JP5022592B2 - Gas-liquid separator and fuel cell power generation system equipped with gas-liquid separator - Google Patents
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Description
本発明は、多孔質の毛細管力を利用した気液分離装置およびそのような気液分離装置を備えた燃料電池発電システムに関する。 The present invention relates to a gas-liquid separation device using a porous capillary force and a fuel cell power generation system including such a gas-liquid separation device.
近年、高効率のエネルギー変換装置として燃料電池が注目を集めている。特に、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子膜を用いた固体高分子形燃料電池は、コンパクトな構造で高い出力密度が得られ、かつ簡略なシステムで運転が可能なことから、定置用分散電源だけでなく宇宙用や移動用などの電源として注目されている。 In recent years, fuel cells have attracted attention as highly efficient energy conversion devices. In particular, solid polymer fuel cells that use proton-conducting solid polymer membranes as electrolytes have a compact structure and high power density, and can be operated with a simple system. It is attracting attention not only as a power source but also as a power source for space and mobile use.
このような固体高分子形燃料電池発電システムとして知られている従来技術の概略を、図10を用いて以下に説明する。このシステムは、燃料電池本体1と、前記の燃料電池本体1に反応ガスを供給する反応ガス供給系2と、前記燃料電池本体1から排出される既反応ガスに含まれる水分を回収する水分回収系3と、前記電池本体で発生する熱を除去するための電池本体冷却系4を主要モジュールとして構成されている。以下に主要モジュールを詳細に説明する。
The outline of the prior art known as such a polymer electrolyte fuel cell power generation system will be described below with reference to FIG. This system includes a fuel cell
燃料電池本体1は、固体高分子膜の両面にガス拡散電極(燃料極1aおよび酸化剤極1b)をそれぞれ配置した膜電極複合体と、燃料ガスおよび酸化剤ガスを前記ガス拡散電極にそれぞれ供給するための反応ガス供給溝を設けた反応ガス供給セパレータとからなる単位電池を、発電の際に発生する熱を除去する冷却板1cを介して複数積層した構成である。また、個々の反応ガス供給セパレータへの反応ガス供給または個々の反応ガス供給セパレータからの反応ガス排出のための、反応ガス供給マニホールドおよび反応ガス排出マニホールドを前記の積層体側面に設けている。固体高分子膜としては、プロトン交換膜であるパーフルオロカーボンスルホン酸(ナフィオンR:米国、デュポン社)が一般的に知られている。また、ガス拡散電極としては白金等を触媒とする触媒層を形成したカーボン多孔質板が一般的に用いられている。
The fuel cell
前記の燃料電池本体1に水素を主成分する燃料ガスおよび酸化剤ガス(空気)を供給すると、それぞれの単位電池で下記の電気化学反応が進行し、それぞれの単位電池の電極間で1V程度の起電力が生じる。
When a fuel gas containing hydrogen as a main component and an oxidant gas (air) are supplied to the fuel cell
燃料極 :2H2 → 4H++4e− (式1)
酸化剤極:O2+4H++4e− → 2H2O (式2)
Fuel electrode: 2H 2 → 4H + + 4e − (Formula 1)
Oxidant electrode: O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (Formula 2)
燃料極では(式1)に示すように供給した水素は、水素イオンと電子に解離する。水素イオンは固体高分子膜を通って、電子は外部回路を通ってそれぞれ酸化剤極に移動する。一方、酸化剤極では(式2)に示すように供給した空気中の酸素と上記の水素イオンおよび電子が反応して水を生成する。このとき、外部回路を通った電子は電流となり電力を供給することができる。燃料電池本体1に供給され、反応に使用されなかったガスおよび加湿水蒸気と電池反応により生成した水は既反応ガスとして燃料電池本体1から排出されることから、既反応ガスには多量の水分が含まれる。
At the fuel electrode, as shown in (Formula 1), the supplied hydrogen is dissociated into hydrogen ions and electrons. Hydrogen ions move through the solid polymer film, and electrons move through the external circuit to the oxidant electrode. On the other hand, at the oxidizer electrode, as shown in (Formula 2), oxygen in the supplied air reacts with the hydrogen ions and electrons to generate water. At this time, electrons passing through the external circuit become current and can supply power. Since the gas that has been supplied to the
反応ガス供給系2は空気供給系2aと燃料ガス供給系2bからなる。固体高分子形燃料電池では、電解質である固体高分子膜は湿潤状態でプロトン伝導性となることから反応ガス供給系2には一般的に加湿器2cを設けている。但し、メタンなどの炭化水素を原燃料として使用する場合には、燃料と水蒸気を反応させて水素リッチなガスに改質するための燃料改質器2dおよび加熱用バーナ2eが必要となるが、改質後の燃料ガスには水蒸気が含まれることから燃料ガス供給系2bについては加湿しない場合もある。
The reactive gas supply system 2 includes an
なお、図10では水蒸気改質に必要となる燃料改質器2dへの水蒸気供給ラインを省略している。また、2fはバーナ2eの排気系に設けられた熱交換器、2gは燃料改質器2dおよび加湿器2cから燃料電池本体1へ送出される反応ガスの供給配管である。
In FIG. 10, the steam supply line to the fuel reformer 2d required for steam reforming is omitted. Further, 2f is a heat exchanger provided in the exhaust system of the burner 2e, and 2g is a supply pipe for reaction gas sent from the fuel reformer 2d and the humidifier 2c to the fuel cell
水分回収系3は燃料電池本体1から排出される電池反応後の既反応ガスに含まれる水分を除去する系であり、熱交換器3aと気液分離器3bから構成されていることが一般的である。酸化剤極側の気液分離器3bに回収される水は、反応ガスに予め加湿した水分および燃料電池本体1での(式2)の反応による生成水であり、一般的には回収する水量が多いことから、回収水はポンプ3cにより冷却水タンク4aに回収され冷却水または加湿水として利用される。なお、水分回収後の既反応の空気はシステム系外に排出される。
The moisture recovery system 3 is a system for removing moisture contained in the already-reacted gas after the cell reaction discharged from the
燃料極側の気液分離器3aに回収される水は反応ガスに予め加湿した水分または燃料改質により含まれる水分が殆どであり系外に排出されることもあるが、システム内での水自立運転(外部から水をシステムに供給しないで運転)をする場合にはポンプ3cにより冷却水タンク4aに回収することもある。また、メタンなどの炭化水素を原燃料として使用する場合には、水分回収後の残燃料ガスは燃料改質に必要となる熱を供給するために残燃料ガス回収ライン3dにより燃料改質器2dに設けたバーナ2eに供給され燃焼される。 The water recovered by the gas-liquid separator 3a on the fuel electrode side is mostly water previously humidified in the reaction gas or water contained in the fuel reforming and may be discharged outside the system. When performing a self-supporting operation (operation without supplying water to the system from the outside), the water may be collected in the cooling water tank 4a by the pump 3c. When a hydrocarbon such as methane is used as a raw fuel, the remaining fuel gas after moisture recovery is supplied to the fuel reformer 2d by the remaining fuel gas recovery line 3d in order to supply heat necessary for fuel reforming. Is supplied to the burner 2e provided for combustion and burned.
電池本体冷却系4は燃料電池本体1で発電する際に生じる反応熱を系外に排出する系である。ポンプ4bにより冷却水タンク4aに貯蔵した冷却液を冷却液循環配管4cを介して燃料電池本体1の冷却板1cに循環している。冷却水タンク4aに回収された排熱は熱交換器4dにより回収され熱利用される。なお、温水として直接利用することも可能である。また、冷却液が水である場合はその一部を反応ガス加湿水として加湿器2cに供給して使用することができる。
The battery main body cooling system 4 is a system for discharging reaction heat generated when power is generated by the fuel cell
上記の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、反応ガス供給配管2gまたは気液分離後の残燃料ガスを燃料改質器用燃焼バーナ2eに供給する残燃料ガス回収ライン3d中には多量の水蒸気を含むガスが流通する。このため、配管の温度が一部でも低くなるとその部分で水蒸気が凝縮し気液二相流体となるために種々の問題を引き起こす。特に、システム起動時にはガス配管は冷えていることから、ガス配管内で水蒸気が凝縮しやすいので問題となることが多い。 In the polymer electrolyte fuel cell power generation system described above, a large amount of water vapor is contained in the residual fuel gas recovery line 3d that supplies the reaction gas supply pipe 2g or the residual fuel gas after gas-liquid separation to the combustion burner 2e for the fuel reformer. Gas containing it circulates. For this reason, when the temperature of the pipe is lowered even partly, the water vapor condenses in that part and becomes a gas-liquid two-phase fluid, causing various problems. In particular, since the gas pipe is cold when the system is started, water vapor tends to condense in the gas pipe, which often causes a problem.
例えば、反応ガス供給配管2g中で水蒸気が凝縮すると、燃料電池本体1の反応ガス供給マニホールドに供給される反応ガスに含まれる水は反応ガス供給部に近い単位電池に多く供給されることになり、電池本体内での反応ガス配流を悪くする。その結果、各単位電池の電池性能にバラツキが生じ、電池本体の電池性能が著しく不安定となる。なお、燃料電池本体1の反応ガス供給マニホールド内で水蒸気が凝集する場合も、同様の現象が起こる。また、気液分離後の残燃料ガスを燃料改質器用燃焼バーナ2eに供給する残燃料ガス回収ライン中で水蒸気が凝集すると、燃料改質器用燃焼バーナ2eが失火する場合がある。
For example, when water vapor condenses in the reaction gas supply pipe 2g, a large amount of water contained in the reaction gas supplied to the reaction gas supply manifold of the fuel cell
これらの対策として、特許文献1には水蒸気の凝縮を防止するためにガス配管を保温する方法が開示されている。また、特許文献2には水を除去する手段として吸水剤を充填した吸水器を設ける方法が開示されている。
As these countermeasures,
また、気液二相流体となった場合の対策として、一般的には配管を分岐してU字管を設けることにより、気液二相流体を水封して液相体のみを分離排出する方法等が考えられるが、気液二相流体の圧力が高くなると水封が破れることがある。封水耐圧はU字管の水頭圧と等しく、高い封水耐圧は期待できない。さらに、液相流体の排出口にバルブを設け、一定の液相流体が溜まった時にバルブを開き、液相流体を排出する方法が考えられるが、排出用のバルブ、および制御のための機器が必要となる。 In addition, as a countermeasure when it becomes a gas-liquid two-phase fluid, in general, a pipe is branched and a U-shaped tube is provided, so that the gas-liquid two-phase fluid is sealed with water and only the liquid phase is separated and discharged. Although a method etc. can be considered, when the pressure of a gas-liquid two-phase fluid becomes high, a water seal may be broken. The sealing pressure resistance is equal to the water head pressure of the U-shaped tube, and a high sealing pressure resistance cannot be expected. In addition, a method may be considered in which a valve is provided at the discharge port of the liquid phase fluid, and the valve is opened when a certain amount of the liquid phase fluid has accumulated, and the liquid phase fluid is discharged. Necessary.
さらに、燃料電池本体1から排出される既反応ガスは多量の水分を含む気液二相流体となっている。このため既反応ガス配管は水詰まりしやすく圧損が高くなり、反応ガス供給が不安定となることにより電池性能が低下することがある。
Furthermore, the already reacted gas discharged from the fuel cell
上記のことから既反応ガスを速やかに気液分離する必要がある。この対策として、特許文献3には、反応ガス中の水蒸気を凝縮水として気液分離する方法が開示されている。また、凝縮水の排出口にバルブを設け、一定の凝縮水が溜まった時にバルブを開き、凝縮水を排出する方法が考えられるが、排出用のバルブ、水ポンプおよびそれらの制御のための機器が必要となる。 From the above, it is necessary to quickly gas-liquid separate the existing reaction gas. As a countermeasure against this, Patent Document 3 discloses a method of performing gas-liquid separation using water vapor in the reaction gas as condensed water. In addition, a condensate discharge port may be provided, and when a certain amount of condensate has accumulated, the valve may be opened to discharge the condensate, but a discharge valve, water pump, and devices for controlling them Is required.
このような燃料電池発電システムにおける気液二相流体に起因する問題点を解決するために、システムの各所に気液分離装置を設けることも考えられる。例えば、特許文献4には、気液二相流体が流れる配管の途中に液体の分岐配管を分岐し、その分岐部分に多孔質体を配置することで、液体は多孔質体を通過して分岐配管側に流れ、気体は多孔質体の細孔内に浸入した液体の毛細管力に阻止されて分岐配管側へは流出することがないようにした気液分離装置が示されている。 In order to solve the problems caused by the gas-liquid two-phase fluid in such a fuel cell power generation system, it is conceivable to provide gas-liquid separators at various points in the system. For example, in Patent Document 4, a liquid branch pipe is branched in the middle of a pipe through which a gas-liquid two-phase fluid flows, and a porous body is arranged at the branch portion, so that the liquid branches through the porous body. A gas-liquid separation device is shown in which the gas flows to the piping side, and the gas is blocked by the capillary force of the liquid that has entered the pores of the porous body and does not flow out to the branch piping side.
確かに、特許文献4の気液分離装置は配管の分岐部分に毛細管力を利用した多孔質体を設けるという簡単な構成で、気液を効果的に分離できる利点がある。しかし、この種の気液分離装置は、多孔質体中に常時液体が存在しないと、気体の阻止効果がなくなるため、前記のような燃料電池発電システムの各所には利用できないものであった。すなわち、燃料電池発電システム内を流れる気体は必ずしも気液二相体ではない。例えば、燃料電池本体に反応ガスを供給する反応ガス供給配管2a、2b内を流通する気体は基本的には相対湿度100%以下であり、常時液体が含まれているものとは限らない。
Certainly, the gas-liquid separation device of Patent Document 4 has an advantage that gas-liquid can be effectively separated with a simple configuration in which a porous body using capillary force is provided at a branching portion of a pipe. However, this type of gas-liquid separation device cannot be used in various parts of the fuel cell power generation system as described above, because the gas blocking effect is lost if no liquid is always present in the porous body. That is, the gas flowing in the fuel cell power generation system is not necessarily a gas-liquid two-phase body. For example, the gas flowing through the reaction
そのため、多孔質体内に液体を捕捉した状態では気体のシール効果があったとしても、気体が配管内を流れている間に多孔質体内に存在する液体が蒸発して除去され、毛細管力によるウエットシール機能が失われるため、その部分から気体が分岐管側に漏れてしまう問題を生じる。また、発電停止中には配管内に気体が流通しないかまたは、湿度の低いパージガスが流通するため、多孔質体内に存在する液体が蒸発して除去され、毛細管力によるウエットシール機能が失われることから、起動時に反応ガスが漏れる問題を生じる。 Therefore, even if there is a gas sealing effect in a state where the liquid is trapped in the porous body, the liquid present in the porous body is evaporated and removed while the gas flows in the pipe, and the wet due to capillary force Since the sealing function is lost, there arises a problem that gas leaks from the portion to the branch pipe side. In addition, when power generation is stopped, gas does not circulate in the piping or purge gas with low humidity circulates, so that the liquid present in the porous body is evaporated and removed, and the wet seal function due to capillary force is lost. Therefore, there arises a problem that the reaction gas leaks at the time of startup.
上記の様に、固体高分子形燃料電池発電システム内には、既反応ガス配管や冷却水タンクの様に、内部に気相流体と液相流体からなる気液二相流体が流通する場所や、反応ガス供給配管や残燃料ガス回収ラインの様に環境温度などの外部条件により内部の流体が気液二相流体となる場所が多い。一方、システム内の気液二相流体は電池性能を不安定にする、または著しく低下させることから、気液二相流体から液相流体を速やかに分離排出する必要がある。 As described above, in the polymer electrolyte fuel cell power generation system, there are places where a gas-liquid two-phase fluid consisting of a gas phase fluid and a liquid phase fluid circulates inside, such as a reaction gas pipe and a cooling water tank. There are many places where the internal fluid becomes a gas-liquid two-phase fluid due to external conditions such as environmental temperature, such as the reaction gas supply pipe and the residual fuel gas recovery line. On the other hand, since the gas-liquid two-phase fluid in the system makes the battery performance unstable or significantly deteriorates, it is necessary to quickly separate and discharge the liquid-phase fluid from the gas-liquid two-phase fluid.
これらの要求に応えるため、前記特許文献4に示すような毛細管力を利用した簡単な構造の気液分離装置を燃料電池発電システムに使用した場合に、配管内を流れる相対湿度100%以下の気体により多孔質内に捕捉した液体が失われると、毛細管力によるシール機能が失われ、気体の漏洩が生じる不都合があった。 In order to meet these requirements, when a gas-liquid separator having a simple structure using capillary force as described in Patent Document 4 is used in a fuel cell power generation system, a gas having a relative humidity of 100% or less flowing in the pipe is used. If the liquid trapped in the porous material is lost, the sealing function due to the capillary force is lost and gas leakage occurs.
本発明は、バルブ操作など特別な制御を必要とせず、気液二相流体から液相流体のみを確実に、かつ速やかに分離排出できる気液分離装置及びそれを使用した燃料電池発電システムを提供することを目的とする。 The present invention provides a gas-liquid separator capable of reliably and quickly separating and discharging only a liquid phase fluid from a gas-liquid two-phase fluid without requiring special control such as valve operation, and a fuel cell power generation system using the same. The purpose is to do.
より具体的には、反応ガス供給系の反応ガス供給配管や残燃料ガス回収ラインについては、前記配管内には通常、相対湿度100%に近い水蒸気を含むガスが流通しているため、システム起動時や、外気温が低下した時は配管内で水蒸気が凝縮し気液二相流体となることがある。この場合でもバルブ操作など特別な制御を必要とせず、配管内の圧力が上昇しても気相流体を漏らすことなく、液相流体のみを確実に、かつ速やかに分離排出できる技術を提案する。 More specifically, with respect to the reaction gas supply pipe and the residual fuel gas recovery line of the reaction gas supply system, a gas containing water vapor with a relative humidity close to 100% normally circulates in the pipe. When the outside air temperature decreases, the water vapor may condense in the pipe and become a gas-liquid two-phase fluid. Even in this case, a technique is proposed that does not require special control such as valve operation, and can reliably and quickly separate and discharge only the liquid phase fluid without leaking the gas phase fluid even when the pressure in the pipe rises.
水分回収系については、バルブ操作など特別な制御を必要とせず、気相流体を漏らすことなく、既反応ガス配管内に流通する気液二相流体から液相流体のみを確実に、かつ速やかに分離排出できる技術を提案する。 The moisture recovery system does not require special control such as valve operation, and only liquid phase fluid is reliably and promptly extracted from the gas-liquid two-phase fluid flowing in the existing reaction gas piping without leaking the gas phase fluid. Propose technologies that can be separated and discharged.
また、前記燃料電池発電システムの各系統に使用する気液分離装置として、相対湿度100%以下の気体のように配管内を流れる流体から液体の供給がなくても、多孔質体内に存在する液体が乾燥することなく、毛細管力によるシール機能が確実に発揮され、配管内を流れる気体の漏洩を防止できる技術を提案する。 In addition, as a gas-liquid separator used in each system of the fuel cell power generation system, a liquid that exists in a porous body can be obtained even if no liquid is supplied from a fluid flowing in a pipe such as a gas having a relative humidity of 100% or less. We propose a technology that can reliably prevent the leakage of gas flowing in the piping without causing the air to dry and the sealing function by capillary force to be exerted reliably.
本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池本体と、前記の燃料電池本体に反応ガスを供給する反応ガス供給系と、前記燃料電池本体から排出される既反応ガスに含まれる水分を回収する水分回収系と、前記電池本体で発生する熱を除去するための電池本体冷却系を備えた燃料電池発電システムにおいて、前記水分回収系を構成する配管の一部に、この配管から分岐した液体の分岐配管が設けられ、前記分岐配管の一部にU字形の液体貯溜部が形成され、この液体貯溜部に貯留されている液体内に毛細管力によって気体の流通を阻止する多孔質体が配置された気液分離装置が設けられ、前記気液分離装置が、水回収系の配管における気液二相流体が流れる垂直部分とその側方に伸びる液体を分離後の気体が流れる水平部分とからなるL字形の屈曲部分に配置され、前記L字形の垂直部分の下部から前記分岐配管が垂直に分岐されていることを特徴とする。
The fuel cell power generation system of the present invention includes a fuel cell main body, a reaction gas supply system for supplying a reaction gas to the fuel cell main body, and a water for recovering water contained in the existing reaction gas discharged from the fuel cell main body. In a fuel cell power generation system including a recovery system and a battery main body cooling system for removing heat generated in the battery main body, a liquid branch branched from the pipe is formed in a part of the pipe constituting the moisture recovery system A pipe is provided, a U-shaped liquid reservoir is formed in a part of the branch pipe, and a porous body is disposed in the liquid stored in the liquid reservoir to prevent gas flow by capillary force. A gas-liquid separation device is provided, and the gas-liquid separation device includes a vertical portion in which a gas-liquid two-phase fluid flows in a pipe of a water recovery system and a horizontal portion in which a gas after separating the liquid extending to the side flows. Glyph Disposed the bending portion, the branch pipes from the lower portion of the vertical portion of the L-shaped, characterized in that it is branched vertically.
前記のような構成を有する本発明の燃料電池発電システムによれば、反応ガス供給系、水回収系あるいは燃料電池本体を構成する配管を流れる気液二相流体から液体を簡単かつ確実に除去することができるので、優れた電池性能を確保することができる。また、気液分離装置として液体貯溜部が形成され、この液体貯溜部に貯留されている液体内に多孔質体を配置したものを使用したため、配管中に相対湿度100%以下の気体のみが流通するような場合であっても、多孔質体は常に液体中に保持されることになるので、毛細管力によるシール機能を確実に発揮することができ、気体が液体の分岐配管を通って漏洩するおそれがない。 According to the fuel cell power generation system of the present invention having the above-described configuration, the liquid can be easily and surely removed from the gas-liquid two-phase fluid flowing through the reaction gas supply system, the water recovery system, or the pipe constituting the fuel cell main body. Therefore, excellent battery performance can be ensured. In addition, since a liquid reservoir is formed as a gas-liquid separator, and a porous body is disposed in the liquid stored in the liquid reservoir, only a gas having a relative humidity of 100% or less circulates in the pipe. Even in such a case, since the porous body is always held in the liquid, the sealing function by the capillary force can be surely exerted, and the gas leaks through the liquid branch pipe. There is no fear.
以下、本発明を実施するための最良の形態の幾つかを順次説明する。なお、前記図10に示した従来の燃料電池発電システムと共通の部分については共通の符号を付し、説明は省略する。 Hereinafter, some of the best modes for carrying out the present invention will be sequentially described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the part which is common in the conventional fuel cell power generation system shown in the said FIG. 10, and description is abbreviate | omitted.
(1)第1実施形態
本実施形態は、本発明の気液分離装置10を燃料電池発電システム内の反応ガス供給系2および残燃料ガス回収ライン3dに取り付けたものである。反応ガス供給配系2においては、燃料改質器2dから供給された燃料ガスの配管上及び加湿器2cから供給された酸化剤ガスの配管上における燃料電池本体1に近い場所に、また、燃料ガス回収ライン3dにおいては燃料改質器2dの燃焼バーナ2eに近い場所に気液分離装置10が配設した。これらの気液分離装置10により、気液二相流体から分離排出した液相流体は冷却水タンク4aに回収した。
(1) First Embodiment In the present embodiment, the gas-liquid separator 10 of the present invention is attached to the reaction gas supply system 2 and the remaining fuel gas recovery line 3d in the fuel cell power generation system. In the reaction gas supply system 2, the fuel gas pipe supplied from the fuel reformer 2d and the oxidant gas pipe supplied from the humidifier 2c are located near the fuel cell
本実施形態に使用した気液分離装置10の構成を図2に示す。気液二相流体が流通する主配管11から分岐配管12を設け、前記の分岐配管12内に液相流体を滞留させるために20mm長のU字形の液体貯溜部13を形成した。また、液相流体が滞留する位置に厚さ5mm、平均気孔半径が15μmの多孔質体14を配置した。本実施形態で使用した多孔質体14は発泡金属であるが、カーボン材、樹脂など耐腐食性を有するものであれば良い。また、濾過紙などの多孔質膜でも良い。 The structure of the gas-liquid separation apparatus 10 used for this embodiment is shown in FIG. A branch pipe 12 is provided from the main pipe 11 through which the gas-liquid two-phase fluid flows, and a U-shaped liquid reservoir 13 having a length of 20 mm is formed in order to retain the liquid phase fluid in the branch pipe 12. Further, a porous body 14 having a thickness of 5 mm and an average pore radius of 15 μm was disposed at a position where the liquid phase fluid stays. The porous body 14 used in the present embodiment is a foam metal, but any material having corrosion resistance such as a carbon material or a resin may be used. Further, a porous membrane such as filter paper may be used.
このような構成を有する本実施形態において、燃料電池発電システムの起動時はそれぞれの主配管11の温度が低く、主配管11内を流通するガス中の水蒸気が凝集して水を生成する。また、外気温が低下した場合にそれぞれの主配管11からの放熱が大きくなり、主配管11内を流通するガス中の水蒸気が凝集して水を生成する。上記の様に主配管11内で生成した水は、図2の気液分離装置10により分岐配管12を通して主配管11から速やかに排出される。 In the present embodiment having such a configuration, when the fuel cell power generation system is started, the temperature of each main pipe 11 is low, and water vapor in the gas flowing through the main pipe 11 aggregates to generate water. Further, when the outside air temperature decreases, the heat radiation from each main pipe 11 increases, and water vapor in the gas flowing through the main pipe 11 aggregates to generate water. As described above, the water generated in the main pipe 11 is quickly discharged from the main pipe 11 through the branch pipe 12 by the gas-liquid separator 10 of FIG.
また、主配管11内の気液二相流体の圧力が上昇し、分岐配管12のU字形の液体貯溜部13に滞留した水の液面が低下し、気相流体が多孔質体14に接触しても、水を含んだ多孔質体14はウエットシール機能を有しているため、気相流体を排出することはない。 In addition, the pressure of the gas-liquid two-phase fluid in the main pipe 11 increases, the liquid level of the water accumulated in the U-shaped liquid reservoir 13 of the branch pipe 12 decreases, and the gas phase fluid contacts the porous body 14. Even so, since the porous body 14 containing water has a wet seal function, the gas phase fluid is not discharged.
一般的に、多孔質体14のウエットシール機能は、多孔質体14内の水の毛細管力により決定され、多孔質体14の毛細管力ΔPは以下の式で計算できる。
ΔP=2σCOSθ/r
σ:水の表面張力
θ:水の濡れ接触角
r:細孔半径
Generally, the wet seal function of the porous body 14 is determined by the capillary force of water in the porous body 14, and the capillary force ΔP of the porous body 14 can be calculated by the following equation.
ΔP = 2σCOSθ / r
σ: Surface tension of water θ: Contact angle of water r: Pore radius
例えば、水を含んだ気孔半径20μmの多孔質体14の毛細管力ΔPは上記の式より約5kPaとなる。この場合、気相流体を前記の多孔質体14を通過させるには5kPa以上の圧力が必要になる。燃料電池本体1を常圧雰囲気で発電する場合は、反応ガス供給圧力は3kPa程度であり、5kPa以上のウエットシール機能が必要であることから、多孔質体14の気孔半径を20μm以下とすることが好ましい。
For example, the capillary force ΔP of the porous body 14 containing water and having a pore radius of 20 μm is about 5 kPa from the above formula. In this case, a pressure of 5 kPa or more is required to pass the gas phase fluid through the porous body 14. When the fuel cell
本実施形態の気液分離装置10を配置した燃料電池発電システムを起動および連続運転して、液相体を分離排出する効果を検討した。従来のシステムでは起動時に反応ガス供給配管中での水蒸気の凝縮水が原因と思われる燃料電池本体1の性能低下や、残燃料ガス回収ライン3d配管中での水蒸気の凝縮水が原因と思われる燃料改質器2dの燃焼バーナ2eの消火が起こっていた。一方、本実施形態のシステムでは、起動時や配管放熱により発生した凝縮水を速やかに主配管11外に排出することができ、起動時の燃料電池本体1の性能低下や燃焼バーナ2eの消火は発生しなかった。
The fuel cell power generation system provided with the gas-liquid separation device 10 of the present embodiment was started and continuously operated, and the effect of separating and discharging the liquid phase body was examined. In the conventional system, it is considered that the condensate of water vapor in the reaction gas supply pipe at start-up is caused by the performance degradation of the fuel cell
また、反応ガス供給配管2gの圧力を5kPaとしたが、気相流体の放出はみられず多孔質体14のウエットシールが機能していることを確認した。なお、多孔質体14を配置しない場合は500mm長のU字管が必要となる。 Moreover, although the pressure of 2 g of reaction gas supply piping was 5 kPa, it was confirmed that the wet seal | sticker of the porous body 14 is functioning without discharge | release of a gaseous-phase fluid being seen. If the porous body 14 is not disposed, a 500 mm long U-shaped tube is required.
上記の様に、本実施形態によれば、主配管11内の圧力が上昇しても気相流体を漏らすことなく、液相流体のみを確実に、かつ速やかに分離排出することができ、配管内の水蒸気の凝縮による燃料電池本体1の性能低下や燃料改質器の燃焼バーナの消火を防止することができる。しかも、主配管11内が相対湿度100%以下の気体のみとなっても、多孔質体14はU字形部12内に貯留されている液体内に配置されており、その細孔内には常時液体が存在するので毛細管力が失われることがなく、ウェットシール機能が保持されるため、主配管11内の気体が分岐配管12から外部に漏洩することもない。
As described above, according to the present embodiment, even if the pressure in the main pipe 11 rises, only the liquid phase fluid can be separated and discharged reliably and quickly without leaking the gas phase fluid. It is possible to prevent performance degradation of the fuel cell
(2)第2実施形態
図3は、本発明の第2実施形態を示すものであって、この実施形態は、燃料電池本体1における反応ガス供給マニホールド1dと既反応ガス排出マニホールド1eの底部に、図2の気液分離装置10を設けたものである。
(2) Second Embodiment FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention. This embodiment is provided at the bottom of the reaction gas supply manifold 1d and the already reacted gas discharge manifold 1e in the fuel cell
このような構成を有する第2実施形態では、反応ガス供給配管2gから反応ガス供給マニホールド1dを介して燃料電池本体1に供給される反応ガス中、及び燃料電池本体1から既反応ガス排出マニホールド1e及び既反応ガス排出配管2hを通って排気される既反応ガス内の液体が、気液分離装置10によって分離される。特に、既反応ガスの内、燃料極1aからの残燃料ガスについては、この気液分離装置10によって液体成分が効果的に除去されるため、これを燃料改質器用燃焼バーナ2eに供給した場合に、残燃料ガス中の液体によるバーナの失火などの不都合が解消される。
In the second embodiment having such a configuration, in the reaction gas supplied from the reaction gas supply pipe 2g to the fuel cell
(3)第3実施形態
図4は、本発明の第3実施形態を示すもので、この第3実施形態は、気液分離装置10を燃料電池発電システム内の水分回収系3に配置したものである。すなわち、前記図10に示したように、従来技術では、その水分回収系3に熱交換器3aと気液分離器3bから構成される気液分離装置が設けられていたが、本実施形態では、この気液分離器3bに代えて図5に示す気液分離装置10を設けたものである。
(3) Third Embodiment FIG. 4 shows a third embodiment of the present invention. In the third embodiment, the gas-liquid separator 10 is arranged in the water recovery system 3 in the fuel cell power generation system. It is. That is, as shown in FIG. 10, in the prior art, the moisture recovery system 3 is provided with a gas-liquid separation device including a heat exchanger 3a and a gas-liquid separator 3b. The gas-liquid separator 10 shown in FIG. 5 is provided in place of the gas-liquid separator 3b.
本実施形態の気液分離装置10は、水分回収系3における燃料極1aおよび酸化剤極1bの既反応ガス排出配管2hに取り付けられている。すなわち、既反応ガス排出配管2hに、気液二相流体が流れる垂直部分とその側方に伸びる液体を分離後の気体が流れる水平部分とからなるL字形の屈曲部15が設けられ、前記L字形の垂直部分の下部から気液分離装置10の分岐配管12が垂直に分岐され、この分岐配管12に連続して多孔質体14を内蔵したU字形部13が形成されている。また、前記気液二相流体が流れる配管の垂直部分内には、前記気液二相流体に含まれる気相流体(主として水蒸気)の一部を凝縮し液相流体とするための熱交換器16が収容されている。 The gas-liquid separation device 10 of the present embodiment is attached to the already-reacted gas discharge pipe 2h of the fuel electrode 1a and the oxidant electrode 1b in the moisture recovery system 3. That is, the already-reacted gas discharge pipe 2h is provided with an L-shaped bent portion 15 including a vertical portion in which the gas-liquid two-phase fluid flows and a horizontal portion in which the gas after separating the liquid extending to the side flows. A branch pipe 12 of the gas-liquid separator 10 is vertically branched from a lower part of the vertical portion of the character shape, and a U-shaped portion 13 containing a porous body 14 is continuously formed in the branch pipe 12. Also, a heat exchanger for condensing a part of the gas-phase fluid (mainly water vapor) contained in the gas-liquid two-phase fluid into a liquid-phase fluid in a vertical portion of the pipe through which the gas-liquid two-phase fluid flows 16 is housed.
このような構成を有する本実施形態においては、既反応ガス排出配管2h内を流れる気液二相流体は、熱交換器16によってその液体が凝縮され、垂直部分の下方に配置された分岐配管12内に滴下する。分岐配管12内に貯留した液体は多孔質体14を通過して気液分離装置10外部に排出され、液体が除去された気体はL字形の水平部分から排気もしくは残燃料ガスとして改質器バーナ2eに送られる。すなわち、水を分離排出した後の酸化剤極1b側の既反応ガスはそのまま大気に排出され、一方、水を分離排出した後の燃料極1a側の既反応ガスは残燃料ガス回収ライン3dを通して、燃料改質器用の燃焼バーナ2eに供給される。 In the present embodiment having such a configuration, the gas-liquid two-phase fluid flowing in the already-reacted gas discharge pipe 2h is condensed by the heat exchanger 16, and the branch pipe 12 disposed below the vertical portion. Drip inside. The liquid stored in the branch pipe 12 passes through the porous body 14 and is discharged to the outside of the gas-liquid separator 10, and the gas from which the liquid has been removed is exhausted from the L-shaped horizontal portion or the reformer burner as residual fuel gas. 2e. That is, the already reacted gas on the oxidizer electrode 1b side after separating and discharging water is directly discharged to the atmosphere, while the already reacted gas on the fuel electrode 1a side after separating and discharging water is passed through the residual fuel gas recovery line 3d. The fuel is supplied to the combustion burner 2e for the fuel reformer.
このような構成を有する本実施形態によれば、従来の気液分離器、ポンプ、バルブ等が不要となるので、従来技術の比較して簡単な構成により、燃料電池本体からの既反応ガス中の水分を除去して、大気へ排気あるいは燃焼バーナに供給することが可能になる。特に、熱交換器16を配管中に設けることにより、気液二相流体中に含まれた液体の凝縮を促進して、より効率良く液体を分離できる利点もある。 According to the present embodiment having such a configuration, the conventional gas-liquid separator, pump, valve, and the like are not required, and therefore, in the already-reacted gas from the fuel cell main body, the configuration is simple compared with the prior art. It is possible to remove the water and supply it to the atmosphere or to the combustion burner. In particular, by providing the heat exchanger 16 in the pipe, there is also an advantage that the liquid contained in the gas-liquid two-phase fluid can be condensed and the liquid can be separated more efficiently.
なお、前記気液分離装置10は、その内部に熱交換器16を設けることは要件ではなく、気液分離装置10を設けた配管自体を低温度とすることなどの手段で液化を促進することができれば、図6に示すような熱交換器16を持たないものを使用することも可能である。 In addition, it is not a requirement for the gas-liquid separation device 10 to provide the heat exchanger 16 therein, and liquefaction is promoted by means such as lowering the temperature of the piping provided with the gas-liquid separation device 10. If it is possible, it is possible to use one without the heat exchanger 16 as shown in FIG.
(4)第4実施形態
図7は、本発明の第4実施形態を示すものであって、この実施形態は、図10に示す従来の燃料電池発電システムでは燃料極側および酸化剤極側で分離排出した水をそれぞれ気液分離器3b,3bに蓄え、一定水量になった時にポンプ3cおよびバルブ3eを操作して冷却水タンク4aに水を排出していたのに対して、従来の気液分離器3b、ポンプ3c、バルブ3e等を必要とせず、分離排出した水を直接、冷却水タンク4aに排出するようにしたものである。
(4) Fourth Embodiment FIG. 7 shows a fourth embodiment of the present invention. This embodiment is arranged on the fuel electrode side and the oxidant electrode side in the conventional fuel cell power generation system shown in FIG. The separated and discharged water is stored in the gas-liquid separators 3b and 3b, respectively, and when the amount of water becomes constant, the pump 3c and the valve 3e are operated to discharge the water to the cooling water tank 4a. The liquid separator 3b, pump 3c, valve 3e and the like are not required, and the separated and discharged water is directly discharged to the cooling water tank 4a.
すなわち、本実施形態では、図8の拡大図に示すように、前記気液分離装置10におけるU字形の分岐配管11の入口が燃料極1aからの既反応ガスの配管上に設けられた熱交換器容器17の底部に接続され、前記分岐配管11の出口が酸化剤極1bからの既反応ガスの配管上に設けられた熱交換器容器18の側面に接続され、その熱交換器容器19の底部に設けられたドレン配管19が冷却水タンク4aに接続されている。 That is, in this embodiment, as shown in the enlarged view of FIG. 8, the heat exchange in which the inlet of the U-shaped branch pipe 11 in the gas-liquid separator 10 is provided on the pipe of the already reacted gas from the fuel electrode 1a. The outlet of the branch pipe 11 is connected to the side of the heat exchanger container 18 provided on the pipe of the already-reacted gas from the oxidant electrode 1b, and the heat exchanger container 19 A drain pipe 19 provided at the bottom is connected to the cooling water tank 4a.
このような構成を有する本実施形態では、熱交換器容器17内で凝縮した燃料極1aからの既反応ガス内の水分は、熱交換器容器17底部の気液分離装置10を通って、酸化剤極1bからの既反応ガスが導入される熱交換器容器18に回収される。この場合、気液分離装置10の多孔質体14によって燃料極1aからの残燃料ガスが熱交換器容器18側に漏洩することが確実に防止される。一方、酸化剤極1bからの既反応ガスは、熱交換器容器18内の熱交換器によって、それに含まれた液体(水分)が凝縮され、熱交換器容器18底部に溜まる。このようにして、熱交換器容器18底部に溜まった両系統の既反応ガスから除去された液体は、ドレン配管19を介して冷却液タンク4aに回収される。 In the present embodiment having such a configuration, moisture in the already reacted gas from the fuel electrode 1a condensed in the heat exchanger vessel 17 passes through the gas-liquid separation device 10 at the bottom of the heat exchanger vessel 17 and is oxidized. Already reacted gas from the agent electrode 1b is collected in the heat exchanger vessel 18 into which it is introduced. In this case, the residual fuel gas from the fuel electrode 1a is reliably prevented from leaking to the heat exchanger vessel 18 side by the porous body 14 of the gas-liquid separator 10. On the other hand, the already-reacted gas from the oxidizer electrode 1 b is condensed in the liquid (water) contained in the heat exchanger in the heat exchanger vessel 18 and collected at the bottom of the heat exchanger vessel 18. In this way, the liquid removed from the already-reacted gas of both systems accumulated at the bottom of the heat exchanger vessel 18 is collected in the coolant tank 4a via the drain pipe 19.
この場合、本実施形態では、熱交換器容器18のドレン配管19上に気液分離装置10を設けることも可能であるが、酸化剤極1bからの既反応ガスに含まれる液体は水分が主であり、また、水分が除去された気体は大気中に排気されることから、燃料極1aからの既反応ガスの場合に比較して水分の除去の程度が緩やかであるため、特に、気液分離装置10を設けなくても良い。 In this case, in this embodiment, it is possible to provide the gas-liquid separator 10 on the drain pipe 19 of the heat exchanger vessel 18, but the liquid contained in the already-reacted gas from the oxidizer electrode 1b is mainly water. In addition, since the gas from which moisture has been removed is exhausted to the atmosphere, the degree of moisture removal is gentle compared to the case of the already reacted gas from the fuel electrode 1a. The separation device 10 may not be provided.
上記の様に、本実施形態によれば、水ポンプやバルブ操作など特別な制御を必要とせず、気相流体を漏らすことなく、既反応ガス配管内に流通する気液二相流体から液相流体のみを確実に、かつ速やかに分離排出することより、安定したシステムの運転が可能となる。 As described above, according to the present embodiment, the liquid phase from the gas-liquid two-phase fluid that circulates in the existing reaction gas pipe without leaking the gas-phase fluid without requiring special control such as a water pump or valve operation. Since the fluid alone is reliably and promptly separated and discharged, stable system operation is possible.
(5)第5実施形態
前記の第4実施形態は、U字形の配管を有する気液分離装置10を、燃料極1aからの既反応ガスの配管上に設けられた熱交換器容器17の底部と、酸化剤極1bからの既反応ガスの配管上に設けられた熱交換器容器18の側面に接続したものであるが、第5実施形態は、熱交換器容器17,18と気液分離装置10とが全体としてU字形のウォーターシール部を形成するようにしたものである。すなわち、本実施形態では、気液分離装置10の分岐配管11の入口を熱交換器容器17の底部に、出口を熱交換器容器18の底部に接続し、ドレン配管19は熱交換器容器18の側面の分岐配管11の接続部よりも高い位置に設けたものである。
(5) Fifth Embodiment In the fourth embodiment, the gas-liquid separation device 10 having a U-shaped pipe is provided at the bottom of the heat exchanger vessel 17 provided on the pipe of the already reacted gas from the fuel electrode 1a. Are connected to the side surface of the heat exchanger vessel 18 provided on the pipe of the already-reacted gas from the oxidant electrode 1b. In the fifth embodiment, the heat exchanger vessels 17 and 18 are separated from the gas-liquid separator. The apparatus 10 forms a U-shaped water seal portion as a whole. That is, in this embodiment, the inlet of the branch pipe 11 of the gas-liquid separator 10 is connected to the bottom of the heat exchanger container 17, the outlet is connected to the bottom of the heat exchanger container 18, and the drain pipe 19 is connected to the heat exchanger container 18. It is provided at a position higher than the connecting portion of the branch pipe 11 on the side surface.
このような構成を有する第5実施形態では、2つの熱交換器の容器と気液分離装置10のは移管とで全体としてU字形の部分が形成され、その内部に常時貯留される液体内に多孔質体14を配設することができる。その結果、多孔質体14が乾燥して気体が通過するような現象が生じることがなく、既反応ガスが冷却液タンク4a側に漏出することがない。このように、配管そのものをU字形としなくとも、液体貯溜部を形成することが可能であり、そのような液体貯溜部内に多孔質体14を配置することが可能である。 In 5th Embodiment which has such a structure, the container of two heat exchangers and the gas-liquid separation apparatus 10 form the U-shaped part as a whole by the transfer, and in the liquid always stored in the inside The porous body 14 can be disposed. As a result, the phenomenon that the porous body 14 is dried and the gas passes does not occur, and the existing reaction gas does not leak to the coolant tank 4a side. Thus, even if the piping itself is not U-shaped, the liquid reservoir can be formed, and the porous body 14 can be disposed in such a liquid reservoir.
1…燃料電池本体
2…反応ガス供給系
3…水分回収系
4…電池本体冷却系
10…気液分離装置
11…主配管
12…分岐配管
13…U字形の液体貯溜部
14…多孔質体14
15…L字形の屈曲部
16…熱交換器
17,18…熱交換器容器
19…ドレン配管
DESCRIPTION OF
15 ... L-shaped bent part 16 ... Heat exchanger 17, 18 ... Heat exchanger container 19 ... Drain piping
Claims (2)
前記水分回収系を構成する配管の一部に、この配管から分岐した液体の分岐配管が設けられ、前記分岐配管の一部にU字形の液体貯溜部が形成され、この液体貯溜部に貯留されている液体内に毛細管力によって気体の流通を阻止する多孔質体が配置された気液分離装置が設けられ、A branch pipe of the liquid branched from this pipe is provided in a part of the pipe constituting the moisture recovery system, and a U-shaped liquid storage part is formed in a part of the branch pipe, and is stored in this liquid storage part. A gas-liquid separation device is provided in which a porous body that prevents gas flow by capillary force is disposed in the liquid being
前記気液分離装置が、水回収系の配管における気液二相流体が流れる垂直部分とその側方に伸びる液体を分離後の気体が流れる水平部分とからなるL字形の屈曲部分に配置され、前記L字形の垂直部分の下部から前記分岐配管が垂直に分岐されていることを特徴とする燃料電池発電システム。The gas-liquid separation device is disposed in an L-shaped bent portion composed of a vertical portion in which a gas-liquid two-phase fluid flows in a pipe of a water recovery system and a horizontal portion in which a gas after separating the liquid extending to the side flows. The fuel cell power generation system, wherein the branch pipe is branched vertically from a lower portion of the L-shaped vertical portion.
前記水分回収系を構成する配管の一部に、この配管から分岐した液体の分岐配管が設けられ、前記分岐配管の一部にU字形の液体貯溜部が形成され、この液体貯溜部に貯留されている液体内に毛細管力によって気体の流通を阻止する多孔質体が配置された気液分離装置が設けられ、A branch pipe of the liquid branched from this pipe is provided in a part of the pipe constituting the moisture recovery system, and a U-shaped liquid storage part is formed in a part of the branch pipe, and is stored in this liquid storage part. A gas-liquid separation device is provided in which a porous body that prevents gas flow by capillary force is disposed in the liquid being
前記気液分離装置が、燃料電池本体の燃料極からの既反応ガスの配管上に設けられた熱交換器と、燃料電池本体の酸化剤極からの既反応ガスの配管上に設けられた熱交換器との間に設けられ、The gas-liquid separator is a heat exchanger provided on a pipe of a previously reacted gas from the fuel electrode of the fuel cell main body, and a heat provided on a pipe of the already reacted gas from the oxidant electrode of the fuel cell main body. Provided between the exchange and
前記気液分離装置における分岐配管の入口が燃料極からの既反応ガスの配管上に設けられた熱交換器容器の底部に接続され、前記分岐配管の出口が酸化剤極からの既反応ガスの配管上に設けられた熱交換器容器の側面に接続され、酸化剤極からの既反応ガスの配管上に設けられた熱交換器容器の底部に設けられたドレン配管が冷却水タンクに接続されていることを特徴とする燃料電池発電システム。The inlet of the branch pipe in the gas-liquid separator is connected to the bottom of a heat exchanger vessel provided on the pipe of the already reacted gas from the fuel electrode, and the outlet of the branch pipe is the outlet of the already reacted gas from the oxidant electrode. Connected to the side of the heat exchanger vessel provided on the pipe, drain pipe provided on the bottom of the heat exchanger vessel provided on the pipe of the existing reaction gas from the oxidizer electrode is connected to the cooling water tank. A fuel cell power generation system.
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