(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の空気極排気ガスと改質器バーナ排気ガスとを冷却して水を回収する水回収装置において、排気ガス冷却器と水タンクとを連通する管路内に排気ガスを圧縮するコンプレッサ及び第１の開閉弁を並列に設け、前記水タンクの排気ガス出口からの管路内に１次圧調整弁及び第２の開閉弁を並列に介装し、第１及び第２の開閉弁、前記コンプレッサ、１次圧調整弁、水タンクに設けられた水位センサ、制御装置が電気回路によりそれぞれ接続されていることを特徴とする燃料電池の水回収装置。
【請求項２】
前記水位センサにより検出された水タンクの水位が規定値より低い場合は、第１及び第２の開閉弁を閉鎖すると共に１次圧調整弁及びコンプレッサを作動せしめ、水タンクの水位が規定値以上の場合には、第１及び第２の開閉弁を開放すると共に１次圧調整弁及びコンプレッサを作動停止せしめる様に、前記制御装置を構成した請求項１の燃料電池の水回収装置。
【請求項３】
燃料電池の空気極排気ガスと改質器バーナ排気ガスとを冷却して水を回収する水回収装置において、排気ガス冷却器と水タンクとを連通する管路内に排気ガスを圧縮するコンプレッサ及び第１の開閉弁を並列に設け、前記水タンクの排気ガス出口からの管路内に１次圧調整弁及び第２の開閉弁を並列に介装し、第１及び第２の開閉弁、前記コンプレッサ、１次圧調整弁、水タンクに設けられた水位センサ、制御装置が電気回路によりそれぞれ接続されており、前記制御装置は、前記水位センサにより検出された水タンクの水位が規定値より低い場合は、第１及び第２の開閉弁を閉鎖すると共に１次圧調整弁及びコンプレッサを作動せしめ、水タンクの水位が規定値以上の場合には、第１及び第２の開閉弁を開放すると共に１次圧調整弁及びコンプレッサを作動停止せしめる様に構成されていることを特徴とする燃料電池の水回収装置。
【請求項４】
燃料電池の空気極排気ガスと改質器バーナ排気ガスとを冷却して水を回収する水回収装置において、排気ガス冷却器と水タンクとを連通する管路内に排気ガスを圧縮するコンプレッサ及び第１の開閉弁を並列に設け、前記水タンクの排気ガス出口からの管路内に１次圧調整弁及び第２の開閉弁を並列に介装し、前記水タンクに上水を供給する上水補給管を接続し且つ該上水補給管には上水補給弁が介装されており、第１及び第２の開閉弁、前記コンプレッサ、１次圧調整弁、水タンクに設けられた水位センサ、上水補給弁、制御装置が電気回路によりそれぞれ接続されており、前記制御装置は、前記水位センサにより検出された水タンクの水位が規定値より低い場合に上水補給弁を開放し、上水補給弁を開放しても水タンクの水位が規定値に達しない場合には、第１及び第２の開閉弁を閉鎖すると共に１次圧調整弁及びコンプレッサを作動せしめ、水タンクの水位が規定値以上の場合には、上水補給弁の閉鎖状態を保持しつつ、第１及び第２の開閉弁を開放すると共に、１次圧調整弁及びコンプレッサを作動停止せしめる様に構成されていることを特徴とする燃料電池の水回収装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の空気極排気ガスと改質器バーナ排気ガスとを冷却し、以て排気ガス中から水を回収する水回収装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、図５に示す従来の燃料電池の水回収装置によれば、燃料電池のカソード（空気極）の排気ガスと、改質器バーナーの排気ガスとは混合すると、約２００℃となる。
【０００３】
この排気ガス（本明細書においては、単に「排気ガス」と表現した場合には、「空気極排気ガス」と「改質器バーナ排気ガス」とが混合したもの、である旨を意味している。）は冷却器１に導入されるが、該冷却器１は、ファン３で外気４を導入して放熱する空冷ラジエータ２に接続されている。
【０００４】
そして、冷却器１に導入された排気ガスは、２７℃〜４０℃の冷却水と熱交換され、約５０℃となる。約５０℃となった排気ガスは、回収水とガスとの混合状態で、配管Ａにより水タンク５に導かれ、その水タンク５で気水分離され、ガスは配管Ｂから放出される。
この様な従来の燃料電池の水回収に関する技術は、公知である。
【０００５】
ここで、通常ラジエータ２は、装置の大型化とコスト増を防止する観点から、外気温度は３０℃以下と想定して設計されるのが一般的である。
【０００６】
なお図５において、符号「６」は水位計、符号「Ｋ」は水タンクの気相部、符号「Ｌ」は液相部を示している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、気温が３０℃を越えることは夏季には度々あり、その場合はラジエータが所定の能力を発揮し得ないため冷却器１の能力が不足し、排気ガスの温度が低下しないため、回収水が不足してしまう。そのため、外部からの水補給が必要になる。
【０００８】
その際には、通常は上水を導入しているが、災害時や停電時等で所謂「断水」状態となった場合には、上水が使用不能となる。そして、上水が使用不能の際に回収水が不足すれば、燃料電池は停止する。この様な燃料電池の停止という事態は、非常用電源、ＵＰＳ電源としての用途が期待される燃料電池の信頼性を非常に損なうものであり、改善が望まれている問題である。
【０００９】
本発明は上述した様な問題に鑑みて提案されたもので、外気温が高い運転条件でも、外部から水の補給を受けること無く、所謂「水自立」が可能であり、災害時や停電時等の断水状態に際しても運転が継続できる様な燃料電池の水回収装置の提供を目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池の水回収装置は、燃料電池の空気極排気ガスと改質器バーナ排気ガスとを冷却して水を回収する水回収装置において、排気ガス冷却器と水タンクとを連通する管路内に排気ガスを圧縮するコンプレッサ及び第１の開閉弁を並列に設け、前記水タンクの排気ガス出口からの管路内に１次圧調整弁及び第２の開閉弁を並列に介装し、第１及び第２の開閉弁、前記コンプレッサ、１次圧調整弁、水タンクに設けられた水位センサ、制御装置が電気回路によりそれぞれ接続されている。
【００１１】
ここで、前記水位センサにより検出された水タンクの水位が規定値より低い場合は、第１及び第２の開閉弁を閉鎖すると共に１次圧調整弁及びコンプレッサを作動せしめ、水タンクの水位が規定値以上の場合には、第１及び第２の開閉弁を開放すると共に１次圧調整弁及びコンプレッサを作動停止せしめる様に、前記制御装置を構成するのが好ましい。
【００１２】
また本発明の燃料電池の水回収装置によれば、燃料電池の空気極排気ガスと改質器バーナ排気ガスとを冷却して水を回収する水回収装置において、排気ガス冷却器と水タンクとを連通する管路内に排気ガスを圧縮するコンプレッサ及び第１の開閉弁を並列に設け、前記水タンクの排気ガス出口からの管路内に１次圧調整弁及び第２の開閉弁を並列に介装し、第１及び第２の開閉弁、前記コンプレッサ、１次圧調整弁、水タンクに設けられた水位センサ、制御装置が電気回路によりそれぞれ接続されており、前記制御装置は、前記水位センサにより検出された水タンクの水位が規定値より低い場合は、第１及び第２の開閉弁を閉鎖すると共に１次圧調整弁及びコンプレッサを作動せしめ、水タンクの水位が規定値以上の場合には、第１及び第２の開閉弁を開放すると共に１次圧調整弁及びコンプレッサを作動停止せしめる様に構成されている。
【００１３】
上述した様な構成を具備する本発明の燃料電池の水回収装置によれば、排気ガス冷却器と水タンクとを連通する管路内に排気ガスを圧縮するコンプレッサ及び第１の開閉弁を並列に設け、前記水タンクの排気ガス出口からの管路内に１次圧調整弁及び第２の開閉弁を並列に介装しているので、水タンクを含む一連の回収水系の圧力、より詳細には水蒸気分圧を上昇させることが出来る。
【００１４】
一方、外気温度が３０℃以上であっても、系内の排気ガス温度を６０℃程度にまで低下させることは十分に可能である。そして、圧力が２Ｋｇ／ｃｍ２  であれば、排気ガス温度が６０℃程度でも、排気ガス中の水蒸気が凝縮して回収水となり、所謂「水自立」が達成されるのである。
【００１５】
なお本発明は、水タンクには上水を補給しないシステムにおいて適用可能であるが、一方、本発明は水タンクに上水補給管が接続され、必要に応じて水タンクに上水が補給される様なシステムにも適用することが出来る。
その様な場合には、本発明の水回収装置は、燃料電池の空気極排気ガスと改質器バーナ排気ガスとを冷却して水を回収する水回収装置において、排気ガス冷却器と水タンクとを連通する管路内に排気ガスを圧縮するコンプレッサ及び第１の開閉弁を並列に設け、前記水タンクの排気ガス出口からの管路内に１次圧調整弁及び第２の開閉弁を並列に介装し、前記水タンクに上水を供給する上水補給管を接続し且つ該上水補給管には上水補給弁が介装されており、第１及び第２の開閉弁、前記コンプレッサ、１次圧調整弁、水タンクに設けられた水位センサ、上水補給弁、制御装置が電気回路によりそれぞれ接続されており、前記制御装置は、前記水位センサにより検出された水タンクの水位が規定値より低い場合に上水補給弁を開放し、上水補給弁を開放しても水タンクの水位が規定値に達しない場合には、第１及び第２の開閉弁を閉鎖すると共に１次圧調整弁及びコンプレッサを作動せしめ、水タンクの水位が規定値以上の場合には、上水補給弁の閉鎖状態を保持しつつ、第１及び第２の開閉弁を開放すると共に、１次圧調整弁及びコンプレッサを作動停止せしめる様に構成される。
【００１６】
この様な構成を具備する本発明の水回収装置では、水タンクのレベルが所定レベル以下となった場合に、先ず上水補給管に設けた上水補給弁を開放し、次に、前記第１及び第２の開閉弁を閉じた後、コンプレッサ及び１次圧調節弁を作動するのである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図において、従来技術と同じ機能をもつ部材には同じ符号を付して詳細な重複説明は省略する。
【００１８】
図１は、本発明にかかる燃料電池の水回収装置の構成図を示し、図示しない燃料電池の空気極排気ガスの流路であるガス回路Ｅは冷却器１の給熱側の入口１ａに連結され、また改質器バーナ排気ガスの流路であるガス回路Ｆは冷却器１の上流でガス回路Ｅに合流している。そして、冷却器１の受熱側はファン３を有するラジエータ２に水回路１１ａ、１１ｂにより接続されている。ここで符号Ｇはラジエータを通過する外気を示し、符号２０は水回路１１ｂに介装された循環ポンプを示している。
【００１９】
さらに、冷却器１の給熱側の出口１ｂはガス回路１２により並列に設けられたコンプレッサ７と第１の開閉弁９を介装して水タンク５に連結されている。その水タンク５には水位センサ６が取り付けられ、水タンク１の上部である気相部Ｋには１次圧調整弁８と第２の開閉弁１０とが並列に介装されたガス回路１６が取り付けられ、大気開放されている。
【００２０】
また、水タンク５の下部である液相部Ｌは水回路１３により給水ポンプ１４を介して、図示しない改質用蒸気発生器に接続されている。そして、水位センサ６、第１及び第２の開閉弁９、１０とコンプレッサ及び１次圧調整弁８は電気回路によりそれぞれ制御装置１５に接続されている。
【００２１】
ラジエータ２は、外気温度３０℃以下で冷却器１の冷却水温度が２７℃〜４０℃となるように設計されている。
【００２２】
したがって、外気温度４０℃程度の時は冷却水温度は３７℃〜５０℃となり、１次圧調整弁８の調整圧力を２ｋｇ／ｃｍ２  として設定する事により水自立可能とする事ができる。
【００２３】
以下、図２を参照して作用について説明する。
作動に際し、まず図示しない全体の電源スイッチをＯＮする。
【００２４】
そして、水タンク５の水位は所定レベル以下か否か判断する（ステップＳ１）。水タンク５の水位が所定レベルより高い場合（ステップＳ１がＮＯの場合）は、コンプレッサ７及び１次圧調節弁８の作動を停止（停止継続）し、第１及び第２の開閉弁９、１０を開放する（開放継続状態とする）（ステップＳ２）。
【００２５】
水タンク５の水位が所定レベル以下であれば（ステップＳ１がＹＥＳの場合）、コンプレッサ７及び１次圧調整弁８を作動し（或いは作動継続状態とせしめ）、第１及び第２の開閉弁９、１０を閉鎖する（閉鎖継続状態とする）（ステップＳ３）。
以下、ステップＳ１〜Ｓ３のループを繰り返すのである。
【００２６】
この様な制御を行うことによって、外気温度が高く、回収水が不足する状況で、水タンク５のレベルが所定レベルに達しない場合でも、水回路１２及び水タンク５の内圧を、例えば２ｋｇ／ｃｍ２  程度に上昇させれば、前記の設定で冷却器１の出口１ｂにおける排気ガスの温度が６０℃程度であっても、水蒸気分圧が上昇しているため排気ガス中の水分が凝縮し、回収水の量が増加する。従って、燃料電池への水供給不足が解消されるのである。
【００２７】
次に図３及び図４を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。
この第２実施形態は図１の第１実施形態と略々同様である。但し、図３で明示されている様に、第２実施形態では、水タンク５に上水補給管３０が接続され、上水補給管３０には上水補給弁３２が介装されており、上水補給弁３２が制御装置１５に接続されている点が、図１で示す第１実施形態とは異なっている。換言すれば、その他の構成については第１実施形態と同様である。そのため、第２実施形態と第１実施形態で同一な部材については、図１及び図３では同一の符号を用いて表現する。
【００２８】
図４をも参照して第２実施形態の作動について説明する。
先ず水位センサ６を用いて、水タンク５の水位（レベル）が所定レベル以下であるか否かを判定する（図４のステップＳ１１）。水タンク５の水位が所定レベルより上方にあれば（ステップＳ１１がＮＯ）、コンプレッサ７及び１次圧調整弁８を停止し、上水補給弁３２を閉じ、第１及び第２の開閉弁９、１０を開く  （ステップＳ１２）。
【００２９】
水タンク５の水位が所定レベル以下であれば（ステップＳ１１がＹＥＳ）、上水補給弁３２を開き（ステップＳ１３）、水タンク５内に上水を補給する。その状態で所定時間だけ待機する（ステップＳ１４がＮＯのループ）。
【００３０】
ここで、ステップＳ１４がＮＯのループを循環する際に、水タンク５の水位が所定レベルまで回復すれば（ステップＳ１１がＮＯ）、ステップＳ１１がＮＯのループに移行する。
【００３１】
所定時間が経過しても水タンク５の水位が所定レベルまで回復しなければ（ステップＳ１４がＹＥＳ）、コンプレッサ７及び１次圧調整弁８を作動し、第１及び第２の開閉弁９、１０を閉じる（ステップＳ１５）。
【００３２】
以下、水タンク５の水位が所定レベルまで回復するまで（ステップＳ１１がＮＯとなるまで）、ステップＳ１５、ステップＳ１１がＹＥＳ、ステップＳ１３、ステップＳ１４がＹＥＳのループを繰り返す。
このループを所定時間（例えば５分間）だけ繰り返しても水位が回復しない場合は、水タンク５系統に何らかの異常が存在するものと判定し（水位異常）、警報や信号等を発生する（図４では図示せず）。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は上記の様に構成されており、ラジエータの伝熱面積を増加させないでも、外気温度が高い状況下で水自立でき、災害時・停電時等の断水時にも運転継続ができ、したがって、燃料電池の非常用電源・ＵＰＳ電源としての信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す全体構成図。
【図２】図１の実施形態の制御フローチャートを示す図。
【図３】本発明のその他の実施形態を示す全体構成図。
【図４】図３の実施形態の制御フローチャートを示す図。
【図５】従来の技術の例を示す構成図。
【符号の説明】
１・・・冷却器
２・・・ラジエータ
３・・・ファン
５・・・水タンク
７・・・コンプレッサ
８・・・１次圧調整弁
９・・・第１の開閉弁
１０・・・第２の開閉弁
１５・・・制御装置
２０・・・循環ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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