JP2017109885A - Hydrogen generator and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は水素生成装置及び燃料電池システムに関する。 The present disclosure relates to a hydrogen generator and a fuel cell system.
高分子電解質形燃料電池システムの場合、燃料電池の発電を適切に行うのに、燃料電池を冷却し、燃料電池の温度を適温に維持する必要がある。また、高温動作の固体酸化物形燃料電池システムの場合、水自立運転を適切に行うのに、燃料電池システムからの排ガスを適温にまで冷却する必要がある。つまり、いずれの燃料電池システムも、冷却水が循環する冷却水経路を備える。 In the case of a polymer electrolyte fuel cell system, in order to appropriately generate power from the fuel cell, it is necessary to cool the fuel cell and maintain the temperature of the fuel cell at an appropriate temperature. Further, in the case of a solid oxide fuel cell system operating at high temperature, it is necessary to cool the exhaust gas from the fuel cell system to an appropriate temperature in order to perform water self-sustained operation appropriately. That is, any fuel cell system includes a cooling water path through which the cooling water circulates.
例えば、特許文献1には、高分子電解質形燃料電池システムにおいて、冷却水経路及び冷却水を溜める冷却タンクが記載されている。この特許文献1の燃料電池システムは、冷却水経路の冷却水が、冷却タンク、燃料電池及び熱交換器をこの順に通過するように構成されている。これにより、燃料電池の熱を冷却水が奪い、燃料電池を通過した冷却水の熱が、熱交換器において貯湯タンクに溜める水で回収されている。このようにして、燃料電池の温度が適温に維持されている。
For example,
ところで、燃料電池システムが、例えば、所定の設置場所に置かれる際に、上記の冷却タンク及び貯湯タンク等を所望量の水で満たす必要がある(以下、水張り運転という)。また、燃料電池システムを長期に使用しない場合にも、このような水張り運転を行う可能性がある。 By the way, when the fuel cell system is placed at a predetermined installation location, for example, it is necessary to fill the cooling tank, the hot water storage tank, and the like with a desired amount of water (hereinafter referred to as water filling operation). Further, even when the fuel cell system is not used for a long period of time, there is a possibility of performing such water filling operation.
しかし、特許文献1は、上記の水張り運転の簡易化については十分に検討されていない。詳細は実施形態において説明する。
However,
本開示の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みてなされたものであり、水張り運転を従来よりも簡易に行い得る水素生成装置及び燃料電池システムを提供する。 An aspect of the present disclosure has been made in view of such circumstances, and provides a hydrogen generator and a fuel cell system that can perform water filling operation more easily than in the past.
本開示の一態様の水素生成装置は、原料を改質することで水素含有ガスを生成する改質器と、前記水素含有ガスを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で生成された排ガスが流れる排ガス経路と、冷却水が循環する冷却水経路と、前記排ガス経路及び前記冷却水経路に設けられ、前記排ガスと前記冷却水とが熱交換することで前記排ガス中の水蒸気が凝縮する凝縮器と、前記冷却水経路に配置された水タンク及び冷却水ポンプと、貯湯水を貯留する貯湯タンクと、前記冷却水経路を流れる冷却水を放熱する放熱器と、前記貯湯タンクに外部の水を供給するための水経路と、前記貯湯タンクから前記水タンクに水を供給するための給水経路と、前記給水経路に配置された給水弁と、を備え、前記水タンクは、前記凝縮器で発生する凝縮水を貯留するとともに、外部と連通している排水口を備え、前記給水経路は前記貯湯タンクの上部に接続され、前記貯湯タンク、前記給水弁及び前記水タンクが、前記水タンクへの給水における水の流れ方向においてこの順に、前記給水経路に配置されている。 A hydrogen generator according to one embodiment of the present disclosure includes a reformer that generates a hydrogen-containing gas by reforming a raw material, a combustor that burns the hydrogen-containing gas, and an exhaust gas generated by the combustor flows. An exhaust gas path, a cooling water path through which cooling water circulates, a condenser that is provided in the exhaust gas path and the cooling water path, and that condenses water vapor in the exhaust gas by heat exchange between the exhaust gas and the cooling water; A water tank and a cooling water pump disposed in the cooling water path, a hot water storage tank for storing hot water, a radiator for dissipating the cooling water flowing through the cooling water path, and supplying external water to the hot water tank A water path for supplying water from the hot water storage tank to the water tank, and a water supply valve disposed in the water supply path, wherein the water tank is generated by the condenser When condensate is stored In addition, it has a drain outlet that communicates with the outside, the water supply path is connected to the upper part of the hot water storage tank, and the hot water storage tank, the water supply valve, and the water tank are water flows in the water supply to the water tank It arrange | positions in the said water supply path | route in this order in a direction.
本開示の一態様の水素生成装置は、水張り運転を従来よりも簡易に行い得る。 The hydrogen generator of one embodiment of the present disclosure can perform water filling operation more easily than in the past.
発明者らは、燃料電池システムの水張り運転の簡易化について鋭意検討し、以下の知見を得た。 The inventors diligently studied about simplification of water filling operation of the fuel cell system, and obtained the following knowledge.
上記のとおり、燃料電池システムの水張り運転では、冷却タンク内も貯湯タンク内も水で満たす必要がある。 As described above, in the water filling operation of the fuel cell system, it is necessary to fill the cooling tank and the hot water storage tank with water.
ところが、燃料電池システムの水張り運転時には、貯湯タンク内に空気が存在するので、水張り運転に伴い貯湯タンクの内圧が上昇する場合がある。すると、貯湯タンクに連通する貯湯水循環経路に設けられたポンプ等の精密機器が破損する可能性がある。そこで、特許文献1では、このような可能性を低減すべく、貯湯タンク内の空気を外部へ逃がすための空気抜き弁24が貯湯タンク14の上部に設けられている。しかし、この空気抜き弁24は、燃料電池システムの水張り運転のみに必要な部品であり、燃料電池システムの通常の運転では使用されないと考えられる。よって、空気抜き弁を廃止することで、水張り運転に必要な部品のコスト低減が図れ、これにより、水張り運転を従来よりも簡易に行い得る。
However, during the water filling operation of the fuel cell system, since air exists in the hot water storage tank, the internal pressure of the hot water storage tank may increase with the water filling operation. Then, precision equipment such as a pump provided in the hot water circulation path communicating with the hot water storage tank may be damaged. Therefore, in
また、特許文献1の水張り運転では、貯湯タンク14の水張りが完了した後、貯湯タンク14の水を冷却タンク8へ送るためのポンプ33、34を作動させ、冷却タンク8の水張りが行われている。よって、このような水張り運転の操作を見直すことで、水張り運転の操作性の向上が図れ、これにより、水張り運転を従来よりも簡易に行い得る。
In addition, in the water filling operation of
なお、水素生成装置でも、例えば、燃焼器、冷却水タンク、燃焼器の排ガスの熱を回収した貯湯水を貯留する貯湯タンク等を備える場合は、上記と同様の問題が発生すると考えられる。 In the hydrogen generator, for example, when a hot water storage tank for storing hot water that recovers heat of exhaust gas from the combustor, a cooling water tank, a hot water storage tank or the like is considered, the same problem as described above may occur.
このように、発明者らは、特許文献1に記載のような空気抜き弁を廃止すること、及び特許文献1に記載のような水張り運転の操作を見直すことが、水素生成装置及び燃料電池システムの水張り運転の簡易化にとって有効であることを見出し、以下の本開示の一態様に到達した。
As described above, the inventors have abolished the air vent valve described in
すなわち、本開示の第1の態様の水素生成装置は、原料を改質することで水素含有ガスを生成する改質器と、水素含有ガスを燃焼する燃焼器と、燃焼器で生成された排ガスが流れる排ガス経路と、冷却水が循環する冷却水経路と、排ガス経路及び冷却水経路に設けられ、排ガスと冷却水とが熱交換することで排ガス中の水蒸気が凝縮する凝縮器と、冷却水経路に配置された水タンク及び冷却水ポンプと、貯湯水を貯留する貯湯タンクと、冷却水経路を流れる冷却水を放熱する放熱器と、貯湯タンクに外部の水を供給するための水経路と、貯湯タンクから水タンクに水を供給するための給水経路と、給水経路に配置された給水弁と、を備え、水タンクは、凝縮器で発生する凝縮水を貯留するとともに、外部と連通している排水口を備え、給水経路は貯湯タンクの上部に接続され、貯湯タンク、給水弁及び水タンクが、水タンクへの給水における水の流れ方向においてこの順に、給水経路に配置されている。 That is, the hydrogen generator of the first aspect of the present disclosure includes a reformer that generates a hydrogen-containing gas by reforming a raw material, a combustor that burns the hydrogen-containing gas, and an exhaust gas generated by the combustor. An exhaust gas path through which the coolant flows, a cooling water path through which the cooling water circulates, a condenser in which the water vapor in the exhaust gas is condensed by heat exchange between the exhaust gas and the cooling water path, and cooling water A water tank and a cooling water pump arranged in the path, a hot water storage tank for storing hot water, a radiator for radiating the cooling water flowing through the cooling water path, and a water path for supplying external water to the hot water tank A water supply path for supplying water from the hot water storage tank to the water tank, and a water supply valve disposed in the water supply path. The water tank stores condensed water generated by the condenser and communicates with the outside. Water drainage Is connected to the upper portion of the hot water tank, hot water storage tank, the water supply valve and the water tank in this order in the flow direction of water in the water supply to the water tank, is arranged in the water supply path.
また、本開示の第2の態様の水素生成装置は、第1の態様の水素生成装置において、給水弁の開閉を制御する制御器を備え、制御器は、水素生成装置の水張り運転において、水経路から、貯湯タンク、給水経路、水タンクの順に給水が行われるように、給水弁を開放する。 In addition, the hydrogen generator of the second aspect of the present disclosure is the hydrogen generator of the first aspect, and includes a controller that controls the opening and closing of the water supply valve. From the route, the water supply valve is opened so that water is supplied in the order of the hot water storage tank, the water supply route, and the water tank.
かかる構成によると、水素生成装置の水張り運転を従来よりも簡易に行い得る。 According to such a configuration, the water filling operation of the hydrogen generator can be performed more easily than in the past.
具体的には、給水経路に配置された給水弁を開けて、貯湯タンクから水タンクに水を張る際に、水タンクに設けられた排水口を通じて貯湯タンク内及び水タンク内の空気を外部へ抜くことができる。よって、特許文献1に記載のような空気抜き弁が不要となり、水素生成装置の水張り運転に必要な部品のコスト低減が図れ、ひいては、水張り運転が簡易化する。
Specifically, when the water supply valve arranged in the water supply path is opened and water is filled from the hot water storage tank to the water tank, the air in the hot water storage tank and the water tank is discharged to the outside through the drain port provided in the water tank. Can be removed. Therefore, the air vent valve as described in
また、給水経路に配置された給水弁を開けるだけで、例えば、水インフラの供給圧により、貯湯タンクから水タンクに水を張ることができる。よって、特許文献1に記載のような水張り運転でのポンプ作動等の操作が不要となり、水張り運転の操作性の向上が図れ、ひいては、水張り運転が簡易化する。
Moreover, water can be spread from a hot water storage tank to a water tank only by opening the water supply valve arrange | positioned at the water supply path | route, for example with the supply pressure of water infrastructure. Therefore, the operation such as the pump operation in the water filling operation as described in
また、本開示の第3の態様の水素生成装置は、第1又は第2の態様の水素生成装置において、放熱器は、貯湯水と冷却水とが熱交換する熱交換器である。 Moreover, the hydrogen generator of the 3rd aspect of this indication WHEREIN: The hydrogen generator of the 1st or 2nd aspect WHEREIN: A radiator is a heat exchanger with which hot water and cooling water exchange heat.
かかる構成によると、熱交換器において、凝縮器に流入する冷却水の温度を凝縮器で排ガスから適量の水を回収するのに必要な適温にまで低下できるとともに、冷却水の熱を貯湯タンクの貯湯水で適切に回収できる。 According to such a configuration, in the heat exchanger, the temperature of the cooling water flowing into the condenser can be lowered to an appropriate temperature necessary for recovering an appropriate amount of water from the exhaust gas by the condenser, and the heat of the cooling water can be transferred to the hot water storage tank. It can be recovered properly with hot water.
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の実施形態、実施例及び変形例について説明する。 Hereinafter, embodiments, examples, and modifications of the present disclosure will be described with reference to the accompanying drawings.
なお、以下で説明する実施形態、実施例及び変形例は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。つまり、以下に示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序等は、いずれも一例であり、本開示を限定するものではない。また、以下に示される構成要素のうち、本開示の最上位概念を規定する独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、装置構成の図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状及び寸法比等については正確な表示ではない場合がある。また、フローチャートは、必要に応じて、ステップの順序等を変更でき、かつ、他の公知のステップを追加できる。 Note that the embodiments, examples, and modifications described below are only specific examples of the present disclosure. That is, the numerical values, shapes, materials, constituent elements, arrangement positions and connection forms of the constituent elements, steps, order of steps, and the like shown below are merely examples, and do not limit the present disclosure. Among the constituent elements shown below, constituent elements that are not described in the independent claims that define the highest concept of the present disclosure are described as optional constituent elements. In the drawings, the same reference numerals are sometimes omitted. In addition, for easy understanding, the drawings of the device configuration schematically show each component, and the shape and dimensional ratio may not be accurately displayed. In the flowchart, the order of steps and the like can be changed as necessary, and other known steps can be added.
(第1実施形態)
[装置構成]
図1は、第1実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。なお、図面において、便宜上、「上」及び「下」が取られており、重力は上から下に作用するものとする。
(First embodiment)
[Device configuration]
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a hydrogen generator according to the first embodiment. In the drawings, for the sake of convenience, “upper” and “lower” are taken, and gravity acts from top to bottom.
図1に示す例では、水素生成装置100は、改質器1と、燃焼器2と、排ガス経路3と、凝縮器4と、水タンク5と、冷却水経路6と、放熱器6Aと、冷却水ポンプ7と、貯湯タンク8と、水経路9と、給水経路10と、給水弁11と、制御器39と、を備える。
In the example shown in FIG. 1, the
改質器1は、原料を改質することで水素含有ガスを生成する。具体的には、改質器1において、原料が改質反応して、水素含有ガスが生成される。改質反応は、いずれの形態であってもよい。改質反応として、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応等が挙げられる。図1には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器が設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、水素生成装置100には、更に、改質反応用の空気を供給する空気供給器が設けられる。
The
原料は、図示しない原料供給器により改質器1に供給される。原料供給器は、改質器1へ供給する原料の流量を調整する機器であり、例えば、昇圧器と流量調整弁により構成されるが、これらのいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器として、例えば、ポンプを例示できる。ポンプとして、例えば、ブースタ式ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。原料は、原料供給源より供給される。原料供給源は、所定の供給圧を備える。原料供給源として、例えば、原料ボンベ、原料インフラ等が挙げられる。
The raw material is supplied to the
なお、原料として、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、LPG等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む燃料ガスを用いてもよいし、アルコール、バイオ燃料、軽油等の燃料を用いてもよい。 In addition, as a raw material, a fuel gas containing an organic compound composed of at least carbon and hydrogen such as city gas, natural gas, LPG, etc. as a main component may be used, or a fuel such as alcohol, biofuel, or light oil. May be used.
燃焼器2は、水素含有ガスを燃焼する。燃焼器2の燃焼熱により、改質器1は、その触媒の適温にまで加熱される。燃焼器2の燃料として、例えば、水素生成装置100が燃料電池システムに組み込まれる場合、燃料電池のアノードオフガス(水素含有ガス)を用いてもよい。詳細は第2実施形態で説明する。
The
燃焼用の空気は、図示しない空気供給器により燃焼器2に供給される。空気供給器は、燃焼器2に空気を供給できれば、どのような構成であっても構わない。空気供給器として、例えば、ブロア等を例示できる。かかるブロアを用いることで、燃焼器2へ供給する空気の流量を適切に調整できる。
The combustion air is supplied to the
排ガス経路3は、燃焼器2で生成された排ガスが流れる流路である。なお、排ガス経路3を通過した排ガスは、外部へ放出される。冷却水経路6は、冷却水が循環する流路である。水タンク5及び冷却水ポンプ7は、冷却水経路6に配置されている。つまり、これらの水タンク5及び冷却水ポンプ7は、冷却水経路6と連通し、冷却水経路6とともに、冷却水を循環させる循環経路の一部を構成している。なお、冷却水ポンプ7は、冷却水経路6の冷却水を循環できれば、どのような構成であっても構わない。冷却水ポンプ7として、例えば、羽車式の軸流ポンプ、ブランジャーポンプ等を例示できる。
The
ここで、本実施形態では、凝縮器4は、排ガス経路3及び冷却水経路6に設けられ、排ガスと冷却水とが熱交換することで排ガス中の水蒸気が凝縮する。そして、水タンク5は、凝縮器4で発生する凝縮水を貯留するとともに、外部と連通している排水口5Aを備える。なお、水タンク5の水量が所定量を超えると、この排水口5Aから水がオーバーフローする。
Here, in the present embodiment, the condenser 4 is provided in the
凝縮器4において、排ガス経路3の排ガスが加熱流体として機能し、冷却水経路6の冷却水が受熱流体として機能し、両流体の熱交換が行われる。排ガスは、熱交換で冷却されることで排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮する。凝縮水は、排ガスが流れる排ガス経路3から分離し、適宜の配管を通じて水タンク5へ送られる。冷却水は、上記の熱交換で加熱されることで排ガスの熱を適切に回収できる。
In the condenser 4, the exhaust gas in the
放熱器6Aは、冷却水経路6を流れる冷却水を放熱する機器である。放熱器6Aは、冷却水経路6を流れる冷却水を放熱できれば、どのような構成であっても構わない。放熱器6Aとして、例えば、空冷式の熱交換器を用いてもよいが、本実施形態では、水素生成装置100が、貯湯水を貯留する貯湯タンク8を備え、放熱器6Aは、冷却水経路6を流れる冷却水と貯湯水とが熱交換する熱交換器で構成されている。
The
以上により、本実施形態の放熱器6A(熱交換器)において、凝縮器4に流入する冷却水の温度を凝縮器4で排ガスから適量の水を回収するのに必要な適温にまで低下できるとともに、冷却水の熱を貯湯タンク8の貯湯水で適切に回収できる。
As described above, in the
水経路9は、貯湯タンク8に外部の水(以下、市水という場合がある)を供給するための流路である。水経路9の上流端は、例えば、図示しない水インフラに接続され、水経路9の下流端は、貯湯タンク8の下部に接続されている。なお、水経路9の下流端は、貯湯タンク8の下部以外に設けられていてもよい。
The
なお、図示を省略するが、水経路9の途中に、貯湯タンク8への市水供給の開始及び停止を行うための元栓バルブが設けられている。これにより、元栓バルブを開けると、貯湯タンク8の水を、水インフラの供給圧により、適宜の配管を通じて外部に送ることもできる。
In addition, although illustration is abbreviate | omitted, the main stopper valve for starting and stopping the city water supply to the hot
給水経路10は、貯湯タンク8から水タンク5に水を供給するための流路である。給水経路10の下流端は、例えば、図1に示すように、水タンク5の適所に接続していてもよいし、図示を省略するが、貯湯タンク8から伸びる給水配管が、水タンク5と連通する他の配管に接続することで、これらの配管が、給水経路10を構成してもよい。
The
給水弁11は、給水経路10に配置されている。給水弁11は、給水経路10を流れる水の流量を調整する。給水弁11は、給水経路10を流れる水の流量を調整できれば、どのような構成であっても構わない。給水弁11として、例えば、電磁式のニードル弁等を例示できる。
The
これにより、貯湯タンク8から伸びる給水配管が、例えば、冷却水経路6を構成する冷却水配管に接続し、これらの配管が給水経路10を構成する場合であっても、冷却水配管に適量の水が供給される。これは以下の理由による。
Accordingly, even when the water supply pipe extending from the hot
水素生成装置100の運転時における冷却水配管内の水の循環流量は、通常、水素生成装置100の水張り運転における水の供給流量よりも少ない。よって、冷却水配管の径を給水配管の径よりも小さくすることが多い。このため、仮に水張り運転における多量の水が、小径の冷却水配管に供給される場合、この冷却水配管に過度の負荷がかかる可能性があるが、給水弁11により水流量を適切に調整することで、このような可能性を低減できる。
The circulation flow rate of water in the cooling water pipe during the operation of the
ここで、本実施形態では、給水経路10は貯湯タンク8の上部に接続され、貯湯タンク8、給水弁11及び水タンク5が、水タンク5への給水における水の流れ方向においてこの順に、給水経路10に配置されている。このように、給水経路10の上流端は、貯湯タンク8の上方の部分(上部)に接続される方がよい。本実施形態では、給水経路10の上流端は、貯湯タンク8を構成する容器の上壁部に接続されている。
Here, in this embodiment, the
また、制御器39は、給水弁11の開閉を制御する。そして、制御器39は、水素生成装置100の水張り運転において、水経路9から、貯湯タンク8、給水経路10、水タンク5の順に給水が行われるように、給水弁11を開放する。
The
制御器39は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であってもよい。制御器39は、例えば、演算処理部(図示せず)と、制御プログラムを記憶する記憶部(図示せず)とを備えてもよい。演算処理部として、例えば、一つ又は複数の演算回路(図示せず)等を例示できる。演算回路としては、例えば、MPU(マイクロプロセッサ)、CPU等を例示できる。記憶部として、例えば、一つ又は複数の記憶回路(図示せず)等を例示できる。記憶回路としては、例えば、半導体メモリー等を例示できる。制御器39は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。制御器39は、給水弁11の他、水素生成装置100の様々な機器(例えば、冷却水ポンプ7等)を制御しても構わない。
The
以上により、水素生成装置100の水張り運転を従来よりも簡易に行い得る。
As described above, the water filling operation of the
具体的には、水素生成装置100の水張り運転において、給水経路10に配置された給水弁11を開けて、貯湯タンク8から水タンク5に水を張る際に、水タンク5に設けられた排水口5Aを通じて貯湯タンク8内及び水タンク5内の空気を外部へ抜くことができる。よって、特許文献1に記載のような空気抜き弁が不要となり、水素生成装置100の水張り運転に必要な部品のコスト低減が図れ、ひいては、水張り運転が簡易化する。なお、給水弁11は、水素生成装置100の水張り運転以外の通常の動作では、閉止されている。これにより、冷却水経路6を流れる冷却水に市水が混合することを適切に抑制できる。
Specifically, in the water filling operation of the
また、給水経路10に配置された給水弁11を開けるだけで、例えば、水インフラの供給圧により、貯湯タンク8から水タンク5に水を張ることができる。よって、特許文献1に記載のような水張り運転でのポンプ作動等の操作が不要となり、水張り運転の操作性の向上が図れ、ひいては、水張り運転が簡易化する。
Moreover, water can be spread from the hot
[動作]
図2は、第1実施形態の水素生成装置の動作(水張り運転)の一例を示すフローチャートである。
[Operation]
FIG. 2 is a flowchart showing an example of the operation (water filling operation) of the hydrogen generator of the first embodiment.
以下、水素生成装置100の水張り運転について、図1及び図2を参照しながら説明する。以下の水張り運転は、制御器39の演算処理部が、記憶部に記億された制御プログラムを読み出すことで、自動で行われる。なお、水素生成装置100が、例えば、所定の設置場所に置かれる場合、水タンク5及び貯湯タンク8内は空の状態であるので、水張り運転を行う必要がある。また、水素生成装置100を長期に使用しない場合にも、水タンク5及び貯湯タンク8内の水が不足する場合があるので、水張り運転を行う可能性がある。
Hereinafter, the water filling operation of the
まず、制御器39による水張り運転の準備操作として、水経路9に設けられた元栓バルブが手動で開放される。
First, as a preparatory operation for the water filling operation by the
次に、ステップS1で、水素生成装置100の電源スイッチ(図示せず)をオン(ON)したか否かが判定される。
Next, in step S1, it is determined whether or not a power switch (not shown) of the
そして、電源スイッチをオンしたと判定されると、ステップS2で、給水弁11が開放される。すると、水インフラの供給圧により、貯湯タンク8に市水が給水され、貯湯タンク8に水が張られる。また、貯湯タンク8から給水経路10を通じて水タンク5に給水される。このとき、水素生成装置100内の空気(具体的には、貯湯タンク8内及び水タンク5内の空気)は、水タンク5に設けられた排水口5Aから外部へ排気される。なお、電源スイッチをオンした後、水張りスイッチ(図示せず)をオン(ON)するステップを備える構成であってもよい。
If it is determined that the power switch is turned on, the
次に、ステップS3で、水素生成装置100の水張りが完了したか否かが判定される。
Next, in step S3, it is determined whether or not water filling of the
そして、水張りが完了したと判定されると、ステップS4で、給水弁11が閉止され、水素生成装置100の水張り運転が終了する。
When it is determined that water filling has been completed, the
なお、ステップS3の水張りの完了は、例えば、給水弁11の開放からの時間経過に基づいて判定されてもよい。つまり、水インフラの供給圧、給水経路10の流路抵抗、水張りが行われる部分の内容積等は、予め把握できるので、これらの値から、水素生成装置100の水張りが完了するのに必要な時間を知ることができる。また、ステップS3の水張りの完了は、例えば、排水口5Aから水がオーバーフローしたこと、あるいは水が所定時間以上オーバーフローしたことを検知することで判定されてもよい。また、水タンク5に接続する経路などに流量計を付けて水の流量を検知し、水の検知流量の変化が所定値以下になったときを水張り完了時として判定してもよい。例えば、排水口5Aを栓などで閉止した状態で、冷却水経路6又は給水経路10の適所に設けられた流量計の計測値の変化が所定値以下になったときを水張り完了時として判定してもよい。
In addition, completion of water filling of step S3 may be determined based on the passage of time from the opening of the
このようにして、給水経路10に配置された給水弁11を開けるだけで、水インフラの供給圧により、貯湯タンク8から水タンク5に自動的に水を張ることができる。
In this way, it is possible to automatically fill water from the hot
(変形例)
図3は、第1実施形態の変形例の水素生成装置の一例を示す図である。
(Modification)
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a hydrogen generator according to a modification of the first embodiment.
図3に示す例では、水素生成装置100は、改質器1と、燃焼器2と、排ガス経路3と、凝縮器4と、水タンク5と、冷却水経路6と、放熱器6Aと、冷却水ポンプ7と、貯湯タンク8と、水経路9と、給水経路10A、10Bと、給水弁11Aと、給湯経路20、制御器39と、を備える。
In the example shown in FIG. 3, the
改質器1、燃焼器2、排ガス経路3、凝縮器4、水タンク5、冷却水経路6、放熱器6A,冷却水ポンプ7、貯湯タンク8、水経路9及び制御器39については第1実施形態と同様であるので説明を省略する。
The
本変形例の水素生成装置100は、第1−第3の態様のいずれかの水素生成装置100において、給湯経路20は、貯湯タンク8の上部に接続され、貯湯タンクの温水を給湯するための流路であり、給水経路10A、10Bは、給湯経路20から分岐して水タンク5へと至る第1経路10Aと、貯湯タンク8の上部と給湯経路20の分岐部との間の第2経路10Bとを備える。給水弁11Aは、第1経路10Aに配置されている。
The
本変形例の水素生成装置100は、上記の特徴点以外は、第1−第3の態様のいずれかの水素生成装置100と同様に構成しても構わない。
The
なお、給湯経路20の途中に、家庭で利用される温水を適温に調温するためのバックアップボイラー(図示せず)を設けても構わない。
A backup boiler (not shown) for adjusting the temperature of hot water used at home to an appropriate temperature may be provided in the middle of the hot
かかる構成によると、給水経路10A、10Bの一部と給湯経路20の一部とが共用されているので、第1実施形態の水素生成装置100に比べ水供給配管を簡易に構成できる。
According to such a configuration, since part of the
(第1実施例)
図4は、第1実施形態の第1実施例の水素生成装置の一例を示す図である。
(First embodiment)
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the hydrogen generator of the first example of the first embodiment.
図4に示す例では、水素生成装置100は、改質器1と、燃焼器2と、排ガス経路3と、凝縮器4と、水タンク5と、冷却水経路6と、放熱器6Aと、冷却水ポンプ7と、貯湯タンク8と、水経路9と、給水経路10と、給水弁11と、改質水経路13と、制御器39と、を備える。
In the example shown in FIG. 4, the
改質器1、燃焼器2、排ガス経路3、凝縮器4、水タンク5、冷却水経路6、放熱器6A、冷却水ポンプ7、貯湯タンク8、水経路9、給水経路10、給水弁11及び制御器39については第1実施形態と同様であるので説明を省略する。
本実施例の水素生成装置100は、第1−第3の態様及び第1実施形態の変形例のいずれかの水素生成装置100において、改質水経路13は、冷却水経路6から分岐して改質器1へと至る流路であり、冷却水の一部が改質水経路13を流通して改質水として改質器1に供給される。これにより、改質器1において、原料の水蒸気改質、オートサーマル反応等を適切に行い得る。
The
本実施例の水素生成装置100は、上記の特徴点以外は、第1−第3の態様及び第1実施形態の変形例のいずれかの水素生成装置100と同様に構成しても構わない。
The
改質水経路13の上流端は、冷却水が流れる冷却水経路6であれば、いずれの箇所に接続されていても構わない。本実施例では、改質水経路13の上流端は、放熱器6Aと凝縮器4との間の冷却水経路6に接続されている。つまり、水タンク5、放熱器6A、改質水経路13への分岐部及び凝縮器4は、冷却水の流れ方向においてこの順に、冷却水経路6に配置されている。
The upstream end of the reforming
また、改質水経路13に、例えば、イオン交換樹脂フィルタ等を設けてもよい。イオン交換樹脂フィルタは、改質水経路13が分岐する分岐部より上流の冷却水経路6上に配置されていてもよい。
Further, for example, an ion exchange resin filter or the like may be provided in the reforming
かかる構成によると、凝縮器4で回収した水を改質に用いることができるので、外部の水の消費によるコストアップを抑制できる。 According to such a configuration, since the water recovered by the condenser 4 can be used for reforming, an increase in cost due to consumption of external water can be suppressed.
(第2実施例)
図5は、第1実施形態の第2実施例の水素生成装置の一例を示す図である。
(Second embodiment)
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the hydrogen generator of the second example of the first embodiment.
図5に示す例では、水素生成装置100は、改質器1と、燃焼器2と、排ガス経路3と、凝縮器4と、水タンク5と、冷却水経路6と、放熱器6Aと、冷却水ポンプ7と、貯湯タンク8と、水経路9と、給水経路10と、給水弁11と、改質水経路13と、改質水ポンプ15と、制御器39と、を備える。
In the example shown in FIG. 5, the
改質器1、燃焼器2、排ガス経路3、凝縮器4、水タンク5、冷却水経路6、放熱器6A、冷却水ポンプ7、貯湯タンク8、水経路9、給水経路10、給水弁11、改質水経路13及び制御器39については第1実施形態の第1実施例と同様であるので説明を省略する。
本実施例の水素生成装置100は、第1実施形態の第1実施例の水素生成装置100において、改質水ポンプ15が、改質水経路13に配置されている。
In the
本実施例の水素生成装置100は、上記の特徴点以外は、第1実施形態の第1実施例の水素生成装置100と同様に構成しても構わない。
The
改質水ポンプ15は、改質器1へ供給する改質水の流量を調整する機器である。改質水ポンプ15は、改質器1へ供給する改質水の流量を調整できれば、どのような構成であっても構わない。改質水ポンプ15として、例えば、容積型ポンプ等を例示できる。容積型ポンプとして、例えば、ブランジャーポンプ等を例示できる。
The reforming
かかる構成によると、改質水ポンプ15の出力を制御することで、改質器1へ供給する改質水の量を改質反応に適した量に調整できる。
According to this configuration, the amount of reforming water supplied to the
(第2実施形態)
図6は、第2実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
(Second Embodiment)
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a fuel cell system according to the second embodiment.
本実施形態の燃料電池システム200は、第1−第3の態様、第1実施形態の変形例及び第1実施形態の第1−第2実施例のいずれかの水素生成装置100と、水素生成装置100の改質器1から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池18と、を備える。
The
図6に示す例では、燃料電池システム200は、改質器1と、燃焼器2Aと、排ガス経路3と、凝縮器4と、水タンク5と、冷却水経路6と、放熱器6Aと、冷却水ポンプ7と、貯湯タンク8と、水経路9と、給水経路10と、給水弁11と、燃料電池18と、制御器39と、を備える。
In the example shown in FIG. 6, the
改質器1、排ガス経路3、凝縮器4、水タンク5、冷却水経路6、放熱器6A、冷却水ポンプ7、貯湯タンク8、水経路9、給水経路10、給水弁11及び制御器39については第1実施形態と同様であるので説明を省略する。
燃料電池18は、改質器1から供給される水素含有ガスを用いて発電する。具体的には、水素含有ガス中の水素と、図示しない空気供給器からの空気中の酸素とによって燃料電池18の内部で発電反応が行われ、燃料電池18から電流が取り出される。燃料電池18としては、いずれの種類であってもよい。燃料電池18として、例えば、固体酸化物形燃料電池が例示されるが、これに限らない。
The
本実施形態では、燃焼器2Aは、燃料電池18での発電反応に寄与しなかったアノードオフガス(水素含有ガス)及びカソードオフガス(空気)を燃焼する。燃焼器2Aの燃焼熱により、改質器1及び燃料電池18は、それらの触媒の適温(例えば、500℃−1000℃程度)にまで加熱される。
In the present embodiment, the
以上により、燃料電池システム200の水張り運転を従来よりも簡易に行い得る。
As described above, the water filling operation of the
具体的には、燃料電池システム200の水張り運転において、給水経路10に配置された給水弁11を開けて、貯湯タンク8から水タンク5に水を張る際に、水タンク5に設けられた排水口5Aを通じて貯湯タンク8内及び水タンク5内の空気を外部へ抜くことができる。よって、特許文献1に記載のような空気抜き弁が不要となり、燃料電池システム200の水張り運転に必要な部品のコスト低減が図れ、ひいては、水張り運転が簡易化する。
Specifically, in the water filling operation of the
また、給水経路10に配置された給水弁11を開けるだけで、例えば、水インフラの供給圧により、貯湯タンク8から水タンク5に水を張ることができる。よって、特許文献1に記載のような水張り運転でのポンプ作動等の操作が不要となり、水張り運転の操作性の向上が図れ、ひいては、水張り運転が簡易化する。
Moreover, water can be spread from the hot
本開示の一態様は、水張り運転を従来よりも簡易に行い得る水素生成装置及び燃料電池システムに利用できる。 One embodiment of the present disclosure can be used for a hydrogen generator and a fuel cell system that can perform water filling operation more easily than in the past.
1 :改質器
2 :燃焼器
3 :排ガス経路
4 :凝縮器
5 :水タンク
5A :排水口
6 :冷却水経路
6A :放熱器
7 :冷却水ポンプ
8 :貯湯タンク
9 :水経路
10 :給水経路
11 :給水弁
11A :給水弁
13 :改質水経路
15 :改質水ポンプ
18 :燃料電池
20 :給湯経路
39 :制御器
100 :水素生成装置
200 :燃料電池システム
1: reformer 2: combustor 3: exhaust gas path 4: condenser 5:
Claims (9)
前記水素含有ガスを燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器で生成された排ガスが流れる排ガス経路と、
冷却水が循環する冷却水経路と、
前記排ガス経路及び前記冷却水経路に設けられ、前記排ガスと前記冷却水とが熱交換することで前記排ガス中の水蒸気が凝縮する凝縮器と、
前記冷却水経路に配置された水タンク及び冷却水ポンプと、
貯湯水を貯留する貯湯タンクと、
前記冷却水経路を流れる冷却水を放熱する放熱器と、
前記貯湯タンクに外部の水を供給するための水経路と、
前記貯湯タンクから前記水タンクに水を供給するための給水経路と、
前記給水経路に配置された給水弁と、を備え、
前記水タンクは、前記凝縮器で発生する凝縮水を貯留するとともに、外部と連通している排水口を備え、
前記給水経路は前記貯湯タンクの上部に接続され、前記貯湯タンク、前記給水弁及び前記水タンクが、前記水タンクへの給水における水の流れ方向においてこの順に、前記給水経路に配置されている水素生成装置。 A reformer that generates hydrogen-containing gas by reforming the raw material;
A combustor for burning the hydrogen-containing gas;
An exhaust gas path through which the exhaust gas generated in the combustor flows;
A cooling water path through which the cooling water circulates;
A condenser that is provided in the exhaust gas path and the cooling water path, and that condenses water vapor in the exhaust gas by heat exchange between the exhaust gas and the cooling water;
A water tank and a cooling water pump disposed in the cooling water path;
A hot water storage tank for storing hot water,
A radiator that dissipates cooling water flowing through the cooling water path;
A water path for supplying external water to the hot water storage tank;
A water supply path for supplying water from the hot water storage tank to the water tank;
A water supply valve disposed in the water supply path,
The water tank stores the condensed water generated by the condenser and includes a drain port communicating with the outside.
The water supply path is connected to an upper portion of the hot water storage tank, and the hot water storage tank, the water supply valve, and the water tank are arranged in the water supply path in this order in the flow direction of water in the water supply to the water tank. Generator.
前記制御器は、前記水素生成装置の水張り運転において、前記水経路から、前記貯湯タンク、前記給水経路、前記水タンクの順に給水が行われるように、前記給水弁を開放する請求項1に記載の水素生成装置。 A controller for controlling opening and closing of the water supply valve;
The said controller opens the said water supply valve so that water supply may be performed in order of the said hot water storage tank, the said water supply path, and the said water tank in the water filling operation | movement of the said hydrogen production | generation apparatus from the said water path. Hydrogen generator.
前記給水経路は、前記給湯経路から分岐して前記水タンクへと至る第1経路と、前記貯湯タンクの上部と前記給湯経路の分岐部との間の第2経路とを備える請求項1から3のいずれかに記載の水素生成装置。 Connected to the upper part of the hot water storage tank, comprising a hot water supply path for supplying hot water of the hot water storage tank,
The said water supply path | route is provided with the 1st path | route which branches from the said hot water supply path | route to the said water tank, and the 2nd path | route between the upper part of the said hot water storage tank, and the branch part of the said hot water supply path | route. The hydrogen generator according to any one of the above.
前記冷却水の一部が前記改質水経路を流通して改質水として前記改質器に供給される請求項1から4のいずれかに記載の水素生成装置。 A reforming water path branched from the cooling water path to the reformer,
The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 4, wherein a part of the cooling water flows through the reforming water path and is supplied to the reformer as reforming water.
前記水素生成装置の改質器から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える燃料電池システム。 A hydrogen generator according to any one of claims 1 to 7;
A fuel cell system comprising: a fuel cell that generates electric power using a hydrogen-containing gas supplied from a reformer of the hydrogen generator.
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