JP2024064683A - Fuel Cell Power Generation Equipment - Google Patents

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Abstract

【課題】様々な用途に適用可能な燃料電池発電装置を提供すること。【解決手段】燃料極と空気極を有する燃料電池と、前記燃料極に水素を供給する燃料管と、空気に含まれる不純物を取り除く空気フィルタと、前記空気フィルタを通して供給された空気を圧縮し、前記空気極に供給する空気コンプレッサと、前記燃料電池で発生する排ガスを排出する排気管と、前記燃料電池を冷却する第1冷却液を異種の冷熱源との間で熱交換可能な第1中間熱交換器と、を備える、燃料電池発電装置。【選択図】図1[Problem] To provide a fuel cell power generation device applicable to various applications. [Solution] A fuel cell power generation device comprising: a fuel cell having an anode and an cathode, a fuel pipe supplying hydrogen to the anode, an air filter removing impurities contained in the air, an air compressor compressing the air supplied through the air filter and supplying it to the cathode, an exhaust pipe discharging exhaust gas generated by the fuel cell, and a first intermediate heat exchanger capable of exchanging heat between a first coolant for cooling the fuel cell and a different type of cold heat source. [Selected Figure] Figure 1

Description

本開示は、燃料電池発電装置に関する。 This disclosure relates to a fuel cell power generation device.

従来、燃料電池スタックから排出される第1冷却液を冷却する第1熱交換器と、燃料電池スタックの出力電圧を昇圧するコンバータ等のいくつかの補機から排出される第2冷却液を冷却する第2熱交換器とを備える燃料電池モジュールが知られている。熱交換器の具体例として、車両のラジエータが挙げられている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, a fuel cell module is known that includes a first heat exchanger that cools a first coolant discharged from a fuel cell stack, and a second heat exchanger that cools a second coolant discharged from several auxiliary devices, such as a converter that boosts the output voltage of the fuel cell stack. A specific example of a heat exchanger is a vehicle radiator (see, for example, Patent Document 1).

特開2022-86272号公報JP 2022-86272 A

しかしながら、熱交換器が車両のラジエータに限られていると、燃料電池発電装置を様々な用途に適用することが難しい。 However, if the heat exchanger is limited to the vehicle's radiator, it is difficult to apply the fuel cell power generation system to various applications.

本開示は、様々な用途に適用可能な燃料電池発電装置を提供する。 This disclosure provides a fuel cell power generation device that can be used for a variety of purposes.

第1態様では、燃料電池発電装置は、
燃料極と空気極を有する燃料電池と、
前記燃料極に水素を供給する燃料管と、
空気に含まれる不純物を取り除く空気フィルタと、
前記空気フィルタを通して供給された空気を圧縮し、前記空気極に供給する空気コンプレッサと、
前記燃料電池で発生する排ガスを排出する排気管と、
前記燃料電池を冷却する第1冷却液を異種の冷熱源との間で熱交換可能な第1中間熱交換器と、を備える。
In a first aspect, a fuel cell power generator includes:
a fuel cell having an anode and an cathode;
a fuel pipe for supplying hydrogen to the fuel electrode;
An air filter that removes impurities from the air;
an air compressor that compresses the air supplied through the air filter and supplies the compressed air to the air electrode;
an exhaust pipe for discharging exhaust gas generated by the fuel cell;
The fuel cell is provided with a first intermediate heat exchanger capable of exchanging heat between a first coolant for cooling the fuel cell and a different type of cold heat source.

第1態様によれば、前記燃料電池を冷却する第1冷却液を異種の冷熱源との間で熱交換可能な第1中間熱交換器を備えるので、燃料電池発電装置を様々な用途に適用できる。 According to the first aspect, the fuel cell power generation device is provided with a first intermediate heat exchanger that can exchange heat between the first cooling liquid that cools the fuel cell and a different type of cold heat source, so that the fuel cell power generation device can be used for a variety of purposes.

本開示は、様々な用途に適用可能な燃料電池発電装置を提供できる。 This disclosure provides a fuel cell power generation device that can be used for a variety of purposes.

第1実施形態の燃料電池発電装置を備える燃料電池発電システムの構成例を示す図である。1 is a diagram showing an example of the configuration of a fuel cell power generation system including a fuel cell power generation device according to a first embodiment; 第1実施形態の燃料電池発電装置の構成例を詳細に示す図である。1 is a diagram showing in detail an example of the configuration of a fuel cell power generation device according to a first embodiment;

以下、実施形態を説明する。 The following describes the embodiment.

図1は、第1実施形態の燃料電池発電装置を備える燃料電池発電システムの構成例を示す図である。図1に示す燃料電池発電システム201は、並列に接続された複数のFC(燃料電池)プラットフォームによって発電された電力を、給電対象である外部装置12に供給するシステムである。燃料電池発電システム201の用途の具体例として、定置用の発電システム、港湾クレーンなどの荷役機械用の発電システム、船舶用の発電システムなどが挙げられる。その他には、鉄道用、建設機械用などもある。燃料電池発電システム201の用途は、これらの例に限られず、燃料電池発電システム201は、他のアプリケーションに適用されてもよい。 Figure 1 is a diagram showing an example of the configuration of a fuel cell power generation system including a fuel cell power generation device of the first embodiment. The fuel cell power generation system 201 shown in Figure 1 is a system that supplies power generated by multiple FC (fuel cell) platforms connected in parallel to an external device 12 that is the power supply target. Specific examples of uses of the fuel cell power generation system 201 include stationary power generation systems, power generation systems for loading and unloading machines such as port cranes, and power generation systems for ships. Other uses include railways and construction machinery. Uses of the fuel cell power generation system 201 are not limited to these examples, and the fuel cell power generation system 201 may be applied to other applications.

燃料電池発電システム201は、燃料電池発電装置101と補機システム301を備える。 The fuel cell power generation system 201 includes a fuel cell power generation device 101 and an auxiliary system 301.

補機システム301は、主機である燃料電池発電装置101に接続される複数の補機を含み、燃料電池発電装置101の稼働を補助する周辺システムである。図1は、複数の補機として、制御用電源32、パージ系統30、燃料系統18、給気系統19、出力線17、電力変換装置11、DC/DCコンバータ13、二次電池14、排気系統31及び冷却器15を例示する。複数の補機の一部又は全部は、燃料電池発電装置101に内蔵されてもよいし、ユニット化されてもよい。燃料電池発電装置101は、複数の補機の一部又は全部を、燃料電池発電装置101の内部に備えてもよいし、燃料電池発電装置101の外部に備えてもよい。 The auxiliary system 301 is a peripheral system that includes multiple auxiliary devices connected to the fuel cell power generation device 101, which is the main device, and assists the operation of the fuel cell power generation device 101. FIG. 1 illustrates the multiple auxiliary devices as a control power supply 32, a purge system 30, a fuel system 18, an air supply system 19, an output line 17, a power conversion device 11, a DC/DC converter 13, a secondary battery 14, an exhaust system 31, and a cooler 15. Some or all of the multiple auxiliary devices may be built into the fuel cell power generation device 101, or may be unitized. The fuel cell power generation device 101 may include some or all of the multiple auxiliary devices inside the fuel cell power generation device 101, or outside the fuel cell power generation device 101.

燃料電池発電装置101は、外部装置12に供給される電力を複数のFCプラットフォームによって発電する。燃料電池発電装置101は、ユニット化されてもよい。燃料電池発電装置101は、出力線17に並列に接続された複数のFCプラットフォーム(この例では、3つのFCプラットフォーム1,2,3)と、それらの複数のFCプラットフォームを制御する制御装置10とを備える。並列に接続される複数のFCプラットフォームの台数は、3台に限られず、2台でも、4台以上でもよい。 The fuel cell power generation device 101 generates power to be supplied to an external device 12 using multiple FC platforms. The fuel cell power generation device 101 may be unitized. The fuel cell power generation device 101 includes multiple FC platforms (in this example, three FC platforms 1, 2, and 3) connected in parallel to an output line 17, and a control device 10 that controls the multiple FC platforms. The number of multiple FC platforms connected in parallel is not limited to three, and may be two, four, or more.

FCプラットフォーム1,2,3は、それぞれ、共通の出力線17に出力点16を経由して接続されるFCスタックを含む。FCスタックは、燃料電池の一例である。FCプラットフォーム1は、FCスタック21を含み、FCプラットフォーム2は、FCスタック22を含み、FCプラットフォーム3は、FCスタック23を含む。 FC platforms 1, 2, and 3 each include an FC stack connected to a common output line 17 via an output point 16. The FC stack is an example of a fuel cell. FC platform 1 includes an FC stack 21, FC platform 2 includes an FC stack 22, and FC platform 3 includes an FC stack 23.

FCスタック21,22,23は、水素などの燃料の化学エネルギーを電気化学的に電気エネルギーに変換する装置である。FCスタック21,22,23は、燃料管を含む燃料系統18を介して供給される水素又は水素リッチなガスと、空気管を含む給気系統19を介して外部から供給される空気に含まれる酸素との電気化学反応によって発電する。FCスタック21,22,23(FCプラットフォーム1,2,3)の発電状態は、制御装置10によって制御される。FCスタック21,22,23の電気化学反応により発生した排ガスは、排気管を含む排気系統31を介して排出される。FCスタック21,22,23は、ラジエータなどの冷却器15から供給される冷却液(クーラント)により冷却される。 The FC stacks 21, 22, and 23 are devices that electrochemically convert the chemical energy of fuels such as hydrogen into electrical energy. The FC stacks 21, 22, and 23 generate electricity through an electrochemical reaction between hydrogen or hydrogen-rich gas supplied through a fuel system 18 including a fuel pipe and oxygen contained in air supplied from the outside through an air supply system 19 including an air pipe. The power generation state of the FC stacks 21, 22, and 23 (FC platforms 1, 2, and 3) is controlled by the control device 10. Exhaust gas generated by the electrochemical reaction of the FC stacks 21, 22, and 23 is discharged through an exhaust system 31 including an exhaust pipe. The FC stacks 21, 22, and 23 are cooled by a coolant supplied from a cooler 15 such as a radiator.

FCスタック21,22,23は、例えば、固体高分子形燃料電池(PEFC)であり、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。単セルは、水素イオンを選択的に輸送するための高分子電解質膜の両側面を多孔質材料により形成された一対の電極によって挟まれた膜-電極アッセンブリ(MEA)と、このMEAを両側から挟み込む一対のセパレータとを有する。一対の電極のそれぞれは、例えば白金系の金属触媒(電極触媒)を担持するカーボン粉末を主成分とする触媒層と、通気性及び電子導電性を併せ持つガス拡散層とを有している。 The FC stacks 21, 22, and 23 are, for example, polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) and have a stack structure in which a large number of unit cells are stacked. The unit cell has a membrane-electrode assembly (MEA) in which both sides of a polymer electrolyte membrane for selectively transporting hydrogen ions are sandwiched between a pair of electrodes formed of a porous material, and a pair of separators that sandwich the MEA from both sides. Each of the pair of electrodes has a catalyst layer mainly composed of carbon powder that supports a platinum-based metal catalyst (electrode catalyst), for example, and a gas diffusion layer that is both breathable and electronically conductive.

FCスタック21,22,23には、それらの出力端子の電圧を検出するための電圧センサと、それらの出力端子からの出力電流を検出するための電流センサが取り付けられている。制御装置10は、FCスタック21,22,23から出力される各電圧の検出値を電圧センサにより取得し、FCスタック21,22,23から出力される各電流の検出値を電流センサにより取得する。制御装置10は、各電圧の検出値と各電流の検出値を用いて、FCスタック21,22,23の各出力電力p1,p2,p3を検出する。 The FC stacks 21, 22, and 23 are equipped with voltage sensors for detecting the voltages at their output terminals and current sensors for detecting the output currents from their output terminals. The control device 10 obtains the detection values of the voltages output from the FC stacks 21, 22, and 23 using the voltage sensors, and obtains the detection values of the currents output from the FC stacks 21, 22, and 23 using the current sensors. The control device 10 detects the output powers p1, p2, and p3 of the FC stacks 21, 22, and 23 using the detection values of the voltages and currents.

燃料電池発電装置101内のFCスタック21,22,23(FCプラットフォーム1,2,3)の発電により生成された発電電力は、電力変換装置11を介して、外部装置12に供給される。 The power generated by the FC stacks 21, 22, 23 (FC platforms 1, 2, 3) in the fuel cell power generation device 101 is supplied to the external device 12 via the power conversion device 11.

電力変換装置11は、入力される電力Paを、外部装置12に供給される電力Pcに変換する装置である。電力変換装置11は、例えば、FCスタック21,22,23の発電により得られた直流電力を交流電力に変換して外部装置12に供給するインバータである。インバータの具体例として、パワーコンディショナ(PCS:Power Conditioning System)、系統連系インバータなどが挙げられる。外部装置12がモータの場合、電力変換装置11は、モータを駆動するインバータでもよい。電力変換装置11は、FCスタック21,22,23の発電により得られた直流電力の電圧を、異なる電圧の直流電力に変換して外部装置12に供給するコンバータでもよい。 The power conversion device 11 is a device that converts input power Pa into power Pc to be supplied to the external device 12. The power conversion device 11 is, for example, an inverter that converts DC power obtained by power generation in the FC stacks 21, 22, and 23 into AC power and supplies it to the external device 12. Specific examples of inverters include a power conditioner (PCS: Power Conditioning System) and a grid-connected inverter. When the external device 12 is a motor, the power conversion device 11 may be an inverter that drives the motor. The power conversion device 11 may be a converter that converts the voltage of the DC power obtained by power generation in the FC stacks 21, 22, and 23 into DC power of a different voltage and supplies it to the external device 12.

FCスタック21,22,23の発電により得られた直流電力は、出力線17にDC/DCコンバータ13を介して接続される二次電池14に充電されてもよい。二次電池14から放電された電力Pbは、電力変換装置11を介して外部装置12に供給される。外部装置12から電力変換装置11を介して入力(回生)された電力Pbが二次電池14に充電されてもよい。二次電池14の充電又は放電は、制御装置10からの駆動制御信号により動作するDC/DCコンバータ13により制御される。DC/DCコンバータ13は、無くてもよい。 The DC power obtained by power generation in the FC stacks 21, 22, 23 may be charged to the secondary battery 14 connected to the output line 17 via the DC/DC converter 13. The power Pb discharged from the secondary battery 14 is supplied to the external device 12 via the power conversion device 11. The power Pb input (regenerated) from the external device 12 via the power conversion device 11 may be charged to the secondary battery 14. The charging or discharging of the secondary battery 14 is controlled by the DC/DC converter 13 that operates according to a drive control signal from the control device 10. The DC/DC converter 13 may not be required.

二次電池14は、充放電可能な電池である。二次電池14は、直列に接続された複数の蓄電池14,…,14を含むものでもよい(nは、2以上の整数)。二次電池14(複数の蓄電池14,…,14)の具体例として、リチウムイオンバッテリ、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタなどが挙げられる。 The secondary battery 14 is a chargeable and dischargeable battery. The secondary battery 14 may include a plurality of storage batteries 14 1 , ..., 14 n (n is an integer of 2 or more) connected in series. Specific examples of the secondary battery 14 (the plurality of storage batteries 14 1 , ..., 14 n ) include a lithium ion battery, a lithium ion capacitor, and an electric double layer capacitor.

燃料系統18は、外部から供給される炭化水素系燃料を水素リッチなガスに改質する改質機器を含んでもよい。改質機器は、炭化水素系燃料の改質反応により生成される水素リッチガスを水素管に出力する。改質機器は、例えば、炭化水素系燃料に含まれる硫黄分を除去する脱硫器と、脱硫された炭化水素系燃料を改質反応させる改質器と、改質時に発生する一酸化炭素(CO)を除去するCO除去器とを含む。 The fuel system 18 may include a reforming device that reforms the hydrocarbon fuel supplied from the outside into hydrogen-rich gas. The reforming device outputs hydrogen-rich gas produced by a reforming reaction of the hydrocarbon fuel to the hydrogen pipe. The reforming device includes, for example, a desulfurizer that removes sulfur contained in the hydrocarbon fuel, a reformer that causes a reforming reaction of the desulfurized hydrocarbon fuel, and a CO remover that removes carbon monoxide (CO) generated during reforming.

炭化水素系燃料は、都市ガスに限られず、メタンガス、プロパンガス、下水汚泥等に由来する消化ガス、食品残渣等から発生するバイオガスなどを含んでもよい。 Hydrocarbon fuels are not limited to city gas, but may also include methane gas, propane gas, digester gas derived from sewage sludge, etc., and biogas generated from food waste, etc.

制御装置10は、FCプラットフォーム1,2,3の動作を制御するコントローラである。制御装置10は、例えば、制御用電源32から供給される電力(例えば、DC12ボルトの直流電力)により動作する。制御用電源32は、例えば、制御用電池である。制御装置10の個数は、1つに限られず、複数でもよく、例えば、FCプラットフォーム1,2,3の各々に対して制御装置が設けられてもよい。 The control device 10 is a controller that controls the operation of the FC platforms 1, 2, and 3. The control device 10 operates, for example, with power (e.g., 12-volt direct current power) supplied from a control power source 32. The control power source 32 is, for example, a control battery. The number of control devices 10 is not limited to one, and may be multiple. For example, a control device may be provided for each of the FC platforms 1, 2, and 3.

図1は、燃料電池発電装置101がFCプラットフォーム1,2,3に共通の制御用電源32を備える形態を例示する。FCプラットフォーム1,2,3の電源が制御用電源32に共通化されることで、複数の制御用電源を備える形態の場合に比べて、燃料電池発電システム201及び燃料電池発電装置101を小型化できる。 Figure 1 illustrates an example of a configuration in which a fuel cell power generation device 101 has a control power supply 32 common to FC platforms 1, 2, and 3. By sharing the power supply of FC platforms 1, 2, and 3 as a control power supply 32, the fuel cell power generation system 201 and the fuel cell power generation device 101 can be made smaller than in a configuration in which multiple control power supplies are provided.

燃料電池発電装置101は、FCプラットフォーム1,2,3に個別の制御用電源32を備えてもよい。複数のFCプラットフォームの電源が個別に複数用意されることで、複数の制御用電源のうち一部の電源が故障又はメンテナンス等により使用不能な場合でも、残りの電源を用いて複数のFCプラットフォームの一部又は全部の動作を継続できる。 The fuel cell power generation device 101 may be provided with individual control power supplies 32 for the FC platforms 1, 2, and 3. By providing multiple power supplies for the multiple FC platforms individually, even if some of the multiple control power supplies are unusable due to failure or maintenance, etc., the remaining power supplies can be used to continue operating some or all of the multiple FC platforms.

制御装置10の機能(制御装置10が行う処理)は、例えば、メモリに記憶されたプログラムによって、CPU(Central Processing Unit)等のプロセッサが動作することにより実現される。制御装置10の機能は、FPGA(Field Programmable Gate Array)又はASIC(Application Specific Integrated Circuit)によって実現されてもよい。 The functions of the control device 10 (the processing performed by the control device 10) are realized, for example, by a processor such as a CPU (Central Processing Unit) operating according to a program stored in memory. The functions of the control device 10 may also be realized by an FPGA (Field Programmable Gate Array) or an ASIC (Application Specific Integrated Circuit).

図2は、第1実施形態の燃料電池発電装置101の構成例を詳細に示す図である。燃料電池発電装置101は、例えば、制御装置10及び複数のFCプラットフォーム1,2,3を備える。FCプラットフォーム1は、例えば、燃料管118、空気管119、空気フィルタ33、排気管131、第1冷却系統36、第2冷却系統90及びFCユニット51を備える。FCユニット51は、FCスタック21、昇圧コンバータ42、水素ポンプ43、空気コンプレッサ45、ウォーターポンプ44、空気入口遮断弁77及び排空気出口遮断弁78等を備える。昇圧コンバータ42、水素ポンプ43、空気コンプレッサ45、ウォーターポンプ44、空気入口遮断弁77及び排空気出口遮断弁78等は、制御装置10により制御される。FCプラットフォーム2,3は、FCプラットフォーム1と同じ構成及び機能を有し、FCプラットフォーム1と同様に、制御装置10により制御される。よって、FCプラットフォーム2,3の説明については、FCプラットフォーム1の説明を援用することで、省略する。 2 is a diagram showing in detail an example of the configuration of the fuel cell power generation device 101 of the first embodiment. The fuel cell power generation device 101 includes, for example, a control device 10 and multiple FC platforms 1, 2, and 3. The FC platform 1 includes, for example, a fuel pipe 118, an air pipe 119, an air filter 33, an exhaust pipe 131, a first cooling system 36, a second cooling system 90, and an FC unit 51. The FC unit 51 includes an FC stack 21, a boost converter 42, a hydrogen pump 43, an air compressor 45, a water pump 44, an air inlet shutoff valve 77, and an exhaust air outlet shutoff valve 78, etc. The boost converter 42, the hydrogen pump 43, the air compressor 45, the water pump 44, the air inlet shutoff valve 77, and the exhaust air outlet shutoff valve 78, etc. are controlled by the control device 10. The FC platforms 2 and 3 have the same configuration and function as the FC platform 1, and are controlled by the control device 10 in the same manner as the FC platform 1. Therefore, the explanation of FC platforms 2 and 3 will be omitted, as the explanation of FC platform 1 will be used.

FCスタック21は、燃料極71と空気極72を有する。FCスタック21は、燃料極71に供給された水素又は水素リッチなガスと、空気極72に供給された空気に含まれる酸素との電気化学反応によって発電する。FCスタック21は、昇圧コンバータ42を介して、出力線17に接続されている。昇圧コンバータ42は、FCスタック21から出力された電圧を昇圧し、昇圧後の直流電力を出力点16を経由して出力線17に出力するDC/DCコンバータである。複数のFCプラットフォーム1,2,3における複数のFCスタック21,22,23の出力電力は、対応する昇圧コンバータ42を介して、共通の出力線17に出力される。 The FC stack 21 has a fuel electrode 71 and an air electrode 72. The FC stack 21 generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen or hydrogen-rich gas supplied to the fuel electrode 71 and oxygen contained in air supplied to the air electrode 72. The FC stack 21 is connected to the output line 17 via a boost converter 42. The boost converter 42 is a DC/DC converter that boosts the voltage output from the FC stack 21 and outputs the boosted DC power to the output line 17 via the output point 16. The output power of the multiple FC stacks 21, 22, and 23 in the multiple FC platforms 1, 2, and 3 is output to a common output line 17 via the corresponding boost converters 42.

燃料管118は、複数のFCプラットフォーム1,2,3に共通に接続された燃料系統18から水素が供給される。燃料管118は、燃料極71に入口75を介して水素を供給する。 Hydrogen is supplied to the fuel pipe 118 from a fuel system 18 commonly connected to the multiple FC platforms 1, 2, and 3. The fuel pipe 118 supplies hydrogen to the fuel electrode 71 via the inlet 75.

空気管119は、複数のFCプラットフォーム1,2,3に共通に接続された給気系統19から空気が供給される。空気管119は、FCスタック21の空気極72に入口73を介して空気を供給する。空気管119は必須ではなく、FCプラットフォーム1,2,3の開放部から空気フィルタ33が直接空気を吸い込んでもよい。 Air is supplied to the air pipe 119 from an air supply system 19 commonly connected to the multiple FC platforms 1, 2, and 3. The air pipe 119 supplies air to the air pole 72 of the FC stack 21 via an inlet 73. The air pipe 119 is not essential, and the air filter 33 may directly draw in air from the open parts of the FC platforms 1, 2, and 3.

空気フィルタ33は、給気系統19及び空気管119を介して供給される空気に含まれる塵や燃料電池に悪影響を及ぼす不純物を取り除いて、空気コンプレッサ45に空気管120を介して供給する。空気フィルタは、エアクリーナーとも称される。 The air filter 33 removes dust and impurities that may adversely affect the fuel cell from the air supplied via the air supply system 19 and air pipe 119, and supplies the air to the air compressor 45 via the air pipe 120. The air filter is also called an air cleaner.

空気コンプレッサ45は、空気フィルタ33を通して供給された空気を圧縮し、FCスタック21の空気極72に供給する。空気コンプレッサ45により圧縮された酸素を含む空気は、FCスタック21の空気極72に入口73を介して供給される。空気入口遮断弁77は、空気コンプレッサ45から空気極72の入口73へ供給される空気の流れを遮断する。 The air compressor 45 compresses the air supplied through the air filter 33 and supplies it to the air electrode 72 of the FC stack 21. The oxygen-containing air compressed by the air compressor 45 is supplied to the air electrode 72 of the FC stack 21 via the inlet 73. The air inlet shutoff valve 77 shuts off the flow of air supplied from the air compressor 45 to the inlet 73 of the air electrode 72.

排気管131は、複数のFCプラットフォーム1,2,3に共通に接続された排気系統31に、FCスタック21で発生する排ガスを排出する。排空気出口遮断弁78は、FCスタック21の空気極72の出口74から排気管131に排出されるオフガスの流れを遮断する。 The exhaust pipe 131 discharges exhaust gas generated in the FC stack 21 to an exhaust system 31 commonly connected to multiple FC platforms 1, 2, and 3. The exhaust air outlet shutoff valve 78 shuts off the flow of off-gas discharged from the outlet 74 of the air electrode 72 of the FC stack 21 to the exhaust pipe 131.

第1冷却系統36は、FCスタック21を冷却水等の第1冷却液によって冷却する。第1冷却系統36は、冷熱源39との間で第1冷却液の熱交換を行って第1冷却液を冷却する第1中間熱交換器34を有する。ウォーターポンプ44は、第1冷却液を、第1中間熱交換器34とFCスタック21との間で循環させる。ウォーターポンプ44により循環された第1冷却液により、FCスタック21は冷却される。 The first cooling system 36 cools the FC stack 21 with a first cooling liquid such as cooling water. The first cooling system 36 has a first intermediate heat exchanger 34 that exchanges heat with a cold heat source 39 to cool the first cooling liquid. The water pump 44 circulates the first cooling liquid between the first intermediate heat exchanger 34 and the FC stack 21. The FC stack 21 is cooled by the first cooling liquid circulated by the water pump 44.

第1中間熱交換器34は、FCスタック21を冷却する第1冷却液を異種の冷熱源39との間で熱交換可能な熱交換器である。異種の冷熱源39とは、利用する冷熱源39の種類を問わないことを意味する。第1中間熱交換器34は、利用する冷熱源39の種類を問わずに、任意の冷熱源39で第1冷却液を冷却できるので、上記のような様々な用途に適用可能な燃料電池発電装置101が実現される。 The first intermediate heat exchanger 34 is a heat exchanger capable of exchanging heat between the first cooling liquid that cools the FC stack 21 and a different type of cold heat source 39. The different types of cold heat sources 39 mean that the type of cold heat source 39 used does not matter. The first intermediate heat exchanger 34 can cool the first cooling liquid with any cold heat source 39, regardless of the type of cold heat source 39 used, thereby realizing a fuel cell power generation device 101 that can be used for various purposes such as those described above.

第1中間熱交換器34は、第1冷却系統36を循環する第1冷却液が通過する放熱部40と、冷熱源39との間で熱を移動させる熱媒が通過する受熱部41と、を有する。冷熱源39から供給される熱媒は、液体でも気体でもよい。第1中間熱交換器34において放熱部40から受熱部41へ放熱されることで、第1冷却液は、冷却される。第1中間熱交換器34の具体例として、プレート熱交換器などが挙げられるが、第1中間熱交換器34は、これに限られない。 The first intermediate heat exchanger 34 has a heat dissipation section 40 through which the first cooling liquid circulating in the first cooling system 36 passes, and a heat receiving section 41 through which a heat medium that transfers heat between the cold heat source 39 passes. The heat medium supplied from the cold heat source 39 may be liquid or gas. The first cooling liquid is cooled by dissipating heat from the heat dissipation section 40 to the heat receiving section 41 in the first intermediate heat exchanger 34. A specific example of the first intermediate heat exchanger 34 is a plate heat exchanger, but the first intermediate heat exchanger 34 is not limited to this.

複数のFCプラットフォーム1,2,3における複数の第1中間熱交換器34は、それぞれ、複数のFCプラットフォーム1,2,3に共通に接続される冷熱源39との間で熱交換してもよい。これにより、冷熱源39が複数のFCプラットフォーム1,2,3間で共通化されるので、燃料電池発電装置101を小型化できる。なお、冷熱源39は、複数のFCプラットフォーム1,2,3間で相違してもよい。 The multiple first intermediate heat exchangers 34 in the multiple FC platforms 1, 2, 3 may each exchange heat with a cold heat source 39 that is commonly connected to the multiple FC platforms 1, 2, 3. This allows the cold heat source 39 to be common between the multiple FC platforms 1, 2, 3, making it possible to reduce the size of the fuel cell power generation device 101. Note that the cold heat source 39 may be different between the multiple FC platforms 1, 2, 3.

第2冷却系統90は、空気コンプレッサ45を冷却水等の第2冷却液によって冷却する。第2冷却系統90は、冷熱源94との間で第2冷却液の熱交換を行って第2冷却液を冷却する第2中間熱交換器92を有する。ポンプ91は、第2冷却液を、第2中間熱交換器92と空気コンプレッサ45との間で循環させる。ポンプ91により循環された第2冷却液により、空気コンプレッサ45は冷却される。 The second cooling system 90 cools the air compressor 45 with a second cooling liquid such as cooling water. The second cooling system 90 has a second intermediate heat exchanger 92 that exchanges heat with a cold heat source 94 to cool the second cooling liquid. The pump 91 circulates the second cooling liquid between the second intermediate heat exchanger 92 and the air compressor 45. The air compressor 45 is cooled by the second cooling liquid circulated by the pump 91.

第2中間熱交換器92は、空気コンプレッサ45を冷却する第2冷却液を異種の冷熱源94との間で熱交換可能な熱交換器である。異種の冷熱源94とは、利用する冷熱源94の種類を問わないことを意味する。第2中間熱交換器92は、利用する冷熱源94の種類を問わずに、任意の冷熱源94で第2冷却液を冷却できるので、上記のような様々な用途に適用可能な燃料電池発電装置101が実現される。 The second intermediate heat exchanger 92 is a heat exchanger capable of exchanging heat between the second cooling liquid that cools the air compressor 45 and a different type of cold heat source 94. The different types of cold heat sources 94 mean that the type of cold heat source 94 used does not matter. The second intermediate heat exchanger 92 can cool the second cooling liquid with any cold heat source 94, regardless of the type of cold heat source 94 used, thereby realizing a fuel cell power generation device 101 that can be used for various purposes such as those described above.

第2中間熱交換器92は、第2冷却系統90を循環する第2冷却液が通過する放熱部95と、冷熱源94との間で熱を移動させる熱媒が通過する受熱部96と、を有する。冷熱源94から供給される熱媒は、液体でも気体でもよい。第2中間熱交換器92において放熱部95から受熱部96へ放熱されることで、第2冷却液は、冷却される。第2中間熱交換器92の具体例として、プレート熱交換器などが挙げられるが、第2中間熱交換器92は、これに限られない。 The second intermediate heat exchanger 92 has a heat dissipation section 95 through which the second cooling liquid circulating in the second cooling system 90 passes, and a heat receiving section 96 through which a heat medium passes to transfer heat between the cold heat source 94. The heat medium supplied from the cold heat source 94 may be liquid or gas. The second cooling liquid is cooled by dissipating heat from the heat dissipation section 95 to the heat receiving section 96 in the second intermediate heat exchanger 92. A specific example of the second intermediate heat exchanger 92 is a plate heat exchanger, but the second intermediate heat exchanger 92 is not limited to this.

複数のFCプラットフォーム1,2,3における複数の第2中間熱交換器92は、それぞれ、複数のFCプラットフォーム1,2,3に共通に接続される冷熱源94との間で熱交換してもよい。これにより、冷熱源94が複数のFCプラットフォーム1,2,3間で共通化されるので、燃料電池発電装置101を小型化できる。なお、冷熱源94は、複数のFCプラットフォーム1,2,3間で相違してもよい。 The multiple second intermediate heat exchangers 92 in the multiple FC platforms 1, 2, 3 may each exchange heat with a cold heat source 94 that is commonly connected to the multiple FC platforms 1, 2, 3. This allows the cold heat source 94 to be common between the multiple FC platforms 1, 2, 3, making it possible to reduce the size of the fuel cell power generation device 101. Note that the cold heat source 94 may be different between the multiple FC platforms 1, 2, 3.

冷却器15(図1)は、冷熱源39又は冷熱源94の一例である。冷熱源39又は冷熱源94は、例えば、空冷冷却器、開放式冷却塔、密閉式冷却塔、工場の冷却水、上水、河川水、海水、液化水素の気化熱、または圧縮水素が膨張した際の冷熱などである。 The cooler 15 (FIG. 1) is an example of the cold heat source 39 or the cold heat source 94. The cold heat source 39 or the cold heat source 94 is, for example, an air-cooled cooler, an open cooling tower, a closed cooling tower, cooling water in a factory, tap water, river water, seawater, the heat of vaporization of liquefied hydrogen, or the cold heat generated when compressed hydrogen expands.

第1中間熱交換器34の受熱部41の素材は、例えば、金属イオンの溶出性が比較的低い低溶出性金属(例えば、高耐食のオーステナイト系ステンレス(SUS316L)など)である。受熱部41に接触する熱媒が海水などであると、受熱部41の素材によっては、金属イオンが受熱部41から溶出するおそれがある。受熱部41の素材が上記のような低溶出性金属であると、冷熱源39から供給される熱媒の制約が緩和されるので、冷熱源39の選択肢が増える。その結果、上記のような様々な用途に適用可能な燃料電池発電装置101が実現される。これは、第2中間熱交換器92の受熱部96の素材についても同様である。 The material of the heat receiving portion 41 of the first intermediate heat exchanger 34 is, for example, a low-elution metal with a relatively low elution rate of metal ions (for example, highly corrosion-resistant austenitic stainless steel (SUS316L)). If the heat medium in contact with the heat receiving portion 41 is seawater, for example, there is a risk that metal ions will be eluted from the heat receiving portion 41, depending on the material of the heat receiving portion 41. If the material of the heat receiving portion 41 is a low-elution metal as described above, the restrictions on the heat medium supplied from the cold heat source 39 are alleviated, and the options for the cold heat source 39 increase. As a result, a fuel cell power generation device 101 that can be used for various applications such as those described above is realized. The same applies to the material of the heat receiving portion 96 of the second intermediate heat exchanger 92.

また、第1中間熱交換器34の採用によって、第1冷却液が循環する経路をFCプラットフォームの外側の冷熱源39まで伸ばさなくても、第1冷却液を放熱できる。つまり、第1冷却液が循環する経路を短縮でき、燃料電池を冷却する高価な第1冷却液の使用量を削減できる。その結果、コスト低減が可能となる。同様に、第2中間熱交換器92の採用によっても、第2冷却液の使用量を削減でき、コスト低減が可能となる。 In addition, by employing the first intermediate heat exchanger 34, the first coolant can dissipate heat without having to extend the path through which the first coolant circulates to the cold heat source 39 outside the FC platform. In other words, the path through which the first coolant circulates can be shortened, and the amount of expensive first coolant used to cool the fuel cell can be reduced. As a result, costs can be reduced. Similarly, by employing the second intermediate heat exchanger 92, the amount of second coolant used can be reduced, and costs can be reduced.

第2中間熱交換器92が第2冷却液の熱を放熱する冷熱源94は、第1中間熱交換器34が第1冷却液の熱を放熱する冷熱源39と同じでも異なってもよい。冷熱源94と冷熱源39が同じであれば、冷熱源が第1中間熱交換器34と第2中間熱交換器92との間で共通化されるので、燃料電池発電装置101を小型化できる。 The cold heat source 94 from which the second intermediate heat exchanger 92 dissipates heat of the second cooling liquid may be the same as or different from the cold heat source 39 from which the first intermediate heat exchanger 34 dissipates heat of the first cooling liquid. If the cold heat source 94 and the cold heat source 39 are the same, the cold heat source is shared between the first intermediate heat exchanger 34 and the second intermediate heat exchanger 92, so that the fuel cell power generation device 101 can be made smaller.

第1冷却系統36は、第1冷却液からイオンを取り除くイオン交換器35を備えてもよい。第1冷却液からのイオンの取り除きによって、FCスタック21において入出力される第1冷却液の電気伝導度の上昇が抑制されるので、FCスタック21と第1冷却液との間の電気的な干渉が抑制される。 The first cooling system 36 may include an ion exchanger 35 that removes ions from the first cooling liquid. By removing ions from the first cooling liquid, an increase in the electrical conductivity of the first cooling liquid inputted and outputted to the FC stack 21 is suppressed, thereby suppressing electrical interference between the FC stack 21 and the first cooling liquid.

また、第1中間熱交換器34が採用されることで、第1冷却系統36側の第1冷却液から冷熱源39側の熱媒へのイオンの溶出が抑制されるので、イオン交換器35のメンテナンスの頻度が低減する。 In addition, by adopting the first intermediate heat exchanger 34, the dissolution of ions from the first cooling liquid on the first cooling system 36 side to the heat medium on the cold heat source 39 side is suppressed, thereby reducing the frequency of maintenance of the ion exchanger 35.

第1冷却系統36は、第1冷却液の電気伝導度を測定するセンサ37を備えてもよい。センサ37を備えることで、第1冷却液の電気伝導度を管理できる。例えば、電気伝導度が上昇し始めたことがセンサ37により検知された場合、ユーザは、イオン交換器35をメンテナンスするタイミングを把握できる。また、電気伝導度を管理することで燃料電池の直流PN間(プラスとマイナス間)の絶縁性を保つことができる。センサ37又は制御装置10は、電気伝導度が第1閾値(例えば、1μS/cm)以上と測定された場合、ユーザが認知できるように、警報を発報してもよい。制御装置10は、電気伝導度が第1閾値よりも大きな第2閾値(例えば、5μS/cm)以上と測定された場合、第2閾値以上の電気伝導度が測定されたFCプラットフォームを停止させてもよい。 The first cooling system 36 may include a sensor 37 that measures the electrical conductivity of the first cooling liquid. By including the sensor 37, the electrical conductivity of the first cooling liquid can be managed. For example, if the sensor 37 detects that the electrical conductivity has started to increase, the user can know when to perform maintenance on the ion exchanger 35. In addition, by managing the electrical conductivity, the insulation between the DC PN (between the positive and negative) of the fuel cell can be maintained. If the electrical conductivity is measured to be equal to or greater than a first threshold value (e.g., 1 μS/cm), the sensor 37 or the control device 10 may issue an alarm so that the user can recognize it. If the electrical conductivity is measured to be equal to or greater than a second threshold value (e.g., 5 μS/cm) that is greater than the first threshold value, the control device 10 may stop the FC platform in which the electrical conductivity equal to or greater than the second threshold value is measured.

第1冷却系統36は、第1冷却液の温度変化に伴う膨張又は収縮を吸収する第1タンク38を備えてもよい。これにより、第1冷却器の温度変化に伴う膨張又は収縮が抑制される。 The first cooling system 36 may include a first tank 38 that absorbs expansion or contraction of the first cooling liquid caused by temperature changes. This suppresses expansion or contraction of the first coolant caused by temperature changes.

同様に、第2冷却系統90は、第2冷却液の温度変化に伴う膨張又は収縮を吸収する第2タンク93を備えてもよい。これにより、第2冷却器の温度変化に伴う膨張又は収縮が抑制される。 Similarly, the second cooling system 90 may include a second tank 93 that absorbs the expansion or contraction of the second cooling liquid caused by temperature changes. This suppresses the expansion or contraction of the second coolant caused by temperature changes.

FCプラットフォーム1は、第1気液分離器79及び水素ポンプ43を備えてもよい。第1気液分離器79は、燃料極71の出口76から排出される第1混相流から水素ガスと排水を分離する。水素ポンプ43は、第1気液分離器79により分離された水素ガスを燃料極71の入口75へ循環させる。これにより、FCスタック21での発電により生成された余剰の水素ガスを、FCスタック21での発電に再利用できる。 The FC platform 1 may include a first gas-liquid separator 79 and a hydrogen pump 43. The first gas-liquid separator 79 separates hydrogen gas and wastewater from the first multiphase flow discharged from the outlet 76 of the fuel electrode 71. The hydrogen pump 43 circulates the hydrogen gas separated by the first gas-liquid separator 79 to the inlet 75 of the fuel electrode 71. This allows surplus hydrogen gas generated by power generation in the FC stack 21 to be reused for power generation in the FC stack 21.

FCプラットフォーム1は、混合器80を備えてもよい。排気管131は、第1気液分離器79により分離された排水と、当該排水に混入する水素と、空気極72の出口74から排出される排空気とを混合器80で合流させた第2混相流を排出する。これにより、排水と水素と排空気をまとめて排出できる。 The FC platform 1 may include a mixer 80. The exhaust pipe 131 discharges a second multiphase flow obtained by combining the wastewater separated by the first gas-liquid separator 79, hydrogen mixed in the wastewater, and exhaust air discharged from the outlet 74 of the air electrode 72 in the mixer 80. This allows the wastewater, hydrogen, and exhaust air to be discharged together.

FCプラットフォーム1は、第2混相流から水と気体を分離する第2気液分離器81を備えてもよい。これにより、排水と排ガスを分離して排出できる。排水又は排ガスは、回収器82により回収されてもよい。これにより、排水又は排ガスによる周辺の汚染が抑制される。 The FC platform 1 may be provided with a second gas-liquid separator 81 that separates water and gas from the second multiphase flow. This allows the wastewater and exhaust gas to be separated and discharged. The wastewater or exhaust gas may be collected by a collector 82. This prevents the surrounding area from being polluted by the wastewater or exhaust gas.

燃料電池発電装置101は、複数のFCプラットフォーム1,2,3における複数の燃料管118に窒素等の不活性ガスを個別にパージするパージ系統30を備えてもよい。パージ系統30は、複数の燃料管118を不活性ガスで個別にパージできるように、バルブで流路を切り替えてもよい。これにより、不活性ガスのパージによる特性劣化をFCスタック単位で管理できる。 The fuel cell power generation device 101 may include a purge system 30 that individually purges the multiple fuel pipes 118 in the multiple FC platforms 1, 2, and 3 with an inert gas such as nitrogen. The purge system 30 may switch the flow path with a valve so that the multiple fuel pipes 118 can be individually purged with the inert gas. This allows the deterioration of characteristics due to purging with the inert gas to be managed on a per-FC stack basis.

FCスタック21の出力電力p1の一部は、FCユニット51内の空気コンプレッサ45等の補機の動作電力として使用され、その余剰電力が、FCユニット51の出力電力P1として出力される。FCスタック22の出力電力p2及びFCスタック23の出力電力p3についても同様である。 A portion of the output power p1 of the FC stack 21 is used as operating power for auxiliary equipment such as the air compressor 45 in the FC unit 51, and the surplus power is output as the output power P1 of the FC unit 51. The same applies to the output power p2 of the FC stack 22 and the output power p3 of the FC stack 23.

制御装置10は、出力線17から外部への供給電力を略一定の所定値に維持する制御を行う。例えば、制御装置10は、出力線17から電力変換装置11に向けて出力される供給電力Pa(=Po-Pb)が一定の目標値に維持されるように、FCスタック21,22,23(FCプラットフォーム1,2,3)の発電及びDC/DCコンバータ13の変換動作を制御する。Poは、出力点16における電力である。Poは、FCプラットフォーム1,2,3の各出力電力P1,P2,P3の和に等しい(Po=P1+P2+P3)。Pbは、二次電池14と出力線17との間でやり取りされる電力である。 The control device 10 performs control to maintain the power supplied from the output line 17 to the outside at a substantially constant predetermined value. For example, the control device 10 controls the power generation of the FC stacks 21, 22, 23 (FC platforms 1, 2, 3) and the conversion operation of the DC/DC converter 13 so that the supply power Pa (=Po-Pb) output from the output line 17 to the power conversion device 11 is maintained at a constant target value. Po is the power at the output point 16. Po is equal to the sum of the output powers P1, P2, P3 of the FC platforms 1, 2, 3 (Po=P1+P2+P3). Pb is the power exchanged between the secondary battery 14 and the output line 17.

制御装置10は、電力変換装置11から外部装置12に向けて出力される電力Pcが目標値に追従するように、FCスタック21,22,23の発電及び電力変換装置11の変換動作を制御してもよい。Pa又はPcは、出力線17から外部への供給電力の一例である。 The control device 10 may control the power generation of the FC stacks 21, 22, and 23 and the conversion operation of the power conversion device 11 so that the power Pc output from the power conversion device 11 to the external device 12 follows a target value. Pa or Pc is an example of power supplied from the output line 17 to the outside.

制御装置10は、出力線17から外部への供給電力Paが略一定値に維持された状態で、FCスタック21,22,23の各出力電力p1,p2,p3を変化(より詳しくは、増減)させる制御(電力変動制御)を行ってもよい。供給電力Paは、電圧センサ及び電流センサにより検出可能である。 The control device 10 may perform control (power fluctuation control) to change (more specifically, increase or decrease) the output power p1, p2, and p3 of the FC stacks 21, 22, and 23 while the supply power Pa from the output line 17 to the outside is maintained at a substantially constant value. The supply power Pa can be detected by a voltage sensor and a current sensor.

制御装置10は、例えば、FCプラットフォーム1の昇圧コンバータ42の動作電流(負荷電流)を増減することでFCスタック21の負荷を増減させ、出力電力p1を増減させる。同様に、制御装置10は、FCプラットフォーム2の昇圧コンバータ42の動作電流(負荷電流)を増減することでFCスタック22の負荷を増減させ、出力電力p2を増減させる。制御装置10は、FCプラットフォーム3の昇圧コンバータ42の動作電流(負荷電流)を増減することでFCスタック23の負荷を増減させ、出力電力p3を増減させる。 The control device 10, for example, increases or decreases the operating current (load current) of the boost converter 42 of the FC platform 1 to increase or decrease the load on the FC stack 21 and increase or decrease the output power p1. Similarly, the control device 10 increases or decreases the operating current (load current) of the boost converter 42 of the FC platform 2 to increase or decrease the load on the FC stack 22 and increase or decrease the output power p2. The control device 10 increases or decreases the operating current (load current) of the boost converter 42 of the FC platform 3 to increase or decrease the load on the FC stack 23 and increase or decrease the output power p3.

制御装置10が上記のような電力変動制御を行うことで、出力線17から外部への供給電力Paが略一定値に維持された状態で、複数のFCスタック21,22,23の各出力電力p1,p2,p3が増減する。これにより、出力線17から外部への一定の電力供給が確保された状態で、複数のFCスタック21,22,23のセル面内の湿度分布の偏りは、各出力電力p1,p2,p3が常に一定に制御される場合に比べて、減少する。セル面内の湿度分布の偏りが減少することで、有効反応面積の低下による電流密度の上昇が抑制されるので、電流密度の上昇による電解質膜の劣化が抑制される。したがって、供給電力Paが略一定値に維持された状態で各出力電力p1,p2,p3を増減させる電力変動制御が制御装置10により行われることで、略一定の電力供給が確保され、複数のFCスタック21,22,23の劣化が抑制される。複数のFCスタック21,22,23の劣化の抑制は、燃料電池発電装置101及び燃料電池発電システム201の耐久性の向上に貢献する。 By the control device 10 performing the power fluctuation control as described above, the output powers p1, p2, and p3 of the multiple FC stacks 21, 22, and 23 are increased or decreased while the power supply Pa from the output line 17 to the outside is maintained at a substantially constant value. As a result, while a constant power supply from the output line 17 to the outside is ensured, the humidity distribution deviation in the cell surface of the multiple FC stacks 21, 22, and 23 is reduced compared to the case where the output powers p1, p2, and p3 are always controlled to be constant. By reducing the humidity distribution deviation in the cell surface, the increase in current density due to the decrease in effective reaction area is suppressed, and deterioration of the electrolyte membrane due to the increase in current density is suppressed. Therefore, by the control device 10 performing the power fluctuation control to increase or decrease the output powers p1, p2, and p3 while the supply power Pa is maintained at a substantially constant value, a substantially constant power supply is ensured and deterioration of the multiple FC stacks 21, 22, and 23 is suppressed. Suppressing deterioration of the multiple FC stacks 21, 22, and 23 contributes to improving the durability of the fuel cell power generation device 101 and the fuel cell power generation system 201.

燃料電池発電システム201又は燃料電池発電装置101は、複数のFCプラットフォームのそれぞれに対して設けられた複数の開閉器(この例では、開閉器61,62,63)を備えてもよい。開閉器61は、FCスタック21及び昇圧コンバータ42と、出力線17に接続される出力点16との間の電力経路の遮断と接続を切り替える遮断器である。開閉器62は、FCスタック22及び不図示の昇圧コンバータと、出力線17に接続される出力点16との間の電力経路の遮断と接続を切り替える遮断器である。開閉器63は、FCスタック23及び不図示の昇圧コンバータと、出力線17に接続される出力点16との間の電力経路の遮断と接続を切り替える遮断器である。 The fuel cell power generation system 201 or the fuel cell power generation device 101 may include a plurality of switches (switches 61, 62, and 63 in this example) provided for each of the plurality of FC platforms. The switch 61 is a circuit breaker that switches between disconnection and connection of the power path between the FC stack 21 and the boost converter 42 and the output point 16 connected to the output line 17. The switch 62 is a circuit breaker that switches between disconnection and connection of the power path between the FC stack 22 and the boost converter (not shown) and the output point 16 connected to the output line 17. The switch 63 is a circuit breaker that switches between disconnection and connection of the power path between the FC stack 23 and the boost converter (not shown) and the output point 16 connected to the output line 17.

制御装置10は、複数のFCスタック21,22,23のうち、一部のFCスタックを他のFCスタックから開閉器61,62又は63により切り離してもよい。当該一部のFCスタックが切り離された状態で、制御装置10は、供給電力Paが略一定値に維持されるように、当該他のFCスタックの出力電力を制御してもよい。これにより、供給電力Paが略一定値に維持された状態で、当該一部のFCスタックの交換が容易になる。例えば、制御装置10は、FCスタック21が開閉器61によりFCスタック22,23から切り離された状態で、供給電力Paが略一定値に維持されるように、他のFCスタック22,23の出力電力を制御してもよい。開閉器61,62,63の開閉は、制御装置10によって自動で切り替えられるが、手動で切り替えられてもよい。 The control device 10 may separate some of the FC stacks 21, 22, and 23 from the other FC stacks by the switches 61, 62, or 63. With the FC stacks separated, the control device 10 may control the output power of the other FC stacks so that the power supply Pa is maintained at a substantially constant value. This makes it easy to replace the FC stacks while the power supply Pa is maintained at a substantially constant value. For example, with the FC stack 21 separated from the FC stacks 22 and 23 by the switch 61, the control device 10 may control the output power of the other FC stacks 22 and 23 so that the power supply Pa is maintained at a substantially constant value. The switches 61, 62, and 63 are automatically switched on and off by the control device 10, but may also be switched manually.

燃料電池発電装置101は、複数のFCプラットフォームのうち、一部のFCプラットフォームが動作中に残りのFCプラットフォームを運転停止して取り外せるように、配管を遮断する遮断弁、及び、配線を遮断する開閉器を備えてもよい。配管は、液体(冷却液、排水など)又は気体(空気、水素、排ガスなど)を伝達し、配線は、電力や信号を伝送する。配管を遮断する遮断弁として、空気入口遮断弁77及び排空気出口遮断弁78が例示される。配線を遮断する開閉器として、開閉器61,62,63が例示される。 The fuel cell power generation system 101 may include shutoff valves for shutting off the piping and switches for shutting off the wiring so that some of the multiple FC platforms can be shut down and removed while the remaining FC platforms are in operation. The piping transmits liquids (coolant, drainage, etc.) or gases (air, hydrogen, exhaust gas, etc.), and the wiring transmits power and signals. Examples of shutoff valves for shutting off the piping include the air inlet shutoff valve 77 and the exhaust air outlet shutoff valve 78. Examples of switches for shutting off the wiring include switches 61, 62, and 63.

燃料電池発電装置101は、複数のFCプラットフォームの地絡を個別に検出する機能を備えてもよい。例えば、制御装置10は、複数のFCプラットフォーム1,2,3のうち、対地間抵抗の低下もしくは地絡が検出されたFCプラットフォームを、開閉器61,62又は63により切り離してもよい。 The fuel cell power generation system 101 may have a function for individually detecting ground faults in multiple FC platforms. For example, the control device 10 may use a switch 61, 62, or 63 to disconnect an FC platform among multiple FC platforms 1, 2, and 3 in which a drop in resistance to ground or a ground fault has been detected.

二次電池14の出力電圧と出力点16での出力電圧とが略等しくなるように、直列に接続される複数の蓄電池14,…,14の数が調整されてもよい。これにより、DC/DCコンバータ13を削除して燃料電池発電装置101を小型化できる。 The number of the multiple storage batteries 14 1 , ..., 14 n connected in series may be adjusted so that the output voltage of the secondary battery 14 is approximately equal to the output voltage at the output point 16. This makes it possible to eliminate the DC/DC converter 13 and reduce the size of the fuel cell power generation device 101.

外部装置12の電力需要と燃料電池発電装置101の関係から、二次電池14の容量を増加させるため、複数の蓄電池14,…,14を並列に接続してもよい。複数の蓄電池14,…,14の並列数は、出力線17に共通接続される複数のFCプラットフォームの数よりも少ないのが好ましい。この場合、複数のFCプラットフォームの各出力電力ラインに個別に蓄電池を接続する場合に比べて、燃料電池発電装置101を小型化できる。 Depending on the relationship between the power demand of the external device 12 and the fuel cell power generation system 101, multiple storage batteries 14 1 , ..., 14 n may be connected in parallel to increase the capacity of the secondary battery 14. The number of parallel connections of the multiple storage batteries 14 1 , ..., 14 n is preferably smaller than the number of the multiple FC platforms commonly connected to the output line 17. In this case, the fuel cell power generation system 101 can be made smaller than when storage batteries are individually connected to the output power lines of the multiple FC platforms.

このように、本実施形態によれば、定置用発電機、港湾荷役機械(クレーンなど)用電源、船用電源、鉄道用電源、建設用重機、土木作業用重機などの分野において、水素発電による電源の脱炭素化の課題を解決できる。水素発電には、水素燃焼式と燃料電池式があるが、一般的に燃料電池式の方が高効率である。燃料電池を多用途に適用する際に、それぞれのシステム開発に時間と労力を要する。本実施形態によれば、様々な用途に共通して使用できる安価で高効率なプラットフォームの開発という課題を解決できる。より詳しくは、様々な用途(定置用、クレーン用、船舶用、鉄道用、建機用等)に適用するために、共通となる部分をFCプラットフォームとして構築することで、各用途のシステム開発リソース(設計、エンジニアリングなど)を低減できる。各用途共通のプラットフォームを使用することで、FCプラットフォームの量産効果が得られ、低価格化が実現する。 In this way, according to this embodiment, the problem of decarbonizing power sources through hydrogen power generation can be solved in fields such as stationary generators, power sources for port loading and unloading machines (such as cranes), power sources for ships, power sources for railways, heavy construction machinery, and heavy civil engineering machinery. Hydrogen power generation can be done using hydrogen combustion or fuel cells, but the fuel cell type is generally more efficient. When applying fuel cells to multiple applications, it takes time and effort to develop each system. According to this embodiment, the problem of developing an inexpensive and highly efficient platform that can be used in common for various applications can be solved. More specifically, in order to apply it to various applications (stationary, crane, ship, railway, construction machinery, etc.), the common parts can be constructed as an FC platform, thereby reducing the system development resources (design, engineering, etc.) for each application. By using a platform common to each application, the mass production effect of the FC platform can be obtained, and the price can be reduced.

また、本実施形態によれば、2つの冷却系(第1冷却系統36及び第2冷却系統90)について、適用するシステムや設置場所などに応じて冷却系の個別エンジニアリングが不要となる。より詳しくは、2つの冷却系のうち一方又は両方の中間熱交換器をFCプラットフォーム内に設置することで冷却系の個別エンジニアリングが不要になる。 Furthermore, according to this embodiment, for the two cooling systems (first cooling system 36 and second cooling system 90), individual engineering of the cooling systems is not required depending on the system to which they are applied, the installation location, etc. More specifically, by installing one or both intermediate heat exchangers of the two cooling systems within the FC platform, individual engineering of the cooling systems is not required.

また、本実施形態によれば、FCプラットフォームの並列化により、拡張性向上及び高出力対応を実現できる。補機を組み込んだFCプラットフォームを構築することで、複数のFCプラットフォームを容易に並列化でき、拡張性向上及び高出力対応の実現が容易になる。 In addition, according to this embodiment, the parallelization of FC platforms can improve scalability and support high output. By constructing an FC platform that incorporates auxiliary equipment, multiple FC platforms can be easily parallelized, making it easier to improve scalability and support high output.

また、本実施形態によれば、複数のFCプラットフォームをそれぞれ独立に切り離すことができ、運搬などの取り扱いが容易になるので、例えば、メンテナンスが容易化される。例えば、システム故障時にはFCプラットフォームごとの交換によって、システムの停止期間が短縮し、システムの稼働率が向上する。システム故障時には現地で修復するのではなく、FCプラットフォームを工場に引き取り、工場で修復することで、現地修復にかかるコストが低減する。工場引き取り期間は代替えのFCプラットフォームを入れ替えることで、システムの稼働率が向上する。 Furthermore, according to this embodiment, multiple FC platforms can be separated independently, facilitating handling such as transportation, which, for example, facilitates maintenance. For example, in the event of a system failure, the system downtime can be shortened by replacing each FC platform, improving the system's operating rate. In the event of a system failure, rather than repairing the system on-site, the FC platform can be returned to a factory and repaired there, reducing the cost of on-site repair. During the factory return period, a replacement FC platform can be replaced, improving the system's operating rate.

以上の通り、実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更などを行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although the embodiments have been described above, they are presented as examples, and the present invention is not limited to the above embodiments. The above embodiments can be implemented in various other forms, and various combinations, omissions, substitutions, modifications, etc. can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their variations are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention and its equivalents described in the claims.

例えば、図1では、窒素を供給するパージ系統30が水素を供給する燃料系統18に合流する箇所は、燃料系統18がFCスタック21,22,23に向けて分岐した後の系統であるが、分岐する前の系統でもよい。 For example, in FIG. 1, the point where the purge system 30 that supplies nitrogen merges with the fuel system 18 that supplies hydrogen is after the fuel system 18 branches off toward the FC stacks 21, 22, and 23, but it may be before the branching.

1,2,3 FCプラットフォーム
10 制御装置
11 電力変換装置
12 外部装置
13 DC/DCコンバータ
14 二次電池
14,14 蓄電池
15 冷却器
16 出力点
17 出力線
18 燃料系統
19 給気系統
21,22,23 FCスタック
30 パージ系統
31 排気系統
32 制御用電源
33 空気フィルタ
34 第1中間熱交換器
35 イオン交換器
36 第1冷却系統
37 センサ
38 第1タンク
39 冷熱源
40 放熱部
41 受熱部
42 昇圧コンバータ
43 水素ポンプ
44 ウォーターポンプ
45 空気コンプレッサ
51 FCユニット
61,62,63 開閉器
71 燃料極
72 空気極
73,75 入口
74,76 出口
77 空気入口遮断弁
78 排空気出口遮断弁
79 第1気液分離器
80 混合器
81 第2気液分離器
82 回収器
90 第2冷却系統
91 ポンプ
92 第2中間熱交換器
93 第2タンク
94 冷熱源
95 放熱部
96 受熱部
101 燃料電池発電装置
118 燃料管
119,120 空気管
131 排気管
201 燃料電池発電システム
301 補機システム
REFERENCE SIGNS LIST 1, 2, 3 FC platform 10 Control device 11 Power conversion device 12 External device 13 DC/DC converter 14 Secondary battery 14 1 , 14 n battery 15 Cooler 16 Output point 17 Output line 18 Fuel system 19 Air supply system 21, 22, 23 FC stack 30 Purge system 31 Exhaust system 32 Control power supply 33 Air filter 34 First intermediate heat exchanger 35 Ion exchanger 36 First cooling system 37 Sensor 38 First tank 39 Cold source 40 Heat dissipation section 41 Heat receiving section 42 Boost converter 43 Hydrogen pump 44 Water pump 45 Air compressor 51 FC unit 61, 62, 63 Switch 71 Fuel electrode 72 Air electrode 73, 75 Inlet Reference Signs List 74, 76 Outlet 77 Air inlet shutoff valve 78 Exhaust air outlet shutoff valve 79 First gas-liquid separator 80 Mixer 81 Second gas-liquid separator 82 Recovery device 90 Second cooling system 91 Pump 92 Second intermediate heat exchanger 93 Second tank 94 Cold source 95 Heat dissipation section 96 Heat reception section 101 Fuel cell power generation device 118 Fuel pipe 119, 120 Air pipe 131 Exhaust pipe 201 Fuel cell power generation system 301 Auxiliary system

第1態様では、燃料電池発電装置は、
燃料極と空気極を有する燃料電池と、
前記燃料極に水素を供給する燃料管と、
給された空気を圧縮し、前記空気極に供給する空気コンプレッサと、
前記燃料電池で発生する排ガスを排出する排気管と、
前記燃料電池を冷却する第1冷却液を、空気、液体、圧縮水素が膨張した際の冷熱、の何れかの第1冷熱源との間で熱交換可能な第1中間熱交換器と、を備える。
In a first aspect, a fuel cell power generator includes:
a fuel cell having an anode and an cathode;
a fuel pipe for supplying hydrogen to the fuel electrode;
an air compressor that compresses the supplied air and supplies it to the air electrode;
an exhaust pipe for discharging exhaust gas generated by the fuel cell;
The fuel cell is provided with a first intermediate heat exchanger capable of exchanging heat between a first cooling fluid that cools the fuel cell and a first cold heat source that is any one of air, liquid, and cold heat generated by the expansion of compressed hydrogen .

第1態様によれば、前記燃料電池を冷却する第1冷却液を、空気、液体、圧縮水素が膨張した際の冷熱、の何れかの第1冷熱源との間で熱交換可能な第1中間熱交換器を備えるので、燃料電池発電装置を様々な用途に適用できる。
According to the first aspect, the fuel cell power generation device is provided with a first intermediate heat exchanger capable of exchanging heat between a first cooling liquid that cools the fuel cell and a first cold heat source which is any one of air, liquid, or cold heat generated by the expansion of compressed hydrogen , thereby making the fuel cell power generation device applicable to a variety of applications.

第1冷却系統36は、第1冷却液の温度変化に伴う膨張又は収縮を吸収する第1タンク38を備えてもよい。これにより、第1冷却の温度変化に伴う膨張又は収縮が抑制される。
The first cooling system 36 may include a first tank 38 that absorbs expansion or contraction of the first cooling liquid caused by temperature changes. This suppresses expansion or contraction of the first cooling liquid caused by temperature changes.

同様に、第2冷却系統90は、第2冷却液の温度変化に伴う膨張又は収縮を吸収する第2タンク93を備えてもよい。これにより、第2冷却の温度変化に伴う膨張又は収縮が抑制される。
Similarly, the second cooling system 90 may include a second tank 93 that absorbs expansion or contraction of the second cooling liquid caused by temperature changes, thereby suppressing expansion or contraction of the second cooling liquid caused by temperature changes.

燃料電池発電装置101は、複数のFCプラットフォーム1,2,3における複数の燃料管118に窒素等の不活性ガスを個別に供給するパージ系統30を備えてもよい。パージ系統30は、複数の燃料管118を不活性ガスで個別にパージできるように、バルブで流路を切り替えてもよい。これにより、不活性ガスのパージによる特性劣化をFCスタック単位で管理できる。
The fuel cell power generation system 101 may include a purge system 30 that individually supplies an inert gas such as nitrogen to a plurality of fuel pipes 118 in a plurality of FC platforms 1, 2, and 3. The purge system 30 may switch flow paths using valves so that the plurality of fuel pipes 118 can be individually purged with the inert gas. This makes it possible to manage characteristic degradation caused by purging with the inert gas for each FC stack.

Claims (19)

燃料極と空気極を有する燃料電池と、
前記燃料極に水素を供給する燃料管と、
空気に含まれる不純物を取り除く空気フィルタと、
前記空気フィルタを通して供給された空気を圧縮し、前記空気極に供給する空気コンプレッサと、
前記燃料電池で発生する排ガスを排出する排気管と、
前記燃料電池を冷却する第1冷却液を異種の冷熱源との間で熱交換可能な第1中間熱交換器と、を備える、燃料電池発電装置。
a fuel cell having an anode and an cathode;
a fuel pipe for supplying hydrogen to the fuel electrode;
An air filter that removes impurities from the air;
an air compressor that compresses the air supplied through the air filter and supplies the compressed air to the air electrode;
an exhaust pipe for discharging exhaust gas generated by the fuel cell;
a first intermediate heat exchanger capable of exchanging heat between a first coolant for cooling the fuel cell and a different type of cold heat source, the first intermediate heat exchanger being provided with the fuel cell power generation apparatus.
前記空気コンプレッサを冷却する第2冷却液を異種の冷熱源との間で熱交換可能な第2中間熱交換器を備える、請求項1に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generation device according to claim 1, further comprising a second intermediate heat exchanger capable of exchanging heat between a second cooling liquid for cooling the air compressor and a different type of cold heat source. 前記第2中間熱交換器が前記第2冷却液の熱を放熱する冷熱源は、前記第1中間熱交換器が前記第1冷却液の熱を放熱する冷熱源と同じである、請求項2に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generation device according to claim 2, wherein the cold heat source from which the second intermediate heat exchanger dissipates heat of the second cooling liquid is the same as the cold heat source from which the first intermediate heat exchanger dissipates heat of the first cooling liquid. 前記第1冷却液からイオンを取り除くイオン交換器を備える、請求項1に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generation device according to claim 1, further comprising an ion exchanger that removes ions from the first cooling liquid. 前記第1冷却液の電気伝導度を測定するセンサを備える、請求項4に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generation device according to claim 4, further comprising a sensor for measuring the electrical conductivity of the first cooling liquid. 前記第1冷却液の温度変化に伴う膨張又は収縮を吸収する第1タンクを備える、請求項1に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generation device according to claim 1, further comprising a first tank that absorbs expansion or contraction of the first cooling liquid caused by temperature changes. 前記燃料極の出口から排出される第1混相流から水素ガスを分離する第1気液分離器と、
前記第1気液分離器により分離された水素ガスを前記燃料極の入口へ循環させる水素ポンプと、を備える、請求項1に記載の燃料電池発電装置。
a first gas-liquid separator for separating hydrogen gas from a first mixed-phase flow discharged from an outlet of the anode;
2. The fuel cell power generation system according to claim 1, further comprising: a hydrogen pump that circulates the hydrogen gas separated by the first gas-liquid separator to an inlet of the fuel electrode.
前記排気管は、前記第1気液分離器により分離された排水と、前記排水に混入する水素と、前記空気極の出口から排出される排空気とを合流させた第2混相流を排出する、請求項7に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generation device according to claim 7, wherein the exhaust pipe discharges a second mixed-phase flow obtained by combining the wastewater separated by the first gas-liquid separator, hydrogen mixed in the wastewater, and exhaust air discharged from the outlet of the air electrode. 前記第2混相流から水と気体を分離する第2気液分離器を備える、請求項8に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generation device according to claim 8, further comprising a second gas-liquid separator that separates water and gas from the second multiphase flow. 複数の燃料電池プラットフォームを備え、
前記複数の燃料電池プラットフォームは、それぞれ、前記燃料電池、前記燃料管、前記空気フィルタ、前記空気コンプレッサ、前記排気管および前記第1中間熱交換器を有し、
前記複数の燃料電池プラットフォームにおける複数の前記燃料電池の出力電力は、共通の出力線に出力される、
請求項1から9のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置。
Equipped with multiple fuel cell platforms,
each of the plurality of fuel cell platforms includes the fuel cell, the fuel pipe, the air filter, the air compressor, the exhaust pipe, and the first intermediate heat exchanger;
The output power of the fuel cells in the fuel cell platforms is output to a common output line.
10. A fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 9.
前記複数の燃料電池プラットフォームにおける複数の前記第1中間熱交換器は、共通の冷熱源との間で熱交換する、請求項10に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generation device according to claim 10, wherein the first intermediate heat exchangers in the fuel cell platforms exchange heat with a common cold source. 前記共通の冷熱源は、空冷冷却器、開放式冷却塔、密閉式冷却塔、工場の冷却水、上水、河川水、海水、液化水素の気化熱、または圧縮水素が膨張した際の冷熱である、請求項11に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generation device according to claim 11, wherein the common cold source is an air-cooled cooler, an open cooling tower, a closed cooling tower, factory cooling water, tap water, river water, seawater, heat of vaporization of liquefied hydrogen, or cold generated when compressed hydrogen expands. 前記出力線から外部への供給電力が所定値に維持されるように、複数の前記燃料電池の各出力を制御する制御装置を備える、請求項10に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generation device according to claim 10, further comprising a control device that controls the output of each of the fuel cells so that the power supplied from the output line to the outside is maintained at a predetermined value. 前記制御装置は、複数の前記燃料電池のうち、一部の前記燃料電池を他の前記燃料電池から切り離し、前記供給電力が前記所定値に維持されるように、前記他の前記燃料電池の出力電力を制御する、請求項13に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generation device according to claim 13, wherein the control device separates some of the fuel cells from the other fuel cells and controls the output power of the other fuel cells so that the supply power is maintained at the predetermined value. 前記複数の燃料電池プラットフォームに個別の制御用電源を備える、請求項13に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generation device according to claim 13, wherein each of the fuel cell platforms is provided with an individual control power supply. 前記複数の燃料電池プラットフォームに共通の制御用電源を備える、請求項13に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generation device according to claim 13, comprising a control power supply common to the plurality of fuel cell platforms. 前記出力線に接続される二次電池を備え、
前記二次電池は、直列に接続された複数の蓄電池を含む、請求項10に記載の燃料電池発電装置。
a secondary battery connected to the output line;
11. The fuel cell power generation system according to claim 10, wherein the secondary battery includes a plurality of storage batteries connected in series.
前記出力線に接続される、並列に接続された複数の蓄電池を備え、
前記複数の蓄電池の数は、前記複数の燃料電池プラットフォームの数よりも少ない、請求項10に記載の燃料電池発電装置。
a plurality of storage batteries connected in parallel to the output line;
The fuel cell power plant of claim 10 , wherein the number of said plurality of storage batteries is less than the number of said plurality of fuel cell platforms.
前記複数の燃料電池プラットフォームにおける複数の前記燃料管に不活性ガスを個別にパージするパージ系統を備える、請求項10に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generation system according to claim 10, further comprising a purge system for individually purging the inert gas into the fuel pipes in the fuel cell platforms.
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