JP5732618B2 - 中和タンク及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとを燃料電池で電気化学的に反応させることにより発電する燃料電池システムに関し、特に、当該燃料電池システムに設けられる中和タンクの構造に関するものである。

従来、この種の燃料電池システムは、主要な構成要素として、燃料処理装置と、燃料電池と、凝縮水タンクとを備えている。燃料処理装置は、天然ガスなどの原料ガスから水素リッチな燃料ガスを生成する装置である。燃料処理装置の内部では、原料ガス及び水を反応させて、水素及び二酸化炭素を生成する改質反応を行う。また、燃料処理装置は、改質反応を行うために最適な温度に加熱が必要であり、原料ガス、燃料ガス及び燃料排ガスのうちの少なくともいずれかを燃焼するための燃焼器を有している。燃料電池は、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス（例えば、空気）中の酸素とを電気化学的に反応させることにより発電を行う装置である。凝縮水タンクは、燃料電池から排出された燃料排ガス、燃料電池から排出された空気排ガス、及び、燃料処理装置で燃焼された燃焼排ガスのうちの少なくともいずれかのガス中の水分を凝縮することにより得られる回収水を貯めるタンクである。

凝縮水タンクに貯められた回収水の一部は、ポンプを用いて燃料電池に供給され、燃料電池の冷却水として利用することができる。また、凝縮水タンクに貯められた回収水の一部は、ポンプを用いて燃料処理装置に供給され、原料ガス及び水を反応させて水素及び二酸化炭素を生成する改質反応に利用することができる。凝縮水タンクにおいて余剰になった回収水（以下、余剰水という）は、燃料電池システムの外部に排出される。ただし、燃料ガスには改質反応で生成した二酸化炭素が含まれるため、燃料排ガスには二酸化炭素が含まれる。また、原料ガス、燃料ガス及び燃料排ガスのうちの少なくともいずれかを燃焼した燃焼排ガスにも、燃焼により生成した二酸化炭素が含まれる。燃料排ガス及び燃焼排ガスには二酸化炭素が含まれるため、当該燃料排ガス及び当該燃焼排ガス中の水分を凝縮して得られた回収水にも二酸化炭素が含まれる。このため、燃料排ガス及び燃焼排ガスのうちの少なくとも一方のガス中の水分を凝縮した水を含む余剰水は、例えば水素イオン濃度ｐＨ５程度の酸性を示すことがある。地方自治体で定められる排水基準は、通常ｐＨ５．８〜８．６程度であるため、前記余剰水をそのまま排出することはできない。このため、前記余剰水を中和する装置が必要になる。

給湯器等の燃焼装置においては、排水を中和するために中和装置（以下、中和タンクという）が設けられている（例えば、特許文献１：特開平９−２５０８１８号公報参照）。図４は、従来の中和タンクの概略構成図である。

図４に示すように、従来の中和タンクは、炭酸カルシウムなどの複数の粒子で構成される中和剤１０１と、中和剤１０１を収納する箱状の中和剤収納部１０２とを備えている。中和剤収納部１０２の上方には排水入口１０３が設けられ、中和剤収納部１０２の下方には排水出口１０４が設けられている。排水入口１０３を通じて中和剤収納部１０２内に流入した排水は、中和剤１０１と接触することにより中和された後、排水出口１０４を通じて中和タンクの外部へ排出される。

特開平９−２５０８１８号公報

しかしながら、前記構成の中和タンクを燃料電池システムに設けた場合には、凝縮水タンクから流入してくるゴミや凝縮水タンク等で発生する菌などの異物が中和剤１０１の隙間に詰まる恐れがある。この場合、排水入口１０３を通じて中和剤収納部１０２内に流入した排水が、中和剤１０１を通過できずに、中和剤収納部１０２内で滞留してしまう。

本発明の目的は、前記従来の課題を解決することにあって、中和剤収納部内で中和された液体をより確実に中和タンク外へ排出することができる中和タンク、及び当該中和タンクを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明によれば、液体を中和する中和剤と、
前記中和剤を収納する箱状の中和剤収納部と、
前記中和剤収納部より上方に設けられた液体入口と前記中和剤収納部とを接続する入口流路と、
前記液体入口より下方に設けられた液体出口と前記中和剤収納部とを接続する出口流路と、
を備え、
前記出口流路は、前記中和剤収納部の側壁に沿って設けられ、
前記中和剤収納部の側壁には、当該側壁の上部から下部にわたって、前記出口流路と前記中和剤収納部の内部とを流体連通する出口貫通孔が設けられ、
前記入口流路は、前記中和剤収納部の上壁に沿って設けられ、
前記中和剤収納部の上壁には、重力方向から見て前記中和剤収納部の中央部分と重なる位置に、前記入口流路と前記中和剤収納部の内部とを流体連通する入口貫通孔が設けられている、
中和タンクを提供する。

本発明の中和タンクによれば、中和剤収納部の側壁に沿って出口流路が設けられるともに、当該側壁の上部から下部にわたって出口貫通孔が設けられているので、ゴミ等により中和剤間の隙間が詰まったとしても、中和剤収納部内で中和された液体を前記出口貫通孔及び前記出口流路を通じてより確実に中和タンク外へ排出することができる。

本発明の実施形態にかかる中和タンクの概略構成図である。 図１Ａの中和タンクが備える入口仕切壁の平面図である。 図１Ａの中和タンクが備える出口仕切壁の側面図である。 図１Ａの中和タンクを備える燃料電池システムの概略構成図である。 図１Ａの中和タンクの変形例を示す概略構成図である。 図３Ａの中和タンクが備える出口仕切壁の側面図である。 従来の中和タンクの概略構成図である。

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第１態様によれば、液体を中和する中和剤と、
前記中和剤を収納する箱状の中和剤収納部と、
前記中和剤収納部より上方に設けられた液体入口と前記中和剤収納部とを接続する入口流路と、
前記液体入口より下方に設けられた液体出口と前記中和剤収納部とを接続する出口流路と、
を備え、
前記出口流路は、前記中和剤収納部の側壁に沿って設けられ、
前記中和剤収納部の側壁には、当該側壁の上部から下部にわたって、前記出口流路と前記中和剤収納部の内部とを流体連通する出口貫通孔が設けられ、
前記入口流路は、前記中和剤収納部の上壁に沿って設けられ、
前記中和剤収納部の上壁には、重力方向から見て前記中和剤収納部の中央部分と重なる位置に、前記入口流路と前記中和剤収納部の内部とを流体連通する入口貫通孔が設けられている、
中和タンクを提供する。
ここで、流体連通（fluidly connect）するとは、流体が通ることができるように連通
することをいう。

本発明の第２態様によれば、前記出口貫通孔は、複数の貫通孔で構成されている、第１態様に記載の中和タンクを提供する。

本発明の第３態様によれば、前記中和剤収納部の下面は、前記液体出口に向かって下方に傾斜している、第１又は２態様に記載の中和タンクを提供する。

本発明の第４態様によれば、前記出口貫通孔の最上部は、前記中和剤よりも上方に位置している、第１〜３態様のいずれか１つに記載の中和タンクを提供する。

本発明の第５態様によれば、前記液体入口は、凝縮水タンクと接続され、
前記中和剤は、前記凝縮水タンクから排出された排水を中和する、
第１〜４態様のいずれか１つに記載の中和タンクを提供する。

本発明の第６態様によれば、第１〜５態様のいずれか１つに記載の中和タンクを備えた燃料電池システムを提供する。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態によって本発明が限定されるものではない。

《実施形態》
図１Ａは、本発明の実施形態にかかる中和タンクの概略構成図である。

図１Ａにおいて、本実施形態にかかる中和タンク１は、液体を中和する中和剤１１と、中和剤１１を収納する箱状の中和剤収納部１２とを備えている。

中和剤収納部１２の上方には、液体入口１３が設けられている。この液体入口１３と中和剤収納部１２とは、入口流路１４により接続されている。入口流路１４は、液体入口１３から流入した液体を中和剤収納部１２内に誘導する流路である。入口流路１４は、中和剤収納部１２の上壁１５に沿って設けられている。中和剤収納部１２の上壁１５は、入口流路１４と中和剤収納部１２の内部とを仕切る仕切壁として機能する。以下、中和剤収納部１２の上壁１５を入口仕切壁という。

図１Ｂは、入口仕切壁１５の平面図である。図１Ｂに示すように、入口仕切壁１５の中央部には、入口流路１４と中和剤収納部１２の内部とを流体連通する入口貫通孔１５ａが設けられている。入口貫通孔１５ａは、重力方向から見て中和剤収納部１２の中央部分と重なる位置に設けられている。また、入口貫通孔１５ａは、入口仕切壁１５の中で最も低い位置に設けられている。入口仕切壁１５の上面は、入口貫通孔１５ａに向かって下方に傾斜するように設けられている。

中和剤１１は、例えば、炭酸カルシウムなどの複数の粒子で構成されている。中和剤１１の材料としては、特に限定されるものではないが、炭酸カルシウムの他、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム等の各種金属系炭酸塩、その他金属系水酸化物等や金属系酸化物等が挙げられる。なお、中和剤１１は、例えば、メッシュ状の袋などに入れた状態で中和剤収納部１２に収納されてもよい。

中和剤収納部１２の外部であって液体入口１３より下方には、液体出口１６が設けられている。液体出口１６の下端は、中和剤収納部１２の下端と同じ高さ又は下方に設けられている。中和剤収納部１２の下面１７は、液体出口１６に向かって下方に傾斜するように設けられている。液体出口１６と中和剤収納部１２とは、出口流路１８により接続されている。出口流路１８は、中和剤収納部１２内で中和された液体を液体出口１６に誘導する流路である。出口流路１８は、中和剤収納部１２の側壁１９に沿って設けられている。中和剤収納部１２の側壁１９は、出口流路１８と中和剤収納部１２の内部とを仕切る仕切壁として機能する。以下、中和剤収納部１２の側壁１９を出口仕切壁という。

図１Ｃは、出口仕切壁１９の側面図である。図１Ｃに示すように、出口仕切壁１９には、上部から下部にわたって延在するようにスリット状の出口貫通孔１９ａが設けられている。出口貫通孔１９ａの最下部は、排水出口１６の下端と同じ高さ又は上方に位置している。出口貫通孔１９ａの最上部は、中和剤収納部１２内に収納されている中和剤１１よりも上方に位置している。

次に、中和タンク１を備える燃料電池システムの概略構成を説明する。図２は、中和タンク１を備える燃料電池システムの概略構成図である。

図２において、本実施形態にかかる燃料電池システムは、天然ガスなどの原料ガスから水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理装置２を備えている。燃料処理装置２は、燃料電池システムの外部の都市ガス管等と配管などの接続部材で接続されている。燃料処理装置２で生成された燃料ガスは、燃料電池３に供給される。また、燃料電池３には、例えば空気供給装置（図示せず）によって、外部から酸化剤ガスの一例である空気が供給される。

燃料電池３は、燃料処理装置２から供給された燃料ガス中の水素と、外部から供給された空気中の酸素とを電気化学的に反応させることにより発電を行う装置である。燃料電池３は、発電に利用されなかった燃料ガス及び空気を、燃料排ガス及び空気排ガスとして凝縮水タンク４に排出する。燃料排ガス及び空気排ガスは、燃料電池３の内部で発生した生成水と接触するなどして、湿度が高くなっている。

凝縮水タンク４は、燃料排ガス及び空気排ガス中の水分を熱交換器（図示せず）などによって凝縮することにより得られる回収水を貯めるタンクである。凝縮水タンク４に貯められた回収水の一部は、回収水送出装置の一例であるポンプ５により、冷却水タンク６へ送出される。

冷却水タンク６は、ポンプ５から送出された回収水を、燃料電池３の内部を冷却するための冷却水として使用するために貯めるタンクである。冷却水タンク６に貯められた冷却水は、冷却水循環装置の一例であるポンプ７により、燃料電池３へ送出される。

また、冷却水タンク６には、オーバーフロー排水口６ａが備えられている。冷却水タンク６内で貯められた冷却水の水位がオーバーフロー排水口６ａよりも高くなると、オーバーフロー排水口６ａを通じて凝縮水タンク４へ冷却水が排出される。

凝縮水タンク４には、オーバーフロー排水口４ａが備えられている。凝縮水タンク４内に貯められた回収水の水位がオーバーフロー排水口４ａよりも高くなると、オーバーフロー排水口４ａを通じて中和タンク１の液体入口１３へ回収水が排出される。

中和タンク１は、凝縮水タンク４から排出される回収水を中和するためのタンクである。中和タンク１は、前述した構造を有している。中和タンク１の液体入口（排水入口ともいう）１３は、凝縮水タンク４のオーバーフロー排水口４ａと配管などの接続部材で接続されている。中和タンク１の液体出口（排水出口ともいう）１６は、本燃料電池システムの排水口と配管などの接続部材で接続されている。

以上のように構成された燃料電池システムについて、以下、図２を用いて、その動作及び作用を説明する。

まず、燃料処理装置２にメタンなどの原料ガスが供給されると、燃料処理装置２が、原料ガスから水素リッチな燃料ガスを生成する。生成された燃料ガスは、燃料電池３に供給される。また、燃料電池３には、空気供給装置（図示せず）によって、酸化剤ガスとしての空気が供給される。

燃料電池３は、供給された空気中の酸素と燃料ガス中の水素とを電気化学的に反応させて発電を行う。当該発電中において、燃料電池３には、冷却水タンク６に貯められた冷却水がポンプ７によって供給される。これにより、燃料電池３が所定の温度に維持される。燃料電池３に供給された冷却水は、燃料電池３の内部配管を通って、再び冷却水タンク６に戻る。

燃料電池３にて発電に利用されなかった空気及び燃料ガスは、空気排ガス及び燃料排ガスとして燃料電池３から排出される。空気排ガス及び燃料排ガスには、発電の際に発生する水蒸気及び二酸化炭素が含まれる。空気排ガス及び燃料排ガスの水分は、熱交換器（図示せず）などによって凝縮され、回収水として凝縮水タンク４に貯められる。

凝縮水タンク４に貯められた回収水は、ポンプ５によって冷却水として冷却水タンク６に送られる。冷却水タンク６に貯められた冷却水の水位がオーバーフロー排水口６ａまで達すると、余剰の冷却水がオーバーフロー排水口６ａから凝縮水タンク４へ排出される。

一方、凝縮水タンク４に貯められた回収水が、オーバーフロー排水口４ａまで達すると、余剰の回収水（以下、余剰水という）がオーバーフロー排水口４ａから中和タンク１に排出される。この余剰水には、二酸化炭素が含まれる。このため、凝縮水タンク４から排出された余剰水は酸性を示すことがあるが、中和タンク１で中和された後、燃料電池システムの外部へ排出される。

次に、図１を用いて中和タンク１の内部での動作及び作用を説明する。
凝縮水タンク４から排出された余剰水（以下、排水という）は、排水入口１３に供給される。排水入口１３から供給された排水は、入口流路１４を通って入口仕切壁１５に流入し、入口貫通孔１５ａから中和剤収納部１２内に滴下される。滴下された排水は、中和剤１１と接触しながら中和剤１６間の隙間を通って中和剤収納部１２の下面１７に達する。排水はこの過程で中和され、その後、中和剤収納部１２の下面１７に沿って出口貫通孔１９ａを通過して出口流路１８に至り、排水出口１６から排出される。

燃料電池システムでは、凝縮水タンク４等で菌が発生することがあり、この発生した菌やゴミなどの異物が中和タンク１に流入して、異物が中和剤１１の間の隙間に貯まり、中和剤１１の間の隙間が詰まる可能性がある。異物による中和剤１１間の隙間の詰まりが、中和剤収納部１２の下方部分で発生した場合には、中和剤収納部１２に滴下された排水は、中和剤収納部１２の上方部分の詰まりの発生していない中和剤１１の隙間を通って中和され、出口貫通孔１９ａを通じて排水出口１６へ流れる。また、異物による中和剤１１間の隙間の詰まりが、中和剤１１の全体に発生した場合には、中和剤収納部１２に滴下された排水は、中和剤１１の上面に接触して中和され、出口貫通孔１９ａを通じて排水出口１６へ流れる。従って、中和剤収納部１２内で中和された排水は、中和剤収納部１２内で滞留することなく、排水出口１６から排出される。

以上のように、本実施形態においては、燃料電池システムの排水口と凝縮水タンク４との間に中和タンク１を設けているので、凝縮水タンク４から排出された排水を中和した後、燃料電池システムの外部へ排出することができる。

また、本実施形態においては、中和剤収納部１２の側壁１９に沿って出口流路１８が設けられるともに、当該側壁１９の上部から下部にわたって出口貫通孔１９ａが設けられているので、ゴミ等により中和剤１１間の隙間が詰まったとしても、中和剤収納部１２内で中和された液体を出口貫通孔１９ａ及び出口流路１８を通じてより確実に中和タンク１外へ排出することができる。

また、本実施形態においては、中和剤収納部１２の下面１７を排水出口１６に向かって下方に傾斜するように構成しているので、中和剤収納部１２内に流入した排水を中和剤収納部１２の下面１７の傾斜に沿って排水出口１６へ滑らかに流すことができる。従って、中和剤収納部１２内に流入した排水が中和剤収納部１２内で滞留することを防ぐことができる。

また、本実施形態においては、出口貫通孔１９ａの最上部を中和剤１１よりも上方に設けているので、異物による中和剤１１間の隙間の詰まりが中和剤１１の全体に発生したとしても、中和剤１１の上面に接触して中和された排水を、出口貫通孔１９ａを通じて排水出口１６へ流すことができる。従って、中和剤収納部１２内に流入した排水が中和剤収納部１２内で滞留することをより確実に防ぐことができる。

また、本実施形態においては、重力方向から見て中和剤収納部１２の中央部分と重なる位置に入口貫通孔１５ａを設けているので、排水入口１３より流入した排水を、中和剤１１の中央部上面に滴下させることができる。これにより、前記排水と中和剤１１との接触面積を大きくすることができるので、前記排水の中和を安定して行うことができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、図１Ａでは、出口仕切壁１９が垂直方向に設けられるように示したが、図３Ａに示すように傾斜させてもよい。

また、図１Ｂでは、出口貫通孔１９ａは、出口仕切壁１９の上部から下部にわたって延在するように設けられたスリット状の貫通孔として示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図３Ｂに示すように、出口仕切壁１９の上部から下部にわたって設けられた複数の貫通孔１９ｂで出口貫通孔が構成されてもよい。この場合、複数の貫通孔１９ｂは、異物による中和剤１１間の隙間の詰まりがどの高さ位置で発生しても出口流路１８へ流すことができるように、出口仕切壁１９のどの高さ位置においてもいずれか１以上の貫通孔が存在するように設けられることが好ましい。なお、出口貫通孔１９ａ及び各貫通孔１９ｂは、中和剤１１の粒子が通過しないように形成する必要がある。例えば、出口貫通孔１９ａ及び各貫通孔１９ｂの水平方向の幅を中和剤１１の粒子の直径よりも小さく設定する必要がある。なお、中和剤１１をメッシュ状の袋などに入れた場合には、出口貫通孔１９ａ及び貫通孔１９ｂの大きさは、特に限定されない。また、出口仕切壁１９及び出口貫通孔１９ｂの形状は、中和タンク１の金型製作において、製造の容易な形状にすることが望ましい。

本発明にかかる中和タンクは、中和剤収納部内で中和された液体をより確実に中和タンク外へ排出することができるので、様々な形態の燃料電池システムに有用である。

１ 中和タンク
２ 燃料処理装置
３ 燃料電池
４ 凝縮水タンク
５ ポンプ（回収水送出装置）
６ 冷却水タンク
７ ポンプ（冷却水循環装置）
１１ 中和剤
１２ 中和剤収納部
１３ 液体入口（排水入口）
１４ 入口流路
１５ 上壁（入口仕切壁）
１５ 入口貫通孔
１６ 液体出口（排水出口）
１７ 下面
１８ 出口流路
１９ 側壁（出口仕切壁）
１９ａ 出口貫通孔

Claims (6)

1. 液体を中和する中和剤と、
   前記中和剤を収納する箱状の中和剤収納部と、
   前記中和剤収納部より上方に設けられた液体入口と前記中和剤収納部とを接続する入口流路と、
   前記液体入口より下方に設けられた液体出口と前記中和剤収納部とを接続する出口流路と、
   を備え、
   前記出口流路は、前記中和剤収納部の側壁に沿って設けられ、
   前記中和剤収納部の側壁には、当該側壁の上部から下部にわたって、前記出口流路と前記中和剤収納部の内部とを流体連通する出口貫通孔が設けられ、
   前記入口流路は、前記中和剤収納部の上壁に沿って設けられ、
   前記中和剤収納部の上壁には、重力方向から見て前記中和剤収納部の中央部分と重なる位置に、前記入口流路と前記中和剤収納部の内部とを流体連通する入口貫通孔が設けられている、
   中和タンク。
2. 前記出口貫通孔は、複数の貫通孔で構成されている、請求項１に記載の中和タンク。
3. 前記中和剤収納部の下面は、前記液体出口に向かって下方に傾斜している、請求項１又は２に記載の中和タンク。
4. 前記出口貫通孔の最上部は、前記中和剤よりも上方に位置している、請求項１〜３のいずれか１つに記載の中和タンク。
5. 前記液体入口は、凝縮水タンクと接続され、
   前記中和剤は、前記凝縮水タンクから排出された排水を中和する、
   請求項１〜４のいずれか１つに記載の中和タンク。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の中和タンクを備えた燃料電池システム。

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