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JP4264875B2 - Condensate drainage system and fuel cell system - Google Patents
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Condensate drainage system and fuel cell system Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は水分含有ガスから気液分離した凝縮水の回収技術に関し、特に、燃料電池へ供給される燃料ガスから気液分離した凝縮水の回収技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
図3は従来の燃料電池システムのシステム構成図である。同図に示すように、燃料電池システムは、主に、原燃料を改質して燃料ガスを生成する燃料改質装置60と、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池77と、燃料ガスに含まれる水蒸気成分を冷却して凝縮水を回収する凝縮器68と、燃料ガスに含まれる水分を気液分離する気液分離器74,81と、凝縮水を回収する回収タンク87と、システム制御を行う制御部90を備えて構成されている。
【0003】
燃料改質装置60は原燃料を蒸気化して原燃料ガスを生成する蒸発部61と、原燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質部62と、燃料ガスのCO濃度を低下させるためのCO低減部63を備えて構成されている。改質部62においてメタノールを原燃料として水蒸気改質を行うと、下記の(1)式に示すメタノール分解反応と、(2)式に示す一酸化炭素のシフト反応とが同時に進行し、全体として(3)式に示す改質反応が生じる。
CH3OH → CO+2H2−90.0kJ/mol …(1)
CO+H2O → CO2+H2+40.5kJ/mol …(2)
CH3OH+H2O → CO2+3H2−49.5kJ/mol …(3)
(3)式の改質反応は250℃〜300℃の温度環境下で進行し、この反応で生成される燃料ガスには多量の高温水蒸気が含まれている。システム運転時に燃料改質装置60から遮断弁64、逆止弁65、及び流量調整弁66を経てガス流路67に流下する燃料ガスは100℃前後に加熱しているため、凝縮器68において60℃〜80℃の温度範囲に降温されて凝縮水が除去されるとともに、凝縮器68からガス流路70、遮断弁71を経て気液分離器74へ流下し、含有水分が除去される。上記の経路を経て燃料電池77のアノード極に供給された燃料ガスは電池反応に供した後、水素オフガスとなって流量調整弁79、逆止弁80を経てガス流路78を流下し、気液分離器81においてさらに含有水分が除去される。
【0004】
制御部90はCPU93、ROM92、RAM94を備えて構成されるコンピュータシステムであり、凝縮器68、気液分離器74,81に備えられている液位センサ69,75,82からのセンサ出力信号を入出力ポート95を介して取り込み、凝縮器68、気液分離器74,81内に貯溜する凝縮水の液位が所定値になったことを検出すると、排水弁86を開弁制御し、凝縮器68、気液分離器74,81の各々から排水路83,84,85を介して回収タンク87へ凝縮水を排水する。回収タンク87には排気用のリリーフ弁88が備えられており、内圧を調整できるよう構成されている。
【0005】
尚、酸素を含有する酸化ガスはガス流路89から燃料電池77のカソード極に供給され、電池反応に供した後、酸素オフガスとなってガス流路91を経て排出される。また、ガス流路70には排気用のガス流路72が分岐しており、システム停止時には、遮断弁73が開弁する一方で、遮断弁71が閉弁することにより、燃料ガスを排気できるよう構成されている。
【0006】
燃料電池システムの凝縮水を回収する技術として、特開2001−199702号公報(特許文献1)には、改質部、変性部、浄化部、ガス排出部などの燃料ガス経路に凝縮水排出口を設け、システム起動時の不活性ガス注入によるパージ圧力又は凝縮水の自重滴下により凝縮水を回収する技術が提案されている。また特開昭62−165870号公報(特許文献2)には、燃料電池の上流側に配設された気液分離器と、燃料電池の流下側に配設されたリザーブタンクからの排水を、圧損部を介して行う技術が提案されている。
【0007】
【特許文献1】
特開2001−199702号公報
【0008】
【特許文献2】
特開昭62−165870号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、システム運転時に燃料改質装置60から燃料電池77に供給される燃料ガスは流量調整弁66で一定のガス圧に昇圧されるが、ガス流路67,70,76,78を流下する過程において、配管内の空気分子や配管内壁或いは各種の弁機構との衝突を繰り返すことで、分子エネルギーが次第に減少し、圧力損失が生じる。ダルシー・ワイスバッハの式によれば、圧力損失は配管内径に反比例し、管内平均流速の二乗と配管長に比例することが知られている。従って、ガス流路67,70,76,78の配管長が長く、配管径が小さいほど圧力損失は大きくなる。また、凝縮器68、気液分離器74,81内に貯溜する凝縮水を排水すると、ガス収容空間容積が増大するため、ガス圧がさらに低下する。凝縮器68のガス圧力をP1、気液分離器74のガス圧力をP2、気液分離器81のガス圧力をP3とすれば、P1>P2>P3となる。このため、図3に示すように、排水路83,84,85から成る配管系統を下流側で合流させ、相互に通水可能に構成すると、凝縮器68、気液分離器74,81相互間の差圧によって、凝縮水が内圧の低い気液分離器74,81へ逆流してしまう不都合が生じていた。
【0010】
一方、システム停止時には、遮断弁71及び圧力調整弁79を閉弁し、遮断弁73を開弁して燃料改質装置60のガス圧を降圧させるため、凝縮器68の内圧は気液分離器74の内圧よりも低下し、P2>P1≧P3となる。この場合においても、凝縮器68、気液分離器74,81相互間の差圧によって、凝縮水が内圧の低い気液分離器81又は凝縮器68へ逆流してしまう不都合が生じていた。
【0011】
このような不都合を回避するため、凝縮水の逆流防止のための逆止弁を設けることも考えられるが、圧力損失がさらに増大するため、システム全体のガス圧をその分だけ大きく設定しなくてはならなくなり、エネルギー損失も増大する。
【0012】
そこで、本発明は水分含有ガスから気液分離した凝縮水を排水する際に、水分含有ガスのガス流路各部の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止する凝縮水排水システムを提供することを課題とする。また、本発明は燃料ガスから気液分離した凝縮水を排水する際に、燃料ガスのガス流路各部の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止する燃料電池システムを提供することを課題とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の凝縮水排水システムは、水分含有ガスのガス流路に沿って少なくとも2以上配設された気液分離手段と、前記水分含有ガスから気液分離された凝縮水を貯溜するための貯溜手段と、前記気液分離手段の各々から前記貯溜手段へ前記凝縮水を排水するための排水経路を構成する排水系統と、前記排水系統に配設された弁機構と、選択された何れか一つの気液分離手段から前記貯溜手段へ至る排水経路を通水状態あるいは遮水状態の何れか一方に切り換えるよう前記弁機構を制御する制御部と、を備える。そして、前記2以上配設された気液分離手段のうち他の気液分離手段よりも上流に配設された気液分離手段は、その更に上流に配設された流量調整弁によって所定のガス圧に昇圧された水分含有ガスが供給される凝縮器であり、前記凝縮器と前記他の気液分離手段との間のガス流路の途中から分岐する排気用のガス流路と、前記排気用のガス流路に配設された遮断弁とを備えるものである。かかる構成により、二以上の気液分離手段から貯溜手段へ至る排水経路が同時に通水状態とならないよう弁機構が制御されるため、気液分離手段相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。
【0014】
好ましくは、前記制御部は、前記気液分離手段の各々が前記排水系統を通じて相互に通水しないように前記弁機構を制御する。かかる構成により、気液分離手段相互間が排水系統を通じて遮水されるため、気液分離手段相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。
【0015】
好ましくは、前記制御部は、前記ガス流路の上流側に配設された気液分離手段と前記ガス流路の下流側に配設された気液分離手段とが前記排水系統を通じて相互に通水しないように前記弁機構を制御する。かかる構成により、気液分離手段相互間が排水系統を通じて遮水されるため、ガス流路の上流側に配設された気液分離手段と、ガス流路の下流側に配設された気液分離手段相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。
【0016】
好ましくは、前記弁機構は、前記気液分離手段の各々から前記貯溜手段へ至る各々の排水経路につき少なくとも1以上配設された排水弁を含み、前記制御部は、二以上の排水経路に配設された排水弁が全て同時に開弁しないよう前記弁機構を制御する。かかる構成により、二以上の排水経路に配設された排水弁が全て同時に開弁することによる凝縮水の逆流を防止できる。
【0017】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスのガス流路に沿って少なくとも2以上配設された気液分離手段と、前記燃料ガスから気液分離された凝縮水を貯溜するための貯溜手段と、前記気液分離手段の各々から前記貯溜手段へ前記凝縮水を排水するための排水経路を構成する排水系統と、前記排水系統に配設された弁機構と、選択された何れか一つの気液分離手段から前記貯溜手段へ至る排水経路を通水状態あるいは遮水状態の何れか一方に切り換えるよう前記弁機構を制御する制御部と、を備える。そして、前記2以上配設された気液分離手段のうち他の気液分離手段よりも上流に配設された気液分離手段は、その更に上流に配設された流量調整弁によって所定のガス圧に昇圧された燃料ガスが供給される凝縮器であり、前記凝縮器と前記他の気液分離手段との間のガス流路の途中から分岐する排気用のガス流路と、前記排気用のガス流路に配設された遮断弁とを備えるものである。かかる構成により、二以上の気液分離手段から貯溜手段へ至る排水経路が同時に通水状態とならないよう弁機構が制御されるため、気液分離手段相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。
【0018】
好ましくは、前記制御部は、前記気液分離手段の各々が前記排水系統を通じて相互に通水しないように前記弁機構を制御する。かかる構成により、気液分離手段相互間が排水系統を通じて遮水されるため、気液分離手段相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。
【0019】
好ましくは、前記制御部は、前記ガス流路の上流側に配設された気液分離手段と前記ガス流路の下流側に配設された気液分離手段とが前記排水系統を通じて相互に通水しないように前記弁機構を制御する。かかる構成により、気液分離手段相互間が排水系統を通じて遮水されるため、ガス流路の上流側に配設された気液分離手段と、ガス流路の下流側に配設された気液分離手段相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。
【0020】
好ましくは、前記弁機構は、前記気液分離手段の各々から前記貯溜手段へ至る各々の排水経路につき少なくとも1以上配設された排水弁を含み、前記制御部は、二以上の排水経路に配設された排水弁が全て同時に開弁しないよう前記弁機構を制御する。かかる構成により、二以上の排水経路に配設された排水弁が全て同時に開弁することによる凝縮水の逆流を防止できる。
【0021】
好ましくは、前記燃料ガスは原燃料を水蒸気改質した水素リッチガスである。水蒸気改質した燃料ガスには多量の高温水蒸気が含まれているため、燃料電池に供給する前段階で適度に水分除去するのが望ましく、本発明に好適である。
【0022】
好ましくは、前記気液分離手段は、前記原燃料を水蒸気改質して前記燃料ガスを生成する燃料改質装置から燃料電池へ燃料ガスを供給するガス流路に配設されている。燃料改質装置から燃料電池へ供給される燃料ガスには多量の高温水蒸気が含まれているため、燃料電池に供給する前段階で適度に水分除去するのが望ましく、本発明に好適である。
【0023】
好ましくは、前記気液分離手段は、前記燃料電池から排出される水素オフガスのガス流路に配設されている。水素オフガスは原燃料を蒸気化するための燃焼燃料として再利用できるため、気液分離手段で気液分離するのが望ましく、本発明に好適である。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、各図を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
【0025】
図1は本実施形態の燃料電池システムの構成図である。ここでは、説明の便宜上、燃料ガスに含まれる水分を気液分離した凝縮水の回収経路を中心とする主要部分を図示している。同図に示すように、燃料電池システムは、主に、原燃料を改質して燃料ガスを生成する燃料改質装置10と、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池27と、燃料ガスに含まれる水蒸気成分を冷却して凝縮水を回収する凝縮器18と、燃料ガスに含まれる水分を気液分離する気液分離器24,31と、凝縮水を貯溜する回収タンク(リザーブタンク)40と、燃料電池システムの制御処理を実行する制御部43を備えて構成されている。
【0026】
燃料改質装置10は、原燃料を蒸気化させて原燃料ガスを生成する蒸発部11と、原燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質部12と、燃料ガス中に含まれている一酸化炭素を低減するCO低減部13とを備えて構成されている。蒸発部11としては、原燃料と加熱媒体との間で熱交換を行い、原燃料を蒸気化する熱交換装置などが好適である。原燃料としては、メタン(CH4)、エタン(C25)、プロパン(C38)、ブタン(C410)、ガソリン、軽油、天然ガス、メタノール(CH3OH)、エタノール(C25OH)、ジメチルエーテル(CH3OCH3)、アセトン(CH3C(=O)CH3)などが好適である。
【0027】
改質部12の内部には、銅−亜鉛系触媒(Cu−Zn系触媒)、銅−亜鉛−クロム系触媒(Cu−Zn−Cr系触媒)、銅−亜鉛−アルミニウム系触媒(Cu−Zn−Al系触媒)、亜鉛−クロム系触媒(Zn−Cr系触媒)などの改質触媒が充填されており、水蒸気改質、部分酸化改質、又はこれらを併用したオートサーマル改質を行う。部分酸化改質は発熱反応であるため、システム暖機時には発熱反応を伴う部分酸化改質を中心に行いつつ、暖機完了後には負荷追従性に優れたオートサーマル改質を行うのが望ましい。メタノールと水の混合溶液を原燃料として水蒸気改質を行うと、上述の(1)式〜(3)式の水蒸気改質反応が進行する。改質部12に酸素を導入すると、(1)式〜(3)式の水蒸気改質反応に加えて(4)式の部分酸化改質反応が進行する。
CH3OH+(1/2)O2 → CO2+2H2+189.5kJ/mol …(4)
改質部12の内部温度は電気触媒加熱ヒータなどの加熱作用によって、改質反応に適度な温度範囲に保たれている。メタノール改質を行う場合、水蒸気改質では200℃〜300℃、部分酸化改質では400℃〜600℃、オートサーマル改質では200℃〜600℃の温度範囲が好適である。原燃料ガスの改質反応を行っている改質部12の内部には、高温水蒸気が充満しており、燃料ガスとともにCO低減部13に供給される。
【0028】
CO低減部13には一酸化炭素の選択酸化触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、或いはこれらを第1元素とした合金触媒を担持した担体が充填されている。CO低減部13内部には、一酸化炭素の選択酸化反応に要する酸素を含有する精製用エアが供給される。燃料電池77における電池反応を良好に促進するには、燃料ガス中の一酸化炭素濃度は数ppm程度以下が望ましい。
【0029】
燃料改質装置10から燃料電池27に燃料ガスを供給するための配管系統を構成するガス流路17,20,26上には凝縮器18と、気液分離器24が配設されている。凝縮器18は燃料ガスに含まれる水蒸気成分を冷却して結露させ、含有水分を凝縮水として回収する気液分離手段である。燃料改質装置10から供給される燃料ガスには高温(例えば、100℃前後)の水蒸気が多量に混入されているため、凝縮器18としては、例えば、冷却水を還流させた冷却管に燃料ガスを接触させて熱交換方式により冷却する熱交換方式の凝縮器や、燃料ガスに冷却水を噴霧して燃料ガスを冷却し、飽和水を除去する冷却水噴霧式の凝縮器などが好適である。燃料ガスは凝縮器18において低温(例えば、60℃〜80℃)に降温される。凝縮器18には装置内部で凝縮した水滴の貯蔵量(液位)を計測するための液位センサ19が設置されている。凝縮器18の駆動電力として、燃料電池27の運転中に生じる余剰電力を用いることができる。
【0030】
ガス流路17には上流側から流下側にかけて遮断弁14、逆止弁15、及び流量調整弁16が配設されており、ガス流路17を流下する燃料ガスは流量調整弁16で所定のガス圧に昇圧された後、凝縮器18に供給される。流量調整弁16の弁開度は燃料電池27の要求発電量に対応して適宜調整される。凝縮器18で含有水部の大部分が凝縮された燃料ガスはガス流路20を流下して気液分離器24に導入される。気液分離器24は燃料ガス中に含まれている水分をある程度除去し、燃料ガスを適度に加湿した状態で燃料電池27に供給するために設けられた気液分離手段である。気液分離器24としては、例えば、燃料ガスを旋回させてその遠心力によって水分を分離するサイクロン式分離器などが好適である。気液分離器24には装置内部で気液分離した水滴の貯蔵量(液位)を計測するための液位センサ25が設置されている。
【0031】
尚、ガス流路20には排気用のガス流路22が分岐しており、システム停止時に遮断弁23を開弁して燃料ガスを排出するとともに、遮断弁21を閉弁して燃料電池27への燃料ガスの供給を停止するように構成されている。
【0032】
燃料電池27には、ガス流路26から水素リッチな燃料ガスが供給され、アノード極において(5)式の酸化反応が生じるとともに、ガス流路41から酸素を含む酸化ガスが供給され、カソード極において(6)式の還元反応が生じる。燃料電池27全体としては、(7)式の起電反応が生じる。燃料電池27としては、固体高分子電解質型の燃料電池が好適である。高分子電解質型の燃料電池は、常温で起動できるために起動時間が短い、常温で高い電流密度が得られる、低負荷運転が可能、小型軽量化が可能といったメリットがあり、車両搭載用の燃料電池として優れた特性を備えている。高負荷状態では、高分子電解質膜を流れる電流密度が増加し、電気浸透現象による高分子電解質膜の乾燥が生じるため、燃料ガスと酸化ガスは適度に加湿していることが望ましい。
2 → 2H++2e- …(5)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(6)
2+(1/2)O2 → H2O …(7)
起電反応に供した燃料ガスは水素オフガスとなって燃料電池27からガス流路28を経由して排出される一方、起電反応に供した酸化ガスは酸素オフガスとなって燃料電池27からガス流路42を経由して排出される。ガス流路28には、上流側から流下側にかけて流量調整弁29、逆止弁30、及び気液分離器31が配設されている。燃料電池27から排出される水素オフガスには水分が含有されているため、気液分離器31にて気液分離される。気液分離器31は気液分離器24と同等の機能を有する気液分離手段である。気液分離器31には装置内部で気液分離した水滴の貯蔵量(液位)を計測するための液位センサ32が設置されている。気液分離器31から排出される水素オフガスは前述の蒸発部11において、原燃料(被加熱媒体)を加熱する燃焼ガス(加熱媒体)を生成するために再利用される。上述の凝縮器18、気液分離器24,31のそれぞれにおいて気液分離された凝縮水は、凝縮水貯溜手段として機能する回収タンク40へ排水される。回収タンク40に集水された凝縮水には、高分子電解質膜の溶出や分解などによってフッ酸や硫酸などの多くの不純物が含まれているため、イオン交換樹脂などの濾過膜によって不純物が除去され、水蒸気改質の改質水などに利用される。
【0033】
凝縮器18と回収タンク40との間の排水経路を構成する排水路33には凝縮器18内部に貯溜する凝縮水を排水する排水弁36が配設されている。同様に、気液分離器24と回収タンク40との間の排水経路を構成する排水路34には排水弁37が配設され、気液分離器31と回収タンク40との間の排水経路を構成する排水路35には排水弁38が配設されている。上述の排水路33,34,35によって燃料電池システムにおける凝縮水の排水系統が構築されている。回収タンク40には排気用のリリーフ弁39が備えられており、内圧を調整できるように構成されている。
【0034】
燃料電池システムを制御する制御部43は、マイクロコンピュータを中心としたコンピュータシステムとして構成されており、システム制御に必要な各種のプログラム(後述する排水弁制御処理ルーチンを含む)及び各種データを記憶したROM44と、ROM44に書き込まれているプログラムを読み取ってこれを実行するCPU45と、CPU45のワークメモリとして機能するRAM46と、上述した液位センサ19,25,32のセンサ出力信号を取り込むとともに、排水弁36,37,38,遮断弁14,21,23,流量調整弁16,29の開閉制御を行うための各種制御信号を出力する入出力ポート47を備えて構成されている。制御部24には、図示しない上位コントローラからシステム起動/停止信号が入力される。
【0035】
尚、本明細書において、「気液分離手段」とは、水分含有ガスから水分を気液分離する手段をいい、上述の凝縮器18,気液分離器24,31を含む。本実施形態では、水分含有ガスとして燃料ガスを例示するが、酸化ガスやその他のガスであってもよい。また、「貯溜手段」とは、水分含有ガスから気液分離された凝縮水を貯溜するための手段をいい、上述の回収タンク40を含む。貯溜手段は一つに限らず、二以上存在していてもよい。「排水経路」とは、各々の気液分離手段から貯溜手段へ凝縮水を排水するための経路をいい、一又は二以上の排水路から成る。「排水路」は特定の気液分離手段の排水経路を専用するものに限らず、二以上の気液分離手段の排水経路の一部を共用するものであってもよい。言い換えれば、二以上の排水経路が経路の途中で合流するものであってもよい。二以上の排水経路が経路の途中で合流する合流部を有するものである場合には、弁機構は気液分離手段と合流部との間に設けられる。つまり、本発明においては、任意の気液分離手段から他の気液分離手段に至る経路には少なくとも1以上の排水弁が配設されており、合流部から上流側で二以上の気液分離手段が相互に通水しないように構成されている。単一の気液分離手段から単一の貯溜手段へ至る排水経路は一つに限らず、二以上であってもよい。また、「排水系統」とは、全ての排水経路を総称するものとする。「弁機構」とは、排水系統に配設された二以上の排水弁を総称するものであり、排水弁の開閉制御を通じて排水路の通水状態と遮水状態を相互に切り換え、気液分離手段から貯溜手段へ至る排水経路の確立(通水)、遮断(遮水)、変更を制御する手段であり、上述の排水弁36,37,38の他、後述する切換弁を含む。気液分離手段から貯溜手段に至る排水経路上に配設される排水弁は一つに限らず二以上であってもよい。
【0036】
図2は燃料ガスから気液分離された凝縮水を回収タンク40に排水するための排水弁制御処理ルーチンを記述したフローチャートである。制御部43は主制御プログラム中で予め定められた一定のインターバルで発生する本ルーチンのイベント処理を繰り返し実行する。制御部43は、本ルーチンへ移行すると、まず、上位コントローラからシステム停止信号を受信したか否かをチェックする(ステップS1)。システム停止信号を受信していない場合には(ステップS1;NO)、液位センサ19のセンサ出力信号をチェックし、凝縮器18内部に貯溜する凝縮水の液位が閾値を超えているか否かを判定する(ステップS2)。凝縮水の液位が閾値を超えている場合は(ステップS2;YES)、排水弁36を開弁し、凝縮器18の排水経路(排水路33)を通水状態とする一方、排水弁37,38を閉弁し、気液分離器24,31の排水経路(排水路34,35)を遮水する(ステップS3)。このように、凝縮器18,気液分離器24,31相互間を通水しないように排水系統の排水弁36,37,38の開閉制御を行うことで、内圧の低い気液分離器24,31への凝縮水の逆流を防止し、凝縮器18から回収タンク40へ凝縮水の排水を行うことができる。制御部43はこの状態をT1秒間維持し(ステップS4)、凝縮器18に貯溜する凝縮水の大部分を回収タンク40に排水した後、ステップS1に再帰する。
【0037】
ここで、ステップS2において、制御部43は凝縮器18内に貯溜する凝縮水の液位が閾値を超えていないと判断すると(ステップS2;NO)、排水弁36を閉弁し、凝縮器18の排水経路(排水路33)を遮水する(ステップS6)。次いで、液位センサ25のセンサ出力信号をチェックし、気液分離器24内部に貯溜する凝縮水の液位が閾値を超えているか否かを判定する(ステップS7)。凝縮水の液位が閾値を超えている場合は(ステップS7;YES)、排水弁37を開弁し、気液分離器24の排水経路(排水路34)を通水状態とする一方、排水弁38を閉弁し、気液分離器31の排水経路(排水路35)を遮水する(ステップS8)。制御部43はこの状態をT2秒間維持し(ステップS9)、気液分離器24に貯溜する凝縮水の大部分を回収タンク40に排水した後、ステップS1に再帰する。
【0038】
また、ステップS7において、制御部43は気液分離器24内に貯溜する凝縮水の液位が閾値を超えていないと判断すると(ステップS7;NO)、排水弁36,37を閉弁し、凝縮器18と気液分離器24の排水経路(排水路33,34)を遮水する(ステップS10)。次いで、液位センサ32のセンサ出力信号をチェックし、気液分離器31内に貯溜する凝縮水の液位が閾値を超えているか否かを判定する(ステップS11)。凝縮水の液位が閾値を超えている場合は(ステップS11;YES)、排水弁38を開弁し、気液分離器31の排水経路(排水路35)を通水状態とする(ステップS12)。制御部43はこの状態をT3秒間維持し(ステップS13)、気液分離器31に貯溜する凝縮水の大部分を回収タンク40に排水した後、ステップS1に再帰する。
【0039】
一方、ステップS11において、制御部43は気液分離器31内に貯溜する凝縮水の液位が閾値を超えてないと判断すると(ステップS11;NO)、排水弁38を閉弁し(ステップS14)、ステップS1に再帰する。また、ステップS1において、制御部43は上位コントローラからシステム停止信号を受信すると(ステップS1;YES)、遮断弁23を開弁してガス流路22から燃料ガスを排気する一方、遮断弁21を閉弁して燃料電池27への燃料ガスの供給を停止する(ステップS5)。制御部43はステップS5の処理ステップを終了すると、ステップS6以降の処理ステップを順次実行する。
【0040】
以上、説明したように本実施形態によれば、回収タンク40に凝縮水を回収する際に、排水弁36,37,38が同時に二以上開弁しないよう弁機構を制御する構成であるため、凝縮器18,気液分離器24,31相互間が排水系統を通じて通水することがなく、凝縮器18,気液分離器24,31相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。また、逆止弁を用いないため、システム全体のエネルギー損失を低減しつつ、凝縮水の逆流を防止することができる。
【0041】
尚、本発明は上述の構成に限られるものではなく、例えば、凝縮器18,気液分離器24,31の排水経路の各々に連通する3つの入力ポートと、回収タンク40に連通する1つの出力ポートを具備する切換弁を排水系統に設け、出力ポートに連通すべき入力ポートの切換制御を行うことで、凝縮器18,気液分離器24,31相互間が排水系統を通じて通水しないように回収タンク40への排水を行うように制御してもよい。もとより、排水弁と上述の切換弁を適宜組み合わせて排水系統内に配設してもよい。また、本発明は燃料電池システムに限らず、水分含有ガスを気液分離した凝縮水を貯溜手段に排水する機構を備えた任意の凝縮水排水システムに応用できる。
【0042】
【発明の効果】
本発明によれば、気液分離手段から貯溜手段へ凝縮水を排水する際に、気液分離手段相互間の差圧に起因する凝縮水の逆流を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図2】本実施形態の排水弁制御処理ルーチンを記述したフローチャートである。
【図3】従来の燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
10…燃料改質装置
17,20,26,28…ガス流路
18…凝縮器
24,31…気液分離器
33,34,35…排水路
36,37,38…排水弁
40…回収タンク
43…制御部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for recovering condensed water that has been gas-liquid separated from a water-containing gas, and more particularly to a technique for recovering condensed water that has been gas-liquid separated from a fuel gas supplied to a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
FIG. 3 is a system configuration diagram of a conventional fuel cell system. As shown in the figure, the fuel cell system mainly includes a fuel reformer 60 that reforms raw fuel to generate fuel gas, and a fuel cell 77 that generates power by receiving supply of fuel gas and oxidizing gas. A condenser 68 that cools the water vapor component contained in the fuel gas and collects the condensed water, gas-liquid separators 74 and 81 that gas-liquid separate the water contained in the fuel gas, and a collection tank that collects the condensed water 87 and a control unit 90 that performs system control.
[0003]
The fuel reformer 60 evaporates the raw fuel to generate the raw fuel gas, the reformer 62 that reforms the raw fuel gas into a hydrogen-rich fuel gas, and lowers the CO concentration of the fuel gas. The CO reduction part 63 for this is comprised. When steam reforming is performed using methanol as a raw fuel in the reforming unit 62, a methanol decomposition reaction represented by the following formula (1) and a carbon monoxide shift reaction represented by the following formula (2) proceed simultaneously. The reforming reaction shown in the formula (3) occurs.
CH Three OH → CO + 2H 2 -90.0 kJ / mol (1)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 +40.5 kJ / mol (2)
CH Three OH + H 2 O → CO 2 + 3H 2 -49.5 kJ / mol (3)
The reforming reaction of the formula (3) proceeds under a temperature environment of 250 ° C. to 300 ° C., and the fuel gas generated by this reaction contains a large amount of high temperature steam. During operation of the system, the fuel gas flowing down from the fuel reformer 60 through the shutoff valve 64, check valve 65, and flow rate adjustment valve 66 to the gas flow path 67 is heated to around 100 ° C. The temperature is lowered to a temperature range of from 0 to 80 ° C., and condensed water is removed. The condensed water flows from the condenser 68 to the gas-liquid separator 74 through the gas flow path 70 and the shutoff valve 71, and the contained water is removed. After the fuel gas supplied to the anode electrode of the fuel cell 77 through the above path is subjected to a cell reaction, it becomes hydrogen off-gas and flows down through the gas flow path 78 via the flow rate adjustment valve 79 and the check valve 80. In the liquid separator 81, the contained water is further removed.
[0004]
The control unit 90 is a computer system including a CPU 93, a ROM 92, and a RAM 94, and outputs sensor output signals from the liquid level sensors 69, 75, 82 provided in the condenser 68 and the gas-liquid separators 74, 81. When it is detected that the liquid level of the condensed water taken in through the input / output port 95 and stored in the condenser 68 and the gas-liquid separators 74 and 81 has reached a predetermined value, the drain valve 86 is controlled to open and condensing. Condensed water is drained from each of the condenser 68 and the gas-liquid separators 74 and 81 to the recovery tank 87 via the drainage channels 83, 84 and 85. The recovery tank 87 is provided with a relief valve 88 for exhaust, and is configured so that the internal pressure can be adjusted.
[0005]
The oxidizing gas containing oxygen is supplied from the gas flow path 89 to the cathode electrode of the fuel cell 77, subjected to a cell reaction, and then discharged as an oxygen off-gas through the gas flow path 91. Further, an exhaust gas flow path 72 is branched into the gas flow path 70, and when the system is stopped, the shutoff valve 73 is opened while the shutoff valve 71 is closed so that the fuel gas can be exhausted. It is configured as follows.
[0006]
As a technique for recovering condensed water of a fuel cell system, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-199702 (Patent Document 1) discloses a condensed water discharge port in a fuel gas path such as a reforming unit, a denaturing unit, a purification unit, and a gas discharging unit. There is proposed a technique for recovering condensed water by purging pressure by injecting an inert gas at the time of starting the system or by dropping the condensed water by its own weight. Japanese Patent Laid-Open No. 62-165870 (Patent Document 2) discloses a waste gas from a gas-liquid separator disposed upstream of the fuel cell and a reserve tank disposed downstream of the fuel cell. A technique to be performed through a pressure loss part has been proposed.
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2001-199702 A
[0008]
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 62-165870
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the fuel gas supplied from the fuel reformer 60 to the fuel cell 77 during system operation is boosted to a constant gas pressure by the flow rate adjusting valve 66, but the process of flowing down the gas flow paths 67, 70, 76, 78. In, the molecular energy gradually decreases and pressure loss occurs due to repeated collisions with air molecules in the pipe, the inner wall of the pipe, or various valve mechanisms. According to the Darcy-Weissbach equation, it is known that the pressure loss is inversely proportional to the inner diameter of the pipe, and is proportional to the square of the average flow velocity in the pipe and the pipe length. Therefore, the pressure loss increases as the pipe lengths of the gas flow paths 67, 70, 76, and 78 are longer and the pipe diameter is smaller. Further, when the condensed water stored in the condenser 68 and the gas-liquid separators 74 and 81 is drained, the gas storage space volume increases, and the gas pressure further decreases. If the gas pressure of the condenser 68 is P1, the gas pressure of the gas-liquid separator 74 is P2, and the gas pressure of the gas-liquid separator 81 is P3, then P1>P2> P3. For this reason, as shown in FIG. 3, when the piping system composed of the drainage channels 83, 84, 85 is merged on the downstream side so that water can be passed between the condenser 68 and the gas-liquid separators 74, 81, Due to the differential pressure, the disadvantage is that the condensed water flows backward to the gas-liquid separators 74 and 81 having a low internal pressure.
[0010]
On the other hand, when the system is stopped, the shutoff valve 71 and the pressure regulating valve 79 are closed, and the shutoff valve 73 is opened to lower the gas pressure of the fuel reformer 60. Therefore, the internal pressure of the condenser 68 is the gas-liquid separator. It falls below the internal pressure of 74, and P2> P1 ≧ P3. Even in this case, there is a problem that the condensed water flows backward to the gas-liquid separator 81 or the condenser 68 having a low internal pressure due to the differential pressure between the condenser 68 and the gas-liquid separators 74 and 81.
[0011]
In order to avoid such inconvenience, it is conceivable to provide a check valve for preventing the backflow of condensed water. However, since the pressure loss further increases, the gas pressure of the entire system does not have to be set correspondingly high. The energy loss will increase.
[0012]
Accordingly, the present invention provides a condensate drainage system that prevents backflow of condensate caused by the differential pressure of each part of the gas flow path of the moisture-containing gas when draining the condensed water gas-liquid separated from the moisture-containing gas. Is an issue. Another object of the present invention is to provide a fuel cell system that prevents backflow of condensed water caused by differential pressure in each part of a gas flow path of fuel gas when draining condensed water separated from fuel gas. To do.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the condensed water drainage system of the present invention is gas-liquid separated from the gas-liquid separating means disposed at least two or more along the gas flow path of the water-containing gas, and the water-containing gas. A storage means for storing condensed water, a drainage system constituting a drainage path for draining the condensed water from each of the gas-liquid separation means to the storage means, and a valve mechanism disposed in the drainage system And a drainage path from any one of the selected gas-liquid separation means to the storage means. Switch to either water flow or water blocking state A control unit for controlling the valve mechanism. Of the two or more gas-liquid separation means, the gas-liquid separation means arranged upstream of the other gas-liquid separation means is connected to a predetermined gas by a flow rate adjusting valve arranged further upstream thereof. A condenser to which a water-containing gas whose pressure has been increased is supplied, and an exhaust gas passage that branches off from the middle of a gas passage between the condenser and the other gas-liquid separation means; and the exhaust And a shut-off valve disposed in the gas flow path. With this configuration, the drainage path from two or more gas-liquid separation means to the storage means can be performed simultaneously. If it is in the water flow state Since the valve mechanism is controlled so as not to flow, it is possible to prevent the backflow of the condensed water due to the differential pressure between the gas-liquid separation means.
[0014]
Preferably, the control unit controls the valve mechanism so that each of the gas-liquid separation means does not pass water through the drainage system. With such a configuration, the gas-liquid separation means are shielded from each other through the drainage system, so that the reverse flow of the condensed water due to the differential pressure between the gas-liquid separation means can be prevented.
[0015]
Preferably, the control unit is configured such that the gas-liquid separation means disposed on the upstream side of the gas flow path and the gas-liquid separation means disposed on the downstream side of the gas flow path communicate with each other through the drainage system. The valve mechanism is controlled to prevent water. With this configuration, the gas-liquid separating means are shielded from each other through the drainage system, so that the gas-liquid separating means disposed on the upstream side of the gas flow path and the gas-liquid disposed on the downstream side of the gas flow path. The reverse flow of the condensed water caused by the differential pressure between the separating means can be prevented.
[0016]
Preferably, the valve mechanism includes at least one drainage valve disposed for each drainage path from each of the gas-liquid separation means to the storage means, and the control unit is arranged in two or more drainage paths. The valve mechanism is controlled so that all the drain valves provided do not open simultaneously. With this configuration, it is possible to prevent the backflow of the condensed water due to the simultaneous opening of the drain valves disposed in the two or more drain paths.
[0017]
The fuel cell system of the present invention comprises at least two or more gas-liquid separation means disposed along the gas flow path of fuel gas, and a storage means for storing condensed water separated from the fuel gas. A drainage system constituting a drainage path for draining the condensed water from each of the gas-liquid separation means to the storage means, a valve mechanism disposed in the drainage system, and any one selected gas-liquid A drainage path from the separation means to the storage means Switch to either water flow or water blocking state A control unit for controlling the valve mechanism. And Among the two or more gas-liquid separation means, the gas-liquid separation means arranged upstream of the other gas-liquid separation means is adjusted to a predetermined gas pressure by a flow rate adjusting valve arranged further upstream thereof. A condenser to which a pressurized fuel gas is supplied; an exhaust gas flow path that branches off from a middle of a gas flow path between the condenser and the other gas-liquid separation means; and the exhaust gas And a shut-off valve disposed in the flow path. . With this configuration, the drainage path from two or more gas-liquid separation means to the storage means can be performed simultaneously. If it is in the water flow state Since the valve mechanism is controlled so as not to flow, it is possible to prevent the backflow of the condensed water due to the differential pressure between the gas-liquid separation means.
[0018]
Preferably, the control unit controls the valve mechanism so that each of the gas-liquid separation means does not pass water through the drainage system. With such a configuration, the gas-liquid separation means are shielded from each other through the drainage system, so that the reverse flow of the condensed water due to the differential pressure between the gas-liquid separation means can be prevented.
[0019]
Preferably, the control unit is configured such that the gas-liquid separation means disposed on the upstream side of the gas flow path and the gas-liquid separation means disposed on the downstream side of the gas flow path communicate with each other through the drainage system. The valve mechanism is controlled to prevent water. With this configuration, the gas-liquid separating means are shielded from each other through the drainage system, so that the gas-liquid separating means disposed on the upstream side of the gas flow path and the gas-liquid disposed on the downstream side of the gas flow path. The reverse flow of the condensed water caused by the differential pressure between the separating means can be prevented.
[0020]
Preferably, the valve mechanism includes at least one drainage valve disposed for each drainage path from each of the gas-liquid separation means to the storage means, and the control unit is arranged in two or more drainage paths. The valve mechanism is controlled so that all the drain valves provided do not open simultaneously. With this configuration, it is possible to prevent the backflow of the condensed water due to the simultaneous opening of the drain valves disposed in the two or more drain paths.
[0021]
Preferably, the fuel gas is a hydrogen rich gas obtained by steam reforming the raw fuel. Since the steam-reformed fuel gas contains a large amount of high-temperature steam, it is desirable to remove water appropriately before supplying it to the fuel cell, which is suitable for the present invention.
[0022]
Preferably, the gas-liquid separation means is disposed in a gas flow path for supplying fuel gas to a fuel cell from a fuel reformer that generates the fuel gas by steam reforming the raw fuel. Since the fuel gas supplied from the fuel reformer to the fuel cell contains a large amount of high-temperature steam, it is desirable to remove water appropriately before the fuel gas is supplied to the fuel cell, which is suitable for the present invention.
[0023]
Preferably, the gas-liquid separation means is disposed in a gas flow path for hydrogen off-gas discharged from the fuel cell. Since hydrogen off-gas can be reused as combustion fuel for vaporizing raw fuel, it is desirable to perform gas-liquid separation by a gas-liquid separation means, which is suitable for the present invention.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0025]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to the present embodiment. Here, for convenience of explanation, the main part centering on the recovery path of condensed water obtained by gas-liquid separation of water contained in the fuel gas is shown. As shown in the figure, the fuel cell system mainly includes a fuel reformer 10 that reforms raw fuel to generate fuel gas, and a fuel cell 27 that generates power by receiving supply of fuel gas and oxidizing gas. A condenser 18 that cools the water vapor component contained in the fuel gas and collects condensed water, gas-liquid separators 24 and 31 that separate the water contained in the fuel gas into gas and liquid, and a collection tank that stores the condensed water (Reservation tank) 40 and a control unit 43 that executes control processing of the fuel cell system are provided.
[0026]
The fuel reformer 10 is included in the fuel gas, an evaporation unit 11 that vaporizes the raw fuel to generate a raw fuel gas, a reforming unit 12 that reforms the raw fuel gas into a hydrogen-rich fuel gas, and the fuel gas. The CO reduction part 13 which reduces the carbon monoxide which has been comprised is comprised. As the evaporation unit 11, a heat exchange device that exchanges heat between the raw fuel and the heating medium and vaporizes the raw fuel is suitable. As raw fuel, methane (CH Four ), Ethane (C 2 H Five ), Propane (C Three H 8 ), Butane (C Four H Ten ), Gasoline, light oil, natural gas, methanol (CH Three OH), ethanol (C 2 H Five OH), dimethyl ether (CH Three OCH Three ), Acetone (CH Three C (= O) CH Three And the like are preferred.
[0027]
Inside the reforming section 12, there are a copper-zinc catalyst (Cu-Zn catalyst), a copper-zinc-chromium catalyst (Cu-Zn-Cr catalyst), a copper-zinc-aluminum catalyst (Cu-Zn). -Al-based catalyst), zinc-chromium-based catalyst (Zn-Cr-based catalyst) and other reforming catalysts are filled, and steam reforming, partial oxidation reforming, or autothermal reforming using these in combination. Since partial oxidation reforming is an exothermic reaction, it is desirable to perform autothermal reforming with excellent load followability after completion of warming up while performing mainly partial oxidation reforming with exothermic reaction during system warm-up. When steam reforming is performed using a mixed solution of methanol and water as a raw fuel, the steam reforming reaction of the above-described formulas (1) to (3) proceeds. When oxygen is introduced into the reforming unit 12, the partial oxidation reforming reaction of the formula (4) proceeds in addition to the steam reforming reaction of the formulas (1) to (3).
CH Three OH + (1/2) O 2 → CO 2 + 2H 2 + 189.5kJ / mol (4)
The internal temperature of the reforming unit 12 is maintained in a temperature range appropriate for the reforming reaction by a heating action such as an electrocatalyst heater. When methanol reforming is performed, a temperature range of 200 ° C. to 300 ° C. for steam reforming, 400 ° C. to 600 ° C. for partial oxidation reforming, and 200 ° C. to 600 ° C. for autothermal reforming is suitable. The reforming unit 12 that performs the reforming reaction of the raw fuel gas is filled with high-temperature steam, and is supplied to the CO reduction unit 13 together with the fuel gas.
[0028]
The CO reduction unit 13 is filled with a carrier carrying a platinum catalyst, a ruthenium catalyst, a palladium catalyst, a gold catalyst, or an alloy catalyst using these as a first element, which is a selective oxidation catalyst for carbon monoxide. Purified air containing oxygen required for the selective oxidation reaction of carbon monoxide is supplied into the CO reduction unit 13. In order to favorably promote the cell reaction in the fuel cell 77, the carbon monoxide concentration in the fuel gas is preferably about several ppm or less.
[0029]
A condenser 18 and a gas-liquid separator 24 are disposed on gas flow paths 17, 20, and 26 constituting a piping system for supplying fuel gas from the fuel reformer 10 to the fuel cell 27. The condenser 18 is a gas-liquid separation unit that cools and condenses the water vapor component contained in the fuel gas and collects the contained water as condensed water. Since a large amount of high-temperature (for example, around 100 ° C.) water vapor is mixed in the fuel gas supplied from the fuel reforming apparatus 10, the condenser 18 is, for example, a fuel in a cooling pipe in which cooling water is recirculated. A heat exchange type condenser that makes gas contact and cools by a heat exchange type, or a cooling water spray type condenser that cools the fuel gas by spraying cooling water onto the fuel gas and removes saturated water is suitable. is there. The fuel gas is cooled to a low temperature (for example, 60 ° C. to 80 ° C.) in the condenser 18. The condenser 18 is provided with a liquid level sensor 19 for measuring the storage amount (liquid level) of water droplets condensed inside the apparatus. As drive power for the condenser 18, surplus power generated during operation of the fuel cell 27 can be used.
[0030]
The gas flow path 17 is provided with a shut-off valve 14, a check valve 15, and a flow rate adjustment valve 16 from the upstream side to the flow down side. The fuel gas flowing down the gas flow path 17 is predetermined by the flow rate adjustment valve 16. After being increased to the gas pressure, it is supplied to the condenser 18. The valve opening degree of the flow rate adjustment valve 16 is appropriately adjusted in accordance with the required power generation amount of the fuel cell 27. The fuel gas in which most of the contained water portion is condensed by the condenser 18 flows down the gas flow path 20 and is introduced into the gas-liquid separator 24. The gas-liquid separator 24 is a gas-liquid separation means provided to remove moisture contained in the fuel gas to some extent and supply the fuel gas 27 to the fuel cell 27 in a properly humidified state. As the gas-liquid separator 24, for example, a cyclone separator that swirls fuel gas and separates moisture by its centrifugal force is suitable. The gas-liquid separator 24 is provided with a liquid level sensor 25 for measuring the storage amount (liquid level) of water droplets separated in the apparatus.
[0031]
Note that an exhaust gas flow path 22 is branched into the gas flow path 20. When the system is stopped, the shut-off valve 23 is opened to discharge the fuel gas, and the shut-off valve 21 is closed to close the fuel cell 27. The fuel gas supply to the vehicle is stopped.
[0032]
The fuel cell 27 is supplied with hydrogen-rich fuel gas from the gas flow path 26, and the oxidation reaction of the formula (5) occurs in the anode electrode, and the oxidizing gas containing oxygen is supplied from the gas flow path 41 to the cathode electrode. In (6), a reduction reaction occurs. In the fuel cell 27 as a whole, an electromotive reaction of the formula (7) occurs. As the fuel cell 27, a solid polymer electrolyte type fuel cell is suitable. The polymer electrolyte fuel cell has the advantages of being able to start at room temperature, so the start-up time is short, high current density is obtained at room temperature, low-load operation is possible, and the size and weight can be reduced. It has excellent characteristics as a battery. In a high load state, the current density flowing through the polymer electrolyte membrane is increased, and the polymer electrolyte membrane is dried due to the electroosmosis phenomenon. Therefore, it is desirable that the fuel gas and the oxidizing gas are appropriately humidified.
H 2 → 2H + + 2e - ... (5)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O ... (6)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O ... (7)
The fuel gas subjected to the electromotive reaction is discharged as hydrogen off-gas from the fuel cell 27 via the gas flow path 28, while the oxidizing gas subjected to the electromotive reaction is converted from the fuel cell 27 to the oxygen off-gas. It is discharged via the flow path 42. A flow rate adjustment valve 29, a check valve 30, and a gas-liquid separator 31 are disposed in the gas flow path 28 from the upstream side to the downstream side. Since the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 27 contains moisture, the gas-liquid separator 31 performs gas-liquid separation. The gas / liquid separator 31 is a gas / liquid separator having the same function as the gas / liquid separator 24. The gas-liquid separator 31 is provided with a liquid level sensor 32 for measuring the storage amount (liquid level) of water droplets separated into gas and liquid inside the apparatus. The hydrogen off-gas discharged from the gas-liquid separator 31 is reused in the aforementioned evaporation unit 11 to generate combustion gas (heating medium) for heating the raw fuel (heated medium). The condensed water that has been gas-liquid separated in each of the above-described condenser 18 and gas-liquid separators 24 and 31 is drained to a recovery tank 40 that functions as a condensed water storage means. Since the condensed water collected in the recovery tank 40 contains many impurities such as hydrofluoric acid and sulfuric acid due to elution and decomposition of the polymer electrolyte membrane, the impurities are removed by a filtration membrane such as an ion exchange resin. And used as reformed water for steam reforming.
[0033]
A drainage valve 36 that drains condensed water stored in the condenser 18 is disposed in the drainage path 33 that constitutes a drainage path between the condenser 18 and the recovery tank 40. Similarly, a drainage valve 37 is disposed in the drainage path 34 constituting the drainage path between the gas-liquid separator 24 and the recovery tank 40, and the drainage path between the gas-liquid separator 31 and the recovery tank 40 is provided. A drainage valve 38 is disposed in the drainage channel 35 that is configured. A drainage system of condensed water in the fuel cell system is constructed by the above-described drainage channels 33, 34, and 35. The recovery tank 40 is provided with a relief valve 39 for exhaust, and is configured so that the internal pressure can be adjusted.
[0034]
The control unit 43 for controlling the fuel cell system is configured as a computer system centered on a microcomputer and stores various programs (including a drain valve control processing routine described later) and various data necessary for system control. A ROM 44, a CPU 45 that reads and executes a program written in the ROM 44, a RAM 46 that functions as a work memory for the CPU 45, and the sensor output signals of the liquid level sensors 19, 25, and 32 described above, and a drain valve 36, 37, 38, and shut-off valves 14, 21, 23, and an input / output port 47 for outputting various control signals for controlling the opening and closing of the flow rate adjusting valves 16, 29. A system start / stop signal is input to the control unit 24 from a host controller (not shown).
[0035]
In this specification, “gas-liquid separation means” means means for gas-liquid separation of moisture from moisture-containing gas, and includes the above-described condenser 18 and gas-liquid separators 24, 31. In the present embodiment, the fuel gas is exemplified as the moisture-containing gas, but an oxidizing gas or other gas may be used. The “reservoir means” refers to a means for storing condensed water that has been gas-liquid separated from the moisture-containing gas, and includes the above-described recovery tank 40. The storage means is not limited to one, and there may be two or more. The “drainage path” refers to a path for draining condensed water from each gas-liquid separation means to the storage means, and includes one or more drainage paths. The “drainage” is not limited to a dedicated drainage path for a specific gas-liquid separation means, and may share part of the drainage paths for two or more gas-liquid separation means. In other words, two or more drainage paths may join in the middle of the path. In the case where the two or more drainage paths have a merging part that merges in the middle of the path, the valve mechanism is provided between the gas-liquid separation means and the merging part. In other words, in the present invention, at least one or more drainage valves are arranged in a path from any gas-liquid separation means to another gas-liquid separation means, and two or more gas-liquid separations upstream from the junction. The means are configured not to pass water to each other. The number of drainage paths from a single gas-liquid separation means to a single storage means is not limited to one, and may be two or more. The “drainage system” is a general term for all drainage paths. “Valve mechanism” is a collective term for two or more drainage valves installed in the drainage system. Through the opening and closing control of the drainage valve, the water passage state and the water shielding state of the drainage channel are switched to each other to separate the gas and liquid. It is means for controlling establishment (water flow), shut-off (water shielding), and change of the drainage path from the means to the storage means, and includes a switching valve described later in addition to the drainage valves 36, 37, and 38 described above. The number of drainage valves provided on the drainage path from the gas-liquid separation means to the storage means is not limited to one, and may be two or more.
[0036]
FIG. 2 is a flowchart describing a drain valve control processing routine for draining the condensed water gas-liquid separated from the fuel gas to the recovery tank 40. The control unit 43 repeatedly executes event processing of this routine that occurs at a predetermined interval in the main control program. When shifting to this routine, the control unit 43 first checks whether or not a system stop signal has been received from the host controller (step S1). When the system stop signal is not received (step S1; NO), the sensor output signal of the liquid level sensor 19 is checked, and whether or not the liquid level of the condensed water stored in the condenser 18 exceeds the threshold value. Is determined (step S2). When the liquid level of the condensed water exceeds the threshold value (step S2; YES), the drain valve 36 is opened, and the drain path (drain path 33) of the condenser 18 is passed through, while the drain valve 37 , 38 are closed, and the drainage channels (drainage channels 34, 35) of the gas-liquid separators 24, 31 are shut off (step S3). In this way, by controlling the opening and closing of the drainage valves 36, 37, and 38 of the drainage system so that the condenser 18 and the gas-liquid separators 24 and 31 do not pass between each other, the gas-liquid separator 24, which has a low internal pressure, Thus, the condensate water can be prevented from flowing back to 31 and drained from the condenser 18 to the recovery tank 40. The control unit 43 maintains this state for T1 seconds (step S4), drains most of the condensed water stored in the condenser 18 into the recovery tank 40, and then returns to step S1.
[0037]
Here, in step S2, if the control unit 43 determines that the liquid level of the condensed water stored in the condenser 18 does not exceed the threshold value (step S2; NO), the drain valve 36 is closed and the condenser 18 is closed. The drainage route (drainage channel 33) is blocked (step S6). Next, the sensor output signal of the liquid level sensor 25 is checked, and it is determined whether or not the liquid level of the condensed water stored in the gas-liquid separator 24 exceeds the threshold value (step S7). When the liquid level of the condensed water exceeds the threshold value (step S7; YES), the drain valve 37 is opened, and the drainage path (drainage path 34) of the gas-liquid separator 24 is made to flow, while draining. The valve 38 is closed, and the drainage path (drainage path 35) of the gas-liquid separator 31 is shut off (step S8). The controller 43 maintains this state for T2 seconds (step S9), drains most of the condensed water stored in the gas-liquid separator 24 into the recovery tank 40, and then returns to step S1.
[0038]
In step S7, when the control unit 43 determines that the liquid level of the condensed water stored in the gas-liquid separator 24 does not exceed the threshold (step S7; NO), the drain valves 36 and 37 are closed, The drainage path (drainage paths 33 and 34) of the condenser 18 and the gas-liquid separator 24 is shut off (step S10). Next, the sensor output signal of the liquid level sensor 32 is checked, and it is determined whether or not the liquid level of the condensed water stored in the gas-liquid separator 31 exceeds a threshold value (step S11). When the liquid level of the condensed water exceeds the threshold value (step S11; YES), the drain valve 38 is opened, and the drainage path (drainage path 35) of the gas-liquid separator 31 is made to flow (step S12). ). The controller 43 maintains this state for T3 seconds (step S13), drains most of the condensed water stored in the gas-liquid separator 31 to the recovery tank 40, and then returns to step S1.
[0039]
On the other hand, when the controller 43 determines in step S11 that the liquid level of the condensed water stored in the gas-liquid separator 31 does not exceed the threshold value (step S11; NO), the drain valve 38 is closed (step S14). ), Recursively return to step S1. In step S1, when the control unit 43 receives a system stop signal from the host controller (step S1; YES), the control valve 43 opens the shutoff valve 23 and exhausts the fuel gas from the gas flow path 22, while the shutoff valve 21 is turned off. The valve is closed and the supply of the fuel gas to the fuel cell 27 is stopped (step S5). When the control unit 43 finishes the processing step of step S5, the control unit 43 sequentially executes the processing steps after step S6.
[0040]
As described above, according to the present embodiment, when the condensed water is collected in the collection tank 40, the valve mechanism is controlled so that two or more drain valves 36, 37, 38 are not opened at the same time. The condenser 18 and the gas-liquid separators 24 and 31 do not pass through each other through the drainage system, and the backflow of the condensed water due to the differential pressure between the condenser 18 and the gas-liquid separators 24 and 31 can be prevented. . Moreover, since a check valve is not used, the backflow of condensed water can be prevented while reducing the energy loss of the entire system.
[0041]
The present invention is not limited to the above-described configuration. For example, three input ports communicating with each of the drainage paths of the condenser 18 and the gas-liquid separators 24 and 31 and one communicating with the recovery tank 40 are provided. A switching valve having an output port is provided in the drainage system, and the input port to be communicated with the output port is controlled so that the condenser 18 and the gas-liquid separators 24 and 31 do not pass through the drainage system. It is also possible to control so that the recovery tank 40 is drained. Of course, the drainage valve and the above-described switching valve may be appropriately combined and disposed in the drainage system. The present invention is not limited to a fuel cell system, and can be applied to any condensate drainage system having a mechanism for draining condensed water obtained by gas-liquid separation of a water-containing gas to a storage means.
[0042]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when draining condensed water from a gas-liquid separation means to a storage means, the back flow of condensed water resulting from the differential pressure | voltage between gas-liquid separation means can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment.
FIG. 2 is a flowchart describing a drain valve control processing routine of the present embodiment.
FIG. 3 is a configuration diagram of a conventional fuel cell system.
[Explanation of symbols]
10 ... Fuel reformer
17, 20, 26, 28 ... gas flow path
18 ... Condenser
24, 31 ... Gas-liquid separator
33, 34, 35 ... drainage channel
36, 37, 38 ... drain valve
40 ... Recovery tank
43 ... Control unit

Claims (11)

水分含有ガスのガス流路に沿って少なくとも2以上配設された気液分離手段と、
前記水分含有ガスから気液分離された凝縮水を貯溜するための貯溜手段と、
前記気液分離手段の各々から前記貯溜手段へ前記凝縮水を排水するための排水経路を構成する排水系統と、
前記排水系統に配設された弁機構と、
選択された何れか一つの気液分離手段から前記貯溜手段へ至る排水経路を通水状態あるいは遮水状態の何れか一方に切り換えるよう前記弁機構を制御する制御部と、を備え、
前記2以上配設された気液分離手段のうち他の気液分離手段よりも上流に配設された気液分離手段は、その更に上流に配設された流量調整弁によって所定のガス圧に圧された水分含有ガスが供給される凝縮器であり
前記凝縮器と前記他の気液分離手段との間のガス流路の途中から分岐する排気用のガス流路と、前記排気用のガス流路に配設された遮断弁とを備える、凝縮水排水システム。
Gas-liquid separation means disposed at least two or more along the gas flow path of the moisture-containing gas;
Storage means for storing condensed water gas-liquid separated from the moisture-containing gas;
A drainage system that constitutes a drainage path for draining the condensed water from each of the gas-liquid separation means to the storage means;
A valve mechanism disposed in the drainage system;
A control unit that controls the valve mechanism to switch the drainage path from any one of the selected gas-liquid separation means to the storage means to either a water-permeable state or a water-impervious state ,
Among the two or more gas-liquid separation means, the gas-liquid separation means arranged upstream of the other gas-liquid separation means is adjusted to a predetermined gas pressure by a flow rate adjusting valve arranged further upstream thereof. A condenser supplied with pressurized moisture-containing gas ,
Condensation provided with an exhaust gas passage that branches off from the middle of the gas passage between the condenser and the other gas-liquid separation means, and a shutoff valve disposed in the exhaust gas passage Water drainage system.
前記制御部は、前記気液分離手段の各々が前記排水系統を通じて相互に通水しないように前記弁機構を制御する、請求項1に記載の凝縮水排水システム。2. The condensed water drainage system according to claim 1, wherein the control unit controls the valve mechanism so that each of the gas-liquid separation means does not pass water through the drainage system. 前記制御部は、前記ガス流路の上流側に配設された気液分離手段と前記ガス流路の下流側に配設された気液分離手段とが前記排水系統を通じて相互に通水しないように前記弁機構を制御する、請求項2に記載の凝縮水排水システム。The control unit prevents the gas-liquid separation means disposed on the upstream side of the gas flow path and the gas-liquid separation means disposed on the downstream side of the gas flow path from passing each other through the drainage system. The condensed water drainage system according to claim 2, wherein the valve mechanism is controlled. 前記弁機構は、前記気液分離手段の各々から前記貯溜手段へ至る各々の排水経路につき少なくとも1以上配設された排水弁を含み、
前記制御部は、二以上の排水経路に配設された排水弁が全て同時に開弁しないよう前記弁機構を制御する、請求項1乃至請求項3のうち何れか1項に記載の凝縮水排水システム。
The valve mechanism includes a drain valve disposed at least one for each drain path from each of the gas-liquid separation means to the storage means,
The condensed water drainage according to any one of claims 1 to 3, wherein the control unit controls the valve mechanism so that all drainage valves disposed in two or more drainage paths do not open simultaneously. system.
燃料ガスのガス流路に沿って少なくとも2以上配設された気液分離手段と、
前記燃料ガスから気液分離された凝縮水を貯溜するための貯溜手段と、
前記気液分離手段の各々から前記貯溜手段へ前記凝縮水を排水するための排水経路を構成する排水系統と、
前記排水系統に配設された弁機構と、
選択された何れか一つの気液分離手段から前記貯溜手段へ至る排水経路を通水状態あるいは遮水状態の何れか一方に切り換えるよう前記弁機構を制御する制御部と、を備え、
前記2以上配設された気液分離手段のうち他の気液分離手段よりも上流に配設された気液分離手段は、その更に上流に配設された流量調整弁によって所定のガス圧に昇圧された燃料ガスが供給される凝縮器であり、
前記凝縮器と前記他の気液分離手段との間のガス流路の途中から分岐する排気用のガス流路と、前記排気用のガス流路に配設された遮断弁とを備える、燃料電池システム。
Gas-liquid separation means disposed at least two or more along the gas flow path of the fuel gas;
Storage means for storing condensed water gas-liquid separated from the fuel gas;
A drainage system that constitutes a drainage path for draining the condensed water from each of the gas-liquid separation means to the storage means;
A valve mechanism disposed in the drainage system;
A control unit that controls the valve mechanism to switch the drainage path from any one of the selected gas-liquid separation means to the storage means to either a water-permeable state or a water-impervious state ,
Among the two or more gas-liquid separation means, the gas-liquid separation means arranged upstream of the other gas-liquid separation means is adjusted to a predetermined gas pressure by a flow rate adjusting valve arranged further upstream thereof. A condenser to which pressurized fuel gas is supplied;
A fuel comprising: an exhaust gas passage that branches off from the middle of the gas passage between the condenser and the other gas-liquid separation means; and a shut-off valve disposed in the exhaust gas passage. Battery system.
前記制御部は、前記気液分離手段の各々が前記排水系統を通じて相互に通水しないように前記弁機構を制御する、請求項5に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 5, wherein the control unit controls the valve mechanism so that each of the gas-liquid separation means does not pass water through the drainage system. 前記制御部は、前記ガス流路の上流側に配設された気液分離手段と前記ガス流路の下流側に配設された気液分離手段とが前記排水系統を通じて相互に通水しないように前記弁機構を制御する、請求項6に記載の燃料電池システム。The control unit prevents the gas-liquid separation means disposed on the upstream side of the gas flow path and the gas-liquid separation means disposed on the downstream side of the gas flow path from passing each other through the drainage system. The fuel cell system according to claim 6, wherein the valve mechanism is controlled. 前記弁機構は、前記気液分離手段の各々から前記貯溜手段へ至る各々の排水経路につき少なくとも1以上配設された排水弁を含み、
前記制御部は、二以上の排水経路に配設された排水弁が全て同時に開弁しないように前記弁機構を制御する、請求項5乃至請求項7のうち何れか1項に記載の燃料電池システム。
The valve mechanism includes a drain valve disposed at least one for each drain path from each of the gas-liquid separation means to the storage means,
The fuel cell according to any one of claims 5 to 7, wherein the control unit controls the valve mechanism so that all drain valves arranged in two or more drain paths do not open simultaneously. system.
前記燃料ガスは原燃料を水蒸気改質した水素リッチガスである、請求項5乃至請求項8のうち何れか1項に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to any one of claims 5 to 8, wherein the fuel gas is a hydrogen-rich gas obtained by steam reforming a raw fuel. 前記気液分離手段は、前記原燃料を水蒸気改質して前記燃料ガスを生成する燃料改質装置から燃料電池へ燃料ガスを供給するガス流路に配設されている、請求項9に記載の燃料電池システム。The gas-liquid separation means is disposed in a gas flow path for supplying fuel gas to a fuel cell from a fuel reformer that generates the fuel gas by steam reforming the raw fuel. Fuel cell system. 前記気液分離手段は、前記燃料電池から排出される水素オフガスのガス流路に配設されている、請求項10に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 10, wherein the gas-liquid separation means is disposed in a gas flow path of hydrogen off-gas discharged from the fuel cell.
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