JP6080322B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、水素リッチの燃料ガスと酸化ガスとしての空気を固体電解質層を介して化学的に反応させて電気を発生させる燃料電池システムに関し、更に詳しくは、天然ガスやLPGなどの炭化水素系原料ガスを水素リッチの原料ガスに改質する際に必要な水を自給する水自立運転型の燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that generates electricity by chemically reacting a hydrogen-rich fuel gas and air as an oxidizing gas through a solid electrolyte layer, and more particularly, a hydrocarbon system such as natural gas or LPG. The present invention relates to a water self-operating fuel cell system that self-supplies water necessary for reforming a raw material gas into a hydrogen-rich raw material gas.
代表的な燃料電池の一つとして、固体酸化物形燃料電池〔SOFC(Solid Oxide Fuel Cells)〕がある。この燃料電池では、通常、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)などの焼結体からなる薄く脆い固体電解質層の一方の表面側に燃料極が配置され、他方の表面側に空気極が配置された3層構造の積層体が、単電池セルとして使用される。燃料極としてはNiとYSZのサーメットなどが使用され、空気極としてはランタンストロンチウムマンガナイト(LSM)などが使用される。いずれも多孔質の焼結体である。 One typical fuel cell is a solid oxide fuel cell (SOFC). In this fuel cell, a fuel electrode is usually arranged on one surface side of a thin and brittle solid electrolyte layer made of a sintered body such as yttria stabilized zirconia (YSZ), and an air electrode is arranged on the other surface side. A laminated body having a layer structure is used as a single battery cell. Ni and YSZ cermets are used as the fuel electrode, and lanthanum strontium manganite (LSM) is used as the air electrode. Both are porous sintered bodies.
燃料電池の運転では、800〜1000℃という高温の条件下で単電池セルの燃料極側に、天然ガスやLPGなどの炭化水素系原料ガスから予熱及び改質を経て得た水素リッチの燃料ガスを供給し、空気極側へは酸化ガスとして予熱された空気を供給する。かくして、単電池セルの燃料極側と空気極側と間に起電力が生じる。ここにおける電圧は1V以下と低いために、平板型の単電池セルでは複数枚を厚み方向へ積層し直列に接続してセルスタックとして使用される。より具体的には、平板型の単電池セルの両面側に反応空間が形成されるように、単電池セルなどを間に挟みながら平板状のインターコネクタを板厚方向へ積層することにより、セルスタックが構成される。セルスタックは炉内に収容され、800〜1000℃という高温で運転される。 In the operation of a fuel cell, a hydrogen-rich fuel gas obtained by preheating and reforming a hydrocarbon-based raw material gas such as natural gas or LPG on the fuel electrode side of a unit cell under a high temperature condition of 800 to 1000 ° C. And air preheated as an oxidizing gas is supplied to the air electrode side. Thus, an electromotive force is generated between the fuel electrode side and the air electrode side of the single battery cell. Since the voltage here is as low as 1 V or less, a flat battery cell is used as a cell stack by stacking a plurality of cells in the thickness direction and connecting them in series. More specifically, by stacking flat interconnectors in the thickness direction while sandwiching the single battery cells so that reaction spaces are formed on both sides of the flat single battery cell, the cell A stack is constructed. The cell stack is housed in a furnace and operated at a high temperature of 800-1000 ° C.
ところで、ここにおける炭化水素系原料ガスの改質は、原料ガスと水を高温下で反応させることにより行われる。具体的には、原料ガス中の炭化水素分子中の炭素原子−水素原子間を切り離して水素分子を生成することにより、水素リッチの燃料ガスを生成する。一般に、燃料電池は設置環境、設置条件などから原料ガス以外の原料を自給する自立運転型であることが求められ、改質に用いる水についても例外ではない。この観点から、セルスタックから発生する排ガスを冷却して得た凝集水を改質に使用する水自立運転型の燃料電池システムが、特許文献1及び2などにより提案されている。 By the way, the reforming of the hydrocarbon-based source gas here is performed by reacting the source gas and water at a high temperature. Specifically, hydrogen-rich fuel gas is generated by separating hydrogen atoms from carbon atoms in hydrocarbon molecules in the raw material gas to generate hydrogen molecules. In general, the fuel cell is required to be a self-sustaining operation type in which a raw material other than the raw material gas is self-supplied from the installation environment and installation conditions, and water used for reforming is no exception. From this point of view, Patent Documents 1 and 2 propose a water self-sustained fuel cell system that uses condensed water obtained by cooling exhaust gas generated from a cell stack for reforming.
特許文献1及び2などに記載されている従来の水自立運転型の燃料電池システムでは、セルスタックから排出される高温の燃焼排ガスを熱交換器に通して冷却することにより凝縮水を生成し、これを一時的にタンクに溜め、必要量を吐出ポンプにて抜き出し、イオン交換樹脂が充填された浄化器に通して改質器へ供給する。タンクを使用するのは、凝縮水の生成量が、改質器での必要水量を上回るためである。このため、タンクは余剰水をオーバーフローさせるオーバーフロー槽となっている。タンクの下流側に浄化器を設置するのは、凝縮水が含むクロムなどのセルにとっての有害物質を除去するためである。 In the conventional water self-sustained fuel cell system described in Patent Literatures 1 and 2, condensed water is generated by cooling high-temperature combustion exhaust gas discharged from the cell stack through a heat exchanger, This is temporarily stored in a tank, and a necessary amount is extracted by a discharge pump, and is supplied to a reformer through a purifier filled with an ion exchange resin. The tank is used because the amount of condensed water produced exceeds the amount of water required in the reformer. For this reason, the tank is an overflow tank for overflowing excess water. The reason why the purifier is installed on the downstream side of the tank is to remove harmful substances for cells such as chromium contained in the condensed water.
このような従来の水自立運転型の燃料電池システムにおける問題点の一つは、タンクの下流側に浄化器が設置されているため、タンクからオーバーフローする凝縮水にクロムなどの有害物質が含まれることになり、これが環境汚染を引き起こす原因になるおそれがあることである。この問題を解決するために、タンクの上流側に浄化器を設置することが考えられるが、そのような対策が講じられた形跡はない。その理由としては、タンクの下流側に浄化器を配置すると、タンク内に溜まった凝縮水の水圧が浄化器に付加され、タンクの下流側に設けられる吐出ポンプの負荷が小さくなること、言い換えればタンクの上流側に浄化器を配置すると、タンクの内圧を期待できないので、浄化器の下流側に設置される吐出ポンプに大きな能力が必要になり、経済性が悪化すること、オーバーフローする余剰の凝縮水にまで高度の濾過処理を施すことも設備の大型化を招き、経済性を悪化させる原因になると考えられていたことなどが挙げられる。 One of the problems in such a conventional water self-sustained fuel cell system is that a purifier is installed on the downstream side of the tank, so that the condensed water overflowing from the tank contains harmful substances such as chromium. In other words, this may cause environmental pollution. In order to solve this problem, it is conceivable to install a purifier upstream of the tank, but there is no evidence that such a measure has been taken. The reason for this is that if a purifier is arranged on the downstream side of the tank, the water pressure of the condensed water accumulated in the tank is added to the purifier, reducing the load on the discharge pump provided on the downstream side of the tank, in other words If a clarifier is placed upstream of the tank, the internal pressure of the tank cannot be expected, so a large capacity is required for the discharge pump installed downstream of the clarifier, resulting in poor economic efficiency and excessive condensation that overflows. For example, it is considered that high-level filtration treatment to water also leads to an increase in the size of the equipment, which causes the economy to deteriorate.
本発明の目的は、クロムなどの有害物質が含まれる凝縮水の系外排出による環境汚染のおそれがなく、合わせて設備の小型化、簡略化も可能な安全性、経済性ともに優れた水自立運転型の燃料電池システムを提供することにある。 The object of the present invention is that there is no risk of environmental pollution due to out-of-condensed water containing harmful substances such as chromium, and water self-supporting that is excellent in safety and economy that can be downsized and simplified. An object is to provide an operation type fuel cell system.
上記目的を達成するために、本発明者らはこれまでオーバーフロー型タンクの下流側に設けられていたイオン交換樹脂装填の浄化器の構造に着目した。この浄化器は上面及び下面が密閉され内部にイオン交換樹脂が装填された円筒状の縦型容器であり、タンクと浄化器の間に配置された吐出ポンプの作動に伴って凝縮水を容器下部から導入し、容器上部から排出する。 In order to achieve the above object, the present inventors paid attention to the structure of a purifier equipped with an ion exchange resin, which has been provided on the downstream side of the overflow tank. This purifier is a cylindrical vertical container with the top and bottom surfaces sealed and filled with ion exchange resin inside. Condensate is sent to the bottom of the container in accordance with the operation of the discharge pump placed between the tank and the purifier. From the top and discharged from the top of the container.
この浄化器に使用されている円筒状の縦型容器は、内部に凝縮水を収容しており、形状の上からもタンクとしての利用が可能であることを伺わせる。但し、従来のように凝縮水を容器下部から導入し、容器上部から排出する通水形態だと、タンクとして機能しない。従来とは反対に、凝縮水を容器上部から導入し、容器下部から排出する通水形態に変更すると、名実ともにタンクとしての利用が可能となり、オーバーフロー型タンクの省略が可能になること、すなわち浄化器がオーバーフロー型タンクの代替品となることを、本発明者らは様々な調査検討から知見した。 The cylindrical vertical container used in this purifier contains condensed water inside, and it can be said that it can be used as a tank from the top. However, if it is a water flow mode in which condensed water is introduced from the lower part of the container and discharged from the upper part of the container as in the prior art, it does not function as a tank. Contrary to the conventional case, if the condensed water is introduced from the upper part of the container and changed to a water-flowing form in which the condensed water is discharged from the lower part of the container, both the name and reality can be used as a tank, and the overflow tank can be omitted. The present inventors have found from various research studies that the vessel is an alternative to the overflow tank.
本発明の燃料電池システムはかかる知見を基礎として完成されたものであり、
炭化水素系原料ガスを水素リッチの燃料ガスに改質する改質器と、
前記改質器で得られた水素リッチの燃料ガスと酸化ガスとしての空気とを固体電解質層を介して化学的に反応させて電気を発生させる燃料電池本体と、
前記燃料電池本体から排出される排ガスを冷却して凝縮水を生成すると共に、生成された凝縮水を前記改質器へ導く自立給水系とを具備しており、
前記自立給水系は縦型の筒状容器内にイオン交換樹脂を収容し、前記燃料電池本体から排出される排ガスを冷却して生成された凝縮水を、前記筒状容器上部から導入し筒状容器下部から排出する浄化器と、
前記凝縮水を前記浄化器に流通させて前記改質器へ供給するために、その供給管路内の浄化器より下流側に配置された吐出ポンプと、
前記浄化器と前記吐出ポンプの間の供給管路に吐出ポンプより上流側に位置して設けられると共に前記浄化器に対して並列に配置された縦管からなるオーバーフロー管とを有しており、
前記浄化器は並列配置された第1の浄化器と第2の浄化器とが流路切換え弁により選択的に使用される構成であって、且つ前記吐出ポンプより高いレベルに設置されており、
前記縦管からなるオーバーフロー管は水面レベルセンサを備えることにより前記浄化器の水位計を兼ねている。
The fuel cell system of the present invention has been completed based on such knowledge,
A reformer that reforms the hydrocarbon-based source gas into a hydrogen-rich fuel gas;
A fuel cell body that generates electricity by chemically reacting the hydrogen-rich fuel gas obtained in the reformer and air as an oxidizing gas through a solid electrolyte layer;
The exhaust gas discharged from the fuel cell main body is cooled to generate condensed water, and a self-supporting water supply system that guides the generated condensed water to the reformer is provided.
The free-standing water system accommodates the ion exchange resin into a vertical cylindrical vessel, the condensed water generated by cooling the exhaust gas discharged from the fuel cell body, introduced from the cylindrical container upper tubular A purifier discharged from the bottom of the container;
A discharge pump disposed downstream of the purifier in the supply line in order to distribute the condensed water to the purifier and supply the reformer;
An overflow pipe comprising a vertical pipe disposed in parallel to the purifier and provided upstream of the discharge pump in the supply line between the purifier and the discharge pump;
The purifier is configured such that a first purifier and a second purifier arranged in parallel are selectively used by a flow path switching valve, and are installed at a higher level than the discharge pump,
The overflow pipe formed of the vertical pipe also serves as a water level gauge of the purifier by including a water level sensor.
本発明の燃料電池システムにおいては、イオン交換樹脂を収容する容器が縦型の筒状容器であり、且つその容器上部から凝縮水を導入し容器下部から凝縮水を排出する構成としたことにより、容器内に凝縮水を一時的に滞留させることができ、下流側の吐出ポンプに対して水圧を付加することができる。その結果、オーバーフロー型タンクを省略したことによる吐出ポンプの負荷増大を最小限に抑えることができる。 In the fuel cell system of the present invention, the container for storing the ion exchange resin is a vertical cylindrical container, and the condensed water is introduced from the upper part of the container and the condensed water is discharged from the lower part of the container. Condensed water can be temporarily retained in the container, and water pressure can be applied to the discharge pump on the downstream side. As a result, an increase in the load on the discharge pump due to the omission of the overflow tank can be minimized.
但し、浄化器における縦型の筒状容器は本来、イオン交換樹脂容器であるので密閉されており、余分に生じる凝縮水をオーバーフローさせることはできない。そこで浄化器と下流側の吐出ポンプの間に縦管からなるオーバーフロー管を配置し、余剰の凝縮水のオーバーフローを行う。オーバーフロー管は構造が簡単であり、コストの増加要因とならないだけでなく、そこから溢れ出る凝縮水は上流側でイオン交換樹脂による浄化処理を受けているので、クロムなどの有害物質を含んでいない。このためオーバーフロー水が環境汚染の原因になることはない。 However, since the vertical cylindrical container in the purifier is originally an ion exchange resin container, it is sealed, and excess condensed water cannot be overflowed. Therefore, an overflow pipe composed of a vertical pipe is disposed between the purifier and the downstream discharge pump to overflow excess condensate water. The overflow pipe has a simple structure and does not increase the cost. Condensate overflowing from the overflow pipe is treated with ion exchange resin on the upstream side, so it does not contain harmful substances such as chromium. . For this reason, overflow water does not cause environmental pollution.
加えて、縦管からなるオーバーフロー管においては、その水位は上流側に配置された浄化器における水位と一致し、水面レベルセンサを取付けることにより、浄化器の水位を監視でき、その水位計として利用可能となる。浄化器における筒状容器は密閉容器であり、水位計を取り付けることが難しいが、単なる縦管からなるオーバーフロー管を水位計に転用することは容易である。 In addition, in the overflow pipe consisting of vertical pipes, the water level matches the water level in the purifier placed upstream, and the water level of the purifier can be monitored by installing a water level sensor, and used as a water level gauge It becomes possible. The cylindrical container in the purifier is a sealed container and it is difficult to attach a water level gauge, but it is easy to divert an overflow pipe made of a simple vertical pipe to a water level gauge.
かくして、本発明の燃料電池システムにおいては、凝縮用熱交換器で得られた凝縮水を改質器へ導く自立給水系から、大掛かりなオーバーフロー槽を兼ねるタンクを省略することができ、吐出ポンプの容量増加も最小限に抑制することができるので、自立給水系の構造を大幅に簡略化でき、経済性が高い。しかも、凝縮水のオーバーフローは浄化器の下流側で行われるので、クロムなどの有害物質を含む凝縮水が系外へ排出されることはなく、これによる環境汚染の危険性もないので、安全性も高い。 Thus, in the fuel cell system of the present invention, a tank that also serves as a large overflow tank can be omitted from the self-supporting water supply system that guides the condensed water obtained by the heat exchanger for condensation to the reformer. Since the increase in capacity can be suppressed to a minimum, the structure of the self-sustained water supply system can be greatly simplified and the economy is high. Moreover, since the overflow of the condensed water is performed downstream of the purifier, the condensed water containing harmful substances such as chromium is not discharged out of the system, and there is no danger of environmental pollution due to this. Is also expensive.
本発明の燃料電池においては、浄化器における縦型の筒状容器の形状が重要である。下流側の吐出ポンプへ水圧を効果的に付加するために横方向の寸法に対して縦方向の寸法が大きい縦長の形状であることが望ましく、少なくとも200mm以上の高さがあることが望ましい。極端な縦長形状は当該浄化器が凝縮熱交換器の下側に設置される構造上、装置高さを増加させる要因となる。吐出ポンプの設置レベルより浄化器の設置レベルを高くするのも水圧確保の点から有利である。 In the fuel cell of the present invention, the shape of the vertical cylindrical container in the purifier is important. In order to effectively apply water pressure to the discharge pump on the downstream side, it is desirable to have a vertically long shape with a large vertical dimension relative to the horizontal dimension, and it is desirable that the height is at least 200 mm. The extremely vertically long shape increases the height of the apparatus due to the structure in which the purifier is installed under the condensation heat exchanger. It is also advantageous from the viewpoint of securing the water pressure to make the installation level of the purifier higher than the installation level of the discharge pump.
本発明の燃料電池システムは、熱交換器本体から排出される排ガスを冷却して生成した凝縮水を原料ガスの改質に使用するので、外部からの水供給を実質的に必要とない。イオン交換樹脂を収容する浄化器を凝縮水の貯留タンクとして活用し、オーバーフロー槽を兼ねるタンクを排除できるので、構造が簡単である。オーバーフローは浄化器の下流側で行うので、オーバーフロー水にクロムなどの有害物質は含まれない。このため、有害物質を含む凝縮水が系外へ排出されることによる環境汚染の危険もない。 In the fuel cell system of the present invention, condensed water generated by cooling the exhaust gas discharged from the heat exchanger main body is used for reforming the raw material gas, so that it is substantially unnecessary to supply water from the outside. Since the purifier containing the ion exchange resin can be used as a condensate storage tank and the tank serving as an overflow tank can be eliminated, the structure is simple. Since overflow occurs downstream of the purifier, the overflow water does not contain harmful substances such as chromium. For this reason, there is no risk of environmental pollution caused by condensed water containing harmful substances being discharged out of the system.
以下に本発明の実施形態を図1に基づいて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、その主体部である燃料電池部Aと、燃料電池部Aに対して各種の流体の授受を行う流体流通系Bとの組合せからなる。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The fuel cell system according to the present embodiment includes a combination of a fuel cell unit A that is a main part of the fuel cell system and a fluid circulation system B that transmits and receives various fluids to the fuel cell unit A.
燃料電池部Aは、セルスタックからなる燃料電池本体10と、燃料電池本体10へ供給する各種の流体を、燃料電池本体10から排出される高温の排ガスと熱交換させて予熱すると共に、その過程で炭化水素系の原料ガスを水素リッチの燃料ガスに改質する熱交換改質部20と、燃料電池本体10及び熱交換改質部20を運転開始時に予熱するバーナー30とを備えている。
The fuel cell unit A preheats the fuel cell
燃料電池本体10を構成するセルスタックは、固体酸化物形燃料電池の最小構成単位である平板型の単電池セルを、集電体と共に挟みながら板状のインターコネクタ(セパレータ)を板厚方向に積層し、その積層体を積層方向に加圧保持することにより構成されている。個々の単電池セルは、ここではイットリア安定化ジルコニアからなる円板状の固体電解質層と、固体電解質層の一方の表面側に積層配置された固体電解質層と同一外径のNiとYSZのサーメットからなる円板状の燃料極と、固体電解質層の他方の表面側の外周縁部を除く部分に積層配置されたランタンストロンチウムマンガナイト(LSM)からなる非常に薄い円板状の空気極とからなる3層構造の薄い円板である。集電体は、単電池セルの燃料極側に配置された燃料極と同一外径の発泡ニッケルからなる円板である。
The cell stack constituting the fuel cell
熱交換改質部20は、燃料電池本体10へ酸化ガスとして供給する空気を、燃料電池本体10で発生する高温のオフガスと熱交換させて加熱する空気加熱用熱交換器と、前記オフガスを燃焼させる燃焼器と、天然ガスやLPGなどの炭化水素系原料ガスを前記オフガスと熱交換させて加熱すると共に、加熱された原料ガスに水を加えて水素リッチの燃料ガスに改質する、原料ガス加熱用熱交換器内蔵の改質器とを有している。またバーナー30は、燃料電池部Aの運転開始時に熱交換器が正常動作状態に移行するまでの間、外部から供給されるバーナーガスを、同じく外部から供給されるバーナー空気により燃焼させて、燃料電池本体10及び熱交換改質部20を作動温度まで強制的に加熱する。
The heat
流体流通系Bとしては、燃料電池部A内の熱交換改質部20へ酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス供給系40、同じく燃料電池部A内の熱交換改質部20へ炭化水素系原料ガスを供給する原料ガス供給系50、同じく燃料電池部A内のバーナー30へ燃焼用のバーナーガス及びバーナー空気をそれぞれ供給するバーナーガス供給系70及びバーナー空気供給系60の他に、熱交換改質部20内の改質器へ改質用の水を供給する自立給水系80が設けられている。
As the fluid circulation system B, an oxidizing
自立給水系80は、燃料電池本体10で発生し熱交換改質部20を経由して燃料電池部Aから排出される高温の排ガスを冷却水により冷却して、前記排ガスから凝縮水を生成する凝縮用熱交換器81と、縦型の円筒容器内にイオン交換樹脂を装填された二つの浄化器82,82と、凝縮用熱交換器81で生成された凝縮水を浄化器82,82に流通させて燃料電池部A内の熱交換改質器20へ供給するために、その供給管路内の浄化器82,82より下流側に配置された吐出ポンプ83とを備えている。
The self-sustained
縦型円筒状の浄化器82,82は、凝縮用熱交換器81で生成された凝縮水を導入するために、凝縮用熱交換器81の下側に設けられている。これらの浄化器82,82は、前記供給管路内に並列に配置されており、凝縮用熱交換器81で生成した凝縮水を浄化器82,82の何れか一方に供給するため、すなわち浄化器82,82の選択的使用のために、上流側の凝縮用熱交換器81とは流路切換え弁84を介して接続されている。浄化器82,82は又、凝縮水の貯留タンクを兼ねるために内径より縦方向の内寸が大きい縦長形状であり、下流側の吐出ポンプ83より高いレベルに縦向きに設置されると共に、その凝縮水を容器上部から導入し容器下部から排出する構成となっている。
The vertical
流路切換え弁84と浄化器82,82との間の供給管路(浄化器82,82に各対応する分岐管路)には、必要時に系外から水を供給する開閉弁85付きの補給管路が接続されている。浄化器82,82より下流側の分岐管路には、前述した浄化器82,82の選択的使用に関連して、開閉弁86,86がそれぞれ設けられている。分岐管路は開閉弁86,86より下流側で合体して1本の供給管路に戻り、当該供給管路には、垂直な縦管からなるオーバーフロー管87が、吐出ポンプ83より上流側に位置して設けられている。
Replenishment with an open /
オーバーフロー管87は、並列配置された浄化器82,82の水面レベル計を兼ねるために、浄化器82,82に併設(より詳しくは、浄水器82,82に対して並列に配置)されると共に、浄化器82,82内の水面の下限に対応するレベルに、水面レベルセンサとしての水面検知器88を装備している。オーバーフロー管87の上端部は、図1中に破線で示されたドレン配管と接続されており、開閉弁86,86の下流側も別の開閉弁89を介してドレン配管と接続されている。
The
次に、本実施形態の燃料電池システムの動作を、主に流体流通系B、特に熱交換改質部20内の改質器へ改質用の水を供給する自立給水系80について説明する。
Next, the operation of the fuel cell system of the present embodiment will be described mainly with respect to the fluid circulation system B, particularly the self-supporting
燃料電池部A内の燃料電池本体10において発電が行われている間、熱交換器改質部20からはオフガスを燃焼させた高温の排ガスが排出される。この排ガスは水素と酸素との反応により発生する燃焼排ガスであり、多量の水蒸気を含んでいる。
While power generation is performed in the fuel cell
燃料電池部Aから排出された高温の排ガスは、流体流通系B内の自立給水系80に設けられた凝縮用熱交換器81において冷却水により冷却され、凝縮水を生成する。燃料電池部A内の燃料電池本体10において発電が行われている間、自立給水系80内の吐出ポンプ83は運転を続ける。また、開閉弁85が閉状態、開閉弁86,86の一方が閉状態、開閉弁89が閉状態とされる。これらにより、凝縮用熱交換器81において生成した凝縮水は、流路切換え弁84を介して、並列配置された浄化器82,82の何れか一方を経由して必要量が熱交換改質部20へ供給される。他方の浄化器82は、予備のために水を満たした状態に保持される。かくして、クロムなどの有害物質が除去された凝縮水が熱交換改質部20へ送られる。
The high-temperature exhaust gas discharged from the fuel cell unit A is cooled by the cooling water in the
ここで、浄化器82,82は縦長の円筒容器内にイオン交換樹脂を装填した構造であり、使用中の浄化器82には前記凝縮水が容器上部から容器内に導入され、容器下部から容器外へ排出される。また、凝縮用熱交換器81における凝縮水の生成量は、通常は熱交換改質部20における凝縮水の消費量より多い。このため、前記凝縮水は、使用中の浄化器82の容器内に一時的に滞留して充満し、その浄化器82を凝縮水の貯留タンクの如く機能させる。これにより、吐出ポンプ83に水圧を付加し、吐出ポンプ83の負荷を軽減する。凝縮水の生成量が消費量より多い分は、浄化器82,82に併設されたオーバーフロー管87から排出され、ドレン配管を経て系外へ排出される。オーバーフロー管87は浄化器82,82より下流側にあるので、系外へ排出される凝縮水はクロムなどの有害物質を含まない。
Here, the
運転開始時等、高温の排ガスが得られず凝縮水の生成量が不足するような場合は、必要に応じて開閉弁85を開状態として、系外から浄化器82,82の一方、或いは両方へ水が供給される。
When high-temperature exhaust gas cannot be obtained at the start of operation and the amount of condensed water produced is insufficient, the on-off
本発明の有効性を確認するために、燃料電池システムを従来のものから本発明のものに変更した。 In order to confirm the effectiveness of the present invention, the fuel cell system was changed from the conventional one to the present invention.
具体的には、凝縮水を生成して熱交換改質部へ供給する自立給水系において、生成された凝縮水を一時的に溜めるオーバーフロー槽を兼ねるタンクを排除し、縦型円筒容器にイオン交換樹脂が装填された浄化器にタンクを兼用させた。これに伴って、凝縮水は浄化器の容器上部から容器内へ導入し、容器下部から容器外へ排出した。また、タンクと浄化器との間に配置されていた吐出ポンプを浄化器の下流側へ移設した。その吐出ポンプと浄化器との間にオーバーフロー管を設置した。更に、浄化器の設置レベルを吐出ポンプの設置レベルより高くした。 Specifically, in a self-sustained water supply system that generates condensed water and supplies it to the heat exchange reforming unit, the tank that also serves as an overflow tank that temporarily stores the generated condensed water is eliminated, and ion exchange is performed on a vertical cylindrical container. The clarifier loaded with resin was also used as a tank. Along with this, condensed water was introduced into the container from the upper part of the container of the purifier, and discharged from the lower part of the container to the outside of the container. In addition, the discharge pump arranged between the tank and the purifier was moved downstream of the purifier. An overflow pipe was installed between the discharge pump and the purifier. Furthermore, the installation level of the purifier was made higher than the installation level of the discharge pump.
燃料電池本体の能力がDC5Vの場合、燃料利用率75%、S/C=3(S:水蒸気、C:炭素)という条件では熱交換改質部に必要な凝縮水量は38mL/分である。これを上回る凝縮水はオーバーフロー管から系外へ排出した。省略したタンクの容量は1Lである。浄化器における円筒容器の容量は2.5L、有効高さは350mm、有効内径は100mmである。イオン交換樹脂の初期装填率は容積%で60%である。浄化器と吐出ポンプの設置レベル差は300mmである。 When the capacity of the fuel cell main body is DC 5 V, the amount of condensed water required for the heat exchange reforming part is 38 mL / min under the conditions of 75% fuel utilization and S / C = 3 (S: water vapor, C: carbon). Condensed water exceeding this amount was discharged out of the system from the overflow pipe. The capacity of the omitted tank is 1L. The capacity of the cylindrical container in the purifier is 2.5 L, the effective height is 350 mm, and the effective inner diameter is 100 mm. The initial loading rate of the ion exchange resin is 60% by volume. The installation level difference between the purifier and the discharge pump is 300 mm.
吐出ポンプの能力はタンクを省略する前後で不変であるにもかかわらず、タンクを省略した後も必要量の凝縮水を熱交換改質部へ安定的に供給することができた。 Although the capacity of the discharge pump was unchanged before and after the tank was omitted, the required amount of condensed water could be stably supplied to the heat exchange reforming unit even after the tank was omitted.
オーバーフロー管から排出される凝縮水中のクロム濃度を測定したところ、「水質汚濁防止法」に規定された六値クロム及びその化合物の基準値である0.5mg/Lを下回っていた。 When the chromium concentration in the condensed water discharged from the overflow pipe was measured, it was less than 0.5 mg / L, which is the standard value for hexavalent chromium and its compounds defined in the “Water Pollution Control Law”.
10 熱交換器本体
20 熱交換改質部
30 バーナー
40 酸化ガス供給系
50 原料ガス供給系
60 バーナーガス供給系
70 バーナー空気供給系
80 自立給水系
81 凝縮用熱交換器
82 浄化器
83 吐出ポンプ
84 流路切換え弁
85,86,89 開閉弁
87 オーバーフロー管
88 水面検知器(水面レベルセンサ)
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記改質器で得られた水素リッチの燃料ガスと酸化ガスとしての空気とを固体電解質層を介して化学的に反応させて電気を発生させる燃料電池本体と、
前記燃料電池本体から排出される排ガスを冷却して凝縮水を生成すると共に、生成された凝縮水を前記改質器へ導く自立給水系とを具備しており、
前記自立給水系は縦型の筒状容器内にイオン交換樹脂を収容し、前記燃料電池本体から排出される排ガスを冷却して生成された凝縮水を、前記筒状容器上部から導入し筒状容器下部から排出する浄化器と、
前記凝縮水を前記浄化器に流通させて前記改質器へ供給するために、その供給管路内の浄化器より下流側に配置された吐出ポンプと、
前記浄化器と前記吐出ポンプの間の供給管路に吐出ポンプより上流側に位置して設けられると共に前記浄化器に対して並列に配置された縦管からなるオーバーフロー管とを有しており、
前記浄化器は並列配置された第1の浄化器と第2の浄化器とが流路切換え弁により選択的に使用される構成であって、且つ前記吐出ポンプより高いレベルに設置されており、
前記縦管からなるオーバーフロー管は水面レベルセンサを備えることにより前記浄化器の水位計を兼ねる燃料電池システム。 A reformer that reforms the hydrocarbon-based source gas into a hydrogen-rich fuel gas;
A fuel cell body that generates electricity by chemically reacting the hydrogen-rich fuel gas obtained in the reformer and air as an oxidizing gas through a solid electrolyte layer;
The exhaust gas discharged from the fuel cell main body is cooled to generate condensed water, and a self-supporting water supply system that guides the generated condensed water to the reformer is provided.
The self-supporting water supply system accommodates ion exchange resin in a vertical cylindrical container, and introduces condensed water generated by cooling the exhaust gas discharged from the fuel cell main body from the upper part of the cylindrical container. A purifier discharged from the bottom of the container;
A discharge pump disposed downstream of the purifier in the supply line in order to distribute the condensed water to the purifier and supply the reformer;
An overflow pipe comprising a vertical pipe disposed in parallel to the purifier and provided upstream of the discharge pump in the supply line between the purifier and the discharge pump;
The purifier is configured such that a first purifier and a second purifier arranged in parallel are selectively used by a flow path switching valve, and are installed at a higher level than the discharge pump,
The overflow pipe which consists of the said vertical pipe is a fuel cell system which also serves as the water level gauge of the said purifier by providing a water level sensor.
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