JP4087842B2 - Fuel cell system - Google Patents

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    • Y02E60/50Fuel cells

Description

本発明は、燃料電池と、この燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質器と、貯湯水を貯湯する貯湯槽と、貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、を備えた燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell, a reformer that generates fuel gas to be supplied to the fuel cell, a hot water storage tank for storing hot water, and a hot water circulation circuit for circulating the hot water. .

この燃料電池システムとして、燃料電池と、この燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質器と、貯湯水を貯湯する貯湯槽と、貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、燃料電池との間で熱交換をする燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路と、貯湯水と燃料電池熱媒体との間で熱交換が行われる第1熱交換器と、を備え、貯湯水循環回路を循環する貯湯水が燃料電池から排出されるオフガスの排熱、改質器にて発生する排熱の少なくとも何れか一方を回収して昇温するものはよく知られている。   The fuel cell system includes a fuel cell, a reformer that generates fuel gas to be supplied to the fuel cell, a hot water storage tank for storing hot water, a hot water circulation circuit for circulating hot water, and a fuel cell. And a first heat exchanger for exchanging heat between the hot water and the fuel cell heat medium, and a hot water circulation circuit It is well known that the temperature of the circulating hot water is raised by recovering at least one of exhaust heat of off-gas discharged from the fuel cell and exhaust heat generated in the reformer.

このような燃料電池システムの一形式として、特許文献1「燃料電池発電システム」に示されているものが知られている。特許文献1の図1に示されているように、燃料電池発電システム10は熱交換媒体54(水または湯;貯湯水)が循環する熱交換媒体循環経路50(貯湯水循環回路)を備えている。熱交換媒体循環経路50は、貯湯槽52に貯留された熱交換媒体54がこの貯湯槽52からアノードオフガス熱交換器42、カソードオフガス熱交換器44、燃焼排ガス熱交換器45、冷却水熱交換器46(第1熱交換器)をこの順に経たのち再び貯湯槽52に戻るという循環経路である。アノードオフガス熱交換器42は、アノードから排出されたアノードオフガスの熱を熱交換媒体54により回収するものであり、カソードオフガス熱交換器44はカソードから排出されたカソードオフガスの熱を熱交換媒体54により回収するものであり、燃焼排ガス熱交換器45は燃焼排ガスの熱を熱交換媒体54により回収するものであり、冷却水熱交換器46は燃料電池40、初期オフガス熱交換器58及び初期オフガス燃焼器57を通過する冷却水循環経路43(燃料電池熱媒体循環回路)を流れる冷却水(燃料電池熱媒体)の熱を熱交換媒体54により回収するものである。燃料電池発電システム10は、定常運転中において、燃料電池40すなわち燃料電池40を流れる冷却水の温度を規定の温度範囲に維持するように熱交換媒体54(貯湯水)の流量を制御している。   As one type of such a fuel cell system, one disclosed in Patent Document 1 “Fuel Cell Power Generation System” is known. As shown in FIG. 1 of Patent Document 1, the fuel cell power generation system 10 includes a heat exchange medium circulation path 50 (hot water circulation circuit) through which a heat exchange medium 54 (water or hot water; hot water) circulates. . In the heat exchange medium circulation path 50, the heat exchange medium 54 stored in the hot water tank 52 is transferred from the hot water tank 52 to the anode offgas heat exchanger 42, the cathode offgas heat exchanger 44, the combustion exhaust gas heat exchanger 45, and the cooling water heat exchange. The circulation path is such that after passing through the vessel 46 (first heat exchanger) in this order, it returns to the hot water storage tank 52 again. The anode offgas heat exchanger 42 recovers the heat of the anode offgas discharged from the anode by the heat exchange medium 54, and the cathode offgas heat exchanger 44 converts the heat of the cathode offgas discharged from the cathode to the heat exchange medium 54. The combustion exhaust gas heat exchanger 45 recovers the heat of the combustion exhaust gas by the heat exchange medium 54, and the cooling water heat exchanger 46 includes the fuel cell 40, the initial off-gas heat exchanger 58, and the initial off-gas. The heat exchange medium 54 recovers the heat of the cooling water (fuel cell heat medium) flowing through the cooling water circulation path 43 (fuel cell heat medium circulation circuit) passing through the combustor 57. During steady operation, the fuel cell power generation system 10 controls the flow rate of the heat exchange medium 54 (hot water) so as to maintain the temperature of the fuel cell 40, that is, the coolant flowing through the fuel cell 40, within a specified temperature range. .

また、他の形式として、特許文献2「固体高分子形燃料電池発電装置」に示されているものが知られている。特許文献2の図1〜図3に示されているように、固体高分子形燃料電池発電装置GS1は、排気系31の熱交換器32、排気系45の熱交換器46および燃料電池6の空気極kから排出されたガスの熱交換器71の後に、さらに熱交換器HEXを設置し、貯湯タンク50中の水をポンプPによりこの熱交換器HEXを経て、熱交換器71、32、46に送って熱交換して排熱回収した温水A(貯湯水)を、直接水タンク21へ熱交換可能に循環して送るラインL1(貯湯水循環回路)を設けてある。そして、前記温水AをラインL1を経て水タンク21へ送らなくてもよい場合に温水Aを貯湯タンク50へ送るラインL2が併設されている。水タンク21には、ポンプ48によって燃料電池6の冷却部6cを循環する冷却水(燃料電池熱媒体)が水管73(燃料電池熱媒体循環回路)を経て流入する。これにより、水タンク21中の水と温水Aとが熱交換をするようになっている。
特開2003−257457号公報(第4−7頁、図1) 特開2002−216819号公報(第2−6頁、図1−3)
Further, as another type, one disclosed in Patent Document 2 “Solid Polymer Fuel Cell Power Generation Device” is known. As shown in FIGS. 1 to 3 of Patent Document 2, the polymer electrolyte fuel cell power generator GS1 includes a heat exchanger 32 of an exhaust system 31, a heat exchanger 46 of an exhaust system 45, and a fuel cell 6. After the heat exchanger 71 of the gas discharged from the air electrode k, a heat exchanger HEX is further installed, and water in the hot water storage tank 50 is passed through the heat exchanger HEX by the pump P, and the heat exchangers 71, 32, A line L1 (hot water circulation circuit) is provided that circulates and sends hot water A (hot water), which is sent to 46 and heat-exchanged to recover exhaust heat, directly to the water tank 21 so that heat can be exchanged. A line L2 for sending the hot water A to the hot water storage tank 50 when the hot water A does not need to be sent to the water tank 21 via the line L1 is also provided. Cooling water (fuel cell heat medium) circulating through the cooling unit 6 c of the fuel cell 6 by the pump 48 flows into the water tank 21 via the water pipe 73 (fuel cell heat medium circulation circuit). As a result, the water in the water tank 21 and the hot water A exchange heat.
JP 2003-257457 A (page 4-7, FIG. 1) JP 2002-216819 A (page 2-6, Fig. 1-3)

上述した特許文献1に記載の燃料電池発電システムにおいては、定常運転中において、燃料電池40を流れる冷却水すなわち燃料電池40の温度を規定の温度範囲に維持するように熱交換媒体54(貯湯水)の流量を制御しており、また熱交換媒体循環経路50には、アノードオフガス熱交換器42、カソードオフガス熱交換器44、燃焼排ガス熱交換器45、および冷却水熱交換器46が直列に配置されている。したがって、熱交換媒体54(貯湯水)は、その流量と同一流量で、アノードオフガス熱交換器42、カソードオフガス熱交換器44、燃焼排ガス熱交換器45を通過している。これら各熱交換器42,44,45においては、その流量で、アノードオフガス、カソードオフガス、燃焼排ガスの顕熱、潜熱を十分に回収できる場合もあるが、燃料電池からの回収熱量の、アノードオフガス、カソードオフガス、燃焼排ガスからの回収熱量に対する比率が低い場合、例えば、低負荷での発電の場合や冬場などの放熱の影響が大きい場合など、回収しきれない場合があった。この結果、システム全体として熱回収効率が低下する場合があるという問題があった。上述した特許文献2に記載の固体高分子形燃料電池発電装置においても、前述したように特許文献1に記載の燃料電池発電システムと同様な問題がある。   In the fuel cell power generation system described in Patent Document 1 described above, the heat exchange medium 54 (hot water storage water) is maintained so that the cooling water flowing through the fuel cell 40, that is, the temperature of the fuel cell 40 is maintained in a specified temperature range during steady operation. The anode offgas heat exchanger 42, the cathode offgas heat exchanger 44, the flue gas heat exchanger 45, and the cooling water heat exchanger 46 are connected in series to the heat exchange medium circulation path 50. Is arranged. Therefore, the heat exchange medium 54 (hot water storage) passes through the anode offgas heat exchanger 42, the cathode offgas heat exchanger 44, and the combustion exhaust gas heat exchanger 45 at the same flow rate as that flow rate. In each of these heat exchangers 42, 44, 45, the anode offgas, cathode offgas, sensible heat of combustion exhaust gas, and latent heat of the exhaust gas may be sufficiently recovered at the flow rate. When the ratio to the amount of heat recovered from the cathode off-gas and combustion exhaust gas is low, for example, in the case of power generation at a low load or when the influence of heat radiation is great in winter, there are cases where it cannot be recovered. As a result, there is a problem that the heat recovery efficiency may be lowered as a whole system. The polymer electrolyte fuel cell power generator described in Patent Document 2 described above has the same problem as the fuel cell power generation system described in Patent Document 1 as described above.

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、システムの発電開始から停止までを通して熱回収効率を高く維持して運転を行うことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of operating while maintaining high heat recovery efficiency from the start to stop of power generation of the system. .

上記の課題を解決するため、請求項1に係る発明の構成上の特徴は、燃料電池と、該燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質器と、燃料電池で発生する熱により加熱される貯湯水を貯湯する貯湯槽と、貯湯槽を含み貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、燃料電池との間で熱交換をする燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路と、貯湯水と燃料電池熱媒体との間で熱交換する第1熱交換器と、を備えた燃料電池システムにおいて、貯湯水循環回路とは独立して設けられ、排熱回収熱媒体が循環する排熱回収熱媒体循環回路と、排熱回収熱媒体循環回路に設けられて、改質器にて発生する燃焼ガスもしくは改質ガスの排熱を排熱回収熱媒体に回収する排熱回収手段と、貯湯水と排熱回収熱媒体との間で熱交換する第2熱交換器と、をさらに備え、貯湯水循環回路は、第1熱交換器を設けた流路と第2熱交換器を設けた流路とが並列に設けられ、第1熱交換器を設けた流路および第2熱交換器を設けた流路の各流量をそれぞれ調整する流量調整手段をさらに備えていることである。
In order to solve the above problems, the structural feature of the invention according to claim 1 is that it is heated by a fuel cell, a reformer that generates fuel gas to be supplied to the fuel cell, and heat generated by the fuel cell. A hot water storage tank for storing hot water, a hot water circulation circuit including the hot water tank for circulating the hot water, a fuel cell heat medium circulation circuit for circulating a fuel cell heat medium for exchanging heat with the fuel cell, and hot water storage In a fuel cell system comprising a first heat exchanger that exchanges heat between water and a fuel cell heat medium, exhaust heat recovery that is provided independently of a hot water circulation circuit and in which an exhaust heat recovery heat medium circulates An exhaust heat recovery means provided in the heat medium circulation circuit, the exhaust heat recovery heat medium circulation circuit, and recovering the exhaust heat of the combustion gas or reformed gas generated in the reformer to the exhaust heat recovery heat medium; A second heat exchanger for exchanging heat between the water and the exhaust heat recovery heat medium; Further comprising, hot water circulation circuit includes a flow passage provided flow path and provided with a first heat exchanger and the second heat exchanger is provided in parallel, the flow path and the second heat provided first heat exchanger It is further provided with a flow rate adjusting means for adjusting each flow rate of the flow path provided with the exchanger .

また請求項2に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、排熱回収手段は、改質器から燃料電池に供給される改質ガス中の水蒸気を排熱回収熱媒体との熱交換によって凝縮させて改質ガスの排熱を排熱回収熱媒体に回収する改質ガス用凝縮器を含んでいることである。
Further, the structural feature of the invention according to claim 2 is that in claim 1, the exhaust heat recovery means converts the water vapor in the reformed gas supplied from the reformer to the fuel cell to the heat of the exhaust heat recovery heat medium. It includes a reforming gas condenser that condenses by exchange and recovers the exhaust heat of the reformed gas to an exhaust heat recovery heat medium .

また請求項3に係る発明の構成上の特徴は、請求項1または請求項2において、第1熱交換器を設けた流路と第2熱交換器を設けた流路を同時に使用することである。
Further, the structural feature of the invention according to claim 3 is that in claim 1 or claim 2 , the flow path provided with the first heat exchanger and the flow path provided with the second heat exchanger are used simultaneously. is there.

上記のように構成した請求項1に係る発明においては、貯湯水循環回路は、第1熱交換器を設けた流路と、第2熱交換器を設けた流路が並列に設けられていることにより、システムの定常運転中においては、第1熱交換器を設けた流路を流通する貯湯水が燃料電池の発電で発生する排熱を回収する。一方、第2熱交換器を設けた流路を循環する貯湯水が排熱回収熱媒体を介して改質器にて発生する燃焼ガスもしくは改質ガスの排熱を回収する。これにより、燃料電池の発電で発生する排熱と、改質器にて発生する燃焼ガスもしくは改質ガスの排熱とを直列に回収するのではなく、並列に独立して回収することができるので、それぞれ最も効率のよい貯湯水流量で熱を回収することが可能となる。したがって、燃料電池からの回収熱量の、アノードオフガス、カソードオフガス、燃焼排ガスからの回収熱量に対する比率が低い場合、例えば、低負荷での発電の場合や冬場などの放熱の影響が大きい場合などでも、それら各ガスから十分に熱を回収することができるので、システムの発電開始から停止までを通して熱回収効率を高く維持して運転を行うことができる燃料電池システムを提供することができる。
さらに、このような作用効果に加えて、次のような作用効果がある。排熱回収熱媒体循環回路は、改質器にて発生する燃焼ガスもしくは改質ガスの排熱を回収した排熱回収熱媒体が循環するものであり、貯湯水循環回路とは独立して設けられるとともに、第2熱交換器を介して貯湯水と排熱回収熱媒体との間で熱交換が行われる。すなわち、貯湯水は、燃焼排ガス、燃料ガス(改質ガス)と直接熱交換をしておらず、第2熱交換器を介して間接的に熱交換をすることになる。したがって、貯湯槽が水道水が直接補給される密閉式である場合、貯湯槽、貯湯水循環回路には高圧の水道水圧がかかるが、排熱回収熱媒体循環回路は貯湯水循環回路から独立しているため、排熱回収熱媒体循環回路上に配設される排熱回収手段である燃焼排ガス、燃料ガス(改質ガス)との熱交換するための熱交換器には直接水道水圧がかからないので、その排熱回収手段を過剰な耐圧構造としなくてもすむので、コスト高、大型化を招くことなく、高圧水源から貯湯水を補給可能である燃料電池システムを提供することができる。
さらに、このような作用効果に加えて、第1熱交換器を設けた流路および第2熱交換器を設けた流路の各流量をそれぞれ調整する流量調整手段をさらに備えたので、第1熱交換器を設けた流路および第2熱交換器を設けた流路を流れる貯湯水の流量を確実に調整することができ、最適な熱回収効率および回収湯温を実現することができる。
In the invention according to claim 1 configured as described above, in the hot water circulation circuit, the flow path provided with the first heat exchanger and the flow path provided with the second heat exchanger are provided in parallel. Thus, during steady operation of the system, the hot water stored in the flow path provided with the first heat exchanger recovers the exhaust heat generated by the power generation of the fuel cell. On the other hand, the hot water circulating through the flow path provided with the second heat exchanger recovers the exhaust heat of the combustion gas or reformed gas generated in the reformer via the exhaust heat recovery heat medium. As a result, the exhaust heat generated by the power generation of the fuel cell and the exhaust heat of the combustion gas or reformed gas generated in the reformer can be recovered independently in parallel rather than in series. Therefore, it becomes possible to recover heat at the most efficient hot water flow rate. Therefore, when the ratio of the amount of heat recovered from the fuel cell to the amount of heat recovered from the anode off-gas, cathode off-gas, and combustion exhaust gas is low, for example, in the case of power generation at a low load or when the influence of heat dissipation in the winter is large, Since heat can be sufficiently recovered from each of these gases, it is possible to provide a fuel cell system that can be operated while maintaining high heat recovery efficiency from the start to the stop of power generation of the system.
Further, in addition to the above effects, there are the following effects. The exhaust heat recovery heat medium circulation circuit circulates an exhaust heat recovery heat medium that recovers exhaust heat of combustion gas or reformed gas generated in the reformer, and is provided independently of the hot water circulation circuit. At the same time, heat exchange is performed between the stored hot water and the exhaust heat recovery heat medium via the second heat exchanger. That is, the hot water is combustion exhaust gas, the fuel gas not to the (reformed gas) and direct heat exchange, so that the indirect heat exchange via the second heat exchanger. Therefore, when the hot water tank is a sealed type in which tap water is directly replenished, high pressure tap water pressure is applied to the hot water tank and hot water circulation circuit, but the exhaust heat recovery heat medium circulation circuit is independent of the hot water circulation circuit. Therefore, the exhaust heat recovery means der Ru combustion exhaust gas, direct water pressure in the heat exchanger for heat exchange with the fuel gas (reformed gas) is not applied is arranged in the exhaust heat withdrawing heat medium circulation circuit on Therefore, the waste heat recovery means does not need to have an excessive pressure-resistant structure, so that it is possible to provide a fuel cell system that can replenish hot water from a high-pressure water source without increasing the cost and increasing the size.
Furthermore, in addition to the above-described effects, the apparatus further includes flow rate adjusting means for adjusting the flow rates of the flow path provided with the first heat exchanger and the flow path provided with the second heat exchanger. The flow rate of the hot water stored in the flow path provided with the heat exchanger and the flow path provided with the second heat exchanger can be adjusted with certainty, and the optimum heat recovery efficiency and recovered hot water temperature can be realized.

上記のように構成した請求項2に係る発明においては、請求項1に係る発明において、改質器から燃料電池に供給される改質ガス中の水蒸気を排熱回収熱媒体との熱交換によって凝縮させて改質ガスの排熱を排熱回収熱媒体に回収する改質ガス用凝縮器が、排熱回収熱媒体循環回路に設けられているので、該改質ガス用凝縮器を設けた排熱回収熱媒体循環回路を流れる排熱回収熱媒体の流量を第1熱交換器を設けた流路と独立に調整することが可能となり、ひいては、改質ガス用凝縮器を設けた排熱回収熱媒体循環回路を流れる熱媒体の温度も独立に調整することが可能となる。したがって、改質器から燃料電池への改質ガス(アノードガス)の湿度調整ができる。
In the invention according to claim 2 configured as described above, in the invention according to claim 1, the water vapor in the reformed gas supplied from the reformer to the fuel cell is exchanged with the exhaust heat recovery heat medium. Since the reformed gas condenser for condensing and recovering the exhaust heat of the reformed gas in the exhaust heat recovery heat medium is provided in the exhaust heat recovery heat medium circulation circuit, the reformed gas condenser is provided. The flow rate of the exhaust heat recovery heat medium flowing through the exhaust heat recovery heat medium circulation circuit can be adjusted independently of the flow path provided with the first heat exchanger, and consequently the exhaust heat provided with the reforming gas condenser. The temperature of the heat medium flowing in the recovered heat medium circulation circuit can also be adjusted independently. Therefore, the humidity of the reformed gas (anode gas) from the reformer to the fuel cell can be adjusted.

上記のように構成した請求項3に係る発明においては、請求項1または請求項2において、貯湯水循環回路に互いに並列に設けられた第1熱交換器を設けた流路と第2熱交換器を設けた流路を同時に使用する。これにより、両流路において貯湯水がそれぞれ適切な流量で流通できるので、燃料電池熱媒体の熱と各排熱を独立して効率よく熱回収できる。
In the invention according to claim 3 configured as described above, in claim 1 or claim 2 , the flow path and the second heat exchanger provided with the first heat exchanger provided in parallel with each other in the hot water circulation circuit The flow path provided with is used simultaneously. Accordingly, the hot water can be circulated at an appropriate flow rate in both flow paths, so that the heat of the fuel cell heat medium and each exhaust heat can be recovered efficiently and independently.

1)参考の形態
以下、本発明による燃料電池システムの参考の形態について説明する。図1はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池10とこの燃料電池10に必要な水素ガスを含む改質ガス(燃料ガス)を生成する改質器20を備えている。
1) Reference Embodiment will be described below by reference in the form of a fuel cell system according to the present invention. FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of this fuel cell system. The fuel cell system includes a fuel cell 10 and a reformer 20 that generates a reformed gas (fuel gas) containing hydrogen gas necessary for the fuel cell 10.

燃料電池10は、燃料極11と酸化剤極である空気極12と両極11,12間に介在された電解質13を備えており、燃料極11に供給された改質ガスおよび空気極12に供給された酸化剤ガスである空気(カソードエア)を用いて発電するものである。なお、燃料電池10の空気極12には、空気を供給する供給管61およびカソードオフガスを排出する排出管62が接続されており、これら供給管61および排出管62の途中には、空気を加湿するための加湿器14が設けられている。この加湿器14は水蒸気交換型であり、排出管62中すなわち空気極12から排出される気体中の水蒸気を除湿してその水蒸気を供給管61中すなわち空気極12へ供給される空気中に供給して加湿するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。   The fuel cell 10 includes a fuel electrode 11, an air electrode 12 that is an oxidant electrode, and an electrolyte 13 interposed between the electrodes 11 and 12, and supplies the reformed gas supplied to the fuel electrode 11 and the air electrode 12. Electric power is generated using air (cathode air), which is the oxidant gas. A supply pipe 61 that supplies air and a discharge pipe 62 that discharges cathode off-gas are connected to the air electrode 12 of the fuel cell 10. Air is humidified in the middle of the supply pipe 61 and the discharge pipe 62. A humidifier 14 is provided. The humidifier 14 is of a water vapor exchange type and dehumidifies water vapor in the gas discharged from the discharge pipe 62, that is, from the air electrode 12, and supplies the water vapor into the supply pipe 61, that is, air supplied to the air electrode 12. And humidify. Note that air-enriched gas may be supplied instead of air.

改質器20は、燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池10に供給するものであり、バーナ21、改質部22、一酸化炭素シフト反応部(以下、COシフト部という)23および一酸化炭素選択酸化反応部(以下、CO選択酸化部という)24から構成されている。燃料としては天然ガス、LPG、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本参考の形態においては天然ガスにて説明する。
The reformer 20 steam-reforms the fuel and supplies a hydrogen-rich reformed gas to the fuel cell 10, and includes a burner 21, a reforming unit 22, a carbon monoxide shift reaction unit (hereinafter referred to as a CO shift unit). 23) and a carbon monoxide selective oxidation reaction part (hereinafter referred to as CO selective oxidation part) 24. Examples of the fuel include natural gas, LPG, kerosene, gasoline, methanol, and the like. In this embodiment , the description will be made with natural gas.

バーナ21は、起動時に外部から燃焼用燃料および燃焼用空気が供給され、または一酸化炭素濃度が高く燃料電池10に供給されない改質ガスおよび燃焼用空気が供給され、または定常運転時に燃料電池10の燃料極11からアノードオフガス(燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス)が供給され、供給された各ガスを燃焼して燃焼ガスを改質部22に導出するものである。この燃焼ガスは改質部22を(同改質部22の触媒の活性温度域となるように)加熱し、その後燃焼ガス用凝縮器34を通ってその燃焼ガスに含まれている水蒸気が凝縮されて外部に排気される。なお、燃焼用燃料および燃焼用空気は、それぞれ燃焼用燃料供給手段および燃焼用空気供給手段である燃焼用燃料ポンプP1および燃焼用空気ポンプP2によってバーナ21に供給されるようになっている。両ポンプP1,P2は制御装置90によって制御されてその流量(送出量)が制御されるようになっている。   The burner 21 is supplied with combustion fuel and combustion air from the outside during start-up, or supplied with reformed gas and combustion air that have a high carbon monoxide concentration and is not supplied to the fuel cell 10, or during steady operation. Anode off-gas (reformed gas supplied to the fuel cell and discharged without being used) is supplied from the fuel electrode 11, and the supplied gas is combusted and the combustion gas is led to the reforming unit 22. . This combustion gas heats the reforming section 22 (so that it becomes the activation temperature range of the catalyst of the reforming section 22), and then the water vapor contained in the combustion gas is condensed through the combustion gas condenser 34. And exhausted to the outside. The combustion fuel and the combustion air are supplied to the burner 21 by a combustion fuel pump P1 and a combustion air pump P2 which are combustion fuel supply means and combustion air supply means, respectively. Both pumps P1, P2 are controlled by a control device 90 to control the flow rate (delivery amount).

改質部22は、外部から供給された燃料に蒸発器25からの水蒸気(改質水)を混合した混合ガスを改質部22に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している(いわゆる水蒸気改質反応)。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している(いわゆる一酸化炭素シフト反応)。これら生成されたガス(いわゆる改質ガス)はCOシフト部23に導出される。なお、燃料は燃料供給手段である燃料ポンプP3によって改質部22に供給されるようになっている。このポンプP3は制御装置90によって制御されてその流量(送出量)が制御されるようになっている。   The reforming unit 22 reforms a mixed gas obtained by mixing the fuel supplied from the outside with the water vapor (reformed water) from the evaporator 25 by using a catalyst charged in the reforming unit 22 to generate hydrogen gas and carbon monoxide. Gas is generated (so-called steam reforming reaction). At the same time, carbon monoxide and steam generated by the steam reforming reaction are converted into hydrogen gas and carbon dioxide (so-called carbon monoxide shift reaction). These generated gases (so-called reformed gas) are led to the CO shift unit 23. The fuel is supplied to the reforming unit 22 by a fuel pump P3 which is a fuel supply means. This pump P3 is controlled by the control device 90, and its flow rate (delivery amount) is controlled.

COシフト部23は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてCO選択酸化部24に導出される。   The CO shift unit 23 is converted into hydrogen gas and carbon dioxide gas by reacting carbon monoxide and water vapor contained in the reformed gas with a catalyst filled therein. Thus, the reformed gas is led to the CO selective oxidation unit 24 with the carbon monoxide concentration reduced.

CO選択酸化部24は、改質ガスに残留している一酸化炭素と外部からさらに供給されたCO酸化用の空気(エア)とをその内部に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて(10ppm以下)燃料電池10の燃料極11に導出される。なお、CO酸化用の空気(エア)はCO酸化用エア供給手段であるCO酸化用エアポンプP4によってCO選択酸化部24に供給されるようになっている。このポンプP4は制御装置90によって制御されてその流量(送出量)が制御されるようになっている。   The CO selective oxidation unit 24 generates carbon dioxide by reacting carbon monoxide remaining in the reformed gas and CO oxidation air (air) further supplied from the outside with a catalyst filled therein. is doing. Thereby, the reformed gas is led to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 with the carbon monoxide concentration further reduced (10 ppm or less). The CO oxidation air (air) is supplied to the CO selective oxidation unit 24 by a CO oxidation air pump P4 which is a CO oxidation air supply means. The pump P4 is controlled by the control device 90, and its flow rate (delivery amount) is controlled.

蒸発器25は、一端が貯水器50内に配置され他端が改質部22に接続された改質水供給管68の途中に配設されている。改質水供給管68には改質水ポンプ53が設けられている。このポンプ53は制御装置90によって制御されており、貯水器50内の改質水として使用する回収水を蒸発器25に圧送している。蒸発器25は例えばバーナ21から排出される燃焼ガス、改質部22、COシフト部23などの熱によって加熱されており、これにより圧送された改質水を水蒸気化する。   The evaporator 25 is disposed in the middle of the reforming water supply pipe 68 having one end disposed in the water reservoir 50 and the other end connected to the reforming unit 22. A reforming water pump 53 is provided in the reforming water supply pipe 68. The pump 53 is controlled by a control device 90 and pumps recovered water used as reforming water in the water reservoir 50 to the evaporator 25. The evaporator 25 is heated by, for example, the combustion gas discharged from the burner 21, the heat of the reforming unit 22, the CO shift unit 23, and the like, thereby steaming the reformed water fed under pressure.

改質器20のCO選択酸化部24と燃料電池10の燃料極11とを連通する配管64の途中には、凝縮器30が設けられている。この凝縮器30は改質ガス用凝縮器31、アノードオフガス用凝縮器32、カソードオフガス用凝縮器33および燃焼ガス用凝縮器34が一体的に接続された一体構造体である。改質ガス用凝縮器31は配管64中を流れる燃料電池10の燃料極11に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器32は、燃料電池10の燃料極11と改質器20のバーナ21とを連通する配管65の途中に設けられており、その配管65中を流れる燃料電池10の燃料極11から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器33は、排出管62の加湿器14の下流に設けられており、その排出管62中を流れる燃料電池10の空気極12から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。燃焼ガス用凝縮器34はバーナ21の下流に設けられており、燃焼排ガスの顕熱とともに水蒸気を凝縮させた潜熱を回収する。   A condenser 30 is provided in the middle of a pipe 64 that connects the CO selective oxidation unit 24 of the reformer 20 and the fuel electrode 11 of the fuel cell 10. The condenser 30 is an integral structure in which a reformed gas condenser 31, an anode off gas condenser 32, a cathode off gas condenser 33, and a combustion gas condenser 34 are integrally connected. The reformed gas condenser 31 condenses water vapor in the reformed gas supplied to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 flowing in the pipe 64. The anode off-gas condenser 32 is provided in the middle of a pipe 65 that communicates the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 and the burner 21 of the reformer 20, and the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 that flows in the pipe 65. Water vapor in the anode off-gas discharged from is condensed. The cathode offgas condenser 33 is provided downstream of the humidifier 14 in the discharge pipe 62, and condenses the water vapor in the cathode offgas discharged from the air electrode 12 of the fuel cell 10 flowing in the discharge pipe 62. The combustion gas condenser 34 is provided downstream of the burner 21 and collects latent heat obtained by condensing water vapor together with sensible heat of the combustion exhaust gas.

また、配管64には、燃料電池10の燃料極11の入口付近に第7温度センサ64aが配設されており、第7温度センサ64aは、改質ガスの燃料電池10の燃料極11の入口温度T7を検出し、その検出結果を制御装置90に出力するものである。   The pipe 64 is provided with a seventh temperature sensor 64a in the vicinity of the inlet of the fuel electrode 11 of the fuel cell 10, and the seventh temperature sensor 64a is an inlet of the fuel electrode 11 of the reformed gas fuel cell 10. The temperature T7 is detected, and the detection result is output to the control device 90.

上述した凝縮器31〜34は配管66を介して純水器40に連通しており、各凝縮器31〜34にて凝縮された凝縮水は、純水器40に導出され回収されるようになっている。純水器40は、凝縮器30から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を貯水器50に導出するものである。なお、貯水器50は純水器40から導出された回収水を改質水として一時的に溜めておくものである。また、純水器40には水道水供給源(例えば水道管)から供給される補給水(水道水)を導入する配管が接続されており、純水器40内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになっている。   The above-described condensers 31 to 34 communicate with the deionizer 40 via the pipe 66 so that the condensed water condensed in each of the condensers 31 to 34 is led out to the deionizer 40 and collected. It has become. The deionizer 40 converts the condensed water supplied from the condenser 30, that is, the recovered water into pure water using a built-in ion exchange resin, and leads the purified water to the water reservoir 50. The water reservoir 50 temporarily stores the recovered water derived from the pure water device 40 as reformed water. Further, a pipe for introducing makeup water (tap water) supplied from a tap water supply source (for example, a water pipe) is connected to the deionizer 40, and the amount of water stored in the deionizer 40 is below the lower limit water level. And tap water is supplied.

燃料電池システムは、燃料電池10で発生する熱により加熱される貯湯水を貯湯する貯湯槽71と、貯湯槽71を含み貯湯水が循環する貯湯水循環回路80と、燃料電池10との間で熱交換をする燃料電池熱媒体であるFC冷却水が循環する燃料電池熱媒体循環回路であるFC冷却水循環回路73と、貯湯水とFC冷却水との間で熱交換が行われる第1熱交換器74とが備えられている。また、本明細書中および添付の図面中の「FC」は「燃料電池」の省略形として記載している。   The fuel cell system generates heat between the fuel cell 10 and a hot water tank 71 that stores hot water heated by heat generated in the fuel cell 10, a hot water circulation circuit 80 that includes the hot water tank 71 and circulates the hot water, and the fuel cell 10. FC cooling water circulation circuit 73 that is a fuel cell heat medium circulation circuit in which FC cooling water that is a fuel cell heat medium to be exchanged circulates, and a first heat exchanger that performs heat exchange between the hot water and FC cooling water 74 is provided. Further, “FC” in this specification and the accompanying drawings is described as an abbreviation of “fuel cell”.

貯湯槽71は、1つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽71の柱状容器の下部には水道水などの水(低温の水)が補給され、貯湯槽71に貯留された高温の温水が貯湯槽71の柱状容器の上部から導出されるようになっている。また、貯湯槽71は密閉式であり、水道水の圧力がそのまま内部、ひいては貯湯水循環回路80にかかる形式のものである。   The hot water storage tank 71 is provided with one columnar container, in which hot water is stored in a layered manner, that is, the temperature of the upper part is the highest and lower as it goes to the lower part, and the temperature of the lower part is the lowest. It has become so. Water (low-temperature water) such as tap water is replenished to the lower part of the columnar container of the hot water tank 71, and hot hot water stored in the hot water tank 71 is led out from the upper part of the columnar container of the hot water tank 71. ing. Further, the hot water tank 71 is of a sealed type, and is of a type in which the pressure of tap water is directly applied to the inside, and consequently to the hot water circulation circuit 80.

貯湯水循環回路80は、排熱回収手段(凝縮器30)を設けた流路72と、第1熱交換器74を設けた流路であるバイパス路75が並列に設けられている。 流路72の一端および他端は貯湯槽71の下部および上部に接続されている。流路72上には、一端から他端に順番に、第4温度センサ72a、貯湯水循環手段である貯湯水循環第1ポンプP5、ラジエータ76、アノードオフガス用凝縮器32、燃焼ガス用凝縮器34、カソードオフガス用凝縮器33、改質ガス用凝縮器31、第3温度センサ72b、および第1バルブ77が配設されている。   The hot water storage circuit 80 is provided with a flow path 72 provided with exhaust heat recovery means (condenser 30) and a bypass path 75, which is a flow path provided with a first heat exchanger 74, in parallel. One end and the other end of the flow path 72 are connected to the lower part and the upper part of the hot water tank 71. On the flow path 72, in order from one end to the other end, a fourth temperature sensor 72a, a hot water circulation first pump P5 as a hot water circulation means, a radiator 76, an anode off-gas condenser 32, a combustion gas condenser 34, A cathode offgas condenser 33, a reformed gas condenser 31, a third temperature sensor 72b, and a first valve 77 are provided.

第4および第3温度センサ72a,72bは、それぞれ貯湯水の貯湯槽71の出口温度T4、改質ガス用凝縮器31の出口温度T3を検出し、それら検出結果を制御装置90に出力するものである。貯湯水循環第1ポンプP5は、貯湯槽71の下部の貯湯水を吸い込んで流路72を通水させて貯湯槽71の上部に吐出するものであり、制御装置90によって制御されてその流量(送出量)が制御されるようになっている。   The fourth and third temperature sensors 72a and 72b detect the outlet temperature T4 of the hot water storage tank 71 and the outlet temperature T3 of the reformed gas condenser 31, respectively, and output the detection results to the control device 90. It is. The hot water circulation first pump P5 sucks hot water in the lower part of the hot water tank 71, causes the flow path 72 to flow through it, and discharges it to the upper part of the hot water tank 71. Amount) is controlled.

ラジエータ76は、流体(貯湯水)を冷却する冷却手段であり、制御装置90の指令によってオン・オフ制御されており、オン状態のときには流体を冷却し、オフ状態のときには冷却しない。このラジエータ76の冷却能力は、後述する第2マップに示す貯湯水の最高温度Tmaxにおける燃料電池10の発電出力に対する当該燃料電池システムの必要冷却能力の相関関係を示すグラフまたは演算式にて、貯湯槽71の湯満水時の燃料電池10の最低発電出力E1に相当する当該燃料電池システムの必要冷却能力H1である。なお、貯湯水の最高温度Tmaxは、燃料電池10の最大発熱温度(例えば60〜70℃)によって規定されるので、貯湯水温度はそれ以上となることはない。 The radiator 76 is a cooling means for cooling the fluid (hot water storage water), and is controlled to be turned on / off by a command from the control device 90. The radiator 76 cools the fluid in the on state and does not cool it in the off state. The cooling capacity of the radiator 76 is a graph or an arithmetic expression showing a correlation of the required cooling capacity of the fuel cell system with respect to the power generation output of the fuel cell 10 at the maximum temperature T max of hot water stored in a second map described later. This is the required cooling capacity H1 of the fuel cell system corresponding to the minimum power generation output E1 of the fuel cell 10 when the hot water tank 71 is full of hot water. In addition, since the maximum temperature Tmax of the stored hot water is defined by the maximum heat generation temperature (for example, 60 to 70 ° C.) of the fuel cell 10, the stored hot water temperature does not exceed that.

アノードオフガス用凝縮器32、燃焼ガス用凝縮器34、カソードオフガス用凝縮器33および改質ガス用凝縮器31は、貯湯水が、アノードオフガス、燃焼ガス、カソードオフガスおよび改質ガスの各顕熱とともに水蒸気を凝縮させた各潜熱をそれぞれ回収して昇温するようになっている。すなわち、アノードオフガス用凝縮器32およびカソードオフガス用凝縮器33は、燃料電池10から排出されるオフガスの排熱を貯湯水に回収するものであり、すなわちオフガス排熱回収器である。また、燃焼ガス用凝縮器34および改質ガス用凝縮器31は、改質器20にて発生する排熱を貯湯水に回収するものであり、すなわち改質器排熱回収器である。また、本参考の形態においては、排熱回収手段は、前述したオフガス排熱回収器および改質器排熱回収器から構成されている。なお、排熱回収手段は、オフガス排熱回収器または改質器排熱回収器のいずれか一方から構成するようにしてもよい。
The anode off-gas condenser 32, the combustion gas condenser 34, the cathode off-gas condenser 33, and the reformed gas condenser 31 are sensible heat of hot water stored in the anode off-gas, combustion gas, cathode off-gas, and reformed gas. At the same time, each latent heat obtained by condensing water vapor is recovered to raise the temperature. That is, the anode offgas condenser 32 and the cathode offgas condenser 33 recover the exhaust heat of the offgas discharged from the fuel cell 10 into the hot water storage, that is, the offgas exhaust heat recovery apparatus. Further, the combustion gas condenser 34 and the reformed gas condenser 31 recover the exhaust heat generated in the reformer 20 into the hot water storage, that is, the reformer exhaust heat recovery apparatus. In the present embodiment , the exhaust heat recovery means is composed of the above-described off-gas exhaust heat recovery device and reformer exhaust heat recovery device. The exhaust heat recovery means may be configured from either an off-gas exhaust heat recovery device or a reformer exhaust heat recovery device.

なお、各凝縮器31〜34の配置は上述した順番に限らないし、また、各凝縮器31〜34は一本の配管に直列に配置する場合に限らず、流路72を複数に分岐して各分岐路に並列に配置するようにしてもよい。また、流路72上には少なくとも改質ガス用凝縮器31が配置されるのが好ましい。さらに、オフガス排熱回収器と改質器排熱回収器の少なくとも何れか一方を流路72に設けるのが好ましい。これにより、流路72を循環する貯湯水が燃料電池10から排出されるオフガスの排熱、改質器20にて発生する排熱の少なくとも何れか一方を回収して昇温することができる。   In addition, arrangement | positioning of each condenser 31-34 is not restricted to the order mentioned above, Moreover, each condenser 31-34 is not restricted to the case where it arrange | positions in series with one piping, The flow path 72 is branched into two or more. You may make it arrange | position in parallel on each branch path. Further, it is preferable that at least the reformed gas condenser 31 is disposed on the flow path 72. Furthermore, it is preferable to provide at least one of an off-gas exhaust heat recovery device and a reformer exhaust heat recovery device in the flow path 72. Thereby, the hot water circulating in the flow path 72 can recover the temperature of at least one of the exhaust heat of the off-gas discharged from the fuel cell 10 and the exhaust heat generated in the reformer 20 and raise the temperature.

第1バルブ77は、バイパス路75と貯湯槽71の入口の間の流路72に設けられ同流路72を開閉する開閉弁であり、制御装置90の指令によって開閉制御されるものである。この第1バルブ77は、起動運転時で燃料電池10が所定温度となるまでは閉状態とされ、それ以降は基本的には開状態とされる。   The first valve 77 is an open / close valve that is provided in the flow path 72 between the bypass path 75 and the inlet of the hot water storage tank 71 and opens and closes the flow path 72 and is controlled to open and close according to a command from the control device 90. The first valve 77 is closed until the fuel cell 10 reaches a predetermined temperature during start-up operation, and is basically open after that.

また、バイパス路75には、貯湯槽71の出口側に近い分岐点から貯湯槽71の入口側に近い合流点に向けて順番に、貯湯水循環手段である貯湯水循環第2ポンプP6および第1熱交換器74が配設されている。貯湯水循環第2ポンプP6は、貯湯槽71の下部の貯湯水を吸い込んでバイパス路75を通水させて貯湯槽71の上部に吐出するものであり、制御装置90によって制御されてその流量(送出量)が制御されるようになっている。   Further, in the bypass passage 75, the hot water circulation second pump P6 and the first heat which are hot water circulation means are sequentially arranged from a branch point near the outlet side of the hot water tank 71 to a junction point near the inlet side of the hot water tank 71. An exchanger 74 is provided. The hot water circulation second pump P6 sucks hot water in the lower part of the hot water tank 71, causes the bypass passage 75 to pass through, and discharges it to the upper part of the hot water tank 71. Amount) is controlled.

上述した貯湯水循環第1ポンプP5および貯湯水循環第2ポンプP6の流量制御によって、流路72およびバイパス路75の各流量をそれぞれ調整することができる。すなわち、貯湯水循環第1ポンプP5および貯湯水循環第2ポンプP6は流量調整手段である。   Each flow rate of the flow path 72 and the bypass path 75 can be adjusted by the flow rate control of the hot water circulation first pump P5 and the hot water circulation second pump P6 described above. That is, the hot water circulation first pump P5 and the hot water circulation second pump P6 are flow rate adjusting means.

FC冷却水循環回路73上には、FC冷却水循環手段であるFC冷却水循環ポンプP7が配設されており、このFC冷却水循環ポンプP7は、制御装置90によって制御されてその流量(送出量)が制御されるようになっている。また、FC冷却水循環回路73上には、第1および第2温度センサ73a,73bが配設されており、第1および第2温度センサ73a,73bは、それぞれFC冷却水の燃料電池10の入口温度および出口温度を検出し、それら検出結果を制御装置90に出力するものである。さらに、FC冷却水循環回路73上には第1熱交換器74が配設されている。   An FC cooling water circulation pump P7, which is an FC cooling water circulation means, is disposed on the FC cooling water circulation circuit 73. The FC cooling water circulation pump P7 is controlled by the control device 90 to control its flow rate (delivery amount). It has come to be. Further, on the FC cooling water circulation circuit 73, first and second temperature sensors 73a and 73b are disposed, and the first and second temperature sensors 73a and 73b are respectively provided at the inlet of the fuel cell 10 for FC cooling water. The temperature and the outlet temperature are detected, and the detection results are output to the control device 90. Further, a first heat exchanger 74 is disposed on the FC cooling water circulation circuit 73.

さらに、燃料電池システムは、インバータ(電力変換器)45を備えている。インバータ45は、燃料電池10の発電出力を交流電力に変換して送電線46を介してユーザ先である電力使用場所47に供給するものである。電力使用場所47には、電灯、アイロン、テレビ、洗濯機、電気コタツ、電気カーペット、エアコン、冷蔵庫などの電気器具である負荷装置(図示省略)が設置されており、インバータ45から供給される交流電力が必要に応じて負荷装置に供給されている。なお、インバータ45と電力使用場所47とを接続する送電線46には電力会社の系統電源48も接続されており(系統連系)、燃料電池10の発電出力より負荷装置の総消費電力が上回った場合、その不足電力を系統電源16から受電して補うようになっている。電力計47aは、ユーザ負荷電力(ユーザ消費電力)を検出するユーザ負荷電力検出手段であり、電力使用場所47で使用される全ての負荷装置の合計消費電力を検出して、制御装置90に送信するようになっている。   Further, the fuel cell system includes an inverter (power converter) 45. The inverter 45 converts the power generation output of the fuel cell 10 into AC power and supplies it to a power usage place 47 that is a user destination via a power transmission line 46. A load device (not shown), which is an electric appliance such as an electric lamp, iron, TV, washing machine, electric kotatsu, electric carpet, air conditioner, refrigerator, etc., is installed in the power usage place 47, and the AC supplied from the inverter 45 Electric power is supplied to the load device as needed. A power supply system power supply 48 is also connected to the power transmission line 46 connecting the inverter 45 and the power use place 47 (system connection), and the total power consumption of the load device exceeds the power generation output of the fuel cell 10. In such a case, the insufficient power is received from the system power supply 16 and compensated. The wattmeter 47 a is user load power detection means for detecting user load power (user power consumption), detects the total power consumption of all the load devices used in the power usage location 47, and transmits it to the control device 90. It is supposed to be.

また、インバータ45は、発電出力を降圧または昇圧して、その直流電力を燃料電池システムの構成部材である各ポンプP1〜P5,53、各バルブ(図示省略)、バーナ21の着火装置などの電気部品いわゆる補機に供給するようになっている。   The inverter 45 steps down or boosts the power generation output, and the direct-current power is supplied to the pumps P1 to P5 and 53, which are constituent members of the fuel cell system, the valves (not shown), the ignition device of the burner 21, and the like. Parts are supplied to so-called auxiliary machines.

また、上述した各温度センサ73a,73b,72a,72b,64a、各ポンプP1〜P7,53、第1バルブ77および電力計47aは制御装置90に接続されている(図2参照)。制御装置90はマイクロコンピュータ(図示省略)を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、CPU、RAMおよびROM(いずれも図示省略)を備えている。CPUは、燃料電池システムの運転を全体的に制御しており、特に、図5または図7および図8のフローチャートに対応したプログラムを実行して、各温度センサ73a,73b,72a,72b,64aが検出した何れかの温度、電力計47aが検出したユーザ負荷電力に基づいて燃料電池10の発電出力を制御している。RAMは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ROMは前記プログラムを記憶するものである。   Moreover, each temperature sensor 73a, 73b, 72a, 72b, 64a mentioned above, each pump P1-P7, 53, the 1st valve | bulb 77, and the wattmeter 47a are connected to the control apparatus 90 (refer FIG. 2). The control device 90 has a microcomputer (not shown), and the microcomputer includes an input / output interface, a CPU, a RAM, and a ROM (all not shown) connected via a bus. The CPU generally controls the operation of the fuel cell system. In particular, the CPU executes a program corresponding to the flowchart of FIG. 5 or FIG. 7 and FIG. 8 to each temperature sensor 73a, 73b, 72a, 72b, 64a. The power generation output of the fuel cell 10 is controlled based on one of the temperatures detected by the power meter 47 and the user load power detected by the wattmeter 47a. The RAM temporarily stores variables necessary for executing the program, and the ROM stores the program.

さらに、制御装置90には記憶装置91が接続されており、この記憶装置91は、図3に示す第1マップまたは演算式を記憶するものである。この第1マップまたは演算式は、貯湯槽出口温度検出手段である第4温度センサ72aによって検出された貯湯槽出口温度T4と、この貯湯槽出口温度T4と燃料電池10の発電出力制限値ELとの相関関係を示すものである。この第1マップまたは演算式から明らかなように貯湯槽出口温度T4と燃料電池10の発電出力制限値ELとは逆比例の関係にある。   Further, a storage device 91 is connected to the control device 90, and this storage device 91 stores the first map or the arithmetic expression shown in FIG. The first map or the arithmetic expression is obtained by calculating the hot water tank outlet temperature T4 detected by the fourth temperature sensor 72a serving as the hot water tank outlet temperature detecting means, the hot water tank outlet temperature T4, and the power generation output limit value EL of the fuel cell 10. This shows the correlation. As is apparent from the first map or the calculation formula, the hot water tank outlet temperature T4 and the power generation output limit value EL of the fuel cell 10 are in an inversely proportional relationship.

この第1マップまたは演算式は、貯湯水の温度毎の燃料電池10の発電出力に対する当該燃料電池システムの必要冷却能力の相関関係を示す第2マップまたは演算式と、ラジエータ76の冷却能力と、に基づいて、貯湯水の各温度におけるラジエータ76の冷却能力に相当する燃料電池10の発電出力を導出することにより作成することができる。まず、第2マップまたは演算式を次のようにして作成する。図4に示すように、流路72を循環する貯湯水の温度を一定にしてFC発電出力に対する燃料電池システムの必要冷却能力を計算あるいは計測して求める。これを所定の温度レンジにて変化させた場合、例えば貯湯槽71の最高温度であるTmax、Tmaxから所定温度ずつ低い温度Tmax−1〜Tmax−4の各温度にて、FC発電出力に対する燃料電池システムの必要冷却能力のグラフ(関数)を計算あるいは計測してそれぞれ求める。このようにして第2マップまたは演算式を作成することができる。一方、ラジエータ76の冷却能力は、上述したように、貯湯水の最高温度Tmaxにおける燃料電池10の発電出力に対する当該燃料電池システムの必要冷却能力の相関関係を示すグラフまたは演算式にて、貯湯槽71の湯満水時の燃料電池10の最低発電出力E1に相当する当該燃料電池システムの必要冷却能力H1として規定されている。 This first map or calculation formula is the second map or calculation formula showing the correlation of the required cooling capacity of the fuel cell system with the power generation output of the fuel cell 10 for each temperature of the hot water, the cooling capacity of the radiator 76, Based on the above, it can be created by deriving the power generation output of the fuel cell 10 corresponding to the cooling capacity of the radiator 76 at each temperature of the hot water storage. First, the second map or calculation formula is created as follows. As shown in FIG. 4, the required cooling capacity of the fuel cell system with respect to the FC power generation output is calculated or measured while the temperature of the hot water circulating in the flow path 72 is kept constant. When this is changed within a predetermined temperature range, for example, the FC power generation is performed at temperatures T max-1 to T max-4 that are lower than the maximum temperature T max and T max of the hot water tank 71 by a predetermined temperature. A graph (function) of the required cooling capacity of the fuel cell system with respect to the output is calculated or measured, respectively. In this way, the second map or arithmetic expression can be created. On the other hand, as described above, the cooling capacity of the radiator 76 is expressed by a graph or an arithmetic expression showing the correlation of the required cooling capacity of the fuel cell system with respect to the power generation output of the fuel cell 10 at the maximum temperature T max of the hot water. It is defined as the required cooling capacity H1 of the fuel cell system corresponding to the minimum power generation output E1 of the fuel cell 10 when the tank 71 is full of hot water.

したがって、先に算出した貯湯水の温度毎の燃料電池10の発電出力に対する当該燃料電池システムの必要冷却能力の相関関係を示すグラフまたは演算式における、ラジエータ76の冷却能力E1に相当する燃料電池10の発電出力がFC発電出力制限値ELとして導出される。具体的には、例えば貯湯水の温度(すなわち貯湯槽の出口温度T4)がTmaxである場合には上述したようにFC発電出力制限値ELはE1であり、Tmax−1である場合にはFC発電出力制限値ELはE2であり、Tmax−2である場合にはFC発電出力制限値ELはE3であり、Tmax−3である場合にはFC発電出力制限値ELはE4であり、Tmax−4である場合にはFC発電出力制限値ELはEmaxである。なお、所定の温度レンジは貯湯槽の最高温度TmaxからFC発電出力制限値ELが燃料電池10の最大発電出力Emaxとなる温度(本参考の形態においてはTmax−4)までの範囲である。
Therefore, the fuel cell 10 corresponding to the cooling capacity E1 of the radiator 76 in the graph or the calculation formula showing the correlation of the required cooling capacity of the fuel cell system with the power generation output of the fuel cell 10 for each temperature of the hot water calculated previously. Is generated as the FC power generation output limit value EL. Specifically, for example, when the temperature of the hot water (that is, the outlet temperature T4 of the hot water tank) is T max , as described above, the FC power generation output limit value EL is E1 and T max −1. The FC power generation output limit value EL is E2, the FC power generation output limit value EL is E3 when Tmax-2 , and the FC power generation output limit value EL is E4 when Tmax-3. In the case of Tmax-4 , the FC power generation output limit value EL is Emax . The predetermined temperature range is the range from the maximum temperature T max of the hot water tank to the temperature at which the FC power generation output limit value EL becomes the maximum power generation output E max of the fuel cell 10 (T max-4 in this embodiment ). is there.

ラジエータ76の能力は外気温度(ラジエータ冷却媒体温度)で変わるため各外気温度により図3、図4のマップを持つ/演算することでさらに効率化を図れる。ラジエータ76の能力の決定の際は夏場の外気温度の一番厳しい条件で行う。   Since the capability of the radiator 76 varies depending on the outside air temperature (radiator cooling medium temperature), further efficiency can be achieved by having / calculating the maps of FIGS. 3 and 4 according to each outside air temperature. When determining the capability of the radiator 76, it is performed under the severest conditions of the outdoor temperature in summer.

次に、上述した燃料電池システムにおいて熱回収効率の最適化の制御について説明する。まず、貯湯水循環第2ポンプP6は、FC冷却水FC入口温度T1(またはFC冷却水FC出口温度T2)が燃料電池の最適運転温度となるように流量制御されている。さらに、FC冷却水循環ポンプP7は、FC冷却水FC入口温度T1とFC冷却水FC出口温度T2との温度差ΔTが目標温度差ΔT*(例えば3〜5℃)となるように流量制御されている。目標温度差ΔT*は、燃料電池10の改質ガス流路または空気流路内の水蒸気を最適加湿条件に維持することができるように設定されている。そして、貯湯水循環第1ポンプP5は、改質ガスの燃料電池入口温度T7が目標温度T7*(例えば55〜65℃)となるように流量制御されている。目標温度T7*はフラッディングが発生しない最適加湿条件となるように設定されるとともに、回収した貯湯水中で菌の繁殖を抑制できるような温度となるように設定されている。また、貯湯水循環第1ポンプP5は、凝縮冷媒のアノードオフガス(AOG)凝縮器出口温度T3が目標温度T3*(例えば55〜65℃)となるように流量制御されている。目標温度T3*はフラッディングが発生しない最適加湿条件となるように設定されるとともに、回収した貯湯水中で菌の繁殖を抑制できるような温度となるように設定されている。   Next, control for optimizing the heat recovery efficiency in the fuel cell system described above will be described. First, the flow rate of the hot water circulating second pump P6 is controlled so that the FC cooling water FC inlet temperature T1 (or the FC cooling water FC outlet temperature T2) becomes the optimum operating temperature of the fuel cell. Further, the flow rate of the FC cooling water circulation pump P7 is controlled so that the temperature difference ΔT between the FC cooling water FC inlet temperature T1 and the FC cooling water FC outlet temperature T2 becomes the target temperature difference ΔT * (for example, 3 to 5 ° C.). Yes. The target temperature difference ΔT * is set so that the water vapor in the reformed gas channel or the air channel of the fuel cell 10 can be maintained under the optimum humidification condition. The flow rate of the first hot water circulating pump P5 is controlled so that the fuel cell inlet temperature T7 of the reformed gas becomes the target temperature T7 * (for example, 55 to 65 ° C.). The target temperature T7 * is set so as to be an optimum humidification condition in which no flooding occurs, and is set so as to be a temperature at which fungal growth can be suppressed in the collected hot water storage water. Further, the flow rate of the hot water circulating first pump P5 is controlled so that the anode off gas (AOG) condenser outlet temperature T3 of the condensed refrigerant becomes the target temperature T3 * (for example, 55 to 65 ° C.). The target temperature T3 * is set so as to be an optimum humidification condition in which no flooding occurs, and is set to a temperature at which fungal growth can be suppressed in the collected hot water storage water.

これにより、システムの定常運転中においては、バイパス路75を適切な流量で流通する貯湯水が燃料電池の発電で発生する排熱を最も効率よく回収する。一方、バイパス路75を適切な流量で流通する貯湯水とは別に、かつその流量に制約されることのない、流路72を適切な流量で循環する貯湯水が、燃料電池から排出されるオフガスの排熱、改質器にて発生する排熱を最も効率よく回収する。その後、両貯湯水が合流して貯湯槽71に流入する。   Thereby, during the steady operation of the system, the hot water flowing through the bypass 75 at an appropriate flow rate recovers the exhaust heat generated by the power generation of the fuel cell most efficiently. On the other hand, the hot water that circulates in the flow path 72 at an appropriate flow rate that is independent of the hot water flowing through the bypass passage 75 at an appropriate flow rate and that is not limited by the flow rate is discharged from the fuel cell. The most efficient recovery of waste heat and waste heat generated in the reformer. Then, both hot water storage water merges and flows into the hot water storage tank 71.

1a)第1制御例
以下、上述した燃料電池システムの第1制御例について図5および図6を参照して説明する。制御装置90は、図示しない起動スイッチがオンされて燃料電池システムを起動して起動運転が完了し発電可能な定常運転となると、図5に示すプログラムを所定の短時間毎に実行する。制御装置90は、ステップ102において、第4温度センサ72aによって貯湯水貯湯槽出口温度(貯湯槽出口温度)T4を検出する。そして、ステップ104において、ステップ102にて検出された貯湯槽出口温度T4と、この貯湯槽出口温度T4と燃料電池10の発電出力制限値ELとの相関関係を示す第1マップまたは演算式とに基づいて発電出力制限値ELを導出する(第1発電出力制限値導出手段)。
1a) First Control Example Hereinafter, a first control example of the above-described fuel cell system will be described with reference to FIGS. 5 and 6. The control device 90 executes the program shown in FIG. 5 every predetermined short time when a start switch (not shown) is turned on to start the fuel cell system to complete the start-up operation and become a steady operation capable of generating power. In step 102, the controller 90 detects the hot water storage hot water tank outlet temperature (hot water storage tank outlet temperature) T4 by the fourth temperature sensor 72a. In step 104, the hot water tank outlet temperature T4 detected in step 102, and the first map or arithmetic expression showing the correlation between the hot water tank outlet temperature T4 and the power generation output limit value EL of the fuel cell 10 are obtained. Based on this, a power generation output limit value EL is derived (first power generation output limit value deriving means).

制御装置90は、ステップ106〜114において、第1発電出力制限値導出手段によって導出された発電出力制限値ELに基づいて燃料電池10の発電出力を制御する(第1発電制御手段)。具体的には、ステップ106において、電力計47aによってユーザ負荷電力を検出する(ユーザ負荷電力検出手段)。ステップ108において、ステップ106にて検出されたユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力EUを、ユーザ負荷電力と発電出力の相関を示すマップまたは演算式に基づいて導出する(発電出力導出手段)。ステップ110において、ステップ104にて導出された発電出力制限値ELがステップ108にて導出された発電出力EU以上であるか否かを判定する(判定手段)。ステップ112において、発電出力制限値ELが発電出力EU以上であると判定された場合には、燃料電池10の発電出力をユーザ負荷電力に追従するように制御する(追従制御手段)。また、ステップ114において、発電出力制限値ELが発電出力EU未満であると判定された場合には、燃料電池10の発電出力を発電出力制限値ELに制限するように制御する(制限制御手段)。なお、前述した追従制御および制限制御のいずれの制御においても、燃焼効率等が考慮されて燃料電池10の発電出力となるように燃料供給量、改質水供給量、燃焼用燃料供給量、燃焼用空気供給量およびCO酸化用空気供給量が導出され、これら導出された供給量となるように燃料ポンプP3、改質水ポンプ53、燃焼用燃料ポンプP1、燃焼用空気ポンプP2およびCO酸化用ポンプP4の流量が制御装置90によって制御されている。   In steps 106 to 114, the control device 90 controls the power generation output of the fuel cell 10 based on the power generation output limit value EL derived by the first power generation output limit value deriving unit (first power generation control unit). Specifically, in step 106, the user load power is detected by the wattmeter 47a (user load power detection means). In step 108, the power generation output EU of the fuel cell corresponding to the user load power detected in step 106 is derived based on a map or arithmetic expression indicating the correlation between the user load power and the power generation output (power generation output deriving means). . In step 110, it is determined whether or not the power generation output limit value EL derived in step 104 is greater than or equal to the power generation output EU derived in step 108 (determination means). If it is determined in step 112 that the power generation output limit value EL is greater than or equal to the power generation output EU, the power generation output of the fuel cell 10 is controlled to follow the user load power (following control means). If it is determined in step 114 that the power generation output limit value EL is less than the power generation output EU, control is performed to limit the power generation output of the fuel cell 10 to the power generation output limit value EL (limit control means). . In both the follow-up control and the limit control described above, the fuel supply amount, the reforming water supply amount, the combustion fuel supply amount, the combustion are set so as to obtain the power generation output of the fuel cell 10 in consideration of the combustion efficiency and the like. The air supply amount for CO and the air supply amount for CO oxidation are derived, and the fuel pump P3, the reforming water pump 53, the combustion fuel pump P1, the combustion air pump P2, and the CO oxidation air supply amount are derived so as to obtain these derived supply amounts. The flow rate of the pump P4 is controlled by the control device 90.

このような制御によれば、貯湯槽出口温度T4が図6の上段に示すように変化した場合、発電出力制限値ELは上述したステップ104の処理によって図6の中段に示すように貯湯槽出口温度T4と逆に変化する。一方、ユーザ負荷に基づく発電出力EUが図6の中段に示すように変化した場合、時刻t11〜t12および時刻t13〜t14においては発電出力制限値ELが発電出力EU未満であるので、発電出力が発電出力制限値ELに制限され、それ以外の時間帯においては発電出力制限値ELが発電出力EU以上であるので、発電出力が制限されることなくユーザ負荷電力に追従する追従制御が行われる(図6の下段)。   According to such control, when the hot water tank outlet temperature T4 changes as shown in the upper part of FIG. 6, the power generation output limit value EL is set to the hot water tank outlet as shown in the middle part of FIG. It changes opposite to temperature T4. On the other hand, when the power generation output EU based on the user load changes as shown in the middle part of FIG. 6, the power generation output limit value EL is less than the power generation output EU at times t11 to t12 and t13 to t14. The power generation output limit value EL is limited to the power generation output limit value EL, and the power generation output limit value EL is equal to or greater than the power generation output EU in other time zones, so that follow-up control is performed to follow the user load power without limiting the power generation output ( Lower part of FIG. 6).

したがって、本第1制御例によれば、第1発電出力制限値導出手段が、第4温度センサ72aによって検出された貯湯槽出口温度T4と、この貯湯槽出口温度T4と燃料電池10の発電出力制限値ELとの相関関係を示す第1マップまたは演算式とに基づいて発電出力制限値ELを導出し、第1発電制御手段が、第1発電出力制限値導出手段によって導出された発電出力制限値ELに基づいて燃料電池10の発電出力を制御する。これにより、燃料電池10の発電中においては、その発電に伴って発生する燃料電池10および改質器20の排熱を回収して貯湯水が加熱されるが、貯湯槽71が温度的に満水となった場合、貯湯槽出口温度T4に応じて燃料電池10の発電出力が制限されるので、燃料電池10からの発熱をできるだけ抑制して、発電出力、排熱利用のバランスを保ち、熱余り状態をできるだけ回避して燃料電池システムの運転を効率よく実施することができる。   Therefore, according to the first control example, the first power generation output limit value deriving unit is configured to detect the hot water tank outlet temperature T4 detected by the fourth temperature sensor 72a, the hot water tank outlet temperature T4, and the power generation output of the fuel cell 10. The power generation output limit value EL is derived based on the first map or the arithmetic expression indicating the correlation with the limit value EL, and the first power generation control means derives the power generation output limit derived by the first power generation output limit value deriving means. Based on the value EL, the power generation output of the fuel cell 10 is controlled. As a result, during the power generation of the fuel cell 10, the hot water stored in the fuel cell 10 and the reformer 20 generated by the power generation is recovered and the hot water is heated. In this case, since the power generation output of the fuel cell 10 is limited according to the hot water tank outlet temperature T4, the heat generation from the fuel cell 10 is suppressed as much as possible to maintain the balance between the power generation output and the use of exhaust heat, and the heat surplus It is possible to efficiently operate the fuel cell system while avoiding the state as much as possible.

また、第1発電制御手段において、ステップ108において、ステップ106にて検出されたユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力EUを導出し、ステップ110において、ステップ104にて導出された発電出力制限値ELがステップ108にて導出された発電出力EU以上であるか否かを判定し、ステップ112において、ステップ110にて発電出力制限値ELが発電出力EU以上であると判定された場合には、燃料電池10の発電出力をユーザ負荷電力に追従するように制御し、ステップ114において、ステップ110にて発電出力制限値ELが発電出力EU未満であると判定された場合には、燃料電池10の発電出力を発電出力制限値に制限するように制御する。これにより、ユーザ負荷電力検出手段によって検出されたユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力EUと発電出力制限値ELとに基づいて簡単かつ確実に燃料電池システムを安定運転することができる。   Further, in the first power generation control means, in step 108, the power generation output EU of the fuel cell corresponding to the user load power detected in step 106 is derived, and in step 110, the power generation output limit derived in step 104 is derived. It is determined whether or not the value EL is greater than or equal to the power generation output EU derived in step 108. If it is determined in step 112 that the power generation output limit value EL is greater than or equal to the power generation output EU, Then, the power generation output of the fuel cell 10 is controlled to follow the user load power. If it is determined in step 114 that the power generation output limit value EL is less than the power generation output EU in step 110, the fuel cell 10 The power generation output is controlled to be limited to the power generation output limit value. As a result, the fuel cell system can be stably and simply operated based on the power generation output EU of the fuel cell and the power generation output limit value EL corresponding to the user load power detected by the user load power detection means.

また、第1マップまたは演算式は、貯湯水の温度毎の燃料電池の発電出力に対する当該燃料電池システムの必要冷却能力の相関関係を示す第2マップまたは演算式と、改質器20の排熱を回収した第2熱媒体が循環する第2熱媒体循環回路75に設けられて第2熱媒体を冷却するラジエータ76の冷却能力と、に基づいて、貯湯水の各温度におけるラジエータ76の冷却能力に相当する燃料電池の発電出力を導出することにより作成されている。したがって、発電出力制限値ELは貯湯槽出口温度T4およびラジエータ76の冷却能力に基づいて導出されるため、燃料電池の発電出力はラジエータ76の冷却能力も考慮されて決定されるので、発電出力、排熱利用のバランスをよりよく保ち、熱余り状態をできるだけ回避して燃料電池システムの運転を効率よく実施することができる。   In addition, the first map or the arithmetic expression is the second map or the arithmetic expression indicating the correlation of the required cooling capacity of the fuel cell system with the power generation output of the fuel cell for each temperature of the hot water, and the exhaust heat of the reformer 20. The cooling capacity of the radiator 76 at each temperature of the stored hot water based on the cooling capacity of the radiator 76 that is provided in the second heat medium circulation circuit 75 that circulates the recovered second heat medium and cools the second heat medium It is created by deriving the power generation output of the fuel cell corresponding to. Therefore, since the power generation output limit value EL is derived based on the hot water tank outlet temperature T4 and the cooling capacity of the radiator 76, the power generation output of the fuel cell is determined in consideration of the cooling capacity of the radiator 76. The operation of the fuel cell system can be efficiently carried out while maintaining a better balance of exhaust heat utilization and avoiding the excess heat state as much as possible.

また、ラジエータ76の冷却能力は、貯湯水の最高温度Tmaxにおける燃料電池の発電出力に対する当該燃料電池システムの必要冷却能力の相関関係を示す第2マップまたは演算式にて、貯湯槽71の湯満水時の燃料電池の最低発電出力に相当する当該燃料電池システムの必要冷却能力であるため、冷却能力を低く抑えたラジエータ76を使用することができるので、ラジエータ76のコンパクト化、ひいては燃料電池システム全体のコンパクト化を達成することができる。 In addition, the cooling capacity of the radiator 76 is determined based on the second map or the calculation formula showing the correlation between the required cooling capacity of the fuel cell system and the power generation output of the fuel cell at the maximum temperature T max of the hot water. Since the required cooling capacity of the fuel cell system corresponding to the minimum power generation output of the fuel cell at the time of full water can be used, the radiator 76 with a low cooling capacity can be used. Therefore, the radiator 76 can be made compact, and thus the fuel cell system Overall compactness can be achieved.

1b)第2制御例
以下、上述した燃料電池システムの第2制御例について図7〜図9を参照して説明する。制御装置90は、図示しない起動スイッチがオンされて燃料電池システムを起動して起動運転が完了し発電可能な定常運転となり、燃料ガスFC入口温度T7が所定温度Taを超えると、図7に示すプログラムを所定時間TMa毎に実行する。制御装置90は、ステップ202において、第7温度センサ64aによって燃料電池10の燃料極入口に流入する燃料ガスの温度(燃料ガスFC入口温度)T7を検出する。なお、燃料ガスFC入口温度T7の代わりにこの燃料ガスの温度T7に相関するものの温度例えば貯湯水の改質ガス用凝縮器31の出口温度(貯湯水改質ガス用凝縮器出口温度)T3を第3温度センサ72bによって検出するようにしてもよい。そして、その検出値を使用して以降の処理を実行するようにしてもよい。
1b) Second Control Example Hereinafter, a second control example of the fuel cell system described above will be described with reference to FIGS. When the start switch (not shown) is turned on to start the fuel cell system, the control device 90 completes the start-up operation and becomes a steady operation capable of generating electric power. The program is executed every predetermined time TMa. In step 202, the controller 90 detects the temperature (fuel gas FC inlet temperature) T7 of the fuel gas flowing into the fuel electrode inlet of the fuel cell 10 by the seventh temperature sensor 64a. Instead of the fuel gas FC inlet temperature T7, a temperature correlated with the fuel gas temperature T7, for example, the outlet temperature of the hot water reforming gas condenser 31 (the outlet temperature of the hot water reforming gas condenser) T3 is set. You may make it detect with the 3rd temperature sensor 72b. Then, the subsequent processing may be executed using the detected value.

そして、ステップ204において、ステップ202にて検出された燃料ガスFC入口温度T7と、所定温度Taとを比較し、その比較結果に基づいて燃料電池10の発電出力制限値ELを導出する(第2発電出力制限値導出手段)。具体的には、制御装置90は、図8に示すサブルーチンを実行する。すなわち制御装置90は、ステップ202にて検出された温度T7が所定温度Taより大きい場合には、前回の発電出力制限値ELから所定量ΔEだけ減算して今回の発電出力制限値EL−Δを算出し(ステップ302,304)、所定温度Taと同じである場合には、前回の発電出力制限値ELを今回の発電出力制限値ELとして算出し(ステップ302,306)、所定温度Taより小さい場合には、前回の発電出力制限値ELに所定量ΔEだけ加算して今回の発電出力制限値EL+Δを算出する(ステップ302,308)。そして、プログラムをステップ310に進めてサブルーチンの処理を終了し、ステップ206以降に進める。なお、ステップ302において、ステップ202にて検出された燃料ガスFC入口温度T7と所定温度Taを比較しているが、燃料ガスFC入口温度T7と所定の温度範囲(不感帯)を比較するようにしてもよい。   In step 204, the fuel gas FC inlet temperature T7 detected in step 202 is compared with a predetermined temperature Ta, and the power generation output limit value EL of the fuel cell 10 is derived based on the comparison result (second). Power generation output limit value deriving means). Specifically, the control device 90 executes a subroutine shown in FIG. That is, when the temperature T7 detected in step 202 is higher than the predetermined temperature Ta, the control device 90 subtracts the predetermined power amount ΔE from the previous power generation output limit value EL to obtain the current power generation output limit value EL−Δ. If calculated (steps 302 and 304) and the same as the predetermined temperature Ta, the previous power generation output limit value EL is calculated as the current power generation output limit value EL (steps 302 and 306) and is smaller than the predetermined temperature Ta. In this case, the power generation output limit value EL + Δ is calculated by adding a predetermined amount ΔE to the previous power generation output limit value EL (steps 302 and 308). Then, the program is advanced to step 310, the subroutine processing is terminated, and the program proceeds to step 206 and subsequent steps. In step 302, the fuel gas FC inlet temperature T7 detected in step 202 is compared with the predetermined temperature Ta, but the fuel gas FC inlet temperature T7 is compared with a predetermined temperature range (dead zone). Also good.

所定温度Taは、燃料電池10の燃料極11がフラッディングとならない温度に規定されているので、フラッディングによって燃料電池の発電低下、停止を確実に防止して燃料電池システムを安定運転することができる。   Since the predetermined temperature Ta is regulated to a temperature at which the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 does not flood, the fuel cell system can be stably operated by reliably preventing the power generation reduction and stoppage of the fuel cell by flooding.

制御装置90は、ステップ206〜214において、第2発電出力制限値導出手段によって導出された発電出力制限値ELに基づいて燃料電池10の発電出力を制御する(第2発電制御手段)。具体的には、ステップ206において、電力計47aによってユーザ負荷電力を検出する(ユーザ負荷電力検出手段)。ステップ208において、ステップ206にて検出されたユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力EUを、ユーザ負荷電力と発電出力の相関を示すマップまたは演算式に基づいて導出する(発電出力導出手段)。ステップ210において、ステップ204にて導出された発電出力制限値ELがステップ208にて導出された発電出力EU以上であるか否かを判定する(判定手段)。ステップ212において、発電出力制限値ELが発電出力EU以上であると判定された場合には、燃料電池10の発電出力をユーザ負荷電力に追従するように制御する(追従制御手段)。また、ステップ214において、発電出力制限値ELが発電出力EU未満であると判定された場合には、燃料電池10の発電出力を発電出力制限値ELに制限するように制御する(制限制御手段)。   In steps 206 to 214, the control device 90 controls the power generation output of the fuel cell 10 based on the power generation output limit value EL derived by the second power generation output limit value deriving means (second power generation control means). Specifically, in step 206, the user load power is detected by the wattmeter 47a (user load power detection means). In step 208, the power generation output EU of the fuel cell corresponding to the user load power detected in step 206 is derived based on a map or arithmetic expression indicating the correlation between the user load power and the power generation output (power generation output deriving means). . In step 210, it is determined whether or not the power generation output limit value EL derived in step 204 is greater than or equal to the power generation output EU derived in step 208 (determination means). If it is determined in step 212 that the power generation output limit value EL is equal to or greater than the power generation output EU, the power generation output of the fuel cell 10 is controlled to follow the user load power (following control means). If it is determined in step 214 that the power generation output limit value EL is less than the power generation output EU, control is performed to limit the power generation output of the fuel cell 10 to the power generation output limit value EL (limit control means). .

そして、制御装置90は、追従制御または制限制御を行いながらステップ216にて所定時間TMaが経過するのを待ってプログラムをステップ218に進めて一旦終了する。これにより、ステップ212または214にて決定した制御を所定時間TMaだけ実行した後、再びステップ202以降の処理を実行することになる。   Then, the controller 90 waits for the predetermined time TMa to elapse in step 216 while performing follow-up control or limit control, and then proceeds to step 218 to end the program. As a result, after the control determined in step 212 or 214 is executed for a predetermined time TMa, the processing after step 202 is executed again.

このような制御によれば、貯湯槽出口温度T4がユーザ要求による燃料電池10の発電に伴う熱エネルギーよって図9の上段に示すように上昇した場合、第2熱交換器76において凝縮冷媒が冷却できなくなり凝縮冷媒温度が上昇する。これに伴って改質ガスFC入口温度T7も上昇を開始する(時刻t21)。なお、時刻t21までの改質ガスFC入口温度T7は所定温度Taに維持されているものとする。また、時刻t21までは燃料電池10の発電出力は制限されておらず最大発電出力まで発電可能であるとする。   According to such control, when the hot water tank outlet temperature T4 rises as shown in the upper part of FIG. 9 due to the thermal energy accompanying the power generation of the fuel cell 10 as requested by the user, the condensed refrigerant is cooled in the second heat exchanger 76. The condensed refrigerant temperature increases. Along with this, the reformed gas FC inlet temperature T7 also starts to rise (time t21). It is assumed that the reformed gas FC inlet temperature T7 up to time t21 is maintained at a predetermined temperature Ta. Further, it is assumed that the power generation output of the fuel cell 10 is not limited until time t21 and that power generation is possible up to the maximum power generation output.

時刻t21にて改質ガスFC入口温度T7が所定温度Taより大となると、図9の中段に示すように、再び改質ガスFC入口温度T7が所定温度Ta以下となるまで(時刻t25)、発電出力制限値ELは徐々に小さくなる(ステップ202、204、302、304、310、206〜218)。これと同時に、発電出力制限値ELとユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力EUとを比較して追従制御とするか制限制御とするかが決定されその制御が実行される。発電出力制限値ELが徐々に小さくなる範囲内で追従制御も実行されるので、いずれにしても燃料電池10の発電出力(発電出力最大値)は抑制され、燃料電池10からの発熱が抑制され、ラジエータ76の負荷が小さくなり冷却能力に余裕ができれば凝縮冷媒を冷却でき、ひいては改質ガスFC入口温度T7を小さくすることができる。   When the reformed gas FC inlet temperature T7 becomes higher than the predetermined temperature Ta at time t21, until the reformed gas FC inlet temperature T7 becomes equal to or lower than the predetermined temperature Ta as shown in the middle part of FIG. 9 (time t25). The power generation output limit value EL gradually decreases (steps 202, 204, 302, 304, 310, 206 to 218). At the same time, the power generation output limit value EL and the power generation output EU of the fuel cell corresponding to the user load power are compared to determine whether to perform follow-up control or limit control, and the control is executed. Since the follow-up control is also executed within a range where the power generation output limit value EL gradually decreases, the power generation output (power generation output maximum value) of the fuel cell 10 is suppressed in any case, and the heat generation from the fuel cell 10 is suppressed. If the load on the radiator 76 is reduced and the cooling capacity is sufficient, the condensed refrigerant can be cooled, and the reformed gas FC inlet temperature T7 can be reduced.

これにより、改質ガスFC入口温度T7はt25にて所定温度Taに到達する。時刻t21〜t25において、ユーザ負荷に基づく発電出力EUが図9の中段に示すように変化した場合、時刻t21〜t22および時刻t23〜t24においては発電出力制限値ELが発電出力EU未満であるので、発電出力が発電出力制限値ELに制限され、それ以外の時間帯においては発電出力制限値ELが発電出力EU以上であるので、発電出力が制限されることなくユーザ負荷電力に追従する追従制御が行われる(図9の下段)。   As a result, the reformed gas FC inlet temperature T7 reaches the predetermined temperature Ta at t25. When the power generation output EU based on the user load changes as shown in the middle part of FIG. 9 at time t21 to t25, the power generation output limit value EL is less than the power generation output EU at time t21 to t22 and time t23 to t24. Since the power generation output is limited to the power generation output limit value EL, and the power generation output limit value EL is not less than the power generation output EU in other time zones, the follow-up control follows the user load power without being limited by the power generation output. Is performed (the lower part of FIG. 9).

また、貯湯水が使用されるなどして時刻t29にて改質ガスFC入口温度T7が所定温度Taより小さくなると、図9の中段に示すように、再び改質ガスFC入口温度T7が所定温度Ta以上となるまで(時刻t31)、発電出力制限値ELは徐々に大きくなる(ステップ202、204、302、308、310、206〜218)。これと同時に、発電出力制限値ELとユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力EUとを比較して追従制御とするか制限制御とするかが決定されその制御が実行される。発電出力制限値ELが徐々に大きくなる範囲内で追従制御も実行されるので、いずれにしても燃料電池10の発電出力(発電出力最大値)は増加され、燃料電池10からの発熱が増大し、凝縮冷媒を昇温し、ひいては改質ガスFC入口温度T7を昇温することができる。   When the reformed gas FC inlet temperature T7 becomes lower than the predetermined temperature Ta at time t29, for example, when hot water is used, the reformed gas FC inlet temperature T7 is again set to the predetermined temperature as shown in the middle part of FIG. The power generation output limit value EL gradually increases until reaching Ta or higher (time t31) (steps 202, 204, 302, 308, 310, 206 to 218). At the same time, the power generation output limit value EL and the power generation output EU of the fuel cell corresponding to the user load power are compared to determine whether to perform follow-up control or limit control, and the control is executed. Since the follow-up control is also executed within a range where the power generation output limit value EL gradually increases, in any case, the power generation output (power generation output maximum value) of the fuel cell 10 is increased, and the heat generation from the fuel cell 10 is increased. Then, the temperature of the condensed refrigerant can be raised, and thus the reformed gas FC inlet temperature T7 can be raised.

これにより、改質ガスFC入口温度T7はt31にて所定温度Taに到達する。時刻t29〜t31において、ユーザ負荷に基づく発電出力EUが図9の中段に示すように変化した場合、時刻t29〜t30においては発電出力制限値ELが発電出力EU未満であるので、発電出力が発電出力制限値ELに制限され、それ以外の時間帯においては発電出力制限値ELが発電出力EU以上であるので、発電出力が制限されることなくユーザ負荷電力に追従する追従制御が行われる(図9の下段)。   As a result, the reformed gas FC inlet temperature T7 reaches the predetermined temperature Ta at t31. When the power generation output EU based on the user load changes as shown in the middle part of FIG. 9 at times t29 to t31, the power generation output limit value EL is less than the power generation output EU at times t29 to t30. Since the power generation output limit value EL is not less than the power generation output EU in other time zones, the follow-up control is performed to follow the user load power without limiting the power generation output (see FIG. 9 bottom).

したがって、本第2制御例によれば、第2発電出力制限値導出手段が、第7温度センサ64aによって検出された燃料ガス燃料電池入口温度T7またはこの燃料ガスの温度に相関するものの温度と所定温度Taとを比較し、その比較結果に基づいて燃料電池の発電出力制限値を導出し、第2発電制御手段が、第2発電出力制限値導出手段によって導出された発電出力制限値ELに基づいて燃料電池10の発電出力を制御する。これにより、燃料電池10の発電中においては、その発電に伴って発生する燃料電池10および改質器20の排熱を回収して貯湯水が加熱されるが、貯湯槽71が温度的に満水となった場合、燃料ガス燃料電池入口温度T7またはこの燃料ガスの温度に相関するものの温度T3に応じて燃料電池10の発電出力が制限されるので、燃料電池10からの発熱をできるだけ抑制して、発電出力、排熱利用のバランスを保ち、熱余り状態をできるだけ回避して燃料電池システムの運転を効率よく実施することができる。   Therefore, according to the second control example, the second power generation output limit value deriving means is predetermined with the temperature of the fuel gas fuel cell inlet temperature T7 detected by the seventh temperature sensor 64a or the temperature correlated with the temperature of the fuel gas. The temperature Ta is compared, a power generation output limit value of the fuel cell is derived based on the comparison result, and the second power generation control means is based on the power generation output limit value EL derived by the second power generation output limit value deriving means. The power generation output of the fuel cell 10 is controlled. As a result, during the power generation of the fuel cell 10, the hot water stored in the fuel cell 10 and the reformer 20 generated by the power generation is recovered and the hot water is heated. In this case, the power generation output of the fuel cell 10 is limited in accordance with the fuel gas fuel cell inlet temperature T7 or the temperature T3 that correlates with the temperature of the fuel gas, so that the heat generation from the fuel cell 10 is suppressed as much as possible. The fuel cell system can be efficiently operated while maintaining the balance between the power generation output and the use of exhaust heat and avoiding the excessive heat state as much as possible.

また、第2発電出力制限値導出手段は、第7温度センサ64aによって検出された燃料ガス燃料電池入口温度T7が所定温度Taより大きい場合には、前回の発電出力制限値ELから所定量ΔEだけ減算して今回の発電出力制限値EL−ΔEを算出し、所定温度Taより小さい場合には、前回の発電出力制限値ELから所定量ΔEだけ加算して今回の発電出力制限値EL+ΔEを算出する。これにより、燃料ガス燃料電池入口温度T7またはこの燃料ガスの温度に相関するものの温度に基づいて容易かつ的確に発電出力制限値ELを算出することができる。   Further, the second power generation output limit value deriving means, when the fuel gas fuel cell inlet temperature T7 detected by the seventh temperature sensor 64a is higher than the predetermined temperature Ta, is a predetermined amount ΔE from the previous power generation output limit value EL. The current power generation output limit value EL−ΔE is calculated by subtraction, and when the temperature is lower than the predetermined temperature Ta, the current power generation output limit value EL + ΔE is calculated by adding a predetermined amount ΔE from the previous power generation output limit value EL. . As a result, the power generation output limit value EL can be calculated easily and accurately based on the fuel gas fuel cell inlet temperature T7 or the temperature correlated with the temperature of the fuel gas.

また、第2発電制御手段において、ステップ208において、ステップ206にて検出されたユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力を導出し、ステップ210において、ステップ204にて導出された発電出力制限値ELが、ステップ208にて導出された発電出力EU以上であるか否かを判定し、ステップ212において、ステップ210にて発電出力制限値ELが発電出力EU以上であると判定された場合には、燃料電池10の発電出力をユーザ負荷電力に追従するように制御し、ステップ214において、ステップ210にて発電出力制限値ELが発電出力EU未満であると判定された場合には、燃料電池10の発電出力を発電出力制限値ELに制限するように制御する。これにより、ユーザ負荷電力検出手段によって検出されたユーザ負荷電力に応じた燃料電池の発電出力EUと発電出力制限値ELとに基づいて簡単かつ確実に燃料電池システムを安定運転することができる。   In the second power generation control means, in step 208, the power generation output of the fuel cell corresponding to the user load power detected in step 206 is derived, and in step 210, the power generation output limit value derived in step 204. It is determined whether or not EL is equal to or greater than the power generation output EU derived in step 208. In step 212, if it is determined in step 210 that the power generation output limit value EL is equal to or greater than the power generation output EU. Then, the power generation output of the fuel cell 10 is controlled to follow the user load power. If it is determined in step 214 that the power generation output limit value EL is less than the power generation output EU in step 210, the fuel cell 10 The power generation output is controlled to be limited to the power generation output limit value EL. As a result, the fuel cell system can be stably and simply operated based on the power generation output EU of the fuel cell and the power generation output limit value EL corresponding to the user load power detected by the user load power detection means.

また、燃料ガス燃料電池入口温度検出手段、第2発電出力制限値導出手段、および第2発電制御手段による各処理は、燃料ガスの応答性を考慮して設定された所定時間TMa毎に繰り返し実行されるので、的確な時間に制御処理を実行することができる。また、より緻密に制御処理を実行することができる。   Each process by the fuel gas fuel cell inlet temperature detection means, the second power generation output limit value derivation means, and the second power generation control means is repeatedly executed every predetermined time TMa set in consideration of the responsiveness of the fuel gas. Thus, the control process can be executed at an appropriate time. In addition, the control process can be executed more precisely.

上述の説明から明らかなように、この参考の形態においては、貯湯水循環回路80は、排熱回収手段(凝縮器30)を設けた流路72と、第1熱交換器74を設けた流路であるバイパス路75が並列に設けられていることにより、システムの定常運転中においては、燃料電池10の発電で発生する排熱は、FC冷却水に回収され、バイパス路75を流通する貯湯水に第1熱交換器74を介して回収されて、この結果貯湯水を加熱(昇温)する。燃料電池10から排出されるオフガスの排熱および改質器20にて発生する排熱は、凝縮器32,33および凝縮器31,34を介して直接貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱(昇温)する。これにより、燃料電池10の発電で発生する排熱と、燃料電池10から排出されるオフガスの排熱、改質器20にて発生する排熱の少なくとも何れか一方とを直列に回収するのではなく、並列に独立して回収することができるので、それぞれ最も効率のよい貯湯水流量で熱を回収することが可能となる。したがって、燃料電池からの回収熱量の、アノードオフガス、カソードオフガス、燃焼排ガスからの回収熱量に対する比率が低い場合、例えば、低負荷での発電の場合や冬場などの放熱の影響が大きい場合などでも、それら各ガスから十分に熱を回収することができるので、システムの発電開始から停止までを通して熱回収効率を高く維持して運転を行うことができる燃料電池システムを提供することができる。
As is clear from the above description, in this reference embodiment , the hot water circulation circuit 80 includes the flow path 72 provided with the exhaust heat recovery means (condenser 30) and the flow path provided with the first heat exchanger 74. By providing the bypass path 75 in parallel, the exhaust heat generated by the power generation of the fuel cell 10 is recovered in the FC cooling water during normal operation of the system, and the hot water stored in the bypass path 75 is circulated. Then, it is recovered via the first heat exchanger 74, and as a result, the stored hot water is heated (heated up). The exhaust heat of the off-gas discharged from the fuel cell 10 and the exhaust heat generated in the reformer 20 are recovered directly into the hot water storage via the condensers 32 and 33 and the condensers 31 and 34. As a result, the hot water storage is performed. Is heated (heated up). Thus, the exhaust heat generated by the power generation of the fuel cell 10, the exhaust heat of the off-gas discharged from the fuel cell 10, and / or the exhaust heat generated in the reformer 20 may be recovered in series. However, since heat can be recovered independently in parallel, it is possible to recover heat at the most efficient hot water flow rate. Therefore, when the ratio of the amount of heat recovered from the fuel cell to the amount of heat recovered from the anode off-gas, cathode off-gas, and combustion exhaust gas is low, for example, in the case of power generation at a low load or when the influence of heat dissipation is large in winter, Since heat can be sufficiently recovered from each of these gases, it is possible to provide a fuel cell system that can be operated while maintaining high heat recovery efficiency from the start to the stop of power generation of the system.

また、燃料電池10から排出されるオフガスの排熱を貯湯水に回収するオフガス排熱回収器(凝縮器32,33)、改質器20にて発生する排熱を貯湯水に回収する改質器排熱回収器(凝縮器31,34)の少なくとも何れか一方を流路72に設けたので、流路72を循環する貯湯水が燃料電池10から排出されるオフガスの排熱、改質器20にて発生する排熱の少なくとも何れか一方を確実に回収することができる。   Further, off-gas exhaust heat recovery devices (condensers 32 and 33) that recover the exhaust heat of the off-gas discharged from the fuel cell 10 into the hot water storage, and reforming that recovers the exhaust heat generated by the reformer 20 into the hot water storage water. Since at least one of the condenser exhaust heat recovery units (condensers 31 and 34) is provided in the flow path 72, the hot water stored in the flow path 72 is discharged from the fuel cell 10, and the exhaust gas is discharged from the fuel cell 10 and the reformer. At least one of the exhaust heat generated at 20 can be reliably recovered.

また、バイパス路75および流路72の各流量をそれぞれ調整する流量調整手段(貯湯水循環第1ポンプP5および貯湯水循環第2ポンプP6)をさらに備えたので、バイパス路75および流路72を流れる貯湯水の流量を確実に調整することができ、最適な熱回収効率および回収湯温を実現することができる。   Further, since the flow rate adjusting means (the first hot water circulation first pump P5 and the second hot water circulation second pump P6) for adjusting the respective flow rates of the bypass passage 75 and the flow passage 72 is further provided, the hot water flowing through the bypass passage 75 and the flow passage 72 is provided. The flow rate of water can be adjusted with certainty, and optimal heat recovery efficiency and recovered hot water temperature can be realized.

2)実施の形態
次に、本発明による燃料電池システムの実施の形態について説明する。図10は実施の形態にかかる燃料電池システムのうち貯湯水循環回路80、FC冷却水循環回路73および凝縮冷媒循環回路75の周辺の概要を示す概要図である。上述した参考の形態においては、流路72上に各凝縮器31〜34を設け、燃料電池10から排出されるオフガスの排熱および改質器20にて発生する排熱は、凝縮器32,33および凝縮器31,34を介して直接貯湯水に回収するようにしたが、図10に示すように、間接的に貯湯水に回収するようにしてもよい。なお、参考の形態と同一の構成部材については同一符号を付してその説明を省略する。
2) Embodiment will now be described embodiments of a fuel cell system according to the present invention. FIG. 10 is a schematic diagram showing an outline of the periphery of the hot water circulating circuit 80, the FC cooling water circulating circuit 73, and the condensed refrigerant circulating circuit 75 in the fuel cell system according to the embodiment . In the reference embodiment described above, each of the condensers 31 to 34 is provided on the flow path 72, and the exhaust heat of the offgas discharged from the fuel cell 10 and the exhaust heat generated in the reformer 20 are Although it is made to collect | recover to direct hot water through 33 and the condensers 31 and 34, as shown in FIG. 10, you may make it collect | recover indirectly to hot water. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the structural member same as a reference form, and the description is abbreviate | omitted.

実施の形態においては、排熱回収手段は、燃料電池10から排出されるオフガスの排熱、改質器20にて発生する排熱の少なくとも何れかを回収した排熱回収熱媒体である凝縮冷媒(凝縮器熱媒体)が循環する排熱回収熱媒体循環回路である凝縮冷媒循環回路78と、貯湯水と凝縮冷媒との間で熱交換が行われる第2熱交換器79とから構成されている。これにより、燃料電池10から排出されるオフガスの排熱および改質器20にて発生する排熱の少なくとも何れかは、凝縮器30を介して凝縮冷媒に回収され、第2熱交換器79を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱(昇温)する。
In the present embodiment , the exhaust heat recovery means is a condensation that is an exhaust heat recovery heat medium that recovers at least one of exhaust heat of off-gas exhausted from the fuel cell 10 and exhaust heat generated in the reformer 20. Condensed refrigerant circulation circuit 78, which is an exhaust heat recovery heat medium circulation circuit through which refrigerant (condenser heat medium) circulates, and second heat exchanger 79 in which heat is exchanged between the hot water and condensed refrigerant. ing. Thereby, at least one of the exhaust heat of the off-gas discharged from the fuel cell 10 and the exhaust heat generated in the reformer 20 is recovered by the condensed refrigerant through the condenser 30, and the second heat exchanger 79 is The hot water is then recovered (hot) as a result.

凝縮冷媒循環回路78上には、第2熱交換器79が配設されている。また、凝縮冷媒循環回路78上には、第2熱交換器79の出口から順番に、凝縮冷媒循環ポンプP8、ラジエータ76、アノードオフガス用凝縮器32、燃焼ガス用凝縮器34、カソードオフガス用凝縮器33、改質ガス用凝縮器31、および第5温度センサ78aが配設されている。凝縮冷媒循環ポンプP8は、凝縮冷媒循環手段であり、制御装置90によって制御されてその流量(送出量)が制御されるようになっている。第5温度センサ78aは、凝縮冷媒の改質ガス用凝縮器31の出口温度T5を検出し、その検出結果を制御装置90に出力するものである。なお、流路72からは、アノードオフガス用凝縮器32、燃焼ガス用凝縮器34、カソードオフガス用凝縮器33、改質ガス用凝縮器31、およびラジエータ76が削除されて、凝縮冷媒循環回路78に移設されている。   A second heat exchanger 79 is disposed on the condensed refrigerant circulation circuit 78. In addition, on the condensing refrigerant circulation circuit 78, in order from the outlet of the second heat exchanger 79, the condensing refrigerant circulation pump P8, the radiator 76, the anode offgas condenser 32, the combustion gas condenser 34, and the cathode offgas condensation. 33, a reformed gas condenser 31, and a fifth temperature sensor 78a are provided. The condensing refrigerant circulation pump P8 is condensing refrigerant circulation means, and is controlled by the control device 90 to control the flow rate (delivery amount). The fifth temperature sensor 78 a detects the outlet temperature T5 of the reforming gas condenser 31 of the condensed refrigerant and outputs the detection result to the control device 90. The anode off-gas condenser 32, the combustion gas condenser 34, the cathode off-gas condenser 33, the reformed gas condenser 31, and the radiator 76 are omitted from the flow path 72, and the condensed refrigerant circulation circuit 78 is removed. Has been relocated.

次に、上述した燃料電池システムにおいて熱回収効率の最適化の制御について説明する。まず、貯湯水循環第2ポンプP6は、FC冷却水FC入口温度T1(またはFC冷却水FC出口温度T2)が燃料電池の最適運転温度となるように流量制御されている。さらに、FC冷却水循環ポンプP7は、FC冷却水FC入口温度T1とFC冷却水FC出口温度T2との温度差ΔTが目標温度差ΔT*(例えば3〜5℃)となるように流量制御されている。目標温度差ΔT*は、燃料電池10の改質ガス流路または空気流路内の水蒸気を最適加湿条件に維持することができるように設定されている。そして、凝縮冷媒循環ポンプP8は、凝縮冷媒のアノードオフガス(AOG)凝縮器出口温度T5が目標温度T5*(例えば55〜60℃)となるように流量制御されている。凝縮冷媒の改質ガス用凝縮器出口温度T5が高いほど第2熱交換79における貯湯水の凝縮回収熱量の回収効率がよいので、目標温度T5*は高く設定するのが望ましい。一方、凝縮冷媒の改質ガス用凝縮器出口温度T5が高くなると、改質ガス用凝縮器31にて凝縮冷媒と熱交換する改質ガスの温度すなわち改質ガスFC入口温度T7の温度が高くなり、燃料電池10の燃料極11がフラッディングを発生する。したがって、目標温度T5*はフラッディングが発生しない範囲内で、凝縮回収熱量の回収効率ができるだけよい温度に設定されている。   Next, control for optimizing the heat recovery efficiency in the fuel cell system described above will be described. First, the flow rate of the hot water circulating second pump P6 is controlled so that the FC cooling water FC inlet temperature T1 (or the FC cooling water FC outlet temperature T2) becomes the optimum operating temperature of the fuel cell. Further, the flow rate of the FC cooling water circulation pump P7 is controlled so that the temperature difference ΔT between the FC cooling water FC inlet temperature T1 and the FC cooling water FC outlet temperature T2 becomes the target temperature difference ΔT * (for example, 3 to 5 ° C.). Yes. The target temperature difference ΔT * is set so that the water vapor in the reformed gas channel or the air channel of the fuel cell 10 can be maintained under the optimum humidification condition. The flow rate of the condensed refrigerant circulation pump P8 is controlled so that the anode off-gas (AOG) condenser outlet temperature T5 of the condensed refrigerant becomes the target temperature T5 * (for example, 55 to 60 ° C.). The higher the outlet temperature T5 of the condensed refrigerant for the reformed gas, the better the efficiency of collecting and recovering the amount of condensed water in the second heat exchange 79. Therefore, it is desirable to set the target temperature T5 * higher. On the other hand, when the reformed gas condenser outlet temperature T5 of the condensed refrigerant increases, the temperature of the reformed gas that exchanges heat with the condensed refrigerant in the reformed gas condenser 31, that is, the temperature of the reformed gas FC inlet temperature T7 increases. Thus, the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 is flooded. Therefore, the target temperature T5 * is set to a temperature at which the recovery efficiency of the condensed recovery heat amount is as good as possible within the range where no flooding occurs.

これにより、システムの定常運転中においては、バイパス路75を適切な流量で流通する貯湯水が燃料電池の発電で発生する排熱を最も効率よく回収する。一方、第2熱交換器79において、バイパス路75を適切な流量で流通する貯湯水とは別に、かつその流量に制約されることのない、流路72を適切な流量で循環する貯湯水が、燃料電池10から排出されるオフガスの排熱、改質器20にて発生する排熱を最も効率よく回収する。その後、両貯湯水が合流して貯湯槽71に流入する。   Thereby, during the steady operation of the system, the hot water flowing through the bypass 75 at an appropriate flow rate recovers the exhaust heat generated by the power generation of the fuel cell most efficiently. On the other hand, in the second heat exchanger 79, hot water that circulates in the flow path 72 at an appropriate flow rate that is independent of the hot water flowing through the bypass passage 75 at an appropriate flow rate and that is not restricted by the flow rate. The exhaust gas exhaust heat discharged from the fuel cell 10 and the exhaust heat generated in the reformer 20 are recovered most efficiently. Then, both hot water storage water merges and flows into the hot water storage tank 71.

なお、この実施の形態においても、上述した第1および第2制御例の制御が実施されている。第2制御例では、燃料ガスFC入口温度T7の代わりにこの燃料ガスの温度T7に相関するものの温度例えば凝縮冷媒の改質ガス用凝縮器31の出口温度(凝縮冷媒改質ガス用凝縮器出口温度)T5を第5温度センサ78aによって検出するようにすればよい。
In this embodiment, the control of the first and second control examples described above is also performed. In the second control example, instead of the fuel gas FC inlet temperature T7, the temperature correlated with the fuel gas temperature T7, for example, the outlet temperature of the condensed refrigerant reformed gas condenser 31 (condensed refrigerant reformed gas condenser outlet). The temperature T5 may be detected by the fifth temperature sensor 78a.

実施の形態によれば、参考の形態の作用・効果に加えて、さらに次のように作用・効果を得ることができる。凝縮冷媒循環回路78は、燃料電池10から排出されるオフガスの排熱、改質器20にて発生する排熱の少なくとも何れかを回収した凝縮冷媒が循環するものであり、貯湯水循環回路80とは独立して設けられるとともに、第2熱交換器79を介して貯湯水と凝縮熱媒との間で熱交換が行われる。すなわち、貯湯水は、アノードオフガス、カソードオフガス、燃焼排ガス、燃料ガス(改質ガス)と直接熱交換をしておらず、第2熱交換器79を介して間接的に熱交換をすることになる。したがって、貯湯槽71が水道水が直接補給される密閉式である場合、貯湯槽71、貯湯水循環回路80には高圧の水道水圧がかかるが、凝縮冷媒循環回路78は貯湯水循環回路80から独立しているため、凝縮冷媒循環回路78上に配設されるアノードオフガス、カソードオフガス、燃焼排ガス、燃料ガス(改質ガス)との熱交換するための熱交換器(凝縮器30)には直接水道水圧がかからないので、その熱交換器を過剰な耐圧構造としなくてもすむので、コスト高、大型化を招くことなく、高圧水源から貯湯水を補給可能である燃料電池システムを提供することができる。
According to the present embodiment, in addition to the operation and effect of the reference embodiment , the operation and effect can be obtained as follows. The condensed refrigerant circulation circuit 78 circulates condensed refrigerant that collects at least one of exhaust heat of off-gas discharged from the fuel cell 10 and exhaust heat generated in the reformer 20. Are provided independently, and heat exchange is performed between the hot water and the condensed heat medium via the second heat exchanger 79. That is, the stored hot water does not directly exchange heat with the anode off-gas, cathode off-gas, combustion exhaust gas, and fuel gas (reformed gas), but indirectly exchanges heat through the second heat exchanger 79. Become. Therefore, when the hot water tank 71 is a sealed type in which tap water is directly replenished, a high pressure tap water pressure is applied to the hot water tank 71 and the hot water circulation circuit 80, but the condensing refrigerant circulation circuit 78 is independent of the hot water circulation circuit 80. Therefore, the heat exchanger (condenser 30) for exchanging heat with the anode off-gas, cathode off-gas, combustion exhaust gas, and fuel gas (reformed gas) disposed on the condensing refrigerant circulation circuit 78 is directly supplied with water. Since no water pressure is applied, the heat exchanger does not need to have an excessive pressure-resistant structure, so that it is possible to provide a fuel cell system capable of replenishing hot water from a high-pressure water source without increasing the cost and increasing the size. .

また、凝縮冷媒循環回路78上には改質器および燃料電池を流通する高温かつ蒸気を含んだ気体から熱量を回収して同気体を凝縮する凝縮器30が備えられ、凝縮熱媒は凝縮器30を流通する凝縮冷媒であるので、従来の構成を有効利用することにより大型化することなく簡単な構成で確実に凝縮熱媒を昇温することができる。   Further, a condenser 30 is provided on the condensing refrigerant circulation circuit 78 for recovering the amount of heat from the high-temperature and steam-containing gas flowing through the reformer and the fuel cell, and condensing the gas. Since it is the condensed refrigerant | coolant which distribute | circulates 30, it can heat up a condensed heat medium reliably with a simple structure, without enlarging by utilizing the conventional structure effectively.

なお、上述した実施の形態においては、ラジエータ76は、貯湯水循環回路80またはFC冷却水循環回路73に配置してもよく、少なくとも凝縮冷媒循環回路78、貯湯水循環回路80およびFC冷却水循環回路73の何れか一つに配置するようにすればよい。これによれば、貯湯水の温度が燃料電池で必要な温度に到達した場合、もしくは改質器20の排熱を回収した凝縮冷媒で必要な温度に到達した場合、貯湯水が排熱を回収してそれ以上昇温しないようにするため、貯湯水または/およびFC冷却水および凝縮熱媒の温度を冷却手段であるラジエータ76によって効率よく冷却することができる。
In the above-described embodiment , the radiator 76 may be arranged in the hot water circulating circuit 80 or the FC cooling water circulating circuit 73, and at least any of the condensed refrigerant circulating circuit 78, the hot water circulating circuit 80, and the FC cooling water circulating circuit 73. It may be arranged in one. According to this, when the temperature of the hot water reaches the temperature required by the fuel cell, or when the hot water reaches the temperature required by the condensed refrigerant that recovered the exhaust heat of the reformer 20, the hot water stores the exhaust heat. In order to prevent the temperature from rising further, the temperature of the stored hot water or / and the FC cooling water and the condensing heat medium can be efficiently cooled by the radiator 76 serving as a cooling means.

また、上述した参考および実施の形態においては、流量調整手段は2つの貯湯水循環手段である貯湯水循環第1ポンプP5および貯湯水循環第2ポンプP6によって構成するようにしたが、図11に示すように、1つの貯湯水循環手段と1セット(1つ)の流量比調整手段によって構成するようにしてもよい。具体的には、貯湯水循環第3ポンプP9、第2および第3バルブ81,82から構成すればよい。貯湯水循環第3ポンプP9は、バイパス路75と貯湯槽71の出口の間の流路72に設けられており、制御装置90によって制御されてその流量(送出量)が制御されるようになっている。第2バルブ81は、バイパス路75との分岐点より凝縮器30(第2熱交換器79)側の流路72に設けられ同流路72を開閉するとともに開度調整可能な開閉弁であり、制御装置90の指令によって開閉制御されるとともに開度調整されるものである。第3バルブ82は、バイパス路75に設けられ同バイパス路75を開閉するとともに開度調整可能な開閉弁であり、制御装置90の指令によって開閉制御されるとともに開度調整されるものである。これによれば、貯湯水循環第3ポンプP9によって貯湯水の全体流量を制御し、第2および第3バルブ81,82の各開度によって流路72およびバイパス路75の流量比を制御することにより、流路72およびバイパス路75の各流量をそれぞれ調整することができる。なお、第2および第3バルブ81,82に代えて、他の形式の流量比調整手段例えば分岐点に流量比調整器を設けるようにしてもよい。
Further, in the reference and embodiment described above, the flow rate adjusting means is constituted by the two hot water circulating first pumps P5 and the second hot water circulating second pump P6 which are the two hot water circulating means, but as shown in FIG. You may make it comprise with one stored hot water circulation means and one set (one) flow rate ratio adjustment means. Specifically, what is necessary is just to comprise from the hot water storage 3rd pump P9, the 2nd and 3rd valve | bulb 81,82. The third hot water circulation pump P9 is provided in the flow path 72 between the bypass 75 and the outlet of the hot water tank 71, and is controlled by the control device 90 to control the flow rate (delivery amount). Yes. The second valve 81 is an open / close valve that is provided in the flow path 72 on the condenser 30 (second heat exchanger 79) side from the branch point with the bypass path 75 and that can open and close the flow path 72 and adjust the opening degree. The opening / closing is controlled and the opening degree is adjusted by a command from the control device 90. The third valve 82 is an open / close valve that is provided in the bypass passage 75 and that opens and closes the bypass passage 75 and that can be adjusted in opening degree. According to this, by controlling the total flow rate of the hot water by the hot water circulation third pump P9 and controlling the flow rate ratio of the flow path 72 and the bypass path 75 by the respective opening degrees of the second and third valves 81 and 82. Each flow rate of the flow path 72 and the bypass path 75 can be adjusted. In place of the second and third valves 81 and 82, other types of flow ratio adjusting means, for example, a flow ratio adjuster may be provided at a branch point.

なお、上述した参考および実施の形態において、ポンプのうち気体を送出するポンプはブロワに置き換え可能である。
In the reference and embodiment described above, the pump for sending gas out of the pumps can be replaced with a blower.

本発明による燃料電池システムの参考の形態の概要を示す概要図である。It is a schematic diagram showing an outline of a reference form of a fuel cell system according to the present invention. 図1に示す燃料電池システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system shown in FIG. 貯湯槽出口温度とFC発電出力制限値との相関関係を示す第1マップである。It is a 1st map which shows correlation with hot water tank exit temperature and FC electric power generation output limit value. 貯湯水の温度毎の燃料電池の発電出力に対する当該燃料電池システムの必要冷却能力の相関関係を示す第2マップである。It is a 2nd map which shows the correlation of the required cooling capacity of the said fuel cell system with respect to the electric power generation output of the fuel cell for every temperature of stored hot water. 図2に示した制御装置にて実行される第1制御例の制御プログラムのフローチャートである。It is a flowchart of the control program of the 1st control example performed with the control apparatus shown in FIG. 本発明による燃料電池システムの第1制御例の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows operation | movement of the 1st control example of the fuel cell system by this invention. 図2に示した制御装置にて実行される第2制御例の制御プログラムのフローチャートである。It is a flowchart of the control program of the 2nd control example performed with the control apparatus shown in FIG. 図2に示した制御装置にて実行される第2制御例の制御プログラムのサブルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of the subroutine of the control program of the 2nd control example performed with the control apparatus shown in FIG. 本発明による燃料電池システムの第2制御例の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows operation | movement of the 2nd control example of the fuel cell system by this invention. 本発明による燃料電池システムの実施の形態の概要を示す概要図である。It is a schematic diagram showing an outline of an embodiment of a fuel cell system according to the present invention. 本発明による燃料電池システムの流量調整手段の変形例を示す概要図である。It is a schematic diagram which shows the modification of the flow volume adjustment means of the fuel cell system by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池、11…燃料極、12…空気極、20…改質器、21…バーナ、22…改質部、23…一酸化炭素シフト反応部(COシフト部)、24…一酸化炭素選択酸化反応部(CO選択酸化部)、25…蒸発器、30…凝縮器、31…改質ガス用凝縮器、32…アノードオフガス用凝縮器、33…カソードオフガス用凝縮器、34…燃焼ガス用凝縮器、40…純水器、45…インバータ、46…送電線、47…電力使用場所、47a…電力計、48…系統電源、47…電源ライン、50…貯水器、53…改質水ポンプ、61〜66…配管、68…改質水供給管、71…貯湯槽、72…流路、73…FC冷却水循環回路、74…第1熱交換器、75…バイパス路、76…ラジエータ、77…第1バルブ、78…凝縮冷媒循環回路、79…第2熱交換器、80…貯湯水循環回路、81,82…第2および第3バルブ、P1〜P9,53…ポンプ、73a,73b,72b,72a,78a,64a…第1〜第5,第7温度センサ、90…制御装置。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell, 11 ... Fuel electrode, 12 ... Air electrode, 20 ... Reformer, 21 ... Burner, 22 ... Reformer, 23 ... Carbon monoxide shift reaction part (CO shift part), 24 ... Carbon monoxide Selective oxidation reaction section (CO selective oxidation section), 25 ... evaporator, 30 ... condenser, 31 ... reformer gas condenser, 32 ... anode off-gas condenser, 33 ... cathode off-gas condenser, 34 ... combustion gas Condenser, 40 ... pure water device, 45 ... inverter, 46 ... power transmission line, 47 ... power usage place, 47a ... power meter, 48 ... system power supply, 47 ... power line, 50 ... water reservoir, 53 ... reformed water Pump, 61-66 ... Piping, 68 ... Reformed water supply pipe, 71 ... Hot water storage tank, 72 ... Flow path, 73 ... FC cooling water circulation circuit, 74 ... First heat exchanger, 75 ... Bypass passage, 76 ... Radiator, 77 ... 1st valve, 78 ... Condensed refrigerant circulation circuit, 79 ... 2 heat exchangers, 80 ... hot water circulation circuit, 81, 82 ... second and third valves, P1 to P9, 53 ... pumps, 73a, 73b, 72b, 72a, 78a, 64a ... first to fifth, seventh Temperature sensor, 90 ... control device.

Claims (3)

燃料電池と、該燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料電池で発生する熱により加熱される貯湯水を貯湯する貯湯槽と、
前記貯湯槽を含み前記貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、
前記燃料電池との間で熱交換をする燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路と、
前記貯湯水と前記燃料電池熱媒体との間で熱交換する第1熱交換器と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記貯湯水循環回路とは独立して設けられ、排熱回収熱媒体が循環する排熱回収熱媒体循環回路と、
前記排熱回収熱媒体循環回路に設けられて、前記改質器にて発生する燃焼ガスもしくは改質ガスの排熱を前記排熱回収熱媒体に回収する排熱回収手段と、
前記貯湯水と前記排熱回収熱媒体との間で熱交換する第2熱交換器と、をさらに備え、
前記貯湯水循環回路は、前記第1熱交換器を設けた流路と前記第2熱交換器を設けた流路とが並列に設けられ、
前記第1熱交換器を設けた流路および前記第2熱交換器を設けた流路の各流量をそれぞれ調整する流量調整手段をさらに備えていることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell, and a reformer that generates fuel gas to be supplied to the fuel cell;
A hot water storage tank for storing hot water heated by heat generated in the fuel cell;
A hot water circulation circuit including the hot water tank and circulating the hot water;
A fuel cell heat medium circulation circuit in which a fuel cell heat medium that exchanges heat with the fuel cell circulates;
A first heat exchanger for exchanging heat between the hot water and the fuel cell heat medium;
In a fuel cell system comprising:
An exhaust heat recovery heat medium circulation circuit that is provided independently of the hot water circulation circuit and in which the exhaust heat recovery heat medium circulates;
An exhaust heat recovery means provided in the exhaust heat recovery heat medium circulation circuit for recovering the exhaust heat of the combustion gas or reformed gas generated in the reformer to the exhaust heat recovery heat medium;
A second heat exchanger that exchanges heat between the hot water and the exhaust heat recovery heat medium,
The reserved hot water circulation circuit includes a flow path having a flow path and the second heat exchanger provided with the first heat exchanger is found connected in parallel,
The fuel cell system further comprising flow rate adjusting means for adjusting the flow rates of the flow path provided with the first heat exchanger and the flow path provided with the second heat exchanger, respectively .
請求項1において、前記排熱回収手段は、前記改質器から前記燃料電池に供給される改質ガス中の水蒸気を前記排熱回収熱媒体との熱交換によって凝縮させて改質ガスの排熱を前記排熱回収熱媒体に回収する改質ガス用凝縮器を含んでいることを特徴とする燃料電池システム。 2. The exhaust heat recovery means according to claim 1, wherein the exhaust heat recovery means condenses the water vapor in the reformed gas supplied from the reformer to the fuel cell by heat exchange with the exhaust heat recovery heat medium to exhaust the reformed gas. A fuel cell system comprising a reformed gas condenser for recovering heat to the exhaust heat recovery heat medium . 請求項1または請求項2において、前記第1熱交換器を設けた流路と前記第2熱交換器を設けた流路を同時に使用することを特徴とする燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the flow path provided with the first heat exchanger and the flow path provided with the second heat exchanger are used simultaneously.
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