JP4963797B2 - 燃料電池システムおよび水精製システム - Google Patents

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Description

本発明は、供給された水を純水化する水精製器に、水道水を使用して必要な水量を供給する燃料電池システムおよび水精製システムに関するものである。
水蒸気改質器を有する燃料電池システムにおいては、燃料極または酸化剤極から送出される排出ガス中の水蒸気を凝縮して回収水として回収する凝縮器と、凝縮器から供給される回収水を純水化するイオン交換樹脂を内蔵した水精製器が備えられ、水精製器に蓄えられた水がある一定以下に減少した場合には、外部から水精製器に水を供給(補給)することが行われている。供給水としては一般に水道水が利用され、このために、水道管に給水弁が設けられ、給水弁を適宜開弁して水精製器に必要な水量だけ供給するようにしている。
ところで、水精製器に供給すべき必要水量はきわめて少量であるのに対し、外部供給水として水道水を利用すると、水道水圧は通常400kpa程度と高圧であり、必要水量を確保するためには給水弁のオリフィス径を、0.1mm以下に絞る必要があるが、オリフィス径が小さいと、水道水中の珪素酸化物等が長期間の使用により堆積する可能性があり、また、水道管の内面より剥離した酸化物や水垢等の異物によって、オリフィスが目詰まりを起こしやすく、動作不具合につながる恐れがあった。
従来、珪素化合物の排出機能を高めた燃料電池システムとして、例えば特許文献1に記載されたものが知られている。特許文献1には、燃料電池システムにおいて、水蒸気分離器内の冷却水を一定のブローダウン周期毎に一定の放出時間および流速を保持して間欠的に外部に放出するブローダウン装置が記載され、これによって、従来ニードル弁部分の流路断面積が狭いことによって生じていた珪素化合物による流路の閉塞を排除し、ブローダウン配管の入口部分に堆積している珪素化合物の排出機能を高めるようにすることが記載されている。
特開平8−293313号公報(段落0015、図1)
しかしながら、上記した特許文献1に記載されたものにおいては、冷却水を一定のブローダウン周期毎に一定の放出時間および流速を保持して間欠的に放出するものであるので、1ブローダウン周期に占める放出時間が短縮された分だけ、ブローダウン配管入口部およびブローダウン装置内の流速が高まることになる。従って、特許文献1に記載のものでは、放出する水量を微小に制御することができない問題がある。また、この技術をイオン交換樹脂を内蔵した水精製器に水を供給するものに適用すると、供給される水の流速が高いために、水精製器に内蔵されたイオン交換樹脂に悪影響を及ぼすとともに、水精製器内を過度に攪拌して水を溢れさせる等の問題を生ずる恐れがあった。
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、水精製器への水の供給に水道水を使用する場合でも、比較的大きなオリフィス径を選定できるようにして、オリフィスの目詰まりの発生を抑制でき、しかも水精製器に供給する水量を微小に制御することができる燃料電池システムおよび水精製システムを提供することを目的とするものである。
上記の課題を解決するため、請求項1に係る発明は、燃料極に供給される燃料および酸化剤極に供給される酸化剤を用いて発電する燃料電池と、前記燃料極または酸化剤極から送出される排出ガス中の水蒸気を凝縮して回収水として回収する凝縮器と、該凝縮器から供給される回収水を純水化する水精製器と、該水精製器によって純水化された純水が供給され前記燃料電池に供給する前記燃料としての改質ガスを生成する改質器と、前記水精製器に水を供給する水道水供給系とを備えた燃料電池システムにおいて、前記水道水供給系に、水道水圧を減圧する減圧弁、および水供給時に間欠動作によって開閉制御され前記減圧弁によって減圧された水道水を前記水精製器に給水する給水弁を設けたことを特徴とする燃料電池システムである。
請求項2に係る発明は、請求項1において、前記給水弁の通路オリフィスの直径を0.5〜2.0mmとしたことを特徴とする燃料電池システムである。
請求項3に係る発明は、請求項1において、前記給水弁の通路オリフィスの直径を1.0〜1.5mmとしたことを特徴とする燃料電池システムである。
上記のように構成した請求項1に係る燃料電池システムの発明によれば、水道水供給系に、水道水圧を減圧する減圧弁および水供給時に開閉され減圧弁、および水供給時に間欠動作によって開閉制御され減圧弁によって減圧された水道水を水精製器に給水する給水弁を設けたので、減圧弁により給水弁の弁差圧を所定の圧力に低減でき、給水弁の弁径(オリフィス径)を異物に対して目詰まりを起こしにくい比較的大きな値に設定することができる。従って、水精製器に供給する水量を微小に制御することができる燃料電池システムを得ることができる。しかも、水精製器に水道水を時間をかけて緩やかに供給できるようになり、水精製器中の水を攪拌することがないので、例えば水精製器内にイオン交換樹脂が内蔵されている場合であっても、水精製器への水供給によってイオン交換樹脂に悪影響を及ぼすことがない。
しかも、給水弁が減圧弁の下流に配置されているので、給水弁には減圧された圧力が作用するだけであり、弁の耐圧性に優れた燃料電池システムを得ることができる。

上記のように構成した請求項2に係る燃料電池システムの発明によれば、給水弁の通路オリフィスの直径の下限を0.5mmに設定したので、水道水中の珪素酸化物、あるいは水道管の内面より剥離した酸化物や水垢等によっても、通路オリフィスの目詰まりを起こしにくくすることができ、また、給水弁の通路オリフィスの直径の上限を2.0mmに設定したので、水精製器への水供給の流量を少量に抑え込むことができる。
上記のように構成した請求項3に係る燃料電池システムの発明によれば、給水弁の通路オリフィスの直径を1.0〜1.5mmに設定したので、水道水圧を50kPa以下に減圧できる減圧弁を用いるだけで、水精製器へ供給する流量を少量に抑え込むことを容易に実現できるようになる。
以下、本発明に係る燃料電池システムの実施の形態について説明する。燃料電池システムは、図1に示すように、燃料電池10、および燃料電池10に必要な水素ガスを生成して供給する改質器20を備えている。燃料電池10は、燃料極11、酸化剤極12および両極11,12間に介装されたイオン交換膜からなる電解質13を備えており、燃料極11に供給された改質ガスおよび酸化剤極12に供給された酸化剤(カソードエア)を用いて発電するものである。
なお、燃料電池10の酸化剤極12には、酸化剤を供給する供給管61およびカソードオフガスを排出する排出管62が接続されており、これら供給管61および排出管62の途中には、酸化剤を加湿するための加湿器14が設けられている。この加湿器14は水蒸気交換型であり、排出管62中すなわち酸化剤極12から排出される気体中の水蒸気を除湿してその水蒸気を供給管61中すなわち酸化剤極12へ供給される酸化剤中に供給して加湿するものである。
改質器20は、天然ガス、LPGなどの炭化水素系の改質用燃料ガスおよび水蒸気が供給されて改質ガスを生成する改質部22、水ポンプ53から供給された純水を蒸発させて改質部22に供給する水蒸気を生成する蒸発器25、燃焼用燃料ガスと燃焼エアを混合して燃焼させ、改質部22および蒸発器25を加熱するための燃焼ガスを生成するバーナ21、改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去するCOシフト部23、COシフト部23から送出された改質ガスに含まれる一酸化炭素をさらに除去して燃料電池10の燃料極11に供給するCO選択酸化部24から構成されている。燃料電池11の燃料極11に導入された改質ガスは、酸化剤極12に導入されたカソードエア中の酸素ガスと反応して発電し水になるが、余剰の改質ガスであるアノードオフガスは燃料電池10よりバーナ21に送られて燃焼される。
バーナ21は、燃焼用燃料ガスと燃焼エアを混合して燃焼させ、燃焼ガスを生成する。改質用燃料ガスと蒸発器25で生成された水蒸気が混合されて改質部22に導入され、燃焼ガスによって加熱された触媒により水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応して改質ガスを生成する。
CO選択酸化部24には、図略のガスポンプおよびエアポンプから送出される改質用燃料ガスおよびCO選択酸化エアが改質用燃料ガス流路35およびエア流路36を通って同時に供給される。改質用燃料ガス流路35およびエア流路36には、両流路35、36をそれぞれ連通、閉鎖する弁装置V1、V2が設けられている。
燃料電池システムの停止時には、改質器20の改質ガス送出口、燃料電池10の改質ガス導入口およびアノードオフガス導出口を遮断し、起動運転時には、改質器20のCO選択酸化部24から送出される改質ガスを、燃料電池10をバイパスしてオフガス流路38を介してバーナ21に供給し、定常運転時には、改質ガスを改質ガス流路37を介して燃料電池10に供給し、燃料電池10から送出されるアノードオフガスをオフガス流路38を介してバーナ21に供給するために、改質ガス流路37とオフガス流路38には、両流路37,38をそれぞれ連通、閉鎖する弁装置V3、V4が設けられ、また、燃料電池10をバイパスするバイパス流路39には、弁装置V5が設けられている。
蒸発器25は、一端が水タンク50に接続され他端が改質部22に接続された改質水供給管68の途中に配設されている。改質水供給管68に設けられた水ポンプ53は制御装置によって制御され、水タンク50に貯留された改質水を汲み上げて蒸発器25に圧送するようになっている。
改質器20のCO選択酸化部24と燃料電池10の燃料極11とを連通する配管64の途中には、凝縮器30が設けられている。この凝縮器30は改質ガス用凝縮器31、アノードオフガス用凝縮器32およびカソードオフガス用凝縮器33が一体的に接続された一体構造体である。改質ガス用凝縮器31は配管64を流れて燃料電池10の燃料極11に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器32は、燃料電池10の燃料極11と改質器20のバーナ21とを連通する配管65の途中に設けられており、その配管65を流れて燃料電池10の燃料極11から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器33は、排出管62の加湿器14の下流に設けられており、その排出管62を流れて燃料電池10の酸化剤極12から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。なお、凝縮器30には、図示しない貯湯槽の低温液体またはラジエータおよび冷却ファンによって冷却された液体が供給されるようになっており、この液体との熱交換によって各ガス中の水蒸気を凝縮している。
これら凝縮器31,32,33は配管66を介して水精製器40に連通しており、各凝縮器31,32,33によって凝縮された凝縮水は、水精製器40に回収されるようになっている。水精製器40は、凝縮器30から供給された回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を水タンク50に導出するものである。
次に、水精製器40および水タンク50の具体的構成を図2に基づいて説明する。水精製器40は、上方に開口するU字状に形成されたハウジング41を備えている。このハウジング41は右筒体41aおよび左筒体41bと、両筒体41a,41bの下部を連通する連結部41cとから構成されている。右および左筒体41a,41bと連結部41cとの内部は上方に開口するU字状に形成された空間であり、この空間が回収水を流通させる通路42として機能し、この通路内にはイオン交換樹脂43aに抗菌剤43bが均一となるように混合され充填された充填部43が形成されている。
右および左筒体41a,41b内には充填部43の各上面に押え部材を兼ねたフィルタ44が当接されて取付け固定されている。フィルタ44は通過する液体をろ過するものである。なお、U字状通路42においては回収水が自重にて充填部43内を流通するように構成されている。
右筒体41aの上端(通路42の一端)には、有底筒状体に形成された導入部45の開口端が液密に接続されている。導入部45には有底筒状体の底をなす天壁45aが設けられ、この天壁45aには、凝縮器30から回収水を導入する配管66に接続された導入口45a1と、後述する水道管より供給される供給水を導入する導入口45a2が設けられている。また、天壁45aにはエア抜き口45a3が形成されている。
また、左筒体41bの上端(通路42の他端)には、水タンク50が一体的に形成されている。水タンク50は有底筒状体に形成されたハウジング51を備えており、このハウジング51の開口端が左筒体41bの上端に液密に接続されている。ハウジング51には有底筒状体の底をなす天壁51aが設けられ、この天壁51aには、エア抜き口51a1が設けられており、導入部45に回収水が供給されると、右筒体41aおよび左筒体41bを満たし、水タンク50内に貯水される。ハウジング51内上部には一端が外部に連通する排水管の他端が接続されるオーバーフロー口52が設けられており、左筒体41bの水位が上昇しオーバーフロー口52を越えるとそのオーバーフロー口52および排水管を通って外部に排水される。
ハウジング51の天壁51a上には水ポンプ53が取付け固定され、その吸込口53aには下端が水タンク50の底部(ハウジング51の開口端付近)まで延在されて配設された取水管68の上端が接続され、水ポンプ53の吐出口53bには上端が改質部22に接続された配管68の下端が接続される。取水管68の下端には、フィルタを持った取水部54が固定されている。さらに、水タンク50には貯水されている回収水中に配設されて同回収水の導電率を検出する導電率センサ55aがハウジング51の下部に固定された支持部55bによって支持固定されている。導電率センサ55aは取水部54付近に配置されている。
ハウジング51の天壁51a上には水タンク50内の上限および下限水位を検知できる水位センサ56が取付け固定されている。水位センサ56が下限水位を検知すると、水精製器40に対する水の供給(補給)を開始し、水位センサ56が上限水位を検知すると、水精製器40に対する水の供給を停止するようになっている。上限水位はオーバーフローラインより若干低い位置に設定され、下限水位は取水部54より若干高い位置に設定されている。なお、水精製器40および水タンク50内の水位は、図2に示すようにほぼ同レベルにある。
水精製器40には水道管80を介して水道水供給源が接続され、凝縮器31,32,33から供給された回収水で賄いきれない場合に、不足分を水道水供給源より適宜供給するようになっている。水道管80には減圧弁81および給水弁82が設けられ、減圧弁81によって水道水圧を所定の圧力に減圧する。給水弁82はある程度の異物を流せるように、その弁径、すなわちオリフィス径が以下のように設定されている。
すなわち、凝縮器30で回収される水回収量と要求水量の関係から供給が必要な水量は、例えば30cm/min程度の微少量である。一方、水道水圧はほぼ400kpaと高圧であるため、この圧力のままで必要水量を得ようとすると、オリフィス径を0.1mm以下にする必要がある。
しかしながら、水道水中には珪素酸化物の他に、水道管80の内面より剥離した酸化物や水垢等も存在するため、オリフィスの目詰まりを考慮すると、あまり小さくできない制約があり、比較的大きな異物に対しても目詰まりを起こさないことが必要となる。このことから、オリフィス径は最小でも0.5mm以上は必要となる。逆に、オリフィス径が大きすぎると、流量を少量に抑え込むことが難しくなるため、オリフィス径は最大でも2.0mmを越えないようにすることが望まれる。このオリフィス径の範囲(0.5〜2.0mm)内において、減圧弁81によってもたらされる給水弁82前後の弁差圧と、水精製器40に必要な供給水量とに基づいて、給水弁82のオリフィス径が決定される。なお、弁差圧を小さくすれば、その分オリフィス径を大きくすることできるが、弁差圧を小さくするためには、水道水圧を減圧弁81によって大きく減圧する必要があり、1個の減圧弁によって減圧できる圧力には自ずと限界がある。このことから、1個の減圧弁によって実現でき、目詰まりを起こしにくく、かつ流量も抑え込むことができる最適なオリフィス径は、1.0〜1.5mmとなる。
図3は、弁差圧をパラメータにして、オリフィス径と最大流量との関係を示したグラフであり、このグラフより、給水弁82の弁径(オリフィス径)を1mm程度にするためには、弁差圧を50kPa以下に下げるとともに、給水弁82を常時開ではなく、一定時間毎に開閉動作を繰り返す間欠動作を行うことにより、必要水量に流量を絞り込めることが確認できた。また、同図より、給水弁82の弁径を1.5mm程度にするためには、弁差圧を50kPa以下にするとともに、給水弁82を常時開ではなく、一定時間毎に開閉動作を繰り返す間欠動作を行うことにより、必要水量に流量を絞り込めることが確認できた。
次に、上記した実施の形態における燃料電池システムの作用について説明する。燃料電池システムの停止時においては、弁装置V1〜V5は遮断位置に保持され、燃料電池10および改質器20が外部から遮断されている。燃料電池システムの起動運転が指令されると、弁装置V1、V2が開弁され、ガスポンプより送出される改質用燃料ガスが弁装置V1を介して改質器20の改質部22に供給されるとともに、エアポンプより送出されるCO選択酸化エアが弁装置V2を介してCO選択酸化部24に供給される。
また、起動運転時においては、弁装置V3,V4が閉状態とされ、弁装置V5が開状態とされており、改質部22からCOシフト部23およびCO選択酸化部24を介して導出された改質ガスは、燃料電池10に供給されないでバイパス流路39を通ってバーナ21に供給され、燃焼される。運転に伴って、改質ガス中の一酸化炭素が所定量以下となると、弁装置V3,V4が開状態とされるとともに、弁装置V5が閉状態とされ、改質部22から導出される一酸化炭素の含有率の低い改質ガスは燃料電池10の燃料極11に導入され、酸化剤極12に導入される酸化剤(カソードエア)と反応して発電する。
燃焼用燃料ガスおよび燃焼エアがバーナ21に供給されると、これら燃焼用燃料ガスおよび燃焼エアはバーナ21にて燃焼され、生成された燃焼ガスが改質部22の触媒を加熱するとともに、蒸発器25で水蒸気を生成する。ガスポンプより送出された改質用燃料ガス、および蒸発器25で生成された水蒸気が混合されて図略の熱交換部で予加熱されて改質部22に供給され、燃焼ガスによって加熱された触媒により水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応して改質ガスが生成される。改質部22から導出された改質ガスは、COシフト部23およびCO選択酸化部24により一酸化炭素ガスの濃度を低減され、凝縮器30を介して燃料電池10に送り込まれる。そして、余剰の改質ガスであるアノードオフガスは燃料電池10から凝縮器30を介してバーナ21に送られ、燃焼される。
燃料電池システムの運転中において、凝縮器30にて凝縮され回収された回収水は配管66を通って自重にて直下流の水精製器40に供給される。水精製器40の導入部45に流入した回収水は、右筒体41a内を自重によって上から下へ向かって流れ、連結部41c内を通って左筒体41b内に流入する。左筒体41bに流入した回収水は右筒体41a内に溜まった回収水の自重で左右両筒体41a,41bの水位が同程度(水精製器40の圧損分の水位差がある。)まで左筒体41b内を下から上へ流れて水ポンプ50に到達する。すなわち水精製器40内の回収水は自重によって充填部43を通って直下流の水ポンプ50に到達して貯水される。この貯水されている回収水はイオン交換樹脂43aによって純水化される。そして、水ポンプ50に貯水された回収水は、燃料電池10の負荷に応じた所定量が水ポンプ53によって改質器20に給水される。なお、燃料電池10から凝縮器30までの配管中では水滴が発生するおそれがあり、例え水滴が発生しても、燃料電池10は凝縮器30より上方に設置されており、燃料電池10から凝縮器30までの配管もその内部の流体が自重にて流れ落ちるように構成されているので、燃料電池10の液体は配管を通って直下流の凝縮器30に自重にて流れ落ちる。
このような回収水の流れの中で、水精製器40および水ポンプ50においては、水精製器40の導入部45に流入する液体の量が改質器20に供給される量より大きくなりその水位がオーバーオフロー口52より高くなればオーバーフロー口52および排水管を通って外部に排水される。また、水ポンプ50内の水位は、水位センサ56により監視されており、水位センサ56が下限水位を検知すると、給水弁82が開弁される。これにより、水道水供給源より送出された水道水が減圧弁81によって所定圧力に減圧され、給水弁82の弁オリフィスを介して水精製器40に供給される。そして、水位センサ56が上限水位を検知すると、給水弁82が閉弁され、水精製器40に対する水の供給が停止される。
この際、減圧弁81によって弁差圧が所定の圧力に低減されているので、給水弁82の弁径(オリフィス径)が比較的大きな異物に対しても目詰まりを起こさない値に設定されていても、水精製器40に供給される水量を微小に制御することができる。すなわち、水精製器40への水の供給が比較的時間をかけて行うことができるようになり、水精製器40に水道水が時間をかけて緩やかに供給されるようになる。従って、水精製器40に供給される水によって、水精製器40中の水が攪拌されることがないとともに、水精製器40に内蔵されたイオン交換樹脂に悪影響を及ぼすことがなく、しかも給水弁82の閉止時期のばらつきに左右されることなく水の供給を正確に行うことができるようになる。
なお、水精製器40に供給される必要水量は、水ポンプ50の容量、ひいては燃料電池システムの発電容量に応じて異なるものであることは当然である。
上記した実施の形態においては、水精製器40への水道水の供給を、水タンク50に設けた水位センサ56の下限水位検知に基づいて給水弁82を開弁し、水位センサ56の上限水位検知に基づいて給水弁82を閉弁する例について述べたが、給水弁82の開弁時間をタイマにて計測し、タイマのタイムアップによって給水弁82を閉弁制御することもできる。
また、上記した実施の形態で述べた改質装置は、改質用燃料として天然ガス、LPGなどの炭化水素系の改質用燃料ガスを使用して改質ガスを生成するものであるが、灯油等の炭化水素系の液体燃料を気化して使用したり、メタノール等のアルコール系の液体燃料を気化して使用して改質ガスを生成するものでもよい。また、改質装置を設けずに、純水素などの水素を含む燃料を燃料電池の燃料極に供給してもよい。
また、上記した実施の形態においては、燃料電池の燃料極あるいは酸化剤極から送出されるオフガス中の水蒸気を凝縮して回収水として回収する凝縮器と、凝縮器から供給される回収水を純水化するイオン交換樹脂を内蔵した水精製器と、水精製器によって純水化された回収水を貯留する水タンクと、水精製器に水を供給する水道水供給系とによって燃料電池システムを構成したが、凝縮器および水タンクは本発明にとって必ずしも必要な要件ではなく、水精製器もイオン交換樹脂内蔵タイプに限定されるものではない。
さらに、上記した実施の形態においては、本発明を燃料電池システムに適用した例について述べたが、本発明は燃料電池システムに限定されるものではなく、供給された水を純水化する水精製器に水を供給する水精製システムに適用しても有効である。
本発明の実施の形態を示す燃料電池システムの概要図である。 水精製器および水タンクの詳細を示す図である。 オリフィス径に対する最大流量を示す図である。
符号の説明
10…燃料電池、11…燃料極、12…酸化剤極、20…改質器、21…バーナ、22…改質部、23…COシフト部、24…CO選択酸化部、25…蒸発器、30…凝縮器、40…水精製器、50…水タンク、53…水ポンプ、56…水位センサ、80…水道管、81…減圧弁、82…給水弁。

Claims (3)

  1. 燃料極に供給される燃料および酸化剤極に供給される酸化剤を用いて発電する燃料電池と、前記燃料極または酸化剤極から送出される排出ガス中の水蒸気を凝縮して回収水として回収する凝縮器と、該凝縮器から供給される回収水を純水化する水精製器と、該水精製器によって純水化された純水が供給され前記燃料電池に供給する前記燃料としての改質ガスを生成する改質器と、前記水精製器に水を供給する水道水供給系とを備えた燃料電池システムにおいて、
    前記水道水供給系に、水道水圧を減圧する減圧弁、および水供給時に間欠動作によって開閉制御され前記減圧弁によって減圧された水道水を前記水精製器に給水する給水弁を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 請求項1において、前記給水弁の通路オリフィスの直径を0.5〜2.0mmとしたことを特徴とする燃料電池システム。
  3. 請求項1において、前記給水弁の通路オリフィスの直径を1.0〜1.5mmとしたことを特徴とする燃料電池システム。
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