JP5242126B2

JP5242126B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP5242126B2
Application number: JP2007273710A
Authority: JP
Inventors: 豊森; 浩司阿藤; 力牧野
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2027-10-22
Also published as: JP2009104832A

Description

本発明は気液分離器及び燃料電池システムに関し、特に分離された液体の排出が阻害されない気液分離器、及びこの気液分離器の利用に適した燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a gas-liquid separator and a fuel cell system, and more particularly to a gas-liquid separator that does not hinder the discharge of separated liquid, and a fuel cell system suitable for use of the gas-liquid separator.

燃料電池から排出される燃料排ガスに含まれる燃料電池での発電により生成された水は、燃料処理装置（改質器）における水素生成反応の原料として再利用されるべく気液分離器で燃料排ガス中から分離されることが多い。再利用に供される分離された水は一般に残留塩素濃度が低下していて菌類が繁殖しやすい水質となっており、燃料電池発電システム内部に侵入した菌類が燃料処理装置（改質器）において副反応として生成するメタノールを栄養源として増殖することにより、燃料電池発電システム系内の水配管の閉塞を引き起こす場合がある。水配管の閉塞の惹起を回避するべく、燃料排ガスからの回収水を菌類の栄養源が存在しない状態で回収するシステムとして、燃料電池から排出される燃料排ガスを気体と液体に分離する気液分離器と、分離された液体を循環水として回収し、貯水タンクへ送るための循環水回収経路と、気液分離器よりも下流側の循環水回収経路上に設けられた分離された液体を加熱する加熱装置とを備えた燃料電池発電システムがある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−３１１１８０号公報 Water generated by power generation in the fuel cell contained in the fuel exhaust gas discharged from the fuel cell is reused as a fuel exhaust gas in the gas-liquid separator to be reused as a raw material for the hydrogen generation reaction in the fuel processing device (reformer). Often separated from the inside. The separated water used for reuse generally has a low residual chlorine concentration and has a water quality that facilitates the growth of fungi. Fungi that have entered the fuel cell power generation system can be found in the fuel processor (reformer). Proliferation of methanol produced as a side reaction as a nutrient source may cause clogging of water piping in the fuel cell power generation system. Gas-liquid separation that separates the fuel exhaust gas discharged from the fuel cell into gas and liquid as a system to recover the recovered water from the fuel exhaust gas in the absence of fungal nutrients in order to avoid the occurrence of blockage of the water pipe The separated liquid provided on the circulating water recovery path downstream of the gas-liquid separator and the circulating water recovery path for collecting the separated liquid as circulating water and sending it to the water storage tank There is a fuel cell power generation system provided with a heating device (see, for example, Patent Document 1).
JP 2004-311180 A

しかしながら、上記の燃料電池発電システムは、気液分離器中で菌類が増殖した場合は、気液分離器からの回収水の排出が阻害される場合も起こりうる。 However, in the above fuel cell power generation system, when fungi grow in the gas-liquid separator, discharge of recovered water from the gas-liquid separator may be inhibited.

本発明は上述の課題に鑑み、分離された液体の排出が阻害されないようにすることができる気液分離器、及びこの気液分離器の利用に適した燃料電池システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a gas-liquid separator capable of preventing the discharge of the separated liquid from being inhibited, and a fuel cell system suitable for use of the gas-liquid separator. To do.

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る気液分離器は、例えば図１に示すように、水蒸気を含む気体Ｆｍを導入し、前記水蒸気を凝縮分離させて下部に貯留する容器１１と；容器１１の下部に貯留された、前記水蒸気が凝縮分離された回収水ｗが所定の液位ＰＬ（例えば図２参照）よりも上昇したときに、回収水ｗを容器１１から排出させるドレン機構１２と；容器１１からの回収水ｗの排出を阻害する原因となる菌類を滅菌する熱量を、容器１１の下部に貯留されている回収水ｗに与える加熱手段１５とを備える。 In order to achieve the above object, the gas-liquid separator according to the first aspect of the present invention introduces a gas Fm containing water vapor, for example, as shown in FIG. The recovered water w stored in the lower portion of the container 11 and condensed and separated from the water vapor rises above a predetermined liquid level PL (see, for example, FIG. 2). A drain mechanism 12 for discharging; and heating means 15 for giving heat to the recovered water w stored in the lower part of the container 11 with a heat quantity for sterilizing fungi that inhibits the discharge of the recovered water w from the container 11.

このように構成すると、容器からの回収水の排出を阻害する原因となる菌類を滅菌する熱量を容器の下部に貯留されている回収水に与える加熱手段を備えるので、容器の下部に貯留されている回収水中に菌類が発生しないようにでき、仮に発生した場合であっても滅菌することが可能となって容器からの回収水の排出が阻害されないようにすることができる。 If comprised in this way, since it has a heating means to give the amount of heat which sterilizes the fungi which becomes the cause which inhibits discharge of recovery water from a container to recovery water stored at the lower part of a container, it is stored in the lower part of a container. Fungi can be prevented from being generated in the recovered water, and even if it is generated, it can be sterilized and the discharge of recovered water from the container can be prevented from being hindered.

また、本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、例えば図３に示すように、燃焼用燃料ｆを燃焼させて発生した熱により、炭化水素系の改質用原料ｒ１を改質して水素を含む改質ガスｇを生成する改質器２０と；酸素を含む酸化剤ガスｔと改質ガスｇとを導入して発電する燃料電池６０と；改質ガスｇを改質器２０から燃料電池６０へと導く改質ガスライン５４、燃料電池６０における発電に利用されなかった水素を含むアノードオフガスｐを燃焼用燃料ｆとして燃料電池６０から改質器２０へと導くアノードオフガスライン５５、燃料電池６０における発電に利用されなかった酸素を含むカソードオフガスｑを燃料電池６０から系外へと導くカソードオフガスライン５７、５８、及び燃焼用燃料ｆを燃焼させることにより発生した排ガスｅを改質器２０から系外へと導く排ガスライン５３、５８の少なくとも１つに配設された上記本発明の第１の態様に係る気液分離器１０とを備える。 Further, the fuel cell system according to the second aspect of the present invention reforms the hydrocarbon-based reforming raw material r1 by heat generated by burning the combustion fuel f, for example, as shown in FIG. A reformer 20 for generating a reformed gas g containing hydrogen; a fuel cell 60 for generating electricity by introducing an oxidant gas t containing oxygen and the reformed gas g; The reformed gas line 54 leading from the fuel cell 60 to the fuel cell 60, and the anode off-gas line 55 leading from the fuel cell 60 to the reformer 20 by using the anode off-gas p containing hydrogen not used for power generation in the fuel cell 60 as the combustion fuel f. The cathode offgas lines 57 and 58 that lead the cathode offgas q containing oxygen that has not been used for power generation in the fuel cell 60 to the outside of the system from the fuel cell 60 and the combustion fuel f are generated. The scan e and a gas-liquid separator 10 according to the first aspect of the present invention disposed on at least one exhaust gas line 53, 58 leading to the outside of the system from the reformer 20.

このように構成すると、燃料電池システム内で繰り返し利用される回収水が菌類の繁殖しやすい水質になった場合でも回収水の流通の阻害を抑制することができ、燃料電池システム内の水自立を維持することができる。 With this configuration, even when the recovered water that is repeatedly used in the fuel cell system has a quality that allows fungi to grow, it is possible to suppress the inhibition of the flow of the recovered water, and the water independence in the fuel cell system can be reduced. Can be maintained.

また、本発明の第３の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１及び図３を参照して示すと、上記本発明の第２の態様に係る燃料電池システム１００において、加熱手段１５による容器１１の下部に貯留されている回収水ｗの加熱が、主として燃料電池６０の発電が行われていないときに実施されるように構成されている。 Further, the fuel cell system according to the third aspect of the present invention is shown in FIG. 1 and FIG. 3, for example. In the fuel cell system 100 according to the second aspect of the present invention, the container by the heating means 15 is used. The heating of the recovered water w stored in the lower portion of the fuel cell 11 is mainly performed when the fuel cell 60 is not generating power.

このように構成すると、気液分離器における気液分離性能の低下を抑制することができる。 If comprised in this way, the fall of the gas-liquid separation performance in a gas-liquid separator can be suppressed.

本発明によれば、容器からの回収水の排出を阻害する原因となる菌類を滅菌する熱量を容器の下部に貯留されている回収水に与える加熱手段を備えるので、容器の下部に貯留されている回収水中に菌類が発生しないようにでき、仮に発生した場合であっても滅菌することが可能となって容器からの回収水の排出が阻害されないようにすることができる。 According to the present invention, it is provided with heating means for giving the recovered water stored in the lower part of the container a heat quantity for sterilizing the fungi that cause the discharge of the recovered water from the container, and is stored in the lower part of the container. Fungi can be prevented from being generated in the recovered water, and even if it is generated, it can be sterilized and the discharge of recovered water from the container can be prevented from being hindered.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or similar members are denoted by the same or similar reference numerals, and redundant description is omitted.

まず図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る気液分離器１０を説明する。図１は、気液分離器１０の縦断面図である。気液分離器１０は、水蒸気を含む気体としての混合流体Ｆｍを導入し水蒸気を凝縮させて分離する機器であり、混合流体Ｆｍから凝縮分離した水蒸気を回収水ｗとして貯留する容器１１と、容器１１に溜まった回収水ｗが所定の液位よりも上昇したときに回収水ｗを容器１１から排出させるドレン機構１２と、容器１１に溜まった回収水ｗを加熱する加熱手段としてのヒータ１５とを備えている。 First, a gas-liquid separator 10 according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a longitudinal sectional view of the gas-liquid separator 10. The gas-liquid separator 10 is a device that introduces the mixed fluid Fm as a gas containing water vapor and condenses and separates the water vapor, and a container 11 that stores the water vapor condensed and separated from the mixed fluid Fm as recovered water w, and a container A drain mechanism 12 for discharging the recovered water w from the container 11 when the recovered water w stored in the tank 11 rises above a predetermined liquid level; and a heater 15 as a heating means for heating the recovered water w stored in the container 11; It has.

容器１１は、典型的には円筒状に形成されている。気液分離器１０は、典型的には、円筒状に形成された容器１１の軸（円筒の軸）が鉛直方向に延びるように配設されるため、以下の説明において上下等の位置関係に言及するときは気液分離器１０の典型的な配置における位置関係をいうものとする。容器１１の側面上部には外側に向かって突出した側面突出部１１ａが形成されており、側面突出部１１ａの先端には混合流体Ｆｍを導入する導入口１１ｈａが形成されている。 The container 11 is typically formed in a cylindrical shape. Since the gas-liquid separator 10 is typically disposed such that the axis of the container 11 (cylindrical axis) formed in a cylindrical shape extends in the vertical direction, in the following description, the gas-liquid separator 10 has a positional relationship such as up and down. When mentioning it, the positional relationship in the typical arrangement of the gas-liquid separator 10 shall be said. A side protrusion 11a protruding outward is formed at the upper side of the container 11 and an inlet 11ha for introducing the mixed fluid Fm is formed at the tip of the side protrusion 11a.

容器１１の上面には上方に向かって突出した上面突出部１１ｂが形成されており、上面突出部１１ｂの先端には容器１１内で混合流体Ｆｍから回収水ｗ分の水蒸気が分離された気体Ｇを導出する気体導出口１１ｈｂが形成されている。上面突出部１１ｂは容器１１内にも延びている。上面突出部１１ｂが容器１１内に延びる長さは、導入口１１ｈａから導入された混合流体Ｆｍが上面突出部１１ｂの外側に衝突するような位置までとなっている。このように構成されることにより、容器１１内に導入された混合流体Ｆｍが上面突出部１１ｂに衝突して（混合流体Ｆｍが衝突する部分の上面突出部１１ｂを特に「分離部１３」ということとする）、混合流体Ｆｍから回収水ｗが凝縮分離される。 An upper surface protruding portion 11 b protruding upward is formed on the upper surface of the container 11, and a gas G from which water vapor corresponding to the recovered water w is separated from the mixed fluid Fm in the container 11 at the tip of the upper surface protruding portion 11 b. A gas outlet 11hb for leading out is formed. The upper surface protrusion 11 b also extends into the container 11. The length of the upper surface protrusion 11b extending into the container 11 is such that the mixed fluid Fm introduced from the introduction port 11ha collides with the outside of the upper surface protrusion 11b. By being configured in this manner, the mixed fluid Fm introduced into the container 11 collides with the upper surface protruding portion 11b (the upper surface protruding portion 11b of the portion where the mixed fluid Fm collides is particularly referred to as the “separating portion 13”. The recovered water w is condensed and separated from the mixed fluid Fm.

容器１１の底面には、下方及び容器１１内部の双方に向かってわずかに突出する下面突出部１１ｃが形成されている。容器１１の外側の下面突出部１１ｃの先端には、容器１１内で混合流体Ｆｍから分離された回収水ｗを導出する液体導出口１１ｈｃが形成されている。導入口１１ｈａ、気体導出口１１ｈｂ、液体導出口１１ｈｃは、流体（混合流体Ｆｍ、気体Ｇ、回収水ｗ）を搬送する流路を形成する管状部材とねじやフランジで接続可能なように、それぞれ構成されている。 On the bottom surface of the container 11, a lower surface protruding portion 11 c that slightly protrudes toward both the lower side and the inside of the container 11 is formed. A liquid outlet 11hc for leading the recovered water w separated from the mixed fluid Fm in the container 11 is formed at the tip of the lower surface protrusion 11c outside the container 11. The introduction port 11ha, the gas outlet port 11hb, and the liquid outlet port 11hc are respectively connected to a tubular member that forms a flow path for transporting fluid (mixed fluid Fm, gas G, recovered water w) with a screw or a flange. It is configured.

ドレン機構１２は、容器１１内に配設されており、フロート１２ｆと、ばね１２ｓと、ディスク１２ｄとを含んで構成されている。フロート１２ｆは、容器１１内に貯留された回収水ｗから浮力を受けて、容器１１内に貯留された回収水ｗの液位に応じて上下に移動するように構成されている。ばね１２ｓは、典型的にはコイルばねであり、フロート１２ｆを下方に付勢するように、フロート１２ｆの下部（底部を含む）と容器１１の底部とに接続されている。ディスク１２ｄは、液体導出口１１ｈｃを塞ぐように、かつ液体導出口１１ｈｃに対して開閉可能なように（液体導出口１１ｈｃからの回収水ｗの導出を許可及び不許可とする状態とするように）、片開き状に容器１１内に取り付けられている。ディスク１２ｄは、フロート１２ｆとレバー１２ｒで連結されており、フロート１２ｆが上昇すると開いて回収水ｗを液体導出口１１ｈｃから導出可能となり、フロート１２ｆが下端に位置すると閉じて液体導出口１１ｈｃからの回収水ｗの導出がされないように構成されている。 The drain mechanism 12 is disposed in the container 11 and includes a float 12f, a spring 12s, and a disk 12d. The float 12 f is configured to receive buoyancy from the recovered water w stored in the container 11 and move up and down according to the liquid level of the recovered water w stored in the container 11. The spring 12s is typically a coil spring, and is connected to the lower part (including the bottom part) of the float 12f and the bottom part of the container 11 so as to bias the float 12f downward. The disk 12d closes the liquid outlet 11hc and can be opened and closed with respect to the liquid outlet 11hc (to permit and disallow the derivation of the recovered water w from the liquid outlet 11hc). ), Attached inside the container 11 in a single-opened shape. The disk 12d is connected to the float 12f by a lever 12r. The disk 12d opens when the float 12f rises, and the recovered water w can be led out from the liquid outlet 11hc. When the float 12f is positioned at the lower end, the disk 12d closes. The configuration is such that the recovered water w is not derived.

ここで図２を参照して、容器１１に貯留された回収水ｗが排出される手順を説明する。図２では、気液分離器１０のフロート１２ｆまわりを示し、上部（側面突出部１１ａ及び上面突出部のまわり）は省略している。図２（ａ）に示すように、容器１１内に回収水ｗがないときは、フロート１２ｆが重力及びばね１２ｓの引っ張り力により容器１１の底部に下降している。このとき、レバー１２ｒを介してフロート１２ｆに連結されているディスク１２ｄは、液体導出口１１ｈｃを塞いでいる。図２（ｂ）に示すように、容器１１内に回収水ｗが溜まってくるとフロート１２ｆに浮力が生じてくるが、フロート１２ｆはバネ１２ｓにより底面側に付勢されているので、ばね１２ｓの引っ張り力に打ち勝つ程の浮力が生じるまでフロート１２ｆは上昇しない。フロート１２ｆが上昇せずに底部に下降したままのときは、容器１１内に回収水ｗが溜まっていても液体導出口１１ｈｃがディスク１２ｄにより塞がれているので回収水ｗは容器１１から導出されない。そして、図２（ｃ）に示すように、ばね１２ｓの引っ張り力に打ち勝ってフロート１２ｆが上昇しようとする浮力が発生する液位ＰＬ（この液位ＰＬが「所定の液位」に相当する）よりも容器１１内の回収水ｗの液位が上昇したときに、フロート１２ｆは上昇して底部から離れる。フロート１２ｆが上昇すると、レバー１２ｒを介して連結されているディスク１２ｄが開き、容器１１内に貯留していた回収水ｗが液体導出口１１ｈｃから導出される。 Here, with reference to FIG. 2, the procedure in which the recovered water w stored in the container 11 is discharged will be described. 2, the periphery of the float 12f of the gas-liquid separator 10 is shown, and the upper portion (around the side protrusion 11a and the upper protrusion) is omitted. As shown in FIG. 2A, when there is no recovered water w in the container 11, the float 12f is lowered to the bottom of the container 11 by gravity and the pulling force of the spring 12s. At this time, the disk 12d connected to the float 12f via the lever 12r closes the liquid outlet 11hc. As shown in FIG. 2B, buoyancy is generated in the float 12f when the recovered water w accumulates in the container 11, but the float 12f is biased toward the bottom by the spring 12s, so the spring 12s. The float 12f does not rise until a buoyancy sufficient to overcome the pulling force is generated. When the float 12f does not rise and remains at the bottom, the recovered water w is led out from the container 11 because the liquid outlet 11hc is blocked by the disk 12d even if the recovered water w is accumulated in the container 11. Not. Then, as shown in FIG. 2 (c), a liquid level PL that generates buoyancy to overcome the pulling force of the spring 12s and raise the float 12f (this liquid level PL corresponds to a "predetermined liquid level"). When the level of the recovered water w in the container 11 rises, the float 12f rises and leaves the bottom. When the float 12f rises, the disk 12d connected through the lever 12r is opened, and the recovered water w stored in the container 11 is led out from the liquid outlet 11hc.

再び図１に戻って気液分離器１０の構成の説明を続ける。ヒータ１５は、容器１１内に貯留された回収水ｗの最高液位から下方に向かって、貯留された回収水ｗが存在する部分の容器１１を包むように、容器１１の外側に設けられている。ヒータ１５は、液体導出口１１ｈｃからの回収水ｗの導出を阻害するように回収水ｗをスライム化させる原因となる菌類が容器１１内に貯留された回収水ｗ中に発生したときに、その菌類を滅菌することができる熱量を出力可能なように構成されている。 Returning to FIG. 1 again, the description of the configuration of the gas-liquid separator 10 will be continued. The heater 15 is provided outside the container 11 so as to wrap the portion of the container 11 where the collected recovered water w exists from the highest liquid level of the recovered water w stored in the container 11 downward. . When the fungi that cause slimming of the recovered water w so as to hinder the recovery of the recovered water w from the liquid outlet 11hc are generated in the recovered water w stored in the container 11, the heater 15 It is configured to output the amount of heat that can sterilize fungi.

次に図３を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システム１００について説明する。燃料電池システム１００は、炭化水素系の改質用原料としての改質原料ｒ１を導入して水素に富む改質ガスｇを生成する改質器２０と、改質ガスｇと酸素を含有する酸化剤ガスｔとを導入して発電する燃料電池６０と、上述した気液分離器１０と、燃料電池システム１００の運転を制御する制御装置９０とを含んで構成されている。 Next, with reference to FIG. 3, a fuel cell system 100 according to a second embodiment of the present invention will be described. The fuel cell system 100 includes a reformer 20 that introduces a reforming material r1 as a hydrocarbon-based reforming material to generate a reformed gas g rich in hydrogen, and an oxidizing gas that contains reformed gas g and oxygen. The fuel cell 60 that introduces the agent gas t to generate power, the gas-liquid separator 10 described above, and the control device 90 that controls the operation of the fuel cell system 100 are configured.

改質器２０は、改質原料ｒ１と改質用水ｓとを導入して改質原料ｒ１を水蒸気改質し水素に富むガスを生成する改質部２１と、水素に富むガスから一酸化炭素濃度を低減した改質ガスｇを生成する一酸化炭素低減部２２と、改質原料ｒ１の水蒸気改質に用いる改質熱を発生させるバーナー２５とを有している。さらに一酸化炭素低減部２２は、水素に富むガス中の一酸化炭素を変成して水素に富むガスから一酸化炭素が低減した変成ガスとする変成部２３と、選択酸化空気ａ１を導入し変成ガス中の一酸化炭素を選択酸化して変成ガスからさらに一酸化炭素が低減した改質ガスｇを生成する選択酸化部２４とを有している。炭化水素系の改質用原料（改質原料ｒ１）は、炭化水素あるいは炭化水素を主成分とする混合物の総称であり、典型的には、メタン、エタン等の鎖式炭化水素（天然ガスも含む）、あるいはメタノール、石油製品（灯油、ガソリン、ナフサ、ＬＰＧ等）等の炭化水素を主成分とする炭化水素系の燃料である。また、水素に富むガスは、水素を主成分とするガスであり、水素を４０体積％以上、典型的には７０〜８０体積％程度含んでいる。水素に富むガスから一酸化炭素を低減した改質ガスｇも水素に富むガスと同程度の水素が含まれている。改質ガスｇの水素濃度は８０体積％以上でもよく、すなわち燃料電池６０に供給したときに酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。改質ガスｇには水蒸気が含まれている。水素に富むガスには、典型的には一酸化炭素が１０体積％程度含まれている。 The reformer 20 introduces the reforming raw material r1 and the reforming water s, steam reforming the reforming raw material r1 to generate a gas rich in hydrogen, and carbon monoxide from the gas rich in hydrogen. The carbon monoxide reduction part 22 which produces | generates the reformed gas g which reduced the density | concentration, and the burner 25 which generate | occur | produces the reforming heat used for the steam reforming of the reforming raw material r1 are provided. Furthermore, the carbon monoxide reduction unit 22 introduces a shift unit 23 that converts carbon monoxide in a gas rich in hydrogen into a shift gas in which carbon monoxide is reduced from a gas rich in hydrogen, and a selective oxidation air a1. A selective oxidation unit 24 that selectively oxidizes carbon monoxide in the gas to generate a reformed gas g in which carbon monoxide is further reduced from the modified gas. The hydrocarbon-based reforming raw material (reforming raw material r1) is a general term for a hydrocarbon or a mixture containing hydrocarbon as a main component. Typically, a chain hydrocarbon such as methane or ethane (natural gas is also used). Or hydrocarbon-based fuels mainly composed of hydrocarbons such as methanol and petroleum products (kerosene, gasoline, naphtha, LPG, etc.). The gas rich in hydrogen is a gas mainly composed of hydrogen and contains 40% by volume or more, typically about 70 to 80% by volume of hydrogen. The reformed gas g obtained by reducing carbon monoxide from a gas rich in hydrogen also contains the same amount of hydrogen as the gas rich in hydrogen. The reformed gas g may have a hydrogen concentration of 80% by volume or more, that is, any concentration that enables power generation by an electrochemical reaction with oxygen in the oxidant gas t when supplied to the fuel cell 60. The reformed gas g contains water vapor. The gas rich in hydrogen typically contains about 10% by volume of carbon monoxide.

バーナー２５は、燃焼用燃料ｆと燃焼空気ａ２とを導入し、燃焼用燃料ｆを燃焼させて改質原料ｒ１の水蒸気改質に必要な改質熱を得る部分である。燃焼用燃料ｆとしては、炭化水素系の燃焼燃料ｒ２、後述するアノードオフガスｐ、あるいはこれらの混合物が用いられる。本実施の形態では、燃焼燃料ｒ２は、改質原料ｒ１と同じ物質であり、説明の便宜上用途に応じた呼称に変えたものである。バーナー２５に導入される燃焼用燃料ｆ及び燃焼空気ａ２と、改質部２１及び一酸化炭素低減部２２内を流通する改質原料ｒ１及び改質ガスｇとが混合しないように、バーナー２５と、改質部２１及び一酸化炭素低減部２２とは隔壁等で隔離されている。バーナー２５は、改質部２１における水蒸気改質反応に用いられる改質熱を効率的に改質部２１に与えることができるように、改質部２１近傍に配設されている。 The burner 25 is a part that introduces the combustion fuel f and the combustion air a2 and burns the combustion fuel f to obtain reforming heat necessary for steam reforming of the reforming raw material r1. As the combustion fuel f, hydrocarbon-based combustion fuel r2, anode off-gas p described later, or a mixture thereof is used. In the present embodiment, the combustion fuel r2 is the same material as the reforming raw material r1, and is changed to a name corresponding to the application for convenience of explanation. In order to prevent the combustion fuel f and combustion air a2 introduced into the burner 25 from mixing with the reforming raw material r1 and the reformed gas g flowing through the reforming unit 21 and the carbon monoxide reduction unit 22, The reforming unit 21 and the carbon monoxide reduction unit 22 are separated by a partition wall or the like. The burner 25 is disposed in the vicinity of the reforming unit 21 so that the reforming heat used for the steam reforming reaction in the reforming unit 21 can be efficiently given to the reforming unit 21.

燃料電池６０は、典型的には固体高分子形燃料電池である。燃料電池６０は、改質ガスｇを導入するアノード６１と、酸化剤ガスｔを導入するカソード６２と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部６３とを含んで構成されている。酸化剤ガスｔは、典型的には所定の加湿度に加湿された空気である。燃料電池６０は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜をアノード６１とカソード６２とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部６３を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池６０では、アノード６１に供給された改質ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過してカソード６２に移動すると共に電子がアノード６１とカソード６２とを結ぶ導線（不図示）を通ってカソード６２に移動して、カソード６２に供給された酸化剤ガスｔ中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。燃料電池６０は、典型的には、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ（不図示）と電気的に接続される。 The fuel cell 60 is typically a polymer electrolyte fuel cell. The fuel cell 60 includes an anode 61 that introduces a reformed gas g, a cathode 62 that introduces an oxidant gas t, and a cooling unit 63 that removes heat generated by an electrochemical reaction. The oxidant gas t is typically air that has been humidified to a predetermined humidity. Although the fuel cell 60 is simply shown in the figure, in practice, a single cell is formed by sandwiching the solid polymer membrane between the anode 61 and the cathode 62, and this cell is interposed via the cooling unit 63. A plurality of layers are laminated. In the fuel cell 60, hydrogen in the reformed gas g supplied to the anode 61 is decomposed into hydrogen ions and electrons, and the hydrogen ions pass through the solid polymer film and move to the cathode 62, and the electrons It moves to the cathode 62 through a conducting wire (not shown) connecting to the cathode 62, reacts with oxygen in the oxidant gas t supplied to the cathode 62 to generate water, and generates heat during this reaction. In this reaction, the direct current can be taken out by passing electrons through the conducting wire. The fuel cell 60 is typically electrically connected to a power conditioner (not shown) that converts DC power into AC power.

燃料電池６０のアノード６１では、導入された改質ガスｇ中の水素のすべてが上述の電気化学的反応（燃料電池６０における発電）に利用される訳ではなく、一部の水素が利用される。アノード６１からは、燃料電池６０での電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスｐが排出される。アノードオフガスｐには、水素、二酸化炭素、窒素、水蒸気等が含まれている。燃料電池６０のカソード６２では、導入された酸化剤ガスｔ中の酸素のすべてが上述の電気化学的反応（燃料電池６０における発電）に利用される訳ではなく、一部の酸素が利用される。カソード６２からは、燃料電池６０での電気化学的反応に利用されなかった酸素と、水蒸気とを含むカソードオフガスｑが排出される。 In the anode 61 of the fuel cell 60, not all of the hydrogen in the introduced reformed gas g is used for the above-described electrochemical reaction (power generation in the fuel cell 60), but some hydrogen is used. . From the anode 61, the anode off gas p containing hydrogen that has not been used for the electrochemical reaction in the fuel cell 60 is discharged. The anode off gas p contains hydrogen, carbon dioxide, nitrogen, water vapor and the like. At the cathode 62 of the fuel cell 60, not all of the oxygen in the introduced oxidant gas t is used for the above-described electrochemical reaction (power generation in the fuel cell 60), but some oxygen is used. . From the cathode 62, a cathode off-gas q containing oxygen that has not been used for the electrochemical reaction in the fuel cell 60 and water vapor is discharged.

改質器２０の選択酸化部２４と燃料電池のアノード６１とは、改質ガスラインとしての改質ガス管５４で接続されている。改質ガス管５４には、気液分離器１０（以下、改質ガス管５４に配設された気液分離器１０を他の気液分離器と区別する必要があるときはその符号を「１０Ａ」と表す。）が挿入配置されている。気液分離器１０Ａは、燃料電池６０に導入される際の温度にできるだけ近い温度で改質ガスｇを気液分離器１０Ａに導入させる観点から、燃料電池６０近傍に配設されることが好ましい。つまり、このようにすると、気液分離器１０Ａから導出された改質ガスｇの温度が低下することにより凝縮水が含まれた状態の改質ガスｇが燃料電池６０に導入されることを回避することができる。気液分離器１０Ａは、導入口１１ｈａが選択酸化部２４側に、気体導出口１１ｈｂがアノード６１側に位置するように、改質ガス管５４に配設されている。気液分離器１０Ａの液体導出口１１ｈｃには改質ガス回収水管４１の一端が接続されており、その他端は回収水タンク８５に接続されている。 The selective oxidation unit 24 of the reformer 20 and the anode 61 of the fuel cell are connected by a reformed gas pipe 54 as a reformed gas line. In the reformed gas pipe 54, the gas-liquid separator 10 (hereinafter, the gas-liquid separator 10 disposed in the reformed gas pipe 54 is denoted by the reference sign when it is necessary to distinguish it from other gas-liquid separators. 10A ") is inserted and arranged. The gas-liquid separator 10A is preferably disposed in the vicinity of the fuel cell 60 from the viewpoint of introducing the reformed gas g into the gas-liquid separator 10A at a temperature as close as possible to the temperature when introduced into the fuel cell 60. . That is, in this way, it is avoided that the reformed gas g containing condensed water is introduced into the fuel cell 60 due to a decrease in the temperature of the reformed gas g derived from the gas-liquid separator 10A. can do. The gas-liquid separator 10A is disposed in the reformed gas pipe 54 so that the inlet 11ha is located on the selective oxidation unit 24 side and the gas outlet 11hb is located on the anode 61 side. One end of the reformed gas recovery water pipe 41 is connected to the liquid outlet 11hc of the gas-liquid separator 10A, and the other end is connected to the recovery water tank 85.

燃料電池６０のアノード６１と改質器２０のバーナー２５とは、アノードオフガスラインとしてのアノードオフガス管５５で接続されている。アノードオフガス管５５には、気液分離器１０（以下、アノードオフガス管５５に配設された気液分離器１０を他の気液分離器と区別する必要があるときはその符号を「１０Ｂ」と表す。）が挿入配置されている。気液分離器１０Ｂは、導入口１１ｈａがアノード６１側に、気体導出口１１ｈｂがバーナー２５側に位置するように、アノードオフガス管５５に配設されている。気液分離器１０Ｂの液体導出口１１ｈｃにはアノードオフガス回収水管４２の一端が接続されており、その他端は回収水タンク８５に接続されている。アノードオフガス管５５に気液分離器１０Ｂが配設されていることにより、バーナー２５に供給されるアノードオフガスｐに過剰な水分が随伴されることがなく、アノードオフガスｐを燃焼させたときに失火等の不都合が生ずることを回避することができる。 The anode 61 of the fuel cell 60 and the burner 25 of the reformer 20 are connected by an anode offgas pipe 55 as an anode offgas line. The anode-off gas pipe 55 has a symbol “10B” when the gas-liquid separator 10 (hereinafter, the gas-liquid separator 10 disposed in the anode off-gas pipe 55 needs to be distinguished from other gas-liquid separators). Is inserted and arranged. The gas-liquid separator 10B is disposed in the anode off-gas pipe 55 so that the inlet 11ha is located on the anode 61 side and the gas outlet 11hb is located on the burner 25 side. One end of the anode off-gas recovery water pipe 42 is connected to the liquid outlet 11hc of the gas-liquid separator 10B, and the other end is connected to the recovery water tank 85. Since the gas-liquid separator 10B is disposed in the anode off-gas pipe 55, the anode off-gas p supplied to the burner 25 is not accompanied by excessive moisture, and misfire occurs when the anode off-gas p is burned. It is possible to avoid such inconveniences.

回収水タンク８５は、各気液分離器１０で分離された回収水ｗを貯留するタンクである。回収水タンク８５には、貯留されている回収水ｗを改質用水ｓとして改質部２１に導く改質用水管７１が接続されている。改質用水管７１には、改質用水ｓを回収水タンク８５から改質部２１へと圧送する改質用水ポンプ８１が配設されている。 The recovered water tank 85 is a tank that stores the recovered water w separated by each gas-liquid separator 10. The recovered water tank 85 is connected to a reforming water pipe 71 that guides the stored recovered water w to the reforming unit 21 as reforming water s. The reforming water pipe 71 is provided with a reforming water pump 81 that pumps the reforming water s from the recovered water tank 85 to the reforming unit 21.

改質部２１には、改質用水管７１のほかに、改質原料ｒ１を導入する改質原料管５１ａが接続されている。改質用水管７１は、改質部２１に直接接続されるのではなく改質原料管５１ａに接続されていてもよい。改質原料管５１ａは、原料ｒを搬送する原料管５１から分岐した管である。原料管５１から分岐した他方は燃焼燃料管５１ｂである。燃焼燃料管５１ｂは、搬送する燃焼燃料ｒ２の供給先であるバーナー２５に接続されている。改質原料ｒ１及び燃焼燃料ｒ２は、上述のように、原料ｒを用途に応じて区別した呼称であり、物性は同じものである。原料管５１には、原料ｒを脱硫する脱硫器８６が配設されているとよい。 In addition to the reforming water pipe 71, the reforming part 21 is connected with a reforming raw material pipe 51a for introducing the reforming raw material r1. The reforming water pipe 71 may be connected to the reforming raw material pipe 51 a instead of being directly connected to the reforming section 21. The reforming raw material pipe 51a is a pipe branched from the raw material pipe 51 that conveys the raw material r. The other branched from the raw material pipe 51 is a combustion fuel pipe 51b. The combustion fuel pipe 51b is connected to the burner 25 which is a supply destination of the combustion fuel r2 to be conveyed. As described above, the reforming raw material r1 and the combustion fuel r2 are names in which the raw material r is distinguished depending on the application, and the physical properties are the same. The raw material pipe 51 may be provided with a desulfurizer 86 for desulfurizing the raw material r.

バーナー２５には、アノードオフガス管５５及び燃焼燃料管５１ｂのほかに、燃焼空気ａ２を導入する燃焼空気管５２ｂが接続されている。燃焼燃料管５２ｂは、空気ａを搬送する空気管５２から分岐した管である。空気管５２から分岐した他方は選択酸化空気管５２ａである。選択酸化空気管５２ａは、搬送する選択酸化空気ａ１の供給先である選択酸化部２４に接続されている。選択酸化空気ａ１及び燃焼空気ａ２は、空気ａを用途に応じて区別した呼称である。また、バーナー２５には、燃焼用燃料ｆを燃焼した後に生じる燃焼排ガスｅを排出する排ガスラインとしての排ガス管５３が接続されている。本実施の形態では、排ガス管５３は改質部２１を貫通しており（ただし、改質部２１とは連通していない（改質部２１に排ガスｅの出入があるようにはなっていない））、排ガスｅの熱を改質熱として利用可能に構成されている。 In addition to the anode offgas pipe 55 and the combustion fuel pipe 51b, the burner 25 is connected with a combustion air pipe 52b for introducing the combustion air a2. The combustion fuel pipe 52b is a pipe branched from the air pipe 52 that carries the air a. The other branched from the air pipe 52 is a selective oxidation air pipe 52a. The selective oxidation air pipe 52a is connected to the selective oxidation unit 24 that is a supply destination of the selective oxidation air a1 to be conveyed. The selectively oxidized air a1 and the combustion air a2 are names that distinguish the air a according to the application. The burner 25 is connected to an exhaust gas pipe 53 as an exhaust gas line for discharging the combustion exhaust gas e generated after the combustion fuel f is burned. In the present embodiment, the exhaust gas pipe 53 penetrates the reforming part 21 (however, it does not communicate with the reforming part 21 (the exhaust gas e does not enter and exit the reforming part 21). )), The heat of the exhaust gas e can be used as reforming heat.

燃料電池６０のカソード６２には、酸化剤ガスｔを導入する酸化剤ガス管５６及びカソードオフガスｑを導出するカソードオフガスラインとしてのカソードオフガス管５７が接続されている。カソードオフガス管５７は、排ガス管５３に接続されている。排ガス管５３とカソードオフガス管５７とが接続した後は、１本の混合排ガス管５８となって、燃焼排ガスｅとカソードオフガスｑとが混合した混合排ガスｍを系外（燃料電池システム１００外）に排出するように構成されている。つまり、混合排ガス管５８は、排ガス管５３とカソードオフガス管５７とを兼ねるものである。混合排ガス管５８には気液分離器１０（以下、混合排ガス管５８に配設された気液分離器１０を他の気液分離器と区別する必要があるときはその符号を「１０Ｃ」と表す。）が挿入配置されている。気液分離器１０Ｃは、できるだけ低い温度で混合排ガスｍを気液分離器１０Ｃに導入させる観点から、混合排ガスｍを系外に排出する排気口（不図示）近傍に配設されることが好ましい。つまり、このようにすると、比較的高温である燃焼排ガスｅが比較的低温であるカソードオフガスｑと混合して降温した後に放熱によりさらに温度が低下してから気液分離器１０Ｃで水蒸気が除去されるので、気液分離器１０Ｃから導出された混合排ガスｍの温度が低下することにより混合排ガスｍ中の水分が凝縮して排気口（不図示）から排出される混合排ガスｍが「白煙」となることを回避することができる。気液分離器１０Ｃは、導入口１１ｈａが改質器２０及び燃料電池６０側に、気体導出口１１ｈｂが系外側に位置するように、混合排ガス管５８に配設されている。気液分離器１０Ｃの液体導出口１１ｈｃには排ガス回収水管４３の一端が接続されており、その他端は回収水タンク８５に接続されている。 Connected to the cathode 62 of the fuel cell 60 are an oxidant gas pipe 56 for introducing the oxidant gas t and a cathode offgas pipe 57 as a cathode offgas line for deriving the cathode offgas q. The cathode off gas pipe 57 is connected to the exhaust gas pipe 53. After the exhaust gas pipe 53 and the cathode offgas pipe 57 are connected, it becomes a single mixed exhaust gas pipe 58, and the mixed exhaust gas m in which the combustion exhaust gas e and the cathode offgas q are mixed is out of the system (outside the fuel cell system 100). It is configured to discharge. That is, the mixed exhaust gas pipe 58 serves as both the exhaust gas pipe 53 and the cathode offgas pipe 57. The mixed exhaust gas pipe 58 has a gas-liquid separator 10 (hereinafter referred to as “10C” when the gas-liquid separator 10 disposed in the mixed exhaust gas pipe 58 needs to be distinguished from other gas-liquid separators. Is shown). From the viewpoint of introducing the mixed exhaust gas m into the gas-liquid separator 10C at the lowest possible temperature, the gas-liquid separator 10C is preferably disposed in the vicinity of an exhaust port (not shown) that discharges the mixed exhaust gas m out of the system. . In other words, in this case, the combustion exhaust gas e having a relatively high temperature is mixed with the cathode off gas q having a relatively low temperature, and the temperature is further lowered by heat radiation, and then the water vapor is removed by the gas-liquid separator 10C. Therefore, when the temperature of the mixed exhaust gas m derived from the gas-liquid separator 10C decreases, the moisture in the mixed exhaust gas m is condensed and the mixed exhaust gas m discharged from the exhaust port (not shown) is “white smoke”. Can be avoided. The gas-liquid separator 10C is disposed in the mixed exhaust gas pipe 58 so that the inlet 11ha is located on the reformer 20 and the fuel cell 60 side, and the gas outlet 11hb is located outside the system. One end of the exhaust gas recovery water pipe 43 is connected to the liquid outlet 11hc of the gas-liquid separator 10C, and the other end is connected to the recovery water tank 85.

燃料電池６０の冷却部６３には、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却水ｃを流す冷却水管７３が接続されている。冷却水管７３には、冷却水ｃの熱を放熱する熱交換器８８が配設されている。熱交換器８８で放出された熱は、典型的には、排熱回収水等の熱媒体（不図示）を介して貯湯槽（不図示）に蓄えられる。冷却水管７３は、冷却水ｃを冷却部６３から熱交換器８８に導く第１冷却水管７３Ａと、冷却水ｃを熱交換器８８から冷却部６３に導く第２冷却水管７３Ｂとを含んで構成されている。第２冷却水管７３Ｂには、冷却水管７３内で冷却水ｃを循環させる冷却水ポンプ８３が配設されている。また、冷却水ポンプ８３よりも上流側の第２冷却水管７３Ｂには、冷却水管７３に冷却水を補充する冷却水補充管７８が接続されている。冷却水補充管７８の他端は回収水タンク８５の底部に接続されており、回収水タンク８５に収集された回収水ｗを冷却水ｃの補充用に用いることができるように構成されている。 The cooling unit 63 of the fuel cell 60 is connected to a cooling water pipe 73 through which the cooling water c that takes away heat generated by the electrochemical reaction flows. The cooling water pipe 73 is provided with a heat exchanger 88 that radiates heat of the cooling water c. The heat released by the heat exchanger 88 is typically stored in a hot water tank (not shown) through a heat medium (not shown) such as exhaust heat recovery water. The cooling water pipe 73 includes a first cooling water pipe 73A that guides the cooling water c from the cooling section 63 to the heat exchanger 88, and a second cooling water pipe 73B that guides the cooling water c from the heat exchanger 88 to the cooling section 63. Has been. The second cooling water pipe 73B is provided with a cooling water pump 83 for circulating the cooling water c in the cooling water pipe 73. In addition, a cooling water replenishment pipe 78 that replenishes the cooling water pipe 73 with cooling water is connected to the second cooling water pipe 73 </ b> B upstream of the cooling water pump 83. The other end of the cooling water replenishment pipe 78 is connected to the bottom of the recovered water tank 85 so that the recovered water w collected in the recovered water tank 85 can be used for replenishing the cooling water c. .

制御装置９０は、改質器２０に導入される改質原料ｒ１や燃焼用燃料ｆや改質用水ｓ
等の流量をバルブ（不図示）や改質用水ポンプ８１等を調節して制御することにより、改質器２０の運転（改質ガスｇの生成量）を制御することができるように構成されている。また、制御装置９０は、燃料電池６０に導入される改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔの流量をバルブ（不図示）や酸化剤ガスブロワ等を調節して制御することにより、燃料電池６０の運転（発電電力）を制御することができるように構成されている。また、制御装置９０は、冷却水ポンプ８３の発停や回転速度を制御することができるように構成されている。また、制御装置９０は、気液分離器１０のヒータ１５（図１参照）の出力を調節（停止状態も含む）することができるように構成されている。 The control device 90 is connected to the reforming raw material r1, the combustion fuel f, and the reforming water s introduced into the reformer 20.
And the like, by adjusting a valve (not shown), the reforming water pump 81, and the like, the operation of the reformer 20 (the generation amount of the reformed gas g) can be controlled. ing. The control device 90 controls the operation of the fuel cell 60 by controlling the flow rates of the reformed gas g and the oxidant gas t introduced into the fuel cell 60 by adjusting valves (not shown), an oxidant gas blower, and the like. (Generated power) can be controlled. Further, the control device 90 is configured to be able to control the start / stop and rotation speed of the cooling water pump 83. Moreover, the control apparatus 90 is comprised so that the output of the heater 15 (refer FIG. 1) of the gas-liquid separator 10 can be adjusted (a stop state is also included).

図１〜図３を参照して、気液分離器１０及び燃料電池システム１００の作用を説明する。なお、気液分離器１０の作用は、燃料電池システム１００の作用の一環として説明する。燃料電池システム１００が停止している状態から起動するには、改質部２１に改質原料ｒ１及び改質用水ｓを供給し、バーナー２５に燃焼用燃料ｆとしての燃焼燃料ｒ２及び燃焼空気ａ２を供給する。バーナー２５で燃焼燃料ｒ２を燃焼させて改質熱を発生させることにより、改質部２１に供給された改質原料ｒ１は水蒸気改質反応により水素に富むガスに改質される。水素に富むガスは、変成部２３で変成反応が行われ、選択酸化部２４では導入された選択酸化空気ａ１により選択酸化反応が行われて、一酸化炭素濃度が低減した水素に富むガスである改質ガスｇとなる。改質ガスｇは、改質部２１において比較的高いＳ／Ｃ（スチームとカーボンの比）で改質されるため、ほぼ水蒸気が飽和した状態となっている。他方、バーナー２５で燃焼用燃料ｆが燃焼することにより生じる燃焼排ガスｅは、改質器２０から排出されて排ガス管５３内を流れる。 The operation of the gas-liquid separator 10 and the fuel cell system 100 will be described with reference to FIGS. The operation of the gas-liquid separator 10 will be described as part of the operation of the fuel cell system 100. In order to start the fuel cell system 100 from a stopped state, the reforming material 21 is supplied with the reforming raw material r1 and the reforming water s, and the combustion fuel r2 and the combustion air a2 as the combustion fuel f are supplied to the burner 25. Supply. By burning the combustion fuel r2 by the burner 25 to generate reforming heat, the reforming raw material r1 supplied to the reforming section 21 is reformed into a gas rich in hydrogen by a steam reforming reaction. The gas rich in hydrogen is a gas rich in hydrogen that undergoes a transformation reaction in the transformation unit 23 and a selective oxidation reaction in the selective oxidation unit 24 using the introduced selective oxidation air a1 to reduce the carbon monoxide concentration. It becomes the reformed gas g. Since the reformed gas g is reformed at a relatively high S / C (ratio of steam to carbon) in the reforming section 21, the steam is almost saturated. On the other hand, the combustion exhaust gas e generated by burning the combustion fuel f in the burner 25 is discharged from the reformer 20 and flows in the exhaust gas pipe 53.

改質器２０で生成された改質ガスｇは、アノード６１に導かれる途中で気液分離器１０Ａに流入する。気液分離器１０Ａに流入した改質ガスｇは、分離部１３に衝突し、改質ガスｇ中の水蒸気が凝縮分離されて回収水ｗとして容器１１内に貯留される。容器１１内に貯留された回収水ｗは、所定の液位ＰＬを超えると気液分離器１０Ａから導出されて回収水タンク８５に貯留される。他方、回収水ｗ分の水蒸気が分離された改質ガスｇは気体導出口１１ｈｂから導出されてアノード６１に導入される。なお、改質器２０の起動当初は生成される改質ガスｇの組成が安定していないため、組成が安定していない改質ガスｇを気液分離器１０Ａから導出後にアノード６１に導入させずにバイパス管（不図示）及びアノードオフガス管５５を介してバーナー２５に導いて燃焼させ、燃焼により発生した熱を改質熱として利用することが好ましい。 The reformed gas g generated in the reformer 20 flows into the gas-liquid separator 10A while being guided to the anode 61. The reformed gas g that has flowed into the gas-liquid separator 10A collides with the separation unit 13, the water vapor in the reformed gas g is condensed and separated, and stored in the container 11 as recovered water w. The recovered water w stored in the container 11 is derived from the gas-liquid separator 10A and stored in the recovered water tank 85 when it exceeds a predetermined liquid level PL. On the other hand, the reformed gas g from which the steam for the recovered water w has been separated is led out from the gas outlet 11hb and introduced into the anode 61. In addition, since the composition of the reformed gas g produced is not stable at the beginning of the reformer 20, the reformed gas g with an unstable composition is introduced into the anode 61 after being derived from the gas-liquid separator 10A. Instead, it is preferable to guide the burner 25 through the bypass pipe (not shown) and the anode off-gas pipe 55 and burn it, and use the heat generated by the combustion as the reforming heat.

改質ガスｇがアノード６１に導入されると、制御装置９０は酸化剤ガスブロワ（不図示）を起動して酸化剤ガスｔをカソード６２に供給する。改質ガスｇと酸化剤ガスｔとが供給された燃料電池６０では、以下のような電気化学的反応が行われる。電気化学的反応は、アノード６１では以下の（１）式に示す反応が行われ、カソード６２では以下の（２）式に示す反応が行われる。
２Ｈ_２ → ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ ・・・（１）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ・・・（２）
この電気化学的反応によって発電し、発熱すると共に水分が生成される。さらに説明を加えると、アノード６１の電子が外部電気回路（不図示）を通ってカソード６２に移動する際に電力を得ることができる。アノード６１の水素イオンは固体高分子膜を通過してカソード６２に移動し、酸素と結合して水分が発生する。上述のように、この電気化学的反応は発熱反応である。 When the reformed gas g is introduced into the anode 61, the controller 90 activates an oxidant gas blower (not shown) and supplies the oxidant gas t to the cathode 62. In the fuel cell 60 to which the reformed gas g and the oxidant gas t are supplied, the following electrochemical reaction is performed. As for the electrochemical reaction, the reaction represented by the following formula (1) is performed at the anode 61, and the reaction represented by the following formula (2) is performed at the cathode 62.
2H ₂ → 4H ⁺ + 4e ⁻ (1)
O ₂ + 4H ⁺ + 4e ⁻ → 2H ₂ O (2)
Electricity is generated by this electrochemical reaction, heat is generated, and moisture is generated. In further explanation, electric power can be obtained when electrons of the anode 61 move to the cathode 62 through an external electric circuit (not shown). Hydrogen ions of the anode 61 pass through the solid polymer film and move to the cathode 62, and combine with oxygen to generate moisture. As mentioned above, this electrochemical reaction is an exothermic reaction.

燃料電池６０によって得られる電力は直流電力であり、必要に応じてパワーコンディショナ（不図示）で交流電力に変換されて電力負荷（不図示）に送電される。他方、燃料電池６０で発生する熱は、燃料電池６０を冷却する冷却水ｃ及び排熱回収水（不図示）を媒体として、例えば貯湯槽（不図示）に蓄えられ、必要に応じて給湯や暖房等の熱負荷において消費される。燃料電池６０で発生した熱を有効利用することにより、燃料電池システム１００の効率が向上することとなる。燃料電池６０における電気化学的反応後にアノード６１から導出されるアノードオフガスｐは、バーナー２５に導かれる途中で気液分離器１０Ｂに流入する。気液分離器１０Ｂに流入したアノードオフガスｐは、分離部１３に衝突し、アノードオフガスｐ中の水蒸気が凝縮分離されて回収水ｗとして容器１１内に貯留される。容器１１内に貯留された回収水ｗは、所定の液位ＰＬを超えると気液分離器１０Ｂから導出されて回収水タンク８５に貯留される。他方、回収水ｗ分の水蒸気が分離されたアノードオフガスｐは気体導出口１１ｈｂから導出されてバーナー２５に導入される。バーナー２５に導入されたアノードオフガスｐは、燃焼用燃料ｆとして燃焼されて改質熱を発生させる。燃焼用燃料ｆがアノードオフガスｐで足りる場合（必要な改質熱を得られる場合）はバーナー２５への燃焼燃料ｒ２の供給が停止され、アノードオフガスｐで足りない場合であっても不足分を補う流量に燃焼燃料ｒ２が減らされる。アノードオフガスｐは、燃焼されるとアノードオフガスｐ中の水素が酸素と結合して水が生成され、生成された水は水蒸気として燃焼排ガスｅ中に含まれた状態で排ガス管５３内を流れる。 The electric power obtained by the fuel cell 60 is direct-current power, which is converted into alternating-current power by a power conditioner (not shown) as necessary and transmitted to an electric power load (not shown). On the other hand, the heat generated in the fuel cell 60 is stored in, for example, a hot water storage tank (not shown) using the cooling water c for cooling the fuel cell 60 and the exhaust heat recovery water (not shown) as a medium. Consumed under heat load such as heating. By effectively using the heat generated in the fuel cell 60, the efficiency of the fuel cell system 100 is improved. The anode offgas p derived from the anode 61 after the electrochemical reaction in the fuel cell 60 flows into the gas-liquid separator 10B while being guided to the burner 25. The anode off-gas p flowing into the gas-liquid separator 10B collides with the separation unit 13, and the water vapor in the anode off-gas p is condensed and separated and stored in the container 11 as recovered water w. The recovered water w stored in the container 11 is led out from the gas-liquid separator 10B and stored in the recovered water tank 85 when it exceeds a predetermined liquid level PL. On the other hand, the anode off gas p from which the water vapor for the recovered water w has been separated is led out from the gas outlet 11hb and introduced into the burner 25. The anode off gas p introduced into the burner 25 is burned as the combustion fuel f and generates reforming heat. When the combustion fuel f is sufficient with the anode off-gas p (when necessary reforming heat can be obtained), the supply of the combustion fuel r2 to the burner 25 is stopped, and even when the anode off-gas p is insufficient, there is a shortage. The combustion fuel r2 is reduced to the supplementary flow rate. When the anode off gas p is combusted, hydrogen in the anode off gas p is combined with oxygen to generate water, and the generated water flows in the exhaust gas pipe 53 in a state of being contained in the combustion exhaust gas e as water vapor.

他方、燃料電池６０における電気化学的反応後にカソード６２から導出されるカソードオフガスｑは、バーナー２５から排出された燃焼排ガスｅと合流して混合排ガスｍとなり混合排ガス管５８内を流れる。混合排ガスｍは、系外に排出される前に気液分離器１０Ｃに流入する。気液分離器１０Ｃに流入した混合排ガスｍは、分離部１３に衝突し、混合排ガスｍ中の水蒸気が凝縮分離されて回収水ｗとして容器１１内に貯留される。容器１１内に貯留された回収水ｗは、所定の液位ＰＬを超えると気液分離器１０Ｃから導出されて回収水タンク８５に貯留される。他方、回収水ｗ分の水蒸気が分離された混合排ガスｍは系外に排出される。 On the other hand, the cathode offgas q derived from the cathode 62 after the electrochemical reaction in the fuel cell 60 merges with the combustion exhaust gas e discharged from the burner 25 to become a mixed exhaust gas m and flows in the mixed exhaust gas pipe 58. The mixed exhaust gas m flows into the gas-liquid separator 10C before being discharged out of the system. The mixed exhaust gas m flowing into the gas-liquid separator 10 </ b> C collides with the separation unit 13, and water vapor in the mixed exhaust gas m is condensed and separated and stored in the container 11 as recovered water w. The recovered water w stored in the container 11 is derived from the gas-liquid separator 10C and stored in the recovered water tank 85 when it exceeds a predetermined liquid level PL. On the other hand, the mixed exhaust gas m from which water vapor for the recovered water w has been separated is discharged out of the system.

各気液分離器１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃから回収水タンク８５に回収された回収水ｗは、改質用水ｓとして改質部２１に供給され、再び燃料電池システム１００の系内で利用される。このように、気液分離器１０で分離回収された回収水ｗを燃料電池システム１００で利用することで、水自立を達成することができる。なお、水分が系外にキャリーオーバー等することにより燃料電池システム１００内の水分が減少し、回収水タンク８５内の回収水ｗが減少した場合は、系外から回収水タンク８５に水が補充される。 The recovered water w recovered from each of the gas-liquid separators 10A, 10B, and 10C in the recovered water tank 85 is supplied to the reforming unit 21 as reforming water s and is used again in the fuel cell system 100. Thus, by using the recovered water w separated and recovered by the gas-liquid separator 10 in the fuel cell system 100, water independence can be achieved. In addition, when the moisture in the fuel cell system 100 decreases due to the carry over of the moisture outside the system and the recovered water w in the recovered water tank 85 decreases, the recovered water tank 85 is replenished with water from outside the system. Is done.

燃料電池システム１００は、起動していないときは各気液分離器１０への混合流体Ｆｍ（改質ガスｇ、アノードオフガスｐ、混合排ガスｍ）の流入がないため、新たな水蒸気の分離が行われない。新たな水蒸気の分離が行われないと容器１１内の回収水ｗの量も増加しないため、容器１１からの回収水ｗの排出が行われない状態が維持される。このとき、容器１１内には所定の液位ＰＬ以下の液位の回収水ｗが貯留されていることになる。そして、容器１１内に貯留されている回収水ｗの温度は、各気液分離器１０で分離された直後は８０℃を超えているが、時間が経過するにつれて低下していく。容器１１内に貯留されている回収水ｗは、４０℃前後（例えば３５〜４５℃程度）で滞留すると菌類が繁殖しやすくなる。回収水ｗ中に菌類が繁殖すると菌類がスライムとなって、気液分離器１０の液体導出口１１ｈｃからの回収水ｗの導出が阻害されるおそれが生じる。 When the fuel cell system 100 is not activated, the mixed fluid Fm (the reformed gas g, the anode offgas p, and the mixed exhaust gas m) does not flow into each gas-liquid separator 10, so that new water vapor is separated. I will not. If the separation of new water vapor is not performed, the amount of the recovered water w in the container 11 does not increase, so that the state in which the recovered water w is not discharged from the container 11 is maintained. At this time, the recovered water w having a liquid level equal to or lower than the predetermined liquid level PL is stored in the container 11. And although the temperature of the collection | recovery water w stored in the container 11 has exceeded 80 degreeC immediately after isolate | separating with each gas-liquid separator 10, it falls as time passes. If the recovered water w stored in the container 11 stays at around 40 ° C. (for example, about 35 to 45 ° C.), the fungi are likely to propagate. If the fungus grows in the recovered water w, the fungus becomes slime, and the derivation of the recovered water w from the liquid outlet 11hc of the gas-liquid separator 10 may be hindered.

そこで、制御装置９０は、液体導出口１１ｈｃからの回収水ｗの導出が阻害されるほど菌類が繁殖する前に、気液分離器１０のヒータ１５に通電させて、容器１１内に貯留されている回収水ｗを、滅菌するために加熱する。「滅菌」は、典型的には、液体導出口１１ｈｃからの回収水ｗの導出阻害が生じない程度に殺菌をすることである。滅菌を行う際、制御装置９０は、滅菌に必要な熱量をヒータ１５から容器１１内に貯留されている回収水ｗに与えることができるように、ヒータ１５の出力を調節する。滅菌に必要な熱量は、例えば容器１１内に貯留されている回収水ｗが７０℃以上の状態を１５分間継続できるような熱量である。滅菌を行うタイミングは、例えば燃料電池６０における発電が停止してから所定の時間が経過したときに行うとよい。「所定の時間」は、典型的には、容器１１内に貯留されている回収水ｗが、液体導出口１１ｈｃからの導出阻害が生じるほど菌類が繁殖する程度に滞留している時間未満の時間であって、できるだけ長い時間である。できるだけ長い時間とするのは、消費電力の低減及び気液分離器１０における気液分離性能の維持の観点から、ヒータ１５の起動をできるだけ回避するためである。 Therefore, the controller 90 energizes the heater 15 of the gas-liquid separator 10 and stores it in the container 11 before the fungus grows so that the derivation of the recovered water w from the liquid outlet 11hc is inhibited. The recovered water w is heated to sterilize. “Sterilization” is typically sterilization to such an extent that inhibition of derivation of the recovered water w from the liquid outlet 11hc does not occur. When performing sterilization, the control device 90 adjusts the output of the heater 15 so that the amount of heat necessary for sterilization can be given from the heater 15 to the recovered water w stored in the container 11. The amount of heat necessary for sterilization is, for example, the amount of heat that allows the recovered water w stored in the container 11 to continue at a temperature of 70 ° C. or higher for 15 minutes. The timing for performing sterilization may be performed, for example, when a predetermined time elapses after power generation in the fuel cell 60 is stopped. The “predetermined time” is typically a time that is less than the time during which the recovered water w stored in the container 11 is retained to such an extent that the fungus grows so that the discharge out of the liquid outlet 11hc is inhibited. And as long as possible. The reason why the time is as long as possible is to avoid starting the heater 15 as much as possible from the viewpoint of reducing power consumption and maintaining the gas-liquid separation performance in the gas-liquid separator 10.

また、滅菌を行うタイミングを、燃料電池システム１００が起動した直後としてもよい。この場合、容器１１内に回収水ｗが貯留されている時間が所定の時間を超えて滞留すると、液体導出口１１ｈｃからの回収水ｗの導出阻害が生じるほど菌類が繁殖することがありうる。しかし、燃料電池システム１００の起動後、改質器２０や燃料電池６０が予定された能力を発揮する定常運転に至って分離されるべき水蒸気を含んだ混合流体Ｆｍ（改質ガスｇ、アノードオフガスｐ、混合排ガスｍ）が気液分離器１０に導入されるまでにタイムラグがあるため、気液分離器１０で分離された回収水ｗが容器１１からあふれる前に回収水ｗの導出阻害が生じないように滅菌を行うことができる。 The timing for sterilization may be immediately after the fuel cell system 100 is activated. In this case, if the time during which the recovered water w is stored in the container 11 exceeds the predetermined time, the fungus may propagate so that the recovery of the recovered water w from the liquid outlet 11hc is inhibited. However, after the fuel cell system 100 is started, the mixed fluid Fm (reformed gas g, anode offgas p) containing water vapor to be separated after reaching a steady operation in which the reformer 20 and the fuel cell 60 exhibit their planned capabilities. Since there is a time lag until the mixed exhaust gas m) is introduced into the gas-liquid separator 10, there is no hindrance to the recovery of the recovered water w before the recovered water w separated by the gas-liquid separator 10 overflows from the container 11. As such, sterilization can be performed.

以上で説明したように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００によれば、容器１１からの回収水ｗの排出を阻害する原因となる菌類を滅菌する熱量を容器１１の下部に貯留されている回収水ｗに与えるヒータ１５を有する気液分離器１０を備えるので、容器１１の下部に貯留されている回収水ｗ中に菌類が発生した場合であっても滅菌することが可能となって容器１１からの回収水ｗの排出が阻害されないようにすることができ、安定した運転を行うことができる。 As described above, according to the fuel cell system 100 according to the present embodiment, the amount of heat for sterilizing the fungi that hinder the discharge of the recovered water w from the container 11 is stored in the lower part of the container 11. Since the gas-liquid separator 10 having the heater 15 for supplying the recovered water w is provided, it is possible to sterilize even when fungi are generated in the recovered water w stored in the lower part of the container 11. The discharge of the recovered water w from the container 11 can be prevented from being hindered, and a stable operation can be performed.

以上の説明では、容器１１が円筒状に形成されているとしたが、軸直角断面の形状が四角形や八角形等の多角形に形成された中空多角柱状に形成されていてもよい。 In the above description, the container 11 is formed in a cylindrical shape. However, the shape of the cross section perpendicular to the axis may be a hollow polygonal column formed in a polygon such as a quadrangle or an octagon.

以上の説明では、ドレン機構１２がフロート１２ｆ及びディスク１２ｄを有しているとしたが、これらに替えて液体導出口１１ｈｃを開閉可能な電磁弁及び容器１１内の液位を検出可能な液位検出器を設け、制御装置９０が、液位検出器が所定の液位ＰＬを超えた液位を検出したときに電磁弁を開にさせるように制御することとしてもよい。ドレン機構１２がフロート１２ｆを有するか電磁弁を有するかは、各気液分離器１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃごとに、混合流体Ｆｍ（改質ガスｇ、アノードオフガスｐ、混合排ガスｍ）の性質等を勘案して適宜決定すればよい。 In the above description, the drain mechanism 12 has the float 12f and the disk 12d, but instead of these, an electromagnetic valve that can open and close the liquid outlet 11hc and a liquid level that can detect the liquid level in the container 11 A detector may be provided, and the control device 90 may perform control so that the electromagnetic valve is opened when the liquid level detector detects a liquid level exceeding a predetermined liquid level PL. Whether the drain mechanism 12 has a float 12f or a solenoid valve determines the properties of the mixed fluid Fm (reformed gas g, anode offgas p, mixed exhaust gas m) for each of the gas-liquid separators 10A, 10B, and 10C. What is necessary is just to determine suitably in consideration.

以上の説明では、フロート１２ｆを下方に付勢するように、フロート１２ｆの下部（底部を含む）と容器１１の底部とがばね１２ｓで接続されているとしたが、液体導出口１１ｈｃを閉止する方向にディスク１２ｄを付勢するように、ディスク１２ｄと容器１１の底部とをばね１２ｓで接続してもよい。 In the above description, the lower part (including the bottom part) of the float 12f and the bottom part of the container 11 are connected by the spring 12s so as to urge the float 12f downward, but the liquid outlet 11hc is closed. The disk 12d and the bottom of the container 11 may be connected by a spring 12s so as to bias the disk 12d in the direction.

以上の説明では、加熱手段としてのヒータ１５が容器１１の外側に設けられているとしたが、容器１１内に貯留された回収水ｗを滅菌できる温度に加熱することができれば、容器１１内に設けられていてもよく（例えば、発熱体を容器１１内の下部に設ける等）、また、ヒータ１５以外の加熱手段（例えば、内部に流体を流すジャケット型熱交換器等）を用いてもよい。 In the above description, the heater 15 as the heating means is provided outside the container 11. However, if the recovered water w stored in the container 11 can be heated to a temperature at which it can be sterilized, It may be provided (for example, a heating element is provided in the lower part of the container 11), or a heating means other than the heater 15 (for example, a jacket type heat exchanger for flowing a fluid inside) may be used. .

以上の説明では、排ガス管５３とカソードオフガス管５７とを兼ねる混合排ガス管５８に気液分離器１０Ｃが設けられているとしたが、排ガス管５３とカソードオフガス管５７とのそれぞれに気液分離器１０を設けてもよい。このとき、排ガス管５３とカソードオフガス管５７とを接続して混合排ガス管５８とせずに、排ガス管５３とカソードオフガス管５７とを別々に系外に導いてもよい。しかしながら、設置スペースの縮小及び系外に排出するガスの温度を効率的に低下させる観点から、排ガス管５３とカソードオフガス管５７とを兼ねる混合排ガス管５８に気液分離器１０Ｃを設けることとするとよい。 In the above description, the gas-liquid separator 10C is provided in the mixed exhaust gas pipe 58 that also serves as the exhaust gas pipe 53 and the cathode off-gas pipe 57. However, the gas-liquid separation is performed in each of the exhaust gas pipe 53 and the cathode off-gas pipe 57. A vessel 10 may be provided. At this time, instead of connecting the exhaust gas pipe 53 and the cathode offgas pipe 57 to form the mixed exhaust gas pipe 58, the exhaust gas pipe 53 and the cathode offgas pipe 57 may be separately led out of the system. However, from the viewpoint of reducing the installation space and efficiently reducing the temperature of the gas discharged outside the system, it is assumed that the gas-liquid separator 10C is provided in the mixed exhaust gas pipe 58 that also serves as the exhaust gas pipe 53 and the cathode offgas pipe 57. Good.

本発明の第１の実施の形態に係る気液分離器の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the gas-liquid separator which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施の形態に係る気液分離器の作用を説明する図である。It is a figure explaining the effect | action of the gas-liquid separator which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの系統図である。It is a systematic diagram of the fuel cell system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.

Explanation of symbols

１０気液分離器
１１容器
１２ドレン機構
１５加熱手段
２０改質器
５３排ガスライン
５４改質ガスライン
５５アノードオフガスライン
５７カソードオフガスライン
５８混合排出ガスライン
６０燃料電池
１００燃料電池システム
Ｆｍ混合流体
ｅ排ガス
ｆ燃焼用燃料
ｇ改質ガス
ｐアノードオフガス
ｑカソードオフガス
ｒ１改質用原料
ｔ酸化剤ガス
ｗ回収水 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Gas-liquid separator 11 Container 12 Drain mechanism 15 Heating means 20 Reformer 53 Exhaust gas line 54 Reformed gas line 55 Anode offgas line 57 Cathode offgas line 58 Mixed exhaust gas line 60 Fuel cell 100 Fuel cell system Fm Mixed fluid e Exhaust gas f Fuel for combustion g Reformed gas p Anode off gas q Cathode off gas r1 Reforming raw material t Oxidant gas w Recovered water

Claims

Introducing a gas containing water vapor, condensing and separating the water vapor and storing it in the lower part ;
A drain mechanism for draining the recovered water from the container when the recovered water from which the water vapor has been condensed and separated rises above a predetermined liquid level, stored in the lower part of the container ;
A gas-liquid separator having an electric heater for giving heat to the recovered water stored in the lower part of the container with a heat quantity for sterilizing fungi that inhibits discharge of the recovered water from the container ;
A reformer for reforming a hydrocarbon-based reforming raw material to generate reformed gas containing hydrogen by heat generated by burning combustion fuel;
A fuel cell for generating electricity by introducing an oxidant gas containing oxygen and the reformed gas;
A recovered water tank for introducing and storing the recovered water separated by the gas-liquid separator;
The gas-liquid separator uses a reformed gas line for guiding the reformed gas from the reformer to the fuel cell, and an anode off-gas containing hydrogen that has not been used for power generation in the fuel cell as the combustion fuel. Individually disposed in an anode off-gas line leading from the fuel cell to the reformer;
Fuel cell system.

The gas-liquid separator is configured to emit a cathode offgas line containing oxygen that has not been used for power generation in the fuel cell from the fuel cell, and exhaust gas generated by burning the combustion fuel. Disposed in at least one of the exhaust gas lines leading out of the system from the reformer ;
The fuel cell system according to claim 1 .

The heating of the recovered water stored in the lower part of the container by the electric heater is configured to be performed mainly when power generation of the fuel cell is not performed;
The fuel cell system according to claim 1 or 2.