JP2018092782A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本開示の発明は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を含む燃料電池システムに関する。 The invention of the present disclosure relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an anode gas and a cathode gas.
従来、この種の燃料電池システムとして、アノードガスおよびカソードガスの少なくとも一方に300μm以下に微小粒子化(霧化)した水を添加する加湿装置を含むものが知られている(例えば、特許文献1参照)。この燃料電池装置では、加湿装置として、反応ガス(水素および空気)の供給通路内に配置された噴霧ノズルおよび噴霧ノズルに加圧水を供給する加圧ポンプとで構成された動力噴霧器や、水面が反応ガス通路内に開口した水槽と、水槽内に配置された超音波振動子とで構成された超音波加湿器が用いられる。 Conventionally, a fuel cell system of this type includes a humidifier that adds water atomized (atomized) to 300 μm or less to at least one of an anode gas and a cathode gas (for example, Patent Document 1). reference). In this fuel cell device, as a humidifier, a power sprayer composed of a spray nozzle arranged in a reaction gas (hydrogen and air) supply passage and a pressure pump for supplying pressurized water to the spray nozzle, and the water surface reacts. An ultrasonic humidifier composed of a water tank opened in the gas passage and an ultrasonic vibrator arranged in the water tank is used.
しかしながら、上記従来の燃料電池システムでは、霧化された水と反応ガスとを充分に接触させることが困難であり、必要な量の水(水蒸気)が添加された反応ガスを燃料電池側に供給し得なくなるおそれがある。 However, in the above conventional fuel cell system, it is difficult to sufficiently contact atomized water and the reaction gas, and the reaction gas to which a necessary amount of water (water vapor) is added is supplied to the fuel cell side. There is a risk that it will not be possible.
そこで、本開示の発明は、反応ガスが充分に加湿されずに燃料電池側に供給されるのを抑制することを主目的とする。 Accordingly, the main object of the present disclosure is to suppress the reaction gas from being supplied to the fuel cell without being sufficiently humidified.
本開示の燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記アノードガスの原燃料ガスおよび前記カソードガスの少なくとも何れか一方である反応ガスを加湿して前記燃料電池側に供給する加湿装置とを含む燃料電池システムにおいて、前記加湿装置が、水を貯留すると共に、前記反応ガスが供給されるガス供給口および前記反応ガスを流出させるガス流出口を有する水タンクと、前記水タンク内の水を霧化する霧化装置と、前記霧化装置により霧化された水を前記水タンク内で前記ガス供給口側および前記ガス流出口側へと拡散させる拡散部材とを備えることを特徴とする。 The fuel cell system of the present disclosure includes a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an anode gas and a cathode gas, and humidifies a reaction gas that is at least one of the raw fuel gas and the cathode gas of the anode gas, and A fuel cell system including a humidifier supplied to the fuel cell side, wherein the humidifier stores water and has a gas supply port through which the reaction gas is supplied and a gas outlet through which the reaction gas flows out. A tank, an atomizing device for atomizing water in the water tank, and diffusion for diffusing the water atomized by the atomizing device to the gas supply port side and the gas outlet side in the water tank And a member.
この燃料電池システムの加湿装置は、水を貯留すると共にアノードガスの原燃料ガスおよびカソードガスの少なくとも何れか一方である反応ガスが供給されるガス供給口および反応ガスを流出させるガス流出口を有する水タンクと、水タンク内の水を霧化する霧化装置と、霧化装置により霧化された水を水タンク内でガス供給口側およびガス流出口側へと拡散させる拡散部材とを含む。このように、霧化装置により霧化された水を拡散部材により水タンク内でガス供給口側およびガス流出口側へと拡散させることで、霧化された水と、水タンク内に供給されて当該水タンクから流出する反応ガスとが接触する領域を増加させることが可能となる。この結果、加湿装置において反応ガスを良好に加湿することができるので、反応ガスが充分に加湿されずに燃料電池側に供給されるのを抑制することが可能となる。 The humidifier of this fuel cell system has a gas supply port for storing water and supplying a reaction gas that is at least one of a raw fuel gas and a cathode gas of an anode gas, and a gas outlet for discharging the reaction gas. A water tank, an atomizer for atomizing water in the water tank, and a diffusion member for diffusing the water atomized by the atomizer to the gas supply port side and the gas outlet side in the water tank . Thus, the water atomized by the atomizer is diffused by the diffusion member to the gas supply port side and the gas outlet side in the water tank, so that the atomized water and the water tank are supplied. Thus, it is possible to increase the area in contact with the reaction gas flowing out from the water tank. As a result, it is possible to satisfactorily humidify the reaction gas in the humidifier, so that it is possible to prevent the reaction gas from being supplied to the fuel cell side without being sufficiently humidified.
また、前記霧化装置は、前記水タンク内の下部に配置されてもよく、前記拡散部材は、前記水タンクの天板部の下方から前記霧化装置の上方まで延在して該水タンクの内部を前記ガス供給口側と前記ガス流出口側とに仕切る板体であってもよい。これにより、霧化装置により霧化された水を水タンク内でガス供給口側およびガス流出口側へと良好に拡散させて、霧化された水と反応ガスとが接触する領域を増加させることが可能となる。 The atomizing device may be disposed in a lower portion of the water tank, and the diffusion member extends from below the top plate portion of the water tank to above the atomizing device. It may be a plate body that divides the interior of the inside into a gas supply port side and a gas outlet port side. As a result, the water atomized by the atomizing device is diffused well in the water tank to the gas supply port side and the gas outlet side, thereby increasing the area where the atomized water and the reactive gas are in contact with each other. It becomes possible.
更に、前記加湿装置は、前記拡散部材よりも前記ガス供給口側で前記天板部から前記水タンク内の液面の上方まで延在して該水タンクの内部を前記拡散部材側と前記ガス供給口側とに仕切る第1の邪魔板と、前記拡散部材よりも前記ガス流出口側で前記天板部から前記水タンク内の液面の上方まで延在して該水タンクの内部を前記拡散部材側と前記ガス流出口側とに仕切る第2の邪魔板とを備えてもよい。これにより、水タンクのガス供給口に供給された反応ガスは、第1の邪魔板と拡散部材との間、拡散部材と天板部との間、拡散部材と第2の邪魔板との間を通ってガス流出口から流出する。また、霧化装置により霧化された水は、拡散部材により当該拡散部材と第1の邪魔板との間、および拡散部材と第2の邪魔板との間へと拡散させられる。この結果、拡散部材の周辺で、霧化装置により霧化された水と反応ガスとをより確実に接触させることが可能となり、反応ガスが充分に加湿されずに燃料電池側に供給されるのを極めて良好に抑制することができる。 Further, the humidifying device extends from the top plate portion above the liquid surface in the water tank on the gas supply port side with respect to the diffusion member, and extends inside the water tank to the diffusion member side and the gas. A first baffle plate partitioned from the supply port side, and extends from the top plate part above the liquid surface in the water tank on the gas outlet side of the diffusion member to the interior of the water tank. You may provide the 2nd baffle plate partitioned off into the diffusion member side and the said gas outflow port side. As a result, the reaction gas supplied to the gas supply port of the water tank is between the first baffle plate and the diffusion member, between the diffusion member and the top plate portion, and between the diffusion member and the second baffle plate. Through the gas outlet. Further, the water atomized by the atomizing device is diffused by the diffusion member between the diffusion member and the first baffle plate and between the diffusion member and the second baffle plate. As a result, the water atomized by the atomization device and the reactive gas can be more reliably brought into contact with each other around the diffusion member, and the reactive gas is supplied to the fuel cell side without being sufficiently humidified. Can be suppressed very well.
また、前記加湿装置は、前記水タンクの液位を検出する液位センサと、前記水タンクから水を排出するためのドレンバルブと、前記液位センサにより検出される液位が所定値を超えないように前記ドレンバルブを制御する制御装置とを更に備えてもよい。これにより、第1および第2邪魔板の下端まで液位が上昇してしまうのを抑制して、水タンク内に原燃料ガスの通路を確保することが可能となる。 The humidifier includes a liquid level sensor for detecting a liquid level in the water tank, a drain valve for discharging water from the water tank, and a liquid level detected by the liquid level sensor exceeding a predetermined value. And a control device for controlling the drain valve. As a result, it is possible to prevent the liquid level from rising to the lower ends of the first and second baffle plates and secure a passage for the raw fuel gas in the water tank.
更に、前記ガス供給口および前記ガス流出口は、前記水タンクの天板部に設けられてもよい。これにより、一般的に燃料電池システムの下部に配置される水タンクに対して反応ガスの供給管や流出管を上方から容易に接続することが可能となり、システム全体のスペース効率を向上させることができる。 Furthermore, the gas supply port and the gas outlet may be provided in a top plate portion of the water tank. This makes it possible to easily connect a reaction gas supply pipe and an outflow pipe from above to a water tank that is generally arranged at the bottom of the fuel cell system, thereby improving the space efficiency of the entire system. it can.
また、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であってもよい。すなわち、固体酸化物形燃料電池を含む燃料電池システムでは、一般に、燃料電池を含む発電モジュール(ホットモジュール)に対して、原燃料ガスを改質(水蒸気改質)してアノードガスを生成する際に必要な水蒸気を得るために改質水を気化させる気化器が設けられる。この場合、改質水を気化させるのには、発電モジュールに設けられた燃焼部で発生させられた熱が用いられるが、気化器での改質水の気化(吸熱反応)によって発電モジュールの温度が局所的に低下してしまい、それにより燃料電池の発電効率が低下してしまうおそれもある。これに対して、固体酸化物形燃料電池を含む燃料電池システムに上述のような加湿装置を設けることで、気化器を省略すると共に改質水の気化に伴う発電モジュールの局所的温度低下を抑制することができるので、燃料電池システムの発電効率をより向上させることが可能となる。 The fuel cell may be a solid oxide fuel cell. That is, in a fuel cell system including a solid oxide fuel cell, generally, an anode gas is generated by reforming a raw fuel gas (steam reforming) for a power generation module (hot module) including a fuel cell. In order to obtain water vapor required for the vaporization, a vaporizer for vaporizing the reformed water is provided. In this case, the heat generated in the combustion section provided in the power generation module is used to vaporize the reformed water, but the temperature of the power generation module is increased by vaporization of the reformed water (endothermic reaction) in the vaporizer. May locally decrease, which may reduce the power generation efficiency of the fuel cell. In contrast, by providing a humidifier as described above in a fuel cell system including a solid oxide fuel cell, the vaporizer is omitted and local temperature drop of the power generation module due to vaporization of reforming water is suppressed. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell system can be further improved.
更に、前記霧化装置は、印加される電力に応じた超音波を発生させて該超音波により前記水タンク内の水を霧化する超音波霧化装置であってもよい。ただし、霧化装置は、例えばノズルおよび加圧ポンプ等を含む超音波霧化装置以外のものであってもよい。 Furthermore, the atomizing device may be an ultrasonic atomizing device that generates ultrasonic waves according to applied electric power and atomizes water in the water tank by the ultrasonic waves. However, the atomizing device may be other than the ultrasonic atomizing device including, for example, a nozzle and a pressure pump.
次に、図面を参照しながら、本開示の発明を実施するための形態について説明する。 Next, embodiments for carrying out the invention of the present disclosure will be described with reference to the drawings.
図1は、本開示の燃料電池システム10を示す概略構成図である。同図に示す燃料電池システム10は、アノードガス(燃料ガス)中の水素とカソードガス(酸化剤ガス)中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池FCを有する発電ユニット(ホットモジュール)20と、湯水を貯留する貯湯タンク101を有する給湯ユニット100と、システム全体を制御する制御装置80とを含む。また、発電ユニット20は、燃料電池FCや、断熱性材料により形成された箱型のモジュールケース31、改質器33等を含む発電モジュール30と、発電モジュール30の改質器33に例えば天然ガスやLPガスといった原燃料ガス(反応ガス)を供給するための原燃料ガス供給系統(原燃料ガス供給装置)40と、発電モジュール30の燃料電池FCにカソードガスとしてのエア(空気)を供給するためのエア供給系統(カソードガス供給装置)50と、原燃料ガス供給系統40からの原燃料ガスを加湿して改質器33に供給する加湿装置55と、発電モジュール30で発生した排熱を回収するための排熱回収系統60と、燃料電池FCの出力端子に接続されたパワーコンディショナ71と、これらを収容する筐体22とを有する。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a
発電モジュール30の燃料電池FCは、固体酸化物形燃料電池であり、例えば酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノード電極およびカソード電極とを含む単セルを図1中左右方向に複数積層することにより構成された複数(本実施形態では、2つ)のセルスタックCSを含む。各セルのアノード電極極側には、アノードガスを流通させる図示しないアノードガス通路がセルの積層方向と直交する方向(図中上下方向)に延びるように形成されている。また、各セルのカソード電極側には、エアを流通させる図示しないエア通路がセルの積層方向と直交する方向(図中上下方向)に延びるように形成されている。燃料電池FCを構成する2つのセルスタックCSは、断熱材を介してモジュールケース31内に設置されたマニホールド上に並設され、各セルのアノードガス通路は、マニホールドに形成されたアノードガス通路に接続される。また、各セルのエア通路は、モジュールケース31内の図示しないエア供給通路に接続される。
The fuel cell FC of the
発電モジュール30の改質器33は、モジュールケース31内の2つのセルスタックCSの上方に両者と間隔をおいて配設される。2つのセルスタックCSと改質器33との間には、燃料電池FCの作動や、改質器33での反応に必要な熱を発生させる燃焼部34が画成されている。燃焼部34には、点火ヒータ35が設置されると共に、2つのセルスタックCSの一方に近接するように温度センサ36が設置されている。
The
改質器33は、その内部に充填された例えばRu系またはNi系の改質触媒を有し、燃焼部34からの熱の存在下で、加湿装置55で加湿された原燃料ガスの改質触媒による反応(水蒸気改質反応)によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質器33は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応(一酸化炭素シフト反応)によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質器33によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。
The
改質器33により生成されたアノードガスは、上記マニホールドやセルスタックCSの各セルのアノードガス通路等を介して各セルのアノード電極に供給される。また、セルスタックCSの各セルのカソード電極には、各セルのエア通路等を介して酸素を含むカソードガスとしてのエアが供給される。カソード電極では、酸化物イオン(O2 -)が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノード電極で水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。また、各セルスタックCSにおいて電気化学反応(発電)に使用されなかったアノードガス(以下、「アノードオフガス」という)およびエア(以下、「カソードオフガス」という)は、各セルのアノードガス通路やエア通路から上方の燃焼部34へと流出する。
The anode gas generated by the
各セルのアノードガス通路から燃焼部34に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、各セルのエア通路から燃焼部34に流入した酸素を含むカソードオフガスと混ざり合う。以下、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスを「オフガス」という。そして、点火ヒータ35により点火させられて燃焼部34でオフガス(アノードオフガス)が着火すると、当該オフガスの燃焼により、燃料電池FCの作動や、改質器33での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生する。また、オフガスの燃焼に伴い、燃焼部34では、水蒸気を含む燃焼排ガスが生成される。
The anode off-gas flowing into the
図1に示すように、改質器33に原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給系統40は、天然ガスやLPガスを供給する原燃料供給源1に接続される原燃料ガス供給管41や、当該原燃料ガス供給管41に組み込まれた原燃料ガス供給弁(電磁開閉弁)42,43、原燃料ガスポンプ45および脱硫器46を含む。更に、原燃料ガス供給管41には、当該原燃料ガス供給管41内の原燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ47や、原燃料ガス供給管41を流通する原燃料ガスの単位時間あたりの流量を検出する流量センサ48が設置されている。脱硫器46は、例えばゼオライト等の吸着剤を用いて原燃料ガスから硫黄成分(硫黄化合物)を除去するものである。なお、脱硫器46の脱硫方式は、いわゆる常温脱硫式に限られるものではない。
As shown in FIG. 1, the raw fuel
エア供給系統50は、モジュールケース31内のエア供給通路に接続されるエア供給管51と、エア供給管51のエア入口に設置されたエアフィルタ52と、エア供給管51に組み込まれたエアブロワ53とを含む。エアブロワ53を作動させることで、エアフィルタ52を介して吸入されたエアが当該エアブロワ53により燃料電池FCへと圧送(供給)される。また、エア供給管51には、当該エア供給管51を流通するエアの単位時間あたりの流量が所定値に達するとオンする流量スイッチ54が設置されている。
The
加湿装置55は、脱硫器46に接続される原燃料供給管56aと、改質器33に接続される原燃料流出管56bと、原燃料供給管56aおよび原燃料流出管56bに接続されると共に改質水を貯留する改質水タンク(水タンク)57と、水精製器58とを含む。脱硫器46を通過した原燃料ガスは、原燃料供給管56aを介して改質水タンク57内に導入され、改質水タンク57内を通過する間に加湿されて原燃料流出管56bを介して改質器33に流入する。図1に示すように、加湿装置55(改質水タンク57)は、発電モジュール30や原燃料ガス供給系統40の下方に設置される。
The
排熱回収系統60は、給湯ユニット100の貯湯タンク101に接続される循環配管61と、循環配管61を流通する湯水と発電モジュール30の燃焼部34からの燃焼排ガスとを熱交換させる熱交換器62と、循環配管61に組み込まれた循環ポンプ63とを含む。循環ポンプ63を作動させることで、当該循環ポンプ63により貯湯タンク101に貯留されている湯水を熱交換器62へと導入し、熱交換器62で燃焼排ガスから熱を奪って昇温した湯水を貯湯タンク101へと返送することができる。
The exhaust
また、排熱回収系統60の熱交換器62(燃焼排ガスの通路)は、凝縮水供給管66を介して加湿装置55の水精製器58に接続されており、燃焼排ガス中の水蒸気が貯湯タンク101からの湯水との熱交換により凝縮することにより得られた凝縮水は、当該凝縮水供給管66から水精製器58内に導入される。そして、水精製器58により精製された改質水は、改質水タンク57内に貯留される。更に、熱交換器62の燃焼排ガスの通路は、排気管67に接続されている。これにより、発電モジュール30の燃焼部34(燃料電池FC)から排出されて熱交換器62で水分が除去された排ガスは、排気管67を介して大気中に排出される。
The heat exchanger 62 (combustion exhaust gas passage) of the exhaust
パワーコンディショナ71は、燃料電池FCの出力端子に接続されて当該燃料電池FCからの直流電力を昇圧するDC/DCコンバータと、DC/DCコンバータからの直流電力を交流電力に変換するインバータとを有する(何れも図示省略)。パワーコンディショナ71(インバータ)の出力端子は、系統電源2に接続された電力ライン3に接続される。これにより、燃料電池FCからの直流電力を交流電力に変換して家電製品等の負荷4に供給することが可能となる。更に、燃料電池システム10は、電力ライン3に接続された電源基板72を含む。電源基板72は、系統電源2からの交流電力を直流電力に変換するAC/DCコンバータを有しており、原燃料ガス供給弁42,43や原燃料ガスポンプ45、エアブロワ53、循環ポンプ63といった補機類、温度センサ36等のセンサ類、更には制御装置80等に直流電力を供給する。パワーコンディショナ71や電源基板72等が配置される補機室内には、当該パワーコンディショナ71や電源基板72等を冷却するための冷却ファン(図示省略)と、換気ファン24とが配置されている。図示しない冷却ファンは、パワーコンディショナ71や電源基板72の発熱部にエアを送り込み、当該発熱部を冷却して昇温したエアは、換気ファン24により大気中に排出される。
The power conditioner 71 includes a DC / DC converter that is connected to the output terminal of the fuel cell FC and boosts the DC power from the fuel cell FC, and an inverter that converts the DC power from the DC / DC converter into AC power. (Both not shown). The output terminal of the power conditioner 71 (inverter) is connected to the power line 3 connected to the system power supply 2. As a result, it is possible to convert the DC power from the fuel cell FC into AC power and supply it to the load 4 such as a home appliance. Further, the
制御装置80は、CPU81や、各種プログラムを記憶するROM82、データを一時的に記憶するRAM83、何れも図示しない入力ポートおよび出力ポート等を含むコンピュータである。制御装置80は、温度センサ36や圧力センサ47、流量センサ48の検出値、流量スイッチ54からの信号等を入力ポートを介して入力する。また、制御装置80は、換気ファン24や、点火ヒータ35、原燃料ガス供給弁42,43のソレノイド、原燃料ガスポンプ45、エアブロワ53、循環ポンプ63、パワーコンディショナ71(DC/DCコンバータおよびインバータ)、表示パネル90等への制御信号を出力ポートを介して出力し、これらの機器を制御する。
The
次に、図2から図4を参照しながら、燃料電池システム10の加湿装置55について詳細に説明する。
Next, the
図2に示すように、加湿装置55の改質水タンク57は、原燃料供給管56aに接続されて脱硫器46からの原燃料ガスが供給されるガス供給口57iと、原燃料流出管56bに接続されて改質水タンク57内を通過した原燃料ガスを改質器33へと流出させるガス流出口57oと、水精製器58に接続される改質水供給口57wとを有する。図示するように、ガス供給口57i、ガス流出口57oおよび改質水供給口57wは、改質水タンク57の天板部57sに設置される。本実施形態において、ガス供給口57iおよびガス流出口57oは、改質水タンク57の長手方向に離間するように天板部57sに設置され、改質水供給口57wは、ガス流出口57oよりもガス供給口57iから当該長手方向に離間するように天板部57sに設置される。
As shown in FIG. 2, the reforming
また、加湿装置55は、改質水タンク57内の改質水を霧化する霧化装置550を含む。本実施形態において、霧化装置550は、圧電素子を含む超音波振動子551と、図示しない電力変換装置に接続されると共に超音波振動子551に高周波交流電圧を印加する駆動回路552とを含む超音波霧化装置である。図2に示すように、超音波振動子551は、超音波発生面が改質水の液面と平行をなすように当該改質水タンク57内の下部すなわち改質水タンク57の底部57b上に固定される。また、霧化装置550の駆動回路552は、上記制御装置80により制御される。
Further, the
制御装置80は、原燃料ガス供給系統40から加湿装置55に対して原燃料ガスが供給される際、改質水タンク57内に供給される原燃料ガスの流量に応じた量の水が霧化されるように駆動回路552を制御する。高周波交流電圧の印加により超音波振動子551から超音波が発せられると、超音波エネルギが液面に集中することで水柱が形成される。そして、水柱の表面では、表面波(キャピラリー波)が発生し、表面波の先端(波頭)から多数の微粒子状の液滴(水滴)が飛散していくことになる。かかる超音波式の霧化装置550によれば、超音波振動子551に印加される交流電圧の電圧や周波数を変化させることで液滴の大きさと霧化量とを独立に制御することが可能である。
When the raw fuel gas is supplied from the raw fuel
更に、改質水タンク57の内部には、拡散部材570、第1および第2邪魔板571,572および仕切板573が配置されている。拡散部材570は、下部に例えば矩形状の切欠570cを有する平坦な板体である。拡散部材570は、図2および図3に示すように、上端部が改質水タンク57の天板部57sの内面から離間すると共に、切欠570cの上縁部が超音波振動子551の超音波発生面の中心と間隔をおいて対向するように改質水タンク57内に固定される。
Furthermore, a
すなわち、拡散部材570は、天板部57sの下方から超音波振動子551(霧化装置550)の上方まで、超音波振動子551の超音波発生面と垂直に(図2中上下方向に)延在する。また、切欠570cの両側に位置する拡散部材570の下端部は、改質水タンク57の底部57bの内面に密接し、拡散部材570の各側部は、図3に示すように、改質水タンク57の側板部57cまたは57dの内面に密接する。これにより、改質水タンク57の内部は、天板部57sの下方から超音波振動子551の上方までの間で、拡散部材570によりガス供給口57i側とガス流出口57o側とに仕切られる。更に、改質水タンク57の天板部57sと拡散部材570の上端部との間、および拡散部材570と超音波振動子551の超音波発生面との間には、間隙が形成される。なお、切欠570cの寸法(高さおよび幅)は、超音波による水柱や霧の形成を妨げないように定められる。
That is, the diffusing
第1および第2邪魔板571,572は、改質水タンク57における改質水の液位が予め定められた最大液位であるときの液面から改質水タンク57の天板部57sの内面までの高さよりも短い高さを有する平坦な板体である。第1邪魔板571は、図2に示すように、拡散部材570よりも改質水タンク57の長手方向におけるガス供給口57i側で、上端部が改質水タンク57の天板部57sの内面に密接すると共に各側部が改質水タンク57の側板部57cまたは57dの内面に密接するように改質水タンク57内に固定される。これにより、第1邪魔板571は、拡散部材570よりもガス供給口57i側で、天板部57sから改質水タンク57内の改質水の液面の上方まで当該改質水に接触することなく拡散部材570と平行(図2中上下方向)に延在する。従って、改質水タンク57の内部は、液面よりも上側で、第1邪魔板571により拡散部材570側とガス供給口57i側とに仕切られる。
The first and
また、第2邪魔板572は、図2に示すように、拡散部材570よりも改質水タンク57の長手方向におけるガス流出口57o側で、上端部が改質水タンク57の天板部57sの内面に密接すると共に各側部が改質水タンク57の側板部57cまたは57dの内面に密接するように改質水タンク57内に固定される。これにより、第2邪魔板572は、拡散部材570よりもガス流出口57o側で、天板部57sから改質水タンク57内の改質水の液面の上方まで当該改質水に接触することなく拡散部材570と平行(図2中上下方向)に延在する。従って、改質水タンク57の内部は、液面よりも上側で、第2邪魔板572により拡散部材570側とガス流出口57o側とに仕切られる。
As shown in FIG. 2, the
仕切板573は、改質水タンク57における改質水の液位が上記最大液位であるときの液面から改質水タンク57の天板部57sの内面までの高さよりも長い高さを有する平坦な板体である。仕切板573は、改質水タンク57の長手方向におけるガス流出口57oと改質水供給口57wとの間で、上端部が改質水タンク57の天板部57sの内面に密接すると共に各側部が改質水タンク57の側板部57cまたは57dの内面に密接するように改質水タンク57内に固定される。これにより、仕切板573は、ガス流出口57oと改質水供給口57wとの間で、天板部57sから改質水タンク57内の液面の下方まで拡散部材570等と平行(図2中上下方向)に延在する。従って、改質水タンク57の内部は、仕切板573により、原燃料ガスが流通する領域と、改質水が供給される領域とに仕切られる。
The
更に、加湿装置55は、図2に示すように、改質水タンク57(改質水)の液位を検出して制御装置80に送信する液位センサ59と、改質水タンク57から改質水を排出するためのドレンバルブ57Vとを含む。ドレンバルブ57Vは、例えば電磁式の開閉弁であり、制御装置80により開閉制御される。制御装置80は、原燃料ガス供給系統40から加湿装置55に対して原燃料ガスが供給される間に、液位センサ59により検出される改質水タンク57の液位が上記最大液位に基づいて予め定められた閾値以上になると、改質水タンク57の液位が最大液位(所定値)を超えないようにドレンバルブ57Vを開弁させる。
Further, as shown in FIG. 2, the
上述のように構成される加湿装置55では、図2に示すように、改質水タンク57内の改質水の液面よりも上方に、図中点線で示すような原燃料ガスの通路が形成される。すなわち、改質水タンク57のガス供給口57iに供給された原燃料ガスは、ガス供給口57iから第1邪魔板571と拡散部材570との間の空間に流入し、拡散部材570の上端部と天板部57sとの間隙を介して拡散部材570と第2邪魔板572との間の空間に流入する。そして、原燃料ガスは、拡散部材570と第2邪魔板572との間の空間から第2邪魔板572と仕切板573との間の空間に流入し、ガス流出口57oから原燃料流出管56bへと流出する。
In the
また、霧化装置550の超音波振動子551から超音波が発せられると、超音波エネルギが液面に集中することで水柱WCが形成されるが、本実施形態の加湿装置55では、図4に示すように、超音波振動子551の上方に存在する拡散部材570によって当該水柱WCがガス供給口57iに近接した第1邪魔板571側と、ガス流出口57oに近接した第2邪魔板572側とに分割される。更に、第1邪魔板571と拡散部材570との間の空間、および拡散部材570と第2邪魔板572との間の空間との双方において、水柱WCの表面で表面波が発生し、図4に示すように、表面波の先端(波頭)から多数の微粒子状の水滴(霧)Mが飛散していく。
Further, when ultrasonic waves are emitted from the
すなわち、霧化装置550により霧化された水(多数の水滴M)は、拡散部材570により第1邪魔板571と当該拡散部材570との間の空間(ガス供給口57i側)、および拡散部材570と第2邪魔板572との間の空間(ガス流出口57o側)へと拡散させられる。これにより、拡散部材57の周辺(両側)で霧化装置550により霧化された水と原燃料ガスとをより確実に接触させ、微粒子状の水滴が拡散した状態で混入した原燃料ガスを発電モジュール30に供給することができる。この結果、原燃料ガスが充分に加湿されずに改質器33(燃料電池FC側)に供給されるのを極めて良好に抑制することが可能となる。そして、原燃料ガスに混入された微粒子状の水滴を原燃料流出管56bのモジュールケース31内に配置された部分で気化させることで、原燃料ガスを改質(水蒸気改質)してアノードガスを生成する際に必要な水蒸気を得ることができる。
That is, the water atomized by the atomizer 550 (a large number of water droplets M) is diffused by the
また、上記実施形態において、超音波振動子551(霧化装置550)は、改質水タンク57の底部57b上に配置され、拡散部材570は、改質水タンク57の天板部57sの下方から霧化装置550の上方まで延在して当該改質水タンク57の内部をガス供給口57i側とガス流出口57o側とに仕切る。これにより、霧化装置550により霧化された水を改質水タンク57内でガス供給口57i側およびガス流出口57o側へと良好に拡散させて、霧化された改質水と原燃料ガスとが接触する領域を増加させることが可能となる。従って、改質水タンク57のサイズによっては、拡散部材570のみによって霧化された水を充分に拡散させることができるので、燃料電池システム10から第1および第2邪魔板571,572の少なくとも何れか一方が省略されてもよい。
In the above embodiment, the ultrasonic vibrator 551 (the atomizing device 550) is disposed on the bottom 57b of the reforming
更に、加湿装置55では、原燃料ガス供給系統40から加湿装置55に対して原燃料ガスが供給される際、改質水タンク57の液位が最大液位(所定値)を超えないようにドレンバルブ57Vが適宜開弁させられる。これにより、第1および第2邪魔板571,572の下端まで液位が上昇してしまうのを抑制して、改質水タンク57内に上述のような原燃料ガスの通路を常時確保することが可能となる。加えて、加湿装置55では、ガス供給口57iおよびガス流出口57oが改質水タンク57の天板部57sに設けられる。これにより、燃料電池システム10の下部、すなわち発電モジュール30や原燃料ガス供給系統40の下方に設置される改質水タンク57に対して原燃料供給管56aや原燃料流出管56b等を上方から容易に接続することが可能となり、システム全体のスペース効率を向上させることができる。
Further, in the
また、固体酸化物形の燃料電池FCを含む燃料電池システム10に加湿装置55を設けることで、上述のように、発電モジュール30に対して霧化された改質水すなわち拡散した微粒子状の水滴を含む原燃料ガスを供給することが可能となる。これにより、この種の燃料電池システムに一般に設けられる気化器を省略すると共に、拡散した微粒子状の水滴を原燃料流出管56bのモジュールケース31内に配置された部分で気化させて水蒸気を得ることができる。この結果、燃料電池システム10では、発電モジュール内の気化器でモジュールケース外からの改質水を気化させる場合に比べて、改質水の気化(燃料部34からの熱を吸熱する吸熱反応)によって発電モジュール30(モジュールケース31)内の温度が局所的に低下するのを抑制し、燃料電池FCの発電効率をより向上させることが可能となる。
Further, by providing the
以上説明したように、本開示の燃料電池システム10は、アノードの原燃料ガスを加湿して改質器33(燃料電池FC側)に供給する加湿装置55を含み、加湿装置55は、改質水を貯留すると共に原燃料ガスが供給されるガス供給口57iおよび原燃料ガスを流出させるガス流出口57oを有する改質水タンク57と、改質水タンク57内の改質水を霧化する霧化装置550と、霧化装置550により霧化された改質水を改質水タンク57内でガス供給口57i側およびガス流出口57o側へと拡散させる拡散部材570とを含む。このように、霧化装置550により霧化された改質水を拡散部材570によって改質水タンク57内でガス供給口57i側およびガス流出口57o側へと拡散させることで、霧化された改質水と、改質水タンク57内に供給されて当該改質水タンク57から流出する原燃料ガスとが接触する領域を増加させることが可能となる。この結果、加湿装置55において原燃料ガスを良好に加湿することができるので、原燃料ガスが充分に加湿されずに改質器33に供給されるのを抑制することが可能となる。
As described above, the
なお、上記加湿装置55において、霧化装置550は、印加される高周波電圧(電力)に応じた超音波を発生させて当該超音波により改質水タンク57内の改質水を霧化する超音波式の霧化装置であるが、霧化装置550の構成は、これに限られるものではない。すなわち、霧化装置550は、例えばノズルおよび加圧ポンプ等を含む超音波式以外の方式によるものであってもよい。また、上記燃料電池システム10において、加湿装置55は、原燃料ガスを加湿するのに用いられるが、反応ガスとしてのカソードガス(エア)を加湿するのに用いられてもよい。すなわち、燃料電池システム10において、原燃料ガスに加えてカソードガスが加湿される場合には、当該燃料電池システム10に対して、カソードガスを加湿するための専用の加湿装置55が追設されてもよい。また、この場合、単一の加湿装置55が原燃料ガスおよびカソードガスの双方を独立に加湿可能に構成されてもよい。更に、燃料電池システム10の改質器33と脱硫器46との間に気化器が配置される場合には、加湿装置55がカソードガスのみを加湿するのに用いられてもよい。
In the
そして、本開示の発明は、上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の外延の範囲内において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。更に、上記実施形態は、あくまで発明の概要の欄に記載された発明の具体的な一形態に過ぎず、発明の概要の欄に記載された発明の要素を限定するものではない。 And the invention of this indication is not limited to the said embodiment at all, and it cannot be overemphasized that various changes can be made within the range of the extension of this indication. Furthermore, the above-described embodiment is merely a specific form of the invention described in the Summary of Invention column, and does not limit the elements of the invention described in the Summary of Invention column.
本開示の発明は、燃料電池システムの製造産業等において利用可能である。 The invention of the present disclosure can be used in the fuel cell system manufacturing industry and the like.
1 原燃料供給源、2 系統電源、3 電力ライン、4 負荷、10 燃料電池システム、20 発電ユニット、22 筐体、24 換気ファン、30 発電モジュール、31 モジュールケース、33 改質器、34 燃焼部、35 点火ヒータ、36 温度センサ、40 原燃料ガス供給系統、41 原燃料ガス供給管、42,43 原燃料ガス供給弁、45 原燃料ガスポンプ、46 脱硫器、47 圧力センサ、48 流量センサ、50 エア供給系統、51 エア供給管、52 エアフィルタ、53 エアブロワ、54 流量スイッチ、55 加湿装置、550 霧化装置、551 超音波振動子、552 駆動回路、56a 原燃料供給管、56b 原燃料流出管、57 改質水タンク、57b 底部、57c,57d 側板部、57i ガス供給口、57o ガス流出口、57s 天板部、57V ドレンバルブ、57w 改質水供給口、570 拡散部材、570c 切欠、571 第1邪魔板、572 第2邪魔板、573 仕切板、58 水精製器、59 液位センサ、60 排熱回収系統、61 循環配管、62 熱交換器、63 循環ポンプ、66 凝縮水供給管、67 排気管、71 パワーコンディショナ、72 電源基板、80 制御装置、81 CPU、82 ROM、83 RAM、90 表示パネル、100 給湯ユニット、101 貯湯タンク、CS セルスタック、FC 燃料電池。 1 Raw fuel supply source, 2 system power supply, 3 power line, 4 load, 10 fuel cell system, 20 power generation unit, 22 housing, 24 ventilation fan, 30 power generation module, 31 module case, 33 reformer, 34 combustion section , 35 Ignition heater, 36 Temperature sensor, 40 Raw fuel gas supply system, 41 Raw fuel gas supply pipe, 42, 43 Raw fuel gas supply valve, 45 Raw fuel gas pump, 46 Desulfurizer, 47 Pressure sensor, 48 Flow rate sensor, 50 Air supply system, 51 Air supply pipe, 52 Air filter, 53 Air blower, 54 Flow rate switch, 55 Humidifier, 550 Atomizer, 551 Ultrasonic vibrator, 552 Drive circuit, 56a Raw fuel supply pipe, 56b Raw fuel outflow pipe 57 reformed water tank, 57b bottom, 57c, 57d side plate, 57i gas supply port, 5 o Gas outlet, 57s top plate, 57V drain valve, 57w reformed water supply port, 570 diffusion member, 570c notch, 571 first baffle plate, 572 second baffle plate, 573 partition plate, 58 water purifier, 59 Liquid level sensor, 60 Waste heat recovery system, 61 Circulation pipe, 62 Heat exchanger, 63 Circulation pump, 66 Condensate supply pipe, 67 Exhaust pipe, 71 Power conditioner, 72 Power supply board, 80 Controller, 81 CPU, 82 ROM, 83 RAM, 90 display panel, 100 hot water supply unit, 101 hot water storage tank, CS cell stack, FC fuel cell.
Claims (7)
前記加湿装置は、
水を貯留すると共に、前記反応ガスが供給されるガス供給口および前記反応ガスを流出させるガス流出口を有する水タンクと、
前記水タンク内の水を霧化する霧化装置と、
前記霧化装置により霧化された水を前記水タンク内で前記ガス供給口側および前記ガス流出口側へと拡散させる拡散部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an anode gas and a cathode gas, and a humidifier that humidifies a reaction gas that is at least one of the raw fuel gas of the anode gas and the cathode gas and supplies the humidified reaction gas to the fuel cell side In a fuel cell system including
The humidifier is
A water tank having a gas supply port through which the reaction gas is supplied and a gas outlet through which the reaction gas flows out, while storing water;
An atomizing device for atomizing water in the water tank;
A diffusion member for diffusing the water atomized by the atomizer to the gas supply port side and the gas outlet side in the water tank;
A fuel cell system comprising:
前記霧化装置は、前記水タンク内の下部に配置され、
前記拡散部材は、前記水タンクの天板部の下方から前記霧化装置の上方まで延在して該水タンクの内部を前記ガス供給口側と前記ガス流出口側とに仕切る板体であることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The atomization device is disposed at a lower portion in the water tank,
The diffusion member is a plate that extends from below the top plate portion of the water tank to above the atomizer and partitions the inside of the water tank into the gas supply port side and the gas outlet port side. A fuel cell system.
前記加湿装置は、
前記拡散部材よりも前記ガス供給口側で前記天板部から前記水タンク内の液面の上方まで延在して該水タンクの内部を前記拡散部材側と前記ガス供給口側とに仕切る第1の邪魔板と、
前記拡散部材よりも前記ガス流出口側で前記天板部から前記水タンク内の液面の上方まで延在して該水タンクの内部を前記拡散部材側と前記ガス流出口側とに仕切る第2の邪魔板とを更に備えることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The humidifier is
Extending from the top plate portion above the liquid surface in the water tank on the gas supply port side with respect to the diffusion member, and partitioning the inside of the water tank into the diffusion member side and the gas supply port side. 1 baffle,
The gas tank extends from the top plate portion above the liquid surface in the water tank on the gas outlet side of the diffusion member, and partitions the interior of the water tank into the diffusion member side and the gas outlet side. A fuel cell system further comprising two baffle plates.
前記加湿装置は、前記水タンクの液位を検出する液位センサと、前記水タンクから水を排出するためのドレンバルブと、前記液位センサにより検出される液位が所定値を超えないように前記ドレンバルブを制御する制御装置とを更に備えることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 3, wherein
The humidifier includes a liquid level sensor for detecting a liquid level in the water tank, a drain valve for discharging water from the water tank, and a liquid level detected by the liquid level sensor so as not to exceed a predetermined value. And a control device for controlling the drain valve.
前記ガス供給口および前記ガス流出口は、前記水タンクの天板部に設けられることを特徴とする燃料電池システム。 In the fuel cell system according to any one of claims 1 to 4,
The fuel cell system, wherein the gas supply port and the gas outlet are provided on a top plate portion of the water tank.
前記霧化装置は、印加される電力に応じた超音波を発生させて該超音波により前記水タンク内の水を霧化する超音波霧化装置であることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6,
The fuel atomizer is characterized in that the atomizer is an ultrasonic atomizer that generates ultrasonic waves according to the applied power and atomizes the water in the water tank by the ultrasonic waves.
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