JP2013058340A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system that promotes water self-sufficiency and heat self-sufficiency and improves power generation efficiency.SOLUTION: A fuel cell system 10 includes a condensing device 14 that has: an air-cooled condenser 44 that uses oxidant gas as a cooling medium; and a water-cooled condenser 46 that uses hot water stored in a hot water storage tank 18, as the cooling medium. Between the air-cooled condenser 44 and the water-cooled condenser 46, a thermoelectric conversion section 60 is provided that performs thermoelectric conversion by use of a temperature difference between exhaust gas and the oxidant gas. The fuel cell system 10 also includes a control device 16 that adjusts at least either a flow rate of the exhaust gas supplied to the air-cooled condenser 44 or a flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condenser 46, based on at least either the result of a comparison of supply power and demand power or the result of a comparison of the amount of supply heat and the amount of demand heat.

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮して回収するとともに、凝縮水を前記燃料電池モジュールに供給する凝縮装置とを備える燃料電池システムに関する。   The present invention condenses water vapor in the exhaust gas by heat exchange between a fuel cell module that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and the exhaust gas discharged from the fuel cell module and a refrigerant body. The present invention relates to a fuel cell system including a condenser device that collects and supplies condensed water to the fuel cell module.

通常、固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。この固体電解質の両側に、アノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体は、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持されている。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定の数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。   Usually, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as a solid electrolyte. An electrolyte / electrode assembly in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of the solid electrolyte is sandwiched between separators (bipolar plates). This fuel cell is usually used as a fuel cell stack in which a predetermined number of electrolyte / electrode assemblies and separators are laminated.

上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやLNG等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに、例えば、水蒸気改質を施すことにより、改質ガス(燃料ガス)が生成されている。   As the fuel gas supplied to the fuel cell, hydrogen gas generated from a hydrocarbon-based raw fuel by a reformer is usually used. In a reformer, generally, after obtaining a reforming raw material gas from a hydrocarbon-based raw fuel such as fossil fuel such as methane or LNG, the reforming raw material gas is subjected to, for example, steam reforming. The reformed gas (fuel gas) is generated.

この種の燃料電池では、運転温度が比較的高温であり、発電反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを含む排ガスも高温になっている。このため、排ガスの有効利用を図ることが望まれており、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池システムが知られている。   In this type of fuel cell, the operating temperature is relatively high, and the exhaust gas containing the fuel gas and oxidant gas used for the power generation reaction is also at a high temperature. For this reason, it is desired to make effective use of exhaust gas. For example, a fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is known.

この燃料電池システムは、図9に示すように、固体電解質形燃料電池1aと、前記固体電解質形燃料電池1aからの排ガスと水とを熱交換する熱交換器2aと、水を貯える貯湯タンク3aと、前記貯湯タンク3aの底部と熱交換器2aとの間、及び前記貯湯タンク3aの上部と前記熱交換器2aとの間をそれぞれ連結し、該貯湯タンク3aと該熱交換器2aとの間で水を循環させる循環配管4aと、前記循環配管4aに設けられ、水を強制的に循環させる循環ポンプ5aと、前記熱交換器2aの入口水温及び出口水温を検出する温度検出器6a、7aと、前記熱交換器2aの出口水温が入口水温よりも所定温度以上になるように前記循環ポンプ5aの出力を制御する制御装置8aとを具備している。   As shown in FIG. 9, this fuel cell system includes a solid oxide fuel cell 1a, a heat exchanger 2a for exchanging heat between the exhaust gas from the solid electrolyte fuel cell 1a and water, and a hot water storage tank 3a for storing water. And between the bottom of the hot water storage tank 3a and the heat exchanger 2a and between the upper part of the hot water storage tank 3a and the heat exchanger 2a, respectively, and between the hot water storage tank 3a and the heat exchanger 2a A circulation pipe 4a for circulating water between them, a circulation pump 5a forcibly circulating water, and a temperature detector 6a for detecting the inlet water temperature and the outlet water temperature of the heat exchanger 2a, 7a and a control device 8a for controlling the output of the circulation pump 5a so that the outlet water temperature of the heat exchanger 2a is equal to or higher than the inlet water temperature.

また、特許文献2に開示されている燃料電池システムは、図10に示すように、固体電解質形燃料電池1bと、前記固体電解質形燃料電池1bからの排ガスと水を熱交換する熱交換器2bと、水を貯える貯湯タンク3bと、前記貯湯タンク3bと前記熱交換器2bとの間で水を循環させる循環配管4bと、前記循環配管4bに設けられた循環ポンプ5bと、使用する貯湯量に応じて前記固体電解質形燃料電池1bの発電中の燃料利用率を制御する制御装置6bとを具備している。   Further, as shown in FIG. 10, the fuel cell system disclosed in Patent Document 2 includes a solid electrolyte fuel cell 1b and a heat exchanger 2b for exchanging heat between exhaust gas and water from the solid electrolyte fuel cell 1b. A hot water storage tank 3b for storing water, a circulation pipe 4b for circulating water between the hot water storage tank 3b and the heat exchanger 2b, a circulation pump 5b provided in the circulation pipe 4b, and the amount of hot water used. And a control device 6b for controlling the fuel utilization rate during power generation of the solid oxide fuel cell 1b.

さらにまた、特許文献3に開示されている燃料電池システム及びコジェネレーションシステムは、燃料電池部、排ガス燃焼部及び第1熱交換部を具備するとともに、前記燃料電池部は、電気負荷に接続され、燃料ガス及び酸化剤ガスにより電力としての燃料電池電力を発電し、前記電気負荷に供給している。排ガス燃焼部は、燃料電池部において使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼し、燃焼排ガスを生成している。第1熱交換部は、燃焼排ガスの熱量を熱媒体で回収している。   Furthermore, the fuel cell system and the cogeneration system disclosed in Patent Document 3 include a fuel cell unit, an exhaust gas combustion unit, and a first heat exchange unit, and the fuel cell unit is connected to an electrical load, Fuel cell power as electric power is generated by the fuel gas and the oxidant gas and supplied to the electric load. The exhaust gas combustion unit burns the fuel gas and the oxidant gas used in the fuel cell unit to generate combustion exhaust gas. The 1st heat exchange part collects the amount of heat of combustion exhaust gas with a heat carrier.

そして、燃料電池部は、電気負荷の大きさがゼロの場合においても、燃料電池電力を前記電気負荷に供給することが可能なように、予め設定された温度以上で継続的に運転されている。その熱量は、その熱媒体を利用する熱利用設備に供給されている。   The fuel cell unit is continuously operated at a preset temperature or higher so that fuel cell power can be supplied to the electric load even when the electric load is zero. . The amount of heat is supplied to a heat utilization facility that uses the heat medium.

また、特許文献4に開示されている熱電併給装置は、図11に示すように、熱電発生装置1c、蓄電装置2c、蓄熱装置3c及び制御装置4cを備えている。熱電発生装置1cにより発生されて出力された電力は、蓄電装置2cに与えられて蓄電されている。同様に、熱電発生装置1cにより発生されて出力された熱は、蓄熱装置3cに与えられて蓄熱されている。そこで、エネルギを必要とする負荷5cには、蓄電装置2cから電力が供給されるとともに、蓄熱装置3cから熱が供給されている。   Moreover, the cogeneration apparatus disclosed in Patent Document 4 includes a thermoelectric generator 1c, a power storage device 2c, a heat storage device 3c, and a control device 4c, as shown in FIG. The electric power generated and output by the thermoelectric generator 1c is supplied to and stored in the power storage device 2c. Similarly, the heat generated and output by the thermoelectric generator 1c is given to the heat storage device 3c and stored. Therefore, the load 5c that requires energy is supplied with electric power from the power storage device 2c and is also supplied with heat from the heat storage device 3c.

特開2006−24430号公報JP 2006-24430 A 国際公開第2007/052633号パンフレットInternational Publication No. 2007/052633 Pamphlet 特開2003−187843号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-187843 特開2002−48004号公報JP 2002-48004 A

しかしながら、上記の特許文献1では、貯湯タンク3a内の水が高温になった際には、貯湯水の供給を停止させる、又は、排ガスの供給を停止させており、高温の排ガスが無駄に排出されてしまう。しかも、排ガス中の水分を凝縮して改質に必要な水を完全循環(水自立)させることが困難になるという問題がある。   However, in the above-mentioned Patent Document 1, when the water in the hot water storage tank 3a becomes high temperature, the supply of the hot water is stopped or the supply of the exhaust gas is stopped, and the high temperature exhaust gas is discharged wastefully. Will be. In addition, there is a problem that it is difficult to fully circulate (water self-sustained) water necessary for reforming by condensing moisture in the exhaust gas.

また、上記の特許文献2では、発電中の燃料利用率を制御するものである。このため、貯湯タンク3bの貯湯水が満水の場合や、高温になった場合において、水自立運転や、要求電力負荷の供給及び貯湯水の維持を図るものではない。   Moreover, in said patent document 2, the fuel utilization rate during electric power generation is controlled. For this reason, when the hot water stored in the hot water storage tank 3b is full or when the temperature becomes high, the water self-sustained operation, the supply of the required power load and the maintenance of the hot water are not intended.

さらにまた、特許文献3では、電力負荷や熱負荷が少ない時間帯でも、エネルギ効率を向上させようとするものである。従って、貯湯水が満水又は高温の場合において、水自立運転や、要求電力負荷の供給及び貯湯水の維持について対応することはできない。   Furthermore, Patent Document 3 intends to improve energy efficiency even in a time zone in which the power load and the heat load are small. Therefore, when the hot water is full or at a high temperature, it is not possible to cope with water self-sustained operation, supply of required power load and maintenance of hot water.

また、特許文献4では、蓄電装置2c及び蓄熱装置3cを備えており、熱電併給装置全体が大型化するという問題がある。しかも、水自立を達成することや、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持する(熱自立)ことが困難である。   Moreover, in patent document 4, the electrical storage apparatus 2c and the thermal storage apparatus 3c are provided, and there exists a problem that the whole thermoelectric supply apparatus enlarges. In addition, it is difficult to achieve water independence and to maintain the operating temperature of the fuel cell only with heat generated by itself without applying heat from the outside (thermal independence).

本発明は、この種の問題を解決するものであり、水自立及び熱自立を促進させることができ、発電効率の向上を図ることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and an object thereof is to provide a fuel cell system that can promote water self-sustainability and heat self-sustainability and can improve power generation efficiency.

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮して回収するとともに、凝縮水を前記燃料電池モジュールに供給する凝縮装置とを備える燃料電池システムに関するものである。   The present invention condenses water vapor in the exhaust gas by heat exchange between a fuel cell module that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and the exhaust gas discharged from the fuel cell module and a refrigerant body. The present invention relates to a fuel cell system including a condenser device that collects and supplies condensed water to the fuel cell module.

この燃料電池システムでは、凝縮装置は、冷媒体として酸化剤ガスが使用される空冷凝縮機構と、前記冷媒体として貯湯部に貯えられる貯湯水が使用される水冷凝縮機構と、前記空冷凝縮機構と前記水冷凝縮機構との間に配設され、排ガスと前記酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換機構とを備えている。   In this fuel cell system, the condensing device includes an air-cooled condensing mechanism that uses an oxidant gas as a refrigerant body, a water-cooled condensing mechanism that uses hot water stored in a hot water storage section as the refrigerant body, and the air-cooled condensing mechanism. And a thermoelectric conversion mechanism that is disposed between the water-cooled condensing mechanism and performs thermoelectric conversion by a temperature difference between the exhaust gas and the oxidant gas.

そして、燃料電池システムは、少なくとも供給電力と需要電力との比較結果、又は供給熱量と需要熱量との比較結果のいずれかに基づいて、少なくとも空冷凝縮機構に供給される排ガスの流量、又は水冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量のいずれかを調整する制御装置を備えている。   Then, the fuel cell system can at least flow the exhaust gas supplied to the air-cooled condensing mechanism or the water-cooled condensing based on either the comparison result between the supplied power and the demand power or the comparison result between the supplied heat quantity and the demanded heat quantity. A control device for adjusting any one of the flow rates of the exhaust gas supplied to the mechanism is provided.

また、この燃料電池システムでは、制御装置は、少なくとも供給電力と予め設定された需要電力範囲とを比較する電力比較部と、供給熱量と予め設定された需要熱量範囲とを比較する熱量比較部と、前記空冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量及び前記水冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量を調整する排ガス流量調整部とを有することが好ましい。   In this fuel cell system, the control device includes at least a power comparison unit that compares the supplied power with a preset demand power range, and a heat quantity comparison unit that compares the supply heat amount with a preset demand heat range. It is preferable to have an exhaust gas flow rate adjusting unit that adjusts the flow rate of the exhaust gas supplied to the air-cooled condensation mechanism and the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condensation mechanism.

このため、電力比較部及び熱量比較部による比較結果に基づいて、空冷凝縮機構に供給される排ガスの流量及び水冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量が、選択的に又は同時に調整される。従って、電力が要求される場合には、排ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率が有効に向上する。一方、熱量が要求される場合には、排ガスの熱エネルギを湯の熱エネルギとして回収することが可能になる。これにより、エネルギ効率の向上が容易に図られる。   For this reason, the flow rate of the exhaust gas supplied to the air-cooled condensing mechanism and the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condensing mechanism are selectively or simultaneously adjusted based on the comparison results by the power comparing unit and the calorific value comparing unit. Therefore, when electric power is required, the heat energy of the exhaust gas can be recovered as electric energy, and the power generation efficiency is effectively improved. On the other hand, when the amount of heat is required, the heat energy of the exhaust gas can be recovered as the heat energy of hot water. Thereby, the energy efficiency can be easily improved.

さらに、この燃料電池システムでは、排ガス流量調整部は、電力比較部により供給電力が需要電力範囲未満であることが検出された際、空冷凝縮機構に供給される排ガスの流量を増加させることが好ましい。このため、排ガスの熱エネルギを電気エネルギ(電力)として回収する量が増加され、供給電力を需要電力に近づけることができる。従って、需要電力に応じた発電効率の向上が容易に図られる。   Furthermore, in this fuel cell system, it is preferable that the exhaust gas flow rate adjustment unit increases the flow rate of the exhaust gas supplied to the air-cooled condensing mechanism when the power comparison unit detects that the supplied power is less than the demand power range. . For this reason, the quantity which collect | recovers the heat energy of waste gas as electric energy (electric power) is increased, and supply electric power can be brought close to demand electric power. Therefore, it is possible to easily improve the power generation efficiency according to the demand power.

さらにまた、この燃料電池システムでは、排ガス流量調整部は、電力比較部により供給電力が需要電力範囲内であることが検出された際、空冷凝縮機構に供給される排ガスの流量を維持させることが好ましい。これにより、排ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収する量が維持されるため、供給電力を需要電力に近づけることが可能になる。このため、需要電力に応じた発電効率の向上が容易に図られる。   Furthermore, in this fuel cell system, the exhaust gas flow rate adjustment unit can maintain the flow rate of the exhaust gas supplied to the air-cooled condensing mechanism when the power comparison unit detects that the supplied power is within the demand power range. preferable. Thereby, since the quantity which collect | recovers the heat energy of waste gas as electric energy is maintained, it becomes possible to make supply electric power close to demand electric power. For this reason, it is possible to easily improve the power generation efficiency in accordance with the demand power.

また、この燃料電池システムでは、排ガス流量調整部は、電力比較部により供給電力が需要電力範囲超過であることが検出された際、空冷凝縮機構に供給される排ガスの流量を減少させることが好ましい。従って、排ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収する量が減少されるため、供給電力を需要電力に近づけることができる。これにより、需要電力に応じた発電効率の向上が容易に図られる。   Further, in this fuel cell system, it is preferable that the exhaust gas flow rate adjusting unit decreases the flow rate of the exhaust gas supplied to the air-cooled condensing mechanism when the power comparison unit detects that the supplied power exceeds the demand power range. . Therefore, since the amount of recovering the heat energy of the exhaust gas as electric energy is reduced, the supplied power can be brought close to the demand power. Thereby, the improvement of the power generation efficiency according to demand electric power is achieved easily.

さらに、この燃料電池システムでは、排ガス流量調整部は、熱量比較部により供給熱量が需要熱量範囲未満であることが検出された際、水冷凝縮機構に供給される排ガスの流量を増加させることが好ましい。このため、排ガスの熱エネルギを湯の熱エネルギとして回収する量が増加されるため、供給熱量を需要熱量に近づけることが可能になる。従って、需要熱量に応じた熱効率の向上が容易に図られる。   Further, in this fuel cell system, it is preferable that the exhaust gas flow rate adjustment unit increases the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condensation mechanism when the heat quantity comparison unit detects that the heat supply amount is less than the demand heat quantity range. . For this reason, since the quantity which collect | recovers the heat energy of waste gas as the heat energy of hot water is increased, it becomes possible to make supply heat quantity close to demand heat quantity. Therefore, it is possible to easily improve the thermal efficiency according to the amount of heat demand.

さらにまた、この燃料電池システムでは、排ガス流量調整部は、熱量比較部により供給熱量が需要熱量範囲内であることが検出された際、水冷凝縮機構に供給される排ガスの流量を維持させることが好ましい。これにより、排ガスの熱エネルギを湯の熱エネルギとして回収する量が維持されるため、供給熱量を需要熱量に近づけることができる。このため、需要熱量に応じた熱効率の向上が容易に図られる。   Furthermore, in this fuel cell system, the exhaust gas flow rate adjusting unit can maintain the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condensing mechanism when the calorific value comparing unit detects that the supplied heat amount is within the demand heat amount range. preferable. Thereby, since the quantity which collect | recovers the heat energy of waste gas as the heat energy of hot water is maintained, supply heat quantity can be brought close to demand heat quantity. For this reason, the improvement of the thermal efficiency according to the amount of heat demand is facilitated.

また、この燃料電池システムでは、排ガス流量調整部は、熱量比較部により供給熱量が需要熱量範囲超過であることが検出された際、水冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量を減少させることが好ましい。従って、排ガスの熱エネルギを湯の熱エネルギとして回収する量が減少されるため、供給熱量を需要熱量に近づけることができる。これにより、需要熱量に応じた熱効率の向上が容易に図られる。   In this fuel cell system, the exhaust gas flow rate adjusting unit may reduce the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condensing mechanism when the heat quantity comparison unit detects that the supplied heat quantity exceeds the demand heat quantity range. preferable. Therefore, the amount of recovered heat energy of the exhaust gas as the heat energy of hot water is reduced, so that the amount of supplied heat can be made close to the amount of demand heat. Thereby, the improvement of the thermal efficiency according to the amount of heat demand is facilitated.

さらに、この燃料電池システムでは、燃料電池モジュールは、電力比較部により供給電力が需要電力範囲超過であることが検出され、且つ、熱量比較部により供給熱量が需要熱量範囲超過であることが検出された際、出力を低下させ、又は、電力系統に送電させることが好ましい。   Further, in this fuel cell system, in the fuel cell module, the power comparison unit detects that the supplied power exceeds the demand power range, and the heat quantity comparison unit detects that the supply heat amount exceeds the demand heat range. It is preferable to reduce the output or transmit power to the power system.

このため、排ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収する量、及び前記排ガスの熱エネルギを湯の熱エネルギとして回収する量が、それぞれ減少される。従って、供給電力を需要電力に近づけるとともに、供給熱量を需要熱量に近づけることが可能になり、需要電力及び需要熱量に応じた総合効率の向上が容易に図られる。   For this reason, the quantity which collect | recovers the thermal energy of waste gas as an electrical energy, and the quantity which collects the thermal energy of the said waste gas as the thermal energy of hot water are each reduced. Therefore, it is possible to bring the supplied power closer to the demand power and to make the supply heat amount closer to the demand heat amount, and the overall efficiency according to the demand power and the demand heat amount can be easily improved.

さらにまた、この燃料電池システムでは、燃料電池モジュールは、少なくとも電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、前記混合燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器とを備えることが好ましい。   Furthermore, in this fuel cell system, the fuel cell module includes a fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching at least an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode, and a separator, and a plurality of the fuels In order to produce a fuel cell stack in which the cells are stacked, a heat exchanger that heats the oxidant gas before being supplied to the fuel cell stack, and a mixed fuel of raw fuel and steam mainly composed of hydrocarbons, It is preferable to include an evaporator that evaporates water and a reformer that reforms the mixed fuel to generate fuel gas.

これにより、特に水蒸気改質を行う燃料電池モジュールに最適に適用することができ、良好な効果が得られる。   Thereby, it can be optimally applied to a fuel cell module that performs steam reforming in particular, and a good effect can be obtained.

また、この燃料電池システムでは、燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることが好ましい。このため、高温型燃料電池システムに最適に用いることが可能になり、良好な効果が得られる。   In this fuel cell system, the fuel cell module is preferably a solid oxide fuel cell module. For this reason, it becomes possible to use optimally for a high temperature type fuel cell system, and a good effect is acquired.

本発明によれば、空冷凝縮機構と水冷凝縮機構との間に、排ガスと酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換部が配設されている。このため、燃料電池システム全体の構成が、容易にコンパクト化される。しかも、排ガスと酸化剤ガスとの温度差(熱エネルギ)を、電気エネルギとして回収することができるため、発電効率が有効に向上する。   According to this invention, the thermoelectric conversion part which performs thermoelectric conversion by the temperature difference of waste gas and oxidant gas is arrange | positioned between the air cooling condensation mechanism and the water cooling condensation mechanism. For this reason, the structure of the whole fuel cell system is easily made compact. In addition, since the temperature difference (thermal energy) between the exhaust gas and the oxidant gas can be recovered as electric energy, the power generation efficiency is effectively improved.

さらに、排ガス温度が低減されるとともに、排ガス中の水蒸気を凝縮して回収することが可能になり、廃熱の抑制と水自立の促進が図られる。さらにまた、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が容易に遂行可能になる。   Further, the exhaust gas temperature is reduced, and the water vapor in the exhaust gas can be condensed and recovered, thereby suppressing waste heat and promoting water independence. Furthermore, since the temperature of the oxidant gas is increased, it becomes possible to easily promote thermal self-sustainment.

ここで、水自立とは、燃料電池システムの運転に必要な水の全量を外部から供給することなく、前記燃料電池システム内で賄うことをいう。また、熱自立とは、燃料電池システムの運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池システムの動作温度を維持することをいう。   Here, water self-supporting means that the entire amount of water necessary for the operation of the fuel cell system is supplied from within the fuel cell system without being supplied from the outside. Further, the heat self-sustainment means that the operating temperature of the fuel cell system is maintained only by the heat generated by itself without adding the whole amount of heat necessary for the operation of the fuel cell system.

さらに、供給電力と需要電力との比較結果、又は供給熱量と需要熱量との比較結果に基づいて、空冷凝縮機構に供給される排ガスの流量及び水冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量が、選択的に又は同時に調整されている。従って、電力が要求される場合には、排ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収する一方、熱量が要求される場合には、排ガスの熱エネルギを湯の熱エネルギとして回収することができ、総合効率の向上が容易に図られる。   Furthermore, based on the comparison result between the supplied power and the demand power, or the comparison result between the supply heat amount and the demand heat amount, the flow rate of the exhaust gas supplied to the air-cooled condensation mechanism and the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condensation mechanism are: Adjusted selectively or simultaneously. Therefore, when electric power is required, the thermal energy of exhaust gas can be recovered as electric energy, while when the amount of heat is required, the thermal energy of exhaust gas can be recovered as the thermal energy of hot water. Can be easily improved.

その上、空冷凝縮機構と水冷凝縮機構とが、選択的に又は同時に使用されるため、排ガスの熱エネルギを効率的に回収することが可能になる。これにより、水自立が図られるとともに、排ガス温度の低減が可能になる。   In addition, since the air-cooled condensing mechanism and the water-cooled condensing mechanism are used selectively or simultaneously, it becomes possible to efficiently recover the thermal energy of the exhaust gas. Thereby, water independence is achieved and the exhaust gas temperature can be reduced.

本発明の第1の実施形態に係る制御方法を実施するための燃料電池システムの概略構成説明図である。1 is a schematic configuration explanatory diagram of a fuel cell system for carrying out a control method according to a first embodiment of the present invention. 前記燃料電池システムを構成する凝縮装置の説明図である。It is explanatory drawing of the condensing apparatus which comprises the said fuel cell system. 前記燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャートである。4 is a flowchart illustrating a control method of the fuel cell system. 前記制御方法の制御マップである。It is a control map of the said control method. 熱電変換素子の温度差と出力との関係説明図である。It is explanatory drawing of the relationship between the temperature difference of a thermoelectric conversion element, and an output. 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。It is a schematic structure explanatory drawing of the fuel cell system concerning the 2nd Embodiment of this invention. 前記燃料電池システムを構成する凝縮装置の正面説明図である。It is front explanatory drawing of the condensing apparatus which comprises the said fuel cell system. 前記凝縮装置の、図7中、VIII−VIII線断面斜視図である。FIG. 8 is a cross-sectional perspective view taken along line VIII-VIII in FIG. 7 of the condensing device. 特許文献1の燃料電池システムの説明図である。2 is an explanatory diagram of a fuel cell system of Patent Document 1. FIG. 特許文献2の燃料電池システムの説明図である。2 is an explanatory diagram of a fuel cell system of Patent Document 2. FIG. 特許文献4の熱電併給装置の説明図である。It is explanatory drawing of the cogeneration apparatus of patent document 4.

本発明の第1の実施形態に係る制御方法を実施するための燃料電池システム10は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。   The fuel cell system 10 for carrying out the control method according to the first embodiment of the present invention is used for various purposes such as in-vehicle use as well as stationary use.

燃料電池システム10は、図1に概略的に示すように、燃料ガス(水素ガス)と酸化剤ガス(空気)との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール12と、前記燃料電池モジュール12から排出される排ガスと冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮して回収するとともに、凝縮水を前記燃料電池モジュール12に供給する凝縮装置14と、制御装置16と、前記冷媒体として貯留水が貯えられる貯湯タンク(貯留部)18とを備える。   As schematically shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 includes a fuel cell module 12 that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas (hydrogen gas) and an oxidant gas (air), and an exhaust from the fuel cell module 12. As a result of the heat exchange between the exhaust gas and the refrigerant body, the water vapor in the exhaust gas is condensed and recovered, and the condensing device 14 for supplying condensed water to the fuel cell module 12, the control device 16, and the refrigerant body And a hot water storage tank (storage part) 18 in which the stored water is stored.

燃料電池モジュール12には、前記燃料電池モジュール12に原燃料(例えば、都市ガス)を供給する燃料ガス供給装置(燃料ガスポンプを含む)20と、前記燃料電池モジュール12に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置(エアポンプを含む)22と、前記燃料電池モジュール12に水を供給する水供給装置(水ポンプを含む)24とが接続される。   The fuel cell module 12 includes a fuel gas supply device (including a fuel gas pump) 20 that supplies raw fuel (for example, city gas) to the fuel cell module 12 and an oxidation that supplies an oxidant gas to the fuel cell module 12. An agent gas supply device (including an air pump) 22 and a water supply device (including a water pump) 24 for supplying water to the fuel cell module 12 are connected.

燃料電池モジュール12は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質(固体酸化物)をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体26とセパレータ28とが積層される固体酸化物形の燃料電池30を設けるとともに、複数の前記燃料電池30が鉛直方向(又は水平方向)に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック32を備える。   Although not shown, the fuel cell module 12 is, for example, an electrolyte / electrode joint configured by sandwiching a solid electrolyte (solid oxide) composed of an oxide ion conductor such as stabilized zirconia between an anode electrode and a cathode electrode. A solid oxide fuel cell 30 in which a body 26 and a separator 28 are stacked, and a solid oxide fuel cell stack 32 in which a plurality of the fuel cells 30 are stacked in a vertical direction (or a horizontal direction). Prepare.

燃料電池スタック32の積層方向下端側(又は上端側)には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック32に供給する前に加熱する熱交換器34と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、前記水を蒸発させる蒸発器36と、前記混合燃料を改質して燃料ガス(改質ガス)を生成する改質器38とが配設される。   On the lower end side (or upper end side) of the fuel cell stack 32 in the stacking direction, a heat exchanger 34 that heats the oxidant gas before supplying it to the fuel cell stack 32, a raw fuel mainly composed of hydrocarbons, and steam In order to generate the mixed fuel, an evaporator 36 for evaporating the water and a reformer 38 for reforming the mixed fuel to generate a fuel gas (reformed gas) are provided.

改質器38は、都市ガス(燃料ガス)中に含まれるエタン(C)、プロパン(C)及びブタン(C10)等の高級炭化水素(C2+)を、主としてメタン(CH)を含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。 The reformer 38 contains higher hydrocarbons (C 2+ ) such as ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ), and butane (C 4 H 10 ) contained in the city gas (fuel gas), This is a pre-reformer for steam reforming to a fuel gas mainly containing methane (CH 4 ), and is set to an operating temperature of several hundred degrees Celsius.

燃料電池30は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体26では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素が得られ、この水素がアノード電極に供給される。   The operating temperature of the fuel cell 30 is as high as several hundred degrees C. In the electrolyte / electrode assembly 26, methane in the fuel gas is reformed to obtain hydrogen, and this hydrogen is supplied to the anode electrode.

熱交換器34は、燃料電池スタック32から排出される使用済み反応ガス(以下、排ガス又は燃焼排ガスともいう)と、被加熱流体である空気とを、互いに対向流に流して熱交換を行う。熱交換後の排ガスは、排気管40に排出される一方、熱交換後の空気は、酸化剤ガスとして燃料電池スタック32に供給される。   The heat exchanger 34 exchanges heat by flowing a used reaction gas (hereinafter also referred to as exhaust gas or combustion exhaust gas) discharged from the fuel cell stack 32 and air that is a fluid to be heated in opposite directions. The exhaust gas after the heat exchange is discharged to the exhaust pipe 40, while the air after the heat exchange is supplied to the fuel cell stack 32 as an oxidant gas.

蒸発器36の出口は、改質器38の入口に連結されるとともに、前記改質器38の出口は、燃料電池スタック32の燃料ガス供給連通孔(図示せず)に連通する。蒸発器36に供給された排ガスを排出するために、主排気管42が設けられる。主排気管42は、排気管40に一体化される。   The outlet of the evaporator 36 is connected to the inlet of the reformer 38, and the outlet of the reformer 38 communicates with a fuel gas supply communication hole (not shown) of the fuel cell stack 32. A main exhaust pipe 42 is provided to discharge the exhaust gas supplied to the evaporator 36. The main exhaust pipe 42 is integrated with the exhaust pipe 40.

凝縮装置14は、冷媒体として酸化剤ガスが使用される空冷凝縮器(空冷凝縮機構)44と、前記冷媒体として貯湯タンク18に貯えられる貯湯水が使用される水冷凝縮器(水冷凝縮機構)46とを備える。空冷凝縮器44及び水冷凝縮器46は、例えば、断面四角形状の角筒形状を有する。   The condenser 14 includes an air-cooled condenser (air-cooled condensation mechanism) 44 that uses an oxidant gas as a refrigerant body, and a water-cooled condenser (water-cooled condensation mechanism) that uses hot water stored in the hot water storage tank 18 as the refrigerant body. 46. The air-cooled condenser 44 and the water-cooled condenser 46 have, for example, a rectangular tube shape with a square cross section.

燃料電池モジュール12から延在する排気管40には、調整弁48が配設され、前記調整弁48の出口側には、排ガス通路50a、50bが分岐する。排ガス通路50aには、空冷凝縮器44が接続される一方、排ガス通路50bには、水冷凝縮器46が接続される。   The exhaust pipe 40 extending from the fuel cell module 12 is provided with a regulating valve 48, and exhaust gas passages 50 a and 50 b branch on the outlet side of the regulating valve 48. An air-cooled condenser 44 is connected to the exhaust gas passage 50a, while a water-cooled condenser 46 is connected to the exhaust gas passage 50b.

調整弁48は、空冷凝縮器44に供給される排ガスの流量、及び水冷凝縮器46に供給される前記排ガスの流量を個別に調整可能である。排ガスは、空冷凝縮器44のみに供給される場合、水冷凝縮器46のみに供給される場合、及び前記空冷凝縮器44と前記水冷凝縮器46とにそれぞれ所定の流量で供給される場合がある。   The adjustment valve 48 can individually adjust the flow rate of the exhaust gas supplied to the air-cooled condenser 44 and the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condenser 46. The exhaust gas may be supplied to the air-cooled condenser 44 only, to the water-cooled condenser 46 only, or to the air-cooled condenser 44 and the water-cooled condenser 46 at a predetermined flow rate. .

なお、調整弁48は、排ガス通路50aと50bとに対する排ガスの分配流量を変更させることにより、前記排ガス通路50a、50bに供給される排ガス流量を調整することもできる。その際、後述する制御では、燃料電池モジュール12の出力を増減させて排ガス供給量を増減させることにより、排ガス通路50a、50bに分配される排ガス流量を増減させる必要がある。   The adjustment valve 48 can also adjust the exhaust gas flow rate supplied to the exhaust gas passages 50a and 50b by changing the distribution flow rate of the exhaust gas to the exhaust gas passages 50a and 50b. At that time, in the control described later, it is necessary to increase / decrease the exhaust gas flow rate distributed to the exhaust gas passages 50a, 50b by increasing / decreasing the output of the fuel cell module 12 to increase / decrease the exhaust gas supply amount.

空冷凝縮器44及び水冷凝縮器46の出口側には、排ガスを排出するための排気ガス流路52a、52bが設けられるとともに、凝縮した凝縮水を水容器54に供給するための凝縮水流路56a、56bが設けられる。水容器54は、凝縮水を貯留するとともに、水流路58を介して水供給装置24に接続される。排気ガス流路52a、52bは、合流した後、凝縮装置14の外部に排ガスを排出自在である。   Exhaust gas passages 52a and 52b for discharging exhaust gas are provided on the outlet side of the air-cooled condenser 44 and the water-cooled condenser 46, and a condensed water passage 56a for supplying condensed water to the water container 54. , 56b are provided. The water container 54 stores condensed water and is connected to the water supply device 24 via the water flow path 58. The exhaust gas passages 52 a and 52 b can discharge exhaust gas to the outside of the condensing device 14 after joining.

図1及び図2に示すように、空冷凝縮器44と水冷凝縮器46との間には、排ガスと酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換機構60が配設される。熱電変換機構60は、空冷凝縮器44側に設けられる第1熱電変換部60aと、水冷凝縮器46側に設けられる第2熱電変換部60bとを備える。   As shown in FIGS. 1 and 2, a thermoelectric conversion mechanism 60 that performs thermoelectric conversion by a temperature difference between exhaust gas and oxidant gas is disposed between the air-cooled condenser 44 and the water-cooled condenser 46. The thermoelectric conversion mechanism 60 includes a first thermoelectric converter 60a provided on the air-cooled condenser 44 side and a second thermoelectric converter 60b provided on the water-cooled condenser 46 side.

図2に示すように、第1熱電変換部60aは、空冷凝縮器44の1つの平坦状外面(高温側)44aと、空気(酸化剤ガス)が流通される角筒状の空気流通配管(低温側)62との間に取り付けられる複数の熱電変換素子64aを備える。第2熱電変換部60bは、水冷凝縮器46の1つの平坦状外面(高温側)46aと、空気流通配管(低温側)62との間に取り付けられる複数の熱電変換素子64bを備える。熱電変換素子64a、64bは、両端に温度差を生じさせることにより起電力を発生させる機能を有する(後述する)。   As shown in FIG. 2, the first thermoelectric converter 60 a includes one flat outer surface (high temperature side) 44 a of the air-cooled condenser 44 and a rectangular tube-shaped air circulation pipe (air oxidizing gas) is circulated ( A plurality of thermoelectric conversion elements 64a attached to the low temperature side) 62 are provided. The second thermoelectric conversion unit 60 b includes a plurality of thermoelectric conversion elements 64 b attached between one flat outer surface (high temperature side) 46 a of the water-cooled condenser 46 and the air circulation pipe (low temperature side) 62. The thermoelectric conversion elements 64a and 64b have a function of generating an electromotive force by causing a temperature difference between both ends (described later).

第1熱電変換部60aを構成する複数の熱電変換素子64aの体積は、第2熱電変換部60bを構成する複数の熱電変換素子64bの体積よりも大きく設定される。熱電変換素子64aの熱電変換温度は、熱電変換素子64bの熱電変換温度よりも高く設定される。   The volume of the several thermoelectric conversion element 64a which comprises the 1st thermoelectric conversion part 60a is set larger than the volume of the several thermoelectric conversion element 64b which comprises the 2nd thermoelectric conversion part 60b. The thermoelectric conversion temperature of the thermoelectric conversion element 64a is set higher than the thermoelectric conversion temperature of the thermoelectric conversion element 64b.

具体的には、熱電変換素子64aは、比較的高温域で熱電変換効率の高い材料を使用する一方、熱電変換素子64bは、比較的低温域で熱電変換効率の高い材料を使用する。例えば、常温〜500Kの温度範囲では、ビスマス・テルル系(Bi-Te系)、常温〜800Kの温度範囲では、鉛・テルル系(Pb-Te系)、常温〜1000Kの温度範囲では、シリコン・ゲルマニウム系(Si-Ge系)が使用可能である。   Specifically, the thermoelectric conversion element 64a uses a material having a high thermoelectric conversion efficiency in a relatively high temperature range, while the thermoelectric conversion element 64b uses a material having a high thermoelectric conversion efficiency in a relatively low temperature range. For example, in the temperature range from room temperature to 500K, bismuth and tellurium (Bi-Te system), in the temperature range from room temperature to 800K, lead and tellurium (Pb-Te system), and in the temperature range from room temperature to 1000K, silicon. Germanium-based (Si-Ge-based) can be used.

図1に示すように、空気流通配管62には、酸化剤ガス供給装置22が配設された空気供給管66が接続される。空気供給管66は、空気流通配管62内に冷媒体として酸化剤ガスを通し、排ガスと熱交換させることにより昇温された前記酸化剤ガスを燃料電池スタック32に供給する。   As shown in FIG. 1, an air supply pipe 66 provided with an oxidant gas supply device 22 is connected to the air circulation pipe 62. The air supply pipe 66 passes the oxidant gas as a refrigerant through the air circulation pipe 62 and supplies the oxidant gas heated by exchanging heat with the exhaust gas to the fuel cell stack 32.

水冷凝縮器46には、貯湯タンク18に接続された循環配管68が配設される。循環配管68は、水冷凝縮器46内に冷媒体として貯湯タンク18内の貯湯水を通して排ガスと熱交換させ、昇温された貯湯水を前記貯湯タンク18に戻す。   The water-cooled condenser 46 is provided with a circulation pipe 68 connected to the hot water storage tank 18. The circulation pipe 68 exchanges heat with the exhaust gas through the hot water stored in the hot water storage tank 18 as a refrigerant in the water-cooled condenser 46, and returns the heated hot water to the hot water storage tank 18.

制御装置16は、少なくとも供給電力Wと予め設定された需要電力範囲とを比較する電力比較部70と、供給熱量Qと予め設定された需要熱量範囲とを比較する熱量比較部72と、空冷凝縮器44に供給される排ガスの流量及び水冷凝縮器46に供給される前記排ガスの流量を調整する排ガス流量調整部74とを備える。排ガス流量調整部74は、調整弁48を制御して所望の調整機能を営むものであるが、例えば、空冷凝縮器44及び水冷凝縮器46にそれぞれ配設される弁(図示せず)を個別に又は同時に制御してもよい。   The control device 16 includes at least a power comparison unit 70 that compares the supply power W with a preset demand power range, a heat comparison unit 72 that compares the supply heat amount Q with a preset demand heat range, and air-cooled condensation An exhaust gas flow rate adjusting unit 74 that adjusts the flow rate of the exhaust gas supplied to the vessel 44 and the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condenser 46. The exhaust gas flow rate adjustment unit 74 controls the adjustment valve 48 to perform a desired adjustment function. For example, the exhaust gas flow rate adjustment unit 74 may be provided with valves (not shown) individually disposed in the air-cooled condenser 44 and the water-cooled condenser 46, respectively. You may control simultaneously.

貯湯タンク18は、貯湯水水位を検出する水位計(貯湯水水位検出器)80と、貯湯水温度を検出する温度計(貯湯水温度検出器)82とを備える。水容器54は、前記水容器54内の凝縮水水位を検出する水位計(凝縮水水位検出器)84を備える。   The hot water storage tank 18 includes a water level meter (hot water level detector) 80 for detecting the hot water level and a thermometer (hot water temperature detector) 82 for detecting the hot water temperature. The water container 54 includes a water level meter (condensed water level detector) 84 for detecting the condensed water level in the water container 54.

貯湯タンク18には、外部から市水を供給するための給水管86と、排水を行う排水管88と、所望の温度の貯湯水を給湯する給湯管90とが接続される。給水管86、排水管88及び給湯管90には、それぞれ弁92、94及び96が配設される。   A water supply pipe 86 for supplying city water from the outside, a drain pipe 88 for draining water, and a hot water supply pipe 90 for supplying hot water at a desired temperature are connected to the hot water storage tank 18. Valves 92, 94, and 96 are disposed on the water supply pipe 86, the drain pipe 88, and the hot water supply pipe 90, respectively.

このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below.

燃料ガス供給装置20の駆動作用下に、蒸発器36には、例えば、都市ガス(CH、C、C、C10を含む)等の原燃料が供給される。一方、水供給装置24の駆動作用下に、蒸発器36には、水が供給されるとともに、熱交換器34には、酸化剤ガス供給装置22を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が熱電変換機構60を通って供給される。 Under the driving action of the fuel gas supply device 20, raw fuel such as city gas (including CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 , and C 4 H 10 ) is supplied to the evaporator 36. . On the other hand, under the driving action of the water supply device 24, water is supplied to the evaporator 36 and the heat exchanger 34 is supplied with oxidant gas via the oxidant gas supply device 22, for example, air. Is supplied through the thermoelectric conversion mechanism 60.

蒸発器36では、原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、改質器38の入口に供給される。混合燃料は、改質器38内で水蒸気改質され、C2+の炭化水素が除去(改質)されてメタンを主成分とする燃料ガスが得られる。この燃料ガスは、改質器38の出口から燃料電池スタック32に導入される。このため、燃料ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする燃料ガスは、アノード電極(図示せず)に供給される。 In the evaporator 36, steam is mixed with the raw fuel to obtain a mixed fuel, and this mixed fuel is supplied to the inlet of the reformer 38. The mixed fuel is steam reformed in the reformer 38, and C 2+ hydrocarbons are removed (reformed) to obtain a fuel gas mainly composed of methane. This fuel gas is introduced into the fuel cell stack 32 from the outlet of the reformer 38. Therefore, methane in the fuel gas is reformed to obtain hydrogen gas, and the fuel gas containing the hydrogen gas as a main component is supplied to an anode electrode (not shown).

一方、熱交換器34に供給される空気は、この熱交換器34に沿って移動する際、後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器34で加温された空気は、燃料電池スタック32に導入され、図示しないカソード電極に供給される。   On the other hand, when the air supplied to the heat exchanger 34 moves along the heat exchanger 34, heat exchange is performed with exhaust gas described later, and the air is preheated to a desired temperature. The air heated by the heat exchanger 34 is introduced into the fuel cell stack 32 and supplied to a cathode electrode (not shown).

従って、電解質・電極接合体26では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体26の外周部に排出される高温(数百℃)の排ガスは、熱交換器34を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。排ガスは、蒸発器36に供給されて水を蒸発させる。蒸発器36を通過した排ガスは、主排気管42から排気管40を介して凝縮装置14に送られる。   Therefore, in the electrolyte / electrode assembly 26, power generation is performed by an electrochemical reaction between fuel gas and air. The high-temperature (several hundred degrees Celsius) exhaust gas discharged to the outer periphery of each electrolyte / electrode assembly 26 exchanges heat with air through the heat exchanger 34, and heats the air to a desired temperature. A drop is triggered. The exhaust gas is supplied to the evaporator 36 to evaporate water. The exhaust gas that has passed through the evaporator 36 is sent from the main exhaust pipe 42 to the condensing device 14 through the exhaust pipe 40.

次いで、凝縮装置14における第1の実施形態に係る制御方法について、図3に示すフローチャート及び図4に示す制御マップに沿って、以下に説明する。   Next, the control method according to the first embodiment in the condenser 14 will be described below along the flowchart shown in FIG. 3 and the control map shown in FIG.

先ず、燃料電池モジュール12の供給電力Wに対する需要電力範囲として、需要電力上限値Wmaxと需要電力下限値Wminとが設定される。さらに、供給熱量Qに対する需要熱量範囲として、需要熱量上限値Qmaxと需要熱量下限値Qminとが設定される。   First, the demand power upper limit value Wmax and the demand power lower limit value Wmin are set as the demand power range for the supply power W of the fuel cell module 12. Further, as the demand heat quantity range for the supply heat quantity Q, a demand heat quantity upper limit value Qmax and a demand heat quantity lower limit value Qmin are set.

図4中、電気モードとは、熱電変換機構60により熱エネルギを電気エネルギとして回収する量を増減させるモードであり、具体的には、空冷凝縮器44内に供給される排ガスの流量を増減させる。一方、熱モードとは、排ガスの熱エネルギを温水の熱エネルギとして回収する量を増減させるモードであり、具体的には、水冷凝縮器46内に供給される排ガスの流量を増減させる。   In FIG. 4, the electric mode is a mode in which the amount of heat energy recovered as electric energy by the thermoelectric conversion mechanism 60 is increased or decreased. Specifically, the flow rate of the exhaust gas supplied into the air-cooled condenser 44 is increased or decreased. . On the other hand, the heat mode is a mode for increasing or decreasing the amount of recovered heat energy of the exhaust gas as the heat energy of hot water. Specifically, the flow rate of the exhaust gas supplied into the water-cooled condenser 46 is increased or decreased.

図4中、その他とあるのは、供給電力Wが需要電力範囲超過であり、且つ、供給熱量Qが需要熱量範囲超過である際、出力を低下させたり、電力系統に送電させたりする制御である。   In FIG. 4, the other is control that reduces the output or transmits power to the power system when the supplied power W exceeds the power demand range and the heat supply Q exceeds the power demand range. is there.

そこで、制御装置16では、電力比較部70を介して、供給電力Wと予め設定された需要電力範囲とが比較される。供給電力Wが、需要電力上限値Wmax以下であると判断されると(ステップS1中、YES)、ステップS2に進む。   Therefore, in the control device 16, the supplied power W is compared with a preset demand power range via the power comparison unit 70. When it is determined that the supplied power W is equal to or less than the demand power upper limit Wmax (YES in step S1), the process proceeds to step S2.

ステップS2では、供給電力Wが、需要電力下限値Wmin以上であると判断されると(ステップS2中、YES)、ステップS3に進んで、熱量比較部72を介して、燃料電池モジュール12の供給熱量Qと予め設定された需要熱量範囲とが比較される。供給熱量Qが、需要熱量上限値Qmax以下であると判断されると(ステップS3中、YES)、ステップS4に進む。   If it is determined in step S2 that the supplied power W is greater than or equal to the demand power lower limit value Wmin (YES in step S2), the process proceeds to step S3, where the fuel cell module 12 is supplied via the heat quantity comparison unit 72. The heat quantity Q is compared with a preset demand heat quantity range. When it is determined that the supplied heat quantity Q is equal to or less than the demand heat quantity upper limit Qmax (YES in step S3), the process proceeds to step S4.

ステップS4では、供給熱量Qが、需要熱量下限値Qmin以上であると判断されると(ステップS4中、YES)、ステップS5に進んで、処理Eが行われる。すなわち、燃料電池モジュール12の供給電力Wが、需要電力範囲内であり、且つ、前記燃料電池モジュール12の供給熱量Qが、需要熱量範囲内である。その際、空冷凝縮器44内に供給される排ガスの流量が維持されるとともに、水冷凝縮器46に供給される前記排ガスの流量が維持される。このため、供給電力W及び供給熱量Qは、維持される。   In step S4, if it is determined that the supplied heat quantity Q is equal to or greater than the demand heat quantity lower limit Qmin (YES in step S4), the process proceeds to step S5 and process E is performed. That is, the supply power W of the fuel cell module 12 is within the demand power range, and the supply heat quantity Q of the fuel cell module 12 is within the demand heat quantity range. At that time, the flow rate of the exhaust gas supplied into the air-cooled condenser 44 is maintained, and the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condenser 46 is maintained. For this reason, the supplied power W and the supplied heat quantity Q are maintained.

また、ステップS4において、供給熱量Qが、需要熱量下限値Qmin未満であると判断されると(ステップS4中、NO)、ステップS6に進んで、処理Dが行われる。この処理Dでは、排ガス流量調整部74の作用下に、調整弁48が操作される。すなわち、空冷凝縮器44内に供給される排ガスの流量が維持される一方、水冷凝縮器46に供給される前記排ガスの流量が増加される。従って、供給電力Wが維持される一方、排ガスの熱エネルギが温水の熱エネルギとして回収される量が増加するため、供給熱量Qが増加される。   In Step S4, when it is determined that the supplied heat quantity Q is less than the demand heat quantity lower limit Qmin (NO in Step S4), the process proceeds to Step S6 and the process D is performed. In the process D, the adjustment valve 48 is operated under the action of the exhaust gas flow rate adjustment unit 74. That is, the flow rate of the exhaust gas supplied into the air-cooled condenser 44 is maintained, while the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condenser 46 is increased. Accordingly, while the supplied power W is maintained, the amount of recovered heat energy of the exhaust gas as the heat energy of the hot water increases, so that the supplied heat amount Q is increased.

その際、水冷凝縮器46側には、第2熱電変換部60bが設けられており、前記水冷凝縮器46に供給される排ガスの流量が増加されている。水冷凝縮器46では、排ガスと貯湯水との熱交換が行われた後、熱電変換が行われるため、熱電変換素子64bにより回収される電気エネルギは、必要以上に増加することがない。なお、以下に説明する他の処理においても、同様である。   In that case, the 2nd thermoelectric conversion part 60b is provided in the water-cooled condenser 46 side, and the flow volume of the waste gas supplied to the said water-cooled condenser 46 is increased. In the water-cooled condenser 46, heat exchange between the exhaust gas and the hot water is performed, and then thermoelectric conversion is performed. Therefore, the electrical energy recovered by the thermoelectric conversion element 64b does not increase more than necessary. The same applies to other processes described below.

さらにまた、ステップS3において、供給熱量Qが、需要熱量上限値Qmax超過であると判断されると(ステップS3中、NO)、ステップS7に進んで、処理Fが行われる。この処理Fでは、排ガス流量調整部74の作用下に、空冷凝縮器44内に供給される排ガスの流量が維持される一方、水冷凝縮器46に供給される前記排ガスの流量が減少される。これにより、供給電力Wが維持される一方、排ガスの熱エネルギが温水の熱エネルギとして回収される量が減少するため、供給熱量Qが減少される。   Furthermore, if it is determined in step S3 that the supplied heat quantity Q exceeds the demand heat quantity upper limit Qmax (NO in step S3), the process proceeds to step S7, and the process F is performed. In this process F, the flow rate of the exhaust gas supplied into the air-cooled condenser 44 is maintained under the action of the exhaust gas flow rate adjusting unit 74, while the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condenser 46 is reduced. Thereby, while the supplied power W is maintained, the amount of recovered heat energy of the exhaust gas as the heat energy of the hot water is reduced, so that the supplied heat amount Q is reduced.

ステップS2において、供給電力Wが、需要電力下限値Wmin未満であると判断されると(ステップS2中、NO)、ステップS8に進んで、供給熱量Qが、需要熱量上限値Qmax以下であるか否かが判断される。供給熱量Qが、需要熱量上限値Qmax以下であると判断されると(ステップS8中、YES)、ステップS9に進む。   If it is determined in step S2 that the supplied power W is less than the demand power lower limit value Wmin (NO in step S2), the process proceeds to step S8, and whether the supplied heat quantity Q is equal to or less than the demand heat quantity upper limit value Qmax. It is determined whether or not. When it is determined that the supplied heat quantity Q is equal to or less than the demand heat quantity upper limit Qmax (YES in step S8), the process proceeds to step S9.

ステップS9では、供給熱量Qが、需要熱量下限値Qmin以上であると判断されると(ステップS9中、YES)、ステップS10に進んで、処理Bが行われる。この処理Bでは、排ガス流量調整部74の作用下に、空冷凝縮器44内に供給される排ガスの流量が増加される一方、水冷凝縮器46に供給される前記排ガスの流量が維持される。   In step S9, if it is determined that the supplied heat quantity Q is equal to or greater than the demand heat quantity lower limit Qmin (YES in step S9), the process proceeds to step S10 and process B is performed. In this process B, the flow rate of the exhaust gas supplied into the air-cooled condenser 44 is increased under the action of the exhaust gas flow rate adjusting unit 74, while the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condenser 46 is maintained.

このため、図2に示すように、第1熱電変換部60aでは、空冷凝縮器44の外面44aと空気流通配管62との間に取り付けられる複数の熱電変換素子64aは、高温側である前記空冷凝縮器44内を流通する排ガス流量の増加に伴って両端の温度差が大きくなる。熱電変換素子64aは、図5に示すように、両端の温度差が大きくなる程、出力電力が大きくなり、排ガスの熱エネルギが電気エネルギとして回収される量が増加する。このため、供給電力Wが増加される一方、供給熱量Qが維持される。   Therefore, as shown in FIG. 2, in the first thermoelectric conversion unit 60 a, the plurality of thermoelectric conversion elements 64 a attached between the outer surface 44 a of the air-cooled condenser 44 and the air circulation pipe 62 are on the high-temperature side. As the exhaust gas flow rate flowing through the condenser 44 increases, the temperature difference between both ends increases. As shown in FIG. 5, the thermoelectric conversion element 64 a increases the output power as the temperature difference between both ends increases, and the amount of recovered heat energy of the exhaust gas as electrical energy increases. For this reason, the supply power W is increased, while the supply heat quantity Q is maintained.

ステップS9において、供給熱量Qが、需要熱量下限値Qmin未満であると判断されると(ステップS9中、NO)、ステップS11に進んで、処理Aが行われる。この処理Aでは、排ガス流量調整部74の作用下に、空冷凝縮器44内に供給される排ガスの流量が増加されるとともに、水冷凝縮器46に供給される前記排ガスの流量が増加される。従って、供給電力W及び供給熱量Qは、それぞれ増加される。   In step S9, when it is determined that the supplied heat quantity Q is less than the demand heat quantity lower limit Qmin (NO in step S9), the process proceeds to step S11 and the process A is performed. In this process A, the flow rate of the exhaust gas supplied into the air-cooled condenser 44 is increased and the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condenser 46 is increased under the action of the exhaust gas flow rate adjusting unit 74. Accordingly, the supplied power W and the supplied heat quantity Q are increased.

また、ステップS8において、供給熱量Qが、需要熱量上限値Qmax超過であると判断されると(ステップS8中、NO)、ステップS12に進んで、処理Cが行われる。この処理Cでは、排ガス流量調整部74の作用下に、空冷凝縮器44内に供給される排ガスの流量が増加される一方、水冷凝縮器46に供給される前記排ガスの流量が減少される。これにより、供給電力Wが増加される一方、供給熱量Qが減少される。   In Step S8, when it is determined that the supplied heat quantity Q exceeds the demand heat quantity upper limit Qmax (NO in Step S8), the process proceeds to Step S12 and the process C is performed. In the process C, the flow rate of the exhaust gas supplied into the air-cooled condenser 44 is increased under the action of the exhaust gas flow rate adjusting unit 74, while the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condenser 46 is decreased. As a result, the supply power W is increased while the supply heat quantity Q is decreased.

さらにまた、ステップS1において、供給電力Wが、需要電力上限値Wmax超過であると判断されると(ステップS1中、NO)、ステップS13に進む。このステップS13では、供給熱量Qが、需要熱量上限値Qmax以下であると判断されると(ステップS13中、YES)、ステップS14に進む。このステップS14では、供給熱量Qが、需要熱量下限値Qmin以上であると判断されると(ステップS14中、YES)、ステップS15に進んで、処理Hが行われる。   Furthermore, when it is determined in step S1 that the supplied power W exceeds the demand power upper limit Wmax (NO in step S1), the process proceeds to step S13. In this step S13, when it is determined that the supplied heat quantity Q is equal to or less than the demand heat quantity upper limit Qmax (YES in step S13), the process proceeds to step S14. In this step S14, when it is determined that the supplied heat quantity Q is equal to or greater than the demand heat quantity lower limit Qmin (YES in step S14), the process proceeds to step S15 and the process H is performed.

この処理Hでは、燃料電池モジュール12の供給電力Wが、需要電力上限値Wmax超過であり、且つ、前記燃料電池モジュール12の供給熱量Qが、需要熱量範囲内である。その際、排ガス流量調整部74の作用下に、空冷凝縮器44内に供給される排ガスの流量が減少される一方、水冷凝縮器46に供給される前記排ガスの流量が維持される。このため、供給電力Wが減少される一方、供給熱量Qが維持される。   In this process H, the supply power W of the fuel cell module 12 exceeds the demand power upper limit Wmax, and the supply heat quantity Q of the fuel cell module 12 is within the demand heat quantity range. At that time, the flow rate of the exhaust gas supplied into the air-cooled condenser 44 is reduced under the action of the exhaust gas flow rate adjusting unit 74, while the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condenser 46 is maintained. For this reason, the supplied power W is reduced, while the supplied heat quantity Q is maintained.

ステップS14において、供給熱量Qが、需要熱量下限値Qmin未満であると判断されると(ステップS14中、NO)、ステップS16に進んで、処理Gが行われる。この処理Gでは、排ガス流量調整部74の作用下に、空冷凝縮器44内に供給される排ガスの流量が減少される一方、水冷凝縮器46に供給される前記排ガスの流量が増加される。このため、供給電力Wが減少される一方、供給熱量Qが増加される。   If it is determined in step S14 that the supplied heat quantity Q is less than the demand heat quantity lower limit Qmin (NO in step S14), the process proceeds to step S16 and the process G is performed. In this process G, the flow rate of the exhaust gas supplied into the air-cooled condenser 44 is decreased under the action of the exhaust gas flow rate adjusting unit 74, while the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condenser 46 is increased. For this reason, the supplied power W is reduced, while the supplied heat quantity Q is increased.

また、ステップS13において、供給熱量Qが、需要熱量上限値Qmax超過であると判断されると(ステップS13中、NO)、ステップS17に進んで、処理Iが行われる。すなわち、燃料電池モジュール12の供給電力Wが、需要電力上限値Wmax超過であり、且つ、前記燃料電池モジュール12の供給熱量Qが、需要熱量上限値Qmax超過である。   In Step S13, when it is determined that the supplied heat quantity Q exceeds the demand heat quantity upper limit Qmax (NO in Step S13), the process proceeds to Step S17 and the process I is performed. That is, the supply power W of the fuel cell module 12 exceeds the demand power upper limit value Wmax, and the supply heat amount Q of the fuel cell module 12 exceeds the demand heat amount upper limit value Qmax.

従って、処理Iでは、出力を低下させたり、電力系統に送電させたりする制御が行われる。出力低下は、燃料電池モジュール12に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれの流量を減少させることにより遂行される。一方、電力系統を介して電力が必要とされる箇所に該電力を供給することにより、供給電力Wを消費させることができる。   Therefore, in the process I, control is performed to reduce the output or transmit power to the power system. The output reduction is performed by decreasing the flow rates of the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel cell module 12. On the other hand, the supplied power W can be consumed by supplying the power to a place where power is required via the power system.

この場合、第1の実施形態では、凝縮装置14は、冷媒体として酸化剤ガスが使用される空冷凝縮器44と、前記冷媒体として貯湯タンク18に貯えられる貯湯水が使用される水冷凝縮器46とを備えている。そして、空冷凝縮器44と水冷凝縮器46との間には、排ガスと酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換機構60が配設されている。   In this case, in the first embodiment, the condensing device 14 includes an air-cooled condenser 44 in which an oxidant gas is used as a refrigerant body, and a water-cooled condenser in which hot water stored in the hot water storage tank 18 is used as the refrigerant body. 46. Between the air-cooled condenser 44 and the water-cooled condenser 46, a thermoelectric conversion mechanism 60 that performs thermoelectric conversion by a temperature difference between the exhaust gas and the oxidant gas is disposed.

このため、燃料電池システム10全体の構成が、容易にコンパクト化される。しかも、図2に示すように、空冷凝縮器44内を流通する排ガス及び水冷凝縮器46内を流通する排ガスと、酸化剤ガスとの温度差(熱エネルギ)を、電気エネルギとして回収することができるため、発電効率が有効に向上するという効果が得られる。   For this reason, the structure of the whole fuel cell system 10 is easily made compact. Moreover, as shown in FIG. 2, the temperature difference (thermal energy) between the exhaust gas flowing through the air-cooled condenser 44 and the exhaust gas flowing through the water-cooled condenser 46 and the oxidant gas can be recovered as electrical energy. As a result, the power generation efficiency can be effectively improved.

しかも、排ガス温度が低減されるとともに、排ガス中の水蒸気を凝縮して回収することが可能になり、廃熱の抑制と水自立の促進が図られる。さらに、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が容易に遂行可能になる。   In addition, the exhaust gas temperature is reduced, and it becomes possible to condense and recover the water vapor in the exhaust gas, thereby suppressing waste heat and promoting water independence. Furthermore, since the temperature of the oxidant gas is increased, it becomes possible to easily promote thermal self-sustainment.

ここで、水自立とは、燃料電池システム10の運転に必要な水の全量を外部から供給することなく、前記燃料電池システム10内で賄うことをいう。また、熱自立とは、燃料電池システム10の運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池システム10の動作温度を維持することをいう。   Here, water self-sustainment means that the entire amount of water necessary for the operation of the fuel cell system 10 is supplied from within the fuel cell system 10 without being supplied from the outside. In addition, the heat self-sustainment means that the operating temperature of the fuel cell system 10 is maintained only by the heat generated by itself without adding all the heat necessary for the operation of the fuel cell system 10 from the outside.

また、燃料電池システム10では、制御装置16は、少なくとも供給電力Wと需要電力との比較結果、又は供給熱量Qと需要熱量との比較結果のいずれかに基づいて、少なくとも空冷凝縮器44に供給される排ガスの流量、又は水冷凝縮器46に供給される前記排ガスの流量のいずれかを調整する機能を有している。従って、電力が要求される場合には、排ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収する一方、熱量が要求される場合には、排ガスの熱エネルギを湯の熱エネルギとして回収することができ、総合効率の向上が容易に図られる。   In the fuel cell system 10, the control device 16 supplies at least the air-cooled condenser 44 based on either the comparison result between the supply power W and the demand power or the comparison result between the supply heat amount Q and the demand heat amount. It has a function of adjusting either the flow rate of the exhaust gas to be discharged or the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condenser 46. Therefore, when electric power is required, the thermal energy of exhaust gas can be recovered as electric energy, while when the amount of heat is required, the thermal energy of exhaust gas can be recovered as the thermal energy of hot water. Can be easily improved.

このように、空冷凝縮器44と水冷凝縮器46とは、選択的に又は同時に使用されるため、排ガスの熱エネルギを効率的に回収することができる。このため、水自立が図られるとともに、排ガス温度の低減が可能になる。しかも、貯湯水の状態、すなわち、貯湯水の量によって発電出力が影響されることがなく、需要電力を確実に供給することができる。   Thus, since the air-cooled condenser 44 and the water-cooled condenser 46 are used selectively or simultaneously, the thermal energy of the exhaust gas can be efficiently recovered. For this reason, water independence is achieved, and the exhaust gas temperature can be reduced. Moreover, the power generation output is not affected by the state of the hot water, that is, the amount of the hot water, and the demand power can be supplied reliably.

さらに、燃料電池モジュール12は、貯湯タンク18の容量に依存することがなく、起動及び停止を最小限に抑制することができ、発電効率の向上が容易に図られる。   Furthermore, the fuel cell module 12 does not depend on the capacity of the hot water storage tank 18 and can be started and stopped to a minimum, and the power generation efficiency can be easily improved.

さらにまた、制御装置16は、少なくとも供給電力Wと予め設定された需要電力範囲とを比較する電力比較部70と、供給熱量Qと予め設定された需要熱量範囲とを比較する熱量比較部72と、空冷凝縮器44に供給される排ガスの流量及び水冷凝縮器46に供給される前記排ガスの流量を調整する排ガス流量調整部74とを備えている。   Furthermore, the control device 16 includes a power comparison unit 70 that compares at least the supplied power W and a preset demand power range, and a heat quantity comparison unit 72 that compares the supply heat amount Q and a preset demand heat range. And an exhaust gas flow rate adjusting unit 74 that adjusts the flow rate of the exhaust gas supplied to the air-cooled condenser 44 and the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condenser 46.

これにより、電力比較部70及び熱量比較部72による比較結果に基づいて、空冷凝縮器44に供給される排ガスの流量及び水冷凝縮器46に供給される前記排ガスの流量が、選択的に又は同時に調整されている。このため、電力が要求される場合には、排ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率が有効に向上する。一方、熱量が要求される場合には、排ガスの熱エネルギを湯の熱エネルギとして回収することが可能になる。従って、エネルギ効率の向上が容易に図られる。   Thereby, based on the comparison result by the electric power comparison part 70 and the calorie | heat amount comparison part 72, the flow volume of the waste gas supplied to the air cooling condenser 44 and the flow volume of the said waste gas supplied to the water cooling condenser 46 are selectively or simultaneously. It has been adjusted. For this reason, when electric power is requested | required, the thermal energy of waste gas can be collect | recovered as electrical energy, and electric power generation efficiency improves effectively. On the other hand, when the amount of heat is required, the heat energy of the exhaust gas can be recovered as the heat energy of hot water. Therefore, energy efficiency can be easily improved.

また、排ガス流量調整部74は、電力比較部70により供給電力Wが需要電力範囲未満であることが検出された際、空冷凝縮器44に供給される排ガスの流量を増加させている。これにより、排ガスの熱エネルギを電気エネルギ(電力)として回収する量が増加され、供給電力Wを需要電力に近づけることができる。このため、需要電力に応じた発電効率の向上が容易に図られる。   Further, the exhaust gas flow rate adjusting unit 74 increases the flow rate of the exhaust gas supplied to the air-cooled condenser 44 when the power comparison unit 70 detects that the supplied power W is less than the demand power range. Thereby, the quantity which collect | recovers the heat energy of waste gas as electric energy (electric power) is increased, and supply electric power W can be brought close to demand electric power. For this reason, it is possible to easily improve the power generation efficiency in accordance with the demand power.

さらに、排ガス流量調整部74は、電力比較部70により供給電力Wが需要電力範囲内であることが検出された際、空冷凝縮器44に供給される排ガスの流量を維持させている。従って、排ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収する量が維持されるため、供給電力Wを需要電力に近づけることが可能になる。これにより、需要電力に応じた発電効率の向上が容易に図られる。   Further, the exhaust gas flow rate adjusting unit 74 maintains the flow rate of the exhaust gas supplied to the air-cooled condenser 44 when the power comparison unit 70 detects that the supplied power W is within the demand power range. Accordingly, since the amount of recovering the thermal energy of the exhaust gas as electric energy is maintained, the supplied power W can be brought close to the demand power. Thereby, the improvement of the power generation efficiency according to demand electric power is achieved easily.

さらにまた、排ガス流量調整部74は、電力比較部70により供給電力Wが需要電力範囲超過であることが検出された際、空冷凝縮器44に供給される排ガスの流量を減少させている。このため、排ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収する量が減少されるため、供給電力Wを需要電力に近づけることができる。従って、需要電力に応じた発電効率の向上が容易に図られる。   Furthermore, the exhaust gas flow rate adjusting unit 74 reduces the flow rate of the exhaust gas supplied to the air-cooled condenser 44 when the power comparison unit 70 detects that the supplied power W is beyond the demand power range. For this reason, since the quantity which collect | recovers the thermal energy of waste gas as an electrical energy is reduced, the supplied electric power W can be brought close to demand electric power. Therefore, it is possible to easily improve the power generation efficiency according to the demand power.

また、排ガス流量調整部74は、熱量比較部72により供給熱量Qが需要熱量範囲未満であることが検出された際、水冷凝縮器46に供給される排ガスの流量を増加させている。これにより、排ガスの熱エネルギを湯の熱エネルギとして回収する量が増加されるため、供給熱量Qを需要熱量に近づけることが可能になる。このため、需要熱量に応じた熱効率の向上が容易に図られる。   Further, the exhaust gas flow rate adjusting unit 74 increases the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condenser 46 when the heat quantity comparison unit 72 detects that the supplied heat quantity Q is less than the demand heat quantity range. Thereby, since the quantity which collect | recovers the heat energy of waste gas as the heat energy of hot water is increased, it becomes possible to make supply heat quantity Q close to demand heat quantity. For this reason, the improvement of the thermal efficiency according to the amount of heat demand is facilitated.

さらに、排ガス流量調整部74は、熱量比較部72により供給熱量Qが需要熱量範囲内であることが検出された際、水冷凝縮器46に供給される排ガスの流量を維持させている。従って、排ガスの熱エネルギを湯の熱エネルギとして回収する量が維持されるため、供給熱量Qを需要熱量に近づけることができる。これにより、需要熱量に応じた熱効率の向上が容易に図られる。   Further, the exhaust gas flow rate adjustment unit 74 maintains the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condenser 46 when the heat quantity comparison unit 72 detects that the supply heat quantity Q is within the demand heat quantity range. Therefore, since the quantity which collects the heat energy of exhaust gas as the heat energy of hot water is maintained, supply heat quantity Q can be brought close to demand heat quantity. Thereby, the improvement of the thermal efficiency according to the amount of heat demand is facilitated.

さらにまた、排ガス流量調整部74は、熱量比較部72により供給熱量Qが需要熱量範囲超過であることが検出された際、水冷凝縮器46に供給される排ガスの流量を減少させている。このため、排ガスの熱エネルギを湯の熱エネルギとして回収する量が減少されるため、供給熱量Qを需要熱量に近づけることができる。従って、需要熱量に応じた熱効率の向上が容易に図られる。   Furthermore, the exhaust gas flow rate adjustment unit 74 reduces the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condenser 46 when the heat quantity comparison unit 72 detects that the supplied heat quantity Q is beyond the demand heat quantity range. For this reason, since the quantity which collect | recovers the heat energy of waste gas as the heat energy of hot water is reduced, the supplied heat quantity Q can be brought close to the demand heat quantity. Therefore, it is possible to easily improve the thermal efficiency according to the amount of heat demand.

また、燃料電池モジュール12は、電力比較部70により供給電力Wが需要電力範囲超過であることが検出され、且つ、熱量比較部72により供給熱量Qが需要熱量範囲超過であることが検出された際、出力を低下させ、又は、電力系統に送電させている。   In the fuel cell module 12, the power comparison unit 70 detects that the supplied power W exceeds the demand power range, and the heat amount comparison unit 72 detects that the supply heat amount Q exceeds the demand heat amount range. At the time, the output is reduced or transmitted to the power system.

これにより、排ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収する量、及び前記排ガスの熱エネルギを湯の熱エネルギとして回収する量が、それぞれ減少されている。このため、供給電力Wを需要電力に近づけるとともに、供給熱量Qを需要熱量に近づけることが可能になり、需要電力及び需要熱量に応じた総合効率の向上が容易に図られる。   Thereby, the quantity which collects the thermal energy of exhaust gas as electric energy, and the quantity which collects the thermal energy of the exhaust gas as thermal energy of hot water are decreased, respectively. For this reason, it is possible to bring the supplied power W closer to the demand power and to make the supplied heat quantity Q closer to the demand heat quantity, and the overall efficiency according to the demand power and the demand heat quantity can be easily improved.

さらに、燃料電池モジュール12は、燃料電池スタック32と、熱交換器34と、蒸発器36と、改質器38とを備えている。従って、特に水蒸気改質を行う燃料電池モジュール12に最適に適用することができ、良好な効果が得られる。   Further, the fuel cell module 12 includes a fuel cell stack 32, a heat exchanger 34, an evaporator 36, and a reformer 38. Therefore, it can be optimally applied to the fuel cell module 12 that performs steam reforming in particular, and a good effect can be obtained.

さらにまた、燃料電池モジュール12は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)モジュールにより構成されている。これにより、高温型燃料電池システムに最適に用いることが可能になり、良好な効果が得られる。   Furthermore, the fuel cell module 12 is composed of a solid oxide fuel cell (SOFC) module. As a result, it can be optimally used in a high-temperature fuel cell system, and a good effect can be obtained.

図6は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システム100の概略構成説明図である。   FIG. 6 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a fuel cell system 100 according to the second embodiment of the present invention.

なお、第1の実施形態に係る燃料電池システム10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   Note that the same components as those of the fuel cell system 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

燃料電池システム100は、図7及び図8に示すように、空冷凝縮器44と水冷凝縮器46とに跨って取り付けられる1以上、例えば、2つの空冷ファン102を備える。空冷ファン102は、空冷凝縮器44の外面44aに装着される複数の熱電変換素子64aと、水冷凝縮器46の外面46aに装着される複数の熱電変換素子64bとに冷却風を一体に供給する。   As shown in FIGS. 7 and 8, the fuel cell system 100 includes one or more, for example, two air cooling fans 102 attached across the air cooling condenser 44 and the water cooling condenser 46. The air cooling fan 102 integrally supplies cooling air to the plurality of thermoelectric conversion elements 64 a mounted on the outer surface 44 a of the air cooling condenser 44 and the plurality of thermoelectric conversion elements 64 b mounted on the outer surface 46 a of the water cooling condenser 46. .

従って、空冷凝縮器44及び水冷凝縮器46では、空冷ファン102から強制的に供給される外気(酸化剤ガス)により、燃料電池スタック32から排出される排ガスを冷却するとともに、複数の熱電変換素子64a、64bに温度差を発生させることができる。   Accordingly, in the air-cooled condenser 44 and the water-cooled condenser 46, the exhaust gas discharged from the fuel cell stack 32 is cooled by the outside air (oxidant gas) that is forcibly supplied from the air-cooling fan 102, and a plurality of thermoelectric conversion elements. A temperature difference can be generated between 64a and 64b.

これにより、第2の実施形態では、空冷凝縮器44内を流通する排ガス及び水冷凝縮器46内を流通する排ガスの熱エネルギを電気エネルギとして良好に回収することができ、発電効率が向上する等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。   Thereby, in 2nd Embodiment, the heat energy of the waste gas which distribute | circulates the inside of the air-cooled condenser 44 and the exhaust gas which distribute | circulates the inside of the water-cooled condenser 46 can be favorably collect | recovered as an electrical energy, and electric power generation efficiency improves. The same effects as those of the first embodiment can be obtained.

10、100…燃料電池システム 12…燃料電池モジュール
14…凝縮装置 16…制御装置
18…貯湯タンク 20…燃料ガス供給装置
22…酸化剤ガス供給装置 24…水供給装置
26…電解質・電極接合体 28…セパレータ
30…燃料電池 32…燃料電池スタック
34…熱交換器 36…蒸発器
38…改質器 40…排気管
44…空冷凝縮器 46…水冷凝縮器
48…調整弁 54…水容器
60…熱電変換機構 60a、60b…熱電変換部
62…空気流通配管 64a、64b…熱電変換素子
66…空気供給管 70…電力比較部
72…熱量比較部 74…排ガス流量調整部
80、84…水位計 82…温度計
102…空冷ファン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,100 ... Fuel cell system 12 ... Fuel cell module 14 ... Condensing device 16 ... Control device 18 ... Hot water storage tank 20 ... Fuel gas supply device 22 ... Oxidant gas supply device 24 ... Water supply device 26 ... Electrolyte / electrode assembly 28 ... separator 30 ... fuel cell 32 ... fuel cell stack 34 ... heat exchanger 36 ... evaporator 38 ... reformer 40 ... exhaust pipe 44 ... air-cooled condenser 46 ... water-cooled condenser 48 ... regulating valve 54 ... water container 60 ... thermoelectric Conversion mechanism 60a, 60b ... thermoelectric conversion unit 62 ... air circulation piping 64a, 64b ... thermoelectric conversion element 66 ... air supply pipe 70 ... power comparison unit 72 ... heat quantity comparison unit 74 ... exhaust gas flow rate adjustment unit 80, 84 ... water level meter 82 ... Thermometer 102 ... Air cooling fan

Claims (11)

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと冷媒体との熱交換により、前記排ガス中の水蒸気を凝縮して回収するとともに、凝縮水を前記燃料電池モジュールに供給する凝縮装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記凝縮装置は、前記冷媒体として前記酸化剤ガスが使用される空冷凝縮機構と、
前記冷媒体として貯湯部に貯えられる貯湯水が使用される水冷凝縮機構と、
前記空冷凝縮機構と前記水冷凝縮機構との間に配設され、前記排ガスと前記酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換機構と、
を備えるとともに、
前記燃料電池システムは、少なくとも供給電力と需要電力との比較結果、又は供給熱量と需要熱量との比較結果のいずれかに基づいて、少なくとも前記空冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量、又は前記水冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量のいずれかを調整する制御装置を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell module that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas;
A condenser that condenses and collects water vapor in the exhaust gas by heat exchange between the exhaust gas discharged from the fuel cell module and the refrigerant, and supplies condensed water to the fuel cell module;
A fuel cell system comprising:
The condensing device includes an air-cooled condensing mechanism in which the oxidant gas is used as the refrigerant body,
A water-cooled condensing mechanism in which hot water stored in the hot water storage section as the refrigerant body is used;
A thermoelectric conversion mechanism that is disposed between the air-cooled condensation mechanism and the water-cooled condensation mechanism, and performs thermoelectric conversion by a temperature difference between the exhaust gas and the oxidant gas;
With
The fuel cell system has at least a flow rate of the exhaust gas supplied to the air-cooled condensing mechanism based on at least a comparison result between supplied power and demand power, or a comparison result between supplied heat amount and demand heat amount, or A fuel cell system comprising a control device for adjusting any of the flow rates of the exhaust gas supplied to the water-cooled condensing mechanism.
請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、少なくとも供給電力と予め設定された需要電力範囲とを比較する電力比較部と、
供給熱量と予め設定された需要熱量範囲とを比較する熱量比較部と、
前記空冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量及び前記水冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量を調整する排ガス流量調整部と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control device compares at least supply power with a preset demand power range;
A calorific value comparing unit that compares the supplied calorific value with a preset demand calorific value range;
An exhaust gas flow rate adjusting unit for adjusting the flow rate of the exhaust gas supplied to the air-cooled condensing mechanism and the flow rate of the exhaust gas supplied to the water-cooled condensing mechanism;
A fuel cell system comprising:
請求項2記載の燃料電池システムにおいて、前記排ガス流量調整部は、前記電力比較部により前記供給電力が前記需要電力範囲未満であることが検出された際、前記空冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the exhaust gas flow rate adjusting unit is supplied to the air-cooled condensing mechanism when the power comparison unit detects that the supplied power is less than the demand power range. A fuel cell system characterized by increasing the flow rate of the fuel cell. 請求項2記載の燃料電池システムにおいて、前記排ガス流量調整部は、前記電力比較部により前記供給電力が前記需要電力範囲内であることが検出された際、前記空冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量を維持させることを特徴とする燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the exhaust gas flow rate adjusting unit is supplied to the air-cooled condensing mechanism when the power comparison unit detects that the supplied power is within the demand power range. A fuel cell system that maintains the flow rate of the fuel cell. 請求項2記載の燃料電池システムにおいて、前記排ガス流量調整部は、前記電力比較部により前記供給電力が前記需要電力範囲超過であることが検出された際、前記空冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量を減少させることを特徴とする燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the exhaust gas flow rate adjusting unit is supplied to the air-cooled condensing mechanism when the power comparison unit detects that the supplied power exceeds the demand power range. A fuel cell system that reduces the flow rate of the fuel cell. 請求項2〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、前記排ガス流量調整部は、前記熱量比較部により前記供給熱量が前記需要熱量範囲未満であることが検出された際、前記水冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。   6. The fuel cell system according to claim 2, wherein the exhaust gas flow rate adjustment unit is configured to perform the water cooling when the heat quantity comparison unit detects that the supply heat quantity is less than the demand heat quantity range. A fuel cell system characterized in that the flow rate of the exhaust gas supplied to the condensing mechanism is increased. 請求項2〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、前記排ガス流量調整部は、前記熱量比較部により前記供給熱量が前記需要熱量範囲内であることが検出された際、前記水冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量を維持させることを特徴とする燃料電池システム。   6. The fuel cell system according to claim 2, wherein the exhaust gas flow rate adjustment unit is configured to perform the water cooling when the heat quantity comparison unit detects that the supply heat quantity is within the demand heat quantity range. A fuel cell system characterized by maintaining a flow rate of the exhaust gas supplied to a condensing mechanism. 請求項2〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、前記排ガス流量調整部は、前記熱量比較部により前記供給熱量が前記需要熱量範囲超過であることが検出された際、前記水冷凝縮機構に供給される前記排ガスの流量を減少させることを特徴とする燃料電池システム。   6. The fuel cell system according to claim 2, wherein the exhaust gas flow rate adjustment unit is configured to perform the water cooling when the heat quantity comparison unit detects that the supply heat quantity exceeds the demand heat quantity range. A fuel cell system, wherein the flow rate of the exhaust gas supplied to the condensing mechanism is reduced. 請求項2記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池モジュールは、前記電力比較部により前記供給電力が前記需要電力範囲超過であることが検出され、且つ、前記熱量比較部により前記供給熱量が前記需要熱量範囲超過であることが検出された際、出力を低下させ、又は、電力系統に送電させることを特徴とする燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 2, wherein in the fuel cell module, the power comparison unit detects that the supply power exceeds the demand power range, and the heat amount comparison unit determines that the supply heat amount is the demand. A fuel cell system, characterized in that when it is detected that the amount of heat exceeds the heat range, the output is reduced or transmitted to an electric power system. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池モジュールは、少なくとも電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、
炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、
前記混合燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
10. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell module includes an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching at least an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode, and a separator. A fuel cell stack in which a plurality of the fuel cells are stacked; and
A heat exchanger that heats the oxidant gas before supplying it to the fuel cell stack;
An evaporator for evaporating water in order to produce a mixed fuel of raw fuel mainly composed of hydrocarbon and water vapor;
A reformer for reforming the mixed fuel to produce the fuel gas;
A fuel cell system comprising:
請求項1〜10のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることを特徴とする燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 10, wherein the fuel cell module is a solid oxide fuel cell module.
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