JP2009295600A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
【課題】水自給率が高く、フィルターやイオン交換樹脂の必要量や、取替えなどのメンテナンス回数が少なく、メンテナンスコストを低減することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料ガスラインおよび酸化剤ガスラインを有する燃料電池１と、酸化剤ガスラインに接続された酸化剤側水凝縮器４と、酸化剤側水凝縮器４に接続された酸化剤側凝縮水回収部５と、燃料ガスラインに接続された燃料側水凝縮器８と、燃料側水凝縮器８に接続された燃料側凝縮水回収部９とを備える、燃料電池システムである。
【選択図】図１To provide a fuel cell system having a high water self-sufficiency ratio, a required amount of a filter and an ion exchange resin, and a small number of maintenance operations such as replacement, which can reduce a maintenance cost.
A fuel cell having a fuel gas line and an oxidant gas line, an oxidant side water condenser connected to the oxidant gas line, and an oxidant side connected to the oxidant side water condenser. The fuel cell system includes a condensed water recovery unit 5, a fuel side water condenser 8 connected to a fuel gas line, and a fuel side condensed water recovery unit 9 connected to the fuel side water condenser 8.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、水素などの燃料ガスと酸素などの酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池発電システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell power generation system that generates power using a fuel gas such as hydrogen and an oxidant gas such as oxygen.
従来の一般的な燃料電池発電システムの概略構成は、図８に表されるものがよく知られている（例えば特開２０００−２４３４２０の図６）。 As a schematic configuration of a conventional general fuel cell power generation system, the one shown in FIG. 8 is well known (for example, FIG. 6 of JP-A-2000-243420).
以下に、図８を用いて、従来の固体高分子型燃料電池発電システムを説明する。 Hereinafter, a conventional polymer electrolyte fuel cell power generation system will be described with reference to FIG.
水素生成器２は、燃料電池部１で残った燃料ガスを燃焼させる改質用のバーナー（図示せず）を備えており、必要に応じてこれに天然ガスなどが加えられ、水素生成器２内を水蒸気改質に必要な温度に維持する。そして、水水素生成器２に天然ガスなどの原料ガスが供給され、水蒸気が加えられて水蒸気改質されることにより、水素リッチな燃料ガスを生成し、燃料電池部１に供給する。
The
一方、空気などの酸化剤が、必要に応じて空気加湿器３を経由して、燃料電池部１に導入される。そして、燃料電池１内において、水素リッチなガスに含まれる水素と、空気に含まれる酸素とが反応して、電気を発生させる。反応に使用されず残った空気は、空気側水凝縮器４に導入され、貯湯水と熱交換することにより、含まれる水蒸気が凝縮水として回収される。回収された凝縮水は、空気側凝縮水用タンク５へ導かれ、改質用の水などとして再利用される。
On the other hand, an oxidizing agent such as air is introduced into the
また、貯湯タンク６に貯えられている貯湯水は、ポンプ（図示せず）などにより引かれて空気側水凝縮器４に導入され、空気側凝縮水配管１７と熱交換することにより昇温する。昇温された貯湯水は、熱交換器７に導入され、冷却水配管１９を介した燃料電池１の冷却水ラインと熱交換してさらに昇温し、貯湯タンク６に返される。
The hot water stored in the hot water storage tank 6 is drawn by a pump (not shown) and introduced into the air-side water condenser 4, and the temperature is raised by exchanging heat with the air-side condensed
しかしながら、上記従来例のような燃料電池システムにおいて発電を行う際、水回収を空気側のみで行っているため、燃料電池システムに必要な水量の確保が困難であり、水自給率が低く、外部から水を補給する必要があった。一般に補給水には、水道水などが使用されるが、燃料電池システムに悪影響を及ぼす鉄錆、塩素、カルキなどの不純物が多く含まれており、これらの悪影響を排除するためには、フィルターやイオン交換樹脂を用いて除去する必要がある。このため、フィルターやイオン交換樹脂の必要量が多く、交換を頻繁に実施しなければならず、メンテナンスコストが高額となっていた。 However, when generating electricity in the fuel cell system as in the above conventional example, water recovery is performed only on the air side, so it is difficult to secure the amount of water necessary for the fuel cell system, the water self-sufficiency rate is low, and the external It was necessary to supply water from. In general, tap water is used as make-up water, but it contains many impurities such as iron rust, chlorine, and chlorine that have an adverse effect on the fuel cell system. It is necessary to remove using an ion exchange resin. For this reason, a large amount of filter and ion exchange resin are required, and replacement must be performed frequently, resulting in high maintenance costs.
本発明は、上記従来の燃料電池システムが有する課題を考慮して、水自給率が高く、フィルターやイオン交換樹脂の必要量や、取替えなどのメンテナンス回数が少なく、メンテナンスコストを低減することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 In consideration of the problems of the conventional fuel cell system, the present invention has a high water self-sufficiency rate, requires a small amount of filter and ion exchange resin, and requires a small number of maintenance operations such as replacement, thereby reducing maintenance costs. An object is to provide a fuel cell system.
上記課題を解決するための、第１の本発明（請求項１に対応）は、燃料ガスラインおよび酸化剤ガスラインを有する燃料電池と、前記酸化剤ガスラインに接続された酸化剤側水凝縮器と、前記酸化剤側水凝縮器に接続された酸化剤側凝縮水回収部と、前記燃料ガスラインに接続された燃料側水凝縮器と、前記燃料側水凝縮器に接続された燃料側凝縮水回収部とを備える、燃料電池システムである。 In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention (corresponding to claim 1) is a fuel cell having a fuel gas line and an oxidant gas line, and oxidant side water condensation connected to the oxidant gas line. , An oxidant side condensed water recovery unit connected to the oxidant side water condenser, a fuel side water condenser connected to the fuel gas line, and a fuel side connected to the fuel side water condenser A fuel cell system including a condensed water recovery unit.
第２の本発明（請求項２に対応）は、前記酸化剤側凝縮水回収部と前記燃料側凝縮水回収部との間に凝縮水通路を有している、第１の本発明の燃料電池システムである。 According to a second aspect of the present invention (corresponding to claim 2), the fuel according to the first aspect of the present invention has a condensed water passage between the oxidant side condensed water recovery part and the fuel side condensed water recovery part. It is a battery system.
第３の本発明（請求項３に対応）は、前記酸化剤側凝縮水回収部または前記燃料側凝縮水回収部に前記回収部内の水位を感知する水位感知手段が設けられ、前記凝縮水通路に弁が設けられ、前記水位感知手段からの信号に対応して前記弁の開閉が制御される、第２の本発明の燃料電池システムである。 According to a third aspect of the present invention (corresponding to claim 3), the oxidant side condensed water recovery part or the fuel side condensed water recovery part is provided with a water level sensing means for detecting the water level in the recovery part, and the condensed water passage Is a fuel cell system according to the second aspect of the present invention, in which a valve is provided and the opening and closing of the valve is controlled in response to a signal from the water level sensing means.
第４の本発明（請求項４に対応）は、前記凝縮水通路の一端は、前記酸化剤側凝縮水回収部および前記燃料側凝縮水回収部のうち内部ガス圧力の高い方の回収部の下部に開口し、前記凝縮水通路の他端が、内部ガス圧力の低い方の回収部の上部に開口し、前記凝縮水通路の少なくとも一部が前記内部圧力の高い方の回収部内の凝縮水の液面よりも高い位置にある、第２の本発明の燃料電池システムである。 According to a fourth aspect of the present invention (corresponding to claim 4), one end of the condensate passage is located at the end of the recovery portion having a higher internal gas pressure among the oxidant side condensate recovery portion and the fuel side condensate recovery portion. Opened at the bottom, the other end of the condensed water passage opens at the top of the recovery portion with the lower internal gas pressure, and at least a part of the condensed water passage has condensed water in the recovery portion with the higher internal pressure. It is a fuel cell system of the 2nd aspect of this invention which exists in a position higher than this liquid level.
第５の本発明（請求項５に対応）は、前記酸化剤側凝縮水回収部および前記燃料側凝縮水回収部のいずれか一方に、フロートガイドと、前記フロートガイドに沿って作動するフロートとを備え、前記フロートの作動により前記凝縮水通路を開閉する、第２または第４の本発明の燃料電池システムである。 According to a fifth aspect of the present invention (corresponding to claim 5), either one of the oxidant side condensed water recovery part and the fuel side condensed water recovery part has a float guide, and a float that operates along the float guide. The fuel cell system according to the second or fourth aspect of the present invention is configured to open and close the condensed water passage by the operation of the float.
第６の本発明（請求項６に対応）は、前記凝縮水通路を閉じる方向に前記フロートを付勢するばねを有する、第５の本発明の燃料電池システムである。 A sixth aspect of the present invention (corresponding to claim 6) is the fuel cell system according to the fifth aspect of the present invention, further comprising a spring that biases the float in a direction to close the condensed water passage.
以上説明したところから明らかなように、本発明の燃料電池システムでは、水自給率を高め、フィルターやイオン交換樹脂の必要量や、取替えなどのメンテナンス回数を減少させることができ、メンテナンスコストを低減させることができる。 As is apparent from the above description, the fuel cell system of the present invention can increase the water self-sufficiency rate, reduce the required amount of filters and ion exchange resins, and reduce the number of maintenance such as replacement, thereby reducing maintenance costs. Can be made.
酸化剤側凝縮水回収部と燃料側凝縮水回収部との間に凝縮水通路を有している場合は、効率的に凝縮水を回収することができ、さらにメンテナンスコストを低減させることができる。 When the condensed water passage is provided between the oxidant-side condensed water recovery unit and the fuel-side condensed water recovery unit, the condensed water can be efficiently recovered and the maintenance cost can be further reduced. .
凝縮水通路の一端が、内部ガス圧力の高い方の回収部の下部に開口し、凝縮水通路の他端が、内部ガス圧力の低い方の回収部の上部に開口する場合は、簡単な仕組みで効率的に凝縮水を回収することができ、さらにメンテナンスコストを削減することができる。 If one end of the condensate passage opens to the lower part of the recovery part with the higher internal gas pressure and the other end of the condensate passage opens to the upper part of the recovery part with the lower internal gas pressure, a simple mechanism The condensate can be recovered efficiently and maintenance costs can be reduced.
一方の凝縮水回収部にフロートとフロートガイドを設けて、凝縮水を開閉する場合は、凝縮水回収部において燃料ガスと空気が混合する恐れがなく、簡単な仕組みで効率的に凝縮水を回収することができ、さらにメンテナンスコストを削減することができる。 When the condensate recovery unit is equipped with a float and float guide to open and close the condensate, there is no risk of fuel gas and air mixing in the condensate recovery unit, and the condensate is efficiently recovered with a simple mechanism. And maintenance costs can be reduced.
以下に、本発明の実施の形態を、固体高分子型燃料電池システムを例にとり、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings, taking a solid polymer fuel cell system as an example.
なお、従来例と同一部品には同一番号を付し、部品機能の詳細な説明を省略する。 In addition, the same number is attached | subjected to the same component as a prior art example, and detailed description of a component function is abbreviate | omitted.
(実施の形態１)
図１は、本発明の第１の実施の形態における固体高分子型燃料電池の構成を示す模式図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a polymer electrolyte fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
図１に示すように、本発明の燃料電池１は、燃料ガスラインと酸化剤ガスラインとしての空気ラインとを有し、燃料ガスラインの上流側には、燃料ガス配管１３を介して水素生成器２が接続されている。空気ラインの上流側には空気配管１４を介して空気加湿器３などの酸化剤側加湿器が接続され、空気加湿器３の上流には、空気配管１４が接続されている。水素生成器２の上流側には原料ガス配管が接続されている。
As shown in FIG. 1, the
本発明の燃料側水凝縮器８は、被熱回収側である１次側と、熱回収側である２次側とを有する。燃料側水凝縮器８の１次側の上流側は、燃料ガス配管１３を介して燃料電池１の燃料ラインの下流に接続され、燃料側水凝縮器８の１次側の下流側には、残燃料ガス配管１６の一端および燃料側凝縮水配管１５の一端が接続されている。残燃料ガス配管１６の他端は、水素生成器２の改質用のバーナ（図示せず）に接続されている。改質用のバーナーには、また、原料ガスラインの一部が分岐（図示せず）されて接続されている。
The fuel-
そして、燃料側凝縮水配管１５の他端は、燃料側凝縮水回収部である燃料側凝縮水用タンク９に接続されている。なお、図１において、残燃料ガス配管１６と燃料側凝縮水配管１５とは、別々に示されているが、燃料側水凝縮器８の内部においては両者は通じ合っている。
燃料側凝縮水用タンク９の内部には、水位感知手段としての水位センサー１１が設けられている。この水位センサー１１は、電極棒タイプのものであってもよいし、フロートスイッチタイプであってもよく、水位に応じて、比例出力または接点出力などの電気的出力を生じるものであれば、どのようなタイプのものであってもよい。
The other end of the fuel side condensed
A
本発明の酸化剤側水凝縮器としての空気側水凝縮器４は、被熱回収側である１次側と、熱回収側である２次側とを有する。空気側水凝縮器４の１次側の上流側には、燃料電池１の空気ラインの下流が空気配管１４を介して接続されている。そして、空気側水凝縮器４の１次側の下流側には、空気排出配管１８の一端および空気側凝縮水配管１７の一端が接続されている。空気排出配管１８の他端は、大気に開放されており、空気側凝縮水配管１７の他端は、酸化剤側凝縮水回収部である空気側凝縮水用タンク５に接続されている。
The air-side water condenser 4 as the oxidant-side water condenser of the present invention has a primary side that is a heat recovery side and a secondary side that is a heat recovery side. The downstream side of the air line of the
なお、図１において、空気排出配管１８と空気側凝縮水配管１７とは、別々に示されているが、空気側水凝縮器４の内部においては両者は通じ合っている。
In FIG. 1, the
空気側凝縮水用タンク５には、凝縮水を燃料生成部等に送出するための配管（図示せず）が接続され、この配管には、凝縮水循環ポンプ（図示せず）が接続されている。
The air-side
燃料側凝縮水用タンク９と空気側凝縮水用タンク５とは、凝縮水通路１０により連絡されている。そして凝縮水通路１０の途中に弁として電磁弁１２が挿入されている。ここで、電磁弁１２は水位センサー１１と電気的に連絡されている。
The fuel-side
燃料側水凝縮器８の２次側の上流には、取出口(図示せず）および取入口（図示せず）を有する貯湯タンク６の取出口が接続され、下流には空気側水凝縮器４の2次側の上流が接続されている。そして空気側水凝縮器４の２次側の下流には、１次側および２次側を有する熱交換器７の２次側の上流に接続され、その下流は貯湯タンク６の取入口に接続されている。
An upstream of the secondary side of the fuel
熱交換器７の１次側の上流には、冷却水配管１９を介して燃料電池１の冷却水ラインの下流が接続され、熱交換器７の１次側の下流には、冷却水配管１９を介して燃料電池１の冷却水ラインの上流に接続されている。
The downstream of the cooling water line of the
次に、このような構成の本実施の形態の動作を説明する。天然ガスなどの原料ガスが、水素生成器２に供給される。このとき同時に供給された水（図示せず）が水素生成器２の改質器のバーナーで加熱され水蒸気となり、原料ガスと反応することにより、水素リッチな燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、燃料ガス配管１３を介して燃料電池１の燃料ラインに導入される。
Next, the operation of the present embodiment having such a configuration will be described. A raw material gas such as natural gas is supplied to the
燃料電池１で残った燃料ガスは、燃料側水凝縮器８の１次側に導入され、２次側の貯湯水と熱交換することにより、冷却されて燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮される。凝縮された水は、燃料側凝縮水配管１５を通じて、燃料側凝縮水用タンク９に回収される。また、燃料側水凝縮器８を出た除湿された燃料ガスは、残燃料ガス配管１６を介して水素生成器２に返され、改質用の加熱バーナーの燃料として、原料ガス配管から分岐された配管により導入された原料ガスとともに燃焼され、水素リッチなガスを生成するために水素生成器２を必要な温度に維持する作用をする。
The fuel gas remaining in the
一方、酸化剤ガスとしての空気が、空気供給口（図示せず）から取り込まれ、空気加湿器３を介して加湿され、空気配管１４を通して燃料電池１の空気ラインに供給される。燃料電池１内の燃料ガスと反応して発電した後、残った空気は、空気側水凝縮器４の１次側に導入され、２次側の貯湯水と熱交換することにより冷却されて残った空気に含まれる水蒸気を凝縮する。凝縮された水は、空気側凝縮水配管１７を通じて、空気側凝縮水回収部である空気側凝縮水用タンク５に回収される。一方、除湿された空気は、空気排出配管１８から排出される。
On the other hand, air as an oxidant gas is taken in from an air supply port (not shown), is humidified via the
次に、燃料側凝縮水用タンク９に貯えられている凝縮水の水位が設定した水位に達すると、水位センサー１１から電磁弁１２を開くように電気信号が発せられる。この電気信号を受けることにより、電磁弁１２が開き所定の量の水が、燃料側凝縮水用タンク９から空気側凝縮水用タンク５へ移動する。
Next, when the water level of the condensed water stored in the fuel-side
燃料側凝縮水用タンク９内の凝縮水の水位が、設定した水位を下回ると、水位センサー１１から電磁弁を閉じるように電気信号が発せられる。この電気信号を受けることにより、電磁弁１２が閉じ、凝縮水の移動は停止する。
When the water level of the condensed water in the fuel side condensed
そして、空気側凝縮器用タンク５に移動した凝縮水は、イオン交換樹脂（図示せず）などを介して金属イオン他の不純物を除去し、配管を介して水素生成器２に供給され改質用の水として再利用される。このように水素生成器２での改質等に再利用される凝縮水は、空気側凝縮水用タンク５から供給されればよいので、効率的に凝縮水を再利用することができる。
The condensed water that has moved to the air-
一方、燃料側水凝縮器８の２次側および空気側水凝縮器４の２次側には、熱媒である貯湯水が貯湯タンク６の取出口から導入され、燃料側水凝縮器８の１次側および空気側水凝縮器４の１次側とそれぞれ熱交換することにより昇温する。昇温された貯湯水は、熱交換器７の２次側に導入され、この熱交換器７の１次側と熱交換することにより、さらに昇温して貯湯タンク６の取入口に戻される。このように貯湯タンク６内の貯湯水温度を所定温度に維持することができるので、貯湯水は、暖房や給湯に利用される。
On the other hand, on the secondary side of the fuel-
燃料電池１の１次側には、燃料電池１の冷却水が冷却水循環ポンプ（図示せず）により循環されており、燃料電池１で発生した反応熱は、熱交換器７で貯湯水と熱交換される。
On the primary side of the
上記の実施の形態１に記載の燃料電池システムを使用すれば、効率的に凝縮水を回収することができ、水自給率を高め、フィルターやイオン交換樹脂の必要量および取替えなどのメンテナンス回数を少なくした燃料電池システムを得ることができる。 If the fuel cell system described in the first embodiment is used, the condensed water can be efficiently recovered, the water self-sufficiency rate is increased, the required amount of filters and ion exchange resins, and the number of maintenance such as replacement can be reduced. A reduced fuel cell system can be obtained.
なお、熱媒の流れは、図１では、燃料側水凝縮器８、空気側水凝縮器４４、燃料電池１で発生した反応熱を放熱する熱交換器７の順に図示しているが、別の順序で流しても良い。
In FIG. 1, the flow of the heat medium is illustrated in the order of the fuel
また、上記の説明では、燃料側凝縮水用タンク９に水位センサー１１が設けられ、水位センサー１１の信号により電磁弁１２が開放して、燃料側凝縮水用タンク９から空気側凝縮水用タンク５へ凝縮水が移動するとしたが、上記とは逆に、空気側凝縮水用タンク５に水位センサー１１が設けられ、この水位センサー１１の信号により電磁弁１２が開放して、空気側凝縮水用タンク５から燃料側凝縮水用タンク９へ凝縮水が移動する構成であってもよい。
Further, in the above description, the
また、弁として電磁弁を用いる例で説明したが、電磁弁の代わりに空気弁であってもよい。 Moreover, although the example using a solenoid valve as a valve was demonstrated, an air valve may be used instead of a solenoid valve.
（実施の形態２）
実施の形態２における燃料電池発電システムの部分構成について、図２、３を参照しながら説明する。
(Embodiment 2)
A partial configuration of the fuel cell power generation system according to
なお、実施の形態１と同一の部品には同一番号を付し、部品の説明を省略する。また、以下の燃料側凝縮水用タンク９内のガス圧が、空気側凝縮水用タンク５内のガス圧よりも高いものとして説明を行う。
In addition, the same number is attached | subjected to the components same as
図２に示すように、燃料側凝縮水用タンク９と空気側凝縮水用タンク５とは、１つの容器内に仕切り２７を入れることにより、互いに隣接して構成されている。そして、燃料側凝縮水用タンク９の上部には、燃料側凝縮水配管１５が接続されており、空気側凝縮水用タンク５の上部には、空気側凝縮水配管１７が接続されている。
As shown in FIG. 2, the fuel side condensed
そして、燃料側凝縮水用タンク９と空気側凝縮水用タンク５との間には、凝縮水を連通させる凝縮水通路２１が設けられている。この凝縮水通路２１は、鉛直部２４、水平部２５および短鉛直部２６を有し、凝縮水通路２１の鉛直部２４の一端は、内部ガス圧力が高い燃料側凝縮水用タンク９側の下部の下部開口２２において開口し、凝縮水の液面よりも低い位置にある。凝縮水通路２１の鉛直部２４の他端は、水平部２５の一端に接続され、水平部２５の他端は、短鉛直部２６の一端に接続されて、短鉛直部２６の他端は、上部開口２３に接続され開口している。このように燃料側凝縮水用タンク９内に貯められた凝縮水の液面の位置よりも、凝縮水通路２１は高い部分を有している。
A
次にこのように構成された凝縮水通路２１の作用を説明する。まず、燃料側凝縮水配管１５を通じた燃料側凝縮水用タンク９に加わるガス圧力（以下燃料側ガス圧力という）は、空気側凝縮水配管１７を通じた空気側凝縮水用タンク５に加わるガス圧力（以下空気側ガス圧力という）よりも大きい。従って、燃料側凝縮水用タンク９内に貯えられた凝縮水は、凝縮水通路２１の鉛直部２４を上昇していく。この上昇は、燃料側凝縮水用タンク９内の液面から凝縮水通路２１の鉛直部２４内の液面まで（図２のａに相当）の凝縮水の単位面積当たりの重量（以下水頭差という）が、燃料側ガス圧力と空気側ガス圧力との差（以下差圧という）に等しくなる所で停止する。
Next, the operation of the
このとき、差圧が水頭差よりも大きくなれば、凝縮水通路２１の鉛直部２４内を上昇が続き、鉛直部２４内の凝縮水の一部は、水平部２５および短鉛直部２６を経由して空気側凝縮水用タンク５内へ自動的に供給される。しかし、燃料側凝縮水用タンク９内の液面が低下するので、差圧と水頭差はいずれバランスし、燃料側凝縮水用タンク９から空気側凝縮水用タンク５への凝縮水の移動はやがて停止する。
At this time, if the differential pressure becomes larger than the water head difference, the rising in the
この場合、過大な差圧がかかると、燃料側凝縮水用タンク９内の凝縮水の液面が低下し、下部開口２２よりも低い液面となり燃料ガスと空気が混合してしまうので、下部開口２２の位置は、差圧と燃料側凝縮水用タンク９に導入される単位時間あたりの凝縮水の量とを考慮して決定される。
In this case, if an excessive differential pressure is applied, the liquid level of the condensed water in the fuel
また、瞬間的に大きな差圧が生じても燃料側凝縮水用タンク９から凝縮水が一気になくなることがないように、差圧と、燃料側凝縮水用タンク９に導入される単位時間あたりの凝縮水の量と、凝縮水が凝縮水通路２１を通過する際の抵抗作用とを考慮して凝縮水通路２１の幅または容積が決定される。
Further, even if a large differential pressure occurs instantaneously, the differential pressure and the per unit time introduced into the fuel-
このように、凝縮水通路２１を構成することにより、電磁弁１２や水位センサー１１を用いることなく、簡単な構成で水自給率が高くメンテナンスコストが安い燃料電池システムを提供することができる。
In this way, by configuring the
なお、図３では凝縮水通路２１が鉛直部２４と、水平部２５と短鉛直部２６とから構成されるとして示したが、これらに限定されることなく、凝縮水通路２１の少なくとも一部が、燃料ガス側凝縮水用タンク内の凝縮水の液面よりも高い位置にあれば、どのような構成の凝縮水通路２１であってもよい。例えば凝縮水通路２１は、凝縮水の液面に対して斜め方向に配置されていてもよいし、凝縮水通路２１自体に抵抗を持たせるために曲がりくねっていてもよい。
In FIG. 3, the
上記のように、実施の形態２の燃料電池システムによれば、簡単な構成で効率的に凝縮水を回収し、水自給率を高め、フィルターやイオン交換樹脂の必要量および取替えなどのメンテナンス回数を少なくし、メンテナンスコストを低減させた燃料電池システムを得ることができる。 As described above, according to the fuel cell system of the second embodiment, the condensed water is efficiently recovered with a simple configuration, the water self-sufficiency rate is increased, the required amount of filter and ion exchange resin, and the number of maintenance such as replacement It is possible to obtain a fuel cell system in which the maintenance cost is reduced.
図３は、第２の実施の形態の変形例であり、燃料側凝縮水用タンク９および空気側凝縮水用タンク５は、１枚の仕切りではなく、燃料側凝縮水用仕切り３４と燃料側凝縮水用仕切り３４に対向している空気側凝縮水用仕切り３５の２枚で仕切られている。そして、燃料側凝縮水用仕切り３４の下部の少なくとも一部に下部開口３２を有し、空気側凝縮水用仕切り３５の上部の少なくとも一部に上部開口３３を有している。
FIG. 3 shows a modification of the second embodiment. The fuel-side
従って凝縮水通路３１は、燃料側凝縮水用仕切り３４と、空気側凝縮水用仕切り３５と、燃料側凝縮水用タンク９および空気側凝縮水用タンク５の側壁（図示せず）とにより形成されている。さらに、凝縮水通路３１のうち少なくとも上部開口３３付近の凝縮水通路路３１は、燃料側凝縮水の液面よりも高い位置にある。
Accordingly, the
この場合、水頭差よりも差圧が大きくなれば、凝縮水は、凝縮水通路３１から溢れて燃料側凝縮水用タンク９から空気側凝縮水用タンク５に自動的に移動する。燃料側凝縮水用タンク９内の凝縮水の液面が低下すると、水頭差が大きくなるので差圧とバランスする時点で凝縮水の移動は停止する。
In this case, if the differential pressure becomes larger than the water head difference, the condensed water overflows from the
なお、図３では凝縮水通路３１は、燃料側凝縮水用仕切り３４と、空気側凝縮水用仕切り３５と、燃料側凝縮水用タンク９および空気側凝縮水用タンク５の側壁（図示せず）とにより形成されている例を示したが、これに限定されず、燃料側凝縮水用仕切り３４と、空気側凝縮水用仕切り３５と、燃料側凝縮水用仕切り３４および空気側凝縮水用仕切り３５の間に挟まれた１枚以上の側板（図示せず）とにより囲まれた空間を凝縮水通路３１としてもよい。
In FIG. 3, the
このとき、燃料側凝縮水用仕切り３４と空気側凝縮水用仕切り３５との間の間隔は、差圧と、燃料側凝縮水用タンク９に導入される単位時間あたりの凝縮水の量とを考慮して決定される。
At this time, the interval between the fuel-
（実施の形態３）
実施の形態３における燃料電池発電システムの構成について、図４、５、６、７を参照しながら説明する。なお、実施の形態１および実施の形態２と同一の部品には同一番号を付し、部品の説明を省略する。また、以下の燃料側凝縮水用タンク９内のガス圧が、空気側凝縮水用タンク５内のガス圧よりも高いものとして説明を行う。
(Embodiment 3)
The configuration of the fuel cell power generation system according to
図４に示すように、本発明の燃料側凝縮水用タンク９の底部には、開閉口４３が設けられ、燃料側凝縮水用タンク９は、凝縮水通路４２を経由して空気側凝縮水用タンク５の底部と接続されている。
As shown in FIG. 4, an opening /
燃料側凝縮水用タンク９の上部には、燃料側凝縮水配管１５が接続され、空気側凝縮水用タンク５の上部には、空気側凝縮水配管１７が接続されている。
A fuel side condensed
燃料側凝縮水用タンク９の底部には、開閉口４３に接続されるようにフロートガイド４４が設けられている。そしてフロートガイド４４内には、テーパー形状の底部を有するフロート４１が挿入され、フロート４１と当接する開閉口４３の部分には、フロート４１のテーパー形状と一致するように面取りがなされている。また、フロートガイド４４の底部付近には、複数の導入口４５が設けられている。一方、フロートガイド４４の上部は、燃料側凝縮水用タンク９内に開口している。
A
なお、フロート４１は、水に対して浮力を有する材質から構成されていてもよいし、中身を中空にして水に対して浮力を持たせるように構成されていてもよい。
In addition, the
また、フロートガイド４４の導入口４５には、フィルター４６が設置され、異物やごみがフロート４１と開閉口４３との間に入ることを防いでいる。
Further, a
このような構成を有した場合の凝縮水の移動作用について次に述べる。燃料側凝縮水用タンク９内の凝縮水の液面が低い場合は、フロート４１の自重により開閉口４３が閉鎖されている。しかし、燃料側凝縮水用タンク９内の凝縮水の量が増えると、凝縮水はフロートガイド４４の導入口４５からフロートガイド４４の内部に侵入し、フロート４１に浮力を与える。さらに、凝縮水が増えて、フロート４１の自重よりもフロート４１に与えられる浮力が勝ると、フロート４１がフロートガイド４４に沿って上方に移動して、開閉口４３を通じて凝縮水通路４２を開き、燃料側凝縮水用タンク９内の凝縮水は凝縮水通路４２を経由して空気側凝縮水用タンク５に移動する。しかし、燃料側凝縮水用タンク９内の凝縮水の量が減ると、フロート４１に与える浮力よりもフロート４１の自重が勝り、フロート４１はフロートガイド４４に沿って下方に移動することにより、開閉口４３を閉じることにより凝縮水通路４２を閉鎖し、凝縮水の移動は停止する。
Next, the moving action of the condensed water in such a configuration will be described. When the level of the condensed water in the fuel side condensed
このように上記のような構成としても簡単な構成で水自給率が高くメンテナンスコストが安い燃料電池システムを提供することができる。 Thus, it is possible to provide a fuel cell system with a simple configuration and a high water self-sufficiency rate and a low maintenance cost.
図５は、図４の変形例を示す。この変形例において、フロートガイド５４の上部には円周状の縁部５５が設けられている。そして縁部５５とフロート５１との間には、ばね５２が挿入され、このばね５２の一端は縁部５５に当接し、ばね５２の他端はフロート５１に当接して凝縮水通路４２を閉じる方向にフロート５１を付勢している。
FIG. 5 shows a modification of FIG. In this modification, a
このような構成にすることにより、フロート５１は、フロート５１の自重に加えてばね５２の付勢力を追加して開閉部を押している。従って、燃料側凝縮水用タンク９内により多くの凝縮水が溜まってから、フロートが上昇して凝縮水が移動する。また、凝縮水が減少してくると、ばねの付勢力がフロートの自重に追加されているので、より早く開閉口を閉じることができる。
With this configuration, the
従って、この状態で燃料側ガス圧力が急激に変動しても、燃料ガスと空気とが混合することはなく、外乱に強く信頼性の高い凝縮水移動機構を得ることができるので、効率的に凝縮水を回収し、水自給率を高め、フィルターやイオン交換樹脂の必要量および取替えなどのメンテナンス回数を少なくした燃料電池システムを得ることができる。 Therefore, even if the fuel side gas pressure fluctuates rapidly in this state, the fuel gas and the air are not mixed, and a condensate transfer mechanism that is resistant to disturbance and highly reliable can be obtained. It is possible to obtain a fuel cell system that collects condensed water, increases the water self-sufficiency rate, and reduces the required amount of filters and ion exchange resins and the number of maintenance such as replacement.
図６に示す例は、上記第２および第３の実施の形態の変形例である。図６に示すように、空気側凝縮水用タンク５には、空気側凝縮用タンクの高さ方向の寸法よりも短い高さ方向の寸法を有する仕切り６５が設けられている。この仕切り６５と空気側凝縮水用タンク５の側壁（図示せず）とが凝縮水通路６６を形成している。
The example shown in FIG. 6 is a modification of the second and third embodiments. As shown in FIG. 6, the air-side
空気側凝縮水用タンク５の内部で凝縮水通路６６の一端はその上部において、上部開口６８を形成し、凝縮水通路６６の他端は、凝縮水通路６７の一端に接続され、凝縮水通路６７の他端は、燃料側凝縮水用タンク９の底部に形成された開閉口６２に接続されている。 燃料側凝縮水用タンク９の構成は、第３の実施の形態のものと同じであるが、フロート６１の上部側の径を下部側の径よりも大きくしている。また、異物やごみを排除するため導入口６３付近にはフィルター６４が設けられている。
Inside the air-side
このように構成した場合、フロート６１の浮力がより大きくなっているので、燃料側凝縮水用タンク９に凝縮水が貯まってくると、より確実にフロート６１を上方に移動させて、凝縮水の移動を開始することができる。そして、差圧が水頭差よりも大きくなれば空気側凝縮水用タンク５内の凝縮水通路６６の上部開口６８より凝縮水が溢れる。
In such a configuration, the buoyancy of the
そして、燃料側凝縮水用タンク９内の凝縮水の水位が低下すると、フロート６１はフロートガイド５４に沿って下方に移動し、開閉口６２を閉塞する。
When the water level of the condensed water in the fuel side condensed
従って、燃料側凝縮水用タンク９内に凝縮水が少し貯まった段階で、凝縮水を空気側凝縮水用タンクに移動できるので、燃料側凝縮水用タンク９の容量をより小さくすることができる。従って、コンパクトで簡単な構成で効率的に凝縮水を回収し、水自給率を高め、フィルターやイオン交換樹脂の必要量および取替えなどのメンテナンス回数を少なくした、メンテナンスコストが安い燃料電池システムを得ることができる。
Therefore, since the condensed water can be moved to the air-side condensed water tank when the condensed water is slightly accumulated in the fuel-side
図７は、図６において、燃料側凝縮水用タンク９に接続されている凝縮水通路７２が、空気側凝縮水用タンク５の底部を貫通し、空気側凝縮水用タンク５の上部で開口している例を示すが、この場合の作用効果は、図６の例によるものと同じである。
FIG. 7 shows that the
なお、以上の説明では、燃料側凝縮水用タンク９にかかる圧力が空気側凝縮水用タンク５にかかる圧力よりも高いとして説明したが、空気側凝縮水用タンク５にかかる圧力が燃料側凝縮水用タンク９にかかる圧力の方が高い場合もあり得る。その場合には、燃料側凝縮水用タンク９と空気側凝縮水用タンク５との記載を入れ替えて構成される。
In the above description, the pressure applied to the fuel-side
また、酸化剤として空気を用いる例を示したが、純酸素を用いてもよい。 Moreover, although the example which uses air as an oxidizing agent was shown, you may use pure oxygen.
また、燃料電池１として固体高分子型燃料電池を使用するとして説明しているが、本発明の燃料電池システムは、固体高分子型燃料電池に限定されないことは言うまでもない。
In addition, although it has been described that a solid polymer fuel cell is used as the
１ 燃料電池
２ 水素生成器
３ 空気加湿器
４ 空気側水凝縮器４
５ 空気側凝縮水用タンク
８ 燃料側水凝縮器
９ 燃料側凝縮水用タンク
１０、２１、３１、４２、６６、６７、７２ 凝縮水通路
１１ 水位センサー
１２ 電磁弁
１５ 燃料側凝縮水配管
１７ 空気側凝縮水配管
２２、３２ 下部開口
２３、３３、６８ 上部開口
４４、５４ フロートガイド
４１、５１、６１、７１ フロート
４３、５３、６２、７３ 開閉口
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記酸化剤ガスラインに接続された酸化剤側水凝縮器と、
前記酸化剤側水凝縮器に接続された酸化剤側凝縮水回収部と、
前記燃料ガスラインに接続された燃料側水凝縮器と、
前記燃料側水凝縮器に接続された燃料側凝縮水回収部とを備える、燃料電池システム。 A fuel cell having a fuel gas line and an oxidant gas line;
An oxidant side water condenser connected to the oxidant gas line;
An oxidant-side condensed water recovery unit connected to the oxidant-side water condenser;
A fuel-side water condenser connected to the fuel gas line;
A fuel cell system comprising: a fuel side condensate recovery unit connected to the fuel side water condenser.
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