JP2004213977A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を用いて電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、天然ガス、都市ガス、メタノール、LPG、ブタンなどの原料ガスから水素ガス(燃料ガス)を改質生成する改質器と、一酸化炭素を変成するCO変成器と、一酸化炭素を除去するCO除去器(以下、これら改質器と、CO変成器と、CO除去器とを合わせて改質装置と称す。)と、水素によって発電する燃料電池などを備えた燃料電池システムが提案されている。
【0003】
特に、家庭用の小型電源として固体高分子形燃料電池システムが用いられており、係る燃料電池システムは、改質装置と、燃料電池と、制御系と、水タンクと、各種ポンプ類と、発電時に生じる廃熱を回収して温水とする熱交換器と、燃料電池で発電した電力を商用交流に変換する電力変換装置とを備えたPEFC装置と、上記熱交換器にて燃料電池で発生した熱を廃熱回収用水経路を介して回収した温水を貯留する貯湯槽などを備えた熱回収装置とにより構成されている。
【0004】
しかしながら、貯湯槽内の湯水が使用されず、所定の温度、例えば+60℃以上まで昇温されてしまうと、熱交換器における熱交換を十分に行うことができず、燃料電池で発生した熱を回収できないこととなる。これにより、システム内における熱バランスが崩れ、燃料電池における発電を停止しなければならないという問題があった。
【0005】
そこで、従来では、廃熱回収用水経路にラジエータを取り込んで貯湯槽の水を冷却していた(特許文献1参照。)。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−325982号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、ラジエータにより取り込まれた熱は、外部に放出されているため、燃料電池より所定量以上の熱が発生した場合、余剰分の熱は、廃棄されることとなる。効率的にエネルギーを使用することができないという問題がある。
【0008】
また、従来では、格別に廃熱回収用水経路にラジエータを設けているため、設置スペースが拡張され、システム自体のコンパクト化を図ることができないという問題がある。
【0009】
そこで、本発明は従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、システムにおいて発生した熱を効率的に利用することができると共に、システムのコンパクト化を図ることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、原料ガスを改質する改質装置と該改質装置によって改質された水素と酸素とを反応させて発電する燃料電池とを備えた発電装置と、該発電装置内の廃熱を回収する廃熱回収用水経路と、該廃熱回収用水経路を流れる温水を貯留する貯湯槽とを備えたものであって、改質装置に供給するプロセス水と貯湯槽を出た廃熱回収用水経路内を流れる温水とを熱交換させる熱交換器を設けたことを特徴とする。
【0011】
本発明によれば、原料ガスを改質する改質装置と該改質装置によって改質された水素と酸素とを反応させて発電する燃料電池とを備えた発電装置と、該発電装置内の廃熱を回収する廃熱回収用水経路と、該廃熱回収用水経路を流れる温水を貯留する貯湯槽とを備えた燃料電池システムにおいて、改質装置に供給するプロセス水と貯湯槽を出た廃熱回収用水経路内を流れる温水とを熱交換させる熱交換器を設けたので、例えば貯湯槽の湯水が使用されず、貯湯槽内の温度が著しく上昇した場合であっても、当該貯湯槽の熱を改質装置に供給するプロセス水と熱交換することにより、システムの熱バランスを崩すことなく、安定した運転を行うことができるようになる。
【0012】
また、上記プロセス水を貯湯槽の熱にて予熱した後、改質装置に供給するため、システムの効率向上を図ることができるようになる。
【0013】
請求項2の発明の燃料電池システムは、水素と空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池を備えた発電装置と、該発電装置内の廃熱を回収する廃熱回収用水経路と、該廃熱回収用水経路を流れる温水を貯留する貯湯槽とを備えたものであって、燃料電池に供給する空気と貯湯槽を出た廃熱回収用水経路内を流れる温水とを熱交換させる熱交換器を設けたことを特徴とする。
【0014】
請求項2の発明によれば、水素と空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池を備えた発電装置と、該発電装置内の廃熱を回収する廃熱回収用水経路と、該廃熱回収用水経路を流れる温水を貯留する貯湯槽とを備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給する空気と貯湯槽を出た廃熱回収用水経路内を流れる温水とを熱交換させる熱交換器を設けたので、例えば貯湯槽の湯水が使用されず、貯湯槽内の温度が著しく上昇した場合であっても、当該貯湯槽の熱を燃料電池に供給する空気と熱交換することにより、システムの熱バランスを崩すことなく、安定した運転を行うことができるようになる。
【0015】
また、空気を貯湯槽の熱にて予熱した後、燃料電池に供給するため、システムの効率向上を図ることができるようになる。
【0016】
請求項3の発明の燃料電池システムは、上記各発明において、熱交換器を貯湯槽と一体に設けたことを特徴とする。
【0017】
請求項3の発明によれば、上記各発明において、熱交換器を貯湯槽と一体に設けたので、設置スペースの縮小を図ることができるようになり、システムのコンパクト化を実現することができるようになる。
【0018】
請求項4の発明の燃料電池システムは、バーナを用いて原料ガスを改質する改質装置と該改質装置によって改質された水素と空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池とを備えた発電装置と、該発電装置内の廃熱を回収する廃熱回収用水経路と、該廃熱回収用水経路を流れる温水を貯留する貯湯槽とを備えたものであって、発電装置内に供給する空気と貯湯槽を出た廃熱回収用水経路内を流れる温水とを熱交換させる熱交換器を設けたことを特徴とする。
【0019】
請求項4の発明によれば、バーナを用いて原料ガスを改質する改質装置と該改質装置によって改質された水素と空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池とを備えた発電装置と、該発電装置内の廃熱を回収する廃熱回収用水経路と、該廃熱回収用水経路を流れる温水を貯留する貯湯槽とを備えた燃料電池システムにおいて、発電装置内に供給する空気と貯湯槽を出た廃熱回収用水経路内を流れる温水とを熱交換させる熱交換器を設けたので、例えば貯湯槽の湯水が使用されず、貯湯槽内の温度が著しく上昇した場合であっても、当該貯湯槽の熱を発電装置内に供給する空気と熱交換することにより、システムの熱バランスを崩すことなく、安定した運転を行うことができるようになる。
【0020】
また、空気を貯湯槽の熱にて予熱した後、発電装置に供給するため、システムの効率向上を図ることができるようになる。
【0021】
請求項5の発明の燃料電池システムは、上記発明において、熱交換器を発電装置と一体に設けたことを特徴とする。
【0022】
請求項5の発明によれば、上記発明において、熱交換器を発電装置と一体に設けたので、設置スペースの縮小を図ることができるようになり、システムのコンパクト化を実現することができるようになる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。本実施例における燃料電池システムSは、固体高分子形燃料電池6を備えた発電装置(ポリマ・エレクトロライト・フューエル・セル:PEFC装置)Tを備えている。また、この燃料電池システムSは、上記発電装置Tの他に燃料電池システムSの発電において生じる熱を有効的に利用するコージェネレーションシステムの形態を採用するため、熱回収装置として後述する廃熱回収用水経路2及び貯湯タンク1(貯湯槽)を有している。
【0024】
ここで、図1を参照して本実施例の燃料電池システムSについて説明する。この燃料電池システムSでは、天然ガス、都市ガス、メタノール、LPG、ブタン等の燃料の供給源である原料供給源3と、燃料ガスから硫黄成分を除去する図示しない脱硫器と、改質装置4と、固体高分子形の燃料電池6とを備える。改質装置4は、原料ガスから水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質器と、この改質器からの改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成するCO変成器と、このCO変成器からの未変成の一酸化炭素を除去するCO除去器とを備えている。燃料電池6は、改質装置4のCO除去器からの一酸化炭素が除去された後の水素と空気中に含まれる酸素とを反応させて電力を発生させるものであり、この燃料電池6は、アノード(燃料極)と、カソード(空気極)と、固体高分子電解質膜と、冷却部とを備えている。
【0025】
前記原料供給源3からはガス管7が延出され、このガス管7には図示しない電磁開閉弁及び昇圧ポンプを介して、前記脱硫器が接続されると共に、図示しない電磁開閉弁が設けられたガス管8が分岐し、このガス管8は、改質装置4(改質器)のバーナ9に接続されている。脱硫器はガス管を介して改質装置4の改質器に接続される。そして、この改質器は、図示しないガス管により、CO変成器、CO除去器と順次接続されている。ガス管7には、図示しない昇圧ポンプが設けられた配管11を介して例えばイオン交換樹脂により構成される水処理装置12が接続される。尚、この配管11は、ガス管7ではなく、改質装置4に接続されていてもよいものとする。
【0026】
ここで、水処理装置12は、水道管13及び配管14を通じて供給される市水を純水に処理する装置であり、配管14、11及び7を介してプロセス水が改質装置14供給される。また、この配管14には、詳細は後述する熱回収用熱交換器16が設けられている。
【0027】
尚、該配管14には、図示しない昇圧ポンプが設けられているものとする。また、この水処理装置12には、図示しない配管が接続されており、これら配管により、燃料電池6内のアノード及びカソードに供給されるそれぞれの燃料ガス及び空気(酸化剤ガス)を加湿するための水タンクが接続されているものとする。更に、水道管13は、貯湯タンク1にも接続されており、該貯湯タンク1に市水が供給される。
【0028】
そして、改質装置4のCO除去器は、前記水タンクが設けられるガス管17を介して燃料電池6のアノードに接続される。このアノードは、配管18を介して改質装置4を加熱するバーナ9に接続されている。尚、図示は省略するが、前記水タンクは、図示しない配管を介して燃料電池6の冷却部に接続され、該冷却部は、熱回収用熱交換器19が介設された配管21を介して再び水タンクに接続されているものとする。
【0029】
他方、空気供給源22は、空気ポンプ23が設けられる配管24により、アノードに接続される水タンクとは別の図示しない水タンクに接続され、当該水タンクは、図示しない配管を介して燃料電池6のカソードに接続される。このカソードは、配管26を介して前記熱回収用熱交換器19に接続される。この熱回収用熱交換器19には、排気ダクト27及び図示しないドレン水配管が接続される。
【0030】
また、上記貯湯タンク1は、廃熱回収用水経路2を介して例えばフィンチューブやプレートフィンなどから構成される熱回収用熱交換器16と、前記熱回収用熱交換器19と順次接続されている。尚、熱回収用熱交換器16は、貯湯タンク1から廃熱回収用水経路2を介して流入される湯水と、配管14を介して流入される市水とは、流れる方向が逆となるように、即ち対向流となるように配設されているものとする。また、この貯湯タンク1には、給湯用の温水配管28が接続されている。
【0031】
以上の構成により、燃料電池システムSの運転が開始されると、原料供給源3から原料ガスが、電磁開閉弁及び昇圧ポンプを介して前記脱硫器に供給される。ここで原料ガスから硫黄成分が除去される。この脱硫器に、例えば活性炭等の吸着反応を利用した触媒を使用した場合、常温で、硫黄成分を除去することができる。この脱硫器を経た原料ガスは、改質装置4の改質器に供給される。
【0032】
改質装置4の改質器ではバーナ9によって前記脱硫器からの原料ガスと前記昇圧ポンプから配管11を介して供給される水を内部の熱交換器で水蒸気化した水蒸気とを混合して予熱し、触媒で活性化することによって水素(燃料ガス)、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する。この改質器を経たガスは、CO変成器に供給され、ここでは改質ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変成される。
【0033】
このCO変成器を経たガスは、CO除去器に供給される。この場合、CO除去器にはCO変成器を経た改質ガスと図示しない空気ポンプによって供給される空気が混合されて供給される。そして、この混合された改質ガスは内部の熱交換器で冷却された後、触媒によって改質ガス中の未変成の一酸化炭素が選択酸化反応により二酸化炭素に転換され、改質ガス中の一酸化炭素濃度は10ppm程度に低減され、実質的にガス中の未変成の一酸化炭素が除去される。
【0034】
改質装置4のCO除去器を経て一酸化炭素が除去された後の水素がガス管17を経て前記水タンクに入り、そこで加湿された後、燃料電池6のアノードに燃料ガスとして供給される。他方、空気ポンプ23から前記水タンクに空気が供給され、そこで加湿された空気が燃料電池6のカソードに供給される。これにより、アノードに供給された水素と、カソードに供給された空気中に含まれる酸素とが反応し、電力が発生すると共に、固体高分子電解質膜を湿潤状態とする。
【0035】
尚、上記改質装置4の改質器のバーナ9にはガス管18を介して、燃料電池6のアノードを経た未反応水素がオフガスとして供給される。このとき、化学反応により生じ、アノードに一部残存、若しくは、移動した水及び改質装置4において生じたドレン水は、図示しないドレンパイプにより外部に排出される。
【0036】
また、燃料電池6のカソードから配管26に導出された空気は、燃料電池6の発熱反応によって温度上昇しており、この温度上昇した排気空気は、上記貯湯タンク1の水が廃熱回収用水経路2を介して循環する熱回収用熱交換器19で熱回収された後、排気ダクト27を通じて外部に放出される。このとき、熱回収用熱交換器19での熱交換によって、貯湯タンク1の水が温度上昇する。他方、燃料電池6の化学反応において生じた水は、温度上昇した排気空気中に水蒸気として存在しているため、熱回収用熱交換器19にて貯湯タンク1の水と熱交換した際に凝縮され、ドレン水として図示しないドレンパイプより外部に排出される。
【0037】
ここで、本実施例では、廃熱回収用水経路2に熱回収用熱交換器16が設けられているため、上記貯湯タンク1から熱回収用水経路2内に流出する湯水は、熱回収用熱交換器16において、配管14を流れる改質装置4に供給するプロセス水と熱交換する。そのため、貯湯タンク1の湯水が使用されず、貯湯タンク1内の水温が例えば均一に+60℃とされた場合であっても、熱回収用熱交換器16において、熱回収用水経路2内の湯水は、例えば、+20乃至30℃にまで冷却された状態で、燃料電池6の発熱により加熱される熱回収用熱交換器19に流入することができるようになる。
【0038】
そのため、上述した如く貯湯タンク1の湯水が使用されず、貯湯タンク1内の温度が著しく上昇した場合であっても、熱回収用熱交換器16において、当該貯湯タンク1の熱を改質装置4に供給するプロセス水と熱交換することにより、燃料電池システムSの熱バランスを崩すことなく、安定した運転を行うことができるようになる。
【0039】
また、改質装置4に供給されるプロセス水は、熱回収用熱交換器16において、貯湯タンク1から流出する熱にて例えば+50℃程度にまで予熱した後、配管14を介して改質装置4に供給することができるようになる。これによっても、燃料電池システムSの効率を向上させることができるようになる。
【0040】
更に、本実施例では、熱回収用熱交換器16内に流入するプロセス水と、貯湯タンク1から流入する湯水とは対向流とされているため、より一層効率的に熱交換させることができるようになる。
【0041】
尚、本実施例では、配管14に接続されるイオン交換樹脂により構成される水処理装置12は、熱回収用熱交換器16の下流側に接続されているが、図2に示す如く熱回収用熱交換器16の上流側に接続されていても同様の効果を奏するものとする。
【0042】
また、本実施例では、図1及び図2において貯湯タンク1と、熱回収用熱交換器16とは、別々に記載しているが、熱回収用熱交換器16を貯湯タンク1の下部に一体に設けてもよい。この場合には、設置スペースの縮小を図ることができるようになり、システムSのコンパクト化を実現することができるようになる。
【0043】
尚、上述した改質装置4及び燃料電池6では、所定の反応温度を有する化学反応が行われる。前記改質器における化学反応は吸熱反応であるので、改質装置4に設けられた前記バーナ9によって常時加熱しながら化学反応を行う。
【0044】
また、前記CO変成器、CO除去器で行われる化学反応は発熱反応であるので、システム起動時のみ図示しないバーナを燃焼させて、燃焼ガスを発生させ、このとき発生した燃焼ガスの熱でCO除去器の温度を反応温度まで昇温し、この反応温度まで昇温した後には、発熱反応の熱により反応温度以上に昇温しないように冷却が行われる。
【0045】
燃料電池6では、電気化学反応が行われ、この電気化学反応時の活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧により熱が発生する。このとき、燃料電池6の前記冷却部には、図示しないポンプにより、前記水タンクの水が供給され、当該冷却部を経た水は、配管21を介して熱回収用熱交換器19を通過し、再び水タンクに帰還する。
【0046】
上記改質装置4の排気系には、前述した熱交換器が接続され、配管11のプロセス水が前述の如く供給されると、当該熱交換器で水蒸気化し、この水蒸気が、原料ガスと混合して改質器に供給される。
【0047】
そして、この燃料電池6にて水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電された電力は、図示しない昇圧コンバータを経て、インバータに必要な電圧にまで昇圧され、例えば系統連系インバータに送られ、ここから、単相3線の100V/200Vの電源として家庭に供給される。
【0048】
以上の構成により、燃料電池システムSが、効率的なコージェネレーションシステムの形態をとるので、エネルギーの有効活用が図られる。したがって、高い総合熱効率が得られるので、原料の消費量が減少し、二酸化炭素の排出量が低減される。
【0049】
次に、図3を参照して本発明の燃料電池システムSの他の実施例について説明する。尚、図1と同一又は同様の符号が付されたものは、同一若しくは同様の効果を奏するものであるものとする。
【0050】
図3における燃料電池システムSは、図1に示す燃料電池システムSと同様に、原料供給源3と、脱硫器と、改質装置4と、固体高分子形の燃料電池6とを備える。原料供給源3からはガス管7が延出され、このガス管7には前記脱硫器が接続されると共に、このガス管7からは上記実施例と同様にガス管8が分岐し、このガス管8は、改質装置4(改質器)のバーナ9に接続されている。脱硫器はガス管を介して改質装置4の改質器に接続される。ガス管7には、図示しない昇圧ポンプが設けられた配管11を介して例えばイオン交換樹脂により構成される水処理装置12が接続される。尚、この配管11は、ガス管7ではなく、改質装置4に接続されていてもよいものとする。
【0051】
ここで、水処理装置12は、水道管13及び配管31を通じて供給される市水を純水に処理する装置であり、配管31、11及び7を介してプロセス水が改質装置4に供給される。また、この水処理装置12には、図示しない配管が接続されており、これら配管により、燃料電池6内のアノード及びカソードに供給されるそれぞれの燃料ガス及び空気(酸化剤ガス)を加湿するための水タンクが接続されているものとする。更に、水道管13は、貯湯タンク1にも接続されており、該貯湯タンク1に市水が供給される。
【0052】
そして、改質装置4のCO除去器は、前記水タンクが設けられるガス管17を介して燃料電池6のアノードに接続される。このアノードは、配管18を介して改質装置4を加熱するバーナ9に接続されている。尚、前記水タンクは、熱回収用熱交換器19が介設された配管21を介して前記燃料電池6の冷却部に接続され、上記実施例と同様に、燃料電池6を冷却するものとする。
【0053】
他方、空気供給源22は、空気ポンプ23が設けられる配管32により、例えばフィンチューブやプレートフィンなどから構成される熱回収用熱交換器33に接続され、当該熱回収用熱交換器33は、アノードに接続される水タンクとは別の図示しない水タンクが設けられる配管34を介して燃料電池6のカソードに接続される。このカソードは、配管26を介して前記熱回収用熱交換器19に接続される。この熱回収用熱交換器19には、排気ダクト27及び図示しないドレン水配管が接続される。
【0054】
また、上記貯湯タンク1は、廃熱回収用水経路35を介して前記熱回収用熱交換器33と、前記熱回収用熱交換器19と順次接続されている。また、この貯湯タンク1には、給湯用の温水配管28が接続されている。
【0055】
以上の構成により、燃料電池システムSの運転が開始されると、原料供給源1から原料ガスが、前記脱硫器に供給される。ここで原料ガスから硫黄成分が除去される。この脱硫器を経た原料ガスは、改質装置4に供給され、上記実施例と同様に改質され、水素リッチガスとされる。
【0056】
改質装置4を経た後の水素がガス管17を経て前記水タンクに入り、そこで加湿された後、燃料電池6のアノードに燃料ガスとして供給される。他方、空気ポンプ23から熱回収用熱交換器33を介して前記水タンクに供給された空気は、そこで加湿され、燃料電池6のカソードに供給される。これにより、アノードに供給された水素と、カソードに供給された空気中に含まれる酸素とが反応し、電力が発生すると共に、固体高分子電解質膜を湿潤状態とする。
【0057】
また、燃料電池6のカソードから配管26に導出された空気は、燃料電池6の発熱反応によって温度上昇しており、この温度上昇した排気空気は、上記貯湯タンク1の水が廃熱回収用水経路35を介して循環する熱回収用熱交換器19で熱回収された後、排気ダクト27を通じて外部に放出される。このとき、熱回収用熱交換器19での熱交換によって、貯湯タンク1の水が温度上昇する。
【0058】
ここで、かかる実施例では、廃熱回収用水経路35に熱回収用熱交換器33が設けられているため、上記貯湯タンク1から熱回収用水経路35内に流出する湯水は、熱回収用熱交換器33に配管32を介して導入される空気と熱交換する。そのため、貯湯タンク1の湯水が使用されず、貯湯タンク1内の水温が例えば均一に+60℃とされた場合であっても、熱回収用熱交換器33において、熱回収用水経路35内の湯水は、例えば、+20乃至+30℃にまで冷却された状態で、燃料電池6の発熱により加熱される熱回収用熱交換器19に流入することができるようになる。
【0059】
そのため、上述した如く貯湯タンク1の湯水が使用されず、貯湯タンク1内の温度が著しく上昇した場合であっても、熱回収用熱交換器33において、当該貯湯タンク1の熱を空気と熱交換することにより、燃料電池システムSの熱バランスを崩すことなく、安定した運転を行うことができるようになる。
【0060】
また、熱回収用熱交換器33において、熱交換される空気は、貯湯タンク1から流出する熱にて例えば+30℃程度にまで予熱した後、配管34を介して燃料電池6のカソードに供給することができる。そのため、空気を予熱した状態で配管34に設けられる前記水タンクに供給した後、燃料電池6に送出することができるため、水タンクにおいて、加熱するエネルギー量を減少させることができ、、燃料電池システムSの効率を向上させることができるようになる。
【0061】
尚、図3において貯湯タンク1と、熱回収用熱交換器33とは、別々に記載しているが、熱回収用熱交換器33を貯湯タンク1の下部に一体に設けてもよい。この場合には、設置スペースの縮小を図ることができるようになり、システムSのコンパクト化を実現することができるようになる。
【0062】
次に、図4を参照して本発明の燃料電池システムSのもう一つの他の実施例について説明する。尚、図1と同一又は同様の符号が付されたものは、同一若しくは同様の効果を奏するものであるものとする。
【0063】
図4における燃料電池システムSは、図1に示す燃料電池システムSと同様に、原料供給源3と、脱硫器と、改質装置4と、固体高分子形の燃料電池6を備えた発電装置Tを備え、係る発電装置Tは、熱回収装置とは別に、図示しない外装ケース内に配設される。そして、原料供給源3からはガス管7が延出され、このガス管7には前記脱硫器が接続されると共に、このガス管7からは上記実施例と同様にガス管8が分岐し、このガス管8は、改質装置4(改質器)のバーナ9に接続されている。脱硫器はガス管を介して改質装置4の改質器に接続される。ガス管7には、図示しない昇圧ポンプが設けられた配管11を介して例えばイオン交換樹脂により構成される水処理装置12が接続される。尚、この配管11は、ガス管7ではなく、改質装置4に接続されていてもよいものとする。
【0064】
ここで、水処理装置12は、水道管13及び配管36を通じて供給される市水を純水に処理する装置であり、配管36、11及び7を介してプロセス水が改質装置4に供給される。また、この水処理装置12には、図示しない配管が接続されており、これら配管により、燃料電池6内のアノード及びカソードに供給されるそれぞれの燃料ガス及び空気(酸化剤ガス)を加湿するための水タンクが接続されているものとする。更に、水道管13は、貯湯タンク1にも接続されており、該貯湯タンク1に市水が供給される。
【0065】
そして、改質装置4のCO除去器は、前記水タンクが設けられるガス管17を介して燃料電池6のアノードに接続される。このアノードは、配管18を介して改質装置4を加熱するバーナ9に接続されている。尚、前記水タンクは、熱回収用熱交換器19が介設された配管21を介して前記燃料電池6の冷却部に接続され、上記実施例と同様に、燃料電池6を冷却するものとする。
【0066】
他方、空気供給源22は、空気ポンプ23が設けられる配管24により、アノードに接続される水タンクとは別の図示しない水タンクに接続され、当該水タンクは、図示しない配管を介して燃料電池6のカソードに接続される。このカソードは、配管26を介して前記熱回収用熱交換器19に接続される。この熱回収用熱交換器19には、排気ダクト27及び図示しないドレン水配管が接続され、該排気ダクト27は、これら改質装置4、燃料電池6、空気ポンプ23及び熱回収用熱交換器19などを備えた発電装置Tの前記外装ケースに予め形成された排気口37に接続される。
【0067】
また、上記貯湯タンク1は、廃熱回収用水経路38を介して例えばフィンチューブやプレートフィンなどから構成される熱回収用熱交換器39と、前記熱回収用熱交換器19と順次接続されている。熱回収用熱交換器39の近傍には、該熱回収用熱交換器39を冷却するための冷却用送風機41が設けられ、この冷却用送風機41により吐出される空気は、前記外装ケースの吸気口42に送風される。また、この貯湯タンク1には、給湯用の温水配管28が接続されている。
【0068】
以上の構成により、燃料電池システムSの運転が開始されると、原料供給源3から原料ガスが、前記脱硫器に供給される。ここで原料ガスから硫黄成分が除去される。この脱硫器を経た原料ガスは、改質装置4に供給され、上記実施例と同様に改質され、水素ガスとされる。
【0069】
改質装置4を経た後の水素がガス管17を経て前記水タンクに入り、そこで加湿された後、燃料電池6のアノードに燃料ガスとして供給される。他方、空気ポンプ23から配管24を介して前記水タンクに供給された空気は、そこで加湿され、燃料電池6のカソードに供給される。これにより、アノードに供給された水素と、カソードに供給された空気中に含まれる酸素とが反応し、電力が発生すると共に、固体高分子電解質膜を湿潤状態とする。
【0070】
また、燃料電池6のカソードから配管26に導出された空気は、燃料電池6の発熱反応によって温度上昇しており、この温度上昇した排気空気は、上記貯湯タンク1の水が廃熱回収用水経路38を介して循環する熱回収用熱交換器19で熱回収された後、排気ダクト27を通じて外装ケースの排気口37より外部に放出される。このとき、熱回収用熱交換器19での熱交換によって、貯湯タンク1の水が温度上昇する。
【0071】
ここで、かかる実施例では、廃熱回収用水経路38に熱回収用熱交換器39が設けられているため、上記貯湯タンク1から熱回収用水経路38内に流出する湯水は、熱回収用熱交換器39の冷却用送風機41により強制空冷される。そのため、貯湯タンク1の湯水が使用されず、貯湯タンク1内の水温が例えば均一に+60℃とされた場合であっても、熱回収用熱交換器39において、熱回収用水経路38内の湯水は、例えば、+20乃至+30℃にまで冷却された状態で、燃料電池6の発熱により加熱される熱回収用熱交換器19に流入することができるようになる。
【0072】
そのため、上述した如く貯湯タンク1の湯水が使用されず、貯湯タンク1内の温度が著しく上昇した場合であっても、熱回収用熱交換器39において、強制空冷されるため、燃料電池システムSの熱バランスを崩すことなく、安定した運転を行うことができるようになる。
【0073】
また、熱回収用熱交換器39において、強制空冷に用いられた空気は、貯湯タンク1から流出する熱にて例えば+30℃程度にまで予熱した後、外装ケースの吸気口42に吐出されることから、当該予熱された空気は、燃料電池6のカソードに供給される空気やバーナ9に用いられる空気として利用することができる。そのため、発電装置T内においてシステムSを稼働するのに用いられるエネルギー量を減少させることができ、燃料電池システムS全体の熱効率を向上させることができるようになる。
【0074】
尚、図4において発電装置Tと、熱回収用熱交換器39とは、別々に記載しているが、熱回収用熱交換器39を発電装置Tと一体に設けてもよい。この場合には、設置スペースの縮小を図ることができるようになり、システムSのコンパクト化を実現することができるようになる。
【0075】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、原料ガスを改質する改質装置と該改質装置によって改質された水素と酸素とを反応させて発電する燃料電池とを備えた発電装置と、該発電装置内の廃熱を回収する廃熱回収用水経路と、該廃熱回収用水経路を流れる温水を貯留する貯湯槽とを備えた燃料電池システムにおいて、改質装置に供給するプロセス水と貯湯槽を出た廃熱回収用水経路内を流れる温水とを熱交換させる熱交換器を設けたので、例えば貯湯槽の湯水が使用されず、貯湯槽内の温度が著しく上昇した場合であっても、当該貯湯槽の熱を改質装置に供給するプロセス水と熱交換することにより、システムの熱バランスを崩すことなく、安定した運転を行うことができるようになる。
【0076】
また、上記プロセス水を貯湯槽の熱にて予熱した後、改質装置に供給するため、システムの効率向上を図ることができるようになる。
【0077】
請求項2の発明によれば、水素と空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池を備えた発電装置と、該発電装置内の廃熱を回収する廃熱回収用水経路と、該廃熱回収用水経路を流れる温水を貯留する貯湯槽とを備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給する空気と貯湯槽を出た廃熱回収用水経路内を流れる温水とを熱交換させる熱交換器を設けたので、例えば貯湯槽の湯水が使用されず、貯湯槽内の温度が著しく上昇した場合であっても、当該貯湯槽の熱を燃料電池に供給する空気と熱交換することにより、システムの熱バランスを崩すことなく、安定した運転を行うことができるようになる。
【0078】
また、空気を貯湯槽の熱にて予熱した後、燃料電池に供給するため、システムの効率向上を図ることができるようになる。
【0079】
請求項3の発明によれば、上記各発明において、熱交換器を貯湯槽と一体に設けたので、設置スペースの縮小を図ることができるようになり、システムのコンパクト化を実現することができるようになる。
【0080】
請求項4の発明によれば、バーナを用いて原料ガスを改質する改質装置と該改質装置によって改質された水素と空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池とを備えた発電装置と、該発電装置内の廃熱を回収する廃熱回収用水経路と、該廃熱回収用水経路を流れる温水を貯留する貯湯槽とを備えた燃料電池システムにおいて、発電装置内に供給する空気と貯湯槽を出た廃熱回収用水経路内を流れる温水とを熱交換させる熱交換器を設けたので、例えば貯湯槽の湯水が使用されず、貯湯槽内の温度が著しく上昇した場合であっても、当該貯湯槽の熱を発電装置内に供給する空気と熱交換することにより、システムの熱バランスを崩すことなく、安定した運転を行うことができるようになる。
【0081】
また、空気を貯湯槽の熱にて予熱した後、発電装置に供給するため、システムの効率向上を図ることができるようになる。
【0082】
請求項5の発明によれば、上記発明において、熱交換器を発電装置と一体に設けたので、設置スペースの縮小を図ることができるようになり、システムのコンパクト化を実現することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池システムの概略構成図である。
【図2】図1と一部異なる燃料電池システムの概略構成図である。
【図3】他の実施例の燃料電池システムの概略構成図である。
【図4】もう一つの他の実施例の燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
S 燃料電池システム
T 発電装置
1 貯湯タンク(貯湯槽)
2、35、38 廃熱回収用水経路
4 改質装置
6 燃料電池
12 水処理装置
16、19、33、39 熱回収用熱交換器
37 排気口
41 冷却用送風機
42 吸気口[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electric power using hydrogen.
[0002]
[Prior art]
In recent years, reformers that reform and generate hydrogen gas (fuel gas) from raw gas such as natural gas, city gas, methanol, LPG, and butane, CO converter that converts carbon monoxide, and removal of carbon monoxide There is proposed a fuel cell system including a CO remover (hereinafter, these reformers, the CO shift converter, and the CO remover are collectively referred to as a reformer), a fuel cell that generates power using hydrogen, and the like. ing.
[0003]
In particular, a polymer electrolyte fuel cell system is used as a small power source for home use. Such a fuel cell system includes a reformer, a fuel cell, a control system, a water tank, various pumps, A PEFC device including a heat exchanger that collects waste heat generated at the time to produce hot water, a power converter that converts electric power generated by the fuel cell into commercial AC, and a heat exchanger that generates heat in the fuel cell. The heat recovery device is provided with a hot water storage tank and the like for storing hot water that recovers heat via a waste heat recovery water path.
[0004]
However, if the water in the hot water tank is not used and the temperature is raised to a predetermined temperature, for example, + 60 ° C. or higher, heat exchange in the heat exchanger cannot be sufficiently performed, and heat generated in the fuel cell is lost. It cannot be collected. As a result, there is a problem that the heat balance in the system is lost, and the power generation in the fuel cell must be stopped.
[0005]
Therefore, conventionally, a radiator has been taken into the waste heat recovery water path to cool the water in the hot water storage tank (see Patent Document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2001-325982 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional fuel cell system, since the heat taken in by the radiator is released to the outside, when a predetermined amount or more of heat is generated from the fuel cell, the excess heat is discarded. . There is a problem that energy cannot be used efficiently.
[0008]
Further, in the related art, since a radiator is provided in the waste heat recovery water path, there is a problem that the installation space is expanded and the system itself cannot be made compact.
[0009]
Accordingly, the present invention has been made to solve the conventional technical problem, and a fuel cell system capable of efficiently utilizing heat generated in a system and achieving downsizing of the system. The purpose is to provide.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a power generation device including a reformer that reforms a raw material gas, a fuel cell that generates power by reacting hydrogen and oxygen reformed by the reformer, and a power generation device. And a hot water storage tank for storing hot water flowing through the waste heat recovery water path. The processing water and the hot water storage tank are supplied to the reformer. A heat exchanger for exchanging heat with warm water flowing in the waste heat recovery water passage.
[0011]
According to the present invention, a power generator including a reformer for reforming a raw material gas, and a fuel cell for generating power by reacting hydrogen and oxygen reformed by the reformer, In a fuel cell system including a waste heat recovery water path for recovering waste heat and a hot water tank for storing hot water flowing through the waste heat recovery water path, process water to be supplied to the reformer and waste water exiting the hot water tank Since the heat exchanger that exchanges heat with the hot water flowing in the heat recovery water path is provided, for example, even when the hot water in the hot water tank is not used and the temperature in the hot water tank rises significantly, By exchanging heat with the process water that supplies heat to the reformer, stable operation can be performed without breaking the heat balance of the system.
[0012]
Further, since the process water is preheated by the heat of the hot water tank and then supplied to the reformer, the efficiency of the system can be improved.
[0013]
A fuel cell system according to a second aspect of the present invention includes a power generator having a fuel cell that generates power by reacting hydrogen and oxygen in air, a waste heat recovery water path that recovers waste heat in the power generator, A hot water storage tank for storing hot water flowing through the waste heat recovery water path, wherein heat is exchanged between air supplied to the fuel cell and hot water flowing in the waste heat recovery water path exiting the hot water storage tank. An exchange is provided.
[0014]
According to the invention of
[0015]
Further, since the air is preheated by the heat of the hot water tank and then supplied to the fuel cell, the efficiency of the system can be improved.
[0016]
A fuel cell system according to a third aspect of the present invention is characterized in that, in each of the above inventions, the heat exchanger is provided integrally with the hot water tank.
[0017]
According to the invention of claim 3, in each of the above-mentioned inventions, since the heat exchanger is provided integrally with the hot water storage tank, the installation space can be reduced, and the system can be made compact. Become like
[0018]
A fuel cell system according to a fourth aspect of the present invention includes a reformer for reforming a raw material gas using a burner, a fuel cell for generating electricity by reacting hydrogen reformed by the reformer with oxygen in the air, and A wastewater recovery water path for recovering waste heat in the power generation apparatus, and a hot water storage tank for storing hot water flowing through the waste heat recovery water path. A heat exchanger for exchanging heat between the air supplied to the hot water and the hot water flowing in the waste heat recovery water passage exiting the hot water storage tank.
[0019]
According to the invention of
[0020]
Further, since the air is preheated by the heat of the hot water tank and then supplied to the power generation device, the efficiency of the system can be improved.
[0021]
A fuel cell system according to a fifth aspect of the present invention is characterized in that, in the above invention, the heat exchanger is provided integrally with the power generation device.
[0022]
According to the fifth aspect of the present invention, in the above invention, since the heat exchanger is provided integrally with the power generator, the installation space can be reduced, and the system can be made compact. become.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The fuel cell system S according to the present embodiment includes a power generation device (polymer electrolite fuel cell: PEFC device) T including the polymer
[0024]
Here, the fuel cell system S of the present embodiment will be described with reference to FIG. In this fuel cell system S, a raw material supply source 3 which is a supply source of a fuel such as natural gas, city gas, methanol, LPG, butane, a desulfurizer (not shown) for removing a sulfur component from a fuel gas, and a
[0025]
A
[0026]
Here, the
[0027]
It is assumed that a booster pump (not shown) is provided in the
[0028]
Then, the CO remover of the
[0029]
On the other hand, the
[0030]
The hot
[0031]
With the above configuration, when the operation of the fuel cell system S is started, the raw material gas is supplied from the raw material supply source 3 to the desulfurizer via the electromagnetic on-off valve and the booster pump. Here, the sulfur component is removed from the source gas. When a catalyst utilizing an adsorption reaction such as activated carbon is used in this desulfurizer, the sulfur component can be removed at room temperature. The raw material gas that has passed through the desulfurizer is supplied to the reformer of the
[0032]
In the reformer of the
[0033]
The gas that has passed through the CO converter is supplied to a CO remover. In this case, the reformed gas that has passed through the CO shift converter and air supplied by an air pump (not shown) are mixed and supplied to the CO remover. Then, after the mixed reformed gas is cooled by an internal heat exchanger, unconverted carbon monoxide in the reformed gas is converted to carbon dioxide by a selective oxidation reaction by a catalyst, and The carbon monoxide concentration is reduced to about 10 ppm, and substantially unmodified carbon monoxide in the gas is removed.
[0034]
Hydrogen from which carbon monoxide has been removed through the CO remover of the
[0035]
The unreacted hydrogen that has passed through the anode of the
[0036]
Further, the temperature of the air drawn out from the cathode of the
[0037]
Here, in this embodiment, since the heat
[0038]
Therefore, even when the hot water in the hot
[0039]
The process water supplied to the
[0040]
Further, in the present embodiment, the process water flowing into the heat
[0041]
In the present embodiment, the
[0042]
Further, in this embodiment, the hot
[0043]
In the above-described
[0044]
Further, since the chemical reaction performed in the CO converter and the CO remover is an exothermic reaction, a burner (not shown) is burned only at the start of the system to generate combustion gas. The temperature of the remover is raised to the reaction temperature, and after the temperature is raised to this reaction temperature, cooling is performed so that the temperature of the exothermic reaction does not rise above the reaction temperature.
[0045]
In the
[0046]
The above-described heat exchanger is connected to the exhaust system of the
[0047]
The power generated by the chemical reaction between hydrogen and oxygen in the air in the
[0048]
With the configuration described above, the fuel cell system S takes the form of an efficient cogeneration system, so that energy can be effectively used. Therefore, a high total thermal efficiency is obtained, so that the consumption of the raw material is reduced and the emission of carbon dioxide is reduced.
[0049]
Next, another embodiment of the fuel cell system S of the present invention will be described with reference to FIG. Note that components denoted by the same or similar reference numerals as those in FIG. 1 have the same or similar effects.
[0050]
The fuel cell system S in FIG. 3 includes a raw material supply source 3, a desulfurizer, a
[0051]
Here, the
[0052]
Then, the CO remover of the
[0053]
On the other hand, the
[0054]
Further, the hot
[0055]
With the above configuration, when the operation of the fuel cell system S is started, the raw material gas is supplied from the raw
[0056]
Hydrogen after passing through the
[0057]
Further, the temperature of the air led out from the cathode of the
[0058]
Here, in this embodiment, since the heat
[0059]
Therefore, even if the hot water in the hot
[0060]
Further, in the heat
[0061]
Although the hot
[0062]
Next, another embodiment of the fuel cell system S of the present invention will be described with reference to FIG. Note that components denoted by the same or similar reference numerals as those in FIG. 1 have the same or similar effects.
[0063]
The fuel cell system S in FIG. 4 is, like the fuel cell system S shown in FIG. 1, a power generator including a raw material supply source 3, a desulfurizer, a
[0064]
Here, the
[0065]
Then, the CO remover of the
[0066]
On the other hand, the
[0067]
The hot
[0068]
With the above configuration, when the operation of the fuel cell system S is started, the raw material gas is supplied from the raw material supply source 3 to the desulfurizer. Here, the sulfur component is removed from the source gas. The raw material gas that has passed through the desulfurizer is supplied to the reforming
[0069]
Hydrogen after passing through the
[0070]
Further, the temperature of the air led out from the cathode of the
[0071]
Here, in this embodiment, since the heat
[0072]
For this reason, even if the hot water in the hot
[0073]
Further, in the heat
[0074]
Although the power generator T and the heat
[0075]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, a power generator including a reformer for reforming a raw material gas and a fuel cell for generating power by reacting hydrogen and oxygen reformed by the reformer, In a fuel cell system including a waste heat recovery water path for recovering waste heat in the power generation device, and a hot water tank for storing hot water flowing through the waste heat recovery water path, process water and hot water stored in a reformer are provided. Since a heat exchanger for exchanging heat with the hot water flowing in the waste heat recovery water path that has exited the tank is provided, for example, even when the hot water in the hot water tank is not used and the temperature in the hot water tank is significantly increased. By exchanging the heat of the hot water storage tank with the process water supplied to the reformer, stable operation can be performed without breaking the heat balance of the system.
[0076]
Further, since the process water is preheated by the heat of the hot water tank and then supplied to the reformer, the efficiency of the system can be improved.
[0077]
According to the invention of
[0078]
Further, since the air is preheated by the heat of the hot water tank and then supplied to the fuel cell, the efficiency of the system can be improved.
[0079]
According to the invention of claim 3, in each of the above-mentioned inventions, since the heat exchanger is provided integrally with the hot water storage tank, the installation space can be reduced, and the system can be made compact. Become like
[0080]
According to the invention of
[0081]
Further, since the air is preheated by the heat of the hot water tank and then supplied to the power generation device, the efficiency of the system can be improved.
[0082]
According to the fifth aspect of the present invention, in the above invention, since the heat exchanger is provided integrally with the power generator, the installation space can be reduced, and the system can be made compact. become.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system partially different from FIG. 1;
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to another embodiment.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to another embodiment.
[Explanation of symbols]
S fuel cell system
T generator
1 Hot water storage tank (hot water storage tank)
2, 35, 38 Water path for waste heat recovery
4 Reformer
6 Fuel cell
12 Water treatment equipment
16, 19, 33, 39 Heat exchangers for heat recovery
37 Exhaust port
41 Cooling blower
42 Inlet
Claims (5)
前記改質装置に供給するプロセス水と前記貯湯槽を出た前記廃熱回収用水経路内を流れる温水とを熱交換させる熱交換器を設けたことを特徴とする燃料電池システム。A power generator including a reformer for reforming a raw material gas, a fuel cell for generating power by reacting hydrogen and oxygen reformed by the reformer, and a waste for recovering waste heat in the power generator. In a fuel cell system including a heat recovery water path and a hot water tank that stores hot water flowing through the waste heat recovery water path,
A fuel cell system, comprising: a heat exchanger for exchanging heat between process water supplied to the reformer and hot water flowing in the waste heat recovery water passage exiting the hot water storage tank.
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