JP5524673B2

JP5524673B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5524673B2
Application number: JP2010079035A
Authority: JP
Inventors: 伸一玉男木; 裕幸池田
Original assignee: JXTG Nippon Oil and Energy Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: JP2011210652A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、原燃料を用いて水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成された改質ガスを用いて発電する燃料電池と、を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような燃料電池システムにおいては、所定のガス（改質器を加熱するためのバーナの燃焼ガスや、燃料電池のアノードオフガス及びカソードオフガス等）から回収された回収水が水タンクに貯留され、浄化された後に再び改質器等に供給される場合がある。そのような場合、所定のガスから回収された回収水は、浄化のために水タンクとイオン交換器との間で循環させられる。

特開２００９−２２４０６５号公報

ところで、上述したようなイオン交換器では、内部のイオン交換樹脂の性能を発揮させるために、イオン交換樹脂に対し、回収水を鉛直方向に沿って流通させることが好ましい。このとき、イオン交換樹脂に対する回収水の接触時間を確保する観点からは、イオン交換樹脂の高さを維持する必要がある。そのため、回収水を水タンクとイオン交換器との間で循環させるための循環ポンプにかかる負荷が増大する傾向にある。

そこで、本発明は、回収水を水タンクとイオン交換器との間で循環させるための循環ポンプにかかる負荷を抑制することができる燃料電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、原燃料を用いて水素を含有する改質ガスを生成する改質器、及び改質器で生成された改質ガスを用いて発電する燃料電池を有する燃料電池ユニットと、燃料電池ユニットを流通する所定のガスから回収された回収水を貯留する水タンクと、内部のイオン交換樹脂に対し、天板に設けられた水導入部から回収水を鉛直方向に沿って下方に流通させた後、天板に設けられた水導出部へと回収水を鉛直方向に沿って上方に流通させるイオン交換器と、回収水を水タンクとイオン交換器との間で循環させる循環流路と、循環流路において、回収水を所定の方向に圧送する循環ポンプと、を備え、水タンク及び循環流路は、イオン交換器の下端よりも高くかつイオン交換器の上端よりも低い領域内に配置されていることを特徴とする。

この燃料電池システムでは、イオン交換器の下端よりも高くかつイオン交換器の上端よりも低い領域内に水タンク及び循環流路が配置されている。そのため、イオン交換樹脂の性能を発揮させるべく、イオン交換樹脂に対し、回収水を鉛直方向に沿って流通させ、また、イオン交換樹脂に対する回収水の接触時間を確保するべく、イオン交換樹脂の高さを維持しても、水タンク及び循環流路の配置による揚程の増加が防止される。よって、この燃料電池システムによれば、回収水を水タンクとイオン交換器との間で循環させるための循環ポンプにかかる負荷を抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、循環流路におけるイオン交換器の下流側かつ水タンクの上流側の部分に並列に接続され、燃料電池ユニットで発生する熱を回収水に移動させる熱交換器を通る熱交換流路と、循環流路と熱交換流路との分岐部において、循環流路から熱交換流路に流入する回収水の流量を調節する流量調節弁と、を更に備えることが好ましい。この構成によれば、要求に応じて、燃料電池ユニットで発生する熱を利用して回収水を加熱することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、循環流路におけるイオン交換器の下流側かつ水タンクの上流側の部分から分岐して、改質器に至る分岐流路と、循環流路から分岐流路に回収水を流入させると共に、回収水を改質器に圧送する供給ポンプと、を更に備えることが好ましい。この構成によれば、要求に応じて、イオン交換器で浄化された回収水を改質器に供給することができる。

本発明によれば、回収水を水タンクとイオン交換器との間で循環させるための循環ポンプにかかる負荷を抑制することができる。

本発明の一実施形態の燃料電池システムの構成図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、燃料電池システム１は、改質器２及び燃料電池３を有する燃料電池ユニット４を備えている。改質器２においては、バーナによって加熱された改質触媒で原燃料及び水が水蒸気改質反応を起こし、水素を含有する改質ガスが生成される。燃料電池３は、ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）と称されるセルが複数積層されて構成された固体高分子形のセルスタックである。各セルは、高分子膜である電解質がアノードとカソードとの間に配置されて構成されている。燃料電池３においては、改質器２で生成された改質ガスがカソード側に導入されると共に空気がアノード側に導入されることでそれらが発電反応を起こし、直流電力が発電される。

なお、原燃料は、脱硫器において硫黄分が除去された後に、改質器２に導入される。原燃料としては、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、灯油等の炭化水素系燃料が用いられる。また、改質器２において改質触媒を加熱するバーナは、燃料電池システム１の起動時には原燃料を燃焼させ、燃料電池システム１の通常運転時には、燃料電池３のカソード側から導出されたオフガスを燃焼させる。

また、燃料電池システム１は、燃料電池ユニット４を流通する所定のガスから回収された回収水を貯留する水タンク５を備えている。回収水は、燃料電池ユニット４から回収流路Ｌ６を介して水タンク５に流入する。所定のガスの具体例としては、改質器２において改質触媒を加熱するバーナの燃焼ガス、燃料電池３のカソード側から導出されたオフガス、燃料電池３のアノード側から導出されたオフガス等が挙げられる。水タンク５に貯留された回収水は、循環流路Ｌ１，Ｌ２を介してイオン交換器６に循環させられる。イオン交換器６は、回収水を中和化して電気伝導度を低下させることにより、回収水を浄化する。

循環流路Ｌ１は、水タンク５の水導出部５ｂとイオン交換器６の水導入部６ａとを繋いでおり、水タンク５の水導出部５ｂからイオン交換器６の水導入部６ａに回収水を流通させる。循環流路Ｌ２は、イオン交換器６の水導出部６ｂと水タンク５の水導入部５ａとを繋いでおり、イオン交換器６の水導出部６ｂから水タンク５の水導入部５ａに回収水を流通させる。これにより、循環流路Ｌ１，Ｌ２は、回収水を水タンク５とイオン交換器６との間で循環させる。

循環流路Ｌ１の上流側端部、すなわち、水タンク５の水導出部５ｂには、循環ポンプ７が配置されている。循環ポンプ７は、水タンク５の側壁における底部近傍に取り付けられており、循環ポンプ７の吸込口は、水タンク５内に開口している。循環ポンプ７の吐出口には、循環流路Ｌ１の上流側端部が接続されている。これにより、循環ポンプ７は、水タンク５、循環流路Ｌ１、イオン交換器６、循環流路Ｌ２、水タンク５という順序で（循環流路Ｌ１，Ｌ２において、所定の方向に）回収水を圧送する。

イオン交換器６は、円筒形状の筐体８を有している。筐体８内には、粒状のイオン交換樹脂１２が充填されている。イオン交換器６の天板８ａには、水導入部６ａ及び水導出部６ｂが設けられている。

循環流路Ｌ１を介して水導入部６ａから筐体８内に導入された回収水は、イオン交換樹脂１２の隙間を鉛直方向に沿って下方に流通する。これにより、回収水がイオン交換樹脂１２と接触して浄化される。イオン交換樹脂１２の隙間を底板８ｂの近傍まで流通した回収水は、鉛直方向に沿って上方に流通する。そして、水導出部６ｂを介して循環流路Ｌ２に流入する。

このように、イオン交換器６は、イオン交換樹脂１２に対し、回収水を鉛直方向に沿って流通させる。これにより、イオン交換樹脂１２の性能が十分に発揮される。また、イオン交換樹脂１２の高さを維持することで、イオン交換樹脂１２に対する回収水の接触時間が十分に確保される。ここで、水タンク５及び循環流路Ｌ１，Ｌ２は、イオン交換器６の下端（ここでは、筐体８の底板８ｂの下端）よりも高くかつイオン交換器６の上端（ここでは、水導入部６ａや水導出部６ｂの上端）よりも低い領域Ｒ内に配置されている。

また、燃料電池システム１は、燃料電池ユニット４の熱交換器１３を通る熱交換流路Ｌ３，Ｌ４を備えている。熱交換流路Ｌ３，Ｌ４は、循環流路Ｌ２におけるイオン交換器６の下流側かつ水タンク５の上流側の部分に並列に接続されている。熱交換流路Ｌ３は、循環流路Ｌ２から分岐して燃料電池ユニット４の熱交換器１３に延在している。熱交換流路Ｌ４は、熱交換器１３から延在して循環流路Ｌ２に合流している。熱交換器１３は、燃料電池ユニット４で発生する熱を回収水に移動させる。燃料電池ユニット４で発生する熱の具体例としては、改質器２において改質触媒を加熱するバーナの燃焼ガス、燃料電池３のカソード側から導出されたオフガス等が挙げられる。

熱交換流路Ｌ３の上流側端部には、電磁弁等の流量調節弁１４が配置されている。流量調節弁１４は、循環流路Ｌ２と熱交換流路Ｌ３との分岐部において、循環流路Ｌ２から熱交換流路Ｌ３に流入する回収水の流量を調節する。

また、燃料電池システム１は、改質器２に至る分岐流路Ｌ５を備えている。分岐流路Ｌ５は、循環流路Ｌ２におけるイオン交換器６の下流側かつ水タンク５の上流側の部分（ここでは、熱交換流路Ｌ４の合流部の下流側であって、水タンク５の水導入部５ａの直前）から分岐している。

分岐流路Ｌ５の上流側端部には、ダイヤフラムポンプ等の供給ポンプ１５が配置されている。供給ポンプ１５は、循環流路Ｌ２から分岐流路Ｌ５に回収水を流入させると共に、回収水を改質器２に圧送する。

更に、燃料電池システム１は、制御部１６を備えている。制御部１６は、循環ポンプ７を制御して、回収水を水タンク５とイオン交換器６との間で循環させる。また、制御部１６は、水タンク５内の回収水の温度が所定の温度以下となった場合に、流量調節弁１４を制御して、熱交換流路Ｌ３に回収水を流入させる。これにより、回収水は、熱交換器１３で加熱された後、熱交換流路Ｌ４を介して水タンク５に戻り、結果として、水タンク５内の回収水の温度が所定の温度以上に上昇する。更に、制御部１６は、供給ポンプ１５を制御して、改質器２に水を導入する。

以上説明したように、燃料電池システム１では、イオン交換器６の下端よりも高くかつイオン交換器６の上端よりも低い領域Ｒ内に水タンク５及び循環流路Ｌ１，Ｌ２が配置されている。そのため、イオン交換樹脂１２の性能を発揮させるべく、イオン交換樹脂１２に対し、回収水を鉛直方向に沿って流通させ、また、イオン交換樹脂１２に対する回収水の接触時間を確保するべく、イオン交換樹脂１２の高さを維持しても、水タンク５及び循環流路Ｌ１，Ｌ２の配置による揚程の増加が防止される。よって、燃料電池システム１によれば、回収水を水タンク５とイオン交換器６との間で循環させるための循環ポンプ７にかかる負荷を抑制することができる。

また、燃料電池システム１は、燃料電池ユニット４で発生する熱を回収水に移動させる熱交換器１３を通る熱交換流路Ｌ３，Ｌ４と、循環流路Ｌ２から熱交換流路Ｌ３に流入する回収水の流量を調節する流量調節弁１４と、を更に備えている。これにより、要求に応じて、燃料電池ユニット４で発生する熱を利用して回収水を加熱することができる。

また、燃料電池システム１は、循環流路Ｌ２から分岐して改質器２に至る分岐流路Ｌ５と、循環流路Ｌ２から分岐流路Ｌ５を介して回収水を改質器２に圧送する供給ポンプ１５と、を更に備えている。これにより、要求に応じて、イオン交換器６で浄化された回収水を改質器２に供給することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、改質器２は、水蒸気改質反応を利用するものに限定されず、他の改質反応を利用するものであってもよい。また、燃料電池３は、固体高分子形に限定されず、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形或いは固体酸化物形等であってもよい。また、水タンク５に貯留された回収水は、改質用としてだけでなく、燃料電池３のカソード側に導入される改質ガス及びアノード側に導入される空気の加湿用としても利用される。

１…燃料電池システム、２…改質器、３…燃料電池、４…燃料電池ユニット、５…水タンク、６…イオン交換器、７…循環ポンプ、１２…イオン交換樹脂、１３…熱交換器、１４…流量調節弁、１５…供給ポンプ、Ｌ１，Ｌ２…循環流路、Ｌ３，Ｌ４…熱交換流路、Ｌ５…分岐流路。

Claims

原燃料を用いて水素を含有する改質ガスを生成する改質器、及び前記改質器で生成された前記改質ガスを用いて発電する燃料電池を有する燃料電池ユニットと、
前記燃料電池ユニットを流通する所定のガスから回収された回収水を貯留する水タンクと、
内部のイオン交換樹脂に対し、天板に設けられた水導入部から前記回収水を鉛直方向に沿って下方に流通させた後、前記天板に設けられた水導出部へと前記回収水を鉛直方向に沿って上方に流通させるイオン交換器と、
前記回収水を前記水タンクと前記イオン交換器との間で循環させる循環流路と、
前記循環流路において、前記回収水を所定の方向に圧送する循環ポンプと、を備え、
前記水タンク及び前記循環流路は、前記イオン交換器の下端よりも高くかつ前記イオン交換器の上端よりも低い領域内に配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
前記循環流路における前記イオン交換器の下流側かつ前記水タンクの上流側の部分に並列に接続され、前記燃料電池ユニットで発生する熱を前記回収水に移動させる熱交換器を通る熱交換流路と、
前記循環流路と前記熱交換流路との分岐部において、前記循環流路から前記熱交換流路に流入する前記回収水の流量を調節する流量調節弁と、を更に備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記循環流路における前記イオン交換器の下流側かつ前記水タンクの上流側の部分から分岐して、前記改質器に至る分岐流路と、
前記循環流路から前記分岐流路に前記回収水を流入させると共に、前記回収水を前記改質器に圧送する供給ポンプと、を更に備えることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。