JP2016100183A - Fuel battery system - Google Patents

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Hideki Nakada
秀輝 中田
鵜飼 邦弘
Kunihiro Ukai
邦弘 鵜飼
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery system that can perform more proper temperature control of a hydrodesulfurizer as compared with a prior art when the hydrodesulfurizer is heated by exhaust gas.SOLUTION: A fuel battery system has a fuel battery for generating power by using air and fuel obtained by reforming raw material, a hydrodesulfurizer for removing sulfur components in raw material, a first heat-exchanger which has an air passage through which air flows and a first exhaust gas passage through which exhaust gas flows, and heat-exchanges the air and the exhaust gas, a second heat-exchanger which has an air passage and a second exhaust gas passage through which exhaust gas flows, and heat-exchanges the air and the exhaust gas, and a heater for heating the hydrodesulfurizer by using exhaust gas. The exhaust gas flows through the first exhaust gas passage of the first heat-exchanger, the heater and the second exhaust gas passage of the second heat-exchanger in this order, the air flows through the air passage of the second heat-exchanger, the air passage of the first heat-exchanger and the fuel battery in this order, and the first heat-exchanger and the second heat-exchanger are configured integrally with each other.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

原料に炭化水素を用いる燃料電池システムでは、例えば、水蒸気を用いた原料の改質が行われる。この水蒸気改質を促進するために改質触媒が用いられているが、原料中には付臭剤として硫黄化合物が含まれる。この硫黄化合物によって改質触媒が劣化するおそれがある。   In a fuel cell system using hydrocarbons as a raw material, for example, reforming of the raw material using steam is performed. A reforming catalyst is used to promote this steam reforming, but the raw material contains a sulfur compound as an odorant. This sulfur compound may deteriorate the reforming catalyst.

そこで、改質触媒の劣化を防止するために、原料中に含まれる硫黄化合物を低減させる脱硫装置が用いられる。   Therefore, in order to prevent the reforming catalyst from deteriorating, a desulfurization apparatus that reduces the sulfur compound contained in the raw material is used.

脱硫装置として、例えば、硫黄化合物を触媒(例えば、Ni−Mo系、Co−Mo系など)上で水素と反応させて硫化水素に変換し、硫化水素を、例えば、酸化亜鉛などに取り込んで除去する水添脱硫が行われる水添脱硫器が知られており、従来から様々な対策が提案されている。   As a desulfurization device, for example, a sulfur compound is reacted with hydrogen on a catalyst (for example, Ni-Mo system, Co-Mo system, etc.) to convert it into hydrogen sulfide, and the hydrogen sulfide is removed by taking it into, for example, zinc oxide. Hydrodesulfurizers that perform hydrodesulfurization are known, and various countermeasures have been proposed.

例えば、水添脱硫器は、水添反応を行なう際に水素を必要とするが、原料中には通常、水素が含まれていない。そこで、水添脱硫器に水素含有のリサイクルガスを供給する構成を備える固体酸化物形の燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献1、2)。具体的には、特許文献1の燃料電池システム1は、図6に示すように、改質器110を通過した水素含有ガスの一部が、リサイクルガス供給経路113を通じて、昇圧手段111の上流側に戻されるように構成されている。そして、水素含有ガスは、昇圧手段111により昇圧されて、水添脱硫器102に供給されている。特許文献2の燃料電池システムは、図7に示すように、混合器220で混合された水と脱硫後の原燃料ガスとを蒸発器226から改質器206に供給するとき、水蒸気を含む脱硫後の原燃料ガスの一部を、分岐戻し流路242を介して原燃料ガス供給経路216に戻すように構成されている。この分岐戻し流路242の二重管244内には炭化水素改質触媒が設けられており、これによって、炭化水素を改質して得た水素含有ガスを、昇圧器217の上流側に戻している。そして、水素含有ガスを昇圧器217で昇圧させて、水添脱硫器204に供給されている。   For example, a hydrodesulfurizer requires hydrogen when performing a hydrogenation reaction, but the raw material usually does not contain hydrogen. Therefore, a solid oxide fuel cell system having a configuration for supplying a hydrogen-containing recycle gas to a hydrodesulfurizer has been proposed (for example, Patent Documents 1 and 2). Specifically, as shown in FIG. 6, in the fuel cell system 1 of Patent Document 1, a part of the hydrogen-containing gas that has passed through the reformer 110 passes through the recycle gas supply path 113 on the upstream side of the booster 111. It is configured to be returned to. The hydrogen-containing gas is boosted by the boosting means 111 and supplied to the hydrodesulfurizer 102. As shown in FIG. 7, the fuel cell system of Patent Document 2 is a desulfurization that includes water vapor when supplying the water mixed in the mixer 220 and the raw fuel gas after desulfurization from the evaporator 226 to the reformer 206. A part of the subsequent raw fuel gas is returned to the raw fuel gas supply path 216 via the branch return flow path 242. A hydrocarbon reforming catalyst is provided in the double pipe 244 of the branch return channel 242, whereby the hydrogen-containing gas obtained by reforming the hydrocarbon is returned to the upstream side of the booster 217. ing. The hydrogen-containing gas is boosted by the booster 217 and supplied to the hydrodesulfurizer 204.

また、特許文献3では、水添脱硫器の性能は雰囲気温度によって変化するため、高温下で使用されるものについては発電時に生じる高温の排ガスを用いて水添脱硫器を加熱する構成が提案されている。   Further, in Patent Document 3, since the performance of the hydrodesulfurizer varies depending on the ambient temperature, a configuration is proposed in which the hydrodesulfurizer is heated using high-temperature exhaust gas generated during power generation for those used at high temperatures. ing.

また、特許文献4では、SOFCやPEFCなどの燃料電池システムにおいて、原料中の硫黄成分を除去する水添脱硫器を、発電モジュールから排出される排ガスによって加熱する場合、発電量によって排ガスの温度が上昇した場合でも水添脱硫器の過昇温を抑制し、水添脱硫剤の脱硫効率の向上および長寿命化を意図した構成が提案されている。具体的には、特許文献4の燃料電池システムは、図8に示すように、水添脱硫器6に流入する前の排ガスと発電用の空気の一部が分流された空気と、が冷却器7で熱交換するように構成されている。これにより、水添脱硫器6に流入する排ガスの温度を所望の温度範囲にまで低下させることで、水添脱硫器の過昇温が抑制されている。   In Patent Document 4, in a fuel cell system such as SOFC or PEFC, when a hydrodesulfurizer that removes sulfur components in a raw material is heated by exhaust gas discharged from a power generation module, the temperature of the exhaust gas depends on the amount of power generation. There has been proposed a configuration intended to suppress the excessive temperature rise of the hydrodesulfurizer even when it rises, to improve the desulfurization efficiency of the hydrodesulfurization agent, and to extend the service life. Specifically, as shown in FIG. 8, the fuel cell system of Patent Document 4 includes a cooler that includes exhaust gas before flowing into the hydrodesulfurizer 6 and air into which a part of power generation air is diverted. 7 is configured to exchange heat. Thereby, the excessive temperature rise of the hydrodesulfurizer is suppressed by reducing the temperature of the exhaust gas flowing into the hydrodesulfurizer 6 to a desired temperature range.

特開2011−216308号公報JP 2011-216308 A 特許第4911927号公報Japanese Patent No. 4911927 特開2006−309982号公報JP 2006-309982 A 特開2012−155978号広報JP 2012-155978 PR

しかし、従来例は、水添脱硫器を排ガスで加熱する場合の水添脱硫器の適切な温度制御について十分に検討されていない。   However, in the conventional example, adequate temperature control of the hydrodesulfurizer when the hydrodesulfurizer is heated with exhaust gas has not been sufficiently studied.

本発明の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みてなされたものであり、水添脱硫器を排ガスで加熱する場合において、従来に比べ、水添脱硫器の適切な温度制御を行い得る燃料電池システムを提供する。   One aspect of the present invention has been made in view of such circumstances, and in the case where the hydrodesulfurizer is heated with exhaust gas, the temperature of the hydrodesulfurizer is controlled more appropriately than in the past. A fuel cell system is provided.

本発明の一態様の燃料電池システムは、原料の改質で得られた燃料および空気を用いて発電する燃料電池と、前記原料中の硫黄成分を除去する水添脱硫器と、前記空気が流れる空気経路と前記燃料電池の加熱に用いた排ガスが流れる第1排ガス経路とを備え、前記空気と前記排ガスとが熱交換する第1熱交換器と、前記空気経路と前記排ガスが流れる第2排ガス経路とを備え、前記空気と前記排ガスとが熱交換する第2熱交換器と、前記排ガスを用いて前記水添脱硫器を加熱する加熱器と、を備え、前記排ガスは、前記第1熱交換器の前記第1排ガス経路、前記加熱器および前記第2熱交換器の前記第2排ガス経路をこの順に流れ、前記空気は、前記第2熱交換器の前記空気経路、前記第1熱交換器の前記空気経路および前記燃料電池をこの順に流れ、前記第1熱交換器と前記第2熱交換器と、が一体的に構成されている。   The fuel cell system of one embodiment of the present invention includes a fuel cell that generates power using fuel and air obtained by reforming a raw material, a hydrodesulfurizer that removes sulfur components in the raw material, and the air flows. A first heat exchanger for exchanging heat between the air and the exhaust gas, and a second exhaust gas through which the air path and the exhaust gas flow. A second heat exchanger for exchanging heat between the air and the exhaust gas, and a heater for heating the hydrodesulfurizer using the exhaust gas, wherein the exhaust gas is the first heat The first exhaust gas path of the exchanger, the heater, and the second exhaust gas path of the second heat exchanger flow in this order, and the air is the air path of the second heat exchanger, the first heat exchange. The air path of the vessel and the fuel cell Flow, the first heat exchanger and the second heat exchanger, but are formed integrally.

本発明の一態様によれば、水添脱硫器を排ガスで加熱する場合において、従来に比べ、水添脱硫器の適切な温度制御を行い得る燃料電池システムが得られる。   According to one aspect of the present invention, when a hydrodesulfurizer is heated with exhaust gas, a fuel cell system capable of performing appropriate temperature control of the hydrodesulfurizer is obtained compared to the conventional case.

図1は、第1実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a fuel cell system according to the first embodiment. 図2は、第1実施形態の第1実施例の燃料電池システムの熱交換器の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a heat exchanger of the fuel cell system according to the first example of the first embodiment. 図3は、第1実施形態の第2実施例の燃料電池システムの熱交換器の一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a heat exchanger of the fuel cell system according to the second example of the first embodiment. 図4は、第2実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a fuel cell system according to the second embodiment. 図5Aは、第3実施形態の燃料電池システムの熱交換器の一例を示す図である。FIG. 5A is a diagram illustrating an example of a heat exchanger of the fuel cell system according to the third embodiment. 図5Bは、第3実施形態の燃料電池システムの熱交換器の一例を示す図である。FIG. 5B is a diagram illustrating an example of a heat exchanger of the fuel cell system according to the third embodiment. 図6は、従来の燃料電池システムの一例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of a conventional fuel cell system. 図7は、従来の燃料電池システムの一例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an example of a conventional fuel cell system. 図8は、従来の燃料電池システムの一例を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing an example of a conventional fuel cell system. 図9は、第1実施形態の燃料電池システムの構成との対比説明に用いる図である。FIG. 9 is a diagram used for comparison with the configuration of the fuel cell system of the first embodiment.

(第1実施形態)
発明者らは、水添脱硫器を排ガスで加熱する場合の水添脱硫器の適切な温度制御について鋭意検討し、以下の知見を得た。
(First embodiment)
The inventors diligently studied about appropriate temperature control of the hydrodesulfurizer when the hydrodesulfurizer is heated with exhaust gas, and obtained the following knowledge.

特許文献1および特許文献2では、水添脱硫器の温度制御を行う具体的な手段が開示されておらず、水添脱硫器の水添脱硫剤を安定して水添反応に適した温度に制御することが困難である。   Patent Document 1 and Patent Document 2 do not disclose specific means for controlling the temperature of the hydrodesulfurizer, and the hydrodesulfurization agent of the hydrodesulfurizer is stably adjusted to a temperature suitable for the hydrogenation reaction. It is difficult to control.

特許文献3および特許文献4は、水添脱硫器の適切な温度制御を行うには、構成が複雑化する可能性がある。更には、かかる温度制御が困難な場合も有り得る。   In Patent Documents 3 and 4, there is a possibility that the configuration becomes complicated in order to perform appropriate temperature control of the hydrodesulfurizer. Furthermore, such temperature control may be difficult.

そこで、図9に示すように、燃料電池1への発電用の空気と水添脱硫器2を通過した排ガスと、が熱交換する熱交換器4と、燃料電池1からの排ガスと、熱交換器4を通過した空気と、が熱交換する熱交換器5と、を備える燃料電池システム100を提案している(特願2013−262387号)。図9の燃料電池システム100は、従来に比べ、排ガスの熱量を有効に利用できる。よって、燃料電池システム100の発電効率を向上させ得るとともに、水添脱硫器2を適温範囲に安定に制御できる。   Therefore, as shown in FIG. 9, heat exchange between the air for power generation to the fuel cell 1 and the exhaust gas that has passed through the hydrodesulfurizer 2 and heat exchange with the exhaust gas from the fuel cell 1 are performed. The fuel cell system 100 provided with the heat exchanger 5 which heat-exchanges with the air which passed the container 4 is proposed (Japanese Patent Application No. 2013-262387). The fuel cell system 100 of FIG. 9 can effectively use the heat quantity of the exhaust gas as compared with the prior art. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell system 100 can be improved, and the hydrodesulfurizer 2 can be stably controlled within an appropriate temperature range.

しかし、図9の燃料電池システム100は、熱交換器4と熱交換器5とを接続する様々なガス経路6、7、10が必要となる。よって、これらの経路6、7、10でガスの放熱が発生するので、燃料電池システム100の発電効率が低下する可能性がある。   However, the fuel cell system 100 of FIG. 9 requires various gas paths 6, 7, and 10 that connect the heat exchanger 4 and the heat exchanger 5. Therefore, since heat radiation of gas occurs in these paths 6, 7, and 10, the power generation efficiency of the fuel cell system 100 may be reduced.

例えば、熱交換器4および熱交換器5が、水添脱硫器2から離れて配される場合、排ガス経路を形成する配管の引き回しから、排ガスの放熱が起こりやすくなる。これにより、燃料電池システム100の発電効率が低下する可能性がある。   For example, when the heat exchanger 4 and the heat exchanger 5 are arranged away from the hydrodesulfurizer 2, heat release of the exhaust gas is likely to occur from the piping that forms the exhaust gas path. Thereby, the power generation efficiency of the fuel cell system 100 may be reduced.

また、熱交換器4および熱交換器5が、水添脱硫器2から離れて配される場合、空気経路を形成する配管の引き回しから、空気の放熱も起こりやすくなる。つまり、熱交換器4で予熱した空気が、熱交換器4と熱交換器5とを接続する空気経路の途中で放熱し、燃料電池システム100の発電効率が低下する可能性がある。   Further, when the heat exchanger 4 and the heat exchanger 5 are arranged away from the hydrodesulfurizer 2, heat radiation from the air is likely to occur due to the piping that forms the air path. That is, the air preheated by the heat exchanger 4 may dissipate in the middle of the air path connecting the heat exchanger 4 and the heat exchanger 5, and the power generation efficiency of the fuel cell system 100 may be reduced.

また、2個の熱交換器を別体に設けることで燃料電池システム100が大型化する。すると、燃料電池システム100の筐体の伝熱面積が増えて、燃料電池システム100の放熱量が増加する。燃料電池システム100の放熱量が増加すると、燃料電池システム100の発電効率が低下する可能性がある。   Moreover, the fuel cell system 100 is increased in size by providing two heat exchangers separately. Then, the heat transfer area of the housing of the fuel cell system 100 increases, and the heat dissipation amount of the fuel cell system 100 increases. When the heat dissipation amount of the fuel cell system 100 increases, the power generation efficiency of the fuel cell system 100 may decrease.

そして、燃料電池システム100の配管や筐体からの放熱量が増加すると、燃料電池システム100の熱バランスを取りにくくなるという問題もある。   Further, when the amount of heat released from the piping or casing of the fuel cell system 100 increases, there is also a problem that it becomes difficult to balance the heat of the fuel cell system 100.

更に、図9の燃料電池システム100は、熱交換器4、5が別体に構成されているので、燃料電池システム100の小型化に難点がある。また、燃料電池システム100のコスト化が嵩む傾向がある。例えば、2個の熱交換器を別体に設けることで燃料電池システム100の構成部材の個数が増加し、組立工数が増え、製造コストが上がる。また、燃料電池システム100の容積が増加し、燃料電池システム100が大型化する。   Furthermore, the fuel cell system 100 of FIG. 9 has a difficulty in miniaturizing the fuel cell system 100 because the heat exchangers 4 and 5 are configured separately. In addition, the cost of the fuel cell system 100 tends to increase. For example, providing two heat exchangers separately increases the number of constituent members of the fuel cell system 100, increases the number of assembly steps, and increases the manufacturing cost. Further, the volume of the fuel cell system 100 increases and the fuel cell system 100 becomes larger.

そこで、発明者らは、図9の燃料電池システム100に関する上記の様々な問題について鋭意検討し、上記の2個の熱交換器4、5を一体的に構成するという着想に到達した。   Accordingly, the inventors diligently studied the various problems related to the fuel cell system 100 of FIG. 9 and arrived at the idea of integrally configuring the two heat exchangers 4 and 5.

すなわち、第1実施形態の燃料電池システムは、原料の改質で得られた燃料および空気を用いて発電する燃料電池と、原料中の硫黄成分を除去する水添脱硫器と、空気が流れる空気経路と燃料電池の加熱に用いた排ガスが流れる第1排ガス経路とを備え、空気と排ガスとが熱交換する第1熱交換器と、空気経路と排ガスが流れる第2排ガス経路とを備え、空気と排ガスとが熱交換する第2熱交換器と、排ガスを用いて水添脱硫器を加熱する加熱器と、を備える。排ガスは、第1熱交換器の第1排ガス経路、加熱器および第2熱交換器の第2排ガス経路をこの順に流れ、空気は、第2熱交換器の空気経路、第1熱交換器の空気経路および燃料電池をこの順に流れ、第1熱交換器と第2熱交換器と、が一体的に構成されている。   That is, the fuel cell system of the first embodiment includes a fuel cell that generates power using fuel and air obtained by reforming a raw material, a hydrodesulfurizer that removes sulfur components in the raw material, and air that flows air. A first exhaust gas path through which the exhaust gas used for heating the path and the fuel cell flows, a first heat exchanger for exchanging heat between the air and the exhaust gas, a second exhaust gas path through which the air path and the exhaust gas flow, and an air And a second heat exchanger for exchanging heat with the exhaust gas, and a heater for heating the hydrodesulfurizer using the exhaust gas. The exhaust gas flows in this order through the first exhaust gas path of the first heat exchanger, the heater and the second exhaust gas path of the second heat exchanger, and the air flows through the air path of the second heat exchanger, the first heat exchanger. The air path and the fuel cell flow in this order, and the first heat exchanger and the second heat exchanger are integrally configured.

なお、上記の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池でであってもよい。   The fuel cell may be a solid oxide fuel cell.

かかる構成により、水添脱硫器を排ガスで加熱する場合において、従来に比べ、水添脱硫器の適切な温度制御を行い得る。   With this configuration, when the hydrodesulfurizer is heated with exhaust gas, it is possible to control the temperature of the hydrodesulfurizer more appropriately than in the past.

また、第1熱交換器と第2熱交換器とを一体的に構成することで、第1熱交換器、第2熱交換器および加熱器をそれぞれ接続する部材の個数および流路長を削減できる。第1熱交換器と第2熱交換器とを一体的に構成することで燃料電池システムを小型化できるので、燃料電池システム筐体の伝熱面積を減らせる。   In addition, by integrally configuring the first heat exchanger and the second heat exchanger, the number of members connecting the first heat exchanger, the second heat exchanger, and the heater and the flow path length can be reduced. it can. Since the fuel cell system can be downsized by integrally configuring the first heat exchanger and the second heat exchanger, the heat transfer area of the fuel cell system housing can be reduced.

以上により、本実施形態の燃料電池システムは、図9の燃料電池システム100に比べ、上記各部材からの放熱を抑制できる。よって、燃料電池システムの発電効率を向上できる。更に、燃料電池システムの放熱を抑制できることから、燃料電池システムの熱バランスが取りやすくなる。   As described above, the fuel cell system according to the present embodiment can suppress the heat radiation from the respective members as compared with the fuel cell system 100 of FIG. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell system can be improved. Furthermore, since heat dissipation of the fuel cell system can be suppressed, it becomes easy to achieve a heat balance of the fuel cell system.

また、第1熱交換器、第2熱交換器および加熱器をそれぞれ接続する部材の個数および流路長を削減、および燃料電池システムの小型化などにより燃料電池システムの製造コストを低減できる。   In addition, the number of members connecting the first heat exchanger, the second heat exchanger, and the heater and the flow path length can be reduced, and the manufacturing cost of the fuel cell system can be reduced by downsizing the fuel cell system.

以下、第1実施形態の具体例について図面を参照して説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する。   Hereinafter, specific examples of the first embodiment will be described with reference to the drawings. In the following, the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals throughout all the drawings, and the description thereof is omitted.

[装置構成]
図1は、第1実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
[Device configuration]
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a fuel cell system according to the first embodiment.

図1に示すように、燃料電池システム100は、燃料電池6と、改質器4と、水添脱硫器3と、加熱器8と、空気経路10と、第1排ガス経路20と、第1熱交換器5と、第2排ガス経路21と、第2熱交換器13と、を備える。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 includes a fuel cell 6, a reformer 4, a hydrodesulfurizer 3, a heater 8, an air path 10, a first exhaust gas path 20, The heat exchanger 5, the second exhaust gas path 21, and the second heat exchanger 13 are provided.

燃料電池6は、原料の改質で得られた燃料および空気を用いて発電する。なお、燃料電池システム100は、発料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器4を備えてもよい。改質器4を備えない場合は、燃料電池ユニット内で改質反応により水素含有ガスが生成される。このような例として、内部改質形の固体酸化物燃料電池が挙げられる。   The fuel cell 6 generates power using the fuel and air obtained by reforming the raw material. The fuel cell system 100 may include a reformer 4 that generates a hydrogen-containing gas by a reforming reaction using a charge. When the reformer 4 is not provided, a hydrogen-containing gas is generated by a reforming reaction in the fuel cell unit. As such an example, an internal reforming type solid oxide fuel cell can be mentioned.

燃料電池6は、いずれの種類であってもよい。燃料電池6として、例えば、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、および燐酸形燃料電池などを例示できる。   The fuel cell 6 may be any type. Examples of the fuel cell 6 include a polymer electrolyte fuel cell, a solid oxide fuel cell, and a phosphoric acid fuel cell.

なお、燃料電池6が、固体酸化物形燃料電池の場合、水添脱硫器3、改質器4、燃料電池6、第1熱交換器5、加熱器8および第2熱交換器13などを、図示しない断熱材を用いて燃料電池ユニットの筐体内に配置しても構わない。   When the fuel cell 6 is a solid oxide fuel cell, the hydrodesulfurizer 3, the reformer 4, the fuel cell 6, the first heat exchanger 5, the heater 8, the second heat exchanger 13, etc. Alternatively, a heat insulating material (not shown) may be used and disposed in the housing of the fuel cell unit.

燃料電池6は、燃料が供給される燃料極および空気が供給される空気極を備え、燃料極と空気極との間で発電反応を行って発電する燃料電池単セルを、複数枚、直列に接続してセルスタックを形成している。なお、燃料電池6は、更に直列接続したセルスタックを並列に接続させた構成としてもよい。   The fuel cell 6 includes a fuel electrode to which fuel is supplied and an air electrode to which air is supplied, and a plurality of fuel cell single cells that generate power by performing a power generation reaction between the fuel electrode and the air electrode are connected in series. Connected to form a cell stack. In addition, the fuel cell 6 is good also as a structure which connected the cell stack further connected in series in parallel.

燃料電池6が固体酸化物形燃料電池の場合、燃料電池6を構成する燃料電池単セルとしては、例えば、イットリアをドープしたジルコニア(YSZ)、イットリビウムやスカンジウムをドープしたジルコニア、又は、ランタンガレート系の固体電解質を備える燃料電池単セルを用いることができる。例えば、燃料電池単セルが、YSZを備える場合、厚みにもよるが、約600−900℃の温度範囲で、燃料電池6の発電反応が行われる。   When the fuel cell 6 is a solid oxide fuel cell, the fuel cell single cell constituting the fuel cell 6 is, for example, zirconia doped with yttria (YSZ), zirconia doped with yttrium or scandium, or a lanthanum gallate system. A single fuel cell cell having a solid electrolyte of the above can be used. For example, when the fuel cell unit cell includes YSZ, the power generation reaction of the fuel cell 6 is performed in a temperature range of about 600 to 900 ° C., depending on the thickness.

なお、原料は、メタンを主成分とする都市ガスおよび天然ガス、LPGなどの少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含むものである。   In addition, a raw material contains the organic compound comprised from carbon and hydrogen at least, such as city gas and natural gas which have methane as a main component, and LPG.

また、燃料電池システム100における改質反応(本実施形態では、改質器4の改質反応)は、いずれの形態であっても良い。改質反応として、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応および部分酸化反応などを例示できる。図1には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、水蒸気を生成する蒸発器、および蒸発器に水を供給する水供給器などが設けられる。改質反応が、オートサーマル反応であれば、更に、空気を供給する空気供給器が設けられる。   Further, the reforming reaction in the fuel cell system 100 (in this embodiment, the reforming reaction of the reformer 4) may take any form. Examples of the reforming reaction include a steam reforming reaction, an autothermal reaction, and a partial oxidation reaction. Although not shown in FIG. 1, equipment required for each reforming reaction is provided as appropriate. For example, if the reforming reaction is a steam reforming reaction, an evaporator that generates steam and a water supply unit that supplies water to the evaporator are provided. If the reforming reaction is an autothermal reaction, an air supply device for supplying air is further provided.

改質器4の改質触媒としては、例えば、Al(アルミナ)の球体表面にNiを含浸し、担持した触媒、Alの球体表面にルテニウムを付与した触媒などを例示できる。 Examples of the reforming catalyst of the reformer 4 include a catalyst in which Ni 2 is impregnated on the surface of an Al 2 O 3 (alumina) sphere, and a catalyst in which ruthenium is applied to the surface of the Al 2 O 3 sphere. .

ここで、燃料電池システム100の起動時は、改質器4において吸熱反応である水蒸気改質反応を行うには熱エネルギーが不足している。そこで、燃料電池システム100の起動時は、改質水経路から蒸発器に水を供給させずに、改質器4に供給する空気を利用して、下記式(1)で表される部分酸化改質が行われ、改質ガス(水素含有ガス)および一酸化炭素ガスが生成される。   Here, when the fuel cell system 100 is activated, the reformer 4 has insufficient heat energy to perform a steam reforming reaction that is an endothermic reaction. Therefore, when the fuel cell system 100 is started, the partial oxidation represented by the following formula (1) is performed using the air supplied to the reformer 4 without supplying water to the evaporator from the reformed water path. Reforming is performed, and reformed gas (hydrogen-containing gas) and carbon monoxide gas are generated.

CnHm + (n/2)O → n・CO + (m/2)H(n,mは任意の自然数)
・・・(1)
CnHm + (n / 2) O 2 → n · CO + (m / 2) H 2 (n and m are arbitrary natural numbers)
... (1)

そして、これらの改質ガスおよび一酸化炭素ガスは、固体酸化物形の燃料電池6に供給され、燃料電池6において、空気とともに発電反応に利用される。   These reformed gas and carbon monoxide gas are supplied to the solid oxide fuel cell 6 and used in the power generation reaction together with air in the fuel cell 6.

また、燃料電池システム100の起動後、燃料電池6の発電が進行するにつれて、改質器4の温度が上昇する。すなわち、上記式(1)で表される部分酸化改質反応は発熱反応であること、および、燃料電池6のオフガスを燃焼する燃焼部(図示せず)からの排ガスの熱および燃焼部の輻射熱により、改質器4の温度が上昇する。そして、改質器4の温度が、例えば、400℃以上に昇温すると、下記式(2)で表される水蒸気改質反応を並行して行うことが可能となる。   Further, after the fuel cell system 100 is started, the temperature of the reformer 4 rises as the power generation of the fuel cell 6 proceeds. That is, the partial oxidation reforming reaction represented by the above formula (1) is an exothermic reaction, and the heat of exhaust gas from the combustion section (not shown) for burning off-gas of the fuel cell 6 and the radiant heat of the combustion section. As a result, the temperature of the reformer 4 rises. Then, when the temperature of the reformer 4 is raised to, for example, 400 ° C. or higher, the steam reforming reaction represented by the following formula (2) can be performed in parallel.

CnHm + n・HO → n・CO +(m/2+ n)H(n,mは任意の自然数)
・・・(2)
CnHm + n · H 2 O → n · CO + (m / 2 + n) H 2 (n, m is an arbitrary natural number)
... (2)

水蒸気改質反応は、部分酸化改質反応と比較すると、同じ量の炭化水素(CnHm)から生成できる水素量が多い。よって、燃料電池6の発電反応に利用可能な改質ガス中の水素量が多くなる。つまり、水蒸気改質反応の方が、部分酸化改質反応に比べて効率よく改質ガスを生成できる。   The steam reforming reaction has a larger amount of hydrogen that can be generated from the same amount of hydrocarbon (CnHm) than the partial oxidation reforming reaction. Therefore, the amount of hydrogen in the reformed gas that can be used for the power generation reaction of the fuel cell 6 increases. That is, the reforming gas can be generated more efficiently in the steam reforming reaction than in the partial oxidation reforming reaction.

一方、水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、部分酸化改質反応による発熱、燃焼部の排ガスの熱、および燃焼部の輻射熱を利用し、水蒸気改質反応に必要な熱量を補いつつ、水蒸気改質反応を進行させる必要がある。そして、改質器4の温度が、例えば、600℃以上になれば、水蒸気改質反応に必要な熱量を排ガスの熱および燃焼部の輻射熱だけで補うことが可能になり、改質器4における反応が水蒸気改質のみで行われる。   On the other hand, the steam reforming reaction is an endothermic reaction. The reforming reaction needs to proceed. When the temperature of the reformer 4 is, for example, 600 ° C. or higher, the amount of heat necessary for the steam reforming reaction can be supplemented only by the heat of the exhaust gas and the radiant heat of the combustion section. The reaction is carried out only by steam reforming.

水添脱硫器3は、原料中の硫黄成分を除去する。硫黄化合物などの硫黄成分が除去された原料は、改質器4に送られる。水添脱硫器3の容器に水添脱硫剤が充填される。水添脱硫剤は、例えば、硫黄化合物を硫化水素に変換する機能と硫化水素を吸着する機能を共に有するCuZn系触媒が用いられる。水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、原料中の硫黄化合物を硫化水素に変換するNiMo系触媒又はCoMo系触媒と、その下流に配されて硫化水素を吸着除去する硫黄吸着剤であるZnO系触媒、又はCuZn系触媒とで構成しても構わない。   The hydrodesulfurizer 3 removes sulfur components in the raw material. The raw material from which sulfur components such as sulfur compounds are removed is sent to the reformer 4. The hydrodesulfurizer 3 is filled with a hydrodesulfurizing agent. As the hydrodesulfurization agent, for example, a CuZn-based catalyst having both a function of converting a sulfur compound into hydrogen sulfide and a function of adsorbing hydrogen sulfide is used. The hydrodesulfurization agent is not limited to this example, but is a NiMo-based catalyst or CoMo-based catalyst that converts a sulfur compound in a raw material into hydrogen sulfide, and a sulfur adsorption that is disposed downstream thereof to adsorb and remove hydrogen sulfide. You may comprise with the ZnO type catalyst which is an agent, or a CuZn type catalyst.

また、図示しないリサイクル経路により、燃料電池6に送る改質ガスの一部を、水添反応用の水素として水添脱硫器3に流入する前の原料に供給しても構わない。   In addition, a part of the reformed gas sent to the fuel cell 6 may be supplied to the raw material before flowing into the hydrodesulfurizer 3 as hydrogen for hydrogenation reaction through a recycle path (not shown).

例えば、改質器4から燃料電池6への経路を途中(分岐部)で分岐させ、改質器4からの改質ガスの一部を原料に戻すためのリサイクル経路を設けても構わない。これにより、水添脱硫器3へと供給される原料に水素を添加することが可能となり、水添脱硫器3は、この水素を利用して前述の水添脱硫を行うことができる。   For example, a path from the reformer 4 to the fuel cell 6 may be branched in the middle (branch portion), and a recycle path for returning a part of the reformed gas from the reformer 4 to the raw material may be provided. Thereby, it becomes possible to add hydrogen to the raw material supplied to the hydrodesulfurizer 3, and the hydrodesulfurizer 3 can perform the above-mentioned hydrodesulfurization using this hydrogen.

なお、改質器4から燃料電池6への経路とリサイクル経路との分岐部の近傍であって、かつ、リサイクル経路上に減圧部を設けても構わない。減圧部は、リサイクル経路内を流れる改質ガスの流量を調整するものであり、例えば、キャピラリチューブなどにより構成される。すなわち、減圧部は、キャピラリチューブなどにより流路を細くし圧力損失を大きくさせることで、リサイクル経路内を所望の流量だけ改質ガスが流れるように構成されている。また、このリサイクル経路の途中に凝縮器を設けても構わない。凝縮器を備える構成であると、リサイクル経路を流れる改質ガスが低温化したとき、この凝縮器により水分を回収することができる。よって、凝縮水によるリサイクル経路の流路閉塞などの可能性が低減する。   Note that a decompression unit may be provided in the vicinity of a branch portion between the path from the reformer 4 to the fuel cell 6 and the recycling path and on the recycling path. The decompression unit adjusts the flow rate of the reformed gas flowing in the recycling path, and is configured by, for example, a capillary tube. That is, the decompression unit is configured such that the reformed gas flows through the recycling path by a desired flow rate by narrowing the flow path with a capillary tube or the like and increasing the pressure loss. Moreover, you may provide a condenser in the middle of this recycle path | route. With the configuration including the condenser, when the reformed gas flowing through the recycling path is lowered in temperature, moisture can be recovered by the condenser. Thus, the possibility of blockage of the recycling path due to condensed water is reduced.

また、リサイクル経路と原料供給経路との接続箇所よりも下流であって、水添脱硫器3よりも上流の原料供給経路上に、原料供給器を配しても構わない。原料供給器は、改質器4へ供給する原料の流量を調整する機器であり、例えば、昇圧器と流量調整弁により構成されるが、これらのいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器として、例えば、定容積型ポンプなどを例示できる。流量調整弁として、例えば、電磁弁などを例示できる。原料は、原料供給源から原料供給器に供給される。原料供給源は所定の供給圧を備える。原料供給源として、例えば、原料ボンベ、原料インフラなどを例示できる。   Further, the raw material supply device may be disposed on the raw material supply route downstream of the connection point between the recycling route and the raw material supply route and upstream of the hydrodesulfurizer 3. The raw material supplier is a device that adjusts the flow rate of the raw material supplied to the reformer 4, and is constituted by, for example, a booster and a flow rate adjustment valve, but may be constituted by any one of these. An example of the booster is a constant displacement pump. Examples of the flow rate adjustment valve include an electromagnetic valve. The raw material is supplied from the raw material supply source to the raw material supplier. The raw material supply source has a predetermined supply pressure. Examples of the raw material supply source include a raw material cylinder and a raw material infrastructure.

ここで、水添脱硫剤として、NiMo系触媒又はCoMo系触媒と酸化亜鉛とを組み合わせた触媒を用いる場合、水添脱硫器3は、約350−400℃の温度範囲で、原料中の硫黄化合物を水添分解する。そして、水添脱硫器3は、HSを約350−400℃の温度範囲でZnOに吸着させることで除去する。例えば、原料が都市ガスの場合、付臭剤として硫黄化合物であるジメチルスルフィド(dimethl sulfide;CS,DMS)が含まれる。このDMSは、水添脱硫器3において、以下の反応式(式(1)、(2))によるZnSの形、又は物理吸着の形で脱硫剤によって除去される。 Here, as a hydrodesulfurization agent, when using a NiMo catalyst or a catalyst in which a CoMo catalyst and zinc oxide are combined, the hydrodesulfurizer 3 is a sulfur compound in the raw material in a temperature range of about 350 to 400 ° C. Hydrocracked. Then, the hydrodesulfurization unit 3 is removed by adsorbing the ZnO of H 2 S in the temperature range of about 350-400 ° C.. For example, when the raw material is city gas, dimethyl sulfide (C 2 H 6 S, DMS), which is a sulfur compound, is included as an odorant. The DMS is removed by the desulfurization agent in the hydrodesulfurizer 3 in the form of ZnS according to the following reaction formulas (Equations (1) and (2)) or in the form of physical adsorption.

S+2H→2CH+HS・・・(1)
S+ZnO→HO+ZnS・・・・・(2)
C 2 H 6 S + 2H 2 → 2CH 4 + H 2 S (1)
H 2 S + ZnO → H 2 O + ZnS (2)

なお、上記付臭剤は、例示であって、本例に限定されない。付臭剤として、例えば、TBM(C10S)又はTHT(CS)などの他の硫黄化合物を例示できる。 In addition, the said odorant is an illustration and is not limited to this example. Examples of the odorant include other sulfur compounds such as TBM (C 4 H 10 S) or THT (C 4 H 8 S).

水添脱硫剤として、CuZn系触媒を用いる場合、約150−350℃が、水添脱硫器3による水添反応の適温の動作温度となる。このCuZn系触媒は、水添脱硫の他、物理吸着の性能を備える。水添脱硫器3は、低温で主に物理吸着、高温で化学吸着(HS+ZnO→HO+ZnS)を行うことができる。この場合、水添脱硫器3を通過した原料中の硫黄含有量は、1vol ppb(parts per billion)以下、通常は、0.1vol ppb以下となる。 When a CuZn-based catalyst is used as the hydrodesulfurization agent, about 150 to 350 ° C. is an appropriate operating temperature for the hydrogenation reaction by the hydrodesulfurizer 3. This CuZn-based catalyst has physical adsorption performance in addition to hydrodesulfurization. The hydrodesulfurizer 3 can mainly perform physical adsorption at low temperatures and chemical adsorption (H 2 S + ZnO → H 2 O + ZnS) at high temperatures. In this case, the sulfur content in the raw material passed through the hydrodesulfurizer 3 is 1 vol ppb (parts per billion) or less, and usually 0.1 vol ppb or less.

また、水添脱硫器3に、図示しない温度検知器を配しても構わない。温度検知器は、水添脱硫剤の温度を直接的又は間接的に検知できれば、どのような構成であっても構わない。例えば、水添脱硫器3の内部に温度検知器を設け、水添脱硫剤の温度を直接的に検知しても構わないし、水添脱硫剤の温度と相関する所定の箇所(例えば、水添脱硫器3に接続される配管など)に温度検知器を設け、水添脱硫剤の温度を間接的に検知しても構わない。温度検知器として、例えば、熱電対又はサーミスタなどを例示できる。そして、図示しない制御器は、上記の温度検知器の検知温度に基づいて、フィードバック制御を行っても構わない。例えば、燃焼部の異常又は燃料電池システム100の低負荷時(低発電量時)には水添脱硫器3が過昇温となる場合がある。そこで、温度検出器をモニターすることで、予め定められた時間内に、温度検出器の検知温度が、所定の基準温度になるように発電用の空気の流量調整によるフィードバック制御を行い得る。これにより、水添脱硫器3の過昇温を適切に抑止できる。   Further, the hydrodesulfurizer 3 may be provided with a temperature detector (not shown). The temperature detector may have any configuration as long as the temperature of the hydrodesulfurization agent can be detected directly or indirectly. For example, a temperature detector may be provided inside the hydrodesulfurizer 3 to directly detect the temperature of the hydrodesulfurizing agent, or a predetermined location (for example, a hydrogenated desulfurizing agent) correlated with the temperature of the hydrodesulfurizing agent. A temperature detector may be provided in a pipe connected to the desulfurizer 3) to indirectly detect the temperature of the hydrodesulfurizing agent. Examples of the temperature detector include a thermocouple or a thermistor. A controller (not shown) may perform feedback control based on the temperature detected by the temperature detector. For example, the hydrodesulfurizer 3 may be overheated when the combustion section is abnormal or when the fuel cell system 100 is under a low load (low power generation amount). Therefore, by monitoring the temperature detector, it is possible to perform feedback control by adjusting the flow rate of air for power generation so that the temperature detected by the temperature detector becomes a predetermined reference temperature within a predetermined time. Thereby, the excessive temperature rise of the hydrodesulfurizer 3 can be suppressed appropriately.

制御器は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であっても構わない。制御器は、例えば、演算処理部(図示せず)と、制御プログラムを記憶する記憶部(図示せず)とを備える。演算処理部としては、例えば、MPU、CPUなどを例示できる。記憶部としては、例えば、メモリなどを例示できる。制御器は、集中制御が行われる単独の制御器で構成されていてもいいし、分散制御が行われる複数の制御器で構成されていてもいい。   The controller may have any configuration as long as it has a control function. The controller includes, for example, an arithmetic processing unit (not shown) and a storage unit (not shown) that stores a control program. Examples of the arithmetic processing unit include an MPU and a CPU. Examples of the storage unit include a memory. The controller may be composed of a single controller that performs centralized control, or may be composed of a plurality of controllers that perform distributed control.

第1熱交換器5は、空気が流れる空気経路10と燃料電池6の加熱に用いた排ガスが流れる第1排ガス経路20とを備え、空気と排ガスとが熱交換する。第1熱交換器5は、空気と排ガスとが熱交換できれば、どのような構成であっても構わない。例えば、第1熱交換器5は、空気および排ガスの流れが対向している対向流熱交換器でもいいし、両流体の流れが並行している並行流熱交換器でもいいし、両流体の流れが直交している直交流熱交換器でもいい。また、第1熱交換器5は、プレート式熱交換器でもいいし、多管式熱交換器でもいい。   The first heat exchanger 5 includes an air path 10 through which air flows and a first exhaust gas path 20 through which exhaust gas used for heating the fuel cell 6 flows, and heat exchange between the air and the exhaust gas. The first heat exchanger 5 may have any configuration as long as air and exhaust gas can exchange heat. For example, the first heat exchanger 5 may be a counterflow heat exchanger in which the flow of air and exhaust gas are opposed, a parallel flow heat exchanger in which the flows of both fluids are parallel, It may be a cross flow heat exchanger in which the flow is orthogonal. The first heat exchanger 5 may be a plate heat exchanger or a multi-tube heat exchanger.

第2熱交換器13は、上記空気経路10と排ガスが流れる第2排ガス経路21とを備え、空気と排ガスとが熱交換する。第2熱交換器13は、空気と排ガスとが熱交換できれば、どのような構成であっても構わない。例えば、第2熱交換器13は、空気および排ガスの流れが対向している対向流熱交換器でもいいし、両流体の流れが並行している並行流熱交換器でもいいし、両流体の流れが直交している直交流熱交換器でもいい。また、第2熱交換器13は、プレート式熱交換器でもいいし、多管式熱交換器でもいい。   The second heat exchanger 13 includes the air path 10 and a second exhaust gas path 21 through which the exhaust gas flows, and heat exchange between the air and the exhaust gas. The second heat exchanger 13 may have any configuration as long as air and exhaust gas can exchange heat. For example, the second heat exchanger 13 may be a counter flow heat exchanger in which the flow of air and exhaust gas are opposed, a parallel flow heat exchanger in which the flows of both fluids are parallel, It may be a cross flow heat exchanger in which the flow is orthogonal. The second heat exchanger 13 may be a plate heat exchanger or a multi-tube heat exchanger.

なお、図示を省略しているが、燃料電池システム100は、燃料電池ユニット外から空気経路10を介して第2熱交換器13に空気を供給する空気供給器を備える。空気供給器は、燃料電池6の発電に用いる空気(発電用の空気)の流量を調整する機器である。空気供給器は、例えば、昇圧器と流量計などから構成されていても構わない。昇圧器として、例えば、ポンプなどを例示できる。ポンプとして、例えば、電磁駆動式のダイアフラムポンプなどを例示できる。また、流量計として、例えば、熱量式センサーなどを例示できる。   In addition, although illustration is abbreviate | omitted, the fuel cell system 100 is provided with the air supply device which supplies air to the 2nd heat exchanger 13 via the air path 10 from the outside of a fuel cell unit. The air supplier is a device that adjusts the flow rate of air (power generation air) used for power generation of the fuel cell 6. The air supply device may be composed of, for example, a booster and a flow meter. An example of the booster is a pump. Examples of the pump include an electromagnetically driven diaphragm pump. Moreover, as a flow meter, a calorific value type | mold sensor etc. can be illustrated, for example.

加熱器8は、排ガスを用いて水添脱硫器3を加熱する。具体的には、燃料電池6のオフガスを燃焼する燃焼部からの排ガスを用いて水添脱硫器3が加熱される。加熱器8は、排ガスを用いて水添脱硫器3を加熱できれば、どのような構成であっても構わない。加熱器8として、例えば、水添脱硫器3(原料ガス)と排ガスとの熱交換が行われる熱交換器などを例示できる。   The heater 8 heats the hydrodesulfurizer 3 using exhaust gas. Specifically, the hydrodesulfurizer 3 is heated using the exhaust gas from the combustion section that burns off-gas of the fuel cell 6. The heater 8 may have any configuration as long as the hydrodesulfurizer 3 can be heated using exhaust gas. Examples of the heater 8 include a heat exchanger in which heat exchange between the hydrodesulfurizer 3 (raw material gas) and the exhaust gas is performed.

ここで、図1に示すように、本実施形態の燃料電池システム100では、排ガスは、第1熱交換器5の第1排ガス経路20、加熱器8および第2熱交換器13の第2排ガス経路21をこの順に流れている。具体的には、図1に示すように、燃焼部からの排ガスは、第1排ガス経路20を通じて第1熱交換器5を流通した後、第1排ガス経路20からの排ガスが加熱器8に流入する。加熱器8からの排ガスは、第2排ガス経路21を通じて第2熱交換器13を流通した後、燃料電池ユニット外へ排出される。   Here, as shown in FIG. 1, in the fuel cell system 100 of the present embodiment, the exhaust gas is the first exhaust gas path 20 of the first heat exchanger 5, the heater 8, and the second exhaust gas of the second heat exchanger 13. The route 21 flows in this order. Specifically, as shown in FIG. 1, after the exhaust gas from the combustion section flows through the first heat exchanger 5 through the first exhaust gas path 20, the exhaust gas from the first exhaust gas path 20 flows into the heater 8. To do. The exhaust gas from the heater 8 flows through the second heat exchanger 13 through the second exhaust gas path 21 and is then discharged out of the fuel cell unit.

また、燃料電池ユニット外からの空気は、第2熱交換器13の空気経路10、第1熱交換器5の空気経路10および燃料電池6をこの順に流れている。   Air from the outside of the fuel cell unit flows through the air path 10 of the second heat exchanger 13, the air path 10 of the first heat exchanger 5, and the fuel cell 6 in this order.

以上により、本実施形態の燃料電池システム100は、水添脱硫器3を排ガスで加熱する場合において、従来に比べ、水添脱硫器3の適切な温度制御を行い得る。また、本実施形態の燃料電池システム100は、従来に比べ、排ガスの熱回収効率を向上し得る。例えば、第1熱交換器5において、第2熱交換器13からの空気を更に加熱できるとともに、加熱器8を流れる排ガスの温度を、水添脱硫器3での水添反応に適した温度範囲にまで低下できる。また、第2熱交換器13において、水添脱硫器3からの排ガスを用いて、燃料電池ユニット外からの低温の空気を予熱できる。   As described above, the fuel cell system 100 of the present embodiment can perform appropriate temperature control of the hydrodesulfurizer 3 as compared with the conventional case when the hydrodesulfurizer 3 is heated with exhaust gas. Further, the fuel cell system 100 of the present embodiment can improve the heat recovery efficiency of the exhaust gas as compared with the conventional case. For example, in the first heat exchanger 5, the air from the second heat exchanger 13 can be further heated, and the temperature of the exhaust gas flowing through the heater 8 is a temperature range suitable for the hydrogenation reaction in the hydrodesulfurizer 3. It can be reduced to. Further, in the second heat exchanger 13, the low-temperature air from the outside of the fuel cell unit can be preheated using the exhaust gas from the hydrodesulfurizer 3.

また、図1に示すように、本実施形態の燃料電池システム100では、第1熱交換器5と第2熱交換器13と、が一体的に構成されている。具体的には、第1熱交換器5および第2熱交換器13において、空気経路10を形成する部材が共通化されている。また、第1熱交換器5および第2熱交換器13において、第1排ガス経路20、第2排ガス経路21および空気経路10はそれぞれ、隣接して配置されている。なお、このような第1熱交換器5と第2熱交換器13との一体的な構成は、第1熱交換器5、第2熱交換器13および加熱器8のそれぞれを接続する部材(例えば、配管など)の個数および流路長を削減することを意図しており、第1熱交換器5の第1排ガス経路20と第2熱交換器13の第2排ガス経路21との間に、適宜の断熱構成を設けることを妨げるものではない。両者を流れる排ガスが持っている熱が交換しにくくなる断熱構成については、第2実施形態で説明する。   Moreover, as shown in FIG. 1, in the fuel cell system 100 of this embodiment, the 1st heat exchanger 5 and the 2nd heat exchanger 13 are comprised integrally. Specifically, in the first heat exchanger 5 and the second heat exchanger 13, members that form the air path 10 are shared. In the first heat exchanger 5 and the second heat exchanger 13, the first exhaust gas path 20, the second exhaust gas path 21, and the air path 10 are arranged adjacent to each other. In addition, such an integrated configuration of the first heat exchanger 5 and the second heat exchanger 13 is a member that connects each of the first heat exchanger 5, the second heat exchanger 13, and the heater 8 ( For example, it is intended to reduce the number of pipes and the flow path length, and between the first exhaust gas path 20 of the first heat exchanger 5 and the second exhaust gas path 21 of the second heat exchanger 13. It does not preclude providing an appropriate heat insulation structure. A heat insulating configuration that makes it difficult to exchange heat of the exhaust gas flowing through both will be described in the second embodiment.

第1熱交換器5と第2熱交換器13とを一体的に構成することで、第1熱交換器5、第2熱交換器13および加熱器8をそれぞれ接続する部材(例えば、配管など)の個数および流路長を削減できる。例えば、本実施形態では、第1熱交換器5および第2熱交換器13の空気経路10を形成する部材を共通にすることで、第1熱交換器5の空気経路10と第2熱交換器13の空気経路10とを接続する配管などが不要となる。また、第1熱交換器5と加熱器8との間の第1排ガス経路20および第2熱交換器13と加熱器8との間の第2排ガス経路21の引き回しが容易となり、これらの第1排ガス経路20および第2排ガス経路21の流路長の短縮化が可能となる。また、第1熱交換器5と第2熱交換器13とを一体的に構成することで燃料電池システム100を小型化できるので、燃料電池システム100の筐体の伝熱面積を減らせる。   By integrally configuring the first heat exchanger 5 and the second heat exchanger 13, members for connecting the first heat exchanger 5, the second heat exchanger 13 and the heater 8 (for example, piping, etc.) ) And the channel length can be reduced. For example, in this embodiment, the member which forms the air path 10 of the 1st heat exchanger 5 and the 2nd heat exchanger 13 is made common, and the air path 10 and the 2nd heat exchange of the 1st heat exchanger 5 are used. A pipe or the like for connecting the air path 10 of the vessel 13 becomes unnecessary. Further, the first exhaust gas path 20 between the first heat exchanger 5 and the heater 8 and the second exhaust gas path 21 between the second heat exchanger 13 and the heater 8 can be easily routed. The lengths of the first exhaust gas path 20 and the second exhaust gas path 21 can be shortened. Moreover, since the fuel cell system 100 can be reduced in size by integrally configuring the first heat exchanger 5 and the second heat exchanger 13, the heat transfer area of the casing of the fuel cell system 100 can be reduced.

以上により、本実施形態の燃料電池システム100は、図9の燃料電池システム100に比べ、上記各部材からの放熱を抑制できる。よって、燃料電池システム100の発電効率を向上できる。更に、燃料電池システム100の放熱を抑制できることから、燃料電池システム100の熱バランスが取りやすくなる。   As described above, the fuel cell system 100 according to the present embodiment can suppress the heat radiation from the respective members as compared with the fuel cell system 100 of FIG. 9. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell system 100 can be improved. Furthermore, since heat dissipation of the fuel cell system 100 can be suppressed, it becomes easier to balance the heat of the fuel cell system 100.

また、第1熱交換器5、第2熱交換器13および加熱器8をそれぞれ接続する部材(例えば、配管など)の個数および流路長を削減、および燃料電池システム100の小型化などにより、燃料電池システム100の製造コストを低減できる。   In addition, by reducing the number of members (for example, piping) and the flow path length that connect the first heat exchanger 5, the second heat exchanger 13, and the heater 8, respectively, and by reducing the size of the fuel cell system 100, The manufacturing cost of the fuel cell system 100 can be reduced.

[動作]
以下、本実施形態の燃料電池システム100の動作の一例について図1を参照しながら説明する。なお、以下の動作は、制御器の制御プログラムで行われても構わない。
[Operation]
Hereinafter, an example of the operation of the fuel cell system 100 of the present embodiment will be described with reference to FIG. The following operation may be performed by a control program of the controller.

本実施形態の燃料電池システム100では、水添脱硫器3を加熱する加熱器8を設けることにより、高温の排ガスによって水添脱硫器3を水添反応に適した温度まで加熱できる構成となっている。よって、ここでは、燃焼部からの排ガスの流れおよび熱移動について詳しく説明する。   In the fuel cell system 100 of this embodiment, by providing the heater 8 that heats the hydrodesulfurizer 3, the hydrodesulfurizer 3 can be heated to a temperature suitable for the hydrogenation reaction with high-temperature exhaust gas. Yes. Therefore, the exhaust gas flow and heat transfer from the combustion section will be described in detail here.

燃焼部からの排ガスの流量およびその温度については、固体酸化物形の燃料電池6における改質ガスおよび空気(発電用の空気)の燃料利用率(燃料として燃料電池6の発電反応で消費される割合)を調整することにより、制御することが可能である。   Regarding the flow rate of exhaust gas from the combustion section and its temperature, the fuel utilization rate of reformed gas and air (power generation air) in the solid oxide fuel cell 6 (consumed as a fuel in the power generation reaction of the fuel cell 6) It is possible to control by adjusting the ratio.

例えば、燃焼部の温度範囲を、約600−900℃になるように、燃料電池6における改質ガスおよび空気の燃料利用率を設定する。   For example, the fuel utilization rate of the reformed gas and air in the fuel cell 6 is set so that the temperature range of the combustion section is about 600-900 ° C.

このように温度範囲が設定された燃焼部において、未利用の改質ガスと発電用の空気との燃焼が行われ、排ガスが生成される。排ガスは、改質器4および改質水を蒸発する蒸発器などを加熱に用いられ、排ガスの熱の一部が消費される。   In the combustion section in which the temperature range is set in this way, unused reformed gas and power generation air are combusted, and exhaust gas is generated. The exhaust gas is used for heating the reformer 4 and an evaporator for evaporating the reformed water, and a part of the heat of the exhaust gas is consumed.

次に、排ガスは、第1熱交換器5の加熱流体として、第1排ガス経路20を通じて第1熱交換器5に流入する。このとき、第1熱交換器5において、燃料電池6の発電に用いる空気(発電用の空気)と排ガスと、が熱交換する。これにより、排ガスは、熱が更に奪われ、排ガスの温度は、水添脱硫器3の水添反応に適した温度範囲まで低下する。そして、排ガスは、第1排ガス経路20を通じて加熱器8へ流入する。つまり、燃焼部の排ガスの温度は、例えば、約600℃−900℃と高温である。しかし、排ガスを用いて、改質器4および蒸発器を加熱するとともに、第1熱交換器5において発電用の空気と熱交換させることで、加熱器8に到達するまでに排ガスの温度は適温にまで冷却できる。特に、燃料電池6を用いて、例えば、1kWの発電を行う場合、50L/min以上の空気を外気温から約400−800℃になるまで加熱する必要があるため、第1熱交換器5では大量の熱量が必要となる。そこで、空気加熱に必要な熱を排ガスの熱によって賄うことができる。   Next, the exhaust gas flows into the first heat exchanger 5 through the first exhaust gas path 20 as a heating fluid of the first heat exchanger 5. At this time, in the first heat exchanger 5, air (power generation air) used for power generation of the fuel cell 6 and the exhaust gas exchange heat. As a result, the exhaust gas is further deprived of heat, and the temperature of the exhaust gas is lowered to a temperature range suitable for the hydrogenation reaction of the hydrodesulfurizer 3. Then, the exhaust gas flows into the heater 8 through the first exhaust gas path 20. That is, the temperature of the exhaust gas in the combustion section is as high as about 600 ° C. to 900 ° C., for example. However, the exhaust gas is used to heat the reformer 4 and the evaporator, and the first heat exchanger 5 performs heat exchange with the power generation air so that the temperature of the exhaust gas reaches an appropriate temperature before reaching the heater 8. Can cool down to In particular, for example, when generating 1 kW using the fuel cell 6, it is necessary to heat air of 50 L / min or more from the outside temperature to about 400-800 ° C. In the first heat exchanger 5, A large amount of heat is required. Therefore, the heat required for air heating can be covered by the heat of the exhaust gas.

このようにして、排ガスの温度は、燃焼部での排ガスの流量と温度、改質器4および蒸発器に吸熱される熱量、および、第1熱交換器5に吸熱される熱量などを考慮して所望の値となるように制御されている。   Thus, the temperature of the exhaust gas takes into consideration the flow rate and temperature of the exhaust gas in the combustion section, the amount of heat absorbed by the reformer 4 and the evaporator, the amount of heat absorbed by the first heat exchanger 5, and the like. So that the desired value is obtained.

水添脱硫器3は、加熱器8に適温の排ガスを流すことで加熱される。水添脱硫器3の水添脱硫剤として、CuZn系触媒を用いる場合、加熱器8の排ガスの温度は、約150−350℃になるように、燃焼部での排ガスの流量および温度、改質器4および蒸発器で吸熱される熱量、第1熱交換器5で吸熱される熱量などが制御される。水添脱硫器3の水添脱硫剤として、Ni−Mo系又はCo−Mo系触媒と酸化亜鉛とを組み合わせた触媒を用いる場合、加熱器8の排ガスの温度は、約350−450℃になるように、燃焼部での排ガスの流量および温度、改質器4および蒸発器で吸熱される熱量、第1熱交換器5で吸熱される熱量などが制御される。以上により、水添脱硫器3は、水添反応に適した温度に温度制御される。   The hydrodesulfurizer 3 is heated by flowing an appropriate temperature exhaust gas through the heater 8. When a CuZn-based catalyst is used as the hydrodesulfurization agent of the hydrodesulfurizer 3, the flow rate and temperature of the exhaust gas in the combustion section and the reforming so that the temperature of the exhaust gas of the heater 8 is about 150-350 ° C. The amount of heat absorbed by the condenser 4 and the evaporator, the amount of heat absorbed by the first heat exchanger 5, and the like are controlled. When using a Ni-Mo-based or Co-Mo-based catalyst in combination with zinc oxide as the hydrodesulfurization agent of the hydrodesulfurizer 3, the temperature of the exhaust gas from the heater 8 is about 350-450 ° C. Thus, the flow rate and temperature of the exhaust gas in the combustion section, the amount of heat absorbed by the reformer 4 and the evaporator, the amount of heat absorbed by the first heat exchanger 5 and the like are controlled. As described above, the temperature of the hydrodesulfurizer 3 is controlled to a temperature suitable for the hydrogenation reaction.

加熱器8を通過した排ガスは、第2熱交換器13の加熱流体として、第2排ガス経路21を通じて第2熱交換器13に流入する。このとき、第2熱交換器13において、燃料電池ユニット外からの発電用の空気と排ガスと、が熱交換する。これにより、低温の発電用の空気を予熱できる。例えば、排ガスの温度が、約150℃−200℃になるように、排ガスから熱が更に奪われ、燃料電池ユニット外に排出される。なお、燃料電池ユニット外に排出した排ガスの熱を水との熱交換で回収し、熱回収が行われた水を貯湯タンクに貯えても構わない。   The exhaust gas that has passed through the heater 8 flows into the second heat exchanger 13 through the second exhaust gas path 21 as a heating fluid of the second heat exchanger 13. At this time, in the second heat exchanger 13, the air for power generation from the outside of the fuel cell unit and the exhaust gas exchange heat. Thereby, low-temperature power generation air can be preheated. For example, heat is further deprived from the exhaust gas so that the temperature of the exhaust gas is about 150 ° C. to 200 ° C., and is discharged out of the fuel cell unit. The heat of the exhaust gas discharged outside the fuel cell unit may be recovered by heat exchange with water, and the heat-recovered water may be stored in a hot water storage tank.

以上により、本実施形態の燃料電池システム100は、水添脱硫器3を排ガスで加熱する場合において、従来に比べ、水添脱硫器3の適切な温度制御を行い得る。また、本実施形態の燃料電池システム100は、従来に比べ、排ガスの熱回収効率を向上し得る。   As described above, the fuel cell system 100 of the present embodiment can perform appropriate temperature control of the hydrodesulfurizer 3 as compared with the conventional case when the hydrodesulfurizer 3 is heated with exhaust gas. Further, the fuel cell system 100 of the present embodiment can improve the heat recovery efficiency of the exhaust gas as compared with the conventional case.

(第1実施例)
第1実施形態の第1実施例の燃料電池システムは、第1実施形態の燃料電池システムにおいて、第1熱交換器および第2熱交換器は、直交流熱交換器である。
(First embodiment)
The fuel cell system according to the first example of the first embodiment is the fuel cell system according to the first embodiment, wherein the first heat exchanger and the second heat exchanger are cross flow heat exchangers.

かかる構成により、第1熱交換器および第2熱交換器は、並行流熱交換器を用いる場合に比べ、熱交換の性能が向上する。   With this configuration, the heat exchange performance of the first heat exchanger and the second heat exchanger is improved as compared with the case where a parallel flow heat exchanger is used.

本実施例の燃料電池システムは、上記の特徴以外は、第1実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。   The fuel cell system of the present embodiment may be configured in the same manner as the fuel cell system of the first embodiment except for the above features.

[装置構成]
図2は、第1実施形態の第1実施例の燃料電池システムの熱交換器の一例を示す図である。なお、図2では、便宜上、第1熱交換器5Aおよび第2熱交換器13Aの空気経路10と、第1熱交換器5Aの第1排ガス経路20および第2熱交換器13Aの第2排ガス経路21と、を分割して図示している。
[Device configuration]
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a heat exchanger of the fuel cell system according to the first example of the first embodiment. In FIG. 2, for convenience, the air path 10 of the first heat exchanger 5A and the second heat exchanger 13A, the first exhaust gas path 20 of the first heat exchanger 5A, and the second exhaust gas of the second heat exchanger 13A. The route 21 is divided and illustrated.

図2に示すように、第1排ガス経路20の排ガスおよび第2排ガス経路21の排ガスはそれぞれ、分散部30および分散部31において整流されて左右方向に流れる。一方、空気経路10の空気は、分散部32において整流されて、左右方向に直交する上下方向に流れる。つまり、第1熱交換器5Aおよび第2熱交換器13Bは、空気および排ガスの流れが直交している直交流熱交換器である。   As shown in FIG. 2, the exhaust gas in the first exhaust gas path 20 and the exhaust gas in the second exhaust gas path 21 are rectified in the dispersion part 30 and the dispersion part 31 and flow in the left-right direction. On the other hand, the air in the air path 10 is rectified in the dispersion portion 32 and flows in the vertical direction orthogonal to the left-right direction. That is, the first heat exchanger 5A and the second heat exchanger 13B are cross flow heat exchangers in which the flows of air and exhaust gas are orthogonal.

以上により、第1熱交換器5Aおよび第2熱交換器13Aは、並行流熱交換器を用いる場合に比べ、熱交換の性能が向上する。   As described above, the heat exchange performance of the first heat exchanger 5A and the second heat exchanger 13A is improved as compared with the case where a parallel flow heat exchanger is used.

(第2実施例)
第1実施形態の第2実施例の燃料電池システムは、第1実施形態の燃料電池システムにおいて、第1熱交換器および第2熱交換器は、プレート式熱交換器である。
(Second embodiment)
The fuel cell system of the second example of the first embodiment is the same as the fuel cell system of the first embodiment, but the first heat exchanger and the second heat exchanger are plate heat exchangers.

これにより、第1熱交換器および第2熱交換器は、例えば、二重管式熱交換器などを用いる場合に比べ、熱交換の性能が向上し、コンパクトに構成できる。よって、これらの第1熱交換器および第2熱交換器を小型高効率で一体的に構成できる。   Thereby, compared with the case where a 1st heat exchanger and a 2nd heat exchanger use a double pipe type heat exchanger etc., for example, the performance of heat exchange improves and it can comprise compactly. Therefore, these 1st heat exchangers and 2nd heat exchangers can be constituted integrally with small size and high efficiency.

本実施例の燃料電池システムは、上記の特徴以外は、第1実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。   The fuel cell system of the present embodiment may be configured in the same manner as the fuel cell system of the first embodiment except for the above features.

[装置構成]
図3は、第1実施形態の第2実施例の燃料電池システムの熱交換器の一例を示す図である。なお、図3の上段の図は、熱交換器の側面図であり、下段の図は、熱交換器の上面図である。
[Device configuration]
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a heat exchanger of the fuel cell system according to the second example of the first embodiment. The upper diagram in FIG. 3 is a side view of the heat exchanger, and the lower diagram is a top view of the heat exchanger.

図3に示すように、矩形の筐体40内に、排ガスと空気とが流入出する。また、筐体40内は、第1熱交換器5Bおよび第2熱交換器13Bが一体に収容されている。具体的には、第1熱交換器5Bおよび第2熱交換器13Bは、波形にプレスされた排ガス用伝熱プレート(図示せず)と、空気用伝熱プレート(図示せず)とを、ガスケットを介して交互に重ね合わせて組立てられている。つまり、第1熱交換器5Bおよび第2熱交換器13Bは、プレート式熱交換器である。   As shown in FIG. 3, exhaust gas and air flow into and out of the rectangular housing 40. In addition, the first heat exchanger 5B and the second heat exchanger 13B are accommodated integrally in the housing 40. Specifically, the first heat exchanger 5B and the second heat exchanger 13B include an exhaust gas heat transfer plate (not shown) pressed into a waveform and an air heat transfer plate (not shown). They are assembled by alternately overlapping with gaskets. That is, the first heat exchanger 5B and the second heat exchanger 13B are plate heat exchangers.

以上により、第1熱交換器5Bおよび第2熱交換器13Bは、例えば、二重管式熱交換器などを用いる場合に比べ、熱交換の性能が向上し、コンパクトに構成できる。よって、これらの第1熱交換器5Bおよび第2熱交換器13Bを小型高効率で一体的に構成できる。   By the above, the 1st heat exchanger 5B and the 2nd heat exchanger 13B can improve the performance of heat exchange compared with the case where a double pipe type heat exchanger etc. are used, for example, and can constitute it compactly. Therefore, the first heat exchanger 5B and the second heat exchanger 13B can be integrally configured with a small size and high efficiency.

(第2実施形態)
第2実施形態の燃料電池システムは、第1実施形態、第1実施形態の第1実施例および第1実施形態の第2実施例のいずれかの燃料電池システムにおいて、第1熱交換器の第1排ガス経路と第2熱交換器の第2排ガス経路との間が断熱されている。例えば、第1排ガス経路と第2排ガス経路との間に空間が形成されている。
(Second Embodiment)
The fuel cell system according to the second embodiment is the fuel cell system according to any one of the first embodiment, the first example of the first embodiment, and the second example of the first embodiment. The space between the 1 exhaust gas path and the second exhaust gas path of the second heat exchanger is insulated. For example, a space is formed between the first exhaust gas path and the second exhaust gas path.

第1熱交換器の第1排ガス経路と第2熱交換器の第2排ガス経路とを断熱に構成することで、両排ガス経路間の熱移動を低減できる。よって、このような断熱構成を取らない場合に比べ、熱交換の性能が向上する。   By configuring the first exhaust gas path of the first heat exchanger and the second exhaust gas path of the second heat exchanger as heat insulation, heat transfer between the two exhaust gas paths can be reduced. Therefore, the heat exchange performance is improved as compared with the case where such a heat insulating configuration is not adopted.

本実施形態の燃料電池システムは、上記の特徴以外は、第1実施形態、第1実施形態の第1実施例および第1実施形態の第2実施例のいずれかの燃料電池システムと同様に構成してもよい。   The fuel cell system of this embodiment is configured in the same manner as the fuel cell system of any one of the first embodiment, the first example of the first embodiment, and the second example of the first embodiment, except for the above-described features. May be.

[装置構成]
図4は、第2実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
[Device configuration]
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a fuel cell system according to the second embodiment.

図4に示すように、燃料電池システム100は、燃料電池6と、改質器4と、水添脱硫器3と、加熱器8と、空気経路10と、第1排ガス経路20と、第1熱交換器5と、第2排ガス経路21と、第2熱交換器13と、断熱空気層29と、を備える。燃料電池6、改質器4、水添脱硫器3、加熱器8、空気経路10、第1排ガス経路20、第1熱交換器5、第2排ガス経路21および第2熱交換器13については第1実施形態と同様であるので説明を省略する。   As shown in FIG. 4, the fuel cell system 100 includes a fuel cell 6, a reformer 4, a hydrodesulfurizer 3, a heater 8, an air path 10, a first exhaust gas path 20, The heat exchanger 5, the second exhaust gas path 21, the second heat exchanger 13, and the heat insulating air layer 29 are provided. Regarding the fuel cell 6, the reformer 4, the hydrodesulfurizer 3, the heater 8, the air path 10, the first exhaust gas path 20, the first heat exchanger 5, the second exhaust gas path 21, and the second heat exchanger 13 Since it is the same as that of 1st Embodiment, description is abbreviate | omitted.

本実施形態の燃料電池システム100は、第1熱交換器5の第1排ガス経路20と第2熱交換器13の第2排ガス経路21との間が断熱されている。燃料電池システム100は、第1排ガス経路20と第2排ガス経路21との間を断熱できれば、どのような構成であっても構わない。本実施形態では、図4に示すように、第1排ガス経路20と第2排ガス経路21との間に空間を形成している。これにより、両排ガス経路20、21の間を断熱空気層29として構成している。また、この空間にセラミックなどの適宜の断熱材を設けても構わない。   In the fuel cell system 100 of the present embodiment, the first exhaust gas path 20 of the first heat exchanger 5 and the second exhaust gas path 21 of the second heat exchanger 13 are insulated. The fuel cell system 100 may have any configuration as long as it can insulate between the first exhaust gas path 20 and the second exhaust gas path 21. In the present embodiment, as shown in FIG. 4, a space is formed between the first exhaust gas path 20 and the second exhaust gas path 21. Thereby, between the both exhaust gas paths 20 and 21 is comprised as the heat insulation air layer 29. FIG. Moreover, you may provide appropriate heat insulating materials, such as a ceramic, in this space.

第1熱交換器5の第1排ガス経路20を流れる排ガスの温度は、第2熱交換器13の第2排ガス経路21を流れる排ガスの温度に比べて高い。   The temperature of the exhaust gas flowing through the first exhaust gas path 20 of the first heat exchanger 5 is higher than the temperature of the exhaust gas flowing through the second exhaust gas path 21 of the second heat exchanger 13.

そこで、上記の如く、第1熱交換器5の第1排ガス経路20と第2熱交換器13の第2排ガス経路21とを断熱に構成することで、両排ガス経路20、21間の熱移動を低減できる。よって、このような断熱構成を取らない場合に比べ、熱交換の性能が向上する。   Therefore, as described above, the first exhaust gas path 20 of the first heat exchanger 5 and the second exhaust gas path 21 of the second heat exchanger 13 are configured to be insulated so that heat transfer between the exhaust gas paths 20 and 21 is achieved. Can be reduced. Therefore, the heat exchange performance is improved as compared with the case where such a heat insulating configuration is not adopted.

なお、図4では、第1実施形態(図1)の第1熱交換器5の第1排ガス経路20と第2熱交換器13の第2排ガス経路21との間を断熱する例を示しているが、これに限らない。   In addition, in FIG. 4, the example which heat-insulates between the 1st exhaust gas path | route 20 of the 1st heat exchanger 5 of 1st Embodiment (FIG. 1) and the 2nd exhaust gas path | route 21 of the 2nd heat exchanger 13 is shown. However, it is not limited to this.

第1実施形態の第1実施例(図2)の第1熱交換器5Aの第1排ガス経路20と第2熱交換器13Aの第2排ガス経路21との間を断熱してもいいし、第1実施形態の第2実施例(図3)の第1熱交換器5Bの第1排ガス経路20と第2熱交換器13Bの第2排ガス経路21との間を断熱してもいい。これらの熱交換器は、両排ガス経路を断熱すると、上記のとおり、このような断熱構成を取らない場合に比べ、熱交換の性能が向上する。   The first exhaust gas path 20 of the first heat exchanger 5A of the first example (FIG. 2) of the first embodiment and the second exhaust gas path 21 of the second heat exchanger 13A may be insulated. You may insulate between the 1st exhaust gas path 20 of the 1st heat exchanger 5B of the 2nd example (Drawing 3) of the 1st embodiment, and the 2nd exhaust gas path 21 of the 2nd heat exchanger 13B. When these heat exchangers insulate both exhaust gas paths, as described above, the heat exchange performance is improved as compared with the case where such a heat insulation structure is not adopted.

(第3実施形態)
第3実施形態の燃料電池システムは、第1実施形態又は第2実施形態の燃料電池システムにおいて、空気経路を形成する円筒体は、第1排ガス経路を形成する円筒体、および第2排ガス経路を形成する円筒体と同心状に構成されている。
(Third embodiment)
The fuel cell system according to the third embodiment is the same as the fuel cell system according to the first embodiment or the second embodiment. The cylindrical body that forms the air path includes the cylindrical body that forms the first exhaust gas path, and the second exhaust gas path. Concentric with the cylindrical body to be formed.

第1熱交換器および第2熱交換器を円筒形に構成することで、第1熱交換器および第2熱交換器の伝熱領域を円周全域に亘り確保できる。よって、第1熱交換器および第2熱交換器を高効率化に構成できる。また、燃料電池システムの表面積を小さくでき、燃料電池システムを小型に構成できる。よって、燃料電池システムの一層の小型高効率化を実現できる。   By configuring the first heat exchanger and the second heat exchanger in a cylindrical shape, the heat transfer regions of the first heat exchanger and the second heat exchanger can be secured over the entire circumference. Therefore, the first heat exchanger and the second heat exchanger can be configured with high efficiency. Further, the surface area of the fuel cell system can be reduced, and the fuel cell system can be made compact. Therefore, further miniaturization and high efficiency of the fuel cell system can be realized.

本実施形態の燃料電池システムは、上記の特徴以外は、第1実施形態又は第2実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。   The fuel cell system of the present embodiment may be configured in the same manner as the fuel cell system of the first embodiment or the second embodiment except for the above features.

[装置構成]
図5Aおよび図5Bは、第3実施形態の燃料電池システムの熱交換器の一例を示す図である。なお、図5Aおよび図5Bの下段の図は、上段の上面図のC−C断面図である。
[Device configuration]
5A and 5B are diagrams illustrating an example of a heat exchanger of the fuel cell system according to the third embodiment. 5A and 5B are CC cross-sectional views of the upper plan view.

図5Aに示す例では、第1熱交換器105Aおよび第2熱交換器113Aの空気経路を形成する円筒体10Aは、中心軸200を中心に、第1熱交換器105Aの第1排ガス経路を形成する円筒体20A、および第2熱交換器113Aの第2排ガス経路を形成する円筒体21Aと同心状に構成されている。   In the example shown in FIG. 5A, the cylindrical body 10A that forms the air path of the first heat exchanger 105A and the second heat exchanger 113A has the first exhaust gas path of the first heat exchanger 105A centered on the central axis 200. The cylindrical body 20A to be formed and the cylindrical body 21A to form the second exhaust gas path of the second heat exchanger 113A are configured concentrically.

また、図5Aでは、円筒体20Aおよび円筒体21Aが、円筒体10Aを覆うように外側に設けられている。そして、これらの円筒体20Aおよび円筒体21Aの外面は、図示しない断熱材で覆われる。なお、円筒体10Aの端部からの空気は、図示しない配管を介して円筒体20Aおよび円筒体21A内の燃料電池(図示せず)に送られる。   In FIG. 5A, a cylindrical body 20A and a cylindrical body 21A are provided on the outside so as to cover the cylindrical body 10A. The outer surfaces of the cylindrical body 20A and the cylindrical body 21A are covered with a heat insulating material (not shown). Air from the end of the cylindrical body 10A is sent to a fuel cell (not shown) in the cylindrical body 20A and the cylindrical body 21A via a pipe (not shown).

また、図5Bに示す例では、第1熱交換器105Bおよび第2熱交換器113Bの空気経路を形成する円筒体10Bは、中心軸200を中心に、第1熱交換器105Bの第1排ガス経路を形成する円筒体20B、および第2熱交換器113Bの第2排ガス経路を形成する円筒体21Bと同心状に構成されている。   In the example shown in FIG. 5B, the cylindrical body 10B that forms the air path of the first heat exchanger 105B and the second heat exchanger 113B has the first exhaust gas of the first heat exchanger 105B centered on the central axis 200. The cylindrical body 20B that forms the path and the cylindrical body 21B that forms the second exhaust gas path of the second heat exchanger 113B are configured concentrically.

また、図5Bでは、円筒体10Bが、円筒体20Bおよび円筒体21Bを覆うように外側に設けられている。そして、この円筒体10Bの外面は、図示しない断熱材で覆われる。なお、円筒体10Bの端部からの空気は、図示しない配管を介して円筒体10B内の燃料電池(図示せず)に送られる。   Moreover, in FIG. 5B, the cylindrical body 10B is provided outside so as to cover the cylindrical body 20B and the cylindrical body 21B. And the outer surface of this cylindrical body 10B is covered with the heat insulating material which is not shown in figure. The air from the end of the cylindrical body 10B is sent to a fuel cell (not shown) in the cylindrical body 10B via a pipe (not shown).

以上により、第1熱交換器105A、105Bおよび第2熱交換器113A、113Bを円筒形に構成することで、第1熱交換器105A、105Bおよび第2熱交換器113A、113Bの伝熱領域を円周全域に亘り確保できる。よって、第1熱交換器105A、105Bおよび第2熱交換器113A、113Bを高効率化に構成できる。また、燃料電池システムの表面積を小さくでき、燃料電池システムを小型に構成できる。よって、燃料電池システムの一層の小型高効率化を実現できる。   As described above, the first heat exchangers 105A and 105B and the second heat exchangers 113A and 113B are configured in a cylindrical shape, so that the heat transfer regions of the first heat exchangers 105A and 105B and the second heat exchangers 113A and 113B are formed. Can be secured over the entire circumference. Therefore, the first heat exchangers 105A and 105B and the second heat exchangers 113A and 113B can be configured with high efficiency. Further, the surface area of the fuel cell system can be reduced, and the fuel cell system can be made compact. Therefore, further miniaturization and high efficiency of the fuel cell system can be realized.

また、円筒体20Bおよび円筒体21Bを流れる排ガスの温度は、円筒体10Bを流れる空気の温度よりも高い。よって、図5Bの第1熱交換器105Bおよび第2熱交換器113Bは、図5Aの第1熱交換器105Aおよび第2熱交換器113Aに場合に比べ、燃料電池システム外への排ガスの放熱を抑制できる。   Moreover, the temperature of the exhaust gas flowing through the cylindrical body 20B and the cylindrical body 21B is higher than the temperature of the air flowing through the cylindrical body 10B. Therefore, the first heat exchanger 105B and the second heat exchanger 113B in FIG. 5B radiate the exhaust gas to the outside of the fuel cell system as compared to the first heat exchanger 105A and the second heat exchanger 113A in FIG. 5A. Can be suppressed.

一方、第2実施形態で説明したとおり、円筒体20Aと円筒体21Aとを、図5Aに示すように、断熱空気層29などを介して断熱する方が好ましい。図5Aに示す例では、円筒体20Aおよび円筒体21Aを、円筒体10Aの外側に設けているので、円筒体20Aおよび円筒体21Aを断熱配置することを容易に行うことができる。つまり、図5Aの第1熱交換器105Aおよび第2熱交換器113Aは、図5Bの第1熱交換器105Bおよび第2熱交換器113Bに比べ、製造が容易である。   On the other hand, as described in the second embodiment, it is preferable to insulate the cylindrical body 20A and the cylindrical body 21A through an insulating air layer 29 or the like as shown in FIG. 5A. In the example shown in FIG. 5A, since the cylindrical body 20A and the cylindrical body 21A are provided outside the cylindrical body 10A, the cylindrical body 20A and the cylindrical body 21A can be easily heat-insulated. That is, the first heat exchanger 105A and the second heat exchanger 113A in FIG. 5A are easier to manufacture than the first heat exchanger 105B and the second heat exchanger 113B in FIG. 5B.

本発明の一態様は、水添脱硫器を排ガスで加熱する場合において、従来に比べ、水添脱硫器の適切な温度制御を行い得る。よって、本発明の一態様は、例えば、燃料電池システムに利用できる。   According to one embodiment of the present invention, when a hydrodesulfurizer is heated with exhaust gas, appropriate temperature control of the hydrodesulfurizer can be performed as compared with the conventional case. Thus, one embodiment of the present invention can be used, for example, in a fuel cell system.

3 水添脱硫器
4 改質器
5 第1熱交換器
6 燃料電池
8 加熱器
10 空気経路
13 第2熱交換器
20 第1排ガス経路
21 第2排ガス経路
29 断熱空気層
100 燃料電池システム
3 Hydrodesulfurizer 4 Reformer 5 First heat exchanger 6 Fuel cell 8 Heater 10 Air path 13 Second heat exchanger 20 First exhaust gas path 21 Second exhaust gas path 29 Insulated air layer 100 Fuel cell system

Claims (7)

原料の改質で得られた燃料および空気を用いて発電する燃料電池と、
前記原料中の硫黄成分を除去する水添脱硫器と、
前記空気が流れる空気経路と前記燃料電池の加熱に用いた排ガスが流れる第1排ガス経路とを備え、前記空気と前記排ガスとが熱交換する第1熱交換器と、
前記空気経路と前記排ガスが流れる第2排ガス経路とを備え、前記空気と前記排ガスとが熱交換する第2熱交換器と、
前記排ガスを用いて前記水添脱硫器を加熱する加熱器と、
を備え、
前記排ガスは、前記第1熱交換器の前記第1排ガス経路、前記加熱器および前記第2熱交換器の前記第2排ガス経路をこの順に流れ、
前記空気は、前記第2熱交換器の前記空気経路、前記第1熱交換器の前記空気経路および前記燃料電池をこの順に流れ、
前記第1熱交換器と前記第2熱交換器と、が一体的に構成されている燃料電池システム。
A fuel cell that generates electricity using fuel and air obtained by reforming the raw materials; and
A hydrodesulfurizer for removing sulfur components in the raw material;
A first heat exchanger that includes an air path through which the air flows and a first exhaust gas path through which the exhaust gas used to heat the fuel cell flows, and heat exchange between the air and the exhaust gas;
A second heat exchanger comprising the air path and a second exhaust gas path through which the exhaust gas flows, wherein the air and the exhaust gas exchange heat;
A heater for heating the hydrodesulfurizer using the exhaust gas;
With
The exhaust gas flows in this order through the first exhaust gas path of the first heat exchanger, the heater and the second exhaust gas path of the second heat exchanger,
The air flows through the air path of the second heat exchanger, the air path of the first heat exchanger, and the fuel cell in this order,
A fuel cell system in which the first heat exchanger and the second heat exchanger are integrally formed.
前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell is a solid oxide fuel cell. 前記第1熱交換器および前記第2熱交換器は、直交流熱交換器である請求項1又は2に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the first heat exchanger and the second heat exchanger are cross-flow heat exchangers. 前記第1熱交換器および前記第2熱交換器は、プレート式熱交換器である請求項1又は2に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the first heat exchanger and the second heat exchanger are plate heat exchangers. 前記第1排ガス経路と前記第2排ガス経路との間が断熱されている請求項1−4のいずれかに記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein a space between the first exhaust gas path and the second exhaust gas path is insulated. 前記第1排ガス経路と前記第2排ガス経路との間に空間が形成されている請求項5に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 5, wherein a space is formed between the first exhaust gas path and the second exhaust gas path. 前記空気経路を形成する円筒体は、前記第1排ガス経路を形成する円筒体、および前記第2排ガス経路を形成する円筒体と同心状に構成されている請求項1、2、5および6のいずれかに記載の燃料電池システム。
The cylindrical body forming the air path is configured concentrically with the cylindrical body forming the first exhaust gas path and the cylindrical body forming the second exhaust gas path. The fuel cell system according to any one of the above.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114365313A (en) * 2019-09-24 2022-04-15 日产自动车株式会社 Fuel cell system and control method of fuel cell system

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