JP4464594B2 - Fuel cell power generation system - Google Patents
Fuel cell power generation system Download PDFInfo
- Publication number
- JP4464594B2 JP4464594B2 JP2002014186A JP2002014186A JP4464594B2 JP 4464594 B2 JP4464594 B2 JP 4464594B2 JP 2002014186 A JP2002014186 A JP 2002014186A JP 2002014186 A JP2002014186 A JP 2002014186A JP 4464594 B2 JP4464594 B2 JP 4464594B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- gas
- unit
- fuel
- control unit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
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
[0020]
As shown in FIG. 1, this fuel cell
[0021]
The
[0022]
[Expression 1]
CHFour+ H2O → CO + 3H2 (1)
CO + H2O → CO2+ H2 (2)
[0023]
The CO
[0024]
The
[0025]
The
[0026]
The
[0027]
In the heat exchange
[0028]
The anode off-
[0029]
On the other hand, in the anode off
[0030]
The cathode offgas heat exchanger 44 exchanges heat between the cathode offgas discharged from the
[0031]
The combustion exhaust
[0032]
The cooling
[0033]
As shown in FIG. 2, the output terminal of the
[0034]
The
[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
[0036]
Next, the package configuration of the fuel cell
[0037]
The
[0038]
A
[0039]
Between the high temperature section and the
[0040]
Further, the first
[0041]
According to the fuel cell
[0042]
In addition, the
[0043]
Furthermore, since the
[0044]
Furthermore, in the present embodiment, since the
[0045]
In addition, since the
[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-
[0048]
In the above-described embodiment, the
[0049]
Furthermore, although the
[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
Claims (4)
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.
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.
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.
請求項1〜3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.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002014186A JP4464594B2 (en) | 2002-01-23 | 2002-01-23 | Fuel cell power generation system |
US10/326,140 US7494731B2 (en) | 2001-12-27 | 2002-12-23 | Fuel cell power generation system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002014186A JP4464594B2 (en) | 2002-01-23 | 2002-01-23 | Fuel cell power generation system |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007070560A Division JP4664936B2 (en) | 2007-03-19 | 2007-03-19 | Fuel cell power generation system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003217635A JP2003217635A (en) | 2003-07-31 |
JP4464594B2 true JP4464594B2 (en) | 2010-05-19 |
Family
ID=27650941
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002014186A Expired - Fee Related JP4464594B2 (en) | 2001-12-27 | 2002-01-23 | Fuel cell power generation system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4464594B2 (en) |
Families Citing this family (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004303495A (en) * | 2003-03-31 | 2004-10-28 | Hitachi Ltd | Fuel cell power generation hot-water supply system |
JP4604514B2 (en) * | 2004-03-03 | 2011-01-05 | パナソニック株式会社 | Household fuel cell cogeneration system |
JP2006049093A (en) * | 2004-08-04 | 2006-02-16 | Corona Corp | Fuel cell cogeneration system |
WO2006019030A1 (en) * | 2004-08-18 | 2006-02-23 | Kurimoto, Ltd. | Motorized wheelchair |
JP2006073264A (en) * | 2004-08-31 | 2006-03-16 | Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp | Fuel cell power generation system and warm water producing method |
JP5123465B2 (en) * | 2005-02-18 | 2013-01-23 | パナソニック株式会社 | Fuel cell power generation system |
JP2008235094A (en) * | 2007-03-22 | 2008-10-02 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP2008235109A (en) * | 2007-03-22 | 2008-10-02 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP2008287959A (en) * | 2007-05-16 | 2008-11-27 | Nippon Oil Corp | Indirect internal reform type high-temperature type fuel cell |
JP5431018B2 (en) | 2008-08-07 | 2014-03-05 | 本田技研工業株式会社 | Fuel cell system |
JP2010062133A (en) * | 2008-08-07 | 2010-03-18 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP5318506B2 (en) | 2008-09-08 | 2013-10-16 | 本田技研工業株式会社 | Fuel cell system |
CN102369624B (en) * | 2009-03-31 | 2016-06-15 | 松下电器产业株式会社 | Fuel cell system |
JP5988625B2 (en) * | 2012-03-09 | 2016-09-07 | アイシン精機株式会社 | Fuel cell system |
JP6301821B2 (en) * | 2014-12-15 | 2018-03-28 | 大阪瓦斯株式会社 | Cogeneration system |
JP6638543B2 (en) * | 2016-04-26 | 2020-01-29 | 三浦工業株式会社 | Heated water production system |
-
2002
- 2002-01-23 JP JP2002014186A patent/JP4464594B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2003217635A (en) | 2003-07-31 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7494731B2 (en) | Fuel cell power generation system | |
JP4464594B2 (en) | Fuel cell power generation system | |
JP4248182B2 (en) | Fuel cell power generation system and fuel cell purging method | |
US20020071972A1 (en) | Fuel cell battery with heating and an improved cold-start performance, and method for cold-starting of a fuel cell battery | |
JP2004204849A (en) | Cooled turbine integrated fuel cell hybrid power plant | |
JPH10308230A (en) | Power generating device for fuel cell | |
RU2443040C2 (en) | Fuel elements system | |
JP3943405B2 (en) | Fuel cell power generation system | |
JP4664936B2 (en) | Fuel cell power generation system | |
JP3960002B2 (en) | Fuel cell system | |
JP3943406B2 (en) | Fuel cell power generation system and operation method thereof | |
JP3986430B2 (en) | Hydrogen utilization system using solid oxide fuel cell | |
JP4886238B2 (en) | Fuel cell unit | |
JP4176130B2 (en) | Fuel cell power generation system | |
JP5171103B2 (en) | Fuel cell cogeneration system | |
JP3789706B2 (en) | CO conversion unit and polymer electrolyte fuel cell power generation system | |
JP2002208427A (en) | Reforming device for fuel cell | |
JP4610906B2 (en) | Fuel cell power generation system and method for starting fuel cell power generation system | |
JP2003272677A (en) | Solid oxide type fuel cell and cogeneration system using the same | |
JP2005285648A (en) | Fuel cell system | |
JP3939333B2 (en) | Hot water system | |
JP2003317778A (en) | Exhaust gas combustor of fuel cell, and fuel cell power generation system | |
WO2023182490A1 (en) | Fuel cell system | |
JP2005268190A (en) | Fuel cell system | |
JP2000173632A (en) | Fuel cell power generation system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050128 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070116 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070319 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20080527 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080725 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080703 |
|
A911 | Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20080814 |
|
A912 | Removal of reconsideration by examiner before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912 Effective date: 20081226 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100113 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20100219 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130226 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140226 Year of fee payment: 4 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |