JP2017183267A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
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.
燃料電池システムの中でも、燃料電池セルスタックが高温で稼働するものについては、燃料電池システム内で発生した熱を、水蒸気改質反応の熱、供給ガス、水などで回収し、排出されるガスなどの熱を、ある程度の温度まで低下させ、燃料電池システムの系外へ排出する必要がある。 Among fuel cell systems, fuel cell stacks that operate at high temperatures recover the heat generated in the fuel cell system using the heat of steam reforming reaction, supply gas, water, etc. It is necessary to reduce the heat to a certain temperature and discharge it outside the fuel cell system.
例えば、特許文献１では、コジェネレーションシステムにおいて、燃料電池装置で発生した熱を給湯用の水と熱交換することにより回収し、熱交換後の湯を貯湯槽に貯留し、需要に応じて湯を供給する技術が開示されている。また、特許文献１では、貯湯槽の水が高温の場合に、系外の上水を用いて貯湯槽を介さずに高温ガスとの間で熱交換を行う技術も開示されている。 For example, in Patent Document 1, in a cogeneration system, heat generated in a fuel cell device is recovered by exchanging heat with water for hot water supply, hot water after heat exchange is stored in a hot water storage tank, and hot water is supplied according to demand. A technology for supplying Patent Document 1 also discloses a technique for exchanging heat with a high-temperature gas without using a hot water storage tank using clean water outside the system when the water in the hot water storage tank is hot.
特許文献１の燃料電池システムにおいては、湯として燃料電池システムの系外に回収後の熱が排出されている。しかしながら、燃料電池システムの用途や種類によっては、発電効率を高めることが求められている。湯などに利用され系外に排出される熱エネルギーを系外へ排出せず、燃料電池システムの発電に使うための熱として優先的に利用し、投入燃料に対する発電出力の割合（以下、発電効率）を向上させつつ、外部へ安全な温度でガスを排出することが求められる。 In the fuel cell system of Patent Document 1, the recovered heat is discharged as hot water outside the fuel cell system. However, depending on the use and type of the fuel cell system, it is required to increase the power generation efficiency. The heat energy used for hot water, etc. that is discharged outside the system is not discharged outside the system, but is used preferentially as heat for power generation in the fuel cell system, and the ratio of power generation output to the input fuel (hereinafter referred to as power generation efficiency) ), While discharging gas at a safe temperature.
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、燃料電池システムにおける発電効率を向上させつつ、外部へ安全な温度でガスを排出する燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-described facts, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that discharges gas at a safe temperature to the outside while improving power generation efficiency in the fuel cell system.
請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタックへ供給される供給流体との間で熱交換する熱交換部と、前記熱交換部における熱交換後の前記燃焼排ガスの温度が設定温度を超える場合に、前記熱交換部へ供給する前記供給流体の量を増加させる、供給量調整部と、を備えている。 The fuel cell system according to claim 1 is a fuel cell stack that generates electric power by reacting fuel gas and air, a combustor that burns anode off-gas discharged from the fuel cell stack, and the combustion A heat exchanging section for exchanging heat between the flue gas discharged from the vessel and the supply fluid supplied to the fuel cell stack, and the temperature of the flue gas after heat exchange in the heat exchanging section exceeds a set temperature. A supply amount adjusting unit that increases the amount of the supply fluid supplied to the heat exchange unit.
請求項１に係る燃料電池システムは、燃料電池セルスタック、及び燃焼器を備えている。燃焼器は、燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させて、熱を発生させる。燃焼器から排出される燃焼排ガスは、熱交換部において、燃料電池セルスタックへ供給される供給流体との間で熱交換される。熱交換後の燃焼排ガスの温度が設定温度を超える場合には、供給量調整部が、熱交換部へ供給する供給流体の量を増加させて燃焼排ガスの温度を低下させる。これにより、燃焼排ガスの外部への排出温度を低下させることができると共に、燃焼排ガスの熱を回収して、水蒸気反応熱や供給ガス加熱用に用いることにより、余分な燃料投入を抑え、燃料電池システムにおける発電効率を向上させることができる。 A fuel cell system according to a first aspect includes a fuel cell stack and a combustor. The combustor burns the anode off-gas discharged from the fuel cell stack to generate heat. The combustion exhaust gas discharged from the combustor is heat-exchanged with the supply fluid supplied to the fuel cell stack in the heat exchange unit. When the temperature of the combustion exhaust gas after the heat exchange exceeds the set temperature, the supply amount adjusting unit increases the amount of the supply fluid supplied to the heat exchange unit and decreases the temperature of the combustion exhaust gas. As a result, the exhaust temperature to the outside of the combustion exhaust gas can be lowered, and the heat of the combustion exhaust gas is recovered and used for steam reaction heat and heating of the supply gas, thereby suppressing excess fuel input and fuel cell. The power generation efficiency in the system can be improved.
なお、燃料電池セルスタックへ供給される供給流体は、熱交換後に直接燃料電池セルスタックへ供給されるものであってもよいし、他の処理部、例えば、気化器や改質器を経た後のものであってもよい。 The supply fluid supplied to the fuel cell stack may be supplied directly to the fuel cell stack after heat exchange, or after passing through another processing unit, for example, a vaporizer or a reformer. It may be.
請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、原料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器をさらに備え、前記熱交換部は、前記改質器へ水蒸気を供給する気化器を含んで構成され、前記供給流体は前記気化器で気化される水を供給する、ことを特徴とする。 The fuel cell system according to a second aspect of the present invention further includes a reformer that reforms a raw material to generate the fuel gas, and the heat exchange unit includes a vaporizer that supplies water vapor to the reformer. And the supply fluid supplies water to be vaporized by the vaporizer.
請求項２に係る燃料電池システムによれば、気化器へ供給する水と燃焼排ガスとで熱交換を行うので、水の供給量を増加させることにより、熱交換による燃焼排ガスの温度を容易に調整することができる。また、気化器が高温になるときに水の供給量が増加するので、水の突沸が抑制され、燃料電池セルスタックの燃料極にかかる圧力の急変を抑制することができる。 According to the fuel cell system according to claim 2, heat exchange is performed between the water supplied to the vaporizer and the combustion exhaust gas. Therefore, the temperature of the combustion exhaust gas by the heat exchange can be easily adjusted by increasing the amount of water supplied. can do. Moreover, since the supply amount of water increases when the vaporizer reaches a high temperature, the bumping of water is suppressed, and a sudden change in pressure applied to the fuel electrode of the fuel cell stack can be suppressed.
請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池セルスタックは、第１燃料電池セルスタックと、前記第１燃料電池セルスタックの燃料極から排出されたアノードオフガスが供給される第２燃料電池セルスタックと、を有し、前記第１燃料電池セルスタックと前記第２燃料電池セルスタックの間には、前記アノードオフガスから少なくとも水を除去する燃料再生器が配設されている。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the fuel cell system according to the third aspect, wherein the fuel cell stack is supplied with a first fuel cell stack and an anode off gas discharged from a fuel electrode of the first fuel cell stack. A fuel regenerator that removes at least water from the anode off-gas is disposed between the first fuel cell stack and the second fuel cell stack.
請求項３に係る燃料電池システムでは、燃料再生器によってアノードオフガスから水が除去されるので、第２燃料電池セルスタックにおける発電効率を向上させることができる。また、供給流体として水を用いた場合に、気化器へ供給される水の量が増加しても、第２燃料電池セルスタックでの発電効率の低下を抑制することができ、高い発電効率を得ることができる。 In the fuel cell system according to the third aspect, since water is removed from the anode off gas by the fuel regenerator, the power generation efficiency in the second fuel cell stack can be improved. Further, when water is used as the supply fluid, even if the amount of water supplied to the vaporizer increases, it is possible to suppress a decrease in power generation efficiency in the second fuel cell stack, and high power generation efficiency can be achieved. Can be obtained.
請求項４記載の発明に係る燃料電池システムは、前記供給流体が、前記燃料電池セルスタックの空気極へ供給される空気を含んでいる、ことを特徴とする。 A fuel cell system according to a fourth aspect of the invention is characterized in that the supply fluid includes air supplied to an air electrode of the fuel cell stack.
請求項４に係る燃料電池システムによれば、空気極へ供給する空気と燃焼排ガスとで熱交換を行うので、空気の供給量を調整することにより、熱交換による燃焼排ガスの温度を容易に調整することができる。 According to the fuel cell system of the fourth aspect, since heat exchange is performed between the air supplied to the air electrode and the combustion exhaust gas, the temperature of the combustion exhaust gas by the heat exchange can be easily adjusted by adjusting the supply amount of air. can do.
請求項５記載の発明に係る燃料電池システムは、前記熱交換部は、前記燃料電池システムの外部に排出される直前の前記燃焼排ガスと前記燃料電池システムの外部から導入された直後の前記供給流体との間で熱交換を行う、ことを特徴とする。 6. The fuel cell system according to claim 5, wherein the heat exchanging portion is the combustion exhaust gas immediately before being discharged to the outside of the fuel cell system and the supply fluid immediately after being introduced from the outside of the fuel cell system. The heat exchange is performed between the two.
請求項５に係る燃料電池システムでは、燃料電池システムの外部に排出される直前の燃焼排ガスと前記供給流体との間で熱交換が行われる。したがって、供給流体による温度調整が行われた結果が、外部への排出温度に直接反映され、温度調整を行いやすい。 In the fuel cell system according to claim 5, heat exchange is performed between the combustion exhaust gas immediately before being discharged to the outside of the fuel cell system and the supply fluid. Therefore, the result of the temperature adjustment by the supply fluid is directly reflected on the discharge temperature to the outside, and the temperature adjustment is easy.
請求項６記載の発明に係る燃料電池システムは、前記設定温度が、２０℃〜２００℃の範囲に設定されている。 In the fuel cell system according to claim 6, the set temperature is set in a range of 20 ° C. to 200 ° C.
請求項６記載の発明に係る燃料電池システムによれば、設定温度が２０℃〜２００℃の範囲に設定されているので、燃料電池システムの外部に排出されるガスの温度を比較的安全な温度にすることができる。なお、前述の設定温度は、２０℃〜１５０℃の範囲に設定することが好ましく、４０℃〜１００℃の範囲に設定されることがより好ましい。 According to the fuel cell system of the sixth aspect of the invention, since the set temperature is set in the range of 20 ° C. to 200 ° C., the temperature of the gas discharged to the outside of the fuel cell system is set to a relatively safe temperature. Can be. In addition, it is preferable to set the above-mentioned preset temperature in the range of 20 degreeC-150 degreeC, and it is more preferable to set in the range of 40 degreeC-100 degreeC.
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池システムにおける発電効率を向上させつつ、外部へ安全な温度でガスを排出することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, gas can be discharged to the outside at a safe temperature while improving the power generation efficiency in the fuel cell system.
［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態を詳細に説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図１には、本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの概略構成が示されている。本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、モノジェネレーションシステムであり、コジェネレーションシステム（熱併給発電）と区別される。燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６、空気予熱器３０、燃焼器４０、及び供給量調整部５０を備えている。 FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell system 10A according to the present embodiment. The fuel cell system 10A according to the present embodiment is a monogeneration system and is distinguished from a cogeneration system (cogeneration system). The fuel cell system 10A includes a carburetor 12, a reformer 14, a fuel cell stack 16, an air preheater 30, a combustor 40, and a supply amount adjusting unit 50 as main components.
気化器１２には、原料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス管Ｐ１の他端は図示しないガス源に接続されている。ガス源からは、ブロアＢ１によりメタンが気化器１２へ送出される。また、気化器１２には、水供給管Ｐ２が接続されている。水供給管Ｐ２からは、ポンプＰにより、水（液相）が気化器１２へ送出される。ポンプＰは、後述する供給量調整部５０と接続されている。気化器１２では、水が気化される。気化には、後述する燃焼器４０から排出された燃焼排ガスＧ１０の熱が用いられる。なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよい。 One end of the source gas pipe P1 is connected to the vaporizer 12, and the other end of the source gas pipe P1 is connected to a gas source (not shown). From the gas source, methane is sent to the vaporizer 12 by the blower B1. The vaporizer 12 is connected to a water supply pipe P2. Water (liquid phase) is sent from the water supply pipe P2 to the vaporizer 12 by the pump P. The pump P is connected to a supply amount adjusting unit 50 described later. In the vaporizer 12, water is vaporized. For the vaporization, heat of combustion exhaust gas G10 discharged from a combustor 40 described later is used. In this embodiment, methane is used as the raw material gas, but it is not particularly limited as long as it can be reformed, and a hydrocarbon fuel can be used. Examples of the hydrocarbon fuel include natural gas, LP gas (liquefied petroleum gas), coal reformed gas, lower hydrocarbon gas, and the like. Examples of the lower hydrocarbon gas include lower hydrocarbons having 4 or less carbon atoms such as methane, ethane, ethylene, propane, and butane, and methane used in the present embodiment is preferable. The hydrocarbon fuel may be a mixture of the above-described lower hydrocarbon gas.
メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質器１４へ送出される。改質器１４では、メタンを改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスＧ１を生成する。改質器１４には、燃料ガス管Ｐ４の一端が接続されている。燃料ガス管Ｐ４の他端は、燃料電池セルスタック１６のアノード（燃料極）１６Ａと接続されている。改質器１４で生成された燃料ガスＧ１は、燃料ガス管Ｐ４を介してアノード１６Ａに供給される。 Methane and water vapor are sent from the vaporizer 12 to the reformer 14 via the pipe P3. In the reformer 14, methane is reformed to generate a fuel gas G1 containing hydrogen and having a temperature of about 600 ° C. One end of a fuel gas pipe P4 is connected to the reformer 14. The other end of the fuel gas pipe P4 is connected to the anode (fuel electrode) 16A of the fuel cell stack 16. The fuel gas G1 generated by the reformer 14 is supplied to the anode 16A through the fuel gas pipe P4.
燃料電池セルスタック１６は、固体酸化物形の燃料電池セルスタックであり(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)、積層された複数の燃料電池セルを有している。燃料電池セルスタック１６は、作動温度が６５０℃程度に設定されている。 The fuel cell stack 16 is a solid oxide fuel cell stack (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) and includes a plurality of stacked fuel cells. The operating temperature of the fuel cell stack 16 is set to about 650 ° C.
燃料電池セルスタック１６の個々の燃料電池セルは、電解質膜と、当該電解質膜の表裏面にそれぞれ積層されたアノード（燃料極）１６Ａ、及びカソード（空気極）１６Ｂと、を有している。 Each fuel cell of the fuel cell stack 16 has an electrolyte membrane, and an anode (fuel electrode) 16A and a cathode (air electrode) 16B laminated on the front and back surfaces of the electrolyte membrane.
燃料電池セルスタック１６のカソード１６Ｂには、空気管Ｐ５の一端が接続され、空気管Ｐ５の他端には、ブロアＢ２が接続されている。ブロアＢ２から送出された空気Ｇ５は、空気管Ｐ５によって、空気予熱器３０を経由し、カソード１６Ｂへ供給される。 One end of an air pipe P5 is connected to the cathode 16B of the fuel cell stack 16, and a blower B2 is connected to the other end of the air pipe P5. The air G5 delivered from the blower B2 is supplied to the cathode 16B via the air preheater 30 by the air pipe P5.
カソード１６Ｂでは、下記（１）式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質膜を通って燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａに到達する。 In the cathode 16B, as shown in the following formula (1), oxygen in the air and electrons react to generate oxygen ions. The produced oxygen ions reach the anode 16A of the fuel cell stack 16 through the electrolyte membrane.
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２− …（１）
(Air electrode reaction)
1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (1)
カソード１６Ｂからは、カソードオフガスが排出される。 Cathode off-gas is discharged from the cathode 16B.
一方、燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質膜を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。アノード１６Ａで生成された電子がアノード１６Ａから外部回路を通ってカソード１６Ｂに移動することで、各燃料電池セルスタックにおいて発電される。また、各燃料電池セルスタックは、発電時に発熱する。 On the other hand, in the anode 16A of the fuel cell stack 16, as shown in the following formulas (2) and (3), oxygen ions that have passed through the electrolyte membrane react with hydrogen and carbon monoxide in the fuel gas, (Water vapor) and carbon dioxide and electrons are generated. Electrons generated at the anode 16A move from the anode 16A through the external circuit to the cathode 16B, thereby generating electric power in each fuel cell stack. Each fuel cell stack generates heat during power generation.
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …(２)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ− …(３)
(Fuel electrode reaction)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − (2)
CO + O 2− → CO 2 + 2e − (3)
アノード１６Ａには、アノードオフガス管Ｐ７の一端が接続されている。アノード１６Ａからアノードオフガス管Ｐ７へ、アノードオフガスＧ３が排出される。アノードオフガスＧ３には、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。 One end of an anode offgas pipe P7 is connected to the anode 16A. The anode off gas G3 is discharged from the anode 16A to the anode off gas pipe P7. The anode off gas G3 contains unreacted hydrogen, unreacted carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, and the like.
アノードオフガス管Ｐ７の他端は、燃焼器４０と接続されており、アノードオフガスＧ３は燃焼器４０へ送出される。 The other end of the anode off-gas pipe P7 is connected to the combustor 40, and the anode off-gas G3 is sent to the combustor 40.
カソード１６Ｂには、カソードオフガス管Ｐ９の一端が接続されている。カソードオフガス管Ｐ９の他端は、燃焼器４０と接続されており、カソードオフガスＧ９は燃焼器４０へ送出される。 One end of a cathode offgas pipe P9 is connected to the cathode 16B. The other end of the cathode offgas pipe P9 is connected to the combustor 40, and the cathode offgas G9 is sent to the combustor 40.
燃焼器４０では、燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａから排出されたアノードオフガスＧ３が燃焼される。燃焼器４０の出口側には、燃焼排ガス管Ｐ１０の一端が接続されている。燃焼排ガスＧ１０は、空気予熱器３０を経由して熱交換部としても機能する気化器１２に導入され、熱交換後に外部に排出されている。 In the combustor 40, the anode off-gas G3 discharged from the anode 16A of the fuel cell stack 16 is burned. One end of the combustion exhaust pipe P10 is connected to the outlet side of the combustor 40. The combustion exhaust gas G10 is introduced into the vaporizer 12 that also functions as a heat exchange section via the air preheater 30, and is discharged outside after heat exchange.
燃焼排ガスＧ１０は、空気予熱器３０において、常温の空気Ｇ５と熱交換が行われる。その後、気化器１２へ送出され、気化器１２において、常温の水及びメタンと熱交換が行われる。熱交換が行われた後の燃焼排ガスＧ１０の温度をＴ１とする。気化器１２の燃焼排ガスＧ１０の出口には第１温度センサＳ１が設けられている。第１温度センサＳ１により温度Ｔ１が検知される。燃焼排ガスＧ１０は、気化器１２において熱交換が行われた後、外部に排出される。 The combustion exhaust gas G10 is subjected to heat exchange with air G5 at room temperature in the air preheater 30. Then, it is sent to the vaporizer 12 where heat exchange with normal temperature water and methane is performed. The temperature of the combustion exhaust gas G10 after heat exchange is assumed to be T1. A first temperature sensor S1 is provided at the outlet of the combustion exhaust gas G10 of the vaporizer 12. The temperature T1 is detected by the first temperature sensor S1. The combustion exhaust gas G10 is discharged outside after heat exchange is performed in the vaporizer 12.
供給量調整部５０は、第１温度センサＳ１、及びポンプＰと接続されている。第１温度センサＳ１は、検知した温度Ｔ１を供給量調整部５０へ出力する。供給量調整部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、メモリ等を含んで構成されており、メモリには設定温度Ｔ０と、図２に示す調整用テーブル５２が記憶されている。設定温度Ｔ０は、燃料電池システム１０Ａの外に排出されるガスの高温限界値であり、燃料電池システムの設置場所等を考慮して設定される。燃料電池システム１０Ａでは、特に、起動時、低負荷時、停止時等で、燃焼排ガスＧ１０の温度が上昇しやすい。設定温度Ｔ０としては、安全性と発電効率を考慮して、４０℃〜１００℃の範囲内で設定される。調整用テーブル５２には、設定温度Ｔ０を超えた後の温度Ｔ１とポンプＰで気化器１２へ供給する水の吐出量との関係グラフデータが記憶されている。供給量調整部５０は、設定温度Ｔ０を超えた場合に、調整用テーブル５２に基づいて、後述する排出ガス温度調整処理により、ポンプＰの水吐出量を制御する。 The supply amount adjusting unit 50 is connected to the first temperature sensor S1 and the pump P. The first temperature sensor S1 outputs the detected temperature T1 to the supply amount adjusting unit 50. The supply amount adjustment unit 50 includes a CPU, a ROM, a RAM, a memory, and the like. The memory stores a set temperature T0 and an adjustment table 52 shown in FIG. The set temperature T0 is a high temperature limit value of the gas discharged outside the fuel cell system 10A, and is set in consideration of the installation location of the fuel cell system. In the fuel cell system 10A, the temperature of the combustion exhaust gas G10 is likely to rise particularly at the time of start-up, low load, stop, and the like. The set temperature T0 is set within a range of 40 ° C. to 100 ° C. in consideration of safety and power generation efficiency. The adjustment table 52 stores relation graph data between the temperature T1 after exceeding the set temperature T0 and the discharge amount of water supplied to the vaporizer 12 by the pump P. The supply amount adjusting unit 50 controls the water discharge amount of the pump P by an exhaust gas temperature adjusting process to be described later based on the adjustment table 52 when the set temperature T0 is exceeded.
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの動作について説明する。 Next, the operation of the fuel cell system 10A of the present embodiment will be described.
ブロアＢ２により所定の空気吐出量で送出された空気Ｇ５は、空気予熱器３０を経てカソード１６Ｂへ供給され、発電に供された後、カソードオフガス管Ｐ９を経て燃焼器４０へ送出される。一方、ブロアＢ１により所定の吐出量で送出されたメタンは、気化器１２へ供給される。また、気化器１２には、ポンプＰにより所定の水吐出量で水（液相）が供給され、燃焼排ガスにより加熱される。これにより水は気化され、加熱されたメタンと水蒸気は改質器１４へ送出される。そして、改質器１４で燃料ガスＧ１へ改質され、アノード１６Ａへ供給されて、発電に供される。アノード１６Ａからは、未反応の水素等の燃料を含むアノードオフガスＧ３が排出され、アノードオフガス管Ｐ７を経て燃焼器４０へ送出される。 The air G5 sent out by the blower B2 with a predetermined air discharge amount is supplied to the cathode 16B through the air preheater 30, is supplied to the power generation, and then sent out to the combustor 40 through the cathode offgas pipe P9. On the other hand, the methane delivered by the blower B1 with a predetermined discharge amount is supplied to the vaporizer 12. Further, the vaporizer 12 is supplied with water (liquid phase) by a pump P at a predetermined water discharge amount, and is heated by the combustion exhaust gas. As a result, water is vaporized, and the heated methane and steam are sent to the reformer 14. The reformer 14 reforms the fuel gas G1 and supplies the fuel gas G1 to the anode 16A for power generation. From the anode 16A, the anode offgas G3 containing fuel such as unreacted hydrogen is discharged and sent to the combustor 40 through the anode offgas pipe P7.
燃焼器４０では、アノードオフガスＧ３が燃焼に供され、燃焼による熱で改質器１４が加熱される。燃焼器４０からは、燃焼排ガスＧ１０が燃焼排ガス管Ｐ１０へ送出され、空気予熱器３０において、空気Ｇ５との間で熱交換が行われる。燃焼排ガスＧ１０は、さらに、気化器１２へ送出され、メタン及び水との間で熱交換が行われる。 In the combustor 40, the anode off gas G <b> 3 is used for combustion, and the reformer 14 is heated by heat generated by the combustion. The combustion exhaust gas G10 is sent from the combustor 40 to the combustion exhaust gas pipe P10, and the air preheater 30 performs heat exchange with the air G5. The combustion exhaust gas G10 is further sent to the vaporizer 12, and heat exchange is performed between methane and water.
第１温度センサＳ１で検知された温度Ｔ１は、供給量調整部５０へ出力されている。供給量調整部５０では、燃料電池システム１０Ａの動作中、図３に示す、排出ガス温度調整処理が行われる。ステップＳ１０で、温度Ｔ１が設定温度Ｔ０よりも大きいかどうかを判断する。温度Ｔ１が設定温度Ｔ０よりも大きい場合には、ステップＳ１２で調整用テーブル５２を参照し、温度Ｔ１に対応する水吐出量データを取得する。そして、取得した水吐出量データに基づいて、ステップＳ１４でポンプＰへ水量調整指示を出力する。これにより、ポンプＰでの水吐出量が、温度Ｔ１に応じて増加し、気化器１２へ供給される水の量が増加するので、外部へ排出される燃焼排ガスＧ１０の温度が低下する。その後、ステップＳ１０へ戻り、温度Ｔ１が設定温度Ｔ０よりも大きい場合には、上記の処理を繰り返す。温度Ｔ１が設定温度Ｔ０よりも大きくない場合には、ステップＳ１０を繰り返し、待機する。 The temperature T1 detected by the first temperature sensor S1 is output to the supply amount adjusting unit 50. In the supply amount adjusting unit 50, the exhaust gas temperature adjusting process shown in FIG. 3 is performed during the operation of the fuel cell system 10A. In step S10, it is determined whether the temperature T1 is higher than the set temperature T0. If the temperature T1 is higher than the set temperature T0, the adjustment table 52 is referred to in step S12 to obtain water discharge amount data corresponding to the temperature T1. Then, based on the acquired water discharge amount data, a water amount adjustment instruction is output to the pump P in step S14. As a result, the amount of water discharged from the pump P increases in accordance with the temperature T1, and the amount of water supplied to the vaporizer 12 increases, so the temperature of the combustion exhaust gas G10 discharged to the outside decreases. Thereafter, the process returns to step S10, and when the temperature T1 is higher than the set temperature T0, the above process is repeated. If the temperature T1 is not higher than the set temperature T0, the process repeats step S10 and waits.
本実施形態では、上記のように、気化器１２で熱交換が行われた後の燃焼排ガスＧ１０の温度Ｔ１が、設定温度Ｔ０よりも高い場合に、気化器１２へ供給する水の量を増加させるので、燃料電池システム１０Ａから外部へ排出されるガスの温度を低下させる。これにより、外部への排出口などにおける安全性を向上させることができる。また、気化器１２において、燃焼排ガスＧ１０の熱により、改質前のメタン及び水を加熱するので、メタンの昇温と水の気化、昇温に必要な熱を外部から別途供給する必要がなくなる。また、燃料電池セルスタックの発電に伴う発熱は、燃料電池セルスタックの温度上昇に供することができるので、燃料電池セルスタックの高温化により発電性能が向上する。その結果、燃料電池システム１０Ａにおける発電効率を向上させることができる。 In the present embodiment, as described above, the amount of water supplied to the vaporizer 12 is increased when the temperature T1 of the combustion exhaust gas G10 after heat exchange is performed in the vaporizer 12 is higher than the set temperature T0. Therefore, the temperature of the gas discharged from the fuel cell system 10A to the outside is lowered. Thereby, the safety | security in the discharge port etc. to the exterior can be improved. Further, since the methane and water before reforming are heated by the heat of the combustion exhaust gas G10 in the vaporizer 12, it is not necessary to separately supply the heat necessary for raising the temperature of the methane, vaporizing the water, and raising the temperature. . Further, the heat generated by the power generation of the fuel cell stack can be used to increase the temperature of the fuel cell stack, so that the power generation performance is improved by increasing the temperature of the fuel cell stack. As a result, the power generation efficiency in the fuel cell system 10A can be improved.
また、本実施形態では、温度Ｔ１が高くなる場合に、気化器１２へ供給する水の量を増加させて温度Ｔ１を下げているので、気化器１２における水の突沸を抑制することができる。これにより、アノード１６Ａへ供給する燃料ガスＧ１のガス圧の急変が抑制され、燃料電池セルスタック１６において、安定した発電をすることができる。 Moreover, in this embodiment, when temperature T1 becomes high, since the quantity of the water supplied to the vaporizer 12 is increased and temperature T1 is lowered | hung, the bumping of the water in the vaporizer 12 can be suppressed. Thereby, a sudden change in the gas pressure of the fuel gas G1 supplied to the anode 16A is suppressed, and stable power generation can be performed in the fuel cell stack 16.
また、気化器１２は、燃料電池システム１０Ａにおいて、燃焼排ガスＧ１０が外部へ排出される直前に配置されているので、温度調整の結果が外部へ排出される燃焼排ガスＧ１０の温度へ直接反映され、外部へ排出されるガスの温度調整を行いやすい。 Further, since the carburetor 12 is disposed immediately before the combustion exhaust gas G10 is discharged to the outside in the fuel cell system 10A, the result of temperature adjustment is directly reflected on the temperature of the combustion exhaust gas G10 discharged to the outside, It is easy to adjust the temperature of the gas discharged to the outside.
なお、本実施形態では、気化器１２に供給する水を増加させることで、温度Ｔ１を低下させたが、空気予熱器３０へ供給する空気Ｇ５の量を増加させることにより、燃焼排ガスＧ１０の温度を低下させてもよいし、気化器１２に供給する水の量及び空気予熱器３０へ供給する空気Ｇ５の量の両方を増加させて、燃焼排ガスＧ１０の温度を低下させてもよい。 In this embodiment, the temperature T1 is decreased by increasing the water supplied to the vaporizer 12, but the temperature of the combustion exhaust gas G10 is increased by increasing the amount of air G5 supplied to the air preheater 30. The temperature of the combustion exhaust gas G10 may be lowered by increasing both the amount of water supplied to the vaporizer 12 and the amount of air G5 supplied to the air preheater 30.
また、本実施形態では、調整用テーブル５２を記憶し、温度Ｔ１に応じて増加させる水の量を調整したが、温度Ｔ１が設定温度Ｔ０を超えた場合に、気化器１２へ供給する水の量を一定量増加させるフィードバック制御を行ってもよい。 In the present embodiment, the adjustment table 52 is stored and the amount of water to be increased is adjusted according to the temperature T1, but the water supplied to the vaporizer 12 when the temperature T1 exceeds the set temperature T0. Feedback control for increasing the amount by a certain amount may be performed.
また、本実施形態では、温度Ｔ１が設定温度Ｔ０を超えた場合に、常に排出ガス温度調整処理を行ったが、燃焼排ガスＧ１０の温度が上昇しやすい時、例えば、燃料電池システム１０Ａの起動時、低負荷時、停止時に限定して、排出ガス温度調整処理を行うようにしてもよい。 In the present embodiment, the exhaust gas temperature adjustment process is always performed when the temperature T1 exceeds the set temperature T0. However, when the temperature of the combustion exhaust gas G10 is likely to rise, for example, when the fuel cell system 10A is activated. The exhaust gas temperature adjustment process may be performed only when the load is low or when the engine is stopped.
［第２実施形態］
次に、本実施形態の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present embodiment will be described. In the present embodiment, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図４に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、空気予熱器３２を備えている。空気予熱器３２は、空気管Ｐ５の空気予熱器３０よりも上流側に配置され、燃焼排ガス管Ｐ１０の気化器１２よりも下流側に配置されている。空気予熱器３２へは、ブロアＢ２から吐出された、燃料電池システム１０Ｂへ導入された直後の常温の空気Ｇ５が送出されると共に、気化器１２から燃焼排ガスＧ１０が送出されている。空気予熱器３２では、気化器１２で熱交換された後の燃焼排ガスＧ１０と常温の空気Ｇ５との間で熱交換が行われる。空気予熱器３２において空気Ｇ５と熱交換した後の燃焼排ガスＧ１０の温度をＴ２とする。空気予熱器３０へは、空気予熱器３２で加熱された後の空気Ｇ５が送出される。 As shown in FIG. 4, the fuel cell system 10 </ b> B of this embodiment includes an air preheater 32. The air preheater 32 is disposed on the upstream side of the air preheater 30 of the air pipe P5, and is disposed on the downstream side of the vaporizer 12 of the combustion exhaust gas pipe P10. To the air preheater 32, normal temperature air G5 discharged from the blower B2 immediately after being introduced into the fuel cell system 10B is sent, and combustion exhaust gas G10 is sent from the vaporizer 12. In the air preheater 32, heat exchange is performed between the combustion exhaust gas G <b> 10 after heat exchange in the vaporizer 12 and the room temperature air G <b> 5. The temperature of the combustion exhaust gas G10 after heat exchange with the air G5 in the air preheater 32 is T2. The air G5 after being heated by the air preheater 32 is sent to the air preheater 30.
空気予熱器３２の燃焼排ガスＧ１０の出口には第２温度センサＳ２が設けられている。第２温度センサＳ２により温度Ｔ２が検知される。燃焼排ガスＧ１０は、空気予熱器３２で熱交換が行われた後、外部に排出される。 A second temperature sensor S2 is provided at the outlet of the combustion exhaust gas G10 of the air preheater 32. The temperature T2 is detected by the second temperature sensor S2. The combustion exhaust gas G10 is discharged to the outside after heat exchange is performed by the air preheater 32.
供給量調整部５０は、第２温度センサＳ２、及びブロアＢ２と接続されている。第２温度センサＳ２は、検知した温度Ｔ２を供給量調整部５０へ出力する。供給量調整部５０のメモリには設定温度Ｔ０と、図５に示す調整用テーブル５４が記憶されている。調整用テーブル５４には、設定温度Ｔ０を超えた後の温度Ｔ２とブロアＢ２で空気予熱器３２へ供給する空気の吐出量との関係データが記憶されている。供給量調整部５０は、設定温度Ｔ０を超えた場合に、調整用テーブル５４に基づいて、後述する排出ガス温度調整処理により、ブロアＢ２の空気吐出量を制御する。 The supply amount adjusting unit 50 is connected to the second temperature sensor S2 and the blower B2. The second temperature sensor S2 outputs the detected temperature T2 to the supply amount adjusting unit 50. The memory of the supply amount adjustment unit 50 stores a set temperature T0 and an adjustment table 54 shown in FIG. The adjustment table 54 stores relational data between the temperature T2 after exceeding the set temperature T0 and the discharge amount of air supplied to the air preheater 32 by the blower B2. When the set temperature T0 is exceeded, the supply amount adjusting unit 50 controls the air discharge amount of the blower B2 by the exhaust gas temperature adjusting process described later based on the adjustment table 54.
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ｂの動作について説明する。 Next, the operation of the fuel cell system 10B of the present embodiment will be described.
ブロアＢ２により所定の空気吐出量で送出された空気Ｇ５は、空気予熱器３２、３０を経てカソード１６Ｂへ供給され、発電に供された後、カソードオフガス管Ｐ９を経て燃焼器４０へ送出される。一方、アノード１６Ａへは、第１実施形態と同様に、燃料ガスＧ１が供給される。 The air G5 sent out by the blower B2 with a predetermined air discharge amount is supplied to the cathode 16B through the air preheaters 32, 30, and is supplied to the power generation, and then sent out to the combustor 40 through the cathode offgas pipe P9. . On the other hand, the fuel gas G1 is supplied to the anode 16A as in the first embodiment.
燃焼器４０では、第１実施形態と同様にアノードオフガスＧ３が燃焼に供され、燃焼器４０から、燃焼排ガスＧ１０が送出され、空気予熱器３０において、空気Ｇ５との間で熱交換が行われる。燃焼排ガスＧ１０は、次に、気化器１２へ送出され、メタン及び水との間で熱交換が行われ、空気予熱器３２へ送出されて更に熱交換が行われる。 In the combustor 40, the anode off-gas G3 is used for combustion as in the first embodiment, the combustion exhaust gas G10 is sent from the combustor 40, and the air preheater 30 exchanges heat with the air G5. . The combustion exhaust gas G10 is then sent to the vaporizer 12, where heat is exchanged between methane and water, and is sent to the air preheater 32 for further heat exchange.
第２温度センサＳ２で検知された温度Ｔ２は、供給量調整部５０へ出力されている。供給量調整部５０では、燃料電池システム１０Ｂの動作中、図６に示す、排出ガス温度調整処理が行われる。ステップＳ２０で、温度Ｔ２が設定温度Ｔ０よりも大きいかどうかを判断する。温度Ｔ２が設定温度Ｔ０よりも大きい場合には、ステップＳ２２で調整用テーブル５４を参照し、温度Ｔ２に対応する空気吐出量データを取得する。そして、取得した水吐出量データに基づいて、ステップＳ２４でブロアＢ２へ空気量調整指示を出力する。 The temperature T2 detected by the second temperature sensor S2 is output to the supply amount adjusting unit 50. In the supply amount adjusting unit 50, the exhaust gas temperature adjusting process shown in FIG. 6 is performed during the operation of the fuel cell system 10B. In step S20, it is determined whether the temperature T2 is higher than the set temperature T0. If the temperature T2 is higher than the set temperature T0, the adjustment table 54 is referred to in step S22, and air discharge amount data corresponding to the temperature T2 is acquired. Then, based on the acquired water discharge amount data, an air amount adjustment instruction is output to the blower B2 in step S24.
これにより、ブロアＢ２での空気吐出量が、温度Ｔ２に応じて増加し、空気予熱器３２へ供給される空気の量が増加するので、外部へ排出される燃焼排ガスＧ１０の温度が低下する。その後、ステップＳ２０へ戻り、温度Ｔ２が設定温度Ｔ０よりも大きい場合には、上記の処理を繰り返す。温度Ｔ２が設定温度Ｔ０よりも大きくない場合には、ステップＳ２０を繰り返し、待機する。 As a result, the amount of air discharged from the blower B2 increases according to the temperature T2, and the amount of air supplied to the air preheater 32 increases, so the temperature of the combustion exhaust gas G10 discharged to the outside decreases. Thereafter, the process returns to step S20, and when the temperature T2 is higher than the set temperature T0, the above process is repeated. If the temperature T2 is not greater than the set temperature T0, step S20 is repeated and the process waits.
本実施形態では、空気予熱器３２で熱交換が行われた後の燃焼排ガスＧ１０の温度Ｔ２が、設定温度Ｔ０よりも高い場合に、空気予熱器３２へ供給する空気の量を増加させるので、燃料電池システム１０Ｂから外部へ排出されるガスの温度を低下させることができる。また、空気予熱器３２において、燃焼排ガスＧ１０の熱により、カソード１６Ｂへ供給する空気を加熱するので、空気の昇温に必要な熱を外部から別途供給する必要がなくなる。また、燃料電池セルスタックの発電に伴う発熱は、燃料電池セルスタックの温度上昇に供することができるので、燃料電池セルスタックの高温化により発電性能が向上する。その結果、燃料電池システム１０Ｂにおける発電効率を向上させることができる。 In the present embodiment, when the temperature T2 of the combustion exhaust gas G10 after heat exchange is performed in the air preheater 32 is higher than the set temperature T0, the amount of air supplied to the air preheater 32 is increased. The temperature of the gas discharged from the fuel cell system 10B to the outside can be reduced. Further, since the air supplied to the cathode 16B is heated by the heat of the combustion exhaust gas G10 in the air preheater 32, it is not necessary to separately supply heat necessary for raising the temperature of the air from the outside. Further, the heat generated by the power generation of the fuel cell stack can be used to increase the temperature of the fuel cell stack, so that the power generation performance is improved by increasing the temperature of the fuel cell stack. As a result, the power generation efficiency in the fuel cell system 10B can be improved.
また、空気予熱器３２は、燃料電池システム１０Ｂにおいて、燃焼排ガスＧ１０が外部へ排出される直前に配置されているので、温度調整の結果が外部へ排出される燃焼排ガスＧ１０の温度へ直接反映され、外部へ排出されるガスの温度調整を行いやすい。また、空気予熱器３２へ導入される空気Ｇ５は、外部から導入された直後の常温であるので、燃焼排ガスＧ１０との温度差が大きくなり、熱交換効率を高めることができる。 Further, since the air preheater 32 is disposed immediately before the combustion exhaust gas G10 is discharged to the outside in the fuel cell system 10B, the result of temperature adjustment is directly reflected on the temperature of the combustion exhaust gas G10 discharged to the outside. Easy to adjust the temperature of the gas discharged to the outside. Moreover, since the air G5 introduced into the air preheater 32 is at a normal temperature immediately after being introduced from the outside, the temperature difference from the combustion exhaust gas G10 becomes large, and the heat exchange efficiency can be improved.
なお、本実施形態では、空気予熱器３２に供給する空気を増加させることで、温度Ｔ２を低下させたが、空気予熱器３０へ供給する空気Ｇ５の量を増加させることにより、燃焼排ガスＧ１０の温度を低下させてもよいし、気化器１２に供給する水の量を増加させることにより、燃焼排ガスＧ１０の温度を低下させてもよいし、空気予熱器３２、３０へ供給する空気量、及び気化器１２へ供給する水量のすべて又は一部を増加させて、燃焼排ガスＧ１０の温度を低下させてもよい。 In this embodiment, the temperature T2 is decreased by increasing the air supplied to the air preheater 32. However, by increasing the amount of air G5 supplied to the air preheater 30, the amount of the combustion exhaust gas G10 is increased. The temperature may be decreased, the temperature of the combustion exhaust gas G10 may be decreased by increasing the amount of water supplied to the vaporizer 12, the amount of air supplied to the air preheaters 32, 30, and The temperature of the combustion exhaust gas G10 may be lowered by increasing all or part of the amount of water supplied to the vaporizer 12.
また、本実施形態では、調整用テーブル５４を記憶し、温度Ｔ２に応じて増加させる空気の量を調整したが、温度Ｔ２が設定温度Ｔ０を超えた場合に、空気予熱器３２へ供給する空気量を一定量増加させてフィードバック制御を行ってもよい。 In the present embodiment, the adjustment table 54 is stored and the amount of air to be increased is adjusted according to the temperature T2. However, the air supplied to the air preheater 32 when the temperature T2 exceeds the set temperature T0. Feedback control may be performed by increasing the amount by a certain amount.
また、本実施形態では、メタンを原料ガスとし、改質器１４で水素や一酸化炭素へ改質したが、気化器や改質器を設置することなく、水素を直接アノード１６Ａへ供給して発電を行ってもよい。この場合には、図７に示されるように、ブロアＢ１とアノード１６Ａの間に水素予熱器３４を設け、空気予熱器３０で空気と熱交換を行った後の燃焼排ガスＧ１０で水素を加熱することができる。 In this embodiment, methane is used as a raw material gas and reformed to hydrogen or carbon monoxide by the reformer 14, but hydrogen is directly supplied to the anode 16A without installing a vaporizer or a reformer. You may generate electricity. In this case, as shown in FIG. 7, a hydrogen preheater 34 is provided between the blower B1 and the anode 16A, and hydrogen is heated by the combustion exhaust gas G10 after heat exchange with the air by the air preheater 30. be able to.
また、本実施形態では、カソードオフガスＧ９を燃焼器４０へ供給したが、カソード１６Ｂを経由させずに別ルートの空気供給管で空気を燃焼器４０へ供給してもよい。この場合には、当該別ルートの空気供給管に空気予熱器を設け、当該空気予熱器において燃焼排ガスＧ１０と空気の間で熱交換を行う。そして、熱交換後の燃焼排ガスＧ１０の温度を温度センサで検出し、当該温度が設定温度Ｔ０を超えた場合に、上記と同様に供給する空気量を制御すればよい。 In the present embodiment, the cathode off-gas G9 is supplied to the combustor 40. However, air may be supplied to the combustor 40 through an air supply pipe of another route without passing through the cathode 16B. In this case, an air preheater is provided in the air supply pipe of the other route, and heat exchange is performed between the combustion exhaust gas G10 and air in the air preheater. Then, the temperature of the combustion exhaust gas G10 after heat exchange is detected by a temperature sensor, and when the temperature exceeds the set temperature T0, the amount of air supplied may be controlled in the same manner as described above.
［第３実施形態］
次に、本実施形態の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１、２実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present embodiment will be described. In the present embodiment, the same parts as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図８に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１０Ｃは、燃料電池セルスタック１６に加えて、燃料電池セルスタック１８を有する、多段式の燃料電池システムで構成されている。本実施形態では、燃料電池セルスタック１６を第１燃料電池セルスタック１６と称し、燃料電池セルスタック１８を第２燃料電池セルスタック１８と称する。第２燃料電池セルスタック１８は、第１燃料電池セルスタック１６と同様の構成とされ、アノード１８Ａ及びカソード１８Ｂを有している。 As shown in FIG. 8, the fuel cell system 10 </ b> C of the present embodiment is configured by a multistage fuel cell system having a fuel cell stack 18 in addition to the fuel cell stack 16. In the present embodiment, the fuel cell stack 16 is referred to as a first fuel cell stack 16 and the fuel cell stack 18 is referred to as a second fuel cell stack 18. The second fuel cell stack 18 has the same configuration as the first fuel cell stack 16 and includes an anode 18A and a cathode 18B.
アノード１６Ａから排出されたアノードオフガスＧ３は、アノードオフガス管Ｐ７−１を通って燃料再生器４４へ送出される。燃料再生器４４では、アノードオフガスＧ３から、二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去される。燃料再生器４４では、例えば、分離膜、吸着剤、凝縮器などを用いて二酸化炭素及び水の少なくとも一方を除去することができる。燃料再生器４４で二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去されたアノードオフガスＧ３−２は、アノードオフガス管Ｐ７−２を通って第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａへ送出され、発電に供される。 The anode off gas G3 discharged from the anode 16A is sent to the fuel regenerator 44 through the anode off gas pipe P7-1. In the fuel regenerator 44, at least one of carbon dioxide and water is removed from the anode off gas G3. In the fuel regenerator 44, for example, at least one of carbon dioxide and water can be removed using a separation membrane, an adsorbent, a condenser, and the like. The anode offgas G3-2 from which at least one of carbon dioxide and water has been removed by the fuel regenerator 44 is sent to the anode 18A of the second fuel cell stack 18 through the anode offgas pipe P7-2 and used for power generation. The
一方、カソード１６Ｂから排出されたカソードオフガスＧ９−１は、カソードオフガス管Ｐ９−１を通って第２燃料電池セルスタック１８のカソード１８Ｂへ送出され、発電に供される。 On the other hand, the cathode offgas G9-1 discharged from the cathode 16B is sent to the cathode 18B of the second fuel cell stack 18 through the cathode offgas pipe P9-1 and used for power generation.
アノード１８Ａからは、アノードオフガスＧ３−３がアノードオフガス管Ｐ７−３を通って燃焼器４０へ送出される。カソード１８Ｂからは、カソードオフガスＧ９−２がカソードオフガス管Ｐ９−２を通って燃焼器４０へ送出される。 From the anode 18A, the anode off gas G3-3 is sent to the combustor 40 through the anode off gas pipe P7-3. From the cathode 18B, the cathode off gas G9-2 is sent to the combustor 40 through the cathode off gas pipe P9-2.
燃焼器４０では、アノードオフガスＧ３−３が燃焼され、燃焼排ガスＧ１０が、第１実施形態と同様に、空気予熱器３０を経由して気化器１２に導入され、熱交換の後に外部に排出されている。 In the combustor 40, the anode off gas G3-3 is combusted, and the combustion exhaust gas G10 is introduced into the carburetor 12 via the air preheater 30 and discharged outside after heat exchange, as in the first embodiment. ing.
本実施形態では、第２燃料電池セルスタック１８で、アノードオフガスＧ３内の未反応水素や一酸化炭素を再利用して発電を行うので、燃焼器４０で燃焼させる燃料ガスの量が減少する。したがって、燃焼器４０から排出される燃焼排ガスＧ１０自体の温度を低下させることができる。 In the present embodiment, in the second fuel cell stack 18, power is generated by reusing unreacted hydrogen and carbon monoxide in the anode offgas G3, so the amount of fuel gas burned in the combustor 40 is reduced. Therefore, the temperature of the combustion exhaust gas G10 itself discharged from the combustor 40 can be lowered.
また、本実施形態でも、供給量調整部５０は、第１実施形態と同様の構成を有し、同様の排出ガス温度調整処理（図３参照）が行われており、気化器１２で熱交換が行われた後の燃焼排ガスＧ１０の温度Ｔ１が、設定温度Ｔ０よりも高い場合に、気化器１２へ供給する水の量を増加させている。これにより、燃料電池システム１０Ｃから外部へ排出されるガスの温度を低下させることができる。 Also in this embodiment, the supply amount adjustment unit 50 has the same configuration as that of the first embodiment, and the same exhaust gas temperature adjustment processing (see FIG. 3) is performed. When the temperature T1 of the combustion exhaust gas G10 after the operation is higher than the set temperature T0, the amount of water supplied to the vaporizer 12 is increased. Thereby, the temperature of the gas discharged from the fuel cell system 10C to the outside can be reduced.
また、気化器１２において、燃焼排ガスＧ１０の熱により、改質前のメタン及び水を加熱するので、メタンの昇温と水の気化、昇温に必要な熱を外部から別途供給する必要がなくなる。また、燃料電池セルスタックの発電に伴う発熱は、燃料電池セルスタックの温度上昇に供することができるので、燃料電池セルスタックの高温化により発電性能が向上する。その結果、燃料電池システム１０Ｃにおける発電効率を向上させることができる。 Further, since the methane and water before reforming are heated by the heat of the combustion exhaust gas G10 in the vaporizer 12, it is not necessary to separately supply the heat necessary for raising the temperature of the methane, vaporizing the water, and raising the temperature. . Further, the heat generated by the power generation of the fuel cell stack can be used to increase the temperature of the fuel cell stack, so that the power generation performance is improved by increasing the temperature of the fuel cell stack. As a result, the power generation efficiency in the fuel cell system 10C can be improved.
さらに、本実施形態では、燃焼排ガスＧ１０の温度を下げるために気化器１２へ供給する水の量を増加させても、燃料再生器４４でアノードオフガスＧ３−１から水を除去することにより、第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａへ供給するアノードオフガスＧ３−３に含まれる水（水蒸気）は減少している。したがって、燃料電池システム１０Ｃの発電効率を高く維持することができる。 Furthermore, in this embodiment, even if the amount of water supplied to the vaporizer 12 to increase the temperature of the combustion exhaust gas G10 is increased, the fuel regenerator 44 removes water from the anode offgas G3-1, 2 Water (steam) contained in the anode offgas G3-3 supplied to the anode 18A of the fuel cell stack 18 is reduced. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell system 10C can be maintained high.
さらに、本実施形態で示されるような多段式の燃料電池システムは、可能な限り供給燃料を発電に回すことを想定したシステムであり、燃料電池セルスタックの発電に伴う発熱や燃焼排ガスの熱を余すことなく系内に留める必要がある。本発明は、高い発電温度を保ちつつ、外部からの熱の供給を減らすことができるので、本実施形態のような多段式の燃料電池システムに好適に用いることができる。 Furthermore, the multistage fuel cell system as shown in the present embodiment is a system that assumes that the supplied fuel is sent to power generation as much as possible, and generates heat generated by the power generation of the fuel cell stack and heat of combustion exhaust gas. It is necessary to stay in the system without leaving anything. Since the present invention can reduce the supply of heat from the outside while maintaining a high power generation temperature, it can be suitably used for a multistage fuel cell system as in this embodiment.
なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、他の燃料電池、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。 The fuel cell of the present invention is not limited to a solid oxide fuel cell (SOFC), but may be another fuel cell such as a molten carbonate fuel cell (MCFC). May be.
また、本発明は、燃料電池セルスタック１６からのアノードオフガスを再利用する、循環式の燃料電池システムに適用することもできる。 The present invention can also be applied to a circulating fuel cell system that reuses anode off-gas from the fuel cell stack 16.
また、本実施形態では、本発明をモノジェネレーションシステムの燃料電池システムに適用した例で説明したが、コジェネレーションシステムであっても、排熱を熱需要に利用しない運転時において、本発明を適用することができる。 Further, in the present embodiment, the present invention has been described with an example in which the present invention is applied to a fuel cell system of a monogeneration system. However, even in a cogeneration system, the present invention is applied during operation that does not use exhaust heat for heat demand. can do.
さらに、本発明は、前述の第１、２実施形態に限定されず、本発明の技術的思想内で、当業者によって、既知の装置を組み合わせて実施することができる。例えば、熱交換器の設置、組み合わせなどを、種々に設定することができる。 Furthermore, the present invention is not limited to the first and second embodiments described above, and can be implemented by a person skilled in the art in combination with known devices within the technical idea of the present invention. For example, the installation and combination of heat exchangers can be set in various ways.
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 燃料電池システム
１２ 気化器、 １４ 改質器、 １６ 燃料電池セルスタック
１６Ａ、１８Ａ アノード １６Ｂ、１８Ｂ カソード
１８ 第２燃料電池セルスタック
３０、３２ 空気予熱器
４０ 燃焼器 ４４ 燃料再生器 ５０ 供給量調整部
Ｇ１ 燃料ガス Ｇ３ アノードオフガス Ｇ５ 空気
Ｇ９ カソードオフガス Ｇ１０ 燃焼排ガス
Ｓ１、Ｓ２ 温度センサ（供給量調整部）
Ｔ０ 設定温度
10A, 10B, 10C Fuel cell system 12 Vaporizer, 14 Reformer, 16 Fuel cell stack 16A, 18A Anode 16B, 18B Cathode 18 Second fuel cell stack 30, 32 Air preheater 40 Combustor 44 Fuel regenerator 50 Supply amount adjusting unit G1 Fuel gas G3 Anode off gas G5 Air G9 Cathode off gas G10 Combustion exhaust gas S1, S2 Temperature sensor (Supply amount adjusting unit)
T0 set temperature
Claims (7)
前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器から排出される燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタックへ供給される供給流体との間で熱交換する熱交換部と、
前記熱交換部における熱交換後の前記燃焼排ガスの温度が設定温度を超える場合に、前記熱交換部へ供給する前記供給流体の量を増加させる供給量調整部と、
を備えた燃料電池システム。 A fuel cell stack that generates electricity by reacting fuel gas and air; and
A combustor for combusting anode off-gas discharged from the fuel cell stack;
A heat exchanging section for exchanging heat between the flue gas discharged from the combustor and the supply fluid supplied to the fuel cell stack;
A supply amount adjusting unit for increasing the amount of the supply fluid supplied to the heat exchange unit when the temperature of the combustion exhaust gas after heat exchange in the heat exchange unit exceeds a set temperature;
A fuel cell system comprising:
前記熱交換部は、前記改質器へ水蒸気を供給する気化器を含んで構成され、
前記供給量調整部は、前記供給流体として前記気化器で気化される水を供給する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 A reformer that reforms the raw material to generate the fuel gas;
The heat exchange unit includes a vaporizer that supplies water vapor to the reformer,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the supply amount adjusting unit supplies water that is vaporized by the vaporizer as the supply fluid.
前記第１燃料電池セルスタックと前記第２燃料電池セルスタックの間には、前記アノードオフガスから少なくとも水を除去する燃料再生器が配設されている、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。 The fuel cell stack includes a first fuel cell stack and a second fuel cell stack to which an anode off gas discharged from a fuel electrode of the first fuel cell stack is supplied.
The fuel according to claim 1 or 2, wherein a fuel regenerator that removes at least water from the anode off-gas is disposed between the first fuel cell stack and the second fuel cell stack. Battery system.
前記供給量調整部は、前記供給流体として前記空気予熱器で加熱される空気を供給する、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 An air preheater for heating the air;
4. The fuel cell system according to claim 1, wherein the supply amount adjusting unit supplies air heated by the air preheater as the supply fluid. 5.
前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器から排出され、前記燃料電池システムの外部に排出される直前の燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタックへ供給される供給流体との間で熱交換する熱交換部と、
を備えた燃料電池システム。 A fuel cell system having a fuel cell stack that generates electricity by reacting fuel gas and air,
A combustor for combusting anode off-gas discharged from the fuel cell stack;
A heat exchanging section for exchanging heat between the flue gas immediately before being discharged from the combustor and discharged to the outside of the fuel cell system and a supply fluid supplied to the fuel cell stack;
A fuel cell system comprising:
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