JP2005071834A - Exhaust heat recovery system of fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は改質装置から供給される燃料ガスを使用して発電する燃料電池の電池冷却用流体との熱交換により排熱を回収する電池冷却用熱交換器と、改質装置と燃料電池とが設けられる燃料電池システム外に排出される又は燃料電池システム内を通流する授熱側ガスとの熱交換により排熱を回収する授熱側ガス用熱交換器と、電池冷却用熱交換器及び授熱側ガス用熱交換器から回収される排熱を蓄熱する蓄熱装置と、電池冷却用流体の温度を冷却に適する温度以下に維持するために放熱作動する放熱器とが設けられる燃料電池システムの排熱回収システムに関する。 The present invention relates to a battery cooling heat exchanger that recovers exhaust heat by heat exchange with a battery cooling fluid of a fuel cell that generates power using fuel gas supplied from a reformer, a reformer, and a fuel cell. A heat exchanger for heat transfer side gas that recovers exhaust heat by heat exchange with the heat transfer side gas that is discharged outside the fuel cell system or flows through the fuel cell system, and a heat exchanger for battery cooling And a heat storage device for storing exhaust heat recovered from the heat exchanger for the heat transfer side gas, and a heat radiator that operates to dissipate heat in order to maintain the temperature of the battery cooling fluid below a temperature suitable for cooling. The present invention relates to a system for exhaust heat recovery.
かかる燃料電池システムの排熱回収システムとしては、燃料電池の電池冷却水によって燃料電池システム外部に排出される熱を水などの排熱回収用流体によって貯湯槽にて回収して蓄熱するものがほとんどであった。そして、燃料電池システムからの排熱回収効率を更に高めることを目的として、改質器からの排ガスが有する熱と、一酸化炭素変成器からの排ガスが有する熱と、一酸化炭素選択酸化器からの排ガスが有する熱からの排熱回収をそれぞれ行って、燃料電池システム全体から大量の排熱を回収しようとしている排熱回収システムも提案されている(例えば、特許文献1を参照)。 Most of the exhaust heat recovery systems of such fuel cell systems recover heat stored in the hot water storage tank by using exhaust heat recovery fluid such as water from the fuel cell system. Met. For the purpose of further improving the efficiency of exhaust heat recovery from the fuel cell system, the heat of the exhaust gas from the reformer, the heat of the exhaust gas from the carbon monoxide converter, and the carbon monoxide selective oxidizer There has also been proposed an exhaust heat recovery system that recovers a large amount of exhaust heat from the entire fuel cell system by performing exhaust heat recovery from the heat of each exhaust gas (see, for example, Patent Document 1).
加えて、燃料電池のカソード部から排出されるカソード排ガス及びアノード部から排出されるアノード排ガスは発電時の反応熱を吸収したものであるので、カソード排ガス及びアノード排ガスと上記排熱回収用流体との間の熱交換を行うことで、それらのガスからの排熱回収を行うこともでき、これにより燃料電池システムの排熱回収効率を高めることもできる。 In addition, since the cathode exhaust gas discharged from the cathode part of the fuel cell and the anode exhaust gas discharged from the anode part absorb the heat of reaction during power generation, the cathode exhaust gas and anode exhaust gas, the exhaust heat recovery fluid, By exchanging heat between the two, exhaust heat recovery from these gases can also be performed, thereby increasing the exhaust heat recovery efficiency of the fuel cell system.
上述のような燃料電池システムの排熱回収システムでは、貯湯槽に蓄えられている熱量が増大して電池冷却用流体と熱交換を行っている排熱回収用流体の温度が上昇すると、燃料電池から排出された電池冷却用流体の温度と排熱回収用流体の温度との温度差が小さくなり、電池冷却効果が十分に得られないという問題が発生する。そのため、例えば放熱ファンなどの放熱器が排熱回収システムに設けられており、貯湯槽に蓄えられている熱量が所定量以上に増大すると、その放熱器を作動させて燃料電池の電池冷却用流体の温度又は排熱回収用流体の温度を低下させ、電池冷却用流体による燃料電池の冷却効果を十分に得るような対策が講じられている。その際、放熱器は、貯湯槽に現状蓄えられている以上の熱量を蓄えないように、新たに回収されてくる熱量をすべて放熱するだけの能力が求められる。 In the exhaust heat recovery system of the fuel cell system as described above, when the amount of heat stored in the hot water tank increases and the temperature of the exhaust heat recovery fluid exchanging heat with the battery cooling fluid rises, the fuel cell The temperature difference between the temperature of the battery cooling fluid discharged from the battery and the temperature of the exhaust heat recovery fluid becomes small, and there arises a problem that the battery cooling effect cannot be sufficiently obtained. For this reason, for example, a heat radiator such as a heat radiating fan is provided in the exhaust heat recovery system, and when the amount of heat stored in the hot water storage tank increases to a predetermined amount or more, the heat radiator is operated and the battery cooling fluid of the fuel cell is operated. Measures have been taken to reduce the temperature of the exhaust heat recovery fluid or the temperature of the exhaust heat recovery fluid to sufficiently obtain the cooling effect of the fuel cell by the battery cooling fluid. At that time, the radiator is required to have an ability to dissipate all the newly recovered heat so as not to store more heat than is currently stored in the hot water tank.
しかしながら、特許文献1に記載の排熱回収システムでは燃料電池システムから大量の熱量を回収することを目的としているため、排熱回収システムに設けられている貯湯槽の蓄熱量が所定熱量以上になった場合に新たに回収されてくる大量の熱量を放熱するためには大型の放熱器を設ける必要があり、その結果、大型の放熱器を駆動するために大電力が必要になり、且つ大きな設置スペースが必要になるという問題が発生する。 However, since the exhaust heat recovery system described in Patent Document 1 is intended to recover a large amount of heat from the fuel cell system, the amount of heat stored in the hot water storage tank provided in the exhaust heat recovery system exceeds a predetermined amount of heat. In order to dissipate the large amount of heat that is newly recovered, it is necessary to install a large radiator, and as a result, a large amount of power is required to drive the large radiator and a large installation is required. The problem of requiring space occurs.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池システムから大量の排熱を回収しながらも、放熱器を大型化及び高消費電力化することなしに電池冷却用流体による燃料電池の冷却効果の低下を防止することのできる燃料電池システムの排熱回収システムを提供する点にある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and its object is to cool a battery without increasing the size and power consumption of a radiator while recovering a large amount of exhaust heat from a fuel cell system. Another object of the present invention is to provide a waste heat recovery system for a fuel cell system that can prevent a decrease in the cooling effect of the fuel cell due to the working fluid.
上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムの排熱回収システムの第1特徴構成は、改質装置から供給される燃料ガスを使用して発電する燃料電池の電池冷却用流体との熱交換により排熱を回収する電池冷却用熱交換器と、前記改質装置と前記燃料電池とが設けられる燃料電池システム外に排出される又は前記燃料電池システム内を通流する授熱側ガスとの熱交換により排熱を回収する授熱側ガス用熱交換器と、前記電池冷却用熱交換器及び前記授熱側ガス用熱交換器から回収される排熱を蓄熱する蓄熱装置と、前記電池冷却用流体の温度を冷却に適する温度以下に維持するために放熱作動する放熱器とが設けられる燃料電池システムの排熱回収システムであって、前記電池冷却用流体の前記燃料電池への流入温度がバイパス状態切り換え判定用温度以上になった場合又は前記蓄熱装置の蓄熱量がバイパス状態切り換え判定用熱量以上になった場合に前記授熱側ガス用熱交換器における排熱回収をバイパスするバイパス手段が設けられている点にある。 In order to achieve the above object, the first characteristic configuration of the exhaust heat recovery system of the fuel cell system according to the present invention is a battery cooling fluid of a fuel cell that generates power using fuel gas supplied from a reformer. Heat transfer side gas exhausted outside the fuel cell system in which the heat exchanger for recovering exhaust heat by heat exchange, the reformer and the fuel cell are provided, or flowing through the fuel cell system A heat exchanger for heat transfer side gas that recovers exhaust heat by heat exchange with, a heat storage device that stores the exhaust heat recovered from the heat exchanger for battery cooling and the heat exchanger for heat transfer side gas, and An exhaust heat recovery system of a fuel cell system provided with a radiator that performs heat radiation operation in order to maintain a temperature of the battery cooling fluid below a temperature suitable for cooling, wherein the battery cooling fluid is supplied to the fuel cell. Inflow temperature is bypassed Bypass means for bypassing exhaust heat recovery in the heat exchanger for the heat transfer side gas is provided when the temperature for switching determination becomes higher than or when the heat storage amount of the heat storage device becomes equal to or higher than the heat amount for bypass state switching determination. There is in point.
上記第1特徴構成によれば、電池冷却用流体の燃料電池への流入温度がバイパス状態切り換え用判定温度以上になった場合又は蓄熱装置の蓄熱量がバイパス状態切り換え判定用温度以上になった場合には、授熱側ガス用熱交換器における排熱回収がバイパスされるようにバイパス手段が作動するので、電池冷却用流体の更なる温度上昇又は蓄熱装置への更なる蓄熱を抑制することができる。その結果、放熱器を小型化及び低消費電力化しつつ、電池冷却用流体による燃料電池の冷却効果の低下を防止して、燃料電池本来の性能を発揮させることができる。 According to the first characteristic configuration described above, when the inflow temperature of the battery cooling fluid to the fuel cell is equal to or higher than the determination temperature for bypass state switching, or when the heat storage amount of the heat storage device is equal to or higher than the temperature for determination of bypass state switching. Since the bypass means operates so that the exhaust heat recovery in the heat exchanger for heat transfer side gas is bypassed, it is possible to suppress further temperature rise of the battery cooling fluid or further heat storage to the heat storage device. it can. As a result, while reducing the size and power consumption of the radiator, it is possible to prevent the fuel cell cooling effect from being lowered by the battery cooling fluid and to exhibit the original performance of the fuel cell.
本発明に係る燃料電池システムの排熱回収システムの第2特徴構成は、上記第1特徴構成に加えて、前記授熱側ガスが、前記改質装置のバーナ燃焼排ガス、前記燃料電池のカソード排ガス及び前記燃料電池のアノード排ガスの内の少なくとも一つを含む点にある。 According to a second characteristic configuration of the exhaust heat recovery system of the fuel cell system according to the present invention, in addition to the first characteristic configuration, the heat transfer side gas is burner combustion exhaust gas of the reformer, cathode exhaust gas of the fuel cell. And at least one of the anode exhaust gas of the fuel cell.
上記第2特徴構成によれば、利用したとしても燃料電池システムの発電性能に影響を及ぼさない改質装置のバーナ燃焼排ガス、燃料電池のカソード排ガス及び燃料電池のアノード排ガスが、排熱回収用の熱源として利用されるので、燃料電池システムの発電効率を低下させることなしに排熱回収システムの排熱回収効率を向上させることができる。 According to the second characteristic configuration described above, the burner combustion exhaust gas of the reformer, the cathode exhaust gas of the fuel cell, and the anode exhaust gas of the fuel cell, which do not affect the power generation performance of the fuel cell system, even when used, are used for exhaust heat recovery. Since it is used as a heat source, the exhaust heat recovery efficiency of the exhaust heat recovery system can be improved without reducing the power generation efficiency of the fuel cell system.
本発明に係る燃料電池システムの排熱回収システムの第3特徴構成は、上記第1又は第2特徴構成に加えて、前記バイパス手段が、前記授熱側ガス用熱交換器をバイパスさせるバイパス路を通して前記授熱側ガスをバイパス流動させるように構成されている点にある。 According to a third feature of the exhaust heat recovery system for a fuel cell system according to the present invention, in addition to the first or second feature, the bypass means bypasses the heat exchanger for the heat transfer side gas. The heat transfer side gas is configured to flow by bypass through.
上記第3特徴構成によれば、授熱側ガス用熱交換器をバイパスさせる際に、バイパス手段が、燃料電池システムで発生して排出される授熱側ガスをバイパス流動させるように構成されているので、授熱側ガスを授熱側ガス用熱交換器に流入させた場合に発生する圧損を無くして、授熱側ガスを燃料電池システムからスムーズに排出させることができるので、燃料電池システムにおける発電性能を良好にすることができる。 According to the third characteristic configuration, when bypassing the heat exchanger side gas heat exchanger, the bypass means is configured to bypass the heat transfer side gas generated and discharged in the fuel cell system. Therefore, it is possible to eliminate the pressure loss that occurs when the heat transfer side gas flows into the heat exchanger for the heat transfer side gas, and to smoothly discharge the heat transfer side gas from the fuel cell system. The power generation performance in can be improved.
本発明に係る燃料電池システムの排熱回収システムの第4特徴構成は、上記第1又は第2の特徴構成に加えて、前記授熱側ガスとしての複数種のガスについて各別に前記授熱側ガス用熱交換器が設けられ、前記蓄熱装置が、排熱回収用流体を複数の前記授熱側ガス用熱交換器を直列に通流させる形態で構成され、前記バイパス手段が、前記複数の授熱側ガス用熱交換器の全てをバイパスさせる1つのバイパス路を通して前記排熱回収用流体をバイパス流動させるように構成されている点にある。 A fourth characteristic configuration of the exhaust heat recovery system of the fuel cell system according to the present invention is the heat transfer side separately for a plurality of types of gases as the heat transfer side gas in addition to the first or second characteristic configuration. A heat exchanger for gas is provided, and the heat storage device is configured in such a manner that a plurality of the heat transfer side gas heat exchangers are passed in series through the exhaust heat recovery fluid, and the bypass means includes the plurality of heat exchangers. The exhaust heat recovery fluid is bypassed through one bypass passage that bypasses all of the heat exchanger side gas heat exchanger.
上記第4特徴構成によれば、バイパス手段が複数の授熱側ガス用熱交換器をバイパスさせるように排熱回収用流体をバイパス流動させるときに各授熱側ガス用熱交換器を個別にバイパスさせる必要はなく、全ての授熱側ガス用熱交換器を一括してバイパスさせるバイパス路を設けるだけでよいので、バイパス手段の構成及びその制御を単純なものとすることができる。 According to the fourth characteristic configuration, each heat transfer side gas heat exchanger is individually connected when the exhaust heat recovery fluid is bypassed so that the bypass means bypasses the plurality of heat transfer side gas heat exchangers. It is not necessary to bypass, and it is only necessary to provide a bypass path for bypassing all the heat transfer side gas heat exchangers at once, so that the configuration of the bypass means and its control can be simplified.
<第1実施形態>
以下に図面を参照して説明する本発明に係る燃料電池システムの排熱回収システムは、炭化水素系の原燃料ガスを改質して得られる水素含有ガスを燃料ガスとして燃料電池に供給する改質装置Rと、改質装置Rから供給される水素含有ガスを使用して発電を行う燃料電池10とを備える燃料電池システムからの排熱を回収する排熱回収システムである。
そして、本発明に係る燃料電池システムの排熱回収システムには、改質装置Rから供給される燃料ガスを使用して発電する燃料電池10の電池冷却用流体との熱交換により排熱を回収する電池冷却用熱交換器14と、改質装置Rと燃料電池10とが設けられる燃料電池システム外に排出される又は燃料電池システム内を通流する授熱側ガスとの熱交換により排熱を回収する授熱側ガス用熱交換器15、16、17と、電池冷却用熱交換器14及び授熱側ガス用熱交換器15、16、17から回収される排熱を蓄熱する蓄熱装置18と、電池冷却用流体の温度を燃料電池の冷却に適する温度以下に維持するために放熱作動する放熱器19とが設けられている。そして、第1実施形態に係る燃料電池システムの排熱回収システムは、電池冷却用流体の燃料電池への流入温度がバイパス状態切り換え判定用温度以上になった場合又は蓄熱装置18の蓄熱量がバイパス状態切り換え判定用熱量以上になった場合に、授熱側ガス用熱交換器15、16、17における排熱回収をバイパスするバイパス手段25、35、26、36、27、37が設けられていることを特徴としている。
<First Embodiment>
An exhaust heat recovery system for a fuel cell system according to the present invention, which will be described below with reference to the drawings, is an improved fuel gas containing hydrogen-containing gas obtained by reforming a hydrocarbon-based raw fuel gas as a fuel gas. This is an exhaust heat recovery system that recovers exhaust heat from a fuel cell system that includes a gas purification device R and a
In the exhaust heat recovery system of the fuel cell system according to the present invention, the exhaust heat is recovered by heat exchange with the battery cooling fluid of the
燃料電池10は、燃料ガス(水素含有ガス)が供給されるアノード12、酸素ガスが供給されるカソード13、及びアノード12とカソード13との間に設けられた電解質膜11とを備え、これらが積層されて1つの燃料電池を構成している。そして、改質装置Rから供給される水素含有ガス(燃料ガス)と酸素ガスとを発電反応させた後、カソード13からはカソード排ガス(授熱側ガスの一例)を排出し、アノード12からはアノード排ガス(授熱側ガスの一例)を排出する。燃料電池10にはそれ自体を適正な温度に冷却する電池冷却水(電池冷却用流体の一例)が通流されており、燃料電池10で昇温された電池冷却水を排熱回収の対象にすることができる。また、カソード排ガス及びアノード排ガスは発電時の反応熱を受け取るため、これらのガスを授熱側ガスとして排熱回収の対象にすることもできる。
The
改質装置Rは、原燃料の供給を受けて水素含有ガスを生成し、その水素含有ガスを燃料電池に供給する装置であり、供給される炭化水素系の原燃料の脱硫を行う脱硫器1と、水を気化して水蒸気を生成する水蒸気生成器2と、脱硫された原燃料ガスと水蒸気とを反応させて水素含有ガスを発生させる改質器3と、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成する一酸化炭素変成器(CO変成器)5と、一酸化炭素変成器5を通過した水素含有ガスに微量に存在する一酸化炭素を選択的に酸化させて、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素濃度を更に低減させるための一酸化炭素選択酸化器(CO選択酸化器)6とが設けられている。
The reformer R is a device that receives supply of raw fuel to generate a hydrogen-containing gas, and supplies the hydrogen-containing gas to a fuel cell. The desulfurizer 1 performs desulfurization of the supplied hydrocarbon-based raw fuel. A
脱硫器1は、原燃料ガスとして、メタンガス(CH4)を主成分とし、着臭剤として硫黄化合物が添加されている都市ガスが使用される場合に、まず、原燃料ガスの脱硫を行って上記硫黄化合物を除去する装置として使用される。この脱硫処理においては、原燃料ガスに水素を添加し、触媒を用いて両者を反応させることで得られた水素化物を酸化亜鉛などに吸着させる脱硫方法が用いられる。脱硫用として原燃料ガスに添加される水素は、別途設けられた水素タンクから直接供給する方法や、改質器3において発生された水素含有ガスの一部を脱硫器1に導入する方法などがある。
The desulfurizer 1 first desulfurizes the raw fuel gas when a city gas containing methane gas (CH 4 ) as a main component and a sulfur compound added as an odorant is used as the raw fuel gas. Used as an apparatus for removing the sulfur compound. In this desulfurization treatment, a desulfurization method is used in which hydride obtained by adding hydrogen to the raw fuel gas and reacting both with a catalyst is adsorbed on zinc oxide or the like. Hydrogen added to the raw fuel gas for desulfurization may be supplied directly from a separately provided hydrogen tank, or a part of the hydrogen-containing gas generated in the
改質器3は、脱硫された原燃料ガス(メタンガス)と水蒸気生成器2から供給される水蒸気との反応を改質触媒により活性化させて、水素と一酸化炭素とを含む水素含有ガスを発生させる装置である。この反応時において改質触媒は、バーナを備えた燃焼部4を使用して例えば650℃〜750℃の温度に保たれており、メタンガスが水蒸気改質されて水素含有ガスが生成される。本実施形態では、燃焼部4の燃料には、燃料電池10のアノードから排出されるアノード排ガスを回収して利用しており、燃焼部4のバーナ燃焼排ガスは授熱側ガスとして排熱回収の対象としている。
The
一酸化炭素変成器4は、改質器3から供給される水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成する装置である。一酸化炭素を二酸化炭素に変成するのは、一酸化炭素が燃料電池セルに供給された場合に発生し得る電極被毒を防止するためである。この時、一酸化炭素を二酸化炭素に変成する一酸化炭素変成触媒6は、昇温ヒータ(図示せず)によって約200℃に加熱され、一酸化炭素と水蒸気とが一酸化炭素変成触媒6により活性化されて、二酸化炭素と水素とに変成される。
The
一酸化炭素選択酸化器5は、一酸化炭素変成器4において未反応となった一酸化炭素を二酸化炭素に選択的に酸化させる装置であり、これにより、燃料電池に供給される水素含有ガスに含まれる一酸化炭素濃度を極めて低くすることができる。
The carbon monoxide
以上のように燃料電池システム(改質装置R及び燃料電池10)の構成要素について説明したが、本発明に係る排熱回収システムは、図1に示すように燃料電池システムから排出された熱を授熱側ガス用熱交換器17、授熱側ガス用熱交換器16、授熱側ガス用熱交換器15、及び電池冷却用熱交換器14において順に回収して、貯湯槽(蓄熱装置の一例)18に蓄熱するように構成されている。
As described above, the components of the fuel cell system (the reformer R and the fuel cell 10) have been described. However, the exhaust heat recovery system according to the present invention uses the heat discharged from the fuel cell system as shown in FIG. The heat transfer side
貯湯槽18は、内部に水(排熱回収用流体の一例)を蓄えながらその水をポンプ21によって排熱回収用流体路8に通流させ、授熱側ガス用熱交換器17、授熱側ガス用熱交換器16、授熱側ガス用熱交換器15、及び電池冷却用熱交換器14において順に行われる熱交換によって燃料電池システムからの排熱の回収を行い、他方では外部から水の供給を受けて、外部に給湯を行うように構成されている。
The hot
放熱器19は、電池冷却水の温度を燃料電池の冷却に適する温度以下に維持するために放熱作動し、本実施形態では貯湯槽18を出た後の排熱回収用流体路8に設けられている。その放熱能力は、電池冷却水によって回収されるのと同等の熱量を放熱できる程度の能力であればよい。従って、放熱器19が作動中に電池冷却用熱交換器14に流入する排熱回収用流体は、放熱器19によって温度が下げられた後の排熱回収用流体であるので、電池冷却用熱交換器14に流入する電池冷却水から熱を十分に取り除くことができる。
The
以下には排熱回収用流体との間で熱交換を行う電池冷却水、カソード排ガス、アノード排ガス、バーナ燃焼排ガスについて説明する。
電池冷却用流体路7を流れる電池冷却水は、燃料電池10を冷却するために設けられており、ポンプ20によって電池冷却用熱交換器14と燃料電池10とを循環させられ、排熱回収用流体路8を通流する排熱回収用流体との間で熱交換を行う。
Hereinafter, battery cooling water, cathode exhaust gas, anode exhaust gas, and burner combustion exhaust gas that exchange heat with the exhaust heat recovery fluid will be described.
The battery cooling water flowing through the battery cooling
カソード排ガスは、燃料電池10のカソード部13から排出される発電反応後のガスであり、バイパスバルブ25を介して授熱側ガス用熱交換器15に流入し、排熱回収用流体路8を通流する排熱回収用流体との間で熱交換を行う。アノード排ガスは、燃料電池のアノード部12から排出される発電反応後のガスであり、バイパスバルブ26を介して授熱側ガス用熱交換器16に流入し、排熱回収用流体路8を通流する排熱回収用流体との間で熱交換を行う。バーナ燃焼排ガスは、アノード排ガスを燃焼部4においてバーナ燃焼させた後のガスであり、バイパスバルブ27を介して授熱側ガス用熱交換器17に流入し、排熱回収用流体路8を通流する排熱回収用流体との間で熱交換を行う。
The cathode exhaust gas is a gas after the power generation reaction that is discharged from the
授熱側ガス用熱交換器15、16、17には、それぞれに流入するカソード排ガス、アノード排ガス、及びバーナ燃焼ガスをバイパス流動させるためのバイパス手段(バイパスバルブ及びバイパス路)が併設されている。例えば、授熱側ガス用熱交換器15にはバイパスバルブ25とバイパス路35とが設けられ、授熱側ガス用熱交換器16にはバイパスバルブ26とバイパス路36とが設けられ、授熱側ガス用熱交換器17にはバイパスバルブ27とバイパス路37とが設けられている。
The
次に、電池冷却水の燃料電池10への流入温度がバイパス状態切り換え判定用温度以上である場合又は貯湯槽の蓄熱量がバイパス状態切り換え判定用熱量以上である場合のバイパス手段の動作について以下に説明する。尚、これらの温度、蓄熱量の監視と、その結果に基づくバイパス手段の動作制御は別途設けられる演算制御部(図示せず)によって実行される。
Next, the operation of the bypass means when the inflow temperature of the battery cooling water to the
まず、燃料電池10への電池冷却水の流入温度を温度計Tを用いて監視し、その流入温度が所定値以上(バイパス状態切り換え判定用温度以上)である場合には、貯湯槽18において過剰な蓄熱が行われていると判定することができる。同様に、貯湯槽内の水量とその温度とを温度計T及び水量センサ(図示せず)から導出して、その蓄熱量が所定値以上(バイパス状態切り換え判定用熱量以上)である場合には、貯湯槽18において過剰な蓄熱が行われていると判定することができる。
First, the inflow temperature of the battery cooling water to the
そして、この燃料電池システムの排熱回収システムにおいて電池冷却水の温度がバイパス状態切り換え判定用温度以上となった場合又は貯湯槽18における蓄熱量がバイパス状態切り換え判定用熱量以上となった場合、カソード排ガス、アノード排ガス及びバーナ燃焼排ガスが授熱側ガス用熱交換器15、16、17をバイパス通流するように、演算制御部はバイパスバルブ25、26、26を切り換えて、カソード排ガス、アノード排ガス及びバーナ燃焼排ガスをバイパス路35、36、37に流す。この結果、授熱側ガス用熱交換器15、16、17においては燃料電池システムの排熱回収は行われず、電池冷却水の更なる温度上昇又は貯湯槽18への更なる蓄熱を抑制することができるので、小型且つ低消費電力の放熱器19を設けながらも電池冷却水による燃料電池10の冷却効果の低下を防止することができる。尚、電池冷却水が燃料電池10を冷却に適する温度以下となるように放熱器19を作動させることも適宜行われる。
In the exhaust heat recovery system of the fuel cell system, when the temperature of the battery cooling water is equal to or higher than the bypass state switching determination temperature, or when the heat storage amount in the hot
更に、授熱側ガスとしてのカソード排ガス、アノード排ガス及びバーナ燃焼排ガスに対して授熱側ガス用熱交換器15、16、17をバイパスさせる際に、バイパス手段が、燃料電池システムで発生して排出される授熱側ガスをバイパス流動させるように構成されているので、授熱側ガスを授熱側ガス用熱交換器15、16、17に流入させた場合に発生する圧損を無くして、授熱側ガスを燃料電池システムからスムーズに排出させることができている。
Further, when bypassing the heat exchanger-side
<第2実施形態>
図2に示す第2実施形態に係る燃料電池システムの排熱回収システムは、図1に例示した第1実施形態に係る燃料電池システムの排熱回収システムとはバイパス手段の構成が異なり、複数種の授熱側ガス(カソード排ガス、アノード排ガス、バーナ燃焼排ガス)から排熱を回収する授熱側ガス用熱交換器15、16、17の全てをバイパスさせる1つのバイパス路38を通して排熱回収用流体をバイパス流動させるように構成されている。
Second Embodiment
The exhaust heat recovery system of the fuel cell system according to the second embodiment shown in FIG. 2 is different from the exhaust heat recovery system of the fuel cell system according to the first embodiment illustrated in FIG. For exhaust heat recovery through one
詳細には、授熱側ガスとしてのカソード排ガス、アノード排ガス及びバーナ燃焼排ガスと排熱回収用流体との間で熱交換を行う授熱側ガス用熱交換器15、16、17がそれぞれ直列に設けられているのは第1実施形態と同様であるが、本実施形態ではバイパス手段が、カソード排ガス、アノード排ガス及びバーナ燃焼排ガスがバイパスバルブ28の切り換えによって授熱側ガス用熱交換器15、16、17の全てを1つのバイパス路38を通ってバイパス通流するように構成されている。この結果、バイパス流路の構成バイパスバルブ28とバイパス路38とを設けたという単純なシステム構成とすることができる。
Specifically, heat exchanger-side
通常の排熱回収時には、貯湯槽18が、内部に水(排熱回収用流体の一例)を蓄えながらその水をポンプ21によって排熱回収用流体路8に通流させ、バイパスバルブ28を経て授熱側ガス用熱交換器17、授熱側ガス用熱交換器16、授熱側ガス用熱交換器15、及び電池冷却用熱交換器14において順に行われる熱交換によって燃料電池システムからの排熱の回収を行い、他方では外部から水の供給を受けて、外部に給湯を行うように構成されている。
During normal exhaust heat recovery, the hot
そして、電池冷却水の燃料電池への流入温度がバイパス状態切り換え判定用温度以上である場合又は貯湯槽の蓄熱量がバイパス状態切り換え判定用熱量以上である場合には、第1実施形態と同様に、排熱回収用流体の通路をバイパス路38に切り換えることで、授熱側ガス用熱交換器15、16、17においては燃料電池システムの排熱回収は行われず、電池冷却水の更なる温度上昇又は貯湯槽18への更なる蓄熱を抑制するように構成されている。
And when the inflow temperature of the battery cooling water to the fuel cell is equal to or higher than the bypass state switching determination temperature or when the heat storage amount of the hot water tank is equal to or higher than the bypass state switching determination heat amount, the same as in the first embodiment. By switching the exhaust heat recovery fluid passage to the
<別実施形態>
<1>
図3に示す燃料電池システムの排熱回収システムは、図1に例示した第1実施形態に係る燃料電池システムの排熱回収システムとは排熱回収の形態が異なっている。
具体的には、ポンプ22によって熱交換流体路9を流される熱交換流体が、電池冷却用熱交換器14及び授熱側ガス用熱交換器15、16、17において、電池冷却水、カソード排ガス、アノード排ガス及びバーナ燃焼排ガスと熱交換を行い、且つ熱交換流体路9を流れる熱交換流体と排熱回収用流体路8を通流する排熱回収用流体とが熱交換器23において熱交換を行うように構成されている。
<Another embodiment>
<1>
The exhaust heat recovery system of the fuel cell system shown in FIG. 3 differs from the exhaust heat recovery system of the fuel cell system according to the first embodiment illustrated in FIG. 1 in the form of exhaust heat recovery.
Specifically, the heat exchange fluid flowing through the heat
<2>
図4に示す燃料電池システムの排熱回収システムは、図1に例示した第1実施形態に係る燃料電池システムの排熱回収システムとは放熱器19の設置場所が異なっており、電池冷却用熱交換器14を出て燃料電池10に至る間の電池冷却用流体路7に放熱器19が設けられている。このシステム構成により、温度計Tで監視される温度に基づいて放熱器19の作動制御を行うことで、燃料電池10に流入する電池冷却水の温度管理を確実に実施できる。
<2>
The exhaust heat recovery system of the fuel cell system shown in FIG. 4 is different from the exhaust heat recovery system of the fuel cell system according to the first embodiment illustrated in FIG. A
<3>
図5に示す燃料電池システムの排熱回収システムは、図1に例示した第1実施形態に係る燃料電池システムの排熱回収システムとは授熱側ガスの排熱回収の形態が異なっており、授熱側ガスとしてのカソード排ガス、アノード排ガス及びバーナ燃焼排ガスの排熱が、電池冷却水によって回収されるシステム構成となっている。具体的には、燃料電池10を出た電池冷却水がポンプ20を経て授熱側ガス用熱交換器15、授熱側ガス用熱交換器16、及び授熱側ガス用熱交換器17の順に通流し、それぞれでカソード排ガス、アノード排ガス及びバーナ燃焼排ガスの排熱を回収した後、電池冷却用熱交換器14において排熱回収用流体に回収した排熱を渡すように構成されている。
<3>
The exhaust heat recovery system of the fuel cell system shown in FIG. 5 is different from the exhaust heat recovery system of the fuel cell system according to the first embodiment illustrated in FIG. The system has a system configuration in which exhaust heat of cathode exhaust gas, anode exhaust gas, and burner combustion exhaust gas as heat transfer side gas is recovered by battery cooling water. Specifically, the battery cooling water exiting the
尚、図5に例示するのはバイパス手段がカソード排ガス、アノード排ガス及びバーナ燃焼排ガスのそれぞれをバイパス通流させるシステム構成であるが、図2に例示したのと同様に、授熱側ガス用熱交換器15、16、17の全てをバイパスさせる1つのバイパス路を通して電池冷却水をバイパス流動させるように構成しても構わない。
5 illustrates a system configuration in which the bypass means bypasses each of the cathode exhaust gas, the anode exhaust gas, and the burner combustion exhaust gas. However, as illustrated in FIG. 2, the heat for the heat transfer side gas is illustrated. You may comprise so that a battery cooling water may be made to flow by bypass through one bypass path which bypasses all the
<4>
上述の実施形態では、授熱側ガスとしてのカソード排ガスとアノード排ガスとバーナ燃焼排ガスとを排熱回収に利用する場合について説明したが、授熱側ガスとしてこれらのガスの内の少なくとも一つだけを排熱回収に利用しても構わない。これらのガスの内の一つだけを排熱回収に使用する場合、図1のシステム構成では、排熱回収の対象としないガスをバイパス流動させるようにバイパスバルブを切り換えればよい。
<4>
In the above-described embodiment, the case where the cathode exhaust gas, the anode exhaust gas, and the burner combustion exhaust gas as the heat transfer side gas are used for exhaust heat recovery has been described. However, as the heat transfer side gas, only at least one of these gases is used. May be used for exhaust heat recovery. When only one of these gases is used for exhaust heat recovery, in the system configuration of FIG. 1, the bypass valve may be switched so that the gas that is not subject to exhaust heat recovery is bypassed.
<5>
図1から図4に示した燃料電池システムの排熱回収システムでは、授熱側ガス用熱交換器17、授熱側ガス用熱交換器16、授熱側ガス用熱交換器15、及び電池冷却用熱交換器14の順に排熱を回収するように排熱回収用流体(又は熱交換流体)を通流させているが、それとは逆に、電池冷却用熱交換器14、授熱側ガス用熱交換器15、授熱側ガス用熱交換器16、及び授熱側ガス用熱交換器17の順に排熱を回収するように排熱回収用流体(又は熱交換流体)を通流させるように改変することも可能である。
同様に、図5に示した燃料電池システムの排熱回収システムでは、燃料電池10を出た電池冷却水がポンプ20を経て授熱側ガス用熱交換器15、授熱側ガス用熱交換器16、及び授熱側ガス用熱交換器17の順に通流して、その後に電池冷却用熱交換器14に流入するように構成されているが、それとは逆に、電池冷却水が授熱側ガス用熱交換器17、授熱側ガス用熱交換器16及び授熱側ガス用熱交換器15の順に通流された後で燃料電池10に流入し、その後に燃料電池10を出た電池冷却水がポンプ20を経て電池冷却用熱交換器14に流入するように改変することも可能である。
<5>
In the exhaust heat recovery system of the fuel cell system shown in FIGS. 1 to 4, the heat exchanger-side
Similarly, in the exhaust heat recovery system of the fuel cell system shown in FIG. 5, the battery cooling water exiting the
10 燃料電池
14 電池冷却用熱交換器
15 授熱側ガス用熱交換器
18 貯湯槽(蓄熱装置)
19 放熱器
25 バイパスバルブ
35 バイパス路
DESCRIPTION OF
19
Claims (4)
前記改質装置と前記燃料電池とが設けられる燃料電池システム外に排出される又は前記燃料電池システム内を通流する授熱側ガスとの熱交換により排熱を回収する授熱側ガス用熱交換器と、
前記電池冷却用熱交換器及び前記授熱側ガス用熱交換器から回収される排熱を蓄熱する蓄熱装置と、
前記電池冷却用流体の温度を冷却に適する温度以下に維持するために放熱作動する放熱器とが設けられる燃料電池システムの排熱回収システムであって、
前記電池冷却用流体の前記燃料電池への流入温度がバイパス状態切り換え判定用温度以上になった場合又は前記蓄熱装置の蓄熱量がバイパス状態切り換え判定用熱量以上になった場合に前記授熱側ガス用熱交換器における排熱回収をバイパスするバイパス手段が設けられている燃料電池システムの排熱回収システム。 A battery cooling heat exchanger that recovers exhaust heat by heat exchange with a battery cooling fluid of a fuel cell that generates power using fuel gas supplied from a reformer;
Heat for heat transfer side gas that recovers exhaust heat by heat exchange with heat transfer side gas that is discharged outside the fuel cell system in which the reformer and the fuel cell are provided or flows through the fuel cell system An exchange,
A heat storage device for storing exhaust heat recovered from the battery cooling heat exchanger and the heat exchanger gas heat exchanger;
An exhaust heat recovery system for a fuel cell system provided with a radiator that radiates heat to maintain the temperature of the battery cooling fluid below a temperature suitable for cooling,
The heat transfer side gas when the inflow temperature of the battery cooling fluid into the fuel cell becomes equal to or higher than the bypass state switching determination temperature or when the heat storage amount of the heat storage device exceeds the bypass state switching determination heat amount. An exhaust heat recovery system for a fuel cell system provided with bypass means for bypassing exhaust heat recovery in a heat exchanger for use.
前記蓄熱装置が、排熱回収用流体を複数の前記授熱側ガス用熱交換器を直列に通流させる形態で構成され、
前記バイパス手段が、前記複数の授熱側ガス用熱交換器の全てをバイパスさせる1つのバイパス路を通して前記排熱回収用流体をバイパス流動させるように構成されている請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システムの排熱回収システム。 The heat exchanger for the heat transfer side gas is provided separately for each of the plurality of types of gases as the heat transfer side gas,
The heat storage device is configured in such a manner that a plurality of the heat transfer side gas heat exchangers are passed in series through a waste heat recovery fluid,
The bypass means is configured to bypass the exhaust heat recovery fluid through one bypass passage that bypasses all of the plurality of heat transfer side gas heat exchangers. The exhaust heat recovery system of the fuel cell system described.
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JP2007141693A (en) * | 2005-11-21 | 2007-06-07 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | Fuel cell power generator |
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2003
- 2003-08-26 JP JP2003301067A patent/JP2005071834A/en active Pending
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