JP2016207578A - Fuel cell power generation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池発電装置に関し、特に燃料ガスに含まれる硫黄分を水添脱硫で除去する脱硫器を備えたものに関する。 The present invention relates to a fuel cell power generation device, and more particularly to a device equipped with a desulfurizer that removes sulfur contained in fuel gas by hydrodesulfurization.
従来から、ジルコニア等のイオン伝導性セラミックスを使用した電解質を挟み込むように１対の電極（酸素極及び燃料極）を設け、酸素極（カソード）側に酸化剤ガスを供給し、燃料極（アノード）側に改質ガス（水素含有ガス）を供給して、これらを高温環境下で酸化還元反応させることで化学エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発生させる燃料電池発電装置が実用に供されている。 Conventionally, a pair of electrodes (oxygen electrode and fuel electrode) are provided so as to sandwich an electrolyte using ion conductive ceramics such as zirconia, an oxidant gas is supplied to the oxygen electrode (cathode) side, and a fuel electrode (anode) A fuel cell power generator that generates chemical power by converting chemical energy into electrical energy by supplying reformed gas (hydrogen-containing gas) to the) side and subjecting them to oxidation-reduction reactions in a high-temperature environment is put to practical use. ing.
上記の燃料電池発電装置は、酸化剤ガスと改質ガスとで発電を行なう燃料電池セルスタックとこの燃料電池セルスタックに供給する改質ガスを純水（水蒸気）と燃料ガスから生成する燃料改質器とオフガスを燃焼処理するオフガス燃焼室等を有する燃料電池発電部、この燃料電池発電部からの排気を外部に排出する排気通路、この燃料電池発電部に酸化剤ガスや燃料ガス及び純水等を供給する各種供給装置や各種器具を制御する制御ユニット等を備えている。 The fuel cell power generator described above is a fuel cell stack that generates power with an oxidant gas and a reformed gas, and a fuel reformer that generates the reformed gas supplied to the fuel cell stack from pure water (steam) and fuel gas. A fuel cell power generation unit having an off-gas combustion chamber or the like for combusting the gas generator and off gas, an exhaust passage for exhausting the exhaust from the fuel cell power generation unit to the outside, an oxidant gas, fuel gas and pure water in the fuel cell power generation unit Etc., and a control unit for controlling various devices.
ところで、上記の燃料改質器に供給される燃料ガスには、付臭材として硫黄化合物が混合されている都市ガスやＬＰＧ等が使用されている。このため、燃料改質器に硫黄化合物を含んだ燃料ガスが直接供給されると、燃料改質器の触媒が硫黄化合物によって劣化してしまうという問題がある。そこで、従来では、燃料ガス中の硫黄化合物を除去する為に、燃料ガス通路の途中部に脱硫器が設けられている。 By the way, the city gas, LPG, etc. in which the sulfur compound is mixed as an odorant are used for the fuel gas supplied to said fuel reformer. For this reason, when the fuel gas containing a sulfur compound is directly supplied to the fuel reformer, there is a problem that the catalyst of the fuel reformer is deteriorated by the sulfur compound. Therefore, conventionally, a desulfurizer is provided in the middle of the fuel gas passage in order to remove sulfur compounds in the fuel gas.
上記の燃料ガスの脱硫技術において、脱硫前の燃料ガスに少量の水素を添加し、硫黄化合物と水素とを化学反応させて硫化水素を生成し、この硫化水素を脱硫剤（水素添加型脱硫剤）に吸着させることで燃料ガスの脱硫を行う水添脱硫方式の技術が実用に供されている。燃料ガスに水素を添加する際に、燃料改質器から燃料電池セルスタックに供給される改質ガスの一部を、燃料ガス通路の脱硫器の上流側に戻す技術が知られている。 In the above-mentioned fuel gas desulfurization technology, a small amount of hydrogen is added to the fuel gas before desulfurization, and a sulfur compound and hydrogen are chemically reacted to generate hydrogen sulfide. This hydrogen sulfide is converted into a desulfurizing agent (hydrogenated desulfurizing agent). Hydrodesulfurization technology that desulfurizes the fuel gas by adsorbing to ()) has been put into practical use. There is known a technique for returning a part of the reformed gas supplied from the fuel reformer to the fuel cell stack to the upstream side of the desulfurizer in the fuel gas passage when adding hydrogen to the fuel gas.
例えば、特許文献１の燃料電池システムにおいて、燃料改質器と燃料電池セルスタックとを接続する燃料ガス供給経路から分岐して脱硫部の上流側へ改質ガスを戻すリサイクル経路（リターン通路）が設けられ、このリサイクル経路に上流側から下流側に向かって凝縮器と気液分離部と流量調整部とが設けられ、リサイクル経路のうちの気液分離部と流量調整部との間の一部と燃料電池発電部とを伝熱可能に構成した加熱部が設けられた構造が開示されている。 For example, in the fuel cell system of Patent Document 1, there is a recycle path (return path) that branches from a fuel gas supply path that connects the fuel reformer and the fuel cell stack and returns the reformed gas upstream of the desulfurization unit. A condenser, a gas-liquid separation unit, and a flow rate adjustment unit are provided in the recycling path from the upstream side to the downstream side, and a part of the recycling path between the gas-liquid separation unit and the flow rate adjustment unit is provided. And the structure provided with the heating part which comprised the fuel cell electric power generation part so that heat transfer was possible was disclosed.
ところで、上記の改質ガスの一部をリサイクルする構造では、改質ガスには水蒸気改質によって水蒸気が多く含まれているので、改質ガスを戻している最中に水蒸気が結露することで、リサイクル経路が閉塞されるという問題がある。そこで、上記の特許文献１の燃料電池システムには、気液分離部で気液分離された飽和状態の改質ガスを、リサイクル経路を流れる間に加熱部で加熱することで、改質ガス中の水分の再凝縮を防止し、リサイクル経路が閉塞されることを防止する技術が開示されている。 By the way, in the structure in which a part of the reformed gas is recycled, the reformed gas contains a large amount of water vapor by steam reforming, so that steam is condensed during the return of the reformed gas. There is a problem that the recycling path is blocked. Therefore, in the fuel cell system of Patent Document 1 described above, the saturated reformed gas that has been gas-liquid separated by the gas-liquid separation unit is heated by the heating unit while flowing through the recycle path, so that A technique for preventing recondensation of water and preventing the recycle path from being blocked is disclosed.
しかし、上記の特許文献１の燃料電池システムにおいて、リサイクル経路のうちの気液分離部と流量調整部との間の一部と燃料電池発電部とを伝熱可能に構成しているが、この構造では、気液分離後の改質ガスを加熱する為の専用構造を燃料電池発電部に組み付ける必要があり、また、気液分離前の改質ガスを冷却する為の凝縮器を燃料電池発電部に設置する必要があるので、燃料電池発電装置の部品点数が増加し、大型化・複雑化してしまうという問題がある。 However, in the fuel cell system of Patent Document 1 described above, a part of the recycling path between the gas-liquid separation unit and the flow rate adjustment unit and the fuel cell power generation unit are configured to be able to transfer heat. In the structure, it is necessary to assemble a dedicated structure for heating the reformed gas after gas-liquid separation to the fuel cell power generation unit, and a condenser for cooling the reformed gas before gas-liquid separation is used for fuel cell power generation. Therefore, there is a problem that the number of parts of the fuel cell power generation device increases, resulting in an increase in size and complexity.
本発明の目的は、燃料電池発電装置において、大型化・複雑化を抑制しつつ、気液分離前の改質ガス中の水蒸気の凝縮を促進すると共に、気液分離後の改質ガス中の水蒸気の再凝縮を防止可能な構造を備えたもの、等を提供することである。 An object of the present invention is to promote the condensation of water vapor in the reformed gas before gas-liquid separation while suppressing the increase in size and complexity in the fuel cell power generator, and in the reformed gas after gas-liquid separation. The object is to provide a structure that can prevent recondensation of water vapor.
請求項１の燃料電池発電装置は、燃料ガスが供給される燃料ガス通路と、この燃料ガス通路を流れる燃料ガスに含まれる硫黄分を水添脱硫により除去する脱硫手段と、この脱硫手段によって脱硫された燃料ガスを水蒸気改質する改質手段と、この改質手段からの改質ガスと空気の供給を受けて発電を行う発電部と、前記改質手段と前記発電部とを接続する改質ガス通路と、この改質ガス通路から分岐して前記燃料ガス通路の前記脱硫手段の上流側に接続して改質ガスの一部を戻すリターン通路とを備えた燃料電池発電装置において、前記リターン通路の途中部に、改質ガス中の水分を除去する気液分離器が設けられ、前記リターン通路は、気液分離前の改質ガスが流れる上流側リターン通路部と、気液分離後の改質ガスが流れる下流側リターン通路部とを備え、前記上流側リターン通路部と前記下流側リターン通路部との間で伝熱可能に構成した改質ガス熱交換部を備えたことを特徴としている。 The fuel cell power generator according to claim 1 is a fuel gas passage to which fuel gas is supplied, a desulfurization means for removing sulfur contained in the fuel gas flowing through the fuel gas passage by hydrodesulfurization, and desulfurization by the desulfurization means. Reforming means for steam reforming the generated fuel gas, a power generation section for generating power by receiving the reformed gas and air supplied from the reforming means, and a reformer for connecting the reforming means and the power generation section. In the fuel cell power generator, comprising a quality gas passage and a return passage branched from the reformed gas passage and connected to the upstream side of the desulfurization means of the fuel gas passage to return a part of the reformed gas, A gas-liquid separator that removes moisture in the reformed gas is provided in the middle of the return passage. The return passage includes an upstream return passage section through which the reformed gas before gas-liquid separation flows, and a gas-liquid separator. Downstream litter where the reformed gas flows And a passage portion, and comprising the reformed gas heat exchanger which is configured to be heat transfer between the upstream return passage portion and said downstream return passage section.
請求項２の燃料電池発電装置は、請求項１の発明において、前記下流側リターン通路部の配管径は、前記上流側リターン通路部の配管径より小さく設定されていることを特徴としている。 The fuel cell power generator according to claim 2 is characterized in that, in the invention of claim 1, a pipe diameter of the downstream return passage portion is set smaller than a pipe diameter of the upstream return passage portion.
請求項３の燃料電池発電装置は、請求項１又は２の発明において、前記改質ガス熱交換部は、前記下流側リターン通路部の一部を前記上流側リターン通路部の一部の外周側に巻き付け、その巻き付けた部分の周囲を断熱材で覆うことで構成されていることを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the fuel cell power generator according to the first or second aspect, wherein the reformed gas heat exchanging portion is configured such that a part of the downstream return passage portion is a part of the outer peripheral side of the upstream return passage portion. It is characterized in that it is configured by covering the wound portion with a heat insulating material.
請求項１の発明によれば、リターン通路の途中部に、改質ガス中の水分を除去する気液分離器が設けられ、リターン通路は、気液分離前の改質ガスが流れる上流側リターン通路部と、気液分離後の改質ガスが流れる下流側リターン通路部とを備え、上流側リターン通路部と下流側リターン通路部との間で伝熱可能に構成した改質ガス熱交換部を備えたので、この改質ガス熱交換部によって、気液分離前の改質ガスと気液分離後の改質ガスとの間で熱交換することができる。 According to the first aspect of the present invention, a gas-liquid separator that removes moisture in the reformed gas is provided in the middle of the return passage, and the return passage is an upstream return through which the reformed gas before gas-liquid separation flows. A reformed gas heat exchanging portion that includes a passage portion and a downstream return passage portion through which the reformed gas after gas-liquid separation flows, and is configured to be able to transfer heat between the upstream return passage portion and the downstream return passage portion. Therefore, heat can be exchanged between the reformed gas before gas-liquid separation and the reformed gas after gas-liquid separation by this reformed gas heat exchange unit.
従って、改質ガス熱交換部を介して、上流側リターン通路部を流れる気液分離前の改質ガスの温度を低下させることで、改質ガス中の水蒸気の凝縮を促進し、下流側リターン通路部を流れる気液分離後の改質ガスの温度を上昇させることで、改質ガスの再凝縮を防止するので、特許文献１のように加熱部や凝縮器を追加的に設ける必要がなくなり、燃料電池発電装置の大型化・複雑化を抑制しつつ、リターン通路の気液分離器より下流側に結露が発生するのを防止することができる。 Therefore, by reducing the temperature of the reformed gas before gas-liquid separation flowing through the upstream return passage section through the reformed gas heat exchange section, condensation of water vapor in the reformed gas is promoted, and the downstream return Since the reformed gas is prevented from being recondensed by increasing the temperature of the reformed gas after gas-liquid separation flowing through the passage portion, there is no need to additionally provide a heating unit or a condenser as in Patent Document 1. Further, it is possible to prevent dew condensation from occurring on the downstream side of the gas-liquid separator in the return passage while suppressing an increase in size and complexity of the fuel cell power generation device.
請求項２の発明によれば、下流側リターン通路部の配管径は、上流側リターン通路部の配管径より小さく設定されているので、下流側リターン通路部に流量調整弁を設置せずとも、燃料ガス通路に戻される改質ガスの流量を抑えることができ、コストを低減することができる。 According to the invention of claim 2, since the piping diameter of the downstream return passage portion is set smaller than the piping diameter of the upstream return passage portion, without installing a flow rate adjusting valve in the downstream return passage portion, The flow rate of the reformed gas returned to the fuel gas passage can be suppressed, and the cost can be reduced.
請求項３の発明によれば、改質ガス熱交換部は、下流側リターン通路部の一部を上流側リターン通路部の一部の外周側に巻き付け、その巻き付けた部分の周囲を断熱材で覆うことで構成されているので、低コストで且つ簡単な構造でもって改質ガス熱交換部を構成することができる。 According to the invention of claim 3, the reformed gas heat exchanging portion winds a part of the downstream return passage portion around a part of the outer peripheral side of the upstream return passage portion, and surrounds the wound portion with the heat insulating material. Since it is comprised by covering, a reformed gas heat exchange part can be comprised with a low-cost and simple structure.
以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described based on examples.
先ず、燃料電池発電装置１の全体構成について説明する。
図１に示すように、燃料電池発電装置１は、燃料電池発電モジュール２、発電用空気供給手段３、改質用空気供給手段４、燃料ガス供給手段５、純水供給手段６、改質ガス再利用手段７、排熱回収手段（図示略）等を備え、燃料電池発電モジュール２にて発電された直流電力がパワーコンディショナユニット（図示略）を介して交流電力に変換されて外部に出力される。
First, the overall configuration of the fuel cell power generator 1 will be described.
As shown in FIG. 1, a fuel cell power generation apparatus 1 includes a fuel cell power generation module 2, a power generation air supply means 3, a reforming air supply means 4, a fuel gas supply means 5, a pure water supply means 6, a reformed gas. Recycling means 7, exhaust heat recovery means (not shown), etc. are provided, and the DC power generated by the fuel cell power generation module 2 is converted into AC power via a power conditioner unit (not shown) and output to the outside. Is done.
尚、この燃料電池発電装置１は、例えば、排熱回収手段の熱交換器による熱交換後の湯水を貯湯する貯湯給湯装置と、この貯湯給湯装置と燃料電池発電装置１とに亙って湯水を循環させる為の排熱回収循環回路等と組み合わせることで燃料電池コージェネレーションシステムを構成することができるが、燃料電池発電装置１以外の構成の詳細な説明は省略する。 The fuel cell power generation apparatus 1 includes, for example, a hot water storage and hot water storage apparatus that stores hot water after heat exchange by the heat exchanger of the exhaust heat recovery means, and the hot water storage apparatus and the fuel cell power generation apparatus 1. The fuel cell cogeneration system can be configured by combining with an exhaust heat recovery circuit for circulating the fuel, but detailed description of the configuration other than the fuel cell power generator 1 is omitted.
次に、各種の供給装置３〜６等の補機類について説明する。
図１に示すように、発電用空気供給手段３は、発電用空気が流れる発電用空気通路３ａと、この発電用空気通路３ａの途中部に設置された発電用空気ファン３ｂ等を備え、外部から空気を発電用空気ファン３ｂに取り込み、この取り込まれた空気を酸化剤ガスとして、発電用空気通路３ａを介して燃料電池発電部１５の空気用熱交換器２４に供給する。
Next, auxiliary machines such as various supply devices 3 to 6 will be described.
As shown in FIG. 1, the power generation air supply means 3 includes a power generation air passage 3a through which power generation air flows and a power generation air fan 3b installed in the middle of the power generation air passage 3a. Then, the air is taken into the power generation air fan 3b, and the taken air is supplied as an oxidant gas to the air heat exchanger 24 of the fuel cell power generation unit 15 through the power generation air passage 3a.
改質用空気供給手段４は、改質用空気が流れる改質用空気通路４ａと、この改質用空気通路４ａの途中部に設置された改質用空気ファン４ｂ等を備え、外部から燃料改質用の空気を改質用空気ファン４ｂに取り込み、この取り込まれた空気を改質用空気通路４ａを介して燃料電池発電部１５の蒸発器２２及び燃料改質器２３に供給する。 The reforming air supply means 4 includes a reforming air passage 4a through which the reforming air flows, a reforming air fan 4b installed in the middle of the reforming air passage 4a, and the like. The reforming air is taken into the reforming air fan 4b, and the taken-in air is supplied to the evaporator 22 and the fuel reformer 23 of the fuel cell power generation unit 15 through the reforming air passage 4a.
燃料ガス供給手段５は、燃料ガスが供給される燃料ガス通路１１と、この燃料ガス通路１１の途中部に設置された燃料昇圧ブロワ１２や後述する脱硫器１６を備え、図示外のガス供給源からの燃料ガスを燃料昇圧ブロワ１２に取り込み、この昇圧された燃料ガスを脱硫器１６を通して水添脱硫し、この脱硫された燃料ガスを燃料電池発電部１５の蒸発器２２及び燃料改質器２３に供給する。 The fuel gas supply means 5 includes a fuel gas passage 11 to which fuel gas is supplied, a fuel booster blower 12 installed in the middle of the fuel gas passage 11 and a desulfurizer 16 which will be described later. Is taken into the fuel booster blower 12, and the boosted fuel gas is hydrodesulfurized through the desulfurizer 16, and the desulfurized fuel gas is supplied to the evaporator 22 and the fuel reformer 23 of the fuel cell power generation unit 15. To supply.
純水供給手段６は、純水が流れる純水供給通路６ａと、この純水供給通路６ａの途中部に設置された純水ポンプ６ｂ等を備え、排熱回収手段で排気を冷却して発生した凝縮水を回収し、凝縮水から不純物を取り除いて生成された純水を貯留した後に純水供給通路６ａを介して燃料電池発電部１５の蒸発器２２及び燃料改質器２３に供給する。 The pure water supply means 6 includes a pure water supply passage 6a through which pure water flows and a pure water pump 6b installed in the middle of the pure water supply passage 6a. The condensed water collected is collected, and pure water generated by removing impurities from the condensed water is stored, and then supplied to the evaporator 22 and the fuel reformer 23 of the fuel cell power generation unit 15 through the pure water supply passage 6a.
次に、燃料電池発電モジュール２について説明する。
図１に示すように、燃料電池発電モジュール２は、燃料電池発電部１５、燃料ガス中の硫黄化合物を吸着除去する脱硫剤を有する脱硫器１６、燃料電池発電部１５と脱硫器１６等を収納した薄鋼板製の直方体状のケース部材１７等を備えている。ケース部材１７の内部には、燃料電池発電部１５と脱硫器１６の周囲を覆うように石膏ボードからなる断熱材１８が収納されている。
Next, the fuel cell power generation module 2 will be described.
As shown in FIG. 1, the fuel cell power generation module 2 houses a fuel cell power generation unit 15, a desulfurizer 16 having a desulfurizing agent that adsorbs and removes sulfur compounds in the fuel gas, a fuel cell power generation unit 15, the desulfurizer 16, and the like. And a rectangular parallelepiped case member 17 made of a thin steel plate. A heat insulating material 18 made of gypsum board is accommodated inside the case member 17 so as to cover the periphery of the fuel cell power generation unit 15 and the desulfurizer 16.
燃料電池発電部１５は、燃料電池セルスタック２１、蒸発器２２、燃料改質器２３、空気用熱交換器２４、これら器具を燃焼ガスによって加熱するオフガス燃焼室２５等を備え、燃料改質器２３によって改質された改質ガス及び酸化剤ガスを燃料電池セルスタック２１で高温の環境下で化学反応させることで発電を行うものである。 The fuel cell power generation unit 15 includes a fuel cell stack 21, an evaporator 22, a fuel reformer 23, an air heat exchanger 24, an off-gas combustion chamber 25 for heating these devices with combustion gas, and the like. The reformed gas and the oxidant gas reformed by the fuel cell cell 21 are subjected to a chemical reaction in a high-temperature environment to generate electric power.
燃料電池セルスタック２１は、複数（例えば１２０〜１４０本）の燃料電池セル２１ａを並べて構成されている。各燃料電池セル２１ａは、上下方向に延びる筒形構造体に構成され、図示は省略するが、円筒形状の内側の燃料極と、円筒形状の外側の酸素極と、内側の燃料極と外側の酸素極とに挟まれるように設けられたジルコニア等の固体電解質とを備えている。 The fuel cell stack 21 is configured by arranging a plurality (for example, 120 to 140) of fuel cells 21a. Each fuel cell 21a is configured as a cylindrical structure extending in the vertical direction, and although not shown, a cylindrical inner fuel electrode, a cylindrical outer oxygen electrode, an inner fuel electrode, and an outer fuel electrode And a solid electrolyte such as zirconia provided so as to be sandwiched between oxygen electrodes.
各燃料電池セル２１ａの燃料極側（各燃料電池セル２１ａの内部通路）には、燃料改質器２３から改質ガス通路２６とマニホールド２７を介して改質ガスが供給され、各燃料電池セル２１ａの酸素極側（各燃料電池セル２１ａの外部）には、空気用熱交換器２４から酸化剤ガス通路２８を介して酸化剤ガスが供給され、これらを高温の環境下で電気化学反応させて直流電力を生成する。 Reformed gas is supplied from the fuel reformer 23 through the reformed gas passage 26 and the manifold 27 to the fuel electrode side of each fuel cell 21a (internal passage of each fuel cell 21a). Oxidant gas is supplied from the air heat exchanger 24 through the oxidant gas passage 28 to the oxygen electrode side of 21a (outside each fuel cell 21a), and these undergo electrochemical reaction in a high-temperature environment. To generate DC power.
蒸発器２２は、燃料ガスに混合する為の水蒸気を純水から生成して燃料改質器２３に供給するものである。燃料改質器２３（改質手段に相当する）は、ニッケルや白金等の改質触媒を有し、脱硫された燃料ガスと水蒸気と（起動時には改質用空気と）を混合して反応（水蒸気改質、部分酸化改質等）させて改質ガスを生成し、この改質ガスを燃料電池セルスタック２１の燃料極側に供給する。 The evaporator 22 generates water vapor for mixing with fuel gas from pure water and supplies it to the fuel reformer 23. The fuel reformer 23 (corresponding to the reforming means) has a reforming catalyst such as nickel or platinum, and mixes and reacts the desulfurized fuel gas and steam (reforming air at start-up) ( Steam reforming, partial oxidation reforming, etc.) is performed to generate reformed gas, and this reformed gas is supplied to the fuel electrode side of the fuel cell stack 21.
オフガス燃焼室２５は、燃料電池セルスタック２１の発電に伴い生じる残余燃料ガス（発電に寄与しなかった未使用の改質ガスと酸化剤ガス）を燃焼処理する為のものであり、燃料電池セルスタック２１の燃料電池セル２１ａの燃料極側及び酸素極側の各排出側と接続されている。オフガス燃焼室２５では、燃料極側から排出された残余燃料ガスと、酸素極側から排出された酸素を含む空気とを燃焼させることによって高温の排気を生成し、この排気で燃料改質器２３等を加熱してから、排気通路２９を介して外部に排出する。 The off-gas combustion chamber 25 is for burning the residual fuel gas (unused reformed gas and oxidant gas that did not contribute to power generation) generated by the power generation of the fuel cell stack 21. The fuel cell 21a of the stack 21 is connected to the discharge side of the fuel electrode side and the oxygen electrode side. In the off-gas combustion chamber 25, a high-temperature exhaust gas is generated by burning residual fuel gas discharged from the fuel electrode side and air containing oxygen discharged from the oxygen electrode side, and the fuel reformer 23 is generated with this exhaust gas. And the like are heated and then discharged to the outside through the exhaust passage 29.
尚、燃料電池発電部１５から排出される排気は、排気通路２９に設けられた排熱回収手段の熱交換器（図示略）にて排熱回収循環回路を循環する湯水との間で熱交換され温度が低下した後に外部に排出される。排気中に含まれる水蒸気は、熱交換によって冷却されて凝縮水となる。 Exhaust gas discharged from the fuel cell power generation unit 15 is heat exchanged with hot water circulating in the exhaust heat recovery circuit in a heat exchanger (not shown) of exhaust heat recovery means provided in the exhaust passage 29. And then discharged to the outside after the temperature drops. The water vapor contained in the exhaust is cooled by heat exchange to become condensed water.
次に、脱硫器１６（脱硫手段に相当する）について説明する。
図１に示すように、脱硫器１６は、燃料ガス通路１１を流れる燃料ガスに含まれる硫黄分（硫黄化合物）を水添脱硫により除去する為のものであり、ケース部材１７の内部において断熱材１８に挟まれるように、燃料ガス通路１１の上流側燃料ガス通路部１１ａと下流側燃料ガス通路部１１ｂとの間に設けられている。この脱硫器１６は、燃料電池発電部１５の発電運転中に高温となる燃料電池発電部１５の近傍の高温領域（例えば２００〜３２０℃程度）に配置されている。
Next, the desulfurizer 16 (corresponding to desulfurization means) will be described.
As shown in FIG. 1, the desulfurizer 16 is for removing sulfur (sulfur compound) contained in the fuel gas flowing through the fuel gas passage 11 by hydrodesulfurization. 18, the fuel gas passage 11 is provided between the upstream fuel gas passage portion 11 a and the downstream fuel gas passage portion 11 b. The desulfurizer 16 is disposed in a high temperature region (for example, about 200 to 320 ° C.) in the vicinity of the fuel cell power generation unit 15 that becomes high temperature during the power generation operation of the fuel cell power generation unit 15.
脱硫器１６は、薄鋼板製の箱状に構成され、高温で性能を発揮する脱硫剤が収納されている。この脱硫剤は、金属酸化物や金属成分担持酸化物等を含有する公知の脱硫剤である。 The desulfurizer 16 is formed in a box shape made of a thin steel plate, and stores a desulfurizing agent that exhibits performance at high temperatures. This desulfurizing agent is a known desulfurizing agent containing a metal oxide, a metal component-supported oxide, or the like.
尚、脱硫器１６は、ケース部材１７の内部に収納されているが、特にこの箇所に限定する必要はなく、燃料電池発電部１５の発電運転中に高温となる高温領域になる箇所であれば、脱硫器１６をケース部材１７の周囲に配置しても良く、適宜変更可能である。 Although the desulfurizer 16 is housed inside the case member 17, the desulfurizer 16 is not particularly limited to this location, and may be any location that is in a high temperature region that becomes a high temperature during the power generation operation of the fuel cell power generation unit 15. The desulfurizer 16 may be disposed around the case member 17 and can be appropriately changed.
次に、本発明に関連する改質ガス再利用手段７について説明する。
図１に示すように、燃料電池発電装置１は、改質ガスの一部が流れるリターン通路３１、改質ガス中の水分を除去する気液分離器３２、気液分離前の改質ガスと気液分離後の改質ガスとの間で熱交換を行う改質ガス熱交換部３３等を備え、これら器具から改質ガス再利用手段７が構成されている。改質ガス再利用手段７は、改質ガス通路２６を流れる改質ガスの一部を、リターン通路３１を介して燃料ガス通路１１に戻すものである。
Next, the reformed gas recycling means 7 related to the present invention will be described.
As shown in FIG. 1, the fuel cell power generator 1 includes a return passage 31 through which a part of the reformed gas flows, a gas-liquid separator 32 that removes moisture in the reformed gas, and the reformed gas before gas-liquid separation. A reformed gas heat exchanging section 33 and the like for exchanging heat with the reformed gas after the gas-liquid separation are provided, and the reformed gas reuse means 7 is constituted by these instruments. The reformed gas reuse means 7 returns a part of the reformed gas flowing through the reformed gas passage 26 to the fuel gas passage 11 via the return passage 31.
リターン通路３１は、改質ガス通路２６から分岐されて燃料ガス通路１１の脱硫器１６の上流側の上流側燃料ガス通路部１１ａに接続されている。リターン通路３１は、ステンレス鋼管から構成され、気液分離前の改質ガスが流れる上流側リターン通路部３５と、気液分離後の改質ガスが流れる下流側リターン通路部３６とを備えている。リターン通路３１の途中部であって上流側リターン通路部３５と下流側リターン通路部３６との間には、気液分離器３２が設けられている。 The return passage 31 is branched from the reformed gas passage 26 and connected to the upstream side fuel gas passage portion 11 a on the upstream side of the desulfurizer 16 of the fuel gas passage 11. The return passage 31 is made of a stainless steel pipe and includes an upstream return passage portion 35 through which the reformed gas before gas-liquid separation flows and a downstream return passage portion 36 through which the reformed gas after gas-liquid separation flows. . A gas-liquid separator 32 is provided in the middle of the return passage 31 and between the upstream return passage portion 35 and the downstream return passage portion 36.
上流側リターン通路部３５は、改質ガス通路２６の途中部から分岐して、鉛直方向の下方に向かって延び、改質ガス熱交換部３３を経て気液分離器３２に挿入され、その下流端は気液分離器３２の底部近傍に配置されている。下流側リターン通路部３６は、気液分離器３２の上端部から鉛直方向の上方に向かって延び、改質ガス熱交換部３３を経て、その下流端は上流側燃料ガス通路部１１ａの燃料昇圧ブロワ１２の上流側に接続されている。 The upstream return passage portion 35 branches off from the middle portion of the reformed gas passage 26, extends downward in the vertical direction, is inserted into the gas-liquid separator 32 via the reformed gas heat exchange portion 33, and downstream thereof. The end is disposed near the bottom of the gas-liquid separator 32. The downstream return passage portion 36 extends upward in the vertical direction from the upper end portion of the gas-liquid separator 32, passes through the reformed gas heat exchanging portion 33, and the downstream end thereof is the fuel boost of the upstream fuel gas passage portion 11 a. It is connected to the upstream side of the blower 12.
図２に示すように、下流側リターン通路部３６の配管径は、上流側リターン通路部３５の配管径より小さく設定されている。即ち、下流側リターン通路部３６の配管径は、上流側リターン通路部３５の配管径の１／２倍程度に設定されている。例えば、上流側リターン通路部３５は、内径４〜５ｍｍ程度に設定され、下流側リターン通路部３６は、内径２〜３ｍｍ程度に設定されている。 As shown in FIG. 2, the piping diameter of the downstream return passage portion 36 is set smaller than the piping diameter of the upstream return passage portion 35. That is, the pipe diameter of the downstream return passage portion 36 is set to about ½ times the pipe diameter of the upstream return passage portion 35. For example, the upstream return passage portion 35 has an inner diameter of about 4 to 5 mm, and the downstream return passage portion 36 has an inner diameter of about 2 to 3 mm.
気液分離器３２は、薄鋼板製の箱形の容器で構成され、上流側リターン通路部３５から流入してくる改質ガスと凝縮水とが混在する気液二相流状態の改質ガスを、改質ガスと凝縮水とに分離するものである。気液分離後の凝縮水は、気液分離器３２に一時的に貯留した後に、図示略の排水通路を介して外部に排出しても良いし、又は、排熱から回収した凝縮水と混合して純水に利用しても良い。 The gas-liquid separator 32 is formed of a box-shaped container made of a thin steel plate, and is a gas-liquid two-phase flow reformed gas in which reformed gas and condensed water flowing from the upstream return passage 35 are mixed. Is separated into reformed gas and condensed water. The condensed water after the gas-liquid separation may be temporarily stored in the gas-liquid separator 32 and then discharged to the outside through a drain passage (not shown) or mixed with the condensed water recovered from the exhaust heat. It may be used for pure water.
次に、改質ガス熱交換部３３について説明する。
図２に示すように、改質ガス熱交換部３３は、上流側リターン通路部３５と下流側リターン通路部３６との間で伝熱可能に構成されている。即ち、改質ガス熱交換部３３は、上流側リターン通路部３５を流れる気液分離前の改質ガスと、下流側リターン通路部３６を流れる気液分離後の改質ガスとの間で熱交換を行うものであり、上流側リターン通路部３５と下流側リターン通路部３６とで熱交換器を構成している。
Next, the reformed gas heat exchange unit 33 will be described.
As shown in FIG. 2, the reformed gas heat exchanger 33 is configured to be able to transfer heat between the upstream return passage 35 and the downstream return passage 36. In other words, the reformed gas heat exchange unit 33 generates heat between the reformed gas before the gas-liquid separation flowing through the upstream return passage portion 35 and the reformed gas after the gas-liquid separation flowing through the downstream return passage portion 36. Exchange is performed, and the upstream return passage portion 35 and the downstream return passage portion 36 constitute a heat exchanger.
改質ガス熱交換部３３は、下流側リターン通路部３６の一部３６ａを上流側リターン通路部３５の一部３５ａの外周側に巻き付け、その巻き付けた部分の周囲を断熱材３７で覆うことで構成されている。言い換えると、下流側リターン通路部３６の一部３６ａは、コイル状に構成され、気液分離前の改質ガスの流れ方向と気液分離後の改質ガスの流れ方向とが対向するように、上流側リターン通路部３５の一部３５ａ（縦向き配管部分）の外周面に密着状に配置されている。 The reformed gas heat exchange unit 33 winds a part 36a of the downstream return passage part 36 around the outer periphery of a part 35a of the upstream return passage part 35, and covers the periphery of the wound part with a heat insulating material 37. It is configured. In other words, a part 36a of the downstream return passage portion 36 is formed in a coil shape so that the flow direction of the reformed gas before the gas-liquid separation and the flow direction of the reformed gas after the gas-liquid separation face each other. The upstream return passage portion 35 is disposed in close contact with the outer peripheral surface of a part 35a (vertical piping portion).
断熱材３７は、例えば、発泡ポリプロピレン、発泡ポリスチレン等からなる合成樹脂発泡体製の成形材であって、下流側リターン通路部３６の一部３６ａと上流側リターン通路部３５の一部３５ａの周囲を覆って改質ガス熱交換部３３の放熱を防ぐ断熱機能を有するものである。 The heat insulating material 37 is a molding material made of a synthetic resin foam made of, for example, expanded polypropylene, expanded polystyrene, or the like, and surrounds a portion 36a of the downstream return passage portion 36 and a portion 35a of the upstream return passage portion 35. And has a heat insulating function to prevent heat release of the reformed gas heat exchanging portion 33.
次に、本発明の燃料電池発電装置１の作用及び効果について説明する。
燃料電池発電装置１の発電運転に伴い、改質ガス通路２６から改質ガスの一部（例えば、燃料改質器２３から供給される改質ガスの全量の２〜３％程度）が、上流側リターン通路部３５に供給され、この改質ガスは、改質ガス熱交換部３３で気液分離後の略常温の改質ガスによって急速に冷却されることで改質ガス中の水蒸気を凝縮して凝縮水を生成し、この気液二相流状態の改質ガスが気液分離器３２に供給される。
Next, the operation and effect of the fuel cell power generator 1 of the present invention will be described.
Along with the power generation operation of the fuel cell power generator 1, a part of the reformed gas from the reformed gas passage 26 (for example, about 2 to 3% of the total amount of the reformed gas supplied from the fuel reformer 23) is upstream. The reformed gas supplied to the side return passage 35 is rapidly cooled by the reformed gas at the substantially normal temperature after the gas-liquid separation in the reformed gas heat exchanging section 33, thereby condensing water vapor in the reformed gas. Thus, condensed water is generated, and the reformed gas in a gas-liquid two-phase flow state is supplied to the gas-liquid separator 32.
次に、気液分離器３２で水分が除去された改質ガスは、下流側リターン通路部３６に供給され、改質ガス熱交換部３３で気液分離前の高温状態（例えば５００〜７００℃程度）の改質ガスによって加熱されることで、改質ガスの温度を上昇させて改質ガスの相対湿度を低下させ、下流側リターン通路部３６を流れる改質ガス中の水蒸気の再凝縮を抑制する。 Next, the reformed gas from which moisture has been removed by the gas-liquid separator 32 is supplied to the downstream return passage section 36, and the reformed gas heat exchange section 33 is in a high-temperature state before gas-liquid separation (for example, 500 to 700 ° C.). The temperature of the reformed gas is raised to lower the relative humidity of the reformed gas, and the water vapor in the reformed gas flowing through the downstream return passage 36 is recondensed. Suppress.
その後、改質ガスは、上流側燃料ガス通路部１１ａに供給されて燃料ガスと混合される。尚、改質ガス熱交換部３３においては、気液分離前の改質ガスを常温程度まで低下させると共に、気液分離後の改質ガスを所定温度（例えば１０℃程度）上昇させることが望ましい。 Thereafter, the reformed gas is supplied to the upstream fuel gas passage portion 11a and mixed with the fuel gas. In the reformed gas heat exchange section 33, it is desirable to lower the reformed gas before gas-liquid separation to about room temperature and raise the reformed gas after gas-liquid separation to a predetermined temperature (for example, about 10 ° C.). .
以上説明したように、リターン通路３１の途中部に、改質ガス中の水分を除去する気液分離器３２が設けられ、リターン通路３１は、気液分離前の改質ガスが流れる上流側リターン通路部３５と、気液分離後の改質ガスが流れる下流側リターン通路部３６とを備え、上流側リターン通路部３５と下流側リターン通路部３６との間で伝熱可能に構成した改質ガス熱交換部３３を備えたので、この改質ガス熱交換部３３によって、気液分離前の改質ガスと気液分離後の改質ガスとの間で熱交換することができる。 As described above, the gas-liquid separator 32 that removes moisture in the reformed gas is provided in the middle of the return passage 31, and the return passage 31 is an upstream return through which the reformed gas before gas-liquid separation flows. A reformer configured to include a passage part 35 and a downstream return passage part 36 through which the reformed gas after gas-liquid separation flows, and to be able to transfer heat between the upstream return passage part 35 and the downstream return passage part 36. Since the gas heat exchanging unit 33 is provided, the reformed gas heat exchanging unit 33 can exchange heat between the reformed gas before gas-liquid separation and the reformed gas after gas-liquid separation.
従って、改質ガス熱交換部３３を介して、上流側リターン通路部３５を流れる気液分離前の改質ガスの温度を低下させることで、改質ガス中の水蒸気の凝縮を促進し、下流側リターン通路部３６を流れる気液分離後の改質ガスの温度を上昇させることで、改質ガスの再凝縮を防止するので、特許文献１のように加熱部や凝縮器を追加的に設ける必要がなくなり、故に、燃料電池発電装置１の大型化・複雑化を抑制しつつ、リターン通路３１の気液分離器３２より下流側に結露が発生するのを防止することができる。 Therefore, by reducing the temperature of the reformed gas before gas-liquid separation that flows through the upstream return passage portion 35 via the reformed gas heat exchanging portion 33, condensation of water vapor in the reformed gas is promoted. Since the reformed gas is prevented from being recondensed by raising the temperature of the reformed gas after gas-liquid separation flowing through the side return passage 36, a heating unit and a condenser are additionally provided as in Patent Document 1. Therefore, it is possible to prevent dew condensation from occurring on the downstream side of the gas-liquid separator 32 in the return passage 31 while suppressing an increase in size and complexity of the fuel cell power generation device 1.
また、下流側リターン通路部３６の配管径は、上流側リターン通路部３５の配管径より小さく設定されているので、下流側リターン通路部３６に流量調整弁を設置せずとも、燃料ガス通路１１に戻される改質ガスの流量を抑えることができ、コストを低減することができる。 Further, since the pipe diameter of the downstream return passage portion 36 is set smaller than the pipe diameter of the upstream return passage portion 35, the fuel gas passage 11 can be provided without installing a flow rate adjusting valve in the downstream return passage portion 36. The flow rate of the reformed gas returned to can be suppressed, and the cost can be reduced.
さらに、改質ガス熱交換部３３は、下流側リターン通路部３６の一部３６ａを上流側リターン通路部３５の一部３５ａの外周側に巻き付け、その巻き付けた部分の周囲を断熱材３７で覆うことで構成されているので、低コストで且つ簡単な構造でもって改質ガス熱交換部３３を構成することができる。 Further, the reformed gas heat exchange section 33 winds a part 36a of the downstream return passage part 36 around the outer periphery of a part 35a of the upstream return path part 35, and covers the periphery of the wound part with a heat insulating material 37. Therefore, the reformed gas heat exchange section 33 can be configured with a simple structure at a low cost.
次に、前記実施例を部分的に変更した形態について説明する。
［１］図３に示すように、改質ガス熱交換部３３Ａは、上流側リターン通路部３５Ａの一部３５Ａａ（直線状の配管部分）と下流側リターン通路部３６Ａの一部３６Ａａ（直線状の配管部分）とを溶接接合にて固定し、この溶接部分の周囲を断熱材３７Ａで覆うことで上流側リターン通路部３５Ａと下流側リターン通路部３６Ａとの間で伝熱可能に構成されている。この構造によれば、より低コストで且つ簡単な構造でもって改質ガス熱交換部３３Ａを構成することができる。
Next, a mode in which the above embodiment is partially changed will be described.
[1] As shown in FIG. 3, the reformed gas heat exchanging portion 33A includes a part 35Aa (straight piping portion) of the upstream return passage portion 35A and a portion 36Aa (straight shape) of the downstream return passage portion 36A. And the periphery of the welded portion is covered with a heat insulating material 37A so that heat can be transferred between the upstream return passage portion 35A and the downstream return passage portion 36A. Yes. According to this structure, the reformed gas heat exchange section 33A can be configured with a simpler structure at a lower cost.
尚、改質ガス熱交換部３３，３３Ａは、特にその構造を限定する必要はなく、上流側リターン通路部３５と下流側リターン通路部３６との間で伝熱可能に構成され、気液分離前の改質ガスと気液分離後の改質ガスとの間で熱交換可能であれば、適宜変更可能である。 The reformed gas heat exchanging portions 33 and 33A need not be limited in their structure, and are configured to be able to transfer heat between the upstream return passage portion 35 and the downstream return passage portion 36, and gas-liquid separation is performed. If heat exchange is possible between the previous reformed gas and the reformed gas after gas-liquid separation, it can be changed as appropriate.
［２］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。 [2] In addition, those skilled in the art can implement the present invention by adding various modifications without departing from the spirit of the present invention, and the present invention includes such modifications. It is.
１ 燃料電池発電装置
１１ 燃料ガス通路
１５ 燃料電池発電部
１６ 脱硫器（脱硫手段）
２３ 燃料改質器（改質手段）
２６ 改質ガス通路
３１ リターン通路
３２ 気液分離器
３３ 改質ガス熱交換部
３５ 上流側リターン通路部
３６ 下流側リターン通路部
３７ 断熱材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell power generation device 11 Fuel gas passage 15 Fuel cell power generation part 16 Desulfurizer (desulfurization means)
23 Fuel reformer (reforming means)
26 Reformed gas passage 31 Return passage 32 Gas-liquid separator 33 Reformed gas heat exchanging portion 35 Upstream return passage portion 36 Downstream return passage portion 37 Insulation material
Claims (3)
前記リターン通路の途中部に、改質ガス中の水分を除去する気液分離器が設けられ、
前記リターン通路は、気液分離前の改質ガスが流れる上流側リターン通路部と、気液分離後の改質ガスが流れる下流側リターン通路部とを備え、
前記上流側リターン通路部と前記下流側リターン通路部との間で伝熱可能に構成した改質ガス熱交換部を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。 A fuel gas passage to which fuel gas is supplied, a desulfurization means for removing sulfur contained in the fuel gas flowing through the fuel gas passage by hydrodesulfurization, and a reformation for steam reforming the fuel gas desulfurized by the desulfurization means. Quality means, a power generation unit that generates power by receiving the reformed gas and air supplied from the reforming unit, a reformed gas passage that connects the reforming unit and the power generating unit, and the reformed gas passage A fuel cell power generator comprising a return passage that branches from the upstream side of the desulfurization means of the fuel gas passage and returns a part of the reformed gas,
A gas-liquid separator that removes moisture in the reformed gas is provided in the middle of the return passage,
The return passage includes an upstream return passage portion through which the reformed gas before gas-liquid separation flows, and a downstream return passage portion through which the reformed gas after gas-liquid separation flows,
A fuel cell power generator comprising a reformed gas heat exchanging portion configured to transfer heat between the upstream return passage portion and the downstream return passage portion.
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