JP4464594B2 - Fuel cell power generation system - Google Patents

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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、コージェネレーションシステムとして、環境問題を考慮して燃料電池を組み入れた発電システムが提案されている。この燃料電池としては、単セルを複数積層して構成されたものが知られており、単セルとしては、電解質膜と、この電解質膜を狭持するアノード及びカソードと、アノードに燃料ガスを供給しカソードに酸化ガスを供給すると共に隣り合う単セルとの隔壁をなすセパレータとを備えたものが知られている。また、燃料ガスとしては、バーナー等により加熱された燃料ガス生成器において炭化水素系燃料と水との反応により得られた水素リッチなガスを利用するものが知られている。
【0003】
ところで、燃料電池発電システムにおいて、一つのパッケージ内に燃料電池や燃料ガス生成器などの各構成要素を収納したものが知られている。例えば、特開平9−199152号公報には、一つのパッケージを燃料室やモータ室や電源室に区切り、燃料室には燃料ガスとしての水素を発生する水素発生装置や燃料電池や熱交換器類などの各構成要素を収容している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した公報では、水素発生装置や燃料電池や熱交換器類などの各構成要素をどのようなレイアウトで配置するかを考慮していないため、特にコンパクトなパッケージを採用したときに各構成要素を機能上良好に動作させることが困難であった。
【0005】
本発明は、上述の課題に鑑みなされたものであり、システムの構成要素を機能上良好に動作させることのできる燃料電池発電システムを提供することを目的の一つとする。また、コンパクトなパッケージを採用するのに適した燃料電池発電システムを提供することを目的の一つとする。
【0006】
【課題を解決するための手段及びその作用・効果】
上述した目的の少なくとも一つを達成するために、本発明は以下の構成を採っている。
【0007】
本発明の第1は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電量を制御する制御部と、システム稼働中の温度が高温である高温部とを備えた燃料電池発電システムであって、
前記制御部と前記高温部とは同じパッケージ内にて離間して配置され、
前記制御部は、前記パッケージのうち前記高温部が配置された高温部配置面とは反対側の面に配置され、
前記高温部は、炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを燃料ガスとして前記燃料電池へ供給する燃料ガス生成部を含み、
前記制御部と前記燃料ガス生成部との間には、システム稼働中の温度が低温である低温部として、前記燃料ガス生成部における反応用の水を貯留する水タンクが前記制御部に隣接して配置されているものである。
【0008】
この燃料電池発電システムでは、システムの構成要素の一つである制御部は高温部から離れて配置されているため、システム稼働中に高温部の影響を受けにくく高温化しにくい。したがって、この燃料電池発電システムによれば、制御部は機能上良好に動作することができる。また、制御部は、パッケージのうち高温部が配置された高温部配置面とは反対側の面に配置されていることから、制御部と高温部とを比較的大きく離して配置することができるため、制御部はより高温化しにくい。また、燃料ガス生成部はシステム稼働中に高温になるが、制御部はこの燃料ガス生成部から離れて配置されているため燃料ガス生成部によって高温化するのが防止される。また、前記制御部の近傍に前記低温部として水タンクが配置されているため、制御部は水タンクによって有効に遮熱される。
【0010】
本発明の第1の燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池と前記制御部と前記高温部とは同じパッケージ内に収められ、前記燃料電池が前記高温部の上方に配置されていてもよい。こうすれば、システム起動時等に高温部で暖められた空気が燃料電池の周りに集まりやすいため、暖機性が向上する。このシステム構成において、前記燃料電池は前記高温部と前記制御部との上方に配置され、該燃料電池の一端にガス及び冷却水の配管接続部、他端に電力取出部が設けられていてもよい。こうすれば、比較的小さなスペースで配管の接続や電力の取り出しが可能となるため、コンパクトなパッケージを採用するのに適している。
【0012】
本発明の第1の燃料電池発電システムにおいて、前記高温部は、システム起動時に前記燃料電池を通過させなかった燃料ガス又はシステム運転時(つまり燃料電池の発電時)に前記燃料電池にて消費されなかった燃料ガスを燃焼するオフガス燃焼部を含んでいてもよい。こうすれば、制御部は、燃料ガスの燃焼によって高温になるオフガス燃焼部から離れて配置されているため、オフガス燃焼部によって高温化するのが防止される。
【0014】
本発明の第1の燃料電池発電システムにおいて、前記低温部は、前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスの熱を奪うアノードオフガス熱交換器、前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスの熱を奪うカソードオフガス熱交換器、及び前記燃料電池を冷却する冷却水の熱を奪う冷却水熱交換器のうちの少なくとも一つを含んでいてもよい。ここに示した各熱交換器はシステム稼働中の温度が低温のため、制御部を遮熱するうえで有用である。ここで、「アノードオフガス熱交換器」とは、アノードオフガスに含まれる水分を凝縮させる凝縮器も含む意であり、「カソードオフガス熱交換器」とは、カソードオフガスに含まれる水分を凝縮させる凝縮器も含む意である。
【0016】
本発明の第2は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電量を制御する制御部と、システム稼働中に発生した排ガスを排出するガス排出部とを備えた燃料電池発電システムであって、前記制御部と前記ガス排出部とは同じパッケージ内に収められ、前記制御部は前記パッケージのうち前記ガス排出部が配置されたガス排出部配置面とは別の面に配置されているものである。
【0017】
この燃料電池発電システムでは、システムの構成要素の一つである制御部は、パッケージのうちガス排出部配置面とは別の面に配置されているため、排ガスの影響を受けにくく、機能上良好に動作することができる。
【0018】
本発明の第2の燃料電池発電システムにおいて、前記制御部は、前記ガス排出部配置面とは反対側の面に配置されていてもよい。こうすれば、制御部は排ガスの影響を一層受けにくい。ここで、前記ガス排出部は、前記燃料電池のアノード又はカソードから排出されたオフガス(燃料電池から排出されたのち何らかの処理が施されたあとのガスであってもよい)を排出してもよいし、炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを燃料ガスとして前記燃料電池へ供給する燃料ガス生成部のうち前記反応に必要な熱を供給する燃焼部の燃焼排ガスを排出してもよい。
【0019】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の好適な一実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、燃料電池発電システム10の構成の概略を示すブロック図、図2は燃料電池発電システム10の電子制御ユニット60の信号入出力を示すブロック図である。
【0020】
この燃料電池発電システム10は、図1に示すように、主として、都市ガスを水素リッチな改質ガスに改質する改質器30と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスとするCO選択酸化部34と、都市ガスと蒸気とを適当な比率で混合した混合気を改質器30へ供給する混合器28と、混合器28へ供給する蒸気の供給源に当たる水タンク26と、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池40と、貯湯槽52に貯留された熱交換媒体54としての水又は湯を循環する熱交換媒体循環経路50の途中に配置された各熱交換器42,44,45,46とを備えている。この図1における白抜き矢印は、循環経路50を流通する熱交換媒体54の流れを表し、▲1▼と▲1▼、▲2▼と▲2▼、▲3▼と▲3▼はそれぞれ繋がっているものとする。また、燃料電池発電システム10は、図2に示すように、燃料電池40からの直流電力の電圧および電流を調整して所望の直流電力に変換するDC/DCコンバータ5と、変換された直流電力を商用電源2と同位相の交流電力に変換して商用電源2から負荷16へ電力を供給する電力ライン12に遮断器7を介して供給するインバータ6と、電圧または電流が調整された直流電力の一部を降圧して補機電源として機能するDC/DCコンバータ8と、負荷16で消費する負荷電力を検出する負荷電力計4と、システム全体をコントロールする制御部としての電子制御ユニット60とを備えている。
【0021】
改質器30は、混合器28から導入される都市ガスと蒸気との混合気を次式(1)及び次式(2)の水蒸気改質反応及びシフト反応に供することにより、水素リッチな改質ガスを生成する。改質器30には、こうした反応に必要な熱を供給する燃焼部32が設けられており、燃焼部32には、ガス配管22からバルブ221及び昇圧ポンプ223を介して都市ガスが供給されると共に燃焼に必要な空気が供給され、更にアノードオフガス熱交換器42を通過した後のアノードオフガスが供給されるように配管されている。つまり、アノードオフガスを有効利用するために、アノードオフガス中の未反応の水素を燃焼部32の燃料として用いることができるように構成されている。なお、本実施形態では燃焼部32としてバーナーを採用している。燃焼部32を含む改質器30のシステム稼働中の内部温度は数百℃(600〜700℃程度)に達する。
【0022】
【数1】
CH4+H2O→CO+3H2 (1)
CO+H2O→CO2+H2 (2)
【0023】
CO選択酸化部34は、図示しない配管による空気の供給を受けて水素の存在下で一酸化炭素を選択して酸化する一酸化炭素選択酸化触媒(例えば白金とルテニウムの合金による触媒)により、改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化して一酸化炭素濃度が極めて低い(本実施形態では数ppm程度)水素リッチな燃料ガスとする。このCO選択酸化部34のシステム稼働中の内部温度は数百℃に達する。なお、改質器30及びCO選択酸化部34が本発明の燃料ガス生成部に相当する。
【0024】
混合器28は、ガス配管22からバルブ221及び昇圧ポンプ222を経たあと脱硫器24で硫黄分の除去された都市ガスと、水タンク26からの水が蒸発器27にて蒸発された蒸気とを適当な比率で混合し、改質器30に供給する。
【0025】
水タンク26は、定量ポンプ261及びバルブ262を介して蒸発器27に配管接続されている。水タンク26に貯められた水は、定量ポンプ261の駆動により蒸発器27に供給される。この水タンク26には、水道水を浄化・精製する水精製器25から精製水が供給されるほか、アノードオフガス熱交換器42及びカソードオフガス熱交換器44から凝縮水が供給されるように配管されている。この水タンク26のシステム稼働中の内部温度は数十℃(概ね50℃以下)である。
【0026】
燃料電池40は、単セル410(図3参照)を複数積層してなる固体高分子型の燃料電池として構成されており、単セル410は、図3に示すように、電解質膜412と、この電解質膜412を狭持するアノード414及びカソード416と、このアノード414に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路415を有するセパレータ418及びカソード416に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路417を有するとセパレータ420とから構成され、セパレータ418,420は隣り合う単セル410との隔壁をなす。また、アノード414は触媒電極414aとガス拡散電極414bとからなり、カソード416は触媒電極416aとガス拡散電極416bとからなる。そして、各単セル410のアノード414にはCO選択酸化部34から燃料ガスが供給され、各単セル410のカソード416にはブロア41から加湿器411を経て酸化ガスとしての空気が供給されることにより、燃料ガス中の水素と酸化ガス中の酸素との電気化学反応によって発電する。
【0027】
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。循環ポンプ51は、熱交換媒体循環経路50の途中に設けられ、貯湯槽52から熱交換媒体循環経路50に熱交換媒体54を循環させる。また、貯湯槽52に貯留された熱交換媒体54としてのお湯は、図示しない給湯経路を通じて所定箇所に供給され、お湯が供給されたあと貯湯槽52には満水になるように水道水が補給される。
【0028】
アノードオフガス熱交換器42は、システム起動時(運転開始直後)には、電子制御ユニット60によってバルブ61及びバルブ63が開放されバルブ62及びバルブ64が閉鎖されるため、CO選択酸化部34から送り込まれた初期の燃料ガスと熱交換媒体循環経路50を通過する熱交換媒体54との間で熱交換を行う。このアノードオフガス熱交換器42において、熱交換媒体54は初期の燃料ガスの凝縮潜熱を奪うことにより熱を回収し、燃料ガスは凝縮潜熱が奪われることにより水分が凝縮し低湿度化する。また、アノードオフガス熱交換器42は、熱交換後の燃料ガスを初期オフガス燃焼器57に供給する。初期オフガス燃焼器57に送り込まれた燃料ガスは、この初期オフガス燃焼器57にて触媒燃焼したあと初期オフガス熱交換器58を経て第1ガス排出口49(図4参照)から外部へ放出される。なお、初期オフガス熱交換器58及び初期オフガス燃焼器57は冷却水循環経路43に組み込まれており、燃料電池40を通過したあとの冷却水が初期オフガス熱交換器58及び初期オフガス燃焼器57をこの順で通過して冷却する。
【0029】
一方、アノードオフガス熱交換器42は、定常運転時には、電子制御ユニット60によってバルブ61及びバルブ63が閉鎖されバルブ62及びバルブ64が開放されるため、CO選択酸化部34から燃料電池40のアノード414を経て排出されたアノードオフガスと熱交換媒体循環経路50を通過する熱交換媒体54との間で熱交換を行う。このアノードオフガス熱交換器42において、熱交換媒体54はアノードオフガスの凝縮潜熱を奪うことにより熱を回収し、アノードオフガスは凝縮潜熱が奪われることにより水分が凝縮し低湿度化する。また、アノードオフガス熱交換器42は、熱交換後のアノードオフガスを燃焼部32に供給すると共に、アノードオフガス中の水分が凝縮して得られた凝縮水を水タンク26へ供給する。このアノードオフガス熱交換器42のシステム稼働中の内部温度は数十℃(50〜80℃程度)である。
【0030】
カソードオフガス熱交換器44は、燃料電池40のカソード416から排出されたカソードオフガスと熱交換媒体循環経路50を通過する熱交換媒体54との間で熱交換を行う。このカソードオフガス熱交換器44において、熱交換媒体54はカソードオフガスの凝縮潜熱を奪うことにより熱を回収し、カソードオフガスは凝縮潜熱が奪われることにより水分が凝縮する。また、カソードオフガス熱交換器44は、熱交換後のカソードオフガスを第1ガス排出口49(図4参照)から大気中に放出すると共に、カソードオフガス中の水分が凝縮して得られた凝縮水を水タンク26へ供給する。このカソードオフガス熱交換器44のシステム稼働中の内部温度は数十℃(50〜80℃程度)である。
【0031】
燃焼排ガス熱交換器45は、燃焼部32で発生する燃焼排ガスと熱交換媒体循環経路50を通過する熱交換媒体54との間で熱交換を行う。この燃焼排ガス熱交換器45において、熱交換媒体54は燃焼排ガスから熱を奪って回収する。なお、燃焼排ガスとは、都市ガス又はアノードオフガス熱交換器42を経た後のアノードオフガスと空気中の酸素とが燃焼し、改質器30を囲うように設けられた図示しないジャケットを通過したあと第2ガス排出口59(図4参照)排出されるガスである。
【0032】
冷却水熱交換器46は、冷却水循環経路43の途中に設けられている。ここで、冷却水循環経路43は、循環ポンプ48によってリザーバタンク47に貯留された冷却水がこのリザーバタンク47から燃料電池40の図示しない冷却水通路を経たのち初期オフガス熱交換器58、初期オフガス燃焼器57の図示しない冷却水通路、冷却水熱交換器46をこの順に通過して再びリザーバタンク47に戻るという循環経路である。但し、冷却水循環経路43のうち冷却水熱交換器46とリザーバタンク47との間には、ファンによる強制冷却を行う冷却器55を備えたバイパス経路が設けられており、冷却水が予め設定した温度を越えないときにはバイパス経路の分岐点に設けられたサーモスタット56が作動せず、冷却水を冷却水熱交換器46から直ちにリザーバタンク47へ導き、一方、冷却水が所定温度を越えたときにはサーモスタット56が作動し、冷却水をバイパス経路へ導いて冷却器55にて強制的に冷やしたあとリザーバタンク47へ導く。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を通過したあとの冷却水(各部を冷却することにより温水になっている)と熱交換媒体循環経路50を通過する熱交換媒体54との間で熱交換を行う。燃料電池40における電気化学反応は発熱反応であるが、このように冷却水を循環させることにより、燃料電池40は適温(本実施形態では80〜90℃)に保持される。この冷却水熱交換器46のシステム稼働中の内部温度は数十℃(50〜80℃程度)である。
【0033】
燃料電池40の出力端子は、図2に示すように、DC/DCコンバータ5,インバータ6,遮断器7を介して商用電源2から負荷16への電力ライン12に接続されており、燃料電池40からの直流電力が商用電源2と同位相の交流電力に変換されて商用電源2からの交流電力に付加されて負荷16に供給できるようになっている。DC/DCコンバータ5やインバータ6は、一般的なDC/DCコンバータ回路やインバータ回路として構成されているから、その詳細な説明は省略する。また、DC/DCコンバータ5の出力側から分岐した電力ラインには、各種バルブ29,61〜64,221,262のソレノイドや、各種ポンプ48,51,222,223,261や、ブロア41などの補機に直流電力を供給する直流電源として機能するDC/DCコンバータ8が接続されている。なお、負荷16は、遮断器18を介して電力ライン12に接続されている。
【0034】
電子制御ユニット60は、周知のCPU、ROM、RAMなどを含むマイクロプロセッサとして構成されている。この電子制御ユニット60には、インバータ6内の図示しない電流センサや電圧センサからの出力電流や電圧,負荷電力計4からの負荷電力,改質器30やCO選択酸化部34,燃料電池40に取り付けられた図示しない温度センサからの各温度などが入力される。また、電子制御ユニット60からは、各種バルブ29,61〜64,221,262のソレノイドへの駆動信号や、各種ポンプ48,51,222,223,261への駆動信号や、ブロア41への駆動信号や、燃焼部32への点火信号のほか、DC/DCコンバータ5やDC/DCコンバータ8への制御信号,インバータ6へのスイッチング制御信号,遮断器7への駆動信号などが出力される。
【0035】
この電子制御ユニット60は、負荷電力計4によって検出された負荷電力に応じてハイ、ミドル、ローのいずれかの運転モードが決まると、その運転モードに応じて定められた電力を目標出力電力として、燃料電池40からの直流電力がインバータ6で変換されて電力ライン12に供給される交流電力が目標出力電力となるように、燃料電池40の発電量を制御したり、DC/DCコンバータ5やインバータ6を制御したりする。ここで、燃料電池40の発電量の制御とは、例えば都市ガスのバルブ221や昇圧ポンプ222あるいは水タンク26の定量ポンプ261やバルブ262を制御することにより燃料電池40への燃料ガスの供給量を制御したり、ブロア41を制御することにより酸化ガスの供給量を制御したりすることをいう。
【0036】
次に、こうして構成された燃料電池発電システム10のパッケージ構成について説明する。図1及び図2に示すように、燃料電池発電システム10は、本体パッケージ10aと、貯湯パッケージ10bと、系統連係パッケージ10cとを備え、各パッケージ10a,10b,10cは、それぞれ一つの筐体の内部に種々のシステム構成部品を収納している。即ち、本体パッケージ10aには、主として、改質器30やCO選択酸化部34や水タンク26や燃料電池40やブロア41やアノードオフガス熱交換器42やカソードオフガス熱交換器44や燃焼排ガス熱交換器45や冷却水熱交換器46やリザーバタンク47や電子制御ユニット60などが収められている。また、貯湯パッケージ10bには、主として、水精製器25や貯湯槽52などが収められている。更に、系統連係パッケージ10cには、主として、DC/DCコンバータ5,8やインバータ6などが収められている。
【0037】
本体パッケージ10aについて図4に基づいて更に詳しく説明する。図4は本体パッケージ10aに収納された主要部品のレイアウトを示す説明図であって、本体パッケージ10aのうち開閉又は着脱可能な図示しない前面扉を開いたときの正面図であり、左右が幅、上下が高さ、前後(紙面に垂直方向)が奥行きを表す。本実施形態の本体パッケージ10aは、幅700mm、奥行き360mm、高さ900mmの直方体形状の筐体であり、従来に比べてコンパクトな大きさになっている。
【0038】
本体パッケージ10aの最上段には、燃料電池40とリザーバタンク47と加湿器411とが配置され、リザーバタンク47が燃料電池40の手前に配置されている。この燃料電池40は、左端壁に燃料ガス、酸化ガス及び冷却水の配管接続部40aを備え、右端壁に系統連係パッケージ10cに電力を出力する電力取出部40bを備えている。また、本体パッケージ10aのうち燃料電池40の下方のスペースには、燃料ガス生成部としての改質器30及びCO選択酸化部34と、制御部としての電子制御ユニット60とが隣接せず離間して配置されている。具体的には、システム稼働中の温度が高温である改質器30及びCO選択酸化部34は本体パッケージ10aの左側面にほぼ接するように配置され、電子制御ユニット60は本体パッケージ10aの右側面にほぼ接するように配置されている。また、改質器30の近傍にはシステム起動時の温度が高温であるオフガス燃焼器57が配置され、電子制御ユニット60はこのオフガス燃焼器57とも隣接せず離間して配置されている。なお、以下において、CO選択酸化部34、改質器30及びオフガス燃焼器57を高温部と称する。
【0039】
また、高温部と電子制御ユニット60との間には、システム稼働中の温度が低温であるアノードオフガス熱交換器42やカソードオフガス熱交換器44や冷却水熱交換器46や水タンク26が配置されており、特にこれらは電子制御ユニット60の近傍に配置されている。また、各種ポンプ48,51,222,223,261は本体パッケージ10aの底面略中央に配置され、ブロア41がその上方に配置され、ガス配管22(図1参照)から都市ガスを導入する都市ガス導入口22a及び貯湯パッケージ10bの水精製器25から精製水を導入する精製水導入口25aが本体パッケージ10aの右側面に設けられている。
【0040】
更に、システム稼働中に発生した排ガスを排出する第1ガス排出口49及び第2ガス排出口59は、電子制御ユニット60が配置されている右側面とは反対側の左側面に配置されている。本実施形態では、システム稼働中にカソードオフガス熱交換器44を通過したあとの排ガスは、第1ガス排出口49から外部へ排出される。また、システム起動時にアノードオフガス熱交換器42を通過したあと初期オフガス燃焼器57にて触媒燃焼されたときに生成した排ガスも、初期オフガス熱交換器58を経て第1ガス排出口49から外部へ排出される。一方、定常運転時にアノードオフガス熱交換器42を通過したあと燃焼部32に供給されたアノードオフガスが燃焼部32にて燃焼されたときに生成した燃焼排ガスや、昇圧ポンプ223を介して燃焼部32に供給された都市ガスが燃焼部32にて燃焼されたときに生成した燃焼排ガスは、燃焼排ガス熱交換器45を経て第2ガス排出口59から外部へ排出される。
【0041】
以上詳述した本実施形態の燃料電池発電システム10によれば、電子制御ユニット60は、高温部(改質器30,CO選択酸化部34及びオフガス燃焼部57)と同じ本体パッケージ10aに収められているものの、高温部と隣接せずに離間して配置されていることから、システム稼働中に高温部の影響を受けにくく高温化しにくい。したがって、電子制御ユニット60は機能上良好に動作することができる。
【0042】
また、電子制御ユニット60は、電子制御ユニット60と高温部との間に配置されている低温部(アノードオフガス熱交換器42やカソードオフガス熱交換器44や冷却水熱交換器46や水タンク26)によって遮熱されているため、本実施形態のように本体パッケージ10aをコンパクト化した場合であっても高温化しにくい。特に、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、冷却水熱交換器46及び水タンク26は、電子制御ユニット60の近傍に配置されているため、電子制御ユニット60はより有効に遮熱される。
【0043】
更に、電子制御ユニット60は、本体パッケージ10aのうち第1及び第2ガス排出口49,59が配置されている左側面とは反対側の右側面にほぼ接するようにして配置されているため、本実施形態のように本体パッケージ10aをコンパクト化した場合であっても排ガスの影響を受けにくく、機能上良好に動作することができる。
【0044】
更にまた、本実施形態では、高温部の上方に燃料電池40が配置されているため、システム起動時等に高温部で暖められた空気が燃料電池40の周りに集まりやすく暖機性が向上する。
【0045】
そしてまた、燃料電池40は一端にガス及び冷却水の配管接続部40a、他端に電力取出部40bを備えているため、比較的小さなスペースで配管の接続や電力の取り出しが可能となり、本実施形態のように本体パッケージ10aとしてコンパクトなパッケージを採用するのに適している。特に電力取出部40bは本体パッケージ10aの右側面から露出しやすい位置に配置されているため、系統連係パッケージ10cと接続する作業を容易に行うことができる。
【0046】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【0047】
例えば、上述した実施形態では、オフガス燃焼部57を触媒作用によって燃焼するように構成したが、バーナ(火炎)によって燃焼するように構成してもよい。
【0048】
また、上述した実施形態では、本体パッケージ10aにおいてリザーバタンク47を燃料電池40の手前に配置したが、このリザーバタンク47を電子制御ユニット60の上部と近接する位置に配置したり、高温部と電子制御ユニット60との間に配置したりしてもよい。こうすれば、リザーバタンク47により電子制御ユニット60を高温部から有効に遮熱することができる。
【0049】
更に、上述した実施形態で採用した本体パッケージ10aは幅700mm、奥行き360mm、高さ900mmの直方体形状の筐体としたが、特にそのサイズに限定されるものではなく、直方体形状以外の筐体(例えば円筒形状など)としてもよいし、更にコンパクトなサイズを採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】燃料電池発電システムの構成の概略を示すブロック図である。
【図2】燃料電池発電システムの電子制御ユニットの信号入出力を示すブロック図である。
【図3】燃料電池を構成する単セルの断面図である。
【図4】本体パッケージに収納された主要部品のレイアウトを示す説明図である。
【符号の説明】
5,8…DC/DCコンバータ、6…インバータ、10…燃料電池発電システム、10a…本体パッケージ、10b…貯湯パッケージ、10c…系統連係パッケージ、22…ガス配管、24…脱硫器、25…水精製器、26…水タンク、27…蒸発器、28…混合器、30…改質器、32…燃焼部、34…CO選択酸化部、40…燃料電池、41…ブロア、42…アノードオフガス熱交換器、43…冷却水循環経路、44…カソードオフガス熱交換器、45…燃焼排ガス熱交換器、46…冷却水熱交換器、47…リザーバタンク、48…循環ポンプ、49…第1ガス排出口、50…熱交換媒体循環経路、51…循環ポンプ、52…貯湯槽、54…熱交換媒体、410…単セル、412…電解質膜、414…アノード、415…燃料ガス供給路、416…カソード、417…酸化ガス供給路、418,420…セパレータ。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell power generation system.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a power generation system incorporating a fuel cell has been proposed as a cogeneration system in consideration of environmental problems. As this fuel cell, a cell constructed by stacking a plurality of single cells is known. As a single cell, an electrolyte membrane, an anode and a cathode sandwiching the electrolyte membrane, and fuel gas are supplied to the anode. In addition, a device is known that includes an oxidant gas supplied to the cathode and a separator that forms a partition wall between adjacent single cells. As a fuel gas, a fuel gas that uses a hydrogen-rich gas obtained by a reaction between a hydrocarbon fuel and water in a fuel gas generator heated by a burner or the like is known.
[0003]
By the way, in a fuel cell power generation system, one in which components such as a fuel cell and a fuel gas generator are housed in one package is known. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 9-199152, a single package is divided into a fuel chamber, a motor chamber, and a power supply chamber, and a hydrogen generator, a fuel cell, and a heat exchanger that generate hydrogen as fuel gas in the fuel chamber. Each component is accommodated.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-mentioned publication does not consider the layout in which the respective components such as the hydrogen generator, fuel cell, and heat exchanger are arranged. It was difficult to make the element work functionally.
[0005]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell power generation system capable of operating system components functionally. Another object of the present invention is to provide a fuel cell power generation system suitable for adopting a compact package.
[0006]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
In order to achieve at least one of the above-described objects, the present invention adopts the following configuration.
[0007]
  According to a first aspect of the present invention, a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas, a control unit that controls the amount of power generated by the fuel cell, and a high-temperature unit that has a high temperature during system operation are provided. A fuel cell power generation system comprising:
  The control unit and the high temperature unit;Is the sameIn the same packageAwayArranged,
  The control unit is a surface on the opposite side of the high temperature part arrangement surface on which the high temperature part is arranged in the package.ArrangedPlaced,
The high temperature part includes a fuel gas generation part that supplies a hydrogen rich gas obtained by a reaction between a hydrocarbon fuel and water as a fuel gas to the fuel cell,
  Between the control unit and the fuel gas generation unit, a water tank that stores water for reaction in the fuel gas generation unit is adjacent to the control unit as a low temperature unit in which the temperature during system operation is low. TheIt is what is arranged.
[0008]
  In this fuel cell power generation system, the control unit, which is one of the components of the system, is arranged away from the high-temperature unit, and therefore is not easily affected by the high-temperature unit during system operation and is not easily heated. Therefore, according to this fuel cell power generation system, the control unit can operate satisfactorily in function.Moreover, since the control part is arrange | positioned on the surface on the opposite side to the high temperature part arrangement | positioning surface where the high temperature part was arrange | positioned among packages, a control part and a high temperature part can be arrange | positioned comparatively largely. For this reason, it is difficult to increase the temperature of the controller. In addition, the fuel gas generation unit becomes high temperature during system operation, but the control unit is disposed away from the fuel gas generation unit, so that it is prevented from being heated by the fuel gas generation unit. Moreover, since the water tank is arrange | positioned as the said low-temperature part in the vicinity of the said control part, a control part is shielded effectively by a water tank.
[0010]
In the first fuel cell power generation system of the present invention, the fuel cell, the control unit, and the high temperature unit may be housed in the same package, and the fuel cell may be disposed above the high temperature unit. By doing so, air warmed in the high temperature part at the time of system startup or the like is likely to gather around the fuel cell, so that warm-up performance is improved. In this system configuration, the fuel cell may be disposed above the high-temperature unit and the control unit, and the fuel cell may be provided with a pipe connection unit for gas and cooling water at one end and a power extraction unit at the other end. Good. This makes it possible to connect pipes and take out electric power in a relatively small space, and is suitable for adopting a compact package.
[0012]
In the first fuel cell power generation system of the present invention, the high temperature portion is consumed by the fuel cell when the fuel cell is not passed through the system when the system is started or when the system is operating (that is, when the fuel cell is generating power). An off-gas combustion unit for burning the fuel gas that has not been present may be included. By so doing, the control unit is disposed away from the off-gas combustion unit that becomes hot due to the combustion of the fuel gas, so that the control unit is prevented from being heated up by the off-gas combustion unit.
[0014]
In the first fuel cell power generation system of the present invention, the low temperature portion includes an anode offgas heat exchanger that takes heat of the anode offgas discharged from the anode of the fuel cell, and a cathode offgas discharged from the cathode of the fuel cell. It may include at least one of a cathode off-gas heat exchanger that takes heat away and a cooling water heat exchanger that takes heat away from cooling water that cools the fuel cell. Each of the heat exchangers shown here is useful for shielding the control unit because the temperature during system operation is low. Here, the “anode offgas heat exchanger” also includes a condenser that condenses the moisture contained in the anode offgas, and the “cathode offgas heat exchanger” means a condensation that condenses the moisture contained in the cathode offgas. Including the vessel.
[0016]
A second aspect of the present invention is a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas, a control unit that controls the amount of power generated by the fuel cell, and a gas discharge unit that discharges exhaust gas generated during system operation. The control unit and the gas discharge unit are housed in the same package, and the control unit has a gas discharge unit arrangement surface on which the gas discharge unit is arranged in the package. Is arranged on a different surface.
[0017]
In this fuel cell power generation system, the control unit, which is one of the components of the system, is arranged on a surface of the package that is different from the surface of the gas discharge unit. Can work.
[0018]
In the second fuel cell power generation system of the present invention, the control unit may be arranged on a surface opposite to the gas discharge unit arrangement surface. In this way, the control unit is less susceptible to exhaust gas. Here, the gas discharge unit may discharge off-gas discharged from the anode or cathode of the fuel cell (may be gas after being subjected to some processing after being discharged from the fuel cell). And exhausting the combustion exhaust gas from the combustion part for supplying the heat necessary for the reaction out of the fuel gas generation part for supplying the fuel cell with hydrogen-rich gas obtained by the reaction between the hydrocarbon fuel and water. May be.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an outline of the configuration of the fuel cell power generation system 10, and FIG. 2 is a block diagram showing signal input / output of the electronic control unit 60 of the fuel cell power generation system 10.
[0020]
As shown in FIG. 1, this fuel cell power generation system 10 mainly includes a reformer 30 for reforming city gas into hydrogen-rich reformed gas, and a fuel gas by reducing carbon monoxide in the reformed gas. A CO selective oxidation unit 34, a mixer 28 that supplies a mixture of city gas and steam in an appropriate ratio to the reformer 30, and a water tank 26 that serves as a supply source of steam supplied to the mixer 28. And a fuel cell 40 that generates electric power by an electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidizing gas, and a heat exchange medium circulation path 50 that circulates water or hot water as the heat exchange medium 54 stored in the hot water tank 52. The heat exchangers 42, 44, 45, 46 are provided. 1 indicate the flow of the heat exchange medium 54 flowing through the circulation path 50, and (1) and (1), (2) and (2), and (3) and (3) are connected to each other. It shall be. Further, as shown in FIG. 2, the fuel cell power generation system 10 includes a DC / DC converter 5 that adjusts the voltage and current of the direct current power from the fuel cell 40 to convert it into desired direct current power, and the converted direct current power. Is converted to AC power having the same phase as that of the commercial power source 2 and supplied to the power line 12 for supplying power from the commercial power source 2 to the load 16 via the circuit breaker 7, and DC power with adjusted voltage or current A DC / DC converter 8 that functions as an auxiliary power source by stepping down a part of the power, a load wattmeter 4 that detects load power consumed by the load 16, and an electronic control unit 60 that serves as a control unit for controlling the entire system. It has.
[0021]
The reformer 30 supplies the mixture of the city gas and steam introduced from the mixer 28 to the steam reforming reaction and shift reaction of the following equations (1) and (2), thereby improving the hydrogen-rich reforming. Generates quality gas. The reformer 30 is provided with a combustion unit 32 that supplies heat necessary for such a reaction, and city gas is supplied to the combustion unit 32 from the gas pipe 22 via the valve 221 and the booster pump 223. At the same time, air necessary for combustion is supplied, and further, the anode off gas after passing through the anode off gas heat exchanger 42 is supplied. That is, in order to effectively use the anode off gas, unreacted hydrogen in the anode off gas can be used as the fuel of the combustion unit 32. In the present embodiment, a burner is employed as the combustion unit 32. The internal temperature of the reformer 30 including the combustion unit 32 during system operation reaches several hundred degrees Celsius (about 600 to 700 degrees Celsius).
[0022]
[Expression 1]
CHFour+ H2O → CO + 3H2    (1)
CO + H2O → CO2+ H2      (2)
[0023]
The CO selective oxidation unit 34 is modified by a carbon monoxide selective oxidation catalyst (for example, a catalyst made of an alloy of platinum and ruthenium) that receives supply of air from a pipe (not shown) and selects and oxidizes carbon monoxide in the presence of hydrogen. Carbon monoxide in the gas is selectively oxidized to obtain a hydrogen-rich fuel gas having a very low carbon monoxide concentration (about several ppm in this embodiment). The internal temperature of the CO selective oxidation unit 34 during system operation reaches several hundred degrees Celsius. The reformer 30 and the CO selective oxidation unit 34 correspond to the fuel gas generation unit of the present invention.
[0024]
The mixer 28 passes through the gas pipe 22 through the valve 221 and the booster pump 222 and then the city gas from which the sulfur content has been removed by the desulfurizer 24, and the steam from which water from the water tank 26 has been evaporated by the evaporator 27. They are mixed at an appropriate ratio and supplied to the reformer 30.
[0025]
The water tank 26 is connected to the evaporator 27 through a metering pump 261 and a valve 262. The water stored in the water tank 26 is supplied to the evaporator 27 by driving the metering pump 261. The water tank 26 is supplied with purified water from a water purifier 25 that purifies and purifies tap water, and is also connected to condensed water from an anode offgas heat exchanger 42 and a cathode offgas heat exchanger 44. Has been. The internal temperature of the water tank 26 during system operation is several tens of degrees Celsius (approximately 50 degrees C or less).
[0026]
The fuel cell 40 is configured as a solid polymer fuel cell in which a plurality of unit cells 410 (see FIG. 3) are stacked. The unit cell 410 includes an electrolyte membrane 412 and the electrolyte membrane 412 as shown in FIG. A separator having an anode 414 and a cathode 416 sandwiching the electrolyte membrane 412, a separator 418 having a fuel gas supply path 415 for supplying fuel gas to the anode 414, and an oxidizing gas supply path 417 for supplying oxidizing gas to the cathode 416 is provided. The separators 418 and 420 form a partition wall with the adjacent single cell 410. The anode 414 includes a catalyst electrode 414a and a gas diffusion electrode 414b, and the cathode 416 includes a catalyst electrode 416a and a gas diffusion electrode 416b. The fuel gas is supplied from the CO selective oxidation unit 34 to the anode 414 of each unit cell 410, and the air as the oxidation gas is supplied from the blower 41 through the humidifier 411 to the cathode 416 of each unit cell 410. Thus, power is generated by an electrochemical reaction between hydrogen in the fuel gas and oxygen in the oxidizing gas.
[0027]
In the heat exchange medium circulation path 50, the heat exchange medium 54 stored in the hot water storage tank 52 is transferred from the hot water storage 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 in this order, it returns to the hot water tank 52 again. The circulation pump 51 is provided in the middle of the heat exchange medium circulation path 50 and circulates the heat exchange medium 54 from the hot water storage tank 52 to the heat exchange medium circulation path 50. Hot water as the heat exchange medium 54 stored in the hot water storage tank 52 is supplied to a predetermined location through a hot water supply path (not shown), and hot water is supplied to the hot water storage tank 52 so that the hot water storage tank 52 is filled with water. The
[0028]
The anode off-gas heat exchanger 42 is fed from the CO selective oxidation unit 34 because the valve 61 and the valve 63 are opened and the valve 62 and the valve 64 are closed by the electronic control unit 60 when the system is started (immediately after the start of operation). Heat exchange is performed between the initial fuel gas and the heat exchange medium 54 passing through the heat exchange medium circulation path 50. In this anode off-gas heat exchanger 42, the heat exchange medium 54 recovers heat by depriving the initial latent heat of condensation of the fuel gas, and the fuel gas condenses moisture by depriving the latent heat of condensation and lowers the humidity. The anode offgas heat exchanger 42 supplies the fuel gas after the heat exchange to the initial offgas combustor 57. The fuel gas sent to the initial off-gas combustor 57 is catalytically combusted in the initial off-gas combustor 57 and then discharged to the outside through the initial off-gas heat exchanger 58 and the first gas discharge port 49 (see FIG. 4). . The initial offgas heat exchanger 58 and the initial offgas combustor 57 are incorporated in the cooling water circulation path 43, and the cooling water after passing through the fuel cell 40 causes the initial offgas heat exchanger 58 and the initial offgas combustor 57 to pass through this. Pass in order and cool.
[0029]
On the other hand, in the anode off gas heat exchanger 42, the valve 61 and the valve 63 are closed by the electronic control unit 60 and the valve 62 and the valve 64 are opened by the electronic control unit 60. Therefore, the anode 414 of the fuel cell 40 from the CO selective oxidation unit 34. Heat exchange is performed between the anode off-gas discharged via the heat exchange medium 54 and the heat exchange medium 54 passing through the heat exchange medium circulation path 50. In the anode off-gas heat exchanger 42, the heat exchange medium 54 recovers heat by depriving the condensation latent heat of the anode off-gas, and the anode off-gas condenses moisture and dehumidifies by depriving the condensation latent heat. The anode offgas heat exchanger 42 supplies the anode offgas after heat exchange to the combustion unit 32 and supplies condensed water obtained by condensing moisture in the anode offgas to the water tank 26. The internal temperature of the anode off-gas heat exchanger 42 during system operation is several tens of degrees Celsius (about 50 to 80 degrees Celsius).
[0030]
The cathode offgas heat exchanger 44 exchanges heat between the cathode offgas discharged from the cathode 416 of the fuel cell 40 and the heat exchange medium 54 that passes through the heat exchange medium circulation path 50. In the cathode offgas heat exchanger 44, the heat exchange medium 54 recovers heat by depriving the latent heat of condensation of the cathode offgas, and the cathode offgas condenses moisture by depriving the latent heat of condensation. Further, the cathode offgas heat exchanger 44 releases the cathode offgas after heat exchange from the first gas outlet 49 (see FIG. 4) to the atmosphere, and condensate water obtained by condensing moisture in the cathode offgas. Is supplied to the water tank 26. The internal temperature of the cathode offgas heat exchanger 44 during system operation is several tens of degrees Celsius (about 50 to 80 degrees Celsius).
[0031]
The combustion exhaust gas heat exchanger 45 performs heat exchange between the combustion exhaust gas generated in the combustion unit 32 and the heat exchange medium 54 that passes through the heat exchange medium circulation path 50. In the combustion exhaust gas heat exchanger 45, the heat exchange medium 54 takes heat from the combustion exhaust gas and recovers it. The combustion exhaust gas means that the anode off gas after passing through the city gas or the anode off gas heat exchanger 42 and oxygen in the air burn and pass through a jacket (not shown) provided so as to surround the reformer 30. The gas discharged from the second gas discharge port 59 (see FIG. 4).
[0032]
The cooling water heat exchanger 46 is provided in the middle of the cooling water circulation path 43. Here, the cooling water circulation path 43 is configured so that the cooling water stored in the reservoir tank 47 by the circulation pump 48 passes through the cooling water passage (not shown) of the fuel cell 40 from the reservoir tank 47 and then the initial off-gas heat exchanger 58 and the initial off-gas combustion. This is a circulation path that passes through a cooling water passage (not shown) of the vessel 57 and the cooling water heat exchanger 46 in this order and returns to the reservoir tank 47 again. However, a bypass path provided with a cooler 55 that performs forced cooling by a fan is provided between the coolant heat exchanger 46 and the reservoir tank 47 in the coolant circulation path 43, and the coolant is set in advance. When the temperature does not exceed, the thermostat 56 provided at the branch point of the bypass path does not operate, and the cooling water is immediately led from the cooling water heat exchanger 46 to the reservoir tank 47, whereas when the cooling water exceeds the predetermined temperature, the thermostat 56 is operated, and the cooling water is led to the bypass path and forcedly cooled by the cooler 55 and then led to the reservoir tank 47. The cooling water heat exchanger 46 is a cooling water after passing through the fuel cell 40, the initial off-gas heat exchanger 58 and the initial off-gas combustor 57 (which is heated by cooling each part) and a heat exchange medium circulation path. Heat exchange is performed with the heat exchange medium 54 passing through 50. Although the electrochemical reaction in the fuel cell 40 is an exothermic reaction, the fuel cell 40 is maintained at an appropriate temperature (80 to 90 ° C. in this embodiment) by circulating the cooling water in this way. The internal temperature of the cooling water heat exchanger 46 during system operation is several tens of degrees Celsius (about 50 to 80 degrees Celsius).
[0033]
As shown in FIG. 2, the output terminal of the fuel cell 40 is connected to the power line 12 from the commercial power supply 2 to the load 16 via the DC / DC converter 5, the inverter 6, and the circuit breaker 7. Is converted into AC power having the same phase as that of the commercial power source 2, added to the AC power from the commercial power source 2, and supplied to the load 16. Since the DC / DC converter 5 and the inverter 6 are configured as a general DC / DC converter circuit and an inverter circuit, detailed description thereof is omitted. The power line branched from the output side of the DC / DC converter 5 includes solenoids of various valves 29, 61 to 64, 221, 262, various pumps 48, 51, 222, 223, 261, a blower 41, and the like. A DC / DC converter 8 that functions as a DC power source for supplying DC power to the auxiliary machine is connected. The load 16 is connected to the power line 12 via the circuit breaker 18.
[0034]
The electronic control unit 60 is configured as a microprocessor including a well-known CPU, ROM, RAM, and the like. The electronic control unit 60 includes an output current and voltage from a current sensor and voltage sensor (not shown) in the inverter 6, load power from the load wattmeter 4, reformer 30, CO selective oxidation unit 34, and fuel cell 40. Each temperature from the attached temperature sensor (not shown) is input. Further, from the electronic control unit 60, drive signals to the solenoids of the various valves 29, 61 to 64, 221, 262, drive signals to the various pumps 48, 51, 222, 223, 261, and drive to the blower 41. In addition to the signal and the ignition signal to the combustion unit 32, a control signal to the DC / DC converter 5 and the DC / DC converter 8, a switching control signal to the inverter 6, a drive signal to the circuit breaker 7, and the like are output.
[0035]
When one of the high, middle, and low operation modes is determined according to the load power detected by the load wattmeter 4, the electronic control unit 60 uses the power determined according to the operation mode as the target output power. The power generation amount of the fuel cell 40 is controlled such that the DC power from the fuel cell 40 is converted by the inverter 6 and the AC power supplied to the power line 12 becomes the target output power, or the DC / DC converter 5 Control the inverter 6. Here, the control of the power generation amount of the fuel cell 40 is, for example, the supply amount of the fuel gas to the fuel cell 40 by controlling the city gas valve 221 and boost pump 222 or the metering pump 261 and valve 262 of the water tank 26. Or the supply amount of the oxidizing gas is controlled by controlling the blower 41.
[0036]
Next, the package configuration of the fuel cell power generation system 10 thus configured will be described. As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell power generation system 10 includes a main body package 10a, a hot water storage package 10b, and a system linkage package 10c, and each of the packages 10a, 10b, and 10c has a single casing. Various system components are housed inside. That is, main body package 10a mainly includes reformer 30, CO selective oxidation unit 34, water tank 26, fuel cell 40, blower 41, anode offgas heat exchanger 42, cathode offgas heat exchanger 44, and combustion exhaust gas heat exchange. The container 45, the cooling water heat exchanger 46, the reservoir tank 47, the electronic control unit 60, and the like are housed. The hot water storage package 10b mainly contains a water purifier 25, a hot water tank 52, and the like. Furthermore, the system linkage package 10c mainly contains DC / DC converters 5 and 8, an inverter 6, and the like.
[0037]
The main body package 10a will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 4 is an explanatory view showing the layout of the main components housed in the main body package 10a, and is a front view when a front door (not shown) that can be opened and closed or detached is opened in the main body package 10a, the left and right sides are widths, The top and bottom represent the height, and the front and back (perpendicular to the page) represent the depth. The main body package 10a of the present embodiment is a rectangular parallelepiped housing having a width of 700 mm, a depth of 360 mm, and a height of 900 mm, and has a compact size compared to the conventional case.
[0038]
A fuel cell 40, a reservoir tank 47, and a humidifier 411 are disposed at the uppermost stage of the main body package 10 a, and the reservoir tank 47 is disposed in front of the fuel cell 40. The fuel cell 40 includes a fuel gas, oxidant gas, and cooling water pipe connecting portion 40a on the left end wall, and a power extraction portion 40b that outputs power to the system linkage package 10c on the right end wall. Also, in the space below the fuel cell 40 in the main body package 10a, the reformer 30 and the CO selective oxidation unit 34 as the fuel gas generation unit and the electronic control unit 60 as the control unit are not adjacent but separated. Are arranged. Specifically, the reformer 30 and the CO selective oxidation unit 34, which are at a high temperature during system operation, are arranged so as to be substantially in contact with the left side surface of the main body package 10a, and the electronic control unit 60 is disposed on the right side surface of the main body package 10a. It is arrange | positioned so that it may touch substantially. Further, an off-gas combustor 57 having a high temperature at the time of starting the system is disposed in the vicinity of the reformer 30, and the electronic control unit 60 is disposed not adjacent to the off-gas combustor 57 but apart from it. Hereinafter, the CO selective oxidation unit 34, the reformer 30, and the off-gas combustor 57 are referred to as a high temperature unit.
[0039]
Between the high temperature section and the electronic control unit 60, an anode offgas heat exchanger 42, a cathode offgas heat exchanger 44, a cooling water heat exchanger 46, and a water tank 26, which are at a low temperature during system operation, are disposed. In particular, these are arranged in the vicinity of the electronic control unit 60. Further, the various pumps 48, 51, 222, 223, and 261 are disposed substantially at the center of the bottom surface of the main body package 10a, the blower 41 is disposed above the city gas, and city gas is introduced from the gas pipe 22 (see FIG. 1). A purified water inlet 25a for introducing purified water from the inlet 22a and the water purifier 25 of the hot water storage package 10b is provided on the right side surface of the main body package 10a.
[0040]
Further, the first gas exhaust port 49 and the second gas exhaust port 59 for exhausting exhaust gas generated during system operation are arranged on the left side surface opposite to the right side surface on which the electronic control unit 60 is arranged. . In the present embodiment, the exhaust gas after passing through the cathode offgas heat exchanger 44 during system operation is discharged to the outside from the first gas discharge port 49. Further, exhaust gas generated when the catalyst is combusted in the initial off-gas combustor 57 after passing through the anode off-gas heat exchanger 42 at the time of system startup also passes through the initial off-gas heat exchanger 58 to the outside from the first gas exhaust port 49. Discharged. On the other hand, the combustion exhaust gas generated when the anode off gas supplied to the combustion unit 32 after passing through the anode off gas heat exchanger 42 during steady operation is combusted in the combustion unit 32, or the combustion unit 32 via the booster pump 223. The combustion exhaust gas generated when the city gas supplied to is combusted in the combustion section 32 is discharged to the outside through the combustion exhaust gas heat exchanger 45 from the second gas discharge port 59.
[0041]
According to the fuel cell power generation system 10 of the present embodiment described in detail above, the electronic control unit 60 is housed in the same main body package 10a as the high temperature part (the reformer 30, the CO selective oxidation part 34, and the off-gas combustion part 57). However, since it is arranged not adjacent to the high temperature part but spaced apart, it is difficult to be affected by the high temperature part during system operation, and it is difficult to increase the temperature. Therefore, the electronic control unit 60 can operate satisfactorily in function.
[0042]
In addition, the electronic control unit 60 includes a low temperature part (an anode offgas heat exchanger 42, a cathode offgas heat exchanger 44, a cooling water heat exchanger 46, a water tank 26, and the like disposed between the electronic control unit 60 and the high temperature part. ), It is difficult to increase the temperature even when the main body package 10a is downsized as in the present embodiment. In particular, since the anode offgas heat exchanger 42, the cathode offgas heat exchanger 44, the cooling water heat exchanger 46, and the water tank 26 are disposed in the vicinity of the electronic control unit 60, the electronic control unit 60 is more effectively shielded. Be heated.
[0043]
Furthermore, since the electronic control unit 60 is disposed so as to be substantially in contact with the right side surface of the main body package 10a opposite to the left side surface where the first and second gas discharge ports 49 and 59 are disposed, Even when the main body package 10a is downsized as in the present embodiment, it is not easily affected by exhaust gas, and can function well in terms of function.
[0044]
Furthermore, in the present embodiment, since the fuel cell 40 is disposed above the high temperature part, air warmed in the high temperature part is easily collected around the fuel cell 40 at the time of starting the system and the warm-up property is improved. .
[0045]
In addition, since the fuel cell 40 is provided with a pipe connection part 40a for gas and cooling water at one end and a power extraction part 40b at the other end, it is possible to connect the pipe and take out power in a relatively small space. It is suitable for adopting a compact package as the main body package 10a as in the form. In particular, since the power extraction portion 40b is disposed at a position where it can be easily exposed from the right side surface of the main body package 10a, the operation of connecting to the system linkage package 10c can be easily performed.
[0046]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can of course be implemented in various forms within the scope belonging to the technical scope of the present invention.
[0047]
For example, in the embodiment described above, the off-gas combustion unit 57 is configured to burn by catalytic action, but may be configured to burn by a burner (flame).
[0048]
In the above-described embodiment, the reservoir tank 47 is disposed in front of the fuel cell 40 in the main body package 10a. However, the reservoir tank 47 is disposed at a position close to the upper portion of the electronic control unit 60, or the high-temperature section and the electronic device. It may be arranged between the control unit 60 and the like. In this way, the reservoir tank 47 can effectively shield the electronic control unit 60 from the high temperature portion.
[0049]
Furthermore, although the main body package 10a adopted in the above-described embodiment is a rectangular parallelepiped casing having a width of 700 mm, a depth of 360 mm, and a height of 900 mm, the size is not particularly limited, and a casing other than a rectangular parallelepiped ( For example, it may be a cylindrical shape) or a more compact size.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an outline of a configuration of a fuel cell power generation system.
FIG. 2 is a block diagram showing signal input / output of an electronic control unit of the fuel cell power generation system.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a single cell constituting a fuel cell.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a layout of main components housed in a main body package.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5,8 ... DC / DC converter, 6 ... Inverter, 10 ... Fuel cell power generation system, 10a ... Main body package, 10b ... Hot water storage package, 10c ... System linkage package, 22 ... Gas piping, 24 ... Desulfurizer, 25 ... Water purification , 26 ... water tank, 27 ... evaporator, 28 ... mixer, 30 ... reformer, 32 ... combustion section, 34 ... CO selective oxidation section, 40 ... fuel cell, 41 ... blower, 42 ... anode off-gas heat exchange , 43 ... cooling water circulation path, 44 ... cathode off-gas heat exchanger, 45 ... combustion exhaust gas heat exchanger, 46 ... cooling water heat exchanger, 47 ... reservoir tank, 48 ... circulation pump, 49 ... first gas outlet, DESCRIPTION OF SYMBOLS 50 ... Heat exchange medium circulation path, 51 ... Circulation pump, 52 ... Hot water storage tank, 54 ... Heat exchange medium, 410 ... Single cell, 412 ... Electrolyte membrane, 414 ... Anode, 415 ... Fuel gas supply path 416 ... cathode, 417 ... oxidizing gas supply path, 418 and 420 ... separator.

Claims (4)

燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電量を制御する制御部と、システム稼働中の温度が高温である高温部とを備えた燃料電池発電システムであって、
前記制御部と前記高温部とは同じパッケージ内にて離間して配置され、
前記制御部は、前記パッケージのうち前記高温部が配置された高温部配置面とは反対側の面に配置され、
前記高温部は、炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを燃料ガスとして前記燃料電池へ供給する燃料ガス生成部を含み、
前記制御部と前記燃料ガス生成部との間には、システム稼働中の温度が低温である低温部として、前記燃料ガス生成部における反応用の水を貯留する水タンクが前記制御部に隣接して配置されている、
燃料電池発電システム。
A fuel cell power generation system comprising: a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas; a control unit that controls the amount of power generated by the fuel cell; and a high-temperature unit that is at a high temperature during system operation. There,
From said control unit and the high temperature portion is spaced hand in the same package,
The control unit, the high temperature portion disposed surface on which the high-temperature portion is disposed among the packages are placed on the opposite side,
The high temperature part includes a fuel gas generation part that supplies a hydrogen rich gas obtained by a reaction between a hydrocarbon fuel and water as a fuel gas to the fuel cell,
Between the control unit and the fuel gas generation unit, a water tank that stores water for reaction in the fuel gas generation unit is adjacent to the control unit as a low temperature unit in which the temperature during system operation is low. Arranged,
Fuel cell power generation system.
前記燃料電池と前記制御部と前記高温部とは同じパッケージ内に収められ、前記燃料電池が前記高温部の上方に配置されている
請求項1記載の燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the fuel cell, the control unit, and the high temperature unit are housed in the same package, and the fuel cell is disposed above the high temperature unit.
前記燃料電池は前記高温部と前記制御部との上方に配置され、該燃料電池の一端にガス及び冷却水の配管接続部、他端に電力取出部が設けられている
請求項1又は2に記載の燃料電池発電システム。
The fuel cell is disposed above the high temperature part and the control part, and a pipe connection part of gas and cooling water is provided at one end of the fuel cell, and a power extraction part is provided at the other end. The fuel cell power generation system described.
前記高温部は、システム起動時に前記燃料電池を通過させなかった燃料ガス又はシステム運転時に前記燃料電池にて消費されなかった燃料ガスを燃焼するオフガス燃焼部を含む
請求項1〜のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
The hot section, to any one of claims 1 to 3 including the off-gas combustion unit for combusting a fuel gas not consumed in the fuel cell the fuel cell to the fuel gas or the system during operation did not pass through the system startup The fuel cell power generation system described.
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