送気経路上の、ブロワ６の下流側かつ燃料電池７の上流側に設けられている。

水処理装置４は、例えばイオン交換装置であり、容器３の液相３ｂをなす水を処理する。水処理装置４により処理された水は、燃料電池発電システムの動作に有用な純度が高い水となり、処理水タンク５に供給されて、貯留される。

処理水タンク５に貯留されている水は、例えば、燃料電池７が発電の際に発する熱エネルギーを回収する冷却水として利用される。熱エネルギーを回収した冷却水は、熱交換器において排熱回収水と熱交換を行って冷却された後、水タンク１に供給される。

このような水循環システムによれば、ブロワ６からの送気により容器３の気相３ａの圧力を大気圧よりも高くすることができる。そのため、容器３の下流側に送水ポンプを設けなくても、容器３の排水性を確保することができる。また、容器３と水処理装置４の水頭差を利用する必要がないため、容器３を高い位置に設置する必要がなく、水循環システムの高さ増加を抑制することができる。

図２は上述した水循環システムが利用される燃料電池発電システムの一例を示す。図２に示すように、燃料電池発電システムは、燃料電池１０３と、燃料ブロワ１０１から供給された燃料ガス（例えばＬＰＧ）から水素リッチな改質ガスを生成し、この改質ガスを燃料電池１０３に供給する改質器１０２と、燃料電池１０３に空気を供給する空気ブロワ１０６とを備え、燃料電池１０３から出力される直流電力が、インバータ１０４を介して交流電力に変換され、電気機器等の電力負荷１０９に供給されるという基本構成で成り立っている。

燃料電池１０３が発電の際に発する熱エネルギーは冷却水によって回収される。熱エネルギーを回収した冷却水は、熱交換器２０１において排熱回収水と熱交換を行って冷却されると、配管２０４を介して水タンク２０２に供給される。ポンプ２０３が、配管２０５を介して水タンク２０２に貯留されている冷却水を燃料電池１０３に供給することで、冷却水が循環するようになっている。

ポンプ３０１は、熱交換器２０１に排熱回収水を供給する。熱交換器２０１における熱交換により昇温した排熱回収水は、お湯として家屋等に供給される。

例えば、図１に示す水循環システムは、図２に示す水タンク２０２及びポンプ２０３を有する水循環系統に適用することができる。例えば図１の水タンク１、ポンプ２が、図２の水タンク２０２、ポンプ２０３に相当する。ポンプ２０３の下流側に、図１の容器３、水処理装置４、処理水タンク５が設けられる。また、図１のブロワ６は、図２の空気ブロワ１０６に相当し、空気ブロワ１０６からの空気が、容器３を介して燃料電池１０３に供給される。

本実施形態によれば、ブロワ６（空気ブロワ１０６）からの送気により容器３の気相３ａの圧力を大気圧よりも高くすることができる。そのため、容器３の下流側に送水ポンプを設けなくても、容器３の排水性を確保することができる。また、容器３と水処理装置４の水頭差を利用する必要がないため、容器３を高い位置に設置する必要がない。そのため、水循環システムを収納する燃料電池発電システムのパッケージサイズの増加を抑えることができる。

（第２の実施形態）図３に第２の実施形態に係る水循環システムの概略構成を示す。本実施形態は、図１に示す第１の実施形態と比較して、システム負荷に比例して増減する戻り水が流れる合流管２０が容器３に連結され、合流管２０を介して容器３に供給される戻り水の流量に基づいてブロワ６の出力が制御される点が異なる。図３において、図１に示す第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態では、システム負荷の増加と共に合流管２０を介して容器３に流入する水量が増加した場合、ブロワ６の出力を上げ、燃料電池７への空気供給量を増加させる。このことにより、容器３の内圧が上がり、容器３への水の流入と容器３からの排水とのバランスをとることができる。合流管２０の流量は、例えば図示しない流量センサで検出し、図示しない制御部が、流量センサの検出結果に基づいてブロワ６の出力を制御する。

（第３の実施形態）図４に第３の実施形態に係る水循環システムの概略構成を示す。本実施形態は、図３に示す第２の実施形態と比較して、容器３の下部（排水部）にフロート３１を用いた排水弁３０を設けた点が異なる。図４において、図３に示す第２の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態によれば、容器３に液相３ｂが存在しない場合、フロート１１ａが沈むことにより排水弁１１が閉止し、容器３の気相３ａと水処理装置４との間の経路が遮断される。そのため、ブロワ６による送気が、水の流れていない配管を介して容器３の下流側の水処理装置４に送り込まれることを防止し、燃料電池７へ効率良く送気することができる。

（第４の実施形態）図５に第４の実施形態に係る水循環システムの概略構成を示す。本実施形態は、図３に示す第２の実施形態と比較して、容器３の液相３ｂの水位を検知する水位センサ４０を設け、水位センサ４０の検出結果に応じてブロワ６の出力を制御する点が異なる。図５において、図３に示す第２の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態によれば、水位センサ４０により液相３ｂの水位が高まったことを検知することができる。図示しない制御部が、水位センサ４０の検出結果を取得し、ブロワ６の出力を制御する。水位が高まった場合は、ブロワ６の出力を増加させて、容器３の排水能力を高める。このことにより、容器３に水が過剰に溜まり送気経路に水が流れ込むなどの事態の発生を防止することができる。

（第５の実施形態）図６に第５の実施形態に係る水循環システムの概略構成を示す。本実施形態は、図３に示す第２の実施形態と比較して、容器３の液相３ｂの水位を検知する水位センサ５０、容器３に連結された排水管５１、及び排水管５１に設けられた電磁弁５２を備え、水位センサ５０の検出結果に応じて電磁弁５２の開閉を制御する点が異なる。図６において、図３に示す第２の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態によれば、水位センサ５０により液相３ｂの水位が高まったことを検知することができる。水位が高まった場合は、電磁弁５２を開放し、排水管５１を介して容器３の水を排水して、容器３の排水能力を高める。このことにより、容器３に水が過剰に溜まり送気経路に水が流れ込むなどの事態の発生を防止することができる。

また、第４の実施形態と第５の実施形態とを組み合わせてもよい。例えば、容器３の液相３ｂが第１の水位に達した場合はブロワ６の出力を増加させる。ブロワ６の出力増加後も液相３ｂの水位が上昇し、第１の水位より高い第２の水位に達した場合は、電磁弁５２を開放し、排水管５１を介して容器３の水を排水する。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、燃料電池発電システムは、大気開放された容器又は他系に通じる気相を有する容器を含む水循環系統を有するとともに、パッケージサイズの増加を抑えることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 水タンク
２ ポンプ
３ 容器
３ａ 気相
３ｂ 液相
４ 水処理装置
５ 処理水タンク
６ ブロワ
７ 燃料電池

Claims (7)

1. 空気及び改質ガスが供給され、発電を行う燃料電池を有する燃料電池発電システムであって、
   水を貯留する第１タンク及び容器と、
   前記第１タンクに貯留されている水を前記容器に供給するポンプと、
   前記容器を介して前記燃料電池に空気を供給するブロワと、
   前記容器から排出される水を処理する処理装置と、
   前記処理装置により処理された水を貯留する第２タンクと、
   を備える燃料電池発電システム。
2. 前記容器に水を供給する合流管が連結されており、
   前記合流管を介して前記容器に供給される水の量に基づいて前記ブロワの出力が制御され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. 前記容器の排水部に設けられ、前記容器内に水がなくなった時に閉止する排水弁をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記容器に設けられた水位センサをさらに備え、
   前記水位センサの検出結果に基づいて前記ブロワの出力が制御されることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電システム。
5. 前記容器に設けられた水位センサと、
   前記容器に連結された排水管と、
   前記排水管に設けられた電磁弁と、
   をさらに備え、
   前記電磁弁は前記水位センサの検出結果に基づいて開閉することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電システム。
6. 前記燃料電池から排出される冷却水と排熱回収水との熱交換を行う熱交換器をさらに備え、
   前記第１タンクは、前記熱交換器から排出される冷却水を貯留し、
   前記第２タンクに貯留されている水が冷却水として前記燃料電池に供給されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
7. 空気及び改質ガスが供給され、発電を行う燃料電池と、
   水を貯留する第１タンク及び容器と、
   前記第１タンクに貯留されている水を前記容器に供給するポンプと、
   前記容器を介して前記燃料電池に空気を供給するブロワと、
   前記容器から排出される水を処理する処理装置と、
   前記処理装置により処理された水を貯留する第２タンクと、
   を有する備える燃料電池発電システムの運転方法であって、
   前記容器内の水位を測定する工程と、
   前記容器内の水位が所定値に達した場合に、前記ブロワの出力を増加させる工程と、
   を備える燃料電池発電システムの運転方法。

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