JP2004213977A

JP2004213977A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2004213977A
Application number: JP2002380696A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Oda; 勝也小田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: JP4101051B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell in which the heat generated in the system can be utilized efficiently and compactness of the system can be realized. <P>SOLUTION: The fuel cell system S comprises a generating device T which has a reforming device 4 for reforming the raw material gas and a fuel cell 6 that generates power by reacting hydrogen reformed by the reforming device 4 and oxygen, a waste heat recovering water passage 2 for recovering the waste heat in the generating device T, and a hot water storage tank 1 for storing the hot water flowing into the waste heat recovering water passage 2. A heat exchanger 16 for heat-exchanging the process water supplied to the reforming device 4 and the hot water flowing into the waste heat recovering water passage 2 that has come out of the hot water storage tank 1 is provided. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

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 claim 2, a power generation device including 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 generation device, In a fuel cell system having a hot water tank for storing hot water flowing through a heat recovery water path, a heat exchanger for exchanging heat between air supplied to the fuel cell and hot water flowing in a waste heat recovery water path exiting the hot water tank. Therefore, 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, the system can be configured to exchange heat with the air supplied to the fuel cell by exchanging the heat in the hot water tank with the air. It is possible to perform stable operation without breaking the heat balance.
[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 claim 4, there is provided a reformer for reforming the raw material gas using a burner, and a fuel cell for generating electricity by reacting the hydrogen reformed by the reformer with oxygen in the air. A fuel cell system comprising a power generation device, 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. A heat exchanger is provided to exchange heat between the hot air and the hot water flowing out of the waste heat recovery water channel that has exited the hot water storage tank. Even in such a case, stable operation can be performed without breaking the heat balance of the system by exchanging heat of the hot water storage tank with air supplied into the power generation device.
[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 electrolyte fuel cell 6. Further, since the fuel cell system S adopts a cogeneration system in which heat generated in power generation of the fuel cell system S is effectively used in addition to the power generation device T, a waste heat recovery device described later is used as a heat recovery device. It has a water passage 2 and a hot water storage tank 1 (hot water storage tank).
[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 reformer 4 And a polymer electrolyte fuel cell 6. The reformer 4 includes a reformer that generates a reformed gas containing hydrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide from a raw material gas, and converts carbon monoxide contained in the reformed gas from the reformer into carbon dioxide. And a CO remover for removing unconverted carbon monoxide from the CO converter. The fuel cell 6 generates electric power by reacting hydrogen after removal of carbon monoxide from the CO remover of the reformer 4 with oxygen contained in the air. , An anode (fuel electrode), a cathode (air electrode), a solid polymer electrolyte membrane, and a cooling unit.
[0025]
A gas pipe 7 extends from the raw material supply source 3, and the gas pipe 7 is connected to the desulfurizer via an electromagnetic opening / closing valve (not shown) and a booster pump, and is provided with an electromagnetic opening / closing valve (not shown). The gas pipe 8 branches off, and this gas pipe 8 is connected to a burner 9 of the reformer 4 (reformer). The desulfurizer is connected to the reformer of the reformer 4 via a gas pipe. The reformer is sequentially connected to a CO converter and a CO remover by a gas pipe (not shown). A water treatment device 12 made of, for example, an ion-exchange resin is connected to the gas pipe 7 via a pipe 11 provided with a booster pump (not shown). The pipe 11 may be connected to the reformer 4 instead of the gas pipe 7.
[0026]
Here, the water treatment device 12 is a device that treats city water supplied through the water pipe 13 and the pipe 14 into pure water, and process water is supplied through the pipes 14, 11, and 7 to the reformer 14. . The pipe 14 is provided with a heat recovery heat exchanger 16 which will be described in detail later.
[0027]
It is assumed that a booster pump (not shown) is provided in the pipe 14. In addition, pipes (not shown) are connected to the water treatment apparatus 12, and these pipes are used to humidify the respective fuel gas and air (oxidant gas) supplied to the anode and the cathode in the fuel cell 6. Water tank is connected. Further, the water pipe 13 is also connected to the hot water storage tank 1, and city water is supplied to the hot water storage tank 1.
[0028]
Then, the CO remover of the reformer 4 is connected to the anode of the fuel cell 6 via a gas pipe 17 provided with the water tank. This anode is connected via a pipe 18 to a burner 9 for heating the reformer 4. Although not shown, the water tank is connected to a cooling section of the fuel cell 6 via a pipe (not shown), and the cooling section is connected via a pipe 21 provided with a heat recovery heat exchanger 19. Connected to the water tank again.
[0029]
On the other hand, the air supply source 22 is connected to a water tank (not shown) different from a water tank connected to the anode by a pipe 24 provided with an air pump 23, and the water tank is connected to a fuel cell via a pipe (not shown). 6 is connected to the cathode. This cathode is connected to the heat recovery heat exchanger 19 via a pipe 26. An exhaust duct 27 and a drain water pipe (not shown) are connected to the heat exchanger 19 for heat recovery.
[0030]
The hot water storage tank 1 is sequentially connected to a heat recovery heat exchanger 16 composed of, for example, a fin tube or a plate fin, and a heat recovery heat exchanger 19 via a waste heat recovery water path 2. I have. In the heat recovery heat exchanger 16, the hot water flowing from the hot water storage tank 1 via the waste heat recovery water path 2 and the city water flowing through the pipe 14 have the flowing directions opposite to each other. , That is, they are arranged so as to be in a counterflow. Further, a hot water pipe 28 for hot water supply is connected to the hot water storage tank 1.
[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 reformer 4.
[0032]
In the reformer of the reformer 4, the raw material gas from the desulfurizer is mixed by the burner 9 with water vaporized by the internal heat exchanger from water supplied from the booster pump through the pipe 11, and preheated. Then, by activating with a catalyst, a reformed gas containing hydrogen (fuel gas), carbon dioxide and carbon monoxide is generated. The gas that has passed through the reformer is supplied to a CO converter, where carbon monoxide contained in the reformed gas is converted to carbon dioxide.
[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 reformer 4 enters the water tank through the gas pipe 17 and is humidified there, and then supplied to the anode of the fuel cell 6 as fuel gas. . On the other hand, air is supplied from the air pump 23 to the water tank, where the humidified air is supplied to the cathode of the fuel cell 6. As a result, the hydrogen supplied to the anode reacts with the oxygen contained in the air supplied to the cathode, generating power and bringing the solid polymer electrolyte membrane into a wet state.
[0035]
The unreacted hydrogen that has passed through the anode of the fuel cell 6 is supplied to the burner 9 of the reformer of the reformer 4 via a gas pipe 18 as off-gas. At this time, the water generated by the chemical reaction and partially remaining or moved to the anode and the drain water generated in the reformer 4 are discharged to the outside by a drain pipe (not shown).
[0036]
Further, the temperature of the air drawn out from the cathode of the fuel cell 6 to the pipe 26 is increased by the exothermic reaction of the fuel cell 6. After the heat is recovered by the heat recovery heat exchanger 19 circulating through the heat exchanger 2, the heat is released to the outside through the exhaust duct 27. At this time, the temperature of the water in the hot water storage tank 1 increases due to heat exchange in the heat recovery heat exchanger 19. On the other hand, the water generated in the chemical reaction of the fuel cell 6 is present as water vapor in the exhaust air whose temperature has risen, and condenses when heat exchange is performed with the water in the hot water storage tank 1 in the heat recovery heat exchanger 19. Then, it is discharged as drain water from a drain pipe (not shown) to the outside.
[0037]
Here, in this embodiment, since the heat recovery heat exchanger 16 is provided in the waste heat recovery water path 2, the hot water flowing out of the hot water storage tank 1 into the heat recovery water path 2 is the heat recovery heat path. In the exchanger 16, heat exchange is performed with process water supplied to the reformer 4 flowing through the pipe 14. Therefore, even if the hot water in the hot water storage tank 1 is not used and the water temperature in the hot water storage tank 1 is, for example, uniformly set at + 60 ° C., the hot and cold water in the heat recovery water passage 2 in the heat recovery heat exchanger 16 is used. Can flow into the heat recovery heat exchanger 19 heated by the heat generated by the fuel cell 6 while being cooled to, for example, +20 to 30 ° C.
[0038]
Therefore, even when the hot water in the hot water storage tank 1 is not used as described above and the temperature in the hot water storage tank 1 is significantly increased, the heat of the hot water storage tank 1 is converted into the heat in the heat recovery heat exchanger 16 by the reformer. By performing heat exchange with the process water supplied to the fuel cell 4, stable operation can be performed without breaking the heat balance of the fuel cell system S.
[0039]
The process water supplied to the reformer 4 is preheated in the heat recovery heat exchanger 16 to, for example, about + 50 ° C. by the heat flowing out of the hot water storage tank 1, and then is reformed through the pipe 14. 4 can be supplied. This also makes it possible to improve the efficiency of the fuel cell system S.
[0040]
Further, in the present embodiment, the process water flowing into the heat recovery heat exchanger 16 and the hot water flowing from the hot water storage tank 1 are in counterflow, so that the heat exchange can be performed more efficiently. Become like
[0041]
In the present embodiment, the water treatment device 12 composed of an ion exchange resin connected to the pipe 14 is connected to the downstream side of the heat recovery heat exchanger 16, but as shown in FIG. It is assumed that the same effect can be obtained even when connected to the upstream side of the heat exchanger 16.
[0042]
Further, in this embodiment, the hot water storage tank 1 and the heat recovery heat exchanger 16 are separately described in FIGS. 1 and 2, but the heat recovery heat exchanger 16 is provided at a lower portion of the hot water storage tank 1. They may be provided integrally. In this case, the installation space can be reduced, and the system S can be made compact.
[0043]
In the above-described reformer 4 and fuel cell 6, a chemical reaction having a predetermined reaction temperature is performed. Since the chemical reaction in the reformer is an endothermic reaction, the chemical reaction is performed while being constantly heated by the burner 9 provided in the reformer 4.
[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 fuel cell 6, an electrochemical reaction is performed, and heat is generated by activation overvoltage, concentration overvoltage, and resistance overvoltage during the electrochemical reaction. At this time, the water in the water tank is supplied to the cooling unit of the fuel cell 6 by a pump (not shown), and the water passing through the cooling unit passes through the heat recovery heat exchanger 19 via the pipe 21. , Return to the water tank again.
[0046]
The above-described heat exchanger is connected to the exhaust system of the reformer 4, and when the process water in the pipe 11 is supplied as described above, the heat exchanger turns into steam, and this steam is mixed with the raw material gas. And supplied to the reformer.
[0047]
The power generated by the chemical reaction between hydrogen and oxygen in the air in the fuel cell 6 is boosted to a voltage required for the inverter through a boost converter (not shown), and transmitted to, for example, a grid-connected inverter. From here, it is supplied to the home as a single-phase three-wire 100V / 200V power supply.
[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 reformer 4, and a polymer electrolyte fuel cell 6, similarly to the fuel cell system S shown in FIG. A gas pipe 7 extends from the raw material supply source 3, and the desulfurizer is connected to the gas pipe 7. A gas pipe 8 branches from the gas pipe 7 in the same manner as in the above embodiment. The pipe 8 is connected to a burner 9 of the reformer 4 (reformer). The desulfurizer is connected to the reformer of the reformer 4 via a gas pipe. A water treatment device 12 made of, for example, an ion-exchange resin is connected to the gas pipe 7 via a pipe 11 provided with a booster pump (not shown). The pipe 11 may be connected to the reformer 4 instead of the gas pipe 7.
[0051]
Here, the water treatment device 12 is a device for treating city water supplied through the water pipe 13 and the pipe 31 into pure water, and process water is supplied to the reforming apparatus 4 through the pipes 31, 11, and 7. You. In addition, pipes (not shown) are connected to the water treatment apparatus 12, and these pipes are used to humidify the respective fuel gas and air (oxidant gas) supplied to the anode and the cathode in the fuel cell 6. Water tank is connected. Further, the water pipe 13 is also connected to the hot water storage tank 1, and city water is supplied to the hot water storage tank 1.
[0052]
Then, the CO remover of the reformer 4 is connected to the anode of the fuel cell 6 via a gas pipe 17 provided with the water tank. This anode is connected via a pipe 18 to a burner 9 for heating the reformer 4. The water tank is connected to a cooling section of the fuel cell 6 through a pipe 21 provided with a heat recovery heat exchanger 19, and cools the fuel cell 6 in the same manner as in the above embodiment. I do.
[0053]
On the other hand, the air supply source 22 is connected to a heat recovery heat exchanger 33 composed of, for example, a fin tube or a plate fin, by a pipe 32 provided with an air pump 23, and the heat recovery heat exchanger 33 is It is connected to the cathode of the fuel cell 6 via a pipe 34 provided with a water tank (not shown) different from the water tank connected to the anode. This cathode is connected to the heat recovery heat exchanger 19 via a pipe 26. An exhaust duct 27 and a drain water pipe (not shown) are connected to the heat exchanger 19 for heat recovery.
[0054]
Further, the hot water storage tank 1 is sequentially connected to the heat recovery heat exchanger 33 and the heat recovery heat exchanger 19 via a waste heat recovery water path 35. Further, a hot water pipe 28 for hot water supply is connected to the hot water storage tank 1.
[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 material supply source 1 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 device 4 and reformed in the same manner as in the above-described embodiment to be a hydrogen-rich gas.
[0056]
Hydrogen after passing through the reformer 4 enters the water tank via the gas pipe 17, is humidified therein, and is supplied as a fuel gas to the anode of the fuel cell 6. On the other hand, the air supplied from the air pump 23 to the water tank via the heat recovery heat exchanger 33 is humidified there and supplied to the cathode of the fuel cell 6. As a result, the hydrogen supplied to the anode reacts with the oxygen contained in the air supplied to the cathode, generating power and bringing the solid polymer electrolyte membrane into a wet state.
[0057]
Further, the temperature of the air led out from the cathode of the fuel cell 6 to the pipe 26 has increased due to the exothermic reaction of the fuel cell 6, and the temperature of the exhaust air has been increased by the water in the hot water storage tank 1 and the waste heat recovery water path. After the heat is recovered by the heat recovery heat exchanger 19 circulating through 35, the heat is released to the outside through the exhaust duct 27. At this time, the temperature of the water in the hot water storage tank 1 increases due to heat exchange in the heat recovery heat exchanger 19.
[0058]
Here, in this embodiment, since the heat recovery heat exchanger 33 is provided in the waste heat recovery water path 35, the hot and cold water flowing out of the hot water storage tank 1 into the heat recovery water path 35 is the heat recovery heat path. It exchanges heat with the air introduced into the exchanger 33 via the pipe 32. Therefore, even when the hot water in the hot water storage tank 1 is not used and the water temperature in the hot water storage tank 1 is, for example, uniformly set at + 60 ° C., the hot water in the heat recovery water path 35 in the heat recovery heat exchanger 33 is used. After being cooled to, for example, +20 to + 30 ° C., can flow into the heat recovery heat exchanger 19 heated by the heat generated by the fuel cell 6.
[0059]
Therefore, even if the hot water in the hot water storage tank 1 is not used as described above and the temperature in the hot water storage tank 1 rises significantly, the heat recovery heat exchanger 33 transfers the heat of the hot water storage tank 1 to air and heat. By performing the replacement, stable operation can be performed without breaking the heat balance of the fuel cell system S.
[0060]
Further, in the heat recovery heat exchanger 33, the air to be heat-exchanged is preheated to, for example, about + 30 ° C. by the heat flowing out of the hot water storage tank 1, and then supplied to the cathode of the fuel cell 6 via the pipe. be able to. Therefore, since the air can be supplied to the water tank provided in the pipe 34 in a preheated state and then sent to the fuel cell 6, the amount of energy to be heated in the water tank can be reduced. The efficiency of the system S can be improved.
[0061]
Although the hot water storage tank 1 and the heat recovery heat exchanger 33 are shown separately in FIG. 3, the heat recovery heat exchanger 33 may be provided integrally with the lower part of the hot water storage tank 1. In this case, the installation space can be reduced, and the system S can be made compact.
[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 reformer 4, and a polymer electrolyte fuel cell 6. T, and the power generation device T is disposed in an outer case (not shown) separately from the heat recovery device. A gas pipe 7 extends from the raw material supply source 3, and the desulfurizer is connected to the gas pipe 7, and a gas pipe 8 branches from the gas pipe 7 in the same manner as in the above embodiment. The gas pipe 8 is connected to a burner 9 of the reformer 4 (reformer). The desulfurizer is connected to the reformer of the reformer 4 via a gas pipe. A water treatment device 12 made of, for example, an ion-exchange resin is connected to the gas pipe 7 via a pipe 11 provided with a booster pump (not shown). The pipe 11 may be connected to the reformer 4 instead of the gas pipe 7.
[0064]
Here, the water treatment device 12 is a device for treating city water supplied through the water pipe 13 and the pipe 36 into pure water, and process water is supplied to the reformer 4 via the pipes 36, 11 and 7. You. In addition, pipes (not shown) are connected to the water treatment apparatus 12, and these pipes are used to humidify the respective fuel gas and air (oxidant gas) supplied to the anode and the cathode in the fuel cell 6. Water tank is connected. Further, the water pipe 13 is also connected to the hot water storage tank 1, and city water is supplied to the hot water storage tank 1.
[0065]
Then, the CO remover of the reformer 4 is connected to the anode of the fuel cell 6 via a gas pipe 17 provided with the water tank. This anode is connected via a pipe 18 to a burner 9 for heating the reformer 4. The water tank is connected to a cooling section of the fuel cell 6 through a pipe 21 provided with a heat recovery heat exchanger 19, and cools the fuel cell 6 in the same manner as in the above embodiment. I do.
[0066]
On the other hand, the air supply source 22 is connected to a water tank (not shown) different from a water tank connected to the anode by a pipe 24 provided with an air pump 23, and the water tank is connected to a fuel cell via a pipe (not shown). 6 is connected to the cathode. This cathode is connected to the heat recovery heat exchanger 19 via a pipe 26. An exhaust duct 27 and a drain water pipe (not shown) are connected to the heat exchanger 19 for heat recovery. The exhaust duct 27 is connected to the reformer 4, the fuel cell 6, the air pump 23, and the heat exchanger for heat recovery. 19 is connected to an exhaust port 37 formed in advance in the outer case of the power generation device T provided with a power supply 19 and the like.
[0067]
The hot water storage tank 1 is sequentially connected to a heat recovery heat exchanger 39 composed of, for example, a fin tube or a plate fin, and a heat recovery heat exchanger 19 via a waste heat recovery water path 38. I have. In the vicinity of the heat recovery heat exchanger 39, a cooling fan 41 for cooling the heat recovery heat exchanger 39 is provided. The air is blown to the mouth 42. Further, a hot water pipe 28 for hot water supply is connected to the hot water storage tank 1.
[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 device 4 and reformed in the same manner as in the above-described embodiment to be converted into hydrogen gas.
[0069]
Hydrogen after passing through the reformer 4 enters the water tank via the gas pipe 17, is humidified therein, and is supplied as a fuel gas to the anode of the fuel cell 6. On the other hand, the air supplied from the air pump 23 to the water tank via the pipe 24 is humidified there and supplied to the cathode of the fuel cell 6. As a result, the hydrogen supplied to the anode reacts with the oxygen contained in the air supplied to the cathode, generating power and bringing the solid polymer electrolyte membrane into a wet state.
[0070]
Further, the temperature of the air led out from the cathode of the fuel cell 6 to the pipe 26 has increased due to the exothermic reaction of the fuel cell 6, and the temperature of the exhaust air has been increased by the water in the hot water storage tank 1 and the waste heat recovery water path. After the heat is recovered by the heat recovery heat exchanger 19 circulating through 38, the heat is released to the outside through an exhaust port 37 of the outer case through the exhaust duct 27. At this time, the temperature of the water in the hot water storage tank 1 increases due to heat exchange in the heat recovery heat exchanger 19.
[0071]
Here, in this embodiment, since the heat recovery heat exchanger 39 is provided in the waste heat recovery water path 38, the hot water flowing out of the hot water storage tank 1 into the heat recovery water path 38 is the heat recovery heat path. The cooling air blower 41 of the exchanger 39 performs forced air cooling. Therefore, even if the hot water in the hot water storage tank 1 is not used and the water temperature in the hot water storage tank 1 is, for example, uniformly set at + 60 ° C., the hot and cold water in the heat recovery water path 38 in the heat recovery heat exchanger 39 is used. Can flow into the heat recovery heat exchanger 19 heated by the heat generated by the fuel cell 6 while being cooled to, for example, +20 to + 30 ° C.
[0072]
For this reason, even if the hot water in the hot water storage tank 1 is not used as described above and the temperature in the hot water storage tank 1 is significantly increased, the fuel cell system S is subjected to forced air cooling in the heat recovery heat exchanger 39. It is possible to perform stable operation without breaking the heat balance.
[0073]
Further, in the heat recovery heat exchanger 39, the air used for forced air cooling is preheated to, for example, about + 30 ° C. by the heat flowing out of the hot water storage tank 1 and then discharged to the intake port 42 of the outer case. Therefore, the preheated air can be used as air supplied to the cathode of the fuel cell 6 or air used for the burner 9. Therefore, the amount of energy used to operate the system S in the power generation device T can be reduced, and the thermal efficiency of the entire fuel cell system S can be improved.
[0074]
Although the power generator T and the heat recovery heat exchanger 39 are separately illustrated in FIG. 4, the heat recovery heat exchanger 39 may be provided integrally with the power generator T. In this case, the installation space can be reduced, and the system S can be made compact.
[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 claim 2, a power generation device including 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 generation device, In a fuel cell system having a hot water tank for storing hot water flowing through a heat recovery water path, a heat exchanger for exchanging heat between air supplied to the fuel cell and hot water flowing in a waste heat recovery water path exiting the hot water tank. Therefore, 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, the system can be configured to exchange heat with the air supplied to the fuel cell by exchanging the heat in the hot water tank with the air. It is possible to perform stable operation without breaking the heat balance.
[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 claim 4, there is provided a reformer for reforming the raw material gas using a burner, and a fuel cell for generating electricity by reacting the hydrogen reformed by the reformer with oxygen in the air. A fuel cell system comprising a power generation device, 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. A heat exchanger is provided to exchange heat between the hot air and the hot water flowing out of the waste heat recovery water channel that has exited the hot water storage tank. Even in such a case, stable operation can be performed without breaking the heat balance of the system by exchanging heat of the hot water storage tank with air supplied into the power generation device.
[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

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.

A power generation device including a fuel cell that generates power by reacting hydrogen with oxygen in the air, a waste heat recovery water path for recovering waste heat in the power generation apparatus, and hot water flowing through the waste heat recovery water path In a fuel cell system having a hot water storage tank, a heat exchanger for exchanging heat between air supplied to the fuel cell and hot water flowing through the waste heat recovery water passage exiting the hot water storage tank is provided. And a fuel cell system.

The fuel cell system according to claim 1, wherein the heat exchanger is provided integrally with the hot water storage tank.

A power generator including a reformer for reforming the raw material gas using a burner, and a fuel cell for generating power by reacting hydrogen reformed by the reformer with oxygen in the air; In a fuel cell system provided with a waste heat recovery water path for recovering waste heat of the fuel cell and a hot water storage tank for storing hot water flowing through the waste heat recovery water path, air supplied to the power generator and the hot water storage tank are discharged. And a heat exchanger for exchanging heat with hot water flowing in the waste heat recovery water passage.

The fuel cell system according to claim 4, wherein the heat exchanger is provided integrally with the power generator.