JPS61128473A - 燃料電池系装置における水回収系の脱気装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、燃料電池系装置における水回収系の脱気装置
に係シ、特に、減圧によって回収水から脱気を行うのに
好適な、燃料電池系装置における水回収系の脱気装置に
関するものである。

〔発明の背景〕

まず、従来の燃料電池系装置を第３図を参照して説明す
る。

第３図は、従来の燃料電池系装置（以下燃料電池システ
ムという）とその水回収系を示す系統図で、太い実線矢
印は天然ガスおよび反応ガスの径路、一点鎖線矢印は空
気の径路、二点鎖線矢印は排ガスの径路、破線矢印は水
蒸気の径路、細い実線矢印は水の径路を示している。

第３図において、１は燃料電池本体で、水素極ｌａ、酸
素極１ｂおよび電池冷却装置１ｃからなっている。２は
、天然ガス等の燃料を改質するリフオーマで、反応部２
ａと燃焼部２ｂからなっている。３はシフトコンバータ
、４は混合器である。

これら混合器４、リフオーマ２の反応部２ａ。

シフトコンバータ３を接°続し燃料電池本体１の水素極
１ａへ天然ガスを改質した水素リッチガスを供給する配
管系と、リフオーマ２の燃焼部２ｂへ天然ガスを供給す
る配管系とで燃料供給系が構成されている。

燃料電池本体１の酸素極１ｂへは空気供給系の配管が接
続されている。

５は蒸気発生器、６は冷却水ポンプで、これらを接続す
る配管が燃料電池本体１の電池冷却装置ＩＣに接続され
て電池冷却系３０のサイクルが構成されている。

蒸気発生器５で発生した水蒸気は混合器４で天然ガスに
混合され、す７オーマ２の反応部２ａに供給され、天然
ガスを多量に水素を含む、いわゆる水素リッチガスに改
質する。

このように蒸気発生器５から、す７オーマ２での改質反
応に必要な水蒸気を供給しているため、その供給量に相
当する水を補給する必要がある。

そのための装置が、第３図にＸ点鎖線で囲って示した水
回収系２０である。

８は排ガス用の熱交換器で、燃料電池本体１の酸素極１
ｂからの排空気およびリフオーマ２の燃焼部２ｂからの
排ガスを循環水等で熱交換して排ガス中の水分を凝縮さ
せるものである。

１０は、この熱交換器８で凝縮された回収水を溜めるた
めの貯水槽、９は後で詳しく述べる脱気装置である。

凝縮した回収水には二酸化炭素等が溶融しており、接触
している機器類の金属表面を腐食するので、これを防ぐ
ため脱気装置９で溶融ガスを脱気したのち貯水槽１０に
溜めるように構成されている。

７は、貯水槽１０の水を電池冷却系３０へ圧送するため
の給水ポンプ、１１は、この給水ポンプ７の吐出側から
余分の水を貯水槽１０へ戻すためのレリーフ弁である。

このような構成の燃料電池システムの主要な作用を次に
説明する。

天然ガス等の燃料は、太い実線で示すように、混合器４
によシ水蒸気と混合され、リフオーマ２の反応部２ａに
供給され、ここで水素リッチガスに改質される。続いて
シフトコンバータ３に導かれ、ガス中の一酸化炭素が水
と反応し、二酸化炭素と水素に変換される。次いで、ガ
ス中に余分の水分がある場合は、これを除去したのち、
燃料電池本体１の水素極１ａに導かれ、ここで約８０係
の水素が消費され、残１０％の水素を含む水素極排ガス
はリフオーマ２の燃焼部２ｂに戻され、改質反応に必要
な燃焼熱の一部に用いられる。

空気は、一点鎖線の矢印で示すように、燃料電池本体１
の酸素極１ｂに供給される。

燃料電池本体１の酸素極１ｂからの排空気およびリフオ
ーマ２の燃焼部２ｂからの排ガスは、２点鎖線の矢印の
ように合流して排ガス用の熱交換器８に導かれ、循環水
等によって排ガス中の水分が凝縮するまで冷却すること
によシ排熱回収および水分回収が行われる。回収された
水は、脱気装置９を経て貯水槽１０に導かれ再利用され
る。すなわち、給水ポンプ７によシミ池冷却系３０へ圧
送され、余分の水はレリーフ弁１１によシ逃がされ貯水
槽１０へ戻される。

電池冷却系３０において、冷却水ポンプ６によシ昇圧さ
れた水は、細い実線矢印のように燃料電池本体１の電池
冷却装置ＩＣに供給され、燃料電池本体１からの発生熱
を奪ったのち、蒸気発生器５でフラッシュされる。ここ
で冷却水の一部は水蒸気となシ、破線矢印のように混合
器４に導かれる。

ここで、従来の脱気装置９の詳細を第４図を参照して説
明する。

第４図は、従来の脱気装置の略示構成図で、（ａ）は加
熱手段を備えたもの、（ｂ）はバブリング手段を備えた
ものである。

第４図（ａ）の脱気装置は、脱気タンク９ａに回収水を
溜めておき、電気あるいは蒸気による加熱手段９ｂによ
り加熱して、回収水中に溶存する二酸化炭素等のガス気
泡を放出させるものである。

また、第４図（ｂ）の脱気装置は、窒素によるバブリン
グ手段９ｃｉ備えたもので、窒素ガス気泡を噴出させる
ことによシ回収水中に溶存するガス気泡を放出させるも
のである。

しかし、加熱手段９ｂによる脱気方法では、供給する電
気あるいは蒸気のため相当量のエネルギを消費するため
に燃料電池システムの効率低下につながるという問題が
あった。

また、バブリング手段９Ｃによる脱気方法では、常時窒
素を供給しなければならないという問題があった。

なお、一般的な従来の燃料電池システムや水回収系につ
いては、例えば下記の文献に記載されている。

竹下宗−：゛′期待される燃料電池発電システム“「化
学経済Ｊ　　１９８３，８月号、ｐ５７〔発明の目的〕 本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもの
で、燃料電池システムの効率を低下させることすく、回
収水に溶融しているガスを脱気し、電池冷却系の水質を
良くして機器、配管等の腐食を低減することのできる、
燃料電池系装置における水回収系の脱気装置の提供を、
その目的とじている。

〔発明の概要〕

本発明に係る燃料電池系装置における水回収系の脱気装
置の構成は、天然ガスを燃料とする燃料電池系装置から
の排気ガスを冷却し当該排気ガス中の水分を凝縮させる
だめの熱交換器と、この熱交換器で凝縮された回収水を
溜めるための貯水槽と、この貯水槽の水を燃料電池系装
置へ圧送するための給水ポンプと、この給水ポンプの吐
出側から余剰水を貯水槽へ戻すためのレリーフ弁とを備
えた燃料電池系装置の水回収系における脱気装置であっ
て、前記レリーフ弁から貯水槽へ戻すべき水によって作
動し、前記凝縮された回収水を減圧して当該回収水中に
溶存するガス気泡を放出させるためのエゼクタと、この
エゼクタに前記回収水を導くとともにガス放気系に接続
するドレーナとを、前記回収水およびガス気泡を流通せ
しめるボート部を介して連結するように構成した脱気装
置を、前記熱交換器と前記貯水槽とを接続する水回収系
の配管の途中に配設したものである。

なお、本発明を開発した考え方を付記すると、次のとお
シである。

一般に、液体に溶存している気体を放出させる方法とし
ては、その液体を加熱する方法と減圧する方法とがある
。しかし、加熱する方法は、温度が比較的低い状態から
加熱する場合は効果が大きい力ζ天然ガスを燃料とする
燃料電池システムからの回収水のように、すでに５０〜
６０Ｃになっているものではあまシ効来がない。

これに対し圧力の場合は以下に示す、 ヘンリーの法則：Ｐ＝Ｅｘ ここで、Ｐ：液と平衡にある気相中の溶質ガス分圧（ａ
ｔｍ〕 Ｅ：へ／り一定数１：ａｔｍ１モル分率〕ｘ：ｇ、相中
の溶質ガスのモル分率 に従い、溶存するガス量は圧力に比例するため減圧の効
果が非常に大きいことがわかる。

そこで本発明は、給水ポンプの吐出側からレリーフ弁で
逃がした水によって作動するエゼクタで回収水の圧力を
低下させ、小さなエネルギーで脱気することを考えたも
のである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図および第２図を参照し
て説明する。

ここに第１図は、本発明の一実施例に係る水回収系の系
統図、第２図は、その脱気装置部の詳細縦断面図であシ
、図中、先の第３図と同一符号のものは従来技術と同等
部分であるから、その説明を省略する。

また、本実施例において、水回収系以外の燃料電池シス
テムの構成は、第３図のものと同様であるので説明を省
略する。

第１図において、１２は、回収水を減圧して当該回収水
中に溶存するガス気泡を放出させるだめのエゼクタ、１
３は、そのエゼクタ１２に回収水を導くとともにガス放
気系の配管１８に接続するドレーナを示し、これらエゼ
クタ１２とドレーナ１３とを連結して脱気装置が構成さ
れている。

この脱気装置は、熱交換器８と貯水槽１０とを接続する
水回収系の配管の途中に配設されており、具体的には、
熱交換器８とドレーナ１３とが配管１６で接続され、エ
ゼクタ１２と貯水槽１０とは配管１７で接続されている
。

また、１４は制御弁、１５はバイパス管で、このバイパ
ス管１５は、レリーフ弁１１とエゼクタ１２とを結ぶ配
管１９から分岐して貯水槽１０に接続されている。

天然ガスを燃料とする燃料電池システムから発生した排
ガスは、排ガス用の熱交換器８．によシ循環水などで約
５０〜６００程度に冷却され、排ガス中の水分が凝縮す
る。凝縮した回収水および排ガスは、配管１６を経てド
レーナ１３に導かれ、ここで回収水と排ガスに分離され
、回収水はエゼクタ１２の方へ流出し、排ガスはドレー
ナ１３の上部から放気系の配管１８を経て大気中などへ
放出される。

エゼクタ１２は、給水ボ／プ７によシ燃料電池システム
の電池冷却系３０へ貯水槽１０から圧送される水のうち
、レリーフ弁１１によって逃がされた余分の高圧水によ
って作動する。このエゼクタ１２に流入した回収水は、
エゼクタ１２の作用によシ減圧され、このとき当該回収
水中に溶存している二酸化炭素のガスが気泡となって出
てくる。

脱気作用を終えた回収水は、エゼクタ１２を作動させる
駆動水と合流して配管１７を経て貯水槽１０に流入する
。

ここで、脱気装置について第２図を参照してさらに詳細
に説明する。

第２図に示すように、エゼクタ１２は、レリーフ弁１１
からの高圧水の圧力を速度エネルギに変換するノズル部
１２ａと、減圧空間領域を形成するエゼクタケース１２
ｂと、圧力回復を行い圧力回復した水を貯水槽１０へ送
るための拡大部１２Ｃとから構成されている。

一方、ドレーナ１３は、ドレーナケース１３Ｇの内部に
フロート１３ａを備え、ドレーナケース１３ｃの底部に
ポート１３ｂｔ−設けて、フロート１３ａの弁体が、ポ
ート１３ｂ部を開閉するように構成されている。このボ
ート１３ｂ部は、回収水およびガス気泡を流通せしめる
流通口を形成するもので、ポート１３ｂ’ｔ−介してド
レーナ１３とエゼクタ１２が連結されている。

ドレーナ１３では、フロート１３ａが流入してくる回収
水による浮力で上方に移動し、定められた位置まで回収
水が増加してフロート１３ａが浮上するとポート１３ｂ
が開く。これにより、回収水がエゼクタ１２側へ流出す
るとともに、エゼクタ１２の上部に溜った溶存ガスの気
泡がドレーナ１３側へ上昇し、排ガスと合流して放気系
の配管１８から大気中などへ放出される。

ここで、ポート１３ｂとフロート１３ａの弁体部との間
の隙間を流れる水の流速が大きく、そのためエゼクタ１
２の上部に溜ったガスがドレーナ１３側へ上昇しない場
合は、レリーフ弁１１からの高圧水を、給水ポンプ７の
上流側、たとえば貯水槽１０へ、制御弁１４を作動させ
、バイパス管１５によって一定の時間間隔でバイパスさ
せる。

これにより、高圧水がバイパスされている間はエゼクタ
１２が作動しなくなるため、エゼクタ上部に溜ったガス
の気泡は容易にドレーナ１３側へ上昇することができる
。

また、給水ポンプ７は、一般に取扱い流量が小さいため
、補機損失として燃料電池システムの効率に与える影響
は非常に小さい（０，１１以下）。

したがって、レリーフ弁１１による逃し量を増しても燃
料電池システムの効率にはほとんど影響しない。

本実施例によれば、燃料電池システムの効率をほとんど
損うことなく、回収水を減圧することができるため、効
率を低めることなく脱気効果を上げることができること
と、脱気効果そのものを従来より高めることができるこ
とから、電池冷却系の腐食を低減することができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、燃料電池システム
の効率を低下させることす＜、回収水に溶融しているガ
スを脱気し、電池冷却系の水質を良くして機器、配管等
の腐食を低減することの可能な、燃料電池系装置におけ
る水回収系の脱気装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る水回収系の系統図、
第２図は、その脱気装置部の詳細断面図、第３図は、従
来の燃料電池系装置とその水回収系を示す系統図、第４
図は、従来の脱気装置の略示構成図で、（ａ）は加熱手
段を備えたもの、（ｂ）はバブリング手段を備えたもの
である。 １・・・燃料電池本体、２・・・リフオーマ、５・・・
蒸気発生器、７・・・給水ポンプ、８・・・熱交換器、
１０・・・貯水槽、１１・・・レリーフ弁、１２・・・
エゼクタ、１２ａ・・・ノズル部、１２ｂ・・・エゼク
タケース、１２Ｃ・・・拡大部、１３・・・ドレーナ、
１３ａ・・・７ａ−ト、１３ｂ・・・ボート、１３Ｃ・
・・ドレーナケース、１４（ほか１名）Ｐ９４ ＄　ｌ　凶 第２　目

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、天然ガスを燃料とする燃料電池系装置からの排気ガ
   スを冷却し当該排気ガス中の水分を凝縮させるための熱
   交換器と、この熱交換器で凝縮された回収水を溜めるた
   めの貯水槽と、この貯水槽の水を燃料電池系装置へ圧送
   するための給水ポンプと、この給水ポンプの吐出側から
   余剰水を貯水槽へ戻すためのレリーフ弁とを備えた燃料
   電池系装置の水回収系における脱気装置であって、前記
   レリーフ弁から貯水槽へ戻すべき水によって作動し、前
   記凝縮された回収水を減圧して当該回収水中に溶存する
   ガス気泡を放出させるためのエゼクタと、このエゼクタ
   に前記回収水を導くとともにガス放気系に接続するドレ
   ーナとを、前記回収水およびガス気泡を流通せしめるポ
   ート部を介して連結するように構成した脱気装置を、前
   記熱交換器と前記貯水槽とを接続する水回収系の配管の
   途中に配設したことを特徴とする、燃料電池系装置にお
   ける水回収系の脱気装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、エゼク
   タは、レリーフ弁からの高圧水の圧力を速度エネルギー
   に変換するノズル部と、減圧空間領域を形成するエゼク
   タケース部と、圧力回復した水を貯水槽へ送るための拡
   大部とから構成されたものである、燃料電池系装置にお
   ける水回収系の脱気装置。 ３、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、ドレー
   ナとエゼクタとを連結するポート部は、ドレーナに設け
   たフロート弁により開閉するものである、燃料電池系装
   置における水回収系の脱気装置。 ４、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、レリー
   フ弁とエゼクタとを結ぶ配管から、給水ポンプの上流側
   へ分岐する、制御弁を具備したバイパス管を設けたもの
   である、燃料電池系装置における水回収系の脱気装置。