JP5164449B2 - Air return mechanism and stationary fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、エアリターン機構および定置型燃料電池システムに係り、特に水タンクとポンプとの間に設けられ、ポンプに送る水の中のエアを除去するエアリターン機構およびそのエアリターン機構を備える定置型燃料電池システムに関する。 The present invention relates to an air return mechanism and a stationary fuel cell system, and more particularly to an air return mechanism that is provided between a water tank and a pump and removes air in water sent to the pump, and a stationary apparatus including the air return mechanism. The present invention relates to a type fuel cell system.
ガソリンや天然ガス、都市ガスなどの原料ガスを水素ガスに改質し、水素によって発電する燃料電池などを備えた燃料電池システムが開発され、特に家庭用などの固定されて利用されるタイプの燃料電池システムについては、徐々に市場に浸透しつつある。特に、コージェネレーションを普及させるための切り札として、燃料電池システムが大きく期待されている。 Fuel cell systems equipped with fuel cells, etc., that reform raw gas such as gasoline, natural gas, city gas, etc. into hydrogen gas and generate electricity using hydrogen, are developed, especially for household use. Battery systems are gradually penetrating the market. In particular, a fuel cell system is highly expected as a trump card for popularizing cogeneration.
一般的に、燃料電池システムは、燃料電池本体と、原料ガスから水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質器と、この改質器からの改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成するCO変成器と、このCO変成器からの未変成の一酸化炭素を除去するCO除去器とを備える。 Generally, a fuel cell system is included in a fuel cell body, a reformer that generates reformed gas containing hydrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide from a raw material gas, and the reformed gas from the reformer. A CO converter that converts carbon monoxide into carbon dioxide and a CO remover that removes unmodified carbon monoxide from the CO converter are provided.
そして、この改質器はバーナを備え、上記の燃料ガスと内部の熱交換器で水蒸気化した水蒸気とを混合して予熱し、触媒で活性化することによって改質ガスを生成する。この水蒸気をつくる水は、ポンプにより改質器に供給される。そして、改質器が安定して水素を生成するためには、ポンプから供給される水量の精度を高める必要がある。 This reformer includes a burner, mixes the fuel gas and the steam steamed by the internal heat exchanger, preheats and activates the catalyst by generating a reformed gas. The water that forms the water vapor is supplied to the reformer by a pump. In order for the reformer to stably generate hydrogen, it is necessary to increase the accuracy of the amount of water supplied from the pump.
図3は、従来技術の燃料電池システムにおける水タンク71及び水ポンプ72の概略構成図である。図示のように、水タンク71に貯留された純水は、吸入配管73を通り水ポンプ72に供給される。そして、水ポンプ72が所望の量の純水を、吐出配管74を介して改質器に供給する。このとき、純水中に気泡(エア)が発生すると、水ポンプ72のポンプ部75は適正な量の純水を改質器に供給できなくなる。水タンク71からから吸入配管73に、純水中に入るときに気泡が含まれていなくとも、水ポンプ72に達するまでの経路で、気泡が発生することがある。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the
このような、液体中に含まれる気泡を除去する技術として、ポンプの上方に設けられ、さらに、内部に水平に設置された気泡分離膜に燃料を上から下に通すことで、気泡の除去を行う気泡除去装置がある(特許文献1参照)。つまり、余剰燃料のリターン通路を利用して気泡をタンクへ戻す装置である。この装置では、気泡分離膜上に細かな気泡が集合し、気泡が次第に大きくなって上方に移動する。 As a technique for removing bubbles contained in the liquid, the bubbles are removed by passing the fuel from the top to the bottom through a bubble separation membrane provided above the pump and installed horizontally inside the pump. There is a bubble removing device to perform (see Patent Document 1). That is, it is a device that returns bubbles to the tank using the return passage of surplus fuel. In this apparatus, fine bubbles gather on the bubble separation membrane, and the bubbles gradually increase and move upward.
また、燃料タンクの下方に設けられた燃料フィルタにおいて、燃料がフィルタ内部において縦に設けられた濾体を通過した後に、環境温度の変化や減圧により下流側の空間(下流室)内で発生したベーパを上方に設けられた脱気管から燃料タンクへ導く技術もある(特許文献2参照)。 Further, in the fuel filter provided below the fuel tank, the fuel is generated in the downstream space (downstream chamber) due to a change in environmental temperature or a reduced pressure after passing through the filter body provided vertically within the filter. There is also a technique for guiding vapor to a fuel tank from a deaeration pipe provided above (see Patent Document 2).
さらに、ディーゼルエンジンの自然下流式燃料供給装置の燃料フィルタにあって、縦方向に設けたフィルタ本体を通過した液体を内部上側の部分で略水平方向に外部(ポンプ)に対して導くとともに、フィルタ本体を通過した液体に含まれるベーパを鉛直上方に導くフィルタ用エア抜き通路が設けられた技術がある(特許文献3参照)。
ところで、特許文献1で開示の技術では、液体として石油系の燃料が想定されており、一度発生したベーパを除去すれば、その後の過程において再度ベーパが発生することは想定されにくい。また、液体として水を想定した場合、一度気泡を捕獲しても、以降の過程において継続して発生する虞が高い。そして、燃料フィルタを通過した後の経路について開示されていないため、液体として水を対象とする場合、この技術をそのまま適用することは難しい。また、特許文献2に開示の技術も同様の課題が残る。また、フィルタが目詰まりした場合、エアリターン通路より、エアを吸い込んでしまう虞もある。またさらに、フィルタを通過した後、エアリターン通路へエアを分離する構成であるため、フィルタ通過後発生した気泡を十分に除去できないという課題がある。さらに、特許文献3に開示の技術では、ポンプへ導く経路にベーパを取り除くためのフィルタ用エア抜き通路が近接しているため、ベーパが十分に取り除かれない状態の燃料がポンプに供給されてしまう可能性がある。さらに、特許文献2と同様に、フィルタの目詰まりによるエア吸い込みの可能性もある。 By the way, in the technique disclosed in Patent Document 1, petroleum-based fuel is assumed as a liquid, and once the generated vapor is removed, it is unlikely that vapor will be generated again in the subsequent process. Moreover, when water is assumed as the liquid, there is a high possibility that even if air bubbles are captured once, they are continuously generated in the subsequent processes. And since the path | route after passing a fuel filter is not disclosed, when water is made into a target as a liquid, it is difficult to apply this technique as it is. The technique disclosed in Patent Document 2 still has the same problem. Further, when the filter is clogged, air may be sucked in from the air return passage. Furthermore, since the air is separated into the air return passage after passing through the filter, there is a problem that bubbles generated after passing through the filter cannot be sufficiently removed. Furthermore, in the technique disclosed in Patent Document 3, since the filter air vent passage for removing the vapor is close to the path leading to the pump, fuel in a state where the vapor is not sufficiently removed is supplied to the pump. there is a possibility. Furthermore, similarly to Patent Document 2, there is a possibility of air suction due to filter clogging.
また、特許文献1〜3に開示のポンプは、燃料ポンプであって、一般には、燃料の供給量を制御しているわけではなく、燃料噴射ノズルに供給する燃料の圧力を所望の圧力に制御している。一方、定置型燃料電池システムにおける純水の供給装置にあっては、ポンプから改質器に供給する純水の量を制御する必要がある。したがって、液体として燃料が想定される技術において許容される気泡量であっても、定置型燃料電池システムの改質器に純水を供給するシステムにおいては許容されない。 The pumps disclosed in Patent Documents 1 to 3 are fuel pumps, and generally do not control the amount of fuel supplied, but control the pressure of fuel supplied to the fuel injection nozzle to a desired pressure. doing. On the other hand, in the pure water supply device in the stationary fuel cell system, it is necessary to control the amount of pure water supplied from the pump to the reformer. Therefore, even if the amount of bubbles allowed in the technology in which fuel is assumed as a liquid is not allowed in a system that supplies pure water to a reformer of a stationary fuel cell system.
本発明は以上のような状況に鑑みなされたものであって、その目的は、定置型燃料電池システムにおいて水ポンプに供給される液体である水に含まれる気泡を好適に除去する技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above situation, and an object thereof is to provide a technique for suitably removing bubbles contained in water, which is a liquid supplied to a water pump in a stationary fuel cell system. There is.
本発明に係る装置は、エアリターン機構に関する。このエアリターン機構は、定置型燃料電池システムに用いられる、タンクに連通する吸入配管と、該吸入配管を介して前記タンクから水が供給される改質器用ポンプとの間に設けられるエアリターン機構であって、前記吸入配管に連通し、前記吸入配管と連通する吸入口より下方に設けられたエア分離室と、前記改質器用ポンプに連通する改質器用ポンプ連通部と、前記エア分離室よりも上方に設けられ前記タンクに連通されたエアリターン配管とを備え、前記エア分離室は、下方に連通口を有する隔壁によって分離された第1及び第2の空間を有し、前記第1の空間は、前記隔壁の連通口より上側に設けられて前記吸入配管に連通する前記吸入口を備え、
前記第2の空間は、前記隔壁の連通口より上側に設けられて前記改質器用ポンプに連通する吐出口である前記改質器用ポンプ連通部を備え、前記エアリターン配管は、前記第1の空間の上部から上方向に延出し、前記タンクと連通しており、さらに、前記第1の空間を介して前記吸入配管と連通している。
本発明のさらに別の装置は、燃料電池システムに関する。この燃料電池システムは、上記のエアリターン機構を備える。
The apparatus according to the present invention relates to an air return mechanism. This air return mechanism is used in a stationary fuel cell system, and is provided between a suction pipe communicating with a tank and a reformer pump to which water is supplied from the tank via the suction pipe. An air separation chamber that communicates with the suction pipe and is provided below the suction port that communicates with the suction pipe, a reformer pump communication portion that communicates with the reformer pump, and the air separation chamber. An air return pipe provided above the tank and communicated with the tank , wherein the air separation chamber has first and second spaces separated by a partition wall having a communication port below. The space is provided with the suction port provided above the communication port of the partition wall and communicating with the suction pipe,
The second space includes the reformer pump communication portion that is provided above the communication port of the partition wall and is a discharge port that communicates with the reformer pump, and the air return pipe includes the first return pipe. It extends upward from the upper part of the space, communicates with the tank, and further communicates with the suction pipe via the first space.
Yet another apparatus of the present invention relates to a fuel cell system. This fuel cell system includes the air return mechanism described above .
本発明によれば、定置型燃料電池システムにおいて水ポンプに供給される液体である水に含まれる気泡を好適に除去する技術を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the technique which removes suitably the bubble contained in the water which is the liquid supplied to a water pump in a stationary fuel cell system can be provided.
次に、本発明を実施するための最良の形態(以下、単に「実施形態」という)を、図面を参照して具体的に説明する。ここでは、一般に家庭用として用いられる定置型の燃料電池システムにおいて、改質器に対する純水の供給を安定的に精度良く行うために、純水に含まれる気泡を、純水がポンプに吸入される直前に除去する。なお、この燃料電池システムは、主に家庭用として住宅に設置され使用されることが想定される比較的小出力、例えば出力1kWhの定置型燃料電池システムであって、当然に、家庭用に限定されるものではなく、業務用等の目的に使用されうるものである。 Next, the best mode for carrying out the present invention (hereinafter simply referred to as “embodiment”) will be specifically described with reference to the drawings. Here, in a stationary fuel cell system generally used for home use, in order to stably and accurately supply pure water to the reformer, bubbles contained in pure water are sucked into the pump by pure water. Remove immediately before This fuel cell system is a stationary fuel cell system with a relatively small output, for example, an output of 1 kWh, which is assumed to be installed and used mainly in homes, and is naturally limited to home use. It is not intended to be used for business purposes.
図1は、本実施形態に係る燃料電池システム10の概略構成を示す機能ブロック図である。燃料電池システム10は、例えば固体高分子形燃料電池であって、燃料電池本体16と、燃料電池本体16に供給する水素ガスを生成する改質器14と、水素ガスの原料となる天然ガスや、都市ガス、プロパンガスなどの燃料ガスを供給する燃料供給部12と、改質器14に純水を供給する水供給部30とを備える。
FIG. 1 is a functional block diagram showing a schematic configuration of a
改質器14は、燃料供給部12が供給する燃料ガスに、水供給部30から供給される純水を蒸発させて反応させることで、水素濃度が高いガス、いわゆる水素リッチガスを生成する。そして、改質器14は、生成した水素リッチガスを燃料電池本体16へ供給する。
The
水供給部30は、水処理部32と、水タンク34と、水ポンプ36と、エアリターン機構40とを備える。
The
水処理部32は、例えばイオン交換樹脂膜により水道水などの市水を純水に精製する。そして、精製された純水は、水タンク34に貯留される。
The
水ポンプ36は、ポンプ部67(図2参照)によって、水タンク34に貯留される純水を吸引して改質器14に供給する。改質器14に対する純水の供給量は、ポンプ部67の駆動手段に対する駆動制御値とその駆動制御値に対する実際の吐出量との関係から高精度に制御される。この水ポンプ36は、例えば、毎分数ml〜数十mlの純水を精度良く改質器14に供給している。
The
ところで、水ポンプ36が吸入した純水に、気泡が含まれていると、ポンプ部67は、改質器14への純水の吐出量の制御を適正に行うことができない。つまり、水ポンプ36の流量が低下し、所望の量の純水を改質器14へ供給することが出来なくなる。
By the way, if the pure water sucked by the
上述のように、純水が水タンク34から水ポンプ36へ供給される経路において、気泡が自然に発生することがある。特に、純水が温水である場合には気泡が発生しやすい。また、気泡の発生量の予測は出来ないことから、発生量を考慮に入れた制御は現実的でない。そして、この現象は、水ポンプ36の種類に関わらず発生する。
As described above, bubbles may naturally occur in the path through which pure water is supplied from the
そこで、本実施形態では、水タンク34と水ポンプ36を結ぶ経路の途中に、気泡を取り除くエアリターン機構40を設けた。具体的には、図2に示す構成図のごとく、水ポンプ36の吸入口65に、エアリターン機構40を設け、純水が水ポンプ36に吸引される直前に、純水中の気泡Aを除去する。以下、このエアリターン機構40について説明する。
Therefore, in the present embodiment, an
エアリターン機構40は、エア分離部42とエアリターン配管62とを備える。
The
エア分離部42は、内部が空洞で所定の深さの略円筒形状をなし、内部空洞において純水の流路を形成する。この内部の空洞部分を、エア分離室50と言う。
The
エア分離室50の側面上方部分には、吸入口51が形成されており、この吸入口51は、水タンク34の底部に形成されたタンク出水口35と、吸入配管61によって連通する。なお、エア分離室50の吸入口51は、水タンク34のタンク出水口35よりも下側に位置する。また、吸入口51と反対側には、純水を水ポンプ36へ供給するための吐出口52が形成されている。
A
また、エア分離室50の天井部分には、分離壁54が下方向に延出して形成されており、エア分離室50を、吸入口51側の吸入側分離室57と吐出口52側の吐出側分離室58の二つの空間に分離している。そして、分離壁54の下側部分には、吸入側分離室57と吐出側分離室58とを連通する分離室連通口55が形成されている。
In addition, a
また、吸入側分離室57の天井部分には、エア導出口53が形成されており、上方に延びるエアリターン配管62の一端が取り付けられる。また、エアリターン配管62の他方の一端は、水タンク34の上方に形成されているエアリターン口37に取り付けられている。なお、エアリターン口37の形成位置は、水タンク34内部に貯留される純水の水位Wより高くなっている。
Further, an
このような構成のエアリターン機構40において、吸入口51から吸入側分離室57に取り込まれた純水は、一端下方向に向かい分離壁54を通って吐出側分離室58に入り、つづいて、上方向に向かい、吐出口52から水ポンプ36に供給される。
In the
吸入口51から入った純水が分離壁54により進行方向を下側へ向けられるときに、純水に含まれる気泡Aは、浮力のため下側に向かわずエア導出口53からエアリターン配管62へ向かう。そして、その気泡Aは、エアリターン配管62内の水面から放出され、エアリターン口37から水タンク34内に戻される。つまり、気泡Aはエア分離室50においてトラップされる。なお、水ポンプ36の吐出量が、上述のように毎分数ml〜数十mlであれば、エア分離室50における純水の流速は、気泡Aを吸入側分離室57から吐出側分離室58へ引き込まないレベルとなる。
When pure water that has entered from the
したがって、吸入配管61内で純水に気泡Aが発生した場合であっても、エアリターン機構40によって、水ポンプ36に到達する前に純水中の気泡Aが適切に除去される。また、水ポンプ36にエア分離室50が直接接続されているため、水ポンプ36へ供給される純水中には気泡Aが含まれない。その結果、水ポンプ36は、改質器14へ純水を高精度で供給できる。
Therefore, even when bubbles A are generated in the pure water in the
なお、エアリターン配管62の水タンク34のエアリターン口37に取り付けられている一端は、大気圧に開放されていればよく、水タンク34に接続される構成に限定されない。ただし、大気中に開放される構成の場合、エアリターン配管62の純水に対する不純物の混入防止のため、フィルタ等を設けるのが好ましい。
Note that one end of the
以上、本発明を実施形態をもとに説明した。しかし、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 The present invention has been described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
例えば、上述の実施形態では、エア分離部42における気泡のトラップは一度だけであったが、エア分離部42は、複数回トラップがなされる構成としてもよい。つまり、上述のエア分離部42が複数連続する構成としてもよい。また、エア分離部42は、水ポンプ36の構成要素として水ポンプ36と一体に構成されてもよい。また、水ポンプ36にエア分離室50が直接接続されなくともよいが、エア分離室50と水ポンプ36との経路で気泡が発生する可能性を排除するためには、エア分離室50を出来る限り水ポンプ36に近い場所に設置することが好ましい。
For example, in the above-described embodiment, the air trap in the
また、吐出側分離室58の入り口部分に気液分離フィルタを設けてもよい。さらに、分離壁54の一部又は全てに変えて、気液分離フィルタによって、気泡Aが水ポンプ36側に流入しないようにしてもよい。
Further, a gas-liquid separation filter may be provided at the entrance of the discharge
10 燃料電池システム
12 燃料供給部
14 改質器
16 燃料電池本体
30 水供給部
32 水処理部
34 水タンク
36 水ポンプ
37 エアリターン口
40 エアリターン機構
42 エア分離部
50 エア分離室
51 吸入口
52 吐出口
53 エア導出口
54 分離壁
55 分離室連通口
57 吸入側分離室
58 吐出側分離室
61 吸入配管
62 エアリターン配管
63 吐出配管
65 吸入口
66 吐出口
67 ポンプ部
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記吸入配管に連通し、前記吸入配管と連通する吸入口より下方に設けられたエア分離室と、
前記改質器用ポンプに連通する改質器用ポンプ連通部と、
前記エア分離室よりも上方に設けられ前記タンクに連通されたエアリターン配管と、
を備え、
前記エア分離室は、下方に連通口を有する隔壁によって分離された第1及び第2の空間を有し、
前記第1の空間は、前記隔壁の連通口より上側に設けられて前記吸入配管に連通する前記吸入口を備え、
前記第2の空間は、前記隔壁の連通口より上側に設けられて前記改質器用ポンプに連通する吐出口である前記改質器用ポンプ連通部を備え、
前記エアリターン配管は、前記第1の空間の上部から上方向に延出し、前記タンクと連通しており、さらに、前記第1の空間を介して前記吸入配管と連通している
ことを特徴とするエアリターン機構。 An air return mechanism used in a stationary fuel cell system, provided between a suction pipe communicating with a tank and a reformer pump to which water is supplied from the tank via the suction pipe,
An air separation chamber that communicates with the suction pipe and is provided below the suction port that communicates with the suction pipe ;
A reformer pump communication portion communicating with the reformer pump;
An air return pipe provided above the air separation chamber and communicated with the tank ;
Equipped with a,
The air separation chamber has first and second spaces separated by a partition wall having a communication port below.
The first space includes the suction port that is provided above the communication port of the partition wall and communicates with the suction pipe;
The second space includes the reformer pump communication portion which is a discharge port which is provided above the communication port of the partition wall and communicates with the reformer pump,
The air return pipe extends upward from an upper part of the first space, communicates with the tank, and further communicates with the suction pipe via the first space. Air return mechanism.
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