JP2023149031A - heat source machine system - Google Patents

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正樹 本道
Masaki Hondo
淳也 香田
Junya Koda
俊樹 高須
Toshiki Takasu
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Tokyo Gas Co Ltd
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Tokyo Gas Co Ltd
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Abstract

To easily and efficiently utilize the mixed gas mainly composed of hydrocarbon and hydrogen.SOLUTION: A heat-source machine system 10A includes: a fuel-cell cell stack 20 in which the mixed gas mainly composed of hydrocarbon and hydrogen supplied from a gas conduit G is supplied to a fuel electrode 20A and the hydrogen in the mixed gas is used in the power generation reaction to generate power; a heat source machine 30 having a burner 32 which burns the fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode 20A of the fuel-cell cell stack 20, and a heat exchanger 34 which exchanges heat between the combustion heat by the burner 32 and the fluid to be heated; and a controller 40 which adjusts the flow rate of the mixed gas supplied by a fuel supply blower 24 so that the heat amount of the fuel electrode off-gas matches the amount of heat required by the heat source machine 30.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、熱源機システムに関する。 The present invention relates to a heat source device system.

低炭素社会の実現に向けて、従来の都市ガス等のメタンを主成分とする炭化水素系のガスに水素を混合した混合ガスを利用することが検討されている。このような混合ガスをガス導管から供給する場合、ユーザ側での対応が問題となる。 In order to realize a low-carbon society, consideration is being given to using a mixed gas in which hydrogen is mixed with a hydrocarbon gas whose main component is methane, such as conventional city gas. When such a mixed gas is supplied from a gas conduit, the user's response becomes a problem.

特許文献1、2では、水素燃料用設備と既存のガス燃焼機器が並存する場合に、両方の機器を支障なく利用するため、混合ガス中の水素と炭化水素系ガスを分離し、機器で利用できない分離した未使用のガスを導管に戻し、他の需要家へ供給している。 In Patent Documents 1 and 2, when hydrogen fuel equipment and existing gas combustion equipment coexist, in order to use both equipment without problems, hydrogen and hydrocarbon gas in the mixed gas are separated and used in the equipment. The separated unused gas that cannot be used is returned to the pipeline and supplied to other consumers.

特許4530193号Patent No. 4530193 特許4721525号Patent No. 4721525

特許文献1、2のように、ガス導管へ分離後のガスを戻す場合、戻された先のガスの水素や炭化水素の濃度にバラツキが生じると共に、ガス導管システムが大がかりとなる。一方、混合ガスを既存のガス燃焼機器で燃焼させることも考えられるが、水素を効率的に利用できない。需用者側に、水素燃料用設備利用者と既存のガス燃焼機器利用者が並存する場合に、混合ガスを簡易、且つ効率的に利用する方法が求められる。 When the separated gas is returned to the gas conduit as in Patent Documents 1 and 2, variations occur in the concentration of hydrogen and hydrocarbons in the returned gas, and the gas conduit system becomes large-scale. On the other hand, it is conceivable to burn the mixed gas with existing gas combustion equipment, but hydrogen cannot be used efficiently. When there are users of hydrogen fuel equipment and users of existing gas combustion equipment on the consumer side, there is a need for a method for using mixed gas simply and efficiently.

本発明は、上記事実を考慮して成されたものであり、炭化水素及び水素を主成分とする混合ガスを、簡易に効率的に利用することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above facts, and an object of the present invention is to easily and efficiently utilize a mixed gas containing hydrocarbons and hydrogen as main components.

請求項1に係る熱源機システムは、ガス導管から供給される炭化水素及び水素を主成分とする混合ガスが燃料供給部により燃料極に供給され、前記混合ガス中の水素を発電反応に用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池の燃料極から排出される燃料極オフガスを燃焼させるバーナと、前記バーナによる燃焼熱と加熱対象流体との間で熱交換を行う熱交換器と、を有する熱源機と、前記燃料極オフガスの熱量が前記熱源機の要求熱量となるように、前記燃料供給部により供給される前記混合ガスの流量調整を行う制御部と、を備えている。 In the heat source device system according to claim 1, a mixed gas containing hydrocarbons and hydrogen as main components supplied from a gas conduit is supplied to a fuel electrode by a fuel supply section, and hydrogen in the mixed gas is used for a power generation reaction. A heat source that includes a fuel cell that generates electricity, a burner that burns fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell, and a heat exchanger that exchanges heat between the combustion heat of the burner and a fluid to be heated. and a control section that adjusts the flow rate of the mixed gas supplied by the fuel supply section so that the amount of heat of the fuel electrode off-gas matches the amount of heat required by the heat source device.

請求項1に係る熱源機システムでは、ガス導管からの炭化水素及び水素を主成分とする混合ガスは、燃料電池の燃料極に供給され、燃料電池では混合ガス中の水素が発電に利用される。発電に利用されずに燃料極から排出される燃料極オフガスは、熱源機のバーナの燃焼に供され、熱交換器においてバーナによる燃焼熱と加熱対象流体との間で熱交換が行われ、加熱対象流体が加熱される。 In the heat source device system according to claim 1, the mixed gas containing hydrocarbons and hydrogen as main components from the gas pipe is supplied to the fuel electrode of the fuel cell, and the hydrogen in the mixed gas is used for power generation in the fuel cell. . The fuel electrode off-gas that is discharged from the fuel electrode without being used for power generation is used for combustion in the burner of the heat source equipment, and heat is exchanged between the combustion heat from the burner and the fluid to be heated in the heat exchanger. The target fluid is heated.

請求項1に係る熱源機システムによれば、混合ガス中の水素が燃料電池で利用され、未利用の炭化水素が熱源機で利用される。したがって、熱源機のみで水素及び炭化水素を燃焼させて利用する場合と比較して、混合ガスを効率よく利用することができる。また、分離装置も必要なく、簡易な構成にすることができる。 According to the heat source device system according to the first aspect, hydrogen in the mixed gas is used in the fuel cell, and unused hydrocarbons are used in the heat source device. Therefore, the mixed gas can be used more efficiently than when hydrogen and hydrocarbons are burned and used only by the heat source device. Further, a separation device is not required, and the structure can be simplified.

また、制御部によって、燃料極オフガスの熱量が熱源機の要求熱量となるように、燃料供給部により供給される混合ガスの流量調整が行われる。したがって、燃料電池の発電により消費される熱量を考慮して、燃料供給部により供給される混合ガスの流量調整を行うことにより、熱源機の要求熱量をバーナへ供給することができる。 Further, the control section adjusts the flow rate of the mixed gas supplied by the fuel supply section so that the amount of heat of the fuel electrode off-gas becomes the amount of heat required by the heat source device. Therefore, by adjusting the flow rate of the mixed gas supplied by the fuel supply section in consideration of the amount of heat consumed by power generation by the fuel cell, the amount of heat required by the heat source device can be supplied to the burner.

請求項2に係る熱源機システムは、前記制御部は、前記要求熱量及び前記燃料電池の発電出力に基づいて、前記燃料極オフガスの熱量が前記熱源機の要求熱量となるように、前記燃料供給部により供給される前記混合ガスの流量調整を行う。 In the heat source device system according to claim 2, the control unit controls the fuel supply so that the amount of heat of the fuel electrode off-gas becomes the amount of heat required by the heat source device based on the required amount of heat and the power generation output of the fuel cell. The flow rate of the mixed gas supplied by the unit is adjusted.

請求項2に係る熱源機システムによれば、前記燃料電池の発電出力に応じて変化する消費水素量を計算することにより、容易に燃料極オフガスの熱量を熱源機の要求熱量とすることができる。 According to the heat source device system according to claim 2, by calculating the amount of consumed hydrogen that changes depending on the power generation output of the fuel cell, the amount of heat of the fuel electrode off-gas can be easily set as the amount of heat required by the heat source device. .

請求項3に係る熱源機システムは、前記制御部は、前記燃料電池が電力供給先の電力負荷に応じた発電出力となるように前記燃料電池の出力及び前記燃料供給部を制御する。 In the heat source device system according to a third aspect of the present invention, the control section controls the output of the fuel cell and the fuel supply section so that the fuel cell generates a power output according to a power load of a power supply destination.

請求項3に係る熱源機システムによれば、燃料電池による発電出力を負荷追従させて余剰電力を少なくしつつ、熱源機へ要求熱量を供給することができる。 According to the heat source device system according to the third aspect, the required amount of heat can be supplied to the heat source device while reducing surplus power by making the power generation output by the fuel cell follow the load.

請求項4に係る熱源機システムは、前記バーナへ燃焼用空気を送出する燃焼空気供給部を有し、前記制御部は、前記燃料供給部により供給される前記混合ガスの流量及び前記バーナへ供給される前記燃料極オフガスの組成に基づいて、前記バーナへ供給される空気の流量が調整されるように前記燃焼空気供給部を制御する。 The heat source equipment system according to claim 4 includes a combustion air supply section that sends combustion air to the burner, and the control section controls the flow rate of the mixed gas supplied by the fuel supply section and the supply to the burner. The combustion air supply unit is controlled so that the flow rate of air supplied to the burner is adjusted based on the composition of the fuel electrode off-gas.

請求項4に係る熱源機システムによれば、燃焼効率が向上する適切な量の空気をバーナへ供給することができる。 According to the heat source device system according to the fourth aspect, an appropriate amount of air that improves combustion efficiency can be supplied to the burner.

請求項5に係る熱源機システムは、前記制御部は、前記熱源機への運転要求がある時にのみ前記混合ガスが前記燃料極へ供給されるように前記燃料供給部を制御する。 In the heat source device system according to a fifth aspect of the present invention, the control section controls the fuel supply section so that the mixed gas is supplied to the fuel electrode only when there is an operation request to the heat source device.

請求項5に係る熱源機システムによれば、制御部によって、熱源機への運転要求がある時にのみ燃料電池へ混合ガスが供給されるように燃料供給部が制御される。ここでの「熱源機に対する運転要求がある時」は、熱源機へ運転要求があり且つ要求に応じて熱源機が運転中の場合を意味する。したがって、燃料電池のみが運転されて熱源機が運転されない事態が生じず、燃料電池から排出される、炭化水素や未利用水素が含まれる燃料極オフガスを、熱源機において適切に処理することができる。そして、燃料極オフガスを処理するための機器を別途設ける必要がなく、また、分離装置も必要なく、簡易な構成にすることができる。 According to the heat source device system according to the fifth aspect, the control section controls the fuel supply section so that the mixed gas is supplied to the fuel cell only when there is an operation request to the heat source device. Here, "when there is an operation request for the heat source device" means a case where there is an operation request for the heat source device and the heat source device is operating in response to the request. Therefore, a situation where only the fuel cell is operated and the heat source machine is not operated does not occur, and the fuel electrode off-gas containing hydrocarbons and unused hydrogen discharged from the fuel cell can be appropriately processed in the heat source machine. . Further, there is no need to separately provide equipment for processing the fuel electrode off-gas, and there is no need for a separation device, resulting in a simple configuration.

本発明に係る熱源機システムによれば、炭化水素及び水素を主成分とする混合ガスを、簡易に効率的に利用することができる。 According to the heat source device system according to the present invention, a mixed gas containing hydrocarbons and hydrogen as main components can be used easily and efficiently.

本実施形態に係る熱源機システムの構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of a heat source device system according to the present embodiment. 本実施形態に係る熱源機システムの制御関連の構成図である。FIG. 2 is a control-related configuration diagram of the heat source device system according to the present embodiment. 空燃比テーブルの一例である。This is an example of an air-fuel ratio table. 発電制御処理のフローチャートである。It is a flowchart of power generation control processing. 流量調整処理のフローチャートである。It is a flowchart of flow rate adjustment processing.

本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

熱源機システム10Aは、ユーザ宅や、集合住宅等に設置されている、水などの加熱対象流体を加熱するためのシステムであり、給湯設備や温水式床暖房設備などの熱源となる機器である。図1には、本発明の実施形態に係る熱源機システム10Aの主要構成の概略が示されている。本発明の実施形態に係る熱源機システム10Aは、主要な構成として、発電ユニット12、及び熱源機30を備えている。 The heat source device system 10A is a system for heating a fluid to be heated such as water, which is installed in a user's home or an apartment complex, and is a device that serves as a heat source for hot water supply equipment, hot water floor heating equipment, etc. . FIG. 1 schematically shows the main configuration of a heat source device system 10A according to an embodiment of the present invention. A heat source device system 10A according to an embodiment of the present invention includes a power generation unit 12 and a heat source device 30 as main components.

熱源機システム10Aには、所定の地域にガスを供給するガス導管Gから混合ガスが供給される。混合ガスは、水素及び炭化水素を主成分とするガスであり、一例として都市ガスに水素を混合させたガスを用いることができる。また、一例として、混合ガス中の水素濃度は0.1%~10%程度、メタン濃度は90%~99.9%程度に設定することができる。ガス導管Gから分岐して燃料供給管P1が設けられており、燃料供給管P1を介して熱源機システム10Aへ混合ガスが供給される。 Mixed gas is supplied to the heat source system 10A from a gas conduit G that supplies gas to a predetermined area. The mixed gas is a gas whose main components are hydrogen and hydrocarbons, and for example, a mixture of city gas and hydrogen can be used. Further, as an example, the hydrogen concentration in the mixed gas can be set to about 0.1% to 10%, and the methane concentration can be set to about 90% to 99.9%. A fuel supply pipe P1 is provided branching off from the gas conduit G, and the mixed gas is supplied to the heat source system 10A via the fuel supply pipe P1.

発電ユニット12は、混合ガスの水素を利用して発電する機器であり、脱硫器14、燃料電池セルスタック20、空気供給ブロワ22、燃料供給ブロワ24、及びパワーコンディショナ26を有している。 The power generation unit 12 is a device that generates power using hydrogen in a mixed gas, and includes a desulfurizer 14 , a fuel cell stack 20 , an air supply blower 22 , a fuel supply blower 24 , and a power conditioner 26 .

燃料電池セルスタック20は、積層された複数の燃料電池セルを有するセルスタックである。燃料電池セルスタック20は、本発明における燃料電池の一例であり、個々の燃料電池セルは、電解質層(不図示)と、当該電解質層の表裏面にそれぞれ積層された燃料極20A、及び空気極20Bと、を有している。なお、燃料電池セルスタック20として、固体酸化物型燃料電池(SOFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)、固体高分子型燃料電池(PEFC)等、種々の燃料電池を適用することができる。本実施形態では、PEFCを例に説明する。 The fuel cell stack 20 is a cell stack including a plurality of stacked fuel cells. The fuel cell stack 20 is an example of a fuel cell in the present invention, and each fuel cell includes an electrolyte layer (not shown), a fuel electrode 20A and an air electrode laminated on the front and back surfaces of the electrolyte layer, respectively. 20B. Note that various fuel cells can be used as the fuel cell stack 20, such as a solid oxide fuel cell (SOFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), and a polymer electrolyte fuel cell (PEFC). . This embodiment will be explained using PEFC as an example.

燃料極20Aの入口側には、燃料供給管P1が接続され、空気極20Bの入口側には、空気供給管P2が接続されている。燃料供給管P1には、上流側から順に燃料供給ブロワ24、及び脱硫器14が設けられている。燃料供給ブロワ24は、混合ガスを指示された流量で燃料極20Aへ向かって送出する。脱硫器14は、混合ガス中の付臭剤としての硫黄成分を除去する。硫黄成分が除去された混合ガスは、水素及びメタンを含んでおり、改質されることなく燃料電池セルスタック20の燃料極20Aへ供給される。空気供給管P2には、空気供給ブロワ22が設けられており、空気供給ブロワ22により空気極20Bへ空気が供給される。 A fuel supply pipe P1 is connected to the inlet side of the fuel electrode 20A, and an air supply pipe P2 is connected to the inlet side of the air electrode 20B. The fuel supply pipe P1 is provided with a fuel supply blower 24 and a desulfurizer 14 in this order from the upstream side. The fuel supply blower 24 sends out the mixed gas toward the fuel electrode 20A at a specified flow rate. The desulfurizer 14 removes sulfur components as an odorant in the mixed gas. The mixed gas from which the sulfur component has been removed contains hydrogen and methane, and is supplied to the fuel electrode 20A of the fuel cell stack 20 without being reformed. The air supply pipe P2 is provided with an air supply blower 22, and the air supply blower 22 supplies air to the air electrode 20B.

燃料極20Aの出口側には、燃料極オフガス管P3が接続され、空気極20Bの出口側には、空気極オフガス管P4が接続されている。燃料極オフガス管P3の下流端は、熱源機30の後述するバーナ32に接続されている。空気極20Bから排出される空気極オフガスは、空気極オフガス管P4から大気に放散される。燃料極20Aから排出される燃料極オフガスは、燃料極オフガス管P3を介してバーナ32へ供給される。 A fuel electrode off-gas pipe P3 is connected to the exit side of the fuel electrode 20A, and an air electrode off-gas pipe P4 is connected to the exit side of the air electrode 20B. The downstream end of the fuel electrode off-gas pipe P3 is connected to a burner 32 of the heat source device 30, which will be described later. The air electrode off-gas discharged from the air electrode 20B is dissipated into the atmosphere from the air electrode off-gas pipe P4. The fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode 20A is supplied to the burner 32 via the fuel electrode off-gas pipe P3.

燃料電池セルスタック20には、パワーコンディショナ26が電気的に接続されている。パワーコンディショナ26により、燃料電池セルスタック20による発電出力が制御されると共に、電力がユーザへ供給される。パワーコンディショナ26は、電力供給先(ユーザ)の電力負荷に応じて発電出力を制御する。但し、本実施形態では、熱源機30の要求熱量(必要熱量)を超える混合ガスが必要となる負荷追従は実行せず、要求熱量の範囲内の流量の混合ガスに含まれる水素で発電可能な出力とする。 A power conditioner 26 is electrically connected to the fuel cell stack 20 . The power conditioner 26 controls the power generation output by the fuel cell stack 20 and supplies power to the user. The power conditioner 26 controls the power generation output according to the power load of the power supply destination (user). However, in this embodiment, load following which requires a mixed gas exceeding the required heat amount (required heat amount) of the heat source device 30 is not performed, and power generation is possible using hydrogen contained in the mixed gas with a flow rate within the required heat amount range. Output.

熱源機30は、発電ユニット12の燃料電池セルスタック20の燃料極20Aから排出された燃料極オフガスを燃料として加熱対象流体を加熱する機器であり、バーナ32、及び熱交換器34を有している。熱交換器34には、水供給管P5から上水が供給される。 The heat source device 30 is a device that heats a fluid to be heated using fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode 20A of the fuel cell stack 20 of the power generation unit 12 as fuel, and includes a burner 32 and a heat exchanger 34. There is. Clean water is supplied to the heat exchanger 34 from a water supply pipe P5.

バーナ32には、燃料極オフガス管P3及び燃焼空気供給管P8が接続されている。燃料極オフガス管P3からは、燃料電池セルスタック20の燃料極20Aから排出された燃料極オフガスが供給される。燃焼空気供給管P8の上流端には、燃焼空気供給ブロワ28が設けられており、燃焼空気供給ブロワ28の駆動によりバーナ32へ燃焼空気が供給される。バーナ32は熱交換器34と隣接配置されている。バーナ32は、燃料極オフガス中の可燃成分を燃焼させ、燃焼熱により熱交換器34へ供給された上水を加熱する。 The burner 32 is connected to a fuel electrode off-gas pipe P3 and a combustion air supply pipe P8. The fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode 20A of the fuel cell stack 20 is supplied from the fuel electrode off-gas pipe P3. A combustion air supply blower 28 is provided at the upstream end of the combustion air supply pipe P8, and combustion air is supplied to the burner 32 by driving the combustion air supply blower 28. Burner 32 is located adjacent to heat exchanger 34 . The burner 32 burns the combustible components in the fuel electrode off-gas and heats the clean water supplied to the heat exchanger 34 with the heat of combustion.

熱交換器34で加熱された上水は、配管P7から送出され、給湯用、床暖用へ供給される。バーナ32からの燃焼排ガスは、排ガス管P6から排出される。 The tap water heated by the heat exchanger 34 is sent out from the pipe P7 and is supplied to hot water supply and floor heating. Combustion exhaust gas from the burner 32 is discharged from the exhaust gas pipe P6.

図2には、熱源機システム10Aの制御系に係る概略ブロック図が示されている。熱源機システム10Aには、コントローラ40が設けられており、コントローラ40により発電ユニット12及び熱源機30が制御されている。 FIG. 2 shows a schematic block diagram of the control system of the heat source device system 10A. The heat source device system 10A is provided with a controller 40, and the power generation unit 12 and the heat source device 30 are controlled by the controller 40.

コントローラ40は、図2に示されるように、CPU(Central Processing Unit)41と、ROM(Read Only Memory)42と、RAM(Random Access Memory)43と、入出力インターフェース(I/F)44と、記憶部45と、を備えている。 As shown in FIG. 2, the controller 40 includes a CPU (Central Processing Unit) 41, a ROM (Read Only Memory) 42, a RAM (Random Access Memory) 43, and an input/output interface (I/F) 44. A storage unit 45 is provided.

CPU41、ROM42、RAM43、及びI/F44は、バス46を介して各々接続されている。I/F44には、記憶部45を含む各機能部が接続されている。これらの各機能部は、I/F44を介して、CPU41と相互に通信可能とされる。 The CPU 41, ROM 42, RAM 43, and I/F 44 are each connected via a bus 46. Each functional unit including the storage unit 45 is connected to the I/F 44 . Each of these functional units can communicate with the CPU 41 via the I/F 44.

記憶部45としては、例えば、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)、フラッシュメモリ等が用いられる。記憶部45には、熱源機システム10Aの各部を制御するための制御プログラムや、各種のデータが記憶される。なお、この制御プログラム、各種データは、ROM42に記憶されていてもよい。 As the storage unit 45, for example, an HDD (Hard Disk Drive), an SSD (Solid State Drive), a flash memory, or the like is used. The storage unit 45 stores a control program for controlling each part of the heat source device system 10A and various data. Note that this control program and various data may be stored in the ROM 42.

本実施形態では、制御プログラムの一部として、発電制御処理プログラム等が格納されている。また、この処理に使用されるデータとして、発電条件情報J、混合ガス必要量対応テーブルT1、空燃比テーブルT2等が格納されている。 In this embodiment, a power generation control processing program and the like are stored as part of the control program. Further, as data used in this process, power generation condition information J, a table T1 corresponding to the required amount of mixed gas, an air-fuel ratio table T2, etc. are stored.

発電条件情報Jは、発電ユニット12において、発電運転が実行されるための条件である。本実施形態では、熱源機30の稼働が発電運転の条件とされ、且つ、操作パネル50から床暖開始の入力があった場合、浴槽湯張り開始の入力があった場合、給湯時間が所定時間T以上となった場合、のいずれかが条件とされている。所定時間Tとしては、例えば、10秒~20秒など、床暖房や浴槽湯張りよりも短く設定され、床暖房や浴槽湯張りよりも短いが、ユーザの湯の使用時間がある程度長くなる時間を設定することができる。床暖房の時間、浴槽湯張り時間、及び所定時間T以上が、本発明の発電可能時間の例となる。 The power generation condition information J is a condition for performing power generation operation in the power generation unit 12. In this embodiment, the operation of the heat source device 30 is a condition for power generation operation, and when there is an input from the operation panel 50 to start floor heating or to start filling the bathtub, the hot water supply time is set for a predetermined time. If it becomes T or more, one of the following conditions is set. The predetermined time T is set, for example, from 10 seconds to 20 seconds, which is shorter than for floor heating or bathtub filling, and is shorter than floor heating or bathtub filling, but it is a time that increases the user's hot water usage time to a certain extent. Can be set. The floor heating time, the bathtub filling time, and the predetermined time T or longer are examples of the power generation possible time of the present invention.

混合ガス必要量対応テーブルT1は、燃料電池セルスタック20における発電による水素の消費量に基づいて、燃料極20Aへ供給される混合ガスの流量を決定するためのテーブルである。熱源機30で要求される単位時間当たりの熱量をE0(以下「要求熱量E0」という)、水素消費前において要求熱量E0となる混合ガスの流量をF0(以下「非発電時流量F0」という)、非発電時流量F0において水素消費後の燃料極オフガスの熱量をE1(以下「水素消費後熱量E1」という)とすると、水素消費後の燃料極オフガスの熱量が要求熱量E0となる混合ガスの流量F1(以下「発電時流量F1」という)は、下記の(1)式で表すことができる。 The mixed gas required amount correspondence table T1 is a table for determining the flow rate of the mixed gas supplied to the fuel electrode 20A based on the amount of hydrogen consumed by power generation in the fuel cell stack 20. The amount of heat per unit time required by the heat source device 30 is E0 (hereinafter referred to as "required amount of heat E0"), and the flow rate of the mixed gas that provides the required amount of heat E0 before hydrogen consumption is F0 (hereinafter referred to as "flow rate during non-power generation F0"). , when the calorific value of the fuel electrode off-gas after hydrogen consumption is E1 (hereinafter referred to as "calorific value after hydrogen consumption E1") at the non-power generation flow rate F0, the calorific value of the fuel electrode off-gas after hydrogen consumption is the required calorific value E0. The flow rate F1 (hereinafter referred to as "power generation flow rate F1") can be expressed by the following equation (1).

(1) F1 = F0 × (E0/E1) (1) F1 = F0 × (E0/E1)

水素消費後熱量E1は、燃料電池セルスタック20における発電において消費される水素分の熱量(非発電時流量F0中)を要求熱量E0から減じることにより算出することができる。非発電時流量F0における水素の消費量Xは、燃料電池セルスタック20での発電電流に比例して増加する。ファラデー定数を96485、混合ガスのモル体積を22.4、発電電流をI、燃料電池セルスタック20のセル数をN、とすると、水素の消費量Xは、下記の(2)式で表すことができる。 The amount of heat after hydrogen consumption E1 can be calculated by subtracting the amount of heat of hydrogen consumed during power generation in the fuel cell stack 20 (in the non-power generation flow rate F0) from the required amount of heat E0. The hydrogen consumption amount X at the non-power generation flow rate F0 increases in proportion to the power generation current in the fuel cell stack 20. Assuming that the Faraday constant is 96485, the molar volume of the mixed gas is 22.4, the generated current is I, and the number of cells in the fuel cell stack 20 is N, the hydrogen consumption amount X can be expressed by the following equation (2). I can do it.

(2) X = 22.4×N×I/(2×96845) (2) X = 22.4×N×I/(2×96845)

単位モル当たりの水素の燃焼熱(熱量)をEH2とし、混合ガスにおける水素の組成(モル比率または体積比率)をaとすると、燃料電池セルスタック20における発電において消費される水素の熱量E2(非発電時流量F0中)は、下記の(3)式で表すことができ、E1は下記の(4)式で表すことができる。 If the heat of combustion (calorific value) of hydrogen per unit mole is E H2 , and the composition (mole ratio or volume ratio) of hydrogen in the mixed gas is a, then the heat amount of hydrogen consumed in power generation in the fuel cell stack 20 E2 ( The non-power generation flow rate F0) can be expressed by the following equation (3), and E1 can be expressed by the following equation (4).

(3) E2 = EH2×X/22.4
(4) E1 = E0-E2
(3) E2 = E H2 ×X/22.4
(4) E1 = E0-E2

上記の(1)(2)(3)(4)より、変数パラメータである要求熱量E0、発電電流Iに基づいて発電時流量F1を算出することができ、この発電時流量F1が、燃料供給ブロワ24で混合ガスを供給する流量となる。混合ガス必要量対応テーブルT1では、要求熱量E0と発電電流Iに対応した発電時流量F1が設定され、混合ガス必要量対応テーブルT1を参照することにより、混合ガスを供給する流量(発電時流量F1)を簡易に求めることができる。 From (1), (2), (3), and (4) above, the flow rate F1 during power generation can be calculated based on the variable parameters required heat amount E0 and generated current I, and this flow rate F1 during power generation is This is the flow rate at which the blower 24 supplies the mixed gas. In the mixed gas required amount correspondence table T1, a power generation flow rate F1 corresponding to the required heat amount E0 and the generated current I is set, and by referring to the mixed gas required amount correspondence table T1, the flow rate for supplying the mixed gas (power generation flow rate F1) can be easily obtained.

空燃比テーブルT2は、混合ガスの発電時流量F1と、バーナ32へ供給される燃料極オフガス中の水素の組成(モル比率)と、に基づいて、混合ガスの空燃比λを決定するためのテーブルである。一例として、図3に示す空燃比テーブルT2を用いることができる。空燃比テーブルT2で得られた空燃比λに基づいて、燃料極オフガスにおける成分毎の燃焼空気必要量(以下「燃焼空気必要量FA」という)を下記の(5)式で計算し、その合計で燃焼空気の必要量FAを算出することができる。Zは各成分の組成比率であり、Yは各成分のO2量論混合比であり、成分毎に異なる。 The air-fuel ratio table T2 is for determining the air-fuel ratio λ of the mixed gas based on the flow rate F1 of the mixed gas during power generation and the composition (mole ratio) of hydrogen in the fuel electrode off-gas supplied to the burner 32. It's a table. As an example, an air-fuel ratio table T2 shown in FIG. 3 can be used. Based on the air-fuel ratio λ obtained from the air-fuel ratio table T2, the required amount of combustion air for each component in the fuel electrode off-gas (hereinafter referred to as "required amount of combustion air FA") is calculated using the following formula (5), and the total amount is calculated using the following formula (5). The required amount of combustion air FA can be calculated by: Z is the composition ratio of each component, and Y is the O2 stoichiometric mixing ratio of each component, which differs for each component.

(5)FA=Y×F1×(Z×カーボン(C)量+Z×水素(H)量)/0.21×λ (5) FA=Y×F1×(Z×carbon (C) amount + Z×hydrogen (H) amount)/0.21×λ

前述のように、燃料電池セルスタック20での発電反応で水素が消費されるため、発電電流Iの変化により、燃料極オフガスにおける水素成分の組成比率が変化する。これにより変化する空燃比λに基づいて、燃焼空気必要量FAを算出することができる。 As described above, since hydrogen is consumed in the power generation reaction in the fuel cell stack 20, a change in the power generation current I causes a change in the composition ratio of the hydrogen component in the fuel electrode off-gas. Thereby, the required amount of combustion air FA can be calculated based on the changing air-fuel ratio λ.

コントローラ40は、空気供給ブロワ22、燃料供給ブロワ24、パワーコンディショナ26、燃焼空気供給ブロワ28、バーナ32、操作パネル50等と接続されている。操作パネル50は、表示器、ランプ、及び、スイッチ等を有しており、ユーザが各種の指示を入力できると共に、熱源機システム10Aの状態等が表示される。 The controller 40 is connected to the air supply blower 22, the fuel supply blower 24, the power conditioner 26, the combustion air supply blower 28, the burner 32, the operation panel 50, and the like. The operation panel 50 includes a display, a lamp, a switch, etc., allows the user to input various instructions, and displays the status of the heat source system 10A.

次に、熱源機システム10Aの作用について説明する。 Next, the operation of the heat source device system 10A will be explained.

ユーザにより、操作パネル50から熱源機システム10Aの電源がオンされると、コントローラ40では、図4に示す発電制御処理が実行される。 When the user turns on the power of the heat source device system 10A from the operation panel 50, the controller 40 executes the power generation control process shown in FIG. 4.

ステップS10で、熱源機30の駆動指示があったかどうかを判断し、判断が肯定された場合には、ステップS12で、熱源機30の駆動を開始する。判断が否定された場合には、熱源機の駆動指示があるまで待機する。熱源機30の駆動指示は、ユーザによる操作パネル50からの入力(床暖開始、浴槽の湯張り等)、または着火最低流量を超える上水の出水で行われる。 In step S10, it is determined whether there is an instruction to drive the heat source device 30, and if the determination is affirmative, driving of the heat source device 30 is started in step S12. If the determination is negative, the system waits until an instruction to drive the heat source device is given. The drive instruction for the heat source device 30 is given by a user's input from the operation panel 50 (starting floor heating, filling the bathtub, etc.), or by issuing tap water exceeding the minimum ignition flow rate.

熱源機30の駆動開始により、燃料供給ブロワ24が駆動され、ガス導管Gから混合ガスが、非改質で、脱硫器14、燃料電池セルスタック20の燃料極20Aを経て、熱源機30のバーナ32に供給される。そして、バーナ32で混合ガス(燃料極オフガス)が燃焼され、熱交換器34に供給される加熱対象流体である水が燃焼熱で加熱される。なお、本実施形態では加熱対象流体として水を例に説明するが、不凍液(床暖房の場合)など他の流体であってもよい。ここでの燃料供給ブロワ24による混合ガスの供給は、要求熱量E0となる混合ガスの非発電時流量F0で行われる。要求熱量E0は、ユーザによる要求出湯流量、要求出湯温度、等から設定される。 When the heat source device 30 starts driving, the fuel supply blower 24 is driven, and the mixed gas is passed through the desulfurizer 14 and the fuel electrode 20A of the fuel cell stack 20 without reforming from the gas conduit G to the burner of the heat source device 30. 32. Then, the mixed gas (fuel electrode off-gas) is combusted in the burner 32, and water, which is a fluid to be heated and supplied to the heat exchanger 34, is heated by the combustion heat. In this embodiment, water is used as an example of the fluid to be heated, but other fluids such as antifreeze (in the case of floor heating) may be used. The supply of the mixed gas by the fuel supply blower 24 here is performed at a non-power generation flow rate F0 of the mixed gas that provides the required heat amount E0. The required amount of heat E0 is set based on the user's requested hot water flow rate, requested hot water temperature, and the like.

ステップS14で、発電条件を満たすかどうかを判断する。発電条件を満たすか否かは、記憶部45に記憶されている発電条件情報Jを満たすか否かで判断される。本実施形態では、操作パネル50から床暖開始の入力があった場合、浴槽湯張り開始の入力があった場合、上水の出水後に給湯時間が所定時間T以上となった場合、に判断が肯定される。 In step S14, it is determined whether the power generation conditions are satisfied. Whether or not the power generation conditions are satisfied is determined by whether or not the power generation condition information J stored in the storage unit 45 is satisfied. In the present embodiment, the determination is made when there is an input from the operation panel 50 to start floor heating, when there is an input to start filling the bathtub, and when the hot water supply time is longer than the predetermined time T after tap water starts flowing. Affirmed.

ステップS14で発電条件を満たすと判断された場合には、ステップS16で発電ユニット12において発電運転を開始する指示を出力する。発電開始により、空気供給ブロワ22が駆動されて空気極20Bへ空気が供給され、パワーコンディショナ26により燃料電池セルスタック20の発電出力が開始される。パワーコンディショナ26では、電力負荷に応じて発電出力が制御される。混合ガスの非発電時流量F0が、電力負荷に対応する発電に必要な水素量に満たない場合には、非発電時流量F0内での最大出力とする。 If it is determined in step S14 that the power generation conditions are satisfied, an instruction to start power generation operation in the power generation unit 12 is output in step S16. When power generation starts, the air supply blower 22 is driven to supply air to the air electrode 20B, and the power conditioner 26 starts generating power from the fuel cell stack 20. In the power conditioner 26, the power generation output is controlled according to the power load. If the non-power generation flow rate F0 of the mixed gas is less than the amount of hydrogen required for power generation corresponding to the power load, the maximum output is set within the non-power generation flow rate F0.

これにより、燃料電池セルスタック20へ供給された混合ガス中の水素が発電反応に用いられて消費され、水素消費後の燃料極オフガスがバーナ32へ供給される。バーナ32では、燃料電池セルスタック20での水素消費後の燃料極オフガスが燃焼される。 As a result, the hydrogen in the mixed gas supplied to the fuel cell stack 20 is used for the power generation reaction and consumed, and the fuel electrode off-gas after hydrogen consumption is supplied to the burner 32. In the burner 32, fuel electrode off-gas after hydrogen consumption in the fuel cell stack 20 is burned.

次に、ステップS30で、流量調整処理を実行する。流量調整処理は、図5に示されるように、ステップS32で、発電量に変化があるかどうかを判断し、発電量に変化がないがない場合には、流量調整処理を終了してステップS18へ進む。発電量に変化がある場合には、ステップS33で発電電流Iを取得し、ステップS34で発電時流量F1を決定する。発電時流量F1の決定は、混合ガス必要量対応テーブルT1を参照し、要求熱量E0及び発電電流Iに基づいて決定する。 Next, in step S30, a flow rate adjustment process is executed. As shown in FIG. 5, in the flow rate adjustment process, it is determined in step S32 whether or not there is a change in the amount of power generation, and if there is no change in the amount of power generation, the flow rate adjustment process is ended and the process proceeds to step S18. Proceed to. If there is a change in the amount of power generation, the generated current I is acquired in step S33, and the flow rate F1 during power generation is determined in step S34. The power generation flow rate F1 is determined based on the required amount of heat E0 and the power generation current I with reference to the mixed gas required amount correspondence table T1.

次に、ステップS35で、燃焼空気必要量FAを決定する。燃焼空気必要量FAの決定は、発電時流量F1とバーナ32へ供給される燃料極オフガス中の水素の組成(モル比率)に基づいて、空燃比テーブルT2で得られた空燃比λを用い、前述の式(5)により算出して行うことができる。 Next, in step S35, the required amount of combustion air FA is determined. The required amount of combustion air FA is determined using the air-fuel ratio λ obtained from the air-fuel ratio table T2 based on the flow rate F1 during power generation and the composition (molar ratio) of hydrogen in the fuel electrode off-gas supplied to the burner 32. It can be calculated using the above-mentioned equation (5).

そして、ステップS36で、燃料供給ブロワ24を制御して、混合ガス流量を発電時流量F1となるように調整し、ステップS37で、燃焼空気供給ブロワ28を制御して、バーナ32へ供給される燃焼空気を燃焼空気必要量FAとなるように調整する。 Then, in step S36, the fuel supply blower 24 is controlled to adjust the mixed gas flow rate to the power generation flow rate F1, and in step S37, the combustion air supply blower 28 is controlled to supply the mixed gas to the burner 32. Adjust the combustion air to the required combustion air amount FA.

次に、ステップS18で、熱源機30の停止指示があるかどうかを判断し、熱源機30の停止指示がない場合には、ステップS30の流量調整処理を繰り返す。熱源機30の停止指示があった場合には、ステップS20で熱源機30の停止指示を出力し、ステップS22で発電ユニット12の発電運転を停止する。 Next, in step S18, it is determined whether there is an instruction to stop the heat source device 30, and if there is no instruction to stop the heat source device 30, the flow rate adjustment process in step S30 is repeated. If there is an instruction to stop the heat source device 30, the instruction to stop the heat source device 30 is output in step S20, and the power generation operation of the power generation unit 12 is stopped in step S22.

ステップS24で、熱源機システム10Aの停止指示があったかどうかを判断し、判断が肯定された場合には、本処理を終了する。熱源機システム10Aの停止指示がない場合には、ステップS10へ戻り、上記の処理を繰り返す。 In step S24, it is determined whether there is an instruction to stop the heat source device system 10A, and if the determination is affirmative, this process is ended. If there is no instruction to stop the heat source device system 10A, the process returns to step S10 and the above process is repeated.

本実施形態の熱源機システム10Aでは、混合ガス中の水素が燃料電池セルスタック20の発電で利用され、燃料電池セルスタック20で未利用のメタン等の可燃成分が熱源機30で利用される。したがって、熱源機30のバーナ32のみで水素及びメタンを含む混合ガスを燃焼させて利用する場合と比較して、混合ガスを効率よく利用することができる。 In the heat source device system 10A of this embodiment, hydrogen in the mixed gas is used for power generation in the fuel cell stack 20, and combustible components such as methane that are not used in the fuel cell stack 20 are used in the heat source device 30. Therefore, the mixed gas can be used more efficiently than when the mixed gas containing hydrogen and methane is combusted and used only by the burner 32 of the heat source device 30.

また、燃料電池セルスタック20へ供給する混合ガスに水素が含まれているので、改質器を必要とせず、簡易な構成とすることができる。 Further, since hydrogen is included in the mixed gas supplied to the fuel cell stack 20, a reformer is not required and a simple configuration can be achieved.

また、本実施形態では、熱源機30の運転時にのみ燃料電池へ混合ガスを供給するので、燃料電池セルスタック20から排出される、可燃成分が含まれる燃料極オフガスを、外部排出することなく、熱源機30において適切に処理することができる。 Furthermore, in this embodiment, since the mixed gas is supplied to the fuel cell only when the heat source device 30 is operating, the fuel electrode off-gas containing combustible components, which is discharged from the fuel cell stack 20, is not discharged to the outside. It can be appropriately processed in the heat source device 30.

また、本実施形態では、熱源機30の運転継続時間が床暖房の時間、浴槽湯張り時間、及び所定時間T以上であると判断された場合に、燃料電池セルスタック20の発電運転が開始されるので、非効率な燃料電池セルスタック20の発電運転を抑制することができる。なお、必ずしも、熱源機30の運転継続時間が床暖房の時間、浴槽湯張り時間、及び所定時間T以上であると判断された場合に、燃料電池セルスタック20の発電運転が開始される必要はなく、熱源機30の駆動と同時に燃料電池セルスタック20の発電運転を開始してもよい。 Furthermore, in the present embodiment, when it is determined that the continuous operation time of the heat source device 30 is longer than the floor heating time, the bathtub filling time, and the predetermined time T, the power generation operation of the fuel cell stack 20 is started. Therefore, inefficient power generation operation of the fuel cell stack 20 can be suppressed. Note that it is not necessarily necessary that the power generation operation of the fuel cell stack 20 is started when it is determined that the continuous operation time of the heat source device 30 is longer than the floor heating time, bathtub filling time, and predetermined time T. Alternatively, the power generation operation of the fuel cell stack 20 may be started at the same time as the heat source device 30 is driven.

また、本実施形態では、燃料電池セルスタック20の発電により消費される熱量を考慮して、バーナ32へ供給される燃料極オフガスの熱量が熱源機30の要求熱量となるように、燃料供給ブロワ24で供給される混合ガスの流量調整が行われる。したがって、適切な熱量の燃料極オフガスをバーナへ供給することができる。 Furthermore, in this embodiment, in consideration of the amount of heat consumed by the power generation of the fuel cell stack 20, the fuel supply blower is set so that the amount of heat of the fuel electrode off-gas supplied to the burner 32 becomes the amount of heat required by the heat source device 30. At 24, the flow rate of the mixed gas supplied is adjusted. Therefore, fuel electrode off-gas having an appropriate amount of heat can be supplied to the burner.

また、本実施形態では、燃料供給ブロワ24で供給される混合ガスの流量及びバーナ32へ供給される燃料極オフガスの組成に基づいて、バーナ32へ供給される燃焼空気の流量が調整される。したがって、燃焼効率が向上する適切な量の空気をバーナ32へ供給することができる。 Furthermore, in this embodiment, the flow rate of combustion air supplied to the burner 32 is adjusted based on the flow rate of the mixed gas supplied by the fuel supply blower 24 and the composition of the fuel electrode off-gas supplied to the burner 32. Therefore, an appropriate amount of air that improves combustion efficiency can be supplied to the burner 32.

なお、本実施形態では、燃料電池セルスタック20の発電出力(発電電流I)の変化に基づいて、燃料極オフガスが要求熱量E0となるように混合ガス流量(発電時流量F1)を調整したが、他の手段により調整してもよい。例えば、燃料極オフガス管P3にガス熱量を測定するための計器を設置し、当該計器により測定される熱量が要求熱量E0となるようにフィードバック制御して、混合ガス流量(発電時流量F1)を調整してもよい。 Note that in this embodiment, the mixed gas flow rate (power generation flow rate F1) is adjusted based on the change in the power generation output (power generation current I) of the fuel cell stack 20 so that the fuel electrode off-gas has the required heat amount E0. , may be adjusted by other means. For example, a meter for measuring gas calorific value is installed in the fuel electrode off-gas pipe P3, and feedback control is performed so that the calorific value measured by the meter becomes the required calorific value E0, and the mixed gas flow rate (flow rate F1 during power generation) is adjusted. May be adjusted.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above, and it goes without saying that the present invention can be implemented with various modifications other than the above without departing from the spirit thereof. be.

10A 熱源機システム
20 燃料電池セルスタック(燃料電池)
20A 燃料極
24 燃料供給ブロワ(燃料供給部)
28 燃焼空気供給ブロワ(燃焼空気供給部)
30 熱源機
32 バーナ
34 熱交換器
40 コントローラ(制御部)
E0 要求熱量
G ガス導管
I 発電電流(発電出力)
10A Heat source device system 20 Fuel cell cell stack (fuel cell)
20A Fuel electrode 24 Fuel supply blower (fuel supply section)
28 Combustion air supply blower (combustion air supply section)
30 Heat source device 32 Burner 34 Heat exchanger 40 Controller (control unit)
E0 Required heat amount G Gas pipe I Generated current (generated output)

Claims (5)

ガス導管から供給される炭化水素及び水素を主成分とする混合ガスが燃料供給部により燃料極に供給され、前記混合ガス中の水素を発電反応に用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の燃料極から排出される燃料極オフガスを燃焼させるバーナと、前記バーナによる燃焼熱と加熱対象流体との間で熱交換を行う熱交換器と、を有する熱源機と、
前記燃料極オフガスの熱量が前記熱源機の要求熱量となるように、前記燃料供給部により供給される前記混合ガスの流量調整を行う制御部と、
を備えた、熱源機システム。
A fuel cell in which a mixed gas containing hydrocarbons and hydrogen as main components supplied from a gas conduit is supplied to a fuel electrode by a fuel supply section, and the hydrogen in the mixed gas is used in a power generation reaction to generate electricity;
a heat source device comprising: a burner that burns fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell; and a heat exchanger that exchanges heat between the combustion heat of the burner and a fluid to be heated;
a control unit that adjusts the flow rate of the mixed gas supplied by the fuel supply unit so that the amount of heat of the fuel electrode off-gas becomes the amount of heat required by the heat source device;
A heat source system equipped with
前記制御部は、前記要求熱量及び前記燃料電池の発電出力に基づいて、前記燃料極オフガスの熱量が前記熱源機の要求熱量となるように、前記燃料供給部により供給される前記混合ガスの流量調整を行う、
請求項1に記載の熱源機システム。
The control unit controls the flow rate of the mixed gas supplied by the fuel supply unit, based on the required amount of heat and the power generation output of the fuel cell, so that the amount of heat of the fuel electrode off-gas becomes the amount of heat required by the heat source device. make adjustments,
The heat source device system according to claim 1.
前記制御部は、前記燃料電池が電力供給先の電力負荷に応じた発電出力となるように前記燃料電池の出力及び前記燃料供給部を制御する、
請求項1または請求項2に記載の熱源機システム。
The control unit controls the output of the fuel cell and the fuel supply unit so that the fuel cell outputs power according to the power load of the power supply destination.
The heat source device system according to claim 1 or claim 2.
前記バーナへ燃焼用空気を送出する燃焼空気供給部を有し、
前記制御部は、前記燃料供給部により供給される前記混合ガスの流量及び前記バーナへ供給される前記燃料極オフガスの組成に基づいて、前記バーナへ供給される空気の流量が調整されるように前記燃焼空気供給部を制御する、
請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の熱源機システム。
comprising a combustion air supply section that sends combustion air to the burner,
The control unit is configured to adjust the flow rate of air supplied to the burner based on the flow rate of the mixed gas supplied by the fuel supply unit and the composition of the fuel electrode off-gas supplied to the burner. controlling the combustion air supply;
The heat source device system according to any one of claims 1 to 3.
前記制御部は、前記熱源機への運転要求がある時にのみ前記混合ガスが前記燃料極へ供給されるように前記燃料供給部を制御する、
請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の熱源機システム。
The control unit controls the fuel supply unit so that the mixed gas is supplied to the fuel electrode only when there is an operation request to the heat source device.
The heat source device system according to any one of claims 1 to 4.
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