燃料电池发电装置及其运转方法与流程

燃料电池发电装置及其运转方法
1.相关申请
2.本技术以日本专利申请第2020
‑
067648号(申请日：2020年4月3日)为基础申请并享受优先权。本技术通过参照该基础申请而包含基础申请的全部内容。
技术领域
3.本发明的实施方式涉及燃料电池发电装置及其运转方法。


背景技术：

4.在燃料电池发电装置中，为了进行燃料电池等的冷却而使用离子交换水作为冷却水。作为用于对冷却水的水质进行管理的水质管理设备，例如可列举填充了阳离子交换树脂及阴离子交换树脂的离子交换树脂瓶。
5.上述离子交换树脂具有在高温下分解的性质。如果上述离子交换树脂分解，则冷却水的水质管理变得不充分。因此，考虑定期交换离子交换树脂瓶的方法。
6.可是，离子交换树脂瓶通常通过大气进行冷却，因此例如在大气温度高的夏季，在到达交换时期之前离子交换树脂瓶呈高温状态的可能性高。


技术实现要素：

7.本发明要解决的课题是，提供一种可在高温下长时间使用离子交换树脂的燃料电池发电装置及其运转方法。
8.一个实施方式涉及的燃料电池发电装置具备：燃料电池主体，其具有供给含氧气体的阴极、供给含氢气体的阳极、和供给对通过含氧气体和含氢气体的反应而产生的热进行冷却的冷却水的冷却部；水槽，其储存冷却水；离子交换树脂瓶，其填充有离子交换树脂；泵，其使冷却水在水槽与离子交换树脂瓶之间循环；循环鼓风机，其对从阳极排放的气体进行升压；和第1配管，其用于连接循环鼓风机和冷却水的循环流路。
附图说明
9.图1是第1实施方式涉及的燃料电池发电装置的方框图。
10.图2是第2实施方式涉及的燃料电池发电装置的方框图。
11.图3是表示第3实施方式涉及的燃料电池发电装置的构成例的方框图。
12.图4是表示第4实施方式涉及的燃料电池发电装置的构成例的方框图。
13.图5是表示第5实施方式涉及的燃料电池发电装置的构成例的方框图。
14.图6是表示第6实施方式涉及的燃料电池发电装置的构成例的方框图。
具体实施方式
15.以下，参照附图对本发明的实施方式涉及的燃料电池发电装置详细地进行说明。
16.另外，以下所示的实施方式为本发明的实施方式的一个例子，不能解释为本发明
限定于这些实施方式。此外，在本实施方式中参照的附图中，对于同一部分或具有同样的功能的部分标记同一符号或类似的符号，有时将其重复的说明省略。此外，有时附图的尺寸比率为了方便说明而与实际的比率不同，有时将构成的一部分从附图中省略。
17.燃料电池发电装置是将氢在燃料电池主体部中直接转换成电能的系统。该系统因是利用化学反应的发电，而被评价为发电效率高、污染物质的排放及噪音少、环境性优异的发电装置。
18.(第1实施方式)
19.图1是表示第1实施方式涉及的燃料电池发电装置的构成例的方框图。在图1所示的燃料电池发电装置中，燃料电池主体1采用空气等含氧气体1a和含氢气体1b进行发电。燃料电池主体1具有阴极1c、阳极1d、冷却部1e和未图示的离子传导层。
20.在阴极1c供给含氧气体1a，在阳极1d供给含氢气体1b。冷却部1e通过制冷剂1f例如冷却水，对通过经由离子传导层进行的含氧气体1a和含氢气体1b的反应而产生的反应热进行冷却。构成离子传导层的物质例如为阳离子交换树脂、酸性溶液、碱性溶液、熔融碳酸盐、氧化锆系陶瓷等。
21.从阴极1c的出口排放的气体通过燃料电池主体1的发电而消耗氧，使氧浓度下降。该气体在导入水槽2中，将来自气体的冷凝水回收至水槽2中后被排放。因而，水槽2的气相在运转中被与空气等含氧气体1a相比氧浓度低的气体净化。
22.从冷却部1e排放的冷却水在热交换器5中被热交换。然后，冷却水通过泵6被排放至水槽2中。热交换器5可以设在泵6的下游，也可以设在水槽2的上游。此外，可将储存在水槽2中的水的一部分作为制冷剂1f再次供给冷却部1e。由此，可在冷却部1e和水槽2之间构成冷却水的循环路。
23.从阳极1d的出口排放的气体通过循环鼓风机3被升压。被升压的排气通过循环管路节流孔3a。然后，该气体在合流部j10与含氢气体1b的供给配管合流。将从合流部j10通过阳极1d、循环鼓风机3、循环管路节流孔3a返回到合流部j10的管路称为循环管路3b。
24.只要通过调整含氢气体1b的供给压力可恒定地维持合流部j10的压力，就可使被阳极1d消耗的氢量和通过含氢气体1b供给的氢量一致。其结果是，在发电运转中的大半的期间内，可在不向外部排放从阳极1d排放的气体的情况下运转。可是，没有被燃料电池主体1消耗的氮等的杂质浓度随着时间而增加，这有对燃料电池主体1的运转产生影响的可能性。
25.因此，从设在循环鼓风机3的下游的分歧j11分歧配管。另外，在该配管的下游设置放泄阀3c。通过定期地使放泄阀3c打开固定时间，而通过排气将循环管路3b内的杂质净化。
26.此外，在本实施方式中，为了使排气的流量不会变得过大，在放泄阀3c的下游设有放泄节流孔3d。此外，为了以相对于从合流部j10通过阳极1d及循环鼓风机3到分歧j11的顺向流动的流量不会变得过大的方式调整放泄阀3c打开时从合流部j10沿循环管路向分歧j11逆流的流量，而设有循环管路节流孔3a。
27.水槽2中作为上述冷却水储存有纯水。水槽2中的纯水的水位2a通过未图示的排水设备而维持在一定以下。为了维持水质，将储存在水槽2中的纯水的一部分通过泵4f从水槽2的下面导出。泵4f将导出的纯水通过配管4g(第2配管)输送至离子交换树脂瓶4的下面。在离子交换树脂瓶4内纯水被离子交换。被离子交换的纯水被从离子交换树脂瓶4的上面排
放，返回至水槽2。如此，在水槽2与离子交换树脂瓶4之间构成纯水的循环流路4e。
28.离子交换树脂瓶4中，作为离子交换树脂4d填充有直径1mm以下的球状粒子即阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。离子交换树脂4d不遍及离子交换树脂瓶4的总长而填充。在离子交换树脂瓶4的入口侧设有入口空间4a，在出口侧设有出口空间4b。
29.阳离子交换树脂的耐热温度在120℃左右，阴离子交换树脂的耐热温度在60℃左右。如果超过这些耐热温度，则阳离子交换树脂具有使磺酸化合物游离的性质，阴离子交换树脂具有使胺化合物游离的性质。可是，如果实际运转燃料电池发电装置，则阳离子交换树脂与阴离子交换树脂相比有时在低温下分解。其理由是因为通过存在于阳离子交换树脂周围的水中的溶解氧而发生阳离子交换树脂的氧化反应。
30.因而，在本实施方式中，设有用于将上述排气导入离子交换树脂瓶4中的配管3e(第1配管)。配管3e的一端在分歧j12与配管4g连接。配管3e的另一端被连接在放泄节流孔3d的出口上。由此，可通过配管3e连接放泄节流孔3d的出口与分歧j12之间。连接离子交换树脂瓶4的上面和水槽2的配管也可以在水位2a的上方及下方中的任一方开口，但为了在下方开口时不成为后述的排气流通的障碍，而优选将与水位2a的距离设定为例如5cm以内。
31.另外，泵4f及离子交换树脂瓶4优选配置在水槽2的水位2a的铅直下方。因为在这样的配置时，在发电运转停止的状态下，可用来自水槽2的水来填充泵4f及离子交换树脂瓶4。为了在运转停止状态时用来自水槽2的水进行填充，与活塞式等具有关闭功能的泵相比，当然优选泵4f为涡旋式及涡流式等的泵。
32.另一方面，优选将循环鼓风机3、循环管路节流孔3a、放泄阀3c及放泄节流孔3d以不浸没的方式配置在水位2a的上方。相对于水位2a的优选的燃料电池主体1的配置高度依据燃料电池主体1的特性，但在本实施方式中配置在水位2a的下方。
33.本实施方式中，如果燃料电池主体1发电，则在切断放泄阀3c的期间，循环管路3b内的氢以外的杂质逐渐增多，所以定期地将放泄阀3c打开一定时间，通过氢浓度高的含氢气体1b对杂质增大了的气体进行净化。
34.从放泄阀3c通过放泄节流孔3d排放的、主成分为氢和氮的不含氧的排气在分歧j12进入配管4g中，一度储存在离子交换树脂瓶4的入口空间4a内。在排气储存在入口空间4a的期间，通过运转泵4f，将来自水槽2的纯水压入离子交换树脂瓶4中，而使进入入口空间4a中的排气提升，通过填充的离子交换树脂4d。在排气通过离子交换树脂4d的过程中，对吸附在离子交换树脂4d表面上的溶解氧进行净化。由此，可抑制离子交换树脂4d的分解。
35.通过离子交换树脂4d的排气进入离子交换树脂瓶4的出口空间4b中，从离子交换树脂瓶4上面导出至水槽2内。导出至水槽2中的气体被从阴极1c的出口排放的气体稀释后排放。
36.根据以上说明的本实施方式，将从燃料电池的循环管路3b定期地排放的、通过循环鼓风机3被加压的排气导入至离子交换树脂瓶4。通过该排气，在离子交换树脂4d中，尤其能够使有可能氧化分解阳离子交换树脂的溶解氧降低。因此，可在高温下长时间使用离子交换树脂。
37.另外，在本实施方式中，由于将从离子交换树脂瓶4排放的排气在水槽2内稀释后向外部排放，所以能够确保安全性。假设即使在水槽2内着火，由于在离子交换树脂瓶4中被水密封，燃烧也不会殃及循环管路3b及阳极1d。
38.(第2实施方式)
39.图2是表示第2实施方式涉及的燃料电池发电装置的构成例的方框图。在本实施方式中，如图2所示的那样，不存在分歧j12，连接在放泄节流孔3d的出口上的配管3e直接连接在离子交换树脂瓶4的下面。因此，排气被直接导入至入口空间4a中，所以与第1实施方式相比能够通过简易的配管构成来降低离子交换树脂瓶4内的溶解氧。
40.另外，在本实施方式中，由于不需要分歧j12，所以与第1实施方式相比配管构成更简便。此外，即使在本实施方式中，为了在运转停止时用水来填充泵4f及离子交换树脂瓶4，也优选将这些设备配置在水位2a的下方。
41.(第3实施方式)
42.图3是表示第3实施方式涉及的燃料电池发电装置的构成例的方框图。
43.在本实施方式中，由于燃料电池主体1的周边设备及循环管路3b的设备的构成和工作与上述的第1实施方式及第2实施方式同样，所以将说明省略。另外，即使在本实施方式中，也优选将泵4f及离子交换树脂瓶4配置在水槽2的水位2a的下方。
44.另一方面，在本实施方式的离子交换树脂瓶4中，入口空间4a被配置在铅直上侧，出口空间4b被配置在铅直下侧。此外，通过泵4f，使从水槽2的下面导出的纯水从离子交换树脂瓶4的上面进入，从下面出来返回至水槽2的下面。另外，在离子交换树脂瓶4的上面，连接有离子交换树脂瓶排气节流孔4c，在离子交换树脂瓶排气节流孔4c与水槽2之间设有连接配管。
45.上述连接配管也可以在水位2a的上方及下方中的任一方开口，但由于离子交换树脂瓶排气节流孔4c与水槽2的差压低，容易产生由气泡导致的配管闭塞，所以优选连接配管的内径例如为6mm以上。
46.此外，由于气泡容易在离子交换树脂瓶排气节流孔4c的前后停留，所以优选将离子交换树脂瓶排气节流孔4c设置在比水位2a高的位置上。
47.在本实施方式的燃料电池发电装置中，在放泄阀3c打开的同时泵4f停止运转。因此，从放泄阀3c导出的排气从配管3e进入配管4g中，在配管4g内上升。然后，排气从离子交换树脂瓶4的下面进入出口空间4b，通过离子交换树脂4d。然后，排气从入口空间4a通过离子交换树脂瓶排气节流孔4c流入水槽2中。
48.在放泄阀3c打开的期间，由于排气的流动方向与泵4f的送液方向(参照图3的箭头)相反，因此优选泵4f停止。泵4f在将放泄阀3c关闭后再次开始运转。此时，通过从离子交换树脂瓶4的上面压入纯水，而将滞留在离子交换树脂瓶4的入口空间4a内的排气从离子交换树脂瓶排气节流孔4c送出至水槽2内。通过如此工作，能够在离子交换树脂4d中降低特别有氧化分解阳离子交换树脂的风险的溶解氧。
49.此外，从离子交换树脂瓶4排放的排气与其它实施方式同样，在水槽2内被稀释后被排放至外部，所以能够确保安全性。假设即使在水槽2内着火，由于离子交换树脂瓶4中被水密封，所以燃烧不会殃及循环管路3b及阳极1d。在该过程中，排气的一部分有不从分歧j12通过离子交换树脂瓶4而通过配管4g直接流入水槽2的可能性。可是，使位于离子交换树脂瓶4的上游的水槽2中的溶解氧降低关系到离子交换树脂瓶4中的溶解氧降低，所以不需要设置截止阀等流入停止机构。
50.根据本实施方式，可抑制离子交换树脂瓶4内的离子交换树脂4d的流动，所以可用
于要求将其内部的流动设定为从上面朝下面的下降流时。
51.(第4实施方式)
52.图4是表示第4实施方式涉及的燃料电池发电装置的构成例的方框图。以下，以与第3实施方式的不同点为中心进行说明。
53.在本实施方式中，不存在分歧j12，连接在放泄节流孔3d出口上的配管3e被直接连接在离子交换树脂瓶4的下面。因此，可将排气直接导入至出口空间4b中。因此，与第3实施方式相比，能够通过简易的配管构成，降低离子交换树脂瓶4内的溶解氧。而且，与第3实施方式相比，还可降低不通过离子交换树脂瓶4而直接流入水槽2中的排气的比例。
54.另外，在本实施方式中，也与第3实施方式同样，优选将泵4f及离子交换树脂瓶4配置在水位2a的下方，此外，优选将离子交换树脂瓶排气节流孔4c配置在比水位2a高的位置上。
55.(第5实施方式)
56.图5是表示第5实施方式涉及的燃料电池发电装置的构成例的方框图。
57.在本实施方式中，燃料电池主体1的周边设备、循环管路3b的设备及泵4f和离子交换树脂瓶4的构成与第1实施方式相同，因而将说明省略。此外，离子交换树脂瓶4内的纯水的流动也与第1实施方式相同，为从铅直下方朝铅直上方的流动。
58.在本实施方式中，不存在分歧j12，连接在放泄节流孔3d的出口上的配管3e被连接在水槽2的下面。在该构成中，从放泄节流孔3d的出口排放的排气不直接流通到离子交换树脂瓶4，而在配置在其上游的水槽2中发泡。然后，通过在水槽2内流动的从阴极1c排放后导入水槽2内的气体，排气被稀释后排放至外部。
59.由于通过上述排气的流动可降低水槽2内的溶解氧，所以还可降低位于其下游的离子交换树脂瓶4内的溶解氧。
60.另外，关于从离子交换树脂瓶4向水槽2连接的配管的在水槽2中的开口位置，在第1实施方式及第2实施方式中优选在水位2a之上。另一方面，在本实施方式中开口位置没有限制，也可以在水槽2的下面开口。其理由是：由于排气不在离子交换树脂瓶4内流通，因而没有因施加给开口部的水头压力而阻碍排气流通的风险。
61.此外，连接泵4f和离子交换树脂瓶4的入口的配管4g如图5所示的那样，也可设定为以在一度升高到比水槽2的水位2a高的位置后再次下降到比水位2a低的位置的方式弯曲的构成。在这样的构成中，可将配管4g上的比水位2a高的部分卸下，从而能够在不使水槽2储存的纯水漏泄的情况下更换离子交换树脂瓶4。
62.另外，在该构成中，在泵4停止后的离子交换树脂瓶4内不残留排气，只要从水槽2的入口及出口与水位2a相比为低位置，水就不会漏掉。因此，不需要将离子交换树脂瓶4全体配置在水位2a的下方，如图5所示的那样也可配置在比水位2a高的位置上。
63.(第6实施方式)
64.图6是表示第6实施方式涉及的燃料电池发电装置的构成例的方框图。
65.在本实施方式中，燃料电池主体1的周边设备、循环管路3b的设备及泵4f和离子交换树脂瓶4的构成与第3实施方式相同。此外，离子交换树脂瓶4内的纯水的流动也与第3实施方式同样，为从铅直上方往铅直下方的流动。
66.此外，在本实施方式中，与第5实施方式同样，连接在放泄节流孔3d的出口上的配
管3e被连接在水槽2的下面。因此，水槽2内的纯水的溶解氧通过经由配管3e供给的排气而降低。此外，溶解氧减少了的纯水通过泵4f在离子交换树脂瓶4内流动，所以离子交换树脂瓶4内的溶解氧也降低。
67.此外，关于将离子交换树脂瓶排气节流孔4c的出口与水槽连接的配管的开口位置，与第5实施方式同样没有限制，也可以在水槽2下面开口。另外，关于配管4g，也与第5实施方式同样，通过形成在比水位2a高的位置弯曲后在比水位2a低的位置弯曲的构成，可将配管4g的比水位2a高的部分卸下，所以可在不使水槽2储存的纯水漏泄的情况下更换离子交换树脂瓶4。
68.对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提示出的，其意图并非限定发明的范围。这些新颖的实施方式能够以其它各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，可以进行各种省略、置换、变更。这些实施方式和其变形包含于发明的范围、主旨中，同时包含于权利要求书中记载的发明和其均等的范围内。
69.符号说明
70.1－燃料电池主体，1a－含氧气体，1b－含氢气体，1c－阴极，1d－阳极，1e－冷却部，1f－制冷剂(冷却水)，2－水槽，2a－水位，3－循环鼓风机，3a－循环管路节流孔，3b－循环管路，3c－放泄阀，3d－放泄节流孔，4－离子交换树脂瓶，4a－入口空间，4b－出口空间，4c－离子交换树脂瓶排气节流孔，4d－离子交换树脂，4e－循环流路，4f－泵。