JP5908806B2

JP5908806B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP5908806B2
Application number: JP2012168573A
Authority: JP
Inventors: 竜一中村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2016-04-26
Anticipated expiration: 2032-07-30
Also published as: JP2014026925A

Description

本発明は、凝縮水タンクおよびこの凝縮水タンクに設けられた凝縮水排水手段を具備する燃料電池装置に関するものである。

近年、次世代エネルギーとして、水素ガスと酸素含有ガス（通常、空気である）とを用いて電力を得ることができる燃料電池と、この燃料電池を稼動するための補機類とを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。

ここで、燃料電池の発電に必要な水素の生成方法の１つとして水蒸気改質法が知られており、この水蒸気改質を用いる燃料電池装置としては、燃料ガス（水素ガス）を生成するための改質器、外部から供給される水（水道水等）を処理して純水を生成する水処理装置、処理した水（純水）を一時的に貯水するための水タンク、さらに水処理装置と水タンクと改質器とをそれぞれ接続する水供給管等を具備することが知られている。

また、燃料電池の発電により生じる排ガスと水とで熱交換するための熱交換器を具備し、熱交換により生成される凝縮水を凝縮水タンクに貯め、この凝縮水タンクから凝縮水を水ポンプを介して改質器に供給する燃料電池装置も知られている（例えば、特許文献１参照）。

熱交換により生じる凝縮水を改質器に供給するにあたっては、改質器の故障や改質触媒の劣化を抑制（防止）すべく、凝縮水はイオン交換樹脂等の凝縮水処理手段（装置）にて処理されたのち（純水としたのち）改質器に供給される場合がある。

ところで、熱交換により生成される凝縮水の生成量は、排ガス量や熱交換器内を循環する水の温度等により変動するため、その生成量を制御することが難しく、燃料電池装置を運転している間は継続的に凝縮水が生成される。このため、凝縮水タンクの容積以上の凝縮水が生成される場合があり、凝縮水タンクに一定以上溜まった場合には、凝縮水は、燃料電池装置から外装ケース外に排水ホースを介して排水されるように構成されている。

特開２００９−００９８０８号公報

しかしながら、本来、凝縮水タンク内の凝縮水量が一定以上になった場合、凝縮水は排水ホースを介して外装ケース外に排水されるはずであるが、大雨などで排水ホースの出口開口部が冠水した場合、または出口開口部が詰まった場合には、汚水が排水ホースを介して逆流してくるおそれがあった。この場合には、凝縮水タンクに汚水が混じることになり、汚染されるおそれがあった。

本発明は、汚水が凝縮水排水手段を介して凝縮水タンクに逆流することを抑制できる燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池装置は、外装ケース内に、燃料電池と、該燃料電池の発電により生じる排ガスと水とで熱交換を行なう熱交換器と、該熱交換器での熱交換により生じる凝縮水を貯水する凝縮水タンクと、該凝縮水タンクに設けられ、凝縮水タンクの水位が予め定められた所定の水位以上となった場合に凝縮水を前記外装ケース外に排水するための凝縮水排水手段と、前記凝縮水タンクの水を用いて前記燃料電池に供給される改質ガスを水蒸気改質して生成する改質器とを収容してなるとともに、前記凝縮水排水手段が、前記凝縮水タンクに接続された導出配管と、該導出配管に接続され前記外装ケース外に凝縮水を導出するためのホースが連結される排水枡と、該排水枡において、前記凝縮水タンクの前記導
出配管が接続される位置よりも下方に接続され、前記外装ケース外に開口するバイパス配管とを具備するとともに、前記排水枡内には、前記排水枡内の水位の上昇を検知するセンサが設けられていることを特徴とする。

本発明の燃料電池装置は、排水枡に接続されたホースの出口開口部が、大雨等で冠水し、またはホースの出口開口部が詰まり、汚水がホースを介して排水枡に逆流してきたとしても、バイパス配管を介して外装ケース外に排出することができ、汚水が凝縮水排水手段を介して凝縮水タンクに逆流することを抑制できる。

燃料電池システムの一例を示す構成図である。（ａ）は燃料電池装置の下端部を示す模式図、（ｂ）は排水枡の断面図である。縦長の排水枡内にセンサを設けた形態の断面図である。

図１は、燃料電池装置を具備する燃料電池システムの一例を示す構成図である。この燃料電池システムは、発電を行なう発電ユニット（燃料電池装置）、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニット、これらのユニット間を水が循環するための循環配管から構成されている。

図１に示す燃料電池システムは、燃料電池１、天然ガスや灯油等の被改質ガスを供給する被改質ガス供給手段２、酸素含有ガスを燃料電池１に供給するための酸素含有ガス供給手段３、被改質ガスと水蒸気により水蒸気改質する改質器４を具備している。

また、図１に示す燃料電池システムにおいては、燃料電池１の発電により生じた排ガス（排熱）と水とで熱交換を行なう熱交換器１３、熱交換により生成された凝縮水を貯水する凝縮水タンク１９、熱交換器１３で生成された凝縮水を凝縮水タンク１９に回収（供給）するための凝縮水回収管２１が設けられており、凝縮水タンク１９に貯水された水（凝縮水）が改質器４に供給される。

一方、凝縮水タンク１９に貯水される凝縮水の量が少ない場合においては、外部より供給される水（水道水等）を純水に処理して改質器４に供給することが好ましく、図１においては外部から供給される水を純水に処理する手段として水処理装置Ｘを具備している。

ここで、水処理装置Ｘは、水を浄化するための活性炭フィルタ装置７、逆浸透膜装置８（以下、ＲＯ膜装置とする）および浄化された水を純水にするためのイオン交換樹脂装置９の各装置を具備する。そして、イオン交換樹脂装置９にて生成された純水は水タンク１０に貯水される。

なお、図１においては、凝縮水と水道水等の外部から供給される水を併用して用いる場合の例を示しており、凝縮水タンク１９と水タンク１０とが凝縮水供給管２０（タンク連結管）にて連結されている。なお、凝縮水のみを改質器４に供給する場合には、給水弁６
を閉として、凝縮水タンク１９と改質器４とを水ポンプを介して接続することも可能である。また、水道水等の外部から供給される水を用いない、すなわち、水タンク１０および水処理装置Ｘを無くすこともできる。

また、図１に示す燃料電池システムにおいては、活性炭フィルタ装置７、ＲＯ膜装置８、イオン交換樹脂装置９および水タンク１０をこの順で接続する水供給管５が設けられており、水供給管５には、水供給管５に供給される水量を調整するための給水弁６が設けられている。なお図１においては、これら改質器４に水を供給するための手段を、一点鎖線により囲って示している。

さらに、燃料電池１にて発電された直流電力を交流電力に切り替え外部負荷に供給するためのパワーコンディショナ１２、熱交換器１３の出口に設けられ熱交換器１３の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ１５、水を循環させるための循環ポンプ１６、循環ポンプ１６の運転を制御する制御装置１４により発電ユニットが構成されている。なお、制御装置１４については後述する。

また貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１８を具備して構成されており、熱交換器１３と貯湯タンク１８との間で水を循環させるための循環配管１７が設けられている。

また、図中の矢印は、燃料、酸素含有ガス、水の各流れ方向を示したものである。また、同一の構成については同一の番号を付するものとし、以下同様である。さらに図示していないが、被改質ガス供給手段２と改質器４との間に、被改質ガスを加湿するための被改質ガス加湿器を設けることも可能である。

また、燃料電池１としては、各種燃料電池が知られているが、燃料電池を小型化する上で、固体酸化物形燃料電池とすることができる。それにより、燃料電池のほか、燃料電池の動作に必要な補機類を小型化することができ、燃料電池装置を小型化することができる。またあわせて、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。

このように、本発明の燃料電池装置は、水蒸気改質を行なう燃料電池装置において有用であり、なかでも、例えば燃料電池１の上方に、水蒸気改質を行なうための改質器４を配置し、燃料電池１で使用されなかった燃料を燃焼させて改質器４を加熱する固体酸化物形燃料電池において最適となる。

そして、本形態の燃料電池装置は、図２（ａ）に示すように、外装ケース３３内に、燃料電池１と、改質器４と、熱交換器１３と、凝縮水タンク１９と、この凝縮水タンク１９に設けられ、凝縮水タンク１９の水位が予め定められた所定の水位以上となった場合にオーバーフローして凝縮水を外装ケース３３外に排水するための凝縮水排水手段３４等とを収容してなるものである。

凝縮水排水手段３４は、凝縮水タンク１９に接続された導出配管３１と、導出配管３１に接続された排水枡３７と、この排水枡３７において導出配管３１が接続された位置よりも下方に接続されたバイパス配管３９とを具備している。

なお、バイパス配管３９は、排水枡３７において凝縮水タンク１９の導出配管３１が接続される位置よりも下方に接続されていれば良い。

外装ケース３３は、地面上に基礎４１を置いて配置されており、外装ケース３３の底面
は、地面から所定間隔をおいて上方に位置している。

排水枡３７には、外装ケース３３外に凝縮水を導出するためのホース３５が連結されており、地面に配置された下水道に繋がる外部排水枡４５に、ホース３５からの凝縮水を放出するように構成されている。このホース３５は、例えば、燃料電池装置を所定位置に設置した後、排水枡３７に挿入等して接続されるものである。排水枡３７には、図２（ｂ）に示すように、導出配管３１、ホース３５、バイパス配管３９が、固定用治具等で接続できるように、継手部３１ａ、３５ａ、３９ａが設けられている。また、バイパス配管３９にはフィルタが設けられていることが望ましい。これにより、バイパス配管３９を介しての虫等の浸入を抑制できる。

凝縮水タンク１９には、水伝導度計４２が配置されており、凝縮水タンク１９内の凝縮水の電気伝導度を測定し、改質水として使用できるかどうかを判定する。また、排水枡３７内部には、排水枡３７内の水位の上昇を感知するセンサ４０が設けられている。このセンサ４０は電導度センサまたはフロートスイッチとされている。このセンサ４０は、水位がセンサ４０の位置に達した場合には、電気電導度が高くなり、またはスイッチが入るように構成されている。

バイパス配管３９は、外装ケース３３の底面に開口しており、ホース３５から逆流してきた汚水が、バイパス配管３９を介して外装ケース３３と地面との間の空間に放出されるように構成されている。

なお、符号４３は、イオン交換樹脂装置であり、凝縮水の水質によってはイオン交換樹脂装置４３は不要となる。

ここで、図１に示した燃料電池システムの運転方法について説明する。

燃料電池１の発電により生じた排ガス（排熱）は、主に燃料電池１の温度を高めるもしくは維持するために使用された後、燃料電池１より熱交換器１３に供給される。熱交換器１３においては、燃料電池１の発電により生じる排ガスと熱交換器１３内を通水（循環）する水（循環配管１７を流れる水）とで熱交換される。そして熱交換された水（湯水）は、循環配管１７を循環して貯湯タンク１８に貯湯される。

一方、熱交換により生成される凝縮水は、凝縮水回収管２１を流れて凝縮水タンク１９に貯水される。凝縮水タンク１９に貯水された凝縮水は、凝縮水タンク１９中に備えられた、もしくは凝縮水タンク１９とは別個に設けられた凝縮水処理手段（図１においては図示せず）にて処理された後、凝縮水供給管２０を流れて水タンク１０に供給される。図２（ａ）では、凝縮水処理手段を、イオン交換樹脂装置４３として、凝縮水タンク１９とは別個に設けた形態について示した。

なお、凝縮水処理手段４３としては、凝縮水を処理することにより純水とすることができるものを使用することができるが、凝縮水タンク１９に設ける場合や、凝縮水処理手段の交換における容易性、凝縮水の処理の効率性等を考慮して、イオン交換樹脂（以下、凝縮水処理手段をイオン交換樹脂装置として説明するものとし、イオン交換樹脂装置４３と略す場合がある）とすることが好ましく、例えば球状のイオン交換樹脂を用いることができる。なお、イオン交換樹脂装置４３は、凝縮水の純度や、凝縮水タンク１９の大きさ、イオン交換樹脂２３の大きさ等により適宜設けることができる。

水タンク１０に貯水された水は、改質器４で必要となる水の量に応じて、水ポンプ１１により改質器４に供給される。

改質器４においては、水ポンプ１１により供給された水と、被改質ガス供給手段２より供給される被改質ガスとにより水蒸気改質を行なう。改質器４にて生成された改質ガス（燃料ガス）は、燃料電池１に供給され、酸素含有ガス供給手段３より供給される酸素含有ガスと反応して、燃料電池１の発電が行なわれる。そして、燃料電池１の発電で生じた電力は、パワーコンディショナ１２を通じて外部負荷に供給される。

一方、改質器４に対して外部より供給される水（水道水等）を供給する場合には、給水弁６が開放され、水供給管５を通して、外部から供給される水が活性炭フィルタ装置７に給水される。活性炭フィルタ装置７にて処理された水は、続いてＲＯ膜装置８に給水される。ＲＯ膜装置８にて処理された水は、続いてイオン交換樹脂装置９に供給・処理され純水が生成される。イオン交換樹脂装置９にて生成された純水は、水タンク１０に供給され、凝縮水を改質器４に供給する場合と同様に、改質器４で必要となる水の量に応じて、水ポンプ１１により改質器４に供給される。

改質器４に供給する水として、凝縮水を優先的に使用することにより、水道水等の外部から供給される水の使用量を低減することができ、燃料電池装置のランニングコストを低減することができる。

以上のように構成された燃料電池装置では、ホース３５の出口開口部が、地面に設置された外部排水枡４５に位置しており、このような状態で、大雨等により外部排水枡４５が冠水した場合、またホース３５の出口開口部が詰まった場合には、ホース３５から凝縮水の排水が困難となり、外部排水枡４５から汚水がホース３５を介して排水枡３７内に逆流した場合でも、汚水がバイパス配管３９を介して外装ケース３３と地面との間の空間に放出され、導出配管３１を介して凝縮水タンク１９内に入ることを抑制できる。

また、排水枡３７内部には、排水枡３７内の水位が、バイパス配管３９の排水枡３７との接続位置よりも高くなったことを感知するセンサ４０が設けられているため、汚水がホース３５を介して排水枡３７内に逆流し、汚水の水位がバイパス配管３９の接続位置よりも高くなった場合にはセンサ４０が感知し、このセンサ４０からの信号を基に、制御装置１４は、燃料電池装置を停止するように制御できるため、燃料電池装置が浸水する前に、停止状態とでき、安全に燃料電池システムを停止できる。

すなわち、バイパス配管３９の出口開口部が浸水し、言い換えれば外装ケース３３の底面まで浸水した場合は、排水枡３７内に汚水が浸入して溜まり、水位がバイパス配管３９の排水枡３７への接続位置よりも高くなった場合には、燃料電池装置が水に浸かるおそれがあるとして、制御装置１４が燃料電池システムを停止するように制御でき、安全に燃料電池システムを停止できる。

例えば、図３に示すように、縦長形状の排水枡３７を用い、その内部に水位を検出できる水位センサ５１を設け、この水位センサ５１で検出された水位レベルに応じて、運転制御を行うことができる。

この場合には、例えば、水位センサ５１で検出された水位レベルが低い場合には、発電に必要な空気量を多くして空気利用率Ｕａを下げたり、発電に必要な燃料ガスを減らして燃料利用率Ｕｆを上げたり、改質器に供給される水とカーボンとの比（Ｓ／Ｃ）を下げたり、発電出力を下げたりして、凝縮水生成を抑制し、一方で、水位センサ５１で検出された水位レベルが高くなった場合には、燃料電池の運転を停止する制御を行うことができ、排水枡３７内の水位センサ５１で検出された水位レベルに応じて、最適な運転方法を選択でき、運転停止するまでに種々の運転方法を採用できるため、安定した運転が可能となる
。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の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、種々の変更、改良等が可能である。

１：燃料電池
４：改質器
１０：水タンク
１３：熱交換器
１４：制御装置
１９：凝縮水タンク
３１：導出配管
３３：外装ケース
３４：凝縮水排水手段
３５：ホース
３７：排水枡
３９：バイパス配管
４０：センサ
５１：水位センサ

Claims

外装ケース内に、燃料電池と、該燃料電池の発電により生じる排ガスと水とで熱交換を行なう熱交換器と、該熱交換器での熱交換により生じる凝縮水を貯水する凝縮水タンクと、該凝縮水タンクに設けられ、凝縮水タンクの水位が予め定められた所定の水位以上となった場合に凝縮水を前記外装ケース外に排水するための凝縮水排水手段と、前記凝縮水タンクの水を用いて前記燃料電池に供給される改質ガスを水蒸気改質して生成する改質器とを収容してなるとともに、前記凝縮水排水手段が、前記凝縮水タンクに接続された導出配管と、該導出配管に接続され前記外装ケース外に凝縮水を導出するためのホースが連結される排水枡と、該排水枡において、前記凝縮水タンクの前記導出配管が接続される位置よりも下方に接続され、前記外装ケース外に開口するバイパス配管とを具備するとともに、前記排水枡内には、前記排水枡内の水位の上昇を検知するセンサが設けられていることを特徴とする燃料電池装置。
前記センサが、前記排水枡における水位が前記バイパス配管の接続位置よりも高くなったことを検知した場合に、燃料電池装置の運転を停止する制御を行なう制御装置を備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
前記バイパス配管の内部にはフィルタが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。