JP2006210151A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池を用いて発電と熱供給を行なう燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that generates power and supplies heat using a fuel cell.
従来、この種の燃料電池システムでは、燃料電池において、燃料ガスとして供給される水素リッチなガスと、酸化剤ガスとして供給される空気等とを反応させることにより、電力及び熱を発生させるものとして知られている。この燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ加湿手段によって加湿された後に、燃料電池に供給される。前記燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿手段としては、例えば、ヒータにより加熱された温水中に燃料ガス及び酸化剤ガスを通して加湿を行なうバブラーがある(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, in this type of fuel cell system, in a fuel cell, electric power and heat are generated by reacting a hydrogen-rich gas supplied as a fuel gas with air supplied as an oxidant gas. Are known. The fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel cell after being humidified by the humidifying means. As a means for humidifying the fuel gas and the oxidant gas, for example, there is a bubbler that performs humidification through the fuel gas and the oxidant gas in warm water heated by a heater (see, for example, Patent Document 1).
一方、燃料電池の空気極側から排出される排出空気(オフガス)に含まれる水分(水蒸気)を、燃料電池の空気極側に供給する空気に、水蒸気透過膜を介して移動させ、それにより供給空気の加湿を行なう加湿装置も知られている(例えば特許文献2参照)。この加湿装置は、高温の排出空気を用いて加湿を行なうことにより、加湿に要するエネルギーの低減化を図ることができる。
しかしながら、上記従来の構成では、バブラーにおいて水の加熱のためにエネルギーを消費するため、燃料電池システムのエネルギー効率の低下を招く。 However, in the conventional configuration, energy is consumed for heating the water in the bubbler, resulting in a decrease in energy efficiency of the fuel cell system.
また、オフガスにより加湿を行う場合において、被加湿ガス(ここでは加湿される供給空気)を、加湿ガス(ここでは水分の供給元となる排出空気)以上の露点温度に加湿することができない。さらに、被加湿ガスを高露点温度まで加湿するには、大きな膜面積の水蒸気透過膜が必要となり、よって、加湿装置の規模が大きくなる課題があった。 In addition, when humidification is performed using off-gas, the gas to be humidified (here, the supply air to be humidified) cannot be humidified to a dew point temperature equal to or higher than the humidification gas (here, the exhaust air from which moisture is supplied). Furthermore, in order to humidify the humidified gas to a high dew point temperature, a water vapor permeable membrane having a large membrane area is required, and there is a problem that the scale of the humidifying device becomes large.
したがって、上記従来の燃料電池システムは、コンパクト化が困難なものであった。 Therefore, it is difficult to make the conventional fuel cell system compact.
上記従来の課題を解決するために本発明は、燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスである供給燃料ガス及び供給酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿する加湿装置を第1の加湿装置と第2の加湿装置より構成し、前記第1の加湿装置を、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第1の流路プレートと、前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路を形成する第2の流路プレートとを、水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記排出ガスの流路とが接するように複数積層して構成し、前記第2の加湿装置を、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第2の流路プレートと、前記冷却水の流路を形成する第1の流路プレートとを、前記水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記冷却水の流路とが接するように複数積層して構成し、前記第2の加湿装置における前記第1の流路プレートと前記第2の流路プレートの合計積層段数比率を10〜80%と定めたものである。 In order to solve the above-described conventional problems, the present invention relates to a humidifier that humidifies at least one of a supply fuel gas and a supply oxidant gas that are a fuel gas and an oxidant gas supplied to a fuel cell, and A first flow path plate configured to form a flow path for at least one of the supply fuel gas and the supply oxidant gas; and the exhaust fuel. The supply gas flow path and the exhaust gas flow path are in contact with a second flow path plate forming a flow path for at least one of the gas and the exhaust oxidant gas through a moisture transfer film. The second humidifier is configured by stacking a plurality of layers, and the second humidifying device includes a second flow path plate that forms a flow path of at least one of the supply fuel gas and the supply oxidant gas, and the cooling water. Form the flow path A plurality of first flow path plates are stacked so that the flow path of the supply gas and the flow path of the cooling water are in contact with each other through the moisture transfer film, and the first humidification apparatus includes: The total number of stacked layers of the flow path plate and the second flow path plate is determined to be 10 to 80%.
かかる積層段数の比率を確保することにより、前記第2の加湿装置における水温の著しい低下を抑制することができる。 By ensuring the ratio of the number of stacked layers, it is possible to suppress a significant decrease in water temperature in the second humidifier.
本発明の燃料電池システムは、燃料電池に供給するガスの加湿に要するエネルギーを削減することにより、システム全体のエネルギー効率を向上させるとともに、システムのコンパクト化、システム動作の安定化、低コスト化を図ることができる。 The fuel cell system of the present invention improves the energy efficiency of the entire system by reducing the energy required to humidify the gas supplied to the fuel cell, and also makes the system more compact, stabilizes the system operation, and reduces the cost. Can be planned.
請求項1に記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、それぞれ前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスである供給燃料ガス及び供給酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿する加湿装置を備え、前記加湿装置を、順次加湿する第1の加湿装置と第2の加湿装置より構成し、前記第1の加湿装置を、それぞれ前記燃料電池から排出された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスである排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくともいずれかに含まれる水分を用いて前記加湿を行うものとし、前記第2の加湿装置を、温水を用いて前記加湿を行うものとした燃料電池システムにおいて、前記第1の加湿装置を、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第1の流路プレートと、前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路を形成する第2の流路プレートとを、水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記排出ガスの流路とが接するように複数積層して構成し、前記第2の加湿装置を、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第2の流路プレートと、前記冷却水の流路を形成する第1の流路プレートとを、前記水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記冷却水の流路とが接するように複数積層して構成し、前記第2の加湿装置における前記第1の流路プレートと前記第2の流路プレートの合計積層段数比率を10〜80%としたものである。 The invention according to claim 1 is a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxidant gas, and a supply fuel gas and a supply oxidant gas that are fuel gas and oxidant gas respectively supplied to the fuel cell. A humidifying device for humidifying at least one of the first humidifying device and the second humidifying device configured to sequentially humidify the first humidifying device and the first humidifying device respectively discharged from the fuel cell. The humidification is performed using moisture contained in at least one of the exhaust gas and the exhaust oxidant gas, which are the fuel gas and the oxidant gas, and the second humidifier is configured to use the humidified water. In the fuel cell system, the first humidifier is connected to a first flow path plate that forms a flow path for at least one of the supply fuel gas and the supply oxidant gas. And a second flow path plate that forms a flow path of at least one of the exhaust fuel gas and the exhaust oxidant gas, the supply gas flow path and the exhaust gas through a moisture transfer film. A plurality of stacked layers so as to be in contact with each other, and the second humidifier is configured to form a flow path for at least one of the supply fuel gas and the supply oxidant gas. A plurality of plates and a first flow path plate that forms the flow path of the cooling water are stacked so that the flow path of the supply gas and the flow path of the cooling water are in contact with each other through the moisture transfer film. The total stacking stage ratio of the first flow path plate and the second flow path plate in the second humidifier is 10 to 80%.
かかる構成により、前記第2の加湿装置の水温は著しく低下することがなく、したがって、前記水温の維持に消費するエネルギーが抑制でき、その結果、効率の高い燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。 With this configuration, the water temperature of the second humidifier is not significantly reduced, and therefore, energy consumed for maintaining the water temperature can be suppressed, and as a result, a highly efficient fuel cell cogeneration system can be provided. it can.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における燃料電池コージェネレーションシステム(以下、単に燃料電池システムと称す)の構成を示す模式図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell cogeneration system (hereinafter simply referred to as a fuel cell system) according to Embodiment 1 of the present invention.
図1に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、空気供給装置40と、第1の加湿装置22および第2の加湿装置21aよりなる加湿装置50と、燃料電池11と、燃料供給装置41と、燃料処理装置42と、燃料処理加湿装置21bと、冷却水放熱器13と、冷却水タンク14と、冷却水ポンプ12と、空気経路3と、第1の冷却水経路6と、第2の冷却水流路6aと、第3の冷却水流路6bと、貯湯タンク45と、貯湯水循環経路15とを主な要素として構成されている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment includes an
空気供給装置40から空気経路1を介して加湿装置50に供給された空気は、第1の加湿装置22で加湿され、さらに第2の加湿装置21aによって加湿される。第2の加湿装置21aによって加湿された空気は、酸化剤ガスとして、空気経路3を介して燃料電池11の空気極側に供給される。
The air supplied from the
一方、燃料処理装置42には、燃料供給装置41から燃料経路8を介して、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物を含むガス等及びアルコール等の原料が供給される。前記炭素及び水素から構成される化合物を含むガス等及びアルコール等としては、例えば、都市ガス、プロパン、メタン、天然ガス等が好ましい。ここでは、燃料処理装置42として、具体的には、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部、及び、改質ガス中の一酸化炭素を変成反応により低減する変成部、該変成部を経た改質ガス中の一酸化炭素をさらに選択酸化反応により低減する浄化部が設けられた構成を採用した場合について説明する。
On the other hand, the
燃料処理装置42では、供給された原料を、水蒸気を含む雰囲気下で加熱することにより、水素リッチなガスが生成される。該水素リッチなガスは、燃料ガス経路9aを介して燃料処理加湿装置21bに供給され、加湿される。ここで、燃料処理加湿装置21bとしては、第2の加湿装置21aにおいて前述した加湿装置が用いられている。
In the
加湿された水素リッチなガスは、燃料電池11の燃料ガスとして、燃料ガス経路9bを通じて燃料電池11の燃料極側に供給される。燃料電池11では、空気極側に供給された空気と、燃料極側に供給された水素リッチなガス(以下、燃料ガスと称す)とが反応することにより発電が行われ、電気と熱が発生する。
The humidified hydrogen-rich gas is supplied as a fuel gas of the
燃料電池11に供給された空気のうち、反応に利用されなかった空気は、排出空気経路4を介して、第1の加湿装置22に供給される。前記第1の加湿装置では、供給された該排出空気に含まれる水分を利用して、酸化剤ガスとして燃料電池11に供給される空気の加湿が行われる。そして、第1の加湿装置22を経た空気は、排出ガス経路5を通じて排出される。一方、燃料電池11での反応に利用されなかった燃料ガスは、排出ガス経路10を介して排出される。
Of the air supplied to the
第2の加湿装置21aには、燃料電池11から回収した第1の冷却水流路6aが接続され、空気経路1を通り、第1の加湿装置22で加湿された空気を第2の加湿装置21aでさらに加湿した該冷却水が、第2の冷却水流路6bに接続されている。
The
貯湯水タンク45と貯湯タンク45に貯めた水を給水するための貯湯水ポンプ44と前期貯湯タンク45から給水した水を冷却水放熱器(熱交換器)13を経由して再び貯湯タンク45に戻す貯湯水循環経路15とにより、第2の加湿装置21aで加湿に利用された後の冷却水から、冷却水放熱器13に熱が与えられ、この熱が貯湯水循環経路15を通って貯湯水タンク45に供給され、ここで蓄熱される。
The hot
また、燃料電池11で発生した熱を除去するために、冷却水タンク14の冷却水が、冷却水ポンプ12によって加圧され、冷却水経路7を介して燃料電池11に供給される。ここでは、冷却水タンク14の冷却水が、70℃程度に維持されている。燃料電池11の熱は、供給された冷却水によって除去される。そして、前記熱を回収して温度が75℃程度となった冷却水は、第1の冷却水流路6a、第2の冷却水流路6b、第3の冷却水流路6cを順次通り、再び冷却水タンク14に戻される。ここで、第2の冷却水流路6bと第3の冷却水流路6cの間には、冷却水放熱器13が設けられており、冷却水の熱は、冷却水放熱器13によって放出される。
Further, in order to remove the heat generated in the
このような放熱により、冷却水は、再び70℃程度まで冷却される。燃料電池システムでは、このように冷却水が循環する構成となっており、また、該冷却水の温度が安定して所定の温度に維持されていることから、燃料電池11を所定の温度に維持することが可能となる。
By such heat radiation, the cooling water is cooled again to about 70 ° C. In the fuel cell system, the cooling water is circulated in this way, and the temperature of the cooling water is stably maintained at a predetermined temperature, so that the
次に、本実施の形態の特徴である、加湿装置50の第1の加湿装置における供給空気への加湿動作について説明する。
Next, the humidification operation to the supply air in the 1st humidification apparatus of the
図2、図3、図4及び図5は、図1の燃料電池システムにおける第1の加湿装置の構成を説明するための図であり、図2は第1の流路プレートの構成を模式的に示す斜視図、図3は第2の流路プレートの構成を模式的に示す斜視図、図4は、図2の第1流路プレートと図3の第2の流路プレートを積層して構成された加湿装置の模式的な斜視図である。図5は、加湿装置の構成を示す縦断面図である。 2, 3, 4, and 5 are diagrams for explaining the configuration of the first humidifier in the fuel cell system of FIG. 1, and FIG. 2 schematically illustrates the configuration of the first flow path plate. FIG. 3 is a perspective view schematically showing the configuration of the second flow path plate, and FIG. 4 is a diagram in which the first flow path plate of FIG. 2 and the second flow path plate of FIG. It is a typical perspective view of the comprised humidifier. FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing the configuration of the humidifier.
図2、図3、図4及び図5に示すように、第1の加湿装置22は、第1の端板31と第2の端板32との間に介挿されており、第1の流路プレート24と第2の流路プレート25が水分移動膜23を介して、交互に複数積層されて構成されている。第1の流路プレート24と第2の流路プレート25はそれぞれ外周シール部24s、25sを有し、第1の加湿装置22から外部への供給空気及び排出空気のもれをシールしている。第1の流路プレート24には、燃料電池11から供給される空気の流路(以下、供給空気流路と称す)24aが第1の流路プレート24の貫通した中空部(貫通空間)に形成され、第2の流路プレート25には、燃料電池11から排出された空気の流路(以下、排出空気流路と称す)25aが第2の流路プレート25の貫通した中空部(貫通空間)に形成されている。水分移動膜23は、水分を選択的に透過させる膜であり、例えば、ナフィオン系膜等のプロトン導電性の高分子電解質膜が用いられる。第1の流路プレート24の供給空気流路24aは、第1の流路プレート24の中央部を貫通する中空穴によって形成され、また、一体形成された供給空気の経路となるマニホールド孔28a、28bと連通している。
As shown in FIGS. 2, 3, 4, and 5, the
また、第2の流路プレート25についても、同様に排出空気流路25aは、第2の流路プレート25の中央部を貫通する中空穴によって形成され、また、一体形成された排出空気の経路となるマニホールド孔29a、29bと連通している。そして、第1の流路プレート24と第2の流路プレート25の各マニホールド孔28a、28b、29a、29bの位置がそれぞれ一致するように複数の第1の流路プレート24と第2の流路プレート25を交互に積層することによって、その積層体において、マニホールド孔28aが連通してなる供給空気の導入流路28a’、マニホールド孔28bが連通してなる供給空気の取り出し流路28b’、マニホールド孔29aが連通してなる排気空気の導入流路29a’、及び、マニホールド孔29bが連通してなる排気空気の取り出し流路29b’が形成される。マニホールド孔28aが連通してなる供給空気の導入流路28a’は、空気経路1に接続され、マニホールド孔28bが連通してなる供給空気の取り出し流路28b’は、第2の端板32のマニホールド孔30に接続されている。
Similarly, with respect to the second
それにより、空気経路1から第1の加湿装置22の第1の流路プレート24に供給された空気(すなわち供給空気)が第1の流路プレート24の中空穴(貫通空間)に形成された供給空気流路24aに沿って流れ、第2の端板32のマニホールド孔30に送られる。一方、マニホールド孔29aが連通してなる排出空気の導入流路29a’は、空気経路4に接続され、マニホールド孔29bが連通してなる排出空気の取り出し流路29b’は、空気経路5に接続されている。それにより、空気経路4から第1の加湿装置22の第2の流路プレート25に供給された空気(すなわち排出空気)が、排出空気の導入流路29a’を通って第2の端板32に当たり、プレート25の中空穴(貫通空間)に形成された排出空気流路25aに沿って流れ、略U字形流路を形成して空気経路5に送られる。
Thereby, the air (that is, supply air) supplied from the air path 1 to the first
このように第2の流路プレート25の中空穴(貫通空間)において、水分移動膜23を介して対向する供給空気と排出空気の流れが形成される。
In this way, in the hollow hole (through space) of the second
第1の加湿装置22では、上記構成を有する複数の第1の流路プレート24と第2の流路プレート25とが、それぞれ水分移動膜23を介して積層されていることから、第1の流路プレート24の供給空気流路24aを流れる供給空気と第2の流路プレート25の排出空気流路25aを流れる排出空気は、水分移動膜23を介して接している。
In the
ここで、燃料電池11から排出された排出空気は、供給空気よりも多くの水分を含むことから、かかる構成の第1の加湿装置22では、水分移動膜23を介して、排出空気から供給空気に水分(具体的には水蒸気)が与えられる。特に、供給空気と排出空気とは、対向する流れを形成し、かつ水分移動膜23を介して接するため、前記水分の移動が効率よく行われる。また、燃料電池11から排出された排出空気は、供給空気よりも温度が高いため、第1の加湿装置22では、前記水分の移動とともに、熱エネルギーも排出空気から供給空気に与えられ、それにより供給空気が加熱される。
Here, since the exhaust air discharged from the
上記のようにして、第1の加湿装置22によって加湿された供給空気は、第2の端板32を介して、第2の加湿装置21aに供給される。ここで、第2の加湿装置21aに供給された空気は、前述のようにあらかじめ第1の加湿装置22によって加温及び加湿されているため、従来のように第2の加湿装置21aのみで加湿する場合に比べて、第2の加湿装置21aでは少ない加熱及び加湿でよい。それゆえ、第2の加湿装置21aに要する熱エネルギーや水分を低減することが可能となる。
The supply air humidified by the
さらに、加湿装置50の所定の大きさにおいて、加湿装置50に対する第2の加湿装置構成比は、図6の特性図に示すように10〜80%の範囲内で、加湿装置50の空気流路出口の露点(空気流路3)及び第2の冷却水流路6bの温度は、所定の露点及び温度を確保することができる。
Furthermore, in the predetermined size of the
このように本実施の形態では、あらかじめ第1の加湿装置22によって供給空気の加温及び加湿を行うことにより、第2の加湿装置での21aでの消費エネルギーを低減することが可能であり、システム全体のエネルギー効率の向上を図ることが可能となる。また、第2の加湿装置21aでの消費水分が低減可能であることから、第2の加湿装置21aに補給する水分の量を抑えることが可能となる。その結果、補給した水分による温度変動を抑制することが可能となり、第2の加湿装置21aにおいて安定した加湿量を実現することができる。
Thus, in this Embodiment, it is possible to reduce the energy consumption in 21a in a 2nd humidifier by heating and humidifying supply air by the
さらに、かかる構成の燃料電池システムでは、第1の加湿装置22と第2の加湿装置21aとにより、段階的に効率よく加湿を行うことが可能となるため、供給空気を高露点に加湿する場合においても、大型の第1の加湿装置及び第2の加湿装置を必要とせず、よってシステムのコンパクト化を図ることが可能となる。
Furthermore, in the fuel cell system having such a configuration, the
なお、上記においては、燃料電池11に供給される燃料ガス(以下、供給燃料ガスと称す)が、燃料加湿装置21bのみで加湿される場合について説明したが、供給燃料ガスについても、前述の供給空気の場合と同様に、第2の燃料加湿装置21aの上流に第1の燃料加湿装置を設けて段階的に加湿を行う構成であってもよい。
In the above description, the case where the fuel gas supplied to the fuel cell 11 (hereinafter referred to as supply fuel gas) is humidified only by the
かかる構成では、燃料電池11から排出される排出燃料ガスが第1の燃料加湿装置に供給され、第1の燃料加湿装置において、排出燃料ガスの水分が供給燃料ガスに与えられて供給燃料ガスの加湿が行われるとともに、排出燃料ガスの熱エネルギーが供給燃料ガスに与えられて供給燃料ガスの加熱が行われる。それにより、供給空気の場合において前述したように、第2の燃料加湿装置21bにおける消費エネルギーの低減化が図られ、その結果、燃料電池システムのエネルギー効率の向上が図られるとともに、第2の燃料加湿装置21bにおける水分の消費量の低減化が図られて加湿量の安定化を図ることができる。
In such a configuration, the exhaust fuel gas discharged from the
このような第1の燃料加湿装置は、例えば空気供給側において前述した第1の加湿装置22の構成と同様、水分移動膜を介して複数の第1の流路プレートと第2の流路プレートを積層した構成を有しており、この場合、第1の流路プレートの中空穴に供給燃料ガス流路24aが形成されるとともに、第2の流路プレートの中空穴に排出燃料ガス流路25aが形成される。
Such a first fuel humidifier is, for example, similar to the configuration of the
このように、燃料電池システムにおいて、燃料電池11からの排出ガスを用いて供給ガスの加湿を行う第1の加湿装置は、空気側及び燃料側の両方に設けられてもよく、また、いずれか一方に用いられてもよい。なお、燃料電池11からの排出空気は、排出燃料ガスよりも高湿度であり、また、排出空気の方が、排出燃料ガスよりも、水分移動膜を介した水分移動において、効率よく水分のみを供給空気に与えることが可能である。このことから、空気供給側に第1の加湿装置を配置することが好ましい。
Thus, in the fuel cell system, the first humidifier that humidifies the supply gas using the exhaust gas from the
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、燃料電池に供給するガスの加湿に要するエネルギーを削減することによりシステム全体のエネルギー効率を向上させるとともに、システムのコンパクト化、システム動作の安定化、低コスト化を図ることが可能となるので、第1の加湿器の排出空気経路4の除湿が行なえることを利用して、供給空気の除湿等の用途にも適用できる。
As described above, the fuel cell system according to the present invention improves the energy efficiency of the entire system by reducing the energy required for humidifying the gas supplied to the fuel cell, and also makes the system more compact and stabilizes the system operation. Since it is possible to reduce the cost, it can be applied to uses such as dehumidification of supply air by utilizing the dehumidification of the
1,2,3 空気経路
4,5 排出空気経路
6a 第1の冷却水流路
6b 第2の冷却水流路
6c 第3の冷却水流路
7 冷却水流路
11 燃料電池
12 冷却水ポンプ
13 冷却水放熱器
14 冷却水タンク
15 貯湯水経路
21a 第2の加湿装置
22 第1の加湿装置
23 水分移動膜
24 第1の流路プレート
24a 供給空気流路
24s,25s 外周シール部
25 第2の流路プレート
25a 排出空気流路
31 第1の端板
32 第2の端板
33 第3の端板
50 加湿装置
1, 2, 3
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