JP2007250311A - Anti-freeze-blocking and freeze-block releasing method as well as system of drain exhaust pipe in solid polymer fuel cell generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池発電装置を寒冷地等で使用する場合等に、運転中は該燃料電池発電装置より排出されるドレンが凍結してドレン排出管が閉塞される虞を未然に防止できるようにし、又、運転停止中に閉塞したドレン排出管内の氷結(凍結)を融解して閉塞を解除するための固体高分子型燃料電池発電装置のドレン排出管凍結閉塞防止及び凍結閉塞解除方法並びに装置に関するものである。 In the present invention, when a fuel cell power generator using a polymer electrolyte fuel cell is used in a cold region, etc., the drain discharged from the fuel cell power generator is frozen during operation and the drain discharge pipe is blocked. Freezing the drain discharge pipe of the polymer electrolyte fuel cell power generator for releasing the blockage by melting the freezing (freezing) in the drain discharge pipe blocked during the operation stop. The present invention relates to a blockage prevention and freeze blockage release method and apparatus.
燃料電池は、燃料を用いた他の発電方法に比して熱効率が高く、又、環境汚染が少ないため、有効な発電装置として期待されている。特に、固体高分子型燃料電池(PEFC)は、100℃以下という低温で発電が行われ、出力密度が高いので、他の形式の燃料電池に比して小型化でき、しかも、電池構成材料の劣化が少ないこと、起動が容易であること、等の長所があることから、近年、小規模な業務用あるいは家庭用等の発電装置として使用されるようになってきている。 A fuel cell is expected to be an effective power generation device because it has higher thermal efficiency and less environmental pollution than other power generation methods using fuel. In particular, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) generates power at a low temperature of 100 ° C. or lower, and has a high output density. Therefore, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) can be reduced in size as compared with other types of fuel cells. In recent years, it has been used as a power generator for small-scale business use or home use because it has advantages such as little deterioration and easy start-up.
上記固体高分子型燃料電池を用いた発電装置(PEFC発電装置)は、一般的に図10(イ)に概要を示す如き構成としてある。すなわち、電解質としてフッ素系のイオン交換膜が用いられている固体高分子電解質膜(図示せず)の両面をカソード(空気極)2とアノード(燃料極)3の両ガス拡散電極で挟持させてなるセルを、セパレータを介し積層してスタックとし、且つ数セルに1つずつの冷却部4を備えてなる構成の固体高分子型燃料電池1を備えている。更に、上記固体高分子型燃料電池1におけるアノード3の入口側には、改質器6、シフトコンバータ7、CO除去器8を上流側から順に備えている燃料処理装置5と、加湿器9とが設けてあり、燃料ポンプ10の運転により燃料供給ライン11を経て供給される都市ガス(天然ガス)や灯油等の燃料(原料)12を、該燃料供給ライン11上の脱硫反応器13にて脱硫処理した後、予熱器14にて予熱してから、蒸発器15より導かれる水蒸気16と共に上記燃料処理装置5の改質器6へ供給して水蒸気改質を行わせ、得られる改質ガス(燃料ガス)12aを、シフトコンバータ7に導いてシフト反応させ、更に、CO除去器8にてCO除去処理した後、加湿器9を経て上記固体高分子型燃料電池1のアノード3へ供給するようにしてある。一方、上記カソード2の入口側の加湿器9には、空気ブロワ17が酸化ガス供給ライン18を介して接続してあり、酸化ガス(酸素含有ガス)として空気Aが、空気ブロワ17で圧縮された後、加湿器9を経て上記固体高分子型燃料電池1のカソード2へ供給されるようにしてある。
A power generation device (PEFC power generation device) using the polymer electrolyte fuel cell is generally configured as shown in FIG. That is, both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane (not shown) in which a fluorine-based ion exchange membrane is used as an electrolyte are sandwiched between both cathode (air electrode) 2 and anode (fuel electrode) 3 gas diffusion electrodes. The solid
かかる構成により、上記固体高分子型燃料電池1にて、アノード3側に供給される改質ガス12a中の水素と、カソード2側に供給される空気A中の酸素とを電気化学反応(電池反応)させて、発生する起電力を取り出すようにしてある。
With this configuration, in the polymer
上記アノード3の出口側より排出されるアノード排気19は、アノード排気ライン20を通して燃料処理装置5の改質器6の燃焼室(図示せず)へ導くようにする。更に、上記改質器6の燃焼室には、上記燃料供給ライン11より分岐させた燃料ライン21を通して燃料12の一部を供給できるようにしてあり、該改質器6の燃焼室にて、上記アノード排気19中に残存する未反応の水素等の可燃成分や上記燃料12を、上記酸化ガス供給ライン18より分岐させた空気ライン22を通して供給される空気Aを用いて燃焼させることにより、改質器6における燃料12の水蒸気改質のための熱源とすることができるようにしてある。
The
上記改質器6の燃焼室から排出される燃焼排気23は、燃焼排気ライン24を通して上記蒸発器15及び燃料供給ライン11に設けてある予熱器14に順に導いて、上記燃焼排気23の廃熱を、水蒸気発生用熱源及び燃料予熱用熱源として利用するようにしてある。
The
一方、上記カソード2の出口側より排出されるカソード排気25は、カソード排気ライン26を通してドレンセパレータ27へ導いて、ドレンを分離除去した後、上記燃焼排気ライン24を経て導かれる燃焼排気23と合流させて総合排気28とした後、総合排気ライン29を通して外部へ放出させるようにしてある。なお、上記ドレンセパレータ27にて分離したドレンは、純水タンク30へ回収し、該純水タンク30より水供給ポンプ32付きの水供給ライン31を通して上記蒸発器15へ水蒸気発生用の水として供給するようにしたり、以下に述べる固体高分子型燃料電池1の電池冷却水33として再利用するようにしてある。
On the other hand, the
すなわち、上記固体高分子型燃料電池1の冷却部4の入口側に、上記純水タンク30を、冷却水ポンプ34、ラジエータ35を上流側より順に備えた冷却水ライン36を介し接続し、且つ上記冷却部4の出口側に一端を接続してある冷却水戻しライン37の他端を、上記純水タンク30へ接続する。これにより、上記固体高分子型燃料電池1の運転中に、上記純水タンク30より冷却水ライン36へ導かれる電池冷却水33を、冷却水ポンプ34の運転により、ラジエータ35を経て固体高分子型燃料電池1の冷却部4へ供給して、固体高分子型燃料電池1における燃料電池反応の生成熱と熱交換させて、電池温度を冷却(水冷)できるようにし、この電池温度の冷却に供された後に昇温されて排出される電池冷却水33を、冷却水戻しライン37を経て上記純水タンク30へ戻して循環させるようにしてある。
That is, the
更に、上記PEFC発電装置において、該発電装置の廃熱を給湯用熱源等として活用できるようにして、いわゆるコージェネレーションシステム化を図る場合は、たとえば、図10(ロ)に示す如く、上記固体高分子型燃料電池1のカソード排気25の保有する熱や、上記固体高分子型燃料電池1の水冷に供された後の電池冷却水33の保有する熱を、所要温度の温水39を生成させることにより回収するための以下のような温水回収装置38を付設するようにする。
Further, in the PEFC power generator, when the waste heat of the power generator can be used as a heat source for hot water supply and so on, so-called cogeneration system is realized, for example, as shown in FIG. The
すなわち、上記温水回収装置38は、カソード排気ライン26上におけるドレンセパレータ27よりも上流側位置にカソード排気25から熱回収するために設けたカソード排気用熱交換器40と、上記冷却水ライン36上の所要個所、たとえば、冷却水ポンプ34とラジエータ35との間に電池冷却水33から熱回収するために設けた電池冷却水用熱交換器41とを、保温性を備えた貯湯槽42の出口側と入口側との間に、図示しない循環温水ポンプを備えた温水回収ライン43を介して直列に接続した構成としてある。これにより、上記循環温水ポンプの運転時には、貯湯槽42内の温水39を、温水回収ライン43を経て上記カソード排気用熱交換器40へ循環供給することにより、カソード排気25と熱交換させて、上記循環する温水39を加熱し、更に、該温水39を、上記電池冷却水用熱交換器41へ循環供給して、上記固体高分子型燃料電池1の冷却部4にて電池温度の冷却に供された後に温排水となって冷却水ライン36を流れる電池冷却水33と熱交換させて、上記循環する温水39を更に加熱し、該各熱交換器40,41における加熱を繰返すことにより、上記温水39を所要温度まで加熱した状態で上記貯湯槽42へ貯留できるようにしてある。なお、44は上記貯湯槽42に貯留された温水39を所要の需要先へ供給(給湯)するための給湯ライン、又、45は上記貯湯槽42に水を補給するための上水ラインである。
That is, the hot
ところで、一般に、燃料電池を用いた発電装置においては、燃料電池へ供給するための水素を発生させるために燃料を水蒸気改質するようにしてあることが多いこと、又、燃料電池における電池反応は、水素と酸素との反応により水を生成する反応であること等に起因して、燃料電池へ供給するガスや、燃料電池から排気されるガスに多量の水蒸気が含まれていることが多い。このため、上記ような水蒸気を多量に含んだガスが流通ライン(配管)内を流れるときには、温度変化等が原因となってガス中の水蒸気が凝縮してドレンを発生することがある。 By the way, in general, in a power generation apparatus using a fuel cell, the fuel is often steam reformed to generate hydrogen to be supplied to the fuel cell. In many cases, the gas supplied to the fuel cell or the gas exhausted from the fuel cell contains a large amount of water vapor due to the reaction of generating water by the reaction of hydrogen and oxygen. For this reason, when a gas containing a large amount of water vapor as described above flows in the distribution line (pipe), the water vapor in the gas may condense due to a temperature change or the like to generate drainage.
このようにしてガスの流通ライン内でドレンが発生すると、ドレン発生部分では、該流通ラインにおける流路断面積が減じられたり、流通ラインが閉塞されて、該流通ラインにおけるガスの流通の妨げになる虞が懸念される。たとえば、燃料電池へ改質ガス(燃料ガス)を供給するための供給ライン内にドレンが発生して、改質ガス供給ライン内における流路断面積が減少したり、流路が閉塞されると、上記燃料電池に対する改質ガスの不安定供給につながる場合があり、このため、燃料電池の発電性能が影響を受ける等の不都合が生じる虞がある。そのために、ガスの流通ライン内に生じるドレンは、なるべく速やかに除去することが必要と考えられている(たとえば、特許文献1、特許文献2参照)。
When drain is generated in the gas distribution line in this way, the flow passage cross-sectional area in the distribution line is reduced or the distribution line is blocked in the drain generation portion, thereby obstructing the gas distribution in the distribution line. There is a concern that For example, when drain is generated in a supply line for supplying reformed gas (fuel gas) to the fuel cell, the cross-sectional area of the flow path in the reformed gas supply line decreases or the flow path is blocked. In some cases, the reformed gas may be unstablely supplied to the fuel cell, which may cause inconveniences such as the power generation performance of the fuel cell being affected. For this reason, it is considered that drain generated in the gas distribution line needs to be removed as quickly as possible (see, for example,
そのため、図10(イ)に示した如きPEFC発電装置や、図10(ロ)に示した如き温水回収装置38を具備したPEFC発電装置では、それぞれ二点鎖線で示す如く、たとえば、燃料処理装置5にて改質した改質ガス12aを加湿器9へ導くためのラインや、燃焼排気ライン24における予熱器14よりも下流側位置からドレン46を回収したり、更には、純水タンク30における余剰水をドレン46として回収して、それぞれ個別に、あるいは、適宜合流させて、ドレン排出管を通してPEFC発電装置の筐体(図示せず)の外部へ排出させるようにしている。
Therefore, in the PEFC power generation device as shown in FIG. 10 (a) and the PEFC power generation device provided with the hot
ところが、図10(イ)(ロ)に示した如きPEFC発電装置を、冬季や寒冷地等、氷点下となるような環境下で用いる場合には、PEFC発電装置の筐体外部に露出されているドレン排出管内で排出すべきドレン46が凍結する虞があり、このドレン46の凍結によりドレン排出管が閉塞されると、PEFC発電装置の運転に支障を来たす虞が惹起されるというのが実状である。又、PEFC発電装置の通常運転中には装置内部で熱が発生することに伴って上記のようなドレン排出管における凍結閉塞の問題が生じないような場合であっても、該PEFC発電装置の運転停止期間中には装置温度が低下してしまうため、この運転停止期間中にドレン排出管が凍結閉塞する虞があり、このようにして運転停止期間中にPEFC発電装置におけるドレン排出管の凍結閉塞が生じた場合には、該PEFC発電装置の次回起動する際に支障を来たす虞も懸念される。
However, when the PEFC power generator as shown in FIGS. 10A and 10B is used in an environment where the temperature is below freezing, such as in winter or in a cold region, the PEFC power generator is exposed outside the casing of the PEFC power generator. There is a possibility that the
なお、上記のようなドレン排出管の凍結閉塞による問題を回避するためには、ドレン排出管に配管ヒータを巻くことが一般的な対処方法として考えられる。 In order to avoid the above-described problem caused by the freezing and clogging of the drain discharge pipe, it is conceivable as a general countermeasure to wind a pipe heater around the drain discharge pipe.
しかし、ドレン排出管に配管ヒータを巻いた場合には、運転中の補機動力や起動時の起動エネルギーが増加するようになるため、PEFC発電装置としての性能や、図10(ロ)に示したように、温水回収装置を付設してコージェネレーションシステム化を図っている場合には、コージェネレーションシステム全体としての性能の低下につながるという問題が生じる。又、上記配管ヒータやその付属機器を別途用意しなければならず、機器の増加や制御ロジックの複雑化によりコストが嵩むという問題も懸念される。 However, when a pipe heater is wound around the drain discharge pipe, the auxiliary machine power during operation and the starting energy at the time of starting increase. Therefore, the performance as a PEFC power generator, as shown in FIG. As described above, in the case where a warm water recovery device is attached to achieve a cogeneration system, there arises a problem that the performance of the entire cogeneration system is reduced. In addition, the piping heater and its associated equipment must be prepared separately, and there is a concern that the cost increases due to an increase in equipment and complexity of the control logic.
そこで、本発明は、固体高分子型燃料電池発電装置の廃熱を利用してドレン排出管の加熱及び保温を行なうことができて、別途配管ヒータを用いることなくドレン排出管の凍結閉塞の問題を解消できる固体高分子型燃料電池発電装置におけるドレン排出管の凍結閉塞防止及び凍結閉塞解除方法並びに装置を提供しようとするものである。 Therefore, the present invention can heat and keep the drain discharge pipe using the waste heat of the polymer electrolyte fuel cell power generation device, and there is a problem of freeze clogging of the drain discharge pipe without using a separate pipe heater. It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for preventing freezing and clogging of a drain discharge pipe and a freezing and clogging release in a polymer electrolyte fuel cell power generator capable of eliminating the above-mentioned problem.
本発明は、上記課題を解決するために、固体高分子型燃料電池発電装置におけるドレン排出管の筐体外に突出する部分と該突出部分から筐体内側の所要長さ領域を、上記発電装置の廃熱により加熱及び保温する固体高分子型燃料電池発電装置におけるドレン排出管の凍結閉塞防止及び凍結閉塞解除方法、及び、固体高分子型燃料電池発電装置における筐体の所要位置に、上記発電装置における所要のドレン発生源にて発生したドレンを筐体外部へ排出させるためのドレン排出管を筐体外に突出させて設け、該ドレン排出管の筐体外へ突出する部分と該突出部分から筐体内側の所要長さ領域を収容する排気ダクトを、上記筐体の所要位置に内外方向に貫通させて設け、更に、上記排気ダクトとドレン排出管との間に上記発電装置の廃熱を導入させるようにした構成を有する固体高分子型燃料電池発電装置におけるドレン排出管の凍結閉塞防止及び凍結閉塞解除装置とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a portion of a drain discharge pipe in a polymer electrolyte fuel cell power generator that protrudes outside the casing and a required length region inside the casing from the protruding portion. Method for preventing freezing and clogging of drain discharge pipe in solid polymer fuel cell power generator heated and kept by waste heat, and freezing clogging release method, and above power generator at required position of casing in solid polymer fuel cell power generator A drain discharge pipe for discharging drain generated at a required drain generation source to the outside of the casing is provided to protrude outside the casing, and a portion of the drain discharge pipe that protrudes outside the casing, and the casing from the protruding portion An exhaust duct that accommodates the required inner length region is provided to penetrate the required position of the casing inward and outward, and the waste heat of the power generator is introduced between the exhaust duct and the drain discharge pipe. And freezing deoccluding and freeze unblocking apparatus of the drain discharge pipe in a solid polymer fuel cell power plant having a configuration in which the so that.
具体的には、上記構成におけるドレン排出管の筐体外に突出する部分と該突出部分から筐体内側の所要長さ領域を加熱及び保温するための固体高分子型燃料電池発電装置の廃熱として、上記発電装置における改質器の燃焼排気の保有する熱を用いるようにする方法、及び、固体高分子型燃料電池発電装置の廃熱として、該発電装置の改質器からの燃焼排気とし、該燃焼排気を導く燃焼排気ラインを排気ダクトに接続して、燃焼排気を排気ダクトとドレン排出管の間に導くようにした構成を有する装置とする。 Specifically, as the waste heat of the polymer electrolyte fuel cell power generator for heating and keeping the portion of the drain discharge pipe protruding outside the housing in the above configuration and the required length region inside the housing from the protruding portion The method of using the heat held in the combustion exhaust of the reformer in the power generator, and the waste heat of the polymer electrolyte fuel cell power generator as the combustion exhaust from the reformer of the power generator, A combustion exhaust line that guides the combustion exhaust is connected to an exhaust duct so that the combustion exhaust is guided between the exhaust duct and the drain discharge pipe.
又、上記構成において、ドレン排出管の加熱及び保温に供した後の燃焼排気を、固体高分子型燃料電池のカソード排気と混合してから外部へ放出させるようにする方法、及び、排気ダクトを、内筒と、該内筒よりも外端側を長くした外筒とからなる二重筒構造とし、上記内筒の内側にドレン排出管の筐体外に突出する部分と該突出部分から筐体内側の所要長さ領域を収容すると共に、上記内筒に燃焼排気ラインを接続し、更に、上記外筒と内筒との間にカソード排気を導くよう外筒にカソード排気ラインを接続するようにした構成を有する装置とする。 Further, in the above configuration, a method of discharging the combustion exhaust after having been used for heating and heat insulation of the drain discharge pipe to the outside after mixing with the cathode exhaust of the polymer electrolyte fuel cell, and an exhaust duct A double cylinder structure comprising an inner cylinder and an outer cylinder whose outer end side is longer than the inner cylinder, and a portion protruding outside the casing of the drain discharge pipe inside the inner cylinder and a casing from the protruding portion An internal length region is accommodated, a combustion exhaust line is connected to the inner cylinder, and a cathode exhaust line is connected to the outer cylinder to guide cathode exhaust between the outer cylinder and the inner cylinder. An apparatus having the above-described configuration is provided.
更に、固体高分子型燃料電池発電装置の廃熱として用いる燃焼排気を、温水回収装置における温水と熱交換させたものとする方法、及び、燃焼排気ラインにおける排気ダクトとの接続位置よりも上流側に、該燃焼排気ラインを流通する燃焼排気と、固体高分子型燃料電池発電装置の廃熱を熱回収して温水を生成させて貯湯槽に貯留するようにしてある温水回収装置における温水とを熱交換させるための熱交換器を設けるようにした構成を有する装置とする。 Further, the combustion exhaust used as the waste heat of the polymer electrolyte fuel cell power generator is heat exchanged with the hot water in the hot water recovery device, and the upstream side of the connection position with the exhaust duct in the combustion exhaust line In addition, the combustion exhaust gas flowing through the combustion exhaust line and the hot water in the hot water recovery device configured to recover the waste heat of the polymer electrolyte fuel cell power generation device and generate hot water to be stored in the hot water storage tank. The apparatus has a configuration in which a heat exchanger for heat exchange is provided.
更に又、ドレン排出管の筐体外に突出する部分と該突出部分から筐体内側の所要長さ領域を加熱及び保温するための固体高分子型燃料電池発電装置の廃熱として、固体高分子型燃料電池のカソード排気、又は、上記発電装置における改質器の燃焼排気と上記カソード排気を混合してなる総合排気の保有する熱を用いるようにする方法、及び、固体高分子型燃料電池発電装置の廃熱として、固体高分子型燃料電池のカソード排気とし、該カソード排気を導くカソード排気ラインを排気ダクトに接続して、カソード排気を排気ダクトとドレン排出管の間に導くようにするか、又は、上記発電装置の廃熱として、該発電装置の改質器の燃焼排気と上記カソード排気とを混合してなる総合排気とし、該総合排気を導く総合排気ラインを排気ダクトに接続して、総合排気を排気ダクトとドレン排出管との間に導くようにした構成を有する装置とする。 Furthermore, as a waste heat of a polymer electrolyte fuel cell power generator for heating and keeping a portion of a drain discharge pipe protruding outside the casing and a required length region inside the casing from the protruding portion, a solid polymer type Method of using the heat of cathode exhaust of a fuel cell, or the comprehensive exhaust obtained by mixing the combustion exhaust of the reformer in the power generator and the cathode exhaust, and the polymer electrolyte fuel cell power generator As waste heat of the solid polymer fuel cell cathode exhaust, and connecting the cathode exhaust line leading to the cathode exhaust to the exhaust duct, leading the cathode exhaust between the exhaust duct and the drain exhaust pipe, Alternatively, as the waste heat of the power generator, a comprehensive exhaust obtained by mixing the combustion exhaust of the reformer of the power generator and the cathode exhaust, and a general exhaust line that leads the comprehensive exhaust is connected to an exhaust duct. To, a device having a structure so as to guide between the total exhaust exhaust duct and the drain discharge pipe.
又、ドレン排出管の筐体外に突出する部分と該突出部分から筐体内側の所要長さ領域を加熱及び保温するための固体高分子型燃料電池発電装置の廃熱として、固体高分子型燃料電池発電装置の廃熱を熱回収して温水を生成させて貯湯槽に貯留するようにしてある温水回収装置における温水の保有する熱を用いるようにする方法、及び、固体高分子型燃料電池発電装置における所要のドレン発生源にて発生したドレンを筐体外部へ排出させるためのドレン排出管の先端付近に、上記発電装置の廃熱を熱回収して温水を生成させて貯湯槽に貯留するようにしてある温水回収装置における温水を流通させて上記ドレン排出管を加熱及び保温するための熱交換器を設けるようにした構成を有する装置とする。 Further, as a waste heat of a polymer electrolyte fuel cell power generator for heating and keeping a portion of a drain discharge pipe protruding outside the casing and a required length region inside the casing from the protruding portion, a solid polymer fuel A method of using the heat stored in the hot water recovery device in which the waste heat of the battery power generation device is recovered by heat to generate hot water and stored in a hot water storage tank, and solid polymer fuel cell power generation In the vicinity of the tip of the drain discharge pipe for discharging the drain generated at a required drain generation source in the apparatus to the outside of the housing, the waste heat of the power generation apparatus is recovered by heat to generate hot water and stored in the hot water storage tank. Thus, it is set as the apparatus which has the structure which distribute | circulated the warm water in a certain warm water collection | recovery apparatus, and provided the heat exchanger for heating and heat-retaining the said drain discharge pipe.
本発明によれば、以下の如き優れた効果を発揮する。
(1)固体高分子型燃料電池発電装置におけるドレン排出管の筐体外に突出する部分と該突出部分から筐体内側の所要長さ領域を、上記発電装置の廃熱により加熱及び保温する固体高分子型燃料電池発電装置におけるドレン排出管の凍結閉塞防止及び凍結閉塞解除方法並びに装置としてあるので、上記固体高分子型燃料電池発電装置を寒冷地等に設置する場合であっても、ドレン排出管を上記発電装置の廃熱により加熱及び保温して、該発電装置の運転中にドレン排出管の筐体外に突出する部分等に凍結が生じて閉塞される虞を未然に防止でき、又、長期間停止中に凍結したドレン排出管を起動時に加熱することで、凍結を融解させて凍結閉塞を解除することができて、固体高分子型燃料電池発電装置を安定して運転することが可能になる。上記ドレン排出管の加熱及び保温のための熱源としては、固体高分子型燃料電池発電装置の廃熱を利用するようにしてあるため、配管ヒータ等のドレン排出管加熱用の熱源となる機器類を別途設ける必要をなくすことができ、機器類の削減及び制御ロジックの簡易化を図ることができて、上記配管ヒータ等のドレン排出管加熱用機器類を装備する場合に比して、製造コストを削減することが可能となる。更に、配管ヒータ等を利用する場合に比してシステムの動力を減らすことができて、固体高分子型燃料電池発電装置の発電効率の向上化を図ることが可能となる。
(2)ドレン排出管の筐体外に突出する部分と該突出部分から筐体内側の所要長さ領域を加熱及び保温するための固体高分子型燃料電池発電装置の廃熱として、上記発電装置における改質器の燃焼排気の保有する熱を用いるようにする方法及び装置とすることにより、固体高分子型燃料電池発電装置の発電運転中には100℃以上の高温となる燃焼排気の保有熱を利用してドレン排出管の加熱及び保温を効率よく行って、該ドレン排出管の凍結閉塞の虞を未然に防止できる。一方、上記発電装置の起動のための暖気操作中においても、燃焼排気は固体高分子型燃料電池発電装置における他の排気に比して高い温度を保有しているため、固体高分子型燃料電池発電装置の運転停止期間中に上記ドレン排出管の筐体外へ突出する部分等にドレンの凍結が発生して該ドレン配管の閉塞が生じていたとしても、上記暖気操作期間中に効率よく融解させて、ドレン排出管の閉塞を解除させることができる。
(3)ドレン排出管の加熱及び保温に供した後の燃焼排気を、固体高分子型燃料電池のカソード排気と混合してから外部へ放出させるようにしたり、あるいは、上記における固体高分子型燃料電池発電装置の廃熱として用いる燃焼排気を、温水回収装置における温水と熱交換させたものとする方法及び装置とすることにより、固体高分子型燃料電池発電装置の発電運転中に100℃以上の高温排気となる燃焼排気の保有する熱を利用して上記ドレン排出管の加熱及び保温を行うときに、該ドレン排出管の加熱及び保温の前後何れかの段階で上記燃焼排気の有する温度をある程度低下させることができるため、上記燃焼排気が100℃以上の高温のまま外部へ放出されることを防止して、筐体外側の排気ダクトの先端部に人が近づくことができる様な状態で固体高分子型燃料電池発電装置の設置を行うことが可能になる。
(4)ドレン排出管の筐体外に突出する部分と該突出部分から筐体内側の所要長さ領域を加熱及び保温するための固体高分子型燃料電池発電装置の廃熱として、固体高分子型燃料電池のカソード排気、又は、上記発電装置における改質器の燃焼排気と上記カソード排気を混合してなる総合排気の保有する熱を用いるようにする方法及び装置とすることによっても、固体高分子型燃料電池発電装置の発電運転中にはドレン排出管の加熱及び保温を行うことができて、該ドレン排出管の凍結閉塞の虞を未然に防止でき、一方、上記発電装置の起動のための暖気操作中には、上記カソード排気や総合排気の保有する熱を利用して、固体高分子型燃料電池発電装置の運転停止期間中に上記ドレン排出管内で凍結していたドレンを融解させて、ドレン排出管の閉塞を解除させることができる。
(5)ドレン排出管の筐体外に突出する部分と該突出部分から筐体内側の所要長さ領域を加熱及び保温するための固体高分子型燃料電池発電装置の廃熱として、固体高分子型燃料電池発電装置の廃熱を熱回収して温水を生成させて貯湯槽に貯留するようにしてある温水回収装置における温水の保有する熱を用いるようにする方法及び装置とすることによっても、固体高分子型燃料電池発電装置の発電運転中にはドレン排出管の加熱及び保温を行うことができて、該ドレン排出管の凍結閉塞の虞を未然に防止でき、一方、上記発電装置の起動のための暖気操作中には、上記温水回収装置の貯湯槽に貯留される温水の保有する熱を利用して、固体高分子型燃料電池発電装置の運転停止期間中に上記ドレン排出管内で凍結していたドレンを融解させて、ドレン排出管の閉塞を解除させることができる。
According to the present invention, the following excellent effects are exhibited.
(1) In a solid polymer fuel cell power generation device, a portion of a drain discharge pipe protruding outside the housing and a required length region inside the housing from the protruding portion are heated and kept warm by waste heat of the power generation device. Since there is a freeze clogging prevention / freezing clogging prevention method and apparatus for a drain discharge pipe in a molecular fuel cell power generation apparatus, the drain discharge pipe can be used even when the polymer electrolyte fuel cell power generation apparatus is installed in a cold region or the like. Is heated and kept warm by the waste heat of the power generator, so that it is possible to prevent a portion of the drain discharge pipe protruding outside the casing from being frozen and blocked during operation of the power generator. By heating the drain discharge pipe that is frozen while the period is stopped at the time of start-up, the freeze can be thawed to release the freezing blockage, and the solid polymer fuel cell power generator can be operated stably. Become. Since the waste heat of the polymer electrolyte fuel cell power generation device is used as a heat source for heating and heat-retaining the drain discharge pipe, devices that serve as a heat source for heating the drain discharge pipe such as a pipe heater It is possible to reduce the number of devices and simplify the control logic, and to reduce the manufacturing cost compared to the case where equipment for heating the drain discharge pipe such as the piping heater is equipped. Can be reduced. Furthermore, the power of the system can be reduced as compared with the case where a pipe heater or the like is used, and the power generation efficiency of the polymer electrolyte fuel cell power generator can be improved.
(2) As a waste heat of a polymer electrolyte fuel cell power generator for heating and keeping a portion of a drain discharge pipe protruding outside the casing and a required length region inside the casing from the protruding portion, By using the method and apparatus that uses the heat held in the combustion exhaust of the reformer, the heat held in the combustion exhaust that becomes a high temperature of 100 ° C. or higher during the power generation operation of the polymer electrolyte fuel cell power generator The drain discharge pipe can be efficiently heated and kept warm by use, and the possibility of freezing and blocking of the drain discharge pipe can be prevented. On the other hand, even during the warming-up operation for starting the power generation device, the combustion exhaust gas has a higher temperature than other exhaust gases in the polymer electrolyte fuel cell power generation device. Even if the drain pipe freezes at the portion of the drain discharge pipe that protrudes outside the casing during the operation stop period of the power generator and the drain pipe is blocked, the drain pipe is efficiently melted during the warm-up operation period. Thus, the blockage of the drain discharge pipe can be released.
(3) Combustion exhaust after being subjected to heating and heat retention of the drain discharge pipe is mixed with cathode exhaust of the polymer electrolyte fuel cell and then discharged to the outside, or the polymer electrolyte fuel in the above By using a method and apparatus in which the combustion exhaust used as the waste heat of the battery power generation apparatus is heat exchanged with the hot water in the hot water recovery apparatus, the solid polymer fuel cell power generation apparatus has a temperature of 100 ° C. or higher during the power generation operation. When the drain exhaust pipe is heated and kept warm using the heat of the combustion exhaust that becomes high-temperature exhaust, the temperature of the combustion exhaust is set to some extent before or after the drain exhaust pipe is heated and kept warm. Therefore, it is possible to prevent the combustion exhaust from being discharged to the outside at a high temperature of 100 ° C. or higher, and to allow a person to approach the tip of the exhaust duct outside the housing. It is possible to perform the installation of a polymer electrolyte fuel cell power generation system in such a state.
(4) Solid polymer type as waste heat of a solid polymer type fuel cell power generator for heating and keeping a portion of a drain discharge pipe protruding outside the casing and a required length region inside the casing from the protruding portion A solid polymer can also be obtained by using a method and an apparatus for using the heat of cathode exhaust of a fuel cell or the comprehensive exhaust obtained by mixing the combustion exhaust of the reformer and the cathode exhaust of the power generator. During the power generation operation of the fuel cell power generator, the drain discharge pipe can be heated and kept warm, and the risk of freezing and clogging of the drain discharge pipe can be prevented. During the warm-up operation, using the heat held by the cathode exhaust and the general exhaust, the drain frozen in the drain discharge pipe during the shutdown period of the polymer electrolyte fuel cell power generation device is melted, Drainage Thereby releasing the blockage of the tube.
(5) Solid polymer type as waste heat of the polymer electrolyte fuel cell power generator for heating and keeping the portion of the drain discharge pipe protruding outside the casing and the required length region inside the casing from the protruding portion The solid heat can also be obtained by using a method and an apparatus for using the heat stored in the hot water recovery device in which the waste heat of the fuel cell power generator is recovered by heat to generate hot water and stored in the hot water storage tank. During the power generation operation of the polymer fuel cell power generator, the drain discharge pipe can be heated and kept warm to prevent the drain discharge pipe from being frozen and clogged. During the warming-up operation, the hot water stored in the hot water storage tank of the hot water recovery device is used to freeze in the drain discharge pipe during the shutdown period of the polymer electrolyte fuel cell power generation device. Melt the drain , It is possible to release the blockage of the drain discharge pipe.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1(イ)(ロ)及び図2(イ)(ロ)は本発明の固体高分子型燃料電池発電装置におけるドレン排出管の凍結閉塞防止及び凍結閉塞解除方法並びに装置の実施の一形態を示すもので、図10(イ)に示したと同様の構成としてあるPEFC発電装置の所要個所にて発生するドレン46を該PEFC発電装置の筐体47の外部へ導いて排出させるためのドレン排出管48の先端部(下流側端部)における筐体47外側へ突出する部分と、筐体47の内側にて上記突出部分に連なる所要の長さ領域とを、PEFC発電装置の廃熱である、固体高分子型燃料電池1のカソード排気25と、燃料処理装置5の改質器6の燃焼室(図示せず)より排出される燃焼排気23とを合流させてなる総合排気28の保有する熱によって加熱及び保温できるようにする。
1 (a) (b) and FIG. 2 (b) (b) show one embodiment of a method and an apparatus for preventing freezing clogging and releasing a frozen clogging of a drain discharge pipe in a polymer electrolyte fuel cell power generator of the present invention. A drain discharge pipe for guiding and discharging
具体的には、上記ドレン排出管48は、たとえば、図10(イ)に2点鎖線で示した如きPEFC発電装置内の種々のガス管路や純水タンク等、所要のドレン発生源49から回収するドレン46をまとめて排出できるような1本の配管とし、PEFC発電装置の運転中に、ドレン発生源49より該ドレン排出管48へ導かれるドレン46を、必要に応じて適宜筐体47の外部へ排出できるようにするために、上記ドレン排出管48における先端側で且つ筐体47の内側となる所要個所に、電磁弁等による遮断弁50を備えるようにしてある。
Specifically, the
更に、上記のようなドレン排出管48は、通常、発生したドレン46をその自重を利用して集めて排出側へ送ることができるようにするために、低位置に設けられることが多いということに鑑みて、筐体47の下部所要位置に、上記ドレン排出管48の断面積よりも大きな断面積を有する、たとえば、矩形断面形状の排気ダクト51を、内外方向に貫通するように設け、該排気ダクト51の内側、たとえば、中心部に、長手方向(軸心方向)に沿わせて上記ドレン排出管48の先端部における筐体47の外側へ突出する部分のすべてと、筐体47の内側にて該突出部分に連なる所要の長さ領域、たとえば、遮断弁50の直ぐ下流側位置よりも先端側の領域を、収容させるようにする。上記ドレン排出管48の先端部は、下向きに屈曲させると共に、該屈曲部48aの下端部を、上記排気ダクト51の下面板を貫通させて下方にやや突出させるよう配置して、貫通部分の外周を上記排気ダクト51の下面板に固定することにより、該ドレン排出管48の先端開口部48bが、上記排気ダクト51の途中位置の下側にて、筐体47外部に露出されるようにする。更に、上記排気ダクト51の筐体47内側の端部には、総合排気ライン29の下流側端部を連通接続するようにする。これにより、上記ドレン排出管48における遮断弁50の直ぐ下流側位置より先端開口部48aの近傍位置までの外周面が、総合排気ライン29より上記排気ダクト51内へ導かれた後、該排気ダクト51を通して筐体47外部へ排出される総合排気28と接する(総合排気28に曝露される)ようにしてある。
Further, the
以上の構成としてある本発明の固体高分子型燃料電池発電装置におけるドレン排出管の凍結閉塞防止及び凍結閉塞解除装置を使用する場合、PEFC発電装置の発電運転(通常運転)時における総合排気28の温度は、図3に線cで示す如く、85℃〜130℃程度となる燃焼排気23(線a)と、25℃〜65℃程度となるカソード排気25(線b)とが混合されることにより30℃〜85℃程度とされている。
In the polymer electrolyte fuel cell power generation device of the present invention having the above-described configuration, when the freeze clogging prevention and freezing clogging release device of the drain discharge pipe is used, the
したがって、上記排気ダクト51内においては、ドレン排出管48の先端部における遮断弁50の直ぐ下流側位置より先端開口部48aの近傍位置に至る部分の外側を、上記30℃〜85℃程度の総合排気28が流通するようになるため、上記ドレン排出管48の先端部における遮断弁50の直ぐ下流側位置より先端開口部48aの近傍位置に至る部分を、上記総合排気28との熱交換により加熱することができる。これにより、たとえ、筐体47の外部雰囲気が氷点下であっても、上記ドレン排出管48の先端部を、常時25℃以上程度に保温することができるようになることから、該ドレン排出管48の先端部にてドレン46が凍結する虞を解消できて、該ドレン排出管48が、PEFC発電装置の発電運転中に凍結閉塞される虞を未然に防止できる。
Therefore, in the
一方、PEFC発電装置の運転を停止している期間中には、排気ダクト51における総合排気28の流通が停止されるため、上記ドレン排出管48の先端部にてドレン46の凍結が生じてしまう虞はある。しかし、PEFC発電装置を起動させるための暖気操作には、通常、約1時間程度の時間を要するものであると共に、この暖気操作期間中、総合排気28は、図3に示す如く、約25℃となっている。したがって、PEFC発電装置の暖気操作時には、上記排気ダクト51内において、ドレン排出管48の先端部を、約25℃の総合排気28との熱交換により加熱し続けることができるようになるため、後述する実施例の結果から明らかなように、この総合排気28との熱交換により、上記ドレン排出管48内にて凍結していたドレン46を、上記暖気操作期間中に融解させることができる。よって、上記PEFC発電装置を暖気した後、発電運転に移行する際には、上記ドレン排出管48内の凍結閉塞を解除(解消)させることができる。
On the other hand, during the period when the operation of the PEFC power generation apparatus is stopped, the flow of the
このように、本発明の固体高分子型燃料電池発電装置におけるドレン排出管の凍結閉塞防止及び凍結閉塞解除方法並びに装置によれば、PEFC発電装置のドレン排出管48を、該PEFC発電装置の廃熱である総合排気28の保有熱により加熱及び保温できて、PEFC発電装置の運転中にドレン排出管48が凍結されて閉塞する虞を未然に防止できると共に、たとえ、運転停止期間中にドレン排出管48が凍結閉塞されたとしても、PEFC発電装置を起動するための暖気操作期間中に、該ドレン排出管48の閉塞を解除して流路を開放することができて、PEFC発電装置を安定して運転することができる。
Thus, according to the method and apparatus for preventing freezing and clogging of the drain discharge pipe in the polymer electrolyte fuel cell power generation device of the present invention, the
又、ドレン排出管48の加熱及び保温のための熱源としては、PEFC発電装置の廃熱の1つである総合排気28の保有熱を利用するようにしてあるため、配管ヒータ等のドレン排出管48加熱用の熱源となる機器類を別途設ける必要をなくすことができ、機器類の削減及び制御ロジックの簡易化を図ることができて、上記配管ヒータ等のドレン排出管加熱用機器類を装備する場合に比して、製造コストを削減することが可能となる。
Also, as the heat source for heating and keeping the
しかも、ドレン排出管48の加熱及び保温のための熱源として、PEFC発電装置の低位廃熱を利用するようにしてあるため、配管ヒータ等を利用する場合に比してシステムの動力を減らすことができて、PEFC発電装置の発電効率の向上化を図ることが可能となる。
Moreover, since the lower waste heat of the PEFC power generator is used as a heat source for heating and keeping the
上記実施の形態においては、ドレン排出管48の先端部における遮断弁50の直ぐ下流側位置より先端開口部48aの近傍位置に至る部分を、排気ダクト51内に収容するようにしてあるが、上記遮断弁50が、上記排気ダクト51を流通する総合排気28の温度条件や雰囲気条件に耐え得る性能のものとしてある場合には、図4に示す如く、上記ドレン排出管48における上記遮断弁50の取付個所をも、上記排気ダクト51の内側に収容させるようにしてもよい。更には、ドレン排出管48や排気ダクト51やその他の筐体47内部の配管の取り合いに無理が生じたり、施工性の許す限り、上記ドレン排出管48における遮断弁50よりもできるだけ上流側位置までの範囲を、排気ダクト51内に収容させるようにしてもよい。このようにすれば、ドレン排出管48の先端部における、総合排気28により加熱及び保温できる領域をより上流側へ延長することができて、ドレン排出管48の加熱及び保温をより効果的に行うことが可能となる。
In the above-described embodiment, a portion from the position immediately downstream of the
更に、ドレン排出管48の排気ダクト51内に収容された部分と、上記排気ダクト51内を流通する総合排気28との熱交換効率を高めて上記ドレン配管48の加熱及び保温効果を向上させるために、図5(イ)(ロ)に示す如く、ドレン排出管48の外周面に、たとえば、放射方向に突出するプレート状の伝熱フィン52を設けて、上記排気ダクト51内を流通する総合排気28からの受熱面積を拡大させるようにしてもよい。
Furthermore, in order to increase the heat exchange efficiency between the portion of the
更に又、上記実施の形態においては、ドレン排出管48はすべてドレン46をまとめて排出する1本の配管として示したが、図1(イ)(ロ)及び図2(イ)(ロ)に示した実施の形態と同様に、筐体47の下部位置に設けてある1つの排気ダクト51内に、図示してはいないが、PEFC発電装置における複数のドレン発生源49に個別に接続してある複数本のドレン排出管48の先端部を、まとめて収容させるようにしてもよい。この場合にも、各ドレン排出管48の先端部にて凍結閉塞が生じる虞を未然に防止することが可能となる。又、たとえ、運転停止期間中に各ドレン排出管48に凍結閉塞が生じても、暖気操作期間中に該各ドレン排出管48の凍結を融解させて閉塞を解除することが可能となる。
Furthermore, in the above embodiment, the
次に、図6(イ)(ロ)は本発明の実施の他の形態を示すもので、図1(イ)(ロ)及び図2(イ)(ロ)に示したと同様の構成において、ドレン排出管48の加熱及び保温用の熱源として、総合排気28の保有する熱を利用することに代えて、PEFC発電装置の廃熱の1つである、燃料処理装置5の改質器6の燃焼室より排出される燃焼排気23の保有する熱を、ドレン排出管48の加熱及び保温用の熱源として利用するようにしたものである。
Next, FIGS. 6 (a) and (b) show another embodiment of the present invention, and in the same configuration as shown in FIGS. 1 (a) and (b) and FIGS. 2 (a) and (b), As a heat source for heating and keeping the
すなわち、図3に示した如く、PEFC発電装置の発電運転中及び暖気操作期間のいずれにおいても、線aで示す燃焼排気23の温度は、線cで示す総合排気28の温度に比して高温となっていることに鑑みて、本実施の形態では、ドレン排出管48の先端部の外周面を、総合排気28に比してより温度の高い燃焼排気23に接するようにさせることにより、該ドレン排出管48の先端部の加熱及び保温の効率を向上させることができるようにする。
That is, as shown in FIG. 3, the temperature of the
更に、図3より明らかなように、上記燃焼排気23は、PEFC発電装置の暖気操作期間中にはほぼ80℃以下となるため比較的低温であるが、PEFC発電装置の発電運転時には、100℃を越える高温となる。このため、本実施の形態では、上記ドレン排出管48の加熱及び保温に供した後にも高温を有する燃焼排気23が、ドレン排出管48の配置に対応させて筐体47の下部所要位置に設けてある排気ダクトを通してそのまま外部へ放出されることを回避できるように、上記ドレン排出管48の加熱及び保温に供した後の燃焼排気23を、カソード排気25と混合させて温度の低下した総合排気28としてから外部へ放出させることができるようにしてある。
Further, as apparent from FIG. 3, the
具体的には、図1(イ)(ロ)及び図2(イ)(ロ)に示したと同様の構成における筐体47の下部所要位置に内外方向に貫通させて設ける排気ダクトを、図1(イ)(ロ)及び図2(イ)(ロ)に示した排気ダクト51と同様に、矩形断面形状とし且つ上記ドレン排出管48の先端部における筐体47外部に突出する部分を含んだ遮断弁50の直ぐ下流側位置よりも先端側の領域を全長に亘って収容する内筒53aと、該内筒53aの外周に配した外筒53bとからなる二重筒構造とし、更に、筐体47外部における上記外筒53bの先端部を、内筒53aの先端部よりも所要寸法突出させてなる構成の排気ダクト53とする。該排気ダクト53における筐体47内側の内筒53aの基端部には、燃焼排気ライン24の下流側端部を連通接続し、又、上記外筒53bの基端部には、ドレンセパレータ27を経た後のカソード排気ライン26の下流側端部を接続する。これにより、上記内筒53a内に、燃焼排気ライン24より導いた燃焼排気23を、又、内筒53aと外筒53bとの間の筒間流路54に、カソード排気ライン26より導いたカソード排気25を、それぞれ筐体47外部側へ向けて流通させることができるようにしてあり、更に、上記内筒53aよりも突出している外筒53bの先端部の内側にて、上記内筒53a内を通過した後の燃焼排気23と、上記筒間流路54を通して導かれたカソード排気25とを混合させて、この混合により生じる総合排気28を、上記外筒53bの先端より外部へ排出させることができるようにしてある。
Specifically, an exhaust duct provided in the inner and outer direction at a lower required position of the
上記ドレン排出管48の先端部は、下方に屈曲させた屈曲部48aを、上記排気ダクト53における内筒53a及び外筒53bの下面板を順次貫通させて該外筒53bの下面板の下方にやや突出するよう配置させることにより、上記ドレン排出管48の先端開口部48bが、上記ドレン排出管53の途中位置の下側にて、筐体47外部へ露出されるようにしてある。その他の構成は図1(イ)(ロ)及び図2(イ)(ロ)に示したものと同様であり、同一のものには同一符号が付してある。
The leading end of the
本実施の形態によれば、PEFC発電装置の発電運転時には、ドレン排出管48を、上述したように100℃以上の高温となる燃焼排気23によってより効率よく加熱及び保温することができて、ドレン排出管48に凍結閉塞が発生する虞を未然に防止できる。又、PEFC発電装置の暖気操作中には、図3に示した如く、38℃程度となる燃焼排気23により、PEFC発電装置の運転停止期間中にドレン排出管48内で凍結したドレン46を、より効率よく融解させることが可能となるため、後述する実施例の結果から明らかなように、暖機運転期間中にドレン排出管48の閉塞をより効率よく解除させることができる。
According to the present embodiment, during the power generation operation of the PEFC power generator, the
しかも、上記PEFC発電装置の運転中に100℃以上の高温となる燃焼排気23が、上記ドレン排出管48の加熱及び保温に供した後にも高温を有しているとしても、排気ダクト53の先端部にて、カソード排気25と混合して温度を低下させてなる総合排気28としてから外部へ放出させることができるようにしてあるため、たとえば、PEFC発電装置に容易に人が近づくことができるような設置状況としてある場合においても、上記排気ダクト53より高温の燃焼排気23が排気されて人が火傷を被る等の問題が生じる虞を未然に防止することが可能となる。
Moreover, even if the
なお、たとえば、排気ダクトの先端部に人が容易に近づけないようにPEFC発電装置の周囲に囲いが設けてあったり、ドレン排出管48の加熱及び保温に供した後の燃焼排気23を、PEFC発電装置の上部等の人が容易に近づけない位置まで導いてから外部へ放出させるようにする等の対策を別途図るようにしてある場合には、上記二重筒構造としてある排気ダクト53に代えて、図1(イ)(ロ)及び図2(イ)(ロ)に示したと同様の、単筒構造の排気ダクト51内にドレン排出管48の先端部を収容させた構成として、該排気ダクト51内に燃焼排気ライン24より導いた燃焼排気23を流通させて、ドレン排出管48の加熱及び保温を行わせるようにしてもよい。
In addition, for example, an enclosure is provided around the PEFC power generation device so that a person cannot easily approach the tip of the exhaust duct, or the
次いで、図7(イ)(ロ)は本発明の実施の更に他の形態を示すもので、図6(イ)(ロ)に示したと同様に、ドレン排出管48を加熱及び保温するための熱源として、燃料処理装置5の改質器6の燃焼排気23の保有する熱を利用するようにしてある構成において、PEFC発電装置の発電運転時に、100℃を越える高温排気となる上記燃焼排気23が、上記ドレン排出管48の加熱及び保温に供した後、高温のまま外部へ放出されることを回避できるようにするために、上記燃焼排気23をカソード排気25と混合させて温度の低下した総合排気28とさせてから外部へ放出させるようにすることに代えて、上記燃焼排気23を、PEFC発電装置に付設して該PEFC発電装置の廃熱を回収して所要温度の温水34を生成させるようにしてある温水回収装置38の温水39と熱交換させることにより、所要温度まで温度低下させることができるようにしたものである。
Next, FIGS. 7A and 7B show still another embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 6A and 6B, the
すなわち、図1(イ)(ロ)及び図2(イ)(ロ)に示したと同様に、筐体47の下部所要位置に、排気ダクト51を、内外方向に貫通するように設け、該排気ダクト51の中心部に、ドレン排出管48の先端部における筐体47外側へ突出する部分と、筐体47の内側に設けてある遮断弁50の直ぐ下流側位置よりも先端側の領域を収容させるようにする。
That is, as shown in FIGS. 1A and 1B and FIGS. 2A and 2B, an
更に、本実施の形態では、PEFC発電装置を、コージェネレーションシステム化を図るための温水回収装置38、すなわち、図10(ロ)に示したと同様に、貯湯槽42の出口側と入口側との間に、カソード排気ライン26上のカソード排気用熱交換器40と、冷却水ライン36上の電池冷却水用熱交換器41とを、温水循環ポンプ(図示せず)を備えた温水回収ライン43を介して直列に接続してなる温水回収装置38を付設してなる構成として、上記温水回収ライン43における所要個所、たとえば、上記電池冷却水用熱交換器41と貯湯槽42との間の温水回収ライン43上に、該温水回収ライン43を流通する温水39と燃焼排気23とを熱交換させるための燃焼排気用熱交換器55を設けて、燃焼排気ライン24の下流側端部を、上記燃焼排気熱回収用熱交換器55を経由させて上記排気ダクト51の筐体47内側の基端部に接続した構成とする。
Furthermore, in the present embodiment, the PEFC power generation device is connected to the hot
なお、この場合、カソード排気25は、燃焼排気23と混合させた総合排気28としてではなく、カソード排気25単独で外部へ放出させるようにする。このために、カソード排気ライン26は、ドレンセパレータ27を経た後、たとえば、筐体47の上部所要位置まで達するよう適宜配設して、カソード排気25を筐体47の上部所要位置から外部へ放出させるようにしてある。その他の構成は図1(イ)(ロ)及び図2(イ)(ロ)に示したものと同様であり、同一のものには同一符号が付してある。
In this case, the
以上の構成としてある本実施の形態の固体高分子型燃料電池発電装置におけるドレン排出管の凍結閉塞防止及び凍結閉塞解除装置を使用する場合は、先ず、PEFC発電装置の発電運転(通常運転)時には、上記温水回収装置38の温水循環ポンプを運転して温水回収ライン43にて温水39を循環させるようにしておく。これにより、前述したようにPEFC発電装置の発電運転時に100℃以上の高温となっている燃焼排気23は、燃焼排気ライン24を通して上記温水回収ライン43上の燃焼排気用熱交換器55に導かれた時点で、該温水回収ライン43を循環している温水39と熱交換されて、100℃以下程度の所要温度まで引き下げられるようになる。その後、上記所要温度まで温度低下した燃焼排気23を、上記排気ダクト51へ導くことにより、該排気ダクト51内に収容してあるドレン排出管48の先端部を、上記燃焼排気23に残存している熱により、少なくとも25℃以上程度に加熱及び保温することができるようになるため、該ドレン排出管48が凍結閉塞する虞を未然に防止することができる。この際、上記温水回収装置38においては、燃焼排気用熱交換器55に温水回収ライン43を通して循環供給される温水39を、上記高温の燃焼排気23によって加熱することができて、温水回収効率を向上させることができるようになるため、上記温水回収装置38を付設してなるPEFC発電装置のコージェネレーションシステムとしての効率の向上化を図ることが可能になる。
When using the freeze blockage prevention and freeze blockage release device of the drain discharge pipe in the polymer electrolyte fuel cell power generation device of the present embodiment having the above-described configuration, first, during the power generation operation (normal operation) of the PEFC power generation device Then, the hot water circulation pump of the hot
一方、PEFC発電装置を起動させるときには、上記温水回収装置38の温水循環ポンプの運転を停止したままPEFC発電装置の暖気操作を行うようにする。このように、上記燃焼排気用熱交換器55への温水39の循環供給を停止した状態のまま暖気操作を行うと、暖気操作時に38℃程度となっている上記燃焼排気23を、上記燃焼排気用熱交換器55における温水39との熱交換をほとんど生じさせることなく、そのまま排気ダクト へ導いて、図6(イ)(ロ)に示した実施の形態と同様に、ドレン排出管48の加熱に供することができるようになることから、PEFC発電装置の運転停止期間中にドレン排出管48内にてドレン46の凍結が生じていたとしても、PEFC発電装置の暖気操作期間中に効率よく融解させて、該ドレン排出管48の閉塞を解除させることができる。
On the other hand, when the PEFC power generator is activated, the warm-up operation of the PEFC power generator is performed while the operation of the hot water circulation pump of the hot
図8(イ)(ロ)は本発明の実施の更に他の形態を示すもので、図1(イ)(ロ)及び図2(イ)(ロ)に示したと同様の構成において、ドレン排出管48の加熱及び保温用の熱源として、総合排気28の保有する熱を利用することに代えて、PEFC発電装置の廃熱の1つである、固体高分子型燃料電池1のカソード2より排出されるカソード排気25の保有する熱を利用することができるようにしたもので、以下のような構成としてある。
FIGS. 8 (a) and (b) show still another embodiment of the present invention. In the same configuration as shown in FIGS. 1 (a) and (b) and FIGS. Instead of using the heat held by the
すなわち、図1(イ)(ロ)及び図2(イ)(ロ)に示したと同様の構成において、排気ダクト51の筐体47内側の端部に、総合排気ライン29に代えて、カソード排気ライン26の下流側端部を接続するようにした構成としてある。
That is, in the same configuration as shown in FIGS. 1A and 1B and FIGS. 2A and 2B, the
なお、この場合、燃焼排気23は、カソード排気25と混合してなる総合排気28としてではなく、燃焼排気23単独で外部に放出させるようにする。このために、燃焼排気ライン24は、たとえば、筐体47の上部所要位置に達するように適宜配設して、燃焼排気23を筐体47の上部所要位置から外部へ放出させるようにしてある。その他の構成は図1(イ)(ロ)及び図2(イ)(ロ)に示したものと同様であり、同一のものには同一符号が付してある。
In this case, the
本実施の形態によれば、図3に示す如く、カソード排気25は、発電運転時及び暖気操作中のいずれの場合においても、総合排気28よりも温度は低いが、発電運転時には25℃〜60℃程度の温度を有しているため、ドレン排出管48の先端部を25℃以上程度に加熱及び保温できて、凍結閉塞が生じる虞を未然に防止できる。一方、暖気操作中にも上記カソード排気25は約20℃の温度を有しているため、後述する実施例の結果より明らかなように、暖気操作期間中にドレン排出管48内で凍結しているドレン46を融解させることができて、ドレン排出管48の閉塞を解除させることができる。
According to the present embodiment, as shown in FIG. 3, the
更に、図9(イ)(ロ)は本発明の実施の更に他の形態を示すもので、ドレン排出管48の加熱及び保温用の熱源として、PEFC発電装置のコージェネレーションシステム化を図るべく付設される温水回収装置38にて上記発電装置の廃熱の回収により発生させて貯湯槽42に貯留してある温水39の保有する熱を利用するようにしたもので、以下のような構成としてある。
Further, FIGS. 9 (a) and 9 (b) show still another embodiment of the present invention, which is provided as a heat source for heating and keeping the
すなわち、図10(ロ)に示した温水回収装置38を付設してなるPEFC発電装置と同様の構成において、図1(イ)(ロ)及び図2(イ)(ロ)に示した実施の形態と同様に、筐体47の下部所要位置に、所要のドレン発生源49よりドレン46を導いて筐体47外部へ排出させるための遮断弁50付きのドレン排出管48を設けると共に、該ドレン排出管48における遮断弁50よりも下流側で且つ筐体47内となる位置の外周に、熱交換器としての温水ジャケット56を設ける。該温水ジャケット56には、上記温水回収装置38における温水回収ライン43の何れかの個所、たとえば、貯湯槽42とカソード排気用熱交換器40との間に位置する温水回収ライン43を経由させるように接続して、上記温水ジャケット56が、貯湯槽42の出口側に接続された一段目の熱交換器となるようにする。
That is, in the configuration similar to that of the PEFC power generation apparatus provided with the hot
その他、図1(イ)(ロ)及び図2(イ)(ロ)並びに図10(ロ)に示したものと同一のものには同一符号が付してある。 In addition, the same components as those shown in FIGS. 1A, 1B, 2A, 2B, and 10B are denoted by the same reference numerals.
以上の構成としてある本実施の形態の固体高分子型燃料電池発電装置におけるドレン排出管の凍結閉塞防止及び凍結閉塞解除装置を使用する場合、先ず、PEFC発電装置の発電運転(通常運転)時には、上記温水回収装置38の温水循環ポンプを運転状態とすると、図10(ロ)に示したものと同様に、該温水回収装置38における温水回収ライン43を介して貯湯槽42、カソード排気用熱交換器40及び電池冷却水用熱交換器41を経て循環しながらカソード排気25及び固体高分子型燃料電池1の電池温度の冷却に供された後に温排水となる電池冷却水33との熱交換により所要温度に加熱される温水39を、上記循環の途中で上記ドレン排出管48に設置してある温水ジャケット56に導入して、該ドレン排出管48を加熱及び保温することができる。この際、上記温水39は、燃焼排気23、カソード排気25、総合排気28のようなガスに比して比熱(熱容量)が大幅に大きいため、筐体47外部に位置している上記ドレン排出管48の先端部までを熱伝導により加熱及び保温することができ、これにより、該ドレン排出管48に凍結閉塞が発生する虞を未然に防止できる。
When using the freeze blockage prevention and freeze blockage release device of the drain discharge pipe in the polymer electrolyte fuel cell power generation device of the present embodiment having the above configuration, first, during the power generation operation (normal operation) of the PEFC power generation device, When the hot water circulation pump of the hot
一方、PEFC発電装置の起動時には、上記貯湯槽42に以前のPEFC発電装置の発電運転時に廃熱を回収することにより所要温度に加熱された温水39が貯留されている状態で温水回収装置38の温水循環ポンプを運転すると、上記貯湯槽42内に貯留されていた所要温度の温水39がドレン排出管48に取り付けてある温水ジャケット56に供給されるようになることから、ドレン排出管48を温水39の保有する熱により直接加熱することができ、この場合にも、上記と同様に、筐体47外部に位置している上記ドレン排出管48の先端部までを熱伝導により加熱して、上記ドレン排出管48内にて凍結しているドレン46を、暖気操作期間中に融解させて、閉塞を解除させることができる。
On the other hand, when the PEFC power generator is started, the hot
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、図1(イ)(ロ)及び図2(イ)(ロ)の実施の形態、図6(イ)(ロ)の実施の形態、図8(イ)(ロ)の実施の形態において、図10(ロ)に示したと同様に、PEFC発電装置の廃熱を回収して温水を生成させる温水回収装置38を付設してコージェネレーションシステム化を図るようにしてもよい。
Note that the present invention is not limited to the above embodiment, but the embodiment shown in FIGS. 1A and 1B and FIGS. 2A and 2B and the implementation shown in FIGS. 6A and 6B. In the embodiment shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b), a hot
図5(イ)(ロ)の実施の形態におけるドレン排出管48の外周面に設ける伝熱フィンの形状や枚数は、排気ダクト51内におけるガスの流通を阻害しなければ、適宜変更してもよい。又、図6(イ)(ロ)、図7(イ)(ロ)、図8(イ)(ロ)の各実施の形態におけるドレン排出管48に、図5(イ)(ロ)に示したと同様の伝熱フィンを設けるようにしてもよい。更に、図6(イ)(ロ)、図7(イ)(ロ)、図8(イ)(ロ)の各実施の形態における排気ダクト51,53を、図4に示したと同様に、ドレン排出管48における遮断弁50よりも上流側へ延長させて設けるようにしてもよい。
The shape and the number of heat transfer fins provided on the outer peripheral surface of the
図9(イ)(ロ)の実施の形態における温水回収装置38の温水回収ライン43を流れる温水39によりドレン排出管48を加熱及び保温するための熱交換器としては、温水ジャケット56を示したが、上記温水39によりドレン排出管48を加熱及び保温できれば、いかなる形式の熱交換器を用いるようにしてもよい。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
A
以下、本発明者等の行った本発明の有効性を解析により検証した結果について説明する。 Hereinafter, the results obtained by analyzing the effectiveness of the present invention performed by the present inventors will be described.
ドレン排出管48を外径6mm、内径4mm、長さ50mmの円筒鋼管とし、このドレン排出管48内の全域に亘りドレン46が凍結しているとすると、その融解には、1.4kJ程度の熱量が必要になる。
If the
これに対し、PEFC発電装置の起動時(暖気操作時)には、表1に示す如く、燃焼排気23の温度は38℃程度であり、総合排気28の温度は25℃程度、カソード排気25の温度は20度程度となっている。又、上記各排気23,28,25の流量は、それぞれ600L(Normal)/min、150L(Normal)/min、450L(Normal)/minとなっている。
したがって、ドレン排出管48を加熱するための熱源として、上記燃焼排気23、総合排気28、カソード排気25の保有する熱を利用する場合であっても、PEFC発電装置の起動に際して1時間程度の時間を要する暖気操作中に、上記ドレン排出管48内で凍結しているドレン46を融解させることができて、該ドレン排出管48の閉塞を解除できることが判明した。
Therefore, even when the heat stored in the
1 固体高分子型燃料電池
5 燃料処理装置
6 改質器
23 燃焼排気
24 燃焼排気ライン
25 カソード排気
26 カソード排気ライン
28 総合排気
29 総合排気ライン
38 温水回収装置
39 温水
42 貯湯槽
47 筐体
48 ドレン排出管
49 ドレン発生源
51 排気ダクト
53 排気ダクト
53a 内筒
53b 外筒
55 燃焼排気用熱交換器(熱交換器)
56 温水ジャケット(熱交換器)
DESCRIPTION OF
56 Hot water jacket (heat exchanger)
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