JP4296741B2

JP4296741B2 - Cogeneration system

Info

Publication number: JP4296741B2
Application number: JP2002019267A
Authority: JP
Inventors: 伸晃薮ノ内; 幹夫品川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-01-28
Filing date: 2002-01-28
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2022-01-28
Also published as: JP2003217619A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を利用して電気と熱を供給できるコージェネレーションシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池を有する燃料電池発電装置は、水素に富んだ改質ガスを燃料電池のアノードに、空気中の酸素を燃料電池のカソードに導入し、この一対のアノードとカソード間で電気化学反応に基づく発電を行うものである。上記燃料電池発電装置にあっては、発電した電気エネルギーを利用すると共に、発電に伴って発生する排熱を給湯装置に回収し、給湯等の熱エネルギーとして利用するコージェネレーションシステムが検討されている。（特開平４―２０６１５９号公報等）上記燃料電池利用のコージェネレーションシステムが、パワーコンディショナーを通して、電力を外部出力する発電時に、外部出力が変動しても安定して作動するためには、発電に伴って発生する排熱を燃料電池から回収し、燃料電池を安定な温度で作動させることが、特に重要である。
【０００３】
従来のコージェネレーションシステムの要部の一例を図４に示す。このシステムにあっては、改質ガスが導入されるアノード５１と、空気中の酸素が導入されるカソード５２からなる燃料電池５０、燃料電池５０を冷却する冷却板５３を通って冷媒が循環する冷媒循環路５４、冷媒循環路５４に冷媒から熱を受容する排熱熱交換器５６、この排熱熱交換器５６を迂回する冷媒バイパス流路５５、及び冷媒バイパス流路５５中にこの冷媒バイパス流路５５を流れる冷媒の流量を調整する第１の流量調整弁５７を備えている。上記システムは、冷媒バイパス流路５５を流れる冷媒の流量を調整することで、排熱熱交換器５６を流通する冷媒の流量を調整するものである。また、上記システムは、排熱熱交換器５６を通って冷媒からの熱を受容した熱媒が流れる熱媒流路６１に第２の流量調整弁６３を備え、熱媒の流量を調整するものが汎用されている。なお、図中の符号３１はパワーコンディショナー、符号５９及び６２は温度センサを示す。
【０００４】
上記システムでは、排熱熱交換器５６を流れる冷媒の流量は、冷媒バイパス流路５５と排熱熱交換器側の流路５８との圧力損失の比率によって決定されるものである。例えば、排熱熱交換器５６を流れる冷媒の流量が最も少なくなる場合は、第１の流量調整弁５７を全開にする場合である。この場合、冷媒バイパス流路の圧力損失に対し、排熱熱交換器側の流路５８の圧力損失は、十分に高くなければならない。上記システムは、このような圧力損失の比率に設定した場合、冷媒の流量を増加すると、冷媒を循環させる冷媒ポンプ６０等に過大の負担がかかることになる。また、逆に、バイパス流路５５の圧力損失に対し、排熱熱交換器側の流路５８の圧力損失を小さく設定すれば、排熱熱交換器５６を流れる冷媒の流量を十分に少なくすることができない。上述の如く、上記システムでは、冷媒ポンプ６０等は大型のものが必要となり、構成も複雑な大型の設備となる傾向にあるという欠点があった。
【０００５】
また、上記システムにあっては、燃料電池５０を安定な温度で作動させるために、燃料電池５０の出口近傍の温度センサ５９で測定される冷媒温度が一定になるように排熱交換器５６を流れる冷媒流量を調整し、また、排熱交換器５６の熱媒側出口近傍の温度センサー６２で測定される熱媒温度が一定になるように排熱熱交換器５６を流れる熱媒流量を調整している。しかし、燃料電池５０の外部出力に変動があった場合、排熱交換器５６の出口近傍における冷媒温度の変動に対して、燃料電池５０の出口近傍における温度センサー５９で測定される冷媒温度の変動は、時間的な遅れが生じ、燃料電池５０の過度の冷却や冷却不足が発生し、上記燃料電池５０の温度が不安定になり、そのため、燃料電池５０の動作が不安定に傾向にあった。また、それに伴って、給湯装置の熱媒の温度も不安定となり、給湯装置の効率を低下させる傾向にあるという欠点があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、燃料電池における外部出力が変動しても、燃料電池を安定な温度で作動させることが可能なコージェネレーションシステムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明のコージェネレーションシステムは、燃料電池を有する燃料電池発電装置と、この燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環流路と、上記冷媒循環流路に燃料電池を通過した冷媒から熱を受容する排熱熱交換器と、この排熱熱交換器を通って冷媒からの熱を受容した熱媒が流れる熱媒流路と上記熱媒を加熱媒体として用いる給湯装置を備えるコージェネレーションシステムにおいて、上記燃料電池の電流負荷値又は電圧負荷値の少なくとも一方に基づいて、燃料電池の負荷を測定する負荷測定手段と、上記冷媒及び上記熱媒の流量をそれぞれ調整する制御部を具備し、制御部は負荷測定手段より伝達される電流負荷値又は電圧負荷値の少なくとも一方から燃料電池の発熱量を算定し、その発熱量に応じた冷媒流量及び熱媒流量を算定して、冷媒流量及び熱媒流量を調整することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明のコージェネレーションシステムは、請求項１記載のコージェネレーションシステムにおいて、上記負荷測定手段が、電流負荷値及び電圧負荷値の両方に基づいて、燃料電池の負荷を測定する負荷測定手段であり、上記制御器が、上記負荷測定手段で測定した燃料電池の電流負荷値と電圧負荷値の積から燃料電池の発熱量を算定することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る発明のコージェネレーションシステムは、請求項１又は請求項２記載のコージェネレーションシステムにおいて、上記冷媒循環路に冷媒ポンプを備え、上記制御器が、上記負荷測定手段で測定した燃料電池の負荷に応じて、この冷媒ポンプの出力を制御することを特徴とする。
【００１０】
請求項４に係る発明のコージェネレーションシステムは、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のコージェネレーションシステムにおいて、上記熱媒流路に熱媒ポンプを備え、上記制御器が、上記負荷測定手段で測定した燃料電池の負荷に応じて、この熱媒ポンプの出力を制御することを特徴とする。
【００１１】
請求項５に係る発明のコージェネレーションシステムは、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のコージェネレーションシステムにおいて、上記給湯装置が貯水槽を備えていて、その貯水槽が、成層型の貯水槽であることを特徴とする。
【００１２】
請求項６に係る発明のコージェネレーションシステムは、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のコージェネレーションシステムにおいて、上記燃料電池に供給する改質ガスから、熱を受容する改質ガス熱交換器を冷媒循環流路に備えることを特徴としている。
【００１３】
請求項７に係る発明のコージェネレーションシステムは、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のコージェネレーションシステムにおいて、上記燃料電池に供給する改質ガスを生成する改質装置が、加熱器を備え、この加熱器より排出する燃焼排ガスから、熱を受容する燃焼排ガス熱交換器を冷媒循環流路に備えることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係るコージェネレーションシステムの実施形態の一例を説明したブロック図である。上記コージェネレーションシステムは、燃料電池１０を搭載することによって電気と熱を供給するものである。
【００１６】
上記コージェネレーションシステムは、原燃料を水蒸気改質して水素に富んだ改質ガスを生成する改質装置２０と、上記改質ガスを導入して発電する固体高分子型の燃料電池１０を備える。上記原燃料は、例えば、ブタンガス、プロパンガス、メタンガス、液化石油ガス等の炭化水素系の気体燃料、灯油、軽油、ガソリン等の炭化水素系の液体燃料、およびメタノール、エタノール等のアルコール系の液体燃料が挙げられる。なかでも、家庭用途のコージェネレーションシステムを想定した場合の原燃料としては、入手が容易で取り扱いの便宜性から、プロパンガス、ブタンガス、メタンガスを主成分としたガス、あるいは灯油が好ましい。上記原燃料が硫黄成分を含む場合は、脱硫器３２で硫黄成分を除去した後に改質装置２０に導入される。
【００１７】
上記改質装置２０は、上記原燃料と共に水および熱エネルギーが供給され、原燃料と水蒸気から水蒸気改質反応によって水素に富んだ改質ガスを生成するものである。上記改質装置２０は、上記水蒸気改質反応を行う改質部２１、改質ガス中の一酸化炭素濃度を抵下させるシフト部２２、さらに一酸化炭素を選択的に酸化し改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する選択酸化部２３、及び、各反応工程に熱エネルギーを供給する加熱器２４を備える。上記加熱器２４には、燃料と空気を供給するが、この燃料は、原燃料と同種の燃料を用いてもよいし、他の燃料を用いてもよい。また、改質装置２０に供給される水は、水を貯えた水タンク３３から改質水ポンプ３７で送られる。
【００１８】
改質装置２０で生成された改質ガスは、改質ガス用の気液分離器３４を備える改質ガス導入路を通って燃料電池１０に導入される。固体高分子型の燃料電池１０は、高分子膜が乾燥すると機能が低下するため、上記改質ガスは燃料電池２０が作動する温度程度の飽和水蒸気を含むように露点調整する必要がある。上記改質ガスの露点調整は、改質装置２０で改質に必要な量よりも過剰に水を供給する。上記改質装置２０で生成された改質ガスは、気液分離器３４で燃料電池２０が作動する温度程度に冷却すると共に、過剰な水分を気液分離器３４にて分離して、改質ガスが適正露点となるように調整している。この分離した水は、上記水タンク３３に送られ蓄えられる。
【００１９】
上記燃料電池１０は、複数のセルからなり、上記一組のセルは、固体型高分子膜を有し、固体型高分子膜の片側一方にアノード１１を、他方にカソード１２を備える。上記燃料電池１０は、アノード１１に温度及び露点調整された改質ガスが供給され、上記カソード１２に空気（酸素）が供給される。上記固体高分子型の燃料電池１０は、７０〜８０℃の低温で作動するため、一般家庭用として容易に利用できるものである。また、上記燃料電池１０で発電した電力は、交流電力が必要な用途に用いる際にパワーコンデイショナー３１に送電され、直流から交流に変換されて外部に出力される。
【００２０】
上記コージェネレーションシステムには、発電の際に上記燃料電池１０が発熱するので、冷却体１３を設けており、冷媒が冷却体１３内部を流通し循環する冷媒循環流路２が形成されている。上記冷媒循環流路２には、上記燃料電池１０を通過した冷媒から熱を受容する排熱熱交換器１と冷媒を循環させる冷媒ポンプ５を備える。
【００２１】
また、上記コージェネレーションシステムは、上記排熱熱交換器１で熱交換した熱媒を加熱媒体として利用する給湯装置を備える。上記給湯装置は、熱媒として水を蓄えた貯水槽２５を備え、この貯水槽２５から上記排熱熱交換器１を経由する熱媒流路１４が形成されている。また、上記給湯装置は、熱媒流路１４内で排熱熱交換器１に熱媒ポンプ１７を備える。
【００２２】
さらに、上記燃料電池１０とパワーコンデイショナー３１を接続する電力線６には、燃料電池１０の電圧負荷値を測定する電圧計７ａと電流負荷値を測定する電流計７ｂが装備される。上記電圧計７ａと上記電流計７ｂの測定信号は、負荷測定手段７に伝達され、そこで、燃料電池１０の外部出力に対応する、燃料電池１０の負荷を測定する。また、この負荷測定手段７で測定された燃料電池１０の負荷に関する信号は、制御器４に送られる。そして、制御器４では、この負荷に関する信号を受け、冷媒ポンプ５と熱媒ポンプ１７に、負荷に関する信号に応じた制御信号を送信する。この制御器４は、負荷測定手段７、冷媒ポンプ５、熱媒ポンプ１７と電気回線で接続されている。燃料電池１０の発電時の発熱量は、燃料電池１０の負荷、すなわち燃料電池１０の電圧負荷値と電流負荷値との積に略比例する量になるので、上記制御器４では、負荷測定手段７より伝達された燃料電池１０の負荷に関する信号から、燃料電池１０の発熱量を算定し、その発熱量に応じた冷媒流量及び熱媒流量を算定し、電気回線を通じて制御信号を冷媒ポンプ５及び熱媒ポンプ１７に送信することにより、冷媒ポンプ５で循環させる冷媒の流量及び熱媒ポンプ１７で循環させる熱媒の流量を調整する。
【００２３】
上記操作により、燃料電池１０の発熱量に応じた冷媒流量に調整することができるので、外部出力の変動による燃料電池１０の発電量が変動した場合でも、燃料電池１０を安定な温度で作動させることが可能になる。また、排熱熱交換器１で熱交換により、熱媒が冷媒より受容する熱量は、燃料電池１０の発熱量に応じた量となるので、燃料電池１０の発熱量に応じた熱媒流量に調整することで、熱媒の温度も安定化させることが可能となる。
【００２４】
また、上述した従来のバイパスを用いた冷媒流量調整でなく、直接、冷媒ポンプ５の出力を調整して、冷媒流量をコントロールするので、冷媒ポンプ５として、より小型のポンプを使用することができる。また、上記冷媒ポンプ５としては、例えば、流量の制御が容易であることから、直流ダイレクトポンプを用いることができる。また、上記冷媒ポンプ５は、冷媒温度による劣化を軽減させるため、排熱熱交換器１の下流でなおかつ燃料電池１０の上流に具備することが好ましい。
【００２５】
上記冷媒循環流路を流れる冷媒としては、電気伝導度の小さいものが好ましく、例えばイオン交換水、フッ素系不活性液体等を用いることができる。
上記給湯装置の貯水槽２５は、蓄熱能力を高めるため成層型の貯水槽を用いることが好ましい。貯水槽２５が成層型の貯水槽であれば、蓄熱途中における高温水と低温水との混合が抑制されるため、温合型の貯水槽のものと比較して、外部へより高温の湯を多量に供給することができる。この成層型の貯水槽を使用する効果を高めるために、成層型の貯水槽には、略一定温度の湯（熱媒）を供給することが重要である。本実施形態のコージェネレーションシステムは、燃料電池１０の発熱量に応じた冷媒流量及び熱媒流量に調整することができるので、外部出力の変動による燃料電池１０の発電量が変動した場合でも、燃料電池１０の発熱量に応じた熱媒流量に調整することで、熱媒である湯の温度も略一定温度で安定化させることができる。
【００２６】
また、図１中の符号３５は排アノードガス用気水分離器、符号３６は排カソードガス用気液分離器である。排アノードガス用気液分離器３５は、燃料電池１０のアノード１１から排出され、燃料電池１０で消費しきれなかった水素及びメタン等の可燃性ガスを含んでいる排アノードガスを、改質装置２０を加熱する燃料の一部として使用する際に、上記排アノードガス中の水とガスを分離するものである。排カソードガス用気液分離器３６は、カソード１２からの排空気に含まれる、燃料電池１０にて生成した水分を排空気から分離し、この水を水タンク３３に回収するものである。
【００２７】
なお、本実施形態においては、負荷測定手段７は、燃料電池１０の電流負荷値及び電圧負荷値の両方に基づいて、燃料電池１０の負荷を測定する手段を用いているが、本実施形態の第１変形例として、燃料電池１０の電流負荷値のみに基づいて、燃料電池１０の負荷を測定する手段を用いていることもでき、また、本実施形態の第２変形例として、燃料電池１０の電圧負荷値のみに基づいて、燃料電池１０の負荷を算定する測定する手段を用いていることもできる。なぜならば、電流負荷値又は電圧負荷値のいずれか一方のデーターを用いても、両方のデーターを用いる場合に比べて若干の誤差を生ずるが、実用上、略正確な燃料電池の負荷を測定することは可能だからである。
【００２８】
次に、本発明のコージェネレーションシステムの他の実施形態（第２の実施形態）について、図１で説明した実施形態とは、異なる点のみ説明する。
【００２９】
第２の実施形態では、図２に示すように冷媒循環流路２に、燃料電池１０に供給される改質ガスから熱を受容する改質ガス熱交換器４１を備える。本実施形態のように、改質ガスからも熱を受容するという構成をとるので、コ−ジェネレーションシステムとしてのトータルの効率を向上させることができる。
【００３０】
なお、制御器４は、負荷測定手段７で測定された負荷の信号を受けて、燃料電池１０の発熱量を算出するとともに、制御器４で負荷の増減に応じて増減される改質ガス流量から、改質ガス熱交換器４１により冷媒が受容する熱量を算定できるようにすると好ましい。そうすると、燃料電池１０が発熱した発熱量と改質ガスから受容した熱とによる冷媒温度の上昇予測値から、制御器４で適切な冷媒流量を算定し、電気回線を通じて、制御信号を冷媒ポンプ５に送信することにより、冷媒ポンプ５で循環させる冷媒流量をより適切に調整することができるようになる。
【００３１】
次に、本発明のコージェネレーションシステムの、さらに他の実施形態（第３の実施形態）について、図１で説明した実施形態とは、異なる点のみ説明する。
【００３２】
第３の実施形態では、図３に示すように冷媒循環流路２に、改質装置２０の加熱器２４に供給された燃料と空気の燃焼排ガスから熱を受容する燃焼排ガス熱交換器４２を備える。本実施形態のように、燃焼排ガスからも熱を受容するという構成をとるので、コ−ジェネレーションシステムとしてのトータルの効率を向上させることができる。
【００３３】
なお、制御器４は、負荷測定手段７で測定された負荷の信号を受けて、燃料電池１０の発熱量を算出するとともに、制御器４で負荷の増減に応じて増減される燃焼排ガス流量から、燃焼排ガス熱交換器４１により冷媒が受容する熱量を算定できるようにすると好ましい。そうすると、燃料電池１０が発熱した発熱量と燃焼排ガスから受容した熱とによる冷媒温度の上昇予測値から、制御器４で適切な冷媒流量を算定し、電気回線を通じて、制御信号を冷媒ポンプ５に送信することにより、冷媒ポンプ５で循環させる冷媒流量をより適切に調整することができるようになる。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１〜７に係る発明のコージェネレーションシステムは、燃料電池を有する燃料電池発電装置と、この燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環流路と、上記冷媒循環流路に燃料電池を通過した冷媒から熱を受容する排熱熱交換器と、この排熱熱交換器を通って冷媒からの熱を受容した熱媒が流れる熱媒流路と上記熱媒を加熱媒体として用いる給湯装置を備えるコージェネレーションシステムにおいて、上記燃料電池の電流負荷値又は電圧負荷値の少なくとも一方に基づいて、燃料電池の負荷を測定する負荷測定手段と、上記冷媒及び上記熱媒の流量を調整する制御器を具備し、この制御器が、負荷測定手段で測定した燃料電池の負荷から燃料電池の発熱量を算定し、その発熱量に応じた冷媒流量及び熱媒流量を算定して、冷媒流量及び熱媒流量を調整しているので、燃料電池における外部出力が変動しても、燃料電池を安定な温度で作動させることが可能なコージェネレーションシステムとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るコージェネレーションシステムの実施形態の一例（第１の実施形態）を説明したブロック図である。
【図２】本発明に係るコージェネレーションシステムの他の実施形態の一例（第２の実施形態）を説明したブロック図である。
【図３】本発明に係るコージェネレーションシステムのさらに他の実施形態の一例（第３の実施形態）を説明したブロック図である。
【図４】従来のコージェネレーションシステムを説明したブロック図である。
【符号の説明】
１排熱熱交換器
２冷媒循環流路
５冷媒ポンプ
７負荷測定手段
１０燃料電池
１４熱媒流路
１７熱媒ポンプ
２０改質器
２５貯水槽
４１改質ガス熱交換器
４２燃焼排ガス熱交換器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a cogeneration system that can supply electricity and heat using a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
Fuel cell power plant having a fuel cell, a rich reformed gas to the hydrogen to the anode of the fuel cell, the oxygen in the air introduced into the cathode of the fuel cell, the electrochemical reaction between the pair of anode and cathode Based on power generation. In the fuel cell power generation device, a cogeneration system that uses the generated electrical energy and collects exhaust heat generated during power generation in a hot water supply device and uses it as thermal energy for hot water supply or the like has been studied. . (For example, Japanese Patent Laid-Open No. 4-206159) In order for the above-described cogeneration system using fuel cells to operate stably even when the external output fluctuates during power generation that outputs power externally through a power conditioner, It is particularly important to recover the accompanying waste heat generated from the fuel cell and operate the fuel cell at a stable temperature.
[0003]
An example of a main part of a conventional cogeneration system is shown in FIG. In this system, the refrigerant circulates through a fuel cell 50 including an anode 51 into which reformed gas is introduced and a cathode 52 into which oxygen in the air is introduced, and a cooling plate 53 that cools the fuel cell 50. The refrigerant circulation path 54, the exhaust heat exchanger 56 that receives heat from the refrigerant in the refrigerant circulation path 54, the refrigerant bypass channel 55 that bypasses the exhaust heat exchanger 56, and the refrigerant bypass channel 55 A first flow rate adjustment valve 57 that adjusts the flow rate of the refrigerant flowing through the flow path 55 is provided. The system adjusts the flow rate of the refrigerant flowing through the exhaust heat exchanger 56 by adjusting the flow rate of the refrigerant flowing through the refrigerant bypass passage 55. The system includes a second flow rate adjustment valve 63 in the heat medium flow path 61 through which the heat medium that has received heat from the refrigerant through the exhaust heat exchanger 56 flows, and adjusts the flow rate of the heat medium. Is widely used. In the figure, reference numeral 31 denotes a power conditioner, and reference numerals 59 and 62 denote temperature sensors.
[0004]
In the above system, the flow rate of the refrigerant flowing through the exhaust heat exchanger 56 is determined by the ratio of the pressure loss between the refrigerant bypass passage 55 and the exhaust heat exchanger-side passage 58. For example, when the flow rate of the refrigerant flowing through the exhaust heat exchanger 56 is the smallest, the first flow rate adjustment valve 57 is fully opened. In this case, the pressure loss of the flow path 58 on the exhaust heat exchanger side must be sufficiently higher than the pressure loss of the refrigerant bypass flow path. When the above system is set to such a pressure loss ratio, if the flow rate of the refrigerant is increased, an excessive burden is imposed on the refrigerant pump 60 and the like for circulating the refrigerant. Conversely, if the pressure loss in the flow path 58 on the exhaust heat exchanger side is set small with respect to the pressure loss in the bypass flow path 55, the flow rate of the refrigerant flowing through the exhaust heat exchanger 56 is sufficiently reduced. I can't. As described above, in the above system, the refrigerant pump 60 and the like are required to be large, and there is a drawback that the configuration tends to be a large facility with a complicated configuration.
[0005]
Further, in the above system, in order to operate the fuel cell 50 at a stable temperature, the exhaust heat exchanger 56 is set so that the refrigerant temperature measured by the temperature sensor 59 near the outlet of the fuel cell 50 is constant. The flow rate of the flowing refrigerant is adjusted, and the flow rate of the heat medium flowing through the exhaust heat exchanger 56 is adjusted so that the temperature of the heat medium measured by the temperature sensor 62 near the heat medium side outlet of the exhaust heat exchanger 56 is constant. is doing. However, when there is a change in the external output of the fuel cell 50, a change in the refrigerant temperature measured by the temperature sensor 59 in the vicinity of the outlet of the fuel cell 50 with respect to a change in the refrigerant temperature near the outlet of the exhaust heat exchanger 56. Causes a delay in time, resulting in excessive cooling or insufficient cooling of the fuel cell 50, which makes the temperature of the fuel cell 50 unstable, and therefore the operation of the fuel cell 50 tends to become unstable. . Along with this, the temperature of the heating medium of the hot water supply apparatus also becomes unstable, and there is a drawback that the efficiency of the hot water supply apparatus tends to be reduced.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a cogeneration system capable of operating a fuel cell at a stable temperature even when the external output of the fuel cell fluctuates. There is to do.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
A cogeneration system according to a first aspect of the present invention includes a fuel cell power generation device having a fuel cell, a refrigerant circulation channel through which a refrigerant for cooling the fuel cell circulates, and a refrigerant that has passed through the fuel cell through the refrigerant circulation channel A heat exchanger that receives heat from the exhaust heat exchanger, a heat medium flow path through which the heat medium that receives heat from the refrigerant through the exhaust heat exchanger, and a hot water supply device that uses the heat medium as a heating medium. The generation system includes load measuring means for measuring the load of the fuel cell based on at least one of the current load value or the voltage load value of the fuel cell, and a control unit for adjusting the flow rates of the refrigerant and the heating medium, respectively. The control unit calculates the heat generation amount of the fuel cell from at least one of the current load value and the voltage load value transmitted from the load measuring means, and the refrigerant flow rate and heat according to the heat generation amount are calculated. And calculating the flow rate, and adjusts the refrigerant flow rate and the heat medium flow rate.
[0008]
A cogeneration system according to a second aspect of the present invention is the cogeneration system according to the first aspect, wherein the load measuring means measures the load of the fuel cell based on both the current load value and the voltage load value. It means der is, the controller is characterized that you calculate the heating value of the fuel cell from the product of the current load value and the voltage load value of the fuel cell measured by the load measuring means.
[0009]
Fuel cogeneration system of the invention according to claim 3, in claim 1 or claim 2 wherein cogeneration system, which includes a refrigerant pump up Symbol refrigerant circulation path, the controller has determined by the load measuring means in accordance with the load of the battery, characterized by a Turkey to control the output of the coolant pump.
[0010]
Cogeneration system of the invention according to claim 4 is the cogeneration system according to any one of claims 1 to 3, comprising a refrigerant pump up Symbol heat medium flow path, the controller is, the load in accordance with the load of the fuel cell measured by the measurement means and the Turkey to control the output of the heating medium pump.
[0011]
A cogeneration system according to a fifth aspect of the present invention is the cogeneration system according to any one of the first to fourth aspects, wherein the hot water supply device includes a water storage tank, and the water storage tank is a stratified water storage system. It is a tank.
[0012]
A cogeneration system according to a sixth aspect of the present invention is the cogeneration system according to any one of the first to fifth aspects, wherein the reformed gas heat exchange receives heat from the reformed gas supplied to the fuel cell. The apparatus is provided with a refrigerant circulation channel.
[0013]
A cogeneration system according to a seventh aspect of the present invention is the cogeneration system according to any one of the first to sixth aspects, wherein the reformer that generates the reformed gas supplied to the fuel cell includes a heater. The refrigerant circulation flow path is provided with a flue gas heat exchanger that receives heat from the flue gas discharged from the heater.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
[0015]
FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of an embodiment of a cogeneration system according to the present invention. The cogeneration system supplies electricity and heat by mounting the fuel cell 10.
[0016]
The cogeneration system includes a reformer 20 that generates a reformed gas rich in hydrogen by steam reforming the raw fuel, and a solid polymer fuel cell 10 that generates power by introducing the reformed gas. . Examples of the raw fuel include hydrocarbon gas fuels such as butane gas, propane gas, methane gas, and liquefied petroleum gas, hydrocarbon liquid fuels such as kerosene, light oil, and gasoline, and alcohol liquids such as methanol and ethanol. Fuel. Among these, as a raw fuel when assuming a cogeneration system for household use, a gas mainly composed of propane gas, butane gas, methane gas, or kerosene is preferable because it is easily available and easy to handle. When the raw fuel contains a sulfur component, the sulfur component is removed by the desulfurizer 32 and then introduced into the reformer 20.
[0017]
The reformer 20 is supplied with water and heat energy together with the raw fuel, and generates a reformed gas rich in hydrogen from the raw fuel and steam by a steam reforming reaction. The reformer 20 includes a reformer 21 that performs the steam reforming reaction, a shift unit 22 that reduces the concentration of carbon monoxide in the reformed gas, and further selectively oxidizes carbon monoxide in the reformed gas. The selective oxidation part 23 which reduces the carbon monoxide concentration, and the heater 24 which supplies thermal energy to each reaction process are provided. The heater 24 is supplied with fuel and air, and the fuel may be the same type of fuel as the raw fuel or other fuel. The water supplied to the reformer 20 is sent by a reforming water pump 37 from a water tank 33 that stores water.
[0018]
The reformed gas generated by the reformer 20 is introduced into the fuel cell 10 through a reformed gas introduction path including a gas-liquid separator 34 for the reformed gas. Since the function of the polymer electrolyte fuel cell 10 is reduced when the polymer membrane is dried, it is necessary to adjust the dew point so that the reformed gas contains saturated steam at a temperature at which the fuel cell 20 operates. The adjustment of the dew point of the reformed gas supplies water more than the amount required for reforming by the reformer 20. The reformed gas generated by the reformer 20 is cooled to a temperature at which the fuel cell 20 is operated by the gas-liquid separator 34, and excess moisture is separated by the gas-liquid separator 34. The gas is adjusted to have an appropriate dew point. The separated water is sent to the water tank 33 and stored.
[0019]
The fuel cell 10 includes a plurality of cells, and the set of cells includes a solid polymer membrane, and includes an anode 11 on one side of the solid polymer membrane and a cathode 12 on the other. In the fuel cell 10, a reformed gas whose temperature and dew point are adjusted is supplied to the anode 11, and air (oxygen) is supplied to the cathode 12. Since the polymer electrolyte fuel cell 10 operates at a low temperature of 70 to 80 ° C., it can be easily used for general household use. The power generated by the fuel cell 10 is transmitted to the power conditioner 31 when used for an application that requires AC power, converted from DC to AC and output to the outside.
[0020]
In the cogeneration system, since the fuel cell 10 generates heat during power generation, a cooling body 13 is provided, and a refrigerant circulation passage 2 through which the refrigerant circulates and circulates inside the cooling body 13 is formed. The refrigerant circulation passage 2 includes an exhaust heat exchanger 1 that receives heat from the refrigerant that has passed through the fuel cell 10 and a refrigerant pump 5 that circulates the refrigerant.
[0021]
In addition, the cogeneration system includes a hot water supply device that uses, as a heating medium, the heat medium that has exchanged heat with the exhaust heat exchanger 1. The hot water supply apparatus includes a water storage tank 25 that stores water as a heat medium, and a heat medium flow path 14 is formed from the water storage tank 25 through the exhaust heat exchanger 1. In addition, the hot water supply apparatus includes a heat medium pump 17 in the exhaust heat exchanger 1 in the heat medium flow path 14.
[0022]
Further, the power line 6 connecting the fuel cell 10 and the power conditioner 31 is equipped with a voltmeter 7a for measuring the voltage load value of the fuel cell 10 and an ammeter 7b for measuring the current load value. The measurement signals of the voltmeter 7a and the ammeter 7b are transmitted to the load measuring means 7, where the load of the fuel cell 10 corresponding to the external output of the fuel cell 10 is measured. A signal related to the load of the fuel cell 10 measured by the load measuring means 7 is sent to the controller 4. The controller 4 receives the signal related to the load and transmits a control signal corresponding to the signal related to the load to the refrigerant pump 5 and the heat medium pump 17. The controller 4 is connected to the load measuring means 7, the refrigerant pump 5, and the heat medium pump 17 through an electric circuit. The amount of heat generated during power generation by the fuel cell 10 is approximately proportional to the load of the fuel cell 10, that is, the product of the voltage load value and the current load value of the fuel cell 10. Therefore, the controller 4 uses the load measuring means. 7 calculates the heat generation amount of the fuel cell 10 from the signal relating to the load of the fuel cell 10 transmitted from 7, calculates the refrigerant flow rate and the heat medium flow rate according to the heat generation amount, and sends the control signal to the refrigerant pump 5 and By transmitting to the heat medium pump 17, the flow rate of the refrigerant circulated by the refrigerant pump 5 and the flow rate of the heat medium circulated by the heat medium pump 17 are adjusted.
[0023]
By the above operation, the refrigerant flow rate can be adjusted according to the heat generation amount of the fuel cell 10, so that the fuel cell 10 is operated at a stable temperature even when the power generation amount of the fuel cell 10 fluctuates due to fluctuations in the external output. It becomes possible. Further, the amount of heat that the heat medium receives from the refrigerant by heat exchange in the exhaust heat exchanger 1 becomes an amount corresponding to the amount of heat generated by the fuel cell 10, so that the heat medium flow rate corresponding to the amount of heat generated by the fuel cell 10 is set. By adjusting the temperature, the temperature of the heating medium can be stabilized.
[0024]
Further, since the refrigerant flow rate is controlled by directly adjusting the output of the refrigerant pump 5 instead of adjusting the refrigerant flow rate using the conventional bypass described above, a smaller pump can be used as the refrigerant pump 5. . Further, as the refrigerant pump 5, for example, a direct current pump can be used because the flow rate is easily controlled. The refrigerant pump 5 is preferably provided downstream of the exhaust heat exchanger 1 and upstream of the fuel cell 10 in order to reduce deterioration due to refrigerant temperature.
[0025]
As the refrigerant flowing through the refrigerant circulation channel, one having a low electric conductivity is preferable, and for example, ion exchange water, a fluorine-based inert liquid, or the like can be used.
As the water storage tank 25 of the hot water supply device, it is preferable to use a stratified water storage tank in order to increase the heat storage capacity. If the water storage tank 25 is a stratified type water storage tank, since mixing of high temperature water and low temperature water during heat storage is suppressed, hot water is supplied to the outside more than that of a warm water storage tank. A large amount can be supplied. In order to enhance the effect of using the stratified water tank, it is important to supply hot water (heat medium) having a substantially constant temperature to the stratified water tank. Since the cogeneration system of this embodiment can be adjusted to the refrigerant flow rate and the heat medium flow rate according to the calorific value of the fuel cell 10, even if the power generation amount of the fuel cell 10 due to the fluctuation of the external output fluctuates, the fuel By adjusting the flow rate of the heat medium according to the amount of heat generated by the battery 10, the temperature of the hot water as the heat medium can be stabilized at a substantially constant temperature.
[0026]
Further, reference numeral 35 in FIG. 1 denotes a gas / water separator for exhaust anode gas, and reference numeral 36 denotes a gas / liquid separator for exhaust cathode gas. The gas / liquid separator 35 for exhaust anode gas is a reformer that converts exhaust anode gas containing flammable gas such as hydrogen and methane discharged from the anode 11 of the fuel cell 10 and not consumed by the fuel cell 10. When 20 is used as part of the fuel for heating, water and gas in the exhaust anode gas are separated. The exhaust cathode gas-liquid separator 36 separates the water generated in the fuel cell 10 contained in the exhaust air from the cathode 12 from the exhaust air and collects this water in the water tank 33.
[0027]
In the present embodiment, the load measuring means 7 uses means for measuring the load of the fuel cell 10 based on both the current load value and the voltage load value of the fuel cell 10. As a first modification, a means for measuring the load of the fuel cell 10 based only on the current load value of the fuel cell 10 can be used. As a second modification of the present embodiment, the fuel cell 10 can be used. It is also possible to use a measuring means for calculating the load of the fuel cell 10 based only on the voltage load value. This is because even if either data of current load value or voltage load value is used, there is a slight error compared to the case of using both data, but in practice, the load of the fuel cell is measured substantially accurately. Because it is possible.
[0028]
Next, another embodiment (second embodiment) of the cogeneration system of the present invention will be described only with respect to differences from the embodiment described in FIG.
[0029]
In the second embodiment, as shown in FIG. 2, the refrigerant circulation passage 2 includes a reformed gas heat exchanger 41 that receives heat from the reformed gas supplied to the fuel cell 10. Since the configuration is such that heat is also received from the reformed gas as in this embodiment, the total efficiency of the co-generation system can be improved.
[0030]
The controller 4 receives the load signal measured by the load measuring means 7 to calculate the amount of heat generated by the fuel cell 10 and the reformed gas flow rate that is increased or decreased according to the increase or decrease of the load by the controller 4. Therefore, it is preferable that the amount of heat received by the refrigerant can be calculated by the reformed gas heat exchanger 41. Then, an appropriate refrigerant flow rate is calculated by the controller 4 from the predicted increase in refrigerant temperature due to the amount of heat generated by the fuel cell 10 and the heat received from the reformed gas, and the control signal is sent to the refrigerant pump 5 through the electric circuit. The refrigerant flow rate circulated by the refrigerant pump 5 can be adjusted more appropriately.
[0031]
Next, still another embodiment (third embodiment) of the cogeneration system of the present invention will be described only with respect to differences from the embodiment described in FIG.
[0032]
In the third embodiment, as shown in FIG. 3, a combustion exhaust gas heat exchanger 42 that receives heat from the combustion exhaust gas of fuel and air supplied to the heater 24 of the reformer 20 is provided in the refrigerant circulation passage 2. Prepare. As in the present embodiment, since the heat is also received from the combustion exhaust gas, the total efficiency of the co-generation system can be improved.
[0033]
The controller 4 receives the load signal measured by the load measuring means 7 and calculates the calorific value of the fuel cell 10, and from the combustion exhaust gas flow rate that is increased or decreased according to the increase or decrease of the load by the controller 4. It is preferable that the amount of heat received by the refrigerant can be calculated by the combustion exhaust gas heat exchanger 41. Then, an appropriate refrigerant flow rate is calculated by the controller 4 from the predicted increase in the refrigerant temperature due to the amount of heat generated by the fuel cell 10 and the heat received from the combustion exhaust gas, and a control signal is sent to the refrigerant pump 5 through the electric circuit. By transmitting, the refrigerant | coolant flow volume circulated with the refrigerant | coolant pump 5 can be adjusted more appropriately.
[0034]
【The invention's effect】
The cogeneration system according to the first to seventh aspects of the present invention includes a fuel cell power generation device having a fuel cell, a refrigerant circulation passage through which a refrigerant for cooling the fuel cell circulates, and the fuel cell passing through the refrigerant circulation passage. An exhaust heat exchanger that receives heat from the refrigerant, a heat medium flow path through which the heat medium that has received heat from the refrigerant passes through the exhaust heat exchanger, and a hot water supply device that uses the heat medium as a heating medium. A cogeneration system comprising: a load measuring means for measuring a load of the fuel cell based on at least one of a current load value or a voltage load value of the fuel cell; and a controller for adjusting the flow rates of the refrigerant and the heating medium. provided, the controller is to calculate the heating value of the fuel cell from the load of the fuel cell measured by the load measuring means, and calculates the flow rate of refrigerant and the heat medium flow rate corresponding to the calorific value, the refrigerant flow rate及 Since adjusting the heat medium flow rate, even if the external output is varied in the fuel cell, it becomes capable cogeneration system operating the fuel cell at a stable temperature.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating an example (first embodiment) of an embodiment of a cogeneration system according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram illustrating an example (second embodiment) of another embodiment of the cogeneration system according to the present invention.
FIG. 3 is a block diagram illustrating an example (third embodiment) of still another embodiment of the cogeneration system according to the present invention.
FIG. 4 is a block diagram illustrating a conventional cogeneration system.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Waste heat exchanger 2 Refrigerant circulation flow path 5 Refrigerant pump 7 Load measuring means 10 Fuel cell 14 Heat medium flow path 17 Heat medium pump 20 Reformer 25 Water storage tank 41 Reformed gas heat exchanger 42 Combustion exhaust gas heat exchanger

Claims

A fuel cell power generation device having a fuel cell, a refrigerant circulation channel through which a refrigerant that cools the fuel cell circulates, an exhaust heat exchanger that receives heat from the refrigerant that has passed through the fuel cell in the refrigerant circulation channel, In a cogeneration system comprising a heat medium flow path through which a heat medium that has received heat from the refrigerant passes through the exhaust heat exchanger and a hot water supply device that uses the heat medium as a heating medium, the current load value of the fuel cell or Load measuring means for measuring the load of the fuel cell based on at least one of the voltage load values, and a controller for adjusting the flow rates of the refrigerant and the heating medium , and this controller measured by the load measuring means. to calculate the heating value of the fuel cell from the load of the fuel cell, and calculates the flow rate of refrigerant and the heat medium flow rate corresponding to the heating value, and adjusts the refrigerant flow rate and the heat medium flow rate cogeneration Stem.

The load measuring means, based on both the current load value and the voltage load value, Load due measuring means der for measuring the load of the fuel cell, the controller is, the current load of the fuel cell measured by the load measuring means cogeneration system according to claim 1, wherein that you calculate the heating value of the fuel cell from a product of the value of the voltage load value.

Includes a refrigerant pump up Symbol refrigerant circulation path, the controller is, in accordance with the load of the fuel cell measured by the load measuring means, according to claim 1 or, wherein the benzalkonium control the output of the refrigerant pump The cogeneration system according to claim 2.

Comprising a refrigerant pump up Symbol heat medium flow path, the controller is, in accordance with the load of the fuel cell measured by the load measuring means and the Turkey to control the output of the heating medium pump according The cogeneration system according to any one of claims 1 to 3.

The cogeneration system according to any one of claims 1 to 4, wherein the hot water supply device includes a water storage tank, and the water storage layer is a stratified water storage tank.

The cogeneration system according to any one of claims 1 to 5, further comprising a reformed gas heat exchanger that receives heat from the reformed gas supplied to the fuel cell.

A reformer that generates reformed gas to be supplied to the fuel cell includes a heater, and a refrigerant exhaust passage that includes a flue gas heat exchanger that receives heat from the flue gas discharged from the heater. The cogeneration system according to any one of claims 1 to 6, wherein the cogeneration system is characterized.