JP2009302010A - Fuel cell cogeneration system - Google Patents

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Masami Funayama
正視 船山
Takashi Hagiwara
隆 萩原
Shuichi Ikeda
修一 池田
Akihiko Matsuoka
昭彦 松岡
Katsumi Yoshida
克巳 吉田
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Showa Shell Sekiyu KK
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Showa Shell Sekiyu KK
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell cogeneration system that stabilizes power generation reaction of a fuel cell, and uses heat of the system efficiently. <P>SOLUTION: The fuel cell cogeneration system recovers heat generated by power generation reaction of a solid oxide fuel cell (22), then uses the heat. The system includes a heating means (4) capable of heating each of a plurality of materials consisting of liquid or gas introduced into the fuel cell (22), and a high-temperature heat exchanger (5) exchanging heat of exhausted gas from the fuel cell (22) so as to give the heat to the materials introduced into the heating means (4). Moreover, it includes a low-temperature heat exchanger (6) exchanging heat of exhausted gas from the high-temperature heat exchanger (5) so as to give the heat to supply water, and a hot water tank (7) storing the supply water. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池の発電反応によって生じる熱を回収して熱利用する燃料電池コージェネレーションシステムに関する。   The present invention relates to a fuel cell cogeneration system that recovers and uses heat generated by a power generation reaction of a solid oxide fuel cell.

固体酸化物形燃料電池(以下、SOFCと称する。)は高温作動型の燃料電池であって、発電反応によって生じる熱を回収して熱利用するシステムが多く提案されている。   A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as SOFC) is a high-temperature operation type fuel cell, and many systems for recovering and using heat generated by a power generation reaction have been proposed.

例えば、都市ガスや灯油などの燃料を用いるSOFCでは、燃料を水素や一酸化炭素などのガスに改質してから燃料極に導いて、発電反応を生じせしめている。この改質のための反応(改質反応)は吸熱反応であり、発熱反応である発電反応によって生じた熱を与えられて、熱効率を上げつつ安定した運転を目的としたSOFCモジュールが知られている。   For example, in an SOFC using a fuel such as city gas or kerosene, the fuel is reformed into a gas such as hydrogen or carbon monoxide and then led to the fuel electrode to cause a power generation reaction. This reforming reaction (reforming reaction) is an endothermic reaction, and given the heat generated by the power generation reaction, which is an exothermic reaction, SOFC modules are known that aim at stable operation while increasing thermal efficiency. Yes.

例えば、特許文献1では、SOFCと、改質部及び酸化発熱部からなる改質装置と、を備えるSOFCモジュールにおいて、改質部における改質反応にSOFCから発生する排熱だけでなく酸化発熱部で発生する熱を組み合わせて利用する酸化自己熱型改質装置を含むSOFCモジュールを開示している。   For example, in Patent Document 1, in an SOFC module including an SOFC and a reforming device including a reforming unit and an oxidation heating unit, not only exhaust heat generated from the SOFC in a reforming reaction in the reforming unit but also an oxidation heating unit Discloses an SOFC module including an oxidation autothermal reformer that uses a combination of heat generated in the above.

また、発電反応によって生じた熱を他の熱源に用いて、熱効率を上げつつ安定した運転を行うことを目的としたSOFCモジュールも知られている。   There is also known an SOFC module for the purpose of performing a stable operation while increasing heat efficiency by using heat generated by a power generation reaction as another heat source.

特許文献2では、SOFCへ供給される空気が再生器に送給され、この再生器においてSOFCからの燃焼排出ガスとの間で熱交換を行って、加温された空気をSOFCの空気極に供給するSOFCシステムを開示している。   In Patent Document 2, air supplied to the SOFC is supplied to a regenerator, and heat exchange is performed with the combustion exhaust gas from the SOFC in this regenerator, and the heated air is supplied to the SOFC air electrode. A SOFC system to supply is disclosed.

更に、発電反応によって生じた熱ではないが、発電反応に関連した燃料を再利用して、熱効率を上げつつ安定した運転を行うことを目的としたSOFCモジュールも知られている。   Furthermore, an SOFC module is also known that aims to perform stable operation while increasing the thermal efficiency by reusing fuel related to the power generation reaction, not the heat generated by the power generation reaction.

特許文献3では、SOFCから排出される排燃料を燃焼器で完全燃焼させ、燃焼器から排出された排ガスによって空気を予熱した後に、加温された空気をSOFCの空気極に導入するSOFCシステムを開示している。   In Patent Document 3, an exhaust fuel discharged from the SOFC is completely combusted in a combustor, air is preheated by exhaust gas discharged from the combustor, and then the heated air is introduced into the air electrode of the SOFC. Disclosure.

更に、例えば、SOFCの発電反応によって生じた熱を回収して温水を生成し、この温水を蓄熱手段(貯湯槽)に一旦貯留して、温水の保有する熱エネルギーを種々の用途で利用する燃料電池コージェネレーションシステムも提案されている。   Furthermore, for example, fuel that recovers heat generated by the power generation reaction of SOFC to generate hot water, temporarily stores this hot water in a heat storage means (hot water storage tank), and uses the thermal energy held by the hot water for various purposes Battery cogeneration systems have also been proposed.

上記した特許文献2では、空気との熱交換後の燃焼排出ガスから貯湯用水(上水)に熱を与えて、加温された貯湯用水が貯湯槽に貯えられ、給湯機器などに利用されることを開示している。   In the above-described Patent Document 2, heat is supplied to hot water storage water (clean water) from combustion exhaust gas after heat exchange with air, and the hot water storage water is stored in a hot water storage tank and used for hot water supply equipment and the like. It is disclosed.

また、特許文献4では、熱需要に応じてSOFCの発電出力及び/又はSOFCの排気ガス温度を制御して、燃料電池の熱自立運転状態を維持しつつ熱電比を変更可能な、燃料電池コージェネレーションシステムを開示している。
特開2007−227237号公報 特開2005−317489号公報 特開2003−17103号公報 特開2006−73316号公報
Further, in Patent Document 4, a fuel cell coordinator that can change the thermoelectric ratio while maintaining the heat self-sustaining operation state of the fuel cell by controlling the power generation output of the SOFC and / or the exhaust gas temperature of the SOFC according to the heat demand A generation system is disclosed.
JP 2007-227237 A JP-A-2005-317489 JP 2003-17103 A JP 2006-73316 A

特許文献4における開示の如く、燃料電池コージェネレーションシステムでは、熱需要に応じた燃料電池システムの制御が有効である。一方で、SOFCの発電反応は、付随する多くの反応系、例えば、燃料の改質反応や脱硫反応などに影響を受け、また、発電反応自身も多段階反応となり得るために非常に複雑である。故に、これらの反応を安定して制御した上で、システム全体の効率的な熱利用を図る必要がある。   As disclosed in Patent Document 4, in a fuel cell cogeneration system, control of the fuel cell system according to heat demand is effective. On the other hand, the power generation reaction of SOFC is very complicated because it is affected by many accompanying reaction systems such as fuel reforming reaction and desulfurization reaction, and the power generation reaction itself can be a multistage reaction. . Therefore, it is necessary to efficiently use the heat of the entire system while stably controlling these reactions.

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、SOFCの発電反応によって生じる熱を回収して熱利用する燃料電池コージェネレーションシステムであって、燃料電池の発電反応を安定化させるとともに、システムの効率的な熱利用を可能とする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である。   The present invention has been made in view of the situation as described above, and an object of the present invention is a fuel cell cogeneration system that recovers and uses heat generated by a power generation reaction of SOFC. To provide a fuel cell cogeneration system that stabilizes the power generation reaction of a battery and enables efficient heat utilization of the system.

本発明によるシステムは、固体酸化物形燃料電池の発電反応によって生じる熱を回収して熱利用する燃料電池コージェネレーションシステムであって、前記燃料電池に導入される液体又は気体からなる複数の原料のそれぞれを加熱し得る加熱手段と、前記燃料電池からの排出ガスによる熱を、前記加熱手段に導入される前記原料に与えるよう熱交換を行う高温熱交換器と、前記高温熱交換器からの前記排出ガスによる熱を、上水に与えるよう熱交換を行う低温熱交換器と、前記上水を貯留する貯湯槽と、を含むことを特徴とする。   A system according to the present invention is a fuel cell cogeneration system that recovers and uses heat generated by a power generation reaction of a solid oxide fuel cell, wherein a plurality of raw materials composed of liquid or gas introduced into the fuel cell are used. A heating means capable of heating each of them, a high-temperature heat exchanger for exchanging heat to give the heat from the exhaust gas from the fuel cell to the raw material introduced into the heating means, and the high-temperature heat exchanger It includes a low-temperature heat exchanger that performs heat exchange so as to give heat from exhaust gas to clean water, and a hot water storage tank that stores the clean water.

本発明によれば、固体酸化物形燃料電池の運転状況に応じて導入される複数の原料のそれぞれの温度を加熱手段によって制御し、燃料電池の発電反応を安定化させることができる。更に、高温熱交換器による排熱を低温熱交換器においても利用できて、システムの効率的な熱利用が可能である。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, each temperature of the some raw material introduce | transduced according to the operating condition of a solid oxide fuel cell can be controlled by a heating means, and the electric power generation reaction of a fuel cell can be stabilized. Further, the exhaust heat from the high-temperature heat exchanger can be used also in the low-temperature heat exchanger, and the system can efficiently use the heat.

本発明による1つの態様としてのシステムは、固体酸化物形燃料電池の発電反応によって生じる熱を回収して熱利用する燃料電池コージェネレーションシステムであって、前記燃料電池に導入される液体又は気体からなる複数の原料のそれぞれを加熱し得る加熱手段と、前記燃料電池からの排出ガスによる熱を、前記加熱手段に導入される前記原料に与えるよう熱交換を行う高温熱交換器と、前記高温熱交換器からの前記排出ガスによる熱を、上水に与えるよう熱交換を行う低温熱交換器と、前記上水を貯留する貯湯槽と、を含むことを特徴とする。   A system according to an aspect of the present invention is a fuel cell cogeneration system that recovers and uses heat generated by a power generation reaction of a solid oxide fuel cell, from a liquid or gas introduced into the fuel cell. A heating unit capable of heating each of the plurality of raw materials, a high-temperature heat exchanger that performs heat exchange so as to give heat from the exhaust gas from the fuel cell to the raw material introduced into the heating unit, and the high-temperature heat It includes a low-temperature heat exchanger that performs heat exchange so that heat generated by the exhaust gas from the exchanger is supplied to clean water, and a hot water storage tank that stores the clean water.

かかる態様によれば、固体酸化物形燃料電池の始動時から安定運転時までの運転状況に応じて、導入される複数の原料のそれぞれの温度を加熱手段によって制御できる。加熱手段の制御は、燃料電池の出力情報からフィードバック制御しても良いし、燃料電池の周囲に温度センサーを配して温度情報からフィードバック制御しても良い。このように燃料電池に供給すべき原料の温度を制御できるから、燃料電池の発電反応を安定化させることができる。更に、高温熱交換器による排熱を低温熱交換器においても利用でき、システムの効率的な熱利用が可能である。   According to this aspect, the temperature of each of the introduced raw materials can be controlled by the heating means in accordance with the operation status from the start of the solid oxide fuel cell to the stable operation. The control of the heating means may be feedback controlled from the output information of the fuel cell, or may be feedback controlled from the temperature information by arranging a temperature sensor around the fuel cell. Thus, since the temperature of the raw material to be supplied to the fuel cell can be controlled, the power generation reaction of the fuel cell can be stabilized. Furthermore, the exhaust heat from the high-temperature heat exchanger can be used in the low-temperature heat exchanger, and the system can efficiently use the heat.

ここで上記システムにおいて、前記原料は、水、酸化剤ガス、及び、炭化水素系燃料からなることを特徴としてもよい。この炭化水素系燃料を用いたシステムにおいて、前記燃料電池は、前記炭化水素系燃料を改質するための触媒を担持した電極を有することを特徴としてもよい。触媒による炭化水素系燃料の改質反応は吸熱反応であるが、加熱手段によって燃料電池に供給すべき熱を制御できるから、燃料電池の発電反応を安定化させることができる。すなわち、電極近傍で燃料を改質する直接内部改質型の燃料電池であっても、システムの効率的な熱利用が出来る。   Here, in the above system, the raw material may be composed of water, an oxidant gas, and a hydrocarbon fuel. In the system using the hydrocarbon fuel, the fuel cell may include an electrode carrying a catalyst for reforming the hydrocarbon fuel. The reforming reaction of the hydrocarbon-based fuel by the catalyst is an endothermic reaction, but since the heat to be supplied to the fuel cell can be controlled by the heating means, the power generation reaction of the fuel cell can be stabilized. That is, even in the case of a direct internal reforming fuel cell that reforms fuel in the vicinity of the electrode, the system can efficiently use heat.

更に、上記した直接内部改質型の燃料電池を用いたシステムにおいて、前記炭化水素系燃料は、水素及び一酸化炭素から合成・蒸留されたパラフィン系液体燃料からなることを特徴としてもよい。かかる燃料によれば、直接内部改質型の燃料電池であっても発電反応をより安定化させ得るため、システムの効率的な熱利用が出来る。   Further, in the system using the direct internal reforming fuel cell, the hydrocarbon fuel may be a paraffinic liquid fuel synthesized and distilled from hydrogen and carbon monoxide. According to such a fuel, since the power generation reaction can be further stabilized even in a direct internal reforming type fuel cell, the system can efficiently use heat.

ところで、原料に水、酸化剤ガス、及び、炭化水素系燃料を用いたシステムにおいて、前記高温熱交換器は、前記排出ガスの一部で水との熱交換を行うとともに、前記排出ガスの残りを熱交換を行うことなく通過せしめることを特徴としてもよい。顕熱及び潜熱の大である水だけを高温熱交換器及び低温熱交換器で加熱することにより、システムの効率的な熱利用が出来る。   By the way, in a system using water, oxidant gas, and hydrocarbon fuel as raw materials, the high temperature heat exchanger performs heat exchange with water in a part of the exhaust gas, and the rest of the exhaust gas. May be allowed to pass through without exchanging heat. By heating only water having a large amount of sensible heat and latent heat with a high-temperature heat exchanger and a low-temperature heat exchanger, efficient heat utilization of the system can be achieved.

上記システムにおいて、前記低温熱交換器は、前記高温熱交換器の上部に設けられることを特徴としてもよい。高温熱交換器からの熱を低温熱交換器に効率的に導くことが出来て熱損失を減じ、システムの効率的な熱利用が出来る。   In the above system, the low temperature heat exchanger may be provided in an upper part of the high temperature heat exchanger. The heat from the high-temperature heat exchanger can be efficiently guided to the low-temperature heat exchanger, heat loss is reduced, and the system can efficiently use the heat.

また、上記システムにおいて、前記加熱手段は、前記原料のそれぞれを加熱する加熱配管と、加熱を行なうことなく通過せしめる通過配管とを有することを特徴としてもよい。高温熱交換器において十分に加熱された原料は素早く加熱手段を通過させて燃料電池に導入できるから、細かい制御が可能となるとともに熱損失も減じられるから、システムの効率的な熱利用が出来る。   Moreover, the said system WHEREIN: The said heating means is good also as having the heating piping which heats each of the said raw material, and the passage piping which allows it to pass through without heating. Since the raw material sufficiently heated in the high-temperature heat exchanger can be quickly passed through the heating means and introduced into the fuel cell, fine control is possible and heat loss is reduced, so that the system can efficiently use heat.

上記システムにおいて、前記燃料電池は、断熱容器に収容され、前記加熱手段は前記断熱容器内若しくはその近傍に設けられることを特徴としてもよい。原料を加熱手段から燃料電池に短い距離で導くことが出来て熱損失を減じられるから、システムの効率的な熱利用が出来る。   In the above system, the fuel cell may be housed in a heat insulating container, and the heating means may be provided in or near the heat insulating container. Since the raw material can be guided from the heating means to the fuel cell at a short distance and heat loss is reduced, the system can efficiently use the heat.

上記システムにおいて、前記加熱手段は、前記燃料電池からの前記排出ガスの一部を燃焼させるとともに、燃焼後のガスを前記高温熱交換器へ送出することを特徴としてもよい。排出ガスの余分な化学的エネルギーを熱エネルギーに変換して利用できるので、システムのより効率的な熱利用が出来る。   In the above system, the heating means may combust a part of the exhaust gas from the fuel cell and send the combusted gas to the high temperature heat exchanger. Since the excess chemical energy of the exhaust gas can be converted into heat energy, it can be used more efficiently for the system.

[実施例1]
次に本発明の1つの実施例である固体酸化物形燃料電池(SOFC)を用いた燃料電池コージェネレーションシステムについて、図1乃至図4を参照しつつ詳細に説明する。
[Example 1]
Next, a fuel cell cogeneration system using a solid oxide fuel cell (SOFC) according to one embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.

図1に示すように、燃料電池コージェネレーションシステム1は、1又は複数のSOFC22を金属製の缶体21に収容した燃料電池セルアセンブリ2と、これを外部と断熱的に遮断するようにして収容する筒状の断熱容器3と、燃料電池セルアセンブリ2に導入される原料を加熱するための加熱器4と、燃料電池セルアセンブリ2に導入される原料及び燃料電池セルアセンブリ2から排出される排出ガスの間で熱交換を行うための高温熱交換器5と、高温熱交換器5から排出される排出ガス及び上水の間で熱交換を行なう低温熱交換器6と、及び、低温熱交換器6で加熱された上水を貯留する貯湯槽7と、を含む。   As shown in FIG. 1, the fuel cell cogeneration system 1 accommodates a fuel cell assembly 2 in which one or a plurality of SOFCs 22 are accommodated in a metal can 21, and is insulated so as to be insulated from the outside. A cylindrical heat insulating container 3, a heater 4 for heating the raw material introduced into the fuel cell assembly 2, and the raw material introduced into the fuel cell assembly 2 and the exhaust discharged from the fuel cell assembly 2 A high-temperature heat exchanger 5 for exchanging heat between gases, a low-temperature heat exchanger 6 for exchanging heat between exhaust gas discharged from the high-temperature heat exchanger 5 and clean water, and low-temperature heat exchange And a hot water tank 7 for storing clean water heated by the vessel 6.

断熱容器3は、円筒又は角筒などの筒状の側部断熱壁33と、この側部断熱壁33の上下両端部を閉塞する上部断熱壁34及び下部断熱壁35とからなる。断熱容器3の内部は、側部断熱壁33の軸線方向に沿って伸びる仕切り断熱壁32によって2つの空間に区切られており、一方の空間(燃料電池空間R1)には燃料電池セルアセンブリ2が収容されている。燃料電池セルアセンブリ2を包囲するこの空間R1に露出する断熱容器3の内側面には、アセンブリ2から放射される輻射熱を閉じこめるように鏡面仕上げ、若しくは、輻射熱反射膜が貼付け又はコーティングされている。これにより燃料電池セルアセンブリ2からの輻射熱を燃料電池空間R1の内部に効率よく閉じこめることができて、SOFC22の運転を安定させることが出来る。また、側部断熱壁33、上部断熱壁34及び下部断熱壁35の過熱を防止出来るので、断熱容器3の寿命を向上させ得る。   The heat insulating container 3 includes a cylindrical side heat insulating wall 33 such as a cylinder or a square tube, and an upper heat insulating wall 34 and a lower heat insulating wall 35 that close both upper and lower ends of the side heat insulating wall 33. The inside of the heat insulating container 3 is divided into two spaces by a partition heat insulating wall 32 extending along the axial direction of the side heat insulating wall 33, and the fuel cell assembly 2 is placed in one space (fuel cell space R 1). Contained. On the inner side surface of the heat insulating container 3 exposed in the space R1 surrounding the fuel cell assembly 2, a mirror finish or a radiant heat reflecting film is attached or coated so as to confine the radiant heat radiated from the assembly 2. Thereby, the radiant heat from the fuel cell assembly 2 can be efficiently confined in the fuel cell space R1, and the operation of the SOFC 22 can be stabilized. Moreover, since the overheating of the side heat insulating wall 33, the upper heat insulating wall 34, and the lower heat insulating wall 35 can be prevented, the life of the heat insulating container 3 can be improved.

仕切り断熱壁32によって区切られたもう一方の空間(予熱部空間R2)には、加熱器4及び高温熱交換器5が収容されている。仕切り断熱壁32の上端部近傍には、断熱容器3内の2つの空間を連結する貫通穴Pが設けられており、後述する燃料電池セルアセンブリ2と加熱器4及び高温熱交換器5とを連結する各配管が通っている。貫通穴Pは、各配管を通過させるのに十分な程度の大きさであって、なるべく小さく設けられる。   The heater 4 and the high-temperature heat exchanger 5 are accommodated in the other space (preheating part space R2) partitioned by the partition heat insulating wall 32. In the vicinity of the upper end of the partition heat insulating wall 32, a through hole P for connecting two spaces in the heat insulating container 3 is provided. The fuel cell assembly 2, heater 4 and high temperature heat exchanger 5 described later are connected. Each pipe to be connected goes through. The through hole P is large enough to allow each pipe to pass therethrough and is provided as small as possible.

なお、側部断熱壁33と上部断熱壁34及び下部断熱壁35とは、留め金37によって着脱自在に組み合わされている。操作者が留め金37を操作することで上部断熱壁34及び下部断熱壁35を側部断熱壁33から取り外すことができる。これにより、断熱容器3の内部に収容されている燃料電池セルアセンブリ2、加熱器4及び高温熱交換器5等のメンテナンスが容易にできる。   The side heat insulating wall 33, the upper heat insulating wall 34, and the lower heat insulating wall 35 are detachably combined with a clasp 37. The operator can remove the upper heat insulating wall 34 and the lower heat insulating wall 35 from the side heat insulating wall 33 by operating the clasp 37. Thereby, the maintenance of the fuel cell assembly 2, the heater 4, the high-temperature heat exchanger 5, and the like housed in the heat insulating container 3 can be easily performed.

図2を併せて参照すると、燃料電池セルアセンブリ2の缶体21には、加熱された各原料をその内部に導入するための原燃料導入口24a、水導入口24b及び酸化剤ガス導入口24cが設けられている。各導入口24a、24b及び24cからは図示しない配管によって、各原料がSOFC22に運ばれる。一方、SOFC22から排出される排出ガスは、缶体21に設けられた排出ガス導出口28から外部に排出される。   Referring also to FIG. 2, the can 21 of the fuel cell assembly 2 has a raw fuel inlet 24a, a water inlet 24b and an oxidant gas inlet 24c for introducing each heated raw material into the can 21. Is provided. From the inlets 24a, 24b, and 24c, each raw material is conveyed to the SOFC 22 by piping (not shown). On the other hand, the exhaust gas discharged from the SOFC 22 is discharged to the outside through an exhaust gas outlet 28 provided in the can body 21.

図3に示すように、SOFC22は、発電反応(S3)に併せて改質反応(S1)もセル上で行う、いわゆる直接内部改質型の固体酸化物形燃料電池である。イットリア安定化ジルコニア(YSZ)などからなる固体酸化物電解質25は、対向する一対の電極である燃料極26及び空気極27の間に挟持されている。空気極27は、ランタンマンガナイト(LaMnO)などからなる多孔質体であって、多孔質体内部を気体が通過可能である。また、燃料極26はニッケル・ジルコニア(Ni‐ZrO)サーメットなどからなる多孔質体であって、その微細孔の内部には、白金微粒子などの触媒が、例えば含侵法などによって担持されている(図示せず)。この白金触媒は、VIII族に属する他の元素、例えばイリジウム、オスミウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウムなどの元素からなる微粒子であってもよい。 As shown in FIG. 3, the SOFC 22 is a so-called direct internal reforming type solid oxide fuel cell in which the reforming reaction (S1) is performed on the cell in addition to the power generation reaction (S3). A solid oxide electrolyte 25 made of yttria-stabilized zirconia (YSZ) or the like is sandwiched between a fuel electrode 26 and an air electrode 27 which are a pair of opposed electrodes. The air electrode 27 is a porous body made of lanthanum manganite (LaMnO 3 ) or the like, and gas can pass through the inside of the porous body. The fuel electrode 26 is a porous body made of nickel zirconia (Ni—ZrO 2 ) cermet or the like, and a catalyst such as platinum fine particles is supported inside the micropores by, for example, an impregnation method. (Not shown). The platinum catalyst may be fine particles made of other elements belonging to Group VIII, for example, elements such as iridium, osmium, ruthenium, rhodium and palladium.

ここでSOFC22における反応について説明する。   Here, the reaction in SOFC 22 will be described.

後述するように、燃料電池セルアセンブリ2には、原燃料m1、水m2及び酸化剤ガスm3が加熱されてガスとして導かれる。原燃料m1には、メタンガスや灯油など公知の原燃料が適宜用いられる。特に、SOFC22のセル表面における改質に好適な原燃料が好ましく、例えば、一酸化炭素及び水素をフィッシャー・トロプシュ(FT)合成して得られるパラフィン系鎖状炭化水素を、適宜、調製した合成灯油などが使用される。このような原燃料(ガス)m1及び水(水蒸気)m2は、混合ガスM1として燃料極26の表面に導かれる。混合ガスM1は、燃料極26内に担持された触媒(図示せず)に接触すると、水蒸気改質反応を生じながら一酸化炭素及び水素からなる燃料ガスM2に分解される(S1)。   As will be described later, raw fuel m1, water m2, and oxidant gas m3 are heated and guided to the fuel cell assembly 2 as gases. As the raw fuel m1, a known raw fuel such as methane gas or kerosene is appropriately used. In particular, a raw fuel suitable for reforming on the cell surface of SOFC22 is preferable. For example, a synthetic kerosene prepared by appropriately preparing a paraffinic chain hydrocarbon obtained by Fischer-Tropsch (FT) synthesis of carbon monoxide and hydrogen. Etc. are used. Such raw fuel (gas) m1 and water (steam) m2 are guided to the surface of the fuel electrode 26 as a mixed gas M1. When the mixed gas M1 comes into contact with a catalyst (not shown) supported in the fuel electrode 26, the mixed gas M1 is decomposed into a fuel gas M2 composed of carbon monoxide and hydrogen while causing a steam reforming reaction (S1).

一方、空気極27の表面には酸化剤ガスm3が導かれる。空気極27において電子を受け取った酸化剤ガスm3中の酸素は、酸素イオンとなって電解質25を通って燃料極26へと移動する(S2)。   On the other hand, the oxidant gas m <b> 3 is guided to the surface of the air electrode 27. The oxygen in the oxidant gas m3 that has received electrons at the air electrode 27 becomes oxygen ions and moves to the fuel electrode 26 through the electrolyte 25 (S2).

燃料極26に達した酸素イオンは、水蒸気改質反応(S1)によって生じた燃料ガスM2と反応して、水及び二酸化炭素を生じるとともに燃料極26に電子を放出する(S3)。ここで、反応によって生じた水、二酸化炭素、未反応の混合ガスM1、及び、水蒸気改質反応によって生成された燃料ガスM2は、熱を帯びた排出ガスM3としてSOFC22から排出される(S4)。なお、水蒸気改質反応(S1)は吸熱反応であり、発電反応(S3)は発熱反応であるが、発熱量は吸熱量にくらべて遙かに大きい。   The oxygen ions that have reached the fuel electrode 26 react with the fuel gas M2 generated by the steam reforming reaction (S1), thereby generating water and carbon dioxide and releasing electrons to the fuel electrode 26 (S3). Here, water, carbon dioxide, unreacted mixed gas M1 generated by the reaction, and fuel gas M2 generated by the steam reforming reaction are discharged from the SOFC 22 as heated exhaust gas M3 (S4). . Although the steam reforming reaction (S1) is an endothermic reaction and the power generation reaction (S3) is an exothermic reaction, the exothermic amount is much larger than the endothermic amount.

再び、図1に図2を併せて参照すると、高温熱交換器5は、多管式やプレート式などの公知の熱交換器であって、断熱容器3の予熱部空間R2に収容されている。高温熱交換器5は、燃料電池セルアセンブリ2から排出される排出ガスM3の熱を、燃料電池セルアセンブリ2に導入される原燃料m1、水m2及び酸化剤ガスm3の各原料に与える。高温熱交換器5には、原燃料m1を導入して加熱し、排出するための配管で連結された一対の原燃料導入口51a及び導出口52aが設けられている。同様に、水m2を加熱するための配管で連結された一対の水導入口51b及び導出口52b、酸化剤ガスm3を加熱するための配管で連結された一対の酸化剤ガス導入口51c及び導出口52cが設けられている。一方、燃料電池セルアセンブリ2から排出される排出ガスM3を導入して、原燃料m1、水m2及び酸化剤ガスm3と熱交換させて排出する一対の排出ガス導入口53及び導出口54が設けられている。排出ガス導入口53及び燃料電池セルアセンブリ2の排出ガス導出口28の間は、仕切り断熱壁32に設けられた貫通穴Pを通過する配管12によって互いに連結されている。   Referring again to FIG. 1 together with FIG. 2, the high-temperature heat exchanger 5 is a known heat exchanger such as a multi-tube type or a plate type, and is accommodated in the preheating part space R <b> 2 of the heat insulating container 3. . The high temperature heat exchanger 5 gives heat of the exhaust gas M3 discharged from the fuel cell assembly 2 to each raw material of the raw fuel m1, water m2, and oxidant gas m3 introduced into the fuel cell assembly 2. The high-temperature heat exchanger 5 is provided with a pair of raw fuel introduction ports 51a and outlet ports 52a connected by piping for introducing, heating, and discharging the raw fuel m1. Similarly, a pair of water inlet 51b and outlet 52b connected by a pipe for heating water m2, a pair of oxidant gas inlet 51c connected by a pipe for heating oxidant gas m3, and a lead. An outlet 52c is provided. On the other hand, a pair of exhaust gas inlets 53 and outlets 54 for introducing exhaust gas M3 discharged from the fuel cell assembly 2 and exchanging heat with the raw fuel m1, water m2, and oxidant gas m3 are provided. It has been. The exhaust gas inlet 53 and the exhaust gas outlet 28 of the fuel cell assembly 2 are connected to each other by a pipe 12 that passes through a through hole P provided in the partition heat insulating wall 32.

低温熱交換器6は、高温熱交換器5の近傍、好ましくは上部に設けられて、断熱容器3とは熱遮蔽された断熱容器65内に設置される。低温熱交換器6は、高温熱交換器5と同様に公知の熱交換器であって、高温熱交換器5において熱交換された後の排出ガスM3を導入して、貯湯槽7に蓄えられている上水若しくは直接、上水との間で熱交換を行う。つまり、上水の冷熱レベルまでの熱回収が行い得るのである。低温熱交換器6は、高温熱交換器5を通過した排出ガスM3を導入するための排出ガス導入口61と、これを外部に排出するための排出ガス導出口62とを対に備える。排出ガス導入口61は、高温熱交換器5の排出ガス導出口54となるべく短い長さの配管54aで連結されて熱損失を減じている。また、貯湯槽7から上水を導くための冷水導入口63及びこれを加熱したのち貯湯槽7へ戻すための温水導出口64を備える。これらは、それぞれ貯湯槽7に配管によって接続されている。   The low temperature heat exchanger 6 is provided in the vicinity of the high temperature heat exchanger 5, preferably in the upper part, and is installed in a heat insulating container 65 that is heat shielded from the heat insulating container 3. The low temperature heat exchanger 6 is a known heat exchanger similar to the high temperature heat exchanger 5, and introduces the exhaust gas M <b> 3 after heat exchange in the high temperature heat exchanger 5 and is stored in the hot water tank 7. Heat is exchanged with the running water or directly with the drinking water. That is, heat recovery up to the cooling water level of clean water can be performed. The low-temperature heat exchanger 6 includes a pair of an exhaust gas inlet 61 for introducing the exhaust gas M3 that has passed through the high-temperature heat exchanger 5 and an exhaust gas outlet 62 for discharging the exhaust gas M3 to the outside. The exhaust gas inlet 61 is connected to the exhaust gas outlet 54 of the high-temperature heat exchanger 5 by a pipe 54a having a length as short as possible to reduce heat loss. Further, a cold water inlet 63 for guiding clean water from the hot water tank 7 and a hot water outlet 64 for heating the cold water and returning it to the hot water tank 7 are provided. These are respectively connected to the hot water tank 7 by piping.

貯湯槽7は、低温熱交換器6によって加熱された上水を貯留して、必要に応じて上水を外部に供給する。貯湯槽7は、柱状の容器であって、温水を上部に冷水を下部に温度勾配を与えて貯留する。つまり、水道水などの上水を補給するための給水口71及び低温熱交換器6に向けて上水を排出する吐水口72は貯湯槽7の下側に、低温熱交換器6で加熱された温上水を導入するための給湯口73及び温上水を導出するための返湯口74などは貯湯槽7の上側に設けられる(図1参照)。なお、貯湯槽7内若しくは返湯口74の外側には、湯の温度や量などの需要に応じて水を加熱する加熱装置(ヒータ)78が設けられている。温上水の温度が低くても、加熱装置78で必要に応じて温上水を加熱して供給可能なのである。   The hot water tank 7 stores the clean water heated by the low-temperature heat exchanger 6 and supplies the clean water to the outside as needed. The hot water storage tank 7 is a columnar container, and stores hot water in an upper portion and cold water in a lower portion with a temperature gradient. That is, the water supply port 71 for replenishing tap water or the like and the water discharge port 72 for discharging the clean water toward the low temperature heat exchanger 6 are heated by the low temperature heat exchanger 6 below the hot water tank 7. A hot water supply port 73 for introducing warm hot water and a hot water return port 74 for deriving warm water are provided on the upper side of the hot water tank 7 (see FIG. 1). In addition, a heating device (heater) 78 that heats water according to demands such as the temperature and amount of hot water is provided in the hot water tank 7 or outside the hot water outlet 74. Even when the temperature of the warm water is low, the warm water can be heated and supplied by the heating device 78 as necessary.

なお、低温熱交換器6及び貯湯槽7の大きさは、供給する水の必要量によって決定される。貯湯槽7は上下に0.5〜2m程度で50L〜1m程度、典型的には、上下に0.5〜1m程度で50〜300L程度の上水を貯湯できる大きさである。上記したように、水を加熱するための加熱装置78をその内部に設けていても良い。 In addition, the magnitude | size of the low-temperature heat exchanger 6 and the hot water storage tank 7 is determined by the required amount of the water to supply. The hot water storage tank 7 has a size that can store hot water of about 0.5 to 2 m in the vertical direction and about 50 L to 1 m 3 , typically about 0.5 to 1 m in the vertical direction and about 50 to 300 L of hot water. As described above, the heating device 78 for heating the water may be provided therein.

最後に、加熱器4は、燃料電池セルアセンブリ2を収容する断熱容器、すなわち仕切り断熱壁32や側部断熱壁33によって画定された燃料電池空間R1の近傍、且つ、高温熱交換器5になるべく近い位置に設けられる。具体的には、断熱容器3の予熱部空間R2内であって高温熱交換器5の上側であって貫通穴P近傍に設けられる。加熱器4は、高温熱交換器5から導出された原燃料m1、水m2及び酸化剤ガスm3を必要に応じて加熱し得る。加熱器4には、原燃料m1を導入・導出するための配管で連結された一対の原燃料導入口41a及び導出口42aが設けられる。同様に、水m2を加熱するための配管で連結された一対の水導入口41b及び導出口42b、酸化剤ガスm3を加熱するための配管で連結された一対の酸化剤ガス導入口41c及び導出口42cが設けられている。   Finally, the heater 4 should be a high-temperature heat exchanger 5 in the vicinity of the fuel cell space R1 defined by the heat insulating container that accommodates the fuel cell assembly 2, that is, the partition heat insulating wall 32 and the side heat insulating wall 33. It is provided at a close position. Specifically, it is provided in the preheating part space R2 of the heat insulating container 3 and above the high temperature heat exchanger 5 and in the vicinity of the through hole P. The heater 4 can heat the raw fuel m1, the water m2, and the oxidant gas m3 derived from the high-temperature heat exchanger 5 as necessary. The heater 4 is provided with a pair of raw fuel inlets 41a and outlets 42a connected by piping for introducing and leading out the raw fuel m1. Similarly, a pair of water inlet 41b and outlet 42b connected by a pipe for heating water m2, a pair of oxidant gas inlet 41c connected by a pipe for heating oxidant gas m3, and a lead. An outlet 42c is provided.

原燃料導入口41a、水導入口41b及び酸化剤ガス導入口41cは、高温熱交換器5の原燃料導出口52a、水導出口52b及び酸化剤ガス導出口52cにそれぞれ配管で連結されている。また、原燃料導出口42a、水導出口42b及び酸化剤ガス導出口42cは、燃料電池セルアセンブリ2の原燃料導入口24a、水導入口24b及び酸化剤ガス導入口24cにそれぞれ接続されている。   The raw fuel inlet 41a, the water inlet 41b, and the oxidant gas inlet 41c are connected to the raw fuel outlet 52a, the water outlet 52b, and the oxidant gas outlet 52c of the high-temperature heat exchanger 5 by piping. . The raw fuel outlet 42a, the water outlet 42b and the oxidant gas outlet 42c are connected to the raw fuel inlet 24a, the water inlet 24b and the oxidant gas inlet 24c of the fuel cell assembly 2, respectively. .

図4を併せて参照すると、加熱器4の内部には、各原料を加熱するためのバーナ44a、44b及び44cを含む加熱部4aが設けられている。加熱器4には、加熱部4aの各バーナ44a、44b及び44cに酸化剤ガスを導くための酸化剤ガス導入口43a及び加熱用燃料を導くための加熱用燃料導入口43bが設けられている。加熱用燃料導入口43bから導入される加熱用燃料は、各バーナ44a、44b及び44cの手前に設けられた流量調整バルブ45a、45b、45cの開度を調整することによって、その量を適宜調整されて、各バーナ44a、44b及び44cに供給されて各火力が制御される。後述するように、流量調整バルブ45a、45b、45cは、SOFC22の近傍に設けられた温度センサー46からの信号に基づいて制御され得る。   Referring also to FIG. 4, a heating unit 4 a including burners 44 a, 44 b and 44 c for heating each raw material is provided inside the heater 4. The heater 4 is provided with an oxidant gas introduction port 43a for introducing the oxidant gas to each burner 44a, 44b and 44c of the heating unit 4a and a heating fuel introduction port 43b for introducing the heating fuel. . The amount of the heating fuel introduced from the heating fuel introduction port 43b is appropriately adjusted by adjusting the opening degree of the flow rate adjusting valves 45a, 45b, 45c provided in front of the burners 44a, 44b and 44c. Then, each heating power is controlled by being supplied to each burner 44a, 44b and 44c. As will be described later, the flow rate adjusting valves 45a, 45b, and 45c can be controlled based on a signal from a temperature sensor 46 provided in the vicinity of the SOFC 22.

なお、加熱器4は、制御方法に合わせて変更可能である。例えば、加熱用燃料導入口43bの下流には図示しない統括バルブを設けても良い。かかる場合、流量調整バルブ45a、45b及び45cは、あらかじめ所定の流量若しくは所定の分配比で加熱用燃料を流すようにそれぞれの開度を固定される。これにより、温度センサー46からの信号に基づいて統括バルブの開度だけを調整、若しくは全開全閉動作を繰り返して、各バーナ44a、44b及び44cの火力を必要に応じて調整できる。これによれば、火力の制御をより簡便にすることができる。   The heater 4 can be changed according to the control method. For example, a general valve (not shown) may be provided downstream of the heating fuel introduction port 43b. In such a case, the flow rate adjusting valves 45a, 45b, and 45c are fixed in advance so that the heating fuel flows at a predetermined flow rate or a predetermined distribution ratio. Thereby, only the opening degree of the general valve is adjusted based on the signal from the temperature sensor 46, or the full open / close operation is repeated, and the heating power of each burner 44a, 44b and 44c can be adjusted as necessary. According to this, control of a thermal power can be simplified more.

更に、加熱器4には、バーナ44a、44b及び44cで発生した燃焼ガスなどを排出ガスM4として外部に導出するための排出ガス導出口49を備えている。排出ガス導出口49は、SOFC22の排出ガス導出口28及び高温熱交換器5の排出ガス導入口53を連結する配管12に連結されて、排出ガスM3及びM4は合流している。   Further, the heater 4 is provided with an exhaust gas outlet 49 for leading the combustion gas generated in the burners 44a, 44b and 44c to the outside as the exhaust gas M4. The exhaust gas outlet 49 is connected to the pipe 12 connecting the exhaust gas outlet 28 of the SOFC 22 and the exhaust gas inlet 53 of the high-temperature heat exchanger 5, and the exhaust gases M3 and M4 merge.

更に、加熱器4の内部において、原燃料導入口41aに連結された配管は、加熱部4aを通過する加熱配管11a及び加熱部4aを通過しないバイパス配管11a’とに分岐して、加熱部4aの下流で再び合流して原燃料導出口42aに連結している。加熱配管11aの分岐点下流近傍及び合流点上流には、連動して開閉するバルブVaが設けられるとともに、バイパス配管11a’の分岐点下流近傍にはバルブVaと逆の動作をするバルブVa’が設けられている。すなわち、バルブVaが開くとバルブVa’は逆に閉じ、原燃料導入口41aと原燃料導出口42aとが加熱配管11a経由で連結される。一方、バルブVaが閉じるとバルブVa’は逆に開き、原燃料導入口41aと原燃料導出口42aとがバイパス配管11a’経由で連結される。   Further, in the heater 4, the pipe connected to the raw fuel introduction port 41a branches into a heating pipe 11a that passes through the heating section 4a and a bypass pipe 11a ′ that does not pass through the heating section 4a. Are joined again to the raw fuel outlet 42a. A valve Va that opens and closes is provided near the branch point downstream of the heating pipe 11a and the junction point, and a valve Va ′ that operates reversely to the valve Va near the branch point downstream of the bypass pipe 11a ′. Is provided. That is, when the valve Va is opened, the valve Va 'is closed in reverse, and the raw fuel inlet 41a and the raw fuel outlet 42a are connected via the heating pipe 11a. On the other hand, when the valve Va is closed, the valve Va 'is opened in reverse, and the raw fuel introduction port 41a and the raw fuel outlet port 42a are connected via the bypass pipe 11a'.

同様に、水導入口41b及び酸化剤ガス導入口41cに連結された配管は、加熱部4aを通過する加熱配管11b及び11cと、加熱部4aを通過しないバイパス配管11b’及び11c’とにそれぞれ分岐する。また、加熱部4aの下流で再び合流して水導出口42b及び酸化剤ガス導出口42cにそれぞれ連結している。加熱配管11b及び11cの分岐点下流近傍及び合流点上流には、バルブVb及びVcが設けられている。また、バイパス配管11b’及び11c’の分岐点下流近傍にはバルブVb’及びVc’が設けられている。   Similarly, pipes connected to the water inlet 41b and the oxidant gas inlet 41c are respectively connected to heating pipes 11b and 11c that pass through the heating part 4a and bypass pipes 11b ′ and 11c ′ that do not pass through the heating part 4a. Branch. Further, they merge again downstream of the heating unit 4a and are connected to the water outlet 42b and the oxidant gas outlet 42c, respectively. Valves Vb and Vc are provided in the vicinity of the branch point downstream of the heating pipes 11b and 11c and in the upstream of the junction. Valves Vb 'and Vc' are provided in the vicinity of the branch point downstream of the bypass pipes 11b 'and 11c'.

次に、図1乃至図4を参照しつつ、上記した燃料電池コージェネレーションシステム1の動作を説明する。   Next, the operation of the fuel cell cogeneration system 1 will be described with reference to FIGS. 1 to 4.

燃料電池コージェネレーションシステム1の起動時にあっては、SOFC22を暖めるための所定の暖機運転が行われる。例えば、加熱器4のバルブVa、Vb及びVcを開く一方、バルブVa’、Vb’及びVc’を閉じて加熱器4を起動させる。ここで、少なくとも、燃料極26(図3参照)を保護するため、暖機運転時に原燃料m1の供給は行わない。この状態において、図示しない供給管を介して加熱器4で加熱した所定の暖気ガスを燃料電池セルアセンブリ2内に導入して、SOFC22を暖機する。なお、かかる暖機運転の詳細については省略する。   When the fuel cell cogeneration system 1 is activated, a predetermined warm-up operation for warming the SOFC 22 is performed. For example, the valves Va, Vb and Vc of the heater 4 are opened, while the valves Va ′, Vb ′ and Vc ′ are closed and the heater 4 is started. Here, in order to protect at least the fuel electrode 26 (see FIG. 3), the raw fuel m1 is not supplied during the warm-up operation. In this state, a predetermined warm air gas heated by the heater 4 is introduced into the fuel cell assembly 2 through a supply pipe (not shown) to warm up the SOFC 22. Details of the warm-up operation are omitted.

十分な暖機運転に続いて、原燃料m1、水m2及び酸化剤ガスm3を加熱器4に導くと、加熱器4を通過するまでの間に加熱部4aのバーナ44a、44b及び44c(図4参照)によってこれらが十分に加熱されてガス化(気化)し、燃料電池セルアセンブリ2内のSOFC22に導かれる。   When the raw fuel m1, the water m2, and the oxidant gas m3 are led to the heater 4 after the sufficient warm-up operation, the burners 44a, 44b, and 44c (see FIG. 4), these are sufficiently heated and gasified (vaporized) and guided to the SOFC 22 in the fuel cell assembly 2.

図3において述べたように、SOFC22の燃料極26では、導かれた原燃料m1及び水m2が触媒の存在下で燃料ガスM2(一酸化炭素及び水素)を生じ(S1:水蒸気改質反応)、更に燃料ガスM2は水を生成しながら発電反応(S3)を生じる。発電反応(S3)に伴う発熱量は、水蒸気改質反応(S1)に伴う吸熱量にくらべて遙かに大きいため、SOFC22からの排出ガスM3は熱を帯びて排出される。   As described in FIG. 3, at the fuel electrode 26 of the SOFC 22, the introduced raw fuel m1 and water m2 generate fuel gas M2 (carbon monoxide and hydrogen) in the presence of the catalyst (S1: steam reforming reaction). Further, the fuel gas M2 generates a power generation reaction (S3) while generating water. Since the amount of heat generated by the power generation reaction (S3) is much larger than the amount of heat absorbed by the steam reforming reaction (S1), the exhaust gas M3 from the SOFC 22 is discharged with heat.

一方、加熱器4から排出される排出ガスM4は、M3に合流して排出ガスM5として高温熱交換器5へ導かれる(図6参照)。高温熱交換器5では、排出ガスM5からの熱が原燃料m1、水m2及び酸化剤ガスm3に熱交換される。これにより、原燃料m1、水m2及び酸化剤ガスm3は加熱されて加熱器4に導かれるようになる。つまり、徐々に、加熱器4の出力をそれほど必要としなくとも、SOFC22の温度を所定の温度に保つことが出来るようになる。更に、排出ガスM5からの熱により原燃料m1、水m2及び酸化剤ガスm3がさらに加熱されると、加熱器4による加熱出力を全く必要とせずにSOFC22の温度を所定の温度に保つことが出来るようになる。この場合は、加熱器4のバルブVa、Vb及びVcを閉じると同時にバルブVa’、Vb’及びVc’を開け、加熱器4aを一気にバイパスして、原燃料m1、水m2及び酸化剤ガスm3を高温熱交換器5から直接SOFC22へ導いても良い。   On the other hand, the exhaust gas M4 discharged from the heater 4 joins M3 and is led to the high temperature heat exchanger 5 as an exhaust gas M5 (see FIG. 6). In the high temperature heat exchanger 5, heat from the exhaust gas M5 is exchanged with the raw fuel m1, water m2, and oxidant gas m3. Thereby, the raw fuel m1, the water m2, and the oxidant gas m3 are heated and guided to the heater 4. That is, gradually, the temperature of the SOFC 22 can be maintained at a predetermined temperature without requiring much output from the heater 4. Further, when the raw fuel m1, water m2, and oxidant gas m3 are further heated by the heat from the exhaust gas M5, the temperature of the SOFC 22 can be kept at a predetermined temperature without requiring any heating output by the heater 4. become able to do. In this case, the valves Va, Vb and Vc of the heater 4 are closed and at the same time the valves Va ′, Vb ′ and Vc ′ are opened, and the heater 4a is bypassed all at once, and the raw fuel m1, water m2 and oxidant gas m3 are opened. May be led directly from the high temperature heat exchanger 5 to the SOFC 22.

なお、燃料電池セルアセンブリ2からの輻射は狭い燃料電池空間R1内に閉じこめられて、燃料電池セルアセンブリ2の温度低下が防止される。故に、SOFC22の温度は発電反応(S3)による自己加熱で700℃〜1000℃の高温まで速やかに達するのである。   Note that radiation from the fuel cell assembly 2 is confined in the narrow fuel cell space R1, and a temperature drop of the fuel cell assembly 2 is prevented. Therefore, the temperature of the SOFC 22 quickly reaches a high temperature of 700 ° C. to 1000 ° C. by self-heating by the power generation reaction (S3).

ところで、SOFC22の運転を安定させるよう、加熱器4の出力が調整される。例えば、温度センサー46によってSOFC22の温度をモニターして、これを一定とするように加熱器4の出力を調整し得る。加熱器4の各バーナ44a、44b及び44cの火力は、それぞれに流す加熱用燃料の量を調整する流量調整バルブ45a、45b及び45cの開度によって独立して調整可能である。例えば、顕熱及び潜熱の大である水m2に対しては、原燃料m1及び酸化剤ガスm3よりも大なる熱量を与えるべく、バーナ44bへの加熱用燃料の供給量だけを大とすることができる。また、水蒸気改質反応を促進又は抑制するよう、バーナ44a及び/又は44bへの加熱用燃料の供給量だけを調整することもできる。   By the way, the output of the heater 4 is adjusted so as to stabilize the operation of the SOFC 22. For example, the temperature of the SOFC 22 can be monitored by the temperature sensor 46 and the output of the heater 4 can be adjusted so as to keep it constant. The heating power of each burner 44a, 44b, and 44c of the heater 4 can be adjusted independently by the opening degree of the flow rate adjusting valves 45a, 45b, and 45c that adjust the amount of heating fuel that flows through the burner. For example, for water m2, which has a large amount of sensible heat and latent heat, only the amount of heating fuel supplied to the burner 44b is increased in order to give a larger amount of heat than the raw fuel m1 and the oxidant gas m3. Can do. Moreover, only the supply amount of the heating fuel to the burners 44a and / or 44b can be adjusted so as to promote or suppress the steam reforming reaction.

更に、SOFC22の温度が過昇したときなどは、各バーナ44a、44b及び/又は44cの火力を流量調整バルブ45a、45b、45cの開度を絞って調整できる。その一方で、加熱器4のバルブVa、Vb及び/又はVcを閉じると同時にバルブVa’、Vb’及び/又はVc’を開けると、原燃料m1、水m2及び/又は酸化剤ガスm3は、加熱部4aを一気にバイパスして、高温熱交換器5から直接、SOFC22へ導き得るのである。これによりバーナ44a、44b及び/又は44cの火力を調整するよりも、より迅速に温度調整が可能である。   Further, when the temperature of the SOFC 22 is excessively increased, the heating power of each burner 44a, 44b and / or 44c can be adjusted by reducing the opening degree of the flow rate adjusting valves 45a, 45b, 45c. On the other hand, when the valves Va ′, Vb ′ and / or Vc ′ are opened simultaneously with closing the valves Va, Vb and / or Vc of the heater 4, the raw fuel m1, water m2 and / or oxidant gas m3 are The heating unit 4a can be bypassed all at once and led directly from the high-temperature heat exchanger 5 to the SOFC 22. Thus, the temperature can be adjusted more rapidly than the heating power of the burners 44a, 44b and / or 44c.

なお、加熱器4の出力は、SOFC22の運転を安定させるよう、他のモニター方法によっても制御し得る。例えば、SOFC22の発電出力をモニターしてフィードバック制御しても良いし、加熱器4の加熱部4aの下流に温度センサーを設けてこれをモニターしてもよい。   The output of the heater 4 can also be controlled by other monitoring methods so as to stabilize the operation of the SOFC 22. For example, the power generation output of the SOFC 22 may be monitored and feedback controlled, or a temperature sensor may be provided downstream of the heating unit 4a of the heater 4 and monitored.

ところで、高温熱交換器5において熱交換に用いられた排出ガスM5は、更に低温熱交換器6に導入されて上水と熱交換を行なう。ここで、低温熱交換器6では、排出ガス導入口61から導入された排出ガスM5の温度が排出ガス導出口62付近で上水の温度レベルとなるまで熱交換を行うこともできる。この回収した熱によって加熱された上水(温上水)は貯湯槽7に貯留される。一方、低温熱交換器6を出た排出ガスM5は、回収され、適宜、処理される。貯湯槽7の温度は必要に応じて管理され、これに応じて低温熱交換器6と貯湯槽7との間を循環する上水の量が決定される。なお、貯湯槽7に貯留された温上水は必要に応じて返湯口74から抜き出されて使用される。また、貯湯槽7内の水量が低下すると水道水などの上水が給水口71から給水される。貯湯槽7内の水量は、ほぼ一定に維持されるが必要に応じて水面位置も管理され得る。   By the way, the exhaust gas M5 used for heat exchange in the high temperature heat exchanger 5 is further introduced into the low temperature heat exchanger 6 to exchange heat with clean water. Here, in the low-temperature heat exchanger 6, heat exchange can be performed until the temperature of the exhaust gas M <b> 5 introduced from the exhaust gas inlet 61 reaches the temperature level of the clean water near the exhaust gas outlet 62. The clean water heated by the recovered heat (warm clean water) is stored in the hot water tank 7. On the other hand, the exhaust gas M5 exiting the low-temperature heat exchanger 6 is recovered and appropriately processed. The temperature of the hot water tank 7 is managed as necessary, and the amount of clean water circulating between the low temperature heat exchanger 6 and the hot water tank 7 is determined accordingly. In addition, the warm water stored in the hot water tank 7 is extracted from the hot water outlet 74 and used as necessary. In addition, when the amount of water in the hot water tank 7 decreases, tap water such as tap water is supplied from the water supply port 71. The amount of water in the hot water tank 7 is maintained substantially constant, but the water surface position can be managed as necessary.

以上の如く、本実施例では、固体酸化物形燃料電池の始動時から安定運転時までの運転状況に応じて、導入される複数の原料のそれぞれの温度を加熱手段によって制御できる。このように燃料電池に供給すべき原料の温度を制御できるから、燃料電池の発電反応を安定化させることができる。その上で、高温熱交換器による排熱を更に低温熱交換器においても利用できて、システムの効率的な熱利用が可能である。つまり、直接内部改質型の固体酸化物形燃料電池であったとしても、発電反応(S3)を安定化させることが出来て、その上で、システムの効率的な熱利用が可能である。   As described above, in this embodiment, the temperature of each of the plurality of raw materials to be introduced can be controlled by the heating means in accordance with the operation status from the start of the solid oxide fuel cell to the stable operation. Thus, since the temperature of the raw material to be supplied to the fuel cell can be controlled, the power generation reaction of the fuel cell can be stabilized. In addition, the exhaust heat from the high-temperature heat exchanger can be used also in the low-temperature heat exchanger, and the system can efficiently use the heat. That is, even if it is a direct internal reforming type solid oxide fuel cell, the power generation reaction (S3) can be stabilized, and the system can efficiently use heat.

[実施例2]
次に本発明の他の1つの実施例である燃料電池コージェネレーションシステムについて、図5を参照しつつ説明する。なお、高温熱交換器5以外は実施例1と同様であるから、その詳細な説明は省略する。
[Example 2]
Next, a fuel cell cogeneration system according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, since it is the same as that of Example 1 except the high temperature heat exchanger 5, the detailed description is abbreviate | omitted.

高温熱交換器5は、実施例1と同様に、多管式やプレート式などの公知の熱交換器であって、断熱容器3の予熱部空間R2に収容されている(図1参照)。高温熱交換器5は、燃料電池セルアセンブリ2から排出される排出ガスM3の熱を、燃料電池セルアセンブリ2に導入される水m2だけに与える。顕熱及び潜熱の高い水m2をあらかじめ加熱した上で加熱器4に導入することで、燃料セルアセンブリ2の運転の安定を高め得るのである。そこで、高温熱交換器5には、水m2を導入して加熱し、排出するための配管で連結された一対の水導入口51b及び導出口52bが設けられている。一方で、原燃料m1及び酸化剤ガスm3は、直接、加熱器4の原燃料導入口41a及び酸化剤ガス導入口41cへ導かれる。また、燃料電池セルアセンブリ2の排出ガス導出口28から配管12によって排出ガスM3を導入して排出する一対の排出ガス導入口53及び導出口54が設けられている。更に、排出ガス導出口54は、低温熱交換器6の排出ガス導入口61と配管54aで連結されている。   The high-temperature heat exchanger 5 is a known heat exchanger such as a multi-tube type or a plate type as in the first embodiment, and is accommodated in the preheating part space R2 of the heat insulating container 3 (see FIG. 1). The high temperature heat exchanger 5 gives the heat of the exhaust gas M3 exhausted from the fuel cell assembly 2 only to the water m2 introduced into the fuel cell assembly 2. It is possible to improve the stability of the operation of the fuel cell assembly 2 by preliminarily heating the water m2 having high sensible heat and latent heat and then introducing it into the heater 4. Therefore, the high-temperature heat exchanger 5 is provided with a pair of water inlets 51b and outlets 52b connected by piping for introducing, heating, and discharging water m2. On the other hand, the raw fuel m1 and the oxidant gas m3 are led directly to the raw fuel introduction port 41a and the oxidant gas introduction port 41c of the heater 4. Further, a pair of exhaust gas introduction ports 53 and a discharge port 54 through which the exhaust gas M3 is introduced from the exhaust gas outlet 28 of the fuel cell assembly 2 through the pipe 12 and discharged are provided. Further, the exhaust gas outlet 54 is connected to the exhaust gas inlet 61 of the low-temperature heat exchanger 6 by a pipe 54a.

ここで、本実施例では、配管12を流れる排出ガスM3の一部を高温熱交換器5を介することなく、配管54aにバイパスさせる配管12’が設けられている。配管12と配管12’との連結点には分流器13が設けられている。分流器13は、貯湯槽7に設けられた温度センサー75に対応してその分流比率が調整されるようになっている。   Here, in this embodiment, a pipe 12 ′ that bypasses a part of the exhaust gas M <b> 3 flowing through the pipe 12 to the pipe 54 a without passing through the high-temperature heat exchanger 5 is provided. A shunt 13 is provided at a connection point between the pipe 12 and the pipe 12 ′. The flow divider 13 is configured such that the flow dividing ratio thereof is adjusted corresponding to the temperature sensor 75 provided in the hot water tank 7.

ところで、本実施例の燃料電池コージェネレーションシステム1の動作は実施例1とほぼ同様である。一方で、貯湯槽7内の温上水の需要により、実施例1で述べたように、貯湯槽7内には水道水などの上水が給水口71から給水される。故に、貯湯槽7内の全体温度が低下すると、温度センサー75はこれを検知し、貯湯槽7内の温度を高く設定する場合にあっては、分流器13によって排出ガスM3を配管12’へより多く流すように動作する。このとき、水m2の温度の低下は、加熱器4にて補われ、燃料電池の発電反応を安定化させることができる。   By the way, the operation of the fuel cell cogeneration system 1 of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment. On the other hand, as described in the first embodiment, tap water such as tap water is supplied from the water supply port 71 to the hot water tank 7 due to the demand for hot water in the hot water tank 7. Therefore, when the overall temperature in the hot water tank 7 is lowered, the temperature sensor 75 detects this, and when the temperature in the hot water tank 7 is set high, the flow divider 13 causes the exhaust gas M3 to flow into the pipe 12 '. Operates to flow more. At this time, the decrease in the temperature of the water m2 is compensated by the heater 4, and the power generation reaction of the fuel cell can be stabilized.

以上の如く、本実施例では、直接内部改質型の固体酸化物形燃料電池であったとしても発電反応を安定化させることが出来て、更に、燃料電池コージェネレーションシステム1における温上水の需要に対応して、効率的な熱利用が可能である。   As described above, in this embodiment, even if it is a direct internal reforming type solid oxide fuel cell, the power generation reaction can be stabilized, and further the warm water in the fuel cell cogeneration system 1 can be stabilized. Efficient heat utilization is possible in response to demand.

なお、分流器13の制御方法は、上記に限定されず、例えば、貯湯槽7に貯留されている温上水の温度に加えて水量や使用量等を検出し、さらにはSOFC22の運転温度情報を加えて、あらかじめ設定したテーブルに従って制御してもよい。   The control method of the flow divider 13 is not limited to the above. For example, in addition to the temperature of the warm water stored in the hot water tank 7, the amount of water and the amount of use are detected, and further, the operating temperature information of the SOFC 22 And may be controlled according to a preset table.

[実施例3]
次に本発明の他の1つの実施例である燃料電池コージェネレーションシステムについて、図6を参照しつつ説明する。なお、加熱器4以外は実施例1及び/又は実施例2と同様であるから、その詳細な説明は省略する。
[Example 3]
Next, a fuel cell cogeneration system according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, since it is the same as that of Example 1 and / or Example 2 except the heater 4, the detailed description is abbreviate | omitted.

加熱器4の内部の構造は、実施例1と同様である。ここで、加熱用燃料導入口43bの上流側には、燃料電池セルアセンブリ2の排出ガスM3を分岐して導くための配管81が合流している。すなわち、燃料電池セルアセンブリ2の排出ガス導出口28と高温熱交換器5の排出ガス導入口53を連結する配管12には、分流器82が設けられており、ここで分岐した配管81は、加熱用燃料導入口43bの上流側に連結している。分流器82は、燃料電池セル22の近傍に設けられたガスセンサー83に対応してその分流比率が調整されるようになっている。 ところで、本実施例の燃料電池コージェネレーションシステム1の動作は実施例1及び/又は2とほぼ同様である。一方で、燃料電池セル22の近傍に設けられたガスセンサー83により特に原燃料m1が未燃焼であることを検知すると、分流器82は、排出ガスM3の一部を加熱器4の加熱用燃料に振り分けるのである。つまり、未燃焼の原燃料m1をバーナ44a、44b及び44cの燃料に用いるのである。   The internal structure of the heater 4 is the same as that of the first embodiment. Here, a pipe 81 for branching and guiding the exhaust gas M3 of the fuel cell assembly 2 joins upstream of the heating fuel introduction port 43b. That is, the pipe 12 connecting the exhaust gas outlet 28 of the fuel cell assembly 2 and the exhaust gas inlet 53 of the high temperature heat exchanger 5 is provided with a flow divider 82, and the pipe 81 branched here is It is connected to the upstream side of the heating fuel inlet 43b. The flow divider 82 is configured such that the flow dividing ratio thereof is adjusted corresponding to the gas sensor 83 provided in the vicinity of the fuel battery cell 22. By the way, the operation of the fuel cell cogeneration system 1 of the present embodiment is substantially the same as that of the first and / or second embodiment. On the other hand, when the gas sensor 83 provided in the vicinity of the fuel cell 22 detects that the raw fuel m1 is not yet burned, the flow divider 82 converts a part of the exhaust gas M3 into the heating fuel for the heater 4. It is distributed to. That is, unburned raw fuel m1 is used as fuel for the burners 44a, 44b and 44c.

以上の如く、本実施例では、直接内部改質型の固体酸化物形燃料電池であって内部改質反応に過剰な原燃料m1が導入されたとしても、これを加熱器の加熱用燃料に使用できるのである。故に、効率的な熱利用が可能である。   As described above, in this embodiment, even if an excessive raw fuel m1 is introduced into the internal reforming reaction in the direct internal reforming type solid oxide fuel cell, this is used as the heating fuel for the heater. It can be used. Therefore, efficient heat utilization is possible.

以上、本発明による代表的実施例及びこれに基づく変形例を述べたが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、例えば、直接内部改質型の燃料電池の実施例について説明したがこれに限定されるものではないし、電極、電解質及び触媒等の材料も適宜、当業者によって変更され得る。すなわち、当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。   As mentioned above, although the typical Example by this invention and the modification based on this were described, this invention is not necessarily limited to these, For example, although the Example of the direct internal reforming type fuel cell was described. However, the present invention is not limited thereto, and materials such as electrodes, electrolytes, and catalysts can be appropriately changed by those skilled in the art. That is, those skilled in the art will be able to find various alternative embodiments and modifications without departing from the scope of the appended claims.

本発明によるシステムの要部の断面図である。It is sectional drawing of the principal part of the system by this invention. 本発明によるシステムの要部のブロック図である。It is a block diagram of the principal part of the system by this invention. 本発明によるシステムの要部の断面図である。It is sectional drawing of the principal part of the system by this invention. 本発明によるシステムの要部のブロック図である。It is a block diagram of the principal part of the system by this invention. 本発明による他のシステムの要部のブロック図である。It is a block diagram of the principal part of the other system by this invention. 本発明による他のシステムの要部のブロック図である。It is a block diagram of the principal part of the other system by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池コージェネレーションシステム
2 燃料電池セルアセンブリ
3 断熱容器
4 加熱器
5 高温熱交換器
6 低温熱交換器
7 貯湯槽
22 SOFC
25 固体酸化物電解質
26 燃料極
27 空気極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell cogeneration system 2 Fuel cell assembly 3 Heat insulation container 4 Heater 5 High temperature heat exchanger 6 Low temperature heat exchanger 7 Hot water tank 22 SOFC
25 Solid oxide electrolyte 26 Fuel electrode 27 Air electrode

Claims (9)

固体酸化物形燃料電池の発電反応によって生じる熱を回収して熱利用する燃料電池コージェネレーションシステムであって、
前記燃料電池に導入される液体又は気体からなる複数の原料のそれぞれを加熱し得る加熱手段と、
前記燃料電池からの排出ガスによる熱を、前記加熱手段に導入される前記原料に与えるよう熱交換を行う高温熱交換器と、
前記高温熱交換器からの前記排出ガスによる熱を、上水に与えるよう熱交換を行う低温熱交換器と、
前記上水を貯留する貯湯槽と、を含むことを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
A fuel cell cogeneration system that recovers and uses heat generated by a power generation reaction of a solid oxide fuel cell,
Heating means capable of heating each of a plurality of raw materials made of liquid or gas introduced into the fuel cell;
A high-temperature heat exchanger that performs heat exchange so as to give heat from the exhaust gas from the fuel cell to the raw material introduced into the heating means;
A low-temperature heat exchanger that performs heat exchange so that heat from the exhaust gas from the high-temperature heat exchanger is given to clean water;
And a hot water storage tank for storing the clean water.
前記原料は、水、酸化剤ガス、及び、炭化水素系燃料からなることを特徴とする請求項1記載の燃料電池コージェネレーションシステム。   2. The fuel cell cogeneration system according to claim 1, wherein the raw material comprises water, an oxidant gas, and a hydrocarbon fuel. 前記燃料電池は、前記炭化水素系燃料を改質するための触媒を担持した電極を有することを特徴とする請求項2記載の燃料電池コージェネレーションシステム。   3. The fuel cell cogeneration system according to claim 2, wherein the fuel cell has an electrode carrying a catalyst for reforming the hydrocarbon fuel. 前記炭化水素系燃料は、水素及び一酸化炭素から合成・蒸留されたパラフィン系液体燃料からなることを特徴とする請求項3記載の燃料電池コージェネレーションシステム。   4. The fuel cell cogeneration system according to claim 3, wherein the hydrocarbon fuel is a paraffinic liquid fuel synthesized and distilled from hydrogen and carbon monoxide. 前記高温熱交換器は、前記排出ガスの一部で水との熱交換を行うとともに、前記排出ガスの残りを熱交換を行うことなく通過せしめることを特徴とする請求項2記載の燃料電池コージェネレーションシステム。   3. The fuel cell core according to claim 2, wherein the high-temperature heat exchanger exchanges heat with water in a part of the exhaust gas and allows the remainder of the exhaust gas to pass through without exchanging heat. Generation system. 前記低温熱交換器は、前記高温熱交換器の上部に設けられることを特徴とする請求項1又は5に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。   The fuel cell cogeneration system according to claim 1, wherein the low-temperature heat exchanger is provided on an upper portion of the high-temperature heat exchanger. 前記加熱手段は、前記原料のそれぞれを加熱する加熱配管と、加熱を行なうことなく通過せしめる通過配管とを有することを特徴とする請求項1記載の燃料電池コージェネレーションシステム。   2. The fuel cell cogeneration system according to claim 1, wherein the heating means includes a heating pipe for heating each of the raw materials and a passage pipe for allowing the raw materials to pass through without heating. 前記燃料電池は、断熱容器に収容され、前記加熱手段は前記断熱容器内若しくはその近傍に設けられることを特徴とする請求項1又は7に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。   The fuel cell cogeneration system according to claim 1 or 7, wherein the fuel cell is housed in a heat insulating container, and the heating means is provided in or near the heat insulating container. 前記加熱手段は、前記燃料電池からの前記排出ガスの一部を燃焼させるとともに、燃焼後のガスを前記高温熱交換器へ送出することを特徴とする請求項1又は7に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。   8. The fuel cell core according to claim 1, wherein the heating unit combusts a part of the exhaust gas from the fuel cell and sends the combusted gas to the high-temperature heat exchanger. 9. Generation system.
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