JP2013243146A - Solid oxide fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、原燃料を改質した改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell system that generates power by oxidation and reduction of a reformed fuel gas and an oxidizing material obtained by reforming raw fuel.
従来より、酸化物イオンを伝導する膜として固体電解質を用いた固体酸化物形燃料電池セルを収納容器内に収納してなる固体酸化物形燃料電池が知られている。この固体酸化物形燃料電池セルでは、一般的に、固体電解質としてイットリアをドープしたジルコニアが用いられており、この固体電解質の一方側には燃料ガスを酸化するための燃料電極が設けられ、その他方側には空気(酸化材)中の酸素を還元するための酸素電極が設けられている(例えば、特許文献1参照)。固体酸化物形燃料電池(セル)の作動温度は約700〜1000℃と比較的高く、このような高温下において、燃料ガス中の水素や一酸化炭素、炭化水素と空気中の酸素とが電気化学反応を起こすことによって発電が行われる。 2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a solid oxide fuel cell in which a solid oxide fuel cell using a solid electrolyte as a membrane for conducting oxide ions is accommodated in a storage container. In this solid oxide fuel cell, zirconia doped with yttria is generally used as a solid electrolyte, and a fuel electrode for oxidizing fuel gas is provided on one side of the solid electrolyte. An oxygen electrode for reducing oxygen in the air (oxidant) is provided on the side (see, for example, Patent Document 1). The operating temperature of a solid oxide fuel cell (cell) is relatively high at about 700 to 1000 ° C. Under such a high temperature, hydrogen, carbon monoxide, hydrocarbons in fuel gas and oxygen in the air are electrically connected. Electricity is generated by causing a chemical reaction.
近年、このような固体酸化物形燃料電池を用いた固体酸化物形燃料電池システムが注目されている。この固体酸化物形燃料電池システムでは、原燃料ガスを改質するための改質器が設けられている。この改質器には原燃料ガス及び水蒸気が供給され、原燃料ガスの一部と水蒸気とが改質反応して改質され、改質された改質燃料ガスが固体酸化物形燃料電池の燃料電極側に送給される。 In recent years, attention has been paid to a solid oxide fuel cell system using such a solid oxide fuel cell. In this solid oxide fuel cell system, a reformer for reforming raw fuel gas is provided. The reformer is supplied with raw fuel gas and steam, and a part of the raw fuel gas and steam are reformed and reformed, and the reformed reformed gas is used in the solid oxide fuel cell. It is fed to the fuel electrode side.
このような固体酸化物形燃料電池システムに関し、本出願人は、固体酸化物形燃料電池にて生じる排気ガスに水蒸気が含まれていることに着目し、この排気ガス中の水蒸気を凝縮させて水回収タンクに貯え、水回収タンクに貯えられた水を改質器に送給して原燃料ガスの改質反応に用い、水の自立運転を可能にしたシステムを提案した(特願2008−80817号)。この提案した固体酸化物形燃料電池システムでは、外部からの水を改質器に供給するための大がかりな水供給施設が不要となり、システム全体の小型化が達成することができるとともに、大幅なコストダウンを図ることができる。 With regard to such a solid oxide fuel cell system, the present applicant pays attention to the fact that the exhaust gas generated in the solid oxide fuel cell contains water vapor, and condenses the water vapor in the exhaust gas. A system has been proposed in which water is stored in a water recovery tank, and the water stored in the water recovery tank is sent to the reformer and used for the reforming reaction of the raw fuel gas to enable independent operation of water (Japanese Patent Application 2008- 80817). In the proposed solid oxide fuel cell system, a large-scale water supply facility for supplying water from the outside to the reformer is not required, and the entire system can be reduced in size and greatly reduced in cost. You can go down.
本出願人が提案した固体酸化物形燃料電池システムでは、水の貯えに関連して、次の通りの問題がある。即ち、このような固体酸化物形燃料電池システムでは、排気ガス中の水蒸気を凝縮した水を水回収タンクに回収するのに回収ポンプが必要となる。特に、凝縮した水に含まれた不純物を除去する不純物除去手段を通して水回収タンクに回収する形態のものにおいては、回収ポンプが必要となり、このことに関連して、システム全体の構成が複雑になるとともに、製造コストが上昇する。 In the solid oxide fuel cell system proposed by the present applicant, there are the following problems related to water storage. That is, in such a solid oxide fuel cell system, a recovery pump is required to recover the water condensed water vapor in the exhaust gas in the water recovery tank. In particular, in the form of collecting in the water recovery tank through the impurity removing means for removing impurities contained in the condensed water, a recovery pump is required, and in this connection, the configuration of the entire system becomes complicated. At the same time, the manufacturing cost increases.
本発明の目的は、排気ガス中の水蒸気を凝縮する凝縮回収手段及び凝縮した水を貯める水回収タンクに関連する構成を改良し、これによって回収ポンプを省略することができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。 An object of the present invention is to improve a configuration related to a condensation recovery means for condensing water vapor in exhaust gas and a water recovery tank for storing condensed water, and thereby a solid oxide fuel cell in which a recovery pump can be omitted. Is to provide a system .
本発明の請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、原燃料を水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形燃料電池と、酸化材を前記固体酸化物形燃料電池に送給するための送風装置と、前記改質器に送給される原燃料の供給量を制御するための流量制御弁と、前記固体酸化物形燃料電池からの排気ガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収するための凝縮回収手段と、前記凝縮回収手段により回収された水を貯めるための水回収タンクと、前記水回収タンクに回収された水を前記改質器に送給するための水送給手段と、を備え、
前記凝縮回収手段は、前記固体酸化物形燃料電池からの排気ガスとの間で熱交換して排気ガスに含まれた水蒸気を凝縮するための熱交換器と、前記熱交換器と前記水回収タンクとを接続する回収流路とを含み、前記回収流路に第1オーバーフロー手段が設けられ、前記水回収タンクに第2オーバーフロー手段が設けられ、前記熱交換器、前記水回収タンクの前記第2オーバーフロー手段及び前記回収流路の前記第1オーバーフロー手段が、高い位置から低い位置にこの順に配置されていることを特徴とする。
Solid oxide fuel cell system according to claim 1 of the present invention, the raw fuel reformer for steam reforming, the reformer at reformed reformed fuel gas and the oxidizing material A solid oxide fuel cell that generates power by oxidation and reduction, a blower for supplying an oxidant to the solid oxide fuel cell, and a supply amount of raw fuel supplied to the reformer A flow rate control valve for controlling, a condensation recovery means for condensing and recovering water vapor contained in the exhaust gas from the solid oxide fuel cell, and for storing water recovered by the condensation recovery means A water recovery tank, and water supply means for supplying water recovered in the water recovery tank to the reformer,
The condensation recovery means includes a heat exchanger for condensing water vapor contained in the exhaust gas by exchanging heat with the exhaust gas from the solid oxide fuel cell , and the heat exchanger and the water recovery A recovery flow path connecting the tank, the recovery flow path is provided with a first overflow means, the water recovery tank is provided with a second overflow means, the heat exchanger, the water recovery tank of the first 2 overflow means and the said 1st overflow means of the said collection | recovery flow path are arrange | positioned in this order from the high position to the low position.
また、本発明の請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記凝縮回収手段は、更に、前記熱交換器にて凝縮された水に含まれた不純物を除去するための不純物除去手段を含み、前記不純物除去手段が前記回収流路に配設され、前記不純物除去手段と前記水回収タンクを接続する前記回収流路の下流側部は、前記回収流路の前記第1オーバーフロー手段よりも低い位置に配置されていることを特徴とする。
In the solid oxide fuel cell system according to
本発明の固体酸化物形燃料電池システムによれば、固体酸化物形燃料電池からの排気ガスに含まれた水蒸気を凝縮する凝縮回収手段は、排気ガスに含まれた水蒸気を凝縮するための熱交換器と、熱交換器と前記水回収タンクとを接続する回収流路とを含み、回収流路に第1オーバーフロー手段が設けられ、水回収タンクに第2オーバーフロー手段が設けられ、熱交換器、水回収タンクの第2オーバーフロー手段及び回収流路の第1オーバーフロー手段が、高い位置から低い位置にこの順に配置されているので、水を回収するための専用のポンプを必要とせず、高低差を利用して凝縮水を水回収タンクに所要の通りに回収することができ、更に、必要な水だけ不純物除去手段を通水することになり、不純物除去手段の量を減らすことができる。 According to the solid oxide fuel cell system of the present invention, the condensing and recovering means for condensing the water vapor contained in the exhaust gas from the solid oxide fuel cell comprises heat for condensing the water vapor contained in the exhaust gas. A heat exchanger and a recovery flow path connecting the water recovery tank, wherein the recovery flow path is provided with first overflow means, and the water recovery tank is provided with second overflow means, and the heat exchanger Since the second overflow means of the water recovery tank and the first overflow means of the recovery flow path are arranged in this order from the high position to the low position, a dedicated pump for recovering water is not required, and the height difference The condensed water can be recovered in the water recovery tank as required, and only the necessary water is passed through the impurity removing means, so that the amount of the impurity removing means can be reduced.
以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの実施形態について説明する。図1は、本発明の固体酸化物形燃料電池システムの第1の実施形態を示す簡略図であり、図2は、図1の固体酸化物形燃料電池システムの凝縮回収手段及びこれに関連する構成を簡略的に示す簡略図であり、図3は、図1の固体酸化物形燃料電池システムの制御系を示すブロック図であり、図4は、図3の制御系による制御の流れを示すフローチャートである。 Embodiments of a solid oxide fuel cell system according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a simplified diagram showing a first embodiment of a solid oxide fuel cell system of the present invention, and FIG. 2 is a condensing recovery unit of the solid oxide fuel cell system of FIG. FIG. 3 is a block diagram showing a control system of the solid oxide fuel cell system of FIG. 1, and FIG. 4 shows a flow of control by the control system of FIG. It is a flowchart.
図1〜図3において、図示の固体酸化物形燃料電池システム2は、原燃料としての原燃料ガス(例えば、天然ガス)を改質するための改質器4と、改質器4にて改質された改質燃料ガス及び酸化材としての空気の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形燃料電池6と、空気を固体酸化物形燃料電池6に送給するための送風装置8と、固体酸化物形燃料電池6及び送風装置8の動作を制御するための制御手段100と、を備えている。
1 to 3, the illustrated solid oxide
固体酸化物形燃料電池6は、燃料電池本体12と、電気化学反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形燃料電池セルを配列してなる燃料電池スタック14とから構成されている。燃料電池本体12は遮蔽壁16を備え、遮蔽壁16の内部には高温空間18が規定されており、この高温空間18に燃料電池スタック14が配設されているとともに、改質器4が収容されている。固体酸化物形燃料電池セルは、酸素イオンを伝導する固体電解質20と、固体電解質20の一方側に設けられた燃料電極(図示せず)と、固体電解質20の他方側に設けられた酸素電極(図示せず)と、を備えており、固体電解質20として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。また、固体酸化物形燃料電池6(セル)に関連して、その作動温度を検知するための作動温度検知手段22とその発電出力を計測するための電力計測手段24とが設けられている。
The solid
燃料電池スタック14の燃料電極側26の導入側は、改質燃料ガス送給流路28を介して改質器4に接続され、この改質器4は、原燃料ガス供給流路30を介して原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給源32(例えば、埋設管や貯蔵タンクなど)に接続されている。原燃料ガス供給流路30には、原燃料ガスの供給量を制御するための流量制御弁34が配設されている。また、燃料電池スタック14の酸素電極側36の導入側は、空気送給流路38を介して空気を予熱するための空気予熱器40に接続され、この空気予熱器40は、空気供給流路42を介して送風装置8に接続されている。
An introduction side of the fuel electrode side 26 of the
燃料電池スタック14の燃料電極側26及び酸素電極側36の各排出側には燃焼室44が設けられ、燃料電極側26から排出された反応燃料ガス(残余燃料ガスを含む)と酸素電極側36から排出された空気(酸素を含む)とがそれぞれこの燃焼室44に送給されて燃焼される。この燃焼室44は排気ガス送給流路46を通して空気予熱器40に連通され、この空気予熱器40には排気ガス排出流路48が接続されている。
A
更に、この固体酸化物形燃料電池システム2では、燃焼室44からの排気ガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収するための凝縮回収手段50と、凝縮回収手段50にて凝縮された水を貯めるための水回収タンク51と、水回収タンク51に回収された水(凝縮水)を改質器4に送給するための水送給手段52と、を備えている。凝縮回収手段50は、排気ガスに含まれる水蒸気を凝縮させるための熱交換器54と、凝縮された水に含まれた不純物を除去するための不純物除去手段56と、を備えている。熱交換器54は排気ガス排出流路48に配設され、この熱交換器54には回収流路58を介して水回収タンク56が接続されている。
Further, in this solid oxide
不純物除去手段56は、イオン交換により不純物を除去するイオン交換樹脂を備え、このイオン交換樹脂はアニオン交換樹脂を含んでいる。アニオン交換樹脂は、固体酸化物形燃料電池6からの排気ガスに含まれる二酸化炭素を取り込んで炭酸破過し、このように炭酸破過することによって、不純物除去手段56において凝縮した水を酸性の状態にし、不純物除去手段56より下流側における水を酸性状態に保つことができる。このアニオン交換樹脂の量は、例えば数百時間程度で炭酸破過の状態となるように構成するのが好ましく、このようにすることによって、耐久寿命の大半において炭酸破過の状態、即ち凝縮水を酸性の状態に保つことができる。このように酸性状態に保つことによって、不純物除去手段56より下流側、即ち水回収タンク51などにおいてバクテリアの栄養源が少ない状態に保ち、バクテリアの繁殖を抑えることができる。
The impurity removing means 56 includes an ion exchange resin that removes impurities by ion exchange, and the ion exchange resin contains an anion exchange resin. The anion exchange resin takes in the carbon dioxide contained in the exhaust gas from the solid
また、固体酸化物形燃料電池6からの排気ガスの熱を温水として蓄熱するための貯湯システム60が設けられ、この貯湯システム60は温水として貯湯するための貯湯タンク64を備え、この貯湯タンク64からの循環流路66が熱交換器54に接続されている。この循環流路66には、循環ポンプ68、循環水温度検知手段70及び放熱手段71が設けられている。循環ポンプ68は貯湯タンク64に貯められた水を循環流路66を通して循環し、循環水温度検知手段70は、循環流路66を通して循環される循環水の温度を検知し、放熱手段71は例えばラジエターから構成され、循環流路66を通して循環される循環水の熱を放熱する。
Further, a hot
貯湯タンク64は、固体酸化物形燃料電池6の稼動により発生した熱を後述する如くして温水として蓄熱する。貯湯タンク64には水供給流路72が接続され、この水供給流路72には水(水道水)の供給を制御するための開閉弁74が配設されている。貯湯タンク64に貯められた温水は、温水給湯流路76を通して出湯される。尚、循環水温度検知手段70は、熱交換器54と貯湯タンク64の間に配設され、熱交換器54に供給される循環水の温度、即ち熱交換器54の入口温度を測定し、また放熱手段71は貯湯タンク64と熱交換器54との間に配設され、熱交換器54に送給される循環水の熱を放熱する。
The hot
また、水送給手段52は、水回収タンク51内の水を改質器4に送給するための水送給流路78を備え、この水送給流路78に送給ポンプ80が配設され、送給ポンプ80は、水回収タンク51内の水を改質用の水として水送給流路78を通して改質器4に送給する。
The water supply means 52 includes a
凝縮回収手段50及び水回収タンク51に関連して、次のように構成されている。図2に示すように、熱交換器54と不純物除去手段5とを接続する回収流路58の上流側部58aに第1オーバーフロー手段82が設けられ、この第1オーバーフロー手段82からオーバーフローした水は、矢印で示すように排水部84を通して外部に排水される。また、水回収タンク51には、第2オーバーフロー手段86が設けられ、この第2オーバーフロー手段86からオーバーフローした水も外部に排水される。
The condensing and collecting means 50 and the
この実施形態では、熱交換器54、第2オーバーフロー手段86、第1オーバーフロー手段82及び回収流路58の下流側部58b(不純物除去手段56と水回収タンク51とを接続する流路部分)が、高い位置から低い位置にこの順に配置されており、このように配置することによって、熱交換器54にて凝縮した水は、高低差を利用して回収流路58の上流側部58aを通して不純物除去手段56に流れ、この不純物除去手段56から回収流路58の下流側部58bを通して水回収タンク51に流れる。そして、水回収タンク51内に水が回収されて破線88で示すレベルに達すると、熱交換器54から不純物除去手段56に流れる水が第1オーバーフロー手段82からオーバーフローして排水され、この第1オーバーフロー手段82によって、水回収タンク51の満水位レベルが設定される。第2オーバーフロー手段86は、水回収タンク51における満水位レベルよりも上の位置に配置されており、水回収タンク51内の水が満水位レベルを超えて第2オーバーフロー手段82に達すると、水回収タンク51内の水が排水され、この第2オーバーフロー手段82によって、水回収タンク51内の水位が異常水位レベルを超えることが防止される。
In this embodiment, the
この実施形態では、水回収タンク51に、水位検知手段90が設けられている。この水位検知手段90は低水位センサ92及び下限水位センサ94から構成され、上側に配置された低水位センサ92は、破線96で示す低水位レベルを検知するためのものであり、下側に配設された下限水位センサ94は、破線98で示す下限水位レベルを検知するためのものである。この実施形態では、通常運転モードによる稼働運転に加えて水回収運転モードによる稼働運転ができるように構成されており、水回収タンク56内の液面が低水位レベルまで低下する、換言すると低水位センサ92が液面を検知すると、後述するように、通常運転モードから水回収運転モードに切り換わるように構成されている。また、水回収タンク56内の液面が下限水位レベルまで低下する、換言すると下限水位センサ94が液面を検知すると、後述するように、固体酸化物形燃料電池システム2の稼働運転が強制的に停止するように構成されている。
In this embodiment, the
上述した固体酸化物形燃料電池システム2は、制御手段100により後述する如く制御される。図3を参照して、制御手段100は、例えばマイクロプロセッサなどから構成され、作動制御手段102、モード切換手段104、運転判定手段106及び記憶手段108を含んでいる。作動制御手段82は、後述するようにして流量制御弁34、送風装置8、循環ポンプ68、送給ポンプ80などの動作を制御する。モード切換手段104は、水回収タンク64内の水が少なくなると通常運転モードから水回収運転モードに切り換え、また水回収タンク64内の水が回復すると水回収運転モードから通常運転モードに切り換える。また、運転判定手段106は、水回収運転モードの稼働運転中において貯湯タンク64が満蓄状態(充分に蓄熱された状態)の運転状態か、固体酸化物形燃料電池6が劣化状態の運転状態であるかを判定する。更に、記憶手段108には、固体酸化物形燃料電池6の設定作動温度、即ち固体酸化物形燃料電池6の劣化の進行を抑える設定上限温度(例えば、約800℃)と、固体酸化物形燃料電池6の設定定格出力(例えば、1kW)と、貯湯タンク64が満蓄状態であると判定する際に用いられる設定循環水温度(例えば、約30℃)などが記憶されている。
The solid oxide
この固体酸化物形燃料電池システム2の稼動運転は、次のようにして行われる。原燃料ガス供給源32からの原燃料ガスは、原燃料ガス供給流路30を通して後述する水(水回収タンク51からの水)とともに改質器4に供給される。改質器4においては、原燃料ガスの一部と水(凝縮水)とが改質反応して改質され、このように改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給流路28を通して燃料電池スタック14の燃料電極側26に送給される。また、送風装置8からの空気は、空気供給流路42を通して空気予熱器40に供給され、この空気予熱器40において排気ガスとの間で熱交換されて加温された後に、空気送給流路38を通して燃料電池スタック14の酸素電極側36に送給される。
The operation of the solid oxide
燃料電池スタック14の燃料電極側26は改質された改質燃料ガスを酸化し、またその酸素電極側36は空気中の酸素を還元し、燃料電極側26の酸化及び酸素電極側36の還元による電気化学反応により発電が行われる。
The fuel electrode side 26 of the
固体酸化物形燃料電池6の発電出力は、流量制御弁34の開度を調節する、即ち改質器4に送給される原燃料ガスの送給量を調整することにより行われ、流量制御弁34を制御することにより、固体酸化物形燃料電池6の発電出力は、定格発電出力に維持される。固体酸化物形燃料電池6における電気化学反応は約700〜1000℃の高温状態で行われ、燃料電池スタック14の発電効率や寿命などを考慮して、固体酸化物形燃料電池6は設定作動温度(例えば、約800℃)で稼働運転される。
The power generation output of the solid
燃料電極側26からの反応燃料ガス及び酸素電極側36からの空気はそれぞれ燃焼室44に送給され、空気中の酸素を利用して余剰の燃料ガスが燃焼される。燃焼室44からの排気ガスは排気ガス送給流路46を通して空気予熱器40に送給され、この空気予熱器40において送風装置8からの空気との熱交換に利用されて排気ガス排出流路48を通して熱交換器54に送給される。
The reaction fuel gas from the fuel electrode side 26 and the air from the
熱交換器54においては、貯湯タンク64の下部から循環流路66を通して循環される循環水と排気ガス排出流路48を流れる排気ガスとの間で熱交換が行われる。熱交換により加温された循環水(温水)は、循環ポンプ68の作用によって循環流路66を通して貯湯タンク64の上部に貯められる。また、熱交換により排気ガスの温度が露点まで低下することによって、排気ガスに含まれる水蒸気が凝縮回収され、凝縮された水(凝縮水)が回収流路58の上流側部58aを通して不純物除去手段56に流れ、この不純物除去手段56にて不純物が除去された水は、回収流路58の下流側部58bを通して水回収タンク51に流れて貯められる。凝縮回収後の排気ガスは、排気ガス排出流路48を通して大気に排出される。水回収タンク51に貯められた水(凝縮水)は、送給ポンプ80の作用によって水送給流路78を通して改質器4に送給され、凝縮した水を改質用の水として用いた自立運転が行われる。また、循環水温度検知手段70の検知温度が設定循環水温度(例えば、45℃)以上であると、循環水温度検知手段70からの検知温度に基づいて運転判定手段106は貯湯タンク64の温水が満蓄状態と判断し、放熱手段71が作動する。この循環水温度検知手段70の検知温度が設定循環水温度より設定温度(例えば、5℃)下がれば(例えば、40℃に下がる)、放熱手段71が作動停止する。
In the
次に、図3とともに図4を参照して、水回収タンク51内の水の水位が低下したときの運転制御について説明する。固体酸化物形燃料電池システム2の上述した通常運転モードの運転において、凝縮水の発生が少なくて水回収タンク51の液面が低水位レベルまで低下する(低水位センサ92が液面を検知する)と、ステップS1からステップS2を経てステップS3に進み、通常運転モードの運転から水回収運転モード(排気ガス中に含まれた水蒸気をより多く回収することができる運転モード)の運転に切り換えられる。低水位センサ92が水面を検知すると、低水位センサ92からの検知信号が制御手段100に送給され、この検知信号に基づいてモード切換手段104が通常運転モードから水回収運転モードに切り換え、固体酸化物形燃料電池システム2はこの水回収運転モードで稼働運転される。
Next, with reference to FIG. 4 together with FIG. 3, the operation control when the water level in the
貯湯タンク64の温水としての蓄熱が満蓄状態であると、循環流路66を通して循環される循環水の温度が上昇し(貯湯タンク64には温水が層状に貯えられ、上部には温水が貯まり、下部には水が貯まるようになり、下部から循環流路66に送給される循環水の温度が高いと、貯湯タンク64に貯えられた水全体の温度が高く、蓄熱が満蓄状態になっていることになる)、熱交換器54に温度の高い循環水が送給されるようになる。また、夏期など周囲温度が高いと、放熱手段71にて充分に循環水の温度が低下せず、このような満蓄状態では、熱交換器54から流出する排気ガスの温度が下がらないために、排気ガスに含まれた水蒸気の凝縮が行われ難くなり、排気ガス中の水蒸気からの水分回収が少なくなり、水不足が発生するおそれが生じる。このような運転状態においては、作動制御手段102は、放熱手段71(ラジエター)を作動させ、このような状態での水回収運転モードの運転が行われる。
When the heat storage as the hot water in the hot
この満蓄状態における水回収運転モードの運転においては、固体酸化物形燃料電池6が劣化状態であるか否か判断される(ステップS4)。固体酸化物形燃料電池6が劣化状態にあるときには、設定定格出力を維持しようとするとその作動温度は高くなる傾向にあり、このようなときには、送風装置8からの送風量を増大させて固体酸化物形燃料電池6を冷却させるように運転される。このような劣化状態であると、送風装置8の送風状態に基づいて運転判定手段106は、固体酸化物形燃料電池6が劣化状態であると判定し、ステップS4を経てステップS5に進む。
In the operation of the water recovery operation mode in the fully stored state, it is determined whether or not the solid
固体酸化物形燃料電池6が劣化状態であると、送風装置8の送風量が多くなり、これによって排気ガス排出流路48を流れる排気ガスも多く流れるようになる。このような劣化状態においては、熱交換器54における凝縮水の回収量が少なくなり、熱交換器54における熱交換による排気ガスの温度低下が小さく、排気ガスに含まれた水蒸気の凝縮が行われ難くなり、水不足が発生するおそれが生じる。このような運転状態においては、作動制御手段102は、送風装置8を通常の送風状態に戻す(即ち、劣化に伴う作動温度の上昇を抑えるために送風装置8の送風量を増大していた制御を元の状態に戻し、送風装置8の送風量を通常の送風状態に戻す)とともに、固体酸化物形燃料電池6の作動温度が設定作動温度に維持されるように流量制御弁34の開度を小さくして原燃料ガスの送給量を少なくして固体酸化物形燃料電池6の発電出力を低下させ(ステップS5)、このような状態での水回収運転モードの運転が行われる。
When the solid
この劣化状態における水回収運転モードの運転においては、送風装置8からの送風量が少なくなり、これによって、排気ガス排出流路48を通して熱交換器54に流れる排気ガスの送給量が少なくなる。従って、このときには、排気ガスの流量が少なくなって熱交換器54における排気ガスとの熱交換の効率が高くなって排気ガスの温度低下が大きくなり、排気ガスに含まれた水蒸気の凝縮効率が高められ、排気ガス中の水蒸気の回収量が多くなる。このような水回収運転モードの運転は、水回収タンク51の水位が低水位レベルより上昇するか、又は下限水位レベル以下に下がるまで行われる。尚、ステップS6の所定設定時間は例えば5〜30分程度、例えば10分に設定され、この間、水回収運転モードの運転が継続して行われる。
In the operation in the water recovery operation mode in this deteriorated state, the amount of air blown from the
ステップS5における水回収運転モードによる運転(発電出力低下状態での運転)により水回収タンク51の水位が上昇し、水回収タンク51の水位が低水位レベルを超えると、ステップS9に移り、固体酸化物形燃料電池6の発電出力が元に戻され、その後ステップS1に戻って、固体酸化物形燃料電池システム2は、水回収運転モードの前の運転状態である通常運転モードで運転される。このようにして通常運転モードの運転に戻ると、流量制御弁34の開度が大きくなって原燃料ガスの送給量が多くなって固体酸化物形燃料電池6の出力が設定定格出力に戻る。
If the water level in the
一方、ステップS5における水回収運転モードによる運転によっても水回収タンク51の水位が回復せず、その水位が下限水位レベルまで低下すると、ステップS7からステップS8を経てステップS10に進み、作動制御手段102は、固体酸化物形燃料電池システム2の運転を強制停止する。即ち、下限水位センサ94が液面を検知すると、この下限水位センサ94からの検知信号に基づいて作動制御手段102は固体酸化物形燃料電池システム2の作動を停止し、このように作動停止することによって、改質用の水不足による異常運転を回避することができる。尚、このように下限水位レベルまで水位が低下した場合には、水回収タンク51に例えば満水位レベルまで水を補給した後に固体酸化物形燃料電池システム2の運転を再開するようになる。
On the other hand, if the water level in the
次に、図5〜図7を参照して、固体酸化物形燃料電池システムの第2の実施形態について説明する。図5は、第2の実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの凝縮回収手段及びこれに関連する構成を簡略的に示す簡略図であり、図6は、図5の固体酸化物形燃料電池システムの制御系を示すブロック図であり、図7は、図6の制御系による制御の流れを示すフローチャートである。尚、この第2の実施形態において、上述した第1の実施形態と実質上同一の部材には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。 Next, a second embodiment of the solid oxide fuel cell system will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a simplified diagram showing the condensation recovery means of the solid oxide fuel cell system according to the second embodiment and the configuration related thereto, and FIG. 6 is a diagram of the solid oxide fuel cell of FIG. FIG. 7 is a block diagram showing a control system of the system, and FIG. 7 is a flowchart showing a flow of control by the control system of FIG. In the second embodiment, substantially the same members as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
図5及び図6を参照して、この第2の実施形態においては、水回収運転モードにおける運転において、貯湯タンク64の温水としての蓄熱が満蓄状態のときには、貯湯タンク64内の温水の一部を排出させて冷たい水を貯湯タンク64内に補給し、この補給した水を循環水として循環流路66を通して循環するように構成されており、このように構成した場合、循環水の熱を放熱するための放熱手段などは省略することができる。更に説明すると、循環流路66の所定部位(熱交換器54より下流側の部位)に排水流路120が設けられ、この排水流路120に排水弁122が配設されている。排水弁122が閉状態のときには、貯湯タンク64からの循環水は循環流路66を通して貯湯タンク64の上部に戻されるが、この排水弁122が開状態のときには、貯湯タンク64の上部からの循環水の一部は循環流路66及び排水流路120を通して排水部84から外部に排水される。尚、この循環流路66を流れる循環水の全部を排水するようにしてもよい。
With reference to FIGS. 5 and 6, in the second embodiment, when the heat storage as the hot water in the hot
また、水回収タンク51A内の水の水位が下限水位レベルよりも低下すると、貯湯タンク64内の水(循環水)の一部を利用して水回収タンク51Aに補給するように構成されている。この第2の実施形態では、排水流路120に補給流路124が設けられ、この補給流路124が回収流路58の上流側部58aの所定部位(具体的には、第1オーバーフロー手段82より上流側の部位)に接続され、排水流路120と補給流路124との接続部に流路切換弁126が配設されている。この流路切換弁126は、第1の切換状態にあるときには排水流路120を連通し、この排水流路120を通しての排水が可能となり、また第2の切換状態にあるときには排水流路120と補給流路124とを連通し、排水流路120及び補給流路126を通しての水回収タンク51への水の補給が可能となる。
Further, when the water level in the
更に、この実施形態では、凝縮回収手段50Aの不純物除去手段56Aと水回収タンク51Aとが接続パイプ130を介して接続されている。接続パイプ130は上下方向に延び、その下端部が不純物除去手段56Aの上端に接続され、その上端部が水回収タンク51Aの接続突出部の下端部に接続され、接続パイプ130が回収流路58Aの下流側部を構成している。
Furthermore, in this embodiment, the impurity removal means 56A of the condensation recovery means 50A and the
更にまた、制御手段100Aに関連して、操作者が入力操作する入力操作手段132が設けられ、この入力操作手段132は、水を補給するための水補給スイッチ134を含んでいる。この第2の実施形態のその他の構成は、上述した第1の実施形態と実質上同一である。
Further, in relation to the control means 100A, an input operation means 132 for input operation by an operator is provided, and the input operation means 132 includes a
この第2の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムにおける水回収タンク51A内の水の水位が低下したときの制御は、次のように行われる。固体酸化物形燃料電池システムの上述した通常運転モードの運転において、凝縮水の発生が少なくて水回収タンク51Aの液面が低水位レベルまで低下すると、ステップS21からステップS22を経てステップS23に進み、通常運転モードの運転から水回収運転モードに切り換えられる。即ち、上述したと同様に、低水位センサ92が水面を検知すると、低水位センサ92からの検知信号が制御手段100Aに送給され、この検知信号に基づいてモード切換手段104が通常運転モードから水回収運転モードに切り換え、固体酸化物形燃料電池システムはこの水回収運転モードで稼働運転される。
The control when the water level in the
この水回収運転モードの運転においては、熱交換器54の入口水温(循環水温度検知手段70の検知温度)が所定温度以上か否か判断される(ステップS24)。この所定温度は例えば35〜45℃程度の適宜の温度、例えば40℃に設定される。循環水温度検知手段70の検知温度が設定循環水温度(例えば、40℃)以上であると、運転判定手段106は、貯湯タンク64の蓄熱状態が満蓄状態であると判断し、ステップS25に進む。
In the operation in this water recovery operation mode, it is determined whether or not the inlet water temperature of the heat exchanger 54 (the detected temperature of the circulating water temperature detecting means 70) is equal to or higher than a predetermined temperature (step S24). This predetermined temperature is set to an appropriate temperature of about 35 to 45 ° C., for example, 40 ° C. If the detected temperature of the circulating water
ステップS25では、作動制御手段102は、流路切換弁126を第1の切換状態に保持するとともに、排水弁122を開状態に保持し、このような状態での水回収運転モードの運転が行われる。この水回収運転モードの運転においては、貯湯タンク64の上部からの循環水の一部が循環流路66を逆流して排水流路122を通して外部に排水され、かかる排水によって、開閉弁74が開状態となって水供給流路72を通して水が貯湯タンク64に補給され、温度の下がった循環水が循環流路66を通して熱交換器54に送給される。従って、このときには、熱交換器54における固体酸化物形燃料電池からの排気ガスと循環流路66を流れる循環水との温度差が大きくなり、排気ガス中の水蒸気の回収量が多くなる。
In step S25, the operation control means 102 holds the flow
次に、固体酸化物形燃料電池が劣化状態であるか否か判断される(ステップS26)。このような劣化状態であると、運転判定手段106は、固体酸化物形燃料電池が劣化状態であると判定し、ステップS26からステップS27に進む。ステップS27では、作動制御手段102は、固体酸化物形燃料電池の作動温度が設定作動温度に維持されるように流量制御弁の開度を小さくして固体酸化物形燃料電池の発電出力を低下させ、このような状態での水回収運転モードの運転が行われる。この水回収運転モードの運転においては、発電出力低下に伴って送風装置からの送風量が少なくなり、これによって、排気ガスの流量が少なくなって熱交換器54における排気ガスとの熱交換の効率が高くなって排気ガスの温度低下が大きくなり、排気ガスに含まれた水蒸気の凝縮効率が高められて水の回収量が多くなる。このような水回収運転モードの運転は、水回収タンク51Aの水位が低水位レベルより上昇するか、又は下限水位レベル以下に下がるまで行われる。
Next, it is determined whether or not the solid oxide fuel cell is in a deteriorated state (step S26). If it is in such a deteriorated state, the operation determining means 106 determines that the solid oxide fuel cell is in a deteriorated state, and proceeds from step S26 to step S27. In step S27, the operation control means 102 decreases the power generation output of the solid oxide fuel cell by reducing the opening of the flow control valve so that the operating temperature of the solid oxide fuel cell is maintained at the set operating temperature. In such a state, the operation in the water recovery operation mode is performed. In the operation of this water recovery operation mode, the amount of air blown from the blower decreases with a decrease in the power generation output, thereby reducing the flow rate of the exhaust gas and the efficiency of heat exchange with the exhaust gas in the
この水回収運転モードによる運転を所定設定時間行って水回収タンク51Aの水位が上昇し、水回収タンク51Aの水位が低水位レベルを超えると、ステップS28からステップS29を経てステップS30に移り、排水弁122が閉状態となり、更に固体酸化物形燃料電池の発電出力が元に戻り(ステップS31)、その後ステップS21に戻って固体酸化物形燃料電池システムは、元の通常運転モードで運転される。
When the operation in this water recovery operation mode is performed for a predetermined set time and the water level in the
この水回収運転モード運転によっても水回収タンク51Aの水位が回復せず、その水位が下限水位レベルまで低下すると、ステップS29からステップS32を経てステップS33に進み、作動制御手段102は、固体酸化物形燃料電池システムの運転を強制停止する。即ち、下限水位センサ94が液面を検知すると、この下限水位センサ94からの検知信号に基づいて作動制御手段102は固体酸化物形燃料電池システムの作動を停止する。
If the water level in the
この固体酸化物形燃料電池システムの設置後の水回収タンク51Aが空である場合における水補給は、水補給スイッチ134を入力操作すればよい。水補給スイッチ134を押圧操作すると、水補給スイッチ134からの操作信号に基づいて、作動制御手段102は、排水弁122を開状態に保持し、流路切換弁126を第2の切換状態にし、更に循環ポンプ68を作動する。かくすると、循環ポンプ68の作用によって、貯湯タンク64内の水が送給され、この水が循環流路66、熱交換器54、排水流路122及び補給流路124を通して回収流路58に送給され、この回収流路58A及び不純物除去手段56Aを通して水回収タンク51Aに供給され、例えば満水位レベルまで補給される。この水の補給は、例えばタイマなどによって所定時間補給するようにしてもよく、或いは満水位レベルに満水位センサを設け、満水位センサが水面を検知したときに補給停止するようにしてもよく、或いは水回収タンク51Aの水量を目視で確認しながら水補給スイッチ134を解除して水補給を停止するようにしてもよい。
When the
このようにして満水位レベルまで水が補給されると、制御手段100Aは排水弁122を閉状態に保持し、流路切換弁126を第1の切換状態にし、更に循環ポンプ68の作動を停止し、このようにして水の補給が終了する。そして、このように水補給が行われた後に、固体酸化物形燃料電池システムの稼働運転が開始される。
When the water is replenished to the full water level in this way, the control means 100A holds the
以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。 The embodiment of the solid oxide fuel cell system according to the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to such an embodiment, and various changes or modifications can be made without departing from the scope of the present invention. It is.
2 固体酸化物形燃料電池システム
4 改質器
6 固体酸化物形燃料電池
8 送風装置
50,50A 凝縮回収手段
51,51A 水回収タンク
52 水送給手段
54 熱交換器
56,56A 不純物除去手段
60 貯湯システム
64 貯湯タンク
82,84 オーバーフロー手段
90 水位検知手段
100,100A 制御手段
104 モード切換手段
106 運転判定手段
124 補給流路
2 Solid Oxide
Claims (2)
前記凝縮回収手段は、前記固体酸化物形燃料電池からの排気ガスとの間で熱交換して排気ガスに含まれた水蒸気を凝縮するための熱交換器と、前記熱交換器と前記水回収タンクとを接続する回収流路とを含み、前記回収流路に第1オーバーフロー手段が設けられ、前記水回収タンクに第2オーバーフロー手段が設けられ、前記熱交換器、前記水回収タンクの前記第2オーバーフロー手段及び前記回収流路の前記第1オーバーフロー手段が、高い位置から低い位置にこの順に配置されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。 A reformer for steam reforming raw fuel, a solid oxide fuel cell that generates power by oxidation and reduction of the reformed fuel gas and the oxidant reformed in the reformer, and an oxidant A blower for feeding to the solid oxide fuel cell, a flow rate control valve for controlling the amount of raw fuel fed to the reformer, and from the solid oxide fuel cell Condensation and recovery means for condensing and recovering water vapor contained in the exhaust gas, a water recovery tank for storing the water recovered by the condensation and recovery means, and the reforming of the water recovered in the water recovery tank Water feeding means for feeding to the vessel,
The condensation recovery means includes a heat exchanger for condensing water vapor contained in the exhaust gas by exchanging heat with the exhaust gas from the solid oxide fuel cell , and the heat exchanger and the water recovery A recovery flow path connecting the tank, the recovery flow path is provided with a first overflow means, the water recovery tank is provided with a second overflow means, the heat exchanger, the water recovery tank of the first 2. A solid oxide fuel cell system, wherein the two overflow means and the first overflow means of the recovery flow path are arranged in this order from a high position to a low position.
The condensation recovery means further includes an impurity removal means for removing impurities contained in the water condensed in the heat exchanger, the impurity removal means being disposed in the recovery flow path, and the impurities The downstream side portion of the recovery channel connecting the removing unit and the water recovery tank is disposed at a position lower than the first overflow unit of the recovery channel. Solid oxide fuel cell system.
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